Brevet FR2827079A1 — publié le 20030110

L'invention se rapporte à un procédé pour la réalisation d'un substrat diamant et à un substrat diamant pour circuit électronique de puissance et notamment à un procédé permettant la réalisation à faible coût d'un substrat diamant de forme complexe intégrant des microcanaux pour la circulation d'un fluide de refroidissement. Il est connu du document EP 0 991 121 d'utiliser un substrat diamant pour augmenter les performances d'un substrat pour circuit électronique de puissance, le diamant présentant la particularité de posséder d'excellentes propriétés thermiques, avec une conductivité thermique cinq fois supérieure à celle du cuivre, et diélectriques, avec un champ de rupture 10 fois supérieur à celui du nitrure d'aluminium AIN. Toutefois, les substrats diamant divulgués dans ce document sont tous associés à un radiateur de refroidissement métallique chargé d'évacuer les dissipations thermiques. Or, l'utilisation d'un tel radiateur de refroidissement métallique augmente l'encombrement du module de puissance. De plus, les performances du dispositif de refroidissement ainsi réalisé sont dégradées par la barrière thermique crée à la liaison entre le substrat diamant et le radiateur de refroidissement. Il est également connu de la demande de brevet FR 00 08121 déposée par la demanderesse d'optimiser les performances thermiques d'un substrat pour circuit électronique de puissance en supprimant l'utilisation d'un radiateur de refroidissement métallique supplémentaire. Dans un tel cas, la fonction de radiateur de refroidissement est intégrée directement dans le substrat en nitrure d'aluminium en usinant la surface inférieure du substrat en AIN de manière à réaliser des canaux dans lesquels s'écoule un fluide de refroidissement. Toutefois, une telle optimisation du substrat pour circuit électronique de puissance n'est pas facilement réalisable dans le cas d'un substrat diamant à cause des très fortes propriétés mécaniques du diamant qui rendent quasiment impossible l'usinage des canaux de refroidissement à un prix raisonnable. Aussi, un but de la présente invention est de proposer un procédé pour la réalisation d'un substrat diamant qui permette de réaliser des substrats de forme complexe à moindre coût. L'invention concerne également un substrat diamant intégrant directement des canaux de refroidissement. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour la réalisation d'un substrat diamant destiné à recevoir un composant semi-conducteur de puissance. Selon l'invention, le procédé est caractérisé en ce qu'une tranche de silicium est utilisée comme structure support pour le dépôt d'une couche de diamant par CVD, la couche de diamant étant déposée sur une face de la tranche en silicium présentant une forme correspondant au négatif d'au moins une partie du substrat diamant à réaliser et en ce que la tranche de silicium est éliminée par la suite du procédé par attaque chimique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend les étapes suivantes : - réalisation d'une tranche en silicium comportant une face présentant une forme constituant le négatif d'au moins une partie de la forme du substrat diamant à réaliser ; - dépôt sur ladite face de la tranche en silicium d'une couche de diamant par un procédé CVD de dépôt chimique en phase vapeur ; - élimination de la tranche en silicium en fin de procédé par attaque chimique. Selon une autre caractéristique de l'invention, la face de la tranche en silicium est gravée par attaque chimique ou photolithographie de manière à obtenir la forme désirée. Selon une autre caractéristique de l'invention, la tranche en silicium comporte une face définissant le négatif de l'intégralité de la forme du substrat diamant à réaliser et le substrat diamant est réalisé en une seule étape de dépôt de diamant par CVD. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le substrat diamant est réalisé en deux étapes de dépôt de diamant conformément aux étapes suivantes : - réalisation par attaque chimique ou photolithographie d'une tranche en silicium comportant une face présentant une forme définissant le négatif d'une première partie de la forme complexe du substrat diamant à réaliser ; - dépôt sur ladite face de la tranche en silicium d'une couche de diamant par procédé CVD sur une épaisseur correspondant à la première partie du substrat diamant ; - gravure partielle de la face de la tranche en silicium opposée à la face précédemment recouverte de diamant par attaque chimique ou photolithographie de manière à obtenir, sur cette face, du silicium en saillie définissant le négatif de la seconde partie du substrat diamant, qui est complémentaire de la première partie du substrat diamant précédemment réalisée ; - dépôt d'une couche de diamant par procédé CVD sur la face de la tranche en silicium opposée à la face précédemment recouverte de diamant en réalisant la jonction avec la première partie du substrat diamant précédemment réalisée ; - élimination du reste de la tranche en silicium par attaque chimique. L'invention concerne également un substrat diamant pour circuit électronique de puissance, obtenu au moyen du procédé précédemment décrit, comportant une face supérieure supportant une ou plusieurs pistes conductrices obtenues par métallisation et destinées à permettre la connexion d'un ou plusieurs composants semiconducteurs de puissance, caractérisé en qu'il intègre des canaux dans lesquels circule un fluide de refroidissement. Selon des modes particuliers de réalisation, le substrat diamant peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - les canaux sont réalisés sur la face inférieure du substrat en diamant, lesdits canaux formant des sillons au contact d'un fluide de refroidissement s'écoulant le long de la face inférieure ; - les canaux sont disposés dans l'épaisseur du substrat en diamant et débouchent sur deux faces latérales du substrat au niveau desquelles les canaux sont alimentés en fluide refroidissement. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après de plusieurs modes de réalisation du procédé et du substrat diamant selon l'invention, présentés à titre d'exemples non limitatif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue illustrant schématiquement les différentes étapes d'un procédé pour la réalisation d'un substrat diamant suivant un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue de côté schématique d'un module de puissance équipé du substrat diamant réalisé par le procédé de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue illustrant schématiquement les différentes étapes d'un procédé pour la réalisation d'un substrat diamant suivant un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue illustrant schématiquement une variante du procédé pour la réalisation du substrat diamant obtenu à la figure 5 ; - la figure 5 est une vue de côté schématique d'un module de puissance équipé du substrat diamant obtenu réalisé par les procédés des figures 3 et 4. Pour faciliter la lecture du dessin, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. La figure 1 illustre un procédé pour la réalisation d'un substrat diamant 1 destiné à équiper un module de puissance tel que représenté à la figure 2, ce substrat diamant comportant une embase plane recouverte d'une piste conductrice sur laquelle est soudé un composant de puissance 3, tel qu'un composant IGBT, et une face inférieure munie de multiples canaux de refroidissement 11 formant des sillons rectilignes balayés par un fluide de refroidissement 4, ce dernier étant canalisé par un boîtier 5 rapporté sous le substrat diamant. Ce substrat diamant 1 présente une section constante dans le plan perpendiculaire aux canaux de refroidissement 11. Conformément à la figure 1, le procédé comporte une première étape dans laquelle on réalise, à partir d'une tranche de silicium 6 d'une épaisseur de l'ordre de 500 Mm disponible dans le commerce, un négatif du substrat diamant 1 que l'on souhaite réaliser. Pour ce faire, une face de la tranche en silicium 6 est gravée par un procédé connu en soi, tel qu'une attaque chimique ou par photolithographie, de manière à réduire localement l'épaisseur de la tranche en silicium pour faire apparaître des nervures 61 en saillie correspondant au négatif des canaux de refroidissement 11, ces nervures 61 étant espacées les unes des autres de l'ordre de 200 u. m et possédant chacune une largeur et une hauteur de l'ordre de 200 um. Dans une deuxième étape, une couche de diamant est déposée, par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur CVD (Chimical Vapor Deposition), sur la face de la tranche en silicium 6 munie des nervures 61, le dépôt s'effectuant sur une épaisseur supérieure à la hauteur des nervures 61 de manière à réaliser l'embase plane du substrat diamant 1, cette dernière possédant une épaisseur de l'ordre de 200 à 300 f ! m. Dans une dernière étape du procédé de réalisation du substrat diamant, le silicium 6 restant est éliminé par attaque chimique de manière à obtenir le seul substrat diamant en fin de procédé. Le substrat diamant 1 peut être utilisé dans un module de puissance tel que représenté à la figure 2 et présente l'avantage d'assurer à la fois une excellente conductivité thermique entre le composant de puissance 3 disposé sur la face supérieure du substrat 1 et la face inférieure du substrat 1 refroidie par le fluide de refroidissement 4, et à la fois une excellente isolation électrique. La figure 3 illustre un procédé pour la réalisation d'un substrat diamant 2 destiné à équiper un module de puissance tel que représenté à la figure 5, ce substrat diamant 2 comportant un corps parallélépipède rectangle traversé par des canaux 21 et comportant une face supérieure munie de pistes conductrices, obtenues par métallisation, recevant un composant de puissance 3, tel qu'un composant IGBT. Les canaux 21 débouchent sur deux faces latérales du corps du substrat diamant 2 et sont alimentés par un fluide de refroidissement évacuant l'énergie calorifique dégagée par le composant de puissance 3. Ce substrat diamant 2 présente une section constante dans le plan perpendiculaire aux canaux 21. Conformément à la figure 3, le procédé comporte une première étape dans laquelle une tranche de silicium 7 d'une épaisseur de l'ordre de 500 um est utilisée pour réaliser le négatif d'une partie du corps du substrat diamant à réaliser. Pour ce faire, de multiples nervures 71, parallèles entre elles, sont réalisées par attaque chimique ou photolithographie sur une face du substrat silicium 7, ces nervures 71 correspondant au négatif des canaux 21 traversant le substrat diamant 2 à réaliser, en possédant toutefois une hauteur pouvant être inférieure à la hauteur des canaux 21 du substrat diamant 2. Ainsi, dans l'exemple représenté à la figures 3, on réalise, sur une face de la tranche de silicium 7, des nervures 71 possédant une hauteur correspondant à la moitié de la hauteur des canaux 21 du substrat diamant 2 à réaliser, les nervures 71 possédant par exemple une hauteur et une largeur de l'ordre de 200 um et étant espacées les unes des autres de 200 um. Dans une deuxième étape, une couche de diamant est déposée par un procédé CVD sur la face de la tranche de silicium 7 munie de nervures 71, le dépôt s'effectuant sur une épaisseur supérieure à la hauteur des nervures 71 de manière à réaliser une première paroi latérale, d'une épaisseur de l'ordre de 200 um, du corps parallélépipédique du substrat diamant 2. Dans une troisième étape, la face de la tranche de silicium 7 opposée à la face précédemment recouverte de diamant est gravée par attaque chimique ou photolithographie de manière à conserver des parties de silicium 72 en saillie définissant le négatif de la partie complémentaire des canaux 21 à réaliser. Dans l'exemple représenté, les parties de silicium 72 débordent du substrat diamant réalisé lors de l'étape précédente sur une hauteur correspondant à la moitié de la hauteur des canaux 21. Dans une quatrième étape, une couche de diamant par procédé CVD est déposée sur la face du substrat diamant au niveau de laquelle les parties de silicium 72 sont en saillie. Ce dépôt de diamant est effectué sur une épaisseur supérieure à la hauteur des parties de silicium 72 en saillie de manière à réaliser une deuxième paroi latérale du corps parallélépipédique du substrat diamant 2 venant en face de la première paroi réalisée au cours de la deuxième étape du procédé. Dans une dernière étape, le silicium 71,72 restant, définissant les canaux dans le corps parallélépipédique du substrat diamant, est éliminé par attaque chimique. On obtient alors le substrat diamant 2 équipant le module électronique de puissance de la figure 5. La figure 4 illustre une variante du procédé pour la réalisation du substrat diamant 2 équipant le module de puissance représenté à la figure 5. Conformément à cette figure 4, le procédé comporte une première étape dans laquelle une couche de diamant est déposée par procédé CVD sur une face d'une tranche de silicium 8 plane, le dépôt étant réalisé sur une épaisseur de l'ordre de 200 , um correspondant à l'épaisseur d'une des parois latérales du corps parallélépipédique du substrat diamant 2. La tranche de silicium 8 utilisée possède une épaisseur de l'ordre de 500 um. Dans une deuxième étape, la face de la tranche de silicium 8 opposée à la face précédemment recouverte de diamant est gravée par attaque chimique ou photolithographie de manière à conserver uniquement des noyaux de silicium 81 en saillie définissant le négatif des canaux 21 du substrat diamant 2 à réaliser. Ainsi, la tranche de silicium 8 pourra par exemple être gravée de manière à obtenir des noyaux de silicium 81 d'une hauteur de 400 um et d'une largeur de 200 ! lm permettant de réaliser un substrat diamant 2 conforme à celui obtenu dans l'exemple particulier du procédé de réalisation précédemment décrit et illustré à la figure 3. Dans une troisième étape, une couche de diamant est déposée par procédé CVD sur la face du substrat diamant 2, au niveau de laquelle les noyaux de silicium 81 font saillie, sur une épaisseur supérieure aux noyaux silicium 81 de manière à réaliser la paroi latérale du corps parallélépipédique du substrat diamant venant en regard de la paroi réalisée lors de la première étape, cette paroi possédant également une épaisseur de l'ordre de 200 um. Dans une dernière étape, les noyaux de silicium 81 définissant les canaux 21 dans le corps parallélépipédique du substrat diamant 2 précédemment réalisé sont éliminés par attaque chimique. On obtient ainsi un substrat diamant 2 semblable à celui obtenu par le procédé de réalisation illustré à la figure 3. Un tel substrat diamant 2 est utilisé dans un module de puissance tel que représenté à la figure 5 et présente l'avantage d'assurer une excellente conductivité thermique et d'intégrer directement des canaux de refroidissement permettant d'obtenir un ensemble compact et simple à assembler. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS 1) Procédé pour la réalisation d'un substrat diamant (1,2) destiné à recevoir un composant semi-conducteur de puissance (3), caractérisé en ce qu'une tranche de silicium (6,7, 8) est utilisée comme structure support pour le dépôt d'une couche de diamant par CVD, ladite couche de diamant étant déposée sur une face de la tranche en silicium (6,7, 8) présentant une forme correspondant au négatif d'au moins une partie du substrat diamant (1,2) à réaliser et en ce que ladite tranche de silicium (6,7, 8) est éliminée par la suite du procédé par attaque chimique. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - réalisation d'une tranche en silicium (6,7, 8) comportant une face présentant une forme constituant le négatif d'au moins une partie de la forme du substrat diamant (1,2) à réaliser ; - dépôt sur ladite face de la tranche en silicium (6,7, 8) d'une couche de diamant par un procédé CVD de dépôt chimique en phase vapeur ; - élimination de la tranche en silicium (6,7, 8) en fin de procédé par attaque chimique. 3) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ladite face de la tranche en silicium (6, 7, 8) est gravée par attaque chimique ou photolithographie de manière à obtenir la forme désirée. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la tranche en silicium (6) comporte une face définissant le négatif de l'intégralité de la forme du substrat diamant (1) à réaliser et en ce que le substrat diamant (1) est réalisé en une seule étape de dépôt de diamant par CVD. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le substrat diamant (2) est réalisé en deux étapes de dépôt de diamant conformément aux étapes suivantes : - réalisation par attaque chimique ou photolithographie d'une tranche en silicium (7,8) comportant une face présentant une forme définissant le négatif d'une première partie de la forme complexe du substrat diamant (2) à réaliser ; - dépôt sur ladite face de la tranche en silicium (7,8) d'une couche de diamant par procédé CVD sur une épaisseur correspondant à la première partie du substrat diamant (2) ; - gravure partielle de la face de la tranche en silicium (7,8) opposée à la face précédemment recouverte de diamant par attaque chimique ou photolithographie de manière à obtenir sur cette face du silicium (72,81) en saillie définissant le négatif de la seconde partie du substrat diamant (2), qui est complémentaire de la première partie du substrat diamant précédemment réalisée ; - dépôt d'une couche de diamant par procédé CVD sur la face de la tranche en silicium (7,8) opposée à la face précédemment recouverte de diamant en réalisant la jonction avec la première partie du substrat diamant précédemment réalisée ; - élimination du reste de la tranche en silicium (7,8) par attaque chimique. 6) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on réalise un substrat diamant (1) constitué d'une embase plane munie sur une face de multiples canaux de refroidissement par les étapes suivantes : - réalisation par attaque chimique ou photolithographie d'une tranche de silicium (6) comportant une face présentant des nervures (61) correspondant au négatif des canaux de refroidissement (11) de la face du substrat diamant (1) à réaliser ; - dépôt d'une couche de diamant par procédé CVD sur la face de la tranche silicium (6) munie de nervures (61), ledit dépôt de diamant s'effectuant sur une épaisseur supérieure à la hauteur des nervures (61) de manière à réaliser ladite embase plane du substrat diamant (1) ; - élimination de la tranche de silicium par attaque chimique. 7) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on réalise un substrat diamant (1) constitué d'un corps parallélépipédique traversé par des canaux (21) débouchant sur deux faces latérales opposées par les étapes suivantes : - gravure par attaque chimique ou photolithographie d'une face d'une tranche de silicium (7) de manière à réaliser des nervures (71) correspondant au négatif des canaux (21), la hauteur desdites nervures (71) pouvant être inférieure à la hauteur desdits canaux (21) à réaliser ; - dépôt d'une couche de diamant par procédé CVD sur la face de la tranche silicium (7) munie de nervures (71), ledit dépôt s'effectuant sur une épaisseur supérieure à la hauteur des nervures (71) de manière à réaliser une paroi latérale du corps parallélépipédique du substrat diamant (2) ; - gravure par attaque chimique ou photolithographie de la face de la tranche de silicium (7) opposée à la face précédemment recouverte de diamant de manière à conserver des parties de silicium (72) en saillie définissant le négatif de la partie complémentaire des canaux (21) à réaliser ; - dépôt d'une couche de diamant par procédé CVD sur la face du substrat diamant (7), au niveau de laquelle des parties de silicium (72) font saillie, sur une épaisseur supérieure à la hauteur des parties silicium (72) en saillie de manière à réaliser la paroi latérale du corps parallélépipédique du substrat diamant (2) venant en face de la paroi précédemment réalisée ; - élimination par attaque chimique du silicium (71,72) définissant les canaux (22) dans le corps parallélépipédique du substrat diamant (2) précédemment réalisé. 8) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on réalise un substrat diamant (2) constitué d'un corps parallélépipédique traversé par des canaux (21) débouchant sur faces deux latérales opposées par les étapes suivantes : - dépôt d'une couche de diamant par procédé CVD sur une face d'une tranche de silicium (8) plane, ledit dépôt étant réalisé sur une épaisseur correspondant à l'épaisseur d'une des deux parois latérales du corps parallélépipédique du substrat diamant (2) ; - gravure par attaque chimique ou photolithographie de la face de la tranche de silicium (8) opposée à la face précédemment recouverte de diamant de manière à conserver uniquement des noyaux de silicium (81) en saillie définissant le négatif des canaux (21) à réaliser ; - dépôt d'une couche de diamant par procédé CVD sur la face du substrat diamant, au niveau de laquelle les noyaux de silicium (81) font saillie, sur une épaisseur supérieure aux noyaux silicium (81) de manière à réaliser la paroi latérale du corps parallélépipédique du substrat diamant (2) venant en regard de la paroi réalisée précédemment ; - élimination par attaque chimique des noyaux silicium (81) définissant les canaux dans le corps parallélépipédique du substrat diamant (2) précédemment réalisé. 9) Substrat diamant (1,2) pour circuit électronique de puissance obtenu au moyen du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, ledit substrat diamant (1,2) comportant une face supérieure supportant une ou plusieurs pistes conductrices obtenues par métallisation et destinées à permettre la connexion d'un ou plusieurs composants semi-conducteurs de puissance (3), caractérisé en que ledit substrat en diamant (1,2) intègre des canaux (11,21) dans lesquels circule un fluide de refroidissement (4). 10) Substrat diamant selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits canaux (11) sont réalisés sur la face inférieure du substrat en diamant (1), lesdits canaux (11) formant des sillons au contact d'un fluide de refroidissement (4) s'écoulant le long de la face inférieure. 11) Substrat diamant selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits canaux (22) sont disposés dans l'épaisseur du substrat en diamant (2) et débouchent sur deux faces latérales du substrat (2) au niveau desquelles lesdits canaux (22) sont alimentés en fluide refroidissement.