定向生長碳納米管的電磁對準(zhǔn)工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體工藝技術(shù)的碳納米管生長工藝，特別涉及一種定向生長碳納米管的電磁對準(zhǔn)工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展一直沿著微型化、集成化的方向發(fā)展。電子元件的超微型化和高集成化，對其系統(tǒng)散熱性能提出了新的挑戰(zhàn)，微納器件與系統(tǒng)在運動時產(chǎn)生的高熱流密度，極易導(dǎo)致散熱不良，成為制約其發(fā)展的首要問題；另一方面，隨著封裝集成度的不斷提高，特別是采用系統(tǒng)封裝(簡稱SiP)和芯片堆疊等三維集成技術(shù)，使單位體積內(nèi)的發(fā)熱量大大增加，系統(tǒng)溫度也隨之升高，直接影響到器件性能與可靠性，甚至導(dǎo)致器件熱損壞。由于電子器件通常工作在高熱流密度和小溫差的環(huán)境下，系統(tǒng)散熱已成為直接影響元器件工作性能、使用壽命，以及阻礙芯片微型化和系統(tǒng)集成化的關(guān)鍵問題。
[0003]熱界面材料(ThermallnterfaceMaterials,TIMs)作為一種廣泛用于IC封裝和電子散熱的材料，主要用于填充材料界面接觸時產(chǎn)生的微小間隙，增強界面熱傳導(dǎo)。隨著芯片發(fā)熱量和封裝集成度的提高，熱流量不斷增加，如何有效降低芯片到襯底或熱沉的熱阻變得極為重要，熱界面材料在電子封裝散熱方面所扮演的角色也越來越突出。現(xiàn)普遍使用的熱界面材料大略可以分為導(dǎo)熱硅脂(導(dǎo)熱膏)、導(dǎo)熱凝膠(導(dǎo)熱彈性膠)、相變材料、顆粒填充的高分子基復(fù)合熱界面材料和金屬熱界面材料等。
[0004]導(dǎo)熱硅脂是一種傳統(tǒng)的散熱材料，這種熱界面材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，厚度可以非常薄，能有效地降低熱阻。但是硅脂非常容易溢出，污染電路板，進而引起短路等故障，且經(jīng)過多次冷熱循環(huán)后會流失、變干，反而增加熱阻。另外，在制造或者使用過程中非常容易污染環(huán)境。
[0005]導(dǎo)熱凝膠具有良好的彈性和變形性，能緊密地與固體表面結(jié)合，實現(xiàn)熱阻的降低，也不會污染電路板和環(huán)境。缺點是需要增加固化交聯(lián)反應(yīng)步驟，且其與固體表面相互之間的粘結(jié)力較弱。
[0006]相變熱界面材料能吸收集成電路工作時產(chǎn)生的熱量，促進固體界面之間的熱傳導(dǎo)。缺點是傳統(tǒng)相變熱界面材料的熱導(dǎo)率通常比導(dǎo)熱膏稍低，接觸熱阻比導(dǎo)熱膏大。另外，相變材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)時容易殘留熱應(yīng)力。
[0007]顆粒填充的高分子基復(fù)合熱界面材料能充分地發(fā)揮基體材料和填充材料各自的優(yōu)點。缺點是粒子易發(fā)生團聚，難于均勻分散，從而造成熱導(dǎo)率的不均勻性，阻礙熱的傳輸。金屬熱界面材料通常具有較高的熱導(dǎo)率，目前己經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子封裝，但是將其應(yīng)用于熱界面材料的還比較少見。
[0008]近年來隨著納米技術(shù)的發(fā)展，特別是碳納米管(簡稱CNT)在電子封裝和互聯(lián)中的深入研究，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都投入了大量的精力和經(jīng)費，開展新型低熱阻封裝材料和技術(shù)研究。較之傳統(tǒng)的熱界面材料，碳納米管具有高導(dǎo)熱、高化學(xué)穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)小、密度低等綜合性能優(yōu)勢，可以用來改善基體介質(zhì)的熱傳導(dǎo)性能，實現(xiàn)對熱量的高效率傳遞，同時還可以利用其特殊納米碳層結(jié)構(gòu)特性，克服傳統(tǒng)金屬粒子熱界面材料的形變能力差的缺點，有效地解決熱接觸的問題，同時還改善了金屬的抗腐蝕性能，降低導(dǎo)熱層重量，因而有助于克服現(xiàn)有熱界面材料的不足而成為性能優(yōu)越的納米導(dǎo)熱材料。2007年11月，歐盟正式啟動投資總額為1100萬歐元的大型合作項目“NANOPACK”，研究滿足低熱阻封裝和互聯(lián)的新材料和技術(shù)；2008年5月，美國國防部高級研究計劃署(DARPA)也正式發(fā)布了“納米熱界面的項目指南，重點研究降低界面熱阻的新材料和技術(shù)。
[0009]碳納米管用于熱界面材料也有相關(guān)報道，但都存在一個問題，就是由于垂直生長的碳納米管的高度存在不一致性，在應(yīng)用中造成實際用于熱傳導(dǎo)的碳納米管的整體效率較低，如何使盡量多的碳納米管參與熱傳導(dǎo)是需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種定向生長碳納米管的電磁對準(zhǔn)工藝。本發(fā)明通過電磁場輔助對準(zhǔn)，使得碳納米管盡可能多的呈現(xiàn)垂直排布，并通過施加一定的壓力使碳納米管與襯底間的接觸幾率大幅度提高，提高參與熱傳導(dǎo)的碳納米管的比例和效率，從而降低界面熱阻。
[0011]由于生長機理的不同，定向生長CNT頂部無磁性或磁性很弱。為便于利用電磁場對CNT進行有效對準(zhǔn)，必須首先對CNT進行改性和磁化，然后在電磁力作用下實現(xiàn)對準(zhǔn)。
[0012]本發(fā)明的工藝特征包括下列步驟:
[0013](I)采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在CNT頂部形成磁性納米顆粒。定向生長CNT磁化技術(shù)，對于化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備CNT。一般存在兩種生長模式,底端生長模式和頂端生長模式。常用的催化劑包括Fe、N1、Co等鐵磁性材料。由于催化劑厚度較小，因此CNT頂部殘留催化劑顆粒所具有的磁性很弱，無法利用。為滿足垂直排布的碳納米管(簡稱VACNT)電磁對準(zhǔn)的要求，必須對生長后的CNT進行磁化。本發(fā)明采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在CNT頂部形成磁性納米顆粒。本步驟包括下列子步驟:
[0014]a.在Si襯底上沉積一層反鐵磁性材料催化劑；
[0015]b.高溫對Si襯底進行處理，使得催化劑裂化，形成納米顆粒；
[0016]c.進行VACNT的生長；
[0017]d.采用水蒸汽刻蝕技術(shù)對VACNT頂端進行開口 ；
[0018]e.將生長了開口 VACNT的Si襯底以傾斜角75?80度放置于金屬濺射設(shè)備中，進行磁性金屬在VACNT上的沉積，厚度控制在10?30nm ；
[0019]f.蒸發(fā)完成后對VACNT表面的磁性納米膜進行熱整形，從而在CNT頂端形成納米顆粒。
[0020]上述過程中，在CNT頂部沉積磁性納米顆粒進行磁化是關(guān)鍵。對于采用鐵磁性催化劑(如N1、Fe、Co等)制備的CNT，由于殘留的磁性顆粒間存在偶極化作用(大于范德華力)，使CNT頂部產(chǎn)生纏繞和團聚。因此本發(fā)明采用反鐵磁性材料(FeMn)作為催化劑，降低CNT頂部纏繞和團聚；其次，采用水蒸汽刻蝕技術(shù)使VACNT頂端開口，增強熱傳導(dǎo)能力，同時也一定程度上降低CNT頂部纏繞現(xiàn)象；最后，在磁性金屬蒸發(fā)過程中CNT生長襯底必須傾斜放置，便于金屬材料僅沉積在CNT頂部。蒸發(fā)完成后對磁性納米膜的熱整形保證CNT頂端能形成磁性納米顆粒，從而使得后續(xù)的CNT進行熱傳導(dǎo)時是以單根CNT進行的，即每根CNT的熱傳導(dǎo)都是獨立進行的，整體VACNT熱傳導(dǎo)的效果是所有單根CNT熱傳導(dǎo)效果的綜合。
[0021](2).米用電磁場輔助工藝,對CNT定向?qū)?zhǔn)及鍵合，由于磁性金屬具有鐵磁性(相對磁導(dǎo)率>>1)，在電磁場中磁性納米顆粒被磁化，同時產(chǎn)生與磁場方向相同的磁力，使CNT實現(xiàn)定向?qū)?zhǔn)及鍵合。由于不同工藝生長的CNT的直徑會存在差異，從而經(jīng)過磁化后CNT頂部的磁性納米顆粒的大小也會存在差異，不同納米顆粒的大小對應(yīng)不同的需施加的定向電場的大小，因此在定向?qū)?zhǔn)前還需要準(zhǔn)備工作。本步驟包括下列子步驟:
[0022]a、利用電子顯微鏡對CNT頂端的磁性納米顆粒的大小進行測量；
[0023]b、根據(jù)磁性納米顆粒的大小計算所需磁場的大小；
[0024]C、根據(jù)所需磁場大小及Si襯底的大小選擇合適的線圈和電源頻率；
[0025]d、將Si襯底放置于線圈中，整體置于真空腔中進行抽真空處理；
[0026]e、利用外附的機械手將需要鍵合的襯底放置于VACNT