CN1242469C - 散热片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本文中公开了一种散热片，它包含绝缘的陶瓷基片，以及叠加在该基片的顶面上、用于在其上放置元件的金刚石膜，该散热片具有极好的热辐射特性并能稳定地使用。该散热片通过以下步骤得到：提供含有高热导率的氮化铝作为主要成分的陶瓷基片；在基片上形成接合层，比如能与基片和金刚石膜接合的硅膜；以及在接合层上形成高质量的多晶金刚石膜，使得多晶金刚石膜根据例如汽相法，通过插在它们之间的接合层与基片牢固地接合。

Description

散热片及其制造方法
                            技术领域
本发明涉及散热片及其制造方法。更具体地说，本发明涉及具有如下层压结构的散热片：一层高热导率的金刚石叠加在高热导率的氮化铝基片上，并且本发明还涉及制造散热片的方法。
                            背景技术
随着信息密度的增加，电子元件的处理能力正在显著地增强。这样，现时地，大量的热从各个电子元件上释放出来。由于要保证电子元件稳定地起作用需要保持温度的恒定，所以提出了用来冷却电子元件的各种改进措施。在实际应用中，普通的做法是把趋于具有较高温度的电子元件安装在热辐射部件上，即称为散热片的“能吸收热的材料，或者包括该材料的装置用来热保护器件或系统”。
作为长期应用于散热片的材料，可以提及具有令人满意的热导率的金属和金属合金，如Cu和Cu-W，以及具有高热导率的半导电性陶瓷或绝缘陶瓷，如SiC和AlN。可是，作为电子元件集成的结果，放出的热增加到仅使用以这些材料为基的散热片来冷却达到了极限的程度。因此，已经开发了以在现有材料中热导率最高(约2000W/mK)的金刚石为基的吸热材料作为用来增强热辐射特性的新的吸热材料。作为现已普遍所知的该散热片，可以提及铜基片，以及向其上铜焊称为副固定物(submount)的呈片或膜形式的单晶金刚石。可是，该散热片的热辐射特性并不总是令人满意，因为单晶金刚石非常昂贵，以致无法应用于结构庞大的散热片，还因为铜焊材料变成阻碍热传导的隔热器。
因此，尝试了根据汽相合成法在基片上形成多晶金刚石膜。例如，日本特许公开公报No.5(1993)-13843提出了一种热辐射部件，它由具有用来在其上安装半导体部件的表面的基片，以及通过汽相法合成的覆盖安装表面的金刚石层构成。该热辐射部件的目的是抑制由产生的热导致的半导体激光器部件性能的下降，该半导体激光器部件是根据微波等离子体CVD(化学汽相淀积)法在基片上直接形成厚10-500μm的多晶金刚石层得到的。通过将该热辐射部件小型化，可以将其用作副固定物。
                        本发明要解决的问题
在上述散热片中，最适宜作为其上要形成多晶金刚石膜的基片的材料依用途而异。在各种基片材料中，已知烧结的氮化铝(AlN)不仅具有绝缘性能，还具有高热导率。当要在基片上形成电路时，AlN基片特别有用。具体地说，当仅在其上要安装部件的基片的一个区域上形成多晶金刚石层，而在除了其上要安装部件的基片的特定区域以外的基片区域上形成电路时，从不需要额外地形成绝缘膜的角度考虑，优选绝缘材料如陶瓷作为基片的材料。而且，需要用高热导率的材料以避免热辐射效率的下降，即，保持基片整体的高热导率。因此，用烧结氮化铝(AlN)作为基片材料已考虑到它不仅具有绝缘性能还具有高热导率。
就这点而言，在使用高热导率的金属作为基片时，根据汽相淀积法等层压具有例如SiO2绝缘膜的基片，可以得到不仅具有绝缘性能、还具有高热导率的基片。可是，该绝缘膜经常出现有关耐电压性能的可靠性等的问题。
可以预料，上述包含烧结的氮化铝(AlN)基片，以及叠加在其上的多晶金刚石层的基片将具有较高的可用性。
可是，根据汽相合成法难以在烧结的氮化铝(AlN)基片上直接形成高质量的多晶金刚石层。从实际情况看，未知任何包含叠加在AlN基片上的高热导率的多晶金刚石层。例如，虽然上述日本特许公开专利No.5(1993)-13843描述了Cu、Cu-W合金、Cu-Mo合金、Cu-W-Mo合金、W、Mo、烧结的SiC、烧结的Si3N4、烧结的AlN等可用作基片材料，但是实际上形成于烧结的AlN基片上的多晶金刚石的热导率非常低，为300W/m·K。
本发明的一个目的是提供一种在含有氮化铝(AlN)作为主要成分的陶瓷基片上形成高质量的多晶金刚石层的方法。本发明的另一个目的是提供一种具有多晶金刚石膜形成在上述基片上的基本结构，以及具有极好的热辐射特性的散热片。
                            附图说明
图1是本发明的散热片的一个代表性的形态的剖面图。
图2是射频等离子体CVD装置的示意图，它适合用于本发明制造方法中的作为接合层的硅膜的形成。
图3是微波CVD装置的示意图，它适合用于本发明制造方法中金刚石膜的形成。
                           解决问题的方式
本发明者从解决上述问题的角度进行了广泛及深入的研究。结果发现，显示高热导率的高质量的多晶金刚石可在含有氮化铝作为主要成分的陶瓷基片上生产，它是通过预先在陶瓷基片上形成一层对基片及金刚石膜具有极好的粘合性的特定物质，随后根据汽相法在上述层上形成多晶金刚石膜来生产的。本发明是在该发现的基础上完成的。
因此，一方面本发明提供了一种散热片，它包含具有至少一个含有氮化铝作为主要成分的平面的陶瓷基片，以及叠加在陶瓷基片的平面上的金刚石膜层，其特征在于：陶瓷基片和金刚石膜层通过插在它们之间的接合层接合在一起。
在上述本发明的散热片中，陶瓷基片含有作为基片材料的具有极好的绝缘特性和热辐射特性的氮化铝作为主要成分。因此，散热片整体的热吸收性能和热辐射性能极好。此外，在具有形成金刚石膜不覆盖基片的整个表面的结构的散热片的情况下，由金属制得的电子电路可印刷在基片上而不需要特别地形成绝缘膜。
在本发明的散热片中，较佳的是接合层由选自硅、碳化硅、钨、碳化钨、CuW、Cu-Mo合金、Cu-Mo-W合金、无定形碳、氮化硼、氮化碳和钛中的至少一种材料构成。在使用该接合层的过程中，可避免叠加在接合层上的金刚石膜的龟裂或其它损坏，增强热辐射性能，并延长金刚石膜的耐久性。
该接合层可由在特定晶面上定向的结晶体构成。具体地说，较佳地，接合层由优先定向于晶面(111)、晶面(220)或晶面(400)的多晶硅构成。当接合层由结晶体构成时，形成在接合层上的多晶金刚石膜的晶体颗粒将扩大，其结晶度将变高，使金刚石膜具有特别高的热导率。
视需要，多晶硅可含有掺杂物。掺杂物的加入能增强多晶硅的定向性，还可赋予硅膜电导率。
在本发明的散热片中，较佳地，金刚石膜层显示的热导率为800W/mK以上。与金刚石膜层直接叠加在基片上的散热片相比，本发明的散热片的导热性增强。
另一方面，本发明提供了一种制造散热片的方法，它包含以下步骤：提供具有至少一个含有氮化铝作为主要成分的平面的陶瓷基片；在至少部分陶瓷基片的平面上形成接合层；以及在接合层上形成金刚石膜。
在上述本发明的方法中，在金刚石膜形成步骤之后的冷却步骤中不会发生金刚石膜的剥落或龟裂，其中，基片的温度维持在700-1100℃。这样就可使用本发明的方法，以高效率稳定地生产本发明的高质量的散热片。具体地说，当定向于特定晶面的一层结晶体形成为接合层时，可易于形成大晶体颗粒和高结晶度的金刚石膜。而且，当含有硅作为主要成分的一层形成为接合层时，将促进金刚石成核，由此能在更高的效率下形成金刚石膜。而且，在由导电物质，如含有掺杂物的多晶硅形成接合层，以及当直流电压施加在接合层上的过程中，薄金刚石膜根据微波CVD或热丝CVD法形成在接合层上，可以有效地将用于金刚石膜合成的有效母体沉积在基片表面上，由此易于形成高结晶度、高定向程度及高热导率的金刚石膜。
                       实施本发明的最佳方式
本发明的散热片是一种层压制品，它包含具有至少一个含有氮化铝作为主要成分的平面的陶瓷基片，以及叠加在陶瓷基片的平面上的金刚石膜层，其特征在于：陶瓷基片和金刚石膜层通过插在它们之间的接合层接合在一起。此处使用的术语“散热片”是指能吸收由上述元件放出的热的材料或者包括该材料用来热保护器件或系统的装置。这样，该术语表达了一个理解什么称为副固定物的观点。
在实际应用中，将各种元件，如半导体元件、电阻器和电容器安装在金刚石膜上。
本发明的散热片包括含有作为主要成分的、除了具有绝缘性能以外还显示高热导率的氮化铝的陶瓷基片。因此，即使在与金刚石膜形成层压制品的过程中，也能抑制总热导率的降低。此外，当金刚石膜不提供在基片的整个表面上，而提供在基片的部分表面上时，通过导线材料如金的汽相淀积，可易于将导线电路印刷在不提供金刚石膜的部分上。
本发明中使用的上述基片(以下简称为“AlN基片”)没有特别的限制，只要它由含有作为主要成分的氮化铝的陶瓷构成，只要其构成是具有至少一个用于形成其上安装了元件的金刚石膜的平面的结构。例如，该基片可以是通过在例如压力下向氮化铝粉末中加入烧结助剂，形成混合物并且将其烧结制得的片。同时，该基片可以通过将多晶氮化铝模压成片状来得到。
上述金刚石膜可由多晶体或单晶体构成，并且可由天然金刚石或合成金刚石构成。可是，从膜形成的成本及简易的角度考虑，较佳地，金刚石膜由通过汽相法合成的多晶金刚石构成。金刚石膜的面积、构成、厚度等根据安装的元件、所需的热辐射特性、生产时间及生产成本适宜地确定。通常，金刚石膜越厚，热辐射越大。另一方面，金刚石膜越薄，生产时间和成本越低。因此，将这些因素平衡考虑，较佳地，金刚石膜的厚度为10-300μm，特别好是20-250μm。
金刚石膜的热导率越大，优点越多。因此，在使用下文中将详细描述的本发明的制造方法时，较佳的是使用在本发明的散热片中热导率为800W/mK以上、特别是1000W/mK以上的多晶金刚石膜。就这点而言，金刚石膜太薄，以致不能直接测定其热导率。因此，金刚石膜的热导率是指在测得了散热片整体的热导率之后，从构成基片和接合层的已知材料的热导率和厚度值以及测得的散热片整体的热导率计算得到的值。
本发明的散热片的最典型的特征在于：AlN基片和金刚石膜通过插在它们之间的接合层接合在一起，其中，接合层对AlN基片和金刚石膜都具有附着性。接合层的插入能够生产高质量的金刚石膜，而不会在制造方法中发生金刚石薄膜的剥落或龟裂。此外，在制造方法之后，能够避免金刚石膜在使用过程中因反复加热/冷却而造成的龟裂或剥落。
该接合层没有特别的限制，只要它是由对AlN基片和金刚石膜都具有所需的附着性的材料构成的一层。可是，从对AlN基片和金刚石膜都具有高粘合强度(或者粘结强度)的角度考虑，较佳的是接合层由硅、碳化硅、钨、碳化钨、CuW、Cu-Mo合金、Cu-Mo-W合金、无定形碳、氮化硼、氮化碳和钛中的至少一种材料构成。
当接合层由定向于特定晶面的结晶体构成时，形成在接合层顶部上的多晶金刚石膜的晶体颗粒将扩大，其结晶度将变高，从而使得金刚石膜的热导率增加。因此，较佳的是接合层由以下结晶材料构成。这些结晶材料可以是，例如优先定向于晶面(111)、晶面(220)或晶面(400)的多晶硅；或者含有掺杂物如硼或磷，优先定向于上述晶面的多晶硅。由于掺杂的定向多晶硅是导电的，考虑到可如下文所述在形成金刚石膜时施加直流电压，所以其特别好。
虽然接合层的厚度没有特别的限制，但是从接合效果、对得到高质量的金刚石膜的简易程度的影响、形成接合层所花费的时间、通过提供接合层使热导率下降的程度等因素平衡考虑，较佳的是其厚度为5nm-3μm，特别好是10nm-2μm。
图1是本发明的散热片“A”的典型剖面图。散热片“A”具有以下结构：片状氮化铝基片100与接合层110和金刚石膜120按此序层压。虽然图1示出了散热片的形式中，氮化铝基片100的整个顶面被接合层110和金刚石膜120所覆盖，但是并不总是需要接合层附着在作为上层的金刚石膜的整个底面上，只要能达到令人满意的接合强度，部分附着也是可行的。
制造本发明的散热片的方法没有特别的限制。例如，散热片可通过在至少部分AlN基片的平面上形成接合层，并在接合层上形成金刚石膜使得金刚石膜覆盖至少一部分接合层来适宜地制造。对使用该制造方法形成的接合层没有特别的限制，只要该形成使得接合层的部分或全部最终插在AlN基片与金刚石膜之间。接合层的形成会对面积大于金刚石膜的膜或者面积小于金刚石膜的膜的构形产生影响。而且，并不总是需要似膜状的构形。例如，接合层可以呈点阵的形式，或者大量的点以给定间隔散布于其间的形式。从达到的效果和产率的角度考虑，较佳地，接合层的厚度为5nm-3μm。
在形成接合层的过程中，可从已知用于在基片上形成膜的普通的膜成形方法中，根据接合层的材料适当地选择合适的方法，而没有什么限制。这些形成膜的方法的例子包括：印刷、电镀、汽相淀积、化学汽相淀积(CVD)、溅镀和激光磨蚀法。其中，汽相淀积和化学汽相淀积法能够形成具有高膜厚度精密度的高质量膜，这样就提供了特别有效的方法。
例如，由选自硅、碳化硅、W、WC、CuW、Cu-Mo合金、Cu-Mo-W合金、钛和BN中的至少一种材料构成的接合层可通过使用电子束的真空汽相淀积法适宜地形成。在该方法中，将由与构成接合层的相同类型的物质构成的材料置于真空室中的炉膛上。将该材料暴露在电子束下，使其熔融汽化。该材料蒸汽沉积(汽相淀积)在置于真空室中的基片表面上。这样就完成了接合层的形成。在该阶段，沉积膜的厚度可通过测定沉积在膜上的物质的厚度(通过使用石英振子的膜厚度监测器来测定)精确地控制。在汽相淀积过程中，基片的温度可等于室温，或者可将基片加热。
当接合层可由气态材料，例如硅、无定形碳、氮化碳、钛、碳化硅或W，通过CVD法形成时，适宜使用CVD法。根据化学汽相淀积法形成接合层可使用平板等离子体CVD装置适当地进行。在该方法中，将用稀释气体如氢气稀释的粗气体如SiH4引入抽成真空的反应容器中。将射频能量施加在相互对置排列的一对平行板电极的其中之一上，由此产生射频气体等离子体。这样，硅、无定形碳、氮化碳、钛、碳化硅或W的膜可形成在置于与上述电极对置的另一个电极上的基片上。通常将基片加热至约50-500℃，但是依膜的生长条件而异。预先测定各个成形条件下膜的成形速度将能够通过控制膜形成时间精确地估计膜的厚度。作为稀释气体，可使用非沉积气体，如氦气、氮气、氩气、氙气、氖气或氪气，以及氢气。
接合层的形状可通过膜形成之后蚀刻或者膜形成时掩蔽基片来随意地改变。
在本发明的制造方法中，接合层的形成不仅对防止形成于接合层上的金刚石膜的剥落或龟裂很重要，而且对增强形成的金刚石膜的产品质量尤其重要。
因此，在本发明的一个较佳实施方式中，接合层由定向于特定晶面的结晶体构成。由定向于特定晶面的结晶体形成接合层能在根据汽相法在接合层上形成多晶金刚石膜时保持下层的定向，由此达到高定向的多晶金刚石膜的生长。结果，可得到高结晶度的金刚石膜。
在本发明的另一个实施方式中，接合层可由导电物质形成。当接合层由导电物质形成时，将接合层用作电极，并在根据汽相法形成多晶金刚石膜时将直流电压施加在接合层上。从而，用于金刚石合成的有效母体将优先沉积在接合层上，由此能够形成具有高结晶度的大晶体颗粒的多晶金刚石膜。多晶金刚石膜的结晶度增加及晶体颗粒扩大将增强金刚石膜的热导率。结果，可得到热辐射特性极好的散热片。
虽然由定向于特定晶面的结晶体形成接合层的方法没有特别的限制，但是在根据CVD法形成主要成分是硅的接合层时，硅膜的定向可通过调节成形条件来控制。这样，可形成当进行X射线衍射测量时，属于晶面(111)、(220)或(400)的衍射峰优先出现的多晶硅膜。例如，当要得到在晶面(111)上优先定向的硅膜时(当进行X射线衍射测量时，属于该晶面的衍射峰强度明显大于属于其它晶面的衍射峰强度)，膜的形成要在较高的成形操作温度下适当地进行。当要得到在晶面(220)上优先定向的硅膜时，膜的形成要在较高的反应压力下适当地进行。当要得到在晶面(400)上优先定向的硅膜时，膜的形成在下述条件下适当地进行：硅烷卤化物气体和硅烷氢化物气体以适当的比例混合在一起。在该阶段，将具有包含选自元素周期表第III族或第V族的掺杂元素的可气化化合物的反应气体的混合物，如乙硼烷或膦进行膜合成，由此能合成P型或N型导电性硅膜。当接合层由该硅膜构成时，可施加上述定向作用和电压作用。因此，最好是形成作为接合层的含掺杂物的多晶硅膜(即P型或N型)，当进行X射线衍射测量时，该硅膜实现了晶面(111)、(220)、(400)的优先出现。
在本发明的制造方法中，用金刚石膜覆盖这样形成的接合层。如上所述，虽然形成的金刚石膜的面积、构形、厚度等可根据安装的元件、所需的热辐射特性、生产时间和生产成本适当地确定，但是，较佳的是金刚石膜的厚度为10-300μm，特别好是20-250μm。
虽然形成金刚石膜的方法没有特别的限制，但是，从简单地形成所需膜的角度考虑，较佳的是用汽相法来形成膜。作为汽相法，可无限制地应用适于金刚石膜形成的普通的汽相法，如化学汽相淀积和激光磨蚀法。其中，化学汽相淀积法最适合，因为在现有技术中，它能提供稳定地生产具有高重复性的高结晶金刚石膜。根据制造方法的特点，化学汽相淀积法可归类为分别使用射频波、微波、热丝等的技术中。其中，优选使用微波(微波CVD法)的技术和使用热丝(热丝CVD法)的技术。这些生产技术将在下文中描述。
在这些生产技术中，含碳的可气化物质(包括甲烷、乙炔、二氧化碳和一氧化碳)通常用作金刚石膜的原材料。这些沉积气体可用非沉积气体，例如氢气、氧气、氮气、氩气、氙气、氖气或氪气来稀释。
同时，在金刚石合成之前，可用上述气体混合含有属于元素周期表第III族或第V族的元素的可气化化合物，如乙硼烷或膦。当金刚石膜的合成在这些气体存在的条件下进行时，能合成P型或N型导电性金刚石膜。
在金刚石膜的形成过程中，对基片温度没有特别的限制，但是较好为600-1200℃，更好是700-1100℃。当基片温度低于600℃时，将形成含有较高比例的无定形碳的金刚石膜，使得热导率较低，由此不能得到令人满意的作用效果。另一方面，当基片温度超过1200℃时，接合层会遭到损坏。而且，无定形碳会包含在金刚石中，就像产生于低温的膜形成中的现象。因此，基片温度超过1200℃是不利的。可以使用任何加热基片的方法而没有特别的限制，只要将温度设定在上述范围内。例如，可以提及将加热器内嵌在提供用来安装基片的支架中的加热方法；通过射频感应加热来加热基片的方法；以及在微波等离子体CVD法中，通过输入产生等离子体的微波来加热基片的方法。金刚石合成的压力通常为0.1毫托-300托。具体地说，在微波等离子体CVD法中，压力为50毫托-200托。此外，在微波等离子体CVD法中，虽然等离子体生成功率源的输出要根据形成的金刚石膜的特征适当地选择，但是通常为300W-10kW。金刚石膜的形状可通过膜形成之后蚀刻或者膜形成时掩蔽基片来随意地改变。
关于制造图1所示的本发明的散热片“A”(其中，接合层由硅构成)的方法，它的具体做法(使用图2所示的平行板型射频等离子体CVD装置“B”和图3所示的微波等离子体CVD装置“C”)将在下文中更详细地描述。
图2所示的装置“B”是适用于形成接合层110的典型装置。装置“B”包括由例如，不锈钢如SUS 304构成的反应容器201，在其中保持真空。反应容器201通过位于反应室侧壁的排气口203a、203b与真空源如真空泵连接，使反应容器201中保持设定的真空。在图2中，示数205和207a分别表示涡轮分子泵和油旋转泵。通过使用这些泵排气可在反应容器中达到高真空。示数206表示机械提升泵，示数207b表示油旋转泵。这些泵使用在合成硅膜时。此外，还设置了用来调节排气速率的真空阀204a、204b。而且，将用来安装基片213的试样台202a置于装置“B”的反应容器201中。将用来加热基片213的加热器214内嵌于该试样台中，从而提供了能够控制基片温度的方法。设置该试样台使之通过反应容器201的下盘，并且具有垂直滑动的结构，可用未示出的驱动方法驱动，由此允许调整位置。位于试样台202a与反应容器201的底盘之间的未示出的滑动部分，可用封闭物或密封部件固定，以确保反应容器201中所需的真空水平。射频施加电极202b设置在用来安装基片的试样台202a的对面，使得从射频振荡器212发出的射频波能通过调谐元件211导入反应容器201中。此外，反应气体供给口208a、208b设置在反应容器201的上部，使得气体能通过反应气体流速调节器209导入反应容器201中。通过同时进行反应气体的进料和射频波的施加，在反应容器201的平行板电极(202a-202b)之间产生射频气体等离子体，使得反应气体能被离解，由此在基片213上形成硅膜。
图3所示的装置“C”是适用于形成金刚石膜120的典型装置。装置“C”包括由例如，不锈钢如SUS 304构成的反应容器301，在其中保持真空。反应容器301通过位于反应室侧壁的排气口303a、303b与真空源如真空泵连接，使反应容器301中保持设定的真空。在图3中，示数305和307a分别表示涡轮分子泵和油旋转泵。通过使用这些泵排气可在反应容器301中达到高真空。示数306表示机械提升泵，示数307b表示油旋转泵。这些泵使用在合成金刚石膜时。此外，还设置了用来调节排气速率的真空阀304a、304b。而且，将用来安装基片313的试样台302置于装置“C”的反应容器301中。将用来加热基片313的加热器314内嵌于该试样台中，从而提供了能够控制基片温度的方法。设置该试样台使之通过反应容器301的下盘，并且具有垂直滑动的结构，可用未示出的驱动方法驱动，由此允许调整位置。位于试样台302与反应容器301的底盘之间的未示出的滑动部分，可用封闭物或密封部件固定，以确保反应容器301中所需的真空水平。将由介电质，如石英或氧化铝构成的微波传输窗315设置在反应容器301的上部，使得从微波振荡器312发出的微波能通过调谐元件311导入，并通过微波导管传播入反应容器301中。此外，反应气体供给口308a、308b设置在反应容器301的上部，使得气体能通过反应气体流速调节器309导入反应容器301中。通过同时进行反应气体的进料和微波的施加，在反应容器301的基片安装台上产生微波气体等离子体，使得反应气体能被离解，由此在基片313上形成金刚石膜。在该阶段，金刚石膜可在向作为接合层的硅膜施加电压时形成。
在制造本发明的散热片“A”时，首先，将基片213置于装置“B”中的基片安装部分202a上。将反应容器201的内部抽真空。在反应容器201抽到真空度5×10-6托以下时，不但将由反应气体流速调节器调节流速的气体通过反应气体供给口进料入反应容器201中，而且将由位于反应容器201外部的射频振荡器212产生的射频波传输通过调谐器211，由此将反射损失减至最小，并将射频波输入射频施加电极202b上。从而生成了射频气体等离子体，使得硅膜形成在基片213上。硅膜的形成较好是在反应容器201内部的压力为0.1毫托-100托、更好是50毫托-50托下进行。在该压力下，可有效地形成高结晶度的均匀及均质的硅膜。在本发明的制造方法中，虽然对在形成硅膜过程中的基片温度没有特别的限制，但是较好是20-500℃，更好是80-350℃。在射频等离子体CVD法中，虽然等离子体生成功率源的输出要根据形成的硅膜的特性适当地选择，但是其通常为2W-2kW。射频振动频率较好是1-200MHz，更好是5-150MHz。可是，这些条件要根据用于上述合成的装置的容量和形状来确定，不应一成不变。
含硅的可气化物质，如SiH4、Si2H6、SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4、SiF4和SiF2H2通常作为用来沉积的反应气体，被引入反应容器201中。这些沉积气体可用非沉积气体，例如氢气、氮气、氦气、氩气、氙气、氖气或氪气来稀释。
同时，可在合成硅膜之前，用上述气体混合含有属于元素周期表第III族或第V族的一种元素的可气化化合物，如乙硼烷或膦。当硅膜的合成在这些气体存在的条件下进行时，能合成P型或N型导电性硅膜。
虽然反应气体和稀释气体的导入速率依制造条件而异，但是当要得到高结晶度的膜时，通常较佳的是将气体导入，使得总导入速率在50-1000cc/min的范围内。此外，虽然对反应气体和稀释气体的混合比没有特别的限制，但是稀释气体对反应气体的混合比(稀释气体/反应气体)越大，形成高结晶度硅膜的趋势就越明显。同时，通过调节膜形成温度、反应压力和粗气体混合比，可控制硅膜的定向。
在形成作为接合层的硅膜之后，将所得的基片从反应容器201中取出，放置在用于金刚石膜形成的装置“C”内部的基片安装台302上。用与形成接合层相同的方法，用真空泵将反应容器301的内部抽真空。用与形成接合层相同的方法，在反应容器301抽到压力5×10-6托以下时，不但将由反应气体流速调节器调节流速的气体通过反应气体供给口进料入反应容器301中，而且将由位于反应容器301外部的微波功率源312产生的微波传输通过调谐器311，由此将反射损失减至最小，使微波通过微波导管310并输入反应容器301中。从而在基片安装台302上生成了微波气体等离子体，使得金刚石膜形成在已设置了接合层的基片313上。在金刚石膜形成的阶段，从膜生长的初始阶段开始，向作为接合层的硅膜施加直流电压约1小时，这对于形成高结晶度的金刚石膜特别有效。施加的电压较好是+500V至-500V。金刚石膜的形成较好是在反应容器301内部的压力为0.1毫托-300托、更好是50毫托-200托下进行。在该压力下，可有效地形成高结晶度的均匀及均质的硅膜。在本发明的制造方法中，虽然对在形成金刚石膜过程中的基片温度没有特别的限制，但是较好是600-1200℃，更好是700-1100℃。在微波等离子体CVD法中，虽然等离子体生成功率源的输出要根据形成的金刚石膜的特性适当地选择，但是其通常为300W-10kW。微波振动频率较好是500MHz-5GHz，更好是1-4GHz。可是，这些条件要根据用于上述合成的装置的容量和形状来确定，不应一成不变。
含碳的可气化物质，如甲烷、乙炔、二氧化碳和一氧化碳通常用作反应气体，被引入反应容器301中。这些沉积气体可用非沉积气体，例如氢气、氮气、氦气、氩气、氙气、氖气、氪气或氧气来稀释。
同时，可在合成金刚石膜之前，用上述气体混合含有属于元素周期表第III族或第V族的元素的可气化化合物，如乙硼烷或膦。当金刚石膜的合成在这些气体存在的条件下进行时，能合成P型或N型导电性金刚石膜。
虽然反应气体和稀释气体的导入速率依制造条件而异，但是当要得到高热导率的金刚石膜时，通常较佳的是将气体导入，使得总导入速率在50-6000cc/min的范围内。此外，虽然对反应气体和稀释气体的混合比没有特别的限制，但是稀释气体对反应气体的混合比(稀释气体/反应气体)越大，形成高结晶度金刚石膜的趋势就越明显。
实施例
以下，将参照下述实施例进一步描述本发明，但是，本发明无论如何不限于这些实施例。
在以下实施例和比较例中，各硅膜通过使用图2所示结构的装置来形成，各金刚石膜通过使用图3所示结构的装置来形成。而且，在下述的各个实施例和比较例中，接合层、金刚石膜和最终得到的散热片根据以下方法(1)-(4)来评价。
(1)膜厚度的测定
在接合层的厚度的测定中，预先使硅或钨膜形成在石英基片上，然后使用示踪型膜厚度计来测定膜的厚度。用测得的厚度除以生产时间，由此预先确定膜的形成速率。具体的接合层的厚度通过用膜的形成速率乘以形成具体的接合层所花的时间来计算。另一方面，金刚石膜的厚度通过用扫描电子显微镜观察剖面构形来确定。
(2)定向
硅膜和金刚石膜的定向通过X射线衍射测量来观察。对硅膜而言，属于晶面(111)、(220)、(311)和(400)的峰分别出现在28.4°(2θ/°)、47.3°(2θ/°)、56.1°(2θ/°)和69.1°(2θ/°)。另一方面，对金刚石膜来说，属于晶面(111)、(220)、(311)和(400)的峰分别出现在43.95°(2θ/°)、75.40°(2θ/°)、91.60°(2θ/°)和119.7°(2θ/°)。因此，这些定向通过相互比较它们的强度来评价。
(3)结晶度
结晶度通过测定出现在拉曼散射光谱中约1333cm-1处的散射波形的半值宽度来评价。半值宽度或半宽度(FWHM)越小，结晶度越高。
(4)热导率
热导率由以下公式计算：
热导率(W/mK)＝密度(g/cm3)×比热(J/gK)×热扩散系数(cm2/s)×100(常数)。
这里的密度通过水下密度测量法来测定，热扩散系数通过依据二维环法的非线性回归分析来确定。
实施例1
将含有氮化铝作为主要成分的陶瓷基片(25mm×25mm×0.5mm厚)置于射频等离子体CVD装置的内部的基片安装台上。将反应容器的内部抽成真空，同时将基片安装台加热至120℃。保持装置不受干扰约30分钟，直到基片温度稳定，并确定反应容器中的压力减小至5×10-6托以下。将甲硅烷气体和氢气分别以3cc/min和100cc/min的流速引入反应容器中，并通过调节排气阀将反应容器的内部压力设定为1.5托。接着，使用调谐器调谐从输出为50W的射频功率源发出的射频波，使得射频波的反射损失减至最小，并输入到射频施加电极上。施加射频功率约2000秒，使得100nm厚的硅膜沉积在基片上。在沉积反应完成后，将反应容器内部的残余气体排出，并且在确定基片温度降至100℃以下后，打开反应容器使之暴露在大气中。然后，从射频等离子体CVD装置中取出用硅膜覆盖的基片。检查所形成的硅膜的定向，确认在特定的晶面上没有强定向。此外，测定具有硅膜沉积在其上的基片的热导率。测定结果显示热导率约为200W/mK。
随后，为了叠加金刚石膜，将所得的基片置于微波等离子体CVD装置内部的基片安装台上。将反应容器的内部抽成真空，同时将基片安装台加热至1000℃。保持装置不受干扰约1小时，直到基片温度稳定，并确定反应容器中的压力减小至5×10-6托以下。将甲烷气体和氢气分别以12cc/min和300cc/min的流速引入反应容器中，并通过调节排气阀将反应容器的内部压力设定为100托。接着，使用调谐器调谐从输出为5kW的微波功率源发出的微波以使微波的反射损失减至最小，使其通过由石英构成的窗导入反应容器中。施加微波功率约10小时，使得50μm厚的金刚石膜沉积在基片上。在沉积反应完成后，确定基片温度降至100℃以下，随后打开反应容器使之暴露在大气中。然后，从微波等离子体CVD装置中取出用硅膜和金刚石膜覆盖的基片。用眼睛观察基片上的金刚石膜，发现金刚石膜成形扩展到基片的边缘，并且没有膜的剥落。用显微镜观察金刚石膜的一个截面，并测定金刚石膜的厚度。发现其厚度约为50μm。随后，用拉曼散射光谱估测基片上的金刚石的结晶度。结果，发现属于金刚石的结构的出现在约1333cm-1处的峰的FWHM约为8.5cm-1。此外，检查金刚石层的定向，发现对接合层而言，确认在特定的晶面上没有强定向。而且，测定所得的层压制品(散热片)的热导率。测定结果显示热导率约为350W/mK。从热导率值计算得金刚石膜的热导率为1850W/mK。
实施例2
除了合成的金刚石膜的厚度为200μm以外，用与实施例1相同的方法制造散热片。用眼睛观察基片上的金刚石膜，发现金刚石膜成形扩展到基片的边缘，并且没有膜的剥落。用显微镜观察金刚石膜的一个截面，并测定金刚石膜的厚度。发现其厚度约为200μm。随后，用与实施例1相同的方法检查基片上的金刚石的结晶度。结果，发现FWHM约为6.8cm-1。此外，检查所得的金刚石层的定向，确认在特定的晶面上没有强定向。而且，测定所得的散热片的热导率。测定结果显示，用金刚石膜层压之后的热导率约为720W/mK，而用接合层压之后的热导率约为200W/mK。从这些值计算得金刚石膜的热导率为2000W/mK。
实施例3
除了接合层由W构成以外，用与实施例1相同的方法制造散热片。用眼睛观察基片上的金刚石膜，发现金刚石膜成形扩展到基片的边缘，并且没有膜的剥落。用显微镜观察金刚石膜的一个截面，并测定金刚石膜的厚度。发现其厚度约为50μm。随后，检查基片上的金刚石的结晶度。结果，发现FWHM约为8.0cm-1。此外，检查所得的金刚石层的定向，确认在特定的晶面上没有强定向。而且，测定所得的散热片的热导率。测定结果显示，用金刚石膜层压之后的热导率约为360W/mK，而用接合层压之后的热导率约为210W/mK。从这些值计算得金刚石膜的热导率为1860W/mK。
比较例1
除了不形成接合层以外，用与实施例1相同的方法制造散热片。用眼睛观察基片上的金刚石膜，发现在基片边缘附近有膜的剥落。
比较例2
除了接合层的材料换成镍以外，用与实施例3相同的程序制造散热片。可是，不能得到所需厚度的均匀的金刚石膜。这表明镍不适用于接合层。
实施例4
除了将基片安装台加热至300℃，并且射频功率源的输出为10W以外，用与实施例1相同的方法将100nm厚的硅膜沉积在基片上。用与实施例1相同的方法检查所得的硅膜的定向。发现硅膜具有(111)的定向。此外，检查其上沉积了硅膜的基片的热导率。发现热导率约为200W/mK。
随后，用与实施例1相同的方法，在上述其上沉积了硅膜的基片上形成厚50μm的金刚石膜。这样就得到了散热片。检查基片上的金刚石的结晶度。结果，发现FWHM约为7.9cm-1。此外，检查所得的金刚石层的定向，确认了以下结果的实现：属于晶面(111)的衍射峰比其它峰约大2.5倍。而且，测定所得的散热片的热导率。该热导率约为370W/mK。从这些热导率值计算得金刚石膜的热导率为2070W/mK。
实施例5
除了关于形成硅膜的条件，将基片加热至120℃以外，用与实施例4相同的方法制造散热片。散热片的各种评价方法都有效。结果，发现关于在基片上的金刚石的结晶度，FWHM约为7.7cm-1。此外，关于硅膜和金刚石膜，确认了以下结果的实现：属于晶面(220)的衍射峰比其它峰约大4倍。而且，其上沉积了硅膜的基片和最终所得的散热片的热导率值分别为200W/mK和380W/mK。从这些热导率值计算得金刚石膜的热导率为2180W/mK。
实施例6
除了在形成接合层的阶段以5cc/min的流速进料乙硼烷，并且在金刚石膜形成的初始阶段向接合层施加-100V的直流电压30分钟以外，在与实施例5相同的条件下制造散热片。散热片的各种评价方法都有效。结果，发现关于在基片上的金刚石的结晶度，FWHM约为7.3cm-1。此外，关于硅膜和金刚石膜，确认了以下结果的实现：属于晶面(220)的衍射峰比其它峰约大4倍。而且，其上沉积了硅膜的基片和最终所得的散热片的热导率值分别为200W/mK和400W/mK。从这些热导率值计算得金刚石膜的热导率为2400W/mK。
发明的效果
由于使用了上面形成金刚石膜的主要由高热导率的氮化铝构成的陶瓷基片(AlN基片)，本发明的散热片显示了较高的热辐射效率。此外，该基片是绝缘体，从而可用于用金刚石膜覆盖部分基片，而电路形成在基片的其它部分上。而且，在本发明的散热片中，基片和金刚石膜以令人满意的强度接合在一起，使得即使在使用过程中重复地进行加热/冷却热的循环，金刚石膜也不会剥落或龟裂。因此，该散热片可长期稳定地使用。
本发明的制造方法能有效地制造上述本发明的散热片。此外，当根据汽相法直接在AlN基片上形成金刚石膜的现有技术不能形成高质量的金刚石膜时，由于插入了特定物质的接合层，虽然这不是直接地形成，本发明的制造方法也能在AlN基片上形成高质量的金刚石膜。

Claims (7)

1.一种散热片，它包含具有至少一个含有氮化铝作为主要成分的平面的陶瓷基片，以及叠加在陶瓷基片的所述平面之上的金刚石膜层，其特征在于：所述陶瓷基片和金刚石膜层通过插在它们之间的接合层接合在一起，所述接合层由定向于特定晶面的结晶体构成。
2.根据权利要求1所述的散热片，其特征在于：所述接合层由选自硅、碳化硅、钨、碳化钨、CuW、Cu-Mo合金、Cu-Mo-W合金、氮化硼、氮化碳和钛中的至少一种材料构成。
3.根据权利要求1所述的散热片，其特征在于：所述接合层由定向于晶面(111)、晶面(220)或晶面(400)的多晶硅构成。
4.根据权利要求3所述的散热片，其特征在于：所述多晶硅含有掺杂物。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的散热片，其特征在于：所述金刚石膜层的热导率在800W/mK以上。
6.一种制造散热片的方法，它包含以下步骤：
提供具有至少一个含有氮化铝作为主要成分的平面的陶瓷基片，
在所述陶瓷基片的至少部分平面上形成接合层，所述接合层由定向于特定晶面的结晶体构成，以及
在所述接合层上形成金刚石膜。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述接合层由导电物质形成，在直流电压施加在接合层上的同时，用微波CVD法或热丝CVD法在接合层上形成金刚石薄膜。
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