JPH02248395A - ダイヤモンド膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 化学気相成長法により形成するダイヤモンド膜に関し、 接合金属との密着力が優れたダイヤモンド膜を形成する
ことを目的とし、 化学気相成長法により形成するダイヤモンド膜の表面、
底面あるいは該膜全体を、該ダイヤモンド膜と接合する
金属の構成元素からなる混合相で構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は接合金属との密着力が優れたダイヤモンド膜に
関する。

ダイヤモンドは炭素（Ｃ）の同素体であり、所謂るダイ
ヤモンド構造を示し、モース（Ｍｏｈｓ）硬度１０と大
きく、また熱伝導度は２０００Ｗ／ｍＫと他の物質に較
べて格段に優れている。

そこで、この特性を利用して各種の用途が開発されてい
る。

すなわち、熱伝導度の高いのを利用してＬＳＩ、ＶＬＳ
ｌあるいはレーザなと半導体素子のヒートシンク（Ｉｌ
ｅａｔ−ｓｉｎｋ）の構成材として着目されている。

また、硬度の高いのを利用してドリルの刃やバイトに使
用することが考えられており、タングステン・カーバイ
ト（ＷＣ）など高硬度な焼結合金からなるこれら工具の
上に被覆して使用することが試みられている。

〔従来の技術〕

先に記したように、ダイヤモンドは高い熱伝導度を示す
ことから、半導体素子のヒートシンクとして着目され、
実用化が進められている。

第２図は冷却構造体の斜視図であって、銅（Ｃｕ）など
からなる母材（サブキャリア）１の上にダイヤモンドか
らなるヒートシンク２が金鑞付けされており、このヒー
トシンク２の上に半導体レーザなどの半導体チップ３が
金・錫（＾ｕ−３ｎ）半田などを用いて溶着されている
。

第３図はこのヒートシンク２の断面構造を示すもので、
ダイヤモンド１！４を中心とし、この上にそれぞれ２０
００人程度０厚さにチタン（Ｔｉ）膜５．白金（Ｐｔ）
膜６．金（Ａｕ）膜７と順々に層形成されている。

こ−で、Ｔｉ膜５を用いる理由はダイヤモンド膜４との
間でチタンカーバイト（ＴｉＣ）を生じ、密着性が良い
ためである。

また、ｐｔ膜６が介在する理由はＴｉ１１５とＡｕ１１
７との濡れ性が悪いのを補正するためである。

然し、このようなヒートシンク２は構造が複雑な割には
これを包む金属膜の熱伝導度の影響が大きく、また、接
合作用は高温を要するため半導体チップの劣化を生じ易
（、また接合には特殊な技術を必要とするため高価格化
の原因となっていた。

発明者等は第４図に示すようなプラズマジエ２ト化学気
相成長装置（略してプラズマジェ、）ＣＶＤ装置）を使
用してダイヤモンド膜の化学気相成長（略してＣｖＤ成
長）に成功している。

いま、簡単にこの装置の構成と動作を説明すると次のよ
うになる。

１１ｉ１　（Ｃｕ）のようにカーバイトを作らない金属
板９を冷却水１０によって水冷された基板ホルダ１１の
上に載置する。

こ−で、反応室１２の上部にはプラズマジェット１３を
形成するための陽極１４と陰極１５があり、この間を通
って原料ガス１６が供給され、また金属層の形成を可能
とするために粉末供給パイプ１７が陽極１４の先端に開
口している。。

また、陽極１４と陰極１５を繋いで直流電源１８があり
、反応室１２の下部には排気口１９がある。

ダイヤモンドのＣｖＯ成長を行うには陽極１４と陰極１
５の間から水素（Ｈ３）と炭化水素、例えばメタン（Ｃ
Ｈａ）との混合ガスを反応室１２の中に供給すると共に
、排気系を動作して排気口１９より排気し、反応室１２
の中を低真空に保持した状態で陽陰極間にアーク放電２
０を生じさせ、この熱により原料ガス１６を分解させて
プラズマ化させると、炭素プラズマを含むプラズマジェ
ット１３は金属板９に当たり、微結晶からなるダイヤモ
ンド膜２１が金属板９の上に成長する。

また、金属とダイヤモンドとの混合膜を成長させるには
粉末供給パイプ１７を通しで金属粉をアーク放電２０の
中に供給すればよ（、金属膜のみを成長させるには原料
ガス１６としてＨｚを用い、粉末供給パイプ１７を通し
で金属粉をアーク放電２０の中に供給すればよい。

このように第４図に示すようなＣＶＤ装置を使用すると
、ダイヤモンド膜２１は勿論、金属膜や金属とダイヤモ
ンドとの混合膜も形成することも可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

先に記したように、ダイヤモンドは熱伝導度が２０００
Ｗ／ｓＫと格段に優れていることから、ヒートシンクの
構成材として実用化が進められているが、第３図に示す
ように、ダイヤモンド膜の上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕと金属
膜を層形成して構成されている。

そのために、ダイヤモンドの熱伝導性が損なわれており
、また高価格化の原因となっていることが問題である。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題はプラズマジェッｔ−ｃｖｏ法より形成する
ダイヤモンド膜の表面、底面あるいは該膜全体を、該ダ
イヤモンド膜と接合する金属の構成元素との混合相で形
成することにより解決することができる。

〔作用〕 本発明は発明者等が先にダイヤモンドの製造に成功した
ＣＶＤ装置を用いてダイヤモンド膜の表面。

底面あるいは膜全体にダイヤモンドと接合する金属元素
との混合相を形成するものである。

第１図は半導体素子のヒートシンクとして用いる場合の
はダイヤモンド膜の断面構造図を示すもので、ダイヤモ
ンド膜２２の下面２３でＣｕからなる母材（サブキャリ
ア）１に接する下面と、半導体チップ３に接する上面２
４とにダイヤモンドとＣｕとの混合相２５を形成する。

また、ダイヤモンドの硬度を利用する機械的な用途に対
しては、対象物と接合する下面にのみ混合相を形成して
もよく、また膜全体を混合相で形成してもよい。

この理由は、ＣＶＤ法で形成されるダイヤモンド膜は多
結晶からなり、そのため結晶粒界での襞間が生じ易く、
比較的もろいが、混合相では金属が粒界に介在するため
、機械的強度が優れている。

すなわち、ダイヤモンド膜を熱伝導体として使用する場
合には混合相は接合部のみに限るのがよく、また硬度を
利用する用途に対しては膜全体を混合相で形成して襞間
性を無くして使用すると良い。

〔実施例〕

第４図に示すＣＶＤ装置を用い、原料ガス１６として水
素（Ｈ２）ガスの流量を１０〜５０１／分、メタン（Ｃ
Ｈ４）ガスの流量を０．０５〜Ｉｆ／分の範囲で変えて
供給し、また金属粉としては粒径が１〜５μ醜のＣＨ粉
を粉末供給パイプ１７を用いて０．０１〜０．１ｃｃ／
時の割合で供給した。

こ−で、原料ガス１６としてＣＨ，ガスと■２ガスを用
いる場合にはダイヤモンド膜が合成され、これに金属の
微粉末を混合する場合にはダイヤモンドと金属との混合
相が形成される。

また、Ｈ，ガスと金属粉末を用いる場合には金属膜が合
成される。

次に、ＣＶＤ成長を行わせる条件は反応室１２の真空度
はｌ　ｋｐＢｘｌｏｋ　Ｐａ、アーク電流値はｌＯ〜７
０Ａまたアーク電圧値は５０〜１５０　Ｖである。

このようにして厚さが５０μｍで上面と下面に組成比が
略５：１の１μ−厚のＣｕの混合相をもつダイヤモンド
膜を形成した。

次に、このダイヤモンド膜をヒートシンクとし、融点が
２５０°Ｃの半田を用いて母材（サブキャリア）に接合
し、また、この上にレーザダイオードを接合したが、充
分な接合強度のある半田付けを行うことができた。

〔発明の効果〕

原料ガスの種類と金属粉末の組み合わせを変えてＣＶＤ
成長を行うことによりダイヤモンド膜や金属との混合相
を形成できるＣＶＤ装置を使用し、ダイヤモンド膜の表
面、底面あるいは膜全体を混合相とする本発明の実施に
より、低コストで密着性の優れたダイヤモンド膜を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用したヒートシンクの断面構造図、 第２図は冷却構造体の斜視図、 第３図はヒートシンクの断面図、 第４図は本発明に使用したプラズマジェットＣＶＯ装置
の構成図、である。 図において、 １は母材、　　　　　　　　２はヒートシンク、３は半
導体チップ、 ４．２１．２２はダイヤモンド膜、 １３はプラズマジェット、　　１４は陽極、１５は陰極
、　　　　　　　　１６は原料ガス、１７は粉末供給パ
イプ、 である。 不で明と適用したヒートシン７ｆ）ｐｍ面１世１品第 冷却ｊａ造停の斜を図 第２　ロ ヒートシシ７の前［］面 、ｆ＃：明１て便用した１ラスマジ゛エツトＣＶし浸室
の［圓 ′！ｇ　４　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　化学気相成長法により形成するダイヤモンド膜の表面
   、底面あるいは該膜全体を、該ダイヤモンド膜と接合す
   る金属の構成元素からなる混合相で形成することを特徴
   とするダイヤモンド膜。