JP3479957B2

JP3479957B2 - ダイヤモンド・ヒートシンクおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3479957B2
Application number: JP19842695A
Authority: JP
Inventors: 弘塩見; 英章中幡; 良樹西林; 真一鹿田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-08-03
Filing date: 1995-08-03
Publication date: 2003-12-15
Anticipated expiration: 2015-08-03
Also published as: JPH08102511A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高い熱応答性を持
つサーミスタ又は冷却用素子を内蔵する、高い放熱機能
を有したダイヤモンド・ヒートシンク及びその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは２，０００［Ｗ／ｍ・
Ｋ］という高い熱伝導度を持つため、ヒートシンク材料
として優れている。また、ダイヤモンドは、不純物をド
ーピングすることで半導体としての性質を呈するため、
高温まで使用可能な熱応答速度の速いサーミスタ材料と
して用いることもできる。

【０００３】特開昭６３−１８４３０４号公報には、こ
のようなダイヤモンドを材料に用いたサーミスタが示さ
れている。このサーミスタにおいては、基板上に気相合
成法によって半導電性のダイヤモンド膜が形成され、こ
の半導電性ダイヤモンド膜が感熱膜として用いられてい
る。さらに、この感熱膜にオーミック電極が形成されて
おり、このオーミック電極を介して感熱膜の抵抗測定が
行われ、温度が計測される。感熱膜が形成される上記の
基板には、単結晶ダイヤモンド基板や、融点が高く熱伝
導率の良い金属，半導体もしくはそれらの化合物からな
る基板が用いられている。

【０００４】また、特開平５−６７７１１号公報には、
ダイヤモンドからなるヒートシンクにダイヤモンドから
なるサーミスタを一体化する試みが示されており、上述
したダイヤモンドの優れた特徴が活かされている。つま
り、ヒートシンク素材上の所定領域に気相合成法によっ
て半導電性のダイヤモンド膜が感熱膜として形成されて
おり、この感熱膜上に金属電極が形成されてサーミスタ
が構成されている。さらに、このサーミスタに並んだヒ
ートシンク素材の表面に金属化膜が形成されている。こ
の金属化膜に載置される素子の発熱はヒートシンク素材
を介してサーミスタに伝えられ、素子の温度が計測され
る。また、同公報にはこれとは別のサーミスタ一体型ヒ
ートシンクも示されている。このヒートシンクでは、ヒ
ートシンク素材の表面全面に半導電性ダイヤモンド膜が
感熱膜として形成され、この感熱膜上に金属電極が形成
されてヒートシンクが形成されている。この金属電極間
の感熱膜表面に発熱素子が載置される金属化膜が形成さ
れている。同公報に示されるこれらいずれのサーミスタ
一体型ヒートシンクにおいても、ヒートシンク素材の材
料には、前述した公報に示される基板と同様、単結晶ダ
イヤモンド、または、融点が高く熱伝導率の良い金属，
半導体もしくはそれらの化合物が用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、上記従来の特
開昭６３−１８４３０４号公報に示されるサーミスタを
構成する基板や、特開平５−６７７１１号公報に示され
るサーミスタ一体型ヒートシンクを構成するヒートシン
ク素材に、前述した優れた特性を有するダイヤモンドを
用いる場合にはいずれも単結晶ダイヤモンドが使用され
ている。この単結晶ダイヤモンドは、超高圧下での人工
合成法によって品質の揃ったものが得られるが、高価で
あるという欠点を有している。

【０００６】一方、このダイヤモンドを安価な気相合成
法によって得ようとすると、基板やヒートシンクには厚
いダイヤモンドが必要とされ、また、気相合成ダイヤモ
ンドは多結晶であるため、ダイヤモンドの表面が荒れて
しまう。このため、気相合成ダイヤモンドのこの荒れた
表面に素子を実装するには、表面を研磨して平坦化する
必要が生じる。ところが、ダイヤモンドは非常に硬いた
め、この表面の研磨加工は困難なものになった。

【０００７】また、特開平５−６７７１１号公報に示さ
れるような、サーミスタと発熱素子とをヒートシンク素
材上に並列に並べるヒートシンク構造においては、発熱
素子の発熱がヒートシンク素材を介してサーミスタに伝
えられる。このため、発熱素子の発熱がサーミスタで検
知されるタイミングは若干遅れてしまい、また、この熱
は伝達途中のヒートシンク素材において幾分かが吸収さ
れてしまう。このため、このサーミスタ一体型ヒートシ
ンクの構造は、サーミスタ信号を用いて実装素子の温度
を正確に制御するのには十分ではなかった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解消するためになされたもので、ノンドープの気相合
成ダイヤモンドからなる支持膜と、この支持膜の表面に
形成された半導電性の気相合成ダイヤモンドからなる感
熱膜と、この感熱膜上の所定領域に形成されたノンドー
プの気相合成ダイヤモンドからなる絶縁膜と、感熱膜上
に形成された電極とを備え、ダイヤモンド・ヒートシン
クを形成した。

【０００９】また、上記ダイヤモンド・ヒートシンクに
おいて、高濃度に不純物を含む気相合成ダイヤモンドか
らなるオーミック用高ドープ膜を電極と感熱膜との間に
形成した。

【００１０】また、上記の各ダイヤモンド・ヒートシン
クにおいて、支持膜の裏面に冷却装置を形成した。

【００１１】また、上記冷却装置を、支持膜の裏面に形
成された第１の金属膜と、この第１の金属膜に一端が接
触して形成されたｐ型半導体層と、この第１の金属膜に
一端が接触して形成されたｎ型半導体層と、ｐ型半導体
層の他端に接触して形成された第２の金属膜と、ｎ型半
導体層の他端に接触して形成された第３の金属膜とから
なる１つ以上のΠ字形のサブモジュールを、直列に接続
したペルティエ（ペルチェ）素子とした。

【００１２】また、上記冷却装置を、支持膜の裏面に形
成された第１の金属膜と、この第１の金属膜に一端が接
触して形成されたｐ型半導体ダイヤモンド層と、この第
１の金属膜に一端が接触して形成されたｎ型半導体ダイ
ヤモンド層と、ｐ型半導体ダイヤモンド層の他端に接触
して形成された第２の金属膜と、ｎ型半導体ダイヤモン
ド層の他端に接触して形成された第３の金属膜とからな
る１つ以上のΠ字形のサブモジュールを直列に接続した
ペルティエ素子とした。

【００１３】また、冷却装置が、支持膜の裏面に配置さ
れた、媒体を流通させるためのマイクロチャネルとし
た。

【００１４】また、このマイクロチャネルを画成する壁
面の一部を支持膜の裏面に形成されたダイヤモンド層と
した。

【００１５】また、上記の各ダイヤモンド・ヒートシン
クにおいて、絶縁膜の表面を実装素子の形状に合わせて
加工し、絶縁膜と実装素子との接触面積を増やした。

【００１６】また、基板上にノンドープのダイヤモンド
を気相合成法により形成して絶縁膜を得る第１の工程
と、この絶縁膜上に半導電性のダイヤモンドを気相合成
法により形成して感熱膜を得る第２の工程と、この感熱
膜上にノンドープのダイヤモンドを気相合成法により形
成して支持膜を得る第３の工程と、基板を除去して絶縁
膜を露出させる第４の工程と、露出した絶縁膜を選択的
に除去して感熱膜を部分的に露出させる第５の工程と、
露出した感熱膜の表面に電極を形成する第６の工程とを
備え、ダイヤモンド・ヒートシンクを製造する。

【００１７】また、上記第３の工程の後に、支持膜上に
冷却装置を形成する第７の工程を備え、この第７の工程
の後に上記第４の工程およびこれに引き続く各工程を行
い、ダイヤモンド・ヒートシンクを製造する。

【００１８】また、この第７の工程において、支持膜上
に第１の金属膜を選択的に形成する第８の工程と、この
第１の金属膜に各一端が接触したｐ型半導体層およびｎ
型半導体層をそれぞれ選択的に形成する第９の工程と、
ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の各他端にそれぞれ接
触した第２の金属膜および第３の金属膜を選択的に形成
する第１０の工程とを備え、ペルティエ素子を形成す
る。

【００１９】また、この第９の工程が、気相合成法によ
りｐ型半導体ダイヤモンド及びｎ型半導体ダイヤモンド
を選択的に形成する。

【００２０】また、第７の工程が、支持膜上に金属膜を
選択的に形成する別の第８の工程と、金属膜上にノンド
ープダイヤモンド層を気相合成法により形成する別の第
９の工程と、第８の工程で形成されたノンドープダイヤ
モンド層の表面に所定のパターンを形成した後エッチン
グを行い、ノンドープダイヤモンド層の内部に溝を形成
する別の第１０の工程と、ノンドープダイヤモンド層と
溝との上に金属板を配置する第１１の工程を備え、支持
膜の裏側にマイクロチャネルを形成する。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明のダイヤモンドヒートシン
クは、レーザー発振素子、特に発熱量が大きいレーザー
アレイ、あるいは面発光レーザー等、発熱を生ずるあら
ゆる実装素子に対して有用なヒートシンクとして用いら
れる。

【００２２】本発明のダイヤモンドヒートシンクは以下
に説明するように、その構造に起因した様々な利点を有
する。

【００２３】絶縁膜上に載置された素子の発熱は、絶縁
膜を介してこの絶縁膜直下にある感熱膜に伝えられ、さ
らにこの感熱膜直下にある支持膜に伝えられて放熱す
る。これら絶縁膜，感熱膜および支持膜のそれぞれは熱
伝導度が非常に良好なダイヤモンドからなるため、絶縁
膜上に載置された素子の発熱は直ちに支持膜まで伝えら
れる。また、ダイヤモンドからなる感熱膜で形成された
サーミスタの熱応答速度は高いため、電極間の感熱膜の
抵抗は速やかに絶縁膜上に載置された素子の温度に対応
する値になる。さらに、絶縁膜の熱容量は小さいため、
この絶縁膜上に載置された素子で発生した熱のほとんど
が感熱膜に伝えられる。

【００２４】また、電極と感熱膜との間に高ドープ膜が
形成されている場合には、電極と感熱膜との間の接触抵
抗は減少する。

【００２５】また、絶縁膜の表面が実装素子の形状に合
わせて加工され、絶縁膜と実装素子との接触面積が増え
ている場合には、実装素子の発熱はより効率的に絶縁膜
に伝えられる。また、絶縁膜表面が実装素子の形状に合
わせて加工されることにより、素子を絶縁膜へ実装する
際のアライメントが容易になる。

【００２６】また、感熱膜上に支持膜を形成した後、基
板を除去して絶縁膜を露出させることにより、基板と絶
縁膜との界面であった絶縁膜の平坦な表面が現れる。従
って、裏返すことにより、素子を実装する面として、多
結晶ダイヤモンドからなる荒れた支持膜の表面の代わり
に平坦な絶縁膜の表面を用いることができる。

【００２７】また、感熱膜上に支持膜を形成し、さら
に、この支持膜上に冷却装置を形成した後、基板を除去
して絶縁膜を露出させることにより、サーミスタおよび
冷却装置を内蔵したヒートシンクが気相合成ダイヤモン
ドによって形成される。

【００２８】

【実施例】以下、添付した図面を参照して、本発明の実
施例を詳細に説明する。尚、図面にいては、同一の要素
には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【００２９】（実施例１）図１は、本発明の第１実施例
によるダイヤモンド・ヒートシンクおよびその製造方法
を示す工程断面図である。

【００３０】まず、シリコン（Ｓｉ）基板１上にノンド
ープのダイヤモンドが気相合成法によって成長され、絶
縁膜２が形成された（図１（ａ）を見よ）。この気相合
成法には２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いたマイクロ
波プラズマＣＶＤ(microwaveplasma chemical vapor de
position)装置が用いられ、以下の表１に示される合成
条件に従い、ダイヤモンドの気相合成が行われる。な
お、同表におけるダイヤモンド合成条件，は、後述
する製造工程に用いられる条件である。

【００３１】

【表１】

【００３２】この合成条件においては、流量２００ｓ
ｃｃｍの水素と流量１ｓｃｃｍのメタンとの混合ガスが
４０Ｔｏｒｒの圧力に設定されたＣＶＤ容器内に流され
た。この混合ガスは４００Ｗのマイクロ波パワーによっ
てプラズマ化され、温度９３０℃に設定されたＳｉ基板
１の表面にノンドープのダイヤモンドが気相成長して絶
縁膜２が形成された。この気相合成によって得られる絶
縁膜２の厚さは５μｍであり、また、不純物密度は約１
０¹⁴ｃｍ^-3以下である。

【００３３】次に、絶縁膜２上に半導電性のダイヤモン
ドが気相合成法によって成長し、感熱膜３が形成された
（図１（ｂ））。この気相合成は表１の合成条件に従
って行われ、不純物としてボロンがドープされた。つま
り、流量２００ｓｃｃｍの水素と流量１ｓｃｃｍのメタ
ンに加え、流量０．０２〜１ｓｃｃｍの１０００ｐｐｍ
のジボランが混合されたガスが、圧力４０ＴｏｒｒのＣ
ＶＤ容器内に流された。この混合ガスは４００Ｗのマイ
クロ波パワーによってプラズマ化され、温度９３０℃に
設定された基板上に半導電性のダイヤモンドが気相成長
して間熱膜３が形成された。この気相合成によって得ら
れる感熱膜３の厚さは２μｍであり、また、不純物密度
は約１０¹⁶〜１０¹⁹ｃｍ^-3である。

【００３４】次に、感熱膜３上にノンドープのダイヤモ
ンドが気相合成法によって成長し、支持膜４が形成され
た（図１（ｃ））。この気相合成は上述した表１の合成
条件に従って行われる。支持膜４の膜厚は１００μｍ
と厚く形成され、気相合成成長したダイヤモンド膜は多
結晶であるため、その表面は荒れている。また、その不
純物密度は約１０¹⁴ｃｍ^-3以下のノンドープである。

【００３５】次に、フッ酸と硝酸との１：１の混合液に
よってＳｉ基板１がエッチング除去され、絶縁膜２が露
出させられる（図１（ｄ））。この際、今まで上面にあ
った支持膜４が下面に位置するよう裏返され、絶縁膜２
が上面に位置された。

【００３６】次に、絶縁膜２の表面中央部にアルミニウ
ム等の材料からなるマスクが形成され、このマスクで被
覆されていない絶縁膜２部分がエッチングによって除去
された。このダイヤモンドエッチングは表２の条件に従
って行われる。

【００３７】

【表２】

【００３８】つまり、１％の酸素と９９％のアルゴンと
の混合ガスが全体として１００ｓｃｃｍの流量で流さ
れ、この混合ガスが１．３５６ＭＨｚで１００ＷのＲＦ
パワーによってプラズマ化された。このプラズマガスに
より、ノンドープ・ダイヤモンドからなる絶縁膜２は、
１５ｎｍ／ｍｉｎのエッチレイトで選択的に除去され
た。このエッチングにより、絶縁膜２を中央部に残して
感熱膜３の周辺部が露出する（図１（ｅ））。

【００３９】次に、露出したこの感熱膜３にオーミック
接触して一対の電極５ａ，ｂが形成された（図１
（ｆ））。この電極材料にはＴｉ／Ｍｏ／Ａｕ金属が用
いられ、電極５ａ，ｂと感熱膜３との接触抵抗が低く保
たれる。また、この接触抵抗は高温でも安定に低抵抗に
維持された。

【００４０】最後に、支持膜４の荒れた表面に銅の支持
台６が銀ろうはんだ７で固着された（図１（ｇ））。

【００４１】このようなヒートシンクの構造内には、感
熱膜３および電極５ａ，ｂから成るサーミスタが内蔵さ
れている。このサーミスタの測定対象とする発熱素子、
例えば半導体レーザダイオード等、は絶縁膜２上に置か
れる。絶縁膜２上に置かれた素子の発熱は、絶縁膜２を
介して、この絶縁膜２の直下にある感熱膜３に伝導さ
れ、更にこの感熱膜３の直下にある支持膜４および銅の
支持台６に伝えられる。これら絶縁膜２，感熱膜３およ
び支持膜４のそれぞれは熱伝導度が非常に良好なダイヤ
モンドからなるため、絶縁膜２上に置かれた素子の発熱
は直ちに支持膜４に伝えられ、そしてこの支持膜４およ
び銅の支持台６から成るヒートシンク部において速やか
に放熱された。また、ダイヤモンドからなる感熱膜３で
形成されたサーミスタの熱応答速度は高いため、電極５
ａ，ｂ間の感熱膜３の抵抗は速やかに絶縁膜２上に載置
された素子の温度に対応する値になる。さらに、絶縁膜
２の熱容量は小さいため、絶縁膜２上に載置された素子
で発生した熱のほとんどが感熱膜３に伝えられる。この
ため、電極５ａ，ｂ間に電流を流して感熱膜３の抵抗値
を計測することにより、絶縁膜２上に載置された素子の
温度はサーミスタによって極めて正確にかつ迅速に測定
された。また、これと共に、素子の発熱は支持膜４およ
び銅の支持台６に伝えられて速やかに放熱される。

【００４２】また、本実施例によるダイヤモンド・ヒー
トシンクの製造方法においては、感熱膜３上に支持膜４
を形成した後、Ｓｉ基板１を除去して絶縁膜２が露出さ
れ、Ｓｉ基板１と絶縁膜２との界面であった絶縁膜２の
平坦な表面が現れる。従って、上述した図１（ｄ）に示
す工程における裏返しの操作により、素子を実装する面
として、多結晶ダイヤモンドからなる荒れた支持膜４の
表面の代わりに平坦な絶縁膜２の表面を用いることがで
きる。つまり、実装素子は、Ｓｉ基板１と絶縁膜２との
界面であった平坦な絶縁膜２の表面に装着される。この
ため、気相合成ダイヤモンドからなる荒れた支持膜４の
表面を研磨する加工を行う必要はない。また、ヒートシ
ンク基板に、従来の高価な単結晶ダイヤモンドの代わり
に安価な気相合成ダイヤモンドを用いることが可能とな
る。従って、製品コストは大幅に低減される。

【００４３】また、上記本実施例において、サーミスタ
を構成する感熱膜３にドープするボロンの濃度を変え、
各ボロン濃度におけるサーミスタ特性を測定した。この
測定結果を以下の表３に示す。なお、このボロン濃度の
調整は、表１のダイヤモンド合成条件において、水素
とメタンとの混合ガスに加えるジボランの濃度を変化さ
せて行った。

【００４４】

【表３】

【００４５】サーミスタ特性は２０ｐｐｍのジボラ
ン、サーミスタ特性は１００ｐｐｍのジボラン、サー
ミスタ特性は１０００ｐｐｍのジボランを用いた各ボ
ロン濃度における各特性を示している。

【００４６】サーミスタ特性は上記実施例によるサー
ミスタの特性であり、室温でのサーミスタの基準抵抗値
は７２０Ωと低くなっている。また、サーミスタおよび
ヒートシンクはダイヤモンドで形成されているため、サ
ーミスタの使用可能温度範囲は０〜８００℃になってお
り、高い温度でも使用することが可能になっている。ま
た、サーミスタ定数Ｂは２５５０Ｋ，活性化エネルギー
は０．２２ｅＶと小さく、室温におけるサーミスタ抵抗
の抵抗変化率は２０．４Ω／℃と小さくなっている。

【００４７】室温での基準抵抗値はボロン濃度が低くに
なるに連れて高くなる。つまり、１００ｐｐｍジボラン
を用いた特性では２４０ＫΩ、２０ｐｐｍジボランを
用いた特性では７．２ＭΩと高くなる。また、使用可
能温度範囲はボロン濃度にかかわらず０〜８００℃で一
定である。また、サーミスタ定数Ｂはボロン濃度が低く
なるに連れて大きくなる。つまり、１００ｐｐｍジボラ
ンを用いた特性ではＢ定数は３９４０Ｋ，活性化エネ
ルギーは０．３４ｅＶであり、２０ｐｐｍジボランを用
いた特性ではＢ定数は４９９０Ｋ，活性化エネルギー
は０．４３ｅＶと大きくなる。従って、室温での抵抗変
化率もボロン濃度が低くなるに連れて大きくなる。つま
り、１００ｐｐｍジボランを用いた特性では１０．５
ＫΩ／℃、２０ｐｐｍジボランを用いた特性では３９
９ＫΩ／℃と大きくなる。

【００４８】従って、サーミスタの使用目的に応じ、こ
れら各サーミスタ特性〜の中から最も適したものを
選択することができる。

【００４９】なお、１００ｐｐｍジボランを用いた混合
ガスで感熱膜３を形成したサーミスタの熱応答速度（時
定数）を測定した結果、０．０５秒という速い速度が得
られた。すなわち、本実施例によって感熱膜３を半導電
性ダイヤモンド膜で形成することにより、サーミスタに
加えられる急変温度差の６３．２％の変化をサーミスタ
がするのに要する時間は０．０５秒という極めて短い時
間で行われる。

【００５０】（実施例２）次に、本発明の第２の実施例
によるダイヤモンド・ヒートシンクについて説明する。
図２はこの第２実施例によるダイヤモンド・ヒートシン
クを示す断面図であり、同図において図１と同一または
相当する部分には同一符号を付してその説明は省略す
る。

【００５１】この第２実施例によるダイヤモンド・ヒー
トシンクと上記の第１実施例によるダイヤモンド・ヒー
トシンクとの相違点は、感熱膜３と電極５ａ，ｂとの間
にオーミック用高ドープ膜８が形成されている点であ
る。この高ドープ膜８は、高濃度に不純物を含む気相合
成ダイヤモンドからなり、表１のダイヤモンド合成条件
に従う気相合成法により形成された。

【００５２】つまり、図１（ｅ）に示す絶縁膜２のパタ
ーニング後、まず、基板全面にＳｉＯ₂膜が形成され、
このＳｉＯ₂膜のうちの電極形成部分が選択除去され、
電極形成部分の感熱膜３が露出させられる。次に、表１
の合成条件に従い、流量２００ｓｃｃｍの水素と流量
１ｓｃｃｍのメタンとの混合ガスにさらに流量１０ｓｃ
ｃｍの１０００ｐｐｍジボランが加えられたガスが、４
０Ｔｏｒｒの圧力に設定されたＣＶＤ容器内に流され
た。この混合ガスは２．４５ＧＨｚで４００Ｗのマイク
ロ波パワーによってプラズマ化され、温度９３０℃に設
定された基板表面に半導電性のダイヤモンドが気相成長
する。この気相成長は電極形成部に露出した半導電性ダ
イヤモンド膜からなる感熱膜３の表面でのみ行われ、Ｓ
ｉＯ₂膜上ではダイヤモンド膜の気相成長は起きない。
従って、ボロンを高濃度に含むダイヤモンド膜は選択的
に形成され、図２に示すように電極形成部分にだけオー
ミック用高ドープ膜８が形成された。引き続いて、この
オーミック用高ドープ膜８上に前述の電極５ａ，ｂが形
成された後、マスクに用いられたＳｉＯ₂膜が除去され
た。その後、支持膜４に銅の支持台６が固着されてサー
ミスタ内蔵ヒートシンクが完成する。

【００５３】この第２実施例によるヒートシンクにおい
ては、電極５ａ，ｂと感熱膜３との間に高ドープ膜８が
形成されているため、電極５ａ，ｂと感熱膜３との間の
接触抵抗は減少する。このため、サーミスタの基準抵抗
は次の表４に示すように低減された。

【００５４】

【表４】

【００５５】この表４も、ボロン濃度を表３と同様に変
化させた場合における、各ボロン濃度についてのサーミ
スタ特性を示している。表４のサーミスタ特性は上記
の第２実施例による特性を示しており、室温での基準抵
抗値は７００Ωと低くなっている。また、１００ｐｐｍ
のジボランを用いたサーミスタ特性における基準抵抗
値は２００ＫΩ、２０ｐｐｍのジボランを用いたサーミ
スタ特性における基準抵抗値は６．０ＭΩと低くなっ
ている。いずれのボロン濃度においても、室温での基準
抵抗値は表３に示される基準抵抗値よりも低くなってい
る。

【００５６】なお、使用可能温度範囲，Ｂ定数および室
温での抵抗変化率は表３に示される値と同じ値になって
いる。

【００５７】（実施例３）次に、本発明の第３の実施例
によるダイヤモンド・ヒートシンクについて説明する。
本実施例によるヒートシンクはサーミスタに加えてペル
ティエ素子を内蔵しており、図３はこのサーミスタおよ
びペルティエ素子内蔵ヒートシンクの製造方法を示す工
程断面図の一部である。図９には、ペルティエ素子の原
理が示される。

【００５８】図９に示されるように、半導体と金属との
接合部におけるペルティエ効果を利用して、図９の矢印
に示されるような熱の流れを作り出す。ちなみに、ペル
ティエ素子に関する技術が特願平４−１７８１０６に記
載されている。

【００５９】まず、第１実施例のヒートシンクと同様
に、Ｓｉ基板１上にノンドープの気相合成ダイヤモンド
からなる絶縁膜２、半導電性の気相合成ダイヤモンドか
らなる感熱膜３およびノンドープの気相合成ダイヤモン
ドからなる支持膜４が順次形成された（図１（ａ），
（ｂ），（ｃ）参照）。

【００６０】次に、支持膜４の荒れた表面に金属膜が蒸
着されてこの金属膜がパターニングされ、支持膜４上に
第１の金属膜１１が選択的に形成された（図３（ｈ）参
照）。次に、この第１の金属膜１１に各一端が接触した
ｐ型半導体層１２およびｎ型半導体層１３がそれぞれ選
択ＣＶＤ法によって選択成長された（同図（ｉ）参
照）。これら各半導体層１２，１３の材料にはII−VI化
合物、例えばビスマス・テルル系の半導体材料が用いら
れる。また、ｐ型半導体層１２およびｎ型半導体層１３
の間隙には絶縁膜１６が埋め込まれ、各半導体層１２，
１３が絶縁分離された。次に、再び基板全面に金属膜が
蒸着された後、この金属膜がパターニングされた。この
パターニングにより、ｐ型半導体層１２およびｎ型半導
体層１３の各他端にそれぞれ接触した第２の金属膜１４
および第３の金属膜１５が選択形成された（同図
（ｊ）参照）。この結果、第１の金属膜１１，ｐ型半導
体層１２，ｎ型半導体層１３，第２の金属膜１４および
第３の金属膜１５によって形成されたП字形のサブモジ
ュールを単位とするペルティエ素子が完成する。このペ
ルティエ素子では各サブモジュールが直列に接続され、
直列接続された各サブモジュールによってペルティエ素
子のモジュールが構成されている。次に、Ｓｉ基板１が
フッ酸と硝酸との１：１の混合液で除去された。その
後、裏返され、基板１と絶縁膜２との界面であった絶縁
膜２の平坦な表面が上面に位置された（同図（ｋ）参
照）。

【００６１】次に、第１実施例と同様に絶縁膜２がパタ
ーニングされ、露出した感熱膜３に接触して電極５ａ，
ｂが形成された（図１（ｅ），（ｆ）参照）。この結
果、図４に示す、サーミスタおよびペルティエ素子を内
蔵した高機能なダイヤモンド・ヒートシンクが完成す
る。

【００６２】このようなダイヤモンド・ヒートシンク構
造において、測定対象とされる発熱素子２１は絶縁膜２
上に載置された。また、ペルティエ素子の端子間にバッ
テリ２２が接続され、直列接続された各サブモジュール
に所定の電流が流された。この通電によって、ペルティ
エ素子の上面、つまり、ｐ型半導体層１２と第１の金属
膜１１との接合部およびｎ型半導体層１３と第１の金属
膜１１との接合部において吸熱作用が生じ、また、ペル
ティエ素子の下面、つまり、ｐ型半導体層１２と第２の
金属膜１４との接合部およびｎ型半導体層１３と第３の
金属膜１５との接合部において発熱作用が生じて熱電冷
却が行われる。すなわち、本実施例によるダイヤモンド
・ヒートシンクにおいては、支持膜４の裏面に冷却素子
としてペルティエ素子が形成されているため、支持膜４
に速やかに伝わった熱はこのペルティエ素子によって速
やかに放熱された。

【００６３】つまり、絶縁膜２上に載置された発熱素子
２１で生じた熱は、前述した第１の実施例と同様に、絶
縁膜２，感熱膜３を介して支持膜４に速やかに伝わる。
支持膜４に伝わった熱は、ペルティエ素子の上面で速や
かに吸熱され、ペルティエ素子の下面で速やかに発熱し
て放熱された。第１の実施例で前述したように、発熱素
子２１の温度は、感熱膜３および電極５ａ，ｂによって
構成されるサーミスタで極めて正確に直ちに検知され
た。このため、検知したこの素子温度に基づいてペルテ
ィエ素子へ通電する電流量を調整することにより、ペル
ティエ素子による吸熱量および発熱量は迅速にかつ正確
に制御された。このため、絶縁膜２上に載置された素子
２１の温度は、迅速にかつ正確に所望の温度に設定され
た。

【００６４】発熱素子２１が例えば半導体レーザーダイ
オード（ＬＤ）である場合には、絶縁膜２上に実装され
たこのＬＤの素子温度はサーミスタによって速い熱応答
速度で瞬時に測定され、さらに、ペルティエ素子によっ
てＬＤの素子温度が一定になるよう速やかに冷却され
た。この結果、ＬＤは極めて安定したレーザー発振をす
るようになる。

【００６５】また、上記の第３実施例によるダイヤモン
ド・ヒートシンクの製造方法においては、感熱膜３上に
支持膜４を形成し、さらに、この支持膜４上にペルティ
エ素子を形成した後、Ｓｉ基板１を除去して絶縁膜２を
露出させている。従って、本実施例の製造方法によって
も、第１実施例の製造方法と同様に絶縁膜２の平坦な表
面に素子を実装することが可能となり、安価な気相合成
ダイヤモンドをヒートシンク素材に用いることができ、
荒れた気相合成ダイヤモンドの表面を研磨する加工を行
う必要もない。従って、サーミスタおよびペルティエ素
子を内蔵した高機能で高効率のヒートシンクが安価に得
られる。

【００６６】なお、上記の第３の実施例の説明において
は電極５ａ，ｂが感熱膜３の表面に直接接触する構造に
ついて説明したが、第２実施例のように感熱膜３と電極
５ａ，ｂとの間にオーミック用高ドープ膜を形成しても
よい。この場合においては第２の実施例と同様に電極５
ａ，ｂの接触抵抗を低く保つことが可能となる。

【００６７】（実施例４）次に、本発明の第４の実施例
によるダイヤモンド・ヒートシンクについて説明する。
図５はこの第４実施例によるダイヤモンド・ヒートシン
クを示す断面図である。なお、同図において図１と同一
または相当する部分には同一符号を用いてその説明は省
略する。図５（ａ）に示すヒートシンクは第１実施例に
よって得られたサーミスタ内蔵ヒートシンクである。本
実施例ではこのヒートシンクが同図（ｂ）に示すよう
に、つまり、絶縁膜２の表面が実装素子３１の形状に合
わせて加工された。素子３１は同図（ｃ）に示すように
加工された絶縁膜２ａに実装され、絶縁膜２ａと実装素
子３１との接触面積が可能な限り大きくとられている。
この第４実施例では、上記のように絶縁膜２ａの表面が
実装素子３１の形状に合わせて加工され、絶縁膜２ａと
実装素子３１との接触面積が最大化されている。従っ
て、実装素子３１の発熱はより効率的に絶縁膜２ａに伝
えられる。このため、実装素子３１の発熱はより短時間
に支持膜４に伝えられ、ヒートシンクの放熱効果はより
高まる。

【００６８】実装素子３１が例えばＬＤである場合に
は、活性層から熱が集中的に発生する。この発熱は以下
の文献の４４２〜４４７ページに示されるように点熱源
と等価なものとすることができる。Journal of LIGHTWA
VE TECHNOLOGY vol.11 No.3 MARCH 1993。

【００６９】従って、ＬＤを点熱源として放熱の理論計
算をコンピュータを使ってしたところ、実装素子３１と
絶縁膜２ａとの接触面積を大きくし、さらに、ＬＤの活
性層と絶縁膜２ａとの距離を可能な限り近付けることで
放熱効果が極めて高くなることが確認された。また、実
際にＬＤを発熱素子３１として実験を実施したところ、
ＬＤが熱暴走するしきい値電流は、絶縁膜２の表面が平
坦なままで実装素子３１との接触面積が最大化されてい
ない場合に比較し、５０％大きくなった。

【００７０】また、この第４実施例によれば、絶縁膜２
の表面が実装素子３１の形状に合わせて加工されること
により、素子３１を絶縁膜２ａへ実装する際のアライメ
ントは容易になる。例えば、素子３１がＬＤである場合
には、このＬＤと共に、このＬＤに接続された光ファイ
バがＶ字状に削られた溝によって容易に位置決め固定さ
れた。すなわち、図６に示すように、絶縁膜２の表面に
Ｖ字形状の断面を有する複数の溝３２を設けることによ
って、接触面がＶ字形状に加工されたＬＤチップ３３お
よび光ファイバ３４を整列、位置決め固定することがで
きる。このため、本実施例によれば、素子の実装がし易
くなって組み立て性が向上する。

【００７１】なお、本実施例においてはダイヤモンド・
ヒートシンクにサーミスタだけを内蔵した場合について
説明したが、第３実施例のようにサーミスタに加えてペ
ルティエ素子を内蔵したヒートシンクとしてもよい。こ
の場合には上記の第４実施例と同様な効果に加え、第３
の実施例と同様な効果も奏された。また、本実施例にお
いては電極５ａ，ｂを感熱膜３に直接接触させた構造と
したが、第２実施例のように、電極５ａ，ｂと感熱膜３
との間にオーミック用高ドープ膜を形成してもよい。こ
の場合には上記の第４実施例と同様な効果に加え、第２
実施例と同様に電極５ａ，ｂの接触抵抗が低減された。

【００７２】図７（ａ）〜図７（ｃ）は、本実施例の第
２の変形例であるヒートシンクを例示する。図７（ｂ）
に示されるように、本発明に従ったヒートシンクは、絶
縁層２ａの上に形成される金属膜（メタライズ層）を更
に有し、実装素子がこの金属膜上に配置される構成であ
ってもよい。

【００７３】図７（ａ）に示されるヒートシンクは、図
５（ａ）に示されるヒートシンクと全く同一である。こ
の変形例では、図７（ａ）に示されるように、絶縁膜２
ａ表面がまず実装素子の形状に加工された後、Ｔｉ／Ｐ
ｔ／Ｍｏから成る金属膜が、Ｖ字状に加工済みの絶縁膜
２ａ表面上に形成された。そして、図７（ｃ）に示され
るように、発熱素子３１がＶ字状の金属膜表面上に実装
された。この金属膜の材質は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ｍｏの他に
も、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕや金−錫であってもよい。図７
（ｃ）に示されるように、発熱素子３１はＶ字状の表面
形状を有する金属膜上にフィットし、本実施例の他の例
と同様に、熱移動及びアライメントが改善された。

【００７４】図５（ｃ）に示すものは、ダイヤモンドを
パターニングしたレーザーアレイの１つの例である。本
発明のヒートシンクは更に、アレイを二次元に拡張した
面発光レーザーにも利用できる。

【００７５】（実施例５）本発明の第５実施例では、発
熱素子が配置される面とは反対側にサーミスタを有する
ヒートシンクが作製された。第５実施例では、Ｔｉ／Ｐ
ｔ／Ａｕの金属膜の形成と金錫の金属膜の形成の順に行
われる以外は、実施例４と同様の操作によって、ヒート
シンクが形成された。図８（ａ）〜図８（ｇ）に、本実
施例における製造工程が例示される。

【００７６】まず、ノンドープダイヤモンドから成る絶
縁膜２の上に、ドープダイヤモンドの感熱膜３が形成さ
れた（図８（ａ））。そして、基板を反転し、絶縁膜２
の上面及び側面に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る第１の金
属膜２０を形成した（図８（ｂ））。このＴｉ／Ｐｔ／
Ａｕ膜は、その後形成される金錫膜とダイヤモンドとの
間に充分な接着性を確保するための中間層的な役割を果
たす。そして、基板は再び反転されて当初の配置に戻
り、感熱膜３の表面上に電極５が形成された（図８
（ｃ））。更に電極５の上にはエッチングのマスク用の
アルミニウム膜２２が形成され（図８（ｄ））、次い
で、絶縁膜３のマスクされていない部分が、反応性イオ
ンエッチングにより除去された（図８（ｅ））。そし
て、露出された感熱膜３の上面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜が
形成された後、全てのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜２０の上に金
錫膜２４が形成された（図８（ｆ））。

【００７７】ここに、絶縁膜２と、感熱膜３と、電極５
とから成るサーミスタを有するヒートシンクが形成され
た（図８（ｆ））。そして、図８（ｇ）に示されるよう
に、このヒートシンクにおいてサーミスタが形成されて
いる面とは反対の面の金属膜２４（金錫膜）上に、素子
２１が実装された。

【００７８】ダイヤモンドと金錫膜２４との間の金属膜
２０は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの他にも、Ｔｉ／Ｍｏ／Ａｕ
であってもよい。

【００７９】（実施例６）本実施例では、ペルティエ素
子内蔵型であるが、このペルティエ素子を、ダイヤモン
ドのｐｎ接合で形成したヒートシンクを作製した。実施
例３においても説明したように、ペルティエ素子は図９
の矢印に示されるような熱の流れを作り出す。このよう
なサーミスタとペルティエ素子を内蔵したヒートシンク
を作製することにより、実装素子の迅速な温度測定に基
づいた冷却の制御を実現できる。また、本実施例では、
ペルティエ素子にｐ型及びｎ型のダイヤモンドを用いて
いるため、レスポンスの迅速なヒートシンクを実現す
る。

【００８０】図１０は、本実施例におけるペルティエ素
子作製の工程の前半部分を示す。まず、Ｓｉ基板１上に
ノンドープのダイヤモンドが気相合成法により成長さ
れ、絶縁膜２が形成された（図１０（ａ））。次に、ノ
ンドープダイヤモンドの絶縁層２の上に、ボロンドープ
ダイヤモンドの感熱膜３が形成された（図１０
（ｂ））。次いで、ノンドープダイヤモンドの支持膜４
が、約１００μｍの厚さをもって形成された（図１０
（ｃ））。支持膜４の表面が研磨され（図１０（ｄ））
た後、研磨された支持膜４表面全体を覆うように、金属
膜５が蒸着により形成された（図５（ｅ））。以上まで
のダイヤモンドの形成は、ノンドープダイヤモンド、ド
ープダイヤモンド共に、実施例１と同様の方法及び条件
で行われた。

【００８１】図１１は、本実施例におけるペルティエ素
子作製の工程の後半部分を示す。金属膜５の形成（図１
０（ｅ））に続いて、金属膜５をフォトリソグラフィー
によりパターニングした後、金属膜５を覆うように、金
属膜５の上面からの厚さが３μｍのノンドープダイヤモ
ンド層４０が形成された（図１１（ａ））。このダイヤ
モンド層４０に対して、以下に述べるようなドーピング
処理をおこなうことにより、ペルティエ素子が形成され
る。

【００８２】まず、ノンドープダイヤモンド層４０の上
に、アルミニウムのｎ型層形成用マスク４２が形成され
た。このｎ型用マスク４２は、フォトリソグラフィーに
より、所定のパターンをもって形成された。ｎ型用マス
ク４２に覆われていないノンドープダイヤモンド層４０
部分に対して、イオン注入法によってｎ型イオンが注入
された。その結果、ノンドープダイヤモンド層４０の一
部分がｎ型半導体ダイヤモンド層４４となり、残りの部
分は絶縁性ノンドープダイヤモンド層４０のままとなっ
た（図１１（ｂ））。

【００８３】次に、ｎ型用マスク４２がエッチングによ
り除去された後、新たにアルミニウムのｐ型半導体形成
用マスク４６が、ｎ型用マスクとは別の位置に形成され
た。このｐ型マスク４６も、フォトリソグラフィーによ
り所定のパターンに形成される。そして、イオン注入法
により、ｐ型イオンがノンドープダイヤモンド層４０の
ｐ型用マスクで覆われていない部分に注入され、ノンド
ープダイヤモンド層４０の一部がｐ型半導体ダイヤモン
ド層４８となった（図１１（ｃ））。即ち、図１１
（ｃ）の如く、ｎ型ダイヤモンド４４とｐ型ダイヤモン
ド４８とが、ノンドープダイヤモンド４０を挟んで配列
される構造が形成された。

【００８４】そして、ｐ型用マスク４６がエッチングに
より除去された後、ペルティエ素子を形成する金属膜５
０が、フォトリソグラフィーによって形成された。金属
膜５０は、ｎ型ダイヤモンド４４の１つと接触し且つ１
つのｐ型ダイヤモンド４８と接触するようなパターンを
もって形成された（図１１（ｄ））。ここに、金属膜
５、ｎ型半導体ダイヤモンド４４、金属膜５０、ｐ型半
導体ダイヤモンド４８及び金属膜５によって形成される
サブモジュールを単位とするペルティエ素子が完成し
た。このサブモジュールは直列に接続されてペルティエ
素子を形成している。また、ノンドープダイヤモンド層
４０が、各サブモジュールを絶縁している。

【００８５】最後に基板１がエッチングにより除去さ
れ、絶縁膜２が露出された。レーザーアレイ等の実装素
子３１は、絶縁膜２の表面上に載置される（図１１
（ｅ））。ペルティエ素子の端子間に電源が接続され
て、直列に接続された各サブモジュールに所定の電流が
流されれば、この通電により、図１１（ｅ）に示される
ペルティエ素子の上面、即ち金属膜５とｎ型半導体ダイ
ヤモンド４４との接合部、並びに、金属膜５とｐ型半導
体ダイヤモンド４８との接合部において吸熱作用が生じ
る。同時に、ペルティエ素子の下面、即ち、即ち金属膜
５０とｎ型半導体ダイヤモンド４４との接合部、並び
に、金属膜５０とｐ型半導体ダイヤモンド４８との接合
部においては発熱作用が生じる。このように、支持膜４
の裏側に形成されたペルティエ素子において熱電冷却が
行われるため、実装素子３１からの発熱は熱伝導率の高
いダイヤモンド層２、３及び４にすみやかに伝導した
後、ペルティエ素子によって迅速に放熱される。

【００８６】このように、本実施例のヒートシンクはサ
ーミスタとペルティエ素子とを内蔵しているので、サー
ミスタの速い熱応答速度で、瞬時に半導体レーザー等の
実装素子の温度を測定することができる。従って、実装
素子の温度が一定となるようにペルティエ素子への通電
を制御して冷却能力を制御することが可能となるため、
実装素子の動作の安定が著しく向上される。尚、実装素
子の配置される絶縁膜２ａの表面は、実装素子の形状に
応じて、例えばＶ字形の溝等に加工されていてもよい。

【００８７】（実施例７）本実施例では、ダイヤモンド
ヒートシンクの内部にマイクロチャネルを形成して冷却
に用いる構成の、ダイヤモンドヒートシンクを作製し
た。

【００８８】マイクロチャネルをヒートシンクの冷却に
用いることは、既にＳｉにおいて行われており、これ
は、Ｍｉｓｓａｇｇｉａら（Missaggia,L.J., et.al.,"
Microchannel heat sink for two-dimensional high-po
wer-density diode laser arrays", pp. 1988,IEEE J.
Quantum Electronics, Vol.25(1989) ）、Ｍｕｎｄｉｎ
ｇｅｒら（Mundinger,D., et.al., "Demonstration of
high-performance silicon microchennel heat exchang
ers for laser diode array", pp.1030, Appl. Phys. L
ett., Vol.53(1988)）、並びに、Ｔｕｃｋｅｒｍａｎら
（High-performance heat sinking for VLSI", pp.126,
IEEE Electron Device Lett., Vol.EDL-2(1981)）に記
載されている。

【００８９】また、ダイヤモンドのマイクロチャンネル
に関しては、特願平６−３１９９６４、特願平６−３１
９９６９、特願平６−３１９９７５、特願平６−３１９
９７８、特願平６−３１９９８２、特願平６−２９６３
５１並びに特願平６−２９６３５３に記載されている。

【００９０】本実施例では、先ず図１０（ａ）〜（ｅ）
の順に、実施例６と同様の操作を同様の条件で行い、Ｓ
ｉ基板１の上にノンドープダイヤモンド絶縁膜２、ドー
プダイヤモンド感熱膜３、ノンドープダイヤモンド支持
膜４、金属膜５を形成した（図１０（ｅ））。

【００９１】図１２（ａ）〜（ｄ）は、本実施例のマイ
クロチャネル内蔵ダイヤモンドヒートシンクの作製工程
の後半部分を表す。金属膜５の上に、厚さ５０μｍのノ
ンドープダイヤモンド層６０を形成した。次いで、フォ
トリソグラフィーにより、ノンドープ層の上にアルミニ
ウムのマスク６２を形成した後、反応性イオンエッチン
グによって、マスク６２に保護されていないノンドープ
ダイヤモンド層をエッチングした（図１２（ｂ））。更
に、アルミニウムのマスクをエッチングし（図１２
（ｃ））、Ｓｉ基板をエッチングした後、ノンドープダ
イヤモンド層６ａの露出した表面にＭｏ板を金錫で鑞付
けした。ここに、ノンドープダイヤモンド層６４の間に
マイクロチャネル６６が形成されたダイヤモンドヒート
シンクが完成した。

【００９２】図１２（ｄ）に示されるように、ノンドー
プダイヤモンド層６０ａの間にマイクロチャネル６６に
は、水等の冷却用媒体が流通可能である。この構成で
は、支持膜の裏側に形成されたダイヤモンド６０ａによ
ってマイクロチャネルが画成されているため、絶縁膜２
からの熱は支持膜４にすみやかに達した後、更に、熱伝
導率の高いダイヤモンド層６０ａを介してマイクロチャ
ネル６６を流通する冷却用媒体へと迅速に移動する。ま
た、前出の全ての実施例と同様に、ドープダイヤモンド
の感熱膜３により構成されるサーミスタを内蔵してい
る。従って、内蔵サーミスタで実装素子の温度をモニタ
ーしながら、冷却用媒体の量を制御することにより、実
装素子の温度を一定に制御できるため、実装素子の動作
の安定が著しく向上される。尚、実装素子の配置される
絶縁膜２の表面は、実装素子の形状に応じて、例えばＶ
字形の溝等に加工されていてもよい。

【００９３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のダ
イヤモンドヒートシンクの製造方法においては、絶縁膜
上に載置された素子の発熱は、絶縁膜を介してこの絶縁
膜直下にある感熱膜に伝えられ、さらにこの感熱膜直下
にある支持膜に伝えられて放熱する。これら絶縁膜，感
熱膜および支持膜のそれぞれは熱伝導度が非常に良好な
ダイヤモンドから成るため、絶縁膜上に載置された素子
の発熱は直ちに支持膜まで伝えられる。また、ダイヤモ
ンドからなる感熱膜で形成されたサーミスタの熱応答速
度は高いため、電極間の感熱膜の抵抗は速やかに絶縁膜
上に載置された素子の温度に対応する値になる。さら
に、絶縁膜の熱容量は小さいため、この絶縁膜上に載置
された素子で発生した熱のほとんどが感熱膜に伝えられ
る。このため、絶縁膜上に載置された素子の温度がサー
ミスタによって極めて正確にかつ迅速に測定されると共
に、素子の発熱は速やかに支持膜に伝えられて放熱され
る。

【００９４】また、電極と感熱膜との間に高ドープ膜が
形成されている場合には、電極と感熱膜との間の接触抵
抗は減少する。このため、サーミスタの基準抵抗は低減
される。

【００９５】また、絶縁膜の表面が実装素子の形状に合
わせて加工され、絶縁膜と実装素子との接触面積が増え
ている場合には、実装素子の発熱はより効率的に絶縁膜
に伝えられる。このため、実装素子の発熱はより短時間
に支持膜に伝えられ、ヒートシンクの放熱効果はより高
まる。また、絶縁膜表面が実装素子の形状に合わせて加
工されることにより、素子を絶縁膜へ実装する際のアラ
イメントが容易になる。このため、素子の実装がし易く
なって組み立て性が向上する。

【００９６】また、感熱膜上に支持膜を形成した後、基
板を除去して絶縁膜を露出させることにより、基板と絶
縁膜との界面であった絶縁膜の平坦な表面が現れる。従
って、裏返すことにより、素子を実装する面として、多
結晶ダイヤモンドからなる荒れた支持膜の表面の代わり
に平坦な絶縁膜の表面を用いることができる。このた
め、支持膜の荒れた表面を研磨する従来の困難な加工を
行う必要はない。また、ヒートシンク基板に、高価な単
結晶ダイヤモンドの代わりに安価な気相合成ダイヤモン
ドを用いることが可能となる。従って、製品コストは低
減される。

【００９７】また、感熱膜上に支持膜を形成し、さら
に、この支持膜上に冷却装置を形成した後、基板を除去
して絶縁膜を露出させることにより、サーミスタおよび
冷却装置を内蔵したヒートシンクが気相合成ダイヤモン
ドによって形成される。このため、サーミスタおよび冷
却装置を内蔵した高機能で高効率のヒートシンクが安価
に得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるサーミスタ内蔵ダ
イヤモンド・ヒートシンクの製造工程断面図である。

【図２】本発明の第２の実施例によるサーミスタ内蔵ダ
イヤモンド・ヒートシンクの断面図である。

【図３】本発明の第３の実施例によるサーミスタおよび
ペルティエ素子内蔵ダイヤモンド・ヒートシンクの製造
工程断面図である。

【図４】第３の実施例によるサーミスタおよびペルティ
エ素子内蔵ダイヤモンド・ヒートシンクの断面図であ
る。

【図５】本発明の第４の実施例によるサーミスタ内蔵ダ
イヤモンド・ヒートシンクを示す断面図である。

【図６】本発明の第４の実施例の変形例を示す斜視図で
ある。

【図７】本発明の第４の実施例の第２変形例によるサー
ミスタ内蔵ダイヤモンド・ヒートシンクの断面図であ
る。

【図８】本発明の第５の実施例によるサーミスタ内蔵ダ
イヤモンド・ヒートシンクの断面図である。

【図９】ペルティエ素子の原理を表す断面図である。

【図１０】本発明の第６及び第７の実施例によるダイヤ
モンドヒートシンクの作製工程における前半部分を表す
断面図である。

【図１１】本発明の第６の実施例によるサーミスタ及び
ペルティエ素子内蔵ダイヤモンド・ヒートシンクの断面
図である。

【図１２】本発明の第７の実施例によるサーミスタ及び
マイクロチャネル内蔵ダイヤモンド・ヒートシンクの断
面図である。

【符号の説明】

１…Ｓｉ基板、２…ノンドープの気相合成ダイヤモンド
からなる絶縁膜、３…半導電性の気相合成ダイヤモンド
からなる感熱膜、４…ノンドープの気相合成ダイヤモン
ドからなる支持膜、５ａ，ｂ…電極、６…銅の支持台、
７…銀ろうはんだ、８…オーミック用高ドープ膜、１１
…第１の金属膜、１２…ｐ型半導体層、１３…ｎ型半導
体層、１４…第２の金属膜、１５…第３の金属膜、１６
…絶縁膜、２０，２４…金属膜、２１，３１…実装素
子、３２…溝、３３…ＬＤチップ、３４…光ファイバ、
４０…ノンドープダイヤモンド層、４２，４６…マス
ク、４４…ｎ型半導体ダイヤモンド層、４８…ｐ型半導
体ダイヤモンド層、５０…金属膜、６０，６０ａ…ノン
ドープダイヤモンド層、６２…マスク、６４…Ｍｏ板、
６６…マイクロチャネル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鹿田真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 (56)参考文献特開平５−67711（ＪＰ，Ａ) 特開平６−21285（ＪＰ，Ａ) 特開平８−227953（ＪＰ，Ａ) 特開平８−227956（ＪＰ，Ａ) 特開平７−209032（ＪＰ，Ａ) 特開平７−315988（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/373 H01S 5/022 - 5/024

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ノンドープの気相合成ダイヤモンドから
なる支持膜と、この支持膜の表面に形成された半導電性
の気相合成ダイヤモンドからなる感熱膜と、この感熱膜
上の所定領域に形成されたノンドープの気相合成ダイヤ
モンドからなる絶縁膜と、前記感熱膜上に形成された電
極とを備えて形成されたことを特徴とするダイヤモンド
・ヒートシンク。
【請求項２】高濃度に不純物を含む気相合成ダイヤモ
ンドからなるオーミック用高ドープ膜が前記電極と前記
感熱膜との間に形成されていることを特徴とする請求項
１記載のダイヤモンド・ヒートシンク。
【請求項３】前記支持膜の裏面に冷却装置が形成され
ていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の
ダイヤモンド・ヒートシンク。
【請求項４】前記冷却装置が、前記支持膜の裏面に形
成された第１の金属膜と、前記第１の金属膜に一端が接
触して配置されたｐ型半導体層と、前記第１の金属膜に
一端が接触して配置されたｎ型半導体層と、前記ｐ型半
導体層の他端に接触して配置された第２の金属膜と、前
記ｎ型半導体層の他端に接触して配置された第３の金属
膜とから成る１つ以上のΠ字形のサブモジュールが、直
列に接続されて構成されたペルティエ素子であることを
特徴とする請求項３記載のダイヤモンド・ヒートシン
ク。
【請求項５】前記冷却装置が、前記支持膜の裏面に形
成された第１の金属膜と、前記第１の金属膜に一端が接
触して配置されたｐ型半導体ダイヤモンド層と、前記第
１の金属膜に一端が接触して配置されたｎ型半導体ダイ
ヤモンド層と、前記ｐ型半導体ダイヤモンド層の他端に
接触して配置された第２の金属膜と、前記ｎ型半導体ダ
イヤモンド層の他端に接触して配置された第３の金属膜
とから成る１つ以上のΠ字形のサブモジュールが、直列
に接続されて構成されたペルティエ素子であることを特
徴とする請求項３記載のダイヤモンド・ヒートシンク。
【請求項６】前記冷却装置が、前記支持膜の裏面に配
置された、媒体を流通させるためのマイクロチャネルで
あることを特徴とする請求項３に記載のダイヤモンドヒ
ートシンク。
【請求項７】前記マイクロチャネルを画成する壁面の
一部が、前記支持膜の裏面に形成されたダイヤモンド層
であることを特徴とする請求項６に記載のダイヤモンド
ヒートシンク。
【請求項８】前記絶縁膜の表面が実装素子の形状に応
じて加工されて、前記絶縁膜と該実装素子との接触面積
が増加していることを特徴とする請求項１〜７のいずれ
か記載のダイヤモンド・ヒートシンク。
【請求項９】基板上にノンドープのダイヤモンドを気
相合成法により形成して絶縁膜を得る第１の工程と前記
絶縁膜上に半導電性のダイヤモンドを気相合成法により
形成して感熱膜を得る第２の工程と、前記感熱膜上にノ
ンドープのダイヤモンドを気相合成法により形成して支
持膜を得る第３の工程と、前記基板を除去して前記絶縁
膜を露出させる第４の工程と、露出した前記絶縁膜を選
択的に除去して前記感熱膜を部分的に露出させる第５の
工程と、露出した前記感熱膜の表面に電極を形成する第
６の工程とを備えることを特徴とするダイヤモンド・ヒ
ートシンクの製造方法。
【請求項１０】前記第３の工程の後に、前記支持膜上
に冷却装置を形成する第７の工程を備え、前記第７の工
程の後に前記第４の工程を行うことを特徴とする請求項
９記載のダイヤモンド・ヒートシンクの製造方法。
【請求項１１】前記第７の工程が、前記支持膜上に第
１の金属膜を選択的に形成する第８の工程と、前記第１
の金属膜に各一端が接触したｐ型半導体層およびｎ型半
導体層をそれぞれ選択的に形成する第９の工程と、前記
ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の各他端にそれぞれ接
触した第２の金属膜および第３の金属膜を選択的に形成
する第１０の工程とを備えることを特徴とする請求項１
０記載のダイヤモンド・ヒートシンクの製造方法。
【請求項１２】前記第９の工程が、気相合成法により
ｐ型半導体ダイヤモンド及びｎ型半導体ダイヤモンドを
選択的に形成することを特徴とする請求項１１に記載の
ダイヤモンドヒートシンクの製造方法。
【請求項１３】前記第７の工程が、前記支持膜上に金
属膜を選択的に形成する第８の工程と、前記金属膜上に
ノンドープダイヤモンド層を気相合成法により形成する
第９の工程と、前記第８の工程で形成された前記ノンド
ープダイヤモンド層の表面に所定のパターンを形成した
後エッチングを行い、前記ノンドープダイヤモンド層の
内部に溝を形成する第１０の工程と、前記ノンドープダ
イヤモンド層と前記溝との上に金属板を配置して、前記
支持膜の裏側にマイクロチャネルを形成する第１１の工
程とを備えることを特徴とする請求項１０に記載のダイ
ヤモンド・ヒートシンクの製造方法。