第 1 章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

随着纳米科学与技术的不断发展，新的纳米材料、纳米特性及纳米结构不断被发现和认识，并显示了其在新材料制造、生物制造和仿生制造、氢燃料电池和太阳能电池制造、信息器件及装备制造、先进科学仪器制造等高性能装备制造中广阔的应用前景，有望改变新材料利用技术、医学技术、氢能利用技术等诸多领域的现状，将对技术创新、制造业的发展产生重大影响和革命性的进步，引领下一代制造技术的发展，并体现了我国的中长期发展战略需求，同时也对制造科学基础研究提出了挑战，成为世界各国科技竞争的焦点。制造体的尺寸和制造精度的量变超过一定的尺度范围时，尺寸效应将导致产品性能、制造过程的能场作用规律和制造原理产生质变，根据最新的国际半导体技术路线图（International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS）[1]，到2020 年，纳米电子器件的量子效应会变得很明显，这将导致电子器件无法遵循传统半导体物理的原理工作，因此，新型纳米材料及其应用于纳米电路的制造工艺将成为新型纳米电子器件的解决策略。碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）作为新型纳米材料的代表，凭借其优良性能成为各国研究的热点和重点[2-5]，其具有很好的导电性和导热性，有望成为下一代纳米器件的互连导线[6-10]，可用于高效能太阳能电池、氢燃料电池、TB 级存储单元、IC 器件的纳米电路制造；利用碳纳米管互连导线的独特管状结构及典型特征，可研发极高灵敏度微纳器件与微系统并应用于生物、医学、信息等领域。另外，随着碳纳米管功能器件逐渐向多微、多功能、实用化方向发展，将其纳米尺度下的优良特性转化成宏观的功能，需要与微电极、宏观器件载体进行“纳－微－介观－宏观”跨尺度连接与封装，是纳米结构实现功能化、器件化和产品化的重要环节和关键技术，因此碳纳米管的排列、操纵与互连成为纳米结构及器件制造的重要研究方向之一[11-16]，已成为美国、德国、日本等国众多研究计划的重要部分。

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1.2 碳纳米管互连技术研究现状

目前，尽管碳纳米管的制备技术发展的很快，也比较完善，但是将其作为互连导线集成到电路中的技术还不太成熟，主要集中在 CNTs 互连工艺方面，当互连的尺寸和互连精度的量变超过一定的尺度范围时，尺寸效应将导致互连过程的能场作用规律和互连原理产生质变，这将严重制约着 CNTs 电子器件互连线路的可靠性及稳定性，为克服这一技术性难题，当前的互连工艺主要从微观领域采用物理或化学的方法进行实现的[24-28]。CNTs 的制备主要采用电弧放电和化学气相沉积技术 (Chemical Vapor Deposition, CVD)，其中，CNTs 制备的 CVD 过程是通过含碳气体在催化剂作用下裂解实现的，专家学者利用这一特点，直接将 CNTs“自下而上”(Bottom-Up)生长在所需的电极或芯片上，然后根据需要，配合机械转移及粘合技术将 CNTs 置于其它基底，或者利用倒装芯片键合技术实现 CNTs 与其它电极或芯片的互连。Johnson等人[29]将含有硝酸铁的正硅酸乙酯的溶胶凝胶涂于掺硼的硅晶圆上，然后将样品加热到 750℃，使铁在结晶时析出 10-20nm 的粒子，以作为 CNTs 生长的催化剂，这样将会在精细模版下垂直生长出碳纳米管束阵列，然后在 CNTs 的顶部溅射 5nm厚的 TiW 粘合层和 300nm 厚的 Au 薄膜，这样就可以在 150℃时在外力作用与 SiO2粘结互连在一起，实现了 CNTs 与两电极的互连，如图 1-1 所示。

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第 2 章 激光复合 AFM 探针的近场研究

2.1 激光复合 AFM 探针的近场理论基础

金属作为一种光子材料在近场光学中的奇异特性逐渐被发现，当光与金属自由电子相互作用，可在金属-介质界面产生自由电子共谐振荡，称之为表面等离子体激元[69-72]。这是由于金属表面存在大量的价电子，这些价电子自由地在费米面内运动，因库仑作用的长程性，导致了自由电子的集体激发，形成了由浓度相同的正、负离子组成的集体振荡，相对于原子核的正电荷背景而言其密度起伏较大，所以在入射光波长与偏振方向适当的条件下，若表面等离子体的频率和波数与近场光的频率和波数相等时，金属表面会产生表面等离子体共振，金属表面的电子密度在空间重新分布后形成疏密相间的纵波。表面等离子体激元有两种形式：局域表面等离子体激元和表面等离子体极化激元。局域表面等离子体激元是电子与电磁场耦合的非传播场的激发，涉及纳米颗粒的散射问题等，而表面等离子体极化激元是沿金属表面传播极化波，其在金属表面的垂直方向上形成消逝场，场的振幅呈指数衰减，但是电磁场的能量被强烈束缚在表面一个波长范围之内，其场强比激发的电场强度高数倍甚至数十倍，表现出非常强大的近场增强效应。然而，作为表面等离子体极化激元，其本质是增加入射电磁波的水平波向量，采用的主要方式如下：强聚焦激光束、波导结构、近场激发。根据近场光学理论，当利用强聚焦激光或近场光辐照金属探针或镀有金属层的探针时，探针尖端产生的近场会发生增强现象。通过对金属结构的调整可以控制表面等离子体激元的性质，这种可调控性使得金属结构在近场光学器件的设计方面具有很大的潜力。锥形镀膜近场光纤探针利用金属膜的表面等离子体共振，将入射光束能量传递给金属膜层自由电子的共振能，使耦合电磁波向锥形探针的尖端汇聚，最终在尖端产生很大的增强近场。因此，镀膜光纤探针导光激光和镀膜AFM探针相复合可在探针尖端获得显著的近场增强效果，进而在纳米刻蚀、操作与互连研究领域发挥着重要的作用。

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2.2 光纤探针导光激光辐照 AFM 探针的近场研究

光纤探针导光激光与 AFM 探针复合集纳米观测、操纵、互连为一体，光纤探针通光孔径为数十纳米，其出射激光辐照 AFM 探针可在探针下方产生较高的近场增强效应，借助此高的近场强度可用实现纳米刻蚀或纳米互连，并不会对互连点附近的纳电子器件造成损伤或表面改性，因此本研究提出了光纤探针导光激光复合 AFM 探针进行纳米互连的新思路，其复合形成的近场物理模型及解析模型示意图如图 2-1 所示。一般光纤探针可分为纳米区、微米区和传导区三个部分，如图 2-2 所示，其中纳米区为光纤探针的工作区，主要起集光作用；微米区为光纤探针的过渡区域，该区域中光纤结构的变化导致传输效率的降低；传导区和普通光纤一样用于传导光信号。如果纳米级光纤的尺度小于入射光的波长时，光场将大部分在包层传播，然而作为金属镀膜光纤的波导情况，也可将其看作二层光波导，芯层为介质，金属膜层作为包层，但是金属膜层的屏蔽效应将大部分的光波能量约束在介质层，理论上讲，金属镀膜光纤探针的模式理论和传输特性的研究将对实际应用具有很大的指导意义。

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第 3 章 热熔钎料互连碳纳米管的仿真分析.........39

3.1 钎料热熔互连仿真的数学模型 ......39

3.2 银纳米粒子钎料熔化过程的仿真研究 .....41

3.3 碳纳米管钎料热熔互连的仿真研究 .........53

3.4 本章小结 .....73

第 4 章 钎料定点沉积及定位操作实验研究.........74

4.1 基于动态组合模式 DPN 的纳米钎料定点沉积 .........74

4.2 基于 AFM 向量扫描模式的纳米钎料定位操作 ........85

4.3 本章小结 .....90

第 5 章 热熔钎料互连碳纳米管的实验研究.........92

5.1 光纤探针导光激光复合 AFM 探针的纳米互连系统 ......92

5.2 激光复合 AFM 探针的温度测试 .........98

5.3 光纤探针导光激光复合 AFM 探针热熔钎料......109

第 5 章 热熔钎料互连碳纳米管的实验研究

5.1 光纤探针导光激光复合 AFM 探针的纳米互连系统

为使激光与 AFM 探针相复合具有成本低、稳定性好、且易于装配及操作的特点，并可简单方便地实现纳米钎料的操作与热熔互连实验，在现有 AFM 系统基础上，研制了功能完善的纳米互连实验平台。图 5-1 为光纤探针导光激光与 AFM 相复合的纳米互连系统结构示意图，由激光光路系统、三维微纳运动系统、AFM 系统等主要部分组成。激光系统主要包括半导体二极管激光器、衰减器、偏振旋转器、光纤分路器、光功率计、光纤适配器、单模光纤探针等。光路系统采用了全光纤化器件，此全光纤低损耗耦合光路避免了光学器件的使用，解除光学平台的限制，实验平台搭建简单易操作，避免了空间光路精确对光聚焦的繁重工作。

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结论

随着纳米科学与技术的发展，新纳米材料及其卓越性能逐渐显示在高性能装备制造中广阔的应用前景，进行“纳－微－介观－宏观”跨尺度连接与封装，是纳米结构实现功能化、器件化和产品化的重要环节和关键技术。目前碳纳米管因其显著的电学、热学、机械、光学等性能而有望成为下一代新型纳电子器件的互连导线，互连是以碳纳米管为材料的结构制造、功能器件制备或其组装中不可缺或的环节，对突破集成电路的制造瓶颈具有十分重要的意义，针对下一代新型纳米器件及结构的制造及应用。本文提出了激光复合AFM探针热熔钎料进行纳米互连的新方法，并进行了相应的基础研究，所取得的主要结果如下：

（1）提出了光纤探针导光激光辐照AFM探针的钎料热熔互连方案，并对其进行了近场光学分析，探讨了各因素对近场增强效果的影响。研究表明，采用较小通光孔径的镀膜光纤探针光纤探针导光激光辐照形状尖锐的镀膜AFM探针，可获得高的近场增强效果；光纤探针导光激光辐照的AFM探针针尖可获得较高的温度，可实现纳米粒子钎料热熔及互连操作。

（2）采用分子动力学模拟方法，对纳米粒子钎料热熔过程进行了仿真研究，并结合理论推导获得了银纳米粒子钎料熔化温度的尺寸效应；建立了热熔钎料互连碳纳米管过程的仿真模型，针对轴向放置的碳纳米管钎料热熔互连形式，探究了轴向放置的碳纳米管钎料热熔互连的作用机理，获得了互连温度、钎料尺度、互连时间等因素对钎料热熔互连过程的影响规律，其中互连温度、互连时间是影响钎料热熔互连过程的主要因素；同时研究了X、Y、T型结点的碳纳米管钎料热熔互连过程，结果表明在适宜的温度及有效互连粒子个数的情况下，较强的表面湿润作用会影响熔融钎料对碳纳米管互连点实现完全包裹，并获得良好的互连构型。

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参考文献（略）