JPH03137059A - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体装用基板などに用いる窒化アルミニウム
焼結体の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 近年、半導体素子の高集積化、高機能化が進み従来のア
ルミナ（ｕｚｏａ）ではＳｉチップの発熱量の増大、チ
ップサイズの大型化による熱膨張のミスマツチの問題へ
の対応が難しく、新しい高熱伝導性絶縁材料利用が求め
られている。

窒化アルミニウム（ＡＩＮ　）は高熱伝導性の他に熱膨
張率がＳｉチップに近く、又高電気絶縁性などの優れた
材料特性を有するため、半導体装用基板材料として特に
注目を集めている。

しかしながらＡＩＮはその難焼結性の為に焼結助剤を必
要とし、さらに窒素含有非酸化性雰囲気中、１８００℃
以上にしないと、充分に緻密で、熱伝導率の高い焼結体
は得られない。その為に焼結容器に使用する材料も限定
され、一般には黒鉛（カーボン）が用いられるが、非酸
化性雰囲気中１８００℃以上の条件ではごくわずかでは
あるがカーボン蒸気が発生し、このカーボンがＡＩＮ焼
結体中に固溶し、緻密化を阻害したり、絶縁抵抗が劣化
したりする。そこで、黒鉛容器を用いる場合には、ＡＩ
Ｎ成型体をＡＩＮ、Ｙ、０３．　ＢＮ等の種々のセラミ
ック粉末で包埋し、前記のカーボンの拡散を防ぐことが
行なわれるが、この場合でも、ＡＩＮ焼結体表面に付着
した上記包埋粉を除去するのに多大の労力がかかったり
、ＡＩＮ焼結体が割れたりするという欠点があった。ま
た、黒鉛容器の内面に、ＡＩＮ又はＢＮ等をコーティン
グすることもあるが、この場合は黒鉛とＡＩＮ又はＢＮ
との熱膨張係数が異なるため、使用しているうちにコー
ティングした層が剥離するため、その都度コーティング
し直さなければならず、多大な労力が必要であった。

焼結容器としてはこの他にＡＩＮ製のものが使われる。

この場合は、充分に緻密で熱伝導率の高いＡＩＮ焼結体
が得られるが、使用回数が増すにつれてＡＩＮ容器に反
りが生じ、ひいてはクラックや割れが生じるという欠点
があった。

その他に焼結容器としては、特開昭６２−７０２６９号
公報に開示されているように、窒化ホウ素のホットプレ
ス成形体（単味もしくは成形用バインダーを含む）のイ
ンゴットを容器に加工したものも用いられるが、この場
合、窒化ホウ素容器の純度は、９９％程度が限界であり
、ＢＪｓ　。

ＣａＯ、Ａ１２ｂｉ　、ＳｉＯ□等の不純物を含有して
いるため、これらが焼成工程で飛散し、ＡＩＮ焼結体の
表面に付着するため、この付着物を除去するのに多大の
労力が必要であった。また、強度が弱いために必然的に
肉厚にしなければならず、ＡＩＮ焼結体の焼成効率が低
下するという欠点も有していた。

一方、ＰＢＮ　（パイロリイティツク窒化ホウ素）容器
は高純度（９９，９９９％以上が可能）で、耐熱性、耐
熱衝撃性、高温強度に優れ、金属や化合物の融液と反応
しないなどの特徴を有するが、製造しにくく、高価格で
あるため、ＩＩＴ−Ｖ族半導体の引き上げ用るつぼや一
般の融解用あるいは分子線エピタキシャル用のるつぼな
どの用途が一般的であり、ＡＩＮ焼結体の焼結容器とし
て用いられたことはなかった。

［発明の解決しようとする問題点］ 本発明は、ＡＩＮ焼結体の製造に関連した従来技術が有
していた前述の欠点を解決するべ（、ＡＩＮ焼結体製造
用の焼結容器に関して検討した結果、ＰＢＮ製容器を焼
結容器として用いることにより、前述の欠点の無い従来
知られていなかった窒化アルミニウム焼結体の製造方法
を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、前述の課題を解決すべくなされたものであり
、窒化アルミニウム成形体を非酸化性雰囲気中で焼結す
る際に、焼成容器の全部又は一部がＰＢＮ製である容器
に収容して焼結する窒化アルミニウム焼結体の製造方法
を提供するものである。

以下本発明について詳細に説明する。

まず、原料となるＡＩＮ粉末に焼結助剤を添加してボー
ルミル等により充分に混合する。ＡＩＮ粉末としては不
純物酸素量が３重量％以下、好ましくは１．５重量％以
下であることが望ましい。その粒度は平均粒径が１０μ
ｍ以下、好ましくは３μｍ以下が望ましい。焼結助剤は
緻密な焼結体を得る為のものであり、Ｙａｋｓ　、Ｃａ
Ｏなどが好ましいが、緻密化を促進するものであればこ
れに限定されるものではない。焼結助剤の添加量につい
ては多すぎるとＡＩＮ以外の結晶相が増加し、熱伝導率
が低下するので好ましくは１０重量％以下、特に好まし
くは５重量％以下である。なお、これらの他にＡＩＮ焼
結体の熱伝導率を高めるためにカーボン等の還元剤を添
加しても何ら差しつかえない。

次に、これらの混合粉末に有機バインダー等を加えて、
プレス成型法又はドクターブレード法等により成型し、
ＡＩＮ成形体を作製する。

次いで該ＡＬＮ成形体を空気中等の酸化性雰囲気中で加
熱して有機バインダー等の有機物の除去（脱脂）を行な
う。

最後に、脱脂したＡＩＮ成型体を密閉可能なＰＢＮ製容
器に収容し、窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中、１７０
０〜１９００℃において焼結することによりＡＩＮ焼結
体が得られる。

上記ＰＢＮ製容器は、ＣＶＤ、真空蒸着、スパッタ、イ
オンブレーティング等を使用して製造できるが、製膜速
度を鑑みるとＣＶＤ法を使用することが適当であり、例
えば、Ｂ２１１６とＮＨ。

又はＢ（ＯＣＨ＄）とＮＨｉ又はＢＣＩｓとＮＨ，など
を原料に用い、高温（１８００℃以上）、減圧（１０Ｔ
ｏｒｒ以下）の条件で、黒鉛製の鋳型上に熱化学沈着法
（熱ＣＶＤ法）により製造される。また該ＰＢＮ製容器
のＢＮの純度は、９９．９９％以上ならば適当であり、
９９．９９５％が望ましい範囲であり、９９、９９９％
以上が特に望ましい範囲である。

尚、本願発明のＡＩＮ焼結体の製造方法において上記Ｐ
ＢＮ製容器は、容器全体の材質をＰＢＮにすることが望
ましいが、該容器の上蓋、底板等にカーボン、　ＡＩＮ
　、ＢＮ等の他の材質を使用してもよい。

［実施例］ （実施例１） 酸素含有量１．４重量％、平均粒径１．５μｍのＡＩＮ
粉末９７重量％と焼結助剤としてＹ２Ｏ，粉末３重量％
との混合粉末に、溶剤４分散剤、有機バインダー、可塑
剤等を加え、ボールミルにて混合し、スラリー状にした
ものをドクターブレード法により成型し、厚さ１．２　
ｍｍのＡＩＮグリーンシートを作製した。なお、溶剤は
トルエンとエチルアルコール、有機バインダーはアクリ
ル樹脂、可塑剤はジブチルフタレートを用いた。

次いで、このＡＩＮグリーンシートを５０ｍｍ口に切断
し、ＡＩＮ成型体を作製した。次にこのＡＩＮ成型体を
空気中４００℃で１時間加熱することにより脱脂を行な
った。

最後に、こお脱脂したＡＩＮ成型体をＰＢＮ製容器（純
度９９．９９６％）（内寸５５　ｍｍ口、高さ５ｍｍ、
肉厚Ｉ　ｎｏｎ　、重さ４９．５２　ｇ）に収容し、密
閉状態としたものを、抵抗加熱式の電気炉内にセットし
、窒素含有非酸化性雰囲気中１８５０℃で３時間常圧焼
結することにより、ＡＩＮ焼結体を得た。

得られたＡＩＮ焼結体は透光性を有する均一な乳白色で
割れや容器との付着はなく、また、表面への異物の付着
も認められなかった。そこで、相対密度、熱伝導率、絶
縁抵抗を測定した結果を次に示す。なお、熱伝導率はそ
のままの形状でレーザーフラッシュ法により測定した。

相対密度　９９．５％ 熱伝導率　１５０Ｗ／ｍ−に 絶縁抵抗　１．ＯＸｌ０１ＳΩ”　Ｃｍ一方、ＰＢＮ製
容器は、焼成前後の重量変化は全く無く、再使用可能な
状態であった。

（比較例１） 焼成容器をＰＢＮ容器の代わりに窒化ホウ素のホットプ
レス成型体（成型バインダー無し、純度：９９．０％）
から加工した容器（内寸５５　ｍｍ口、高さ５　ｍｍ　
、肉厚５　ｍｍ　、総重量２３８．５０ｇ）とする以外
は実施例１と全く同様の方法でＡＩＮ焼結体を作製した
。得られたＡＩＮ焼結体は割れや容器との付着はなかっ
たが、表面に白色の物質が付着しており、透光性を示さ
なかった。

この焼結体の特性は以下の様であり、実施例１と比較す
ると、熱伝導率が低くなっていた。

相対密度　９９．０％ 熱伝導率　１１０Ｗ／ｍ−に 絶縁抵抗　１．ＯＸＩＯ”Ω・Ｃｍ 一方、焼結容器の内面にも白色の付着物が認められ、重
量は２３６．１２　ｇとなり約１．０％減少していた。

以上のことから、ＡＩＮ焼結体表面の白色の付着物は焼
結容器である窒化ホウ素の上記容器のホットプレス成型
体中に含まれているＢｉａｓ　。

ＣａＯ、Ａｌｔａｍ等であり、この白色の付着物のため
にＡＩＮ焼結体の熱伝導率が低下したと考えられる。

（比較例２） 焼結容器をＰＢＮ製容器の代わりに、カーボン族（内寸
５５　ｍｍ口、高さ５　ｍｍ、肉厚５　ｍｍ、総重量２
１８．６０　ｇ　）とする以外は、実施例１と全く同様
の方法でＡＩＮ焼結体を作製した。

このとき、カーボン族の焼結容器は、使用前と何ら変化
・は無く再使用可能な状態であったが、ＡＩＮ焼結体は
暗赤色で透光性は示さず、緻密な焼結体は得られなかっ
た。

以下に、このＡＩＮ焼結体の特性を記すが、実施例１と
比較すると、相対密度、熱伝導率、絶線抵抗のすべてが
低い値であった。

相対密度　９３．０％ 熱伝導率　１１０　Ｗ　／　ｍ−に 絶縁抵抗　３．ＯＸＩＯ”Ω−Ｃａｌｌ［効果］ 本発明の製造方法は、ＡＩＮを主成分とする成型体の焼
結容器としてＰＢＮ製容器が最適であることを見い出し
たものである。これは、ＰＢＮ製容器が高純度（９９，
９９％以上）であるためにＡＩＮ焼結体に何ら悪影響を
及ぼさないためである。また耐熱性、耐熱衝撃性、高温
強度等に優れているために、数ｌＯ〜数１数１００屓程
り返し使用しても反りやクラック、割れ等が発生しない
。更に、焼結容器の肉厚を薄くできることから焼成効率
の点でも有利である。

このように本発明の製造方法によれば、高純度ＰＢＮ製
容器を用いることにより、表面に異物の付着が無く、緻
密なＡＩＮ焼結体を容易に製造できることから、その工
業的価値は大である。更に本発明に係るＰＢＮ製容器は
、耐熱性、耐熱衝撃性、高温強度の点でも優れており、
耐久性及び焼成効率の向上等の効果も有り、ＡＩＮ焼結
体の焼結容器として最適である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化アルミニウム成形体を非酸化性雰囲気中で焼
   結する際に、焼成容器の全部又は一部がＰＢＮ製である
   容器に収容して焼結する窒化アルミニウム焼結体の製造
   方法。