一种半导体与金属涂层的复合结构及其制备方法与流程

1.本发明属于半导体技术领域，具体是一种半导体与金属涂层的复合结构及其制备方法。


背景技术：

2.随着电子产品短、小、轻、薄的趋势，对于封装的密度要求越来越高。比如，在载板表面形成有若干由导电线路延伸的电性接触垫，要达到良好的电性耦合，通常在电性接触垫之上，需要镀一层镍。可以通过喷涂的方法将金属焊料沉积在半导体上，然后采用焊接的方式，将焊料融化之后连接两个半导体。现有技术中，将两个半导体连接时，半导体与金属涂层的结合性较差，容易出现金属涂层脱落、焊接效果不佳、引线键合连接密度低的问题。
3.针对上述问题，如何提高半导体与金属涂层的结合性、提高键合连接密度是当务之急。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种半导体与金属涂层的复合结构及其制备方法，本发明能够提高半导体与金属涂层之间的结合性、提高键合连接密度。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种半导体与金属涂层的复合结构的制备方法，包括如下过程：
7.在惰性氛围中，在半导体衬底表面利用激光进行刻痕处理，增加所述半导体衬底表面的粗糙度；
8.对激光进行刻痕处理后的半导体衬底进行清洁；
9.在经过清洁后的半导体衬底表面制备金属涂层，得到所述半导体与金属涂层的复合结构。
10.优选的，在半导体衬底表面利用激光进行刻痕处理时，激光的波长为532-1064nm，激光功率为10-14w，激光扫描间距为10-35μm，激光器的扫描速率为100-300mm s-1
。
11.优选的，在半导体衬底表面利用激光进行刻痕处理时，向激光在半导体衬底表面扫描的位置吹惰性气体进行冷却。
12.优选的，向激光在半导体衬底表面扫描的位置吹惰性气体进行冷却时，惰性气体的流速控制在20sccm-50sccm。
13.优选的，在半导体表面利用激光进行刻痕处理时，采用单向扫描或和双向扫描，单向扫描获得相互平行的刻痕，双向扫描获得网状刻痕。
14.优选的，对激光进行刻痕处理后的半导体衬底进行清洁的过程包括：
15.对激光进行刻痕处理后的半导体衬底用丙酮进行超声波清洗；
16.再用去离子水将半导体衬底冲洗干净；
17.再用无水乙醇将半导体衬底冲洗干净；
18.再用去离子水将半导体衬底冲洗干净；
19.最后将半导体衬底用氮气喷吹干，完成半导体衬底的清洁。
20.优选的：
21.当金属涂层的厚度不大于5微米时，采用磁控溅射方法在半导体衬底表面制备金属涂层；
22.当金属涂层的厚度大于5微米时，采用通过冷喷涂或者热喷涂的方式在半导体衬底表面制备金属涂层；
23.优选的，所述半导体衬底采用0.01mm-5mm厚的bi2te3基半导体衬底、snte基半导体衬底或gete基半导体衬底，所述金属涂层采用2μm-800μm厚的镍涂层、铜涂层、金涂层、银涂层、铝涂层。
24.一种半导体与金属涂层的复合结构，该半导体与金属涂层的复合结构通过本发明如上所述的制备方法制得。
25.一种半导体与金属涂层的复合结构，包括第一结构和第二结构，第一结构和第二结构均采用本发明如上所述的半导体与金属涂层的复合结构，第一结构表面的金属涂层和第二结构表面的金属涂层焊接。
26.本发明具有如下有益效果：
27.本发明通过在半导体衬底表面利用激光进行刻痕处理，加工出刻痕，使得半导体衬底表面具有凹凸不平的结构，增加了半导体衬底表面的粗糙度，有利于金属涂层与半导体衬底表面之间形成机械咬合，提高了半导体衬底表面与金属涂层之间的结合力，从而能够使得半导体与金属涂层的复合结构在进行切割时，避免出现金属涂层脱落、焊接效果不佳的问题，进而能够切割出尺寸更小的单体结构，提高了引线键合连接密度。在惰性氛围中，在半导体衬底表面利用激光进行刻痕处理，这样能够有效防止半导体衬底表面易挥发元素由于在激光高能的作用下而挥发掉，进而导致其他元素的富集，从而改变了半导体衬底表面材料的掺杂比例，影响半导体衬底的功能。激光处理之后半导体衬底表面会有很多的杂质，这些杂质会影响金属涂层和半导体衬底直接的附着力，同时还会影响金属涂层的平整度，甚至会使金属涂层出现大面积的褶皱。因此，在金属涂层制备之前，需要对半导体衬底表面进行清洁，以实现其表面的去污、脱脂、去氧化层杂质等，处理好半导体之后再进行涂层制备，保证整个复合结构的制备质量。
附图说明
28.图1(a)是本发明采用的单向扫描方式示意图；图1(b)是本发明采用的双向扫描方式示意图；
29.图2本发明半导体与金属涂层的复合结构的效果图；
30.图3(a)为本发明实施例中未经激光处理的半导体喷涂镍后的激光共聚焦表面形貌图，图3(b)为本发明实施例中激光处理的半导体喷涂镍后的激光共聚焦表面形貌图；
31.图4为本发明实施例中采用的气体罩结构示意图；
32.图5(a)为本发明实施例中激光处理的bi2te3基半导体后产生的裂纹缺陷形貌图；图5(b)为本发明实施例中采用本发明中所提及的优化参数所获得的裂纹少的激光处理bi2te3基半导体表面形貌图；图5(c)为本发明实施例中采用优选激光参数和气体参数所制备的激光处理bi2te3基半导体表面刻痕峰谷的微观形貌图。
33.图中，1-金属涂层，2-激光处理后的粗糙表面，3-半导体衬底，4-激光入口，5-气体孔，6-气体罩，7-样品。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
35.本发明半导体与金属涂层的复合结构的制备方法，包括以下步骤：
36.(1)首先将半导体衬底3的表面在氩气氛围下进行激光刻痕处理，提高半导体衬底3表面的粗糙度；
37.(2)通过超声清洗，去除半导体衬底表面3的污染物；
38.(3)在清洗后的半导体衬底3的表面制备金属涂层1(如镍涂层)，得到半导体与金属涂层的复合结构。
39.本发明的上述工艺中，由于半导体衬底中含有铋、锑、锡、钒、钨这些金属以及硒、硅、硼这些非金属，因此在激光处理过程中，会存在金属相变、气化这些问题。金属涂层1沉积在激光处理过的半导体表面时，半导体衬底表面金属材料的晶相会影响金属涂层1的生长与结合性。由于半导体衬底中含有多种金属元素及非金属元素，这些元素的熔点和沸点差异较大，当采用激光在半导体表面进行处理时，会导致部分元素发生气化，在激光处理过程中，需要注意激光能量的选择。再次，半导体与金属材料相比，脆性较大，在激光处理过程中，需要特别注意裂纹的产生。因此在半导体衬底表面进行激光刻痕处理时，需要根据所加工半导体衬底的成分特点来控制激光与半导体作用时的温度，调整激光功率、激光扫描间距、激光扫描夹角、激光扫描次数、激光扫描速率及惰性气体流量、流速和气流方向，以确保铋、锑这些元素和半导体的稳定性。
40.在激光处理半导体表面过程中容易使材料产生微裂纹或孔洞等新缺陷，此过程中产生的高温冲击与机械冲击会不可避免的对半导体材料及后期的切割、连接带来不利影响，直接影响半导体器件在后期使用过程中的性能，缩短了器件的使用寿命。
41.薄膜(即金属涂层1)与薄膜(即金属涂层1)之间，薄膜与基底(即半导体衬底)之间的界面粘附性成为影响电子器件可靠性的一个主要问题。薄膜粘附性的表征方法包括：胶带粘贴法，起拉法以及划痕法。本发明在后面的表征过程中将采用划痕法对涂层的粘附性能进行了表征。
42.对于厚度在5微米以下的金属涂层而言，通常采用磁控溅射方法在半导体衬底表面进行镀膜；对于厚度在5微米以上的金属涂层而言，通过冷喷涂或者热喷涂的方式在半导体衬底表面进行制备。
43.金属涂层与半导体衬底直接相互联系，相互作用。当半导体衬底表面比较粗糙并存在较多的缺陷时，涂层中的原子在成膜过程中进入到半导体粗糙表面的各种缺陷中，从而在两者的界面上形成机械啮合作用，因此，涂层与半导体之间的结合力随着机械啮合作用的增强而增大。
44.以bi2te3基半导体衬底为例，其属于三角晶系，熔点为585℃，为六面体的层状结构，且在同一层的原子是相同的种类，其他元素非常容易作为杂质，进入晶格中。由于此原因，导致此材料在器件制作过程中，容易引入铜、镍这些焊料。在熔点温度附近时，te易挥发导致其化合物的组分容易富bi，过剩的bi原子会占据晶格中te原子的格点后呈现为受主掺
杂。因此，需要控制激光处理过程中半导体的温度。当激光功率大于14w时，易引起半导体表面局部过热，出现bi富集和te的挥发，因此，需要适当降低激光功率。但是激光功率降低至10w以下时，由于半导体表面局部所受的激光能量密度低，所处理的半导体表面粗糙度较低，不利于涂层结合力的提升。且与金属材料相比，半导体的延展性、抗拉强度以及抗热震能力弱，加工过程中更易产生裂纹和曲翘变形。因此，在控制激光功率的同时，为了提高半导体表面局部的热沉积均匀性，需要优化激光间距、激光扫描速率、惰性气体流速和方向。在上约束条件件下，对于bi2te3基半导体衬底，当激光间距为10-35微米时，扫描速率为100-300mm s-1
时，能够获得裂纹少，表面粗糙的半导体表面，便于下一步镀膜。
45.与金属材料相比，半导体的延展性、抗拉强度以及抗热震能力弱，加工过程中更易产生裂纹，如图5(a)所示。因此，为了进一步降低激光处理后bi2te3基半导体表面的裂纹，对激光参数和气体参数进行优化调整后，获得了裂纹少的表面，如图5(b)所示，为后续涂层制备奠定了良好的基础。由于半导体的延展性较差，激光在半导体刻痕之后，会形成如图5(c)所示的峰谷形貌，以刻痕的峰为例，峰的左侧粗糙度远大于峰右侧的粗糙度，左侧的粗糙部分对于涂层制备可起到铆钉作用，增强涂层与样品表面的结合力，从而提高涂层与半导体的结合力。
46.以snte半导体为例，其属立方晶系，熔点为790℃，其中sn的熔点为231.89℃，te的熔点为452℃。当激光功率高于12w时，较高的激光能量密度导致半导体内存在较大的温度梯度以及不均匀的热膨胀，也容易引起sn与te的反位置缺陷、填隙位缺陷以及空位缺陷，且与金属材料相比，半导体材料的抗热震能力、延展性和抗拉强度弱，在激光处理过程中更易产生裂纹和曲翘变形。同时，半导体材料通常熔点及热导率较低，温度过高时还会产生材料的气化继而影响材料的成分，而成分的缺失往往会严重影响半导体材料的性能。因此，激光的功率应在10-12w。同时，采用氩气等惰性气体对半导体表面进行吹扫时，极快的冷却速率使得半导体内残余应力来不及释放，形成裂纹等缺陷，甚至发生曲翘变形而失效，因此，气体的流速应低于50sccm，以免影响半导体的力学性能和使用寿命。
47.以gete半导体为例，熔点约700℃，其中ge的熔点为937℃，te的熔点为452℃，存在大量具有受主效应的ge空位，电导率比较高。激光功率过高会引起te的气化，从而使得材料的电导率和热导率发生变化，而电导率和热导率的变化也会引起材料性能的变化，影响载流子在半导体中的迁移。因此，激光功率为10-14w。在上述条件下，当激光间距为10-35微米，氩气等惰性气体的流速为20sccm-50sccm，扫描速率为100-300mms-1
时，能够获得电导率和热导率稳定的半导体。
48.采用氦气、氩气、氪气这些惰性气体进行冷却时，需要控制气体的流速(一般为20sccm-50sccm)，过快的冷却速率会在熔池周围产生极大的温度梯度以及不均匀的热变形。此外，冷却速度是影响晶粒细化主要因素，由于冷却速率增大了，形核率增大，这样就细化了晶粒尺寸；另外，冷速增大亦减小了扩散时间，限制了晶粒长大。所以在激光加工过程中，采用气体快速冷却的方法来细化晶粒。晶粒细小，晶界面积大，可以有效防止位错和晶间滑移，降低激光处理对半导体拉伸强度、韧性等机械性能的影响。
49.本发明的上述工艺中，在进行步骤(1)时，在如图4所示的气体罩结构中进行，具体的，将气体罩6罩在待加工的样品7(即半导体衬底)上，气体罩6的上部设置有激光入口4和和若干气体孔5，激光入口4的孔径与样品7的直径一致，若干气体孔5采用对称设计，若干气
体孔5均匀分布在激光入口4外周，气体的流向和流速可控。
50.采用激光器在氩气或者氪气等惰性气体氛围下对半导体表面进行刻痕处理，增加半导体表面的粗糙度，为后序工艺中提高涂层与半导体彻底之间的结合力奠定基础。激光器的波长为532-1064nm，激光功率为10-14w，激光间距为10-35μm，激光器的扫描速率为100-300mm s-1
。划痕方式可采用单向扫描图1(a)和双向扫描图1(b)，其中，双向扫描时，两个方向划痕的夹角为0～90
°
。
51.激光处理之后半导体衬底表面会有很多的杂质，这些杂质会影响金属涂层和半导体衬底表面直接的附着力，同时还会影响薄膜的平整度，甚至会使薄膜出现大面积的褶皱。因此，在涂层制备之前，需要通过一定的清洁程序对半导体基片进行严格的清洗，以实现其表面的去污、脱脂、去氧化层杂质等，处理好半导体之后再进行涂层制备。
52.半导体清洗的步骤如下：
53.(1)丙酮(15分钟超声波清洗)；
54.(2)去离子水冲洗两次；
55.(3)无水乙醇(15分钟超声波清洗)；
56.(4)去离子水冲洗两次；
57.(5)氮气喷枪吹干。
58.实施例
59.以喷涂镍涂层为例，未经激光处理的bi2te3基半导体衬底和经激光处理后的半导体衬底喷涂镍涂层之后的形貌图分别如图3(a)和图3(b)所示。激光处理表面的波长为1064nm，激光功率为7w，激光间距为25μm，激光器的扫描速率为200mm s-1
。划痕方式可采用单向扫描图1(a)和双向扫描图1(b)，其中，双向扫描时，两个方向划痕的夹角为90
°
。采用相同的力划过喷涂有镍的未经激光处理的半导体和激光处理后的半导体表面后，图3(a)中的划痕峰谷值为39.979微米，而图3(b)中划痕峰谷值为15.115微米。这表明图3(b)中经过本激光处理的半导体表面的镍涂层的粘附力要明显好于图3(a)。
60.综上，本发明采用喷涂的方法在经过激光处理的半导体表面上进行镀镍等金属，增进其抗蚀能力及耐磨能力，提高涂层的结合力；涂层结合力的提高有助于提高其切割密度，从而提高连接密度；该工艺可靠性高、不需要特殊的环境即可实现、成本低。