CN100336192C - 纳米材料键合在金属电极上的方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米材料键合在金属电极上的方法，属于纳米技术领域。本发明将准一维纳米材料连接于芯片上的金属电极之间，使准一维纳米材料的端部搭在金属电极的上表面或被压在金属电极下表面，使用加有超声的超声键合头挤压准一维纳米材料与金属电极的接触局部，使准一维纳米材料与金属电极焊接在一起。本发明使一维纳米材料和金属电极形成牢固可靠的接触，显著降低了接触电阻；超声压焊的设备来源于成熟的集成电路封装工艺，可以批量、快速地对大量金属电极上的准一维纳米材料进行压焊；相比其他降低接触电阻的方法，设备简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明的是一种纳米技术领域的方法，具体是一种纳米材料键合在金属电极上的方法。
背景技术
纳米材料由于其独特的电学、力学等性能，在制作功能材料和分子器件上具有巨大的应用前景。其中，准一维纳米材料如碳纳米管、硅纳米线、碳化硅纳米晶须、氧化物纳米带等可作为金属电极连接实现优异的功能，也可作电路的互连导线。然而，准一维纳米材料在制作器件或互连时都存在很难与金属电极之间形成良好的电接触的难题。分析表明，准一维纳米材料同金属电极间的高接触电阻主要有两方面的原因：(1)如果将准一维纳米材料仅仅沉积或者放置在金属电极上，纳米材料与金属电极之间的界面通过范德瓦尔斯力吸附在一起，电接触界面小且不够紧密。(2)当准一维纳米材料与金属电极相接触时，接触的界面会形成肖特基势垒或者势垒层。这个势垒会阻碍载流子的流动，形成高电阻。现有的准一维纳米材料与金属电极间形成良好界面键合的方法主要有：(1)先将准一维纳米材料，例如碳纳米管旋涂在基片上，然后在旋涂的碳纳米管层上制作出金属电极图案，再进行高温退火，以形成更好的界面接触。但该方法存在形成氧化物界面层对电接触不利的影响等。(2)通过改变纳米材料与金属电极相接触的局部处的电学性能来获得电接触性能的改善。
经对现有技术的文献检索发现，J.-P.Salvetat等人在《Appl Phys lett》(应用物理快报)1998，73：274上发表的“Contacting carbon nanotubes selectively withlow-ohmic contacts for four-probe electric measurements”(四探针电学测量中选择性得处理碳纳米管形成低欧姆接触)一文中，提及利用SEM对碳管同金属电极接触的地方进行不同剂量的辐射，降低了接触电阻。但利用这种方法形成的低接触电阻不具有长期的稳定性。据作者的报道，在室温下放置一周后，接触电阻又重新上升到很高的电阻值。此外，该文中是使用SEM对碳管同金属电极接触的地方进行照射，处理的效率低，同IC工艺无法兼容。总之，现有方法在制造接触时要么需要电子束光刻等昂贵的设备，要么同现有的集成电路工艺不兼容，无法简单化和批量化。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种纳米材料键合在金属电极上的方法，即利用超声键合将准一维纳米材料同金属电极键合，使其能够在准一维纳米材料和电极之间形成良好的键合界面和稳定的低接触电阻；同时可以利用现有的IC封装设备，快速大量得处理键合点，降低了成本。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明利用超声压头，在准一维纳米材料和金属电极间形成良好键合界面和低接触电阻，具体为：将准一维纳米材料连接于芯片上的金属电极之间，使准一维纳米材料的端部搭在金属电极的上表面或被压在金属电极下表面。使用加有超声的超声键合头挤压准一维纳米材料与金属电极的接触局部，使准一维纳米材料与金属电极焊接在一起，形成可靠牢固的接触特性。
所述的超声键合头有一个直径为50微米的工作平面。超声键合的工艺参数为：加在键合头上的超声功率0-30瓦，超声时间为1-1000毫秒，挤压的压力为0.01-2.5牛顿，键合时芯片可以预热或者不预热，预热温度范围为0-300度，超声键合头可不预热或预热，如果预热，预热温度范围为0-400度。
所述的准一维纳米材料，为碳纳米管、硅纳米线、碳化硅纳米晶须、氧化物纳米带中的一种。
所述的金属电极，其材料组分包括Au、Al、Ti，Pt、Ag、Cu中的一种。
所述的接触局部，是指整个金属电极上一维纳米材料与电极接触的部分，也就是全部的接触部分。
超声键合作为一种金属与金属之间形成界面键合的手段常用于集成电路芯片和管壳引脚之间制造电联接。这种方法主要利用超声波的物理软化作用将引线焊接起来。将这种方法应用在准一维纳米材料与金属电极的键合上，将使准一维纳米材料与金属电极的键合过程与传统的集成电路工艺相兼容，简化工艺、降低成本。因此，将具有很大的应用前景。
结果表明：超声键合使准一维纳米材料与金属电极形成了可靠、牢固的接触。该技术极大得改善了准一维纳米材料同金属电极之间的接触性能，使准一维纳米材料和金属电极之间形成了可靠的电接触，二端电阻降低了3-4个数量级。超声键合后，以两个金属电极为源漏极，重搀杂的基底作为栅，制作成的场效应晶体管的性能得到大大改善，跨导提高了2-3个数量级。
本发明的优点在于：使一维纳米材料和金属电极形成牢固可靠的接触，显著降低了接触电阻；超声压焊的设备来源于成熟的集成电路封装工艺，可以批量，快速得对大量金属电极上的准一维纳米材料进行压焊；相比其他降低接触电阻的方法，设备简单，成本低廉。
附图说明
图1本发明的工艺流程图
其中，图(a)是超声键合前碳纳米管搭在源漏电极表面的示意图；(b)表明超声键合后碳纳米管与电极表面接触的端部被压入电极的内部示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明将准一维纳米材料连接于芯片上的金属电极之间，使准一维纳米材料的端部搭在金属电极的上表面或被压在金属电极下表面。使用加有超声的超声键合头挤压准一维纳米材料与金属电极的接触局部，使准一维纳米材料与金属电极焊接在一起，形成可靠牢固的接触特性。下面结合实施例对本发明进行详细说明。但是本发明并不限于此例。
实施例一：
将单根碳纳米管束连接于芯片上的Au电极之间，使碳纳米管的端部搭在电极的表面。使用引线键合机，对接触处进行超声压焊。超声功率10W，超声时间为500ms，挤压的压力为0.01牛顿，键合头预热为400度，芯片预热至300度，由于键合头的压焊部位覆盖了碳纳米管同电极接触的末端，使碳纳米管与金属电极焊接在一起。在超声键合前，碳纳米管束保留在电极表面，而超声键合后可发现碳纳米管与电极被焊接在一起，电极表面几乎看不到CNT，CNT被嵌入到电极里面。最后用精密半导体参数测试仪分别测得压焊前后i-v曲线，结果表明：二端电阻下降了3-4个数量级，由压焊前的55MΩ下降到最低为15.7kΩ。
实施例二：
将单根Si纳米线连接于芯片上的Al电极之间，使碳纳米管的端部搭在电极的上表面。使用引线键合机对接触处进行超声压焊。超声功率30W，超声时间为1ms，挤压的压力为2.5牛顿，键合头不预热，芯片不预热由于键合头的压焊部位覆盖了碳纳米管同电极接触的末端，使碳纳米管与金属电极焊接在一起。超声键合后的电极上Si纳米线与电极被焊接在一起，电极表面几乎看不到Si纳米线，Si纳米线被嵌入到电极里面，形成了牢固、可靠的接触，二端电阻下降了3-4个数量级。
实施例三：
将多根SiC纳米晶须连接于芯片上的SiAl电极之间，使碳纳米管的端部被压在电极的下表面。使用引线键合机对接触处进行超声压焊。超声功率0W，超声时间为1000ms，挤压的压力为1牛顿，键合头预热为200度，芯片预热至150度。两个电极上的SIC纳米晶须经超声键合后，与电极形成了牢固、可靠的接触，二端电阻下降了3-4个数量级。
Claims (7)
1、一种纳米材料键合在金属电极上的方法，其特征在于，将准一维纳米材料连接于芯片上的金属电极之间，使准一维纳米材料的端部搭在金属电极的上表面或被压在金属电极下表面，然后使用加有超声的超声键合头挤压准一维纳米材料与金属电极的接触局部，超声功率为0-30瓦，超声时间为1-1000毫秒，挤压的压力为0.01-2.5牛顿，使准一维纳米材料与金属电极焊接在一起，形成可靠牢固的接触特性。
2、根据权利要求1所述的纳米材料键合在金属电极上的方法，其特征是，所述的超声键合头，有一个直径为50微米的工作平面。
3、根据权利要求1或者2所述的纳米材料键合在金属电极上的方法，其特征是，所述的超声键合头，通过预热，预热温度范围为0-400度。
4、根据权利要求1所述的纳米材料键合在金属电极上的方法，其特征是，所述的准一维纳米材料为碳纳米管、硅纳米线、碳化硅纳米晶须、氧化物纳米带中的一种。
5、根据权利要求1所述的纳米材料键合在金属电极上的方法，其特征是，所述的金属电极，其材料组分包括Au、Al、Ti，Pt、Ag、Cu中的一种。
6、根据权利要求1所述的纳米材料键合在金属电极上的方法，其特征是，所述的芯片，键合时预热，预热温度范围为0-300度。
7、根据权利要求1所述的纳米材料键合在金属电极上的方法，其特征是，所述的接触局部，是指金属电极上准一维纳米材料与电极接触的部分。
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