JP3528376B2 - Substrate manufacturing method - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、超高速MPU、大
出力半導体レーザーなど、大きな発熱密度を持つ半導体
素子を実装するための基板(高放熱性を要求される透過
窓を包含する)の製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the manufacture of a substrate (including a transmissive window which is required to have a high heat dissipation property) for mounting a semiconductor element having a large heat generation density such as an ultra high speed MPU and a high power semiconductor laser. Regarding the method.
【0002】[0002]
【従来の技術】海底ケーブルなどに使用される半導体レ
ーザーは、長距離伝送を実現するため、大出力化が進ん
でおり、それに伴い素子自体の発熱量も急増している。
また、情報処理システム等の小型化、処理速度高速化に
伴い、これらの機器に内蔵される半導体素子の単位面積
当たり処理能力の向上が急速に進展している。これらの
ことは、半導体素子の発生する単位面積当たりの熱量の
増大を招き、実装する基板を設計する上でその放熱性を
確保することの重要性が注目されている。一方、放射光
実験装置に使用される窓材に代表される各種光学窓材
は、その透過光強度や、使用される環境が年々厳しくな
っている。そのため、窓材の機械的強度、放射性に対す
る要求が今後さらに厳しくなることが予想される。2. Description of the Related Art Semiconductor lasers used for submarine cables and the like have been increased in output in order to realize long-distance transmission, and the amount of heat generated by the element itself has been rapidly increasing accordingly.
Further, with the downsizing of information processing systems and the increase in processing speed, the improvement of the processing capacity per unit area of semiconductor elements incorporated in these devices is rapidly progressing. These things lead to an increase in the amount of heat generated per unit area of the semiconductor element, and the importance of ensuring the heat dissipation of the mounted substrate has attracted attention. On the other hand, various optical window materials typified by the window materials used in the synchrotron radiation experimental apparatus have become severer in the transmitted light intensity and the environment in which they are used. Therefore, it is expected that demands for mechanical strength and radioactivity of window materials will become more severe in the future.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】現在パッケージに用い
られているアルミナなどの材料では、上記のような高性
能な素子が実用化された際、その放熱特性が問題となる
ことが確実である、すなわち、現状パッケージでは、そ
の熱抵抗が大きく、素子自体の発熱を十分に放散させる
ことができずに素子温度が上昇し、その結果素子が誤動
作、あるいは暴走をおこすなどの問題が生じる。この問
題を解決するためには、前述したようにより高熱伝導性
の材料を用いることが有効であり、現存する物質中でも
っとも熱伝導率の大きいダイヤモンドも半導体レーザダ
イオードなどでは使用されている。With the materials such as alumina currently used for the package, it is certain that the heat dissipation characteristics will become a problem when the above high-performance element is put into practical use. That is, in the current package, the thermal resistance is large, the heat generated by the device itself cannot be sufficiently dissipated, and the device temperature rises. As a result, the device malfunctions or runs out of control. In order to solve this problem, it is effective to use a material having higher thermal conductivity as described above, and diamond having the highest thermal conductivity among existing substances is also used in semiconductor laser diodes and the like.
【0004】しかしながら、放熱基板が輸送する熱は最
終的には外界の空気や冷却水などに伝達して排出しなけ
ればならない。搭載する半導体素子などの発生する熱量
が大きくなれば、高熱伝導率材料を使用しなければなら
ないのはもちろん、高熱伝導性材料を伝導してきた大量
の熱をいかに効率的に基板から放熱するかが重要にな
る。その為、基板の裏面にフィンや冷却水配管を取り付
けて放熱面積、放熱効率の増大を図る工夫がなされてい
る。しかし、基板の裏側に冷却水配管を取り付けるとそ
の取り付け部分に余計な熱抵抗が入るのは防止できない
し、フィンではさらに冷却効率が落ちるため、さらに効
率的な冷却ができる高い放熱性を持った基板の開発が要
請されている。However, the heat transported by the heat dissipation board must be finally transferred to the outside air or cooling water to be discharged. If the amount of heat generated by the mounted semiconductor element increases, it is of course necessary to use a high thermal conductivity material, and how to efficiently dissipate the large amount of heat that has conducted through the high thermal conductivity material from the substrate. Becomes important. Therefore, a fin and a cooling water pipe are attached to the back surface of the substrate to increase the heat radiation area and heat radiation efficiency. However, if the cooling water pipe is attached to the back side of the board, it is not possible to prevent extra heat resistance from entering that attachment part, and the fins will have a lower cooling efficiency, and thus have high heat dissipation that enables more efficient cooling. Substrate development is required.
【0005】特開平4−273466号公報には、ダイ
ヤモンドを用いた3次元集積回路基板において、基板の
側面部に穴を設け、冷媒を流す構造が提案されている。
しかしながら、この構造では基板の中央付近(実際には
最も温度が上昇すると予想される部分)が最も冷媒の通
過するところから離れており、効率が悪い。Japanese Unexamined Patent Publication No. 4-273466 proposes a structure in which a coolant is flowed in a three-dimensional integrated circuit board using diamond by forming a hole in the side surface of the board.
However, in this structure, the vicinity of the center of the substrate (the part where the temperature is expected to rise most) is farthest from the place where the refrigerant passes, and the efficiency is poor.
【0006】また、各種透過窓材として用いられる材料
としては、例えば、Be、Si、ZnSeなどが挙げら
れる。これらの窓材に、大きなエネルギーの光を照射す
ると、窓材自体の温度が上昇し、溶解、変質などの問題
が生じる。そのため、窓材の周囲から冷却する等の対策
が施されているが、充分ではなかった。Examples of materials used as various transmission window materials include Be, Si and ZnSe. When these window materials are irradiated with light of large energy, the temperature of the window materials themselves rises, causing problems such as melting and deterioration. Therefore, measures such as cooling from around the window material have been taken, but they have not been sufficient.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】そこで本発明者らは、以
上のような問題点に鑑み、より冷却効率の大きな基板を
得るべく鋭意研究を重ね、基板に直接冷媒を通すための
流路を形成することにより従来の基板よりも格段に放熱
効率の向上した基板を得ることに成功した。In view of the above problems, the inventors of the present invention have conducted extensive studies to obtain a substrate with a higher cooling efficiency, and have established a flow path for directly passing a coolant through the substrate. By forming it, we succeeded in obtaining a substrate with significantly improved heat dissipation efficiency than conventional substrates.
【0008】本発明は、a)熱伝導率10W/cm・K以
上の高熱伝導性物質より成る薄板の片面に、レーザー光
線による加工を利用して、冷却用媒体が通過する為の流
路を形成する工程と、
b)前記加工の施された面に基材を接着させる工程を含
むことを特徴とする基板の製造方法を提供する。また、
本発明は、熱伝導率10W/cm・K以上の高熱伝導性物
質から成る板の片面に、レーザー光線を利用して、冷却
用媒体を通過するための流路を形成する工程と、前記加
工の施された面に、熱伝導率10W/cm以上の高熱伝導
性物質よりなる別の板を接着させる工程を含むことを特
徴とする基板の製造方法を提供する。According to the present invention, a) a thin plate made of a highly heat-conductive material having a thermal conductivity of 10 W / cm · K or more is used to form a flow path for a cooling medium to pass through by using a laser beam. And a step of b) adhering a base material to the processed surface, the method for manufacturing a substrate is provided. Also,
The present invention comprises a step of forming a flow path for passing a cooling medium by using a laser beam on one surface of a plate made of a highly heat conductive material having a thermal conductivity of 10 W / cm · K or more, and Provided is a method for manufacturing a substrate, which comprises the step of adhering another plate made of a highly heat-conductive material having a thermal conductivity of 10 W / cm or more to the surface provided.
【0009】加えて、本発明は、熱伝導率10W/cm・
K以上の高熱伝導性物質よりなる板の側面より、レーザ
ー光線を利用して冷却用媒体の通過するための流路を形
成する工程を含むことを特徴とする基板の製造方法を提
供する。さらに、本発明は、a)熱伝導率10W/cm・
K以上の高熱伝導性物質より成る薄板の片面に、マスク
を部分的に施す工程と、
b)マスクが施されていない部分を選択的にエッチング
することにより冷却用媒体が通過するための流路を形成
する工程と、
c)マスクを除去する工程と、
d)前記加工の施された面に基材を接着する工程を含む
ことを特徴とする基板の製造方法を提供する。In addition, the present invention has a thermal conductivity of 10 W / cm.
There is provided a method for manufacturing a substrate, which comprises a step of forming a flow path through which a cooling medium passes using a laser beam from a side surface of a plate made of a material having a high thermal conductivity of K or more. Furthermore, the present invention provides: a) thermal conductivity of 10 W / cm.
A step of partially applying a mask to one surface of a thin plate made of a material having high thermal conductivity of K or higher, and b) A channel for passing a cooling medium by selectively etching an unmasked portion. And a step of removing the mask, and a step of adhering a base material to the processed surface.
【0010】さらに加えて、本発明は、板状材料に溝を
形成する工程と、板状材料上に気相合成法によりダイヤ
モンドを成長させる工程と、板状材料を除去して溝入り
ダイヤモンド自立膜を得る工程と、前記溝を有する面に
基材を接着させる工程を含むことを特徴とする基板の製
造方法を提供する。さらに加えて本発明は、基材にマス
クを施す工程と、気相合成法によりダイヤモンドを成長
させる工程と、マスクを除去することにより冷却用媒体
を通過させるための流路を得る工程とを含むことを特徴
とする基板の製造方法を提供する。さらに加えて、本発
明は、板状材料にマスクを施す工程と、気相合成法によ
りダイヤモンドを成長させる工程と、マスクおよび板状
材料を除去し溝入りダイヤモンド自立膜を得る工程と、
該自立膜の溝の形成されている面に基材を接着させる工
程を含むことを特徴とする基板の製造方法を提供する。In addition to the above, the present invention further comprises the steps of forming a groove in a plate-shaped material, growing diamond on the plate-shaped material by a vapor phase synthesis method, and removing the plate-shaped material to make the grooved diamond self-supporting. There is provided a method for manufacturing a substrate, which includes a step of obtaining a film and a step of adhering a base material to the surface having the groove. Furthermore, the present invention includes a step of applying a mask to the base material, a step of growing diamond by a vapor phase synthesis method, and a step of removing the mask to obtain a flow path for passing a cooling medium. A method of manufacturing a substrate is provided. Furthermore, the present invention, a step of applying a mask to the plate-shaped material, a step of growing diamond by a vapor phase synthesis method, a step of removing the mask and the plate-shaped material to obtain a grooved diamond free-standing film,
There is provided a method for manufacturing a substrate, including a step of adhering a base material to a surface of the self-supporting film in which a groove is formed.
【0011】本発明において、「基板」という用語は、
半導体素子を実装する基板のみならず、透過窓をも包含
する。In the present invention, the term "substrate" refers to
It includes not only a substrate on which a semiconductor element is mounted but also a transmission window.
【0012】以下に、本発明の具体的な内容について詳
細に開示する。本発明における基板の1つの形態におい
ては、高熱伝導性物質層が基材の上に積層されており、
高熱伝導性物質層と基材との界面に、冷媒を流すための
溝が高熱伝導性層側に形成されている。すなわち、高熱
伝導性物質層の表面に配置された半導体装置などの発熱
体から生じる熱は、高熱伝導性物質層の中を温度勾配が
小さいまま伝えられ、物質層裏面に形成された溝を通過
する冷媒によって効率よく除去される。The specific contents of the present invention will be disclosed in detail below. In one form of the substrate in the present invention, the high thermal conductive material layer is laminated on the base material,
At the interface between the high thermal conductive material layer and the base material, a groove for flowing a refrigerant is formed on the high thermal conductive layer side. That is, the heat generated from the heating element such as a semiconductor device arranged on the surface of the high thermal conductive material layer is transmitted through the high thermal conductive material layer with a small temperature gradient and passes through the groove formed on the back surface of the material layer. Is efficiently removed by the refrigerant.
【0013】高熱伝導性物質層としては、熱伝導性は高
い方が素子温度を押さえることができ好ましい。その熱
伝導率は、高ければ高い程良いが、10W/cm・K以上
あることが適当である。この様な材質を持つ物質として
は、天然ダイヤモンド、高圧合成ダイヤモンド、および
気相合成ダイヤモンドが挙げられる。これらはいずれも
本発明における高熱伝導性物質層として適当であるが、
特に気相合成法により得られるダイヤモンドを利用する
と、比較的大面積の高熱伝導性物質層が安価に得ること
ができる。熱伝導率は、一般に温度依存性があり、上記
ダイヤモンドは、室温以上の温度領域では温度上昇と共
にその熱伝導率は低下する。通常の半導体素子を搭載す
る基板の場合、搭載される素子温度は精々100℃から
200℃以下であり、この温度領域で熱伝導率が10W
/cm・K以上であることが本発明における高熱伝導性物
質層においても望ましい。高熱伝導性物質層の厚さは、
少なくとも30μm以上、より好ましくは70μm以上あ
ることが好ましい。高伝導性物質層の厚さの上限は、通
常、10mm、例えば5mmである。高熱伝導性物質は、半
導電性または導電性であってもよいが、絶縁性であるこ
とが好ましい。高熱伝導性物質の抵抗率は、1x108
Ω・cm以上、より好ましくは1x109Ω・cm以上であ
ることが好ましい。As the high thermal conductivity material layer, it is preferable that the thermal conductivity is higher because the element temperature can be suppressed. The higher the thermal conductivity, the better, but 10 W / cm · K or more is suitable. Examples of substances having such a material include natural diamond, high-pressure synthetic diamond, and vapor-phase synthetic diamond. All of these are suitable as the high thermal conductive material layer in the present invention,
In particular, when diamond obtained by the vapor phase synthesis method is used, a relatively large area high thermal conductivity material layer can be obtained at low cost. The thermal conductivity is generally temperature-dependent, and the thermal conductivity of the diamond decreases with increasing temperature in the temperature range above room temperature. In the case of a board on which an ordinary semiconductor element is mounted, the temperature of the mounted element is 100 ° C to 200 ° C at most, and the thermal conductivity is 10W in this temperature range.
/ Cm · K or more is also desirable in the high thermal conductive material layer in the present invention. The thickness of the high thermal conductive material layer is
It is preferably at least 30 μm or more, more preferably 70 μm or more. The upper limit of the thickness of the highly conductive material layer is usually 10 mm, for example 5 mm. The high thermal conductivity material may be semi-conductive or conductive, but is preferably insulative. The resistivity of high thermal conductive material is 1 × 10 8
It is preferably Ω · cm or more, more preferably 1 × 10 9 Ω · cm or more.
【0014】高熱伝導性物質層に存在する溝について
は、その深さは深いほど熱交換率は上昇するが、あまり
深すぎるとその機械強度が弱くなるので好ましくない。
具体的には、溝の深さ(c)は20μm以上、より好ま
しくは50μm以上である。溝の深さは、高熱伝導性物
質層の膜厚の90%未満、より好ましくは80%未満が
好ましい。また、溝の幅(a)は広いほど熱交換率は上
昇するが、そのかわり基材に接する部分の強度を保つた
めに溝の数が少なくなるために広すぎても逆に熱交換率
は悪くなる。一方、溝の間隔(b)についても幅と同様
なことがいえ、広すぎても狭すぎても良くない。溝の幅
および間隔は、20μm以上10mm以下、より好ましく
は40μm以上2mm以下であることが望ましい。幅
(a)と間隔(b)の長さの比(a/b)の範囲につい
て、半導体用基板の場合に、下限は、0.02、より好
ましくは0.04であり、一方、上限は、50、より好
ましくは25であることが望ましく、一方、窓材である
場合に、下限は、0.02、より好ましくは0.04であ
り、一方、上限は、10、より好ましくは5であること
が望ましい。幅(a)と深さ(c)の長さの比(a/
c)の範囲について、半導体用基板の場合に、下限は、
0.05、より好ましくは0.1であり、一方、上限は1
00、より好ましくは50であることが望ましく、一
方、窓材である場合に、下限は、0.02、より好まし
くは0.05であり、一方、上限は、50、より好まし
くは25であることが望ましい(図4参照)。Regarding the grooves existing in the high thermal conductivity material layer, the deeper the depth, the higher the heat exchange rate, but if it is too deep, the mechanical strength becomes weak, which is not preferable.
Specifically, the depth (c) of the groove is 20 μm or more, more preferably 50 μm or more. The depth of the groove is preferably less than 90%, more preferably less than 80% of the film thickness of the high thermal conductive material layer. Also, the wider the width (a) of the groove, the higher the heat exchange rate, but instead the number of grooves is reduced in order to maintain the strength of the portion in contact with the base material. become worse. On the other hand, the groove spacing (b) is similar to the width, and it is neither too wide nor too narrow. The width and spacing of the grooves are preferably 20 μm or more and 10 mm or less, more preferably 40 μm or more and 2 mm or less. Regarding the range of the ratio (a / b) of the length of the width (a) to the length of the interval (b), in the case of a semiconductor substrate, the lower limit is 0.02, more preferably 0.04, while the upper limit is , 50, more preferably 25, while in the case of a window material, the lower limit is 0.02, more preferably 0.04, while the upper limit is 10, more preferably 5. Is desirable. The ratio of the length of width (a) to depth (c) (a /
Regarding the range of c), in the case of a semiconductor substrate, the lower limit is
0.05, more preferably 0.1, while the upper limit is 1
00, more preferably 50, on the other hand, in the case of a window material, the lower limit is 0.02, more preferably 0.05, while the upper limit is 50, more preferably 25. It is desirable (see FIG. 4).
【0015】但し、最適な幅、間隔については、放熱基
板上に搭載される素子に依存する。なお、溝の形状とし
ては、断面が長方形である必要はなく、半円形、半楕円
形やさらに複雑な形状をとりうる。また、1つの基板中
で、上記のa, b, cの値が一定である必要はなく、上に
示した条件の中で変化させうる。溝によって占められる
高熱伝導性物質層の表面の割合は、高熱伝導性物質層の
表面の面積に対して、半導体用基板の場合に通常、2〜
90%、好ましくは10〜80%であり、窓材の場合に
通常、2〜75%、好ましくは10〜50%である。溝
の側面が高熱伝導性物質層表面に対する鉛直線となす角
度(テーパー角)は、30°以下であることが好まし
い。However, the optimum widths and intervals depend on the elements mounted on the heat dissipation board. The shape of the groove does not have to be rectangular in cross section, and may be semicircular, semielliptic, or a more complicated shape. Further, the values of a, b, and c described above do not have to be constant in one substrate, and can be changed under the conditions shown above. The ratio of the surface of the high thermal conductive material layer occupied by the groove is usually 2 to 2 in the case of the semiconductor substrate with respect to the surface area of the high thermal conductive material layer.
90%, preferably 10 to 80%, and in the case of window materials, it is usually 2 to 75%, preferably 10 to 50%. The angle (taper angle) between the side surface of the groove and the vertical line with respect to the surface of the high thermal conductive material layer is preferably 30 ° or less.
【0016】この冷媒の通過するべき溝は、本基板上に
設置される半導体素子などの発熱体の配置に応じて適宜
形成することができる。搭載される半導体素子などの発
熱体により、最も発熱する部分、あるいは最も低温であ
ることが要求される部分が最も効率的に冷却されるよう
に溝を形成することが望ましい。具体的には、最も冷却
したい部分に冷媒が最も多く通過する様に溝を配置す
る。溝の断面形状を複雑にし、溝の表面積を大きくする
ことによっても冷却効率を上げることができる。また、
冷媒の導入口付近は最も冷媒の温度も低いので、冷却効
率が高くなる。従って、発熱体の発熱量分布がほぼ均等
である場合、中央部分が最も温度が高くなるので、中央
部に導入口を設け、そこから螺旋状、あるいは放射線状
に冷媒溝を配置すると効率的でよい。The groove through which the coolant passes can be appropriately formed according to the arrangement of the heating element such as a semiconductor element installed on the main substrate. It is desirable to form the groove so that the portion that generates the most heat or the portion that requires the lowest temperature is cooled most efficiently by the heating element such as the mounted semiconductor element. Specifically, the grooves are arranged so that the refrigerant most passes through the portion to be cooled most. The cooling efficiency can also be improved by making the cross-sectional shape of the groove complicated and increasing the surface area of the groove. Also,
Since the temperature of the refrigerant is lowest near the inlet of the refrigerant, the cooling efficiency is high. Therefore, if the calorific value distribution of the heating element is almost even, the temperature will be highest in the central part, so it is efficient to provide an inlet in the central part and arrange the refrigerant groove in a spiral or radial shape from there. Good.
【0017】溝は、高熱伝導性物質層を形成した後に、
該物質層をレーザー加工(例えば、エキシマレーザーを
使用する)すること、エッチング法により加工すること
などによって形成することができる。溝の表面に、厚さ
1nm以上1μm以下の非ダイヤモンドの炭素成分(例え
ば、グラファイト、非結晶質カーボン)から成る層が存
在してよい。非ダイヤモンド層は、非酸化雰囲気(例え
ば、不活性ガス雰囲気)において、高熱伝導性物質層を
1000〜1500℃に30分〜10時間(例えば、1
時間)加熱することによって、形成することができる
(この場合には、溝以外の高熱伝導性物質層の表面にも
非ダイヤモンド層が形成されるが、これは、研磨などに
よって除去することができる。)。非ダイヤモンド層の
有無は、ラマン分光法によって測定することが可能であ
る。The groove is formed after forming the high thermal conductive material layer.
The material layer can be formed by laser processing (for example, using an excimer laser), processing by an etching method, or the like. A layer of a non-diamond carbon component (for example, graphite or amorphous carbon) having a thickness of 1 nm or more and 1 μm or less may be present on the surface of the groove. The non-diamond layer is formed by subjecting the high thermal conductive material layer to a temperature of 1000 to 1500 ° C. for 30 minutes to 10 hours (eg, 1 to 1) in a non-oxidizing atmosphere (for example, an inert gas atmosphere).
It can be formed by heating for a time (in this case, a non-diamond layer is also formed on the surface of the high thermal conductive material layer other than the groove, which can be removed by polishing or the like). .). The presence or absence of the non-diamond layer can be measured by Raman spectroscopy.
【0018】溝の表面において、冷媒に対する濡れ性が
良好であることが好ましい。接触角は、通常65°以
下、より好ましくは60°以下であることが好ましい。
ダイヤモンドの表面には、水素原子が存在するので、こ
のままの状態では、水などの冷媒をはじく。そこで、水
素原子に代えて、酸素原子を含む親水基(例えば、OH
基)をつけることによってダイヤモンド層表面の親水性
を上げることができる。溝の表面の濡れ性の向上するに
は、例えば、酸化雰囲気(例えば、大気雰囲気)におい
て、500〜800℃で10分〜20時間アニールする
か、またはあるいは酸素または酸素を含む気体のプラズ
マで処理すればよい。溝を形成する方法として酸素プラ
ズマを使用する場合には、幾分親水性が上がっていると
考えられるが、さらに上記の濡れ性向上の操作を行って
よい。さらに、溝の表面の冷媒に対する濡れ性を改善す
る処理としては、上記の他、窒素、ホウ素あるいは不活
性ガス等を含むガス中でのプラズマ処理を挙げることが
できる。It is preferable that the surface of the groove has good wettability with the refrigerant. The contact angle is usually 65 ° or less, more preferably 60 ° or less.
Since hydrogen atoms are present on the surface of diamond, in this state, it repels a coolant such as water. Therefore, instead of a hydrogen atom, a hydrophilic group containing an oxygen atom (for example, OH
By adding a base), the hydrophilicity of the diamond layer surface can be increased. In order to improve the wettability of the surface of the groove, for example, annealing is performed at 500 to 800 ° C. for 10 minutes to 20 hours in an oxidizing atmosphere (for example, air atmosphere), or treatment with oxygen or a gas containing oxygen is performed. do it. When oxygen plasma is used as the method for forming the grooves, it is considered that the hydrophilicity is increased to some extent, but the above-mentioned operation for improving wettability may be further performed. Further, as the treatment for improving the wettability of the surface of the groove with respect to the coolant, in addition to the above, plasma treatment in a gas containing nitrogen, boron or an inert gas can be mentioned.
【0019】溝を形成した後に、高熱伝導性層を基材に
張り合わせる。張り合わせは、金属または接着剤などで
行ってよい。金属層または接着剤層の厚さは、通常0.
01〜10μmである。あるいは張り合わせは、金属な
どの物質を使用せずに、高熱伝導性層を直接に基材に付
着させることによって行ってもよい。After forming the groove, the high thermal conductivity layer is laminated to the substrate. The bonding may be performed with a metal, an adhesive, or the like. The thickness of the metal layer or adhesive layer is usually 0.
It is from 01 to 10 μm. Alternatively, the bonding may be performed by directly attaching the high thermal conductivity layer to the base material without using a substance such as metal.
【0020】基材は、例えば、B、Be、Al、Cu、
Si、Ag、Ti、Fe、Ni、Mo、W、これらの合
金およびこれらの化合物(例えば、炭化物、窒化物)な
どの物質からできている。窓材として用いる場合は、そ
の用途に応じて、基材を使いわけることができる。例え
ば、X線透過用窓としては、Beを、赤外線透過用窓で
あれば、Si、ZnSeなどを使用できる。基材は、例
えば、絶縁性であってよい。基材は、板状であってよ
い。基材の厚さは、通常0.1〜10mm、好ましくは0.
5〜5mmである。The base material is, for example, B, Be, Al, Cu,
It is made of materials such as Si, Ag, Ti, Fe, Ni, Mo, W, alloys thereof and compounds thereof (for example, carbides and nitrides). When used as a window material, the base material can be used properly depending on the application. For example, Be can be used as the X-ray transmission window, and Si, ZnSe, or the like can be used as the infrared transmission window. The substrate may be insulative, for example. The substrate may be plate-shaped. The thickness of the substrate is usually 0.1 to 10 mm, preferably 0.1.
It is 5 to 5 mm.
【0021】素子を基板上に実装する場合に、素子は高
熱伝導物質層の上に配置されることが好ましい。冷媒と
しては、例えば、水、空気、不活性ガス(例えば、窒
素、アルゴンなど)、フルオロカーボン、液体窒素、液
体酸素、液体ヘリウムなどを使用する。本発明の基板
は、半導体デバイス、例えば、レーザーチップ、MPU
および各種光学用窓材(例えば、赤外線、紫外線、X
線、SORなどのための窓材)などにおいて有用であ
る。When the device is mounted on the substrate, the device is preferably arranged on the high thermal conductive material layer. As the refrigerant, for example, water, air, an inert gas (for example, nitrogen, argon, etc.), fluorocarbon, liquid nitrogen, liquid oxygen, liquid helium, etc. are used. The substrate of the present invention is a semiconductor device such as a laser chip or MPU.
And various optical window materials (for example, infrared rays, ultraviolet rays, X
It is useful for wire, window material for SOR, etc.).
【0022】さて、以下にこの冷媒の通過する溝を基材
との界面に有する基板の製造方法について説明する。ま
ず、基材に、冷媒通過溝を持つ高熱伝導性物質層を接着
して得る方法について示す。高熱伝導性物質層となる物
質を、所望の大きさに用意する。これに、冷媒が通過す
る溝を配置するには、レーザー光線を利用した加工方
法、選択的なエッチングなどが利用できる。レーザー加
工は、物質表面にレーザー光線を集光することによって
物質の削除加工を行い、溝を表面に形成する。この方法
によれば、任意の配置の溝を得ることができる。高熱伝
導性物質の表面に、十分なエネルギー密度を持ったレー
ザー光線を集光し、物質を削除しながら徐々に集光位置
を移動させて溝を表面に形成する。レーザー光線として
は、YAGレーザー、エキシマレーザーなどが利用でき
るが、特にエキシマレーザーはその加工精度の点から、
任意の深さ、配置の溝を再現性よく形成することができ
好ましい。Now, a method of manufacturing a substrate having the groove through which the coolant passes at the interface with the base material will be described below. First, a method of adhering a high thermal conductive substance layer having a coolant passage groove to a base material will be described. A substance to be the high thermal conductive substance layer is prepared in a desired size. In order to arrange the groove through which the coolant passes, a processing method using a laser beam, selective etching, or the like can be used. In the laser processing, the material is removed by focusing a laser beam on the surface of the material to form a groove on the surface. According to this method, it is possible to obtain grooves having an arbitrary arrangement. A laser beam having a sufficient energy density is focused on the surface of the high thermal conductivity material, and the focusing position is gradually moved while deleting the material to form a groove on the surface. As the laser beam, a YAG laser, an excimer laser or the like can be used, but the excimer laser is particularly preferable in terms of its processing accuracy.
It is preferable that the grooves having an arbitrary depth and arrangement can be formed with good reproducibility.
【0023】レーザー光の波長は、360nm以下、例え
ば、190〜360nmの範囲であることが好ましい。照
射する光のエネルギー密度は、10〜1011W/cm2で
ある。パルス状レーザー光を用い、その1パルス当たり
のエネルギー密度が10-1J/cm2以上で、106J/cm
2以下の範囲とすることが好ましい。さらに、レーザー
発振器より発振される際のレーザー光の広がり角度が1
0-2〜5x10-1mradとし、レーザー光の発振スペクト
ルの半値幅を10-4〜1nmとすることが好ましい。レー
ザー光のビーム断面におけるエネルギー分布の均一性は
10%以下であることが好ましい。パルスレーザー光を
円筒型レンズまたは円筒型ミラーにより集光することに
よって、良好な加工の結果を得る。このようなエキシマ
レーザーによる表面溝加工において、適当な雰囲気中で
加工を行うことによって、ダイヤモンド表面の改質を行
うことができ、冷媒との濡れ性をも改善することが可能
となる。例えば、含アミノ基化合物(例えばアンモニ
ア、ヒドラジンなど)雰囲気中において上記の加工を行
うことによって、形成された溝の表面にアミノ基が導入
され、親水性を向上させることが可能である。The wavelength of the laser light is preferably 360 nm or less, for example, in the range of 190 to 360 nm. The energy density of the irradiation light is 10 to 10 11 W / cm 2 . Energy density per pulse is 10 -1 J / cm 2 or more using pulsed laser light and 10 6 J / cm 2
The range is preferably 2 or less. Furthermore, the divergence angle of the laser light when oscillated by the laser oscillator is 1
It is preferable to set it to 0 −2 to 5 × 10 −1 mrad, and to set the half width of the oscillation spectrum of the laser beam to 10 −4 to 1 nm. The uniformity of energy distribution in the beam cross section of the laser light is preferably 10% or less. Good processing results are obtained by focusing the pulsed laser light with a cylindrical lens or a cylindrical mirror. In such surface groove processing by the excimer laser, by performing the processing in an appropriate atmosphere, the diamond surface can be modified and the wettability with the refrigerant can be improved. For example, by performing the above-mentioned processing in the atmosphere of an amino group-containing compound (for example, ammonia, hydrazine, etc.), an amino group can be introduced into the surface of the formed groove, and hydrophilicity can be improved.
【0024】一方、エッチング法による表面溝加工は、
以下のように行うことができる。即ち、適当なマスクを
高熱伝導性物質層上に形成した後、マスクはエッチング
せず、高熱伝導性物質のみをエッチングする条件で処理
する。その後マスクを除去して、表面に溝を持った高熱
伝導性物質層が得られる。ダイヤモンド上にマスク材料
としてAl、あるいはSiO2を形成し、酸素あるいは酸
素を含むガスによりダイヤモンドを選択的にエッチング
することができると知られており(第53回応物学会予
稿集第二分冊第411頁参照)、この技術を利用してダ
イヤモンド上に溝加工ができる。また、酸素あるいは酸
素を含むガスの代わりに、窒素または水素を利用しても
よい。On the other hand, the surface groove processing by the etching method is
It can be done as follows. That is, after forming an appropriate mask on the high thermal conductive material layer, the mask is not etched, and only the high thermal conductive material is etched. After that, the mask is removed to obtain a high thermal conductive material layer having grooves on the surface. It is known that Al or SiO 2 can be formed as a mask material on diamond and the diamond can be selectively etched by oxygen or a gas containing oxygen (53rd Proceedings of the Society of Physical and Chemical Engineering, Second Volume, Volume 411). (See page), this technology can be used to form grooves on diamond. Alternatively, nitrogen or hydrogen may be used instead of oxygen or a gas containing oxygen.
【0025】こうして所望の溝を形成した高熱伝導性物
質層を、別途用意した基材に張り付けすることにより、
非常に大きな放熱効率を有する基板を得ることができ
る。基材には、別途上記層に設けた溝に通すべき冷却媒
体を導入する出入口を設けておく。By attaching the high thermal conductive material layer having the desired groove thus formed to a separately prepared base material,
It is possible to obtain a substrate having a very large heat dissipation efficiency. The base material is provided with an inlet / outlet for introducing the cooling medium to be separately passed through the groove provided in the layer.
【0026】高熱伝導性物質層と基材との張り付けは、
メタライズ処理によって、あるいは接着剤によって、行
うことができる。結合する2つの面を公知の方法でメタ
ライズ処理し、金属を溶融させることによって行ってよ
い。メタライズ処理で使用する金属の例は、Ti、P
t、Au、Sn、Pb、In、Agなどである。接着剤
(例えば、Ag/エポキシ系、Ag/ポリイミド系、A
u/エポキシ系)あるいはAg系ロウ剤、および他の接
着方法を使用してよい。Adhesion between the high thermal conductive material layer and the substrate is
It can be performed by a metallizing process or by an adhesive. It may be performed by metalizing the two surfaces to be bonded by a known method and melting the metal. Examples of metals used in the metallization treatment are Ti, P
t, Au, Sn, Pb, In, Ag and the like. Adhesive (eg Ag / epoxy type, Ag / polyimide type, A
u / epoxy based) or Ag based brazing agents, and other bonding methods may be used.
【0027】また、高熱伝導性物質層として、気相合成
法により合成されたダイヤモンドを利用する場合、溝を
形成するのにレーザー光線、エッチング法などによる加
工ではなく、マスクによる選択成長を使用することがで
きる。これは、例えば特開平1−104761号公報、
特開平1−123423号公報等に開示されている。基
材(例えば、Si、SiC、Cu、Mo、cBN等)の表面
に、マスク材を形成したい溝と対応する形状に配置して
おき、その上に気相合成法によりダイヤモンドを積層さ
せればよい。この時、50μm以上ダイヤモンドを成長
させることにより、ダイヤモンドがマスクの上部にも横
方向成長し、結果として全面を覆うようになる。その
後、基材を溶解などの方法で除去すれば、取り出される
ダイヤモンドは基材面側に溝を有している。マスクは、
Ti、SiO2、Mo等を公知の方法で形成すればよい。こ
の方法の利点は、ダイヤモンドを成長させた後に衝撃を
与える必要がないので、加工中の破損などが生じにくい
ことが挙げられる。When diamond synthesized by the vapor phase synthesis method is used as the high thermal conductive material layer, selective growth using a mask should be used to form the groove, rather than processing by laser beam or etching method. You can This is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-1047661,
It is disclosed in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 1-123423. If a mask material is placed on the surface of a base material (for example, Si, SiC, Cu, Mo, cBN, etc.) in a shape corresponding to the groove in which the mask material is to be formed, and diamond is laminated thereon by the vapor phase synthesis method. Good. At this time, by growing the diamond by 50 μm or more, the diamond grows laterally also on the upper part of the mask, and as a result, the whole surface is covered. After that, if the base material is removed by a method such as melting, the diamond taken out has grooves on the base material surface side. The mask is
Ti, SiO 2 , Mo and the like may be formed by a known method. The advantage of this method is that since it is not necessary to give an impact after growing the diamond, it is unlikely to be damaged during processing.
【0028】上記の方法において、マスクを形成する代
わりに、板状材料そのものを加工し、溝と対応する形状
に凸凹を設けておき、その上に気相合成法によりダイヤ
モンドを成長させることもできる。所望の厚さに成長さ
せた後、板状材料を除去すると、板状材料面側には溝を
有するダイヤモンド自立膜を得ることができる。板状材
料としては、例えば、Si、SiC、Moなどが挙げら
れる。In the above method, instead of forming a mask, the plate-shaped material itself is processed to form irregularities in a shape corresponding to the groove, and diamond can be grown on it by vapor phase synthesis. . When the plate-shaped material is removed after the growth to a desired thickness, a diamond free-standing film having a groove on the plate-shaped material surface side can be obtained. Examples of the plate-shaped material include Si, SiC, Mo and the like.
【0029】さらに、高熱伝導性物質層として気相合成
ダイヤモンドを使う場合には、上記の方法を発展させ、
接着の工程を省略することもできる。即ち、基材の上
に、まずマスクをつけ、その上に気相合成ダイヤモンド
を成長させた後、マスクのみを溶解する事により、基材
とダイヤモンドの界面のダイヤモンド側に冷媒の通過す
る溝を有する基板を得ることができる。この方法によれ
ば、接着材を使用する必要がないため、基板全体の放熱
効率をさらに上げることができる。このような基材とし
ては、Si、SiC、Cu、Moが好ましい。Furthermore, when vapor phase synthetic diamond is used as the high thermal conductivity material layer, the above method is developed,
The step of bonding can be omitted. That is, a mask is first placed on the base material, and after vapor phase synthetic diamond is grown on the base material, only the mask is melted to form a groove through which a coolant passes on the diamond side of the interface between the base material and the diamond. A substrate having can be obtained. According to this method, since it is not necessary to use an adhesive material, the heat dissipation efficiency of the entire substrate can be further increased. As such a base material, Si, SiC, Cu and Mo are preferable.
【0030】前記のいずれの方法も高熱伝導性物質層/
基材の界面の高熱伝導性層側に溝を有する基板の製造に
有効である。エッチングによる方法は、微細な溝を精度
良く形成することができる。レーザー加工による方法
は、その形成速度が速い。また、選択成長による方法
(マスクを使用する方法)は、比較的大きな溝を形成す
るのが容易である。In any of the above methods, the high thermal conductivity material layer /
This is effective for manufacturing a substrate having a groove on the high thermal conductive layer side of the interface of the base material. The etching method can form fine grooves with high precision. The method using laser processing has a high formation speed. Further, in the method using selective growth (method using a mask), it is easy to form a relatively large groove.
【0031】本発明における基板の他の形態において、
流路の上下方向と横方向は、高熱伝導性物質によって包
囲されている。すなわち、基板の表面に配置された半導
体素子などの発熱体から生じる熱は、高熱伝導性物質の
中を温度勾配が小さいまま伝えられ、流路を通過する冷
媒によって効率よく除去される。In another form of the substrate according to the present invention,
The upper and lower directions and the lateral direction of the flow path are surrounded by the high thermal conductive material. That is, the heat generated from the heating element such as a semiconductor element arranged on the surface of the substrate is transmitted through the high thermal conductivity material with a small temperature gradient, and is efficiently removed by the refrigerant passing through the flow path.
【0032】高熱伝導性物質としては、熱伝導性は高い
方が素子温度を押さえることができ好ましい。その熱伝
導率は、高ければ高い程良いが、10W/cm・K以上あ
ることが適当である。この様な材質を持つ物質として
は、天然ダイヤモンド、高圧合成ダイヤモンド、および
気相合成ダイヤモンドが挙げられる。これらはいずれも
本発明における高熱伝導性物質として適当であるが、特
に気相合成法により得られるダイヤモンドを利用する
と、比較的大面積の高熱伝導性物質が安価に得ることが
できる。熱伝導率は、一般に温度依存性があり、上記ダ
イヤモンドは、室温以上の温度領域では温度上昇と共に
その熱伝導率は低下する。As the high thermal conductivity material, it is preferable that the thermal conductivity is higher because the element temperature can be suppressed. The higher the thermal conductivity, the better, but 10 W / cm · K or more is suitable. Examples of substances having such a material include natural diamond, high-pressure synthetic diamond, and vapor-phase synthetic diamond. All of these are suitable as the high thermal conductivity substance in the present invention, but particularly when diamond obtained by the vapor phase synthesis method is used, a relatively large area high thermal conductivity substance can be obtained at low cost. The thermal conductivity is generally temperature-dependent, and the thermal conductivity of the diamond decreases with increasing temperature in the temperature range above room temperature.
【0033】通常の半導体素子を搭載する基板の場合、
搭載される素子温度は精々100℃から200℃以下で
あり、この温度領域で熱伝導率が10W/cm・K以上で
あることが本発明における高熱伝導性物質においても望
ましい。SOR光用の窓材等に利用される場合に、照射
されるエネルギーが膨大であるために、従来タイプの窓
材では、それ自体の温度も数百℃まで上昇してしまう。
すると、ダイヤモンドを使用していても、その熱伝導率
は大幅に低下するを免れない。しかし、本発明の窓材を
使用することによって、放熱効果を大きくすることが可
能になるので、窓材自体の温度上昇を防ぎ、かつ熱伝導
率も高いまま維持することができる。In the case of a board on which an ordinary semiconductor element is mounted,
The temperature of the mounted element is at most 100 ° C. to 200 ° C., and it is desirable that the high thermal conductivity material of the present invention has a thermal conductivity of 10 W / cm · K or more in this temperature range. When used as a window material for SOR light or the like, the irradiation energy is enormous, so that the conventional type window material also rises in temperature to several hundred degrees Celsius.
Then, even if diamond is used, its thermal conductivity is unavoidably lowered. However, by using the window material of the present invention, it is possible to increase the heat dissipation effect, so that the temperature rise of the window material itself can be prevented and the thermal conductivity can be kept high.
【0034】基板の厚さは、30μm以上、より好まし
くは70μm以上であることが好ましい。基板の厚さの
上限は、通常、10mm、例えば5mmである。高熱伝導性
物質は、半導電性または導電性であってもよいが、絶縁
性であることが好ましい。高熱伝導性物質の抵抗率は、
1x108Ω・cm以上、より好ましくは1x109Ω・cm
以上であることが好ましい。The thickness of the substrate is preferably 30 μm or more, more preferably 70 μm or more. The upper limit of the thickness of the substrate is usually 10 mm, for example 5 mm. The high thermal conductivity material may be semi-conductive or conductive, but is preferably insulative. The resistivity of high thermal conductive material is
1 × 10 8 Ω · cm or more, more preferably 1 × 10 9 Ω · cm
The above is preferable.
【0035】流路については、典型的には、その断面形
状は長方形である。流路の高さは大きければ大きいほど
熱交換率は上昇するが、あまり大きすぎるとその機械強
度が弱くなるので好ましくない。具体的には、流路の高
さ(c)は20μm以上、より好ましくは50μm以上で
ある。流路の高さは、基板の厚さの90%未満、より好
ましくは80%未満が好ましい。また、流路の幅(a)
は広いほど熱交換率は上昇するが、基板の強度を保つた
めに流路の数が少なくなるために広すぎても逆に熱交換
率は悪くなる。一方、流路の間隔(b)についても幅と
同様なことがいえ、広すぎても狭すぎても良くない。流
路の幅および間隔は、20μm以上10mm以下、より好
ましくは40μm以上2mm以下であることが望ましい。The flow path is typically rectangular in cross section. The heat exchange rate increases as the height of the flow path increases, but if it is too high, the mechanical strength of the flow path decreases, which is not preferable. Specifically, the height (c) of the flow path is 20 μm or more, more preferably 50 μm or more. The height of the flow path is preferably less than 90% of the thickness of the substrate, more preferably less than 80%. Also, the width of the channel (a)
The wider the ratio, the higher the heat exchange rate, but since the number of channels is small to maintain the strength of the substrate, the heat exchange rate will be worse if the width is too wide. On the other hand, the spacing (b) of the flow paths is the same as the width, and it is neither too wide nor too narrow. The width and spacing of the channels are preferably 20 μm or more and 10 mm or less, more preferably 40 μm or more and 2 mm or less.
【0036】幅(a)と間隔(b)の比(a/b)の範
囲について、半導体基板の場合に、下限は、0.02、
より好ましくは0.04であり、一方、上限は、50、
より好ましくは25であることが望ましく、窓材である
場合に、下限は0.02、より好ましくは0.04であ
り、一方、上限は、10、より好ましくは5であること
が望ましい。幅(a)と高さ(c)の比(a/c)の範
囲について、半導体用基板である場合に、下限は、0.
05、より好ましくは0.1であり、一方、上限は10
0、より好ましくは50であることが望ましく、窓材で
ある場合に、下限は0.02、より好ましくは0.05で
あり、一方、上限は、50、より好ましくは25である
ことが望ましい。Regarding the range of the ratio (a / b) of the width (a) and the interval (b), the lower limit is 0.02 in the case of a semiconductor substrate,
More preferably, it is 0.04, while the upper limit is 50,
More preferably, it is preferably 25, and in the case of a window material, the lower limit is preferably 0.02, more preferably 0.04, while the upper limit is preferably 10, and more preferably 5. Regarding the range of the ratio (a / c) of the width (a) and the height (c), the lower limit is 0.
05, more preferably 0.1, while the upper limit is 10
The lower limit is preferably 0.02, more preferably 50, and in the case of a window material, the lower limit is 0.02, more preferably 0.05, while the upper limit is 50, more preferably 25. .
【0037】但し、最適な幅、間隔、高さについては、
基板上に搭載される素子および基板の発熱状態などに依
存する。なお、流路の形状としては、断面が長方形であ
る必要はなく、半円形、半楕円形やさらに複雑な形状を
とりうる。また、1つの基板中で、上記のa, b, cの値
が一定である必要はなく、上に示した条件の中で変化さ
せうる。流路によって占められる基板の表面の割合(基
板の平面に対して垂直方向にみた場合に流路が基板表面
に占める面積の割合)は、半導体用基板である場合に、
通常2〜90%、好ましくは10〜80%であり、窓材
である場合に、通常2〜75%、好ましくは10〜50
%である。流路の側面が基板の表面に対する鉛直線とな
す角度(テーパー角)は、30°以下であることが好ま
しい。However, regarding the optimum width, spacing, and height,
It depends on the elements mounted on the substrate and the heat generation state of the substrate. The shape of the flow path does not have to be rectangular in cross section, and may be semicircular, semielliptic, or a more complicated shape. Further, the values of a, b, and c described above do not have to be constant in one substrate, and can be changed under the conditions shown above. The ratio of the surface of the substrate occupied by the flow path (the ratio of the area occupied by the flow path to the surface of the substrate when viewed in the direction perpendicular to the plane of the substrate) is
It is usually 2 to 90%, preferably 10 to 80%, and when it is a window material, it is usually 2 to 75%, preferably 10 to 50%.
%. The angle (taper angle) between the side surface of the flow path and the vertical line with respect to the surface of the substrate is preferably 30 ° or less.
【0038】流路は、基板上に設置される半導体素子な
どの発熱体の配置などに応じて適宜形成することができ
る。最も発熱する部分、あるいは最も低温であることが
要求される部分が最も効率的に冷却されるように流路を
形成することが望ましい。具体的には、最も冷却したい
部分に冷媒が最も多く通過する様に流路を配置する。流
路の断面形状を複雑にし、流路の表面積を大きくするこ
とによっても冷却効率を上げることができる。また、冷
媒の導入口付近は最も冷媒の温度も低いので、冷却効率
が高くなる。従って、発熱体の発熱量分布がほぼ均等で
ある場合、中央部分が最も温度が高くなるので、中央部
に導入口を設け、そこから螺旋状、あるいは放射線状に
冷媒流路を配置すると効率的でよい。The flow path can be formed appropriately according to the arrangement of a heating element such as a semiconductor element installed on the substrate. It is desirable to form the flow path so that the most heat generating portion or the portion requiring the lowest temperature is cooled most efficiently. Specifically, the flow passages are arranged so that the refrigerant most passes through the portion to be cooled most. The cooling efficiency can also be improved by making the cross-sectional shape of the flow channel complicated and increasing the surface area of the flow channel. Further, since the temperature of the refrigerant is the lowest in the vicinity of the refrigerant inlet, the cooling efficiency becomes high. Therefore, if the heat generation amount distribution of the heating element is almost uniform, the temperature will be highest in the central part, so it is efficient to provide an inlet in the central part and arrange the refrigerant flow path spirally or radially from there. Good.
【0039】流路の表面に、厚さ1nm以上1μm以下の
非ダイヤモンドの炭素成分(例えば、グラファイト、非
結晶質カーボン)から成る層が存在してよい。非ダイヤ
モンド層は、非酸化雰囲気(例えば、不活性ガス雰囲
気)において、高熱伝導性物質膜を1000〜1500
℃に30分〜10時間(例えば、1時間)加熱すること
によって、形成することができる(この場合には、流路
以外の基板の表面にも非ダイヤモンド層が形成される
が、これは、研磨などによって除去することができ
る。)。非ダイヤモンド層の有無は、ラマン分光法によ
って測定することが可能である。A layer made of a non-diamond carbon component (for example, graphite or amorphous carbon) having a thickness of 1 nm or more and 1 μm or less may be present on the surface of the channel. The non-diamond layer is formed of a high thermal conductive material film of 1000 to 1500 in a non-oxidizing atmosphere (for example, an inert gas atmosphere).
It can be formed by heating at 30 ° C. for 30 minutes to 10 hours (for example, 1 hour) (in this case, the non-diamond layer is also formed on the surface of the substrate other than the flow channel. It can be removed by polishing etc.). The presence or absence of the non-diamond layer can be measured by Raman spectroscopy.
【0040】流路の表面において、冷媒に対する濡れ性
が良好であることが好ましい。接触角は、通常65°以
下、より好ましくは60°以下であることが好ましい。
ダイヤモンドの表面には、水素原子が存在するので、こ
のままの状態では、水などの冷媒をはじく。そこで、水
素原子に代えて、酸素原子を含む親水基(例えば、OH
基)をつけることによってダイヤモンド膜表面の親水性
を上げることができる。It is preferable that the surface of the channel has good wettability with the refrigerant. The contact angle is usually 65 ° or less, more preferably 60 ° or less.
Since hydrogen atoms are present on the surface of diamond, in this state, it repels a coolant such as water. Therefore, instead of a hydrogen atom, a hydrophilic group containing an oxygen atom (for example, OH
By adding a base, the hydrophilicity of the diamond film surface can be increased.
【0041】流路の表面の濡れ性の向上するには、例え
ば、酸化雰囲気(例えば、大気雰囲気)において、50
0〜800℃で10分〜10時間アニールするか、また
はあるいは酸素または酸素を含む気体のプラズマで処理
すればよい。流路を形成する方法として酸素プラズマを
使用する場合には、幾分親水性が上がっていると考えら
れるが、さらに上記の濡れ性向上の操作を行ってよい。To improve the wettability of the surface of the flow channel, for example, in an oxidizing atmosphere (for example, air atmosphere),
It may be annealed at 0 to 800 ° C. for 10 minutes to 10 hours, or may be treated with plasma of oxygen or a gas containing oxygen. When oxygen plasma is used as the method of forming the flow channel, it is considered that the hydrophilicity is increased to some extent, but the above-mentioned operation for improving wettability may be further performed.
【0042】さらに、流路の表面の冷媒に対する濡れ性
を改善する処理としては、上記の他、窒素、ホウ素ある
いは不活性ガス等を含むガス中でのプラズマ処理を挙げ
ることができる。Further, as the treatment for improving the wettability of the surface of the flow path with respect to the refrigerant, there can be mentioned plasma treatment in a gas containing nitrogen, boron or an inert gas, in addition to the above.
【0043】冷媒としては、例えば、水、空気、不活性
ガス(例えば、窒素、アルゴンなど)、フルオロカーボ
ン、液体窒素、液体酸素、液体ヘリウムなどを使用す
る。本発明の基板は、高熱伝導性物質の板に、高熱伝導
性物質以外の基材[厚さ0.1〜10mm、例えば、B、
Be、Al、Cu、Si、Ag、Ti、Fe、Ni、M
o、W、これらの合金およびこれらの化合物(例えば、
炭化物、窒化物)]をはり合わせたものであってよい。
本発明の基板は、半導体デバイス、例えば、レーザーチ
ップ、MPUなどにおいて有用である。また、放射光、
例えば、赤外線、紫外線、X線、SOR放射光を透過さ
せる窓材としても有用である。As the refrigerant, for example, water, air, inert gas (for example, nitrogen, argon, etc.), fluorocarbon, liquid nitrogen, liquid oxygen, liquid helium, etc. are used. The substrate of the present invention is a substrate of a high thermal conductive material, a base material other than the high thermal conductive material [thickness 0.1 to 10 mm, for example, B,
Be, Al, Cu, Si, Ag, Ti, Fe, Ni, M
o, W, their alloys and their compounds (for example,
Carbides, nitrides)].
The substrate of the present invention is useful in semiconductor devices such as laser chips and MPUs. Also, synchrotron radiation,
For example, it is also useful as a window material that transmits infrared rays, ultraviolet rays, X-rays, and SOR radiation light.
【0044】さて、以下に、流路を有する基板の製造方
法について説明する。基板は、例えば、レーザー加工な
どにより、基板の側面に直接に穴をあけて流路を形成す
ることによって形成できる。また、基板は、1枚の膜に
溝を形成した後、他の膜を貼り合わせることによっても
形成できる。Now, a method of manufacturing a substrate having a flow path will be described below. The substrate can be formed by, for example, laser processing or the like to directly form a hole in the side surface of the substrate to form a flow path. Alternatively, the substrate can be formed by forming a groove in one film and then bonding another film.
【0045】前者の方法では、まず所望の形状の高熱伝
導性物質からなる板を用意し、この側面にレーザー光線
を集光することにより、穴加工を施し、高熱伝導性物質
板の内部に冷媒を通過させる流路を形成する。In the former method, first, a plate made of a highly heat-conductive substance having a desired shape is prepared, and a laser beam is focused on this side face to form a hole, and a coolant is placed inside the high-heat conductive substance plate. A flow passage is formed.
【0046】第1高熱伝導性物質膜と第2高熱伝導性物
質膜との貼り合わせによって得る方法を以下に示す。第
1高熱伝導性物質膜には、流路になる溝が形成されてお
り、第2高熱伝導性物質膜には溝が形成されていない。
高熱伝導性物質からなる膜を所望の大きさに用意する。
第1高熱伝導性物質膜の片面に、完成時に内部に埋め込
まれるべき流路をレーザー光線による加工方法、選択的
なエッチングによる加工方法等によって形成する。A method of obtaining the first high thermal conductivity substance film and the second high thermal conductivity substance film by bonding is shown below. The first high thermal conductivity material film has a groove that serves as a flow channel, and the second high thermal conductivity material film has no groove.
A film made of a material having high thermal conductivity is prepared in a desired size.
On one surface of the first high thermal conductivity material film, a flow path to be embedded inside at the time of completion is formed by a laser beam processing method, a selective etching processing method, or the like.
【0047】レーザー加工は、物質表面にレーザー光線
を集光することによって物質の削除加工を行い、溝を表
面に形成する。この方法によれば、任意の配置の流路を
得ることができる。高熱伝導性物質の表面に、十分なエ
ネルギー密度を持ったレーザー光線を集光し、物質を削
除しながら徐々に集光位置を移動させて溝を表面に形成
する。レーザー光線としては、YAGレーザー、エキシ
マレーザーなどが利用できるが、特にエキシマレーザー
はその加工精度の点から、任意の深さ、配置の流路を再
現性よく形成することができ好ましい。In the laser processing, the material is removed by focusing a laser beam on the surface of the material to form a groove on the surface. According to this method, it is possible to obtain a flow path having an arbitrary arrangement. A laser beam having a sufficient energy density is focused on the surface of the high thermal conductivity material, and the focusing position is gradually moved while deleting the material to form a groove on the surface. As the laser beam, a YAG laser, an excimer laser, or the like can be used. In particular, the excimer laser is preferable because it can form a flow path having an arbitrary depth and arrangement with good reproducibility in terms of its processing accuracy.
【0048】レーザー光の波長は、360nm以下、例え
ば、190〜360nmの範囲であることが好ましい。照
射する光のエネルギー密度は、10〜1011W/cm2で
ある。パルス状レーザー光を用い、その1パルス当たり
のエネルギー密度が10-1J/cm2以上で、106J/cm
2以下の範囲とすることが好ましい。さらに、レーザー
発振器より発振される際のレーザー光の広がり角度が1
0-2〜5x10-1mradとし、レーザー光の発振スペクト
ルの半値幅を10-4〜1nmとすることが好ましい。レー
ザー光のビーム断面におけるエネルギー分布の均一性は
10%以下であることが好ましい。パルスレーザー光を
円筒型レンズまたは円筒型ミラーにより集光することに
よって、良好な加工の結果を得る。このようなエキシマ
レーザーによる表面溝加工において、適当な雰囲気中で
加工を行うことによって、ダイヤモンド表面の改質を行
うことができ、冷媒との濡れ性をも改善することが可能
となる。例えば、含アミノ基化合物(例えばアンモニ
ア、ヒドラジンなど)雰囲気中において上記の加工を行
うことによって、形成された溝の表面にアミノ基が導入
され、親水性を向上させることが可能である。The wavelength of the laser light is preferably 360 nm or less, for example, in the range of 190 to 360 nm. The energy density of the irradiation light is 10 to 10 11 W / cm 2 . Energy density per pulse is 10 -1 J / cm 2 or more using pulsed laser light and 10 6 J / cm 2
The range is preferably 2 or less. Furthermore, the divergence angle of the laser light when oscillated by the laser oscillator is 1
It is preferable to set it to 0 −2 to 5 × 10 −1 mrad, and to set the half width of the oscillation spectrum of the laser beam to 10 −4 to 1 nm. The uniformity of energy distribution in the beam cross section of the laser light is preferably 10% or less. Good processing results are obtained by focusing the pulsed laser light with a cylindrical lens or a cylindrical mirror. In such surface groove processing by the excimer laser, by performing the processing in an appropriate atmosphere, the diamond surface can be modified and the wettability with the refrigerant can be improved. For example, by performing the above-mentioned processing in the atmosphere of an amino group-containing compound (for example, ammonia, hydrazine, etc.), an amino group can be introduced into the surface of the formed groove, and hydrophilicity can be improved.
【0049】一方、エッチング法による流路形成は、以
下のように行うことができる。即ち、適当なマスクを高
熱伝導性物質膜上に形成した後、マスクはエッチングせ
ず、高熱伝導性物質のみをエッチングする条件で処理す
る。その後マスクを除去して、表面に溝を持った第1高
熱伝導性物質膜が得られる。ダイヤモンド上にマスク材
料としてAl、あるいはSiO2を形成し、酸素あるいは
酸素を含むガスによりダイヤモンドを選択的にエッチン
グすることができると知られており(第53回応物学会
予稿集第二分冊第411頁参照)、この技術を利用して
ダイヤモンド上に溝加工ができる。また、酸素あるいは
酸素を含むガスの代わりに、窒素または水素を利用して
もよい。On the other hand, the flow path formation by the etching method can be performed as follows. That is, after forming an appropriate mask on the high thermal conductive material film, the mask is not etched, and only the high thermal conductive material is etched. After that, the mask is removed to obtain a first high thermal conductive material film having grooves on the surface. It is known that Al or SiO 2 can be formed as a mask material on diamond and the diamond can be selectively etched by oxygen or a gas containing oxygen (53rd Proceedings of the Society of Physical and Chemical Engineering, Second Volume, Volume 411). (See page), this technology can be used to form grooves on diamond. Alternatively, nitrogen or hydrogen may be used instead of oxygen or a gas containing oxygen.
【0050】こうして所望の溝を形成した第1高熱伝導
性物質膜を、別途用意した第2高熱伝導性物質膜に貼り
付けすることにより、非常に大きな放熱効率を有する基
板を得ることができる。第2高熱伝導性物質膜には、別
途、流路に通すべき冷却媒体を導入する出入口を設けて
おいてよい。By adhering the first high thermal conductive material film having the desired groove formed thereon to the separately prepared second high thermal conductive material film, it is possible to obtain a substrate having a very high heat dissipation efficiency. The second high thermal conductive material film may be separately provided with an inlet / outlet for introducing a cooling medium to be passed through the flow path.
【0051】第1高熱伝導性物質膜にのみ、溝を形成す
る方法を上記に示したが、第2高熱伝導性物質膜にも膜
を形成し、双方の溝を有する面同士を貼り合わせること
もできる。但し、この場合工程が複雑になるので、第1
高熱伝導性物質膜のみに溝を形成することが好ましい。Although the method of forming the groove only on the first high thermal conductive material film has been described above, the film is also formed on the second high thermal conductive material film, and the surfaces having both grooves are bonded to each other. You can also However, in this case, the process becomes complicated.
It is preferable to form the groove only in the high thermal conductive material film.
【0052】第1高熱伝導性物質膜と第2高熱伝導性物
質膜との貼り付けは、メタライズ処理によって、あるい
は接着剤によって、行うことができる。結合する2つの
面を公知の方法でメタライズ処理し、金属を溶融させる
ことによって行ってよい。メタライズ処理で使用する金
属の例は、Ti、Pt、Au、Sn、Pb、In、Ag
などである。接着剤(例えば、Ag/エポキシ系、Ag
/ポリイミド系、Au/エポキシ系)あるいはAg系ロ
ウ剤、および他の接着方法を使用してよい。接着剤層の
厚さは、通常0.01〜10μmである。The first high thermal conductivity substance film and the second high thermal conductivity substance film can be attached by a metallizing treatment or an adhesive. It may be performed by metalizing the two surfaces to be bonded by a known method and melting the metal. Examples of metals used in the metallization treatment are Ti, Pt, Au, Sn, Pb, In, Ag.
And so on. Adhesives (eg Ag / epoxy, Ag
/ Polyimide based, Au / epoxy based) or Ag based brazing agents, and other bonding methods may be used. The thickness of the adhesive layer is usually 0.01 to 10 μm.
【0053】また、高熱伝導性物質膜として、気相合成
法により合成されたダイヤモンドを利用する場合、溝を
形成するのにレーザー光線、エッチング法などによる加
工ではなく、マスクによる選択成長を使用することがで
きる。これは、例えば特開平1−104761号公報、
特開平1−123423号公報等に開示されている。基
材(例えば、Si、SiC、Cu、Mo、cBN等)の表面
に、マスク材を形成したい溝と対応する形状に配置して
おき、その上に気相合成法によりダイヤモンドを積層さ
せればよい。この時、50μm以上ダイヤモンドを成長
させることにより、ダイヤモンドがマスクの上部にも横
方向成長し、結果として全面を覆うようになる。その
後、基材を溶解などの方法で除去すれば、取り出される
ダイヤモンドは基材面側に溝を有している。マスクは、
Ti、SiO2、Mo等を公知の方法で形成すればよい。こ
の方法の利点は、ダイヤモンドを成長させた後に衝撃を
与える必要がないので、加工中の破損などが生じにくい
ことが挙げられる。When diamond synthesized by the vapor phase synthesis method is used as the high thermal conductive material film, the selective growth using a mask is used to form the groove, instead of processing by a laser beam or an etching method. You can This is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-1047661,
It is disclosed in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 1-123423. If a mask material is placed on the surface of a base material (for example, Si, SiC, Cu, Mo, cBN, etc.) in a shape corresponding to the groove in which the mask material is to be formed, and diamond is laminated thereon by the vapor phase synthesis method. Good. At this time, by growing the diamond by 50 μm or more, the diamond grows laterally also on the upper part of the mask, and as a result, the whole surface is covered. After that, if the base material is removed by a method such as melting, the diamond taken out has grooves on the base material surface side. The mask is
Ti, SiO 2 , Mo and the like may be formed by a known method. The advantage of this method is that since it is not necessary to give an impact after growing the diamond, it is unlikely to be damaged during processing.
【0054】上記の方法において、マスクを形成する代
わりに、板状材料そのものを加工し、溝と対応する形状
に凸凹を設けておき、その上に気相合成法によりダイヤ
モンドを成長させることもできる。所望の厚さに成長さ
せた後、板状材料を除去すると、板状材料面側には溝を
有するダイヤモンド自立膜を得ることができる。板状材
料としては、例えば、Si、SiC、Moなどが挙げら
れる。In the above method, instead of forming a mask, the plate-shaped material itself is processed to form irregularities in a shape corresponding to the groove, and diamond can be grown on it by vapor phase synthesis. . When the plate-shaped material is removed after the growth to a desired thickness, a diamond free-standing film having a groove on the plate-shaped material surface side can be obtained. Examples of the plate-shaped material include Si, SiC, Mo and the like.
【0055】さらに、高熱伝導性物質膜として気相合成
ダイヤモンドを使う場合には、上記の方法を発展させ、
接着の工程を省略することもできる。即ち、ダイヤモン
ド膜の上に、まずマスクをつけ、その上に気相合成ダイ
ヤモンドを成長させた後、マスクのみを溶解する事によ
り、流路を有する基板を得ることができる。この方法に
よれば、接着材を使用する必要がないため、基板全体の
放熱効率をさらに上げることができる。Furthermore, when vapor phase synthetic diamond is used as the high thermal conductive material film, the above method is developed,
The step of bonding can be omitted. That is, a substrate having a channel can be obtained by first attaching a mask on the diamond film, growing vapor-phase synthetic diamond on the diamond film, and then dissolving only the mask. According to this method, since it is not necessary to use an adhesive material, the heat dissipation efficiency of the entire substrate can be further increased.
【0056】前記のいずれの方法も流路を有する基板の
製造に有効である。エッチングによる方法は、微細な溝
を精度良く形成することができる。レーザー加工による
方法は、その形成速度が速い。また、選択成長による方
法(マスクを使用する方法)は、比較的大きな溝を形成
するのが容易である。以下、添付図面を参照して、本発
明を説明する。Any of the above methods is effective for manufacturing a substrate having a flow path. The etching method can form fine grooves with high precision. The method using laser processing has a high formation speed. Further, in the method using selective growth (method using a mask), it is easy to form a relatively large groove. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
【0057】図1は、本発明における溝付高熱伝導性物
質層の概念を示す平面図である。高熱伝導性物質層11
には、溝が形成されていない表面が櫛型状になるよう
に、溝12が設けられている。図2は、本発明における
放熱基板の側面図である。放熱基板16は、高熱伝導性
物質層11、基材13および接着剤層15を有してな
る。基材13には、溝12と連絡する2つの冷媒出入口
14が設けられている。基材13における冷媒出入口1
4の大きさおよび数は、特に限定されない。例えば、溝
の両端に対応する基材の部分のそれぞれに、冷媒出入口
が存在してよい。図3は、本発明における溝付高熱伝導
性物質層の概念を示す平面図である。高熱伝導性物質層
21には、ら旋状に溝22が形成されている。図4は、
高熱伝導性物質層に形成される溝を示す断面図である。
溝12は、幅aおよび深さcを有しており、間隔bで形
成されている。FIG. 1 is a plan view showing the concept of the grooved high thermal conductive material layer in the present invention. High thermal conductive material layer 11
The groove 12 is provided on the substrate so that the surface on which the groove is not formed has a comb shape. FIG. 2 is a side view of the heat dissipation board according to the present invention. The heat dissipation board 16 has a high thermal conductive material layer 11, a base material 13, and an adhesive layer 15. The base material 13 is provided with two refrigerant inlet / outlet ports 14 communicating with the groove 12. Refrigerant entrance / exit 1 in base material 13
The size and number of 4 are not particularly limited. For example, there may be a refrigerant inlet / outlet on each of the portions of the substrate that correspond to the ends of the groove. FIG. 3 is a plan view showing the concept of the grooved high thermal conductive material layer in the present invention. The high thermal conductive material layer 21 is provided with spiral grooves 22. Figure 4
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a groove formed in a high thermal conductive material layer.
The groove 12 has a width a and a depth c, and is formed at intervals b.
【0058】図5は、本発明の基板を示す平面図であ
る。基板111には流路112が形成されており、流路
112は基板内部に埋め込まれている。図6は、図5の
基板の正面図である。基板111は、流路112が形成
されている第1高熱伝導性物質膜113、第2高熱伝導
性物質膜114および接着剤層115を有してなる。流
路112は、2つの冷媒出入口116に接続している。
冷媒出入口116は、このような位置になくてもよく、
第1高熱伝導性物質膜113または第2高熱伝導性物質
膜114の主表面に設けられていてもよい。冷媒出入口
の大きさおよび数は、特に限定されない。FIG. 5 is a plan view showing the substrate of the present invention. A flow channel 112 is formed in the substrate 111, and the flow channel 112 is embedded inside the substrate. FIG. 6 is a front view of the substrate of FIG. The substrate 111 includes a first high thermal conductivity substance film 113 having a flow channel 112 formed therein, a second high thermal conductivity substance film 114, and an adhesive layer 115. The flow path 112 is connected to the two refrigerant inlet / outlets 116.
The refrigerant inlet / outlet 116 need not be in such a position,
It may be provided on the main surface of the first high thermal conductivity substance film 113 or the second high thermal conductivity substance film 114. The size and number of the refrigerant inlet / outlet ports are not particularly limited.
【0059】図7は、本発明の別の基板を示す平面図で
ある。基板121には、ら旋状に流路122が形成され
ている。図8は、本発明における基板に形成される流路
を示す断面図である。流路112は、幅aおよび高さc
を有しており、間隔bで形成されている。FIG. 7 is a plan view showing another substrate of the present invention. A flow path 122 is formed in a spiral shape on the substrate 121. FIG. 8 is a sectional view showing a flow channel formed in the substrate in the present invention. The channel 112 has a width a and a height c.
And are formed at intervals b.
【0060】図9は、ダイヤモンドおよび非ダイヤモン
ド炭素のラマンスペクトルを示す。曲線aは、ダイヤモ
ンドのスペクトルであり、1333cm-1に強いピーク
を有する。曲線bは、非ダイヤモンド炭素を多く含む物
質のスペクトルであり、ブロードな2つのピークを有す
る。FIG. 9 shows the Raman spectra of diamond and non-diamond carbon. Curve a is the spectrum of diamond and has a strong peak at 1333 cm -1 . A curve b is a spectrum of a substance containing a large amount of non-diamond carbon and has two broad peaks.
【0061】[0061]
【実施例】以下、実施例により、具体的に本発明を開示
する。実施例1
CVD、レーザー溝入れ、貼り付け、CuW:傷つけ処
理をした多結晶Si基材(10mmx10mmx厚さ2mm)上
に、マイクロ波プラズマCVD法によりダイヤモンドを
成長させた。成長条件は、メタン1%−水素系で、圧力
80Torr、基板温度は900℃であった。400hrの
成長の後、成長面を研磨し、Si基材を酸により溶解し
たところ、10mmx10mmx厚さ0.5mmのダイヤモン
ド自立膜を得た。熱伝導率を測定したところ17.2W
/cm・Kであった。EXAMPLES The present invention will be specifically disclosed below with reference to examples. Example 1 Diamond was grown by a microwave plasma CVD method on a polycrystalline Si substrate (10 mm × 10 mm × thickness 2 mm) that had been subjected to CVD, laser grooving, bonding, and CuW: scratch treatment. The growth conditions were 1% methane-hydrogen system, the pressure was 80 Torr, and the substrate temperature was 900 ° C. After the growth for 400 hours, the growth surface was polished and the Si substrate was dissolved with an acid to obtain a self-supporting diamond film of 10 mm x 10 mm x 0.5 mm in thickness. The thermal conductivity was measured to be 17.2W
It was / cm · K.
【0062】上記のようにして得たダイヤモンド自立膜
の片面に、KrFエキシマレーザーを線集光および点集
光し、図1の様な溝を形成した。溝の深さは約150μ
m、幅は約500μm、間隔は約400μmであった。こ
の溝付ダイヤモンドおよびCuW合金(10mmx10mm
x厚さ2mm)の両方にTi、Pt、Auを蒸着した後、
Auの溶融を行うことによって接着した。Ti/Pt/
Au/Pt/Ti層の厚さは0.1μmであった。CuW
合金には、あらかじめダイヤモンドの溝に導入する冷媒
の出入口(直径:400μm)を設けてある(図2)。以
上のようにして作製した溝入りダイヤ/CuW基板の溝
に、冷却用水(水温25℃)を供給した。この時、ダイヤ
モンドの表面から冷媒の水の間の熱抵抗を測定したとこ
ろ、0.014℃/Wであった。A KrF excimer laser was line-focused and point-focused on one surface of the free-standing diamond film obtained as described above to form a groove as shown in FIG. The groove depth is about 150μ
m, the width was about 500 μm, and the spacing was about 400 μm. This grooved diamond and CuW alloy (10mm x 10mm
After depositing Ti, Pt, and Au on both (x thickness 2 mm),
Bonding was done by melting the Au. Ti / Pt /
The thickness of the Au / Pt / Ti layer was 0.1 μm. CuW
The alloy is preliminarily provided with a refrigerant inlet / outlet (diameter: 400 μm) to be introduced into the diamond groove (FIG. 2). Cooling water (water temperature: 25 ° C.) was supplied to the grooves of the grooved diamond / CuW substrate manufactured as described above. At this time, the thermal resistance between the diamond surface and the coolant water was measured and found to be 0.014 ° C./W.
【0063】実施例2
高圧合成、溝入れレーザー、貼り付け、CuW:高温高
圧下で合成したIb型ダイヤモンド(8mm×8mm×0.6m
m、熱伝導率18.3W/cm・K)を用いて、実施例1と
同様に溝入りダイヤ/CuW基板を作製した。但し、ダ
イヤモンドに形成する溝は、ArFエキシマレーザーを
使用し、深さ約200μm、幅約350μm、間隔約40
0μmであった(図3)。こうして作製した溝入りダイヤ
/CuW基板の溝に、実施例1と同様に冷却用水(水温2
5℃)を供給した。この時、ダイヤモンドの表面から冷
媒の水の間の熱抵抗を測定したところ、0.021℃/
Wであった。 Example 2 High-pressure synthesis, grooving laser, attachment, CuW: Ib type diamond (8 mm × 8 mm × 0.6 m) synthesized under high temperature and high pressure
A grooved diamond / CuW substrate was prepared in the same manner as in Example 1 using m and thermal conductivity of 18.3 W / cm · K). However, the grooves formed in the diamond are formed by using an ArF excimer laser and have a depth of about 200 μm, a width of about 350 μm, and an interval of about 40 μm.
It was 0 μm (FIG. 3). In the groove of the grooved diamond / CuW substrate thus produced, cooling water (water temperature 2
5 ° C.) was supplied. At this time, the thermal resistance between the surface of the diamond and the water of the coolant was measured and found to be 0.021 ° C /
It was W.
【0064】実施例3
CVD、エッチング、貼り付け:実施例1と同様の条件
で10mmx10mmx厚さ0.25mmのダイヤモンド自立
膜を得た。この片面に、Alのマスクパターンを線幅1
00μm、間隔50μmで形成した。これを、アルゴンと
酸素の混合ガスによりプラズマエッチングした。酸素の
比率20%、全圧力0.05Torr、RF出力200W
で、3hr処理を行った。処理後、Alを酸により溶解除
去し、深さ50μm、線幅50μm、間隔100μmの溝
入りダイヤモンド自立膜を得た。ダイヤモンド自立膜を
Be基材(10mmx10mmx厚さ3mm)上に接着して
(基材周辺部にTi/Pt/Auのメタライズを施し、
その後Ag系ロウ材を使ってロウ付した。)、窓材を得
た。この窓材を、シンクロトロン放射光(SOR)ビー
ムライン(500MeV)用の窓材として使用した。冷
媒としてフルオロカーボン(フロン112)(25℃)
を使用した。10時間の放射の後において変化(または
変質)は観測されなかった。 Example 3 CVD, etching, and sticking: Under the same conditions as in Example 1, a self-standing diamond film of 10 mm × 10 mm × thickness of 0.25 mm was obtained. On this one side, Al mask pattern with line width 1
The layers were formed with a spacing of 00 μm and a spacing of 50 μm. This was plasma-etched with a mixed gas of argon and oxygen. Oxygen ratio 20%, total pressure 0.05 Torr, RF output 200W
Then, the treatment was performed for 3 hours. After the treatment, Al was dissolved and removed with an acid to obtain a grooved diamond free-standing film having a depth of 50 μm, a line width of 50 μm, and an interval of 100 μm. A diamond free-standing film is adhered on a Be substrate (10 mm x 10 mm x thickness 3 mm) (Ti / Pt / Au metallization is applied to the periphery of the substrate,
After that, brazing was performed using an Ag-based brazing material. ), The window material was obtained. This window material was used as a window material for a synchrotron radiation (SOR) beam line (500 MeV). Fluorocarbon (CFC 112) as a refrigerant (25 ° C)
It was used. No change (or alteration) was observed after 10 hours of radiation.
【0065】実施例4
CVD、溝入れ選択成長、貼り付け:傷つけ処理をした
多結晶Si基材(10mmx10mmx厚さ2mm)上に、まず
Tiによるマスクを図3の様に形成した。この基材の上
に、熱フィラメントCVD法でダイヤモンドを成長させ
た。成長条件は、メタン2%−水素系で、圧力80Tor
r、フィラメント温度は2100℃、基材温度は880
℃であった。650hr成長させたところ、Siから成長
したダイヤモンドがTiマスク上を含めた基材全体を覆
い、その厚さは約950μmになった。成長面を研磨
し、酸によりマスクとSi基材を溶解除去し、裏面に溝
の入ったダイヤモンド自立膜(膜厚850μm)を得た。
溝の間隔は約700μm、幅は約300μm、深さは約8
0μmであった。この基材の熱伝導率を測定したとこ
ろ、14.8W/cm・Kであった。上記のようにして得
られた溝付ダイヤモンドを、CuW合金上に接着した。
CuW合金には、あらかじめダイヤモンドの溝に導入す
る冷媒の出入口を設けてある。実施例1、2と同じよう
に、冷却用水(水温25℃)を供給した。この時、ダイヤ
モンドの表面から冷媒の水の間の熱抵抗を測定したとこ
ろ、0.018℃/Wであった。 Example 4 CVD, Grooving Selective Growth, Sticking: First, a mask made of Ti was formed as shown in FIG. 3 on a polycrystalline Si base material (10 mm × 10 mm × thickness 2 mm) which had been subjected to a scratch treatment. Diamond was grown on this substrate by the hot filament CVD method. The growth conditions are methane 2% -hydrogen system, pressure 80 Tor.
r, filament temperature is 2100 ° C, substrate temperature is 880
It was ℃. When grown for 650 hours, the diamond grown from Si covered the entire substrate including the Ti mask, and the thickness was about 950 μm. The growth surface was polished, the mask and the Si base material were dissolved and removed with an acid, and a diamond free-standing film (thickness 850 μm) having a groove on the back surface was obtained.
The groove spacing is about 700 μm, the width is about 300 μm, and the depth is about 8
It was 0 μm. When the thermal conductivity of this substrate was measured, it was 14.8 W / cm · K. The grooved diamond obtained as described above was bonded onto a CuW alloy.
The CuW alloy is provided with an inlet / outlet for a coolant to be introduced into the diamond groove in advance. Cooling water (water temperature 25 ° C.) was supplied in the same manner as in Examples 1 and 2. At this time, the thermal resistance between the diamond surface and the coolant water was measured and found to be 0.018 ° C./W.
【0066】実施例5
CVD、溝入れ選択成長、一体化:実施例3と同様に、
多結晶SiC基材(10mmx10mmx厚さ4mm)上に、Ti
マスクを形成した後、熱フィラメントCVD法によりダ
イヤモンドを成長させた。このとき、多結晶SiC基材
にあらかじめマスク(最終的に溝となる部分)の両端部
に、冷媒を導入する出入口を設けておいた。こののち、
酸によりマスクのTiのみを溶解除去し、溝入りダイヤ
/SiC基板を得た。実施例1、2と同様に、冷却用水
(水温25℃)を供給した。この時ダイヤモンドの表面か
ら冷媒の水の間の熱抵抗を測定したところ、0.025
℃/Wであった。 Example 5 CVD, Grooving Selective Growth, Integration: As in Example 3,
Ti on a polycrystalline SiC substrate (10 mm x 10 mm x thickness 4 mm)
After forming the mask, diamond was grown by the hot filament CVD method. At this time, the polycrystalline SiC base material was previously provided with inlets and outlets for introducing the cooling medium at both ends of the mask (portions that finally become grooves). After this,
Only Ti of the mask was dissolved and removed with an acid to obtain a grooved diamond / SiC substrate. Cooling water as in Examples 1 and 2.
(Water temperature 25 ° C.) was supplied. At this time, the thermal resistance between the surface of the diamond and the water of the coolant was measured and found to be 0.025.
C / W.
【0067】実施例6 大気アニール
実施例1と同様にして、図1のような溝入りダイヤモン
ドを得た。これを600℃で大気中30分アニールした
後、実施例1と同様にCuW基板上に貼り付けた。こう
して作製した溝入りダイヤ/CuW基板の溝に、冷媒の
水(水温25℃)を導入した。ダイヤモンド表面から冷
媒の間の熱抵抗を調べたところ、0.012℃/Wであ
った。 Example 6 Air Annealing In the same manner as in Example 1, a grooved diamond as shown in FIG. 1 was obtained. This was annealed at 600 ° C. in the atmosphere for 30 minutes, and then attached on a CuW substrate in the same manner as in Example 1. Refrigerant water (water temperature 25 ° C.) was introduced into the grooves of the grooved diamond / CuW substrate thus prepared. When the thermal resistance between the diamond surface and the coolant was examined, it was 0.012 ° C./W.
【0068】実施例7 真空アニール
実施例1と同様にして、図1のような溝入りダイヤモン
ドを得た。これを、1200℃で真空中30分アニール
した。この試料に対し、ラマンスペクトル測定を行った
ところ、非ダイヤモンド成分を示すピークがみられた。
この後、実施例1と同様にCuW基板上に貼り付けた。
こうして作製した溝入りダイヤ/CuW基板の溝に、冷
媒の水(水温25℃)を導入した。ダイヤモンド表面か
ら冷媒の間の熱抵抗を調べたところ、0.011℃/W
であった。 Example 7 Vacuum Annealing In the same manner as in Example 1, a grooved diamond as shown in FIG. 1 was obtained. This was annealed at 1200 ° C. in vacuum for 30 minutes. When Raman spectrum measurement was performed on this sample, a peak showing a non-diamond component was observed.
Then, it was stuck on a CuW substrate in the same manner as in Example 1.
Refrigerant water (water temperature 25 ° C.) was introduced into the grooves of the grooved diamond / CuW substrate thus prepared. When the thermal resistance between the diamond surface and the refrigerant was investigated, it was 0.011 ℃ / W
Met.
【0069】実施例8
実施例1と同様にして、図1のような溝入りダイヤモン
ドを得た。これを、μ波プラズマにより、水素中100
Torr、温度800℃で30分処理した。この試料のラ
マンスペクトル測定を行った。すると、図8のaに示す
ようにダイヤモンドの鋭いピークがみられた。この後、
実施例1と同様にCuW基板上に貼り付けた。こうして
作製した溝入りダイヤ/CuW基板の溝に、冷媒の水
(水温25℃)を導入した。ダイヤモンド表面から冷媒
の間の熱抵抗を調べたところ、0.038℃/Wであっ
た。 Example 8 In the same manner as in Example 1, a grooved diamond as shown in FIG. 1 was obtained. This is heated to 100 in hydrogen by μ-wave plasma.
Processed at Torr and temperature of 800 ° C. for 30 minutes. Raman spectrum measurement of this sample was performed. Then, a sharp peak of diamond was observed as shown in FIG. After this,
It was attached on a CuW substrate in the same manner as in Example 1. Refrigerant water (water temperature 25 ° C.) was introduced into the grooves of the grooved diamond / CuW substrate thus prepared. When the thermal resistance between the diamond surface and the cooling medium was examined, it was 0.038 ° C./W.
【0070】実施例9
CVD、レーザー流路入れ、貼り付け:傷つけ処理をし
た多結晶Si基材(10mmx10mmx厚さ2mm)を2枚用
意し、その上にマイクロ波プラズマCVD法によりダイ
ヤモンドを成長させた。成長条件は、メタン1%−水素
系で、圧力80Torr、基材温度は900℃であった。
1枚は250hr、もう1枚は200hrの成長の後、成長
面を研磨し、Si基材を酸により溶解したところ、10
mm x 10mm x 厚さ0.3mmおよび10mm x10mm
x 0.15mmの2枚のダイヤモンド自立膜を得た。熱伝
導率を測定したところ、それぞれ17.2W/cm・K
(厚さ0.3mmのもの、第1ダイヤモンド自立膜)およ
び16.9W/cm・K(厚さ0.15mmのもの、第2ダイ
ヤモンド自立膜)であった。 Example 9 CVD, Laser Flow Path Insertion, Adhesion: Two scratch-treated polycrystalline Si substrates (10 mm × 10 mm × thickness 2 mm) were prepared, and diamond was grown on them by microwave plasma CVD method. It was The growth conditions were 1% methane-hydrogen system, the pressure was 80 Torr, and the substrate temperature was 900 ° C.
After the growth of one sheet for 250 hours and the other for 200 hours, the growth surface was polished and the Si substrate was dissolved with an acid.
mm x 10mm x thickness 0.3mm and 10mm x 10mm
Two free-standing diamond films of x 0.15 mm were obtained. When thermal conductivity was measured, each was 17.2 W / cm · K
(Thickness of 0.3 mm, first freestanding diamond film) and 16.9 W / cmK (thickness of 0.15 mm, second freestanding diamond film).
【0071】上記のようにして得た第1ダイヤモンド自
立膜(厚さ0.3mmのダイヤモンド自立膜)の片面に、
KrFエキシマレーザーを線集光および点集光し、図5
の様な溝を形成した。溝の深さは約150μm、幅は約
500μm、間隔は約400μmであった。両者にTi、
PtおよびAuを蒸着により積層した後、Auを溶融す
ることにより、第1ダイヤモンド自立膜を第2ダイヤモ
ンド自立膜に接着し、基板を作製した(図5および図
6)。Ti/Pt/Au/Pt/Ti層の厚さは0.1
μmであった。以上のようにして作製した基板の流路
に、冷却用水(水温25℃)を供給した。ダイヤモンドの
表面から冷媒の水の間の熱抵抗を測定したところ、0.
011℃/Wであった。On one side of the first diamond free-standing film (0.3 mm thick diamond free-standing film) obtained as described above,
Line focusing and point focusing of KrF excimer laser,
To form a groove. The grooves had a depth of about 150 μm, a width of about 500 μm, and an interval of about 400 μm. Ti to both
After stacking Pt and Au by vapor deposition, by melting Au, the first diamond free-standing film was bonded to the second diamond free-standing film to prepare a substrate (FIGS. 5 and 6). Thickness of Ti / Pt / Au / Pt / Ti layer is 0.1
It was μm. Cooling water (water temperature 25 ° C.) was supplied to the flow path of the substrate manufactured as described above. The thermal resistance between the surface of the diamond and the water of the refrigerant was measured and found to be 0.
It was 011 ° C / W.
【0072】実施例10
高圧合成、流路入れレーザー、貼り付け:高温高圧下で
合成したIb型ダイヤモンド[第1ダイヤモンド自立膜
(8mm×8mm×厚さ0.4mm、熱伝導率18.3W/cm・
K)および第2ダイヤモンド自立膜(8mm×8mm×厚さ
0.2mm、熱伝導率18.3W/cm・K)を用いて、実施
例9と同様に流路入りダイヤ基板を作製した。但し、第
1ダイヤモンド自立膜に形成する流路は、ArFエキシ
マレーザーを使用し、深さ約200μm、幅約350μ
m、間隔約400μmであり、図7に示すようなものであ
った。第2ダイヤモンド自立膜には、流路に導入する冷
媒の出入口として、2箇所に穴をKrFエキシマレーザ
ーを点集光して加工した。こうして作製した基板の流路
に、実施例9と同様に冷却用水(水温25℃)を供給し
た。この時、ダイヤモンドの表面から冷媒の水の間の熱
抵抗を測定したところ、0.013℃/Wであった。 Example 10 High-pressure synthesis, flow-through laser, attachment: Ib type diamond synthesized under high temperature and high pressure [first diamond freestanding film (8 mm × 8 mm × thickness 0.4 mm, thermal conductivity 18.3 W / cm·
K) and the second diamond free-standing film (8 mm × 8 mm × thickness 0.2 mm, thermal conductivity 18.3 W / cm · K) were used to fabricate a diamond substrate with flow channels in the same manner as in Example 9. However, the flow path formed in the first diamond free-standing film uses an ArF excimer laser and has a depth of about 200 μm and a width of about 350 μm.
m, the interval was about 400 μm, and it was as shown in FIG. The second free-standing diamond film was formed with holes at two locations as point-of-collection of a KrF excimer laser as inlets and outlets for the refrigerant introduced into the flow path. Cooling water (water temperature: 25 ° C.) was supplied to the flow path of the substrate thus manufactured in the same manner as in Example 9. At this time, the thermal resistance between the diamond surface and the coolant water was measured and found to be 0.013 ° C./W.
【0073】比較例1
AlN、流路あり:第1AlN自立膜(10mm x 10
mm x 厚さ0.5mm、熱伝導率1.8〜1.9W/cm・
K)の片面に実施例9と同様にKrFエキシマレーザー
を使用して、溝を形成した。溝の深さは約150μm、
幅は約500μm、間隔は約400μmであった。第1A
lN自立膜を第2AlN自立膜(10mm x 10mm x
厚さ0.3mm、熱伝導率1.8〜1.9W/cm・K)と接
着し、流路を有する基板を得た。AlN基板の流路に冷
却用水(水温25℃)を供給した。この時、AlNの表
面から冷却用水の間の熱抵抗を測定したところ、0.0
88℃/Wであった。 Comparative Example 1 AlN, with flow path: First AlN free-standing film (10 mm x 10
mm x thickness 0.5 mm, thermal conductivity 1.8-1.9 W / cm
Grooves were formed on one surface of (K) using a KrF excimer laser as in Example 9. The depth of the groove is about 150 μm,
The width was about 500 μm and the spacing was about 400 μm. 1A
The 1N self-supporting film is replaced with the second AlN self-supporting film (10 mm x 10 mm x
A substrate having a flow path was obtained by bonding with a thickness of 0.3 mm and a thermal conductivity of 1.8 to 1.9 W / cmK. Cooling water (water temperature 25 ° C.) was supplied to the flow path of the AlN substrate. At this time, the thermal resistance between the surface of AlN and the cooling water was measured and found to be 0.0
It was 88 ° C / W.
【0074】比較例2
CVD、流路なし:実施例9と同様に、気相合成ダイヤ
10mmx10mmx0.5mmの自立膜(熱伝導率17.2W
/cm・K)を作製した。これの片面に、25℃の空気を
吹き付けながら、表面と空気の間の熱抵抗を測定したと
ころ、2.8℃/Wであった。 Comparative Example 2 CVD, no flow path: Similar to Example 9, a vapor phase synthetic diamond 10 mm × 10 mm × 0.5 mm self-supporting film (thermal conductivity: 17.2 W)
/ Cm · K) was produced. The thermal resistance between the surface and the air was measured while blowing air at 25 ° C. on one surface thereof, and it was 2.8 ° C./W.
【0075】比較例3
CVD、流路細すぎ:実施例9と同様に、気相合成によ
って、第1ダイヤモンド自立膜(10mmx10mmx0.3
mm、熱伝導率17.2W/cm・K)および第2ダイヤモン
ド自立膜(10mm x 10mm x 0.15mm、熱伝導率
17.2W/cm・K)を作製した。第1ダイヤモンド自
立膜に、KrFエキシマレーザーを利用して、図5に示
すように、光線を線集光して溝を形成した。溝の深さは
約150μm、幅は約10μm、間隔は約990μmであ
った。この溝付第1ダイヤモンド自立膜を、第2ダイヤ
モンド自立膜に接着し、ダイヤモンド基板を作成した。
ダイヤモンド基板の流路に、冷却用水(水温25℃)を供
給した。この時、ダイヤモンドの表面から冷媒の水の間
の熱抵抗を測定したところ、0.32℃/Wであった。 Comparative Example 3 CVD, too thin channel: As in Example 9, the first diamond free-standing film (10 mm × 10 mm × 0.3) was formed by vapor phase synthesis.
mm, thermal conductivity 17.2 W / cm · K) and a second diamond freestanding film (10 mm x 10 mm x 0.15 mm, thermal conductivity 17.2 W / cm · K) were prepared. Grooves were formed on the first free-standing diamond film by linearly focusing light rays using a KrF excimer laser as shown in FIG. The grooves had a depth of about 150 μm, a width of about 10 μm, and a gap of about 990 μm. This grooved first diamond free-standing film was adhered to the second diamond free-standing film to prepare a diamond substrate.
Cooling water (water temperature 25 ° C.) was supplied to the flow path of the diamond substrate. At this time, the thermal resistance between the water of the coolant and the surface of the diamond was measured and found to be 0.32 ° C./W.
【0076】実施例11
大気アニール:実施例9と同様にして、第1ダイヤモン
ド自立膜および第2ダイヤモンド自立膜を得た。第1ダ
イヤモンド自立膜を、大気炉にセットし、600℃、3
0分間大気中でアニールした。この後、実施例9と同様
に、第2ダイヤモンド自立膜を貼り付け、ダイヤモンド
基板を得た。上記基板に、冷却用水(水温25℃)を供
給した。ダイヤモンド表面から冷媒の水の間の熱抵抗を
調べたところ、0.01℃/Wであった。 Example 11 Air Annealing: In the same manner as in Example 9, a first diamond freestanding film and a second diamond freestanding film were obtained. The first diamond free-standing film was set in an atmospheric furnace, and the temperature was set to 600 ° C for 3
Annealed in air for 0 minutes. Then, the second diamond freestanding film was attached in the same manner as in Example 9 to obtain a diamond substrate. Cooling water (water temperature 25 ° C.) was supplied to the substrate. When the thermal resistance between the diamond surface and the water of the coolant was examined, it was 0.01 ° C./W.
【0077】実施例12
真空アニール:実施例9と同様にして、第1ダイヤモン
ド自立膜および第2ダイヤモンド自立膜を得た。第1ダ
イヤモンド自立膜を、真空炉にセットし、1200℃、
30分間真空中でアニールした。この自立膜に対し、ラ
マンスペクトル測定を行ったところ、図9のbに示すよ
うに非ダイヤモンド成分を示すピークがみられた。この
後、実施例9と同様に、第2ダイヤモンド自立膜を貼り
付け、ダイヤモンド基板を得た。上記基板に、冷却用水
(水温25℃)を供給した。ダイヤモンド表面から冷媒
の間の熱抵抗を測定したところ、0.01℃/Wであっ
た。 Example 12 Vacuum Annealing: In the same manner as in Example 9, a first diamond freestanding film and a second diamond freestanding film were obtained. The first diamond free-standing film is set in a vacuum furnace,
Annealed in vacuum for 30 minutes. When Raman spectrum measurement was performed on this self-supporting film, a peak showing a non-diamond component was observed as shown in b of FIG. Then, the second diamond freestanding film was attached in the same manner as in Example 9 to obtain a diamond substrate. Cooling water (water temperature 25 ° C.) was supplied to the substrate. When the thermal resistance between the diamond surface and the refrigerant was measured, it was 0.01 ° C./W.
【0078】実施例13
側面より溝入れ:傷つけ処理をした多結晶Si基材(4
×4×1mm)を用意し、その上に熱フィラメントCVD
法によりダイヤモンドを成長させた。成長条件はメタン
2%−水素系で、圧力100Torr、基材温度は850
℃、フィラメントはタングステンで温度は2100℃で
あった。成長後、研磨し、Si基材を酸により溶解した
ところ、4×4×0.55mmのダイヤモンド自立膜を得
た。熱伝導率は15.9W/cm・Kであった。上記のよ
うにして得たダイヤモンド膜の側面から、KrFエキシ
マレーザーを点集光し、貫通穴を形成した。穴の高さは
約250μm、幅は約300μm、間隔は約300μmで
あった。以上のようにして作製した基板の流路に、別途
冷媒の出入口を配管し、そこから冷却用水(水温25
℃)を供給した。ダイヤモンドの表面から冷媒の水の間
の熱抵抗を測定したところ、0.012℃/Wであっ
た。 Example 13 Grooving from the side: A scratch-treated polycrystalline Si substrate (4
X4x1mm) is prepared, and hot filament CVD is performed on it.
The diamond was grown by the method. The growth conditions are 2% methane-hydrogen system, the pressure is 100 Torr, and the substrate temperature is 850.
C., the filament was tungsten, and the temperature was 2100.degree. After the growth, the silicon substrate was polished and dissolved in an acid to obtain a 4 × 4 × 0.55 mm self-supporting diamond film. The thermal conductivity was 15.9 W / cm · K. A KrF excimer laser was point-focused from the side surface of the diamond film obtained as described above to form a through hole. The holes had a height of about 250 μm, a width of about 300 μm, and a spacing of about 300 μm. A coolant inlet / outlet is separately provided in the flow path of the substrate manufactured as described above, and cooling water (water temperature 25
C) was supplied. The thermal resistance between the surface of the diamond and the water of the coolant was measured and found to be 0.012 ° C./W.
【0079】実施例14
エッチング:実施例9と同様の条件で10mm×10mm×
0.3mmの第1ダイヤモンド自立膜を得た。この片面
に、A1のマスクパターンを線幅約100μm、間隔約
50μmで形成した。これをアルゴンと酸素の混合ガス
によりプラズマエッチングした。酸素の比率20%、全
圧力0.05Torr、RF出力200Wで、3時間処理を
行った。処理後、A1を酸により溶解除去し、深さ約5
0μm、線幅約50μm、間隔約100μmの溝入り第1
ダイヤモンド自立膜を得た。上記第1ダイヤモンド自立
膜を、別途用意した第2ダイヤモンド自立膜(10mm×
10mm×0.15mm)と、両者にTi、Pt、Auを蒸
着により積層した後、Auを溶融させることによって接
着し、基板を作製した。Ti/Pt/Au/Pt/Ti
層の厚さは1μmであった。以上のようにして作製した
基板の流路に、冷却用水(水温25℃)を供給した。ダ
イヤモンドの表面から冷媒の水の間の熱抵抗を測定した
ところ、0.021℃/Wであった。 Example 14 Etching: 10 mm × 10 mm × under the same conditions as in Example 9
A 0.3 mm first free-standing diamond film was obtained. A mask pattern of A1 was formed on this one surface with a line width of about 100 μm and an interval of about 50 μm. This was plasma-etched with a mixed gas of argon and oxygen. The treatment was performed for 3 hours at an oxygen ratio of 20%, a total pressure of 0.05 Torr, and an RF output of 200 W. After the treatment, A1 is dissolved and removed with an acid to a depth of about 5
0 μm, line width of about 50 μm, spacing of about 100 μm with grooves 1st
A free-standing diamond film was obtained. The above-mentioned first diamond free-standing film was prepared as a second diamond free-standing film (10 mm x
10 mm × 0.15 mm), and Ti, Pt, and Au were laminated on both by vapor deposition, and then Au was melted and adhered to form a substrate. Ti / Pt / Au / Pt / Ti
The layer thickness was 1 μm. Cooling water (water temperature 25 ° C.) was supplied to the flow path of the substrate manufactured as described above. When the thermal resistance between the surface of the diamond and the water of the refrigerant was measured, it was 0.021 ° C./W.
【0080】実施例15
多結晶Si基材(10×10×厚さ2mm)を2枚用意
し、その上にμ波プラズマCVD法によりダイヤモンド
を成長させた。2枚のSi基材のうち1枚には、深さ約
60μm、線幅約100μm、間隔約200μmの溝を形
成してある。成長条件は、メタン1%−水素系で、圧力
80Torr、基材温度は900℃であった。成長面を研
磨し、Si基材を溶解除去したところ、10mm×10mm
×0.3mm(第1自立膜)および10mm×10mm×0.1
5mm(第2自立膜)の2枚のダイヤモンド自立膜を得
た。第1自立膜には、溝が形成してあるSi基材上に成
膜したために、表面に深さ60μm、線幅200μm、間
隔100μmの溝が形成された。熱伝導率は、第1自立
膜が15.9W/cm・K、第2自立膜が18.2W/cm・
Kであった。上記2枚の自立膜を、実施例9と同様に貼
り合わせ、基板を作製した。基板に、冷却用水(水温2
5℃)を供給した。ダイヤモンド表面から冷媒の水の間
の熱抵抗を測定したところ、0.017℃/Wであっ
た。 Example 15 Two polycrystalline Si base materials (10 × 10 × thickness 2 mm) were prepared, and diamond was grown on them by the μ wave plasma CVD method. A groove having a depth of about 60 μm, a line width of about 100 μm, and a gap of about 200 μm is formed on one of the two Si base materials. The growth conditions were 1% methane-hydrogen system, the pressure was 80 Torr, and the substrate temperature was 900 ° C. When the growth surface was polished and the Si substrate was removed by dissolution, 10 mm x 10 mm
X 0.3 mm (first free-standing film) and 10 mm x 10 mm x 0.1
Two diamond freestanding films of 5 mm (second freestanding film) were obtained. Since the first free-standing film was formed on the Si base material in which grooves were formed, grooves having a depth of 60 μm, a line width of 200 μm, and an interval of 100 μm were formed on the surface. The thermal conductivity of the first free-standing film is 15.9 W / cm ・ K, and that of the second free-standing film is 18.2 W / cm ・
It was K. The above two free-standing films were bonded together in the same manner as in Example 9 to prepare a substrate. Cooling water (water temperature 2
5 ° C.) was supplied. The thermal resistance between the diamond surface and the coolant water was measured and found to be 0.017 ° C./W.
【0081】実施例16
多結晶Si基材(10×10×厚さ2mm)を2枚用意
し、その上に熱フィラメントCVD法によりダイヤモン
ドを成長させた。2枚には、線幅約100μm、間隔約
20μm、厚さ約2μmのモリブデン膜を両者同様に蒸着
してある。成長条件は、実施例13と同様にした。成長
面を研磨し、酸で基材とモリブデンを溶解除去したとこ
ろ、10mm×10mm×0.3mm(第1自立膜)および1
0mm×10mm×0.15mm(第2自立膜)を得た。各々、
表面に深さ約40μm、線幅約200μm、間隔約100
μmの溝が形成された。熱伝導率は第1自立膜が15.2
W/cm・K、第2自立膜が16.9W/cm・Kであっ
た。上記2枚の自立膜を、実施例9と同様に、両者の溝
がうまく一致するように貼り合わせ、基板を作製した。
基板に、冷却用水(水温25℃)を供給した。ダイヤモ
ンド表面から冷媒の水の間の熱抵抗を測定したところ、
0.018℃/Wであった。 Example 16 Two polycrystalline Si substrates (10 × 10 × thickness 2 mm) were prepared, and diamond was grown on them by the hot filament CVD method. A molybdenum film having a line width of about 100 μm, a gap of about 20 μm and a thickness of about 2 μm is vapor-deposited on the two sheets in the same manner. The growth conditions were the same as in Example 13. When the growth surface was polished and the base material and molybdenum were dissolved and removed with acid, 10 mm x 10 mm x 0.3 mm (first free-standing film) and 1
0 mm × 10 mm × 0.15 mm (second free-standing film) was obtained. Each,
Depth of about 40μm, line width of about 200μm, spacing of about 100
A μm groove was formed. The thermal conductivity of the first free-standing film is 15.2
W / cm · K and the second free-standing film were 16.9 W / cm · K. Similar to Example 9, the two self-supporting films were attached to each other so that the grooves of both films were well aligned with each other to prepare a substrate.
Cooling water (water temperature 25 ° C.) was supplied to the substrate. When the thermal resistance between the diamond surface and the coolant water was measured,
It was 0.018 ° C./W.
【0082】実施例17
多結晶Si基材(10×10×厚さ2mm)を1枚用意
し、その上に熱フィラメントCVD法によりダイヤモン
ドを成長させた。成長条件は、実施例13と同様にし
た。成長面を研磨し、酸で基材を溶解除去したところ、
10mm×10mm×0.15mm(第1自立膜)を得た。こ
の自立膜上に、線幅約100μm、間隔約200μm、厚
さ約5μmのモリブデン膜を蒸着した後、同様の条件で
ダイヤモンドの成膜を続行した。成長面を再度研磨した
後、酸によりモリブデンを溶解除去し、厚さ450μm
の基板を得た。溝の高さは約60μm、線幅約200μ
m、間隔約100μmであった。上記基板に、冷却用水
(水温25℃)を供給した。ダイヤモンド表面から冷媒
の水の間の熱抵抗を測定したところ、0.02℃/Wで
あった。 Example 17 One piece of polycrystalline Si base material (10 × 10 × thickness 2 mm) was prepared, and diamond was grown thereon by the hot filament CVD method. The growth conditions were the same as in Example 13. After polishing the growth surface and dissolving and removing the base material with acid,
10 mm × 10 mm × 0.15 mm (first self-supporting film) was obtained. After depositing a molybdenum film having a line width of about 100 μm, an interval of about 200 μm and a thickness of about 5 μm on this self-supporting film, diamond film formation was continued under the same conditions. After polishing the growth surface again, molybdenum is dissolved and removed by acid, and the thickness is 450 μm.
The substrate of was obtained. Groove height is about 60μm, line width is about 200μ
m, and the interval was about 100 μm. Cooling water (water temperature 25 ° C.) was supplied to the substrate. When the thermal resistance between the diamond surface and the coolant water was measured, it was 0.02 ° C./W.
【0083】[0083]
【発明の効果】本発明による基板の製造方法を用いる
と、高い放熱特性を持った基板を容易に得ることができ
る。特に、これまでの基板では対応が困難であった高エ
ネルギー密度のレーザーチップなど、単位面積あたりの
発熱量の非常に大きな素子を搭載する場合に、大きな効
果を発揮することができる。また、基材として各種の光
透過性の高い物質を使うことによって、高熱伝導性の窓
材の製法としても非常に有効である。By using the method for manufacturing a substrate according to the present invention, a substrate having high heat dissipation characteristics can be easily obtained. In particular, when a device having a very large amount of heat generation per unit area, such as a laser chip having a high energy density, which has been difficult to cope with with conventional substrates, is mounted, a great effect can be exerted. Also, by using various substances having high light transmittance as the base material, it is very effective as a method for producing a window material having high thermal conductivity.
【図1】 本発明における溝付高熱伝導性物質層の概念
を示す平面図。FIG. 1 is a plan view showing the concept of a grooved high thermal conductivity material layer in the present invention.
【図2】 本発明における放熱基板の側面図。FIG. 2 is a side view of a heat dissipation board according to the present invention.
【図3】 本発明における溝付高熱伝導性物質層の概念
を示す平面図。FIG. 3 is a plan view showing the concept of a grooved high thermal conductivity material layer in the present invention.
【図4】 高熱伝導性物質層に形成される溝を示す断面
図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a groove formed in a high thermal conductive material layer.
【図5】 高熱伝導性物質が流路周囲を包囲する本発明
の基板の平面図。FIG. 5 is a plan view of the substrate of the present invention in which the high thermal conductive material surrounds the flow path periphery.
【図6】 図5の基板の正面図。6 is a front view of the substrate of FIG.
【図7】 高熱伝導性物質が流路周囲を包囲する本発明
の別の基板の平面図。FIG. 7 is a plan view of another substrate of the present invention in which the high thermal conductive material surrounds the flow path periphery.
【図8】 本発明の基板に形成される流路を示す断面
図。FIG. 8 is a sectional view showing a flow channel formed in the substrate of the present invention.
【図9】 ダイヤモンドおよび非ダイヤモンド炭素のラ
マンスペクトル。FIG. 9: Raman spectra of diamond and non-diamond carbon.
11、21…高熱伝導性物質層 12、22…冷媒通過用の溝 13…基材 14…冷媒出入口 15…接着層 16…基板 111、121…基板 112、122…冷媒通過用の流路 113…第1高熱伝導性膜 114…第2高熱伝導性膜 115…接着層 116…冷媒出入口 11, 21 ... High thermal conductivity material layer 12, 22 ... Grooves for passing refrigerant 13 ... Base material 14 ... Refrigerant entrance / exit 15 ... Adhesive layer 16 ... Substrate 111, 121 ... Substrate 112, 122 ... Channels for passing refrigerant 113 ... First high thermal conductivity film 114 ... Second high thermal conductive film 115 ... Adhesive layer 116 ... Refrigerant entrance / exit
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 進啓 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 藤森 直治 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 平4−273466(JP,A) 特開 平5−98443(JP,A) R. Ramesham,Fabri cation of Microcha nnels in Synthetic PolycrystallineDi amond Thin Films f or Heat Sinking Ap plica,J. Electroch em.Soc.,1991年 6月,第138 巻、第6号,p.1706−1709 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 23/373 H01L 23/473 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Susumu Ota 1-1-1 Kunyo Kita, Itami City, Hyogo Prefecture Sumitomo Electric Industries, Ltd. Itami Works (72) Inventor Naoji Fujimori Kunyo Kitaichi, Itami City, Hyogo Prefecture 1-1-1, Sumitomo Electric Industries, Ltd. Itami Works (56) Reference JP-A-4-273466 (JP, A) JP-A-5-98443 (JP, A) R.I. Rameshham, Fabrication of Microchannels in Synthetic Polycrystallineline am Thin Thin Films for Heat Sinking App, J. Am. Electroch em. Soc. , June 1991, Volume 138, No. 6, p. 1706-1709 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 23/373 H01L 23/473
Claims (13)
伝導性物質より成る薄板の片面に、レーザー光線による
加工を利用して、冷却用媒体が通過する為の流路を形成
する工程と、 b)前記加工の施された面に基材を接着させる工程を含
むことを特徴とする基板の製造方法。1. A step of forming a flow path for a cooling medium to pass through on one surface of a thin plate made of a highly heat-conductive substance having a thermal conductivity of 10 W / cm · K or more by utilizing processing by a laser beam. And b) a method of manufacturing a substrate, including a step of adhering a base material to the processed surface.
あることを特徴とする請求項1に記載の基板の製造方
法。2. The method for manufacturing a substrate according to claim 1, wherein the laser beam is an excimer laser beam.
ことを特徴とする請求項1に記載の基板の製造方法。3. The method for manufacturing a substrate according to claim 1, wherein the high thermal conductivity substance is diamond.
であることを特徴とする請求項3に記載の基板の製造方
法。4. The method for manufacturing a substrate according to claim 3, wherein the diamond is vapor phase synthetic diamond.
面の、冷却用媒体に対する濡れ性を向上させる処理工程
を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載
の基板の製造方法。5. The substrate according to claim 1, further comprising a treatment step of improving the wettability of the surface of the flow path for passing the cooling medium with respect to the cooling medium. Production method.
性物質から成る板の片面に、レーザー光線を利用して、
冷却用媒体を通過するための流路を形成する工程と、前
記加工の施された面に、熱伝導率10W/cm・K以上の
高熱伝導性物質よりなる別の板を接着させる工程を含む
ことを特徴とする基板の製造方法。6. A laser beam is applied to one surface of a plate made of a highly heat-conductive material having a thermal conductivity of 10 W / cm · K or more,
The method includes a step of forming a flow path for passing a cooling medium, and a step of adhering another plate made of a high thermal conductive material having a thermal conductivity of 10 W / cm · K or more to the processed surface. A method of manufacturing a substrate, comprising:
伝導性物質より成る薄板の片面に、マスクを部分的に施
す工程と、 b)マスクが施されていない部分を選択的にエッチング
することにより冷却用媒体が通過するための流路を形成
する工程と、 c)マスクを除去する工程と、 d)前記加工の施された面に基材を接着する工程を含む
ことを特徴とする基板の製造方法。7. A step of partially applying a mask to one surface of a thin plate made of a highly heat-conductive substance having a thermal conductivity of 10 W / cm · K or more, and b) selectively applying a maskless part. The method includes: a step of forming a flow path through which a cooling medium passes by etching; c) a step of removing a mask; and d) a step of adhering a substrate to the processed surface. Substrate manufacturing method.
の高熱伝導性物質から成る薄板であることを特徴とする
請求項7に記載の基板の製造方法。8. The method for manufacturing a substrate according to claim 7 , wherein the base material is a thin plate made of a high thermal conductive material having a thermal conductivity of 10 W / cm · K or more.
エッチングする工程が、酸素または酸素を含む反応ガス
のプラズマを用いて行われることを特徴とする請求項7
に記載の基板の製造方法。9. Claim mask is selectively etched to process a part has not been subjected, characterized by being performed using a plasma of a reaction gas containing oxygen or oxygen 7
The method for manufacturing a substrate according to.
材料上に気相合成法によりダイヤモンドを成長させる工
程と、板状材料を除去して溝入りダイヤモンド自立膜を
得る工程と、前記溝を有する面に基材を接着させる工程
を含むことを特徴とする基板の製造方法。10. A step of forming a groove in a plate-shaped material, a step of growing diamond on the plate-shaped material by a vapor phase synthesis method, a step of removing the plate-shaped material to obtain a grooved diamond self-supporting film, A method of manufacturing a substrate, comprising a step of adhering a base material to a surface having the groove.
ことを特徴とする請求項10に記載の基板の製造方法。11. The method for manufacturing a substrate according to claim 1 0, wherein the substrate is a diamond free-standing film.
法によりダイヤモンドを成長させる工程と、マスクを除
去することにより冷却用媒体を通過させるための流路を
得る工程とを含むことを特徴とする基板の製造方法。12. A method comprising: a step of masking a base material; a step of growing diamond by a vapor phase synthesis method; and a step of removing a mask to obtain a flow path for passing a cooling medium. A method of manufacturing a characteristic substrate.
合成法によりダイヤモンドを成長させる工程と、マスク
および板状材料を除去し溝入りダイヤモンド自立膜を得
る工程と、該自立膜の溝の形成されている面に基材を接
着させる工程を含むことを特徴とする基板の製造方法。13. A step of applying a mask to a plate-shaped material, a step of growing diamond by a vapor phase synthesis method, a step of removing the mask and the plate-shaped material to obtain a grooved diamond free-standing film, and a groove of the free-standing film. A method for manufacturing a substrate, comprising the step of adhering a base material to the surface on which the substrate is formed.
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