[發明專利]一種垂直碳納米管陣列與金屬基底鍵合的方法

有效

• 申請號: 201410145673.6
• 申請日: 2014-04-14
• 公開（公告）號: CN103928359A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 宋曉輝;趙蘭普;岳鵬飛;梁楠;莊春生;王其富;張松濤
• 申請（專利權）人: 河南省科學院應用物理研究所有限公司
• 主分類號: H01L21/60
• 分類號: H01L21/60;B81C1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于微系統制造領域，特別是涉及一種垂直碳納米管陣列與金屬基底鍵合的方法。

背景技術

隨著微系統制造技術的發展，減小封裝尺寸、增強器件導電和導熱性能已成為發展的必然趨勢。碳納米管具有獨特的納米一維空間結構和顯著的力學、熱學和電學特性，在集成電路、微機電系統及微系統封裝中具有廣泛的應用前景，尤其是基于化學氣相沉積（CVD）的碳納米管制備方法的發展，為批量生產穩定結構的碳納米管，實現定向定位裝配奠定了基礎。

基于CVD方法制備垂直定向碳納米管陣列，并用于三維封裝中硅通孔（TSV）填充介質和熱界面（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，這就要求發展碳納米管與金屬基底的鍵合技術。高效的鍵合工藝要求從力學角度碳納米管與金屬之間需形成穩固的連接，增強抗剪切和拉伸能力；從能量傳輸角度能夠增加電子和聲子的傳輸通道，減小接觸電阻和熱阻；從工藝角度能夠與微電子工藝兼容，溫度和壓力足夠低以避免影響器件其他結構和整體性能。目前主要采用熱壓鍵合方法和化學轉移法，金屬基底的表面熔化效應實現鍵合，存在的主要問題是鍵合溫度較高，一般在300℃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，對環境和器件造成一定污染，而且化學鍵合形成的連接不穩固，難以保證高效的力、電、熱互連。

鑒于此，通過分別在碳納米管表面制備納米金屬結構，并將其作為鍵合層，將碳納米管與金屬的鍵合問題轉化為金屬與金屬間的擴散鍵合問題，可以有效利用納米結構的尺度效應，降低鍵合的溫度和壓力，為碳納米管在三維封裝和應用提供新的工藝方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種垂直碳納米管陣列與金屬基底鍵合的方法，將納米金屬中間層作為鍵合層，利用納米結構的尺度效應，降低鍵合的溫度和壓力。

本發明公布的一種垂直碳納米管陣列與金屬基底鍵合的方法，首先是通過化學氣相沉積方法制備垂直定向碳納米管陣列，然后利用濺射的方法在陣列端部制備納米金屬顆粒，利用電化學沉積的方法在金屬基底表面制備納米金屬針錐結構，將納米金屬顆粒和納米金屬針錐結構作為鍵合層，實施熱壓鍵合。其中，碳納米管端部制備的納米金屬顆粒未互連形成連續薄膜，而且納米金屬針錐結構直徑小于500nm。

本發明提供的垂直碳納米管陣列與金屬基底鍵合的方法，工藝簡單，操作方便，且工藝溫度和壓力較低，與微電子工藝兼容，在微系統制造和三維封裝領域具有廣泛的應用前景。

?附圖說明

圖1是本發明垂直碳納米管陣列與金屬基底鍵合工藝示意圖:（a）垂直碳納米管陣列的制備，其中1為垂直碳納米管陣列，2為硅襯底；（b）碳納米管陣列端部納米金屬顆粒制備，其中3為納米金屬顆粒；（c）金屬基底表面納米針錐結構制備，其中4為納米針錐結構，5為金屬基底；（d）熱壓鍵合工藝，其中6為壓力，7為熱板。

?具體實施方式

?如圖1所示，本發明具體實施例的主要步驟包括：

（1）采用CVD方法制備垂直碳納米管陣列（圖1（a））。生長設備采用德國AIXTRON公司的“Black?Magic”系統，碳納米管合成中，襯底溫度在450℃到560℃之間，催化劑采用Al/Fe/Mo金屬，首先在硅襯底上濺射各金屬層，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，首先在高溫環境中（830℃）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2×10^?2?mbar。通過調節襯底的溫度可獲得單壁或者多壁的碳納米管陣列。

（2）碳納米管陣列端部納米金屬顆粒制備。如圖1（b）所示，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5×10^?3Pa，襯底溫度為350K，濺射時間為10分鐘。