一种基于力电热耦合的碳纳米管阵列键合方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于力电热耦合的碳纳米管阵列键合方法，首先利用化学气相沉积方法在金属基底表面生长碳纳米管阵列，然后在碳纳米管表面溅射金属形成纳米颗粒，与目标金属基底对准后，施加一定的压力和环境温度，在两金属基底间连接恒流脉冲电源，通电持续一段时间后断开电源，再保持一定时间，即可实现碳纳米管阵列与金属基底的键合。本发明基于在纳米接触界面的电流集聚和电迁移效应，产生局部焦耳热，促进原子间扩散，实现低温键合，操作简单，与微电子工艺兼容，在碳纳米管器件和电子封装热界面材料领域具有广泛的应用前景。
【专利说明】一种基于力电热耦合的碳纳米管阵列键合方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微纳系统制造领域，特别是涉及一种基于力电热耦合的碳纳米管阵列键合方法。
【背景技术】
[0002]碳纳米管作为纳米结构材料的典型代表，以其奇特的纳米尺度一维结构特性和显著的机械、电学、热学、光学、生物等性能而成为新一代纳电子器件制造的关键材料。基于碳纳米管的电子电路制造技术将有助于实现更小尺度、更高性能、更低功耗的纳电子器件。同时，具有高热导率和高电导率的碳纳米管也成为提高器件封装性能的重要材料，用于提高封装的散热与导电性能。将碳纳米管作为传感器的敏感材料，可以大大拓展传感器的功能，使得性能进一步提高。对于碳纳米管的这些应用，其基本的结构形式主要是碳纳米管与金属电极之间形成垂直或水平互连结构。在这种结构中，碳纳米管的主要作用是形成电、热传输通道，或者作为能量转换的功能材料，电极结构成为碳纳米管与宏观测量系统的通信中介。比如:将碳纳米管阵列装配到电极上用于大规模集成电路的电互连、场效应管沟道，或者将定向生长的碳纳米管薄膜填充至互联界面作为封装热界面材料，以实现热的快速输运。
[0003]基于化学气相沉积(CVD)方法制备垂直定向碳纳米管阵列，并用于电互连介质和热界面(TIM)材料，是碳纳米管应用的常用形式，其核心特征是要形成金属-碳纳米管-金属三层结构。目前主要采用热压键合方法或化学粘合法实现碳纳米管薄膜与金属基底的键合，前者存在的主要问题是键合温度和压力均较高，一般在300°C以上，在应用中会影响器件性能；后者利用在碳纳米管表面自主装亲金属的化学物质实现与金属基底的键合，存在的主要问题是键合过程中引入有机化学物质，对环境和器件造成一定污染，而且化学键合形成的连接不稳固，难以保证高效的力、电、热互连。
[0004]鉴于此，通过在碳纳米管表面制备纳米金属结构，并将其作为键合层，在一定温度和压力作用下，并在两金属基底间连接恒流脉冲电源，利用在纳米接触界面的电流集聚和电迁移效应，产生局部焦耳热，促进原子间扩散，实现低温键合。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在碳纳米管器件和电子封装热界面材料领域具有广泛的应用前景。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于力电热耦合的碳纳米管阵列键合方法，在碳纳米管表面制备纳米金属层作为键合层，基于所施加脉冲电流在纳米界面产生的电流集聚和电迁移效应，实现碳纳米管与金属基底的键合。
[0006]本发明公布的一种基于力电热稱合的碳纳米管阵列键合方法，在金属基底上生长的碳纳米管阵列端部溅射金属形成纳米颗粒，与目标金属基底对准后，施加一定的压力和环境温度，在两金属基底间连接恒流脉冲电源，通电持续一段时间后断开电源，再保持恒温和恒压一定时间，即可实现碳纳米管阵列与金属基底的键合。[0007]本发明基于纳米接触界面的电流集聚和电迁移效应，在接触界面产生局部焦耳热，引起界面金属局部熔化；与此同时，纳米界面电迁移效应能够促进原子间扩散，加之施加的环境温度和压力，产生力电热耦合的综合效应，实现低温键合。该方法操作简单，与微电子工艺兼容，在碳纳米管器件和电子封装热界面材料领域具有广泛的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是本发明垂直碳纳米管阵列向金属基底键合工艺示意图:其中I为垂直碳纳米管阵列，2金属层，3为硅衬底，4为纳米金属颗粒，5为压力，6为金属基底，7为器件衬底。
【具体实施方式】
[0009]如图1所示，本发明具体实施例的主要步骤包括:
(I)采用CVD方法制备垂直碳纳米管阵列。生长设备采用德国AIXTR0N公司的“BlackMagic”系统，碳纳米管合成中，衬底温度在450°C到560°C之间，催化剂采用Al/Fe/Mo金属，首先在硅衬底上溅射金属层，经过热整形即可在衬底上形成催化剂的纳米团簇，以便生长定向碳纳米管阵列。生长中起源采用C2H2气体，首先在高温环境中(830°C )将气体裂解生成C6H9, C5H9等气体，将裂解物通入带有催化剂的衬底即可生长碳纳米管。生长过程中腔体压强为 2X10 2 mbar。
[0010](2)碳纳米管阵列端部纳米金属颗粒制备。利用磁控溅射镀膜机在垂直定向碳纳米管表面溅射Ni金属。溅射中腔体气压为5X 10—3Pa,衬底温度为350K，溅射时间为10分钟。
[0011](3)基于力电热耦合的热压键合工艺。将(2)形成的结构，经过对准使纳米颗粒与转移目标金属衬底(Au)接触，在3和7之间施加2MPa压力，环境温度为150摄氏度，在2和和6之间连接恒流脉冲电源，电流幅值10安培，脉宽100毫秒，频率5000赫兹，通电时间150秒。
[0012](4)键合完成。步骤(3)完成后，保持恒温恒压30分钟，即完成键合工艺。
【权利要求】
1.一种基于力电热耦合的碳纳米管阵列键合方法，其特征是在金属基底上生长的碳纳米管阵列端部溅射金属形成纳米颗粒，与目标金属基底对准后，施加一定的压力和环境温度，在两金属基底间连接恒流脉冲电源，通电持续一段时间后断开电源，再保持恒温和恒压一定时间。
2.如权利要求1所述的一种基于力电热耦合的碳纳米管阵列键合方法，其特征在于施加的压力l_5MPa，温度100-200°C，恒温恒压持续时间20-40分钟。
3.如权利要求1所述的一种基于力电热 耦合的碳纳米管阵列键合方法，其特征在于恒流脉冲电源电流幅值小于100安培，脉宽50-150毫秒，频率大于50赫兹，通电时间30-300秒。
【文档编号】B81C1/00GK103896207SQ201410145675
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】宋晓辉, 赵兰普, 乔彦超, 庄春生, 张萍, 岳鹏飞, 梁楠 申请人:河南省科学院应用物理研究所有限公司