專利名稱：高深寬比碳微機電系統(tǒng)的表面和組成增強的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳微結(jié)構(gòu)和特別是含具有由高深寬比(aspect ratio)帶來的大表面積和表面增強的碳結(jié)構(gòu)的微機電系統(tǒng)(C-MEMS)，本發(fā)明還涉及用于制造所述結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
近來人們將注意力集中在了碳微機電系統(tǒng)(C-MEMS)上。然而，采用包括聚焦離子束(FIB)和反應(yīng)離子刻蝕(RIE)在內(nèi)的現(xiàn)有加工技術(shù)的C-MEMS碳結(jié)構(gòu)的微制造往往既費時又費錢。低特征分辯率、碳組合物的不良再現(xiàn)性以及所得裝置的巨大性能差異限制了絲網(wǎng)印刷商購碳墨水在C-MEMS中的應(yīng)用。不過，有一種基于光圖案化抗蝕劑(光致抗蝕劑)在不同溫度和不同環(huán)境氣氛下的熱解的C-MEMS微制造技術(shù)很有前途。使用光致抗蝕劑作為各種碳結(jié)構(gòu)的微制造的起始材料的優(yōu)點在于光致抗蝕劑可以通過照相平版印刷技術(shù)被非常精細地圖案化并由此將能獲得各式各樣的可重復(fù)樣式。而且不同溫度處理可產(chǎn)生不同的電阻率和機械性能。一些重要的C-MEMS性能包括材料具有非常寬的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口，顯示出色的生物相容性，成本低，可再現(xiàn)性強，與傳統(tǒng)上使用得更多的碳墨水印刷相比可以限定極微細的幾何形狀，可獲得寬范圍的電阻率和機械性能，以及此非常化學(xué)惰性的材料表面易于得到(derivatize)。這種材料對于包括DNA陣列、葡萄糖傳感器和微電池在內(nèi)的生物MEMS應(yīng)用來說非常重要。
現(xiàn)今文獻中所記述的大多數(shù)熱解光致抗蝕劑結(jié)構(gòu)涉及由正性光致抗蝕劑獲得的碳特征且深寬比非常低。高深寬比和密集C-MEMS圖案的制造是一個難題，因為隨著光致抗蝕劑厚度的增加，任何平版印刷工藝的要求都呈指數(shù)增長。基本上，很難設(shè)計厚的正性光致抗蝕劑化學(xué)過程在保持出色的側(cè)壁角度的同時達到必要的透光度和實現(xiàn)合理的照射劑量。使用X光源對PMMA抗蝕劑曝光的LIGA工藝能夠獲得1mm左右的結(jié)構(gòu)。然而，這種工藝需要昂貴的同步加速輻射源，因此期望更便宜和更容易的工藝。
在碳微結(jié)構(gòu)充當(dāng)轉(zhuǎn)移界面的許多應(yīng)用例如電池應(yīng)用的電極、用于DNA固定的移植位置、用于化學(xué)傳感器的感應(yīng)電極等中，近來注意力集中在通過增大碳微結(jié)構(gòu)的表面積來提高表面積-體積比并由此提高單位占地面積容量的方法。近來注意力還集中在提供可以充當(dāng)微米級和納米級電子設(shè)備之間的橋接的結(jié)構(gòu)的方法。
因此，期望向C-MEMS提供具有大表面積的碳微結(jié)構(gòu)和充當(dāng)微米級和納米級電子設(shè)備之間橋接的集成結(jié)構(gòu)，以及提供制備所述結(jié)構(gòu)的改進方法。
概要本發(fā)明提供含具有高深寬比和/或納米級表面增強的碳結(jié)構(gòu)的改進的C-MEMS構(gòu)造，和用于制造所述結(jié)構(gòu)的改進的系統(tǒng)和方法。在碳微結(jié)構(gòu)充當(dāng)轉(zhuǎn)移分界面的許多應(yīng)用中(例如用于電池應(yīng)用的電極、用于DNA固定的移植位置、用于化學(xué)傳感器的感應(yīng)電極等等)，大表面積是人們所希望的。此處提供的高深寬比和納米級表面增強有利地能顯著增大碳微結(jié)構(gòu)的表面積。
在如下只作為例子描述的而不用于限制本發(fā)明的一個實施方案中，碳微結(jié)構(gòu)的表面被納米紋理化以增大碳微結(jié)構(gòu)的表面積。碳微結(jié)構(gòu)表面的納米紋理化可以通過在熱解之前將碳微結(jié)構(gòu)或碳前體聚合物微結(jié)構(gòu)暴露于氧等離子體來實現(xiàn)。等離子體使微結(jié)構(gòu)的表面變粗糙，建立起類似浮石的納米紋理化表面。
在如下只作為例子描述而不用于限制本發(fā)明的另一實施方案中，碳微結(jié)構(gòu)可以用能顯著增大微結(jié)構(gòu)表面積的納米級結(jié)構(gòu)如納米管、納米線、納米纖維等的富涂層覆蓋。例如，對于鋰離子微電池應(yīng)用，碳納米管和硅納米線在C-MEMS電極上的結(jié)合將增大電極表面積，并由此增大Li存儲容量和功率密度以及降低電池充/放電速率。
可以通過在碳微結(jié)構(gòu)表面沉積催化劑顆?；?qū)⒋呋瘎┠D案化以及在含碳氣體(例如甲烷)氣氛中于碳微結(jié)構(gòu)上生長納米纖維、納米管、納米線等將納米級結(jié)構(gòu)形成在碳微結(jié)構(gòu)上?；蛘?，也可以通過首先在碳前體聚合物微結(jié)構(gòu)表面沉淀催化劑或由嵌有催化劑的碳前體聚合物形成碳前體微結(jié)構(gòu)，然后借助于局部化學(xué)氣相沉積工藝生長納米級結(jié)構(gòu)(在熱解碳微結(jié)構(gòu)的同時進行)而將納米級結(jié)構(gòu)形成在碳微結(jié)構(gòu)上。由于碳前體聚合物被熱解，在將聚合物轉(zhuǎn)化成碳的同時含碳氣體被釋放到爐內(nèi)氣氛中。同時，這些含碳氣體到達催化劑材料，促進納米結(jié)構(gòu)在碳微結(jié)構(gòu)上的生長。
除了提供在許多應(yīng)用中所希望的巨大表面積增大之外，納米線和納米管向C-MEMS結(jié)構(gòu)中的集成有利地向碳納米電子器件提供了一種電接觸解決方案。具有集成的納米線/管的C-MEMS可以是微米或毫米體系與納米級電子裝置如碳納米管基納米電子裝置之間的電橋。C-MEMS結(jié)構(gòu)既可用作載體也可用作與納米級材料的電接觸。碳-碳接觸被認為是一種具有可忽略的接觸電阻的理想電接觸。
在如下只作為例子描述而不用于限制本發(fā)明的另一實施方案中，碳微結(jié)構(gòu)是深寬比大于10∶1的高深寬比碳柱。所述高深寬比碳柱優(yōu)選地通過熱解由碳前體聚合物圖案化得到的聚合物柱而微制造。熱解步驟優(yōu)選地包括在惰性和合成氣體氣氛中以及追隨所述聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的高溫下的多步熱解過程。或者，熱解步驟也可以包括爐溫的緩慢連續(xù)勻變從而溫度一直追隨Tg。聚合物柱的圖案化優(yōu)選地包括光圖案化單層或多層光致抗蝕劑-優(yōu)選地負性光致抗蝕劑。
在參考以下附圖和詳細說明之后，本發(fā)明進一步的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的。所有這些另外的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點都應(yīng)包括在本說明書、本發(fā)明的范圍之內(nèi)，并受到附加權(quán)利要求書的保護。但本發(fā)明并不局限于示例實施方案的細節(jié)。
附圖簡述本發(fā)明的有關(guān)其結(jié)構(gòu)以及操作的細節(jié)，部分可以通過研究附圖獲知，其中相同的附圖標(biāo)記代表相同部分。附圖中的部件并不一定是按比例的，重點在于說明本發(fā)明的原理。此外，所有圖例都用于傳達概念，其中相對大小、形狀及其它詳細屬性可以是僅大略地而非確切或精準(zhǔn)地加以表示。


圖1A是根據(jù)一個實施方案用于制造高深寬比C-MEMS的制造方法示意圖。
圖1B是圖1A所示制造方法的熱解曲線。
圖2是用于圖1所示方法步驟2的熱解爐的示意圖。
圖3是根據(jù)另一實施方案用于制造高深寬比C-MEMS的制造方法示意圖。
圖4A和4B是在熱解前后根據(jù)圖3所示方法產(chǎn)生的光致抗蝕劑(4A)和碳結(jié)構(gòu)(4B)的SEM相片。
圖5A和5B是圖案化的碳陣列的恒電流充/放電循環(huán)特性曲線(5A)和圖案化的碳陣列的循環(huán)伏安曲線(5B)。
圖6A和6B是用于諸如3D電池等電化學(xué)系統(tǒng)的由C-MEMS基碳電極陣列和碳集電器構(gòu)成的組件(6A)和所述組件的C-MEMS基碳集電器(6B)的透視圖。
圖7是根據(jù)另一實施方案用于制造包括高深寬比C-MEMS柱和互連的多層碳結(jié)構(gòu)的制造工藝示意圖。
圖8是根據(jù)另一實施方案用于制造包括高深寬比C-MEMS柱和互連的多層碳結(jié)構(gòu)的制造工藝示意圖。
圖9A和9B是雙層SU-8結(jié)構(gòu)的局部放大圖(9A)和低放大率(9B)SEM照片。在此結(jié)構(gòu)中，第一層圖案化成互連層，第二層圖案化成微電極(柱)。
圖10A和10B是與圖9A和9B所示結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的雙層碳結(jié)構(gòu)在熱解之后的局部放大(10A)和低放大率(10B)SEM照片。
圖11A和11B是三層SU-8結(jié)構(gòu)的SEM照片(11A)，其中第一層圖案化成互連層，第二和第三層順序圖案化成高深寬比的微電極(柱)以用于微電池試驗；和對應(yīng)于圖11A所示結(jié)構(gòu)的三層碳結(jié)構(gòu)在熱解之后的SEM照片(11B)。
圖12是用于納米紋理化碳納米結(jié)構(gòu)的制造方法簡圖。
圖13A-D是在氧等離子體中處理的高深寬比C-MEMS電極的SEM照片。
圖14是用于在碳微結(jié)構(gòu)上生長納米結(jié)構(gòu)的制造方法簡圖。
圖15是用于在熱解工藝中于碳微結(jié)構(gòu)上生長納米結(jié)構(gòu)的制造方法簡圖。
圖16是用于在熱解工藝中于碳微結(jié)構(gòu)上由嵌入的催化劑生長納米結(jié)構(gòu)的制造方法簡圖。
圖17是摻雜種子碳納米纖維的SU8柱的SEM照片。
圖18A是納米纖維C-MEMS柱的SEM照片；圖18B是圖18A中表面的局部放大SEM照片。
優(yōu)選實施方案說明詳細參照附圖以及此處所記述的系統(tǒng)和方法將有助于制造高深寬比的碳微機電系統(tǒng)(C-MEMS)結(jié)構(gòu)，以及其上具有納米級表面增強的C-MEMS結(jié)構(gòu)。在一個如圖1A和1B所示的實施方案中，通過將由碳前體聚合物圖案化獲得的聚合物柱熱解微制造了深寬比大于10∶1的高深寬比碳柱。在工藝10的步驟1中，聚合物柱18以陣列形式被圖案化或形成在基片14上。柱18可以通過包括但不限于照相平版印刷，包括壓印或微接觸印刷、熱壓花或納米壓印、步進快內(nèi)式平版印刷、微注塑等在內(nèi)的軟平版印刷方法，絲網(wǎng)印制，包括等離子體噴鍍等在內(nèi)的噴霧沉積技術(shù)、展性聚合物和液體利用電場、范德華力等的自組裝，X射線圖案化等各種工藝形成。
熱解步驟(步驟2)優(yōu)選地如圖2所示在開口石英管加熱爐30中進行。加熱爐30包括開口石英管32和連接于其上的加熱元件34。在熱解工藝中，具有圖案化的前體聚合物柱的晶片或試樣13被放置在石英管32之內(nèi)。惰性氣體如氮氣(N2)，和合成氣體如氫氣(5％)與氮氣(H2(5％)/N2)，從一端36進入管32，廢氣從另一端38離開管32。
參見圖1B，步驟2的熱解過程優(yōu)選地包括在惰性和合成氣體氣氛中于追隨聚合物柱18的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的高溫下進行的多步熱解工藝。如曲線A所示，晶片13被首先在惰性氣氛中于第一溫度T1下烘烤預(yù)定的時間t1。晶片13然后在以預(yù)定氣體流速穿過石英管32的惰性氣氛中被加熱到第二溫度T2。加熱爐30的溫度優(yōu)選從溫度T1慢慢勻速上升到第二溫度T2。優(yōu)選地采用約10℃/min的加熱速率。當(dāng)加熱爐30達到第二溫度T2時，切斷惰性氣體并以預(yù)定的氣體流速引入合成氣體以預(yù)定的時間段t2-t3。在此時間段的末尾t3，關(guān)閉加熱元件34，使晶片13在惰性氣氛中冷卻到室溫Tr?？偫鋮s時間為約8-9小時。
或者，如曲線B所示，熱解步驟可以包括將爐溫從第一溫度T1緩慢連續(xù)勻變提高到第二溫度T2，其中加熱溫度始終追隨聚合物柱18的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。在爐溫從T1勻速上升到T2時試樣13在惰性氣氛中被加熱。一旦爐溫到達T2，熱解過程就按曲線A中所示進行。又或者，熱解過程可以包括沿曲線A在溫度T1與T2之間的多個加熱步驟。
在于真空爐中高溫加熱的單步熱解工藝中，熱解的聚合物柱圖案易于從基材上剝落。在其中熱解工藝在惰性和合成氣體中進行的上述多步工藝中，由于(I)在第一溫度下的烘烤步驟，它可以使聚合物更好地交聯(lián)，提高聚合物向基材的附著力，(II)慢加熱速率的多步加熱過程，它能更有效地從聚合物向基材的附著中釋放應(yīng)力，所述應(yīng)力會造成在碳柱中靠近基材界面處的拉伸應(yīng)力，和(III)在合成氣體氣氛中發(fā)生的更慢的脫氣，此問題能夠得以解決。交聯(lián)過程中熱處理產(chǎn)生氣態(tài)副產(chǎn)物，而且隨后的排氣可能導(dǎo)致形成會分裂試樣的微裂紋。在真空中，此排氣將往往更快和由此更具破壞性。
參見圖3，在一個示范實施方案中，通過優(yōu)選地在簡單的一步旋涂工藝中熱解負性光致抗蝕劑如SU8等微制造高深寬比(＞10∶1)的碳柱。用于圖案化負性光致抗蝕劑的照相平版印刷工藝100優(yōu)選地包括以下步驟步驟1，向基材114上旋涂光致抗蝕劑膜112；步驟2，軟烘烤膜112；步驟3，用優(yōu)選的掩膜116對膜112進行近UV曝光；步驟4，后烘烤曝光的膜112；和步驟5，對曝光的膜112顯影以形成柱118的陣列。例如，對于200μm厚的SU-8光致抗蝕劑膜典型的過程包括以大約500rpm的速度旋涂約12秒，然后以大約1400rpm的速度旋涂約30秒(步驟1)，接著在大約65℃烘烤約10分鐘和在大約95℃烘烤約80分鐘(步驟2)。然后進行對光致抗蝕劑的近UV曝光，例如在Karl Suss MJB3接觸式光刻機中進行約100秒(步驟3)。然后在大約65℃進行約2分鐘和在大約95℃進行約30分鐘的后烘烤(步驟4)。然后使用SU-8顯影劑如來自MicroChem的SU-8顯影劑(NANOTMSU-8顯影劑)進行顯影(步驟5)。對于氧化鐵顆粒改性的SU-8 100光致抗蝕劑，還引入了曝光時間達5分鐘之長的過度曝光過程。
隨后根據(jù)參照圖1B所描述和說明的兩步或多步熱解過程，在工藝100的熱解步驟即步驟6中，獲得了源自光致抗蝕劑的C-MEMS構(gòu)造即碳柱120。例如，如圖2所示，步驟6的熱解過程在開口石英管加熱爐中進行，其中樣品優(yōu)選地首先在惰性氣體氣氛如N2中于大約300℃的溫度被烘烤約30-40分鐘，然后在流速約為2000標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘(sccm)的惰性氣體氣氛如N2中被加熱到約900℃-1000℃。此時切斷N2并以約2000sccm的流速引入合成氣體如H2(5％)/N2約一個小時。然后關(guān)閉加熱爐30上的加熱元件34，再次在N2氣氛中將試樣冷卻至室溫。采用優(yōu)選地約10℃/min的加熱速率，總冷卻時間為約8-9小時。
圖4A和4B是熱解之前的SU-8光致抗蝕劑柱和熱解之后形成的碳結(jié)構(gòu)的SEM照片。如圖4A所示，Au/Ti/SiO2/Si基材上的典型SU-8柱陣列是均勻的，并具有直壁和良好的邊緣輪廊。此處所示柱的平均高度在340μm左右，在所述柱中段的平均厚度(即柱直徑)為50μm。熱解之后，圓柱形柱的整體結(jié)構(gòu)大部分被保留，如圖4B所示。熱解后材料的高度-寬度(在柱的中段)比相應(yīng)于9.4∶1的深寬比。在一步旋涂工藝中獲得了高達20∶1的深寬比，在兩步旋涂工藝中獲得了高達40∶1的深寬比。通過多步旋涂工藝還可能獲得大于40∶1的深寬比(參見例如圖7-11)。
根據(jù)上述工藝制造的熱解碳柱顯示出可逆的鋰嵌入/脫嵌。為證實此特征，對兩種不同類型的電極進行了研究。第一種電極是未圖案化的碳膜電極，1.6mm厚，由SiO2/Si上的AZ 4620光致抗蝕劑獲得。所述膜電極用于充當(dāng)參考樣品來確定熱解SU-8是否顯示電化學(xué)可逆的鋰嵌入/脫嵌。第二種電極試樣是由SU-8光致抗蝕劑獲得的圖案化的電極陣列，由位于由AZ 4620獲得的未圖案化的碳上的180×180個厚約150mm的柱構(gòu)成。
使用3-電極聚四氟乙烯電池來進行電化學(xué)測量，所述電池采用O型密封圈將工作電極限制為約6.4cm2的表面積(直徑2.86cm的圓)。這樣，對于兩類電極投影的表面積是相同的。碳電極充當(dāng)工作電極，而鋰帶(99.9％純，Aldrich)既作對電極又作參比電極。電解質(zhì)為在1∶1體積的碳酸亞乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物中的1M的LiClO4。所有電池都在氬氣填充的氧氣和水分含量均小于1ppm的手套式操作箱中進行組裝和測試。
對兩種電池都進行恒電流和伏安試驗。對于恒電流測量，電流基于石墨的C/5率(對于未圖案化和圖案化的膜分別對應(yīng)50mA和580mA)，電池相對Li/Li+在10mV和1V之間循環(huán)。伏安試驗在相對Li/Li+為10mV-2V的電勢范圍內(nèi)采用0.1mV/s的掃描速率進行。所有電化學(xué)測量都使用計算機控制的Arbin多通道工作站進行。Hitachi S-4700-2場致發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)被用于描繪C-MEMS結(jié)構(gòu)。
在未圖案化的膜碳電極中，電化學(xué)特性類似于焦炭電極，沒有明顯的分階平穩(wěn)段和傾斜輪廓。對未圖案化的膜電極的恒電流測量顯示在第一次放電時大的不可逆容量繼之以優(yōu)良的循環(huán)特性，這也與焦炭的特性一致。這些結(jié)果由考慮表面積標(biāo)準(zhǔn)化的鋰容量來最佳地表征，對于第二次和隨后的循環(huán)測得其為0.070mAh cm-2。重量容量可以通過知道膜厚和密度來估算。對于全致密膜，這相應(yīng)于～220mAh g-1，位于已知的焦炭的可逆容量范圍之內(nèi)。
圖案化的碳電極顯示相同的一般電化學(xué)特性。圖5B中的伏安曲線，對于循環(huán)二和三，與未圖案化的膜電極的幾乎相同。0.8V處的肩更突出但其它特征都相同。因此，毫無疑問所述C-MEMS電極陣列對于鋰是電化學(xué)可逆的，且熱解SU-8陣列的特征與焦炭的類似。圖5A中的恒電流測量對第二和后續(xù)循環(huán)給出了0.125mA cm-2的表面積標(biāo)準(zhǔn)化的放電容量。因此，對于相同的6.4cm2的限定工作電極面積上，所述C-MEMS電極陣列具有比未圖案化的碳膜高大約80％的容量。容量更大的原因在于柱的額外活性面積。所述C-MEMS陣列具有導(dǎo)致顯著過電勢的更高內(nèi)阻，這可以在每次充電/放電開始時的電壓步驟中看出。此更高的電阻是源自柱的高度比未圖案化的膜的厚度大近兩個數(shù)量級的事實。通過施加更小的電流，可以顯著降低過電勢且容量升高。
這樣，按照此處所述工藝制造的C-MEMS構(gòu)造即高深寬比C-MEMS碳電極陣列構(gòu)成一種建造3D碳微電極陣列的有力方法。由于這些C-MEMS陣列電極顯示可逆的鋰嵌入/脫嵌，所以它們可被用于微電池應(yīng)用。這種陣列可與C-MEMS導(dǎo)線相連，使得可以根據(jù)所探討的應(yīng)用轉(zhuǎn)向高電壓或大電流。如下面所進一步詳述，此處描述的工藝既可用于制造集流器又可用于制造電極，它簡化了電化學(xué)系統(tǒng)如3D電池的構(gòu)造和設(shè)計。如圖6A和6B所示，在基材214上形成了C-MEMS碳電極陣列222和具有負和正觸點223和225的碳集流器220。
通過單個曝光步驟由光致抗蝕劑建立高深寬比C-MEMS結(jié)構(gòu)是非常困難的，因為UV線在該曝光步驟中不能到達結(jié)構(gòu)的底部。同時，C-MEMS熱解過程使得制造碳電極的互連非常困難，因為適合的導(dǎo)電物質(zhì)必須能夠經(jīng)受C-MEMS熱解過程的嚴(yán)酷溫度條件。然而，通過排列多層C-MEMS結(jié)構(gòu)可以很容易地形成高深寬比C-MEMS結(jié)構(gòu)和連接電極。具體地，光致抗蝕劑可以呈層狀圖案化而建立起多層結(jié)構(gòu)，因為一層光致抗蝕劑可以施加在一個已有的光致抗蝕劑層上，然后利用照相平版印刷術(shù)進行圖案化。底層上的光圖案化/交聯(lián)的SU-8可以經(jīng)歷多次烘烤-曝光-顯影步驟而不損壞。所述多層結(jié)構(gòu)能經(jīng)受熱解，只顯示各向同性收縮，并保持對基材的良好附著力。
圖7描述了形成高深寬比C-MEMS碳電極222和碳互連220的工藝200的實施方案。在步驟1，第一層負性光致抗蝕劑212(優(yōu)選地SU-8)被采用兩步旋涂工藝旋涂到基材214如SiO2(5000)/Si上。表1顯示了對于不同厚度的SU-8的優(yōu)選平版印刷工藝參數(shù)。
表1 對于不同厚度的SU-8的平版印刷優(yōu)選工藝參數(shù)
然后在步驟2采用兩步工藝在烘箱或加熱板中對晶片210進行軟烘烤，以從光致抗蝕劑212中除去溶劑。烘烤時間取決于SU-8的厚度，在表1中給出了對于三種不同厚度的烘烤時間。在至少約十分鐘的松馳時間之后，在步驟3將SU-8光致抗蝕劑在光刻機中通過光掩膜216暴露于UV光。照射劑量由表1給出。曝光之后，在步驟4采用兩步工藝對晶片進行曝光后烘烤。曝光后烘烤(PEB)的時間在表1中給出。步驟4的PEB使得光致抗蝕劑硬化。在至少約十分鐘的另一松馳時間之后，在步驟5將SU-8在SU-8顯影液(通常為PGMEA)中顯影直到除去所有未曝光的SU-8和形成SU-8互連218。在步驟6，下一層SU-8213被旋涂在現(xiàn)有層218之上。然后在步驟7對晶片210進行軟烘烤。在至少約十分鐘的松馳時間之后，在步驟8將SU-8光致抗蝕劑在光刻機中通過光掩膜217暴露于UV光。曝光之后，在步驟9對晶片進行PEB。在至少約十分鐘的另一松馳時間之后，在步驟10將SU-8層213在SU-8顯影液(通常為PGMEA)中顯影直到除去所有未曝光的SU-8和形成SU-8柱219。
與SU-8厚度有關(guān)的此工藝200的軟烘烤時間、照射劑量和PEB時間對于不同的厚度將不相同。另外，對每個層的顯影步驟可以跳過，整個裝置可以在一個步驟中顯影。
建立多層SU-8結(jié)構(gòu)之后，在步驟11將其于開口加熱爐中在惰性氣氛下熱解。在兩個不同溫度進行兩熱解；首先在300℃將試樣硬烘烤約30-40分鐘，然后在N2氣氛下勻速升溫到約900-1000℃。300℃的第一步驟優(yōu)選地除去任何殘留溶劑和確保SU-8更完全地交聯(lián)。在合成氣體優(yōu)選地95％N2/5％H2下將試樣在大約900-1000℃保持約60分鐘。然后在N2氣氛中將試樣冷卻至室溫。在熱解過程中和之后氮氣和合成氣體的流速設(shè)定在2000sccm。加熱速率優(yōu)選地為約10℃/min，總冷卻時間為約8-9小時。
圖9A和9B是雙層SU-8結(jié)構(gòu)的局部放大圖(9A)和低放大率(9B)SEM照片。在此結(jié)構(gòu)中，第一層圖案化成互連層，第二層圖案化成微電極(柱)。圖10A和10B是與圖9A和9B所示結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的雙層碳結(jié)構(gòu)在熱解之后的局部放大圖(10A)和低放大率圖(10B)的SEM照片。
參見圖8，描述了形成多層高深寬比C-MEMS碳電極322和324以及碳互連320的工藝300的一種實施方案。在步驟1，第一層負性光致抗蝕劑312(優(yōu)選地SU-8)被旋涂到基材314上。然后在步驟2對晶片310進行軟烘烤。在至少約十分鐘的松馳時間之后，在步驟3將SU-3光致抗蝕劑在光刻機中通過光掩膜316暴露于UV光。曝光之后，在步驟4采用兩步工藝對晶片進行曝光后烘烤。步驟4的PEB使得光致抗蝕劑硬化。在至少約十分鐘的另一松馳時間之后，在步驟5將SU-8在SU-8顯影液(通常為PGMEA)中顯影直到除去所有未曝光的SU-8和形成SU-8互連318。在步驟6，下一層SU-8313被旋涂在現(xiàn)有層318之上。然后在步驟7對晶片210進行軟烘烤。在至少約十分鐘的松馳時間之后，在步驟8將SU-8光致抗蝕劑313在光刻機中通過光掩膜317暴露于UV光。曝光之后，在步驟9對晶片進行曝光后烘烤。在至少約十分鐘的另一松馳時間后，在步驟10將SU-8層313在SU-8顯影液(通常為PGMEA)中顯影直到除去所有未曝光的SU-8和形成SU-8柱319。在步驟11，重復(fù)步驟6-10以形成排列在第一組柱319上的一組柱321。
在建立多層SU-8結(jié)構(gòu)之后，在步驟12中如圖7的步驟11中所述對其進行熱解，建立彼此重疊對齊排列的多層高深寬比碳電極柱322和324以及碳互連320。圖11A和11B是三層SU-8結(jié)構(gòu)的SEM照片(11A)，其中第一層圖案化成互連層，第二和第三層順序圖案化成更高深寬比的微電極(柱)以用于微電池應(yīng)用等；和對應(yīng)于圖11A所示結(jié)構(gòu)的三層碳結(jié)構(gòu)在熱解之后的SEM照片(11B)。
使用碳互連的一個缺點是，盡管碳是一種極好的電化學(xué)材料，卻不是非常好的導(dǎo)電體。使用金屬互連相對于其它方法例如使用碳互連、施加導(dǎo)電膏、使用金屬線直接接觸碳等的主要優(yōu)點在于金屬互連具有非常高的電導(dǎo)率，特別是與使用碳互連相比。金屬如銀、銅或金往往電阻比碳材料小得多。另一優(yōu)點在于金屬互連一般非常結(jié)實，特別是與導(dǎo)電膏和直接接觸相比。
熱解過程可能是非常嚴(yán)酷的，在有些情況下會引起金屬層熔融導(dǎo)致金屬層中起熔球或斷開。此問題可通過使用高熔點金屬、碳基金屬合金和/或具有高表面能的基材來克服。
在一個實施方案中，用于建立連接C-MEMS碳結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)電率互連線的工藝包括在基材上沉積金屬層如Ag、Au、Ni、Pt、Ti等等。所述金屬層可以采用濺射、蒸鍍以及其它金屬沉積方法沉積。粘附層，例如對于硅基材為Cr或Ti，可被用來增進金屬層向基材的附著。然后使用某種圖案化方法如剝離、蝕刻等對金屬進行圖案化，圖案化出金屬線或互連。然后在所述金屬線之上圖案化聚合物前體，再將其熱解，建立起與金屬互連連接在一起的C-MEMS電極結(jié)構(gòu)。所述聚合物前體可以是負性光致抗蝕劑如SU-8等，并可以被圖案化然后根據(jù)此處所描述和說明的方法熱解?？梢栽谶@些互連之上或者在微制造在這些互連上的碳層上微制造高深寬比的碳結(jié)構(gòu)。所述層可以在高深寬比結(jié)構(gòu)已被圖案化之前或之后熱解。
在一個具體實施例中，通過向基材上涂覆Ni形成了Ni互連。該工藝包括以下步驟步驟1，使用熱蒸發(fā)器向基材上沉積1000Cr；步驟2，使用熱蒸發(fā)器向該Cr粘結(jié)層上沉積4000Ni；步驟3，使用蝕刻劑溶液圖案化Ni和Cr層；步驟4，向圖案化的Ni和Cr層上沉積一層光致抗蝕劑，所述光致抗蝕劑優(yōu)選地是一種用于高深寬比結(jié)構(gòu)的負性光致抗蝕劑；步驟5，對所述抗蝕劑優(yōu)選地通過按圖案化的Ni和Cr層的圖案排列光致抗蝕掩膜進行圖案化和顯影；步驟6，熱解光致抗蝕劑以建立具有金屬互連結(jié)構(gòu)的C-MEMS，優(yōu)選地應(yīng)用此處所述的多步熱解過程來制造高深寬比碳結(jié)構(gòu)。
在碳微結(jié)構(gòu)充當(dāng)轉(zhuǎn)移界面的許多應(yīng)用(例如用于電池應(yīng)用的電極、用于DNA固定的移植位置、用于化學(xué)傳感器的感應(yīng)電極等等)中，增大碳微結(jié)構(gòu)的表面積是人們所希望的。在一個實施方案中，如圖12所示，碳微結(jié)構(gòu)的表面被納米紋理化以增大碳微結(jié)構(gòu)的表面積。微結(jié)構(gòu)表面的納米紋理化是通過曝露于氧等離子體實現(xiàn)的。等離子體使微結(jié)構(gòu)的表面變粗糙，建立起類似浮石的納米紋理化表面。這是一種簡單但有效的增大表面積和粗糙化的方法。
參見圖12，工藝400的步驟包括在步驟1優(yōu)選地通過圖案化基材414上的碳前體聚合物柱418而形成C-MEMS結(jié)構(gòu)，然后在步驟2熱解所述聚合物形成碳柱422。碳前體聚合物柱418優(yōu)選地是光圖案化的光致抗蝕劑，更優(yōu)選地是光圖案化的負性光致抗蝕劑如SU-8等。碳柱422優(yōu)選地在如上述就圖1A、1B和3所述的兩步或多步熱解過程中形成。接著，在步驟3，在氧等離子體中對碳柱420進行處理以形成具有納米紋理化表面423的碳柱422。如所示，步驟3的氧等離子體處理發(fā)生在圖案化光致抗蝕劑的熱解之后。或者，也可以在熱解之前對光致抗蝕劑進行等離子體處理以獲得納米紋理化的表面。不管在熱解之后還是之前，氧等離子體都產(chǎn)生能引起易燃物燃燒的活性氧離子。整個結(jié)構(gòu)的某些部分對此破壞比其它部分更脆弱，導(dǎo)致某些部分被選擇性地蝕刻。表面粗糙度的增加增大了三相點或三相界面的數(shù)目，使裝置更敏感和有效。
圖13A-13D是在氧等離子體中處理過的C-MEMS結(jié)構(gòu)試樣的SEM照片(不同放大率)。在處理此結(jié)構(gòu)時，使用了5分鐘250W的氧氣壓力為200mT的RF等離子體，以獲得圖13A-13D所示的結(jié)果。
在另一實施方案中，如圖14-18所示，碳微結(jié)構(gòu)被一個能顯著增大微結(jié)構(gòu)表面積的納米級結(jié)構(gòu)富涂層覆蓋。對于鋰離子微電池應(yīng)用，納米級結(jié)構(gòu)如碳納米管和硅納米線在C-MEMS電極上的結(jié)合將增大電極表面積，并由此增大Li存儲容量和功率密度以及降低電池充/放電速率。例如單壁碳納米管(SWNT)可逆地嵌入Li直到Li2.7C6的比例。此存儲容量高于所謂的石墨插層化合物(GIC)LiC6。與單獨的C-MEMS柱相比，納米纖維材料和多層碳納米管(MWNT)的石墨本質(zhì)將提高Li+存儲容量。C-MEMS也可充當(dāng)C-MEMS/CNT陣列的電接觸和集流器。
納米級結(jié)構(gòu)也可通過催化生長或自組裝方法集成到C-MEMS結(jié)構(gòu)中?？梢允褂貌煌拇呋瘎┖蜌怏w源在C-MEMS微結(jié)構(gòu)的表面生長各種類型的納米纖維(硅、碳等等)。碳納米管有利地可以在C-MEMS微結(jié)構(gòu)表面上的指定位置和在指定方向上，在相對較低的溫度下通過化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)生長。從而，除了增加碳微結(jié)構(gòu)的表面積之外，納米級結(jié)構(gòu)如納米管還使C-MEMS充當(dāng)微米和毫米級電子系統(tǒng)與納米級電子系統(tǒng)如基于碳納米管的納米電子器件之間的電橋。C-MEMS結(jié)構(gòu)即可用作載體也可用作與納米級材料的電接觸。碳-碳接觸被認為是一種具有可忽略的接觸電阻的理想電接觸。
參見圖14，第一工藝500包括在步驟1涂覆排列在具有催化劑薄膜或涂層523的基材514上的C-MEMS結(jié)構(gòu)520。例如，將催化劑顆粒懸浮在涂覆于碳結(jié)構(gòu)上的膠體溶液中。然后在步驟2蒸發(fā)所述液體，催化劑顆粒保留在碳結(jié)構(gòu)上。如果需要，可以在步驟2通過圖案化技術(shù)如激光輔助化學(xué)氣相沉積、剝離、蝕刻等等將催化劑膜或涂層523圖案化，形成圖案化的膜524，導(dǎo)致形成圖案化膜524。接著，在步驟3，將試樣或晶片暴露于處于高到足以誘發(fā)碳納米結(jié)構(gòu)生長的溫度下的碳氫化合物氣體如甲烷等以在所述C-MEMS碳結(jié)構(gòu)520上形成納米管526、納米線、納米纖維等。
所述C-MEMS碳結(jié)構(gòu)520如上所述可以通過利用照相平版印刷術(shù)使光致抗蝕劑(優(yōu)選地負性光致抗蝕劑如SU-8)圖案化，然后在惰性環(huán)境中于高溫下(例如＞600℃)熱解光致抗蝕劑來形成。熱解過程優(yōu)選包括上面所討論的兩步或多步工藝。如本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，工藝500可用于在各種C-MEMS結(jié)構(gòu)上生長碳納米結(jié)構(gòu)以及根據(jù)用于納米級結(jié)構(gòu)生長的催化劑和氣體環(huán)境不同生長其它類型的線和纖維(硅等)。
圖14所示工藝500與用于碳納米結(jié)構(gòu)生長的傳統(tǒng)方法一樣，需要存在氣體源來作為材料生長的來源。如就圖15、16和19所述，提供了一種由基本處于固相并作為支撐微結(jié)構(gòu)的一部分的物質(zhì)源(即碳)制造納米結(jié)構(gòu)如納米纖維、管、線等等的替代工藝。這種集成方法允許在支撐微結(jié)構(gòu)如照相平版印刷限定的C-MEMS結(jié)構(gòu)上的選擇性生長。
優(yōu)選地，C-MEMS結(jié)構(gòu)是通過照相平版印刷圖案化光致抗蝕劑而微制造的。然后在惰性或還原環(huán)境(合成氣體)中將C-MEMS結(jié)構(gòu)暴露于高溫，它有利于光致抗蝕劑熱解成碳結(jié)構(gòu)以及納米級結(jié)構(gòu)如納米纖維、線、管等在碳結(jié)構(gòu)上生長。在生長碳納米結(jié)構(gòu)時，碳微結(jié)構(gòu)既被用作機械支撐又被用作在暴露于高溫時碳納米結(jié)構(gòu)生長的物質(zhì)源。盡管碳源來自用于在熱解步驟中形成碳MEMS(C-MEMS)結(jié)構(gòu)的光致抗蝕劑，但也可使用外部碳(氣體)源來進一步增進納米結(jié)構(gòu)生長的生長過程。
參見圖15，工藝600包括首先在步驟1形成碳前體結(jié)構(gòu)618如柱，它可以如上所述由光致抗蝕劑圖案化以制造高深寬比的柱。隨后在步驟2，對排列在基材614上的柱618涂覆催化劑薄膜623。例如，將催化劑顆粒懸浮在涂覆于柱618上的膠體溶液中。然后在步驟3蒸發(fā)所述液體，催化劑顆粒保留在柱618上。如果需要，可以在步驟3通過圖案化技術(shù)如激光輔助化學(xué)氣相沉積、剝離、蝕刻等等將催化劑膜或涂層623圖案化，形成圖案化的膜624。接下來，在步驟4，使試樣或晶片經(jīng)受熱解過程，優(yōu)選地如上所述的兩步或多步過程。在此過程中，光致抗蝕劑柱被熱解，導(dǎo)致含碳氣體釋放到熱解爐氣氛中，同時將光致抗蝕劑柱618轉(zhuǎn)化成碳柱620。同時，這些含碳氣體到達催化劑顆粒，誘發(fā)納米級結(jié)構(gòu)生長，從而碳納米管626從碳柱620上伸出。此熱解步驟是用于在C-MEMS上制造碳納米結(jié)構(gòu)的局部化學(xué)氣相沉積工藝的一個實例。
在如圖16所示的替代工藝700中，在步驟1碳前體微結(jié)構(gòu)718被使用嵌入的催化劑納米顆粒717或嵌入的作為碳前體微結(jié)構(gòu)718一部分的種子納米纖維以陣列形式微制造在基材714上。優(yōu)選地所述納米顆粒或納米纖維是可光刻聚合物(光致抗蝕劑)混合物的一部分。接下來，在步驟2，試樣或晶片經(jīng)受熱解過程，優(yōu)選地如上所述的兩步或多步過程。在此過程中，碳前體柱718被熱解，導(dǎo)致含碳氣體釋放到熱解爐氣氛中，同時將柱718轉(zhuǎn)化成碳柱720。同時，這些含碳氣體到達催化劑顆粒或種子納米纖維，誘發(fā)納米纖維727在碳柱720上的生長。
此方法的優(yōu)點在于使用光致抗蝕劑作母體來容納將在熱解步驟中引發(fā)纖維生長并在納米纖維生長中充當(dāng)碳源的任何納米纖維(硅、鎳、碳等等)的催化劑。為在碳微柱上生長納米纖維或納米管，光致抗蝕劑優(yōu)選地摻雜有催化劑納米顆?；蛏倭吭谄淠┒巳院呋瘎┘{米顆粒的種子納米纖維物質(zhì)(＜1wt％)。摻雜通常通過將摻雜物與光致抗蝕劑在光致抗蝕劑旋涂步驟之前預(yù)混合來完成。摻雜也可以以光致抗蝕劑已被圖案化之后的壓印步驟來完成?？梢允┘痈鞣N納米纖維材料(鎳、鐵、鈷、銅等等)的催化劑以在C-MEMS結(jié)構(gòu)表面上生長任何類型的納米纖維。舉例來說，使用該技術(shù)可以制造鎳、硅和碳納米纖維。
下面提供了在C-MEMS柱上生長碳納米纖維的工藝步驟的一個實施例。
光致抗蝕劑摻雜SU-8 100負性光致抗蝕劑以0.2％質(zhì)量比與碳納米纖維混合在一起。持續(xù)攪拌直到獲得均勻混合物。使混合物擱置24小時以使混合過程中產(chǎn)生的氣泡排出。
光致抗蝕劑旋涂使用laurel光致抗蝕劑旋涂機以2000rpm的速度將摻雜的SU8旋涂到硅晶片上，時間為30秒，留下約100μm的厚度。
軟燒烤在烘箱中完成兩步軟烘烤過程(65℃下10分鐘，95℃下40分鐘)，以蒸發(fā)光致抗蝕劑中的溶劑。
曝光使試樣冷卻，然后通過掩膜曝光于1000mJ劑量的UV光(365nm)。
曝光后烘烤在烘箱中完成兩步的曝光后烘烤過程(65℃下1分鐘，95℃下12分鐘)，以促進曝光的光致抗蝕劑的交聯(lián)。
顯影使試樣冷卻至室溫，然后將其放入SU8顯影液中。
在顯影過程之后，如圖17所示，部分用于摻雜光致抗蝕劑的納米纖維從C-MEMS柱結(jié)構(gòu)的側(cè)面伸出。圖17所示的這些纖維在其末端仍含有催化劑顆粒(即鐵)。
熱解和碳納米纖維生長首先采用一個在300℃的預(yù)熱步驟將光致抗蝕劑固化和確保C-MEMS柱與基材之間的良好附著。在此期間，通過持續(xù)的氮氣流在爐腔內(nèi)保證一個惰性環(huán)境。在此步驟之后，在合成氣體環(huán)境(5％氫氣和95％氮氣)中高溫勻變到900℃。然后把試樣在此溫度放置1小時，期間實現(xiàn)了兩個歷程。首先光致抗蝕劑被熱解，由此將含碳氣體釋放到爐內(nèi)氣氛中，同時將光致抗蝕劑柱轉(zhuǎn)化成碳。同時，這些含碳氣體到達種子納米纖維并通過存在于其端部的催化劑促進這些纖維的進一步生長。
在圖17所示結(jié)構(gòu)熱解之后形成的納米纖維結(jié)構(gòu)顯示在圖18A和圖18B中。圖18A是納米纖維C-MEMS 100微米高柱的SEM照片。圖18B是顯示碳納米纖維結(jié)構(gòu)(直徑100nm)的表面局部放大圖。
此方法可被通用于向碳微結(jié)構(gòu)上生長其它類型的納米纖維材料。在制造其它類型的納米纖維(硅、鎳等等)時，為使納米纖維生長應(yīng)當(dāng)引入恰當(dāng)?shù)臍怏w(例如對于硅納米纖維來說為硅烷)。如果將不同的摻雜物同時與光致抗蝕劑混合，并在熱解步驟中引入恰當(dāng)?shù)纳L氣體，則可以同時獲得幾種類型的納米纖維。
盡管本發(fā)明易于有各種改進和替代方式，其具體實施例已經(jīng)被顯示在附圖中并在此作了詳細說明。但是，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于所公開的特定方式，相反，本發(fā)明覆蓋落入后附權(quán)利要求書的精神之內(nèi)的所有改進、等同物以及替代方案。此外，還應(yīng)理解此處所描述或說明的任何實施方案的特征或特點都可以與任何其它實施方案結(jié)合、混合或交換。
權(quán)利要求
1.一種用于形成包括具有大表面積的碳微結(jié)構(gòu)的C-MEMS裝置的工藝，包括下列步驟形成包含許多碳微結(jié)構(gòu)的C-MEMS裝置；和通過向碳微結(jié)構(gòu)表面施加納米級改變而增大碳微結(jié)構(gòu)的表面積。
2.權(quán)利要求1的工藝，其中增大碳微結(jié)構(gòu)的表面積的步驟包括將碳微結(jié)構(gòu)表面納米紋理化。
3.權(quán)利要求2的工藝，其中納米紋理化步驟包括通過將碳微結(jié)構(gòu)暴露于等離子體而對碳微結(jié)構(gòu)表面進行蝕刻。
4.權(quán)利要求3的工藝，其中所述等離子體為氧等離子體。
5.權(quán)利要求1的工藝，其中增大碳微結(jié)構(gòu)的表面積的步驟包括在通過熱解形成碳微結(jié)構(gòu)之前將碳前體微結(jié)構(gòu)表面納米紋理化。
6.權(quán)利要求1的工藝，其中增大碳微結(jié)構(gòu)的表面積的步驟包括在碳微結(jié)構(gòu)表面上生長碳納米結(jié)構(gòu)。
7.權(quán)利要求6的工藝，其中所述納米結(jié)構(gòu)形成納米纖維層。
8.權(quán)利要求6的工藝，其中所述納米結(jié)構(gòu)包括納米管。
9.權(quán)利要求6的工藝，其中所述納米結(jié)構(gòu)包括納米線。
10.權(quán)利要求6的工藝，其中生長碳納米結(jié)構(gòu)的步驟包括將位于所述碳微結(jié)構(gòu)表面的催化劑暴露于烴氣體的步驟。
11.權(quán)利要求10的工藝，進一步包括在碳前體微結(jié)構(gòu)熱解形成碳微結(jié)構(gòu)過程中形成烴氣體的步驟。
12.權(quán)利要求10的工藝，其中所述碳微結(jié)構(gòu)涂有含催化劑的膜。
13.權(quán)利要求11的工藝，其中所述碳前體微結(jié)構(gòu)涂有含催化劑的膜。
14.權(quán)利要求11的工藝，其中在所述碳前體微結(jié)構(gòu)中嵌有催化劑納米顆粒。
15.權(quán)利要求11的工藝，其中在所述碳前體微結(jié)構(gòu)中嵌有帶催化劑末端的納米纖維。
16.權(quán)利要求1的工藝，其中形成C-MEMS裝置的步驟包括以下步驟圖案化碳前體微結(jié)構(gòu)，和熱解碳前體微結(jié)構(gòu)以形成碳微結(jié)構(gòu)。
17.權(quán)利要求16的工藝，其中所述圖案化碳前體微結(jié)構(gòu)的步驟包括通過照相平版印刷圖案化光致抗蝕劑材料以形成微結(jié)構(gòu)。
18.權(quán)利要求17的工藝，其中所述光致抗蝕劑為負性光致抗蝕劑。
19.權(quán)利要求18的工藝，其中所述熱解步驟是一個多步過程。
20.一種C-MEMS裝置，包括基材，和圖案化在基材上的許多碳微結(jié)構(gòu)，其中碳微結(jié)構(gòu)的表面被納米紋理化。
21.權(quán)利要求20的C-MEMS裝置，其中所述碳微結(jié)構(gòu)是碳柱。
22.一種C-MEMS裝置，包括基材，圖案化在基材上的許多碳微結(jié)構(gòu)，和從所述許多碳微結(jié)構(gòu)中的一個或多個伸出的許多碳納米結(jié)構(gòu)。
23.權(quán)利要求22的C-MEMS裝置，其中所述碳微結(jié)構(gòu)是碳柱。
24.權(quán)利要求22的C-MEMS裝置，其中所述碳納米結(jié)構(gòu)是碳納米管。
25.權(quán)利要求22的C-MEMS裝置，其中所述碳納米結(jié)構(gòu)是碳納米線。
26.一種將納米級電子裝置連接到微米或毫米級電子裝置上的電橋，包括包含一或多個碳微結(jié)構(gòu)的C-MEMS結(jié)構(gòu)，和從所述一個或多個碳微結(jié)構(gòu)伸出的許多碳納米結(jié)構(gòu)。
27.權(quán)利要求26的C-MEMS裝置，其中所述碳微結(jié)構(gòu)是碳柱。
28.權(quán)利要求26的C-MEMS裝置，其中所述碳納米結(jié)構(gòu)是碳納米管。
29.權(quán)利要求26的C-MEMS裝置，其中所述碳納米結(jié)構(gòu)是碳納米線。
30.一種用于生長從C-MEMS裝置的碳微結(jié)構(gòu)伸出的碳納米結(jié)構(gòu)的局部化學(xué)氣相沉積工藝，包括如下步驟形成碳前體微結(jié)構(gòu)；熱解碳前體微結(jié)構(gòu)，將所述微結(jié)構(gòu)表面的催化劑暴露于由在熱解中從所述碳前體微結(jié)構(gòu)排出的含碳氣體產(chǎn)生的含碳氣體，和從所述碳微結(jié)構(gòu)表面的催化劑位置生長碳納米結(jié)構(gòu)。
31.權(quán)利要求30的工藝，其中所述碳前體微結(jié)構(gòu)涂有含催化劑的膜。
32.權(quán)利要求30的工藝，其中在所述碳前體微結(jié)構(gòu)中嵌有催化劑納米顆粒。
33.權(quán)利要求30的工藝，其中在所述碳前體微結(jié)構(gòu)中嵌有帶催化劑末端的納米纖維。
34.權(quán)利要求30的工藝，其中形成碳前體微結(jié)構(gòu)的步驟包括通過照相平版印刷圖案化光致抗蝕劑材料的步驟。
35.權(quán)利要求34的工藝，其中所述光致抗蝕劑為負性光致抗蝕劑。
36.權(quán)利要求30的工藝，其中所述熱解步驟是一個多步過程。
全文摘要
提供了含具有由高深寬比帶來的大表面積和納米級表面增強的碳結(jié)構(gòu)的C－MEMS構(gòu)造，以及用于制造所述結(jié)構(gòu)的改進的系統(tǒng)和方法。具體地，高深寬比碳結(jié)構(gòu)通過熱解圖案化的碳前體聚合物微制造。熱解聚合物優(yōu)選地包括一個在惰性和合成氣體氣氛和追隨聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的高溫下的多步工藝。通過納米紋理化碳微結(jié)構(gòu)表面和通過將碳微結(jié)構(gòu)和催化劑暴露于碳氫化物氣體向碳微結(jié)構(gòu)中結(jié)合納米級結(jié)構(gòu)增大碳微結(jié)構(gòu)的表面積，其中所述納米紋理化通過暴露于氧等離子體實現(xiàn)。在一個優(yōu)選實施方案中，碳微結(jié)構(gòu)是含碳氣體源。
文檔編號D01F9/12GK101031677SQ200580033124
公開日2007年9月5日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者M·馬杜, C·王, L·塔赫拉巴迪, B·帕克, R·昭克 申請人:加州大學(xué)評議會