(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のダイヤモンド粒子からなる多孔質体中にＣｕ、Ａｇ、およびＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種のマトリクス金属が溶浸されたダイヤモンド−金属複合体からなり、半導体素子を搭載するための素子搭載面を備えた半導体素子搭載部材であって、前記ダイヤモンド−金属複合体は、前記多数のダイヤモンド粒子同士を直接に接触させた状態で焼結された多孔質体と、前記多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に選択的に形成された、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素からなり前記マトリクス金属の溶浸を補助する溶浸補助層と、前記溶浸補助層を介して前記多孔質体中に溶浸された前記マトリクス金属とからなることを特徴とする半導体素子搭載部材。
【請求項２】
前記ダイヤモンド−金属複合体の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１に記載の半導体素子搭載部材。
【請求項３】
前記ダイヤモンド−金属複合体の熱伝導率は２８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項２に記載の半導体素子搭載部材。
【請求項４】
前記ダイヤモンド粒子の平均粒径は１μｍ以上である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体素子搭載部材。
【請求項５】
前記溶浸補助層の厚みは５μｍ以下である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体素子搭載部材。
【請求項６】
前記溶浸補助層を形成する元素の、前記元素とダイヤモンド粒子との総量中に占める割合は２０体積％以下である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体素子搭載部材。
【請求項７】
前記請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体素子搭載部材を製造するための製造方法であって、
(1)  多孔質体のもとになる多数のダイヤモンド粒子に、
(1-1)  溶浸補助層のもとになるＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素の粉末と塩化アンモニウムの粉末、および
(1-2)  前記元素の塩化物の粉末、
からなる群より選ばれた少なくとも一方を配合して混合物を調製する工程と、
(2)  前記混合物を圧縮成形して圧縮成形体を作製する工程と、
(3)  前記圧縮成形体を非酸化性雰囲気中で９００℃以上に加熱して、前記多数のダイヤモンド粒子を直接に接触させた状態で焼結された多孔質体と、前記多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に選択的に形成された溶浸補助層とを形成する工程と、
(4)  前記多孔質体中にマトリクス金属を溶浸させる工程と、
を含むことを特徴とする半導体素子搭載部材の製造方法。
【請求項８】
前記混合物中に含まれる、前記溶浸補助層のもとになるＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素Ｍと塩素Ｃｌとの原子数比Ｍ／Ｃｌは１／２以下である請求項７に記載の半導体素子搭載部材の製造方法。
【請求項９】
前記請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体素子搭載部材の前記素子搭載面にＩｎ、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｇｅ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属を含むハンダからなる接合層を介して半導体素子が搭載されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
前記素子搭載面と接合層との間にＮｉ、Ａｕ、Ｔｉ、およびＣｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属、またはこれら金属の化合物からなる密着層が介在されている請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記密着層と接合層との間にＰｔ、Ｍｏ、およびＰｄからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属、またはこれら金属の化合物からなる拡散防止層が介在されている請求項１０に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多数のダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド−金属複合体からなり、半導体素子を搭載するための素子搭載面を備えた半導体素子搭載部材とその製造方法、ならびに前記半導体素子搭載部材を用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
素子搭載面を備え、前記素子搭載面に、例えば発光ダイオードや半導体レーザ等の半導体素子を搭載して用いる半導体素子搭載部材（サブマウント、ヒートスプレッダ、ヒートシンクあるいはハウジング等）には、前記半導体素子が熱によって誤動作したり動作効率や寿命が低下したり、あるいは破損したりするのを防止するため、その動作時に発生する熱を速やかに除去できる高い熱伝導率を有することが求められる。
【０００３】
そのため従来は、前記半導体素子搭載部材を例えばＡｌＮ、ＳｉＣ等のセラミックによって形成するのが一般的であった。
しかし近年の半導体素子の高出力化に伴って、前記半導体素子搭載部材にはより一層の高い熱伝導率が求められるようになってきており、かかる要求に対応するために近年、多数の微小なダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド−金属複合体からなる半導体素子搭載部材が開発された。ダイヤモンドは物質中で最高の熱伝導率を有することから、前記ダイヤモンド−金属複合体を用いて形成することで、半導体素子搭載部材の熱伝導率を従来のセラミック等からなるものに比べて飛躍的に向上できることが期待されている。
【０００４】
例えば特許文献１には、粒径が５μｍ以上、１００μｍ以下のダイヤモンド粒子と、Ｃｕの粉末と、ＩＶａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）またはＶａ族（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）の金属の粉末との混合物を真空中や不活性雰囲気中で金属カプセル内に封入し、前記金属カプセルを圧力１ＧＰａ以上、６ＧＰａ以下、温度１１００℃以上、１５００℃以下といった高温超高圧条件下で加熱、加圧処理することで、前記ダイヤモンド−金属複合体からなる半導体素子搭載部材を製造することが記載されている。
【０００５】
すなわち前記混合物を前記高温超高圧条件下で加熱、加圧処理することで、多数のダイヤモンド粒子間に強制的に浸透させたＣｕによって、前記多数のダイヤモンド粒子を、少なくとも複数個のダイヤモンド粒子同士が直接に接触した状態を維持しつつ互いに結合させたのち、研削等によって金属カプセルを除去して前記ダイヤモンド−金属複合体からなる半導体素子搭載部材の前駆体を得、前記前駆体をさらに必要に応じて放電加工等することで、所定の立体形状を有する半導体素子搭載部材が製造される。
【０００６】
しかしその製造には、前記高温超高圧条件を発生させることができる特殊な製造設備を必要とするため、前記製造設備の制約により、前記工程を経て製造できる半導体素子搭載部材の大きさには自ずと限界が生じる。放電加工等をする前の前駆体の状態で、およそ直径７０φ×厚み５ｍｍ程度が限界である。
また前記加熱、加圧処理はいわゆるバッチ処理である上、一度の処理に長時間を要し、かつ多大なエネルギーを消費するため半導体素子搭載部材の生産性が著しく低い上、形成できる前記前駆体の大きさに比べて大掛かりな製造設備が必要であり、これらの結果として半導体素子搭載部材の製造コストが高くつくといった問題もある。
【０００７】
特許文献２には、粒径が６０μｍ以上、７００μｍ以下の多数のダイヤモンド粒子を容器内に充填した状態でＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の４Ａ〜７Ａ族の金属を溶浸させて、前記ダイヤモンド粒子の表面に前記いずれかの金属の炭化物からなる層を形成したのち、その隙間にさらに溶浸させたＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ等を結合材として機能させることで前記多数のダイヤモンド粒子を結合させて、ダイヤモンド−金属複合体を製造することが記載されている。
【０００８】
また特許文献３には、炭素および／または黒鉛からなる分散剤の表面に、例えばＰＶＤ、ＣＶＤ、めっき等によってＣｒ、Ｆｅ、Ｍｏ等の１種または２種以上からなる被覆層をコーティングしたのち、前記分散剤とＣｕまたはＣｕ合金からなるマトリクス金属（結合材）とを複合化させて複合材料を製造することが記載されている。前記分散剤としてダイヤモンド粒子を使用すればダイヤモンド−金属複合体を形成できる。
【０００９】
前記炭化物の層や被覆層は、結合材としてのＣｕ等の金属の融液の、ダイヤモンド粒子に対する濡れ性を向上して溶浸および複合化を補助する溶浸補助層として機能する。
そのため前記溶浸工程を真空中、あるいは常圧程度の不活性雰囲気中で実施することが可能となり、先に説明した高温超高圧条件を発生させる大掛かりな製造設備等を使用する必要がなくなる。
【００１０】
したがって製造できる複合材料の大きさの制限を実質的に無くすることができる上、前記溶浸だけでなくコーティング等の処理も、高温超高圧条件での加熱、加圧処理に比べれば短時間で、かつ大幅に少ない消費エネルギーでもって実施することができ、中でも溶浸の処理はベルト炉等を用いて連続的に実施できるため、半導体素子搭載部材を極めて生産性良く、大幅にコスト安価に製造できるという利点がある。
【００１１】
しかし特許文献２、３に記載された溶浸工程を経て製造される半導体素子搭載部材は、いずれも、前記のようにダイヤモンド粒子を用いて形成しているにも拘らず、それに見合う高い熱伝導率が得られないという問題がある。
この原因は、前記いずれの場合もダイヤモンド粒子の表面の略全面に形成している溶浸補助層が、ダイヤモンド粒子同士の直接的な接触を妨げて、前記ダイヤモンド粒子間での熱伝導率の低下を招くことにある。
【００１２】
またダイヤモンド粒子の表面に溶浸補助層を形成する工程が必要な分工程数が増加して半導体素子搭載部材の生産性が低下するという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】ＷＯ０３／０４０４２０号公報
【特許文献２】特開平１０−２２３８１２号公報
【特許文献３】特開平１１−８０８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、ダイヤモンド粒子を用いて形成したことに見合う高い熱伝導率を有し、しかもその大きさを、製造設備等の制約を受けることなく任意に大きくできる半導体素子搭載部材を提供することにある。
また本発明の目的は、前記半導体素子搭載部材を、大掛かりな製造設備等を使用することなく、効率よくコスト安価に製造できる半導体素子搭載部材の製造方法を提供することにある。
【００１５】
さらに本発明の目的は、前記半導体素子搭載部材を用いることにより、半導体素子の動作時に発生する熱を速やかに除去して前記半導体素子が熱によって誤動作したり動作効率や寿命が低下したり、あるいは破損したりするのを確実に防止できる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、多数のダイヤモンド粒子からなる多孔質体中にＣｕ、Ａｇ、およびＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種のマトリクス金属が溶浸されたダイヤモンド−金属複合体からなり、半導体素子を搭載するための素子搭載面を備えた半導体素子搭載部材であって、前記ダイヤモンド−金属複合体は、前記多数のダイヤモンド粒子同士を直接に接触させた状態で焼結された多孔質体と、前記多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に選択的に形成された、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素からなり前記マトリクス金属の溶浸を補助する溶浸補助層と、前記溶浸補助層を介して前記多孔質体中に溶浸された前記マトリクス金属とからなることを特徴とするものである。
【００１７】
先に説明したように半導体素子搭載部材に、ダイヤモンド粒子を用いて形成したことに見合う高い熱伝導率を付与するためには、ダイヤモンド−金属複合体中でダイヤモンド粒子同士を直接に接触させた状態とする必要がある。
しかしダイヤモンド粒子同士を直接に接触させるためその表面に溶浸補助層を形成しない場合には、前記ダイヤモンド粒子に対する、結合材として機能するマトリクス金属の融液の濡れ性が不足するため、溶浸工程を実施しても、前記融液をダイヤモンド粒子の集合体中に隙間なく均一に溶浸させることはできない。
【００１８】
そのため十分な強度を有する半導体素子搭載部材が得られない上、内部に残留した気泡によって熱伝導が妨げられて、前記半導体素子搭載部材の熱伝導率が却って低下してしまうといった問題も生じる。
これに対し本発明の半導体素子搭載部材は、前記のように多数のダイヤモンド粒子同士を直接に接触させた状態で焼結させた多孔質体からなるため、前記直接的な接触によってダイヤモンド粒子間での高い熱伝導を確保することができる。
【００１９】
また、前記多孔質体を構成するダイヤモンド粒子の露出した表面にのみ選択的に形成した溶浸補助層がマトリクス金属の融液の濡れ性を向上するべく機能するため、溶浸工程を実施した際に、前記融液を、前記多孔質体中に隙間なく均一に溶浸させることができる。
したがって気泡の残留を抑制して、先に説明したようにダイヤモンド粒子同士を直接的に接触できることと相まって、前記半導体素子搭載部材の熱伝導率を大幅に向上できる。また半導体素子搭載部材の強度を向上できる。
【００２０】
しかも本発明の半導体素子搭載部材は、以上で説明したように通常の溶浸工程を経て製造でき、先に説明した高温超高圧条件を発生させる特殊な製造設備を必要としないため、その大きさを、前記製造設備等の制約を受けることなく任意に大きくすることができる。
具体的には、例えば縦１５０ｍｍ以上×横１５０ｍｍ以上×厚み６ｍｍ以上といった大型の半導体素子搭載部材と、その前駆体としてのダイヤモンド−金属複合体とを製造することが可能である。
【００２１】
前記本発明の半導体素子搭載部材は、素子搭載面に搭載する半導体素子が今後より一層高出力化されても、その動作時に発生する熱を速やかに除去して、前記半導体素子が熱によって誤動作したり動作効率や寿命が低下したり、あるいは破損したりするのを確実に防止することを考慮すると、そのもとになるダイヤモンド−金属複合体の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが好ましく、２８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのがさらに好ましい。
【００２２】
また本発明の半導体素子搭載部材は、前記ダイヤモンド−金属複合体を形成するダイヤモンド粒子の平均粒径が１μｍ以上であるのが好ましい。
平均粒径が１μｍ未満の微小なダイヤモンド粒子を用いた場合、前記ダイヤモンド粒子同士が接触する界面の数が大幅に増加することになる。前記界面ではダイヤモンド粒子同士が直接に接触しているため、溶浸補助層が介在される場合に比べれば高い熱伝導率を有するものの、ダイヤモンド粒子それ自体に比べればやはり熱伝導の点で十分ではない。そのため前記界面の数が増加するほどダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下する傾向がある。
【００２３】
これに対し、平均粒径が１μｍ以上であるダイヤモンド粒子を用いれば前記界面の数をできるだけ少なくして、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率をさらに上昇させることができる。
本発明の半導体素子搭載部材は、前記溶浸補助層の厚みが５μｍ以下であるのが好ましい。
【００２４】
溶浸補助層を形成する、先に説明したＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素は、ダイヤモンド粒子や、あるいはＣｕ、Ａｇ、およびＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種のマトリクス金属に比べて熱伝導率が低い。そのため、前記溶浸補助層の厚みが５μｍを超える場合には、半導体素子搭載部材の全体に占める、前記熱伝導率の低い溶浸補助層の割合が大きくなることと、前記多孔質体の孔内に溶浸されたマトリクス金属によって構成される熱伝導経路の断面積が、前記溶浸補助層の厚みの分だけ小さくなることとが相まってダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下する傾向がある。
【００２５】
これに対し溶浸補助層の厚みを５μｍ以下とすれば、前記溶浸補助層の占める割合を小さくするとともに、マトリクス金属によって構成される熱伝導経路の断面積を大きくして、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率をさらに上昇させることができる。
さらに本発明の半導体素子搭載部材は、前記溶浸補助層を形成する元素の、前記元素とダイヤモンド粒子との総量中に占める割合が２０体積％以下であるのが好ましい。この理由は前記と同じである。
【００２６】
すなわち前記元素の占める割合が２０体積％を超える場合には、半導体素子搭載部材の全体に占める、熱伝導率の低い溶浸補助層の割合が大きくなることと、前記多孔質体の孔内に溶浸されたマトリクス金属によって構成される熱伝導経路の断面積が、前記溶浸補助層の厚みの分だけ小さくなることとが相まってダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下する傾向がある。
【００２７】
これに対し、溶浸補助層を形成する元素の占める割合を、前記元素とダイヤモンド粒子との総量中の２０体積％以下とすれば、半導体素子搭載部材の全体に占める前記溶浸補助層の割合を小さくするとともに、マトリクス金属によって構成される熱伝導経路の断面積を大きくして、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率をさらに上昇させることができる。
【００２８】
本発明は、前記半導体素子搭載部材を製造するための製造方法であって、
(1)  多孔質体のもとになる多数のダイヤモンド粒子に、
(1-1)  溶浸補助層のもとになるＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素の粉末と塩化アンモニウムの粉末、および
(1-2)  前記元素の塩化物の粉末、
からなる群より選ばれた少なくとも一方を配合して混合物を調製する工程と、
(2)  前記混合物を圧縮成形して圧縮成形体を作製する工程と、
(3)  前記圧縮成形体を非酸化性雰囲気中で９００℃以上に加熱して、前記多数のダイヤモンド粒子を直接に接触させた状態で焼結された多孔質体と、前記多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に選択的に形成された溶浸補助層とを形成する工程と、
(4)  前記多孔質体中にマトリクス金属を溶浸させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
【００２９】
前記本発明の製造方法において、前記(1)の工程で調製される混合物が例えばダイヤモンド粒子と、溶浸補助層のもとになるＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素Ｍの粉末と、そして塩化アンモニウムの粉末との混合物からなる場合、前記(2)の工程を経て作製される圧縮成形体を、前記(3)の工程において非酸化性雰囲気中で９００℃以上に加熱することで、式(a)：
ｎＮＨ４Ｃｌ＋Ｍ→ＭＣｌｎ↑＋０．５ｎＮ２＋２ｎＨ２      (a)
〔式中のｎは元素Ｍの価数である。〕
で表される反応が進行して、前記元素の塩化物ＭＣｌｎが生成されるとともに前記塩化物ＭＣｌｎが気化する。また混合物がダイヤモンド粒子と塩化物ＭＣｌｎの粉末との混合物からなる場合は、加熱によって塩化物ＭＣｌｎが気化する。
【００３０】
また前記混合物は、ダイヤモンド粒子、元素Ｍの粉末、および塩化アンモニウムの粉末に、さらに塩化物ＭＣｌｎの粉末を加えた混合物でもよく、かかる混合物の場合は前記塩化物ＭＣｌｎが気化するとともに、前記元素Ｍの粉末と塩化アンモニウムの粉末とが前記式(a)の反応をして塩化物ＭＣｌｎが生成されるとともに前記塩化物ＭＣｌｎが気化する。
【００３１】
そして塩化物ＭＣｌｎのガスが充満した雰囲気中でダイヤモンド粒子同士が直接に接触した状態で焼結されて多孔質体が形成される。
次いで冷却すると、その過程で式(b)：
ＭＣｌｎ＋０．５ｎＨ２→Ｍ↓＋ｎＨＣｌ      (b)
〔式中のｎは元素Ｍの価数である。〕
で表される還元反応が進行して塩化物ＭＣｌｎが分解され、焼結後の前記多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に選択的に元素Ｍが析出して溶浸補助層が形成される。
【００３２】
なお混合物の材料として塩化物ＭＣｌｎを使用しうるのは、前記塩化物が、混合物を調製する作業環境下、特に常温で固体として安定に存在しうる場合に限られる。すなわち塩化物ＭＣｌｎがＣｒＣｌ２、ＷＣｌ４、ＭｏＣｌ２、ＭｏＣｌ３、ＴｉＣｌ３、およびＮｉＣｌ２からなる群より選ばれた少なくとも１種である場合に、前記塩化物の粉末をダイヤモンド粒子と所定の割合で配合したり、あるいは前記元素の粉末、および塩化アンモニウムの粉末と共にダイヤモンド粒子と所定の割合で配合したりして混合物を調製できる。
【００３３】
このあと(4)の溶浸工程を実施すると、前記溶浸補助層の機能によって内部に気泡等を生じることなしに、マトリクス金属の融液を、前記多孔質体中に隙間なく均一に溶浸させることができる。
前記各工程は、いずれも常圧付近で、汎用の設備を用いて通常の条件で実施することができ、先に説明した高温超高圧条件を発生させる特殊な製造設備を必要としないため、その大きさを、前記製造設備等の制約を受けることなく任意に大きくすることができる。
【００３４】
また各工程は、高温超高圧条件での加熱、加圧処理に比べれば短時間で、かつ大幅に少ない消費エネルギーでもって実施することができ、中でも溶浸の処理はベルト炉等を用いて連続的に実施できる上、本発明によれば、前記反応機構から明らかなように溶浸補助層を形成する工程を別に設ける必要もないため、半導体素子搭載部材を極めて生産性良く、大幅にコスト安価に製造することもできる。
【００３５】
前記本発明の製造方法において、前記(1)の工程で調製したいずれかの混合物中に含まれる、前記元素Ｍと塩素Ｃｌとの原子数比Ｍ／Ｃｌは１／２以下に設定するのが好ましい。
前記範囲より塩素が少ない場合には、前記(3)の工程のうち加熱時に塩化物ＭＣｌｎとして気化され、次いで冷却によって多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の表面に析出される元素Ｍの量が不足して、前記表面に形成される、前記元素Ｍからなる溶浸補助層にムラを生じやすくなる。そのためマトリクス金属の融液を多孔質体中に溶浸させた際に気泡を生じやすくなって、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下するおそれがある。
【００３６】
これに対し、前記原子数比Ｍ／Ｃｌを１／２以下に設定すれば、多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の表面にムラのない溶浸補助層を形成して、マトリクス金属の融液を、前記多孔質体中に、気泡等を生じることなく均一に溶浸させることができ、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率をさらに上昇させることができる。
【００３７】
本発明は、前記半導体素子搭載部材の素子搭載面にＩｎ、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｇｅ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属を含むハンダからなる接合層を介して半導体素子が搭載されていることを特徴とする半導体装置である。
前記本発明の半導体装置によれば、前記半導体素子搭載部材と半導体素子とを、前記接合層を介して隙間なく密着させた状態で接合できるため、半導体素子の動作時に発生する熱を速やかに除去して前記半導体素子が熱によって誤動作したり動作効率や寿命が低下したり、あるいは破損したりするのを確実に防止することができる。
【００３８】
前記本発明の半導体装置は、前記素子搭載面と接合層との間にＮｉ、Ａｕ、Ｔｉ、およびＣｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属、またはこれら金属の化合物からなる密着層が介在されているのが好ましい。前記密着層を設けることで、半導体素子搭載部材と接合層との密着性を高めて、半導体素子の接合の強度を高めることができる。
また本発明の半導体素子は、前記密着層と接合層との間にＰｔ、Ｍｏ、およびＰｄからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属、またはこれら金属の化合物からなる拡散防止層が介在されているのが好ましい。前記拡散防止層を設けることで、素子搭載面に半導体素子を搭載する際の熱によって接合層を溶融させた際に、密着層から金属が拡散して接合層の組成が変質するのを防止することができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、ダイヤモンド粒子を用いて形成したことに見合う高い熱伝導率を有し、しかもその大きさを、製造設備等の制約を受けることなく任意に大きくできる半導体素子搭載部材を提供することができる。また本発明によれば、前記半導体素子搭載部材を、大掛かりな製造設備等を使用することなく、効率よくコスト安価に製造できる半導体素子搭載部材の製造方法を提供することができる。さらに本発明によれば、前記半導体素子搭載部材を用いることで、半導体素子の動作時に発生する熱を速やかに除去して前記半導体素子が熱によって誤動作したり動作効率や寿命が低下したり、あるいは破損したりするのを確実に防止できる半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
〈半導体素子搭載部材〉
本発明の半導体素子搭載部材はダイヤモンド−金属複合体からなり、半導体素子を搭載するための素子搭載面を備えたものであって、前記ダイヤモンド−金属複合体が、前記多数のダイヤモンド粒子同士を直接に接触させた状態で焼結された多孔質体と、前記多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に選択的に形成された、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素からなり前記マトリクス金属の溶浸を補助する溶浸補助層と、前記溶浸補助層を介して前記多孔質体中に溶浸された前記マトリクス金属とからなることを特徴とするものである。
【００４１】
前記本発明の半導体素子搭載部材の具体例としては、例えば全体が平板状に形成され、その片面が前記素子搭載面、反対面がヒートシンク等の他部材との接続面とされたサブマウント、ヒートスプレッダ、ヒートシンクあるいはハウジング等が挙げられる。
本発明の半導体素子搭載部材のもとになるダイヤモンド粒子としては、天然あるいは人造のダイヤモンドの粒子が使用される。前記ダイヤモンド粒子は、平均粒径が１μｍ以上であるのが好ましい。
【００４２】
平均粒径が１μｍ未満の微小なダイヤモンド粒子を用いた場合、前記ダイヤモンド粒子同士が接触する界面の数が大幅に増加することになる。前記界面ではダイヤモンド粒子同士が直接に接触しているため、溶浸補助層が介在される場合に比べれば高い熱伝導率を有するものの、ダイヤモンド粒子それ自体に比べればやはり熱伝導の点で十分ではない。そのため前記界面の数が増加するほどダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下する傾向がある。
【００４３】
これに対し、平均粒径が１μｍ以上であるダイヤモンド粒子を用いれば前記界面の数をできるだけ少なくして、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率をさらに上昇させることができる。
なおダイヤモンド粒子の平均粒径は２００μｍ以下であるのが好ましい。
平均粒径が２００μｍを超える大きなダイヤモンド粒子を用いた場合、マトリクス金属を溶浸後のダイヤモンド−金属複合体を所定の半導体素子搭載部材の立体形状に加工したり、前記素子搭載面や接続面を所定の平面状態に仕上げたりするための機械加工が容易でなくなる上、前記機械加工時に粒径の大きいダイヤモンド粒子が脱粒することで、前記素子搭載面等に、半導体素子等との接合時に熱伝導の妨げとなる大きな欠陥を生じるおそれもある。
【００４４】
なおダイヤモンド粒子の平均粒径は、前記機械加工を容易にし、かつ素子搭載面等に大きな欠陥が生じるのを防止しながら、ダイヤモンド粒子間の界面の数を極力少なくして半導体素子搭載部材の熱伝導率を向上することを考慮すると、前記範囲内でも１０μｍ以上であるのが好ましく、５０μｍ以下であるのが好ましい。
溶浸補助層は、先に説明したようにＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素によって形成される。
【００４５】
前記溶浸補助層の厚みは５μｍ以下であるのが好ましい。厚みが５μｍを超える場合には、半導体素子搭載部材の全体に占める、前記熱伝導率の低い溶浸補助層の割合が大きくなることと、前記多孔質体の孔内に溶浸されたマトリクス金属によって構成される熱伝導経路の断面積が、前記溶浸補助層の厚みの分だけ小さくなることとが相まってダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下する傾向がある。
【００４６】
これに対し、溶浸補助層の厚みを５μｍ以下とすれば、前記溶浸補助層の占める割合を小さくするとともに、マトリクス金属によって構成される熱伝導経路の断面積を大きくして、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率をさらに上昇させることができる。
なお溶浸補助層の厚みは０．０１μｍ以上であるのが好ましい。厚みが０．０１μｍ未満では、前記溶浸補助層による、マトリクス金属の溶浸を補助する機能が十分に得られず、前記マトリクス金属の融液を多孔質体中に溶浸させた際に気泡を生じやすくなって、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下するおそれがある。
【００４７】
なお溶浸補助層の厚みは、前記溶浸補助層によるマトリクス金属の溶浸を補助する機能を十分に確保しながら、前記溶浸補助層の占める割合をできるだけ小さくし、かつマトリクス金属によって構成される熱伝導経路の断面積をできるだけ大きくして半導体素子搭載部材の熱伝導率を向上することを考慮すると、前記範囲内でも２．５μｍ以下であるのが好ましい。
【００４８】
前記溶浸補助層の厚みを調整するには、例えば後述する本発明の製造方法においてダイヤモンド粒子に対する前記元素の粉末、または前記元素の塩化物の粉末の配合割合や、前記元素Ｍと塩素Ｃｌとの原子数比Ｍ／Ｃｌ、ダイヤモンド粒子の平均粒径、(2)の工程における圧縮成形条件（成形圧力等）、あるいは(3)の工程における加熱の条件等を適宜変更すればよい。
【００４９】
前記溶浸補助層を形成する元素の、前記元素とダイヤモンド粒子との総量中に占める割合は２０体積％以下であるのが好ましい。
前記割合が２０体積％を超える場合には、半導体素子搭載部材の全体に占める、熱伝導率の低い溶浸補助層の占める割合が大きくなることと、前記多孔質体の孔内に溶浸されたマトリクス金属によって構成される熱伝導経路の断面積が、前記溶浸補助層の厚みの分だけ小さくなることとが相まってダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下する傾向がある。
【００５０】
これに対し、溶浸補助層を形成する元素の占める割合を、前記元素とダイヤモンド粒子との総量中の２０体積％以下とすれば、半導体素子搭載部材の全体に占める前記溶浸補助層の割合を小さくするとともに、マトリクス金属によって構成される熱伝導経路の断面積を大きくして、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率をさらに上昇させることができる。
【００５１】
なお前記元素の割合は０．１体積％以上であるのが好ましい。前記元素の割合が０．１体積％未満では、多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の表面に形成される、前記元素からなる溶浸補助層の厚みが不足して、前記溶浸補助層として十分に機能せず、マトリクス金属の融液を多孔質体中に溶浸させた際に気泡を生じやすくなって、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下するおそれがある。
【００５２】
なお前記元素の割合は、前記溶浸補助層によるマトリクス金属の溶浸を補助する機能を十分に確保しながら、前記溶浸補助層の割合をできるだけ小さくするとともに、マトリクス金属によって構成される熱伝導経路の断面積をできるだけ大きくして半導体素子搭載部材の熱伝導率を向上することを考慮すると、前記範囲内でも７体積％以下であるのが好ましい。
【００５３】
前記元素の割合を調整するためには、後述する本発明の製造方法においてダイヤモンド粒子に対する前記元素の粉末、または前記元素の塩化物の粉末の配合割合を適宜変更すればよい。
マトリクス金属としては、Ｃｕ、Ａｇ、およびＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種が挙げられる。
【００５４】
前記マトリクス金属の、ダイヤモンド−金属複合体の総量中に占める割合は、２０体積％以上、特に３０体積％以上であるのが好ましく、８０体積％以下、特に６０体積％以下であるのが好ましい。
マトリクス金属の割合が前記範囲未満では、ダイヤモンド粒子の多孔質体中の空隙を、前記マトリクス金属によって隙間なく均一に溶浸させることができず、前記多孔質体中に気泡が残留して、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下するおそれがある。
【００５５】
一方、前記範囲を超える場合には、過剰のマトリクス金属がダイヤモンド粒子間に介在して、ダイヤモンド粒子同士の直接的な接触を妨げる結果、却ってダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下するおそれがある。
マトリクス金属の割合を調整するには、ダイヤモンド粒子の平均粒径、前記ダイヤモンド粒子からなる多孔質体の空隙率、前記多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に形成する溶浸補助層の厚み等を適宜変更すればよい。また多孔質体の空隙率を調整するには、後述する圧縮成形条件等を適宜変更すればよい。
【００５６】
本発明の半導体素子搭載部材は、素子搭載面に搭載する半導体素子が今後より一層高出力化されても、その動作時に発生する熱を速やかに除去して、前記半導体素子が熱によって誤動作したり動作効率や寿命が低下したり、あるいは破損したりするのを確実に防止することを考慮すると、そのもとになるダイヤモンド−金属複合体の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが好ましく、２８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのがさらに好ましい。
【００５７】
なおダイヤモンド−金属複合体の熱伝導率は６５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるのが好ましい。前記熱伝導率は、ダイヤモンド粒子、マトリクス金属、および溶浸補助層を形成する元素の種類とそれぞれの割合、ダイヤモンド粒子の平均粒径、溶浸補助層の厚み等を適宜変更することで調整可能であるが、前記マトリクス金属を含む本発明の構造で６５０Ｗ／ｍ・Ｋを超える高い熱伝導率を有するダイヤモンド−金属複合体を形成するのは実質的に困難である。
【００５８】
本発明の半導体素子搭載部材は、前記素子搭載面や接続面の表面粗さが、日本工業規格ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２００１「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−用語，定義及び表面性状パラメータ」において規定された粗さ曲線の算術平均粗さＲａで表して０．２μｍ以上であるのが好ましく、１．６μｍ以下、特に０．９μｍ以下であるのが好ましい。
【００５９】
素子搭載面や接続面を研磨して平滑な表面に仕上げるには多大な時間と手間とを要し、しかも前記研磨中にダイヤモンド粒子が脱落する等して却って表面粗さＲａが大きくなりやすいため、前記素子搭載面等を表面粗さが前記範囲未満である平滑な表面に仕上げるのは実質的に困難である。
一方、表面粗さが前記範囲を超える場合には、例えば素子搭載面に、後述する接合層等を介して半導体素子を隙間なく密着させた状態で接合できず、半導体素子の動作時に発生する熱を速やかに除去して前記半導体素子が熱によって誤動作したり動作効率や寿命が低下したり、あるいは破損したりするのを確実に防止できないおそれがある。
【００６０】
本発明の半導体素子搭載部材を形成するダイヤモンド−金属複合体は、熱膨張係数が２×１０−６／Ｋ以上、特に４×１０−６／Ｋ以上であるのが好ましく、１０×１０−６／Ｋ以下、特に８×１０−６／Ｋ以下であるのが好ましい。
ダイヤモンド−金属複合体の熱膨張係数を前記範囲内に設定することにより、前記素子搭載面に搭載する半導体素子（特にＧａＡｓ系、ＧａＮ系の半導体素子）との熱膨張係数の差を小さくし、整合性を高めて、前記素子搭載面に半導体素子を搭載する際や、前記半導体素子を動作させる際に、熱膨張係数の差に基づいて半導体素子に過大な応力が加わるのを防止して、前記半導体素子が破損したり、動作効率や寿命が低下したり、あるいは接合が外れたりするのを防止できる。
【００６１】
熱膨張係数を調整するには、ダイヤモンド粒子、マトリクス金属、および溶浸補助層を形成する元素の種類とそれぞれの割合、ダイヤモンド粒子の平均粒径等を適宜変更すればよい。
〈半導体素子搭載部材の製造方法〉
前記本発明の半導体素子搭載部材を製造するための、本発明の製造方法は、
(1)  多孔質体のもとになる多数のダイヤモンド粒子に、
(1-1)  溶浸補助層のもとになるＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、およびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素の粉末と塩化アンモニウムの粉末、および
(1-2)  前記元素の塩化物の粉末、
からなる群より選ばれた少なくとも一方を配合して混合物を調製する工程と、
(2)  前記混合物を圧縮成形して圧縮成形体を作製する工程と、
(3)  前記圧縮成形体を非酸化性雰囲気中で９００℃以上に加熱して、前記多数のダイヤモンド粒子を直接に接触させた状態で焼結された多孔質体と、前記多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に選択的に形成された溶浸補助層とを形成する工程と、
(4)  前記多孔質体中にマトリクス金属を溶浸させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
【００６２】
前記(1)の工程で使用するダイヤモンド粒子は、先に説明したように平均粒径が１μｍ以上、特に１０μｍ以上であるのが好ましく、２００μｍ以下、特に５０μｍ以下であるのが好ましい。この理由は先に説明したとおりである。
前記ダイヤモンド粒子と混合する、溶浸補助層のもとになる元素の粉末は、平均粒径が１μｍ以上であるのが好ましく、１００μｍ以下であるのが好ましい。
【００６３】
前記元素を平均粒径１μｍ未満の微小な粉末にするのは容易ではなく、製造コストが高くつく上、前記微小な粉末を、所定の平均粒径を有するダイヤモンド粒子、および塩化アンモニウムの粉末と均一に混合するのも容易でない。一方、平均粒径が１００μｍを超える前記粉末を、前記所定の平均粒径を有するダイヤモンド粒子、および塩化アンモニウムの粉末と均一に混合するのも容易でない。
【００６４】
塩化アンモニウムの粉末は、平均粒径が１μｍ以上であるのが好ましく、４００μｍ以下であるのが好ましい。
前記塩化アンモニウムを平均粒径が１μｍ未満の微小な粉末にするのは容易ではなく、製造コストが高くつく上、前記微小な粉末を、所定の平均粒径を有するダイヤモンド粒子、および溶浸補助層のもとになる元素の粉末と均一に混合するのも容易でない。
【００６５】
一方、平均粒径が４００μｍを超える塩化アンモニウムの粉末は、(3)の工程において前記元素と均一に反応させるのが難しく、そのため前記(3)の工程を経て形成される溶浸補助層の厚みが場所によって不均一になるおそれがある。
また前記元素の粉末と塩化アンモニウムの粉末に代えて、前記元素の塩化物の粉末を用いる場合、前記粉末の平均粒径は１μｍ以上であるのが好ましく、１００μｍ以下であるのが好ましい。
【００６６】
前記塩化物を平均粒径１μｍ未満の微小な粉末にするのは容易ではなく、製造コストが高くつく上、前記微小な粉末を、所定の平均粒径を有するダイヤモンド粒子と均一に混合するのも容易でない。一方、平均粒径が１００μｍを超える前記粉末を、前記所定の平均粒径を有するダイヤモンド粒子と均一に混合するのも容易でない。
前記溶浸補助層のもとになる元素の、前記元素とダイヤモンド粒子との総量中に占める割合は、先に説明したように０．１体積％以上であるのが好ましく、２０体積％以下、特に７体積％以下であるのが好ましい。この理由も先に説明したとおりである。
【００６７】
前記元素の割合を調整するには、前記混合物中における、ダイヤモンド粒子に対する前記元素の粉末、および／または前記元素の塩化物の粉末の配合割合を適宜変更すればよい。
また前記混合物中に含まれる、前記元素Ｍと塩素Ｃｌとの原子数比Ｍ／Ｃｌは１／２以下であるのが好ましい。
【００６８】
前記範囲より塩素が少ない場合には、前記(3)の工程のうち加熱時に塩化物ＭＣｌｎとして気化され、次いで冷却によって多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の表面に析出される元素Ｍの量が不足して、前記表面に形成される、前記元素Ｍからなる溶浸補助層にムラを生じやすくなる。そのためマトリクス金属の融液を多孔質体中に溶浸させた際に気泡を生じやすくなって、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下するおそれがある。
【００６９】
これに対し、前記原子数比Ｍ／Ｃｌを１／２以下に設定すれば、多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の表面にムラのない溶浸補助層を形成して、マトリクス金属の融液を、前記多孔質体中に、気泡等を生じることなく均一に溶浸させることができ、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率をさらに上昇させることができる。
【００７０】
なお前記原子数比Ｍ／Ｃｌは１／７以上であるのが好ましい。
前記範囲より塩素が多くても、(3)の工程で元素Ｍを塩化物化して気化させたのちダイヤモンド粒子の表面に元素Ｍを溶浸補助層として析出させる効果に影響は生じない。しかしダイヤモンド−金属複合体のもとになる混合物の総量中に占める塩化アンモニウムの割合が多くなる分、相対的にダイヤモンド粒子の割合が少なくなるため、前記ダイヤモンド粒子からなる多孔質体中にマトリクス金属を溶浸させて形成されるダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下するおそれがある。
【００７１】
またダイヤモンド粒子の割合が少なく、かつマトリクス金属の割合が多くなる分、ダイヤモンド−金属複合体の熱膨張係数が高くなって、前記ダイヤモンド−金属複合体からなる本発明の半導体素子搭載部材の素子搭載面に搭載される半導体素子との熱膨張係数の差が大きくなり、整合性が低下するおそれがある。
なお熱膨張係数を先に説明した好適な範囲内に維持して半導体素子との良好な整合性を確保しながら、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率をより一層上昇させることを考慮すると、元素Ｍと塩素Ｃｌとの原子数比Ｍ／Ｃｌは、前記範囲内でも１／５．５以上であるのが好ましい。
【００７２】
原子数比Ｍ／Ｃｌを調整するには、前記混合物中における前記元素の粉末や、塩化アンモニウムの粉末、塩化物の粉末の配合割合を適宜変更すればよい。
例えば混合物がダイヤモンド粒子、前記元素の粉末、および塩化アンモニウムの粉末を含む場合、前記原子数比Ｍ／Ｃｌを調整するには、前記元素の粉末と塩化アンモニウムの粉末の配合割合を適宜変更すればよい。混合物が、前記３成分にさらに前記元素の塩化物を含む場合も同様である。
【００７３】
一方、混合物がダイヤモンド粒子と前記塩化物とを含む場合、前記原子数比Ｍ／Ｃｌを調整するには、例えば前記塩化物として２塩化物、３塩化物等を適宜選択したり、２種以上の塩化物を併用したり、補助的に塩化アンモニウムの粉末を加えたりすればよい。
前記各成分を含む混合物を、(2)の工程において圧縮成形する際の圧縮成形条件は、先に説明した溶浸補助層の厚みや多孔質体の空隙率等に応じて適宜変更できるが、圧縮成形圧力が２００ＭＰａ未満では、形成される圧縮成形体中で、そして次工程で形成される多孔質体中で、多数のダイヤモンド粒子同士が直接に接触する割合が低下してダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下するおそれがある。
【００７４】
前記圧縮成形体中や多孔質体中で多数のダイヤモンド粒子同士が直接に接触する割合を高めてダイヤモンド−金属複合体の、そして半導体素子搭載部材の熱伝導率を向上することを考慮すると、圧縮成形圧力は２００ＭＰａ以上であるのが好ましい。
しかし圧縮成形圧力が６００ＭＰａを超えてもそれ以上の効果が得られないだけでなく、圧縮成形時の消費エネルギーが増大するという問題を生じるため、前記圧縮成形圧力は６００ＭＰａ以下であるのが好ましい。
【００７５】
前記(3)の工程は非酸化性雰囲気中、例えば水素等の還元性雰囲気中、あるいはアルゴン、窒素等の不活性雰囲気中で実施する。これによりダイヤモンド粒子の酸化を防止するとともに、溶浸補助層を形成する元素の酸化による溶浸補助層の機能低下を防止してダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率を向上できる。
加熱温度は、先に説明したように９００℃以上であるのが好ましい。
【００７６】
加熱温度が９００℃未満では、先に説明した式(a)で表される元素Ｍの塩化物化の反応が良好に進行せず、多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に、連続した良好な溶浸補助層を形成できないおそれがある。そのためマトリクス金属の融液を多孔質体中に溶浸させた際に気泡を生じやすくなって、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下するおそれがある。また、同様の理由で加熱時間は０．５時間以上であるのが好ましい。
【００７７】
また加熱温度は１３００℃以下、加熱時間は２時間以下であるのが好ましい。
加熱温度が１３００℃を超えるか、もしくは加熱時間が２時間を超える場合にはダイヤモンド粒子のグラファイト化が進行して、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下するおそれがある。
加熱後の冷却条件は任意に設定できる。
【００７８】
(4)の溶浸工程は、従来同様に実施できる。すなわち先の(3)の工程で形成した多孔質体上に溶浸させるマトリクス金属の板材等を載せ、その融点以上に加熱して前記マトリクス金属を溶融させるとともに生成した融液を自重によって下の多孔質体の孔中に浸透させて前記孔内に充填させたのち、冷却することでダイヤモンド−金属複合体が形成される。
前記工程は非酸化性雰囲気中、例えば水素等の還元性雰囲気中、あるいはアルゴン、窒素等の不活性雰囲気中で実施するのが好ましい。これによりダイヤモンド粒子やマトリクス金属の酸化を防止するとともに、溶浸補助層を形成する元素の酸化による溶浸補助層の機能低下を防止してダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率を向上できる。
【００７９】
加熱温度は、前記のようにマトリクス金属の融点以上であればよいが、例えばマトリクス金属がＣｕである場合は１１００℃以上であるのが好ましく、１３００℃以下であるのが好ましい。またマトリクス金属がＡｇである場合は９８０℃以上であるのが好ましく、１１８０℃以下であるのが好ましい。さらにマトリクス金属がＡｌである場合は６５０℃以上、８８０℃以下であるのが好ましい。
【００８０】
またいずれの金属の場合も、加熱時間は０．５時間以上であるのが好ましく、２時間以下であるのが好ましい。
加熱温度または加熱時間が前記範囲未満では、マトリクス金属の融液を多孔質体中にスムースかつ十分に溶浸させることができず、気泡を生じやすくなって、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下するおそれがある。
【００８１】
一方、加熱温度または加熱時間が前記範囲を超えても、マトリクス金属の融液をスムースかつ十分に溶浸させる効果をそれ以上向上させることができないだけでなく、溶浸工程の消費エネルギーが増大するという問題を生じる。のみならず、ダイヤモンド粒子のグラファイト化が進行して、ダイヤモンド−金属複合体の、ひいては半導体素子搭載部材の熱伝導率が低下するおそれがある。
【００８２】
マトリクス金属のうちＣｕとしては無酸素銅、タフピッチ銅、リン脱酸銅等が使用できる。
例えばマトリクス金属がＣｕである場合には、(3)の多孔質体の形成と(4)の溶浸とを同一の雰囲気中で連続して実施することもできる。すなわち(2)の工程で得た圧縮成形体上にＣｕ板等を載せた状態で非酸化性雰囲気中に入れ、まず９００℃以上で、かつＣｕの融点以下の温度に加熱して多数のダイヤモンド粒子を直接に接触させた状態で焼結された多孔質体と、前記多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に選択的に形成された溶浸補助層とを形成する。
【００８３】
次いで加熱温度をＣｕの融点以上、好ましくは１１００℃以上に加熱してＣｕを溶融させるとともに生成した融液を自重によって下の多孔質体の孔中に浸透させて前記孔内に充填させたのち、冷却することでダイヤモンド−金属複合体が形成される。
各処理時間はそれぞれ０．５時間以上であるのが好ましく、２時間以下であるのが好ましい。この理由は先に説明したとおりである。
【００８４】
形成したダイヤモンド−金属複合体の表面に残った余剰のＣｕを機械研磨によって除去し、さらに必要に応じて放電加工、機械研磨等することで、所定の立体形状を有するとともに、素子搭載面や他部材との接続面が先に説明した表面粗さに仕上げられた半導体素子搭載部材を製造することができる。
〈半導体装置〉
本発明の半導体装置は、前記本発明の半導体素子搭載部材の素子搭載面にＩｎ、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｇｅ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属を含むハンダからなる接合層を介して半導体素子が搭載されていることを特徴とするものである。
【００８５】
前記接合層を形成するハンダとしては、前記いずれかの金属を含み、かつ鉛を含まない鉛フリーのハンダであって、しかも半導体素子の高出力化に対応するべく融点が２７０℃以上であるものが好ましく、特にＡｕとＳｎの合金やＡｕとＧｅの合金からなるハンダが好ましい。
接合層の厚みは１μｍ以上、特に３μｍ以上であるのが好ましく、１５μｍ以下、特に７μｍ以下であるのが好ましい。
【００８６】
厚みが前記範囲未満では、素子搭載面と半導体素子との間に介在するハンダの量が不足して前記素子搭載面上に、半導体素子を、空隙等を生じることなく密着させた状態で固定して、前記半導体素子の動作時に発生する熱を、半導体素子搭載部材によって速やかに除去できないおそれがある。
また厚みが前記範囲を超える場合には、前記素子搭載面と半導体素子との間に多量のハンダが熱抵抗として存在することになるため、却って半導体素子の動作時に発生する熱を、半導体素子搭載部材によって速やかに除去できないおそれがある。
【００８７】
前記接合層の形成方法としては、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、めっき法、あるいはプリフォーム（箔）の溶着による方法等のいずれか１種を選択したり、２種以上を組み合わせたりすればよい。
特に厚みの均一性と組成の均一性に優れた接合層を形成することを考慮すると真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法が好ましい。
【００８８】
接合層としては、組成の異なるハンダからなる２層以上の接合層を積層してもよい。
前記素子搭載面と接合層との間にはＮｉ、Ａｕ、Ｔｉ、およびＣｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属、またはこれら金属の化合物からなる密着層が介在されているのが好ましい。前記密着層を介在させることによって、半導体素子搭載部材に対する接合層の密着性を高めることができる。
【００８９】
密着層の厚みは０．０１μｍ以上であるのが好ましく、５μｍ以下であるのが好ましい。
厚みが前記範囲未満では、前記密着層を設けることによる、半導体素子搭載部材に対する接合層の密着性を高める効果が十分に得られないおそれがある。
一方、厚みが前記範囲を超える場合には、却って半導体素子搭載部材に対する接合層の密着性を高める効果が低下するおそれがある上、前記密着層が熱抵抗になって、半導体素子の動作時に発生する熱を、半導体素子搭載部材によって速やかに除去できないおそれもある。
【００９０】
前記密着層を形成するには、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、めっき法等を採用すればよい。
前記密着層と接合層との間にはＰｔ、Ｍｏ、およびＰｄからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属、またはこれら金属の化合物からなる単層または２層以上の拡散防止層が介在されているのが好ましい。前記拡散防止層を介在させることによって、半導体素子の搭載時に密着層を形成する成分が接合層中に拡散して前記接合層を形成するハンダの組成が変化するのを防止できる。
【００９１】
拡散防止層の厚みは０．０１μｍ以上であるのが好ましく、１μｍ以下であるのが好ましい。
厚みが前記範囲未満では、前記拡散防止層を設けることによる、拡散防止の効果が十分に得られないおそれがある。
また前記範囲を超えてもそれ以上の効果が得られないだけでなく、半導体素子のコストアップに繋がるおそれもある。
【００９２】
前記拡散防止層を形成するには、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、めっき法等を採用すればよい。
なお本発明の半導体素子搭載部材の素子搭載面に半導体素子を搭載する構造としては、前記で説明した接合層を介する構造の他、前記素子搭載面にＮｉ、Ａｕ、Ｔｉ、およびＣｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属、またはこれら金属の化合物からなる密着層を形成した上に直接に、あるいはＡｕ層を形成した上に、Ａｕバンプを介して半導体素子を搭載する構造等、従来公知の種々の素子搭載のための構造を採用することもできる。
【００９３】
また本発明の製造方法、および以下に説明する実施例では、本発明の半導体素子搭載部材を製造するために、先に説明したようにダイヤモンド粒子に、溶浸補助層のもとになる元素の粉末と塩化アンモニウムの粉末、または前記元素の塩化物の粉末を混合し、圧縮成形して加熱したのちマトリクス金属を溶浸させる工程を経ているが、前記塩化アンモニウムに代えて、同様の機能を有する任意のハロゲン化物を用いても、同様に本発明の半導体素子搭載部材を製造することは可能である。
【実施例】
【００９４】
〈実施例１〉
平均粒径２０μｍのダイヤモンド粒子と、平均粒径４５μｍのＣｒ粉末と、平均粒径１００μｍの塩化アンモニウム粉末とを配合してかく拌混合機を用いて混合した。
前記ダイヤモンド粒子とＣｒ粉末とは体積比９５：５となるように配合した。Ｃｒの、前記Ｃｒとダイヤモンド粒子との総量中に占める割合は５体積％であった。
【００９５】
また塩化アンモニウム粉末は、Ｃｒ粉末に対して原子数比Ｍ／Ｃｌが１／２．７となるように配合した。
次いで前記混合物を、金型プレスを用いて４００ＭＰａの圧力で圧縮成形して１５ｍｍ×１５ｍｍ×３ｍｍの立方体状の圧縮成形体を作製した。
次いで、前記圧縮成形体を水素雰囲気中で１０００℃×２時間加熱したのち冷却することで、先に説明したメカニズムによって、多数のダイヤモンド粒子が直接に接触された状態で焼結された多孔質体と、前記多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に選択的に形成された溶浸補助層とを形成した。
【００９６】
形成した多孔質体の外形寸法を計測して体積ＶＴを求めるとともに、前記多孔質体の質量ＭＴを計測して、前記質量ＭＴと体積ＶＴとから、式(c)：
ρＴ＝ＭＴ／ＶＴ      (c)
によって多孔質体の見かけ密度ρＴを求めたところ２．３３ｇ／ｃｍ３であった。
次いで多孔質体上に、前記多孔質体内の空隙を充填するのに十分な大きさの無酸素Ｃｕ板を載せ、水素雰囲気中で１２５０℃×１時間加熱して溶融したＣｕを多孔質体中に溶浸させたのち冷却し、表面に残った余剰のＣｕを機械研磨によって除去して、半導体素子搭載部材の前駆体としてのダイヤモンド−Ｃｕ複合体を得た。
【００９７】
〈実施例２〜７〉
ダイヤモンド粒子とＣｒ粉末の配合割合を調整して、Ｃｒの、前記Ｃｒとダイヤモンド粒子との総量中に占める割合を０．１１体積％（実施例２）、１．２５体積％（実施例３）、５．５体積％（実施例４）、７体積％（実施例５）、１６体積％（実施例６）、２１体積％（実施例７）としたこと以外は実施例１と同様にして、半導体素子搭載部材の前駆体としてのダイヤモンド−Ｃｕ複合体を得た。なお塩化アンモニウム粉末は、Ｃｒ粉末に対して原子数比Ｍ／Ｃｌが１／２．７を維持するように配合割合を調整した。
【００９８】
〈実施例８、９〉
塩化アンモニウム粉末の配合割合を調整して、原子数比Ｍ／Ｃｌを１／１．７（実施例８）、１／２．１（実施例９）としたこと以外は実施例１と同様にして、半導体素子搭載部材の前駆体としてのダイヤモンド−Ｃｕ複合体を得た。
ダイヤモンド粒子とＣｒ粉末とは体積比９５：５となるように配合した。Ｃｒの、前記Ｃｒとダイヤモンド粒子との総量中に占める割合は５体積％であった。
【００９９】
なお実施例８では、溶浸補助層にムラが生じたため、Ｃｕの溶浸後に気泡が多数観察された。
〈実施例１０〜１４〉
ダイヤモンド粒子として、それぞれ平均粒径が０．６μｍ（実施例１０）、３μｍ（実施例１１）、１１μｍ（実施例１２）、４８μｍ（実施例１３）、１９３μｍ（実施例１４）であるものを用いたこと以外は実施例１と同様にして、半導体素子搭載部材の前駆体としてのダイヤモンド−Ｃｕ複合体を得た。
【０１００】
前記ダイヤモンド粒子とＣｒ粉末とは体積比９５：５となるように配合した。Ｃｒの、前記Ｃｒとダイヤモンド粒子との総量中に占める割合は５体積％であった。
また塩化アンモニウム粉末は、Ｃｒ粉末に対して原子数比Ｍ／Ｃｌが１／２．７となるように配合した。
なお実施例１４では研磨時にダイヤの脱粒による大きな欠陥が観察された。
【０１０１】
〈実施例１５〉
平均粒径４５μｍのダイヤモンド粒子と、平均粒径４５μｍのＣｒ粉末と、平均粒径１００μｍの塩化アンモニウム粉末とを配合してかく拌混合機を用いて混合した。
前記ダイヤモンド粒子とＣｒ粉末とは体積比９８．７５：１．２５となるように配合した。Ｃｒの、前記Ｃｒとダイヤモンド粒子との総量中に占める割合は１．２５体積％であった。
【０１０２】
また塩化アンモニウム粉末は、Ｃｒ粉末に対して原子数比Ｍ／Ｃｌが１／２．３となるように配合した。
次いで前記混合物を、金型プレスを用いて２１０ＭＰａの圧力で圧縮成形して１５ｍｍ×１５ｍｍ×３ｍｍの立方体状の圧縮成形体を作製した。
次いで、前記圧縮成形体を水素雰囲気中で１０００℃×２時間加熱したのち冷却することで、先に説明したメカニズムによって、多数のダイヤモンド粒子が直接に接触された状態で焼結された多孔質体と、前記多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に選択的に形成された溶浸補助層とを形成した。
【０１０３】
次いで多孔質体上に、前記多孔質体内の空隙を充填するのに十分な大きさの無酸素Ｃｕ板を載せ、水素雰囲気中で１２５０℃×１時間加熱して溶融したＣｕを多孔質体中に溶浸させたのち冷却し、表面に残った余剰のＣｕを機械研磨によって除去して、半導体素子搭載部材の前駆体としてのダイヤモンド−Ｃｕ複合体を得た。
前記ダイヤモンド−Ｃｕ複合体はＣｕ量が少なく多数の気泡が観察された。
【０１０４】
〈実施例１６〜１９〉
塩化アンモニウム粉末の配合割合を調整して、原子数比Ｍ／Ｃｌを１／２．８（実施例１６）、１／４．３（実施例１７）、１／５．５（実施例１８）、１／６．９（実施例１９）としたこと以外は実施例１５と同様にして、半導体素子搭載部材の前駆体としてのダイヤモンド−Ｃｕ複合体を得た。
【０１０５】
前記ダイヤモンド粒子とＣｒ粉末とは体積比９８．７５：１．２５となるように配合した。Ｃｒの、前記Ｃｒとダイヤモンド粒子との総量中に占める割合は１．２５体積％であった。
〈実施例２０〜２４〉
溶浸補助層のもとになる元素の粉末として、いずれも平均粒径４５μｍのＷ粉末（実施例２０）、Ｍｏ粉末（実施例２１）、Ｓｉ粉末（実施例２２）、Ｎｉ粉末（実施例２３）、Ｔｉ粉末（実施例２４）を用いたこと以外は実施例１と同様にして、半導体素子搭載部材の前駆体としてのダイヤモンド−Ｃｕ複合体を得た。
【０１０６】
前記ダイヤモンド粒子と各元素の粉末とは体積比９５：５となるように配合した。前記各元素の、前記元素とダイヤモンド粒子との総量中に占める割合は５体積％であった。
また塩化アンモニウム粉末は、前記元素の粉末に対して原子数比Ｍ／Ｃｌが１／２．７となるように配合した。
〈実施例２５〉
溶浸補助層のもとになる元素の粉末として、平均粒径４５μｍのＳｉ粉末を用いるとともに、マトリクス金属としてＡｌを用い、溶浸温度を８００℃として前記Ａｌを多孔質体中に溶浸させたこと以外は実施例１と同様にして、半導体素子搭載部材の前駆体としてのダイヤモンド−Ａｌ複合体を得た。
【０１０７】
前記ダイヤモンド粒子とＳｉ粉末とは体積比９５：５となるように配合した。Ｓｉの、前記Ｓｉとダイヤモンド粒子との総量中に占める割合は５体積％であった。
また塩化アンモニウム粉末は、Ｓｉの粉末に対して原子数比Ｍ／Ｃｌが１／２．７となるように配合した。
〈実施例２６〉
溶浸補助層のもとになる元素の粉末として、平均粒径４５μｍのＮｉ粉末を用いるとともに、マトリクス金属としてＡｇを用いたこと以外は実施例１と同様にして、半導体素子搭載部材の前駆体としてのダイヤモンド−Ａｇ複合体を得た。
【０１０８】
前記ダイヤモンド粒子とＮｉ粉末とは体積比９５：５となるように配合した。Ｎｉの、前記Ｎｉとダイヤモンド粒子との総量中に占める割合は５体積％であった。
また塩化アンモニウム粉末は、Ｎｉの粉末に対して原子数比Ｍ／Ｃｌが１／２．７となるように配合した。
〈従来例１〉
底面の平面形状が１５ｍｍ×１５ｍｍの矩形状である凹部を有するカーボンケースの前記凹部内にダイヤモンド粒子を充てんし、前記ダイヤモンド粒子を金型プレスを用いて４００ＭＰａの圧力で１５ｍｍ×１５ｍｍ×３ｍｍの立方体状に圧縮成形し、水素雰囲気中で１２５０℃×１時間加熱して溶融したＣｕを溶浸させたのち冷却し、カーボンケースから取り出して表面に残った余剰のＣｕを機械研磨によって除去して、半導体素子搭載部材の前駆体としてのダイヤモンド−Ｃｕ複合体を得た。
【０１０９】
〈従来例２〉
平均粒径２０μｍのダイヤモンド粒子の表面の全面に、あらかじめスパッタリング法によって溶浸補助層としてのＣｒを被覆したのち、前記ダイヤモンド粒子を、金型プレスを用いて４００ＭＰａの圧力で圧縮成形して１５ｍｍ×１５ｍｍ×３ｍｍの立方体状の圧縮成形体を作製し、前記圧縮成形体を水素雰囲気中で１０００℃×２時間加熱して、多数のダイヤモンド粒子が前記溶浸補助層を介して接触された状態で焼結された多孔質体を得た。
【０１１０】
そして前記多孔質体を用いたこと以外は実施例１と同様にして、半導体素子搭載部材の前駆体としてのダイヤモンド−Ｃｕ複合体を得た。
〈従来例３〉
平均粒径２０μｍのダイヤモンド粒子の表面の全面に、あらかじめスパッタリング法によって溶浸補助層としてのＴｉを被覆したのち、前記ダイヤモンド粒子を、金型プレスを用いて４００ＭＰａの圧力で圧縮成形して１５ｍｍ×１５ｍｍ×３ｍｍの立方体状の圧縮成形体を作製し、前記圧縮成形体を水素雰囲気中で１０００℃×２時間加熱して、多数のダイヤモンド粒子が前記溶浸補助層を介して接触された状態で焼結された多孔質体を得た。
【０１１１】
そして前記多孔質体を用いたこと以外は実施例１と同様にして、半導体素子搭載部材の前駆体としてのダイヤモンド−Ｃｕ複合体を得た。
〈溶浸補助層の厚み測定〉
前記実施例、従来例においてマトリクス金属を溶浸させる前の多孔質体を破断させ、破断面の写真を走査型電子顕微鏡を用いて撮影し、前記写真を画像処理して溶浸補助層の厚みを求めた。
【０１１２】
〈マトリクス金属の割合測定〉
マトリクス金属を溶浸させる前の多孔質体の外形寸法を計測して体積ＶＴを求めるとともに、前記多孔質体の質量ＭＴを計測して、前記質量ＭＴと体積ＶＴとから、前記式(c)によって、溶浸前の多孔質体の見かけ密度ρＴを求めた。
また前記多孔質体にマトリクス金属を溶浸させ、表面に残った余剰のマトリクス金属を機械研磨によって除去して得たダイヤモンド−金属複合体の外形寸法を計測して体積ＶＦを求めるとともに、前記ダイヤモンド−金属複合体の質量ＭＦを計測した。
【０１１３】
そして前記体積ＶＦおよび質量ＭＦと、先に求めた見かけ密度ρＴとから、式(d)：
ＭＭ＝ＭＦ−（ＶＦ×ρＴ）      (d)
によって、ダイヤモンド−金属複合体中に含まれるマトリクス金属の質量ＭＭを求めるとともに、前記質量ＭＭとマトリクス金属の比重ρＭとから、式(e)：
ＶＭ＝ＭＭ／ρＭ      (e)
によってダイヤモンド−金属複合台中に含まれるマトリクス金属の体積ＶＭを求めた。
【０１１４】
そして前記マトリクス金属の体積ＶＭとダイヤモンド−金属複合体の体積ＶＦとから、式(f)：
ＲＶ＝（ＶＭ／ＶＦ）×１００      (f)
によりマトリクス金属の、ダイヤモンド−金属複合体の総量中に占める割合ＲＶ（体積％）を求めた。
【０１１５】
〈熱伝導率測定〉
実施例、従来例で得たダイヤモンド−金属複合体の熱伝導率を、レーザーフラッシュ法によって求めた。
すなわち前記ダイヤモンド−金属複合体から直径１０φ×厚み２ｍｍの円板状試料を作製し、前記円板状試料をその裏面を下にして試料台に載せ、室温（２３±１℃）下、大気中で表面にレーザー光を照射することで熱エネルギーを与えるのと同時に、前記裏面の温度変化を赤外線検出器で測定して熱拡散率αを求めた。
【０１１６】
また先に測定したダイヤモンド−金属複合体の体積ＶＦおよび質量ＭＦから、式(g)：
ρＦ＝ＭＦ／ＶＦ      (g)
によってダイヤモンド−金属複合体の密度ρＦを求めた。
そして前記熱拡散率α、密度ρＦと比熱Ｃｐとから、式(h)：
λ＝Ｃｐ×α×ρＦ      (h)
によって熱伝導率λを求めた。
【０１１７】
〈熱膨張係数測定〉
実施例、従来例で得たダイヤモンド−金属複合体の熱膨張係数を、示差膨張測定法によって求めた。
すなわち前記ダイヤモンド−金属複合体から縦２ｍｍ×横２ｍｍ×高さ１０ｍｍの角柱状試料を作製し、前記角柱状試料と、同寸法の基準物質（石英製）とを変位センサが付いた検出棒の下端においた状態で両者を同時に加熱して熱膨張の差（示差膨張）を求め、その結果から熱膨張係数を求めた。
【０１１８】
以上の結果を表１〜表３に示す。
【０１１９】
【表１】
0005484111.tif 000002
【０１２０】
【表２】
0005484111.tif 000003
【０１２１】
【表３】
0005484111.tif 000004
【０１２２】
表３の従来例１の結果より、多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に溶浸補助層を設けない場合には、マトリクス金属の融液を多孔質体中に隙間なく均一に溶浸させることができず、内部に多くの気泡が残留するため、ダイヤモンド粒子を用いて形成しているにも拘らず、それに見合う熱伝導率が得られないことが判った。
また従来例２、３の結果より、多孔質体を形成するダイヤモンド粒子の露出した表面に溶浸補助層を設ければ、マトリクス金属の融液を多孔質体中に隙間なく均一に溶浸させて熱伝導率を向上できるものの、ダイヤモンド粒子同士の間にも前記溶浸補助層が介在している場合には前記効果に限界があることが判った。
【０１２３】
これに対し表１〜表３の各実施例の結果より、ダイヤモンド粒子同士を直接に接触させた状態で多孔質体を形成すると共に、前記多孔質体を形成する前記ダイヤモンド粒子の露出した表面にのみ選択的に溶浸補助層を設けた構造を採用することで、ダイヤモンド粒子を用いて形成したことに見合う高い熱伝導率を達成できることが判った。
また表１の実施例１〜７の結果より、溶浸補助層を形成する元素の、前記元素とダイヤモンド粒子との総量中に占める割合は０．１体積％以上であるのが好ましく、２０体積％以下、特に７体積％以下であるのが好ましいこと、前記溶浸補助層の厚みは０．０１μｍ以上であるのが好ましく、５μｍ以下、特に２．５μｍ以下であるのが好ましいことが判った。
【０１２４】
実施例１、８、９の結果より、元素Ｍと塩素Ｃｌとの原子数比Ｍ／Ｃｌは１／２以下であるのが好ましいことが判った。また表２の実施例１５〜１９の結果より、前記原子数比Ｍ／Ｃｌは前記範囲内でも１／７以上、特に１／５．５以上であるのが好ましいことが判った。
さらに前記実施例１５〜１９の結果より、マトリクス金属の、ダイヤモンド−金属複合体の総量中に占める割合は、２０体積％以上、特に３０体積％以上であるのが好ましく、８０体積％以下、特に６０体積％以下であるのが好ましいことが判った。
【０１２５】
表１の実施例１、および表２の実施例１０〜１４の結果より、ダイヤモンド粒子の平均粒径は１μｍ以上、特に１０μｍ以上であるのが好ましく、２００μｍ以下、特に５０μｍ以下であるのが好ましいことが判った。
表３の実施例２０〜２６の結果より、溶浸補助層を形成する元素、およびマトリクス金属として種々の組み合わせが可能であることが判った。