TW202108358A - 具備橫向中介層之多層奈米線陣列 - Google Patents

Abstract

一種用於製造多層金屬奈米線陣列之方法，該方法包括設置金屬晶種層，在該晶種層上堆疊複數個多孔模板，以在各相鄰對的模板之間形成間隙，透過電鍍在該孔中沉積金屬，以令該金屬在該模板中產生奈米線並在該模板之間的該間隙中產生橫向中介層；以及溶解該模板，以產生包括該橫向中介層之該多層奈米線陣列。該中介層之間的該層可具有相同或不同的厚度，該各層中的孔之直徑與密度可以是相同或不同，且沉積在該層之孔中的金屬可以是相同或不同。

Description

具備橫向中介層之多層奈米線陣列

本揭露一般相關於多層金屬奈米線陣列與製造該奈米線陣列之方法，且更明確相關於包括在該陣列層之間設置有橫向中介層的多層金屬奈米線陣列。

金屬奈米線陣列是一叢集之垂直配向金屬奈米線，其包括銅、銀與金等一般具有大於10⁷ cm^-2 之密度的金屬。已知金屬奈米線陣列為用作將熱從來源高效且可靠地轉移到熱槽以進行微電子熱管理的機制。對本應用而言，金屬奈米線陣列設置一種柔軟且導熱結構，其能夠適應(conform)並填充例如在矽晶粒與銅熱槽之間的間隙。更明確地，金屬奈米線陣列為柔軟且可變形，這會使其可以適應粗糙表面並提供熱轉移性能。此外，金屬奈米線陣列為柔軟且順應(compliant)，並且可在材料介面處減輕熱機械應力，舉例而言，可減輕由於熱膨脹係數之失配在介面處所誘發之應力。換言之，密集陣列之垂直配向金屬奈米線提供以下功效之獨特組合：既具有成分金屬的熱導(thermal conductance)，又具高縱橫比之幾何結構的機械順應性，從而提高界面熱轉移和裝置可靠性。

此用用於熱的熱轉移目的之金屬奈米線陣列典型上透過以下步驟製造：提供多孔膜片，其用作犧牲模板(例如陶瓷模板)，使用電沉積處理用金屬填充該模板中的孔，並接著蝕刻掉該模板。接著，由模板幾何形狀決定該奈米線之長度、直徑與密度，其中模板之可用組態即決定奈米線陣列之可能組態。因此，奈米線陣列之厚度受限於模板之可用厚度，其中該模板之厚度是受形成其之處理的限制。

就當前技術而言，典型金屬奈米線陣列具有約100 µm之最大厚度。然而，特定電子裝置可具有需要被填充且在例如100 µm與2 mm之間尺寸的間隙。可行方法之一為將金屬奈米線陣列堆疊在彼此頂部上以容納此間隙，但這會造成陣列之間的介接，其會造成熱轉移性能之損失。因此，對大於100 µm之間隙通常會採用其他的熱槽材料，諸如聚合物填充物，惟其與金屬奈米線陣列相比之下具有較低的熱轉移性能。

此外，習知具有垂直配向奈米線之單層金屬奈米線陣列能夠有效地沿著奈米線長度移動熱，但由於近乎完全單向性(亦即，垂直配向)之緣故會具有差橫向導熱性。然而，就若干應用而言，可能期望將從裝置移除之熱橫向散佈或沿著該陣列導電。舉例而言，金屬奈米線陣列之導電性能與陣列的導熱能力平行(parallel)，其中橫向導電對若干應用(諸如，接地平面)而言可能是期望的。

及

以下專注於堆疊多層金屬奈米線陣列，其包括設置在奈米線陣列層之間的橫向中介層，且專注於用於製造該多層金屬奈米線之方法的對本揭露實施例之說明本質上僅為例示性的，且並不旨在侷限本揭露或其應用或用途。舉例而言，金屬奈米線陣列被描述成具有作為熱轉移裝置之應用。然而，熟習該技藝者應能瞭解該奈米線陣列可具有其他應用。

圖1A-1C示出用於製造金屬奈米線陣列12的已知「基板上」處理之一系列序列步驟的輪廓視圖圖式10，該陣列12包括在剛性基板16上的垂直配向與圓柱金屬奈米線14，其中基板16可以是從中被吸走熱或可吸收熱的熱槽之組件。圖1A示出薄金屬晶種層20(例如，50 nm厚之金層)，其對基板16上沉積之奈米線14提供電生長表面。諸如透過將模板22定位在固定件(未示出)之內以令模板22由其側邊被固定住，將具垂直配向圓柱孔24之模板22(諸如多孔聚合物或陶瓷膜片)設置在晶種層20上，其中模板22可舉例而言是一平方英寸或四英寸直徑的圓且厚度為100 µm。雖然在本實施例中孔24為圓柱，習知技術有提供具有其他形狀之孔的模板，其產生具有該形狀之奈米線。模板22可由任何適當處理製成，以諸如透過該技藝中習知的硬陽極化處理來設置孔24。

圖1B示出已經沉積或生長於晶種層20上且諸如透過適當電化學沉積或電鍍處理已填充孔24之奈米線14，其中晶種層20被用作電鍍處理之導電介面，以令奈米線14之頂部與孔24之頂端齊平。這可以透過提供均勻的生長來實現，實現方法包括：當奈米線14正好到達孔24的頂端時終止奈米線14的沉積，或者在沉積奈米線14之後透過對晶種層22的頂表面進行拋光。陣列12接著接受化學蝕刻，其溶解並移除模板22，如圖1C所示以解放奈米線14並建立奈米線陣列12。

圖2A-2C示出用於製造金屬奈米線陣列32的已知無支撐生長處理之一系列序列步驟的輪廓視圖之圖式30，其中與圖1A-1C中所示圖式10之相似元件具有相同的參考編號。在本實施例中，金屬晶種層20直接沉積於模板22上。晶種層20在透過金屬背襯支撐層34被附接到模板22之前會被增厚，其中背襯層34可接著被附接到熱正被吸走之組件。

如將於下文中詳述，本揭露描述用於製造多層金屬奈米線陣列之方法，其包括在透過堆疊模板所形成的獨立陣列層之間設置橫向中介層。圖3A-3C示出用於製造多層金屬奈米線陣列42的「基板上」處理之一系列序列步驟的輪廓視圖之圖式40，該多層金屬奈米線陣列包括在基板16上各包含金屬奈米線14的奈米線陣列層44之堆疊，其中與圖1A-1C中所示圖式10之相似元件透過相同的參考編號而識別。圖3A示出三個堆疊在彼此頂部上之模板22，其中其被置於固定件50中以形成該堆疊，以令模板22之自然表面粗糙度會再堆疊模板22之間建立小的橫向間隙46，其中固定件50只有被示出於圖3A中。應註明，頂部兩個模板22之間的空間指示在該堆疊中可設有許多其他的模板22，諸如十個模板22。此外應註明雖然逐模板22之孔24被示出為彼此對準的，此僅供說明性目的，其中孔24之密度極高，諸如25-50%，且因此該等孔將是隨機分散。

圖3B示出當執行電鍍處理以在孔24中形成奈米線14時，電鍍處理亦將間隙46填充金屬以形成金屬橫向中介層48，該金屬橫向中介層經熱與電耦合到奈米線14。橫向中介層48允許一陣列層44之奈米線14熱與電耦合到下個陣列層44之奈米線14，其中陣列42是單金屬單元。此外，中介層48允許橫跨奈米線陣列42於橫向方向中導熱與導電。應註明，雖然中介層48之厚度是由形成在模板22之間的自然間隙46界定，但在其他實施例中，可透過在固定件50中的模板22之間設置機械間隔件52，將中介層48之厚度增加到任何適當的厚度。間隔件52可具任何適當組態以及厚度，其允許中介層48圍繞著其而形成。

圖4A-4C示出用於製造多層金屬奈米線陣列62的無支撐生長處理之一系列序列步驟的輪廓視圖之圖式60，其中與圖3A-3C中所示圖式40之相似元件具有相同的參考編號。在本實施例中，需要晶種層22，但背襯支撐層34不被需要，因為中介層48將奈米線層44固持在一起。明確而言，透過設置中介層48，奈米線陣列62變成更加穩固且在製造電子裝置期間較易於處理。此外，由於奈米線陣列62是透過中介層48而被固持在一起，因此頂與底層44處之奈米線14的尖端會與各種組件之粗糙表面接觸，而無須背襯支撐層。

圖5是電子總成70之側視圖，該電子總成包括設置在電組件66與熱槽68之間的多層金屬奈米線陣列72，其中熱透過陣列72從組件66轉移到熱槽68。奈米線陣列72包括三個陣列層74，其具有透過橫向中介層78固持在一起的奈米線76。在陣列72一端處的奈米線76之尖端80適應熱槽68之粗糙表面82，且在陣列72相對端處的奈米線76之尖端84適應組件66之粗糙表面86，以描繪為了提高熱轉移能力，奈米線76是如何適應粗糙表面。

以上討論示出奈米線陣列層44是同質，因為其都具有相同組態之奈米線14。然而，在其他實施例中，多層奈米線陣列42與62中的奈米線層44可具有不同直徑的奈米線、不同長度的奈米線、不同密度的奈米線、不同厚度的區段、與不同厚度的中介層等。對於奈米線陣列的某些電、熱、化學、光學及/或其他功能用途而言，這可能是理想的。

為描繪此，圖6是包括由橫向中介層98分離的三個奈米線陣列層92、94與96的多層金屬奈米線陣列90之輪廓視圖，其中層92具有一種厚度且包括一種密度與直徑之奈米線100、層94具有另一種厚度且包括另一種密度與直徑之奈米線102、以及層96具有第三種厚度且包括第三種密度與直徑之奈米線104。透過對不同層選擇不同模板，在最終多層奈米線陣列中可堆疊出不同組合之獨立層陣列。

此外，可以在製造處理中改變用於電鍍奈米線的化學物質，以使得多層金屬奈米線陣列的一層中的納米線可具有與其他層不同的導電性或導熱性。為描繪此，圖7是包括由橫向中介層118分離的三個奈米線陣列層112、114與116的多層金屬奈米線陣列110之輪廓視圖，其中層112包括具有一種金屬組成物之奈米線120、層114包括具有另一種金屬組成物之奈米線122、以及層116包括具有第三種金屬組成物之奈米線124。此外，奈米線124具有漸變組成物，其中在層116內之材料有所變化。此種組態可具有針對多層奈米線陣列之應用，其中頂與底層包括焊料且中間層包括熱槽。

前述討論僅揭露並描述本揭露之例示性實施例。熟習該技藝者應能從此種討論且從所附圖式與申請專利範圍中體認到可在不背離本揭露之精神與範疇前提下對其做出各種變化、修改與變體，而本揭露之精神與範疇由以下申請專利範圍所界定。

10:圖式 12:金屬奈米線陣列 14:圓柱金屬奈米線 16:基板 20:金屬晶種層 22:模板 24:孔 30:圖式 32:金屬奈米線陣列 34:金屬背襯支撐層 40:圖式 42:金屬奈米線陣列 44:奈米線陣列層 46:橫向間隙 48:金屬橫向中介層 50:固定件 52:機械間隔件 60:圖式 62:金屬奈米線陣列 66:組件 68:熱槽 70:電子總成 72:金屬奈米線陣列 74:陣列層 76:奈米線 78:橫向中介層 80:尖端 82:表面 84:尖端 86:表面 90:多層金屬奈米線陣列 92:奈米線陣列層 94:奈米線陣列層 96:奈米線陣列層 98:橫向中介層 100:奈米線 102:奈米線 104:奈米線 110:多層金屬奈米線陣列 112:奈米線陣列層 114:奈米線陣列層 116:奈米線陣列層 118:橫向中介層 120:奈米線 122:奈米線 124:奈米線

[圖1A-1C]示出用於製造「基板上」金屬奈米線陣列的已知處理之一系列序列步驟的輪廓視圖。

[圖2A-2C]示出用於製造包括背襯層之「無支撐」金屬奈米線陣列的已知處理之一系列序列步驟的輪廓視圖。

[圖3A-3C]示出用於製造包括中介層之「基板上」金屬多層奈米線陣列的處理之一系列序列步驟的輪廓視圖。

[圖4A-4C]示出用於製造包括中介層之無支撐多層金屬奈米線陣列的處理之一系列序列步驟的輪廓視圖。

[圖5]是包括具有中介層之多層金屬奈米線陣列的電子總成之側視圖，其中陣列之一端定位抵著熱源且該陣列之相對端定位抵著熱槽。

[圖6]是多層金屬奈米線陣列之輪廓視圖，其中各層具有不同的奈米線直徑、奈米線密度及/或層厚度。

[圖7]是多層金屬奈米線陣列之輪廓視圖，其中各層具有不同的奈米線組成物。

14:圓柱金屬奈米線

16:基板

20:金屬晶種層

40:圖式

42:金屬奈米線陣列

44:奈米線陣列層

48:金屬橫向中介層

Claims (20)

1. 一種用於製造多層金屬奈米線陣列之方法，該方法包含： 堆疊複數個多孔模板，以在各相鄰對的模板之間形成間隙； 在該模板之該孔中沉積金屬，以令該金屬在該模板中產生奈米線並在該模板之間的該間隙中產生橫向中介層；以及 溶解該模板，以產生包括該橫向中介層之該多層奈米線陣列。
2. 如請求項1所述之方法，其中堆疊該模板包括將該模板堆疊以彼此接觸，以由該模板之該表面粗糙度形成該間隙。
3. 如請求項1所述之方法，其中堆疊該模板包括將間隔件置於該模板間，以令該間隙具有預定厚度。
4. 如請求項1所述之方法，進一步包含設置金屬晶種層，並在其上堆疊該模板，其中沉積金屬包括透過使用該晶種層之電鍍處理沉積該金屬。
5. 如請求項1所述之方法，其中沉積該金屬包括在該不同模板中沉積不同金屬。
6. 如請求項1所述之方法，其中堆疊複數個多孔模板包括將皆具有相同孔直徑、長度與密度之該複數個模板堆疊。
7. 如請求項1所述之方法，其中堆疊複數個多孔模板包括將具有不同孔直徑、長度及/或密度之該模板堆疊。
8. 如請求項1所述之方法，其中堆疊複數個多孔模板包括將皆具有相同厚度之該複數個模板堆疊。
9. 如請求項8所述之方法，其中該厚度為100 µm。
10. 如請求項1所述之方法，其中堆疊複數個多孔模板包括將具有不同厚度之該模板堆疊。
11. 如請求項1所述之方法，其中堆疊該複數個模板包括將該模板堆疊在基板上。
12. 如請求項11所述之方法，其中該基板為熱源或熱槽。
13. 如請求項1所述之方法，其中堆疊複數個多孔模板包括將十層多孔模板堆疊。
14. 一種用於製造多層金屬奈米線陣列之方法，該方法包含： 堆疊複數個多孔模板，以在各相鄰對的模板之間形成間隙，其中堆疊該模板包括將該模板堆疊以彼此接觸，以由該模板之該表面粗糙度形成該間隙，以及其中堆疊複數個多孔模板包括將皆具有相同厚度之該複數個模板堆疊； 在該模板之該孔中沉積金屬，以令該金屬在該模板中產生奈米線並在該模板之間的該間隙中產生橫向中介層；以及 溶解該模板，以產生包括該橫向中介層之該多層奈米線陣列。
15. 一種多層金屬奈米線陣列，其包含複數個奈米線陣列層，該複數個奈米線陣列層各包括複數個垂直配向金屬奈米線與設置在相鄰層之間並與該層中的該奈米線熱耦合的橫向金屬中介層。
16. 如請求項15所述之奈米線陣列，其中在該至少兩層中的該奈米線由不同金屬製成。
17. 如請求項15所述之奈米線陣列，其中在該至少兩層中的該奈米線具有不同直徑、長度及/或密度。
18. 如請求項15所述之奈米線陣列，其中該所有層皆具有相同厚度。
19. 如請求項18所述之奈米線陣列，其中該厚度為100 µm。
20. 如請求項15所述之奈米線陣列，其中該層具有不同厚度。

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