(57)【要約】【課題】  熱伝導率に優れ、発熱量の大きい半導体素子を搭載するためのモジュール用基板として好適に用いることができる放熱板を提供する。【解決手段】  昇華再結晶法により作製された炭化珪素単結晶又は炭化珪素多結晶から加工してなる放熱板であって、該放熱板の常温での熱伝導率が２００〜５５０Ｗ／ｍＫであることを特徴とする炭化珪素製放熱板である。【選択図】            なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇華再結晶法により作製された炭化珪素単結晶又は炭化珪素多結晶から加工してなる放熱板であって、該放熱板の常温での熱伝導率が２００〜５５０Ｗ／ｍＫであることを特徴とする炭化珪素製放熱板。
【請求項２】
前記放熱板の抵抗率が１０８〜１０２２Ωｃｍである請求項１記載の炭化珪素製放熱板。
【請求項３】
前記放熱板に貫通中空欠陥が存在しない請求項１記載の炭化珪素製放熱板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱源から発生する熱エネルギーを放熱するためのヒートシンクとして好適に使用できる高熱伝導性放熱板に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報密度の巨大化とともに電子部品の処理能力は著しい向上を遂げている。そのため、各々の部品からは多量の熱が発生しているのが現状である。これらの電子部品を安定的に動作させるためには一定温度に保つことが好ましく、その冷却のために様々な工夫が成されている。通常、高温となる電子部品は、ヒートシンクと呼ばれる「熱を吸収できる材料、構成部品あるいはシステムを熱的に保護するためにそのような材料を使用している装置」上にマウントされ、用いられるのが一般的である。
【０００３】
ヒートシンク材料として早くから実用化されている材料としては、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ等の熱伝導性の良い金属、金属合金、或いは、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の半導体性或いは絶縁性の高熱伝導性セラミックス材料が挙げられるが、電子部品の性能の向上に伴う発熱をこのような材料のみからなるヒートシンクを用いて冷却するには限界があることが分かり、放熱特性向上のための新たなヒートシンク材料が必要とされている。ヒートシンク材料として、ＳｉＣは最も頻繁に使用される材料の一つである（例えば、特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、通常使われているセラミックス焼結体のＳｉＣでは、常温熱伝導率が１００〜１３０Ｗ／ｍＫと充分な値が得られていない。ＳｉＣそのものは、世の中に現存する物質中でダイヤモンドに次ぐ熱伝導率を有し、材料固有の熱伝導率としては、５００Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率を示す。セラミックス放熱板で充分な熱伝導率が得られない原因は、セラミックス焼結体が微小な結晶粒の集合体であり、材料中に多くの粒界が存在するからである。さらに、セラミックス焼結体には、作製時焼結を助けるために焼結助剤を添加しているが、この助剤が粒界を形成して、熱伝導性を劣化させている場合もある。結晶粒界は熱伝導の担い手であるフォノン（結晶格子振動の量子）を散乱し、熱伝導率の大幅な低下をもたらす。
【特許文献１】特開２００３−１００９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したように、従来用いられていたセラミックス焼結体のＳｉＣは、常温熱伝導率が１００〜１３０Ｗ／ｍＫと小さく、電子部品のヒートシンク材料として充分な役割を果たすことができない。この原因は、セラミックス焼結体が微小な結晶粒の集合体であり、材料中に多くの粒界が存在するからである。
【０００６】
そこで、本発明は、ヒートシンク材料として、セラミックス焼結体ＳｉＣに比べ、結晶粒界の少ないＳｉＣ高熱伝導率放熱板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、
（１）  昇華再結晶法により作製された炭化珪素単結晶又は炭化珪素多結晶から加工してなる放熱板であって、該放熱板の常温で熱伝導率が２００〜５５０  Ｗ／ｍＫであることを特徴とする炭化珪素製放熱板、
（２）  前記放熱板の抵抗率が１０８〜１０２２Ωｃｍである（１）記載の炭化珪素製放熱板、  
（３）  前記放熱板に貫通中空欠陥が存在しない（１）記載の炭化珪素製放熱板、
である。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、種結晶を用いた改良型レーリー法により、高抵抗率で且つ良質のＳｉＣ単結晶又はＳｉＣ多結晶を再現性良く成長させることができる。このような結晶から切り出したＳｉＣ単結晶あるいは多結晶ウェハを用いれば、熱伝導特性の優れた放熱板を製作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
まず、本発明の炭化珪素単結晶あるいは多結晶からなる放熱板について説明する。本発明の放熱板を構成する炭化珪素単結晶あるいは多結晶は、昇華再結晶法によって製造され、そのため材料中に結晶粒界が皆無あるいは極めて少なく、常温熱伝導率が２００〜５５０Ｗ／ｍＫであると言うことを特徴とする。常温熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ未満の場合、例えばＩＧＢＴ素子を搭載したパワーモジュールを実際に作動させた時に、ＩＧＢＴ素子の温度が７０℃とＩＧＢＴ素子の動作温度の上限値に近い高温となり、素子の安定動作に支障をきたす場合があることが問題となる。なお、５５０Ｗ／ｍＫはＳｉＣの物性から得られる最大熱伝導率である。
【００１０】
次に、昇華再結晶法について説明する。昇華再結晶法は、２０００℃を超える高温においてＳｉＣ粉末を昇華させ、その昇華ガスを低温部に再結晶化させることにより、ＳｉＣ結晶を製造する方法である。この方法で、ＳｉＣ単結晶からなる種結晶を用いて、ＳｉＣ単結晶を製造する方法は、特に改良レーリー法と呼ばれ（Ｙｕ．Ｍ．  Ｔａｉｒｏｖ  ａｎｄ  Ｖ．Ｆ．  Ｔｓｖｅｔｋｏｖ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，  ｖｏｌ．  ５２  （１９８１）  ｐｐ．１４６〜１５０）、バルク状のＳｉＣ単結晶の製造に利用されている。改良レーリー法では、種結晶を用いているため、結晶の核形成過程が制御でき、また、不活性ガスにより雰囲気圧力を１００Ｐａから１５ｋＰａ程度に制御することにより、結晶の成長速度等を再現性良くコントロールできる。図１を用いて改良レーリー法の原理を説明する。種結晶となるＳｉＣ単結晶と原料となるＳｉＣ結晶粉末（通常、アチソン（Ａｃｈｅｓｏｎ）法で作製された研磨材を洗浄・前処理したものが使用される）は、坩堝（通常黒鉛製）の中に収納され、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中（１３３Ｐａ〜１３．３ｋＰａ）、２０００〜２４００℃に加熱される。この際、原料粉末に比べ、種結晶がやや低温になるように温度勾配が設定される。原料は、昇華後、濃度勾配（温度勾配により形成される）により、種結晶方向へ拡散、輸送される。単結晶成長は、種結晶に到着した原料ガスが種結晶上で再結晶化することにより実現される。
【００１１】
従来のＳｉＣセラミックス焼結体を用いた放熱板では、上記したように、材料中に多数の結晶粒界が存在し、熱伝導の担い手であるフォノン（結晶格子振動の量子）が散乱されるため、熱伝導率が大幅に低下する。これに対して、ＳｉＣ単結晶では、結晶粒界が皆無あるいは極めて少ないために、熱伝導率の低下が無く、極めて優れた熱伝導性を保持できる。
【００１２】
上記した昇華再結晶法には、通常ＳｉＣ単結晶の｛０００１｝面という結晶方位を有する種結晶が使用されるが、作製したＳｉＣ単結晶には、直径０．１〜１０μｍ程度の貫通中空欠陥（通称マイクロパイプ欠陥）が存在する。この貫通中空欠陥は、結晶中に存在する大型の螺旋転位の一種であり、転位により生じる大きい歪みを緩和するために、転位の芯が空洞化して発生するものと考えられている。
【００１３】
半導体素子の放熱板としての利用を考えるとき、放熱板に前記した貫通中空欠陥が存在すると、放熱板として好ましくない場合がある。一例を挙げると、素子モジュールに放熱板を金属系のロー材を用いて接合する際、ロー材が孔を貫通して導電性のパスを形成する等の不都合が生じる場合がある。
【００１４】
このような場合は、成長に用いるＳｉＣ種結晶の面方位として、特定の方位（｛１１−２０｝面及び｛１−１００｝面）の面を有するものを用いることにより得られる、貫通中空欠陥の全く無い結晶を使用することが好ましい。これらの面方位を用いた成長により貫通中空欠陥の発生が完全に防止できることは、特開平５−２６２５９９号公報に開示されている。貫通中空欠陥発生防止の機構としては、成長機構が従来の｛０００１｝面成長における螺旋転位からのステップ供給によるものでは無いためであり、大型の螺旋転位の一種である貫通中空欠陥の発生は、完全に抑えられる。このようにして、全く孔の無いＳｉＣ単結晶放熱板が得られる。
【００１５】
また、放熱板上に形成される半導体素子の種類によっては、放熱板の電気抵抗が十分高い必要がある場合も存在する。例えば、大電力用ＩＧＢＴ素子のチップを載せたリードフレームを放熱板に直付けするような場合は、放熱板自身が十分な絶縁性を有することが必須条件となる。この場合、半絶縁性を有する単結晶ＳｉＣから切り出したウェハを用いる方法が有効である。半絶縁性を有する単結晶ＳｉＣは、結晶成長に用いる炭化珪素原料に高純度のものを用いることで作製できる。高純度原料としては、例えばＳｉ化合物ガス（例えばＳｉＨ４）とＣ化合物ガス（例えばＣ３Ｈ８）を用いた化学気相成長法（ＣＶＤ法）により得られた粉末が使用できる。この原料を使用して作製したＳｉＣ単結晶から得られるウェハの抵抗率は１０８〜１０２２Ωｃｍである。抵抗率が１０８Ωｃｍ未満の場合、素子間の絶縁性が不十分となり、素子の動作に支障をきたす場合がある。なお、抵抗率１０２２Ωｃｍは、ＳｉＣの物性から得られる最大抵抗率である。
【００１６】
一方、放熱板材料として前記した単結晶ＳｉＣに代って、多結晶ＳｉＣを用いることも可能である。一般に多結晶は、単結晶と比較して結晶粒界がより多く存在することから、熱伝導特性においては劣る。しかしながら、昇華再結晶法で製造したＳｉＣ多結晶は、粒サイズが大きく（０．５〜数ｍｍ径）、粒界密度が小さいという特徴を持つ。このため、ＳｉＣセラミックス焼結体と比べれば、十分大きい熱伝導率（２００Ｗ／ｍＫ以上）を有するＳｉＣ多結晶が得られ、放熱板として十分利用可能となる。さらに、多結晶ＳｉＣは、単結晶ＳｉＣと比較して種結晶を準備する必要がないため、製造がより簡易であり、低コストで作製可能と言う利点を持つ。
【実施例】
【００１７】
（実施例１）
以下に、本発明の実施例について述べる。まず、図２に示す単結晶成長装置について、簡単に説明する。結晶成長は、ＳｉＣ結晶粉末２を昇華させ、種結晶として用いたＳｉＣ単結晶１上で再結晶化させることにより、行われる。種結晶のＳｉＣ単結晶１は、高純度黒鉛製坩堝３の蓋４の内面に取り付けられる。原料のＳｉＣ結晶粉末２は、高純度黒鉛製坩堝３の内部に充填されている。このような黒鉛製坩堝３は、二重石英管５の内部に、黒鉛の支持棒６により設置される。黒鉛製坩堝３の周囲には、熱シールドのための黒鉛製フェルト７が設置されている。二重石英管５は、真空排気装置により高真空排気（１０−３Ｐａ以下）することができ、かつ内部雰囲気をＡｒガスにより圧力制御することができる。また、二重石英管５の外周には、ワークコイル８が設置されており、高周波電流を流すことにより黒鉛製坩堝３を加熱し、原料及び種結晶を所望の温度に加熱することができる。坩堝温度の計測は、坩堝上部及び下部を覆うフェルトの中央部に直径２〜４ｍｍの光路を設け坩堝上部及び下部からの光を取りだし、二色温度計を用いて行う。坩堝下部の温度を原料温度、坩堝上部の温度を種温度とする。
【００１８】
次に、この結晶成長装置を用いたＳｉＣ単結晶の製造について実施例を説明する。まず、種結晶１として、口径５０ｍｍの（０００１）面を有した六方晶系のＳｉＣ単結晶ウェハを用意した。次に、種結晶１を黒鉛製坩堝３の蓋４の内面に取り付けた。黒鉛製坩堝３の内部には、アチソン法により作製したＳｉＣ結晶原料粉末２を充填した。次いで、ＳｉＣ原料を充填した黒鉛製坩堝３を、蓋４で閉じ、黒鉛製フェルト７で被覆した後、黒鉛製支持棒６の上に乗せ、二重石英管５の内部に設置した。そして、石英管の内部を真空排気した後、ワークコイルに電流を流し、原料温度を２０００℃まで上げた。その後、雰囲気ガスとして高純度Ａｒガスを流入させ、石英管内圧力を約８０ｋＰａに保ちながら、原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた。成長圧力である１．３ｋＰａには約３０分かけて減圧し、その後約２０時間成長を続けた。この際の坩堝内の温度勾配は１５℃／ｃｍで、成長速度は約０．８ｍｍ／時であった。得られた結晶の口径は５１ｍｍで、高さは１６ｍｍ程度であった。
【００１９】
こうして得られた炭化珪素単結晶をＸ線回折及びラマン散乱により分析したところ、六方晶系のＳｉＣ単結晶が成長したことを確認できた。結晶の熱伝導率を測定する目的で、成長した単結晶インゴットから厚さ２．８ｍｍのウェハを４枚切り出した。ウェハを直接光学顕微鏡にて観察したところ、貫通中空欠陥密度が１０〜１００個／ｃｍ２程度存在することが確認できた。さらに確認するために、５２０℃に溶融した水酸化カリウム溶液中で５分間エッチングを施した。このエッチング処理を行うと、貫通中空欠陥は、六角状エッチピットとして観察できる。ウェハついてエッチピット数密度を調べたところ、目視観察と同様の数密度の貫通中空欠陥が検出された。
【００２０】
これらのウェハについてレーザーフラッシュ法（厚さ０．５〜３ｍｍの試料にレーザー光を照射し、裏面の温度履歴曲線を解析することにより、熱拡散率、比熱を求め、計算式から熱伝導率を算出する測定法）により熱伝導率を測定したところ、いずれのウェハも４５０〜５００Ｗ／ｍＫという高い熱伝導率を示した。また、電気抵抗測定を実施したところ、０．２〜０．４Ωｃｍの抵抗率を示した。
【００２１】
次いで、従来公知の方法で上記ＳｉＣ単結晶インゴットを切断したウェハに面出し加工を施した後、研磨加工等を施し、縦３５ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ放熱板の作製を完了した。
【００２２】
次に、導体回路等を有する絶縁性基板として、一面にアルミニウムからなる導体回路が、他の一面にアルミニウム板がそれぞれロー材を用いて接合された厚さ４ｍｍの窒化アルミニウム製基板を用い、得られた放熱板と窒化アルミニウム基板とを、アルミニウム板を挟んで加熱、圧着することで接合し、パワーモジュール用基板の作製を完了した。
【００２３】
次に、このモジュール用基板にＩＧＢＴ素子を搭載し、放熱板をクーリングユニットに取り付けてパワーモジュールを作製して、実際に作動させ、ＩＧＢＴ素子の温度を測定した。その結果、動作開始後素子温度は４５℃±５℃の範囲を保持しており、ＩＧＢＴ素子の安定動作上限値である７０℃に対して十分な低温を保持していた。
【００２４】
（実施例２）
実施例１と同様にして、種結晶として、（０００１）面を有した六方晶系のＳｉＣ単結晶インゴットから切り出した（１１−２０）及び（１−１００）面を有する種結晶１を用意した。次に、種結晶１を黒鉛製坩堝３の蓋４の内面に取り付けた。黒鉛製坩堝３の内部には、ＣＶＤ法により得られた高純度ＳｉＣ結晶粉末２を充填した。次いで、ＳｉＣ原料を充填した黒鉛製坩堝３を、蓋４で閉じ、黒鉛製フェルト７で被覆した後、黒鉛製支持棒６の上に乗せ、二重石英管５の内部に設置した。そして、石英管の内部を真空排気した後、ワークコイルに電流を流し、原料温度を２０００℃まで上げた。その後、雰囲気ガスとして高純度Ａｒガスを流入させ、石英管内圧力を約８０ｋＰａに保ちながら、原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた。成長圧力である１．３ｋＰａには約３０分かけて減圧し、その後約２０時間成長を続けた。この際の坩堝内の温度勾配は１５℃／ｃｍで、成長速度は約０．７５ｍｍ／時であった。得られたそれぞれの結晶の口径は５１ｍｍで、高さは１５ｍｍ程度であった。
【００２５】
こうして得られた炭化珪素単結晶をＸ線回折及びラマン散乱により分析したところ、いずれも六方晶系のＳｉＣ単結晶が成長したことを確認できた。結晶の熱伝導率を測定する目的で、それぞれの成長した単結晶インゴットから厚さ２．８ｍｍのウェハを４枚切り出した。ウェハを直接光学顕微鏡にて観察したところ、いずれも貫通中空欠陥は全く確認されなかった。念のため、貫通中空欠陥の有無を確認するために、成長した結晶を｛０００１｝面が出るように切断し、５２０℃に溶融した水酸化カリウム溶液中で５分間エッチングを施した。この表面を観察したところ、貫通中空欠陥に起因する六角形状エッチピットは全く観察されず、結晶中に貫通中空欠陥が存在しないことが確認できた。これらのウェハについてレーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定したところ、いずれのウェハも４５０〜５００Ｗ／ｍＫと言う高い熱伝導率を示した。また、電気抵抗測定を実施したところ、いずれも１０１０Ωｃｍの抵抗率を示した。
【００２６】
次いで、従来公知の方法で上記ＳｉＣ単結晶インゴットを切断したウェハに面出し加工を施した後、研磨加工等を施し、縦３５ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ放熱板の作製を完了した。
【００２７】
次に、この放熱板に、ＩＧＢＴ素子を配線したリードフレームを直にロー付けした後、放熱板をクーリングユニットに取り付けてパワーモジュールを作製して、実際に作動させた。素子の動作を確認したところ、電流リークによる動作不良も無く安定に動作した。この結果より、放熱板に貫通中空欠陥が無いために放熱板中に導電性のパスの発生が防止でき、放熱板上での直接配線が可能（モジュール作製工程の簡略化が可能）であることが確認できた。また、ＩＧＢＴ素子の温度を測定したところ、動作開始後素子温度は３５℃±５℃の範囲を保持しており、ＩＧＢＴ素子の安定動作上限値の７０℃に対して十分な低温を保持していた。
【００２８】
（実施例３）
種結晶を用いない以外は、実施例１と同様にした。黒鉛製坩堝３の内部には、アチソン法により作製したＳｉＣ結晶原料粉末２を充填した。次いで、ＳｉＣ結晶原料を充填した黒鉛製坩堝３を、蓋４で閉じ、黒鉛製フェルト７で被覆した後、黒鉛製支持棒６の上に乗せ、二重石英管５の内部に設置した。そして、石英管の内部を真空排気した後、ワークコイルに電流を流し、原料温度を２０００℃まで上げた。その後、雰囲気ガスとして高純度Ａｒガスを流入させ、石英管内圧力を約８０ｋＰａに保ちながら、原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた。成長圧力である１．３ｋＰａには約３０分かけて減圧し、その後約２０時間成長を続けた。この際の坩堝内の温度勾配は１５℃／ｃｍで、成長速度は約１．０ｍｍ／時であった。得られた多結晶の口径は５１ｍｍで、高さは２０ｍｍ程度であった。
【００２９】
こうして得られた炭化珪素多結晶をＸ線回折及びラマン散乱により分析したところ、ＳｉＣ多結晶が成長したことを確認できた。結晶の不純物濃度を測定する目的で、成長した単結晶インゴットから厚２．８ｍｍのウェハを５枚切り出した。これらのウェハについてレーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定したところ、いずれのウェハも２００〜２５０Ｗ／ｍＫと、単結晶ＳｉＣには劣るが、セラミックス焼結体と比較して、より高い熱伝導率を示した。また、電気抵抗測定により得られたウェハの抵抗率は０．８〜１Ωｃｍの抵抗率を示した。
【００３０】
次に、実施例１と同様にして、放熱板作製、及び、ＩＧＢＴ素子を搭載したパワーモジュールを形成した。
【００３１】
次に、パワーモジュールを実際に作動させ、ＩＧＢＴ素子の温度を測定した。その結果、動作開始後素子温度は上昇するが、５５℃±５℃の範囲で安定していた。この温度は、実施例１で示した単結晶のそれと比較すると、約１０℃高くなっていた（熱伝導率の差によるものと考えられる）が、ＩＧＢＴ素子の安定動作温度の上限値である７０℃よりも十分低温を保持していた。
【００３２】
（比較例）
市販されている高密度ＳｉＣセラミックスを放熱板状に加工したものについて、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定したところ、常温熱伝導率は１２５Ｗ／ｍＫを示した。この放熱板を用いて、実施例１と同様にしてモジュ−ル用基板を形成した。次に、このモジュール用基板に、ＩＧＢＴ素子を搭載し、放熱板をクーリングユニットに取り付けた後、パワーモジュールを実際に作動させ、ＩＧＢＴ素子の温度を測定した。その結果、動作開始後素子温度は７０℃±５℃の範囲を保持していた。この温度は、上記した実施例１〜３のいずれの場合よりも高温であり、これより、ＳｉＣセラミックスによる放熱板に対し、ＳｉＣ単結晶製放熱板又はＳｉＣ多結晶製放熱板が優れた放熱性を有することが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】改良レーリー法の原理を説明する図である。
【図２】実施例で用いた結晶成長装置の概略図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  種結晶（ＳｉＣ単結晶）、
２  ＳｉＣ結晶粉末原料、
３  坩堝（黒鉛あるいはタンタル等の高融点金属）、
４  黒鉛製坩堝蓋、
５  二重石英管、
６  支持棒、
７  黒鉛製フェルト（断熱材）、
８  ワークコイル、
９  高純度Ａｒガス配管、
１０  高純度Ａｒガス用マスフローコントローラ、
１１  真空排気装置。
【図１】
2005311261.tif 000002
【図２】
2005311261.tif 000003