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        在半导体领域中炙手可热的氮化铝
        日期:2023-10-17    浏览次数:
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        氮化铝(AlN)具有高强度、高体积电阻率、高绝缘耐压、热膨胀系数、与硅匹配好等特性,不但用作结构陶瓷的烧结助剂或增强相,尤其是在近年来大火的陶瓷电子基板和封装材料领域,其性能远超氧化铝。

        氮化铝材料在电子领域和电力、机车、航空和航天、国防和军工、通讯以及众多工业领域都具有广阔的应用前景和广泛的潜在市场。更高端的应用随着氮化铝晶体材料的开发成为热点。其中,氮化铝在半导体领域中的应用就一直备受关注。

        氮化铝材料的性能特点

        氮化铝(AlN)是一种六方纤锌矿结构的共价键化合物,晶格参数为a=3.114,c=4.986。纯氮化铝呈蓝白色,氮化铝在常态下表现通常为灰色或灰白色。作为一种潜力广阔的材料,氮化铝具备这些性能特点:

        1.热学性能

        AlN的理论热导率为320W/m·K,实际制备的多晶AlN的热导率一般为100~260W/m·K,室温热导率为Al2O310~15倍,接近于BeO(理论热导率为350W/m·K),而在温度高于200℃时,导热性能又好于氧化铍;在25~400℃的范围内,纯AIN的热膨胀系数为4.4×10-6K-1,与硅的热膨胀系数(3.4×10-6K-1)相近。

        2.电学性能

        AIN的室温电阴率大于1014Ω·cm,是一种良好的绝缘材料;介电常数约为8.0(1MHz),与Al2O3相当;介电损耗为10-41MHz),绝缘耐压为14KV·mm-1,高的机电耦合系数(0.8%)、压电性和亲负产性。

        3.力学性能

        室温下,致密的AIN陶瓷的维氏硬度为12GPa,莫氏硬度7~8,杨氏模量为308GPa,抗弯强度可达350MPa,强度随温度的上升而下降比较缓慢,1300℃高温强度比室温强度约降低20%,而热压Si3N4、Al2O3一般要降低50%。

        4.化学性能

        AIN具有优良的高温抗腐蚀能力,不被铝、铜、银、铅、镍等多种金属浸润,也能在某些融盐中如砷化镓的融盐中稳定存在;AIN具有强烈的吸湿性,极易与空气中的水蒸气反应;在空气中,AIN的初始氧化温度为700~800℃。常压下,AIN不会融化,而是在2260-2500℃时发生热分解。

        氮化铝在半导体领域中的应用

        1.基板材料和封装材料

        随着微电子及半导体技术的蓬勃发展,目前功率半导体器件需要同时具备高电压、大电流、大功率密度、小尺寸等特点,电子基板热流密度大幅增加,保持设备内部稳定的运行环境成为需要重点关注的技术问题。为此功率集成电路中的基板材料必须要同时具有良好的机械可靠性以及较高的热导率。

        在半导体领域中炙手可热的氮化铝

        ▲氮化铝基板(图片来源:MARUWA)

        目前,封装基板材料主要采用氧化铝陶瓷或高分子材料,但随着对电子零件的承载基板的要求越来越严格,它们的热导率并不能满足行业的需求,而AlN陶瓷因具有热导率高、热膨胀系数与硅接近、机械强度高、化学稳定性好及环保无毒等特性,被认为是新一代散热基板和电子器件封装的理想材料。

        相比Al2O3陶瓷基板和Si3N4陶瓷基板,AlN陶瓷基板具有这些优势:使用AlN陶瓷基板作为芯片的承载体,可以将芯片与模块散热底板隔离开,基板中间的AlN陶瓷层可有效提高模块的绝缘能力(陶瓷层绝缘耐压>2.5KV),而且氮化铝陶瓷基板具有良好的导热性,热导率可以达到170-260W/mK。此外,AlN陶瓷基板膨胀系数同硅相近,不会造成对芯片的应力损伤,氮化铝陶瓷基板抗剥力>20N/mm2,具有优秀的机械性能,耐腐蚀,不易发生形变,可以在较宽温度范围内使用。

        2.晶圆加工用静电吸盘

        现代半导体制造工艺中晶圆的加工过程有着多道工序,晶圆需要在几百个工艺设备之间来回传输,因此需要一种设备对晶圆进行夹持。静电吸盘可通过静电吸附作用来固定晶圆,吸附作用力均匀且持续稳定,晶圆不会发生翘曲变形,可以保证晶圆的加工精度和洁净程度。目前普遍的静电吸盘技术主要是以氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷作为主体材料。对于普通的硅晶圆加工,高纯氧化铝或蓝宝石可以满足要求,但若用在碳化硅晶圆加工,导热性就有所不足了,必须要用氮化铝才能达到要求。

        在半导体领域中炙手可热的氮化铝

        ▲NGK/NTK氮化铝静电吸盘

        氮化铝陶瓷静电吸盘的优势在于:可以通过控制其体积电阻率,获得大范围的温度域和充分的吸附力,静电吸盘可通过自由度高的加热器设计可以实现良好的温度均匀性;氮化铝通过一体共烧成型,不会出现因电极的劣化造成历时变化,最大限度的保障产品质量;在等离子卤素真空气氛环境下能持久运行,以承受半导体及微电子最苛刻的制程环境,还可提供稳定的吸附力和温度控制。据闻,氮化铝在半导体领域的应用在国外已成为氮化铝陶瓷的主要市场,最高端的静电吸盘甚至可以卖到几十万到上百万人民币,非常“吸金”。

        3.衬底材料

        AlN晶体是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想衬底。与蓝宝石或SiC衬底相比,AlN与GaN热匹配和化学兼容性更高、衬底与外延层之间的应力更小。因此,AlN晶体作为GaN外延衬底时可大幅度降低器件中的缺陷密度,提高器件的性能,在制备高温、高频、高功率电子器件方面有很好的应用前景。

        在半导体领域中炙手可热的氮化铝

        ▲奥趋光电制备的AlN单晶衬底样片

        另外,用AlN晶体做高铝(Al)组份的AlGaN外延材料衬底还可以有效降低氮化物外延层中的缺陷密度,极大地提高氮化物半导体器件的性能和使用寿命。基于AlGaN的高质量日盲探测器已经获得成功应用。

        4.薄膜材料

        由于AlN带隙宽、极化强,禁带宽度为6.2eV,其制备的氮化铝薄膜材料具有很多优异的物理化学性质,如高的击穿场强、高热导率、高电阻率、高化学和热稳定性以及良好的光学及力学性能,被广泛应用作为电子器件和集成电路的封装中隔离介质和绝缘材料。

        高质量的AlN薄膜还具有极高的超声传输速度、较小的声波损耗、相当大的压电耦合常数,与Si、GaAs相近的热膨胀系数等特点,独特的性质使它在机械、微电子、光学以及电子元器件、声表面波器件制造和高频宽带通信等领域有着广阔的应用前景。

        目前,氮化铝薄膜的制备尚且处于设备复杂、造价昂贵、难于商品化的阶段,并且所使用的制备薄膜的方法通常要求将衬底加热到较高的温度。目前低温制备氮化铝薄膜的方法还不成熟、不完善。而集成光学器件的发展,需要在较低的温度下进行薄膜制备,以避免对衬底材料的热损伤。改进氮化铝薄膜的制备方法,在较低的温度、较简单的工艺条件下得到更致密、更均匀、更高纯度、更低成本的氮化铝薄膜,还有大量的工作需要去做。