DE102012012620A1

DE102012012620A1 - Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102012012620A1
Application number: DE201210012620
Authority: DE
Inventors: Mitsutaka Takahashi; Osamu Matsumoto
Original assignee: Maruwa Co Ltd
Current assignee: Maruwa Co Ltd
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2013-01-03
Also published as: JP2013032265A; CN102850043A

Abstract

Ein gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung, das einen hohen Grad der Wärmeleitfähigkeit und Biegefestigkeit aufweist, und ein Verfahren zur vorteilhaften Herstellung desselben. Das gesinterte Substrat wird durch Brennen einer Materialzusammensetzung erhalten, die kein Sinterhilfsmittel enthält und aus 2 bis 15 Gew.-% ZrO2, 0,01 bis 1 Gew.-% Y2O3 und als Rest Al2O3 besteht, und es weist Eigenschaften auf, die einen durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von Al2O3 von größer als 2 μm und nicht größer als 7 μm, eine Länge einer Korngrenze, bei der Körner von Al2O3 direkt miteinander in Kontakt sind, von mindestens 60% einer Korngrenzengesamtlänge, eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 30 W/m·K und eine Biegefestigkeit von mindestens 500 MPa umfassen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zu dessen Herstellung, und insbesondere ein gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung, wie z. B. ein Leistungstransistormodul, bei dem Halbleiterchips auf dem Substrat durch Löten oder ein anderes Bindungsmittel montiert werden, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Stand der Technik
Herkömmlich werden drei Arten von Keramiksubstraten, nämlich ein Aluminiumoxid (Al₂O₃)-Substrat, ein Aluminiumnitrid (AlN)-Substrat und ein Siliziumnitrid (Si₃N₄)-Substrat, für Halbleitervorrichtungen, wie z. B. Leistungstransistormodule, wie z. B. Inverter und Wandler, als isolierte Substrate verwendet, auf denen Halbleiterchips montiert werden. Diese Keramiksubstrate wirken auch als Wärmeableitungs- oder -abstrahlungssubstrate. Zur Ausübung dieser Funktion wird ein Metallblech, wie z. B. ein dünnes Kupferblech (Cu-Blech) oder ein dünnes Aluminiumblech (Al-Blech) in Form einer Folie an mindestens eine der Oberflächen des Substrats gebunden. Wenn das Keramiksubstrat erwärmt wird, wird aufgrund einer Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und dem Metallblech eine starke Belastung auf das Substrat ausgeübt. Diesbezüglich sollte insbesondere beachtet werden, dass eine seit kurzem bestehende Tendenz zu einer Energieversorgung der Halbleiterchips der Halbleitervorrichtung mit einer hohen Spannung und einem starken Strom erfordert, dass das Keramiksubstrat der hohen Belastung widerstehen muss, so dass das Keramiksubstrat ein hohes Maß an Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweisen muss.
Von den drei Arten von Keramiksubstraten, die vorstehend beschrieben worden sind, weisen das AlN-Substrat und das Si₃N₄-Substrat nicht nur ein Problem dahingehend auf, dass die Materialkosten hoch sind, sondern auch ein Problem dahingehend, dass bei dem Bindungsschritt des Metallblechs eine spezielle Kontrolle erforderlich ist. Andererseits wird das Al₂O₃-Substrat aufgrund von dessen niedrigen Materialkosten verbreitet als Mehrzwecksubstrat verwendet, jedoch sind dessen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit als Keramiksubstrat für eine Halbleitervorrichtung, die einer Energieversorgung mit einer hohen Spannung und einem starken Strom unterzogen wird, unzureichend.
JP-A-2000-344569 offenbart einen hochfesten gesinterten Aluminiumoxidkörper, der Zirkoniumoxid enthält, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, bei dem ein Ausgangsmaterialpulver durch Beschichten der Oberflächen von Aluminiumoxidteilchen mit einem Zr-Al-Hydroxid hergestellt wird und das hergestellte Ausgangsmaterialpulver kalziniert wird, wobei ein Materialpulver erhalten wird, bei dem die Oberflächen der Aluminiumoxidteilchen mit Zirkoniumoxid mit einem tetragonalen Kristallsystem und/oder einem kubischen Kristallsystem beschichtet sind. Das Materialpulver wird zu einer vorgegebenen Form ausgebildet und dann gebrannt, wobei der hochfeste gesinterte Aluminiumoxidkörper erhalten wird, der einen durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von Zirkoniumoxid von 0,1 bis 1,0 μm, einen durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von Aluminiumoxid von 0,5 bis 2,0 μm und eine Oberflächenrauhigkeit (Ra) von 0,2 μm oder weniger aufweist. JP-A-2000-344569 offenbart einige Beispiele des gesinterten Aluminiumoxidkörpers, deren Biegefestigkeit 700 MPa übersteigt, zeigt jedoch nicht deren Wärmeleitfähigkeit und spezifische technische Mittel zur Verbesserung von deren Wärmeleitfähigkeit, da die offenbarten Beispiele des gesinterten Aluminiumoxidkörpers für Gleitelemente, Zerkleinerungselemente, Schneidwerkzeuge und Schleifwerkzeuge, wie z. B. Lagerwälzkörper und Kolbenstangen, verwendet werden sollen.
JP-A-8-195450 offenbart ein Substrat für eine Halbleitervorrichtung, ein Substrat in der Form eines Körpers, das Aluminiumoxid als eine Hauptkomponente und geeignete Mengen von Zirkoniumoxid und Additiven, wie z. B. Yttriumoxid, enthält, und das bei einer hohen Temperatur gebrannt wird. Das Substrat weist einen höheren Grad der Biegefestigkeit und einen viel höheren Grad der Wärmeleitfähigkeit auf als ein Keramiksubstrat, das nur aus Aluminiumoxid hergestellt ist, wobei insbesondere dessen Wärmeleitfähigkeit 40 W/m·K beträgt und dessen Biegefestigkeit 400 MPa beträgt.
Obwohl das Substrat eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist jedoch dessen Biegefestigkeit von 400 MPa lediglich mit derjenigen eines Mehrzwecksubstrats aus 96% Al₂O₃ identisch, und dieses Substrat ist bezüglich dessen Herstellungskosten nicht vorteilhaft. Um zu ermöglichen, dass das hochfeste Substrat einen hohen Grad der Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist es erforderlich, das Wachstum von Al₂O₃-Kristallkörnern zu fördern, wodurch die Korngrenzenglasschichten, welche die Wärmeleitfähigkeit senken, vermindert werden. Ein anomales Wachstum von Al₂O₃-Kristallkörnern, das einfach stattfinden kann, ist jedoch ein fataler Faktor was die Verminderung der Festigkeit des Substrats angeht. Daher waren Al₂O₃-Substrate, die sowohl eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit als auch eine verbesserte Biegefestigkeit aufweisen, bisher nicht verfügbar, und es besteht ein Bedarf für die Bereitstellung eines Substrats, das beide dieser Eigenschaften aufweist, insbesondere einen Zielwert der Wärmeleitfähigkeit von mindestens 30 W/m·K und einen Zielwert der Biegefestigkeit von mindestens 500 MPa.
Obwohl JP-A-8-195450 auch ein Substrat offenbart, dessen Hauptkomponente Al₂O₃ ist und das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 30 W/m·K aufweist, weist dessen Biegefestigkeit einen niedrigen Wert von etwa 400 MPa auf. Das Keramiksubstrat, das als Wärmeableitungs- oder -abstrahlungssubstrat für eine Halbleitervorrichtung verwendet wird, insbesondere als Wärmeableitungssubstrat mit einer hohen Ableitung, weist üblicherweise ein daran gebundenes, ausreichend dickes Metallblech auf und widersteht keiner hohen Belastung, die während des Erwärmens des Keramiksubstrats aufgrund einer Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und dem Metallblech darauf ausgeübt wird, was zu dem Problem führt, dass es reißt, wenn die Biegefestigkeit des Substrats niedriger als 500 MPa ist.
Die Wärmeleitfähigkeit eines Substrats, dessen Hauptkomponente Al₂O₃ ist, beträgt 1/10 oder weniger der Wärmeleitfähigkeit von Cu, bei dem es sich um das Material des daran gebundenen Metallblechs handelt, und es trägt zu etwa 50% des Wärmewiderstands der gesamten Halbleitervorrichtung als Ganzes bei. Daher hängt der Wärmewiderstand der gesamten Halbleitervorrichtung von der Wärmeleitfähigkeit des Substrats ab. Demgemäß ist eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats die effektivste Lösung zur Verbesserung der Wärmeableitungs- oder -abstrahlungseigenschaften der Halbleitervorrichtung. Das Al₂O₃-Substrat, das eine Biegefestigkeit von mindestens 500 MPa aufweist, die ausreichend ist, um dem Binden des Metallblechs an das Substrat zu widerstehen, weist eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 30 W/m·K auf. Wenn die Wärmeleitfähigkeit des Al₂O₃-Substrats so verbessert werden kann, dass sie 30 W/m·K oder mehr beträgt, während die Biegefestigkeit von mindestens 500 MPa aufrechterhalten wird, ist es möglich, Eigenschaften zu erhalten, die zu denjenigen des AlN-Substrats oder des Si₃N₄-Substrats äquivalent sind. Ein Substrat, dessen Hauptkomponente Al₂O₃ ist und das einen ausreichend hohen Grad der Wärmeleitfähigkeit und Biegefestigkeit aufweist, kann mit einem Metallblech mit einer ausreichend großen Dicke ausgestattet werden, was eine Verbesserung der Wärmeableitungseigenschaften der Halbleitervorrichtung ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebene Situation gemacht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, das einen hohen Grad der Wärmeleitfähigkeit von mindestens 30 W/m·K und einen hohen Grad der Biegefestigkeit von mindestens 500 MPa aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, das eine angemessene Herstellung des gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrats für eine Halbleitervorrichtung, das die vorstehend genannten hervorragenden Eigenschaften aufweist, ermöglicht.
Die Aufgabe, wie sie vorstehend angegeben ist oder wie sie sich aus der gesamten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ergibt, kann gemäß einer der folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in den gewünschten Kombinationen ausgeführt werden können, zweckmäßig gelöst werden. Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen oder technischen Merkmale beschränkt ist und in sonstiger Weise gemäß dem Prinzip der Erfindung ausgeführt werden kann, das sich aus der gesamten Beschreibung und der Offenbarung in den Zeichnungen ergibt.

(1) Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung, das aus einem Sinterkörper aufgebaut ist, der durch Brennen einer Materialzusammensetzung erhalten worden ist, die ein Gemisch eines Al₂O₃-Pulvers, eines ZrO₂-Pulvers und eines Y₂O₃-Pulvers oder ein Gemisch eines Al₂O₃-Pulvers und eines ZrO₂-Y₂O₃-Pulvers ist, und die kein Sinterhilfsmittel enthält, wobei der Sinterkörper aus 2 bis 15 Gew.-% ZrO₂, 0,01 bis 1 Gew.-% Y₂O₃ und als Rest Al₂O₃ besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat einen durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von Al₂O₃ von größer als 2 μm und nicht größer als 7 μm, eine Länge einer Korngrenze, bei der Körner von Al₂O₃ direkt miteinander in Kontakt sind, von mindestens 60% einer Korngrenzengesamtlänge, eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 30 W/m·K und eine Biegefestigkeit von mindestens 500 MPa aufweist.
(2) Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach der vorstehend beschriebenen Ausführungsform (1), wobei der vorstehend beschriebene durchschnittliche Kristallkorndurchmesser von Al₂O₃ innerhalb eines Bereichs von 2,5 bis 4,5 μm liegt.
(3) Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach der vorstehend beschriebenen Ausführungsform (1) oder (2), wobei mindestens 80 mol-% ZrO₂ in dem vorstehend beschriebenen Sinterkörper ein tetragonales Kristallsystem aufweisen.
(4) Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen (1) bis (3), wobei der durchschnittliche Kristallkorndurchmesser von ZrO₂ in dem vorstehend beschriebenen Sinterkörper innerhalb eines Bereichs von 0,5 bis 2 μm liegt.
(5) Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen (1) bis (4), wobei der vorstehend beschriebene Sinterkörper eine Sinterdichte von mindestens 3,70 g/cm³ aufweist.
(6) Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen (1) bis (5), wobei der vorstehend beschriebene Sinterkörper eine Oberflächenrauhigkeit (Ra) von nicht größer als 0,3 μm aufweist.
(7) Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen (1) bis (6), das eine Dicke innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 1 mm aufweist.
(8) Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen (1) bis (7), das mit einem Kupfer- oder Aluminiumblech ausgestattet ist, das an mindestens eine der Oberflächen des Substrats gebunden ist.
(9) Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen (1) bis (8), wobei das vorstehend beschriebene ZrO₂-Y₂O₃-Pulver ein partiell stabilisiertes Zirkoniumoxidpulver ist, bei dem Y₂O₃ in dem Zustand einer festen Lösung in ZrO₂ vorliegt.
(10) Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Alu miniumoxid-Zirkoniumoxid-Substrats für eine Halbleitervorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen (1) bis (9), dadurch gekennzeichnet, dass es das Brennen einer Materialzusammensetzung umfasst, die ein Gemisch eines Al₂O₃-Pulvers, eines ZrO₂-Pulvers und eines Y₂O₃-Pulvers oder ein Gemisch eines Al₂O₃-Pulvers und eines ZrO₂-Y₂O₃-Pulvers ist, und die kein Sinterhilfsmittel enthält, derart, dass die Temperaturanstiegsrate der Materialzusammensetzung innerhalb eines Bereichs von 1200°C bis zu einer höchsten Temperatur zwischen 1600°C und 1700°C niedriger ist als die Temperaturanstiegsrate innerhalb eines Bereichs von 500°C bis 1200°C.

Das erfindungsgemäße gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat ist aus dem Sinterkörper aufgebaut, der aus Al₂O₃, ZrO₂ und Y₂O₃ in den vorstehend beschriebenen Gewichtsprozentwerten besteht und der durch einen Brennvorgang in einem Sinterzustand erhalten wird, der angemessen ist, um eine angemessene Verteilung von Al₂O₃-Körnern (Kristallkörnern) und ZrO₂-Körnern (Kristallkörnern) sicherzustellen, und um ein anomales Wachstum der Kristallkörner zu verhindern, und wobei der Sinterkörper eine Mikrostruktur aufweist, bei der sich die ZrO₂-Körner an Korngrenzentripelpunkten der Al₂O₃-Körnern befinden, d. h., die eine große Oberfläche des gegenseitigen Kontakts der Al₂O₃-Körner aufweist. Erfindungsgemäß kann ein billiges Al₂O₃-Substrat zu dem gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat mit einem höheren Grad sowohl der Wärmeleitfähigkeit als auch der Biegefestigkeit verbessert werden.
Der hohe Grad der Wärmeleitfähigkeit und der Festigkeit des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrats ermöglicht die Verwendung des vorliegenden Substrats als ein dünnes Substrat, auf das Halbleiterchips montiert werden, und daher die Verwendung für eine kleine Halbleitervorrichtung, die verbesserte Wärmeableitungs- oder -abstrahlungseigenschaften und eine erhöhte Stromkapazität aufweist und die demgemäß einem Bedarf für einen Betrieb bei einer hohen Spannung und einem starken Strom genügen kann.
Ferner kann das gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat der vorliegenden Erfindung, das den hohen Grad der Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit aufweist, für viele verschiedene Halbleitervorrichtungen verwendet werden, wie z. B. Leistungstransistormodule, die dazu neigen, aufgrund eines Hochleistungsbetriebs eine große Wärmemenge zu erzeugen, insbesondere z. B. für einen Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine rasterelektronenmikroskopische (SEM) Photographie, die eine Struktur eines Beispiels eines erfindungsgemäßen gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrats zeigt, und
2 ist ein Graph, der Beziehungen der Wärmeleitfähigkeit und der Biegefestigkeit des gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrats sowie die Zugabemenge von partiell stabilisiertem Zirkoniumoxid zeigt, das zur Herstellung von Beispielen des erfindungsgemäßen Substrats verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat (Sinterkörper) besteht nur aus Al₂O₃, ZrO₂ und Y₂O₃ und umfasst im Wesentlichen keine Sinterhilfsmittel, wie z. B. SiO₂, MgO und CaO, wie sie in herkömmliche bekannte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrate einbezogen sind. Dabei wird der Ausdruck „umfasst im Wesentlichen keine” so ausgelegt, dass er bedeutet, dass das gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat gemäß dem Prinzip dieser Erfindung eine Spur von Verunreinigungen enthalten kann, die von dem Material stammen und unvermeidbar in dem Verfahren zur Herstellung des gesinterten Substrats in das gesinterte Substrat einbezogen werden. In dem gesinterten Substrat liegt Y₂O₃ in dem Zustand einer festen Lösung in ZrO₂ vor, so dass ein partiell stabilisiertes ZrO₂ vorliegt, und ein Hauptteil des partiell stabilisierten Zirkoniumoxids liegt als Kristallkörner an den Korngrenzentripelpunkten von Al₂O₃ vor. Daher liegen die Sinterhilfsmittel, die als Substanzen mit einem Wärmewiderstand wirken, nicht an der Korngrenze des gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrats nach dessen Sintern vor, so dass Al₂O₃-Kristallkörner in direktem Kontakt miteinander gehalten werden.
Das erfindungsgemäße gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat, das vorstehend beschrieben worden ist, umfasst Al₂O₃ als dessen Hauptkomponente und umfasst 2 bis 15 Gew.-% ZrO₂ zur Erhöhung von dessen Festigkeit. Wenn der Gehalt von ZrO₂ weniger als 2 Gew.-% beträgt, ist es nicht möglich, ein anomales Kornwachstum der Al₂O₃-Kristallphase während des Sinterns zu verhindern und es ist schwierig, einen ausreichend hohen Grad der Festigkeit des Substrats zu erhalten. Wenn der Gehalt von ZrO₂ andererseits mehr als 15 Gew.-% beträgt, wird die Wärmeleitfähigkeit des gesinterten Substrats vermindert und eine große Menge von ZrO₂ ist in dem Al₂O₃-Kristall verteilt, was zu einem Problem einer Verschlechterung der Eigenschaften des Aluminiumoxidkristallkörpers führt.
Y₂O₃, das zusammen mit ZrO₂ enthalten ist, wirkt als Mittel zum partiellen Stabilisieren von ZrO₂ und als Komponente zur Erhöhung der Festigkeit des gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrats und zur Verbesserung des Sintervermögens eines Sinterkörpers, der das Substrat ergibt. Der Gehalt von Y₂O₃ liegt innerhalb eines Bereichs von 0,01 bis 1 Gew.-%. Wenn der Gehalt von Y₂O₃ weniger als 0,01 Gew.-% beträgt, ist es schwierig, eine ausreichende partielle Stabilisierung von ZrO₂ durchzuführen, was zu einem Problem einer Verminderung der Festigkeit des Substrats und einem Problem der Verschlechterung des Sintervermögens führt. Wenn der Gehalt von Y₂O₃ andererseits mehr als 1 Gew.-% beträgt, wird ZrO₂ vollständig stabilisiert, was zu einem Problem der Verminderung der Festigkeit des Substrats und einem Problem der Förderung eines anomalen Kornwachstums von Al₂O₃ führt, was auch die Festigkeit des Substrats vermindert.
Erfindungsgemäß wird ein Körper, der aus den vorstehend beschriebenen Bestandteilen von ZrO₂ und Y₂O₃ und Al₂O₃ als Rest besteht, in der Abwesenheit von herkömmlich verwendeten Sinterhilfsmitteln gesintert, während das Wachstum von Al₂O₃-Kristallkörnern so kontrolliert wird, dass das Wachstum einer Sinterhilfsmittelphase und die Bildung von Poren, die als Wärmewiderstände wirken, effektiv verhindert werden, so dass dem gesinterten Substrat ein hoher Festigkeitsgrad verliehen wird. Dieser hohe Festigkeitsgrad kann selbst in der Abwesenheit von Sinterhilfsmitteln erhalten werden, und zwar aufgrund eines Korngrenzenreißens anstelle eines intergranulären Reißens als Ergebnis der Verminderung einer Phase mit geringer Festigkeit der Sinterhilfsmittel, die in der Korngrenze vorliegt, und der Verhinderung eines anomalen Wachstums der Al₂O₃-Körner in der Abwesenheit von Sinterhilfsmitteln. Wenn andererseits Sinterhilfsmittel zugesetzt werden, kann der hohe Festigkeitsgrad nicht erhalten werden, da der Al₂O₃-Kristallkorndurchmesser zunimmt und die Homogenität der Form der Al₂O₃-Kristallkörner vermindert wird. Ferner erzeugt die Zugabe der Sinterhilfsmittel die Sinterhilfsmittelphase und Poren, so dass die Wärmeleitfähigkeit vermindert wird. Die Wärmeleitfähigkeit der Sinterhilfsmittel, die herkömmlichen Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substraten zugesetzt sind, ist extrem niedrig, und wenn die Sinterhilfsmittel an der Al₂O₃-Korngrenze vorliegen, verursachen sie eine starke Verminderung der Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrats.
Die Al₂O₃-Kristallkörner des Sinterkörpers, der das erfindungsgemäße gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat ergibt, dienen dazu, aufgrund ihrer homogenen Verteilung das Substrat mit einem höheren Grad an Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit auszustatten. Der durchschnittliche Kristallkorndurchmesser von Al₂O₃ wird so eingestellt, dass er größer als 2 μm und nicht größer als 7 μm ist, insbesondere innerhalb eines Bereichs von 2,5 bis 4,5 μm. Wenn der durchschnittliche Kristallkorndurchmesser von Al₂O₃ nicht größer als 2 μm ist, weist der Sinterkörper keine ausreichend dichte Struktur auf, was zu einem Problem einer Verminderung der Festigkeit und der Wärmeleitfähigkeit führt. Wenn der durchschnittliche Kristallkorndurchmesser von Al₂O₃ andererseits größer als 7 μm ist, weist der Kristallkorndurchmesser eine große Variation auf, was zu einer unzureichenden Homogenität der Kristallkörner führt, was ein Problem der Verminderung der Festigkeit des Sinterkörpers verursacht.
1 zeigt ein Beispiel der rasterelektronenmikroskopischen (SEM) Photographie einer Kristallstruktur des Sinterkörpers, der das erfindungsgemäße gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat ergibt. Wie es aus der 1 ersichtlich ist, umfasst die Kristallstruktur: eine ZrO₂-Korngrenze 1, bei der die Al₂O₃-Kristallkörner und die ZrO₂-Kristallkörner miteinander in Kontakt sind, eine Al₂O₃-Korngrenze 2, bei der die Al₂O₃-Kristallkörner direkt miteinander in Kontakt sind, eine erste Porenkorngrenze 3, bei der die Al₂O₃-Kristallkörner und die Poren, die innerhalb der Korngrenze vorliegen, miteinander in Kontakt sind, und eine zweite Porenkorngrenze 4, bei der die ZrO₂-Kristallkörner und die Poren, die innerhalb der Korngrenze vorliegen, miteinander in Kontakt sind. Die Länge der Al₂O₃-Korngrenze 2 bezogen auf die Gesamtlänge der vier Korngrenzen (Korngrenzengesamtlänge) hängt von dem Gehalt von ZrO₂ und der Sinterdichte ab. Die relative Länge der Al₂O₃-Korngrenze 2 nimmt mit einer Zunahme des Gehalts von ZrO₂ ab und nimmt mit einer Zunahme der Menge von ZrO₂, das an den Korngrenzentripelpunkten vorliegt, und mit einer Abnahme der Anzahl der Poren, die innerhalb des Sinterkörpers ausgebildet sind, zu.
Erfindungsgemäß wird die Länge der Al₂O₃-Korngrenze 2, nämlich die Länge der Korngrenze, bei der die Al₂O₃-Kristallkörner direkt miteinander in Kontakt sind, so eingestellt, dass sie mindestens 60% der Korngrenzengesamtlänge beträgt, so dass die Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit des Substrats aufgrund der homogenen Verteilung von ZrO₂-Kristallkörnern zunehmen. Wenn die Länge der Al₂O₃-Korngrenze 2 weniger als 60% der Korngrenzengesamtlänge beträgt, werden die Längen der ZrO₂-Korngrenze 1, der ersten Porenkorngrenze 3 und der zweiten Porenkorngrenze 4 erhöht, was es erschwert, die gewünschten Grade der Biegefestigkeit und der Wärmeleitfähigkeit zu verwirklichen.
Die Länge jeder der vorstehend beschriebenen Korngrenzen, d. h. der ZrO₂-Korngrenze 1, der Al₂O₃-Korngrenze 2, der ersten Porenkorngrenze 3 und der zweiten Porenkorngrenze 4, kann durch Messen von drei zweidimensionalen elektronischen Bildern in Flächen von 20 μm × 25 μm, die bei 5000-facher Vergrößerung durch ein Rasterelektronenmikroskop bei ausgewählten drei Punkten auf einer Oberfläche des gesinterten Substrats (Sinterkörpers) aufgenommen worden sind, das spiegelglanzpoliert poliert worden ist und auf dem die Korngrenzen durch eine thermische Ätzbehandlung bei 1500°C freigelegt worden sind, mittels der Bildanalysesoftware WinROOF erhalten werden. Ein Al₂O₃-Korngrenzenanteil, nämlich der Anteil der Länge der Al₂O₃-Korngrenze 2 an der Korngrenzengesamtlänge wird auf der Basis der gemessenen vier Korngrenzenlängen berechnet. Der Al₂O₃-Korngrenzenanteil ist der Anteil der Gesamtlänge der Al₂O₃-Korngrenze 2 an der Summe der Gesamtlänge der Al₂O₃-Korngrenze 2, der Gesamtlänge der ZrO₂-Korngrenze 1, der Gesamtlänge der ersten Porenkorngrenze 3 und der Gesamtlänge der zweiten Porenkorngrenze 4, wobei die Korngrenzen in den vorstehend beschriebenen Flächen von 20 μm × 25 μm vorliegen. Der kleinste der drei Werte, die an den vorstehend beschriebenen drei Punkten erhalten werden, wird als Al₂O₃-Korngrenzenanteil des Substrats festgelegt.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, werden dem gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat, das aus dem Sinterkörper aufgebaut ist, der Al₂O₃ als dessen Hauptteil umfasst und einen geeigneten Gehalt von ZrO₂ und Y₂O₃ umfasst, durch Einstellen des durchschnittlichen Kristallkorndurchmessers von Al₂O₃ auf größer als 2 μm und nicht größer als 7 μm und Einstellen der Korngrenzenlänge des direkten Kontakts der Al₂O₃-Kristallkörner auf mindestens 60% der Korngrenzengesamtlänge in vorteilhafter Weise hervorragende Eigenschaften verliehen, nämlich eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 30 W/m·K und eine Biegefestigkeit von mindestens 500 MPa. Insbesondere verbessert die Wärmeleitfähigkeit von mindestens 30 W/m·K, die dem Substrat verliehen wird, die Wärmeableitungs- oder -abstrahlungs-eigenschaften des Substrats und folglich die Wärmeableitungs- oder -abstrahlungs-eigenschaften eines Moduls, in welches das Substrat einbezogen ist. Ferner ermöglicht es die Biegefestigkeit von mindestens 500 MPa, die dem Substrat verliehen wird, die Dicke des Substrats zu vermindern und die Festigkeit des Substrats ausreichend zu erhöhen, so dass es einer Belastung widerstehen kann, die während des Bindens eines Metallblechs an das Substrat darauf ausgeübt wird, was stark zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit des Moduls beiträgt. Wenn die Wärmeleitfähigkeit weniger als 30 W/m·K beträgt, kann das Modul nicht als Leistungsmodul verwendet werden, das einer hohen Belastung ausgesetzt ist. Wenn die Biegefestigkeit weniger als 500 MPa beträgt, kann das Substrat während des Bindens des Metallblechs an das Substrat reißen.
Bei dem erfindungsgemäßen gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat (Sinterkörper) ist es bevorzugt, dass mindestens 80 mol-% des ZrO₂ ein tetragonales Kristallsystem aufweisen. Ein Phasenübergang von dem tetragonalen ZrO₂-Kristall zu einem monoklinen ZrO₂-Kristall findet beim Aussetzen gegenüber einer externen Belastung statt, während eine Reißenergie absorbiert wird, was es ermöglicht, das Risiko eines Reißens des Substrats effektiv zu vermindern. Wenn weniger als 80 mol-% des ZrO₂ das tetragonale Kristallsystem aufweisen, kann der tetragonale ZrO₂-Kristall die externe Belastung nur schwer ausreichend absorbieren, wodurch das Risiko besteht, dass kein ausreichend hoher Festigkeitsgrad erhalten werden kann.
Es ist auch bevorzugt, dass der durchschnittliche Kristallkordurchmesser von ZrO₂ in dem Sinterkörper innerhalb eines Bereichs von 0,5 bis 2 μm hegt, um die Festigkeit des Substrats aufgrund einer homogenen Verteilung der ZrO₂-Kristallkörner zu verbessern. Um einen durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von ZrO₂ von weniger als 0,5 μm zu erhalten, muss die Teilchengröße des Materialpulvers beträchtlich klein gemacht werden, was zu einem Problem einer Verschlechterung der Formbarkeit des Pulvers zu einem Flächenkörper führt. Wenn der durchschnittliche Kristallkorndurchmesser von ZrO₂ mehr als 2 μm beträgt, ist es schwierig, die Homogenität von ZrO₂ in dem Sinterkörper aufrecht zu erhalten, was zu einem Problem der Verschlechterung der Eigenschaften des Sinterkörpers und zu einem Problem dahingehend führt, dass es schwierig ist, einen hohen Festigkeitsgrad des Sinterkörpers zu erhalten.
Es ist bevorzugt, dass der Sinterkörper, der das vorstehend beschriebene gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat bildet, in geeigneter Weise zu einer ausreichend dichten Struktur gesintert wird, die im Allgemeinen eine Sinterdichte von mindestens 3,70 g/cm³ aufweist. Wenn die Sinterdichte übermäßig gering ist, weist der Sinterkörper eine unzureichend dichte Struktur und viele Poren auf, was zu einem Problem einer Verminderung der Wärmeleitfähigkeit und der Festigkeit führt. Da eine übermäßige Zunahme der Dichte des Sinterkörpers ein anomales Wachstum der Al₂O₃-Kristallkörner verursacht, ist es im Allgemeinen bevorzugt, dass die Obergrenze der Sinterdichte etwa 4,15 g/cm³ beträgt.
Es ist auch bevorzugt, dass die Oberflächenrauhigkeit (Ra) des gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrats nicht größer als 0,3 μm ist, um ein Reißen des Substrats, das durch eine Konzentration einer externen Belastung verursacht wird, effektiv zu verhindern. Wenn ein anomales Wachstum der Al₂O₃-Kristallkörner stattfindet, übersteigt die Oberflächenrauhigkeit (Ra) 0,3 μm, was zu einer Verminderung der Festigkeit des Substrats führt.
Es ist bevorzugt, dass die Dicke des gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrats im Allgemeinen innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 1,0 mm liegt, um den Wärmewiderstand zu vermindern und die Wärmeableitungs- oder -abstrahlungseigenschaften des Moduls zu verbessern. Wenn die Dicke des Substrats weniger als 0,1 mm beträgt, kann das Substrat der externen Belastung nicht widerstehen und kann leicht Risse bilden, was zu einem Risiko dahingehend führt, dass die Zuverlässigkeit des Substrats vermindert wird. Wenn die Dicke größer als 1,0 mm ist, weist das Substrat eine Zunahme des Wärmewiderstands auf, was zu dem Risiko einer Verschlechterung von dessen Wärmeableitungs- oder -abstrahlungseigenschaften führt.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrats wird zunächst eine Materialzusammensetzung hergestellt, die aus einem Gemisch eines Al₂O₃-Pulvers, eines ZrO₂-Pulvers und eines Y₂O₃-Pulvers oder einem Gemisch des Al₂O₃-Pulvers und eines ZrO₂-Y₂O₃-Pulvers zusammengesetzt ist, und die kein Sinterhilfsmittel enthält. Das ZrO₂-Y₂O₃-Pulver wird durch Zerkleinem eines gebrannten Körpers, der durch Brennen eines Gemischs des ZrO₂-Pulvers und des Y₂O₃-Pulvers erhalten worden ist, hergestellt. Es ist im Allgemeinen bevorzugt, das ZrO₂-Y₂O₃-Pulver zu verwenden, bei dem das ZrO₂-Pulver partiell durch Y₂O₃ stabilisiert ist, das in dem Zustand einer festen Lösung in ZrO₂ vorliegt. Angemessene Mengen eines grenzflächenaktiven Mittels als Dispergiermittel und eines organischen Lösungsmittels als Dispergiermedium werden dem vorstehend beschriebenen Pulvergemisch zugesetzt und das so erhaltene Gemisch wird zu einem Pulver zerkleinert, dessen Keramikkomponente einen durchschnittlichen Gesamtkorndurchmesser von etwa 0,5 bis 2 μm aufweist. Dann werden ein Bindemittel, ein Plastifiziermittel und ein organisches Lösungsmittel zugesetzt und das so erhaltene Gemisch wird gerührt, so dass eine Aufschlämmung zur Bildung eines Flächenkörpers hergestellt wird.
Dann wird aus der erhaltenen Aufschlämmung durch ein herkömmliches Flächenkörperformverfahren, wie z. B. ein Rakelverfahren, ein Grünflächenkörper hergestellt. Der Grünflächenkörper wird durch einen Pressvorgang zu einer vorgegebenen Form geformt, so dass ein geformter ebener Grünkörper (Substratvorstufe) erhalten wird.
Der geformte Grünkörper wird gebrannt, so dass das gewünschte gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat gebildet wird. Erfindungsgemäß wird dieser Brennvorgang im Hinblick auf die Tatsache, dass der Brennvorgang den durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von Al₂O₃ und die Länge der Korngrenze, bei welcher die Al₂O₃-Körner direkt miteinander in Kontakt sind, bestimmt, vorteilhaft in der folgenden Weise durchgeführt.
Der geformte Grünkörper wird mit einem herkömmlichen Verfahren langsam auf eine Temperatur von etwa 500°C erwärmt, um das Lösungsmittel, das Bindemittel und das Plastifiziermittel von dem geformten Grünkörper zu entfernen. Dann wird der geformte Grünkörper mit einer Rate von etwa 200 bis 250°C/Stunde auf 1200°C erwärmt und anschließend auf eine höchste Temperatur zwischen 1600°C und 1700°C erwärmt, so dass die Temperaturanstiegsrate innerhalb eines Bereichs von 1200°C bis zu der höchsten Temperatur niedriger ist als die Temperaturanstiegsrate innerhalb eines Bereichs von 500°C bis 1200°C, vorzugsweise bei einer Rate von nicht mehr als 150°C/Stunde, mehr bevorzugt nicht mehr als 120°C/Stunde und insbesondere 80 bis 100°C/Stunde. Durch Einstellen des Brennvorgangs des geformten Grünkörpers in der vorstehend beschriebenen Weise ist es möglich, den gewünschten durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von Al₂O₃ und die Korngrenzenlänge des direkten Kontakts von Al₂O₃-Körnern erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise zu verwirklichen. Durch Halten der Temperatur des gesinterten Substrats bei der höchsten Temperatur für eine vorgegebene Zeitdauer, im Allgemeinen etwa 1 bis 3 Stunden, kann dem gesinterten Substrat, das aus dem geformten Grünkörper erhalten wird, erfindungsgemäß eine ausreichend dichte Struktur und ein besserer Zustand der Al₂O₃-Korngrenze verliehen werden. Nachdem die Temperatur des gesinterten Substrats bei der höchsten Temperatur für eine vorgegebene Zeitdauer gehalten worden ist, wird die Temperatur mit einer niedrigen Rate in der herkömmlichen Weise auf einen Bereich gesenkt, bei dem sich das Substrat nicht verformt, und wird dann mit einer Rate, die ausreichend klein ist, so dass ein Reißen des Substrats verhindert wird, auf Raumtemperatur gesenkt.
Obwohl die höchste Temperatur, auf die der geformte Grünkörper bei dem Brennvorgang erwärmt wird, innerhalb des Bereichs von 1600°C bis 1700°C ausgewählt ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird die höchste Temperatur vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 1620 bis 1680°C ausgewählt. Eine höchste Temperatur von weniger als 1600°C führt zu einem unzureichenden Sintern und einer unzureichenden Dichte der Substratstruktur, was zu einem Problem dahingehend führt, dass es schwierig ist, einen hohen Festigkeitsgrad zu erreichen. Im Allgemeinen wird der geformte Grünkörper so gebrannt, dass eine Sinterdichte von mindestens 3,70 g/cm³ erhalten wird. Eine höchste Temperatur bei dem Brennvorgang von mehr als 1700°C führt zu einer Förderung eines anomalen Wachstums der Al₂O₃-Körner, was zu einem Problem eines übermäßig hohen Grads der Oberflächenrauhigkeit des Substrats (Sinterkörpers) führt, was eine Konzentration einer externen Belastung verursachen kann, was zu dem Risiko eines Reißens des Substrats führt. Daher stellt eine Erhöhung der Sinterdichte des Substrats nicht notwendigerweise eine ausreichend hohe Festigkeit des Substrats sicher. Demgemäß ist es bevorzugt, dass die Oberflächenrauhigkeit (Ra) des Substrats so eingestellt wird, dass sie 0,3 μm nicht übersteigt.
Das erfindungsgemäße gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat, das durch den vorstehend beschriebenen Brennvorgang erhalten worden ist, wird im Allgemeinen so ausgebildet, dass es eine Dicke von 0,1 bis 1,0 mm aufweist, und es wird mit einem dünnen Kupferblech oder einem dünnen Aluminiumblech in der Form einer Folie versehen, die an mindestens eine von dessen Oberflächen in einer gewöhnlichen Weise gebunden wird, so dass das Substrat für eine Halbleitervorrichtung verwendet wird. Dieses Kupfer- oder Aluminiumblech, das an das Substrat gebunden ist, kann in vorteilhafter Weise die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeableitungs- oder -abstrahlungseigenschaften des Substrats verbessern.
Beispiele
Um die vorliegende Erfindung weiter zu erläutern, werden einige Beispiele der Erfindung beschrieben. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Erfindung nicht auf die Details der veranschaulichten Beispiele und der vorstehenden Beschreibung beschränkt ist, sondern mit verschiedenen Änderungen, Modifizierungen und Verbesserungen ausgeführt werden kann, die der Fachmann in Erwägung zieht, ohne vom Wesen und dem Bereich der Erfindung abzuweichen.

Ein Al₂O₃-Pulver mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser (D₅₀) von 1,7 μm und ein ZrO₂-Y₂O₃-Pulver, das einen durchschnittlichen Korndurchmesser von 0,5 μm aufweist und bei dem 5 Gew.-% Y₂O₃ in dem Zustand einer festen Lösung in ZrO₂ vorliegen, wurden zunächst als Keramikmaterialzusammensetzung hergestellt. Durch Zerkleinem von Magnesit, Kaolin und eines Glases, so dass ein durchschnittlicher Gesamtkorndurchmesser von 2,4 μm erhalten wurde, wurde auch ein Pulvergemisch als Sinterhilfsmittel hergestellt. Durch Zusammenmischen von zwei oder drei Pulvern der vorstehend angegebenen drei Pulverarten in Anteilen, die in der folgenden Tabelle 1 angegeben sind, wurden Materialpulver für die Beispiele 1 bis 4 der Erfindung und die Vergleichsbeispiele 1 bis 7 hergestellt. Tabelle 1

	Materialpulvergehalt [Gewichtsteile]
	Al₂O₃	partiell mit Y₂O₃ stabilisiertes ZrO₂	Sinterhilfsmittel
Beispiel 1	90,0	10	0
Beispiel 2	91,0	9	0
Beispiel 3	93,0	7	0
Beispiel 4	95,0	5	0
Vgl.-Bsp. 1	89,4	10	0,6
Vgl.-Bsp. 2	94,4	5	0,6
Vgl.-Bsp. 3	97,4	2	0,6
Vgl.-Bsp. 4	90,0	10	0
Vgl.-Bsp. 5	91,0	9	0
Vgl.-Bsp. 6	93,0	7	0
Vgl.-Bsp. 7	95,0	5	0

Dann wurde jede der Kombinationen der zwei oder drei Pulverarten, die in der Tabelle 1 angegeben sind, zusammen mit 0,5 Gewichtsteilen eines grenzflächenaktiven Mittels, das als Dispergiermittel verwendet wird, und 20 Gewichtsteilen eines flüssigen Gemischs aus Xylol und Isopropylalkohol, das als Lösungsmittel verwendet wird, pro 100 Gewichtsteile jeder Kombination in eine Kugelmühle eingebracht. Das Pulver, das Dispergiermittel und das Lösungsmittel, die eingebracht worden sind, wurden zerkleinert und miteinander gemischt, so dass das erhaltene Gemisch einen durchschnittlichen Gesamtkorndurchmesser von 1,18 bis 1,52 μm aufwies. Dann wurden 5 Gewichtsteile Polyvinylbutyral als Bindemittel, 3 Gewichtsteile Dioctyladipat als Plastifiziermittel und 20 Gewichtsteile eines flüssigen Gemischs aus Xylol und Isopropylalkohol als Lösungsmittel zusätzlich in die Kugelmühle eingebracht. Der Zerkleinerungs- und Mischvorgang wurde für etwa 12 Stunden fortgesetzt, so dass für jedes der Beispiele 1 bis 4 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 7 eine Aufschlämmung mit einem durchschnittlichen Gesamtkorndurchmesser von 1,18 bis 1,40 μm hergestellt wurde.
Jede der hergestellten Aufschlämmungen wurde durch ein herkömmliches Rakelverfahren zu einem Grünflächenkörper geformt. Die so erhaltenen Grünflächenkörper wurden einem Pressvorgang unterzogen, so dass Grünkörper mit einer vorgegebenen Form erhalten wurden.
Die so erhaltenen geformten Grünkörper wurden gebrannt, so dass gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrate gemäß den Beispielen 1 bis 4 der Erfindung und den Vergleichsbeispielen 1 bis 7 erhalten wurden. Bei dem Brennvorgang der geformten Grünkörper für die Beispiele 1 bis 4 wurde jeder der Grünkörper mit einer niedrigen Rate auf 500°C erwärmt, um das Bindemittel und das Plastifiziermittel sowie das Lösungsmittel gründlich zu entfernen, dann mit einer Rate von etwa 200 bis 250°C/Stunde auf 1200°C erwärmt und ferner mit einer Rate von etwa 100°C/Stunde auf 1650°C erwärmt, so dass der geformte Grünkörper langsam gebrannt wurde. Der geformte Grünkörper wurde dann zwei Stunden bei der höchsten Temperatur von 1650°C gehalten, um die Dichte des schließlich erhaltenen Substrats (Sinterkörpers) zu erhöhen. Dann wurde die Brenntemperatur mit einer Rate gesenkt, die ausreichend niedrig war, um ein Verformen oder ein Reißen des Substrats zu verhindern. Auf diese Weise wurden die gesinterten Substrate gemäß den Beispielen 1 bis 4 hergestellt. Der Brennvorgang der geformten Grünkörper der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 wurde in der gleichen Weise durchgeführt, wie es vorstehend bezüglich der geformten Grünkörper der Beispiele 1 bis 4 beschrieben worden ist, und der Brennvorgang der geformten Grünkörper der Vergleichsbeispiele 4 bis 7 wurde in der gleichen Weise wie bei den Beispielen 1 bis 4 durchgeführt, jedoch wurden die geformten Grünkörper mit einer Rate von etwa 100°C/Stunde von 1200°C auf eine höchste Temperatur von 1550°C anstelle von 1650°C erwärmt.
Die so erhaltenen gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrate wurden bezüglich deren Sinterdichte, Wärmeleitfähigkeit, Biegefestigkeit, durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von Al₂O₃ und Al₂O₃-Korngrenzenanteil gemessen. Die Ergebnisse der Messungen sind in der Tabelle 2 angegeben. Der aufgetragene Graph von 2 gibt Beziehungen zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Biegefestigkeit von jedem der Substrate der Beispiele 1 bis 4 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 und den Gehalt des partiell stabilisierten Zirkoniumoxids in jedem der Substrate an.

Die Sinterdichte wurde gemäß JIS R 1634:1998 (Testverfahren bezüglich der Dichte von Feinkeramiken) gemessen, die Wärmeleitfähigkeit wurde gemäß JIS R 1611:2010 (Messverfahren bezüglich der Wärmeleitfähigkeit von Feinkeramiken mit dem Flashverfahren) gemessen und die Biegefestigkeit wurde gemäß JIS R 1601:2008 (Testverfahren bezüglich der Biegefestigkeit von Feinkeramiken bei Raumtemperatur) gemessen. Der durchschnittliche Kristallkorndurchmesser von jedem Substrat (Sinterkörper) wurde mit einem Verfahren der Bestimmung der mittleren freien Sehnenlänge („Intercept-Verfahren”) von einer SEM-Photographie berechnet, die durch ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) auf einer Oberfläche des Sinterkörpers, der spiegelglanzpoliert und einer thermischen Ätzbehandlung unterzogen worden ist, aufgenommen worden ist. Der Al₂O₃-Korngrenzenanteil wird gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren gemessen. Tabelle 2

	Sinterdichte [g/cm³]	Wärmeleitfähigkeit [W/m·K]	Biegefestigkeit [MPa]	Al₂O₃-Kristallkorndurchmesser [μm]	Al₂O₃-Korngrenzenanteil [%]
Beispiel 1	4,09	30,5	733	3	70
Beispiel 2	4,07	30,9	680	3	65
Beispiel 3	4,04	31,8	645	3	72
Beispiel 4	3,99	33,9	580	4	80
Vgl.-Bsp. 1	4,05	28,7	542	8	55
Vgl.-Bsp. 2	3,96	31,1	371	15	54
Vgl.-Bsp. 3	3,91	32,3	349	20	47
Vgl.-Bsp. 4	3,97	23,9	557	1,5	42
Vgl.-Bsp. 5	3,98	25,5	565	1,5	54
Vgl.-Bsp. 6	3,97	25,9	551	1,4	56
Vgl.-Bsp. 7	3,96	25,9	489	1,5	59

Wie es aus der Tabelle 2 und der 2 ersichtlich ist, weisen die gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrate gemäß den Beispielen 1 bis 4, die durch Zusetzen des partiell stabilisierten Zirkoniumoxids (Y₂O₃, das in dem Zustand einer festen Lösung in ZrO₂ vorliegt) zu Al₂O₃ und ohne Zusetzen eines Sinterhilfsmittels erhalten worden sind, einen durchschnittlichen Al₂O₃-Kristallkorndurchmesser von größer als 2 μm und nicht größer als 7 μm und einen Al₂O₃-Korngrenzenanteil von mindestens 60% auf und weisen demgemäß einen höheren Grad sowohl der Wärmeleitfähigkeit als auch der Biegefestigkeit auf.
Wie es ebenfalls aus der 2 ersichtlich ist, erhöht eine Verminderung des Gehalts von ZrO₂ die Wärmeleitfähigkeit, vermindert jedoch die Biegefestigkeit des Substrats. Es wird davon ausgegangen, dass das Substrat von Vergleichsbeispiel 1 einen niedrigeren Grad der Wärmeleitfähigkeit aufgrund eines hohen Gehalts des Sinterhilfsmittels aufweist, was zum Vorliegen einer Sinterhilfsmittelphase in der Kristallstruktur als Wärmewiderstandssubstanz führt. Es wird davon ausgegangen, dass die Substrate der Vergleichsbeispiele 2 und 3 einen niedrigeren Grad der Biegefestigkeit aufgrund des Einbeziehens des Sinterhilfsmittels aufweisen, was eine Zunahme des Kristallkorndurchmessers von Al₂O₃ und eine Zunahme des Anteils der ZrO₂-Korngrenzenlänge und der Porenkorngrenzenlängen verursacht, was zu einem Korngrenzenanteil von Al₂O₃ von weniger als 60% führt.
Es wird ferner festgestellt, dass die gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrate gemäß den Vergleichsbeispielen 4 bis 7 selbst in der Abwesenheit einer Sinterhilfsmittels einen niedrigeren Grad der Wärmeleitfähigkeit aufweisen, und zwar aufgrund eines unzureichenden Sinterns in dem Brennvorgang, was zu einem durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von Al₂O₃ von nicht größer als 2 μm und einem Al₂O₃-Korngrenzenanteil von weniger als 60% führt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2000-344569 A [0004, 0004]
JP 8-195450 A [0005, 0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS R 1634:1998 [0042]
JIS R 1611:2010 [0042]
JIS R 1601:2008 [0042]

Claims

Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung, das aus einem Sinterkörper aufgebaut ist, der durch Brennen einer Materialzusammensetzung erhalten worden ist, die ein Gemisch eines Al₂O₃-Pulvers, eines ZrO₂-Pulvers und eines Y₂O₃-Pulvers oder ein Gemisch eines Al₂O₃-Pulvers und eines ZrO₂-Y₂O₃-Pulvers ist, und die kein Sinterhilfsmittel enthält, wobei der Sinterkörper aus 2 bis 15 Gew.-% ZrO₂, 0,01 bis 1 Gew.-% Y₂O₃ und als Rest Al₂O₃ besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat einen durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von Al₂O₃ von größer als 2 μm und nicht größer als 7 μm, eine Länge einer Korngrenze, bei der Körner von Al₂O₃ direkt miteinander in Kontakt sind, von mindestens 60% einer Korngrenzengesamtlänge, eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 30 W/m·K und eine Biegefestigkeit von mindestens 500 MPa aufweist.
Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der durchschnittliche Kristallkordurchmesser von Al₂O₃ innerhalb eines Bereichs von 2,5 bis 4,5 μm liegt.
Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens 80 mol-% ZrO₂ in dem Sinterkörper ein tetragonales Kristallsystem aufweisen.
Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der durchschnittliche Kristallkorndurchmesser von ZrO₂ in dem Sinterkörper innerhalb eines Bereichs von 0,5 bis 2 μm liegt.
Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sinterkörper eine Sinterdichte von mindestens 3,70 g/cm³ aufweist.
Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Sinterkörper eine Oberflächenrauhigkeit (Ra) von nicht größer als 0,3 μm aufweist.
Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das eine Dicke innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 1 mm aufweist.
Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das mit einem Kupfer- oder Aluminiumblech ausgestattet ist, das an mindestens eine der Oberflächen des Substrats gebunden ist.
Gesintertes Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat für eine Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das ZrO₂-Y₂O₃-Pulver ein partiell stabilisiertes Zirkoniumoxidpulver ist, bei dem Y₂O₃ in dem Zustand einer festen Lösung in ZrO₂ vorliegt.
Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrats für eine Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: Brennen einer Materialzusammensetzung, die ein Gemisch eines Al₂O₃-Pulvers, eines ZrO₂-Pulvers und eines Y₂O₃-Pulvers oder ein Gemisch eines Al₂O₃-Pulvers und eines ZrO₂-Y₂O₃-Pulvers ist, und die kein Sinterhilfsmittel enthält, derart, dass die Temperaturanstiegsrate der Materialzusammensetzung innerhalb eines Bereichs von 1200°C bis zu einer höchsten Temperatur zwischen 1600°C und 1700°C niedriger ist als die Temperaturanstiegsrate innerhalb eines Bereichs von 500°C bis 1200°C.