基于电迁移现象的铝纳米线阵列制备方法及机理研究

Metallic micro and nano materials are very attractive due to their applications in micro electromechanical systems (MEMS). Fabrication of metallic nanomaterials is one of the most advanced research in material industry. Aluminum has been the main component in the integrated circuits and MEMS due to its conductivity, low cost and advantages in lithographic process. The traditional approach cannot meet the requirements for industrial production of Al nanowires since the approach has its limitations arising from the wavelength, precision and manipulation. Electromigration, which is a physical phenomenon, can be used to effectively fabricate Al nanowires. However, it is still difficult to obtain naowire array with high yield due to absence of mechanism of Al nanowire array fabrication. In this research, the mechanism of atomic migration and accumulation in the nanowire growth process will be investigated. The accumulation of Al atoms in the predetermined area will be quantitatively analyzed, and a balance model for accumulation and discharge of Al atoms will be proposed. An understanding of the mechanism for nanowire array fabrication is needed to enable repeatability. Furthermore, new sample structure and experimental procedures will be designed, and the mechanism will be utilized to fabricating Al nanowire array to improve the total experimental procedure and this approach. This work is a basic theoretical and experimental research for industrial production of Al nanowire array.

金属纳米材料制备是新材料领域的前沿课题。在集成电路和微机电系统中，铝纳米线由于具有导电性好、成本低、制作工艺相对成熟等特点，已成为最常用的组成材料之一。制备铝纳米线的传统方法已逐渐无法满足工业化生产要求，基于电迁移现象制备铝纳米线具有高效率、成本低和操作简单等优点，极具工业化批量生产潜力。但是目前这一方法制备成功率低且无法实现大批量制备，根本原因在于试样设计缺陷和铝纳米线阵列制备理论的欠缺。本课题针对这一问题，研究铝纳米线制备过程中铝原子的迁移和积聚规律，定量分析铝原子在生长区域内的积聚机理，提出铝原子积聚排出的动平衡模型，结合各影响因素分析铝原子的控制方法以提高制备成功率，设计新型试验工艺和试样结构，以成功实现铝纳米线阵列的高效制备，并通过试验验证该制备方法的可靠性，为实现工业化生产奠定理论和试验基础。

在小型设备尤其是集成电路和微机电系统(MEMS)中，金属微纳米材料是不可或缺的组成材料，其中铝纳米线、铜纳米线和银纳米线是最重要的三种组成材料。铝纳米线具有导电性好、成本低、抗腐蚀能力强、制作工艺相对成熟等特点，面临巨大的工业需求。本项目基于电迁移现象实现了铝纳米线阵列的制备，分析了制备过程中铝原子的控制方法，并在此方法基础上实现了银纳米粒子和纳米线的制备，主要研究内容包括以下几个方面：(1)铝纳米线阵列制备机理和方法研究，其中包含铝纳米线制备过程中铝原子的迁移和积聚规律，分析了铝原子迁移的路径和积聚的区域，研究在生长区域内电流密度对于铝原子迁移强度的影响，建立铝纳米线阵列的制备理论；研究了影响铝原子流强度和积聚应力的因素，包括原子迁移激活能、原子流密度、加热温度、焦耳热效应等；进行了有限元分析，提出了铝纳米线阵列生长过程的力平衡模型，总结铝纳米线阵列制备机理和方法，并分析制备过程中的失效机理。(2)完成了新试样结构的设计和改进，提出了“串联加并联”的阵列式结构，并基于此机构设计了一整套MEMS制作加工方法，试制成功快速冷热循环测试仪和电迁移检测仪，试验结果验证了理论分析中提出的影响机理，在此基础上通过高温改变原子迁移强度，制备了铝纳米颗粒阵列，并与铝纳米线阵列制备机理进行了对比分析。(3)基于原子迁移现象，在制备铝纳米线的理论基础上，实现了银纳米材料包括银纳米粒子和银纳米线的批量制备。另外，本项目针对温度的影响研发制作了快速冷热循环试验台并获得专利授权，铝纳米线阵列制备方法也已经申报了发明专利。目前制备过程中存在的主要问题是铝纳米线阵列制备成功率不高，今后在改进工艺和试验条件后，预期会提高制备成功率。由于电迁移制备方法具有速度快、成本低、效率高等优点，铝纳米线及其他金属微纳米材料的成功制备表明该方法在MEMS和纳米科技领域具有较好的工业应用前景。