JP3549228B2 - 高配向性ダイヤモンド放熱基板 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は半導体レーザ及びダイオード等のエレクトロニクス用デバイスに使用される放熱基板に関し、特にその放熱特性を高めた高配向性ダイヤモンド放熱基板に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高速化及び高密度に伴い半導体素子の発熱量が増大し、その放熱対策が問題となっている。このため、半導体素子を実装する基板自体に対し、熱伝導性の改善が要求されている。従来、IC及び半導体レーザ用の基板材料としては、Al2O3が一般的であったが、熱伝導性が十分とはいえないという難点がある。
【0003】
また、種々の物質中で最も熱伝導率が高いダイヤモンドを一部の分野で放熱基板として利用する試みがなされているが、このダイヤモンドを使用した放熱基板は一般的ではない。これは、従来のダイヤモンド放熱基板が熱伝導性が高い天然2A型ダイヤモンドを使用しているためである。即ち、このような天然2A型ダイヤモンドは産出量が少ないため、極めて高価であるのに加え、同じ原石を用いてもその熱伝導性は原石中の窒素の分布で異なり、安定性がある放熱基板の供給に難点があった。また、ダイヤモンドは極めて硬い物質であるため、放熱基板への加工が難しく、加工コストが高いという欠点がある。このため、人工合成ダイヤモンドを使用した放熱基板が開発されたが(特開昭60−12747号公報)、人工合成ダイヤモンドを使用しても、その合成には超高圧が必要であり、その加工工程が複雑であると共に、加工コストが高いという欠点を有する。
【0004】
このような背景のもと気相合成を利用したダイヤモンド放熱基板が開発された。この気相合成により得られたダイヤモンドにより構成された放熱基板としては、電気伝導度改善用の不純物を含有する放熱基板(特開昭61−251158号)と、生産コストが高い研磨工程を減らすために板状の基体に気相合成法によりダイヤモンドを積層し、片面のみを研磨して得たダイヤモンドヒートシンク(特開平2−273960号)とがある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のプラズマCVD法及び熱フィラメントCVD法に代表される気相合成法により成膜されるダイヤモンドは、ダイヤモンド又はcubicBN(以下、cBNという)を基板とした場合を除き、多結晶である。この多結晶ダイヤモンド薄膜においては、成膜された表面には各結晶面が無秩序に現われており、μmオーダーの大きな凹凸が生じる。このため、多結晶ダイヤモンド薄膜を放熱基板として使用する場合は、熱伝導を良好にするため、放熱基板をこの放熱基板が冷却すべきデバイス又は素子と密着させる必要がある。又は、このような表面の凹凸を研磨等により平坦にする必要があり、この研磨工程のために、コストが上昇するという難点がある。
【0006】
また、多結晶ダイヤモンド薄膜の熱伝導率は約10W/cm・K程度であり、天然産2A型ダイヤモンド等に比して低く、放熱特性が劣る。一方、cBNを基板として合成することにより得た単結晶ダイヤモンドでは、cBN基板の熱伝導率がダイヤモンドより低いため、全体でみたときの放熱特性が劣化する。また、cBNは硬度が高く、加工及び除去に難点がある。更に、現状では、安価な単結晶cBNは存在しない。このため、ダイヤモンドを使用する限り、従来の放熱基板は、実用上、多結晶ダイヤモンドを使用せざるを得ない。
【0007】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、配向度が高いダイヤモンドを使用することにより、製造コストの上昇を抑制しつつ、熱伝導性が著しく向上した高配向性ダイヤモンド放熱基板を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本件発明に係る高配向性ダイヤモンド薄膜は、方位(100)のSi基板上に気相合成によって形成されたダイヤモンド薄膜であって、その薄膜表面積の90%以上がダイヤモンドの(100)結晶面から構成されており、隣接する(100)結晶面について、その結晶面方位を表すオイラー角{α,β,γ}の差{Δα,Δβ,Δγ}が|Δα|≦5°、|Δβ|≦5°、|Δγ|≦5°を同時に満足する高配向性ダイヤモンド薄膜により構成されたことを特徴とする。
【0009】
図1は本発明にて使用する(100)結晶面が高度に配向したダイヤモンド薄膜表面の構造を模式的に示す。薄膜面内に相互に直交するX軸及びY軸を定義し、薄膜表面の法線方向をZ軸と定義する。i番目及びそれに隣接するj番目のダイヤモンド結晶面の結晶面方位を表すオイラー角を夫々{αi,βi,γi}、{αj,βj,γj}とし、両者の角度差を{△α,△β,△γ}とする。
【0010】
オイラー角{α,β,γ}は基準結晶面を基準座標のZ、Y、Z軸の周りに角度α、β、γの順に回転して得られる結晶面の配向を表す。
【0011】
本発明においては、|△α|≦5°、|△β|≦5°、|△γ|≦5°を同時に満足する高配向性ダイヤモンド薄膜であるため、結晶が高度に配向し、単結晶膜と同様にキャリアの移動度が高い。
【0013】
【作用】
本件発明においては、薄膜表面の90%以上が(100)結晶面で被覆されている。同種の結晶面は同一の成長速度を有するために、長時間ダイヤモンド薄膜の合成を継続すれば、薄膜表面の凹凸が無くなるか、又は従来の多結晶ダイヤモンド薄膜に比して薄膜表面の凹凸が極めて小さくなる。また、薄膜成長を続けると、前記結晶面間の間隙が減少し、結局は結晶面同士が直接に接触するか、又は重なるかして、薄膜表面の100%が結晶面で覆い尽くされるという結果となる。
【0014】
このため、ダイヤモンド薄膜の表面が平坦になり、従来必要であった研磨過程を削減することができ、成膜時間のみ制御することにより放熱基板を製造することができ、その製造コストが大幅に低減される。
【0015】
本発明の高配向性ダイヤモンド薄膜でも結晶粒子間には粒界が存在する。しかし、この高配向性ダイヤモンド薄膜においては、結晶面が強く配向しているために結晶面間の角度差が小さく、このためキャリア散乱が低下する。また、粒界に存在する欠陥密度が低減するために、キャリアのトラップも低減する。このような理由で、本発明に係る高配向性ダイヤモンド薄膜の電気的特性は従来の多結晶薄膜に比して大幅に向上する。
【0016】
また、一般的に、電気的特性が優れたダイヤモンドは熱伝導率も優れており、本発明に係る高配向性ダイヤモンド薄膜は従来の多結晶ダイヤモンドに比して良好な熱伝導が得られる。
【0017】
而して、薄膜表面の配向率が90%未満の場合は、従来の多結晶薄膜の場合と同様の熱伝導率しか得られず、熱伝導率の改善効果は認められない。これは、従来の多結晶薄膜の場合と同様に、無秩序に存在する粒界により熱伝導率が制限されるからである。
【0018】
また、気相合成ダイヤモンドにおいては、不純物の添加が電気伝導度及び熱伝導率の改善に有効であるが、本発明の高配向性ダイヤモンドにおいても、B、Si、As及びSbからなる群から選択された少なくとも1種の成分を添加することにより、電気伝導度及び熱伝導率が改善される。これにより、天然ダイヤモンドと同等の電気伝導度及び熱伝達率が得られる。
【0019】
本発明の高配向性ダイヤモンド薄膜は直径数インチのシリコンウエハ上等に成膜できるので、単結晶ダイヤモンドにおけるような面積に対する制限はない。このため、大面積の放熱基板を得ることができる。また、シリコンウエハは、HF:HNO3(1:3)混合液等で容易にエッチングできるため、本発明の放熱基板は生産性が優れている。
【0020】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、その比較例と比較して説明する。先ず、その製造方法について工程順に説明する。
【0021】
(ステップ1)
高配向性ダイヤモンド薄膜を形成する基板として、直径1インチ、方位(100)のシリコンウエハを用いた。基板をマイクロ波化学気相蒸着装置に入れ、メタン:3%、水素:97%、ガス圧:25Torr、ガス流量:300cc/分、基板温度:650℃、処理時間:15分間の条件でダイヤモンド薄膜を成長させた。マイクロ波入力パワーはほぼ1000Wであったが、基板温度を650℃に維持するように微調整した。これと同時に基板に負バイアスの電圧を印加した。負バイアスによる電流量は10mA/cm2であった。
【0022】
(ステップ2)
その後、メタン:0.5%、水素:99.4%、酸素:0.1%、ガス圧:35Torr、ガス流量:300cc/分、基板温度:800℃、合成時間:400時間の条件で合成を続けた。その結果、膜厚が約200μmで高配向したダイヤモンド薄膜を合成することができた。
【0023】
電子顕微鏡観察から、この膜表面の94%が(100)結晶面で覆われていることが分かった。また、薄膜の断面写真から、各結晶面の高低差は0.1μmと求められた。
【0024】
また、この薄膜表面の法線方向から±5°の角度で2枚の電子顕微鏡写真を撮影し、各写真において、(100)結晶面の傾きを測定したところ、隣接する結晶面の傾きの差は|△α|≦5°、|△β|≦5℃、|△γ|≦5°であった。
【0025】
この半導体ダイヤモンド層の熱伝導率を測定した結果、17W/cm・Kを得た。この値は通常の多結晶ダイヤモンド薄膜(約10W/cm・K)より大幅に増大している。
【0026】
次に、配向度の違いによる放熱特性の影響を実験した結果について説明する。即ち、前記(ステップ1)の条件を、下記表1に示すように変更して同様の実験を繰り返した。但し、表1において、試料番号1は、前記(ステップ1)の条件である。また、他の条件は(ステップ1)及び(ステップ2)と同一である。
【0027】
【表1】
【0028】
その結果、試料2では、薄膜表面の93%が(100)結晶面で覆われ、7%は面間の間隙であった。隣接するどの結晶面についても|△α|≦5°、|△β|≦5°、|△γ|≦5°が成り立った。これに対し、試料4,5では夫々薄膜表面の87%、83%が(100)結晶面で覆われ、また隣接するいずれの結晶面でも|△α|>5°、|△β|>5°、|△γ|>5°となった。試料3では薄膜表面の90%が(100)結晶面で覆われ、△α、△β、△γの絶対値については5°以下の場合も、5°以上の場合も見られた。そこで、これらの試料1〜5の放熱基板について熱伝導率を測定した。その結果を、図2に示す。
【0029】
この図2から、試料1,2と試料4,5とでは熱伝導率が大きく異なることが分かる。試料3の場合は、△α、△β、△γの絶対値が5°を超える場合があったために、熱伝導率が低い。このように、本発明にて規定した範囲の高配向性膜を使用することにより、熱伝導率が極めて高い放熱基板を得ることができる。
【0030】
次に、高配向性ダイヤモンド薄膜に不純物を添加した場合の熱伝導率の測定結果について説明する。前記(ステップ1)の後、p型半導体ダイヤモンド薄膜を積層した。このp型半導体ダイヤモンド薄膜の合成条件は、メタン:0.5%、水素:99.5%、ジボラン(B2H6):1ppm、ガス圧:35Torr、ガス流量:300cc/分、基板温度:800℃、合成時間:440時間である。この結果、膜厚が約210μmで高配向したp型半導体ダイヤモンド薄膜を合成することができた。
【0031】
この半導体ダイヤモンド薄膜の熱伝導率を測定した結果、21W/cm・Kを得た。この値は通常の多結晶ダイヤモンド薄膜(約10W/cm・K)の2倍以上の値であり、本発明の高配向性ダイヤモンド薄膜においても不純物の添加が有効であることがわかる。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、薄膜表面積の90%以上がダイヤモンドの(100)結晶面で構成されているか、又は(111)結晶面で構成されており、隣接する(100)結晶面又は(111)結晶面について、その結晶面方位を表すオイラー角{α,β,γ}の差{△α,△β,△γ}が|△α|≦5°、|△β|≦5°、|△γ|≦5°を同時に満足する高配向性ダイヤモンド薄膜を使用するので、薄膜表面の凹凸が少なく、結晶粒界も少ないために、熱伝導率が著しく高い。しかも、この高配向性ダイヤモンド薄膜は単結晶上に成長させる必要がないので、大面積のダイヤモンド薄膜を得ることができる。このように、本発明により熱伝導率が優れた低コストの放熱基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】高配向性ダイヤモンド薄膜の表面とオイラー角を示す模式図であり、(a)は結晶面の基準配向を示し、(b)は(100)結晶面が高度に配向したダイヤモンド薄膜の表面形態を示す。
【図2】本発明にて規定した高配向性ダイヤモンド薄膜と、その範囲から外れるダイヤモンド薄膜について熱伝導率を測定した結果を示すグラフ図である。
Claims (2)
- 方位(100)のSi基板上に気相合成によって形成されたダイヤモンド薄膜であって、その薄膜表面積の90%以上がダイヤモンドの(100)結晶面から構成されており、隣接する(100)結晶面について、その結晶面方位を表すオイラー角{α,β,γ}の差{Δα,Δβ,Δγ}が|Δα|≦5°、|Δβ|≦5°、|Δγ|≦5°を同時に満足する高配向性ダイヤモンド薄膜により構成されたことを特徴とする高配向性ダイヤモンド放熱基板。
- 前記高配向性ダイヤモンド薄膜は、B、Si、As及びSbからなる群から選択された少なくとも1種の不純物を添加されたものであることを特徴とする請求項1に記載の高配向性ダイヤモンド放熱基板。
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