CN111477600B - 一种半导体晶圆的冷却元件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体晶圆的冷却元件及其制备方法，所述冷却元件包括铜盖板和铜基座，所述铜基座包括冷却通道。本发明选用导热系数较高的铜代替铝合金，作为冷却元件的主材料，具有良好的散热效果，散热效率超过2.5℃/s。本发明所述制备方法采用真空扩散焊接将铜盖板和铜基座焊接起来，形成密封性良好的冷却通道，焊接结合率超过99.9％，还有效避免了漏水、漏气问题，提高了成品率。

Description

一种半导体晶圆的冷却元件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体晶圆设备技术领域，尤其涉及一种半导体晶圆的冷却元件及其制备方法。
背景技术
在半导体芯片制造过程中，温度管控是一个非常重要的工作。温度不仅在晶圆的工艺生产过程中发挥重要影响，而且在相关制程工艺结束后，对晶圆上的器件性能影响仍然“发挥余热”。比如，刚从干刻腔室、气相沉积腔室或炉管腔室等高温制程腔室移出的晶圆，由于晶圆上各处分布的器件密度不同，使得晶圆表面各处的温度呈现出差异，如果不及时解决这种温度差异，反而让晶圆自然暴露在大气环境中，那晶圆表面就可能因热胀冷缩等原因导致器件性能下降甚至失效，还可能造成晶圆污染。因而晶圆从高温制程腔室移出之后，通常需要送到冷却室进行冷却。
目前，在半导体晶圆的冷却过程中，往往需要采用一种带有水道的冷却盘体，用于实现半导体晶圆的快速冷却。例如CN105097409A公开了一种等离子体反应腔室用带磁铁环的直冷阴极衬套，包括设有冷却水道的衬套主体、钕铁硼永久磁铁、盖板、水道接头，其中，起着关键作用的衬套主体采用高纯度铝合金的材质，可以有效地对等离子体反应腔室进行降温，保证等离子体刻蚀的安全进行。
CN204464243U公开了一种刻蚀机内部的水冷卡盘结构，包括氦气分布板、水道分布板、水道密封板，且各部分组件的材料均为6061-T6铝合金，可以实现冷却和温控的双重功能，确保刻蚀过程中蓝宝石片及刻蚀腔内工作温度控制的质量，大大延长了设备的使用寿命。
CN205752150U公开了一种半导体装置，包括绝缘基板、半导体芯片和冷却器，所述冷却器由冷却部件和冷却器外套构成。其中，所述冷却器外套由铝合金构成，所述冷却部件为由铝合金构成的导热金属部件和由铝构成的热应力吸收部件一体形成的复合部件。所述半导体装置采用由铝构成的热应力吸收部件，能够缓和因热膨胀系数间的差异而产生的热应力，从而能够满足导热性、生产性、可靠性以及成本的要求。
然而，从上述现有技术可以看出，目前制备冷却盘体的材料普遍为铝合金。可是，因为铝的导热能力较差，导致半导体晶圆的冷却效果不佳，生产周期较长。
由于铜的导热系数是铝的1.5倍，若将半导体晶圆设备的冷却装置普遍采用铜，冷却能力会大幅度提高。然而，由于半导体晶圆的高精密性，采用铜材质的冷却元件面临两个主要难题：一是铜的硬度较小，容易变形，无法有效承载半导体晶圆；二是铜不能直接裸露在大气中，容易造成铜的氧化，导致铜离子的泄露，增加了晶圆报废和半导体晶圆设备损坏的风险。
综上所述，目前亟需开发一种半导体晶圆的冷却元件及其制备方法。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种半导体晶圆的冷却元件及其制备方法，所述冷却元件选用导热系数较高的铜作为主体材料，可以有效提高冷却元件的散热效果，实现半导体晶圆的快速冷却。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种半导体晶圆的冷却元件，所述冷却元件包括铜盖板和铜基座，所述铜基座包括冷却通道。
本发明所述冷却元件选用导热系数较高的铜代替铝合金，并通过铜基座和铜盖板形成密封的冷却通道，有效提高了冷却元件的散热效果，散热速率超过2.5℃/s。
作为本发明优选的技术方案，在远离所述铜基座的一侧，所述铜盖板和不锈钢盖板相连接。
优选地，所述铜盖板和不锈钢盖板之间包括焊接钎层。
本发明所述不锈钢盖板能够有效承载半导体晶圆，防止冷却元件发生变形，保证了冷却元件的使用稳定性。
作为本发明优选的技术方案，所述冷却元件裸露的铜表面镀有镍层。
本发明所述在冷却元件裸露的铜表面上镀有镍层，有效防止了铜的氧化，避免了铜离子泄露的风险，减少了晶圆报废率和对半导体晶圆设备的损坏，还具有导热性能好，性价比高的优点。
优选地，所述镍层的厚度为8-10μm，例如8μm、8.3μm、8.5μm、8.8μm、9μm、9.2μm、9.4μm、9.5μm、9.7μm或10μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述镍层的厚度为8-10μm，既可以保证镍层的致密度要求，又能够防止镍层过厚造成的脱落和成本增加等问题，进而有效防止了铜的氧化，避免了铜离子泄露的风险，减少了晶圆报废率和对半导体晶圆设备的损坏。
作为本发明优选的技术方案，所述不锈钢盖板的厚度为0.8-1.2mm，例如0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm或1.2mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述铜盖板的厚度为0.8-1.2mm，例如0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm或1.2mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述铜基座的厚度为4.5-5.5mm，例如4.5mm、4.6mm、4.7mm、4.8mm、4.9mm、5mm、5.1mm、5.2mm、5.3mm、5.4mm或5.5mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述冷却元件通过控制不锈钢盖板、铜盖板和铜基座的厚度，不仅能够尽可能地减少所述冷却元件的整体质量，还可以加快散热速率。
优选地，所述冷却通道包括进口和出口，所述进口和出口均开设在所述铜基座的底面上。
优选地，所述冷却通道呈螺旋状。
本发明的目的之二在于提供一种如目的之一所述冷却元件的制备方法，所述制备方法包括将所述铜盖板和铜基座进行装配处理，然后进行真空扩散焊接，得到所述冷却元件。
本发明所述制备方法采用真空扩散焊接将铜盖板和铜基座焊接起来，可以形成密封性良好的冷却通道，焊接结合率超过99.9％，还有效避免了漏水、漏气问题，提高了成品率。其中，由于真空扩散焊接的焊接压力较小，使得带有冷却水道的铜基座不易发生变形，提高了良品率。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将所述不锈钢盖板、铜盖板、铜基座进行加工，加工后的铜基座包括所述冷却通道；
(2)将步骤(1)得到的加工后的铜盖板和加工后的铜基座进行装配处理，然后进行真空扩散焊接，得到铜冷却件；
(3)将步骤(2)得到的铜冷却件和步骤(1)得到的加工后的不锈钢盖板进行装配处理，然后进行真空钎焊，得到冷却元件粗品；
(4)将步骤(3)得到的冷却元件粗品裸露的铜表面进行镀镍处理，得到所述冷却元件。
本发明所述制备方法先是采用真空扩散焊接将铜盖板和铜基座焊接起来，形成密封性良好的冷却通道，然后采用真空钎焊将不锈钢盖板和铜盖板焊接起来，给冷却元件提供承载支撑，最后对裸露的铜表面进行镀镍处理，防止铜离子的泄露。所述制备方法不仅焊接结合率超过99.9％，还有效避免了漏水、漏气问题，成品率高。其中，真空钎焊不仅能够有效提高不锈钢盖板和铜盖板的焊接结合率，还具有变形小、性价比高的优点。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述铜盖板和铜基座的加工处理包括抛光处理。
优选地，所述抛光处理的阳极电流密度为6-15A/dm2，电压为5-8V，抛光时间为3-5min，本领域技术人员可以根据实际情况进行合理选择。
优选地，对相接触的所述铜盖板和所述铜基座的表面均进行抛光处理，抛光后的表面粗糙度Ra为1.6-3.2μm，例如1.6μm、1.8μm、2μm、2.2μm、2.4μm、2.5μm、2.6μm、2.8μm、3μm或3.2μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述抛光处理后，使得相接触的铜盖板和铜基座的表面粗糙度减小，更有利于真空扩散焊接过程中铜的扩散，进一步有助于提高铜盖板和铜基座的焊接结合率。
优选地，步骤(1)所述不锈钢盖板的加工处理包括喷砂处理和镀镍处理。
优选地，所述不锈钢盖板和所述铜盖板相接触的面为不锈钢盖板焊接面。
优选地，对所述不锈钢盖板焊接面依次进行喷砂处理和镀镍处理。
优选地，所述喷砂处理后，所述不锈钢盖板焊接面的表面粗糙度Ra为6-6.5μm，例如6μm、6.1μm、6.2μm、6.3μm、6.4μm或6.5μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，对所述不锈钢盖板焊接面的镀镍处理为化学镀镍。
优选地，所述不锈钢盖板焊接面的镍层的厚度为10-15μm，例如10μm、11μm、12μm、13μm、14μm或15μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述制备方法在真空钎焊之前，需要对与铜盖板相接触的不锈钢盖板焊接面进行喷砂处理和化学镀镍处理，先是通过喷砂处理增加不锈钢盖板焊接面的粗糙度，增加后续化学镀镍的镀膜面积，然后通过化学镀镍在不锈钢盖板焊接面上形成一层带有孔隙的镍层，有助于增大真空钎焊中焊料的接触面积，从而有助于提高真空钎焊的焊接结合率。其中，将不锈钢盖板焊接面的镍层的厚度控制在10-15μm范围内，可以有效提高镍层和钎料的结合力，进而提高不锈钢盖板和铜盖板之间的焊接结合度。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述真空扩散焊接的焊接温度为550-580℃，例如550℃、555℃、560℃、565℃、570℃、575℃或580℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述真空扩散焊接的施加压力为10-15MPa，例如10MPa、11MPa、12MPa、13MPa、14MPa或15MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述真空扩散焊接的焊接时间为60-80min，例如60min、62min、65min、67min、70min、73min、75min、78min或80min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述真空扩散焊接的真空度≤3.0×10-3MPa，本领域技术人员可以根据实际情况进行合理选择。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述真空钎焊的升温速率为5.6-6.7℃/min，例如5.6℃/min、5.8℃/min、6℃/min、6.2℃/min、6.4℃/min、6.5℃/min或6.7℃/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述真空钎焊的焊接温度为800-850℃，例如800℃、810℃、820℃、830℃、840℃或850℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述真空钎焊的保温时间为30-35min，例如30min、31min、32min、33min、34min或35min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述真空钎焊的真空度在0.001Pa以上，本领域技术人员可以根据实际情况进行合理选择。
优选地，步骤(3)所述真空钎焊的压块重量为100-150kg，例如100kg、110kg、120kg、130kg、140kg或150kg等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述真空钎焊的钎料为AgCuInTi焊片。
优选地，所述AgCuInTi焊片的长×宽×高为1100×150×(0.05-0.1)mm，例如1100×150×0.05mm、1100×150×0.06mm、1100×150×0.07mm、1100×150×0.08mm、1100×150×0.09mm或1100×150×0.1mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，按照质量百分含量计，所述AgCuInTi焊片包括Ag 60-70％，Cu 13.5-23％，In 14-14.5％，Ti 3-3.2％，本领域技术人员可以根据实际情况合理选择适宜质量百分含量的AgCuInTi焊片。
优选地，步骤(4)所述镀镍处理为物理气相沉积，优选为真空磁控溅射。
本发明所述采用真空磁控溅射的方法对裸露的铜表面进行镀镍处理，可以保证镍层的均匀性和致密性，从而有效防止了铜离子的泄露，进一步避免了晶圆报废和对半导体晶圆设备的不良影响。
优选地，所述真空磁控溅射的电流为15-25A，偏压为80-130V，温度为100-150℃，时间为2-4h，本领域技术人员可以根据实际情况进行合理选择。
优选地，步骤(4)所述镀镍处理得到的镍层的厚度为8-10μm，例如8μm、8.3μm、8.5μm、8.8μm、9μm、9.2μm、9.4μm、9.5μm、9.7μm或10μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将所述不锈钢盖板、铜盖板、铜基座进行加工，加工后的铜基座包括所述冷却通道；
其中，对相接触的所述铜盖板和所述铜基座的表面均进行抛光处理，抛光后的表面粗糙度Ra为1.6-3.2μm；所述不锈钢盖板和所述铜盖板相接触的面为不锈钢盖板焊接面，对所述不锈钢盖板焊接面先进行喷砂处理，使得表面粗糙度Ra为6-6.5μm，然后进行化学镀镍处理，使得镍层的厚度为10-15μm；
(2)将步骤(1)得到的加工后的铜盖板和加工后的铜基座进行装配处理，然后进行真空扩散焊接，得到铜冷却件；
其中，所述真空扩散焊接的焊接温度为550-580℃，施加压力为10-15MPa，焊接时间为60-80min，真空度≤3.0×10-3MPa；
(3)将步骤(2)得到的铜冷却件和步骤(1)得到的加工后的不锈钢盖板进行装配处理，然后进行真空钎焊，得到冷却元件粗品；
其中，所述真空钎焊的升温速率为5.6-6.7℃/min，焊接温度为800-850℃，保温时间为30-35min，真空度在0.001Pa以上，压块重量为100-150kg；
(4)将步骤(3)得到的冷却元件粗品裸露的铜表面采用真空磁控溅射进行镀镍处理，得到所述冷却元件；
其中，所述真空磁控溅射的电流为15-25A，偏压为80-130V，温度为100-150℃，时间为2-4h；所述镀镍处理得到的镍层的厚度为8-10μm。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明所述冷却元件选用导热系数较高的铜代替铝合金，并通过铜基座和铜盖板形成密封的冷却通道，有效提高了冷却元件的散热效果，散热速率超过2.5℃/s；
(2)本发明所述冷却元件在铜盖板上增设不锈钢盖板，能够有效承载半导体晶圆，防止冷却元件发生变形，保证了冷却元件的使用稳定性；
(3)本发明所述冷却元件对裸露的铜表面上镀有镍层，有效防止了铜的氧化，避免了铜离子泄露的风险，减少了晶圆报废率和对半导体晶圆设备的损坏；
(4)本发明所述制备方法采用真空扩散焊接将铜盖板和铜基座焊接起来，可以形成密封性良好的冷却通道，焊接结合率超过99.9％，还有效避免了漏水、漏气问题，提高了成品率。
附图说明
图1是本发明所述制备方法的流程图；
图2是本发明实施例1所述冷却元件中带有冷却水道的铜基座的俯视图；
图3是本发明实施例1所述冷却元件的截面示意图；
图4是图3虚线框处的局部放大图；
图中：1-不锈钢盖板；2-铜盖板；3-铜基座；4-焊接钎层；5-冷却通道；6-镍层。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
如图1所示，本发明所述制备方法包括：不锈钢盖板、铜盖板、铜基座的加工处理；将加工后的铜盖板和加工后的铜基座进行装配处理，然后进行真空扩散焊接；将加工后的不锈钢盖板和真空扩散焊接后的铜盖板进行装配处理，然后进行真空钎焊；将真空钎焊后的冷却元件粗品裸露的铜表面进行镀镍处理，得到冷却元件。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
本实施例提供了一种半导体晶圆的冷却元件，如图3和图4所示，所述冷却元件由上向下依次包括不锈钢盖板1、铜盖板2、铜基座3，所述铜基座3包括冷却通道5，所述冷却元件裸露的铜表面镀有镍层6；所述铜盖板2和不锈钢盖板1之间包括焊接钎层4；其中，如图2所示，铜基座3上开设的冷却通道5呈螺旋状；
所述不锈钢盖板1的厚度为1mm，所述铜盖板2的厚度为1mm，所述铜基座3的厚度为5mm，所述镍层6的厚度为9μm；所述冷却通道5包括进口和出口，所述进口和出口均开设在所述铜基座3的底面上。
本实施例所述冷却元件的制备方法包括如下步骤：
(1)将所述不锈钢盖板1、铜盖板2、铜基座3进行加工，加工后的铜基座3包括所述冷却通道5；
其中，对相接触的所述铜盖板2和所述铜基座3的表面均进行抛光处理，抛光后的表面粗糙度Ra均为2μm；所述不锈钢盖板1和所述铜盖板2相接触的面为不锈钢盖板焊接面，对所述不锈钢盖板焊接面先进行喷砂处理，使得表面粗糙度Ra为6.3μm，然后进行化学镀镍处理，使得镍层的厚度为12μm；
(2)将步骤(1)得到的加工后的铜盖板2和加工后的铜基座3进行装配处理，然后进行真空扩散焊接，得到铜冷却件；
其中，所述真空扩散焊接的焊接温度为560℃，施加压力为12MPa，焊接时间为70min，真空度≤3.0×10-3MPa；
(3)将步骤(2)得到的铜冷却件和步骤(1)得到的加工后的不锈钢盖板1进行装配处理，然后进行真空钎焊，得到冷却元件粗品；
其中，所述真空钎焊的升温速率为6℃/min，焊接温度为830℃，保温时间为32min，真空度在0.001Pa以上，压块重量为120kg；所述真空钎焊的钎料为AgCuInTi焊片，所述AgCuInTi焊片的长×宽×高为1100×150×0.08mm；按照质量百分含量计，所述AgCuInTi焊片包括Ag 67％，Cu 15.3％，In 14.5％，Ti 3.2％；
(4)将步骤(3)得到的冷却元件粗品裸露的铜表面采用真空磁控溅射进行镀镍处理，得到所述冷却元件；
其中，所述真空磁控溅射的电流为20A，偏压为100V，温度为120℃，时间为3h，所述镀镍处理得到的镍层的厚度为9μm。
采用本实施例所述冷却元件给半导体晶圆进行冷却降温，半导体晶圆从100℃冷却到25℃需要28秒，即本实施例所述冷却元件的散热速率为2.68℃/s，并未发生变形和铜离子泄露，而且焊接结合率超过99.9％。
实施例2
本实施例提供了一种半导体晶圆的冷却元件及其制备方法，除了去掉不锈钢盖板1，其他条件和实施例1完全相同。
采用本实施例所述冷却元件给半导体晶圆进行冷却降温，半导体晶圆从100℃冷却到25℃需要26秒，即本实施例所述冷却元件的散热速率为2.85℃/s，冷却元件虽然散热速率稍稍提高，没有发生铜离子泄露，焊接结合率超过99.9％，但是易发生变形，导致半导体晶圆产品的平面度超过0.1mm，无法进行后续安装。
实施例3
本实施例提供了一种半导体晶圆的冷却元件及其制备方法，除了去掉裸露铜表面上的镍层6，其他条件和实施例1完全相同。
采用本实施例所述冷却元件给半导体晶圆进行冷却降温，半导体晶圆从100℃冷却到25℃需要28秒，即本实施例所述冷却元件的散热速率为2.68℃/s，冷却元件虽然没有发生变形，焊接结合率超过99.9％，但是易发生铜离子泄露，导致半导体晶圆产品因为铜离子污染而报废。
实施例4
本实施例提供了一种半导体晶圆的冷却元件及其制备方法，除了将裸露铜表面上的镍层6替换为钛层，其他条件和实施例1完全相同。
采用本实施例所述冷却元件给半导体晶圆进行冷却降温，半导体晶圆从100℃冷却到25℃需要28秒，即本实施例所述冷却元件的散热速率为2.68℃/s，并未发生变形和铜离子泄露，而且焊接结合率超过99.9％。但是，相比于镍层，钛层的导热性能较差，性价比较低，增加了成本投入。
实施例5
本实施例提供了一种半导体晶圆的冷却元件，所述冷却元件由上向下依次包括不锈钢盖板1、铜盖板2、铜基座3，所述铜基座3包括冷却通道5，所述冷却元件裸露的铜表面镀有镍层6；所述铜盖板2和不锈钢盖板1之间包括焊接钎层4；铜基座3上开设的冷却通道5呈螺旋状；
所述不锈钢盖板1的厚度为0.8mm，所述铜盖板2的厚度为0.8mm，所述铜基座3的厚度为4.5mm，所述镍层6的厚度为8μm；所述冷却通道5包括进口和出口，所述进口和出口均开设在所述铜基座3的底面上。
本实施例所述冷却元件的制备方法包括如下步骤：
(1)将所述不锈钢盖板1、铜盖板2、铜基座3进行加工，加工后的铜基座3包括所述冷却通道5；
其中，对相接触的所述铜盖板2和所述铜基座3的表面均进行抛光处理，抛光后的表面粗糙度Ra均为1.6μm；所述不锈钢盖板1和所述铜盖板2相接触的面为不锈钢盖板焊接面，对所述不锈钢盖板焊接面先进行喷砂处理，使得表面粗糙度Ra为6μm，然后进行化学镀镍处理，使得镍层的厚度为10μm；
(2)将步骤(1)得到的加工后的铜盖板2和加工后的铜基座3进行装配处理，然后进行真空扩散焊接，得到铜冷却件；
其中，所述真空扩散焊接的焊接温度为550℃，施加压力为10MPa，焊接时间为60min，真空度≤3.0×10-3MPa；
(3)将步骤(2)得到的铜冷却件和步骤(1)得到的加工后的不锈钢盖板1进行装配处理，然后进行真空钎焊，得到冷却元件粗品；
其中，所述真空钎焊的升温速率为5.6℃/min，焊接温度为800℃，保温时间为30min，真空度在0.001Pa以上，压块重量为100kg；所述真空钎焊的钎料为AgCuInTi焊片，所述AgCuInTi焊片的长×宽×高为1100×150×0.05mm；按照质量百分含量计，所述AgCuInTi焊片包括Ag 65％，Cu 18％，In 14％，Ti 3％；
(4)将步骤(3)得到的冷却元件粗品裸露的铜表面采用真空磁控溅射进行镀镍处理，得到所述冷却元件；
其中，所述真空磁控溅射的电流为15-25A，偏压为80-130V，温度为100-150℃，时间为2-4h，所述镀镍处理得到的镍层的厚度为8μm。
采用本实施例所述冷却元件给半导体晶圆进行冷却降温，半导体晶圆从100℃冷却到25℃需要29秒，即本实施例所述冷却元件的散热速率为2.59℃/s，并未发生变形和铜离子泄露，而且焊接结合率超过99.9％。
实施例6
本实施例提供了一种半导体晶圆的冷却元件，所述冷却元件由上向下依次包括不锈钢盖板1、铜盖板2、铜基座3，所述铜基座3包括冷却通道5，所述冷却元件裸露的铜表面镀有镍层6；所述铜盖板2和不锈钢盖板1之间包括焊接钎层4；铜基座3上开设的冷却通道5呈螺旋状；
所述不锈钢盖板1的厚度为1.2mm，所述铜盖板2的厚度为1.2mm，所述铜基座3的厚度为5.5mm，所述镍层6的厚度为10μm；所述冷却通道5包括进口和出口，所述进口和出口均开设在所述铜基座3的底面上。
本实施例所述冷却元件的制备方法包括如下步骤：
(1)将所述不锈钢盖板1、铜盖板2、铜基座3进行加工，加工后的铜基座3包括所述冷却通道5；
其中，对相接触的所述铜盖板2和所述铜基座3的表面均进行抛光处理，抛光后的表面粗糙度Ra均为3.2μm；所述不锈钢盖板1和所述铜盖板2相接触的面为不锈钢盖板焊接面，对所述不锈钢盖板焊接面先进行喷砂处理，使得表面粗糙度Ra为6.5μm，然后进行化学镀镍处理，使得镍层的厚度为15μm；
(2)将步骤(1)得到的加工后的铜盖板2和加工后的铜基座3进行装配处理，然后进行真空扩散焊接，得到铜冷却件；
其中，所述真空扩散焊接的焊接温度为580℃，施加压力为15MPa，焊接时间为80min，真空度≤3.0×10-3MPa；
(3)将步骤(2)得到的铜冷却件和步骤(1)得到的加工后的不锈钢盖板1进行装配处理，然后进行真空钎焊，得到冷却元件粗品；
其中，所述真空钎焊的升温速率为6.7℃/min，焊接温度为850℃，保温时间为35min，真空度在0.001Pa以上，压块重量为150kg；所述真空钎焊的钎料为AgCuInTi焊片，所述AgCuInTi焊片的长×宽×高为1100×150×0.1mm；按照质量百分含量计，所述AgCuInTi焊片包括Ag 60％，Cu 23％，In 14％，Ti 3％；
(4)将步骤(3)得到的冷却元件粗品裸露的铜表面采用真空磁控溅射进行镀镍处理，得到所述冷却元件；
其中，所述真空磁控溅射的电流为15-25A，偏压为80-130V，温度为100-150℃，时间为2-4h，所述镀镍处理得到的镍层的厚度为10μm。
采用本实施例所述冷却元件给半导体晶圆进行冷却降温，半导体晶圆从100℃冷却到25℃需要30秒，即本实施例所述冷却元件的散热速率为2.5℃/s，并未发生变形和铜离子泄露，而且焊接结合率超过99.9％。
对比例1
本对比例提供了一种半导体晶圆的冷却元件，所述冷却元件包括铝合金盖板和铝合金基座，其中铝合金材料为6061型铝合金，所述铝合金基座包括冷却通道；
所述铝合金盖板的厚度为1mm，所述铝合金基座的厚度为5mm，所述冷却通道包括进口和出口，所述进口和出口均开设在所述铝合金基座的底面上；所述冷却通道呈螺旋状。
采用本实施例所述冷却元件给半导体晶圆进行冷却降温，半导体晶圆从100℃冷却到25℃需要35秒，即本实施例所述冷却元件的散热速率为2.14℃/s，散热速率较慢，容易导致半导体晶圆的冷却效果不佳，生产周期较长。
综合所述实施例和对比例可以得出以下几点：
(1)本发明所述冷却元件选用导热系数较高的铜代替铝合金，并通过铜基座和铜盖板形成密封的冷却通道，有效提高了冷却元件的散热效果，散热速率超过2.5℃/s；而且，采用真空扩散焊接将铜盖板和铜基座焊接起来，可以形成密封性良好的冷却通道，焊接结合率超过99.9％，还有效避免了漏水、漏气问题，提高了成品率；
(2)对比实施例1和实施例2，由于实施例1在铜盖板上增设不锈钢盖板，能够有效承载半导体晶圆，防止冷却元件发生变形，保证了冷却元件的使用稳定性；
(3)对比实施例1和实施例3、4，由于实施例1对裸露的铜表面上镀有镍层，有效防止了铜的氧化，避免了铜离子泄露的风险，减少了晶圆报废率和对半导体晶圆设备的损坏；而且，镍层具有导热性能好，性价比较高等优点。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (29)

1.一种半导体晶圆的冷却元件，其特征在于，所述冷却元件包括铜盖板和铜基座，所述铜基座包括冷却通道；在远离所述铜基座的一侧，所述铜盖板和不锈钢盖板相连接；所述铜盖板和不锈钢盖板之间包括焊接钎层；
其中，所述冷却元件的制备方法包括如下步骤：
(1)将所述不锈钢盖板、铜盖板、铜基座进行加工，加工后的铜基座包括所述冷却通道；
所述不锈钢盖板的加工处理包括喷砂处理和镀镍处理；所述不锈钢盖板和所述铜盖板相接触的面为不锈钢盖板焊接面，对所述不锈钢盖板焊接面先进行喷砂处理，使得表面粗糙度Ra为6-6.5μm，然后进行化学镀镍处理，使得镍层的厚度为10-15μm；
(2)将步骤(1)得到的加工后的铜盖板和加工后的铜基座进行装配处理，然后进行真空扩散焊接，得到铜冷却件；
(3)将步骤(2)得到的铜冷却件和步骤(1)得到的加工后的不锈钢盖板进行装配处理，然后进行真空钎焊，得到冷却元件粗品；
(4)将步骤(3)得到的冷却元件粗品裸露的铜表面进行镀镍处理，得到所述冷却元件。
2.根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，所述冷却元件裸露的铜表面镀有镍层。
3.根据权利要求2所述的冷却元件，其特征在于，所述镍层的厚度为8-10μm。
4.根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，所述不锈钢盖板的厚度为0.8-1.2mm。
5.根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，所述铜盖板的厚度为0.8-1.2mm。
6.根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，所述铜基座的厚度为4.5-5.5mm。
7.根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，所述冷却通道包括进口和出口，所述进口和出口均开设在所述铜基座的底面上。
8.根据权利要求1所述的冷却元件，其特征在于，所述冷却通道呈螺旋状。
9.一种如权利要求1-8任一项所述冷却元件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将所述不锈钢盖板、铜盖板、铜基座进行加工，加工后的铜基座包括所述冷却通道；
所述不锈钢盖板的加工处理包括喷砂处理和镀镍处理；所述不锈钢盖板和所述铜盖板相接触的面为不锈钢盖板焊接面，对所述不锈钢盖板焊接面先进行喷砂处理，使得表面粗糙度Ra为6-6.5μm，然后进行化学镀镍处理，使得镍层的厚度为10-15μm；
(2)将步骤(1)得到的加工后的铜盖板和加工后的铜基座进行装配处理，然后进行真空扩散焊接，得到铜冷却件；
(3)将步骤(2)得到的铜冷却件和步骤(1)得到的加工后的不锈钢盖板进行装配处理，然后进行真空钎焊，得到冷却元件粗品；
(4)将步骤(3)得到的冷却元件粗品裸露的铜表面进行镀镍处理，得到所述冷却元件。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述铜盖板和铜基座的加工处理包括抛光处理。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述抛光处理的阳极电流密度为6-15A/dm2，电压为5-8V，抛光时间为3-5min。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，对相接触的所述铜盖板和所述铜基座的表面均进行抛光处理，抛光后的表面粗糙度Ra为1.6-3.2μm。
13.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述真空扩散焊接的焊接温度为550-580℃。
14.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述真空扩散焊接的施加压力为10-15MPa。
15.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述真空扩散焊接的焊接时间为60-80min。
16.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述真空扩散焊接的真空度≤3.0×10-3MPa。
17.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述真空钎焊的升温速率为5.6-6.7℃/min。
18.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述真空钎焊的焊接温度为800-850℃。
19.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述真空钎焊的保温时间为30-35min。
20.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述真空钎焊的真空度在0.001Pa以上。
21.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述真空钎焊的压块重量为100-150kg。
22.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，骤(3)所述真空钎焊的钎料为AgCuInTi焊片。
23.根据权利要求22所述的制备方法，其特征在于，所述AgCuInTi焊片的长×宽×高为1100×150×(0.05-0.1)mm。
24.根据权利要求22所述的制备方法，其特征在于，按照质量百分含量计，所述AgCuInTi焊片包括Ag 60-70％，Cu 13.5-23％，In 14-14.5％，Ti 3-3.2％。
25.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述镀镍处理为物理气相沉积。
26.根据权利要求25所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述镀镍处理为真空磁控溅射。
27.根据权利要求26所述的制备方法，其特征在于，所述真空磁控溅射的电流为15-25A，偏压为80-130V，温度为100-150℃，时间为2-4h。
28.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述镀镍处理得到的镍层的厚度为8-10μm。
29.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将所述不锈钢盖板、铜盖板、铜基座进行加工，加工后的铜基座包括所述冷却通道；
其中，对相接触的所述铜盖板和所述铜基座的表面均进行抛光处理，抛光后的表面粗糙度Ra为1.6-3.2μm；所述不锈钢盖板和所述铜盖板相接触的面为不锈钢盖板焊接面，对所述不锈钢盖板焊接面先进行喷砂处理，使得表面粗糙度Ra为6-6.5μm，然后进行化学镀镍处理，使得镍层的厚度为10-15μm；
(2)将步骤(1)得到的加工后的铜盖板和加工后的铜基座进行装配处理，然后进行真空扩散焊接，得到铜冷却件；
其中，所述真空扩散焊接的焊接温度为550-580℃，施加压力为10-15MPa，焊接时间为60-80min，真空度≤3.0×10-3MPa；
(3)将步骤(2)得到的铜冷却件和步骤(1)得到的加工后的不锈钢盖板进行装配处理，然后进行真空钎焊，得到冷却元件粗品；
其中，所述真空钎焊的升温速率为5.6-6.7℃/min，焊接温度为800-850℃，保温时间为30-35min，真空度在0.001Pa以上，压块重量为100-150kg；
(4)将步骤(3)得到的冷却元件粗品裸露的铜表面采用真空磁控溅射进行镀镍处理，得到所述冷却元件；
其中，所述真空磁控溅射的电流为15-25A，偏压为80-130V，温度为100-150℃，时间为2-4h；所述镀镍处理得到的镍层的厚度为8-10μm。
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