TWI490117B - 具氮化鋁薄膜之熱擴散元件及其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種具氮化鋁薄膜之熱擴散元件及其製作方法，尤指一種使用鍍膜製程製造之具氮化鋁薄膜之熱擴散元件及其製作方法。
隨著電子產業的蓬勃發展，各種高功率元件的應用越來越廣泛。對於高功率元件而言，若無法改善散熱效果，往往容易造成電路元件或半導體元件使用壽命大幅縮短。
氮化鋁是為一種良好之散熱材料。一般而言，氮化鋁之散熱元件多採用燒結方式所製作之塊材式氮化鋁。然而，一般使用燒結法製作之氮化鋁塊材，需於1400至1900℃之高溫條件下製作。由於燒結過程不易控制，往往不易得到良好燒結之氮化鋁，且容易出現批次瑕疵(run to run difference)。此外，若燒結條件控制不當，所形成之氮化鋁塊材可能會有孔洞過多的問題，造成氮化鋁塊材之機械與熱傳導特性不佳的缺點。若使用這種特性不佳之氮化鋁塊材，容易造成產品可靠度降低。
另一方面，以燒結方式所製作之塊材式氮化鋁，若應用於散熱元件上，因塊材體積較大，所消耗的材料也多。
因此，目前極需發展出一種氮化鋁之散熱元件及其製作方法，以解決燒結所形成之氮化鋁塊材容易產生批次瑕疵之問題，而提升產品之可靠度、降低製程難度與製造成本。
本發明之主要目的係在提供一種具氮化鋁薄膜之熱擴散元件，以與現今半導體製程整合在一起。
本發明之另一目的係在提供一種具氮化鋁薄膜之熱擴散元件之製作方法，俾能製作出不具批次瑕疵之氮化鋁散熱元件。
為達成上述目的，本發明之具氮化鋁薄膜之熱擴散元件，係包括：一基板，其具有一上表面、及一下表面，且基板可為一單一材質基板、一具有多層結構之基板、或一由複合材料所組成之基板；以及一氮化鋁薄膜，其係設於基板之上表面，氮化鋁薄膜之厚度係介於1 nm至10 μm之間，且氮化鋁薄膜係作為熱傳輸媒介。
此外，本發明之具氮化鋁薄膜之熱擴散元件之製作方法，包括下列步驟：(A)提供一基板，其具有一上表面、及一下表面；以及(B)形成一氮化鋁薄膜於基板之上表面上，其中氮化鋁薄膜之厚度係介於1 nm至10 μm之間，且氮化鋁薄膜係作為熱傳輸媒介。
由於本發明之具氮化鋁薄膜之熱擴散元件及其製作方法，未使用燒結方式製作，故可改善以燒結製程所製作之氮化鋁塊材因製程不易控制而易產生批次瑕疵的缺點。同時，本發明之氮化鋁薄膜之熱擴散元件及其製作方法，更可與一般半導體製程整合在一起，而可應用於多種電子元件上。
由於本發明之氮化鋁薄膜之熱擴散元件及其製作方法係採用鍍製的方式形成氮化鋁薄膜，故基板之材質、形狀、結構均無特殊限制。於本發明之氮化鋁薄膜之熱擴散元件及其製作方法中，基板可為一硬質基板、或一軟質基板。關於基板之具體例子可為：一矽基板、一金屬基板、一玻璃基板、一塑膠基板、一陶瓷基板、一鍍有金屬膜之矽基板、一碳-碳複合材質基板、一鍍有金屬膜的碳-碳複合材質基板、或一具有多層膜結構之基板。此外，基板甚至可為一半導體晶片、或一具有線路之封裝基板。其中，金屬基板或金屬膜之材料可為銅、金、白金、鎢、鈦、鋁、銀、鎳、或其合金等金屬；且金屬基板亦可為一不銹鋼基板。再者，基板之欲鍍製之表面型態並無特殊限制，可為一平面基板、或一圖案化基板。
另一方面，於本發明之氮化鋁薄膜之熱擴散元件及其製作方法中，氮化鋁薄膜可透過各式可行之沉積方法鍍製至基板上，如：直流真空濺鍍、脈衝式直流真空濺鍍、磁控濺鍍、射頻濺鍍系統、蒸鍍法、化學氣相沉積法、電漿輔助化學氣相沉積法、感應耦合式電漿沉積法、或微波電子迴旋共振沉積法、原子氣相沉積法等各種薄膜製程。較佳為，氮化鋁薄膜係透過直流真空濺鍍、脈衝式直流真空濺鍍、射頻濺鍍、磁控濺鍍、化學氣相沉積法、以及原子氣相沉積法所形成。
此外，於本發明之氮化鋁薄膜之熱擴散元件之製作方法中，可先於基板上形成一散熱鰭片，或於氮化鋁薄膜形成後再形成散熱鰭片。亦即，於本發明之製作方法中，於步驟(A)中，基板之下表面上係設置有一散熱鰭片；或者於步驟(B)後更包括一步驟(C)：貼附一散熱鰭片於基板之下表面上。據此，本發明所形成之熱擴散元件，可更包括一散熱鰭片，其係設於基板之下表面上。
再者，於本發明之氮化鋁薄膜之熱擴散元件及其製作方法中，氮化鋁薄膜之厚度可介於1 nm至10 μm之間。較佳為，氮化鋁薄膜之厚度係介於10 nm至1 μm之間。更佳為，氮化鋁薄膜之厚度係介於10 nm至500 nm之間。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可針對不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。
本實施例可透過一般之直流真空濺鍍系統形成具氮化鋁薄膜之熱擴散元件。在此，僅約略描述本實施例所使用之直流真空濺鍍系統。
如圖1所示，其為本實施例所使用之直流真空濺鍍系統之示意圖。此直流真空濺鍍系統係包括：一真空腔室10、一直流電源供應器11、一濺鍍氣體入口12、以一抽氣出口16。於真空腔室10之一側係設有一鋁金屬靶13，此鋁金屬靶13係與直流電源供應器11連接而做為一陰極端；而於真空腔室10之另一側則設有一基板14，此基板14可直接與系統接地而做為相對於靶材的陽極端。於本實施例中，直流電源供應器11係提供一負偏壓，而基板14係為一金屬銅板。
於本實施例中，先將腔室10藉由連接的出氣孔16將腔室抽至高真空(＜10-5
Pa)後，再以120 sccm:80 sccm的比例通入惰性氣體氬與反應氣體氮氣，且並將腔室10真空度控制在4x10-3
torr；將直流電源供應器11的輸出功率控制在300W(電壓約500V)，並在腔室10內形成電漿；當帶正電的游離氬離子受到陰極吸引而揰向鋁金屬靶13時，會將鋁從金屬靶上揰出(如虛線所示)；當被種出的鋁與氮在被加熱的基板14上產生反應後，即形成一氮化鋁薄膜15，其厚度可為100 nm。
因此，本實施例所形成之具氮化鋁薄膜之熱擴散元件，其結構如圖2所示，係包括：一基板14；以及一氮化鋁薄膜15，其係設於基板14之表面。
本實施例之具氮化鋁薄膜之熱擴散元件可透過一般之射頻濺鍍系統製作。本實施例所製作之具氮化鋁薄膜之熱擴散元件係與實施例1大致相同，而基板為一矽基板，且氮化鋁薄膜之厚度約為200 nm；其可能製程參數如下：RF電源供應器的輸出功率為1400W，濺鍍壓力控制在6x10-3
torr，氮氬比為3:2，基板的加熱溫度為400℃。
此外，在鍍製AlN前，可選擇性的在矽基材上先鍍製一層金屬層或氧化層(如Pt、Au、Cr、Mo、SiO2
...等)，以增加AlN薄膜與基材間的附著力或AlN薄膜本身的晶格優選方向。
本實施例之具氮化鋁薄膜之熱擴散元件可透過一般之化學氣相沉積法製作。本實施例所製作之具氮化鋁薄膜之熱擴散元件係與實施例2相同(元件構造與AlN膜厚相同)，只是實施方法不同，即成長AlN薄膜的方法不同；其可能製程參數如下：在850℃的溫度下，以1:20的比例通入三甲基鋁(TMAl)與氨，並將爐管的內的壓力控制在4 torr，藉此使得三甲基鋁與氨裂解並在矽基材上產生化學反應而形成AlN薄膜。
本實施例之具氮化鋁薄膜之熱擴散元件其製作方法係與實施例1相同，除了於形成氮化鋁薄膜後更包括一貼附散熱鰭片之製程。
於形成氮化鋁薄膜後，係提供一散熱鰭片，並使用本技術領域常用之方法將散熱鰭片貼附於基板之下表面上。據此，則可得到本實施例之熱擴散元件，係如圖3所示，係包括：一基板14；一氮化鋁薄膜15，其係設於基板14之上表面；以及一散熱鰭片17，其係設於基板14之下表面上。藉由設置此散熱鰭片17，電子元件所產生之熱量除了可透過氮化鋁薄膜15排除外，更可經由基板14將熱傳至散熱鰭片17排除。
本實施例之具氮化鋁薄膜之熱擴散元件其製作方法係與實施例1相同，除了基板之下表面係設置有一散熱鰭片。據此，則可製得與實施例4具有相同結構之熱擴散元件。
綜上所述，本發明係提供一種具氮化鋁薄膜之熱擴散元件及其製作方法，藉由採用直流真空濺鍍、脈衝式直流真空濺鍍、磁控濺鍍、射頻濺鍍系統、蒸鍍法、化學氣相沉積法、電漿輔助化學氣相沉積法、感應耦合式電漿沉積法、或微波電子迴旋共振沉積法、原子氣相沉積法...等方式形成之氮化鋁薄膜，可解決燒結所形成之氮化鋁塊材容易產生批次瑕疵的問題。同時，因本發明之形成氮化鋁薄膜之製程可與現今半導體製程結合，故可使氮化鋁薄膜做為散熱元件之應用更為廣泛。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
10‧‧‧真空腔室
11‧‧‧直流電源供應器
12‧‧‧濺鍍氣體入口
13‧‧‧鋁金屬板
14‧‧‧基板
15‧‧‧氮化鋁薄膜
16‧‧‧抽氣出口
17‧‧‧散熱鰭片
圖1係本發明實施例1所使用之直流真空濺鍍系統之示意圖。
圖2係本發明實施例1之具氮化鋁薄膜之熱擴散元件之示意圖。
圖3係本發明實施例4之具氮化鋁薄膜之熱擴散元件之示意圖。
14．．．基板
15．．．氮化鋁薄膜
Claims (3)
- 一種具氮化鋁薄膜之熱擴散元件，包括：一基板，其係為一半導體晶片並具有一上表面、及一下表面；以及一氮化鋁薄膜，其係設於該基板之該上表面上，該氮化鋁薄膜之厚度係介於1nm至10μm之間，且該氮化鋁薄膜係作為熱傳輸媒介；其中該氮化鋁薄膜係透過直流真空濺鍍、脈衝式直流真空濺鍍、磁控濺鍍、射頻濺鍍系統、蒸鍍法、化學氣相沉積法、電漿輔助化學氣相沉積法、感應耦合式電漿沉積法、微波電子迴旋共振沉積法、或原子氣相沉積法所形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱擴散元件，更包括一散熱鰭片，其係設於該基板之該下表面上。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱擴散元件，其中，該氮化鋁薄膜之厚度係介於10nm至500nm之間。
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