一种器件匹配的高效散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，尤其涉及一种器件匹配的高效散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。

半导体激光器是重要的光电子器件之一，具有器件芯片尺寸小，功率高，但其工作时产生的废热会引起极大的热流密度。例如，对于尺寸为0.2mm×5mm×0.1mm的单管半导体激光器，当单管功率为10w时，其热流密度达到1000w·cm^-2，与太阳表面的热流密度相当。半导体激光器的热特性问题一直是本领域研究的一个重点课题。由于有各种不可避免的损耗存在，使得半导体激光器的工作效率只能达到50％左右，即在其工作时仍然有不少的电能会转换为热能。如果产生的热量不能及时从有源区传递出去，会对半导体激光器正常工作造成严重影响。

半导体激光器正常工作时发出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，而在传递过程中由于衬底厚度较厚、热阻较高等原因，导致器件芯片的散热能力变差。因此，为了增强衬底散热能力，会在衬底背面(即与热沉接触的一面)镀散热性能好的材料，比如在激光器衬底整个背面镀金刚石薄膜，通过金刚石薄膜，将器件芯片产生的热量迅速扩展到热沉表面，再通过热沉将热量散出。这种方式虽然能够提高器件芯片的散热性能，但如果在衬底整个背面上制备散热材料，这些材料可能硬度较大，也有可能不是晶体，没有解理面，或者这些材料是晶体但与衬底晶体结构不同，导致器件芯片的解理难度增大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种器件匹配的高效散热半导体衬底及其制备方法，本发明提供的半导体衬底的高导热部分与器件芯片尺寸相匹配，便于解理，且散热效果好。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种器件匹配的高效散热半导体衬底，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凹槽，所述凹槽的横截面尺寸小于器件芯片的横截面尺寸；所述凹槽内填充有纳米导热材料，且填充的纳米导热材料与衬底基体的背面齐平。

优选地，所述凹槽的深度为40～60μm，相邻凹槽的边缘之间的距离为5～15μm。

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

优选地，所述纳米导热材料为石墨烯纳米片或银纳米线，所述石墨烯纳米片的片径尺寸为10～30nm，所述银纳米线的长度为10～30nm。

本发明提供了上述技术方案所述器件匹配的高效散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凹槽图形，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凹槽，且所述凹槽的横截面尺寸小于器件芯片的横截面尺寸，得到刻蚀衬底；

在所述刻蚀衬底的凹槽内填充纳米导热材料，至纳米导热材料与刻蚀衬底的背面齐平，得到器件匹配的高效散热半导体衬底。

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干法刻蚀和湿法刻蚀，所述干法刻蚀采用的刻蚀气体为cl2-ar-h2混合气体，所述湿法刻蚀采用的腐蚀溶液为hbr和hno3混合水溶液。

优选地，在所述刻蚀衬底的凹槽内填充纳米导热材料的方法，包括以下步骤：

在所述刻蚀衬底的背面旋涂纳米导热材料分散液，干燥后完成纳米导热材料的填充。

优选地，所述纳米导热材料分散液的浓度为1～5mg/ml。

优选地，所述旋涂的次数为若干次，单次旋涂的操作参数包括：900～1100r/min保持4～6s，3800～4200r/min保持35～45s，900～1100r/min保持4～6s。

本发明提供了一种器件匹配的高效散热半导体衬底，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凹槽，所述凹槽的横截面尺寸小于器件芯片的横截面尺寸；所述凹槽内填充有纳米导热材料，且填充的纳米导热材料与衬底基体的背面齐平。本发明提供的半导体衬底中，背面设置有凹槽，凹槽内填充有纳米导热材料，且凹槽的横截面尺寸小于器件芯片的横截面尺寸，即仅在凹槽区域有纳米导热材料，相邻凹槽之间预留有未覆盖纳米导热材料的区域，这样使得半导体衬底背面高导热部分与器件芯片尺寸相匹配，解理时沿着预留出的凹槽之间未覆盖纳米导热材料的衬底的中线解理即可，解决了现有半导体衬底整个背面覆盖了不容易解理的导热薄膜(例如金刚石薄膜)所引起的器件芯片解理难度较大易碎裂的问题。此外，本发明在衬底背面设置凹槽，相当于减薄了衬底的厚度，降低了热阻，同时在凹槽中填充纳米导热材料，相当于纳米导热材料与器件正面工作部分之间的距离缩短，可实现快速导热，利用纳米导热材料良好的导热能力，增大了衬底散热能力，解决了由于衬底散热能力差而导致的器件芯片温度高、性能降低、易烧毁的问题。

附图说明

图1为本发明中在衬底片的背面制备单个凹槽的工艺流程图；

图2为本发明提供的器件匹配的高效散热半导体衬底的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种器件匹配的高效散热半导体衬底，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凹槽，所述凹槽的横截面尺寸小于器件芯片的横截面尺寸；所述凹槽内填充有纳米导热材料，且填充的纳米导热材料与衬底基体的背面齐平。

本发明对所述衬底基体的材质没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的半导体材料即可，具体如inp、gaas、gasb、inas或si。

在本发明中，所述衬底基体的背面设置有周期分布排列的凹槽，所述凹槽的深度优选为40～60μm，更优选为45～55μm，进一步优选为50μm；所述凹槽的个数根据实际需要确定即可。

在本发明中，所述凹槽的横截面尺寸小于器件芯片的横截面尺寸。器件芯片具体是在半导体衬底正面生长光电子器件结构材料并经过器件制备工艺制备而成，实际工艺中，本发明根据所需器件芯片的尺寸，在半导体衬底的背面设置周期分布排列的凹槽，并使凹槽的横截面尺寸小于器件芯片的横截面尺寸，以实现便于解离和器件尺寸相匹配的目的。在本发明中，相邻凹槽的边缘之间的距离优选为5～15μm，更优选为8～12μm，本发明所述相邻凹槽的边缘之间的距离具体是指相邻两个凹槽的边缘之间的最小距离，即半导体衬底背面设置的凹槽的横截面边缘与器件芯片的横截面边缘之间的距离为2.5～7.5μm，相当于凹槽的横截面尺寸略小于器件芯片的横截面尺寸，这样可以使凹槽横截面尺寸与器件芯片的横截面尺寸相匹配，凹槽的具体尺寸会随器件芯片的具体尺寸进行适应性调整，保证二者尺寸匹配关系在上述范围即可。在本发明中，所述凹槽的形状优选与器件芯片的形状保持一致，如凹槽的横截面具体可以为矩形，尺寸可以为(80～1000)μm×(1000～3000)μm。

在本发明中，所述凹槽内填充有纳米导热材料，且填充的纳米导热材料与衬底基体的背面齐平，即在所述凹槽内填充满纳米导热材料；所述纳米导热材料优选为石墨烯纳米片或银纳米线，所述石墨烯纳米片的片径尺寸优选为10～30nm，更优选为15～25nm；所述银纳米线的长度优选为10～30nm，更优选为15～25nm。

本发明提供的半导体衬底中，凹槽的横截面尺寸小于器件芯片的横截面尺寸，即，仅在凹槽区域有纳米导热材料，相邻凹槽之间预留有未覆盖纳米导热材料的区域，这样使得半导体衬底背面高导热部分与器件芯片尺寸相匹配，解理时沿着预留出的凹槽之间未覆盖纳米导热材料的衬底的中线解理即可，解决了现有半导体衬底整个背面覆盖了不容易解理的导热薄膜(例如金刚石薄膜)所引起的器件芯片解理难度较大易碎裂的问题，而且衬底的高导热部分与器件芯片尺寸相匹配，节省材料。此外，本发明在衬底背面设置凹槽，相当于减薄了衬底的厚度，降低了热阻，同时在凹槽中填充纳米导热材料，利用纳米导热材料良好的导热能力，增大了衬底散热能力，解决了由于衬底散热能力差而导致的器件芯片温度高、性能降低、易烧毁的问题。

本发明提供了上述技术方案所述器件匹配的高效散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凹槽图形，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凹槽，且所述凹槽的横截面尺寸小于器件芯片的横截面尺寸，得到刻蚀衬底；

在所述刻蚀衬底的凹槽内填充纳米导热材料，至纳米导热材料与刻蚀衬底的背面齐平，得到器件匹配的高效散热半导体衬底。

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，本发明制备所述器件匹配的高效散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凹槽图形，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，通过后续操作步骤在其背面设置凹槽并填充纳米导热材料。

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凹槽图形，光刻处理完成后，衬底片背面需要制备凹槽图形的部分没有光刻胶覆盖，不需要制备凹槽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凹槽结构的制备。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az-4620，设置匀胶设备的转速及保持时间优选为：900～1100r/min保持4～6s，3800～4200r/min保持35～45s，900～1100r/min保持4～6s；更优选为1000r/min保持5s，4000r/min保持40s，1000r/min保持5s；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；调整匀胶机的转速，由慢加快再减慢，这样的匀胶方法能够使胶面厚度非常的均匀。

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，保护凹槽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250～350s，更优选为300s。

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凹槽，且所述凹槽的横截面尺寸小于器件芯片的横截面尺寸，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干法刻蚀和湿法刻蚀。本发明利用干法刻蚀将衬底片表面上未被光刻胶遮盖的材料去除，有选择性的将被光刻胶保护的地方留下来，进而得到对应的凹槽；之后利用湿法刻蚀溶解掉凹槽表面(包括侧壁和底部)不够光滑的多余部分。

在本发明中，干法刻蚀所用刻蚀气体优选为cl2-ar-h2混合气体，所述cl2-ar-h2混合气体中cl2、ar和h2体积比优选为3：13～17：6～8，更优选为3：15：7；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。

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，本发明在所述刻蚀衬底的凹槽内填充纳米导热材料，至纳米导热材料与刻蚀衬底的背面齐平，得到器件匹配的高效散热半导体衬底。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100～150μm，之后再向抛光处理后的刻蚀衬底的凹槽内填充纳米导热材料。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。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。

完成所述减薄处理和抛光处理后，本发明在所得刻蚀衬底的凹槽内填充纳米导热材料，优选包括以下步骤：在所述刻蚀衬底的背面旋涂纳米导热材料分散液，干燥后完成纳米导热材料的填充。

在本发明中，所述纳米导热材料分散液的浓度优选为1～5mg/ml，更优选为2～4mg/ml；所述纳米导热材料分散液中所用溶剂优选为乙醇水溶液；所述乙醇水溶液中水与乙醇的体积比优选为3～7：3，更优选为1：1。本发明对所述旋涂的次数不作特殊限定，最终使凹槽内填充的纳米导热材料与刻蚀衬底的背面齐平即可。在本发明中，单次旋涂的操作参数优选包括：900～1100r/min保持4～6s，3800～4200r/min保持35～45s，900～1100r/min保持4～6s；更优选包括：1000r/min保持5s，4000r/min保持40s，1000r/min保持5s。在本发明中，优选是将刻蚀衬底放置于旋涂机载物台中央，将纳米导热材料分散液滴在刻蚀衬底背面中央，进行旋涂；旋涂后观察是否旋涂均匀，多次重复旋涂，直到纳米导热材料均匀的旋涂在刻蚀衬底的凹槽内即可。旋涂完成后，本发明优选关闭旋涂机，将所得衬底烘干，得到器件匹配的高效散热半导体衬底。

以矩形凹槽为例，图1为本发明中在衬底片的背面制备单个凹槽的工艺流程图，首先在衬底片的背面经过光刻处理和刻蚀处理，形成凹槽，之后通过旋涂法在凹槽内填充石墨烯纳米片或银纳米线，最终得到器件匹配的高效散热半导体衬底；图2为本发明提供的器件匹配的高效散热半导体衬底的结构示意图，左侧为器件匹配的高效散热半导体衬底的仰视图，右侧为仰视图的a-a位置的剖面图，通过旋涂法在器件匹配的高效散热半导体衬底的凹槽中填充有石墨烯纳米片或银纳米线。

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inp为衬底(2英寸)、石墨烯纳米片为纳米导热材料，制备器件匹配的高效散热半导体衬底，包括以下步骤：

(1)光刻：依次采用丙酮、乙醇和去离子水对inp衬底分别进行超声清洗10min，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gasb衬底进行预处理，之后以az-4620光刻胶作为掩膜，在所得inp衬底背面进行匀胶，设置匀胶设备的转速及保持时间为：1000r/min保持5s，4000r/min保持40s，1000r/min保持5s，使inp衬底上的光刻胶厚度为1.5μm；将匀胶后的inp衬底放置在温度为100℃的加热台上，软烘3min；采用紫外曝光机对软烘后的inp衬底进行接触式的曝光，曝光时间为20s；将曝光后的inp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inp衬底进行显影，显影时间为300s，得到具有周期分布排列凹槽图形的光刻inp衬底；

(2)刻蚀：采用cl2-ar-h2混合气体(cl2、ar和h2体积比为3：15：7)作为刻蚀气体，对光刻inp衬底进行干法刻蚀，在所述光刻inp衬底的背面刻蚀形成周期分布排列的矩形凹槽，刻蚀深度为50μm，单个凹槽尺寸为100μm×1000μm，相邻凹槽的边缘之间的距离为10μm；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，将干法刻蚀后的inp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刻蚀后的inp衬底进行腐蚀，时间控制在15s，以提高凹槽侧壁及底部的光滑度；清洗腐蚀后的inp衬底以去除残留的光刻胶，然后进行烘干，得到刻蚀inp衬底；

(3)减薄处理和抛光处理：在刻蚀inp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inp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inp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inp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，得到抛光处理后的刻蚀inp衬底，厚度为120μm；

(4)旋涂石墨烯纳米片分散液：将石墨烯纳米片(片径尺寸为15～25nm)分散于乙醇水溶液中，得到石墨烯纳米片分散液，所述石墨烯纳米片分散液中，乙醇与水的体积比为1：1，石墨烯纳米片的浓度为2mg/ml；将刻蚀inp衬底放在旋涂机载物台中央，将石墨烯纳米片分散液滴在刻蚀inp衬底背面中央，进行旋涂，旋涂机转速及保持时间为：1000r/min保持5s，4000r/min保持40s，1000r/min保持5s；重复旋涂操作，之后干燥，最终使凹槽内填充的石墨烯纳米片与刻蚀inp衬底背面齐平，得到器件匹配的高效散热半导体衬底。

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。