一种免焊料高导热半导体衬底及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种免焊料高导热半导体衬底及其制备方法，属于半导体技术领域。采用本发明专利技术提供的方法制备的半导体衬底中，背面设置有孔洞，且通过蒸镀法将延展性较好的金属材料填充在孔洞内，在孔洞填充满后继续利用蒸镀法继续在刻蚀衬底的背面制备金属材料层，使用该半导体衬底时，所述金属材料层可以充当焊料层，加热热沉后，即可实现半导体衬底与热沉直接粘附，省去了额外在热沉上制备焊料层的工艺，减少器件制备工艺步骤。此外，本发明专利技术在衬底基体背面设置孔洞，且孔洞中填充延展性好、导热能力强的金属材料，芯片受热膨胀时，不会由于过大的应力而造成芯片损坏以及与热沉脱离的问题，提升了半导体激光器芯片的寿命和半导体激光器的性能。

A solder free high thermal conductivity semiconductor substrate and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种免焊料高导热半导体衬底及其制备方法
本专利技术涉及新型衬底材料
，尤其涉及一种免焊料高导热半导体衬底及其制备方法。
技术介绍
光电子器件是利用电-光子转换效应制成的各种功能器件。光电子器件是光电子技术的关键和核心部件，是现代光电技术与微电子技术的前沿研究领域，也是信息技术的重要组成部分。半导体激光器是光电子器件中最重要的器件之一，自诞生以来发展迅速，因其具有光电转换效率高、覆盖波长范围广、使用寿命长、体积小、重量轻、可直接调制等优势，已广泛应用于材料加工、军事、工业、医疗、通信等领域。半导体激光器中常用的普通半导体衬底的背面是平面结构，通过在半导体衬底背面制备电极，在热沉上制备焊料层，通过热沉上的焊料与半导体衬底背面的电极紧密的粘贴在一起，热沉上的焊料层除了可以为器件提供机械连接和电连接外，还可以为器件提供良好的散热通道。半导体激光器正常工作时产生的热量大多是首先从有源区传递到衬底，再由衬底经过焊料传递到热沉上，增加了芯片的废热导通到热沉的距离。在正常运转的状态下，半导体激光器会出现较高的输出功率，其电光转换效率可以达到40％～50％，也就是说所输入的电能的50％～60％会转换为热能。过多的热量如不能及时散掉会导致芯片与焊料之间的应力加大，严重时造成芯片的断裂损坏，减少芯片寿命。而且热沉上的焊料层在对器件芯片进行封装时对温度和压力都有严格要求，很容易造成器件芯片背面电极的破坏导致欧姆接触不良和高热阻等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种免焊料高导热半导体衬底及其制备方法，采用本专利技术提供的方法制备的半导体衬底使用时无需通过在热沉上制备焊料的工艺，即可实现器件芯片与热沉的粘附，减少器件制备工艺及焊料与器件电极接触不理想和焊料层较厚引发的散热效率低的问题，并利用金属导热性强、延展性好的特点，减小因热量导致的芯片损坏以及与热沉脱离的问题，且能够保持高散热能力。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种免焊料高导热半导体衬底的制备方法，包括以下步骤：将衬底片的背面进行光刻处理，在所述衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞图形，得到光刻衬底片；将所述光刻衬底片进行刻蚀处理，在所述光刻衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞，得到刻蚀衬底；利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的孔洞内填充金属材料，至金属材料与刻蚀衬底的背面齐平，之后利用蒸镀法继续在刻蚀衬底的背面制备金属材料层，得到免焊料高导热半导体衬底。优选地，所述衬底片的材质包括InP、GaAs、GaSb、InAs和Si中的一种。优选地，所述光刻处理包括依次进行的衬底片清洗预处理、匀胶、软烘、曝光、坚膜和显影。优选地，所述刻蚀处理包括依次进行的湿法刻蚀和干法刻蚀，所述湿法刻蚀采用的腐蚀溶液为HBr和HNO3混合水溶液，所述干法刻蚀采用的刻蚀气体为SF6-Ar混合气体。优选地，在所述刻蚀衬底的孔洞内填充金属材料以及在刻蚀衬底的背面制备金属材料层的方法，包括以下步骤：以金属材料对应的金属为蒸发源，利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的背面镀膜，形成第一金属层，使所得刻蚀衬底的背面朝上，并将刻蚀衬底加热至温度为金属材料的熔点以上，第一金属层对应的金属材料熔融后进入刻蚀衬底的孔洞中，之后将刻蚀衬底冷却至温度为金属材料的熔点以下，使熔融态的金属材料凝固在孔洞中；重复镀膜、加热和冷却步骤若干次，使孔洞内填充的金属材料与刻蚀衬底的背面齐平；之后继续进行镀膜，在刻蚀衬底的背面制备得到金属材料层。优选地，所述第一金属层的厚度为3～6μm。优选地，所述金属材料为金锡合金或铟。优选地，所述金属材料层的厚度为5～15μm。本专利技术提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的免焊料高导热半导体衬底，包括衬底基体，所述衬底基体的背面设置有周期分布排列的孔洞；所述孔洞内填充有金属材料，且填充的金属材料与衬底基体的背面齐平，所述衬底基体的背面设置有所述金属材料形成的金属材料层。优选地，所述孔洞的总面积占衬底基体背面总面积的50～65％；所述孔洞的深度为10～15μm，单个孔洞的横截面的面积为1～10μm2。本专利技术提供了一种免焊料高导热半导体衬底的制备方法，包括以下步骤：将衬底片的背面进行光刻处理，在所述衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞图形，得到光刻衬底片；将所述光刻衬底片进行刻蚀处理，在所述光刻衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞，得到刻蚀衬底；利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的孔洞内填充金属材料，至金属材料与刻蚀衬底的背面齐平，在刻蚀衬底背面孔洞填充金属材料平齐后，继续利用蒸镀法继续在刻蚀衬底的背面蒸镀金属材料层，得到免焊料高导热半导体衬底。采用本专利技术提供的方法制备的半导体衬底中，背面设置有孔洞，且通过蒸镀法将延展性较好的金属材料填充在孔洞内，在孔洞填充满后继续利用蒸镀法继续在刻蚀衬底的背面制备金属材料层，使用该半导体衬底时，所述金属材料层可以充当焊料层，加热热沉后，即可实现半导体衬底与热沉直接粘附，省去了额外在热沉上制备焊料层的工艺，减少器件制备工艺步骤。此外，本专利技术在衬底基体背面设置孔洞，且孔洞中填充延展性好、导热能力强的金属材料，芯片受热膨胀时，不会由于过大的应力而造成芯片损坏以及与热沉脱离的问题，提升了半导体激光器芯片的寿命和半导体激光器的性能；同时，设置孔洞相当于减薄了衬底的厚度，增加衬底的导电性和导热性，达到减小电阻、降低产热和增加散热的目的。附图说明图1为本专利技术提供的免焊料高导热半导体衬底的结构示意图；图2为本专利技术中刻蚀衬底的仰视图。具体实施方式本专利技术提供了一种免焊料高导热半导体衬底的制备方法，包括以下步骤：将衬底片的背面进行光刻处理，在所述衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞图形，得到光刻衬底片；将所述光刻衬底片进行刻蚀处理，在所述光刻衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞，得到刻蚀衬底；利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的孔洞内填充金属材料，至金属材料与刻蚀衬底的背面齐平，之后利用蒸镀法继续在刻蚀衬底的背面形成金属材料层，得到免焊料高导热半导体衬底。由于半导体激光器的尺寸在微米级，细小的灰尘也会对器件芯片产生很大的影响，本专利技术制备所述免焊料高导热半导体衬底的全过程优选在超净实验室内进行。本专利技术将衬底片的背面进行光刻处理，在所述衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞图形，得到光刻衬底片。在本专利技术中，所述衬底片优选为商业衬底，具体可以为InP衬底、GaAs衬底、GaSb衬底、InAs衬底或Si衬底。在本专利技术中，所述光刻处理优选包括依次进行的衬底片清洗预处理、匀胶、软烘、曝光、坚膜和显影。本专利技术通过光刻处理在衬底片背面制备出所需的孔洞图形，光刻处理完成后，衬底片背面需要制备孔洞图形的部分没有光刻胶覆盖，不需要制备孔洞图形的部分被光刻胶覆盖，之后将光刻处理后所得光刻衬底片进行后续刻蚀处理，被光刻胶覆盖的部分由于有光刻胶保护而不被腐蚀，没有光刻胶保护的部分经腐蚀后，最终在衬底片的背面完成所需孔洞结构的制备。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种免焊料高导热半导体衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n将衬底片的背面进行光刻处理，在所述衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞图形，得到光刻衬底片；/n将所述光刻衬底片进行刻蚀处理，在所述光刻衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞，得到刻蚀衬底；/n利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的孔洞内填充金属材料，至金属材料与刻蚀衬底的背面齐平，之后利用蒸镀法继续在刻蚀衬底的背面制备金属材料层，得到免焊料高导热半导体衬底。/n

【技术特征摘要】
1.一种免焊料高导热半导体衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将衬底片的背面进行光刻处理，在所述衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞图形，得到光刻衬底片；
将所述光刻衬底片进行刻蚀处理，在所述光刻衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞，得到刻蚀衬底；
利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的孔洞内填充金属材料，至金属材料与刻蚀衬底的背面齐平，之后利用蒸镀法继续在刻蚀衬底的背面制备金属材料层，得到免焊料高导热半导体衬底。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底片的材质包括InP、GaAs、GaSb、InAs和Si中的一种。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光刻处理包括依次进行的衬底片清洗预处理、匀胶、软烘、曝光、坚膜和显影。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀处理包括依次进行的湿法刻蚀和干法刻蚀，所述湿法刻蚀采用的腐蚀溶液为HBr和HNO3混合水溶液，所述干法刻蚀采用的刻蚀气体为SF6-Ar混合气体。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述刻蚀衬底的孔洞内填充金属材料以及在刻蚀衬底的背面制备金属材料层的方法，包括以下步骤：
以金属材料对应的金属为蒸发源，利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的背...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏志鹏，唐吉龙，申琳，宿世臣，张贺，王海珠，房丹，王登魁，王晓华，马晓辉，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22