JP2024503492A

JP2024503492A - 高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ焼結方法

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Publication number: JP2024503492A
Application number: JP2023543223A
Authority: JP
Inventors: 輝張; 学建劉; 金弟蒋; 秀敏姚; 政仁黄; 忠明陳; 健黄
Original assignee: 中国科学院上海硅酸塩研究所
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2024-01-25
Also published as: WO2022156635A1; CN112811912B; US20240067576A1; CN112811912A; EP4282844A1

Abstract

高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ焼結方法であって、（１）窒化ケイ素セラミック基板生地を窒化ホウ素坩堝に積み重ね、且つ隣接する窒化ケイ素セラミック基板生地間に１層の窒化ホウ素粉末がコーティングされるステップと、（２）段階的に真空引いた後、窒素雰囲気又は還元雰囲気で、５００～９００℃で剥離するステップと、（３）その後、窒素雰囲気で、１８００～２０００℃で圧力焼結し、高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ作製を実現するステップとを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ焼結方法に関し、セラミック材料の作製分野に関する。

近年、半導体デバイスは、高出力化、高周波化、集積化の方向へ急速に発展している。半導体デバイスの作動によって生成した熱は、半導体デバイスの故障を引き起こす要因であるが、絶縁基板の熱伝導率は、半導体デバイスの全体の放熱に影響する重要な要素である。また、例えば電気自動車、高速鉄道等の分野では、半導体デバイスの使用中に、常に衝撃、振動等の複雑な力学的環境に臨むことがあり、使用される材料の力学的信頼性に対して厳しく要求される。

高性能窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）セラミックは、優れた力学的及び熱的性能を有し、優れる力学的性能及び高熱伝導性の潜在力によって、窒化ケイ素セラミックスは、アルミナ、窒化アルミニウム等の既存の基板材料の欠点を補うことが期待され、ハイエンド半導体デバイス、特にハイパワー半導体デバイス基板への応用において大きな市場の見通しを持っている。

窒化ケイ素セラミック材料の主な焼結プロセスには、反応焼結、ホットプレス焼結、常圧焼結、圧力焼結がある。

窒化ケイ素の反応焼結は、高純度Ｓｉ粉末（又は少量のＳｉ_３Ｎ_４粉が加入されたもの）を主要原料とし、まず１３００～１５００℃で窒化処理を行ってＳｉをＳｉ_３Ｎ_４に変換し、さらに１７５０～１８５０℃まで昇温してＳｉ_３Ｎ_４緻密セラミックが形成され、このプロセスの収縮率が小さく（５％以下）、複雑な形状のワークの作製に適用するが、窒化が不完全で、遊離Ｓｉが少量残存し、材料特性が比較的に低いという問題が生じやすい。

窒化ケイ素のホットプレス焼結は、Ｓｉ_３Ｎ_４粉を主要原料とし、少量の焼結助剤（通常、希土類酸化物及び金属酸化物）が加入されることによって、１ａｔｍの窒素保護雰囲気で、１７５０～１８５０℃で液相焼結メカニズムにより、同時に機械的圧力を介してＳｉ_３Ｎ_４緻密セラミックが形成され、このプロセスで作製された材料は、一般的に比較的に優れる性能を有するが、このプロセスは外部からの機械的圧力の必要があるので、形状が簡単であるワークのみの作製に適用し、且つ後続の機械加工の必要もあり、生産効率が低く、バッチ生産に適用しない。

窒化ケイ素の無圧焼結（又は常圧焼結）は、Ｓｉ_３Ｎ_４粉を主要原料とし、適量の焼結助剤が加入されることによって、１ａｔｍの窒素保護雰囲気で、１７５０～１８５０℃で液相焼結メカニズムによって緻密Ｓｉ_３Ｎ_４セラミックが形成され、このプロセスは生産効率が高く、バッチ生産に適用するが、Ｓｉ_３Ｎ_４粉は、高温（約１８００℃又は以上）で分解反応を発生しやすいので、材料性能が相対的に低くなる。

窒化ケイ素の圧力焼結では、Ｓｉ_３Ｎ_４粉を主要原料とし、適量の焼結助剤が加入されることによって、一定圧力の窒素保護雰囲気で、１８００～２０００℃で液相焼結メカニズムによって緻密Ｓｉ_３Ｎ_４セラミックが形成される。このプロセスは、窒化ケイ素の無圧焼結に存在する高温分解課題に対して発展してきた作製プロセスであり、窒素圧力は一般的に０．１～１０ＭＰａであり、焼結温度は１８００～２０００℃に達することができる。このプロセスは、高圧窒素雰囲気の抑制作用によりＳｉ_３Ｎ_４の高温分解課題を解決し、焼結温度をさらに向上させ、作製された材料の性能を保証するとともに、生産効率が高い特徴を保留し、バッチ生産に適用される。これは、高性能窒化ケイ素セラミック材料を作製する最適なプロセス方法と公認される。

高性能（高い熱伝導率、高い強度、高い破壊電界強度）窒化ケイ素セラミック基板材料のバッチ生産にとって、圧力焼結は、最も発展性及び潜在力があるプロセス方法であるが、依然として下記の欠点がある。
（１）グラファイト発熱体及びグラファイトヒートシールドから構成される焼結炉にカーボンリッチ雰囲気があり、後者が異なる度合で基板材料を汚染するため、窒化ケイ素セラミック基板の絶縁性能が低下し、破壊電界強度が低下すること。
（２）生産焼結炉は一般的に大きい囲炉裏空間を有するが、１８００～２０００℃での高温条件で主に放射により熱伝達を行うものであり、焼結炉の発熱体は一般的に囲炉裏の四周に配置され、囲炉裏の内部の異なる位置での実際温度の間にきっと一定度合の偏差があり、材料性能の一致性に影響し、特に製品処理量を増加するために、囲炉裏の内部に多層グリルを設ける必要があり、そうすると囲炉裏の内部の異なる位置での温度の不均一性がさらに悪くなることが間違いないこと。

中国特許出願公開第１０８４９５８３１号明細書中国特許出願公開第１０９９８７９４４号明細書中国特許出願公開第１０３７８１７４２号明細書特開２０１１－１７８５９８号公報国際公開第２０１９／２３５５９３号

高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ焼結の臨む技術的課題に対して、本発明者等は、その圧力焼結バッチ作製プロセスを開発することによって、基板生地の複数の積層設計及び制御、坩堝及びグラファイト窯具ツールの設計及び制御、並びに、剥離及び焼結プロセスの設計及び制御により、最終的に高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ焼結方法を提供する。本発明の高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ焼結方法は、
窒化ケイ素セラミック基板生地を窒化ホウ素坩堝に積み重ね、且つ隣接する窒化ケイ素セラミック基板生地間に１層の窒化ホウ素粉末がコーティングされるステップ（１）と、段階的に真空引いた後、窒素雰囲気又は還元雰囲気で、５００～９００℃で剥離するステップであって、前記段階的な真空引きは、少なくとも二段階真空引き又は少なくとも三段階真空引きであり、二段階真空引きの場合に、前記段階的な真空引きのパラメータは、２０～３０分間真空引き、真空度を２０～３０ｋＰａに達成させてから、１０～２０分間真空引き、真空度を１０Ｐａよりも小さくし、或いは、三段階真空引きの場合に、前記段階的真空引きのパラメータは、まず１０～１５分間真空引き、真空度を６０～８０ｋＰａに達成させてから、１０～１５分間真空引き、真空度を１０～３０ｋＰａに達成させ、最後に１０～１５分間真空引き、真空度を１０Ｐａよりも小さくするステップ（２）と、その後、窒素雰囲気で、１８００～２０００℃で圧力焼結し、高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ作製を実現するステップ（３）とを含む。

本発明は、高純度窒化ホウ素粉末及び坩堝を用いることによって、金属不純物イオンの加入及び焼結過程中の炭素雰囲気の加入を回避し、基板材料の熱伝導率及び破壊電界強度の保証に寄与する。そして、本発明は、さらに窒化ホウ素粉末の高温における化学的安定性の特徴を利用し、基板生地間に、隣接する基板が互いに凝着されることを防止する高純度窒化ホウ素粉末が１層コーティングされることによって、複数枚の基板の積層バッチ焼結を実現し、生産効率を向上させる。本発明は、段階的な真空引き措置を取ることによって、真空引き速度及び真空吸引力を制御し、基板生地層間の窒化ホウ素粉末の変位を回避し、窒化ケイ素セラミック基板が焼結過程において互いに凝着されるように形成することがないことを確保し、基板生地に対する微陽圧還元雰囲気熱処理により、窒化ケイ素及び窒化ホウ素粉末のさらなる酸化を回避し、作製された窒化ケイ素セラミック基板の物理的特性及び表面質量を保証する。上記複数の技術措置の協同作用により、窒化ケイ素セラミック基板性能を保証する前提で、生産効率を向上させ、生産コストを低下させる。

好ましくは、前記窒化ケイ素セラミック基板生地の積み重ね数量は５～５０枚である。

好ましくは、前記窒化ホウ素粉末のうち、Ｏ含有量が１％以下であり、Ｃ含有量が０．０１％以下であり、金属不純物イオンの含有量が０．０２％以下であり、前記窒化ホウ素粉末の平均粒子径は１μｍ～５μｍであり、好ましくは２μｍ～５μｍである。本発明は、窒化ホウ素粉末の純度（Ｏ含有量、Ｃ含有量、金属不純物イオンの含有量等）を制御することによって、窒化ケイ素セラミック材料に汚染を引き起こすことを回避し、セラミック基板の熱伝導率及び破壊電界強度等の性能を保証する。本発明は、主に窒化ホウ素粉末の粒度を制御することによって、作製された窒化ケイ素セラミック基板の表面質量（平面度、粗さ等）を保証する。

好ましくは、前記窒化ホウ素粉末の用量は１．０～２．５ｍｇ／ｃｍ^２であり、好ましくは１．５～２．５ｍｇ／ｃｍ^２である。本発明は、基板生地の単位面積における窒化ホウ素粉末のコーティング量を制御することによって、窒化ケイ素セラミック基板の均一な収縮及び優れた隔離効果を保証する。

好ましくは、ステップ（２）で、前記窒素雰囲気又は還元雰囲気の圧力は０．０５～０．２ＭＰａであり、好ましくは０．１～０．２ＭＰａである。この圧力範囲が微陽圧に属し、合格品率の向上に寄与し、前記還元雰囲気は、水素含有量が５％以下である窒素／水素の混合雰囲気であり、前記剥離の時間は１～３時間である。

好ましくは、前記圧力焼結における窒素雰囲気圧力は０．５～１０ＭＰａであり、前記圧力焼結の時間は４～１２時間である。

好ましくは、複数の窒化ホウ素坩堝を均一にグラファイト窯具に配置し、圧力焼結を行う。好ましくは、前記グラファイト窯具は多層グリル構造である。更には、本発明は、多層グリル構造を有する高い熱容量グラファイト窯具ツールを採用することによって、焼結炉の内部温度フィールドをさらに平均化して、窒化ケイ素セラミック基板のバッチ圧力焼結の高い性能の一貫性を保証する。

好ましくは、前記窒化ケイ素セラミック基板生地は、スラリーテープキャスティング成形又は粉末プレス成形を用いて作製される。前記スラリーテープキャスティング成形のステップは、（１）窒化ケイ素粉及びシリカフュームのうち少なくとも１つを原料粉末とし、焼結助剤、分散剤、消泡剤、結合剤及び可塑剤と保護雰囲気で混合した後に、さらに真空脱ガスが行われ、混合スラリーが得られるステップと、（２）窒素雰囲気でテープキャスティング成形及び乾燥を行い、第１生地が得られるステップと、（３）得られた第１生地に対して整形前処理を行い、窒化ケイ素セラミック基板生地が得られるステップとを含む。好ましくは、原料粉末にシリカフュームが含有される場合に、シリカフューム質量は原料粉末質量の７５％以上であり、原料粉末質量は窒化ケイ素粉末及びシリカフュームが完全窒化した後に生成した窒化ケイ素の質量総和である。より好ましくは、圧力焼結の前に、剥離した窒化ケイ素セラミック基板生地に対して窒化処理を行い、前記窒化処理のパラメータは、窒素雰囲気が、水素含有量が５％以下である窒素／水素の混合雰囲気であり、圧力が０．１～０．２ＭＰａであり、窒化処理温度が１３５０～１４５０℃であり、窒化処理時間が３～６時間である。

一方、本発明は、上記バッチ焼結方法に従って作製した高性能窒化ケイ素セラミック基板をさらに提供する。前記高性能窒化ケイ素セラミック基板は合格率≧６０％であり、好ましくは合格率が７０％以上であり、より好ましくは、合格率が８０％以上であり、最も好ましくは、合格率が９０％以上である。

本発明の顕著な特徴の一つとして、高純度窒化ホウ素粉末及び坩堝を採用することにより、不純物イオンの加入を回避し、基板の熱伝導率及び破壊電界強度の保証に寄与する。本発明の顕著な特徴のもう一つとして、積層方式、窯具ツール設計、真空引きプロセス制御等の措置を採用することにより、高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ焼結を実現し、生産効率を向上させ、生産コストを低下させる。

窒化ケイ素基板の生地の模式図である。表面に窒化ホウ素粉末がコーティングされた窒化ケイ素基板の生地の模式図である。表面に窒化ホウ素粉末がコーティングされた２０枚の窒化ケイ素基板の生地の堆積模式図である。２０枚の堆積された窒化ケイ素基板の生地を窒化ホウ素坩堝に配置する模式図である。焼結すべき窒化ケイ素基板の生地が内蔵された窒化ホウ素坩堝をグラファイト窯具ツール（単層）に整然とした配置する模式図である。焼結すべき窒化ケイ素基板の生地が内蔵された窒化ホウ素坩堝をグラファイト窯具ツール（多層堆積）に整然とした配置する模式図である。実施例１で作製された窒化ケイ素セラミック基板の実物図である。表１は本発明の実施例及び比較例で使用されたＢＮ粉末の性能パラメータである。表２は本発明の窒化ケイ素セラミック基板の作製プロセスである。表３は本発明の窒化ケイ素セラミック基板の性能パラメータである。

以下に、下記実施形態を参照しながら本発明をさらに説明する。理解すべきこととしては、以下の実施形態は本発明を説明するためのものだけであり、本発明を限定するものではない。

本開示で、圧力焼結プロセスを用いて高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ焼結を実現し、具体的には、複数の基板生地の積層デザイン及び制御、坩堝及び窯具ツールのデザイン及び制御、並びに、剥離及び焼結プロセスのデザイン及び制御等のステップを含む事により、高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ焼結を実現する。

以下、高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ焼結方法を例示的に説明する。

窒化ケイ素セラミック基板生地の作製
具体的には、テープキャスティング成形のプロセス過程におけるスラリー作製、真空脱ガス、テープキャスティング成形、生地乾燥、生地整形等の過程によって、窒化ケイ素セラミック基板生地が作製されて得られる。

本発明は、テープキャスティングスラリー作製過程において保護雰囲気での充分なボールミルミックスによって、低真空での長時間脱ガスに結び付けて、スラリー中のバブルを低減又は除去し、或いはスラリー中の凝集を低減する目的を達成する。テープキャスティング成形過程において、円筒形スクレーパー及びその高精密制御、及び温度インクリメントの連続的な熱Ｎ_２雰囲気によるキャストフィルムブランクスの乾燥処理措置によって、高品質で欠陥なしのキャストフィルムの作製及びその厚さの均一性の精確制御を実現する。ボールミルミックス及びテープキャスティング成形過程中のＮ_２保護雰囲気等の措置によって、窒化ケイ素粉末原料の二次酸化を抑制し、作製された窒化ケイ素セラミック基板が高熱い伝導率特性を有することを保証する。冷間等静圧圧縮成形前処理プロセスによって、作製されたキャストフィルムの密度、厚さの均一性及び平面度をさらに向上させる。

無凝集、無バブルスラリーの作製
窒化ケイ素粉及びシリカフュームのうち少なくとも１つを原料粉末とし、焼結助剤、分散剤、消泡剤、結合剤及び可塑剤と保護雰囲気（例えばＮ_２雰囲気であり、圧力は０．１ＭＰａであってもよい）でボールミルミックスをした後に、さらに真空脱ガスを行い、無凝集、無バブルの混合スラリーを作製する。ボールミル過程において、窒化ケイ素セラミック研磨ボールを用いて、無水エタノールをボールミル媒体とする。ここで、焼結助剤は、希土類酸化物及びアルカリ土類金属酸化物であってもよく、窒化ケイ素粉又は／及びシリカフュームが完全に窒化形成された窒化ケイ素及び焼結助剤の総質量の４～５ｗｔ％である。希土類酸化物は、少なくともＹ_２Ｏ_３を含有する。前記アルカリ土類金属酸化物は、少なくともＭｇＯを含有する。前記希土類酸化物とアルカリ土類金属酸化物との間のモル比は、（１．０～１．４）：（２．５～２．９）であってもよい。ここで、シリカフュームを含有する場合に、前記シリカフュームの含有量は、窒化ケイ素粉又は／及びシリカフュームが完全に窒化形成した窒化ケイ素の総質量の７５～１００ｗｔ％に占める。作製されたスラリーに対して真空バブル除去処理を行い、真空度は、－０．１～－１０ｋＰａであり、脱ガス時間は６～２４時間である。前記分散剤は、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、リン酸トリエチル（ＴＥＰ）のうちの少なくとも１つから選択され、添加量は窒化ケイ素粉、シリカフュームが完全に窒化形成した窒化ケイ素及び焼結助剤の総質量の０．２～１．０ｗｔ％である。前記消泡剤はオレイン酸であり、添加量は、窒化ケイ素粉、シリカフュームが完全に窒化形成した窒化ケイ素及び焼結助剤の総質量の０．２～１．０ｗｔ％である。前記結合剤は、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）であり、添加量は、窒化ケイ素粉、シリカフュームが完全に窒化形成した窒化ケイ素及び焼結助剤の総質量の５～９ｗｔ％である。前記可塑剤は、フタル酸ジエチル（ＤＥＰ）、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）及びポリエチレングリコール（ＰＥＧ）のうちの少なくとも１つから選択され、添加量は、窒化ケイ素粉、シリカフュームが完全に窒化形成した窒化ケイ素及び焼結助剤の総質量の２～６ｗｔ％である。

厚さが均一で表面にバブルがないキャストフィルム生地作製
Ｎ_２雰囲気（０．１～０．２ＭＰａ）でテープキャスティング成形する。流れ熱Ｎ_２雰囲気（フローレートは１０～１０００リットル／分間）で乾燥し、厚さが均一で、表面にバブルがないキャストフィルム生地の作製を実現する。例示として、Ｎ_２雰囲気で円筒形スクレーパーテーを用いてテープキャスティング成形し、スクレーパーの高さを制御することによってキャストフィルム生地厚さに対する調整を実現する。温度上昇による流れ熱Ｎ_２雰囲気を用いて、キャストフィルム生地を乾燥し、熱Ｎ_２雰囲気の温度範囲は４０～８５℃であり、雰囲気の圧力は、０．１～０．２ＭＰａである。例えば、温度段階数が２つであれば、１段階目の温度が４０～６５℃、乾燥時間が１５～３０分間であり、２段階目の温度範囲が６０～８５℃、乾燥時間が１５～３０分間であり、且つ１段階目の温度＜２段階目の温度である。例えば、温度段階数は３つであれば、１段階目の温度が４０～６０℃、乾燥時間が５～２０分間であり、２段階目の温度範囲が５５～７０℃、乾燥時間が５～２０分間であり、３段階目の温度範囲が６５～８５℃、乾燥時間が５～２０分間であり、且つ１段階目の温度＜２段階目の温度＜３段階目の温度である。

キャストフィルム生地（第１生地）の整形前処理
一定の圧力（４０～２００ＭＰａ）条件で、切断したキャストフィルム生地（基板生地）に対して冷間等静圧圧縮の前処理を行い、キャストフィルムの厚さの均一性及び平面度を向上させ、窒化ケイ素セラミック基板生地が得られる。ここで、整形前処理の時間は２～１０分間であってもよい。

堆積基板生地の作製
一定数量の窒化ケイ素セラミック基板生地が積み重ねられ、基板生地の間に、隣接する基板が互いに凝着されることを防止する高純度窒化ホウ素粉末が１層コーティングされる。ここで、基板生地積み重ね数量は５～５０枚であってもよく、この範囲にあると、積層焼結に寄与する。基板の積み重ね数量が５枚よりも少なければ、生産効率に影響する。基板の積み重ね数量が５０枚よりも多ければ、上層と下層の基板の力受け状態の相違が大きすぎる場合に、基板間の一致性を影響し、且つ下層基板間に凝着現象が発生しやすい。ここで、高純度窒化ホウ素粉末は、Ｏ含有量が１％以下であり、Ｃ含有量が０．０１％以下であり、金属不純物イオン含有量が０．０２％以下である。窒化ホウ素粉末のうちＯ、Ｃ及び金属不純物イオンの含有量が高ければ、基板の熱伝導率及び破壊電界強度等の性能が低下する。ここで、高純度の平均粒子径は１～５μｍであってもよい。採用される窒化ホウ素粉末の平均粒子径が小さ過ぎると、作製された基板との間に凝着現象が生じやすい。さらに窒化ホウ素粉末の粒子径の減少は、常にＯ含有量の増加に伴って、作製された基板熱伝導率及び破壊電界強度等の性能の劣化を引き起こし、採用される窒化ホウ素粉末の平均粒子径が大きすぎると、作製された基板の平面度が低下し、表面粗さが大きくなる。選択可能な実施方式において、窒化ホウ素スラリーは、スクリーン印刷の方式でコーティングされ、窒化ホウ素粉末の用量は１．０～２．５ｍｇ／ｃｍ^２が好ましい。採用される窒化ホウ素粉末の用量が少なすぎると、作製された基板の間に凝着現象が生じやすく、採用される窒化ホウ素粉末の用量が多すぎると、ある度合で基板の高温収縮を阻止し、同一条件で作製された基板のサイズが比較的に大きく、平面度が低下し、表面粗さが大きくなる。

バッチ基板生地の剥離
積層基板生地を高純度窒化ホウ素坩堝に入れて、熱処理炉に置いて、段階的に真空引き、層間の窒化ホウ素粉末の変位を回避する。そして、微陽圧の窒素雰囲気又は還元雰囲気で、一定の温度条件で基板生地を熱処理（剥離処理）する。選択可能な実施方式において、段階的な真空引きの速度は、真空バルブ開度、真空引き時間及び真空度によって制御される。ここで、段階的な真空引きは少なくとも３つの段階に分けて行われることができ、まず１０～１５分間真空引き、真空度を６０～８０ｋＰａに達させ、続いて１０～１５分間真空引き、真空度を１０～３０ｋＰａに達させ、次に１０～１５分間真空引き、真空度を５Ｐａよりも小さくする。ここで、剥離処理は、水素含有量が５％以下である還元窒素を注入することによって、混合雰囲気に微陽圧が生じる。雰囲気圧力は０．１～０．２ＭＰａであってもよく、処理温度は５００～９００℃であってもよく、処理時間は１～３ｈであってもよい。段階的な真空引きを採用しなければ、真空引きの速度が速すぎ、真空吸引力が過大となるため、基板生地間の隔離用窒化ホウ素粉末の変位を完全に回避するのが難しくなり、後の高温焼結過程において隣接する基板の大部分が凝着してしまう。

バッチ基板生地の窒化
原料粉末にシリカフュームが含有される場合に、水素含有量が５％以下である水素／窒素混合雰囲気で、一定の温度条件で基板生地に対して窒化処理を行う。ここで、雰囲気圧力は、０．１～０．２ＭＰａであってもよく、窒化処理温度は、１３５０～１４５０℃であってもよく、窒化処理時間は３～６時間であってもよい。

バッチ基板生地の焼結
高窒素雰囲気の圧力で、高い熱容量グラファイト窯具を用いて焼結炉内部温度フィールドをさらに均一化し、一定温度で圧力焼結し、バッチ基板の緻密化を実現する。ここで、高窒素圧力での圧力焼結のパラメータとしては、雰囲気圧力が０．５～１０ＭＰａであってもよく、焼結温度が１８００～２０００℃であってもよく、保温時間が４～１２時間であってもよい。好ましくは、高い熱容量グラファイト窯具は多層グリル構造であり、基板生地が取り付けられた窒化ホウ素坩堝をグラファイト窯具に均一的に配置する。

本発明は、高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ焼結を実現する。レーザー熱伝導率計を用いて、得られた窒化ケイ素セラミック基板材料の熱伝導率が８０Ｗ・ｍ^－１・Ｋ^－１よりも大きいと測定された。破壊電圧強度テスターを用いて、得られた窒化ケイ素セラミック基板材料の破壊電界強度が２５ＫＶ／ｍｍよりも大きいと測定された。マイクロメーターを用いて、得られた窒化ケイ素セラミック基板材料の厚さ偏差は±０．０４ｍｍであってもよいと測定された。プロファイラーを用いて、得られた窒化ケイ素セラミック基板材料の平面度が０～０．００２ｍｍ／ｍｍであってもよいと測定された。プロファイラーを用いて、得られた窒化ケイ素セラミック基板材料の表面粗さが０．３～０．８μｍであってもよいと測定された。本発明で、得られた窒化ケイ素セラミック基板材料が同時に上記パラメータを満たすと、合格製品と見なすことができた。得られた窒化ケイ素セラミック基板の合格率は６０％以上であり、好ましくは合格率が７０％以上であり、より好ましくは合格率が８０％以上であり、最も好ましくは、合格率が９０％以上である。

以下、さらに実施例をあげて本発明を詳細に説明する。同様に、以下の実施例は本発明をさらに説明するだけに用いられ、本発明の保護範囲を限定するものと理解すべきではない。当業者による、本発明の上記内容に基づいてなされたいくつかの本質的な改良及び調整は、いずれも本発明の保護範囲に属する。下記例示的なプロセスパラメータ等も適当な範囲のうちの一例であり、すなわち当業者は、本明細書の説明により適当な範囲において選択を行うことができ、本発明は、以下の例示的な具体的数値に限定されるものではない。

窒化ケイ素セラミック基板生地の作製例：
まず、原料粉末（窒化ケイ素粉及び／又はシリカフューム）、焼結助剤（Ｙ_２Ｏ_３及びＭｇＯ）、分散剤、消泡剤、結合剤、可塑剤、無水エタノールを保護雰囲気（例えばＮ_２雰囲気、圧力０．１ＭＰａ）下、密閉容器で、ボールミルミックス（３０～１００ｒｐｍ、６～２４時間）を行い、さらに真空脱ガス（－０．１～－１０ｋＰａ、６～２４時間）を行い、無凝集、無バブルの混合スラリーを作製した。そして、Ｎ_２雰囲気（０．１～０．２ＭＰａ）でテープキャスティング成形を行い、流れ熱Ｎ_２雰囲気（温度範囲４０～８５℃，雰囲気圧力０．１～０．２ＭＰａ、フローレート１０～１０００リットル／分間）で乾燥させ、厚さが均一で表面にバブルがないキャストフィルム生地の作製を実現した。最後に、切断したキャストフィルム生地（基板生地）に対して冷間等静圧圧縮整形前処理（４０～２００ＭＰａ、２～１０分間）を行い、窒化ケイ素セラミック基板生地が得られた。

実施例１
まず、ウェットミックス、真空脱ガス、テープキャスティング成形等のプロセスを採用して厚さ０．４ｍｍの窒化ケイ素セラミック基板生地を作製した。スクリーン印刷プロセスを用いて、基板生地表面に薄い窒化ホウ素スラリーをコーティングし、スラリー乾燥後にそれを８８ｍｍ×７３ｍｍ仕様のサンプルに分割し、２０枚の上記同一仕様のサンプルを内部空間１００ｍｍ×１００ｍｍ×３０ｍｍの高純度窒化ホウ素坩堝に堆積して置いた。

次に、窒化ケイ素セラミック基板生地が内装された窒化ホウ素坩堝を、高純度グラファイト多層シェッド構造からなる焼結ツール（或いはグラファイト窯具とも称する）に均等に置いて、それを圧力焼結炉に入れ、以下のプロセスの順次に応じて熱処理が行われた。
（１）１５分間真空引き。真空度を６５～７５ｋＰａに達成させ、続いて１５分間真空引き、真空度を１５～２５ｋＰａに達成させた。続いて１５分間真空引き、真空度を１～２Ｐａに達成させた。
（２）真空システムを閉じ、Ｎ_２（５％のＨ_２含有）ガスを０．１５ＭＰａまでゆっくり注入した。
（３）０．１５ＭＰａのＮ_２（５％のＨ_２含有）の雰囲気保護で、５℃／ｍｉｎの速度で７００℃まで昇温した後、２時間剥離前処理を行った。
（４）０．１５ＭＰａのＮ_２雰囲気保護で、５℃／ｍｉｎの速度で１７００℃まで昇温した後、１時間低温熱処理を行った。
（５）Ｎ_２雰囲気を用いて焼結炉内部の雰囲気圧力を８ＭＰａまで増加し、８ＭＰａのＮ_２雰囲気保護で、４℃／ｍｉｎの速度で１９２０℃まで昇温した後、５時間高温焼結した。
（６）炉で室温まで冷却した。

本実施例１で作製された窒化ケイ素セラミック基板は、図１を参照して、材料の熱伝導率９３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、破壊電界強度４２ＫＶ／ｍｍ、基板サイズ７０ｍｍ×５８ｍｍ、厚さ０．３２±０．０２ｍｍ、平面度０．０３ｍｍ、表面粗さ０．４μｍであり、基板間に互いに凝着現象がなく剥離しやすく、同一坩堝での異なる基板間に明らかな相違がなく、同一炉の異なる坩堝での異なる基板間に明らかな相違がなかった。

実施例２～５
生地サイズ、基板生地隔離用窒化ホウ素粉末の特性（不純物含有量、平均粒子径、コーティング量）、基板生地堆積数量、真空引きプロセス、グラファイトグリル構造形式、剥離プロセス、焼結プロセス等の具体的なパラメータを、表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料特性を表３に示す。

実施例６
具体的なプロセスパラメータを表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料の特性を表３（図１０）に示す。採用される窒化ホウ素粉末の平均粒子径のサイズが比較的に小さかったため、作製された基板間に部分凝着現象が発生した。合格品率は、実施例１よりも低下した。

実施例７
具体的なプロセスパラメータを表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料の特性を表３（図１０）に示す。採用される窒化ホウ素粉末の用量が比較的に少なかったため、作製された基板間に部分凝着現象が発生した。合格品率は、実施例１よりも低下した。

実施例８
具体的なプロセスパラメータを表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料の特性を表３（図１０）に示す。二段階制御による真空引き措置を採用し（まず、２０分間真空引き、真空度を２０～３０ｋＰａに達成させ、次に１５分間真空引き、真空度を１～２Ｐａに達成させる）、段階的に真空引きの速度を制御する措置を取る。段階的に真空引きの速度を制御する手段が採用されていたが、真空引き過程を二段階に分けているだけで、真空引きの速度は相変わらず速く、真空吸引力が相変わらず大きかった。その結果、基板生地間の窒化ホウ素粉末に部分的に変位したり、引き出されたりする現象が生じ、基板間の完全な隔離を十分に保証することができず、作製された基板間に部分凝着現象が発生した。合格品率は、実施例１よりも低下した。

実施例９
具体的なプロセスパラメータを表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料の特性を表３（図１０）に示す。微陽圧の還元雰囲気の剥離プロセスを採用しなかったため（低圧窒素雰囲気、即ち０．０５ＭＰａのＮ_２雰囲気を採用する）、材料の熱伝導率及び破壊電界強度が低下し、且つ一部のサンプルにマイクロクラック現象が発生した。合格品率は、実施例１よりも低下した。

実施例１０
具体的なプロセスパラメータを表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料の特性を表３（図１０）に示す。微陽圧の還元雰囲気の剥離プロセスを採用しなかったため（微陽圧の窒素雰囲気、即ち０．１５ＭＰａのＮ_２雰囲気）、材料の熱伝導率及び破壊電界強度が低下した。

実施例１１
具体的なプロセスパラメータを表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料の特性を表３（図１０）に示す。多層グリル構造窯什器（セッターボード及び温度管理の二重作用を果たす）が高い熱容量石墨材料で作られていなかったため、焼結炉の囲炉裏の内部の異なる位置間に一定の温度差があり、最終的に作製された基板の材料性能及び表面質量（基板サイズ、平面度、表面粗さ等）の一致性が比較的に低く、合格品率が実施例１よりも低下した。

比較例１
具体的なプロセスパラメータを表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料の特性を表３（図１０）に示す。採用される窒化ホウ素粉末のＯ含有量及び金属不純物イオンの含有量が高すぎるため、作製された基板の熱伝導率及び破壊電界強度は明らかに低下し、基板間にわずか凝着現象が発生した。

比較例２
具体的なプロセスパラメータを表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料の特性を表３（図１０）に示す。採用される窒化ホウ素粉末のＣ含有量が高すぎるため、作製された基板の破壊電界強度は明らかに低下した。

比較例３
具体的なプロセスパラメータを表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料の特性を表３（図１０）に示す。採用される窒化ホウ素粉末の平均粒子径サイズが大きすぎるため、作製された基板の平面度が低下し、表面粗さが明らかに増大した。

比較例４
具体的なプロセスパラメータを表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料の特性を表３（図１０）に示す。採用される窒化ホウ素粉末の用量が多過ぎるため、ある度合で基板の高温収縮を阻害し、作製された基板のサイズが比較的に大きく、平面度が低下し、表面粗さが明らかに増大した。

比較例５
具体的なプロセスパラメータを表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料の特性を表３（図１０）に示す。段階的、遅い真空引き措置（真空バルブ開度を制御せず、直接的に３０分間真空引き、真空度を１～２Ｐａに達成させる）を採用せず、真空バルブ開度（１００％全開状態）及び段階的な真空引きを制御しなかったため、真空吸引力が大きすぎ、基板生地間の窒化ホウ素粉末が明らかに変位し、ひいては引き出されるようになって、基板間の充分な隔離が保証できず、作製された基板間に深刻な凝着現象が発生した。

比較例６
具体的なプロセスパラメータを表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料の特性を表３（図１０）に示す。０．５～１０ＭＰａの高圧力窒素雰囲気焼結プロセスを採用しなかった（常圧窒素雰囲気、即ち０．１ＭＰａのＮ_２雰囲気を採用した）ため、作製された基板材料の熱伝導率及び破壊電界強度は明らかに低下し、基板の表面粗さは明らかに増大し、製品の合格率は低下した。

比較例７
具体的なプロセスパラメータを表１（図８）及び表２（図９）に示し、プロセス過程について実施例１を参照し、作製された基板材料の特性を表３（図１０）に示す。０．５～１０ＭＰａの高圧力窒素雰囲気焼結プロセスを採用しなかった（０．３ＭＰａのＮ_２雰囲気を採用した）ため、作製された基板材料の熱伝導率及び破壊電界強度が低下し、基板の表面粗さが増大し、製品の合格率が低下した。

Claims

窒化ケイ素セラミック基板生地を窒化ホウ素坩堝に積み重ね、且つ隣接する窒化ケイ素セラミック基板生地間に１層の窒化ホウ素粉末がコーティングされるステップ（１）と、
段階的に真空引いた後、窒素雰囲気又は還元雰囲気で、５００～９００℃で剥離するステップであって、前記段階的な真空引きは、少なくとも二段階真空引き又は少なくとも三段階真空引きであり、二段階真空引きの場合に、前記段階的な真空引きのパラメータは、２０～３０分間真空引き、真空度を２０～３０ｋＰａに達成させてから、１０～２０分間真空引き、真空度を１０Ｐａよりも小さくし、或いは、三段階真空引きの場合に、前記段階的真空引きのパラメータは、まず１０～１５分間真空引き、真空度を６０～８０ｋＰａに達成させてから、１０～１５分間真空引き、真空度を１０～３０ｋＰａに達成させ、最後に１０～１５分間真空引き、真空度を１０Ｐａよりも小さくするステップ（２）と、
その後、窒素雰囲気で、１８００～２０００℃で圧力焼結し、高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ作製を実現するステップ（３）と、を含む、
ことを特徴とする高性能窒化ケイ素セラミック基板のバッチ焼結方法。
前記窒化ケイ素セラミック基板生地の積み重ね数量は５～５０枚である、請求項１に記載のバッチ焼結方法。
前記窒化ホウ素粉末のうち、Ｏ含有量が１％以下、Ｃ含有量が０．０１％以下、金属不純物イオンの含有量が０．０２％以下であり、前記窒化ホウ素粉末の平均粒子径は１μｍ～５μｍである、請求項１に記載のバッチ焼結方法。
前記窒化ホウ素粉末の平均粒子径は２μｍ～５μｍである、請求項３に記載のバッチ焼結方法。
前記窒化ホウ素粉末の用量は１．０～２．５ｍｇ／ｃｍ^２である、請求項１に記載のバッチ焼結方法。
前記窒化ホウ素粉末の用量は１．５～２．５ｍｇ／ｃｍ^２である、請求項５に記載のバッチ焼結方法。
ステップ（２）で、前記窒素雰囲気又は還元雰囲気の圧力は０．０５～０．２ＭＰａであり、前記還元雰囲気は、水素含有量が５％以下である窒素／水素の混合雰囲気であり、前記剥離の時間は１～３時間である、請求項１に記載のバッチ焼結方法。
ステップ（２）で、前記窒素雰囲気又は還元雰囲気の圧力は０．１～０．２ＭＰａである、請求項７に記載のバッチ焼結方法。
前記圧力焼結において窒素雰囲気圧力は０．５～１０ＭＰａであり、前記圧力焼結の時間は４～１２時間である、請求項１に記載のバッチ焼結方法。
複数の窒化ホウ素坩堝をグラファイト窯具に均一的に配置して圧力焼結を行う、請求項１に記載のバッチ焼結方法。
前記グラファイト窯具は、多層グリル構造を有する、請求項１０に記載のバッチ焼結方法。
前記窒化ケイ素セラミック基板生地は、スラリーテープキャスティング成形又は粉末プレス成形を用いて作製され、
前記スラリーテープキャスティング成形のステップは、
窒化ケイ素粉及びシリカフュームのうち少なくとも１つを原料粉末とし、焼結助剤、分散剤、消泡剤、結合剤及び可塑剤と保護雰囲気で混合した後に、さらに真空脱ガスが行われ、混合スラリーが得られるステップ（１）と、
窒素雰囲気でテープキャスティング成形及び乾燥を行い、第１生地が得られるステップ（２）と、
得られた第１生地に対して整形前処理を行い、窒化ケイ素セラミック基板生地が得られるステップ（３）と、を含む、
請求項１から１１のいずれか一項に記載のバッチ焼結方法。
原料粉末にシリカフュームが含有される場合に、シリカフューム質量は原料粉末質量の７５％以上であり、原料粉末質量は窒化ケイ素粉末及びシリカフュームが完全窒化した後に生成した窒化ケイ素の質量総和である、請求項１２に記載のバッチ焼結方法。
圧力焼結の前に、剥離した窒化ケイ素セラミック基板生地に対して窒化処理を行い、前記窒化処理のパラメータは、窒素雰囲気が、水素含有量が５％以下である窒素／水素の混合雰囲気であり、圧力が０．１～０．２ＭＰａであり、窒化処理温度が１３５０～１４５０℃であり、窒化処理時間が３～６時間である、請求項１３に記載のバッチ焼結方法。
請求項１から１４のいずれか一項に記載のバッチ焼結方法で作製された高性能窒化ケイ素セラミック基板であって、
前記高性能窒化ケイ素セラミック基板の合格率は６０％以上である、高性能窒化ケイ素セラミック基板。