CN103928359A - 一种垂直碳纳米管阵列与金属基底键合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种垂直碳纳米管阵列与金属基底键合的方法，首先通过化学气相沉积方法制备垂直定向碳纳米管阵列，然后利用溅射方法在垂直碳纳米管阵列端部沉积纳米金属颗粒，之后用电化学沉积的方法在金属基底制备纳米针锥结构，最后在一定温度和压力条件下，实现碳纳米管阵列与金属基底的热压固态键合。本发明提供的垂直碳纳米管阵列与金属基底的键合方法，与微电子制造工艺兼容，操作简单，纳米中间层的原子互扩散降低了键合温度和压力，在微纳机电系统制造和三维封装领域具有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明属于微系统制造领域，特别是涉及一种垂直碳纳米管阵列与金属基底键合的方法。
背景技术
随着微系统制造技术的发展，减小封装尺寸、增强器件导电和导热性能已成为发展的必然趋势。碳纳米管具有独特的纳米一维空间结构和显著的力学、热学和电学特性，在集成电路、微机电系统及微系统封装中具有广泛的应用前景，尤其是基于化学气相沉积（CVD）的碳纳米管制备方法的发展，为批量生产稳定结构的碳纳米管，实现定向定位装配奠定了基础。
基于CVD方法制备垂直定向碳纳米管阵列，并用于三维封装中硅通孔（TSV）填充介质和热界面（TIM）材料，是碳纳米管应用的常用形式，其核心特征是要形成金属-碳纳米管-金属三层结构，这就要求发展碳纳米管与金属基底的键合技术。高效的键合工艺要求从力学角度碳纳米管与金属之间需形成稳固的连接，增强抗剪切和拉伸能力；从能量传输角度能够增加电子和声子的传输通道，减小接触电阻和热阻；从工艺角度能够与微电子工艺兼容，温度和压力足够低以避免影响器件其他结构和整体性能。目前主要采用热压键合方法和化学转移法，金属基底的表面熔化效应实现键合，存在的主要问题是键合温度较高，一般在300℃以上，在应用中会影响器件性能；后者利用在碳纳米管表面自主装亲金属的化学物质实现与金属基底的键合，存在的主要问题是键合过程中引入有机化学物质，对环境和器件造成一定污染，而且化学键合形成的连接不稳固，难以保证高效的力、电、热互连。
鉴于此，通过分别在碳纳米管表面制备纳米金属结构，并将其作为键合层，将碳纳米管与金属的键合问题转化为金属与金属间的扩散键合问题，可以有效利用纳米结构的尺度效应，降低键合的温度和压力，为碳纳米管在三维封装和应用提供新的工艺方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种垂直碳纳米管阵列与金属基底键合的方法，将纳米金属中间层作为键合层，利用纳米结构的尺度效应，降低键合的温度和压力。
本发明公布的一种垂直碳纳米管阵列与金属基底键合的方法，首先是通过化学气相沉积方法制备垂直定向碳纳米管阵列，然后利用溅射的方法在阵列端部制备纳米金属颗粒，利用电化学沉积的方法在金属基底表面制备纳米金属针锥结构，将纳米金属颗粒和纳米金属针锥结构作为键合层，实施热压键合。其中，碳纳米管端部制备的纳米金属颗粒未互连形成连续薄膜，而且纳米金属针锥结构直径小于500nm。
本发明提供的垂直碳纳米管阵列与金属基底键合的方法，工艺简单，操作方便，且工艺温度和压力较低，与微电子工艺兼容，在微系统制造和三维封装领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明垂直碳纳米管阵列与金属基底键合工艺示意图:（a）垂直碳纳米管阵列的制备，其中1为垂直碳纳米管阵列，2为硅衬底；（b）碳纳米管阵列端部纳米金属颗粒制备，其中3为纳米金属颗粒；（c）金属基底表面纳米针锥结构制备，其中4为纳米针锥结构，5为金属基底；（d）热压键合工艺，其中6为压力，7为热板。
具体实施方式
如图1所示，本发明具体实施例的主要步骤包括：
（1）采用CVD方法制备垂直碳纳米管阵列（图1（a））。生长设备采用德国AIXTRON公司的“Black Magic”系统，碳纳米管合成中，衬底温度在450℃到560℃之间，催化剂采用Al/Fe/Mo金属，首先在硅衬底上溅射各金属层，经过热整形即可在衬底上形成催化剂的纳米团簇，以便生长定向碳纳米管阵列。生长中起源采用C2H2气体，首先在高温环境中（830℃）将气体裂解生成C6H9，C5H9等气体，将裂解物通入带有催化剂的衬底即可生长碳纳米管。生长过程中腔体压强为2×10−2 mbar。通过调节衬底的温度可获得单壁或者多壁的碳纳米管阵列。
（2）碳纳米管阵列端部纳米金属颗粒制备。如图1（b）所示，利用磁控溅射镀膜机在垂直定向碳纳米管表面溅射Ni金属。溅射中腔体气压为5×10−3Pa，衬底温度为350K，溅射时间为10分钟。
（3）金属基底表面纳米针锥结构制备（图1（c））。首先将铜基底进行除油和除锈处理，置于电镀溶液中（五水硫酸铜1.5mol/L，硝酸铜0.2mol/L，乙二胺2 mol/L，硼酸0.3 mol/L，添加剂SPS15ppm、PEG1000ppm，JGB40ppm，溶液温度30℃，PH值5.0），并将基材作为阴极，将铜板或者不溶性极板作为阳极，并通过导线使基底、铜板与电镀电源构成回路。通过电镀电源对基底实施直流电流（2A/dm2），电镀时间为180秒。
（4）热压键合工艺（图1（d））。将（2）和（3）形成的结构，经过对准使纳米颗粒与纳米针锥结构接触，置于热板上，温度为150℃，并施加2MPa的压力，保温保压30分钟，完成键合。
Claims (3)
1. 一种垂直碳纳米管阵列与金属基底键合的方法，其特征是通过化学气相沉积方法制备垂直定向碳纳米管阵列，然后利用溅射的方法在阵列端部制备纳米金属颗粒，利用电化学沉积的方法在金属基底表面制备纳米金属针锥结构，将纳米金属颗粒和纳米金属针锥结构作为键合层，实施热压键合。
2.如权利要求1所述的一种垂直碳纳米管阵列与金属基底键合的方法，其特征在于碳纳米管端部制备的纳米金属颗粒未互连形成连续薄膜。
3.如权利要求1所述的一种垂直碳纳米管阵列与金属基底键合的方法，其特征在于纳米金属针锥结构直径小于500nm。
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