一種基于力電熱耦合的碳納米管陣列鍵合方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于力電熱耦合的碳納米管陣列鍵合方法，首先利用化學氣相沉積方法在金屬基底表面生長碳納米管陣列，然后在碳納米管表面濺射金屬形成納米顆粒，與目標金屬基底對準后，施加一定的壓力和環(huán)境溫度，在兩金屬基底間連接恒流脈沖電源，通電持續(xù)一段時間后斷開電源，再保持一定時間，即可實現碳納米管陣列與金屬基底的鍵合。本發(fā)明基于在納米接觸界面的電流集聚和電遷移效應，產生局部焦耳熱，促進原子間擴散，實現低溫鍵合，操作簡單，與微電子工藝兼容，在碳納米管器件和電子封裝熱界面材料領域具有廣泛的應用前景。
【專利說明】一種基于力電熱耦合的碳納米管陣列鍵合方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微納系統(tǒng)制造領域，特別是涉及一種基于力電熱耦合的碳納米管陣列鍵合方法。
【背景技術】
[0002]碳納米管作為納米結構材料的典型代表，以其奇特的納米尺度一維結構特性和顯著的機械、電學、熱學、光學、生物等性能而成為新一代納電子器件制造的關鍵材料?；谔技{米管的電子電路制造技術將有助于實現更小尺度、更高性能、更低功耗的納電子器件。同時，具有高熱導率和高電導率的碳納米管也成為提高器件封裝性能的重要材料，用于提高封裝的散熱與導電性能。將碳納米管作為傳感器的敏感材料，可以大大拓展傳感器的功能，使得性能進一步提高。對于碳納米管的這些應用，其基本的結構形式主要是碳納米管與金屬電極之間形成垂直或水平互連結構。在這種結構中，碳納米管的主要作用是形成電、熱傳輸通道，或者作為能量轉換的功能材料，電極結構成為碳納米管與宏觀測量系統(tǒng)的通信中介。比如:將碳納米管陣列裝配到電極上用于大規(guī)模集成電路的電互連、場效應管溝道，或者將定向生長的碳納米管薄膜填充至互聯界面作為封裝熱界面材料，以實現熱的快速輸運。
[0003]基于化學氣相沉積(CVD)方法制備垂直定向碳納米管陣列，并用于電互連介質和熱界面(TIM)材料，是碳納米管應用的常用形式，其核心特征是要形成金屬-碳納米管-金屬三層結構。目前主要采用熱壓鍵合方法或化學粘合法實現碳納米管薄膜與金屬基底的鍵合，前者存在的主要問題是鍵合溫度和壓力均較高，一般在300°C以上，在應用中會影響器件性能；后者利用在碳納米管表面自主裝親金屬的化學物質實現與金屬基底的鍵合，存在的主要問題是鍵合過程中引入有機化學物質，對環(huán)境和器件造成一定污染，而且化學鍵合形成的連接不穩(wěn)固，難以保證高效的力、電、熱互連。
[0004]鑒于此，通過在碳納米管表面制備納米金屬結構，并將其作為鍵合層，在一定溫度和壓力作用下，并在兩金屬基底間連接恒流脈沖電源，利用在納米接觸界面的電流集聚和電遷移效應，產生局部焦耳熱，促進原子間擴散，實現低溫鍵合。該方法操作簡單，與微電子工藝兼容，在碳納米管器件和電子封裝熱界面材料領域具有廣泛的應用前景。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于力電熱耦合的碳納米管陣列鍵合方法，在碳納米管表面制備納米金屬層作為鍵合層，基于所施加脈沖電流在納米界面產生的電流集聚和電遷移效應，實現碳納米管與金屬基底的鍵合。
[0006]本發(fā)明公布的一種基于力電熱稱合的碳納米管陣列鍵合方法，在金屬基底上生長的碳納米管陣列端部濺射金屬形成納米顆粒，與目標金屬基底對準后，施加一定的壓力和環(huán)境溫度，在兩金屬基底間連接恒流脈沖電源，通電持續(xù)一段時間后斷開電源，再保持恒溫和恒壓一定時間，即可實現碳納米管陣列與金屬基底的鍵合。[0007]本發(fā)明基于納米接觸界面的電流集聚和電遷移效應，在接觸界面產生局部焦耳熱，引起界面金屬局部熔化；與此同時，納米界面電遷移效應能夠促進原子間擴散，加之施加的環(huán)境溫度和壓力，產生力電熱耦合的綜合效應，實現低溫鍵合。該方法操作簡單，與微電子工藝兼容，在碳納米管器件和電子封裝熱界面材料領域具有廣泛的應用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明垂直碳納米管陣列向金屬基底鍵合工藝示意圖:其中I為垂直碳納米管陣列，2金屬層，3為硅襯底，4為納米金屬顆粒，5為壓力，6為金屬基底，7為器件襯底。
【具體實施方式】
[0009]如圖1所示，本發(fā)明具體實施例的主要步驟包括:
(I)采用CVD方法制備垂直碳納米管陣列。生長設備采用德國AIXTR0N公司的“BlackMagic”系統(tǒng)，碳納米管合成中，襯底溫度在450°C到560°C之間，催化劑采用Al/Fe/Mo金屬，首先在硅襯底上濺射金屬層，經過熱整形即可在襯底上形成催化劑的納米團簇，以便生長定向碳納米管陣列。生長中起源采用C2H2氣體，首先在高溫環(huán)境中(830°C )將氣體裂解生成C6H9, C5H9等氣體，將裂解物通入帶有催化劑的襯底即可生長碳納米管。生長過程中腔體壓強為 2X10 2 mbar。
[0010](2)碳納米管陣列端部納米金屬顆粒制備。利用磁控濺射鍍膜機在垂直定向碳納米管表面濺射Ni金屬。濺射中腔體氣壓為5X 10—3Pa,襯底溫度為350K，濺射時間為10分鐘。
[0011](3)基于力電熱耦合的熱壓鍵合工藝。將(2)形成的結構，經過對準使納米顆粒與轉移目標金屬襯底(Au)接觸，在3和7之間施加2MPa壓力，環(huán)境溫度為150攝氏度，在2和和6之間連接恒流脈沖電源，電流幅值10安培，脈寬100毫秒，頻率5000赫茲，通電時間150秒。
[0012](4)鍵合完成。步驟(3)完成后，保持恒溫恒壓30分鐘，即完成鍵合工藝。
【權利要求】
1.一種基于力電熱耦合的碳納米管陣列鍵合方法，其特征是在金屬基底上生長的碳納米管陣列端部濺射金屬形成納米顆粒，與目標金屬基底對準后，施加一定的壓力和環(huán)境溫度，在兩金屬基底間連接恒流脈沖電源，通電持續(xù)一段時間后斷開電源，再保持恒溫和恒壓一定時間。
2.如權利要求1所述的一種基于力電熱耦合的碳納米管陣列鍵合方法，其特征在于施加的壓力l_5MPa，溫度100-200°C，恒溫恒壓持續(xù)時間20-40分鐘。
3.如權利要求1所述的一種基于力電熱 耦合的碳納米管陣列鍵合方法，其特征在于恒流脈沖電源電流幅值小于100安培，脈寬50-150毫秒，頻率大于50赫茲，通電時間30-300秒。
【文檔編號】B81C1/00GK103896207SQ201410145675
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權日:2014年4月14日
【發(fā)明者】宋曉輝, 趙蘭普, 喬彥超, 莊春生, 張萍, 岳鵬飛, 梁楠 申請人:河南省科學院應用物理研究所有限公司