(57)【要約】半導体装置の表面に無数の柱状または平板状突起をつくり、さらにこれらの突起を含めた表面全体にスパッタリング、イオンプレーティングまたはＣＶＤによってＳｉＯ２等の電気絶縁性の薄膜を形成し、表面からの伝熱特性を改善する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の微細な柱状または平板状突起を設けられた表面を有する
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
更に、前記表面全体を覆う電気絶縁性の薄膜を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電気絶縁性の薄膜はＳｉＯ２の薄膜である
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記微細な柱状または平板状突起は、その断面の縦横の寸法がともに１０〜５００μｍであり、高さが１０〜５００μｍである
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体装置の表面に多数の微細な柱状または平板状突起を形成し、
さらに該形成された微細な突起を有する表面全体の上に電気絶縁性の薄膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の冷却表面形成方法。
【請求項６】
前記微細な柱状または平板状突起をドライエッチングによって形成する
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の冷却表面形成方法。
【請求項７】
前記微細な柱状または平板状突起は、その断面の縦横の寸法がともに１０〜５００μｍであり、高さが１０〜５００μｍであるように形成する
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の半導体装置の冷却表面形成方法。
【請求項８】
前記電気絶縁性の薄膜を、スパッタリング、イオンプレーティングまたはＣＶＤ法によってＳｉＯ２で形成する
ことを特徴とする請求項５ないし請求項７に記載の半導体装置の冷却表面形成方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、半導体装置とその冷却表面形成方法に関し、特に、伝熱効率のよい冷却表面構造を持つ半導体装置とその冷却表面を形成する方法であって、冷却液中に浸漬して沸騰冷却する必要のあるような大きな発熱量を持ち、その冷却表面と冷却液との間の熱伝達率を向上させて伝熱特性を改善する半導体装置とその冷却表面を形成する方法に関する。
背景技術
近年における半導体装置の高集積化と高速化の進展にはめざましいものがあり、それにともない半導体デバイスの発熱量も増大して、その冷却能力を強化することが、回路動作の安定化とひいては信頼性の向上のために、ますます重要な問題になってきている。半導体デバイスの冷却には、空冷、ペルチエ効果を用いた電子冷却、あるいは冷却液を用いる液冷などがある。最近の高集積化技術において注目されている三次元実装では、半導体デバイス間の空間を小さくすることが要求される。このため、半導体デバイスを冷却液に漬けて冷却液を沸騰させ、その気化熱と対流により効率的に冷却する浸漬沸騰冷却方法が有効である。
浸漬沸騰冷却では、沸騰状態が安定に持続するように泡を発生しやすくするなど、冷却面を処理して伝熱促進を図る方法がとられる。次に従来技術の例（ａ）〜（ｆ）を示す。
（ａ）アルミニウム粒子で表面のサンドブラストを行い、冷却面に表面粗さを形成した後、同時に生じている格子欠陥および結晶損傷をＫＯＨ溶液によるエッチングによって改善する方法（参考文献１：特開昭５４−９６９６５号公報）。
（ｂ）レーザー照射によって半導体チップやウエハーの表面に微細な孔を多数形成し、気泡を発生しやすくして伝熱特性を高める方法（参考文献２：米国特許第４，０５０，５０７号公報）。
（ｃ）ウエハーの表面に磁性鉄粉を積層し、磁化してヒモ状に立ち上げたあとメッキすることによりブラシ状の構造（デンドライト）を形成し、伝熱特性を高める方法（参考文献３：米国特許第３，７０６，１２７号公報）。
（ｄ）銅などの放熱体の表面に微小量の塗料を放熱面に島状に塗布したあとメッキを行い、ついで塗料を除去することによって表面に微細孔を形成し、沸騰伝熱特性を向上させる方法（参考文献４：特開昭５６−１６６９３号公報）。
（ｅ）伝熱面に金属粒子を積み上げた後に金属被膜を形成して多孔質層を形成することにより沸騰伝熱特性を向上させる方法（参考文献５：特開昭５５−６３３９７号公報）。
（ｆ）微粒子や銀箔を接着剤の溶液に混ぜたものを塗布し、乾燥させる事によって多孔質層を形成する方法（参考文献６：ＡＳＭＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ，Ｖｏｌ．１１７，ｐｐ．３８７−３９３，１９９５）。
従来例（ａ）〜（ｆ）に示されるような技術は、半導体デバイスの冷却に適用する場合、それぞれ伝熱性能が不十分であったり、高熱負荷域で伝熱面温度が高くなるなどの欠点を持ち、また構造的に半導体デバイスの三次元実装には不向きで、今後さらに進むであろう三次元実装のためにデバイス間の空間を小さくする要求を満たすことは難しいなどの問題があった。
本発明の目的は、従来よりも優れた伝熱特性を持つとともに高熱負荷域での伝熱面温度を低くでき、高密度の三次元実装にも適応できる半導体装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、従来よりも優れた伝熱特性を持つとともに高熱負荷域での伝熱面温度を低くでき、高密度の三次元実装にも適応できる半導体装置の冷却表面形成方法を提供することにある。
発明の開示
本発明の半導体装置は、多数の微細な柱状または平板状突起を設けられた表面を有する。
また、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記表面全体を覆う電気絶縁性の薄膜を有する。
また、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記電気絶縁性の薄膜はＳｉＯ２の薄膜である。
また、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記微細な柱状または平板状突起は、その断面の縦横の寸法がともに１０〜５００μｍであり、高さが１０〜５００μｍである。
本発明の半導体装置の冷却表面形成方法は、半導体装置の表面に多数の微細な柱状または平板状突起を形成し、さらに該形成された微細な突起を有する表面全体の上に電気絶縁性の薄膜を形成する。
また、好ましくは、本発明の半導体装置の冷却表面形成方法において、前記微細な柱状または平板状突起をドライエッチングによって形成する。
また、好ましくは、本発明の半導体装置の冷却表面形成方法において、前記微細な柱状または平板状突起は、その断面の縦横の寸法がともに１０〜５００μｍであり、高さが１０〜５００μｍであるように形成する。
また、好ましくは、本発明の半導体装置の冷却表面形成方法において、前記電気絶縁性の薄膜を、スパッタリング、イオンプレーティングまたはＣＶＤ法によってＳｉＯ２で形成する。
本発明の半導体装置およびその冷却表面形成方法によれば、半導体素子の表面に微細加工を施すことによって高い沸騰冷却性能を得ることができる。即ち、最大熱流束点の伝熱面温度を半導体デバイスの許容限界温度よりかなり低く保つことが可能であり、また最大熱流束の値も、液の過冷度を大きくとることによって容易に従来例の最高レベルと同程度にすることが可能であるので、半導体デバイス間の空間を小さくする必要のある三次元実装の要求にも容易に応えることができる。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、半導体デバイスの表面に微細加工を施す事によって高い沸騰冷却性能を実現するものであり、具体的には、半導体デバイスの表面に無数の柱状または平板状突起をつくり、さらにこれらの突起を含めた半導体デバイスの表面全体にスパッタリング、イオンプレーティングまたはＣＶＤによってＳｉＯ２等の電気絶縁性の薄膜を形成することにより、表面からの伝熱特性を改善するものである。ここでＳｉＯ２等の電気絶縁性の薄膜を全面に形成するのは、沸騰冷却の際に半導体デバイスの表面上で成長する蒸気泡の下部に取り残される冷却液の量を、表面処理を施していない平滑なデバイス表面に比べて増大させることにより、高熱負荷域の冷却性能を改善するためである。
第１図は、本発明による半導体装置の原理的構造を例示的に示す説明図である。第１図（Ａ）は、本発明による冷却表面加工を施したシリコンチップ１の外観を示し、その表面の一部を拡大して示した写真画像の例である。また第１図（Ｂ）はシリコンチップ１の上面図、第１図（Ｃ）は側面図である。
シリコンチップ１の表面には、ドライエッチングで格子状に食刻されるなどの方法で、多数の微細角柱５が形成される。微細角柱５の大きさは、たとえば断面の縦横寸法が５０×５０μｍ２で、高さが６０μｍとされる。隣接する微細角柱５の間は、たとえば５０μｍ（縦横寸法に等しい値）〜６０μｍ（高さに等しい値）の範囲とされる。そのあと、スパッタリングなどにより微細角柱５を含むシリコンチップ１の全表面をＳｉＯ２などの電気絶縁性の薄膜６で被覆する。なお、微細角柱５の大きさは、たとえば断面の縦横寸法が１０×１０μｍ２〜５００×５００μｍ２で、高さが１０μｍ〜５００μｍであればよい。
次に、本発明による半導体装置の冷却表面形成の好適な実施の形態について説明する。第２図は、その冷却表面形成処理工程を模式的に示す。
第２図（Ａ）は、本発明の表面処理を施す前のシリコンチップ１の外観を示す。シリコンチップ１の面積の寸法は１０×１０ｍｍ２、厚さは０．５ｍｍであった。なお、便宜上、シリコンチップ１の内部構造は省略して示される。
第２図（Ｂ）は、シリコンチップ１の表面に光硬化性樹脂膜によるパターンマスク２を焼き付けた工程を断面で示す。パターンマスク２は、シリコンチップ１の表面全面に光硬化性樹脂膜を塗布形成したのち、縦横に配列された多数の方形島部３の部分だけ露光して硬化させ、露光されずに残った光硬化性樹脂膜の格子状パターン部分４を除去して形成される。各方形島部３の面積の寸法は、形成する微細な柱状突起の断面積に対応し、１０×１０〜５００×５００μｍ２位の大きさが適当である。
第２図（Ｃ）は、ドライエッチングの工程を示す。シリコンチップ１の表面を、パターンマスク２の上からドライエッチングにより６０μｍ程度の深さで格子状に食刻し、そのあとパターンマスク２の光硬化性樹脂膜を除去する。
第２図（Ｄ）は、パターンマスク２除去後の高さ６０μｍの微細角柱５を多数形成されたシリコンチップ１の表面を示す。
第２図（Ｅ）は、最終工程で、シリコンチップ１の表面全体に、スパッタリングによって厚さ約３μｍのＳｉＯ２薄膜６を形成した。
次に、本発明による冷却表面を持つ半導体デバイスの沸騰伝熱特性測定結果について述べる。試料として表面積１０×１０ｍｍ２、厚さ０．５ｍｍのシリコンチップ表面に縦横寸法１０×１０〜５００×５００μｍ２、高さ６０μｍの微細角柱をドライエッチングで形成し、その一部についてはスパッタリングによって厚さ約３μｍのＳｉＯ２の薄膜を形成した。これらＳｉＯ２の薄膜を形成されたものと形成されないものとの２種類の処理を施したシリコンチップを不伝導性液体ＦＣ７２中に浸漬し、シリコンチップに直流による通電加熱を行って沸騰伝熱特性を測定した。
第３図は５種類のチップの沸騰伝熱特性の比較例を示す。縦軸ｑは伝熱面熱流束を示し、横軸△Ｔｓａｔは伝熱面過熱度（伝熱面温度−冷却液の飽和温度）を示す。また、△Ｔｓｕｂは冷却液の過冷度（飽和温度−液温度）を示す。さらに、縦の破線は、半導体デバイスの許容限界作動温度（８５℃）を示す。試料の記号Ｓｍｏｏｔｈは微細加工を施していない平滑なチップである。さらに記号ＳＭはドライエッチング加工面のままのチップ、記号ＳＴはドライエッチング後にスパッタリングを行ったチップを示す。また、記号ＳＭ、ＳＴに付加された数字２０、５０は、角柱断面の寸法が２０×２０μｍ２か５０×５０μｍ２かを示す。チップ表面を微細加工したことによって、チップの最大伝熱面熱流束（ｑＣＨＦ）は△Ｔｓａｔの許容限界内で平滑チップの２倍程度増加している。また、スパッタリングを施すことによって最大伝熱面熱流束が増大していることが分かる。
第４図は、試料ＳＴ２０の測定結果と従来の試料（ｆ），（ｃ），（ｂ）の測定結果とを比較したものである。試料（ｆ）はダイアモンド微粒子よりなる多孔質層を持つ面、試料（ｃ）はデンドライト面、試料（ｂ）はレーザ処理面を持つチップである。なお、（ｃ），（ｂ）の試料では、チップを基板に取り付けたものを伝熱体としているので、チップ表面以外からの放熱がかなりあり、ｑは実際より大きい値を示している（実際にはもっと低い性能になる）。本発明による試料ＳＴ２０は、他に比べて小さい△Ｔｓａｔで高い最大伝熱面熱流束を伝達できることを示している。
第５図は本発明による冷却表面を持つ半導体デバイスの最大伝熱面熱流束ｑＣＨＦのフィン高さによる変化の測定結果を示すグラフ（フィン厚さ＝３０μｍ）である。縦軸ｑＣＨＦは第３図の沸騰伝熱特性における最大伝熱面熱流束を示し、横軸Ａｔ／Ａは表面積拡大率（フィン付き面の全表面積Ａｔと投影面積Ａの比）である。本発明による冷却表面を持つ半導体デバイスにおいては、その最大熱流束ｑＣＨＦが、フィン高さが０〜２００μｍの範囲では、フィン高さの増大につれて増大することを示している。また、この傾向は、冷却液の過冷度△Ｔｓｕｂが大きいほど顕著になることを示している。従って、フィン高さが高いほど伝熱性能が向上することが判る。
一方、フィン高さがおよそ５００μｍを超えると、当該フィンを通しての熱伝導抵抗が増大する結果最大熱流束ｑＣＨＦの増加傾向が飽和し、ついには減少に転じると考えられる。従って、フィン高さは５００μｍまでが好ましい。一方、通常、シリコンチップの厚さが５００μｍ程度であることを考えると、これにほぼ等しい高さのフィンを実装することに問題はない。また、この場合において、フィンの縦横がおよそ５００μｍを超えると、表面積拡大率Ａｔ／Ａが減少するので、伝熱性能も低下してしまう。従って、フィンの縦横は５００μｍまでが好ましい。
なお、上述した本発明の説明では、チップ表面に微細な角柱を形成するものとしていたが、円柱その他の類似の形状の突起であっても同様な働きをすることができる。また突起の配列は、必ずしも等間隔である必要はない。
産業上の利用可能性
本発明は、半導体素子の表面に微細加工を施すことによって高い沸騰冷却性能を得るものであり、最大熱流束点の伝熱面温度が半導体デバイスの許容限界温度よりかなり低く保つことが可能であり、また最大熱流束の値も、液の過冷度を大きくとることによって容易に従来例の最高レベルと同程度にすることができるので、半導体デバイス間の空間を小さくする必要のある三次元実装の要求にも容易に応えることができる。
さらに本発明に必要な加工技術としては、半導体デバイスの標準的な微細加工技術を用いることができるので、実際の製造プロセスへの応用は容易である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による半導体装置の構造を例示的に示す原理説明図であり、第１図（Ａ）は、冷却表面加工を施したシリコンチップの外観を示し、第１図（Ｂ）はシリコンチップの上面を示し、第１図（Ｃ）は側面を示す。
第２図（Ａ）ないし（Ｅ）は本発明の一実施の形態による半導体装置の冷却表面形成処理を模式的に示す工程図である。
第３図は本発明による冷却表面を持つ半導体デバイスと従来例の試料の沸騰伝熱特性測定結果を示すグラフである。
第４図は試料ＳＴ２０の測定結果と従来例の試料（ｆ），（ｃ），（ｂ）の測定結果とを比較したグラフである。
第５図は本発明による冷却表面を持つ半導体デバイスの最大熱流束のフィン高さによる変化の測定結果を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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