本發(fā)明涉及微納加工中引線鍵合領域，具體是涉及一種基于光熱效應的納米鍵合系統(tǒng)和方法。

背景技術：

集成電路越來越追求小尺寸化、功能化和高度集成化。而納米鍵合技術是實現(xiàn)這一目標的關鍵，是納米器件與宏觀系統(tǒng)相整合的基礎。納米鍵合采用的金屬納米線材料一般為金、銀、銅等。鍵合的方法包括機械方法、電學方法、直接加熱方法、化學方法等。(1)機械方法是直接用壓針將金屬納米線壓在金屬電極上，通過納米線的塑性變形，實現(xiàn)納米線和金屬電極的鍵合。(2)電學方法是通過加電壓產(chǎn)生焦耳熱，使得納米線熔化從而鍵合到金屬電極上。(3)直接加熱方法是將器件置于加熱板上持續(xù)高溫加熱，使得納米線熔化并焊接到金屬電極上。(4)化學方法則是在溶液中通過化學反應使得反應物將納米線和金屬電極接觸點包裹而實現(xiàn)鍵合。

機械方法的例子包括p.peng等人在《nano-microletters》(微納快報)2017，9：26上發(fā)表的“nanoscalewirebondingofindividualagnanowiresonausubstrateatroomtemperature”(室溫下單根納米線和金襯底納米尺度的鍵合)一文，是利用壓針將銀納米線通過機械方法直接壓入金襯底上，形成鍵合。也有例子利用超聲壓頭將一維納米材料鍵合到金屬電極上(專利申請?zhí)?00510028887.6)。這些機械的方法由于需要接觸，引入機械壓頭，操作復雜，適用范圍有限。而電學方法由于納米線熔化的位置不可控，無法可靠地將納米線鍵合到金屬電極上；直接加熱方法整體能量利用效率低，器件容易損壞，且無法實現(xiàn)定點鍵合；化學方法則對鍵合的質(zhì)量控制性較差，對器件容易造成污染，也無法實現(xiàn)定點鍵合。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于光熱效應的納米鍵合系統(tǒng)和方法，即利用激光定點會聚到納米線與金屬電極接觸的位置，由于金屬材料吸收光并產(chǎn)生熱，熔化后金屬納米線和金屬電極熔合到一起，使其能夠在金屬納米線和金屬電極間形成良好的鍵合界面，其接觸電阻低且穩(wěn)定。

本發(fā)明是具體是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種基于光熱效應的納米鍵合系統(tǒng)，包括襯底，設置在襯底上的至少一塊金屬電極；所述的金屬電極上放置有待融合的納米線；

還包括設置在襯底上方的激光光源，以及將激光匯聚在納米線與金屬電極接觸位點處的透鏡。

本發(fā)明利用透鏡將激光匯聚為亞微米級的光斑點，并使激光匯聚點定位于納米線與金屬電極接觸位置，通過光熱效應，使納米線和金屬電極熔接在一起，形成可靠穩(wěn)定的物理和電學接觸。

所述的納米線可以是金屬納米線，包括金納米線、銀納米線、銅納米線、低熔點的焊料納米線中的一種；也可以是非金屬納米線，包括半導體納米線、碳納米管、氧化物納米線。

所述的金屬電極為金電極、銀電極、銅電極、鉑電極和鋁電極中的一種。

所述的納米線與電極的接觸，可以是部分接觸，也可以是整根納米線全部與電極接觸。

所述的激光光源，可以是單波長連續(xù)激光光源，包括可見波段和近紅外波段激光；也可以是寬譜光源，包括超連續(xù)激光；或者是脈沖激光光源，包括納秒脈沖激光、皮秒脈沖激光和飛秒脈沖激光。

本發(fā)明中，在有兩塊金屬電極時，納米線的兩端分別兩塊金屬電極上面。

基于上述的系統(tǒng)，本發(fā)明還提供一種基于光熱效應的納米鍵合方法，將納米線放置在金屬電極上，利用透鏡將激光匯聚為亞微米級的光斑點，并使激光匯聚點定位于納米線與金屬電極接觸位置，通過光熱效應，使納米線和金屬電極熔接在一起。

本發(fā)明具有的有益效果是：激光光熱鍵合使納米線與金屬電極形成良好、穩(wěn)定的物理和電學接觸。一般化學合成的納米線表面會有一層幾納米厚的有機物，使得納米線和金屬電極間直接接觸的電阻非常大，通過激光光熱鍵合，一方面可以利用光熱效應去除納米線表面的有機物，使得納米線和金屬電極有效貼合，因而兩電極的接觸電阻相比焊接之前降低3個數(shù)量級以上；另一方面由于納米線和金屬電極熔合在一起，因而可以形成非常好的物理連接，力學特性優(yōu)良，連接穩(wěn)定可靠。

激光光熱鍵合作為一種納米結構與金屬電極之間焊接鍵合手段，相比其他方法在操作性(非接觸式)、可控性(可定點鍵合)、能量利用效率(所需功率較低)等方面優(yōu)勢明顯，因而在微納器件加工領域具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于光熱效應的納米鍵合(納米線左側端與左側金屬電極的鍵合)系統(tǒng)結構示意圖；

圖2為本發(fā)明基于光熱效應的納米鍵合(納米線右側端與右側金屬電極的鍵合)系統(tǒng)結構示意圖；

圖3為經(jīng)過基于光熱效應的納米鍵合后在兩金屬電極上分別形成焊接點(鍵合點)的結構示意圖；

圖4為實施例所述基于光熱效應的納米鍵合前后兩金屬電極間電壓電流曲線圖。

各附圖標記為：

1.激光，2.透鏡，3.金屬電極，4.納米線，5.襯底，6.焊接點。

具體實施方式

如圖1-3所示，本發(fā)明將納米線4搭在兩金屬電極3之間，納米線4兩端分別放置在兩塊金屬電極3上面。通過透鏡2將激光1會聚到納米線4與金屬電極3的接觸點上，由于金屬材料吸收光產(chǎn)生熱，當激光功率足夠高時，激光會聚點處金屬結構的溫度高于其熔點而熔化，從而形成焊接點6(鍵合點)。在焊接點6處，納米線4和金屬電極3不僅有良好的電學接觸，而且其物理接觸也非常牢固可靠。

下面結合實施例和附圖來詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。

將單根直徑約300納米銀納米線放置在兩金電極之間(兩電極相隔約40微米)。在激光鍵合之前，先測量兩金電極間的電阻，此時已經(jīng)將納米線放置在兩電極上，鍵合前測一下電阻，鍵合后測一下電阻，對比電阻值，可以看出鍵合后的電阻更低，電學效果更好，由于納米線表面附著有機物，使得銀納米線和金電極間的接觸電阻很大，兩金電極間的電阻在兆歐姆量級(兩電極加mv量級的電壓，測得的電流為na量級，故電阻在mω量級)。在用激光定點照射后(波長532nm；功率50mw；會聚光斑直徑500nm；照射時間2ms)，納米線兩端分別熔化成球狀與金電極鍵合在一起。此時測得兩金電極間的電阻為25歐姆，與激光鍵合之前比降低了3-4個數(shù)量級(如圖4所示)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

技術特征：

技術總結
本發(fā)明公開一種基于光熱效應的納米鍵合系統(tǒng)，包括襯底，設置在襯底上的至少一塊金屬電極；金屬電極上放置有待融合的納米線；還包括設置在襯底上方的激光光源，以及將激光匯聚在納米線與金屬電極接觸位點處的透鏡。本發(fā)明還公開一種基于光熱效應的納米鍵合方法，將納米線放置在金屬電極上，利用透鏡將激光匯聚為亞微米級的光斑點，并使激光匯聚點定位于納米線與金屬電極接觸位置，通過光熱效應，使納米線和金屬電極熔接在一起。本發(fā)明通過激光光熱鍵合，一方面可以利用光熱效應去除納米線表面的有機物，使得納米線和金屬電極有效貼合，另一方面由于納米線和金屬電極熔合在一起，因而可以形成非常好的物理連接，力學特性優(yōu)良，連接穩(wěn)定可靠。

技術研發(fā)人員：盧錦勝;李強;仇旻
受保護的技術使用者：浙江大學
技術研發(fā)日：2017.04.28
技術公布日：2017.10.10