一种长条形薄膜的可控自组装方法及器件

本发明属于电子器件，涉及一种长条形薄膜的可控自组装方法及器件。

背景技术：

1、为了开发紧凑的多功能薄膜电子器件，自卷曲技术已经广泛应用于金属、聚合物和氧化物材料。该技术通过利用薄膜生长时产生的内应力，如单层薄膜内的应变梯度或双层/多层薄膜内部的层间晶格应变差，在薄膜脱离衬底而释放的过程中实现自卷曲。文献报道了一系列基于自卷曲现象开发的微型薄膜电子器件，例如：由ni80fe20等铁磁金属材料制成的自卷曲矢量磁传感器(science advances,2019,5(12),eaay7459)，以al2o3等多晶氧化物为介电层的自卷曲电容器(advanced energy materials,2014,4(9),1301631)，由聚合物和金属材料制成的自卷曲电感器(advanced electronic materials,2018,4(11),1800298)，由金属ni和sinx材料制成的自卷曲3d变压器(nature electronics,2018,1(5):305-313)，等等。以上述电容器为例，自卷曲后器件占地面积从0.5mm2减少到0.008mm2，横向面积减小2个数量级。然而，长条形(大长宽比)自卷曲薄膜易于从长边卷起，若要进一步减小器件占地面积，长条形自卷曲薄膜器件的可控自组装变得至关重要。

2、目前的自卷曲薄膜器件的可控自组装方法具有以下几项缺陷和不足：(1)传统开窗方法(advanced energy materials,2014,4(9),1301631)，即在刻蚀好待卷曲形状的薄膜表面，通过光刻工艺在初始卷曲位置暴露一个窗口，让该位置的薄膜首先卷起，从而控制卷曲方向。该方法涉及到多次光刻和刻蚀步骤，工艺复杂。(2)新兴的利用外部磁场控制自卷曲方向的方法(nature communications,2019,10(1),3013)，即在薄膜中加入磁性层，利用外部磁场对磁性层的控制，实现薄膜的可控自卷曲。该方法涉及到复杂的外部磁场设备，成本较高。目前还没有提出一种工艺简单、低成本的且易于操作的长条形自卷曲薄膜器件的可控自组装方法。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术的问题，本发明提供一种长条形薄膜的可控自组装方法及器件，该方法工艺简单、成本低且易于操作。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种长条形薄膜器件的可控自组装方法，包括以下步骤：

4、s1，在衬底上沉积一层牺牲层；

5、s2，在牺牲层上沉积具有晶格应变梯度的薄膜层；

6、s3，对薄膜层进行刻蚀，形成长条形自组装图案；所述长条形自组装图案包括长条形薄膜以及对称连接在长条形薄膜两个长边上的多个锚点；长条形薄膜的短边长度为w0，长条形薄膜的至少一个短边距离与其最近的锚点之间的距离为l1，l1和w0之间满足l1≤w0；

7、s4，对牺牲层进行湿法刻蚀，随着湿法刻蚀的进行，长条形薄膜从至少一个短边开始沿着长边的方向卷曲，卷曲过程中，锚点与长条形薄膜的连接处依次断裂。

8、优选的，长条形薄膜同一个长边上相邻两个锚点之间的距离为l3，且l3≈w0；锚点与长条形薄膜连接处的长度为l2，且1μm≤l2≤5μm。

9、优选的，锚点为梯形，梯形的底边与长条形薄膜的长边连接。

10、进一步的，锚点的腰与长条形薄膜的长边之间的夹角α为30°～60°。

11、优选的，长条形薄膜的另一个短边连接有若干条带。

12、进一步的，条带长度为l5，宽度为w1，且10μm≤w1≤60μm，l5与长条形薄膜的卷曲直径相等。

13、进一步的，长条形薄膜连接条带的短边距离与其最近的锚点之间的距离为l4，且l4≈w0。

14、优选的，s3还包括：刻蚀去除衬底边缘的薄膜层和牺牲层，暴露出衬底表面；采用光刻胶将长条形自组装图案四周的薄膜层与暴露出的衬底表面压在一起。

15、优选的，薄膜层为单层薄膜或者多层薄膜。

16、采用上述的制备方法得到的器件。

17、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

18、本发明薄膜的可控自组装方法，利用薄膜的自卷曲特性，通过构建锚点，从衬底上逐段释放薄膜，通过锚点控制控制薄膜卷曲方向，进而得到微管结构的自卷曲功能器件，大幅缩减器件占地面积。本发明的优点包括：(1)该方法克服了长条形自卷曲薄膜易于从长边卷起的卷曲特性，使薄膜卷曲方向可控，能够控制薄膜的卷曲方向为沿长边卷曲；(2)相比于开窗等传统自组装方法，该方法工艺简单、成本低且易于操作；(3)该方法制备的多层卷可以转移至任意衬底，实现与硅等半导体衬底的异质集成，可以兼容cmos技术；(4)薄膜自卷曲后，占地面积减少一个甚至几个数量级，可实现大规模集成；(5)该方法可广泛适用于各种长条形自卷曲薄膜的制备，进而构建微管结构的功能器件，实现薄膜器件的一体化制备和大面积集成。

19、进一步的，边缘刻蚀后，将长条形自组装图案四周的薄膜层与刻蚀后暴露出来的衬底表面压在一起，防止薄膜自卷曲过程中多余的薄膜与待卷起薄膜一同卷起，同时还使锚点处更容易断裂。

技术特征：

1.一种长条形薄膜器件的可控自组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的长条形薄膜器件的可控自组装方法，其特征在于，长条形薄膜同一个长边上相邻两个锚点之间的距离为l3，且l3≈w0；锚点与长条形薄膜连接处的长度为l2，且1μm≤l2≤5μm。

3.根据权利要求1所述的长条形薄膜器件的可控自组装方法，其特征在于，锚点为梯形，梯形的底边与长条形薄膜的长边连接。

4.根据权利要求3所述的长条形薄膜器件的可控自组装方法，其特征在于，锚点的腰与长条形薄膜的长边之间的夹角α为30°～60°。

5.根据权利要求1所述的长条形薄膜器件的可控自组装方法，其特征在于，长条形薄膜的另一个短边连接有若干条带。

6.根据权利要求5所述的长条形薄膜器件的可控自组装方法，其特征在于，条带长度为l5，宽度为w1，且10μm≤w1≤60μm，l5与长条形薄膜的卷曲直径相等。

7.根据权利要求5所述的长条形薄膜器件的可控自组装方法，其特征在于，长条形薄膜连接条带的短边距离与其最近的锚点之间的距离为l4，且l4≈w0。

8.根据权利要求1所述的长条形薄膜器件的可控自组装方法，其特征在于，s3还包括：刻蚀去除衬底边缘的薄膜层和牺牲层，暴露出衬底表面；采用光刻胶将长条形自组装图案四周的薄膜层与暴露出的衬底表面压在一起。

9.根据权利要求1所述的长条形薄膜器件的可控自组装方法，其特征在于，薄膜层为单层薄膜或者多层薄膜。

10.采用权利要求1-9任一项所述的制备方法得到的器件。

技术总结
本发明一种长条形薄膜的可控自组装方法及器件，包括：在衬底上沉积一层牺牲层；在牺牲层上沉积薄膜层；对薄膜层进行刻蚀，形成长条形自组装图案；长条形自组装图案包括长条形薄膜以及对称连接在长条形薄膜两个长边上的多个锚点；长条形薄膜的短边长度为W0，长条形薄膜的至少一个短边距离与其最近的锚点之间的距离为L1，L1≤W0；对牺牲层进行湿法刻蚀，随着湿法刻蚀的进行，长条形薄膜从至少一个短边开始沿着长边的方向卷曲，卷曲过程中，锚点与长条形薄膜的连接处依次断裂。本发明通过构建锚点，从衬底上逐段释放薄膜，控制薄膜卷曲方向，得到微管结构的器件。

技术研发人员：刘明,彭斌,郭筠婷
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13