一种3D打印全碳三维多层集成电路的方法技术

本发明专利技术属于微电子、芯片、集成电路等应用研究领域，具体涉及一种3D打印全碳三维多层集成电路的方法。所述方法基于3D打印技术，以喷雾打印方式，多层次、跨尺度、实现三维多层集成电路的直接打印以及原位电极互联，具体步骤包括：将预先设计好的矢量集成电路分解成打印精度范围内的多层图层，从第一图层开始，通过交替使用半导体性碳基纳米材料、金属性碳基纳米材料、绝缘性碳基纳米材料与溶剂聚合物混合为原料，根据上述图层中集成电路所需材料自动选择相应电学特性的原料，使用对应的高精度喷嘴，结合高精度定位平台，原位打印固化所需的集成电路；直至每一个图层均被精准定位、打印并固化，最终形成目标三维多层集成电路。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印全碳三维多层集成电路的方法
本专利技术属于微电子、芯片、集成电路等应用研究领域，具体涉及一种3D打印全碳三维多层集成电路的方法。
技术介绍
自1960年金属氧化物半导体场效应晶体管被首次演示以来，以互补性金属氧化物半导体(CMOS)电路为核心，硅基半导体“自上而下”的刻蚀、加工等工艺构成了现代计算机技术这座“摩天大厦”的重要基础。目前主流的硅半导体技术不管是逻辑芯片还是存储芯片，均采用了3D集成的方式，即采用多层电路，通过层间互联的方式，实现大幅度提高芯片上场效应晶体管的集成密度。随着现代微电子技术的快速发展，市场对新概念器件、新概念制造方法等变革性技术的需求日益突出。尤其是在纳米加工技术接近精度极限，摩尔定律越来越难以为继的大背景下，后摩尔时代半导体行业的发展趋势将着重于原子制造、增材制造、多功能纳米复合等方向的探索。众所周知，传统半导体加工工艺采用“自上而下”、“减材制造”的核心工艺路线，其中采用硅晶圆等衬底、光刻胶、有掩膜版、有电极蒸镀和溶液中剥离等多重必要步骤。以上的繁琐加工步骤对加工环境的洁净度有严苛的要求，同时还需要相应的设备之间进行复杂的配套加工等。目前，国内有关增材制造半导体集成电路的专利非常少。以美国为主要专利技术国的专利有涉及一些半导体电路的3D打印技术。例如，美国Optomec公司开发的气雾喷射打印技术(美国专利US20140342082A1)能够有效地制作3D打印的电子产品。采用该公司的AJ300系列AerosolJet3D打印机，美国Duke大学和英国Manchester大学的研究团队成功于2019年打印出了具有200微米宽导电通道的基于银纳米线、氮化硼纳米片、碳纳米管等材料的复合薄膜晶体管，相应成果发表在ACSNano学术杂志(DOI:10.1021/acsnano.9b04337)上。迄今为止，基于全碳材料的集成器件，尤其是全碳三维集成电路的3D打印技术尚未见报道。针对上述背景，本专利技术提出一种全碳材料三维多层集成电路的3D打印制造方法，采取“自下而上”、“增材制造”为核心的工艺路线，无需光刻胶、无需掩膜版、免去电极蒸镀和剥离等步骤的直写3D打印工艺。本专利技术造价低廉，装置简单，可多层打印集成半导体电路，可达到垂直3D集成大规模电路的目的。本专利技术技术可进一步拓展至任意衬底(柔性衬底、功能材料衬底、等)，在较低环境要求下大面积制备大规模集成电路。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种3D打印(微纳尺度增材制造)全碳三维多层集成电路的方法，并通过成功制备多种沟道半导体材料体系，证明该方法的普适性。基于该方法可实现稳定可控的大面积、多层、任意衬底上的三维多层集成电路的打印。所述集成电路架构尺寸可以为从微纳尺度到宏观毫米尺度等之间的任意尺度。架构与传统硅基三维多层集成电路完全一致，但不拘泥于硬质衬底，可在包括柔性衬底、透明衬底、等任意基底上进行打印。打印的全碳集成电路直接具有逻辑运算能力，可实现半导体器件以及各种光电元器件的集成，所述各功能部件均使用3D打印方法，通过换“打印原料”或“针头”等方法实现各种碳基介质的打印和互联。为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：一种3D打印全碳三维多层集成电路的方法，基于3D打印(增材制造)技术，以喷雾打印方式，多层次、跨尺度、实现三维多层集成电路的直接打印以及原位电极互联，具体步骤如下：步骤1，矢量图形输出：将预先设计好的矢量集成电路分解成打印精度范围内的多层图层，从第一图层开始，通过交替使用半导体性碳基纳米材料、金属性碳基纳米材料、绝缘性碳基纳米材料与溶剂聚合物混合为原料，根据上述图层中集成电路所需材料自动选择相应电学特性的原料，使用对应的高精度喷嘴，结合高精度定位平台，原位打印固化所需的集成电路；步骤2，重复步骤1直至每一个图层均被精准定位、打印并固化，最终形成目标三维多层集成电路。进一步，所述喷雾打印可替换为光固化液相打印，或混合使用喷墨打印和光固化液相打印。进一步，所述步骤1中半导体碳基纳米材料为p型单壁碳纳米管材料或n型单壁碳纳米管材料中的一种。所述单壁碳纳米管可以电弧放电法或化学气相沉积法制备而成。其中电弧放电法为在石墨中混合金属粉末，通过电弧放电时长在1～30min之间,电源输出功率在750～3000W之间,从而制备出单壁碳纳米管；化学气相沉积法是在140cm的石英管中通入甲烷(CH4)，800℃下甲烷在铁单质(Fe)作用下裂解并形核生长碳纳米管。单壁碳纳米管基于其手性不同，表现出金属性或半导体性，因此想要获得高纯度半导体性碳纳米管通常需要进行分离工艺。分离过程一般是先将5mg碳纳米管分散3000mL含1％十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠等表面活性剂的水溶液中，再经过超声、离心等过程，如密度梯度超速离心、凝胶色谱分离或非共价聚合物修饰分离等方法实现不同直径、导电属性甚至手性指数的碳纳米管的分离。通过对碳纳米管进行硼或氮掺杂可以分别导致p型或n型行为，n型碳纳米管也可以通过化学气相沉积法在300-980℃的高温下在氩气下热解三聚氰胺来制备。进一步，所述步骤1中金属性碳基纳米材料为石墨烯纳米粉或金属性碳纳米管。基于前一步中碳纳米管的制备和分离方法，获得金属性占优的碳纳米管。进一步，所述步骤1中绝缘性碳基纳米材料为氧化石墨烯或绝缘性碳纳米管。进一步，所述步骤1中溶剂聚合物可以是热固型液态树脂或活性物质光敏胶。再进一步，所述步骤1中固化分为针对热固型液态树脂的加热固化，针对活性物质光敏胶的紫外光照固化；所述针对热固型液态树脂的加热固化的温度为20～300℃。更进一步，所述步骤2中目标三维多层集成电路的层与层之间顺序和互联方式不受限制。例如可包含任意多层的MOSFET、任意多层的功能或散热单元等等。这一特点区别于硅基半导体芯片的3D集成，目前硅基半导体芯片集成只有底层一层为MOSFET。与现有技术相比本专利技术具有以下优点：1)通过“自下而上”的“增材制造”方法，打印全碳大规模集成电路，可免除传统加工过程对复杂严苛制造环境的依赖，打印设备造价低廉，且适用材料范围广扩。2)原料全部来自碳基纳米材料(石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等)，对除硅基体之外的多种衬底均适用，材料绿色环保、兼容柔性芯片等应用场景。附图说明图1为本专利技术的工艺路线图；图2为本专利技术的设备示意图；其中，1,2为半导体碳基纳米材料、金属性碳基纳米材料、绝缘性碳基纳米材料，3为混合了1、2的进料“墨水”，4为高精度喷嘴，5为高精度定位平台，6为多层三维互联集成电路，7为电路中一个基本MOSFET逻辑单元示意图，M，I，S字母分别代表金属Metal，绝缘体Insulator，和半导体Semiconductor。具体实施方式实施例1一种3D打印全碳三维多层集成电路的方法，基于3D打印技术，以喷雾打印方式，多层次、跨尺度、实现三维多层集成电路的直接打印以及原位电极互联，具体步骤如下：步骤1，矢量图形输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印全碳三维多层集成电路的方法，其特征在于，基于3D打印技术，以喷雾打印方式，多层次、跨尺度、实现三维多层集成电路的直接打印以及原位电极互联，具体步骤如下：/n步骤1，矢量图形输出：将预先设计好的矢量集成电路分解成打印精度范围内的多层图层，从第一图层开始，通过交替使用半导体碳基纳米材料、金属性碳基纳米材料、绝缘性碳基纳米材料与溶剂聚合物混合为原料配置“墨水”，根据上述图层中集成电路所需材料自动选择相应电学特性的原料，使用对应的挤出式针头或高精度喷嘴，结合高精度定位平台，原位打印固化所需的集成电路；/n步骤2，重复步骤1直至每一个图层均被精准定位、打印并固化，最终形成目标三维多层集成电路。/n

【技术特征摘要】
1.一种3D打印全碳三维多层集成电路的方法，其特征在于，基于3D打印技术，以喷雾打印方式，多层次、跨尺度、实现三维多层集成电路的直接打印以及原位电极互联，具体步骤如下：
步骤1，矢量图形输出：将预先设计好的矢量集成电路分解成打印精度范围内的多层图层，从第一图层开始，通过交替使用半导体碳基纳米材料、金属性碳基纳米材料、绝缘性碳基纳米材料与溶剂聚合物混合为原料配置“墨水”，根据上述图层中集成电路所需材料自动选择相应电学特性的原料，使用对应的挤出式针头或高精度喷嘴，结合高精度定位平台，原位打印固化所需的集成电路；
步骤2，重复步骤1直至每一个图层均被精准定位、打印并固化，最终形成目标三维多层集成电路。


2.根据权利要求1所述的一种3D打印全碳三维多层集成电路的方法，其特征在于，所述喷雾打印可替换为光固化液相打印，或混合使用喷墨打印和光固化液相打印。


3.根据权利要求1所述的一种3D打印全碳集成电路的方法，其特征在于，所述步骤1中半导体碳基纳米材料为p型单壁碳纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩拯，董宝娟，陈茂林，李小茜，张桐耀，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西;14