KR101299136B1 - 다이아몬드 열방산체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다이아몬드 주상조직의 성장방향을 방사형으로 유도함으로써 박막 두께를 최소화한 상태에서 수평방향의 열전도도를 극대화하여 열방산체로서의 효율을 향상시킬 수 있는 다이아몬드 열방산체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 다이아몬드 열방산체는 다이아몬드 결정 조직의 단면이 방사형 주상조직을 가지며, 방사형 주상조직이 이웃하여 배치되어 서로 연결된 것을 특징으로 하며, 상기 각각의 방사형 주상조직은, 기판 상에 국부적으로 구비된 시드점을 중심으로 화학기상증착 공정을 통해 성장되고, 상기 기판 상에 국부적으로 구비된 시드점은, 상기 기판 상에 이격되어 배치된 다이아몬드 입자이거나 국부적으로 텍스쳐링된 기판 부위이다.
Description
본 발명은 다이아몬드 열방산체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다이아몬드 주상조직의 성장방향을 방사형으로 유도함으로써 박막 두께를 최소화한 상태에서 수평방향의 열전도도를 극대화하여 열방산체로서의 효율을 향상시킬 수 있는 다이아몬드 열방산체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 반도체 소자는 처리속도의 고속화에 따라 전력소모가 급격히 증가되고 있다. 또한, 고출력이 요구되는 통신용 반도체, 레이저 발생용 소자, 고출력 LD 소자 등 소자에서 발생하고 있는 열의 용이한 배출을 위한 방법의 모색이 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 소자에서 열을 빼주기 위해 사용되는 기본구조는 도 1과 같다. 즉, 소자의 열을 최종적으로 방열시키는 히트싱크(heat sink), 소자와 히트싱크 사이에 구비되어 소자의 열을 히트싱크와의 넓은 접촉 면적을 통해 히트싱크로 균일하게 방산시키는 열방산체(heat spreader)를 기본 구성요소로 한다. 이와 같은 구조를 갖음에 따라, 열방산체에서 요구되는 가장 중요한 물성은 열확산율 또는 열전도도이다.
일반적으로, 열방산체는 절연체인 알루미나, 질화알루미늄, 베릴리아 등의 세라믹 기판이 주로 사용되어져 왔다. 이들 세라믹은 열전도도가 낮은 문제점을 갖고 있다. 다이아몬드의 기상합성이 성공된 이후, 다이아몬드를 열전달기판으로 사용하려는 노력이 많이 진행되어 왔다(B. Dischler and C. Wild, Low Pressure Synthetic Diamond, Springer, 1998, pp 165-198).
기상합성 다이아몬드의 경우, 다이아몬드는 기판 상에 박막 또는 후막 형태로 합성이 이루어진다. 기판 상에 증착되는 막의 특성상 막을 구성하는 다이아몬드 입자는 도 2에 도시한 바와 같이 기판의 수직방향으로 길게 늘어선 주상(柱狀)조직을 갖는다(Ch. Wild, N. Herres and P. Koidl, J. Appl. Phys., 68, 973 (1990)).
한편, 다이아몬드의 열전달은 포논(phonon)에 의해 이루어진다. 다이아몬드 결정에 격자결함이 존재하는 경우, 포논은 격자결함에 의해 산란되며 이와 같은 격자결합에 의한 산란은 열전도도를 감소시키는 요인을 작용한다. 다이아몬드 입자 사이에 존재하는 입계(grain boundary)는 포논의 강한 산란원으로 알려져 있다. (J .EGraebner, SJin, G. W. Kammloyy, J. A. Herb and C. F. Gardinier, Nature 359, 401 (1992)). 도 3은 도 2의 주상조직 다이아몬드에 대하여 수직방향 및 수평방향의 거리에 따른 열전도도를 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 다이아몬드의 열전도도는 수직방향의 열전도도(K⊥ local) 증가율이 수평방향의 열전도도(K∥ local) 증가율보다 현저히 큼을 알 수 있다. 이러한 현상은 도 2의 미세구조 분석을 통해 설명된다. 열전달의 산란은 입계의 밀도가 클수록 증가한다. 기판의 수직방향이 수평방향에 비해 또 기판으로부터의 거리가 증가할수록 주상입자의 직경이 증가하여 입계의 밀도가 감소하므로 열전달의 산란이 작아져 도 3과 같은 현상이 관찰된다.
이와 같은 특징으로 인해, 도 1에서와 같이 기판과 평행방향으로의 열전달이 중요한 열방산체의 경우 기판에 수직방향으로 입자가 늘어선 미세구조는 효과적이지 못하고 따라서 원하는 열방산 효과를 얻기 위해서는 열방산체의 두께를 두껍께 해야 한다. 도 3의 결과를 보면, 다이아몬드 박막의 두께가 100㎛인 경우 열전도도는 기판의 수직방향이 수평방향에 비해 두 배가 되며, 100㎛일 때의 수직방향 열전도도에 상응하는 수평방향 열전도도를 얻기 위해서는 박막의 두께를 300㎛까지 키워야 하는 문제가 있다. 즉, 종래 기술에 따른 다이아몬드 성장법을 통해 다이아몬드를 성장시키는 경우 원하는 수평방향의 열전도도를 얻기 위해서는 필요 이상으로 다이아몬드를 성장시켜야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 다이아몬드 주상조직의 성장방향을 방사형으로 유도함으로써 박막 두께를 최소화한 상태에서 수평방향의 열전도도를 극대화하여 열방산체로서의 효율을 향상시킬 수 있는 다이아몬드 열방산체 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다이아몬드 열방산체는 다이아몬드 결정 조직의 단면이 방사형 주상조직을 가지며, 상기 방사형 주상조직은 주상입자가 시드점을 중심으로 방사형태로 배열된 것을 특징으로 한다. 상기 방사형 주상조직은 이웃하여 배치되어 서로 연결될 수 있다.
상기 각각의 방사형 주상조직은, 기판 상에 국부적으로 구비된 시드점을 중심으로 화학기상증착 공정을 통해 성장된다. 상기 기판 상에 국부적으로 구비된 시드점은, 상기 기판 상에 이격되어 배치된 다이아몬드 입자이거나 국부적으로 텍스쳐링된 기판 부위이다.
상기 방사형 주상조직의 다이아몬드는 수소(H2)와 메탄(CH4)을 전구체로 하는 화학기상증착법을 통해 기판 상에 형성되며, 상기 수소(H2)와 메탄(CH4)의 혼합가스에서 메탄의 조성은 1∼2vol%이며, 상기 기판의 온도는 700∼950℃로 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 다이아몬드 열방산체 제조방법은 기판 상에 국부적으로 시드점을 형성하는 단계 및 화학기상증착 공정을 이용하여 상기 시드점을 중심으로 방사형 주상조직의 다이아몬드를 성장시키고, 최종적으로 방사형 주상조직들을 서로 연결시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 기판 상에 국부적으로 시드점을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 다이아몬드 입자를 이격하여 배치하는 과정과, 상기 기판 상에 흑연 페이스트를 도포하여 배치된 다이아몬드 입자를 고정시키는 과정을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 기판 상에 국부적으로 시드점을 형성하는 단계는, 상기 기판을 국부적으로 노출시키는 마스크를 구비시킨 후, 노출된 기판 부위를 스크래치할 수 있다. 세부적으로, 상기 기판 상에 국부적으로 시드점을 형성하는 단계는, 일정 간격 이격되어 형성된 구멍을 갖는 마스크를 구비시키는 과정과, 상기 마스크가 구비된 기판을 다이아몬드 분말과 혼합한 후 초음파 처리하여 마스크에 의해 노출된 기판 부위를 스크래치하는 과정을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 다이아몬드 열방산체 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
다이아몬드를 방사형 주상조직으로 성장시킴으로써 기판의 수직방향으로 배열되는 주상입자의 비율을 최소화하고 상대적으로 기판의 수평방향으로 배열되는 주상입자의 비율을 높여 수평방향으로의 열전도도를 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 열방산체용으로 효과적으로 사용할 수 있게 된다.
도 1은 반도체 소자의 열방출 구조를 나타낸 참고도.
도 2는 종래의 화학기상증착 방법을 통해 성장된 다이아몬드의 주상조직을 나타낸 참고도.
도 3은 종래 기술에 따라 성장된 주상조직 다이아몬드의 수직방향 및 수평방향의 거리에 따른 열전도도를 나타낸 참고도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 성장된 방사형 주상조직의 모식도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 방사형 주상조직이 열방산체로 적용된 것을 나타낸 참고도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이아몬드 열방산체의 모식도.
도 2는 종래의 화학기상증착 방법을 통해 성장된 다이아몬드의 주상조직을 나타낸 참고도.
도 3은 종래 기술에 따라 성장된 주상조직 다이아몬드의 수직방향 및 수평방향의 거리에 따른 열전도도를 나타낸 참고도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 성장된 방사형 주상조직의 모식도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 방사형 주상조직이 열방산체로 적용된 것을 나타낸 참고도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이아몬드 열방산체의 모식도.
본 발명은 다이아몬드를 성장시킴에 있어서 기판의 수직방향으로의 성장은 억제시키고 기판의 수평방향으로의 성장을 활성화시키는 것을 특징으로 한다. 상술한 '발명의 배경이 되는 기술'에서 설명한 바와 같이, 다결정 다이아몬드막의 경우 기판의 수직방향(주상입자의 길이 방향)에 비해 기판의 수평방향(주상입자의 폭 방향)에서의 입계결함 밀도가 높음에 따라, 기판 수평방향으로 주상입자를 성장시키게 되면 입계 등의 격자결함 밀도가 줄어들게 되어 입계결함으로 인한 포논산란 현상을 억제하고 궁극적으로 기판의 수평방향으로의 열전도도를 향상시킬 수 있게 된다.
주상입자의 집합체를 주상조직이라 일컫는데, 본 발명의 기술적 사상은 주상조직을 구성하는 모든 주상입자를 기판의 수평방향으로 성장시키기 것이라기보다는 주상조직 내에서 기판의 수평방향으로 성장되는 주상입자의 비율을 증대시키는 것이 보다 정확한 표현이다.
기판의 수평방향으로의 주상입자 성장 비율을 증대시키는 다이아몬드 박막 구조로서 본 발명은 방사형 주상조직의 다이아몬드를 제시한다. 방사형 주상조직은 주상입자들이 일 지점을 중심으로 부채꼴 형태로 배열된 것으로서(도 4 참조), 주상입자들이 기판의 수직방향으로 배열되는 것은 억제되는 반면 기판의 수평방향으로 배열되는 빈도는 커진다.
방사형 주상조직을 성장시키는 방법은 입자의 성장이론을 이용하여 설명할 수 있다. 통상, 기판 전면 상에 일정 두께로 박막을 성장시키는 경우, 최초 증착되는 입자들은 임의의 격자방향으로 성장하게 되며, 증착이 진행됨에 따라 특정 방향의 입자들의 성장이 빠르게 진행되고 다른 성장 방향을 갖는 입자들은 성장을 멈추게 되어 최종적으로 특정 격자방향 예를 들어, <111> 방향의 집합조직으로 이루어진 박막 성장이 완료된다. 이와 같은 입자의 성장이론은 선택성장이론(evolutionary selection rule)이라 칭하며, 본 출원인이 출원한 한국등록특허 제960595호에 상세히 설명되어 있다.
상술한 바와 같이, 최초 증착시 입자들은 임의의 격자방향으로 성장하며, 증착 과정이 진행됨에 따라 다양한 격자방향 중 특정 방향으로만 우선성장이 진행된다. 이는 기판 전면 상에서 박막을 성장시키는 것을 전제하는 것이다. 즉, 기판 전면 상에 모두 시드점(seed point)이 존재하는 것이 전제되는 경우이다.
따라서, 기판 상에 국부적으로만 시드점을 구비시키고 해당 시드점으로부터의 입자 성장을 진행하면 특정 격자방향으로의 우선성장은 억제되고 임의의 격자방향으로의 성장을 유도하여 방사형 주상조직을 완성할 수 있다.
시드점으로부터 방사형 주상조직의 성장이 가능한 점을 이용하여, 기판 상에 일정 간격을 두고 시드점을 배치시키고 각 시드점으로부터 방사형 주상조직을 성장시키게 되면 궁극적으로 방사형 주상조직들이 서로 연결된 박막의 다이아몬드를 얻을 수 있게 된다. 각각의 방사형 주상조직을 열방산체로 이용하거나(도 5 참조) 방사형 주상조직들이 서로 연결된 박막의 다이아몬드를 열방산체로 이용할 수 있다(도 6 참조).
기판 상에 국부적으로 시드점을 배치시키는 방법으로는 다음의 방법들을 이용할 수 있다. 첫번째 방법은 기판 상에 다이아몬드 입자를 일정 간격을 구비시킨 다음, 흑연 페이스트(paste)를 기판 상에 도포하여 다이아몬드 입자들을 고정시키는 방법으로서, 흑연 페이스트를 통해 다이아몬드 입자들을 고정시킨 상태에서 화학기상증착 공정을 진행하여 각 다이아몬드 입자로부터 방사형 주상조직을 성장시키고, 계속적인 공정 진행을 통해 방사형 주상조직들이 서로 연결되는 박막 구조를 완성할 수 있다.
두번째 방법은 기판 표면을 국부적으로 텍스쳐링하는 방법이다. 통상의 주상조직을 갖는 다결정 다이아몬드를 성장시키기 위해서는 기판 표면을 균일하게 텍스쳐링하는 전처리 과정이 필요하다. 텍스쳐링이라 함은 다이아몬드를 이용하여 기판 표면을 스크래치하는 것을 일컫는다. 상기 두번째 방법은 이와 같은 특성에서 착안한 것이며, 기판 표면을 국부적으로 텍스쳐링함으로써 다이아몬드 결정 성장 시작점 즉, 시드점이 기판 표면에 국부적으로 형성되도록 하는 방법이다.
기판 표면을 국부적으로 텍스쳐링하는 방법으로 구체적으로, 기판을 국부적으로 노출시키는 마스크를 기판에 부착시킨 후, 해당 기판을 다이아몬드 분말과 함께 초음파 세척기에 넣고 초음파 처리하여 노출된 기판 표면이 다이아몬드 분말에 의해 텍스쳐링되도록 하는 방법을 이용할 수 있다. 텍스쳐링 완료 후, 마스크를 제거한 다음 화학기상증착 공정을 진행하면 국부적으로 텍스쳐링된 부위를 중심으로 방사형 주상조직을 성장시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 화학기상증착 공정에서 전구체는 수소(H2)와 메탄(CH4)이며, 수소와 메탄의 혼합가스에서 메탄의 함유량은 1∼2vol% 범위에서 제어된다. 메탄의 함유량이 작아질수록 특히, 메탄의 함유량이 1∼2vol%인 경우 방사형 주상조직으로 결정이 성장되며, 메탄의 함유량이 커질수록 등방향 입상조직으로 결정이 성장된다. 또한, 메탄의 함유량이 1vol% 이하이면 다이아몬드 결정 성장속도가 크게 감소하는 문제점이 있다.
본 발명의 화학기상증착법을 진행함에 있어서 기판의 온도는 700∼950℃로 제어되어야 한다. 기판의 온도가 700℃보다 낮으면 다이아몬드 결정 성장이 이루어지지 않으며, 950℃ 이상이 되면 다이아몬드에 흑연상이 많이 포함되는 문제가 있다. 또한, 본 발명에 있어서 다결정 다이아몬드는 기판 상에서 성장되는데, 상기 기판은 다이아몬드의 격자상수와 정합성이 작아 다이아몬드의 증착이 용이하지 않은 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 일 예로 실리콘 기판, 알루미나 기판, 유리 기판, 흑연 기판 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
본 발명에 적용되는 화학기상증착법으로는 HFCVD(hot filament chemical vapor deposition), PECVD(plasma enhance chemical vapor deposition) 등 CVD 방법이 이용될 수 있다.
이하, 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 다이아몬드 열방산체의 제조방법을 구체적으로 설명함과 함께 제조된 다이아몬드의 특성을 살펴보기로 한다.
<실시예 1 : 흑연 페이스트 이용>
실리콘 단결정 기판 상에 약 200㎛ 크기의 다이아몬드 입자를 1mm 간격으로 바둑판 모양으로 배열하기 위하여 기판 상에 흑연 페이스트를 도포하여 다이아몬드 입자들을 고정시켰다. 그런 다음, HFCVD 방법을 이용하여 다이아몬드 박막을 30일간 성장시켰다. 기판 온도는 950℃, 증착 압력은 40torr, 전구체는 수소(H2)와 메탄(CH4)이 이용되었으며, 메탄의 함유량은 1vol% 이었다.
실험 결과, 실리콘 단결정 기판 상에 배열된 다이아몬드 입자를 중심으로 다이아몬드의 성장이 관찰되었으며 다이아몬드 입자가 구비되지 않은 기판 상에는 다이아몬드 성장이 이루어지지 않았다. 증착이 완료된 후, 다이아몬드는 반구형태 즉, 방사형 주상조직을 이뤘으며 기판과 용이하게 분리되었다. 이 때, 반구형 다이아몬드의 직경은 약 4mm로 확인되었다.
<실시예 2 : 국부적 텍스쳐링>
스카치 테이프에 약 200㎛ 크기의 구멍을 1mm 간격으로 바둑판 모양으로 뚫은 후, 단결정 실리콘 기판 위에 붙여 구멍을 통해 실리콘 기판이 일정 간격으로 노출되도록 하였다. 그런 다음, 스카치 테이프가 부착된 기판을 0.5㎛ 이하 크기의 다이아몬드 분말과 함께 증류수에 넣은 후 초음파 세척기를 이용하여 5분간 처리하였다. 이 때, 다이아몬드 분말은 1vol%로 증류수에 투입되었다. 초음파 처리에 의해 노출된 기판 부위가 다이아몬드 분말에 의해 스크래치되었다. 이어, 기판의 테이프를 제거하고 아세톤 용액으로 세척한 다음, 실시예 1과 동일한 조건을 화학기상증착 공정을 진행하였다.
증착이 완료된 후의 다이아몬드의 형상과 크기는 실시예 1과 동일하였으며, 이를 통해 실시예 1의 흑연 페이스트 방법과 실시예 2의 국부적 텍스쳐링 방법에 있어서 결과의 차이는 없는 것으로 유추된다. 기판에서 분리된 다이아몬드의 단면을 관찰한 결과, 성장된 다이아몬드 입자는 주상 형상을 보였으며, 증착이 시작된 점을 기점으로 방사형으로 성장된 조직이 형성되었음을 확인하였다.
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- 기판 상에 국부적으로 시드점을 형성하는 단계; 및
화학기상증착 공정을 이용하여 상기 시드점을 중심으로 방사형 주상조직의 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함하여 이루어지며,
상기 방사형 주상조직은 주상입자가 상기 시드점을 중심으로 방사형태로 배열되며,
상기 기판 상에 국부적으로 시드점을 형성하는 단계는,
일정 간격 이격되어 형성된 구멍을 갖는 마스크를 구비시키는 과정과,
상기 마스크가 구비된 기판을 다이아몬드 분말과 혼합한 후 초음파 처리하여 마스크에 의해 노출된 기판 부위를 스크래치하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 열방산체 제조방법.
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- 제 8 항에 있어서, 상기 화학기상증착 공정은 수소(H2)와 메탄(CH4)을 전구체로 하며, 상기 수소(H2)와 메탄(CH4)의 혼합가스에서 메탄의 조성은 1∼2vol%인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 열방산체 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 화학기상증착 공정에서 상기 기판의 온도는 700∼950℃인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 열방산체 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 화학기상증착 공정을 이용하여 상기 시드점을 중심으로 방사형 주상조직의 다이아몬드를 성장시키는 단계에서,
상기 방사형 주상조직을 성장시켜 방사형 주상조직들을 서로 연결시키는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 열방산체 제조방법.
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| KR20060132973A (ko) * | 2004-03-01 | 2006-12-22 | 치엔 민 성 | 결정질 씨드의 배치를 제어하는 초연마 입자 합성 |
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