定向生长碳纳米管的电磁对准工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体工艺技术的碳纳米管生长工艺，特别涉及一种定向生长碳纳米管的电磁对准工艺。
【背景技术】
[0002]半导体技术的发展一直沿着微型化、集成化的方向发展。电子元件的超微型化和高集成化，对其系统散热性能提出了新的挑战，微纳器件与系统在运动时产生的高热流密度，极易导致散热不良，成为制约其发展的首要问题；另一方面，随着封装集成度的不断提高，特别是采用系统封装(简称SiP)和芯片堆叠等三维集成技术，使单位体积内的发热量大大增加，系统温度也随之升高，直接影响到器件性能与可靠性，甚至导致器件热损坏。由于电子器件通常工作在高热流密度和小温差的环境下，系统散热已成为直接影响元器件工作性能、使用寿命，以及阻碍芯片微型化和系统集成化的关键问题。
[0003]热界面材料(ThermallnterfaceMaterials,TIMs)作为一种广泛用于IC封装和电子散热的材料，主要用于填充材料界面接触时产生的微小间隙，增强界面热传导。随着芯片发热量和封装集成度的提高，热流量不断增加，如何有效降低芯片到衬底或热沉的热阻变得极为重要，热界面材料在电子封装散热方面所扮演的角色也越来越突出。现普遍使用的热界面材料大略可以分为导热硅脂(导热膏)、导热凝胶(导热弹性胶)、相变材料、颗粒填充的高分子基复合热界面材料和金属热界面材料等。
[0004]导热硅脂是一种传统的散热材料，这种热界面材料具有优异的导热性能，厚度可以非常薄，能有效地降低热阻。但是硅脂非常容易溢出，污染电路板，进而引起短路等故障，且经过多次冷热循环后会流失、变干，反而增加热阻。另外，在制造或者使用过程中非常容易污染环境。
[0005]导热凝胶具有良好的弹性和变形性，能紧密地与固体表面结合，实现热阻的降低，也不会污染电路板和环境。缺点是需要增加固化交联反应步骤，且其与固体表面相互之间的粘结力较弱。
[0006]相变热界面材料能吸收集成电路工作时产生的热量，促进固体界面之间的热传导。缺点是传统相变热界面材料的热导率通常比导热膏稍低，接触热阻比导热膏大。另外，相变材料从液态转变成固态时容易残留热应力。
[0007]颗粒填充的高分子基复合热界面材料能充分地发挥基体材料和填充材料各自的优点。缺点是粒子易发生团聚，难于均匀分散，从而造成热导率的不均匀性，阻碍热的传输。金属热界面材料通常具有较高的热导率，目前己经广泛应用于电子封装，但是将其应用于热界面材料的还比较少见。
[0008]近年来随着纳米技术的发展，特别是碳纳米管(简称CNT)在电子封装和互联中的深入研究，学术界和工业界都投入了大量的精力和经费，开展新型低热阻封装材料和技术研究。较之传统的热界面材料，碳纳米管具有高导热、高化学稳定性、热膨胀系数小、密度低等综合性能优势，可以用来改善基体介质的热传导性能，实现对热量的高效率传递，同时还可以利用其特殊纳米碳层结构特性，克服传统金属粒子热界面材料的形变能力差的缺点，有效地解决热接触的问题，同时还改善了金属的抗腐蚀性能，降低导热层重量，因而有助于克服现有热界面材料的不足而成为性能优越的纳米导热材料。2007年11月，欧盟正式启动投资总额为1100万欧元的大型合作项目“NANOPACK”，研究满足低热阻封装和互联的新材料和技术；2008年5月，美国国防部高级研究计划署(DARPA)也正式发布了“纳米热界面的项目指南，重点研究降低界面热阻的新材料和技术。
[0009]碳纳米管用于热界面材料也有相关报道，但都存在一个问题，就是由于垂直生长的碳纳米管的高度存在不一致性，在应用中造成实际用于热传导的碳纳米管的整体效率较低，如何使尽量多的碳纳米管参与热传导是需要解决的问题。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，提供一种定向生长碳纳米管的电磁对准工艺。本发明通过电磁场辅助对准，使得碳纳米管尽可能多的呈现垂直排布，并通过施加一定的压力使碳纳米管与衬底间的接触几率大幅度提高，提高参与热传导的碳纳米管的比例和效率，从而降低界面热阻。
[0011]由于生长机理的不同，定向生长CNT顶部无磁性或磁性很弱。为便于利用电磁场对CNT进行有效对准，必须首先对CNT进行改性和磁化，然后在电磁力作用下实现对准。
[0012]本发明的工艺特征包括下列步骤:
[0013](I)采用电子束蒸发技术在CNT顶部形成磁性纳米颗粒。定向生长CNT磁化技术，对于化学气相沉积法(CVD)制备CNT。一般存在两种生长模式,底端生长模式和顶端生长模式。常用的催化剂包括Fe、N1、Co等铁磁性材料。由于催化剂厚度较小，因此CNT顶部残留催化剂颗粒所具有的磁性很弱，无法利用。为满足垂直排布的碳纳米管(简称VACNT)电磁对准的要求，必须对生长后的CNT进行磁化。本发明采用电子束蒸发技术在CNT顶部形成磁性纳米颗粒。本步骤包括下列子步骤:
[0014]a.在Si衬底上沉积一层反铁磁性材料催化剂；
[0015]b.高温对Si衬底进行处理，使得催化剂裂化，形成纳米颗粒；
[0016]c.进行VACNT的生长；
[0017]d.采用水蒸汽刻蚀技术对VACNT顶端进行开口 ；
[0018]e.将生长了开口 VACNT的Si衬底以倾斜角75?80度放置于金属溅射设备中，进行磁性金属在VACNT上的沉积，厚度控制在10?30nm ；
[0019]f.蒸发完成后对VACNT表面的磁性纳米膜进行热整形，从而在CNT顶端形成纳米颗粒。
[0020]上述过程中，在CNT顶部沉积磁性纳米颗粒进行磁化是关键。对于采用铁磁性催化剂(如N1、Fe、Co等)制备的CNT，由于残留的磁性颗粒间存在偶极化作用(大于范德华力)，使CNT顶部产生缠绕和团聚。因此本发明采用反铁磁性材料(FeMn)作为催化剂，降低CNT顶部缠绕和团聚；其次，采用水蒸汽刻蚀技术使VACNT顶端开口，增强热传导能力，同时也一定程度上降低CNT顶部缠绕现象；最后，在磁性金属蒸发过程中CNT生长衬底必须倾斜放置，便于金属材料仅沉积在CNT顶部。蒸发完成后对磁性纳米膜的热整形保证CNT顶端能形成磁性纳米颗粒，从而使得后续的CNT进行热传导时是以单根CNT进行的，即每根CNT的热传导都是独立进行的，整体VACNT热传导的效果是所有单根CNT热传导效果的综合。
[0021](2).米用电磁场辅助工艺,对CNT定向对准及键合，由于磁性金属具有铁磁性(相对磁导率>>1)，在电磁场中磁性纳米颗粒被磁化，同时产生与磁场方向相同的磁力，使CNT实现定向对准及键合。由于不同工艺生长的CNT的直径会存在差异，从而经过磁化后CNT顶部的磁性纳米颗粒的大小也会存在差异，不同纳米颗粒的大小对应不同的需施加的定向电场的大小，因此在定向对准前还需要准备工作。本步骤包括下列子步骤:
[0022]a、利用电子显微镜对CNT顶端的磁性纳米颗粒的大小进行测量；
[0023]b、根据磁性纳米颗粒的大小计算所需磁场的大小；
[0024]C、根据所需磁场大小及Si衬底的大小选择合适的线圈和电源频率；
[0025]d、将Si衬底放置于线圈中，整体置于真空腔中进行抽真空处理；
[0026]e、利用外附的机械手将需要键合的衬底放置于VACNT