一种金刚石基薄膜电阻器元件的制造方法技术

一种金刚石基薄膜片式电阻器元件的制备方法，属于电子元器件制造领域。采用CVD方式在原始载体上沉积金刚石膜，然后依次完成研磨、抛光、划片以及刻蚀处理工序；随后在图形化CVD金刚石膜表面构建薄膜电阻器，并通过热处理工艺实现薄膜电阻器的调阻；随后再在电阻器表面进行电极的制备；最后去除CVD金刚石膜的原始载体，获得尺寸及电阻率符合要求的金刚石基薄膜电阻元件。本发明专利技术元件基于金刚石为载体，具有化学性质稳定、导热率高等特点。在中间过程采用激光划片辅助等离子体刻蚀工艺，解决了CVD金刚石膜后续加工难度大、加工后产生导电碳膜等一系列问题，实现了较低成本的CVD金刚石膜基薄膜片式电阻器的批量化生产。降低相对成本的同时，保证了产品质量及生产效率。

A Manufacturing Method of Diamond-based Thin Film Resistor Components

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石基薄膜电阻器元件的制造方法
本专利技术属于电子元器件制造领域，特别是涉及一种薄膜片式电阻器元件的制造方法
技术介绍
片式电子元器件目前已在电子产品中得到广泛应用，据统计目前各类电子元件的片式化率已达70％以上。在各类型片式电子元件中，片式电阻器的需求量最大、占整个片式元器件的45％以上。全球片式电阻器的年需求量已超过了1万亿只。片式电阻器用于实现精确的阻抗匹配，且在电子电路内调节电流并使电压降低的功能。片式电阻主要包括厚膜和薄膜片式电阻器两大类，其中薄膜片式电阻器是近几年来发展最迅速、应用范围最广、前景最被看好的新一代片式电阻器，其电阻膜层主要成分为镍铬合金(CrNi)、氮化钽(TaN)等，膜层厚度数十纳米至数百纳米不等，方块电阻高且精确可调，经过精密加工和后期处理，阻值精度可达±0.05％，温度系数可达到±5ppm/℃，稳定度可达到0.02％，是替代低精度的厚膜片式电阻器以及传统高精度、高稳定柱状带引线电阻器的理想产品。特别是在射频器件设计中，器件在吸收射频功率以后，自身将发生显著的温升。此时必须在导热系数高的材料上建造片式电阻或其它片式元器件。随着载荷功率及频率的不断提升，常用的衬底材料如氧化铝、氮化铝、碳化硅以及氧化铍等恐无法满足器件散热能力的需求。CVD金刚石的热导率高达2000W/m·K，是铜的4到5倍。这种导热系数的巨大提升，使设计一些极端的射频组件成为可能，如电阻、终端、衰减器、功率分配器和耦合器等，这些器件虽然尺寸更小，却能够耗散更多的功率，并可以以更高的频率工作(例如，30GHz及以上)。此外，金刚石也是一种非常稳定的材料，这使得它毫无疑问成为极端环境下首选的衬底材料，如高可靠性的空间科学领域、恶劣环境军事装备领域等。采用传统衬底材料的片式电阻器的工艺已经比较成熟，具备工艺稳定、产量高等特点，但是这些工艺路线恐无法用于CVD金刚石膜材料，主要原因在于CVD金刚石膜的高强度及高硬度，普通加工方法无法加工。而采用激光划片方法又会引入石墨污染问题，从而导致金刚石基薄膜电阻片的性能不可控。目前，国内还没有采用金刚石基片作为薄膜片式电阻的专利或产品报道。国外EMC公司、SmithsInterconnect等少数公司已报道了采用CVD金刚石作为薄膜片式电阻载体的产品，但是未提到如何实现的这个结构，以及是否具有批量制备的能力。
技术实现思路
本专利技术提出一种金刚石基薄膜片式电阻器元件的制备方法；这种结构基于金刚石为载体，具有化学性质稳定、导热率高等特点，可保障薄膜电阻元器件在高功率、高频率工况下长时间稳定工作。一种金刚石基薄膜片式电阻器元件的制备方法，其特征在于采用CVD方式在原始载体上沉积金刚石膜，然后依次完成研磨、抛光、划片以及刻蚀处理等工序；随后在图形化CVD金刚石膜表面构建薄膜电阻器，并通过热处理工艺实现薄膜电阻器的调阻；随后再在电阻器表面进行电极的制备；最后去除CVD金刚石膜的原始载体，获得尺寸及电阻率符合要求的金刚石基薄膜电阻元件。本专利技术具体制备步骤如下：1)采用化学气相沉积CVD工艺，在硅片衬底上沉积金刚石薄膜；硅片表面采用金刚石粉打磨处理提高形核密度及膜基附着力；硅片直径1-4英寸，生长CVD金刚石膜厚度100-300μm；2)采用机械研磨方式，将带有硅衬底的金刚石膜进行研磨、抛光处理；3)采用激光刻蚀技术，在带有硅衬底的金刚石膜表面进行图形化处理，获得具有一定尺寸规格的金刚石单元阵列，确保激光刻蚀深度大于金刚石膜厚度，同时又不穿透硅衬底；4)采用等离子体刻蚀技术对上述切割后的金刚石膜表面进行处理；该工艺的目的是去除由于激光刻蚀金刚石产生的石墨层。5)采用物理气相沉积技术，在金刚石单元阵列表面沉积电阻薄膜，膜层厚50-200nm；6)将步骤5所述电阻薄膜在空气中进行热处理，提升电阻薄膜的稳定性，同时调节电阻膜层的方阻至所需阻值；同时也将裸露金刚石表面从氢终端转变成氧终端，提高绝缘性；热处理温度200-400℃；7)在步骤6)所述表面通过掩膜、光刻技术，获得具有图形化特征的、硅衬底/金刚石/薄膜电阻/电极的结构；8)采用化学试剂去除硅衬底去除，硅衬底去除后，金刚石失去载体，获得尺寸及电阻率符合要求的金刚石基薄膜电阻元件，以供下一道封装工序所用。进一步地，步骤1)所述化学气相沉积工艺包括微波化学气相沉积、直流喷射化学气相沉积以及热丝化学气相沉积等。进一步地，步骤2)所述机械研磨方式是要将其生长面表面粗糙度Ra减至20-100nm，同时确保CVD金刚石膜厚度均匀性±10％以内。进一步地，步骤4)所述刻蚀技术包括微波等离子体刻蚀(MPCVD)、射频等离子体刻蚀(RF)、感应耦合等离子体刻蚀技术(ICP)等；刻蚀时间5-20分钟，依据为金刚石膜表面无明显碳层，表面呈高阻态，电阻率≥108Ω·㎝。进一步地，步骤5)所述电阻薄膜为镍铬合金CrNi、氮化钽TaN等。进一步地，步骤7)所述电极，材料为Ti/Pt/Au、TiW/Pt/Au、Ni/Cr/Au等，且不限于这几种。进一步地，步骤7)所述化学试剂为氢氟酸(HF)溶液。本专利技术的优点及积极效果：金刚石膜具有极佳的物理化学惰性，其热导率为自然界最高，在高功率电子元器件热管理领域具有远高于其它导热材料的优势。但是CVD金刚石膜的高成本、以及难加工特性使得金刚石膜广泛用于电子元器件的热管理还存在明显的障碍。片式电阻器尺寸小，随着输入功率提升、以及射频环境需求，传统陶瓷基底上制备的薄膜电阻已难以满足指标要求，亟需寻找替代的高导热材料，比如CVD金刚石膜。本专利技术提出的制备方法，具备实现工业化生产的能力，由于在中间过程采用激光划片辅助等离子体刻蚀工艺，解决了CVD金刚石膜后续加工难度大、加工后产生导电碳膜等一系列问题，真正实现了较低成本的CVD金刚石膜基薄膜电阻器的批量化生产，降低相对成本的同时，保证了产品质量及生产效率。附图说明：图1A示出在硅片表面沉积高导热金刚石膜；图1B示出将带有硅衬底的金刚石膜进行生长面研磨抛光；图1C示出采用激光刻蚀技术在抛光后的金刚石层进行图形化，激光穿透深度大于金刚石膜厚度；随后采用等离子体刻蚀技术，去除激光刻蚀后产生的石墨层；图1D示出在金刚石膜表面沉积电阻薄膜材料，随后进行退火调阻处理；图1E示出在上述电阻薄膜表面通过图形化技术构建电极材料；图1F示出将硅衬底去除，留下各独立的带有金刚石衬底的薄膜电阻元件；图1G示出单个带金刚石衬底电阻元件的结构示意图。具体实施方式实施例1、选用未抛光的、尺寸为φ35mm×1mm硅片为衬底，采用金刚石粉研磨辅助酒精清洗的方式处理样品，随后烘干放入微波等离子体CVD沉积系统；2、采用微波等离子体CVD系统在上述硅片表面镀制金刚石膜。典型沉积工艺为：工作气体氢气/甲烷，功率2.8-3.0kW，衬底温度800℃、甲烷浓度3％、沉积时间100h。实际沉积厚度约为260-280μm；3、对带衬底金刚石膜进行研磨抛光处理，金刚石膜表面光洁度Ra达到50nm，膜层厚度大致在200±20μm；4、采用金刚石专用激光切割机对金刚石膜进行划片处理，单个金刚石单元尺寸1.4×1.4mm，切缝宽度约为50μm，切割深度250-280μm；5、采用微波等离子体CVD装置，对步骤4已完成切割的试样进行表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金刚石基薄膜片式电阻器元件的制备方法，其特征在于采用CVD方式在原始载体上沉积金刚石膜，然后依次完成研磨、抛光、划片以及刻蚀处理工序；随后在图形化CVD金刚石膜表面构建薄膜电阻器，并通过热处理工艺实现薄膜电阻器的调阻；随后再在电阻器表面进行电极的制备；最后去除CVD金刚石膜的原始载体，获得尺寸及电阻率符合要求的金刚石基薄膜电阻元件。

【技术特征摘要】
1.一种金刚石基薄膜片式电阻器元件的制备方法，其特征在于采用CVD方式在原始载体上沉积金刚石膜，然后依次完成研磨、抛光、划片以及刻蚀处理工序；随后在图形化CVD金刚石膜表面构建薄膜电阻器，并通过热处理工艺实现薄膜电阻器的调阻；随后再在电阻器表面进行电极的制备；最后去除CVD金刚石膜的原始载体，获得尺寸及电阻率符合要求的金刚石基薄膜电阻元件。2.如权利要求1所述金刚石基薄膜片式电阻器元件的制备方法，其特征在于具体制备步骤如下：1)采用化学气相沉积CVD工艺，在硅片衬底上沉积金刚石薄膜；硅片表面采用金刚石粉打磨处理提高形核密度及膜基附着力；硅片直径1-4英寸，生长CVD金刚石膜厚度100-300μm；2)采用机械研磨方式，将带有硅衬底的金刚石膜进行研磨、抛光处理；3)采用激光刻蚀技术，在带有硅衬底的金刚石膜表面进行图形化处理，获得具有一定尺寸规格的金刚石单元阵列，确保激光刻蚀深度大于金刚石膜厚度，同时又不穿透硅衬底；4)采用等离子体刻蚀技术对上述切割后的金刚石膜表面进行处理；5)采用物理气相沉积技术，在金刚石单元阵列表面沉积电阻薄膜，膜层厚50-200nm；6)将步骤5所述电阻薄膜在空气中进行热处理，提升电阻薄膜的稳定性，同时调节电阻膜层的方阻至所需阻值；同时也将裸露金刚石表面从氢终端转变成氧终端，提高绝缘性；热处理温度200-400℃；7)在步骤6)所述表面通过掩膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏俊俊，李成明，陈良贤，刘金龙，高旭辉，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11