CN111470468B - 一种垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用原子层沉积法在碳纳米管表面沉积纳米量级的第一金属层，使第一金属层与碳纳米管形成欧姆接触；S2、在第一金属层的表面沉积微米量级的第二金属层，以填充碳纳米管表面空隙，形成金属薄膜；S3、在目标衬底表面沉积金属合金，将碳纳米管转移到目标衬底上。本发明采用沉积速率较慢、沉积包覆性好的原子层沉积在碳纳米管表面沉积一层纳米量级、浸滑性好的金属，实现金属纳米颗粒渗透入碳纳米管表面，增加金属纳米颗粒与碳管的接触面积，实现金属原子对碳纳米管的浸润和包覆，进而形成欧姆接触，有效的降低了目标衬底与碳纳米管之间的接触电阻。

Description

一种垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法

技术领域

本发明属于微纳系统制造领域，更具体地，涉及一种垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法。

背景技术

碳纳米管被公认为是未来纳米科学和纳米技术的潜在候选者。它们独特的机械、电学、热学、光学、生物等性能使其非常适合用于纳米电子器件，例如场发射器、场效应晶体管、微处理器等。基于碳纳米管的电子电路制造技术将有助于实现更小尺度、更高性能、更低功耗的微纳电子器件。由于碳纳米管中存在碳-碳化学键，碳纳米管具有很高的热导率，具有高热导率和高电导率的碳纳米管是微电子热管理的有希望的候选者。对于碳纳米管的应用而言，其基本的结构形式主要是碳纳米管与金属电极之间所形成的互连结构。在这种结构中，碳纳米管的主要作用是形成电、热传输通道，或者作为能量转换的功能材料。其中，垂向碳纳米管阵列能够充当分子导线，允许底层电极和上部接触的生物实体之间实现电通信；单壁碳纳米管垂直阵列可用作高性能的PN结晶体管以及单极和互补逻辑门。然而，一些现有的技术障碍限制了碳纳米管在微电子器件中的应用。主要挑战之一是生长高质量CNT(＞600℃)所需的温度太高，无法与后端微电子加工工艺兼容。另一个主要难题是如何使碳纳米管与金属结构在纳米尺度上的具有良好接触与互连。从力学角度上是希望碳纳米管和金属之间形成稳定的化学键，而不是类似于范德华力的物理接触；同时也希望碳纳米管和目标衬底之间能够形成较大的接触面积，以确保互连的可靠性而不至于在承受应力时连接脱落，提高稳定性。从能量传递角度上主要是希望增加电子或声子的传递通道，以减小接触电阻和接触热阻，降低功耗。为了解决以上问题，垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法可以将生长质量良好的垂直碳纳米管通过键合工艺转移到目标衬底上，同时利用碳纳米管本身的高导电、导热性能，可以实现碳纳米管与金属结构在纳米尺度上的良好接触与互连。因此，研究一种垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法存在重要意义。

现有的垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法包括：通过金属表面沉积来增加碳纳米管与衬底导电性的方法和通过增加压力增加碳纳米管与衬底接触面积的方法。其中，通过金属表面沉积来增加碳纳米管与衬底导电性的方法，具体采用焊料、金属合金、纳米颗粒等转移方式，通过采用电子束蒸发、磁控溅射等气相沉积方法在碳纳米管底部进行金属沉积，且金属层的厚度一般在纳米量级。金属沉积可以使碳管和衬底之间形成电接触，但由于碳纳米管长度的不均匀性，在压力的作用下，只有部分碳纳米管和衬底接触，容易造成转移后的碳纳米管和沉积的有效接触面积较小；并且传统的电子束蒸发、磁控溅射等气相沉积方法只能将金属沉积在碳管顶部，无法使金属进行深入包覆，不能充分发挥金属良好的浸润性，进而使得导电通路较少，接触强度降低，目标衬底与碳纳米管之间的接触电阻和热阻也较高，且稳定性较低。而通过增加压力增加碳纳米管与衬底接触面积的方法，通常采用加大压力的方式，增加转移后碳纳米管和衬底的有效接触面积，但是较大的压力会造成垂直碳纳米管的压缩，进而造成碳纳米管本身结构的破坏，同时也会增强碳纳米管管间的声子散射，进而使得碳纳米管热导率降低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，用以解决现有技术由于转移方式单一，目标衬底与碳纳米管之间的接触面积小，而导致的接触电阻较高的技术问题。

为了实现上述目的，第一方面，本发明解决提供了一种垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，包括以下步骤：

S1、采用原子层沉积法在碳纳米管表面沉积纳米量级的第一金属层，使第一金属层与碳纳米管形成欧姆接触；

S2、在第一金属层的表面沉积微米量级的第二金属层，以填充碳纳米管表面空隙，形成金属薄膜；

S3、在目标衬底表面依次沉积金属合金和焊料合金，将碳纳米管转移到目标衬底上。

进一步优选地，步骤S1中，第一金属层粒渗透入碳纳米管表面，对碳纳米管进行浸润和包覆。

进一步优选地，第一金属层包括Ti、Cr、Fe、Ni中的任意一种。

进一步优先地，第一金属层的厚度为10nm～100nm。

进一步优选地，采用气相沉积法在第一金属层的表面进行微米量级的第二金属层沉积。

进一步优选地，第二金属层包括Ti、Au、Sn中的任意一种。

进一步优先地，第二金属层的厚度为1μm～10μm。

第二方面，本发明提出一种高导电导热界面，采用本发明第一方面所提供的一种垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法制备所得。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、由于金属和半导体接触一般会形成肖特基接触和欧姆接触，欧姆接触的形成类似于在两者之间形成一个纯电阻，阻值较小；而肖特基接触则会在两者之间形成肖特基势垒，会阻碍电子的迁移，使得接触电阻较大。本发明提供了一种垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法进行两步金属沉积，其中，第一步金属沉积采用沉积速率较慢、沉积包覆性好的原子层沉积在碳纳米管表面沉积一层纳米量级、浸润性好的金属，实现金属纳米颗粒渗透人碳纳米管表面，增加金属纳米颗粒与碳管的接触面积，实现金属原子对碳纳米管的浸润和包覆，形成欧姆接触，不会形成肖特基势垒，有效的降低了目标衬底与碳纳米管之间的接触电阻。

2、本发明所提供的垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，能够实现金属原子对碳纳米管的浸润和深入包覆，使得接触强度增大，目标衬底与碳纳米管之间更加稳定。

3、本发明所提供的垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，采用沉积速率快、性价比高的磁控溅射或电子束蒸发等气相沉积法进行第二层金属沉积，较快的镀膜速率既可以在短时间内填充碳纳米管表面，适当的金属厚度在填平碳纳米管管间空隙后，可以在碳纳米管表面形成金属薄膜，进而使得碳纳米管和目标衬底间形成连续的金属过渡层，有效的降低碳纳米管和目标衬底间的接触电阻，同时由于第一层金属为活性比较强、易氧化的金属，而大部分金属氧化物在常温下不导电或者导电性较差，所以在短时间内沉积第二金属层也可以保护第一金属层，防止其氧化，使得目标衬底与碳纳米管之间稳定性较强。

4、本发明所提供的垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，可以实现碳纳米管和目标衬底的“面与面接触”，而不是传统转移方法中的“点与面接触”。由于增加了接触面积，因此导电通路增加，接触电阻因此减小，稳定性增强。

附图说明

图1为本发明提供的一种垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法流程框；

图2为本发明实施例提供的碳纳米管的制备流程图；

图3为本发明实施例提供的在碳纳米管表面沉积第一金属层的剖面示意图；

图4为本发明实施例提供的在第一金属层的表面沉积第二金属层的剖面示意图；

图5为本发明实施例提供的将碳纳米管转移到目标衬底的剖面示意图；

图6为本发明实施例所提供的垂直碳纳米管向目标衬底转移后的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了实现上述目的，本发明解决提供了一种垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、采用原子层沉积法在碳纳米管表面沉积纳米量级的第一金属层，使第一金属层与碳纳米管形成欧姆接触；具体的，采用原子层沉积镀膜工艺在碳纳米管表面沉积一层金属，实现金属纳米颗粒渗透入碳纳米管表面，增加金属纳米颗粒与碳管的接触面积，实现金属原子对碳纳米管的浸润和包覆，进而形成欧姆接触，有效的降低了目标衬底与碳纳米管之间的接触电阻。

S2、在第一金属层的表面沉积微米量级的第二金属层，以填充碳纳米管表面空隙，形成金属薄膜；具体的，可以采用沉积速率快、性价比高的磁控溅射或电子束蒸发等气相沉积法进行第二层金属沉积，较快的镀膜速率既可以在短时间内填充碳纳米管表面，适当的金属厚度在填平碳纳米管管间空隙后，可以在碳纳米管表面形成金属薄膜，进而使得碳纳米管和目标衬底间形成连续的金属过渡层，有效的降低碳纳米管和目标衬底间的接触电阻，同时由于第一层金属为活性比较强、易氧化的金属，而大部分金属氧化物在常温下不导电或者导电性较差，所以在短时间内沉积第二金属层也可以保护第一金属层，防止其氧化，使得目标衬底与碳纳米管之间稳定性较强。

S3、在目标衬底表面依次沉积金属合金和焊料合金，将碳纳米管转移到目标衬底上。

为了进一步说明本发明所提出的方法，下面结合实施例进行详述：

在实施例中，使用表面抛光的硅片作为原生衬底101，依次使用丙酮、异丙醇和乙醇清洗硅片表面，用清水清洗后然后用N2吹净，最后用氧清洗等其他清洗方式清除硅片表面所吸附的水分子以及其他气体分子。在硅片表面依次沉积缓冲层和催化剂层102后，使用化学气相沉积法或移植法制备得到碳纳米管104，具体制备流程如图2所示。具体的，缓冲层采用TiN、Al2O3、沸石等，催化剂层采用Fe、Co、Ni等。且采用化学气相沉积方法制备碳纳米管时，反应温度一般大于600℃。

然后对所得的碳纳米管实现垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，包括以下步骤：

S1、采用原子层沉积法在碳纳米管104表面沉积纳米量级的第一金属层201，使第一金属层201与碳纳米管104形成欧姆接触，如图3所示；具体的，第一金属层201包括Ti、Cr、Fe、Ni中的任意一种，厚度为10nm～100nm。基于碳纳米管的场效应晶体管中，碳纳米管-金属结的类型也会影响载流子类型、阈值电压和势垒高度，而碳纳米管-金属结的类型主要由金属在碳纳米管表面的浸润性以及碳纳米管和金属间的功函数差决定的。对于具有良好润湿性的金属(例如Ti、Cr、Fe、Ni)，电极金属与CNT之间的接触通过费米能级匹配而形成欧姆接触，此时碳纳米管和金属间的功函数差对结类型影响较小，接触电阻较小。而对于浸润性较差的金属，则接触电阻越大。另外，原子层沉积法沉积速率较慢、沉积包覆性好，在碳纳米管表面沉积一层纳米量级、浸润性好的金属，可以实现碳纳米管和金属间的包覆，从而实现良好的欧姆接触，有效降低接触电阻。

S2、在第一金属层201的表面沉积微米量级的第二金属层301，以填充碳纳米管表面空隙，形成金属薄膜，如图4所示；具体的，第二金属层可以为Ti、Au或Sn，厚度为1μm～10μm。由于在沉积第一金属层时所采用的原子层沉积法工艺复杂、设备昂贵，且第一层金属多是活性比较强、易氧化的金属，可以采用沉积速率快、性价比高的磁控溅射或电子束蒸发等气相沉积法进行第二层金属沉积，较快的镀膜速率既可以在短时间内填充碳纳米管表面，形成金属薄膜，使得碳纳米管和目标衬底间形成连续的金属过渡层，有效的降低碳纳米管和目标衬底间的接触电阻，也可以保护第一金属层，防止其氧化。

S3、在目标衬底401表面依次沉积金属合金402和焊料合金403，然后将碳纳米管转移到目标衬底上，如图5所示。具体的，本实施例中，目标衬底同样为硅片，另取表面抛光的硅片作为目标衬底，依次使用丙酮、异丙醇和乙醇清洗目标衬底表面，用清水清洗后用N2吹净，最后用氧清洗等其他清洗方式清除硅片表面所吸附的水分子以及其他气体分子。在清洗完毕后的目标衬底表面依次沉积金属合金402和焊料合金403，并采用热压键合或高频感应加热等键合方式将碳纳米管转移到目标衬底上，所得垂直碳纳米管向目标衬底转移后的示意图如图6所示。其中，当采用热压键合将碳纳米管转移到目标衬底上时，反应温度一般在200～300℃，焊料一般选择Sn、Au-Sn等。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用原子层沉积法在碳纳米管表面沉积纳米量级的第一金属层，使第一金属层与碳纳米管形成欧姆接触；其中，第一金属层粒渗透入碳纳米管表面，对碳纳米管进行浸润和包覆；

S2、在碳纳米管顶部表面的第一金属层之上沉积微米量级的第二金属层，来填充各碳纳米管顶部之间的空隙，从而在各碳纳米管顶部表面的第一金属层之上形成连续的金属薄膜；

S3、在目标衬底表面沉积金属合金，并将金属合金与金属薄膜进行键合，从而将碳纳米管转移到目标衬底上。

2.根据权利要求1所述的垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，其特征在于，所述第一金属层包括Ti、Cr、Fe、Ni中的任意一种。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，其特征在于，所述第一金属层的厚度为10nm～100nm。

4.根据权利要求1所述的垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，其特征在于，采用气相沉积法在第一金属层的表面进行微米量级的第二金属层沉积。

5.根据权利要求1所述的垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，其特征在于，所述第二金属层包括Ti、Au、Sn中的任意一种。

6.根据权利要求1或5所述的垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法，其特征在于，所述第二金属层的厚度为1μm～10μm。

7.一种高导电导热界面，其特征在于，采用权利要求1-6任意一项所述的垂直碳纳米管向目标衬底转移的方法制备所得。