Способ изготовления теплоотвода полупроводникового прибора на основе CVD-алмаза
METHOD FOR MANUFACTURING A HEAT SINK OF A SEMICONDUCTOR DEVICE BASED ON CVD DIAMOND

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в полупроводниковых приборах для эффективного отвода тепла от активных элементов.
На пластинах из поликристаллического алмаза, выращенных в плазмохимическом реакторе на основе СВЧ разряда, верхняя (ростовая) поверхность получается шероховатой и содержит хаотически ориентированные зёрна. Нижняя поверхность, прилегающая к подложке, получается гладкой и состоит из субмикронных зёрен [Ральченко В.Г., Конов В.И., Леонтьев И.А. Свойства и применение поликристаллических алмазных пластин // Сборник трудов 7-ой научно-технической конференции «Высокие Технологии в Промышленности России», 29-30 июня 2001, МГУ, Москва, с. 246-253]. Шероховатость ростовой поверхности пластины алмаза может составлять десятки мкм, поэтому, как правило, требуется полировка, по меньшей мере, крупнозернистой стороны. Полировка алмаза является медленным и трудоёмким процессом и, следовательно, существенно повышающим стоимость алмазных изделий.
Для использования алмаза в качестве теплоотвода его необходимо металлизировать. Покрытие алмаза металлом является весьма сложной проблемой, так как алмаз имеет чрезвычайно низкую адгезию к любым материалам. Это обусловлено тем, что алмаз обладает наиболее упакованной решёткой из всех известных материалов и внедрение инородных атомов в его решётку за счёт диффузии практически невозможно [М.П. Духновский, А.К., Ратникова, Ю.Ю., Фёдоров. Термическая обработка поликристаллического CVD-алмаза с целью формирования гладкой поверхности // Электронная техника, сер.1, СВЧ-техника, вып. 2(495), 2008, с.41-46].
Известен способ изготовления металлизированной пластины из CVD-алмаза [Духновский М.П., Крысов Г.А., Ратникова А.К. Металлизация пластин из искусственного CVD-алмаза. Электронная техника, Сер.1, СВЧ электроника, вып. 1(494), 2008 г.] содержащий:
- нанесение на установке вакуумного осаждения УВН РЭ.Э-60 методом электронно-лучевого осаждения слоя кремния толщиной 0,07 мкм с двух сторон алмазной пластины;
2
19
21
- ионное легирование на установке ионной имплантации «Лада-30» напылённого кремния ускоренными ионами аргона с энергией 100 кэВ и дозой облучения 250 мкКл/см с целью формирования в алмазе слоя соединения кремния с углеродом с концентрацией кремния в нём 10-10 атомов на кубический сантиметр;
- отжиг имплантированных образцов в кислородной плазме для удаления углеродной плёнки, образовавшейся при имплантации;
- напыление на пластину из CVD-алмаза плёнок титана, молибдена, никеля толщиной 0,1, 0,1, 0,2 мкм соответственно.
Толщина промежуточного слоя должна быть близка к величине среднего проективного пробега ионов для достижения максимальной эффективности создания атомов отдачи (в данном случае атомов кремния) которые образуют слой соединения с углеродом пластины алмаза.
Данный способ отличается трудоёмкой операцией обработки алмазной пластины с двух сторон до получения минимальной шероховатости (необходимой при тонкоплёночной металлизации) и большой сложностью проводимых операций, требующих использования уникального прецизионного оборудования.
Известен способ изготовления металлизированного основания выполненного из поликристаллического CVD-алмаза в виде пластины размером 10×10 мм и толщиной 0,4 мм, в котором пластину из поликристаллического CVD-алмаза обрабатывают с обеих сторон в установке типа «Импульс 6» с целью получения заданной шероховатости. Затем пластину из поликристаллического CVD-алмаза металлизируют со всех сторон посредством вакуумного нанесения системы металлов кремний - титан - молибден - никель - золото толщиной 0,05, 0,1, 0,1, 0,2, 3,0 мкм [Патент РФ № 2407106 от 20.12.2010].
Основным недостатком данного способа изготовления металлизированного основания выполненного из поликристаллического CVD-алмаза является необходимость трудоёмкой обработки алмазной пластины с двух сторон до получения требуемой шероховатости.
Наиболее близким техническим решением является способ изготовления алмазного теплоотвода полупроводникового прибора, включающий полировку алмаза до шероховатости 2,8-12,8 нм, металлизацию поверхности алмазного основания вакуумным осаждением тонкоплёночной системы металлизации, включающей титан при температуре 200-350°С и присоединение алмазного к медному основанию пайкой [Белорусский патент BY 14404 от 2011.06.30].
К основным недостаткам данного способа изготовления алмазного теплоотвода является необходимость трудоёмкой полировки алмаза а также присоединение алмаза к медному основанию пайкой припоем ПОс61 с температурой ликвидуса 190°С, что предопределяет монтаж полупроводникового кристалла на индий с температурой ликвидуса 156,8°С, в то время, как обычно полупроводниковые кристаллы, например, из кремния монтируют на теплоотвод при температуре 420-450°С (температура плавления эвтектики золото-кремний 370°С).
Техническим результатом изобретения является исключение необходимости трудоёмкой шлифовки и полировки пластины из CVD-алмаза и обеспечение возможности монтажа полупроводникового кристалла при температурах до 450°С.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается тем, что в способе изготовления алмазного теплоотвода полупроводникового прибора, включающем металлизацию поверхности алмазного основания, предназначенной для монтажа полупроводникового кристалла вакуумным осаждением системы, содержащей титан, и присоединение алмазного основания к медному основанию, на поверхность алмазного основания, предназначенную для монтажа полупроводникового кристалла осаждают в вакууме слой титана толщиной 0,15-0,2 мкм и слой меди толщиной 1-3 мкм при температуре 300-450°С, а для соединения алмазного основания с медным основанием, соответствующую поверхность медного основания гальванически покрывают слоем серебра толщиной 3,0-6,0 мкм с последующим вакуумным осаждением слоя титана толщиной 0,15-0,2 мкм, после чего основание из CVD-алмаза ростовой поверхностью прижимают к покрытой серебром и титаном поверхности медного основания и проводят нагрев в вакууме до температуры 820-850°С.
Выбор осаждённой в вакууме при температуре 300-450°С системы титан-медь с толщиной слоёв 0,15-0,2 мкм титана и 1,0-3,0 мкм меди обеспечивает высокую адгезию металлизации припаянных к алмазному теплоотводу полупроводниковых кристаллов эвтектическим припоем золото-кремний.
Выбор толщины слоя осаждаемой в вакууме меди 1-3 мкм обусловлен тем, что при толщине меди менее 1 мкм при подготовке поверхности к дальнейшему гальваническому покрытию золотом, на которое монтируют полупроводниковый кристалл (обезжиривание, декапирование), медь частично стравливается и оставшейся меди может не хватить для обеспечения высокой адгезии металлизации, а осаждение меди толщиной более 3 мкм связано с повышенными энергетическим затратами, повышенным износом оборудования, например, с перегревом магнетрона.
Толщина гальванически осаждённого серебра 3,0-6,0 мкм образует с медью основания расплав при термообработке достаточный для полного заполнения впадин между неровностями на ростовой поверхности CVD-алмаза. Неполное заполнение впадин образовавшимся припоем с высокой теплопроводностью повышает тепловое сопротивление алмазного теплоотвода и снижает адгезию медного основания к алмазу.
2
Выбор толщины осаждённого титана 0,15-0,2 мкм обусловлен необходимостью обеспечения его количества в расплаве для получения припоя, смачивающего керамику. При указанных соотношениях меди и серебра и титана адгезия между медным основанием и алмазом составляет 9,0-10 кг/мм. Большее количество титана не приводит к повышению прочности соединения CVD-алмаза с медным основанием, но обуславливает повышенные энергетические затраты и износ оборудования.
Были изготовлены образцы с осаждённой в вакууме системой металлизации титан-медь. После покрытия гальваническим никелем к металлизации высокотемпературным припоем ПСР-72 были припаяны никелевые штырьки диаметром 1 мм и проведены измерения усилия отрыва Р штырьков от алмазного основания на динамометре со шкалой 10 кг.
Результаты измерений представлены в Таблице 1.
2
2
Из полученных данных можно сделать вывод о том, что наиболее предпочтительной является система титан-медь с толщиной слоёв 0,15-0,2 мкм и 1,0-3-0 мкм осаждённая в вакууме с подогревом алмаза до температуры 300-450°С в процессе напыления. При температуре на алмазе в процессе напыления ниже 300°С адгезия металлизации к алмазу не более 2 кг/мм, в то время, как при температуре на алмазе в процессе напыления более 300°С адгезия металлизации к алмазу превышает 4 кг/мм, что обеспечивает прочное соединение полупроводникового кристалла с теплоотводом. При попытке механического снятия кристалла с теплоотвода, кристалл разрушается, но не отделяется от алмаза вместе с металлизацией, что имеет место при металлизации при температуре менее 300°С.
Проверку качества присоединения ростовой поверхности основания из CVD-алмаза к медному теплоотводу проводили с 16-тью нешлифованными и не полированными алмазными основаниями с размерами 5х5 мм и толщиной 0,5 мм. В качестве медного теплоотвода использовали медные заготовки с размерами 10х10 мм и толщиной 0,05 мм. На одну из поверхностей медной заготовки гальванически осаждали серебро с толщиной покрытия 2-6 мкм, после чего на серебро осаждали в вакууме титан. Алмазное основание под небольшим грузом прижимали к медной заготовке и в вакуумной печи нагревали до температуры 820-850°С. После термообработки медную заготовку удаляли предварительным травлением и финишной шлифовкой. Под микроскопом при пятидесятикратном увеличении исследовали ростовую поверхность алмаза.
На 4-х образцах с толщиной слоя осаждённого в вакууме титана 0,05 мкм сплошного пропая между фольгой и алмазом нет из-за недостаточной концентрации титана в образовавшемся припое. Припой в углублениях отсутствовал и оставался только вблизи вершин самых высоких неровностей. Площадь спая составила 10-15% от площади спаиваемой поверхности алмаза.
На 4-х образцах с толщиной слоя осаждённого в вакууме титана 0,1мкм сплошного пропая между фольгой и алмазом нет из-за недостаточной концентрации титана в образовавшемся припое. Припой в углублениях частично отсутствовал. Площадь спая составила 30-55% от площади спаиваемой поверхности алмаза.
2
На 8-ми образцах изготовленных в соответствии с изобретением с толщиной слоя осаждённого в вакууме титана 0,15-0,2 мкм имел место сплошной пропай между фольгой и алмазом. Припой полностью заполнил углубления ростовой поверхности алмаза. Площадь спая составила 100% от площади спаиваемой поверхности алмаза. При соотношениях меди и серебра, и титана в соответствии с изобретением, адгезия между медным основанием и алмазом составляет 9,0-10 кг/мм.