DE69936672T2

DE69936672T2 - Kühlkörper und seine Herstellung

Info

Publication number: DE69936672T2
Application number: DE1999636672
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki 1-1. Koyakita 1-chome Itami-shi Yamamoto; Hirohisa 1-1. Koyakita 1-chome Itami-shi Saito; Takahiro 1-1. Koyakita 1-chome Itami-shi Imai; Kiichi 1-1. Koyakita 1-chome Itami-shi Meguro
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1999-01-15
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2019-01-16
Also published as: EP0930649A2; EP1424729B1; US20020037412A1; EP1424729A3; EP0930649A3; JP4623774B2; US6641861B2; EP0930649B1; JP2000106413A; EP1424729A2; DE69936672D1; US6361857B1; DE69943006D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper und ein Herstellungsverfahren dafür. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Kühlkörper, auf dem ein Halbleiterelement mit relativ großer Wärmeentwicklung angebracht ist, wie etwa eine Laserdiode, eine CPU (central processing unit), eine MPU (microprocessor unit), eine Hochfrequenzverstärkervorrichtung und dergleichen, mit einer Mehrschichtstruktur, einer Diamantschicht und einer Metallschicht und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kühlkörpers.
Die obengenannten Hochleistungshalbleitergeräte erzeugen eine große Wärmemenge während des Betriebs. Die durch diese Halbleiterelemente erzeugte Wärme hat gemäß den Verbesserungen bei Ausgabe und der Betriebsfrequenz zugenommen. Der Bedarf an kompakter und leichter Elektronikausstattung in der Industrie ist groß, während sich die Packungsdichte der Halbleiterelemente kontinuierlich erhöht. Die Zunahme in der Wärmeerzeugung und Packungsdichte der Halbleiterelemente bedeutet strengere Anforderungen im Hinblick auf die Wärmeabstrahlcharakteristika der in Modulen verwendeten Kühlkörper, auf die Hochleistungshalbleiterelemente montiert sind.
Im Hinblick auf solche Kühlkörper, die einen großen Wärmeabtransport erfordern, wird ein Halbleiterelement auf einen Kühlkörper montiert, der aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet ist, um zu verhindern, dass das Halbleiterelement zu heiß wird. Für Kühlkörper, die Hochleistungshalbleiterelemente, wie etwa einen Hochleistungstransistor oder monolithischer Mikrowellen-IC (MMIC) mit großer Wärmeentwicklung einschließen, wird beispielsweise Berylliumoxid (BeO), das überlegen in thermischer Leitfähigkeit und dielektrischen Eigenschaften ist, konventionell in hohem Maße verwendet.
Diamant ist als die Substanz mit der höchsten thermischen Leitfähigkeit bekannt. Forschung ist durchgeführt worden, um Diamant in dem Kühlkörper zu verwenden, der zum Einschließen eines Halbleiterelements verwendet wird.
Als Kühlkörper, der Diamant verwendet, ist die Entwicklung eines insgesamt aus Diamant gebildeten Kühlkörpers und eines Kühlkörpers mit einem Diamantfilm, der auf einem Metallsubstrat gebildet ist, im Gange.
Da natürlicher Diamant wertvoll ist und künstlicher Diamant kostenträchtig ist, steigen die Kosten des Kühlkörpers, wenn die Menge an Diamant darin größer wird. Daher wird ein Kühlkörper, der insgesamt aus Diamant gebildet ist, im Hinblick auf ein Halbleiterelement mit hoher Wärmeerzeugung, wie etwa einem Hochleistungslaser, nur in Anwendungen verwendet, wo die Wärmeabstrahlung so unzureichend ist, dass sie die ordnungsgemäße Leistung verhindert, wenn ein Ersatz verwendet wird, oder in der Anwendung, wie etwa während der Forschungsstufe, wo die Kosten noch nicht abgeschätzt werden. Ein Kühlkörper mit einem Diamantfilm, der auf einem Metallsubstrat gebildet ist, wird in Produkten verwendet, bei denen die Kosten reduziert werden müssen.
Durch Verwenden eines Kühlkörpers, der teilweise aus Metall gebildet ist, können die Kosten gesenkt werden, obwohl die thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu einem Kühlkörper, der ausschließlich aus Diamant gebildet ist, schlechter ist. Daher sind die Kosten und die Leistung des Kühlkörpers im wesentlichen proportional. Es kann gesagt werden, dass ein Kühlkörper höherer thermischer Leitfähigkeit teurer ist.
Daher gibt es einen Bedarf an wirtschaftlichen Kühlkörpern hoher thermischer Leitfähigkeit.
In Reaktion auf diesen Bedarf wird ein Kühlkörper mit einer Mehrschichtstruktur mit einem dünnen Diamantfilm, der auf einem Metall vorteilhafter thermischer Leitfähigkeit gebildet ist, beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift 5-326767 offenbart.
Herkömmlich ist BeO in großem Umfang als Kühlkörper verwendet worden, das im Hinblick auf thermische Leitfähigkeit überlegen ist. Jedoch ist der Grad an Wärmeabstrahlungseigenschaften, die gegenwärtig erforderlich sind, so hoch geworden, dass sogar BeO nicht ausreichend ist. Ein Versuch ist unternommen worden, die Dicke des BeO-Substrats zu reduzieren, um den thermischen Widerstand zu vermindern. Jedoch ist es per se schwierig, BeO zu verarbeiten. Darüber hinaus ist BeO toxisch. Es kann gesagt werden, dass die Reduktion der Dicke ihre Grenzen erreicht hat.
Hinsichtlich des Kühlkörpers, der in der obengenannten Veröffentlichung offenbart wird, werden Kupfer und Kupfer-Wolfram-Legierung, die Metalle vorteilhafter thermischer Leitfähigkeit darstellen, als die Substanz des Substrats erwähnt. Diese Materialien sind für den Kühlkörper geeignet, da deren thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu anderen Materialien hoch ist und die Kosten relativ niedrig sind.
Jedoch gab es das Problem, dass es schwierig war, einen dünnen Diamantfilm auf dem Substrat, das Kupfer umfasst, mit vorteilhafter Anhaftung wachsen zu lassen, da das Kupfer in dem Substrat kein Carbid bildet, Kohlenstoff nicht absorbiert und nicht mit Kohlenstoff bedeckt wird, wie in New Diamond, Band 10, Nr. 3 (34), Seiten 26 und 27 beschrieben.
Kupfer hat einen hohen thermischen Expansionskoeffizienten, wogegen Diamant einen niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist. Daher gibt es ein Problem, dass der dünne Diamantfilm sich aufgrund des Unterschieds des thermischen Expansionskoeffizienten zwischen Kupfer und Diamant vom Substrat ablöst, wenn die Temperatur des Kühlkörpers höher wird.
Wenn der Unterschied der thermischen Expansion zwischen dem Substrat und dem Diamant klein ist, wird keine Verwindung in dem Diamant-Kühlkörper auftreten. Es werden lediglich Spannungen innerhalb des dünnen Diamantfilms erzeugt, sogar wenn der Kühlkörper hohe Temperatur annimmt. Jedoch ist die thermische Expansion von Kupfer oder eines gesinterten Formteils, das Kupfer umfasst, größer als die von Diamant, was zu dem Problem der Verwindung in dem Kühlkörper führt.
Angesichts dessen ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen Kühlkörper bereitzustellen, der einen dünnen Diamantfilm aufweist, der mit guter Anhaftung an ein Substrat vorteilhafter thermischer Leitfähigkeit gebildet ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kühlkörper bereitzustellen, in dem das Auftreten von Verwindung unterdrückt ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kühlkörper ein Substrat eines gesinterten Formteils, umfassend Cu und W und eine dünne Diamantfilmschicht, die auf der Oberfläche des Substrats gebildet ist. Der Cu-Gehalt in dem Substrat beträgt wenigstens 5 Gew.-%. In einem Röntgenbeugungsdiagramm, das durch Bestrahlen einer dünnen Diamantfilmschicht mit einem Röntgenstrahl erhalten wird, beträgt die Beugungsspitzenintensität der W-(110)-Ebene wenigstens 100-mal die Beugungsspitzenintensität der Cu-(200)-Ebene.
In solch einem Kühlkörper ist die Menge an W an der Oberfläche des Substrats relativ groß, wohingegen die Menge an Cu an der Oberfläche des Substrats relativ gesehen kleiner ist. Daher wird die Anhaftung zwischen dem Substrat und der dünnen Diamantfilmschicht, die auf der Substratoberfläche gebildet ist, verbessert. Im Ergebnis kann die lokal von dem auf die dünne Diamantfilmschicht montierten Halbleiterelement erzeugte Wärme durch die Wirkung der dünnen Diamantfilmschicht als Wärmeverteiler (Wirkung des Wärmeabtransports) innerhalb der Ebene der dünnen Diamantfilmschicht abtransportiert werden, um an das Substrat weitergeleitet zu werden. Die thermische Leitfähigkeit des Substrats wird erhöht, da der Cu-Gehalt in dem Substrat wenigstens 5 Gew.-% beträgt.
In einem Röntgenbeugungsdiagramm, das durch Bestrahlen der dünnen Diamantfilmschicht mit einem Röntgenstrahl erhalten wird, wird es bevorzugt, dass eine WC-Spitze (Wolframcarbid) auftaucht. In diesem Fall ist die Anhaftung zwischen der dünnen Diamantfilmschicht und dem Substrat verbessert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kühlkörper ein Substrat eines gesinterten Formteils, umfassend Cu und W und eine dünne Diamantfilmschicht, die auf der Oberfläche des Substrats gebildet ist. Der Cu-Gehalt in dem Substrat beträgt wenigstens 5 Gew.-%. In einem Röntgenbeugungsdiagramm, das durch Bestrahlen der dünnen Diamantfilmschicht mit einem Röntgenstrahl erhalten wird, ist die Beugungsspitzenintensität der W-(211)-Ebene wenigstens 30-mal die Beugungsspitzenintensität der Cu-(200)-Ebene.
In solch einem Kühlkörper ist die Menge an W an der Oberfläche des Substrats relativ gesehen größer, wohingegen die Menge an Cu an der Oberfläche des Substrats relativ gesehen kleiner ist. Daher ist die Anhaftung zwischen dem Substrat und der dünnen Diamantfilmschicht, die auf der Oberfläche des Substrats gebildet ist, verbessert. Im Ergebnis wird die lokal von dem auf die dünne Diamantfilmschicht montierten Halbleiterelement erzeugte Wärme durch die Wirkung der dünnen Diamantfilmschicht als ein Wärmeverteiler (Effekt des Wärmeabtransports) rasch innerhalb der Ebene der dünnen Diamantfilmschicht abtransportiert, um anschließend an das Substrat weitergeleitet zu werden. Auch die thermische Leitfähigkeit des Substrats wird höher, da der Cu-Gehalt in dem Substrat wenigstens 5 Gew.-% beträgt.
In einem Röntgenbeugungsdiagramm, das durch Bestrahlen der dünnen Diamantfilmschicht mit einem Röntgenstrahl erhalten wird, ist es bevorzugt, dass eine WC-Spitze (Wolframcarbid) auftaucht. In diesem Fall wird die Anhaftung zwischen der dünnen Diamantfilmschicht und dem Substrat verbessert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kühlkörper ein Substrat, umfassend Cu und ein Metall mit einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten und eine dünne Diamantfilmschicht, die auf der Oberfläche des Substrats gebildet ist. Der Cu-Gehalt in dem Substrat beträgt wenigstens 5 Gew.-% Der Cu-Gehalt in dem Substrat wird als Funktion der Annäherung an die Oberfläche des Substrats geringer.
In dem Kühlkörper mit der obigen Struktur ist der Cu-Gehalt an der Oberfläche des Substrats am niedrigsten. Daher ist die Anhaftung zwischen dem Substrat und der dünnen Diamantfilmschicht verbessert, da die Menge an Cu, die nicht einfach an Kohlenstoff anhaftet, an der Oberfläche des Substrats gering ist. Im Ergebnis wird die von dem Halbleiterelement lokal erzeugte Wärme rasch innerhalb der Ebene der dünnen Diamantfilmschicht abtransportiert, um anschließend an das Substrat weitergeleitet zu werden, da die dünne Diamantfilmschicht als Wärmeverteiler (Effekt des Wärmeabtransports) wirkt. Die thermische Leitfähigkeit des Substrats ist ebenfalls erhöht, da der Cu-Gehalt in dem Substrat wenigstens 5 Gew.-% beträgt.
Der Cu-Gehalt in einer Region des Substrats, die nicht mehr als 10 μm tief von der Oberfläche des Substrats entfernt ist, beträgt vorzugsweise nicht mehr als 50 % des gesamten Cu-Gehalts des Substrats. Durch Einstellen des Cu-Gehalts an der Oberfläche des Substrats wird die Anhaftung zwischen der dünnen Diamantfilmschicht und dem Substrat verbessert. Wenn der Cu-Gehalt in einer Region, die nicht mehr als 10 μm tief von der Oberfläche des Substrats entfernt ist, 50 % des gesamten Kupfergehalts des Substrats übersteigt, ist der Anteil des vorliegenden Cu so hoch, dass sich die dünne Diamantfilmschicht leicht von dem Substrat ablöst. Indem der Cu-Gehalt an der Oberfläche des Substrats auf weniger als 50 % des gesamten Cu-Gehalts des Substrats eingestellt wird, kann Verwindung in dem Substrat aufgrund einer geeigneten Menge an Cu, die in dem Substrat verbleibt, unterdrückt werden.
Das Substrat ist vorzugsweise ein gesintertes Cu-W-Formteil oder ein gesintertes Cu-W-Mo-Formteil. Das gesinterte Cu-W-Formteil oder das gesinterte Cu-W-Mo-Formteil muss eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 100 W/m·K aufweisen, um den Vorteil der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
W-Partikel liegen an der Oberfläche des Substrats vor. Die Oberflächenrauheit R_Z der W-Partikel beträgt vorzugsweise wenigstens 0,05 μm. Der Diamantkeim wird leicht von dem konvexen Anteil der W-Partikel erzeugt. Durch Einstellen der Oberflächenrauheit R_Z der W-Partikel, wie oben dargestellt, wird die Diamant-Keimbildungsdichte verbessert. Daher wird die Anzahl an Kontaktpunkten zwischen dem Substrat und der dünnen Diamantfilmschicht erhöht. Auf diese Weise kann die Anhaftung zwischen der dünnen Diamantfilmschicht und dem Substrat weiter verbessert werden.
Wenn die Oberflächenrauheit R_Z des W-Partikels weniger als 0,05 μm beträgt, wird die Keimbildungsdichte vermindert, da der konvexe Anteil des W-Partikels vermindert wird. Das bedeutet, dass die Anhaftung zwischen der dünnen Diamantfilmschicht und dem Substrat schlechter wird, so dass sich die dünne Diamantfilmschicht leicht von dem Substrat ablöst.
Vorzugsweise wird eine Zwischenschicht zwischen der Oberfläche des Substrats und der dünnen Diamantfilmschicht gebildet, in der der Cu-Gehalt ungefähr 0 Gew.-% beträgt. Durch Vorsehen einer Zwischenschicht, die kein Cu umfasst, zwischen dem Substrat und der dünnen Diamantfilmschicht, kommt die dünne Diamantfilmschicht nicht mit dem Cu in dem Substrat in Kontakt. Dadurch wird die Anhaftung zwischen der dünnen Diamantfilmschicht und dem Substrat weiter verbessert.
Die Dicke des Substrats beträgt vorzugsweise wenigstens 200 μm und nicht mehr als 10.000 μm. Um die Substratstärke aufrechtzuerhalten, beträgt die Dicke des Substrats vorzugsweise wenigstens 200 μm. Um zu vermeiden, dass der thermische Widerstand des Kühlkörpers zu groß wird, beträgt die Substratdicke vorzugsweise nicht mehr als 10.000 μm.
Die Dicke der dünnen Diamantfilmschicht beträgt vorzugsweise wenigstens 10 μm. In diesem Fall fungiert die dünne Diamantfilmschicht, indem die durch das Halbleiterelement erzeugte Wärme innerhalb der Ebene gestreut wird, um zu verhindern, dass die Wärme teilweise eingeschlossen wird. Die Dicke der dünnen Diamantfilmschicht muss für diese Funktion wenigstens 10 μm betragen.
Die Wärmeleitfähigkeit einer dünnen Diamantfilmschicht liegt im allgemeinen im Bereich von 500 W/m·K bis 2.000 W/m·K in Abhängigkeit von der Qualität des Diamants. In der vorliegenden Erfindung muss die thermische Leitfähigkeit der dünnen Diamantfilmschicht wenigstens 700 W/m·K betragen, um den Effekt der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
Vorzugsweise weist das Substrat eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 100 W/m·K und eine Dicke of wenigstens 200 μm und nicht mehr als 700 μm auf, wohingegen die dünne Diamantfilmschicht eine Dicke von wenigstens 10 μm und nicht mehr als 200 μm aufweist. In diesem Fall dehnt sich die dünne Diamantfilmschicht im Verhältnis zu dem Substrat aus, da sie sehr dünn ist. Daher ist die Expansion der dünnen Diamantfilmschicht und die des darauf aufgebrachten Halbleiterelements im wesentlichen gleich. Dementsprechend kann die Rissbildung in dem Halbleiterelement unterdrückt werden.
Ferner beträgt die thermische Leitfähigkeit der dünnen Diamantfilmschicht vorzugsweise mehr als 1.000 W/m·K.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte des Reduzierens des Cu-Gehalts in der Oberflächenschichtregion des Substrats durch Eintauchen der Oberfläche des Substrats, umfassend Cu und eines Metalls mit einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizient in Säure und Aufrauen der Oberfläche des exponierten Metalls mit einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten und Bilden einer dünnen Diamantfilmschicht auf der Oberfläche des Substrats, die einer Säurebehandlung unterzogen worden ist, durch Dampfphasensynthese.
Gemäß dem Kühlkörper-Herstellungsverfahren, umfassend die obigen Schritte, wird der Cu-Gehalt an der Oberfläche des Substrats vermindert, indem die Oberfläche des Substrats einer Säurebehandlung unterzogen wird. Dann wird eine dünne Diamantfilmschicht auf der Oberfläche gebildet. Daher kann eine dünne Diamantfilmschicht mit guter Anhaftung auf dem Substrat gebildet werden.
Der Schritt des Reduzierens des Cu-Gehalts in der Oberflächenschichtregion des Substrats umfasst das Aufrauen der exponierten Oberfläche des Metalls mit einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten. Daher ist die Anhaftung zwischen der dünnen Diamantfilmschicht und dem Substrat weiter verbessert, da die dünne Diamantfilmschicht auf dem aufgerauten Metall mit niedrigem thermischen Expansionskoeffizienten gebildet wird.
Die Säure ist vorzugsweise eine Lösung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Flusssäure (HF), Wasserstoffperoxid (H₂O₂) und Chromsäure oder eine daraus gemischte Lösung. Durch Verwenden dieser Säuren kann die Oberfläche des Substrats in geeigneter Weise aufgeraut werden, um die Bildung der dünnen Diamantfilmschicht zu erleichtern.
Der Schritt des Reduzierens des Cu-Gehalts in der Oberflächenschichtregion des Substrats umfasst vorzugsweise einen ersten Säurebehandlungsschritt des Eintauchens der Oberfläche des Substrats in eine bestimmte Säure und einen zweiten Säurebehandlungsschritt des Eintauchens des Substrats, das dem ersten Säurebehandlungsschritt unterzogen wurde, in eine Säure, die sich von der bestimmten Säure unterscheidet.
Durch Bilden eines Diamantfilms durch Dampfphasensynthese wird ein Diamantkeim an einer tiefen Stelle der Oberfläche des Substrats erzeugt. Mit anderen Worten liegt die Wurzel des dünnen Diamantfilms in einer tiefen Region in dem Substrat, so dass ein Ankereffekt erwartet werden kann.
Das Substrat ist vorzugsweise wenigstens ein Typ eines gesinterten Formteils, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem gesinterten Cu-W-Formteil, einem gesinterten Cu-Mo-Formteil und einem gesinterten Cu-W-Mo-Formteil.
W-Partikel sind an der Oberfläche des Substrats, das in Säure eingetaucht worden ist, exponiert. Die Oberflächenrauheit R_Z des W-Partikels beträgt vorzugsweise wenigstens 0,05 μm. Durch eine solche Oberflächenrauheit dringen kleine Diamantpartikel in die Oberfläche der W-Partikel ein. Eine dünne Diamantfilmschicht mit dem Diamantpartikel als Keim wächst. Somit ist die Anhaftung zwischen der dünnen Diamantfilmschicht und dem Substrat verbessert.
Die Säurebehandlung, die den Cu-Gehalt vermindert, wird vorzugsweise durchgeführt, bis die Cu-Spitze in einem Röntgenbeugungsdiagramm, das durch Bestrahlen der Oberfläche des Substrats mit einem Röntgenstrahl erhalten wird, nicht detektiert wird.
In diesem Fall ist der Cu-Gehalt an der Oberfläche des Substrats in ausreichender Weise vermindert. Dadurch wird die Anhaftung zwischen dem Substrat und der darauf gebildeten dünnen Diamantfilmschicht verbessert.
Die Säurebehandlung zum Vermindern des Cu-Gehalts wird vorzugsweise durchgeführt, bis die Porosität der Region des Substrats, die innerhalb einer Tiefe von 30 μm von der Oberfläche des Substrats liegt, wenigstens 5 Vol.% und nicht mehr als 70 Vol.% beträgt und der Cu-Gehalt in der Region innerhalb einer Tiefe von 30 μm von der Oberfläche des Substrats beträgt nicht mehr als 50 % des gesamten Cu-Gehalts des Substrats.
Durch Einstellen der Porosität auf den oben beschriebenen Bereich können die Diamantkörner leicht in die Öffnungen eindringen, um die Keimbildung zu ermöglichen.
Wenn die Porosität weniger als 5 Vol.% beträgt, kann die Keimbildung nicht leicht auftreten. Wenn die Porosität mehr als 70 Vol.% beträgt, werden die Öffnungen so groß, dass die thermische Leitfähigkeit vermindert ist. Im Ergebnis wird die Eigenschaft als Kühlkörper schlechter.
Weiter bevorzugt beträgt die Porosität in einem Bereich innerhalb von 30 μm Tiefe von der Oberfläche des Substrats wenigstens 10 Vol.% und nicht mehr als 50 Vol.%.
Durch Einstellen des Kupfergehalts beträgt der Cu-Gehalt in der Region des Substrats innerhalb von 30 μm Tiefe von der Oberfläche des Substrats auf weniger als 50 % des gesamten Cu-Gehalts des Substrats wird bei diesem Kühlkörper Verwindung nicht leicht auftreten.
Vorzugsweise ist ein Schritt des Durchführens eines Verfahrens zum Ankratzen der Oberfläche des Substrats vor Bildung der dünnen Diamantfilmschicht umfasst. In diesem Fall wird ein Diamantkeim von dem Kratzer an der Oberfläche des Substrats leicht gebildet. Viele Diamantkeime können an der Oberfläche des Substrats erzeugt werden, um die Geschwindigkeit des Wachstums der dünnen Diamantfilmschicht zu fördern. Die Dicke der dünnen Diamantfilmschicht kann ebenfalls einheitlich gemacht werden.
Das Kratzverfahren umfasst vorzugsweise den Schritt des Ankratzens der Oberfläche des Substrats unter Verwendung von Diamant. In diesem Fall wird Diamant in dem Schritt des Ankratzens der Oberfläche des Substrats an die Oberfläche des Substrats angeheftet, und wird der Keim beim Bilden der dünnen Diamantfilmschicht. Dadurch kann das Wachstum der dünnen Diamantfilmschicht weiter gefördert werden.
Dampfphasensynthese wird beim Bilden der dünnen Diamantfilmschicht auf dem Substrat verwendet. Diese Dampfphasensynthese umfasst Glühdraht-CVD (chemical vapor deposition), Plasma-CVD, Flammverfahren und dergleichen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kühlkörper ein Substrat und eine dünne Diamantfilmschicht, die auf dem Substrat gebildet ist. Das Substrat umfasst einen porösen Körper mit einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten und Cu, das in die Löcher des porösen Körpers gefüllt ist. In der Oberflächenschicht des Substrats liegt eine dünne Diamantfilmschicht in der Öffnung vor. Die Diamantfilmschicht dringt in die Öffnung in einer Oberflächenschicht des porösen Körpers ein.
In dem Kühlkörper mit der obigen Struktur ist der Unterschied des thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem Substrat und der dünnen Diamantfilmschicht, die auf dem Substrat gebildet ist, klein, da der poröse Körper, der das Substrat bildet, einen niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist. Die Anhaftung zwischen dem Substrat und der dünnen Diamantfilmschicht ist verbessert, da die dünne Diamantfilmschicht in der Oberflächenschicht des porösen Körpers vorliegt. Im Ergebnis kann ein Ablösen der dünnen Diamantfilmschicht von dem Substrat verhindert werden, selbst wenn der Kühlkörper eine hohe Temperatur annimmt.
Vorzugsweise weist das Substrat eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 100 W/m·K und eine Dicke von wenigstens 200 μm und nicht mehr als 700 μm auf, wohingegen die dünne Diamantfilmschicht eine Dicke von wenigstens 10 μm und nicht mehr als 200 μm aufweist. Die dünne Diamantfilmschicht dehnt sich aufgrund ihrer kleinen Dicke im wesentlichen analog zum Substrat aus. Daher ist die Expansion der dünnen Diamantfilmschicht im wesentlichen gleich der des darauf aufgebrachten Halbleiterelements. Im Ergebnis kann die Rissbildung in dem Halbleiterelement unterdrückt werden.
Ferner beträgt die thermische Leitfähigkeit der dünnen Diamantfilmschicht vorzugsweise wenigstens 1.000 W/m·K.
Der poröse Körper ist vorzugsweise wenigstens ein Typ eines gesinterten Formteils, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem gesinterten W-Formteil, einem gesinterten Mo-Formteil und einem gesinterten W-Mo-Formteil.
Ferner beträgt die Porosität des porösen Körpers vorzugsweise wenigstens 15 Vol.% und nicht mehr als 60 Vol.%. Wenn die Porosität des porösen Körpers weniger als 15 Vol.% beträgt, wird die Wärmeleitfähigkeit vermindert, wenn die Öffnung mit Kupfer gefüllt ist. Wenn die Porosität 60 Vol.% übersteigt, wird die Dicke der dünnen Diamantfilmschicht uneinheitlich.
Ein Kühlkörper-Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte des Bildens einer dünnen Diamantfilmschicht auf der Oberfläche eines porösen Körpers mit einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten und Füllen der Öffnung des porösen Körpers mit Cu nach Bildung der dünnen Diamantfilmschicht.
Gemäß dem Kühlkörper-Herstellungsverfahren, umfassend die obigen Schritte, wird ein Diamantkeim von der Oberfläche des porösen Körpers erzeugt, indem eine dünne Diamantfilmschicht gebildet wird. Daher wird der Keim der dünnen Diamantfilmschicht von einem tiefen Anteil erzeugt, der von der Oberfläche des porösen Körpers entfernt liegt. Mit anderen Worten liegt die Basis der dünnen Diamantfilmschicht in einer tiefen Region, die von der Oberfläche des Substrats entfernt liegt. Daher kann ein Ankereffekt erwartet werden.
Da ein Substrat eines porösen Körpers mit einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten verwendet wird, ist der Betrag thermischer Expansion gering, wenn eine dünne Diamantfilmschicht aufgebracht wird. Da der Betrag thermischer Expansion gering ist, kann Verwindung, die durch den Unterschied der thermischen Expansion zwischen der dünnen Diamantfilmschicht und dem porösen Körper auftritt, während des Schritts des Kühlens des porösen Körpers nach dem Aufbringen des Films unterdrückt werden.
Da Cu die Öffnung des porösen Körpers ausfüllt, wird die Öffnung des porösen Körpers exakt mit Cu ausgefüllt, das eine vorteilhafte thermische Leitfähigkeit aufweist. Im Ergebnis wird die thermische Leitfähigkeit des Substrats verbessert. Dementsprechend wird die thermische Leitfähigkeit des gesamten Kühlkörpers verbessert.
Da der poröse Körper während des Schritts des Bildens einer dünnen Diamantfilmschicht auf den porösen Körper frei von Cu ist, kann die dünne Diamantfilmschicht mit vorteilhafter Anhaftung an den porösen Körper gebildet werden.
Der Schritt des Bildens der dünnen Diamantfilmschicht umfasst vorzugsweise den Schritt des Bildens einer dünnen Diamantfilmschicht auf der Oberfläche des porösen Körpers durch Dampfphasensynthese. Dabei umfasst das Dampfphasensyntheseverfahren Glühdraht-CVD (chemical vapor deposition), Plasma-CVD, Flammverfahren und dergleichen.
Der poröse Körper ist vorzugsweise wenigstens ein Typ eines gesinterten Formteils, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem gesinterten W-Formteil, einem gesinterten Mo-Formteil und einem gesinterten W-Mo-Formteil.
Die Porosität des porösen Körpers beträgt vorzugsweise wenigstens 15 Vol.% und nicht mehr als 60 Vol.%. Durch Einstellen der Porosität auf den obigen Bereich wird die Erzeugung eines Diamantkeims auf der Oberfläche des porösen Körpers erleichtert. Die thermische Leitfähigkeit wird erhöht, wenn Cu eingefüllt wird, so dass die thermische Leitfähigkeit des gesamten Kühlkörpers verbessert wird.
Wenn die Porosität weniger als 15 Vol.% beträgt, kann ein Diamantkeim in einer tiefen Region in dem porösen Körper nicht leicht erzeugt werden. Im Ergebnis wird die Anhaftung zwischen dem porösen Körper und der dünnen Diamantfilmschicht schlechter. Ferner wird die thermische Leitfähigkeit des Kühlkörpers schlechter, da die Cu-Menge in der Öffnung vermindert wird.
Wenn die Porosität 60 Vol.% übersteigt, wird es schwierig, eine dünne Diamantfilmschicht einheitlicher Dicke auf der Oberfläche des porösen Körpers zu bilden, wenngleich ein Diamantkeim in einer tiefen Region des porösen Körpers erzeugt werden kann. Ferner wird die Oberflächenrauheit der dünnen Diamantfilmschicht größer, obwohl die Erzeugungsdichte des Diamantkeims vermindert wird und das Diamantkorn, das die dünne Diamantfilmschicht bildet, vergrößert wird. Dementsprechend gibt es das Problem, dass die Dicke der dünnen Diamantfilmschicht nicht einheitlich ist und das Polieren der dünnen Diamantfilmschicht zeitintensiv ist.
Der Schritt des Füllens der Öffnung des porösen Körpers mit Cu umfasst vorzugsweise den Schritt des Eindringens von geschmolzenem Cu in die Öffnung des porösen Körpers.
Der Schritt des Füllens der Öffnung des porösen Körpers mit Cu umfasst vorzugsweise den Schritt des Wärmens und Schmelzens von Cu und Eindringenlassen von geschmolzenem Cu in die Öffnung, nachdem der poröse Körper auf festes Cu platziert worden ist.
Durch Platzieren von festem Cu auf einem Heizgerät, wie etwa einer Heizplatte, Anordnen des porösen Körpers darauf mit einer dünnen Diamantfilmschicht an der oberen Oberfläche und Aufschmelzen des Cu, dringt das Cu durch Kapillarwirkung in den porösen Körper ein. Nach diesem Verfahren ist eine Anordnung zwischen Cu und dem porösen Körper möglich. Ferner kann das Anhaften von Verunreinigungen auf der Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht verhindert werden, da es möglich ist, ein Herumspritzen des geschmolzenen Cu zu unterdrücken.
Der Schritt des Füllens der Öffnung des porösen Körpers mit Cu umfasst vorzugsweise den Schritt des Erwärmens und Schmelzens von Cu, um das geschmolzene Cu in die Öffnung eindringen zu lassen, nachdem festes Cu auf dem porösen Körper platziert worden ist, wo die dünne Diamantfilmschicht gebildet wird.
Da das feste Cu, das auf den porösen Körper platziert wird, aufgeschmolzen wird, dringt das Cu durch das Gewicht und die Kapillarwirkung des Cu in den porösen Körper ein. Daher wird die Belegungsgeschwindigkeit des Cu höher.
Der Schritt des Füllens der Öffnung des porösen Körpers mit Cu umfasst vorzugsweise den Schritt des Lagerns von geschmolzenem Cu in einem Behälter und Eintauchen des porösen Körpers mit der gebildeten dünnen Diamantfilmschicht in das geschmolzene Cu, so dass das geschmolzene Cu in die Öffnung eindringt.
Da der poröse Körper in das geschmolzene Cu eingetaucht wird, dringt Cu gleichmäßig von allen Flächen des porösen Körpers außer der Fläche, auf der die dünne Diamantfilmschicht gebildet ist, ein. Die Eindringgeschwindigkeit wird ebenfalls höher.
Vorzugsweise ist der Schritt des Ankratzens der Oberfläche des porösen Körpers vor der Bildung der dünnen Diamantfilmschicht umfasst. Da ein Diamantkeim durch einen Kratzer leicht erzeugt werden kann, werden viele Diamantkeime an der Oberfläche des porösen Körpers erzeugt. Eine dünne Diamantfilmschicht wird schneller und mit einheitlicher Dicke aufgebracht.
Das Kratzverfahren umfasst vorzugsweise den Schritt des Ankratzens der Oberfläche des porösen Körpers unter Verwendung von Diamant. Diamant wird während des Schritts des Ankratzens der Oberfläche des porösen Körpers an die Oberfläche des porösen Körpers angehaftet. Dieser Diamant wird der Keim beim Bilden einer dünnen Diamantfilmschicht. Dementsprechend wird das Wachstum der dünnen Diamantfilmschicht erleichtert.
Die vorstehenden und andere Gegenstände, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung, wenn sie zusammen mit den anliegenden Zeichnungen gesehen wird, die als Beispiele dienen.
1 ist ein schematisches Diagramm einer Glühdraht-CVD-Vorrichtung zur in der vorliegenden Erfindung angewendeten.
2 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm, das durch Bestrahlen eines Substrats mit einem Röntgenstrahl erhalten worden ist, bevor es in Säure getaucht wurde.
3 ist ein Graph, der die Konzentration von Cu, W und C in dem Substrat vor Eintauchen in Säure zeigt.
4 ist ein Graph, der die Konzentration von Cu, W und C in einem Substrat nach Eintauchen in Säure und vor Bilden einer dünnen Diamantfilmschicht zeigt.
5 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm, das durch Bestrahlen einer dünnen Diamantfilmschicht mit einem Röntgenstrahl nach der Bildung zeigt.
6 ist ein Graph, der die Konzentration von Cu, W und C in einem Substrat nach Bilden einer dünnen Diamantfilmschicht und in der dünnen Diamantfilmschicht zeigt.
7 ist ein schematisches Diagramm einer Mikrowellen-Plasma-CVD-Vorrichtung zur in der vorliegenden Erfindung angewendeten Diamant-Dampfphasensynthese.
8 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm, das durch Bestrahlen der in Beispiel 3 erhaltenen dünnen Diamantfilmschicht mit einem Röntgenstrahl erhalten wurde.
9 ist eine Scanning-Elektronenmikrofotografie bestimmter Bereiche einer gemäß Beispiel 3 erhaltenen Probe.
10 ist eine Scanning-Elektronenmikrofotografie eines anderen Bereichs einer gemäß Beispiel 3 erhaltenen Probe.
11 ist eine Scanning-Elektronenmikrofotografie eines Bereichs eines Substrats, das gemäß Beispiel 11 einer Säurebehandlung unterzogen wurde.
12 ist eine Scanning-Elektronenmikrofotografie eines anderen Bereichs eines Substrats, das einer Säurebehandlung gemäß Beispiel 11 unterzogen wurde.
13 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm eines Substrats im Anschluss an die Säurebehandlung gemäß Beispiel 15.
14 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm eines Substrats im Anschluss an die Säurebehandlung gemäß Vergleichsbeispiel 3.
15 zeigt den Schritt des Kühlkörper-Herstellungsverfahrens gemäß Beispiele 1 der vorliegenden Erfindung.
16 ist ein schematisches Diagramm einer dünnen Diamantfilmschicht, die gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
17 ist ein schematisches Diagramm einer dünnen Diamantfilmschicht, die auf einer Zwischenschicht gebildet wurde und gemäß Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
18, 19 und 20 sind schematische Diagramme, die die ersten, zweiten bzw. dritten Schritte eines Kühlkörperherstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung zeigen.
21 ist eine Schnittdarstellung, die ein Halbleitermodul gemäß Beispiel 19 der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt.
22 ist eine Schnittdarstellung, die ein Halbleitermodul gemäß Beispiel 20 der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt.
[Beispiel 1]
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst eine Glühdraht-CVD-(chemische Gasphasenabscheidungs-)-Vorrichtung zur Diamant-Dampfphasensynthese, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, einen Reaktor 21, einen Gaseinlass 22, einen Gasauslass 23, eine Wechselstromquelle 24, einen Wolfram-Glühdraht 25, einen Substrathalter 27, einen Kühlwassereinlass 28 und einen Kühlwasserauslass 29.
Der Reaktor 21 umfasst den Gaseinlass 22, durch den Materialgas zugeführt wird, und den Gasauslass 23, mit dem das Materialgas oder aus dem Materialgas erzeugtes Gas abgelassen wird.
Der Wolfram-Glühdraht 25 wird in dem Reaktor 21 angeordnet. Der Wolfram-Glühdraht 25 wird mit der Wechselstromquelle 24 verbunden. Der Wolfram-Glühdraht 25 wird durch Stromanlegen von der Wechselstromquelle 24 an den Wolfram-Glühdraht 25 zur Rotglut gebracht.
Ein Molybdän-Substrathalter 27 wird unter dem Wolfram-Glühdraht 25 angeordnet, um ein Substrat zu halten. Da der Wolfram-Glühdraht 25 durch das Bringen auf Rotglut eine hohe Temperatur annimmt, nimmt die Temperatur des Substrathalters 27 ebenfalls zu. Der Substrathalter 27 wird mit dem Kühlwassereinlass 28 versehen, durch den Kühlwasser zugeführt wird, um den Substrathalter 27 zu kühlen, und dem Kühlwasserauslass 29 versehen, durch den Kühlwasser abgeführt wird.
Ein aus einem gesinterten Cu-W-Formteil mit einem Cu-Gehalt von 11 Gew.-% und einer Größe von 13,5 mm × 13,5 mm × 0,635 mm (Länge × Breite × Dicke) gebildetes Substrat wurde hergestellt. Ein Röntgenstrahl mit einer CuKα-Wellenlänge wurde auf die Oberfläche des Substrats gerichtet, um ein Röntgenbeugungsdiagramm zu erhalten. Das Ergebnis ist in 2 dargestellt.
Anhand 2 wird anerkannt, dass der durch W (Wolfram) hervorgerufene Peak größer ist als der von Cu (Kupfer) hervorgerufene Peak. Offenbar ist die Menge an W an der Oberfläche des Substrats groß. Die Beziehung zwischen der Tiefe von der Oberfläche des Substrats und der Konzentration jeder Komponente wurde ebenfalls untersucht. Das Ergebnis ist in 3 dargestellt.
In 3 zeigt die gepunktete Linie 201 den tatsächlich gemessenen Wert der Cu-Konzentration in dem Substrat. Die gepunktete Linie 204 zeigt einen Mittelwert der tatsächlich gemessenen Werte der Cu-Konzentration, die durch die gepunktete Linie 201 für jede 20 μm Tiefe angezeigt wird. Die durchgezogene Linie 202 zeigt den tatsächlich gemessenen Wert der W-Konzentration im Substrat. Die durchgezogene Linie 205 zeigt den Mittelwert der gemessenen W-Werte, die durch die durchgezogene Linie 203 für jede 20 μm Tiefe gezeigt werden. Die C-Konzentration außerhalb des Substrats ist die Konzentration an C in der Einspannvorrichtung, um das Substrat zu sichern.
In 3 ist die Tiefe von der Grenzfläche auf der Abszisse eingetragen und eine willkürliche Größe ist entlang der Ordinaten eingetragen. Daher wird kein genaues Verhältnis der Konzentration von Cu zu W dargestellt. Das gleiche trifft auf die folgenden 4 und 6 zu.
Anhand der 3 wird klar, dass die Konzentration von W und Cu innerhalb des Substrats im wesentlichen konstant ist.
Gemäß Schritt A in 15 wurde das oben erwähnte Substrat fünf Minuten lang in eine mit reinem Wasser verdünnte Lösung von Mischsäure (Mischung von Flusssäure und Salpetersäure im Gewichtsverhältnis von 1:1) eingetaucht. Die Konzentration an Cu und W innerhalb des Substrats wurde gemessen. Das Ergebnis ist in 4 gezeigt.
In 4 zeigt die gepunktete Linie 211 den gemessenen Wert der Cu-Konzentration im Substrat. Die gepunktete Linie 214 zeigt den Mittelwert der gemessenen Cu-Werte, die durch die gepunktete Linie 211 für jede 20 μm Tiefe gezeigt werden. Die durchgezogene Linie 212 zeigt den gemessenen Wert der W-Konzentration innerhalb des Substrats. Die durchgezogene Linie 215 zeigt den Mittelwert der gemessenen Werte der W-Konzentration innerhalb des Substrats, die durch die durchgezogene Linie 212 für jede 20 μm Tiefe gezeigt werden. Wenngleich die durchbrochene Linie 213 die Konzentration an C außerhalb und innerhalb des Substrats zeigt, ist die C-Konzentration außerhalb des Substrats die C-Konzentration in der Einspannvorrichtung, die das Substrat trägt. Durch 4 wird klar, dass das Cu an der Oberfläche des Substrats durch die Mischsäure entfernt wird, so dass die Cu-Konzentration (Cu-Gehalt) als eine Funktion bei Annäherung an die Oberfläche des Substrats abnimmt.
Im Anschluss an das Verfahren des Ankratzens der Oberfläche des Substrats mit Diamantschleifkörnern wurde ein Substrat 26 auf den Substrathalter 27 in der Glühdraht-CVD-Vorrichtung 1 der 1 platziert. Strom wurde von der Wechselstromquelle 24 in den Wolfram-Glühdraht 25 geleitet, so dass die Temperatur des Wolfram-Glühdrahts 25 auf ungefähr 2.050°C eingestellt wurde.
Dann wurde Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 1 mol% durch den Gaseinlass 22 in den Reaktor 21 eingeleitet. Der Druck in dem Reaktor 21 wurde bei 70 Torr gehalten. Gemäß Schritt B der 15 wurde eine dünne Diamantfilmschicht auf dem Substrat 26 über eine Zeit von 40 Stunden gezogen. Auf diese Weise wurde eine dünne Diamantfilmschicht 31 erhalten, wie in 16 gezeigt. Die erhaltene dünne Diamantfilmschicht 31 wies eine Dicke von 24 μm auf. Die Verwindung des Substrats 26 betrug 3 μm.
Die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht 31 wurde poliert, so dass sie eine spiegelnde Fläche aufwies. Dann wurde ein mit einem CuKα-Hohlgefäß erzeugter Röntgenstrahl auf die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht 31 gerichtet, um ein Röntgenbeugungsdiagramm zu erhalten. Das erhaltene Röntgenbeugungsdiagramm wird in 5 gezeigt.
Unter Bezugnahme auf 5 betrug das Verhältnis I_W (110)/I_Cu (200) der Peakintensität (Höhe) I_W (110) der W-(110)-Fläche zur Peakintensität (Höhe) I_Cu (200) der Cu-(200)-Fläche 119. Das Verhältnis der Peakintensität (Höhe) I_W (211) der W-(211)-Fläche zur Peakintensität (Höhe) I_Cu (200) der Cu-(200)-Fläche betrug 50. Die Beziehung zwischen der Tiefe von der Grenzfläche des Substrats 26 und der dünnen Diamantfilmschicht 31 und der Konzentration der einzelnen Komponenten wurde untersucht. Das Ergebnis wird in 6 gezeigt.
In 6 zeigt die gepunktete Linie 221 den gemessenen Wert der Cu-Konzentration in dem Substrat. Die gepunktete Linie 224 zeigt den Mittelwert der gemessenen Werte der Cu-Konzentration, die durch die gepunktete Linie 221 für jede 20 μm Tiefe angezeigt wird. Die durchgezogene Linie 222 zeigt den gemessenen Wert der W-Konzentration innerhalb des Substrats. Die durchgezogene Linie 225 zeigt den Mittelwert der gemessenen W-Werte, die durch die durchgezogene Linie 222 für jede 20 μm Tiefe angezeigt werden. Die durchbrochene Linie 223 zeigt die C-Konzentration innerhalb und außerhalb des Substrats.
Es ergibt sich aus 6, dass die Cu-Konzentration (Gehalt) als eine Funktion der Annäherung an die Oberfläche des Substrats abnimmt. Der Cu-Gehalt in der Region innerhalb von 10 μm Tiefe von der Oberfläche des Substrats betrug nicht mehr als 50 % des gesamten Cu-Gehalts (11 Gew.-%) des Substrats.
Die dünne Diamantfilmschicht 31 löste sich nicht vom Substrat 26 ab, sogar wenn das Substrat 26 auf die Größe 2 mm × 1 mm × 0,635 mm (Länge × Breite × Dicke) geschnitten wurde. Dann wurde eine Laserdiode auf den Kühlkörper montiert, der durch Metallisieren hergestellt wurde. Die Laserdiode zeigte stabile Oszillation. Es ergibt sich daher, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die praktische Anwendung ist.
[Vergleichsbeispiel 1]
Ein Substrat wurde hergestellt, das aus einem gesinterten Cu-W-Formteil mit einem Cu-Gehalt von 11 Gew.-% in der Größe 13,5 mm × 13,5 mm × 0,635 mm (Länge × Breite × Dicke) gebildet worden war. Dieses Substrat wurde 30 Sekunden lang in eine mit reinem Wasser verdünnte Lösung von Salpetersäure eingetaucht. Ein Verfahren zum Ankratzen der Oberfläche des Substrats mit Diamantschleifkörnern wurde durchgeführt. Dann wurde das Substrat 26 auf den Substrathalter 27 in der Glühdraht-CVD-Vorrichtung 1 platziert.
Die Temperatur des Wolfram-Glühdrahts 25 wurde auf ungefähr 2.050°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 1 mol% wurde durch den Gaseinlass 22 in den Reaktor 21 geführt. Der Druck im Reaktor 21 betrug 70 Torr. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde über 40 Stunden unter den obigen Bedingungen auf dem Substrat gezogen. Die dünne Diamantfilmschicht wies eine Dicke von 23,5 μm auf und die Verwindung des Substrats betrug 3,4 μm.
Die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde poliert, so dass sie eine spiegelnde Oberfläche aufwies und dann mit einem Röntgenstrahl bestrahlt, der mit einem CuKα-Hohlgefäß erzeugt wurde, um ein Röntgenbeugungsdiagramm zu erhalten. Das Verhältnis der Peakintensität (Höhe) der W-(110)-Fläche zur Peakintensität der Cu-(200)-Fläche wurde aus dem Röntgenbeugungsdiagramm erhalten. Das Peakintensitätsverhältnis betrug 65. Dieses Substrat wurde auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 0,635 mm (Länge × Breite × Dicke) geschnitten. Es wurde gefunden, dass sich die dünne Diamantfilmschicht von dem Substrat ablöste.
[Beispiel 2]
Ein Substrat 26 wurde hergestellt, das aus einem gesinterten Cu-W-Formteil mit einem Kupfergehalt von 15 Gew.-% und einer Größe von 13,5 mm × 13,5 mm × 0,635 mm (Länge × Breite × Dicke), wie in 17 gezeigt, gebildet wurde. Die Oberfläche des Substrats 26 wurde aufgeraut, so dass die Oberflächenrauheit R_Z des Substrats 1 μm betrug. Hier bezieht sich R_Z auf die Zehnpunkthöhe von Unregelmäßigkeiten, die durch JIS (japanische Industriestandards) definiert wird.
Auf die Oberfläche, die dem obigen Aufrauungsverfahren unterzogen wurde, wurde SiC 32, wie in 17 gezeigt, zu einer Dicke von 3 μm als eine Zwischenschicht abgelagert, die kein Cu umfasste. Die Oberfläche der Zwischenschicht wurde mit Diamantschleifkörnern angekratzt. Dann wurde das Substrat 26 auf den Substrathalter 27 in der Glühdraht-CVD-Vorrichtung 1 der 1 gesetzt. Die Temperatur des Wolfram-Glühdrahts 25 wurde auf ungefähr 2.100°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 1 mol% wurde in den Reaktor 21 durch den Gaseinlass 22 geführt. Der Druck in dem Reaktor 21 wurde auf 70 Torr eingestellt. Eine dünne Diamantfilmschicht 31, wie in 17 gezeigt, wurde über 40 Stunden unter den obigen Bedingungen auf dem Substrat 26 gezogen. Die erhaltene dünne Diamantfilmschicht 31 wies eine Dicke von 22 μm auf. Die Verwindung des Substrats 26 betrug 2,5 μm. Die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht 31 wurde poliert, so dass sie eine spiegelnde Oberfläche aufwies, und dann mit einem Röntgenstrahl, der mit einem CuKα-Hohlgefäß erzeugt wurde, bestrahlt, um ein Röntgenbeugungsdiagramm zu erhalten. Gemäß diesem Röntgenbeugungsdiagramm betrug das Verhältnis I_W (211)/I_Cu (200) der Peakintensität (Höhe) I_W (211) der W-(211)-Fläche zur Peakintensität (Höhe) I_Cu (200) der Cu-(200)-Fläche 47.
Dann wurde das Substrat auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 0,635 mm (Länge × Breite × Dicke) geschnitten. Die dünne Diamantfilmschicht 31 löste sich jedoch nicht vom Substrat 26 ab. Dann wurde die Fläche des Substrats 26, die der Fläche, auf der die dünne Diamantfilmschicht 31 gebildet ist, gegenüberliegt, poliert und dann einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen. Eine Laserdiode wurde auf dem Kühlkörper installiert. Die Laserdiode zeigte Oszillation. Es ergibt sich somit, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die praktische Verwendung ist.
[Vergleichsbeispiel 2]
Ein Substrat mit der Größe von 13,5 mm × 13,5 mm × 0,635 mm (Länge × Breite × Dicke) wurde hergestellt, das aus einem gesinterten Cu-W-Formteil mit einem Cu-Gehalt von 15 Gew.-% gebildet worden war. Die Oberfläche dieses Substrats wurde einem Aufrauungsschritt unterzogen, so dass die Oberflächenrauheit R_Z der Oberfläche des Substrats 5 μm betrug. Im Anschluss an den Aufrauungsprozess wurde SiC mit einer Dicke von 12 μm als eine Zwischenschicht abgelagert, die das Cu an der Oberfläche nicht einschloss.
Die Oberfläche der Zwischenschicht wurde einem Prozess des Ankratzens der Oberfläche mit Diamantschleifkörnern unterzogen. Das Substrat 26 wurde auf den Substrathalter 27 in der Glühdraht-CVD-Vorrichtung 1, wie in 1 gezeigt wird, eingesetzt. Die Temperatur des Wolfram-Glühdrahtes 25 wurde auf ungefähr 2.100°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 1 mol% wurde in den Reaktor 21 durch den Gaseinlass 22 eingeleitet. Der Druck im Reaktor 21 betrug 70 Torr. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde auf dem Substrat 40 Stunden lang unter den obigen Bedingungen gezogen. Die Dicke der Diamantfilmschicht betrug 23 μm. Die Verwindung des Substrats betrug 3,5 μm.
Die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde poliert, um eine Spiegelfläche zu ergeben und dann mit einem Röntgenstrahl bestrahlt, der von einem CuKα-Hohlgefäß erzeugt wurde, um ein Röntgenbeugungsdiagramm zu erhalten. Gemäß diesem Röntgenbeugungsdiagramm betrug das Verhältnis I_W (211)/I_Cu (200) der Peakintensität (Höhe) I_W (211) der W-(211)-Fläche zur Peakintensität (Höhe) I_Cu (200) der Cu-(200)-Fläche 18. Das Substrat wurde auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 0,635 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Die dünne Diamantfilmschicht löste sich vom Substrat ab.
(Beispiel 3)
7 ist ein schematisches Diagramm, das eine Mikrowellenplasma-CVD-Vorrichtung zur DiamantDampfphasensynthese zeigt, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Mikrowellenplasma-CVD-Vorrichtung 100 umfasst einen Substrathalter 101, eine Mikrowellenenergiequelle 104, einen Empfänger 105, einen Wellenleiter 106, einen Reaktor 107, einen Auslass 108, einen Einlass 109 und einen Kolben 110.
Der Substrathalter 101 zum Tragen eines Substrats ist innerhalb des Reaktors 107 angeordnet. Der Reaktor 107 umfasst den Einlass 109, durch den Materialgas eingeleitet wird, und den Auslass 108, durch den Materialgas oder durch die Reaktion erzeugtes Gas abgeführt wird. Der Auslass 108 ist an eine Vakuumpumpe angeschlossen. Die Mikrowellenenergiequelle 104, ein Isolator (nicht gezeigt) und ein Empfänger 105 bilden die Mikrowellenerzeugungseinheit. Der Reaktor 107 wird aus einem Quarzrohr gebildet.
Die Mikrowelle, die durch die Mikrowellenerzeugungseinheit erzeugt wird, wird durch den Wellenleiter 106 auf den Kolben 110 geleitet. Da der Reaktor 107 im Durchlass des Wellenleiters 106 angeordnet ist, wird ein Plasma innerhalb des Reaktors 107 erzeugt, wie durch die gestrichelte Kreislinie 103 angedeutet. Plasma wird in dem Bereich erzeugt, wo der Reaktor 107 den Wellenleiter 106 kreuzt. Daher wird der Substrathalter 101 in der Nähe dieser Kreuzungsposition angeordnet.
Ein Substrat mit 13,5 mm × 13,5 mm × 1 mm (Länge × Breite × Dicke) wurde hergestellt, das aus einem gesinterten Cu-W-Formteil mit einem Cu-Gehalt von 11 Gew.-% gebildet wurde. Dieses Substrat wurde zwei Minuten lang in eine mit reinem Wasser verdünnte Lösung von Mischsäure (Mischung von Flusssäure und Salpetersäure in einem Gewichtsverhältnis von 1:1) eingetaucht. Die Oberfläche des Substrats wurde einem Schritt des Ankratzens der Oberfläche mit Diamantschleifkörnern unterzogen. Dann wurde das Substrat 102 auf den Substrathalter 101 in der Mikrowellenplasma-CVD-Vorrichtung 100 platziert.
Die Temperatur des Substrats 102 wurde auf 850°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 3 mol% wurde durch den Einlass 109 eingeleitet. Der Druck innerhalb des Reaktors 107 wurde bei 140 Torr gehalten. Plasma wurde in dem Reaktor 107 erzeugt. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde auf dem Substrat 102 über 20 Stunden unter den obigen Bedingungen gebildet. Die dünne Diamantfilmschicht wies eine Dicke von 22 μm auf. Die Verwindung des Substrats betrug 4 μm.
Die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde poliert, um eine Spiegelfläche zu erhalten, und dann mit einem Röntgenstrahl, der mit einem CuKα-Hohlgefäß erzeugt wurde, bestrahlt, um ein Röntgenbeugungsdiagramm zu erhalten. Das erhaltene Röntgenbeugungsdiagramm wird in 8 gezeigt.
Gemäß dem Diagramm der 8 betrug das Verhältnis I_W (110)/I_Cu (200) der Peakintensität (Höhe) I_W (110) der W-(110)-Fläche zur Peakintensität (Höhe) I_Cu (200) der Cu-(200)-Fläche 140. Das Verhältnis I_W (211)/I_Cu (200) der Peakintensität (Höhe) I_W (211) der W-(211)-Fläche zur Peakintensität (Höhe) I_Cu (200) der Cu-(200)-Fläche 50.
Sogar wenn eine Vielzahl von Substraten durch Zuschneiden des Substrats auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 1 mm (Länge × Breite × Dicke) gebildet wurde, löste sich die dünne Diamantfilmschicht nicht vom Substrat ab. Bei einem der Vielzahl der Substrate wurde die dünne Diamantfilmschicht absichtlich abgelöst, um einen Flächenbereich von 3 × 4 μm² der Oberfläche des Substrats mit einem 3D-SEM (dreidimensionales Rasterelektronenmikroskop) des Typs ERA 8000 von ELIONIX zu beobachten. Das beobachtete Ergebnis wird in 9 gezeigt.
W-Partikel waren an der Oberfläche des Substrats gemäß dem beobachteten Ergebnis freigelegt. Die Oberflächenrauheit R_Z des W-Partikels wurde gemessen. Die Oberflächenrauheit R_Z betrug 0,09 μm. Ein anderer Bereich der Substratoberfläche wurde mit einem FESEM (Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop) beobachtet. Das beobachtete Ergebnis wird in 10 gezeigt.
Bei einem der Vielzahl der zugeschnittenen Substrate wurde die Oberfläche gegenüber der Oberfläche, auf der die dünne Diamantfilmschicht gebildet wurde, poliert und einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen.
Eine Laserdiode wurde auf diesem Kühlkörper installiert. Die Laserdiode zeigte stabile Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die praktische Verwendung ist.
[Beispiel 4]
Ein poröser Körper mit einer Größe von 10 mm × 10 mm × 0,3 mm (Länge × Breite × Dicke) wurde hergestellt, der aus einem gesinterten W-Formteil mit einer Porosität von 27,5 Vol.% gebildet wurde. Man ließ Cu in die Löcher des porösen Körpers eindringen. Dementsprechend wurde der gesamte Cu-Gehalt des Substrats auf 10 Gew.-% eingestellt und der Cu-Gehalt in einer Region von 10 μm Tiefe von der Oberfläche, auf der eine dünne Diamantfilmschicht gebildet werden sollte, wurde auf 3 Gew.-% eingestellt.
Die Oberfläche des Substrats wurde einem Ankratzschritt unter Verwendung von Diamantschleifkörnern unterzogen. Das Substrat 102 wurde auf den Substrathalter 101 in der Mikrowellenplasma-CVD-Vorrichtung 100, die in 7 gezeigt wird, eingesetzt. Die Temperatur des Substrats 102 wurde auf 850°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 3,5 mol% wurde durch den Einlass 109 in den Reaktor 107 geführt. Der Druck im Reaktor 107 wurde auf 140 Torr eingestellt. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde über 20 Stunden auf dem Substrat 102 gezogen. Die dünne Diamantfilmschicht wies eine Dicke von 25 μm auf. Die Verwindung des Substrats betrug 2,7 μm.
Die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde zu einer Spiegelfläche poliert. Das Substrat wurde auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 0,3 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Die dünne Diamantfilmschicht löste sich nicht von dem Substrat ab. Dann wurde das Substrat einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen. Eine Laserdiode wurde auf diesem Kühlkörper installiert. Die Laserdiode zeigte stabile Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die praktische Verwendung ist.
[Beispiel 5]
Ein Substrat mit einer Größe von 10 mm × 10 mm × 0,3 mm (Länge × Breite × Dicke) wurde hergestellt, das aus einem gesinterten Cu-W-Mo-Formstück mit einem Cu-Gehalt von 15 Gew.-% gebildet wurde. Das Substrat wurde drei Minuten lang in eine Lösung von Salpetersäure eingetaucht, die mit reinem Wasser verdünnt war. Die Oberfläche dieses Substrats wurde einem Ankratzverfahren mit Diamantschleifkörnern unterzogen. Dann wurde das Substrat 206 auf den Substrathalter 27 in der Glühdraht-CVD-Vorrichtung 1, die in 1 gezeigt ist, eingesetzt.
Die Temperatur des Wolfram-Glühdrahts 25 wurde auf ungefähr 2.100°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer durch den Gaseinlass 22 eingeleitet. Der Druck im Reaktor 21 wurde auf 70 Torr eingestellt. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde über 40 Stunden unter den obigen Bedingungen auf dem Substrat gezogen. Die dünne Diamantfilmschicht wies eine Dicke von 22 μm auf. Die Verwindung des Substrats betrug 3 μm.
Die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde poliert, so dass sie eine Spiegelfläche aufwies, und dann mit einem Röntgenstrahl bestrahlt, der mit einem CuKα-Hohlgefäß erzeugt wurde, um ein Röntgenbeugungsdiagramm zu erhalten. Gemäß diesem Röntgenbeugungsdiagramm betrug das Verhältnis I_W (110)/I_Cu (200) der Peakintensität (Höhe) I_W (110) der W-(110)-Fläche zur Peakintensität (Höhe) I_Cu (200) der Cu-(200)-Fläche 120.
Das Substrat wurde auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 0,3 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Die dünne Diamantfilmschicht löste sich nicht vom Substrat. Dann wurde die Fläche des Substrats gegenüber der Fläche, auf der die dünne Diamantfilmschicht gebildet ist, einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen. Eine Laserdiode wurde auf diesem Kühlkörper installiert. Die Laserdiode zeigte Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper ausreichend ist für die praktische Verwendung.
[Beispiel 6]
Ein Substrat der Größe 13,5 mm × 13,5 mm × 0,6 mm (Länge × Breite × Dicke) wurde hergestellt, das aus einem gesinterten Cu-W-Formteil mit einem Cu-Gehalt von 11 Gew.-% gebildet wird. Dieses Substrat wurde in Königswasser (eine Lösung aus konzentrierter Salpetersäure und konzentrierter Salzsäure in einem Mischungsvolumenverhältnis von 1:3) ungefähr acht Minuten lang eingetaucht. Die Oberfläche dieses Substrats wurde einem Ankratzschritt mit Diamantschleifkörnern unterzogen. Dann wurde das Substrat 26 auf den Substrathalter 27 in der Glühdraht-CVD-Vorrichtung der 1 eingesetzt.
Die Temperatur des Wolfram-Glühdrahts wurde auf ungefähr 2.000°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 2 mol% wurde in dem Reaktor 21 durch den Gaseinlass 22 eingeleitet. Der Druck innerhalb des Reaktors 21 wurde bei 60 Torr gehalten. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde über 45 Stunden auf dem Substrat 26 unter den obigen Bedingungen gezogen. Die erhaltene dünne Diamantfilmschicht wies eine Dicke von 25 μm auf. Die Verwindung des Substrats betrug 2 μm.
Eine Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde poliert, so dass sie eine Spiegelfläche aufwies, und dann mit einem Röntgenstrahl bestrahlt, der mit einem CuKα-Hohlgefäß erzeugt wurde, um ein Röntgenbeugungsdiagramm zu erhalten.
Gemäß dem erhaltenen Röntgenbeugungsdiagramm betrug das Verhältnis I_W (211)/I_Cu (200) der Peakintensität (Höhe) I_W (211) der W-(211)-Fläche zur Peakintensität (Höhe) I_Cu (200) der Cu-(200)-Fläche 45.
Das Substrat wurde auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 0,6 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Die dünne Diamantfilmschicht löste sich nicht vom Substrat ab. Dann wurde das Substrat einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen. Eine Laserdiode wurde auf dem Kühlkörper installiert. Die Laserdiode zeigte stabile Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die praktische Verwendung ist.
[Beispiel 7]
Ein Substrat mit der Größe 13,5 mm × 13,5 mm × 0,635 mm (Länge × Breite × Dicke) wurde hergestellt, das aus einem gesinterten Cu-W-Formstück mit einem Cu-Gehalt von 11 Gew.-% gebildet wurde. Si in einer Dicke von 5 μm wurde als eine Zwischenschicht abgelagert, die das Cu an der Oberfläche dieses Substrats nicht einschloss. Die Zwischenschicht wurde einem Ankratzprozess mit Diamantschleifkörnern unterzogen. Das Substrat 102 wurde auf den Substrathalter 101 in der Mikrowellenplasma-CVD-Vorrichtung 100, die in 7 gezeigt ist, eingesetzt.
Die Temperatur des Substrats 102 wurde auf ungefähr 900°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 2,5 mol% wurde durch den Gaseinlass 109 in den Reaktor 107 geführt. Der Druck innerhalb des Reaktors 107 wurde bei 100 Torr gehalten. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde über 30 Stunden auf dem Substrat 102 gezogen. Die Dicke der dünnen Diamantfilmschicht betrug 23 μm. Die Verwindung des Substrats betrug 4 μm.
Eine Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde poliert, so dass sie eine Spiegelfläche aufwies, und dann mit einem Röntgenstrahl bestrahlt, der mit einem CuKα-Hohlgefäß erzeugt wurde, um ein Röntgenbeugungsdiagramm zu erhalten. Gemäß diesem Röntgenbeugungsdiagramm betrug das Verhältnis I_W (110)/I_Cu (200) der Peakintensität (Höhe) I_W (110) der W-(110)-Fläche zur Peakintensität (Höhe) I_Cu (200) der Cu-(200)-Fläche 130. Ein Substrat der Größe 2 mm × 1 mm × 0,635 mm (Länge × Breite × Dicke) wurde zugeschnitten. Die dünne Diamantfilmschicht löste sich nicht vom Substrat ab. Dann wurde das Substrat einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen. Eine Laserdiode wurde auf den Kühlkörper installiert. Diese Laserdiode zeigte stabile Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die praktische Verwendung ist.
[Beispiel 8]
Ein Substrat der Größe 13,5 mm × 13,5 mm × 0,6 mm (Länge × Breite × Dicke), das aus einem gesinterten Cu-W-Formstück mit einem Cu-Gehalt von 15 Gew.-% gebildet war, wurde hergestellt. Dieses Substrat wurde eine Minute lang in eine mit Reinwasser verdünnte Lösung von Mischsäure (Mischung aus Flusssäure und Salpetersäure in einem Gewichtsverhältnis von 1:1) eingetaucht. Die Oberfläche dieses Substrats wurde einem Ankratzprozess mit Diamantschleifkörnern unterzogen. Dann wurde das Substrat 26 auf den Substrathalter 27 in der Glühdraht-CVD-Vorrichtung 1 der 1 eingesetzt.
Die Temperatur des Wolfram-Glühdrahts 25 wurde auf ungefähr 2.100°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 1 mol% wurde durch den Gaseinlass 22 in den Reaktor 21 eingeleitet. Der Druck im Reaktor 21 wurde auf 70 Torr eingestellt. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde über 44 Stunden unter den obigen Bedingungen auf dem Substrat 26 gezogen. Die dünne Diamantfilmschicht wies eine Dicke von 21 μm auf. Die Verwindung des Substrats betrug 3 μm.
Eine Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde poliert, so dass sie eine Spiegelfläche aufwies, und dann mit einem Röntgenstrahl bestrahlt, der mit einem CuKα-Hohlgefäß erzeugt wurde, um ein Röntgenbeugungsdiagramm zu erhalten. Gemäß diesem Röntgenbeugungsdiagramm betrug das Verhältnis I_W (110)/I_Cu (200) der Peakintensität (Höhe) I_W (110) der W-(110)-Fläche zur Peakintensität (Höhe) I_Cu (200) der Cu-(200)-Fläche 121. Eine Vielzahl von WC-Peaks erschien in diesem Röntgenbeugungsdiagramm.
Das Substrat wurde auf die Größe 2 mm × 1 mm × 0,6 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Jedoch löste sich die dünne Diamantfilmschicht nicht vom Substrat ab. Dann wurde das Substrat einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen. Eine Laserdiode wurde auf dem Kühlkörper installiert. Diese Laserdiode zeigte stabile Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die praktische Verwendung ist.
[Beispiel 9]
In Beispiel 3 wurde die Oberflächenrauheit R_Z des W-Partikels auf der Oberfläche des Substrats auf 0,09 μm eingestellt, indem das Substrat in Mischsäure eingetaucht wurde. In Beispiele 9 wurde ein Verfahren zum Aufrauen der Oberfläche des W-Partikels durch ein anderes Verfahren, als das des Mischsäure-Schritts untersucht. Im Ergebnis wurde gefunden, dass die Oberfläche des W-Partikels durch die folgenden fünf Verfahren aufgeraut werden konnte.

1: Strahlen mit feinen Partikeln, wie etwa aus Metall auf das Substrat
2: Argon-Sputtering durch Umwandeln von Argongas in ein Plasma und Anlegen einer Vorspannung an das Substrat, so dass die Argonatome mit dem Substrat kollidieren
3: Alkaliverfahren durch Eintauchen des Substrats in Alkali
4: Fluor-Plasma-Verfahren, in dem das Substrat einem Fluor-Plasma ausgesetzt wird
5: Elektronenstrahlbestrahlung durch Bestrahlen des Substrats mit einem Elektronenstrahl.

[Beispiel 10]
Ein Substrat der Größe 13,5 mm × 13,5 mm × 0,6 mm (Länge × Breite × Dicke), das aus einem gesinterten Cu-W-Formstück mit einem Cu-Gehalt von 11 Gew.-% gebildet wurde, wurde hergestellt. Das Substrat wurde 30 Minuten lang in eine mit Reinwasser verdünnte Lösung von Salpetersäure eingetaucht. Dann wurde das Substrat mit einem Röntgenstrahl bestrahlt, um ein Röntgenbeugungsdiagramm zu erhalten. Kein Cu-Peak wurde in diesem Röntgenbeugungsdiagramm beobachtet.
Die Oberfläche des Substrats wurde einem Ankratzprozess mit Diamantschleifkörnern unterzogen. Dann wurde das Substrat 26 auf den Substrathalter 27 in der Glühdraht-CVD-Vorrichtung 1, die in 1 gezeigt ist, eingesetzt. Dann wurde Strom von der Wechselstromquelle 24 an den Wolfram-Glühdraht 25 angelegt, wodurch die Temperatur des Wolfram-Glühdrahts 25 auf ungefähr 2.050°C eingestellt wurde.
Dann wurde Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 1 mol% durch den Gaseinlass 22 in den Reaktor 21 eingeleitet. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde auf dem Substrat 26 über 40 Stunden unter den obigen Bedingungen, dass der Druck in dem Reaktor 21 bei 70 Torr gehalten wurde, gezogen. Die dünne Diamantfilmschicht wies eine Dicke von 24 μm auf. Die Verwindung des Substrats betrug 3 μm.
Die dünne Diamantfilmschicht wurde poliert, so dass sie eine Spiegelfläche aufwies. Dann wurde das Substrat auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 0,6 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Die dünne Diamantfilmschicht löste sich nicht vom Substrat.
Dann wurde das Substrat einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen. Eine Laserdiode wurde auf dem Kühlkörper installiert. Diese Laserdiode zeigte Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die praktische Anwendung ist.
[Beispiel 11]
Ein Substrat der Größe 10 mm × 10 mm × 0,6 mm (Länge × Breite × Dicke), das aus einem gesinterten Cu-W-Formstück mit einem Cu-Gehalt von 15 Gew.-% gebildet wurde, wurde hergestellt. Dieses Substrat wurde drei Minuten lang in eine Lösung von Mischsäure (Flusssäure und Salpetersäure in einem Mischungsvolumenverhältnis von 1:1) und Reinwasser eingetaucht. Die Oberflächenrauheit R_Z des Substrats betrug 4,5 μm. Die Oberfläche des Substrats, die der Säurebehandlung unterzogen worden war, wurde mit einem 3D-SEM (dreidimensionalem Rasterelektronenmikroskop) des Typs ERA 8000 von ELIONIX beobachtet. Das beobachtete Ergebnis ist in 11 gezeigt.
Gemäß 11 werden W-Partikel an der Oberfläche des Substrats, die der Säurebehandlung unterzogen wurden, freigelegt. Die Oberflächenrauheit des freigelegten W-Partikels betrug 0,08 μm.
Die Oberfläche dieses Substrats wurde mit einem FESEM (Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop) beobachtet. Das beobachtete Ergebnis wird in 12 gezeigt.
Die Oberfläche des Substrats, die der Säurebehandlung unterzogen wurde, wurde mit Diamantkörnern angekratzt. Dann wurde das Substrat 26 auf den Substrathalter 27 in die Glühdraht-CVD-Vorrichtung 1 der 1 eingesetzt.
Die Temperatur des Wolfram-Glühdrahts 25 wurde auf ungefähr 2.100°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 1 mol% wurde durch den Gaseinlass 22 in den Reaktor 21 eingeleitet. Der Druck im Reaktor 21 wurde bei 70 Torr gehalten. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde über 40 Stunden auf dem Substrat 26 unter den obigen Bedingungen gezogen. Die dünne Diamantfilmschicht wies eine Dicke von 22 μm auf. Die Verwindung des Substrats betrug 2,5 μm.
Dann wurde die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht poliert, so dass sie eine Spiegelfläche aufwies. Das Substrat wurde auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 0,6 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Jedoch löste sich die dünne Diamantfilmschicht nicht vom Substrat ab.
Dann wurde die Oberfläche des Substrats gegenüber der Oberfläche, auf der die dünne Diamantfilmschicht gebildet ist, poliert und dann einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen. Eine Laserdiode wurde auf den Kühlkörper platziert. Diese Laserdiode zeigte stabile Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die praktische Verwendung ist.
[Beispiel 12]
Ein Substrat der Größe 13,5 mm × 13,5 mm × 0,6 mm (Länge × Breite × Dicke), das aus einem Cu-W-Formstück mit einem Cu-Gehalt von 15 Gew.-% gebildet wurde, wurde hergestellt. Dieses Substrat wurde für eine Minute in eine Lösung von Wasserstoffperoxid, dann fünf Minuten lang in Salpetersäure eingetaucht. Die Oberflächenrauheit R_Z des Substrats betrug 4,5 μm. Die Oberfläche des Substrats wurde einem Ankratzprozess durch Diamantkörner unterzogen. Das Substrat 26 wurde auf den Substrathalter 27 in der Glühdraht-CVD-Vorrichtung 1, die in 1 gezeigt ist, eingesetzt.
Die Temperatur des Wolfram-Glühdrahts 25 wurde auf ungefähr 2.100°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 1 mol% wurde durch den Gaseinlass 22 in den Reaktor 21 eingeleitet. Der Druck im Reaktor 21 wurde auf 70 Torr eingestellt. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde auf dem Substrat 26 über 40 Stunden unter den obigen Bedingungen gezogen. Die dünne Diamantfilmschicht wies eine Dicke von 21 μm auf. Die Verwindung des Substrats betrug 2,5 μm.
Die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde poliert, so dass sie eine Spiegelfläche aufwies. Das Substrat wurde auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 0,6 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Die dünne Diamantfilmschicht löste sich nicht vom Substrat ab. Dann wurde die Oberfläche des Substrats gegenüber der Oberfläche, auf der die dünne Diamantfilmschicht gebildet ist, poliert und einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen. Eine Laserdiode wurde auf diesem Kühlkörper installiert. Die Laserdiode zeigte Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die praktische Anwendung ist.
[Beispiel 13]
Ein Substrat der Größe 15 mm × 15 mm × 1 mm (Länge × Breite × Dicke), das aus einem gesinterten Cu-Mo-Formstück mit einem Cu-Gehalt von 10 Gew.-% gebildet wurde, wurde hergestellt. Dieses Substrat wurde 30 Minuten lang in Schwefelsäure eingetaucht. Dementsprechend betrug die Porosität in der Zone des Substrats innerhalb von 30 μm Tiefe von der Oberfläche des Substrats 25 Vol.% und der Cu-Gehalt in der Zone des Substrats innerhalb von 30 μm Tiefe von der Oberfläche betrug 2 Gew.-%. Es ist anzumerken, dass der Gesamt-Cu-Gehalt des Substrats immer noch 10 Gew.-% betrug.
Die Oberfläche des Substrats wurde einem Ankratzprozess mit Diamantkörnern unterzogen. Dann wurde das Substrat 102 auf den Substrathalter 101 in der Mikrowellenplasma-CVD-Vorrichtung 100, die in 4 gezeigt ist, eingesetzt. Die Temperatur des Substrats 102 wurde auf ungefähr 850°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 3 mol% wurde in den Reaktor 107 durch den Gaseinlass 109 eingeleitet. Der Druck im Reaktor 107 wurde bei 140 Torr gehalten.
Eine dünne Diamantfilmschicht wurde über 20 Stunden auf dem Substrat 102 unter den obigen Bedingungen gezogen. Die dünne Diamantfilmschicht wies eine Dicke von 22 μm auf. Die Verwindung des Substrats betrug 4 μm.
Die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde poliert, so dass sie eine Spiegelfläche aufwies. Dann wurde das Substrat auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 1 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Die dünne Diamantfilmschicht löste sich nicht vom Substrat ab. Dann wurde die Oberfläche des Substrats gegenüber der Oberfläche, auf der die dünne Diamantfilmschicht gebildet ist, poliert und einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen. Eine Laserdiode wurde auf diesem Kühlkörper installiert. Diese Laserdiode zeigte Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die praktische Verwendung ist.
[Beispiel 14]
Ein Substrat der Größe 10 mm × 10 mm × 0,3 mm (Länge × Breite × Dicke), das aus einem gesinterten Cu-W-Formstück mit einem Cu-Gehalt von 15 Gew.-% gebildet wird, wurde hergestellt. Dieses Substrat wurde 40 Minuten lang in Salzsäure eingetaucht. Die Oberflächenrauheit R_Z des Substrats ergab sich zu 3,6 μm.
Die Oberfläche des Substrats wurde einem Ankratzprozess mit Diamantkörnern unterzogen. Das Substrat 102 wurde auf dem Substrathalter 101 in der Mikrowellenplasma-CVD-Vorrichtung, die in 7 gezeigt ist, platziert. Die Temperatur des Substrats 102 wurde auf ungefähr 850°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 3,5 mol% wurde durch den Einlass 109 in den Reaktor 107 eingeleitet. Der Druck im Reaktor 107 wurde bei 140 Torr gehalten. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde über 20 Stunden auf dem Substrat 102 unter den obigen Bedingungen gezogen. Die Dicke der dünnen Diamantfilmschicht betrug 25 μm. Die Verwindung des Substrats betrug 2,7 μm.
Die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde poliert, so dass sie eine Spiegelfläche aufwies. Dann wurde das Substrat auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 0,3 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Die dünne Diamantfilmschicht löste sich nicht vom Substrat ab. Dann wurde die Oberfläche des Substrats gegenüber der Oberfläche, auf der die dünne Diamantfilmschicht gebildet ist, poliert und einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper zu bilden. Eine Laserdiode wurde auf diesem Kühlkörper installiert. Diese Laserdiode zeigte Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die praktische Anwendung ist.
[Beispiel 15]
Ein Substrat der Größe 10 mm × 10 mm × 0,6 mm (Länge × Breite × Dicke), das aus einem gesinterten Cu-W-Formstück mit einem Cu-Gehalt von 11 Gew.-% gebildet wird, wurde hergestellt. Dieses Substrat wurde eine Minute lang in eine mit Reinwasser verdünnte Lösung von Mischsäure (Mischung aus Flusssäure und Salpetersäure in einem Gewichtsverhältnis von 1:1) eingetaucht. Dann wurde das Substrat fünf Minuten lang in Salpetersäure eingetaucht. Das Substrat wurde mit einem Röntgenstrahl bestrahlt, der mit einem CuKα-Hohlgefäß erzeugt wurde, um ein Röntgenbeugungsdiagramm zu erhalten. Dieses Röntgenbeugungsdiagramm wird in 13 gezeigt.
Es wird anhand von 13 zur Kenntnis genommen, dass kein Cu-Peak in dem Röntgenbeugungsdiagramm der Oberfläche des Substrats, die einer Säurebehandlung unterzogen wurde, erscheint.
Dann wird die Oberfläche einem Ankratzprozess unter Verwendung von Diamantkörnern unterzogen. Dann wurde das Substrat 26 auf den Substrathalter 27 in der Glühdraht-CVD-Vorrichtung 1, die in 1 gezeigt ist, eingesetzt. Dann wurde die Temperatur des Wolfram-Glühdrahts 25 auf ungefähr 2.100°C eingestellt. Mischgas aus Methan und Wasserstoff mit einer Methankonzentration von 1 mol% wurde durch den Gaseinlass 22 in den Reaktor 21 eingeleitet. Der Druck des Reaktors 21 wurde auf 70 Torr eingestellt. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde über 40 Stunden unter den obigen Bedingungen auf dem Substrat 26 gebildet. Die Dicke der dünnen Diamantfilmschicht betrug 20 μm. Die Verwindung des Substrats betrug 2,5 μm.
Die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde poliert, so dass sie eine Spiegelfläche aufwies. Dann wurde das Substrat auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 0,6 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Die dünne Diamantfilmschicht löste sich nicht vom Substrat ab. Dann wurde die Oberfläche des Substrats gegenüber der Oberfläche, auf der die dünne Diamantfilmschicht gebildet ist, poliert, so dass die Dicke des Substrats 0,3 mm betrug. Dieses Substrat wurde einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen. Eine Laserdiode wurde auf dem Kühlkörper installiert. Diese Laserdiode zeigte Oszillation.
Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die praktische Anwendung ist.
[Vergleichsbeispiel 3]
In Vergleichsbeispiel 3 wurde die Bedingung der Säurebehandlung gemäß Beispiel 15 geändert. Im Gegensatz zu Beispiel 15, in dem das Substrat eine Minute lang in mit Reinwasser verdünnte Mischsäure eingetaucht wurde und dann fünf Minuten lang in Salpetersäure eingetaucht wurde, wurde in Vergleichsbeispiel 3 das Substrat 10 Sekunden in mit Reinwasser verdünnte Mischsäure eingetaucht, aber anschließend nicht in Salpetersäure eingetaucht. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde auf dem Substrat, das der Säurebehandlung unterzogen worden war, unter den Bedingungen ähnlich denen in Beispiel 15 gezogen. Diese dünne Diamantfilmschicht wurde mit einem Röntgenstrahl bestrahlt, der mit einem CuKα-Hohlgefäß erzeugt wurde, um ein Röntgenbeugungsdiagramm zu erhalten. Dieses Röntgenbeugungsdiagramm wird in 14 gezeigt.
Es wird zur Kenntnis genommen, dass in dem Röntgenbeugungsdiagramm der 14 ein Cu-Peak vorliegt. Die Oberfläche des Diamanten wurde poliert, so dass sie eine Spiegelfläche aufwies. Dann wurde das Substrat auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 0,6 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Ein Teil der dünnen Diamantfilmschicht löste sich von dem Substrat ab.
[Beispiel 16]
Ein poröser Körper 310, wie in 18 gezeigt, mit der Größe 100 mm × 80 mm × 1 mm (Länge × Breite × Dicke), der aus einem gesinterten Wolframmetall-Formstück mit einer Porosität von 21 Vol.% gebildet war, wurde hergestellt. Die Oberfläche des porösen Körpers 310 einschließlich einer Öffnung 311 wurde einem Ankratzprozess mit Diamantkörnern unterzogen. Dann wurde der poröse Körper 310 auf dem Substrathalter 27 eingesetzt. Dann wurde Strom von der Wechselstromquelle 24 an den Wolframglühdraht 25 angelegt, wodurch die Temperatur des Wolfram-Glühdrahts 25 auf ungefähr 2.050°C eingestellt wurde.
Dann wurde Mischgas aus Wasserstoff und Methan mit einer Methankonzentration von 1 mol% durch den Gaseinlass 22 in den Reaktor 21 eingeleitet. Eine dünne Diamantfilmschicht 320, wie in 19 gezeigt, wurde über 40 Stunden unter der Bedingung, dass der Druck in den Reaktor 21 bei 70 Torr gehalten wurde, auf dem porösen Körper 310 gezogen. Die Dicke der dünnen Diamantfilmschicht 320 betrug 24 μm. Dann wurde eine Cu-Platte auf ein Heizgerät zum Erwärmen gesetzt. Der poröse Körper 310, auf dem die dünne Diamantfilmschicht 320 gebildet ist, wurde auf diese Cu-Platte gesetzt.
Das Cu wurde unter Verwendung des Heizgeräts bis auf eine Temperatur von 1.100°C erwärmt, und geschmolzen, wodurch das Cu in die Öffnung 311 des porösen Körpers 310 über eine Periode von 10 Stunden eindrang, so dass ein Substrat gebildet wurde. Das Substrat umfasst den porösen Körper und Cu. Dann wurde das Substrat auf eine Größe von 10 mm × 10 mm × 1 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Die dünne Diamantfilmschicht wurde poliert, so dass Sie eine Spiegelfläche aufwies. Das Substrat wurde auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 1 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten, um einen Kühlkörper zu erhalten. Die dünne Diamantfilmschicht löste sich nicht von dem porösen Körper ab. Die dünne Diamantfilmschicht und das Substrat wurden einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper, der in 20 gezeigt ist, zu erhalten.
Unter Bezugnahme auf 20 wird ein Kühlkörper 300 aus dem porösen Körper 310 und der dünnen Diamantfilmschicht 320 gebildet. Der poröse Körper 310 wird aus einem gesinterten Wolfram-Metall-Formstück gebildet, das eine gesinterte Version von feinem Wolframmetallpulver ist. Eine Vielzahl von Öffnungen 311 sind in dem porösen Körper 310 vorhanden. All diese Öffnungen 311 stehen miteinander in Verbindung. Die Löcher 311 werden mit Cu 312 gefüllt. An der Oberflächenschicht 310a des porösen Körpers dringt die Diamantfilmschicht 320 in die Öffnung 311 ein.
Eine polykristalline Diamantfilmschicht 320 wird an der Oberfläche des porösen Körpers 310 gebildet.
Eine Laserdiode wurde auf diesem Kühlkörper 300 installiert. Diese Laserdiode zeigte Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper ausreichend für die tatsächliche Praxis ist.
[Beispiel 17]
Ein poröser Körper der Größe 100 mm × 80 mm × 2 mm (Länge × Breite × Dicke), der aus einem gesinterten Formstück aus porösem Wolframmetall mit einer Porosität von 28 Vol.% gebildet wurde, wurde hergestellt. Die Oberfläche des porösen Körpers wurde einem Ankratzprozess mit Diamantkörnern unterzogen. Dann wurde der poröse Körper aus den Substrathalter 27, der in 1 gezeigt ist, gesetzt. Die Temperatur des Wolfram-Glühdrahts 25 wurde auf ungefähr 2.100°C eingestellt. Mischgas aus Wasserstoff und Methan mit einer Methankonzentration von 1 mol% wurde durch den Gaseinlass 22 in den Reaktor 21 eingeleitet. Der Druck im Reaktor 21 wurde auf 70 Torr eingestellt. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde über 40 Stunden unter den obigen Bedingungen auf den porösen Körper gezogen. Die Dicke der dünnen Diamantfilmschicht betrug 22 μm.
Dann wurde der poröse Körper mit der dünnen Diamantfilmschicht nach unten weisend auf dem Substrathalter 27 platziert. Eine Cu-Platte wurde auf dem porösen Körper platziert. Ein Heizgerät wurde auf diese Cu-Platte platziert, um die Cu-Platte bis auf eine Temperatur von 1.100°C zu erwärmen, um das Cu zu schmelzen. Dementsprechend drang das Cu in den porösen Körper ein, so dass ein Substrat gebildet wurde. Das Substrat umfasst den porösen Körper und Cu. Dann wurde das Substrat auf eine Größe von 10 mm × 10 mm × 2 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde poliert, so dass sie eine Spiegelfläche aufwies. Dann wurde das Substrat auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 1 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Die dünne Diamantfilmschicht löste sich jedoch nicht von dem Substrat ab.
Die Fläche des Substrats gegenüber der Fläche, auf der die dünne Diamantfilmschicht gebildet ist, wurde poliert und einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen. Eine Laserdiode wurde auf diesem Kühlkörper installiert. Diese Laserdiode zeigte Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper zur praktischen Verwendung geeignet ist.
[Beispiel 18]
Ein poröser Körper der Größe 100 mm × 80 mm × 2 mm (Länge × Breite × Dicke), der aus einem gesinterten Formstück aus porösem Wolframmetall mit einer Porosität von 35 Vol.% gebildet wurde, wurde hergestellt. Die Oberfläche des porösen Körpers wurde einem Ankratzprozess mit Diamantkörnern unterzogen. Dieser poröse Körper wurde auf dem Substrathalter 27, der in 1 gezeigt ist, platziert. Die Temperatur des Wolfram-Glühdrahts 25 wurde auf ungefähr 2.100°C eingestellt. Mischgas aus Wasserstoff und Methan mit einer Methankonzentration von 1 mol% wurde durch den Gaseinlass 22 in den Reaktor 21 eingeleitet. Der Druck des Reaktors 21 wurde auf 70 Torr eingestellt. Eine dünne Diamantfilmschicht wurde über 40 Stunden unter den obigen Bedingungen auf den porösen Körper gezogen. Die Dicke der dünnen Diamantfilmschicht betrug 22 μm.
Dann wurde ein Tiegel als ein Behälter hergestellt. Cu wurde in diesen Tiegel gegeben. Das Cu wurde bis auf eine Temperatur von 1.100°C erwärmt und geschmolzen. Der poröse Körper wurde in den Tiegel eingetaucht, um das Cu in die Öffnungen des porösen Körpers eindringen zu lassen, so dass ein Substrat gebildet wurde. Das Substrat umfasst den porösen Körper und Cu. Dann wurde das Substrat auf eine Größe von 10 mm × 10 mm × 2 mm (Länge × Breite × Dicke) geschnitten.
Die Oberfläche der dünnen Diamantfilmschicht wurde poliert, so dass sie eine Spiegelfläche aufwies. Dann wurde das Substrat weiter auf eine Größe von 2 mm × 1 mm × 1 mm (Länge × Breite × Dicke) zugeschnitten. Die Fläche des Substrats gegenüber der Fläche, auf der die dünne Diamantfilmschicht gebildet ist, wurde poliert und einer Metallisierung unterzogen, um einen Kühlkörper herzustellen.
Eine Laserdiode wurde auf diesem Kühlkörper installiert. Die Laserdiode zeigte Oszillation. Es wird daher zur Kenntnis genommen, dass dieser Kühlkörper für die praktische Verwendung geeignet ist.
[Beispiel 19]
Ein Kühlrippenfuß 81 der Größe 20 mm × 20 mm × 0,4 mm (Länge × Breite × Dicke), der aus Si, AlN, CuW-Legierung oder SiC, wie in 21 gezeigt, gebildet ist, wurde hergestellt.
Eine Oberfläche davon wurde einem Ankratzprozess unter Verwendung von Diamantpulver unterzogen. Dann wurde Diamant auf der gesamten Oberfläche durch Glühdraht-CVD gezogen. Die Bedingungen für das Ziehen werden im folgenden erläutert.

Materialgas 1 Gew.-% Methan-Wasserstoff

Fliessrate 600 sccm

Druck 80 Torr

Substrattemperatur 710°C

Glühdraht Wolfram

Glühdrahttemperatur 2.150°C
Auf einer Oberfläche jedes Kühlrippenfuß 81 wurde eine Dampfphasensynthesen-Diamantschicht 82 mit hoher Anhaftung erhalten. Jede Dampfphasensynthesen-Diamantschicht 82 wurde poliert, um eine Dicke von 20 μm, 50 μm bzw. 100 μm aufzuweisen. Die Wärmeleitfähigkeit jeder erhaltenen Dampfphasensynthesen-Diamantschicht 82 wurde durch das Laserblitzverfahren gemessen. Jede Dampfphasensynthesen-Diamantschicht 82 wies eine Wärmeleitfähigkeit von 1.310 W/m·K auf.
Im Anschluss an den Polierschritt wurde jede Dampfphasensynthese-Diamantschicht 82 mit einem Laser geschnitten und die Oberfläche einer Metallisierung unterzogen. Alle metallisierten Schichten waren Au 3 μm/Pt 0,05 μm/Ti 0,1 μm. Die gegenüberliegende Oberfläche des Kühlrippenfuß 81 wurde durch Ablagern von Au metallisiert und mit einem Hartlot mit einem Metallsockelteil 83 verbunden, das aus einer CuW-Legierung gebildet wurde. Ein aus GaAs gebildeter MMIC, der ein Halbleiterelement 84 darstellt, wird unter Verwendung eines Hartlotmaterials mit der metallisierten Schicht auf der Dampfphasensynthesen-Diamantschicht 82 mit der Wärme erzeugenden Zone nach oben verbunden.
Als ein Vergleichsbeispiel wurden eine freistehende Platte (20 mm × 20 mm × 0,4 mm; Länge × Breite × Dicke) aus Diamant und ein BeO-Substrat (20 mm × 20 mm × 0,4 mm; Länge × Breite × Dicke) anstelle des Kühlkörpers, der aus einem schichtartigen Element der obigen Dampfphasensynthese-Diamantschicht 82 und dem Kühlrippenfuß 81 gebildet wird, hergestellt. Auf ähnliche Weise wurden das Metallsockelteil und das Halbleiterelement (MMIC) verbunden.

Probe 13 unter Verwendung der freistehenden Platte aus Diamant wurde zerbrochen, als das Halbleiterelement aus GaAs montiert wurde. Im Gegensatz dazu zeigten die Proben 1 bis 12 der vorliegenden Erfindung jeweils kein Zerbrechen des Halbleiterelements zum Zeitpunkt des Montierens durch Hartlöten. Der Grund ist, dass der thermische Expansionskoeffizient der Proben 1 bis 12 der vorliegenden Erfindung ähnlich dem von GaAs ist. Das montierte Halbleiterelement, d.h. MMIC, arbeitete stabil. Die Proben 1 bis 12 und 14, die kein Brechen des Halbleiterelements zeigten, wiesen einen niedrigen Wärmewiderstand auf, wie in der folgenden Tabelle 1 gezeigt. Insbesondere lag der Wärmewiderstand der Proben 1 bis 12 der vorliegenden Erfindung tiefer als derjenige der Probe 14 unter Verwendung von BeO. Tabelle 1

Probe	Kühlkörperstruktur	Diamantdicke (μm)	Wärmewiderstand (°C/W)
1	Diamant/Si	20	3,71
2	Diamant/Si	50	3,51
3	Diamant/Si	100	3,27
4	Diamant/AIN	20	3,59
5	Diamant/AIN	50	3,38
6	Diamant/AIN	100	3,10
7	Diamant/CuW	20	3,52
8	Diamant/CuW	50	3,30
9	Diamant/CuW	100	2,99
10	Diamant/SiC	20	3,85
11	Diamant/SiC	50	3,65
12	Diamant/SiC	100	3,34
13*	freistehende Diamantplatte	400	-
14*	BeO-Substrat	-	4,35

Anmerkung: * kennzeichnet Vergleichsbeispiele

[Beispiel 20]
In ähnlicher Weise wie oben in Beispiel 19 wurde eine dünne Diamantfilmschicht durch Dampfphasensynthese auf einer Oberfläche eines Kühlrippenfuß 91 der Größe 14 mm × 14 mm × 0,4 mm (Länge × Breite × Dicke), wie in 22 gezeigt, gezogen. Diese dünne Diamantfilmschicht wurde poliert. Ein Kühlkörper mit einer Dampfphasensynthese-Diamantschicht 92 von 40 μm Dicke auf dem Kühlrippenfuß 91 wurde hergestellt.
Eine Polyimid-Cu-Mehrschichtverbindungsschicht (drei Schichten) 95 wurde auf der Dampfphasensynthesen-Diamantschicht 92 des Kühlkörpers angeordnet. Dann wurde ein Exzimerlaser auf eine vorbestimmte Position gerichtet, um durch Bearbeiten einer Öffnung eine Verbindung zwischen den Schichten durch die Durchgangsöffnung zu erzeugen. Dann wurde die Seite des Kühlrippenfuß des Kühlkörpers durch Hartlöten an das Metallteil 93 auf Basis von CuW angebracht. Ein MMIC-Halbleiterelement 94 wurde durch Hartlöten mit dem Elementmontagebereich der Dampfphasensynthese-Diamantschicht 92 verbunden. Dann wurde eine Verbindung zwischen dem Halbleiterelement 94 und der Mehrschicht-Verbindungsschicht 95 hergestellt.
Das auf diesem Kühlkörper montierte MMIC-Halbleiterelement 94 zeigte kein Brechen während der Montagephase. Das Halbleiterelement 94 arbeitete über eine lange Zeitspanne stabil. Es zeigte hervorragende Wärmeableitung.
Anhand der obigen Beispiele 19 und 20 werden die folgenden Beispiele identifiziert. Um ein Brechen der Halbleiterelemente zu vermeiden, umfasst das Halbleitermodul der vorliegenden Erfindung einen Kühlrippenfuß mit einer Dicke von 200 bis 700 μm bei einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 100 W/m·K, eine auf dem Kühlrippenfuß aufgebrachte Dampfphasensynthese-Diamantschicht von 10 bis 200 μm Dicke und ein Hochleistungs-Halbleiterelement, das auf die Dampfphasensynthese-Diamantschicht montiert ist.
In dem Halbleitermodul der vorliegenden Erfindung wird der Kühlrippenfuß aus wenigstens einem aus der Gruppe, bestehend aus Si, SiC, AlN, CuW-Legierung, CuMo-Legierung und CuMOW-Legierung ausgewählten Typ gebildet. Der Fuß kann eine Cu-Konzentration aufweisen, die als eine Funktion der Annäherung an die Oberfläche niedriger wird, wie in den Beispielen 1 bis 18 verwendet, oder kann in eine Öffnung eines porösen W-Körpers eingedrungenes Cu aufweisen. Die Dampfphasensynthese-Diamantschicht weist eine Wärmeleitfähigkeit auf, die bevorzugt wenigstens 1.000 W/m·K beträgt.
Als eine spezielle Struktur im Hinblick auf das Montieren eines Halbleiterelements für das Halbleitermodul der vorliegenden Erfindung weist wenigstens ein Teil der Halbleiterelement-Montageoberfläche der Dampfphasensynthese-Diamantschicht eine metallisierte Schicht auf, wobei die metallisierte Schicht aus wenigstens einem Typ, ausgewählt aus der Gruppe aus Au, Mo, Ni, Pt, Pd, Ti, Cu, Al gebildet ist und ein durch ein Hartlotmaterial mit der metallisierten Schicht verbundenes Hochleistungs-Halbleiterelement aufweist.
In dem Halbleitermodul der vorliegenden Erfindung weist das montierte Hochleistungs-Halbleiterelement Galliumarsenid als Hauptbestandteil auf. Das Halbleitermodul der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet für die Montage eines Hochleistungstransistors und eines MMIC. Das Hochleistungs-Halbleiterelement ist vorzugsweise mit einer Fläche gegenüber der Wärme erzeugenden Zone mit der Dampfphasensynthese-Diamantschichtseite verbunden.
In dem Halbleitermodul der vorliegenden Erfindung kann die Packungsdichte des Halbleiterelements weiter erhöht werden, indem eine Mehrschicht-Verbindungsschicht, umfassend eine Isolationsschicht mit einer Dielektrizitätskonstante von nicht mehr als 5 und einer Metallverbindungsschicht auf der planen Seite der Dampfphasensynthese-Diamantschicht gebildet wird, auf der das Hochleistungs-Halbleiterelement montiert wird.
In dem Halbleitermodul der vorliegenden Erfindung ist eine dünne Dampfphasensynthese-Diamantschicht von 10 bis 200 μm Dicke auf der planen Seite angeordnet, wo das Halbleiterelement des Kühlrippenfuß, der als ein Kühlkörper dient, oder ein Halbleiterfuß montiert wird. Durch Anordnen solch einer dünnen Dampfphasensynthese-Diamantschicht auf dem Kühlrippenfuß kann die von dem auf diese Dampfphasensynthese-Diamantschicht montierten Halbleiterelement erzeugte Wärme wirksam abgeleitet werden. Es kann ebenfalls verhindert werden, dass das Halbleiterelement beim Montieren bricht.
Die durch das Halbleiterelement erzeugte Wärme wird zunächst lateral innerhalb der Dampfphasensynthese-Diamantschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit verteilt, um dann weiter in Richtung des Kühlrippenfuß von der gesamten Oberfläche der Dampfphasensynthese-Diamantschicht weiter verteilt zu werden. Daher kann hochwirksame Wärmeableitung an das Modul angelegt werden, obwohl die Dampfphasensynthese-Diamantschicht dünn ist. Die Wärmeleitfähigkeit der Dampfphasensynthese-Diamantschicht ist vorzugsweise wenigstens 100 W/m·K, um wünschenswerte Wärmeableitung in horizontaler Richtung in der Dampfphasensynthese-Diamantschicht zu erzielen.
Obwohl die Wärmeleitfähigkeit des Kühlrippenfuß kleiner sein kann als die Wärmeleitfähigkeit von Diamant, geht der Wärmeableitungseffekt der Dampfphasensynthese-Diamantschicht verloren, wenn die Wärmeleitfähigkeit zu gering ist. Daher muss die Wärmeleitfähigkeit des Kühlrippenfuß wenigstens 1.000 W/m·K betragen. Als Kühlrippenfuß mit solcher Wärmeleitfähigkeit werden vorzugsweise Si, SiC, AlN, Cu, CuW- Legierung, CuMo-Legierung, CuMOW-Legierung und dergleichen verwendet.
Im Allgemeinen nimmt die mechanische Stärke von Diamant ab, je dünner er wird und er weist einen niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten auf. Es gab das Problem, dass das Halbleiterelement aufgrund der Differenz der thermischen Expansion zerbrach, wenn ein Halbleiterelement, das hauptsächlich aus Galliumarsenid (GaAs) gebildet wurde, wie etwa ein MMIC, durch Hartlöten verbunden wird.
Die vorliegende Erfindung stellt jedoch durch Dampfphasensynthese eine Diamantbeschichtung, die weniger als 200 μm dick ist, auf einem Kühlrippenfuß bereit, der einen thermischen Expansionskoeffizienten höher als derjenigen von Diamant aufweist. Dementsprechend weist die erhaltene Dampfphasensynthese-Diamantschicht einen thermischen Expansionskoeffizienten auf, der demjenigen des Kühlrippenfuß nahe kommt, ohne dass die mechanische Stärke verschlechtert wird. Daher kann ein Zerbrechen des Halbleiterelements sogar dann unterdrückt werden, wenn ein Halbleiterelement aus GaAs auf die Dampfphasensynthese-Diamantschicht hartgelötet wird.
Wenn die Dicke wenigstens 10 μm beträgt, weist die Dampfphasensynthese-Diamantschicht ausreichende mechanische Stärke auf und zeigt ausreichende Wärmeableitung. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Dampfphasensynthese-Diamantschicht wenigstens 20 μm. Jedoch steigen die Kosten mit zunehmender Dicke der Dampfphasensynthese-Diamantschicht an. Wenn die Dampfphasensynthese-Diamantschicht dicker als 200 μm wird, geht der Einfluss des darunterliegenden Kühlrippenfuß verloren, so dass der thermische Expansionskoeffizient schlechter wird. Im Ergebnis nimmt die Möglichkeit des Brechens des Halbleiterelements beim Montieren zu. Wenn die Dicke des Kühlrippenfuß weniger als 200 μm beträgt, wird die mechanische Stärke zu gering. Wenn die Dicke des Kühlrippenruß 700 μm übersteigt, wird die gesamte Wärmeableitung des Moduls verschlechtert. Daher liegt die Dicke des Kühlrippenfuß vorzugsweise in einem Bereich von 200 bis 700 μm, mehr bevorzugt im Bereich von 250 bis 500 μm.
Natürlicher Diamant oder synthetischer Hochdruck-Diamant kann für die auf dem Kühlrippenfuß vorgesehene Diamantschicht verwendet werden. Jedoch ist es schwierig, die Diamantschicht und den Fuß miteinander zu verbinden. Eine Verschlechterung der Wärmeableitung tritt auf. Es gab ein Problem, dass eine Diamantschicht mit einer großen Fläche nicht hergestellt werden konnte. Durch das Dampfphasensyntheseverfahren kann eine dünne Diamantfilmschicht direkt auf dem Kühlrippenfuß gezogen werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Dampfphasensynthese-Diamantschicht mit der erforderlichen Wärmeleitfähigkeit und Dicke leicht erhalten werden. Ferner können die Kosten im Vergleich zur Verwendung von natürlichem Diamant oder synthetischem Hochdruckdiamant beträchtlich reduziert werden.
Das Schichtelement der Dampfphasensynthese-Diamantschicht und des Kühlrippenfuß wird als der Kühlkörper oder das Kühlkörpersubstrat verwendet. Ein Hochleistungshalbleiterelement, wie etwa ein Hochleistungstransistor oder ein MMIC wird auf die Dampfphasensynthese-Diamantschicht montiert. Diese Hochleistungshalbleiterelemente weisen GaAs als Hauptbestandteil auf. Das Halbleiterelement weist im allgemeinen eine Wärmeerzeugungsregion auf der Seite einer Oberfläche auf. Das Halbleiterelement kann mit der Oberfläche, die der Seite dieser Wärmeerzeugungsregion gegenüber liegt, auf die Dampfphasensynthese-Diamantschicht montiert werden.
Um ein Halbleiterelement zu montieren, wird eine metallisierte Schicht wenigstens eines Typs, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Au, Mo, Ni, Pt, Pd, Ti, Cu, Al und dergleichen als die Halbleiterelementmontagefläche der Dampfphasensynthese-Diamantschicht gebildet. Ein Hochleistungshalbleiterelement, wie etwa ein Hochleistungstransistor oder ein MMIC wird durch ein Hartlotmaterial, wie etwa AuSn, AuGe und AuSi auf der metallisierten Schicht befestigt. Die Gesamtdicke dieser metallisierten Schicht und der Hartlotschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 50 μm.
Die Packungsdichte des Halbleiterelements kann durch Verbinden mit dem Halbleiterelement durch eine Mehrschicht-Verbindungsschicht aus einer Isolationsschicht und einer Metallverbindungsschicht weiter verbessert werden, die auf der Fläche der Dampfphasensynthesen-Diamantschicht gebildet wird, wo das Halbleiterelement montiert wird. In diesem Fall weist die Isolationsschicht vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante von nicht mehr als 5 auf, da eine Isolation mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante das Rauschen durch Fortpflanzung oder Verlust reduzieren kann.
Das Schichtelement der obigen Dampfphasensynthese-Diamantschicht und der Kühlrippenfuß werden mit dem Basismetall, wie etwa CuW an der Kühlrippenfußseite, die als ein Kühlkörper oder ein Kühlkörpersubstrat verwendet werden soll, verbunden. In diesem Fall wird eine metallisierte Schicht wenigstens eines Typs, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Au, Mo, Ni, Pt, Pd, Ti, Cu, Al und dergleichen an der Oberflächenseite des Kühlrippenfuß vorgesehen, mit der das Basismetall verbunden wird. Die metallisierte Schicht wird unter Verwendung eines Hartlotmaterials, wie etwa AuSn und AuSi verbunden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Kühlkörper mit verbesserter Anhaftung zwischen der dünnen Diamantfilmschicht und dem Substrat bei verminderter Verwindung bereitgestellt werden.
Die vorliegende Erfindung ist dahingehend vorteilhaft, dass die Herstellung ohne Verwendung von toxischem BeO durchgeführt wird. Da eine dünne Dampfphasensynthese-Diamantschicht verwendet wird, können Kosten vermieden werden. Ein Halbleitermodul mit ausgezeichneter Wärmeableitung kann bereitgestellt werden. Das Halbleitermodul unterscheidet sich hinsichtlich der thermischen Expansion von dem Halbleiterelement, die durch den Kühlrippenfuß und die darauf gebildete Dampfphasensynthesen-Diamantschicht vermindert werden, so dass thermische Spannungen in dem Element vermindert werden. Daher kann ein Brechen des Halbleiterelements während der Elementmontage unterdrückt werden.

Claims

Kühlkörper (310), umfassend ein Substrat und eine dünne Diamantfilmschicht (320), die auf diesem Substrat gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass: das Substrat einen porösen Körper (310) mit einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten umfasst, wobei der Unterschied des thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem Substrat und der dünnen Diamantfilmschicht (320) klein ist, Cu (312) in den Poren (311) des porösen Körpers (310) vorliegt, und die dünne Diamantfilmschicht (320) in einer Oberflächenregion (310a) des porösen Körpers (310) in die Poren (311) eindringt.
Kühlkörper (310) gemäss Anspruch 1, wobei das Substrat eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 100 W/m·K und eine Dicke von wenigstens 200 μm und nicht mehr als 700 μm aufweist, und die dünne Diamantfilmschicht (320) eine Dicke von wenigstens 10 μm und nicht mehr als 200 μm aufweist.
Kühlkörper (310) gemäss Anspruch 2, wobei die dünne Diamantfilmschicht (320) eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 1.000 W/m·K aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers (310), wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 definiert, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bilden einer dünnen Diamantfilmschicht (320) auf einer Oberfläche eines porösen Körpers (310) mit einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten, wobei der Unterschied des thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem porösen Körper und der dünnen Diamantfilmschicht (320) klein ist, wobei die dünne Diamantfilmschicht (320) in einer Oberflächenregion (310a) des porösen Körpers (310) in die Poren (311) eindringt, und Füllen des verbliebenen Volumens der Poren (311) in dem porösen Körper (310) mit Cu (312) nach Bildung der dünnen Diamantfilmschicht (320).
Verfahren gemäss Anspruch 4, wobei der poröse Körper wenigstens ein Typ eines gesinterten Formteils ist, der ausgewählt ist aus einem W-gesinterten Formteil und einem W-Mo-gesinterten Formteil.
Verfahren gemäss Anspruch 4, wobei der poröse Körper (310) eine Porosität von wenigstens 15 Vol.% und nicht mehr als 60 Vol.% aufweist.
Verfahren gemäss Anspruch 4, wobei der Schritt des Füllens der Poren (311) in dem porösen Körper (310) mit Cu (312) den Schritt des Eindringens von geschmolzenem Cu in die Poren (311) in dem porösen Körper (310) umfasst.
Verfahren gemäss Anspruch 4, wobei der Schritt des Füllens der Poren (311) in dem porösen Körper (310) mit Cu (312) den Schritt des Erwärmens und Schmelzens von Cu umfasst, um geschmolzenes Cu in die Poren (311) eindringen zu lassen, nachdem der poröse Körper (310) auf festem Cu plaziert worden ist.
Verfahren gemäss Anspruch 4, wobei der Schritt des Füllens der Poren (311) in dem porösen Körper (310) mit Cu (312) den Schritt des Erwärmens und Schmelzens von Cu umfasst, um geschmolzenes Cu in die Poren (311) eindringen zu lassen, nachdem festes Cu auf dem porösen Körper (311), auf dem die dünne Diamantfilmschicht (320) gebildet ist, plaziert worden ist.
Verfahren gemäss Anspruch 4, wobei der Schritt des Füllens der Poren (311) in dem porösen Körper (310) mit Cu (312) den Schritt des Lagerns von geschmolzenem Cu in einem Behälter und das Eindringenlassen von geschmolzenem Cu in die Poren (311) umfasst, indem der poröse Körper (310), auf dem die dünne Diamantfilmschicht (320) gebildet ist, in geschmolzenes Cu eingetaucht wird.
Verfahren gemäss Anspruch 4, ferner umfassend den Schritt des Verkratzens der Oberfläche des porösen Körpers (310) unter Verwendung von Diamant vor der Bildung der dünnen Diamantfilmschicht (320).