DE69531390T2

DE69531390T2 - Substrat, Halbleiteranordnung, Anordnung für Elementmontage

Info

Publication number: DE69531390T2
Application number: DE69531390T
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Itami-shi Yamamoto; Keiichiro Itami-shi Tanabe; Katsuko Itami-shi Harano; Nobuhiro Itami-shi Ota; Naoji Itami-shi Fujimori
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1995-11-30
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2015-12-01
Also published as: US5785754A; EP1154476A1; EP0715352A1; DE69531390D1; EP1154476B1; EP0715352B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Substrat, insbesondere ein wärmeableitendes Substrat, eine Halbleitervorrichtung und eine an einem Element befestigte Vorrichtung umfassend das Substrat und ein Verfahren zum Vorbereiten des Substrats. Das Substrat der vorliegenden Erfindung ist zum Befestigen und Kühlen eines Elementes mit einer hohen Erwärmungsdichte, wie etwa ein Halbleiterelement, z. B. eine MPU mit ultrahoher Geschwindigkeit und ein großer Ausgabehalbleiterlaser geeignet. Das Element kann eine strikte Temperatursteuerung erfordern und kann bei einer hohen Dichte befestigt sein.
Es wird Bezug genommen auf "Fabrication of Microchannels in Synthetic Polycristalline Diamond Thin Films for Heat Sinking Applications" von Ramesham et al, veröffentlicht in Journal of the Electrochemical Society 138 (1991) Juni, Nr. 6, auf Seite 1706.
Ein Halbleiterlaser, der in einem Unterwasserkabel und dergleichen verwendet wird, hat eine zunehmend große Ausgabe für eine Durchführung einer Langstreckenübertragung und hat eine rasch angewachsene exotherme Menge. Mit der Verdichtung und höherer Bearbeitungsgeschwindigkeit eines Informationsbearbeitungssystems und dergleichen wird eine Verarbeitbarkeit pro einer Einheitsfläche des Halbleiterelementes, das in einer Vorrichtung enthalten ist, rasch vergrößert. Dies führt eine Erhöhung einer entwickelten Wärme pro Einheitsfläche in der Halbleitervorrichtung ein. Die Wichtigkeit einer Einhaltung der wärmeableitenden Eigenschaft lenkt die Aufmerksam keit auf die Gestaltung des Substrats. Das obige Element erfordert es, eine strikte Steuerung der Betriebstemperatur aufzuweisen und die Änderung der Elementtemperatur bewirkt z. B. die Verschiebung einer generierten Wellenlänge.
Das Material, wie etwa Aluminium, welches hauptsächlich für das Gehäuse verwendet wird, hat das Problem von Wärmeableitung, wenn das obige Hochleistungselement befestigt ist. Ein gegenwärtig verwendetes Gehäuse hat einen hohen inhärenten thermischen Widerstand und kann die Wärme von dem Element selbst nicht ausreichend ableiten, sodass das Element eine erhöhte Temperatur hat und fehlerhaft arbeitet oder ausbricht. Um die obigen Probleme zu lösen, ist es effektiv, ein Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit zu verwenden. Diamant mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit von allen Materialien wird als eine Halbleiterlaserdiode und dergleichen verwendet.
Die Wärme, die durch das wärmeableitende Substrat transportiert wird, sollte schließlich durch Übertragung der Wärme zur äußeren Luft oder zu Kühlwasser ausgelassen werden. Wenn die Wärme, die durch das angebrachte Halbleiterelement entwickelt wird, groß ist, muss ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet werden und es ist wichtig, von dem Substrat eine große Menge der Wärme, die von dem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgesendet wird, effektiv abzugeben. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, einen Wärmeableitungsbereich und eine Wärmeableitungseffizienz durch Anbringen der Lamellen oder des Kühlrohrs an der Hinterseite des Substrats zu vergrößern. Wenn das Kühlrohr an dem Substrat befestigt wird, ist es unmöglich, das Hinzufügen eines überschüssigen Wärmewiderstands an dem befestigten Teil zu verhindern. Die Lamellen haben eine geringere Kühleffizienz als das Kühlrohr. Die Entwicklung des Substrats mit der hohen Wärmeableiteigenschaft, die eine effiziente Kühleigenschaft ergeben kann, ist erforderlich.
Die Verbesserung einer Verarbeitungsgeschwindigkeit eines Halbleiterelements, insbesondere eines LSI, und die Entwicklung von einer Befestigungstechnik einer tragbaren Informationsbearbeitungsmaschine sind erstaunlich. Wegen der Verbesserung der Bearbeitungsgeschwindigkeit des LSI kann eine Signalverzögerung, die durch die Verdrahtung zwischen den Chips verursacht wird, nicht vernachlässigt werden. Außerdem ergeben die Erfordernisse nach der tragbaren Informationsbearbeitungsmaschine eine rasche Erhöhung der Befestigungsdichte des LSI.
Das befestigte Substrat, das die obigen Anforderungen erfüllt, muss zwei widersprüchliche Anforderungen erfordern, wobei eine ist, die wesentliche Befestigungsdichte von jedem Halbleiterelement zu erhöhen, und die andere ist, die entwickelte Wärme effizient zu entfernen. Eine Befestigungstechnik hoher Dichte, wie etwa ein MCM-(Mehrfach-Chip-Modul, Multi Chip Module) Substrat wird entwickelt, um hauptsächlich für eine CPU eines Supercomputers verwendet zu werden.
Bezüglich des MCM-Substrats wird eine AIN-Platine für ein Substrat verwendet, von der erfordert wird, die höchste Wärmeableiteigenschaft aufzuweisen. AIN hat jedoch eine Wärmeleitfähigkeit von nur ungefähr 2 W/cm·K. Es ist schwierig, AIN zum Befestigen der Elemente mit einer höheren entwickelten Wärmedichte bei einer höheren Befestigungsdichte und Elementen zu verwenden.
Die japanische Patent-Kokai-Veröffentlichung Nr. 273466/1992 legt offen, dass ein Kühlmittel durch eine Struktur durch Vorbereitung eines Lochs ein einer Seitenfläche in einem dreidimensionalen Substrat einer integrierten Schaltung, das Diamant umfasst, geleitet wird. Diese Struktur hat jedoch eine schlechte Effizienz, da der Teil, der einen Flusspfad einschließt, von einem zentralen Teil des Substrats getrennt ist (ein Teil, von dem angenommen wird, einen höchsten Temperaturanstieg aufzuweisen).
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben sich intensiv bemüht, die obigen Probleme zu lösen und ein Substrat mit einer hohen Kühleffizienz zu haben, und haben entdeckt, dass die Bildung eines Flusspfades zum direkten Weiterleiten eines Kühlmittels durch ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ein Substrat mit einer bemerkenswert verbesserten Wärmeableitungseigenschaft im Vergleich zu einem Substrat des Stands der Technik ergibt.
Entsprechend sieht die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt ein Substrat vor umfassend mindestens einen Kanal, der einem Flusspfad zum Weiterleiten eines Kühlmediums vorsieht, der innerhalb mindestens einer ersten Schicht eingebettet ist, die aus Material einer hohen Wärmeleitfähigkeit mit hoher Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/cm·K hergestellt ist, wobei der Kanal vollständig durch das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben oder zwischen zwei Schichten aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingelegt ist.
In einem zweiten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine an einem Element befestigte Vorrichtung vor, wobei mindestens ein Kanal, der einen Flusspfad zum Weiterleiten eines Kühlmediums vorsieht, der innerhalb eines Substrats, das aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/cm·K hergestellt ist, eingebettet ist, und mindestens ein Erwärmungselement mit einer maximalen Wärmedichte von mindestens 1 W/cm² an dem Substrat befestigt ist, wobei der Kanal vollständig durch das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben oder zwischen zwei Schichten aus dem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingelegt ist.
In einem dritten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Halbleitervorrichtung mit mindestens zwei geschichteten Substraten vor, wobei mindestens ein Kanal, der einen Flusspfad vorsieht, innerhalb jedes Substrats, das aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/cm·K hergestellt ist, eingebettet ist, mindestens ein Element an jedem Substrat angebracht ist und eine Metallverdrahtung zum Verbinden zwischen den Elementen an oder in dem Substrat positioniert ist, wobei der Kanal vollständig durch das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben oder zwischen zwei Schichten aus dem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingelegt ist.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe zur Wirkung gebracht werden kann, wird nun als ein Beispiel Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen, in denen:
1 Raman-Spektroskopien von Diamant und Nicht-Diamant-Kohlenstoff sind;
2 ein schematischer Grundriss eines Substrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, in der ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit einen Umkreis eines Flussespfades umgibt;
3 eine schematische Seitenansicht des in 2 gezeigten Substrats ist;
4 ein schematischer Grundriss einer zusätzlichen Ausführungsform eines Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung ist, in der ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit einen Umkreis eines Flusspfades umgibt;
5 eine Querschnittsansicht eines Flusspfades ist, der in einem Substrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wird;
6 eine schematische perspektivische Ansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine schematische Querschnittsansicht eines Teils der Halbleitervorrichtung von 6 ist; und
8 ein schematischer Grundriss einer anderen Ausführungsform eines Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung ist, in der ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit einen Umkreis eines Flusspfades umgibt.
Die vorliegende Erfindung wird detailliert erläutert.
In einer Ausführungsform des Substrats der vorliegenden Erfindung wird die Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf dem Basismaterial laminiert und die Nut (nämlich ein Flusspfad oder ein Kanal) zum Weiterleiten des Kühlmediums (oder Kältemittels) wird in der Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit an der Schnittstelle zwischen der Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und dem Basismaterial ausgebildet. Die Wärme, die von dem Erwärmungselement entwickelt wird, wie etwa einem Halbleiterelement, das an der Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit positioniert ist, wird in die Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bei einem kleinen Wärmegradienten übertragen und durch das Kühlmedium, das durch die Nut strömt, die an der hinteren Fläche des Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, entfernt.
Die Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hat vorzugsweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit, da die Temperatur des Elements beträchtlich verringert werden kann. Die Wärmeleitfähigkeit ist vorzugsweise so groß die möglich und ist geeigneter Weise mindestens 10 W/cm·K. Spezielle Beispiele des Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind natürlicher Diamant, synthetischer Diamant durch ein Hochdruck- und Hochtemperaturverfahren und durch chemischen Dampf abgelagerter (chemical vapor deposited, CVD) Diamant. Diese sind für die Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit geeignet. Wenn Diamant durch die Ablagerung durch chemischen Dampf vorbereitet wird, kann die Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit einer relativ großen Fläche zu einem günstigen Preis erhalten werden. Die Wärmeleitfähigkeit hängt allgemein von der Temperatur ab. Die Wärmeleitfähigkeit von Diamant verringert sich, während sich die Temperatur in dem Bereich oberhalb der Raumtemperatur erhöht. In dem Fall des Substrats, das ein gewöhnliches Element befestigt (z. B. ein elektronisches Element, wie etwa ein Halbleiterelement), ist die Temperatur des befestigten Elements höchstens zwischen 100°C und 200°C und die Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hat in diesem Temperaturbereich vorzugsweise die Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/cm·K. Die Dicke der Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist vorzugsweise mindestens 30 μm, wünschenswerter mindestens 70 μm. Die obere Grenze der Dicke der Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist gewöhnlich 10 mm, z. B. 5 mm. Die Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann halbleitend oder leitend sein, und ist vorzugsweise isolierend. Die Widerstandsgröße des Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist vorzugsweise mindestens 1 × 108 Ω·cm, wünschenswerter mindestens 1 × 109 Ω·cm.
Der Flusspfad hat typischerweise eine rechteckige Querschnittsform. Die Tiefe der Nut, die in dem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorhanden ist, ist vorzugsweise wegen der Erhöhung der Wärmeaustauscheffizienz größer, aber die sehr große Tiefe der Nut ergibt nachteiliger weise die schlechte mechanische Festigkeit. Die Tiefe (c) der Nut ist vorzugsweise mindestens 20 μm, wünschenswerter mindestens 50 μm. Die Tiefe (c) der Nut ist vorzugsweise höchstens 90%, wünschenswerter höchstens 80%, z. B. höchstens 70% der Dicke der Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Die größere Breite (a) der Nut ergibt die größere Wärmeaustauscheffizienz, aber die sehr große Breite ergibt die kleinere Wärmeaustauscheffizienz wegen der verringerten Anzahl der Nuten zum Aufrechterhalten der Festigkeit des Teils, der das Basismaterial kontaktiert. Der Abstand (b) zwischen den Nuten verhält sich auf die gleiche Art und Weise wie in der Breite, und der sehr große oder kleine Abstand ergibt nachteiliger Weise die schlechten Ergebnisse. Die Breite (a) der Nut und der Abstand (b) zwischen den Nuten sind vorzugsweise von 20 μm bis 10 mm, wünschenswerter von 40 μm bis 2 mm, am wünschenswertesten von 50 μm bis 2 mm. Das Verhältnis (a/b) der Breite (a) zu dem Abstand (b) hat die untere Grenze von vorzugsweise 0,02, wünschenswerter 0,04 und die obere Grenze von vorzugsweise 50, wünschenswerter 25. Das Verhältnis (a/c) der Breite (a) zu der Tiefe (c) hat die untere Grenze von vorzugsweise 0,05, wünschenswerter 0,1 und die obere Grenze von vorzugsweise 100, wünschenswerter 50 (vgl. 7).
Die optimale Breite, Abstand und Tiefe hängen von dem Element ab, das an dem wärmeableitenden Substrat befestigt ist. Die Querschnittsform der Nut muss nicht rechteckig sein und kann halbkreisförmig, halboval oder von einer komplizierten Form sein. In einem Substrat können die Werte a, b und c nicht konstant sein und können in dem obigen Bereich variiert wer den. Das Verhältnis einer Schichtoberfläche aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die durch die Nut belegt wird, ist gewöhnlich 2 bis 90%, vorzugsweise 10 bis 80%, des Oberflächenbereichs einer Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Ein Winkel (Abschrägungswinkel) zwischen der Seitenfläche der Nut und der Linie senkrecht zu der Oberfläche der Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist vorzugsweise höchstens 30°.
Die Nut zum Weiterleiten des Kühlmediums kann geeigneter Weise gemäß der Position des Erwärmungselements derart ausgebildet sein, wie das Halbleiterelement an dem Substrat befestigt ist. Die Nut ist vorzugsweise ausgebildet, sodass ein Teil mit der höchsten Temperatur, die durch das befestigte Erwärmungselement verursacht wird, wie etwa das Halbleiterelement, oder ein Teil, der die niedrigste Temperatur haben muss, am effektivsten gekühlt wird. Die Nut ist positioniert, sodass die größte Menge des Kühlmediums einen Teil durchströmt, der am meisten gekühlt werden muss. Die Kühleffizienz kann durch Verkomplizierung der Querschnittsform der Nut derart erhöht werden, um den Oberflächenbereich der Nut zu erhöhen. Ein Teil nahe einem Einlass für das Kühlmedium hat eine hohe Kühleffizienz, da das Kühlmedium die niedrigste Temperatur hat. Wenn entsprechend eine Wärmeverteilung des Erwärmungselements einheitlich ist, ist es, da ein zentraler Teil die höchste Temperatur hat, vorteilhaft wirksam, dass der Einlass in dem zentralen Teil ausgebildet ist und die Kühlnut in einer Spirale oder einer radialen Form positioniert ist.
Die Nut kann durch Bearbeitung der Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit durch einen Laserprozess (z. B. die Verwendung eines Excimer-Lasers) oder einen Ätzprozess ausgebildet werden.
Es kann eine Schicht aus einer Nicht-Diamant-Kohlenstoffkomponente (z. B. Grafit oder nicht-kristalliner Kohlenstoff) mit der Dicke von 1 nm bis 1 nm auf der Oberfläche der Nut vorhanden sein. Die Nicht-Diamantschicht kann durch Erwärmung der Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bei 1000– 1500°C für 30 Minuten bis zu 10 Stunden (z. B. eine Stunde) in einer Nicht-Oxidationsatmosphäre (z. B. einer Atmosphäre aus Edelgas) vorbereitet werden (in diesem Fall wird auch die Nicht-Diamantschicht auf der Oberfläche der hohen Wärmeleitfähigkeit mit Ausnahme einer Nut ausgebildet, und die Nicht-Diamantschicht kann durch einen Polierprozess entfernt werden). Das Vorhandensein und Fehlen der Nicht-Diamantschicht kann durch Raman-Spektroskopie gemessen werden.
Eine Benetzbarkeit der Nutenoberfläche durch das Kühlmedium ist vorzugsweise gut. Ein Kontaktwinkel beträgt gewöhnlich höchstens 65°, wünschenswerter höchstens 60°. Da eine Oberfläche aus Diamant ein Wasserstoffatom hat, stößt die Oberfläche das Kühlmedium, wie etwa Wasser, in einem derartigen Zustand ab. Es ist möglich, die hydrophile Eigenschaft der Oberflächenschicht aus Diamant durch Ersetzen der hydrophilen Gruppe mit dem Sauerstoffatom (z. B. OH-Gruppe) für das Wasserstoffatom zu erhöhen.
Um die Benetzbarkeit der Nutenoberfläche zu erhöhen, wird die Nut bei 500–800°C für zehn Minuten bis zu 10 Stunden in einer Oxidationsatmosphäre (z. B. einer atmosphärischen Umgebung) ausgeglüht oder durch ein Plasma aus Sauerstoff oder ein Gas, das Sauerstoff enthält, bearbeitet. Es wird vorausgesetzt, dass die hydrophile Eigenschaft etwas erhöht wird, wenn ein Sauerstoffplasma für die Ausbildung der Nut verwendet wird, aber die obige Prozedur kann zusätzlich durchgeführt werden.
Der Prozess zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Nutenoberfläche durch das Kühlmedium schließt eine Plasmabehandlung in einem Gas, das Stickstoff, Bor oder Edelgas enthält, ein.
Spezielle Beispiele des Kühlmediums sind Wasser, Luft, ein Edelgas (z. B. Stickstoff und Argon), ein Fluor-Kohlenstoff, flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff und flüssiges Helium.
Das Element, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann ein Halbleiterelement sein, z. B. ein Halbleiterlaser, eine MPU (Mikroprozessoreinheit) und ein IC. Wenn das Substrat der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird das Element effizient gekühlt, sodass der Temperaturanstieg des Elements verhindert wird. Wenn das Element die erhöhte Temperatur hat, verschiebt sich die Wellenlänge des Halbleiterlasers zu der längeren Wellenlänge. In der vorliegenden Erfindung verschiebt sich jedoch die Wellenlänge niemals zu der längeren Wellenlänge, da das Element keine erhöhte Temperatur hat.
Hierin nachstehend wird ein Verfahren zum Vorbereiten des Substrats mit der Nut für den Fluss des Kühlmediums erläutert.
Die Nut für den Fluss des Kühlmediums kann durch ein Bearbeitungsverfahren, das Laserlicht nutzt, oder durch selektives Ätzen vorbereitet werden.
Die Laserbearbeitung umfasst Entfernen des Materials durch Fokussieren des Laserlichts auf die Materialoberfläche, um die Nut auf der Oberfläche auszubilden. Gemäß diesem Prozess kann die Nut mit der beliebigen Positionierung erhalten werden. Das Laserlicht mit einer ausreichenden Energiedichte wird auf die Oberfläche des Materials mit hoher Wärmeleitfä higkeit fokussiert und die fokussierte Position wird bewegt, während das Material entfernt wird, um die Nut auf der Oberfläche auszubilden. Spezielle Beispiele des Laserlichts sind ein YAG-Laser und ein Excimer-Laser. Der Excimer-Laser wird bevorzugt, da die Nut mit der beliebigen Tiefe und Position hinsichtlich der Bearbeitungsgenauigkeit reproduktiv gebildet werden kann.
Die Wellenlänge des Laserlichts ist vorzugsweise höchstens 360 nm, z. B. 190 bis 360 nm. Die Energiedichte des ausgestrahlten Lichts ist gewöhnlich von 10 bis 1011 W/cm². Es wird ein Impulslaserlicht, welches vorzugsweise eine Energiedichte pro einem Impuls zwischen 10^–1 J/cm² und 10⁶ J/cm² hat, bevorzugt. Die Divergenz des Laserlichts, das von dem Lasergenerator generiert wird, ist vorzugsweise von 10^–2 mrad bis 5 × 10^–1 mrad, und eine Bandbreite des Laserlichts ist vorzugsweise von 10^–4 nm bis 1 nm. Eine Gleichförmigkeit der Energieverteilung in dem Strahlenquerschnitt des Laserlichts beträgt vorzugsweise höchstens 10%. Durch Fokussieren des Impulslaserlichts durch eine zylindrische Linse oder einen zylindrischen Spiegel können gute Bearbeitungsergebnisse erhalten werden.
In einer derartigen Nutenbildung auf der Oberfläche durch den Excimer-Laser kann die Bearbeitung in der geeigneten Atmosphäre die Diamantoberfläche modifizieren und kann die Benetzbarkeit der Oberfläche durch das Kühlmedium verbessern.
Z. B. kann die obige Bearbeitung in der Atmosphäre, die eine eine Aminogruppe enthaltende Verbindung enthält (z. B. Ammoniak oder Hydrazin), die Aminogruppe auf der Oberfläche der ausgebildeten Nut ergeben, um die hydrophile Eigenschaft zu erhöhen.
Die Nutenbildung durch den Ätzprozess kann wie folgt durchgeführt werden. Nachdem eine geeignete Maske auf der Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, wird die Behandlung unter der Bedingung durchgeführt, dass die Maske nicht geätzt wird und nur das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit geätzt wird. Dann wird die Maske entfernt, um die Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit der Nut auf der Oberfläche zu ergeben. Es ist bekannt, dass das Maskenmaterial, wie etwa Al und SiO₂, auf Diamant ausgebildet wird und dann der Diamant durch Sauerstoff oder ein Gas, das Sauerstoff enthält, selektiv geätzt wird, um die Nut auf Diamant auszubilden (vergleiche Seite 411 von Volume II von Preprint of 53th meeting of the Japanese Applied Physics Society). Stickstoff oder Wasserstoff können anstatt Sauerstoff oder Gas, das Sauerstoff enthält, verwendet werden.
Wenn die Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit Diamant ist, der durch Ablagerung aus chemischem Dampf vorbereitet wird, kann das selektive Wachstum unter Verwendung einer Maske verwendet werden, um die Nut auszubilden, an Stelle des Laserlicht- oder Ätzprozesses. Dies wird in den japanischen Patent-Kokai-Veröffentlichungen Nr. 104761/1989 und 123423/1989 offengelegt. Es wird ein Maskenmaterial auf der Oberfläche des Basismaterials (z. B. Si, SiC, Cu, Mo, cBN und dergleichen) in dem Muster entsprechend der gewünschten Nut positioniert, und Diamant wird durch die Ablagerung aus chemischem Dampf abgelagert. Zu diesem Zeitpunkt wächst Diamant in den vertikalen und horizontalen Richtungen durch Ablagerung von mindestens 50 μm an Diamant und bedeckt die gesamte Oberfläche des Basismaterials. Nachdem das Basismaterial entfernt ist, z. B. aufgelöst, hat der resultierende Diamant die Nut auf der Oberfläche, die dem Basismaterial gegenüber liegt. Die Maske, die aus Ti, Si, Mo oder dergleichen hergestellt wird, kann durch eine konventionelle Prozedur vorbereitet werden. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass Diamant keinen Fehler bei der Bearbeitung hat, da die Belastung auf den Diamanten nicht nach dem Wachstum des Diamanten angewendet wird.
In dem obigen Verfahren wird an Stelle der Bildung der Maske das Platinenmaterial selbst bearbeitet, um die Höhlung und die Wölbung entsprechend der Nut auszubilden und dann wird Diamant auf dem Platinenmaterial durch die Ablagerung aus chemischem Dampf gezüchtet. Nachdem der Diamant mit der gewünschten Dicke gezüchtet ist, wird das Platinenmaterial entfernt, um den selbst-beständigen Diamantfilm mit der Nut auf der Oberfläche entgegenliegend zu dem Platinenmaterial zu ergeben. Spezielle Beispiele des Platinenmaterials sind Si, SiC, Mo und dergleichen.
In dem Substrat der vorliegenden Erfindung sind das Oberteil, Unterteil und Seiten des Flusspfades durch das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben. Die Wärme, die von dem Erwärmungselement entwickelt wird, wie etwa einem Halbleiterelement, das auf dem Substrat positioniert ist, wird in das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bei einem kleinen Temperaturgradienten gesendet und durch das Kühlmedium, das den Flusspfad durchströmt, entfernt.
Das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hat vorzugsweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit, da die Elementtemperatur beträchtlich verringert werden kann. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist vorzugsweise so groß wie möglich und ist geeigneter Weise mindestens 10 W/cm·K. Spezielle Beispiele des Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind natürlicher Diamant, synthetischer Diamant durch ein Hochdruck- und Temperaturverfahren und durch chemischen Dampf abgelagerter Diamant. Diese sind für das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit geeignet. Wenn Diamant durch Ablagerung aus chemischem Dampf vorbereitet wird, kann das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit einem relativ großen Bereich zu einem günstigen Preis erhalten werden. Die Wärmeleitfähigkeit hängt allgemein von der Temperatur ab. Die Wärmeleitfähigkeit von Diamant verringert sich, während sich die Temperatur in dem Bereich oberhalb der Raumtemperatur erhöht. In dem Fall des Substrats, das ein gewöhnliches Element befestigt (z. B. ein elektronisches Element, wie etwa ein Halbleiterelement), ist die Temperatur des befestigten Elements höchstens zwischen 100°C und 200°C, und das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hat vorzugsweise die Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/cm·K in diesem Temperaturbereich. Die Dicke des Substrats ist vorzugsweise mindestens 30 μm, wünschenswerter mindestens 70 μm. Die obere Grenze der Dicke des Substrats ist gewöhnlich 10 mm, z. B. 5 mm. Das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann halbleitend oder leitend sein, und ist vorzugsweise isolierend. Die Widerstandsfähigkeit des Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist vorzugsweise mindestens 1 × 10⁸ Ω·cm, wünschenswerter mindestens 1 × 10⁹ Ω·cm.
Der Flusspfad hat typischerweise eine rechteckige Querschnittsform. Die Höhe des Flusspfades, der in dem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorhanden ist, ist vorzugsweise wegen der Erhöhung der Wärmeaustauscheffizienz größer, aber die sehr große Höhe des Flusspfades ergibt nachteiliger Weise die schlechte mechanische Festigkeit des Substrats. Die Höhe (c) des Flusspfades ist vorzugsweise mindestens 20 μm, wünschenswerter mindestens 50 μm. Die Höhe (c) des Flusspfades ist vorzugsweise höchstens 90%, wünschenswerter höchstens 80%, z. B. höchstens 70% der Dicke des Substrats. Die größere Breite (a) des Flusspfades ergibt die größere Wärmeaustauscheffizienz, aber die sehr große Breite ergibt nachteiliger Weise die kleinere Wärmeaustauscheffizienz wegen der verringerten Anzahl der Flusspfade zum Aufrechterhalten der Festigkeit des Substrats. Der Abstand (b) zwischen den Flusspfaden ist in der gleichen Art und Weise wie in der Breite, und der sehr große oder kleine Abstand ergibt nachteiliger Weise die schlechten Ergebnisse. Die Breite (a) des Flusspfades und der Abstand (b) zwischen den Flusspfaden sind vorzugsweise von 20 μm bis 10 mm, wünschenswerter von 40 μm bis 2 mm, am wünschenswertesten von 50 μm bis 2 mm. Das Verhältnis (a/b) der Breite (a) zu dem Abstand (b) hat die untere Grenze von vorzugsweise 0,02, wünschenswerter 0,04, und die obere Grenze von vorzugsweise 50, wünschenswerter 25. Das Verhältnis (a/c) der Breite (a) zu der Höhe (c) hat die untere Grenze von vorzugsweise 0,05, wünschenswerter 0,1 und die obere Grenze von vorzugsweise 100, wünschenswerter 50.
Die optimale Breite, Abstand und Höhe hängen von dem Element ab, das an dem Substrat befestigt ist. Die Querschnittsform des Flusspfades muss nicht rechteckig sein und kann eine halbkreisförmige, halbovale oder komplizierte Form sein. In einem Substrat können die Werte von a, b und c nicht konstant sein und können in dem obigen Bereich variiert werden. Das Verhältnis der Substratoberfläche, die durch den Flusspfad belegt wird (das Verhältnis eines Oberflächenbereichs, der durch den Flusspfad belegt wird, zu dem Substratoberflächenbereich, wenn aus einer Richtung senkrecht zu der Substratoberfläche gesehen) ist gewöhnlich von 2 bis 90%, vorzugsweise 10 bis 80% des Oberflächenbereichs des Substrats. Ein Winkel (Abschrägungswinkel) zwischen der Seitenfläche des Flusspfades und der Linie senkrecht zu der Substratoberfläche ist vorzugsweise höchstens 30°.
Der Flusspfad zum Weiterleiten des Kühlmediums kann gemäß der Position des Elements, wie etwa des Halbleiterelements, das an dem Substrat befestigt ist, geeignet ausgebildet werden. Der Flusspfad wird vorzugsweise ausgebildet, sodass ein Teil mit der höchsten Temperatur, die durch das befestigte Erwärmungselement, wie etwa das Halbleiterelement, verursacht wird, oder ein Teil, der die niedrigste Temperatur haben muss, am effektivsten gekühlt wird. Der Flusspfad ist positioniert, sodass die größte Menge des Kühlmediums in einem Teil durchströmt, der am meisten gekühlt werden muss. Die Kühleffizienz kann durch Verkomplizierung der Querschnittsform des Flusspfades derart erhöht werden, um den Oberflächenbereich des Flusspfades zu erhöhen. Ein Teil nahe einem Einlass für das Kühlmedium hat eine hohe Kühleffizienz, da das Kühlmedium die niedrigste Temperatur hat. Wenn entsprechend die Wärmeverteilung des Erwärmungselements gleichförmig ist, ist es, da ein mittlerer Teil die höchste Temperatur hat, vorteilhaft wirksam, dass der Einlass in dem mittleren Teil ausgebildet wird und der Kühlflusspfad in einer Spirale oder einer radialen Form positioniert ist.
Eine Schicht aus einer Nicht-Diamant-Kohlenstoffkomponente (z. B. Grafit oder nicht-kristalliner Kohlenstoff) mit der Dicke von 1 nm bis 1 μm kann auf der Oberfläche des Flusspfades vorhanden sein. Die Nicht-Diamantschicht kann durch Erwärmung der Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bei 1000–1500°C für 30 Minuten bis zu 10 Stunden (z. B. eine Stunde) in einer Nicht-Oxidationsatmosphäre (z. B. in einer Atmosphäre aus Edelgas) vorbereitet werden (in diesem Fall wird auch die Nicht-Diamantschicht auf der Oberfläche der hohen Wärmeleitfähigkeit mit Ausnahme des Flusspfades ausgebildet, und die Nicht-Diamantschicht kann durch einen Polierprozess entfernt werden). Das Vorhandensein und Fehlen der Nicht-Diamantschicht kann durch Raman-Spektroskopie gemessen werden.
Eine Benetzbarkeit der Oberfläche des Flusspfades durch das Kühlmedium ist vorzugsweise gut. Ein Kontaktwinkel ist gewöhnlich höchstens 65°, wünschenswerter höchstens 60°. Da eine Oberfläche aus Diamant ein Wasserstoffatom hat, stößt die Oberfläche das Kühlmedium, wie etwa Wasser, in einem derartigen Zustand ab. Es ist möglich, die hydrophile Eigenschaft der Diamantoberflächenschicht durch Ersetzen der hydrophilen Gruppe mit dem Sauerstoffatom (z. B. OH-Gruppe) durch das Wasserstoffatom zu erhöhen.
Um die Benetzbarkeit der Oberfläche des Flusspfades zu erhöhen, wird der Flusspfad bei 500–800°C für 10 Minuten bis zu 10 Stunden in einer Oxidationsatmosphäre (z. B. einer atmosphärischen Umgebung) ausgeglüht oder durch ein Plasma aus Sauerstoff oder ein Gas, das Sauerstoff enthält, bearbeitet. Es wird angenommen, dass die hydrophile Eigenschaft etwas erhöht wird, wenn ein Sauerstoffplasma für die Bildung des Flusspfades verwendet wird, aber die obige Prozedur kann zusätzlich durchgeführt werden.
Der Prozess zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Flusspfadoberfläche durch das Kühlmedium schließt eine Plasmabehandlung in einem Gas, das Stickstoff, Bor oder Edelgas enthält, ein.
Spezielle Beispiele des Kühlmediums sind Wasser, Luft, ein Edelgas (z. B. Stickstoff und Argon), ein Fluor-Kohlenstoff, flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff und flüssiges Helium.
Das Element, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann ein Halbleiterelement sein, z. B. ein Halbleiterlaser, eine MPU (Mikroprozessoreinheit) und ein IC. Wenn das Substrat der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird das Element effizient gekühlt, sodass die Temperaturerhöhung des Elements verhindert wird. Wenn das Element die erhöhte Temperatur hat, verschiebt sich die Wellenlänge des Halbleiterlasers zu der längeren Wellenlänge. In der vorliegenden Erfindung verschiebt sich jedoch die Wellenlänge niemals zu der längeren Wellenlänge, da das Element keine erhöhte Temperatur hat.
Hierin nachstehend wird ein Verfahren zum Vorbereiten des Substrats mit dem Flusspfad, der durch das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben ist, erläutert.
Das Substrat kann durch direktes Perforieren des Substrats vorbereitet werden, um den Flusspfad durch den Laserprozess und dergleichen auszubilden. Das Substrat kann durch Ausbilden der Nut in einem Film und Befestigen des Films an einem anderen Film vorbereitet werden.
In dem früheren Verfahren wird eine Platine, die das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umfasst, vorgesehen, und das Laserlicht wird auf die Seitenfläche der Platine zur Perforierung fokussiert, um den Flusspfad für den Kühlmediumdurchgang in der Platine aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit auszubilden.
Ein Verfahren zum Befestigen eines ersten Films aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit einem zweiten Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit wird wie folgt erläutert. Der erste Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hat eine Nut, die einen Flusspfad bildet, und der zweite Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hat keine Nut. Es wird ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit in einer gewünschten Größe vorgesehen. An einer Oberfläche des ersten Films aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit wird der Flusspfad, der dann in dem endgültigen Substrat eingebettet wird, durch ein Bearbeitungsverfahren unter Verwendung von Laserlicht oder durch selektives Ätzen ausgebildet.
Die Laserbearbeitung umfasst Entfernen des Materials durch Fokussieren des Laserlichts auf die Materialoberfläche, um die Nut auf der Oberfläche auszubilden. Gemäß diesem Prozess kann der Flusspfad mit der beliebigen Positionierung erhalten werden. Das Laserlicht mit ausreichender Energiedichte wird auf die Oberfläche des Films aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit fokussiert und die fokussierte Position wird bewegt, während das Material entfernt wird, um die Nut auf der Oberfläche auszubilden. Spezielle Beispiele des Laserlichts sind YAG-Laser und Excimer-Laser. Der Excimer-Laser ist wünschenswert, da die Nut mit der beliebigen Höhe und Position wegen der Bearbeitungsgenauigkeit reproduktiv ausgebildet werden kann.
Die Wellenlänge des Laserlichts ist vorzugsweise höchstens 360 nm, z. B. von 190 bis 360 nm. Die Energiedichte des ausgestrahlten Lichts ist gewöhnlich von 10 bis 10¹¹ W/cm². Ein Impulslaserlicht, das vorzugsweise eine Energiedichte pro einem Impuls zwischen 10^–1 J/cm2 und 10⁶ J/cm² hat, ist wünschenswert. Die Divergenz des Laserlichts, das von dem Lasergenerator generiert wird, ist vorzugsweise von 10^–2 mrad bis 5 × 10^–1 mrad, und eine Bandbreite des Laserlichts ist vorzugsweise von 10^–4 nm bis 1 nm. Eine Gleichförmigkeit der Energieverteilung in dem Strahlenquerschnitt des Laserlichts ist vorzugsweise höchstens 10%. Durch Fokussieren des Impulslaserlichts durch eine zylindrische Linse oder einen zylindrischen Spiegel können gute Prozessergebnisse erhalten werden.
In einer derartigen Flusspfadausbildung auf der Oberfläche durch den Excimer-Laser kann die Bearbeitung in der geeigneten Atmosphäre die Diamantoberfläche modifizieren und kann die Benetzbarkeit der Oberfläche durch das Kühlmedium verbessern. Z. B. kann die obige Bearbeitung in der Atmosphäre, die eine eine Aminogruppe enthaltende Verbindung (z. B. Ammoniak oder Hydrazin) enthält, die Aminogruppe auf der Oberfläche des ausgebildeten Flusspfades ergeben, um die hydrophile Eigenschaft zu erhöhen.
Die Flusspfadausbildung durch den Ätzprozess kann wie folgt durchgeführt werden. Nachdem eine geeignete Maske auf dem Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, wird die Behandlung unter der Bedingung durchgeführt, dass die Maske nicht geätzt wird und nur das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit geätzt wird. Dann wird die Maske entfernt, um den ersten Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit der Nut auf der Oberfläche zu ergeben. Es ist bekannt, dass das Maskenmaterial, wie etwa Al und SiO², auf Diamant ausgebildet wird, und der Diamant dann durch Sauerstoff oder ein Gas, das Sauerstoff enthält, selektiv geätzt wird, um den Flusspfad auf Diamant auszubilden (vergleiche Seite 411 von Volume II of Preprint of 53th meeting of the Japanese Applied Physics Society). Stickstoff oder Wasserstoff können anstatt von Sauerstoff oder des Gases, das Sauerstoff enthält, verwendet werden.
Der erste Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit der gewünschten Nut wird dem getrennt vorgesehenen zweiten. Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit angehaftet, um das Substrat mit der sehr großen Wärmeableitungseffizienz zu ergeben. Der zweite Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann provisorisch einen Einlass und einen Auslass zum Einführen (und Ausstoßen) des Kühlmediums in den Flusspfad, der in der Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, aufweisen.
Obwohl das Verfahren zum Vorsehen nur des ersten Films aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit der Nut oben erläutert wird, ist es möglich, dass die Nut auch in dem zweiten Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet wird und eine Oberfläche des ersten Films aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit der Nut einer Oberfläche des zweiten Films aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit der Nut angehaftet wird. Da dieses Verfahren einen komplizierten Prozess hat, ist es wünschenswert, die Nut nur in dem ersten Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit auszubilden.
Die Anhaftung des ersten Films aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu dem zweiten Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann durch eine Metallisierungsbehandlung oder ein Klebemittel durchgeführt werden. Zwei angehaftete Oberflächen können durch eine konventionelle Prozedur metallisiert werden und das Metall kann geschmolzen werden. Spezielle Beispiele des Metalls, das in der Metallisierungsbehandlung verwendet wird, sind Ti, Pt, Au, Sn, Pb, In, Ag und dergleichen. Das Klebemittel (z. B. Ag/Epoxid, Ag/Polyimid und Au/Epoxid) oder Ag-basiertes Wachs und ein anderes Anhaftungsverfahren können verwendet werden. Die Dicke der Klebemittelschicht ist gewöhnlich von 0,01 bis 10 μm.
Wenn der Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit Diamant ist, der durch den Prozess einer Ablagerung mit chemischem Dampf vorbereitet wird, kann das selektive Wachstum unter Verwendung einer Maske an Stelle des Laserlichts oder Ätzprozesses verwendet werden, um den Flusspfad auszubilden. Dies wird in den japanischen Patent-Kokai-Veröffentlichungen Nr. 104761/1989 und 123423/1989 offengelegt. Es wird ein Maskenmaterial auf der Oberfläche des Basismaterials (z. B. Si, SiC, Cu, Mo, cBN und dergleichen) in dem Muster entsprechend dem gewünschten Flusspfad positioniert, und Diamant wird durch die Ablagerung mit chemischem Dampf abgelagert. Zu diesem Zeitpunkt wächst Diamant in den vertikalen und horizontalen Richtungen durch Ablagerung von mindestens 50 μm an Diamant und bedeckt die gesamte Oberfläche des Basismaterials. Nachdem das Basismaterials entfernt ist, z. B. aufgelöst, hat der resultierende Diamant den Flusspfad auf der Oberfläche entgegenliegend dem Basismaterial. Die Maske, die aus Ti, Si, Mo oder dergleichen hergestellt wird, kann durch eine konventionelle Prozedur vorbereitet werden. Der Vorteil dieses Verfahren ist, dass Diamant bei der Bearbeitung keinen Fehler hat, da die Einwirkung auf den Diamanten nicht nach dem Wachstum des Diamanten angewendet wird.
In dem obigen Verfahren wird an Stelle der Bildung der Maske das Platinenmaterial selbst bearbeitet, um die Höhlung und Wölbung entsprechend dem Flusspfad auszubilden und dann wird der Diamant auf dem Platinenmaterial durch die Ablagerung mit chemischem Dampf gezüchtet. Nachdem der Diamant mit der gewünschten Dicke gezüchtet ist, wird das Platinenmaterial entfernt, um den selbst-beständigen Diamantfilm mit dem Flusspfad auf der Oberfläche entgegenliegend zu dem Platinenmaterial zu ergeben. Spezielle Beispiele des Platinenmaterials sind Si, SiC, Mo und dergleichen.
Wenn der durch chemischen Dampf abgelagerte Diamant als der Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet wird, wird das obigen Verfahren modifiziert, sodass der Schritt zur Anhaftung weggelassen werden kann. Die Maske wird nämlich auf einem Diamantfilm positioniert, Diamant wächst auf dem Diamantfilm durch die Ablagerung mit chemischem Dampf und dann wird nur die Maske aufgelöst, um das Substrat mit dem Flusspfad zu ergeben. Gemäß diesem Verfahren kann die Wärmeableitungseffizienz weiter erhöht werden, da das Klebemittel fehlt.
Ein beliebiges der obigen Verfahren ist wirksam, um das Substrat mit dem Flusspfad in dem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorzubereiten. Das Verfahren unter Verwendung des Ätzens kann den feinen Flusspfad genau ausbilden. Das Verfahren unter Verwendung der Laserbearbeitung kann den Flusspfad rasch ausbilden. Das Verfahren unter Verwendung des selektiven Wachstums (das Verfahren unter Verwendung der Maske) kann den relativ großen Flusspfad einfach ausbilden.
In dem resultierenden Substrat wird durch einen Perforierungsprozess unter Verwendung von Laserlicht ein Loch ausgebildet. Das Loch kann während der Vorbereitung des Substrats, z. B. durch ein selektive Wachstum und ein Ätzen, vorbereitet werden. Die elektrische Verdrahtung kann in dem Loch und auf dem Substrat ausgebildet werden. Eine Vielzahl des Substrats mit der elektrische Verdrahtung wird geschichtet, um eine Halbleitervorrichtung zu ergeben. Die Verdrahtung in dem Loch leitet die elektrische Verbindung zwischen den Substraten.
Die Anzahl der Substrate in der Halbleitervorrichtung beträgt mindestens 2. Die Anzahl der Substrate kann höchstens 200 sein, z. B. höchstens 50. Das Kühlmedium kann von einem Teil der Halbleitervorrichtung, z. B. einer Seitenfläche des Substrat, durch den Flusspfad von jedem Substrat passieren.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen dargestellt.
1 ist eine Raman-Spektroskopie von Diamant- und Nicht-Diamant-Kohlenstoff. Die Kurve a ist ein Spektrum von Diamant und hat eine starke Spitze bei 1333 cm^–1. Die Kurve b ist ein Spektrum aus einem Material, das weitgehend Nicht-Diamant-Kohlenstoff enthält, und hat zwei breite Spitzen.
2 ist ein schematischer Grundriss eines Substrats mit einem Flusspfad, der durch ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung umgeben ist. Das Substrat 111 hat einen Flusspfad 112. Der Flusspfad 112 ist in dem Substrat eingebettet.
3 ist eine schematische Vorderansicht des in 2 gezeigten Substrats. Ein Substrat 111 hat einen ersten Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit 113 mit einem Flusspfad 112, einen zweiten Film aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit 114 und eine Klebemittelschicht 115. Der Flusspfad 112 verbindet mit Toren 116 für das Kühlmedium. Die Tore 116 können in der anderen Position sein und können zum Beispiel auf einer Hauptoberfläche des ersten Films aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit 113 oder des zweiten Films aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit 114 positioniert sein. Die Größe und Zahl der Tore sind nicht begrenzt.
4 ist ein schematischer Grundriss einer zusätzlichen Ausführungsform eines Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit einen Kreisumfang eines Flusspfades umgibt. Ein Substrat 121 hat radiale Flusspfade 122. Es gibt einen zusätzlichen Flusspfad 123, der die Flusspfade 122 verbindet, sodass der zusätzliche Flusspfad 123 die Flusspfade 122 umgibt. Der Flusspfad 122 verbindet mit einem Einlass 124 für das Kühlmedium und der Flusspfad 123 verbindet mit einem Auslass 125 für das Kühlmedium.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Flusspfades, der in einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Ein Flusspfad 112 hat eine Breite (a) und eine Höhe (c) und ist bei einem Abstand (b) ausgebildet.
6 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Halbleitervorrichtung (ein dreidimensionales IC-Substrat) der vorliegenden Erfindung. Die Halbleitervorrichtung 210 hat vier Substrate 201. Jedes Substrat 201 ist aus Diamant hergestellt und ist das gleiche wie das in 2 gezeigte Substrat. Jedes Substrat 201 hat zwei Tore 206 für das Kühlmedium und neun ICs 209.
7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teils der Halbleitervorrichtung von 6. Zwei Substrate 201 können von 7 gesehen werden. IC (ein elektronisches Element) 209 und eine Metallverdrahtung 208 sind auf einem Substrat 201 positioniert. Die Metallverdrahtung 208 (z. B. aus Au hergestellt), die auf einem Substrat positioniert ist; ist durch ein Durchgangsloch 204 und eine Lötschwelle 205 mit der Metallverdrahtung 208, die auf dem anderen Substrat positioniert ist, verbunden. Das Substrat 201 hat einen Flusspfad 202 für den Fluss des Kühlmediums.
8 ist ein schematischer Grundriss einer anderen Ausführungsform eines Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung, in der ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit einen Kreisumfang eines Flusspfades umgibt. Ein spiralenförmiger Flusspfad 222 ist in dem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit 221 eingebettet.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele dargestellt.
Beispiel 1
CVD, Ausbildung eines Flusspfades durch Laser, Anhaftung:
Es wurden zwei geritzte polykristalline Si-Basismaterialien (10 mm × 10 mm × Dicke 2 mm) vorgesehen. Auf dem Basismaterial wurde Diamant durch ein mit Mikrowellenplasma verbessertes CVD-Verfahren gezüchtet. Die Wachstumsbedingungen umfassten ein Methan-1%-Wasserstoffsystem, einen Druck von 80 Torr und eine Basismaterialtemperatur von 900°C. Nach dem Wachstum von 300 Stunden in dem Fall von einem Basismaterial und von 200 Stunden in dem Fall des anderen Basismaterials wurde eine Wachstumsoberfläche poliert und das Si-Basismaterial wurde in einer Säure aufgelöst, um zwei selbst-beständige Diamantfilme zu ergeben, wobei ein Film eine Größe von 10 mm × 10 mm × (Dicke) 0,3 mm und der andere Film eine Größe von 10 mm × 10 mm × (Dicke) 0,15 mm hat. Eine Wärmeleitfähigkeit wurde gemessen, 17,2 W/cm·K (für einen Film mit der Dicke von 0,3 mm, als ein erster selbst-beständiger Diamantfilm bezeichnet) und 16,9 W/cm·K (für den anderen Film mit der Dicke von 0,15 mm, bezeichnet als ein zweiter selbst-beständiger Diamantfilm) zu sein.
Auf einer Oberfläche des ersten selbst-beständigen Diamantfilms (mit der Dicke von 0,3 mm) wurde ein KrF-Excimer-Laser spitz zulaufend und linear fokussiert, um eine in 2 gezeigte Nut auszubilden. Die Nut hatte eine Tiefe von ungefähr 150 μm, eine Breite von ungefähr 500 μm und einen Abstand von ungefähr 400 μm. Nachdem Ti, Pt und Au auf beiden Diamantfilmen durch Dampf abgelagert wurden, wurde der erste selbstbeständige Diamantfilm dem zweiten selbst-beständige Diamantfilm durch Schmelzen von Au angehaftet, um ein Substrat zu ergeben (vgl. 2 und 3). Die Dicke einer Ti/Pt/Au/Pt/Ti-Schicht war 0,1 μm. Eine Seitenfläche des Substrats hatte Tore für das Kühlmedium, das die Nut eines Diamantsubstrats durchströmt.
Ein infrarot-emittierendes Halbleiter-Laserelement (1 mm × 1 mm × 0,5 mm) (Ausgabedichte: 5,3 W/cm²) wurde an dem ersten selbst-beständigen Diamantfilm befestigt und die gewünschte Verdrahtung wurde ausgebildet, um eine an einem Laserelement befestigte Laservorrichtung vorzubereiten. Eine Metall-(Au-) Verdrahtung wurde durch ein konventionelles Mustern auf der Diamantoberfläche ausgebildet.
Kühlwasser (Temperatur: 25°C) wurde in den Flusspfad der an einem Laserelement befestigten Vorrichtung zugeführt. Das Laserelement wurde oszilliert. Für eine lange Zeit wurde eine Änderung (insbesondere eine Änderung einer generierten Wellenlänge) nicht beobachtet.
Es wurden fünf Substrate wie oben vorbereitet. Fünf bis zehn LSI-Chips wurden an jedem Substrat befestigt. Der Perforierungsprozess von jedem Substrat für die Vorbereitung der Verdrahtung wurde durch einen Excimer-Laser durchgeführt. Das resultierende Loch hatte einen Durchmesser von 0,1 bis 0,5 mm. Die elektrische Verdrahtung aus Au wurde in und auf dem Substrat vorgenommen.
Die fünf resultierenden Substrate wurden geschichtet, um eine Halbleitervorrichtung zu ergeben. Die Halbleitervorrichtung könnte Elemente mit einer Gesamtwärme dreißigmal so groß wie eine Gesamtwärme haben, die in einem konventionellen MCM-Substrat, das AIN umfasst, aufweisen.
Es wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) in dem Flusspfad von jedem Substrat zugeführt. Die Halbleitervorrichtung könnte ohne eine falsche Operation arbeiten.
Beispiel 2
Es wurden ein erster selbst-beständiger Diamantfilm und ein zweiter selbst-beständiger Diamantfilm auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 vorbereitet. Die Nut, die in dem ersten selbst-beständigen Diamantfilm ausgebildet wurde, war radial, wie in 4 gezeigt. Der erste selbst-beständige Diamantfilm wurde in einen Vakuumofen positioniert und bei 1200°C für 30 Minuten ausgeglüht. Eine Raman-Spektroskopie des ersten selbst-beständigen Diamantfilms zeigte die Spitze entsprechend der Nicht-Diamant-Komponente, wie in 1(b) gezeigt. Dann wurde der zweite selbst-beständige Diamantfilm dem ersten selbst-beständigen Diamantfilm auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 angehaftet, um ein Diamantsubstrat zu ergeben.
Es wurden fünf Substrate wie oben vorbereitet. Fünf bis zehn LSI-Chips wurden an jedem Substrat befestigt. Der Perforierungsprozess von jedem Substrat für die Vorbereitung der Verdrahtung wurde durch einen Excimer-Laser durchgeführt. Das resultierende Loch hatte einen Durchmesser von 0,1 bis 0,5 mm. Die elektrische Verdrahtung aus Au wurde in und auf dem Substrat vorgenommen.
Die fünf resultierenden Substrate wurden geschichtet, um eine Halbleitervorrichtung zu ergeben. Die Halbleitervorrichtung könnte Elemente mit einer Gesamtwärme dreißigmal so groß wie eine Gesamtwärme, die in einem konventionellen MCM-Substrat, das AIN umfasst, aufweisen.
Es wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) in dem Flusspfad von jedem Substrat zugeführt. Die Halbleitervorrichtung könnte ohne eine falsche Operation arbeiten.
Beispiel 3
HPHT-Synthese, eine Ausbildung eines Flusspfades durch Laser, Anhaftung:
Unter Verwendung eines Diamanten eines lb-Typs, der bei einem Hochdruck- und Hochtemperaturverfahren vorbereitet wurde [ein erster selbst-beständiger Diamantfilm (8 mm × 8 mm × (Dicke) 0,4 mm, Wärmeleitfähigkeit 18,3 W/cm·K) und ein zweiter selbst-beständiger Diamantfilm (8 mm × 8 mm × (Dicke) 0,2 mm, Wärmeleitfähigkeit 18,3 W/cm·K), wurde ein Diamantsubstrat mit einem Flusspfad auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 vorbereitet. Auf einer Oberfläche des ersten selbstbeständigen Diamantfilms wurde ein ArF-Excimer-Laser fokussiert, um eine Nut auszubilden, die in 8 gezeigt wird, und die Nut hatte eine Tiefe von ungefähr 200 μm, eine Breite von ungefähr 350 μm und einen Abstand von ungefähr 400 μm.
Zwei Löcher (eine Kreisform mit einem Durchmesser von ungefähr 350 μm) entsprechend den Toren für ein Kühlmedium, das den Flusspfad durchströmt, wurden durch einen spitz zulaufend fokussierten KrF-Excimer-Laser vorbereitet.
Es wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) in dem Flusspfad des resultierenden Diamantsubstrats zugeführt. Als der Wärmewiderstand zwischen der Diamantoberfläche und dem Wasser des Kühlmediums wurde 0,013°C/W gemessen.
Ein infrarot-emittierendes Halbleiter-Laserelement (1 mm × 1 mm × 0,5 mm) (Ausgabedichte: 5,3 W/cm²) wurde an dem ersten selbst-beständigen Diamantfilm befestigt und die gewünschte Verdrahtung wurde ausgebildet, um eine an einem Laserlement befestigte Vorrichtung vorzubereiten. Eine Metall-(Au-) Verdrahtung wurde durch ein konventionelles Mustern auf der Diamantoberfläche ausgebildet.
Es wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) in dem Flusspfad der an einem Laserelement befestigten Vorrichtung zugeführt. Das Laserelement wurde oszilliert. Für eine lange Zeit wurde eine Änderung (insbesondere eine Änderung einer generierten Wellenlänge) nicht beobachtet.
Vergleichendes Beispiel 1, das keinen Teil der Erfindung bildet
AIN, Vorhandensein eines Flusspfades:
Auf einer Oberfläche eines ersten selbst-beständigen AIN-Filmes (10 mm × 10 mm × (Dicke) 0,5 mm, Wärmeleitfähigkeit: 1,8– 1,9 W/cm·K) wurde ein KrF-Excimer-Laser auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 fokussiert, um eine Nut auszubilden. Die Nut hatte eine Tiefe von ungefähr 150 μm, eine Breite von ungefähr 500 μm und einen Abstand von ungefähr 400 μm. Der erste selbst-beständige AIN-Film wurde einem zweiten selbst-beständigen AIN-Film (10 mm × 10 mm × (Dicke) 0,3 mm, Wärmeleitfähigkeit: 1,8–1,9 W/cm·K) angehaftet, um ein AIN-Substrat mit einem Flusspfad zu ergeben.
Es wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) in dem Flusspfad des resultierenden AIN-Substrats zugeführt. Als der Wärmewiderstand zwischen der Diamantoberfläche und dem Wasser des Kühlmediums wurde 0,088°C/W gemessen.
Ein infrarot-emittierendes Halbleiter-Laserelement (1 mm × 1 mm × 0,5 mm) (Ausgabedichte: 5,3 W/cm²) wurde an dem ersten selbst-beständigen AIN-Film befestigt und die gewünschte Verdrahtung wurde ausgebildet, um eine an einem Laserelement befestigte Vorrichtung vorzubereiten. Eine Metall- (Au-) Verdrahtung wurde durch ein konventionelles Mustern auf der AIN-Oberfläche ausgebildet.
Es wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) in dem Flusspfad der an einem Laserelement befestigten Vorrichtung zugeführt. Das Laserelement wurde oszilliert. Es wurde die allmähliche Verschiebung einer generierten Wellenlänge zu einer längeren Wellenlänge beobachtet.
Vergleichendes Beispiel 2, das keinen Teil der Erfindung bildet
Es würde ein mit chemischem Dampf abgelagerter selbstbeständiger Diamantfilm mit einer Größe von 10 mm × 10 mm × 0,5 mm (Wärmeleitfähigkeit: 17,2 W/cm·K) auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 vorbereitet. Während Luft mit einer Temperatur von 25°C auf die Rückfläche des Substrats geblasen wurde, wurde ein Wärmewiderstand von 2,8°C/W gemessen.
Es wurde ein infrarot-emittierendes Halbleiter-Laserelement (1 mm × 1 mm × 0,5 mm) (Ausgabedichte: 5,3 W/cm²) an dem Diamantfilm befestigt, um eine an einem Laserelement befestigte Vorrichtung vorzubereiten. Während Luft mit einer Temperatur von 25°C auf die Rückfläche des Substrats geblasen wurde, wurde das Laserelement oszilliert. Es wurde eine allmähliche Verschiebung einer generierten Wellenlänge zu einer längeren Wellenlänge beobachtet.
Vergleichendes Beispiel 3
CVD, sehr enger Flusspfad:
Es wurden ein erster selbst-beständiger Diamantfilm (Größe: 10 mm × 10 mm × 0,3 mm, Wärmeleitfähigkeit: 17,2 W/cm·K) und ein zweiter selbst-beständiger Diamantfilm (Größe: 10 mm × 10 mm × 0,15 mm, Wärmeleitfähigkeit: 17,2 W/cm·K) durch eine Ablagerung mit chemischem Dampf auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 vorbereitet. Auf dem ersten Diamantfilm wurde ein KrF-Excimer-Laser auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 fokussiert, um eine Nut auszubilden, wie in 2 gezeigt. Die Nut hatte eine Tiefe von ungefähr 150 μm, eine Breite von ungefähr 10 μm und einen Abstand von ungefähr 990 μm. Der genutete erste selbst-beständige Diamantfilm wurde dem zweiten selbst-beständigen Diamantfilm angehaftet, um ein Diamantsubstrat auszubilden.
In dem Flusspfad des resultierenden Diamantsubstrats wurde das Kühlwasser (Temperatur: 25°C) zugeführt. Es wurde ein Wärmewiderstand zwischen der Diamantoberfläche und dem Kühlwasser von 0,32°C/W gemessen.
Es wurde ein infrarot-emittierendes Halbleiter-Laserelement (1 mm × 1 mm × 0,5 mm) (Ausgabedichte: 5,3 W/cm²) an dem ersten selbst-beständigen Diamantfilm befestigt und die ge wünschte Verdrahtung wurde ausgebildet, um eine an einem Laserelement befestigte Vorrichtung vorzubereiten. Es wurde eine Metall-(Au-) Verdrahtung durch ein konventionelles Mustern auf der Diamantoberfläche ausgebildet.
Es wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) in der Nut der an einem Element befestigten Laservorrichtung zugeführt. Das Laserelement wurde oszilliert. Es wurde eine allmähliche Verschiebung der generierten Wellenlänge zu der längeren Wellenlänge beobachtet.
Beispiel 4
Ausglühen in der Luft:
Es wurden ein genuteter erster selbst-beständiger Diamantfilm und ein zweiter selbst-beständiger Diamantfilm auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 vorbereitet. Der erste selbst-beständige Diamantfilm wurde in einem atmosphärischen Ofen positioniert und in der Luft bei 600°C für 30 Minuten ausgeglüht. Dann wurde der erste selbst-beständige Diamantfilm dem zweiten selbst-beständigen Diamantfilm auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 angehaftet, um ein Diamantsubstrat vorzubereiten.
Es wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) in dem Flusspfad des resultierenden kanalisierten Diamantsubstrats zugeführt. Als der Wärmewiderstand zwischen der Diamantoberfläche und dem Wasser des Kühlmediums wurde 0,01°C/W gemessen.
Es wurde eine an einem Laserelement befestigte Vorrichtung auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 vorbereitet. Es wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) in dem Flusspfad des Substrats zugeführt. Das Laserelement wurde oszilliert. Für eine lange Zeit wurde eine Änderung (insbesondere eine Änderung einer generierten Wellenlänge) nicht beobachtet.
Beispiel 5
Ausglühen unter Vakuum:
Es wurden ein genuteter erster selbst-beständiger Diamantfilm und ein zweiter selbst-beständiger Diamantfilm auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 vorbereitet. Der erste selbst-beständige Diamantfilm wurde in einem Vakuumofen positioniert und unter Vakuum bei 1200°C für 30 Minuten ausgeglüht. Die Raman-Spektroskopie des ersten selbst-beständigen Diamantfilm wurde gemessen. Wie in 1(b) gezeigt, wurde die Spitze, die das Nicht-Diamantmaterial zeigt, gemessen. Dann wurde der erste selbst-beständige Diamantfilm dem zweiten selbst-beständigen Diamantfilm auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 angehaftet, um ein Diamantsubstrat vorzubereiten.
Es wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) in dem Flusspfad des resultierenden Substrats zugeführt. Als der Wärmewiderstand zwischen der Diamantoberfläche und dem Wasser des Kühlmediums wurde 0,01°C/W gemessen.
Es wurde eine an einem Laserelement befestigte Vorrichtung auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 vorbereitet. Es wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) in dem Kühlpfad des Substrats zugeführt. Das Laserelement wurde oszilliert. Für eine lange Zeit wurde eine Änderung (insbesondere die Änderung der generierten Wellenlänge) nicht beobachtet.
Beispiel 6
Auf einem Substrat, das auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 vorbereitet wurde, wurde ein MPU-Chip (es wird eine sehr große Anzahl von Schaltungen auf einem Si-Chip ausgebildet) durch eine TAB-Technik mit der Vorbereitung einer geeigneten Verdrahtung befestigt.
Die Halbleitervorrichtung wurde betrieben, während Kühlwasser (Temperatur: 25°C) in einem Flusspfad, der in dem Substrat vorbereitet wurde, strömte. Die Vorrichtung arbeitete für lange Zeit ohne eine falsche Operation.
Beispiel 7
Nutenbildung von einer Seitenfläche:
Auf einem geritzten polykristallinen Si-Basismaterial (4 mm × 4 mm × 1 mm) wurde Diamant durch ein CVD-Verfahren mit heißem Glühfaden gezüchtet. Die wachstumsbedingungen umfassten ein Methan-2%-Wasserstoffsystem, einen Druck von 100 Torr, einen Glühfaden aus Tungsten, eine Glühfadentemperatur von 2100°C und eine Basismaterialtemperatur von 850°C. Nach dem Wachstum vom Diamanten wurde eine Wachstumsoberfläche poliert und das Si-Basismaterial wurde in einer Säure aufgelöst, um einen selbst-beständigen Diamantfilm mit einer Größe von 4 mm × 4 mm × (Dicke) 0,45 mm zu ergeben. Es wurde eine Wärmeleitfähigkeit von 15,9 W/cm·K gemessen.
Es wurde ein KrF-Excimer-Laser spitz zulaufend auf einer Seitenfläche oder Kante des resultierenden Diamanten fokussiert, um Durchgangslöcher zu bilden. Das Loch hatte eine Höhe von ungefähr 250 μm, eine Breite von ungefähr 300 μm und einen Abstand von ungefähr 300 μm.
Der Flusspfad wurde mit einem Einlass und einem Auslass zum Einführen eines Kühlmediums versehen. Das Wasser des Kühlme diums (Temperatur: 25°C) wurde in den Kühlpfad zugeführt. Zwischen der Diamantoberfläche und dem Kühlwasser wurde ein Wärmewiderstand von 0,012°C/W gemessen.
Beispiel 8
Ätzen:
Es wurden zwei geritzte polykristalline Si-Basismaterialien (10 mm × 10 mm × Dicke 2 mm) vorgesehen. Diamant wurde auf dem Basismaterial durch ein mit Mikrowellenplasma verbessertes CVD-Verfahren gezüchtet. Die Wachstumsbedingungen umfassten ein Methan-1%-Wasserstoffsystem, einen Druck von 80 Torr und eine Basismaterialtemperatur von 900°C. Nach dem Wachstum von 300 Stunden in dem Fall von einem Basismaterial und von 200 Stunden in dem Fall des anderen Basismaterials wurde eine Wachstumsoberfläche poliert und das Si-Basismaterial wurde in einer Säure aufgelöst, um zwei selbst-beständige Diamantfilme zu ergeben, einen Film (einen ersten selbstbeständigen Diamantfilm) mit einer Größe von 10 mm × 10 mm × (Dicke) 0,3 mm und den anderen Film (einen zweiten selbstbeständigen Diamantfilm) mit einer Größe von 10 mm × 10 mm × (Dicke) 0,15 mm.
Es wurde ein Al-Maskenmuster mit einer Breite von ungefähr 100 μm und einem Abstand von ungefähr 50 μm auf einer Oberfläche des ersten selbst-beständigen Diamantfilms ausgebildet. Die Oberfläche des ersten selbst-beständigen Diamantfilms wurde mit Plasma durch die Verwendung eines Gasgemischs aus Argon und Sauerstoff geätzt. Das Plasmaätzen wurde für drei Stunden unter der Bedingung einschließlich eines Sauerstoffgehalts von 20%, eines Gesamtdrucks von 0,05 Torr und einer HF-Ausgabeleistung von 200 W durchgeführt. Nach dem Plasmaätzen wurde die Al-Maske durch die Auflösung in einer Säure entfernt, um einen genuteten ersten selbst-beständigen Film mit einer Nut mit einer Tiefe von ungefähr 50 μm, einer Breite von ungefähr 50 μm und einem Abstand von ungefähr 100 μm zu ergeben.
Nachdem Ti, Pt und Au auf den beiden Diamantfilmen mit Dampf abgelagert wurden, wurde der erste selbst-beständige Diamantfilm dem zweiten selbst-beständigen Diamantfilm durch Schmelzen einer Au-Schicht angehaftet, um ein Substrat zu ergeben. Die Dicke einer Ti/Pt/Au/Pt/Ti-Schicht war 1 μm.
In dem Flusspfad des Substrats wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) zugeführt. Zwischen der Diamantoberfläche und dem Kühlwasser wurde ein Wärmewiderstand von 0,021°C/W gemessen.
Beispiel 9
Es wurden zwei geritzte polykristalline Si-Basismaterialien (10 mm × 10 mm × (Dicke) 2 mm) vorgesehen. Auf den Basismaterialien wurde Diamant mit einem durch Mikrowellenplasma verbesserten CVD-Verfahren gezüchtet. Eines der Si-Basismaterialien hatte provisorisch eine Nut mit einer Tiefe von ungefähr 60 μm, einer Breite von ungefähr 100 μm und einem Abstand von ungefähr 200 μm. Die Wachstumsbedingungen umfassten ein Methan-1%-Wasserstoffsystem, einen Druck von 80 Torr und eine Basismaterialtemperatur von 900°C. Nach dem Wachstum wurde eine Wachstumsoberfläche poliert und die Si-Basismaterialien wurden in einer Säure aufgelöst, um zwei selbst-beständige Diamantfilme zu ergeben, einen Film mit einer Große von 10 mm × 10 mm × (Dicke) 0,3 mm (ein erster selbst-beständiger Diamantfilm) und den anderen Film mit einer Größe von 10 mm × 10 mm × (Dicke) 0,15 mm (ein zweiter selbst-beständiger Diamantfilm). Da der erste selbst-beständige Diamantfilm auf dem genuteten Si-Basismaterial ausgebildet wurde, wurde eine Nut mit einer Tiefe von ungefähr 60 μm, einer Breite von ungefähr 200 μm und einem Abstand von ungefähr 100 μm auf dem ersten selbst-beständigen Diamantfilm ausgebildet. Es wurde eine Wärmeleitfähigkeit von 15,9 W/cm·K (für den ersten selbstbeständigen Diamantfilm) und 18,2 W/cm·K (für den zweiten selbst-beständigen Diamantfilm) gemessen.
Zwei selbst-beständige Diamantfilme wurden angehaftet, um ein Substrat zu ergeben. In dem Flusspfad des Substrats wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) zugeführt. Es wurde ein Wärmewiderstand zwischen der Diamantoberfläche und dem Kühlwasser von 0,017°C/W gemessen.
Beispiel 10
Es wurden zwei geritzte polykristalline Si-Basismaterialien (10 mm × 10 mm × (Dicke) 2 mm) vorgesehen. Auf den Basismaterialien wurde Diamant durch ein mit einem heißen Glühfaden unterstütztes Plasma-CVD-Verfahren gezüchtet. Jedes der beiden Si-Basismaterialien hatte provisorisch einen Molybdänfilm mit einer Dicke von 2 μm, einer Breite von 100 μm und einem Abstand von 20 μm. Die Wachstumsbedingungen umfassten ein Methan-2%-Wasserstoffsystem, einen Druck von 100 Torr, einen Glühfaden aus Tungsten, eine Glühfadentemperatur von 2100°C und eine Basismaterialtemperatur von 850°C. Nach dem Wachstum wurde eine Wachstumsoberfläche poliert und der Molybdänfilm und das Si-Basismaterial wurden in einer Säure aufgelöst, um zwei selbst-beständige Diamantfilme zu ergeben, einen Film mit einer Größe von 10 mm × 10 mm × (Dicke) 0,3 mm (ein erster selbst-beständiger Diamantfilm) und den anderen Film mit einer Größe von 10 mm × 10 mm × (Dicke) 0,15 mm (ein zweiter selbst-beständiger Diamantfilm). Es wurde eine Nut mit einer Tiefe von ungefähr 40 μm, einer Breite von ungefähr 200 μm und einem Abstand von ungefähr 100 μm auf sowohl dem ersten als auf dem zweiten selbst-beständigen Diamantfilm ausgebildet. Es wurde eine Wärmeleitfähigkeit von 15,2 W/cm·K (für den ersten selbst-beständigen Diamantfilm) und 16,9 W/cm·K (für den zweiten selbst-beständigen Diamantfilm) gemessen.
Zwei selbst-beständige Diamantfilme wurden durch die Verwendung einer Ti/Pt/Au/Pt/Ti-Schicht angehaftet, sodass die Nuten von beiden Filmen angepasst wurden; ein Substrat zu ergeben. Es wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) in dem Flusspfad des Substrats zugeführt. Es wurde ein Wärmewiderstand zwischen der Diamantoberfläche und dem Kühlwasser von 0,018°C/W gemessen.
Beispiel 11
Es wurde ein geritztes polykristallines Si-Basismaterial (10 mm × 10 mm × (Dicke) 2 mm) vorgesehen. Auf dem Basismaterial wurde Diamant durch ein mit einem heißen Glühfaden unterstütztes CVD-Verfahren gezüchtet. Die Wachstumsbedingungen umfassten ein Methan-2%-Wasserstoffsystem, einen Druck von 100 Torr, einen Glühfaden aus Tungsten, eine Glühfadentemperatur von 2100°C und eine Basismaterialtemperatur von 850 °C. Nach dem Wachstum wurde eine Wachstumsoberfläche poliert und das Si-Basismaterial wurde in einer Säure aufgelöst, um einen selbst-beständigen Diamantfilm mit einer Größe von 10 mm × 10 mm × (Dicke) 0,15 mm zu ergeben. Nachdem ein Molybdänfilm mit einer Dicke von ungefähr 5 μm, einer Breite von ungefähr 100 μm und einem Abstand von ungefähr 200 μm auf dem selbst-beständigen Film abgelagert wurde, wurde ein Diamantfilm auf die gleiche Art und Weise wie oben ausgebildet. Eine Wachstumsfläche wurde poliert und der Molybdänfilm wurde in einer Säure aufgelöst, um ein Substrat mit einer Dicke von 450 μm zu ergeben. Ein Flusspfad in dem Substrat hatte eine Höhe von ungefähr 60 μm, eine Breite von ungefähr 200 μm und einen Abstand von ungefähr 100 μm.
In dem Flusspfad des Substrats wurde Kühlwasser (Temperatur: 25°C) zugeführt. Es wurde ein Wärmewiderstand zwischen der Diamantoberfläche und dem Kühlwasser von 0,02°C/W gemessen.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Das wärmeableitende Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine hohe Wärmeableiteigenschaft. Es hat eine beträchtliche Wirkung, wenn das Substrat ein Element mit einer sehr großen entwickelten Wärmemenge pro Einheitsfläche hat, z. B. einen Laser-Chip mit einer hohen Energiedichte, was mit einem konventionellen Substrat nicht erfolgreich behandelt werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht eine an einem Element befestigte Vorrichtung mit einer hohen wärmeableitenden Eigenschaft vor, sodass ein Element für eine lange Zeit stabil arbeiten kann.
Die vorliegende Erfindung ergibt eine Halbleitervorrichtung mit einer exzellenten Wärmeableiteigenschaft und einer sehr großen Befestigungsdichte. Die vorliegende Erfindung sieht ein kompaktes und preiswertes Informationsbearbeitungsinstrument mit einer hohen Leistungsfähigkeit vor.
Das Verfahren zum Vorbereiten des Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Substrat mit der hohen Wärmeableiteigenschaft einfach ergeben.

Claims

Substrat umfassend mindestens einen Kanal, der einen Flusspfad (112) zum Weiterleiten eines Kühlmediums vorsieht, der innerhalb mindestens einer Schicht eingebettet ist, die aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/cm·K hergestellt ist, wobei der Kanal vollständig durch das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben oder zwischen zwei Schichten aus dem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingelegt ist.
Substrat nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Wärmeableitungssubstrat ist.
Substrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit Diamant ist.
Substrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Tiefe des Kanals, der einen Flusspfad zum Weiterleiten des Kühlmediums vorsieht, mindestens 50 μm und höchstens 90% der Dicke der Schicht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist.
Substrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Breite des Kanals, der einen Flusspfad zum Weiterleiten des Kühlmediums vorsieht, von 20 μm bis 300 μm ist.
Substrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Abstand zwischen den Kanälen, die Flusspfade zum Weiterleiten des Kühlmediums vorsehen, von 20 μm bis 10 mm ist.
Substrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Verhältnis einer Breite (a) des Kanals, der einen Flusspfad vorsieht, zu einem Abstand (b) zwischen den Kanälen, die Flusspfade vorsehen, derart ist, dass 0,02 ≤ (a/b) ≤ 50.
Substrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kanal, der einen Flusspfad zum Weiterleiten des Kühlmediums vorsieht, radial oder spiralenförmig von einem Mittelteil des Substrats in Richtung eines Kreisumfangsteils des Substrats positioniert ist.
Substrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Oberfläche des Kanals, der einen Flusspfad zum Weiterleiten des Kühlmediums vorsieht, derart behandelt wird, um die Benetzbarkeit der Kanaloberfläche durch das Kühlmedium zu erhöhen.
Substrat nach Anspruch 1, umfassend zwei Schichten des Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit, angehaftet zusammen durch eine Metallisierungsschicht, ein Klebemittel oder ein Ag-basiertes Wachs, jede mit einer Dicke von 0,01 bis 10 μm, wobei der Kanal eine Nut umfasst, die auf einer Oberfläche von jeder der beiden Schichten aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, die durch die Metallisierungsschicht, das Klebemittel oder das Ag-basierte Wachs zusammen angehaftet sind.
An einem Element befestigte Vorrichtung, wobei mindestens ein Kanal, der einen Flusspfad (112) zum Weiterleiten eines Kühlmediums vorsieht, innerhalb eines Substrats eingebettet ist, das aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/cm·K hergestellt ist, und mindestens ein Erwärmungselement mit einer maximalen Wärmedichte von mindestens 1 W/cm² an dem Substrat befestigt ist, wobei der Kanal vollständig durch das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben oder zwischen zwei Schichten aus dem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingelegt ist.
Halbleitervorrichtung mit mindestens zwei aufeinandergeschichteten Substraten, wobei mindestens ein Kanal, der einen Flusspfad vorsieht, innerhalb jedes Substrats eingebettet ist, das aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/cm·K hergestellt ist, mindestens ein Element an jedem Substrat befestigt ist und eine Metallverdrahtung zum Verbinden zwischen den Elementen auf oder in dem Substrat positioniert ist, wobei der Kanal vollständig durch das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben oder zwischen zwei Schichten aus dem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingelegt ist.