一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法与流程

本发明属于半导体元器件表面改性，具体涉及一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法。

背景技术：

1、近年来，电子工业已经成为发展世界上最大的工业种类，半导体器件作为电子工业的核心更是得到了快速的发展。研究发现，以硅基和锗基为代表的第一代“元素半导体”目前依然被大量应用于制造半导体器件和集成电路；以砷化镓、磷化铟为代表的第二代化合物半导体则主要应用于光通信领域；以氮化镓和碳化硅为主的材料是当下第三代半导体材料的研究热点，其拥有更强的光电转化能力和更高的微波信号传输效率，能够很好满足高频、高温、大功率及抗辐射电子器件的要求，在新一代移动通信、新能源汽车、快充以及led等领域均有广阔的应用前景。

2、在半导体材料飞速发展的同时，表面改性技术也逐渐被引用在半导体领域，该技术通过在半导体元器件表面沉积功能性涂层可以大幅提升或拓展半导体元器件的工作寿命和应用领域，实现电子产品整体性能的跃迁级提升。然而，表面改性技术在半导体领域的发展存在一定的局限性，这主要是由于大部分半导体元器件脆性大并且为简单几何结构，在沉积涂层过程中往往会发生热应力累积导致的体积快速膨胀和高冲击应力引发的微裂纹萌生现象，导致元器件局部出现裂纹甚至碎裂。低温区半导体器件石英环是发生上述现象的典型案例，当光刻机在硅基晶元表面进行“光刻”和“刻蚀”工艺过程中，石英环可以与石英闸门的组合可实现对腔体的密闭防护，有效防止芯片制造过程中的各类污染。然而，石英环在使用过程中很容易会与石英闸门之间发生磨损产生间隙、密封效果失效，这大大影响了晶元的刻蚀效率。经研究发现，采用热喷涂技术在石英环表面沉积一层微米级别与晶面材质一致的高纯涂层是一个经济、高效的解决途径。热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法，具备对基体温度影响小、不受基体材质限制、热源温度可调并且范围大、操作便捷以及无环境污染等优势。采用热喷涂技术在石英环表面沉积致密均匀的高纯涂层可以大幅降低石英环磨损速率、提高晶元刻蚀速度，使芯片的生产效率得到显著提升。然而，如何制定喷涂工艺规程和关键参数、设计相关辅助装置是降低热应力累积和飞行颗粒的冲击应力，保证石英环以及其它高脆性半导体元器件表面涂层高质量稳定沉积的关键。

3、因此，需要一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法。该方法通过表面改性技术，在高脆性半导体元器件的内外壁沉积涂层，提升薄壁结构高脆性半导体元器件性能和拓展应用范围，通过对制备工艺和涂层均匀化的协同设计，成功在薄壁结构高脆性半导体元器件表面沉积均匀、致密的功能涂层。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

3、步骤一、将薄壁结构高脆性半导体元器件固定在宝塔型弹性紧固装置，得到待加工组件；

4、步骤二、将步骤一中得到的待加工组件中的高脆性半导体元器件的内外壁沉积涂层，完成对薄壁结构高脆性半导体元器件的性能提升；所述沉积利用高能等离子熔喷法将功能性粉末原料全覆盖式的沉积在高脆性半导体元器件的内外壁。

5、本发明利用高能等离子熔喷法将功能性粉末原料全覆盖式的沉积在高脆性半导体元器件内外壁，从而实现元器件性能的高效提升。

6、上述的一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法，其特征在于，步骤一中所述宝塔型弹性紧固装置包括圆盘状的底座，所述底座的侧壁开设有若干个销孔，每个所述销孔中均设有用于固定薄壁结构高脆性半导体元器件的弹簧销，所述底座的底部中心开设有通孔，所述通孔中插入有固定轴，所述底座下部还设置有供固定轴穿过的轴套，所述轴套上安装有对固定轴进行固定的锁紧螺栓，所述固定轴上部固定有圆盘状的上压盘，所述上压盘的侧壁开设有若干个销孔，每个所述销孔中均设有用于固定薄壁结构高脆性半导体元器件的弹簧销。

7、上述的一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法，其特征在于，所述弹簧销包括外壳，所述外壳中依次安装有弹簧和顶杆，所述顶杆远离外壳一端设置有顶板，所述顶板为瓦状，所述弹簧销外部设置有与销孔配合的螺纹。

8、上述的一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法，其特征在于，所述底座上开设有与弹簧销对应的腰型孔，所述腰型孔中装卡有工字型的移动板，所述移动板上设置有与顶板配合的挡板。

9、上述的一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法，其特征在于，步骤一中所述薄壁结构高脆性半导体元器件和步骤二中所述功能性粉末原料的材质均为高脆性材料，所述高脆性材料为玻璃、石英、碳化硅、硅、氮化镓、氮化硅、氧化锌、金刚石、氮化铝。本发明适用于在多种材质的薄壁结构高脆性半导体元器件根据使用需求制备不同的高脆性材料涂层。

10、上述的一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法，其特征在于，步骤一中所述薄壁结构高脆性半导体元器件的形状为环形或片状。本发明适用于多种形状和尺寸的薄壁结构高脆性半导体元器件，其中的环形包括圆环、方环和多边形环。

11、上述的一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法，其特征在于，步骤二中所述高能等离子熔喷法中喷涂功率为35kw~50kw，主气流量为50l/min~100l/min，喷涂距离为150mm~250mm，送粉率为10g/min~15g/min，辅助机械手扫略速度为300mm/s~500mm/s，喷枪与喷涂面呈30°~60°夹角，宝塔型弹性紧固装置的自转速率为1000r/min~1500r/min。本发明根据热喷涂技术热源温度、粉末温度和速度大范围可调、对基体温度影响小以的特性以及沉积涂层厚度（十几到几百微米）符合间隙配合要求等特性，控制高能等离子熔喷法的参数，使高能等离子射流赋予了本发明保护粉末原料（石英、纯硅、氮化镓、氮化硅、氧化锌、金刚石、氮化铝等高脆性材料）高的表面温度1800℃~2500℃和飞行速度300mm/s~800mm/s，高的颗粒温度和温度能在保证粉末颗粒充分熔化的同时还能使其撞击基体后发生充分塑性变形并横向铺展，大幅提高涂层的致密性、抗拉强度以及内聚强度，本发明保护工艺参数的作用具体为：高喷涂功率提高等离子焰流温度，保证粉末充分熔化；低氩气流量适当抑制飞行颗粒速度，减小熔融的飞行颗粒对半导体元器件的冲击应力；高的喷涂距离和低的送粉率不仅有利于降低熔融态粉末沉积在基体表面的瞬时温度、减缓热应力累积，而且会进一步降低飞行颗粒的冲击应力；辅助机械手的扫略速度和喷枪夹角是为了保证涂层沉积的均匀性。

12、上述的一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法，其特征在于，步骤二中所述沉积的过程为：对薄壁结构高脆性半导体元器件的外表面、内表面、内表面、外表面依次沉积，完成1个沉积循环，然后将薄壁结构高脆性半导体元器件翻转180°后再进行1个沉积循环，重复以上过程且每10个沉积循环测量涂层厚度，直至涂层厚度达到要求后停止沉积，两个所述沉积循环的间隔时间不低于2min。本发明通过对薄壁结构高脆性半导体元器件的外表面、内表面、内表面、外表面依次沉积，保证了沉积的均匀性，通过在完成1个沉积循环后将薄壁结构高脆性半导体元器件从夹具取下后翻转180°，即将薄壁结构高脆性半导体元器件的最下部调换至最上，目的是保证各个面实现涂层均匀沉积，也实现了“间歇性沉积”，通过重复沉积过程保证了涂层的厚度，通过在每10个沉积循环测量涂层厚度，在厚度达到要求后停止沉积，控制涂层的厚度；本发明还采用“间歇性沉积”方式降低了扁平粒子间层间裂纹的形成，提高了涂层致密性，通过控制等离子射流发生器二维扫掠速度300mm/s~500mm/s和冷却间隔时间，即两个沉积循环间隔时间不低2min等关键参数可以使元器件已沉积涂层表面已沉积、但未凝固扁平颗粒的放热特性得到充分发挥，降低涂层表面二次加热几率，使元器件整体温度均匀分布并且维持在50℃~80℃的安全温度范围，在此基础上，结合本发明保护工艺参数和紧固装置的弹簧销设计，最终实现了涂层的稳定制备。

13、上述的一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法，其特征在于，步骤二中所述沉积前对高脆性半导体元器件进行预热，所述预热的温度为50℃~80℃，所述沉积过程中高脆性半导体元器件的温度不超过80℃。本发明通过预热保证了后续的沉积效果，通过控制温度不超过80℃，降低涂层表面二次加热几率，使元器件整体温度均匀分布并且维持在安全温度范围，最终实现了涂层的稳定制备。

14、上述的一种薄壁结构高脆性半导体元器件内外表面强化方法，其特征在于，步骤二中所述涂层完全覆盖薄壁结构高脆性半导体元器件表面，所述涂层的颜色均匀，无裂纹、薄层等缺陷，所述涂层的厚度为5μm~200μm、均匀性误差低于5%，表面粗糙度小于2μm。

15、本发明与现有技术相比具有以下优点：

16、1、本发明通过表面改性技术，在高脆性半导体元器件的内外壁沉积涂层，提升薄壁结构高脆性半导体元器件性能和拓展应用范围，通过对制备工艺和涂层均匀化的协同设计，成功在薄壁结构高脆性半导体元器件表面沉积均匀、致密的功能涂层。

17、2、本发明选用高能等离子熔射技术，并控制工艺参数，高喷涂功率提高等离子焰流温度，保证粉末充分熔化；低氩气流量适当抑制飞行颗粒速度，减小熔融的飞行颗粒对半导体元器件的冲击应力；高的喷涂距离和低的送粉率不仅有利于降低熔融态粉末沉积在基体表面的瞬时温度、减缓热应力累积，而且会进一步降低飞行颗粒的冲击应力；辅助机械手的扫略速度和喷枪夹角是为了保证涂层沉积的均匀性。

18、3、本发明提供了一套缓释热应力累积的薄壁结构高脆性半导体元器件紧固装置，根据薄壁型元器件 “环形和薄壁”的共性结构设计了宝塔型弹性紧固装置，在该装置中，一方面采用多个对称分布的可伸缩弹簧销紧固元器件，弹簧销自身的可伸缩性设计可以充分缓释喷涂过程中的冲击应力，降低元器件的变形几率，另一方面，装置中上压盘和底座中的弹簧销方向是相反的，并且两部件之间可实现滑动接触，在此设计基础上，将宝塔型弹性紧固装置在1000r/min~1500r/min范围的转速下旋转，并采用高能等离子熔射技术以此从元器件外表面-内表面-内表面-外表面沉积，随后将元器件翻转180°后再进行下一个循环，有效保证可元器件内外表面涂层的均匀性。

19、4、本发明采用“间歇性沉积”方式降低了扁平粒子间层间裂纹的形成，提高了涂层致密性，通过控制等离子射流发生器二维扫掠速度和冷却间隔时间等关键参数可以使元器件已沉积涂层表面已沉积、但未凝固扁平颗粒的放热特性得到充分发挥，降低涂层表面二次加热几率，使元器件整体温度均匀分布并且维持在安全温度范围，最终实现了涂层的稳定制备。

20、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。