JP4014857B2

JP4014857B2 - セラミック基板の製造方法

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Publication number: JP4014857B2
Application number: JP2001357214A
Authority: JP
Inventors: 正信東
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: JP2003160381A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱性回路基板等の原料基板として有用な窒化アルミニウム又は窒化アルミニウムを主成分とするセラミック基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報密度の巨大化とともに半導体素子等の電子部品の処理能力は著しい向上を遂げており、これら電子部品に通電したときに発生する熱量も大きくなっている。これらの電子部品を安定的に動作させるためには一定温度に保つことが好ましく、その冷却のために様々な工夫が成されている。通常、高温となる電子部品はヒートシンクと呼ばれる“熱を吸収できる材料、構成部品あるいはシステムを熱的に保護するためにそのような材料を使用している装置”上にマウントされ用いられるのが一般的である。ヒートシンク材料として早くから実用化されている材料としてはＣｕ、Ｃｕ−Ｗ等の熱伝導性の良い金属、金属合金、或いはＳｉＣ、ＡｌＮ等の半導体性或いは絶縁性の高熱伝導性セラミックス材料が挙げられる。
【０００３】
これらの高熱伝導性基板の中でも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すぐれた特徴を示すことから、高機能放熱基板として急速に普及している。電子素子（電子部品）をマウントする回路基板としてＡｌＮを用いるためには、ＡｌＮ表面に金属層を形成することが必要となるが、従来、セラミック表面への金属の形成方法としては厚膜形成法と薄膜形成法が採用されている。厚膜形成法とは、メッキ等の湿式法や金属箔を接合する方法が代表的である。しかしながら、厚膜法はその名の通り形成される金属膜の厚みが１００μｍ程度と厚くなることからファインパターンの形成が困難となるため、ファインパターンを有する回路基板を形成するためには薄膜法によって形成された金属層を有するセラミック基板が通常用いられている。薄膜法としては真空蒸着法、スパッタリング法等の気相合成法が一般的である。
【０００４】
薄膜法を用いたＡｌＮ回路基板の製造は、従来以下のような方法で行われている。即ち、まず、ＡｌＮ粉末を板状に成形して電気炉などを用いて焼成することによって焼結体とし、次に、該焼結体を研削、或いは研磨加工を施すことによって金属膜を形成する面を一定の面粗さとなるように加工する。そして、その上に、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ，ＴａＮ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒなどの材料より選ばれる層（第１薄膜層）、Ｎｉ，Ｐｔなどの金属からなる層（第２薄膜層）、及びＣｏ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ等の金属からなる層（第３薄膜層）がこの順番で順次形成される。ここで第１薄膜層は接着層の役割を果たし、第２薄膜層は第１薄膜層と第３薄膜層間での材料の拡散を抑制するバリヤー層として機能する。また、第３薄膜層は抵抗が小さい材料が選択され導電層としての役割を果たしている。この様な積層構造とすることによって、基板と金属層とが引張り強度で表して２．５Ｋｇ／ｍｍ^２程度の比較的良好な密着性で接合された薄膜回路基板が製造されている。
【０００５】
また、ＡｌＮ基板上に上記第１薄膜層のような活性金属層を形成することなく導電性膜となる金属層を形成する方法として、特許第２９８６９４８号公報には、ＡｌＮ基板と導電性膜との間に該導電性膜を構成する元素、Ａｌ、及びＮを含む非晶質層を介在させる方法が開示されている。該方法によれば、非晶質層及び導電性膜の形成条件によっては４Ｋｇ／ｍｍ^２以上の接合強度でＣｕ膜が接合したＡｌＮ基板を得ることも可能になっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、第１〜第３薄膜層からなる金属層を有するＡｌＮ回路基板は広く普及しており、様々な用途において実用化されているが、近年の半導体素子の高機能化に伴い素子から発生する熱も増加し使用条件もより過酷になっていることから基板に要求される性能もより高くなっている。例えば、使用時における加熱冷却のヒートサイクルの負荷の増大により基板材と金属層との密着性が低下するという問題も起っており、このような問題の発生を防止するためにＡｌＮ基板と金属層との密着性を更に向上させることが望まれている。前記した特許第２９８６９４８号公報に開示されている方法を採用すれば、ＡｌＮ基板と金属層との密着性を向上させることは可能と思われるが、該方法を採用する場合には、導伝膜層の種類に応じて非晶質層の組成を変えなければならず、また、該方法は上記したような積層タイプの金属層を形成する従来法とはその製造プロセスが大きく変わっているため従来法を採用している者にとってはプロセス転換に際し製造装置や前後工程の変更や調整といった様々な負担が生じる。そこで、本発明は、一般的に普及している前記第１〜第３薄膜層を形成する従来法のプロセスを大きく変更することなく、ＡｌＮ基板と金属層との密着性を向上させる方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、ＡｌＮ基板上に第１薄膜層を形成する前にＡｌＮ基板表面を窒素プラズマ処理又はレーザー照射処理した場合には基板と金属膜との接着強度が増すことがあることに気づいた。そして上記処理後のＡｌＮ基板表面状態と接着強度との関係を詳しく解析したところ、ＡｌＮ表面のＡｌとＮとの化学組成比が特定の範囲のときに接着強度が高くなっていることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち、第一の本発明は、窒化アルミニウム又は窒化アルミニウムを主成分とするセラミックからなる基板の表面にＡｌ _{２０〜４５} Ｎ _{８０〜５５} 又はＡｌ _{５５〜８０} Ｎ _{４５〜２０} で示される組成を有するアルミニウム窒化物からなる層が形成されてなるセラミック基板を製造する方法であって、窒化アルミニウム又は窒化アルミニウムを主成分とするセラミック基板の表面を窒素プラズマ処理又はレーザー照射処理をして、それぞれＡｌ _{２０〜４５} Ｎ _{８０〜５５} 又はＡｌ _{５５〜８０} Ｎ _{４５〜２０} で示される組成を有するアルミニウム窒化物からなる層を形成することを特徴とする方法である。該本発明の方法により得られるセラミック基板（以下、本発明のセラミック基板とも言う）は、その上に従来方法と同様にして第１薄膜層、第２薄膜層、及び第３薄膜層を積層して金属層を形成した場合、上記のような窒化物からなる層を有しない窒化アルミニウム基板を用いた時と比べて金属層とセラミック基板との密着強度が高くなるという特徴を有する。
【０００９】
また、第二の本発明は、上記第一の本発明の方法により窒化アルミニウム又は窒化アルミニウムを主成分とするセラミックからなる基板の表面にＡｌ _{２０〜４５} Ｎ _{８０〜５５} 又はＡｌ _{５５〜８０} Ｎ _{４５〜２０} で示される組成を有するアルミニウム窒化物からなる層が形成されてなるセラミック基板を製造した後に、得られたセラミック基板の前記アルミニウム窒化物からなる層上にＴｉ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、ＴａＮ、Ａｌ、Ｍｏ、及びＷからなる群より選ばれる少なくとも１種からなる金属又は化合物からなる層、及びこれら金属又は化合物以外の金属からなる層を順次形成することを特徴とする表面メタライズセラミック基板の製造方法である。該方法で得られる表面メタライズセラミック基板（以下、本発明の表面メタライズセラミック基板とも言う）は、ＡｌＮセラミック基板上に金属膜が密着性良く接合されており、載置される素子等からの発熱が大きくなってもその接合力が低下し難く、例えばサブマウントやヒートシンクを兼ねた放熱性基板として使用した時の信頼性や耐久性が高いという特徴を有している。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に用いられる窒化アルミニウム又は窒化アルミニウムを主成分とするセラミックからなる基板（以下、ＡｌＮベース基板とも言う。）は特に限定されず、例えば窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加し加圧等により成形したのちに焼結することにより製造される板状体、又は多結晶窒化アルミニウムを板状に加工したもの等が好適に使用できる。これら板状体の形状は特に限定されないが、加工時に切断が容易であるという観点からその厚さは５０μｍ〜３ｃｍ、特に１００μｍ〜１ｃｍであるのが好適である。
【００１１】
本発明のセラミック基板においては、ＡｌＮベース基板の表面にＡｌ_{２０〜４５}Ｎ_{８０〜５５}又はＡｌ_{５５〜８０}Ｎ_{４５〜２０}で示される組成からなるアルミニウム窒化物からなる層が形成されていることが、当該ＡｌＮベース基板上に形成される金属膜との密着性を高くするために必須である。基板表面がストイキオメトリックな窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のままであったり、化学量論比よりずれた組成を有するアルミニウム窒化物であってもその組成が上記範囲外である場合にはセラミックと金属層との密着性が低下する。上記アルミニウム窒化物からなる層の厚さは特に限定されないが、効率的な工業生産と言う理由から５ｎｍ〜１０μｍ、特に１０ｎｍ〜５μｍであるのが好適である。なお、セラミックと金属層との密着性の観点から上記ＡｌＮベース基板表面に形成されるアルミニウム窒化物からなる層の組成は、Ａｌ_３０Ｎ_７０〜Ａｌ_４５Ｎ_５５又はＡｌ_５５Ｎ_４５〜Ａｌ_７０Ｎ_３０であるのが好適である。なお、上記アルミニウム窒化物からなる層の組成は、２次イオン検出質量分析装置及びＸ線回折装置を併用した評価によって確認することができ、その厚さは、２次イオン検出質量分析装置によって確認することができる。
【００１２】
本発明のセラミック基板の製造方法では、ＡｌＮベース基板の表面を窒素プラズマ処理又はレーザー照射処理する方法が採用される。窒素プラズマ処理とは、ＡｌＮベース基板の表面を各種方法で発生させた窒素プラズマと接触させることを意味するが、このような接触は通常プラズマ法で使用される装置内で行われる。プラズマ法としては高周波プラズマ、マイクロ波プラズマ、ＥＣＲプラズマ等様々なプラズマが使用可能である。これらの中でも電子密度が大きい誘導結合高周波プラズマやマイクロ波を用いた高密度プラズマ法が特にＡｌＮベース基板の表面層を窒素リッチな層に改質し、Ａｌ_{２０〜４５}Ｎ_{８０〜５５}で示される層（窒素リッチ層ともいう）を形成するのに有効である。
【００１３】
例えば、誘導結合型高周波プラズマ法を用いて処理を行なう場合には、次のような手順で処理を行なうことができる。即ち、まず、処理するＡｌＮベース基板をプラズマ発生装置内の基材ホルダー部にセットして装置内に窒素を導入して減圧窒素雰囲気とする。そして、装置内或いは誘電体を介して装置の外部にセットされた高周波を印加するための一巻き或いは複数巻きの金属製コイルにチューナーを介して高周波を印加して装置内で高周波誘導結合プラズマを発生させて基板を窒素プラズマ処理する。なお、この処理において、基板は室温でも加熱されていてもよい。また、窒素化の度合い（組成や窒素リッチ層の厚み）は条件によって制御することが可能であり、プラズマ強度を大きくしたり、基板加熱温度を高くしたり、処理時間を長くしたりすることによってＡｌＮベース基板表面の窒素化が促進され、窒素含有量を多くしたり窒素リッチ層の厚さを厚くすることができる。例えば処理条件として、高周波出力５００Ｗ、基板温度３０℃、反応圧力３０ｍＴｏｒｒ、窒素流量１０ｓｃｃｍ、アルゴン流量５０ｓｃｃｍ、処理時間１０分を採用した場合には、約３００オングストロームのＡｌ_４０Ｎ_６０のアルミニウム窒化物層が形成される。
【００１４】
また、レーザー照射処理はレーザーアブレーション法等により行なうことが出来、該方法を用いたレーザー照射処理はＡｌＮベース基板の表面層を改質し、Ａｌ_{５５〜８０}Ｎ_{４５〜２０}で示される組成の層（アルミニウムリッチ層ともいう）を形成するのに有効である。この場合、処理には上記のプラズマ法で用いた反応容器においてプラズマ発生装置の代わりにレーザー照射装置が配設された反応容器を用いればよい。レーザーの種類は特に限定されることはなく、セラミックを加工できる能力を有するものであれば特に制限無く用いることができる。例えば、エキシマレーザー、ＣＯ_２レーザー、ＹＡＧレーザーなどが用いられる。これらのレーザーを基材表面に連続的にスキャンさせることによって、基板表面のＡｌとＮとの化学結合を切断することでＡｌを露出させ、アルミニウムリッチ層を形成することができる。
【００１５】
レーザー処理方法としては、レーザー発振器によって発生させたレーザービームを光学系駆動制御装置によってＡｌＮベース基板表面の全面を一様に走査することによって基板表面全体にレーザーが照射されるようにするのが好適である。なお、レーザーのエネルギーとしては０．０１ｍＪ／パルス〜１０ｍＪ／パルスが好適である。繰返し周波数としては１〜３００Ｈｚ、ビーム径としては１０μｍ〜２ｍｍが好適である。
【００１６】
本発明のセラミック基板の窒素リッチ層やアルミニウムリッチ層（以下、総称して改質層ともいう。）上にＴｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ−Ｃｒ（ニッケルークロム合金）、ＴｉＮ（窒化タンタル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、及びＷ（タングステン）からなる群より選ばれる少なくとも１種類以上の金属又は化合物からなる層（活性層ともいう）、及びこれら金属又は化合物以外の金属からなる層（上部金属層ともいう）を順次形成したときにこれら層からなるメタライズ層とセラミック基板との接着力は、改質層を表面に有しないＡｌＮベース基板の表面に直接これら層を形成した時と比べて有意に高くなる。したがって、本発明のセラミック基板は上記のようなメタライズ層を有し、セラミック基板とメタライズ層の接着性が良好であるという特徴を有する本発明の表面メタライズセラミック基板の原料基板として好適に使用することができる。
【００１７】
本発明の表面メタライズセラミック基板における活性層は、従来のメタライズ基板における第１薄膜層に相当するものである。また、その上に形成される上部金属層は、従来のメタライズ基板における第２薄膜層、又は第２薄膜層及び第３薄膜層に相当するものであり、第２薄膜層に相当する部分についてはＮｉ，Ｐｔなどの金属が、また第３薄膜層に相当する部分についてはＣｏ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ等の金属が使用される。これら層は従来の第１〜第３薄膜層と特に変わることはないが、上記密着性保持効果及び製膜効率の観点から、活性層の厚さは０．０３〜５μｍ、特に０．０５〜３μｍであるのが好適である。なお、上部金属層の上には、素子等をハンダ付けする際にハンダの濡れ性や密着性を向上させたり、配線や電極として機能させたりするための金属膜、またはリフローハンダ付けを行なうために予め所定の位置に設けられたハンダ材からなる膜が形成されていてもよい。これらの層は必ずしも単一層からなる必要はなく、複数の層が積層された構造であってもよい。また、複数の層が積層される場合、各層間で原子が拡散現象により混在した場合、その部分の密着性が低下する場合がある。このようなことを防止するために、原子の拡散を防止するような金属層を設けることによって対応することができる。
【００１８】
以下、図１に示すような本発明のセラミック基板Ａ及び本発明の表面メタライズセラミック基板Ｂを、図２に示すような誘導結合型プラズマ処理装置Ｃ、又は図３に示すレーザーアブレーション装置Ｄを用いて製造する場合を例にその製造方法について更に詳しく説明する。なお、図１における本発明のセラミック基板Ａは窒化アルミニウム基板１１０の表面が窒素プラズマ処理によって改質されて窒素リッチ層１２０が形成されており、また図１における本発明の表面メタライズセラミック基板Ｂにおいては窒素リッチ層１２０上に活性層１３０、上部金属層１４０が形成されている。
【００１９】
図２に示した誘導結合型プラズマ装置Ｃは、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス鋼などから構成され、真空状態に維持される円筒形の反応チャンバー１２を備えており、反応チャンバー１２の底壁１６に形成された排気口１３を介して、真空ポンプなどの真空源に接続することによって、一定の真空状態に維持されるようになっている。また、その内部には、プラズマ処理するＡｌＮベース基板１０を設置する基材設置部を構成するステージ１４が配置されている。このステージ１４は、反応チャンバー１２の底壁１６を貫通して、図示しない駆動機構によって上下に摺動可能に構成され、位置調整可能となっているとともに、図示しない、例えばシーズヒータなどの加熱機構によって、ＡｌＮベース基板を加熱することができるようになっている。なお、図示しないが、ステージ１４と底壁１６との間の摺動部分には、反応チャンバー１２内の真空度を確保するために、シールリングなどのシール部材が配設されている。一方、反応チャンバー１２の上方には、高周波印加コイル１８が設けられており、その基端部分２０（ａ）、２０（ｂ）が、反応チャンバー１２の頂壁を貫通して、反応チャンバー１２外部に設けられた高周波電源２４に接続されている。この高周波印加コイル１８と高周波電源２４の間にはマッチング回路２５が配設されており、高周波電源２４により発生した高周波を損失なく高周波印加コイル１８へ伝播できるようになっている。この高周波印加コイル１８の径は通常３〜３０ｃｍ、好適には５〜２０ｃｍである。このようなコイル径であれば、均一に基材のプラズマ処理を行うことができる。高周波印加コイルの設置数は複数でもよく、その場合の配置の仕方は、並列に配置する以外は特に限定されないが、効果の点から、隣り合った高周波印加コイルどうしの間隔は廣くない方が好ましく、出来るだけ密に配置するのが望ましい。また、高周波印加コイル自体をプラズマ発生ガスが供給できるガス配管の役割を担った構造としても良い。なお、この高周波コイル１８の材質としては、金属製、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス鋼、銅、アルミニウムなどの加工しやすい材質から選択すれば良く、特に限定されるものではない。また、高周波コイル１８の表面は、アルミナ、窒化アルミニウム等の絶縁体で被覆されていてもよい。さらに、反応チャンバー１２の側部には、図示しないゲートバルブがあり、これを介して、処理すべき基板１０を出し入れするための圧力調整室（図示していない）に接続されている。
【００２０】
このような装置Ｃを用いての窒素プラズマ処理は、次のような手順で行なうことができる。即ち、まず、真空ポンプなどの真空源を作動することによって、排気口１３を介して排気することにより、反応チャンバー１２内を真空状態に維持する。反応チャンバー１２内を高真空にすることにより、不純物となる酸素、炭素等を除去することができる。この時の圧力は、１×１０^−６Ｔｏｒｒ以下とするのが好適である。次に、反応チャンバー１２の側部に接続された圧力調整室内に、処理すべきＡｌＮベース基板１０を搬入した後、この圧力調整室内の圧力を反応チャンバー１２内の圧力と同じ真空度になるように調整する。そして、ゲートバルブを開放して、ＡｌＮベース基板１０を反応チャンバー１２内のステージ１４の上に載置する。そして、反応チャンバー１２の外部に設けられた高周波電源２４から高周波印加コイル１８に高周波を印加するとともに、反応ガス供給源２７から、高周波印加コイル１８に形成された反応ガス供給経路３２を介して、反応ガス供給口３４より反応ガスを反応チャンバー１２内に供給する。これにより、高周波印加コイル１８に印加された高周波によって、誘導結合型プラズマを発生させて、ステージ１４に載置されたＡｌＮベース基板１０の表面を処理できるようになっている。なお、この際の反応チャンバー１２内の圧力（反応圧力）は、好ましくは０．３〜１００ｍＴｏｒｒ、より好ましくは５〜３０ｍＴｏｒｒとするのが望ましい。このような圧力に制御することによって、均一でプラズマ処理を行うことができる。また、高周波電力としては、１０Ｗ〜３ＫＷであり、高周波の周波数としてはマッチング回路での調整を考慮すれば、５ＭＨｚ〜２００ＭＨｚの高周波とするのが好ましく、さらに好ましくは、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚとするのが望ましい。また、反応チャンバー１２内に導入する反応ガスとしては、窒素及び窒素に水素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン等の希釈用ガスを同伴したプラズマ処理ガスが使用可能である。プラズマ処理ガスの導入量としては、窒素ガスを単独で反応チャンバー内に導入する場合、及び、その他の希釈ガスと同伴させて反応チャンバー内へ導入する場合では異なるが、総導入量としては３０ｃｃ／分〜３０００ｃｃ／分となるようにするのが好ましい。また、窒素ガスとその他のガスとの混合は窒素ガスが含まれている条件であればいずれの混合比に設定しても構わない。しかしながら、プラズマ処理される窒化アルミニウム表面は、その他の処理条件、すなわち、高周波電力、基材温度などとも大きく関係するので、一義的に流量比のみで規定することは困難である。また、ＡｌＮベース基板と高周波コイル１８との間の距離Ｌとしては、８ｃｍ〜３０ｃｍの範囲とするのが望ましく、ステージ１４を上下に摺動させることによって位置調整すればよい。さらに、ＡｌＮベース基板は、ステージ１４に設けられた加熱装置によって、室温〜約１０００℃に加熱することができる。加熱することによって、高周波印加コイル１８に印加された高周波によって発生した誘導結合型プラズマによって、ステージ１４に載置されたＡｌＮベース基板の表面処理が効果的に行われる。なお、このプラズマ処理時間は、すべての処理条件を勘案して設定されるが一般的に数十秒から数十分程度である。
【００２１】
また、図３に示すレーザーアブレーション装置Ｄは、プラズマ発生手段の代わりにレーザー発生手段を具備する他は基本的に誘導結合型プラズマ装置Ｃにおけるのと同様な構造の反応チャンバー１２を有している。なお、該反応チャンバー１２の上方には光学窓４２が設けられ、反応チャンバー１２の頂壁を貫通して、反応チャンバー１２外部に設けられたレーザー発振器４０と接続されている。そして、この光学窓とレーザー発振器４０との間には光学系４３が配設されており、レーザー発振器４０より発生したレーザーを効率よく処理すべきＡｌＮベース基板１０へ照射できるようになっている。ここで光学系４３は駆動制御系４１と接続され、レーザー照射の基材表面での走査を制御できるようになっている。また、レーザー発振器４０も前記駆動制御系４１と接続されており、出力や発振周波数、照射パルス数等が制御されるようになっている。
【００２２】
このような装置を用いたレーザー照射処理は、窒素プラズマ処理を行なう場合と同様にしてＡｌＮベース基板１０を真空状態の反応チャンバー内にセットし、この状態でレーザー発振器４０からレーザーをＡｌＮベース基板表面に照射することによって表面をレーザー処理することにより行われる。この時、レーザービームは光学系駆動制御装置によってＡｌＮベース基板表面全面を一様に走査して基板表面全体にレーザーが照射されるようにする。なお、レーザーのエネルギーとしては０．０１ｍＪ／パルス〜１０ｍＪ／パルスが好適である。繰返し周波数としては１〜３００Ｈｚ、ビーム径としては１０μｍ〜２ｍｍが好適である。これらの条件は処理するＡｌＮベース基板の処理状況によって適宜変更される。
【００２３】
以上示した２通りの方法で作製した本発明のセラミック基板は、用いた装置の構成上、処理装置から該基材を取出さずに連続してその窒素リッチ層又はアルミニウムリッチ層上に活性層及び上部金属層或いは金属化合物層を形成することができる。この様に、外気に晒すこと無く活性層等を形成した場合には、ＡｌＮベース基板とメタライズ層（活性層及び上部金属層）との密着性がより良好になるので、本発明の表面メタライズセラミック基板を製造する場合にはこのような方法を採用するのが好ましい。
【００２４】
本発明においては、改質層上に活性層及び上部金属層を形成するが、これらの製造方法は特に制限されることは無く、公知の膜形成方法が制限なく採用可能である。その一例を示せば、印刷法、メッキ法、蒸着法、スパッタリング法、化学的気相蒸着法等が挙げられるが、これら方法の中でも蒸着法、スパッタリング法、及び化学気相蒸着法は高純度の膜を膜厚精度よく形成可能であるため、これら方法を採用するのが特に好適である。
【００２５】
スパッタリング法により、金属層或いは金属化合物層を形成するには、金属層或いは金属化合物層を構成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材を形成して、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板上に所望の材料の薄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。なお、スパッタリングを行なう場合はセラミック基板を加熱せず室温のままとしても、加熱してもよい。また、金属層或いは金属化合物層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。化学気相蒸着法による金属層或いは金属化合物層の形成は、有機金属ＣＶＤ装置を用いて好適に行なうことができる。この方法では、真空排気した反応容器内にＴａ（ＯＣ_２Ｈ_５）_５等の原料ガスを窒素等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膜形成を行なうものである。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。なお、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なったりする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。
【００２６】
【実施例】
以下に実施例、比較例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２７】
尚、以下の実施例及び比較例において、窒化アルミニウムの表面は図２又は図３に示す様な構造の装置を用い改質した。また、以下の実施例及び比較例において改質層、及び改質層上に形成された金属膜の評価は以下の（１）〜（２）に示す方法によって行った。
【００２８】
（１）改質層厚み及び改質層の組成
改質層厚み及び改質層の組成は、２次イオン検出質量分析装置により、深さ方向測定を行うことによって調べた。
【００２９】
（２）密着性
窒化アルミニウム基体上に形成された金属膜の表面にニッケルメッキしたピンを垂直に半田付けした。ピンは先端が平坦で、ピン径φ０．５ｍｍ、４２−アロイ製のものを使用し、半田は錫６０重量％、鉛４０重量％の組成のものを使用した。これを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張った際の破壊強度を測定した。引張り速度は１０ｍｍ／分とした。単位はＫｇ／ｍｍ^２である。また、剥離モードは試験後のは界面を実体顕微鏡、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。
【００３０】
実施例１
窒化アルミニウム基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍｔ）を誘導結合型プラズマ処理装置の圧力調整室内の基材ホルダーにセットして装置を真空引きした。容器内が５×１０^−６Ｔｏｒｒとなったのを確認して、プラズマ処理室と圧力調整室との間にあるゲートバルブを開け、基材をプラズマ処理室内へ搬送しゲートバルブを閉じた。そして、プラズマ処理室内に窒素を１０ｃｃ／分、アルゴンガスを５０ｃｃ／分の流量に制御して供給した。ここで、圧力調整弁を調節することによってプラズマ処理室内の圧力を３０ｍＴｏｒｒとして、高周波電源より５００Ｗの出力で高周波を高周波電極へと印加した。約１０分間プラズマ処理を行ったのち、高周波の印加を停止してプラズマ処理を終了した。基材は特に加熱せず室温で処理した。
【００３１】
さらに、基材を誘導結合型プラズマ処理装置と連結したスパッタリング装置内へ真空を維持した状態で搬送して改質層上へそれぞれ約０．０７μｍ、０．５μｍ、及び２μｍの厚みでＴｉ、Ｐｔ、及びＡｕからなる膜を順番に室温で積層して本発明の表面メタライズセラミック基板を得た。得られた表面メタライズセラミック基板に対して密着性評価を実施したところ引張り強度８．５Ｋｇ／ｍｍ^２が得られた。剥離モードはセラミック破壊であった。なお、同様のプラズマ処理を施した窒化アルミニウム基板について２次イオン検出質量分析装置により解析を行なったところ、その表面の組成（改質層組成）はＡｌ_４０Ｎ_６０となっていることが確認された。また、深さ方向の分析結果から上記組成の深さは（改質層厚さ）約０．０３μｍであることが確認された。
【００３２】
実施例２
実施例１においてプラズマ処理のための高周波出力を１ＫＷ、処理時間を２５分間とする以外はすべて実施例１と同じ条件で窒化アルミニウム基板にプラズマ処理を実施し、表面メタライズセラミック基板を得た。得られた表面メタライズセラミック基板について密着性評価を行なったところ引張り強度は７．８Ｋｇ／ｍｍ^２であった。セラミック破壊であった。なお、実施例１と同様にして改質層について分析したところその組成はＡｌ_２５Ｎ_７５であり、その厚さは約０．０７μｍであった。
【００３３】
実施例３
窒化アルミニウム基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍｔ）をレーザーアブレーション処理装置の圧力調整室内の基材ホルダーにセットして装置を真空引きした。容器内が５×１０^−６Ｔｏｒｒとなったのを確認して、処理室と圧力調整室との間にあるゲートバルブを開け、基材をプラズマ処理室内へ搬送しゲートバルブを閉じた。反応容器内の真空度を１×１０^−６Ｔｏｒｒとして、レーザー発振器より０．０５ｍＪ／パルスの強度でレーザーを基材表面へ照射した。レーザーを基板全体にスキャンさせる処理を行ったのち、レーザー照射を停止して処理を終了した。基材は特に加熱せず室温で処理した。さらに、基板を処理装置と連結したスパッタリング装置内へ真空を維持した状態で搬送して改質層上へそれぞれ約０．０７μｍ、０．５μｍ、及び２μｍの厚みでＴｉ、Ｐｔ、及びＡｕからなる膜を順番に積層して本発の表面メタライズセラミック基板を得た。得られた表面メタライズセラミック基板について密着性評価を行なったところ引張り強度は６．８Ｋｇ／ｍｍ^２であった。セラミック破壊であった。なお、実施例１と同様にして改質層について分析したところその組成はＡｌ_６５Ｎ_３５であり、その厚さは約０．０１μｍであった。
【００３４】
実施例４
実施例２においてレーザー処理のための出力を０．１ｍＪ／パルスとする以外はすべて実施例３と同じ条件で窒化アルミニウム基板にレーザーアブレーション処理を実施し、表面メタライズセラミック基板を得た。得られた表面メタライズセラミック基板について密着性評価を行なったところ引張り強度は７．２Ｋｇ／ｍｍ^２であった。セラミック破壊であった。なお、実施例１と同様にして改質層について分析したところその組成はＡｌ_３０Ｎ_７０であり、その厚さは約０．０２μｍであった。
【００３５】
比較例１
実施例１において高周波出力３ｋＷ、処理時間１時間とする以外はすべて実施例１と同様な条件でプラズマ処理し、表面メタライズセラミック基板を得た。得られた表面メタライズセラミック基板について密着性評価を行なったところ引張り強度は１．４Ｋｇ／ｍｍ^２であった。剥離モードは膜剥れであった。なお、実施例１と同様にして改質層について分析したところその組成はＡｌ_１５Ｎ_８５であった。また、処理後の基板表面がかなり荒れていることが確認された。
【００３６】
比較例２
実施例１において改質層を設けないこと以外はすべて実施例と同じようにして表面メタライスセラミック基板を作製した。得られた表面メタライズセラミック基板について密着性評価を行なったところ引張り強度は３．８Ｋｇ／ｍｍ^２であった。剥離モードは膜剥れであった。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のセラミック基板は、従来の窒化アルミニウム系メタライズ基板を製造するのと同様な方法でメタライズした時に、従来のメタライズ基板と比べてセラミックとメタライズ層の接着力が高くなるという効果を有する。そして、この様にして製造される本発明の表面メタライズセラミック基板は、セラミックとメタライズ層の接着性が良好なため、高出力の半導体素子等の使用時における発熱量が大きい電子部品をマウントするための放熱基板として使用した場合に、ヒートサイクル等によって接着力が規格値よりも低くなり難く、高い耐久性・信頼性を示す。さらに、その製造においても、従来のプロセスに簡単な処理工程を付加するだけでよく、特殊な装置やプロセス全体の大幅な変更を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本図は本発のセラミック基板及び表面メタライズセラミック基板の断面図である。
【図２】本図は誘導結合型プラズマ処理装置の該略図である。
【図３】本図はレーザーアブレーション処理装置の該略図である。
【符号の説明】
Ａ：本発明のセラミック基板
Ｂ：本発明の表面メタライズセラミック基板
Ｃ：誘導結合型プラズマ処理装置
Ｄ：レーザーアブレーション処理装置
１１０：窒化アルミニウム基板
１２０：改質層（窒素リッチ層）
１３０：活性層
１４０：上部金属層
１０：基材
１２：円筒型反応チャンバー
１３：排気口
１４：ステージ
１６：底壁
１８：高周波印加コイル
２０（ａ）：基端部
２０（ｂ）：基端部
２４：高周波電源
２５：チューニング回路
２７：反応ガス供給源
３２：反応ガス経路
３４；反応ガス供給口
４０レーザー発振器
４１：駆動制御系
４２：窓
４３：光学系

Claims

窒化アルミニウム又は窒化アルミニウムを主成分とするセラミックからなる基板の表面にＡｌ _{２０〜４５} Ｎ _{８０〜５５} 又はＡｌ _５５ _〜８０Ｎ _４５ _〜２０で示される組成を有するアルミニウム窒化物からなる層が形成されてなるセラミック基板を製造する方法であって、窒化アルミニウム又は窒化アルミニウムを主成分とするセラミック基板の表面を窒素プラズマ処理又はレーザー照射処理をして、それぞれＡｌ _{２０〜４５} Ｎ _{８０〜５５} 又はＡｌ _５５ _〜８０Ｎ _４５ _〜２０で示される組成を有するアルミニウム窒化物からなる層を形成することを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法により窒化アルミニウム又は窒化アルミニウムを主成分とするセラミックからなる基板の表面にＡｌ _{２０〜４５} Ｎ _{８０〜５５} 又はＡｌ _５５ _〜８０Ｎ _４５ _〜２０で示される組成を有するアルミニウム窒化物からなる層が形成されてなるセラミック基板を製造した後に、得られたセラミック基板の前記アルミニウム窒化物からなる層上にＴｉ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、ＴａＮ、Ａｌ、Ｍｏ、及びＷからなる群より選ばれる少なくとも１種からなる金属又は化合物からなる層、及びこれら金属又は化合物以外の金属からなる層を順次形成することを特徴とする表面メタライズセラミック基板の製造方法。