一种复合型冷却水盘及其制作方法和用途技术

本发明专利技术提供一种复合型冷却水盘，所述冷却水盘通过设置铝外壳和包裹在铝外壳内的铜层，解决了现有冷却水盘传热系数低的问题，且铜完全被包裹在铝外壳中，可确保铜金属不会漏出，应用在半导体领域中，可保障芯片制作的稳定性；本发明专利技术还提供所述冷却水盘的制作方法，通过先将铜层通过热等静压焊接在铝壳中得到焊接好的组件，再将组件加工出水槽后与铝上层组合经真空扩散焊接得到冷却水盘，既实现了将铜层完全包裹在铝外壳中，又不会堵塞水槽，制作出的冷却水盘冷却效率高，具有较高的工业应用价值。

A compound cooling water pan and its manufacturing method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种复合型冷却水盘及其制作方法和用途
本专利技术涉及半导体设备
，尤其涉及一种复合型冷却水盘及其制作方法和用途。
技术介绍
半导体芯片制造过程中，温度管控是一个非常重要的工作。温度不仅在晶圆的工艺生产过程中发挥重要影响，而且在相关制程工艺结束后，对晶圆上的器件性能影响仍然“发挥余热”。比如，刚从干刻腔室、气相沉积腔室或炉管腔室等高温制程腔室移出的晶圆，由于晶圆上各处分布的器件密度不同，使得晶圆表面各处的温度呈现出差异，如果不及时解决这种温度差异而让晶圆自然暴露在大气环境中，那晶圆表面就可能因热胀冷缩等原因导致器件性能下降甚至失效，而且还可能造成晶圆污染。因而晶圆从高温制程腔室移出之后，通常需要送到冷却室进行冷却。CN109817544A公开了一种半导体设备加热冷却复合盘装置，该装置通过减少晶圆在加热区和冷却区之间的传递路径来提高晶圆的处理和冷却效率，但该装置结构复杂，且冷却区的传热系数仍然较高。CN202205717U公开了一种晶圆冷却装置，该装置通过增设的气体喷吹元件向晶圆喷吹气体，不但避免了晶圆冷却之后表面残留水分，并且减少了晶圆冷却的时间，提高了晶圆冷却的效率，但气体喷吹的方法传热系数仍然较低，且能耗较高。CN208738190U公开了一种晶圆冷却室，通过采用多个传动装置分别将晶圆输送至冷却室内，从而避免晶圆之间散热不均的问题，但该装置的传热系数并没有提高。综上，目前人们并未想到通过改进冷却水盘的材质来提升冷却效率，这是因为目前制作冷却盘体的材料普遍为铝合金，若在半导体设备中冷却装置普遍采用铜，尽管铜的导热系数是铝的1.5倍，冷却能力会大幅度提高，但在半导体设备中，铜不能裸露在外，否则会出现铜离子泄漏，晶圆报废的现象。因此，需要开发一种高传热系数的冷却水盘及其制作方法，在解决冷却水盘传热系数低的问题的同时不出现铜离子泄露现象。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种复合型冷却水盘，所述冷却水盘包括铝外壳和包裹在铝外壳内的铜层，其中，铜层可提升冷却水盘的传热系数，铝外壳可确保铜金属不会漏出，应用在半导体领域中，可保障芯片制作的稳定性；本专利技术还提供所述冷却水盘的制作方法，通过将未加工出的水槽的铜层与铝进行热等静压焊接后再加工出水槽，最后再与铝上层组合进行真空扩散焊接，得到冷却水盘，热等静压焊接可实现铜与铝的牢固焊接，而真空扩散焊可将铝上层与组件中的铝中间层焊接，且不会堵塞水槽，可得到冷却效率高的冷却水盘。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种复合型冷却水盘，所述冷却水盘包括铝外壳和包裹在铝外壳内的铜层。本专利技术提供的复合型冷却水盘通过设置铝外壳和包裹在铝外壳内的铜层，解决了现有冷却水盘传热系数低的问题，且铜完全被包裹在铝外壳中，可确保铜金属不会漏出，具有较高的工业应用价值。优选地，所述铝外壳包括铝上层、铝中间层和凹槽型铝底座；在所述凹槽型铝底座的凹槽部位从下向上依次设置铜层和所述铝中间层。优选地，所述铝中间层的上表面与凹槽型铝底座的凸出面齐平。优选地，所述铝中间层和铜层中设置有水槽。优选地，所述水槽的上端与铝中间层的上表面齐平。优选地，所述水槽的底部在铜层的下表面上0.5～1.5mm处，例如可以是0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm或1.5mm，优选在下表面上0.8～1.2mm处。优选地，所述水槽的深度为4.5～5.5mm，例如可以是4.5mm、4.6mm、4.7mm、4.8mm、4.9mm、5.0mm、5.2mm、5.3mm、5.4mm或5.5mm，优选为4.8～5.2mm。优选地，所述水槽的宽度为1.5～2.5mm，例如可以是1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm或2.5mm，优选为1.8～2.3mm。优选地，所述水槽之间的间隙宽度为1.4～1.6mm，例如可以是1.4mm、1.42mm、1.45mm、1.47mm、1.5mm、1.52mm、1.53mm、1.54mm、1.55mm、1.58mm或1.6mm。优选地，所述凹槽型铝底座的凹槽部位的厚度为0.5～1.5mm，例如可以是0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm或1.5mm，优选为0.8～1.2mm。优选地，所述冷却水盘设置有通孔或上端开口的槽口。优选地，所述通孔或上端开口的槽口在铜层的部位表面覆盖有铝层。本专利技术提供的复合型冷却水盘的通孔或上端开口的槽口经过铜层的部位表面覆盖有铝层，确保所有的铜均被铝包裹在里面，更有效地防止铜的泄露。优选地，所述铜层的厚度为4.5～5.5mm，例如可以是4.5mm、4.6mm、4.7mm、4.8mm、4.9mm、5.0mm、5.1mm、5.2mm、5.3mm、5.4mm或5.5mm，优选为4.8～5.2mm。优选地，所述铝中间层的厚度为0.5～1.5mm，例如可以是0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm或1.5mm，优选为0.8～1.2mm。优选地，所述铝上层的厚度为0.5～1.5mm，例如可以是0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm或1.5mm，优选为0.8～1.2mm。优选地，所述铝上层的材质为铝合金6061。优选地，所述铝中间层的材质为铝合金6061。优选地，所述凹槽型铝底座的材质为铝合金6061。优选地，所述铜层的材质为TU1无氧铜。本专利技术中TU1无氧铜是一种氧和杂质含量极低，纯度高，导电导热性极好的铜的材料，本专利技术优选采用该材料，可有效提高铜与铝的焊接效果以及冷却水盘的冷却效率。第二方面，本专利技术提供一种复合型冷却水盘的制作方法，所述方法包括如下步骤：(1)在凹槽型铝底座的凹槽部位从下向上依次设置铜层和铝中间层，得到装配好的组件，对所述装配好的组件进行热等静压焊接，得到焊接好的组件；(2)在所述焊接好的组件的铜层和铝中间层中加工出水槽，得到预工件；(3)将铝上层置于所述预工件靠近铝中间层的表面上，进行真空扩散焊接，得到冷却水盘；或所述方法包括如下步骤：(1)在铜层上表面、左表面、右表面和下表面分别覆盖铝中间层、第一铝块，第二铝块和铝底层，得到装配好的组件，对所述装配好的组件进行热等静压焊接，得到焊接好的组件；(2)在所述焊接好的组件的铜层和铝中间层中加工出水槽，得到预工件；(3)将铝上层置于所述预工件靠近铝中间层的表面上，进行真空扩散焊接，得到冷却水盘。本专利技术第一方面提供的复合型冷却水盘由于铝合金和铜两种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合型冷却水盘，其特征在于，所述冷却水盘包括铝外壳和包裹在铝外壳内的铜层。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合型冷却水盘，其特征在于，所述冷却水盘包括铝外壳和包裹在铝外壳内的铜层。


2.根据权利要求1所述的冷却水盘，其特征在于，所述铝外壳包括铝上层、铝中间层和凹槽型铝底座；在所述凹槽型铝底座的凹槽部位从下向上依次设置铜层和所述铝中间层；
优选地，所述铝中间层的上表面与凹槽型铝底座的凸出面齐平；
优选地，所述铝中间层和铜层中设置有水槽；
优选地，所述水槽的上端与铝中间层的上表面齐平；
优选地，所述水槽的底部在铜层的下表面上0.5～1.5mm处，优选在下表面上0.8～1.2mm处；
优选地，所述水槽的深度为4.5～5.5mm，优选为4.8～5.2mm；
优选地，所述水槽的宽度为1.5～2.5mm，优选为1.8～2.3mm；
优选地，所述水槽之间的间隙宽度为1.4～1.6mm；
优选地，所述凹槽型铝底座的凹槽部位的厚度为0.5～1.5mm，优选为0.8～1.2mm；
优选地，所述冷却水盘设置有通孔或上端开口的槽口；
优选地，所述通孔或上端开口的槽口在铜层的部位表面覆盖有铝层；
优选地，所述铜层的厚度为4.5～5.5mm，优选为4.8～5.2mm；
优选地，所述铝中间层的厚度为0.5～1.5mm，优选为0.8～1.2mm；
优选地，所述铝上层的厚度为0.5～1.5mm，优选为0.8～1.2mm；
优选地，所述铝上层的材质为铝合金6061；
优选地，所述铝中间层的材质为铝合金6061；
优选地，所述凹槽型铝底座的材质为铝合金6061；
优选地，所述铜层的材质为TU1无氧铜。


3.一种复合型冷却水盘的制作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)在凹槽型铝底座的凹槽部位从下向上依次设置铜层和铝中间层，得到装配好的组件，对所述装配好的组件进行热等静压焊接，得到焊接好的组件；
(2)在所述焊接好的组件的铜层和铝中间层中加工出水槽，得到预工件；
(3)将铝上层置于所述预工件靠近铝中间层的表面上，进行真空扩散焊接，得到冷却水盘；
或所述方法包括如下步骤：
(1)在铜层上表面、左表面、右表面和下表面分别覆盖铝中间层、第一铝块，第二铝块和铝底层，得到装配好的组件，对所述装配好的组件进行热等静压焊接，得到焊接好的组件；
(2)在所述焊接好的组件的铜层和铝中间层中加工出水槽，得到预工件；
(3)将铝上层置于所述预工件靠近铝中间层的表面上，进行真空扩散焊接，得到冷却水盘。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(1)之前，还包括所述铜层的预加工；
优选地，所述预加工包括在铜层上打出通孔；
优选地，所述预加工包括在铜层表面进行物理气相沉积镀膜；
优选地，所述镀膜的膜成分包括纯度为99.95％的钛；
优选地，所述镀膜的膜厚度为8～10μm，优选为8.5～9.5μm；
优选地，所述铜层的材质为TU1无氧铜；
优选地，所述预加工包括将铝销子打入通孔内；
优选地，所述铝销子与通孔的单边配合间隙为0.02～0.03mm；
优选地，在步骤(1)之前，所述铜层的预加工之后，还包括热等静压焊接预处理步骤；
优选地，所述热等静压焊接预处理包括：清洗铜层、凹槽型铝底座和铝中间层；
优选地，所述清洗液包括异丙醇和/或酒精；
优选地，所述清洗包括超声波清洗；
优选地，所述超声波清洗的时间为5～10min，优选为7～9min；
优选地，所述热等静压焊接预处理包括：干燥铜层、凹槽型铝底座和铝中间层；
优选地，所述干燥包括真空干燥。


5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，步骤(1)中对装配好的组件进行包套焊接；
优选地，对所述包套焊接后的组件进行脱气处理；
优选地，所述脱气的温度为300～400℃，优选为320～380℃；
优选地，所述脱气的时间为2～3h，优选为2.3～2.7h；
优选地，对所述脱气后的组件进行热等静压焊接，得到焊接好的组件；
优选地，所述热等静压焊接的温度为450～500...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚力军，潘杰，边逸军，王学泽，占卫君，
申请(专利权)人：宁波江丰电子材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33