JPH05117038A

JPH05117038A - 窒化アルミニウム焼結体およびその製法、並びにそれを用いた焼成用治具

Info

Publication number: JPH05117038A
Application number: JP4107101A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Okawa; 善裕大川; Kenichiro Miyahara; 健一郎宮原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1991-05-30
Filing date: 1992-04-27
Publication date: 1993-05-14
Anticipated expiration: 2016-10-02
Also published as: US5376601A; JP3214890B2

Abstract

(57)【要約】【構成】高純度のＡｌＮ粉末に焼結助剤を添加すること
なく成形体を作製し、これをカーボンを含まない窒素雰
囲気にて焼成した後、さらにカーボンを含む窒素雰囲気
で熱処理することにより、焼結体中の不純物を除去し、
実質的に窒化アルミニウム単一相からなり、平均結晶粒
径が９μｍ以上、アルミニウム以外の陽イオン金属不純
物、Ｓｉ，Ｆｅ，Ｃａが特定値以下の高純度の緻密体を
得ることにより、高温で応力印加した時のクリープ変形
速度が非常に小さい焼結体を得、これを焼成用治具等の
高温用材料として用いる。【効果】高温耐クリープ性に優れることから、高温で長
時間応力が付加されるような構造材として好適に使用さ
れ、特に焼成用治具として用いた場合、成形体に悪影響
を及ぼすことがなく、優れた耐久性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温における耐久性に
優れた窒化アルミニウム焼結体およびその製法ならびに
それを用いた焼成用治具に関するものである。

【０００２】

【従来技術】近年、ＩＣ，ＬＳＩをはじめとする集積回
路の高集積化，高出力化が進み、これに伴うシリコン半
導体素子の放熱の問題が生じてきている。このような現
状に従い、従来のアルミナ焼結体からなる絶縁基板か
ら、さらに高い熱伝導性を有し、電気絶縁性が高く、熱
膨張率におけるシリコンとの整合性に優れた窒化アルミ
ニウム（以下、ＡｌＮという。）焼結体の開発が進めら
れてきている。また、ＡｌＮは、ＳｉＣやＳｉ₃Ｎ₄と
並び、高温強度に優れた非酸化性セラミックスとしても
知られている。

【０００３】このようなＡｌＮ焼結体は、一般には、Ａ
ｌＮ原料粉末にＹ₂Ｏ₃等の周期律第３ａ族酸化物やＣ
ａＯ等の周期律表第２ａ族元素酸化物等の焼結助剤を添
加し、成形後、１６００〜２０００℃の窒素含有雰囲気
中で焼成することにより得られる。

【０００４】一方、ＡｌＮをはじめとする非酸化性セラ
ミックスを焼成する場合、得られる焼結体が反り等の変
形や、シミ等の発生がないように、焼成中に成形体を保
持する焼成用治具として高温耐熱性に優れた材料が求め
られている。このような焼成用治具としては、具体的に
は、高純度のＡｌＮ焼結体やＢＮ焼結体を用いること等
が特開平１−１９７３６７号、特開昭６２−７０２６９
号、特開昭６３−２３３０８１号等に提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、これ
らの高温耐熱性の非酸化性セラミック焼結体によれば、
そのほとんどが成形体への影響を低減すべく、焼結助剤
を含まないものであるために、焼結体自体の密度が低
く、しかも１５００℃を越える温度にて長時間さらされ
た場合に変形が生じやすく、焼成用治具等のように繰り
返し使用することができない等の問題があった。

【０００６】しかも、各種の電子部品や半導体部品に適
用するＡｌＮ焼結体を作成する場合には、得られる焼結
体に反り等の変形がないこと、基板自体にシミ等の発生
がないこと、表面の荒れがないことなどが要求される
が、従来の例えば高純度のＡｌＮ焼結体を用いてもその
変形、シミ、表面荒れ等を完全に防止することができ
ず、製品の歩留りを低下させていた。

【０００７】よって、本発明の目的は、高温における耐
久性、特に高温で応力印加時のクリープ変形速度が２×
１０^-8／ｓｅｃ以下のＡｌＮ焼結体を提供し、さらに
は、高純度で高密度のＡｌＮ焼結体を製造する方法、お
よび成形体の変形やシミの発生等を防止し、得られる焼
結体の特性を劣化させない焼成用治具を提供することを
目的とする。

【０００８】

【問題点を解決するための手段】本発明者等は、上記の
ような問題点に対して充分に検討した結果、高温におけ
るクリープ特性が、焼結体の粒界成分およびＡｌＮ結晶
粒径に大きく左右され、特に焼成用治具としての用途に
おいて、不純物として陽イオン金属、炭素および酸素量
を制御することにより、優れた耐熱性を有するととも
に、焼成用治具として変形やシミ、表面荒れの発生のな
い優れた特性が発揮されることを見出したのである。

【０００９】即ち、本発明のＡｌＮ焼結体は、実質的に
窒化アルミニウム単一相からなり、平均結晶粒径が９μ
ｍ以上、アルミニウム以外の陽イオン金属不純物が合計
で０．３重量％以下、特にＳｉが１０００ｐｐｍ以下、
Ｆｅが１５０ｐｐｍ以下、Ｃａが２００ｐｐｍ以下、カ
ーボンが０．３重量％以下および相対密度が９０％以上
の焼結体であって、ＪＩＳＲ１６０１による抗折試験片
を１８２３Ｋ、１０ｋｇ／ｍｍ²の条件で応力印加した
時のクリープ変形速度が２×１０^-8／ｓｅｃ以下である
ことを特徴とするものであり、かかる焼結体を焼成用治
具として用いることを特徴とするものである。

【００１０】また、かかる焼結体を製造する方法とし
て、アルミニウム以外の陽イオン不純物としてＳｉが１
０００ｐｐｍ以下、Ｆｅが１５０ｐｐｍ以下、Ｃａが２
００ｐｐｍ以下の窒化アルミニウム粉末を焼結助剤を添
加することなく成形し、１８５０℃以上の実質的に炭素
を含まない非酸化性雰囲気中で焼成して相対密度が９０
％以上の焼結体を得た後、さらに１８５０〜２２００℃
の炭素を含む非酸化性雰囲気中で熱処理することを特徴
とするものである。

【００１１】以下、本発明を詳述する。本発明のＡｌＮ
焼結体は、実質的にＡｌＮの単一相からなる相対密度９
０％以上、特に９５％以上の高緻密体であることが重要
である。従来、焼結性を高めるために各種の金属酸化物
を添加することが行われるが、これらの焼結助剤成分
は、焼結体のＡｌＮ結晶粒子の粒界に残存してしまう。
一部において、焼結助剤を添加して焼成後、焼結助剤を
揮散させる方法も提案されるが完全に除去することがで
きない。

【００１２】このように焼結体中に金属酸化物等からな
る粒界相が存在すると、高温において粒界相が軟化し結
晶粒同士のすべりが発生しやすくなり、高温にて応力が
印加されると変形しやすくなり、焼結体のクリープ変形
速度が大きくなってしまう。しかも、金属酸化物からな
る粒界相が存在すると、例えばセラミック等を焼成する
ための焼成用治具として用いた場合、焼成中に治具中の
粒界成分が滲みだして成形体に拡散し、治具と接触して
いる成形体にシミ等の発生をもたらす。

【００１３】また、相対密度が９０％未満では、それ自
体の強度が小さいために高温下にさらされると変形し易
くなる。しかも、焼結助剤を含むセラミック成形体等の
焼成用治具として用いた場合、成形体中に含まれる焼結
助剤が焼成用治具に浸透しやすくなり、焼成用治具自体
が汚染されやすくなり、繰り返し使用した時に他の成形
体に悪影響を及ぼす。さらに治具自体の表面粗さも大き
くなるために、得られるＡｌＮ焼結体の表面粗さも大き
くなってしまう。

【００１４】また、本発明によれば、ＡｌＮ結晶の平均
結晶粒径が９μｍ以上であることが重要である。そこ
で、図１にＡｌＮ結晶粒子の平均結晶粒径（Ｄ）の対数
値（ｌｏｇＤ）と、ＪＩＳＲ１６０１による抗折試験片
を図２の示すような３点曲げ法（Ｌ＝３０ｍｍ）によ
り、１８２３Ｋの温度で試験片１に対して１０ｋｇ／ｍ
ｍ²応力印加した時のクリープ変形速度（ε）の対数値
（ｌｏｇε）との関係を示した。図１に示すようにＡｌ
Ｎ平均結晶粒径と高温におけるクリープ速度と相関があ
り、およそＡｌＮ平均結晶粒径が大きいほど、クリープ
速度が小さくなる傾向にある。

【００１５】よって、本発明によれば、平均結晶粒径が
９μｍより小さいと、高温での応力印加時のクリープ変
形速度が大きくなり、高温での変形が大きくなる。特
に、ＡｌＮ平均結晶粒径が１１μｍ以上であることが望
ましい。なお、本発明のＡｌＮ焼結体は、そのＡｌＮ平
均結晶粒径Ｄに対して０．３Ｄ〜〜１．８Ｄの粒子径の
範囲にある粒子数が全体の５０％以上とすることが望ま
しい。

【００１６】しかしながら、ＡｌＮ平均結晶粒径が、９
μｍ以上であっても、焼結体中のＡｌ以外の陽イオン不
純物量、特にＳｉやＦｅが多量に存在するとクリープ特
性が大きく劣化する。具体的には、Ａｌ以外の陽イオン
金属不純物が０．３重量％以下、特に０．２重量％以下
であり、Ｓｉが１０００ｐｐｍ以下、特に６００ｐｐｍ
以下、Ｆｅが１５０ｐｐｍ以下、特に１００ｐｐｍ以下
であることが重要である。これらの金属不純物成分が上
記の範囲を越えると、いずれもクリープ変形速度が２×
１０^-8／ｓｅｃ以下を越えてしまう。しかも、焼成用治
具として用いた場合には、これらの不純物と成形体とが
化学反応し易くなり、得られた焼結体にシミ、反りが発
生したり、焼成用治具と成形体とが焼き付いたりするか
らである。

【００１７】また、本発明におけるＡｌＮ焼結体は、焼
成用治具として要求される特性面から、焼結体中に含有
されるカーボン量が０．３重量％以下であることが望ま
しい。これは、治具中に多量のカーボン量が含まれる場
合、焼成回数を重ねると、焼成用治具の表面粗さが次第
に大きくなる。また、焼成中にカーボンとＡｌＮ成形体
が反応して、得られたＡｌＮ焼結体にしみが発生し、誘
電損失（ｔａｎδ）が大きくなる等の電気特性異常の原
因となる。また、焼成用治具と得られるＡｌＮ焼結体が
焼き付いたり、治具同士が焼き付いたりする。特にカー
ボン量が０．１５重量％以下が望ましい。

【００１８】さらに、本発明によれば、ＡｌＮ焼結体中
の酸素量が５重量％以下であることが望ましい。これ
は、例えば焼成用治具に酸素が多量に含有されていると
ＡｌＮ成形体に酸素が拡散して増加し、得られる焼結体
にしみが発生したり、熱伝導率が低下したりする。ま
た、焼成用治具が変形し易くなり、反り直しが必要にな
るためである。特に、酸素量は３重量％以下が望まし
い。

【００１９】次に、本発明の窒化アルミニウム焼結体の
製法について説明する。本発明における製法によれば、
焼結助剤として添加していたＣａＯ等の周期律表第２ａ
族元素酸化物や、Ｙ₂Ｏ₃等の周期律表第３ａ族元素酸
化物を実質的に添加することなく焼成するものである。
高純度の窒化アルミニウム焼結体を得るために、従来よ
り焼結助剤として揮発性の高い助剤を添加し、焼成後に
揮散除去することも行われているが、この方法でも完全
に焼結助剤成分を除去することができず、残存した助剤
が悪影響を及ぼす。よって、本発明によれば、このよう
な焼結助剤を全く添加することなく、焼成を行うことが
大きな特徴である。

【００２０】そのために、助剤を添加することなく緻密
化するために、窒化アルミニウム原料粉末として、平均
結晶粒径が３μｍ以下、特に２．５μｍ以下、不純物酸
素量が３重量％以下、特に０．３〜２．５重量％の粉末
を用いることが重要である。即ち、平均結晶粒径が３μ
ｍより大きいか、または不純物酸素量が３重量％より大
きいと緻密化が達成されず、また０．３重量％より少な
い場合も原料の粒径によっては緻密化が達成されない場
合がある。

【００２１】また、本発明によれば、前述したような優
れた高温特性を有する焼結体を得るために、窒化アルミ
ニウム原料粉末として、陽イオン不純物の総量が０．３
重量％以下であり、且つＳｉが１０００ｐｐｍ以下、Ｆ
ｅが１５０ｐｐｍ以下、Ｃａ量が２００ｐｐｍ以下であ
ることも必要である。これは、陽イオン不純物量、Ｓｉ
量、Ｆｅ量およびＣａ量が前記の量比より多いといずれ
も、高温特性が劣化し、前記クリープ特性が劣化するた
めである。

【００２２】次に、上記の窒化アルミニウム原料粉末を
用いて、成形体を作成する。成形体の作成にあたって
は、例えば、成形性を高めるために所定の有機バインダ
ーを添加し、ボールミルで混合してスラリーを作成し、
このスラリーをスプレードライにより顆粒状粉末とし、
この顆粒を型に入れてプレス成形を行い、ＡｌＮ成形体
を得る。この時、有機バインダーとしてはバインダーの
分解によりカーボンが残存しないようなバインダーを選
択すべきである。なお、成形体を作成する方法として
は、プレス成形の他に押し出し成形法、射出成形法、ド
クターブレード等のシート成形法、冷間静水圧成形法等
の周知の成形方法が採用できる。

【００２３】本発明によれば、上記のようにして得られ
た成形体を酸化性、非酸化性あるいは真空中にて所定温
度で脱脂した後、まず、１８５０℃以上の実質的に炭素
を含まない非酸化性雰囲気中で焼成し相対密度がおよそ
９０％以上の緻密な焼結体を得る。これは高緻密化を達
成するために必要な工程であり、焼成時の雰囲気に炭素
が含まれていたり、焼成温度が１８５０℃より低いと、
焼結がほとんど進行せず、緻密な焼結体を得ることがで
きない。このように炭素を含まない雰囲気は、焼成炉と
してタングステンやモリブデン等の高融点材料製のもの
を使用するか、カーボン炉を使用する場合には、成形体
をＷ、ＡｌＮ、ＢＮ等の匣鉢内に収納し匣鉢内部にカー
ボンが混入しないようにして焼成すればよい。

【００２４】通常、焼成により緻密化を行う場合、圧力
を付与して焼成することが行われるが、ホットプレス法
によれば、型材がカーボンからなるために、雰囲気がカ
ーボン含有雰囲気となるために、緻密化することが困難
となる。よって、本発明によれば、常圧焼成や窒素ガス
加圧焼成が好適に採用される。なお、この時の焼成温度
が２１００℃を越えると窒化アルミニウム自体が分解蒸
発し、表面が荒れる等の問題が生じる。

【００２５】次に、上記のようにして得られた焼結体を
１８５０〜２２００℃の炭素を含む雰囲気で加熱処理す
る。これは、焼結体中に含まれる不純物を除去するとと
もに、窒化アルミニウム結晶を粒成長させるために必要
な工程であり、雰囲気中にカーボンが存在しない場合、
あるいは加熱処理温度が１８５０℃より低いと、焼結体
中の不純物の除去が困難となったり、粒成長が不充分と
なり、前述したように陽イオン金属不純物量を０．３重
量％以下、Ｓｉ量を１０００ｐｐｍ以下、Ｆｅ量を１５
０ｐｐｍ以下に制御することが困難となるとともに、窒
化アルミニウム結晶粒子の平均結晶粒径を９μｍ以上に
制御することができない。

【００２６】このようにして得られる窒化アルミニウム
焼結体は、実質的に窒化アルミニウム結晶の単一相から
なる多結晶体であるとともに、高温特性、特に高温で応
力が付加された状態で優れた耐変形性を有するものであ
ることから、各種の高温用材料に適用することができ、
その中でも非酸化性セラミックスの焼成時に用いられる
焼成用治具として好適に用いられる。

【００２７】非酸化性セラミックスの中でも、窒化アル
ミニウムは、高絶縁性、高熱伝導性を有する材料として
電子部品や半導体用の基板材料として注目されている
が、基板としての用途上、変形やシミの発生に充分注意
を払う必要がある。

【００２８】そこで、本発明の焼結体を窒化アルミニウ
ム質基板を作成する場合の焼成用治具として用いる場合
について具体的に説明する。焼成される窒化アルミニウ
ム質成形体は、一般に、窒化アルミニウム原料粉末を主
成分とし、焼結助剤としてＣａＯなどの周期律表第２ａ
族元素化合物やＹ₂Ｏ₃等の周期律表第３ａ族元素化合
物を０．５〜２０重量％含有するもの、あるいはこれら
の他に周期律表第４ａ，５ａ，６ａ，７ａ，８ａ族の金
属化合物を添加したものである。このような成形体は、
上記の混合粉末をプレス成形やドクターブレード法等に
より基板形状に成形されたものである。

【００２９】次に、図３に示すように、本発明の窒化ア
ルミニウム焼結体からなる敷板１および支持材２を用い
て敷板１の上に基板成形体３を並べて、これらを数段積
み重ねた状態で焼成炉中に配置して焼成する。この時の
焼成は、基板成形体が緻密化するに充分な条件で行わ
れ、具体的には、１６００〜２０００℃の窒素を含む非
酸化性雰囲気中で１０分〜１００時間行われる。

【００３０】この時、本発明における敷板は、高温特性
に優れることから、焼成条件下においても変形すること
がなく、基板成形体を変形させることがない、しかも高
純度であることから、基板成形体に対してシミを発生さ
せたり、基板焼結体の表面に荒れを生じさせることが全
くない。このようにして使用された敷板は、高温での変
形がほとんどないことから半永久的に繰り返し使用する
ことができる。

【００３１】本発明の窒化アルミニウム焼結体は、上記
の焼成用治具の他に、化合物半導体製造用るつぼ、高温
炉の電気絶縁材料、高温炉材等の他、各種の高温用材料
として用いることができる。

【００３２】

【作用】本発明によれば、窒化アルミニウム焼結体を実
質的に粒界のない窒化アルミニウム結晶の単一相より構
成し、結晶粒径を９μｍ以上と大きくするとともに、不
純物としてＳｉやＦｅの量を所定量以下に制御すること
により、結晶同士の高温での滑りや変形がないことによ
り焼結体全体としてのゆがみやソリ等の変形の発生がな
い。

【００３３】それにより、かかる窒化アルミニウム焼結
体は、１８２３Ｋ、１０ｋｇ／ｍｍ²の条件で応力印加
した時のクリープ変形速度が２×１０^-8／ｓｅｃ以下と
極めて小さい耐クリープ特性を有するものである。

【００３４】また、この焼結体は高純度の窒化アルミニ
ウム単一相からなるために、高温において他の物質との
反応性が非常に小さく悪影響を及ぼすことがない。

【００３５】よって、この窒化アルミニウム焼結体は、
あらゆる高温条件下で耐久性や数包寸法精度が要求され
る各種の機械用部品や高温用治具として用いることがで
きる。

【００３６】特に、焼成用治具として、例えば、ＡｌＮ
基板を作成する場合の焼成用治具として用いた場合に
は、焼成用治具が９５％以上の相対密度に緻密化されて
いるので、焼成中に例えばＡｌＮ基板成形体中の焼結助
剤が焼成用治具に浸透することもなく、得られる基板の
表面粗さが大きくなることもない。さらに、治具中にＡ
ｌを除く陽イオン金属不純物量が小さいことから、得ら
れるＡｌＮ基板と焼成用治具との化学的な反応がほとん
どなく、得られるＡｌＮ基板にしみ等がが発生すること
もなく、焼成用治具とＡｌＮ基板とが焼き付くこともな
い。

【００３７】また、カーボンを０．３重量％以下に制御
しているので、使用頻度の増加により焼成用治具の表面
粗さが大きくなることがなく、また、カーボンによるＡ
ｌＮ基板成形体と治具との反応もほとんどない。

【００３８】さらに、治具中の酸素量を５重量％以下に
制御したので、ＡｌＮ基板成形体に酸素が拡散し、Ａｌ
Ｎ基板の熱伝導率を低下させることもない。

【００３９】従って、焼成治具の変形，クラック，純度
の低下，治具同士の焼き付きをほぼ確実に防止すること
ができるとともに、焼成治具とＡｌＮ基板成形体との焼
き付き、反応によるＡｌＮ基板の特性劣化を防止し、さ
らに、ＡｌＮ基板のしみ、反り、熱伝導率の低下、電気
特性の劣化を防止することができる。

【００４０】

【実施例】

実施例１窒化アルミニウム原料粉末として表１に示すような原料
Ａ〜Ｈを用意し、これに有機バインダーを添加してメタ
ノールを溶媒としてボールミルで充分に混合した。得ら
れたスラリーをスプレードライにより乾燥造粒した後、
得られた顆粒を用いて０．５ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力でプ
レス成形し、１６０ｍｍ×１５７ｍｍ×９．５ｍｍ（厚
み）の形状の成形体を作成した。そして、これらの成形
体をそれぞれ表２、表３に示す条件下で焼成および熱処
理を行った。なお、表中、試料Ｎo.１２〜１７は原料Ａ
に対してＳｉまたはＦｅを添加して表に記載の比率に調
整したものである。

【００４１】

【表１】

【００４２】

【表２】

【００４３】

【表３】

【００４４】得られた焼結体に対して、電子顕微鏡写真
より平均結晶粒径を測定し、また、焼結体中の酸素量、
炭素量を燃焼分析法、陽イオン不純物量をＩＣＰ発光分
光分析法を用いて測定した。また、焼結体のかさ密度、
気孔率をアルキメデス法により測定した。

【００４５】また、得られた焼結体をＪＩＳＲ１６０１
の抗折試験片の形状（３×４×３８ｍｍ）に切り出し、
図２に示すように抗折試験片に対して３点曲げ法に基づ
き、１８２３Ｋの温度で１０ｋｇ／ｃｍ²の応力を印加
しつつ、試験片の変形速度を測定した。これらの結果を
表４、表５に示した。これらの結果から、窒化アルミニ
ウムの平均結晶粒径Ｄの対数値（ｌｏｇＤ）と、クリー
プ速度εの対数値（ｌｏｇε）との関係を図１に示し
た。

【００４６】

【表４】

【００４７】

【表５】

【００４８】表１〜表５によれば、カーボンを含まない
非酸化性雰囲気中にて焼成した試料Ｎo.１、２は、いず
れも平均粒径が小さいとともに、不純物成分の除去が不
十分であり、クリープ速度が大きい。また、出発原料中
のＳｉやＦｅ量が多く、焼結体中のＳｉやＦｅ量が本発
明の範囲より多い試料Ｎo.１３、１４、１６、１７もク
リープ速度が大きく高温での耐久性に劣るものであっ
た。

【００４９】熱処理をカーボンを含まない雰囲気中で行
った試料Ｎo.２２も不純物の除去が不十分で、しかも粒
成長が進行せず、良好な特性を得ることができなかっ
た。さらに、窒化アルミニウム原料中の不純物量が過多
の原料Ｆ，Ｇ，Ｈを用いた試料Ｎo.２４、２５、２６で
は、本発明における焼成方法および熱処理を行っても除
去することが難しく、あるいは非常に長時間を要するも
のであった。それにより得られる焼結体も良好な特性は
得られなかった。

【００５０】これらの比較例に対して、本発明の試料
は、いずれも優れた高温での耐クリープ特性を示した。
図１によれば、平均結晶粒径が大きくなるほど、耐クリ
ープ特性が小さくなる傾向にあるが、平均結晶粒径が大
きくなりすぎると、抗折強度が小さくなる傾向にあるた
めに、平均結晶粒径は４０μｍ以下で、１８２３Ｋの抗
折強度が１５ｋｇ／ｍｍ²以上が達成された。

【００５１】実施例２前記表１の原料Ｂの窒化アルミニウム原料粉末を用い
て、これを有機バインダとともにボールミルで混合して
スラリーを作製し、このスラリーをスプレードライ法に
より造粒した後、得られた顆粒を型に入れて２００×２
００×７ｍｍの大きさにプレス成形した。この成形体を
空気中にて５５０℃の温度で脱脂した後、本脱脂体をＷ
の匣鉢内に収納して窒素雰囲気中、表６の温度で２時間
焼成し、さらにカーボン炉にて２１５０℃で１０時間焼
成して相対密度の異なる焼結体（試料Ｎo.１〜４）を得
た。なお、これらの焼結体中のＡｌ以外の陽イオン不純
物量はいずれも０．２重量％以下であり、Ｓｉ量５０ｐ
ｐｍ以下、Ｆｅ量１０ｐｐｍ以下およびＣａ１５０ｐｐ
ｍ以下であった。

【００５２】この後、得られた焼結体表面を表面粗さ
（Ｒｍａｘ）が６μｍ以下になるように研磨し、図３に
示したような敷板を作成した。なお、焼結体の特性とし
て、相対密度、平均結晶粒径、酸素量、炭素量、ならび
にクリープ変形速度を実施例１と同様な方法で測定した
その結果を表６に示した。

【００５３】次に、上記の焼成用治具を用いて窒化アル
ミニウム基板を作成した。まず基板成形体として、窒化
アルミニウム粉末にＹ₂Ｏ₃を２重量％添加し、さらに
有機バインダーを所定量添加した混合粉末を造粒後、３
５×３５×１．３ｍｍの第１の基板成形体（以下、「第
１成形板」という）を作成した。

【００５４】そして、前記焼成用治具上に第１成形板を
設置して、空気中にて５５０℃で脱脂した後に、引き続
き１７００〜１８００℃の窒素雰囲気中で焼成を繰り返
し行った。その後、各治具の変形の有無、治具同士の焼
付の有無、治具の表面粗さの変化、基板成形体からの焼
結助剤の浸透の有無等について観察した。また、治具と
ＡｌＮ基板との焼付の有無、ＡｌＮ基板のシミや反りの
有無について観察した。さらに、得られたＡｌＮ基板に
対してはレーザーフラッシュ法によって熱伝導率を測定
し、結果を表６に示した。また、電気特性として１ＭＨ
ｚにおける誘電損失（ｔａｎδ）を測定したところ、い
ずれのＡｌＮ基板も１×１０^-4以下であった。

【００５５】

【表６】

【００５６】表６によれば、焼成用治具の相対密度が９
０％より低い場合（治具Ｎo.４）、焼結体のクリープ速
度が大きく、そのために焼成用治具に変形が生じ、さら
に表面に荒れが生じた。また、基板成形体中の焼結助剤
が焼成用治具に浸透していた。それにより焼成用治具と
基板成形体とが一部反応し、ＡｌＮ基板にしみが発生し
た。一方、焼成用治具の相対密度が９０％以上の場合に
は、その焼成用治具はいずれも優れた耐久性を示し、得
られるＡｌＮ基板に対しても、シミやソリの発生は認め
られなかった。

【００５７】実施例３上記実施例２と同様にして、焼成用治具を作成した。た
だし、焼成用治具を作成する際に、窒素中で脱脂温度を
２００〜８５０℃の範囲で変えて行い、その後、Ｗ匣鉢
内で窒素雰囲気中１９４０℃にて３時間焼成し、さらに
カーボン炉内にて２１５０℃で１０時間焼成し、表７に
示すような残留カーボン量の異なる７種の焼結体を得
た。この焼結体を用いて、実施例２と同様に焼成用治具
（治具Ｎo.５〜１１）を作成した。この焼成用治具につ
いて、実施例１と同様な方法で、特性の評価を行い、そ
の結果を表７に示した。なお、得られた焼結体は、いず
れも相対密度９５％以上、平均結晶粒径１５〜３５μ
ｍ、酸素量０．７重量％以下、陽イオン不純物量０．２
重量％以下、Ｓｉ量５０ｐｐｍ以下、Ｆｅ１０ｐｐｍ以
下Ｃａ１５０ｐｐｍ以下であった。

【００５８】そして、この焼成用治具の上にＥｒ₂Ｏ₃
７．５重量％，ＣａＯ０．１重量％を含む窒化アルミ
ニウム混合粉末からなる３５×３５×１．３ｍｍの第２
の基板成形体（以下、「第２成形板」という）を設置し
て、１７２０℃の窒素雰囲気中で焼成してＡｌＮ基板を
得た。

【００５９】かかる実験において、用いた焼成用治具お
よびＡｌＮ基板に対して実施例２と同様にして特性の評
価を行った。結果は、表７に示した。

【００６０】

【表７】

【００６１】表７によれば、カーボン量が０．３重量％
より多い焼結体は、高温におけるクリープ変形速度が大
きく、これを焼成用治具として用いた場合には、治具に
ゆがみが発生した。しかも、得られたＡｌＮ基板では、
シミの発生が認められ、１ＭＨｚにおけるｔａｎδが８
９×１０^-4以上であり、半導体製品用の基板としては使
用できないものであった。これに対してカーボン量が
０．３重量％以下の場合は、高温での変形が小さく、Ａ
ｌＮ基板に対して何ら問題なかった。

【００６２】このようなｔａｎδの異常は、カーボン量
が０．３重量％を越える物質がＡｌＮ基板成形体の近傍
に存在すれば発生することが、実験により確認された。
しかも、焼成用治具のカーボン量が０．３重量％より多
い場合には、焼成用治具同士あるいは焼成用治具とＡｌ
Ｎ基板との焼き付き、焼成用治具の変形、ＡｌＮ基板の
シミの発生があったが、カーボン量が０．３重量％以下
の試料Ｎo.５〜９ではこのような不具合はないことがわ
かった。さらに、１００回使用後の焼成用治具の表面粗
さは、焼成用治具のカーボン量が０．３重量％以下では
Ｒｍａｘ６μｍ以下であり使用前と殆ど変化はなかった
が、０．３重量％を越えるＮo.１１では１５μｍ以上と
なった。

【００６３】実施例４上記実施例２と同様にして、平均結晶粒径１〜３μｍ、
陽イオン金属不純物量０．１重量％以下、酸素量が０．
５〜７重量％の範囲内で異なる種々の高純度窒化アルミ
ニウム粉末を用いて、有機バインダーとを混合した後、
２００×２００×７ｍｍの大きさにプレス成形し、空気
中にて５５０℃で脱脂した後、Ｗ匣鉢内で窒素雰囲気中
で１９２０〜２０００℃にて３時間焼成した後、さらに
カーボン炉内にて窒素雰囲気中２０５０℃で２４時間熱
処理し、表８に示すような酸素量の異なる焼結体を得
た。この焼結体に対して実施例２と同様にして特性の評
価を行ったところ、いずれも相対密度９５％以上、平均
結晶粒径１３〜３０μｍ、炭素量３００ｐｐｍ以下、陽
イオン不純物量０．１重量％以下、Ｓｉ量６００ｐｐｍ
以下、Ｆｅ１５０ｐｐｍ以下およびＣａ２００ｐｐｍ以
下であった。そして、得られた焼結体表面をＲｍａｘ６
μｍ以下に研磨し、焼成用治具を作成した（治具Ｎo.１
２〜１８）。

【００６４】この焼成用治具の上に実施例２で用いた第
１成形板と同一の成形体を載せて空気中５５０℃にて脱
脂し引き続き、１７９０℃で窒素中にて焼結させてＡｌ
Ｎ基板を得た。そして、焼成用治具およびＡｌＮ基板に
対して実施例２と同様な特性評価を行い、その結果を表
８に示した。

【００６５】

【表８】

【００６６】この実験結果よれば、焼成用治具の酸素量
が５重量％以下の試料Ｎo.１２〜１６では、クリープ変
形速度は小さく、また得られたＡｌＮ基板の熱伝導率は
１６９〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋであり、特性上問題がなかっ
た。しかし、酸素量が５重量％より多い治具Ｎo.１７、
１８を用いた場合には、繰り返し使用による変形が認め
られ、さらに得られたＡｌＮ基板の熱伝導率が１４０Ｗ
／ｍ・Ｋ以下と低いものであった。

【００６７】実施例５上記実施例１中、表１の原料Ｅを使用し、これに焼結助
剤としてＣａＣＯ₃粉末あるいはＹ₂Ｏ₃粉末を添加混
合した後、実施例２と同様にして成形体を作成し、その
成形体をＷ匣鉢内に収納して窒素雰囲気中で１７３０〜
１９８０℃にて焼成し高密度の焼結体を得た。その後、
カーボン炉内にて２０００℃で熱処理を０．５〜５０時
間行い、焼結体中の金属成分を一部揮散させて、Ｃａや
Ｙが表９の量からなる焼結体を得た。それぞれの焼結体
の特性を実施例２と同様にして測定し、その結果を表９
に示した。得られた焼結体をＲｍａｘ６μｍ以下に研磨
して焼成用治具を得た（治具No. １９〜２６）。

【００６８】この焼成用治具の上に、焼結助剤としてＹ
ｂ₂Ｏ₃を５重量％含有する３５×３５×１．３ｍｍの
ＡｌＮ基板成形体を載置し、空気中５５０℃にて脱脂
し、さらに引き続き１７９０℃の窒素中にて焼成した。
得られたＡｌＮ基板および焼成後の治具について実施例
２と同様に評価を行った。その結果を表９に示した。

【００６９】

【表９】

【００７０】この実験結果よれば、Ｃａ量が２００ｐｐ
ｍを越える治具Ｎo.２１、２２、および陽イオン金属不
純物が０．３重量％より多い治具Ｎo.２５、２６は、い
ずれもクリープ変形速度が大きく、繰り返し使用により
変形が認められた。

【００７１】これに対して、Ｃａ量が２００ｐｐｍ以
下、Ａｌ以外の陽イオン不純物量が０．３重量％以下の
治具Ｎo.１９、２０、２３、２４はいずれもクリープ変
形速度が小さいものであり、焼成用治具としても変形が
認められず、優れた耐久性を示した。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
窒化アルミニウム平均結晶粒径および不純物成分の量を
所定の範囲に制御することにより、高温において優れた
耐クリープ特性を有するものであり、高温中で長時間応
力が付加された状態でもほとんど変形することがない。

【００７３】そのために、各種の高温用構造材料等に適
用することができ、具体的に焼成用治具として用いた場
合においても、繰り返し使用においても治具自体の変
形、純度の低下、治具同士の焼き付きを防止することが
できるとともに、焼成される成形体に対しても焼き付
き、治具との反応を防止し、悪影響を及ぼすことがな
い。よって、セラミックの焼成におけるコストを低減
し、焼成における生産性、製造工程の合理化に大きく貢
献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】窒化アルミニウム焼結体の平均結晶粒径（Ｄ）
の対数値（ｌｏｇＤ）とクリープ変形速度εの対数値
（ｌｏｇε）との関係を示した図である。

【図２】本発明におけるクリープ速度の測定方法を説明
するための図である。

【図３】本発明における窒化アルミニウム焼結体を焼成
用治具として用いた場合の一実施態様を示す図である。

【符号の説明】

１敷板２支持材３基板成形体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的に窒化アルミニウム単一相からな
り、平均結晶粒径が９μｍ以上、アルミニウム以外の陽
イオン金属不純物が合計で０．３重量％以下、Ｓｉが１
０００ｐｐｍ以下、Ｆｅが１５０ｐｐｍ以下、Ｃａが２
００ｐｐｍ以下、カーボンが０．３重量％以下、相対密
度が９０％以上の焼結体であって、ＪＩＳＲ１６０１に
よる抗折試験片を１８２３Ｋ、１０ｋｇ／ｍｍ²の条件
で応力印加した時のクリープ変形速度が２×１０^-8／ｓ
ｅｃ以下であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結
体。
【請求項２】酸素含有量が５重量％以下である請求項１
記載の窒化アルミニウム焼結体。
【請求項３】アルミニウム以外の陽イオン金属不純物が
合計で０．３重量％以下、Ｓｉが１０００ｐｐｍ以下、
Ｆｅが１５０ｐｐｍ以下、Ｃａが２００ｐｐｍ以下の窒
化アルミニウム粉末のみからなる成形体を、１８００℃
以上の実質的に炭素を含まない非酸化性雰囲気中で焼成
して緻密化した後、さらに１８５０〜２２００℃の炭素
を含む雰囲気中で熱処理することを特徴とする窒化アル
ミニウム焼結体の製法。
【請求項４】実質的に窒化アルミニウム単一相からな
り、平均結晶粒径が９μｍ以上、アルミニウム以外の陽
イオン金属不純物が合計で０．３重量％以下、カーボン
が０．３重量％以下、酸素量５重量％以下および相対密
度が９０％以上の焼結体であって、ＪＩＳＲ１６０１に
よる抗折試験片を１８２３Ｋ、１０ｋｇ／ｍｍ²の条件
で応力印加した時のクリープ変形速度が２×１０^-8／ｓ
ｅｃ以下の窒化アルミニウム焼結体よりなる焼成用治
具。