CN117835790A - 半导体致冷器基板金属化方法及半导体致冷器金属化基板 - Google Patents
半导体致冷器基板金属化方法及半导体致冷器金属化基板 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种半导体致冷器基板金属化方法及半导体致冷器金属化基板，属于半导体制冷器制造领域，包括以下步骤：S1,将半导体致冷器基板放入中性清洗溶剂中清洗；S2,水洗，去除中性清洗溶剂；S3,甩干机离心甩干；S4,有机清洗；S5,甩干机离心甩干；S6,等离子机内清洗，功率为500‑1000W；S7,离子束清洗机清洗5~30 min，束流为100‑185 mA。本发明解决了金属化层的粘附力的较差以及高温环境下金属化层与基材容易起层分离的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制冷器（TEC）制造，特别涉及一种半导体致冷器基板金属化方法及半导体致冷器金属化基板。
背景技术
半导体制冷器（TEC）是一种利用半导体材料的Peltier效应（珀耳帖效应）来实现制冷的电子器件。
现有的半导体制冷器（TEC）的基板金属化过程，包括以下步骤：S1,将半导体致冷器基板放入中性清洗溶剂中清洗；S2,水洗；S3, 甩干机离心甩干；S4, 有机清洗；S5, 甩干机离心甩干；S6, 薄膜金属化，形成薄膜金属层；S7, 光刻图形化；光刻胶旋涂、前烘、曝光、显影；S8,厚膜金属化；S9，离子束干刻掉薄膜金属化层（基板上的）。
现有的方法制备的半导体制冷器（TEC）金属化基板存在以下缺陷：金属化层的粘附力的较差，且高温环境下金属化层与基材容易起层分离。
上述背景技术是为了便于理解本发明，并非是申请本发明之前已向普通公众公开的公知技术。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供一种半导体致冷器基板金属化方法，该方法解决了金属化层的粘附力的较差以及高温环境下金属化层与基材容易起层分离的问题。
技术方案是：一种半导体致冷器基板金属化方法，包括以下步骤：
S1,将半导体致冷器基板放入中性清洗溶剂中清洗；
S2,水洗，去除中性清洗溶剂；
S3, 甩干机离心甩干；
S4, 有机清洗；
S5, 甩干机离心甩干；
S6,等离子机内清洗，功率为500-1000W；
S7, 离子束清洗机清洗5~30 min，束流为100-185 mA；
S8, 薄膜金属化，形成带薄膜金属层的半导体致冷器基板；
S10, 光刻图形化；
S11,厚膜金属化，形成带厚膜金属层的半导体致冷器基板；
S12，去除薄膜金属层，得半导体致冷器金属化基板。
S6原理为：
S7原理为：
进一步地，所述等离子机内清洗中，通入N2和+O2，其中N2为10~100sccm，O2为10~100sccm。
进一步地，所述功率为750W，束流为150mA。
进一步地，所述半导体致冷器基板金属化方法还包括：S9，光刻图形化前带薄膜金属层的半导体致冷器基板退火处理。
进一步地，所述退火处理在带平板加热的惰性气氛窑炉中进行，热传递方向为电热丝传递到载片板，载片板传递到带薄膜金属层的半导体致冷器基板。
进一步地，所述退火处理条件为200~500℃。
进一步地，所述退火处理条件为15℃/min升至450℃，保温30min，然后15℃/min降至室温。
进一步地，所述退火处理条件为
本发明还提供一种半导体致冷器金属化基板。
技术方案是：一种半导体致冷器金属化基板，其特征在于，该半导体致冷器金属化基板由上述的半导体致冷器基板金属化方法制备而成。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明plasma功率750W，束流150mA条件下金属原子吸附、粘合在基板达到了最佳的粘附效果。
本发明通过热传递方向为电热丝传递到载片板，载片板传递到带薄膜金属层的半导体致冷器基板，有利于基板与金属层之间进行互相扩散和化学反应形成化学键，相较于四周环绕加热传统方式，化学反应和金属扩散更完全，对金属层与基板的结合力有大大提高。
附图说明
图1是plasma干法清洗前后接触角测试对比图；
图2是平板加热的惰性气氛窑炉；
图3是金属化层的抗拉强度对比图；
图4是实施例2第一组热应力检测后微观图（200x）；
图5是实施例2第二组热应力检测后微观图（200x）；
图6是实施例2第三组热应力检测后微观图（200x）；
图7是实施例2第三组热应力检测后微观图（500x）；
图8是实施例2第四组热应力检测后微观图（200x）。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
实施例1
随机取16组半导体致冷器基板，进行本实施例实验。
一种半导体致冷器基板金属化方法，包括以下步骤：
S1,将半导体致冷器基板放入中性清洗溶剂中清洗，50℃下，超声清洗5min；中性清洗溶剂配方为碳酸钠30g/L、碳酸氢钠10g/L、焦磷酸钠15g/L、硅酸钠20g/L和乳化剂3 g/L。清洗溶剂去除基板磨抛生产过程中的油污、抛光剂、抛光膏、微粉粒等；
S2,纯水中鼓氮气冲泡清洗1min；去除残留的中性清洗溶剂；
S3, 甩干机离心甩干；
S4, 有机清洗：丙酮超声10min,异丙醇浸泡5min，无水乙醇浸泡5min，去除基板有机物残留；
S5, 甩干机离心甩干；
S6, plasma（等离子）机内通入N2（10~100sccm）+O2（10~100sccm）清洗, 通电，功率如下表1，干法清洗10min；
本步骤清洗前和清洗分别进行接触角测试（抽样），测试结果如下表2和图1；
S7, 离子束清洗机清洗5min，束流如下表1；
S8, 薄膜金属化：溅射机溅射Ti（100~500Å）Cu（100~3000Å），形成薄膜金属层；
S9, 放进带平板加热的惰性气氛窑炉中，200~500℃，1~4h梯度（相同升降温速度1~5℃/min）升降温退火热处理，平板加热的惰性气氛窑炉如图2；
图2中，惰性气体从进气口1进入，从出气口2排出； 基板放在载片板3上，加热丝4加热；
S10, 光刻图形化；光刻胶旋涂、前烘、曝光、显影；
S11,厚膜金属化：电镀加厚层（不限于Cu、Au、Ni、Pd、Sn等加厚金属层），进行闪镀（预镀）的方法，开始采用大电流密度冲击电镀，快速形成一层薄的闪镀层，形成高晶核密度生成，提高薄膜层和厚膜层的结合力，然后回归正常电流密度电镀，进行晶核成长，形成厚膜金属层；
S12，离子束干刻掉薄膜金属化层，得产品。
将S12后的产品进行金属化层的粘附力测试，结果如下表3和图3。
表1
表2 plasma干法清洗前后接触角测试对比
从表2及图1，在未用plasma清洗（第一组-第四组），接触角呈现较高值。在用500~1000W的氧氮组合（第五-第十六组）plasma后，接触角降低至15°以内，有明显减小。750W条件下效果更好，说明浸润性得到很好的改善，有助于后面的金属原子吸附、粘合。
表3金属化层的抗拉强度测试对比（MPa）
图3、表3显示，在离子束未介入进来时，仅凭plasma的处理，抗拉强度有小幅上升，但最大抗拉强度为仅10MPa；而在plasma未介入时，仅凭离子束，抗拉强度最大也仅为15MPa；而当同时采用plasma和离子束后，抗拉强度有明显提升，最高甚至达到54MPa，说明plasma与离子束结合，促进金属原子吸附、粘合在基板上，而当plasma功率750W，束流150mA条件下（第十一组），金属原子吸附、粘合在基板达到了最佳的粘附效果。
实施例2
随机取4组半导体致冷器基板，进行本实施例实验。
一种半导体致冷器基板金属化方法，包括以下步骤：
S1,将半导体致冷器基板放入中性清洗溶剂中清洗，50℃下，超声清洗5min；中性清洗溶剂配方为碳酸钠30g/L、碳酸氢钠10g/L、焦磷酸钠15g/L、硅酸钠20g/L和乳化剂3 g/L。清洗溶剂去除基板磨抛生产过程中的油污、抛光剂、抛光膏、微粉粒等；
S2,纯水中鼓氮气冲泡清洗1min；去除残留的中性清洗溶剂；
S3, 甩干机离心甩干；
S4, 有机清洗：丙酮超声10min,异丙醇浸泡5min，无水乙醇浸泡5min，去除基板有机物残留；
S5, 甩干机离心甩干；
S6, plasma（等离子）机内通入N2（10~100sccm）+O2（10~100sccm）清洗, 通电，功率750W，干法清洗10min；
S7, 离子束清洗机清洗5min，束流150mA；
S8, 薄膜金属化：溅射机溅射Ti（100~500Å）Cu（100~3000Å），形成薄膜金属层；
S9, 第一组基板不进行本步骤处理，直接进入S10，第二组放入含惰性气体管式炉中进行处理，第三-第四组放进带平板加热的惰性气氛窑炉中处理，第二组-第四组的处理条件如下表4；
S10, 光刻图形化；光刻胶旋涂、前烘、曝光、显影；
S11,厚膜金属化：电镀加厚层（不限于Cu、Au、Ni、Pd、Sn等加厚金属层），进行闪镀（预镀）的方法，开始采用大电流密度冲击电镀，快速形成一层薄的闪镀层，形成高晶核密度生成，提高薄膜层和厚膜层的结合力，然后回归正常电流密度电镀，进行晶核成长，形成厚膜金属层；
S12，离子束干刻掉薄膜金属化层，得产品。
表4 第二组-第四组的处理条件
将S12后的产品进行热应力检测（450℃、5min），结果如图4-图8，其中，图4为第一组热应力检测后微观图（200x），图5为第二组热应力检测后微观图（200x），图6为第三粗热应力检测后微观图（200x），图7为第三粗热应力检测后微观图（500x），图8为第四粗热应力检测后微观图（200x）。
图4-图8所示，未进行处理的第一组起泡的泡大且密集，从而导致层间结合力差，金属化层与基材起层；第二组虽然起泡的泡较第一组小且密集度较小，但金属化层与基材仍然起层，第三组较第二组起泡更小，密集度也小，但仍然有起泡现象产生，第四组没有发现起泡。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种半导体致冷器基板金属化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1,将半导体致冷器基板放入中性清洗溶剂中清洗；
S2,水洗，去除中性清洗溶剂；
S3, 甩干机离心甩干；
S4, 有机清洗；
S5, 甩干机离心甩干；
S6,等离子机内清洗，功率为500-1000W；
S7, 离子束清洗机清洗5~30 min，束流为100-185 mA；
S8, 薄膜金属化，形成带薄膜金属层的半导体致冷器基板；
S10, 光刻图形化；
S11,厚膜金属化，形成带厚膜金属层的半导体致冷器基板；
S12，去除薄膜金属层，得半导体致冷器金属化基板。
2.根据权利要求1所述的半导体致冷器基板金属化方法，其特征在于，所述等离子机内清洗中，通入N2和O2，其中N2为10~100sccm，O2为10~100sccm。
3.根据权利要求1所述的半导体致冷器基板金属化方法，其特征在于，所述功率为750W，束流为150mA。
4.根据权利要求1-3任一项所述的半导体致冷器基板金属化方法，其特征在于，所述半导体致冷器基板金属化方法还包括：S9，光刻图形化前带薄膜金属层的半导体致冷器基板退火处理。
5.根据权利要求4所述的半导体致冷器基板金属化方法，其特征在于，所述退火处理在带平板加热的惰性气氛窑炉中进行，热传递方向为电热丝传递到载片板，载片板传递到带薄膜金属层的半导体致冷器基板。
6.根据权利要求5所述的半导体致冷器基板金属化方法，其特征在于，所述退火处理条件为200~500℃。
7.根据权利要求5所述的半导体致冷器基板金属化方法，其特征在于，所述退火处理条件为15℃/min升至450℃，保温30min，然后15℃/min降至室温。
8.根据权利要求5所述的半导体致冷器基板金属化方法，其特征在于，所述退火处理条件为
。
9.一种半导体致冷器金属化基板，其特征在于，该半导体致冷器金属化基板由权利要求1-8任一项所述的半导体致冷器基板金属化方法制备而成。
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