JPH0733531A - Aluminum nitride substrate and its production - Google Patents
Aluminum nitride substrate and its productionInfo
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- JPH0733531A JPH0733531A JP5157512A JP15751293A JPH0733531A JP H0733531 A JPH0733531 A JP H0733531A JP 5157512 A JP5157512 A JP 5157512A JP 15751293 A JP15751293 A JP 15751293A JP H0733531 A JPH0733531 A JP H0733531A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は窒化アルミニウム基板
に関し、特に、熱伝導率に優れ、かつ、強度および耐食
性の高い窒化アルミニウム基板およびその製造方法に関
するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an aluminum nitride substrate, and more particularly to an aluminum nitride substrate having excellent thermal conductivity, high strength and high corrosion resistance, and a method for producing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】窒化アルミニウム基板は、ウルツ鉱型の
構造をとる共有結合性結晶体である。この窒化アルミニ
ウムは、熱伝導率が高く、かつ、熱膨張率がシリコンに
近い。そのため、窒化アルミニウムは、半導体分野での
放熱基板として製品化されている。2. Description of the Related Art Aluminum nitride substrates are covalently bonded crystals having a wurtzite structure. This aluminum nitride has a high thermal conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of silicon. Therefore, aluminum nitride has been commercialized as a heat dissipation substrate in the semiconductor field.
【０００３】また、窒化アルミニウムは、放熱基板とし
て応用されている酸化ベリリウムと比較して毒性がない
ため、特に、製造工程において安全である。Further, aluminum nitride is less toxic than beryllium oxide, which is used as a heat dissipation substrate, and is therefore safe especially in the manufacturing process.
【０００４】しかし、窒化アルミニウムの単結晶を製作
することは困難である。そのため、放熱基板として用い
る場合は、窒化アルミニウム粉末を焼結した多結晶体か
らなる窒化アルミニウム焼結体が用いられている。However, it is difficult to produce a single crystal of aluminum nitride. Therefore, when it is used as a heat dissipation substrate, an aluminum nitride sintered body made of a polycrystalline body obtained by sintering aluminum nitride powder is used.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】一般に、窒化アルミニ
ウムの熱伝導率は、理論的には３２０Ｗ／ｍｋに達する
といわれている。しかし、放熱基板として製造されてい
る窒化アルミニウム焼結体は、多結晶体なので、粒界な
どの欠陥や結晶粒内に固溶した不純物などのためにフォ
ノンが散乱されている。It is generally said that the thermal conductivity of aluminum nitride theoretically reaches 320 W / mk. However, since the aluminum nitride sintered body manufactured as the heat dissipation substrate is a polycrystalline body, phonons are scattered due to defects such as grain boundaries and impurities dissolved in the crystal grains.
【０００６】その結果、窒化アルミニウム焼結体の熱伝
導率は大幅に低下してしまう。この窒化アルミニウム焼
結体の熱伝導率低下に対する最大の要因は、窒化アルミ
ニウム焼結体の結晶粒中に固溶した酸素である。As a result, the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body is significantly reduced. The most important factor for reducing the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body is oxygen dissolved in the crystal grains of the aluminum nitride sintered body.
【０００７】G. A. Slack （参考文献：G. A. Slack,
J. Phys. Ghem. Solids ３４，３２１（１９７３））
によれば、窒化アルミニウムの結晶粒中に酸素が固溶す
ると、電荷の中性条件からアルミニウム原子を格子位置
から放出して、アルミニウム空孔（ＶA1）を生成する。GA Slack (Reference: GA Slack,
J. Phys. Ghem. Solids 34, 321 (1973))
According to the above, when oxygen forms a solid solution in the crystal grains of aluminum nitride, aluminum atoms are released from the lattice position due to the neutral condition of electric charge, and aluminum vacancies ( VA1 ) are generated.
【０００８】この空孔（ＶA1）が窒化アルミニウム中を
移動するフォノンの散乱源となり、熱伝導率が低下して
しまう。The holes (V A1 ) serve as a scattering source of phonons moving in the aluminum nitride, resulting in a decrease in thermal conductivity.
【０００９】この問題に対する対策として、１８００℃
以上の高温で長時間窒化アルミニウムを加熱することに
よって、窒化アルミニウムの結晶粒中に存在する各種の
欠陥および粒界を除去することができる。そのため、長
時間加熱処理された高熱伝導窒化アルミニウム結晶体で
は、破壊源寸法が大きくなるなどの理由から、強度を上
げることが困難である。As a countermeasure against this problem, 1800 ° C.
By heating the aluminum nitride at the above high temperature for a long time, various defects and grain boundaries existing in the aluminum nitride crystal grains can be removed. Therefore, it is difficult to increase the strength of the high-thermal-conductivity aluminum nitride crystal body that has been heat-treated for a long time because the size of the fracture source becomes large.
【００１０】しかし、半導体装置に用いられるシリコン
基板の多層化による高集積化に伴い、半導体装置に使用
する放熱基板も大型化の傾向にある。そのため、窒化ア
ルミニウムにより形成される放熱基板に対して高熱伝導
化および高強度化が必要とされている。However, as the silicon substrate used in the semiconductor device is multi-layered to achieve higher integration, the heat dissipation substrate used in the semiconductor device also tends to increase in size. Therefore, it is necessary to increase the heat conductivity and the strength of the heat dissipation substrate formed of aluminum nitride.
【００１１】従来、セラミックの強度向上の手段とし
て、ウィスカなどを添加したり、構成する結晶粒を小さ
くすることが挙げられている。Conventionally, as a means for improving the strength of ceramics, it has been mentioned that whiskers or the like are added or the crystal grains constituting the ceramics are made small.
【００１２】しかし、これらの手法では、フォノンの散
乱源を窒化アルミニウムの焼結体内部に導入する結果と
なり、高熱伝導化を図ることが困難である。However, these methods result in the introduction of a phonon scattering source into the aluminum nitride sintered body, and it is difficult to achieve high thermal conductivity.
【００１３】また、特開平４−２０９７６７号公報にお
いては、表面を酸化したアルミナ層を形成し、強度を向
上させる方法も考えられている。しかし、そのために
は、ある程度基板の厚みが必要となり、その結果、窒化
アルミニウムの結晶体の熱伝導率が低下してしまう。Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 4-209767, a method of improving strength by forming an alumina layer whose surface is oxidized is also considered. However, for that purpose, the thickness of the substrate is required to some extent, and as a result, the thermal conductivity of the aluminum nitride crystal body is lowered.
【００１４】また、窒化アルミニウム焼結体は、耐食性
に関しても問題点を有している。たとえば、強酸溶液中
で窒化アルミニウム焼結体を使用すると、強酸のために
粒界が腐食されてしまう。The aluminum nitride sintered body also has a problem with respect to corrosion resistance. For example, when an aluminum nitride sintered body is used in a strong acid solution, grain boundaries are corroded due to the strong acid.
【００１５】その結果、窒化アルミニウム焼結体の粒界
の喪失に伴って、表面から窒化アルミニウム焼結体の結
晶粒が欠落してしまう。As a result, the crystal grain of the aluminum nitride sintered body is lost from the surface due to the loss of the grain boundary of the aluminum nitride sintered body.
【００１６】したがって、このような環境下での使用は
困難であり、窒化ケイ素セラミックスなどと比較して
も、構造材としての利用が進んでいない。Therefore, it is difficult to use it under such an environment, and its use as a structural material has not been advanced as compared with silicon nitride ceramics.
【００１７】この発明は、上記問題点を解決するために
なされたもので、窒化アルミニウム焼結体の表面近傍の
粒界を強化することによって、高熱伝導率を維持しなが
ら、強度および耐食性の向上を可能とする窒化アルミニ
ウム基板およびその製造方法を提供することを目的とす
る。The present invention has been made to solve the above problems, and strengthens the grain boundaries in the vicinity of the surface of an aluminum nitride sintered body to improve strength and corrosion resistance while maintaining high thermal conductivity. It is an object of the present invention to provide an aluminum nitride substrate and a manufacturing method thereof that enables
【００１８】[0018]
【課題を解決するための手段】この発明に基づいた窒化
アルミニウム基板においては、窒化アルミニウム基板の
表面から１０〜１００μｍの深さの領域にかけて、アル
ミニウムの酸窒化物からなる反応層と、この反応層の下
面から２００μｍの深さの領域にかけて、窒化アルミニ
ウムの結晶粒の粒界にアルミニウムの酸窒化物を含む強
化層とを有している。In the aluminum nitride substrate according to the present invention, a reaction layer made of an oxynitride of aluminum is provided in a region of a depth of 10 to 100 μm from the surface of the aluminum nitride substrate. And a strengthening layer containing aluminum oxynitride at the grain boundaries of the aluminum nitride crystal grains extending from the lower surface to a region having a depth of 200 μm.
【００１９】次に、この発明に基づいた窒化アルミニウ
ム基板の製造方法においては、以下の工程を備えてい
る。Next, the method for manufacturing an aluminum nitride substrate according to the present invention includes the following steps.
【００２０】まず、窒化アルミニウムの焼結体を所定気
圧の窒素雰囲気中において、所定時間加熱処理を行なう
ことにより、窒化アルミニウムの結晶粒径の大きさを５
μｍ以上とする。その後、この窒化アルミニウムの結晶
体の表面層の近傍に、所定量以上の酸素を含む酸化層を
形成する。First, the aluminum nitride sintered body is heat-treated in a nitrogen atmosphere at a predetermined atmospheric pressure for a predetermined time so that the crystal grain size of the aluminum nitride becomes 5 or less.
At least μm. Then, an oxide layer containing a predetermined amount or more of oxygen is formed near the surface layer of the aluminum nitride crystal body.
【００２１】次に、この窒化アルミニウムの焼結体を、
所定気圧の窒素雰囲気中において、所定時間加熱処理を
行なうことにより、表面から１０〜１００μｍの深さの
領域にかけて、アルミニウムの酸窒化物からなる反応層
と、この反応層の下面から２００μｍの深さの領域にか
けて、窒化アルミニウムの結晶粒の粒界にアルミニウム
の酸窒化物を含む強化層とを形成する。Next, the aluminum nitride sintered body was
By performing a heat treatment for a predetermined time in a nitrogen atmosphere at a predetermined atmospheric pressure, a reaction layer made of oxynitride of aluminum and a depth of 200 μm from the lower surface of the reaction layer are formed over a region having a depth of 10 to 100 μm from the surface. Over this region, a strengthening layer containing aluminum oxynitride is formed at the grain boundaries of the aluminum nitride crystal grains.
【００２２】[0022]
【作用】この発明に基づいた窒化アルミニウム基板およ
びその製造方法によれば、窒化アルミニウム基板の表面
から１０〜１００μｍの深さの領域にかけて、アルミニ
ウムの酸窒化物からなる表面層と、この表面層の下面か
ら２００μｍの深さの領域にかけて、窒化アルミニウム
の結晶粒の粒界にアルミニウムの酸化窒化物を含む強化
層とを有している。According to the aluminum nitride substrate and the method of manufacturing the same according to the present invention, a surface layer made of an oxynitride of aluminum and a surface layer of the surface layer of the aluminum nitride substrate are formed in a region of a depth of 10 to 100 μm from the surface of the aluminum nitride substrate. It has a strengthening layer containing aluminum oxynitride at the grain boundaries of aluminum nitride crystal grains from the lower surface to a region of a depth of 200 μm.
【００２３】この表面層を設けていることにより、窒化
アルミニウムに比べて、安定な酸化物層が表面に生成さ
れている。その結果、酸性溶液中においても、良好な耐
酸化性を示す。したがって、酸性溶液による粒界の腐食
を防止し、結晶粒の欠落なども抑制することが可能とな
る。By providing this surface layer, a stable oxide layer is formed on the surface as compared with aluminum nitride. As a result, good oxidation resistance is exhibited even in an acidic solution. Therefore, it is possible to prevent the grain boundaries from being corroded by the acidic solution and to suppress the loss of crystal grains.
【００２４】また、強化層を設けていることにより、窒
化アルミニウムの結晶粒の粒界の部分以外は、窒化アル
ミニウムの結晶粒が粒成長した形でそのまま残留したこ
ととなるため、熱伝導率が高い値のまま維持されてい
る。Further, since the reinforcing layer is provided, the aluminum nitride crystal grains remain as they are in the form of grain growth except the grain boundary portion of the aluminum nitride crystal grains, so that the thermal conductivity is improved. It remains high.
【００２５】さらに、窒化アルミニウムの結晶粒の粒界
に、アルミニウムの酸窒化物結晶を有している。その結
果、窒化アルミニウム基板の強度の向上を図ることが可
能となる。なお、上記基板上にメタライズした場合、メ
タライズした金属の種類を問わずメタライズ強度が４〜
２０ｋｇ／ｍｍ2 に向上する。Further, aluminum oxynitride crystals are provided at the grain boundaries of the aluminum nitride crystal grains. As a result, the strength of the aluminum nitride substrate can be improved. When metallized on the substrate, the metallization strength is 4 to 4 regardless of the type of metalized metal.
Improves to 20 kg / mm 2 .
【００２６】[0026]
【実施例】まず、この発明に基づいた第１の実施例につ
いて説明する。First, a first embodiment based on the present invention will be described.
【００２７】この発明において示される窒化アルミニウ
ム基板は、あらゆる市販の窒化アルミニウム焼結体から
製造することができる。The aluminum nitride substrate shown in the present invention can be manufactured from any commercially available aluminum nitride sintered body.
【００２８】まず、処理しようとする窒化アルミニウム
焼結体を、０．０１〜１０気圧の窒素雰囲気中におい
て、約１６００℃以上の温度で、０．５分〜１００時間
保持することにより、窒化アルミニウムの平均粒径を５
μｍ以上に結晶粒を成長させる。First, the aluminum nitride sintered body to be treated is kept at a temperature of about 1600 ° C. or higher for 0.5 minutes to 100 hours in a nitrogen atmosphere of 0.01 to 10 atmospheres to obtain aluminum nitride. Average particle size of 5
The crystal grains are grown to a size of μm or more.
【００２９】以上のように処理した焼結体の表面もしく
はその近傍に、以下に示す（１）〜（４）の手法を用い
て、酸化層を形成する。このとき酸化層中の酸素濃度
は、焼結体表面の均一な酸化膜を形成する上で３０ｗｔ
％以上であることが好ましい。An oxide layer is formed on the surface of the sintered body treated as described above or in the vicinity thereof by the following methods (1) to (4). At this time, the oxygen concentration in the oxide layer is 30 wt in order to form a uniform oxide film on the surface of the sintered body.
% Or more is preferable.
【００３０】この酸化層を形成する方法に関しては、以
下の４つの方法を用いることができる。Regarding the method of forming this oxide layer, the following four methods can be used.
【００３１】（１） 大気などの酸化雰囲気中におい
て、窒化アルミニウム焼結体を６００℃以上の温度で加
熱する。(1) The aluminum nitride sintered body is heated at a temperature of 600 ° C. or higher in an oxidizing atmosphere such as air.
【００３２】（２） Ａｌ2 Ｏ3 やアルミニウムの酸窒
化物、もしくはＩＩａ，ＩＩＩａ族の金属酸化物や遷移
金属の酸化物の粉末について、これら単体もしくは２種
以上の混合粉を、有機溶剤（たとえばテルピネオール）
と混合し、その混合物を窒化アルミニウム焼結体の表面
に塗布する。(2) For powders of Al 2 O 3 or oxynitride of aluminum, or metal oxides of Group IIa or IIIa or oxides of transition metals, a single powder or a mixed powder of two or more of these is mixed with an organic solvent ( (For example, terpineol)
And the mixture is applied to the surface of the aluminum nitride sintered body.
【００３３】（３） 酸化イオンを、窒化アルミニウム
焼結体の表面にイオン注入する。 （４） 非平衡もしくは熱平衡酸素イオンプラズマに、
窒化アルミニウム焼結体の表面を接触させる。(3) Oxide ions are ion-implanted into the surface of the aluminum nitride sintered body. (4) For non-equilibrium or thermal equilibrium oxygen ion plasma,
The surfaces of the aluminum nitride sintered bodies are brought into contact with each other.
【００３４】以上（１）〜（４）のうちのいずれかの方
法により、窒化アルミニウム焼結体の表面に酸化層を形
成する。An oxide layer is formed on the surface of the aluminum nitride sintered body by any one of the above methods (1) to (4).
【００３５】その後、窒化アルミニウム焼結体を０．０
１〜１０気圧の窒素雰囲気下において、１２００℃以上
の温度で加熱処理を行ない、窒化アルミニウム焼結体の
表面に存在している酸素を、窒化アルミニウム焼結体の
内部に拡散させる。Then, the aluminum nitride sintered body was added to 0.0
In a nitrogen atmosphere of 1 to 10 atm, heat treatment is performed at a temperature of 1200 ° C. or higher to diffuse oxygen existing on the surface of the aluminum nitride sintered body into the aluminum nitride sintered body.
【００３６】このとき、酸素は、窒化アルミニウムの結
晶粒内部での反応拡散と、結晶粒の粒界を通る粒界拡散
とによって窒化アルミニウム結晶体内部を移動してい
く。At this time, oxygen moves inside the aluminum nitride crystal body by the reaction diffusion inside the crystal grain of aluminum nitride and the grain boundary diffusion passing through the grain boundary of the crystal grain.
【００３７】このときの酸素の拡散係数は、反応拡散と
粒界拡散を比較した場合、粒界拡散の方が約１００倍以
上大きな値となる。The oxygen diffusion coefficient at this time is about 100 times or more larger in the grain boundary diffusion when the reaction diffusion and the grain boundary diffusion are compared.
【００３８】その結果、窒化アルミニウム焼結体の表面
からの進入深さは、粒界拡散の方が長距離に及ぶ。As a result, the penetration depth from the surface of the aluminum nitride sintered body is longer for grain boundary diffusion.
【００３９】このとき、窒化アルミニウムの結晶の粒界
において、酸素は、アルミニウム，窒素および処理過程
で導入した金属と、アルミニウムの酸窒化物の結晶層を
形成する。At this time, at the grain boundaries of the aluminum nitride crystal, oxygen forms a crystal layer of aluminum oxynitride and aluminum, nitrogen and the metal introduced in the treatment process.
【００４０】なお、窒化アルミニウム結晶体について
は、製造過程で生じた焼結助剤が残留し、上記窒化アル
ミニウムの結晶粒の粒界拡散の速度に影響を及ぼす可能
性はあるが、酸素の拡散は基本的に熱酸化過程をとるの
で、処理温度を調節することにより、酸素を拡散させる
ことが望ましい。With respect to the aluminum nitride crystal body, the sintering aid generated in the manufacturing process remains, which may affect the rate of grain boundary diffusion of the above-mentioned aluminum nitride crystal grains, but the diffusion of oxygen. Since oxygen basically takes a thermal oxidation process, it is desirable to diffuse oxygen by adjusting the processing temperature.
【００４１】上記手法を用いて、作製した窒化アルミニ
ウム基板は、図１を参照して、基板表面から１０〜１０
０μｍの範囲の深さに、アルミニウム酸窒化物からなる
表面層１２が形成されている。The aluminum nitride substrate produced by the above method is shown in FIG.
The surface layer 12 made of aluminum oxynitride is formed to a depth of 0 μm.
【００４２】さらに、この表面層の下面から２００μｍ
の範囲の深さにおいて、窒化アルミニウム結晶１４の粒
界がアルミニウム酸窒化物の結晶１６で強化された強化
層１８が形成されている。Further, from the lower surface of this surface layer, 200 μm
In the depth of the range, the strengthening layer 18 in which the grain boundaries of the aluminum nitride crystal 14 are strengthened by the aluminum oxynitride crystal 16 is formed.
【００４３】なお、図１に示す窒化アルミニウム基板の
断面図は、μ−ＸＲＤ（マイクロＸ線アナライザ）を用
いて測定した。The sectional view of the aluminum nitride substrate shown in FIG. 1 was measured by using a μ-XRD (micro X-ray analyzer).
【００４４】以上、この実施例によって得られた窒化ア
ルミニウム基板は、表面にアルミニウム酸窒化物からな
る表面層１２を設けていることにより、酸性溶液中にお
いても、良好な耐酸化性を得ることができる。したがっ
て、酸性溶液による粒界の腐食を防止し、結晶粒の欠落
なども抑制することが可能となる。As described above, since the aluminum nitride substrate obtained in this example is provided with the surface layer 12 made of aluminum oxynitride on the surface, good oxidation resistance can be obtained even in an acidic solution. it can. Therefore, it is possible to prevent the grain boundaries from being corroded by the acidic solution and to suppress the loss of crystal grains.
【００４５】また、強化層１８を設けることにより、窒
化アルミニウムの結晶粒の粒界の部分以外は、窒化アル
ミニウムの結晶粒が粒成長した形でそのまま残留したこ
ととなるため、熱伝導率が高い値のまま維持されてい
る。さらに、窒化アルミニウムの結晶粒の粒界に、アル
ミニウム酸窒化物結晶を有している。その結果、窒化ア
ルミニウム基板の強度の向上を図ることが可能となる。Further, by providing the strengthening layer 18, the aluminum nitride crystal grains are left as they are in the form of grain growth except the grain boundary portions of the aluminum nitride crystal grains, so that the thermal conductivity is high. The value is maintained. Further, aluminum oxynitride crystals are provided at the grain boundaries of the aluminum nitride crystal grains. As a result, the strength of the aluminum nitride substrate can be improved.
【００４６】次に、この発明に基づいた第２の実施例に
ついて説明する。まず、使用した窒化アルミニウムの結
晶体は、含有酸素が０．４ｗｔ％以下で、他の不純物含
有量が１００ｐｐｍ以下である。Next, a second embodiment based on the present invention will be described. First, the aluminum nitride crystal used has an oxygen content of 0.4 wt% or less and a content of other impurities of 100 ppm or less.
【００４７】この窒化アルミニウム結晶体を１気圧の窒
素雰囲気中において、１８５０℃で５時間加熱した。こ
のときの窒化アルミニウム結晶体の平均粒径は、１５μ
ｍに達した。This aluminum nitride crystal was heated at 1850 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere at 1 atm. The average grain size of the aluminum nitride crystal body at this time is 15 μm.
reached m.
【００４８】次に、上記第１の実施例に示した酸化層の
形成方法（２）に従い、平均粒径０．６μｍ，純度９
９．９９％Ａｌ2 Ｏ3 粉末を、有機溶剤（テルピネオー
ル）に混合しペースト状にして、Ａｌ2 Ｏ3 混合物を形
成して、上記窒化アルミニウム焼結体の表面に塗布す
る。このときのＡｌ2 Ｏ3 混合物層の厚みは１５０μｍ
である。Next, according to the method (2) for forming an oxide layer shown in the first embodiment, the average particle size is 0.6 μm and the purity is 9
9.99% Al 2 O 3 powder is mixed with an organic solvent (terpineol) to form a paste to form an Al 2 O 3 mixture, which is applied to the surface of the aluminum nitride sintered body. At this time, the thickness of the Al 2 O 3 mixture layer is 150 μm.
Is.
【００４９】次に、このＡｌ2 Ｏ3 混合物が塗布された
窒化アルミニウム焼結体を１気圧の窒素雰囲気中におい
て、１８５０℃で２時間加熱処理を行なう。Next, the aluminum nitride sintered body coated with this Al 2 O 3 mixture is heat-treated at 1850 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere at 1 atm.
【００５０】この加熱処理の後、Ａｌ2 Ｏ3 混合物の塗
布層と窒化アルミニウム焼結体の接合界面においては、
この接合界面から窒化アルミニウム焼結体中に、酸素の
反応拡散と粒界拡散とが同時に起こっている。After this heat treatment, at the bonding interface between the coating layer of the Al 2 O 3 mixture and the aluminum nitride sintered body,
Oxygen reaction diffusion and grain boundary diffusion occur simultaneously in the aluminum nitride sintered body from this bonding interface.
【００５１】この塗布層が形成された窒化アルミニウム
焼結体の塗布面に垂直に切断した断面について、電子プ
ローブＸ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて測
定した酸素濃度分布図を図２に示す。FIG. 2 shows an oxygen concentration distribution map measured by an electron probe X-ray microanalyzer (EPMA) on a cross section of the aluminum nitride sintered body on which the coating layer is formed, which is cut perpendicularly to the coating surface.
【００５２】図２を参照して、図中白色に近い部分は酸
素濃度の値が高い領域を示し、黒色に近い領域が酸素濃
度の値が低い領域を示している。Referring to FIG. 2, a portion close to white in the drawing shows a region having a high oxygen concentration value, and a region close to black shows a region having a low oxygen concentration value.
【００５３】この図から、反応拡散によって形成した表
面層の厚みは約８０μｍである。また粒界拡散によって
移動した酸素は、１８０μｍの深さにまで達している。From this figure, the thickness of the surface layer formed by reaction diffusion is about 80 μm. Oxygen transferred by grain boundary diffusion reaches a depth of 180 μm.
【００５４】また、図３に、窒化アルミニウムの結晶粒
の粒界に生成した、酸窒化物結晶層の透過型電子顕微鏡
（ＴＥＭ）写真を示す。Further, FIG. 3 shows a transmission electron microscope (TEM) photograph of the oxynitride crystal layer formed at the grain boundary of the aluminum nitride crystal grain.
【００５５】次に、この窒化アルミニウムの焼結体につ
いて、熱伝導率を測定した結果、２０２Ｗ／ｍｋであっ
た。この値は、処理前の窒化アルミニウムの焼結体の熱
伝導率と比較して、１０〜２０Ｗ／ｍｋ程度低い値であ
る。また、３点曲げ強度に関しては、処理前が３２．８
ｋｇ／ｍｍ2 に対して、処理後の窒化アルミニウムの焼
結体では、４６．３ｋｇ／ｍｍ2 であった。Next, the thermal conductivity of this aluminum nitride sintered body was measured and found to be 202 W / mk. This value is about 10 to 20 W / mk lower than the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body before the treatment. Also, regarding the three-point bending strength, it is 32.8 before the treatment.
relative kg / mm 2, the sintered body of aluminum nitride after treatment was 46.3kg / mm 2.
【００５６】以上の結果より、熱伝導率は多少低下して
いるものの、実用に耐える範囲であり、強度に関しては
上昇していることがわかる。From the above results, it can be seen that although the thermal conductivity is slightly lowered, it is within the range for practical use and the strength is increased.
【００５７】また、この焼結体を１０Ｎの硝酸溶液中に
約１時間入れたところ、処理前の窒化アルミニウム焼結
体では、重量減少量が２０％にまで及んだのに対して、
処理をした窒化アルミニウムの焼結体では、ほとんど重
量減少が生じなかった。When this sintered body was placed in a 10N nitric acid solution for about 1 hour, the weight loss of the aluminum nitride sintered body before the treatment reached 20%.
The treated aluminum nitride sintered body showed almost no weight loss.
【００５８】次に、この発明に基づいた第３の実施例に
ついて説明する。まず、使用した窒化アルミニウムの焼
結体は、含有酸素量が０．４ｗｔ％以下で、他の不純物
量が１００ｐｐｍ以下である。Next, a third embodiment based on the present invention will be described. First, the used aluminum nitride sintered body has an oxygen content of 0.4 wt% or less and other impurities of 100 ppm or less.
【００５９】この窒化アルミニウム焼結体を１気圧の窒
素雰囲気中において１８５０℃で５時間加熱した。この
とき、窒化アルミニウム焼結体の平均粒径は、１５μｍ
に達した。This aluminum nitride sintered body was heated at 1850 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere at 1 atm. At this time, the average grain size of the aluminum nitride sintered body was 15 μm.
Reached
【００６０】次に、上述した実施例１において、酸化層
の形成方法（３）の方法に従い、窒化アルミニウムの焼
結体の表面に酸素イオンを注入して、酸化層を形成し
た。Next, in Example 1 described above, according to the method of forming an oxide layer (3), oxygen ions were implanted into the surface of the aluminum nitride sintered body to form an oxide layer.
【００６１】その後、この窒化アルミニウムの焼結体を
１気圧の窒素雰囲気中において、１８５０℃で２時間加
熱を行なった。加熱処理の後、形成された窒化アルミニ
ウム基板には、表面に形成された表面層の厚みは約３５
μｍであり、強化層については、２７μｍの厚みを有し
ていた。Thereafter, this aluminum nitride sintered body was heated at 1850 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere of 1 atm. After the heat treatment, the thickness of the surface layer formed on the surface of the formed aluminum nitride substrate is about 35.
The reinforcing layer had a thickness of 27 μm.
【００６２】この窒化アルミニウム基板について、熱伝
導率と３点曲げ強度を測定したところ、それぞれ２２５
Ｗ／ｍｋ、４１．３ｋｇ／ｍｍ2 であった。The thermal conductivity and the three-point bending strength of this aluminum nitride substrate were measured and found to be 225.
It was W / mk and 41.3 kg / mm 2 .
【００６３】また、上記窒化アルミニウム基板におい
て、酸素を拡散させなかった窒化アルミニウム焼結体の
表面酸化焼結体についても、熱伝導率と強度を測定した
ところ、それぞれ２２１Ｗ／ｍｋ、３７．５ｋｇ／ｍｍ
2 であった。Further, the thermal conductivity and the strength of the surface oxidized sintered body of the aluminum nitride sintered body in which oxygen was not diffused in the above-mentioned aluminum nitride substrate were also measured and found to be 221 W / mk and 37.5 kg /, respectively. mm
Was 2 .
【００６４】酸素の拡散前と拡散後とでは、強度が上昇
していることがわかる。これは、拡散によって生成した
強化層が存在するためである。It can be seen that the strength is increased before and after the diffusion of oxygen. This is because there is a reinforcing layer generated by diffusion.
【００６５】また、熱伝導率に関してはほとんど変化し
ていない。これは、粒界強化層において結晶粒の部分が
窒化アルミニウムの結晶のまま存在しているためであ
る。Further, there is almost no change in the thermal conductivity. This is because the crystal grain portions of the grain boundary strengthening layer remain as aluminum nitride crystals.
【００６６】[0066]
【発明の効果】以上説明したようにこの発明に基づいた
窒化アルミニウム基板およびその製造方法によれば、窒
化アルミニウム基板の表面から１０〜１００μｍの深さ
の領域にかけて、アルミニウム酸窒化物からなる表面層
と、この表面層の下面から２００μｍの深さの領域にか
けて窒化アルミニウムの結晶粒の粒界にアルミニウム酸
窒化物を含む強化層とを設けている。As described above, according to the aluminum nitride substrate and the method of manufacturing the same according to the present invention, the surface layer made of aluminum oxynitride extends from the surface of the aluminum nitride substrate to the region of 10 to 100 μm in depth. And a strengthening layer containing aluminum oxynitride at the grain boundaries of the aluminum nitride crystal grains from the lower surface of the surface layer to a region having a depth of 200 μm.
【００６７】この表面層を設けていることにより、窒化
アルミニウムに比べて安定な基板となる。By providing this surface layer, the substrate becomes more stable than aluminum nitride.
【００６８】その結果、酸性溶液中においても、良好な
耐酸化性を示す。したがって、酸性溶液による粒界の腐
食を防止し、結晶粒の欠落なども抑制することが可能と
なる。As a result, good oxidation resistance is exhibited even in an acidic solution. Therefore, it is possible to prevent the grain boundaries from being corroded by the acidic solution and to suppress the loss of crystal grains.
【００６９】また、強化層を設けていることにより、窒
化アルミニウムの結晶粒の粒界の部分以外は、窒化アル
ミニウムの結晶粒が粒成長した形でそのまま残留したこ
ととなるため、熱伝導率が高い値のまま維持されてい
る。Further, since the reinforcing layer is provided, the aluminum nitride crystal grains remain as they are in the form of grain growth except the grain boundaries of the aluminum nitride crystal grains, so that the thermal conductivity is improved. It remains high.
【００７０】さらに、窒化アルミニウムの結晶粒の粒界
にアルミニウム酸窒化物結晶を有している。その結果窒
化アルミニウム基板の強度の向上を図ることが可能とな
る。Further, aluminum oxynitride crystals are provided at the grain boundaries of the aluminum nitride crystal grains. As a result, the strength of the aluminum nitride substrate can be improved.
【００７１】以上により、高熱伝導率を維持しながら、
強度および耐食性の向上を達成する信頼性の高い窒化ア
ルミニウム基板を提供することが可能となる。From the above, while maintaining high thermal conductivity,
It is possible to provide a highly reliable aluminum nitride substrate that achieves improved strength and corrosion resistance.
【図１】この発明に基づいた窒化アルミニウム基板の結
晶構造を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a crystal structure of an aluminum nitride substrate according to the present invention.
【図２】この発明に基づいた第２の実施例における窒化
アルミニウム基板の酸素濃度分布を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an oxygen concentration distribution of an aluminum nitride substrate according to a second embodiment of the present invention.
【図３】この発明に基づいた第２の実施例における強化
層に形成された酸窒化物結晶層の透過型電子顕微鏡で見
た様子を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a state of an oxynitride crystal layer formed in a reinforcing layer in a second embodiment based on the present invention, as viewed with a transmission electron microscope.
１０ 窒化アルミニウム基板表面 １２ 表面層 １４ 窒化アルミニウム結晶 １６ アルミニウム酸窒化物結晶からなる粒界 １８ 強化層 なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。 10 Aluminum Nitride Substrate Surface 12 Surface Layer 14 Aluminum Nitride Crystal 16 Grain Boundary 18 Made of Aluminum Oxynitride Crystal 18 Reinforcement Layer In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding portions.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０４Ｂ 41/87 Ｍ Ｈ０１Ｌ 23/15 Ｈ０５Ｋ 1/03 Ｂ 7011−4Ｅ 3/38 Ａ 7011−4Ｅ (72)発明者 山川 晃 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display location C04B 41/87 M H01L 23/15 H05K 1/03 B 7011-4E 3/38 A 7011-4E ( 72) Inventor Akira Yamakawa 1-1-1 Kunyo Kita, Itami City, Hyogo Prefecture, Sumitomo Electric Industries Itami Works
Claims (2)
アルミニウム基板において、 前記窒化アルミニウム基板の表面から１０〜１００μｍ
の深さの領域にかけて、アルミニウムの酸化窒化物から
なる反応層と、 前記反応層の下面から２００μｍの深さの領域にかけて
窒化アルミニウムの結晶粒の粒界にアルミニウムの酸窒
化物を含む強化層と、を有する窒化アルミニウム基板。1. An aluminum nitride substrate made of a sintered body of aluminum nitride, wherein the surface of the aluminum nitride substrate is 10 to 100 μm.
A reaction layer made of oxynitride of aluminum over a region having a depth of, and a strengthening layer containing oxynitride of aluminum at a grain boundary of crystal grains of aluminum nitride at a depth of 200 μm from a lower surface of the reaction layer. And an aluminum nitride substrate having.
窒素雰囲気中において、所定時間加熱処理を行なうこと
により、窒化アルミニウムの結晶粒径の大きさを５μｍ
以上にする工程と、 前記窒化アルミニウムの焼結体の表面層の近傍に所定量
以上の酸素を含む酸化層を形成する工程と、 前記窒化アルミニウムの焼結体を所定気圧の窒素雰囲気
下において、所定時間加熱処理を加えることにより、表
面から１０〜１００μｍの深さの領域にかけてアルミニ
ウムの酸窒化物からなる反応層と、この反応層の下面か
ら２００μｍの深さの領域にかけて窒化アルミニウムの
結晶粒の粒界にアルミニウムの酸窒化物を含む強化層と
を形成する工程と、を備えた窒化アルミニウム基板の製
造方法。2. The crystal grain size of aluminum nitride is 5 μm by heat-treating the aluminum nitride sintered body in a nitrogen atmosphere at a predetermined atmospheric pressure for a predetermined time.
The above steps, the step of forming an oxide layer containing a predetermined amount or more of oxygen in the vicinity of the surface layer of the aluminum nitride sintered body, and the aluminum nitride sintered body under a nitrogen atmosphere at a predetermined pressure, By performing heat treatment for a predetermined time, a reaction layer made of an aluminum oxynitride is formed in a region having a depth of 10 to 100 μm from the surface, and a crystal grain of aluminum nitride is formed in a region having a depth of 200 μm from the lower surface of the reaction layer. And a step of forming a strengthening layer containing an aluminum oxynitride at a grain boundary.
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| JP15751293A JP3486917B2 (en) | 1993-06-28 | 1993-06-28 | Aluminum nitride substrate and method of manufacturing the same |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100848288B1 (en) * | 2007-06-18 | 2008-07-25 | (주)에이엠피테크놀로지 | Laminated structure having high resistance metal thin film of enhanced durability and reliability and forming method thereof |
| JP2010132525A (en) * | 2008-03-25 | 2010-06-17 | Panasonic Electric Works Co Ltd | Aluminum nitride substrate with oxide layer, aluminum nitride sintered compact, processes for producing them, circuit board, and led module |
| JPWO2022014410A1 (en) * | 2020-07-13 | 2022-01-20 | ||
| CN117756555A (en) * | 2023-12-22 | 2024-03-26 | 江苏富乐华半导体科技股份有限公司 | Preparation method of high-reliability aluminum nitride aluminum-coated substrate |
-
1993
- 1993-06-28 JP JP15751293A patent/JP3486917B2/en not_active Expired - Fee Related
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