一种陶瓷-单晶复合衬底的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷
‑
单晶复合衬底的制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体材料加工领域，尤其涉及一种陶瓷
‑
单晶复合衬底的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，半导体器件正朝着模块化、智能化的方向发展，以减小设备的体积、降低成本、提高装置的性能。随着材料科学的不断发展、新材料的开发和利用模块的设计、安装更趋简化，模块的热阻得以减小、容量大大提高。同时，集成度的提高又进一步增强了模块的功能。陶瓷
‑
单晶复合衬底正是以此为目的开发出的新型材料，一经出现便以优良的电气、机械性能而广泛用于新一代半导体模块中成为模块封装技术中无可替代的关键材料。
[0003]与氧化铝陶瓷材料相比，氮化铝陶瓷不仅具有较高的热导率(70～270W／m.k)和热膨胀系数(4.5
×
10
‑6)，与硅匹配良好，而且有着良好的电气性能和机械强度，因此，它在半导体器件封装中有着广阔的应用前景。砷化镓(GaAs)是一种重要的半导体晶体材料，是一种类似硅的半导体，由锗和砷组成；它有相对较高的折射率，较低的拉曼散射系数，这使它具有较低的损耗；砷化镓晶体的热导率和电导率也比硅要高，它是一种非常稳定的晶体，不容易损坏；砷化镓晶体具有较好的非对称特性，使它可以用来制造出具有良好的功率放大器性能的电子器件。砷化镓晶体所具有的特性使它成为一种极为有用的材料，可用于制造电子电路和电子器件。
[0004]键合技术是指在无粘合剂的条件下，通过抛光处理，将表面平整度达到光胶要求的材料施加一定的压力使其贴合在一起，通过范德华力或以其它成键方式粘合在一起，实现预键合，在惰性气氛或真空环境中通过高温热处理促使材料表面的分子相互扩散、融合，最终形成更稳定的化学键，从而形成一块整体材料的技术。
[0005]在传统的晶体键合方法中，首先将两块经过精密加工的晶体经过一系列表面处理后,紧密地贴在一起，在室温下形成光胶，然后再对晶体进行热处理，在无需其它粘接剂和高压的情况下形成永久性键合。但这种热键合方法存在着键合面内气体难以扩散出来、压力不均匀的问题，容易使得键合面产生裂纹、过高的温度易使晶格结构发生变化等弊端，尤其对于具有不同热膨胀系数的陶瓷和晶体之间的键合，在光胶之后的高温热处理过程中，不同材料热膨胀改变量的差异会在键合面形成应力，不仅可能导致键合面断裂，而且长时间的高温热处理也可能对键合面的性能产生影响，增大传输损耗。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种陶瓷
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单晶复合衬底的制备方法，提高氮化铝陶瓷片与砷化镓晶体片复合衬底的加工质量。
[0007]技术方案：本专利技术所述的一种陶瓷
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单晶复合衬底的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：步骤S1：制备氮化铝陶瓷片和砷化镓晶体片，所述氮化铝陶瓷片设有第一键合面，所述砷化镓晶体片设有第二键合面，并对第一键合面、第二键合面进行抛光处理；
步骤S2：将抛光处理后的氮化铝陶瓷片和砷化镓晶体片置于超声清洗机中进行超声波清洗，除去抛光过程残留的研磨颗粒、溶解残渣和有机物；并将超声清洗完成的氮化铝陶瓷片和砷化镓晶体片置于烘箱中烘干；步骤S3：将烘干的氮化铝陶瓷片和砷化镓晶体片置于体积比为 HCl : H2O = 1:1的盐酸溶液中浸泡 2
‑
10 min，除去氮化铝陶瓷片和砷化镓晶体片表面的氧化物；然后，用去离子水冲洗干净后浸泡在环己烷溶液中隔绝空气；步骤S4：将氮化铝陶瓷片和砷化镓晶体片连同环己烷溶液置于等离子清洗机内，并添加浓度为5mmol/l的乙二胺四乙酸活化剂，清洗并活化所述氮化铝陶瓷片的第一键合面、砷化镓晶体片的第二键合面；步骤S5：将活化处理的氮化铝陶瓷片和砷化镓晶体片放置在惰性保护气氛或真空手套箱中进行光胶，将光胶后的氮化铝陶瓷片的第一键合面与砷化镓晶体片的第二键合面紧密贴合并固定在石墨夹具，制得物料样品；步骤S6：将物料样品置于加热装置中进行热处理；步骤S7：将完成热处理的物料样品自真空热压炉中取出，打开石墨夹具，即可得到氮化铝陶瓷片和砷化镓晶体片键合而成的复合衬底。
[0008]优选的，步骤S2中烘干温度为50
‑
200 ℃，烘干时间为2
‑
7 h。
[0009]优选的，步骤S6中热处理具体包括以下步骤：步骤S
61
：加热装置以2
‑
5℃/min升温速率对物料样品进行加热升温；步骤S
62
：物料样品在加热装置中进行600
‑
1500 ℃保温处理，保温时间为7
‑
15 h；在保温过程中对物料样品施加压力载荷0.2
‑
0.6 kgf /mm2；步骤S
63
：完成保温过程后，以0.5
‑
0.9 ℃ /min的降温速率对物料样品进行降温处理；步骤S
64
：将步骤S
63
完成降温的物料样品进行退火处理，退火温度为70
‑
600 ℃，退火时间为20
‑
70 h；步骤S
65
：将步骤S
64
中完成退火处理的物料样品以1
‑
4 ℃/min的冷却速度冷却至室温。
[0010]优选的，步骤S2中超声清洗溶液为去离子水、无水乙醇和丙酮组成的混合溶液。
[0011]优选的，所述加热装置为真空热压炉，包括：炉体，所述炉体沿着其中央设置有传送通道；沿着所述传送通道长度方向分设有加热区和冷却区；传送装置，所述传送装置设置在所述传送通道内，物料样品随着传送装置依次通过加热区和冷却区；若干等离子风扇，所述等离子风扇沿着传送装置上下侧设置在炉体内壁上；若干第一热源，所述第一热源与等离子风扇间隔均匀分布在炉体内壁上；若干第二热源，所述第二热源沿着传送装置两侧均匀分布在炉体内壁上；制冷芯片，所述制冷芯片与设置在冷却区的等离子风扇电连接；控制芯片，所述控制芯片与传送装置、制冷芯片、第一热源和第二热源电连接。
[0012]优选的，所述第一热源为热风热源；所述第二热源为辐射热源。
[0013]优选的，所述第一热源为加热电阻丝；第二热源为红外石英灯。
[0014]优选的，所述加热区设置有与控制芯片电连接的温度传感器。
[0015]优选的，所述传送装置上设置有加热板，所述物料样品放置在加热板上。
[0016]优选的，所述第一热源与第二热源供热配比为 (55
‑
80)% : (20
‑
45)%。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术的氮化铝陶瓷
‑
砷化镓晶体复合衬底，采用等离子体预处理待键合面，可避免在高温条件下退火导致键合面热应力过大而引起的键合面断裂，能够在低温退火条件下获得键合强度较高的异种基质键合材料；2、在键合过程中增加酸洗过程，去除键合面可能存在的氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷
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单晶复合衬底的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：步骤S1：制备氮化铝陶瓷片（1）和砷化镓晶体片（2），所述氮化铝陶瓷片（1）设有第一键合面，所述砷化镓晶体片（2）设有第二键合面，并对第一键合面、第二键合面进行抛光处理；步骤S2：将抛光处理后的氮化铝陶瓷片（1）和砷化镓晶体片（2）置于超声清洗机中进行超声波清洗，除去抛光过程残留的研磨颗粒、溶解残渣和有机物；并将超声清洗完成的氮化铝陶瓷片（1）和砷化镓晶体片（2）置于烘箱（3）中烘干；步骤S3：将烘干的氮化铝陶瓷片（1）和砷化镓晶体片（2）置于体积比为 HCl : H2O = 1:1的盐酸溶液中浸泡 2
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10 min，除去氮化铝陶瓷片（1）和砷化镓晶体片（2）表面的氧化物；然后，用去离子水冲洗干净后浸泡在环己烷溶液中隔绝空气；步骤S4：将氮化铝陶瓷片（1）和砷化镓晶体片（2）连同环己烷溶液置于等离子清洗机（4）内，并添加浓度为5 mmol/l的乙二胺四乙酸活化剂，清洗并活化所述氮化铝陶瓷片（1）的第一键合面、砷化镓晶体片（2）的第二键合面；步骤S5：将活化处理的氮化铝陶瓷片（1）和砷化镓晶体片（2）放置在惰性保护气氛或真空手套箱（6）中进行光胶，将光胶后的氮化铝陶瓷片（1）的第一键合面与砷化镓晶体片（2）的第二键合面紧密贴合并固定在石墨夹具（5），制得物料样品（714）；步骤S6：将物料样品（714）置于加热装置中进行热处理；步骤S7：将完成热处理的物料样品（714）自真空热压炉（7）中取出，打开石墨夹具（5），即可得到氮化铝陶瓷片（1）和砷化镓晶体片（2）键合而成的复合衬底（8）。2.根据权利要求1所述的陶瓷
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单晶复合衬底的制备方法，其特征在于，步骤S2中烘干温度为50
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200 ℃，烘干时间为2
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7 h。3.根据权利要求1所述的陶瓷
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单晶复合衬底的制备方法，其特征在于，步骤S6中热处理具体包括以下步骤：步骤S
61
：加热装置以2
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5℃/min升温速率对物料样品（714）进行加热升温；步骤S
62
：物料样品在加热装置中进行600
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1500 ℃保温处理，保温时间为7
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15 h；在保温过程中对物料样品施加压力载荷0.2
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0.6 kgf /mm2；步骤S
63
：完成保温过程后，以0.5
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0.9 ℃ /min的降温速率对物料样品进行降温处理；步骤S
6...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯英俊，陈跃，赵超，彭江龙，
申请(专利权)人：苏州璋驰光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：