CN103334080A - AlN膜表面金属化层制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种AlN膜表面的金属化层制备方法，适用于微电子工业中电路基板和封装领域。按照以下工艺步骤进行：在真空环境和一定的生长温度条件下，首先在基板表面用磁控溅射法生长所需厚度的AlN膜，然后在AlN膜表面溅射生长TiN_1-x、AlN_1-x或CrN_1-x（x=0-1）梯度膜（x由0逐渐过渡到1，即由富氮相逐步过渡到纯金属相），最后在适当的温度下溅射生长纯Cu膜。另外，可以根据Cu膜使用厚度的需要用电镀法镀Cu，使Cu膜增厚以及在前述每一步膜生长过程后进行适当的退火处理以提高膜层之间的结合力。使用该方法获得的薄膜具有纯度高、粘附力强的优点，保证了封装过程中的焊接强度和可靠性。

Description

AlN膜表面金属化层制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种AlN膜表面的金属化层制备方法，该方法可用于AlN膜表面与多种金属形成表面金属化层，特别适用于微电子工业中电路基板和封装领域。 

背景技术

近年来，随着大规模集成电路以及电子设备向着高频化、高功率化、超高集成化的方向发展，各种应用对高性能、高密度电路的需求日益增加。然而，电路密度和功能的不断提高导致电路功率不断上升、单位时间的产热量不断升高，从而使电路的工作温度也不断上升。为了防止电路元件因热聚集和热循环作用而损坏，这就对基板材料的低介电常数、低热膨胀系数、高热导率、高耐热等性能提出了更加严格的要求。 

功率器件中芯片产生的热主要通过作为衬底的绝缘基板传导到外壳而散发出去。当基板无法满足自然冷却的要求时，则必须实行强制冷却，就会导致以下问题的出现：冷却扇大型化,导致电子设备重量大大增加；噪音大；利用散热片,则必须有散热结构件；封装成本提高,体积增大,可靠性降低。因此要求基板导热率尽可能的高,以满足自然冷却的需要。 

市场上高热导率材料主要有BeO、SiC和AlN等。BeO作为基板封装材料性能优良，但BeO是一种有毒物质，目前许多国家已将BeO列入禁用材料，对含有BeO的元件或系统的使用也有诸多限制；SiC热导率虽然高达270W/(m??K)，但其介电常数高，大大限制了其在高频领域的应用，不宜作基板材料；AlN不仅有高的热导率，而且具有优异的高温绝缘性、低介电常数以及与Si相近的热膨胀系数（4.5×10^-6/℃），且具有良好的电学性能和机械强度，是理想的电力电子封装材料。因此，AlN基片已成为大规模集成电路及大功率模块的一种重要的新型无毒基板材料，用以加强散热、提高器件的可靠性。 

目前，可商业使用的AlN基板都是烧结形成的AlN片材，其生产流程是先制备AlN粉体，再对粉体进行压制成型和高温烧结。烧结过程需要的温度高达1500℃，会消耗较多能量，且容易掺入杂质，影响AlN的纯度，进而影响AlN基板的导热、绝缘等性能。而且，受到成型和烧结等工艺条件的限制，目前还很难获得大尺寸的AlN陶瓷片。而当前的主流半导体设备比较适合在大面积的基板上开展器件工艺流程。同时，在很多应用场合需要大尺寸的散热基板。 

由于AlN属于共价键较强的化合物，一般的钎料不能润湿AlN陶瓷的表面。要实现AlN与电子芯片的可靠连接，通常需要将AlN陶瓷进行表面金属化，因此，AlN陶瓷表面金属化是AlN陶瓷得到应用的首要条件。 

AlN陶瓷金属化多数使用金属铜，因为铜具有优良的导电性能和导热性能，而陶瓷基板具有高机械强度和低介电损耗的优点，所以使得金属化的AlN基板在电力电子，大功率电路等方面有着广泛的应用前景。 

由于金属化的AlN基板具有很好的导热性能，功率器件中芯片产生的大量热量能够通过衬底的陶瓷绝缘基片传导到外壳而散发出去。这样能有效地降低功率器件的温度，确保芯片的正常工作。在电路中如果基片与芯片热膨胀系数差异很大会使产生的热应力急剧增加，从而使得互连线、芯片、基片可能出现失效，它们的可靠性会降低。功率越大，芯片集成度越高，可靠性问题也越严重。针对这种问题，以往是通过增加钨铂等金属过渡层，或是胶贴，或是将大基片划小后拼接来解决，但均造成工艺和结构复杂化、热阻增加、成本提高、成品率和可靠性降低。而表面金属化的AlN基板与Si有相匹配的热膨胀系数使得这一问题得到了解决，大大提高了器件的稳定性。 

现在氮化铝陶瓷基板的主流封装方法是直接覆铜技术（DBC）。DBC方法的基本特点是在微氧气氛下，在敷接到氮化铝基板的铜箔表面形成一层熔点低于纯铜熔点的氧铜共晶相（Cu-O共晶相），该共晶相对互相接触的铜箔和氮化铝表面都具有良好的润湿性，并形成CuAlO₂等界面产物，使氮化铝与铜箔牢固地结合在一起。然而，由于AlN与铜的界面润湿性差，Cu-O共晶相对AlN表面的润湿角为142°（润湿性用润湿角来表征，润湿角越大表明该体系对AlN基板的润湿性越差），从而使得AlN基板与铜箔不能形成牢固的结合，并且Cu-O共晶相与Al反应生成的CuAlO₂导热性能较差，造成氮化铝与铜箔结合界面处较大的热阻。 

目前，采用DBC法进行AlN覆铜工艺的AlN陶瓷都经过特殊的预处理。常用的AlN陶瓷的预处理方法是将AlN陶瓷进行预氧化，在AlN陶瓷表面形成一层薄而致密的Al₂O₃层，从而改善AlN陶瓷的表面状态，以达到更好的结合效果。然而，AlN与Cu的热膨胀系数相差较大，使得AlN与Al₂O₃的界面结合处产生较大的内应力，易于在Al₂O₃层中产生裂纹，不利于金属/AlN复合基板的结构稳定性。同时，AlN表面的Al₂O₃层多孔、疏松，容易使Cu-O共晶液相渗透到内部的AlN层，并与AlN层发生反应生成N₂，在铜箔与AlN基板的界面结合处产生很多大小不一的气泡，降低Cu与AlN基板的结合强度。 

另一种氮化铝表面金属化方法是采用多层金属膜金属化方法（参考中国发明专利公开201110441059.0），即在AlN与铜之间引入Ti、Zr或Ta等金属过渡层来提高膜层的结合力。过渡金属层的反应活性高，可在一定程度上提高金属与AlN的结合强度，但是其易氧化，而且过渡金属层与氮化铝陶瓷基板的结合程度也与陶瓷的表面状态等有密切的联系，影响因素多，可操作性不强。 

上述AlN陶瓷基板表面的金属化层制备技术受制于大面积AlN基板的烧结困难，以及基板与金属膜的结合力较弱、结构稳定性差等不足，使其成为AlN材料在微电子工业应用中难以获得广泛应用的技术障碍。 

发明内容

本发明用磁控溅射法生长的AlN膜替代AlN块体陶瓷基板。用磁控溅射方法制得的AlN膜纯度高，反应温度低，易于获得大尺寸，非常适合用作散热基板的大规模生产。因此采用AlN膜来代替AlN块体陶瓷基板，可以有效地解决上述问题，并且节约大量的能源。 

在AlN膜和金属Cu之间引入具有较高热导率的TiN_1-x（x=0-1）、AlN_1-x（x=0-1）或CrN_1-x（x=0-1）梯度层来提高AlN和Cu之间的润湿性。另外，采用梯度层来代替单一的纯金属过渡层也使得AlN和梯度层之间的结构失配度减小，进一步增强了AlN与金属铜之间的结合力，实现一种结合强度高、热稳定性好、工艺简单方便且成本低廉的AlN和Cu的结合工艺，有效地释放由结构差异和热膨胀系数差异所带来的内应力，从而制备出具有良好导热能力的基板。多层复合膜的结构示意图见图1。图2是多层膜的截面扫描电镜（SEM）照片。 

本发明采用磁控溅射法在多种基板（如Si基板）上依次生长出AlN膜、TiN_1-x（x=0-1）、AlN_1-x（x=0-1）或CrN_1-x（x=0-1）梯度膜和Cu膜。在磁控溅射生长的过程中，控制基板的温度即可形成结构稳定、结合牢固的AlN与Cu膜的复合结构。根据对铜膜厚度的不同使用要求，可以进一步用电镀法增厚Cu膜。 

根据相图可知，一定温度下退火，在Ti（Al、Cr等）和Cu膜的界面处形成Ti（Al、Cr等）与Cu的合金，该合金的形成，增大了Ti（Al、Cr等）和Cu薄膜之间的粘附力，由于Cu的热导率比较大，通过Ti和Cu的粘附和反应有效地提高了基板的热导率。 

本发明的目的在于通过在AlN和Cu之间引入具有较高热导率的非氧化物梯度中间层来实现一种结合强度高、热稳定性好、工艺简单方便且成本低廉的AlN和Cu的直接结合。 

该发明具体方案如下： 

在真空环境和一定的生长温度条件下，首先在基板表面用磁控溅射法生长所需厚度的AlN膜，然后在AlN膜表面溅射生长TiN_1-x（x=0-1）、AlN_1-x（x=0-1）或CrN_1-x（x=0-1）梯度膜（x由0逐渐过渡到1，即由富氮相逐步过渡到纯金属相）。最后在适当的温度下溅射生长纯Cu膜。溅射过程中，Ti（Al或Cr）与Cu在界面处反应生成Cu-Ti（Al或Cr）合金。纯金属与AlN的结构差异所带来的内应力通过梯度层逐步释放。同时，梯度层的使用大幅度减小了金属与AlN接触界面的突变，模糊了接触界面，增强了多层膜与基板的结合力。另外，可以根据使用的需要确定用电镀法镀Cu，使Cu膜增厚。

具体步骤如下： 

（1）在真空环境和一定温度下，用磁控溅射法在基板表面生长AlN膜；

（2）在适当温度下，用磁控溅射法在AlN 膜上生长TiN_1-x、AlN_1-x或CrN_1-x梯度膜，x值由0逐步过渡到1；

（3）适当温度下，继续用磁控溅射法在AlN/梯度膜表面生长Cu膜；

（4）根据需要对前述基板进行电镀增厚Cu膜。

上述的每一步工艺过程后，均可以根据使用基板的耐热性能进行250-650°C的后退火处理，退火时间0.5-2小时，所得的多层膜结构中AlN与Cu膜的结合力得到了明显的提高。

本发明采用上述技术方案，具有以下优点： 

1、AllN膜可以生长在不同的基板上，包括单晶基板、Al基板等，给不同的应用需求提供了更多选择的可能性。

2、其中的AlN膜可以用反应磁控溅射法由Al靶在N₂反应气体中获得，也可以由AlN靶材直接溅射获得，方法多样。 

3、AlN膜易于实现大面积、低温生长，工艺简单，且AlN膜纯度高。 

4、引入TiN_1-x（x=0-1）（AlN_1-x或CrN_1-x）梯度层有效增加了AlN和Cu之间的结合力。 

5、本发明所用的原料价格低廉，制造成本较低，适合产业推广。 

附图说明

图1多层复合膜的结构示意图 

图2样品断面的SEM图。

图3样品AlN膜与Cu膜的抗拉强度测试示意图。 

具体实施方式

实施例： 

本实施例中的具体制备过程和步骤如下所述：

（1）用磁控溅射法在Si基板上生长AlN膜。工艺参数：靶材选用Al靶，功率280W，氩气和氮气的气体流量均为9sccm，溅射时间为120min。生长出的AlN膜厚度约为2μm，沿c轴（0001）方向择优生长。

（2）用磁控溅射法在AlN膜上生长TiN_1-x（x=0-1）膜。工艺参数：靶材选用Ti靶，功率100W，氩气流量为15sccm，氮气流量由9sccm逐渐减小到0，溅射时间30min。生长出择优取向良好的TiN_1-x膜，薄膜厚约为300nm。 

（3）在Si/AlN/TiN_1-x复合膜上继续用磁控溅射法生长Cu膜。工艺参数：靶材选用纯Cu靶，功率100W，氩气流量10sccm，溅射时间60min，膜厚约为2μm。 

（4）Si/AlN/TiN_1-x/Cu复合膜真空退火处理，真空度低于1.0×10^-2Pa， 450℃退火60min。 

比较例： 

（1）用磁控溅射法在Si基板上生长AlN膜。工艺参数：靶材选用Al靶，功率280W，氩气和氮气的气体流量均为9sccm，溅射时间为120min。生长出的AlN膜厚度约为2μm，沿c轴（0001）方向择优生长。

（2）用磁控溅射法在AlN膜上生长Ti金属膜。工艺参数：靶材选用Ti靶，功率100W，氩气流量为10sccm，溅射时间30min。Ti膜厚约为300nm。 

（3）在Si/AlN/Ti复合膜上继续用磁控溅射法生长Cu膜。工艺参数：靶材选用纯Cu靶，功率100W，氩气流量10sccm，溅射时间60min，膜厚约为2μm。 

（4）Si/AlN/Ti/Cu复合膜真空退火处理，真空度低于1.0×10^-2Pa， 450℃退火60min。 

  

采用图3所示的抗拉强度测试组件来测量样品的抗拉强度。按照上述的金属化方法在基底上溅射AlN薄膜及不同的金属薄膜，按照图3所示的结构采用Ag-Cu共晶焊料在真空中焊接形成测试组件，测试焊接体的抗拉强度，测试结果见表1.

本发明通过在AlN和Cu之间引入具有较高热导率的非氧化物梯度中间层，实现了结合强度高、热稳定性好、工艺简单方便且成本低廉的AlN和Cu复合，确保了封装过程中的焊接强度和可靠性，以满足微电子工业中电路基板和封装领域的要求。 

Claims (2)

1.一种AlN膜表面的金属化层制备方法，其主要特征在于采用Ti(Al,Cr)N_1-x梯度层来强化AlN和Cu膜之间的结合力；AlN膜表面金属化的多层复合结构为：基板/AlN/Ti(Al,Cr)N_1-x（x=0-1）/Cu；多层膜结构的具体制备工艺步骤如下：

（a）在真空环境下，用磁控溅射法在选定基板表面生长AlN膜；

（b）在适当的温度条件下，用磁控溅射法在AlN 膜上生长TiN_1-x、AlN_1-x或CrN_1-x梯度膜，x值由0逐步过渡到1；

（c）在适当温度条件下，继续用磁控溅射法在AlN/梯度膜表面生长Cu膜；

（d）根据需要对前述基板进行Cu膜电镀增厚。

2.按权利要求1所述的一种AlN膜表面金属化层制备方法，其特征在于：在制备的每一步工艺过程后，均可以根据使用基板的耐热性能进行250-650°C的后退火处理，退火时间0.5-2小时，使所得的多层膜结构中AlN与Cu膜的结合力得到明显的提高。

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