熱伝導積層膜部材及びその製造方法、これを用いた放熱部品及び放熱デバイス
【課題】グラファイトを含有する熱伝導層を含む積層膜を効率的にエッチングして加工し、例えば上記熱伝導層及び特定のシリコン等のひずみ緩和層を貫通する微細な幅の深堀を可能とする熱伝導積層膜部材の製造方法を提供する。
【解決手段】熱伝導層１とひずみ緩和層２とを積層してなる熱伝導積層膜を反応性イオンエッチングにより加工する熱伝導積層膜部材の製造方法であって、特定の熱伝導層をエッチングする酸素含有ガスと、特定のひずみ緩和層をエッチングする硫黄−フッ素化合物含有ガスと、それらのエッチング面を保護するフルオロカーボン化合物とを用い、少なくとも前記３種のガスを切り替えながら熱伝導積層膜を貫通する加工を施すことを特徴とする熱伝導積層膜部材の製造方法。
【解決手段】熱伝導層１とひずみ緩和層２とを積層してなる熱伝導積層膜を反応性イオンエッチングにより加工する熱伝導積層膜部材の製造方法であって、特定の熱伝導層をエッチングする酸素含有ガスと、特定のひずみ緩和層をエッチングする硫黄−フッ素化合物含有ガスと、それらのエッチング面を保護するフルオロカーボン化合物とを用い、少なくとも前記３種のガスを切り替えながら熱伝導積層膜を貫通する加工を施すことを特徴とする熱伝導積層膜部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器および半導体デバイスから発生する熱を有効に移動させることが必要とされるエレクトロニクス分野や自動車廃熱利用分野に好適に用いることができる熱伝導積層膜部材及びその製造方法、これを用いた放熱部品及び放熱デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体デバイスの冷却にはヒートシンクを取り付ける方法や、基板に放熱する方法等がとられてきた。その適用例として、半導体レーザダイオードや発光ダイオードなどの光デバイス、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ、ヘテロ接合型電界効果トランジスタなどの電子デバイスが挙げられる。具体的に、単体のレーザチップでは、Ｃｕ、Ａｌ等の熱伝導率の高い材料からなるヒートシンクを用いて放熱する方法が用いられている。Ｓｉチップ等の半導体素子及びこれらのモジュールでは、発熱素子等からの熱をリード経由で基板に放熱する方法が広く用いられている。あるいは、電子機器・電子デバイスや光デバイスなどの半導体デバイスから発生する熱の放熱や移送に、液体と熱交換して流体による熱輸送を行ったり、熱伝導性の高い材料に伝熱させたりする対応が挙げられる。
【０００３】
しかしながら、ヒートパイプなどの蒸発・凝集型の伝熱モジュールは熱輸送路の向きや寸法、構成に制限があり、とくに機器の小型化に限界がある。また、従来の熱伝導性の高い材料により伝熱させる方法では、伝熱過程で熱放出するという問題があり、十分な熱輸送量を得ることができず、さらに伝熱過程での熱の放出、拡散などによる機器への悪影響があった。上記特許文献１に記載された従来技術などもあるが、膜内方向の熱伝導性を向上することよりもむしろ、膜厚方向の熱伝導性を抑えることにより、異方的な熱伝導材料を得ることを目的としていることから、本質的な熱伝導性の向上には至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２２９１７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、上記の問題点に鑑み、発熱体から発生する熱の効率的な放熱および移送を省スペースで可能にした熱伝導膜を提案した（特許第４４３０１１２号明細書参照）。これは、グラファイトを含有する熱伝導層と特定のシリコン等からなるひずみ緩和層とを積層したものであり、これにより上述した課題を効果的に解決しうる。
【０００６】
そこで本発明者はさらにこの技術を応用し、例えば多様な半導体デバイス等に適用しうる加工を施した膜部材とすることを試みた。ところが、この熱伝導積層膜に対し深堀加工等を施す好適な加工法がなく、所望の形状の構造部材にすることが困難であることが判明した。
【０００７】
サンドブラスト法やドリル加工法などの機械的な加工方法があるが、加工形状の微細化には限界がある。また、加工壁面の平滑性を実現しにくく、放熱部材などをそこに配設して利用するときに十分な密着性が得られず、それでは結局期待したほどの放熱性が得られないこととなる。
【０００８】
そこで、本発明の第１の目的は、グラファイトを含有する熱伝導層を含む積層膜を効率的にエッチングして加工し、例えば上記熱伝導層及び特定のシリコン等のひずみ緩和層を貫通する微細な幅の深堀を可能とする熱伝導積層膜部材の製造方法の提供である。
本発明の第２の目的は、上記製造方法で製造した微細な加工部を有する熱伝導積層膜部材を利用して、発熱体から発生する熱の効率的な放熱および移送を省スペースで可能にした熱伝導膜放熱部品及び放熱デバイスの提供である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題は以下の手段により解決された。
（１）熱伝導層とひずみ緩和層とを積層してなる熱伝導積層膜を反応性イオンエッチングにより加工する熱伝導積層膜部材の製造方法であって、
前記熱伝導層を構成する材料としてグラファイトを選定し、前記ひずみ緩和層を構成する材料として、アモルファスＳｉ、アモルファスＧｅ、アモルファスＳｉＧｅ、アモルファスＳｉＯ２、アモルファスＳｉＯｘ、アモルファスＴｉＯ２、及びこれらの組合せのいずれかを選定し、
前記熱伝導層をエッチングする酸素含有ガスと、前記ひずみ緩和層をエッチングする硫黄−フッ素化合物含有ガスと、それらのエッチング面を保護するフルオロカーボン化合物ガスとを用い、少なくとも前記３種のガスを切り替えながら熱伝導積層膜を貫通する加工を施すことを特徴とする熱伝導積層膜部材の製造方法。
（２）前記熱伝導層とひずみ緩和層とを１層ずつもしくは複数層ずつ交互に積層したことを特徴とする（１）に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
（３）前記３種のガスを、前記ひずみ緩和層をエッチングする硫黄−フッ素化合物含有ガス、前記熱伝導層をエッチングする酸素含有ガス、それらのエッチング面を保護するフルオロカーボン化合物含有ガスの順序で適用してエッチングを行うことを特徴とする（１）又は（２）に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
（４）前記熱伝導層及びひずみ緩和層の層厚さがそれぞれ１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
（５）前記反応性イオンエッチングによる加工をプロセス室内で行うに当たり、酸素含有ガス、硫黄−フッ素化合物含有ガス、フルオロカーボン化合物ガスのいずれか一つまたはこれらを複合して供給する場合に、それぞれの供給するガスの供給量をそれぞれ１００ｓｃｃｍ以下とすることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
（６）前記酸素含有ガスとしてＯ２を用い、前記硫黄−フッ素化合物含有ガスとしてＳＦ６を用い、前記フルオロカーボン化合物としてＣ４Ｆ８を用いることを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
（７）熱伝導層とひずみ緩和層とを積層してなり、熱伝導層及びひずみ緩和層を貫通する加工構造部を有する熱伝導積層膜部材であって、
前記熱伝導層がグラファイトからなり、前記ひずみ緩和層が、アモルファスＳｉ、アモルファスＧｅ、アモルファスＳｉＧｅ、アモルファスＳｉＯ２、アモルファスＳｉＯｘ、アモルファスＴｉＯ２、及びこれらの組合せのいずれかからなり、
前記貫通加工部が円以外の開口形状もしくはパターン化された切欠形状を有することを特徴とする熱伝導積層膜部材。
（８）前記貫通加工部の外表面近傍にテーパーを付けたことを特徴とする（７）に記載の熱伝導積層膜部材。
（９）前記熱伝導層とひずみ緩和層と貫通する加工構造部が、孔状、溝状、もしくは切り欠き状であることを特徴とする（７）又は（８）に記載の熱伝導積層膜部材。
（１０）前記熱伝導層及びひずみ緩和層の層厚さがそれぞれ１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする（７）〜（９）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材。
（１１）前記熱伝導層とひずみ緩和層とを貫通する加工構造部の積層数が２層以上４０００層以下であることを特徴とする（７）〜（１０）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材。
（１２）前記熱伝導層とひずみ緩和層とを貫通する加工構造部の加工幅が１００ｎｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする（７）〜（１１）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材。
（１３）（７）〜（１２）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材と放熱部材とを組み合わせた放熱部品であって、前記熱伝導積層膜部材の貫通加工構造部分に、前記放熱部材の一部を配置したことを特徴とする放熱部品。
（１４）（１３）に記載の放熱部品と素子とを具備することを特徴とする放熱デバイス。
（１５）前記シリコン基板に接合された（７）〜（１２）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材と、シリコン基板に実装した半導体素子と、前記半導体素子が発する熱を前記熱伝導膜部材を介して受容し外部にその熱を放出するヒートスプレッダーとを具備するＬＳＩであって、
前記シリコン基板と熱伝導積層膜とには両者を貫通する断面非円形のビアホールが穿けられ、該ビアホールには伝熱性のビアポストが埋設され、該ビアポストを介して前記熱伝導積層膜を面方向に伝わってくる熱を前記ヒートスプレッダーに移送する構造としたことを特徴とするＬＳＩ。
（１６）前記シリコン基板と前記熱伝導積層膜との接合体が多数積層され、該多数積層された接合体を貫通し連続するビアホールにビアポストが設けられ、該ビアポストは前記ヒートスプレッダーに熱を移送するように連結された（１４）記載のＬＳＩ。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の製造方法によれば、グラファイトを含有する熱伝導層を含む積層膜を効率的にエッチングして加工し、例えば上記熱伝導層及び特定のシリコン等のひずみ緩和層を貫通する微細な幅の深堀を可能とする。また、本発明の熱伝導積層膜部材は所望の形状に加工された微細な貫通孔等の加工部を有し、これを利用して、発熱体から発生する熱の効率的な放熱および移送を省スペースで可能にした熱伝導膜放熱部品及び放熱デバイスとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態として用いられる熱伝導積層膜（エッチング前）の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】スパッタ製膜法の工程手順を説明するための説明図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるエッチング工程の一部を模式的に示す加工途中の熱伝導積層膜の断面図である。
【図４】本発明の前記実施形態におけるエッチング工程の一部を模式的に示す加工途中の熱伝導積層膜の断面図である。
【図５】本発明の前記実施形態におけるエッチング工程の一部を模式的に示す加工途中の熱伝導積層膜の断面図である。
【図６】本発明の別の実施形態におけるエッチング工程の一部を模式的に示す加工途中の熱伝導積層膜の断面図である。
【図７】参考例としての熱伝導積層膜を用いた発熱素子搭載放熱デバイスを模式的に示した図であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）がＢ−Ｂ線矢視断面図であり、（ｃ）がＣ−Ｃ線矢視断面図である。
【図８】本発明におけるビアの開口部ないし断面の形状を模式的に示した断面輪郭図である。
【図９】本発明の一実施形態としての熱伝導積層膜を用いた発熱素子搭載放熱デバイスを模式的に示した図であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）がＢ−Ｂ線矢視断面図であり、（ｃ）がＣ−Ｃ線矢視断面図である。
【図１０】本発明のまた別の実施形態に係る発熱素子搭載放熱デバイスを模式的に示した図であり、上図が側断面図であり、下図が平面図である。
【図１１−１】本発明の実施形態に係るエッチング工程の変形例を模式的に示した図である。
【図１１−２】本発明の実施形態に係るエッチング工程の変形例を模式的に示した図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る発熱素子搭載放熱デバイス構造を単層ＬＳＩに適用した例を模式的に示した断面図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る発熱素子搭載放熱デバイス構造を積層ＬＳＩに適用した例を模式的に示した断面図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る放熱デバイスの放熱性能を評価するシミュレーションに使用した素子構造図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る放熱デバイスの放熱性能を評価するシミュレーションに使用したＦＥＭモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜第１実施形態＞
本実施形態においては、特定の熱伝導層と特定のひずみ緩和層とを積層してなる熱伝導積層膜を、新規の反応性イオンエッチングにより加工し、熱伝導積層膜部材を製造する。以下、その構成の詳細について説明する。
【００１３】
（熱伝導積層膜）
図１は本実施形態に係る熱伝導膜を示す断面図である。熱伝導膜１はＣ（炭素）を含む材料であり、具体的にはグラファイトからなり熱を膜内方向（面方向）Ｘに伝導する。そして、積層膜としては、第１の構成材料からなる熱伝導層１と、そのひずみを緩和する第２の構成材料からなるひずみ緩和層２とを積層して構成されている。符号４はシリコン（Ｓｉ）基板である。これにより、非常に薄い膜で、膜内方向に非常に高い熱伝導性を有する熱伝導膜が得られる。
【００１４】
・熱伝導層
熱伝導層の構成材料として適用されるグラファイトとしては、結晶性が優れているＨＯＰＧ（高配向性グラファイト）で１５００〜２０００Ｗ／ｍＫの高熱伝導率が得られるものが好ましい。また、ナノカーボンによって３０００Ｗ／ｍＫ以上の更なる高熱伝導特性を有するものでもよい。この熱伝導膜では、熱伝導層１の第１の構成材料として、グラファイトが選定されるが、通常グラファイトといわれるような六角板状の結晶としてすべてが完全に結晶化されているものでなくてもよい。また、本発明の効果を損ねない範囲で熱伝導層にはグラファイト以外の成分が含まれていてもよい。
前記熱伝導層の膜厚ｄは、それぞれ、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることがより好ましい。熱伝導層が薄すぎる場合には、Ｓｉ層直上にグラファイトの核が生成し、グラファイト層の歪みが緩和しきらないうちに次のＳｉ層になってしまうため、グラファイト層の結晶性が向上しないことがある。一方、熱伝導層の膜厚が大きすぎると、つまりグラファイト層が厚すぎる場合には、一度高配向化したグラファイト層の上にグラファイトが堆積していく際に、再び乱れが発生してしまうことがある。そのため、再びグラファイト層の結晶性が低下することにつながると考えられる。
【００１５】
・ひずみ緩和層
本実施形態においては、ひずみ緩和層を構成する材料として、アモルファスＳｉ、アモルファスＧｅ、アモルファスＳｉＧｅ、アモルファスＳｉＯ２、アモルファスＳｉＯｘ、アモルファスＴｉＯ２、及びこれらの組合せのいずれかを選定する。なかでも、アモルファスＳｉを用いることが特に好ましい。
【００１６】
ひずみ緩和層の膜厚ｔは、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内であることが好ましく、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下の範囲内であるのがより好ましい。このひずみ緩和層が薄すぎる場合には、下の熱伝導層の凹凸がひずみ緩和層で覆われず、平坦化する前に次の熱伝導層になってしまう。一方、ひずみ緩和層が厚すぎる場合には、上述したように熱伝導層の結晶性が悪化してしまい、ひずみ緩和の効果が作用しにくくなる。また、ひずみ緩和層の構成材料として、アモルファスである材料が選定されることが好ましい。
【００１７】
・積層構造
本実施形態においては、グラファイトからなる熱伝導層と、上記ひずみ緩和層とを組み合わせて積層することで、グラファイトの結晶性が向上し、熱伝導層の膜内熱伝導率が向上する。これにより、非常に薄い膜で、膜内方向に非常に高い熱伝導性を有する熱伝導膜が得られる。
【００１８】
本実施形態においては、前記熱伝導層と前記ひずみ緩和層を、複数回交互に繰り返して積層し、前記熱伝導層が前記ひずみ緩和層の間に挟み込まれた構成にしてもよい。この態様によれば、熱伝導層とひずみ緩和層の積層数を適宜設定することで、膜内方向の熱伝導率（膜内熱伝導率）を向上させることができるとともに、面内方向における十分な熱輸送量を得ることができる。積層数は特に限定されないが、冷却効果と成膜コストのトレードオフ関係から制約される。２層以上４０００層以下であることが好ましく、１００層以上３０００層以下であることがより好ましく、５００層以上２０００層以下であることが特に好ましい。
【００１９】
薄膜化したグラファイトの結晶性を向上させるためには、グラファイト結晶のひずみを効果的に緩和させるように、ひずみ緩和層を熱伝導層の間に挟み込むことが好ましい。このとき、熱伝導層（グラファイト）の割合が少なすぎると、熱を伝える材料が少なくなるだけでなく、歪みが緩和しきらず結晶性の向上が期待できないため、熱伝導層の膜内方向の熱伝導率が向上しにくい。一方、熱伝導層（グラファイト）の割合が多すぎると、グラファイトの結晶性が悪くなり、熱伝導層の膜内方向の熱伝導率が向上しにくい。
【００２０】
このような点を考慮し、本実施形態では、熱伝導層の膜厚ｄとひずみ緩和層の膜厚ｔの関係が、以下の式（１）を満たすようにすることが好ましく、式（２）を満たすようにすることがより好ましい。
【００２１】
０．４≦ｄ ／ （ｄ＋ｔ） ≦０．８ ・・・（１）
０．５≦ｄ ／ （ｄ＋ｔ） ≦０．７ ・・・（２）
【００２２】
（製膜法）
本発明において上記積層膜を形成する方法は特に限定されず、例えば、イオンビームスパッタ法、イオンクラスタービーム法、ＭＢＥ法などの公知の手法が挙げられる。スパッタ法について詳述すると、２種類のターゲットを切り替えながら２種類の膜を交互に積層する方法が挙げられる。この状況を模式的に示したのが図２である。成膜手順としては下記のようになる。
１：膜を付ける試料と膜の原料（ターゲット）を近くにおく。
２：全体を真空状態にして、試料とターゲットの間に電圧をかける。
３：電子やイオンが高速移動し、イオンがターゲットに衝突する。高速移動した電子や
オンは、気体分子に衝突し、分子の電子をはじき飛ばし、さらにイオンとなる。
４：ターゲットに衝突したイオンは、ターゲットの粒子をはじき飛ばす（スパッタリング現象）。
５：はじき飛ばされた原料の粒子が試料に衝突、付着し、膜が形成される。
【００２３】
（エッチング）
図３〜図６は本発明の好ましい実施形態におけるエッチング工程の一部を模式的に示す加工途中の熱伝導積層膜の断面図である。本実施形態においては、ひずみ緩和層のエッチングには公知の反応性イオンエッチングを適用することができる。例えばボッシュ法を用いることが好ましい。ひずみ緩和層を構成する特定のＳｉの代わりに、ＳｉＧｅ、Ｇｅを使用する場合も、Ｓｉ膜と同様に、硫黄−フッ素化合物、好ましくはＳＦ６でエッチングすることが可能である。
【００２４】
一方、熱伝導層を構成するグラファイトは上記ボッシュ法によったのではエッチングすることが難しく、酸素（０２）ガスでエッチングする。本発明においては、このグラファイト（炭素）を含有する層を酸素ガスでエッチングすることが特徴であり、重要である。この２種のガスを適切に組み合わせエッチングを行なうことで、上記グラファイトからなる熱伝導層と特定のシリコン等からなるひずみ緩和層とを貫くように深堀り加工を施すことが可能となる。本明細書において各層を「貫く」もしくは「貫通する」とは、各層の平面領域の一部を除去しその厚み方向に空間を連続させることを指し、円筒状に貫通することのほか、任意の形状に貫通させてよく、溝状の加工や端部の切り欠き加工も、この貫くもしくは貫通するように加工するという語の意味に含める。
【００２５】
本発明においては、さらに保護層を形成するガスをエッチング工程に適用する。これにより所望の異方性エッチングが達成され、積層膜を所望の開口形状ないし断面形状で貫通する深堀エッチングが可能となる。この保護ガスとしてフルオロカーボン化合物を適用することが好ましく、Ｃ４Ｆ６（ヘキサフルオロ−１,３−ブタジエン等）又はＣ４Ｆ８（パーフルオロシクロブタン等）が好ましく、Ｃ４Ｆ８が特に好ましい。なお、ボッシュ法における微細孔の形成としては、Chienliu Changら、J．Micromech．Microeng，15（2005）580-585等を参照することができ、そこで適用されている装置や工程条件等を参考にすることができる。
【００２６】
図３〜図６についてさらに詳細に説明すると、図３の工程＜１＞では、まず特定のシリコン等からなるひずみ緩和層２をＳＦ６ガスによりエッチングする。エッチングする以外の部分はエッチングマスク５が付されている。エッチングマスクとしてはこの種のレジストにおいて一般的なものを適用することができる。次にエッチングガスを酸素ガスに切り替えて、グラファイトからなる熱伝導膜のエッチングを行なう（図３の工程＜２＞）。その後、保護ガス（Ｃ４Ｆ８）により加工部Ｋに面する加工表面（加工壁面Ｋｍ、加工底面ｋｎ）を保護し保護膜６を構成する。図示したものでは保護膜６の厚みをやや誇張して描画しているが、極めて薄い膜あるいは表面の改質状態である（図４の工程＜３＞）。また、加工壁面Ｋｍも波状に凹凸があるように描写しているが理解の便宜であり、本発明においてはこのような凹凸のない壁面が達成されることが利点の１つである。
【００２７】
さらに、ＳＦ６ガスによるエッチングを行なうと、図４の工程＜４＞のように保護膜で保護された加工壁面ｋｍの形状はそのまま維持され、加工底面ｋｎのみがエッチングされていく。その結果加工幅ｗは一定に保たれた、極めて精度の高い深堀加工が可能となり、縦断面において壁部が直線的な微細孔ないし溝を形成することができる。次いで、エッチングガスを酸素（Ｏ２）ガスに切り替え、グラファイトからなる熱伝導層をエッチングする（図５の工程＜５＞）。これら一連の工程を繰り返すことにより、深さのある加工部（微細孔ないし溝）Ｋが得られる（図５の工程＜６＞）。
【００２８】
各ガスによりエッチングおよび保護膜形成を行う順序は、ＳＦ６＝＞Ｏ２＝＞Ｃ４Ｆ８であることが好ましい。ＳＦ６によるエッチング工程では、まずＩＣＰ−ＲＩＥのエッチング異方性により孔底面Ｋｎ部分の保護膜が無くなり、側壁Ｋｍ部分には保護膜が残った状態となる（図４の＜４＞参照）。露出したＳｉは化学結合により等方性エッチングされる。次に、Ｏ２プラズマは多層膜中の熱伝導層もＣ４Ｆ８による保護膜も等方的にエッチングするので、図５の＜５＞において、Ｏ２によってＣ４Ｆ８による膜６は、本来等方的にエッチングされ、かなり薄くなるか、または完全に無くなる。その際、完全にＣ４Ｆ８による保護膜が無くなり、かつ加工部壁面Ｋｍの熱伝導層またはひずみ緩和層をエッチングしてしまうと、加工壁面の垂直性が得られなくなる。したがって、加工壁面の垂直加工性を得るにはＣ４Ｆ８による保護膜はＳＦ６およびＯ２のエッチング後に加工部壁面Ｋｍに残っていることが望ましい。逆の言い方をすると加工部壁面Ｋｍを垂直以外に加工したい場合にはＣ４Ｆ８による保護膜の厚みを変えることにより実現することが可能である。ただし、本発明はこの説明によって限定して解釈されるものではない。
【００２９】
図６は上記エッチング加工の応用形態であり、エッチングマスクを積層膜の端部を残して配置し、その端部において上記所定のガスによるエッチングを施す。結果として、積層膜の端部に切り欠き加工部Ｋを形成することができる。
【００３０】
本発明の製造方法においては、上記２種のエッチングガスと保護ガスとを適切に組み合わせて用いることが好ましい。プロセス室内の設定条件等は加工内容によって適宜選定すればよいが、特に微細かつ深さのある加工を施すためには下記のような設定とすることが好ましい。
＜ＳＦ６＞
ガス供給量 ：８０〜１００ｓｃｃｍ
バイアス電圧 ：１５
ＲＦパワー ：５００
＜Ｃ４Ｆ８＞
ガス供給量 ：４０〜６０ｓｃｃｍ
バイアス電圧 ：０
ＲＦパワー ：５００
＜Ｏ２＞
ガス供給量 ：３０〜５０ｓｃｃｍ
バイアス電圧 ：２０
ＲＦパワー ：８００
【００３１】
上記条件を適宜設定することにより所望の形状に積層膜をエッチング加工することができる。これにより、例えば、所定幅及び深さの深堀エッチングが可能となり好ましい。加工される形態は孔状であっても、溝状であっても、端部の切り欠き状であってもよい。寸法として定義するときには、孔状もしくは溝状であれば、図６に示したもののように所定の断面の幅で特定することができる。厳密には、孔状であれば横断面の孔面積を求めその円相当直径として加工幅ｗを定義することができる。溝状であれば、溝幅が最も狭くなる縦断面を設定しそのときの溝幅ｗとして定義することができる。本発明によれば、極めて微細なエッチング加工も可能であり、例えば微細な深堀りを施すときには、上記加工幅ｗを１００ｎｍ〜３００μｍとすることができる。さらに、機械的な加工法では困難なレベルにまで微細化するニーズにこたえる場合には、加工幅を１００ｎｍ〜１μｍとすることもでき好ましい。
【００３２】
（熱伝導膜の性能評価）
次に、上記第１実施形態に係る熱伝導積層膜の具体的な実施例を、以下の表１に基づいて説明する。
【００３３】
【表１】
【００３４】
実施例１−１〜１−６の熱伝導積層膜１の製造方法は、次の通りである。単結晶Ｓｉ（１１１）基板４上に、イオンビームスパッタ法にて熱伝導層１とひずみ緩和層２の多層膜を形成した。まず、Ｓｉ基板４上にアモルファスＳｉ（第２の構成材料）からなるひずみ緩和層２を形成した後、グラファイトＣ（第１の構成材料）からなる熱伝導層１とアモルファスＳｉからなるひずみ緩和層２を交互に形成し、最後に、最上層にひずみ緩和層２を形成した。
【００３５】
このようにして作製した各実施例１−１〜１−６の熱伝導特性を測定した。膜厚方向の熱伝導特性は、サーモリフレクタンス法にて行った。試料表面にＭｏを蒸着後、試料中央部にパルスレーザを照射することによって加熱を行った。加熱レーザのスポット径は、３または７μｍである。サーモリフレクタンス法では、加熱用レーザと検出用レーザを同じ場所に照射し、温度波の膜厚方向の位相遅れを測定し、膜厚方向熱伝導率を求めた。一方、膜内方向の熱伝導特性は、上記サーモリフレクタンス法にて、加熱用レーザと検出レーザを距離ｒだけ離すことによって測定を行った。求めた膜内熱伝導率及び、膜厚方向熱伝導率を表１に示した。なお、結果の詳細は、さらに特許第４４３０１１２号明細書を参照することができる。
前記実施例１−２で示した熱伝導積層膜およびＳｉ基板のエッチングを行った。エッチングマスクには１００ｎｍのＡｌを用いた。ＳｉのエッチングにはＳＦ６ガスを８５ｓｃｃｍでプロセス室に導入し５００Ｗの電力でエッチングを行った。ＣのエッチングにはＯ２ガスを４０ｓｃｃｍでプロセス室に導入し８００Ｗの電力でエッチングを行った。保護膜形成にはＣ４Ｆ８ガスを５０ｓｃｃｍでプロセス室に導入し５００Ｗの電力でデポジションを行った。これにより作製した熱伝導積層膜の寸法等を下記に示す。
【００３６】
【表２】
【００３７】
＜第２実施形態＞
（放熱デバイスの構成例）
本発明の第２の実施形態は、発熱部を有するデバイスに対して、上記のようにして加工部を有する熱伝導積層膜を作製したデバイスに関する。図７は本実施形態の放熱デバイスを模式的に示す平面図及び各断面図である。本実施形態によれば、上記熱伝導膜により、半導体デバイスなどの発熱体で発生する熱を有効に移行させることができる。したがって、発熱体で発生する熱の効率的な放熱および移送を省スペースで可能にした熱伝導膜を実現できる。
【００３８】
図７に示した放熱デバイス１００においては、先に第１実施形態で説明した熱伝導層１とひずみ緩和層２とが積層した熱伝導積層膜１１を有し、この積層膜には筒状の加工部（ビアホール）Ｋが複数形成されている（図７は参考例であり、開口部ないし断面において円筒状のビアホールを示している。）。この加工部（ビアホール）Ｋは上述のとおり、２種のガスを組み合わせた反応性イオンエッチング法を利用して形成されたものである（前記第１実施形態参照）。そして、この熱伝導積層膜１１は本体基板１４を被覆するように配設されている。この本体基板１４にも筒状の加工部Ｋａが施され、前記熱伝導積層膜１１の加工部Ｋとデバイスの厚み方向に連続した筒状細孔を形成している。なお、本体基板１４は第１実施形態のシリコン基板４に相当しこの種の製品に適用される基板材料であれば特に制限なく用いることができる。
【００３９】
上記本体基板１４には素子１３が内蔵されている。この素子１３は発熱性のものであり、例えば、トランジスタや半導体レーザダイオードなどが挙げられる。さらに、上記加工部Ｋ及びＫａが連続した空孔をなし、そこに放熱部材１２が取りつけられている。この放熱部材は、第１部材１２ａ、第２部材１２ｂ、第３部材１２ｃからなり、第２部材（ビア）１２ｂが上記のとおり細孔を縦貫し、その上下両面に面状に広がる第１部材（ヒートスプレッダー）１２ａ及び第３部材（ヒートスプレッダー）１２ｃと連続している。なお、加工部の形状が切り欠き状のような場合には、嵌合するように放熱部材の第２部材を配置するようにしてもよい。前記第１実施形態により熱伝導積層膜には寸法精度の高い加工が施されおり、具体的には、壁面において平滑性の高い形状が実現されている。そのため、同様にＣｕビアなどの放熱部材の第２部材１２ｂの壁面とほぼ隙間無く密着している。
【００４０】
上記放熱部材（ヒートスプレッダー）１２ａ，１２ｃは放熱性に優れる材料からなることが好ましく、銅・銅合金やアルミニウム・アルミニウム合金のような金属部材が挙げられる。なかでも、銅材料で形成された放熱ビアと接合が容易な銅・銅合金からなることが好ましい。
【００４１】
各部材の厚さや大きさは特に限定されないが、典型的な素子１３の寸法を挙げると、例えば上記トランジスタとして厚さ１μｍ〜１０μｍ、縦・横の長さとして１μｍ〜１００μｍのものが典型的である。その場合、熱伝導積層膜１１の厚さとしては、１μｍ〜１０μｍ程度が実際的であり、デバイス全体の厚さは１０μｍ〜３００μｍが実際的となる。また、このような場合、デバイス全体の寸法としては、縦・横の長さとして１００μｍ〜１０，０００μｍのものが実際的である。
【００４２】
本実施形態の利点は、上記熱伝導積層膜１１の上面に単に放熱板が載せられているのではなく、加工部（ビアホール）Ｋに縦貫させた放熱部材の第２部材（ビア）１２ａが各熱伝導層１，１，１に当接しているということである。その結果、デバイス内に伝播してくる素子からの熱を、熱伝導積層膜の熱伝導層１，１，１が効果的に面方向に熱輸送し、厚さ方向に不用意に熱を逃がしたりせず、効果的に第２部材１２ｂを介して放熱部材１２の全体に熱を伝えることができる。そして、放熱部材１２の第１部材１２ａ及び第３部材１２ｃは面状に広がり、かつ外部に開放されており、極めて高い放熱性を実現することができる。これを、加工部（ビアホール）Ｋが無く放熱ビアを設けなかった場合との対比でその性能差を示すと下記のとおりである。
【００４３】
さらに本発明において重要なことは、ビアホール及びそこに埋設されるビアポストの開口部及び断面の形状（単に断面形状ということがある）が、円形以外の形状にされているということである。本発明の好ましい実施例を図８に挙げた。（ａ）は十字型の断面形状、（ｂ）は歯車型の断面形状、（ｃ）は六角形の断面形状、（ｄ）は星型の断面形状を示している。このような円形以外の断面形状は、機械的加工法によったのでは実現しがたい。上記のとおり本発明においては、円形以外の断面形状とすることで、熱伝導積層膜とビアとの接触面積を増やして、両者間の熱抵抗を低減することが可能となり、より放熱性に優れたデバイスを実現するという利点がある。例えば、図１１に示したデバイス内の熱の流れは、発熱素子→Si基板→多層膜→多層膜・放熱ビア接触界面→放熱ビア→接続ペースト→ヒートスプレッダとなり、デバイス全体の熱抵抗は、各要素の熱抵抗を直列に接続したものとして評価できる。従って、熱伝導性に優れた高熱伝導多層膜を用いても、多層膜・放熱ビア接触界面で熱抵抗が大きくなると、全体の放熱性が低下し、高熱伝導多層膜の特性が生かされない。逆に言えば、本発明によれば、ビアの断面を非円形とすることで、熱伝導積層膜のもつ良好な熱伝導性をより効果的に引き出すことができ、放熱部材ないしデバイス全体の性能としてその放熱性を相乗的に高めることができる。
【００４４】
（放熱デバイスの性能評価）
次に、上記第２実施形態に係る放熱デバイスの性能評価をシミュレーションにより行なった実施例を、以下の表２に基づいて説明する。
【００４５】
【表３】
＊実施例１−１で作成した積層膜を、発熱部を有するデバイスに形成した。積層膜全体の厚みは10μmとした。
【００４６】
本シミュレーションの条件等は下記のとおりである。なお、ＦＥＭに用いた解析モデルを添付の図１４、図１５に示す、三角形断面の角柱形状モデルを用いて計算した。
高熱伝導多層膜の熱伝導率：800W/m/K（膜内方向）、1W/m/K（膜厚方向）
放熱ビア・ヒートスプレッダ（銅製）の熱伝導率：360 W/m/K
接合ペーストの熱伝導率：262W/m/K
基板（シリコン）の熱伝導率：148W/m/K
ヒートスプレッダ・大気間の界面熱コンダクタンス：2.5kW/m2/K
その他の大気表面との界面熱コンダクタンス：10W/m2/K
放熱ビア・接合ペースト間の界面熱コンダクタンス：500kW/m2/K
高熱伝導多層膜・接合ペースト間の界面熱コンダクタンス：240kW/m2/K
高熱伝導多層膜・放熱ビア間の界面熱コンダクタンス：930kW/m2/K
環境温度：23℃
基板（シリコン）厚み：425μｍ
発熱量：0.3W
【００４７】
上記の評価では、比較例に対して、本発明の実施例に係る放熱デバイスにより数〜十数ポイントの温度低下が確認された。これは、比較例のデバイスの最高到達温度を約６０℃とすると、それよりも数〜十数℃低い温度と見積もることができる。さらに、上記シミュレーションでは、計算の便宜から放熱ビアの直径Φを１５０〜３００μｍと大きめに設定したが、上記第１実施形態に示した反応性イオンエッチングによれば、直径Φが１μｍを切るビアホールの形成も可能である。このように１μｍ未満の微細な放熱ビアを、３０〜５０μｍの厚みの基板に多数設けることを前提とすると、上記の差はさらに顕著なものとなる。ヒートスプレッダ（放熱部材）の形態等にもよるが、概略的に言えば、比較例のデバイスの最高到達温度が約100℃として、それよりも数十℃の範囲で温度低下させることができると推定される。
【００４８】
（アプリケーション等）
本実施形態のデバイス構造は、伝熱過程での熱の放出、拡散が少なく、面内方向に十分な熱輸送量を得ることができるので、伝熱過程での熱の放出、拡散などにより機器へ与える影響が小さいという利点を有する。そして、発熱体で発生する熱を有効に移動させることが必要とされるエレクトロニクス分野、自動車廃熱利用分野などで用いられる電子機器や半導体デバイスの放熱に有効に用いることができる。また、省スペースが必要な携帯機器用デバイスなどの冷却に用いることができる。
【００４９】
本実施形態の半導体デバイスとしては、例えば、並べて配置された複数の半導体レーザダイオードと、前記複数の半導体レーザダイオードからの出射光を集光する集光レンズと、冷却手段と、複数の半導体レーザダイオードの各々を間に挟むように配置された複数の前記熱伝導膜と、を備えた加工用レーザダイオードモジュールが挙げられる。このモジュールによれば、上記複数の熱伝導膜により、前記複数の半導体レーザダイオードからの熱を移送して、前記冷却手段側へ逃がすようにできる。また、複数の半導体レーザダイオードの活性層からの熱を、各半導体レーザダイオードを挟むように配置された複数の熱伝導膜により優先的に側面に移送できるため、トータルとしての放熱量が増加し、半導体デバイス温度を低減することができる。さらに、多層化された複数の半導体レーザダイオードの活性層からの熱を有効に排出することができる。
【００５０】
図９は熱伝導積層膜に変更を加えた別の変形例である。具体的には、素子１３の配置された箇所に対応する位置にのみ熱伝導積層膜が配置されるようにして、それ以外の部分には、素子から放熱部材に向かう方向に沿って溝Ｌを形成したものである。これにより隣接する素子１３の影響を受けずに効率的に放熱冷却を行なうことができる。
【００５１】
図１０は多層膜に形成したビアホールにテーパーを設けたものである。これにより、本実施形態においてはとりわけ各層の膜厚が数〜十数ｎｍであり、そのテーパーや凹凸による効果も含め、熱交換面積の大きな増大などの効果が見込める。ここでは、先に示した図４＜４＞または図５＜５＞において、Ｓｉ膜またはＣ膜のエッチング量をコントロールすることにより図１１−１、図１１−２に示すように正テーパー・逆テーパーなどの量をコントロールしたものを適用することができる。なお、図中１１−１，１−２中、（ａ）は図４および図５で挙げたものと同様、エッチング量最適に調整し垂直な加工側壁を得たものである。（ｂ）は（ａ）の垂直断面形成後に熱伝導層またはひずみ緩和層の一方の膜のみを加工部壁面Ｋｍからサイドエッチングを行い加工部壁面を凹凸状に加工したもの、（ｃ）は熱伝導層およびひずみ緩和層の一方または両方をエッチング量不足に調整してエッチングを行い正テーパーに加工したもの）、（ｄ）は熱伝導層およびひずみ緩和層の一方または両方をエッチング量過多に調整してエッチングを行い逆テーパーに加工したものの例をそれぞれ示している。
【００５２】
図１２及び１３は第２実施形態に係るデバイス構造をさらに具体的な電子機器に応用した例であり、図１２は単層ＬＳＩを示し、図１３は積層ＬＳＩを示している。図１２の例では、素子１３としてプロセッサコアを適用し、これを基板１４ａ及び基板１４ｂにより載置している。この基板１４ａの上部には上記実施形態に係る熱伝導積層膜１１が配設され、これを挟むようにして基板の反対側には放熱部材の第１部材１２ａとしてのヒートスプレッダーが配設されている。本実施形態においては、熱伝導積層膜１１にビアホールＫが設けられており、それが基板１４ａ及び１４ｂのビアホールＫa
に連続するようにされている。このビアホールにはＣｕ放熱ビア（第２部材）が縦貫するように形成されている。これにより、伝播してくる熱がこのＣｕビア（第２部材）を介して第１部材（ヒートスプレッダー）１２ａに熱を移行させる。
【００５３】
図１３は積層ＬＳＩの構造を示しているが、底部にははんだボール１９が取り付けられ、回路基板に搭載可能とされている。発熱素子（プロセッサコア）１３はＳｉチップ１３Ａ内部に埋め込まれ、このＳｉチップが複数の層をなして積層されている。各Ｓｉチップ１３Ａにはその上部に上記実施形態に係る熱伝導積層膜１１が配設されている。ここにはビアホールが設けられており、Ｓｉチップ１３を貫通して、各層のＳｉチップ及び熱伝導積層膜１１がビアホールで連続するようにされている。このビアホールにはＣｕビア（第２部材）が導入され、複数のＳｉチップを連結するように伝熱構造が形成されている。この放熱ビアを第２部材１２ｂとして、デバイス最上部に装着された放熱部材の第１部材（ヒートスプレッダー）１２ａに連続し、内部の熱を効率的に外部に放出することができる。なお、積層ＬＳＩは全体が封止樹脂１５で封止されている。
【００５４】
上記単層ＬＳＩ及び積層ＬＳＩにおいても、本発明の熱伝導積層膜の優れた利点は効果的に活かされる。すなわち、素子から発せられる熱を熱伝導積層膜が受け止め、この厚み方向への移行は抑制しながら、面方向に優先的に移送する。そして、その移送された熱は各熱伝導層と連続した放熱部材の第２部材に極めて効率的に移行し、外部の第１部材（ヒートスプレダー）１２ａに移送される。このような選択的に移送する熱伝導経路を経て、内部に不用意に熱をためることなく、単層ＬＳＩないし積層ＬＳＩの極めて効果的な放熱及び冷却が可能となる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 熱伝導層
２ ひずみ緩和層
４ シリコン基板
５ エッチングマスク
６ 保護膜
１１ 熱伝導積層膜
１２ 放熱部材
１２ａ 第１部材
１２ｂ 第２部材
１２ｃ 第３部材
１３ 素子
１３Ａ 素子を内臓したＳｉチップ
１４ 本体基板
１５ 封止樹脂
１００、２００、３００、４００、５００、６００ 放熱デバイス
Ｋ 加工部（ビアホール）
Ｋｍ 加工部壁面
Ｋｎ 加工部底面
Ｌ 溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器および半導体デバイスから発生する熱を有効に移動させることが必要とされるエレクトロニクス分野や自動車廃熱利用分野に好適に用いることができる熱伝導積層膜部材及びその製造方法、これを用いた放熱部品及び放熱デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体デバイスの冷却にはヒートシンクを取り付ける方法や、基板に放熱する方法等がとられてきた。その適用例として、半導体レーザダイオードや発光ダイオードなどの光デバイス、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ、ヘテロ接合型電界効果トランジスタなどの電子デバイスが挙げられる。具体的に、単体のレーザチップでは、Ｃｕ、Ａｌ等の熱伝導率の高い材料からなるヒートシンクを用いて放熱する方法が用いられている。Ｓｉチップ等の半導体素子及びこれらのモジュールでは、発熱素子等からの熱をリード経由で基板に放熱する方法が広く用いられている。あるいは、電子機器・電子デバイスや光デバイスなどの半導体デバイスから発生する熱の放熱や移送に、液体と熱交換して流体による熱輸送を行ったり、熱伝導性の高い材料に伝熱させたりする対応が挙げられる。
【０００３】
しかしながら、ヒートパイプなどの蒸発・凝集型の伝熱モジュールは熱輸送路の向きや寸法、構成に制限があり、とくに機器の小型化に限界がある。また、従来の熱伝導性の高い材料により伝熱させる方法では、伝熱過程で熱放出するという問題があり、十分な熱輸送量を得ることができず、さらに伝熱過程での熱の放出、拡散などによる機器への悪影響があった。上記特許文献１に記載された従来技術などもあるが、膜内方向の熱伝導性を向上することよりもむしろ、膜厚方向の熱伝導性を抑えることにより、異方的な熱伝導材料を得ることを目的としていることから、本質的な熱伝導性の向上には至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２２９１７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、上記の問題点に鑑み、発熱体から発生する熱の効率的な放熱および移送を省スペースで可能にした熱伝導膜を提案した（特許第４４３０１１２号明細書参照）。これは、グラファイトを含有する熱伝導層と特定のシリコン等からなるひずみ緩和層とを積層したものであり、これにより上述した課題を効果的に解決しうる。
【０００６】
そこで本発明者はさらにこの技術を応用し、例えば多様な半導体デバイス等に適用しうる加工を施した膜部材とすることを試みた。ところが、この熱伝導積層膜に対し深堀加工等を施す好適な加工法がなく、所望の形状の構造部材にすることが困難であることが判明した。
【０００７】
サンドブラスト法やドリル加工法などの機械的な加工方法があるが、加工形状の微細化には限界がある。また、加工壁面の平滑性を実現しにくく、放熱部材などをそこに配設して利用するときに十分な密着性が得られず、それでは結局期待したほどの放熱性が得られないこととなる。
【０００８】
そこで、本発明の第１の目的は、グラファイトを含有する熱伝導層を含む積層膜を効率的にエッチングして加工し、例えば上記熱伝導層及び特定のシリコン等のひずみ緩和層を貫通する微細な幅の深堀を可能とする熱伝導積層膜部材の製造方法の提供である。
本発明の第２の目的は、上記製造方法で製造した微細な加工部を有する熱伝導積層膜部材を利用して、発熱体から発生する熱の効率的な放熱および移送を省スペースで可能にした熱伝導膜放熱部品及び放熱デバイスの提供である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題は以下の手段により解決された。
（１）熱伝導層とひずみ緩和層とを積層してなる熱伝導積層膜を反応性イオンエッチングにより加工する熱伝導積層膜部材の製造方法であって、
前記熱伝導層を構成する材料としてグラファイトを選定し、前記ひずみ緩和層を構成する材料として、アモルファスＳｉ、アモルファスＧｅ、アモルファスＳｉＧｅ、アモルファスＳｉＯ２、アモルファスＳｉＯｘ、アモルファスＴｉＯ２、及びこれらの組合せのいずれかを選定し、
前記熱伝導層をエッチングする酸素含有ガスと、前記ひずみ緩和層をエッチングする硫黄−フッ素化合物含有ガスと、それらのエッチング面を保護するフルオロカーボン化合物ガスとを用い、少なくとも前記３種のガスを切り替えながら熱伝導積層膜を貫通する加工を施すことを特徴とする熱伝導積層膜部材の製造方法。
（２）前記熱伝導層とひずみ緩和層とを１層ずつもしくは複数層ずつ交互に積層したことを特徴とする（１）に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
（３）前記３種のガスを、前記ひずみ緩和層をエッチングする硫黄−フッ素化合物含有ガス、前記熱伝導層をエッチングする酸素含有ガス、それらのエッチング面を保護するフルオロカーボン化合物含有ガスの順序で適用してエッチングを行うことを特徴とする（１）又は（２）に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
（４）前記熱伝導層及びひずみ緩和層の層厚さがそれぞれ１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
（５）前記反応性イオンエッチングによる加工をプロセス室内で行うに当たり、酸素含有ガス、硫黄−フッ素化合物含有ガス、フルオロカーボン化合物ガスのいずれか一つまたはこれらを複合して供給する場合に、それぞれの供給するガスの供給量をそれぞれ１００ｓｃｃｍ以下とすることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
（６）前記酸素含有ガスとしてＯ２を用い、前記硫黄−フッ素化合物含有ガスとしてＳＦ６を用い、前記フルオロカーボン化合物としてＣ４Ｆ８を用いることを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
（７）熱伝導層とひずみ緩和層とを積層してなり、熱伝導層及びひずみ緩和層を貫通する加工構造部を有する熱伝導積層膜部材であって、
前記熱伝導層がグラファイトからなり、前記ひずみ緩和層が、アモルファスＳｉ、アモルファスＧｅ、アモルファスＳｉＧｅ、アモルファスＳｉＯ２、アモルファスＳｉＯｘ、アモルファスＴｉＯ２、及びこれらの組合せのいずれかからなり、
前記貫通加工部が円以外の開口形状もしくはパターン化された切欠形状を有することを特徴とする熱伝導積層膜部材。
（８）前記貫通加工部の外表面近傍にテーパーを付けたことを特徴とする（７）に記載の熱伝導積層膜部材。
（９）前記熱伝導層とひずみ緩和層と貫通する加工構造部が、孔状、溝状、もしくは切り欠き状であることを特徴とする（７）又は（８）に記載の熱伝導積層膜部材。
（１０）前記熱伝導層及びひずみ緩和層の層厚さがそれぞれ１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする（７）〜（９）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材。
（１１）前記熱伝導層とひずみ緩和層とを貫通する加工構造部の積層数が２層以上４０００層以下であることを特徴とする（７）〜（１０）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材。
（１２）前記熱伝導層とひずみ緩和層とを貫通する加工構造部の加工幅が１００ｎｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする（７）〜（１１）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材。
（１３）（７）〜（１２）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材と放熱部材とを組み合わせた放熱部品であって、前記熱伝導積層膜部材の貫通加工構造部分に、前記放熱部材の一部を配置したことを特徴とする放熱部品。
（１４）（１３）に記載の放熱部品と素子とを具備することを特徴とする放熱デバイス。
（１５）前記シリコン基板に接合された（７）〜（１２）のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材と、シリコン基板に実装した半導体素子と、前記半導体素子が発する熱を前記熱伝導膜部材を介して受容し外部にその熱を放出するヒートスプレッダーとを具備するＬＳＩであって、
前記シリコン基板と熱伝導積層膜とには両者を貫通する断面非円形のビアホールが穿けられ、該ビアホールには伝熱性のビアポストが埋設され、該ビアポストを介して前記熱伝導積層膜を面方向に伝わってくる熱を前記ヒートスプレッダーに移送する構造としたことを特徴とするＬＳＩ。
（１６）前記シリコン基板と前記熱伝導積層膜との接合体が多数積層され、該多数積層された接合体を貫通し連続するビアホールにビアポストが設けられ、該ビアポストは前記ヒートスプレッダーに熱を移送するように連結された（１４）記載のＬＳＩ。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の製造方法によれば、グラファイトを含有する熱伝導層を含む積層膜を効率的にエッチングして加工し、例えば上記熱伝導層及び特定のシリコン等のひずみ緩和層を貫通する微細な幅の深堀を可能とする。また、本発明の熱伝導積層膜部材は所望の形状に加工された微細な貫通孔等の加工部を有し、これを利用して、発熱体から発生する熱の効率的な放熱および移送を省スペースで可能にした熱伝導膜放熱部品及び放熱デバイスとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態として用いられる熱伝導積層膜（エッチング前）の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】スパッタ製膜法の工程手順を説明するための説明図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるエッチング工程の一部を模式的に示す加工途中の熱伝導積層膜の断面図である。
【図４】本発明の前記実施形態におけるエッチング工程の一部を模式的に示す加工途中の熱伝導積層膜の断面図である。
【図５】本発明の前記実施形態におけるエッチング工程の一部を模式的に示す加工途中の熱伝導積層膜の断面図である。
【図６】本発明の別の実施形態におけるエッチング工程の一部を模式的に示す加工途中の熱伝導積層膜の断面図である。
【図７】参考例としての熱伝導積層膜を用いた発熱素子搭載放熱デバイスを模式的に示した図であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）がＢ−Ｂ線矢視断面図であり、（ｃ）がＣ−Ｃ線矢視断面図である。
【図８】本発明におけるビアの開口部ないし断面の形状を模式的に示した断面輪郭図である。
【図９】本発明の一実施形態としての熱伝導積層膜を用いた発熱素子搭載放熱デバイスを模式的に示した図であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）がＢ−Ｂ線矢視断面図であり、（ｃ）がＣ−Ｃ線矢視断面図である。
【図１０】本発明のまた別の実施形態に係る発熱素子搭載放熱デバイスを模式的に示した図であり、上図が側断面図であり、下図が平面図である。
【図１１−１】本発明の実施形態に係るエッチング工程の変形例を模式的に示した図である。
【図１１−２】本発明の実施形態に係るエッチング工程の変形例を模式的に示した図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る発熱素子搭載放熱デバイス構造を単層ＬＳＩに適用した例を模式的に示した断面図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る発熱素子搭載放熱デバイス構造を積層ＬＳＩに適用した例を模式的に示した断面図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る放熱デバイスの放熱性能を評価するシミュレーションに使用した素子構造図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る放熱デバイスの放熱性能を評価するシミュレーションに使用したＦＥＭモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜第１実施形態＞
本実施形態においては、特定の熱伝導層と特定のひずみ緩和層とを積層してなる熱伝導積層膜を、新規の反応性イオンエッチングにより加工し、熱伝導積層膜部材を製造する。以下、その構成の詳細について説明する。
【００１３】
（熱伝導積層膜）
図１は本実施形態に係る熱伝導膜を示す断面図である。熱伝導膜１はＣ（炭素）を含む材料であり、具体的にはグラファイトからなり熱を膜内方向（面方向）Ｘに伝導する。そして、積層膜としては、第１の構成材料からなる熱伝導層１と、そのひずみを緩和する第２の構成材料からなるひずみ緩和層２とを積層して構成されている。符号４はシリコン（Ｓｉ）基板である。これにより、非常に薄い膜で、膜内方向に非常に高い熱伝導性を有する熱伝導膜が得られる。
【００１４】
・熱伝導層
熱伝導層の構成材料として適用されるグラファイトとしては、結晶性が優れているＨＯＰＧ（高配向性グラファイト）で１５００〜２０００Ｗ／ｍＫの高熱伝導率が得られるものが好ましい。また、ナノカーボンによって３０００Ｗ／ｍＫ以上の更なる高熱伝導特性を有するものでもよい。この熱伝導膜では、熱伝導層１の第１の構成材料として、グラファイトが選定されるが、通常グラファイトといわれるような六角板状の結晶としてすべてが完全に結晶化されているものでなくてもよい。また、本発明の効果を損ねない範囲で熱伝導層にはグラファイト以外の成分が含まれていてもよい。
前記熱伝導層の膜厚ｄは、それぞれ、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることがより好ましい。熱伝導層が薄すぎる場合には、Ｓｉ層直上にグラファイトの核が生成し、グラファイト層の歪みが緩和しきらないうちに次のＳｉ層になってしまうため、グラファイト層の結晶性が向上しないことがある。一方、熱伝導層の膜厚が大きすぎると、つまりグラファイト層が厚すぎる場合には、一度高配向化したグラファイト層の上にグラファイトが堆積していく際に、再び乱れが発生してしまうことがある。そのため、再びグラファイト層の結晶性が低下することにつながると考えられる。
【００１５】
・ひずみ緩和層
本実施形態においては、ひずみ緩和層を構成する材料として、アモルファスＳｉ、アモルファスＧｅ、アモルファスＳｉＧｅ、アモルファスＳｉＯ２、アモルファスＳｉＯｘ、アモルファスＴｉＯ２、及びこれらの組合せのいずれかを選定する。なかでも、アモルファスＳｉを用いることが特に好ましい。
【００１６】
ひずみ緩和層の膜厚ｔは、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内であることが好ましく、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下の範囲内であるのがより好ましい。このひずみ緩和層が薄すぎる場合には、下の熱伝導層の凹凸がひずみ緩和層で覆われず、平坦化する前に次の熱伝導層になってしまう。一方、ひずみ緩和層が厚すぎる場合には、上述したように熱伝導層の結晶性が悪化してしまい、ひずみ緩和の効果が作用しにくくなる。また、ひずみ緩和層の構成材料として、アモルファスである材料が選定されることが好ましい。
【００１７】
・積層構造
本実施形態においては、グラファイトからなる熱伝導層と、上記ひずみ緩和層とを組み合わせて積層することで、グラファイトの結晶性が向上し、熱伝導層の膜内熱伝導率が向上する。これにより、非常に薄い膜で、膜内方向に非常に高い熱伝導性を有する熱伝導膜が得られる。
【００１８】
本実施形態においては、前記熱伝導層と前記ひずみ緩和層を、複数回交互に繰り返して積層し、前記熱伝導層が前記ひずみ緩和層の間に挟み込まれた構成にしてもよい。この態様によれば、熱伝導層とひずみ緩和層の積層数を適宜設定することで、膜内方向の熱伝導率（膜内熱伝導率）を向上させることができるとともに、面内方向における十分な熱輸送量を得ることができる。積層数は特に限定されないが、冷却効果と成膜コストのトレードオフ関係から制約される。２層以上４０００層以下であることが好ましく、１００層以上３０００層以下であることがより好ましく、５００層以上２０００層以下であることが特に好ましい。
【００１９】
薄膜化したグラファイトの結晶性を向上させるためには、グラファイト結晶のひずみを効果的に緩和させるように、ひずみ緩和層を熱伝導層の間に挟み込むことが好ましい。このとき、熱伝導層（グラファイト）の割合が少なすぎると、熱を伝える材料が少なくなるだけでなく、歪みが緩和しきらず結晶性の向上が期待できないため、熱伝導層の膜内方向の熱伝導率が向上しにくい。一方、熱伝導層（グラファイト）の割合が多すぎると、グラファイトの結晶性が悪くなり、熱伝導層の膜内方向の熱伝導率が向上しにくい。
【００２０】
このような点を考慮し、本実施形態では、熱伝導層の膜厚ｄとひずみ緩和層の膜厚ｔの関係が、以下の式（１）を満たすようにすることが好ましく、式（２）を満たすようにすることがより好ましい。
【００２１】
０．４≦ｄ ／ （ｄ＋ｔ） ≦０．８ ・・・（１）
０．５≦ｄ ／ （ｄ＋ｔ） ≦０．７ ・・・（２）
【００２２】
（製膜法）
本発明において上記積層膜を形成する方法は特に限定されず、例えば、イオンビームスパッタ法、イオンクラスタービーム法、ＭＢＥ法などの公知の手法が挙げられる。スパッタ法について詳述すると、２種類のターゲットを切り替えながら２種類の膜を交互に積層する方法が挙げられる。この状況を模式的に示したのが図２である。成膜手順としては下記のようになる。
１：膜を付ける試料と膜の原料（ターゲット）を近くにおく。
２：全体を真空状態にして、試料とターゲットの間に電圧をかける。
３：電子やイオンが高速移動し、イオンがターゲットに衝突する。高速移動した電子や
オンは、気体分子に衝突し、分子の電子をはじき飛ばし、さらにイオンとなる。
４：ターゲットに衝突したイオンは、ターゲットの粒子をはじき飛ばす（スパッタリング現象）。
５：はじき飛ばされた原料の粒子が試料に衝突、付着し、膜が形成される。
【００２３】
（エッチング）
図３〜図６は本発明の好ましい実施形態におけるエッチング工程の一部を模式的に示す加工途中の熱伝導積層膜の断面図である。本実施形態においては、ひずみ緩和層のエッチングには公知の反応性イオンエッチングを適用することができる。例えばボッシュ法を用いることが好ましい。ひずみ緩和層を構成する特定のＳｉの代わりに、ＳｉＧｅ、Ｇｅを使用する場合も、Ｓｉ膜と同様に、硫黄−フッ素化合物、好ましくはＳＦ６でエッチングすることが可能である。
【００２４】
一方、熱伝導層を構成するグラファイトは上記ボッシュ法によったのではエッチングすることが難しく、酸素（０２）ガスでエッチングする。本発明においては、このグラファイト（炭素）を含有する層を酸素ガスでエッチングすることが特徴であり、重要である。この２種のガスを適切に組み合わせエッチングを行なうことで、上記グラファイトからなる熱伝導層と特定のシリコン等からなるひずみ緩和層とを貫くように深堀り加工を施すことが可能となる。本明細書において各層を「貫く」もしくは「貫通する」とは、各層の平面領域の一部を除去しその厚み方向に空間を連続させることを指し、円筒状に貫通することのほか、任意の形状に貫通させてよく、溝状の加工や端部の切り欠き加工も、この貫くもしくは貫通するように加工するという語の意味に含める。
【００２５】
本発明においては、さらに保護層を形成するガスをエッチング工程に適用する。これにより所望の異方性エッチングが達成され、積層膜を所望の開口形状ないし断面形状で貫通する深堀エッチングが可能となる。この保護ガスとしてフルオロカーボン化合物を適用することが好ましく、Ｃ４Ｆ６（ヘキサフルオロ−１,３−ブタジエン等）又はＣ４Ｆ８（パーフルオロシクロブタン等）が好ましく、Ｃ４Ｆ８が特に好ましい。なお、ボッシュ法における微細孔の形成としては、Chienliu Changら、J．Micromech．Microeng，15（2005）580-585等を参照することができ、そこで適用されている装置や工程条件等を参考にすることができる。
【００２６】
図３〜図６についてさらに詳細に説明すると、図３の工程＜１＞では、まず特定のシリコン等からなるひずみ緩和層２をＳＦ６ガスによりエッチングする。エッチングする以外の部分はエッチングマスク５が付されている。エッチングマスクとしてはこの種のレジストにおいて一般的なものを適用することができる。次にエッチングガスを酸素ガスに切り替えて、グラファイトからなる熱伝導膜のエッチングを行なう（図３の工程＜２＞）。その後、保護ガス（Ｃ４Ｆ８）により加工部Ｋに面する加工表面（加工壁面Ｋｍ、加工底面ｋｎ）を保護し保護膜６を構成する。図示したものでは保護膜６の厚みをやや誇張して描画しているが、極めて薄い膜あるいは表面の改質状態である（図４の工程＜３＞）。また、加工壁面Ｋｍも波状に凹凸があるように描写しているが理解の便宜であり、本発明においてはこのような凹凸のない壁面が達成されることが利点の１つである。
【００２７】
さらに、ＳＦ６ガスによるエッチングを行なうと、図４の工程＜４＞のように保護膜で保護された加工壁面ｋｍの形状はそのまま維持され、加工底面ｋｎのみがエッチングされていく。その結果加工幅ｗは一定に保たれた、極めて精度の高い深堀加工が可能となり、縦断面において壁部が直線的な微細孔ないし溝を形成することができる。次いで、エッチングガスを酸素（Ｏ２）ガスに切り替え、グラファイトからなる熱伝導層をエッチングする（図５の工程＜５＞）。これら一連の工程を繰り返すことにより、深さのある加工部（微細孔ないし溝）Ｋが得られる（図５の工程＜６＞）。
【００２８】
各ガスによりエッチングおよび保護膜形成を行う順序は、ＳＦ６＝＞Ｏ２＝＞Ｃ４Ｆ８であることが好ましい。ＳＦ６によるエッチング工程では、まずＩＣＰ−ＲＩＥのエッチング異方性により孔底面Ｋｎ部分の保護膜が無くなり、側壁Ｋｍ部分には保護膜が残った状態となる（図４の＜４＞参照）。露出したＳｉは化学結合により等方性エッチングされる。次に、Ｏ２プラズマは多層膜中の熱伝導層もＣ４Ｆ８による保護膜も等方的にエッチングするので、図５の＜５＞において、Ｏ２によってＣ４Ｆ８による膜６は、本来等方的にエッチングされ、かなり薄くなるか、または完全に無くなる。その際、完全にＣ４Ｆ８による保護膜が無くなり、かつ加工部壁面Ｋｍの熱伝導層またはひずみ緩和層をエッチングしてしまうと、加工壁面の垂直性が得られなくなる。したがって、加工壁面の垂直加工性を得るにはＣ４Ｆ８による保護膜はＳＦ６およびＯ２のエッチング後に加工部壁面Ｋｍに残っていることが望ましい。逆の言い方をすると加工部壁面Ｋｍを垂直以外に加工したい場合にはＣ４Ｆ８による保護膜の厚みを変えることにより実現することが可能である。ただし、本発明はこの説明によって限定して解釈されるものではない。
【００２９】
図６は上記エッチング加工の応用形態であり、エッチングマスクを積層膜の端部を残して配置し、その端部において上記所定のガスによるエッチングを施す。結果として、積層膜の端部に切り欠き加工部Ｋを形成することができる。
【００３０】
本発明の製造方法においては、上記２種のエッチングガスと保護ガスとを適切に組み合わせて用いることが好ましい。プロセス室内の設定条件等は加工内容によって適宜選定すればよいが、特に微細かつ深さのある加工を施すためには下記のような設定とすることが好ましい。
＜ＳＦ６＞
ガス供給量 ：８０〜１００ｓｃｃｍ
バイアス電圧 ：１５
ＲＦパワー ：５００
＜Ｃ４Ｆ８＞
ガス供給量 ：４０〜６０ｓｃｃｍ
バイアス電圧 ：０
ＲＦパワー ：５００
＜Ｏ２＞
ガス供給量 ：３０〜５０ｓｃｃｍ
バイアス電圧 ：２０
ＲＦパワー ：８００
【００３１】
上記条件を適宜設定することにより所望の形状に積層膜をエッチング加工することができる。これにより、例えば、所定幅及び深さの深堀エッチングが可能となり好ましい。加工される形態は孔状であっても、溝状であっても、端部の切り欠き状であってもよい。寸法として定義するときには、孔状もしくは溝状であれば、図６に示したもののように所定の断面の幅で特定することができる。厳密には、孔状であれば横断面の孔面積を求めその円相当直径として加工幅ｗを定義することができる。溝状であれば、溝幅が最も狭くなる縦断面を設定しそのときの溝幅ｗとして定義することができる。本発明によれば、極めて微細なエッチング加工も可能であり、例えば微細な深堀りを施すときには、上記加工幅ｗを１００ｎｍ〜３００μｍとすることができる。さらに、機械的な加工法では困難なレベルにまで微細化するニーズにこたえる場合には、加工幅を１００ｎｍ〜１μｍとすることもでき好ましい。
【００３２】
（熱伝導膜の性能評価）
次に、上記第１実施形態に係る熱伝導積層膜の具体的な実施例を、以下の表１に基づいて説明する。
【００３３】
【表１】
【００３４】
実施例１−１〜１−６の熱伝導積層膜１の製造方法は、次の通りである。単結晶Ｓｉ（１１１）基板４上に、イオンビームスパッタ法にて熱伝導層１とひずみ緩和層２の多層膜を形成した。まず、Ｓｉ基板４上にアモルファスＳｉ（第２の構成材料）からなるひずみ緩和層２を形成した後、グラファイトＣ（第１の構成材料）からなる熱伝導層１とアモルファスＳｉからなるひずみ緩和層２を交互に形成し、最後に、最上層にひずみ緩和層２を形成した。
【００３５】
このようにして作製した各実施例１−１〜１−６の熱伝導特性を測定した。膜厚方向の熱伝導特性は、サーモリフレクタンス法にて行った。試料表面にＭｏを蒸着後、試料中央部にパルスレーザを照射することによって加熱を行った。加熱レーザのスポット径は、３または７μｍである。サーモリフレクタンス法では、加熱用レーザと検出用レーザを同じ場所に照射し、温度波の膜厚方向の位相遅れを測定し、膜厚方向熱伝導率を求めた。一方、膜内方向の熱伝導特性は、上記サーモリフレクタンス法にて、加熱用レーザと検出レーザを距離ｒだけ離すことによって測定を行った。求めた膜内熱伝導率及び、膜厚方向熱伝導率を表１に示した。なお、結果の詳細は、さらに特許第４４３０１１２号明細書を参照することができる。
前記実施例１−２で示した熱伝導積層膜およびＳｉ基板のエッチングを行った。エッチングマスクには１００ｎｍのＡｌを用いた。ＳｉのエッチングにはＳＦ６ガスを８５ｓｃｃｍでプロセス室に導入し５００Ｗの電力でエッチングを行った。ＣのエッチングにはＯ２ガスを４０ｓｃｃｍでプロセス室に導入し８００Ｗの電力でエッチングを行った。保護膜形成にはＣ４Ｆ８ガスを５０ｓｃｃｍでプロセス室に導入し５００Ｗの電力でデポジションを行った。これにより作製した熱伝導積層膜の寸法等を下記に示す。
【００３６】
【表２】
【００３７】
＜第２実施形態＞
（放熱デバイスの構成例）
本発明の第２の実施形態は、発熱部を有するデバイスに対して、上記のようにして加工部を有する熱伝導積層膜を作製したデバイスに関する。図７は本実施形態の放熱デバイスを模式的に示す平面図及び各断面図である。本実施形態によれば、上記熱伝導膜により、半導体デバイスなどの発熱体で発生する熱を有効に移行させることができる。したがって、発熱体で発生する熱の効率的な放熱および移送を省スペースで可能にした熱伝導膜を実現できる。
【００３８】
図７に示した放熱デバイス１００においては、先に第１実施形態で説明した熱伝導層１とひずみ緩和層２とが積層した熱伝導積層膜１１を有し、この積層膜には筒状の加工部（ビアホール）Ｋが複数形成されている（図７は参考例であり、開口部ないし断面において円筒状のビアホールを示している。）。この加工部（ビアホール）Ｋは上述のとおり、２種のガスを組み合わせた反応性イオンエッチング法を利用して形成されたものである（前記第１実施形態参照）。そして、この熱伝導積層膜１１は本体基板１４を被覆するように配設されている。この本体基板１４にも筒状の加工部Ｋａが施され、前記熱伝導積層膜１１の加工部Ｋとデバイスの厚み方向に連続した筒状細孔を形成している。なお、本体基板１４は第１実施形態のシリコン基板４に相当しこの種の製品に適用される基板材料であれば特に制限なく用いることができる。
【００３９】
上記本体基板１４には素子１３が内蔵されている。この素子１３は発熱性のものであり、例えば、トランジスタや半導体レーザダイオードなどが挙げられる。さらに、上記加工部Ｋ及びＫａが連続した空孔をなし、そこに放熱部材１２が取りつけられている。この放熱部材は、第１部材１２ａ、第２部材１２ｂ、第３部材１２ｃからなり、第２部材（ビア）１２ｂが上記のとおり細孔を縦貫し、その上下両面に面状に広がる第１部材（ヒートスプレッダー）１２ａ及び第３部材（ヒートスプレッダー）１２ｃと連続している。なお、加工部の形状が切り欠き状のような場合には、嵌合するように放熱部材の第２部材を配置するようにしてもよい。前記第１実施形態により熱伝導積層膜には寸法精度の高い加工が施されおり、具体的には、壁面において平滑性の高い形状が実現されている。そのため、同様にＣｕビアなどの放熱部材の第２部材１２ｂの壁面とほぼ隙間無く密着している。
【００４０】
上記放熱部材（ヒートスプレッダー）１２ａ，１２ｃは放熱性に優れる材料からなることが好ましく、銅・銅合金やアルミニウム・アルミニウム合金のような金属部材が挙げられる。なかでも、銅材料で形成された放熱ビアと接合が容易な銅・銅合金からなることが好ましい。
【００４１】
各部材の厚さや大きさは特に限定されないが、典型的な素子１３の寸法を挙げると、例えば上記トランジスタとして厚さ１μｍ〜１０μｍ、縦・横の長さとして１μｍ〜１００μｍのものが典型的である。その場合、熱伝導積層膜１１の厚さとしては、１μｍ〜１０μｍ程度が実際的であり、デバイス全体の厚さは１０μｍ〜３００μｍが実際的となる。また、このような場合、デバイス全体の寸法としては、縦・横の長さとして１００μｍ〜１０，０００μｍのものが実際的である。
【００４２】
本実施形態の利点は、上記熱伝導積層膜１１の上面に単に放熱板が載せられているのではなく、加工部（ビアホール）Ｋに縦貫させた放熱部材の第２部材（ビア）１２ａが各熱伝導層１，１，１に当接しているということである。その結果、デバイス内に伝播してくる素子からの熱を、熱伝導積層膜の熱伝導層１，１，１が効果的に面方向に熱輸送し、厚さ方向に不用意に熱を逃がしたりせず、効果的に第２部材１２ｂを介して放熱部材１２の全体に熱を伝えることができる。そして、放熱部材１２の第１部材１２ａ及び第３部材１２ｃは面状に広がり、かつ外部に開放されており、極めて高い放熱性を実現することができる。これを、加工部（ビアホール）Ｋが無く放熱ビアを設けなかった場合との対比でその性能差を示すと下記のとおりである。
【００４３】
さらに本発明において重要なことは、ビアホール及びそこに埋設されるビアポストの開口部及び断面の形状（単に断面形状ということがある）が、円形以外の形状にされているということである。本発明の好ましい実施例を図８に挙げた。（ａ）は十字型の断面形状、（ｂ）は歯車型の断面形状、（ｃ）は六角形の断面形状、（ｄ）は星型の断面形状を示している。このような円形以外の断面形状は、機械的加工法によったのでは実現しがたい。上記のとおり本発明においては、円形以外の断面形状とすることで、熱伝導積層膜とビアとの接触面積を増やして、両者間の熱抵抗を低減することが可能となり、より放熱性に優れたデバイスを実現するという利点がある。例えば、図１１に示したデバイス内の熱の流れは、発熱素子→Si基板→多層膜→多層膜・放熱ビア接触界面→放熱ビア→接続ペースト→ヒートスプレッダとなり、デバイス全体の熱抵抗は、各要素の熱抵抗を直列に接続したものとして評価できる。従って、熱伝導性に優れた高熱伝導多層膜を用いても、多層膜・放熱ビア接触界面で熱抵抗が大きくなると、全体の放熱性が低下し、高熱伝導多層膜の特性が生かされない。逆に言えば、本発明によれば、ビアの断面を非円形とすることで、熱伝導積層膜のもつ良好な熱伝導性をより効果的に引き出すことができ、放熱部材ないしデバイス全体の性能としてその放熱性を相乗的に高めることができる。
【００４４】
（放熱デバイスの性能評価）
次に、上記第２実施形態に係る放熱デバイスの性能評価をシミュレーションにより行なった実施例を、以下の表２に基づいて説明する。
【００４５】
【表３】
＊実施例１−１で作成した積層膜を、発熱部を有するデバイスに形成した。積層膜全体の厚みは10μmとした。
【００４６】
本シミュレーションの条件等は下記のとおりである。なお、ＦＥＭに用いた解析モデルを添付の図１４、図１５に示す、三角形断面の角柱形状モデルを用いて計算した。
高熱伝導多層膜の熱伝導率：800W/m/K（膜内方向）、1W/m/K（膜厚方向）
放熱ビア・ヒートスプレッダ（銅製）の熱伝導率：360 W/m/K
接合ペーストの熱伝導率：262W/m/K
基板（シリコン）の熱伝導率：148W/m/K
ヒートスプレッダ・大気間の界面熱コンダクタンス：2.5kW/m2/K
その他の大気表面との界面熱コンダクタンス：10W/m2/K
放熱ビア・接合ペースト間の界面熱コンダクタンス：500kW/m2/K
高熱伝導多層膜・接合ペースト間の界面熱コンダクタンス：240kW/m2/K
高熱伝導多層膜・放熱ビア間の界面熱コンダクタンス：930kW/m2/K
環境温度：23℃
基板（シリコン）厚み：425μｍ
発熱量：0.3W
【００４７】
上記の評価では、比較例に対して、本発明の実施例に係る放熱デバイスにより数〜十数ポイントの温度低下が確認された。これは、比較例のデバイスの最高到達温度を約６０℃とすると、それよりも数〜十数℃低い温度と見積もることができる。さらに、上記シミュレーションでは、計算の便宜から放熱ビアの直径Φを１５０〜３００μｍと大きめに設定したが、上記第１実施形態に示した反応性イオンエッチングによれば、直径Φが１μｍを切るビアホールの形成も可能である。このように１μｍ未満の微細な放熱ビアを、３０〜５０μｍの厚みの基板に多数設けることを前提とすると、上記の差はさらに顕著なものとなる。ヒートスプレッダ（放熱部材）の形態等にもよるが、概略的に言えば、比較例のデバイスの最高到達温度が約100℃として、それよりも数十℃の範囲で温度低下させることができると推定される。
【００４８】
（アプリケーション等）
本実施形態のデバイス構造は、伝熱過程での熱の放出、拡散が少なく、面内方向に十分な熱輸送量を得ることができるので、伝熱過程での熱の放出、拡散などにより機器へ与える影響が小さいという利点を有する。そして、発熱体で発生する熱を有効に移動させることが必要とされるエレクトロニクス分野、自動車廃熱利用分野などで用いられる電子機器や半導体デバイスの放熱に有効に用いることができる。また、省スペースが必要な携帯機器用デバイスなどの冷却に用いることができる。
【００４９】
本実施形態の半導体デバイスとしては、例えば、並べて配置された複数の半導体レーザダイオードと、前記複数の半導体レーザダイオードからの出射光を集光する集光レンズと、冷却手段と、複数の半導体レーザダイオードの各々を間に挟むように配置された複数の前記熱伝導膜と、を備えた加工用レーザダイオードモジュールが挙げられる。このモジュールによれば、上記複数の熱伝導膜により、前記複数の半導体レーザダイオードからの熱を移送して、前記冷却手段側へ逃がすようにできる。また、複数の半導体レーザダイオードの活性層からの熱を、各半導体レーザダイオードを挟むように配置された複数の熱伝導膜により優先的に側面に移送できるため、トータルとしての放熱量が増加し、半導体デバイス温度を低減することができる。さらに、多層化された複数の半導体レーザダイオードの活性層からの熱を有効に排出することができる。
【００５０】
図９は熱伝導積層膜に変更を加えた別の変形例である。具体的には、素子１３の配置された箇所に対応する位置にのみ熱伝導積層膜が配置されるようにして、それ以外の部分には、素子から放熱部材に向かう方向に沿って溝Ｌを形成したものである。これにより隣接する素子１３の影響を受けずに効率的に放熱冷却を行なうことができる。
【００５１】
図１０は多層膜に形成したビアホールにテーパーを設けたものである。これにより、本実施形態においてはとりわけ各層の膜厚が数〜十数ｎｍであり、そのテーパーや凹凸による効果も含め、熱交換面積の大きな増大などの効果が見込める。ここでは、先に示した図４＜４＞または図５＜５＞において、Ｓｉ膜またはＣ膜のエッチング量をコントロールすることにより図１１−１、図１１−２に示すように正テーパー・逆テーパーなどの量をコントロールしたものを適用することができる。なお、図中１１−１，１−２中、（ａ）は図４および図５で挙げたものと同様、エッチング量最適に調整し垂直な加工側壁を得たものである。（ｂ）は（ａ）の垂直断面形成後に熱伝導層またはひずみ緩和層の一方の膜のみを加工部壁面Ｋｍからサイドエッチングを行い加工部壁面を凹凸状に加工したもの、（ｃ）は熱伝導層およびひずみ緩和層の一方または両方をエッチング量不足に調整してエッチングを行い正テーパーに加工したもの）、（ｄ）は熱伝導層およびひずみ緩和層の一方または両方をエッチング量過多に調整してエッチングを行い逆テーパーに加工したものの例をそれぞれ示している。
【００５２】
図１２及び１３は第２実施形態に係るデバイス構造をさらに具体的な電子機器に応用した例であり、図１２は単層ＬＳＩを示し、図１３は積層ＬＳＩを示している。図１２の例では、素子１３としてプロセッサコアを適用し、これを基板１４ａ及び基板１４ｂにより載置している。この基板１４ａの上部には上記実施形態に係る熱伝導積層膜１１が配設され、これを挟むようにして基板の反対側には放熱部材の第１部材１２ａとしてのヒートスプレッダーが配設されている。本実施形態においては、熱伝導積層膜１１にビアホールＫが設けられており、それが基板１４ａ及び１４ｂのビアホールＫa
に連続するようにされている。このビアホールにはＣｕ放熱ビア（第２部材）が縦貫するように形成されている。これにより、伝播してくる熱がこのＣｕビア（第２部材）を介して第１部材（ヒートスプレッダー）１２ａに熱を移行させる。
【００５３】
図１３は積層ＬＳＩの構造を示しているが、底部にははんだボール１９が取り付けられ、回路基板に搭載可能とされている。発熱素子（プロセッサコア）１３はＳｉチップ１３Ａ内部に埋め込まれ、このＳｉチップが複数の層をなして積層されている。各Ｓｉチップ１３Ａにはその上部に上記実施形態に係る熱伝導積層膜１１が配設されている。ここにはビアホールが設けられており、Ｓｉチップ１３を貫通して、各層のＳｉチップ及び熱伝導積層膜１１がビアホールで連続するようにされている。このビアホールにはＣｕビア（第２部材）が導入され、複数のＳｉチップを連結するように伝熱構造が形成されている。この放熱ビアを第２部材１２ｂとして、デバイス最上部に装着された放熱部材の第１部材（ヒートスプレッダー）１２ａに連続し、内部の熱を効率的に外部に放出することができる。なお、積層ＬＳＩは全体が封止樹脂１５で封止されている。
【００５４】
上記単層ＬＳＩ及び積層ＬＳＩにおいても、本発明の熱伝導積層膜の優れた利点は効果的に活かされる。すなわち、素子から発せられる熱を熱伝導積層膜が受け止め、この厚み方向への移行は抑制しながら、面方向に優先的に移送する。そして、その移送された熱は各熱伝導層と連続した放熱部材の第２部材に極めて効率的に移行し、外部の第１部材（ヒートスプレダー）１２ａに移送される。このような選択的に移送する熱伝導経路を経て、内部に不用意に熱をためることなく、単層ＬＳＩないし積層ＬＳＩの極めて効果的な放熱及び冷却が可能となる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 熱伝導層
２ ひずみ緩和層
４ シリコン基板
５ エッチングマスク
６ 保護膜
１１ 熱伝導積層膜
１２ 放熱部材
１２ａ 第１部材
１２ｂ 第２部材
１２ｃ 第３部材
１３ 素子
１３Ａ 素子を内臓したＳｉチップ
１４ 本体基板
１５ 封止樹脂
１００、２００、３００、４００、５００、６００ 放熱デバイス
Ｋ 加工部（ビアホール）
Ｋｍ 加工部壁面
Ｋｎ 加工部底面
Ｌ 溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導層とひずみ緩和層とを積層してなる熱伝導積層膜を反応性イオンエッチングにより加工する熱伝導積層膜部材の製造方法であって、
前記熱伝導層を構成する材料としてグラファイトを選定し、前記ひずみ緩和層を構成する材料として、アモルファスＳｉ、アモルファスＧｅ、アモルファスＳｉＧｅ、アモルファスＳｉＯ２、アモルファスＳｉＯｘ、アモルファスＴｉＯ２、及びこれらの組合せのいずれかを選定し、
前記熱伝導層をエッチングする酸素含有ガスと、前記ひずみ緩和層をエッチングする硫黄−フッ素化合物含有ガスと、それらのエッチング面を保護するフルオロカーボン化合物含有ガスとを用い、少なくとも前記３種のガスを切り替えながら熱伝導積層膜を貫通する加工を施すことを特徴とする熱伝導積層膜部材の製造方法。
【請求項２】
前記熱伝導層とひずみ緩和層とを１層ずつもしくは複数層ずつ交互に積層したことを特徴とする請求項１に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
【請求項３】
前記３種のガスを、前記ひずみ緩和層をエッチングする硫黄−フッ素化合物含有ガス、前記熱伝導層をエッチングする酸素含有ガス、それらのエッチング面を保護するフルオロカーボン化合物含有ガスの順序で適用してエッチングを行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
【請求項４】
前記熱伝導層及びひずみ緩和層の層厚さがそれぞれ１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
【請求項５】
前記反応性イオンエッチングによる加工をプロセス室内で行うに当たり、酸素含有ガス、硫黄−フッ素化合物含有ガス、フルオロカーボン化合物ガスのいずれか一つまたはこれらを複合して供給する場合に、それぞれの供給するガスの供給量をそれぞれ１００ｓｃｃｍ以下とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
【請求項６】
前記酸素含有ガスとしてＯ２を用い、前記硫黄−フッ素化合物含有ガスとしてＳＦ６を用い、前記フルオロカーボン化合物としてＣ４Ｆ８を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
【請求項７】
熱伝導層とひずみ緩和層とを積層してなり、熱伝導層及びひずみ緩和層を貫通する加工構造部を有する熱伝導積層膜部材であって、
前記熱伝導層がグラファイトからなり、前記ひずみ緩和層が、アモルファスＳｉ、アモルファスＧｅ、アモルファスＳｉＧｅ、アモルファスＳｉＯ２、アモルファスＳｉＯｘ、アモルファスＴｉＯ２、及びこれらの組合せのいずれかからなり、
前記貫通加工部が円以外の開口形状もしくはパターン化された切欠形状を有することを特徴とする熱伝導積層膜部材。
【請求項８】
前記貫通加工部の外表面近傍にテーパーを付けたことを特徴とする請求項７に記載の熱伝導積層膜部材。
【請求項９】
前記熱伝導層とひずみ緩和層と貫通する加工構造部が、孔状、溝状、もしくは切り欠き状であることを特徴とする請求項７又は８に記載の熱伝導積層膜部材。
【請求項１０】
前記熱伝導層及びひずみ緩和層の層厚さがそれぞれ１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材。
【請求項１１】
前記熱伝導層とひずみ緩和層とを貫通する加工構造部の積層数が２層以上４０００層以下であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材。
【請求項１２】
前記熱伝導層とひずみ緩和層とを貫通する加工構造部の加工幅が１００ｎｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材。
【請求項１３】
請求項７〜１２のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材と放熱部材とを組み合わせた放熱部品であって、前記熱伝導積層膜部材の貫通加工構造部分に、前記放熱部材の一部を配置したことを特徴とする放熱部品。
【請求項１４】
請求項１３に記載の放熱部品と素子とを具備することを特徴とする放熱デバイス。
【請求項１５】
前記シリコン基板に接合された請求項７〜１２のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材と、シリコン基板に実装した半導体素子と、前記半導体素子が発する熱を前記熱伝導膜部材を介して受容し外部にその熱を放出するヒートスプレッダーとを具備するＬＳＩであって、
前記シリコン基板と熱伝導積層膜とには両者を貫通する断面非円形のビアホールが穿けられ、該ビアホールには伝熱性のビアポストが埋設され、該ビアポストを介して前記熱伝導積層膜を面方向に伝わってくる熱を前記ヒートスプレッダーに移送する構造としたことを特徴とするＬＳＩ。
【請求項１６】
前記シリコン基板と前記熱伝導積層膜との接合体が多数積層され、該多数積層された接合体を貫通し連続するビアホールにビアポストが設けられ、該ビアポストは前記ヒートスプレッダーに熱を移送するように連結された請求項１５記載のＬＳＩ。
【請求項１】
熱伝導層とひずみ緩和層とを積層してなる熱伝導積層膜を反応性イオンエッチングにより加工する熱伝導積層膜部材の製造方法であって、
前記熱伝導層を構成する材料としてグラファイトを選定し、前記ひずみ緩和層を構成する材料として、アモルファスＳｉ、アモルファスＧｅ、アモルファスＳｉＧｅ、アモルファスＳｉＯ２、アモルファスＳｉＯｘ、アモルファスＴｉＯ２、及びこれらの組合せのいずれかを選定し、
前記熱伝導層をエッチングする酸素含有ガスと、前記ひずみ緩和層をエッチングする硫黄−フッ素化合物含有ガスと、それらのエッチング面を保護するフルオロカーボン化合物含有ガスとを用い、少なくとも前記３種のガスを切り替えながら熱伝導積層膜を貫通する加工を施すことを特徴とする熱伝導積層膜部材の製造方法。
【請求項２】
前記熱伝導層とひずみ緩和層とを１層ずつもしくは複数層ずつ交互に積層したことを特徴とする請求項１に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
【請求項３】
前記３種のガスを、前記ひずみ緩和層をエッチングする硫黄−フッ素化合物含有ガス、前記熱伝導層をエッチングする酸素含有ガス、それらのエッチング面を保護するフルオロカーボン化合物含有ガスの順序で適用してエッチングを行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
【請求項４】
前記熱伝導層及びひずみ緩和層の層厚さがそれぞれ１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
【請求項５】
前記反応性イオンエッチングによる加工をプロセス室内で行うに当たり、酸素含有ガス、硫黄−フッ素化合物含有ガス、フルオロカーボン化合物ガスのいずれか一つまたはこれらを複合して供給する場合に、それぞれの供給するガスの供給量をそれぞれ１００ｓｃｃｍ以下とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
【請求項６】
前記酸素含有ガスとしてＯ２を用い、前記硫黄−フッ素化合物含有ガスとしてＳＦ６を用い、前記フルオロカーボン化合物としてＣ４Ｆ８を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材の製造方法。
【請求項７】
熱伝導層とひずみ緩和層とを積層してなり、熱伝導層及びひずみ緩和層を貫通する加工構造部を有する熱伝導積層膜部材であって、
前記熱伝導層がグラファイトからなり、前記ひずみ緩和層が、アモルファスＳｉ、アモルファスＧｅ、アモルファスＳｉＧｅ、アモルファスＳｉＯ２、アモルファスＳｉＯｘ、アモルファスＴｉＯ２、及びこれらの組合せのいずれかからなり、
前記貫通加工部が円以外の開口形状もしくはパターン化された切欠形状を有することを特徴とする熱伝導積層膜部材。
【請求項８】
前記貫通加工部の外表面近傍にテーパーを付けたことを特徴とする請求項７に記載の熱伝導積層膜部材。
【請求項９】
前記熱伝導層とひずみ緩和層と貫通する加工構造部が、孔状、溝状、もしくは切り欠き状であることを特徴とする請求項７又は８に記載の熱伝導積層膜部材。
【請求項１０】
前記熱伝導層及びひずみ緩和層の層厚さがそれぞれ１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材。
【請求項１１】
前記熱伝導層とひずみ緩和層とを貫通する加工構造部の積層数が２層以上４０００層以下であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材。
【請求項１２】
前記熱伝導層とひずみ緩和層とを貫通する加工構造部の加工幅が１００ｎｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材。
【請求項１３】
請求項７〜１２のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材と放熱部材とを組み合わせた放熱部品であって、前記熱伝導積層膜部材の貫通加工構造部分に、前記放熱部材の一部を配置したことを特徴とする放熱部品。
【請求項１４】
請求項１３に記載の放熱部品と素子とを具備することを特徴とする放熱デバイス。
【請求項１５】
前記シリコン基板に接合された請求項７〜１２のいずれか１項に記載の熱伝導積層膜部材と、シリコン基板に実装した半導体素子と、前記半導体素子が発する熱を前記熱伝導膜部材を介して受容し外部にその熱を放出するヒートスプレッダーとを具備するＬＳＩであって、
前記シリコン基板と熱伝導積層膜とには両者を貫通する断面非円形のビアホールが穿けられ、該ビアホールには伝熱性のビアポストが埋設され、該ビアポストを介して前記熱伝導積層膜を面方向に伝わってくる熱を前記ヒートスプレッダーに移送する構造としたことを特徴とするＬＳＩ。
【請求項１６】
前記シリコン基板と前記熱伝導積層膜との接合体が多数積層され、該多数積層された接合体を貫通し連続するビアホールにビアポストが設けられ、該ビアポストは前記ヒートスプレッダーに熱を移送するように連結された請求項１５記載のＬＳＩ。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１−１】
【図１１−２】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図１５】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１−１】
【図１１−２】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１６９３１２（Ｐ２０１２−１６９３１２Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６５４３（Ｐ２０１１−２６５４３）
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構委託研究「省エネルギー革新技術開発事業／先導研究／ナノ積層型高熱伝導膜によるホットスポットフリーＬＳＩの研究開発」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構委託研究「省エネルギー革新技術開発事業／先導研究／ナノ積層型高熱伝導膜によるホットスポットフリーＬＳＩの研究開発」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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