(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド板上に、該ダイヤモンド板側から順に、シリコン含有アルミニウム合金からなる中間層と純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属膜とを有していることを特徴とするダイヤモンド・アルミニウム接合体。
【請求項２】
前記中間層は、傾斜組織をなし、Ｓｉの平均含有量が５質量％以上の部分の厚みが５μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド・アルミニウム接合体。
【請求項３】
前記金属膜と前記中間層との合計の厚みが２０μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２記載のダイヤモンド・アルミニウム接合体。
【請求項４】
前記ダイヤモンド板における前記中間層側の表面の表面粗さＲａが１〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のダイヤモンド・アルミニウム接合体。
【請求項５】
ダイヤモンド板上に、該ダイヤモンド板側から順に、シリコン含有アルミニウム合金からなる中間層と純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属膜とを有するダイヤモンド・アルミニウム接合体を製造する方法であって、
ダイヤモンド板上に純アルミニウム又はシリコン含有アルミニウム合金からなる金属層が形成された第１部材と、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属膜にシリコン含有アルミニウム合金ろう材がクラッドされた第２部材とを用意し、前記第１部材の前記金属層の表面、及び／又は、前記第２部材の前記シリコン含有アルミニウム合金ろう材の表面にろう付け用フラックスを塗布し、ろう付け用フラックスが塗布された該表面が重ね合わせ面となるように前記第１部材と前記第２部材とを重ね合わせ、この重ね合わされた前記第１部材と前記第２部材とを不活性ガス雰囲気中又は真空雰囲気中にて加熱し、加熱により前記シリコン含有アルミニウム合金ろう材を溶融させて前記第１部材に前記金属膜をろう付けすることを特徴とするダイヤモンド・アルミニウム接合体の製造方法。
【請求項６】
ろう付け温度が５９０〜６０５℃、ろう付け時間が５〜１０分の範囲で前記ろう付けを行うことを特徴とする請求項５記載のダイヤモンド・アルミニウム接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体素子のヒートシンクなどとして利用できるダイヤモンド・アルミニウム接合体及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体素子は電力制御用などとして用いられる半導体素子である。ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタの一種）などのパワー半導体素子のヒートシンクは、高熱伝導性と絶縁性を有するヒートシンク基体と、このヒートシンク基体の表面に接合された金属膜とを備えている。前記ヒートシンク基体は、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３などのセラミックスからなっている。
【０００３】
パワー半導体素子が接合される前記金属膜は、パワー半導体素子に流す電流量に応じた厚みが必要であり、１００μｍ以上の厚い膜厚のものがある。この金属膜は、パワー半導体素子とヒートシンク基体との熱応力緩和や、ヒートスプレッダとしての役目も担っている。金属膜には、導電性が高く熱伝導率が高いこと、実用上安価なことが求められるため、ＣｕやＡｌが多用されている。
【０００４】
ところで、セラミックスからなる前記ヒートシンク基体に代えて、ダイヤモンドからなるヒートシンク基体とすることにより、パワー半導体素子の寿命の延長化を図ることができ、また、パワー半導体素子のさらなる高出力化への対応が可能となる。ダイヤモンドは、高い熱伝導性（室温ですべての物質中最大）、小さい低熱膨張率及び優れた電気絶縁性を備えている。
【０００５】
特開平１１−２６８８７号公報には、ダイヤモンド製ヒートシンクを備えた半導体レーザが開示されている。この半導体レーザを図３に示す。図３は従来技術を説明するための図であって、ダイヤモンド製ヒートシンクを備えた半導体レーザの構造を示す断面図である。
【０００６】
半導体レーザは、図３に示すように、板状の基板５５と、基板５５の表面に形成された膜厚が３μｍ〜９μｍの気相合成ダイヤモンド層５４と、気相合成ダイヤモンド層の表面を覆うように設けられるメタライズ層５３と、メタライズ層５３上に厚み２μｍ〜８μｍのロウ材層５２によって接合された半導体レーザチップ５１とよりなっている。
【０００７】
前記基板５５はＳｉからなるものである。前記メタライズ層（金属化層）５３は、基板５５表面に形成された気相合成ダイヤモンド層５４に半導体レーザチップ５１をろう付けするために必要なものである。前記メタライズ層５３は、気相合成ダイヤモンド層５４に接する側からＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの順に積層してなるものである。前記の基板５５表面に形成された気相合成ダイヤモンド層５４とメタライズ層５３によってダイヤモンド製ヒートシンクが構成されている。表面に気相合成ダイヤモンド層５４が被覆されたダイヤモンド被覆基板は、０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍの正方形状をなしており、図３に示すように、このダイヤモンド被覆基板の周囲全面（表面、裏面、側面）が、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕによってメタライズされている。そして、メタライズされたダイヤモンド被覆板に、ＡｕＳｎ合金ロウ材を用いて、０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×０．１ｍｍのＩｎＧａＡｓＰからなる半導体レーザチップ５１が、ろう付け温度２９０℃でろう付けされている。
【０００８】
前述した従来のダイヤモンド製ヒートシンクは、大きさが０．３ｍｍ×０．３ｍｍ程度の小さい半導体レーザチップ用のものである。そのため、そのメタライズ層は、厚み数μｍの薄膜でよく、メタライズ層にとって理想的な材料であるＡｕ、Ｐｔのような貴金属を使ってもそれほどのコストアップを招くことにはならない。
【０００９】
しかしながら、前記のＡｕ、Ｐｔのような貴金属からなるメタライズ層を備えたダイヤモンド製ヒートシンクは、大電流が流せる１ｃｍ角級のパワー半導体素子用としては、大きなコストアップを招くため採用できないものである。
【００１０】
近年、大電力用のインバータ回路に、例えば、大きさが２０ｍｍ×３０ｍｍ程度でＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３などからなる板状のセラミックス製ヒートシンク基体に、厚みが数百μｍでＡｌあるいはＣｕからなる金属膜をろう付け接合したセラミックス製ヒートシンクが組み込まれている。そして、前記金属膜には、１ｃｍ角級の大きなＩＧＢＴやＦＷＤ（回生動作用ダイオード）などのパワー半導体素子が接合されている。パワー半導体素子の接合にはハンダ接合が多用されている。前記金属膜は、電流路であると同時に、ヒートスプレッダの役目を果たしている。
【００１１】
このような比較的大きな面積のセラミックス製ヒートシンク基体の代替としてダイヤモンド製ヒートシンク基体を用いる場合、金属膜にはＡｕなどのような高価な貴金属は使えず、安価なＡｌあるいはＣｕを用いることが合理的である。ＡｌとＣｕは、それぞれ一長一短あり、用途によって使い分けられると考えられるが、例えば、ヒートシンク自体を軽くしたい場合にはＡｌが有利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平１１−２６８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明の課題は、ダイヤモンド板とパワー半導体素子などの発熱品を取り付けるための純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属膜とを備え、２ｃｍ角級の大面積の金属膜でもダイヤモンド板と該金属膜との密着性が高く、反りが小さいダイヤモンド・アルミニウム接合体及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１５】
請求項１の発明は、ダイヤモンド板上に、該ダイヤモンド板側から順に、シリコン含有アルミニウム合金からなる中間層と純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属膜とを有していることを特徴とするダイヤモンド・アルミニウム接合体である。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１記載のダイヤモンド・アルミニウム接合体において、前記中間層は、傾斜組織をなし、Ｓｉの平均含有量が５質量％以上の部分の厚みが５μｍ〜１００μｍであることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のダイヤモンド・アルミニウム接合体において、前記金属膜と前記中間層との合計の厚みが２０μｍ〜１ｍｍであることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のダイヤモンド・アルミニウム接合体において、前記ダイヤモンド板における前記中間層側の表面の表面粗さＲａが１〜１０μｍの範囲であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項５の発明は、ダイヤモンド板上に、該ダイヤモンド板側から順に、シリコン含有アルミニウム合金からなる中間層と純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属膜とを有するダイヤモンド・アルミニウム接合体を製造する方法であって、ダイヤモンド板上に純アルミニウム又はシリコン含有アルミニウム合金からなる金属層が形成された第１部材と、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属膜にシリコン含有アルミニウム合金ろう材がクラッドされた第２部材とを用意し、前記第１部材の前記金属層の表面、及び／又は、前記第２部材の前記シリコン含有アルミニウム合金ろう材の表面にろう付け用フラックスを塗布し、ろう付け用フラックスが塗布された該表面が重ね合わせ面となるように前記第１部材と前記第２部材とを重ね合わせ、この重ね合わされた前記第１部材と前記第２部材とを不活性ガス雰囲気中又は真空雰囲気中にて加熱し、加熱により前記シリコン含有アルミニウム合金ろう材を溶融させて前記第１部材に前記金属膜をろう付けすることを特徴とするダイヤモンド・アルミニウム接合体の製造方法である。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項５記載のダイヤモンド・アルミニウム接合体の製造方法において、ろう付け温度が５９０〜６０５℃、ろう付け時間が５〜１０分の範囲で前記ろう付けを行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によるダイヤモンド・アルミニウム接合体は、ダイヤモンド板の表面にシリコン含有アルミニウム合金からなる中間層を介在させて純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属膜を接合した構造を有しているので、２ｃｍ角級の大面積の金属膜でもダイヤモンド板と該金属膜との密着性が高く、反りが小さいものであり、例えば、１ｃｍ角級のパワー半導体素子用のヒートシンクとして好適に用いることができる。
【００２２】
本発明によるダイヤモンド・アルミニウム接合体の製造方法によれば、２ｃｍ角級の大面積の金属膜でもダイヤモンド板と該金属膜との密着性が高く、反りが小さいダイヤモンド・アルミニウム接合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例によるダイヤモンド・アルミニウム接合体の製造工程を説明するための断面図である。
【図２】図１に示す製造工程に引き続く製造工程を説明するための断面図である。
【図３】従来技術を説明するための図であって、ダイヤモンド製ヒートシンクを備えた半導体レーザの構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明についてより詳しく説明する。
【００２５】
（１）本発明のダイヤモンド・アルミニウム接合体は、気相合成ダイヤモンド板上に、該気相合成ダイヤモンド板の側から順に、シリコン含有アルミニウム合金からなる中間層（以下、「Ａｌ−Ｓｉ中間層」ともいう。）と純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属膜（以下、単に「Ａｌ金属膜」ともいう。）とを有しており、気相合成ダイヤモンド板／Ａｌ−Ｓｉ中間層／Ａｌ金属膜という積層構造を有している。ＡｌとダイヤモンドのＣ（炭素）とが直接化学結合するには高温が必要であり、６００℃以下では両者の強固な接合を形成することができない。本発明のダイヤモンド・アルミニウム接合体では、気相合成ダイヤモンド板とＡｌ金属膜との間にＡｌ−Ｓｉ中間層を介在させることにより、Ａｌ−Ｓｉ中間層中のＳｉの一部が気相合成ダイヤモンド板のＣと化学結合し、強固な接合界面を形成することができる。
【００２６】
本発明のダイヤモンド・アルミニウム接合体では、気相合成ダイヤモンド板とＡｌ金属膜との間にＡｌ−Ｓｉ中間層を介在させるようにすることにより、気相合成ダイヤモンド板に対してＡｌ金属膜をろう付けで接合するに際し、ろう付け温度は５９０〜６００℃と金属膜がＣｕの場合に比べて比較的低温でろう付けを行える。このようにろう付け温度が低いことにより、本発明のダイヤモンド・アルミニウム接合体では、ろう付け後に室温に戻した時の接合体に発生する応力が減り、接合体の反りやＡｌ金属膜の剥離が生じにくくなる。
【００２７】
なお、気相合成ダイヤモンド板／Ｓｉ単体層／Ａｌ−Ｓｉ層／Ａｌ金属膜という積層構造のものや、気相合成ダイヤモンド板／Ｓｉ単体層／Ａｌ層／Ａｌ−Ｓｉ層／Ａｌ金属膜という積層構造のものでは、気相合成ダイヤモンド板に対してＡｌ金属膜を強固に接合するという効果が得られない。
【００２８】
なぜなら、前記Ｓｉ単体層を有する積層構造のものでは、気相合成ダイヤモンド板に接する層がＳｉ単体層では脆く、Ａｌ金属膜との接合強度が低い。また、気相合成ダイヤモンド板に対してＡｌ金属膜をろう付けで接合するに際し、ろう付け温度６００℃程度でのろう付けの過程でＳｉ単体層のＳｉ原子がＡｌ−Ｓｉ層側へ拡散していくが、その拡散がほぼ平衡に近い状態に達するまで長時間にわたって熱処理（ろう付け）を続けなければならない。ろう付け時間が不足すると、高濃度のＳｉとＡｌとの混合層が気相合成ダイヤモンド板との界面に残り、この混合層が脆い微結晶であるため、接合体の接合強度が低下してしまう。
【００２９】
また、Ｓｉ単体層を有する積層構造のものは、気相合成ダイヤモンド板に対してＡｌ金属膜をろう付けで接合するに際し、気相合成ダイヤモンド板上に、Ｓｉ単体層の成膜と、アルミニウム層又はシリコン含有アルミニウム合金層の成膜という２段階の成膜を行うことが必要となる。このため、単位時間あたりの生産性が劣る（スループットが低い）という欠点がある。これに対し、本発明のダイヤモンド・アルミニウム接合体は、Ｓｉ単体層の成膜が不要であり、単位時間あたりの生産性が優れている（スループットが高い）。
【００３０】
（２）次に、前記気相合成ダイヤモンド板について説明する。マイクロ波プラズマ化学気相蒸着（ＣＶＤ）法などの気相合成法によると、例えば２ｃｍ角級の大面積の多結晶ダイヤモンドを容易に形成することができる。一般に、単結晶ダイヤモンドに比べて多結晶ダイヤモンドは機械的強度が高い。本発明のダイヤモンド・アルミニウム接合体における気相合成ダイヤモンド板は、その表面の表面粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ０６０１に規定される算術平均粗さＲａ）が１〜１０μｍの範囲であることがよい。表面粗さＲａが前記範囲であれば、アンカー効果によってその表面に形成される層との接合強度が高くなる。表面粗さＲａが前記範囲より小さいとその表面に形成される層との接合強度が弱くなる。また、表面粗さＲａが前記範囲より大きいとその表面に形成される層との接合界面に空隙が生じやすくなり好ましくない。
【００３１】
また、前記気相合成ダイヤモンド板の表面は、｛１００｝，｛１１１｝，｛３１１｝，｛１１０｝などの代表的な低次の結晶面で構成されていてもよいが、より好ましくは、走査型電子顕微鏡による倍率５０００倍程度での表面観察では低次の結晶面が明瞭には判別できないほどに粗面であることがよい。
【００３２】
このような粗面状態は、酸素含有雰囲気でのエッチングにより実現できる。具体的な方法としては、酸素プラズマ処理、酸素中熱処理、大気中でガスバーナーの火炎にて気相合成ダイヤモンド板表面をあぶるなどの方法がある。これにより、気相合成ダイヤモンド板の表面に前記Ａｌ−Ｓｉ中間層を存在させるに際し、気相合成ダイヤモンド板の表面粗さのみによるアンカー効果だけでなく、気相合成ダイヤモンド板の表面積が増えることによるＡｌ−Ｓｉ中間層のＳｉ原子との化学結合サイトの増加により、前記Ａｌ−Ｓｉ中間層との接合強度が増加する。
【００３３】
さらに副次的に、気相合成ダイヤモンド板の表面が酸素終端になり、気相合成ダイヤモンド板のＣとＡｌ−Ｓｉ中間層のＳｉ原子との結合がＣ−Ｏ−Ｓｉの形でも存在できる。  このように、気相合成ダイヤモンド板の表面が酸素終端化されていると、たとえ表面積が同じ場合でも水素終端が多いものに比べて化学結合サイトが増え、接合強度が増加する。
【００３４】
（３）次に、前記Ａｌ−Ｓｉ中間層について説明する。本発明のダイヤモンド・アルミニウム接合体では、Ａｌ−Ｓｉ中間層とＡｌ金属膜との界面が明確でなくてもよく、Ａｌ−Ｓｉ中間層が傾斜組成であってもよい。また、Ａｌ−Ｓｉ中間層は、均一組織でなくてもよく、分散組織になっていてもよい。Ａｌ−Ｓｉ中間層は、ろう付け（熱処理）によりＳｉが拡散されるので、通常は傾斜組成になる。また、分散組織になりやすい。逆に、Ａｌ−Ｓｉ中間層が傾斜組織あるいは分散組織となっていることは、適切にろう付け（熱処理）が行なわれている証拠でもある。Ａｌ−Ｓｉ中間層におけるＳｉの含有量は、５〜３０質量％の範囲が好ましい。
【００３５】
前記Ａｌ−Ｓｉ中間層は、Ｓｉの平均含有量が５質量％以上の部分の厚みが５〜１００μｍであることがよく、１０〜５０μｍであることがより好ましい。Ａｌ−Ｓｉ中間層の厚みが薄いということは、該Ａｌ−Ｓｉ中間層がろう付けで形成される場合、当然ながら厚みの薄いシリコン含有アルミニウム合金ろう材が使用されることになる。
【００３６】
このため、前記厚みが５μｍ未満のＡｌ−Ｓｉ中間層がろう付けによって気相合成ダイヤモンド板とＡｌ金属膜との間に形成される場合には、気相合成ダイヤモンド板側の凹凸表面とＡｌ金属膜側の凹凸表面とに前記厚みの薄いシリコン含有アルミニウム合金ろう材が行き渡らなくなる。このため、接合部に空隙が生じたり、形成されるＡｌ−Ｓｉ中間層にピンホールが生じたりして、接合構造体の接合強度が低下する。前記空隙は接合強度を低下させるだけでなく、熱抵抗を下げる要因になってしまう。一方、Ａｌ−Ｓｉ中間層が純アルミニウムに比べて抵抗率が高く熱伝導率が低い点から、Ａｌ−Ｓｉ中間層の前記厚みが１００μｍを超えると、Ａｌ−Ｓｉ中間層が純アルミニウムに比べて抵抗率が高く熱伝導率が低い点から好ましくない。
【００３７】
（４）次に、前記Ａｌ金属膜について説明する。Ａｌ金属膜は、低抵抗かつ高熱伝導率の観点から純アルミニウムからなるものが最も望ましいが、それに限定されず若干の不純物を含んでいてもよく、また、アルミニウム合金からなるものでもよい。アルミニウム合金の添加元素（合金元素）としては、特に限定されないが、例えば、Ｍｇ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｚｎ等が挙げられ、合計で１０質量％程度含有してもよい。
【００３８】
このＡｌ金属膜の厚みは、Ａｌ金属膜単独ではなく前記Ａｌ−Ｓｉ中間層を含めた厚みで決めることが相応しい。すなわち、Ａｌ金属膜とＡｌ−Ｓｉ中間層との合計の厚みは、２０μｍ〜１ｍｍであることがよく、より好ましくは１００〜２００μｍである。
【００３９】
前記合計の厚みが２０μｍ未満のものでは、接合界面の応力が小さいので、接合構造体に反りが生じたり、Ａｌ金属膜の剥離が生じたりする可能性は低くなる。一方、前記合計の厚みが１ｍｍを超えるものでは、接合界面の応力が大きくなりすぎてしまい、接合構造体の反りやＡｌ金属膜の剥離をなくす効果が得られない。なお、気相合成ダイヤモンド板の表側の面にだけでなく、反りを相殺できるようにするため、気相合成ダイヤモンド板の裏面にも、表側の面と同面積同厚の、Ａｌ−Ｓｉ中間層とＡｌ金属膜とを備えた構造とすることが好ましい。
【００４０】
（５）次に、本発明のダイヤモンド・アルミニウム接合体の製造方法について説明する。この製造方法は、まず、気相合成ダイヤモンド板表面に純アルミニウム又はシリコン含有アルミニウム合金からなる金属層が形成された第１部材と、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属膜（以下、「Ａｌ金属膜」ともいう。）にシリコン含有アルミニウム合金ろう材がクラッドされた第２部材とを用意する。
【００４１】
前記気相合成ダイヤモンド板は、例えばマイクロ波プラズマＣＶＤ法によって作製される。また、気相合成ダイヤモンド板表面への前記金属層の形成は、蒸着法あるいはスパッタリング法によって行なわれる。
【００４２】
前記のように、あらかじめ気相合成ダイヤモンド板に前記金属層を形成しておくようにすることにより、ろう付けに先立ち、気相合成ダイヤモンド板の凹凸表面に前記金属層を密着させておくことができる。また、前記金属層としてシリコン含有アルミニウム合金層を形成する場合には、該シリコン含有アルミニウム合金層は、そのＳｉ含有量が前記シリコン含有アルミニウム合金ろう材のＳｉ含有量よりも少ないものとしておく。これにより、ろう付けにおいて前記シリコン含有アルミニウム合金ろう材よりも先に前記シリコン含有アルミニウム合金層が軟化して剥がれることを防ぐことができる。
【００４３】
次に、前記第１部材の前記金属層の表面、及び／又は、前記第２部材の前記シリコン含有アルミニウム合金ろう材の表面にろう付け用フラックスを塗布し、ろう付け用フラックスが塗布された該表面が重ね合わせ面となるように前記第１部材と前記第２部材とを重ね合わせる。
【００４４】
前記ろう付け用フラックスは、フラックス成分がフッ化物系であるＫ−Ａｌ−Ｆ系フラックスがよい。Ｋ−Ａｌ−Ｆ系フラックスとしては、例えば、ＫＡｌＦ４・Ｋ２ＡｌＦ５・Ｈ２Ｏが挙げられる。
【００４５】
次に、この重ね合わされた前記第１部材と前記第２部材を、両部材が密着するように加圧加重をかけながら、不活性ガス雰囲気中（窒素ガスあるいはアルゴンガス雰囲気中）又は真空雰囲気中にて加熱し、加熱により前記シリコン含有アルミニウム合金ろう材を溶融させて前記第１部材に前記Ａｌ金属膜をろう付けする。
【００４６】
前記ろう付けは、ろう付け温度：５９０〜６０５℃、ろう付け時間：５〜１０分とする条件で行なえばよい。
【００４７】
このようにして、気相合成ダイヤモンド板上に、該気相合成ダイヤモンド板側から順に、シリコン含有アルミニウム合金からなる中間層と純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属膜とを有し、１ｃｍ角級のパワー半導体素子用のヒートシンクとして好適なダイヤモンド・アルミニウム接合体を得ることができる。
【００４８】
なお、気相合成ダイヤモンド板に形成する前記金属層は、Ｓｉを含まない純アルミニウムからなるものでもよい。なぜなら、ろう付けにより、前記シリコン含有アルミニウム合金ろう材に含まれるＳｉが比較的短時間に該金属層中に拡散してくるからである。結果として、得られるダイヤモンド・アルミニウム接合構造体は、気相合成ダイヤモンド板に接する層がＳｉを含み、気相合成ダイヤモンド板とＡｌ金属膜との間にＡｌ−Ｓｉ中間層を介在させたものとなる。
【実施例】
【００４９】
以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施例について説明する。図１は本発明の一実施例によるダイヤモンド・アルミニウム接合体の製造工程を説明するための断面図、図２は図１に示す製造工程に引き続く製造工程を説明するための断面図である。
【００５０】
（ａ）図１の（ａ）に示すように、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、縦横寸法が２０ｍｍ角、厚みが１ｍｍのＳｉ基板１上に気相合成ダイヤモンド膜２を形成した。マイクロ波ＣＶＤ装置のチャンバー内に流量１９８０ｓｃｃｍの水素と流量２０ｓｃｃｍとの混合ガスを流し、チャンバー内のガス圧力は１６ｋＰａに設定される。そして、チャンバー内にマイクロ波電力６０ｋＷ、周波数９１５ＭＨｚのマイクロ波を導入する。これにより前記混合ガスをプラズマ化させて、Ｓｉ基板１の上面に気相合成ダイヤモンド膜２が形成される。前記Ｓｉ基板１はプラズマに接するように基板ホルダ上に置かれている。金属製の前記基板ホルダをホルダ裏面から水冷することにより、Ｓｉ基板１の表面温度が９５０℃になるように温度調整した。Ｓｉ基板１の表面温度は赤外放射温度計にて測定した。あらかじめこの成膜条件での成膜速度を計測しておき、厚み２００μｍの気相合成ダイヤモンド膜２を形成した。
【００５１】
（ｂ）前記Ｓｉ基板１の側面にもダイヤモンド膜が形成されているため（図１の（ａ）参照）、この側面のダイヤモンド膜は、スカイフ研磨によって除去した（図１の（ｂ）参照）。
【００５２】
（ｃ）次に、Ｓｉ基板１を研磨して除去して、Ｓｉ基板１が無くても取り扱える気相合成ダイヤモンド板１１を得た。Ｓｉ基板１が除去された気相合成ダイヤモンド板１１には、わずかに反りが生じている（図１の（ｃ）参照）。
【００５３】
（ｄ）反りが生じている気相合成ダイヤモンド板１１の表面をスカイフ研磨することで、反りのない気相合成ダイヤモンド板１１を得た（図１の（ｄ）参照）。
【００５４】
（ｅ）次に、大気中においてブタンガスバーナーの火炎により、気相合成ダイヤモンド板１１の表裏の両面を均等に短時間（１０〜２０秒間）あぶることにより、気相合成ダイヤモンド板１１の表面に所定の表面粗さの凹凸表面を形成するとともに、気相合成ダイヤモンド板１１の表面を酸素終端化した（図１の（ｅ）参照）。気相合成ダイヤモンド板１１の表面粗さＲａは、１〜１０μｍの範囲とした。この表面粗さの調整（粗面化）と酸素終端化された気相合成ダイヤモンド板１１表面に、後述するシリコン含有アルミニウム合金からなるＡｌ−Ｓｉ金属層１２が形成されるようになっている。
【００５５】
気相合成ダイヤモンド板１１の表面が酸素終端化されていることは、ＸＰＳ（光電子分光）などの物理測定法によっても確認できるが、該表面に水滴を垂らしたとき、接触角が測定できないほどに親水性であることで確認することができる。なお、対象となる表面が水素終端化されていれば、疎水性になるため、該表面に水滴を垂らしたとき、水滴の接触角が９０°以上になる。このことは、公知のことである。
【００５６】
（ｆ）次に、表面粗さの調整（粗面化）と酸素終端化された気相合成ダイヤモンド板１１表面（本実施例では気相合成ダイヤモンド板１１の片面）に、シリコン含有アルミニウム合金からなるＡｌ−Ｓｉ金属層１２を形成する。すなわち、気相合成ダイヤモンド板１１は、四辺の縁から０．５ｍｍ内の縁部分には成膜されないように前記縁部分が粘着テープで覆われた状態で、マグネトロンスパッタ装置のスパッタ室内に配置される。そして、シリコン含有アルミニウム合金ターゲット（Ｓｉ含有量：７質量％）を用いて、気相合成ダイヤモンド板１１上に厚み０．２のＡｌ−Ｓｉ金属層（Ｓｉ含有量：７質量％）１２を形成した。スパッタ条件は、雰囲気ガス：アルゴンガス、ガス圧力：０．３Ｐａ、ＤＣ電流：３ｍＡ／ｃｍ２、とした。Ａｌ−Ｓｉ金属層１２を形成したのち、前記粘着テープを除去した。このようにして、気相合成ダイヤモンド板１１表面にＡｌ−Ｓｉ金属層１２が形成された第１部材１０を得た（図２の（ｆ）参照）。
【００５７】
（ｇ）純アルミニウムからなる厚み３５０μｍのＡｌ金属膜２１の片面に厚み５０μｍのシリコン含有アルミニウム合金ろう材２２がクラッドされた第２部材２０を用意した。  シリコン含有アルミニウム合金ろう材２２としては、ＪＩＳ  Ａ４０４５合金（Ａｌ−１０質量％Ｓｉ合金）のろう材を使用した。第２部材２０の縦横寸法は、１９ｍｍ角（１９ｍｍ×１９ｍｍ）である。
【００５８】
そして、図２の（ｇ）に示すように、第１部材１０のＡｌ−Ｓｉ金属層１２の表面と、第２部材２０のシリコン含有アルミニウム合金ろう材２２の表面とに、Ｋ−Ａｌ−Ｆ系フラックス４１を塗布した（塗布量：５ｇ／ｍ２）。
【００５９】
（ｈ）次に、図２の（ｈ）に示すように、Ｋ−Ａｌ−Ｆ系フラックス４１が塗布された前記表面が重ね合わせ面となるように、第１部材１０と第２部材２０とが重ね合わされる。そして、ろう付けは、ろう付け対象物であるところの、この重ね合わされた第１部材１０と第２部材２０とに加圧加重（１０ｇ／ｃｍ２程度）をかけながら、熱処理炉を用いて行った。
【００６０】
前記熱処理炉内の雰囲気は酸素濃度が１０ｐｐｍ以下の窒素ガス雰囲気とされている。  そして、前記ろう付け対象物を、時間３０分で５９０℃まで昇温させてから、温度５９０〜６００℃×時間１０分の条件でろう付けした。次いで、ろう付けされたろう付け対象物を、時間３０分で２００℃まで温度を下げてから、熱処理炉外へ取り出して室温まで自然冷却させた。
【００６１】
（ｉ）このようにして、気相合成ダイヤモンド板１１上に、該気相合成ダイヤモンド板１１側から順に、シリコン含有アルミニウム合金からなるＡｌ−Ｓｉ中間層３１とＡｌ金属膜２１とを有し、１ｃｍ角級のパワー半導体素子用のヒートシンクとして好適なダイヤモンド・アルミニウム接合体を作製した（図２の（ｉ）参照）。
【００６２】
そして、作製されたダイヤモンド・アルミニウム接合体の反りは、Ａｌ金属膜２１表面の中心点とＡｌ金属膜２１表面のエッジとの高さの差で評価したところ、０．０１ｍｍ未満であり、良好な結果が得られた。また、作製されたダイヤモンド・アルミニウム接合体の断面を観察したところ、気相合成ダイヤモンド板１１からのＡｌ金属膜２１の剥離もなく、所望の接合構造が得られていることがわかった。
【００６３】
また、気相合成ダイヤモンド板１１上に、前記Ａｌ−Ｓｉ金属層１２に代えてＳｉを含有しない純アルミニウムからなる金属層を形成したものを第１部材として、ダイヤモンド・アルミニウム接合体を作製した。そして、このダイヤモンド・アルミニウム接合体について、気相合成ダイヤモンド板と中間層との界面のＥＤＸ法（エネルギー分散型Ｘ線分光法）による分析を行った。その結果、前記界面にＳｉの存在が検出された。このことから、ろう付けによりシリコン含有アルミニウム合金ろう材２２に含まれるＳｉが前記純アルミニウムからなる金属層中に拡散することで、気相合成ダイヤモンド板１１に接する層としてＡｌ−Ｓｉ中間層が形成されることが確認できた。
【符号の説明】
【００６４】
１…Ｓｉ基板
２…気相合成ダイヤモンド膜
１０…第１部材
１１…気相合成ダイヤモンド板
１２…Ａｌ−Ｓｉ金属層
２０…第２部材
２１…Ａｌ金属膜
２２…シリコン含有アルミニウム合金ろう材
３１…Ａｌ−Ｓｉ中間層
４１…Ｋ−Ａｌ−Ｆ系フラックス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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