本發(fa)明涉及微納加工中引線(xian)鍵合(he)領域，具體是涉及一(yi)種基于光(guang)熱效(xiao)應的納米鍵合(he)系統(tong)和方法(fa)。

背景技術：

集成電(dian)路越來越追求(qiu)小尺寸(cun)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)、功能化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)和高(gao)度集成化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)。而(er)(er)納(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)鍵(jian)(jian)合(he)技術(shu)是(shi)實(shi)現這一(yi)目標的(de)關鍵(jian)(jian)，是(shi)納(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)器件與(yu)宏觀(guan)系統相整合(he)的(de)基礎。納(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)鍵(jian)(jian)合(he)采(cai)用的(de)金(jin)屬(shu)納(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)線材料一(yi)般為金(jin)、銀、銅等。鍵(jian)(jian)合(he)的(de)方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)包括機(ji)械方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)、電(dian)學(xue)方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)、直接(jie)(jie)加(jia)熱方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)、化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)等。(1)機(ji)械方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)是(shi)直接(jie)(jie)用壓針將(jiang)(jiang)金(jin)屬(shu)納(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)線壓在(zai)金(jin)屬(shu)電(dian)極(ji)(ji)上(shang)(shang)，通過(guo)納(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)線的(de)塑(su)性變形，實(shi)現納(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)線和金(jin)屬(shu)電(dian)極(ji)(ji)的(de)鍵(jian)(jian)合(he)。(2)電(dian)學(xue)方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)是(shi)通過(guo)加(jia)電(dian)壓產生(sheng)焦耳(er)熱，使得(de)納(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)線熔化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)從而(er)(er)鍵(jian)(jian)合(he)到金(jin)屬(shu)電(dian)極(ji)(ji)上(shang)(shang)。(3)直接(jie)(jie)加(jia)熱方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)是(shi)將(jiang)(jiang)器件置于加(jia)熱板上(shang)(shang)持續高(gao)溫(wen)加(jia)熱，使得(de)納(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)線熔化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)并焊接(jie)(jie)到金(jin)屬(shu)電(dian)極(ji)(ji)上(shang)(shang)。(4)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)則是(shi)在(zai)溶液中通過(guo)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)反(fan)應使得(de)反(fan)應物將(jiang)(jiang)納(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)線和金(jin)屬(shu)電(dian)極(ji)(ji)接(jie)(jie)觸點(dian)包裹而(er)(er)實(shi)現鍵(jian)(jian)合(he)。

機械(xie)(xie)方(fang)(fang)(fang)法的(de)(de)(de)例(li)子(zi)包括p.peng等(deng)人在《nano-microletters》(微納(na)快報)2017，9：26上發表的(de)(de)(de)“nanoscalewirebondingofindividualagnanowiresonausubstrateatroomtemperature”(室(shi)溫下單(dan)根納(na)米(mi)線和(he)金(jin)(jin)襯底(di)納(na)米(mi)尺度的(de)(de)(de)鍵(jian)合(he)(he))一文，是利用壓針將銀納(na)米(mi)線通過機械(xie)(xie)方(fang)(fang)(fang)法直接壓入金(jin)(jin)襯底(di)上，形成(cheng)鍵(jian)合(he)(he)。也有例(li)子(zi)利用超(chao)聲壓頭將一維納(na)米(mi)材料鍵(jian)合(he)(he)到金(jin)(jin)屬電極上(專利申請號200510028887.6)。這(zhe)些機械(xie)(xie)的(de)(de)(de)方(fang)(fang)(fang)法由(you)(you)于(yu)需(xu)要接觸，引入機械(xie)(xie)壓頭，操作復雜，適用范圍(wei)有限。而電學方(fang)(fang)(fang)法由(you)(you)于(yu)納(na)米(mi)線熔化的(de)(de)(de)位置(zhi)不可(ke)控，無法可(ke)靠地將納(na)米(mi)線鍵(jian)合(he)(he)到金(jin)(jin)屬電極上；直接加熱方(fang)(fang)(fang)法整體能量(liang)利用效率低，器(qi)件容(rong)(rong)易損壞，且無法實現定點(dian)鍵(jian)合(he)(he)；化學方(fang)(fang)(fang)法則對鍵(jian)合(he)(he)的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)控制性較差(cha)，對器(qi)件容(rong)(rong)易造(zao)成(cheng)污染，也無法實現定點(dian)鍵(jian)合(he)(he)。

技術實現要素：

本發明針(zhen)對現(xian)有(you)技術的不足，提供一種基于(yu)光熱效(xiao)應(ying)的納(na)米鍵合(he)(he)系統和方法，即利用激光定點會聚到(dao)納(na)米線(xian)與金屬(shu)電極(ji)接觸的位(wei)置，由于(yu)金屬(shu)材料吸收光并產(chan)生(sheng)熱，熔化后金屬(shu)納(na)米線(xian)和金屬(shu)電極(ji)熔合(he)(he)到(dao)一起，使其能(neng)夠在(zai)金屬(shu)納(na)米線(xian)和金屬(shu)電極(ji)間形成良好(hao)的鍵合(he)(he)界面，其接觸電阻低且(qie)穩定。

本發明是(shi)具體是(shi)通過以下技(ji)術(shu)方案實(shi)現(xian)的：

一種(zhong)基于光熱效應的(de)納米(mi)鍵合(he)系(xi)統，包括襯底，設置(zhi)在襯底上(shang)的(de)至少一塊金(jin)屬(shu)電(dian)極；所述(shu)的(de)金(jin)屬(shu)電(dian)極上(shang)放(fang)置(zhi)有待融合(he)的(de)納米(mi)線；

還包括設(she)置(zhi)在襯底上方的激光光源，以及將激光匯聚在納米(mi)線與金屬(shu)電極(ji)接觸位點(dian)處的透鏡。

本發明利用(yong)透鏡將激光匯聚(ju)為亞微米(mi)級(ji)的(de)光斑點(dian)，并使(shi)激光匯聚(ju)點(dian)定(ding)位于納米(mi)線與金(jin)屬電(dian)極接觸(chu)(chu)位置，通過光熱效應，使(shi)納米(mi)線和(he)金(jin)屬電(dian)極熔接在一起，形成可(ke)靠穩定(ding)的(de)物(wu)理和(he)電(dian)學接觸(chu)(chu)。

所(suo)述的(de)納(na)(na)米(mi)(mi)線可以(yi)(yi)是金屬納(na)(na)米(mi)(mi)線，包(bao)(bao)括金納(na)(na)米(mi)(mi)線、銀納(na)(na)米(mi)(mi)線、銅(tong)納(na)(na)米(mi)(mi)線、低熔點的(de)焊料納(na)(na)米(mi)(mi)線中的(de)一種；也可以(yi)(yi)是非金屬納(na)(na)米(mi)(mi)線，包(bao)(bao)括半導(dao)體納(na)(na)米(mi)(mi)線、碳納(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)、氧化物納(na)(na)米(mi)(mi)線。

所述的金屬電極(ji)為金電極(ji)、銀電極(ji)、銅電極(ji)、鉑(bo)電極(ji)和鋁(lv)電極(ji)中的一種。

所述的納米(mi)線與(yu)電極(ji)的接(jie)觸(chu)(chu)，可(ke)(ke)以是部分接(jie)觸(chu)(chu)，也可(ke)(ke)以是整根(gen)納米(mi)線全部與(yu)電極(ji)接(jie)觸(chu)(chu)。

所述(shu)的激(ji)光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)，可以(yi)是(shi)(shi)單波(bo)長連續激(ji)光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)，包(bao)括可見波(bo)段(duan)和近紅外(wai)波(bo)段(duan)激(ji)光(guang)(guang)(guang)；也可以(yi)是(shi)(shi)寬譜光(guang)(guang)(guang)源(yuan)，包(bao)括超連續激(ji)光(guang)(guang)(guang)；或者是(shi)(shi)脈(mo)沖激(ji)光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)，包(bao)括納(na)秒脈(mo)沖激(ji)光(guang)(guang)(guang)、皮秒脈(mo)沖激(ji)光(guang)(guang)(guang)和飛秒脈(mo)沖激(ji)光(guang)(guang)(guang)。

本發(fa)明中(zhong)，在有兩(liang)塊金屬(shu)電極時(shi)，納米線的兩(liang)端分別兩(liang)塊金屬(shu)電極上面。

基于(yu)上述的系統(tong)，本發明還(huan)提(ti)供一(yi)種(zhong)基于(yu)光(guang)熱效應的納米鍵合方(fang)法，將納米線(xian)(xian)放置(zhi)在金(jin)屬(shu)電極上，利(li)用(yong)透鏡(jing)將激光(guang)匯聚為(wei)亞(ya)微米級的光(guang)斑點(dian)，并使(shi)激光(guang)匯聚點(dian)定位于(yu)納米線(xian)(xian)與金(jin)屬(shu)電極接觸位置(zhi)，通過(guo)光(guang)熱效應，使(shi)納米線(xian)(xian)和金(jin)屬(shu)電極熔接在一(yi)起(qi)。

本發明具(ju)有的(de)有益效果是：激光光熱(re)(re)鍵合(he)使納(na)(na)(na)米線(xian)(xian)與金(jin)屬電(dian)極(ji)(ji)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)良好、穩定(ding)的(de)物(wu)理和電(dian)學接(jie)觸。一(yi)般(ban)化(hua)學合(he)成(cheng)(cheng)的(de)納(na)(na)(na)米線(xian)(xian)表(biao)面(mian)會有一(yi)層幾納(na)(na)(na)米厚的(de)有機(ji)物(wu)，使得(de)(de)納(na)(na)(na)米線(xian)(xian)和金(jin)屬電(dian)極(ji)(ji)間直接(jie)接(jie)觸的(de)電(dian)阻非(fei)(fei)常(chang)大(da)，通過激光光熱(re)(re)鍵合(he)，一(yi)方面(mian)可(ke)以(yi)利用光熱(re)(re)效應去除納(na)(na)(na)米線(xian)(xian)表(biao)面(mian)的(de)有機(ji)物(wu)，使得(de)(de)納(na)(na)(na)米線(xian)(xian)和金(jin)屬電(dian)極(ji)(ji)有效貼合(he)，因而兩(liang)電(dian)極(ji)(ji)的(de)接(jie)觸電(dian)阻相比焊(han)接(jie)之前降低(di)3個數量級以(yi)上；另一(yi)方面(mian)由于納(na)(na)(na)米線(xian)(xian)和金(jin)屬電(dian)極(ji)(ji)熔合(he)在一(yi)起，因而可(ke)以(yi)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)非(fei)(fei)常(chang)好的(de)物(wu)理連接(jie)，力(li)學特性優(you)良，連接(jie)穩定(ding)可(ke)靠。

激光(guang)光(guang)熱鍵合作(zuo)為一種納(na)米結構(gou)與金屬電(dian)極之間(jian)焊接鍵合手段(duan)，相比其他(ta)方法在操作(zuo)性(xing)(非接觸式)、可(ke)控性(xing)(可(ke)定點鍵合)、能(neng)量利用(yong)效率(所需功率較低)等方面優勢明顯，因而在微納(na)器件(jian)加工領域具(ju)有廣闊的應(ying)用(yong)前景。

附圖說明

圖(tu)(tu)1為本發(fa)明(ming)基于光熱效應的納(na)米鍵合(納(na)米線左側端與左側金屬電極的鍵合)系統結構示(shi)意(yi)圖(tu)(tu)；

圖(tu)2為本(ben)發明(ming)基于光熱效應的納米鍵合(納米線右側端與右側金屬(shu)電極的鍵合)系(xi)統(tong)結構示(shi)意(yi)圖(tu)；

圖3為(wei)經過基于光熱效(xiao)應(ying)的納米鍵合后在兩(liang)金屬電極(ji)上分(fen)別形成焊接點(dian)(鍵合點(dian))的結構示(shi)意圖；

圖4為實施例(li)所述基于(yu)光熱效(xiao)應的(de)納(na)米鍵合(he)前后兩金屬電(dian)極間電(dian)壓(ya)電(dian)流曲線圖。

各附圖標記為：

1.激光，2.透鏡，3.金屬電極，4.納米線，5.襯底，6.焊(han)接點。

具體實施方式

如(ru)圖1-3所(suo)示，本發明將(jiang)納(na)米(mi)線(xian)4搭在(zai)(zai)兩(liang)(liang)金(jin)屬電(dian)(dian)極(ji)3之間(jian)，納(na)米(mi)線(xian)4兩(liang)(liang)端分別(bie)放置在(zai)(zai)兩(liang)(liang)塊金(jin)屬電(dian)(dian)極(ji)3上面。通過透鏡2將(jiang)激(ji)光1會(hui)(hui)聚到納(na)米(mi)線(xian)4與金(jin)屬電(dian)(dian)極(ji)3的接(jie)觸點上，由于(yu)(yu)金(jin)屬材(cai)料吸收(shou)光產生熱，當激(ji)光功率(lv)足夠高時，激(ji)光會(hui)(hui)聚點處金(jin)屬結構的溫度(du)高于(yu)(yu)其熔(rong)點而熔(rong)化，從而形(xing)成焊接(jie)點6(鍵(jian)合(he)點)。在(zai)(zai)焊接(jie)點6處，納(na)米(mi)線(xian)4和金(jin)屬電(dian)(dian)極(ji)3不僅(jin)有良好的電(dian)(dian)學接(jie)觸，而且(qie)其物理(li)接(jie)觸也非常牢固可靠。

下(xia)面結合(he)實施例和附圖(tu)來詳細說明(ming)(ming)本發(fa)明(ming)(ming)，但本發(fa)明(ming)(ming)并不僅限于此。

將(jiang)單根直徑約300納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)銀納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)線放置在(zai)(zai)兩金(jin)電(dian)(dian)(dian)極(ji)之間(jian)(兩電(dian)(dian)(dian)極(ji)相隔約40微米(mi)(mi)(mi)(mi))。在(zai)(zai)激(ji)光(guang)鍵(jian)合(he)之前，先測量(liang)兩金(jin)電(dian)(dian)(dian)極(ji)間(jian)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)，此時(shi)已(yi)經將(jiang)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)線放置在(zai)(zai)兩電(dian)(dian)(dian)極(ji)上，鍵(jian)合(he)前測一下(xia)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)，鍵(jian)合(he)后(hou)(hou)測一下(xia)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)，對比電(dian)(dian)(dian)阻(zu)值(zhi)，可以看出鍵(jian)合(he)后(hou)(hou)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)更(geng)低，電(dian)(dian)(dian)學效果更(geng)好，由于納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)線表(biao)面附著有機物，使得(de)銀納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)線和金(jin)電(dian)(dian)(dian)極(ji)間(jian)的(de)(de)接觸(chu)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)很大(da)，兩金(jin)電(dian)(dian)(dian)極(ji)間(jian)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)在(zai)(zai)兆歐姆量(liang)級(兩電(dian)(dian)(dian)極(ji)加mv量(liang)級的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓，測得(de)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)為na量(liang)級，故電(dian)(dian)(dian)阻(zu)在(zai)(zai)mω量(liang)級)。在(zai)(zai)用(yong)激(ji)光(guang)定(ding)點(dian)照射后(hou)(hou)(波長(chang)532nm；功率50mw；會(hui)聚光(guang)斑直徑500nm；照射時(shi)間(jian)2ms)，納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)(mi)線兩端(duan)分別(bie)熔(rong)化成球狀與(yu)金(jin)電(dian)(dian)(dian)極(ji)鍵(jian)合(he)在(zai)(zai)一起。此時(shi)測得(de)兩金(jin)電(dian)(dian)(dian)極(ji)間(jian)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)為25歐姆，與(yu)激(ji)光(guang)鍵(jian)合(he)之前比降低了(le)3-4個數量(liang)級(如圖4所示)。

以(yi)上所述僅為本發明的較佳(jia)實施舉例，并(bing)不用于限制本發明，凡在本發明精神和原則之內，所作的任(ren)何修改、等同替換(huan)、改進等，均應包含(han)在本發明的保(bao)護范圍之內。

技術特征：

技術總結
本發明公開一種基于光熱效應的納米鍵合系統，包括襯底，設置在襯底上的至少一塊金屬電極；金屬電極上放置有待融合的納米線；還包括設置在襯底上方的激光光源，以及將激光匯聚在納米線與金屬電極接觸位點處的透鏡。本發明還公開一種基于光熱效應的納米鍵合方法，將納米線放置在金屬電極上，利用透鏡將激光匯聚為亞微米級的光斑點，并使激光匯聚點定位于納米線與金屬電極接觸位置，通過光熱效應，使納米線和金屬電極熔接在一起。本發明通過激光光熱鍵合，一方面可以利用光熱效應去除納米線表面的有機物，使得納米線和金屬電極有效貼合，另一方面由于納米線和金屬電極熔合在一起，因而可以形成非常好的物理連接，力學特性優良，連接穩定可靠。

技術研發人員：盧錦勝;李強;仇旻
受保護的技術使用者：浙江大學
技術研發日：2017.04.28
技術公布日：2017.10.10