[发明专利]一种高导热金刚石增强碳化硅衬底的制备方法

说明书

一种高导热金刚石增强碳化硅(SiC)衬底的制备方法，属于半导体材料制备领域。本发明在SiC的碳极性面通过涂胶、光刻、显影实现图形化。随后采用电子束蒸发或磁控溅射金属掩膜。去除光刻胶后，将具有周期排列金属掩膜的SiC通过反应离子刻蚀、掩膜去除、二次离子刻蚀得到微柱阵列。接着通过微波等离子体化学气相沉积技术生长金刚石层。待金刚石层完全覆盖微柱并具有一定厚度后采用激光扫描平整化及后续精密抛光，得到高导热金刚石增强的SiC衬底。通过增加金刚石与SiC有效接触界面面积而提高导热效率的同时有效避免单一平面界面结合力不足和局部缺陷扩展。为未来SiC硅极性面减薄及其表面高温沉积GaN而获得高功率、高频率用SiC/Diamond及GaN/SiC/Diamond晶圆奠定基础。

技术领域

本发明属半导体材料制备领域，涉及一种高导热金刚石增强碳化硅衬底的制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)作为一种宽带隙半导体是射频及功率器件的理想材料，在发展未来的光伏产业、高速列车、电动汽车、5G射频、卫星通信及雷达等技术中将发挥越来越重要的作用。高强度和硬度、高抗热震性和耐腐蚀性使SiC在极端温度环境下表现优异。此外，作为代表性的第三代半导体材料，SiC可以利用其宽带隙和高介电击穿电场强度在恶劣环境中用作高功率、高频电子器件。然而，对于现代高功率电子和光电器件的小型化、高度集成化，在使用过程中会产生大量的热量。器件的可靠性和使用寿命与器件温度直接相关。当器件温度降低将使器件的可靠性和寿命呈指数增长。无论是对于SiC功率器件，还是以SiC为基底的GaN功率器件，都面临着在高功率输出时，由于“自热效应”导致器件性能衰减甚至彻底失效的风险。尤其如何在狭小空间内的热量传递是电力电子器件的新挑战，因此热管理已成为电子器件设计中越来越重要的因素。

金刚石的室温热导率最高可达2000W/(m·K)以上，是常用散热材料铜热导率的5倍，氮化铝热导率的6倍，氧化铍热导率的7倍多，可以有效传递电子器件产生的热量。而且金刚石电阻率高达10¹⁶Ω·cm，是典型的绝缘体，不用考虑可能产生漏电流的问题。因此，金刚石是最理想的热沉材料。将SiC与金刚石结合形成的SiC-on-Diamond和GaN/SiC-on-Diamond晶圆，可显著改善SiC底层散热能力，从而提高SiC及SiC基GaN器件的输出功率及频率，延长使用寿命。然而不论是SiC还是GaN表面沉积金刚石存在诸多问题，需要考虑等离子体刻蚀、界面强度、界面导热以及应力等问题。尤其是基于已经沉积有金刚石薄层的SiC衬底在SiC减薄或SiC表面高温沉积GaN过程中应力及SiC与金刚石界面强度和形核缺陷影响导热性能的问题尤为突出。

发明内容

本发明目的是提出一种高导热金刚石增强碳化硅衬底的制备方法。解决等离子体刻蚀、界面强度、界面导热以及应力等问题。尤其是解决已经沉积有金刚石薄层的SiC衬底在SiC减薄或SiC表面高温沉积GaN过程中应力及SiC与金刚石界面强度和形核缺陷影响导热性能的问题。

本发明的技术方案为：

一种高导热金刚石增强碳化硅衬底的制备方法，通过在SiC的碳极性面通过涂胶、光刻、显影实现图形化。随后采用电子束蒸发或磁控溅射金属掩膜。在去除光刻胶后，将具有周期排列金属掩膜的SiC通过反应离子刻蚀、掩膜去除、二次离子刻蚀得到微柱阵列。接着通过微波等离子体化学气相沉积技术生长金刚石层。待金刚石层完全覆盖微柱并具有一定厚度后采用激光扫描金刚石生长面平整化及后续精密抛光，得到高导热金刚石增强的SiC衬底。为未来SiC硅极性面减薄及其表面高温沉积GaN得到高功率、高频率用SiC/Diamond及GaN/SiC/Diamond晶圆奠定基础。

如上所述的高导热金刚石增强的碳化硅衬底的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：

步骤1：SiC表面涂胶及曝光图形化

通过在SiC的碳极性面旋涂光刻胶，并通过基于掩膜板实现紫外光刻。接着通过显影去胶实现周期性微孔，裸漏出周期性排列的金刚石图形化表面。