[发明专利]一种用于制备单晶金刚石微通孔的装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于制备单晶金刚石微通孔的装置及方法，所述装置包括：图形化金属薄膜制备装置，用于在待制备微通孔的单晶金刚石衬底的上、下表面制备图形化金属薄膜；氢等离子体发生装置，用于发生氢等离子体；所述氢等离子体用于包裹所述待制备微通孔的单晶金刚石衬底以及其上、下表面制备的图形化金属薄膜，并对图形化金属薄膜下方的单晶金刚石衬底刻蚀；去除装置，用于在上、下表面的图形化金属薄膜在单晶金刚石衬底内部相遇后，去除单晶金刚石衬底的上、下表面的图形化金属薄膜。本发明可以大幅度提升刻蚀金刚石的速率，缩短刻蚀时间。

技术领域

本发明属于半导体材料微加工技术领域，特别涉及一种用于制备单晶金刚石微通孔的装置及方法。

背景技术

随着半导体技术的不断进步，电子设备集成度越来越高，集成芯片中电路数目及功率的增加使其产生热量的散逸变得越来越困难；在5G通讯、航空航天等领域中，对电子器件的体积、重量要求较传统行业中高很多，在保证器件体积、重量的前提下，只能通过增加功率来获得更高的性能；小体积大功率器件会产生更大的热量，并在有源区形成热点，这对器件的性能有着致命的影响，成为了制约大功率器件发展的最大问题之一。因此，有必要研发新一代体积小、散热效率高的散热材料。

金刚石和传统的铝、铜、钨、铝碳化硅等散热材料比，具有极高的热导率(22W/cm·K)，为传统材料的数倍甚至数十倍，是散热材料的极佳选择。因其优秀的热导特性，有望解决电子器件的“自热效应”技术瓶颈。金刚石衬底有超高的导热率，还具有卓越的力学、光学、声学、电学和化学性质，使其在高功率光电器件散热的问题上明显优于其它材料，也是在高温、高腐蚀以及恶劣环境下工作的极佳选择，因此金刚石是最具有潜力的大功率散热衬底。

目前，大部分电子器件均采用背孔电极的方式将各个电极连接在一起，这样既可以节省互连线，又便于器件热量的集中管理；因此，将单晶金刚石作为电子器件芯片热沉的最佳方案是在单晶金刚石做上贯穿的微孔，将背孔电极直接穿过单晶金刚石，最大限度的利用单晶金刚石高热导的特性，达到器件降温、提升器件性能的目的。然而，金刚石具有极高的硬度，极好耐磨性和极强化学稳定性，干法刻蚀和湿法腐蚀都无法对其进行通孔的图形化，制备单晶金刚石微通孔一直是技术难题。目前制备单晶金刚石微通孔是利用碳原子在金属中输运，然后采用高温氢气将到达金属层表面的碳原子(sp2键型碳原子)反应掉实现的，该过程受限于氢气和碳原子的反应速率，需要单晶金刚石长时间在高温氢气中反应才有可能获得金刚石微通孔，该方法尚存在的弊端主要有两个，包括：(1)刻蚀速率慢，一般在1微米/小时，刻蚀一个0.3毫米的金刚石，需要约300小时；(2)长时间置于高温氢气中将造成本来不想刻蚀的金刚石部分也受到氢气刻蚀，造成这部分金刚石表面粗糙度增大，这对于后续金刚石的生长、电子器件的制备是致命的，严重情况下将引入位错等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制备单晶金刚石微通孔的装置及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明利用碳原子高温下在金属中扩散的特点，将单晶金刚石上下表面的碳原子泵浦到金属薄膜，并利用氢等离子将这部分碳原子反应掉，可以大幅度提升刻蚀金刚石的速率，缩短刻蚀时间。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种用于制备单晶金刚石微通孔的装置，包括：

图形化金属薄膜制备装置，用于在待制备微通孔的单晶金刚石衬底的上、下表面制备图形化金属薄膜；其中，上、下表面制备的图形化金属薄膜完全一致并相互对准；

氢等离子体发生装置，用于发生氢等离子体；所述氢等离子体用于包裹所述待制备微通孔的单晶金刚石衬底以及其上、下表面制备的图形化金属薄膜，并对图形化金属薄膜下方的单晶金刚石衬底刻蚀；

去除装置，用于在上、下表面的图形化金属薄膜在单晶金刚石衬底内部相遇后，去除单晶金刚石衬底的上、下表面的图形化金属薄膜。

本发明的进一步改进在于，所述图形化金属薄膜制备装置包括：