納米吸氣劑制備方法

專利名稱：納米吸氣劑制備方法
技術領域：
本發明涉及一種吸氣劑，尤其是涉及一種納米吸氣劑制備方法。
背景技術：
隨著MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術日趨成熟，MEMS器件也得到了廣泛的應用，如微型加速計、微陀螺儀、微型壓力傳感器和場效應顯示器等都需要在高真空度的環境下才能使用，以減小摩擦，達到長期穩定工作的目的。MEMS封裝工藝中危害最大的就是殘留氣體、泄漏氣體和濕氣，這些都會增加結構間的滑動摩擦阻力，嚴重影響器件工作性能(參考文獻Benvenuti C，Chiggiato P，Mongelluzzo A，et al.Influence ofthe elemental compositionand crystal structure on the vacuum properties of Ti-Zr-V non-evaporable getter films[J]，Vacuum Science &Technology，2001，19(6)2925～2930)。現實上，因為氣體的存在，真空度不夠，這些器件執行的效果都會受到影響，有些器件要求微腔的真空度低于10-3托(甚至低于10-6托)，由于封裝(比如鍵合)、除氣或泄漏等產生的氣體導致這些條件很難達到。利用傳統的分子泵或者低溫泵可以達到一定的真空度，但工藝過程復雜，耗時長，成本高，真空度很難長時間保持。因此，降低成本、維持高真空度成為MEMS器件封裝工藝過程中的難題之一。利用吸氣劑來吸收MEMS器件封裝后的殘余氣體，提高并維持器件真空度，這樣既可延長器件的使用壽命，又可以保證真空器件工作的穩定性和可靠性(參見文獻1.Douglas R.Sparks，S.Massoud-Ansari，and Nader Najafi.Chip-level vacuum packaging of micromachines Using NanoGetters[C]，IEEE TRANSACTIONS ON ADVANCED PACKAGING，2003，26(3)277～282；2.Byeungleul Leel，SeonhoSeokl and Kukjin Chun.A study on wafer level vacuum packaging for MEMS devices，MICROMECHANICSAND MICROENGINEERING[J]，2003，13663～66)。而且現有的吸氣劑的工作性能在使用過程中將受到吸氣劑材料、表面積、工作溫度和壓力以及氣體種類等因素的影響，尤其是表面積，無論是蒸散型還是非蒸散型NEG(Non Evaporable Getter)，都存在著以下缺點1)微腔里傳統多孔NEG難裝配，吸氣效率低，對微腔造成污染；2)能夠維持的真空度不高，時間不長；3)沉積的薄膜不具備多孔質等問題。

發明內容
本發明的目的在于針對現有的吸氣劑存在的微腔里傳統多孔NEG難裝配，能夠維持的真空度不高、時間不長以及沉積的薄膜不具備多孔質等問題，提供一種表面積與體積比率高，吸附作用強，可沉積多種合金薄膜，制備工藝成熟的納米吸氣劑制備方法。
本發明的具體步驟為1)采用化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD)法在硅基上生長碳納米管先將濺射有催化劑的基底硅片樣品放入石英管中，并抽真空至100～250Torr，通25～200sccm的保護氣Ar+H2至0.8～1.2atm，將爐內加熱到850～1100℃，維持這個爐溫，關閉Ar+H2，接著持續通25～200sccm的CH45～30min，反應結束，關閉CH4，在Ar+H2的保護下冷卻至50～300℃，取出樣品；2)在碳納米管上均勻涂布Ti金屬以增強吸氣劑的化學吸附作用。
在步驟1)中，先將濺射有催化劑的基底硅片樣品放入石英管中，并抽真空至200 Torr，通30sccm的保護氣Ar+H2至1atm，將管式爐內加熱到950℃，維持這個爐溫，關閉Ar+H2，接著持續通30sccm的CH410min，反應結束，關閉CH4，在Ar+H2的保護下冷卻至250℃后，取出樣品。
所述的催化劑為Ni與Fe二元合金；厚度為4～10nm，最好是5nm，按質量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。所述的保護氣Ar+H2按體積百分比為Ar∶H2＝98％∶2％。所述的基底為Si基。
在步驟2)中，所述的涂布可采用蒸鍍的方法涂布，Ti膜金屬的厚度為10～50nm，最好為30nm。
吸氣劑在吸氣過程中，有兩種作用發生，即物理作用和化學作用。
物理作用當氣體分子與吸氣劑表面碰撞時，氣體分子可能被吸氣劑表面吸附，形成單分子或數個分子的薄層。
化學作用吸附在吸氣劑表面的氣體分子，有可能向吸氣劑內部擴散，并與吸氣劑形成化合物，或與吸氣劑形成固溶體，從而使氣體被固定在吸氣劑中。
非蒸散型的吸氣劑一般可以通過改變吸氣材料的合金成分來提高吸氣能力，吸氣材料一般由兩部分組成活性元素和抗燒結元素。抗燒結物質的加入可以防止燒結時活性元素的聚集長大，并能抑制粉末燒結體的明顯收縮，以達到在燒結體外形尺寸不增加的情況下，實際表面積大大增大，從而達到提高吸氣能力的目的。根據吸氣劑的吸氣機理，吸氣材料的表面特性在材料對活性氣體的吸收上起著重要的作用，只有促進其表面反應才能有效提高材料吸氣速率。因此，提高材料吸氣性能的辦法之一就是在不改變吸氣材料外形尺寸的前提下增大材料本身的孔隙度，即提高吸氣劑的表面積與體積的比率。本發明的技術方案是利用碳納米管的大表面積和物理儲氣特性，在其表面均勻涂布Ti膜金屬以提高吸氣劑的表面積與體積的比率，從而增強吸氣劑的化學吸附能力。
利用納米吸氣劑可以將微腔里的H2，O2，CO，N2，H2O等活性氣體抽取出來，以提高微腔的真空度，延長器件的使用壽命。
由此可見，與現有的吸氣劑相比，本發明的突出優點在于1.表面積與體積比率高，吸附作用增強如圖1所示，樣品的尺寸長×寬×厚為10000μm×10000μm×30μm。
1)傳統結構的表面積與體積比率計算表面積S＝10000×10000＝108μm2；體 積V＝10000×10000×30＝3×109μm3；表面積與體積比率SV=1083×109=0.033333.]]>2)增大空隙度后的納米結構表面積S′＝108+50000×0.03×10000＝1.15×108μm2；體 積V′＝3×109+25000×0.2×10000×0.03＝3.0015×109μm3；表面積與體積比率S′V′=1.15×1083.0015×109=0.038314.]]>2.可沉積多種合金薄膜可在骨架結構上沉積Ti，Zr，V，Fe，Al以及它們的混合物等。


圖1為納米骨架上的吸氣劑薄膜。在圖1中，a)為傳統的結構，b)為增大空隙度后的結構。在圖例標識中，1為納米骨架結構，2為吸氣劑薄膜。
具體實施例方式
以下實施例將對本發明作進一步的說明。
實施例1采用化學氣相沉積法在硅基上均勻大面積生長碳納米管先將濺射有催化劑的基底硅片樣品放入石英管中，并抽真空至200Torr，通30sccm的保護氣Ar+H2至1.0atm，將爐內加熱到900℃，維持這個爐溫，關閉Ar+H2，接著持續通30sccm的CH410min，反應結束，關閉CH4，在Ar+H2的保護下冷卻至250℃，取出樣品。催化劑為Ni與Fe二元合金，厚度為5nm，按質量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。保護氣Ar+H2按體積百分比為Ar∶H2＝98％∶2％。基底為Si基。
采用蒸鍍的方法在碳納米管上均勻涂布厚度為25nm的Ti金屬膜，以增強吸氣劑的化學吸附作用。
經測試，所獲得的納米吸氣劑的性能如下1.微腔尺寸長2000μm，高200μm，薄膜厚度2μm；2.壓力10-3Torr；3.氣體H2，O2，N2，CO，CO2，H2O……；4.Ti膜吸氣劑厚度100～3000nm；5.微加熱器Au，500nm。
實施例2采用化學氣相沉積法在硅基上均勻大面積生長碳納米管先將濺射有催化劑的基底硅片樣品放入石英管中，并抽真空至100Torr，通50sccm的保護氣Ar+H2至1.1atm，將爐內加熱到950℃，維持這個爐溫，關閉Ar+H2，接著持續通50sccm的CH420min，反應結束，關閉CH4，在Ar+H2的保護下冷卻至200℃，取出樣品。催化劑為Ni與Fe二元合金，厚度為4nm，按質量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。保護氣Ar+H2按體積百分比為Ar∶H2＝98％∶2％。基底為Si基。
采用蒸鍍的方法在碳納米管上均勻涂布厚度為30nm的Ti金屬膜，以增強吸氣劑的化學吸附作用。
實施例3采用化學氣相沉積法在硅基上均勻大面積生長碳納米管先將濺射有催化劑的基底硅片樣品放入石英管中，并抽真空至150Torr，通25sccm的保護氣Ar+H2至0.8atm，將爐內加熱到850℃，維持這個爐溫，關閉Ar+H2，接著持續通25sccm的CH45min，反應結束，關閉CH4，在Ar+H2的保護下冷卻至50℃，取出樣品。催化劑為Ni與Fe二元合金，厚度為6nm，按質量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。保護氣Ar+H2按體積百分比為Ar∶H2＝98％∶2％。基底為Si基。
采用蒸鍍的方法在碳納米管上均勻涂布厚度為20nm的Ti金屬膜，以增強吸氣劑的化學吸附作用。
實施例4采用化學氣相沉積法在硅基上均勻大面積生長碳納米管先將濺射有催化劑的基底硅片樣品放入石英管中，并抽真空至180Torr，通100sccm的保護氣Ar+H2至1.2atm，將爐內加熱到1000℃，維持這個爐溫，關閉Ar+H2，接著持續通100sccm的CH415min，反應結束，關閉CH4，在Ar+H2的保護下冷卻至100℃，取出樣品。催化劑為Ni與Fe二元合金，厚度為8nm，按質量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。保護氣Ar+H2按體積百分比為Ar∶H2＝98％∶2％。基底為Si基。
采用蒸鍍的方法在碳納米管上均勻涂布厚度為10nm的Ti金屬膜，以增強吸氣劑的化學吸附作用。
實施例5采用化學氣相沉積法在硅基上均勻大面積生長碳納米管先將濺射有催化劑的基底硅片樣品放入石英管中，并抽真空至250Torr，通200sccm的保護氣Ar+H2至0.9atm，將爐內加熱到1100℃，維持這個爐溫，關閉Ar+H2，接著持續通200sccm的CH430min，反應結束，關閉CH4，在Ar+H2的保護下冷卻至300℃，取出樣品。催化劑為Ni與Fe二元合金，厚度為10nm，按質量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。保護氣Ar+H2按體積百分比為Ar∶H2＝98％∶2％。基底為Si基。
采用蒸鍍的方法在碳納米管上均勻涂布厚度為50nm的Ti金屬膜，以增強吸氣劑的化學吸附作用。
權利要求
1.納米吸氣劑制備方法，其特征在于其步驟為1)采用化學氣相沉積法在硅基上生長碳納米管先將濺射有催化劑的基底硅片樣品放入石英管中，并抽真空至100～250Torr，通25～200sccm的保護氣Ar+H2至0.8～1.2atm，將爐內加熱到850～1100℃，維持這個爐溫，關閉Ar+H2，接著持續通25～200sccm的CH45～30min，反應結束，關閉CH4，在Ar+H2的保護下冷卻至50～300℃，取出樣品；2)在碳納米管上均勻涂布厚度為10～50nmTi膜金屬。
2.如權利要求1所述的納米吸氣劑制備方法，其特征在于在步驟1)中，先將濺射有催化劑的基底硅片樣品放入石英管中，并抽真空至200Torr，通30sccm的保護氣Ar+H2至1atm。
3.如權利要求1所述的納米吸氣劑制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述的管式爐內加熱到950℃。
4.如權利要求1所述的納米吸氣劑制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述的關閉Ar+H2，接著持續通30sccm的CH410min，反應結束。
5.如權利要求1所述的納米吸氣劑制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述的關閉CH4，在Ar+H2的保護下冷卻至250℃后，取出樣品。
6.如權利要求1所述的納米吸氣劑制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述的催化劑為Ni與Fe二元合金，厚度為4～10nm，按質量百分比，Ni∶Fe＝80％∶20％。
7.如權利要求6所述的納米吸氣劑制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述的Ni與Fe二元合金的厚度為5nm。
8.如權利要求1所述的納米吸氣劑制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述的保護氣Ar+H2按體積百分比為Ar∶H2＝98％∶2％。
9.如權利要求1所述的納米吸氣劑制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述的基底為Si基。
10.如權利要求1所述的納米吸氣劑制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述的涂布采用蒸鍍的方法，Ti膜金屬的厚度為30nm。
全文摘要
納米吸氣劑制備方法，涉及一種吸氣劑，尤其是涉及一種納米吸氣劑制備方法。提供一種表面積與體積比率高，吸附作用強，可沉積多種合金薄膜，制備工藝成熟的納米吸氣劑制備方法。其步驟為采用化學氣相沉積法在硅基上生長碳納米管先將濺射有催化劑的基底硅片樣品放入石英管中抽真空，通保護氣Ar+H
文檔編號B81C3/00GK1915798SQ200610152030
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月11日 優先權日2006年9月11日
發明者孫道恒, 陳松平 申請人:廈門大學