(57)【要約】【課題】放熱材料としての大面積の炭素系基板内の微細凹凸構造に分布むらを生じにくい放熱材料の製造方法を提供すること。【解決手段】グラファイト基板をカソード電極側に搭載したカソードカップル型反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置によるプラズマエッチングを行い、グラファイト基板の表面にナノメートルオーダの粗度の微細凹凸構造を加工する（ステップ１０１）。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系基板をカソード電極側に搭載したカソードカップル型反応性イオンエッチング装置によるプラズマエッチングを行い、該炭素系基板の表面をナノメートルオーダの粗度の第１の凹凸構造に加工する第１の凹凸構造加工工程を具備する放熱材料の製造方法。
【請求項２】
さらに、前記第１の凹凸構造加工工程の前に、前記第１の凹凸構造のサイズより大きい不規則的周期の第２の凹凸構造を前記炭素系基板の表面に加工する第２の凹凸構造加工工程を具備する請求項１に記載の放熱材料の製造方法。
【請求項３】
前記第２の凹凸構造のサイズはサブミクロメートルオーダ以上である請求項２に記載の放熱材料の製造方法。
【請求項４】
前記炭素系基板は金属含浸グラファイト基板である請求項１に記載の放熱材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放熱材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発熱部品、たとえばコンピュータ等の電子電気機器に搭載される半導体素子、太陽電池、電気自動車等に用いられるパワーコンバータ及びインバータの冷却の問題が注目を集めている。
【０００３】
上述の発熱部品の１つの冷却方法はその発熱部品が搭載された機器筐体にファンを取付け、機器筐体を冷却する。また、他の冷却方法はその発熱部品に熱伝導媒体たとえばヒートパイプ、ヒートシンク、フィン、ファン等を取付け、発熱部品からの熱を熱伝導媒体によって外部へ伝達する。このとき、発熱部品に銅、アルミニウム等の良熱伝導材料を接触させ、熱伝導材料を介して熱伝導媒体によって外部へ伝達する。
【０００４】
しかしながら、近年、半導体素子等のハイパワー化及びその搭載スペースの狭小化に伴って発熱部品の発熱量が大きくなる傾向がある。特に、機器筐体が小型化すると、上述の熱伝導媒体を取付けるスペースが小さくなり、この結果、十分な熱対流をとれず、発熱部品が高温となり、素子の性能を下げるものとなる。
【０００５】
上述の発熱部品の冷却を、熱対流を不要とし、真空中でも効率的に行うために、種々の放熱材料が提案されている。すなわち、図８に示すように、従来の放熱材料は、マイクロ波プラズマ装置、電子サイクロトン共鳴（ＥＣＲ）装置、イオンビームエッチング装置等の表面プラズマ処理装置を用いて表面ナノメートルオーダの粗度の微細凹凸構造１ａを形成した炭素系基板１よりなる。これにより、可視領域及び遠赤外領域の反射率を低減し、この結果、放熱効率を高くできる。たとえば、鏡面状表面を有するグラファイト基板を図９に示すグラファイト基板加工フローを用いてステップ９０１にてマイクロ波プラズマ装置によるプラズマエッチングをすると、図１０に示すようなナノメートルオーダの粗度の微細凹凸構造のグラファイト基板を得る。従って、図１１に示すように、可視光領域から遠赤外領域の波長０．４−２．４μｍの平均反射率は、マイクロ波プラズマ装置によるプラズマエッチング前の２５％からマイクロ波プラズマ装置によるプラズマエッチング後の２％と低くなり、従って、高い放熱率となり、放熱材料として用いることができる（参照：特許文献１）。
【０００６】
尚、放熱材料においては、反射率Rが低下すると、放射率Iが上昇し、逆に、反射率Rが上昇すると、放射率Iが低下するという関係が成立する。この場合、光放熱つまり光放射能力を示す指数として放射率を用いるが、光の透過率がほぼ0の場合、放射率I≒1-R（反射率）で表わされる。従って、理想的には、放熱材料としてたとえば可視光を含む領域及び遠赤外領域の反射率Rができるだけ0に近いものを用いると、放熱効率が大きくなることが分かる。
【０００７】
また、上述の粗度とは、凹凸構造の頂上から谷までの距離である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特願２０１１−４９７８１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の従来のマイクロ波プラズマ装置によるプラズマエッチングによれば、炭素系基板が大面積を有すると、炭素系基板内の微細凹凸構造に分布むらが生じ、この結果、大面積の炭素系基板の放射率を一様に高めることができないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するために、本発明に係る放熱材料の製造方法は、炭素系基板をカソード電極側に搭載したカソードカップル型反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置によるプラズマエッチングを行い、炭素系基板の表面をナノメートルオーダの粗度の凹凸構造に加工する凹凸構造加工工程を具備する。カソードカップル型ＲＩＥ装置においては、プラズマプラスイオンに対して炭素系基板に向かう一様な垂直電場が生じ、これにより、プラズマプラスイオンが大量に炭素系基板に入射し、物理的、化学的に一様な異方性エッチングが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、大面積の炭素系基板であっても、高アスペクト比の一様な微細凹凸構造を形成でき、従って、可視光を含む領域及び遠赤外領域の反射率が低くなり、輻射による放熱性を高くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る放熱材料のグラファイト基板のナノメートルオーダの粗度の凹凸構造の製造方法の実施の形態を説明するためのフローチャートである。
【図２】図１のステップ１０１に用いられるカソードカップル型ＲＩＥ装置を示す図である。
【図３】図１のカソードカップル型ＲＩＥ装置によるプラズマエッチング後のグラファイト基板の微細凹凸構造の走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。
【図４】図１のカソードカップル型ＲＩＥ装置によるプラズマエッチング後のグラファイト基板の微細凹凸構造の反射率を示すグラフである。
【図５】比較例としてのアノードカップル型ＲＩＥ装置を示す図である。
【図６】比較例としてアノードカップル型ＲＩＥ装置によるプラズマエッチング後のグラファイト基板の微細凹凸構造の走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。
【図７】図１のフローチャートの変更例を示すフローチャートである。
【図８】従来の放熱材料を示す断面図である。
【図９】従来のグラファイト基板のナノメートルオーダの粗度の微細凹凸構造の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図１０】図９のマイクロ波プラズマ装置によるプラズマエッチング後のグラファイト基板の微細凹凸構造の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図１１】図９のマイクロ波プラズマ装置によるプラズマエッチング後のグラファイト基板の微細凹凸構造の反射率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明に係る放熱材料のグラファイト基板の微細凹凸構造の製造方法の実施の形態を説明するためのフローチャートである。第１の凹凸構造加工工程であるステップ１０１において、グラファイト基板を図２のカソードカップル型RIE装置に投入し、グラファイト基板をO2ガスを用いたカソードカップル型RIE装置によるプラズマエッチングを行う。
【００１４】
図２のカソードカップル型RIE装置を説明すると、真空チャンバ２００内において、グラファイト基板２０１はグラファイト基板２０１より大きい基板ホールダとしても作用するカソード電極２０２側に搭載され、たとえば、密着されている。カソード電極２０２はブロッキングキャパシタ２０３を介して高周波電源２０４に接続されている。真空チャンバ２００内には、カソード電極２０２に対向して接地されたアノード電極２０５が設けられている。また、真空チャンバ２００にはO2ガスを導入するガス導入口２０６が設けられ、必要な流量の反応ガスを真空チャンバ２００に導入することで反応ガス密度を適当な値に設定することができる。さらに、真空チャンバ２００には真空ポンプ（図示せず）に接続されたガス排出口２０７が設けられており、真空チャンバ２００内を適当な真空度に維持することができる。
【００１５】
また、カソード電極２０２を冷却するために、冷却水導入口２０８から冷却水を導入し、冷却水排出口２０９から冷却水を排出する。
【００１６】
図２のカソードカップル型RIE装置の条件は、たとえば、次のごとくである。
高周波（RF）電力：500W
直流バイアス：1000V
圧力：6.65Pa（50mTorr）
O2流量：150sccm
エッチング時間：30分
である。
【００１７】
図２のカソードカップル型ＲＩＥ装置において、高周波電源２０４によってブロッキングキャパシタ２０３を介してカソード電極２０２に高周波電力500Wを印加すると、カソード電極２０２とアノード電極２０５との間に放電が発生してO2ガスがプラズマ化する。発生したプラズマ中の電子及びO2プラスイオンのうち、質量が小さい電子は早くカソード電極２０２、アノード電極２０５に到達するが、質量が大きいO2プラスイオンは高周波電力の高周波に追従できずほとんど移動しない。他方、アノード電極２０５に到達した電子は接地端子に流れるが、カソード電極２０２に到達した電子はブロッキングキャパシタ２０３によってしゃ断されてカソード電極２０２を帯電させていわゆる陰極降下という大きな電圧降下たとえば400V〜1000Vを起こす。この結果、アノード電極２０５とカソード電極２０２との間の一様な垂直電場E1が生じ、この垂直電場E1に沿ってO2プラスイオンがグラファイト基板２０１の全体に大量に入射し、グラファイト基板２０１の全体が物理的、化学的に一様に垂直電場E1方向へ異方性エッチングされることになる。上記の条件でO2ガスをプラズマ化するとカソード電極２０２とアノード電極２０５の間には約1000Vの電圧降下が生じ、O2プラスイオンはカソード電極２０２に対し垂直に加速されて入射する。
【００１８】
従って、図２のカソードカップル型RIE装置によるプラズマエッチングを行うことにより、図３に示すナノメートルオーダの粗度を有する高アスペクト比の微細凹凸構造がグラファイト基板２０１の全体に得られる。
【００１９】
尚、上述のグラファイト基板２０１は金属含浸稠密グラファイト基板とすることができる。これにより、稠密グラファイト基板の靭性がさらに大きくなるので、放熱材料としての加工性、発熱部品との密着性が向上し、発熱部品と放熱材料との間の空隙がなくなる。
【００２０】
また、グラファイト基板を用いたが、グラファイト基板以外の炭素系基板、たとえばダイヤモンド基板あるいはガラス状炭素基板を用いてもよい。
【００２１】
尚、図１のステップ１０１でのカソードカップル型RIE装置によるプラズマエッチングの反応ガスは、O2ガス以外のArガス、CO2ガス、H2ガス、CF4ガス等のいずれでもよく、また、これらの混合ガスでもよい。
【００２２】
カソードカップル型RIE装置によるプラズマエッチングによって得られたグラファイト基板２０１においては、可視光を含む領域の波長0.4-2.4μmの全域に亘る平均反射率は、図４の実線に示すように、1.0％以下と低くなる。従って、可視光を含む領域の吸収は最高となる。しかも、遠赤外領域の平均反射率も同程度と低くなる。この場合、放射温度計（KEYENCE FT-H20、商標名）を用いて測量した。表面温度が150℃のときに、グラファイト基板２０１の放射率は0.99と高かった。この結果、カソードカップル型RIE装置によるプラズマエッチングによって得られたグラファイト基板２０１をそのまま放熱材料として用いることができる。
【００２３】
尚、図１のステップ１０１において、比較例としてアノードカップル型RIE装置によるプラズマエッチングを行うと、グラファイト基板表面の微細凹凸構造のアスペクト比は小さくなって表面積は小さくなり、図４の点線に示すように、反射率は18〜24％と高くなる。
【００２４】
ここで、アノードカップル型RIE装置を図５に示す。すなわち、図５においては、図２のカソードカップル型RIE装置のカソード電極２０２、ブロッキングキャパシタ２０３及び高周波電源２０４と、アノード電極２０５とを位置交換したものである。この場合、アノード電極２０５が基板ホールダとしても作用する。また、この場合には、陰極低下という電圧降下はカソード電極２０２側に生じてグラファイト基板２０１側（アノード電極２０５側）に生じず、従って、たとえ、アノード電極２０５とカソード電極２０２との間に一様な垂直電場E2が存在しても、この逆方向の垂直電場E2によるO2プラスイオンのグラファイト基板２０１への入射は少ない。従って、この場合、グラファイト基板２０１では、物理的、化学的な一様な異方性エッチングが行われず、化学的な一様な等方性エッチングが行われることになる。この結果、グラファイト基板２０１に対して図５のアノードカップル型RIE装置によるプラズマエッチングを行うと、グラファイト基板２０１の全体に図６に示す低アスペクト比の一様な微細凹凸構造が得られることになる。
【００２５】
図７は図１のフローの変更例を示し、図１のカソードカップル型RIE装置によるプラズマエッチングステップ１０１の前に、第２の凹凸構造加工工程であるミクロン（サブミクロン）凹凸加工ステップ７０１において、サンドブラスト等の機械的表面研磨及び／またはCO2レーザ、YAGレーザ、エキシマレーザ等のハイパワーレーザ照射による表面研磨による前処理を行う。これにより、不規則的周期のたとえばミクロメートルオーダ、サブミクロメートルオーダの凹凸構造を形成する。この結果、グラファイト基板の表面積が増大して放熱効率が高くなる。
【００２６】
尚、図７の不規則的周期のミクロン（サブミクロン）凹凸加工ステップ７０１において、グラファイト基板の表面に不規則的周期のミクロメートルオーダもしくはサブミクロメートルオーダの凹みを多数形成して表面積を増大させてもよい。たとえば、レジスト層を塗布し、次いで、不規則的周期パターンを有するフォトマスクを用いたフォトリソグラフィによりレジスト層のパターンを形成し、このレジスト層のパターンを用いてグラファイト基板をH2ガス及びO2ガスを用いたプラズマエッチングたとえばRIEを行い、その後、レジスト層のパターンを除去する。また、機械的ルーリングエンジン等を用いた切削方法によって不規則的周期のミクロメートルのオーダあるいはサブミクロメートルのオーダの剣山型凹凸構造を形成して表面積を増大させることもできる。この剣山型凹凸構造はエッチングで逆剣山型の金型を形成し、これに液体状のグラファイト材料、例えばカーボンブラック等を流し込んでも形成できる。
【００２７】
ここで、規則的周期のミクロメートルオーダあるいはサブミクロメートルオーダの凹凸構造は２次元フォトニック結晶的効果を起こし、遠赤外領域の反射率を高めるので、放熱効率が低くなる逆効果となり、好ましくない。
【００２８】
尚、上述の実施の形態におけるナノメートルオーダとは約10〜500nmの範囲を示し、サブミクロメートルオーダとは約0.5〜10μmの範囲を示し、ミクロメートルオーダとは約10〜500μmの範囲を示す。
【００２９】
また、本発明は上述の実施の形態の目的の範囲内のいかなる変更にも適用し得る。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、LED照明、LEDヘッドランプあるいはストロボに用いられる放熱材料の製造方法に適用し得る。
【符号の説明】
【００３１】
１０１：カソードカップル型RIE装置によるプラズマエッチングステップ（第１の凹凸構造加工工程）
２００：真空チャンバ
２０１：グラファイト基板
２０２：カソード電極
２０３：ブロッキングキャパシタ 
２０４：高周波電源
２０５：アノード電極
２０６：ガス導入口
２０７：ガス排出口
２０８：冷却水導入口
２０９：冷却水排出口
７０１：不規則的周期のミクロン（サブミクロン）凹凸加工ステップ（第２の凹凸構造加工工程）
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図３】
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【図６】
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【図１０】
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