JP2009166160A - 放熱基板の製造方法および放熱基板 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性を向上し、デバイスを形成でき、基板の厚みの制御性を向上できる、放熱基板の製造方法および放熱基板を提供する。
【解決手段】本発明の放熱基板１０ｂの製造方法は、以下の工程を備えている。まず、０．４μｍ以上３００μｍ以下の深さと、５μｍ²以上の面積とを有する凹部１１ａ１が形成された第１の主面１１ａと、第１の主面１１ａと反対側の第２の主面１１ｂとを含むとともに、ダイヤモンドを含まない材料よりなる基板１１が準備される。そして、気相法により第１の主面１１ａ上に、凹部１１ａ１の深さ以上の厚みのダイヤモンド層１３が成長される。そして、凹部１１ａ１の内部に位置するダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１を研磨のストッパとして用いて、第２の主面１１ｂが研磨される。
【選択図】図１０

Description

本発明は、放熱基板の製造方法および放熱基板に関し、たとえば高輝度発光デバイスあるいは大電力パワーデバイス等の発熱密度の高いデバイスを形成するための放熱基板の製造方法および放熱基板に関する。

従来より、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）等の電子デバイス、ＬＤ（Laser Diode：レーザダイオード）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）等の発光デバイスなどのデバイスが用いられている。このようなデバイスの発熱密度は高いため、サブマウント等の上に設置されて用いられている。

Ｓｉ（シリコン）を用いたデバイスでは、Ｓｉの熱伝導度が低いため、デバイスのパワー密度を向上することができない。ＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）などのワイドバンドギャップ材料の熱伝導度はＳｉの熱伝導度よりも高いが、より熱伝導度の高い材料としてダイヤモンドが知られている。このダイヤモンドをデバイスが取り付けられる放熱基板に適用する技術が、たとえば特開２００１−２８４５０２号公報（特許文献１）に開示されている。図１７は、特許文献１に開示の放熱基板の製造方法によって製造された放熱基板を概略的に示す断面図である。図１７に示すように、特許文献１に開示の放熱基板１０９は、多結晶ダイヤモンド基板１０１と、この多結晶ダイヤモンド基板１０１上に形成された第１の中間接合層１０２と、この第１の中間接合層１０２上に形成された第２の中間接合層１０５と、この第２の中間接合層１０５上に形成された第３の中間接合層１０７と、この第３の中間接合層１０７上に形成された金属接合層１０８とを備えている。レーザなどのデバイスは、放熱基板１０９において金属接合層１０８上に形成される。
特開２００１−２８４５０２号公報

しかし、上記特許文献１では、第１、第２および第３の中間接合層１０２、１０５、１０７および金属接合層１０８を介して、デバイスと多結晶ダイヤモンド基板１０１とが接続されている。このため、多結晶ダイヤモンド基板１０１の高い熱伝導度を十分に利用できないので、放熱性が十分でないという問題があった。

ダイヤモンドの高い熱伝導度を十分に利用するために、ダイヤモンドと接触するように、ダイヤモンド上に、デバイスの基板を成長することが考えられる。しかし、現状ではダイヤモンドの単結晶は数ｍｍ²程度の面積であり、これを超える面積を有するダイヤモンドは多結晶である。多結晶のダイヤモンド上には良好な結晶性の基板を成長することはできない。結晶性の良好な基板を成長するためには、単結晶のダイヤモンド上に基板を成長する必要があるため、結晶性の良好な基板をデバイスの作製に必要な大きさで成長することが困難であるという問題があった。

また、Ｓｉ、ＳｉＣなどの基板上に、ダイヤモンドを成長することが考えられる。放熱性を向上するためには、基板の厚みを薄くして、デバイスに近い位置に熱伝導度の高いダイヤモンドを配置することが好ましい。基板の厚みを薄くするためには、ダイヤモンドを成長させた後の基板の残りの厚みがどの程度かを観察しながら、基板を研磨する必要がある。しかし、観察のタイミングを間違えると、基板の少なくとも一部がなくなるまで研磨してしまう。このため、薄く、かつ均一な厚みを残して基板を研磨することが難しいという問題があった。

そこで、本発明の目的は、放熱性を向上し、デバイスを形成でき、基板の厚みの制御性を向上できる、放熱基板の製造方法および放熱基板を提供することである。

本発明の放熱基板の製造方法は、以下の工程を備えている。まず、０．４μｍ以上３００μｍ以下の深さと、５μｍ²以上の面積とを有する凹部が形成された第１の主面と、第１の主面と反対側の第２の主面とを含むとともに、ダイヤモンドを含まない材料よりなる基板が準備される。そして、気相法により第１の主面上に、凹部の深さ以上の厚みのダイヤモンドよりなる層が成長される。そして、凹部の内部に位置するダイヤモンドよりなる層の部分を研磨のストッパとして用いて、第２の主面が研磨される。

本発明の放熱基板の製造方法によれば、基板には上記形状の凹部が形成されているので、この凹部の内部を埋めるようにダイヤモンドを成長することができる。上記形状の凹部の内部に位置するダイヤモンドよるなる層の部分は、基板の第１の主面に対して、０．４μｍ以上３００μｍ以下の厚みと、５μｍ²以上の面積とを有する凸部を形成する。ダイヤモンドは基板よりも高い硬度を有しているので、第２の主面を研磨する時に、ダイヤモンドよりなる凸部が基板の研磨のストッパとなる。また凹部の面積が５μｍ²以上であるので、第２の主面を研磨する時にダイヤモンドよりなる凸部（ダイヤモンドよりなる層の部分）に大きな圧力が加えられることを抑制できる。このため、ダイヤモンドよりなる凸部の表面に研磨材などが達した後は、第２の主面においてそれ以上に研磨が進むことを防止できる。したがって、基板の厚みの制御性を向上することができる。

また、凹部の深さが３００μｍ以下であることから、基板の厚みが３００μｍ以下になるので、ダイヤモンドの高い熱伝導度を利用できずに、基板により放熱性が悪くなることを抑制できる。また、ダイヤモンドよりなる層と接触するようにデバイスを形成するための基板を形成できるので、ダイヤモンドよりなる層をデバイスの発熱源の近くに配置できる。したがって、デバイスを形成したときの放熱性を向上できるので、出力密度を向上したデバイスを作製することができる。

さらに、ダイヤモンドよりなる層を成長すると、第１の主面はダメージを受けるが、凹部の深さが０．４μｍ以上であるので、第２の主面を研磨した後に露出している基板の表面（凹部に成長したダイヤモンドよりなる凸部の上部表面とほぼ同じレベルに位置する表面）に、このダメージが伝達することを抑制できる。このため、第２の主面を研磨した後に露出している基板の表面上に半導体結晶を成長すると、半導体結晶の結晶性の悪化を防止できる。また、上述したように基板の厚みの制御性を向上して薄くすることができるので、基板における必要な部分まで削り取られてしまうことを防止できる。このため、基板上にデバイスを構成する半導体結晶を成長できるので、半導体結晶の結晶性を良好にできる。また、成長するダイヤモンドが多結晶であっても、基板上にデバイスを構成する半導体結晶を成長することにより、半導体結晶の結晶性を良好にできる。したがって、良好な結晶性の半導体結晶を基板上に形成できるので、放熱基板上にデバイスを作製することができる。

以上より、放熱性を向上し、デバイスを形成でき、基板の厚みの制御性を向上できる放熱基板を製造することができる。

上記放熱基板の製造方法において好ましくは、ダイヤモンドよりなる層において第１の主面と接触している面と反対側の面について研磨および研削の少なくともいずれかを行なう工程をさらに備えている。

基板上に成長したダイヤモンドの成長表面は平坦でなく、たとえば数１００μｍ以上の厚みに成長したダイヤモンドの成長表面には、数μｍの凹凸が生じる。このため、ダイヤモンドよりなる層を研磨することによって、ダイヤモンドよりなる層において第１の主面と接触している面と反対側の面を平坦化することができる。

上記放熱基板の製造方法において好ましくは、上記基板は、珪素（Ｓｉ）または炭化珪素（ＳｉＣ）よりなる。

これにより、ダイヤモンドを成長する高温で原子状水素が多い雰囲気下でも、Ｓｉ、ＳｉＣはダメージを受けにくい。このため、ダイヤモンドよりなる層を成長した後の基板上に、良好な結晶性の半導体結晶を成長することができる。

上記放熱基板の製造方法において好ましくは、上記第２の主面を研磨する工程後に、第１の主面と反対側の面上に、半導体結晶を成長する工程をさらに備えている。

これにより、基板上には良好な結晶性の半導体結晶を成長することができるので、良好な結晶性を有する半導体結晶をさらに備えた放熱基板が実現できる。

上記放熱基板の製造方法において好ましくは、上記半導体結晶は、基板を構成する材料と異なる材料よりなる。

これにより、基板上に種々の材料よりなる半導体結晶を成長できるので、所望の半導体結晶をさらに備えた放熱基板が実現できる。

上記放熱基板の製造方法において好ましくは、上記半導体結晶は、窒化物半導体結晶である。これにより、窒化物半導体結晶をさらに備えた放熱基板が実現できる。

本発明の放熱基板は、上記放熱基板の製造方法により製造される放熱基板であって、ダイヤモンドよりなる層と、ダイヤモンドよりなる層上に形成された基板と、基板上に形成された半導体結晶とを備えている。

本発明の放熱基板によれば、上述した放熱基板の製造方法により製造されるので、放熱性を向上し、デバイスを形成でき、基板の厚みの制御性を向上でき、結晶性の良好な半導体結晶を備えた放熱基板が実現できる。

上記放熱基板において好ましくは、上記基板は珪素または炭化珪素であり、上記半導体結晶は窒化物半導体結晶である。

基板が珪素または炭化珪素よりなるので、容易に放熱基板が得られる。半導体結晶が窒化物半導体結晶であるので、デバイスの出力密度をより向上できる。

上記放熱基板において好ましくは、基板の最大の厚みは、５２μｍ以下である。これにより、基板によって放熱性が悪化することを抑制できる。

以上より、本発明の放熱基板の製造方法および放熱基板によれば、放熱性を向上し、デバイスを形成でき、基板の厚みの制御性を向上できる放熱基板が得られる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における放熱基板を示す概略断面図である。図１を参照して、本実施の形態における放熱基板１０ａを説明する。図１に示すように、本実施の形態における放熱基板１０ａは、ダイヤモンド層１３と、ダイヤモンド層１３上に形成された基板１１とを備えている。

ダイヤモンド層１３は、第１の主面１３ａと、第１の主面１３ａと反対側の第２の主面１３ｂとを含んでいる。第１の主面１３ａには、凸部１３ａ１が設けられている。ダイヤモンド層１３は、たとえば多結晶のダイヤモンドよりなる。

基板１１は、ダイヤモンド層１３の第１の主面１３ａと接している第１の主面１１ａと、第１の主面１１ａと反対側の面１１ｃとを含んでいる。基板１１の面１１ｃと、ダイヤモンド層１３の第１の主面１１ａとは、略同一平面上に位置している。基板１１の材料は、ダイヤモンドを含まず、たとえばＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）などが挙げられる。

基板１１の最大の厚みは、３００μｍ以下が好ましく、５２μｍ以下がより好ましい。３００μｍ以下の場合、基板１１による放熱性の低下を抑制できる。５２μｍ以下の場合、基板１１による放熱性の低下をより抑制できる。

図２は、本実施の形態における放熱基板の製造方法を示すフローチャートである。続いて、図２を参照して、本実施の形態における放熱基板の製造方法について説明する。

図３は、本実施の形態における凹部が形成されていない基板を準備する工程を説明するための概略断面図である。まず、図２および図３に示すように、第１の主面１１ａと第２の主面１１ｂとを含む基板１１を準備する（ステップＳ１）。基板１１は、ダイヤモンドを含まない材料よりなる。基板１１は、デバイスを構成する半導体結晶を容易に成長できるため、半導体基板であることが好ましく、後述するダイヤモンド層１３の成長時に受けるダメージが小さいＳｉ基板またはＳｉＣ基板であることがより好ましい。また、基板１１は２インチ以上であることが好ましい。

図４は、本実施の形態における凹部が形成された基板を準備する工程を説明するための概略断面図である。次に、図２および図４に示すように、第１の主面１１ａに、０．４μｍ以上３００μｍ以下の深さＨと、５μｍ²以上の面積Ｓとを有する凹部１１ａ１を形成する（ステップＳ２）。

具体的には、基板１１の第１の主面１１ａに、凹部１１ａ１を形成する領域上が開口された開口部を有するレジストをフォトリソグラフィにより形成する。レジストは特に限定されず、一般公知のフォトレジストを用いることができる。その後、基板１１においてレジストから開口している部分を、たとえばＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）などのドライエッチング、ウエットエッチングなどにより凹部１１ａ１を形成する。

図５〜図７は、本実施の形態における凹部の別の形状を示す概略断面図である。図５〜図７に示すように、第１の主面１１ａに対して凹部１１ａ１の側壁が傾斜してもよい。図５に示すように、凹部１１ａ１は、第１の主面１１ａの上端から下端にかけて開口している領域が増えるような形状（たとえば断面形状が台形）であってもよい。この場合には、凹部１１ａ１の側壁は第１の主面１１ａに対して鈍角である。また、図６に示すように、凹部１１ａ１は、球状（たとえば断面形状が円形）であってもよい。また、図７に示すように、凹部１１ａ１は、第１の主面１１ａの上端から下端にかけて開口している領域が減るような形状（たとえば断面形状が台形）であってもよい。この場合には凹部１１ａ１の側壁は第１の主面１１ａに対して鋭角である。

凹部１１ａ１の深さＨは、０．４μｍ以上３００μｍ以下であり、０．５μｍ以上５２μｍ以下が好ましい。深さＨが０．４μｍ以上の場合、後述するダイヤモンド層１３を成長するステップＳ３において第１の主面１１ａが受けるダメージを、後述する第２の主面１１ｂを研磨するステップＳ５後に露出している基板１１の面１１ｃ（図１参照）に伝達することを抑制できる。このため、第２の主面１１ｂを研磨した後に露出している基板１１の面１１ｃ上に半導体結晶を成長すると、半導体結晶の結晶性の悪化を防止できる。深さＨが０．５μｍ以上の場合、後述する第２の主面１１ｂを研磨するステップＳ５後に露出している基板１１の面１１ｃ（図１参照）に伝達することをより抑制できる。一方、深さＨが３００μｍ以下の場合、基板１１の厚みが３００μｍを超えないように形成できるので、基板１１により放熱性が悪くなることを抑制できる。また、ダイヤモンド層１３と接触するようにデバイスを形成するための基板１１を形成できるので、ダイヤモンド層１３をデバイスの発熱源の近くに配置できる。このため、放熱性を向上できるので、高い出力密度のデバイスを配置できる。さらに、ダイヤモンド層１３を成長するために、要する時間およびコストを低減できる。深さＨが５２μｍ以下の場合、放熱性をより向上できる。

ここで、凹部１１ａ１の深さＨは、図４〜図７に示すように、開口部の最も深い部分の長さである。

凹部１１ａ１の面積Ｓは５μｍ²以上であり、７９μｍ²以上が好ましい。面積Ｓが５μｍ²以上の場合、後述する第２の主面１１ｂを研磨するステップＳ４時に、ダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１に大きな圧力が加えられることを抑制できる。７９μｍ²以上の場合、後述する第２の主面１１ｂを研磨するステップＳ４時に、ダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１に大きな圧力が加えられることをより抑制できる。一方、凹部１１ａ１の面積Ｓの上限は、たとえば基板１１の表面積の１０％以下が好ましく、１％以下が好ましい。基板１１の表面積の１０％以下の場合、ダイヤモンド層１３が露出している凸部１３ａ１上には、良好な結晶性の半導体結晶を成長できないので、デバイスを作製できない無効面積を小さくできる。１％以下であると、無効面積をより小さくできる。このよな凹部１１ａ１の面積Ｓの上限は、たとえば７８５０００μｍ²である。

ここで、凹部１１ａ１の面積Ｓは、図４〜図７に示すように、開口部の上端での面積であり、言い換えると、凹部１１ａ１が形成されていない基板１１の第１の主面１１ａを延ばしたときに開口している部分の面積である。

凹部１１ａ１のアスペクト比（深さ／径）は１以下（すなわち、深さ：直径＝１：１以上）が好ましく、アスペクト比（深さ／径）が０．２以下（すなわち、深さ：直径＝１：５以下）がより好ましい。この範囲であれば、凹部１１ａ１の内部を埋めるように後述するダイヤモンド層１３を成長することができる。なお、径とは、矩形の場合は最も短い辺であり、円形の場合は直径である。

また凹部１１ａ１の平面形状が矩形の場合には、最も短い辺に対する最も長い辺が１００倍以下（すなわち、最も長い辺：最も短い辺＝１００：１〜１：１）であることが好ましい。凹部１１ａ１の平面形状が楕円の場合には、短軸に対する長軸が１００以下（すなわち、長軸：短軸＝１００：１〜１：１）であることが好ましい。この範囲であれば、凹部１１ａ１の内部を埋めるように後述するダイヤモンド層１３を成長することができる。このような凹部１１ａ１の平面形状として、各辺の長さが略等しい矩形または円であることがより好ましい。

凹部１１ａ１は、１個形成されていれば特に限定されないが、２個〜７個形成されていることが好ましく、３個〜７個形成されていることがより好ましい。２個以上であると、後述する第２の主面１１ｂを研磨するステップＳ５時に、研磨機の軸ずれが生じにくくなり、研磨の制御性を良好に保つことができる。３個以上であると、この３箇所以上のダイヤモンドの凸部により平面が規定されるため、基板１１が撓むことを抑制して研磨を行なうことができるので、研磨の制御性をより良好に保つことができる。７個以下であると、デバイスを形成できない無効面積を小さくできる。研磨の制御性の向上および無効面積を小さくする観点から、３個または４個の凹部１１ａ１が形成されていることが最も好ましい。

凹部１１ａ１が複数形成されている場合には、研磨の制御性を向上する観点から、偏りなく対称の位置に形成することが好ましい。

また、凹部１１ａ１の下端面は平坦であることが好ましい。凹部１１ａ１を埋めるようにダイヤモンドを成長するステップＳ３で良好にダイヤモンド層１３を成長するためである。

以上のステップＳ１、Ｓ２により、０．４μｍ以上３００μｍ以下の深さＨと、５μｍ²以上の面積Ｓとを有する凹部１１ａ１が形成された第１の主面１１ａと、第１の主面１１ａと反対側の第２の主面１１ｂとを含むとともに、ダイヤモンドを含まない材料よりなる基板１１を準備できる。なお、凹部１１ａ１の形成されていない基板１１を準備した後に、凹部１１ａ１を形成する上述の方法に特に限定されず、市販の凹部１１ａ１が形成された基板１１を準備してもよい。

図８は、本実施の形態におけるダイヤモンド層を成長した状態を示す概略断面図である。次に、図２および図８に示すように、気相法により第１の主面１１ａ上に、凹部１１ａ１の深さ以上の厚みのダイヤモンド層１３を成長する（ステップＳ３）。

ダイヤモンド層１３の成長方法は気相法であれば特に限定されず、たとえばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition：物理気相成長）法などを採用できる。

成長するダイヤモンド層１３の厚みは、特に限定されないが、たとえば２５０μｍ以上３５０μｍ以下である。

このステップＳ３を実施すると、凹部１１ａ１の内部を埋め、かつ凹部１１ａ１を含む第１の主面１１ａの全体を覆うようにダイヤモンド層１３が成長する。このダイヤモンド層１３の成長表面には凹凸が生じる。たとえばダイヤモンド層１３を基板１１の第１の主面１１ａから数１００μｍ以上の厚みに成長すると、ダイヤモンド層１３の成長表面には、数μｍの凹凸が生じる。

図９は、本実施の形態におけるダイヤモンド層を研磨した状態を示す概略断面図である。次に、図２および図９に示すように、ダイヤモンド層１３において基板１１の第１の主面１１ａと接触している第１の主面１３ａと反対側の第２の主面１３ｂについて研磨および研削の少なくともいずれかを行なう（ステップＳ４）。このステップＳ４では、基板１１を構成する材料の高度よりも高く、かつダイヤモンドの硬度よりも高い材料を用いて、研磨および研削を行なう。

研磨および研削の方法は、特に限定されず、砥石を回転させながら表面に接触させて、厚み方向に削り取るような一般公知の方法を採用できる。このようにダイヤモンド層１３の第２の主面１３ｂについて研磨および研削の少なくともいずれかを行なうことにより、凹凸が形成されていた第２の主面１３ｂから平坦な面１３ｃが得られる。

なお、このダイヤモンド層１３を研磨および研削するステップＳ４は、後述する基板１１を研磨するステップＳ５後に実施してもよく、また、省略されてもよい。

次に、凹部１１ａ１の内部に位置するダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１を研磨のストッパとして用いて、基板１１の第２の主面１１ｂを研磨する（ステップＳ５）。

具体的には、たとえば、ダイヤモンド層１３が形成された基板１１を研磨機に配置して、砥石に研磨液を塗布し、基板１１の第２の主面１１ｂに砥石を接触させた状態で回転し、第２の主面１１ｂを一定荷重で押し付ける。基板１１は、第２の主面１１ｂから厚み方向に削りとられる。研磨を続けると、やがて、ダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１に砥石が達する。その後は、ダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１が研磨のストッパとなるので、砥石と接触している基板１１の面にこれ以上の研磨が進むことを防止できる。このため、第２の主面１１ｂを研磨するステップＳ５後に露出している基板１１の面１１ｃは、凹部１１ａ１に成長したダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１の上部表面とほぼ同じレベルに位置する。

以上のステップＳ１〜Ｓ５を実施することにより、図１に示す本実施の形態における放熱基板１０ａを製造することができる。

以上説明したように、本実施の形態における放熱基板１０ａの製造方法は、以下の工程を備えている。まず、０．４μｍ以上３００μｍ以下の深さＨと、５μｍ²以上の面積Ｓとを有する凹部１１ａ１が形成された第１の主面１１ａと、第１の主面１１ａと反対側の第２の主面１１ｂとを含むとともに、ダイヤモンドを含まない材料よりなる基板１１が準備される（ステップＳ１）。そして、気相法により第１の主面１１ａ上に、凹部１１ａ１の深さＨ以上の厚みのダイヤモンド層１３が成長される（ステップＳ３）。そして、凹部１１ａ１の内部に位置するダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１を研磨のストッパとして用いて、第２の主面１１ａが研磨される（ステップＳ５）。

本発明の放熱基板１０ａの製造方法によれば、基板１１には上記形状の凹部１１ａ１が形成されているので、この凹部１１ａ１の内部を埋めるようにダイヤモンド層１３を成長することができる。上記形状の凹部１１ａ１の内部に位置するダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１は、基板１１の第１の主面１１ａに対して、０．４μｍ以上３００μｍ以下の厚みと、５μｍ²以上の面積とを有する。ダイヤモンドは基板よりも高い硬度を有しているので、第２の主面１１ｂを研磨するステップＳ５時に、ダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１が基板１１の研磨のストッパとなる。このため、ダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１の表面に砥石などの研磨材などが達した後は、第２の主面１１ｂにおいてそれ以上に研磨が進むことを防止できる。このため、薄く、かつ均一な厚みを残して基板１１を研磨することができる。また、研磨時に何度も観察する従来の方法と比べて、本実施の形態ではダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１を研磨のストッパとして用いているので、手間を省くことができ、簡易である。さらに、研磨時の観察のタイミングを間違えることにより、基板を削り取ってしまう場合が発生しやすい従来の方法に比べて、本実施の形態では歩留まりを向上できる。したがって、基板１１の厚みの制御性を向上することができる。

（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２における放熱基板を示す概略断面図である。図１０を参照して、本実施の形態における放熱基板１０ｂを説明する。本実施の形態における放熱基板１０ｂは、基本的には図１に示す実施の形態１と同様の構成を備えているが、基板１１上に半導体結晶１５をさらに備えている点においてのみ異なる。

具体的には、放熱基板１０ｂは、ダイヤモンド層１３と、ダイヤモンド層１３上に形成された基板１１と、基板１１上に形成された半導体結晶１５とを備えている。ダイヤモンド層１３および基板１１は、実施の形態１と同様であるので、その説明は繰り返さない。

半導体結晶１５は、基板１１において研磨により現れた面１１ｃおよびダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１に接して設けられている。半導体結晶１５は、基板１１と同じ材料であっても異なる材料であってもよいが、パワー密度が高いデバイスを作製できるので窒化物半導体結晶よりなることが好ましい。特に、基板１１がＳｉ基板またはＳｉＣ基板で、半導体結晶１５が窒化物半導体結晶であることが好ましい。なお、半導体結晶１５は、単一の層よりなっていても、複数の層を含んでいてもよい。

図１１は、本実施の形態における放熱基板の製造方法を示すフローチャートである。続いて、図１１を参照して、本実施の形態における放熱基板の製造方法について説明する。

図１１に示すように、まず、０．４μｍ以上３００μｍ以下の深さＨと、５μｍ²以上の面積Ｓとを有する凹部１１ａ１が形成された第１の主面１１ａと、第１の主面１１ａと反対側の第２の主面１１ｂとを含むとともに、ダイヤモンドを含まない材料よりなる基板１１を準備する（ステップＳ１、Ｓ２）。次に、気相法により第１の主面１１ａ上に、凹部１１ａ１の深さＨ以上の厚みのダイヤモンド層１３を成長する（ステップＳ３）。次に、ダイヤモンド層１３において第１の主面１１ａと接触している第１の主面１３ａと反対側の第２の主面１３ｂについて研磨および研削の少なくともいずれかを行なう（ステップＳ４）。次に、凹部１１ａ１の内部に位置するダイヤモンド層１３の凸部１３ａ１を研磨のストッパとして用いて、第２の主面１１ｂを研磨する（ステップＳ５）。図１に示す放熱基板１０ａを製造する工程は、実施の形態１と同様であるので、その説明は繰り返さない。

次に、図１１に示すように、第２の主面１１ｂを研磨するステップＳ５後に、第１の主面１１ａと反対側の面１１ｃ上に、半導体結晶１５を成長する（ステップＳ６）。半導体結晶１５は、たとえば上述した材料よりなる。

半導体結晶１５の成長方法は特に限定されず、たとえば昇華法、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ハイドライド気相成長）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシ）法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相堆積）法などの気相法および液相法の少なくともいずれか一方を採用できる。

以上のステップＳ１〜Ｓ６により、図１０に示す放熱基板１０ｂを製造することができる。なお、ダイヤモンド層１３を研磨するステップＳ４は、半導体結晶１５を成長するステップＳ６後に実施してもよい。

以上説明したように、本実施の形態における放熱基板１０ｂの製造方法によれば、第２の主面１１ｂを研磨するステップＳ５後に、第１の主面１１ａと反対側の面１１ｃ上に、半導体結晶１５を成長する（ステップＳ６）。基板１１上には良好な結晶性の半導体結晶１５を成長することができるので、ダイヤモンド層１３と、ダイヤモンド層１３上に形成された基板１１と、基板１１上に形成された良好な結晶性を有する半導体結晶１５とを備えた放熱基板１０ｂを製造することができる。

上記放熱基板１０ｂの製造方法において、基板１１がＳｉまたはＳｉＣであり、半導体結晶１５が窒化物半導体結晶であることが好ましい。ダイヤモンド層１３を成長する雰囲気に基板１１が曝されても、Ｓｉ基板およびＳｉＣ基板はエッチングされにくいので、Ｓｉ原子およびＣ原子が表面から脱落することを防止できる。また、ダイヤモンドの原料である炭素が取り込まれにくい。このため、ダイヤモンド層１３を成長するステップＳ３時に、基板１１が受けるダメージを低減でき、基板を構成している結晶の消失を防止できる。このダメージが低減された基板１１上に、半導体結晶１５として窒化物半導体結晶を成長できるので、結晶性の良好な窒化物半導体結晶を成長できる。窒化物半導体結晶はパワー密度を向上したデバイスを構成するが、デバイスの発熱源に近い位置にダイヤモンド層１３を配置できるので、出力密度の高いデバイスを形成することができる。

本実施例では、０．４μｍ以上３００μｍ以下の深さと、５μｍ²以上の面積とを有する基板の凹部の内部に位置するダイヤモンドよりなる層の部分を研磨のストッパとして用いることの効果について調べた。

（本発明例１）
本発明例１では、実施の形態１における放熱基板の製造方法にしたがって放熱基板を製造した。

具体的には、まず、６Ｈ−ＳｉＣよりなり、３インチの直径と０．４ｍｍの厚みとを有し、第１および第２の主面を有するＳｉＣ基板を準備した（ステップＳ１）。次に、この基板の第１の主面に、フォトリソグラフィーにより直径が３０μｍの円形状の開口部を３箇所有するレジストを形成した。その後、ＲＩＥによりレジストの開口部下の基板をエッチングすることで、深さが８μｍで、直径が３０μｍの円形状の凹部を３箇所形成した（ステップＳ２）。その後、レジストを除去した。

次に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、２５０μｍの厚みのダイヤモンド層を成長した（ステップＳ３）。成長時間は１００時間であり、成長したダイヤモンド層は、最大２０μｍの凹凸が生じた。

次に、ダイヤモンド層の成長表面をダイヤモンド研磨盤で研磨して、この成長表面を平坦化した（ステップＳ４）。このとき、ダイヤモンド層の厚みは、１９０〜２１０μｍであった。このダイヤモンド層の厚みは、マイクロメータにより５箇所について測定した。

次に、ＳｉＣ基板の凹部の内部に位置するダイヤモンド層の凸部を研磨のストッパとして用いて、ダイヤモンド砥粒で、基板の第２の主面を研磨した（ステップＳ５）。基板の凹部に形成されたダイヤモンド層の３箇所の凸部がすべて露出した時点で研磨を停止した。その後、さらに基板の研磨ダメージ層をＣＭＰ加工により除去した。以上のステップＳ１〜Ｓ５により、本発明例１における放熱基板を製造した。

（本発明例２）
本発明例２における放熱基板の製造方法は、基本的には本発明例１における放熱基板の製造方法と同様の構成を備えていたが、準備した基板がＳｉ基板である点、第２の主面を研磨するステップＳ５時にアルミナ砥粒により研磨した点において異なる。

具体的には、本発明例２では、第１および第２の主面が（１１１）であり、３インチの直径と０．３５ｍｍの厚みとを有するＳｉ基板を準備した（ステップＳ１）。このＳｉ基板について本発明例１と同様に凹部を形成した（ステップＳ２）。

次に、本発明例１と同様に、Ｓｉ基板上にダイヤモンド層を形成した（ステップＳ３）。このとき、本発明例１と同様の測定方法により測定されたダイヤモンド層の厚みは、１８０〜２１０μｍであった。

次に、本発明例１と同様に、ダイヤモンド層の成長表面を研磨し（ステップＳ４）、続いて基板の第２の主面を研磨した（ステップＳ５）。

（本発明例３〜８、比較例２、３）
本発明例３における放熱基板の製造方法は、基本的には本発明例１における放熱基板の製造方法と同様の構成を備えていたが、準備した基板の材料および凹部の形状において、本発明例１と異なる。

具体的には、本発明例３〜８では、第１および第２の主面が（０００１）面であり、１インチの直径と、０．４ｍｍの厚みとを有するＳｉ基板を準備した（ステップＳ１）。次に、４回対称位置に４箇所、下記の表１に記載の直径の円形状の開口部を有するレジストをフォトリソグラフィにより形成した。

次に、ＨＦ−ＣＶＤ（Hot Filament Chemical Vapor Deposition：熱フィラメント気相化学合成）法により、成長時間を２５０時間として、下記の表１に記載の厚みのダイヤモンド層を成長した（ステップＳ３）。なお、ダイヤモンド層の厚みは、ダイヤモンド層を成長するステップＳ３の前後において、増加した重量を測定し、これをダイヤモンドの比重で除算して、さらにダイヤモンドの表面積（基板の第１および第２の主面の表面積）でさらに除算して算出した。このため、表１に記載のダイヤモンド層の厚みは、基板の凹部に形成されたダイヤモンドの部分を考慮しない厚み（凹部の形成されていない第１の主面との界面からダイヤモンドの成長表面までの距離）に近似される。

次に、本発明例１と同様に、ダイヤモンド層の成長表面を研磨した（ステップＳ４）。このとき、ダイヤモンド層の厚みは、下記の表１に記載の通りとなった。

次に、本発明例１と同様に、ダイヤモンド層の成長表面を研磨し（ステップＳ４）、続いて基板の第２の主面を研磨した（ステップＳ５）。

（比較例１）
比較例１における放熱基板の製造方法は、基本的には本発明例２における放熱基板の製造方法と同様の構成を備えていたが、準備した基板において本発明例１と異なる。

図１２および図１３は、比較例１における放熱基板の製造方法を説明するための概略断面図である。図１２に示すように、比較例１では、本発明例２と同様の第１および第２の主面１１１ａ、１１１ｂを有するＳｉ基板１１１を準備した（ステップＳ１）。このＳｉ基板１１１に凹部を形成せずに、図１２に示すように、第１の主面１１１ａ上にダイヤモンド層１１３を、本発明例２と同様に成長した（ステップＳ３）。

次に、本発明例２と同様に、図１３に示すようにダイヤモンド層１１３の成長表面１１３ｂを研磨した（ステップＳ４）。このとき、本発明例１と同様の測定方法により測定されたダイヤモンド層の厚みは、２００〜２２０μｍであった。

次に、本発明例２と同様に、ダイヤモンド層１１３の成長表面１１３ｂを研磨し（ステップＳ４）、続いてＳｉ基板１１１の第２の主面１１１ｂを研磨した（ステップＳ５）。

（測定方法）
本発明例１〜８および比較例１〜３の放熱基板の製造方法により得られた放熱基板について、基板が残っていたかを確認した。

また、本発明例１〜８および比較例１〜３の放熱基板における第２の主面を研磨したステップＳ５により形成された面について、ＸＰＳにより元素分析を行なった。

（測定結果）
本発明例１〜８の放熱基板は、基板の凹部に成長したダイヤモンド層の凸部が基板の第２の主面を研磨するときのストッパの役割を果たしたので、ダイヤモンド層において凸部以外の領域が基板から露出することを防止でき、ダイヤモンド層の凸部以外の領域では、ダイヤモンド層の凸部の厚みと略同一の薄い厚みを有する厚みが残った。

また、５２μｍ以下の深さを有する凹部が形成された第１の主面を有する基板を用いた本発明例１〜７は、基板の厚みを薄くするための第２の主面を研磨する量が少なかった。

また、本発明例１〜８および比較例１、２の放熱基板において第２の主面を研磨したことにより露出した基板の面は、１％程度の酸素が検出された。この酸素は、表面に吸着したと考えられ、ダイヤモンド層を成長するステップＳ３時に基板はダメージを受けなかったと考えられる。

一方、比較例１の放熱基板は、Ｓｉ基板の厚みが薄くなった時点で研磨を中止して、基板の厚みを測定したところ、厚みは２０μｍ〜４０μｍであった。そこで、さらに研磨を進めた結果、図１４に示すように、基板１１１の端部では基板１１１が削り取られてダイヤモンドが露出したが、中央部では３２μｍの厚みを有する基板が残っていた。なお、図１４は、比較例１における放熱基板を示す概略断面図である。

また、基板の凹部の面積が小さかった比較例２における放熱基板は、ダイヤモンドよりなる凸部に局所的に圧力が加えられたので、２箇所の凹部に形成された凸部を構成するダイヤモンド層が脱落し、２箇所の研磨のストッパがなくなった。この結果から、凹部の面積が０．１μｍ²と小さい場合には、凹部を１箇所のみ形成すると、研磨のストッパが形成されない場合が生じるため、基板の厚みの制御性を向上できないことがわかった。

また、基板の凹部の深さが小さかった比較例３における放熱基板は、４箇所の凹部に形成された凸部を構成するダイヤモンド層は脱落しなかったものの、第２の主面の研磨により露出した基板の面は、１％の酸素と、１％の炭素とが検出された。このことから、ダイヤモンド層を成長するステップＳ３時に、Ｓｉ基板にダイヤモンド層の原料が取り込まれたことがわかった。このため、この基板上に半導体結晶を成長させると、炭素を核として多結晶が発生するなど、結晶性が悪くなると考えられる。

以上より、本実施例によれば、０．４μｍ以上３００μｍ以下の深さと、５μｍ²以上の面積とを有する基板の凹部の内部に位置するダイヤモンドよりなる層の部分を研磨のストッパとして用いることにより、基板の厚みを薄くするための研磨の制御性を向上でき、かつ基板上に半導体結晶を成長させる場合に結晶性を向上できる放熱基板を製造できることが確認できた。

本実施例では、０．４μｍ以上３００μｍ以下の深さと、５μｍ²以上の面積とを有する基板の凹部の内部に位置するダイヤモンドよりなる層の部分を研磨のストッパとして用いることにより得られた放熱基板について、放熱性を向上できることの効果について調べた。

（本発明例９）
本発明例９は、実施の形態２における放熱基板の製造方法にしたがって、放熱基板を製造した。

具体的には、本発明例１の放熱基板を準備した。図１５は、実施例２における本発明例９における放熱基板を示す概略断面図である。次に、図１５に示すように、研磨により露出した基板１１の面１１ｃ上に、ＨＶＰＥ法で９８０℃の温度で、０．５μｍの厚みを有するＡｌＮ層１５ａ、２．５μｍの厚みを有するｉ−Ｇａｎ層１５ｂおよび３０ｎｍの厚みを有するｉ−ＡｌＧａＮ層１５ｃを、この順で成長した。これにより、図１５に示す本発明例９における放熱基板が得られた。

（比較例４）
比較例４は、本発明例１と同様のＳｉＣ基板を準備し（ステップＳ１）、ＳｉＣ基板に凹部を形成せずに、ＳｉＣ基板上にダイヤモンドを成長し（ステップＳ３）、ＳｉＣ基板を研磨せずに、ＳｉＣ基板上に比較例１と同様の半導体層を形成した。

（測定方法）
本発明例９および比較例４における放熱基板について、図１６に示す１ｍｍのチャネル幅を有するＨＥＭＴを作製した。なお、図１６は、図１５における領域Ｒに形成された１つのデバイスとしてのＨＥＭＴを示す概略断面図である。

具体的には、半導体結晶１５の表面（本実施例ではｉ−ＡｌＧａＮ層１５ｃの表面）上にＳｉＯ₂（二酸化珪素）よりなる保護膜１７を、ＣＶＤ法により形成した。次に、保護膜１７上にゲート電極２３を蒸着法により形成した。次に、保護膜１７上に開口部を有するレジストを形成して、開口部下の保護膜１７を除去し、ｉ−ＡｌＧａＮ層１５ｃに接するように、ソース電極２１およびドレイン電極２５を蒸着法により形成した。セラミックフレーム２８を介してパッケージ電極２９と接続されているＣｕＷよりなるパッケージベース２７上に、このＨＥＭＴを配置した。

次に、このパッケージベースの裏面を２０℃で固定し、それぞれ動作させて、動作電力の最大値を測定した。

（測定結果）
本発明例９の放熱基板を用いたＨＥＭＴの動作電力は２５Ｗであり、比較例４の放熱基板を用いたＨＥＭＴの動作電力は１３Ｗであった。この結果から、本発明例９の放熱基板は、基板の厚みを小さくできたので、ＨＥＭＴから発生する熱をダイヤモンド層の高い熱伝導度により放出できたことがわかった。一方、比較例４の放熱基板を用いたＨＥＭＴは、基板の厚みが大きかったので、ダイヤモンド層の高い熱伝導度を利用できず、放熱性が悪いので、動作電力が低かった。

以上より、本実施例によれば、０．４μｍ以上３００μｍ以下の深さと、５μｍ²以上の面積とを有する基板の凹部の内部に位置するダイヤモンドよりなる層の部分を研磨のストッパとして用いることにより、基板の厚みを薄くできるので、基板上にデバイスを形成すると、放熱性を向上できることが確認できた。

今回開示された実施の形態および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実施の形態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。

本発明の放熱基板および放熱基板の製造方法によれば、基板の厚みの制御性を向上できるので、基板の厚みを薄くした放熱基板を製造できる。このため、放熱性を向上できるので、パワー密度の高いデバイスを形成するための放熱基板として好適に用いられる。

本発明の実施の形態１における放熱基板を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１における放熱基板の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１における凹部が形成されていない基板を準備する工程を説明するための概略断面図である。 本発明の実施の形態１における凹部が形成された基板を準備する工程を説明するための概略断面図である。 本発明の実施の形態１における凹部の別の形状を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１における凹部の別の形状を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１における凹部の別の形状を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１におけるダイヤモンド層を成長した状態を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１におけるダイヤモンド層を研磨した状態を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態２における放熱基板を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態２における放熱基板の製造方法を示すフローチャートである。 比較例１における放熱基板の製造方法を説明するための概略断面図である。 比較例１における放熱基板の製造方法を説明するための別の概略断面図である。 比較例１における放熱基板を示す概略断面図である。 実施例２における本発明例９における放熱基板を示す概略断面図である。 図１５における領域Ｒに形成されたＨＥＭＴを示す概略断面図である。 特許文献１に開示の放熱基板の製造方法によって製造された放熱基板を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１０ａ，１０ｂ 放熱基板、１１ 基板、１１ａ，１３ａ 第１の主面、１１ａ１ 凹部、１１ｂ，１３ｂ 第２の主面、１１ｃ，１３ｃ 面、１３ ダイヤモンド層、１３ａ１ 凸部、１５ 半導体結晶、１５ａ ＡｌＮ層、１５ｂ ｉ−Ｇａｎ層、１５ｃ ｉ−ＡｌＧａＮ層、１７ 保護膜、２１ ソース電極、２３ ゲート電極、２５ ドレイン電極、２７ パッケージベース、２８ セラミックフレーム、２９ パッケージ電極、Ｓ 面積、Ｈ 深さ。

Claims (9)

1. ０．４μｍ以上３００μｍ以下の深さと、５μｍ²以上の面積とを有する凹部が形成された第１の主面と、前記第１の主面と反対側の第２の主面とを含むとともに、ダイヤモンドを含まない材料よりなる基板を準備する工程と、
   気相法により前記第１の主面上に、前記凹部の深さ以上の厚みのダイヤモンドよりなる層を成長する工程と、
   前記凹部の内部に位置する前記ダイヤモンドよりなる層の部分を研磨のストッパとして用いて、前記第２の主面を研磨する工程とを備えた、放熱基板の製造方法。
2. 前記ダイヤモンドよりなる層において前記第１の主面と接触している面と反対側の面について研磨および研削の少なくともいずれかを行なう工程をさらに備えた、請求項１に記載の放熱基板の製造方法。
3. 前記基板は、珪素または炭化珪素よりなる、請求項１または２に記載の放熱基板の製造方法。
4. 前記第２の主面を研磨する工程後に、前記第１の主面と反対側の面上に、半導体結晶を成長する工程をさらに備えた、請求項１〜３のいずれかに記載の放熱基板の製造方法。
5. 前記半導体結晶は、前記基板を構成する材料と異なる材料よりなる、請求項４に記載の放熱基板の製造方法。
6. 前記半導体結晶は、窒化物半導体結晶である、請求項５に記載の放熱基板の製造方法。
7. 請求項４〜６のいずれかに記載の放熱基板の製造方法により製造される放熱基板であって、
   前記ダイヤモンドよりなる層と、
   前記ダイヤモンドよりなる層上に形成された前記基板と、
   前記基板上に形成された前記半導体結晶とを備えた、放熱基板。
8. 前記基板は、珪素または炭化珪素であり、
   前記半導体結晶は、窒化物半導体結晶である、請求項７に記載の放熱基板。
9. 前記基板の最大の厚みは、５２μｍ以下である、請求項７または８に記載の放熱基板。

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