JPS58130547A - 電気伝導性を有する炭化珪素基板への絶縁皮膜形成方法 - 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】 本発明は、集積回路用基板あるいはＩＣパッケージ用嬌
板としての炭化珪素質幕板の製造方法に保り、４１に炭
化珪素質基板に極めて安定した絶縁抵抗性を有する絶縁
性被膜を形成させた炭化珪素ｇｉ幕板およびその製造方
法に関する。

最近、電子工業技術の発達に伴って、半導体等の電子部
品材料は小型化あるいは高集積化が進められている。そ
のため、電子部品の高集積化に伴って集積回路内におけ
る発熱量が増加し、幕板の放熱性が重要な問題となって
いる。ところで、従来電子工業用の基板としては種々の
ものが知ら札集用化されており、特に高い信頼性を要求
される用途に対しては、アルミナ焼結体あるいはガラス
等が使用されている。しかしながら、前述の如き従来使
用されている基板は熱伝導率が低く放熱性に劣る九めに
蓄熱による問題を解決することが困難であり、電子部品
の高集積化を進めるヒで極めて大きな障害となっている
。

前記＃１ＩｌｌＩを解決する材料としては従来よりベリ
リアあるいはホーロー等の材料が検討されている。

しかしながら、前者のベリリアはそのベリリアの有する
毒性のために製造および取扱いが困難でおり、一方後者
のホーローは金緘板を基材とするため熱膨張率が大きく
、またフリットがドグボーン構造になり易く、さらに印
刷してからの切断が困難であるばかりでなく、ホーロー
にクラックがはいるのでレーザートリミングが、できな
い欠点があった。

上述の如く、従来知られた基板はいずれ４種々の欠点を
有していた。

本発明は前記諸欠点を解決することの４きる基板、すな
わち高い熱伝導率を有し、高集積回路用基板あるいはＩ
Ｃパッケージ用材料として極めて優れた特性を有する幕
板な提供することを目的とするものである。

本発明によれば、炭化珪素焼結体の表面に８ｉ０２とＰ
２Ｏ５，Ｂ２Ｏ３，（３ｅ０２．　Ａｓ２Ｏ３，８ＪＯ
３，Ｂ１１０３゜Ｖ２Ｏ３，ＰｂＯ，Ｐｂ３Ｏ４，Ｐｂ
０１．　ＣｄＯ，ＺｎＯ，ＮａｚＯ。

Ｋ２Ｏ，Ｌｉ２Ｏ，Ｃａｂ、　ＭｇＯ，Ｂａ０４るいは
８ｒＯから選ばれるいずれか少なくとも１種との共融酸
化物よりなる絶縁性被膜を有する炭化珪素質基板および
その製造方法によって前記目的を達成することができろ
。

次に本発明の詳細な説明する。

従来、基板として広く使用されているアルミナ焼結体基
板（以下アルミナ焼結体幕板を単にアルミナ基板と称す
）と比較すると炭化珪素焼結体は高い熱伝導率、高い耐
熱衝撃性および常温と熱間のいずれにおいても高い強度
を有し、しかもアルミナ基板は熱膨張率が通常集積回路
として使用されるシリコンチップの熱膨張率と大きく異
なるため直接アルミナ基板上にシリコンチップを接着し
て使用することがｖｆ４ｍであるのに対し、炭化珪素焼
結体の熱膨張率は前記シリコンチップとほぼ同じであり
、直接炭化珪素焼結体表面にシリコンチップを接着でき
る有利さを有している。しがし々から、炭化珪素焼結体
は半導体的な特性を有し、電気絶縁性をもたないことか
ら幕板として使用されるに至ら、なかった。

Ｆ述の如き観点に峡づき、本発明者らは炭化珪素焼結体
を基板として適用すべく、炭化珪素焼結体に電気絶縁性
を付与する方法を種々研背した。

ところで、本発明者らは前記炭化珪素焼結体に電気絶縁
性を付与するために、炭化珪素焼結体の表面に電気絶縁
性物質、例えば酸化物よりなるガラス質物質等を塗布し
、融着することによって電気絶縁性被膜を形成する手段
を試みた。しかしながら、炭化珪素焼結体は酸化物との
濡れ性が極めて悪く、また酸化物被膜は密着性に劣り、
剥離し易く、しかもピンホール等の欠陥が生じ易く極め
て信頼性が低かった。

よって本発明者らは、前記諸欠点を解決することのでき
る安定した電気絶縁性を有する被膜の形成方法について
さらに研究を種々性なった結果、炭化珪素焼結体の表面
を酸化処理して５ｉ０２被膜を形成し、次いで前記８ｉ
０２被膜とコーティング剤組成物より生ず・る酸化物と
の共融物を炭化珪素焼結体の表面に融着せしめることＫ
よって、ｌｌ１１紀欠点を解決することのできることを
新規に知見し、本発明を完成した。

本発明によれば、炭化珪素焼結体の表ＷＪＫ酸化物より
なる絶縁性′４１膜を融庸せし７めるｈｄに炭化珪素焼
結体の表向を酸化処理（２て５ｉＵ２被膜を形成するこ
とが必要である、その理由は、炭化珪素′焼結体を酸化
処理してＳ　ｉ　Ｕ２被膜を形成４−ることによって１
配コ一テイング剤組成物より生ずる酸化物との濡れ性が
著しく改善さ不し、ピンホール等の欠陥のない極めて均
一な絶縁性被膜を得ることができるからであり、しかも
前記５ｉ０２被膜は炭化珪素焼結体と入り組んだ遷移層
を有し、烙らにこの５ｉ０２被膜とコーティング剤組成
物より生ずる酸化物とが共融層を形成し、一体化するた
め、炭化珪素焼結体との密着性が極めて良好な絶縁性酸
化物被膜を形成することができるからである。

前Ｖ炭化珪素焼結体を酸化処理し８ｉＵ２被膜を形成す
ることによって、炭化珪素・売結体と絶縁性被膜との密
着性が極めて良好となる機構は、前記酸化処理によって
炭化珪素焼結体表出：に付漬′している不純ｖ１例えば
遊離炭素が除去さｉｔて炭化珪素焼結体と絶縁性被膜と
の間に異物層がなくなることおよび前記酸化処理によっ
て炭化珪素焼結体表面がミクロ的に粗化された状態とな
り、絶縁性被膜との接合面積が著しく増大し、絶縁性被
膜が炭化珪素焼結体と入り組んだ遷移層によって接合さ
れろことによるものと推察される。

本発明によれば、前記絶縁性酸化物は、炭化珪素焼結体
の表面を酸化処理して８ｉ０２被膜を形成し、次いで８
　ｉ　０２被膜を有する炭化珪素焼結体の表面にコーテ
ィング剤組成物を塗布した後、加熱することにより、前
記ＳｉＯ２被膜とコーティング剤組成物より生ずる酸化
物との共融物を炭化珪素焼結体の表面に融着せしめる方
法あるいは炭化珪素焼結体の表面にコーティング剤組成
物を塗布し、次いで前記コーティング剤組成物を塗布し
た炭化珪素焼結体を前記コーティング剤組成物の融点よ
り低い温度で酸化性雰囲気中で加熱して炭化珪素焼結体
の表面に８ｉ０２被膜を形成せしめた後、さらにより高
０４に加熱して前記Ｓｉ　０２被膜とコーティング剤組
成物より生ずる酸化物との共融物を炭化珪素焼結体の表
面に融着せしめる方法の−ずれによっても好適に炭化珪
素焼結体の表面に融着せしめることができる。

本発明によれは、炭化珪素焼結体を７５０〜１６５０Ｃ
の範囲内で少なくとも１０分間酸化せ［７めることか好
ましい。その理由は、酸化温度が７５０Ｃより低いと酸
化速度が遅（５ｉ０２被膜を効率的に生成させることが
困難であり、一方１６５０Ｕより高いと酸化速度が著し
く速く目的とｒる模Ｌすに制御することが困難で均一な
８ｉ０２被膜を得ることが困難であるからであり、また
酸化せしめる時間が１０分間より短いと絶縁性被膜を強
固に融着し得るに光分な厚さの８ｉ０２被膜を形成する
ことが困難であるからである。９００〜１４５０　Ｃの
範囲内で最もよい結果を得ることができろう 本発明によれば、炭化珪素＊Ｍ体を酸化せしめるに際し
、雰囲気中に水蒸気を含有させることが有利である。そ
の理由は前記雰囲気中に水蒸気を含有させることによっ
て炭化珪素焼結体表面における８Ｉ０２禎膜の生成を促
進させることができ、比較的低温域で効率的に５ｉ０２
破膜な生成させろことができるからである。

本発明によれば、前記炭化珪素焼結体を酸化せしめる方
法としては、前述の如き方法の他に硝酸水溶液中に浸漬
しながら加熱する方法を使用することができる。

本発明によれば、前記８ｉ０２被膜の厚さは３μｍ以下
とすることが好ましい。その理由は３μｍよりも厚い被
膜を生成させるとコーティング剤組成物との境界付近の
融点が上昇し均一な共融体よりなる被膜を形成するのに
長時間を要するという不利があり、０．０１〜１μｍの
範囲内で最適な結果が得られる。

本発明によれば、前述の如き方法で形成された８ｉ０２
被膜とコーティング剤組成物より生ずる酸化物との共融
物を炭化珪素焼結体の表面に融着せしめることにより密
着性に優れた絶縁性酸化物被膜が形成される。

本発明において、使用されるコーティング剤組成物は珪
素、リン、ホウ嵩、デルマニウム、ヒ素、アンチモン、
ビスマス、パナゾウム、亜鉛、カドミウム、鉛、ナトリ
ウム、カリウム、リチウム。

カルシウム、マグネ７ウム、バリウム、ストロンチウム
より選ばれるいずれか少なくとも１棹を含廟する元素あ
るいはそれらの化合物であり、炭化珪素焼結体の表面に
１１！！ｌ１着され２）際に８ｉ０２・と共融し、て共
融生成酸化物とな矛）。

本発明によれば、８ｉ０２被験とコーティング剤組成物
とを融着せしｄ）だ絶縁性被膜の厚さを１０〜１００μ
ｍの範囲内とすることが好ましい。その理由は酌紀絶縁
性被腓の厚さが１０μｍより薄いと安定し７た絶縁性を
得ることが困難で信頼性に乏しいからであり、一方１０
０μｍより厚くすると絶縁性被膜と炭化珪素焼結体との
熱膨張率の差による影響が顕著になり、絶縁性被膜が剥
ｗＬ易くなるばかりでなく、熱伝導性が著しく劣化する
ため本発明の目的とする高い熱伝導性を有する基板とな
すことが困難罠なるからであり、前記絶縁性被膜の厚さ
は２０〜６０μｍの範囲内とすることが最適である。

４：発明によれば、前記コーティング剤組成物の塗布方
法とし２ては、例えばヌクリーフ印刷法、浸漬法、噴霧
法、ハケ塗り法等の種々の方法を適用することができる
。

本発明によれば、前述の如き方法でコーティング剤組成
物を塗布し十分に乾燥した後加熱することによって絶縁
性被膜が融着される。前記融着時の雰囲気としては融着
時に炭化珪素焼結体が酸化され生成したＣＯガスによっ
て被膜中に気泡が生成することを防止するため非酸化性
雰囲気とすることが有利であり、また融着温度は３００
〜１２００Ｃの範囲内とすることが好ましい。前記融着
時の温度を３００〜１２００　Ｃの範囲内とする理由は
３００Ｃよゆ低い温度では炭化珪素焼結体表面に生成さ
せた８ｉ０２被膜とコーティング剤組成物とが相互に共
融した均一層を生成することが困難であるからであり、
一方１２００　Ｃよ抄高いとコーティング剤組成物によ
って炭化珪素焼結体が酸化され発生するＣＯガスによっ
て被膜中に気泡が生成するからである。

本発明によれば、前記幕板の厚さは０．１〜３０−の範
囲内であることが好ましい。その理由は基板の厚さは電
子部品の小型化を進めたり、放熱性を向上せしめるトで
なるべく薄いことが好ましいが、その厚さが０．１−よ
り薄いと、橋板自体の強度が弱くなり基板として使用す
ることが困難であり、また３０■より厚いと電子部品の
小型化が困難であるばかりでなく、基板に要ぐる費用が
高くなるため不経済であるからである。

次に本発明の絶縁性被膜を有する炭化珪素質基板の電気
的特性について説明する。

通常、日本工業規格（ＪＩＳ−（ニー５０１２−７．３
　）に基づいて測定される炭化珪素焼結体の電気抵抗値
は印加電圧が２５Ｖの場合で約１０５Ω以下と低く、基
板として適用し難いが、本発明の絶縁性被膜を有する膨
化珪素質基板の絶縁抵抗値は印加電圧が２５Ｖの場合で
ｌＸｌ０９Ω以上、印加電圧が１００Ｖの場合でＩ　Ｘ
　１００以上であり、さらに日本工業規格（ＪＩＳ−Ｃ
−２１１０−８，３）に本づいて測定される耐電圧は約
０．１７　ＫＶ以上と幕板として適用するに極めて適し
九特性を有するものである。

次に本発明を実施例について説明する。

実施例１ 炭化珪素焼結体はホウ素を１．０重量暢、遊離炭素を２
．０重量係含有し、３．１　ｆ／３”の密度を有する無
加圧焼結体であって、５０　Ｘ　２０　Ｘ　２■の薄板
状のものをあらかじめポリツシンダ加工し、最終的に参
２００砥石で表面仕上げをし、次いでアセトン中で煮沸
して脱脂処理したものを使用した。

前記炭化珪素焼結体を内径が４０−の管状炉中に装入し
、酸素ガスをＩＪ／−の割合で前記管状炉中へ装入し、
１１００１：’で３時間保持するととＫよ抄酸化処理し
た。前記処理によって炭化珪素焼結体の表面に厚さ約０
．０５　ｓｍの８ｉ０１被膜を得た。

次いで、前記８ｉ０２被膜を有する焼結体表面ＫＳ　ｉ
　０２とＢ２Ｏ３とＺｎＯとを主成分とするコーティン
グ剤組成物をスクリーン印刷法によって塗布し、１１０
Ｃで１．５時間乾燥する処理を２回繰返した。

前記コーティング剤組成物を塗布した焼結体を暁成炉に
装入し１０Ｃ／ｌ１ｉｌで昇温し、最高温度６５０Ｃで
６０分間保持した後冷却した。前記焼成は、３００　Ｃ
ｉでは空気中で行ない、その後はアルジンガス雰囲気中
で行なった。

得られた絶縁性被膜の嘆厚は３０μｍであり、ピンホー
ル、マイクロクラック等の欠陥は殆ど観察されず、極め
て平滑な表面性状を有していた。

前記絶縁性被膜を有する炭化珪素焼結体の絶縁抵抗は印
加電圧１００Ｖで３×１０　Ωであり、また耐電圧は０
．８ＫＶであった。前記絶縁抵抗はＪＩＳ−ｃ−５０１
２−７，３に、耐電圧はＪ　［８−Ｃ−２１１０−８，
３に基づいて測定した。

なお、この絶縁性被験は耐熱機撃性にも極めて優れてい
た。

実施例２ 実−例１と同様の方法であるが、酸化処理時の酸化性ガ
スとして水蒸気と酸素とをはは１：１の比率で混合させ
たガスを使用して厚さが０．０９μｍの８ｉ０２被膜を
形成した。前記出０２被膜を形成させ九焼結体表面に１
ｉ！絢例］と同様にして絶縁性被膜な杉成し九〇 得られた絶縁性被膜の一厚は３０μｍであり、実ｍｆｌ
ｌｌで得たものと同様に欠陥の殆どない極めて平滑な表
面性状を有していた。なお、絶縁性被膜の特性は実施例
１と同様の方法で測定し、第１表に示した。

実施例３ ｓＪ！論例１とほぼ同様の方法であるが、酸化処理時の
温度および時間を変化させて８ｉ０２被膜を形成した。

得られた８ｉ０１被膜の厚さは第１１！に示した。

次いで、前記８ｉ０２被膜を形成させた焼結体表面に実
施例１と同様にして絶縁性被膜を形成した。

得られた絶縁性被膜の特性は実施例１と同様の方法で測
定し、第１表に示し九。

実施例４ 実施例１と同様であるが、コーティング剤組成物を塗布
し、乾燥する処理を４回繰返して絶縁性被膜を形成した
。

得られた絶縁性被膜の特性は第１表に示した。

実施例５ 実施？Ｊ１と同様にして８　ｉ　０ｚ被膜を形成させた
炭化珪素焼結体表面Ｋ　５ｉ０２とＢａＯとＰｂＯとを
主成分とするコーティング剤組成物をスクリーン印刷法
によって塗布し、１００　Ｇで２時間乾燥した。

１１１ｆｆｉコ一テイング剤組成物を塗布した焼結体を
実施例１と同様であるが、燐酸温度を９００　ＣＫ高め
て絶縁性被膜を形成し九。

得られた絶縁性被膜の特性は第１表に示した。

実施例６ 実施例１と同様であるがコーティング剤組成物として８
ｉ０２とＢａＯとＣａＯとを主成分とするコーティング
剤組成物を使用し、温度を１１００　ｒ　Ｋ高めて絶縁
性被膜を形成した。

得られた絶縁性被膜の特性は＄１表に示した。

実ｍ？ＩＪ７ １ｉ！論例１と同様にして表面仕上げおよび脱脂処理を
施した炭化珪素焼結体を、４０’％硝酸水溶液中に浸漬
し、２０時間煮沸することによって炭化珪素焼結体表面
の酸化処理を行なった。得られ九Ｓ！０２被膜の厚さは
約０．０１μｍであった。前記８ｉ　０２被膜を形成さ
せた情緒体表面に実施例１と同様にして絶縁性被膜を形
成した。

得られ九絶続性被膜の特性は第１表に示した。

比較例１ 実施例１と同様にして表面仕上げおよび脱脂処理を施し
た炭化珪素焼結体を使用し、酸化処理を施すこと々〈コ
ーティング剤組成物を塗布し、融着させた。前記コーテ
ィング剤組成物は実施例１で使用したものと同じ組成物
を使用し、塗布方法および融着方法は実施例１と同じ方
法で行なった。

得られた絶縁性被膜は炭化珪素焼結体表面への密着性が
悪く、凸状にふくれた部分が多数存在し、極めて剥離し
易いものであった。

以Ｅ述べた如く、本発明方法によれば、高い熱伝導率を
有し、しかも熱膨張率か通常集積回路として使用される
シリコンチップとｔｌは同じであるところの高集積回路
用基板あるいはＩＣＣパッケージ材料として極めて優れ
た基板を供給でき、産業ｈＫ寄与する効果は極めて大き
い。

手続補正書 昭和ｎ年Ｉ月Ｍ日 特許庁長官島１）賽　樹膜 】、事件の表示 昭和！４　年　　勢許願第：１０？？ｔａ号・２１発明
の名称　炭化造素質基板および量のｌ１１１方法３、　
補正をする者 事件との関係　特許出−人 住　所　　岐阜県大厘市神田町二丁目−書地フリガナ 氏　名（名称）（０１１１）揖斐用電気工Ｓ枠式会社４
、代理人 ６、　補正により増加する発明の数　Ｉ７、補正の対象 願書の特許請求の範囲に記載された発明の数「コ」を１
３」に訂正する。

２３５−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／、　　Ｊｉｆｉｌ化珪素焼結体の表面に８ｉ０２とＰ
   ２Ｏ５ｙ　Ｂ２Ｏ３＋ＧｅＯ２，＾５２０３．８ｂ２０
   ３．　Ｂｉ２Ｏ３，Ｖ２Ｏ５，ＺｎＯ，ＰｂＯ。 Ｐｂ３Ｏ４，ｐｂｏ２．　Ｃｄ０ｔ　Ｎａ２Ｏ＃　Ｋ２
   ０ｐ　Ｌｘ２０．　Ｃａｂ。 ＭｇＯ，Ｂａｄ、　８ｒＯのなかから選ばれるいずれか
   少なくとも１種との共融生成酸化物を主成分とする絶縁
   性被膜を有する酸化珪素質基板。 コ、前記ＳｉＯ２は主として基体を構成する炭化珪素の
   鹸化によって生成したものである特許請求の範ｌ！！第
   １璃記載の基板。 ３、　前記絶縁性被膜の膜厚は１０〜１００μｍの範囲
   内である特許請求の範囲第１あるいは２項記載の基板。 帆　前記基板の厚さは０．１〜３０１１１１の範囲内で
   ある特許請求の範囲第１〜３項記載の基板。 よ　炭化硅素焼結体の表面を酸化処理してＳ　ｉ　０２
   被膜を形成し１次いで８ｉ０２被膜が形成された炭化珪
   素焼結体の表面にコーティング剤組成物を塗布した後加
   熱することにより、コーティング剤組成物より生ずる酸
   化物と前記８ｉ０２被膜との共融物を炭化珪素焼結体の
   表面に融着せしめることを特徴とする基板の製造方法。 ６、＃記炭化珪素暁結体を７５０゛〜１６５０　Ｃの温
   度範囲内で少なくとも１０分間酸化処理し、表ｉ１に３
   μｍ以下の厚さを有する８ｉ０１被膜を形成する特許請
   求の範囲第５項記載の製造方法。 ７、前記絶縁性被膜の厚さを１０〜１００μ購の範囲内
   とする特許請求の範囲第５あるいは６項記載の製造方法
   。 １、＃１酸化処理して８ｉ０１被膜を形成させた炭化珪
   素焼結体の表面にコーティング剤組成物を塗布し、乾燥
   した後、３００〜１２００１：’の温度範囲内で融着せ
   しめる特許請求の範囲第５〜７項のいずれかに記載の製
   造方法。 り、前記コーティング剤組成物は珪素、リン、ホウ素、
   デルマニウム、ヒ素、アンチモン、ビスマス、パナゾク
   ム、亜鉛、カドミウム、鉛、ナトリラム、カリウム、リ
   チウム、カルシウム、マグネシウム、バリウムあるいは
   ストロンチウムより選ばれるいずれか少なくとも１種を
   含有するものであり、かつ遅くと４炭化珪素焼結体表面
   の８ｉ０２被膜と共融する際に酸化物となるものである
   特許請求の範囲第５〜８］Ｊのいずれかに記載の製造方
   法。 １０、　炭化珪素焼結体の表面にコーティング剤組成物
   を塗布し、次いで前記コーティング剤組成物が塗布され
   た炭化珪素焼結体を前記コーティング剤組成物の融点よ
   り低い温度で酸化性雰囲気中で加熱して炭化珪素焼結体
   の表面に８ｉ０２被膜を形成せしめた彼、さらＫより高
   温に加熱してコーティング剤組成物より生ずる酸化物と
   前記８ｉ０２被膜との共−物を炭化珪素質基板の表面に
   融着せしめることを特徴とする基板の製造方法。 ／／−＠１炭化珪素焼結体を７５０〜１６５０Ｃの温度
   範囲内で少なくとも１０分間酸化処理し、表向に３＃嘴
   以下の厚さを有する８ｉ０２被膜を形成する特許請求の
   範Ｈ第１０項記載の＃！造力方法ｌλ、約１絶縁性被膜
   の厚さを１０〜１００μｍの範囲内とする特許請求の範
   囲第１Ｏあるいは１１項記載の製造方法。 ／Ｊ　齢配酸化処理して８ｉ０２被膜を形成させた炭化
   珪素焼結体の表面にコーティング剤組成物を塗布し、乾
   燥した後、３００〜１２００Ｃ’の温度範囲内で融着せ
   しめる特許請求の範囲第１０〜１２項のいずれかに記載
   の製造方法。 ／４Ｃ，＠記コーティング剤組成物は珪素、リン、ホウ
   素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、ビスマス、バナ
   ジウム、亜鉛、カドミウム、鉛、ナトリウム、カリウム
   、リチウム、カルシウム、マグネシウム、バリウムある
   いはストロンチウムより選ばれるいずれか少なくとも１
   種を含有するものであり、かつ遅くとも炭化珪素焼結体
   表面の８ｉ０２被膜と共融する際に酸化物となるもので
   ある特許請求の範囲第１０〜１３項のいずれかに記載の
   製造方法。