JP6471927B2 - 窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法に関する。

窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）は、熱伝導性と機械的強度に優れた材料であり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体の放熱基板としての実用化が期待されている。窒化ケイ素の結晶構造は、六方晶系であり、ｃ軸方向に粒成長することが知られている。また、窒化ケイ素は、ｃ軸方向に高い熱伝導率を示すことから、ｃ軸を特定方向に配向させることによって、高熱伝導率化が期待できる。
窒化ケイ素の製造方法としては、次のような方法が知られている。窒化ケイ素粉末と柱状のβ窒化ケイ素粒子の混合物に、焼結助剤として、酸化イットリウムと酸化ネオジウムを添加した混練体を調製する。次いで、その混練体を用いて、押出成形により、柱状のβ窒化ケイ素粒子を長手方向に配向させた成形体を作製する。次いで、その成形体を焼結して緻密化し、配向方向の熱伝導率が９０Ｗ／ｍＫ以上の窒化ケイ素セラミックスを得る（例えば、特許文献１参照）。

また、窒化ケイ素の製造方法としては、次のような方法も知られている。９０質量％以上のβ窒化ケイ素粒子と、α窒化ケイ素粒子と、焼結助剤とからなる混練体を調製する。次いで、その混練体を用いて、押出成形により、柱状のβ窒化ケイ素粒子を長手方向に配向させた成形体を作製する。次いで、その成形体を焼結して緻密化し、配向方向の熱伝導率が７０Ｗ／ｍＫ以上の窒化ケイ素セラミックスを得る（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−１９４８４２号公報 特開２０００−１８５９８６号公報

特許文献１や特許文献２のように、押出成形によって生じる応力を利用する配向方法では、β窒化ケイ素粒子の形状に依存した配向方向しか選択できなかった。そのため、特許文献１や特許文献２に記載されている製造方法により、板状の窒化ケイ素セラミックスを作製したとしても、板厚方向にβ窒化ケイ素粒子が配向したものは得られなかった。
また、従来の窒化ケイ素セラミックスの製造方法では、焼結助剤として、酸化アルミニウムが用いられている。しかしながら、酸化アルミニウムは、窒化ケイ素中に固溶するため、窒化ケイ素セラミックスの熱伝導率が低くなるという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、板厚方向に熱伝導率が高い窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法は、柱状のβ窒化ケイ素粒子を含んでなる基板であって、前記β窒化ケイ素粒子のｃ軸が前記基板の厚み方向に配向しており、前記β窒化ケイ素粒子のうち９０％以上の粒子は、前記基板の厚み方向に対するｃ軸の傾きが±２０度以内であり、前記β窒化ケイ素粒子のうち５０％以上の粒子は、前記基板の厚み方向に対するｃ軸の傾きが±５度以内である窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法であって、平均粒径が０．１〜０．５μｍのα窒化ケイ素粉および平均粒径が０．１〜０．５μｍのβ窒化ケイ素粉からなる窒化ケイ素粉、平均粒径が０．５μｍ以上の種結晶β窒化ケイ素粉および焼結助剤を含む原料粉を、分散剤を含む溶媒に加えて、前記原料粉と前記溶媒を攪拌、混合しながら、前記溶媒に前記原料粉を分散させて、前記原料粉および前記溶媒からなるスラリーを調製する工程と、前記スラリーを成形用の型に容れて、前記型の厚み方向に沿う中心軸を中心とした回転磁場中で前記スラリーを乾燥し、前記原料粉からなる成形体を成形する工程と、前記成形体をガス圧焼結法により焼結する工程と、を有することを特徴とする。

本発明の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法において、前記種結晶β窒化ケイ素粉は、平均粒径が０．５μｍ以上、短軸径に対する長軸径の比（長軸径／短軸径）が３．０以下であることが好ましい。

本発明の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法において、前記原料粉に対する前記種結晶β窒化ケイ素粉の配合割合は、０．１〜１０質量％であることが好ましい。

本発明の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法において、前記焼結助剤は、希土類酸化物、遷移金属酸化物および典型金属酸化物から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。

本発明の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法において、前記回転磁場の強さは、３テスラ（Ｔ）以上であることが好ましい。

本発明の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法において、前記ガス圧焼結法による前記成形体の焼結を、窒素雰囲気下で行うことが好ましい。

本発明の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法において、前記ガス圧焼結法による前記成形体の焼結温度は１８５０〜１９５０℃、焼結時間は０．５〜６０時間、前記窒素雰囲気の圧力は０．２〜１０ＭＰａであることが好ましい。

本発明の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法において、前記β窒化ケイ素粒子の短軸径に対する長軸径の比（長軸径／短軸径）は、２．５以上であることが好ましい。

本発明の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法において、前記β窒化ケイ素粒子のｃ軸の配向度は、０．５以上であることが好ましい。

本発明の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法において、前記基板の厚み方向における熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。

本発明によれば、β窒化ケイ素粒子のｃ軸が板厚方向に配向し、板厚方向に熱伝導率が高い板状の窒化ケイ素セラミックスが得られる。

本発明の窒化ケイ素セラミックスの一実施形態を示し、板状の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向に沿う断面を示す模式図である。 窒化ケイ素セラミックスを走査型電子顕微鏡で観察した画像データをもとにして、β窒化ケイ素粒子の粒子形状を線画で抽出した画像データを示す図である。 図２に示す画像データを、画像データを解析ソフトにて２値化した後、抽出した粒子を対象として、絶対最大長ＡＢ、パターン幅ＣＤ、パターン方向を計測する方法を説明する図である。 実施例１の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と平行な断面を示す走査型電子顕微鏡像である。 実施例１の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と垂直な面を示す走査型電子顕微鏡像である。 実施例２の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と平行な断面を示す走査型電子顕微鏡像である。 実施例２の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と垂直な面を示す走査型電子顕微鏡像である。 実施例３の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と平行な断面を示す走査型電子顕微鏡像である。 実施例３の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と垂直な面を示す走査型電子顕微鏡像である。 比較例１の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と平行な断面を示す走査型電子顕微鏡像である。 比較例２の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と平行な断面を示す走査型電子顕微鏡像である。

本発明の窒化ケイ素セラミックスおよびその製造方法、並びに、窒化ケイ素セラミックスを備えた半導体素子の実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

「窒化ケイ素セラミックス」
図１は、本発明の窒化ケイ素セラミックスの一実施形態を示し、板状の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向に沿う断面を示す模式図である。
本実施形態の窒化ケイ素セラミックス１０は、柱状のβ窒化ケイ素粒子１１を含んでいる基板１２であって、β窒化ケイ素粒子１１のｃ軸（長軸方向）が基板１２の厚み方向（図１における紙面の上下方向）に配向している構造を有するものである。
窒化ケイ素セラミックス１０は、後述するように、β窒化ケイ素粉を含む原料を焼結してなる焼結体である。

なお、図１に示す断面図において、多数の長方形状の物体は全て、β窒化ケイ素粒子１１を示す。すなわち、窒化ケイ素セラミックス１０は、多数のβ窒化ケイ素粒子１１が密集してなるものである。そして、多数のβ窒化ケイ素粒子１１のｃ軸は、基板１２の厚み方向に配向している。多数のβ窒化ケイ素粒子１１のｃ軸が基板１２の厚み方向に配向しているとは、多数のβ窒化ケイ素粒子１１のｃ軸が基板１２の厚み方向に沿って揃っていることを言う。
また、β窒化ケイ素粒子１１は、六角柱状をなしている。

また、窒化ケイ素セラミックス１０において、β窒化ケイ素粒子１１のｃ軸の基板１２の厚み方向に対する傾き、すなわち、β窒化ケイ素粒子１１のｃ軸が基板１２の厚み方向となす角度は、±５度〜±２０度であることが好ましく、±５度未満であることがより好ましい。より詳細には、窒化ケイ素セラミックス１０において、多数のβ窒化ケイ素粒子のうち９０％以上の粒子は、基板１２の厚み方向に対するｃ軸の傾きが±２０度以内であり、多数のβ窒化ケイ素粒子のうち５０％以上の粒子は、基板１２の厚み方向に対するｃ軸の傾きが±５度以内であることが好ましい。
多数のβ窒化ケイ素粒子１１のｃ軸の基板１２の厚み方向に対する傾きが上記の範囲内であれば、多数のβ窒化ケイ素粒子１１のｃ軸が基板１２の厚み方向に配向していると言える。
ここで、β窒化ケイ素粒子１１のｃ軸の傾きを、以下のようにして求める。
窒化ケイ素セラミックスを走査型電子顕微鏡で観察した画像データをもとにして、図２に示すように、β窒化ケイ素粒子の粒子形状を線画で抽出した画像データを作成する。
この画像データを解析ソフト（有限会社デジタル・ビーイング・キッズ製、ＰｏｐＩｍａｇｉｎｇ）にて２値化した後、抽出した全粒子を対象として、図３に示す絶対最大長ＡＢ、パターン幅ＣＤ、パターン方向を計測する。絶対最大長ＡＢは、パターン領域の輪郭線上の任意の２点間の距離の最大値である。パターン幅ＣＤは、絶対最大長ＡＢの方向にパターン領域をはさむ２直線間の距離である。パターン方向は、画像の垂直方向と絶対最大長ＡＢのなす角度θである。β窒化ケイ素粒子１１のｃ軸の基板１２の厚み方向に対する傾きは、パターン方向に相当する。

β窒化ケイ素粒子１１の短軸径（図１に示すｄ）に対する長軸径（図１に示すｌ）の比（長軸径／短軸径）、すなわち、アスペクト比は、２．５以上であることが好ましく、５．０以上であることがより好ましい。
β窒化ケイ素粒子１１のアスペクト比が上記の範囲内であれば、多数のβ窒化ケイ素粒子１１が密集してなる窒化ケイ素セラミックス１０は、基板１２の厚み方向に熱伝導率が高いものとなる。
ここで、β窒化ケイ素粒子１１のアスペクト比を、以下のようにして求める。
窒化ケイ素セラミックスを走査型電子顕微鏡で観察した画像データをもとにして、図２に示すように、β窒化ケイ素粒子の粒子形状を線画で抽出した画像データを作成する。
この画像データを解析ソフト（有限会社デジタル・ビーイング・キッズ製、ＰｏｐＩｍａｇｉｎｇ）にて２値化した後、抽出した全粒子を対象として、図３に示す絶対最大長ＡＢ、パターン幅ＣＤ、パターン方向を計測する。絶対最大長ＡＢは、パターン領域の輪郭線上の任意の２点間の距離の最大値である。パターン幅ＣＤは、絶対最大長ＡＢの方向にパターン領域をはさむ２直線間の距離である。アスペクト比は、パターン幅ＣＤに対する絶対最大長ＡＢの比（ＡＢ／ＣＤ）である。

β窒化ケイ素粒子１１のｃ軸の配向度は、０．５以上であることが好ましく、０．８以上であることがより好ましい。
β窒化ケイ素粒子１１のｃ軸の配向度が上記の範囲内であれば、窒化ケイ素セラミックス１０は、基板１２の厚み方向に熱伝導率が高いものとなる。
なお、β窒化ケイ素粒子１１のｃ軸の配向度が１の場合、全てのβ窒化ケイ素粒子１１のｃ軸が基板１２の厚み方向に配向していることになるため、配向度が１に近いことが好ましい。

β窒化ケイ素粒子１１のｃ軸の配向度は、Ｘ線回折（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ、ＸＲＤ）によって得られたピーク強度の比によって算出されるものである。詳細には、下記の式（１）で示されるＬｏｔｇｅｒｉｎｇ法により、Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒを求めた。

上記の式（１）におけるρ_０は、配向していない窒化ケイ素セラミックスにおいて、回折Ｘ線の２θ範囲が２０．０度から７０．０度の間に出現した全回折反射の強度の合計と、回折面指数が００２の回折反射の強度とを用いて、下記の式（２）によって求められる。

上記の式（２）におけるΣＩ_０（ｈｋｌ）は、２θ範囲が２０．０度から７０．０度の間に出現した全回折反射の強度の合計を表し、上記の式（２）におけるΣＩ_０（００ｌ）は、回折面指数が００２の回折反射の強度を表す。
また、上記の式（１）におけるρは、配向した窒化ケイ素セラミックスにおいて、回折Ｘ線の２θ範囲が２０．０度から７０．０度の間に出現した全回折反射の強度の合計と、回折面指数が００２の回折反射の強度とを用いて、下記の式（３）によって求められる。

上記の式（３）におけるΣＩ（ｈｋｌ）は、２θ範囲が２０．０度から７０．０度の間に出現した全回折反射の強度の合計を表し、上記の式（３）におけるΣＩ（００ｌ）は回折面指数が００２の回折反射の強度を表す。

また、後述する窒化ケイ素セラミックスの製造方法において、原料の組成から求めた計算密度を真密度としたとき、β窒化ケイ素粒子を含む原料の焼結体である窒化ケイ素セラミックス１０の相対密度は、９９％以上である。すなわち、窒化ケイ素セラミックス１０は緻密な構造をなしている。
焼結体の相対密度は、アルキメデス法（ＪＩＳ Ｚ ８８０７）により測定する。測定溶媒としては、蒸留水を用いる。

このような構成の窒化ケイ素セラミックス１０は、基板１２の厚み方向における熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であり、基板１２の厚み方向において熱伝導率が高くなっている。したがって、窒化ケイ素セラミックス１０を、炭化ケイ素半導体の放熱基板として使用した場合、炭化ケイ素半導体が発生する熱を効率的に放出（放熱）することができる。ゆえに、炭化ケイ素半導体と、窒化ケイ素セラミックス１０と、を備えた半導体素子は、放熱効率に優れたものとなる。
また、窒化ケイ素セラミックス１０は、β窒化ケイ素粒子１１のｃ軸が基板１２の厚み方向に配向しているので、機械的強度が高くなっている。

「窒化ケイ素セラミックスの製造方法」
次に、本実施形態の窒化ケイ素セラミックスの製造方法を説明する。
窒化ケイ素粉、種結晶β窒化ケイ素粉および焼結助剤を含む原料粉を、分散剤を含む溶媒に加えて、原料粉と溶媒を攪拌、混合しながら、原料粉および溶媒に超音波による振動を加え、溶媒に原料粉を分散させて、原料粉および溶媒からなるスラリーを調製する（工程Ａ）。

窒化ケイ素粉は、平均粒径が０．１〜０．５μｍのα窒化ケイ素粉およびβ窒化ケイ素粉からなるものが好ましい。また、窒化ケイ素粉の代わりに、シリコン粉末を用いることもできる。この場合は、成形後の窒化工程によりシリコンを窒化ケイ素に転換する。
また、種結晶β窒化ケイ素粉は、レーザー回折法で測定した一次粒子を球形と仮定した場合の平均粒径が０．５μｍ以上、短軸径に対する長軸径の比（長軸径／短軸径）、すなわち、アスペクト比は、３．０以下であることが好ましい。
なお、窒化ケイ素粉（α窒化ケイ素粉およびβ窒化ケイ素粉）や種結晶β窒化ケイ素粉の粒径は、上述のβ窒化ケイ素粒子１１のアスペクト比の測定方法に準ずる方法により測定される。

焼結助剤としては、酸化イットリウムなどの希土類酸化物、酸化ハフニウムなどの遷移金属酸化物、酸化アルミニウムを除く酸化マグネシウムや二酸化ケイ素などの典型金属酸化物が用いられる。
焼結助剤は、β窒化ケイ素粒子の結晶粒の成長を促し、窒化ケイ素セラミックスの相対密度を高くするために用いられる。また、これらの焼結助剤は、窒化ケイ素に固溶しない。

溶媒としては、主に水や、キシレン、トルエン、エタノールなどの有機溶媒が用いられる。
分散剤としては、ポリカルボン酸、ポリアクリル酸、ポリエチレンイミン、高級脂肪酸エステルなどが用いられる。

窒化ケイ素粉、種結晶β窒化ケイ素粉および焼結助剤を含む原料粉において、それぞれの成分の配合割合は、窒化ケイ素粉：β窒化ケイ素粉：酸化ハフニウム：酸化イットリウム：二酸化ケイ素＝８２〜８７質量％：０．１〜１０質量％：２．５〜１０質量％：２．５〜５質量％：０．２〜１．０質量％、または、窒化ケイ素粉：種結晶β窒化ケイ素粉：酸化イットリウム：二酸化マグネシウム＝８２〜９４質量％：０．１〜１０質量％：１〜１０質量％：１〜１０質量％であることが好ましい。
窒化ケイ素粉と、種結晶β窒化ケイ素粉と、焼結助剤との配合割合を上記の範囲内とすることにより、β窒化ケイ素粒子のｃ軸が基板の厚み方向に配向し、かつ相対密度が高い窒化ケイ素セラミックスが得られる。

また、上記の原料粉と溶媒との配合割合は、原料粉：溶媒＝１０〜３０体積％：７０〜９０体積％であることが好ましい。
原料粉と溶媒との配合割合を上記の範囲内とすることにより、窒化ケイ素粉、種結晶β窒化ケイ素粉、焼結助剤を溶媒に分散することができる。

さらに、窒化ケイ素粉、種結晶β窒化ケイ素粉および焼結助剤を含む原料粉に対する分散剤の添加量は、原料粉１００質量％に対して、１．０〜１．５質量％であることが好ましい。

工程Ａでは、上記の原料粉と溶媒を、マグネチックスターラーや攪拌翼などの攪拌装置で攪拌、混合しながら、原料粉および溶媒に、例えば、超音波ホモジナイザーなどの超音波発生装置から発した超音波による振動を加え、溶媒に原料粉を分散させる。これにより、窒化ケイ素粉の二次粒子がばらばらになり、窒化ケイ素の一次粒子として溶媒に分散するとともに、種結晶β窒化ケイ素の二次粒子がばらばらになり、種結晶β窒化ケイ素の一次粒子として溶媒に分散する。
なお、本実施形態では、原料粉および溶媒に超音波による振動を加えた場合を例示したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。本実施形態にあっては、超音波以外の手段を用いて、原料粉および溶媒を分散させてもよい。

原料粉と溶媒を攪拌することと、原料粉および溶媒に超音波による振動を加える（超音波処理）こととは同時に行われるが、超音波処理時間は、５分以上であることが好ましく、２５〜３０分であることがより好ましい。
超音波処理時間を上記の範囲内とすることにより、種結晶β窒化ケイ素の二次粒子をばらばらにして、種結晶β窒化ケイ素の一次粒子とすることができる。

次いで、工程Ａで調製したスラリーを成形用の型に容れて、その型の厚み（高さ）方向に沿う中心軸を中心とした回転磁場中で前記スラリーを乾燥し、上記の原料粉からなる成形体を成形する（工程Ｂ）。
工程Ｂでは、スラリーを乾燥して成形体を成形するとともに、回転磁場により、スラリーに含まれる種結晶β窒化ケイ素の一次粒子のｃ軸を成形用の型の厚み方向に配向させる。

工程Ｂにおいて、回転磁場の強さは、３テスラ（Ｔ）以上であることが好ましく、１０テスラ（Ｔ）以上であることがより好ましい。
回転磁場の強さを上記の範囲とすることにより、スラリーに含まれる種結晶β窒化ケイ素の一次粒子のｃ軸を成形用の型の厚み方向に配向させることができる。

また、工程Ｂにおいて、成形用の型に容れたスラリーを乾燥する温度は、１５〜３０℃であることが好ましく、１５〜２０℃であることがより好ましい。
また、成形用の型に容れたスラリーを乾燥する時間は、２０分以上であることが好ましく、１２時間以上であることがより好ましい。
成形用の型に容れたスラリーを乾燥する温度および時間を上記の範囲内とすることにより、回転磁場により、スラリーに含まれる種結晶β窒化ケイ素の一次粒子のｃ軸を成形用の型の厚み方向に配向させながら、型の形状に沿った形状をなす成形体を成形することができる。なお、得られた成形体では、種結晶β窒化ケイ素の一次粒子のｃ軸を成形用の型の厚み方向（成形体の厚み方向）に配向した状態が維持されている。

次いで、工程Ｂで成形した成形体を型から離型し、その成形体をガス圧焼結法により焼結し（工程Ｃ）、柱状のβ窒化ケイ素粒子を含んでなる基板であって、β窒化ケイ素粒子のｃ軸が基板の厚み方向に配向した板状の窒化ケイ素セラミックス（焼結体）を得る。

工程Ｃでは、ガス圧焼結法による成形体の焼結を、窒素雰囲気下で行うことが好ましい。
成形体の焼結を窒素雰囲気下で行うことにより、単結晶のβ窒化ケイ素粒子の粒成長を促すことができる。

また、工程Ｃでは、ガス圧焼結法による成形体の焼結温度は、１８５０〜１９５０℃であることが好ましい。
また、成形体を焼結する時間は、０．５〜６０時間であることが好ましい。
さらに、窒素雰囲気の圧力は、０．２〜１０ＭＰａであることが好ましい。
ガス圧焼結法による成形体の焼結温度、焼結時間、および、窒素雰囲気の圧力を上記の範囲内とすることにより、上記のように、β窒化ケイ素粒子のアスペクト比が２．５以上であり、β窒化ケイ素粒子のｃ軸が基板の厚み方向に配向した窒化ケイ素セラミックスが得られる。

また、工程Ｃでは、工程Ｂで成形した成形体をガス圧焼結法により焼結することにより、スラリーに含まれていた、アスペクト比が３以下の種結晶β窒化ケイ素の一次粒子が成長して、アスペクト比が２．５以上のβ窒化ケイ素粒子となり、このβ窒化ケイ素粒子が多数密集して、緻密な構造をなす窒化ケイ素セラミックスとなる。

ここで、スラリーに含まれていた種結晶β窒化ケイ素粒子（一次粒子）が成長する過程を説明する。
上記の成形体を焼結する温度まで加熱すると、成形体に含まれるα窒化ケイ素粒子（一次粒子）の表面に存在する二酸化ケイ素と焼結助剤が融解して、種結晶β窒化ケイ素粒子の周囲で液相を形成する。
そして、その液相にα窒化ケイ素が溶解して、種結晶β窒化ケイ素粒子の表面にα窒化ケイ素が移動し、種結晶β窒化ケイ素粒子の表面でα窒化ケイ素が結晶化することにより、β窒化ケイ素粒子が短軸方向および長軸方向（ｃ軸方向）に成長する。なお、β窒化ケイ素粒子は六角柱状に成長する。

本実施形態の窒化ケイ素セラミックスの製造方法によれば、β窒化ケイ素粒子のｃ軸が基板の厚み方向に配向し、かつ相対密度が高く、厚み方向における熱伝導率が高い板状の窒化ケイ素セラミックスを製造することができる。また、焼結助剤として、酸化アルミニウムのように窒化ケイ素に固溶するものを用いることなく、窒化ケイ素に固溶しないものを用いるので、厚み方向における熱伝導率が高い板状の窒化ケイ素セラミックスを製造することができる。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

「実施例１」
窒化ケイ素粉、種結晶β窒化ケイ素粉および焼結助剤を含む原料粉を、分散剤を含む純水に加えて、原料と純水をマグネチックスターラーで攪拌、混合しながら、原料粉および純水に、超音波ホモジナイザーから発する超音波による振動を加え、純水に原料粉を分散させて、原料粉および純水からなるスラリーを調製した。原料粉と純水の攪拌、並びに、原料粉および純水に対する超音波による振動の印加を５分間行った。
窒化ケイ素粉としては、宇部興産社製のＳＮ−Ｅ１０を用いた。種結晶β窒化ケイ素粉としては、電気化学工業社製のＮＰ−５００を用いた。
焼結助剤として、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、二酸化ケイ素を用いた。
分散剤として、ポリエチレンイミンを用いた。
窒化ケイ素粉と、種結晶β窒化ケイ素粉と、酸化ハフニウムと、酸化イットリウムと、二酸化ケイ素との配合割合を、窒化ケイ素粉：種結晶β窒化ケイ素粉：酸化ハフニウム：酸化イットリウム：二酸化ケイ素＝８２質量％：１０質量％：５質量％：２．５質量％：０．５質量％とした。
また、原料粉（窒化ケイ素粉、種結晶β窒化ケイ素粉、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、二酸化ケイ素）に対するポリエチレンイミンの添加量を、原料粉１００質量％に対して、１．５質量％とした。

次いで、上記のように調製したスラリー４ｍｌを深さ２．５ｃｍ、内径２．５ｃｍの円筒形状の成形用の型に容れて、その型の厚み方向に沿う中心軸を中心とした回転磁場中でスラリーを乾燥し、上記の原料粉からなる成形体を成形した。
なお、回転磁場の強さは、１０テスラ（Ｔ）とした。また、スラリーの乾燥時間を１２時間とした。

次いで、上記のように成形した成形体を型から離型し、窒素雰囲気下、その成形体をガス圧焼結法により焼結して、厚み０．３ｃｍ、直径２ｃｍの円盤状の窒化ケイ素セラミックス（焼結体）を得た。
なお、ガス圧焼結法による成形体の焼結温度の最高温度を１９００℃、最高温度の保持時間を６時間、窒素雰囲気の圧力を０．９ＭＰａとした。

「実施例２」
窒化ケイ素粉、種結晶β窒化ケイ素粉および焼結助剤を含む原料粉を、分散剤を含むトルエンに加えて、原料とトルエンをマグネチックスターラーで攪拌、混合しながら、原料粉およびトルエンに、超音波ホモジナイザーから発する超音波による振動を加え、トルエンに原料粉を分散させて、原料粉およびトルエンからなるスラリーを調製した。原料粉とトルエンの攪拌、並びに、原料粉およびトルエンに対する超音波による振動の印加を３０分間行った。
窒化ケイ素粉としては、宇部興産社製のＳＮ−Ｅ１０を用いた。種結晶β窒化ケイ素粉としては、電気化学工業社製のＮＰ−５００を用いた。
焼結助剤として、酸化イットリウム、酸化マグネシウムを用いた。
分散剤として、高級脂肪酸エステル（商品名：アジスパーＰＮ−４１１、味の素社製）を用いた。
窒化ケイ素粉と、種結晶β窒化ケイ素粉と、酸化イットリウムと、酸化マグネシウムとの配合割合を、窒化ケイ素粉：種結晶β窒化ケイ素粉：酸化イットリウム：酸化マグネシウム＝８２質量％：２質量％：５質量％：２質量％とした。
また、原料粉（窒化ケイ素粉、種結晶β窒化ケイ素粉、酸化イットリウム、酸化マグネシウム）に対する高級脂肪酸エステルの添加量を、原料粉１００質量％に対して、３．０質量％とした。

以下、実施例１と同様にして、厚み０．３ｃｍ、直径２ｃｍの円盤状の窒化ケイ素セラミックス（焼結体）を得た。

「実施例３」
窒化ケイ素粉と、種結晶β窒化ケイ素粉と、酸化イットリウムと、酸化マグネシウムとの配合割合を、窒化ケイ素粉：種結晶β窒化ケイ素粉：酸化イットリウム：酸化マグネシウム＝８２質量％：１質量％：５質量％：２質量％とした以外は実施例１と同様にして、厚み０．３ｃｍ、直径２ｃｍの円盤状の窒化ケイ素セラミックス（焼結体）を得た。

「比較例１」
回転磁場中でスラリーを乾燥することなく、成形体を成形した以外は実施例１と同様にして、厚み０．３ｃｍ、直径２ｃｍの円盤状の窒化ケイ素セラミックス（焼結体）を得た。

「比較例２」
回転磁場中でスラリーを乾燥することなく、成形体を成形した以外は実施例２と同様にして、厚み０．３ｃｍ、直径２ｃｍの円盤状の窒化ケイ素セラミックス（焼結体）を得た。

「評価」
実施例１〜３並びに比較例１および２の窒化ケイ素セラミックスについて、配向度、相対密度および熱伝導率を測定した。結果を表１に示す。
また、実施例１〜３および比較例の窒化ケイ素セラミックスについて、プラズマエッチング面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することにより、窒化ケイ素セラミックスの微細構造を観察した。結果を図４〜図１１に示す。

「配向度の測定」
粉末Ｘ線回折装置（商品名：ＭｕｌｔｉＦｌｅｘ ２ｋＷ、Ｒｉｇａｋｕ製）を用い、測定角度（２θ）範囲を２０°〜７０°、測定面を、窒化ケイ素粒子セラミックスの厚さ方向に対して垂直な断面とし、Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ法により、実施例１の窒化ケイ素セラミックスの配向度を測定した結果、配向度は０．７であった。回転磁場中でスラリーを乾燥したことにより、β窒化ケイ素粒子のｃ軸が厚み方向に高度に配向した板状の窒化ケイ素セラミックスが得られていることが確認された。
実施例１と同様にして、Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ法により、実施例２の窒化ケイ素セラミックスの配向度を測定した結果、配向度は０．６であった。回転磁場中でスラリーを乾燥したことにより、β窒化ケイ素粒子のｃ軸が厚み方向に高度に配向した板状の窒化ケイ素セラミックスが得られていることが確認された。
実施例１と同様にして、Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ法により、実施例３の窒化ケイ素セラミックスの配向度を測定した結果、配向度は０．５であった。回転磁場中でスラリーを乾燥したことにより、β窒化ケイ素粒子のｃ軸が厚み方向に高度に配向した板状の窒化ケイ素セラミックスが得られていることが確認された。
実施例１と同様にして、Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ法により、比較例１および２の窒化ケイ素セラミックスの配向度を測定した結果、配向度は０であった。β窒化ケイ素粒子のｃ軸が厚み方向に高度に配向していないことが確認された。

「相対密度の測定」
実施例１の窒化ケイ素セラミックスは、原料の組成から求めた計算密度（３．３１８ｇ／ｃｍ^３）を真密度としたとき、相対密度が９９％であった。
実施例２の窒化ケイ素セラミックスは、原料の組成から求めた計算密度（３．２５０ｇ／ｃｍ^３）を真密度としたとき、相対密度が９８％であった。
実施例３の窒化ケイ素セラミックスは、原料の組成から求めた計算密度（３．２５０ｇ／ｃｍ^３）を真密度としたとき、相対密度が９８％であった。
比較例１の窒化ケイ素セラミックスは、原料の組成から求めた計算密度（３．３１８ｇ／ｃｍ^３）を真密度としたとき、相対密度が９８％であった。
比較例２の窒化ケイ素セラミックスは、原料の組成から求めた計算密度（３．２５０ｇ／ｃｍ^３）を真密度としたとき、相対密度が９８％であった。
このように、実施例１〜３並びに比較例１および２において、緻密な窒化ケイ素セラミックスが得られた。

「熱伝導率の測定」
レーザーフラッシュ法熱定数測定装置（商品名：ＴＣ−９０００Ｈ、ＵＬＶＡＣ社製）を用い、室温で、レーザーフラッシュ法により、実施例１〜３並びに比較例１および２の窒化ケイ素セラミックスの熱拡散率αを測定した。ここでは、イオンスパッタ装置（商品名：Ｅ−１０３０、日立ハイテク社製）を用いて、窒化ケイ素セラミックスの片面にＡｕコーティングを施した後、市販のカーボンスプレーにより、窒化ケイ素セラミックスの両面にカーボンコーティングを施したものを試料とした。
上記のようにして測定した熱拡散率αと、アルキメデス法で求めた密度ρとを用いて、下記の式（４）より、実施例１〜３並びに比較例１および２の窒化ケイ素セラミックスの熱伝導率κを算出した。
κ＝ρ・α・Ｃｐ （４）
ここで、比熱Ｃｐは、一般的な窒化ケイ素の比熱０．６８ｋＪ／ｋｇ・Ｋを用いた。
実施例１の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向（磁場に対して垂直方向）に対する熱伝導率κは、１０２Ｗ／ｍ・Ｋであった。
実施例２の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向（磁場に対して垂直方向）に対する熱伝導率κは、１４９Ｗ／ｍ・Ｋであった。
実施例３の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向（磁場に対して垂直方向）に対する熱伝導率κは、１１２Ｗ／ｍ・Ｋであった。
比較例１の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向の熱伝導率κは、６５Ｗ／ｍ・Ｋであった。
比較例２の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向の熱伝導率κは、５５Ｗ／ｍ・Ｋであった。

「微細構造の観察：実施例１、比較例１について」
走査型電子顕微鏡（商品名：ＪＳＭ−６３９０ＬＶ、日本電子社製）を用いて、実施例１および比較例１の窒化ケイ素セラミックスの微細構造を観察した。ここでは、窒化ケイ素セラミックスの観察面を鏡面研磨し、その観察面をプラズマエッチングした後、イオンスパッタ装置（商品名：ＪＦＣ−１１００、日本電子社製）を用いて、その観察面にＡｕコーティングを施したものを試料とした。
図４は、実施例１の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と平行な断面を示す走査型電子顕微鏡像である。図５は、実施例１の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と垂直な面（ここでは、上面）を示す走査型電子顕微鏡像である。図１０は、比較例１の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と平行な断面を示す走査型電子顕微鏡像である。
図４の走査型電子顕微鏡像から、実施例の窒化ケイ素セラミックスは、磁場に対して垂直な面（厚み方向と平行な断面）では、ｃ軸方向に成長し、かつ、大きさ粒径が所定の範囲内にある柱状のβ窒化ケイ素粒子が緻密に整列している様子が観察された。
一方、図１０の走査型電子顕微鏡像から、比較例の窒化ケイ素セラミックスは、磁場に対して垂直な面（厚み方向と平行な断面）では、粒径にばらつきがあるβ窒化ケイ素粒子がランダムに存在する様子が観察された。
実施例１と比較例１を比較すると、実施例１の窒化ケイ素セラミックスは、アスペクト比が大きく、長軸径が長く、短軸径が短く、粒径のばらつきが小さいことが確認された。
このように、顕著で均一なβ窒化ケイ素粒子の成長は、β窒化ケイ素粒子の種結晶（一次粒子）に回転磁場を印加したことにより、その種結晶のｃ軸が配向し、β窒化ケイ素粒子の成長の方向が揃ったため、柱状のβ窒化ケイ素粒子同士の成長の阻害が抑制されたことに起因すると考えられる。
一方、図５の走査型電子顕微鏡像から、実施例１の窒化ケイ素セラミックスは、磁場に対して平行な面（厚み方向と垂直な断面）では、等方的に成長した六角形粒子のみが観察され、柱状のβ窒化ケイ素粒子が高度に配向している様子が確認された。

「微細構造の観察：実施例２、比較例２について」
走査型電子顕微鏡（商品名：ＪＳＭ−６３９０ＬＶ、日本電子社製）を用いて、実施例２および比較例２の窒化ケイ素セラミックスの微細構造を観察した。ここでは、窒化ケイ素セラミックスの観察面を鏡面研磨し、その観察面をプラズマエッチングした後、イオンスパッタ装置（商品名：ＪＦＣ−１１００、日本電子社製）を用いて、その観察面にＡｕコーティングを施したものを試料とした。
図６は、実施例２の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と平行な断面を示す走査型電子顕微鏡像である。図７は、実施例２の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と垂直な面（ここでは、上面）を示す走査型電子顕微鏡像である。図１１は、比較例２の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と平行な断面を示す走査型電子顕微鏡像である。
図６の走査型電子顕微鏡像から、実施例２の窒化ケイ素セラミックスは、磁場に対して垂直な面（厚み方向と平行な断面）では、ｃ軸方向に成長し、かつ、大きさ粒径が所定の範囲内にある柱状のβ窒化ケイ素粒子が緻密に整列している様子が観察された。一方、図１１の走査型電子顕微鏡像から、比較例２の窒化ケイ素セラミックスは、粒径にばらつきがあるβ窒化ケイ素粒子がランダムに存在する様子が観察された。
実施例２と比較例２を比較すると、実施例２の窒化ケイ素セラミックスは、アスペクト比の大きい粒子が厚さ方向に配列した緻密な構造が観察された。また、実施例２と、図４に示す酸化ハフニウムを添加した実施例１と比較すると、実施例２の窒化ケイ素セラミックスは、粒子が明らかに成長しており、全体的に図４で観察されたような微細粒子はほとんど見られなかった。
一方、図７の走査型電子顕微鏡像から、実施例２の窒化ケイ素セラミックスは、磁場に対して平行な面（厚み方向と垂直な断面）では、等方的に成長した六角形粒子のみが観察され、柱状のβ窒化ケイ素粒子が高度に配向している様子が確認された。

「微細構造の観察：実施例３について」
走査型電子顕微鏡（商品名：ＪＳＭ−６３９０ＬＶ、日本電子社製）を用いて、実施例３の窒化ケイ素セラミックスの微細構造を観察した。ここでは、窒化ケイ素セラミックスの観察面を鏡面研磨し、その観察面をプラズマエッチングした後、イオンスパッタ装置（商品名：ＪＦＣ−１１００、日本電子社製）を用いて、その観察面にＡｕコーティングを施したものを試料とした。
図８は、実施例３の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と平行な断面を示す走査型電子顕微鏡像である。図９は、実施例３の窒化ケイ素セラミックスの厚み方向と垂直な面（ここでは、上面）を示す走査型電子顕微鏡像である。
図８の走査型電子顕微鏡像から、実施例３の窒化ケイ素セラミックスは、磁場に対して垂直な面（厚み方向と平行な断面）では、ｃ軸方向に成長し、かつ、大きさ粒径が所定の範囲内にある柱状のβ窒化ケイ素粒子が緻密に整列している様子が観察された。
実施例３と比較例２を比較すると、実施例３の窒化ケイ素セラミックスは、アスペクト比の大きい粒子が厚さ方向に配列した緻密な構造が観察された。また、実施例３と、図４に示す酸化ハフニウムを添加した実施例１と比較すると、実施例３の窒化ケイ素セラミックスは、粒子が明らかに成長しており、全体的に図４で観察されたような微細粒子はほとんど見られなかった。
一方、図９の走査型電子顕微鏡像から、実施例３の窒化ケイ素セラミックスは、磁場に対して平行な面（厚み方向と垂直な断面）では、等方的に成長した六角形粒子のみが観察され、柱状のβ窒化ケイ素粒子が高度に配向している様子が確認された。

表１の結果から、実施例１〜３の窒化ケイ素セラミックスは、比較例１および２の窒化ケイ素セラミックスよりも熱伝導率が高いことが分かった。

１０・・・窒化ケイ素セラミックス、１１・・・β窒化ケイ素粒子、１２・・・基板。

Claims (10)

1. 柱状のβ窒化ケイ素粒子を含んでなる基板であって、
   前記β窒化ケイ素粒子のｃ軸が前記基板の厚み方向に配向しており、
   前記β窒化ケイ素粒子のうち９０％以上の粒子は、前記基板の厚み方向に対するｃ軸の傾きが±２０度以内であり、前記β窒化ケイ素粒子のうち５０％以上の粒子は、前記基板の厚み方向に対するｃ軸の傾きが±５度以内である窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法であって、
   平均粒径が０．１〜０．５μｍのα窒化ケイ素粉および平均粒径が０．１〜０．５μｍのβ窒化ケイ素粉からなる窒化ケイ素粉、平均粒径が０．５μｍ以上の種結晶β窒化ケイ素粉および焼結助剤を含む原料粉を、分散剤を含む溶媒に加えて、前記原料粉と前記溶媒を攪拌、混合しながら、前記溶媒に前記原料粉を分散させて、前記原料粉および前記溶媒からなるスラリーを調製する工程と、
   前記スラリーを成形用の型に容れて、前記型の厚み方向に沿う中心軸を中心とした回転磁場中で前記スラリーを乾燥し、前記原料粉からなる成形体を成形する工程と、
   前記成形体をガス圧焼結法により焼結する工程と、を有することを特徴とする窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法。
2. 前記種結晶β窒化ケイ素粉は、平均粒径が０．５μｍ以上、短軸径に対する長軸径の比（長軸径／短軸径）が３．０以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法。
3. 前記原料粉に対する前記種結晶β窒化ケイ素粉の配合割合は、０．１〜１０質量％であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法。
4. 前記焼結助剤は、希土類酸化物、遷移金属酸化物および典型金属酸化物から選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法。
5. 前記回転磁場の強さは、３テスラ（Ｔ）以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法。
6. 前記ガス圧焼結法による前記成形体の焼結を、窒素雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法。
7. 前記ガス圧焼結法による前記成形体の焼結温度は１８５０〜１９５０℃、焼結時間は０．５〜６０時間、前記窒素雰囲気の圧力は０．２〜１０ＭＰａであることを特徴とする請求項６に記載の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法。
8. 前記β窒化ケイ素粒子の短軸径に対する長軸径の比（長軸径／短軸径）は、２．５以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法。
9. 前記β窒化ケイ素粒子のｃ軸の配向度は、０．５以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法。
10. 前記基板の厚み方向における熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の窒化ケイ素セラミックス基板の製造方法。