JPH09509394A - セラミック材料の基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は新規なタイプのセラミック材料から成る基板に関するものである。かかる材料は４４〜４７％のＡｌ，３１〜３９％のＯ，８〜１３％のＣと８〜１２％のＮを含む。かかる材料から成る基板は、比較的高い熱伝導率、比較的強い強度と、Ｓｉの膨張率と同様の膨張率を示す。従って、本発明の基板はＳｉ−半導体テクノロジーにおいて用いるのに極めて適切である。該基板のセラミック材料の主成分は式Ａｌ₂₈Ｏ₂₁Ｃ₆Ｎ₆に好適に対応する。本発明は更にかかる材料から基板及び他の成形品を製造する方法を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 セラミック材料の基板 本発明はセラミック材料から成る基板に関する。本発明は更にセラミック材料 及び、かかるセラミック材料を製造する方法に関する。 セラミック材料から成る基板はそれ自体知られている。これらは一般的に、酸 化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ベリリウム（ ＢｅＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）のような二成 分コンパウンドの如き焼結セラミック材料の薄いシートから成る。ＭｇＳｉＮ₂ のような三成分コンパウンドから成る基板も知られている。これらは電気絶縁特 性に優れているため、上記従来の基板は、レジスタ、キャパシタ、変圧器及びパ ワートランジスタのような受動及び能動電気素子に使用される。これらの適用に おいて、前記素子は導電性の構造体の支持体として作用する。本件出願人による 米国特許第ＵＳ５，４１１，９２４号には、多数の基板の利点と欠点とが簡単に 記載されている。 セラミック基板を適用する重要な分野は、Ｓｉ−半導体テクノロジーにより形 成される。前記テクノロジーに関する適切な基板は、電気抵抗Ｒ（オーム）が高 く、強度σ（ＭＰａ）に優れ、更に熱伝導係数ｋ（Ｗ／ｍ．Ｋ）が高くなければ ならない。更に該基板の膨張率α（ｌ／Ｋ）はＳｉのものとほぼ同等とすべきで ある。前記膨張率は、該基板上に設けられたＳｉ構造体が温度変化の影響により クラックを生ぜしめたり及び／又は分離したりすることがないことを確保するも のである。ケイ素の膨張率はおよそ４．８・１０^-6Ｋ^-1である。 上記の要求を満足しなければならないため、基板材料として酸化マグネシウム や酸化アルミニウムを用いることは最適ではなく、その理由はこれらの熱伝導係 数が極めて低く、これらの膨張率が極めて高いためである。これらの欠点は、か かる基板を大型のＳｉ−半導体構造物及び／又は“パワーデバイス”に用いた時 に顕著である。ＭｇＳｉＮ₂の膨張率（５．８・１０^-6Ｋ^-1）は、酸化アルミニ ウムや酸化マグネシウムのものよりも、Ｓｉのものにかなり近い。しかし、比較 的大きな基板表面を有するＭｇＳｉＮ₂であって、その上に複雑な半導体構造体 が設けられている場合は特に、ＳｉとＭｇＳｉＮ₂間の膨張率の差はやはり大き すぎるものである。炭化ケイ素のセラミック基板は比較的高価であり、これは当 該材料が製造するのに困難だからである。更に、炭化ケイ素は比較的高い誘電率 を有する。その結果、かかる材料は電子素子中の基板としての使用は、ほとんど 適さない。酸化ベリリウムのセラミック体は、これらが毒性のベリリウムを含有 するという重大な欠点を有する。窒化アルミニウムの基板は、望ましい高い熱伝 導係数（約１５０Ｗ／ｍ．Ｋ）と、Ｓｉの膨張率とほぼ同等の望ましい膨張率（ ４．８・１０^-6Ｋ^-1）を示す。しかし、当該材料は製造するのに困難で、従って 比較的高価である。 本発明の目的は、上記欠点を有さないセラミック材料の基板を提供するにある 。本発明は更に特に、比較的高い熱伝導係数と、Ｓｉの膨張率とほぼ等しい膨張 率を有し、比較的簡単に、従って低コストで製造することができるセラミック基 板を提供するにある。 本発明の上記目的及び他の目的は、本発明のセラミック材料の基板により達成 され、具体的には該材料は、４４〜４７％のＡｌ，３１〜３９％のＯ，８〜１３ ％のＣ及び８〜１２％のＮを含む材料により達成される。 セラミック基板の組成が本発明の範囲内にあるセラミック基板は、Ｓｉ−半導 体テクノロジーにおいて使用するのに、ほぼ理想的な特性を有することが見い出 された。例えば、本発明の基板材料の膨張率はＳｉのものと同じであり、即ち４ ．８・１０^-6Ｋ^-1である。更に３００Ｋでの熱伝導係数の理論値は、およそ１２ ０Ｗ／ｍ．Ｋである。更に、該材料の強度は２９５ＭＰａである。これらの値は 、該材料がＡｌＮとほぼ同様の望ましい特性を有することを示している。しかし 、本発明の基板は、より簡単にかつ従って安価に製造することができる。 ほとんど単相（モノフェース）の材料は上記組成範囲でのみ得られることが本 発明に至る研究により示された。上記範囲外の組成物には、一般的に、酸化アル ミニウム、アルミニウムオキシニトリド及び／又はアルミニウムオキシカーバイ トのような他の相をかなりの量で含む。かかる異質の相の存在は、熱伝導係数を かなり減少させるような望ましくない特性を生ぜしめる。少量部のＡｌ（１０％ まで）はＢと置換することができ、これによっても本発明の基板の特性及び構造 をかなり変化させることがないことは注目すべきことである。 本発明の基板の主成分の組成は、式Ａｌ₂₈Ｏ₂₁Ｃ₆Ｎ₆に対応することが好まし い。熱伝導係数、膨張率及び強度に関する上記特性は、かかる材料組成の基板に おいて最適であることが見い出された。上記組成の元素分析における誤差は、お よそ１％であることに注目すべきである。更に該組成式は、本発明の材料の結晶 構造に基づいていることに注目すべきである。全体の組成は、結晶構造に基づく 組成からは、わずかに異なる。これは、セラミック材料のガラス相が結晶相とは 異なる事実により生ずることである。ガラス相は結晶粒子の間に位置する。ここ で“主成分”とは、材料の結晶相を意味するものと理解されるべきである。 本発明は更にセラミック材料に関する。本発明において、当該材料は、４４〜 ４７％のＡｌ，３１〜３９％のＯ，８〜１３％のＣ及び８〜１２％のＮを含むこ とを特徴とする。好ましくは、該材料の主成分の組成は、式Ａｌ₂₈Ｏ₂₁Ｃ₆Ｎ₆に 対応する。本発明のセラミック材料は成形品又は粉末の形態とすることができる 。 本発明は更にセラミック材料の製造方法に関する。第一の例は、次の工程、 ａ）予め決定された組成のセラミック材料に基づいた比のＡｌ₂Ｏ₃，Ａｌ₄Ｃ₃及 びＡｌＮの混合物を予備焼成し、 ｂ）このように形成された予備焼成した生成物を粉末に粉砕し、 ｃ）該粉末を焼結してセラミック材料を形成すること を含む方法により特徴づけられる。 本発明の方法によって、４４〜４７％のＡｌ，３１〜３９％のＯ，８〜１３％ のＣ及び８〜１２％のＮを含む、ほぼ単相の材料が得られる。予備焼成は好まし くは１５００〜１７００℃の温度範囲で行ない、焼結は好ましくは１７００〜１ ９００℃の温度範囲で行なう。かかる条件下では、異質な相の材料の量は２０重 量％未満である。 本発明の方法の第二の例は、予め決定された組成のセラミック材料に基づいた 比のＡｌ₂Ｏ₃，Ａｌ₄Ｃ₃及びＡｌＮの混合物を加圧下で焼結して上記セラミック 材料を形成することに特徴がある。かかる方法は一般に反応焼結と称される 。この方法では、予備焼成と、形成された予備焼成した生成物の粉砕を不要とす る。 本発明の上記事項及び他の事項は後述する例を参照して明確に説明される。 図中： 図１は、本発明のセラミック材料の基板を示す。 図２は、本発明のセラミック材料のＸ線回折図を示す。 図１において、番号（１）は、セラミック材料の平坦な基板を示す。この基板 の大きさは、４０×６０×４ｍｍ³である。かかるセラミック材料の主成分の組 成は、式Ａｌ₂₈Ｏ₂₁Ｃ₆Ｎ₆に相当する。該基板を以下のように製造した。 使用した出発材料はＡｌ₂Ｏ₃（ＣＲ−５６，Ｂａｉｋｏｗｓｋｉ），Ａｌ₄Ｃ₃ （ＷＩ，Ｃｅｒａｃ）及びＡｌＮ（徳山ソーダ，Ｆ−グレード）の粉末である。 これらの出発材料を使用して、５７．２重量％の酸化アルミニウム、２３．１重 量％の炭化アルミニウムと１９．７重量％の窒化アルミニウムを含有する混合物 を調製した。この粉末混合物を５ＭＰａの加圧下、ペレットに圧し、次いで該ペ レットを１６００〜１６５０℃の温度範囲で予備焼成した。加熱及び冷却速度は １分あたり１０℃であった。該ペレットを予備焼成した後、およそ２マイクロメ ートルの平均粒子サイズを有する粉末に粉砕した。前記粉末は白色であった。 このようにして製造した粉末のＸ線回折図を図２に示す。該図中、測定された Ｘ線の強度（ランダムユニット）を、２θ（°）の関数でプロットする。この図 は、フィリップスＰＷ１８００回折装置により、単色光Ｃｕ−Ｋα放射線を用い て表示した。図の全ての線により、斜方面体晶系構造であることを示すことがで きる（ａ＝５．４５９Å及びｃ＝１４．９５２Åの時、Ｒ−３ｍ，＃１６６）。 かかるダイアモンド類似構造であることにより、本発明の材料は比較的高い熱伝 導係数を有することが説明される。かかる回折図より、異質な相材料の量は５重 量％未満であることを導き出すことができる。元素分析により、製造された該セ ラミック材料の組成は、式Ａｌ₂₈Ｏ₂₁Ｃ₆Ｎ₆に対応することが示された。元素分 析における誤差は最大１％である。 このような最適の化学組成を有する粉末状のセラミック材料を使用して、ホッ トプレス法により基板を製造した。かかる方法において、約１０ｇの粉末をホッ トプレス装置（ＨＰ２０，Thermal Technology Ind社製）により圧して、平坦な 基板を形成した。この熱圧した粉末を７５ＭＰａの圧力下、１８００℃で３時間 焼結した。加熱及び冷却速度は１分あたり１０℃であった。この熱圧操作の後、 基板を多数の測定に課した。基板の緻密度は９７％であった。かかる基板の熱伝 導係数は約２０Ｗ／ｍ．Ｋを超えることを見い出した。熱伝導係数の理論値はお よそ１４１Ｗ／ｍ．Ｋであることが計算により示された。このことは焼結プロセ スを最適化することにより達成され得る。このように製造した基板の平均膨張率 は４．８・１０^-6Ｋ^-1であった。該材料の強度は２９５ＭＰａであった。 他の実験においては、上記酸化アルミニウム、アルミニウム オキシカーバイ ドと窒化アルミニウムを混合した後、直ちに加圧下で１８８０〜１９００℃で３ 時間焼結処理をした。得られた材料の密度は２．９７〜３．０１ｇ／ｃｍ³であ った。かかるいわゆる“反応熱焼結法”の利点は、時間を費やす予備焼成工程や 粉砕工程を省略できることである。かかる方法においては、基板又は他の成形品 を迅速かつ低コストで製造することができる。 更に他の実験においては、セラミック材料の種々の元素の量を上記最適組成に 従って変化させて、多数のセラミック粉末を製造した。かかる粉末に関しても、 Ｘ線回折図を上記と同様の条件で記録した。異質な相材料の量は、指定されてい ないピークの表面域により評価した。化学組成と単相材料（純相）の対応量を次 の表に示す。 例１及び７のセラミック材料は本発明のものではない。例２〜６のセラミック 材料が本発明のものである。上記表より、本発明のセラミック材料が４４〜４７ ％のＡｌ，３１〜３９％のＯ，８〜１３％のＣと８〜１２％Ｎを含む場合には、 単相材料が得られることが明らかに示された。 要約するに、本発明は新規なタイプのセラミック材料から成る基板に関するも のである。かかる材料は４４〜４７％のＡｌ，３１〜３９％のＯ，８〜１３％の Ｃと８〜１２％のＮを含む。かかる材料から成る基板は、比較的高い熱伝導率、 比較的強い強度と、Ｓｉの膨張率と同様の膨張率を示す。従って、本発明の基板 はＳｉ−半導体テクノロジーにおいて用いるのに極めて適切である。該基板のセ ラミック材料の主成分は式Ａｌ₂₈Ｏ₂₁Ｃ₆Ｎ₆に好適に対応する。本発明は更にか かる材料から基板及び他の成形品を製造する方法を提供する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ファン ハル パウルス フランシスカス オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ １ (72)発明者 デ ウィズ ヘイスベルタス オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ １

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．セラミック材料の基板において、セラミック材料は４４〜４７％のＡｌ，３ １〜３９％のＯ，８〜１３％のＣ及び８〜１２％Ｎを含むことを特徴とするセラ ミック材料の基板。 ２．前記材料の主成分の組成が式Ａｌ₂₈Ｏ₂₁Ｃ₆Ｎ₆に対応することを特徴とする 請求項１記載の基板。 ３．４４〜４７％のＡｌ，３１〜３９％のＯ，８〜１３％のＣ及び８〜１２％Ｎ を含むことを特徴とするセラミック材料。 ４．前記材料の主成分の組成が式Ａｌ₂₈Ｏ₂₁Ｃ₆Ｎ₆に対応することを特徴とする 請求項３記載のセラミック材料。 ５．請求項３又は４記載のセラミック材料を製造するにあたり、次の工程 ａ）予め決定された組成のセラミック材料に基づいた比のＡｌ₂Ｏ₃.Ａｌ₄Ｃ 及びＡｌＮの混合物を予備焼成し、 ｂ）予備焼成した生成物を粉末に粉砕し、 ｃ）該粉末を焼結してセラミック材料を製造すること を含むことを特徴とするセラミック材料の製造方法。 ６．前記予備焼成を１５００〜１７００℃の温度範囲で行ない、焼結を１７００ 〜１９００℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項５記載の方法。 ７．請求項３又は４記載のセラミック材料を製造するにあたり、予め決定された 組成のセラミック材料に基づいた比のＡｌ₂Ｏ₃,Ａｌ₄Ｃ及びＡｌＮの混合物を加 圧下で焼結して上記セラミック材料を製造することを特徴とするセラミック材料 の製造方法。