一种应变调控低维材料的微机电执行器

本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种应变调控低维材料的微机电执行器。

背景技术：

随着微机电系统和低维材料的快速发展，在原子尺度上操纵和施加应变能够改变能带结构，为大幅度的提高材料的性能提供了可能。二维材料和纳米线材料等低维材料在拉伸应变等机械变形下表现出可调的材料性能，其对应的块体材料(如大块硅)在小于2％的标称应变下断裂，而低维材料尤其是二维材料可以实现25％的应变，且不会降低材料质量。使得低维材料的电学性能、热学性能、光学性能等发生了显著变化。理论上能够精确控制低维材料中的应变，详细研究应变的影响，并创造出新的应变器件如可拉伸、可编程器件。现有的应变工程调控低维材料的方法通常是对底层基板操作，如对基板进行弯曲或拉伸，但是这类方法在电子产品中实现和集成存在着很大的困难。现有的技术对应变的控制也有限，需要体积庞大的压力室或较大的梁弯曲设备，这些设备无法和cmos工艺兼容，而且无法在低温状态下实现测量。

微机电系统具有良好的可控性和易于集成到电子设备中的优点，这是由于目前已经拥有了成熟的制造工艺。微机电系统致动器可以通过电能或电热作用进行驱动，在平面内拉伸低维材料实现对材料内部应变的调控，从而最终实现拉伸器件的效果。目前，已经证明了微机电系统可以用来动态调控低维材料如二维材料、纳米材料和碳纳米管等，应用潜力巨大。因此将低维材料如二维材料集成到微机电系统上，使用微机电系统调控纳机电系统在应变工程中得到了广泛的使用。比如在传感器、信号处理、通信等领域，表现出了良好的应用前景。此外，通过蒸发金属固定低维材料的方式还可以实现低维材料和硅的电学界面的集成，制做成可拉伸、可电学编程控制的器件。但是，微机电系统一般在数百微米尺寸，低维材料包含二维材料、纳米材料和碳纳米管等厚度在纳米级别、大小在微米级别，因此将其集成到微机电系统上比较困难。基于低维材料的应变工程，有许多理论上的建议，但实现系统中应变场的纯机械控制仍是很大的挑战。

经过对现有文献的检索发现，现有的微机电系统存在调节范围、应变梯度小、无法与硅基电路兼容、降低系统品质因数等问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种应变调控低维材料的微机电执行器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供的一种应变调控低维材料的微机电执行器包括：

步骤一：获取绝缘体上硅晶圆；

其中，所述绝缘体上硅晶圆包括顶层器件硅层、中间氧化层以及底部支撑硅层；

步骤二：在所述顶层器件硅层的指定位置进行光刻、剥离、镀金属铝，并进行退火处理，形成在绝缘体上硅晶圆上的欧姆电极；

其中，所述指定位置是可实现金属与硅欧姆接触的位置；

步骤三：在所述顶层器件层硅表面欧姆电极位置镀铬后再镀一层保护金属，以保护铝层；

步骤四：在镀保护金属之后绝缘体上硅晶圆上按照预设的图案，制备微机系统mems执行器器件；

其中，所述mems执行器结构包括可动结构、固定结构以及连接所述可动结构及固定结构的u型弹簧；

步骤五：在mems执行器结构上可动结构中间位置开设微沟槽；

其中，微沟槽的间隙宽度在0至50微米区间；

步骤六：将mems执行器结构切割为小片；

步骤七：制备低维材料，并将低维材料转移到聚二甲基硅氧烷pdms上；

步骤八：在聚二甲基硅氧烷上的低维材料转移到mems执行器结构中的微沟槽上；

步骤九：刻蚀去除mems执行器结构中的中间氧化层；

步骤十：对低维材料进行固定以使低维材料在微沟槽上不发生滑动，得到新的mems执行器。

步骤九和步骤十可以互换

优选的，所述步骤四包括：

步骤4.1：对绝缘体上硅晶圆顶层器件层表面旋涂光刻胶，以使光刻胶覆盖绝缘体硅晶圆；

步骤4.2：使用掩膜板覆盖所述硅晶圆，以使所述光刻胶与所述掩膜板接触；

步骤4.3：使用光刻技术对硅晶圆进行图形化，以使图形部分保留光刻胶；

步骤4.4：通过深反应离子刻蚀drie技术刻蚀soi上的硅层，形成弹簧、以及弹簧连接的固定结构以及可动结构，得到mems执行器结构；

步骤4.5：去除残余的光刻胶。

优选的，所述步骤七包括：

将硅晶圆切割为小片，尺寸根据需求而定，为3mm×3mm。

优选的，所述步骤十包括：

使用硅胶固定或蒸发金属的方式对低维材料进行固定，以使低维材料在微沟槽上不发生滑动，得到新的mems执行器。

优选的，使用硅胶固定方式对低维材料进行固定，以使低维材料在微沟槽上不发生滑动，得到新的mems执行器包括：

使用缓冲氧化物蚀刻、氢氟酸刻或者hf、xef2等气体蚀去除中间氧化层；

使用锥形微型移液器将硅胶微滴施加到低维材料的两端，将低维材料的两端分别固定在mems执行器结构的固定电极和悬空电极上。

优选的，使用蒸发金属的方式对低维材料进行固定，以使低维材料在微沟槽上不发生滑动，得到新的mems执行器包括：

将所述mems执行器结构放在对准平台上；

其中，所述对准平台可转动；

将掩膜板覆盖低维材料；

其中掩膜板上有通孔；

使用蒸发金属方式将金属通过掩膜板的通孔沉积到低维材料上，使低维材料固定。

优选的，在所述步骤二之前，所述制作方法还包括：

在底部支撑硅层上沉积一层氮化硅作掩膜；

在底部支撑硅层进行光刻；

采用反应离子刻蚀rie技术对底部支撑硅层氮化硅做反应离子刻蚀；

使用氢氧化钾对底部支撑硅层未保护硅作湿法刻蚀处理，从而使得mems执行器结构可以透过电子束而不再被硅层阻挡。

优选的，在所述步骤二之前，所述制作方法还包括：

在底部支撑硅层涂上光刻胶进行光刻；

采用深反应离子刻蚀drie技术对底部支撑硅层涂光刻胶未保护硅作干法刻蚀处理，从而使得mems执行器结构可以透过电子束而不再被硅层阻挡。

第二方面.本发明提供的一种应变调控低维材料的微机电执行器，使用第一方面所述制作而成，所述微机电执行器包括：

可动结构、固定结构、连接所述可动结构及固定结构的u型弹簧、微沟槽以及低维材料；

所述低维材料固定在所述微沟槽上，所述微沟槽开设在可动结构与弹簧连接的右侧中间位置；

其中，微沟槽的间隙宽度在0至50微米区间。

本发明提供的一种绝缘体上应变调控低维材料的mems执行器，通过在mems执行器结构上开设微沟槽，并且在微沟槽两侧固定低维材料，从而对低维材料进行应变调控及其电学、光学性能调控，使得制作出的mems执行器具备可拉伸、可编程控制低维材料的应变能力。与现有技术相比，本发明不仅解决了原有工艺方法固定材料的力学接口难题，还同时实现了低维材料与mems执行器的电学接口，从而使得可在mems执行器上直接读取电学信号，成功得到电学控制应变电子、光电子器件。此外，本发明提供的方法，不仅可用于mems执行器的制作，还可用于制作悬臂梁等微机电系统。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明提供一种应变调控低维材料的微机电执行器的流程图；

图2a是本发明提供的微机电系统制造过程示意图；

图2b是本发明提供的一种固定流程示意图；

图2c是本发明提供的硅晶圆俯视图；

图3是本发明提供的微机电系统制造过程示意图；

图4是本发明提供的一种固定流程示意图；

图5是本发明提供的mems执行器示意图；

图6是本发明提供的光学检测系统示意图；

图7是本发明提供的硅胶固定低维材料整体装置示意图；

图8是本发明提供的蒸发金属装置示意图；

图9是本发明提供的器件测试示意图；

图10a是本发明提供的氢氧化钾溶液刻蚀时对应的掩膜板工艺图；

图10b是本发明提供的湿法刻蚀器件下方硅层示意图；

图11是本发明提供的干法刻蚀器件下方硅层示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

如图1所示，本发明提供的一种应变调控低维材料的微机电执行器包括：

步骤一：获取绝缘体上硅晶圆；

其中，绝缘体上硅晶圆是现有的，所述绝缘体上硅晶圆包括顶层器件硅层、中间氧化层以及底部支撑硅层；

步骤二：在顶层器件硅层的指定位置光刻、剥离、镀金属铝，并进行退火处理，形成在绝缘体上硅晶圆上的电极；

其中，所述指定位置是可实现金属与硅欧姆接触的位置，参考图2c中1-8位置；

步骤三：在顶层器件层硅表面镀铬后再镀一层保护金属，以保护铝层；

其中，保护金属可以为金、铂或者在酸或者碱里保持稳定的金属都属于本发明保护的范围。

在绝缘体放置一层硅，获得绝缘体上硅晶圆；从一个4英寸所述绝缘体上硅晶圆开始，该晶圆由12微米厚的顶层器件硅层，参考图2a中子图a中1位置、375微米厚的底部支撑硅层，参考图2a中子图a中3位置和2微米厚的中间氧化层，参考图2a中子图a中2位置。顶层器件层的硅上图2a中子图a的1位置镀金属铝，图2c为镀金属前硅晶圆的俯视图，在图2c中1-8位置以外区域涂光刻胶、镀金属铝、而后去除光刻胶。再进行退火处理，形成硅的欧姆接触，即在绝缘体上硅晶圆上形成电极，参考图2a中子图a中4位置。从而便于后续的电学性能测试。同时防止后续刻蚀过程中对铝的腐蚀，在铝层上镀上一层铬，覆盖铝层。参考图2a中子图a中5位置和一层金覆盖上一层进行保护，参考图2a中子图a中6位置。

步骤四：在镀保护金属之后硅晶圆上按照预设的图案，制备mems执行器器件；

其中，所述mems执行器结构包括可动结构、固定结构以及连接所述可动结构及固定结构的u型弹簧；

步骤五：在mems执行器结构上可动结构中间位置开设微沟槽；

其中，微沟槽的间隙宽度在0至50微米区间；

步骤六：将mems执行器结构切割为小片；

在mems执行器弹簧连接可动结构中间位置，如图5子图a中1位置，开一个微沟槽。微沟槽典型间隙宽度为0至50微米，微沟槽以外区域涂光刻胶，为微沟槽镀金属铝，金属铝层覆盖微沟槽，为防止后续刻蚀过程中对铝的腐蚀以及与蒸发上的金属形成金属间互联，在铝层上镀上一层铬覆盖铝层和一层金覆盖铬层，进行保护。完成镀金属后，去除光刻胶，而后进行退火处理，形成硅的欧姆接触，在绝缘体上硅晶圆上形成电极。为了后续的电学性能测试，

其中，可以将硅晶圆切割为3mm×3mm小片。

步骤七：制备低维材料，并将低维材料转移到聚二甲基硅氧烷pdms上；

mems执行器在矩形所标记的区域，即微沟槽区域中没有释放孔，这便于完成低维材料的转移过程。在转移过程中，为了使低维材料具有良好的附着力，使用聚二甲基硅氧烷(pdms)压模将低维材料转移到微沟槽上。

步骤八：在聚二甲基硅氧烷上的低维材料转移到mems执行器结构中微沟槽上；

步骤九：刻蚀去除mems执行器结构中的中间氧化层；

其中，将去除中间氧化层的mems执行器结构在二氧化碳临界点干燥器(cpd)中释放。

步骤十：对低维材料进行固定以使低维材料在微沟槽上不发生滑动，得到新的mems器件。

可以理解，为防止在施加拉力过程中低维材料滑动，需要对低维材料进行固定。低维材料在微沟槽上有在电极上方(图2a为低维材料在电极上方)和在电极右侧(图3为低维材料在电极右侧)两种位置。每一种位置都可以用硅胶固定或蒸发金属的方式进行固定。

可以理解，步骤九与步骤十可以互换，不分前后顺序。

本发明提供的一种绝缘体上应变调控低维材料的mems执行器，通过在mems执行器结构上开设微沟槽，并且在微沟槽两侧固定低维材料，从而对低维材料进行应变调控及其电学、光学性能调控，使得制作出的mems执行器具备可拉伸、可编程控制低维材料的应变能力。与现有技术相比，本发明不仅解决了原有工艺方法固定材料的力学接口难题，还同时实现了低维材料与mems执行器的电学接口，从而使得可在mems执行器上直接读取电学信号，成功得到电学控制应变电子、光电子器件。此外，本发明提供的方法，不仅可用于mems执行器的制作，还可用于制作悬臂梁等微机电系统。

实施例二

作为本发明一种可选的实施例，所述步骤四包括：

步骤4.1：对绝缘体上硅晶圆顶层器件层表面旋涂光刻胶，以使光刻胶覆盖绝缘体硅晶圆；

步骤4.2：使用掩膜板覆盖所述硅晶圆，以使所述光刻胶与所述掩膜板接触；

步骤4.3：使用光刻技术对硅晶圆进行图形化，以使图形部分保留光刻胶；

步骤4.4：通过深反应离子刻蚀drie技术刻蚀soi上的硅层，形成弹簧、以及弹簧连接的固定结构以及可动结构，得到mems执行器结构；

步骤4.5：去除残余的光刻胶。

对绝缘体上硅晶圆表面旋涂光刻胶，光刻胶覆盖绝缘体硅晶圆，掩膜板直接与绝缘体硅晶圆上方的光刻胶接触，执行分辨率为1微米的标准光刻技术来对晶圆进行图形化，图形部分保有光刻胶。参考图2a中子图b中7位置。光刻完成后，去除残余的光刻胶，参考图1子图f，通过弹簧连接固定结构和可动结构，图2a中子图i为晶圆表面光刻胶俯视图。在图2a中子图i视图中，光刻胶的涂层位置覆盖上一层镀层以及微沟槽。

实施例三

作为本发明一种可选的实施例，所述步骤十一包括：

使用硅胶固定或蒸发金属的方式对低维材料进行固定，以使低维材料在微沟槽上不发生滑动，得到新的mems执行器。

实施例四

作为本发明一种可选的实施例，使用硅胶固定方式对低维材料进行固定，以使低维材料在微沟槽上不发生滑动，得到新的mems执行器包括：

步骤a：使用缓冲氧化物蚀刻、氢氟酸刻或者hf、xef2等气体蚀去除中间氧化层；

其中，参考图4中子图a；

步骤b：使用锥形微型移液器将硅胶微滴施加到低维材料的两端，将低维材料的两端分别固定在mems执行器结构的固定电极和悬空电极上。

其中，参考图4中子图b。

可以理解，使用硅胶固定时，用锥形微型移液器将硅胶等微滴施加到低维材料的两端，将低维材料的两端分别固定在mems执行器的固定电极和悬空电极上。在滴加硅胶等微滴的过程中，通过高分辨率xyz平台，硅胶固定低维材料装置参考图7。对其位置进行精确控制。也可以先固定低维材料，如图2b子图a中1位置，而后使用缓冲氧化物蚀刻(boe)或氢氟酸(hf)刻或者hf、xef2等气体蚀去除中间氧化层，如图2b子图b中的2位置。

实施例五

作为本发明一种可选的实施例，使用蒸发金属的方式对低维材料进行固定，以使低维材料在微沟槽上不发生滑动，得到新的mems执行器包括：

步骤a：将所述mems执行器器件放在对准平台上；

其中，所述对准平台可转动；

步骤b：将掩膜板覆盖低维材料；

其中掩膜板上有通孔；

步骤c：使用蒸发金属方式将金属通过掩膜板的通孔沉积到低维材料上，使低维材料固定。

其中，将顶层的硅及低维材料放置于对准平台的样品台，参考图8中1位置上。对准平台为对准平台，参数为底座直径100毫米，样品台直径32毫米，高度30毫米。对准平台上的掩膜板使用高精度硅基掩膜板，掩膜板上图形的大小和形状根据需求定制，在实施例六中，以使用氢氧化钾溶液刻蚀出图形为例，对掩膜板的工艺进行说明。将掩膜板放置于对准平台的铜片夹下。参考图8中2位置，右侧为掩膜板图8中3位置放大图。利用金属钛完成对低维材料的固定。将低维材料需要蒸发金属的位置移至掩膜板上的图形下。参考图8中的4位置。通过电子束或者溅射方法蒸发的方式进行。在高真空状态下由电子束或者溅射方法加热坩埚中的金属，使其熔融后蒸发到掩膜板上，而后部分金属，参考图2a子图g中9位置。通过掩膜板上的图形进入到低维材料和原有的镀层金属上形成金属膜，实现对低维材料固定的同时，又连接了低维材料和镀层金属，即低维材料、电极、蒸发金属三者相接触，参考图5中子图a中的1位置和图5中子图a中的2位置。掩膜板上有较大通孔，便于蒸发金属时进行观察参考图8中的5位置。电子束蒸发方法坩埚选用石墨坩埚。选用金属钛作为蒸发金属。将蒸发源置于石墨坩埚中，使用电子束预融和蒸发钛，蒸发厚度1微米。通过蒸发，使得低维材料与底层硅实现了电学界面的集成。

实施例六

作为本发明一种可选的实施例，在所述步骤二之前，所述制作方法还包括：

步骤a：在底部支撑硅层上沉积一层氮化硅作掩膜；

步骤b：在底部支撑硅层进行光刻；

步骤c：采用反应离子刻蚀rie技术对底部支撑硅层氮化硅做反应离子刻蚀；

步骤d：使用氢氧化钾对底部支撑硅层未保护硅作湿法刻蚀处理，从而使得mems执行器器件可以透过电子束而不再被硅层阻挡。用氮化硅作掩膜，氢氧化钾对底部支撑硅层未保护硅作湿法刻蚀时，图10a为对应的掩膜板工艺图。

图10为本实施例六制作方法的流程图，在镀金属铝层前,在底部支撑硅层上沉积一层氮化硅作掩膜，参考图10中子图b中1位置，使用氢氧化钾(koh)对下方硅层部分作湿法刻蚀处理，从而使得器件可以透过电子束而不再被硅层阻挡。

实施例七

作为本发明一种可选的实施例，在所述步骤二之前，所述制作方法还包括：

步骤a：在底部支撑硅层涂上光刻胶进行光刻；

步骤b：采用深反应离子刻蚀技术drie对底部支撑硅层涂光刻胶未保护硅作干法刻蚀处理，从而使得mems执行器器件可以透过电子束而不再被硅层阻挡。

同时也可以使用另一种工艺刻蚀，图11为本实施例七制作方法流程图，在镀金属铝层前，在底部支撑硅层外边沿区域上涂上光刻胶，参考图11中子图b中1位置。然后采用深反应离子刻蚀(drie)技术对下方硅层，即底部支撑层部分作干法刻蚀处理，从而也可以使器件透过电子束而不再被硅层阻挡。

本发明提供的应变调控低维材料的mems执行器制作方法与现有的方法相比，不仅可以对低维材料进行应变调控及其电学、光学性能调控，使得制作出的mems执行器具备可拉伸、可编程控制低维材料的应变能力。也解决了原有工艺方法固定材料的力学接口难题，还同时实现了低维材料与mems执行器的电学接口，从而使得可在mems执行器上直接读取电学信号，成功得到电学控制应变电子、光电子器件。此外，将本发明的绝缘体上硅mems执行器下方硅层部分刻蚀处理后，器件可以透过电子束，从而能够使用透射电子显微镜(tem)对器件进行原位表征。同时，本发明提供的方法，不仅可用于mems执行器的制作，还可用于制作悬臂梁等微机电系统。

实施例八

本发明提供的一种绝缘体上硅应变调控低维材料的mems执行器，使用权利要求实施例至实施例七制作而成，所述mems执行器包括：

所述mems执行器包括可动结构、固定结构、连接所述可动结构及固定结构的u型弹簧、微沟槽以及低维材料；

所述低维材料固定在所述微沟槽上，所述微沟槽开设在可动结构中间位置；

其中，微沟槽的间隙宽度在0至50微米区间。

可以理解，参考图9，图9为电学测试示意图，可以使用电学或光学系统测量mems执行器的电学或者谐振特性，以光学系统测量和表征为例说明。在调控前和调控期间，对光学测试系统激光功率进行校准，并监控mems执行器上低维材料的谐振频率，以确保频率调谐只由mems执行器诱发。在该系统中，利用405纳米的调幅二极管激光器通过周期性光热激励来激发mems执行器，蓝色激光停在受支持区域，参考图6中1位置，并保持在最小功率，以尽量减少对mems执行器的加热。

参考图6中2位置，利用633纳米的激光对包含mems执行器的系统运动调制干涉信号。使用显微物镜聚焦两个激光器，如图6中3位置，将405纳米激光聚焦到微机电系统旁边的基板上，如图6中4位置，将633纳米的激光聚焦到悬空的微机电系统上，如图6中5位置，真空室压强为20毫托，温度为室温，激光功率调整为低于200微瓦，以避免激光加热。

利用光电探测器检测来自器件的633纳米激光的反射强度。为防止405纳米激光的干扰，在光电探测器前安装长通滤波器，参考图6中6位置。

用网络分析仪进行记录，参考图6中7位置。

上述测试可以获知该mems执行器是否符合标准，从而重新调整。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。