一種電子器件用矽基複合片的製備方法

2023-05-24 09:08:51 3

專利名稱：一種電子器件用矽基複合片的製備方法
技術領域：
本發明屬於電子器件用基體材料製備技術領域，特別是提供了一種製備電子器件 用矽基金剛石膜複合基片的方法。
背景技術：
CVD金剛石膜具有優異的性能，在機械、熱學、光學、聲學、電子學及半導體等領 域具有廣闊的應用前景，其中最引人注目的是在半導體方面的應用。金剛石具有帶隙寬 (5. kV)、載流子遷移率高、介電常數低(5. 7)、抗輻射性強、擊穿場強高(3.5X106V/cm)和 電子飽和速度高O.5X107cm/s)等特徵，這使得用金剛石有可能製成高頻大功率半導體器 件，在高溫強輻射等惡劣條件下工作。同時利用它的高導熱性質可用作大功率半導體雷射 器的熱沉，微波器件和集成電路的散熱和隔離板。為了同時兼備半導體性能和高的散熱特 性，已經證明要求金剛石膜具有一定的厚度，一般要求大於25微米，微波CVD法儘管沉積金 剛石膜質量高，但沉積速率較慢，效率較低，實現大面積也較為困難。熱絲CVD法和熱陰極 法可實現較大面積但質量相對較差。儘管在矽基片沉積金剛石膜最基本和最適宜的選擇，但是用等離子體噴射法在矽 基片沉積金剛石膜一直難以實現，原因在於由於等離子體電弧的熱衝擊極易使得矽片產生 碎裂。本發明設計了一種階梯冷卻的沉積臺，利用等離子體噴射法在特殊要求的大面積矽 基片上沉積金剛石膜，並提出分階段冷卻的真空退火處理工藝，經過對矽基金剛石膜複合 片進行加工和處理後，在金剛石膜厚度、質量和整體變形量均達到了電子器件(聲表面波 器件)的要求。

發明內容
本發明的目的在於提供一種高性能電子器件用矽基金剛石膜複合片的製備方法， 有效提高電子器件的導熱性，同時利用金剛石膜的綜合優異性能製備高性能的電子器件， 如聲表面波器件等。本發明實現目的的技術方案是以特殊設計的階梯導熱冷卻體為沉積臺，用真空 電弧等離子體在具有一定厚度的矽基片進行金剛石膜沉積，並對矽基金剛石複合片進行兩 次處理減小變形的去應力處理，研磨、拋光和切割獲得所需金剛石膜厚度和複合片整體厚 度。包括下述步驟1.選擇直徑為2-8英寸，厚度為4-20毫米的矽基片為沉積用基體，將所述矽基 片放置於真空電弧等離子體裝置中的的階梯導熱冷卻沉積臺上，陽極與矽基片的距離為 30-80mm,並通過機械泵和羅茨泵將電弧等離子體噴射裝置的真空腔室抽到5X KT1Pa ；2.在電弧等離子體噴射裝置中充入氬氣、氫氣和甲烷氣體，引燃等離子體弧，對矽 基片進行金剛石膜沉積，得到厚度為50-100微米金剛石膜；其中，氫氣的氣體流量為4-8L、 氬氣的氣體流量為2-6L、甲烷的氣體流量為60-150Sccm，電弧的電流為80-130A、電弧的電 壓為70-120V，沉積溫度為800-1100°C ；
3.將上述步驟獲得的矽基金剛石膜複合片反轉放置在電弧等離子體噴射裝置的 沉積臺上，陽極與矽基片的距離為30-80mm，充入氬氣和氫氣利用電弧等離子體對矽基金剛 石膜複合片進行加熱處理；其中，氫氣的氣體流量為4-8L、氬氣的氣體流量為2-6L，電弧的 電流為80-130A、電弧的電壓為70-120V ；4.將上述步驟獲得的已沉積金剛石膜的矽基複合片進行真空熱處理，真空度極限 為5 X 10_3Pa，加熱溫度800-1400°C，保溫時間為1-5小時，冷卻速度為50°C /小時，到700°C 時隨爐冷，以消除殘餘應力；5.對消除殘餘應力後的金剛石生長面進行研磨和拋光，達到表面的粗糙度 < 5nm ； 6.對矽基金剛石膜複合片進行研磨或切割減薄，達到電子器件用的矽基複合片。所述製備得到矽基複合片厚度為0. 4-0. 8mm。本發明的優點是1、設計了特殊的冷卻沉積臺，選擇優化的沉積工藝，可利用等離子體電弧可在矽 基片上沉積高質量和大面積的金剛石膜；2、應用真空電弧等離子體對沉積後的矽基金剛石膜複合片背面進行等離子體轟 擊處理，有效校正變形，同時去除部分生長應力，避免研磨與拋光中可能產生的複合片的破 碎；3、真空熱處理去除了薄膜沉積所形成的應力，減小矽基金剛石膜複合片的變形， 同時真空阻止了空氣中的氧氣對金剛石膜的刻蝕；


圖1為本發明的真空電弧等離子體裝置的階梯導熱冷卻沉積臺的結構示意圖。圖2為本發明的實施例1表面粗糙度分布示意圖。圖中1.矽基片放置臺，2.水分配盤，3.支撐體
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明的技術方案做進一步說明。圖1為本發明的真空電弧等離子體裝置的階梯導熱冷卻沉積臺的結構示意圖。如 圖1所示的沉積臺，沉積臺由矽基片放置臺1、水分配盤2和支撐體3組成；其中，矽基片放 置臺1通過支撐體3固定，水分配盤2置於矽基片放置臺下側，水分配盤通過中心噴水對矽 基片放置臺進行冷卻。實施例1通過等離子體噴射法在為3英寸，厚度為4毫米的矽基片為進行金剛石膜的沉積， 沉積參數中氣體流量分別為氫氣6L、氬氣3L、甲烷9(^ccm，電源參數分別為電弧電流95A、 電弧電壓105V，沉積溫度為930°C，陽極與矽基片的距離為50mm，沉積時間為5小時，沉積金 剛石膜的厚度56微米；然後反轉放置矽基金剛石膜複合片進行電弧等離子體處理，處理參 數分別為氫氣6L、氬氣3L，電弧電流105A、電弧電壓103V，基片溫度為950°C，陽極與矽基 金剛石複合片的距離為50mm，處理時間為10分鐘，獲得矽基金剛石膜複合片中金剛石膜的厚度為56微米；取出後放置於真空熱處理爐中進行退火處理，以消除殘餘應力減少進一步 加工中的變形，真空度極限為5X10_3Pa，加熱溫度1050°C，保溫時間為1. 5小時，冷卻速度 為50°C /小時，到700°C時隨爐冷；然後對矽基金剛石膜複合片的金剛石生長面進行研磨和 拋光，拋光後金剛石膜的厚度為32微米，表面的粗糙度小於5納米，最後用切割機進行減薄 處理到0. 6毫米，形成適合於電子器件用的矽基金剛石膜複合片，表面粗糙度分布如圖2所 示，分別為45°直線上的表面粗糙度結果。實施例2本發明應用等離子體噴射法在為5英寸，厚度為4毫米的矽基片為進行金剛石膜 的沉積，沉積參數中氣體流量分別為氫氣4L、氬氣6L、甲烷120Sccm，電源參數分別為電弧 電流130A、電弧電壓101V，沉積溫度為1100°C，陽極與矽基片的距離為60mm，沉積時間為 6. 5小時，沉積金剛石膜的厚度100微米；取出後放置於真空熱處理爐中進行退火處理，以 消除殘餘應力減少進一步加工中的變形，真空度極限為5X10_3Pa，加熱溫度1050°C，保溫 時間為1. 5小時，冷卻速度為50°C /小時，到700°C時隨爐冷。然後對矽基金剛石膜複合 片的金剛石生長面進行研磨和拋光，拋光後金剛石膜的厚度為42微米，表面的粗糙度小於 5納米，最後用切割機進行減薄處理到0. 6毫米，形成適合於電子器件用的矽基金剛石膜復
麼μ-口片ο實施例3本發明應用等離子體噴射法在為2英寸，厚度為15毫米的矽基片為進行金剛石膜 的沉積，沉積參數中氣體流量分別為氫氣7L、氬氣3L、甲烷lOOSccm，電源參數分別為電弧 電流95A、電弧電壓105V，沉積溫度為980°C，陽極與矽基片的距離為80mm，沉積時間為5小 時，沉積金剛石膜的厚度65微米。然後反轉放置矽基金剛石膜複合片進行電弧等離子體處 理，處理參數分別為氫氣6L、氬氣3L，電弧電流105A、電弧電壓103V，基片溫度為950°C，陽 極與矽基金剛石複合片的距離為50mm，處理時間為10分鐘。取出後放置於真空熱處理爐中 進行退火處理，以消除殘餘應力減少進一步加工中的變形，真空度極限為5 X 10_3Pa，加熱溫 度1050°C，保溫時間為1. 5小時，冷卻速度為50°C /小時，到700°C時隨爐冷。然後對矽基 金剛石膜複合片的金剛石生長面進行研磨和拋光，拋光後金剛石膜的厚度為35微米，表面 的粗糙度小於5納米，最後用切割機進行減薄處理到0. 6毫米，形成適合於電子器件用的矽 基金剛石膜複合片。實施例4本發明應用等離子體噴射法在為2英寸，厚度為6毫米的矽基片為進行金剛石膜 的沉積，沉積參數中氣體流量分別為氫氣7L、氬氣2. 5L、甲烷gOkcm，電源參數分別為電弧 電流100A、電弧電壓108V，沉積溫度為960°C，陽極與矽基片的距離為60mm，沉積時間為5. 5 小時，沉積金剛石膜的厚度62微米。然後反轉放置矽基金剛石膜複合片進行電弧等離子體 處理，處理參數分別為氫氣6L、氬氣3L，電弧電流105A、電弧電壓103V，基片溫度為950°C， 陽極與矽基金剛石複合片的距離為50mm，處理時間為10分鐘，取出後放置於真空熱處理爐 中進行退火處理，以消除殘餘應力減少進一步加工中的變形，真空度極限為5 X 10_3Pa，加熱 溫度1050°C，保溫時間為1. 5小時，冷卻速度為50°C /小時，到700°C時隨爐冷。然後對矽 基金剛石膜複合片的金剛石生長面進行研磨和拋光，拋光後金剛石膜的厚度為36微米，表 面的粗糙度小於5納米，最後用切割機進行減薄處理到0. 6毫米，形成適合於電子器件用的矽基金剛石膜複合片。
權利要求
1.一種電子器件用矽基複合片的製備方法，其特徵在於，具體包括以下步驟步驟1.選擇直徑為2-8英寸，厚度為4-20毫米的矽基片為沉積用基體，將所述矽基 片放置於真空電弧等離子體裝置中的的階梯導熱冷卻沉積臺上，陽極與矽基片的距離為 30-80mm,並通過機械泵和羅茨泵將電弧等離子體噴射裝置的真空腔室抽到5X KT1Pa ；步驟2.在電弧等離子體噴射裝置中充入氬氣、氫氣和甲烷氣體，引燃等離子體弧，對 矽基片進行金剛石膜沉積，得到矽基金剛石膜複合片；其中，氫氣的氣體流量為4-8L、氬氣 的氣體流量為2-6L、甲烷的氣體流量為60-150Sccm，電弧的電流為80-130A、電弧的電壓為 70-120V，沉積溫度為800-1100°C，沉積金剛石膜的厚度50-100微米；步驟3.將上述步驟獲得的矽基金剛石膜複合片反轉放置在電弧等離子體噴射裝置的 沉積臺上，陽極與矽基片的距離為30-80mm，充入氬氣和氫氣利用電弧等離子體對矽基金剛 石膜複合片進行加熱處理；其中，氫氣的氣體流量為4-8L、氬氣的氣體流量為2-6L，電弧的 電流為80-130A、電弧的電壓為70-120V ；步驟4.將上述步驟獲得的已沉積金剛石膜的矽基複合片進行真空熱處理，真空度極 限為5X 10_3Pa，加熱溫度800-1400°C，保溫時間為1 -5小時，冷卻速度為50°C /小時，到 700°C時隨爐冷，以消除殘餘應力；步驟5.對消除殘餘應力後的金剛石生長面進行研磨和拋光，達到表面的粗糙度 < 5nm ；步驟6.對矽基金剛石膜複合片進行研磨或切割減薄，達到電子器件用的矽基複合片。
2.根據權利要求1所述的電子器件用矽基複合片的製備方法，其特徵在於，所述製備 得到矽基複合片厚度為0. 4-0. 8mm。
全文摘要
本發明屬於電子器件用基體材料製備技術領域，特別是提供了一種製備電子器件用矽基金剛石膜複合基片的方法。本發明以直徑為2-8英寸，厚度為4-20毫米的矽基片為沉積用基體，置於特殊設計的階梯導熱冷卻體沉積臺上，通入氫氣、氬氣和甲烷混合氣體，用真空電弧等離子體在進行金剛石膜沉積，並對矽基金剛石複合片進行去應力處理，研磨或拋光，使其表面的粗糙度＜5nm，切割後獲得所需金剛石膜厚度和複合片的矽基金剛石膜複合基片。本發明的優點是用等離子體噴射法在矽基片高速沉積高質量的金剛石膜，並通過等離子體電弧和真空熱處理進行變形校正和去應力處理，避免了研磨與拋光中可能產生的複合片的破碎，獲得可實用的矽基複合片。
文檔編號C23C14/06GK102094174SQ20101057882
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者劉金龍, 呂反修, 張營營, 李成明, 陳良賢, 黑立富 申請人:北京科技大學