CN111009496B - 一种具有高热导率的半导体衬底及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，提供了一种具有高热导率的半导体衬底及其制备方法。本发明提供的衬底背面具有周期孔洞结构，周期孔洞结构中制备了表面和衬底背面齐平的金刚石薄膜，增加了衬底材料与金刚石的接触面积，提高了衬底的热导率，利用本发明提供的衬底制备光电子器件，器件背面周期孔洞结构中的的金刚石薄膜可以将器件芯片产生的废热快速的传递到热沉中，提高器件的散热效率，提高器件的工作性能。
Description
技术领域
本发明涉及新型衬底材料技术领域，特别涉及一种具有高热导率的半导体衬底及其制备方法。
背景技术
半导体衬底在集成电路和光电子器件中有着重要应用。半导体光电子器件电光转换达不到100％的效率，功耗会以热能形式散发和转移，散热是半导体光电子器件可靠设计中所要考虑的重要部分。由于半导体光电子器件是靠电能才能工作的器件，散热无论在性能和产品使用寿命方面都起着重要作用。大功率光电子器件的散热问题一直是研发的重中之重，散热问题已成为影响光电子器件性能提升的重要影响因素。
目前，光电子器件材料都是外延在表面平整度极好的晶体衬底表面，这些衬底具有一定的电阻且导热能力较差，现阶段常用的方法是在光电子器件制备工艺中将衬底部分减薄至100μm左右，解理得到的芯片封装于散热较好的AlN、铜热沉上，但光电子芯片管芯的温度仍然不能得到有效的传导，制约着光电子器件性能的提升。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种具有高热导率的半导体衬底及其制备方法。本发明提供的衬底背面具有周期孔洞结构，周期孔洞结构中制备了表面和衬底背面齐平的金刚石薄膜，增加了衬底材料与金刚石的接触面积，提高了衬底的热导率。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种具有高热导率的半导体衬底，所述半导体衬底背面制备有周期孔洞结构，在周期孔洞结构中嵌有金刚石薄膜；所述金刚石薄膜的表面和半导体衬底背面齐平构成周期分布的金刚石薄膜图形；所述半导体衬底的厚度为40～50μm；所述半导体衬底正面的均方根糙度小于3nm，满足光电子器件结构材料外延生长的要求。
优选的，所述金刚石薄膜的厚度为20～30μm。
优选的，所述周期分布的金刚石薄膜图形中相邻图形中心的距离为30～40μm。
优选的，所述周期分布的金刚石薄膜图形中的图形为圆形或正方形；所述圆形的直径为20～30μm，所述正方形的边长为20～30μm。
本发明提供了上述方案所述半导体衬底的制备方法，包括以下步骤：
(1)在半导体基底背面涂覆光刻胶，然后按照预定的周期分布图形依次进行曝光和显影，形成图案化光刻胶层，使图形区域的半导体基底背面暴露出来；
(2)对半导体基底背面的暴露区域进行刻蚀，形成周期孔洞结构，然后在半导体基底背面沉积金刚石薄膜，使孔洞结构中的金刚石薄膜表面和所述半导体基底背面齐平；
(3)去除半导体基底背面剩余的光刻胶以及沉积在光刻胶上的金刚石薄膜，形成周期分布的金刚石薄膜图形，然后对半导体基底正面依次进行减薄和抛光，抛光至半导体基底厚度为40～50μm，且半导体基底正面的均方根糙度小于3nm，得到所述具有高热导率的半导体衬底。
优选的，所述沉积金刚石薄膜的方法为微波等离子体化学气相沉积；所述微波等离子体化学气相沉积的生长气氛为氢气、甲烷和氧气，所述氢气的流量为300～500sccm，甲烷的流量为10～35sccm，氧气的流量为2～5sccm；所述微波等离子体化学气相沉积的时间为30～150min，生长温度为400～600℃，微波功率为3000～5000W。
优选的，所述减薄具体为将半导体基底的厚度减薄至60～70μm。
优选的，所述涂覆光刻胶前还包括将所述半导体基底进行预处理；所述预处理包括以下步骤：
将所述半导体基底依次在丙酮、异丙醇和水中进行超声清洗。
优选的，所述抛光后还包括将抛光后的半导体基底进行后处理；所述后处理包括以下步骤：
将抛光后的半导体基底在甲苯中进行热处理，然后依次在丙酮、异丙醇和水中进行超声清洗，再使用氮气吹干。
本发明提供了一种具有高热导率的半导体衬底，本发明提供的衬底背面制备了周期孔洞结构，周期孔洞结构中制备了表面和衬底背面齐平的金刚石薄膜，增加了衬底材料与金刚石的接触面积，提高了衬底的热导率。利用本发明提供的衬底制备光电子器件，器件背面的金刚石薄膜可以将器件芯片产生的废热快速的传递到热沉中，使器件具有高效的散热效率从而提高器件的工作性能。
附图说明
图1为本发明实施例中制备高效散热半导体衬底的制备流程示意图，其中1表示半导体基体，2表示刻蚀有周期孔洞结构的半导体基底，3表示沉积有周期分布的金刚石薄膜图形的半导体基底，4表示减薄后的半导体基底，5表示抛光后的半导体基底。
具体实施方式
本发明提供了一种具有高热导率的半导体衬底，所述半导体衬底背面嵌有周期分布的金刚石薄膜图形；所述金刚石薄膜的表面和半导体衬底背面齐平；所述半导体衬底的厚度为40～50μm；所述半导体衬底正面的均方根糙度小于3nm。
本发明将半导体衬底正面的均方根糙度控制在小于3nm，能够满足光电子器件结构材料外延生长的要求。
在本发明中，所述半导体衬底的厚度优选为45μm。本发明对所述半导体衬底的基体材料没有特殊要求，采用本领域常规的GaAs、InP、GaSb、蓝宝石和Si基体材料等均可。
在本发明中，所述金刚石薄膜的厚度优选为20～30μm，更优选为25μm；所述周期分布的金刚石薄膜图形中相邻图形中心的距离优选为30～40μm，更优选为35～40μm；所述周期分布的金刚石薄膜图形中的图形优选为圆形或正方形；所述圆形的直径优选为20～30μm，更优选为25～30μm，所述正方形的边长优选为20～30μm，更优选为25～30μm；本发明对图形个数没有特殊要求，在本发明的具体实施例中，根据衬底面积以及图形尺寸进行设置即可。
金刚石材料是自然界中散热性能最好的材料之一，也是声表面波传播速度最快的材料，本发明将金刚石材料有效的与光电子器件衬底结合，不仅可以解决器件散热的问题，还可利用本发明的衬底实现大功率半导体光电子器件的制备，同时利用金刚石声表面传播速度快的优势，可以提高大功率光电子器件的性能。
本发明将金刚石薄膜嵌入半导体衬底背面，能够增加金刚石薄膜和衬底的接触面积，提高半导体衬底的热导率，且半导体衬底正面为常规半导体材料，符合材料外延生长的要求；并且本发明提供的半导体衬底厚度仅为40～50μm，利用本发明的半导体衬底进行光电子器件的制备，能够免除传统器件制备工艺中的减薄、抛光的步骤，不会对正面的器件结构及正面电极造成损伤，能够提升器件的性能。
本发明提供了上述方案所述半导体衬底的制备方法，包括以下步骤：
(1)在半导体基底背面涂覆光刻胶，然后按照预定的周期分布图形依次进行曝光和显影，形成图案化光刻胶层，使图形区域的半导体基底背面暴露出来；
(2)对半导体基底背面的暴露区域进行刻蚀，形成周期孔洞结构，然后在半导体基底背面沉积金刚石薄膜，使孔洞结构中的金刚石薄膜表面和所述半导体基底背面齐平；
(3)去除半导体基底背面剩余的光刻胶以及沉积在光刻胶上的金刚石薄膜，形成周期分布的金刚石薄膜图形，然后对半导体基底正面依次进行减薄和抛光，抛光至基底厚度为40～50μm，且基底正面的均方根糙度小于3nm，得到所述具有高热导率的半导体衬底。
本发明在半导体基底背面涂覆光刻胶，然后按照预定的周期分布图形依次进行曝光和显影，形成图案化光刻胶层，使图形区域的半导体基底背面暴露出来。本发明对所述半导体基底的种类没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的半导体基底即可，具体如GaAs基底、InP基底、GaSb基底、蓝宝石基底或Si基底；本发明对所述半导体基底的厚度没有特殊要求，使用本领域常规厚度的半导体基底即可，在本领域中，所述半导体基底的厚度优选为350～650μm。
在本发明中，所述涂覆光刻胶前优选还包括将所述半导体基底进行预处理；所述预处理优选包括以下步骤：将所述半导体基底依次在丙酮、异丙醇和水中进行超声清洗；所述超声清洗的温度优选为60℃，在丙酮、异丙醇和水中进行超声清洗的时间均优选为10min；所述水优选为去离子水；本发明通过超声清洗去除表面的灰尘及有机污物。
在本发明中，所述光刻胶的涂覆厚度优选为0.5μm～1.5μm；所述光刻胶的涂覆方法优选为旋涂；所述旋涂的转速优选为4000转/分钟；本发明优选在旋涂完毕后对光刻胶层进行前烘处理，然后使用具有周期图形的光刻版进行曝光，对曝光后的光刻胶层进行煎膜处理，然后再进行显影，显影后，使用去离子水将基底正面和背面清洗干净。在本发明中，所述前烘处理的温度优选为95℃，时间优选为60s；所述曝光优选为紫外曝光，曝光时间优选为5s；所述煎膜的温度优选为105℃，时间优选为120s；本发明优选使用显影液进行显影，本发明对所述显影液没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的显影液即可。显影完成后，图形区域的半导体基底背面暴露出来，其他区域仍然设置有光刻胶。
形成图案化光刻胶层后，本发明对半导体基底背面的暴露区域进行刻蚀，形成周期孔洞结构。在本发明中，所述刻蚀用刻蚀液优选为磷酸系刻蚀液H3PO4：H2O2：H2O，其中体积比为H3PO4：H2O2：H2O＝1:1.5:9(摩尔比)；本发明优选将设置有图形化光刻胶层的半导体基底漂浮在刻蚀液中，保证背面与刻蚀液接触，正面不与刻蚀液接触，当达到刻蚀深度时，将半导体基底取出并用去离子水清洗干净。在本发明中，所述刻蚀的深度和后期沉积金刚石薄膜的厚度相同，所述刻蚀深度具体优选为20～30μm。在刻蚀过程中，无光刻胶遮挡的基底被刻蚀，而有光刻胶基底遮挡的部分则不会被刻蚀，从而在基底背面形成周期性的孔洞结构。
刻蚀完成后，本发明在半导体基底背面沉积金刚石薄膜，使孔洞结构中的金刚石薄膜表面和所述半导体基底背面齐平。在本发明中，所述沉积的方法优选为微波等离子体化学气相沉积；所述微波等离子体化学气相沉积的生长气氛优选为氢气、甲烷和氧气，所述氢气的流量优选为300～500sccm，更优选为350～450sccm，甲烷的流量优选为10～35sccm，更优选为15～30sccm，氧气的流量优选为2～5sccm，更优选为3～4sccm；所述微波等离子体化学气相沉积的时间优选为30～150min，更优选为50～100min，生长温度优选为400～600℃，更优选为450～550℃，微波功率优选为3000～5000W，更优选为3500～4500W。
在本发明的具体实施例中，优选将半导体基底放入微波等离子化学气相沉积系统反应腔体中，将基片台高度调节到等离子体球与基片贴合面积最大的位置，然后利用机械泵对反应腔体进行初抽气，当气压下降到1.8×10-2Torr左右时，关闭机械泵，打开氢气，通入200sccm流量的氢气1～2分钟后关闭氢气，然后再次对腔体进行第二次抽真空，抽到极限压强1.0×10-3Torr，以降低反应腔体中的空气等杂质。之后设定沉积参数，通入200sccm流量的氢气，使气压上升到3.5～4.5Torr后，打开微波电源设定功率为250W，在基片台上激发产生等离子体球，然后通过调节三螺钉阻抗调配器，使微波反射最小并稳定等离子体球，最后同步升高工作气压和微波功率，通入所需的气体甲烷、氢气、氧气，使其达到所需的气体流量，在半导体基底背面沉积金刚石薄膜。
沉积完成后，本发明去除半导体基底背面剩余的光刻胶以及沉积在光刻胶上的金刚石薄膜，形成周期分布的金刚石薄膜图形。在沉积过程中，半导体背面的孔洞结构中和具有光刻胶的区域均沉积有金刚石薄膜，本发明通过将光刻胶去除，即可同时去除附着在光刻胶上的金刚石薄膜，剩余金刚石薄膜沉积在孔洞结构中，形成周期分布的金刚石薄膜图形。本发明优选使用丙酮将光刻胶层剥离，具体为将沉积有金刚石薄膜的半导体基底浸泡在丙酮中进行超声处理，直至光刻胶完全剥离。
得到周期分布的金刚石薄膜图形后，本发明对半导体基底正面依次进行减薄和抛光。在本发明中，所述减薄具体优选为将半导体基底的厚度减薄至60～70μm，更优选为减薄至65μm；在本发明的具体实施例中，优选将半导体基底沉积有金刚石薄膜的一侧通过融化的石蜡粘贴在减薄抛光设备的托盘上，粘贴好后将半导体基底正面朝下放在减薄设备的研磨盘上，使半导体基底正面与研磨盘接触，然后加入研磨液进行减薄处理，过程中随机用厚度测试仪测量减薄的厚度，直至减薄至要求厚度；在本发明中，所述减薄过程中研磨盘的转速优选为180转/分钟。
减薄完成后，本发明将减薄后的半导体基底进行抛光。在本发明中，所述抛光为将半导体基底的厚度抛光至40～50μm，优选为45μm，且抛光后的基底表面的均方根粗糙度优选小于3nm。本发明优选使用水将半导体基底表面的研磨液清洗干净，然后再进行抛光。在本发明的具体实施例中，优选将减薄后的半导体基底表面朝下放置在减薄抛光设备的抛光盘上，然后加入抛光液进行抛光，期间用厚度测量仪测试半导体基底的厚度，直至达到要求厚度；在本发明中，所述抛光过程中抛光盘的转速优选为120转/分钟。
在本发明的具体实施例中，抛光完成后，优选将抛光后的半导体基底连同托盘一起进行加热处理，待石蜡融化后将半导体基底从托盘上取下。在本发明中，所述加热的温度优选为200℃。
在本发明中，所述抛光后优选还包括将抛光后的半导体基底进行后处理；所述后处理优选包括以下步骤：将抛光后的半导体基底在甲苯中进行热处理，然后依次在丙酮、异丙醇和水中进行超声清洗，使用氮气吹干。在本发明中，所述超声清洗的温度优选为60℃，在丙酮、异丙醇和水中进行超声清洗的时间均优选为10min；所述水优选为去离子水。
下面结合实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
图1为本发明实施例中制备高效散热半导体衬底的制备流程示意图，其中先在半导体基底背面刻蚀出具有一定深度的周期孔洞结构，然后在孔洞中沉积金刚石薄膜，最后通过对基底正面进行减薄和抛光使基底达到特定的厚度，其中1表示半导体基体，2表示刻蚀有周期孔洞结构的半导体基底，3表示沉积有周期分布的金刚石薄膜图形的半导体基底，4表示减薄后的半导体基底，5表示抛光后的半导体基底，即本发明的最终产品。
实施例1
(1)常规GaSb基底的清洗处理：首先利用标准清洗流程在丙酮(ACE)、异丙醇(IPA)、去离子(DI)水中对常规GaSb基底进行超声清洗，设置超声的温度60℃，超声清洗时间各为10分钟，用盖将内槽封闭依次进行超声清洗，去除表面及背面的灰尘及有机污物。
(2)将清洗后的GaSb基底背面旋涂光刻胶，转速4000转/分钟，旋涂光刻胶后放在加热板上95℃前烘60秒，然后用光刻版(光刻版上具有周期分布的圆形，圆形的直径为30μm，相邻图形圆形的距离为40μm)在紫外曝光设备中曝光5秒，曝光后将GaSb衬底放在加热板上105℃煎膜120秒，煎膜后的衬底在显影液中显影20秒，显影后用去离子水将衬底正面及背面冲洗干净，形成图形化光刻胶。
(3)将具有图形化光刻胶的GaSb基底背面朝下放置并漂浮在盛有刻蚀液的烧杯中，保持半导体正面不与刻蚀液接触暴露在空气中，当刻蚀深度为30μm时将GaSb基底取出经过去离子水清洗干净；
(4)将步骤(3)中的GaSb基底背面朝上放置在微波等离子化学气相沉积系统反应腔中，将基片台高度调节到等离子体球与基片贴合面积最大的位置，然后利用机械泵对反应腔体进行初抽气。当气压下降到1.8×10-2Torr时，关闭机械泵，打开氢气，通入200sccm流量的氢气1分钟后关闭氢气，再次对腔体进行第二次抽真空，抽到极限压强1.0×10-3Torr，以降低反应腔体中的空气等杂质。
设定实验具体参数，通入200sccm流量的氢气，使气压上升到3.5Torr后，打开微波电源设定功率为250W，在基片台上激发产生等离子体球，然后通过调节三螺钉阻抗调配器，使微波反射最小并稳定等离子体球。最后同步升高工作气压和微波功率，通入实验所需的气体甲烷、氢气、氧气，使其达到实验所设定的参数，在GaSb基底背面沉积30μm厚度的金刚石薄膜。
沉积参数：沉积时间60分钟；生长温度600℃；微波功率3千瓦；氢气流量300sccm，甲烷流量10sccm，氧气流量2sccm。
(5)将步骤(4)中的样品取出，放在盛有丙酮的烧杯中，在加热温度为60℃的超声器中超声清洗30分钟，完成GaSb基底背面光刻胶的清洗和光刻胶表面金刚石薄膜的剥离，此时，GaSb基底背面制备有30μm厚度的周期分布金刚石薄膜图形，且GaSb基底背面处于平整状态。
(6)将步骤(5)中的设置有金刚石薄膜图形的一面通过融化的石蜡粘贴在减薄抛光设备中的托盘上，将GaSb基底面朝下放在减薄设备的研磨盘上，加入研磨液，设定减薄设备研磨盘的转速为180转/分钟进行减薄，过程中随机用厚度测试仪测量减薄的厚度，直至将GaSb衬底厚度减薄至60μm。
(7)用去离子水将GaSb基底背面的研磨液冲洗干净，然后将GaSb基底表面朝下放置在抛光设备的抛光盘上，加入抛光液，设定抛光盘的转速为120转/分钟，期间用厚度测量仪测试GaSb基底的厚度，直至将GaSb基底抛光至50μm。
(8)将通过石蜡粘贴在托盘上经过减薄、抛光后的GaSb基底连同托盘放在加热台上，加热台是温度设定为200℃，当石蜡融化后取走托盘，将减薄、抛光后的基底放在甲苯溶液中加热至70℃持续30分钟，然后使用丙酮(ACE)、异丙醇(IPA)、去离子(DI)水分别超声清洗10分钟，清洗温度为60℃，并用氮气吹干。至此制备得到本发明的具有高热导率的半导体衬底，该衬底背面嵌有周期分布的金刚石薄膜图形，正面为适宜器件外延生长的GaAs衬底层。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种具有高热导率的半导体衬底，其特征在于，所述半导体衬底背面制备有周期孔洞结构，在周期孔洞结构中嵌有金刚石薄膜；所述金刚石薄膜的表面和半导体衬底背面齐平构成周期分布的金刚石薄膜图形；所述半导体衬底的厚度为40～50μm；所述半导体衬底正面的均方根糙度小于3nm；所述金刚石薄膜的厚度为20～30μm；所述周期分布的金刚石薄膜图形中的图形为圆形或正方形；所述圆形的直径为20～30μm，所述正方形的边长为20～30μm；所述半导体衬底的制备方法包括以下步骤：
(1)在半导体基底背面涂覆光刻胶，然后按照预定的周期分布图形依次进行曝光和显影，形成图案化光刻胶层，使图形区域的半导体基底背面暴露出来；
(2)对半导体基底背面的暴露区域进行刻蚀，形成周期孔洞结构，然后在半导体基底背面沉积金刚石薄膜，使孔洞结构中的金刚石薄膜表面和所述半导体基底背面齐平；
(3)去除半导体基底背面剩余的光刻胶以及沉积在光刻胶上的金刚石薄膜，形成周期分布的金刚石薄膜图形，然后对半导体基底正面依次进行减薄和抛光，抛光至半导体基底厚度为40～50μm，且半导体基底正面的均方根糙度小于3nm，得到所述具有高热导率的半导体衬底。
2.根据权利要求1所述的半导体衬底，其特征在于，所述周期分布的金刚石薄膜图形中相邻图形中心的距离为30～40μm。
3.权利要求1～2任意一项所述半导体衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在半导体基底背面涂覆光刻胶，然后按照预定的周期分布图形依次进行曝光和显影，形成图案化光刻胶层，使图形区域的半导体基底背面暴露出来；
(2)对半导体基底背面的暴露区域进行刻蚀，形成周期孔洞结构，然后在半导体基底背面沉积金刚石薄膜，使孔洞结构中的金刚石薄膜表面和所述半导体基底背面齐平；
(3)去除半导体基底背面剩余的光刻胶以及沉积在光刻胶上的金刚石薄膜，形成周期分布的金刚石薄膜图形，然后对半导体基底正面依次进行减薄和抛光，抛光至半导体基底厚度为40～50μm，且半导体基底正面的均方根糙度小于3nm，得到所述具有高热导率的半导体衬底。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述沉积金刚石薄膜的方法为微波等离子体化学气相沉积；所述微波等离子体化学气相沉积的生长气氛为氢气、甲烷和氧气，所述氢气的流量为300～500sccm，甲烷的流量为10～35sccm，氧气的流量为2～5sccm；所述微波等离子体化学气相沉积的时间为30～150min，生长温度为400～600℃，微波功率为3000～5000W。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述减薄具体为将半导体基底的厚度减薄至60～70μm。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述涂覆光刻胶前还包括将所述半导体基底进行预处理；所述预处理包括以下步骤：
将所述半导体基底依次在丙酮、异丙醇和水中进行超声清洗。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述抛光后还包括将抛光后的半导体基底进行后处理；所述后处理包括以下步骤：
将抛光后的半导体基底在甲苯中进行热处理，然后依次在丙酮、异丙醇和水中进行超声清洗，再使用氮气吹干。
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