Способ изготовления датчика давления, содержащего углеродные нанотрубки

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ Изобретение относится к способам изготовления датчиков давления. Изобретение может быть использовано в микро- и наноэлектронике при изготовлении систем для измерения давления окружающей среды. Способ изготовления датчика давления, содержащего углеродные нанотрубки,включает нанесение первого диэлектрического слоя на поверхность подложки, формирование электрической разводки, формирование второго диэлектрического слоя, формирование области роста массива углеродных нанотрубок в виде углубления в подложке фотолитографией,формирование буферного слоя, формирование над буферным слоем функционального слоя,содержащего активатор распада металлорганического соединения, удаление маски резиста,нанесенной в процессе фотолитографии, проведение синтеза углеродных нанотрубок. Технический результат заключается в обеспечении при реализации способа изготовления датчика давления повышенной надежности функционирования чувствительного элемента датчика давления; повышенной чувствительности датчика давления, достижение исключения влияния изменений рабочей среды на функционирование датчика.(RU), Шаман Юрий Петрович (BY),Шаманаев Артемий Андреевич,Кондратьев Павел Константинович(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ Изобретение относится к способам изготовления датчиков давления. Изобретение может быть использовано в микро- и наноэлектронике для изготовлении систем для измерения давления окружающей среды. В настоящее время известно техническое решение "Carbon nanotube temperature and pressure sensors" по заявке США на изобретение 2011/0051775 (МПК G01L 9/00, G01K 7/02 опубликована 03.03.2011 г.). В изобретении описан способ изготовления датчика давления, содержащего массив углеродных нанотрубок. Способ изготовления датчика включает осаждении из суспензии на поверхность подложки слоя углеродных нанотрубок, формирование электрической разводки, формирование над слоем углеродных нанотрубок гибкой мембраны, деформирующейся при оказании давления на поверхность массива. Недостатком данного технического решения являются ограниченные минимальные размеры функционального элемента из углеродных нанотрубок в виду использования способа изготовления слоя углеродных нанотрубок методом осаждения из суспензии, соответственно, невысокая чувствительность датчика; отсутствие защиты от экстремальных механических воздействий на массив углеродных нанотрубок. Наиболее близким по совокупности существенных признаков (прототипом) изобретения является способ изготовления датчика давления, описанный в диссертации Kun Guo "Synthesis and Applications ofCarbon Nanotubes in Nano-Electro-Mechanical System" (The University of Toledo, August 2008). В данной работе описан способ изготовления датчика давления на основе вертикально ориентированных массивов углеродных нанотрубок. Согласно данной публикации для формирования функционального элемента датчика давления изготавливается мембрана из нитрида кремния, на поверхность мембраны наносят каталитический слой кобальта для роста углеродных нанотрубок, выращивают массив углеродных нанотрубок методом химического газофазного осаждения в потоке метана при температуре 600 С, формируют электрические контакты к массиву УНТ из золота и закрепляют полученную структуру на стеклянной подложке. Недостатками данного технического решения являются: невысокая чувствительность датчика давления из-за использования мембраны, жесткость которой определяет чувствительность датчика давления; зависимость точности измерений от состояния окружающей среды, т.к. при изменении состояния рабочей среды, например при увеличении влажности, из-за высокой сорбционной способности массива углеродных нанотрубок изменяются электрофизические характеристики массива углеродных нанотрубок в виду того, что существует непосредственный контакт массива углеродных нанотрубок с рабочей средой; отмечается ограниченная сфера использования датчика давления в виду отсутствия защиты от экстремальных механических воздействий на массив углеродных нанотрубок. Задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления датчика давления на основе массивов углеродных нанотрубок с высокой степенью надежности работы датчика. Технический результат заключается в обеспечении повышенной надежности функционирования чувствительного элемента датчика давления, повышенной чувствительности датчика давления, достижения исключения влияния изменений рабочей среды на функционирование датчика. Для достижения вышеуказанного технического результата способ изготовления датчика давления,содержащего углеродные нанотрубки, включает нанесение первого диэлектрического слоя на поверхность подложки, формирование электрической разводки, формирование второго диэлектрического слоя,формирование области роста массива углеродных нанотрубок в виде углубления в подложке фотолитографией, формирование буферного слоя, формирование над буферным слоем функционального слоя,содержащего активатор распада металлорганического соединения, удаление маски резиста, нанесенной в процессе фотолитографии, проведение синтеза углеродных нанотрубок. От прототипа датчик отличается тем, что фотолитографией формируют область роста массива углеродных нанотрубок в виде углубления в подложке, проводят формирование буферного слоя и формирование над буферным слоем функционального слоя, содержащего активатор распада металлорганического соединения. Формирование углубления на подложке, последующее формирование в углублении функционального слоя, содержащего активатор распада металлоорганического соединения, и последующее проведение синтеза углеродных нанотрубок, обеспечивают размещение в нем массива углеродных нанотрубок в углублении подложки. Таким образом формируется датчик давления с чувствительным элементом, размещенным в полузакрытой полости, что обеспечивает надежную защиту его от механических повреждений. Формирование электрической разводки между диэлектрическими слоями, последовательно сформированными на подложке, обеспечивает надежный контакт. Верхний слой, расположенный, по меньшей мере, над массивом углеродных нанотрубок, герметизирует массив углеродных нанотрубок, что позволяет исключить влияние рабочей среды на электрофизические свойства углеродных нанотрубок. В частных случаях выполнения изобретения в качестве металлоорганического соединения используют металлоцены железа, кобальта, никеля, фталационины железа, кобальта, никеля или их смеси. В частных случаях выполнения изобретения в качестве растворителя для раствора металлорганического соединения выбраны вещества из группы, состоящей из ароматических углеводородов, таких как бензол, толуол и ксилол; из алифатических углеводородов, таких как гексан, гептан, октан или декан; спиртов, таких как этанол, пропанол, и их смесей с водой. В частных случаях выполнения изобретения в качестве раствора металлорганического соединения используют раствор ферроцена в этаноле. В частных случаях выполнения изобретения углубление в подложке выполняют в виде меандра или прямоугольника или овала. В частных случаях выполнения изобретения электрическую разводку выполняют из титана, и/или молибдена, и/или золота, и/или платины, и/или алюминия, и/или меди, и/или хрома, и/или легированного поликремния толщиной от 0,1 до 5 мкм. В частных случаях выполнения изобретения используют подложку из кварца, и/или кремния, и/или оксида кремния и/или оксида алюминия, и/или нитрида кремния. В частных случаях выполнения изобретения первый и/или второй диэлектрический слой выполняют из оксида кремния, оксида алюминия, нитрида кремния, поликремния или их композиции толщиной от 10 нм до 5 мкм. В частных случаях выполнения изобретения углубление в подложке выполняют глубиной от 0,5 до 500 мкм. В частных случаях выполнения изобретения буферный слой выполняют из алюминия и/или оксида алюминия, и/или оксида кремния толщиной от 1 до 2000 нм. В частных случаях выполнения изобретения функциональный слой, содержащий активатор распада металлорганического соединения, содержит железо или оксид железа, или кобальт, или оксид кобальта,или никель, или оксид никеля, или их сплавы. В частных случаях выполнения изобретения дополнительно формируют верхний герметизирующий слой, по меньшей мере, над массивом углеродных нанотрубок. В частных случаях выполнения изобретения верхний герметизирующий слой выполняют из оксида кремния, и/или оксида алюминия, и/или нитрида кремния, и/или поликремния толщиной от 0,5 до 200 мкм. В частных случаях выполнения изобретения верхний слой соединяют с поверхностью методом сращивания. В частных случаях выполнения изобретения верхний слой формируют методом осаждения. Совокупность признаков, характеризующих изобретение, позволяет изготовить датчик давления с повышенной надежностью функционирования и повышенной чувствительностью датчика давления. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - подложка с первым диэлектрическим слоем, сформированной электрической разводкой и вторым диэлектрическим слоем а) - вид спереди, разрез; б)- вид сверху,на фиг. 2 - формирование области роста массива углеродных нанотрубок в виде углубления в подложке фотолитографией а) - вид спереди, разрез; б) - вид сверху,на фиг. 3 - формирование буферного слоя, формирование над буферным слоем функционального слоя, содержащего активатор распада металлорганического соединения,на фиг. 4 - схема сформированного датчика давления. Способ изготовления датчика давления, содержащего углеродные нанотрубки, включает нанесение на поверхность подложки 1 первого диэлектрического слоя 2, формирование электрической разводки 3,формирование второго диэлектрического слоя 4 (фиг. 1) Формирование области роста массива углеродных нанотрубок в виде углубления 5 (фиг. 2) в подложке 1 проводят фотолитографией следующим образом: изделие покрывают маской фоторезиста 6, производят сушку фоторезиста, экспонирование фоторезиста излучением через фотошаблон в виде меандра или прямоугольника или овала, проявление скрытого изображения путем удаления фоторезиста с облученного участка, дубление, травление облученного участка с образованием углубления 5 в подложке 1 глубиной от 0,5 до 500 мкм. Далее проводят формирование буферного слоя 7 и формирование над буферным слоем 7 функционального слоя 8 (фиг. 3), содержащего активатор распада металлорганического соединения. Буферный слой 7 выполняют из алюминия и/или оксида алюминия, и/или оксида кремния толщиной от 1 до 2000 нм. Затем проводят удаление маски фоторезиста 6, нанесенной в процессе фотолитографии, при этом удаляются буферный слой 7 и функциональный слой 8 со всей поверхности, за исключением области углубления 5. Далее проводят синтез углеродных нанотрубок 9. Проведение синтеза углеродных нанотрубок осуществляют путем введения подложки в нагретый реактор, подачу газа-носителя, введение в нагретый реактор путем распыления раствора металлорганического соединения, например металлоценов железа, кобальта, никеля, фталационинов железа, кобальта, никеля или их смесей. В качестве растворителя для раствора металлорганического соединения при проведении синтеза вещества выбирают из группы, состоящей из ароматических углеводородов, таких как бензол, толуол и ксилол; или из алифатических углеводородов, таких как гексан, гептан, октан или декан; или спиртов, таких как этанол, пропанол, и их смесей с водой. Для проведения синтеза может быть использовано устройство по евразийскому патенту 015412. Для этого образцы со сформированной структурой размещают на держателе образцов, который вводится в рабочую зону реактора, нагретого до температуры от 300 до 800 С. Через реактор обеспечивается проток газа-носителя (50-1000 см 3/мин). Непосредственно перед проведением синтеза стабилизируют давление до требуемого значения на выходе реактора с помощью системы контроля и регулирования давления в реакторе. Углеродсодержащий газ подается со скоростью подачи 1-100 см 3/мин. Раствор металлоорганического соединения подается со скоростью подачи 0,001-0,2 см 3/мин через распылитель в камеру испарителя. По окончании процесса синтеза прекращается подача углеродсодержащего газа и раствора металлоорганического соединения, отключается система контроля и регулирования атмосферного давления, после чего образцы извлекаются из реактора в потоке газа-носителя, либо выключается нагреватель реактора, и держатель образцов с образцами извлекается при достижении комнатной температуры в реакторе. В процессе синтеза углеродных нанотрубок функциональный слой 7, содержащий активатор распада металлорганического соединения, расходуется. В последующем может быть сформирован верхний герметизирующий слой 10, по меньшей мере, над массивом углеродных нанотрубок 9. Верхний герметизирующий слой 10 выполняют из оксида кремния, и/или оксида алюминия, и/или нитрида кремния, и/или поликремния толщиной от 0,5 мкм до 200 мкм. Верхний слой 10 соединяют с поверхностью методом сращивания или формируют методом осаждения (фиг. 4). Пример. Для формирования датчика давления на подложку из кремния осажден первый диэлектрический слой из нитрида кремния толщиной 50 нм. Для формирования электрической разводки 3 осажден слой титана толщиной 200 нм и литографией сформирован топологический рисунок электрической разводки. Далее в качестве второго диэлектрического слоя сформирован методом осаждения слой нитрида кремния толщиной 100 нм. На второй диэлектрический слой осажден слой фоторезиста толщиной 1,5 мкм. Затем методом литографии сформировано углубление 7 в подложке 1 глубиной 50 мкм. Далее выполнен буферный слой из алюминия толщиной 100 нм, поверх которого осажден слой, содержащий катализатор металлоорганического соединения - слой никеля толщиной 10 нм. После чего был удален фоторезист. Далее был проведен синтез углеродных нанотрубок путем введения образца в рабочую зону нагретого реактора при температуре 700 С, куда подается поток газа-носителя со скоростью 200 см 3/мин, и прошедшего через испаритель со скоростью подачи 0,1 см 3/мин 0,1 вес.% раствор ферроцена в этаноле. Давление в реакторе стабилизировано до 110 кПа. После синтеза массива углеродных нанотрубок было проведено осаждение верхнего слоя из оксида кремния толщиной 1,5 мкм. Таким образом, сформирован датчик давления, в котором массив углеродных нанотрубок защищен от механических воздействий с пяти сторон: со стороны дна подложкой, с боковых сторон подложкой, а также двумя диэлектрическими слоями по верхнему краю. Сверху массив углеродных нанотрубок закрыт верхним слоем, что обеспечивает его герметизацию. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ изготовления датчика давления, содержащего углеродные нанотрубки, включающий нанесение первого диэлектрического слоя на поверхность подложки, формирование электрической разводки, формирование второго диэлектрического слоя, формирование области роста массива углеродных нанотрубок в виде углубления в подложке фотолитографией, формирование буферного слоя, формирование над буферным слоем функционального слоя, содержащего активатор распада металлорганического соединения, удаление маски резиста, нанесенной в процессе фотолитографии, проведение синтеза углеродных нанотрубок. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проведение синтеза углеродных нанотрубок осуществляют путем введения подложки в нагретый реактор, подачу газа-носителя, введение в нагретый реактор раствора металлорганического соединения путем инжекции, распыления или атомизации. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве металлоорганического соединения используют металлоцены железа, кобальта, никеля, фталационины железа, кобальта, никеля или их смеси. 4. Способ по пп.2-3, отличающийся тем, что в качестве растворителя для раствора металлорганического соединения выбраны вещества из группы, состоящей из ароматических углеводородов, таких как бензол, толуол и ксилол; из алифатических углеводородов, таких как гексан, гептан, октан или декан; спиртов, таких как этанол, пропанол, и их смесей с водой. 5. Способ по пп.2-4, отличающийся тем, что в качестве раствора металлорганического соединения используют раствор ферроцена в этаноле. 6. Способ по пп.1-5, отличающийся тем, что углубление в подложке выполняют в виде меандра или прямоугольника или овала. 7. Способ по пп.1-6, отличающийся тем, что электрическую разводку выполняют из титана, и/или молибдена, и/или золота, и/или платины, и/или алюминия, и/или меди, и/или хрома, и/или легированного поликремния толщиной от 0,1 до 5 мкм. 8. Способ по пп.1-7, отличающийся тем, что используют подложку из кварца, и/или кремния, и/или оксида кремния, и/или оксида алюминия, и/или нитрида кремния. 9. Способ по пп.1-8, отличающийся тем, что первый и/или второй диэлектрический слой выполняют из оксида кремния, оксида алюминия, нитрида кремния, поликремния или их композиции толщиной от 10 нм до 5 мкм. 10. Способ по пп.1-9, отличающийся тем, что углубление в подложке выполняют глубиной от 0,5 до 500 мкм. 11. Способ по пп.1-10, отличающийся тем, что буферный слой выполняют из алюминия и/или оксида алюминия, и/или оксида кремния толщиной от 1 до 2000 нм. 12. Способ по пп.1-11, отличающийся тем, что функциональный слой, содержащий активатор распада металлорганического соединения, содержит железо или оксид железа, или кобальт, или оксид кобальта, или никель, или оксид никеля, или их сплавы. 13. Способ по пп.1-12, отличающийся тем, что дополнительно формируют верхний герметизирующий слой, по меньшей мере, над массивом углеродных нанотрубок. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что верхний герметизирующий слой выполняют из оксида кремния, и/или оксида алюминия, и/или нитрида кремния, и/или поликремния толщиной от 0,5 до 200 мкм. 15. Способ по пп.13-14, отличающийся тем, что верхний слой соединяют с поверхностью методом сращивания. 16. Способ по пп.13-14, отличающийся тем, что верхний слой формируют методом осаждения.