[发明专利]基于单一溶液电镀的CNT与Cu复合导线的制备方法

说明书

本发明公开了基于单一溶液电镀的CNT与Cu复合导线的制备方法，通过制备CNT阵列、制备电极、刻蚀、电镀、氢气退火、电流退火，获得具有高电流载流能力的复合材料导线。本发明形成CNT/Cu复合导线的过程中，种子层与常规电镀在同一溶液中完成，避免了传统工艺中需要在乙腈/乙酸铜混合溶液中电镀种子层后再在CuSO₄溶液中进行电镀的问题，既简化了电镀步骤，且避免了在更换溶液过程中内部Cu颗粒的氧化，制备的表面Cu颗粒粒度相较于采用CuSO₄制备的样品更为均匀致密。本发明制备的CNT/Cu复合导线，能有效地提高导线的载流能力，使得电路在大电流工作下导线不易熔断。

技术领域

本发明属于微电子技术、微系统技术领域，具体涉及基于单一溶液电镀的CNT与Cu复合导线的制备方法。

背景技术

原子芯片是一种可以实现对冷原子操控的片上微系统，常用的方法之一是在特定形貌的导线上通大电流产生磁阱来实现上述功能，可以极大地减小冷原子实验装置的体积和复杂度，对于冷原子系统的实用化具有重要的意义。为产生深势阱对冷原子团进行紧束缚，需要在原子芯片的微米级导线上长时间加载几安培的电流，这就要求导线的电流密度达到10⁶A/cm²量级以上。同时，为了降低导线通电时的欧姆热，导线需要具备大的电导率。此外，随着电子器件的集成度不断提高，在限制导线尺寸的前提下，导线所需承载的载流密度也需不断增加。

目前，具有相对较高电导率与载流能力的金属材料Cu、Ag，其电导率与载流能力的理论值分别在10⁵S/cm与10⁶A/cm²量级。相比之下，石墨烯与碳纳米管（CNT）虽然电导率较低，仅仅为103S/cm量级，但具有109A/cm²量级的载流能力。国外研究机构提出将CNT与Cu制备成均匀的复合材料能使导线的载流能力从Cu的10⁶A/cm²提升至6.3×10⁸A/cm²，同时电导率能够达到10⁵S/cm，即在兼具良好的导电性和电流承载能力。然而，目前给出的复合材料制备方法工艺流程复杂，且由于最终在CuSO₄溶液中完成电镀，使得制得的复合材料表面Cu晶体颗粒粒度较大且颗粒尺寸不均。

因此，需要提出一种工艺步骤较为简化，同时制得导线的表面Cu晶体颗粒更为均匀的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单一溶液电镀的CNT与Cu复合导线的制备方法，本方法可以让种子层与常规电镀在同一溶液中完成，避免了传统工艺中需要在不同溶液中进行电镀的问题，简化了电镀步骤，避免了在更换溶液过程中内部Cu颗粒的氧化；在CuSO₄溶液中电镀的Cu颗粒具有明显的晶界，而采用本发明制备的CNT/Cu复合材料导线表面颗粒更为均匀，能有效抑制电流的散射。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

基于单一溶液电镀的CNT与Cu复合材料高载流导线制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

1）在Si片上生长一层SiO₂绝缘层并作为基底；

2）在基底上制备正交的CNT纺丝阵列，致密化后，在CNT纺丝阵列的两端分别制备Ti与Au作为电极，同时起到固定CNT纺丝阵列的作用；

3）采用光刻胶作为掩膜，按照所需导线结构光刻完毕后，祛除未受光刻胶保护的CNT，最后祛除光刻胶以得到CNT纺丝阵列导线；

4）配置乙酸铜、乙腈的混合溶液，并以0.001A通电电流对混合溶液进行极化，直到混合溶液电阻≤10000Ω；

5）采用Cu作为电镀阳极，长有CNT纺丝阵列导线的基底作为阴极，在步骤4）配置好的乙酸铜、乙腈混合溶液中，按照电镀电流I电镀2h；