JP2005001975A - Ceramic base and its producing method - Google Patents

Ceramic base and its producing method Download PDF

Info

Publication number
JP2005001975A
JP2005001975A JP2003340181A JP2003340181A JP2005001975A JP 2005001975 A JP2005001975 A JP 2005001975A JP 2003340181 A JP2003340181 A JP 2003340181A JP 2003340181 A JP2003340181 A JP 2003340181A JP 2005001975 A JP2005001975 A JP 2005001975A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ceramic substrate
grinding
substrate
ceramic
thin film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003340181A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hitoshi Omori
整 大森
Kazutoshi Katahira
和俊 片平
Nobuhide Ito
伸英 伊藤
Masanobu Azuma
正信 東
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokuyama Corp
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Original Assignee
Tokuyama Corp
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokuyama Corp, RIKEN Institute of Physical and Chemical Research filed Critical Tokuyama Corp
Priority to JP2003340181A priority Critical patent/JP2005001975A/en
Publication of JP2005001975A publication Critical patent/JP2005001975A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Grinding Of Cylindrical And Plane Surfaces (AREA)
  • Grinding-Machine Dressing And Accessory Apparatuses (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic base such as an AlN sintered base having extremely small surface roughness and little defects, and its efficient producing method. <P>SOLUTION: The ceramic base has a structure joining a plurality of crystalline phases having a crystallite diameter of 1-50 μm and being composed of same kinds of inorganic substances each other via a grain boundary phase composed of different kinds of inorganic substances. The arithmetic surface roughness Ra of at least a face of the ceramic base is 0.04 μm or less. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、放熱性回路基板等に適したメタライズセラミック並びにその原料基板となるセラミック基板およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a metallized ceramic suitable for a heat-dissipating circuit board and the like, a ceramic substrate serving as a raw material substrate thereof, and a manufacturing method thereof.

窒化アルミニウム(AlN)を主成分とするセラミック体は、熱伝導性だけでなく、絶縁性、誘電特性、熱膨張特性等の点で優れた特性を有することから、半導体実装用の高機能放熱基板として急速に普及しつつある。このような放熱基板は、通常以下次のような方法で製造されている。   A ceramic body mainly composed of aluminum nitride (AlN) has excellent characteristics in terms of not only thermal conductivity but also insulation, dielectric characteristics, and thermal expansion characteristics. As it is rapidly spreading. Such a heat radiating substrate is usually manufactured by the following method.

即ち、先ずAlN粉末および焼結助剤を含むグリーンシートを板状に成形した後、脱脂、焼成して焼結基板を得た後に、該焼結基板の表面を研削又は研磨により、一定の面粗さに仕上げ、その後仕上げられた面上に、Ti,Cr,Ni-Cr,TaN,Al,Mo,W,Zrなどの第1薄膜層、Ni,Ptなどの第2薄膜層、Co,Cu,Au,Ag,Pdなどの第3薄膜層をこの順序で形成することにより製造されている。なお、金属層を上記のような3層構造とするのは、導電層としての役割を果たす第3薄膜層で使用される金属の窒化アルミニウムに対する密着力が低いために、接着層として第1薄膜層を形成する必要があり(特許文献1参照)、更に両層間の材料の拡散を防止するためにバリヤー層として第2薄膜層を設ける必要があるからである。このようにして表面に金属薄膜層が形成された後に、必要に応じてパターン形成され、その金属薄膜層上に電子素子(例えばレーザーダイオード)が薄膜半田等を用いてマウントされることになる。   That is, after a green sheet containing AlN powder and a sintering aid is first formed into a plate shape, degreased and fired to obtain a sintered substrate, and then the surface of the sintered substrate is ground or polished to a certain surface. On the finished surface, the first thin film layer such as Ti, Cr, Ni—Cr, TaN, Al, Mo, W, Zr, the second thin film layer such as Ni, Pt, Co, Cu, etc. , Au, Ag, Pd and the like are manufactured by forming a third thin film layer in this order. The reason why the metal layer has the three-layer structure as described above is that the adhesion of the metal used in the third thin film layer serving as the conductive layer to the aluminum nitride is low, so that the first thin film is used as the adhesive layer. This is because a layer needs to be formed (see Patent Document 1), and a second thin film layer needs to be provided as a barrier layer in order to prevent diffusion of the material between both layers. After the metal thin film layer is formed on the surface in this way, a pattern is formed as necessary, and an electronic element (for example, a laser diode) is mounted on the metal thin film layer using a thin film solder or the like.

ところで、近年の半導体素子の小型化や高集積化に対応するため、半導体素子やキャパシタ等の電子素子搭載用の放熱基板に対する要求も厳しくなってきており、その製造過程で要求される加工精度も高くなっている。例えば、電子素子の接合部の強度のバラツキを小さくし、熱サイクルに対する耐久性を向上させるために金属層の表面粗さはできるだけ小さくする必要がある。また、薄膜形成法で形成される金属膜の表面粗さは、実質的にその下地となるAlN焼結基板の表面粗さによって決定されるばかりでなく、下地となるAlN焼結基板の表面粗さが大きいと金属薄膜層の密着力も低下するため、薄膜形成されるAlN焼結基板の表面も高度に平滑化する必要がある。このため、AlN焼結基板の研削又は研磨工程は非常に重要となっている。   By the way, in order to cope with the recent miniaturization and high integration of semiconductor elements, demands for heat dissipation substrates for mounting electronic elements such as semiconductor elements and capacitors have become stricter, and the processing accuracy required in the manufacturing process is also increased. It is high. For example, it is necessary to reduce the surface roughness of the metal layer as much as possible in order to reduce the variation in strength of the joint portion of the electronic element and improve the durability against thermal cycling. In addition, the surface roughness of the metal film formed by the thin film forming method is not only determined by the surface roughness of the AlN sintered substrate as the base, but also the surface roughness of the AlN sintered substrate as the base. When the thickness is large, the adhesion of the metal thin film layer also decreases, so that the surface of the AlN sintered substrate on which the thin film is formed needs to be highly smoothed. For this reason, the grinding or polishing process of the AlN sintered substrate is very important.

AlN焼結基板の表面研磨法としては、遊離砥粒を用いた研磨加工が知られており、例えばダイヤモンド砥粒等を含む端盤を回転若しくは左右に移動して基板表面を研磨することによりRaが0.5μm以下の表面粗さの基板が得られている(特許文献2参照)。   As a method of polishing the surface of an AlN sintered substrate, polishing using free abrasive grains is known. For example, by rotating or moving left and right an end plate containing diamond abrasive grains, the surface of the substrate is polished by Ra. Has a surface roughness of 0.5 μm or less (see Patent Document 2).

特許第2563809号Japanese Patent No. 2563809 特開2002−173361号公報JP 2002-173361 A

ところが、遊離砥粒を用いてAlN焼結基板のようなセラミック焼結基板を研磨する場合には、許容できる加工時間内の研削で達成できる表面粗さは通常Ra0.05μm以上である。また、長時間をかけて更に研磨を起こった場合でも、セラミック焼結基板は一般に多くの結晶子が硬さの異なる焼結助剤を含む粒界層を介して接合した構造を有しているため、研磨中に結晶子が脱落してしまうことに起因する表面欠陥(通常1〜50μmの口径を有する凹部として観測される)の発生が避けられない(200μm×200μmの範囲内に10個前後発生する)という問題があった。
そこで、本発明は、AlN焼結基板のようなセラミック焼結基板において表面粗さが極めて小さく、しかも上記のような欠陥の数が少ない基板およびこのような基板を効率よく製造する方法を提供することを目的とする。
However, when polishing a ceramic sintered substrate such as an AlN sintered substrate using loose abrasive grains, the surface roughness that can be achieved by grinding within an acceptable processing time is usually Ra 0.05 μm or more. Even when further polishing takes place over a long time, a ceramic sintered substrate generally has a structure in which many crystallites are bonded via a grain boundary layer containing sintering aids having different hardnesses. Therefore, the occurrence of surface defects (usually observed as concave portions having a diameter of 1 to 50 μm) due to crystallites falling off during polishing is inevitable (around 10 within a range of 200 μm × 200 μm). Occurred).
Therefore, the present invention provides a substrate having a very small surface roughness and a small number of defects as described above in a ceramic sintered substrate such as an AlN sintered substrate, and a method for efficiently producing such a substrate. For the purpose.

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行なった。その結果、セラミック焼結基板の研磨に電解インプロセスドレッシング研削(ELID研削)加工法を適用したところ、特定の粒度#2000以上、#30000以下の砥粒を含む導電性砥石を用いて研削加工を行なった場合には、所期の目的を達成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。   The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, when an electrolytic in-process dressing grinding (ELID grinding) processing method was applied to the polishing of a ceramic sintered substrate, grinding was performed using a conductive grindstone containing abrasive grains having a specific grain size # 2000 or more and # 30000 or less. When it was done, it was found that the intended purpose could be achieved, and the present invention was completed.

即ち、第一の本発明は、互いに同種の無機物質で構成される平均結晶子径1〜50μmの複数の結晶相が異種の無機物質で構成される粒界相を介して接合した構造を含んでなるセラミック基板であって、その少なくとも一つの面の算術表面粗さRaが0.04μm以下であることを特徴とするセラミック基板、特に前記算術表面粗さRaが0.04μm以下である面に存在する口径0.3〜50μmの欠陥の数が平均で1.25×10-4個/μm2以下であることを特徴とするセラミック基板である。 That is, the first aspect of the present invention includes a structure in which a plurality of crystal phases having an average crystallite diameter of 1 to 50 μm composed of the same kind of inorganic material are joined via a grain boundary phase composed of different inorganic materials. A ceramic substrate characterized in that an arithmetic surface roughness Ra of at least one surface thereof is 0.04 μm or less, particularly a surface having the arithmetic surface roughness Ra of 0.04 μm or less. The ceramic substrate is characterized in that the average number of defects having a diameter of 0.3 to 50 μm is 1.25 × 10 −4 pieces / μm 2 or less.

上記本発明のセラミック基板は、遊離砥粒を用いた従来の研磨方法では得ることのできないような高度に平滑な表面を有するため、その表面上に金属薄膜を形成した場合の金属薄膜との密着性が高いという特徴を有する。また、ビッカース硬度が、Hv1800〜2200であり、アルミナとの摩擦係数が、0.4〜0.7であり、表面から10μmの深さまで主成分以外の物質として酸素が検出されるという特徴を有する。   Since the ceramic substrate of the present invention has a highly smooth surface that cannot be obtained by a conventional polishing method using loose abrasive grains, it adheres to the metal thin film when a metal thin film is formed on the surface. It has the characteristic that it has high property. Further, the Vickers hardness is Hv 1800 to 2200, the friction coefficient with alumina is 0.4 to 0.7, and oxygen is detected as a substance other than the main component up to a depth of 10 μm from the surface. .

また、第二の本発明は、単一成分からなる粉末であって、平均結晶子径0.3〜50μmの結晶相を含有する無機粒子からなる粉末を、焼結助剤を用いて焼結して得た焼結セラミック基板を粒度#2000〜#30000の砥粒を含む導電性砥石を用いた電解インプロセスドレッシング研削により加工することを特徴とする前記本発明のセラミック基板の製造方法である。   The second aspect of the present invention is a powder composed of a single component and sintered with a sintering aid using a powder composed of inorganic particles containing a crystal phase having an average crystallite diameter of 0.3 to 50 μm. The method for producing a ceramic substrate according to the present invention is characterized in that the sintered ceramic substrate obtained by the above process is processed by electrolytic in-process dressing grinding using a conductive grindstone containing abrasive grains having a grain size of # 2000 to # 30000. .

該本発明の製造方法によれば、新規な本発明のセラミック基板を効率よく製造することが可能である。後述する実験結果に示されるように#2000〜#30000の砥粒を含む導電性砥石を用いてELID研削により加工した場合には、延性モードの研削加工が起こり、上記のような優れた平滑性を得ることが可能になったものである。なお、ELID研削は、導電性砥石を電解ドレッシングで目立てしながらワークを研削する方法であり、シリコン、石英、合金等の効率的な鏡面研削法として知られている。しかしながら、硬さが大きく異なる層が混在したセラミック焼結基板の研削にELID研削が適用された例はあまり知られておらず、セラミック焼結基板の研削にELID研削を適用し、その研削条件および得られる研削面の性状を詳細に検討したのは今回が始めてである。また、一般に、セラミックのような硬質材料のすべり系においては極めて高温にならないと延性モードの研削は起こり難く、そのような高温を切削エネルギーだけで得ることは得にくいと言われている状況下、セラミック焼結基板、特にAlN焼結基板研削について延性モードの研削が可能であることも今回始めて確認されたことである。   According to the production method of the present invention, it is possible to efficiently produce a novel ceramic substrate of the present invention. As shown in the experimental results to be described later, when processing is performed by ELID grinding using a conductive grindstone containing abrasive grains of # 2000 to # 30000, ductility mode grinding occurs, and excellent smoothness as described above. It has become possible to obtain. Note that ELID grinding is a method of grinding a workpiece while concentrating a conductive grindstone with electrolytic dressing, and is known as an efficient mirror grinding method for silicon, quartz, alloys and the like. However, there are not so many examples in which ELID grinding is applied to grinding of ceramic sintered substrates in which layers having greatly different hardness are mixed, and ELID grinding is applied to grinding of ceramic sintered substrates. This is the first time that the properties of the resulting grinding surface have been examined in detail. In general, in a sliding system of a hard material such as ceramic, grinding in a ductile mode is unlikely to occur unless the temperature is extremely high, and it is difficult to obtain such a high temperature only by cutting energy. It has also been confirmed for the first time that ductile mode grinding is possible for ceramic sintered substrates, especially AlN sintered substrates.

また、第三の本発明は、前記本発明のセラミック基板の算術表面粗さRaが0.003〜0.04μmである面上に金属薄膜層が接合されてなることを特徴とするメタライズセラミック基板である。該本発明のメタライズセラミック基板は、セラミック基板と金属薄膜層の密着力が例えば3Kgmm-2以上と非常に高いばかりでなく、金属薄膜層の算術表面粗さRaが0.1μm以下と非常に平滑であるため、レーザーダイオードやキャパシタ等の電子素子をマウントした場合に電子素子の接合部の強度のバラツキを小さく、熱サイクルに対する耐久性が高いという特徴を有する。この結果、電子素子を表面にマウントした際の歩留まりも、約70%〜100%に高まる。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a metallized ceramic substrate comprising a metal thin film layer bonded to a surface having an arithmetic surface roughness Ra of 0.003 to 0.04 μm. It is. In the metallized ceramic substrate of the present invention, not only the adhesion between the ceramic substrate and the metal thin film layer is very high, eg, 3 Kgmm −2 or more, but also the arithmetic surface roughness Ra of the metal thin film layer is 0.1 μm or less, which is very smooth. Therefore, when an electronic device such as a laser diode or a capacitor is mounted, the strength variation of the joint portion of the electronic device is small, and the durability against thermal cycling is high. As a result, the yield when the electronic element is mounted on the surface is also increased to about 70% to 100%.

本発明のメタライズセラミック基板は、セラミック焼結基板としては従来の基板では見られないような高度な表面平滑性を有し、その表面にメタル薄膜層を形成した場合に、得られるメタライズ基板(本発明のメタライズ基板)の金属薄膜層表面を平滑性の高いものとすることができるばかりでなく、その密着強度も著しく高いものとすることができる。さらに、本発明のメタライズセラミック基板は、硬度が高く、摩擦係数が低く、表面から深い位置まで主成分以外の物質として酸素が検出される。また、本発明のメタライズ基板は、このような優れた特徴を有するため、電子素子を表面にマウントした際の歩留まりが高いばかりでなく、得られる素子搭載基板の品質も優れたものとなる。さらに、本発明の製造方法によれば、上記のような優れた本発明のセラミック基板を効率よく製造することが可能である。   The metallized ceramic substrate of the present invention has a high level of surface smoothness that is not found in conventional substrates as a ceramic sintered substrate, and is obtained when a metal thin film layer is formed on the surface of the metallized ceramic substrate. The metal thin film layer surface of the metallized substrate of the invention can be made not only highly smooth, but also can be made extremely high in adhesion strength. Furthermore, the metallized ceramic substrate of the present invention has a high hardness, a low friction coefficient, and oxygen is detected as a substance other than the main component from the surface to a deep position. Further, since the metallized substrate of the present invention has such excellent characteristics, not only the yield when the electronic device is mounted on the surface is high, but also the quality of the obtained device mounting substrate is excellent. Furthermore, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to efficiently manufacture the excellent ceramic substrate of the present invention as described above.

本発明のセラミック基板は、互いに同種の無機物質で構成される平均結晶子径1〜50μmの複数の結晶相が異種の無機物質で構成される粒界相を介して接合した構造を含んでなるセラミック基板からなる。このような構造は、セラミック基板の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)観察することにより容易に確認することができる。   The ceramic substrate of the present invention comprises a structure in which a plurality of crystal phases having an average crystallite diameter of 1 to 50 μm composed of the same kind of inorganic substance are joined via a grain boundary phase composed of different kinds of inorganic substances. It consists of a ceramic substrate. Such a structure can be easily confirmed by observing the cross section of the ceramic substrate with a scanning electron microscope (SEM).

一般に、結晶性セラミック粉末を、焼結助剤を用いて焼結することにより得られるセラミック焼結基板は、複数の結晶子が焼結助剤に由来する粒界相(一般に、この粒界層はセラミック材料と焼結助剤が焼結時に反応して得られる物質からなり、結晶子を構成するセラミックとは異なる材質からなり、その硬さも結晶子を構成するセラミックとは大きく異なる)を介して接合した構造を有することは良く知られた事実である。したがって、本発明のセラミック基板は、単一成分の結晶性無機粒子からなる粉末を、焼結助剤を用いて焼結して得た焼結セラミック基板(原料セラミック焼結基板)の表面が上記のような特定の平滑性を有するように加工されたものであるといえる。   In general, a ceramic sintered substrate obtained by sintering a crystalline ceramic powder using a sintering aid has a grain boundary phase in which a plurality of crystallites originate from the sintering aid (generally, this grain boundary layer). Is made of a material obtained by a reaction between a ceramic material and a sintering aid during sintering, is made of a material different from the ceramic constituting the crystallite, and its hardness is greatly different from that of the ceramic constituting the crystallite). It is a well known fact to have a bonded structure. Therefore, the ceramic substrate of the present invention has a surface of a sintered ceramic substrate (raw material ceramic sintered substrate) obtained by sintering a powder composed of single-component crystalline inorganic particles using a sintering aid. It can be said that it was processed so as to have a specific smoothness.

上記原料セラミック焼結基板は、例えば単一成分の結晶性無機粒子からなるセラミック粉末、焼結助剤、有機結着剤、可塑剤及び溶剤などを含むスラリーをドクターブレード法等により薄いシート状に加工したもの(グリーンシート)を脱脂および焼結すること、或いは上記の原料粉末などをプレス成型、脱脂、焼成することにより好適に得ることができる。また、原料セラミック焼結基板の形状は特に限定されないが、形状加工が容易であるという観点からその厚さは50μm〜5cm、特に100μm〜2cmであるのが好適である。   The raw material ceramic sintered substrate is made of, for example, a ceramic powder composed of single-component crystalline inorganic particles, a slurry containing a sintering aid, an organic binder, a plasticizer and a solvent into a thin sheet by a doctor blade method or the like. It can be suitably obtained by degreasing and sintering the processed product (green sheet), or press molding, degreasing and firing the above raw material powder and the like. The shape of the raw ceramic sintered substrate is not particularly limited, but the thickness is preferably 50 μm to 5 cm, particularly preferably 100 μm to 2 cm from the viewpoint of easy shape processing.

上記方法は、グリーンシートを用いてセラミック焼結基板を得る通常の方法と特に変わるところはなく、使用する各種材料、その使用量、脱脂条件、焼成条件等も従来の方法と特に変わるところはない。たとえば、セラミック粉末としては、その粉末を構成する粒子が結晶相を含有するものであれば特に限定されず、公知のセラミック材料からなるものが使用できる。好適に使用できるセラミック材料を例示すれば、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、炭化珪素、ニ酸化ケイ素等を挙げることができる。これらの中でも、放熱基板として使用する場合には熱伝導率が高く(100W/mK〜320W/mK)、且つ機械的強度(曲げ強度〜800MPa)が大きい窒化アルミニウムを使用するのが特に好適である。なお、一般に基板製造時の焼成過程において原料粉末に含まれる結晶子は粒成長し、その殆どが平均結晶子径0.3μm〜50μm程度より具体的には0.5〜10μm程度の結晶子となる。このように、平均結晶子径0.3〜50μmという大きさは、結晶性のセラミック焼結基板に含まれる結晶子の大きささとして特殊なものではなく、工業的に入手可能なセラミック焼結基板の多くはこのような大きさの結晶子を含んでいる。例えば、市販されている代表的な窒化アルミニウム焼結基板(例えば株式会社トクヤマ製SH−15)についてその基板中に含まれる全結晶子中粒度分布を測定するとのその70〜98%は結晶子径0.5〜10μmの範囲となっている。   The above method is not particularly different from the usual method of obtaining a ceramic sintered substrate using a green sheet, and various materials used, the amount used, degreasing conditions, firing conditions, etc. are not particularly different from conventional methods. . For example, the ceramic powder is not particularly limited as long as the particles constituting the powder contain a crystal phase, and those made of a known ceramic material can be used. Examples of ceramic materials that can be suitably used include aluminum nitride, aluminum oxide, silicon nitride, boron nitride, silicon carbide, and silicon dioxide. Among these, when used as a heat dissipation substrate, it is particularly preferable to use aluminum nitride having high thermal conductivity (100 W / mK to 320 W / mK) and high mechanical strength (bending strength to 800 MPa). . In general, the crystallites contained in the raw material powder grow in the firing process during substrate production, and most of them are crystallites having an average crystallite diameter of about 0.3 μm to 50 μm, more specifically about 0.5 to 10 μm. Become. Thus, the average crystallite diameter of 0.3 to 50 μm is not special as the size of the crystallite contained in the crystalline ceramic sintered substrate, and is a commercially available ceramic sintered substrate. Many contain crystallites of this size. For example, about 70% to 98% of the crystallite size measured by measuring the particle size distribution in all crystallites contained in a commercially available representative aluminum nitride sintered substrate (for example, SH-15 manufactured by Tokuyama Corporation). The range is 0.5 to 10 μm.

また、焼結助剤としては、セラミック粉末の材質に応じて焼結助剤として使用できることが知られているものを何ら制限なく使用することができる。例えば、セラミック粉末として窒化アルミニウム粉末を使用する場合(AlN焼結基板の場合)には、酸化カルシウム、アルミン酸カルシウム、リン酸三カルシウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セリウム等が使用される。これら焼結助剤は単独で或いは異なる種類のものを混合して使用することもできる。これら焼結助剤の使用量はセラミック粉末の材質に応じて通常使用される範囲内であり、たとえばAlN焼結基板の場合には窒化アルミニウム粉末100重量部に対して0.1〜10重量部、好適には1〜7重量部使用される。   Moreover, as a sintering aid, what is known to be usable as a sintering aid depending on the material of the ceramic powder can be used without any limitation. For example, when aluminum nitride powder is used as the ceramic powder (in the case of an AlN sintered substrate), calcium oxide, calcium aluminate, tricalcium phosphate, yttrium oxide, lanthanum oxide, cerium oxide, or the like is used. These sintering aids can be used alone or in a mixture of different kinds. The amount of these sintering aids is within the range normally used depending on the material of the ceramic powder. For example, in the case of an AlN sintered substrate, 0.1 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the aluminum nitride powder. 1-7 parts by weight are preferably used.

本発明のセラミック基板は上記のような構造を有しているにもかかわらず、その少なくとも一つの面の算術表面粗さRaが0.04μm以下であるという特徴を有する。このような表面粗さは従来の遊離砥粒を用いた研削加工法によりセラミック焼結基板を研削した場合には得ることのできないものである。このような優れた表面平滑性を有することにより、その面上に金属薄膜を形成した場合、金属薄膜との密着性を高いものとすることができるばかりでなく、形成される金属薄膜の算術的表面粗さ自体を小さくすることができる。このような効果の観点から、本発明のセラミック基板における少なくとも一つの面の算術的表面粗さは0.003〜0.04μm、特に0.005〜0.01μmであるのが好適である。   Although the ceramic substrate of the present invention has the above-described structure, it has a feature that the arithmetic surface roughness Ra of at least one surface thereof is 0.04 μm or less. Such surface roughness cannot be obtained when a ceramic sintered substrate is ground by a conventional grinding method using loose abrasive grains. By having such excellent surface smoothness, when a metal thin film is formed on the surface, not only the adhesion to the metal thin film can be made high, but also the arithmetic operation of the formed metal thin film The surface roughness itself can be reduced. From the viewpoint of such effects, the arithmetic surface roughness of at least one surface of the ceramic substrate of the present invention is preferably 0.003 to 0.04 μm, particularly 0.005 to 0.01 μm.

ここで、算術表面粗さとは、試料表面の凹凸の算術的に求められる平均粗さであり、接触式或いは非接触式の表面粗さ測定装置を用いて測定することにより決定される値である。   Here, the arithmetic surface roughness is an average roughness that is calculated arithmetically of the unevenness of the sample surface, and is a value determined by measurement using a contact-type or non-contact-type surface roughness measuring device. .

また、本発明のセラミック基板は、上記のような効果の観点から更に好適な態様として、前記の平滑な面に存在する口径0.3〜50μmの欠陥の数、特に口径1〜10μmの欠陥の数が平均で1.25×10-4個/μm2(200μm×200μmの範囲内に5個に相当する)以下、好適には0.5×10-4個/μm2以下であるものを含んでいる。一般にセラミック焼結基板は、硬さの異なる結晶子相と粒界層が混在するという構造的特徴を有するため、研削加工において得られる研削面は粒界破壊が主流の脆性モード除去面となり易い。そのため、従来の研削法により得られる研削面には、結晶子の脱落に起因する最大口径0.3〜50μmの欠陥の数が平均で2.5×10-4個/μm2(200μm×200μmの範囲内に10個に相当する)程度存在することになる。これに対して本発明のセラミック基板ではその欠陥数が半分以下となっている。 In addition, the ceramic substrate of the present invention is a more preferable embodiment from the viewpoint of the above-described effects. An average number of 1.25 × 10 −4 pieces / μm 2 or less (corresponding to 5 pieces in the range of 200 μm × 200 μm), preferably 0.5 × 10 −4 pieces / μm 2 or less Contains. In general, a sintered ceramic substrate has a structural feature in which a crystallite phase and a grain boundary layer having different hardnesses are mixed, and therefore, a grinding surface obtained in grinding is likely to become a brittle mode removal surface in which grain boundary fracture is the mainstream. Therefore, on the ground surface obtained by the conventional grinding method, the average number of defects having a maximum diameter of 0.3 to 50 μm caused by crystallite dropping is 2.5 × 10 −4 / μm 2 (200 μm × 200 μm). In the range of 10). In contrast, the number of defects in the ceramic substrate of the present invention is less than half.

ここで、口径0.3〜50μmの欠陥の数(平均)とは、例えば研削加工表面について任意の視野5個所について金属顕微鏡観察し、200×200μmの範囲内に含まれる口径0.3〜50μmの欠陥の数をカウントし、その平均値を求めることによって決定することができる。通常、観測される欠陥は真円状ではなく多角形状をしている。このような場合、長径方向の長さをもって欠陥の口径とする。   Here, the number (average) of defects having an aperture of 0.3 to 50 μm is, for example, observed with a metallographic microscope at five arbitrary fields of view on the ground surface, and an aperture of 0.3 to 50 μm included in the range of 200 × 200 μm. The number of defects can be counted and the average value can be obtained. Usually, the observed defect is not a perfect circle but a polygon. In such a case, the length in the major axis direction is the defect aperture.

本発明のセラミック基板の製造方法は特に限定されないが、前記原料セラミック焼結基板を粒度#2000〜#30000の砥粒を含む導電性砥石を用いた電解インプロセスドレッシング研削(ELID研削)により加工することにより好適に製造することができる。ELID研削方法を適用した場合でも#325〜#1200の砥粒を含む導電性砥石を用いた場合には、粒界破壊が主流の脆性モード除去面となり、本発明のセラミック基板を得ることができない。   The method for producing the ceramic substrate of the present invention is not particularly limited, but the raw ceramic sintered substrate is processed by electrolytic in-process dressing grinding (ELID grinding) using a conductive grindstone containing abrasive grains having a grain size of # 2000 to # 30000. It can manufacture suitably. Even when the ELID grinding method is applied, when a conductive grindstone containing abrasive grains of # 325 to # 1200 is used, grain boundary fracture becomes a mainstream brittle mode removal surface, and the ceramic substrate of the present invention cannot be obtained. .

ここで、ELID研削方法とは、砥粒を鉄等の導電性ボンド材中に分散、固定化した導電性砥石(メタルボンド砥石)を用い電解によりボンド材を溶出させながらワークの研削を行う方法であり、例えば図1に示すような精密横型ELIDロータリー平面研削盤を用いて行うことができる。図1は、代表的な精密横型ELIDロータリー平面研削盤の構成図であり、ワーク1(セラミック基板)を研削するための導電性砥石2、砥石の加工面から間隔を隔てて位置する電極3、導電性研削液4を流す研削液供給手段5および砥石と電極との間に電圧を印加しかつその間に流れる電流を所定の範囲に制御するELID用電源6を含んでなる。導電性砥石2が固定された平面研削盤は、回転軸に空気軸受けを有し、フルクローズドスケールフィードバックにより高分解能(例えば0.1μm)位置決め可能な構造となっている。また、ワーク1は平面研削盤に対向する回転可能なワーク固定台に真空チャック等により固定されている。研削に際しては平面研削盤およびワーク固定台を同一の回転方向に異なる回転速度で回転させながらワーク1の被加工面に導電性砥石2の研削面を当触せしめて研削を行うと共に接触面に導電性研削液4を断続的若しくは連続的に供給しながら導電性砥石2と電極3との間に電圧を印加する。そうすることにより研削中にボンド材を溶出させて導電性砥石2表面における砥粒を常に突出した状態にすることが可能となり、効率的に研削加工を行うことができる。   Here, the ELID grinding method is a method of grinding a workpiece while eluting the bond material by electrolysis using a conductive grindstone (metal bond grindstone) in which abrasive grains are dispersed and fixed in a conductive bond material such as iron. For example, a precision horizontal ELID rotary surface grinder as shown in FIG. 1 can be used. FIG. 1 is a configuration diagram of a typical precision horizontal ELID rotary surface grinder, which includes a conductive grindstone 2 for grinding a workpiece 1 (ceramic substrate), an electrode 3 positioned at a distance from a processing surface of the grindstone, A grinding fluid supply means 5 for flowing the conductive grinding fluid 4 and an ELID power source 6 for applying a voltage between the grindstone and the electrode and controlling the current flowing between them to a predetermined range are included. The surface grinding machine to which the conductive grindstone 2 is fixed has an air bearing on the rotating shaft, and has a structure capable of positioning with high resolution (for example, 0.1 μm) by full-closed scale feedback. The workpiece 1 is fixed to a rotatable workpiece fixing table facing the surface grinding machine by a vacuum chuck or the like. In grinding, the surface grinder and the work fixing base are rotated at different rotational speeds in the same rotational direction, and the ground surface of the conductive grindstone 2 is brought into contact with the work surface of the work 1 and the contact surface is electrically conductive. A voltage is applied between the conductive grindstone 2 and the electrode 3 while supplying the conductive grinding fluid 4 intermittently or continuously. By doing so, it becomes possible to elute the bond material during grinding and make the abrasive grains on the surface of the conductive grindstone 2 always protrude, and grinding can be performed efficiently.

本発明の製造方法で使用する導電性砥石は、それに含まれる砥粒の粒度が#2000〜#30000のものであれば特に限定されず、砥粒としてはダイヤモンド、SiC、アルミナ、BN等が、ボンド材としては鉄、鋳鉄、カーボン等導電材料で構成される材質が使用できるが、効率よく研削できるという理由から砥粒がダイヤモンドでありボンド材が鋳鉄であるものを使用するのが好適である。   The conductive grindstone used in the production method of the present invention is not particularly limited as long as the grain size of the abrasive grains contained therein is # 2000 to # 30000, and the abrasive grains include diamond, SiC, alumina, BN, etc. As the bond material, a material composed of a conductive material such as iron, cast iron, or carbon can be used. However, it is preferable to use a material in which the abrasive is diamond and the bond material is cast iron because it can be efficiently ground. .

この砥石を用いて、粗研削〜中間研削〜仕上げ研削と段階的に加工を行う。なお、それぞれの工程で使用する砥石粒度は、粗研削で#325〜#600、中間研削で#1200〜#2000、仕上げ研削で#4000〜#30000であり、要求する表面品位にあわせて適宜選択する。砥石周速は800〜1200m/min程度であり、クーラントは弱導電性水溶性研削液を使用するのがよい。   Using this grindstone, processing is performed step by step from rough grinding to intermediate grinding to finish grinding. In addition, the grindstone particle size used in each process is # 325 to # 600 for rough grinding, # 1200 to # 2000 for intermediate grinding, and # 4000 to # 30000 for finishing grinding, and is appropriately selected according to the required surface quality. To do. The peripheral speed of the grindstone is about 800 to 1200 m / min, and the coolant is preferably a weakly conductive water-soluble grinding fluid.

上記のような方法で製造される本発明のセラミック基板は、高度に平滑な表面を有するため、その平滑面に薄膜形成法により金属薄膜を形成したメタライズ基板(本発明のメタライズ基板)は、セラミック基板と金属薄膜の密着力が高く、金属薄膜表面の算術的表面粗さRaが小さいという特徴を有する。このため、半導体素子やキャパシタ等の電子素子搭載用の基板として使用した場合、電子素子マウント時の歩留まりが高くなるばかりでなく、電子素子が搭載された基板自体も半導体素子の接合部の強度のバラツキが小さく、熱サイクルに対する耐久性が高いという高品質のものとなる。なお、金属薄膜との密着性に関して付言すれば、ELID研削を用いた上記方法で製造される本発明のセラミック基板は、その研削加工面上に金属薄膜を形成した場合の当該金属薄膜の密着強度は下地表面の平滑性から予想される密着強度を越えるものである。例えば、研削加工面上にスパッタリング法によりTi薄膜層(厚さ0.1μm)を形成した場合の当該Ti薄膜層の密着力は3.5Kg/mm2以上と非常に高いものとなる。これは、おそらくELID研削によりセラミック基板表面が何らかの改質を受け金属に対する密着性が高い状態に変化しているものと思われる。ELID研削によりどのような改質を受けているかは今のところ不明であるが、ELID研削により得られる本発明のセラミック基板は、スパッタリング法によりTi薄膜層(厚さ0.1μm)を形成した場合の当該Ti薄膜層の密着力が3.5Kg/mm2以上となる特殊な表面状態の平滑面を有しているといえる。 Since the ceramic substrate of the present invention manufactured by the method as described above has a highly smooth surface, a metallized substrate (metallized substrate of the present invention) in which a metal thin film is formed on the smooth surface by a thin film forming method is a ceramic substrate. The adhesion between the substrate and the metal thin film is high, and the arithmetic surface roughness Ra of the metal thin film surface is small. For this reason, when it is used as a substrate for mounting an electronic element such as a semiconductor element or a capacitor, not only the yield at the time of mounting the electronic element is increased, but also the substrate on which the electronic element is mounted has a high strength of the junction of the semiconductor element. It will be of high quality with little variation and high durability against thermal cycling. In addition, with regard to the adhesion to the metal thin film, the ceramic substrate of the present invention manufactured by the above method using ELID grinding is the adhesion strength of the metal thin film when the metal thin film is formed on the ground surface. Exceeds the adhesion strength expected from the smoothness of the underlying surface. For example, when a Ti thin film layer (thickness 0.1 μm) is formed on the ground surface by sputtering, the adhesion force of the Ti thin film layer is as high as 3.5 kg / mm 2 or more. This is probably because the surface of the ceramic substrate has undergone some modification due to ELID grinding and has changed to a state of high adhesion to metal. At present, it is unclear what kind of modification has been made by ELID grinding, but the ceramic substrate of the present invention obtained by ELID grinding has a Ti thin film layer (thickness of 0.1 μm) formed by sputtering. It can be said that the Ti thin film layer has a special smooth surface with an adhesion of 3.5 kg / mm 2 or more.

本発明のメタライズ基板の製造方法は、セラミック基板として本発明のセラミック基板を用いる以外は従来の膜形成法を用いたメタライズ法と特に変わることはない。膜形成法としては薄膜形成法及び厚膜形成法のいずれも採用可能であるが、小型化、高集積度化が要求される半導体素子搭載用基板として使用する場合には、薄膜形成法を採用するのが好適である。特に蒸着法、スパッタリング法、化学気相蒸着(CVD)法は高純度の金属薄膜(メタライズ膜)を厚み精度良く形成可能であるため、これらの方法を採用するのが特に好適である。   The manufacturing method of the metallized substrate of the present invention is not particularly different from the metallized method using the conventional film forming method except that the ceramic substrate of the present invention is used as the ceramic substrate. Although either a thin film formation method or a thick film formation method can be adopted as a film formation method, the thin film formation method is adopted when used as a substrate for mounting a semiconductor element that requires miniaturization and high integration. It is preferable to do this. In particular, the vapor deposition method, the sputtering method, and the chemical vapor deposition (CVD) method can form a high-purity metal thin film (metallized film) with high thickness accuracy. Therefore, it is particularly preferable to employ these methods.

例えば、スパッタリング法により金属薄膜層(メタライズ層)を形成するには、形成しようとする物質と同種類の物質からなるスパッタリングターゲットを形成して、当該材料をスパッタリングすることによりセラミック基体上に所望の材料のメタライズ膜を形成することができる。この時、水晶振動子を用いた膜厚モニターで蒸着物質の膜厚を測定することで正確に付着膜厚を管理することが可能である。尚、スパッタリングを行う場合にはセラミック基板を加熱せず、室温のままとしても、加熱しても良い。また、メタライズ膜がガス状の原料からCVD法により形成できる場合にはCVD法が好適に採用できる。   For example, in order to form a metal thin film layer (metallized layer) by a sputtering method, a sputtering target made of the same kind of substance as the substance to be formed is formed, and the desired material is sputtered on the ceramic substrate. A metallized film of material can be formed. At this time, it is possible to accurately manage the deposited film thickness by measuring the film thickness of the vapor deposition material with a film thickness monitor using a crystal resonator. When sputtering is performed, the ceramic substrate is not heated and may be heated at room temperature. Further, when the metallized film can be formed from a gaseous raw material by the CVD method, the CVD method can be suitably employed.

また、CVD(化学気相蒸着)法によりメタライズ膜を形成する場合には、有機金属CVD装置を用いて好適に行うことができる。この方法では真空排気した反応容器内にTa(OC255などの原料ガスを窒素などの希釈ガスにより希釈して導入し、反応容器内で熱分解することにより加熱したセラミック基板上にメタライズ膜の形成を行うものである。セラミック基板は膜の成長条件によって異なるが、一般的に50℃〜1000℃程度に加熱される。また、予め、形成条件毎の製膜スピードを測定しておくことにより、製膜時間を制御して膜厚を正確に見積もることができる。尚、窒素とともに希釈ガスとしてヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオン、クリプトンなどの非堆積性ガスを用いることができる。これらの方法においては、膜形成時にセラミック基板にマスキングを行うことにより形状を任意に変えることもできる。また、製膜後にエッチングにより膜形状を変えることも可能である。 Further, when the metallized film is formed by the CVD (chemical vapor deposition) method, it can be suitably performed using an organic metal CVD apparatus. In this method, a raw material gas such as Ta (OC 2 H 5 ) 5 is introduced into a evacuated reaction vessel after being diluted with a diluent gas such as nitrogen and thermally decomposed in the reaction vessel onto a heated ceramic substrate. A metallized film is formed. The ceramic substrate is generally heated to about 50 ° C. to 1000 ° C., although it varies depending on the film growth conditions. In addition, by measuring the film forming speed for each forming condition in advance, the film forming time can be controlled to accurately estimate the film thickness. In addition to nitrogen, non-deposition gas such as helium, argon, xenon, neon, krypton can be used as a diluent gas. In these methods, the shape can be arbitrarily changed by masking the ceramic substrate during film formation. It is also possible to change the film shape by etching after film formation.

セラミック基板上に形成する金属薄膜の種類や金属薄膜の膜構造(例えば単層にするか複数の層が積層された構造とするか等)は、使用するセラミック基板の材質に応じて適宜決定すればよい。たとえば、セラミック基板として窒化アルミニウム焼結基板を使用する場合には、前記したような三層構造とするのが好ましい。   The type of metal thin film to be formed on the ceramic substrate and the film structure of the metal thin film (for example, whether it is a single layer or a structure in which a plurality of layers are laminated) are appropriately determined according to the material of the ceramic substrate to be used. That's fine. For example, when an aluminum nitride sintered substrate is used as the ceramic substrate, the three-layer structure as described above is preferable.

以下に実施例をあげて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

窒化アルミニウム粉末100重量部に対して焼結助剤として酸化イットリウムを5重量部含むグリーンシートを脱脂・焼成することにより得た厚さ1.5mmの窒化アルミニウム焼結基板から25mm×25mmの板状体を4枚切り出し試料とした。なお、試料の表面についてSEM観察したところ、該窒化アルミニウム焼結基板は、平均粒径2〜6μmの結晶子が粒界相を介して互いに接合した構造であることが確認された。
上記試料を図1に示す構造を有する精密横型ELIDロータリー平面研削盤にセットし、以下の条件でその表面の研削加工を行なった。表1に研削実験システムを示す。
25 mm x 25 mm plate shape from 1.5 mm thick aluminum nitride sintered substrate obtained by degreasing and firing a green sheet containing 5 parts by weight of yttrium oxide as a sintering aid for 100 parts by weight of aluminum nitride powder Four bodies were cut out and used as samples. When the surface of the sample was observed by SEM, it was confirmed that the aluminum nitride sintered substrate had a structure in which crystallites having an average particle diameter of 2 to 6 μm were bonded to each other through a grain boundary phase.
The sample was set on a precision horizontal ELID rotary surface grinder having the structure shown in FIG. 1, and the surface was ground under the following conditions. Table 1 shows the grinding experimental system.

Figure 2005001975
Figure 2005001975

〔研削条件〕
研削加工は#325,#600,#1200,#2000,#4000,#8000,#30000の鋳鉄ボンドホイール2を使用し,各ホイールをツルーイング,初期電解ドレッシング後,表2に示す条件で実施した。
[Grinding conditions]
Grinding was performed using the cast iron bond wheels 2 of # 325, # 600, # 1200, # 2000, # 4000, # 8000, and # 30000. Each wheel was trued and subjected to the conditions shown in Table 2 after initial electrolytic dressing. .

Figure 2005001975
Figure 2005001975

研削加工終了後、水洗浄、乾燥処理をしてから、表面粗さ測定装置を用いて研削面の算術的表面粗Raを測定したところ、#30000の砥石を使用した場合、約30分の加工時間においてRa=0.008μmとなった。表3にホイール別の表面粗さの測定結果を示す。ホイールが微粒になるほど加工面粗さが向上する結果が得られた。特に#4000ホイールでは加工面粗さ0.1240μmRy、0.0176μmRaの鏡面と呼べる極めて良好な加工面粗さが得られた。また,#600と#2000ホイールの間において急激な加工面粗さの向上が観られた。これは,この間で除去機構の変化があったと思われる。   After grinding, after washing with water and drying, arithmetic surface roughness Ra of the ground surface was measured using a surface roughness measuring device. When a # 30000 grindstone was used, processing was about 30 minutes. In time, Ra = 0.008 μm. Table 3 shows the measurement results of the surface roughness for each wheel. The result that the surface roughness improved as the wheel became finer was obtained. In particular, with a # 4000 wheel, a very good machined surface roughness that can be called a mirror surface with a machined surface roughness of 0.1240 μmRy and 0.0176 μmRa was obtained. In addition, a sharp improvement in machined surface roughness was observed between the # 600 and # 2000 wheels. It seems that there was a change in the removal mechanism during this period.

Figure 2005001975
Figure 2005001975

図2に#4000ホイールでの加工中の電解電流値と砥石軸負荷を示す。両者共に大きな変動は観察されず、終始安定した加工が達成できたことを示した。その他のホイールでも同様な結果が確認された。   FIG. 2 shows the electrolytic current value during grinding with the # 4000 wheel and the grindstone shaft load. In both cases, no significant fluctuation was observed, indicating that stable machining could be achieved from beginning to end. Similar results were confirmed for the other wheels.

図3に#325〜#30000ホイールによる加工面のSEM像を示す。#325,#600ホイールによる加工面は、粒界破壊による粗い加工面状態を示している。また#1200ホイールによる加工面は、わずかに粒界破壊以外の除去がわずかに確認されるものの#325ホイールと同様に粒界破壊が主流の脆性モード除去加工面となっている。   FIG. 3 shows an SEM image of the processed surface with # 325 to # 30000 wheels. The processed surface by # 325 and # 600 wheels shows a rough processed surface state due to grain boundary fracture. Further, the processed surface by the # 1200 wheel is a brittle mode removing processed surface in which grain boundary fracture is the mainstream, as in the case of the # 325 wheel, although slight removal other than the grain boundary fracture is slightly confirmed.

これに対して#2000,#4000,#8000,#30000ホイールによる加工面は粒界破壊が殆ど観察されない滑らかな加工面状態を示している。このSEM結果より#1200から#2000ホイール間で窒化アルミニウムの脆性−延性遷移点が存在することが確認された。高品位加工面を創成するためには、#2000以上の微細砥粒ホイールの使用が不可欠であることがわかった.   On the other hand, the processed surfaces with # 2000, # 4000, # 8000, and # 30000 wheels show smooth processed surface states in which almost no grain boundary fracture is observed. From this SEM result, it was confirmed that a brittle-ductile transition point of aluminum nitride exists between # 1200 and # 2000 wheels. In order to create a high-quality machined surface, it was found that the use of a fine abrasive wheel of # 2000 or higher was indispensable.

また、研削加工された表面について任意の視野5個所について金属顕微鏡観察し(倍率:200倍)、200×200μmの範囲内に含まれる口径0.3〜50μmの欠陥の数をカウントし、その平均値を求めたところ、その数(平均値は)2個であった。測定結果を表4に示す。   In addition, the ground surface was observed with a metallurgical microscope at five arbitrary fields of view (magnification: 200 times), the number of defects having a diameter of 0.3 to 50 μm included in the range of 200 × 200 μm was counted, and the average When the value was calculated | required, the number (average value) was two pieces. Table 4 shows the measurement results.

Figure 2005001975
Figure 2005001975

次いで、研削加工後の1枚の試料について研削加工された面上にスパッタリング法によりTi薄膜層(厚さ0.1μm)、Pt薄膜層(厚さ0.3μm)及びAu薄膜層(厚さ0.7μm)を順次形成し、メタライズセラミック基板を得た。得られたメタライズ基板のメタライズ層の算術的表面粗さを測定したところ、Ra=0.01μmであった。その後、1枚のメタライズ基板についてメタライズ層の表面にニッケルめっきしたピン(先端が平坦で、ピン径φ0.5mm、42アロイ製のもの)を垂直に半田付けした後、株式会社東洋精機製作所製ストログラフM2にセットしてピンを垂直方向に引っ張り速度は10mm/分で引っ張り、破壊強度を測定した。その結果、破壊強度は10Kg/mm2であった。また、剥離モードを試験後の界面を実態顕微鏡、金属顕微鏡、または、X線マイクロアナライザーにより観測することにより調べたところ、剥離モードは母材(AlN)破壊であった(表4)。 Next, a Ti thin film layer (thickness 0.1 μm), a Pt thin film layer (thickness 0.3 μm), and an Au thin film layer (thickness 0) are formed on the ground surface of one sample after grinding by sputtering. .7 μm) were sequentially formed to obtain a metallized ceramic substrate. When the arithmetic surface roughness of the metallized layer of the obtained metallized substrate was measured, Ra = 0.01 μm. After that, after nickel-plated pins (tips with a flat tip diameter of 0.5 mm, made of 42 alloy) were soldered vertically on one metallized substrate, the surface of the metallized layer was soldered, and then the Toyo Seiki Seisakusho Co., Ltd. The pin was set on the graph M2 and the pin was pulled in the vertical direction at a pulling speed of 10 mm / min, and the breaking strength was measured. As a result, the breaking strength was 10 kg / mm 2 . Further, when the peeling mode was examined by observing the interface after the test with a real microscope, a metal microscope, or an X-ray microanalyzer, the peeling mode was a base material (AlN) breakdown (Table 4).

更に、残りの1枚のメタライズ基板のメタライズ層上に薄膜キャパシターを作製した。薄膜キャパシターは、金電極間に酸化タンタルを0.3μmの厚みでサンドイッチした素子である。酸化タンタルはスパッタリング法により作製した。その後、酸化タンタルを挟み込んだ金電極にプローブを落として容量を測定することにより素子の評価を行なった(不良品は、この場合ショートする。)。100個の素子を作製した結果、ショートは起らず100%良品であった(表4:No.5)。   Further, a thin film capacitor was produced on the metallized layer of the remaining one metallized substrate. A thin film capacitor is an element in which tantalum oxide is sandwiched between gold electrodes to a thickness of 0.3 μm. Tantalum oxide was produced by sputtering. Thereafter, the element was evaluated by dropping the probe onto a gold electrode sandwiching tantalum oxide and measuring the capacitance (the defective product is short-circuited in this case). As a result of producing 100 elements, no short circuit occurred and the product was 100% non-defective (Table 4: No. 5).

比較例1
遊離砥粒を用いてラッピング装置により、まず、#700の砥石で粗加工を実施し(60rpm):10分(Ra:0.8)、次いで、#600の砥石で平坦だし加工を行い(60rpm):30分(Ra:0.6)、最後に6ミクロン砥粒を用いた研磨加工で鏡面に仕上げる(100rpm):1時間(Ra:0.1)。
という条件で窒化アルミニウム焼結基板の表面を研磨する以外は同様にして研削加工後の試料の評価、メタライズ基板の作製および評価並びに薄膜キャパシターの作製および評価を行なった。その結果を表4(No.1)に示すが、密着力:2.5Kg/mm2、欠陥の数:30個、素子の歩留まりは0%であった。
Comparative Example 1
First, roughing is performed with a # 700 grindstone (60 rpm): 10 minutes (Ra: 0.8) with a lapping apparatus using loose abrasive grains, and then flattening is performed with a # 600 grindstone (60 rpm). ): 30 minutes (Ra: 0.6), and finally finished to a mirror surface by polishing using 6 micron abrasive grains (100 rpm): 1 hour (Ra: 0.1).
Except for polishing the surface of the aluminum nitride sintered substrate under the above conditions, the sample after grinding was evaluated, the metallized substrate was prepared and evaluated, and the thin film capacitor was prepared and evaluated. The results are shown in Table 4 (No. 1). The adhesion was 2.5 Kg / mm 2 , the number of defects was 30, and the device yield was 0%.

ELID研削条件において#2000ホイールでの研削時間を変更して表面粗さ0.04μm、0.02μmを有する加工面を作製するほかは実施例1と同様にして研削加工、研削加工後の試料の評価、メタライズ基板の作成および評価並びに薄膜キャパシターの作成および評価を行なった。その結果を表4(No.3、4)に示す。   The sample after grinding and grinding was performed in the same manner as in Example 1 except that the grinding time with a # 2000 wheel was changed under ELID grinding conditions to produce processed surfaces having surface roughness of 0.04 μm and 0.02 μm. Evaluation, creation and evaluation of a metallized substrate, and creation and evaluation of a thin film capacitor were performed. The results are shown in Table 4 (No. 3, 4).

比較例2
遊離砥粒を用いたラッピング装置を使用して研磨時間を変更して表面粗さ0.07μm(加工時間4時間)を有する加工面を作製するほかは実施例1と同様にして研削加工、研削加工後の試料の評価、メタライズ基板の作製および評価並びに薄膜キャパシターの作成および評価を行なった。その結果を表4(No.2)に示す。
Comparative Example 2
Grinding and grinding in the same manner as in Example 1 except that a lapping apparatus using loose abrasive grains is used to change the polishing time to produce a processed surface having a surface roughness of 0.07 μm (processing time 4 hours). Evaluation of the sample after processing, preparation and evaluation of a metallized substrate, and preparation and evaluation of a thin film capacitor were performed. The results are shown in Table 4 (No. 2).

表4に示されるように、本発明の製造方法を用いることにより得られる本発明のセラミック基板は従来の遊離砥粒を用いて研磨加工により得られる基板と比較して、著しい表面粗さの低減が可能となるばかりでなく、その表面に存在する欠陥の数の著しく減少する特徴を有している。さらに、本発明で得られたセラミック基板上に金属薄膜を形成したメタライズ基板においては、セラミック表面と金属薄膜との密着性の改善が可能となる。またさらに、本発明により得られるセラミック基板上に形成される電子素子においてはその歩留まりの著しい向上が可能である。   As shown in Table 4, the ceramic substrate of the present invention obtained by using the production method of the present invention has a remarkable reduction in surface roughness as compared with a substrate obtained by polishing using conventional loose abrasive grains. As well as a feature that significantly reduces the number of defects present on the surface. Furthermore, in the metallized substrate in which the metal thin film is formed on the ceramic substrate obtained in the present invention, the adhesion between the ceramic surface and the metal thin film can be improved. Furthermore, the yield of the electronic elements formed on the ceramic substrate obtained by the present invention can be remarkably improved.

#30000ホイールを用いて製造した本発明のセラミック基板(以下、ELID加工材と呼ぶ)と研磨加工で製造した従来のセラミック基板(以下、研磨加工材と呼ぶ)を準備し、表面硬度を超微小硬度試機(NHT)と原子間力顕微鏡(AFM)を用いて計測した。計測条件は、以下の通りであった。
圧子形状:三角錐
垂直荷重:300mN
押込み深さ:20〜30μm
Prepare a ceramic substrate of the present invention (hereinafter referred to as an ELID processed material) manufactured using a # 30000 wheel and a conventional ceramic substrate manufactured by polishing (hereinafter referred to as an abrasive processed material). Measurement was performed using a small hardness tester (NHT) and an atomic force microscope (AFM). The measurement conditions were as follows.
Indenter shape: Triangular pyramid Vertical load: 300mN
Indentation depth: 20-30 μm

図4は、得られた表面硬度の比較図である。この図において、図4(A)は、それぞれ10点のデータの分布を示し、図4(B)は、その平均値を示している。この図から、本発明によるセラミック基板(ELID加工材)は、ビッカース硬度が、Hv1800〜2200の範囲にあり、従来の研磨加工材のビッカース硬度:Hv1400〜1750に比較して顕著に硬くなっていることがわかる。
なお、バルクの硬度評価ではHv1000程度が得られるが、超微小硬度試機により極表面を検出する本方法では従来研磨品でもHv1800程度が得られる。この値の差は、測定深さの違いであり、最表面では理由はわからないがバルク物性を反映しないことを示している。何らかの改質効果が存在するものと思われる。本発明では、表面改質により最表面でのビッカース硬度に差が現れたことがわかる。
FIG. 4 is a comparative view of the obtained surface hardness. In this figure, FIG. 4 (A) shows the distribution of data of 10 points, respectively, and FIG. 4 (B) shows the average value. From this figure, the ceramic substrate (ELID processed material) according to the present invention has a Vickers hardness in the range of Hv 1800 to 2200, which is significantly harder than the Vickers hardness of the conventional abrasive processed material: Hv 1400 to 1750. I understand that.
Incidentally, in the bulk hardness evaluation, about Hv1000 is obtained, but in the present method of detecting the extreme surface with an ultra-micro hardness tester, about Hv1800 is obtained even with a conventional polished product. This difference in value is a difference in measurement depth, and the reason for the outermost surface does not reflect the bulk physical properties although the reason is unknown. Some reforming effect seems to exist. In this invention, it turns out that the difference appeared in the Vickers hardness in the outermost surface by surface modification.

実施例3で準備した本発明のセラミック基板(ELID加工材)と従来のセラミック基板(研磨加工材)を用い、往復摺動型摩擦磨耗試験機(HEIDEN)を用い、トライボロジー試験を実施した。試験条件は、以下の通りであった。
荷重:200g
相手材(アルミナボール)径:3.175mm
摺動距離:10mm
試験速度:5mm/s試験回数:100回
Using the ceramic substrate (ELID processed material) of the present invention prepared in Example 3 and a conventional ceramic substrate (polished material), a tribological test was performed using a reciprocating sliding frictional wear tester (HEIDEN). The test conditions were as follows.
Load: 200g
Counterpart material (alumina ball) diameter: 3.175 mm
Sliding distance: 10mm
Test speed: 5 mm / s Number of tests: 100 times

図5は、得られた摩擦係数の比較図である。この図において、それぞれのデータは任意の5箇所の平均値である。この図から、30回以上の摺動回数において、本発明によるセラミック基板は、摩擦係数が、0.4〜0.7の範囲にあり、従来の研磨材の摩擦係数:0.75〜0.8に比較して顕著に低くなっていることがわかる。   FIG. 5 is a comparison diagram of the obtained friction coefficients. In this figure, each data is an average value of arbitrary five places. From this figure, the ceramic substrate according to the present invention has a friction coefficient in the range of 0.4 to 0.7 at the number of sliding times of 30 times or more, and the friction coefficient of the conventional abrasive: 0.75 to 0.00. As can be seen from FIG.

実施例3で準備した本発明のセラミック基板(ELID加工材)と従来のセラミック基板(研磨加工材)を用い、表面のXPS分析(元素分析)を実施した。   Using the ceramic substrate (ELID processed material) of the present invention prepared in Example 3 and a conventional ceramic substrate (polished material), surface XPS analysis (elemental analysis) was performed.

図6は、本発明品(ELID加工材)の元素分析結果、図7は、従来品(研磨加工材)の元素分析結果である。各図は、左側からC,N,O,Alの含有比率を示しており、山が高いほど含有比率が高いことを意味する。また手前から奥に向かって表面からの深さを示している。深さのスケールはこの図では最大1μm程度である。
図6と図7の比較から、従来品では、酸素比率が、表面付近では高いが直ぐに小さくなっており、酸素の拡散が少ないことがわかる。これに対して本発明品では表面から深い領域まで、酸素比率が高く、酸素の拡散が進んでいることがわかる。
また、アルミニウム(Al)の比率は同程度であるが、そのピーク位置が本発明品では酸素側に寄っていることがわかり、酸化アルミ(アルミナ)の形成が進んでいることがわかる。アルミナの形成は、メタライズのスパッタリングにおいて密着性を向上させる効果が得られることから、この点でも本発明によるセラミック基板が優れていることがわかる。
FIG. 6 shows the result of elemental analysis of the product of the present invention (ELID processed material), and FIG. 7 shows the result of elemental analysis of the conventional product (polished material). Each figure shows the content ratio of C, N, O, and Al from the left side, and the higher the peak, the higher the content ratio. In addition, the depth from the surface is shown from the front to the back. The depth scale is about 1 μm at the maximum in this figure.
From the comparison between FIG. 6 and FIG. 7, it can be seen that in the conventional product, the oxygen ratio is high in the vicinity of the surface but immediately decreases, and oxygen diffusion is small. On the other hand, in the product of the present invention, it can be seen that the oxygen ratio is high from the surface to the deep region, and oxygen diffusion is advanced.
Moreover, although the ratio of aluminum (Al) is comparable, it can be seen that the peak position is closer to the oxygen side in the product of the present invention, indicating that the formation of aluminum oxide (alumina) is progressing. Since the formation of alumina has the effect of improving the adhesion in sputtering of metallization, it can be seen that the ceramic substrate according to the present invention is excellent also in this respect.

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。   In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.

実験で使用した精密横型ELIDロータリー平面研削盤の構成図である。It is a block diagram of the precision horizontal type ELID rotary surface grinder used in the experiment. #4000ホイールでの加工中の電解電流値と砥石軸負荷の関係図である。It is a relationship figure of the electrolytic current value during grinding with # 4000 wheel, and a grindstone axis load. #325〜#30000ホイールによる加工面のSEM像である。It is a SEM image of the processing surface by # 325- # 30000 wheel. 表面硬度の比較図である。It is a comparison figure of surface hardness. 摩擦係数の比較図である。It is a comparison figure of a friction coefficient. 本発明品(ELID加工材)の元素分析結果である。It is an elemental analysis result of this invention goods (ELID processed material). 従来品(研磨加工材)のの元素分析結果である。It is an elemental analysis result of a conventional product (abrasive material).

符号の説明Explanation of symbols

1 ワーク(セラミック基板)
2 導電性砥石
3 電極
4 導電性研削液
5 研削液供給手段
6 ELID用電源

1 Workpiece (ceramic substrate)
2 Conductive grinding wheel 3 Electrode 4 Conductive grinding fluid 5 Grinding fluid supply means 6 ELID power supply

Claims (10)

互いに同種の無機物質で構成される結晶子径平均1〜50μmの複数の結晶相が異種の無機物質で構成される粒界相を介して接合した構造を含んでなるセラミック基板であって、その少なくとも一つの面の算術表面粗さRaが0.04μm以下であることを特徴とするセラミック基板。 A ceramic substrate comprising a structure in which a plurality of crystal phases having an average crystallite diameter of 1 to 50 μm composed of the same kind of inorganic substance are joined via a grain boundary phase composed of different kinds of inorganic substances, A ceramic substrate having an arithmetic surface roughness Ra of at least one surface of 0.04 μm or less. 前記算術表面粗さRaが0.04μm以下である面に存在する口径0.3〜50μmの欠陥の数が平均で1.25×10-4個/μm2以下であることを特徴とする請求項1記載のセラミック基板。 The number of defects having a diameter of 0.3 to 50 μm existing on the surface having the arithmetic surface roughness Ra of 0.04 μm or less is 1.25 × 10 −4 pieces / μm 2 or less on average. Item 10. A ceramic substrate according to Item 1. 単一成分の結晶性無機粒子からなる粉末を、焼結助剤を用いて焼結して得た焼結セラミック基板であることを特徴とする請求項1又は2に記載のセラミック基板。 3. The ceramic substrate according to claim 1, wherein the ceramic substrate is a sintered ceramic substrate obtained by sintering powder composed of single-component crystalline inorganic particles using a sintering aid. 窒化アルミニウムを主成分とする請求項1乃至3のいずれかに記載のセラミック基板。 The ceramic substrate according to any one of claims 1 to 3, comprising aluminum nitride as a main component. ビッカース硬度が、Hv1800〜2200である、ことを特徴とする請求項1乃至4に記載のセラミック基板。 5. The ceramic substrate according to claim 1, wherein the Vickers hardness is Hv 1800 to 2200. アルミナとの摩擦係数が、0.4〜0.7である、ことを特徴とする請求項1乃至4に記載のセラミック基板。 The ceramic substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein a coefficient of friction with alumina is 0.4 to 0.7. 表面から10μmの深さまで主成分以外の物質として酸素が検出される、ことを特徴とする請求項1乃至4に記載のセラミック基板。 5. The ceramic substrate according to claim 1, wherein oxygen is detected as a substance other than the main component from a surface to a depth of 10 μm. ビッカース硬度が、Hv1800〜2200であり、表面から10μmの深さまで主成分以外の物質として酸素が検出される、ことを特徴とするセラミック基板。 A ceramic substrate having a Vickers hardness of Hv 1800 to 2200, wherein oxygen is detected as a substance other than a main component from a surface to a depth of 10 μm. 単一成分からなる粉末であって、平均結晶子径0.3〜50μmの結晶相を含有する無機粒子からなる粉末を、焼結助剤を用いて焼結して得た焼結セラミック基板を粒度#2000〜#30000の砥粒を含む導電性砥石を用いた電解インプロセスドレッシング研削により加工することを特徴とする請求項1乃至8の何れかに記載のセラミック基板の製造方法。 A sintered ceramic substrate obtained by sintering a powder comprising a single component and comprising inorganic particles containing a crystal phase having an average crystallite diameter of 0.3 to 50 μm using a sintering aid. The method for producing a ceramic substrate according to any one of claims 1 to 8, wherein the ceramic substrate is processed by electrolytic in-process dressing grinding using a conductive grindstone containing abrasive grains having a grain size of # 2000 to # 30000. 請求項1乃至8に記載のセラミック基板の算術表面粗さRaが0.003〜0.04μmである面上に金属薄膜層が接合されてなることを特徴とするメタライズセラミック基板。

A metallized ceramic substrate comprising a metal thin film layer bonded to a surface having an arithmetic surface roughness Ra of 0.003 to 0.04 μm.

JP2003340181A 2003-05-21 2003-09-30 Ceramic base and its producing method Pending JP2005001975A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003340181A JP2005001975A (en) 2003-05-21 2003-09-30 Ceramic base and its producing method

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003143842 2003-05-21
JP2003340181A JP2005001975A (en) 2003-05-21 2003-09-30 Ceramic base and its producing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005001975A true JP2005001975A (en) 2005-01-06

Family

ID=34106496

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003340181A Pending JP2005001975A (en) 2003-05-21 2003-09-30 Ceramic base and its producing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005001975A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009249221A (en) * 2008-04-04 2009-10-29 Tokuyama Corp Aluminum nitride sintered compact, and method for producing the same
EP2733132A1 (en) * 2011-07-14 2014-05-21 A.L.M.T. Corp. Aln substrate and method for producing same

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009249221A (en) * 2008-04-04 2009-10-29 Tokuyama Corp Aluminum nitride sintered compact, and method for producing the same
EP2733132A1 (en) * 2011-07-14 2014-05-21 A.L.M.T. Corp. Aln substrate and method for producing same
EP2733132A4 (en) * 2011-07-14 2015-01-07 Almt Corp Aln substrate and method for producing same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102224276B (en) Sputtering target and process for producing same
US6293854B1 (en) Dresser for polishing cloth and manufacturing method therefor
JP6276327B2 (en) Targets containing molybdenum
JP5562929B2 (en) Tungsten sputtering target and manufacturing method thereof
TWI496922B (en) A sputtering target for reducing particle generation, and a method for manufacturing the same
EP3206227A1 (en) Heat dissipation substrate and method for manufacturing said heat dissipation substrate
JP2016194159A (en) Target containing molybdenum
JP2008214759A (en) Method for producing carbon film-coated member
JP2000054007A (en) Diamond-sintered body and its production
Miao et al. Influence of graphite addition on bonding properties of abrasive layer of metal-bonded CBN wheel
JP4945037B2 (en) Tungsten sputtering target and manufacturing method thereof
JP6117425B2 (en) Sputtering target made of tungsten carbide or titanium carbide
Zipperian Metallographic specimen preparation basics
JP2005001975A (en) Ceramic base and its producing method
Tenhover et al. DC-magnetron sputtered silicon carbide
JP5038553B2 (en) Manufacturing method of sputtering target
JP3575540B2 (en) Numerical control polishing method
JPH0797603A (en) Ceramic matrix base material for diamond coating and production of base material for coating
JP4047940B2 (en) Ceramic substrate for diamond coating
JPH04331798A (en) Method of forming diamond film
EP4269024A1 (en) High frequency polishing of ceramics
WO2024084878A1 (en) Au sputtering target
JP2023170164A (en) wafer support
JP4880809B2 (en) Sputtering target manufacturing method, sputtering target, metal silicide film, wiring, electrode, and electronic component using the same
CN113403578A (en) Preparation method of superhard multilayer nano composite coating

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060913

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20060913

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090828

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090917

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20100310