一种绝缘图形化高导热金刚石散热器件的制备方法与流程

本发明属于电子器件制造领域技术；特点是在大尺寸高导热金刚石材料表面进行周期性金属图形化，通过激光切割实现图形化高导热金刚石散热器件的分离，并通过后续绝缘处理实现分离型金刚石散热器件的制作，解决了高导热金刚石应用过程中绝缘工艺匹配以及批量制备效率低的问题。

背景技术：

金刚石薄膜具有优良的物理与化学性质，使它成为一种非常有前途的电子器件材料。如高弹性模量、高电阻率、高击穿场强、高热导率和低介电常数、极低线膨胀系数、宽光谱透过范围、宽禁带宽度、极高的载流子迁移率。特别是金刚石的热导率高达20w/(k·cm)，是自然界所有物质中最高的。同时可具有极高的绝缘性，成为众多高功率电子器件热沉的良好选择。

目前用于电子器件封装的材料大多采用金刚石颗粒与金属进行合金化，制成复合材料热沉散热，如专利：半导体元件用散热器件，201280037344.9；一种带有散热结构的电子封装用复合材料热沉组件，201020650449.x等。但是金刚石复合材料热沉面临导热系数低、可加工性差的问题。cvd合成大尺寸金刚石具有高的导热系数，但是大面积金刚石的制备与加工比较困难，特别是大面积金刚石通常受到变形限制，难以直接使用。因此目前工业上通常使用小尺寸的金刚石片作为散热热沉。另外由于金刚石的表面化学惰性以及热膨胀系数比较低，很难与其它材料连接，所以需要在金刚石表面做金属化。如专利金刚石单晶表面金属化处理的方法，201710105208.3；一种金刚石表面金属化方法，201610862345.7。因此现有金刚石散热器件的工艺通常是采用金刚石切割后，使用化学氧化的方法如氧化性酸洗或者氧等离子体处理去除由于切割产生的石墨相。后通过整体镀覆金属层的方法实现金刚石的金属化。然而实际过程中往往由于功率电子器件封装中布线与部分绝缘性能的要求，需要在小尺寸金刚石上实现图形化工艺。此时，如果在小尺寸金刚石上实现图形化特别是多层复杂图案时存在难以曝光对准，制作效率低的问题。而当使用大尺寸金刚石进行光刻工艺图形化时，进行小尺寸金刚石切割时又存在石墨化污染，造成导电等问题，难以满足电子器件封装中绝缘的要求。此时采用化学氧化的方法去除石墨会造成器件的严重损伤。

技术实现要素：

为了解决小尺寸图形化高导热金刚石散热器件难以曝光对准，制作效率低，同时由于激光切割易造成边缘石墨化导电的问题，本发明提出了一种制作绝缘图形化高导热金刚石散热器件的方法。通过大尺寸金刚石上光刻工艺将周期性金属化图案转移到金刚石薄膜上，然后使用激光高能烧蚀将大尺寸金刚石薄膜上周期性的图案切割成小尺寸金刚石样品，样品上均布有目标图案，最后通过氢等离子体刻蚀去除石墨，结合氧气气氛下加热去除氢终端金刚石表面导电性，避免了对金刚石表面金属化图形的损伤。

一种绝缘图形化高导热金刚石散热器件的制备方法，其特征在于使用大尺寸金刚石薄膜获得重复的金属化图案后，使用激光切割成分离的小尺寸金刚石电子器件，之后通过氢气刻蚀去激光除切割留下的石墨，并通过空气气氛热氧化实现金刚石器件的绝缘；

具体包括以下步骤：

步骤1：研磨、抛光、超声清洗

对热导率不低于1000w/mk，厚度200-3000μm，直径10-100mm金刚石膜衬底进行研磨抛光，并清洗去除残留金刚石粉；

步骤2图形化金属制作

采用光刻工艺将具有周期性图案的金属沉积至金刚石，具体工艺包括涂胶、曝光、显影、镀金属、去胶；

步骤3：激光切割

利用激光高能烧蚀将带有周期性图案的高导热金刚石进行分离，成为具有图形化金属的高导热金刚石散热部件，满足焊接性能要求；

步骤4：去除石墨

采用氢等离子体刻蚀的方法来去除切割金刚石边缘的石墨，降低由其他去除石墨的方法带来的损伤；

步骤5：去除氢终端

采用空气中氧化的方法，去除金刚石表面的氢终端，实现器件的绝缘，实现绝缘图形化高导热金刚石散热器件的制备。

进一步地，步骤1所述金刚石膜研磨抛光工艺为：对金刚石膜进行研磨，金刚石粉粒径依次由120um至10um，研磨盘旋转速度20-100rmp，重力100-1000g，将表面粗糙的金刚石膜研磨至表面粗糙度低于1um；进一步进行精密抛光，分别使用粒径为10um和0.5um进行精密抛光，抛光盘旋转速度800-1500rmp，直至金刚石表面粗糙度低于1nm，最终经过研磨抛光的金刚石材料粗糙度为1nm-1um。

进一步地，步骤1所述超声清洗，以去除由于机械抛光残留的金刚石粉。依次使用丙酮、酒精、去离子水对抛光金刚石膜进行超声清洗，超声波功率为50-300瓦，每次清洗30min，吹干。

进一步地，步骤2所述涂胶，涂胶转速1000-4000转，时间10-60s；涂胶后加热温度为90-200℃，以去除光刻胶中的溶剂、增强黏附性、释放光刻胶膜的内应力。

进一步地，步骤2所述曝光是样品与掩模板对准后曝光，对于多层图形需要采用对准标记，曝光时间1-20s；曝光后使用显影液浓度为1:1-1:10进行显影，显影时间20-80s；显影后使用去离子水冲洗并吹干。

进一步地，步骤2所述镀金属是显影后使用蒸镀或磁控溅射的方法镀制金属层，金属层是ti/cr/ni/cu/au/pd/pt中的一种或几种，厚度10nm-100μm，沉积温度为室温-500℃。

进一步地，步骤2所述去胶是：当金属图形化完成后使用丙酮去除光刻胶，随着光刻胶的去除，光刻胶上面的金属也被去除。从而留下与金刚石表面接触的金属膜图形，图形尺寸精度0.1μm-1mm。

进一步地，步骤3所述激光切割是使用激光将周期性的图形切割成小尺寸金刚石样品，电流60-80a，脉宽300-500us，频率200-300hz，切割速度200-300mm/min，切割5-8次，切成金刚石样品尺寸为1-10mm，激光加工尺寸精度0.01-0.2mm。

进一步地，激光切割后会导致金刚石边缘石墨化，导电性好，但工业上需要的是绝缘的金刚石片。为避免对图形化金属造成损伤，通过氢等离子体刻蚀的方法来去除金刚石边缘的石墨，且刻蚀工艺需严格控制避免对金刚石以及图形化金属造成损伤。步骤4所述去除石墨是采用氢等离子体刻蚀，刻蚀工艺为氢气流量为200-300sccm，压力5-7kpa，温度300-600℃的条件下刻蚀5-15min。刻蚀后在氢气氛围下冷却至室温，然后对背面使用相同的条件进行刻蚀处理，确保非金刚石相完全被刻蚀。

进一步地，使用氢等离子体刻蚀后会在金刚石表面和边缘形成氢终端，但是氢终端在空气中会导电，造成电子器件的短路，为此采用在氧氛围下加热的方法来去除氢终端。步骤5所述去除氢终端具体步骤如下：把小尺寸的金刚石片放在烘箱中，使其可以实现对上下表面进行充分氧化。在220-300℃的氧氛围下对金刚石片进行加热处理，时间20-30min。

本发明金刚石表面图形化过程，使用基于掩膜板的光刻设备，或采用激光直写方式进行，或采用电子束曝光的方式实现。

本发明实施过程的关键在于：

1.为保证金属膜时与金刚石表面有良好的结合力，表面粗糙度需在1nm-1μm。通过机械抛光方法可采用降低抛光盘中聚晶金刚石的粒度，以及提高抛光盘的旋转速度，可以满足粗糙度要求。同时辅助使用激光、等离子体处理以及热化学抛光等方法能够更加高效抛光，确保金刚石表面实现可控的粗糙度。

2.金刚石表面的光刻工艺与金刚石表面终端状态有关，最终决定了金刚石表面光刻胶的厚度，而样品尺寸同样影响光刻胶的均匀性，为此需增加涂胶时转速1000-4000rmp，相应调整涂胶时间，此外显影工艺与烘烤温度对图形化金属的尺寸精度密切相关，需确保图形化金属结合力好，侧壁陡直。

3.为便于后续与电子器件封装焊接，金刚石表面需镀制金属，单独的金属可获得良好的欧姆接触，但有时结合力不佳，此时需使用金属过渡层，金属过渡层厚度通常小于100nm；而焊接层如au或cu，根据实际需要最厚厚度达到100μm，满足后续可靠连接。

4.为使大尺寸金刚石片上的周期性图形分离，需使用激光高能烧蚀切割。激光加工尺寸精度需达到0.01-0.2mm。为满足切割精度，需要通过控制激光参数实现，电流60-80a，脉宽300-500us，频率200-300hz，切割速度200-300mm/min。通常切割5-8次即可把300μm的金刚石薄膜分离成小尺寸金刚石片，切割过程要确保不会切割到金属层。

5.激光切割后的图形化金刚石散热器件由于石墨的残留会使散热器件导电。通常的化学氧化方法会使金刚石与金属层表面损伤。为此选用微波氢等离子体化刻蚀工艺实现去除，可在不影响器件性能前提下有效刻蚀石墨。刻蚀温度不宜太高，通常温度为300-600℃，腔室压强5-7kpa，h2流量为200-300sccm的条件下刻蚀金刚石薄膜5-15min，既可以完全去除金刚石薄膜表面的非金刚石相，又可以保证不会对表面金属化造成严重损伤。

6.金刚石薄膜被微波氢等离子体刻蚀去除非金刚石相后，会在金刚石薄膜表面形成氢终端。氢终端的存在会使金刚石表面呈现半导体导电，不利于作为热沉封装，需要进一步去除金刚石表面的氢终端。空气中加热的方法简单易行，加热温度需控制在合适区间，既满足去除氢终端要求，又不会损伤图形化金属层。选用220-300℃的氧氛围下对金刚石片进行加热处理，时间20-30min。

7.金刚石表面图形化过程，可以使用基于掩膜板的光刻设备，也可以采用激光直写方式进行，还可以采用电子束曝光的方式实现。

本发明的优点是：

1.通过光刻将掩模板上的周期性目标图形转移到大尺寸金刚石表面，避免了小尺寸金刚石在样品台上难以与掩模板对准问题，可以高效的制作图形化金刚石散热器件。

2.氢等离子体刻蚀去除金刚石石表面非金刚石相，结合氧气气氛下退火使金刚石表面绝缘，对金刚石表面造成的损伤小。

3.大面积光刻工艺结合激光切割可以快速的将有周期性目标图形的大尺寸金刚石分离，使每个小尺寸金刚石样品上均布有目标图案。激光切割效率远大于单个小尺寸金刚石图形化。

附图说明

1.图1为本发明方法中绝缘图形化高导热金刚石散热器件的制备流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

大尺寸的金刚石薄膜经涂胶、光刻、镀膜、去胶后在表面形成了具有周期性的目标图形，用激光切割把有周期性目标图形的大尺寸的金刚石薄膜分离，使每个小尺寸金刚石样品上均布有目标图案，超声清洗后用微波氢等离子体刻蚀以去除金刚石薄膜边缘上的石墨，然后在氧氛围中加热去除氢终端。

实施例1

将所选用的厚度200μm，尺寸10mm×10mm金刚石膜衬底进行精密抛光，具体流程为：使用金刚石研磨机，研磨盘旋转速度20rmp，重力100g，将表面粗糙的金刚石膜研磨至表面粗糙度0.99μm。利用金刚石精密抛光机，抛光盘旋转速度800rmp，直至金刚石表面粗糙度达到0.7nm。抛光后的金刚石膜经测试其热导率为1750w/mk。依次使用丙酮、酒精、去离子水对精密抛光后金刚石表面进行超声清洗，超声波功率为50瓦，每次清洗30min，后吹干。将选用的金刚石片进行涂胶，光刻，镀膜以及后续去胶，具体流程为：在转速1000rmp的条件下对金刚石涂胶10s，然后把样品置于烘箱中加热100℃，然后将样品与掩模板对准后曝光，之后使用显影液浓度为1:1进行显影20s，将显影后的金刚石使用磁控溅射在室温的腔室温度下镀制20nm的ti和100nmau金属层，当图形完成转以后使用丙酮去除光刻胶。之后使用激光把大尺寸的金刚石切割成小尺寸的金刚石电流为60a，脉宽300us，频率200hz，切割速度200mm/min，切割8次。依次使用丙酮、酒精、去离子水对抛光金刚石膜进行超声清洗，超声波功率为50瓦，每次清洗30min，吹干。将金刚石薄膜置于微波等离子真空室，通入超纯氢气(纯度99.9999％以上)为200sccm，使腔室压力达到5kpa，加热温度650℃，刻蚀时间15min，后在氢气气氛下冷却至室温。将样品取出后把背面朝上使用相同条件再次刻蚀。将冷却至室温的样品放在烘箱中，在230℃的氧氛围下加热20min以去除氢终端。在氧氛围下加热后使用万用表测量金刚石边缘发现不在导电，说明氢终端已被去除。

实施例2

将所选用的厚度1500μm，尺寸50mm×50mm金刚石膜衬底进行精密抛光，具体流程为：使用金刚石研磨机，研磨盘旋转速度60rmp，重力500g，将表面粗糙的金刚石膜研磨至表面粗糙度0.1μm。利用金刚石精密抛光机，抛光盘旋转速度1100rmp，直至金刚石表面粗糙度达到0.6nm。抛光后的金刚石膜经测试其热导率为1750w/mk。依次使用丙酮、酒精、去离子水对精密抛光后金刚石表面进行超声清洗，超声波功率为150瓦，每次清洗30min，后吹干。将选用的金刚石片进行涂胶，光刻，镀膜以及后续去胶，具体流程为：在转速2300rmp的条件下对金刚石涂胶40s，然后把样品置于烘箱中加热150℃，然后将样品与掩模板对准后曝光，之后使用显影液浓度为1:4进行显影40s，将显影后的金刚石使用磁控溅射在300℃的腔室温度下镀制500nm的cr和50μmpd金属层，当图形完成转以后使用丙酮去除光刻胶。之后使用激光把大尺寸的金刚石切割成小尺寸的金刚石电流为70a，脉宽400us，频率250hz，切割速度250mm/min，切割6次。依次使用丙酮、酒精、去离子水对抛光金刚石膜进行超声清洗，超声波功率为130瓦，每次清洗30min，吹干。将金刚石薄膜置于微波等离子真空室，通入超纯氢气(纯度99.9999％以上)为240sccm，使腔室压力达到6.3kpa，加热温度700℃，刻蚀时间10min，后在氢气气氛下冷却至室温。将样品取出后把背面朝上使用相同条件再次刻蚀。将冷却至室温的样品放在烘箱中加热，在250℃的氧氛围下加热25min以去除氢终端。在氧氛围下加热后使用万用表测量金刚石边缘发现不在导电，说明氢终端已被去除。

实施例3

将所选用的厚度3000μm，尺寸100mm×100mm金刚石膜衬底进行精密抛光，具体流程为：使用金刚石研磨机，研磨盘旋转速度100rmp，重力1000g，将表面粗糙的金刚石膜研磨至表面粗糙度0.6μm。利用金刚石精密抛光机，抛光盘旋转速度1500rmp，直至金刚石表面粗糙度达到0.2nm。抛光后的金刚石膜经测试其热导率为1750w/mk。依次使用丙酮、酒精、去离子水对精密抛光后金刚石表面进行超声清洗，超声波功率为3000瓦，每次清洗30min，后吹干。将选用的金刚石片进行涂胶，光刻，镀膜以及后续去胶，具体流程为：在转速4000rmp的条件下对金刚石涂胶60s，然后把样品置于烘箱中加热200℃，然后将样品与掩模板对准后曝光，之后使用显影液浓度为1:10进行显影60s，将显影后的金刚石使用磁控溅射在500℃的腔室温度下镀制30μm的cu和90μmpt金属层，当图形完成转以后使用丙酮去除光刻胶。之后使用激光把大尺寸的金刚石切割成小尺寸的金刚石电流为80a，脉宽500us，频率300hz，切割速度300mm/min，切割5次。依次使用丙酮、酒精、去离子水对抛光金刚石膜进行超声清洗，超声波功率为200瓦，每次清洗30min，吹干。将金刚石薄膜置于微波等离子真空室，通入超纯氢气(纯度99.9999％以上)为300sccm，使腔室压力达到7kpa，加热温度750℃，刻蚀时间5min，后在氢气气氛下冷却至室温。将样品取出后把背面朝上使用相同条件再次刻蚀。将冷却至室温的样品放入烘箱中加热，在300℃的氧氛围下加热30min以去除氢终端。在氧氛围下加热后使用万用表测量金刚石边缘发现不在导电，说明氢终端已被去除。