JPH0740599B2 - 高熱伝導性絶縁基板およびその製法 - Google Patents

高熱伝導性絶縁基板およびその製法

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JPH0740599B2
JPH0740599B2 JP60295434A JP29543485A JPH0740599B2 JP H0740599 B2 JPH0740599 B2 JP H0740599B2 JP 60295434 A JP60295434 A JP 60295434A JP 29543485 A JP29543485 A JP 29543485A JP H0740599 B2 JPH0740599 B2 JP H0740599B2
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    • H05K1/053Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate the metal substrate being covered by an inorganic insulating layer

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高熱伝導性絶縁基板およびその製法に関する。
〔従来の技術・発明が解決しようとする問題点〕
IC、LSIなどの発展によって電子回路の小型化、高集積
化、高出力化が進むとともに、半導体素子の実装密度も
高密度化している。このような半導体素子の高集積化、
高出力化、高密度化にともない、チップ当りの素子数は
年々増大しており、チップ当りの発熱量も増大してい
る。この発熱量も増大している。この発熱量の増大は、
半導体素子の信頼性に大きな影響を及ぼすため、高熱伝
導性のパッケージ材料に対する要望が強くなってきてい
る。またハイブリッドICでは、発熱部品が同一パッケー
ジ内に同居する様になり、高密度化実装をさらにすすめ
るためには、高熱伝導性絶縁基板が必要となってきてい
る。
さらに実際に素子を搭載することを考えると、熱膨脹係
数が素子および他のパッケージ構成材料や回路基板の熱
膨脹係数に近似していることが重要である。
前記両者を満足する基板として、AlN、ヒタセラムSiC、
BeOなどのセラミック基板が考えられているが、いずれ
も高価格で、その上BeOには毒性があり、ヒタセラムSiC
には焼結助剤としてBeOを用いており、高周波での誘電
率が1MHzで約40と大きいという問題があり、AlNには水
またはアルカリに対して安定性がわるいという問題があ
るなどの欠点を有している。
本発明は、素子あるいは他のパッケージ構成材料や回路
基板の熱膨脹係数に近似する高熱伝導性絶縁基板であっ
て、AlN、ヒタラセムSiC、BeOなどのセラミック基板が
有する欠点を有しない絶縁基板をうることを目的とす
る。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン基板表
面に、熱伝導率の大きい高周波での誘電率の小さい絶縁
層を被覆した基板を用いると、上記問題を解決しうるこ
とを見出したことによりなされたものであり、単結晶シ
リコンまたは多結晶シリコン基板表面の少なくとも一部
を熱伝導率の大きい絶縁層であるシリコンおよびゲルマ
ニウム原子の少なくとも1種を9atm%以下含むダイヤモ
ンド状炭素または水素原子およびハロゲン族元素のうち
の少なくとも1種を含む非晶質シリコンカーバイドで被
覆した高熱伝導性絶縁基板、および単結晶シリコンまた
は多結晶シリコン基板表面の少なくとも一部を熱伝導率
の大きい絶縁層であるシリコンおよびゲルマニウム原子
の少なくとも1種を9atm%以下含むダイヤモンド状炭素
または水素原子およびハロゲン族元素のうちの少なくと
も1種を含む非晶質シリコンカーバイドで被覆した高熱
伝導性絶縁基板を製造する際に、単結晶シリコンまたは
多結晶シリコン基板をRF投入電極側にセットし、この電
極にDC電圧およびRFパワーを印加し、基板表面と平行に
磁界をかけてプラズマCVD法によって絶縁層形成するこ
とを特徴とする高熱伝導性絶縁基板の製法に関する。
〔実施例〕
本発明に用いる単結晶シリコンまたは多結晶シリコン基
板とは、50W/m・K以上の熱伝導率を有する単結晶シリ
コンまたは多結晶シリコンからなる、たとえば10〜200m
mφまたは10〜200mmで厚さ0.1〜2mmのごとき形状を有
する基板のことである。
本発明においては、前記基板の表面の少なくとも一部が
熱伝導率の大きい絶縁層で被覆されている。
表面の少なくとも一部を被覆するとは、少なくとも必要
な部分は被覆するという意味で、基板表面の被覆される
割合にはとくに限定はなく、基板表面全体であってもよ
く、ごく一部であってもよい。
熱伝導率の大きい、好ましくは50W/m・K以上、さらに
好ましくは100W/m・K以上の熱伝導率を有する絶縁層を
形成する材料としては、たとえばダイヤモンド、ダイヤ
モンド状炭素、シリコンカーバイド、非晶質シリコンカ
ーバイド(微結晶を含むものも含まれる、以下同様)、
c−BN、h−BN、AlNなどがあげられ、これらの1種以
上を用いて、好ましくは膜厚1〜50μm、さらに好まし
くは2〜20μmの絶縁層が形成される。2種以上の材料
を用いて絶縁層を形成するばあいには、複合した絶縁層
にしてもよい。
なお、本発明の高熱伝導性絶縁基板における絶縁層を形
成する材料は、ダイヤモンド状炭素および(または)非
晶質シリコーンカーバイドである。
絶縁層を形成する材料がダイヤモンド状炭素のばあいに
は、シリコンまたはゲルマニウム原子のいずれか1種ま
たは両者を9atm%以下の範囲で含むものが、内部応力が
小さく、付着力が大きく、よりダイヤモンドに近い物理
的特性があるため好ましく、0.1〜4atm%の範囲で含む
ものがさらに好ましい。なお、膜中のシリコン量あるい
はゲルマニウム量が9atm%をこえると熱伝導率が低下す
る。
微量のSi、Geのこのような効果に関しては、現在詳細は
不明であるが、おそらくSi、Geのsp3軌道がダイヤモン
ドの核生成に有効に働くものと考えられる。
微量のSi、Geを含む硬質カーボン膜に関しては、すでに
特許出願済である。
絶縁層を形成する材料が非晶質シリコンカーバイドのば
あいには、水素原子およびハロゲン族元素のうちの少な
くとも1種を30atm%以下の範囲で含むものが熱伝導率
が大きいという点から好ましく、0.1〜10atm%の範囲で
含むものがさらに好ましい。
前記のごとき絶縁層は、通常108(Ω・cm)以上の電気
抵抗率と20V/μm以上の耐電圧を有し、絶縁性基板とし
て用いるのに好ましい。
つぎに本発明の高熱伝導性絶縁基板の製法について説明
する。
単結晶シリコンまたは多結晶シリコン基板表面に絶縁層
を形成する方法にはとくに限定はなく、前記のごとき材
料からなる絶縁層が形成されるかぎりいかなる方法も適
応しうる。
このような方法の具体例としては、ダイヤモンド、ダイ
ヤモンド状炭素、シリコンカーバイド、非晶質シリコン
カーバイド、六方晶BN、立方晶BNなどからなる絶縁層を
形成するばあいに適応されうるDC放電プラズマCVD法、R
F放電プラズマCVD法、DC放電・RF放電両者混合のプラズ
マCVD法、電界に直交する磁界もったDC放電・RF放電両
者混合のプラズマCVD法などがあげられる。とくにダイ
ヤモンド、ダイヤモンド状炭素、シリコンカーバイド、
非晶質シリコンカーバイドからなる絶縁層を形成する際
に、基板上で電界と直交する磁界をもつDC放電・RF放電
両者混合のプラズマCVD法を適応すると、より結晶性で
熱伝導率に優れた膜が高速に作製されるなどの点から好
ましい。
基板上で電界と直交する磁界をもつDC放電・RF放電両者
混合のプラズマCVD法により高熱伝導性絶縁基板を製造
する際の具体的な方法としては、たとえば第1図に示す
ように、RF投入電極(2)側に単結晶シリコンまたは多
結晶シリコン基板(1)をセットし、この電極に高周波
チョークコイル(3)をとおしてDC電圧、好ましくは−
150〜−600VのDC電圧を印加し、RFパワー、好ましくは1
00〜400W(140〜560mW/cm2)のRFパワーを印加し、好ま
しくは0.1〜20Torrの反応圧力、200〜350℃の基板温度
で、基板表面と平行に磁界(B)、好ましくは100〜100
0ガウスの磁界(B)をかけながら絶縁層を形成するご
とき方法があげられる。
このようにして製造された本発明の基板は、熱伝導率が
50W/m・K以上、好ましくは100W/m・K以上、表面ビッ
カーズ硬度が500以上、好ましくは1500以上、さらに好
ましくは2000以上、絶縁層の種類により異なるが電気絶
縁性が1×109Ω・cm以上、1MHzでの誘電率が20以下
(シリコンカーバイドのばあいには15以下)、1MHzでの
誘電損失が0.02以下のごとき特性を有するものである。
また、熱膨脹係数は絶縁層を形成する基板として単結晶
シリコンまたは多結晶シリコン基板を用いているので、
高温処理を必要とする厚膜回路用ハイブリッドIC基板材
料に適し、また酸、アルカリに対して非常に安定であ
る。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
実施例1〜2 第1図に示すごときプラズマCVD装置にて単結晶シリコ
ン上にSiC膜を作製した。
100×100×0.5mmのシリコン基板(1)を、第1図に示
すようにRF投入電極(2)側にセットした。DC電圧は高
周波チョークコイル(3)を通して印加した。基板付近
には電界と直交する方向、つまりシリコン基板表面と平
行に磁界(B)をかけた。磁場強度は100〜500ガウスで
あった。この装置にて基板温度を200〜300℃に加熱し、
DC、RF両者混合の放電をおこした。反応ガスとして、H2
=100〜200SCCM、CH4=20〜80SCCM、SiH4=10〜60SCCM
をガス導入口(4)から流し、RFパワー100〜300W(140
〜420mW/cm2)を印加し、DC電圧を−150〜400V印加し
た。反応室圧力は0.3〜5Torrであった。反応時間約1時
間で約3〜5μmのシリコンカーバイド膜がえられた。
えられた膜は、X線回折分析の結果、微結晶β−StCを
含むものであることがわかった。膜のIR測定から、膜中
にはシリコンおよびカーボンに結合した水素の吸収が存
在し、膜中の水素含量は1〜15atm%であった。
えられた膜の一例の諸特性を第1表に示した。膜厚は約
5μmものである。第1表に示したのは膜中のカーボン
含量がそれぞれ40atm%、60atm%のものである。
膜中のシリコン量、カーボン量により諸特性の値は変化
し、傾向としてはカーボン量が50atm%をこえると硬度
は増加するが、熱伝導度が低下した。
えられた絶縁基板が通常の焼結によってえられた高熱伝
導性SiCと比較して誘電率が小さいのは、SiCが完全な結
晶または多結晶になっているのではなく、水素を含むア
モルファスシリコンカーバイドと微結晶SiCの両者から
なる構造で、水素を含む非晶質部分により誘電率が小さ
く、微結晶部分により熱伝導率がよくなっているためと
考えられる。
実施例3 通常のRFプラズマCVD装置(磁場および直流電源のない
装置)にて実施例1と同様にして絶縁基板を作製した。
えられた膜はアモルファスで、カーボン含量40atm%の
ばあいの膜の諸特性は、第1表に示すように絶縁性が非
常に優れており、熱伝導率が50〜90W〜m・Kであっ
た。
参考例1 実施例1と同様の装置にて製膜を行なった。
磁場強度(B)300〜1000ガウス、基板温度250〜350
℃、反応ガスとしてH2=100〜300SCCM、CH4=1〜10SCC
Mを用い、RFパワー100〜400W(140〜560mW/cm2)、DC電
圧−200〜600V、反応室圧力0.1〜20Torrであった。
実験条件は実施例1と比較して、RFパワー、DC電圧とも
大きめ、CH4をH2にて10容量%以下に希釈することが異
なっていた。
反応時間2時間で約3〜5μmのダイヤモンド状炭素膜
がえられた。えられた膜の表面ビッカース硬度は6000〜
8000と天然ダイヤモンドに近い値であった。また、膜の
TED(電子線回折)分析によると、ダイヤモンド粒子の
生成が確かめられた。条件により作製される膜はかなり
異なった。比較的低濃度のメタン(5容量%以下)を用
いて作製した5μmの膜の諸特性を第1表に示す。付着
硬度は20〜50kg/cm2と小さかった。
実施例4 参考例1と同様の条件でメタンガスに対してシランガス
を0.1〜7重量%または水素化ゲルマニウムガスを0.1〜
5容量%添加して、ダイヤモンド状炭素膜を作製した。
シランガスを0.5容量%添加して作製した膜の諸特性を
第1表に示した。
膜中にはシリコンが1atm%存在していた(ESCAにより定
量)。
このシリコンを微量含むダイアモンド状炭素膜は膜自身
の内部応力が非常に小さく、またシリコンを含まない膜
と比較して、付着力も数倍で、電気絶縁性も向上してい
た。
〔発明の効果〕 単結晶シリコンまたは多結晶シリコン基板上に熱伝導率
の大きい絶縁層であるシリコンおよびゲルマニウム原子
の少なくとも1種を9atm%以下含むダイヤモンド状炭素
または水素原子およびハロゲン族元素のうちの少なくと
も1種を含む非晶質シリコーンカーバイドからの層を設
けた本発明の基板は、高熱伝導性および低誘電率である
ので、ハイブリッドIC基板、高周波ハイパワートランジ
スター用の基板として使用しうる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基板を製造するのに用いるプラズマCV
D装置に関する説明図である。 (図面の主要符号) (1)シリコン基板

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】単結晶シリコンまたは多結晶シリコン基板
    表面の少なくとも一部を熱伝導率の大きい絶縁層である
    シリコンおよびゲルマニウム原子の少なくとも1種を9a
    tm%以下含むダイヤモンド状炭素または水素原子および
    ハロゲン族元素のうちの少なくとも1種を含む非晶質シ
    リコンカーバイドで被覆した高熱伝導性絶縁基板。
  2. 【請求項2】単結晶シリコンまたは多結晶シリコン基板
    表面の少なくとも一部を熱伝導率の大きい絶縁層である
    シリコンおよびゲルマニウム原子の少なくとも1種を9a
    tm%以下含むダイヤモンド状炭素または水素原子および
    ハロゲン族元素のうちの少なくとも1種を含む非晶質シ
    リコンカーバイドで被覆した高熱伝導性絶縁基板を製造
    する際に、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン基板を
    RF投入電極側にセットし、この電極にDC電圧およびRFパ
    ワーを印加し、基板表面と平行に磁界をかけてプラズマ
    CVD法によって絶縁層を形成することを特徴とする高熱
    伝導性絶縁基板の製法。
  3. 【請求項3】絶縁層が、単結晶シリコンまたは多結晶シ
    リコン基板をセットしたRF投入電極に−150〜−600VのD
    C電圧および100〜400W(140〜560mW/cm2)のRFパワーを
    印加し、基板表面と平行に100〜1000ガウスの磁界をか
    け、反応圧力0.1〜20Torr、基板温度200〜350℃で形成
    される特許請求の範囲第2項記載の製法。
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