一种免焊料高导热半导体衬底及其制备方法与流程

本发明涉及新型衬底材料技术领域，尤其涉及一种免焊料高导热半导体衬底及其制备方法。

背景技术：

光电子器件是利用电-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，是现代光电技术与微电子技术的前沿研究领域，也是信息技术的重要组成部分。半导体激光器是光电子器件中最重要的器件之一，自诞生以来发展迅速，因其具有光电转换效率高、覆盖波长范围广、使用寿命长、体积小、重量轻、可直接调制等优势，已广泛应用于材料加工、军事、工业、医疗、通信等领域。

半导体激光器中常用的普通半导体衬底的背面是平面结构，通过在半导体衬底背面制备电极，在热沉上制备焊料层，通过热沉上的焊料与半导体衬底背面的电极紧密的粘贴在一起，热沉上的焊料层除了可以为器件提供机械连接和电连接外，还可以为器件提供良好的散热通道。半导体激光器正常工作时产生的热量大多是首先从有源区传递到衬底，再由衬底经过焊料传递到热沉上，增加了芯片的废热导通到热沉的距离。在正常运转的状态下，半导体激光器会出现较高的输出功率，其电光转换效率可以达到40％～50％，也就是说所输入的电能的50％～60％会转换为热能。过多的热量如不能及时散掉会导致芯片与焊料之间的应力加大，严重时造成芯片的断裂损坏，减少芯片寿命。而且热沉上的焊料层在对器件芯片进行封装时对温度和压力都有严格要求，很容易造成器件芯片背面电极的破坏导致欧姆接触不良和高热阻等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种免焊料高导热半导体衬底及其制备方法，采用本发明提供的方法制备的半导体衬底使用时无需通过在热沉上制备焊料的工艺，即可实现器件芯片与热沉的粘附，减少器件制备工艺及焊料与器件电极接触不理想和焊料层较厚引发的散热效率低的问题，并利用金属导热性强、延展性好的特点，减小因热量导致的芯片损坏以及与热沉脱离的问题，且能够保持高散热能力。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种免焊料高导热半导体衬底的制备方法，包括以下步骤：

将衬底片的背面进行光刻处理，在所述衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞图形，得到光刻衬底片；

将所述光刻衬底片进行刻蚀处理，在所述光刻衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞，得到刻蚀衬底；

利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的孔洞内填充金属材料，至金属材料与刻蚀衬底的背面齐平，之后利用蒸镀法继续在刻蚀衬底的背面制备金属材料层，得到免焊料高导热半导体衬底。

优选地，所述衬底片的材质包括inp、gaas、gasb、inas和si中的一种。

优选地，所述光刻处理包括依次进行的衬底片清洗预处理、匀胶、软烘、曝光、坚膜和显影。

优选地，所述刻蚀处理包括依次进行的湿法刻蚀和干法刻蚀，所述湿法刻蚀采用的腐蚀溶液为hbr和hno3混合水溶液，所述干法刻蚀采用的刻蚀气体为sf6-ar混合气体。

优选地，在所述刻蚀衬底的孔洞内填充金属材料以及在刻蚀衬底的背面制备金属材料层的方法，包括以下步骤：

以金属材料对应的金属为蒸发源，利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的背面镀膜，形成第一金属层，使所得刻蚀衬底的背面朝上，并将刻蚀衬底加热至温度为金属材料的熔点以上，第一金属层对应的金属材料熔融后进入刻蚀衬底的孔洞中，之后将刻蚀衬底冷却至温度为金属材料的熔点以下，使熔融态的金属材料凝固在孔洞中；重复镀膜、加热和冷却步骤若干次，使孔洞内填充的金属材料与刻蚀衬底的背面齐平；之后继续进行镀膜，在刻蚀衬底的背面制备得到金属材料层。

优选地，所述第一金属层的厚度为3～6μm。

优选地，所述金属材料为金锡合金或铟。

优选地，所述金属材料层的厚度为5～15μm。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的免焊料高导热半导体衬底，包括衬底基体，所述衬底基体的背面设置有周期分布排列的孔洞；所述孔洞内填充有金属材料，且填充的金属材料与衬底基体的背面齐平，所述衬底基体的背面设置有所述金属材料形成的金属材料层。

优选地，所述孔洞的总面积占衬底基体背面总面积的50～65％；所述孔洞的深度为10～15μm，单个孔洞的横截面的面积为1～10μm²。

本发明提供了一种免焊料高导热半导体衬底的制备方法，包括以下步骤：将衬底片的背面进行光刻处理，在所述衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞图形，得到光刻衬底片；将所述光刻衬底片进行刻蚀处理，在所述光刻衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞，得到刻蚀衬底；利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的孔洞内填充金属材料，至金属材料与刻蚀衬底的背面齐平，在刻蚀衬底背面孔洞填充金属材料平齐后，继续利用蒸镀法继续在刻蚀衬底的背面蒸镀金属材料层，得到免焊料高导热半导体衬底。采用本发明提供的方法制备的半导体衬底中，背面设置有孔洞，且通过蒸镀法将延展性较好的金属材料填充在孔洞内，在孔洞填充满后继续利用蒸镀法继续在刻蚀衬底的背面制备金属材料层，使用该半导体衬底时，所述金属材料层可以充当焊料层，加热热沉后，即可实现半导体衬底与热沉直接粘附，省去了额外在热沉上制备焊料层的工艺，减少器件制备工艺步骤。此外，本发明在衬底基体背面设置孔洞，且孔洞中填充延展性好、导热能力强的金属材料，芯片受热膨胀时，不会由于过大的应力而造成芯片损坏以及与热沉脱离的问题，提升了半导体激光器芯片的寿命和半导体激光器的性能；同时，设置孔洞相当于减薄了衬底的厚度，增加衬底的导电性和导热性，达到减小电阻、降低产热和增加散热的目的。

附图说明

图1为本发明提供的免焊料高导热半导体衬底的结构示意图；

图2为本发明中刻蚀衬底的仰视图。

具体实施方式

本发明提供了一种免焊料高导热半导体衬底的制备方法，包括以下步骤：

将衬底片的背面进行光刻处理，在所述衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞图形，得到光刻衬底片；

将所述光刻衬底片进行刻蚀处理，在所述光刻衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞，得到刻蚀衬底；

利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的孔洞内填充金属材料，至金属材料与刻蚀衬底的背面齐平，之后利用蒸镀法继续在刻蚀衬底的背面形成金属材料层，得到免焊料高导热半导体衬底。

由于半导体激光器的尺寸在微米级，细小的灰尘也会对器件芯片产生很大的影响，本发明制备所述免焊料高导热半导体衬底的全过程优选在超净实验室内进行。

本发明将衬底片的背面进行光刻处理，在所述衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞图形，得到光刻衬底片。在本发明中，所述衬底片优选为商业衬底，具体可以为inp衬底、gaas衬底、gasb衬底、inas衬底或si衬底。

在本发明中，所述光刻处理优选包括依次进行的衬底片清洗预处理、匀胶、软烘、曝光、坚膜和显影。本发明通过光刻处理在衬底片背面制备出所需的孔洞图形，光刻处理完成后，衬底片背面需要制备孔洞图形的部分没有光刻胶覆盖，不需要制备孔洞图形的部分被光刻胶覆盖，之后将光刻处理后所得光刻衬底片进行后续刻蚀处理，被光刻胶覆盖的部分由于有光刻胶保护而不被腐蚀，没有光刻胶保护的部分经腐蚀后，最终在衬底片的背面完成所需孔洞结构的制备。本发明对所述衬底片清洗预处理、匀胶、软烘、曝光、坚膜和显影的具体操作方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可，以下针对光刻处理过程中各操作步骤进行说明：

衬底片清洗预处理：为了去除衬底上残留的油脂或者可能存在的有机物，本发明优选首先使用丙酮对衬底片进行超声清洗5～15min，接着采用乙醇进行超声清洗5～15min，进一步清除杂质和其它残留物质，之后采用去离子水进行超声清洗5～15min，将杂质彻底去除，最后用氮气吹干，并在加热台上于100℃加热3～5min，以彻底去除水蒸气。本发明通过对衬底片进行清洗预处理，可以确保衬底片表面洁净度高，使光刻胶更好的粘附在衬底片上。

匀胶：本发明在清洗后的衬底片背面进行匀胶，优选是采用六甲基二硅氮烷(hmds)对清洗后的衬底片进行预处理，以使光刻胶与衬底粘贴更牢固，然后放在匀胶机载物台的中心，打开气泵开关将衬底片吸紧，以免在高速运转时脱落损毁衬底片。在本发明中，所述匀胶采用的光刻胶优选为az5214，设置匀胶设备的转速优选为3800～4200r/min，保持时间优选为30～40s；本发明优选通过匀胶使衬底片上的光刻胶厚度为1～3μm，更优选为1.5μm。在本发明中，所述光刻胶要尽量滴在衬底片的中心部位，光刻胶不能过少，以免无法涂满衬底片，也不能过多造成浪费。

软烘：本发明将匀胶后的衬底片进行软烘，优选是将匀胶后的衬底片放置在温度为95～105℃的加热台上，软烘2.5～3.5min。本发明在上述条件下进行软烘，可以加热蒸发掉一部分光刻胶里的水分，以增加光刻胶的硬度；软烘时间如果过短，会影响光刻胶和衬底片的粘合性，一旦软烘的时间过长，会导致光刻胶的水分过度蒸发，影响后续处理的效果。

曝光：本发明将软烘后的衬底片进行曝光，优选是采用紫外曝光机对软烘后的衬底片进行接触式的曝光，曝光时间优选为10～30s，更优选为20s。本发明优选首先启动紫外曝光机，预热15～25min；将软烘后的衬底片放在光刻机载物台中间吸住，将掩膜版放置在台上吸住，并调节旋钮和整衬底片位置，使掩膜版上图案对准衬底片，设置好曝光时间，开始进行曝光；如果曝光时间过短，显影时显影液无法充分的与光刻胶反应，会有残留的光刻胶，影响后续处理的效果。

坚膜：本发明将曝光后的衬底片进行坚膜，优选是将曝光后的衬底片放在温度为100～110℃的加热台上，坚膜3～5min，以使光刻胶变的坚硬，保护孔洞图形在显影及刻蚀的时候不变形。

显影：本发明将曝光后的衬底片进行显影，本发明优选在室温条件下，使用质量浓度为2.3～2.4％的四甲基氢氧化铵(tmah)显影液进行显影35～45s。

得到光刻衬底片后，本发明将所述光刻衬底片进行刻蚀处理，在所述光刻衬底片的背面形成周期分布排列的孔洞，得到刻蚀衬底。在本发明中，所述刻蚀处理优选包括依次进行的湿法刻蚀和干法刻蚀。本发明利用湿法刻蚀即用腐蚀溶液进行刻蚀，根据所需要的刻蚀深度选择湿法刻蚀的时间；之后利用干法刻蚀对湿法刻蚀所形成的孔洞形貌进行优化。以圆形孔洞为例，所述刻蚀衬底的仰视图如图2所示。

在本发明中，所述湿法刻蚀所用腐蚀溶液优选为hbr和hno3混合水溶液，所述腐蚀溶液优选由质量浓度为40％的分析纯hbr、质量浓度为68％的分析纯hno3和水，按体积比为1：0.8～1.2：8～12配制得到，分析纯hbr、分析纯hno3和水的体积比更优选为1：1：10；在本发明中，所述湿法刻蚀优选在冰水浴条件下进行，以确保刻蚀速率的稳定性；所述湿法刻蚀的时间优选为14～16s，更优选为15s。在本发明中，所述干法刻蚀所用刻蚀气体优选为sf6-ar混合气体，所述sf6-ar混合气体中sf6和ar体积比优选为14～18：4，更优选为16：4。

刻蚀处理完成后，本发明优选清洗去除刻蚀后衬底上残留的光刻胶，然后进行烘干，得到刻蚀衬底。

得到刻蚀衬底后，本发明利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的孔洞内填充金属材料，至金属材料与刻蚀衬底的背面齐平，之后利用蒸镀法继续在刻蚀衬底的背面制备金属材料层，得到免焊料高导热半导体衬底。本发明对所述金属材料的种类没有特殊限定，具体可以为金锡合金或铟。在本发明中，所述金属材料层的厚度优选为5～15μm，更优选为8～12μm。

若刻蚀衬底厚度过厚，本发明优选将刻蚀衬底依次进行减薄处理和抛光处理，使刻蚀衬底厚度要减薄抛光至50～100μm，之后再向抛光处理后的衬底的孔洞内填充金属材料以及在刻蚀衬底的背面制备金属材料层。本发明对于所述减薄处理和抛光处理没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法即可。在本发明中，所述减薄处理优选包括以下步骤：在刻蚀衬底背面旋涂az4620光刻胶作为保护胶，旋涂转速为2800～3200r/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，将刻蚀衬底背面粘贴到玻璃板上，取用颗粒直径为10μm的al2o3粉末与去离子水按照质量比1：2.5～3.5的比例混合，对刻蚀衬底正面进行粗减薄处理，其中，粗减薄处理的压力为240～260g/cm²，研磨垫转速为24～26rpm，温度为室温(20℃)，时间为30～45min；之后选用颗粒直径为2μm的al2o3粉末与去离子水按照质量比1：2.5～3.5的比例混合，对粗减薄处理后的刻蚀衬底正面进行细减薄处理，其中，细减薄处理得当压力为290～310g/cm²、研磨垫转速为28～32rpm、温度为室温(20℃)，时间为15～30min。经过减薄处理后，刻蚀衬底的厚度优选为150～200μm。在本发明中，所述抛光处理优选采用材质柔软、耐酸碱腐蚀的磨砂革抛光垫，抛光料采用naclo溶液和γ-al2o3磨料，抛光压力为200～250g/cm²，抛光转速为33～37rpm。经过抛光处理后，刻蚀衬底的厚度优选为50～100μm。

在本发明中，在所述刻蚀衬底的孔洞内填充金属材料以及在刻蚀衬底的背面制备金属材料层的方法，优选包括以下步骤：以金属材料对应的金属材料为蒸发源，利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的背面镀膜，形成第一金属层，使所得刻蚀衬底的背面朝上，并将刻蚀衬底加热至温度为金属材料的熔点以上，第一金属层对应的金属材料熔融后进入刻蚀衬底的孔洞中，之后将刻蚀衬底冷却至温度为金属材料的熔点以下，使熔融态的金属材料凝固在孔洞中；重复镀膜、加热和冷却步骤若干次，使孔洞内填充的金属材料与刻蚀衬底的背面齐平；之后继续进行镀膜，在刻蚀衬底的背面制备得到金属材料层。

本发明以金属材料对应的金属为蒸发源，利用蒸镀法在所述刻蚀衬底的背面镀膜，形成第一金属层，使所得刻蚀衬底的背面朝上，并将刻蚀衬底加热至温度为金属材料的熔点以上，第一金属层对应的金属材料熔融后进入刻蚀衬底的孔洞中，之后将刻蚀衬底冷却至温度为金属材料的熔点以下，使熔融态的金属材料凝固在孔洞中。本发明对所述蒸镀法的具体操作方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可；具体的，本发明以金属材料对应的金属为蒸发源，以钨丝作为蒸发材料，所述蒸发源和蒸发材料在使用前优选独立进行预处理，以去除其表面的油污以及氧化层；本发明对预处理的具体方法不作特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方法即可。

在本发明中，所述蒸镀法优选为热蒸镀法，具体是在热蒸镀设备中进行相关操作，以金属材料对应的金属为蒸发源，以钨丝作为蒸发材料，在所述刻蚀衬底的背面蒸镀金属材料，形成第一金属层；所述第一金属层的厚度优选为3～6μm。形成第一金属层后，本发明优选利用热蒸镀设备的机械臂把所得刻蚀衬底翻转180°，即，使所得刻蚀衬底的背面朝上，并用电热丝对刻蚀衬底进行加热，使用电偶对刻蚀衬底的温度进行监测，温度升高至金属材料的熔点以上，使第一金属层对应的金属材料熔融，慢慢进入刻蚀衬底背面的孔洞中，静置50～70min以使熔融态的金属材料充分进入孔洞中，之后将刻蚀衬底冷却至金属材料的熔点以下，使进入孔洞内的金属材料凝固在孔洞中。

完成上述操作后，本发明重复镀膜、加热和冷却步骤若干次，使孔洞内填充的金属材料与刻蚀衬底的背面齐平。本发明优选是重复上述镀膜、翻转、加热、静置和冷却步骤，即，在所得刻蚀衬底的背面再次镀膜，形成第二金属层，之后再经过翻转、加热，使第二金属层对应的金属材料熔融，静置50～70min以使熔融态的金属材料充分进入孔洞中，再经冷却使进入孔洞内的金属材料凝固在孔洞中，根据实际需要选择合适的重复操作次数，最终使孔洞内填充的金属材料与刻蚀衬底的背面齐平。

完成上述操作后，本发明继续进行镀膜，在刻蚀衬底的背面制备得到金属材料层。本发明对金属材料层的制备方法没有特殊限定，参照上述镀膜操作、最终得到所需厚度的金属材料层即可。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的免焊料高导热半导体衬底，包括衬底基体，所述衬底基体的背面设置有周期分布排列的孔洞；所述孔洞内填充有金属材料，且填充的金属材料与衬底基体的背面齐平，所述衬底基体的背面设置有所述金属材料形成的金属材料层。图1为本发明提供的免焊料高导热半导体衬底的结构示意图。

在本发明中，所述衬底基体的背面设置有周期分布排列的孔洞，孔洞总面积优选占衬底基体背面总面积的50～65％，更优选为55～60％；所述孔洞的深度优选为10～15μm，单个孔洞的横截面直径优选为2～4μm，所述孔洞的个数根据实际需要确定即可。本发明对所述孔洞的具体形状不作特殊限定，可以为任意形状，如孔洞的横截面可以为圆形、矩形、六边形或三角形。

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。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

以gaas为衬底、银纳米线为弹性填充材料，制备免焊料高导热半导体衬底，包括以下步骤：

(1)光刻：依次采用丙酮、乙醇和去离子水对gaas衬底分别进行超声清洗15min，然后用氮气进行吹干处理，最后在加热板上于100℃加热5min，以彻底去除水蒸气；采用六甲基二硅氮烷(hmds)对清洗后的gaas衬底进行预处理，之后以az5214光刻胶作为掩膜，在所得gaas衬底背面进行匀胶，设置匀胶设备的转速为4000r/min，保持时间为35s，使gaas衬底上的光刻胶厚度为1.5μm；将匀胶后的gaas衬底放置在温度为100℃的加热台上，软烘90s；采用紫外曝光机对软烘后的gaas衬底进行接触式的曝光，曝光时间为20s；将曝光后的gasb衬底放在温度为100℃的加热台上，坚膜3min；在室温条件下，采用质量浓度为2.38％的四甲基氢氧化铵(tmah)显影液对坚膜后的gaas衬底进行显影，显影时间为40s，得到具有周期分布排列孔洞图形的光刻gaas衬底；

(2)刻蚀：将质量浓度为40％的分析纯hbr、质量浓度为68％的分析纯hno3和水，按体积比为1：1：10配制得到腐蚀溶液，将光刻gaas衬底置于所述腐蚀溶液中，在冰水浴条件下，利用所述腐蚀溶液对光刻gaas衬底进行湿法刻蚀，时间控制在15s，之后采用sf6-ar混合气体(sf6和ar体积比为16：4)作为刻蚀气体，对湿法刻蚀后的gaas衬底进行干法刻蚀，最终在gaas衬底的背面刻蚀形成周期分布排列的圆形孔洞，刻蚀深度为15μm，单个圆形孔洞的直径为2μm，圆形孔洞总面积占光刻gaas衬底背面总面积的60％，得到刻蚀gaas衬底；

(3)减薄处理和抛光处理：在刻蚀gaas衬底背面旋涂az4620光刻胶作为保护胶，旋涂转速为3000r/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，将刻蚀gaas衬底背面粘贴到玻璃板上，取用颗粒直径为10μm的al2o3粉末与去离子水按照质量比1：3的比例混合，对刻蚀衬底正面进行粗减薄处理，其中，粗减薄处理的压力为250g/cm²，研磨垫转速为25rpm，温度为室温(20℃)，时间为30min；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，对粗减薄处理后的刻蚀gaas衬底正面进行细减薄处理，其中，细减薄处理得当压力为300g/cm²、研磨垫转速为30rpm、温度为室温(20℃)，时间为20min；最后采用磨砂革抛光垫对减薄处理后的刻蚀gaas衬底进行抛光处理，抛光料采用naclo溶液和γ-al2o3磨料，抛光压力为220g/cm²，抛光转速为35rpm，得到减薄抛光刻蚀gaas衬底，厚度为120μm；

(4)蒸镀金属材料：将直径为1mm的高纯in金属丝绕制成回形状，依次用丙酮和乙醇对所述in金属丝进行超声清洗，以去除油污，然后将质量浓度为70％的硫酸与去离子水按体积比1：5混合，在25℃条件下利用所得稀释液对清洗后的in金属丝进行漂洗1min，以去除表面氧化层，之后用大量去离子水冲洗，将冲洗后的in金属丝放入乙醇中备用；

将直径为1mm的钨丝绕制成螺旋状，依次用丙酮和乙醇对所述钨丝进行超声清洗，以去除油污，然后将质量浓度为68％的分析纯硝酸和质量浓度为40％的分析纯氢氟酸按体积比3：1混合，在25℃条件下利用所得混合液对清洗后的钨丝进行漂洗1min，之后用大量去离子水冲洗，将冲洗后的钨丝放入乙醇中备用；

以上述处理后的in金属丝作为蒸发源，钨丝作为蒸发材料，采用热蒸镀方法在减薄抛光刻蚀gaas衬底的背面镀一层in金属层(厚度为4μm)，然后利用热蒸镀设备的机械臂把gaas衬底翻转180°，并用电热丝对gaas衬底进行加热，使用电偶对gaas衬底的温度进行监测，温度升高至in金属的熔点(156.6℃)以上，使in金属熔融，慢慢进入gaas衬底背面的孔洞中，静置1h后，将gaas衬底冷却至in金属的熔点(156.6℃)以下，使进入孔洞内的in金属凝固在孔洞中，之后重复上述镀膜、翻转、加热、静置和冷却步骤，至孔洞内填充满in金属，且gaas衬底背部的表面也有一层in金属层(厚度为8μm)，得到免焊料高导热半导体衬底。

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。