一种微纳米结构材料间的电互连方法

技术领域

本发明涉及纳米技术领域，具体涉及一种微纳米结构材料间的电互连方法。

背景技术

纳米结构材料的电互连是完成纳米结构单元组装、复杂纳米系统及其集成，实现多功能高效率微纳结构产品的基础。因而，纳米材料电连接问题已成为纳米科技领域的研究热点和学科前沿。纳米材料电连接的本质是两种或两种以上的纳米结构材料，其表面原子在外界环境的约束下相互结合并连接的过程；依据纳米结构材料的自身特性，开发了很多互连方法，如低温烧结互连法，利用纳米材料烧结温度远低于块体材料这一特点，在较低温度下把纳米材料烧结互连，表面原子扩散结合为界面，完成低温连接；冷焊互连法指只通过机械压力使纳米颗粒或纳米线等相互接触，通过压力驱动，并在接触界面毛细作用的约束下，表面原子快速扩散弛豫，从而实现冷焊互连；激光辐照法利用表面等离子激元的热效应，加热辐照区域的纳米材料，实现纳米结构材料的接触连接及融合；此外还有液相互连法，利用液相作为纳米材料表面原子的扩散媒介，从而在接触面间形成新的融合界面的生长。

然而，现有的纳米材料互连方法存在很大的局限性，如低温烧结法，辐照法及液相法的控制精度低，随机性大；在实际操作中，要求纳米材料组合间具有亚纳米级精度的预接触等，而对于间距过大的纳米结构组合，上述几种方法则不能实现电互连的目的；这些问题已成为纳米结构材料组装、多功能微纳米器件开发及纳米系统集成发展的障碍。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种微纳米结构材料间的电互连方法，所采用的技术方案具体如下：

将待连接的微纳米结构材料组合放入电子束真空室；

打开电子束，控制电子束焦点位于待连接的微纳米结构材料连接点附近空间，使待连接的微纳米结构材料组合中的一种材料的表面产生低电势点；通过电势能差及表面毛细作用，使荷电原子或原子团流向低电势点；

控制电子束，使流向低电势点的荷电原子或原子团固化稳定，形成微纳米级的连线，并向纳米结构材料组合中的另一种材料方向生长，直至微纳米级的连线与所述另一种材料形成接触。

优选的，微纳米结构材料组合由至少两种材料构成，其中，至少有一种材料具有微纳米结构。

优选的，微纳米结构材料为：导体或者半导体。

优选的，所述打开电子束，使待连接的微纳米结构材料组合中的一种材料的表面产生低电势点，包括：

通过电子束焦点和材料表面之间的电势差、电子束的电子隧穿向材料表面而形成材料表面的低电势点。

优选的，所述荷电原子或原子团为：通过电子束电离的材料表层的原子或原子团。

优选的，所述控制电子束为：在程序控制下电子束焦点和材料表面的低电势点之间的相对位置的变化调整过程；所述变化调整过程包括指向另一种材料方向的纵向位置调整和沿横向的往复振荡运动。

优选的，所述使流向低电势点的荷电原子或原子团固化稳定为：荷电原子或原子团在毛细作用和电子束隧穿电子电流热效应辅助下的键合固化的过程。

本发明实施例至少具有如下有益效果：

本发明相比于现有的低温烧结互连、冷焊互连及光辐射互连等技术，本发明利用电子束和材料表面之间的电势差电离材料表层原子或原子团，通过在微纳米结构材料之间生长互连导线，实现微纳结构材料间的电互连。摆脱了现有互连技术所要求的高精确控制及预接触等要求，可望为微纳结构器件单元的组装、复杂微纳系统及其集成等提供有效的电互连手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明一个实施例所提供的一种微纳米结构材料间的电互连方法的方法流程图；

图2为本发明一个实施例所提供的微纳米结构材料之间电互连的示意图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种微纳米结构材料间的电互连方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

本发明实施例提供了一种微纳米结构材料间的电互连方法的具体实施方法，该方法适用于微纳米结构材料的电互连场景。为了解决现有的纳米材料互连方法存在很大的局限性，如低温烧结法，辐照法及液相法的控制精度低，随机性大的技术问题。本发明通过电子束的高电势和隧穿电子电流效应，在材料表面上产生低电势点，从而诱导荷电材料原子积聚形成互连导线，以解决上述现有技术的缺陷，为微纳米结构单元的组装、复杂纳米系统及其集成，实现多功能高效率微纳结构产品提供更好的技术支持。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种微纳米结构材料间的电互连方法的具体方案。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种微纳米结构材料间的电互连方法的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S100，将待连接的微纳米结构材料组合放入电子束真空室。

将待连接的微纳米结构材料组合放入电子束真空室，并对其进行抽真空处理。需要说明的是，抽真空处理是指通过真空系统使真空室的真空度满足电子束的正常工作需求。

其中，微纳米结构材料组合可由金属材料和半导体材料形成需要互连的组合，如银-氧化锌(Ag-ZnO)、金-氧化锡(Au-SnO

其中，该微纳米结构材料组合由至少两种材料构成，也即为可由两种或两种以上材料构成。微纳米结构材料组合中至少有一种材料具有微纳米结构，也即微纳米结构材料组合中至少有一种材料是微纳结构材料。其中，微纳米结构材料为导体或者半导体。

步骤S200，打开电子束，控制电子束焦点位于待连接的微纳米结构材料连接点附近空间，使待连接的微纳米结构材料组合中的一种材料的表面产生低电势点；通过电势能差及表面毛细作用，使荷电原子或原子团流向低电势点。

其中，打开电子束，使待连接的微纳米结构材料组合中的一种材料的表面产生低电势点，具体的：低电势点位于材料表面，通过电子束焦点和材料表面之间的电势差、电子束的电子隧穿向材料表面而形成材料表面的低电势点，进而产生对荷电原子的空间电势限效应。

其中，荷电原子或原子团为通过电子束电离的材料表层的原子或原子团。

步骤S300，控制电子束，使流向低电势点的荷电原子或原子团固化稳定，形成微纳米级的连线，并向纳米结构材料组合中的另一种材料方向生长，直至微纳米级的连线与所述另一种材料形成接触。

其中，电子束的控制，也即控制电子束是指在程序控制下电子束焦点和材料表面的低势点之间的相对位置的变化调整过程；这种电子束焦点的所变化调整过程包括指向另一种材料方向的纵向位置调整和沿横向的往复振荡运动。

使流向低电势点的荷电原子或原子团固化稳定，也即荷电原子或原子团在低电势点的固化稳定，具体的：是指荷电原子或原子团在毛细作用和电子束隧穿电子电流热效应辅助下的键合固化的过程。

请参阅图2所示，图2为微纳米结构材料之间电互连的示意图。图2中标号1对应的为聚焦电子束的焦点；标号2对应的为电子束焦点的路径；标号3对应的为微纳米材料原子或原子团堆积形成的连线结构；标号4对应的为微纳米结构材料组合中的第一种材料；标号5对应的为微纳米结构材料组合中的第二种材料；标号6对应的为衬底上表面；标号7对应的为衬底下表面；标号8对应的为第二种材料表面上的电势最低点位置，也即标号8对应的为第二种材料表面上的低电势点。本发明实施例选择Al-Ag金属材料组合，第一种材料4为直径约100nm的银纳米线，第二种材料5为粒径1μm的铝颗粒；两者均放置在硅衬底上，相距约1μm；步骤S200中，通过程序使电子束的焦点1位于第二种材料5表面上方，面向第一种材料方向的一点。

步骤S200中，电子束焦点与第二种材料5之间电势差会使材料表层局部原子电离，同时电子束电子隧穿向表面，从而产生低电势点8，使荷电原子流向低电势点8。步骤S300中，随着聚焦电子束的焦点1的位置逐步向第一种材料4方向移动，流向低电势点8的荷电原子固化稳定，形成连线状结构，继续控制电子束，完成第一种材料和第二种材料之间的互连导线。需要说明的是，在本发明实施例中“第一种材料”和“第二种材料”仅用于区分类似的对象，不用于描述特定的顺序或者先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。

综上所述，本发明涉及一种基于空间电势诱导，实现微纳米结构材料间电互连的方法，该方法包括：打开电子束，利用电子束和材料表面间的电势差，在材料表面产生低电势点，从而诱导材料表面的荷电原子流向低电势点，固化为连线结构；控制电子束使连线结构在纳米结构材料间形成连接；本发明能有效克服现有电互连技术的局限性，为微纳结构的组装、复杂微纳系统及其集成等提供有效的电连接手段。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。