MEMS材料上的“黑”现象-金属黑

作者:admin  来源:芯云知 ,作者金末  发布时间:2024-03-07  访问量:1111

什么是金属“黑”现象


金属最大的外观特征就是光亮且具有光泽的材料,金属“黑”现象是指在超微粒状态下金属呈现出黑色的性质。金属晶粒尺寸越小,表面越粗糙,颜色越黑,如铂变成铂黑,铬变成铬黑,金变成金黑。

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图1 铂黑晶粒和粗糙度


金属“黑”现象应用

在红外探测器和红外光源作为红外吸收层或黑体材料使用。采用金黑材料为红外吸收区时,器件的响应率和探测率可相应提高。然而,金黑的制备工艺涉及到金属蒸发和金属纳米颗粒的凝集等工序,过程较为复杂,且其与CMOS工艺的兼容性也较差,一般只能在器件结构加工完成后再将其制作在结构的表面。

沉积在湿敏材料层上的金属黑材料,作为湿度传感器上电极使用。金属黑材料包括金、银、铝或铂金属材料,采用多孔的金属黑材料作为上电极,由此增大外界空气与湿敏材料的接触面积,避免了传统电容式湿度传感器上由于电极材料致密导致的水分子交换速率低的问题,由于外界空气与湿敏材料的接触面积增大,空气流速也随之增大,进而提高了湿敏材料吸湿和脱湿的速率,从而提高湿度传感器的灵敏度、降低响应时间及降低回滞特性。

针对神经信息检测的应用,铂黑为导电材料微电极阵列芯片使用。通过在芯片上集成对电极与参比电极,使芯片同时具有神经电生理检测以及神经递质电化学检测的功能。微电极的纳米铂黑修饰技术可以降低微电极阻抗,提高检测信噪比。以氯铂酸和醋酸铅的混合溶液为电镀液,采用计时电流法对微电极阵列芯片上直径为30μm的电极进行了纳米铂黑修饰。与裸电极相比,纳米铂黑修饰电极对氧化电流值起到了“放大”作用,使检测电流由pA级增大至nA级,且灵敏度提高一个数量级,测试浓度值与氧化电流之间有更好的线性关系。

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图2 铂黑修饰的微电极


如何实现金属“黑”现象

常规的金属黑可以通过刻蚀,激光烧蚀,原位沉积,电镀等方式实现。如使用氯铂酸溶液对MEMS红外光源芯片进行电镀纳米铂黑工艺,在电镀中,对影响电镀效果的溶液配比、电镀电流密度以及电镀时间等参数需要进行特定优化。

如用于电容式湿度传感器的上电极金黑的加工工艺,具体制备步骤如下:

1、单晶硅活化处理,将带有绝缘层、底部电极层和湿敏材料层的单晶硅衬底,进行氧离子表面活法处理,得到硅片晶圆样品;

2、晶圆样品放入电子束蒸发台,与此同时,将待蒸镀材料颗粒放入电子束蒸发台内的钼舟;

3、降压,打开电子束蒸发台的真空计,并打开高真空闸板阀,对电子束蒸发台内部抽真空30‑40分钟,使装置内部气压下降至0.5‑2.0Pa;

4、排气,继续打开电子束蒸发台内部的N2气阀,通气10‑20钟,排除装置内部多余的氧气;

5、调节气压,继续调节N2气阀,调节装置内部气压,调至20‑200Pa;

6、蒸发,调节电子束蒸发台的蒸发电流,使蒸发速率维持在0.5‑2.0nm/s ,蒸镀后生成的上电极厚度控制为50‑100nm。