**ATTENTION** debut du champ DESC peut contenir fin de CLMS **.
REVENDICATIONS
Support composite d'éléments semi-conducteurs ou de composants électriques, comprenant: ¯un substrat constitué par une plaquette contenant au moins 95% d'atomes de carbone. et ¯au moins une couche d'alumine amorphe dont l'épaisseur est inférieure à S tam adhérant sur au moins l'une des faces de ladite plaquette et dont la tension de claquage est d'au moins 100 volts par micron d'épaisseur, dans lequel l'épaisseur relative du substrat et celle de la couche d'alumine sont telles que le support présente, à la fois, une conductibilité thermique supérieure à 70 W/m' C,
un coef ficient de dilatation thermique compris entre 2 et 8 - 1 O-6/ Cet une résistance électrique supérieure à 109 ohms-cm.
2. Support selon la revendication 1, caractérisé par une couche de carbure de silicium interposée entre ladite couche d'alumine amorphe et la plaquette. cette couche de carbure constituant une couche d'accrochage de la couche d'alumine sur cette plaquette.
3. Support selon la revendication 1, caractérisé par une couche de nitrure de silicium interposée entre ladite couche d'alumine amorphe et la plaquette, cette couche de nitrure constituant une couche d'accrochage de ladite couche d'alumine sur cette plaquette.
4. Support selon l'une des revendications 1 à 3. caractérisé par le fait que la couche d'alumine amorphe a une rugosité Ra au plus égale à I tam.
5. Support selon l'une des revendications I à 4, caractérisé par le fait que la plaquette est en graphite.
6. Support selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la plaquette est en pyrocarbone.
7. Support selon l'une des revendications I à 4, caractérisé par le fait que la plaquette est en carbone partiellement cristallisé.
La présente invention concerne un support composite pour éléments semi-conducteurs ou composants électriques destiné à jouer le rôle d'un puits thermique et d'un isolant électrique.
On sait que l'un des facteurs importants limitant la réalisation des circuits électriques de puissance et la miniaturisation des circuits électriques conventionnels est l'échauffement des éléments ou des composants constituant ces circuits. Les supports utilisés pour fixer ces composants jouent à cet effet un rôle primordial.
Parmi les nombreux types de supports connus, on peut destin^ guer quatre catégories: ¯les substrats en matière plastique. qui ont l'avantage d'être très légers, mais résistent mal aux températures élevées et se dégradent sous l'action des rayons UV. Leur coefficient de dilatation thermique élevé est toutefois généralement incompatible avec celui des éléments semi-conducteurs et leur conductibilité thermique est mauvaise; ¯les substrats métalliques revêtus d'une couche isolante d'émail, dont l'épaisseur est telle qu'elle peut constituer une barrière de-diffusion thermique, et qui résistent mal à la corrosion, ont une densité très élevée et parmi lesquels seuls certains alliages spéciaux Ont un coefficient de dilatation compatible avec les semi-conducteurs utilisés dans les composants électroniques:
: ¯les substrats en céramique isolante tels que l'alumine cristalline, dont la conductibilité thermique ne dépasse pas 40 W/m ' C, ou l'oxyde de béryllium, dont la conductibilité thermique est d'environ 400 ¯V/m C, ce dernier étant par ailleurs très toxique, difficile à fritter et d'un prix élevé: ¯les substrats en céramique non isolante, en particulier ceux en carbure de silicium fritté, dont la conductibilité thermique est de l'ordre de 60 W/m ' C, revêtus d'une couche isolante d'oxyde de silicium, dans lesquels, pour obtenir une isolation électrique satisfaisante, la couche d'oxyde doit avoir une épaisseur telle que la con ductîbilité thermique du support devient faible. Le brevet US 4,352,120 concerne précisément un te' substrat.
On connaît, d'autre part, diverse: utilisations des couches d'alumine amorphe, par exemple celles citées dans les brevets CH 587.548 et 591.566 dans lesquels on dépose une couche d'alumine amorphe sur un substrat métallique à base de cuivre ou d'argent préalable- ment recouvert d'une mince couche d'accrochage constituée d'un métal ayant une grande affinité pour l'oxygène. Dans le premier cas, la couche d'alumine est destinée à jouer un rôle d'isolant électrique alors que, dans le second, elle crée une protection contre la corrosion.
Les propriétés électriques des couches d'alumine déposées sur des subtrats métalliques ont notamment été étudiées par Jan
Guvovic (voir l'abrégé cité dans les Chemical Abstracts sous réfé- rence 81-55650).
La demande de brevet japonais publiée avant examen N0 7760996 décrit un procédé de dépôt d'une couche amorphe, constituée d'alumine et d'oxyde de bismuth, destinée à transmettre des ondes ultrasoniques sur des substrats dont la température est comprise entre¯96 et + 150^ C.
Le document GB-A-2.l 12.569 décrit un support intercalaire pour dissiper la chaleur d'un dispositif électronique. Ce support est composé de graphite expansé et, sur celui-ci, d'un matériau de liaison remplissant les inégalités existant entre les surfaces en contact.
Le document EP-A-9978 décrit, en tant que composant de circuits intégrés, un puits thermique comprenant des fibres de carbone noyées dans une matrice de cuivre ou similaire.
La présente invention permet précisément de remédier aux défauts des supports pour composants électroniques existants en proposant un support ayant, à la fois, une bonne stabilité chimique, un coefficient de dilatation thermique compatible avec celui des matériaux constituant les éléments des semi-conducteurs, tels que le silicium, un coefficient de transfert thermique supérieur à 70 W/m' C.
De préférence, il présente une densité au plus égale à 3 g/cm3.
A cet effet, l'invention a pour objet un support composite d'éléments semi-conducteurs ou composants électriques, selon la revendication 1.
Un revêtement en aluminium amorphe permet, en effet, de créer une bonne isolation électrique pour une faible épaisseur (tension de claquage supérieure à 200 volts pour une épaisseur de 1 tam). Des revêtements d'une épaisseur au plus égale à 5 tam permettent d'obtenir des isolations électriques qui se sont révélées être suffisantes dans de nombreux cas. Des épaisseurs aussi faibles n'influencent pratiquement pas les propriétés thermiques de l'ensemble du support. A titre de comparaison, une couche d'alumine cristalline destinée à supporter sans claquage des tensions voisines de 200 volts devrait avoir une épaisseur de l'ordre de 10 à 50 tam.
Bien que l'on puisse déposer des couches d'alumine amorphe sur de nombreux types de substrats métalliques ou céramiques, on a choisi, selon l'invention, des substrats dont la conductibilité thermique est supérieure à 100 W/m c C et dont le coefficient de dilatation est compris entre 2 et 8' 10-6/- C, donc voisin de ceux de l'alumine et des matériaux constituant les éléments semi-conducteurs ou les composants électriques destinés à être rendus solidaires du support selon l'invention.
Ceci permettra d'éviter, lors d'éventuelles variations de température, qu'apparaissent des contraintes de cisaillement importantes entre la couche d'alumine et le substrat, d'une part, et la couche d'alumine et les éléments semi-conducteurs fixés sur le support, d'autre part: en l'occurrence, c'est notamment des substrats en graphite, en pyrocarbone ou en carbone partiellement cristallisé qui remplissent au mieux ces conditions.
Dans la pratique, on exige de plus des supports pour éléments semi-conducteurs qu'ils soient parfaitement plans et qu'ils aient un état de surface tel que les techniques conventionnelles de dépôt en couche mince ou en couche épaisse puissent être utilisées. Une surface dont la rugosité R, est au plus égale à 1 tam est généralement considérée comme convenable.
Pour remplir l'ensemble des conditions ci-dessus. on choisira de
préférence des plaquettes contenant au moins 95% d'atomes de carbone dont la densité est proche de la densité théorique du carbone. Ces plaquettes peuvent être fabriquées par des procédés bien connus de l'homme du métier qui sont le frittage sous charge à haute température, ou le frittage en présence d'additifs tels que le silicium, ou encore par dépôt d'une couche épaisse de carbone par décomposition pyrolytique d'hydrocarbure, en phase gazeuse.
Il est possible de limiter l'importance de ces contraintes en intercalant, entre le substrat et la couche d'alumine, une couche d'un matériau ayant un coefficient de dilatation compris entre celui du subis^ trat et celui de la couche d'alumine: un tel matériau pourra, par exemple, être du carbure ou du nitrure de silicium. Cette couche intercalaire permet, de plus, d'éviter l'oxydation partielle de la surface du substrat lors du dépôt par réaction en phase gazeuse de la couche d'alumine amorphe, ce qui a pour conséquence une amélioration de l'adhésion de la couche d'alumine sur le substrat.
On décrit ci-après comment ont été obtenues deux formes d'exécution du support selon l'invention.
Exemple 1:
On a fait usage d'une plaquette en pyrocarbone de densité voisine de 2 à 2,25 g/cm3, de surface de 6,25 cm2, préalablement polie jusqu'à l'obtention d'une rugosité Ra de l'ordre de 0,1 tam.
Cette plaquette a été disposée dans un réacteur CVD tubulaire d'un diamètre de 7 cm, où on l'a ensuite chauffée par induction à haute fréquence jusqu'à une température d'environ I 100 C, et cela dans une atmosphère d'hydrogène sous une pression de 1 Torr. On a déposé sur cette plaquette une couche de SiC par décomposition thermique, en phase gazeuse, de dichloro-diméthyl-silane. A cet effet, on a fait passer à travers le réacteur CVD, à l'intérieur duquel régnait une pression de 350 Torr, un mélange gazeux constitué de 0,37% de dichloro-dimèthyl-silane et 99,63% d'hydrogène, à un débit de 600 cm3/min (conditions normales).
Après 10 minutes, on a obtenu une couche de SiC, d'une épaisseur d'environ 8 tam, recouvrant la plaquette de façon uniforme.
On a ensuite procédé au dépôt d'une couche d'alumine amorphe sur cette couche de SiC, le substrat ayant été préalablement porté à une température d'environ 580 C, par réaction d'un mélange gazeux constitué de 0,4% de AICI3, de 0,6% d'H2O et de 99% d'hydrogène, l'AlCl3 et l'H3 O étant introduits séparément dans le réacteur dans lequel il régnait une pression de 2 Torr, l'hydrogène jouant le rôle de gaz porteur à un débit de 300 cm3/min (conditions normales) pour chaque mélange. On a ainsi obtenu un dépôt d'une couche d'alumine amorphe avec une vitesse de croissance de l'ordre de 0,25 tam/ min.
Pour des supports de ce type, on a mesuré des tensions limites de claquage supérieures à 102 V, pour des couches d'alumine d'épaisseurs comprises entre 0,5 et 1 tam. La conductibilité thermique du support était d'environ 70 W/m C.
Bien entendu, il serait encore possible d'augmenter la conductibilité thermique d'un tel support en diminuant l'épaisseur de la couche intermédiaire de SiC.
Exemple ll:
On a fabriqué un support constitué d'une plaquette de graphite d'une densité de 2,2 g/cm3, et de 3,2 cm2 de surface, sur laquelle on a tout d'abord déposé une couche de Si3N4, puis un revêtement en alumine amorphe. La couche de Si3N4 a été obtenue par réaction en phase gazeuse de SiCI4 et de NH3, en faisant passer simultanément à travers le réacteur CVD selon l'exemple 1, à l'intérieur duquel régnait une pression de 50 Torr, un mélange gazeux constitué de 25% de SiCI4 et de 75% d'hydrogène à un débit de 600 cm3/min (conditions normales), et du NH3 à un débit de 40 cm3/min.
Les deux écoulements gazeux n'étant mis en présence l'un de l'autre qu'à proximité immédiate de la surface de la plaquette de carbone, préalablement portée à une température de 1200" C comme dans l'exemple I. Un dépôt de 8 tam d'épaisseur a nécessité un traitement d'environ 20 minutes. On a finalement recouvert cette couche d'un revêtement en alumine dans les mêmes conditions qu'à l'exemple I.
Il convient encore de relever que:
les carbones à conductibilité électrique élevée, tels que le graphite, peuvent être avantageusement utilisés comme éléments de découplage capacitifs, lorsqu'ils sont revêtus d'une couche isolante selon l'invention;
les carbones de structure anisotrope, qui possèdent des directions préférentielles de transfert thermique, tels que certains graphites, les carbones pyrolytiques et les carbones partiellement cristallins, s'appliquent plus spécialement aux cas ou l'on désire évacuer l'énergie thermique, dégagée par les éléments semi-conducteurs ou les composants électriques, dans une direction particulière, par exemple parallèlement à la face du support,
lorsque la plaquette utilisée comme substrat a été extraite d'un bloc de carbone anisotrope par décou- page dans des plans parallèles à la direction préférentielle de transfert thermique. Le coefficient de transfert thermique dans ces directions préférentielles peut atteindre 800 W/m C dans le cas des carbones partiellement cristallisés. Cette valeur est supérieure aux coefficients de transfert thermique de nombreux métaux (le coefficient du cuivre est d'environ 400 W/m"' C).
Ceci met en évidence l'avantage d'utiliser, pour constituer un support isolant, une couche selon l'invention de préférence à une couche selon l'état de la technique qui crée une barrière de diffusion thermique dont l'effet est hautement préjudiciable à l'obtention d'une conductibilité thermique élevée pour l'ensemble du support.
** ATTENTION ** start of the DESC field may contain end of CLMS **.
CLAIMS
Composite support for semiconductor elements or electrical components, comprising: ¯a substrate consisting of a wafer containing at least 95% carbon atoms. and ¯ at least one layer of amorphous alumina whose thickness is less than S tam adhering to at least one of the faces of said wafer and whose breakdown voltage is at least 100 volts per micron of thickness, in which the relative thickness of the substrate and that of the alumina layer are such that the support has both a thermal conductivity greater than 70 W / m ′ C,
a coefficient of thermal expansion between 2 and 8 - 1 O-6 / Ce an electrical resistance greater than 109 ohms-cm.
2. Support according to claim 1, characterized by a layer of silicon carbide interposed between said layer of amorphous alumina and the wafer. this carbide layer constituting a bonding layer of the alumina layer on this wafer.
3. Support according to claim 1, characterized by a layer of silicon nitride interposed between said layer of amorphous alumina and the wafer, this layer of nitride constituting a bonding layer of said layer of alumina on this wafer.
4. Support according to one of claims 1 to 3. characterized in that the amorphous alumina layer has a roughness Ra at most equal to I tam.
5. Support according to one of claims I to 4, characterized in that the plate is made of graphite.
6. Support according to one of claims 1 to 4, characterized in that the wafer is made of pyrocarbon.
7. Support according to one of claims I to 4, characterized in that the wafer is partially crystallized carbon.
The present invention relates to a composite support for semiconductor elements or electrical components intended to act as a heat sink and an electrical insulator.
It is known that one of the important factors limiting the production of electrical power circuits and the miniaturization of conventional electrical circuits is the heating of the elements or components constituting these circuits. The supports used to fix these components play a vital role in this.
Among the many known types of support, there are four categories: ¯ plastic substrates. which have the advantage of being very light, but resist poorly at high temperatures and degrade under the action of UV rays. Their high coefficient of thermal expansion is however generally incompatible with that of semiconductor elements and their thermal conductivity is poor; ¯metallic substrates coated with an insulating enamel layer, the thickness of which is such that it can constitute a thermal diffusion barrier, and which resist corrosion poorly, have a very high density and among which only certain special alloys Have a coefficient of expansion compatible with the semiconductors used in electronic components:
: ¯ insulating ceramic substrates such as crystalline alumina, whose thermal conductivity does not exceed 40 W / m 'C, or beryllium oxide, whose thermal conductivity is around 400 ¯V / m C, the latter being moreover very toxic, difficult to sinter and of a high price: ¯ non-insulating ceramic substrates, in particular those made of sintered silicon carbide, whose thermal conductivity is of the order of 60 W / m ′ C, coated with an insulating layer of silicon oxide, in which, to obtain satisfactory electrical insulation, the oxide layer must have a thickness such that the thermal conductivity of the support becomes low. US Patent 4,352,120 specifically relates to a substrate.
There are also known various: uses of the layers of amorphous alumina, for example those cited in patents CH 587.548 and 591.566 in which a layer of amorphous alumina is deposited on a metallic substrate based on copper or silver previously covered with a thin bonding layer made of a metal with a great affinity for oxygen. In the first case, the alumina layer is intended to act as an electrical insulator while in the second, it creates protection against corrosion.
The electrical properties of the alumina layers deposited on metallic substrates were notably studied by Jan
Guvovic (see the abstract cited in the Chemical Abstracts under reference 81-55650).
Japanese patent application published before examination No. 7760996 describes a process for depositing an amorphous layer, consisting of alumina and bismuth oxide, intended to transmit ultrasonic waves on substrates whose temperature is between 9696 and +150 ^ C.
Document GB-A-2.l 12.569 describes an intermediate support for dissipating the heat of an electronic device. This support is composed of expanded graphite and, on this, of a bonding material filling the inequalities existing between the surfaces in contact.
Document EP-A-9978 describes, as a component of integrated circuits, a heat sink comprising carbon fibers embedded in a copper matrix or the like.
The present invention precisely makes it possible to remedy the defects of the supports for existing electronic components by proposing a support having, at the same time, good chemical stability, a coefficient of thermal expansion compatible with that of the materials constituting the elements of the semiconductors, such as silicon, a heat transfer coefficient greater than 70 W / m 'C.
Preferably, it has a density at most equal to 3 g / cm3.
To this end, the invention relates to a composite support of semiconductor elements or electrical components, according to claim 1.
In fact, an amorphous aluminum coating makes it possible to create good electrical insulation for a small thickness (breakdown voltage greater than 200 volts for a thickness of 1 tam). Coatings with a thickness of at most 5 tam make it possible to obtain electrical insulations which have proved to be sufficient in many cases. Such small thicknesses have practically no influence on the thermal properties of the entire support. By way of comparison, a layer of crystalline alumina intended to withstand voltages close to 200 volts without breakdown should have a thickness of the order of 10 to 50 tam.
Although we can deposit layers of amorphous alumina on many types of metallic or ceramic substrates, we have chosen, according to the invention, substrates whose thermal conductivity is greater than 100 W / mc C and whose coefficient expansion is between 2 and 8 '10-6 / - C, therefore close to those of alumina and materials constituting the semiconductor elements or electrical components intended to be made integral with the support according to the invention.
This will prevent, during possible temperature variations, the appearance of significant shear stresses between the alumina layer and the substrate, on the one hand, and the alumina layer and the fixed semiconductor elements. on the support, on the other hand: in this case, it is in particular graphite, pyrocarbon or partially crystallized carbon substrates which best meet these conditions.
In practice, moreover, supports for semiconductor elements are required to be perfectly flat and to have a surface condition such that conventional thin-film or thick-film deposition techniques can be used. A surface whose roughness R, is at most equal to 1 tam is generally considered to be suitable.
To meet all of the above conditions. we will choose to
preferably platelets containing at least 95% carbon atoms whose density is close to the theoretical density of carbon. These wafers can be manufactured by methods well known to those skilled in the art, which are sintering under high temperature load, or sintering in the presence of additives such as silicon, or by depositing a thick layer of carbon. by pyrolytic decomposition of hydrocarbon in the gas phase.
It is possible to limit the importance of these constraints by inserting, between the substrate and the alumina layer, a layer of a material having a coefficient of expansion comprised between that of the substrate and that of the alumina layer : such a material could, for example, be carbide or silicon nitride. This intermediate layer also makes it possible to avoid partial oxidation of the surface of the substrate during the deposition by reaction in the gas phase of the amorphous alumina layer, which results in an improvement in the adhesion of the layer. alumina on the substrate.
We describe below how two embodiments of the support according to the invention were obtained.
Example 1:
Use was made of a pyrocarbon plate with a density close to 2 to 2.25 g / cm 3, with a surface area of 6.25 cm 2, previously polished until a roughness Ra of the order of 0 was obtained. , 1 tam.
This plate was placed in a tubular CVD reactor with a diameter of 7 cm, where it was then heated by high-frequency induction to a temperature of about 1100 C, and this in a hydrogen atmosphere. under a pressure of 1 Torr. A layer of SiC was deposited on this wafer by thermal decomposition, in the gas phase, of dichloro-dimethyl-silane. For this purpose, a gas mixture consisting of 0.37% dichloro-dimethyl silane and 99.63% hydrogen was passed through the CVD reactor, inside which a pressure of 350 Torr prevailed. at a flow rate of 600 cm3 / min (normal conditions).
After 10 minutes, a layer of SiC, about 8 μm thick, was obtained, uniformly covering the wafer.
A layer of amorphous alumina was then deposited on this layer of SiC, the substrate having been previously brought to a temperature of approximately 580 ° C., by reaction of a gas mixture consisting of 0.4% of AICI3 , 0.6% H2O and 99% hydrogen, AlCl3 and H3 O being introduced separately into the reactor in which there was a pressure of 2 Torr, hydrogen playing the role of carrier gas at a flow rate of 300 cm3 / min (normal conditions) for each mixture. There was thus obtained a deposit of an amorphous alumina layer with a growth rate of the order of 0.25 tam / min.
For supports of this type, limit breakdown voltages were measured greater than 102 V, for alumina layers of thicknesses between 0.5 and 1 tam. The thermal conductivity of the support was approximately 70 W / m C.
Of course, it would also be possible to increase the thermal conductivity of such a support by reducing the thickness of the intermediate layer of SiC.
Example ll:
We made a support consisting of a graphite plate with a density of 2.2 g / cm3, and 3.2 cm2 of surface, on which we first deposited a layer of Si3N4, then a coating in amorphous alumina. The Si3N4 layer was obtained by gas phase reaction of SiCl4 and NH3, by simultaneously passing through the CVD reactor according to Example 1, inside which prevailed a pressure of 50 Torr, a gaseous mixture consisting of 25% SiCI4 and 75% hydrogen at a flow rate of 600 cm3 / min (normal conditions), and NH3 at a flow rate of 40 cm3 / min.
The two gas flows being brought into contact with each other only in the immediate vicinity of the surface of the carbon wafer, previously brought to a temperature of 1200 "C as in Example I. A deposit of 8 tam of thickness required a treatment of approximately 20 minutes. This layer was finally covered with an alumina coating under the same conditions as in Example I.
It should also be noted that:
carbons with high electrical conductivity, such as graphite, can advantageously be used as capacitive decoupling elements, when they are coated with an insulating layer according to the invention;
carbons with an anisotropic structure, which have preferential directions of heat transfer, such as certain graphites, pyrolytic carbons and partially crystalline carbons, apply more especially to the cases where it is desired to dissipate the thermal energy released by the semiconductor elements or electrical components, in a particular direction, for example parallel to the face of the support,
when the wafer used as substrate has been extracted from an anisotropic carbon block by cutting in planes parallel to the preferential direction of heat transfer. The heat transfer coefficient in these preferred directions can reach 800 W / m C in the case of partially crystallized carbons. This value is higher than the heat transfer coefficients of many metals (the copper coefficient is around 400 W / m "'C).
This highlights the advantage of using, to constitute an insulating support, a layer according to the invention in preference to a layer according to the state of the art which creates a thermal diffusion barrier whose effect is highly detrimental to obtaining a high thermal conductivity for the entire support.