JP5667045B2

JP5667045B2 - 窒化アルミニウム基板、窒化アルミニウム回路基板および半導体装置

Info

Publication number: JP5667045B2
Application number: JP2011505919A
Authority: JP
Inventors: 山口　晴彦; 山口　　晴彦; 福田　悦幸; 悦幸福田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: US20120038038A1; US8791566B2; JPWO2010109960A1; WO2010109960A1

Description

本発明は、窒化アルミニウム基板、窒化アルミニウム回路基板および半導体装置に関し、詳しくは、絶縁特性と放熱性に優れ、パワートランジスタ等に用いられる窒化アルミニウム基板、窒化アルミニウム回路基板および、これらを用いた半導体装置に関する。

窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板は絶縁特性と放熱性に優れる。この窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板は、活性金属法、直接接合法等で金属の導体層が接合されて回路基板を形成する。この回路基板は、パワートランジスタ等の大電力半導体用の回路基板として用いられている。パワートランジスタは、同一パッケージ内にパワートランジスタチップ（以下、チップともいう）を複数個組み込むことによりパワートランジスタモジュール（以下、モジュールともいう）を形成する。

パワートランジスタは大電力で使用されるためチップの発熱量が大きい。近年、このパワートランジスタはモジュールの小型化によりチップのサイズも小さくなり、単位面積当たりの発熱量がより大きくなる傾向にある。

このようにチップが発熱するとモジュール全体が熱膨張する。このとき、モジュールは端部が放熱フィン等に固定されているため、パワートランジスタの使用時にモジュール全体に曲げモーメントが発生する。このため、チップ同士の絶縁に用いているセラミックス基板の強度が弱いと、基板の割れが発生しモジュールに絶縁不良が発生するという問題がある。

また、昨今、セラミックス基板へのチップ等のはんだ付けには、環境への配慮から鉛フリーはんだが用いられることが多い。一般的に、鉛フリーはんだは鉛入りはんだに比べ融点が高いため、鉛フリーはんだを用いるとリフロー法、フロー法を問わずはんだ付けの温度が高くなる。

さらに、モジュールのベース金属とセラミックス基板との間の接合に用いられるはんだにも鉛フリー化が必要とされている。このベース金属−セラミックス基板間のはんだ付けは、モジュール内でのはんだ付けの面積が一番大きいため、リフローの温度が高くなるとベース金属とセラミックス基板との線膨張係数の差によりモジュールに印加される曲げモーメントも非常に大きくなる。このため、セラミックス基板の強度が弱い場合には、モジュールの組み立て時にも基板の割れが発生する可能性がある。

このように、パワーモジュールに用いられるセラミックス基板には、絶縁性、放熱性に加えて高強度も要求されている。

これに対し、特開２００７−６３１２２号公報（特許文献１）には、熱伝導率が高く放熱性に優れた窒化アルミニウム基板が開示されている。また、特開２００３−２０１１７９号公報（特許文献２）には、放熱特性および機械的強度が高い窒化アルミニウム基板が開示されている。

特開２００７−６３１２２号公報特開２００３−２０１１７９号公報

しかし、特許文献１や特許文献２に開示された窒化アルミニウム基板では、強度が充分でなかった。例えば、特許文献１では熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋを超えるもののその強度は低く、特許文献２では強度が優れるもののＳｉ成分量の調整が必要であった。Ｓｉ成分は、窒化アルミニウム基板中に偏析すると基板中の炭素と反応し導電性の高いＳｉＣとなり、局所的に体積抵抗値を下げる、すなわち導電性を上げると言った問題があった。基板の絶縁性が十分でないと回路同士で不要な導通が生じて半導体素子の誤作動を招く。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、絶縁特性および放熱性に優れるとともに強度の高い窒化アルミニウム基板、窒化アルミニウム回路基板、半導体装置および窒化アルミニウム基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、窒化アルミニウム基板中の窒化アルミニウム結晶粒の粒径を制御するとともに、焼結助剤に由来する複合酸化物結晶粒の粒径および含有量を制御する等により、窒化アルミニウム基板の抗折強度を向上させることが可能であることを見出して完成されたものである。

本発明に係る窒化アルミニウム基板は、上記問題点を解決するものであり、複数個の窒化アルミニウム結晶粒と、この窒化アルミニウム結晶粒の粒界に存在し、希土類元素とアルミニウムとを含む複合酸化物結晶粒と、を備えた多結晶体からなり、窒化アルミニウムを主成分とする窒化アルミニウム基板であって、上記窒化アルミニウム基板に対する希土類元素の含有量が、希土類酸化物換算量で３質量％〜６質量％であり、上記窒化アルミニウム基板の熱伝導率が１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、相対密度が９９％以上であり、上記窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径が１０μｍ以下であり、上記複合酸化物結晶粒の最大粒径が上記窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径よりも小さく、上記複合酸化物結晶粒の平均粒径が２〜３μｍであり、上記窒化アルミニウム基板を表面観察した１００μｍ×１００μｍの視野中に、上記複合酸化物結晶粒の１μｍ以上のものが４０個以上７０個以下であり、焼き上がり後の研磨していない状態での抗折強度が４００ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下であり、体積抵抗率が１０^１２Ωｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る窒化アルミニウム回路基板は、上記問題点を解決するものであり、上記窒化アルミニウム基板の表面に、導体部を設けたことを特徴とする。

さらに、本発明に係る半導体装置は、上記問題点を解決するものであり、の窒化アルミニウム回路基板の導体部に半導体素子を搭載したことを特徴とする。

また、本発明に係る窒化アルミニウム基板の製造方法は、上記問題点を解決するものであり、窒化アルミニウム粉末、希土類酸化物粉末および有機バインダーを成形して得られた第１窒化アルミニウム成形体を、大気中で脱脂して第２窒化アルミニウム成形体を得る脱脂工程と、前記第２窒化アルミニウム成形体を真空中、１３００℃〜１５００℃で焼結させて第１焼結体を得る第１焼結工程と、前記第１焼結体を不活性雰囲気中、１７５０℃〜１８２０℃で焼結させて窒化アルミニウム基板を得る第２焼結工程と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る窒化アルミニウム基板およびその製造方法によれば、絶縁特性および放熱性に優れるとともに強度の高い窒化アルミニウム基板が得られる。特に研磨レスであっても優れた強度が得られるので製造コストの低減が可能である。

本発明に係る窒化アルミニウム回路基板によれば、絶縁特性および放熱性に優れるとともに強度の高い窒化アルミニウム回路基板が得られる。また、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

実施例１で得られた窒化アルミニウム基板の破断面のＳＥＭ観察結果。実施例１で得られた窒化アルミニウム基板の表面のＳＥＭ観察結果。

［窒化アルミニウム基板］
本発明に係る窒化アルミニウム基板は、複数個の窒化アルミニウム結晶粒と、希土類元素とアルミニウムとを含む複合酸化物結晶粒と、を備えた多結晶体からなる、窒化アルミニウムを主成分とする複合材料である。本発明に係る窒化アルミニウム基板において、複合酸化物結晶粒は、窒化アルミニウム結晶粒の粒界に存在する。

窒化アルミニウム結晶粒は、最大粒径が１０μｍ以下、好ましくは３μｍ〜９μｍ、さらに好ましくは３μｍ〜６μｍである。

ここで、窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径とは、窒化アルミニウム基板中の窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径であり、たとえば、窒化アルミニウム基板の破断面で観察される窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径を意味する。窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径は、具体的には、窒化アルミニウム基板の破断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で拡大写真を撮り、破断面における５０μｍ×５０μｍの矩形の測定範囲を形成し、この測定範囲内に存在する窒化アルミニウム結晶粒の大きさを測定する等により求められる。窒化アルミニウム結晶粒は略球形であるため簡易法として線インターセプト法があり、直線５０μｍ上における窒化アルミニウム結晶粒の個数を図り（５０μｍ／窒化アルミニウム結晶粒の個数）の式により求める。この作業を３回以上行い平均粒径とすることができる。

窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径が１０μｍを超えると、窒化アルミニウム結晶粒が破壊の起点となり、基板の抗折強度が低くなるおそれがある。また、窒化アルミニウム結晶粒が大きくなると、３重点が大きくなり、この点も抗接強度の低下を招く。

また、窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径が３μｍ未満であると、粒界相の存在比率が高まるため熱伝導率が１６０Ｗ／ｍ・Ｋ未満になるおそれがある。

窒化アルミニウム結晶粒は、平均粒径が、好ましくは２μｍ〜６μｍである。

ここで、窒化アルミニウム結晶粒の平均粒径とは、窒化アルミニウム基板中の窒化アルミニウム結晶粒の平均粒径であり、たとえば、窒化アルミニウム基板の破断面で観察される窒化アルミニウム結晶粒の平均粒径を意味する。窒化アルミニウム結晶粒の平均粒径の具体的な測定方法は、窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径と同様な測定方法で求めることができる。

窒化アルミニウム結晶粒の平均粒径が３μｍ未満であると、粒界相の存在比率が高まるため熱伝導率が１６０Ｗ／ｍ・Ｋ未満になるおそれがある。

また、窒化アルミニウム結晶粒の平均粒径が６μｍを超えると、窒化アルミニウム結晶粒が破壊の起点となり、基板の抗折強度が低くなるおそれがある。

複合酸化物結晶粒は、希土類元素とアルミニウムとを含む複合酸化物の結晶粒である。

複合酸化物を生成する希土類元素としては、たとえば、Ｙ、およびＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ等のランタノイドから選択される少なくとも１種が挙げられる。希土類元素うち、Ｙは、アルミニウムと反応してＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）を形成し、窒化アルミニウム結晶粒との結合力が高いため好ましい。

それぞれの複合酸化物結晶粒は、ＹＡＭ（単斜型構造、モノクリニック構造：Ｍ_４Ｎ_２Ｏ_９）の結晶粒、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット構造：Ｍ_３Ｎ_５Ｏ_１２）の結晶粒、およびＹＡＰ（ペロブスカイト構造：Ｍ_１Ｎ_１Ｏ_３）の結晶粒のいずれかになっており、特に限定されない。

ここで、窒化アルミニウム基板の複合酸化物結晶粒がＹＡＭ、ＹＡＧまたはＹＡＰの結晶粒であることは、たとえば、窒化アルミニウム基板表面のＸ線表面分析法で検出される結晶構造により判断される。

窒化アルミニウム基板中にある複合酸化物結晶粒は、ＹＡＭの結晶粒、ＹＡＧの結晶粒およびＹＡＰの結晶粒の少なくとも１種で構成されており、いずれか１種の単相であっても、２相であっても、ＹＡＭ、ＹＡＧおよびＹＡＰの３相であってもよい。

複合酸化物結晶粒は、最大粒径が、窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径よりも小さい。

ここで、複合酸化物結晶粒の最大粒径とは、窒化アルミニウム基板中の複合酸化物結晶粒の最大粒径であり、たとえば、窒化アルミニウム基板の破断面で観察される複合酸化物結晶粒の最大粒径を意味する。複合酸化物結晶粒の最大粒径の具体的な測定方法は、窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径と同様な測定方法で求めることができる。

複合酸化物結晶粒の最大粒径が窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径以上の大きさであると、複合酸化物結晶粒が破壊の起点となり、基板の抗折強度が低くなるおそれがある。

また、複合酸化物結晶粒の最大粒径が窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径以上の大きさであると、活性ろう材を用いて窒化アルミニウム基板と金属板とを接合して窒化アルミニウム回路基板を作製したときに、窒化アルミニウム回路基板の接合強度が低くなりやすい。これは、活性金属と窒化アルミニウムが反応して活性金属窒化物を形成するのを阻害してしまうためである。なお、複合酸化物結晶粒の最大粒径は、好ましくは７μｍ以下である。また、平均で２〜３μｍであることが好ましい。

窒化アルミニウム回路基板の接合強度が低くなりやすい詳細な理由を、以下に述べる。すなわち、活性金属ろう材を用いて窒化アルミニウム基板と銅板等の金属板とを接合する場合、窒化アルミニウム基板と活性金属ろう材との界面は、主に、窒化アルミニウム基板表面の窒化アルミニウム結晶粒のＮと、活性金属ろう材中のＴｉ、Ｈｆ、Ｚｒ等と、が反応して活性金属窒化物を生成することにより接着される。このため、窒化アルミニウム基板表面に、活性金属ろう材中のＴｉ、Ｈｆ、Ｚｒ等との反応に寄与しない複合酸化物結晶粒が大きい粒径で存在すると、窒化アルミニウム基板表面に窒化アルミニウム結晶粒のＮが密に存在せず、活性金属窒化物の生成密度が小さくなるため、窒化アルミニウム基板表面と活性金属ろう材層との接合強度が低くなりやすいからである。活性金属ろう材の代わりにＴｉ、Ｈｆ、Ｚｒ等の活性金属の薄膜を用いる場合も同様の理由により接合強度が低下するおそれがある。

複合酸化物結晶粒は、窒化アルミニウム基板を表面観察した１００μｍ×１００μｍの視野中に、複合酸化物結晶粒の１μｍ以上のものが、４０個以上、好ましくは４０個〜７０個、より好ましくは４５個〜７０個存在する。

窒化アルミニウム基板の表面観察方法としては、たとえば、ＳＥＭで観察する方法が挙げられる。

窒化アルミニウム基板の表面観察した視野中に存在する複合酸化物結晶粒の１μｍ以上のものの個数が４０個未満であると、複合酸化物結晶粒が窒化アルミニウム結晶粒同士を十分に固着させず、窒化アルミニウム基板の抗折強度が低くなるおそれがある。また、部分的な体積抵抗率を低下させる原因にもなる。

窒化アルミニウム基板の表面観察した視野中に存在する複合酸化物結晶粒の１μｍ以上のものの個数が７０個を超えると、窒化アルミニウム基板の熱伝導率が低くなりやすい。

また、複合酸化物結晶粒の１μｍ以上のものの個数が７０個を超えると、活性金属ろう材を用いて窒化アルミニウム基板と金属板とを接合して窒化アルミニウム回路基板を作製したときに、窒化アルミニウム回路基板の接合強度が低くなりやすい。

窒化アルミニウム回路基板の接合強度が低くなりやすい理由は、窒化アルミニウム基板表面に、活性金属ろう材中のＴｉ、Ｈｆ、Ｚｒ等との反応に寄与しない複合酸化物結晶粒が多く存在すると、窒化アルミニウム結晶粒のＮが密に存在せず、活性金属窒化物の生成密度が小さくなるため、窒化アルミニウム基板表面と活性金属ろう材層との接合強度が低くなりやすいからである。

本発明に係る窒化アルミニウム基板は、窒化アルミニウム基板に対する希土類元素の含有量が、希土類酸化物換算量で、通常３質量％〜６質量％である。

ここで、希土類酸化物換算量とは、窒化アルミニウム基板中の希土類元素を、希土類元素の酸化物に換算した質量をいう。たとえば、窒化アルミニウム基板中の希土類元素がＹの場合、希土類元素の酸化物はＹ_２Ｏ_３である。

窒化アルミニウム基板に対する希土類元素の含有量が希土類酸化物換算量で３質量％未満であると、焼結の際に必要な液相成分が少なくなり、窒化アルミニウム基板の窒化アルミニウム結晶粒および複合酸化物結晶粒の緻密化し難くなり、窒化アルミニウム基板の熱伝導率が低くなるおそれがある。

窒化アルミニウム基板に対する希土類元素の含有量が希土類酸化物換算量で６質量％を超えると、緻密化が促進されて焼結後の複合酸化物の粒径が大きくなりすぎて、窒化アルミニウム基板の抗折強度が低くなるおそれがある。

本発明に係る窒化アルミニウム基板は、不純物としてＳｉが含まれることがある。窒化アルミニウム基板中のＳｉの含有量は、Ｓｉ単体の質量換算で５０ｐｐｍ以下である。

本発明に係る窒化アルミニウム基板は、通常、第１焼結工程および第２焼結工程等の焼結工程を経て得られる。

本発明に係る窒化アルミニウム基板は、最後の焼結工程である第２焼結工程での焼き上がり後の研磨していない状態での表面粗さＲａが通常３μｍ〜５μｍになる。

本発明に係る窒化アルミニウム基板は、第２焼結工程での焼き上がり後、研磨していない状態での抗折強度が４００ＭＰａ以上、好ましくは４００ＭＰａ〜５００ＭＰａになる。ここで抗折強度とは、３点曲げ強度を意味する。

なお、本発明に係る窒化アルミニウム基板は、第２焼結工程での焼き上がり後、研磨工程で表面粗さＲａを１μｍ以下まで研磨すると、抗折強度を４５０ＭＰａ以上、好ましくは４５０ＭＰａ〜５５０ＭＰａ、より好ましくは５００ＭＰａ〜５５０ＭＰａにすることができる。

本発明に係る窒化アルミニウム基板は、焼き上がり後の研磨していない状態での四端子法で測定した体積抵抗率が１０^１２Ωｍ以上になる。なお、体積抵抗率の上限は特に限定されるものではないが、１０^１５Ωｍ以下が好ましい。また、体積抵抗率の測定はＪＩＳ−Ｃ−２１４１に準じて四端子法で行う。

本発明に係る窒化アルミニウム基板は、焼き上がり後の研磨していない状態での熱伝導率が、通常１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは１６０Ｗ／ｍ・Ｋ〜１９０Ｗ／ｍ・Ｋになる。

ここで熱伝導率とは、レーザフラッシュ法で測定した熱伝導率を意味する。

本発明に係る窒化アルミニウム基板は、表面に露出した複合酸化物結晶粒が小さくかつ少ないため、窒化アルミニウム基板表面の窒化アルミニウム結晶粒のＮと、活性金属ろう材との間の活性金属窒化物の生成反応が広い範囲で生じ、窒化アルミニウム基板と活性金属ろう材との接合強度が高い。このため、本発明に係る窒化アルミニウム基板は、焼結上がりの研磨していない状態でも活性金属ろう材層を介して金属板と強固に結合することができ、表面の研磨工程を省略して窒化アルミニウム回路基板を作製することができる。したがって、本発明に係る窒化アルミニウム基板は、本発明に係る窒化アルミニウム回路基板の製造原料として好適である。

本発明に係る窒化アルミニウム基板は、たとえば、以下の本発明に係る窒化アルミニウム基板の製造方法により効率よく製造される。

［窒化アルミニウム基板の製造方法］
本発明に係る窒化アルミニウム基板の製造方法は、脱脂工程と、第１焼結工程と、第２焼結工程と、を備える。

（脱脂工程）
脱脂工程は、窒化アルミニウム粉末、希土類酸化物粉末および有機バインダーを成形して得られた第１窒化アルミニウム成形体を、大気中で脱脂して第２窒化アルミニウム成形体を得る工程である。

詳細には、脱脂工程は、窒化アルミニウム粉末、希土類酸化物粉末および有機バインダーを成形して第１窒化アルミニウム成形体を得る第１窒化アルミニウム成形体作製工程と、第１窒化アルミニウム成形体を大気中で脱脂して第２窒化アルミニウム成形体を得る第２窒化アルミニウム成形体作製工程とを有する。

＜第１窒化アルミニウム成形体作製工程＞
脱脂工程では、はじめに、第１窒化アルミニウム成形体作製工程を行う。

第１窒化アルミニウム成形体作製工程は、窒化アルミニウム粉末、希土類酸化物粉末および有機バインダーを成形して、第１窒化アルミニウム成形体を得る工程である。

窒化アルミニウム粉末としては、たとえば、平均粒径Ｄ_５０が、通常０．５μｍ〜２μｍ、好ましくは０．８μｍ〜１．５μｍのものを用いることができる。ここでＤ_５０とは、累積５０％粒径を意味する。窒化アルミニウム粉末は、第１および第２の焼結工程を経ると、窒化アルミニウム結晶粒を生成する。

希土類酸化物粉末としては、たとえば、Ｙ、およびＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ等のランタノイドから選択される少なくとも１種の希土類元素の酸化物の粉末が用いられる。具体的には、希土類酸化物粉末として、たとえばＹ_２Ｏ_３粉末が挙げられる。

希土類酸化物粉末は、第１および第２の焼結工程を経ると、窒化アルミニウム粉末と反応し、希土類元素とアルミニウムとを含む複合酸化物を生成する。複合酸化物の結晶粒は、窒化アルミニウム結晶粒の粒界に存在し、隣接する窒化アルミニウム結晶粒同士を強く固着する。

希土類元素酸化物粉末のうち、Ｙ_２Ｏ_３粉末は、アルミニウムと反応してＹＡＧ等のイットリウムアルミニウム酸化物を形成し、窒化アルミニウム結晶粒との結合力が高いため好ましい。

希土類元素酸化物粉末としては、たとえば、平均粒径Ｄ_５０が、通常０．８μｍ〜２μｍ、好ましくは１．０μｍ〜１．５μｍのものを用いることができる。

有機バインダーとしては、たとえば、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）が挙げられる。有機バインダーは、窒化アルミニウム粉末および希土類元素酸化物粉末を結合させて、第１窒化アルミニウム成形体を作製するものである。

上記の窒化アルミニウム粉末、希土類元素酸化物粉末および有機バインダーは、たとえばエタノール、トルエン、ケトン等の有機溶媒中で混合されるとスラリーを作製する。このスラリーから有機溶媒を除去すると、窒化アルミニウム粉末および希土類元素酸化物粉末が有機バインダーで固着された成形体が得られる。たとえば、スラリーについてドクターブレード法を用いて成形し有機溶媒を除去すると、シート状の成形体（グリーンシート）が得られる。

ドクターブレード法を用いると、グリーンシートの厚さを薄くすることができ、グリーンシート内の脱脂が十分に行われやすくなるため、得られる窒化アルミニウム基板中の残炭量を少なくすることができる。

このシート状の成形体は、このままで、または必要により所望の大きさに切断することにより、第１窒化アルミニウム成形体が得られる。

なお、第１窒化アルミニウム成形体は、シート状以外の形態であってもよい。また、第１窒化アルミニウム成形体がシート状である場合、成形方法はシート状の窒化アルミニウム成形体を成形可能な方法であればよく、ドクターブレード法に限られない。

第１窒化アルミニウム成形体は、窒化アルミニウム粉末と希土類酸化物粉末との合計量に対し希土類酸化物粉末を、通常３質量％〜６質量％含む。希土類酸化物粉末をこの範囲内の含有量になるように含むと、得られる窒化アルミニウム基板の抗折強度が高くなる。

＜第２窒化アルミニウム成形体作製工程＞
脱脂工程では、第１窒化アルミニウム成形体作製工程の次に、第２窒化アルミニウム成形体作製工程を行う。

第２窒化アルミニウム成形体作製工程は、第１窒化アルミニウム成形体を、大気中で脱脂して第２窒化アルミニウム成形体を得る工程である。

第２窒化アルミニウム成形体は、脱脂により第１窒化アルミニウム成形体から有機バインダーを除去することにより得られる。第２窒化アルミニウム成形体は、実質的に炭素を含まず、窒化アルミニウム粉末および希土類酸化物粉末からなる成形体である。

第１窒化アルミニウム成形体の脱脂は、大気中で熱処理することにより行われる。熱処理を大気中で行うことにより、有機バインダーが効率よく消失するため、得られる窒化アルミニウム基板は残炭素が少なくなり、抗折強度や体積抵抗率等の諸特性が高くなる。

脱脂の熱処理条件は、通常４００℃〜６００℃である。脱脂の熱処理条件が４００℃〜６００℃であると、有機バインダーが効率よく消失する。有機バインダーが必要以上に残存すると成形体中の炭素量が多くなるため好ましくない。

（第１焼結工程）
第１焼結工程は、第２窒化アルミニウム成形体を真空中、１３００℃〜１５００℃で焼結させて第１焼結体を得る工程である。

第２窒化アルミニウム成形体を焼結させることにより、窒化アルミニウム結晶粒と、この窒化アルミニウム結晶粒の粒界に存在し、希土類元素とアルミニウムとを含む複合酸化物結晶粒と、を備えた多結晶体である第１焼結体が得られる。

ただし、第１焼結体は、多結晶体にはなっているものの、通常、窒化アルミニウム結晶粒間や、窒化アルミニウム結晶粒と複合酸化物結晶粒との間等に空隙が存在する。このため、第１焼結体は、第２焼結体ほどには緻密化されていない多結晶体になっている。

第１焼結工程において真空とは、大気等の雰囲気を、通常１０^−３Ｐａ以下、好ましくは１０^−４Ｐａ以下にした状態を意味する。

真空中で焼結させることにより、焼結の際に、有機バインダー等の炭素含有成分が除去され、窒化アルミニウム結晶粒や複合酸化物結晶粒中の残炭量を少なくすることができる。

第１焼結工程の処理温度は１３００℃〜１５００℃である。

第１焼結工程の処理温度が１３００℃未満であると、窒化アルミニウム結晶粒や複合酸化物結晶粒の焼結が不十分になり、窒化アルミニウム基板の抗折強度が低くなりやすい。

第１焼結工程の処理温度が１５００℃を超えると、窒化アルミニウム結晶粒や複合酸化物結晶粒の粒成長が促進されすぎて、窒化アルミニウム基板の抗折強度が低くなりやすい。

第１焼結工程の処理時間は、通常２時間〜５時間である。

処理時間が２時間未満であると、窒化アルミニウム結晶粒や複合酸化物結晶粒の焼結が不十分になり、窒化アルミニウム基板の抗折強度が低くなりやすい。

処理時間が５時間を超えると、窒化アルミニウム結晶粒や複合酸化物結晶粒の粒成長が促進されすぎて、窒化アルミニウム基板の抗折強度が低くなりやすい。

（第２焼結工程）
第２焼結工程は、第１焼結体を不活性雰囲気中、１７５０℃〜１８２０℃で焼結させて窒化アルミニウム基板を得る工程である。

第１焼結体を焼結させることにより、窒化アルミニウム結晶粒および複合酸化物結晶粒が成長して緻密化し、窒化アルミニウム基板が得られる。

不活性雰囲気としては、たとえば、窒素ガス、アルゴンガスが用いられる。このうち、窒素ガスは、安価であるため好ましい。

不活性雰囲気は、通常１ａｔｍ〜１００ａｔｍにする。不活性雰囲気の圧力を１ａｔｍを超えるようにすると、窒化アルミニウム基板の結晶組織が緻密になる。

第２焼結工程を不活性雰囲気中で行うことにより、窒化アルミニウム基板から適度な量の脱酸素が行われ、窒化アルミニウム結晶粒および複合酸化物結晶粒が成長して緻密化する。

第２焼結工程の処理温度は１７５０℃〜１８２０℃である。

第２焼結工程の処理温度が１７５０℃未満であると、窒化アルミニウム結晶粒や複合酸化物結晶粒の緻密化が不十分になり、窒化アルミニウム基板の抗折強度が低くなりやすい。

第２焼結工程の処理温度が１８２０℃を超えると、窒化アルミニウム結晶粒や複合酸化物結晶粒の粒成長が促進されすぎて、窒化アルミニウム基板の抗折強度が低くなりやすい。

第２焼結工程の処理時間は、通常２時間〜５時間である。

処理時間が２時間未満であると、窒化アルミニウム結晶粒や複合酸化物結晶粒の緻密化が不十分になり、窒化アルミニウム基板の抗折強度が低くなりやすい。

第１焼結工程から第２焼結工程への移行の際は、第１焼結工程終了後、一旦常温まで冷却する冷却工程を行ってから第２焼結工程を行うようにしてもよいし、第１焼結工程終了後、冷却せずに連続して加熱することにより、昇温させる昇温工程を行ってから第２焼結工程を行うようにしてもよい。第１焼結工程から連続して第２焼結工程を行うときは、昇温工程は、第１焼結工程の焼結温度から第２焼結工程の焼結温度までの昇温度速を８０℃／ｈ以下、さらには３０〜８０℃／ｈで行うことが好ましい。８０℃／ｈを超えると昇温速度が速すぎて複合酸化物が粒成長し易い。一方、３０℃／ｈ未満の場合、粒成長の問題はないが、製造時間がかかり過ぎるので製造性の観点から好ましくない。

第２焼結工程を経て得られた窒化アルミニウム基板は、本発明に係る窒化アルミニウム基板になる。

すなわち、得られた窒化アルミニウム基板は、複数個の窒化アルミニウム結晶粒と、この窒化アルミニウム結晶粒の粒界の空間に配置され、希土類元素とアルミニウムとを含む複合酸化物結晶粒と、を備えた多結晶体からなる窒化アルミニウム基板であって、複合酸化物結晶粒の最大粒径が前記窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径よりも小さく、窒化アルミニウム基板を表面観察した１００μｍ×１００μｍの視野中に、複合酸化物結晶粒の１μｍ以上のものが４０個以上あるものになる。

これにより、相対密度９９％以上の高密度窒化アルミニウム焼結体が得られる。なお、相対密度は（実測値／理論密度）×１００（％）により求められる値であり、実測値はアルキメデス法、理論密度は焼結助剤成分を酸化物換算した値を使う簡易法で求めてよい。例えば、Ｙ_２Ｏ_３換算で４質量％のＹ、残部窒化アルミニウムの窒化アルミニウム焼結体の場合、（０．９６×３．３ｇ／ｃｍ^３＋０．０４×５．０３ｇ／ｃｍ^３）＝３．３７ｇ／ｃｍ^３が理論密度となる。なお、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の理論密度３．３ｇ／ｃｍ^３、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）の理論密度５．０３ｇ／ｃｍ^３は、それぞれ「岩波理化学辞典第５版」から引用した。

また、窒化アルミニウム基板の厚さは特に限定されるものではないが、回路基板に用いる場合は０．２〜１ｍｍが好ましい。

本発明に係る窒化アルミニウム基板の製造方法は、必要により研磨工程をさらに備えていてもよい。

（研磨工程）
研磨工程は、第２焼結工程後に窒化アルミニウム基板表面を表面粗さＲａ１μｍ以下まで研磨する工程である。

本発明に係る窒化アルミニウム基板は、焼き上がり後の研磨していない状態での表面粗さＲａが通常３μｍ〜５μｍになる。

本工程で窒化アルミニウム基板の表面を表面粗さＲａ１μｍ以下まで研磨すると、窒化アルミニウム基板の３点曲げ強度が高くなる。

窒化アルミニウム基板の表面を表面粗さＲａ１μｍ以下まで研磨する研磨方法としては、たとえばバフ研磨やラップ研磨が挙げられる。

［窒化アルミニウム回路基板］
本発明に係る窒化アルミニウム回路基板は、上記の本発明に係る窒化アルミニウム基板の表面に、導体部を設けたものである。

導体部としては、たとえば、銅等の金属導体や、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆより選ばれる１種以上からなる活性金属薄膜が挙げられる。

導体部が銅等の金属導体である場合、窒化アルミニウム回路基板は、たとえば、窒化アルミニウム基板の表面に、活性金属ろう材層を介して金属板を接合し、金属板に適宜エッチング等を行って導体回路を形成することにより、作製することができる。

活性金属ろう材層とは、活性金属ろう材からなる層である。活性金属ろう材とは、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒの少なくとも１種を含有したろう材であり、メタライズ処理や表面処理を行わずにセラミックスと金属とを直接にろう付けすることができるろう材である。活性ろう材は、ろう材中のＴｉ、Ｈｆ、Ｚｒ等と、窒化アルミニウム基板表面の窒化アルミニウム結晶粒のＮと、が反応し、活性金属窒化物を生成することにより窒化アルミニウム基板と接着される。

活性金属ろう材としては、たとえば、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｉｎ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉが挙げられる。具体的な組成としては、たとえば、Ｃｕを１５〜３０質量％と、Ｔｉ、ＨｆおよびＺｒの少なくとも１種からなる活性金属を０．５〜５質量％とを含み、残部がＡｇであるろう材や、Ｃｕを１５〜３０質量％と、Ｔｉ、ＨｆおよびＺｒの少なくとも１種からなる活性金属を０．５〜５質量％と、Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎの少なくとも１種を５〜２０質量％とを含み、残部がＡｇであるろう材が挙げられる。

金属板としては、たとえば、銅板が挙げられる。

本発明に係る窒化アルミニウム基板は、表面に露出した複合酸化物結晶粒が小さくかつ少ないため、窒化アルミニウム基板と活性金属ろう材との界面に活性金属窒化物が多く生成し、窒化アルミニウム基板と活性金属ろう材との接合強度が高い。このため、本発明に係る窒化アルミニウム基板は、焼結上がりの研磨していない状態でも活性ろう材層を介して金属板と強固に結合することができ、表面の研磨工程を省略して窒化アルミニウム回路基板を作製することができる。したがって、本発明に係る窒化アルミニウム回路基板は、従来より製造コストを大幅に低下させることができる。

また、導体部がＴｉ、ＺｒおよびＨｆより選ばれる１種以上からなる活性金属薄膜である場合、活性金属薄膜からなる薄膜導体部としてはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の３層構造としたものが挙げられる。

［半導体装置］
本発明に係る半導体装置は、上記の本発明に係る窒化アルミニウム回路基板の導体部に半導体素子を搭載したものである。

導体部への半導体素子の搭載方法としては、たとえば、金属板または薄膜上に半田層を介して半導体素子を搭載する方法が挙げられる。この半導体素子としてはＩＧＢＴ等のパワー素子や発光ダイオード（ＬＥＤ）等が挙げられる。また、必要に応じ、ワイヤーボンディングにより配線接続することができる。

以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されて解釈されるものではない。

［実施例１］
（窒化アルミニウム基板の作製）
＜脱脂工程＞
平均粒径１．０μｍのＡｌＮ粉末と平均粒径１．２μｍのＹ_２Ｏ_３粉末とを、表１に示す割合でエタノール中に投入して混合し、さらにＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を加えてスラリーを調製した。表１に示すＡｌＮ粉末の量は、ＡｌＮ粉末とＹ_２Ｏ_３粉末との合計量１００質量％からＹ_２Ｏ_３粉末量を差し引いた残部である。次に、このスラリーから、ドクターブレード法によりグリーンシートを成形した。得られたグリーンシートを切断して５０ｍｍ×４５ｍｍ×厚さ１ｍｍのシート状の第１成形体を作製した。

第１成形体を大気中、４５０℃で４時間加熱して脱脂し、第２成形体を得た。

＜第１焼結工程＞
第２成形体を、１０^−４Ｐａ以下にした真空中、１４００℃で４時間加熱し、第１焼結体を得た。

＜第２焼結工程＞
第１焼結体を、１ａｔｍの窒素ガス雰囲気中、１７５０℃で４時間加熱し、窒化アルミニウム基板を得た。得られた基板の厚さは０．８ｍｍであった。

（窒化アルミニウム基板の評価）
＜表面粗さＲａ＞
得られた窒化アルミニウム基板について、焼き上がり面の表面粗さＲａを測定したところ、測定場所によりばらつきがあり、３μｍ〜５μｍの範囲内であった。

＜ＡｌＮ結晶粒の最大径および平均粒径、複合酸化物結晶粒の最大径＞
得られた窒化アルミニウム基板について、窒化アルミニウム基板内部のＡｌＮ結晶粒の最大径および平均粒径を求めた。窒化アルミニウム基板を人力で破断して得られた破断面についてＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で倍率２０００倍の拡大写真を撮り、この写真上に、破断面における５０μｍ×５０μｍの矩形の測定範囲を形成し、この測定範囲内に存在するＡｌＮ結晶粒および複合酸化物結晶粒の粒径を測定し、ＡｌＮ結晶粒の最大値および平均値、ならびに複合酸化物結晶粒の最大径を算出した。

＜粒径１μｍ以上の複合酸化物結晶粒の個数＞
得られた窒化アルミニウム基板について、窒化アルミニウム基板の表面における、粒径１μｍ以上の複合酸化物結晶粒の個数を求めた。窒化アルミニウム基板の表面についてＳＥＭで倍率１０００倍の拡大写真を撮り、この写真上に、基板表面における１００μｍ×１００μｍの矩形の測定範囲を形成し、この測定範囲内に存在する粒径１μｍ以上の複合酸化物結晶粒の個数を求めた。

なお、窒化アルミニウム基板の破断面および表面の拡大写真において、ＡｌＮ結晶粒は灰色に、複合酸化物結晶粒は白色にそれぞれ写るので、拡大写真におけるＡｌＮ結晶粒と複合酸化物結晶粒とは肉眼で識別可能である。

図１に窒化アルミニウム基板の破断面のＳＥＭ観察結果、図２に窒化アルミニウム基板の表面のＳＥＭ観察結果をそれぞれ示す。図１および図２中、白く映っている部分が複合酸化物結晶粒であり、黒く映っている部分がＡｌＮ結晶粒である。

＜相対密度＞
窒化アルミニウム基板につき、（実測値／理論密度）×１００（％）により相対密度を求めた。実測値はアルキメデス法により、理論密度は焼結助剤成分を酸化物換算した値を使う簡易法により求めた。相対密度は９９．７％であった。

＜抗折強度＞
得られた窒化アルミニウム基板について、ＪＩＳ−Ｒ−１６０１に準じてスパン３０ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎの条件で３点曲げ強度を測定し、この値を抗折強度とした。

抗折強度は、焼き上がりのままで研磨していない窒化アルミニウム基板に加え、バフ研磨により表面粗さＲａを１μｍにした窒化アルミニウム基板についても測定した。

＜体積抵抗率＞
焼き上がりのままで研磨していない窒化アルミニウム基板について、ＪＩＳ−Ｃ−２１４１に準じて四端子法で体積抵抗率を測定した。体積抵抗率は１０^１３〜１０^１４Ωｍの範囲内であった。さらに、１μｍ以上の複合酸化物結晶の平均粒径は、いずれも２〜３μｍの範囲内であった。

表１〜表３に、窒化アルミニウム基板の製造条件および測定結果を示す。

（窒化アルミニウム回路基板の作製）
焼き上がりのままで研磨していない窒化アルミニウム基板を用い、この基板の両面に活性金属ろう材（Ａｇ６０質量％−Ｃｕ２４質量％−Ｔｉ２質量％−Ｉｎ１４質量％）を塗布し、塗布面に厚さ０．３ｍｍの銅板を接合して窒化アルミニウム回路基板を作製した。

（窒化アルミニウム回路基板の評価）
＜接合強度＞
得られた窒化アルミニウム回路基板について、窒化アルミニウム基板と銅板との接合強度を測定した。接合強度は、引張試験機を用い、窒化アルミニウム基板から銅板を引き剥がすことにより測定した値である。

表４に、窒化アルミニウム回路基板の接合強度を示す。

［実施例２〜５、比較例１〜２］
製造条件を表１および表２に示すように変えた以外は、実施例１と同様にして窒化アルミニウム基板および窒化アルミニウム回路基板を作製した。なお、実施例２〜５に係る窒化アルミニウム基板の相対密度は９９．３〜９９．８％であった。

なお、比較例２は、ＡｌＮ結晶粒が緻密化せず、充分な強度を有する窒化アルミニウム基板を作製することができなかった。

得られた窒化アルミニウム基板および窒化アルミニウム回路基板について実施例１と同様にして評価した。

得られた窒化アルミニウム基板の焼き上がり面の表面粗さＲａは測定場所によりばらつきがあり、３μｍ〜５μｍの範囲内であった。また、体積抵抗率は１０^１３〜１０^１４Ωｍの範囲内であった。さらに、１μｍ以上の複合酸化物結晶の平均粒径は、いずれも２〜３μｍの範囲内であった。

表１〜表３に、窒化アルミニウム基板の製造条件および測定結果を示す。表４に、窒化アルミニウム回路基板の接合強度を示す。

なお、実施例４では、焼き上がりのままで研磨していない窒化アルミニウム基板を用いた場合に加え、焼き上がりのままで研磨していない窒化アルミニウム基板に代えて、表面を研磨して表面粗さＲａを１μｍにした窒化アルミニウム基板を用いた場合についても窒化アルミニウム回路基板を作製した。

得られた窒化アルミニウム回路基板について研磨していない窒化アルミニウム基板を用いた場合と同様にして評価した。

表４に、窒化アルミニウム回路基板の接合強度を示す。実施例４において、研磨した窒化アルミニウム基板を用いたデータを、表４に、「実施例４（研磨基板）」と表示した。

表４での、研磨していない窒化アルミニウム基板を用いた通常の実施例４と、研磨した窒化アルミニウム基板を用いた実施例４（研磨基板）との比較より、実施例４の窒化アルミニウム基板は、研磨せずに銅板と接合した場合と、研磨してから銅板と接合した場合とで、窒化アルミニウム回路基板の接合強度に大きな差がないことが分かった。言い換えれば本実施例に係る窒化アルミニウム基板は研磨レスであっても十分に回路基板に適用できることが分かった。

［実施例６〜８］
製造条件を表５に示すように変えた以外は、実施例１と同様にして窒化アルミニウム基板および窒化アルミニウム回路基板を作製した。

得られた窒化アルミニウム基板および窒化アルミニウム回路基板について実施例１と同様にして評価した。なお、実施例６〜８に係る窒化アルミニウム基板の相対密度は９９．２〜９９．６％であった。

表１、表５、表６に、窒化アルミニウム基板の製造条件および測定結果を示す。表７に、窒化アルミニウム回路基板の接合強度を示す。

本実施例（実施例１〜８）に係るＡｌＮ基板は、焼き上がり後の研磨していない状態での抗折強度が４００ＭＰａ以上で、体積抵抗率が１０^１２Ωｍ以上であることが分かった。

［実施例９〜１１］
＜脱脂工程＞
平均粒径０．７μｍのＡｌＮ粉末を９７質量％と、平均粒径１．２μｍのＹ_２Ｏ_３粉末を３質量％とをエタノール中に投入して混合し、さらにＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を加えてスラリーを調製した。次に、このスラリーから、ドクターブレード法によりグリーンシートを成形した。得られたグリーンシートを切断して５０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍのシート状の第１成形体を作製した。第１成形体を大気中、５００℃で５時間加熱して脱脂し、第２成形体を得た。

次に表８に示す条件で第１焼結工程および第２焼結工程を連続で行い、窒化アルミニウム基板を得た。

得られた基板の厚さは０．６ｍｍであった。また、得られた窒化アルミニウム基板について実施例１と同様の測定を行った。その結果を表９に示す。

また、抗折強度は、焼き上がりのままで研磨していない窒化アルミニウム基板に加え、バフ研磨により表面粗さＲａを１μｍまたは０．５μｍにした窒化アルミニウム基板についても測定した。

表から分かる通り、第１焼結工程と第２焼結工程を連続して行うときに所定の昇温速度で管理したものは焼き上がり状態でも優れた抗接強度が得られた。また、体積抵抗率は１０^１３〜１０^１４Ωｍの範囲内であった。さらに、１μｍ以上の複合酸化物結晶の平均粒径は、いずれも２〜３μｍの範囲内であった。

（窒化アルミニウム回路基板の作製）
次に、活性金属ろう材として、Ａｇ６７質量％−Ｃｕ２０質量％−Ｉｎ１０質量％−Ｔｉ３質量％のろう材を用いた以外は、実施例１と同様にして、窒化アルミニウム基板と銅板とを接合して窒化アルミニウム回路基板を作製した。得られた窒化アルミニウム回路基板について、実施例１と同様の方法で接合強度を求めた。その結果を表１０に示す。

実施例にかかる窒化アルミニウム回路基板は優れた接合強度が得られた。

以上のように、本実施例に係るＡｌＮ回路基板は接合強度も良好であることが分かった。特に熱伝導率１６０〜１９０Ｗ／ｍ・Ｋの窒化アルミニウム基板において研磨レスであっても優れた接合強度が得られる回路基板を提供することができる。接合強度が高いことから半導体素子を搭載した半導体装置の信頼性も向上させることができる。

Claims

複数個の窒化アルミニウム結晶粒と、この窒化アルミニウム結晶粒の粒界に存在し、希土類元素とアルミニウムとを含む複合酸化物結晶粒と、を備えた多結晶体からなり、窒化アルミニウムを主成分とする窒化アルミニウム基板であって、
上記窒化アルミニウム基板に対する希土類元素の含有量が、希土類酸化物換算量で３質量％〜６質量％であり、
上記窒化アルミニウム基板の熱伝導率が１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、相対密度が９９％以上であり、
上記窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径が１０μｍ以下であり、
上記複合酸化物結晶粒の最大粒径が上記窒化アルミニウム結晶粒の最大粒径よりも小さく、上記複合酸化物結晶粒の平均粒径が２〜３μｍであり、
上記窒化アルミニウム基板を表面観察した１００μｍ×１００μｍの視野中に、上記複合酸化物結晶粒の１μｍ以上のものが４０個以上７０個以下であり、
焼き上がり後の研磨していない状態での抗折強度が４００ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下であり、体積抵抗率が１０^１２Ωｍ以上であることを特徴とする窒化アルミニウム基板。
前記窒化アルミニウム結晶粒の平均粒径が３μｍ〜９μｍであることを特徴とする請求項１に記載の窒化アルミニウム基板。
請求項１または２に記載の窒化アルミニウム基板の表面に、導体部を設けたことを特徴とする窒化アルミニウム回路基板。
前記導体部が、活性金属ろう材層を介して金属板を接合したものであることを特徴とする請求項３記載の窒化アルミニウム回路基板。
請求項３または請求項４に記載の窒化アルミニウム回路基板の導体部に半導体素子を搭載したことを特徴とする半導体装置。
表面粗さＲａを１μｍ以下に研磨したときに、抗折強度が４５０ＭＰａ以上５５０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化アルミニウム基板。
希土類元素がイットリウムであることを特徴とする請求項１に記載の窒化アルミニウム基板。
窒化アルミニウム基板中のＳｉの含有量は、Ｓｉ単体の質量換算で５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化アルミニウム基板。