微型薄膜電阻的制備及研究*

趙 龍，段俊萍，張斌珍，崔建利

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室，太原 030051）

日本科學(xué)家20多年前在制備碳纖維的實驗過程中首次發(fā)現(xiàn)了碳納米管（Carbon Nanotube）［1］，碳納米管不僅具有高的電導(dǎo)率和大的長徑比［2］，同時還具有高導(dǎo)熱性、高機械強度、低質(zhì)量密度以及高拉伸模量等特點［3-4］。由于碳納米管的尺寸比較小，只有均勻分散于高分子基體材料中其優(yōu)良性質(zhì)才能體現(xiàn)出來［5-10］。利用碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)電性來填充高分子材料的研究已經(jīng)成為當(dāng)今的熱點之一，填充后的復(fù)合材料尤其在電磁波傳輸和力學(xué)性能等方面表現(xiàn)優(yōu)異［11-13］，同時碳納米管和各種聚合物材料混合制造也逐漸應(yīng)用到了MEMS領(lǐng)域。

常用的電阻制備方法有薄膜蒸發(fā)沉積法、磁控濺射法和漿料法［14-16］，前兩種方法對設(shè)備和溫度要求較高，工藝相對復(fù)雜，而漿料法制備的電阻體積較大，大都在毫米級別。市場上可以購買到的貼片電阻最小為0201，尺寸為200 μm×400 μm，該尺寸大大限制了其在微型器件上的廣泛使用。

1 微型電阻的制備

SU-8是美國MICRO CHEM公司生產(chǎn)的一種環(huán)氧樹脂，SU-8 2002是粘稠度較低的負性光刻膠，易于與碳納米管混合；SU-8 2150是粘稠度很高的環(huán)氧樹脂，適用于制作高深寬比主模結(jié)構(gòu)，交聯(lián)的SU-8（紫外曝光或熱固化）具有高度耐化學(xué)腐蝕和熱穩(wěn)定性，用SU-8 2002作為填充材料混合有碳納米管的復(fù)合材料制備微型電阻工藝流程如圖1所示。

圖1 微型電阻制作流程圖

加工過程包括以下幾個步驟：（1）準(zhǔn)備兩寸長的硅片，硅片的清潔度將影響勻膠的平整度和基底的粘附性，因此需要通過丙酮、無水乙醇、去離子水3次反復(fù)清洗，清洗時使用超聲設(shè)備；（2）將SU-8 2150均勻旋轉(zhuǎn)涂布到硅片上；（3）烘干后曝光、顯影得到SU-8主模；（4）將配比比例為5：1（PDMS：固化劑）的PDMS倒入SU-8主模，加熱固化；（5）脫模得到PDMS負膜，然后將碳納米管與SU-8 2002的復(fù)合材料倒入PDMS負膜。（6）最后進行熱壓處理完成整體工藝。

1.1 SU-8主模結(jié)構(gòu)的制備

首先通過SU-8 2150厚膠的UV-LIGA工藝來制作完成主模，為了增加光刻膠與硅片的粘附性，將2寸長的硅片按順序經(jīng)過丙酮、無水乙醇和去離子水清洗，然后放到電熱板上在120℃烘烤20 min；完成了清洗工作后，使用勻膠機將SU8-2150旋轉(zhuǎn)涂層到硅片上，勻膠機在500 r/min旋轉(zhuǎn)10 s、1 650 r/min 旋轉(zhuǎn)30 s，獲得大約400 μm的SU-8層；然后將完成勻膠的硅片放置在熱板上，為了使SU-8內(nèi)應(yīng)力在烘烤時緩慢釋放，我們采取緩慢升溫過程，每5℃保持5 min，在65℃保持10 min，在95℃保持4 h，隨后緩慢降溫，降到室溫；將刻有圖形的掩膜板與硅片對準(zhǔn)貼在一起在光刻機下進行紫外曝光，曝光劑量為800 mJ/cm2；光刻完成后進行后烘處理，同樣采用階梯式緩慢升降溫；緊接著將硅片放入SU-8顯影液進行顯影，為了提高顯影速度，我們將裝有顯影液的培養(yǎng)皿放入超聲設(shè)備SB-5 200DNT進行超聲處理，使小結(jié)構(gòu)底部充分顯影，加快顯影速度；顯影完全后用去離子水清洗，氮氣吹干，在熱板120℃烘烤10 min，得到SU-8主模結(jié)構(gòu)，長度和寬度的尺寸為200 μm×200 μm，圖2為主模結(jié)構(gòu)的電鏡圖。

圖2 SU-8主模結(jié)構(gòu)電鏡圖

SU-8完成的微結(jié)構(gòu)尺寸可以做到微米級別，側(cè)壁垂直度高，制作工藝相對機械加工簡單易行。

1.2 PDMS的制備

PDMS聚合物采用一種Sylgard184 kit（Dow Corning，MI），不同比例的PDMS都有很好的粘附強度，加熱凝固，PDMS密封的最佳狀態(tài)是PDMS預(yù)聚物和固化劑比例10∶1和5∶1，固化溫度和固化時間將影響PDMS密封強度［17］。首先，準(zhǔn)備兩種不同比例的PDMS，一種比例為5∶1，另一種比例為10∶1，將兩種比例的PDMS預(yù)聚物放入真空干燥箱脫氣15 min除去預(yù)聚物中的氣泡，接著將比例為5∶1的PDMS倒入SU-8主模，靜置20 min后置于烘箱中75 ℃烘烤2 h后取出脫模［18］，PDMS（10∶1）倒入到2寸硅片上以同樣的方法制得蓋片。圖3為PDMS負膜的電鏡圖。

圖3 PDMS負膜

采用PDMS制備的模型易于與SU8主模結(jié)構(gòu)分離，脫模后結(jié)構(gòu)完整。其優(yōu)異的疏水特性易于與復(fù)合材料的脫模。

1.3 復(fù)合薄膜的制備

將不同比例的碳納米管和PDMS混合制備，我們選取純度為98%，管長為10 mm到30 mm的碳納米管，碳納米管與SU-8 2002以下面4種比例混合（1）0.05 g∶0.5 g；（2）0.07 g∶0.5 g；（3）0.1 g∶0.5 g；（4）0.2 g∶0.5 g。為了復(fù)合材料的均勻性，我們采用SB-5 200DNT超聲設(shè)備進行了4 h的超聲處理，將處理好的復(fù)合材料壓入PDMS負膜，再將PDMS蓋片放在上方進行熱壓處理，處理溫度為95℃，時間為6 h，如圖4所示為熱壓后的微型電阻。

熱壓后的電阻進行脫模，在脫模過程中發(fā)現(xiàn)，碳納米管質(zhì)量比較小時，微型電阻難以從PDMS模具中脫模，因此采用了接觸角測試儀，對不同比例復(fù)合薄膜樣品進行了表面測試工作，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同比例微型電阻的接觸角測試

圖4 熱壓后的微型電阻

圖5（a）碳納米管質(zhì)量比為9%的樣品，圖5（b）碳納米管質(zhì)量比為17%的樣品，圖5c碳納米管質(zhì)量比為29%的樣品，3種薄膜的接觸角分別為76℃、109℃和136℃。說明碳納米管和SU8混合后表面呈現(xiàn)疏水特性，隨著碳納米管濃度的增加，疏水性增強，測試結(jié)果與實驗中得到的結(jié)果一致，碳納米管濃度越低越難從PDMS中脫模。

2 測試結(jié)果和討論

通過掃描電鏡對制備好的復(fù)合薄膜表面形貌進行了觀察，如圖6所示。

圖6 復(fù)合薄膜微型電阻電鏡圖：

測試結(jié)果顯示：如圖6（a）碳納米管的濃度較高時，復(fù)合材料沒有經(jīng)過熱壓處理，出現(xiàn)開裂和團聚現(xiàn)象；圖6（b）顯示攪拌均勻碳納米管復(fù)合材料，然后經(jīng)過熱壓，復(fù)合薄膜表面平整，碳納米管均勻分布于SU-8的表面，顯示出良好的連續(xù)性。

2.1 復(fù)合材料的導(dǎo)電性研究

SU-8為絕緣材料，碳納米管的填充量對復(fù)合薄膜電阻率有很大的影響，電阻率由RST-9四探針臺來測量，探針長度是3 mm，探針間距1 mm，探針直徑0.5 mm，所有電極都是由碳化塢針制成。由于探針之間尺寸較大，我們采用上述方法，制備了1 cm×1 cm的復(fù)合薄膜樣品來測量電阻率，電阻率ρ隨導(dǎo)電碳納米管填充量的變化如圖7所示。

圖7 碳納米管濃度對電阻率的影響

隨著導(dǎo)電碳納米管填充量的增加，電阻率急劇降低，當(dāng)碳納米管的比例為9%時，電阻率為0.55 Ω·m，當(dāng)碳納米管含量為12%時，電阻率減小到0.06Ω·m，說明復(fù)合材料的逾滲閾值為9%～12%之間。閾值達到后，繼續(xù)增加碳納米管，復(fù)合材料的電阻率隨碳納米管含量的增加而緩慢減小，趨于穩(wěn)定。這是由于復(fù)合材料完全固化后，SU-8中溶劑的揮發(fā)和樹脂的固化而引起積收縮，碳納米管之間形成穩(wěn)定連續(xù)的接觸。隨著碳納米管填充量的增加，表層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更加密集，在電場的作用下電子通過隧道效應(yīng)而導(dǎo)電，從而使復(fù)合薄膜的電阻率急劇下降。當(dāng)碳納米管比例超過一定值后，再加入的碳納米管對形成的導(dǎo)電通道的影響明顯減小，電阻率降低較為平緩。

2.2 溫度對導(dǎo)電性能的影響

為了更好地反映薄膜本身的性質(zhì)，計算其熱敏特性，我們測試了復(fù)合材料制備的電阻隨溫度變化特性，如圖8所示。

采用碳納米管的質(zhì)量比為17%的樣品進行測試。由于系統(tǒng)的工作溫度會有小幅的變化，因此測試溫度區(qū)間從5℃到180℃。測試結(jié)果顯示，隨著溫度的升高，電阻值會有小幅度的下降。并具有線性特征，表明碳納米管在溫度變化較小的環(huán)境下可以作為電阻使用。

圖8 復(fù)合材料電阻樣品與溫度的關(guān)系

2.3 電阻與頻率的關(guān)系

電阻在使用過程中經(jīng)常會遇到工作頻率發(fā)生變化，頻率特性可以通過安捷倫阻抗分析儀進行了測試，如圖9所示。

圖9為復(fù)合薄膜的阻抗掃頻測試結(jié)果，低于1.2 GHz時薄膜的阻抗比較穩(wěn)定，當(dāng)頻率不斷升高，薄膜的電阻值變大，測試結(jié)果說明復(fù)合材料制備的電阻可以在低頻段器件中使用。

圖9 薄膜阻抗掃頻測試結(jié)果

3 結(jié)論

提出一種新穎的快速復(fù)制微型電阻的加工新方法，采用SU-8 2002和碳納米管復(fù)合材料，主模由SU-8 2150光刻工藝完成，負膜采用PDMS制備，該方法解決了許多不同組件集成問題。采用低溫?zé)Y(jié)而成，物理尺寸可以達到微米級別。實驗證明使用這種新技術(shù)可以制備出各種阻值、物理尺寸的微型電阻，與其他技術(shù)相比，該技術(shù)具有低成本、操作簡單、批量生產(chǎn)等優(yōu)點，該實驗為電阻應(yīng)用于低頻MEMS微波電路提供了理論依據(jù)。

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趙 龍（1991-），男，漢族，山西運城人，中北大學(xué)，研究生，主要研究微納技術(shù)與儀器制造、微波無源器件的研究工作，18334792157@163.com；

張斌珍（1974-），男，山西嵐縣人，博士后，教授，1997年于華北工學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，2003年于華北工學(xué)院獲得碩士學(xué)位，2006年于北京理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要研究方向為微納機電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）和惡劣環(huán)境下的動態(tài)測試技術(shù)，在此領(lǐng)域內(nèi)先后開展了微納器件和系統(tǒng)的設(shè)計制造、微弱信號檢測與處理以及惡劣環(huán)境下存儲測試?yán)碚撆c技術(shù)的研究，zhangbinzhen@nuc.edu.cn。

段俊萍（1979-），女，漢族，山西清徐人，中北大學(xué)，講師，主要研究主要研究微納技術(shù)與儀器制造、微波無源器件的研究工作，duanjunping@nuc.edu.cn；