CN102094174A - 一种电子器件用硅基复合片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子器件用基体材料制备技术领域，特别是提供了一种制备电子器件用硅基金刚石膜复合基片的方法。本发明以直径为2-8英寸，厚度为4-20毫米的硅基片为沉积用基体，置于特殊设计的阶梯导热冷却体沉积台上，通入氢气、氩气和甲烷混合气体，用真空电弧等离子体在进行金刚石膜沉积，并对硅基金刚石复合片进行去应力处理，研磨或抛光，使其表面的粗糙度＜5nm，切割后获得所需金刚石膜厚度和复合片的硅基金刚石膜复合基片。本发明的优点是用等离子体喷射法在硅基片高速沉积高质量的金刚石膜，并通过等离子体电弧和真空热处理进行变形校正和去应力处理，避免了研磨与抛光中可能产生的复合片的破碎，获得可实用的硅基复合片。

Description

一种电子器件用硅基复合片的制备方法

技术领域

本发明属于电子器件用基体材料制备技术领域，特别是提供了一种制备电子器件用硅基金刚石膜复合基片的方法。

背景技术

CVD金刚石膜具有优异的性能，在机械、热学、光学、声学、电子学及半导体等领域具有广阔的应用前景，其中最引人注目的是在半导体方面的应用。金刚石具有带隙宽(5.5eV)、载流子迁移率高、介电常数低(5.7)、抗辐射性强、击穿场强高(3.5×10⁶V/cm)和电子饱和速度高(2.5×10⁷cm/s)等特征，这使得用金刚石有可能制成高频大功率半导体器件，在高温强辐射等恶劣条件下工作。同时利用它的高导热性质可用作大功率半导体激光器的热沉，微波器件和集成电路的散热和隔离板。为了同时兼备半导体性能和高的散热特性，已经证明要求金刚石膜具有一定的厚度，一般要求大于25微米，微波CVD法尽管沉积金刚石膜质量高，但沉积速率较慢，效率较低，实现大面积也较为困难。热丝CVD法和热阴极法可实现较大面积但质量相对较差。

尽管在硅基片沉积金刚石膜最基本和最适宜的选择，但是用等离子体喷射法在硅基片沉积金刚石膜一直难以实现，原因在于由于等离子体电弧的热冲击极易使得硅片产生碎裂。本发明设计了一种阶梯冷却的沉积台，利用等离子体喷射法在特殊要求的大面积硅基片上沉积金刚石膜，并提出分阶段冷却的真空退火处理工艺，经过对硅基金刚石膜复合片进行加工和处理后，在金刚石膜厚度、质量和整体变形量均达到了电子器件(声表面波器件)的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能电子器件用硅基金刚石膜复合片的制备方法，有效提高电子器件的导热性，同时利用金刚石膜的综合优异性能制备高性能的电子器件，如声表面波器件等。

本发明实现目的的技术方案是：以特殊设计的阶梯导热冷却体为沉积台，用真空电弧等离子体在具有一定厚度的硅基片进行金刚石膜沉积，并对硅基金刚石复合片进行两次处理减小变形的去应力处理，研磨、抛光和切割获得所需金刚石膜厚度和复合片整体厚度。包括下述步骤：

1.选择直径为2-8英寸，厚度为4-20毫米的硅基片为沉积用基体，将所述硅基片放置于真空电弧等离子体装置中的的阶梯导热冷却沉积台上，阳极与硅基片的距离为30-80mm，并通过机械泵和罗茨泵将电弧等离子体喷射装置的真空腔室抽到5×10^-1Pa；

2.在电弧等离子体喷射装置中充入氩气、氢气和甲烷气体，引燃等离子体弧，对硅基片进行金刚石膜沉积，得到厚度为50-100微米金刚石膜；其中，氢气的气体流量为4-8L、氩气的气体流量为2-6L、甲烷的气体流量为60-150Sccm，电弧的电流为80-130A、电弧的电压为70-120V，沉积温度为800-1100℃；

3.将上述步骤获得的硅基金刚石膜复合片反转放置在电弧等离子体喷射装置的沉积台上，阳极与硅基片的距离为30-80mm，充入氩气和氢气利用电弧等离子体对硅基金刚石膜复合片进行加热处理；其中，氢气的气体流量为4-8L、氩气的气体流量为2-6L，电弧的电流为80-130A、电弧的电压为70-120V；

4.将上述步骤获得的已沉积金刚石膜的硅基复合片进行真空热处理，真空度极限为5×10^-3Pa，加热温度800-1400℃，保温时间为1-5小时，冷却速度为50℃/小时，到700℃时随炉冷，以消除残余应力；

5.对消除残余应力后的金刚石生长面进行研磨和抛光，达到表面的粗糙度＜5nm；

6.对硅基金刚石膜复合片进行研磨或切割减薄，达到电子器件用的硅基复合片。

所述制备得到硅基复合片厚度为0.4-0.8mm。

本发明的优点是：

1、设计了特殊的冷却沉积台，选择优化的沉积工艺，可利用等离子体电弧可在硅基片上沉积高质量和大面积的金刚石膜；

2、应用真空电弧等离子体对沉积后的硅基金刚石膜复合片背面进行等离子体轰击处理，有效校正变形，同时去除部分生长应力，避免研磨与抛光中可能产生的复合片的破碎；

3、真空热处理去除了薄膜沉积所形成的应力，减小硅基金刚石膜复合片的变形，同时真空阻止了空气中的氧气对金刚石膜的刻蚀；

附图说明

图1为本发明的真空电弧等离子体装置的阶梯导热冷却沉积台的结构示意图。

图2为本发明的实施例1表面粗糙度分布示意图。

图中：

1.硅基片放置台，2.水分配盘，3.支撑体

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

图1为本发明的真空电弧等离子体装置的阶梯导热冷却沉积台的结构示意图。如图1所示的沉积台，沉积台由硅基片放置台1、水分配盘2和支撑体3组成；其中，硅基片放置台1通过支撑体3固定，水分配盘2置于硅基片放置台下侧，水分配盘通过中心喷水对硅基片放置台进行冷却。

实施例1

通过等离子体喷射法在为3英寸，厚度为4毫米的硅基片为进行金刚石膜的沉积，沉积参数中气体流量分别为氢气6L、氩气3L、甲烷90Sccm，电源参数分别为电弧电流95A、电弧电压105V，沉积温度为930℃，阳极与硅基片的距离为50mm，沉积时间为5小时，沉积金刚石膜的厚度56微米；然后反转放置硅基金刚石膜复合片进行电弧等离子体处理，处理参数分别为氢气6L、氩气3L，电弧电流105A、电弧电压103V，基片温度为950℃，阳极与硅基金刚石复合片的距离为50mm，处理时间为10分钟，获得硅基金刚石膜复合片中金刚石膜的厚度为56微米；取出后放置于真空热处理炉中进行退火处理，以消除残余应力减少进一步加工中的变形，真空度极限为5×10^-3Pa，加热温度1050℃，保温时间为1.5小时，冷却速度为50℃/小时，到700℃时随炉冷；然后对硅基金刚石膜复合片的金刚石生长面进行研磨和抛光，抛光后金刚石膜的厚度为32微米，表面的粗糙度小于5纳米，最后用切割机进行减薄处理到0.6毫米，形成适合于电子器件用的硅基金刚石膜复合片，表面粗糙度分布如图2所示，分别为45°直线上的表面粗糙度结果。

实施例2

本发明应用等离子体喷射法在为5英寸，厚度为4毫米的硅基片为进行金刚石膜的沉积，沉积参数中气体流量分别为氢气4L、氩气6L、甲烷120Sccm，电源参数分别为电弧电流130A、电弧电压101V，沉积温度为1100℃，阳极与硅基片的距离为60mm，沉积时间为6.5小时，沉积金刚石膜的厚度100微米；取出后放置于真空热处理炉中进行退火处理，以消除残余应力减少进一步加工中的变形，真空度极限为5×10^-3Pa，加热温度1050℃，保温时间为1.5小时，冷却速度为50℃/小时，到700℃时随炉冷。然后对硅基金刚石膜复合片的金刚石生长面进行研磨和抛光，抛光后金刚石膜的厚度为42微米，表面的粗糙度小于5纳米，最后用切割机进行减薄处理到0.6毫米，形成适合于电子器件用的硅基金刚石膜复合片。

实施例3

本发明应用等离子体喷射法在为2英寸，厚度为15毫米的硅基片为进行金刚石膜的沉积，沉积参数中气体流量分别为氢气7L、氩气3L、甲烷100Sccm，电源参数分别为电弧电流95A、电弧电压105V，沉积温度为980℃，阳极与硅基片的距离为80mm，沉积时间为5小时，沉积金刚石膜的厚度65微米。然后反转放置硅基金刚石膜复合片进行电弧等离子体处理，处理参数分别为氢气6L、氩气3L，电弧电流105A、电弧电压103V，基片温度为950℃，阳极与硅基金刚石复合片的距离为50mm，处理时间为10分钟。取出后放置于真空热处理炉中进行退火处理，以消除残余应力减少进一步加工中的变形，真空度极限为5×10^-3Pa，加热温度1050℃，保温时间为1.5小时，冷却速度为50℃/小时，到700℃时随炉冷。然后对硅基金刚石膜复合片的金刚石生长面进行研磨和抛光，抛光后金刚石膜的厚度为35微米，表面的粗糙度小于5纳米，最后用切割机进行减薄处理到0.6毫米，形成适合于电子器件用的硅基金刚石膜复合片。

实施例4

本发明应用等离子体喷射法在为2英寸，厚度为6毫米的硅基片为进行金刚石膜的沉积，沉积参数中气体流量分别为氢气7L、氩气2.5L、甲烷90Sccm，电源参数分别为电弧电流100A、电弧电压108V，沉积温度为960℃，阳极与硅基片的距离为60mm，沉积时间为5.5小时，沉积金刚石膜的厚度62微米。然后反转放置硅基金刚石膜复合片进行电弧等离子体处理，处理参数分别为氢气6L、氩气3L，电弧电流105A、电弧电压103V，基片温度为950℃，阳极与硅基金刚石复合片的距离为50mm，处理时间为10分钟，取出后放置于真空热处理炉中进行退火处理，以消除残余应力减少进一步加工中的变形，真空度极限为5×10^-3Pa，加热温度1050℃，保温时间为1.5小时，冷却速度为50℃/小时，到700℃时随炉冷。然后对硅基金刚石膜复合片的金刚石生长面进行研磨和抛光，抛光后金刚石膜的厚度为36微米，表面的粗糙度小于5纳米，最后用切割机进行减薄处理到0.6毫米，形成适合于电子器件用的硅基金刚石膜复合片。

Claims (2)

1.一种电子器件用硅基复合片的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1.选择直径为2-8英寸，厚度为4-20毫米的硅基片为沉积用基体，将所述硅基片放置于真空电弧等离子体装置中的的阶梯导热冷却沉积台上，阳极与硅基片的距离为30-80mm，并通过机械泵和罗茨泵将电弧等离子体喷射装置的真空腔室抽到5×10^-1Pa；

步骤2.在电弧等离子体喷射装置中充入氩气、氢气和甲烷气体，引燃等离子体弧，对硅基片进行金刚石膜沉积，得到硅基金刚石膜复合片；其中，氢气的气体流量为4-8L、氩气的气体流量为2-6L、甲烷的气体流量为60-150Sccm，电弧的电流为80-130A、电弧的电压为70-120V，沉积温度为800-1100℃，沉积金刚石膜的厚度50-100微米；

步骤3.将上述步骤获得的硅基金刚石膜复合片反转放置在电弧等离子体喷射装置的沉积台上，阳极与硅基片的距离为30-80mm，充入氩气和氢气利用电弧等离子体对硅基金刚石膜复合片进行加热处理；其中，氢气的气体流量为4-8L、氩气的气体流量为2-6L，电弧的电流为80-130A、电弧的电压为70-120V；

步骤4.将上述步骤获得的已沉积金刚石膜的硅基复合片进行真空热处理，真空度极限为5×10^-3Pa，加热温度800-1400℃，保温时间为1-5小时，冷却速度为50℃/小时，到700℃时随炉冷，以消除残余应力；

步骤5.对消除残余应力后的金刚石生长面进行研磨和抛光，达到表面的粗糙度＜5nm；

步骤6.对硅基金刚石膜复合片进行研磨或切割减薄，达到电子器件用的硅基复合片。

2.根据权利要求1所述的电子器件用硅基复合片的制备方法，其特征在于，所述制备得到硅基复合片厚度为0.4-0.8mm。

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