[发明专利]一种基于电迁移的金属材料三维微结构的制备方法

说明书

本发明提供一种基于电迁移的金属材料三维微结构的制备方法，可以针对不同三维造型，设计不同的试样组合，不受材料和几何尺寸的限制，制备形状较为复杂的半导体和金属材料三维微结构，基于电迁移制作微米结构，然后结合剪纸、折叠和焦耳热焊接技术，显著降低了制备成本和实验难度，实现金属微结构制备，操作简单、效率高，适用于银、铜和铝等金属材料。

技术领域

本发明涉及金属微米材料制备领域，特别涉及一种基于电迁移的金属材料三维微结构的制备方法。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)在消费电子、航空航天、生物医学等领域的快速发展，金属材料三维微结构的制备方法已成为当今的热门研究之一，众多国内外科学家已开展相关工作，包括基于残余应力实现材料的卷曲和折叠，将薄膜卷成了管装结构，或利用激光直写技术制作了螺旋光电材料，或基于屈曲现象的进行微结构制备，但是这些技术受材料和几何尺寸的限制，难以制备形状复杂的半导体和金属材料三维微结构。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于电迁移的金属材料三维微结构的制备方法。

一种基于电迁移的金属材料三维微结构的制备方法，包括以下步骤：

1)在一平面上以PI材料作为基底，设计若干个二维试样结构；

2)采用电迁移制备技术在各个二维试样结构表面进行微米结构生长，并通过剪纸技术将各个位于平面上的二维试样结构分离，并通过位移和角度调整，实现各个二维试样结构的空间三维配合；

3)对完成空间三维配合的各个二维试样结构，采用焦耳热焊接和熔断技术对对应的微米结构进行空间互连。

所述二维试样结构为PI/TiN/金属材料/TiN。

所述微米结构为微米线或微米带或微米管。

所述微米结构在生长过程中，与二维试样结构始终保持垂直，角度偏差≤5°。

在电迁移制备过程中，对内部原子浓度分布和电迁移路径进行建模，模拟分析电迁移驱动金属原子积聚的内应力演化过程，并确定电迁移制备过程中所需的参数。

获取电迁移过程中原子浓度变化和内应力之间的关系其中J为原子流、N为原子密度、D₀为前因子系数、k为波尔兹曼常数、T为温度、Q_gb为原子迁移的激活能、σ为薄膜内应力、Ω为原子体积、Z^*为有效化合价、e为电子的电荷值、ρ为电阻率、j^*为电流密度、l为试样长度,电阻率与温度的关系ρ＝ρ₀{1+α(T-T_H)}，α为温度影响系数，并由此建立金属膜两端实时R-t曲线，确定电迁移制备所需参数。

空间互连时，需要构建二维试样结构的原位电热模型，确定焊接所需的电流值和时间。

二维试样结构的原位电热模型的热传导模型为：其中T为温度、T₀为初始环境温度、t为通电时间、К为热导率影响系数、ν为热传导因子、ρ为密度、q为电流密度、x为位移、c为比热容，在忽略焊接初始变形以及金属材料表面热传导的条件下，其稳态温度和瞬时温度为其中K为热导率，l为试样长度，其局部最高温度值为其中I为电流值，l为试样长度，A为横截面积，σ为电-热影响系数，由此确定通电电流大小和时间。

本发明的有益效果：本发明可以针对不同三维造型，设计不同的试样组合，不受材料和几何尺寸的限制，制备形状较为复杂的半导体和金属材料三维微结构，基于电迁移制作微米结构，然后结合剪纸、折叠和焦耳热焊接技术，显著降低了制备成本和实验难度，实现金属微结构制备，操作简单、效率高，适用于银、铜和铝等金属材料。

附图说明

图1为本发明实施例的单个试验示意图