CN107240557A - 一种基于光热效应的纳米键合***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于光热效应的纳米键合***，包括衬底，设置在衬底上的至少一块金属电极；金属电极上放置有待融合的纳米线；还包括设置在衬底上方的激光光源，以及将激光汇聚在纳米线与金属电极接触位点处的透镜。本发明还公开一种基于光热效应的纳米键合方法，将纳米线放置在金属电极上，利用透镜将激光汇聚为亚微米级的光斑点，并使激光汇聚点定位于纳米线与金属电极接触位置，通过光热效应，使纳米线和金属电极熔接在一起。本发明通过激光光热键合，一方面可以利用光热效应去除纳米线表面的有机物，使得纳米线和金属电极有效贴合，另一方面由于纳米线和金属电极熔合在一起，因而可以形成非常好的物理连接，力学特性优良，连接稳定可靠。

Description

一种基于光热效应的纳米键合***和方法
技术领域
本发明涉及微纳加工中引线键合领域，具体是涉及一种基于光热效应的纳米键合***和方法。
背景技术
集成电路越来越追求小尺寸化、功能化和高度集成化。而纳米键合技术是实现这一目标的关键，是纳米器件与宏观***相整合的基础。纳米键合采用的金属纳米线材料一般为金、银、铜等。键合的方法包括机械方法、电学方法、直接加热方法、化学方法等。(1)机械方法是直接用压针将金属纳米线压在金属电极上，通过纳米线的塑性变形，实现纳米线和金属电极的键合。(2)电学方法是通过加电压产生焦耳热，使得纳米线熔化从而键合到金属电极上。(3)直接加热方法是将器件置于加热板上持续高温加热，使得纳米线熔化并焊接到金属电极上。(4)化学方法则是在溶液中通过化学反应使得反应物将纳米线和金属电极接触点包裹而实现键合。
机械方法的例子包括P.Peng等人在《Nano-Micro Letters》(微纳快报)2017，9：26上发表的“Nanoscale Wire Bonding of Individual Ag Nanowires on Au Substrate atRoom Temperature”(室温下单根纳米线和金衬底纳米尺度的键合)一文，是利用压针将银纳米线通过机械方法直接压入金衬底上，形成键合。也有例子利用超声压头将一维纳米材料键合到金属电极上(专利申请号200510028887.6)。这些机械的方法由于需要接触，引入机械压头，操作复杂，适用范围有限。而电学方法由于纳米线熔化的位置不可控，无法可靠地将纳米线键合到金属电极上；直接加热方法整体能量利用效率低，器件容易损坏，且无法实现定点键合；化学方法则对键合的质量控制性较差，对器件容易造成污染，也无法实现定点键合。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于光热效应的纳米键合***和方法，即利用激光定点会聚到纳米线与金属电极接触的位置，由于金属材料吸收光并产生热，熔化后金属纳米线和金属电极熔合到一起，使其能够在金属纳米线和金属电极间形成良好的键合界面，其接触电阻低且稳定。
本发明是具体是通过以下技术方案实现的：
一种基于光热效应的纳米键合***，包括衬底，设置在衬底上的至少一块金属电极；所述的金属电极上放置有待融合的纳米线；
还包括设置在衬底上方的激光光源，以及将激光汇聚在纳米线与金属电极接触位点处的透镜。
本发明利用透镜将激光汇聚为亚微米级的光斑点，并使激光汇聚点定位于纳米线与金属电极接触位置，通过光热效应，使纳米线和金属电极熔接在一起，形成可靠稳定的物理和电学接触。
所述的纳米线可以是金属纳米线，包括金纳米线、银纳米线、铜纳米线、低熔点的焊料纳米线中的一种；也可以是非金属纳米线，包括半导体纳米线、碳纳米管、氧化物纳米线。
所述的金属电极为金电极、银电极、铜电极、铂电极和铝电极中的一种。
所述的纳米线与电极的接触，可以是部分接触，也可以是整根纳米线全部与电极接触。
所述的激光光源，可以是单波长连续激光光源，包括可见波段和近红外波段激光；也可以是宽谱光源，包括超连续激光；或者是脉冲激光光源，包括纳秒脉冲激光、皮秒脉冲激光和飞秒脉冲激光。
本发明中，在有两块金属电极时，纳米线的两端分别两块金属电极上面。
基于上述的***，本发明还提供一种基于光热效应的纳米键合方法，将纳米线放置在金属电极上，利用透镜将激光汇聚为亚微米级的光斑点，并使激光汇聚点定位于纳米线与金属电极接触位置，通过光热效应，使纳米线和金属电极熔接在一起。
本发明具有的有益效果是：激光光热键合使纳米线与金属电极形成良好、稳定的物理和电学接触。一般化学合成的纳米线表面会有一层几纳米厚的有机物，使得纳米线和金属电极间直接接触的电阻非常大，通过激光光热键合，一方面可以利用光热效应去除纳米线表面的有机物，使得纳米线和金属电极有效贴合，因而两电极的接触电阻相比焊接之前降低3个数量级以上；另一方面由于纳米线和金属电极熔合在一起，因而可以形成非常好的物理连接，力学特性优良，连接稳定可靠。
激光光热键合作为一种纳米结构与金属电极之间焊接键合手段，相比其他方法在操作性(非接触式)、可控性(可定点键合)、能量利用效率(所需功率较低)等方面优势明显，因而在微纳器件加工领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明基于光热效应的纳米键合(纳米线左侧端与左侧金属电极的键合)***结构示意图；
图2为本发明基于光热效应的纳米键合(纳米线右侧端与右侧金属电极的键合)***结构示意图；
图3为经过基于光热效应的纳米键合后在两金属电极上分别形成焊接点(键合点)的结构示意图；
图4为实施例所述基于光热效应的纳米键合前后两金属电极间电压电流曲线图。
各附图标记为：
1.激光，2.透镜，3.金属电极，4.纳米线，5.衬底，6.焊接点。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明将纳米线4搭在两金属电极3之间，纳米线4两端分别放置在两块金属电极3上面。通过透镜2将激光1会聚到纳米线4与金属电极3的接触点上，由于金属材料吸收光产生热，当激光功率足够高时，激光会聚点处金属结构的温度高于其熔点而熔化，从而形成焊接点6(键合点)。在焊接点6处，纳米线4和金属电极3不仅有良好的电学接触，而且其物理接触也非常牢固可靠。
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
将单根直径约300纳米银纳米线放置在两金电极之间(两电极相隔约40微米)。在激光键合之前，先测量两金电极间的电阻，此时已经将纳米线放置在两电极上，键合前测一下电阻，键合后测一下电阻，对比电阻值，可以看出键合后的电阻更低，电学效果更好，由于纳米线表面附着有机物，使得银纳米线和金电极间的接触电阻很大，两金电极间的电阻在兆欧姆量级(两电极加mV量级的电压，测得的电流为nA量级，故电阻在MΩ量级)。在用激光定点照射后(波长532nm；功率50mW；会聚光斑直径500nm；照射时间2ms)，纳米线两端分别熔化成球状与金电极键合在一起。此时测得两金电极间的电阻为25欧姆，与激光键合之前比降低了3-4个数量级(如图4所示)。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光热效应的纳米键合***，其特征在于：包括衬底，设置在衬底上的至少一块金属电极；所述的金属电极上放置有待融合的纳米线；
还包括设置在衬底上方的激光光源，以及将激光汇聚在纳米线与金属电极接触位点处的透镜。
2.如权利要求1所述的纳米键合***，其特征在于：所述的纳米线为金属纳米线。
3.如权利要求2所述的纳米键合***，其特征在于：所述的金属纳米线为金纳米线、银纳米线、铜纳米线和焊料纳米线中的一种。
4.如权利要求1所述的纳米键合***，其特征在于：所述的非金属纳米线为非金属纳米线。
5.如权利要求4所述的纳米键合***，其特征在于：所述的非金属纳米线包括半导体纳米线、碳纳米管和氧化物纳米线。
6.如权利要求1所述的纳米键合***，其特征在于：所述的金属电极为金电极、银电极、铜电极、铂电极和铝电极中的一种。
7.如权利要求1所述的纳米键合***，其特征在于：所述的纳米线与金属电极部分解除或者整根纳米线放置在金属电极上。
8.如权利要求1所述的纳米键合***，其特征在于：所述的激光光源为单波长连续激光光源、宽谱光源或者脉冲激光光源。
9.如权利要求1～8任一项所述的纳米键合***，其特征在于：所述的金属电极为间隔的两块，纳米线的两端分别搭设在两金属电极上。
10.一种基于权利要求1～9任一项所述纳米键合***的方法，其特征在于：将纳米线放置在金属电极上，利用透镜将激光汇聚为亚微米级的光斑点，并使激光汇聚点定位于纳米线与金属电极接触位置，通过光热效应，使纳米线和金属电极熔接在一起。
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