一种高导热低流体阻力金刚石微通道热沉片的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高导热低流体阻力金刚石微通道热沉片的制备方法，首先在清洗干净的抛光单晶硅片衬底表面沉积一层介质层薄膜，使用带有微通道栅孔的掩膜板通过刻蚀在介质层薄膜表面形成具有微通道边框的沟槽结构；在有沟槽结构的介质层薄膜表面多次外延生长金刚石多晶薄膜，填满沟槽并覆盖介质膜，将金刚石多晶薄膜生长面减薄抛光加工平整；采用酸洗或刻蚀去除单晶硅片衬底和介质层薄膜，采用等离子体活性刻蚀处理金刚石多晶膜的形核层，得到具有微通道结构的金刚石晶片；最后在金刚石微通道表面沉积一层超疏水非晶碳膜，从而得到具有高导热低流体阻力的金刚石微通道热沉片。本发明专利技术综合利用金刚石高导热率和超疏水非晶碳基薄膜的优势，对于改善高功率半导体激光器和大规模集成电路的散热性能具有显著意义。大规模集成电路的散热性能具有显著意义。大规模集成电路的散热性能具有显著意义。

A preparation method of diamond microchannel heat sink with high thermal conductivity and low fluid resistance

【技术实现步骤摘要】
一种高导热低流体阻力金刚石微通道热沉片的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高导热低流体阻力金刚石微通道热沉片的制备方法，属于半导体材料


技术介绍

[0002]随着半导体芯片产业的发展，超大规模集成电路、半导体激光器以及其它大功率光/电子器件与设备在运行过程中会有更大部分的功率转化为废热，由此带来的温升严重影响其工作效率、可靠性、寿命，这对其热沉、封装材料的散热能力提出更严格的要求。目前，传统的功率器件散热技术在架构体系及工艺方面，应用能力仍局限在400 W/cm2以内，远低于高功率器件正常工作的热流密度（1 KW/cm2），甚至局部热点的热流密度高达5 KW/cm2，高效散热问题成为功率器件应用的技术瓶颈。
[0003]微通道冷却散热是目前最常用的有效散热方式，能够高效排散热流密度，其核心部分是具有高纵横比的微槽道，能在小体积内排散大量热，满足控温要求。为有效提高器件的散热性能，半导体工业领域上常用嵌入式微通道结构来增加Si（导热率为83 W/m
·
K）或Cu（导热率为550 W/m
·
K）与冷却流体接触的比表面积，实现较快导热。然而，受限于Si、Cu等衬底散热材料自身的热学和耐腐蚀性能，这类热沉材料并不能满足高功率器件的散热和应用要求，因此，寻找更高导热性能的热沉材料成为关键。CVD金刚石的导热率高达1800 W/m
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K，且绝缘性好、物理化学性能稳定，能将器件中的热量迅速导出，是高效散热器件的重要材料 （电子工艺技术，Vol. 41（5），2020，252
‑
255；中国机械工程，Vol. 32（3），2021，261
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268）。中国专利技术专利“一种超高热流密度散热用金刚石微通道热沉的制备方法”（CN201810487436.6）中，利用激光加工工艺和激光微束流在制备的自支撑金刚石厚膜上进行微槽道加工，获得了金刚石微通道热沉，但是得到的金刚石微槽道由于激光刻蚀工艺和光斑极限很难形成较小尺寸的深度和宽度，且容易对金刚石热沉造成高温损伤和表面碳化，影响冷却液流动和传热效果。中国专利技术专利“金刚石微通道热沉、制备方法和应用以及半导体激光器”（CN202010140690.6）中，通过直接生长金刚石膜并用湿法刻蚀去除基底得到了金刚石微通道热沉，虽然增加了与冷却液的接触面积，避免了激光加工过程中的烧蚀和碳化，但得到的金刚石微通道表面粗糙度较高，增加了流体阻力，影响热沉传热效果。因而，基于金刚石热沉材料，研究更高效散热的加工工艺和技术对实现金刚石微通道散热器件具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提供一种高导热低流体阻力金刚石微通道热沉片的制备方法，通过在设计有反向微通道栅孔结构的单晶硅衬底和介质层薄膜表面生长金刚石厚膜，去除硅衬底和介质层膜后，在金刚石形核面生长超疏水非晶碳基薄膜，从而获得具有高导热低流体阻力的金刚石微通道热沉片材料。
[0005]本专利技术利用金刚石材料的高导热特性，通过设计金刚石与硅衬底之间介质层薄膜
的微通道边框结构，在金刚石微通道表面沉积超疏水活性层，从而实现高导热低流体阻力的金刚石微通道热沉片的制备。本专利技术虽然也是通过掩膜板形成金刚石微通道，但与其他方法有明显区别。一方面，对硅衬底与金刚石之间的介质层薄膜进行特殊结构设计，既能进一步降低金刚石与衬底材料之间的物性差异，提高金刚石形核率和生长速度，又能较好控制金刚石微通道的深宽比和形状，实现高效导热；另一方面，在金刚石微通道表面引入了化学稳定性良好的超疏水非晶碳基薄膜，不仅可以改善金刚石表面质量，降低表面粗糙度，而且能够利用超疏水特性，降低冷却液流体阻力，提高金刚石微通道热沉传热能力，对于提高功率器件的高散热应用性能具有显著意义。
[0006]本专利技术提供了一种高导热低流体阻力金刚石微通道热沉片的制备方法，在清洗干净的抛光单晶硅片衬底表面沉积一层介质层薄膜，使用带有微通道栅孔的掩膜板通过刻蚀在介质层薄膜表面形成具有微通道边框的沟槽结构；在有沟槽结构的介质层薄膜表面多次外延生长金刚石多晶薄膜，填满沟槽并覆盖介质层薄膜，将金刚石多晶薄膜生长面减薄抛光加工平整；采用酸洗或刻蚀去除单晶硅片衬底和介质层薄膜，采用等离子体活性刻蚀处理金刚石多晶膜的形核层，得到具有微通道结构的金刚石晶片；最后在金刚石微通道表面沉积一层超疏水非晶碳基薄膜，从而得到具有高导热低流体阻力的金刚石微通道热沉片材料。
[0007]上述高导热低流体阻力金刚石微通道热沉片的制备方法，具体包括以下步骤：（1）将清洗干净的抛光单晶硅片衬底固定在多激发源等离子体镀膜装置的工件架上，硅片与激发源的距离为8~20 cm，工件架转速为1~10 r/min；（2） 将多激发源等离子体镀膜室抽真空到本底真空1
×
10
−4~5
×
10
−
4 Pa，通过氩气流量计调节氩气进气量到真空室内，开启工件架电机电源，采用离子源对单晶硅片进行溅射清洗；（3）在单晶硅片衬底表面沉积一层介质层薄膜；中间介质层薄膜是氮化硅、碳化硅或氮化铝，介质层薄膜制备方法包括电子束蒸发、等离子体增强化学气相沉积、激光熔融蒸发或磁控溅射技术；（4）使用带有均匀孔径微通道栅孔的掩膜板紧贴介质层薄膜表面，通过湿法刻蚀或离子束刻蚀在介质层薄膜表面形成具有微通道边框的沟槽结构；（5）采用微波化学气相沉积方法在具有微通道边框结构的介质层薄膜表面偏压增强形核缓慢生长一层金刚石多晶薄膜，调节甲烷与氢气的流量，然后关闭偏压电源进行快速生长金刚石多晶薄膜，将沟槽结构填满并覆盖介质层薄膜；（6）将上述生长的金刚石多晶薄膜激光或离子减薄、精密抛光加工至平整表面；（7）采用酸洗或刻蚀去除单晶硅片衬底和介质层薄膜，采用等离子体活性刻蚀处理金刚石多晶膜的形核层，得到具有微通道结构的自支撑金刚石晶片；（8）采用多激发源等离子体镀膜装置在自支撑金刚石微通道表面沉积一层超疏水非晶碳基薄膜，得到具有高导热低流体阻力的自支撑金刚石微通道热沉片。
[0008]上述制备方法中，所述步骤（1）中，单晶硅片分依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗5~20 min后，冷风吹干备用。
[0009]上述制备方法中，所述步骤（2）中，离子源溅射过程中，真空室气压为5
×
10
−2~5
×
10
−
1 Pa，氩离子能量为0.5~1.5 keV，清洗时间为5~10 min。
[0010]上述制备方法中，所述步骤（3）中，介质层薄膜厚度为50~300 nm。
[0011]上述制备方法中，所述步骤（4）中，掩膜板厚度为0.01~0.06 mm，表面孔径尺寸或沟槽宽度为0.1~2 mm，孔距或沟槽间隔为0.05~0.2 mm，刻蚀深度0.2~1 mm。
[0012]上述制备方法中，所述步骤（5）中，偏压增强形核所用正偏压为300~800 V，甲烷与氢气流量比为1:500~1:50，生长温度为700~100本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高导热低流体阻力金刚石微通道热沉片的制备方法，其特征在于包括下列步骤：首先在清洗干净的抛光单晶硅片衬底表面沉积一层介质层薄膜，使用带有微通道栅孔的掩膜板通过刻蚀在介质层薄膜表面形成具有微通道边框的沟槽结构；在有沟槽结构的介质层薄膜表面多次外延生长金刚石多晶薄膜，填满沟槽并覆盖介质层薄膜，将金刚石多晶薄膜生长面减薄抛光加工平整；采用酸洗或刻蚀去除单晶硅片衬底和介质层薄膜，采用等离子体活性刻蚀处理金刚石多晶膜的形核层，得到具有微通道结构的金刚石晶片；最后在金刚石微通道表面沉积一层超疏水非晶碳基薄膜，从而得到具有高导热低流体阻力的金刚石微通道热沉片。2.根据权利要求1所述的高导热低流体阻力金刚石微通道热沉片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将清洗干净的抛光单晶硅片衬底固定在多激发源等离子体镀膜装置的工件架上，硅片与激发源的距离为8~20 cm，工件架转速为1~10 r/min；（2） 将多激发源等离子体镀膜室抽真空到本底真空1
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4 Pa，通过氩气流量计调节氩气进气量到真空室内，开启工件架电机电源，采用离子源对单晶硅片进行溅射清洗；（3）在单晶硅片衬底表面沉积一层介质层薄膜；介质层薄膜是氮化硅、碳化硅或氮化铝，介质层薄膜制备方法包括电子束蒸发、等离子体增强化学气相沉积、激光熔融蒸发或磁控溅射技术；（4）使用带有均匀孔径微通道栅孔的掩膜板紧贴介质层薄膜表面，通过湿法刻蚀或离子束刻蚀在介质层薄膜表面形成具有微通道边框的沟槽结构；（5）采用微波化学气相沉积方法在具有微通道边框结构的介质层薄膜表面偏压增强形核缓慢生长一层金刚石多晶薄膜，调节甲烷与氢气的用量，然后关闭偏压电源进行快速生长金刚石多晶薄膜，将沟槽结构填满并覆盖介质层薄膜；（6）将上述生长的金刚石多晶薄膜激光或离子减薄、精密抛光加工至平整表面；（7）采用酸洗或刻蚀去除单晶硅片衬底和介质层薄膜，采用等离子体活性刻蚀处理金刚石多晶膜的形核层，得到具有微通道结构的自支撑金刚石晶片；（8）采用多激发源等离子体镀膜装置在自支撑金刚石微...

【专利技术属性】
技术研发人员：于盛旺，周兵，王永胜，黑鸿君，高洁，吴艳霞，马永，郑可，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：