(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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】
0003549228.tif 000002
【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。
【図１】
0003549228.tif 000003
【図２】
0003549228.tif 000004