JPH0794355B2 - 金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体に関
する。更に詳しくいえば、高温での強度が高く、信頼性
の高い均一な金属化面を有し、各種電子材料用絶縁基板
等として有用な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 一般に、半導体デバイス、素子はその動作を行わせるの
に不可欠な能動素子と、各種目的で形成される絶縁膜、
電極の他、抵抗素子、容量素子などの受動素子を含み、
これらは動作中に発熱するという問題を有している。従
って、これ等素子等を安定かつ高信頼度で動作させるた
めには実装の際に最良の熱設計を行い、発生する熱を効
率良く外部環境に放出し得る十分な放熱構造を与える必
要がある。

この発熱の問題は半導体装置の高速動作化、高集積化の
最近の動向に伴って一層顕著なものとなっており、ICチ
ップ当たりの発熱量の増大に追随できる放熱構造、基板
材料の開発が必要とされるようになってきた。

従来のIC基板用セラミックスとしてはアルミナが一般的
であったが、このアルミナ基板の放熱性は十分とはいえ
ず、従って半導体デバイスの上記のような動向に十分対
応できなくなりつつある。そこで、このようなアルミナ
に代る放熱特性、電気絶縁性に優れた基板材料等の開発
が必要となり、高熱伝導率かつ高電気絶縁特性を有する
窒化アルミニウムが注目され、これを実用化するために
多数の研究がなされている。

窒化アルミニウムを含めたセラミックスは、一般に耐熱
性、耐熱衝撃特性、高温時の機械的強度、耐摩耗性ある
いは高絶縁性等の種々の興味ある特性を有しているの
で、広範な分野で好適な材料として利用されているが、
一般に金属との接合性の点で不十分であり、IC、LSI等
の基板として使用するには、ワイヤボンド、ダイボンド
用パッド等の形成が必要となるので、この点を改善する
必要がある。即ち、一般には予め窒化アルミニウム焼結
体表面に金属化面を施さなければならない。

従来、セラミックス表面に金属化面を形成する方法とし
ては、メタライズペーストをセラミックス表面にスクリ
ーン印刷した後、焼成する方法、高活性金属（Ti、Zr
等）をセラミックス表面に載せ真空容器内あるいは不活
性雰囲気内で加熱する活性金属法あるいは物理蒸着、化
学蒸着法などが利用されていた。

しかしながら、上記厚膜法により得られる金属化層はセ
ラミックスとの接着強度が低い。即ち、この方法で使用
される金属ペースト中に含まれる成分は殆どの場合にお
いて、金属およびガラス成分であり、従って金属とセラ
ミックス基板との接着ではこれらの間にガラス層が介在
することになり、本質的に基板と金属との直接結合によ
るものではないことが接着強度の低下につながってい
る。また、厚膜法によって金属化面を形成する場合、基
板の表面に液相が生じるために表面の状態、処理温度な
どによって濡れ性が大きく影響されるので該メタライズ
層の厚みの制御は難しく、目的とする厚さの金属化面を
有する製品を効率良く得ることができない。更に、界面
近傍の反応機構が複雑なために均一な反応相の生成が困
難であり、結果として強度のバラツキが大きく、接合強
度の信頼性が乏しくなる。

発明が解決しようとする問題点 上で述べたように、窒化アルミニウムは電気絶縁性かつ
熱伝導率が極めて良好であることから良好な放熱性が要
求されるIC絶縁基板あるいはヒートシンク材料として期
待されているが、このような用途に対し直接適用するこ
とはできず、予め所定の表面処理を施す必要があった。
即ち、窒化アルミニウム焼結体は直接金属と接合するこ
とが困難であり、そのために従来から各種方法が提案さ
れてきた。しかしながら、従来から範用されてきた厚膜
法は既に述べたような各種問題点を有しており、改良の
余地が残されている。

そこで、厚膜法と比較して膜厚の制御性が良く、均一性
を確保でき、しかも得られる膜の接合強度が高く、信頼
性の向上が期待できると共に用途範囲が広いと考えられ
る蒸着法に着目し、これを応用した新しい金属化面を有
する窒化アルミニウム焼結体を得ることを検討した。

この蒸着法を利用した金属膜積層セラミックスが特開昭
59−57976号公報に開示されている。この金属化セラミ
ックスは夫々物理蒸着法で形成した、少なくとも１種の
IV a族元素の第１金属層、少なくとも１種のVI a族元素
の第２金属層および物理蒸着法あるいはメッキ法により
形成された少なくとも１種のIa族元素の第３金属層の三
層構造の積層膜を有するものである。また、第２層と第
３層との間にVIII族元素の第４の金属層を設けた４層構
造の積層膜を有するセラミックスをも開示している。

また、特開昭59−121175号は窒化アルミニウム焼結体に
表面処理を施し、次いで金属化することを特徴とする放
熱体の製法を開示しており、この表面処理としては粗面
加工、酸化処理などが例示されている。

しかしながら、後者の表面酸化処理、例えば窒化アルミ
ニウム焼結体を空気中にて1,200℃で１時間加熱するな
どの方法によれば、酸化反応中にN₂ガスが発生する可能
性があり、従って得られる酸化膜は著しく多孔質のもの
となる可能性が高いので、緻密性、膜の接合強度等の点
で問題となり、金属化層との接合強度の問題は改善され
ない。

そこで、本発明の目的は、特に後者の窒化アルミニウム
焼結体を表面処理する工程の改良を行い、接合強度のバ
ラツキがなく、高信頼度の金属化面を有する窒化アルミ
ニウム焼結体の製造方法を提供することにある。

問題点を解決するための手段 本発明者等は良好な電気絶縁性、熱伝導性を有する窒化
アルミニウム焼結体を半導体デバイス、特に集積密度の
向上が図られ大量の発熱を伴うIC、LSI等の基板として
使用し得るものとするため、上記のような従来法の現状
に照らして、その他の金属との高い接合強度、高信頼度
を達成すべく種種検討、研究を続けた結果、窒化アルミ
ニウム並びに金属化面形成材料のいずれとも比較的満足
な濡れ性、接合強度を確保できる酸化アルミニウム膜を
まず適用し、次いで金属化層材料を適用することが有利
であることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明の金属化面を有する窒化アルミニウム焼結
体の製造方法は、窒化アルミニウム焼結体基板と、その
上に設けられた酸化アルミニウム層と、物理蒸着法によ
り該酸化アルミニウム層上に設けられた、少なくとも１
種の周期律表第IV a、Va、VI a、VIII族元素の少なくと
も１層の金属層とで構成されることを特徴とする製造方
法である。

ここで、酸化アルミニウム層の厚さは0.5〜3.0μｍの範
囲内とすることが好ましく、特に上限（3.0μｍ）は重
要である。というのは酸化アルミニウムは窒化アルミニ
ウムと比較して熱伝導性が劣るので、余り厚くすると窒
化アルミニウム自体の高い放熱特性を有効に活用するこ
とができなくなるためである。一方、下限の値（0.5μ
ｍ）は窒化アルミニウムと金属化層との十分な接合強度
を確保するのに必要とされる最低の膜厚を意味する。

この酸化アルミニウム層の形成は、様々な方法を利用し
て行うことができ、例えばAr＋O₂雰囲気中で800〜1,000
℃でAlCl₃と水との混合物（モル比2:3混合物）を化学気
相蒸着する方法、RFスパッタ法により300〜550℃で成膜
する方法、あるいはイオンプレーティング、電子ビーム
加熱方式による真空蒸着法などが利用できる。

更に、少なくとも１層の金属層を物理蒸着によって該酸
化アルミニウム膜上に適用するが、この金属層材料とし
てはIb族例えばCu、Ag、Au、IV a族例えば、Ti、Zr、H
f、Va族例えばＶ、Nb、Ta、VI a族例えば、Cr、Mo、
Ｗ、VIII族例えばNi、Pd、Ptなどを挙げることができ、
これらは特にスパッタリング、真空蒸着、イオンプレー
ティング法によって適用する。

この金属層は複数の積層構造であってもよく、この場合
にはまず、最内層（酸化アルミニウム層と接する層）に
高活性金属のTi、Zr、Hf（第IV a族元素）を選ぶことが
好ましく、また中でもTiが酸素との親和性に優れている
ことから特に好ましく、例えばTiを選択した場合には第
１層／第２層／第３層としてTi/Mo/Ni、Ti/Mo/Auおよび
Ti/Pt/Auなどの組合せとして堆積する。

尚、これら各金属層は２種以上の元素の組合せで構成さ
れてもよいことはいうまでもない。この金属層の厚さは
特に制限はないが、一般には加工の容易さ等の観点から
全体として0.1〜５μｍ程度で十分である。

また、本発明において有用な基板としての窒化アルミニ
ウム焼結体は従来公知の任意の方法で得られたものであ
り得るが、この窒化アルミニウムはその粉末自体が極め
て焼結性に劣るために、粉末成形後焼結して得られる焼
結体は多くの場合多量の気孔を有し、熱伝導性の悪いも
のとなってしまう。これは、窒化アルミニウム焼結体の
如き絶縁性セラミックスの熱伝導機構が、この窒化アル
ミニウムがイオン結合、共有結合で構成されているため
に、主として格子振動間の非調和相互作用によるフォノ
ン伝導を主体としているので、多量の気孔、不純物等の
欠陥を有する場合には、フォノン散乱が著しく、その結
果低熱伝導度のものしか得られないことによるものであ
る。

そこで、本発明者等が開発した緻密質かつ良好な熱伝導
率を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法により得
られたものを使用することが好ましく、その方法は1.8
重量％以下の酸素含有率の窒化アルミニウム粉末にイッ
トリウムおよびセリウムのアルコキシドからなる群から
選ばれた少なくとも１種の溶液をイットリウムまたはCe
換算で0.1〜10重量％添加し、混合・分解した後成形
し、1,700〜2,200度の範囲内の温度で非酸化性雰囲気下
で常圧焼結することからなる（特願昭60−184635号明細
書参照）。しかしながら、この例に限らず、緻密質かつ
良好な熱伝導率を有するものであれば制限されず、例え
ば上記特開昭59−121175号明細書に開示されているもの
などを挙げることができる。

以上述べたことから、本発明の金属化面を有する窒化ア
ルミニウムの製法は明らかであると思われるが、方法の
流れを簡単に述べると、まず窒化アルミニウム基板を準
備し、その上に上記のいずれかの方法に従って0.5〜3.0
μｍの範囲内の厚さの酸化アルミニウム層を形成する。
次いで周期律表の第Ib、IV a、Va、VI aおよびVIII族元
素から選ばれた少なくとも１種の元素を物理蒸着法で堆
積し、必要に応じてこの操作を繰返して同一もしくは異
る元素もしくはその組合せの複数の層からなる積層構造
の金属層を形成する。

かくして得られた製品の品質は引張強度測定、走査顕微
鏡（SEM）による組織観察あるいはEMPAによる各界面
（または境界層）における元素分布の調査などによって
評価することができる。

作用 窒化アルミニウム焼結体の他の金属との接合性を改善す
ることは、その有する興味ある特性を、半導体デバイス
用基板材料等として実用化する上で極めて重要である。
従来の、特に窒化アルミニウム焼結体表面を、まず表面
処理し、次いで金属化層を形成する方法において、表面
処理を酸化処理で行う場合には既に述べたように酸化処
理中に発生するガスの影響が避けられず、十分な強度の
金属化製品を得ることができなかった。

しかしながら、本発明に従って、物理蒸着法あるいは化
学蒸着法によって酸化アルミニウム自体を堆積させ、こ
の層を介して金属化層を設けることにより十分な満足で
きる接合強度の窒化アルミニウム製品を得ることができ
る。この酸化アルミニウムは窒化アルミニウム並びに金
属両者に対して比較的良好な濡れ性、親和性を有するた
めこれらの間の接合性を保証する上で極めて有効であ
る。

また、金属層を複数の層の積層構造とする場合、最内層
即ち酸化アルミニウム層側に高活性金属であるIV a族金
属、特に酸素との親和性に優れたTi層を配置することに
より、窒化アルミニウム−金属化層間の密着性、接合強
度を大巾に改善することができる。

上記金属層を物理蒸着法、特にイオンプレーティング法
で実施しているので、加速された金属イオン等が十分な
エネルギーで基板に衝突するため、その運動エネルギー
によって金属と基板との間に結合が生じ、そのために窒
化アルミニウム基板と強固に結合した金属層が得られ
る。また、反応が比較的単純で副生成物の形成が起こり
難く、気相反応であって液相反応を経ることがないので
信頼性の高い均一な金属層が得られる。更に、物理蒸着
法は蒸着時間の制御のみによって所定の厚さの金属層が
得られるので、金属層の厚さの制御が極めて容易であ
り、設計通りの膜厚の金属層を自由に得ることができ
る。

従って、本発明の金属化面を有する窒化アルミニウム焼
結体は各電子材料用絶縁体、例えば半導体デバイス用絶
縁基板などの他、その高い放熱性を活かしたヒートシン
クなどとして広い応用範囲を有し、これを使用すること
によって各種半導体デバイス等の有する機能を十二分に
発揮させることが可能となる。

実施例 以下、実施例および比較例によって本発明の金属化面を
有するAl N焼結体を更に具体的に説明し、その効果を実
証する。しかし、本発明はこれら例により何等制限され
ない。

実施例１ プラズマCVD法によってAl N焼結体基板上に厚さ1.1μｍ
の酸化アルミニウム薄膜を形成し、次いでイオンプレー
ティング法に従ってTiを0.6μｍ、Moを0.8μｍおよびNi
を2.0μｍ堆積して３層構造の金属層を設けた。このも
のについてワイヤー（銅線:1mmφ）を溶接し、その際の
引張強度を測定したところ11Kg/mm²であった。

比較例１ 実施例１と同様にAl N焼結体基板上に厚さ0.1μｍおよ
び4.0μｍの酸化アルミニウム薄膜を形成した。次い
で、イオンプレーティング法でTiを0.7μｍ、Moを0.8μ
ｍおよびNiを2.0μｍ堆積し三層構造の金属層を設けた
比較用のサンプルを得た。上記と同様に引張強度を測定
したところ各々1.2Kg/mm²および2.1Kg/mm²であった。

実施例２ Al N焼結体基板上にイオンプレーティング法で膜厚1.8
μｍの酸化アルミニウム層を設け、次いでスパッタ法に
よりZr0.9μｍおよびNi 1.1μｍをこの順序で堆積して
２層構造の金属膜を形成した。同様にして測定した引張
強度は9Kg/mm²であった。

比較例２ 実施例３と同様に夫々膜厚の異る酸化アルミニウム層を
設けた３種のサンプルにZr 0.9μm/Ni 1.1μｍの２層構
造の金属層を設け、引張強度を測定した結果を以下の表
に総めた。

実施例３ プラズマCVDによってAl N焼結体基板上に厚さ2.4μｍの
酸化アルミニウム薄膜を形成し、次いでスパッタリング
法で1.6μｍのNbを堆積して単層の金属膜を形成した。
かくして得たサンプルの引張強度は上記同様にして測定
したところ2.2Kg/mm²であった。

比較例３ 実施例５と同様に２種の比較用サンプルを作製し、その
引張強度を測定した。その結果は以下の通りであった。

発明の効果 以上詳細に説明したように、本発明の金属化面を有する
窒化アルミニウム焼結体の製造方法によれば、膜厚が0.
5〜3.0mmの酸化アルミニウム薄膜を焼結体表面に形成す
ることによって、窒化アルミニウムおよび金属化面両者
に対して良好な化学的親和性を有していることから、緻
密かつ良好な接合強度を有する接合体が得られる。更
に、金属層の形成をイオンプレーティング法で実施した
場合には該方法の特異性に基きAl N・金属間の結合形成
が期待でき、特に優れた結果を与える。また、気相法を
利用していることから、金属層形成の際の膜厚制御性が
著しく良好となり、設計通りの層形成が可能となる。

かくして、Al Nの有する優れた特性を何等損なうことな
く、有効に利用することができ、IC、LSI等の半導体デ
バイス用絶縁材料をはじめ、各種電子デバイスにおいて
応用でき、それらの特性を十分に発揮することを可能と
するので、本発明の金属化面を有するAl N焼結体の製造
方法は工業的に極めて有用なものである。

フロントページの続き (72)発明者 坂上 仁之 兵庫県伊丹市昆陽北１丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 昭59−121175（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−203783（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−102310（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−75208（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒化アルミニウム焼結体の上に、化学気相
   蒸着法、スパッタリング法、真空蒸着法またはイオンプ
   レーティング法により該窒化アルミニウム焼結体上に形
   成された厚さが0.5〜3.0μｍの範囲内の酸化アルミニウ
   ム層を設け、該酸化アルミニウム層上に物理蒸着法によ
   り周期律表第Ib、IV a、Va、VI a、VIII族元素の少なく
   とも１種の金属の少なくとも１種の層を設けたことを特
   徴とする金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体の製
   造方法。
2. 【請求項２】上記物理蒸着法がスパッタリング法、真空
   蒸着法またはイオンプレーテイング法であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の金属化面を有する窒
   化アルミニウム焼結体の製造方法。
3. 【請求項３】上記金属層が複数の層で構成される場合、
   第１層材料として第IV a族のTiを用いることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項または第２項記載の金属化面を
   有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
4. 【請求項４】上記金属層が三層からなり、これらが酸化
   アルミニウム層側からTi/Mo/Ni,Ti/Mo/AuまたはTi/Pt/A
   uの順に配置されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第３項記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。