CN102328925A - 高密度碳纳米管束的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高密度碳纳米管束制备的工艺。通过碳纳米管的定向生长工艺和浸润液体的纸质材料使低密度的碳纳米管致密为高密度阵列。其工艺方法是：首先通过光刻和剥离工艺制成要求的细微尺度的图案，其间通过蒸镀方法得到的催化剂薄膜就附着在图案的表面。其次将带有催化剂薄膜的硅片置于碳纳米管生长机器的加热炉中，在高温化学气相沉淀模式下生长得到所要求的碳纳米管。最后通过碳纳米管与浸润挥发性液体的纸质表面接触形成致密的碳纳米管束。本发明相比现有的碳纳米管致密技术具有显著的低成本优势，适用于工业大规模生产。

Description

高密度碳纳米管束的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种高密度碳纳米管束的制备工艺，属于微电子机械加工领域。

背景技术

碳纳米管（Carbon Nano Tubes）作为一种在上个世纪九十年代初被发现的新兴材料，由于其优秀的电学、热学和机械性能，在众多工业领域拥有广泛的潜在应用前景。举例来说，在电子器件研发领域，由碳纳米管制成的互联材料具有优越的导电和导热性能；在复合材料研发领域，掺杂有碳纳米管的复合材料具有重量轻、强度高的特点；在散热器件的开发中，碳纳米管由于其极高的导热率，能够得到比传统材料高的散热性能。

化学气象沉淀（CVD）技术目前被广泛采用来制成前文所述的碳纳米管。CVD技术相对于另外两种制备碳纳米管的技术——激光剥离（Laser Ablation）和电弧放电（Arc Discharge）——而言，具有如下优点：1）能够通过光刻技术得到任意形状的碳纳米管束；2）工艺制程具有可扩展性，能够迅速扩大生产规模；3）工艺制备条件相对简单，CVD设备具有广泛的市场覆盖率。然而，目前需要解决的问题是，CVD技术所生成的碳纳米管都有着成品纳米管束密度低（＜10%的体积占空比）的缺陷。由于碳纳米管之间大量空隙的存在，使得利用这种技术所直接生产出的碳纳米管很难得到理论上的优越性能。大量的空间被空气所占据，使得原本优越的碳纳米管性能被稀释，成品的总体性能大大低于单根碳纳米管所能达到的高度。所以，本发明就是针对提高碳纳米管束密度为目的而发明出来的技术。通过本发明，能够将使用传统CVD方式生产出来的碳纳米管束密度提高60%以上。而相对于已经被提出的用于致密碳纳米管的各种方法，本发明具有明显的成本优势，其工艺制程简单，并且生成的致密碳纳米管束质量非常优良，是一种非常具有实际应用潜力的技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制备高密度碳纳米管束的技术。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种用于高密度碳纳米管束制备的工艺，通过碳纳米管的定向生长技术和浸润异丙醇液体的纸质材料实现。本发明采用以下工艺步骤生长、致密碳纳米管束，得到高密度的碳纳米管束。

1．在硅片上旋涂一层剥离胶，加热这层剥离胶以后，在其上再旋涂一层标准的正光刻胶，经过紫外线曝光10秒、MF319显影50秒之后，剥离胶形成底切结构，蒸镀催化剂工艺后，硅片置于光刻胶去除剂中，剥离去剥离胶、光刻胶和附着在光刻胶上的催化剂薄膜，最终在硅片上形成和光刻掩模同样图案的催化剂图案，催化剂薄膜由5nm厚的Al₂O₃和1nm厚的Fe组成。

2．将载有催化剂薄膜图案的芯片置入石英管中，将石英管抽真空后再在常压下通以900 cm³/min的氩气和100 cm³/min的氢气。加热整个化学气相沉积系统至725℃，稳定15分钟后，将氩气和氢气流都调整至500 cm³/min，再加以30 cm³/min的乙炔作为合成碳纳米管的原料气体。15分钟后，切断乙炔供应，并停止加热。再将氩气和氢气流分别调整为900 cm³/min和100 cm³/min，保持这样的气流供应直至系统冷却至200℃左右，从而得到按照设计图案定向生长的碳纳米管阵列样品；

3．在得到的碳纳米管阵列样品倒置于纸上，碳管与纸面接触，随后在纸上喷洒异丙醇液体，等待异丙醇液体挥发消失；

4．最后将碳纳米管阵列样品与纸分离。

制备时使用的剥离胶为LOL2000或LOR1A，光刻胶为S1813，光刻胶去除剂为Shipley remover 1165。

所述的高密度碳纳米管束可用于电子互联、微机电系统、微结构塑膜等应用。

本发明优点在于工艺步骤及其简单，相对于已有的湿法、干法以及机械方法致密碳纳米管具有巨大成本优势。

附图说明

图1为本发明生长出的400微米直径定向碳纳米管阵列致密前和致密后的扫描电子显微镜（SEM）图。

图2为本发明生长出的100微米直径定向碳纳米管阵列致密前和致密后的扫描电子显微镜（SEM）图。

图3为本发明在大尺度晶圆上致密效果一致性扫描电子显微镜（SEM）图。

图4为用于对比的干法和湿法致密碳纳米管工艺结果扫描电子显微镜（SEM）图。

图5为致密后碳纳米管束直径变化扫描电子显微镜（SEM）图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明：

实施例一：具体步骤如下：

1        在硅片上旋涂上一层剥离胶，加热这层剥离胶以后，在其上再旋涂一层标准的正光刻胶，经过紫外线曝光10秒、MF319显影50秒之后，剥离胶形成底切结构，蒸镀催化剂工艺后，硅片置于光刻胶去除剂中，剥离去剥离胶、光刻胶和附着在光刻胶上的催化剂薄膜，最终在硅片上形成和光刻掩模同样图案的催化剂图案，催化剂薄膜由5nm厚的的Al₂O₃和1nm厚的Fe组成。

2        将载有催化剂薄膜图案的芯片置入石英管中，将石英管抽真空后再在常压下通以900 cm³/min的氩气和100 cm³/min的氢气。加热整个化学气相沉积系统至725℃，稳定15分钟后，将氩气和氢气流都调整至500 cm³/min，再加以30 cm³/min的乙炔作为合成碳纳米管的原料气体。15分钟后，切断乙炔供应，并停止加热。再将氩气和氢气流分别调整为900 cm³/min和100 cm³/min，保持这样的气流供应直至系统冷却至200℃左右，从而得到按照设计图案定向生长的碳纳米管阵列样品；

3        在得到的碳纳米管阵列样品倒置于纸上，碳管与纸面接触，随后在纸上喷洒异丙醇液体，等待异丙醇液体挥发消失；

4        最后将碳纳米管阵列样品与纸分离。

制备时使用的剥离胶为LOL2000或LOR1A，光刻胶为S1813，光刻胶去除剂为Shipley remover 1165。

本方法适用于不同高度、不同直径碳纳米管束的致密，如图5，致密后的碳纳米管直径缩小为致密前50%以下，对应的体积缩小为致密前25%以下，从而使相应的密度提高4倍以上。附图1为直径400微米碳纳米管致密前及致密之后效果对比图，附图2为直径100微米碳纳米管致密前及致密后效果图，图3为使用本方法在2寸晶圆上碳纳米管阵列的致密效果图，图4为用于和本方法比较的湿法和干法致密效果图。

本方法对于现有的湿法和干法致密技术是一步重大的改进，能够有效降低工艺成本，提高产率。

Claims (2)

1.一种高密度碳纳米管束的制备工艺，其特征在于该工艺具有以下步骤：

1）在硅片上旋涂一层剥离胶，加热这层剥离胶以后，在其上再旋涂一层标准的正光刻胶，经过紫外线曝光10秒、MF319显影50秒之后，剥离胶形成底切结构，蒸镀催化剂工艺后，硅片置于光刻胶去除剂中，剥离去剥离胶、光刻胶和附着在光刻胶上的催化剂薄膜，在硅片上形成和光刻掩模同样图案的催化剂图案，催化剂薄膜由5nm厚的Al₂O₃和1nm厚的Fe组成；

2）将载有催化剂薄膜图案的芯片置入石英管中，将石英管抽真空后再在常压下通以900 cm³/min的氩气和100 cm³/min的氢气；加热整个化学气相沉积系统至725℃，稳定15分钟后，将氩气和氢气流都调整至500 cm³/min，再加以30 cm³/min的乙炔作为合成碳纳米管的原料气体；15分钟后，切断乙炔供应，并停止加热；再将氩气和氢气流分别调整为900 cm³/min和100 cm³/min，保持这样的气流供应直至系统冷却至200℃，从而得到按照设计图案定向生长的碳纳米管阵列样品；

3）将得到的碳纳米管阵列样品倒置于纸上，碳纳米管与纸面接触，随后在纸上喷洒异丙醇液体，等待异丙醇液体挥发消失；

4）最后将碳纳米管阵列样品与纸分离。

2.如权利要求1所述的高密度碳纳米管束的制备工艺，其特征是：

制备时使用的剥离胶为LOL2000或LOR1A，光刻胶为S1813，光刻胶去除剂为Shipley remover 1165。

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