JP2000106413A - ヒ―トシンクおよびその製造方法 - Google Patents

ヒ―トシンクおよびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板上に密着性よくダイヤモンド薄膜層を形
成する。 【解決手段】 ヒートシンクは、ＣｕとＷとを含む焼結
体の基板と、基板の表面上に形成されたダイヤモンド薄
膜層とを備える。基板内のＣｕの含有量は５重量％以上
である。ダイヤモンド薄膜層にＸ線を照射して得られる
Ｘ線回折チャートにおいて、Ｗの（１１０）面の回折ピ
ーク強度がＣｕの（２００）面の回折ピーク強度の１０
０倍以上である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ヒートシンクお
よびその製造方法に関し、特に、レーザダイオード、Ｃ
ＰＵ（central processing unit ）、ＭＰＵ（micropro
cessor unit ）、高周波増幅素子などの比較的発熱量が
大きい半導体素子を搭載するヒートシンクであって、ダ
イヤモンド層と金属層からなる複数構造のヒートシンク
およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】上述の大出力半導体素子は、動作時に発
熱が大きい。その出力および動作周波数の向上に伴い、
これらの半導体素子の発生する熱が一層増大している。
さらには、電子機器の小型化、軽量化への市場の要求は
大きい。そのため、半導体素子の実装密度は増加の一途
をたどっている。このように、半導体素子の放熱量の増
大および実装密度の増加により、大出力半導体素子を実
装するモジュールに使用されるヒートシンクに要求され
る放熱特性は一層厳しさを増している。
【０００３】このような高い放熱性が要求されるヒート
シンクでは、熱伝導性の高い材料で構成されたヒートシ
ンクに半導体素子を搭載し、半導体素子が熱くなりすぎ
るのを防いでいる。たとえば、発熱量の大きな大出力ト
ランジスタやマイクロ波モノリシックＩＣ（ＭＭＩＣ）
などの大出力半導体素子を搭載するヒートシンクには、
熱伝導性が優れ、かつ誘電特性も優れた酸化ベリリウム
（ＢｅＯ）が従来から広く使用されてきた。
【０００４】また、ダイヤモンドは、物質中最高の熱伝
導率を有することが知られている。このダイヤモンドを
半導体素子搭載用のヒートシンクへ応用する研究がなさ
れている。
【０００５】ダイヤモンドを用いたヒートシンクとし
て、全体がダイヤモンドからなるヒートシンクと、金属
の基板上にダイヤモンド膜が形成されたヒートシンクと
が開発されている。
【０００６】天然のダイヤモンドは稀少であり、また、
人工のダイヤモンドは高価であるため、ヒートシンク中
のダイヤモンドの量が多くなると、コストも上昇する。
したがって、全体がダイヤモンドからなるヒートシンク
は、ハイパワーレーザのような高発熱の半導体素子で、
代替品では除熱が不足して本来の性能が発揮できないよ
うな用途や、研究段階でコストの試算がなされない用途
にのみ使用される。金属の基板上にダイヤモンド膜を形
成したヒートシンクはコストの低減が必要となる製品に
用いられる。
【０００７】ヒートシンクの一部に金属を用いると、ダ
イヤモンドのみでヒートシンクを構成した場合に比べて
熱伝導率は落ちるが価格が低下する。そのため、ヒート
シンクの価格と性能は、ほぼ比例し、一般に、熱伝導率
が高いヒートシンクほど高価となる。そのため、それほ
ど高価でなく熱伝導率が高いヒートシンクが切望されて
いる。
【０００８】このような要求に応じるために、熱伝導率
の良い金属上にダイヤモンド薄膜を積み重ねた積層構造
のヒートシンクが、たとえば特開平５−３２６７６７号
公報に記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来
は、ヒートシンクとして熱伝導性に優れたＢｅＯが広く
使用されてきたが、現在要求されている放熱特性は、こ
のＢｅＯでさえも不十分なレベルにまで高くなってい
る。そこで、ＢｅＯ基材の厚みを薄くして、熱抵抗を低
減させる試みがなされている。しかし、ＢｅＯ自体が加
工性が悪い上に毒性を有しているため、事実上薄肉化は
限界に到達しているのが現状である。
【００１０】上述の公報に記載されたヒートシンクにお
いて、基板の材質として熱伝導性の良い金属である銅や
銅−タングステン合金が記載されている。これらの材料
は金属材料中でも熱伝導率は高く、また比較的安価であ
るため、ヒートシンクの材料としては適している。
【００１１】しかしながら、New Diamond Vol.10 No.3
（34）pp.26 〜27に記載されているように、基板中の銅
は炭化物を作らず、また銅は炭素を吸収せず、さらに炭
素と固溶しないため、銅を含む基板上にダイヤモンド薄
膜を密着性良く成膜することは困難であるという問題が
あった。
【００１２】また、銅は熱膨張係数が大きく、ダイヤモ
ンドは熱膨張係数が小さいため、銅とダイヤモンドとの
熱膨張係数の差により、ヒートシンクの温度が高くなる
と基板からダイヤモンド薄膜が剥離するという問題があ
った。
【００１３】また、基板の熱膨張率とダイヤモンドの熱
膨張率との差が小さければ、ヒートシンクが高温となっ
てもダイヤモンド薄膜内部に応力が生じるだけでダイヤ
モンドヒートシンクに反りは生じない。しかし、銅や銅
を含む焼結体の熱膨張率はダイヤモンドの熱膨張率と比
べて大きいため、ヒートシンクに反りが生じるという問
題が発生する。
【００１４】そこで、この発明は、上述のような問題点
を解決するためになされたものであり、この発明の目的
は、熱伝導性の良い基板上にダイヤモンド薄膜を密着性
良く形成できるヒートシンクを提供することである。
【００１５】また、この発明の別の目的は、反りの発生
を抑制できるヒートシンクを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】この発明の１つの局面に
従ったヒートシンクは、ＣｕとＷとを含む焼結体の基板
と、基板の表面上に形成されたダイヤモンド薄膜層とを
備える。基板内のＣｕの含有率は５重量％以上である。
ダイヤモンド薄膜層にＸ線を照射して得られるＸ線回折
チャートにおいて、Ｗの（１１０）面の回折ピーク強度
がＣｕの（２００）面の回折ピーク強度の１００倍以上
である。
【００１７】このようなヒートシンクでは、基板の表面
でのＷの量が相対的に多くなり、基板の表面でのＣｕの
量が相対的に少なくなる。そのため、基板と、基板の表
面上に形成されるダイヤモンド薄膜層との密着性が向上
する。その結果、ダイヤモンド薄膜層上に搭載された半
導体素子から局所的に発した熱は、ダイヤモンド薄膜層
のヒートスプレッダとしての効果（熱を拡散させる効
果）により、ダイヤモンド薄膜層の面内でいち早く拡散
し、その後に基板へ伝達されていく。また、基板内のＣ
ｕの含有率が５重量％以上であるため、基板の熱伝導率
も高くなる。
【００１８】この発明の別の局面に従ったヒートシンク
は、ＣｕとＷとを含む焼結体の基板と、基板の表面上に
形成されたダイヤモンド薄膜層とを備える。基板内のＣ
ｕの含有率は５重量％以上である。ダイヤモンド薄膜層
にＸ線を照射して得られるＸ線回折チャートにおいて、
Ｗの（２１１）面の回折ピーク強度がＣｕの（２００）
面の回折ピーク強度の３０倍以上である。
【００１９】このようなヒートシンクでは、基板の表面
でのＷの量が相対的に多くなり、基板の表面でのＣｕの
量が相対的に少なくなる。そのため、基板と、基板の表
面上に形成されるダイヤモンド薄膜層との密着性が向上
する。その結果、ダイヤモンド薄膜層上に搭載された半
導体素子から局所的に発した熱は、ダイヤモンド薄膜層
のヒートスプレッダとしての効果（熱を拡散させる効
果）により、ダイヤモンド薄膜層の面内でいち早く拡散
し、その後基板へ伝達されていく。また、基板内のＣｕ
の含有率が５重量％以上であるため、基板の熱伝導率も
高くなる。
【００２０】また、ダイヤモンド薄膜層にＸ線を照射し
て得られるＸ線回折チャートにおいて、ＷＣ（タングス
テンカーバイト）のピークが現われることが好ましい。
この場合、ダイヤモンド薄膜層と基板との密着性が向上
する。
【００２１】この発明のさらに別の局面に従ったヒート
シンクは、Ｃｕと低熱膨張係数の金属とを含む基板と、
基板の表面上に形成されたダイヤモンド薄膜層とを備え
る。基板内のＣｕの含有率は５重量％以上である。基板
内でのＣｕの含有率は基板の表面に近づくにつれて小さ
くなる。
【００２２】このように構成されたヒートシンクにおい
ては、基板の表面でＣｕの含有率が最も低くなる。その
ため、基板の表面に炭素と結合しにくいＣｕが少なくな
るため、基板と基板上のダイヤモンド薄膜層との密着性
が向上する。その結果、半導体素子から局所的に発した
熱は、ダイヤモンド薄膜層のヒートシンクスプレッダと
しての効果（熱を拡散させる効果）により、ダイヤモン
ド薄膜層の面内でいち早く拡散し、その後基板へ伝達さ
れていく。また、基板内のＣｕの含有率が５重量％以上
であるため、基板の熱伝導率も高くなる。
【００２３】また、基板の表面からの深さが１０μｍ以
下の部分のＣｕの含有率は、基板全体のＣｕの含有率の
５０％以下であることが好ましい。このように基板の表
面での銅の含有率を調整することにより、ダイヤモンド
薄膜層と基板との密着性が向上する。基板の表面からの
深さが１０μｍ以下の部分の銅の含有率が基板全体の銅
の含有率の５０％を超えるとＣｕの存在比率が高くなり
ダイヤモンド薄膜層が基板から剥離しやすくなる。ま
た、基板の表面での銅の含有率を基板全体の銅の含有率
の５０％以下に設定することにより、基板の内部にも適
度に銅が残るため基板の反りを抑制することができる。
【００２４】また、基板は、Ｃｕ−Ｗ焼結体またはＣｕ
−Ｗ−Ｍｏ焼結体であることが好ましい。なお、Ｃｕ−
Ｗ焼結体またはＣｕ−Ｗ−Ｍｏ焼結体は、本発明の効果
を発揮するために１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有
することが必要である。
【００２５】また、基板の表面にはＷ粒子が露出してお
り、そのＷ粒子の表面粗さＲZ は０．０５μｍ以上であ
ることが好ましい。この場合、ダイヤモンドの核はＷ粒
子の凸部から発生しやすいため、Ｗ粒子の表面粗さＲZ
を上述のように設定することにより、ダイヤモンドの核
発生密度が向上する。したがって基板とダイヤモンド薄
膜層との接点数が増加する。そのため、ダイヤモンド薄
膜層と基板との密着性をさらに向上させることができ
る。
【００２６】Ｗ粒子の表面の粗さＲZ が０．０５μｍ未
満であればＷ粒子に凸部が少なくなり核発生密度が低く
なる。そのため、ダイヤモンド薄膜層と基板との密着性
が低下しダイヤモンド薄膜層が基板から剥離しやすくな
る。
【００２７】また、基板の表面とダイヤモンド薄膜層と
の間にはＣｕの含有率がほぼ０重量％の中間層が形成さ
れていることが好ましい。この場合、基板とダイヤモン
ド薄膜層との間にＣｕを含まない中間層を入れることに
より、ダイヤモンド薄膜層が直接基板中のＣｕと接触し
ない。そのためダイヤモンド薄膜層と基板との密着性が
さらに向上する。
【００２８】また、基板の厚さは２００μｍ以上１００
００μｍ以下であることが好ましい。基板としての強度
を確保するために基板の厚さは２００μｍ以上であるこ
とが好ましい。ヒートシンクの熱抵抗が大きくなりすぎ
ないために基板の厚さは１００００μｍ以下であること
が好ましい。
【００２９】また、ダイヤモンド薄膜層の厚さは１０μ
ｍ以上であることが好ましい。この場合、ダイヤモンド
薄膜層は、半導体素子で発生した熱をまず面内で拡散さ
せて一部分に熱をこもらせない働きをする。この働きを
妨げないためにダイヤモンド薄膜層の厚さは１０μｍ以
上とする必要がある。
【００３０】なお、ダイヤモンド薄膜層の熱伝導率は、
通常、ダイヤモンドの品質により５００Ｗ／ｍ・Ｋ〜２
０００Ｗ／ｍ・Ｋの範囲でばらつきがあるが、本発明の
効果を発揮するためには、ダイヤモンド薄膜層の熱伝導
率を７００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とする必要がある。
【００３１】この発明に従ったヒートシンクの製造方法
は、Ｃｕと低熱膨張係数の金属とを含む基板の表面を酸
に浸すことにより基板の表面層の部分のＣｕの含有率を
減少させるとともに、露出した低熱膨張係数の金属の表
面を粗面化する工程と、酸処理後の基板の表面上に気相
合成法によりダイヤモンド薄膜層を形成する工程とを備
える。
【００３２】このような工程を備えたヒートシンクの製
造方法においては、まず、基板表面を酸処理することに
より、基板表面でのＣｕの含有率が減少し、その表面上
にダイヤモンド薄膜層を形成するため、基板上に密着性
よくダイヤモンド薄膜層を形成することができる。
【００３３】また、基板の表面層の部分のＣｕの含有率
を減少させる工程は、露出した低熱膨張係数の金属の表
面を粗面化することを含む。これにより、粗面化した低
熱膨張係数の金属上にダイヤモンド薄膜が形成されるた
め、ダイヤモンド薄膜層と基板との密着性がさらに向上
する。
【００３４】また、酸は、塩酸、硝酸、硫酸、フッ化水
素酸（ＨＦ）、過酸化水素（Ｈ2 Ｏ2 ）およびクロム酸
からなる群より選ばれた溶液またはその混合溶液である
ことが好ましい。これらの酸を用いることにより、基板
表面が適度に荒れ、ダイヤモンド薄膜層を形成しやすく
なる。
【００３５】また、基板の表面層の部分のＣｕの含有率
を減少させる工程は、基板の表面を特定の酸に浸す第１
酸処理工程と、第１酸処理後の基板を特定の酸とは異な
る酸に浸す第２酸処理工程とを含むことが好ましい。
【００３６】また、気相合成法でダイヤモンド膜を形成
する際に基板の表面から深い所にダイヤモンドの核が発
生する。つまりダイヤモンド薄膜の根が基板の深い所に
存在し、錨を沈めたような効果（アンカー効果）が期待
できる。
【００３７】また、基板は、Ｃｕ−Ｗ焼結体、Ｃｕ−Ｍ
ｏ焼結体およびＣｕ−Ｗ−Ｍｏ焼結体からなる群より選
ばれた少なくとも１種の焼結体であることが好ましい。
【００３８】また、酸に浸された基板の表面ではＷ粒子
が露出しており、Ｗ粒子の表面粗さＲZ は０．０５μｍ
以上であることが好ましい。このような表面粗さとする
ことによりＷ粒子の表面にダイヤモンド微粒子が入り込
み、それを核としてダイヤモンド薄膜が成長する。その
ためダイヤモンド薄膜層と基板との密着性が向上する。
【００３９】Ｃｕの含有率を減少させる酸処理は、基板
の表面にＸ線を照射して得られるＸ線回折チャートにお
いて、Ｃｕのピークが検出されないようになるまで行な
うことが好ましい。
【００４０】この場合、基板の表面でのＣｕの含有率が
十分減少するため、基板とその基板上に形成されるダイ
ヤモンド薄膜層との密着性が向上する。
【００４１】Ｃｕの含有率を減少させる酸処理は、基板
の表面からの深さが３０μｍ以内の部分の空孔率が５体
積％以上７０体積％以下となり、かつ基板の表面からの
深さが３０μｍ以内の部分でのＣｕの含有率が基板全体
のＣｕの含有率の５０％以下になるまで行なうことが好
ましい。
【００４２】この場合、空孔率を上述のような範囲とす
ることにより、その空孔にダイヤモンドの微粒が入り込
みやすくなり、また、核発生がしやすくなる。
【００４３】空孔率が５体積％未満であれば核発生など
がしにくくなり、空孔率が７０体積％を超えると空孔率
が大きくなりすぎて熱伝導度が低下し、ヒートシンクと
しての特性が低下する。
【００４４】基板の表面からの深さが３０μｍ以内の部
分での空孔率が１０体積％以上５０体積％以下であるこ
とがさらに好ましい。
【００４５】また、基板の表面からの深さが３０μｍ以
内の部分でのＣｕの含有率を基板全体でのＣｕの含有率
の５０％以下としているためヒートシンクに反りが生じ
にくくなる。
【００４６】また、ダイヤモンド薄膜層の形成に先立
ち、基板の表面に傷付け処理を行なう工程を備えること
が好ましい。この場合、基板表面の傷からダイヤモンド
の核が発生しやすくなるため、ダイヤモンドの核が基板
の表面に多く発生し、ダイヤモンド薄膜層の成長が速く
なるとともにダイヤモンド薄膜層の厚さも均一となる。
【００４７】また、傷付け処理は、ダイヤモンドを用い
て基板表面に傷をつけることを含むことが好ましい。こ
の場合、基板の表面に傷を付ける際にダイヤモンドが基
板の表面に付着するため、ダイヤモンドがダイヤモンド
薄膜層を形成する際の核となる。そのため、より一層ダ
イヤモンド薄膜層の成長を促進することができる。
【００４８】なお、基板上へのダイヤモンドダイヤモン
ド薄膜層の形成には気相合成法が用いられるが、気相合
成法として、熱フィラメントＣＶＤ（chemical vapor d
eposition ）法、プラズマＣＶＤ法、火炎法など、これ
まで知られているいずれの方法を用いてもよい。
【００４９】この発明の、また別の局面に従ったヒート
シンクは、基板と、その基板上に形成されたダイヤモン
ド薄膜層とを備える。基板は、低熱膨張係数の多孔質材
料からなる基板母材と、基板母材の空孔に充填されたＣ
ｕとを含む。基板母材の表面層では、空孔にダイヤモン
ド薄膜層が入り込んでいる。
【００５０】このように構成されたヒートシンクにおい
ては、基板を構成する基板母材が低熱膨張係数であるた
め、基板と、その基板上に形成されるダイヤモンド薄膜
層との熱膨張係数の差が小さくなる。また、基板母材の
表面層では、空孔にダイヤモンド薄膜層が入り込んでい
るため、基板母材とダイヤモンド薄膜層の密着性が向上
する。その結果、ヒートシンクが高温となってもダイヤ
モンド薄膜層が基板から剥離するのを防止することがで
きる。
【００５１】また、基板の熱伝導率は１００Ｗ／ｍ・Ｋ
以上であり、かつ厚さは２００μｍ以上７００μｍ以下
であり、ダイヤモンド薄膜層の厚さは１０μｍ以上２０
０μｍ以下であることが好ましい。この場合、ダイヤモ
ンド薄膜層が薄いため、ダイヤモンド薄膜層は、基板と
ほぼ同様に膨張するため、ダイヤモンド薄膜層と、その
上に設けられた半導体素子との膨張率がほぼ等しくな
る。その結果、半導体素子の割れを防止することができ
る。
【００５２】さらに、ダイヤモンド薄膜層の熱伝導率は
１０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。
【００５３】また、基板母材は、Ｗ焼結体、Ｍｏ焼結体
およびＷ−Ｍｏ焼結体からなる群より選ばれた少なくと
も１種の焼結体であることが好ましい。
【００５４】さらに、基板母材の空孔率は１５体積％以
上６０体積％以下であることが好ましい。基板母材の空
孔率が１５体積％未満であれば、空孔に銅を充填したと
きの熱伝導率が低下する。空孔率が６０体積％を超える
と、ダイヤモンド薄膜層の厚さが不均一となる。
【００５５】この発明に従ったヒートシンクの製造方法
は、低熱膨張係数の多孔質材料からなる基板母材の表面
上にダイヤモンド薄膜層を形成する工程と、ダイヤモン
ド薄膜層の形成後に、基板母材の空孔にＣｕを充填する
工程とを備える。
【００５６】このような工程を備えたヒートシンクの製
造方法に従えば、ダイヤモンド薄膜層を形成する際にダ
イヤモンドの核が多孔体の表面から生じるため、ダイヤ
モンド薄膜層の核は基板母材の表面から深いところから
発生する。つまり、ダイヤモンド薄膜層の根が基板の表
面から深いところに存在し、錨を沈めたような効果（ア
ンカー効果）が期待できる。
【００５７】また、低熱膨張係数の多孔質材料からなる
基板を用いるため、ダイヤモンド薄膜層を成膜するとき
の熱膨張量が小さくなる。さらに、このように熱膨張量
が小さいため、成膜後に基板母材を冷却した際にダイヤ
モンド薄膜層と基板母材との熱膨張率の差により生ずる
反りも抑制できる。
【００５８】また、基板母材の空孔に銅を充填するた
め、基板母材の空孔は隙間なく熱伝導率の良好な銅で埋
められる。その結果、基板母材の熱伝導率も向上し、ヒ
ートシンク全体の熱伝導率が向上する。
【００５９】また、ダイヤモンド薄膜層を基板母材に形
成する際には基板母材には銅が存在しないため、基板母
材上に密着性良くダイヤモンド薄膜層を合成することが
できる。
【００６０】また、ダイヤモンド薄膜層を形成する工程
は、気相合成法により基板母材の表面上にダイヤモンド
薄膜層を形成することを含むことが好ましい。ここで、
気相合成法としては、熱フィラメントＣＶＤ（chemical
vapor deposition ）法、プラズマＣＶＤ法、火炎法な
どのように、これまで知られているいずれの方法を用い
てもよい。
【００６１】また、基板母材は、Ｗ焼結体、Ｍｏ焼結体
およびＷ−Ｍｏ焼結体からなる群より選ばれた少なくと
も１種の焼結体であることが好ましい。
【００６２】また、基板母材の空孔率は１５体積％以上
６０体積％以下であることが好ましい。空孔率をこのよ
うに設定することにより、基板母材の表面からダイヤモ
ンドの核が生じやすくなるとともに、銅を充填したとき
の熱伝導率が大きくなり、ヒートシンク全体の熱伝導率
が向上する。
【００６３】空孔率が１５体積％未満であれば基板母材
の深い部分からダイヤモンドの核が発生しにくくなり、
基板母材とダイヤモンド薄膜層との密着性が低下する。
また、空孔に充填される銅の量が減少するのでヒートシ
ンクの熱伝導率が低下する。
【００６４】空孔率が６０体積％を超えると基板母材の
深い部分にダイヤモンドの核が発生するが、基板母材の
表面に均一な厚さのダイヤモンド薄膜層を形成しにくく
なる。また、ダイヤモンドの核の発生密度が低下してダ
イヤモンド薄膜層を構成するダイヤモンドの結晶粒は大
きくなるが、ダイヤモンド薄膜層の表面粗さが大きくな
る。これに伴い、ダイヤモンド薄膜層の厚みが揃わずか
つダイヤモンド薄膜層の研磨に時間がかかるという問題
も生じる。
【００６５】また、基板母材の空孔に銅を充填する工程
は、溶融した銅を基板母材の空孔内に浸入させることを
含むことが好ましい。
【００６６】また、基板母材の空孔に銅を充填する工程
は、固体の銅の上に基板母材を載置した後、銅を加熱し
て溶融させて溶融した銅を空孔に浸入させることを含む
ことが好ましい。
【００６７】この場合、たとえばヒータなどの加熱器の
上に固体の銅を置き、その銅の上にダイヤモンド薄膜層
を成膜した基板母材を、ダイヤモンド薄膜層が上になる
ように配置して銅を溶融させると、銅は毛管現象により
基板母材内に溶け込んでいく。この方法では銅と基板母
材との配置が簡単であり、また、銅が溶けた際に銅が周
辺に飛ぶことを抑制できるため、ダイヤモンド薄膜層の
面に汚れが付着するのを防止することができる。
【００６８】また、基板母材の空孔に銅を充填する工程
は、ダイヤモンド薄膜層が形成された基板母材上に固体
の銅を載置した後、銅を加熱して溶融させて溶融した銅
を空孔に浸入させることを含むことが好ましい。
【００６９】この場合、基板母材上に固体の銅を置き、
この銅を溶かすので銅は重力と毛管現象によって基板母
材内に溶け込んでいく。その結果、銅を充填する速度が
速くなる。
【００７０】また、基板母材の空孔に銅を充填する工程
は、容器内に銅の溶湯を蓄え、ダイヤモンド薄膜層が形
成された基板母材を銅の溶湯に浸すことにより、溶融し
た銅を空孔に浸入させることを含むことが好ましい。
【００７１】この場合、銅の溶湯に基板母材を漬けるた
め、基板母材の面のうちダイヤモンド薄膜層が形成され
た面以外のすべての面から銅が均等に浸入し、かつ浸入
する速度も速くなる。
【００７２】また、ダイヤモンド薄膜層の形成に先立
ち、基板母材の表面に傷つけ処理を行なう工程をさらに
備えることが好ましい。この場合、傷からダイヤモンド
の核が発生しやすくなるため、ダイヤモンドの核が基板
母材の表面に多く発生し、ダイヤモンド薄膜層の成長が
速くなるとともにダイヤモンド薄膜層の厚さも均一とな
る。
【００７３】また、傷つけ処理はダイヤモンドを用いて
基板母材の表面に傷をつけることを含むことが好まし
い。この場合、基板母材の表面に傷をつける際にダイヤ
モンドが基板母材の表面に付着するため、このダイヤモ
ンドがダイヤモンド薄膜層を形成する際の核となる。そ
のため、より一層ダイヤモンド薄膜層の成長を促進する
ことができる。
【００７４】
【実施例】（実施例１）図１は、この発明で使用したダ
イヤモンド気相合成用の熱フィラメントＣＶＤ（chemic
al vapor deposition ）装置の模式図である。図１を参
照して、熱フィラメントＣＶＤ装置１は、反応容器２１
と、ガス導入口２２と、ガス排出口２３と、交流電源２
４と、タングステンフィラメント２５と、基板保持台２
７と、冷却水導入口２８と、冷却水排出口２９とを備え
る。
【００７５】反応容器２１には、原料ガスを導入するた
めのガス導入口２２と、原料ガスや原料ガスから生成し
たガスを排出するためのガス排出口２３が設けられてい
る。
【００７６】反応容器２１内には、タングステンフィラ
メント２５が設けられている。タングステンフィラメン
ト２５は交流電源２４と接続されており、交流電源２４
からタングステンフィラメント２５へ電流が流されるこ
とによってタングステンフィラメント２５が赤熱する。
【００７７】タングステンフィラメント２５の下方には
基板を載置するためのモリブデン製の基板保持台２７が
設けられている。タングステンフィラメント２５は赤熱
することによって高温となるため、この基板保持台２７
も高温となる。基板保持台２７を冷却するための冷却水
を導入する冷却水導入口２８と冷却水を排出する冷却水
排出口２９とが基板保持台２７に設けられている。
【００７８】Ｃｕの含有率が１１重量％のＣｕ−Ｗ焼結
体からなり、縦×横×厚みが１３．５ｍｍ×１３．５ｍ
ｍ×０．６３５ｍｍの基板を準備した。この基板の表面
にＣｕＫα管球のＸ線を照射してＸ線回折チャートを得
た。その結果を図２に示す。
【００７９】図２より、Ｗ（タングステン）に起因する
ピークがＣｕ（銅）に起因するピークよりも大きくなっ
ていることがわかる。これより、基板の表面でＷの量が
多いことがわかる。また、この基板の表面からの深さと
各成分の濃度との関係を調べた。その結果を図３に示
す。
【００８０】図３中、点線２０１は、基板内部のＣｕの
濃度の実測値を示し、点線２０４は、点線２０１で示す
Ｃｕの濃度の実測値を深さ２０μｍごとに平均した値で
ある。また、実線２０２は、基板内部のＷの濃度の実測
値を示し、実線２０５は、実線２０２で示すＷの実測値
を深さ２０μｍごとに平均した値である。また、一点鎖
線２０３は基板の内部と基板の外部でのＣの濃度を示す
が、基板外部でのＣの濃度は基板を固定するための固定
治具中のＣの濃度である。
【００８１】図３の横軸は界面からの深さを示し、図３
の縦軸は任意の量を示すものであり、Ｃｕの濃度とＷの
濃度との比を正確に表わすものではない。この点は、後
述の図４および６でも同様である。
【００８２】図３より、基板内部では、Ｗの濃度もＣｕ
の濃度もほぼ一定であることがわかる。
【００８３】次に、図１５のステップＡに従い、フッ硝
酸（フッ化水素酸と硝酸を体積比１：１で混ぜたもの）
を純水で希釈した溶液に上述の基板を５分間浸した。こ
の基板の内部でのＣｕとＷとの濃度を測定した。その結
果を図４に示す。
【００８４】図４中、点線２１１は、基板内部のＣｕの
濃度の実測値を示し、点線２１４は点線２１１で示すＣ
ｕの実測値を深さ２０μｍごとに平均した値を示す。実
線２１２は基板内部のＷの濃度の実測値を示し、実線２
１５は、実線２１２で示す基板内部のＷの濃度の実測値
を深さ２０μｍごとに平均した値を示す。また、一点鎖
線２１３は基板の内部と基板の外部でのＣの濃度を示す
が、基板外部でのＣの濃度は基板を指示する固定治具中
のＣの濃度である。図４より、この基板の表面の銅がフ
ッ硝酸により除去されて基板の表面に近づくにつれてＣ
ｕの濃度（含有率）が小さくなっていることがわかる。
【００８５】この基板の表面にダイヤモンド砥粒で傷つ
け処理を施した後、図１で示す熱フィラメントＣＶＤ装
置１中の基板保持台２７上に基板２６を載置した。タン
グステンフィラメント２５に交流電源２４から電流を流
し、タングステンフィラメント２５の温度を約２０５０
℃とした。
【００８６】次に、ガス導入口２２からメタンの濃度が
１モル％のメタンと水素の混合ガスを反応容器２１内に
導入した。反応容器２１内の圧力を７０Ｔｏｒｒに維持
した。これにより、図１５のステップＢに従い、基板２
６上にダイヤモンド薄膜層を４０時間かけて合成した。
これにより、図１６で示すダイヤモンド薄膜層３１を得
た。得られたダイヤモンド薄膜層３１の厚さは２４μｍ
であり、基板２６の反りは３μｍであった。
【００８７】ダイヤモンド薄膜層３１の表面を研磨して
鏡面にした後ダイヤモンド薄膜層３１の表面にＣｕＫα
管球から発生するＸ線を照射してＸ線回折チャートを得
た。得られたＸ線回折チャートを図５に示す。
【００８８】図５より、Ｗの（１１０）面のピークの強
度（高さ）ＩW （１１０）とＣｕの（２００）面のピ−
クの強度（高さ）ＩCu（２００）との比ＩW （１１０）
／ＩCu（２００）は１１９であった。また、Ｗの（２１
１）面のピークの強度（高さ）ＩW （２１１）とＣｕの
（２００）面のピークの強度（高さ）ＩCu（２００）と
の比は５０であった。また、基板２６とダイヤモンド薄
膜層３１の界面からの深さと各成分の濃度との関係を調
べた。その結果を図６に示す。
【００８９】図６中、点線２２１は、基板内部のＣｕの
濃度の実測値を示し、点線２２４は、点線２２１で示す
Ｃｕの濃度の実測値を深さ２０μｍごとに平均した値で
ある。実線２２２は、基板内部のＷの濃度の実測値を示
し、実線２２５は、実線２２２で示すＷの実測値を深さ
２０μｍごとに平均した値である。一点鎖線２２３は基
板の内部と基板の外部でのＣの濃度を示す。
【００９０】図６より、Ｃｕの濃度（含有率）は基板の
表面に近づくにつれて小さくなっている。また、基板の
表面からの深さが１０μｍ以内の部分でのＣｕの含有率
は基板全体のＣｕの含有率（１１重量％）の５０％以下
であった。
【００９１】縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×０．６３
５ｍｍとなるように基板２６を切断してもダイヤモンド
薄膜層３１が基板２６から剥離することはなかった。そ
の後、メタライズを施して作製したヒートシンクにレー
ザダイオードを設置したところ、レーザダイオードは安
定して発振した。このことにより、このヒートシンクは
十分実用に供することができることがわかる。
【００９２】（比較例１）Ｃｕの含有率が１１重量％の
Ｃｕ−Ｗ焼結体からなり、縦×横×厚みが１３．５ｍｍ
×１３．５ｍｍ×０．６３５ｍｍの基板を用意した。こ
の基板を、硝酸を純水で希釈した溶液に３０秒間浸し
た。この基板の表面にダイヤモンド砥粒で傷つけ処理を
施した後、熱フィラメントＣＶＤ装置１の基板保持台２
７上に基板２６を載置した。
【００９３】タングステンフィラメント２５の温度を約
２０５０℃とし、ガス導入口からメタンの濃度が１モル
％のメタンと水素の混合ガスを反応容器２１内に流し
た。反応容器２１内の圧力を７０Ｔｏｒｒとした。この
条件で４０時間かけて基板上にダイヤモンド薄膜層を形
成した。ダイヤモンド薄膜層の厚さは２３．５μｍであ
り基板の反りは３．４μｍであった。
【００９４】ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨して鏡面
にした後にＣｕＫα管球から発生するＸ線をダイヤモン
ド薄膜層に照射してＸ線回折チャートを得た。このＸ線
回折チャートからＷの（１１０）面のピークの強度（高
さ）とＣｕの（２００）面のピークの強度との比を求め
たところ、ピークの強度の比は６５であった。この基板
を縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×０．６３５ｍｍとな
るよう切出したところ、ダイヤモンド薄膜層が基板から
剥離した。
【００９５】（実施例２）Ｃｕの含有率が１５重量％の
Ｃｕ−Ｗ焼結体からなり、縦×横×厚みが１３．５ｍｍ
×１３．５ｍｍ×０．６３５ｍｍの図１７で示すような
基板２６を用意した。この基板の表面の粗さＲZ が１μ
ｍとなるように基板２６の表面に粗面化処理を施した。
ここで、ＲZ はＪＩＳ（Japanese Industrial Standard
s ）で規定される十点平均粗さをいう。
【００９６】粗面化処理を施した表面にＣｕを含まない
中間層として厚さ３μｍの図１７で示すようなＳｉＣ３
２を蒸着した。この中間層にダイヤモンド砥粒で傷つけ
処理を施した後に図１で示す熱フィラメントＣＶＤ装置
１の基板保持台２７上に基板２６を載置した。タングス
テンフィラメントの温度を約２１００℃とし、ガス導入
口２２からメタンの濃度が１モル％のメタンと水素の混
合ガスを反応容器２１内に流した。反応容器２１内の圧
力を７０Ｔｏｒｒとした。この条件で４０時間かけて基
板上に図１７で示すようなダイヤモンド薄膜層３１を形
成した。得られたダイヤモンド薄膜層３１の厚さは２２
μｍであり、基板２６の反りは２．５μｍであった。ダ
イヤモンド薄膜層３１の表面を研磨して鏡面にした後に
ＣｕＫα管球から発生するＸ線をダイヤモンド薄膜層３
１の表面に照射してＸ線回折チャートを得た。このＸ線
回折チャートからＷの（２１１）面によるピークの強度
（高さ）ＩW （２１１）とＣｕの（２００）面のピーク
の強度（高さ）ＩCu（２００）との比ＩW （２１１）／
ＩCu（２００）は４７であった。
【００９７】その後、縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×
０．６３５ｍｍとなるように基板を切断してもダイヤモ
ンド薄膜層３１は基板２６から剥離することがなかっ
た。その後、基板２６の面のうちダイヤモンド薄膜層３
１が形成された面と反対側の面を磨き、この面にメタラ
イズを施してヒートシンクを作製した。ヒートシンク上
にレーザダイオードを設置したところ、レーザダイオー
ドは発振した。このことより、このヒートシンクは十分
実用に供することができることがわかる。
【００９８】（比較例２）Ｃｕの含有率が１５重量％の
Ｃｕ−Ｗ焼結体からなり、縦×横×厚みが１３．５ｍｍ
×１３．５ｍｍ×０．６３５ｍｍの基板を用意した。こ
の基板の表面の粗さＲZ が５μｍとなるように基板の表
面に粗面化処理を施した。粗面化処理後の表面にＣｕを
含まない中間層として厚さが１２μｍのＳｉＣを蒸着し
た。
【００９９】この中間層の表面にダイヤモンド砥粒で傷
つけ処理を施した後、図１で示す熱フィラメントＣＶＤ
装置１の基板保持台２７上に基板２６を載置した。タン
グステンフィラメントの温度を約２１００℃とし、ガス
導入口２２からメタンの濃度が１モル％のメタンと水素
の混合ガスを反応容器２１内に流した。反応容器２１内
の圧力を７０Ｔｏｒｒとした。この条件で４０時間かけ
て基板上にダイヤモンド薄膜層を形成した。ダイヤモン
ド薄膜層の厚さは２３μｍであり、基板の反りは３．５
μｍであった。
【０１００】ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨して鏡面
にした後にＣｕＫα管球から発生するＸ線をダイヤモン
ド薄膜層に照射してＸ線回折チャートを得た。このＸ線
回折チャートより、Ｗの（２１１）面によるピークの強
度（高さ）ＩW （２１１）とＣｕの（２００）面のピー
クの強度（高さ）ＩCu（２００）との比ＩW （２１１）
／ＩCu（２００）は１８であった。この基板を縦×横×
厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×０．６３５ｍｍとなるように切
断したところダイヤモンド薄膜層は基板から剥離した。
【０１０１】（実施例３）図７は、この発明で用いたダ
イヤモンド気相合成用のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置
の模式図である。マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１００
は、基板保持台１０１と、マイクロ波電源１０４と、チ
ューナ１０５と、導波管１０６と、反応容器１０７と、
排出口１０８と、導入口１０９と、プランジャ１１０と
を備える。
【０１０２】反応容器１０７内には、基板を保持するた
めの基板保持台１０１が設けられる。反応容器１０７に
は、原料ガスを導入するための導入口１０９と、原料ガ
スや反応して形成されたガスを排出するための排出口１
０８が設けられる。排出口１０８は真空ポンプに接続さ
れる。マイクロ波電源１０４とアイソレータ（図示せ
ず）とチューナ１０５がマイクロ波発生部を構成する。
反応容器１０７は石英管により構成される。
【０１０３】マイクロ波発生部から発生したマイクロ波
は導波管１０６を介してプランジャ１１０へ向かう。そ
して、導波管１０６の途中に反応容器１０７が設けられ
ているため、反応容器１０７内に点線１０３で囲んだプ
ラズマが発生する。プラズマが発生する位置は反応容器
１０７と導波管１０６とが交差する位置であるため、こ
の交差する位置付近に基板保持台１０１が設置される。
【０１０４】Ｃｕの含有率が１１重量％の焼結体からな
り、縦×横×厚みが１３．５ｍｍ×１３．５ｍｍ×１ｍ
ｍの基板を用意した。フッ硝酸を純水で希釈した溶液に
上述の基板を２分間浸した。この基板の表面にダイヤモ
ンド砥粒で傷つけ処理を施した後マイクロ波プラズマＣ
ＶＤ装置１００の基板保持台１０１上に基板１０２を載
置した。
【０１０５】基板の温度を８５０℃とし、メタンの濃度
が３モル％のメタンと水素の混合ガスを導入口１０９か
ら導入し、反応容器１０７内の圧力を１４０Ｔｏｒｒに
保ち、反応容器１０７内にプラズマを発生させた。この
条件で２０時間かけて基板１０２上にダイヤモンド薄膜
層を合成した。ダイヤモンド薄膜層の厚さは２２μｍで
あり、基板の反りは４μｍであった。
【０１０６】ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨して鏡面
にした後にＣｕＫα管球から発生するＸ線をダイヤモン
ド薄膜層の表面に照射してＸ線回折チャートを得た。得
られたＸ線回折チャートを図８に示す。
【０１０７】図８より、Ｗの（１１０）面のピークの強
度（高さ）ＩW （１１０）とＣｕの（２００）面のピー
クの強度（高さ）ＩCu（２００）との比ＩW （１１０）
／ＩCu（２００）は１４０であった。また、Ｗの（２１
１）面のピークの強度（高さ）ＩW （２１１）とＣｕの
（２００）面のピークの強度（高さ）ＩCu（２００）と
の比ＩW （２１１）／ＩCu（２００）は５０であった。
【０１０８】基板を縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×１
ｍｍとなるように切断して複数個の基板を形成してもダ
イヤモンド薄膜層が基板から外れることはなかった。複
数個の基板のうちの１個のダイヤモンド薄膜層を剥がし
て基板の表面の面積が３×４μｍ2 の範囲をエリオニク
ス社製ＥＲＡ８０００型の３Ｄ−ＳＥＭ（three demens
ional scanning electron microscope）で観察した。そ
の観察結果を図９に示す。
【０１０９】また、この観察結果から基板の表面ではＷ
粒子が露出しており、Ｗ粒子の表面粗さＲZ を測定した
ところ、表面粗さＲZ は０．０９μｍであった。また、
この基板の表面の別の部分をＦＥＳＥＭ（field emissi
on scanning electron microscope ）で観察した。観察
結果を図１０に示す。
【０１１０】また、切断して形成した複数の基板のうち
の１つについて、基板の面のうち、ダイヤモンド薄膜層
を形成した面と反対側の面を研磨しメタライズを施して
ヒートシンクを作製した。このヒートシンクにレーザダ
イオードを設置したところ、レーザダイオードは安定し
て発振した。このことより、このヒートシンクは十分実
用に供することができるといえる。
【０１１１】（実施例４）空孔率が２７．５体積％でＷ
焼結体からなり、縦×横×厚みが１０ｍｍ×１０ｍｍ×
０．３ｍｍの基板を用意した。この基板の空孔にＣｕを
浸入させた。これにより、基板全体でのＣｕの含有率を
１０重量％とし、基板の面のうち、ダイヤモンド薄膜層
を形成するための面からの深さが１０μｍの部分でのＣ
ｕの含有率を３重量％とした。
【０１１２】この基板の表面にダイヤモンド砥粒を用い
て傷つけ処理を施した後、図７で示すマイクロ波プラズ
マＣＶＤ装置１００の基板保持台１０１上に基板１０２
を載置した。基板１０２の温度を８５０℃とし、導入口
１０９からメタンの濃度が３．５モル％のメタンと水素
の混合ガスを反応容器１０７導入した。反応容器１０７
内の圧力を１４０Ｔｏｒｒとして２０時間かけて基板１
０２上にダイヤモンド薄膜層を合成した。ダイヤモンド
薄膜層の厚さは２５μｍであり、基板の反りは２．７μ
ｍであった。
【０１１３】ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨して鏡面
にした後に、基板を縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×
０．３ｍｍとなるように切断してもダイヤモンド薄膜層
が基板から剥離することはなかった。その後、基板にメ
タライズを施してヒートシンクを作製し、このヒートシ
ンクにレーザダイオードを設置したところ、レーザダイ
オードは安定して発振した。このことより、このヒート
シンクは十分実用に供することができることがわかる。
【０１１４】（実施例５）Ｃｕの含有率が１５重量％の
Ｃｕ−Ｗ−Ｍｏ焼結体からなり、縦×横×厚みが１０ｍ
ｍ×１０ｍｍ×０．３ｍｍの基板を用意した。硝酸を純
水で希釈した溶液にこの基板を３分間浸した。この基板
の表面にダイヤモンド砥粒で傷つけ処理を施した後に図
１で示す熱フィラメントＣＶＤ装置１の基板保持台２７
上に基板２６を載置した。
【０１１５】タングステンフィラメント２５の温度を約
２１００℃とし、メタンの濃度が２モル％のメタンと水
素の混合ガスをガス導入口２２から反応容器２１内に流
した。反応容器２１内の圧力を７０Ｔｏｒｒとした。こ
の条件で４０時間かけて基板上にダイヤモンド薄膜層を
合成した。ダイヤモンド薄膜層の厚さは２２μｍであ
り、基板の反りは３μｍであった。
【０１１６】ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨して鏡面
にした後にＣｕＫα管球から発生するＸ線をダイヤモン
ド薄膜層に照射してＸ線回折チャートを得た。このＸ線
回折チャートより、Ｗの（１１０）のピークの強度（高
さ）ＩW （１１０）とＣｕの（２００）面のピークの強
度（高さ）ＩCu（２００）との比ＩW （１１０）／ＩCu
（２００）は１２０であった。
【０１１７】この基板を縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ
×０．３ｍｍとなるように切断してもダイヤモンド薄膜
層が基板から剥離することはなかった。その後、基板の
面のうちダイヤモンド薄膜層を形成した面と反対側の面
を磨きメタライズを施してヒートシンクを作製した。レ
ーザダイオードをこのヒートシンク上に設置したとこ
ろ、レーザダイオードは発振した。このことより、この
ヒートシンクは十分実用に供することができるといえ
る。
【０１１８】（実施例６）Ｃｕの含有率が１１重量％の
Ｃｕ−Ｗ焼結体からなり、縦×横×厚みが１３．５ｍｍ
×１３．５ｍｍ×０．６ｍｍの基板を用意した。この基
板を約８分間王水（濃硝酸と濃塩酸とを体積比１：３で
混合した溶液）に浸した。この基板の表面にダイヤモン
ド砥粒で傷つけ処理を施した後に基板を図１で示す熱フ
ィラメントＣＶＤ装置の基板保持台２７上に基板２６を
載置した。
【０１１９】タングステンフィラメント２５の温度を約
２０００℃とし、メタンの濃度が２モル％のメタンと水
素の混合ガスをガス導入口２２から反応容器２１内に導
入した。反応容器２１内の圧力を６０Ｔｏｒｒに維持し
た。この条件で４５時間かけて基板２６上にダイヤモン
ド薄膜層を合成した。得られたダイヤモンド薄膜層の厚
さは２５μｍであり、基板の反りは２μｍであった。
【０１２０】ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨して鏡面
にした後にＣｕＫα管球から発生するＸ線をダイヤモン
ド薄膜層に照射してＸ線回折チャートを得た。得られた
Ｘ線回折チャートより、Ｗの（２１１）面のピークの強
度（高さ）ＩW （２１１）とＣｕの（２００）面のピー
クの強度（高さ）ＩCu（２００）との比ＩW （２１１）
／ＩCu（２００）は４５であった。
【０１２１】基板を縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×
０．６ｍｍとなるように切断してもダイヤモンド薄膜層
が基板から剥離することはなかった。その後、この基板
にメタライズを施してヒートシンクを作製した。ヒート
シンク上にレーザダイオードを設置したところ、レーザ
ダイオードは安定して発振した。このことより、このヒ
ートシンクは実用に供することができるといえる。
【０１２２】（実施例７）Ｃｕの含有率が１１重量％の
Ｃｕ−Ｗ焼結体からなり、縦×横×厚みが１３．５ｍｍ
×１３．５ｍｍ×０．６３５ｍｍの基板を用意した。こ
の基板の表面にＣｕを含まない中間層として厚さ５μｍ
のＳｉを蒸着した。この中間層にダイヤモンド砥粒で傷
つけ処理を施した後に図７で示すマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ装置１００の基板保持台１０１上に基板１０２を設
置した。
【０１２３】基板１０２の温度を約９００℃とし、メタ
ンの濃度が２．５モル％のメタンと水素の混合ガスをガ
ス導入口１０９から反応容器１０７内に導入した。反応
容器１０７内の圧力を１００Ｔｏｒｒに維持して３０時
間かけて基板１０２上にダイヤモンド薄膜層を合成し
た。ダイヤモンド薄膜層の厚さは２３μｍであり、基板
の反りは４μｍであった。
【０１２４】ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨して鏡面
にした後にＣｕＫα管球から発生するＸ線をダイヤモン
ド薄膜層に照射してＸ線回折チャートを得た。Ｘ線回折
チャートより、Ｗの（１１０）面のピークの強度（高
さ）ＩW （１１０）とＣｕの（２００）面のピークの強
度（高さ）ＩCu（２００）との比ＩW （１１０）／ＩCu
（２００）は１３０であった。縦×横×厚みが２ｍｍ×
１ｍｍ×０．６３５ｍｍとなるように基板を切断しても
ダイヤモンド薄膜層は基板から剥離することはなかっ
た。その後、基板にメタライズを施してヒートシンクを
作製した。ヒートシンクにレーザダイオードを設置した
ところ、レーザダイオードは安定して発振した。これよ
り、このヒートシンクは十分実用に供することができる
ことがわかる。
【０１２５】（実施例８）Ｃｕの含有率が１５重量％の
Ｃｕ−Ｗ焼結体からなり、縦×横×厚みが１３．５ｍｍ
×１３．５ｍｍ×０．６ｍｍの基板を用意した。この基
板を、フッ硝酸を純水で希釈した溶液に１分間つけた。
この基板の表面にダイヤモンド砥粒で傷つけ処理を施し
た後に図１で示す熱フィラメントＣＶＤ装置１の基板保
持台２７上に基板２６を載置した。
【０１２６】タングステンフィラメント２５の温度を約
２１００℃とし、メタンの濃度が１モル％のメタンと水
素の混合ガスをガス導入口２２から反応容器２１内に導
入した。反応容器２１内の圧力を７０Ｔｏｒｒとした。
この条件で４４時間かけて基板２６上にダイヤモンド薄
膜層を形成した。ダイヤモンド薄膜層の厚さは２１μｍ
であり、基板の反りは３μｍであった。
【０１２７】ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨して鏡面
にした後ＣｕＫα管球から発生するＸ線をダイヤモンド
薄膜層に照射してＸ線回折チャートを得た。Ｘ線回折チ
ャートより、Ｗの（１１０）面のピークの強度（高さ）
ＩW （１１０）とＣｕの（２００）面のピークの強度
（高さ）ＩCu（２００）との比ＩW （１１０）／Ｉ
Cu（２００）は１２１であった。また、このＸ線回折チ
ャートには、ＷＣのピークが多数現われた。
【０１２８】この基板を縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ
×０．６ｍｍとなるように切断してもダイヤモンド薄膜
層は基板から剥離することはなかった。その後、基板に
メタライズを施してヒートシンクを作製した。ヒートシ
ンクにレーザダイオードを設置したところ、レーザダイ
オードは安定して発振した。このことより、このヒート
シンクは十分実用に供することができるといえる。
【０１２９】（実施例９）実施例３では、基板をフッ硝
酸に浸すことにより基板表面のＷ粒子の表面粗さＲZ を
０．０９μｍとしたが、フッ硝酸で処理する以外にＷ粒
子の表面を粗くする方法について実施例９では検討し
た。その結果、以下の５つの方法によればＷ粒子の表面
を粗面化できることがわかった。
【０１３０】１：基板に金属などの微粒を吹きつけるシ
ョットブラスト ２：アルゴンガスをプラズマ化し、基板にバイアスを印
加してアルゴン原子を基板に衝突させるアルゴンスパッ
タ ３：基板をアルカリ中に浸すアルカリ処理 ４：基板をフッ素プラズマにさらすフッ素プラズマ処理 ５：基板に電子ビームを照射する電子ビーム照射 （実施例１０）
【０１３１】Ｃｕの含有率が１１重量％のＣｕ−Ｗ焼結
体からなり、縦×横×厚みが１３．５ｍｍ×１３．５ｍ
ｍ×０．６ｍｍの基板を用意した。硝酸を純水で希釈し
た溶液に基板を３０分間浸した。その後、基板の表面に
Ｘ線を照射してＸ線回折チャートを得た。このＸ線回折
チャートには、Ｃｕのピークは現われなかった。
【０１３２】この基板の表面にダイヤモンド微粒で傷付
け処理を施した後、図１で示す熱フィラメントＣＶＤ装
置１の基板保持台２７上に基板２６載置した。その後、
タングステンフィラメント２５に交流電源２４から電流
を流し、タングステンフィラメント２５の温度を約２０
５０℃とした。
【０１３３】次に、ガス導入口からメタンの濃度が１モ
ル％のメタンと水素の混合ガスを反応容器２１内に導入
した。反応容器２１内の圧力を７０Ｔｏｒｒに維持した
条件で基板２６上にダイヤモンド薄膜層を４０時間かけ
て合成した。ダイヤモンド薄膜層の厚さは２４μｍであ
った。また、基板の反りは３μｍであった。
【０１３４】ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨して鏡面
にした後、縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×０．６ｍｍ
となるように基板を切断してもダイヤモンド薄膜は基板
から剥離することはなかった。
【０１３５】その後、基板にメタライズを施してヒート
シンクを作製した。このヒートシンクにレーザダイオー
ドを設置したところ、レーザダイオードは発振した。こ
のことより、このヒートシンクは十分実用に供すること
ができることがわかる。
【０１３６】（実施例１１）Ｃｕの含有率が１５重量％
のＣｕ−Ｗ焼結体からなり、縦×横×厚みが１０ｍｍ×
１０ｍｍ×０．６ｍｍの基板を用意した。フッ硝酸（フ
ッ化水素酸と硝酸とを体積比１：１で混合したもの）を
純水で希釈した溶液に３分間この基板を浸した。これに
より、基板の表面粗さＲZ は４．５μｍとなった。この
酸処理後の基板の表面をエリオニクス社製ＥＲＡ８００
０型の３Ｄ−ＳＥＭ（three dimensional scanning ele
ctron microscope）で観察した。観察結果を図１１に示
す。
【０１３７】図１１より、酸処理された基板表面にはＷ
粒子が露出しており、露出したＷ粒子の表面の粗さＲZ
は０．０８μｍであった。
【０１３８】また、この基板の表面をＦＥＳＥＭ（fiel
d emission scanning electron microscope ）により観
察した。その観察結果を図１２に示す。
【０１３９】次に、酸処理後の基板の表面にダイヤモン
ド微粒で傷付け処理を施した後に図１で示す熱フィラメ
ントＣＶＤ装置１の基板保持台２７上に基板２６を設置
した。
【０１４０】タングステンフィラメント２５の温度を約
２１００℃とし、メタンの濃度が１モル％のメタンと水
素の混合ガスをガス導入口２２から反応容器２１内へ流
した。反応容器２１内の圧力を７０Ｔｏｒｒに維持し
た。この条件で、４０時間かけて基板２６上にダイヤモ
ンド薄膜層を合成した。ダイヤモンド薄膜層の厚さは２
２μｍであり、基板の反りは２．５μｍであった。
【０１４１】その後、ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨
して鏡面にした後に、縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×
０．６ｍｍとなるように基板を切断してもダイヤモンド
薄膜は基板から剥離することはなかった。
【０１４２】その後、基板の面のうちダイヤモンド薄膜
層を形成した面と反対側の面を磨き、この面にメタライ
ズを施してヒートシンクを作製した。このヒートシンク
上にレーザダイオードを設置したところ、レーザダイオ
ードは安定して発振した。このことより、このヒートシ
ンクは十分実用に供することができるということがわか
る。
【０１４３】（実施例１２）Ｃｕの含有率が１５重量％
のＣｕ−Ｗ焼結体からなり、縦×横×厚みが１３．５ｍ
ｍ×１３．５ｍｍ×０．６ｍｍの基板を用意した。この
基板を１分間過酸化水素水に浸し、さらにその後、この
基板を５分間硝酸に浸し、基板の表面の粗さＲZ を４．
５μｍとした。この基板の表面にダイヤモンド微粒で傷
付け処理を施した後に図１で示す熱フィラメントＣＶＤ
装置１の基板保持台２７上に基板２６を設置した。
【０１４４】タングステンフィラメント２５の温度を約
２１００℃とし、ガス導入口２２からメタンの濃度が１
モル％のメタンと水素の混合ガスを反応容器２１内に導
入した。反応容器２１内の圧力を７０Ｔｏｒｒとした。
この条件で、４０時間かけて基板２６上にダイヤモンド
薄膜層を形成した。ダイヤモンド薄膜層の厚さは２１μ
ｍであり、基板の反りは２．５μｍであった。
【０１４５】ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨して鏡面
にした後に縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×０．６ｍｍ
となるように基板を切断してもダイヤモンド薄膜層は基
板から剥離することはなかった。その後、基板の面のう
ちダイヤモンド薄膜層が形成された面と反対側の面を磨
きメタライズを施してヒートシンクを作製した。このヒ
ートシンク上にレーザダイオードを設置したところ、レ
ーザダイオードは発振した。このことより、このヒート
シンクは十分実用に供することができることがわかる。
【０１４６】（実施例１３）
【０１４７】Ｃｕの含有率が１０重量％でＣｕ−Ｍｏ焼
結体からなり、縦×横×厚みが１５ｍｍ×１５ｍｍ×１
ｍｍの基板を用意した。この基板を３０分間硫酸に浸け
た。これにより、基板の表面からの深さが３０μｍ以内
の部分での空孔率を２５体積％とし、かつ基板の表面か
らの深さが３０μｍ以内の部分でのＣｕの含有率を２重
量％とした。なお、基板全体のＣｕの含有率は１０重量
％のままであった。
【０１４８】この基板の表面にダイヤモンド微粒で傷付
け処理を施した後に図４で示すマイクロ波プラズマＣＶ
Ｄ装置１００内の基板保持台１０１上に基板１０２を載
置した。基板１０２の温度を約８５０℃とし、導入口１
０９から反応容器１０７へメタンの濃度が３モル％のメ
タンと水素の混合ガスを導入した。反応容器１０７内の
圧力を１４０Ｔｏｒｒに維持した。
【０１４９】この条件で、２０時間かけて基板１０２上
にダイヤモンド薄膜層を合成した。ダイヤモンド薄膜層
の厚さは２２μｍであり、基板の反りは４μｍであっ
た。
【０１５０】ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨して鏡面
にした後、縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍとな
るように基板を切断してもダイヤモンド薄膜層が基板か
ら剥離することはなかった。その後、基板の面のうちダ
イヤモンド薄膜層を形成した面と反対側の面を磨き、こ
の面にメタライズを施してヒートシンクを作製した。こ
のヒートシンク上にレーザダイオードを設置したとこ
ろ、レーザダイオードは発振した。このことより、この
ヒートシンクは十分実用に供することができることがわ
かる。
【０１５１】（実施例１４）Ｃｕの含有率が１５重量％
のＣｕ−Ｗ焼結体からなり、縦×横×厚みが１０ｍｍ×
１０ｍｍ×０．３ｍｍの基板を用意した。この基板を４
０分間塩酸に浸けることにより、基板の表面の粗さＲZ
は３．６μｍとなった。
【０１５２】この基板の表面にダイヤモンド微粒で傷付
け処理を施した後に図４で示すマイクロ波プラズマＣＶ
Ｄ装置の基板保持台１０１上に基板１０２を載置した。
基板１０２の温度を約８５０℃とし、導入口１０９から
反応容器１０７へメタンの濃度が３．５モル％のメタン
と水素の混合ガスを導入した。反応容器１０７内の圧力
を１４０Ｔｏｒｒに維持した。この条件で、２０時間か
けて基板１０２の上にダイヤモンド薄膜層を形成した。
ダイヤモンド薄膜層の厚さは２５μｍであり、基板の反
りは２．７μｍであった。
【０１５３】ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨して鏡面
にした後に縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×０．３ｍｍ
となるように基板を切断してもダイヤモンド薄膜層が基
板から剥離することはなかった。その後、基板の面のう
ちダイヤモンド薄膜層を形成した面と反対側の面を磨
き、この面にメタライズを施してヒートシンクを作製し
た。このヒートシンク上にレーザダイオードを設置した
ところ、レーザダイオードは発振した。このことより、
このヒートシンクは十分実用に供することができること
がわかる。
【０１５４】（実施例１５）Ｃｕの含有率が１１重量％
のＣｕ−Ｗ焼結体からなり、縦×横×厚みが１０ｍｍ×
１０ｍｍ×０．６ｍｍの基板を用意した。この基板を、
純水で希釈したフッ硝酸の溶液に１分間浸したのち、硝
酸に５分間浸した。その後、この基板にＣｕＫα管球か
ら発生するＸ線を照射してＸ線回折チャートを得た。そ
のＸ線回折チャートを図１３に示す。
【０１５５】図１３より、酸処理後の基板の表面のＸ線
回折チャートには、Ｃｕのピークが現われていないこと
がわかる。
【０１５６】次に、この基板の表面にダイヤモンド微粒
を用いて傷付け処理を行なった後に図１で示す熱フィラ
メントＣＶＤ装置１の基板保持台２７上に基板２６を載
置した。タングステンフィラメント２５の温度を２１０
０℃とし、メタンの濃度が１モル％のメタンと水素の混
合ガスをガス導入口２２から反応容器２１内に流した。
反応容器２１の圧力を７０Ｔｏｒｒとした。この条件で
４０時間かけて基板２６上にダイヤモンド薄膜層を形成
した。ダイヤモンド薄膜層の厚さは２０μｍであり、基
板の反りは２．５μｍであった。
【０１５７】ダイヤモンド薄膜層の表面を研磨して鏡面
にした後に、縦×横×厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×０．６ｍ
ｍとなるように基板を切断してもダイヤモンド薄膜層が
基板から剥離することはなかった。その後、基板の面の
うちダイヤモンド薄膜層が形成された面と反対側の面を
磨き基板の厚みを０．３ｍｍとして基板にメタライズを
施してヒートシンクを作製した。このヒートシンクにレ
ーザダイオードを設置したところ、レーザダイオードは
発振した。このことより、このヒートシンクは十分実用
に供することができるといえる。
【０１５８】（比較例３）比較例３では、実施例１５で
の酸処理工程の条件を変えた。実施例１５では、基板
を、純水で希釈したフッ硝酸で１分間浸した後に硝酸に
５分間浸したが、比較例３では、基板を、純水で希釈し
たフッ硝酸に１０秒間浸し、その後は基板を硝酸に浸さ
なかった。酸処理後の基板に実施例１５と同様の条件で
ダイヤモンド薄膜層を形成した。このダイヤモンド薄膜
層に、ＣｕＫα管球から発生するＸ線を照射してＸ線回
折チャートを得た。そのＸ線回折チャートを図１４に示
す。
【０１５９】図１４より、Ｘ線回折チャートでは、Ｃｕ
のピークが現われていることがわかる。ダイヤモンドの
表面を研磨して鏡面にした後に基板の大きさが縦×横×
厚みが２ｍｍ×１ｍｍ×０．６ｍｍとなるように基板を
切断したところ、ダイヤモンド薄膜の一部が基板から剥
離した。
【０１６０】（実施例１６）空孔率が２１体積％でタン
グステン金属焼結体からなり、縦×横×厚みが１００ｍ
ｍ×８０ｍｍ×１ｍｍの図１８で示すような多孔体の基
板母材３１０を用意した。空孔３１１を有する基板母材
３１０の表面にダイヤモンド微粒で傷つけ処理を施した
後、基板母材３１０を基板保持台２７上に載置した。そ
の後、タングステンフィラメント２５に交流電源２４か
ら電流を流し、タングステンフィラメント２５の温度を
約２０５０℃とした。
【０１６１】次に、ガス導入口２２からメタンの濃度が
１モル％の水素とメタンとの混合ガスを反応容器２１内
に導入した。反応容器内の圧力を７０Ｔｏｒｒに維持し
た条件で基板母材３１０上に図１９で示すようなダイヤ
モンド薄膜層３２０を４０時間かけて合成した。ダイヤ
モンド薄膜層３２０の厚さは２４μｍであった。次に、
加熱用のヒータ上に銅板を載置し、この銅板上にダイヤ
モンド薄膜層３２０が形成された基板母材３１０を載置
した。
【０１６２】ヒータを用いて銅を温度１１００℃まで加
熱して溶かし１０時間かけて基板母材３１０の空孔３１
１内に銅を浸入させた。その後、基板母材を縦×横×厚
みが１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍとなるように切断し
た。ダイヤモンド薄膜層に鏡面研磨を施し、縦×横×厚
みが２ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍとなるように基板母材を切
断したヒートシンクを得た。このとき、ダイヤモンド薄
膜層が基板母材から剥離することはなかった。ダイヤモ
ンド薄膜層と基板母材とにメタライズを施して図２０で
示すようなヒートシンクを得た。
【０１６３】図２０を参照して、ヒートシンク３００
は、基板母材３１０とダイヤモンド薄膜層３２０により
構成される。基板母材３１０は微細なタングステン金属
粉が焼結したタングステン金属焼結体からなる。基板母
材３１０には多数の空孔３１１が存在し、これらの空孔
３１１はすべてつながっている。空孔３１１内に銅３１
２が充填されている。基板母材の表面層３１０ａでは、
空孔３１１にダイヤモンド薄膜層３２０が入り込んでい
る。
【０１６４】基板母材３１０の表面には多結晶のダイヤ
モンド薄膜層３２０が形成されている。
【０１６５】このヒートシンク３００にレーザダイオー
ドを載置したところ、レーザダイオードは発振した。こ
のことより、このヒートシンクは十分実用に供すること
ができることがわかる。
【０１６６】（実施例１７）空孔率が２８体積％の多孔
体でタングステン金属焼結体からなり、縦×横×厚みが
１００ｍｍ×８０ｍｍ×２ｍｍの基板母材を用意した。
この基板母材の表面にダイヤモンド微粒で傷つけ処理を
施した。その後基板母材を図１で示す基板保持台２７上
に載置した。タングステンフィラメント２５の温度を約
２１００℃とし、ガス導入口２２からメタンの濃度が１
モル％の水素とメタンとの混合ガスを反応容器２１内に
流した。反応容器２１内の圧力を７０Ｔｏｒｒとした。
この条件で４０時間かけて基板母材上にダイヤモンド薄
膜層を形成した。ダイヤモンド薄膜層の厚さは２２μｍ
であった。
【０１６７】次に、ダイヤモンド薄膜層を下向きにして
基板母材を支持台上に載置し、基板母材上に銅板を置い
た。この銅板上にヒータを載置し、銅板を温度１１００
℃まで加熱して溶融させ、基板母材に銅を浸入させた。
その後、基板母材を縦×横×厚みが１０ｍｍ×１０ｍｍ
×２ｍｍとなるように切断し、ダイヤモンド薄膜層に鏡
面研磨を施した。その後、基板母材を縦×横×厚みが２
ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍとなるように切断してもダイヤモ
ンド薄膜層が基板母材から剥離することはなかった。
【０１６８】その後、基板母材の面のうち、ダイヤモン
ド薄膜層を形成した面と反対側の面を磨きメタライズを
施して、ヒートシンクを作製した。このヒートシンク上
にレーザダイオードを設置したところ、レーザダイオー
ドは発振した。これより、このヒートシンクは実用に供
することができるといえる。
【０１６９】（実施例１８）空孔率が３５体積％の多孔
体でタングステン金属焼結体からなり、縦×横×厚みが
１００ｍｍ×８０ｍｍ×２ｍｍの基板母材を準備した。
この基板母材の表面にダイヤモンド微粒で傷つけ処理を
施した。この基板母材を図１で示す基板保持台２７上に
設置した。タングステンフィラメント２５の温度を約２
１００℃とし、メタンの濃度が１モル％の水素とメタン
との混合ガスをガス導入口２２から反応容器２１内に流
した。反応容器２１内の圧力を７０Ｔｏｒｒとした。こ
の条件で４０時間かけて基板母材上にダイヤモンド薄膜
層を形成した。ダイヤモンド薄膜層の厚さは２２μｍで
あった。
【０１７０】次に、容器としてのるつぼを用意し、この
るつぼ内に銅を入れた。銅を温度１１００℃まで加熱し
て溶融させた。基板母材をるつぼに浸して基板母材の空
孔内に銅を浸入させた。その後、基板母材を縦×横×厚
みが１０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍとなるように切断した
後、ダイヤモンド薄膜層表面に鏡面研磨を施した。次
に、基板母材を研削した後に基板母材の縦×横×厚みが
２ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍとなるように切断しても基板母
材からダイヤモンド薄膜層が剥離することはなかった。
その後、基板母材の面のうち、ダイヤモンド薄膜層を形
成した面と反対側の面を磨きメタライズを施して、ヒー
トシンクを作製した。このヒートシンク上にレーザダイ
オードを設置したところ、レーザダイオードは発振し
た。これより、このヒートシンクは実用に供することが
できるといえる。
【０１７１】（実施例１９）図２１に示すようにＳｉ、
ＡｌＮ、ＣｕＷ合金、またはＳｉＣからなる縦２０ｍｍ
×横２０ｍｍ×厚さ０．４ｍｍの放熱用基材８１を用意
した。その一表面をダイヤモンドパウダーを使用して傷
付け処理を行なった。その後、熱フィラメントＣＶＤ法
によりその一表面全体にダイヤモンドを成長させた。成
長条件は以下のとおりである。
【０１７２】 原料ガス １体積％メタン−水素 流量 ６００ｓｃｃｍ 圧力 ８０Ｔｏｒｒ 基板温度 ７１０℃ フィラメント タングステン フィラメント温度 ２１５０℃ 各放熱用基材８１の一表面には、密着性の高い気相合成
ダイヤモンド層８２が得られた。各気相合成ダイヤモン
ド層８２は、研磨後の厚さがそれぞれ２０μｍ、５０μ
ｍ、１００μｍとなるようにした。また、得られた各気
相合成ダイヤモンド層８２の熱伝導率をレーザフラッシ
ュ法で測定したところ、いずれも１３１０Ｗ／ｍ・Ｋで
あった。
【０１７３】各気相合成ダイヤモンド層８２を研磨した
後、レーザ切断し、その表面にメタライズを施した。こ
のメタライズ層は、すべてＡｕ３μｍ／Ｐｔ０．０５μ
ｍ／Ｔｉ０．１μｍとした。また、放熱用基材８１の反
対側の表面にはＡｕを蒸着によりメタライズし、ＣｕＷ
合金からなるベース金属部材８３にろう材で接合した。
最後に、半導体素子８４としてＧａＡｓからなるＭＭＩ
Ｃを、その発熱領域を上にして気相合成ダイヤモンド層
８２上のメタライズ層にろう材を用いて接合した。
【０１７４】比較例として、上述の気相合成ダイヤモン
ド層８２と、放熱用基材８１との積層部材からなるヒー
トシンクの代わりに、ダイヤモンド自立板（縦２０ｍｍ
×横２０ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ、およびＢｅＯ基板（縦
２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を用意し、上
記と同様に、ベース金属部材および半導体素子（ＭＭＩ
Ｃ）をそれぞれ接合した。
【０１７５】その結果、ダイヤモンド自立板を使用した
試料１３では、ＧａＡｓの半導体素子が搭載時に割れて
しまった。これに対して、本発明の各試料１〜１２は、
熱膨張率がＧａＡｓのそれに近づくため、ろう付けによ
る搭載時に半導体素子の割れが発生せず、搭載したＭＭ
ＩＣの半導体素子は安定して動作した。また、半導体素
子の割れが起こらなかった試料１〜１２および１４で
は、下記の表１に示すように熱抵抗が低く、特に本発明
の試料１〜１２の熱抵抗はＢｅＯを用いた試料１４より
も低かった。
【０１７６】
【表１】 （実施例２０）上述の実施例１９と同様にして、図２２
で示すように縦１４ｍｍ×横１４ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ
のＳｉからなる放熱用基材９１の一表面上に、気相合成
法によりダイヤモンド薄膜層を成長させた。このダイヤ
モンド薄膜層を研磨して放熱用基材９１の上に厚さ４０
μｍの気相合成ダイヤモンド層９２を有するヒートシン
クを作製した。
【０１７７】このヒートシンクの気相合成ダイヤモンド
層９２の上に、ポリイミド−Ｃｕ多層配線層（３層）９
５を設けた。その後、所定の位置にエキシマレーザを点
集光してビアホール加工を行ない貫通孔による層間配線
を形成した。次に、実施例１９と同様に、ヒートシンク
の放熱用基材９１側をＣｕＷベースの金属部材９３にろ
う付けし、気相合成ダイヤモンド層９２上の素子搭載部
にＭＭＩＣの半導体素子９４をろう付けによる接合し
た。その後、半導体素子９４と多層配線層９５との接続
を行なった。
【０１７８】このヒートシンクに実装したＭＭＩＣの半
導体素子９４は、搭載時に割れが発生せず、また長期間
安定に動作し、その優れた放熱性が示された。
【０１７９】上述の実施例１９および２０より、以下の
ことがわかる。半導体素子の割れを防止するために、本
発明が提供する半導体モジュールは、熱伝導率が１００
Ｗ／ｍ・Ｋ以上である厚さ２００〜７００μｍの放熱用
基材と、その放熱用基材上に設けられた厚さ１０〜２０
０μｍの気相合成ダイヤモンド層と、気相合成ダイヤモ
ンド層上に搭載された大出力半導体素子とからなる。
【０１８０】本発明の半導体モジュールにおいては、放
熱用基材は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＣｕＷ合金、Ｃｕ
Ｍｏ合金、ＣｕＭｏＷ合金から選ばれた少なくとも１つ
からなることが好ましい。基材は、実施例１〜１８で用
いたような、Ｃｕの濃度が表面に近づくにつれて小さく
なるものか、Ｗ多孔体の空孔にＣｕを埋め込んだもので
もよい。また、気相合成ダイヤモンド層は熱伝導率が１
０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。
【０１８１】また、本発明の半導体モジュールは、半導
体素子の搭載に関する具体的な構成として、気相合成ダ
イヤモンド層の半導体素子搭載面の少なくとも一部にメ
タライズ層を有すること、メタライズ層がＡｕ、Ｍｏ、
Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌから選ばれた少な
くとも１つからなること、およびこのメタライズ層上に
大出力半導体素子がろう材により接合されている。
【０１８２】さらに、本発明の半導体モジュールにおい
ては、搭載される大出力半導体素子は、ガリウム砒素を
主成分とし、中でも、大出力トランジスタはＭＭＩＣの
搭載に好適である。また、大出力半導体素子は、その発
熱領域と反対側の面を気相合成ダイヤモンド層側に接合
することが望ましい。
【０１８３】本発明の半導体モジュールにおいては、気
相合成ダイヤモンド層の大出力半導体素子が搭載される
側の面に、比誘電率５以下の絶縁層と金属配線層とから
なる多層配線層を形成することによって、さらに、半導
体素子の搭載密度を上げることができる。
【０１８４】本発明による半導体モジュールにおいて
は、ヒートシンクまたは放熱基板とすべき放熱用基材の
半導体素子を実装する面の側に、厚さ１０〜２００μｍ
の薄い気相合成ダイヤモンド層を配置する。このように
薄い気相合成ダイヤモンド層を放熱用基材の上に配置す
ることによって、この気相合成ダイヤモンド層上に搭載
された半導体素子から発生する熱を効率よく放散するこ
とができる。また同時に、半導体素子の搭載時における
割れを防止することが可能となる。
【０１８５】すなわち、半導体素子で発生した熱は、ま
ず高熱伝導率の気相合成ダイヤモンド層内を横方向に拡
散し、その後気相合成ダイヤモンド層の全面から放熱用
基材に拡散していく。このため、気相合成ダイヤモンド
層の厚みが薄くても、高効率の熱放散性をモジュールに
付与することが可能となる。気相合成ダイヤモンド層中
での横方向の良好な熱拡散を得るために、その熱伝導率
は１０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。
【０１８６】一方、放熱用基材の熱伝導率は、ダイヤモ
ンドの熱伝導率よりも小さくてもよいのであるが、小さ
すぎると気相合成ダイヤモンド層の放熱効果が打ち消さ
れてしまう。そのため、放熱用基材の熱伝導率は１００
Ｗ／ｍ・Ｋ以上である必要がある。このような熱伝導率
を有する放熱用基材として、具体的には、Ｓｉ、Ｓｉ
Ｃ、ＡｌＮ、Ｃｕ、ＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、ＣｕＭ
ｏＷ合金等を用いることが望ましい。
【０１８７】また、一般的にダイヤモンドは、上記のよ
うに薄くなる機械的強度が弱くなる。しかも、ダイヤモ
ンドは熱膨張率が低いため、ＭＭＩＣのようなガリウム
砒素（ＧａＡｓ）を主成分とする半導体素子をろう付け
すると、熱膨張率の違いにより半導体素子が割れてしま
うという大きな問題があった。
【０１８８】ところが、本発明によれば、ダイヤモンド
より熱膨張率が大きい放熱用基材の上に気相合成法によ
りダイヤモンドを厚さ２００μｍ以下に薄くコーティン
グする。これによって、得られる気相合成ダイヤモンド
層の機械的強度を損なうことなく、その熱膨張率を放熱
用基材に近づけることができる。その結果、この気相合
成ダイヤモンド層上にＧａＡｓの半導体素子をろう付け
しても、半導体素子の割れを防ぐことができる。
【０１８９】気相合成ダイヤモンド層の厚さは１０μｍ
以上であれば十分な機械的強度の維持とともに、十分な
熱放散性を示すものであり、その厚さは２０μｍ以上が
さらに好ましい。しかし、気相合成ダイヤモンド層は厚
くなるとコストが上昇する上、特に２００μｍを超えて
厚くなると、下層の放熱用基材の影響がなくなって熱膨
張率が小さくなり、搭載時の半導体素子の割れが発生し
やすくなる。一方、放熱用基材の厚さは２００μｍ未満
ではその機械的強度が弱くなりすぎ、逆に７００μｍを
超えるとモジュール全体の放熱性が損なわれる。そのた
め、放熱用基材の厚さは、２００〜７００μｍの範囲が
好ましく、２５０〜５００μｍの範囲がさらに好まし
い。
【０１９０】なお、放熱用基材上に設けるダイヤモンド
層は、天然ダイヤモンドや高圧合成ダイヤモンドを使用
することも可能である。しかし、これらは基材との貼り
付けが難しく放熱性低下を引起し、大面積のものが作製
できない等の問題がある。気相合成法によれば、放熱用
基材上に薄いダイヤモンド層を直接成膜することがで
き、本発明において必要な熱伝導率および膜厚の気相合
成ダイヤモンド層を容易に得ることが可能である。その
上、天然ダイヤモンドや高圧合成ダイヤモンドに比べて
コストを大幅に低減することができる。
【０１９１】上記した気相合成ダイヤモンド層と放熱用
基材とからなる積層部材は、ヒートシンクまたは放熱基
板として使用し、その気相合成ダイヤモンド層の上に大
出力トランジスタやＭＭＩＣ等の大出力半導体素子を搭
載する。これらの大出力半導体素子は、ＧａＡｓが主成
分となっている。また、半導体素子は通常は片側の表面
に発熱領域を有するが、この発熱領域と反対側の面を気
相合成ダイヤモンド層に対向させて搭載することができ
る。
【０１９２】半導体素子を搭載するためには、気相合成
ダイヤモンド層の半導体素子搭載面に、Ａｕ、Ｍｏ、Ｎ
ｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌなどから選ばれた少
なくとも１種からなるメタライズ層を形成する。大出力
トランジスタではＭＭＩＣなどの大出力半導体素子は、
このメタライズ層上にＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉな
どのろう材によって接合固定される。これらのメタライ
ズ層およびろう付け層の厚みは、合計で０．１〜５０μ
ｍの範囲が好ましい。
【０１９３】また、気相合成ダイヤモンド層の半導体素
子が搭載される側の面に、絶縁層と金属配線層からなる
多層配線層を形成してこの多層配線層を用いて半導体素
子と配線することにより、半導体素子の搭載密度をさら
に上げることができる。この場合、絶縁層の誘電率が小
さいほど、伝送によるノイズやロスを低減することがで
きるので、比誘電率が５以下の絶縁層が望ましい。
【０１９４】なお、上記の気相合成ダイヤモンド層と放
熱用基材とからなる積層部材は、ヒートシンクまたは放
熱基板として、その放熱用基材の側のＣｕＷ等の通常の
ベース金属部内に接合して使用される。その際、放熱用
基材のベース金属の接合される面の側にＡｕ、Ｍｏ、Ｎ
ｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌなどから選ばれた少
なくとも１種からなるメタライズ層を形成し、ＡｕＳｎ
やＡｕＳｉなどのろう材を用いて接合する。
【０１９５】以上、この発明について説明したが、ここ
で示した実施例はさまざまに変形可能である。今回開示
された実施例はすべての点で例示であって制限的なもの
ではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記
した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特
許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変
更が含まれることが意図される。
【０１９６】
【発明の効果】この発明に従えば、ダイヤモンド薄膜層
と基板との密着性が高くさらに反りの少ないヒートシン
クを提供することができる。
【０１９７】この発明によれば、有毒なＢｅＯを用いな
いので製造上安全である。また薄い気相合成ダイヤモン
ド層を利用するので安価である上、放熱性に優れた半導
体モジュールを提供することができる。しかも、この半
導体モジュールは、放熱用基材とその上に設けた気相合
成ダイヤモンド層が半導体素子との熱膨張差を減縮して
素子内部の熱応力を緩和し、素子搭載時における半導体
素子の割れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明で用いたダイヤモンド気相合成用の熱
フィラメントＣＶＤ装置の模式図である。
【図２】酸に浸す前の基板にＸ線を照射して得られるＸ
線回折チャートである。
【図３】酸に浸す前の基板内のＣｕとＷとＣとの濃度を
示すグラフである。
【図４】酸に浸した後であってダイヤモンド薄膜層を形
成する前の基板内部のＣｕとＷとＣとの濃度を示すグラ
フである。
【図５】ダイヤモンド薄膜層を形成した後にダイヤモン
ド薄膜層にＸ線を照射して得られるＸ線回折チャートで
ある。
【図６】ダイヤモンド薄膜層を形成した後の基板とダイ
ヤモンド薄膜層内のＣｕとＷとＣとの濃度を示すグラフ
である。
【図７】この発明で用いたダイヤモンド気相合成用のマ
イクロ波プラズマＣＶＤ装置の模式図である。
【図８】実施例３で得られたダイヤモンド薄膜層にＸ線
を照射して得られるＸ線回折チャートである。
【図９】実施例３で得られたサンプルのある部分につい
ての走査型電子顕微鏡写真である。
【図１０】実施例３で得られたサンプルの別の部分につ
いての走査型電子顕微鏡写真である。
【図１１】実施例１１に従って酸処理を施した基板のあ
る部分についての走査型電子顕微鏡写真である。
【図１２】実施例１１に従って酸処理をした基板の別の
部分についての走査型電子顕微鏡写真である。
【図１３】実施例１５に従って酸処理された後の基板に
ついてのＸ線回折チャートである。
【図１４】比較例３に従って酸処理された後の基板のＸ
線回折チャートである。
【図１５】この発明の実施例１に従ったヒートシンクの
製造工程を示すステップ図である。
【図１６】この発明の実施例１に従って製造されたダイ
ヤモンド薄膜層の模式図である。
【図１７】この発明の実施例２に従って製造された、中
間層上に形成されたダイヤモンド薄膜層を示す模式図で
ある。
【図１８】この発明に従ったヒートシンクの製造方法の
第１工程を示す模式図である。
【図１９】この発明に従ったヒートシンクの製造方法の
第２工程を示す模式図である。
【図２０】この発明に従ったヒートシンクの製造方法の
第３工程を示す模式図である。
【図２１】この発明の実施例１９による半導体モジュー
ルを示す概略の断面図である。
【図２２】この発明の実施例２０による半導体モジュー
ルを示す概略の断面図である。
【符号の説明】
２６ 基板 ３１，２２０ ダイヤモンド薄膜層 ３２ 中間層 ３１０ 基板母材 ３１１ 空孔 ３１２ 銅
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平10−216683 (32)優先日 平成10年７月31日(1998．7．31) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 今井 貴浩 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 目黒 貴一 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB01 BB08 BD16

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＣｕとＷとを含む焼結体の基板と、 前記基板の表面上に形成されたダイヤモンド薄膜層とを
    備え、 前記基板内のＣｕの含有率は５重量％以上であり、 前記ダイヤモンド薄膜層にＸ線を照射して得られるＸ線
    回折チャートにおいて、Ｗの（１１０）面の回折ピーク
    強度がＣｕの（２００）面の回折ピーク強度の１００倍
    以上である、ヒートシンク。
  2. 【請求項２】 ＣｕとＷとを含む焼結体の基板と、 前記基板の表面上に形成されたダイヤモンド薄膜層とを
    備え、 前記基板内のＣｕの含有率は５重量％以上であり、 前記ダイヤモンド薄膜層にＸ線を照射して得られるＸ線
    回折チャートにおいて、Ｗの（２１１）面の回折ピーク
    強度がＣｕの（２００）面の回折ピーク強度の３０倍以
    上である、ヒートシンク。
  3. 【請求項３】 前記ダイヤモンド薄膜層にＸ線を照射し
    て得られるＸ線回折チャートにおいて、ＷＣのピークが
    現われる、請求項１または２に記載のヒートシンク。
  4. 【請求項４】 Ｃｕと低熱膨張係数の金属とを含む基板
    と、 前記基板の表面上に形成されたダイヤモンド薄膜層とを
    備え、 前記基板内のＣｕの含有率は５重量％以上であり、 前記基板内でのＣｕの含有率は前記基板の表面に近づく
    につれて小さくなる、ヒートシンク。
  5. 【請求項５】 前記基板の表面からの深さが１０μｍ以
    下の部分のＣｕの含有率は、前記基板全体のＣｕの含有
    率の５０％以下である、請求項４に記載のヒートシン
    ク。
  6. 【請求項６】 前記基板はＣｕ−Ｗ焼結体またはＣｕ−
    Ｗ−Ｍｏ焼結体である、請求項１〜５のいずれか１項に
    記載のヒートシンク。
  7. 【請求項７】 前記基板の表面にはＷ粒子が露出してお
    り、そのＷ粒子の表面粗さＲZ は０．０５μｍ以上であ
    る、請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートシン
    ク。
  8. 【請求項８】 前記基板の表面と前記ダイヤモンド薄膜
    層との間にはＣｕの含有率がほぼ０重量％の中間層が形
    成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒ
    ートシンク。
  9. 【請求項９】 前記基板の厚さは２００μｍ以上１００
    ００μｍ以下である、請求項１〜８のいずれか１項に記
    載のヒートシンク。
  10. 【請求項１０】 前記ダイヤモンド薄膜層の厚さは１０
    μｍ以上である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の
    ヒートシンク。
  11. 【請求項１１】 Ｃｕと低熱膨張係数の金属とを含む基
    板の表面を酸に浸すことにより前記基板の表面層の部分
    のＣｕの含有率を減少させるとともに、露出した低熱膨
    張係数の金属の表面を粗面化する工程と、 前記酸処理後の前記基板の表面上に気相合成法によりダ
    イヤモンド薄膜層を形成する工程とを備えた、ヒートシ
    ンクの製造方法。
  12. 【請求項１２】 前記酸は、塩酸、硝酸、硫酸、フッ化
    水素酸、過酸化水素およびクロム酸からなる群より選ば
    れた溶液またはその混合溶液である、請求項１１に記載
    のヒートシンクの製造方法。
  13. 【請求項１３】 前記基板の表面層の部分のＣｕの含有
    率を減少させる工程は、前記基板の表面を特定の酸に浸
    す第１酸処理工程と、前記第１酸処理後の基板を前記特
    定の酸とは異なる酸に浸す第２酸処理工程とを含む、請
    求項１１または１２に記載のヒートシンクの製造方法。
  14. 【請求項１４】 前記基板は、Ｃｕ−Ｗ焼結体およびＣ
    ｕ−Ｗ−Ｍｏ焼結体からなる群より選ばれた少なくとも
    １種の焼結体である、請求項１１〜１３のいずれか１項
    に記載のヒートシンクの製造方法。
  15. 【請求項１５】 酸に浸された前記基板の表面ではＷ粒
    子が露出しており、前記Ｗ粒子の表面粗さＲZ は０．０
    ５μｍ以上である、請求項１１〜１４のいずれか１項に
    記載のヒートシンクの製造方法。
  16. 【請求項１６】 前記Ｃｕの含有率を減少させる酸処理
    は、前記基板の表面にＸ線を照射して得られるＸ線回折
    チャートにおいて、Ｃｕのピークが検出されないように
    なるまで行なう、請求項１１〜１５のいずれか１項に記
    載のヒートシンクの製造方法。
  17. 【請求項１７】 前記Ｃｕの含有率を減少させる酸処理
    は、前記基板の表面からの深さが３０μｍ以内の部分で
    の空孔率が５体積％以上７０体積％以下となり、かつ前
    記基板の表面からの深さが３０μｍ以内の部分でのＣｕ
    の含有率が前記基板全体のＣｕの含有率の５０％以下に
    なるまで行なう、請求項１１〜１６のいずれか１項に記
    載のヒートシンクの製造方法。
  18. 【請求項１８】 前記ダイヤモンド薄膜層の形成に先立
    ち、ダイヤモンドを用いて前記基板の表面に傷付け処理
    を行なう工程を備えた、請求項１１〜１７のいずれか１
    項に記載のヒートシンクの製造方法。
  19. 【請求項１９】 基板と、その基板上に形成されたダイ
    ヤモンド薄膜層とを備えたヒートシンクであって、 前記基板は、 低熱膨張係数の多孔質材料からなる基板母材と、 前記基板母材の空孔に充填されたＣｕとを含み、 前記基板母材の表面層では、空孔に前記ダイヤモンド薄
    膜層が入り込んでいる、ヒートシンク。
  20. 【請求項２０】 前記基板の熱伝導率は１００Ｗ／ｍ・
    Ｋ以上であり、かつ厚さは２００μｍ以上７００μｍ以
    下であり、前記ダイヤモンド薄膜層の厚さは１０μｍ以
    上２００μｍ以下である、請求項１〜１０または１９の
    いずれか１項に記載のヒートシンク。
  21. 【請求項２１】 前記ダイヤモンド薄膜層の熱伝導率は
    １０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項２０に記載のヒ
    ートシンク。
  22. 【請求項２２】 低熱膨張係数の多孔質材料からなる基
    板母材の表面上にダイヤモンド薄膜層を形成する工程
    と、 前記ダイヤモンド薄膜層の形成後に、前記基板母材の空
    孔にＣｕを充填する工程とを備えた、ヒートシンクの製
    造方法。
  23. 【請求項２３】 前記基板母材は、Ｗ焼結体およびＷ−
    Ｍｏ焼結体からなる群より選ばれた少なくとも１種の焼
    結体である、請求項２２に記載のヒートシンクの製造方
    法。
  24. 【請求項２４】 前記基板母材の空孔率は１５体積％以
    上６０体積％以下である、請求項２２または２３のいず
    れか１項に記載のヒートシンクの製造方法。
  25. 【請求項２５】 前記基板母材の空孔に銅を充填する工
    程は、溶融した銅を前記基板母材の空孔内に浸入させる
    ことを含む、請求項２２〜２４のいずれか１項に記載の
    ヒートシンクの製造方法。
  26. 【請求項２６】 前記基板母材の空孔に銅を充填する工
    程は、固体の銅の上に前記基板母材を載置した後、銅を
    加熱して溶融させて溶融した銅を空孔に浸入させること
    を含む、請求項２２〜２４のいずれか１項に記載のヒー
    トシンクの製造方法。
  27. 【請求項２７】 前記基板母材の空孔に銅を充填する工
    程は、前記ダイヤモンド薄膜層が形成された前記基板母
    材上に固体の銅を載置した後、銅を加熱して溶融させて
    溶融した銅を空孔に浸入させることを含む、請求項２２
    〜２４のいずれか１項に記載のヒートシンクの製造方
    法。
  28. 【請求項２８】 前記基板母材の空孔に銅を充填する工
    程は、容器内に銅の溶湯を蓄え、前記ダイヤモンド薄膜
    層が形成された前記基板母材を銅の溶湯に浸すことによ
    り、溶融した銅を空孔に浸入させることを含む、請求項
    ２２〜２４のいずれか１項に記載のヒートシンクの製造
    方法。
  29. 【請求項２９】 前記ダイヤモンド薄膜層の形成に先立
    ち、前記基板母材の表面にダイヤモンドを用いて傷つけ
    処理を行なう工程を備える、請求項２２〜２８のいずれ
    か１項に記載のヒートシンクの製造方法。
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