CN1860625A - 利用介电复合材料的直接成像来制造电子互连装置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用介电复合材料的直接成像来制造电子互连装置的改进的方法，其通过在复合材料中包含导电材料，并通过曝露于电磁辐射而让该导电材料变得不导电。该导电材料通常包含单壁碳纳米管。

Description

利用介电复合材料的直接成像来制造电子互连装置的方法
技术领域
本发明涉及一种利用介电复合材料的直接成像来制造电子互连装置的方法，其通过在复合材料中包含导电材料，并通过曝露于电磁辐射而使导电材料变得不导电。
背景技术
从二十世纪七十年代开始，已认定碳纳米管(或纳米纤维)为一种可用于多种应用的重要材料。纳米管已被考虑在小型燃料电池、荧光灯及传感器等产品中应用。
碳纳米管是二维的石墨薄片，其可卷绕并连接成管状结构。在石墨中，其外部电子轨道会形成三叶形，以120度的角度向外展开。单层石墨(graphene)(石墨的单原子层)由键合碳原子的二维蜂窝结构组成。每一叶均与形成蜂窝图案的邻近碳原子的一叶键合，而在碳原子间形成比金刚石还强的键。当矩形薄片的相对边缘连接形成圆柱状(纳米管)时，石墨会变得极具刚性。碳纳米管的直径范围通常为从1至100纳米，长度范围最高约100微米，尽管其它直径和长度也是可能的。
碳纳米管可具有单壁结构(SWNT)或多壁结构(MWNT)。单壁碳纳米管是比多壁碳纳米管更纯的导体，且其直径通常大约为1至4纳米。另一方面，多壁碳纳米管的直径通常大约为2至40纳米。多壁碳纳米管的范围可从金属至绝缘体，由于多壁结构的每个管之间具有差异，故单壁碳纳米管对于许多应用来说是较佳的。
实验及理论已显示出单壁碳纳米管可为金属或半导体，且其电性质可比得上(或甚至超过)已知的最好的金属或半导体。单壁碳纳米管的显著电性质源于该单层石墨的独特电子结构。纳米管可根据管如何卷绕而成为导体或半导体。
碳纳米管可通过在高温下结合碳源与催化纳米结构化的材料(诸如铁或钴)而生长。至今所使用的碳源包括块状石墨、烃类及一氧化碳。在高温下，催化剂具有对碳的高溶解度。碳粒子会连接起来而形成单层石墨，并缠绕着催化剂而形成一圆柱。可将碳连续加入至管的基部而在纳米粒子/管的界面处发生后续的生长。可通过多种方法来产生合适的生长条件，包括大批合成(bulk synthesis)技术，如电弧合成及激光辅助生长。另一种技术为例如使用化学气相沉积法来直接在基底上生长纳米管。
纳米管可通过施加电磁辐射而表现出不导电性。可通过此方式施加辐射而造成管状结构的部分或完全破坏，从而导致体积电导率降低。研究者已确定当将单壁纳米管曝露于常规的摄影闪光时其会点燃，如描述于Ajayan等人的“Nanotubes in a Flash-Ignition andReconstruction”，Science，Vol.296，April 26，2002，其主题全文于此以参考方式并入本文。该光效应会发生在曝露于近距离照相机闪光的单壁碳纳米管上，该单壁碳纳米管通过碳电弧、激光烧蚀或化学气相沉积技术制备。当温度局部增加至足以引发碳的氧化反应时会发生点燃及燃烧，且当由放热反应而释放出更多热量时，点燃及燃烧会蔓延开。因此，在纳米结构中密封的热可导致激烈的结构重组，并且，在氧化环境中，在对于块状材料并非预期的条件下，会导致点燃。由于纳米管对邻近闪光的光吸收而产生热脉冲。
碳纳米管可以是电的良导体。它们现在使用于锂电池中，这是因为其导电能力可使再充电容易。还有建议将碳纳米管用于电化学电容器中。Tennent等人的美国第6,031,711号专利(其主题全文于此以参考方式并入本文)公开了将石墨纳米纤维(包括管状富勒烯、纳米管及小纤维，其已通过化学取代而官能化)在电化学电容器中用作电极。
还有建议将单壁碳纳米管使用在分子逻辑及存储装置中。Avouris等人的美国第6,423,583号专利(其主题全文于此以参考方式并入本文)公开了一种可永久改性单壁碳纳米管或多壁碳纳米管的方法，其通过使用电流引发的电击穿来消除具有特别特征的个别纳米管。该方法可通过改变纳米管组成的比例来修改复合纳米管的性质。Avouris等人的美国第2002/0173083 A1号专利申请公布(其主题全文于此以参考方式并入本文)类似地公开了一种众多杂散纳米管的由电引发击穿的方法。
Bethune等人的美国第6,472,705号专利(其主题全文于此以参考方式并入本文)公开了一种单壁碳纳米管在微电子设备(如场效应晶体管)中的用途，其中绝缘层包括至少一种封闭的笼型分子(如富勒烯)。碳纳米管定义为拉长的富勒烯。
Yang等人的美国第6,420,092号专利(其主题全文于此以参考方式并入本文)公开了一种使用低介电常数的纳米管来制造具有低介电常数的介电材料的方法。其发明人发现将纳米管用于介电层可产生低介电常数，这是因为孔洞遍布于纳米管结构中。还发现纳米管具有好的热稳定性，这是因为纳米管壁的低极性而使其不容易吸收水分。专利6,420,092的发明人确定以纳米管形成的介电层可稳定介电层的品质。
传统用来制造印刷电路板的电子互连技术需要多个加工步骤。此外，电子互连密度实际上由该复合材料的散热能力所限制。本发明的发明人确定将单壁碳纳米管加入到常规的复合基底材料可得到改进的复合材料，其可通过电磁辐射的单步曝光而在复合基底材料上形成电路。
使用本发明的基底材料具有超过传统电子互连的制造方法的优点，这是因为形成电路的方法为电磁辐射的单步曝光，而非在常规制造中使用的多步加工。使用本发明的新材料的另一个优点为可获得的电子互连的密度。材料加工极限对常规电路系统的限制大于辐射源的分辨率对它的限制。相比之下，在由本发明所形成的材料的导电与不导电区域间的距离仅由曝光辐射的分辨率所限制。
发明内容
本发明包括一种方法，包括制造包含绝缘介电材料、纤维增强材料和导电材料的复合基底材料，该方法随后有选择地将该复合基底材料中的导电材料曝露于电磁辐射，以使该导电材料的部分变得不导电。优选该导电材料由单壁碳纳米管组成。
在另一个具体实例中，该碳纳米管可同时作为导电材料和纤维增强材料。
具体实施方式
本发明人已发现，将纳米管加入至包含绝缘介电材料和纤维增强材料的常规复合基底材料中时所产生的基底能用于以单步辐射曝光(而非在常规制造中所使用的多步加工)形成印刷电路板中的电路。
本发明的复合基底材料通常包含绝缘介电材料、纤维增强材料和导电材料。在本发明的组合物中可非强制选择地存在有其它材料(包括填充剂)。
绝缘介电材料通常选自于由环氧树脂、聚酰胺、聚酰亚胺、四氟乙烯(特氟隆(Teflon))和液晶材料组成的组。其它材料对于本领域技术人员来说也是熟知的。
纤维增强材料通常选自于由玻璃纤维、碳纤维、纸和芳族聚酰胺纤维(即，凯夫拉尔(Kevlar))组成的组。其它材料对于本领域技术人员来说也是熟知的。纤维增强材料通常以约25～75体积％、优选约40～50体积％的浓度存在于组合物中。
组合物中的导电材料通常包含碳(石墨)纳米管。碳纳米管通常以约40～95体积％、优选约70～80体积％的浓度存在于组合物中。
在另一个具体实例中，碳纳米管由于其物理强度还可用作纤维增强材料。此时，碳纳米管优选以约80～99体积％的浓度存在于组合物中。
还可在本发明的组合物中使用多种其它组分来获得想要的结果。在本发明的组合物中可包含流动活性剂(如表面活性剂和硅烷)。还可加入填充剂，如硫酸钡。
复合基底材料可非强制选择地以负型图案(想要的电子互连电路)曝露于电磁辐射。可使用激光或聚焦电子束作为电磁辐射源，或可通过光学工具(phototool)或光掩模曝光复合基底材料，从而完成复合基底的有选择曝光。
在曝露于电磁辐射(即，光)后，受影响的碳纳米管的物理性质会改变并变得不导电，因此会形成导电和绝缘基底交替的区域。然后，可使用该基底作为电路通路，或作为包含电子互连基底的一层。电磁辐射以这样得方式施加，造成管状纳米管结构的部分或完全破坏，从而导致体积电导率降低。
复合基底材料可包含一系列电路层中的一个，其随后可使用传统的内层连通性方法(包括层合，形成通道及形成镀通孔)来连接。其它方法对于本领域技术人员也是熟知的。

Claims (25)

1.一种复合基底材料，包含绝缘介电材料、纤维增强材料和导电材料，其中所述导电材料包含碳纳米管。
2.根据权利要求1的复合基底材料，其中该绝缘介电材料选自于由环氧树脂、聚酰亚胺、四氟乙烯和液晶材料组成的组。
3.根据权利要求1的复合基底材料，其中该纤维增强材料选自于由玻璃纤维、碳纤维、纸和芳族聚酰胺纤维组成的组。
4.根据权利要求1的复合基底材料，其中所述碳纳米管的直径小于100纳米。
5.根据权利要求4的复合基底材料，其中所述碳纳米管的直径小于10纳米。
6.根据权利要求1的复合基底材料，其中所述碳纳米管由单壁碳纳米管组成。
7.根据权利要求1的复合基底材料，其中所述碳纳米管以约25～75体积％的量存在于所述复合基底材料中。
8.根据权利要求7的复合基底材料，其中所述碳纳米管以约40～50体积％的量存在于所述复合基底材料中。
9.根据权利要求1的复合基底材料，其中所述复合基底材料中的至少一些所述碳纳米管有选择地变得不导电。
10.根据权利要求9的复合基底材料，其中通过使用激光或光掩模使至少一些所述碳纳米管有选择地变得不导电。
11.根据权利要求1的复合基底材料，其中该纤维增强材料和该导电材料均包含碳纳米管。
12.根据权利要求11的复合基底材料，其中所述碳纳米管以约80～99体积％的量存在于所述复合基底材料中。
13.根据权利要求9的复合基底材料，其中在该复合基底材料的导电与不导电区域间的距离仅由电磁辐射源的分辨率所限制。
14.一种制造电子互连装置的方法，包括下列步骤：
a)将绝缘介电材料、纤维增强材料和导电材料混合在一起以形成复合基底材料，其中所述导电材料包含碳纳米管；
b)将所述复合基底材料中的所述导电材料有选择地曝露于电磁辐射，以使该碳纳米管的部分变得不导电。
15.根据权利要求14的方法，其中所述绝缘介电材料选自于由环氧树脂、聚酰亚胺、四氟乙烯和液晶材料组成的组。
16.根据权利要求14的方法，其中所述纤维增强材料选自于由玻璃纤维、碳纤维、纸和芳族聚酰胺纤维组成的组。
17.根据权利要求14的方法，其中所述碳纳米管的直径小于100纳米。
18.根据权利要求17的方法，其中所述碳纳米管的直径小于10纳米。
19.根据权利要求14的方法，其中所述碳纳米管由单壁碳纳米管组成。
20.根据权利要求14的方法，其中所述碳纳米管以约25～75体积％的量存在于所述复合基底材料中。
21.根据权利要求20的方法，其中所述碳纳米管以约40～50体积％的量存在于所述复合基底材料中。
22.根据权利要求14的方法，其中通过使用激光或光掩模使所述碳纳米管有选择地变得不导电。
23.根据权利要求14的方法，其中该纤维增强材料和该导电材料均包含碳纳米管。
24.根据权利要求23的方法，其中所述碳纳米管以约80～99体积％的量存在于所述复合基底材料中。
25.根据权利要求22的方法，其中在该复合基底材料的导电与不导电区域间的距离仅由电磁辐射源的分辨率所限制。
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