[发明专利]一种垂直碳纳米管阵列向金属衬底转移的方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳系统制造领域，特别是涉及一种垂直碳纳米管阵列向金属衬底转移的方法。

 背景技术

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，实现定碳纳米管大规模应用奠定了基础。

基于CVD方法制备垂直定向碳纳米管阵列，并用于电互连介质和热界面（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。由于CVD方法制备碳纳米管需要在500℃左右的高温环境中进行，与微电子工艺不兼容，且会引入化学污染物，影响器件的整体性能，导致在应用中需要将在衬底上制备完成的碳纳米管薄膜在低温低压条件下转移至器件的金属层基底。目前主要采用热压键合方法和化学转移法，实现碳纳米管薄膜向金属基底的转移，前者存在的主要问题是键合温度和压力均较高，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，通过在碳纳米管表面制备纳米金属结构，并将其作为键合层，在一定压力作用下，利用局部感应加热的方法实现碳纳米管薄膜与目标基底的键合，有效降低了工艺环境温度，而且纳米尺度效应更有利于原子间扩散，为碳纳米管在规模化应用提供了新的工艺方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直碳纳米管阵列向金属基底转移的方法，在碳纳米管表面制备纳米金属层作为键合层，在一定压力条件下利用局部感应加热的方法实现碳纳米管与金属基底的键合和转移。

本发明公布的一种垂直碳纳米管阵列向金属衬底转移的方法，首先在基于化学气相沉积方法制备的垂直定向碳纳米管阵列端部溅射纳米金属颗粒，然后与转移目标金属衬底进行对准，施加一定压力，再利用局部感应加热的方法实现碳纳米管与金属衬底的键合，最后将生长碳纳米管的衬底剥离。其中纳米金属颗粒的材料为镍，局部感应加热的频率为13.56MHz.

本发明提供的垂直碳纳米管阵列向金属衬底转移的方法，工艺简单，操作方便，非接触加热，适合规模器件实施批量工艺，且工艺环境温度和压力较低，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向金属衬底转移工艺示意图：其中1为垂直碳纳米管阵列，2为硅衬底，3为纳米金属颗粒，4为压力，5为感应线圈，6为金属层，7为器件衬底。

 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。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。

（2）碳纳米管阵列端部纳米金属颗粒制备。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）基于感应加热的热压键合工艺。将（2）形成的结构，经过对准使纳米颗粒与转移目标金属衬底（Au）接触，置于高频感应加热系统（由感应电源、感应器（线圈）、加热样品（器件）和辅助装置（匹配器、水冷系统、测温计、传输线、样品传送机构等）组成，高频感应加热系统的高频电源频率为13.56MHz，功率输出级采用金属陶瓷四级管FU-100F，电源输出功率在1.6～1000W之间可调，极板电压在100～2600V之间可调，阻抗匹配范围为（2.7～45）Ω-j（0～70）Ω）感应线圈中间，施加2MPa压力，加热时间2秒，之后压力持续30分钟。

（4）生长衬底剥离。步骤（3）完成后，将生长碳纳米管的硅衬底剥离，即完成垂直碳纳米管阵列向金属衬底的转移。