JPS62169489A - 熱伝導性絶縁基板 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は熱伝導性絶縁基板に関する。

［従来の技術・発明が解決しようとする問題点］ＩＣ，
ＩＪＩなどの発展によって電子回路の小型化、高集積化
、高出力化が進むとともに、半導体素子の実装密度も高
密度化している。このような半導体素子の高集積化、高
出力化、高密度化にともない、チップ当りの素子数は年
々増大しており、チップ当りの発熱量も増大している。

この発熱量の増大は、半導体素子の信頼性に大きな影響
を及ぼすため、熱伝導性の良好なパッケージ材料に対す
る要望が強くなってきている。

またハイブリッドＩＣでは、発熱部品が同一パッケージ
内に同居する様になり、高密度化実装をさらにすすめる
ためには、熱伝導性の良好な絶縁基板が必要となってい
る。

さらに、実際に素子を搭載することを考えると、熱膨張
係数が素子および他のパッケージ構成材料や回路基板の
熱膨張係数に近似しており、チップを直接ボンディング
しうろことが好ましい。

前記両者を届足する基板として、Ｍ　＋　Ｍ　２０３（
アルミナ）、結晶性ＳｉＣ、ＢｅＯなど製のセラミック
基板や、金属基板をセラミックで被覆したホウロウ性の
基板などが考えられているが。

ホウロウ性の基板をのぞきいずれも高価格で１、その上
ＢｅＯ製基板基板毒性があり、結晶性ＳＩＣ製基板には
焼結助剤としてＢｅＯを用いており、高周波での誘電率
がＩ　Ｍ　Ｈｚで約４０と大きいという問題があり、Ｎ
　＋　Ａｌ１２０３製基板には線膨張係数が大きく、Ｍ
２Ｏ３の絶縁性が不足するのでと、ｌ−１を補うために
エポキシコートが必要で、その結果、熱伝導性、耐熱性
が不充分であるという聞届があり、安価なホウロウ製の
基板のばあいには線膨張係数が大きく、ホウロウの熱伝
導仕業１、よくないなどの欠点を有している。

本発明は、素子あるいは他のパッケージ構成材料や回路
基板の熱膨張係数に近似した線膨張率を有し、熱伝導性
および耐熱性が良好で厚膜回路を作製することができ、
表面が平滑な絶縁基板であって、前記従来からの基板が
有する欠点を有さない絶縁基板をうろことを目的とする
ものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、チッ化または酸化した結晶シリコン基板表面
に、熱伝導率の大きい絶縁層を被覆した基板を用いると
、上記問題を解決しうろことを見出したことによりなさ
れたものであり、チッ化または酸化した結晶シリコン基
板表面の少なくとも一部を熱伝導率の大きい絶縁層で被
塑した熱伝導性絶縁基板に関する。

［実施例］ 本発明に用いる結晶シリコン基板としては、たとえば単
結晶シリコンまたは多結晶シリコン製の約１００Ｗ／ｍ
　・℃以上の熱伝導率を有する基板であッテ、１０〜２
００ｍｍφまたは１０〜２ｏｏｆｆｌＩＩ１口で厚さ　
０．１〜５ｆｆｌＩＩｌのごとき形状を有する基板があ
げられる。

基板に使用する結晶シリコンは金属級のものでもよく、
ｎ型あるいはｎ型にドープしていてもよい。また基板に
スルーホールなどを形成するのであれば、チッ化または
酸化する前に形成しておくのがスルーホール部の絶縁性
をよくするなどの点から好ましい。

本発明においては、前記基板をチッ化または酸化した基
板が用いられ、この基板の表面の少なくとも一部が熱伝
導率の大きい絶縁層で被覆されている。

結晶シリコン基板のチッ化または酸化は、均質で緻密な
絶縁化とそのあと被覆する絶縁層との接着性を強固にす
るために行なわれるものであり、該基板の表面から少な
くとも　０．ＩＪＩｍの厚さまでチッ化または酸化され
ているのが好ましく、０．５側の厚さまでチッ化または
酸化されているのがさらに好ましい。なおチッ化または
酸化されている層の厚さは５加以下であることが、チッ
化または酸化石の内部応力歪やそれによるクラックを防
止するという点から好ましい。

結晶シリコン基板をチッ化または酸化する方法としては
、チッ素ガスまたは酸素ガスの存在下、通常のＤＣ放電
法、たとえばＫＨｚ　＝ＭＩＩｚ程度の高周波を使用す
るＲＰ放電法またはマイクロ波プラズマ放電法な、どに
より形成すればよいが、結、晶シリコン基板を負の電位
にバイアスしてプラズマ処理するのが反応性が高く、密
着強度も大きいという点から好ましい。

前記表面の少なくとも一部を被覆するとは、少なくとも
必要な部分は被覆するという意味で、α板表面の被覆さ
れる割合にはとくに限定はなく、基板表面全体であって
もよく、ごく一部であってもよい。

熱伝導率の大きい、好ましくは５０ｗ／ｉｌｌ　・℃以
上、さらに好ましくはＬＯＯＷ／ｌ！・℃以上の熱伝導
率を有する絶縁基板を形成する絶縁材料としては、たと
えばシリコン、ゲルマニウムおよび炭素の少なくとも１
種を主成分、すなわち３０ａｔｆｆ１％以上含む材料が
あげられ、この材料には水素またはハロゲン族元素が、
好ましくは０．１〜３０ａｔｍ％含まれていてもよい。

他の材料であってもつ・まわないのはもちろんのことで
ある。

前記のごとき材料の具体例としては、ダイヤモンド、ダ
イヤモンド状炭素、シリコンカーバイド、ゲルマニウム
カーバイドなどの硬質カーボン材料（特願昭Ｈ−、！ｌ
：０３７号、同６０−１７９０２５号、同６０−２０９
８２０号各明細書なとに記載の材料）、シリコンカーバ
イド、シリコンナイトライド、シリコンゲルマニウム、
シリコンゲルマニウムカーバイド、シリコンカーバイド
ナイトライド、シリコンオキサイド、シリコンナイトラ
イドオキサイド、シリコンカーバイドオキサイドなどの
シリコンなどを含む非単結晶質材料（特開昭００−８２
８８９号公報、同１ｉｄ−１１９７８４号公報および特
願昭５９−１８７０３８号明細書などに記１１＆、の材
料）、ｃ−ＢＮ％ｈ−ＢＮ％＃Ｎ、ＢＰなどがあげられ
る。前記材料の１種以上を用いて、好ましくは膜厚０．
５〜１０虜、さらに好ましくは１〜１０廁の絶縁層か形
成される。２種以上の材料を用いて絶縁層を形成するば
あいには、腹合した絶縁層にしてもよい。

絶縁層を形成する材料がダイヤモンド状炭素のばあいに
は、シリコンまたはゲルマニウム原子のいずれか１種ま
たは両者を９ａｔｍ％以下の範囲で含むものが、内部応
力が小さく、付着力が大きく、よりダイヤモンドに近い
物理的特性を有するため好ましく、０．１〜４ａｔｍ％
の範囲゛で含むものがさらに好ましい。なお、膜中のシ
リコ゛／量あるいはゲルマニウム量が９ａｔａ＋％をこ
えると熱伝導率が低下する傾向にある。

微量のＳｔ、、Ｇｅのこのような効果に関しては、現在
詳細は不明であるが、おそら＜　Ｓｉ、、Ｇｅのｓｐ３
軌道がダイヤモンドの核生成に有効に働くものと考えら
れる。

絶縁層を形成する材料が非晶質シリコンカーバイドのば
あいには、水素原子およびハロゲン族元素のうちの少な
くとも１種を３０ａｔｍ％以下の範囲で含むものが熱伝
導率が大きいという点から好ましく、０．１〜１ＯａＵ
％の範囲で含むものがさらに好ましい。

前記のごとき絶縁層は、通常１０−”　（Ω・ｃ＋ｎ）
−１以下、好ましくは１０−ｅ　ｃΩ・ａｍ）−１１以
下、さらに好ましくは１０−９（Ω・ｃｍ）　１１以下
の電気伝導度と５０Ｖ／洞以上、さらに好ましくは１０
０Ｖ／ρ以上の耐電圧を有するのが、絶縁性基板に用い
るのに好ましい。

つぎに本発明の熱伝導性絶縁基板の製法について説明す
る。

チッ化または酸化した結晶シリコン基板表面に絶縁層を
形成する方法にはとくに限定はなく、前記のごとき材料
からなる絶縁層が形成されるかぎりいかなる方法も適応
しうるが、前述の出願済の公報や明細書に記載の方法が
好適に採用されうる。

このような方法の具体例としては、ダイヤモンド、ダイ
ヤモンド状炭素、シリコンカーバイド、非晶質シリコン
カーバイド、六方晶ＢＮ、立方晶ＢＮなどからなる絶縁
層を形成するばあいに適応されつるＤＣ放電プラズマＣ
ＶＤ法、ＲＰ放電プラズマＣＶＤ法、ＤＣ放電・ＲＰ放
電両者混合のプラズマＣＶＤ法、電界に直行する磁界を
もったＤＣ放電・ＲＦ放電両者混合のプラズマＣＶＤ法
などがあげられる。ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素
、シリコンカーバイド、非晶質シリコンカーバイドなど
からなる絶縁層を形成する際に、基板上で電界と直行す
る磁界をもつＤＣ放電・ＲＦ放電両者混合のプラズマＣ
ＶＤ法を適応すると、より結晶性で熱伝導性に優れた膜
が高速で作製されるなどの点から好ましい。

基板上で電界と直行する磁界をもつＤＣ放電・ＲＦ放電
両者混合のプラズマＣＶＤ法により光熱伝動性絶縁基板
を製造する際の具体的な方法としては、たとえば第１図
に示すように、ＲＦ投入電極（２）側にチッ化または酸
化した結晶シリコン基板をセットし、この電極に高周波
チョークコイル（３）をとおして負のＤＣｆｆｉ圧、好
ましくは−１５０〜−６００ｖのＤＣ電圧を印加し、Ｒ
Ｆパワー、好ましくは　１００〜４００Ｗ（１４０〜５
８ｈＷ／ｃｍ２）のパワーを印加し、好ましくは０．１
〜２０Ｔｏｒｒの反応圧力、２００〜３５０℃の基板温
度で、基板表面と平行に磁界（Ｂ）、好ましくは１００
〜１０００ガウスの磁界（Ｂ）をかけながら絶縁層を形
成するごとき方法があげられる。なお（４）はガス導入
口である。

上記方法の他、イオンブレーティング法、′リラスター
ビーへ法、熱ＣＶＤ法、イオン化蒸Ｚｆ　７．”ｌ”：
なども採用しうる。

このようにして製造された本発明の基板は、熱伝導率が
ほぼ単結晶シリコン並（１２０Ｗ／ｍ　・・℃程度）、
表面ビッカース硬度が５００以上、好ましくは［５００
以上、さらに好ましくは２０００以１丁５５、絶縁層の
種類により異なるが電気伝導度がｌＸ１ｏ−ｓ　ｃΩ５
ｅｎ）−”以下、好ましくはＩ　Ｘ　１０−’（Ω・ｃ
ｍ）−１以下、Ｉ　Ｍｌｌｚでの誘電率が２０１１’ｌ
：（シリコンカーバイドのばあいには１５以下）、ＩＭ
ＩＩｚでの誘電損失が０．０２以下のごとき持ｔ′↑）
を有するものである。

また、線膨張係数は絶縁層を形成する基板として結晶シ
リコン基板を用いているのでＬＳＩやＩｃチップとほぼ
同じで、チップを直接ボンディングすることができ、８
００℃の加熱にたえるので高温処理を必要とする厚膜回
路用ハイブリッドＩｃ基板などのｔＣ基板や多層基板材
料に適する。

また配線用に銅などをメッキしたり、蒸着したり、スパ
ッターしたりするのも容易である。さらに酸、アルカリ
に対して非常に安定であり、絶縁層の密着性がよく、ス
ルーホールの信頼性も高い。

以下、本発明の基板を実施例に基づいて説明する。

実施例１〜８および比較例１ ０．５＋ｎｍｊの単結晶ｓｉ基板に０．５ｍｍφのスル
ーホールをあけ、トリミング、研磨したのちプラズマＣ
ＶＤ装置に入れた。基板はＲＰ電極側に取付け、基板に
一１００ｖのＤＣ電圧を印加し、０．１Ｔｏｒｒの０２
ガスを導入し、室温でＯ，ｌＷ／ｃｍ２の１３．５６Ｍ
１ｌｚのＲＰでプラズマ酸化した。酸化層の厚さはＳ［
ＭＳにより測定した。

ついで基板を２００℃に上げ、ガスをＳ　ｉ　ＨａとＣ
Ｈ４１：変え、ＤＣ電圧を−５０Ｖ　１．：しテ０．５
Ｔｏｒｒ、ＲＦパワー０．ＩＷ／ｃ＋ｎ２でＥｇ　−２
，５ｅＶのａ−３ｉＣを堆積させた。

えられた基板の熱伝導度をレーザーフラッシュ法で測定
した。電導率はａ−８ｉＣ上にＮ電極を平行につけた面
方向と、ＳＩ裏面とａ−３ＩＣの厚さ方向で測定した。

耐熱性の評価は５００℃に３回上げてａ−３ｊＣ膜の変
化を観察した。

結果を第１表に示す。なお第１表のＯは良、×は不良を
示す。

［以下余白コ ［発明の効果］ 結晶シリコン基板をチッ化または酸化した上に熱伝導率
の大きい絶縁層を設けた本発明の基板は、絶縁性が極め
て高く、熱伝導率はＳｌとほぼ同じで、その上繰返しの
加熱によっても汀害な剥離を生じないなどの特徴があり
、線膨張係数はＬＳＩ　、　＋ＣなどのＳｔチップと同
じであるから直接ボンデングできるという特徴かある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基板を製造するのに用いるプラズマＣ
ＶＤ装置に関する説明Ｉ’１ｌ−（’、’Ｆ。ちる、。 （図面の主要７１号） （１）：チッ化または酸化した結晶シリコン基板９、［
ご苫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　チッ化または酸化した結晶シリコン基板表面の少な
   くとも一部を熱伝導率の大きい絶縁層で被覆した熱伝導
   性絶縁基板。 ２　チッ化または酸化した結晶シリコン基板が、結晶シ
   リコン基板にスルーホールを設けたのちチッ化または酸
   化したのものである特許請求の範囲第１項記載の基板。 ３　結晶シリコン基板が単結晶シリコン基板または多結
   晶シリコン基板である特許請求の範囲第１項記載の基板
   。 ４　チッ化または酸化が結晶シリコン基板の表面から少
   なくとも０．１μｍの厚さまで生じている特許請求の範
   囲第１項記載の基板。 ５　チッ化または酸化が結晶シリコン基板の表面から少
   なくとも０．５μｍの厚さまで生じている特許請求の範
   囲第１項記載の基板。 ６　熱伝導率の大きい絶縁層の厚さが０．５〜１０μｍ
   である特許請求の範囲第１項記載の基板。 ７　熱伝導率の大きい絶縁層の厚さが　１〜１０μｍで
   ある特許請求の範囲第１項記載の基板。 ８　熱伝導率の大きい絶縁層の電気伝導度が１０＾−＾
   ６（Ω・ｃｍ）＾−＾１１以下である特許請求の範囲第
   １項記載の基板。 ９　熱伝導率の大きい絶縁層の電気伝導度が１０＾−＾
   ８（Ω・　ｃｍ）＾−＾１以下である特許請求の範囲第
   １項記載の基板。 １０　伝導率の大きい絶縁層が、シリコン、ゲルマニウ
   ムおよび炭素の少なくとも１種を主成分とし、水素また
   はハロゲン族元素を含んでいてもよい材料からなる特許
   請求の範囲第１項記載の基板。