（材料学专业论文）氧化铝衬底上金刚石的厚膜生长及其微电子学应用研究.pdf

塑主兰笙笙兰墨丝黧茎塞圭垒型歪墼墨壁圭簦垄茎篓生三兰堡里翌茎 摘要 金剐石其裔热尊率高( 2 0 w c m 噬) 、赍电琴簸小( 5 5 5 7 ) 、夯逸损耗低和热膨簇系数小4 1 0 - 6 ，k 1 等优点，烧目前电子器件、电路最理想的封装基片和构凝基扳。但是必然金刚石面 积非常小，且价格昂贵。用金剐石膜与氧化铝陶瓷复合制各高热导率和低介电系数的基片， 楚一孝争洼靛蹬r 穗鼗菲霉褒夔选择， 本文分别采用m p c v d 、h f c v d 方法在氧化铝陶瓷基片上沉积金刚石膜。在沉积金刚 石膜之前，首次缆用对氧化铝村底进行碳离子混入的方法来缓锵薄膜与衬底问的应力。通过 x 射线衍射( x r d ) 、俄歇电子能港( a e s ) 、显徽骶痕及扫攒电子盛微镜( s e m ) 等簪段对离子注 入簇中碳元素熬分蠢及残余应力簸注入条耱静变饱情况避行7 磺究。蓐酎也辩运炎气氛、瀣 皮及时间对离子潍入的影响进行了袭征。研究袭明，氮气等惰性气氛中1 0 5 0 c 高温退火3 0 分钟有利于碳元豢向表面的扩散聚集，使氧化镏中产生的压应力集中于衬底袭面。 毅x 射线缮瓣( x g d ) 、芋l 攥电子显擞镜( s e m ) 帮r a m a n 建谨表征了援获鑫嚣l 磊薄貘的 鹰鬣。通过对金刚看r a r n a n 散射峥的g u a s s 撅会，得出了非定囱多晶薄膜中平磷双轴应力与 r a m a n 位移之间的定量关系，并分析了表面处璎工艺和沉积条件对金刚石膜_ 陂力的影响。碳 源浓度和沉积温度的改变会直接影响所得金刚瓣膜的质量，s ，等非金刚石相崧鼎界处豹聚集 会傻金s 石貘中瓣蘧应力掬捌。树瘸碳离子臻淀入冒寄效遮隧羝金e g 石壤孛瓣寝力，下终辐 度在一定范围内妈注入剂量成正比，最高可达3 2 。同时淀入过程中碳元紊的表面钉扎作 用也改善了金刚石膜与氧化铝衬底的附着特性。我们在此分析的萋础上。成功地在氧化铝衬 蕊上生长出了厚嶷越过1 0 0 m 的金嚣石殍骥，势蔫有限元糗攒方法对质褥缀基进行7 理论 验证。 采用电容法测量了金刚石膜，氧化铝复合材料的介电性质。沉积一层金刚石膜可以大大 降低复合材料豹舟电系数( 从9 7 2 降低至87 8 2 ) ，且随着金剐石膜厚度的增加，复合材料介 毫系数翡下降毽越凌显。羰枣予骥注入往薄骥每季圣底的垂台甄攀鞫，簌瑟簿低7 复会耪科麴 介电损耗( 。l ) 。复台材料的横向热导率相对于单层氧化铝嘲瓷有了明显的潋饕，且随着盒 刚石膜厚度的增加，复合材料的横向熟导率是单调递增的。当袅刚石薄膜厚度超过1 0 0 hm 蹲复合辜孝辩横向热粤率上秀至3 9 8 w c m k 。 本文还结合m p c v d 鞍 | f c v d 沉积工芑瓣特熹，研究了菠善工艺重夔褴、一致性静 方法，并对氧化镏陶瓷上金刚石的成核过程进抒了探讨。结果液明在增加钨丝数量的同时 保特钨丝与衬底臌离为8 r a m ，莉利于h f c v d 中温场的均匀性；在一定的范嘲内。适当降低 m p c v d 中夔反震撼疆对金剐焉熬藏攘是喜拳l 弱。 关键词：金刚石膜。氧化铝陶瓷，化学气相沉积，介电系数，热导率 博士学位论文氧化铝村底上金刚石的厚膜生长及其微电子学应用研究 a b s t r a c t d i a m o n di so n eo ft h eb e s tm a t e r i a l sf o rt h ep a c k a g ea n da s s e m b l yo ft h ep r e s e n te l e c t r o n i c d e v i c e sa n dc i r c u i t sd u et oi t s h i g h e s t t h e r m a l c o n d u c t i v i t y ( 2 0 w c m k ) ，s m a l l d i e l e c t r i c c o e f f i c i e n t ( 5 5 5 7 ) l o wd i e l e c t r i cl o s sa n dl o wt h e r m a le x p a n s i o n ( 1 0 k ) h o w e v e 5n a t u r a l d i a m o n do n l yh a st i n ya r e a a n di se x t r e m e l ye x p e n s i v ea sw e l l i ti sag o o dc h o i c ew i t hh i g h q u a l i t y c o s tr a t i ot o u s ead i a m o n d f i l m a l u m i n ac o m p o s i t ea s p a c k a g ew a f e rw i t h b o t hh i g h e r t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dl o w e rd i e l e c t r i cc o e f f i c i e n t d i a m o n df i l m sw e r ed e p o s i t e do na l u m i n as u b s t r a t e sb ym i c r o w a v ep l a s m ac h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ( m p c v d ) a n d h o tf i l a m e n tc h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ( h f c v d ) t e c h n i q u e s b e f o r et h e d e p o s i t i o np r o c e s s ，c a r b o n i o n sw e r e i m p l a n t e d i n t ot h ea l u m i n as u b s t r a t e st or e d u c et h e c o m p r e s s i v e s t r e s si nt h ed i a m o n df i l m s t h ev a r i a t i o n so f c a r b o nd i s t r i b u t i o na n dr e s i d u a ls t r e s si n t h ei m p l a n t e dl a y e rw i t ht h ei m p l a n t a t i o nc o n d i t i o n sw e r es t u d i e db ym e a n so fx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，a u g e r e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( a e s ) ，m i c r o - i n d e n t a t i o na n d s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) i na d d i t i o n ，t h ee f f e c t so fa n n e a l i n ga t m o s p h e r e ，t e m p e r a t u r ea n dt i m eo nt h ei m p l a n t a t i o n p r o c e s sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tc a r b o ni o n sm o v e do u t s i d ea n dt h er e s i d u a l c o m p r e s s i v es t r e s s i nt h ei m p l a n t e dl a y e ra g g r e g a t e dn e a rt h es u b s u r f a c er e g i o na f t e r3 0 m i n u t e a n n e a l i n gi nn i t r o g e na t m o s p h e r ea t1 0 5 0 ( 2t e m p e r a t u r e ， w 也t h eh e l pd fx r d ，g e ma n dp , d t m a ns p e c t r o s c o p y ，t h eq u a l i t i e so fd i a m o n df i l m sw e r e c h a r a c t e r i z e da n di n v e s t i g a t e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n - f i l m p l a n eb i a x i a ls f f e s sa n dr a m a n s h i f tw a sd e v e l o p e db a s e do nt h eg u a s sf i to fd i a m o n ds c a t t e r i n g p e a k s e f f e c t s o fs u r f a c e t r e a t m e n t sa n dd e p o s i t i o nc o n d i t i o n so nt h er e s i d u a ls t r e s sw e r es t u d i e d r e s u l t si n d i c a t e dt h a t d i a m o n dq u a l 畸w a sg r e a t l y d e p e n d e n to v tt h eg a sf l o wr a t i o a n dg r o w t ht e m p e r a t u r e t h e i m p u r i t i e ss u c ha ss p c a r b o n ，w h i c hw e r el o c a t e di nt h eg r a i nb o u n d a r i e s ，w o u l dd e t e r i o r a t et h e r e s i d u a ls t r e s si nt h ed i a m o n df i l m s c a r b o ni o ni m p l a n t a t i o n ，p r i o rt ot h ed e p o s i t i o np r o c e s s 。 a p p e a r e dt ob ea l le f f e c t i v em e t h o dt or e l e a s et h es t r e s si nd i a m o n df i l m s ，w h i c hd e c r e a s e dl i n e a r l y w i t ht h e i m p l a n t a t i o n d o s e t h ec a r b o n i o n s ，e m b e d d e di n t h es u b s t r a t e s u r f a c e ，w o u l d s i m u l t a n e o u s l yp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ea d h e s i o ni m p r o v e m e n t a sar e s u l t , ad i a m o n dl a y e ro f m o r et h a | l1 0 0umw a sa c h i e v e do nt h ea l u m i n as u b s t r a t ea n dt h ee v o l u t i o no fs t r e s si nt h e d i a m o n df i l m sw a sc o n f i r m e db yt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s t h ed i e l e c t r i c p r o p e r t i e s o ft h ed i a m o n d - f i l m a l u m i n ac o m p o s i t ew e r ee v a l u a t e dw i t ht h e m o d e lo fs e r i e sc a p a c i t o r s i tr e v e a l e dt h a td e p o s i t i n gad i a m o n df i l mo na l u m i n as u b s t r a t ec o u l d r e d u c et h ed i e l e c t r i cc o e f f i c i e n te f f i c i e n t l y w i t ht h ei n c r e m e n to fd i a m o n d t h i c k n e s s ，am o r er a p i d d e c r e a s ei nd i e l e c t r i cc o e f f i c i e n tw a se x p e c t e d t h ed i e l e c t r i cl o s so ft h ec o m p o s i t ew a sa l s o 坚生兰簦兰兰墨些罄茎望圭垒型至整曼璧圭兰垒茎燮生王兰生旦竺窒 r e d u c e da sl o wa s10 一b e c a u s eo ft h ea d h e s i o ni m p r o v e m e n tc a u s e db yc a r b o ni o ni m p l a n t a t i o n c o m p a r e dw i t h t h em o n o l a y e ra l u m i n as u h s t r a t e ，t h ec o m p o s i t ew a f e re x h i b i t e dm u c hb e t t e r t h e r m a lp r o p e r t i e s w i t ht h e r m a lc o n d u c t i v i t yi n c r e a s i n gm o n o t o n i c a l l yw i t hf i l mt h i c k n e s s 。t h e p a r t i c u l a rc a s ew a s t h a tt h el a t e r a lt h e r m a lc o n d u c t i v i t yc o u l dr e a c h 勰h i g ha s3 9 8 w c m kw h e n d i a m o n df i l me x c e e d e d10 0um s e v e r a lm o d i f i c a t i o n s c o n c e r n i n g t h e e x p e r i m e n t a lu n i f o r m i t y a n d r e p e a t a b i l i t y w e i n t r o d u c e dt ot h ed e s i g no f d e p o s i t i o ns y s t e m ，w i t hn u c l e a t i o nm e c h a n i s md i s c u s s e di nd e t a i l 。i t w a ss h o w nt h a tm o r ef i l a m e n t sa n dp r o p e rd i s t a n c eb e t w e e nf i l a m e n ta n ds u b s t r a t ec o u l di m p r o v e t h et e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yo fh f c v ds y s t e m i ns o m ec a s e s 。t h ee n h a n c e m e n to fd i a m o n d n u c l e a t i o na c r o s s 如es u b s t r a t es u r f a c ec o u l db er e a l i z e du n d e r o w e rm p c v dr e a c t i o n p r e s s u r e 。 k e y w o r d s ：d i a m o n df i l m ，a l u m i n ac e r a m i c ，c v d ，d i e l e c t r i cc o e f f i c i e n t ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y 麟士学位论文毓他铝衬底上金剐石的厚膜生长及冀微电子学应用研究 第一章前言 透卡年来，鏊“短薄较枣”爻主要特链熬龟子嚣张芷惫离集或、毫速菠、多动 能、高功耗方向发展。方面，器件岛电路单位体积内热耗散羹大幅度增加，男 方面器件与电路的工作速度不断提高。这在需要进一步提高芯片设计技术、改 蛰甚片裁造工艺移寻求瑟靛器 串设诗骥论豹羁对，对嚣 孛彝电鼹瓣羹装基板熬结 构及性质，也提出了新的黉求f l l 。 l ，1 半导体器件和电路的发展使攀位体积热耗散大幄增加 众所周知，多功能、商可靠、长寿命等指标，已熙衡量现代电子设备和系统先 进性的重要尺度，据此种瓣求，现代电子器件与电路芷朝着大规模方向发展。苍 片嚣获不凝扩大， e 集残爱不鼗挺褰，攀令元释足寸苓薮续枣，簇瑟导致了嚣传 与电路单位体积内热耗散爨的大幅度增搬。侧如，磷前单个芯片所产生的热凝已 从原来的1 0 w 增至4 0 w ；传统的发射极耦合逻辑( e c l ) 电路的热流量会高达 5 0 w c m 2 ：露凌态淹视存麓瓣瞧会煮2 0 w c m 2 魏换滚爨。美萤半导搭工监协会( s i a ) 将信息处理用半导体器件和电路的技术进展情况归纳乎表1 1 所示f 2 】。 集成电蹒封装管壳是蕊片的导热通道，因此微电予技术的发展疑求制作封装管 淹的基片材籽具有极高的热导率，以便及对她将芯片耩产生兹热爨教发氆去。 1 2 电子器件与电路的发展使工作速度不断提高 集成宅爨、诗算穗、遴傣、遮终蔽米粒获释技零夏霞_ _ 俸懿袋袋。键迸7 穰崽 技术的进步，同时传输线路上的信息最也飞速增加。为提高整个信息网络速率， 提高逻辑电路的开关速度怒关键。 超褰速鼓蕊号戆终埝延迟是集残奄鼹实瑷“高速绽”戆主要薄磷之一，这是瓣 为封装基板存在分布电容，会对超商频信号产生延遴，且延迟时间t d 可写成； 写毛居c 萁孛l 必绥号铸送疆褰，e 惫萋冀或绝缘墨熬灸魄系数，e 受裁窆枣戆竞邃。 驻而易见，为了减小信号的延时，缩短信号传输的距离是必要的。除此以外，积 极开发低介电系数的封装材料也是当务之急。图i 1 给出了目前及未来几年内大型 计算机中信号惩转寸的比例【3 1 。 表l ，l 半导体i c 技术进餍 1 9 9 2 9 9 5t 9 9 82 0 0 l 2 0 0 42 0 0 7 特，珏最哼 0 58 3 50 2 5 0 1 s0 。1 20 1 0 门数芯片3 0 0 k8 0 0 k2 m6 m1 0 m 2 0 m 位数，芯片 d r a m1 6 m6 4 m2 5 6 ml g 4 g1 6 ( 3 s r a m4 m 螽麓 6 4 m2 5 6 ml g4 g 晶片船工成本( 羹元，c 酽) 4 o 3 03 83 7363 5 芯片尺寸( m m 2 ) 逻辑电路微处理器2 4 0 06 0 0嚣o ol o 1 2 5 0 d & a l 耗2 3 2 。期o7 1 0 0 0 磊片壹径( t u r n ) 2 2 0 02 0 0 4 0 02 0 0 4 0 0 2 一4 0 02 0 0 - 4 0 0 缺陷密度r 缺蝻数，m m s ) 0 100 5d 0 800 l00 0 400 0 l 互连层数堪辑电路 34 55 5 666 7 晕丈功率( 州芯片) 骞瞧籀 0i 53 04 0 4 0 - 1 2 04 0 - 2 0 0 便携3444 4 4 电谭电疆( v ) - 台式 5 3 32 2 2 2l55 - 镬携，32 22 21 51 51 5 i o 数5 0 07 5 01 5 0 02 0 0 03 s 0 05 0 性能( m h z ) o t f 芯片 6 01 0 0i 7 52 5 03 s o 5 0 0 - 0 1 1 芯片1 2 02 0 03 5 05 0 07 1 0 0 0 1 3 电子器件与电路的发展对封装基板材料提出新的要求 罐子瑗代毫予器伴移宅予线路所需豹瓣装基板材餐 寂其各： ( 1 ) 高热导搴，以便及时将热量散发出去； ( 2 ) 低介电系数，以减少倍号延迟时间，减少杂散电喾并降低总介电损耗； ( 3 ) 蒸澎袋悉数接莲子蕊麓毒毒辩，壤多产生熬慈应力； ( 4 ) 高电阻攀，p 1 0 4 q o m ； ( 5 ) 优异的机械性能，能撼供封装的真空气塞性； ( 6 ) 稳定的化学性能，或易于进行表面预处理以掇高化学稳定性 f 7 ) 好的濑度、湿度和频率稳定性； ( 懿聚多漂毒线，蒸黉采赁多震蕊缀，基板羲烧络溢痊疲惫予1 0 0 0 c 。 此外随着集成电路芯片简积和i ，o 弓1 脚数的增加树，还要求綦片具有大面积和 商的表面平熬度。 i 蒌 v 星 蓉 鞠 赣 鳝1 1 大型计舞梳信号延迟静眈剑 1 4 封装纂板材料的研究现状 表1 2 列出了几种典烈陶瓷封装基檄材料的主要特性f 孙。其中，氧化铝陶瓷摸 肖机械强度离、耐磨往好、抗氧化性好牺电阻率高簿优点，是曷前集成电路中缆 怒最广静一耱簿装薹援耪凝。毽由予箕熬每率较小( 0 。2 w e r a 效) ，穷毫系数较 大( l o ) ，使得它无法适赢当今集成奄路发展的需求暇。因此对掰装基板材料的 研究也主要集中在对氧化铝陶瓷的改性上。 扶g o 年代野始，毽界上诲多蟊家都不港器量姿对鬣我锫进行政滋 ”。翅：在a 1 2 铙 材料中掺入玻璃稆可以稆对提高基片的热导率( 1 5w f c n l k ) ，聪介电常数仍然 较高( 2 0 ) 。s i c + 1 w 鹳o b e 基片是常蹋的商热导基片之一，它的热导率可达2 7 w t c m k ，但它的介电系数缀离，在1 m h z 频率下的介电系数高达4 0 ，且烧或濑发 离、成本离，a i n 基片簿弹艇有热导率天鹃优点，舀本t o k u y a m a 公镯生产戆s h + 5 型a t n 的热撵率可达w c m k ，但它的介电系数还悬有些偏高，如s h 1 5 型a i n 陶瓷的介电常数为s 7 1 。b e o 的热导及介电性能都院较优越，热游率为2 7 3 ，0 燮主童簦笙苎墨丝璧签塞兰垒型互些罂竖兰兰垄苎登墨盂兰窒墨竺兰。一 w c m k ，介电系数为6 5 ，但是它有剧毒，会对操作人员的身体造成损伤。 表1 。2 死弹典壅淘瓷瓣装萋扳裁褥瓣瞧矮 ，j 热释率热膨胀鬻数 体电阻耐压 抗折强度 介电系数 ( w l c m + k ) ( x 1 0 4 ) n ，c m i v l m m ) ( m p a ) r tr t 2 0 0 酣盯r t , l m h z 骶 a 1 2 0 3 0 2 0 6 ，0 - 6 5 1 0 。4 1 59 5 3 2 0 b e o2 6 0 7 ，5 1 0 41 0 1 4 6 73 0 0 s i c 2 7 03 了 1 0 l e 0 74 2 4 5 0 a l n1 2 0 * 2 7 0 3 9 1 0 1 4 1 4 1 78 94 0 0 - 5 0 0 鼹来石 0 + 0 44 0 1 0 i 41 36 ，5 2 0 0 表1 , 3日本各公司的玻璃陶瓷电路掇性能 热黪账系数 介电常数嚣体电阻烧结漫瘦 耪辩系导髂稼辩 ( p p m l c ) f l m h z ) f m 立o ) ( ) a g - p d 5 9 7 4 2 3 ( 表面 2 5 ： 8 5 0 - 9 0 0 旭硝子玻璃陶瓷 a u ( c u )( 6 3 )( 7 - 9 ) 体积 1 3 5 0 c ) ，金刚石 会向石墨相转化【8 】。1 9 9 3 年，w b j o h n s o n 等报道了用熔融a l 溶液化学浸润人造 愈戴石数羚匏方法割遥金躺嚣，镔蓥复合携辩，并躅予嶷残毫路基跨豹磅究，毽没 润过程温度道赢( 8 0 0 ) ，由于a l 活魏强，因此易蕊金转石反应丽形成a 1 3 q 他 含物侈j 。经过多次的文献梭索至今还没有发现同时舆有高热导率、低介电系数， 黩对人身体秃戆害豹封装蒸扳材辩。 1 5 金刚石膜氧化锅陶瓷复合作封装基板 1 5 。1 金鬻嚣瓣往舅整薤 金刚石舆肖许多优异特性【lo 】，其中最为突出的怒它具有无可比拟的热导率， 逸2 0 w c m k 。金鄹石羼予声予导蒸+ 褒霉渥下金剿五秘导热速率毙囊舞豹龛 耩镀离4 倍以上。由于材料的红外辐射能力随温度的升高而增强，且金刚石逐 光性远优于其他材料，因此它的散热效能在高温时融为突出。同时金刚石比热 缀小，无法积累热能，旦糍承受骧冷骤热时的热；串爨，嚣北是极好的热沉孝才料。 戮外，金鬻蕊热膨胀系数麓疆材辩禳羧遥，缀适合舄集成套路搭配，研究衰骥 众刚石上允许的功率使用襻量为硅材料上的2 5 0 0 倍【l 】。 同时，由予金剧石结构中离子位移极纯和离子的嘏子极化对介电系数的影响 霹| 三i 慈略，菇傣孛氇不存凌錾鸯毫矩，奔宠系鼗哭来源予晶薅孛添予豹毫子辍德。 因此金刚石具肖比目前开发如的所有高热导基片如b e o 、a 1 2 0 3 、t k l n 和s i c 低 得多的介电系数。 瑟乡 ，金耩嚣禁蒂宽，常温下吴套梭蹇静毫疆率( 1 0 蚺q ，e r a ) ，璎恕最终孛誉 存在耗散机构a 这些特性向金冈石所具裔的最高硬度、良好的机械特性、化学稳 定性、频率稳定性及优异的温度稳定性等结合在一起，使金刚石成为最理想的封 装基片和孝每装慕板。 采角天然或离温离愿法金耐石律为封装末孝辩鲶磷究工作罐举就已经开始 r 。1 9 6 7 年d y m e n t 等人酋次利用天然i i a 型金刚前制作了半导体激光器的热 沉”引；y a z u 簿入于1 9 8 8 肇又报道了使用高温高压众剐石制作半警体器件热沉 的结果孙，二者均在降低热阻和提高输出功率方面取得了明显的效粜。但天然 或菇品质高温离腥金剐五在尺寸和价格方豌的限制阻碍了金刚石封装材料的广 泛疲趱。 1 5 2 金剐石膜相关技术的发展为其作为封装材料创造了条件 1 9 8 2 年，嚣本m a t s u m o t o 等l h l 使用化学气相沉积( c v d ) 方法用甲烷和 氢气混合气体首次成功合成了金刚石薄膜，为世界瞩西。2 0 多年来，随着各种 耘激铡冬方法熬不断涌现。铡蛰大面积低贼本豹金剐猫貘已成为可麓”“。两 量，c v d 金丽膜酶性质德鼹，其枫缓梭能、熟擎、兔学等多项指标均己接运 或超过天然金刚石。另外，愈刚石薄膜加工工艺的进步也为金剐石谯甜装领域的 推广应用起到了推动作用。 蕾先，关予众剿磊与金嚣获薅接艇瓣磷究瑕霉7 祭大懿避震。1 9 8 9 年，e f a n g 等人报道了用“s i s i c t 金刚耐”渐交能级结构实现了金刚石与金属的欧姆接触【2 q 。 1 9 9 2 年，v v e n k a t e s a n 等人用t i 、t a 、w 等金属作夹滕过渡，再在其上蒸镀a u 绫形戏金爨葛戆敬姆菝簸【2 71 。稳裁还摄遘了蠲鑫褰子凌入，秀蒸镀t i 、a u 形成欢 姆接触的方法。熬剂量离子注入硼可得到熏掺杂硼，蒋谯t i 金属化弗遇火过程中 形成n 、c 的化食物，呈现如低电阻。c j o h n s t o n 等人比较了a 1 ，s i 、t i w n a u 和 列a 姒彤戒欧姆接簸敬实验数攒，绩果裹髓a l l s i 接触鼗瑟出最低熬接皴毫阻，在 1 7 q c 1 t 1 2 数量缀，t w n a u 按触是最稳定腑接触系统，黼t i i a u 接触在内扩散中 显承出不稳定性1 2 “。 金剐石膜粥予封装材料瓣要求薄膜袭瑟尽量平整，邀样在表面辩装时才能降 惩器释教热热隰，嗣嚣雩程离辩装懿可靠毪。僵是，一般方法锈蚕出来静金戤石多 晶膜表面很粗糙。因此必须采用特殊工藏提高金刚石膜的平整度。膜表面光滑 度可从制各技术和研磨技术上加以考虑。制备技术上主簧是提高薄膜的取向一致 毪，帮实理金瓣嚣簿貘魏蘸赛宠怒生长。s t o n e r m l 露j i a n g d 。1 成功缝秘惩徽波等褰 予体c v d 加直流偏压获得了简度单取向的众刚石薄膜，使9 6 的金刚石晶粒保持 在 1 0 0 取向，晶糨间取向差在2 。3 。之间。研磨抛光技术翻前广为采用的有许多种， 如热化学搬光f 3 “、激光甥裁方法( 鬼强l t 3 ) 疆2 j 、绽学麓齄掇皱弦竞方法咎期、囊予素 糖巍l m l 和还原气缀热铁板研磨方法( 见蘑 ，4 ) f 3 5 1 等。其中还原气氛热锻教研磨法其 有抛光平整度高、表面无污染簿优点。 6 博士学位论文氧化铝衬底上金刚石的厚膜生长及其微电子学应用研究 f b ) 图1 2 激光切割法抛光金刚石薄膜的 示意图 出气 1 3 还原气氛热铁板研磨法抛光金剐石 薄膜的装置示意图 另外，与金刚石薄膜相关的其他工艺也得到了不同程度的发展。金刚石与部 分金属的钎焊工艺已得到解决，如表面钎焊有金刚石膜的硬质合金工具已经面 世，且使用寿命比金刚石复合片高数十至上百倍。金刚石膜的精细加工技术也得 到了很大的发展，我们可以将金刚石膜按预定的图案进行刻蚀加工，且比较成熟 的方法有溅射和化学腐蚀两种。这些金刚石膜相关工艺的发展，大大促进了金刚 石膜在封装基片中的应用。如：1 9 9 9 年，j o r gb o r n h a u s 等人就采用厚度为o 5 m m 的金刚石薄片作为激光二极管阵列的封装衬底【3 6 1 。 1 5 3 金刚石膜单独作为封装材料的制约因素 虽然金刚石膜具有优良的特性，是一种很好的封装基板材料，但是单独使用 金刚石膜作为封装基板材料还存在一定的困难。金刚石薄膜的硬度虽然很高，但 薄膜本身的脆性强，机械强度不高，因此很难保证封装时的强度要求。如果采用 非常厚的金刚石片作为封装基板，则成本太高，不利于该材料的推广使用。 1 5 4 金刚石胰，氧化铝复合封装基板 氧化铝陶瓷虽然具有热导率低、介电系数大的缺点，但在机械强度、耐磨性、 抗氧化性等方面的性能并不逊色。而且它是目前集成电路中应用最多的基板材料， 相关的封装工艺十分成熟。如果将氧化铝陶瓷与金刚石薄膜复合制成具有双层结 构的材料，除了可以提高基片的介电、热导等综合性能外，还有利于封装工艺的 搏士学位论文氧化锚对底上金剐石的厚鹱生长及其微电子学成用研究 赋续性和设备改造成本的降低i j7 1 。 但是，金剐丽的晶体结构与氧化铝陶瓷相差甚远，众剐石薄膜在裁化铝陶瓷上 泌成孩帮生长怒卡分嚣难貔。舅舞，金瓣蠢每氧讫韬羯瓷懿热膨袋系数遣存在较 大麓异，在降温过程中界面处会产生很大的热应力，遮就限制了所得金剐石膜的 厚度。而c v d 众刚石膜的热导率不仅取次于金刚石膜的内在质量，还受到金刚 西羧厚度豹影g 爨，翔踅l ，4 辑示娜l 。困数，蛰粟不经i 熏遭当魏表嚣处理，帮镬栽 生长金刚石薄媵，也会因为簿膜与衬底的附着力太差雨影响了复合材料的导燕及 介电性能，最终还是限制了该材料的推广膨用。如：我们1 9 9 7 年就制备出了具有 众剐石膜，氧化镪双层结构静澄投材料，德当时介电系数始终降低不到预期值， 1 m h z 频率下余龟系数只下洚戮9 0 ，磷究詹发瑶膜与树底之阊辩着力不强是一个 主爱原因【”j 。 图1 , 4 金剐石膜热导辜与膜厚乏斓的关系 餐1 5 金刚石薄膜梯度缩套层制各装置 目前解决众刚石膜附着力问题主要采用两种方法，即低温生长技术和梯度缩 含层技术。由于降低工作温度和保证金刚霜薄膜纯度的矛盾没有根本解决，低温 叟故技拳并没鸯爨瑷令太漾爨戆维栗。撵凌缝合屡建懋凌壹藏电弧等离子藩矮翁 法沉积金刚石薄膜的初始阶段间时沉积基底材料，并邂渐减少基底材料的含量， 从而在沉积薄膜中形成一个梯度结合层。瞄本富士通公司【4 0 1 采用这个方法制备了 钨- 龛剐石、铝一垒翘g 嚣撵度结会层，驸菪强淡毙壹接在钨蒺窟、铝萋赡上流积提高 了十倍( 见舀1 s ) 。僵是毙穗方法运用子氧纯铝陶瓷村庶时鲥存在一定的困难，因 为飘化铝与金剐右的沉积条件存在较大的麓别在技术上很难同时像证两者的质 量a 同时，该方法工艺复杂、成本高，不刹予该基片材料的丈规模戍周。 博士学位论文氧化铝衬底上金刚石的厚膜生长及其微电子学应用研究 其实早在1 9 9 5 年，wdf a n 等人4 ”在研究氧化铝陶瓷的金刚石耐磨涂层时， 就关注到了金刚石与氧化铝的附着力问题，他采用预先沉积t i c 、t i n 、t i c t i n 多层过渡层的方法增加薄膜的附着力。但由于此方法在界面处引入了t i c 和t i n 等杂质，会对介电及热导性能产生不利影响，故不能借鉴用于集成电路基片中。 另外，该方法需要沉积多层不同组分的过渡层，工艺比较复杂，不利于生产成本 的降低。 因此，为了有效解决金刚石薄膜与氧化铝陶瓷的附着力问题，我们在生长金 刚石薄膜之前，先对氧化铝陶瓷进行碳离子注入处理，再将其放入惰性气氛中高 温退火3 0 6 0 分钟，退火温度在6 0 0 1 2 0 0 之间。该方法能大大缓解金刚石 膜与氧化铝界面处的热应力，且不引入其它杂质，不会对材料的介电及热导性能 产生不利影响。另外，它的处理过程与半导体注入技术相近，有利于生产工艺的 集成与整合。 竖主兰竺丝苎墨些塑魁丛生垒型互箜里璺生鉴壁基堡曼王兰皇旦翌塑 参考文献 1 】 【2 】 瑟】 4 】 【5 】 【6 】 p 】 【霹 9 】 王阳元主编，集成电路工业垒：持 m 】，电子工业出版社，1 9 9 3 麦久黼，许爨根等，高热导氮化锅陶瓷及其应用f j 】电子元件，1 9 9 5 年6 月薷2 期，p 3 0 ， c h r i sl a b o u n t y , a i is h a k o u r ie ta i ，d e s i g no fi n t e g r a t e dt h i nf i l mc o o l e r 溺，i e e e2 0 0 0 ， | 8 t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nt h e r r n o e l e e t r i c s ，1 9 9 9p 2 3 筒讯，l s i 逻辑公司推出新型陶瓷彤触点阵列封装f j j ，微电子学， 9 9 3p 2 6 麦久翔，圈本的高技术陶瓷【j 】上海航天，1 9 9 1 ( 3 ) p 2 4 王传声，游台微电路封装外壳的封焊技术简介f j 】，电子蠢件与材料，1 9 9 3 ，r o l l 2 ( 4 ) ：p 7 x + e 。s p e a r ，d i a m o n d - c e r a m i c c o a t i n g o f t h e f u t u m 】a m 。c e m m 。s ，1 9 8 9 ，7 2 ( 2 ) ：t 7 i - t 9 1 m a y - y i n g c h u te t a l tp r o c e s s i n g o f d i a m o n d g a l u m i n a c o m p o s i t e s f o r l o w w e a r a p p l i c a t i o n s 【j 】，j m i n e r , r e s ，1 9 9 3 - 7 ( 1 1 ) ：3 0 1 0 - 3 0 1 8 w i l l i a mb j o h n s o n ，e ta 1 ，d i a m o n d a lm e t a lm a t r i x c o m p o s i t e sf o r m e db y t h ep r e s s u r e l e s s m e t a li n f i l t r a t i o n p r o c e s s f j l ，j m a t e rr e s ，1 9 9 3 ，8 ( 5 ) ：1 1 6 9 - 1 1 7 3 【l o 】薄翔六，c v d 金磁石薄骥豹成翅羁带疆嚣曩【c 】，蒋翔六，金嚣矗薄骥研究遴震，理索： 话学工渡密敝柱，1 9 9 l ，7 - l i l 】庄同曾烹编- 集成电路制遗技术一一原理与实践【m 】，电子工业出j ；晓粒，i s b n 7 - 5 0 5 3 - 0 1 7 4 8 t n 8 3 ，1 9 8 7 【1 2 j c d y m e n ta n dl a d a s a r o ，a p p l p h y s l e f t ，1 9 6 7 ，1 1 ：2 9 2 - 2 9 5 1 3 】s ，y a z u , s o m et h e r m a la n do p t i c a lp r o p e r t i e so f d i a m o n d 1 s ti n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e t h en e wd i a m o n ds c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t o k y o ( 1 a p a n ) , 1 9 8 8 ，5 6 5 7 【1 4 m a t s u m o t os e ta 1 ，s y n t h e s i so fd i a m o n df i l m sb yh f c v d j 】，j m a t e r , s c i ，1 9 8 2 ，2 ： 1 8 2 1 8 7 1 5 】y h i r o s ea n dy t e r a s a w a , j p n ，ja p p l p h y s ，1 9 8 6 ，2 5 ：l 5 7 9 【1 6 】n + f u j i m o r i ，h n a k a h a t a a n d t l m a i ，j p n ，j 。a p p l ，p h y s 。，1 9 9 0 ，2 9 ：p 8 2 4 f 1 7 】y r l i o u ，a 1 n s p e k t o r , r w e i m e ra n dr ，m e s s i e r l o w 4 e m p e m t u r ed i a m o n dd e p o s i t i o nb y m i c r o w a v ep l a s m a - e n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n j 】a p p p h y s l e t t ，1 9 8 9 ，5 5 ( 7 ) ： 6 3 1 6 3 3 f 1 8 】p a - d e n n i s ，h 1 l i u ，d a s t e v e n s o na n dr f l 砒p e a s e g r o w t ho fs i n g l ed i a m o n d c r y s t a l l i t e sa r o u n dn a n o m e t e r - s c a l es i l i c o n w i r e s l 。a p p l p h y s ，沁# 。，1 9 9 5 ，6 7 7 ) ：9 0 9 9 1 t ， f 1 9 lk s t t z u k i ，a s a w a b e ，h y a s u d aa n dt n u z u k a 。g r o w t ho f d i a m o n dk i nf i l m sb yd cp l a s m a c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o nf j 】a p p l p h y s l e t l ，1 9 8 7 5 0 ( 1 2 ) ：7 2 8 7 2 9 整主兰竺鎏兰整些整茎塞圭垒! ! 翌些墨璺兰篓墨墨愁翌三兰生望堡窑 ( 2 0 】k k o b a s h i ，k n i s h i m u r a , v k a w a t ea n d m i c r o w a v ep l a s m ac h e m i c a l - v a