JP2004162147A - Aluminum nitride sintered body having thermal-sprayed coating - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
【0002】
本発明は、半導体素子基板、電子回路基板、ヒートシンク等、あるいは半導体製造装置内でウエハーを載せるヒーター、ステージ等の部材として使用するのに適した溶射被膜を有する窒化アルミニウム焼結体に関する。
【0003】
【従来の技術】
近年、電子機器は小型化、高密度化、高速化の進行と同時に半導体部品の高出力化も急速に進展している。このため、これらの電子機器から発生する熱も増大し、この熱の放散対策は重要な技術的課題である。
【0004】
窒化アルミニウム焼結体は、耐酸化性に優れ、溶融金属に濡れ難く、曲げ強度がアルミナ焼結体を上回るなど優れた機械的性質を有している。また、アルミナの約10倍の熱伝導率を有し、熱膨張係数がシリコンに近いので半導体デバイスの周辺基材として優れた機能を有している。このため、半導体部品の搭載用基板としてアルミナやベリリヤの焼結体に代わって、窒化アルミニウム焼結体の基板が使用される頻度も高まっている。
【0005】
窒化アルミニウム焼結体の基板を半導体部品の搭載用基板として使用するためには、電子部品のハンダ付けなどによる実装や回路など形成のために、焼結体表面に導電性金属のメタライズ層を形成する必要がある。ところが、窒化アルミニウム焼結体は各種溶融物質に対する濡れ性が悪く、アルミナ焼結体に較べて密着力の強いメタライズ層を形成することが難しい。
【0006】
このため、酸素や水蒸気を含む雰囲気下で1000℃〜1500℃の温度で加熱処理して窒化アルミニウムの表面に窒化アルミニウムの窒素を酸素に置換したAl−O系の酸化物層を形成して、アルミナ焼結体において用いられるメタライズ法を適用できるようにすることが提案されている。また、窒化アルミニウム焼結体の表面に印刷して焼成するのに用いる導電性金属のペーストに活性金属や酸化物を添加することにより、密着度を向上させるなどの工夫がなされている。
【0007】
しかしながら、窒化アルミニウム焼結体表面への従来のメタライズ法は、いずれも導電性金属ペーストまたは銅板を窒化アルミニウム焼結体表面に塗布または接触させて窒素雰囲気の加熱炉で例えば1500℃以上の高温度で焼成するものである。このため、焼成時の熱歪みにより焼結体自体が変形するおそれがあり、寸法の大きな焼結体へのメタライズ処理は寸法精度の維持が難しいなど問題がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、上記問題を解決すべく、窒化アルミニウム焼結体表面へのメタライズ層を形成するのに溶射法を用いることを検討した。溶射法であれば、ペーストの塗布、乾燥、それに続く高温での加熱焼成などの段階的工程を必要とせず、また、処理工程が25〜300℃の常温付近であるため、窒化アルミニウム焼結体に熱歪みが生じるおそれがないので、寸法の大きな焼結体へのメタライズ層の形成が可能である。さらに、引き続き同じ溶射工程によってメタライズ層の上にハンダ付けやロー付け可能な金属層の形成が可能である。
【0009】
また、窒化アルミニウム焼結体表面に、Al2O3またはY2O3のような酸化物層を溶射により形成することができれば、窒化アルミニウム焼結体上に多層構造の配線を形成する際の絶縁層形成が可能である。また、これらの金属酸化物は、腐食性の高いハロゲン化物のガスやプラズマに対して耐久性があるため、半導体製造装置内部で使用するヒーター、ステージ等の部材の提供も可能となる。
【0010】
しかし、窒化アルミニウム焼結体は各種溶融物質に対する濡れ性が悪いため、窒化アルミニウム焼結体の表面に金属、窒化物、炭化物、ホウ化物、ケイ化物あるいは酸化物等を溶射しても、溶射被膜の密着性が悪い。通常の溶射工程でよく用いられるサンドブラスト等などの粗面化処理を行っても溶射被膜が密着せず被膜が形成されなかったり、被膜が形成されたとしても密着力が弱くて、その後のハンダ付けの工程などで剥離してしまったりなどの問題がある。
【0011】
この問題を解決し、金属、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属ケイ化物あるいは金属酸化物からなり密着強度の優れた溶射被膜を形成してなる窒化アルミニウム焼結体を提供するべく研究した結果、窒化アルミニウム焼結体の表面にあらかじめ酸化処理層を形成しておき、その上に溶射被膜を形成すると、実用的な密着強度を有する溶射被膜が得られることを発見し、本発明に到達したものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、窒化アルミニウム焼結体の表面に形成された酸化処理層上に、融点1800℃以上且つ熱膨張係数が10×10−6[1/℃]以下の金属、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属ケイ化物および金属酸化物から選ばれる少なくとも一種の溶射被膜を形成してなることを特徴とする溶射被膜を有する窒化アルミニウム焼結体に関する。
【0013】
本発明はまた、窒化アルミニウム焼結体の粗面化処理された表面に形成された酸化処理層上に、融点1800℃以上且つ熱膨張係数が10×10−6[1/℃]以下の金属、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属ケイ化物および金属酸化物から選ばれる少なくとも一種の溶射被膜を形成してなることを特徴とする溶射被膜を有する窒化アルミニウム焼結体に関する。
【0014】
本発明において、融点1800℃以上且つ熱膨張係数が10×10−6[1/℃]以下の金属の溶射被膜とは、例えば、Mo、W、Nb、TaおよびTiから選ばれる金属の溶射によって形成される被膜である。
【0015】
本発明において、融点1800℃以上且つ熱膨張係数が10×10−6[1/℃]以下の金属窒化物の溶射被膜とは、例えば、TiN、ZrN、TaNおよびNbNから選ばれる金属窒化物の溶射によって形成される被膜である。
【0016】
本発明において、融点1800℃以上且つ熱膨張係数が10×10−6[1/℃]以下の金属炭化物の溶射被膜とは、例えば、TiC、WC、NbC、TaC、Mo2C、NbCおよびVCから選ばれる金属炭化物の溶射によって形成される被膜である。
【0017】
本発明において、融点1800℃以上且つ熱膨張係数が10×10−6[1/℃]以下の金属ホウ化物の溶射被膜とは、例えば、TiBr2、ZrB2、TaB2、NbB2、CrB、MoBおよびWBから選ばれる金属ホウ化物の溶射によって形成される被膜である。
【0018】
本発明において、融点1800℃以上且つ熱膨張係数が10×10−6[1/℃]以下の金属ケイ化物の溶射被膜とは、例えば、TaSi2、NbSi2、MoSi2およびWSiから選ばれる金属ケイ化物の溶射によって形成される被膜である。
【0019】
本発明において、融点1800℃以上且つ熱膨張係数が10×10−6[1/℃]以下の金属酸化物の溶射被膜とは、例えば、Al2O3およびY2O3から選ばれる金属酸化物の溶射によって形成される被膜である。
【0020】
本発明はまた、上記の窒化アルミニウム焼結体上の融点1800℃以上且つ熱膨張係数が10×10−6[1/℃]以下の金属、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物あるいは金属ケイ化物の溶射被膜上に、更にハンダ付け性と電気伝導性を有する金属の溶射被膜を形成してなることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体に関する。ここで、ハンダ付け性と電気伝導性を有する金属とは、Cu、Cu基合金、Ni、Ni基合金、Co、Co基合金、Sn、Sn基合金などである。
【0021】
本発明者の研究によれば、窒化アルミニウム焼結体の表面を酸化して形成された酸化処理層上に溶射被膜を形成すると、溶射被膜の密着力が向上することが発見された。更に、このような酸化処理層を形成するのに先立って、窒化アルミニウム焼結体表面を粗面化処理しておけば、溶射被膜の密着力が更に向上することが見出された。
【0022】
また、窒化アルミニウム焼結体の表面に形成された酸化処理層に対して、実用的な密着力を有する溶射被膜を形成することができるのは、融点が1800℃以上で、熱膨張係数が10×10−6[1/℃]以下の溶射材料である。従って、この要件を満足する金属、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属ケイ化物等を溶射材料として用いて、窒化アルミニウム焼結体表面に形成された酸化処理層上に溶射被膜を形成すれば、密着力の優れた電気伝導性の溶射被膜が形成される。さらに、この溶射被膜の上に、より電気伝導性の高い金属の溶射被膜またはメッキ層を形成することができる。
【0023】
融点が1800℃以上で、熱膨張係数が10×10−6[1/℃]以下の金属、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属ケイ化物等の溶射被膜をアンダーコートとしてその上に、ハンダ付け性や電気伝導性に優れたCu、Cu基合金、Ni、Ni基合金、Co、Co基合金、SnまたはSn基合金などの溶射被膜を形成することにより、ハンダ濡れ性に優れたメタライズ層を有する窒化アルミニウム焼結体を容易に得ることができる。
【0024】
また、溶射材料として、融点1800℃以上且つ熱膨張係数が10×10−6[1/℃]以下の金属酸化物を用いて、窒化アルミニウム焼結体表面に形成された酸化処理層上に溶射被膜を形成すれば、窒化アルミニウム焼結体表面に絶縁性の金属酸化物の層を容易に形成することができる。Al2O3およびY2O3のような腐食性、耐久性に優れた金属酸化物を用いれば、窒化アルミニウム焼結体表面の保護膜ともなるので、腐食性ガスやプラズマに曝される半導体製造装置の部品として有用な窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
本発明において、窒化アルミニウム焼結体の表面に形成された酸化処理層とは、酸化処理によって、窒化アルミニウム焼結体の表面層を0.1〜10μmの厚みでAl−O系の酸化物に変化させてなる層である。酸化処理層の形成方法は特に限定されないが、例えば、大気中または水蒸気中で窒化アルミニウムを1000〜1500℃に加熱する方法(例えば特開昭61−84037号、特開昭64−24083号)によって形成することができる。同様な酸化処理層が形成されるならば、酸化剤による薬品処理による方法その他の方法によって形成してもよい。
【0026】
酸化処理層の厚みの望ましい範囲は、0.1〜10μmであり、特に望ましくは、窒化アルミニウム焼結体を構成する窒化アルミニウム一次粒子の粒径に近い2〜4μmである。0.1μmより薄いと部分的に酸化未処理の部分が発生する可能性があり、また10μmを超えると酸化処理層にクラック、割れ、剥離などが発生するおそれがあるので望ましくない。
【0027】
酸化処理層を形成するに先立って、窒化アルミニウム焼結体の表面に粗面化処理を行っておくと、溶射被膜の密着性がより向上する。粗面化処理の方法としては、NaOH溶液による腐食処理、サンドブラスト処理、ダイヤモンド砥石による研磨処理などを用いることができる。
【0028】
NaOH溶液による処理の場合には、窒化アルミニウム一次粒子の粒界を選択的に腐食して窒化アルミニウム焼結体の網目状の溝を形成させるので、その粗さは、表面にある窒化アルミニウム一次粒子の粒径の半分程度すなわち、Ra1〜2μm程度がよい。それより粗いと窒化アルミニウム一次粒子の脱落が起きる。また、サンドブラストによる処理またはダイヤモンド砥石による処理の場合には、Ra5μmより粗くなると窒化アルミニウム焼結体全体の損傷や変形の問題が起きるので望ましくない。
【0029】
本発明において、窒化アルミニウム焼結体の表面に形成された酸化処理層上に形成される溶射被膜とは、高温高速のガスによる加温、加速によって溶融状態あるいは半溶融状態にした金属またはセラミックス粒子を高速で基材表面に衝突させ、基材表面上において金属またはセラミックス粒子が凝固して密着することにより形成される被膜である。
【0030】
溶射被膜を形成するために使用する溶射方式には、大気中プラズマ溶射、減圧雰囲気中で行う減圧プラズマ溶射、電気アーク式溶射、爆発溶射、高速フレーム溶射、ガス燃焼式などの溶射方式があり、溶射材料により選択して使用することができるが、大気中プラズマ溶射または減圧プラズマ溶射は、本発明における溶射被膜形成のための材料すべてについて使用可能であるので、最も適している。
【0031】
【実施例】
[実施例1〜5]
窒化アルミニウム焼結体から研磨成形して作成した厚さ1mm、形状55mm×38mm、表面粗さRa0.8μm(Rz3.8μm)の研磨成形基板を空気中1000℃で10時間加熱し、酸化処理を行った。この加熱酸化処理を施した窒化アルミニウム焼結体の基板の切断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、図1に示すように、窒化アルミニウム焼結体研磨成形基板1の表面に、窒化アルミニウムの窒素が酸素に置換して生成した酸化処理層2が形成されていた。酸化処理層2の厚みは3μmであり、表面粗さはRaが0.7〜0.8であった。
【0032】
プラズマ溶射装置(プラクスクエアー社製 Model3600 40KW SG100システム)を用いて、窒化アルミニウム研磨成形基板1の片面側の酸化処理層2上に、Mo、W、Nb、Ta、Tiの5種類の金属粉末(粒度10〜45μm)を大気中でプラズマ溶射して、図2に示すような、溶射被膜3を形成したテストピースを各金属について3枚ずつ作成した。溶射被膜3の膜厚は、表1に示すように30〜60μmとした。なお、溶射用ガスとしては、主ガスにアルゴン、補助ガスにヘリウムを用いた。
【0033】
次に、上記の各テストピースの溶射被膜3をアンダーコートとして、この上に、上記と同一のプラズマ溶射装置を用いてCu粉(粒度45〜74μm)を大気中でプラズマ溶射して、図3に示すように、膜厚110μmのCu溶射被膜4をトップコートとして形成した試験片を作成した。
【0034】
これらの試験片における溶射被膜の基板1への密着強度を、引っ張り試験機(今田製作所製SV2型)を用いて測定した。図4は引っ張り試験の模式図であり、Cu溶射被膜4の表面に、100%Snハンダ層5を介して、接合面の直径が5mmで、上部棒状部分の直径が2.6mmの引っ張り試験用端子6を270℃で接合した。引っ張り試験用端子6は、銅製のピンに銀めっきを施したものである。7は引っ張り試験用端子クランプ部品、8は引っ張り試験用端子チャック治具である。引っ張り試験用端子6を引っ張り速度1mm/minで上部に引き上げ、窒化アルミニウム焼結面と溶射被膜との接合が剥離したときの引っ張り強度を溶射被膜の密着強度として測定した結果を表1に示した。表1中の密着強度は、3枚の試験片についての平均値である。
【0035】
[比較例1〜6]
上記実施例と同様にして窒化アルミニウム焼結体の研磨成形基板1の表面に酸化処理層2を形成したが、その上にアンダーコートを形成せずに、Cu粉を直接にプラズマ溶射したところ、溶射直後に溶射被膜が剥離し、試験片を作成することができなかった。また、窒化アルミニウム焼結体の研磨成形基板1に酸化処理層2を形成しない他は実施例1〜5と同様にして、実施例1〜5でアンダーコートに用いた金属(Mo、W、Nb、Ta、Ti)をプラズマ溶射したところ、いずれも溶射中に被膜が剥離し、試験片を作成することができなかった。これらの結果を表1に併記した。
【0036】
[実施例6〜15]
実施例1〜5と同様にして、窒化アルミニウム焼結体の研磨成形基板1の表面に厚さ3μmの酸化処理層2を形成した。アンダーコート用の溶射材料として、表2に示す窒化物、炭化物、ホウ化物、ケイ化物を用いた以外は、実施例1〜5と同様にして、酸化処理層2上に、各溶射材料粉末(粒度10〜45μm)を大気中でプラズマ溶射して、溶射被膜3を形成したテストピースを各材料について3枚ずつ作成した。溶射被膜3の膜厚は、表2に示すように30〜70μmとした。
【0037】
次に、上記の各テストピースの溶射被膜3をアンダーコートとして、この上に、実施例1〜5と同様にして、Cu粉(粒度45〜74μm)を大気中でプラズマ溶射して、膜厚110μmのCu溶射被膜4をトップコートとして形成した試験片を作成し、実施例1〜5と同様にして、引っ張り試験を行い、密着強度を測定して結果を表2に示した。
【0038】
[比較例7〜16]
窒化アルミニウム研磨成形基板1に酸化処理層2を形成しない以外は実施例6〜15と同様にして、実施例6〜15と同じ各溶射材料(TiN、ZrN、TiC、WC、Mo2C、TiB2 、ZrB2 、MoB、CrB、MoSi2)をプラズマ溶射したところ、すべて溶射中に被膜が剥離し、試験片を作成することができなかった。これらの結果を表2に併記した。
【0039】
[実施例16〜20]
実施例1〜5で用いたのと同じ窒化アルミニウム焼結体の研磨成形基板の片側表面に、ブラスト材として粒度#60のアルミナ質研削材を使用して、圧縮エアー圧力0.49MPのサンドブラスト処理を施し、粗面化処理を行ったところ、表面粗さはRa1.5μm(Rz8μm)となった。上記のようにして片側粗面化処理を行った基板に、実施例1〜5と同様にして空気中1000℃で10時間の加熱酸化処理を行い、図5に示すように、基板9の表面の上に、厚さ3μmの酸化処理層10を形成した。さらに、基板9の粗面化処理された片側表面上の酸化処理層の上に、表3に示す5種類の溶射材料粉末を実施例1〜5と同様にしてプラズマ溶射し、溶射被膜11を形成したテストピースを各溶射材料について3枚ずつ作成した。溶射被膜11の厚さは、表3に示すように、40〜70μmとした。
【0040】
次に、上記テストピースの溶射被膜11をアンダーコートとして、この上に、実施例1〜5と同様にして、Cu粉(粒度45〜74μm)を大気中でプラズマ溶射して、膜厚110μmのCu溶射被膜12をトップコートとして形成した試験片を作成した。実施例1〜5と同様にして、引っ張り試験を行い、密着強度を測定した結果を表3に示した。
【0041】
アンダーコートがMoの実施例1と実施例16との比較、アンダーコートがTiNの実施例6と実施例17との比較、アンダーコートがTiCの実施例8と実施例19との比較、アンダーコートがZrB2の実施例12と実施例18との比較、アンダーコートがMoSi2の実施例15と実施例20との比較から、酸化処理層形成前に窒化アルミニウム焼結体基板表面を粗面化処理しておくことにより、溶射被膜の密着強度が3〜5MPa程度向上することが判る。
【0042】
[比較例17〜21]
粗面化処理を行った窒化アルミニウム研磨成形基板9に、酸化処理層10を形成しない以外は実施例16〜20と同様にして、実施例16〜20と同じ各溶射材料をプラズマ溶射してアンダーコートを形成し、その上にCu粉を溶射してCuトップコートを形成したところ、溶射被膜は形成されたが、溶射後の放置冷却時に被膜は基板表面から浮き上がり剥離した。これらの結果を表3に併記した。
【0043】
[実施例21、22]
実施例1〜5と同様にして、窒化アルミニウム焼結体の研磨成形基板の表面に厚さ3μmの酸化処理層を形成した。実施例1〜5におけるアンダーコート用の溶射材料の代わりにAl2O3またはY2O3を用いた以外は、実施例1〜5と同様にして、酸化処理層2上に、これらの各溶射材料粉末(粒度10〜45μ)を大気中でプラズマ溶射して、溶射被膜を形成したテストピースを作成した。溶射被膜の膜厚はいずれも150μmとした。
【0044】
これらのテストピースについて、Cuトップコートは形成せずに、図4に示した引っ張り試験における100%Snハンダ5の代わりにエポキシ樹脂を用いた以外は、実施例1〜5と同様にして引っ張り試験を行い、密着強度を測定した結果を表4に示した。また、これらのテストピースを200℃で1時間加熱した後、直ちに常温の水道水中に投入する熱衝撃試験を5サイクル実施した結果、いずれのテストピースの溶射被膜も剥離、クラック、欠け等の発生がなく、溶射被膜に変化が見られなかった。
【0045】
[比較例22、23]
酸化処理層を形成しない以外は、実施例21、22と同様にして、窒化アルミニウム焼結体の研磨成形基板の表面に、Al2O3またはY2O3の溶射被膜を形成したところ、溶射被膜は、溶射終了後の放置冷却中に基板表面から浮き上がり剥離した。これらの結果を、表4に併記した。
【0046】
[実施例23、24]
実施例16〜20と同様にして、片側表面が粗面化処理された窒化アルミニウム焼結体成形基板表面の上に、厚さ3μmの酸化処理層を形成した。さらに、基板の粗面化処理された片側表面上の酸化処理層の上に、実施例16〜20のアンダーコート溶射材料粉末の代わりにAl2O3またはY2O3の溶射被膜を形成した試験片を作成した。溶射被膜の膜厚はいずれも150μmとした。実施例21、22と同様にして、試験片の引っ張り試験を行い、密着強度を測定した結果を表5に示した。
【0047】
[比較例24、25]
酸化処理層2を形成しない以外は、実施例23、24と同様にして、窒化アルミニウム焼結体の研磨成形基板の粗面化処理された側の表面に、Al2O3、またはY2O3の溶射被膜を形成したところ、溶射被膜は、溶射終了後の放置冷却中に基板表面から浮き上がり剥離した。結果を表5に併記した。
【0048】
表4の実施例21、22と表5の実施例23、24との比較により、窒化アルミニウム焼結体基板表面が、酸化処理層の形成前に粗面化処理されていると、密着強度が3MPa程度向上することがわかる。
【0049】
【表1】
【0050】
【表2】
【0051】
【表3】
【0052】
【表4】
【0053】
【表5】
【0054】
【発明の効果】
本発明によれば、金属、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属ケイ化物あるいは金属酸化物からなり密着強度の優れた溶射被膜が形成されてなる窒化アルミニウム焼結体が容易に得られるので、半導体素子基板、電子回路基板、ヒートシンク等として或いは半導体製造装置内で用いる部材として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】酸化処理層を形成した窒化アルミニウム焼結体基板の説明図
【図2】酸化処理層上にアンダーコート溶射被膜を形成した窒化アルミニウム焼結体基板の説明図
【図3】酸化処理層上にアンダーコート溶射被膜とトップコートCu溶射被膜を形成した窒化アルミニウム焼結体基板の説明図
【図4】引っ張り試験の模式図
【図5】粗面化処理された表面上の酸化処理層の上にアンダーコート溶射被膜とトップコートCu溶射被膜を形成した窒化アルミニウム焼結体基板の説明図
【符号の説明】
1・・・窒化アルミニウム焼結体研磨成形基板
2・・・酸化処理層
3・・・アンダーコート溶射被膜
4・・・トップコートCu溶射被膜
5・・・Snハンダ層
6・・・引っ張り試験用端子
7・・・引っ張り試験用端子クランプ部材
8・・・引っ張り試験用端子チャック治具
9・・・片側表面を粗面化処理した窒化アルミニウム焼結体研磨成形基板
10・・・酸化処理層
11・・・アンダーコート溶射被膜
12・・・トップコートCu溶射被膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
[0002]
The present invention relates to an aluminum nitride sintered body having a thermal spray coating suitable for use as a member such as a semiconductor element substrate, an electronic circuit substrate, a heat sink, or a heater or a stage for mounting a wafer in a semiconductor manufacturing apparatus.
[0003]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, as electronic devices have become smaller, denser, and faster, the output of semiconductor components has also been rapidly increasing. For this reason, heat generated from these electronic devices also increases, and measures to dissipate this heat are important technical issues.
[0004]
The aluminum nitride sintered body has excellent mechanical properties such as excellent oxidation resistance, hardly wet by molten metal, and higher bending strength than alumina sintered body. Further, it has about 10 times the thermal conductivity of alumina and has a thermal expansion coefficient close to that of silicon, so that it has an excellent function as a peripheral substrate of a semiconductor device. For this reason, a substrate of a sintered body of aluminum nitride is increasingly used instead of a sintered body of alumina or beryllia as a substrate for mounting semiconductor components.
[0005]
In order to use a substrate of aluminum nitride sintered body as a substrate for mounting semiconductor components, a metallized layer of conductive metal is formed on the surface of the sintered body for mounting by soldering electronic parts and forming circuits etc. There is a need to. However, the aluminum nitride sintered body has poor wettability to various kinds of molten substances, and it is difficult to form a metallized layer having a stronger adhesive force than an alumina sintered body.
[0006]
Therefore, heat treatment is performed at a temperature of 1000 ° C. to 1500 ° C. in an atmosphere containing oxygen or water vapor to form an Al—O-based oxide layer in which nitrogen of aluminum nitride is replaced with oxygen on the surface of aluminum nitride. It has been proposed that a metallization method used for an alumina sintered body can be applied. In addition, some measures have been taken to improve the degree of adhesion by adding an active metal or oxide to a conductive metal paste used for printing and firing on the surface of the aluminum nitride sintered body.
[0007]
However, in the conventional metallization method on the surface of the aluminum nitride sintered body, a conductive metal paste or a copper plate is applied or brought into contact with the surface of the aluminum nitride sintered body, and is heated at a high temperature of, for example, 1500 ° C. or more in a heating furnace in a nitrogen atmosphere. Baking. For this reason, the sintered body itself may be deformed due to thermal distortion during firing, and there are problems such as difficulty in maintaining dimensional accuracy in the metallizing process for a sintered body having a large dimension.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventors have studied the use of a thermal spraying method to form a metallized layer on the surface of an aluminum nitride sintered body in order to solve the above problem. The thermal spraying method does not require stepwise steps such as application and drying of paste and subsequent heating and baking at a high temperature, and since the processing step is at about room temperature of 25 to 300 ° C, the aluminum nitride sintered body Since there is no possibility that thermal distortion occurs in the sintered body, it is possible to form a metallized layer on a large-sized sintered body. Furthermore, it is possible to form a solderable or brazable metal layer on the metallized layer by the same spraying process.
[0009]
In addition, if an oxide layer such as Al 2 O 3 or Y 2 O 3 can be formed on the surface of the aluminum nitride sintered body by thermal spraying, it is difficult to form a multilayer wiring on the aluminum nitride sintered body. An insulating layer can be formed. In addition, since these metal oxides are resistant to highly corrosive halide gas and plasma, it is possible to provide members such as heaters and stages used inside the semiconductor manufacturing apparatus.
[0010]
However, since the aluminum nitride sintered body has poor wettability to various molten substances, even if a metal, nitride, carbide, boride, silicide, oxide or the like is sprayed on the surface of the aluminum nitride sintered body, the sprayed coating is formed. Adhesion is poor. Even after roughening treatment such as sandblasting that is often used in the normal spraying process, the sprayed coating does not adhere and does not form a film, or even if a film is formed, the adhesion is weak, and subsequent soldering There is a problem such as peeling off in the step of.
[0011]
Research to solve this problem and to provide an aluminum nitride sintered body made of metal, metal nitride, metal carbide, metal boride, metal silicide or metal oxide and forming a thermal sprayed coating with excellent adhesion strength As a result, it was discovered that, when an oxidation treatment layer was previously formed on the surface of the aluminum nitride sintered body and a thermal spray coating was formed thereon, a thermal spray coating having practical adhesion strength could be obtained. It has been reached.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a metal, a metal nitride, and a metal carbide having a melting point of 1800 ° C. or more and a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 [1 / ° C.] or less on an oxidation treatment layer formed on the surface of an aluminum nitride sintered body. The present invention relates to an aluminum nitride sintered body having a thermal spray coating, wherein at least one thermal spray coating selected from a metal boride, a metal silicide, and a metal oxide is formed.
[0013]
The present invention also provides a method for forming a metal having a melting point of 1800 ° C. or more and a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 [1 / ° C.] or less on an oxidized layer formed on a roughened surface of an aluminum nitride sintered body. And a metal nitride, a metal carbide, a metal boride, a metal silicide, and a metal oxide.
[0014]
In the present invention, the thermal spray coating of a metal having a melting point of 1800 ° C. or more and a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 [1 / ° C.] or less means, for example, thermal spraying of a metal selected from Mo, W, Nb, Ta and Ti. It is a film to be formed.
[0015]
In the present invention, the thermal spray coating of a metal nitride having a melting point of 1800 ° C. or more and a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 [1 / ° C.] or less refers to, for example, a metal nitride selected from TiN, ZrN, TaN and NbN. This is a coating formed by thermal spraying.
[0016]
In the present invention, a thermal sprayed coating of a metal carbide having a melting point of 1800 ° C. or more and a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 [1 / ° C.] or less includes, for example, TiC, WC, NbC, TaC, Mo 2 C, NbC and VC. It is a film formed by thermal spraying of a metal carbide selected from the group consisting of:
[0017]
In the present invention, the thermal sprayed coating of a metal boride having a melting point of 1800 ° C. or more and a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 [1 / ° C.] or less includes, for example, TiBr 2 , ZrB 2 , TaB 2 , NbB 2 , CrB, This is a coating formed by spraying a metal boride selected from MoB and WB.
[0018]
In the present invention, the thermal spray coating of a metal silicide having a melting point of 1800 ° C. or more and a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 [1 / ° C.] or less is, for example, a metal selected from TaSi 2 , NbSi 2 , MoSi 2 and WSi. This is a film formed by thermal spraying of silicide.
[0019]
In the present invention, the thermal spray coating of a metal oxide having a melting point of 1800 ° C. or more and a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 [1 / ° C.] or less means, for example, a metal oxide selected from Al 2 O 3 and Y 2 O 3. This is a coating formed by spraying an object.
[0020]
The present invention also provides a metal, metal nitride, metal carbide, metal boride or metal silicide having a melting point of 1800 ° C. or more and a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 [1 / ° C.] or less on the aluminum nitride sintered body. The present invention relates to an aluminum nitride sintered body characterized in that a metal sprayed coating having solderability and electrical conductivity is further formed on a sprayed coating of a nitride. Here, the metal having solderability and electric conductivity includes Cu, Cu-based alloy, Ni, Ni-based alloy, Co, Co-based alloy, Sn, Sn-based alloy and the like.
[0021]
According to the study of the present inventor, it has been discovered that when a thermal spray coating is formed on an oxidized layer formed by oxidizing the surface of an aluminum nitride sintered body, the adhesion of the thermal spray coating is improved. Furthermore, it has been found that, prior to forming such an oxidation-treated layer, if the surface of the aluminum nitride sintered body is subjected to a roughening treatment, the adhesion of the thermal sprayed coating is further improved.
[0022]
Further, a thermal spray coating having practical adhesion can be formed on the oxidized layer formed on the surface of the aluminum nitride sintered body because the melting point is 1800 ° C. or more and the thermal expansion coefficient is 10 × 10 −6 [1 / ° C.] or less. Therefore, using a metal, metal nitride, metal carbide, metal boride, metal silicide, or the like that satisfies this requirement as a thermal spray material, forms a thermal spray coating on the oxidized layer formed on the surface of the aluminum nitride sintered body. Then, an electrically conductive sprayed coating having excellent adhesion is formed. Further, a metal spray coating or plating layer having higher electric conductivity can be formed on the spray coating.
[0023]
A sprayed coating of a metal, metal nitride, metal carbide, metal boride, metal silicide, etc. having a melting point of 1800 ° C. or more and a coefficient of thermal expansion of 10 × 10 −6 [1 / ° C.] or less is used as an undercoat on the undercoat. By forming a thermal spray coating such as Cu, Cu-based alloy, Ni, Ni-based alloy, Co, Co-based alloy, Sn or Sn-based alloy having excellent solderability and electric conductivity, excellent solder wettability. An aluminum nitride sintered body having a metallized layer can be easily obtained.
[0024]
Further, using a metal oxide having a melting point of 1800 ° C. or more and a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 [1 / ° C.] or less as a thermal spray material, thermal spraying is performed on the oxidized layer formed on the surface of the aluminum nitride sintered body. By forming the coating, an insulating metal oxide layer can be easily formed on the surface of the aluminum nitride sintered body. If a metal oxide having excellent corrosiveness and durability, such as Al 2 O 3 and Y 2 O 3 , is used as a protective film on the surface of the aluminum nitride sintered body, the semiconductor is exposed to corrosive gas or plasma. An aluminum nitride sintered body useful as a part of a manufacturing apparatus can be obtained.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the present invention, the oxidized layer formed on the surface of the aluminum nitride sintered body is obtained by converting the surface layer of the aluminum nitride sintered body to an Al-O-based oxide with a thickness of 0.1 to 10 μm by an oxidation treatment. This is a layer that is changed. The method of forming the oxidized layer is not particularly limited. For example, a method of heating aluminum nitride to 1000 to 1500 ° C. in the air or steam (for example, JP-A-61-84037, JP-A-64-24083). Can be formed. If a similar oxidized layer is formed, it may be formed by a method using a chemical treatment with an oxidizing agent or another method.
[0026]
The desirable range of the thickness of the oxidized layer is 0.1 to 10 μm, particularly preferably 2 to 4 μm, which is close to the particle size of the primary aluminum nitride particles constituting the aluminum nitride sintered body. If the thickness is less than 0.1 μm, there is a possibility that an unoxidized portion may partially occur. If the thickness is more than 10 μm, cracks, cracks, peeling, and the like may occur in the oxidized layer.
[0027]
If the surface of the aluminum nitride sintered body is subjected to a surface roughening treatment before forming the oxidation treatment layer, the adhesion of the thermal spray coating is further improved. As a method of the surface roughening treatment, a corrosion treatment with a NaOH solution, a sand blast treatment, a polishing treatment with a diamond grindstone, or the like can be used.
[0028]
In the case of the treatment with the NaOH solution, the grain boundaries of the aluminum nitride primary particles are selectively corroded to form a network-like groove of the aluminum nitride sintered body. Is preferably about half of the particle diameter of Ra, that is, about Ra1 to 2 μm. If it is coarser, primary particles of aluminum nitride will fall off. Further, in the case of the treatment by sandblasting or the treatment by diamond grinding stone, if the roughness is more than
[0029]
In the present invention, the thermal spray coating formed on the oxidized layer formed on the surface of the aluminum nitride sintered body is a metal or ceramic particle which has been brought into a molten state or a semi-molten state by heating and accelerating with a high-temperature and high-speed gas. Is a coating formed by causing metal or ceramic particles to solidify and adhere to the surface of the substrate at high speed.
[0030]
The thermal spraying method used to form the thermal spray coating includes atmospheric plasma spraying, reduced pressure plasma spraying performed in a reduced-pressure atmosphere, electric arc spraying, explosive spraying, high-speed flame spraying, and gas-fired spraying. Depending on the material to be sprayed, it can be selected and used, but air plasma spraying or reduced pressure plasma spraying is most suitable because it can be used for all materials for forming a sprayed coating in the present invention.
[0031]
【Example】
[Examples 1 to 5]
A 1 mm-thick, 55 mm × 38 mm-thick, polished substrate with a surface roughness Ra of 0.8 μm (Rz 3.8 μm) formed by polishing and molding from an aluminum nitride sintered body was heated in air at 1000 ° C. for 10 hours to perform oxidation treatment. went. As a result of observing a cut surface of the substrate of the aluminum nitride sintered body subjected to the heat oxidation treatment with a scanning electron microscope, as shown in FIG. The
[0032]
Using a plasma spraying apparatus (Model 3600 40KW SG100 system manufactured by Plax Square Co., Ltd.), five kinds of metal powders of Mo, W, Nb, Ta, and Ti were formed on the
[0033]
Next, Cu powder (particle size: 45 to 74 μm) was plasma-sprayed in the air using the same plasma spraying apparatus as above, using the sprayed
[0034]
The adhesion strength of the thermal spray coating to the
[0035]
[Comparative Examples 1 to 6]
The oxidized
[0036]
[Examples 6 to 15]
In the same manner as in Examples 1 to 5, an
[0037]
Next, the
[0038]
[Comparative Examples 7 to 16]
The same thermal spraying materials (TiN, ZrN, TiC, WC, Mo 2 C, TiB) as in Examples 6 to 15 were used in the same manner as in Examples 6 to 15 except that the
[0039]
[Examples 16 to 20]
Sand blasting with a compressed air pressure of 0.49MP on one side surface of the same polished molded substrate of aluminum nitride sintered body used in Examples 1 to 5 using a grain size # 60 alumina abrasive. And subjected to a surface roughening treatment, whereby the surface roughness was Ra 1.5 μm (
[0040]
Next, the
[0041]
Comparison between Example 1 and Example 16 in which the undercoat is Mo, comparison between Example 6 and Example 17 in which the undercoat is TiN, comparison between Example 8 and Example 19 in which the undercoat is TiC, From the comparison between Examples 12 and 18 of ZrB 2 and the comparison of Examples 15 and 20 with MoSi 2 undercoat, the surface of the aluminum nitride sintered body substrate was roughened before the formation of the oxidized layer. It can be seen that the treatment improves the adhesion strength of the thermal spray coating by about 3 to 5 MPa.
[0042]
[Comparative Examples 17 to 21]
The same thermal spray material as in Examples 16 to 20 was plasma-sprayed on the roughened aluminum nitride polished molded
[0043]
[Examples 21 and 22]
In the same manner as in Examples 1 to 5, an oxidation treatment layer having a thickness of 3 μm was formed on the surface of the polished molded substrate of the aluminum nitride sintered body. Except that Al 2 O 3 or Y 2 O 3 was used instead of the thermal spray material for the undercoat in Examples 1 to 5, each of these was placed on the
[0044]
With respect to these test pieces, a tensile test was performed in the same manner as in Examples 1 to 5, except that an epoxy resin was used instead of the 100% Sn
[0045]
[Comparative Examples 22, 23]
A thermal spray coating of Al 2 O 3 or Y 2 O 3 was formed on the surface of a polished molded substrate of an aluminum nitride sintered body in the same manner as in Examples 21 and 22 except that the oxidation treatment layer was not formed. The coating floated off the substrate surface during standing cooling after the completion of thermal spraying and peeled off. These results are shown in Table 4.
[0046]
[Examples 23 and 24]
In the same manner as in Examples 16 to 20, an oxidation-treated layer having a thickness of 3 μm was formed on the surface of the aluminum nitride sintered body-formed substrate having one surface roughened. Further, a thermal spray coating of Al 2 O 3 or Y 2 O 3 was formed on the oxidized layer on the roughened one side surface of the substrate instead of the undercoat thermal spray material powder of Examples 16 to 20. Test pieces were prepared. The thickness of each of the thermal spray coatings was 150 μm. In the same manner as in Examples 21 and 22, a tensile test was performed on the test piece, and the results of measuring the adhesion strength are shown in Table 5.
[0047]
[Comparative Examples 24 and 25]
In the same manner as in Examples 23 and 24, except that the oxidized
[0048]
Comparison between Examples 21 and 22 in Table 4 and Examples 23 and 24 in Table 5 reveals that when the surface of the aluminum nitride sintered body substrate is roughened before the formation of the oxidized layer, the adhesion strength is reduced. It can be seen that it is improved by about 3 MPa.
[0049]
[Table 1]
[0050]
[Table 2]
[0051]
[Table 3]
[0052]
[Table 4]
[0053]
[Table 5]
[0054]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the aluminum nitride sintered compact which consists of a metal, a metal nitride, a metal carbide, a metal boride, a metal silicide, or a metal oxide, and which forms the thermal spray coating with excellent adhesion strength is easily obtained. Therefore, it is useful as a semiconductor element substrate, an electronic circuit substrate, a heat sink, or a member used in a semiconductor manufacturing apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of an aluminum nitride sintered body substrate having an oxidized layer formed thereon. FIG. 2 is an explanatory diagram of an aluminum nitride sintered substrate having an undercoat sprayed film formed on the oxidized layer. Explanatory drawing of an aluminum nitride sintered body substrate having an undercoat sprayed coating and a topcoat Cu sprayed coating formed on a layer. [FIG. 4] Schematic drawing of a tensile test. [FIG. 5] Oxidized layer on a roughened surface Diagram of an aluminum nitride sintered body substrate on which an undercoat sprayed coating and a topcoat Cu sprayed coating are formed
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