一种低应力散热层半导体衬底及其制备方法和应用与流程

本发明涉及新型衬底材料技术领域，尤其涉及一种低应力散热层半导体衬底及其制备方法和应用。

背景技术：

光电子器件(photoelectrondevices)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，光电子器件应用范围广泛，包括：光纤通信、光纤传感、半导体光电子仪器设备、半导体激光测距仪、发光管显示和照明、光盘存储等等。

在光电子器件led芯片制造过程中，衬底具有重要作用。为了制备得到高质量的光电子单晶材料，人们通常在较厚的半导体衬底上制备光电子器件结构，然而厚的衬底会降低光电子器件的散热性能。因此，如何有效地散发光电子器件产生的热量是亟待解决的问题。

目前光电子器件的散热方式主要有热沉和水冷，用于制作热沉的材料一般为无氧铜、氧化铍、氮化铝、石英、银和金刚石。其中，金刚石是一种超宽禁带半导体材料，其禁带宽度和载流子迁移率较高；同时金刚石在室温下有极低的本征载流子浓度；而且金刚石还具有半导体材料中最高的热导率，使得其在光电子器件中具有较大的应用前景。然而，直接将金刚石沉积在半导体衬底上，由于金刚石和半导体衬底的热膨胀系数不匹配，容易出现应力问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种低应力散热层半导体衬底及其制备方法和应用。本发明提供的低应力散热层半导体衬底中类金刚石缓冲层和金刚石薄膜层构成低应力散热层，类金刚石缓冲层有效降低了半导体衬底的应力。

本发明提供了一种低应力散热层半导体衬底，所述低应力散热层半导体衬底由上至下依次为半导体衬底层、类金刚石缓冲层和金刚石薄膜层；

所述半导体衬底层的厚度为50μm～60μm；所述类金刚石缓冲层的厚度为4～7μm；所述金刚石薄膜层的厚度为28～32μm。

优选的，所述半导体衬底层的材质包括gasb、gaas、inp、si或inas。

本发明还提供了上述技术方案所述低应力散热层半导体衬底的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用射频等离子体增强化学气相沉积方法在半导体衬底背面沉积类金刚石缓冲层；

(2)采用微波等离子体化学气相沉积方法在类金刚石缓冲层表面沉积金刚石薄膜层；

(3)将半导体衬底层正面依次进行减薄和抛光，得到低应力散热层半导体衬底。

优选的，所述射频等离子体增强化学气相沉积方法的碳源为c2h2，c2h2的流速为280～320sccm，功率为180～220w，沉积时间为20～90min。

优选的，所述微波等离子体化学气相沉积方法的氢气流量为180～220sccm，甲烷流量为3～35sccm，微波功率为3000～4000w，气压为17～19kpa，衬底温度为1150～1200℃，沉积时间为5～7h。

优选的，所述步骤(1)在沉积类金刚石缓冲层前，对半导体衬底的背面进行清洁处理，所述清洁处理包括以下步骤：在380～420v射频自偏压下，将半导体衬底放置在氩等离子体中，所述氩等离子体的流速为280～320sccm，所述半导体衬底在氩等离子体中的放置时间为8～12min。

优选的，所述步骤(2)在沉积金刚石薄膜层前，对类金刚石缓冲层表面进行h2/o2微波等离子体预处理；所述h2/o2微波等离子体预处理的压力为65～75torr，所述h2/o2微波等离子体预处理的功率为2200～2400w，所述h2/o2微波等离子体预处理的时间为100～140min。

优选的，所述步骤(3)中减薄后半导体衬底层的厚度为62～67μm，抛光后半导体衬底层的厚度为50～60μm。

本发明还提供了上述技术方案所述低应力散热层半导体衬底或者上述技术方案所述方法制备得到的低应力散热层半导体衬底在光电子器件中的应用。

本发明提供了一种低应力散热层半导体衬底，所述低应力散热层半导体衬底由上至下依次为半导体衬底层、类金刚石缓冲层和金刚石薄膜层。本发明在半导体衬底层和金刚石薄膜层中间添加类金刚石缓冲层，类金刚石缓冲层和金刚石薄膜层构成低应力散热层，利用类金刚石缓冲层的缓冲作用，解决了半导体衬底层和金刚石薄膜层之间由于不匹配的热膨胀系数引起的应力问题，类金刚石缓冲层和金刚石薄膜层构成的复合结构具有低应力，类金刚石缓冲层有效降低了半导体衬底的应力；而且金刚石导电性能较差，本发明通过添加具有导电特性的类金刚石缓冲层，有效改善了金刚石导电性差导致的电极制备难度大的问题。

附图说明

图1为本发明低应力散热层半导体衬底的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种低应力散热层半导体衬底，所述低应力散热层半导体衬底由上至下依次为半导体衬底层、类金刚石缓冲层和金刚石薄膜层。

本发明提供的低应力散热层半导体衬底结构如图1所示，所述低应力散热层半导体衬底由上至下依次为半导体衬底层、类金刚石缓冲层和金刚石薄膜层。在本发明中，所述半导体衬底层的材质优选包括gasb、gaas、inp、si或inas；所述半导体衬底层的厚度为50μm～60μm，优选为52μm～58μm。在本发明中，所述类金刚石缓冲层的厚度为4μm～7μm，优选为5μm～6μm；所述金刚石薄膜层的厚度为28μm～32μm，优选为30μm。

本发明在半导体衬底层和金刚石薄膜层中间添加类金刚石缓冲层，类金刚石缓冲层和金刚石薄膜层构成低应力散热层，利用类金刚石缓冲层的缓冲作用，解决了半导体衬底和金刚石薄膜层之间由于不匹配的热膨胀系数引起的应力问题，类金刚石缓冲层有效降低了半导体衬底的应力；而且金刚石导电性能较差，本发明通过添加具有导电特性的类金刚石缓冲层，有效改善了金刚石导电性差导致的电极性能差的问题。

本发明提供了上述技术方案所述低应力散热层半导体衬底的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用射频等离子体增强化学气相沉积方法在半导体衬底背面沉积类金刚石缓冲层；

(2)采用微波等离子体化学气相沉积方法在类金刚石缓冲层表面沉积金刚石薄膜层；

(3)将半导体衬底层正面依次进行减薄和抛光，得到低应力散热层半导体衬底。

本发明采用射频等离子体增强化学气相沉积方法在半导体衬底背面沉积类金刚石缓冲层。

本发明优选在沉积类金刚石缓冲层前，对半导体衬底背面进行清洁处理，所述清洁处理优选包括以下步骤：在380～420v射频自偏压下，将半导体衬底放置在氩等离子体中，所述氩等离子体的流速优选为280～320sccm，更优选为300sccm，所述半导体衬底在氩等离子体中的放置时间优选为8～12min，更优选为10min。本发明在清洁处理过程中，所述射频自偏压优选为400v。本发明优选通过对半导体衬底进行等离子体清洁处理，以除去半导体衬底上的杂质。

对半导体清洁处理完成后，本发明采用射频等离子体增强化学气相沉积方法在半导体衬底背面沉积类金刚石缓冲层。在本发明中，所述射频等离子体增强化学气相沉积方法的碳源优选为c2h2，所述c2h2的流速优选为280～320sccm，更优选为300sccm，射频功率优选为180～220w恒定射频功率，更优选为200w恒定射频功率，沉积时间优选为20～90min，进一步优选为30～80min，更优选为40～70min。本发明优选将射频等离子体增强化学气相沉积的相关参数控制在上述范围内，有利于在半导体衬底背面沉积得到质量较好的类金刚石缓冲层。

沉积完类金刚石缓冲层后，本发明采用微波等离子体化学气相沉积方法在类金刚石缓冲层表面沉积金刚石薄膜层。

本发明优选在沉积金刚石薄膜层前，将类金刚石缓冲层表面进行h2/o2微波等离子体预处理；所述h2/o2微波等离子体预处理的压力优选为65～75torr，更优选为70torr，所述h2/o2微波等离子体预处理的功率优选为2200～2400w，更优选为2300w，所述h2/o2微波等离子体预处理的时间优选为100～140min，更优选为120min。本发明优选通过对类金刚石缓冲层表面进行预处理，有利于刻蚀掉诸如位错和抛光引起的表面缺陷，有利于提高类金刚石缓冲层和金刚石薄膜层的界面结合性能。

预处理完成后，本发明采用微波等离子体化学气相沉积方法在类金刚石缓冲层表面沉积金刚石薄膜层。在本发明中，所述微波等离子体化学气相沉积方法的氢气流量优选为180～220sccm，更优选为200sccm；甲烷流量优选为3～35sccm，进一步优选为4～30sccm，更优选为5～25sccm；微波功率优选为3000～4000w，进一步优选为3200～3800w，更优选为3500w；气压优选为17～19kpa，更优选为18kpa；衬底温度优选为1150～1200℃，更优选为1180℃；沉积时间优选为5～7h，更优选为6h。本发明优选将微波等离子体化学气相沉积的相关参数控制在上述范围内，有利于在类金刚石缓冲层表面沉积得到质量较好的金刚石薄膜层。

沉积完金刚石薄膜层后，本发明对半导体衬底层正面依次进行减薄和抛光，得到低应力散热层半导体衬底。

在本发明中，所述减薄优选为将半导体衬底层的厚度减薄至62～67μm，更优选为减薄至65μm；在本发明的具体实施例中，优选将半导体衬底沉积有类金刚石薄膜和金刚石薄膜的一侧通过融化的石蜡粘贴在减薄抛光设备的托盘上，粘贴好后将半导体衬底正面放在减薄设备的研磨盘上，使半导体衬底正面与研磨盘接触，然后加入研磨液进行减薄处理，过程中随机用厚度测试仪测量减薄的厚度，直至减薄至要求厚度。

在本发明中，所述减薄优选包括依次进行的粗减薄和细减薄。在本发明中，所述粗减薄的研磨液优选为al2o3粉末与去离子水的混合料液，所述al2o3粉末与去离子水的质量比优选为1:2～4，更优选为1:3，所述al2o3粉末的直径优选为8～10μm，更优选为9μm；所述粗减薄的减薄压力优选为240～260g/cm²，更优选为250g/cm²；所述粗减薄的研磨盘转速优选为20～30rpm，更优选为25rpm；所述粗减薄的研磨时间优选为30～40min，更优选为35min。

在本发明中，所述细减薄的研磨液优选为al2o3粉末与去离子水的混合料液，所述al2o3粉末与去离子水的质量比优选为1:2～4，更优选为1:3，所述al2o3粉末的直径优选为1～3μm，更优选为2μm；所述细减薄的减薄压力优选为280～320g/cm²，更优选为300g/cm²；所述细减薄的研磨盘转速优选为25～35rpm，更优选为30rpm；所述细减薄的研磨时间优选为15～25min，更优选为20min。

减薄完成后，本发明将减薄后的半导体衬底层正面进行抛光。在本发明中，所述抛光优选为将半导体衬底层的厚度抛光至50～60μm，优选为55μm。在本发明中，所述抛光优选采用磨砂革抛光垫进行抛光，所述抛光磨料优选为naclo溶液和γ-al2o3，所述抛光压力优选为200g/cm²～250g/cm²，所述抛光转速选择30～40rpm，更优选为35rpm。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

以锑化镓(gasb)衬底为例：

1、首先分别在丙酮、乙醇和去离子水中用超声波清洗机对gasb衬底进行清洗15min，然后用n2将衬底片吹干。

2、利用射频等离子体增强化学气相沉积(rf-pecvd)在室温下沉积类金刚石(dlc)缓冲层，在沉积类金刚石缓冲层前，先对衬底进行清洗，清洗的过程为：将gasb衬底片放置在等离子体cvd腔室中，并在400v射频自偏压下，暴露于氩等离子体(流速为300sccm)10min；清洗完成后，在200w恒定射频功率、c2h2流速为300sccm的条件下，气体沉积类金刚石缓冲层，气体沉积时间为20min，在衬底表面沉积得到厚度为5μm的类金刚石缓冲层；

3、沉积完类金刚石缓冲层后，利用微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)技术沉积金刚石薄膜层，在金刚石薄膜层沉积之前，将沉积有类金刚石缓冲层的衬底在h2/o2微波等离子体(70torr，2300w，2h)中进行预处理，以蚀刻掉诸如位错和抛光引起的表面缺陷；然后在类金刚石缓冲层表面沉积金刚石薄膜层，其中金刚石薄膜层的沉积条件为：氢气流量200sccm，甲烷流量4sccm，微波功率3000w，工作气压18kpa，衬底温度1180℃，经过6h的沉积，得到金刚石薄膜层，金刚石薄膜层的厚度为30μm；

4、最后对gasb衬底表面进行减薄抛光；减薄前先在gasb衬底正面(与类金刚石缓冲层接触面的反面)涂敷一层az4620光刻胶作为保护层，旋涂条件为3500rad/min，用酒精反复擦拭玻璃板，待玻璃板干净无灰尘之后，将石蜡放到玻璃板上进行加热；待石蜡融化以后，将gasb衬底的金刚石薄膜面粘贴到玻璃板上，取用颗粒直径为9μm的al2o3粉末与去离子水按照质量比1:3的比例混合，对gasb衬底正面进行粗减薄，在减薄压力为250g/cm²、研磨垫转速为25rpm、室内温度为20℃的情况下gasb衬底正面进行35min的粗减薄，之后选用颗粒直径为2μm的al2o3粉末与去离子水按照质量比1:3的比例混合，对gasb衬底正面进行细减薄，在减薄压力为300g/cm²、研磨垫转速为30rpm、室内温度为20℃的情况下gasb衬底正面进行20min的细减薄，gasb衬底厚度要减薄至65μm。随后对gasb衬底正面进行抛光处理，选用材质柔软，耐酸碱腐蚀的磨砂革抛光垫，抛光料采用naclo溶液的氧化剂和γ-al2o3抛光磨料体系，抛光压力选取230g/cm²，抛光转速选择35rpm，抛光后的gasb衬底层的厚度为55μm。

实施例2

以gaas衬底为例：

1、首先分别在丙酮、乙醇和去离子水中用超声波清洗机对gaas衬底进行清洗15min，然后用n2枪将衬底片吹干。

2、利用射频等离子体增强化学气相沉积(rf-pecvd)在室温下沉积类金刚石(dlc)缓冲层，在沉积类金刚石缓冲层前，先对衬底进行清洗，清洗的过程为：将gaas衬底片放置在等离子体cvd腔室中，并在400v射频自偏压下，暴露于氩等离子体(流速为320sccm)10min；清洗完成后，在200w恒定射频功率、c2h2流速为320sccm的条件下，气体沉积类金刚石缓冲层，气体沉积时间为22min，在衬底表面沉积得到厚度为7μm的类金刚石缓冲层；

3、沉积完类金刚石缓冲层后，利用微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)技术沉积金刚石薄膜层，在金刚石薄膜层沉积之前，将沉积有类金刚石缓冲层的衬底在h2/o2微波等离子体(70torr，2300w，2h)中进行预处理，以蚀刻掉诸如位错和抛光引起的表面缺陷；然后在类金刚石缓冲层表面沉积金刚石薄膜层，其中金刚石薄膜层的沉积条件为：氢气流量220sccm，甲烷流量25sccm，微波功率4000w，工作气压18kpa，衬底温度1180℃，经过6h的沉积，得到金刚石薄膜层，金刚石薄膜层的厚度为32μm；

4、最后对gaas衬底表面进行减薄抛光；减薄前先在gaas衬底正面(与类金刚石缓冲层接触面的反面)涂敷一层az4620光刻胶作为保护层，旋涂条件为3500rad/min，用酒精反复擦拭玻璃板，待玻璃板干净无灰尘之后，将石蜡放到玻璃板上进行加热；待石蜡融化以后，将gaas衬底的金刚石薄膜面粘贴到玻璃板上，取用颗粒直径为9μm的al2o3粉末与去离子水按照质量比1:3的比例混合，对gaas衬底正面进行粗减薄，在减薄压力为250g/cm²、研磨垫转速为25rpm、室内温度为20℃的情况下gaas衬底正面进行35min的粗减薄，之后选用颗粒直径为2μm的al2o3粉末与去离子水按照质量比1:3的比例混合，对gaas衬底正面进行细减薄，在减薄压力为300g/cm²、研磨垫转速为30rpm、室内温度为20℃的情况下gaas衬底正面进行20min的细减薄，gaas衬底厚度要减薄至65μm。随后对gaas衬底正面进行抛光处理，选用材质柔软，耐酸碱腐蚀的磨砂革抛光垫，抛光料采用naclo溶液的氧化剂和γ-al2o3抛光磨料体系，抛光压力选取230g/cm²，抛光转速选择35rpm，抛光后的gaas衬底层的厚度为55μm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。