一种热导率可控的具有微纳结构的薄膜制作方法与流程

本发明涉及一种热导率可控的具有微纳结构的薄膜制作方法，属于薄膜制造领域和微纳加工领域。

背景技术：

随着微电子技术的快速发展，芯片的集成度越来越高，与此同时微电子芯片在工作时的功率密度也越来越大，有的芯片在工作时表面功率密度甚至可达100w/cm²。在微小的芯片上，若热量不能及时散发出去，芯片的性能与可靠性就会受到很大的影响。除了将芯片表面的热量散发出去，有时也需要控制芯片表面热量的交换速率，保证芯片工作的稳定性，因此在芯片设计和制造过程中控制芯片与环境的热量交换速率就显得非常重要。

厚度为微纳米量级的固体薄膜被广泛应用于微电子领域，例如氮化硅、氧化硅等膜层是各类集成芯片和微机电系统的重要组成部分。这些薄膜的导热特性影响着微电子器件和系统的运行性能和可靠性，所以调控薄膜的热传导性能对于微电子器件的设计和稳定运行具有重要意义。想要有效控制固体薄膜的热传导性能，就必须研究热量在各种材料和结构中的传递过程，热导率是反映材料在传热过程中导热能力的重要参数，因此研究和调控薄膜的热导率对于提高微电子器件和系统的工作可靠性与稳定性具有至关重要的作用。

目前有许多研究团队都在研究调控薄膜热传导性质的方法，例如改变起始原料的配比，添加烧结助剂，放电等离子烧结和高温热处理等方法可用来提高氮化硅薄膜的热导率(刘幸丽,宁晓山,yosuketakahashi.微观组织调控对氮化硅强度及热导率的影响[j].稀有金属材料与工程,2015(s1):270-273.)；而通过多重掺杂可以降低碲化锡的热导率(檀小芳,端思晨,王泓翔,etal.多掺杂协同调控碲化锡热导率和功率因子提升热电性能[j].无机材料学报,34(03):105-110.)。此外，通过修饰前驱体来调控碳化硅薄膜热导率(王一光，李珍宝，张立同，etal.一种通过修饰前驱体来调控碳化硅热导率的方法.专利公布号：cn106278278a)，和通过对原子进行质量修饰对聚合物热导率进行调控的方法(廖全文,涂润春,刘志春,等.原子质量修饰对碳链聚合物热导率的影响[j].工程热物理学报,2017,v38(3):619-624.)也被提出。

上述这些方法虽然能够调控薄膜的热导率，但是其方法针对性较强，主要针对于某一类特定材料，对其他材料并不适用。并且很多方法只能实现热导率的单向调控，难以做到灵活调控热导率的升高和降低。

本发明旨在提出一种不依赖薄膜材料的热性质仅靠改变薄膜表面微纳结构来调控固体薄膜的热传导系数的制造工艺方法，这种工艺方法可以在各种固体薄膜材料中广泛使用，并且可以灵活调控薄膜热导率升高和降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种热导率可控的具有微纳结构的薄膜制作方法，通过本发明的薄膜制作方法可以灵活调控各种固体薄膜的热传导性能，并且不改变薄膜原本的厚度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种热导率可控的具有微纳结构的薄膜制作方法，具体方法如下：

步骤1)在衬底上制备一层所需厚度的固体薄膜；

步骤2)在所述固体薄膜的表面加工热物性调控区域；

步骤3)在所述固体薄膜的热物性调控区域中填充热物性调控材料；

所述热物性调控区域为根据热物性调控需求分布在固体薄膜表面的一个或多个缺陷单元，所述热物性调控区域中所有缺陷单元的高度均与固体薄膜的高度齐平，所述热物性调控区域中相邻两个单独缺陷单元之间的最小间距不小于1μm，所述热物性调控区域的总面积不超过为固体薄膜总面积的80％；

所述热物性调控材料包括用于提高固体薄膜热导率的增导材料和用于降低固体薄膜热导率的降导材料；所述增导材料为热导率高于固体薄膜热导率的固体材料，所述降导材料为热导率低于于固体薄膜热导率的固体材料。

所述热物性调控材料还包括用于改变固体薄膜热导率的空气膜，即在所述固体薄膜表面加工热物性调控区域后，使热物性调控区域的空气形成空气膜，当固体薄膜热导率小于空气膜时，空气膜可作为用于提高固体薄膜热导率的增导材料，当固体薄膜热导率大于空气膜时，空气膜可作为用于降低固体薄膜热导率的降导材料。

所述的固体薄膜为：金属薄膜、非金属薄膜或聚合物薄膜；所述固体薄膜的厚度优选为100微米以内。

所述步骤1)中在衬底上制备固体薄膜的方法包括：旋涂法、物理气相沉积法、化学气相沉积法或溶液镀膜法。

所述步骤2)中在所述固体薄膜的表面加工热物性调控区域的方法为依次采用光刻工艺和刻蚀工艺。

所述步骤3)中在所述固体薄膜的热物性调控区域中填充热物性调控材料的方法具体为：首先在加工有热物性调控区域的固体薄膜上制备一层热物性调控材料层，且使热物性调控材料层在热物性调控区域内的厚度与所述的固体薄膜的厚度齐平；然后通过光刻工艺和刻蚀工艺去除所述固体薄膜上方的非热物性调控区域的热物性调控材料，使所述固体薄膜上表面的非热物性调控区域与填充有热物性调控材料的热物性调控区域高度齐平。

所述步骤3)中制备热物性调控材料层方法包括：旋涂法、物理气相沉积法、化学气相沉积法或溶液镀膜法。

当所述热物性调控区域的需求为沿薄膜水平方向的各个方向热物性一致时，所述热物性调控区域优选采用圆形图案的缺陷单元或采用由多个缺陷单元排列而成的圆形图案。

有益效果

本发明的薄膜制作方法，制作流程主要采用微纳加工工艺，可控性高，成功率高，填充材料的选择范围较广，可以灵活改变固体薄膜的热导率，使之升高或降低。本发明的薄膜制作方法，改变了固体薄膜热导率，但薄膜的整体厚度不变。本发明的薄膜制作方法，可以实现调控固体薄膜的水平方向热导率发生变化，而垂直方向热导率不发生变化。

附图说明

图1为本发明实例1制作方法的工艺流程示意图；

图2为本发明实例1制作完成的pi固体薄膜上热物性调控的局部放大图；

图3为本发明实例1制作完成的pi固体薄膜示意图；

图4为本发明实例2制作方法的工艺流程示意图；

图5为本发明实例2制作完成的氧化硅固体薄膜示意图；

图中，1-硅片；2-pi固体薄膜；3-正光刻胶层；4-空气膜；5-氧化硅固体薄膜；6-铝层；7-负光刻胶层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步描述。

实施例1：以制备聚酰亚胺(pi)固体薄膜为例，采用本发明的制作方法降低pi固体薄膜2的热导率，其工艺流程如图1所示，具体制作方法如下：

步骤一：选择(100)晶向的n型单面抛光圆形硅片1作为衬底，硅片1厚度为500μm，直径为4寸，抛光面作为操作面。清洗衬底操作面：使用丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗衬底10分钟，洗净后使用氮气吹干操作面。

步骤二：使用匀胶机在硅片1的操作面上制备直径为4寸，厚度为0.5μm的圆形pi固体薄膜2。pi溶液固体含量：12％，粘度300-400cp；匀胶机转速：预旋涂800r/min,匀胶时间60s；快速旋涂4000r/min，匀胶时间180s。旋涂结束后对pi固体薄膜2进行热处理，具体参数：100度烘1小时，150度烘1小时，200度烘1小时，250度烘1小时，自然降温至室温。

步骤三：对pi固体薄膜2进行150度加热5分钟的热处理操作，热处理结束后使用匀胶机在pi固体薄膜2上旋涂一层s1813正光刻胶层3，旋涂参数为：预旋涂500r/min,匀胶时间10s；快速旋涂4000r/min，匀胶时间60s。旋涂结束后再对正光刻胶层3进行110度2分钟的前烘。

步骤四：在正光刻胶层3上光刻出横向1000个纵向1000个矩阵排列正方形缺陷，每个正方形缺陷的边长为22μm的正方形，相邻正方形缺陷的间距为13μm；正方形缺陷阵列的面积为484mm²，占pi固体薄膜2总面积的6.16％。光刻具体参数为：曝光剂量120mj/cm²，曝光时间4s，显影时间40s，定影时间30s。

步骤五：采用反应离子刻蚀工艺将正光刻胶层3上的图案转移到pi固体薄膜2上，使pi固体薄膜2的表面形成热物性调控区域。刻蚀参数如下：氧气15sccm,三氟甲烷30sccm，功率200w，刻蚀7分钟。

步骤六：将经过刻蚀后的硅片1放入丙酮中浸泡5分钟，完成光刻胶去胶。随后用去离子水冲洗pi固体薄膜2，使用氮气吹干表面，完成pi固体薄膜2的制作，热物性调控区域的局部放大图如图2所示，得到的pi固体薄膜2整体示意图如图3所示。由于pi固体薄膜2上热物性调控区域内的空气形成空气膜4，空气膜4可作为用于降低pi固体薄膜热导率的降导材料。

实施例2：实施例1的对比例

步骤一：选择(100)晶向的n型单面抛光圆形硅片1作为衬底，硅片1厚度为500μm，直径为4寸，抛光面作为操作面。清洗衬底操作面：使用丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗衬底10分钟，洗净后使用氮气吹干操作面。

步骤二：使用匀胶机在硅片1的操作面上制备直径为4寸，厚度为0.5μm的圆形pi固体薄膜2。pi溶液固体含量：12％，粘度300-400cp；匀胶机转速：预旋涂800r/min,匀胶时间60s；快速旋涂4000r/min，匀胶时间180s。旋涂结束后对pi固体薄膜2进行热处理，具体参数：100度烘1小时，150度烘1小时，200度烘1小时，250度烘1小时，自然降温至室温。

实施例3：以制备氧化硅固体薄膜为例，采用本发明的制作方法提高氧化硅固体薄膜的热导率，其工艺流程如图4所示，具体制作方法如下：

步骤一：选择(100)晶向的n型单面抛光圆形硅片1作为衬底，硅片1厚度为500μm，直径为4寸，抛光面作为操作面。清洗衬底操作面：使用丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗衬底10分钟，洗净后使用氮气吹干操作面。

步骤二：使用磁控溅射工艺在硅片1表面溅射直径为4寸，厚度为300nm的圆形氧化硅固体薄膜5，溅射速率10nm/分钟，溅射时间30分钟，选用的氧化硅靶材纯度为99.99％。

步骤三：对氧化硅固体薄膜5进行150度加热5分钟的热处理操作，热处理结束后使用匀胶机在氧化硅固体薄膜5上旋涂一层s1813正光刻胶层3，旋涂参数为：预旋涂500r/min,匀胶时间10s；快速旋涂4000r/min，匀胶时间60s。旋涂结束后再对正光刻胶层3进行110度2分钟的前烘。

步骤四：在正光刻胶层3上光刻出横向4个纵向4个矩阵排列正方形缺陷，每个正方形缺陷的边长为12mm，相邻正方形缺陷的间距为6mm，正方形缺陷阵列的面积为2304mm²，占氧化硅薄膜总面积的29.79％。；光刻具体参数为：曝光剂量120mj/cm²，曝光时间4s，显影时间40s，定影时间30s。

步骤五：采用反应离子刻蚀工艺将正光刻胶层3上的图案转移到氧化硅固体薄膜5上，使氧化硅固体薄膜5的表面形成热物性调控区域。刻蚀速率30nm/分钟，刻蚀时间10分钟，刻蚀厚度为300nm。

步骤六：将经过刻蚀后的硅片1放入丙酮中浸泡5分钟，完成光刻胶去胶。随后用去离子水冲洗氧化硅固体薄膜5，使用氮气吹干表面。

步骤七：选用铝作为填充材料，利用磁控溅射工艺制备厚度为300nm的铝层6在氧化硅固体薄膜5表面，溅射速率10nm/分钟，溅射时间30分钟，选用的铝靶材纯度为99.9％。

步骤八：在铝层表面旋涂一层sun-lift1302负光刻胶层7，旋涂参数为：预旋涂800r/min,匀胶时间10s；快速旋涂2500r/min，匀胶时间60s。旋涂结束后再对负光刻胶层7进行110度90s的前烘。

步骤九：使用与步骤四相同的光刻掩膜版对负光刻胶层7进行套刻，仅使热物性调控区域上层留有负光刻胶。套刻参数：曝光剂量60mj/cm²,中烘110度90s，使用2.38％tmah显影60s。

步骤十：套刻后再利用湿法腐蚀工艺将非热物性调控区域的铝层6腐蚀掉，直至非热物性调控区域的上层氧化硅固体薄膜5完全露出。

步骤十一：将经过刻蚀后的硅片1整体放入nmp去胶液中浸泡10分钟，完成去胶。随后用去离子水冲洗氧化硅固体薄膜5，使用氮气吹干表面，完成氧化硅固体薄膜5的制作，得到的氧化硅固体薄膜如图5所示。

实施例4：实施例3的对比例

步骤一：选择(100)晶向的n型单面抛光圆形硅片1作为衬底，硅片1厚度为500μm，直径为4寸，抛光面作为操作面。清洗衬底操作面：使用丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗衬底10分钟，洗净后使用氮气吹干操作面。

步骤二：使用磁控溅射工艺在硅片1表面溅射直径为4寸，厚度为300nm的圆形氧化硅固体薄膜5，溅射速率10nm/分钟，溅射时间30分钟，选用的氧化硅靶材纯度为99.99％。

分别将实施例1-4得到的固体薄膜产品采用非接触式热稳态测量法进行热导率测试，得到热导率结果为：

其中，实施例1的制得的pi固体薄膜热导率为0.096w·m^-1·k^-1，实施例2制得的pi固体薄膜热导率为0.164w·m^-1·k^-1；可见经过实施例1的制作方法可有效降低pi固体薄膜的热导率；

其中，实施例3的制得的氧化硅固体薄膜热导率为68w·m^-1·k^-1，实施例4的制得的氧化硅固体薄膜热导率为7.6w·m^-1·k^-1，可见经过实施例3的制作方法可有效提高氧化硅固体薄膜的热导率。