[发明专利]一种表面P型导电金刚石热沉材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面P型导电金刚石热沉材料的制备方法，该材料可用于高功率电子器件的封装，属于金刚石自支撑膜应用技术领域。

背景技术

在所有已知材料中，天然金刚石具有最高热导率，可达2000W·m^-1k^-1，是铜的5倍。随着CVD金刚石膜制备技术的不断发展，目前人工合成的CVD金刚石自支撑膜其热导率已经达到天然金刚石水平，且制备效率及成本已经足以满足商业化的需求，非常有望成为下一代电子器件的热沉封装材料。另一方面，通过人工掺杂等手段，可将原本呈绝缘态的金刚石转变为具有P型导电能力的半导体材料，其电阻率可从10¹²Ω·cm级骤降至10^-3Ω·cm以下，从而进入半导体甚至导体的范畴，同时原本具有的优良物理及化学特性也能够得以延续。

在某些高功率电子封装领域，往往不仅需要封装衬底材料具有良好热导率及绝缘性，同时也希望这种衬底材料表面具有一定的导电层，传统的方法是在高导热绝缘衬底表面镀制一层导电金属来实现。倘若利用掺硼金刚石膜的导电特性及极佳的机械特性，将其外延至高导热金刚石自支撑膜表面，则有望形成一种整体的金刚石热沉材料，这种材料将同时满足高导热及表面导电的特性。

中国专利CN201010578837曾提出了一种制备金刚石热沉基片的方法，采用直流喷射CVD技术首先在金属或石墨基底上制备掺硼金刚石膜，然后外延非掺杂金刚石膜，脱膜后再进行双面研磨抛光获得金刚石膜复合基片。此方法的缺点包括：采用先沉积后研磨工艺，无法准确控制掺硼金刚石膜层厚度；其次直流喷射CVD技术合成掺硼金刚石膜可控性差、电导率低，无法满足实际应用要求。中国专利CN200810051719.2将金刚石自支撑膜用于高功率LED封装，但其主要涉及金刚石膜焊接至陶瓷片上，未对金刚石自支撑膜做处理。美国专利US6211461提出了一种采用金刚石作为热沉材料，结合铜基座用于电子器件装置的方法，同样金刚石自支撑膜表面未做处理。美国专利US6337513报道了一种将金刚石薄膜代替其它涂层用于芯片热沉材料的报道，未涉及导热能力更好的金刚石自支撑膜。

发明内容

本发明提出一种在高导热金刚石自支撑厚膜表面外延掺硼金刚石薄膜的结构。这种结构不但保证了整体材料具有最佳的热导率和机械强度，同时由于属于同质外延生长，膜层与基底不存在明显界面；采用氢等离子体处理基底表面，使得外延的掺硼金刚石膜附着力极佳，界面热阻低，保证了基底材料的高度绝缘和表面层的P型导电的完美结合。这种金刚石材料可用于某些需要热沉材料表面导电的高功率电子器件封装领域。

一种表面P型导电金刚石热沉材料的制备方法，采用直流电弧等离子体喷射CVD法制备金刚石自支撑膜，然后采用机械研磨及抛光的方式，获得双面抛光的金刚石自支撑导热片。将导热片切割成所需尺寸后清洗、烘干作为衬底材料，采用微波等离子体化学气相沉积技术依次在其表面进行氢终端处理和表面外延制备一定厚度掺硼金刚石薄膜。若需进行布线操作，可采用激光加工技术对掺硼金刚石膜层进行线路设计。

具体实施步骤

1：采用直流电弧等离子体喷射CVD(DCArcPlasmaJet)在钼衬底上制备无掺杂金刚石厚膜，生长温度900-1050℃，沉积时间50-100h。降温过程中薄膜自动从基底脱落形成高绝缘金刚石自支撑厚膜，薄膜电阻率≥10¹⁰Ω·cm；

2：采用机械研磨及抛光技术对高绝缘金刚石自支撑厚膜进行加工，减少其表面粗糙度Ra至5-20nm，获得的双面抛光金刚石自支撑膜。

3：采用激光加工技术对获得的双面抛光金刚石自支撑膜进行切割，获得形状规则的金刚石自支撑膜片，金刚石自支撑膜片热导率需≥1600W·m^-1k^-1。

4：将步骤3所述金刚石自支撑膜片分别采用丙酮和酒精清洗，随后烘干，放入微波等离子体化学气相沉积系统。

5：开启微波等离子体CVD系统进行氢等离子体处理，氢气流量100-200sccm，衬底温度600-800℃，时间0.5-2h。

6：随后将含硼液体(硼酸三甲酯、三甲基硼等)通过载气(氢气)带入微波等离子体化学气相沉积系统反应室，沉积掺硼金刚石膜。反应气体H₂流量100-200sccm，CH₄流量1-4sccm；载气流量2-8sccm，温度700-800℃，沉积时间6-10h，制备6-10μm厚掺硼金刚石薄膜。