JP7211549B2 - 窒化珪素基板 - Google Patents
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(1) スラリーを作製する工程
本発明の方法では、珪素粉末に、焼結助剤として希土類元素酸化物及びマグネシウム化合物を添加して得られる原料粉末を、メディア分散等の方法で粉砕し、スラリーを作製する。
本発明で使用する珪素としては、工業的に入手可能なグレードの珪素粉末を使用することができる。粉砕前の珪素は、メジアン径D50が6 μm以上、BET比表面積が3 m2/g以下、酸素量が1.0質量%以下、及び珪素中の不純物C量が0.15質量%以下の粉末であるのが好ましく、メジアン径D50が7μm以上、BET比表面積が2.5 m2/g以下、酸素量が0.5質量%以下、及び珪素中の不純物C量が0.10質量%以下の粉末であるのがより好ましい。珪素粉末の純度は99%以上であるのが好ましく、99.5%以上であるのがより好ましい。珪素に含まれる不純物酸素は、反応焼結によって得られる窒化珪素基板の熱伝導を阻害する要因の一つなので、できるだけ少ない方が好ましい。さらに本発明では、後述するように、マグネシウム化合物からの酸素量を制限することで、珪素粉末に含まれる不純物酸素及びマグネシウム化合物からの酸素の総量が、窒化珪素に換算した珪素に対して、0.1~1.1質量%の範囲となるように原料粉末を調整するのが好ましい。また、珪素に含まれる不純物炭素は、反応焼結によって得られる窒化珪素基板において、窒化珪素粒子の成長を阻害する。その結果、緻密化不足となり熱伝導や絶縁が低下する要因の一つとなる。
本発明に用いる希土類元素酸化物としては、入手が容易であり、また、酸化物として安定なY、Yb、Gd、Er、Lu等の酸化物が好ましい。希土類元素酸化物の具体例としては、Y2O3、Yb2O3、Gd2O3、Er2O3、Lu2O3等が挙げられる。希土類元素酸化物の含有量は、珪素(窒化珪素に換算)、希土類元素酸化物(三価の酸化物換算)及びマグネシウム化合物(MgO換算)の合計に対して、0.5 mol%以上2 mol%未満である。希土類元素酸化物の含有量が0.5 mol%未満である場合、焼結助剤としての効果が不十分となり密度が十分に上がらないため好ましくない。希土類元素酸化物の含有量が2 mol%以上である場合、低熱伝導率の粒界相が増えることにより焼結体の熱伝導率を下げるとともに、高価な希土類元素酸化物の使用量が増えることとなり好ましくない。希土類元素酸化物の含有量は、好ましくは0.6 mol%以上2 mol%未満であり、より好ましくは1 mol%以上1.8 mol%以下である。
マグネシウム化合物としては、Si、N又はOを含有するマグネシウム化合物を1種又は2種以上使用することができる。特に、酸化マグネシウム(MgO)、窒化珪素マグネシウム(MgSiN2)、珪化マグネシウム(Mg2Si)、窒化マグネシウム(Mg3N2)等を使用するのが好ましい。ここで、マグネシウム化合物の合計に対して、87質量%以上がMgSiN2となるように選択する。87質量%以上のMgSiN2を使用することにより、得られる窒化珪素基板中の酸素濃度を低減することができる。マグネシウム化合物中のMgSiN2が87質量%未満である場合、焼結後の窒化珪素粒子内の酸素量が多くなることで焼結体の熱伝導率が低い値となり好ましくない。マグネシウム化合物中のMgSiN2は好ましくは90質量%以上である。
珪素粉末に、焼結助剤として希土類元素酸化物及びマグネシウム化合物を所定の比率となるように添加して、分散媒(有機溶剤)及び必要に応じて分散剤を添加し、ボールミルで粉砕しスラリー(原料粉末の分散物)を作製する。メディアは直径5 mm以上、スラリー中の前記原料粉末の濃度(スラリー濃度とも言う。)は40質量%以上であるのが好ましく、6時間以上粉砕するのが好ましい。メディアは、窒化珪素の熱伝導率を下げる要因となるAlやFeを主成分としない材質のものを使用するのが好ましく、窒化珪素製であるのが特に好ましい。分散媒及び分散剤の種類は、特に限定されるものではなく、シート成形する方法等に応じて任意に選択することができる。
得られたスラリーに、必要に応じて分散媒、有機系バインダー、分散剤等を加えて、必要に応じて真空脱泡を行い、粘度を所定の範囲内に調整し、塗工用のスラリーを作製する。前記スラリー粘度は1 Pa・s以上15 Pa・s未満の範囲内に調整するのが好ましい。スラリーの粘度は、回転型粘度計を用いて、温度:25℃、回転数10 rpmで測定した値である。場合によっては、前述したように、分散媒の除去や置換を行ってもよい。作製した塗工用スラリーを、シート成形機を用いてシート状に成形し、所定の大きさに切断した後、乾燥することによってシート状成形体を得る。塗工用スラリー作製に用いる有機系バインダーは、特に限定されないが、PVB系樹脂(ポリビニルブチラール樹脂)、エチルセルロース系樹脂、アクリル系樹脂等が挙げられる。分散媒、有機系バインダー、分散剤等の添加量は塗工条件に応じて適宜調整するのが好ましい。
得られたシート状の成形体を加熱することにより、成形体に含まれる珪素を窒化した後、緻密化する。焼結工程は、成形体中の有機バインダーを除去する脱脂工程、成形体中に含まれるSiと窒素を反応させて窒化させる窒化工程、及び窒化後に緻密化する緻密化焼結工程を含んでいる。これらの工程は、別々の炉で逐次的に行っても良いし、同じ炉において連続で行ってもよい。なお、シート状の成形体(グリーンシート)を積層した積層組立体について、その周囲に設ける部材(たとえば板や枠)の条件は、窒化工程と緻密化焼結工程とで変えることができる。
本発明の窒化珪素基板は、基板の中心部の熱伝導率λcと、基板の端部の熱伝導率λeとの比率であるλe/λcが0.85~1.15である。なお、窒化珪素基板は、第1の主面と、第2の主面と、4つの側面とを有する形状である。前記第1の主面または前記第2の主面は、面内において中心部と端部とを有する。
焼結後の窒化珪素基板は、β相窒化珪素を主成分とし、希土類元素及びマグネシウムを含有する。希土類元素は単体の状態であってもよく、他の物質と化合物を形成していても良い。窒化珪素基板に含まれるマグネシウムは単体の状態であってもよいし、他の物質との化合物であってもよい。
窒化珪素基板は、相対密度が98%以上の緻密な構造を有していることが好ましい。窒化珪素基板の相対密度が98%未満であると高い熱伝導率が得られない。このような緻密な窒化珪素基板は、ボイドによる熱伝導の阻害が起こりにくく、特に本発明の窒化珪素基板は、厚み方向の熱伝導率が115 W/m・K以上である。
BET比表面積が2.1 m2/g、メジアン径D50が8.2 μm、酸素量が0.3質量%の珪素粉末に、珪素(窒化珪素換算)、希土類元素酸化物(三価の酸化物換算)及びマグネシウム化合物(MgO換算)の合計に対して、1.2 mol%のY2O3の粉末及び9.8 mol%のMgSiN2の粉末を焼結助剤として添加し、原料粉末を得た。この原料粉末に、分散媒(トルエン)及び原料粉末の合計に対して0.5質量%の分散剤(ソルビタン酸トリオレート)を添加して、42質量%の濃度のスラリーとし、ボールミルを用いて、メディアとして窒化珪素製5φボールを使用し、24時間粉砕を行った。なおマグネシウム化合物の添加量は、マグネシウム化合物を全てMgOに換算したときのmol%で示した。粉砕前の珪素粉末のBET比表面積、メジアン径D50及び酸素量は、それぞれBET一点法のBET比表面積計、レーザー回折・散乱法の粒度分布計、及び不活性ガス融解-非分散型赤外線吸収法の酸素分析装置を用いて測定した。
(注2)表1の窒化条件でカッコ内の図面の番号は、その図面の縦枠部材を用いたことを示す。
焼結助剤、脱脂条件及び窒化条件を表1の実施例2~5それぞれに示すように変更した以外は、実施例1と同様にして窒化珪素基板を作製した。
焼結助剤、脱脂条件及び窒化条件を表1の参考例に示すように変更した以外は、実施例1と同様にして窒化珪素基板を作製した。
20:載置板、
30a:縦枠部材、
30b:縦枠部材、30b-1,30b-2,30b-3,30b-4:凸部、
30c:縦枠部材、30c-1,30c-2,30c-3,30c-4:凸部、
40:積層組立体、
50:上板(重し板)、
60:載置板、
70:載置板組立体、
80:窒化装置
Claims (5)
- 窒化珪素粒子と、前記窒化珪素粒子の粒界を形成する粒界相とを有し、
前記窒化珪素粒子内の酸素量は0.05質量%以下であり、
150mm×150mm以上のサイズであり、
基板の中心部の熱伝導率λcと、基板の端部の熱伝導率λeとの比率であるλe/λcが0.85~1.15である、窒化珪素基板(ただし、前記窒化珪素粒子が所定方向に配向しているものを除く)。 - 請求項1に記載の窒化珪素基板であって、前記λc及び前記λeが100W/m・K以上である、窒化珪素基板。
- 請求項1または2に記載の窒化珪素基板であって、曲げ強度が600MPa以上である、窒化珪素基板。
- 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の窒化珪素基板であって、厚さが0.2~0.6mmである、窒化珪素基板。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒化珪素基板であって、前記λe/λcが0.99~1.03である、窒化珪素基板。
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