[发明专利]一种用于碳纳米管器件的大规模焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微纳制造方法，特别涉及一种碳纳米管和金属电极之间的大规模焊接方法。

背景技术

碳纳米管由于其优良的电学、机械和热学属性，具有极大的应用潜力。在微纳器件中。目前大部分针对碳纳米管器件的研究主要集中在器件的原型制作，例如场效应晶体管和基于碳纳米管的传感器，致力于取代当前电子电路中的某些组件。另外，碳纳米管可以作为电路的互联线，在纳电子器件中扮演极其重要的角色。因此碳纳米管和金属电极之间的接触和焊接成为碳纳米管纳米器件制造的重要问题。然而，许多早期的碳纳米管器件的制造工艺只是简单将碳纳米管沉积在金属电极表面，没有进行可靠的焊接，这会导致碳纳米管和电极之间机械强度很差和接触电阻很高。这些缺点阻碍了碳纳米管在微纳电子器件领域的实际应用。为了实现碳纳米管和金属电极之间的有效焊接接触，许多研究人员尝试了许多方法，例如通过电子束和离子束照射在碳纳米管和金属接触区域将碳纳米管与金属电极焊接，按照这种方法接触电阻可以下降几个数量级，然而这个方法由于其工艺难度较大不易真正实现大规模应用。另外，快速热退火方法也被证明可以降低接触电阻，在此方法中，整个衬底包含碳纳米管、图形化电极和其他器件组件，放置在高达600～800℃的环境温度中，这个高温将严重限制衬底上其他材料的选择使用。最近，超声焊接技术实现了碳纳米管和金属电极之间焊接，这个焊接方法通过超声探头将碳纳米管压在金属电极上，尽管这种方法可以获得较低的接触电阻，但焊接过程很容易损伤电极。所以这个方法具有一个同样的缺点，即是每次只能焊接单个部位，而不能应用于大规模碳纳米管器件的制造。因而，为了实现碳纳米管器件的广泛应用，需要研究一种大规模焊接方法满足大规模碳纳米管器件的批量可靠制造。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，提供一种碳纳米管和金属电极之间的大规模焊接方法。通过介电电泳的方法将碳纳米管沉积在包含图形化电极的圆片上，将圆片放入射频感应加热系统的载物台上，进行短时间的加热，将圆片在真空或保护性气体的条件下冷却，加热线圈根据电极图形设置，焊接方法包含以下步骤：

A.通过溶液将碳纳米管分散

B.通过介电电泳方法将碳纳米管定位定向在电极之间，电压从0.1V到100V，电场频率从10KHz到100MHz；

C.通过射频感应加热的方式将金属电极表面快速融化，使碳纳米管与金属电极进行有效可靠焊接，功率变化范围为50W到1500W，频率范围为100KHz到50MHz。

本发明的优点是采用的射频感应加热方法，工艺简单，焊接速度快，重复性好，可靠性高，可实现大批量制造，不引入杂质，不损伤器件其他结构，与微电子工艺兼容，能实现圆片级碳纳米管器件的大规模有效焊接。

附图说明

图1射频感应加热焊接碳纳米管和电极的结构示意图；

图2A包含有碳纳米管和图形化电极的圆片放在射频感应加热线圈中的示意图；

图2B衬底上图形化电极和碳纳米管的结构示意图；

图3A射频感应加热前碳纳米管桥连在两个孤立电极之间的示意图；

图3B射频感应加热后碳纳米管陷入金属电极的示意图；

图4A介电电泳沉积碳纳米管扫描电镜图；

图4B射频感应加热后的碳纳米管和电极对的扫描电镜图；

图4C电极局部与碳纳米管焊接的扫描电镜图；

图5A焊接后电极对之间I-V曲线测试图；

图5B20对电极焊接前后电阻变化图。

图中：11冷却系统12射频电源、、13线圈、14玻璃底座、15圆片、16金属电极、17碳纳米管。

具体实施方式

实施例一

焊接设备及材料包括：射频感应加热系统，圆片15及电极16，沉积在电极上的碳纳米管17，射频加热系统由射频电源，水冷系统，加热线圈，玻璃底座组成，参见图1。射频感应加热系统包含4部分：射频电源11提供加热所需的功率，冷却系统12用于冷却线圈13，线圈13用于产生变化的磁场，玻璃底座14用于焊接的时候支撑圆片15。水冷系统包含覆盖在线圈外表面的螺旋管，通过水流过管道实现线圈的冷却。为了实现最佳的加热效果，线圈13的结构随着电极类型、形状、大小和厚度的变化而改变。加热线圈13根据电极图形设置，电极16通过光刻和剥离工艺制作，电极的形状和厚度随碳纳米管器件的设计不同而变化。电极16为金属合金材料，通过光刻工艺和剥离工艺制作而成。所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管或碳纳米管束。