JPH04245463A - ダイヤモンドヒートシンク - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高い熱放散性を要求さ
れる半導体デバイス等に用いるヒートシンクに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化及び高
出力化が進むにつれて素子の発熱量が大きくなり、素子
の特性劣化や、極端な場合には素子が破壊するといった
問題が発生しつつある。このため、素子からの熱放散技
術が重要課題となっており、その解決法の一つとして、
素子を高熱伝導性材料に搭載する、いわゆるヒートシン
ク技術が挙げられる。

【０００３】ダイヤモンドは、室温付近において、既存
の物質中で最も高い熱伝導率を示すことから、高性能の
ヒートシンクとして一部用いられている。その一例とし
て、周期率表の第ＩＩＩ族及び第Ｖ族元素の化合物から
なる半導体レーザー用のヒートシンクがある。半導体レ
ーサーが発振するためのしきい値電流及び発振出力は、
素子の温度に対し、非常に敏感に変化するため、長時間
に渡り安定したレーザー発振を維持するためには、素子
からの発熱を有効に逃がす必要があり、そのためにダイ
ヤモンドが用いられている。ここで用いられているダイ
ヤモンドは、ダイヤモンドが熱力学的に安定な領域で合
成される、いわゆる高圧合成法による単結晶ダイヤモン
ドである。その大きさとしては、通常１×１ｍｍ程度の
ものが用いられている。

【０００４】一方、炭素を含んだガスを原料とした化学
的気相成長法（ＣＶＤ法）により、比較的低温でダイヤ
モンド膜を合成する技術が開発されている。具体的には
メタン等の炭化水素やアルコール，一酸化炭素などを熱
分解する方法、プラズマで分解する方法、アセチレン炎
で分解する方法等が知られている。これらＣＶＤ法では
、ダイヤモンドは基板上に膜状に形成され、その基板と
してはシリコン，タングステンなどの金属，アルミナな
どのセラミックスないしはガラス基板が用いられている
。析出するダイヤモンド膜の面積は、成膜手法によって
異なるが、数ｍｍ２から数インチ、膜厚としてはサブミ
クロンから数百ミクロン程度が可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた中で、高圧
合成法によるダイヤモンドヒートシンクに関しては、そ
の合成条件が２０００℃、１万気圧以上といった極めて
きびしい条件であるため、その合成装置は特殊なものと
なり、従ってダイヤモンドヒートシンクは大変高価なも
のとなる。さらに高圧合成法で得られるダイヤモンドの
大きさは、最大でも数ｍｍ２角であるため、このことも
ダイヤモンドヒートシンクが高価なものとなる原因にな
っている。

【０００６】これに対し、ＣＶＤ法によるダイヤモンド
膜では、その合成装置が簡便であり、かつ比較的大面積
に成膜可能であるため、高圧合成法に比べて安価にダイ
ヤモンドを合成することができることが特徴である。こ
のようなＣＶＤダイヤモンド膜によるヒートシンクを考
えたとき、その合成手法からわかるように、ダイヤモン
ド膜及び基板が一体となった形で使用される。この場合
、以下の２点が課題として挙げられる。

【０００７】先ず第１に、ダイヤモンド膜と基板との密
着性である。さきに述べたＣＶＤ法においては、ダイヤ
モンドを成膜する際の基板温度は６００〜１０００℃程
度とされる。これ以下の温度では析出するダイヤモンド
の質が低下し、本来ダイヤモンドの有する高熱伝導性が
著しく劣化する。基板と膜との密着性は、成膜温度から
室温に至るまでの膜と基板との熱膨張係数に大きく依存
する。すなわち、ダイヤモンドと基板との熱膨張係数が
大きく異なる場合においては、膜の剥離が生じ、ヒート
シンクの信頼性が低下する。従って基板としては、ダイ
ヤモンドと熱膨張係数の値が近いものを選ぶ必要がある
。

【０００８】第２に、基板の熱伝導率及び基板とダイヤ
モンド膜との厚さの比である。さきに述べたとおり、ダ
イヤモンドは、極めて優れた熱伝導性を示すが、基板と
一体でヒートシンクを構成する場合、基板の熱伝導率が
低いと、基板での熱放散が不十分となり、素子の温度上
昇が起きる。また基板の熱伝導率がある程度良好な場合
においても、ダイヤモンド膜の膜厚に対して厚すぎると
熱放散性が劣り、ヒートシンクとしての性能が十分に発
揮されない。

【０００９】以上の２点を考慮してダイヤモンド膜をヒ
ートシンクとして応用した例として、特開平２−１９４
５５１号がある。特開平２−１９４５５１号においては
、ダイヤモンドと熱膨張係数の近いタングステンを基板
とすることにより、前述の第１の課題を解決している。 一方、タングステンは熱伝導率が小さく、第２の課題を
克服するためにタングステン基板に気孔を設け、ダイヤ
モンド成膜後に気孔内に熱伝導性の良い銅を含侵させる
ことにより、熱放散性の向上を図っている。しかしなが
らこの方法の場合、熱伝導性の良い銅と熱伝導性の悪い
タングステンとが混在するために、熱の伝達が不均一と
なるばかりでなく、銅とタングステンの間に生じた界面
により熱伝導性が低下するものと考えられる。

【００１０】本発明の目的は、熱膨張係数がダイヤモン
ドに近く、さらに熱伝導性の良い基板に十分な膜厚のダ
イヤモンド膜を析出させることにより、素子から発生し
た熱を均一に放散させるダイヤモンドヒートシンクを提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明によるダイヤモンドヒートシンクにおいては、
ダイヤモンド膜と、これを支持する基板とから構成され
るダイヤモンドヒートシンクにおいて、該基板が高熱伝
導性炭化珪素（ＳｉＣ）からなり、かつダイヤモンドの
膜厚が該基板の厚み以上であるものである。

【００１２】

【作用】炭化珪素は、熱膨張係数がダイヤモンドに近い
ため、ダイヤモンド膜との密着性については問題ない。 本発明において、高熱伝導性炭化珪素と限定した理由は
以下のとおりである。炭化珪素基板としては、通常、炭
化珪素粉末を成形し、高温で焼結したセラミックスが使
用される。炭化珪素は、難焼結性物質であるため、焼結
に際しては種々の焼結助剤が用いられる。このようにし
て作られたＳｉＣ基板の熱伝導率は、焼結助剤の種類に
よって大きく異なり、ベリリア（ＢｅＯ）を焼結助剤と
して用いた場合にのみ優れた熱伝導率を示す。従って炭
化珪素基板としては、高熱伝導性を有するものに限定す
る。

【００１３】また、ダイヤモンド膜の膜厚がＳｉＣ基板
より薄い場合には、熱放散性に対して基板の影響が見ら
れ、ダイヤモンドの優れた熱放散性を生かすことができ
ないため、ダイヤモンドの膜厚はＳｉＣ基板より厚くす
る。

【００１４】

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を説明する。 図１は、本発明に用いたダイヤモンド膜を合成するため
の装置の概略図である。まず真空容器１１内に厚さ２０
０μｍの高熱伝導性ＳｉＣ基板１４を基板ホルダー１５
上に設置する。この基板の熱伝導率は約２９０Ｗ／ｍ・
Ｋであった。次に排気装置１７により真空容器１１内を
１０−３Ｔｏｒｒ以下に排気した後、水素で１％に希釈
したメタンガスをボンベ１８より真空容器１１内に２０
Ｔｏｒｒの圧力になるまで導入した。続いて交流電源１
３により直径０．５ｍｍのタングステン線１２及び基板
加熱装置１６に電流を流した。この際、タングステン線
１２の温度は約２０００℃、基板の温度は８５０℃とし
た。真空容器１１内に導入されたメタンガスは、加熱さ
れたタングステン線１２により分解し、ＳｉＣ基板１４
上にダイヤモンドとして析出する。ダイヤモンド膜の膜
厚は、成膜時間を変化させることにより制御した。

【００１５】このようにダイヤモンドを成膜したＳｉＣ
基板を１×１ｍｍの大きさに切断並びにメタライズ処理
を施し、半導体レーザーを搭載し、ヒートシンクとして
の特性を評価した。その構成を図２に示す。図２におい
て、基板２１上にはダイヤモンド膜２７が成膜されてい
る。チタン（Ｔｉ）層２３及び白金（Ｐｔ）層２４の成
膜には、通常の高周波マグネトロンスパッタ装置を用い
、膜厚はＴｉ，Ｐｔとも１０００Åとした。さらにこの
上に金（Ａｕ）とスズ（Ｓｎ）からなる膜厚約３μｍの
合金層２５を蒸着法により形成し、半導体レーザー２６
を融着により搭載した。半導体レーザー２６としては、
インジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ＩｎＧａＡｓＰ）
を活性層とする、レーザー波長１．５μｍのものを使用
した。

【００１６】ヒートシンクとしての特性は、実際にレー
ザーを発振させその時のレーザー出力を測定することに
より評価した。すなわち、一定電流でレーザーを連続発
振させたときのレーザー出力は、素子の温度上昇にとも
なって低下する。従ってヒートシンクによる熱の放散が
十分であれば、素子の温度上昇が抑制され、レーザー出
力の変動が小さくなる。具体的には、図２における半導
体レーザー２６に５０ｍＡの直流電流を流し、レーザー
を連続発振させ、発振直後と３分後のレーザー出力を測
定した。その結果を表１に示す。

【００１７】

【００１８】表１によれば、基板に高熱伝導性ＳｉＣ基
板を用い、かつダイヤモンド膜の膜厚をＳｉＣ基板の厚
さ以上としたときのみレーザー出力の変動が小さく、高
性能なヒートシンクとして作用していることがわかる。 なお比較として用いたタングステン（Ｗ）基板の熱伝導
率は、約１２０Ｗ／ｍ・Ｋであった。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によるダイヤ
モンドヒートシンクは、優れた熱放散性を示し、その利
用価値は極めて大きい。また本発明によるダイヤモンド
ヒートシンクは、半導体レーザーのみに使用が限定され
るものでなく、超ＬＳＩや高周波デバイス、高出力デバ
イス等、熱放散が必要な電子素子に一般的に有用である
ことはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】ダイヤモンド膜合成装置の一例の概略図である
。

【図２】半導体レーザーに用いるダイヤモンドヒートシ
ンクの構成図である。

【符号の説明】

１１　　真空容器 １２　　タングステン線 １３　　交流電源 １４　　基板 １５　　基板ホルダー １６　　基板加熱装置 １７　　排気装置 １８　　ボンベ ２１　　基板 ２２　　ダイヤモンド膜 ２３　　チタン層 ２４　　白金層 ２５　　金・スズ合金層 ２６　　半導体レーザー ２７　　電極線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ダイヤモンド膜と、これを支持する基
   板とから構成されるダイヤモンドヒートシンクにおいて
   、該基板が高熱伝導性炭化珪素（ＳｉＣ）からなり、か
   つダイヤモンドの膜厚が該基板の厚み以上であることを
   特徴とするダイヤモンドヒートシンク。