[发明专利]一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法。

技术背景

随着微电子技术的不断发展，微电子集成度不断提高，功率密度不断增大，集成散热也成为了提高微电子器件可靠性必须解决的问题。氮化铝（AlN）薄膜由于其绝缘性好、介电常数大、热导率高、与硅匹配的热膨胀系数等优势，也成为了微电子器件散热涂层材料的主要研究对象之一，但是国内外所报道的AlN薄膜的热导率与块材有相当大的差别。而通过添加高热导率的微纳米材料（碳纳米管、金刚石粉、金属微粉等）来提高整体材料热导率的方法受到了许多的研究，尤其是以环氧树脂等有机材料为基体的复合高热导率材料已广泛应用于微电子封装工艺中。但是在如AlN等无机材料薄膜中添加高热导率的碳基微纳米材料来提高热导率的仍少见报道，主要是在合成这类复合材料的工艺仍存在一定难度。而本发明即利用高热导率的碳微纳米材料（碳纳米管、金刚石粉）对AlN薄膜进行添加改性，得到高热导率的复合薄膜。

目前，制备AlN薄膜常见的方法有射频磁控溅射、激光脉冲沉积、分子束外延、化学气相沉积、溶胶凝胶法和高分子辅助沉积法等。相比较于其他制备AlN薄膜的物理方法而言，高分子辅助法具有设备简单、操作简便、低成本等优点获得广泛的关注，而更主要的是高分子辅助沉积法利于制备碳微纳米材料掺杂的AlN薄膜，而避免了物理方法中，微纳米材料难以掺入到AlN薄膜中的难题。本发明基于渗透理论（percolation theory）、有效匀质理论（effective media theory，EMT）等理论以及高分子辅助沉积法添加微纳米材料的实验可行性，利用高分子辅助沉积法制备了碳微纳米材料/AlN复合薄膜。

发明内容

本发明旨在提供一种基于水溶剂化学溶液法制备碳微纳米材料与AlN的复合薄膜的方法，该方法通过将五水硝酸铝、表面处理过的碳微纳米材料溶于水溶性聚合物溶液中，通过旋涂、热处理最终成膜。在热处理过程在高温管式炉中完成，用氨气提供氮源，通过对还原性气氛和氨气的调控实现薄膜的制备。本发明能够获得热导率较同等条件下制备的未掺杂的AlN薄膜更高的碳微纳米材料/AlN复合薄膜。

本发明具体技术方案是：

一种碳微纳米材料与AlN的复合薄膜的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：配制铝聚合物水溶液。首先将带有碱性基团的水溶性聚合物（如聚乙烯亚胺）溶于水，得到溶液A（呈浅黄色）；然后往溶液A中加入氢氟酸，得到溶液B（同样呈浅黄色）；最后往溶液B中缓慢加入五水硝酸铝，搅拌至溶液澄清透明，得到铝聚合物溶液C。

步骤2：获得碳微纳米材料与铝的复合前驱液。采用超滤装置，利用高压普氮，滤去铝聚合物溶液C中大部分水和游离的离子，得到浓缩的铝高分子前驱溶液。将表面处理过的碳微纳米材料按照C:Al=1:10~30的质量比添加于浓缩的铝高分子前驱溶液中（其中，若碳微纳米材料采用金刚石粉，则金刚石粉用HF进行表面处理；若碳微纳米材料采用碳纳米管，则碳纳米管用浓H₂SO₄:浓HNO₃=3:1的混合酸进行处理），并超声使碳微纳米材料分散，从而得到碳微纳米材料与铝的复合前驱液。

步骤3：旋涂碳微纳米材料与铝的复合前驱液于基片。将步骤2所得碳微纳米材料与铝的复合前驱液旋涂于清洁的基片表面。目标产物碳微纳米材料与AlN的复合薄膜的厚度通过多次旋涂加以控制。

步骤4：热处理，获得碳微纳米材料与AlN的复合薄膜。将步骤3旋涂了碳微纳米材料与铝的复合前驱液的基片在还原性气氛中升温至700~1200℃，然后在氨气气氛下热处理1小时及以上，冷却后得到最终的碳微纳米材料与AlN的复合薄膜。

需要说明的是：

1、本发明所述热处理过程的实现装置可采用高温管式炉，其中还原气氛可采用氢气和氮气的混合气体。

2、本发明在热处理烧结过程在采用高温管式炉中完成，采用还原性气体为保护气体，并由氨气提供氮源，最终实现碳微纳米材料/AlN复合薄膜的制备。

综上所述，本发明提供的基于溶液法的碳微纳米材料与AlN的复合薄膜的制备方法，能够获得热导率优于AlN薄膜的复合薄膜，同时具有良好的工艺可控性和重复性。

附图说明

图1为本发明流程示意图。