Brevet FR2658504A1 — publié le 19910823

La présente invention concerne le domaine de la liaison d'une feuille de métal, telle que du cuivre, sur un substrat en nitrure d'aluminium. La présente invention trouve notamment application dans la réalisation de modules électroniques de puissance. La réalisation de modules électroniques de puissance nécessite l'usage de matériaux présentant de bonnes propriétés d'isolation galvanique et de conduction thermique De plus, les matériaux utilisés doivent présenter un coefficient de dilatation voisin de celui des matériaux semiconducteurs utilisés, tels que le silicium Par ailleurs, il est bien entendu souhaitable que les matériaux constituant les modules précités soient d'un coût le plus faible possible. On a déjà proposé différents processus de liaison d'une feuille de métal, en particulier de cuivre, à un substrat en matériau céramique électriquement isolant, notamment en nitrure d'aluminium. Le document EP-A-123212 décrit par exemple un procédé de liaison d'une feuille de cuivre sur un substrat en nitrure d'aluminium qui consiste à faire croître une couche d'alumine sur le substrat en nitrure d'aluminium, par traitement thermique, puis à placer une feuille de cuivre sur la couche d'alumine et à lier la feuille de cuivre et la couche d'alumine selon une technique classique en soi. Plus précisément, le document EP-A-123212 précité enseigne en particulier la liaison d'une feuille de cuivre avec un subsrat en AIN par génération sous air à 12000 C pendant 2 à 5 heures d'une couche d'alumine à partir du substrat, puis apport de la feuille de cuivre et chauffage à 10781 C pendant 15 mn sous azote pour obtenir un bon accrochage grâce à la couche résultante AI 203 CU 2 O. Cette technique qui donne lieu actuellement à une large exploitation industrielle, ne donne cependant pas totalement satisfaction. En effet, la liaison cuivre-alumine laisse souvent à désirerLa feuille de cuivre peut fréquemment être aisément arrachée. Un examen des produits ainsi obtenus révèle la présence, sous la feuille de cuivre, de bulles qui altèrent la tenue mécanique de la liaison. Les document suivants font par exemple état de cette formation de bulles: 1) J Am Ceram Soc 72 l 81 l 1322-27 ( 1989) p 1322 - 1327 Role of Oxygen in Bonding Cooper to Alumina Yuichi Yoshino; 2) Materials Research Society, Symp Proc, Vol 40, 1985, Eutectic Bonding of Cooper to Ceramics-Marc Wittner; 3) Mat Res Soc Symp Proc Vol 40 1985 Material Research Society, Directly bonded Cooper Metallization of AIN substrates for Power Hybrids, Petra Kluge Weiss et ai; 4) IEEE 0569, 5503, 89, 0029, Behavior of Aluminium Nitride Ceramic Surfaces under Hydrothermal Oxidation Treatments, D Suryanarayana et al. En outre l'examen des produits obtenus selon le procédé enseigné dans le document EP-A-123212 révèle généralement la présence de fissurations dans la couche d'alumine Celles-ci sont en particulier mentionnées dans le document IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, Vol 12, n 3, September 1989, The Influence of Moisture on Surface Properties and Insulation Characteristics of AIN Substrates, Yasutoshi Kurihara et al. De nombreuses recherches ont déjà été conduites pour tenter d'améliorer la liaison feuille de métal/nitrure d'aluminium. En particulier, on a tenté de contrôler l'influence de l'épaisseur de la couche d'alumine sur la formation de bulles en procédant à de nombreux essais correspondant à des épaisseurs différentes de couches d'alumine Ces essais ont révélé d'une façon générale que le nombre et le volume de bulles croissent avec l'épaisseur de la couche d'alumine Les spécialistes ont donc tenté de réaliser des dispositifs possédant une couche d'alumine de faible épaisseur Ces essais n'ont cependant pas donné satisfaction Ils ont en effet conduit à une liaison non satisfaisante. On a également tenté de contrôler l'influence de la température du traitement thermique, en particulier lors de la phase d'oxydation, sur la formation des bulles Ces essais n'ont rien révélé de décisif. D'autres essais enfin ont tenté de mettre en évidence l'influence de la vapeur d'eau sur l'ensemble du processus de liaison Ces essais sont par exemple relatés dans les documents Ann Chim Fr 1985, 10, pp 79-83, Comportement dans la vapeur d'eau à haute température du nitrure d'aluminium fritté, S Yefsah et al; 7th European Hybrid Microelectronics Conference, Hamburg, Mai 1989, Surface treatment of AIN substrate, Yoshirou Kuromitsu et ai Pour l'essentiel, ces essais ont jusqu'ici révélé simplement que la présence de vapeur d'eau permet d'augmenter la vitesse d'oxydation Pour cette raison, l'homme de l'art était donc jusqu'ici enclin à utiliser plutôt une atmosphère humide lors du traitement thermique d'oxydation afin de raccourcir l'ensemble du processus. Pour éliminer les bulles, l'homme de l'art est donc générale- ment contraint de réaliser des rainures, servant de canaux d'évacuation, dans la surface de la feuille métallique, comme enseigné par exemple dans le document DE-A-3324661 Il semble que de telles rainures permettent effectivement de limiter la formation de bulles d'air à l'interface métal/substrat Cependant, les rainures précitées favorisent la diffusion néfaste d'agents de gravure entre la feuille de métal et le substrat lors de l'obtention, par une méthode soustractive, de plages métalliques suivant un motif personnalisé. En conclusion, les techniques de liaison d'une feuille de cuivre à un substrat en matériau électriquement isolant, jusqu'ici proposées, ne donnent pas pleinement satisfaction. Le but de la présente invention est de proposer un nouveau procédé de liaison de feuille de métal, de préférence du cuivre, sur un substrat en nitrure d'aluminium Ce but est atteint selon la présente inention grâce à un procédé comprenant les étapes connues en soi consistant à: i) faire croître une couche d'alumine sur le substrat en nitrure d'aluminium, par traitement thermique, ii) placer la feuille de métal sur cette couche d'alumine, puis lier celles-ci, ledit procédé conforme à la présente invention étant caractérisé par le fait que l'étape i) de croissance de la couche d'alumine est opérée sous atmosphère oxydante contrôlée exempte d'humidité. Ainsi, allant à l'encontre des idées préconçues qui conduisaient l'homme de l'art à utiliser une atmosphère oxydante riche en vapeur d'eau pour accélérer le processus, la demanderesse a déterminé que cette vapeur d'eau, devait tout au contraire être soigneusement éliminée. Le processus conforme à la présente invention est illustré schématiquement sur la figure unique annexée. Le procédé conforme à la présente invention comprend comme illustré sur la figure annexée et décrit précédemment, deux étapes essentielles 30, 50 qui consistent respectivement: i) à oxyder la surface du substrat en nitrure d'aluminium sous atmosphère oxydante exempte de vapeur d'eau, et ii) à lier une feuille de métal, de préférence du cuivre, sur la couche d'alumine. L'étape 30 d'oxydation de substrat est précédée d'une étape préalable 10 de préparation du substrat en Al N et généralement d'une étape intermédiaire 20 de contrôle du substrat Cette étape de contrôle connue en soi de l'homme de l'art peut consister par exemple en un contrôle de la composition du substrat, de sa rugosité et de sa conductivité thermique. L'étape 30 d'oxydation du substrat qui selon la caractéristique essentielle de l'invention est réalisée sous atmosphère oxydante exempte de vapeur d'eau, correspond de préférence à une phase d'oxydation lente Il peut cependant s'agir également d'une phase d'oxydation rapide. A titre d'exemple, la phase d'oxydation lente, considérée actuellement comme préférentielle, peut être réalisée à une température comprise entre 10000 C et 12000 C pendant un temps de 12 heures à 30 heures. Une phase d'oxydation rapide peut être mise en oeuvre en soumettant le substrat d'AIN à une température de 14200 C à 15000 C pendant une durée inférieure à 5 mn, toujours bien entendu sous atmosphère oxydante exempte de vapeur d'eau. A titre d'exemple, l'atmosphère oxydante utilisée lors de l'étape 30 peut être une atmosphère d'oxygène pur répondant aux données suivantes: 2 99,998 % à 99,5 % H 20 oeuvre de l'étape 50 de liaison proprement dite métal/alumine. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, l'étape de liaison cuivre/alumine est opérée conformément à l'enseignement du brevet français antérieur au nom de la demanderesse déposée le 10 Novembre 1987 sous le N O 87 15547 et publié sous le N O 2623046. On se reportera utilement au texte de ce brevet dont le texte doit être considéré comme incorporé à la présente demande par la référence qui lui est faite ici. On rappelle que ce brevet antérieur N O 2623046 enseigne un procédé de liaison directe d'une feuille de cuivre à un substrat en alumine consistant à: 1) nettoyer le cuivre pour éliminer les traces d'oxydation en surface de celui-ci avant de placer le cuivre sur le substrat, 2) chauffer l'ensemble cuivre/substrat sous atmosphère neutre jusqu'à l'obtention d'une température supérieure à la température de formation d'un eutectique à base du cuivre et du gaz réactif et inférieure à la température de fusion du cuivre, et 3) n'appliquer un gaz réactif oxydant qu'après l'obtention de la température supérieure à la température de formation de l'eutectique, de sorte que celle-ci soit atteinte avant toute oxydation de la feuille de cuivre. On rappelle en outre que le brevet N O 2623046 enseigne d'utiliser une feuille de cuivre ayant une teneur en phosphore inférieure à 0,0015 % et une teneur en oxygène comprise entre 0,0020 % en poids, d'utiliser par exemple une feuille de cuivre du type recuit possédant une dureté comprise entre 43 et 45 HV, de réaliser l'étape de nettoyage par exemple sous forme d'une phase préalable de nettoyage dans une solution diluée d'acide chlorhydrique, et d'une phase consécutive de rinçage dans de l'eau déionisée, d'opérer la phase d'assemblage CU/A 1203 en trois étapes élémentaires consécutives: une montée en température, un palier de température et une étape de refroidissement La montée en température est réalisée sous atmosphère neutre, de préférence de l'azote L'étape de montée en température sous atmosphère neutre est poursuivie jusqu'à l'obtention d'une température supérieure à la température théorique d'obtention d'un eutectique, c'est-à-dire jusqu'à une température supérieure à 10650 C dans le cas d'un gaz réactif oxydant La seconde étape du processus d'assembla- ge consiste à maintenir une température de traitement comprise entre la température de formation de l'eutectique soit 10650 C et la température de fusion du cuivre, soit 10830 C, avec application simultanée de gaz réactif oxydant De préférence, la température de traitement de la seconde étape est égale à 10750 C +/ 20 De préférence, le gaz réactif oxydant appliqué lors de la seconde étape est formé d'oxygène à une pression partielle de 50 à IO O pp M, avantageusement 70 pp M L'étape de palier de température de l'ordre de 10750 C sous atmosphère de gaz réactif peut durer de 2 à 4 mn. Enfin, l'étape ultime de refroidissement est réalisée sous atmosphère neutre de préférence de l'azote La demanderesse a obtenu des résultats pleinement satisfaisants en opérant le traitement thermique sous atmosphère contrôlée dans un four à passage, avc une vitesse de défilement de l'ordre de 5 cm/mn, et un temps complet de traitement (montée en température, palier de température, refroidissement) de l'ordre de 45 mn. Le procédé conforme à la présente invention offre par rapport aux techniques classiques de nombreux avantages parmi lesquels on citera: a) la possibilité d'obtenir, malgré certains paramètres variables, notamment la durée de la phase d'oxydation 30, une épaisseur de couche d'alumine plus constante et plus régulière sous oxygène exempte de vapeur d'eau que sous air. Les essais réalisés par la demanderesse ont montré que l'utilisation d'une atmosphère oxydante exempte de vapeur d'eau permet en effet une meilleure reproductivité de l'épaisseur d'alumine Ces essais ont révélé les données suivantes: épaisseur d'alumine obtenue sous air à une température de 12001 C pour des durées variant de 0,5 à 2 heures: 0,2 à 5,5 pm et à une température de 11000 C pour des durées variant de 5 à 10 heures: 2 à 7,5 pm, épaisseur d'alumine obtenue sous O 2 exempte de vapeur d'eau conformément à l'invention à une température de 12000 pour des durées variant de 12 à 24 heures: 1,5 à 2,5 p. b) reproductibilité aisée de l'épaisseur d'alumine, c) couche homogène de l'alumine, d) absence de porosités ou de fissures dans la couche d'alumine formée par préoxydation, e) contrôle facile de l'épaisseur d'oxydation, f) tenue mécanique excellente entre la couche d'alumine et le substrat Al N, g) réalisation de liaison Cu/AI 203-Al N exempte de défauts, bonne tenue mécanique, h) l'épaisseur faible d'alumine limite les risques de fissuration entre l'alumine et le nitrure d'aluminium, qui ont des coefficients de dilatation éloignés, lors des essais de cyclage thermique. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. Par exemple l'invention n'est pas limitée à la liaison d'une feuille de cuivre sur un substrat en nitrure d'aluminium Elle peut être utilisée pour la fixation d'autres types de feuille de métal. R E V E N D I C A T I O N S l Procédé de liaison d'une feuille de métal, telle que du cuivre sur un substrat en nitrure d'aluminium comprenant les étapes connues en soi consistant à: i) faire croître une couche d'alumine sur le substrat en nitrure d'aluminium, par traitement thermique, ii) placer la feuille de métal sur cette couche d'alumine, puis lier celles-ci, caractérisé par le fait que l'étape i) de croissance de la couche d'alumine est opérée sous atmosphère oxydante contrôlée exempte d'humidité. 2 Procédé de liaison d'une feuille de métal selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape i) d'oxydation est opérée sous atmosphère d'oxygène pur exempte de vapeur d'eau. 3 Procédé de liaison d'une feuille de métal selon l'une des revendications là 2, caractérisé par le fait que la teneur en vapeur d'eau de l'atmosphère oxydante utilisée à l'étape i) est inférieure à 5 pp M. 4 Procédé de liaison d'une feuille de métal selon l'une des revendications l à 3, caractérisé par le fait que l'atmosphère oxydante utilisée à l'étape i) répond aux données suivantes 2 99,998 % à 99,5 % H 20 revendications l à 4, caractérisé par le fait que la feuille de métal est une feuille de cuivre. 6 Procédé de liaison d'une feuille de métal selon l'une des revendications l à 5, caractérisé par le fait que l'étape d'oxydation i) est opérée à une température comprise entre 1000 i C à 1200 'C pendant une durée de 12 heures à 30 heures. 7 Procédé de liaison d'une feuille de métal selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'étape d'oxydation i) est opérée à une température comprise entre 14200 C et 15001 C pendant une durée inférieure à 5 mn. 8 Procédé de liaison d'une feuille de métal selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'étape ii) de liaison de la feuille de cuivre sur la couche d'alumine consiste à: 1) nettoyer le cuivre pour éliminer les traces d'oxydation en surface de celui-ci avant de placer le cuivre sur la couche d'alumine, 2) chauffer l'ensemble cuivre/substrat sous atmosphère neutre jusqu'à l'obtention d'une température supérieure à la température de formation d'un eutectique, et 3) n'appliquer un gaz réactif oxydant qu'après l'obtention de la température supérieure à la température de formation de l'eutectique de sorte que celle-ci soit atteinte avant toute oxydation de la surface du cuivre. 9 Produit obtenu par la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une des revendications 1 à 18.