基于SiC-CNT復合材料的電容式MEMS加速度計制造

碳化硅（SiC）被認為是微機電系統(tǒng)（MEMS）的優(yōu)秀材料，尤其是那些在高溫、高輻射和腐蝕性等具有挑戰(zhàn)性環(huán)境中工作的微機電系統(tǒng)。然而，SiC的大批量微機械加工仍然存在挑戰(zhàn)，這阻礙了復雜SiC MEMS的發(fā)展。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了解決上述問題，荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）的Sten Vollebregt副教授團隊提出使用涂覆有非晶SiC（a-SiC）的碳納米管（CNT）陣列作為替代復合材料，以實現(xiàn)高縱橫比（HAR）表面微加工。通過使用預圖案化的催化劑層，HAR CNT陣列可以作為結(jié)構(gòu)模板生長，然后通過在CNT束中均勻填充低壓化學氣相沉積（LPCVD）a-SiC來進行致密化。

為了展示SiC-CNT復合材料在MEMS中的應用，研究團隊設計、制造和測試了一款應用該材料的電容式MEMS加速度計。制備結(jié)果表明，該復合材料與表面微加工器件的制備工藝完全兼容。復合材料的楊氏模量由測得的彈簧常數(shù)中提取，結(jié)果表明，涂覆a-SiC后，CNT的機械性能有了很大改善。最后，該團隊對所制造的SiC-CNT電容式MEMS加速度計進行了電學表征，并使用機械振動器確認了其功能。相關(guān)研究成果以“A high aspect ratio surface micromachined accelerometer based on a SiC-CNT composite material”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

本研究提出的SiC-CNT復合材料的概念如圖1所示。首先，將SiO?層沉積在硅襯底上，作為催化劑堆棧的擴散阻擋層。該氧化層也被用作表面微機械加工器件的犧牲層。然后，通過電子束蒸發(fā)生長用于CNT生長的催化劑堆疊。蒸發(fā)后，使用Aixtron Blackmagic通過化學氣相沉積（CVD）生長CNT陣列。沉積速率為每分鐘數(shù)十微米；然而，隨著時間的推移，這一速率會逐漸降低。這種降低源于催化劑層（即本例中為Fe）的耗盡，最終導致CNT的生長終止。

CNT生長后的橫截面如圖1a所示，圖1c顯示了生長后的垂直排列的碳納米管（VACNT）陣列的表面，其中CNT纖維通過范德華力微弱地交織在一起。最高的CNT陣列通過5分鐘沉積獲得，其高度為96.3 μm，如圖2所示。插圖中所示的測試結(jié)構(gòu)的縱橫比在0.96到96.3之間。CNT陣列生長后，VACNT陣列被a-SiC的LPCVD填充，如圖1b所示。沉積后的結(jié)果如圖1d所示。比較圖1c和1d，可以看出沉積后的單個CNT纖維變得更厚。

圖1 制備SiC-CNT復合材料的基本概念示意圖

圖2 生長后的VACNT陣列的SEM圖像（傾斜視圖）

為了展示將SiC-CNT復合材料用于HAR器件的潛力，研究人員設計、制造并表征了一種使用SiC-CNT復合材料制造的經(jīng)典梳狀電容式MEMS加速度計。HAR結(jié)構(gòu)對于電容式MEMS傳感器特別有用，因為它能有效地增加用于電容檢測的表面積。

梳狀結(jié)構(gòu)電容式MEMS加速度計的示意圖如圖3a所示。該器件包括一個基準質(zhì)量塊、叉指狀物（固定指狀物錨定到襯底，可移動指狀物附接到基準質(zhì)量塊）、固定錨和作為連接基準質(zhì)量塊和錨點的彈簧的折疊梁。除固定錨之外，所有結(jié)構(gòu)均采用表面微機械加工工藝懸浮。

圖3 SiC-CNT電容式MEMS加速度計示意圖

SiC-CNT電容式MEMS加速度計的制造工藝步驟如圖4所示。

圖4 SiC-CNT電容式MEMS加速度計的制備工藝

使用SEM檢測制造完成的SiC-CNT加速度計，器件的全視圖如圖5a所示。圖5b顯示了叉指狀陣列。圖5c顯示了叉指狀陣列的特寫視圖，其中可移動電容器板和靜態(tài)電容器板之間沒有發(fā)現(xiàn)物理接觸。圖5f顯示了器件懸浮部分的90°傾斜視圖，其中沒有觀察到下垂現(xiàn)象。

圖5 使用SEM檢測制造的SiC-CNT電容式MEMS加速度計

器件制造完成后，研究人員對晶圓進行切割并在芯片級對其進行表征。他們使用Agilent 4294?精密阻抗分析儀測量MEMS加速度計的電容，結(jié)果如圖6所示。

圖6 SiC-CNT電容式MEMS加速度計的電容測量

研究人員還在振動器上對SiC-CNT電容式MEMS加速度計進行了測試，以驗證其對振動環(huán)境的響應。實驗設置的示意圖如圖7a所示。器件采用雙列直插式封裝，并安裝在振動器上（圖7b）。計算結(jié)果繪制在圖7d中。線性擬合的確定系數(shù)（R2）為97.38%，線性擬合曲線的斜率表明加速度計的靈敏度約為0.14 fF/g。

圖7 振動測量實驗設置及結(jié)果

綜上所述，這項研究工作利用涂覆有LPCVD a-SiC的VACNT陣列來制備SiC-CNT復合材料，旨在克服制造HAR-SiC結(jié)構(gòu)的瓶頸。由于CNT的快速生長速率和垂直生長特性，預圖案化的CNT陣列為制造HAR微結(jié)構(gòu)提供了極佳的模板。通過利用CNT束的多孔性，a-SiC填料可以容易地滲入CNT模板并均勻地涂覆在每根纖維上，從而使結(jié)構(gòu)致密化。SiC-CNT復合材料的電導率是a-SiC填充材料的10?倍。SiC-CNT復合材料的電阻率溫度系數(shù)（TCR）約為?315?ppm/K，這與純CNT的類似。SiC-CNT/TiN界面的接觸電阻率為4.63?×?10?? Ω?cm2。

研究人員設計并制造了一種電容式MEMS加速度計，以演示SiC-CNT復合材料在MEMS中的應用。標稱電容與設計值一致，C-V曲線表明器件已成功懸浮。SiC-CNT復合材料的楊氏模量是從測得的彈簧常數(shù)中提取的，其值為169.61?GPa。高溫試驗表明，該復合材料具有在惡劣環(huán)境中應用的潛力。測得的加速度計的靈敏度為0.14 fF/g（基于間接測量）。研究人員計劃繼續(xù)開展復合材料的機械特性測試、電容輸出的實時測量以及與ASIC的集成等方面的研究工作。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00672-x

審核編輯：劉清