JPS6291461A - 平滑平坦多結晶セラミツク基板とその製法 - 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】 〔産業上の利用分野］ 本発明は一般的にはセラミックに関し、−・層特定的に
は非常に滑らかな表面をもつ高アルミナ体の能率的な製
造に関する。そのようなアルミナ体は、とくに薄くて平
らな時には、高信頼性用途での実用に適合する電子装置
を構成するための基板として特に価値がある。

〔従来の技術および発明が解決しようとする問題点〕

薄膜装置の広範囲に及ぶ商業的使用は、電気制御構成部
分の有効性が薄膜装置の付着する表面の不規１１１１性
によってそごなわれることがないように、高い表面平滑
性（特に表面空隙がないこと）、均質な小粒度表面微細
構造、高い平面度、及び高密度をもつ基板の入手可能性
に依存する。例えば、薄膜超小形電子回路におけるタン
タルコンデンサはほんの２〜３１人の厚さをもっていて
もよい。

もしも５４反表血が０．５μ（５０００人）のあらさを
もつならば、表面のそのような変化を横りｊるタンタル
層はかなり中断さ才するであノ）・う。たとえタンタル
膜が表面変化を横切って実際１連続し７ていたとしても
、タンクルがその期待大曲形状から逸脱し７ていると、
そのキャパシタンスを朋待稙からイ１為に変化さセて役
にたたない回路にしてしまうかもしれない。実際には約
１０ＯｎＩＩＢｉ：での表面あらさが多くの場合に許容
できるが、特に、２５　ｎｍｌシトの表面あらさが望ま
しい。

基板が上記回路の能動部品であるマイクｒ−１ストリッ
プ用途においては、基板本体の多孔１ｆ１（これはそれ
の誘電特性に影響を及ばず）は−１−記回路の信頼性に
重要な役割を果たす。基板中の均一な気孔径分布はギガ
・＼ルッ周波数範囲でその使用にとって必須である。

エレクトＬ３ニクス川途のためのアルミナ部品１−に適
切な表面平滑＋＋を達成する一Ｆ段を考１＆する際に、
ルビー及びサファイアのようなアルミナの本質的単結晶
形態と、より−・般的な用途をもつ（、するかに一般的
な多結晶体との間に重要な実際的な相違がある。普通に
はアルミナの単結晶形態は、結晶自体の自然特性によっ
て実質的に制御される形状で、溶融物から成長しなけれ
ばならない。その結晶を次いで機械加工して用途に所望
の形状にし、そしてその表面を磨き加工して平滑性の要
求される表面にすることができる。これらの及びその他
の理由により、アルミナの単結晶形態は比較的高価であ
る。

多結晶アルミナ体は一層安価であるので、それははるか
に一般的に用いられている。そのような多結晶アルミナ
体は、当該技術で周知の適切な結合剤と混合されている
アルミナ粉末を加圧成形するか又は注入成形し、次いで
その加圧成形した成型体を焼成してその粉末を緻密で緊
密に結合した多結晶体に焼結することによって、はとん
どの所望のどんな形状にも作ることができる。例えば、
ステソトソン（Ｓｔｅｔｓｏｎ）及びジャーク（Ｇｙｕ
ｒｋ）（以下におい−Ｃステソトソンと記載する）への
米国特許第３，６７８，９２３号に教示されているよう
に注意を払うならば、これらの多結晶体はしばしば焼成
したままの状態で用いることができる。もし一層大きな
平滑性が必要とされるならば、ジョンビー、スヌーク（
Ｊｏｈｎ　Ｂ、　５ｎｏｏｋ）によって’Ａｓ−Ｆｉｒ
ｅｄ　ｖｓ、　Ｌａｐｐｅｄ−ａｎｄＰｏｌｉｓｈｅｄ
　５ｕｂｓｔｒａｔｅｓ　ｆｏｒＴｈｉｃｋ−ａｎｄ　
Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ　１ｌｙｂｒｉｄ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ
ｓ　　”、Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎ＋ｃ　　Ｍａｒ
ＨｕｊｇｃｔｕｒｉｎＢ　　ｑｒ＋＋ｊ−Ｔｅｓｔｉｎ
Ｂ　　。

１９８３年１０月、に論評されζいるように、ランプ（
−１上げ及び磨き仕上げ技術によっ“（得ることができ
る。スヌークの第１表に示されているように、多結晶基
板−１−の１２ｎｍのように低い平均表面平滑Ｕ＋を達
成する能力にもかかわらずスヌークの第５図に示されて
いるように、表面十の比較的大きな微細孔の露出は依然
としてよく起こり、それで既に論じられている種類の困
難を引き起こしかねない。

更に、表面磨き仕上げは表面下の穴を除去することがで
きず、そしてランプ仕上げ及び磨き仕上げ法は長い時間
がかかりそして費用がかかりうる。

既に引用したステソトソンの参考文献にはその出願人目
携の発明の以前に彼等に公知の、直接焼成による滑らか
なエレクトロニクス用基板の調製における最新の有意の
進歩が記載されている。更にその特許明細書の第２欄４
３行〜第３欄８行には、表面平面度及び表面あらさの測
定の意義及び技術についての基本的な詳細が含まれてお
り、それらは参照室として本明細書に含まれるものとす
る。

本件出願においては、ステソトソンの場合と同様に、表
面あらさの測定値は中心線平均法又は算術平均（ＡＡ）
法に従って測定されたものとして与えられる。本明細書
に記載の表面あらさの測定は商業的に人手できる計測器
、即ち英国レスターのランク・ティラー・ホブソン社（
Ｒａｎｋ−Ｔａｙｌｏｒ−１１ｏｂｓｏｎ）から入手で
きるタリサーフ（Ｔａｌｌｙｓｕｒｆ）（これは±２．
５ｎｍの精度をもつ）を用いて実施された。

ステソトソンの明細書には、焼成した時に約５０〜９０
ｎｍの表面粗さをもつ連続した薄い基板を与えるように
テープ流延することのできるアルミナ粉末を達成するた
めに、その他の手段と共に、有機溶剤中での長々しい混
合を採用することが教示されている。そのような関係に
ついての説明はステソトソン又は本件出願人のいずれに
よっＣも提供されていないが、ステラ）・ソンによって
開示されたグラフ、特にステラ１−ソンの第５Ａ、５Ｂ
、６Ａ及び６Ｂ図は、約５０ｎｍに漸近線をもつ漸近的
数学関数を強力に示唆している。理論的説明と共に又は
なしで、ステソトソンによって示されたデーターは、良
好な表面仕−にりの達成についてステソトソンによって
教示された主要技術である長時間の混合及び／又は低い
焼結温度の採用によって達成できる表面仕１−りの実際
的な限度は４７〜５０ｎｍであることを非常に強力に示
している。この点に関して、ステソトソンの諸図面に示
された最長の混合時間を２倍にしても微粉砕アルミナ粉
末の表面積（及び多分、ステットソンによって教示され
たような表面仕上り）の測定可能な増加とはならなかっ
たという所見（ステソトソンの明細書第７欄５９〜６５
行）は特に意義がある。

ステソトソン及びその他の従来技術によって開示された
方法の特徴は、非礼質な最終焼成体を得るためにアルミ
ナ粉末の大きさの振り分けられ°ζいる混合物の使用を
要件としていることである。

ステットソンにより第３欄６５〜６６行で表現されてい
るように、“大粒子間の穴を充填するために小粒子が利
用できなければならない”。

微粒子濃密アルミナ体を得るその他の方法は、ダブリュ
ー　エム　ウェイルドン（Ｗ、Ｍ、Ｗｈｅｉｌｄｏｎ）
によりＵ９釦ｒｎ　Ｍ凸−を偵因Ｗ、第２巻、１１１頁
（Ａｃａｄｅｍｉｃ、　Ｐｒｅｓｓにより１９６０年に
発行された）に記載されているようなホットプレスによ
る方法である。そのような生産物を研削仕上げ及び磨き
仕」二げすることによって、非常に滑らかな平均表面仕
上りを達成することができる。しかしながら、その研削
仕上げ及び磨き仕上げの操作は粒子の抜は出し、従って
アルミナ体の粒度と少なくとも同じ大きさの表面中の欠
陥をもたらすことになる。

要するに、従来技術は表面あらさ５０ｎｍの水不浸透性
表面をもつセラミック基板を直接焼成によって得る方法
を教示している。しかしながら、その得られる基板はＡ
ｌ１２０３についての理論密度３．９７ｇ　／　ｃＪに
比べて比較的低い密度３．７ｇ／ｃＪをもつ（ステツ］
・ソンの明細書第１２欄３５〜４０行）。

〔問題点を解決するだめの手段および作用効果〕２５ｎ
ｍのように微細な表面仕上り、０．４μ以下の平均粒度
、９９．５％１ン上のアルミナ純度、及び少なくとも３
．９ｇ／ｃＪの嵩密度をもつ水不浸透性多結晶アルミナ
基板を直接焼成によって再現可能に達成できることが今
や見出だされた。これらの結果を達成するために、大き
さの振り分けられている粉末を用いるというステットソ
ン及びその他の従来技術の教示は完全に放棄された。そ
の代わりに、普通には幅０．３μ以下、好ましくは０．
２μ以下の粒度範囲をもつ狭い粒度分布のアルミナを、
慣用の手段による流延のためのスリップの調製にもちい
る。狭い粒度分布の′？ルミナ画分から作られたそのよ
うなスリップを焼成することによって得られる基板の表
面仕」ニリはその百分の粒度と直接に相関する。特に、
遠心分離された両分中のアルミナの粒度が０．１〜０．
３μであるならば、その表面仕上りは約４０ｎｍＡＡよ
りも粗くはなく、そＬ２である場合には３０ｎｍＡＡの
よ・うに低い。

いかなるアルミナ源も、当業界で周知の適した調製工程
及び粉砕工程を用いて適切な純度及び粒度分布にするこ
とによって、ここに記載すべき製品及び方法に用いるこ
とができる。ある場合には、従来技術から公知のアルミ
ナ用の粒成長抑制剤の１種を加えることが有益である。

全粉末重量の０．０１〜０．３％のけのマグネシアが適
した抑制剤である。

商業的便宜と節約のために、通常の出発材料は商業的に
入手できる少なくとも１１　％／ｇの表面積をもつ高純
度アルミナ粉末である。そのような粉末は種々の公知方
法によって調製することができる。記載すべき多くの加
工物に実際に使用されるｊ角した材！４は八Ｉｕｍｉｎ
ｕｍ　Ｃｏｍｐａｎｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａｉｌによ
って供給されるタイプ　Δ−１６３Ｇである。次いでこ
の粉末を従来技術で周知の技術、例えば、エム　バリシ
ュ（Ｍ、　Ｐａｒｉｓｈ）及びエッチケイ　ボーウェン
０１．に、Ｂｏｒ＋ｅｎ）によってＮａｒｒｏｗＳ　ｉ
　ｚ　１！旧５Ｌｒｉｈｕｌ、ｉｏｎ　Ｉ’ｏｗｄｅｒ
ｓ　ｆｒｏｍ　ＣｏｍｍｅｒｃｉａｌＣｅｒａｍｉｃ　
　Ｐｏｗｄｅｒｓ　　″　Ｃｅｒａｍｉｃｓ　　１ｎＬ
ｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　　。

７５．１０、ｎ、２、＋９８４に記載の技術によって処
理し７て狭い粒度分布のアルミ・Ｊ−を得る。従来技術
で一般的に認識されているように、適切な分散を達成し
且つ望ましくないアルミ−Ｊ・凝隼体の４成を避シｌる
ために、狭い粒度の粉末を分散さ−Ｕている間解膠剤を
用いることが必要である。ステソｉ−ソンによって解説
され−ζいるものを含めて多くの解膠剤が許容できるが
、普通には魚油、ｐ−ヒドロキシ安息香酸、又はグリセ
ロールトリオレエートが好ましい。解膠剤の使用置番４
アルミナ粉末の０．１〜１．０重量％である。

粒度範囲が最終基板に所望の表面平滑性に相当している
狭い粒度の粉末を含有する種々の両分をスリップ流延の
ために選択する。例えば、前記のパリシュの論文に記載
の技術によって０．１〜０．３μの粒度範囲がＳＩＲさ
れるならば、焼成体の表血仕−トリは一般的に４０ｎｍ
又はそれよりも良好である。０．５〜０．７１１の粒度
範囲が選ＩＪ＜されるならば、約８０ｎｍの焼成したま
まの表面仕上りとなるであろう。

化学法又は気相法によって直接に狭い粒度範囲で製造さ
れた粉末については、前記した分離及び粒度限定工程は
不必要であり、それで本発明は適切な粒度範囲内の受は
取ったままのこのタイプの粉末を直接に用いて実施する
ことができる。

上記の手段の１つによって得られた狭い粒度のアルミナ
粉末は混合のために適した液体中に懸濁させるべきであ
る。選ばれる液体は、争独で、又はその他の液体との適
した混合物として、有効な結合剤及びその結合剤に必要
な何等かの可塑削を溶解しそして後の流延後の乾燥段階
で容易に追放され得るものであるべきである。有機液体
は低粘度であり、高揮発性であり、そして一般的な結合
剤及び可便剤を溶解することができるので、有機液体が
一般的に好ましい。流延用スリップにおいては２種の液
体の混合物が単独液体よりもしばしば好ましい。何故な
らば、普通にはそのような混合物はそれらの構成成分よ
りも低い粘度をもつからである。その混合物の一成分が
その他の成分よりも先に追ｔ１（されてしまう　（この
ことは乾燥の際に困難を作り出すこともある）のを避け
るために、その選ばれた液体混合物は好ましくは共沸混
合物であるべきである。焼成の際その流延成形品中に存
在するいかなる水も通常は有害であるので、水を溶解し
そしてそのことによって乾燥の間の水の追放を促進する
ごとのできる有機液体又は有機液体混合物も好ましい。

特に好ましい液体混合物はｌ−ブタノ−＝ル、２−プロ
パツール、及びキシ【５・ンからなる。

流延の際に用いられべき終局の液体混合物の総ての成分
が混合段階の間に存在すべきであることも好ましい。こ
のことは、微粉砕及び混合が本発明よりもかなり長時間
にわたって２つの別個のＬ程で起こるスデソトソンの教
示とは対照をなしている。

好ましい結合剤はポリビニルブチラールであるが、メタ
クリル酸メチル又はセルロースアセテートブチラールポ
リマーも用いることができる。ポリエチレングリコール
及びフタル酸ブチルベンジルは、結合剤１００部当たり
５０〜３００部の比で可塑剤として好ましい。次いで混
合を０．５〜４８時間続けるべきである。

ステソトソンによって教示されているような慣用のボー
ルミルに加えて、Ｓｗｅｃｏ、　Ｉｎｃ、によって販売
されているＳｗｅｃｏ　Ｍｏｄｅｌ　Ｍ−１８のような
振動ミルが非常に有効な混合を与えることを我々は見出
だしている。いずれのタイプのミルを用いても、ステソ
トソンによって教示されている１２０〜２５０時間まで
の時間と著しく違って、僅かに０．５〜４８時間の混合
が必要である。慣用の有ｍ（例えば、ポリテトラフルオ
ロエチレン）又はセラミックの混合媒体が使用され、ボ
ランダムが好ましい。ボランダムの組成は約８５％へ７
！２０３．１２％ＳｉＯ□、２％ＭｇＯ１及び１％Ｃａ
Ｏである。その特定の時間の混合の間に導入される量の
シリカ、マグネシア、及びカルシアは有害ではない；事
実、これらの物質は有意に存在するならば粒成長抑制剤
として役立つ。ステソトソンによって推奨されているタ
ルクのような追加の粒成長抑制剤について利益や必要件
がないことを我々は見出だし°ζいる。勿論、少量で存
在する時であっても、アルミナの焼結に有害であること
の知られている成分をもつ粉砕媒体は避けるべきである
。

狭い粒度のスラリーの用意に続いてスリップの慣用の脱
泡及びテープ流延、流延したシートの乾燥、及び最終の
焼成を行う。ある場合には、脱泡と流延との間に導入さ
れた解凝集工程が有益であると見出だされている。解凝
集は４００メソシユスクリーンのような微細スクリーン
をｉｍ過さ−Ｕることによって、又はその他の慣用の技
術によって成就される。焼成温度１３００〜１５００℃
及び焼成時間０．２５〜２時間が好ましい。

〔実施例〕

本発明の範囲は以下の実施例から更に認識できる。

実１例上 下記の組成をもつスラリーを調製した二以下余白 下記の組成をもつスラリーを調製した２１１皿 アルミナ　　　　　　　　　　　　５８１１−ブタノー
ル　　　　　　　　　　１５４２−プロパツール　　　
　　　　　７３キシレン　　　　　　　　　　　　７３
ポリビニルブチラール　　　　　　２５グリセロールト
リオレエート　　　　５フタル酸ブチルベンジル　　　
　　４９ポリエチレングリコール　　　　　４０そのス
ラリーを前記の５ｉｙｅｃｏ　Ｍ　−１８ミル中で直径
１．２５ｃｏ＋のボランダム粉砕媒体を用いて６時間微
粉砕した。スラリーを作るのに用いたアルミナ粉末はそ
のアルミナ粒子の少な（とも９０％が０．５〜０．８μ
の大きさのものであった。次いでそのスラリーを脱泡し
そして焼成厚０．６７ｍｍを与えるようにスリップ流延
した。その流延したテープを一晩乾燥しそして１５００
℃で１時間焼結した。その生成基板は平らであり、そし
て密度３．９’　ｇ　／　ｃ＋ａ、粒度１μ未満、表面
あらさ１００〜１２５　ａｍであった。焼成した表面の
走査電子顕微鏡写真を第１図に示す。

第２及び３図は、ステソトソンの技術によっ−（調製さ
れたと思われる、米国Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｒｅ５ｅａ
ｒｃｂＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからの市販の基板の同様
な条イシ１トでのＵ４微鏡写真を示している。これらの
慣用の製品は一層大きな粒度をもっている。

実施例４− 用いたアルミナはその粒子の少なくとも９０％が０．２
〜０．５μの粒度範囲内にあ−２た以外シｌ、実施例１
のスラリーと同様にしてスラリーを調製した。その他の
方法は実施例１と同じであった。焼成した生成基板の表
面構造を第４図に示す。粒度は０．５μ未満である。表
面平滑性は５０〜７５ｎｍであった。

！Ｊｉ貫１ この実施例については、化学純度が９９゜５％でありそ
して粒子の少なくとも９０％が０．１〜０．３μの大き
さであるアルミナ粉末を用いた。その粉末を２−プロパ
ツールとグリセロールトリオレエートとの混合物中でこ
の範囲の大きさにした。この粉末６００ｇを２−プロパ
ツール１４８．４　ｇ、キシｌノン］！］１．４ｇ、及
び魚油解膠剤４．７ｇと共にスラリー化した。次いでこ
のスラリーに、別個に調製したポリビニルブチう−ル樹
脂結合剤２７．４ｇ、ポリ　（エチレングリ：Ｉ−ル）
　’ｉｉｌ製剤４３．９ｇ、及びフタル酸ブチル・＼ン
ジル可塑剤５３．７ｇの混合物を加えそして４時間混合
した。この時点でミルを開放し、１４Ｆ＋８　：　１９
１４の重量比の２−プロパツールとキシレンとの混合物
２００ｍ１を加えて有効な／に合のために粘度を３７１
節した。次いでミル中での混合を史に２０時間続けた。

この混合の後、そのスラリーを１時間脱泡し、次いで４
００メソシユスクリーンを通してそれを解凝集さ１圭た
。その脱泡し解凝集したスラリーを、ｌクターブレード
ギャソプ０．７５ｍｍを用いてスリンプ流延し、その流
延成形物を、小さな表面ふくれさえも形成さゼるごとな
しに有機結合剤の遅いがしかし完全な排除を促進するた
めに、テープ流延によるエレクトロニクス基板の製作で
慣用の方法で、７０〜１００時間にわたって乾燥した。

乾燥の完了の後の最終焼結は１４５０°（：で１５分間
であり、焼成したままの表向イ１１す３７．５　　計２
．５　ｎｍ及び）立成したままの密度３．９　Ｂ　／　
ｃＪをもつ平らな４１４）Ｑが生じた。

実施例４一 実施例３に記載、と同じ方法及び出発粉末を用いたが、
しかしミル中での液体スラリーの最終ｍ６時間を約４８
時間に増加さＩ！るごとによって、１４７５°０で３０
分間焼成された、平均表面イ１−１す３０±２．５ｎｍ
の最終製品を得た。

本発明の実施をアルミナの使用によってｉ已として例示
してきたが、その他のセラミック粉末、例えばジルコニ
ア、炭化■［素、窒化珪素、窒化アルミニ１″７ム及び
複合体の基体を同様に調製する、二とができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は焼成したアルミナ）−＆板の粒子構造を表
わす顕微鏡１ｊ゛貞である。 以下余白 特ｄ１出願人 ツートン　カンパニー １、鴇′１出願代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも９９．５％の酸化アルミニウムを含む組
   成をもち、４４ｎｍ以下の表面あらさをもち、そして研
   削剤仕上又は磨き仕上の結果として生じるような表面き
   ずのない、理論密度の少なくとも９５％の薄くて、平ら
   で、非礼質のセラミック。 ２、前記酸化アルミニウムがα−アルミナであり、密度
   が少なくとも３．９ｇ／ｃｍ＾３であり、主要両平面の
   平均粗さが４４ｎｍ以下である、焼成したままの、薄く
   て、平らで、水不浸透性の多結晶セラミック体である特
   許請求の範囲第１項記載の多結晶セラミック体。 ３、４８時間の最終混合時間及び３０±２．５ｎｍの平
   均表面あらさをもつ、特許請求の範囲第１項記載の焼成
   したままの、薄くて、平らで、水不浸透性の多結晶セラ
   ミック体。 ４、スラリー中のアルミナ粒子の少なくとも９０％が０
   ．３μ以下の大きさであり、そしてその粒子の９８％が
   １μ未満の大きさである該スラリーからスリップ流延に
   よつて調製した乾燥未焼成セラミック体を１３００〜１
   ５００℃の温度で０．２５〜２時間焼成することによっ
   て製造された、特許請求の範囲第１項記載のセラミック
   体。 ５、該スラリーのアルミナ分が０．４μ以下の粒子から
   なり、該粒子の９０％が０．１〜０．３μの大きさをも
   っている、特許請求の範囲第４項記載のセラミック体。 ６、セラミック粉末のスラリーをスリップ流延し、乾燥
   して未焼成基体とし、そして焼成して緊密に結合したセ
   ラミック基体とすることによる、薄くて、平らで、水不
   浸透性のセラミック基体の製法において、該スラリー中
   のセラミック粉末は、その粒子の少なくとも９０％が０
   ．３μ以下の大きさの範囲内にあり、そしてまたその粒
   子の９８％が１μ未満の大きさであることを特徴とする
   製法。 ７、スリップ流延の前に該スラリーを解凝集させる、特
   許請求の範囲第６項記載の製法。