JP7330089B2 - Silicon nitride substrate, silicon nitride circuit substrate and semiconductor device using the same - Google Patents

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JP7330089B2 JP2019226419A JP2019226419A JP7330089B2 JP 7330089 B2 JP7330089 B2 JP 7330089B2 JP 2019226419 A JP2019226419 A JP 2019226419A JP 2019226419 A JP2019226419 A JP 2019226419A JP 7330089 B2 JP7330089 B2 JP 7330089B2
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Description

実施形態は、概ね、窒化珪素基板およびそれを用いた窒化珪素回路基板並びに半導体装置に関する。 TECHNICAL FIELD Embodiments generally relate to a silicon nitride substrate , a silicon nitride circuit substrate using the same, and a semiconductor device.

セラミックス基板は、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板な
ど様々なものがある。窒化珪素基板は、3点曲げ強度が550MPa以上のものがある。
また、窒化アルミニウム基板は、熱伝導率170W/m・K以上のものがある。酸化アルミ
ニウム基板は、3点曲げ強度400~500MPa、熱伝導率20~30W/m・K程度
であるが、価格が安い。セラミックス基板は、それぞれの特性を活かして選択されている

例えば、特開平9-121004号公報(特許文献1)では、窒化珪素基板を用いた回
路基板が開示されている。特許文献1では、活性金属法を用いて銅板を接合する方法や、
酸化物層を介してメタライズ層を形成する方法が開示されている。国際公開第2017/
056360号公報(特許文献2)には、活性金属法により銅板を接合した窒化珪素回路
基板が開示されている。銅板は厚いほど放熱性の向上や通電容量を稼ぐことができる。そ
の一方で、TCTの信頼性を向上させるためには、接合層のはみ出し部のサイズの制御を
行っている。はみ出し部のサイズ調整するためにエッチング工程を行っている。エッチン
グ工程は銅板とはみ出し部を処理する薬液が異なるため、コストアップの要因となってい
た。
特許文献1では、酸化物層を介してメタライズ層を形成しているものの、その接合強度
は必ずしも満足いくものではなかった。例えば、特開2015-109299号公報(特
許文献3)には、銅メタライズ層を設けた窒化珪素回路基板が開示されている。
Ceramic substrates include various substrates such as silicon nitride substrates, aluminum nitride substrates, and aluminum oxide substrates. Some silicon nitride substrates have a three-point bending strength of 550 MPa or more.
Some aluminum nitride substrates have a thermal conductivity of 170 W/m·K or higher. The aluminum oxide substrate has a three-point bending strength of 400 to 500 MPa and a thermal conductivity of about 20 to 30 W/m·K, but is inexpensive. Ceramic substrates are selected by taking advantage of their respective characteristics.
For example, Japanese Patent Laying-Open No. 9-121004 (Patent Document 1) discloses a circuit board using a silicon nitride substrate. In Patent Document 1, a method of joining copper plates using an active metal method,
A method of forming a metallization layer through an oxide layer is disclosed. International Publication No. 2017/
Japanese Patent Application Laid-Open No. 056360 (Patent Document 2) discloses a silicon nitride circuit board in which a copper plate is joined by an active metal method. The thicker the copper plate, the better the heat dissipation and the higher current carrying capacity. On the other hand, in order to improve the reliability of TCT, the size of the protruding portion of the bonding layer is controlled. An etching process is performed to adjust the size of the protruding portion. In the etching process, different chemicals are used to treat the copper plate and the protruding portion, which has been a factor in increasing costs.
In Patent Document 1, although the metallized layer is formed via the oxide layer, the bonding strength was not necessarily satisfactory. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-109299 (Patent Document 3) discloses a silicon nitride circuit board provided with a copper metallized layer.

特開平9-121004号公報JP-A-9-121004 国際公開第2017/056360号公報International Publication No. 2017/056360 特開2015-109299号公報JP 2015-109299 A 特許第6293772号公報Japanese Patent No. 6293772

特許文献3は、銅にガラス成分を添加したメタライズ層とすることにより、TCT特性
の向上を図っている。特許文献3のTCT試験は温度範囲-20℃~250℃を10サイ
クル後の状態を試験したものである。10サイクル程度であれば問題はないが、それ以上
のサイクル数になると必ずしも満足いくものではなかった。
この原因を追究したところ、窒化珪素基板とメタライズ層の接合強度が不十分であるこ
とが判明した。また、メタライズ層形成後に絶縁性が低下すると言った問題もあった。実
施形態は、このような問題に対応するためのものであり、メタライズ層との接合強度を可
能とする窒化珪素基板を提供するものである。また、メタライズ層形成後の絶縁性低下も
抑制するものである。
Patent Document 3 aims to improve TCT characteristics by forming a metallized layer in which a glass component is added to copper. In the TCT test of Patent Document 3, the state after 10 cycles in the temperature range of -20°C to 250°C was tested. There was no problem with about 10 cycles, but the number of cycles beyond that was not always satisfactory.
When the cause was investigated, it was found that the bonding strength between the silicon nitride substrate and the metallized layer was insufficient. Moreover, there is also a problem that the insulating property is lowered after the formation of the metallized layer. Embodiments are intended to address such problems, and provide a silicon nitride substrate that enables bonding strength with a metallized layer. In addition, it also suppresses deterioration in insulation after the metallization layer is formed.

実施形態にかかる窒化珪素焼結体は、少なくとも一部の表面に酸化物層を有する窒化珪
素焼結体において、酸化物層を有する焼結体表面をXRD分析したとき、回折角21.7
±0.3°に検出される最強ピークをI21.7、窒化珪素結晶粒子に基づく最強ピーク
をISiNとし、その比であるI21.7/ISiNが0.02以上0.40以下である
ことを特徴とするものである。
The silicon nitride sintered body according to the embodiment is a silicon nitride sintered body having an oxide layer on at least a part of the surface, and when the surface of the sintered body having the oxide layer is subjected to XRD analysis, the diffraction angle is 21.7.
The strongest peak detected at ±0.3° is I 21.7 , the strongest peak based on silicon nitride crystal grains is I SiN , and the ratio I 21.7 /I SiN is 0.02 or more and 0.40 or less. It is characterized by being

実施形態にかかる窒化珪素基板の一例を示す図。1 is a diagram showing an example of a silicon nitride substrate according to an embodiment; FIG. 実施形態にかかる窒化珪素回路基板の一例を示す図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The figure which shows an example of the silicon-nitride circuit board concerning embodiment. 実施形態にかかる窒化珪素回路基板の他の一例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing another example of the silicon nitride circuit board according to the embodiment; 実施形態にかかる半導体装置の一例を示す図。1A and 1B are diagrams illustrating an example of a semiconductor device according to an embodiment; FIG.

実施形態にかかる窒化珪素焼結体は、少なくとも一部の表面に酸化物層を有する窒化珪
素焼結体において、酸化物層を有する焼結体表面をXRD分析したとき、回折角21.7
±0.3°に検出される最強ピークをI21.7、窒化珪素結晶粒子に基づく最強ピーク
をISiNとし、その比であるI21.7/ISiNが0.02以上0.40以下である
ことを特徴とするものである。
以下に、窒化珪素焼結体を窒化珪素基板に適用したものを例示して説明する。図1に実
施形態にかかる窒化珪素基板の一例を示した。また、図2および図3に実施形態にかかる
窒化珪素回路基板の一例を示した。図中、1は窒化珪素基板、2は基板表面、3は酸化物
層、4は中心部、5は金属部、10は窒化珪素回路基板、である。
窒化珪素基板1の基板表面2には酸化物層3が設けられている。基板表面2は、金属部
5を設ける個所を示す。基板表面2には酸化物層3が設けられている。酸化物層3は金属
部5を設ける個所に存在するものである。図2は、上から見たときに酸化物層3と金属部
5が同じサイズになっているものである。また、図3は、上から見たときに酸化物層3が
金属部5よりも広く設けられたものである。実施形態にかかる窒化珪素回路基板10は、
酸化物層3を介して金属部5を設けた構造を有するものとする。このため、実施形態にか
かる窒化珪素基板1は、金属部5を設けたい個所に酸化物層3が存在すればよいものとす
る。従って、窒化珪素基板1の裏面や側面に酸化物層3が設けられていてもよいものとす
る。
The silicon nitride sintered body according to the embodiment is a silicon nitride sintered body having an oxide layer on at least a part of the surface, and when the surface of the sintered body having the oxide layer is subjected to XRD analysis, the diffraction angle is 21.7.
The strongest peak detected at ±0.3° is I 21.7 , the strongest peak based on silicon nitride crystal grains is I SiN , and the ratio I 21.7 /I SiN is 0.02 or more and 0.40 or less. It is characterized by being
An example in which a silicon nitride sintered body is applied to a silicon nitride substrate will be described below. FIG. 1 shows an example of a silicon nitride substrate according to the embodiment. 2 and 3 show an example of the silicon nitride circuit board according to the embodiment. In the figure, 1 is a silicon nitride substrate, 2 is a substrate surface, 3 is an oxide layer, 4 is a central portion, 5 is a metal portion, and 10 is a silicon nitride circuit substrate.
A substrate surface 2 of a silicon nitride substrate 1 is provided with an oxide layer 3 . A substrate surface 2 indicates a location where a metal portion 5 is provided. A substrate surface 2 is provided with an oxide layer 3 . The oxide layer 3 exists where the metal portion 5 is to be provided. In FIG. 2, the oxide layer 3 and the metal portion 5 have the same size when viewed from above. 3, the oxide layer 3 is provided wider than the metal portion 5 when viewed from above. The silicon nitride circuit board 10 according to the embodiment is
It has a structure in which a metal portion 5 is provided with an oxide layer 3 interposed therebetween. Therefore, in the silicon nitride substrate 1 according to the embodiment, it suffices if the oxide layer 3 is present at the location where the metal portion 5 is desired to be provided. Therefore, oxide layer 3 may be provided on the rear surface and side surfaces of silicon nitride substrate 1 .

酸化物層を有する焼結体表面をXRD分析したとき、回折角21.7±0.3°に検出
される最強ピークをI21.7、窒化珪素結晶粒子に基づく最強ピークをISiNとし、
その比であるI21.7/ISiNが0.02以上0.40以下であることを特徴とする
ものである。
まず、酸化物層3を有する窒化珪素基板1をXRD(X線回折)分析を行う。XRD分
析は、Bruker製D8-ADVANCEを用いるものとする。また、測定条件は、C
uターゲット(Cu-Kα)、スキャンタイプθ-2θ、スキャンモードContinu
ousPSDfastscan、管電圧40kV、管電流40mA、計数時間0.5°/
min、走査範囲(2θ)10°~50°、ステップ幅0.02°でおこなうものとする
。また、酸化物層3と垂直方向から測定を行うものとする。また、Bruker製D8-
ADVANCEと同等の性能を有するXRD分析装置を用いてもよいものとする。
When the surface of the sintered body having an oxide layer is subjected to XRD analysis, the strongest peak detected at a diffraction angle of 21.7 ± 0.3 ° is I 21.7 , and the strongest peak based on silicon nitride crystal grains is I SiN ,
The ratio I 21.7 /I SiN is 0.02 or more and 0.40 or less.
First, the silicon nitride substrate 1 having the oxide layer 3 is subjected to XRD (X-ray diffraction) analysis. XRD analysis shall use a Bruker D8-ADVANCE. In addition, the measurement conditions are C
u target (Cu-Kα), scan type θ-2θ, scan mode Continue
ousPSDfastscan, tube voltage 40 kV, tube current 40 mA, counting time 0.5°/
min, the scanning range (2θ) is 10° to 50°, and the step width is 0.02°. It is also assumed that the measurement is performed from the direction perpendicular to the oxide layer 3 . In addition, D8- made by Bruker
An XRD analyzer with performance equivalent to ADVANCE may be used.

まず、回折角21.7±0.3°に検出される最強ピークをI21.7とする。さらに
、窒化珪素結晶粒子に応じた27.1±0.3°、36.1±0.3°に検出される最強
ピーク強度をI27.1、I36.1とする。I27.1とI36.1を合計したピーク
高さを、窒化珪素結晶粒子に基づくピークISiNと定義する(ISiN=I27.1
36.1)。
また、回折角21.7±0.3°に検出されるということは、酸化物層3中に珪素酸化
物が含まれていることを示している。特に、珪素酸化物がクリストバライト(crist
obalite)であることが好ましい。珪素酸化物は、シリカ(silica)と呼ば
れている。シリカは、石英(quartz)、トリディマイト(tridymite)、
クリストバライト、コーサイト(coesite)など様々な結晶相を持っている。一般
的に、珪素酸化物は白色である。窒化珪素焼結体は、灰色である。珪素酸化物を含む酸化
物層3を設けることにより、酸化物層3を設けた個所を目視により判別することができる
。このため、珪素酸化物を含む酸化物層を設けることが好ましい。
First, let I21.7 be the strongest peak detected at a diffraction angle of 21.7±0.3°. Furthermore, the strongest peak intensities detected at 27.1±0.3° and 36.1±0.3° corresponding to silicon nitride crystal grains are defined as I27.1 and I36.1 . The total peak height of I 27.1 and I 36.1 is defined as the peak I SiN based on silicon nitride crystal grains (I SiN =I 27.1 +
I36.1 ).
Moreover, the fact that it is detected at a diffraction angle of 21.7±0.3° indicates that the oxide layer 3 contains silicon oxide. In particular, silicon oxide is cristobalite (crist
obalite). Silicon oxide is called silica. silica includes quartz, tridymite,
It has various crystal phases such as cristobalite and coesite. Generally, silicon oxide is white. The silicon nitride sintered body is gray. By providing the oxide layer 3 containing silicon oxide, the location where the oxide layer 3 is provided can be visually determined. Therefore, it is preferable to provide an oxide layer containing silicon oxide.

また、I21.7/ISiNが0.02以上0.40以下であることを特徴とするもの
である。I21.7/ISiNが0.02以上0.40以下であるということは、酸化物
層3に所定量の珪素酸化物が含まれていることを示している。特に、クリストバライトが
所定量含まれていることを示している。金属部5は、銅(Cu)、銀(Ag)、ニッケル
(Ni)、金(Au)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)など様々な金属が用い
られる。クリストバライトは、このような金属と反応し難い成分である。特に、銅や銀と
反応し難い成分である。金属との反応を抑制できるため、金属部を構成する金属成分が窒
化珪素基板1の内部まで入り込むのを抑制できる。このため、絶縁性の低下を防ぐことが
できる。
21.7/ISiNが0.02未満では、酸化物層3中のクリストバライトの存在量
が不足する。また、I21.7/ISiNが0.40を超えると、窒化珪素基板1の性能
を低下させる恐れがある。窒化珪素基板1は放熱性が求められるため熱伝導率50W/m
・K以上、さらには80W/m・K以上のものが使われる。酸化物層3の存在量が増える
と窒化珪素基板の放熱性を低下させる恐れがある。このため、I21.7/ISiNは0
.02以上0.40以下、さらには0.04以上0.10以下が好ましい。
なお、酸化物層3中のクリストバライトの有無は、前述のI21.7のピーク以外にも
、31.3±0.3°または36.9±0.3°にピークが検出されるので判断できる。
また、前述のピークが他の成分のピークと重複して判別しにくいときは、TEM(透過電
子顕微鏡)またはラマン分光法を使ってもよいものとする。TEMにより、格子間隔を分
析する方法などが挙げられる。
Further, I 21.7 /I SiN is characterized by being 0.02 or more and 0.40 or less. That I 21.7 /I SiN is 0.02 or more and 0.40 or less indicates that oxide layer 3 contains a predetermined amount of silicon oxide. In particular, it indicates that a predetermined amount of cristobalite is contained. Various metals such as copper (Cu), silver (Ag), nickel (Ni), gold (Au), molybdenum (Mo), and tungsten (W) are used for the metal portion 5 . Cristobalite is a component that hardly reacts with such metals. In particular, it is a component that hardly reacts with copper or silver. Since the reaction with the metal can be suppressed, it is possible to suppress the metal component forming the metal portion from entering into the silicon nitride substrate 1 . Therefore, deterioration of insulation can be prevented.
If I 21.7 /I SiN is less than 0.02, the amount of cristobalite in the oxide layer 3 is insufficient. Moreover, if I 21.7 /I SiN exceeds 0.40, the performance of the silicon nitride substrate 1 may be degraded. Since the silicon nitride substrate 1 is required to have heat dissipation properties, it has a thermal conductivity of 50 W/m.
・K or higher, or even 80 W/m·K or higher is used. If the amount of oxide layer 3 increases, there is a possibility that the heat dissipation property of the silicon nitride substrate is lowered. Therefore, I 21.7 /I SiN is 0
. 02 or more and 0.40 or less, more preferably 0.04 or more and 0.10 or less.
The presence or absence of cristobalite in the oxide layer 3 can be determined by detecting a peak at 31.3±0.3° or 36.9±0.3° in addition to the peak at I 21.7 . can.
In addition, when the aforementioned peak overlaps with peaks of other components and is difficult to distinguish, TEM (transmission electron microscope) or Raman spectroscopy may be used. A method of analyzing the lattice spacing by TEM and the like can be mentioned.

また、窒化珪素焼結体の中心部をXRD分析したとき、I21.7/ISiNが0以上
0.01以下であることが好ましい。窒化珪素基板1の中心部4は、窒化珪素基板1の厚
み方向の中心線と長辺方向の中心線が交わる個所である。窒化珪素基板1の中心部4近傍
をXRD分析するものとする。窒化珪素基板1を上から加工して中心部4まで掘っていく
処理を行うものとする。XRD分析の測定条件は前述と同様である。なお、窒化珪素焼結
体が大型のときは、断面を測定面としてもよいものとする。例えば、窒化珪素基板ではX
RD分析のビームスポット径が基板断面を覆ってしまうこともある。このようなときは、
切削加工やイオンミリング処理して測定した方がよい。
中心部4のI21.7/ISiNが0以上0.01以下であるということは、窒化珪素
基板1の中心部4はクリストバライトの存在量が少ないことを示している。また、中心部
4のI21.7/ISiNがゼロとは、中心部4のI21.7が検出限界以下であること
も含むものである。
また、酸化物層を有する焼結体表面をXRD分析したときのI21.7をI21.7S
、窒化珪素焼結体の中心部のI21.7をI21.7Cとし、(I21.7S/ISiN
)/(I21.7C/ISiN)が5以上であることが好ましい。I21.7SのSは表
面を意味している。また、I21.7CのCは中心部を意味している。
(I21.7S/ISiN)/(I21.7C/ISiN)が5以上であるということ
は、クリストバライトの存在量が表面は多く、内部は少ないことを示している。前述のよ
うに、クリストバライトは、金属部5の成分が窒化珪素基板1の内部に入り込み過ぎるの
を防ぐことができる。一方で、窒化珪素基板1の内部にクリストバライトが存在すると熱
伝導率や強度を低下する恐れがある。このため、焼結助剤としてクリストバライトを用い
るのではなく、窒化珪素基板1の基板表面2上にクリストバライトを含む酸化物層3を設
けることが好ましい。
Moreover, when the central portion of the silicon nitride sintered body is subjected to XRD analysis, I 21.7 /I SiN is preferably 0 or more and 0.01 or less. The central portion 4 of the silicon nitride substrate 1 is a portion where the center line in the thickness direction and the center line in the long side direction of the silicon nitride substrate 1 intersect. It is assumed that the vicinity of the central portion 4 of the silicon nitride substrate 1 is subjected to XRD analysis. It is assumed that the silicon nitride substrate 1 is processed from above and the processing is performed to excavate to the central portion 4 . The measurement conditions for the XRD analysis are the same as described above. In addition, when the silicon nitride sintered body is large, the cross section may be used as the measurement surface. For example, for a silicon nitride substrate, X
The beam spot diameter of RD analysis may cover the cross section of the substrate. When this happens,
It is better to measure after cutting or ion milling.
The fact that the I 21.7 /I 2 SiN of the center portion 4 is 0 or more and 0.01 or less indicates that the amount of cristobalite present in the center portion 4 of the silicon nitride substrate 1 is small. Further, the I 21.7 /I SiN of the central portion 4 being zero also includes the I 21.7 of the central portion 4 being below the detection limit.
In addition, I 21.7 when the surface of the sintered body having an oxide layer was analyzed by XRD was expressed as I 21.7S
, I 21.7 at the center of the silicon nitride sintered body is defined as I 21.7C , and (I 21.7S /I SiN
)/(I 21.7C /I SiN ) is preferably 5 or more. The S in I21.7S means surface. Also, C in I 21.7C means the central part.
The fact that (I 21.7S /I SiN )/(I 21.7C /I SiN ) is 5 or more indicates that the abundance of cristobalite is large on the surface and small inside. As described above, cristobalite can prevent the components of the metal portion 5 from entering the interior of the silicon nitride substrate 1 too much. On the other hand, if cristobalite exists inside the silicon nitride substrate 1, the thermal conductivity and strength may be lowered. Therefore, it is preferable to provide an oxide layer 3 containing cristobalite on the substrate surface 2 of the silicon nitride substrate 1 instead of using cristobalite as a sintering aid.

以上のように、クリストバライトを含む酸化物層3を設けることが有効である。言い換
えると、I21.7はクリストバライト結晶構造に基づくピークであることが好ましい。
また、酸化物層の厚さは5μm以下であることが好ましい。酸化物層3は金属部5との
界面に存在するものである。また、窒化珪素回路基板10の金属部5は半導体素子などを
実装する箇所として使われる。酸化物層3の厚さが5μmより厚いと、酸化物層3自体が
熱抵抗となり放熱性を低下させる原因となるおそれがある。このため、酸化物層3の厚さ
は5μm以下、さらには1μm以下が好ましい。なお、酸化物層3の厚さの下限は特に限
定されるものではないが、0.1μm以上が好ましい。0.1μm未満と薄い酸化物層で
は金属部と窒化珪素基板が反応し過ぎて絶縁性が低下する可能性がある。
また、酸化物層3の厚さの測定は、イオンミリング処理したものを測定することが好ま
しい。酸化物層3を有する窒化珪素基板1に対して、酸化物層3の垂直方向からミリング
処理していくものとする。また、前述の中心部のXRD分析したときの試料を使えばよい
ものとする。ミリング処理した試料において、窒化珪素基板の最表面にある窒化珪素結晶
粒子より上にある酸化物層の厚さを求めるものとする。
As described above, it is effective to provide the oxide layer 3 containing cristobalite. In other words, I 21.7 is preferably a peak based on the cristobalite crystal structure.
Also, the thickness of the oxide layer is preferably 5 μm or less. The oxide layer 3 exists at the interface with the metal portion 5 . Also, the metal portion 5 of the silicon nitride circuit board 10 is used as a portion for mounting a semiconductor element or the like. If the thickness of the oxide layer 3 is more than 5 μm, the oxide layer 3 itself becomes a thermal resistance, which may cause a decrease in heat dissipation. Therefore, the thickness of the oxide layer 3 is preferably 5 μm or less, more preferably 1 μm or less. Although the lower limit of the thickness of the oxide layer 3 is not particularly limited, it is preferably 0.1 μm or more. If the oxide layer is as thin as less than 0.1 μm, there is a possibility that the metal part and the silicon nitride substrate will react excessively and the insulating properties will deteriorate.
Moreover, it is preferable to measure the thickness of the oxide layer 3 after ion milling. It is assumed that silicon nitride substrate 1 having oxide layer 3 is milled from the direction perpendicular to oxide layer 3 . Also, it is assumed that a sample obtained by performing the XRD analysis of the aforementioned central portion may be used. In a milled sample, the thickness of the oxide layer above the silicon nitride crystal grains on the topmost surface of the silicon nitride substrate shall be determined.

また、酸化物層を有する焼結体表面をXRD分析したとき、回折角16.5±0.3°
に検出される最強ピークをI16.5、窒化珪素結晶粒子に基づく最強ピークをISiN
とし、その比であるI16.5/ISiNが0.01以上0.10以下であることが好ま
しい。
16.5は、シリカ(SiO)に基づくピークである。I16.5/ISiNが0
.01以上0.10以下であるということは、酸化物層3にSiOが存在していること
を示している。前述のようにクリストバライトは金属部5との反応を抑制するものである
。酸化物層3がクリストバライトのみで形成されていると、酸化物層3と金属部5の密着
強度が低下する可能性がある。このため、酸化物層3にSiOが含まれていることが好
ましい。I16.5/ISiNが0.01未満であるとSiOを設ける効果が不十分で
ある。また、0.10を超えると、SiOが多くなり過ぎて、クリストバライトの効果
が低下する可能性がある。
また、酸化物層を有する焼結体表面をXRD分析したときのI16.5をI16.5S
、窒化珪素焼結体の中心部のI16.5をI16.5Cとし、(I16.5S/ISiN
)/(I16.5C/ISiN)が1.5以上であることが好ましい。(I16.5S
SiN)/(I16.5C/ISiN)が1.5以上であるということは酸化物層3に
SiOが多く存在していることを示している。
なお、I21.7SやI16.5Sの測定において、酸化物層中に存在しているかを確
認するにはEPMA(電子線マイクロアナライザ)分析と組合わせることも有効である。
XRD分析では窒化珪素焼結体中のSiOを検出してしまうこともある。このため、E
PMAと組合わせて酸化物層中に目的とする成分が存在することを確認してもよいものと
する。
Further, when XRD analysis was performed on the surface of the sintered body having the oxide layer, the diffraction angle was 16.5±0.3°.
I 16.5 is the strongest peak detected in , and I SiN is the strongest peak based on silicon nitride crystal grains.
and the ratio I 16.5 /I SiN is preferably 0.01 or more and 0.10 or less.
I 16.5 is the peak due to silica (SiO 2 ). I 16.5 /I SiN is 0
. 01 or more and 0.10 or less indicates that SiO 2 is present in the oxide layer 3 . As described above, cristobalite suppresses reaction with the metal portion 5 . If the oxide layer 3 is formed only of cristobalite, the adhesion strength between the oxide layer 3 and the metal portion 5 may decrease. For this reason, the oxide layer 3 preferably contains SiO 2 . If I 16.5 /I SiN is less than 0.01, the effect of providing SiO 2 is insufficient. On the other hand, if it exceeds 0.10, SiO 2 will be too much, and the effect of cristobalite may decrease.
In addition, I 16.5 when the surface of the sintered body having an oxide layer was analyzed by XRD was expressed as I 16.5S
, I 16.5 at the center of the silicon nitride sintered body is I 16.5C , and (I 16.5S /I SiN
)/(I 16.5C /I SiN ) is preferably 1.5 or more. (I 16.5S /
The fact that I SiN )/(I 16.5C /I SiN ) is 1.5 or more indicates that the oxide layer 3 contains a large amount of SiO 2 .
It is also effective to combine the measurement of I21.7S and I16.5S with EPMA (electron probe microanalyzer) analysis in order to confirm whether they are present in the oxide layer.
XRD analysis may detect SiO 2 in the silicon nitride sintered body. For this reason, E
The presence of the target component in the oxide layer may be confirmed in combination with PMA.

酸化物層を有する焼結体表面をXRD分析したとき、回折角28.0±0.3°に検出
される最強ピークをI28.0、窒化珪素結晶粒子に基づく最強ピークをISiNとし、
その比であるI28.0/ISiNが0.02以上0.20以下であることが好ましい。
28.0は、アルカリ土類金属元素-珪素-酸素系化合物に基づくピークである。ア
ルカリ土類金属元素は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム
)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)、Ra(ラジウム)から選ばれる1種で
ある。アルカリ土類金属元素は日本の周期律表では2A族元素になっている。アルカリ土
類金属元素の中では、マグネシウムが好ましい。マグネシウム-珪素-酸素(Mg-Si
-O)系化合物は、Mg(SiO)などが挙げられる。Mg-Si-O系化合物は、銅
や銀などの金属と反応し易い化合物である。このため、酸化物層3にMg-Si-O系化
合物を含有させることにより、金属部との密着性を向上させることができる。
28.0/ISiNが0.02未満では、アルカリ土類金属元素-Si-O系化合物
を設ける効果が小さい。また、I28.0/ISiNが0.20を超えて多いと、金属部
5が窒化珪素基板1と反応して絶縁性を低下させる可能性がある。このため、I28.0
/ISiNは0.02以上0.20以下、さらには0.03以上0.08以下が好ましい
When the surface of the sintered body having an oxide layer is subjected to XRD analysis, the strongest peak detected at a diffraction angle of 28.0 ± 0.3 ° is I 28.0 , and the strongest peak based on silicon nitride crystal grains is I SiN ,
The ratio I 28.0 /I SiN is preferably 0.02 or more and 0.20 or less.
I 28.0 is a peak based on an alkaline earth metal element-silicon-oxygen compound. The alkaline earth metal element is one selected from Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), Ba (barium), and Ra (radium). Alkaline earth metal elements are group 2A elements in the Japanese periodic table. Among the alkaline earth metal elements, magnesium is preferred. magnesium-silicon-oxygen (Mg-Si
—O) compounds include Mg(SiO 3 ) and the like. Mg--Si--O compounds are compounds that readily react with metals such as copper and silver. Therefore, by including a Mg--Si--O compound in the oxide layer 3, it is possible to improve the adhesion to the metal portion.
If I 28.0 /I SiN is less than 0.02, the effect of providing the alkaline earth metal element--Si--O compound is small. Moreover, if I 28.0 /I SiN exceeds 0.20 and is large, the metal part 5 may react with the silicon nitride substrate 1 to lower the insulating properties. For this reason, I 28.0
/I SiN is preferably 0.02 or more and 0.20 or less, more preferably 0.03 or more and 0.08 or less.

また、窒化珪素焼結体の中心部をXRD分析したとき、I28.0/ISiNが0以上
0.02以下であることが好ましい。また、酸化物層を有する焼結体表面をXRD分析し
たときのI28.0をI28.0S、窒化珪素焼結体の中心部のI28.0をI28.0
とし、(I28.0S/ISiN)/(I28.0C/ISiN)が1.5以上である
ことが好ましい。これは、酸化物層3よりも中心部4の方がアルカリ土類金属元素-Si
-O系化合物が少ないことを示している。また、I28.0Cがゼロのときは(I28.
0S/ISiN)/(I28.0C/ISiN)は無限大となる。また、I28.0C
ゼロのときは検出限界以下も含むものである。
Moreover, when the central portion of the silicon nitride sintered body is subjected to XRD analysis, I 28.0 /I SiN is preferably 0 or more and 0.02 or less. Further, I 28.0S is the I 28.0 when the surface of the sintered body having the oxide layer is analyzed by XRD, and I 28.0 is the I 28.0 at the center of the silicon nitride sintered body.
C , and (I 28.0S /I SiN )/(I 28.0C /I SiN ) is preferably 1.5 or more. This is because the central portion 4 is more alkaline earth metal element-Si than the oxide layer 3.
This indicates that there are few —O compounds. Also, when I 28.0C is zero (I 28.0C
0S /I SiN )/(I 28.0C /I SiN ) becomes infinity. In addition, when I28.0C is zero, it includes below the detection limit.

また、酸化物層を有する焼結体表面をXRD分析したとき、回折角32.1±0.3°
または33.0±0.3°のいずれか一方または両方にピークが検出されることが好まし
い。また、回折角32.1±0.3°の最強ピークをI32.1、回折角33.0±0.
3°の最強ピークをI33.0とする。I32.1/ISiNは0.005以上0.02
以下であることが好ましい。また、I33.0/ISiNは0.005以上0.02以下
であることが好ましい。
32.1またはI33.0は、希土類元素-第4族元素-酸素系化合物またはアルカ
リ土類金属元素―希土類元素―珪素-酸素系化合物のいずれか1種以上に基づくピークで
ある。
希土類元素は、Y(イットリウム)、ランタノイド元素、アクチノイド元素から選ばれ
る1種または2種以上である。希土類元素としてはY、ランタノイド元素から選ばれる1
種または2種以上が好ましい。また、ランタノイド元素としては、Ce(セリウム)、P
r(プラセオジウム)、Gd(ガドリニウム)、Dy(ジスプロシウム)、Er(エルビ
ウム)、Yb(イッテルビウム)が好ましい。
また、第4族元素は、Ti(チタン)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)か
ら選ばれる1種または2種以上である。また、第4族元素は、日本の周期律表では4A族
元素になっている。
希土類元素-第4族元素-酸素系化合物は、希土類元素-チタン-酸素系化合物である
ことが好ましい。希土類元素-チタン-酸素系化合物としては、YTiO、YbTi
などが挙げられる。また、アルカリ土類金属元素―希土類元素―珪素-酸素系化合物
としては、マグネシウム-希土類元素―珪素-酸素系化合物が好ましい。また、マグネシ
ウム-希土類元素―珪素-酸素系化合物としては、MgYSi13、Mg
SiOFなどが挙げられる。また、アルカリ土類金属元素―希土類元素―珪素-酸
素系化合物としては、CaY(SiOOなどが挙げられる。
希土類元素-第4族元素-酸素系化合物またはアルカリ土類金属元素―希土類元素―珪
素-酸素系化合物についても、金属部との密着性を向上させる機能を有するものである。
以上のような酸化物層3を有する窒化珪素基板1は窒化珪素回路基板10に好適である
。また、窒化珪素基板1の酸化物層3上に金属部5を設けた窒化珪素回路基板10である
ことが好ましい。
Further, when XRD analysis was performed on the surface of the sintered body having the oxide layer, the diffraction angle was 32.1 ± 0.3 °
or 33.0±0.3°, or peaks are preferably detected at both of them. Also, the strongest peak at the diffraction angle of 32.1±0.3° is I 32.1 and the diffraction angle is 33.0±0.
The strongest peak at 3° is taken as I 33.0 . I 32.1 /I SiN is 0.005 or more and 0.02
The following are preferable. Also, I 33.0 /I SiN is preferably 0.005 or more and 0.02 or less.
I 32.1 or I 33.0 is a peak based on at least one of rare earth element-Group 4 element-oxygen compound or alkaline earth metal element-rare earth element-silicon-oxygen compound.
The rare earth elements are one or more selected from Y (yttrium), lanthanide elements, and actinide elements. 1 selected from Y and lanthanoid elements as rare earth elements
A species or two or more species are preferred. Lanthanide elements include Ce (cerium), P
r (praseodymium), Gd (gadolinium), Dy (dysprosium), Er (erbium) and Yb (ytterbium) are preferred.
Also, the Group 4 element is one or more selected from Ti (titanium), Zr (zirconium), and Hf (hafnium). Group 4 elements are group 4A elements in the Japanese periodic table.
The rare earth element-group 4 element-oxygen compound is preferably a rare earth element-titanium-oxygen compound. Examples of rare earth element-titanium-oxygen compounds include Y 2 TiO 5 , YbTi
O3 and the like. As the alkaline earth metal element-rare earth element-silicon-oxygen compound, a magnesium-rare earth element-silicon-oxygen compound is preferable. Examples of magnesium-rare earth element-silicon-oxygen compounds include MgY 4 Si 5 O 13 , Mg 2 Y 3 (
SiO 4 ) 3 F and the like. Examples of the alkaline earth metal element-rare earth element-silicon-oxygen compound include CaY 4 (SiO 4 ) 3 O and the like.
The rare earth element-group 4 element-oxygen compound or the alkaline earth metal element-rare earth element-silicon-oxygen compound also has the function of improving the adhesion to the metal part.
Silicon nitride substrate 1 having oxide layer 3 as described above is suitable for silicon nitride circuit substrate 10 . Moreover, it is preferable that the silicon nitride circuit board 10 has the metal portion 5 provided on the oxide layer 3 of the silicon nitride substrate 1 .

金属部5は、銅(Cu)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、金(Au)、モリブデン(
Mo)、タングステン(W)など様々な金属が用いられる。また、金属部5はメタライズ
層や薄膜層であることが好ましい。メタライズ層とは金属ペーストを熱処理して固めたも
のである。また、薄膜層は、スパッタやメッキなどの成膜方法により形成した膜である。
メタライズ層や薄膜層は厚さ0.1mm以下の金属部を形成するのに有効である。メタラ
イズ層は金属部を形成したい個所に金属ペーストを塗布して形成することができる。同様
に、薄膜層も金属部を形成しない箇所にマスクを施すことにより、金属部を設けたい個所
のみに形成することができる。このため、エッチング工程を削減することができる。また
、エッチング処理を施すとしても金属部の厚さを薄くすることにより、負荷を減らすこと
ができる。
The metal part 5 is made of copper (Cu), silver (Ag), nickel (Ni), gold (Au), molybdenum (
Mo), tungsten (W), and various other metals are used. Moreover, the metal part 5 is preferably a metallized layer or a thin film layer. The metallized layer is a metal paste hardened by heat treatment. Also, the thin film layer is a film formed by a film forming method such as sputtering or plating.
A metallized layer or a thin film layer is effective for forming a metal portion having a thickness of 0.1 mm or less. A metallized layer can be formed by applying a metal paste to a portion where a metal portion is desired to be formed. Similarly, the thin film layer can be formed only in the places where the metal parts are desired by masking the places where the metal parts are not to be formed. Therefore, the number of etching steps can be reduced. Also, even if etching is performed, the load can be reduced by reducing the thickness of the metal portion.

以上、窒化珪素基板および窒化珪素回路基板を例に示したが、実施形態にかかる窒化珪
素焼結体はこれ以外にも様々な分野に用いることができる。例えば、酸化物層を設けた窒
化珪素焼結体製ローラに金属部を設けることにより、帯電防止や柔軟な表面を得ることが
できる。
Although silicon nitride substrates and silicon nitride circuit substrates have been described above as examples, the silicon nitride sintered bodies according to the embodiments can be used in various other fields. For example, by providing a metal portion on a silicon nitride sintered body roller provided with an oxide layer, antistatic properties and a flexible surface can be obtained.

次に、実施形態にかかる窒化珪素焼結体の製造方法について説明する。実施形態にかか
る窒化珪素焼結体は上記構成を有していれば、その製造方法は特に限定されるものではな
いが歩留まり良く得るための方法として次の方法が挙げられる。
まず、窒化珪素焼結体を用意する。窒化珪素回路基板に用いる場合は、熱伝導率50W
/m・K以上、3点曲げ強度600MPa以上の窒化珪素基板であることが好ましい。ま
た、窒化珪素基板は板厚0.7mm以下、さらには0.1mm以上0.4mm以下のもの
であることが好ましい。基板を薄くすることにより、窒化珪素基板の熱抵抗を下げること
ができる。また、ローラなどの耐摩耗性部材に用いる場合は、熱伝導率30W/m・K以
下、3点曲げ強度800MPa以上のものが好ましい。回路基板に用いる窒化珪素焼結体
と耐摩耗性部材に用いる窒化珪素焼結体は熱伝導率で区別することが好ましい。熱伝導率
の測定はフラッシュ法を用いるものとする。また、3点曲げ強度はJIS-R-1601
に準拠して測定するものとする。例えば、窒化珪素基板としては特許第6293772号
公報(特許文献4)が例示される。
また、窒化珪素焼結体は、粒界相にアルカリ土類金属元素、第4族元素、希土類元素の
1種または2種以上を含有するものであることが好ましい。粒界相に含有させるには、焼
結助剤としてアルカリ土類金属元素、第4族元素、希土類元素の1種または2種以上を用
いることが好ましい。
Next, a method for manufacturing a silicon nitride sintered body according to the embodiment will be described. As long as the silicon nitride sintered body according to the embodiment has the above structure, the method for producing the same is not particularly limited.
First, a silicon nitride sintered body is prepared. Thermal conductivity of 50W when used for silicon nitride circuit board
/m·K or more and a three-point bending strength of 600 MPa or more. The silicon nitride substrate preferably has a thickness of 0.7 mm or less, more preferably 0.1 mm or more and 0.4 mm or less. By thinning the substrate, the thermal resistance of the silicon nitride substrate can be lowered. When used for wear-resistant members such as rollers, it preferably has a thermal conductivity of 30 W/m·K or less and a three-point bending strength of 800 MPa or more. Silicon nitride sintered bodies used for circuit boards and silicon nitride sintered bodies used for wear-resistant members are preferably distinguished by thermal conductivity. Flash method shall be used for thermal conductivity measurement. In addition, the three-point bending strength is JIS-R-1601
shall be measured in accordance with For example, Japanese Patent No. 6293772 (Patent Document 4) is exemplified as a silicon nitride substrate.
Moreover, the silicon nitride sintered body preferably contains one or more of an alkaline earth metal element, a Group 4 element, and a rare earth element in the grain boundary phase. For inclusion in the grain boundary phase, it is preferable to use one or more of alkaline earth metal elements, Group 4 elements, and rare earth elements as a sintering aid.

次に、酸化物層を形成する工程を行うものとする。酸化物層を形成する工程は、窒化珪
素焼結体を熱処理する工程が挙げられる。また、酸化物ペーストを塗布、焼成する工程が
挙げられる。また、酸化物の薄膜を形成する工程が挙げられる。
窒化珪素焼結体を熱処理する工程は、酸素含有雰囲気中で熱処理する方法が有効である
。また、熱処理温度は1100℃以上が好ましい。1100℃以上の高温にすると、酸化
物層中にクリストバライトが形成され易い。なお、熱処理温度の上限は1500℃以下が
好ましい。熱処理温度が1500℃を超えて高いと、窒化珪素焼結体内部にまでクリスト
バライトが形成されてしまう可能性がある。このため、熱処理温度は1100℃以上15
00℃以下が好ましい。
また、粒界相にアルカリ土類金属元素、第4族元素、希土類元素の1種または2種以上
を含有する窒化珪素焼結体であれば、アルカリ土類金属元素-珪素-酸素化合物、希土類
元素-第4族元素-酸素系化合物またはアルカリ土類金属元素-希土類元素―珪素-酸素
系化合物の1種または2種以上を含んだ酸化物層を形成することができる。
Next, the step of forming an oxide layer shall be performed. The step of forming the oxide layer includes a step of heat-treating the silicon nitride sintered body. Moreover, the process of apply|coating and baking an oxide paste is mentioned. Moreover, the process of forming a thin film of an oxide is mentioned.
For the step of heat-treating the silicon nitride sintered body, a method of heat-treating in an oxygen-containing atmosphere is effective. Moreover, the heat treatment temperature is preferably 1100° C. or higher. Cristobalite tends to be formed in the oxide layer at a high temperature of 1100° C. or higher. In addition, the upper limit of the heat treatment temperature is preferably 1500° C. or less. If the heat treatment temperature exceeds 1500° C., cristobalite may be formed even inside the silicon nitride sintered body. For this reason, the heat treatment temperature is 1100° C. or higher15
00° C. or less is preferable.
In addition, if the silicon nitride sintered body contains one or more of an alkaline earth metal element, a Group 4 element, and a rare earth element in the grain boundary phase, alkaline earth metal element-silicon-oxygen compound, rare earth An oxide layer containing one or more of an element-group 4 element-oxygen-based compound or alkaline earth metal element-rare earth element-silicon-oxygen-based compound can be formed.

また、酸化物ペーストを塗布、焼成する工程が挙げられる。酸化物ペーストを用いる場
合は、クリストバライトおよびSiOを含むペーストを用意する。酸化物ペーストには
、必要に応じ、アルカリ土類金属元素-珪素-酸素化合物、希土類元素-第4族元素-酸
素系化合物またはアルカリ土類金属元素-希土類元素―珪素-酸素系化合物の1種または
2種以上を含有させるものとする。酸化物ペーストを窒化珪素焼結体に塗布し、焼成する
ものとする。
また、酸化物の薄膜を形成する工程が挙げられる。酸化物の薄膜は、スパッタリング法
などの成膜方法を用いて行うものとする。
Moreover, the process of apply|coating and baking an oxide paste is mentioned. If an oxide paste is used, a paste containing cristobalite and SiO 2 is prepared. For the oxide paste, if necessary, one of alkaline earth metal element-silicon-oxygen compound, rare earth element-Group 4 element-oxygen compound, or alkaline earth metal element-rare earth element-silicon-oxygen compound Alternatively, two or more of them shall be contained. The oxide paste is applied to the silicon nitride sintered body and fired.
Moreover, the process of forming a thin film of an oxide is mentioned. The oxide thin film is formed by a deposition method such as a sputtering method.

また、窒化物焼結体を熱処理する工程であれば、窒化珪素焼結体を熱処理するので均一
な酸化膜を得ることができる。また、窒化珪素焼結体自体を酸化するので、酸化物層と窒
化珪素焼結体の密着性を向上させることができる。なお、金属部を設けない箇所の酸化物
層は、そのまま残しておいてもよいし、予め取り除いてもよい。
また、酸化物ペーストを使う工程は、必要な個所にペーストを塗布することにより、目
的とする個所に酸化物層を形成することができる。また、酸化物の薄膜を形成する工程も
、マスクを設けることにより、必要な個所に酸化物層を形成することができる。
以上の工程により、酸化物層を有する窒化珪素焼結体を作製することができる。
Further, in the case of the step of heat-treating the nitride sintered body, since the silicon nitride sintered body is heat-treated, a uniform oxide film can be obtained. Moreover, since the silicon nitride sintered body itself is oxidized, the adhesion between the oxide layer and the silicon nitride sintered body can be improved. In addition, the oxide layer in the portion where the metal portion is not provided may be left as it is, or may be removed in advance.
In addition, in the process using an oxide paste, an oxide layer can be formed at a desired location by applying the paste to a desired location. Also, in the step of forming an oxide thin film, by providing a mask, an oxide layer can be formed at a required location.
Through the steps described above, a silicon nitride sintered body having an oxide layer can be produced.

次に、金属部を形成する工程を行うものとする。金属部は酸化物層の上に形成するもの
とする。金属部は、銅(Cu)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、金(Au)、モリブデ
ン(Mo)、タングステン(W)など様々な金属を用いることができる。
また、金属部はメタライズ層や薄膜層であることが好ましい。メタライズ層とは金属ペ
ーストを熱処理して固めたものである。また、薄膜層は、スパッタやメッキなどの成膜方
法により形成した膜である。メタライズ層や薄膜層は厚さ0.1mm以下の金属部を形成
するのに有効である。メタライズ層は金属部を形成したい個所に金属ペーストを塗布して
形成することができる。同様に、薄膜層も金属部を形成しない箇所にマスクを施すことに
より、金属部を設けたい個所のみに形成することができる。
また、金属部上に半導体素子などを実装することにより、半導体装置を製造することが
できる。また、金属部上には、端子などの金属部材を実装してもよいものとする。
Next, the step of forming the metal part shall be performed. The metal part shall be formed on the oxide layer. Various metals such as copper (Cu), silver (Ag), nickel (Ni), gold (Au), molybdenum (Mo), and tungsten (W) can be used for the metal portion.
Also, the metal part is preferably a metallized layer or a thin film layer. The metallized layer is a metal paste hardened by heat treatment. Also, the thin film layer is a film formed by a film forming method such as sputtering or plating. A metallized layer or a thin film layer is effective for forming a metal portion having a thickness of 0.1 mm or less. A metallized layer can be formed by applying a metal paste to a portion where a metal portion is desired to be formed. Similarly, the thin film layer can be formed only in the places where the metal parts are desired by masking the places where the metal parts are not to be formed.
Moreover, a semiconductor device can be manufactured by mounting a semiconductor element or the like on the metal portion. Also, a metal member such as a terminal may be mounted on the metal portion.

(実施例)
(実施例1~4、参考例1、比較例1~3)
表1に示した窒化珪素基板を用意した。窒化珪素基板は、縦50mm×横40mm×厚さ0.32mmのものに統一した。それぞれ熱処理条件を変えて熱処理を施すことにより、酸化物層を有する窒化珪素基板を用意した。なお、粒界相の成分は、粒界相で検出された金属元素を示したものである。また、窒化珪素基板の熱伝導率および3点曲げ強度は熱処理前の値である。また、比較例3は比較例1の窒化珪素基板に熱処理を施さなかったものである。
(Example)
(Examples 1 to 4, Reference Example 1, Comparative Examples 1 to 3)
A silicon nitride substrate shown in Table 1 was prepared. The silicon nitride substrates were uniformly 50 mm long, 40 mm wide, and 0.32 mm thick. A silicon nitride substrate having an oxide layer was prepared by performing heat treatment under different heat treatment conditions. The grain boundary phase component indicates the metal element detected in the grain boundary phase. Moreover, the thermal conductivity and the three-point bending strength of the silicon nitride substrate are the values before the heat treatment. In Comparative Example 3, the silicon nitride substrate of Comparative Example 1 was not subjected to heat treatment.

Figure 0007330089000001
Figure 0007330089000001

次に、XRD分析を行った。XRD分析は、酸化物層を垂直にみる方向から行った。ま
た、窒化珪素基板の中心部についてもXRD分析を行った。なお、中心部とは、基板の長
手方向(縦方向)と厚さ方向の中心線が交わる点である。
また、XRD分析は、Bruker製D8-ADVANCEを用いた。また、測定条件
は、Cuターゲット(Cu-Kα)、スキャンタイプθ-2θ、スキャンモードCont
inuousPSDfastscan、管電圧40kV、管電流40mA、計数時間0.
5°/min、走査範囲(2θ)10°~50°、ステップ幅0.02°で行った。
その結果を表2に示す。
XRD analysis was then performed. The XRD analysis was performed from the direction of viewing the oxide layer perpendicularly. XRD analysis was also performed on the central portion of the silicon nitride substrate. Note that the central portion is a point where the longitudinal direction (vertical direction) of the substrate and the center line in the thickness direction intersect.
For XRD analysis, D8-ADVANCE manufactured by Bruker was used. The measurement conditions are Cu target (Cu-Kα), scan type θ-2θ, scan mode Cont
innousPSDfastscan, tube voltage 40 kV, tube current 40 mA, counting time 0.
Scanning was performed at 5°/min, a scanning range (2θ) of 10° to 50°, and a step width of 0.02°.
Table 2 shows the results.

Figure 0007330089000002
Figure 0007330089000002

21.7は回折角(2θ)が21.7±0.3°に検出された最強ピークである。ま
た、I16.5は回折角(2θ)が16.5±0.3°に検出された最強ピークである。
また、I28.0は回折角(2θ)が28.0±0.3°に検出された最強ピークである
。また、I32.1は回折角(2θ)が32.1±0.3°に検出された最強ピークであ
る。また、I33.0は回折角(2θ)が33.0±0.3°に検出された最強ピークで
ある。また、ISiNは、回折角27.0±0.3°または36.1±0.3°のいずれ
か一方に検出されたピークの大きい方である。
また、表2において「0」と表記したものは、それぞれの分子側に示したピークが検出
限界以下であったものである。なお、検出限界以下とはISiNとの比が0.001未満
となったものである。
表から分かる通り、実施例にかかる窒化珪素基板は、I21.7S/ISiNが0.02~0.
40の範囲内であった。それに対し、比較例1はI21.7Sのピークが検出されなかった。
また、熱処理温度が高い比較例2はI21.7S/ISiNは0.40を超えたものであった。ま
た、比較例3は酸化物層を設けないため、XRD分析は行わなかった。
I 21.7 is the strongest peak detected at a diffraction angle (2θ) of 21.7±0.3°. Also, I 16.5 is the strongest peak detected at a diffraction angle (2θ) of 16.5±0.3°.
Also, I 28.0 is the strongest peak detected at a diffraction angle (2θ) of 28.0±0.3°. Also, I 32.1 is the strongest peak detected at a diffraction angle (2θ) of 32.1±0.3°. Also, I 33.0 is the strongest peak detected at a diffraction angle (2θ) of 33.0±0.3°. Also, I SiN is the larger of the peaks detected at either diffraction angle of 27.0±0.3° or 36.1±0.3°.
In Table 2, "0" indicates that the peak shown on the side of each molecule was below the detection limit. Incidentally, below the detection limit means that the ratio to I 2 SiN is less than 0.001.
As can be seen from the table, the silicon nitride substrates according to the examples have I 21.7S /I SiN of 0.02 to 0.02.
It was in the range of 40. In contrast, in Comparative Example 1, no I 21.7S peak was detected.
Also, in Comparative Example 2 in which the heat treatment temperature is high, I 21.7S /I SiN exceeded 0.40. Moreover, since Comparative Example 3 does not have an oxide layer, no XRD analysis was performed.

次に、金属部を設ける工程を行った。金属部として、厚さ0.1mmの銅メタライズ層
を形成した。銅メタライズ層は、銅ペーストを酸化物層上に塗布し、焼成して固めたもの
である。また、銅メタライズ層の厚さは0.1mmとした。これにより、実施例および比
較例にかかる窒化珪素回路基板を作製した。
窒化珪素回路基板について、熱伝導率、熱抵抗、金属部の接合強度、絶縁性を測定した

熱伝導率は、熱処理後で金属部を設ける前の窒化珪素基板の熱伝導率をフラッシュ法に
より測定した。
また、熱抵抗は、比較例3の窒化珪素回路基板の熱抵抗を100とする。各窒化珪素回
路基板の熱抵抗を測定し、比較例3との差が10以下の場合を良品(〇)、10を超えた
ものを不良品(×)として表示した。
また、金属部の接合強度はテープ試験とした。金属部上にテープを貼付けた後、テープ
をはがした。テープをはがした後の金属部の残存量が50%以上を良品(〇)、50%未
満を不良(×)とした。
また、絶縁性は、絶縁耐力が17kV/mm以上であるものを最良品(〇)、14~1
6kV/mmのものを良品(△)、14kV/mm未満を不良(×)とした。その結果を表3
に示した。
Next, a step of providing a metal portion was performed. A copper metallized layer having a thickness of 0.1 mm was formed as the metal portion. The copper metallized layer is formed by applying a copper paste onto the oxide layer and firing to harden it. Also, the thickness of the copper metallized layer was set to 0.1 mm. Thus, silicon nitride circuit boards according to the example and the comparative example were produced.
The silicon nitride circuit board was measured for thermal conductivity, thermal resistance, bonding strength of metal portions, and insulation.
For the thermal conductivity, the thermal conductivity of the silicon nitride substrate was measured by the flash method after the heat treatment and before the metal portion was provided.
As for the thermal resistance, the thermal resistance of the silicon nitride circuit board of Comparative Example 3 is taken as 100. The thermal resistance of each silicon nitride circuit board was measured, and when the difference from Comparative Example 3 was 10 or less, it was indicated as a good product (o), and when it exceeded 10, it was indicated as a defective product (x).
Moreover, the bonding strength of the metal portion was determined by a tape test. After applying the tape on the metal part, the tape was removed. When the remaining amount of the metal part after peeling off the tape was 50% or more, it was evaluated as good (o), and when it was less than 50%, it was evaluated as defective (x).
In addition, regarding insulation, those with a dielectric strength of 17 kV/mm or more are the best (○), 14 to 1
Those with a voltage of 6 kV/mm were regarded as good (Δ), and those with a voltage of less than 14 kV/mm were regarded as defective (x). The results are shown in Table 3
It was shown to.

Figure 0007330089000003
Figure 0007330089000003

表から分かる通り、実施例にかかる窒化珪素回路基板は、金属部の接合強度が高かった
。また、厚さ5μm以下の薄い酸化膜であるため、熱伝導率の低下も防ぐことができた。
このため、金属部を設けたとしても熱抵抗の低下も防げた。また、絶縁性も維持できてい
た。このため、金属部が窒化珪素基板の内部まで入り込んでいないことが分かる。
それに対し、比較例1は接合強度が不足した。また、絶縁耐力がやや低下することが確
認された。クリストバライトが形成されていないため、メタライズ層と窒化珪素基板が反
応し過ぎたためと考えられる。また、比較例2は酸化物層が厚すぎるため熱伝導率が低下
した。熱伝導率の低下は回路基板としての放熱性の低下を招くものである。また、比較例
3は酸化物層を設けていないため接合強度は不足した。
As can be seen from the table, the silicon nitride circuit board according to the example had high bonding strength of the metal portion. Moreover, since the oxide film was thin with a thickness of 5 μm or less, it was possible to prevent a decrease in thermal conductivity.
For this reason, even if the metal portion was provided, a decrease in thermal resistance could be prevented. Insulation was also maintained. Therefore, it can be seen that the metal portion does not penetrate into the inside of the silicon nitride substrate.
On the other hand, Comparative Example 1 lacked bonding strength. Also, it was confirmed that the dielectric strength was slightly lowered. It is considered that the metallized layer and the silicon nitride substrate reacted excessively because cristobalite was not formed. Also, in Comparative Example 2, the oxide layer was too thick, so the thermal conductivity was lowered. A decrease in thermal conductivity leads to a decrease in heat dissipation as a circuit board. Also, in Comparative Example 3, since no oxide layer was provided, the bonding strength was insufficient.

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示し
たものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、
その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発
明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲
に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
Although some embodiments of the present invention have been illustrated above, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments are
It can be embodied in various other forms, and various omissions, replacements, changes, etc. can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof. Moreover, each of the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.

1…窒化珪素基板
2…基板表面
3…酸化物層
4…中心部
5…金属部
10…窒化珪素回路基板
11…半導体素子
20…半導体装置
Reference Signs List 1 Silicon nitride substrate 2 Substrate surface 3 Oxide layer 4 Central portion 5 Metal portion 10 Silicon nitride circuit substrate 11 Semiconductor element 20 Semiconductor device

Claims (5)

少なくとも一部の表面に酸化物層を有する窒化珪素焼結体からなる回路基板に用いる窒化珪素基板において、酸化物層を有する焼結体表面をXRD分析したとき、クリストバライト結晶構造に基づく回折角21.7±0.3°に検出される最強ピークを 21.7S 、窒化珪素結晶粒子に基づく最強ピークをISiNとし、その比である 21.7S /ISiNが0.02以上0.40以下であり、シリカに基づくピーク回折角16.5±0.3°に検出される最強ピークをI 16.5S とし、その比であるI 16.5S /I SiN が0.01以上0.10以下であり、アルカリ土類金属元素-珪素-酸素系化合物に基づくピークである回折角28.0±0.3°に検出される最強ピークをI 28.0S とし、その比であるI 28.0S /I SiN が0.02以上0.20以下であり、
窒化珪素焼結体の中心部をXRD分析したとき、I 21.7C /I SiN が0以上0.01以下であり、I 28.0C /I SiN が0以上0.02以下であり、
窒化珪素基板の厚さは0.1mm以上0.7mm以下であることを特徴とする窒化珪素基板
In a silicon nitride substrate used for a circuit board made of a silicon nitride sintered body having an oxide layer on at least a part of the surface, XRD analysis of the sintered body surface having the oxide layer shows a diffraction angle of 21 based on the cristobalite crystal structure. The strongest peak detected at .7±0.3° is I 21.7S , the strongest peak based on silicon nitride crystal grains is I 21.7S , and the ratio I 21.7S /I SiN is 0.02 or more and 0.02. I 16.5S is the strongest peak detected at a peak diffraction angle of 16.5±0.3° based on silica , and the ratio I 16.5S /I SiN is 0.01 or more and 0.01 or more. 10 or less, the strongest peak detected at a diffraction angle of 28.0 ± 0.3 °, which is a peak based on an alkaline earth metal element-silicon-oxygen compound, is defined as I 28.0S, and the ratio I 28 .0S /I SiN is 0.02 or more and 0.20 or less,
XRD analysis of the central portion of the silicon nitride sintered body shows that I 21.7C /I SiN is 0 or more and 0.01 or less, and I 28.0C /I SiN is 0 or more and 0.02 or less,
A silicon nitride substrate having a thickness of 0.1 mm or more and 0.7 mm or less .
酸化物層の厚さは5μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の窒化珪素基板2. The silicon nitride substrate according to claim 1, wherein the oxide layer has a thickness of 5 [mu]m or less. 酸化物層を有する焼結体表面をXRD分析したとき、回折角32.1±0.3°または33.0±0.3°のいずれか一方または両方にピークが検出されることを特徴とする請求項1ないし請求項2のいずれか1項に記載の窒化珪素基板When the surface of the sintered body having the oxide layer is subjected to XRD analysis, peaks are detected at one or both of diffraction angles of 32.1 ± 0.3 ° and 33.0 ± 0.3 °. The silicon nitride substrate according to any one of claims 1 to 2 . 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に窒化珪素基板の酸化物層上に金属部を設けたことを特徴とする窒化珪素回路基板。 4. A silicon nitride circuit board according to claim 1, wherein a metal portion is provided on the oxide layer of the silicon nitride substrate. 請求項4の窒化珪素回路基板の金属部上に半導体素子を実装したことを特徴とする半導体装置。 5. A semiconductor device, wherein a semiconductor element is mounted on the metal part of the silicon nitride circuit board according to claim 4 .
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