JPWO2015107812A1 - ＡｌＮ基板 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板との接合時に段差による空隙を生じにくいＡｌＮ基板を提供する。【解決手段】半導体基板は、酸化物換算で０．００９質量％以上、０．２８質量％以下の２Ａ族元素、および酸化物換算で０．０２質量％以上、４．５質量％以下の３Ａ族元素を含むＡｌＮの焼結体からなり、他部材との接合面の、面精度を示すＰＶ値を３００ｎｍ以下とした。上記半導体基板は、上記焼結体の接合面を、ヌープ硬さＨＫ：４０００ｋｇｆ／ｍｍ2以上、平均粒径：０．０３μｍ以上、２μｍ以下の砥粒を使用して、研磨荷重：５０ｇ／ｃｍ2以上、３００ｇ／ｃｍ2以下の条件で鏡面研磨する工程を経て製造できる。

Description

本発明はＡｌＮ基板に関するものである。

例えば半導体発光素子等の、動作時に発熱を伴う半導体素子からの熱を除去するために、高い熱伝導性を有する材料からなるヒートスプレッダが用いられる。

ヒートスプレッダとしては、例えば半導体基板と貼り合わせて貼り合わせ基板を構成する下地基板等が挙げられる（特許文献１等参照）。

かかる貼り合わせ基板においては、半導体基板側の露出した表面に単層または複層の半導体層をエピタキシャル成長させることによって半導体素子が形成される。

下地基板には、上記のように高い熱伝導性を有することが求められるだけでなく、貼り合わせ基板の反りや剥離等を防止するために半導体基板との熱膨張係数の差が小さいことも求められる。

例えば半導体基板としてＧａＮ等からなるものを用いる場合、下地基板としては、これらの要求を満足するためにＡｌＮ（窒化アルミニウム）の焼結体からなるＡｌＮ基板が好適に用いられる。

しかし、特許文献２に記載されているようにＡｌＮの焼結体には多数の欠陥（気孔）が内在している。

そのため上記焼結体からなるＡｌＮ基板の、半導体基板との間での熱伝達の効率を向上するべく、当該ＡｌＮ基板の半導体基板との接合面を鏡面研磨等すると、内在していた気孔が熱伝達を妨げるボイドとして接合面において開口されて所望の熱伝達効率が得られない場合がある。

そのため従来のＡｌＮ基板を下地基板として含む貼り合わせ基板では、半導体基板上に形成される半導体素子からの熱をＡｌＮ基板へ効率よく伝達して除去できず、かかる熱によって半導体素子が誤動作したり破損したりしやすくなって、当該半導体素子の信頼性が低下するという問題がある。

そこで特許文献３では、焼結後に熱間静水圧加圧処理〔ＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）処理〕をしてＡｌＮ基板に内在する気孔のサイズを小径化するとともに気孔の数を減じることで、鏡面研磨後に接合面に現れる開口のサイズを所定値以下に制限することが提案されている。

ところが、鏡面研磨後に接合面に現れる開口のサイズを上記特許文献３に記載の手法によって所定値以下に限定したとしても、接合面には鏡面研磨の工程で段差を生じることがある。

これはＡｌＮの焼結体が、結晶方位をランダムに向けた状態で多数の結晶粒を焼結させてなる多孔質構造を有し、基板表面に露出する個々の結晶粒の面方位もランダムであって、研磨によって削られやすい結晶粒と削られにくい結晶粒とが隣接したりすることが原因と考えられる。

すなわち、隣接する結晶粒間で研磨量の差に基づいて段差を生じるのである。

そして接合面に段差ができると、当該段差に基づいて半導体基板との間に熱伝導を妨げる空隙を生じて所望の熱伝達効率が得られない部分が発生し、半導体素子の信頼性の低下を招く場合がある。

特開２００８−３００５６２号公報 特開２００２−２９３６３７号公報 特許第５１８９７１２号公報

本発明の目的は、半導体基板との接合時に段差による空隙を生じにくいＡｌＮ基板を提供することにある。

本発明は、酸化物換算で０．００９質量％以上、０．２８質量％以下の２Ａ族元素、および酸化物換算で０．０２質量％以上、４．５質量％以下の３Ａ族元素を含むＡｌＮの焼結体からなり、他部材との接合面を備え、前記接合面は、面精度を示すＰＶ値が３００ｎｍ以下であるＡｌＮ基板である。

本発明によれば、半導体基板との接合時に段差による空隙を生じにくいＡｌＮ基板を提供できる。

《ＡｌＮ基板》
本発明のＡｌＮ基板は、酸化物換算で０．００９質量％以上、０．２８質量％以下の２Ａ族元素、および酸化物換算で０．０２質量％以上、４．５質量％以下の３Ａ族元素を含むＡｌＮの焼結体からなり、他部材との接合面を備え、前記接合面は、面精度を示すＰＶ値が３００ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、面精度を示す接合面のＰＶ（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｖａｌｌｅｙ）値を上記の範囲に限定することで当該接合面に生じる段差をできるだけ小さくできる。そのため、半導体基板との接合時に段差による空隙をなくして所望の熱伝達効率を達成でき、半導体素子の信頼性を向上できる。

なおかかる効果をより一層向上して、半導体素子を、例えば車載用等の高い信頼性が要求される用途に使用できるようにするためには、接合面のＰＶ値は上記の範囲でも１００ｎｍ以下であるのが好ましい。

また接合面のＰＶ値は１０ｎｍ以上であるのが好ましい。後述する製造方法等によっても、この範囲より接合面のＰＶ値を小さくするのは実質的に困難である。

なお接合面のＰＶ値を、本発明では当該接合面上の任意の５か所において、白色光を用いた走査型干渉計を用いて２６０μｍ×１９０μｍの視野内で測定した結果の最大値でもって表すこととする。

接合面の段差はＡｌＮの焼結体において従来も発生していたが、例えば貼り合わせ基板用の下地基板以外の用途では特に問題になることはなく、表面の平滑性は、例えば粗さ曲線の算術平均粗さＲａ（日本工業規格ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１）等によって規定されているだけであった。

また貼り合わせ基板用の下地基板でも段差については特に考慮されておらず、接合面の平滑性は、例えば特許文献３に記載のように粗さ曲線の算術平均粗さＲａ等で規定されているだけであった。

しかし算術平均粗さＲａ等のいわゆる表面粗さ試験によって求められる表面性状は、いずれも粗さ曲線等のごく短い距離の線上での凹凸の状態を表しているに過ぎず、接合面に並ぶ結晶粒の任意の位置で任意の方向に発生する段差の状態を把握することはできなかった。

これに対し本発明では、上記のように面状の視野内での干渉パターンから、段差の方向等に関係なく求められるＰＶ値によって、隣接する結晶粒間の段差の状態をより的確に把握して、かかる段差が小さいため半導体基板との接合時に空隙を生じないＡｌＮ基板を得ることが可能となる。

本発明のＡｌＮ基板は、半導体素子からの熱をできるだけ速やかに除去するための高い熱伝導性を付与することを考慮すると、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが好ましい。

また熱伝導率は、上記の範囲でも２６０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるのが好ましい。熱伝導率は、ＡｌＮの焼結体を構成するＡｌＮの結晶粒の粒径、焼結材料の組成等を適宜変更することで調整可能であるが、ＡｌＮの焼結体で２６０Ｗ／ｍ・Ｋを超える高い熱伝導率を有するＡｌＮ基板を形成するのは実質的に困難である。

また本発明のＡｌＮ基板を先に説明したように下地基板として用いて、ＧａＮ等からなる半導体基板と貼り合わせて貼り合わせ基板を構成する場合には、ＡｌＮ基板と半導体基板との熱膨張係数の差が小さいことが求められる。具体的には、ＡｌＮ基板の熱膨張係数は３．５×１０^-6／Ｋ以上であるのが好ましく、４．８×１０^-6／Ｋ以下であるのが好ましい。

なお本発明のＡｌＮ基板は、上記貼り合わせ基板を構成するために好適に用いられる他、接合面に直接に半導体素子等を接合する絶縁基板として用いることもできる。

いずれの場合にも本発明のＡｌＮ基板は高い熱伝導性を有する上、接合面での他部材との熱伝達の効率にも優れているため、半導体素子からの熱をＡｌＮ基板へ効率よく伝達して、さらにＡｌＮ基板に接続される放熱部材等を介してできるだけ速やかに除去することができ、熱による半導体素子の誤動作や破損等を確実に防止してその信頼性を向上できる。

本発明のＡｌＮ基板を半導体基板と貼り合わせて貼り合わせ基板を形成するためには例えば直接接合法、表面活性化法等の種々の方法が採用される。

また上記貼り合わせのため、本発明のＡｌＮ基板の接合面にはＴｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の金属、Ａｕ−Ｓｎ等の半田、またはＳｉＯ₂からなる少なくとも１層の膜を形成してもよい。

膜の形成方法としては、例えば蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の公知の方法を用いることができる。

〈焼結体〉
本発明のＡｌＮ基板のもとになる焼結体は、例えばＡｌＮの粉末に、２Ａ族元素の酸化物、３Ａ族元素の酸化物その他の焼結助剤成分の粉末を、焼結後の２Ａ族元素の割合が酸化物換算で０．００９質量％以上、０．２８質量％以下、３Ａ族元素の割合が酸化物換算で０．０２質量％以上、４．５質量％以下となるように配合した焼結材料を用いて形成される。

すなわち、かかる焼結材料によってＡｌＮ基板の前駆体を形成したのち当該前駆体を焼結して焼結体が形成される。

また焼結後、さらに特許文献３に記載のようにＨＩＰ処理して内在する気孔のサイズを小径化するとともに気孔の数を減じたものを焼結体として使用してもよい。

２Ａ族元素は、焼結時にＡｌＮ粉末の表面の酸化物と反応して焼結材料中に含まれる他の焼結助剤成分とともに液相の生成を促進する働きをし、３Ａ族元素は、生成した液相の粘性を適度に調整する働きをする。

そのためＡｌＮの結晶粒同士の結合力を大きくして脱粒等を生じにくくできるため、後述する条件での鏡面研磨によって接合面のＰＶ値が３００ｎｍ以下に調整されたＡｌＮ基板を得ることができる。

２Ａ族元素はＣａ、およびＭｇからなる群より選ばれた少なくとも１種であるのが好ましい。また３Ａ族元素はＹ、およびランタノイドからなる群より選ばれた少なくとも１種であるのが好ましい。

本発明において、焼結体における２Ａ族元素の割合が酸化物換算で０．００９質量％以上、０．２８質量％以下に限定されるのは、下記の理由による。

すなわち２Ａ族元素の割合がこの範囲未満となるのは、出発原料となる焼結材料における２Ａ族元素の割合が少ないためであり、その場合には焼結材料に２Ａ族元素を配合することによる上記の効果が得られず、脱粒等を生じやすくなって、鏡面研磨してもＡｌＮ基板の接合面のＰＶ値が３００ｎｍを超えてしまう場合がある。

また２Ａ族元素の割合が上記の範囲を超えるのは焼結材料における２Ａ族元素の割合が多いためであり、その場合には焼結体内での焼結助剤の偏析が促進されるため接合面を均一に鏡面研磨できなくなって、ＰＶ値が部分的に３００ｎｍを超えてしまう場合がある。

また焼結体における３Ａ族元素の割合が酸化物換算で０．０２質量％以上、４．５質量％以下に限定されるのは、下記の理由による。

すなわち３Ａ族元素の割合がこの範囲未満となるのは、出発原料となる焼結材料における３Ａ族元素の割合が少ないためであり、その場合には焼結材料に３Ａ族元素を配合することによる先に説明した効果が得られず、脱粒等を生じやすくなって、鏡面研磨してもＡｌＮ基板の接合面のＰＶ値が３００ｎｍを超えてしまう場合がある。

また３Ａ族元素の割合が上記の範囲を超えるのは焼結材料における３Ａ族元素の割合が多いためであり、その場合には焼結時の液相の粘性が上昇して焼結が妨げられて、製造されるＡｌＮ基板の熱伝導率が不十分になる場合がある。

これに対し、焼結体における２Ａ族元素、および３Ａ族元素の割合がそれぞれ上記の範囲となるように焼結材料の組成を設定することで、高い熱伝導率を有し、しかも鏡面研磨によってＰＶ値が全面で３００ｎｍ以下に調整された接合面を有するＡｌＮ基板を得ることができる。

ＡｌＮ基板は、特に直接接合法によって半導体基板と貼り合わせる際の接合性を高めるために、Ｓｉを酸化物換算で０．３質量％以下の割合で含んでいても良い。

Ｓｉの割合がこの範囲を超えるのは焼結材料におけるＳｉの割合が多いためであり、その場合にはＳｉＡｌＯＮ複合酸化物の結晶粒が生成し、当該結晶粒が鏡面研磨時に脱粒して接合面に大きな欠陥が生じるおそれがある。

なおＳｉの割合の下限値は０質量％、すなわちＳｉを含んでいない場合をも含む。

焼結体の残部はＡｌＮである。

焼結体におけるＡｌＮの割合は９４．２２質量％以上であるのが好ましく、９９．９７１質量％以下であるのが好ましい。

ＡｌＮの割合がこの範囲未満では、ＡｌＮ基板の熱伝導率が不十分になるおそれがある。

一方、ＡｌＮの割合がこの範囲を超えるのは焼結材料における２Ａ族元素や３Ａ族元素などの焼結助剤成分の割合が少ないためであり、その場合にはＡｌＮの結晶粒同士の結合力が低下して脱粒等を生じやすくなって、鏡面研磨してもＡｌＮ基板の接合面のＰＶ値が３００ｎｍを超えてしまうおそれがある。

上記各成分の割合は、ＡｌＮ基板の、鏡面研磨した接合面を、グロー放電質量分析（ＧＤＭＳ）によって分析した結果から求めることができる。

《ＡｌＮ基板の製造方法》
上記本発明のＡｌＮ基板は、例えば当該ＡｌＮ基板の接合面を、ヌープ硬さＨＫ：４０００ｋｇｆ／ｍｍ²以上、平均粒径：０．０３μｍ以上、２μｍ以下の砥粒を使用して、研磨荷重：５０ｇ／ｃｍ²以上、３００ｇ／ｃｍ²以下の条件で鏡面研磨する工程を経て製造される。

接合面を上記の条件で鏡面研磨することにより、当該接合面のＰＶ値が３００ｎｍ以下とされた本発明のＡｌＮ基板を製造できる。

すなわち砥粒のヌープ硬さＨＫ（日本工業規格ＪＩＳ Ｚ２２５１：２００９）が４０００ｋｇｆ／ｍｍ²未満であるか、平均粒径が０．０３μｍ未満であるか、もしくは研磨荷重が５０ｇ／ｃｍ²未満では研磨能力が不十分になって、結晶粒の段差を十分に除去することができない。

また砥粒の平均粒径が２μｍを超えるか、または研磨荷重が３００ｇ／ｃｍ²を超える場合には、逆に研磨能力が強すぎて接合面の表面粗さが粗くなってしまう。

そのため、このいずれの場合にも、鏡面研磨によって接合面のＰＶ値を３００ｎｍ以下とすることはできない。

これに対し、ヌープ硬さＨＫと平均粒径が上記の範囲にある砥粒を用いて、上記範囲の研磨荷重で接合面を鏡面研磨することにより、当該接合面のＰＶ値を３００ｎｍ以下に調整できる。

かかるヌープ硬さＨＫを満足する砥粒としては、例えばｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素、ヌープ硬さＨＫ：４７００〜４８００ｋｇｆ／ｍｍ²）やダイヤモンド（ヌープ硬さＨＫ：７０００〜８０００ｋｇｆ／ｍｍ²）等が挙げられる。

なお接合面のＰＶ値を３００ｎｍ以下の範囲でもできるだけ小さくすることを考慮すると、砥粒のヌープ硬さＨＫは６０００ｋｇｆ／ｍｍ²以上であるのが好ましく、平均粒径は１μｍ以下であるのが好ましい。また研磨荷重は１００ｇ／ｃｍ²以上であるのが好ましく、２００ｇ／ｃｍ²以下であるのが好ましい。

鏡面研磨には、機械研磨（固定砥粒、遊離砥粒）、ケミカルメカニカルポリシング等の通常の研磨方法が採用できる。いずれの研磨方法を採用した場合でも、上記の砥粒を用いて上記の研磨荷重で鏡面研磨することにより、ＡｌＮ基板の接合面のＰＶ値を３００ｎｍ以下とすることが可能である。

〈焼結体の作製〉
本発明のＡｌＮ基板のもとになる焼結体は、これに限定されないが、例えば下記の焼結材料を用いて、下記の工程を経て製造することができる。

（焼結材料）
焼結体のもとになるＡｌＮの粉末の平均粒径は０．１μｍ以上であるのが好ましく、３．０μｍ以下であるのが好ましい。また２Ａ族元素の化合物の粉末の平均粒径は０．２μｍ以上であるのが好ましく、５．０μｍ以下であるのが好ましい。３Ａ族元素の化合物の粉末の平均粒径は０．２μｍ以上であるのが好ましく、４．０μｍ以下であるのが好ましい。さらにＳｉの化合物の粉末の平均粒径は０．５μｍ以上であるのが好ましく、６．０μｍ以下であるのが好ましい。

各成分の平均粒径がそれぞれ上記の範囲未満では、粉末が嵩高くなって均一に混合するのが容易でなくなり、また必要とする焼結密度が得られないおそれがある。一方、各成分の平均粒径がそれぞれ上記の範囲を超える場合には、混合工程で各成分が十分に粉砕されないため組成が不均一になって焼結後に密度のばらつきを生じたり、鏡面研磨工程等で脱粒等を生じたり、加工後の表面粗さが大きくなったりするおそれがある。

ＡｌＮ以外の各成分は、例えば酸化物、窒化物、炭化物、炭酸塩、複合酸化物等の化合物の状態で配合できる。酸化物以外の化合物を用いる場合は、当該化合物中に含まれる２Ａ族元素等の割合が、酸化物換算で先に説明した範囲となるように配合量を調整すればよい。

（予備成型工程）
上記ＡｌＮの粉末と、２Ａ族元素の酸化物、３Ａ族元素の酸化物その他の焼結助剤成分の粉末に、さらにバインダと分散媒とを配合してスラリーを調製し、当該スラリーをシート状に成形してグリーンシートを作製する。

バインダとしては、有機溶媒を分散媒として用いるものと水を分散媒として用いるもののいずれも使用可能である。

このうち有機溶媒を分散媒として用いるバインダとしては、例えばアクリル系、ポリビニルブチラール系、セルロース系等のバインダの１種または２種以上が挙げられる。有機溶媒としては、例えば各種アルコール等の１種または２種以上が挙げられる。

また水を分散媒として用いるバインダとしては、例えばポリビニルアルコール系、アクリル系、ウレタン系、酢酸ビニル系等のバインダの１種または２種以上が挙げられる。

またスラリーには、当該スラリーの安定性や焼結材料の分散性、あるいはグリーンシートの柔軟性等を向上するために、例えば分散剤や可塑剤等を配合してもよい。

スラリーの混合には、例えばボールミル、アトライタ、遊星ミル等の一般的な混合装置を用いた乾式混合法、湿式混合法がいずれも採用できる。湿式混合法で混合したスラリーは、例えば穴径１μｍ程度のメッシュを用いて粗粒をふるい分けてもよい。

スラリーをシート状に成形してグリーンシートを作製するための成形法としては、例えば押出法等が採用される。またドクターブレード法等で作製した薄いシートを複数枚重ね合わせてグリーンシートを作製してもよい。

次いでグリーンシートを乾燥させて予備成形体を得る。乾燥の温度は０℃以上、特に１５℃以上であるのが好ましく、８０℃以下、特に５０℃以下であるのが好ましい。

乾燥の温度がこの範囲未満ではグリーンシート中からの分散媒の揮発速度が遅すぎて乾燥に長時間を要するため、ＡｌＮ基板の生産性が低下するおそれがある。

一方、乾燥の温度がこの範囲を超える場合にはグリーンシート中からの分散媒の揮発速度が速すぎて乾燥の度合いに不均一を生じやすくなり、それに伴って予備成形体にシワや反りを生じやすくなるおそれがある。

また乾燥の時間は１時間以上、中でも１０時間以上、特に２０時間以上であるのが好ましい。

乾燥の時間がこの範囲未満では乾燥が十分でなく、次工程である脱バインダ工程において、予備成形体中に残存する分散媒の揮発による割れ等を生じやすくなるおそれがある。

なおＡｌＮ基板の生産性等を考慮すると、乾燥の時間は上記の範囲でも４８時間以下であるのが好ましい。

（脱バインダ工程）
次に上記の予備成形体を、バインダの熱分解温度以上に加熱してバインダその他の有機物を除去して焼結材料のみからなる焼結前の前駆体を作製する。

脱バインダ処理は、バインダの熱分解を促進するために大気中等の酸化性雰囲気中で行ってもよいし、窒素雰囲気中等の不活性雰囲気中で行ってもよい。

脱バインダ処理を大気中で行う場合、その温度は４００℃以上であるのが好ましく、６００℃以下であるのが好ましい。

脱バインダ処理の温度がこの範囲未満ではバインダを十分に除去することができず、次工程である焼結工程において、前駆体中に残存したバインダによって焼結が阻害されたり、バインダがガス化して焼結体に亀裂を生じさせたりするおそれがある。

一方、脱バインダ処理の温度が上記の範囲を超える場合には、表面酸化によって焼結が阻害されるおそれがある。

また脱バインダ処理を窒素雰囲気中で行う場合、その温度は５００℃以上であるのが好ましく、９００℃以下であるのが好ましい。

脱バインダ処理の温度がこの範囲未満ではバインダを十分に除去することができず、次工程である焼結工程において、前駆体中に残存したバインダによって焼結が阻害されたり、バインダがガス化して焼結体に亀裂を生じさせたりするおそれがある。

一方、脱バインダ処理の温度が上記の範囲を超えてもそれ以上の効果が得られないだけでなく、加熱に要するエネルギーが過大となってＡｌＮ基板の生産性が低下するおそれがある。

また脱バインダ処理の時間は、いずれの雰囲気中で脱バインダ処理を実施する場合も１時間以上であるのが好ましく、１０時間以下であるのが好ましい。

脱バインダ処理の時間がこの範囲未満ではバインダを十分に除去することができず、次工程である焼結工程において、前駆体中に残存したバインダによって焼結が阻害されたり、バインダがガス化して焼結体に亀裂を生じさせたりするおそれがある。

一方、脱バインダ処理の時間が上記の範囲を超えてもそれ以上の効果が得られないだけでなく、加熱に要するエネルギーが過大となってＡｌＮ基板の生産性が低下するおそれがある。

（焼結工程）
次に上記の前駆体を、窒素雰囲気等の不活性雰囲気中で焼結して焼結体を形成する。

焼結の温度は１５００℃以上、特に１６００℃以上であるのが好ましく、１９００℃以下、特に１７５０℃以下であるのが好ましい。

焼結の温度がこの範囲未満では焼結が不十分で、ＡｌＮの結晶粒同士の結合力が低下して脱粒等を生じやすくなり、鏡面研磨してもＡｌＮ基板の接合面のＰＶ値が３００ｎｍを超えてしまうおそれがある。

一方、焼結の温度が上記の範囲を超える場合には焼結が過度に進行し、焼結体内での焼結助剤の偏析が促進されるため接合面を均一に鏡面研磨できなくなって、ＰＶ値が部分的に３００ｎｍを超えてしまうおそれがある。

また焼結の時間は１時間以上であるのが好ましく、１０時間以下であるのが好ましい。

焼結の時間がこの範囲未満では、当該焼結工程において結晶粒の再配列や結合に要する時間が短いため、焼結体中での密度のばらつきが大きくなって、ＡｌＮ基板の熱伝導率が低下したり、全体の強度が低下したりするおそれがある。

一方、焼結の時間が上記の範囲を超える場合には焼結が過度に進行し、焼結体内での焼結助剤の偏析が促進されるため接合面を均一に鏡面研磨できなくなって、ＰＶ値が部分的に３００ｎｍを超えてしまうおそれがある。

焼結時の圧力は、１気圧（＝１０１３．２５ｈＰａ）以上であるのが好ましく、１０気圧（＝１０１３２．５ｈＰａ）以下であるのが好ましい。

焼結の圧力がこの範囲未満ではＡｌＮが分解するおそれがある。

一方、焼結の圧力がこの範囲を超える場合には焼結体内での焼結助剤の偏析が促進されるため接合面を均一に鏡面研磨できなくなって、ＰＶ値が部分的に３００ｎｍを超えてしまうおそれがある。

〈実施例１〉
（焼結材料の準備）
焼結材料としては、下記の各成分の粉末を準備した。

ＡｌＮ：平均粒径０．９μｍ
ＣａＣＯ₃：平均粒径６μｍ
Ｙｂ₂Ｏ₃：平均粒径１．２μｍ
Ｎｄ₂Ｏ₃：平均粒径３．５μｍ
Ａｌ₂Ｏ₃：平均粒径０．３μｍ
ＳｉＯ₂：平均粒径３．８μｍ
（スラリーの調製および予備成形体の作製）
上記各成分の粉末を、焼結後の割合が、
ＡｌＮ：９７．８２質量％
２Ａ族元素としてのＣａ（酸化物換算）：０．０９質量％
３Ａ族元素としてのＹｂ（酸化物換算）：０．９９質量％
３Ａ族元素としてのＮｄ（酸化物換算）：０．９質量％
Ｓｉ（酸化物換算）：０．２質量％
となるように配合するとともに、分散媒とバインダとを配合してスラリーを調製した。

次いでこのスラリーを、押出法によって縦２６０ｍｍ×横２６０ｍｍ×厚み１．２ｍｍのシート状に成形してグリーンシートを作製し、作製したグリーンシートを円板状に打ち抜いたのち温度：２４±４℃、時間：２４時間の条件で自然乾燥させて予備成形体を作製した。

（脱バインダ工程）
作製した予備成形体を窒化ホウ素製の治具上に配置し、大気中で温度：５００℃、時間：５時間の条件で脱バインダ処理して、焼結材料のみからなる焼結前の前駆体を作製した。

（焼結工程）
上記の前駆体を、窒素雰囲気中で温度：１６５０℃、時間：５時間、圧力：１気圧の条件で焼結させて焼結体を作製した。
（鏡面研磨工程）
作製した焼結体の円板の片面である接合面を、ヌープ硬さＨＫ：７０００ｋｇｆ／ｍｍ²、平均粒径：１μｍのダイヤモンド砥粒を使用して、研磨荷重：１５０ｇ／ｃｍ²の条件で、遊離砥粒によるラップ加工によって鏡面研磨して、φ２００×０．７ｍｍｔの円板状のＡｌＮ基板を製造した。ＡｌＮ基板の反りは０．８μｍ／ｍｍであった。

〈実施例２〜５、比較例１、２〉
鏡面研磨工程での研磨荷重を３０ｇ／ｃｍ²（比較例１）、５０ｇ／ｃｍ²（実施例２）、１００ｇ／ｃｍ²（実施例３）、２００ｇ／ｃｍ²（実施例４）、３００ｇ／ｃｍ²（実施例５）、および４００ｇ／ｃｍ²（比較例２）としたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ基板を製造した。

〈実施例６〜１０、比較例３、４〉
鏡面研磨工程でヌープ硬さＨＫ：７０００ｋｇｆ／ｍｍ²、平均粒径：０．０３μｍのダイヤモンド砥粒を使用し、研磨荷重を３０ｇ／ｃｍ²（比較例３）、５０ｇ／ｃｍ²（実施例６）、１００ｇ／ｃｍ²（実施例７）、１５０ｇ／ｃｍ²（実施例８）、２００ｇ／ｃｍ²（実施例９）、３００ｇ／ｃｍ²（実施例１０）、および４００ｇ／ｃｍ²（比較例４）としたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ基板を製造した。

〈実施例１１〜１５、比較例５、６〉
鏡面研磨工程でヌープ硬さＨＫ：７０００ｋｇｆ／ｍｍ²、平均粒径：２μｍのダイヤモンド砥粒を使用し、研磨荷重を３０ｇ／ｃｍ²（比較例５）、５０ｇ／ｃｍ²（実施例１１）、１００ｇ／ｃｍ²（実施例１２）、１５０ｇ／ｃｍ²（実施例１３）、２００ｇ／ｃｍ²（実施例１４）、３００ｇ／ｃｍ²（実施例１５）、および４００ｇ／ｃｍ²（比較例６）としたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ基板を製造した。

〈実施例１６〉
鏡面研磨工程でヌープ硬さＨＫ：４８００ｋｇｆ／ｍｍ²、平均粒径：１μｍのｃＢＮ砥粒を使用し、研磨荷重を１５０ｇ／ｃｍ²としたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ基板を製造した。

〈比較例７〉
鏡面研磨工程でヌープ硬さＨＫ：３２００ｋｇｆ／ｍｍ²、平均粒径：１μｍのＳｉＣ砥粒を使用し、研磨荷重を１５０ｇ／ｃｍ²としたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ基板を製造した。

〈比較例８〉
鏡面研磨工程でヌープ硬さＨＫ：７０００ｋｇｆ／ｍｍ²、平均粒径：０．０１μｍのダイヤモンド砥粒を使用し、研磨荷重を１５０ｇ／ｃｍ²としたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ基板を製造した。

〈比較例９〉
鏡面研磨工程でヌープ硬さＨＫ：７０００ｋｇｆ／ｍｍ²、平均粒径：２．５μｍのダイヤモンド砥粒を使用し、研磨荷重を１５０ｇ／ｃｍ²としたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ基板を製造した。

〈ＰＶ値の測定〉
各実施例、比較例で製造したＡｌＮ基板の、鏡面研磨した接合面のＰＶ値を測定した。測定は接合面上の任意の５か所において、白色光を用いた走査型干渉計〔ＺＹＧＯ社製のＮｅｗＶｉｅｗ（登録商標）７３００〕を用いて２６０μｍ×１９０μｍの視野内で実施し、測定結果の最大値でもって各実施例、比較例のＡｌＮ基板の接合面のＰＶ値とした。

〈算術平均粗さＲａの測定〉
比較のため各実施例、比較例で製造したＡｌＮ基板の、鏡面研磨した接合面上の任意の５箇所で、非接触型の表面粗さ計を用いて０．６ｍｍ×０．５ｍｍの視野内で測定した粗さ曲線から各々の算術平均粗さＲａを求め、その平均値を算出して各実施例、比較例のＡｌＮ基板の接合面の算術平均粗さＲａとした。

以上の結果を表１〜表５に示す。

表１〜表５の実施例１〜１６、比較例１〜９の結果より、ＡｌＮ基板の接合面のＰＶ値を３００ｎｍ以下にするためには、鏡面研磨工程において、ヌープ硬さＨＫ：４０００ｋｇｆ／ｍｍ²以上、平均粒径：０．０３μｍ以上、２μｍ以下の砥粒を使用して、研磨荷重：５０ｇ／ｃｍ²以上、３００ｇ／ｃｍ²以下の条件で鏡面研磨する必要があることが判った。

また各実施例の結果より、接合面のＰＶ値を３００ｎｍ以下の範囲でもできるだけ小さくするためには、砥粒のヌープ硬さＨＫは６０００ｋｇｆ／ｍｍ²以上であるのが好ましく、平均粒径は１μｍ以下であるのが好ましいこと、研磨荷重は１００ｇ／ｃｍ²以上であるのが好ましく、２００ｇ／ｃｍ²以下であるのが好ましいことが判った。

〈実施例１７〜２１〉
焼結工程での温度を１５００℃（実施例１７）、１６００℃（実施例１８）、１７５０℃（実施例１９）、１８５０℃（実施例２０）、および１９００℃（実施例２１）としたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ基板を製造した。

〈実施例２２、２３〉
焼結工程での時間を１時間（実施例２２）、および１０時間（実施例２３）としたこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ基板を製造した。

上記各実施例、比較例で製造したＡｌＮ基板のＰＶ値、および算術平均粗さＲａを、先に説明した方法によって測定した。結果を実施例１の結果と併せて表６に示す。

表６の実施例１、１７〜２３の結果より、ＡｌＮ基板の接合面のＰＶ値を３００ｎｍ以下にするためには、焼結工程の温度は１５００℃以上、特に１６００℃以上であるのが好ましく、１９００℃以下、特に１７５０℃以下であるのが好ましいこと、時間は１時間以上であるのが好ましく、１０時間以下であるのが好ましいことが判った。

〈実施例２４、２５、比較例１０、１１〉
焼結後の割合が下記表７に示す値となるように各成分を配合したいずれかの焼結材料を使用したこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ基板を製造した。

なおＹの焼結材料としては、平均粒径０．９μｍのＹ₂Ｏ₃の粉末を用いた。

上記各実施例、比較例で製造したＡｌＮ基板のＰＶ値、および算術平均粗さＲａを、先に説明した方法によって測定した。結果を実施例１の結果と併せて表７に示す。

表７の実施例１、２４、２５、比較例１０、１１の結果より、ＡｌＮ基板の接合面のＰＶ値を３００ｎｍ以下にするためには、２Ａ族元素の割合は、酸化物換算で０．００９質量％以上、０．２８質量％以下である必要があることが判った。

〈実施例２６〜２８、比較例１２、１３〉
焼結後の割合が下記表８に示す値となるように各成分を配合したいずれかの焼結材料を使用したこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ基板を製造した。

上記各実施例、比較例で製造したＡｌＮ基板のＰＶ値、および算術平均粗さＲａを、先に説明した方法によって測定した。結果を実施例１の結果と併せて表８に示す。

表８の実施例１、２６〜２８、比較例１２、１３の結果より、ＡｌＮ基板の接合面のＰＶ値を３００ｎｍ以下にするためには、３Ａ族元素の割合は、酸化物換算で０．０２質量％以上、４．５質量％以下である必要があることが判った。

〈実施例２９、３０、比較例１４〉
焼結後の割合が下記表９に示す値となるように各成分を配合したいずれかの焼結材料を使用したこと以外は実施例１と同様にしてＡｌＮ基板を製造した。

上記各実施例、比較例で製造したＡｌＮ基板のＰＶ値、および算術平均粗さＲａを、先に説明した方法によって測定した。結果を実施例１の結果と併せて表９に示す。

表９の実施例１、２９、３０、比較例１４の結果より、ＡｌＮ基板の接合面のＰＶ値を３００ｎｍ以下にするためには、先に説明したように２Ａ族元素の割合が、酸化物換算で０．００９質量％以上、０．２８質量％以下、３Ａ族元素の割合が、酸化物換算で０．０２質量％以上、４．５質量％以下であるとともに、ＡｌＮの割合が９９．９７１質量％以下であるのが好ましいことが判った。

また上記各表の実施例１〜３０、比較例１〜１４のＰＶ値と算術平均粗さＲａとを比較したところ、ＰＶ値の大きさと算術平均粗さＲａの大きさとは必ずしも比例関係になく、大小関係が逆転しているものなども見られた。

そしてこのことから、本発明で規定したＰＶ値によれば段差の状態をより正確に把握できることが判った。

〈実施例３１〉
実施例１で製造したＡｌＮ基板の接合面にスパッタリング法によって厚み０．１μｍのＴｉ膜、厚み０．２μｍのＰｔ膜、および厚み１．０μｍのＡｕ膜を順に積層し、さらにその上に厚み５μｍのＡｕ−Ｓｎ半田膜（組成比Ａｕ：Ｓｎ＝７０：３０）を成膜した。

またφ２００×０．７ｍｍｔの円板状のサファイア基板を用意し、その片面である被接合面に上記と同様にして厚み０．１μｍのＴｉ膜、厚み０．２μｍのＰｔ膜、および厚み１．０μｍのＡｕ膜を順に積層した。

次いで上記ＡｌＮ基板をＡｕ−Ｓｎ半田膜を上にして設置した上に、サファイア基板をＡｕ膜が上記Ａｕ−Ｓｎ半田膜と密着するように重ね合わせた状態で、窒素雰囲気中で３２０℃に加熱して両基板を半田接合させた。

そして半田接合させたＡｌＮ基板とサファイア基板を円板のほぼ中央で積層方向に沿って切断して切断面の全体を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって倍率１０００倍で観察したところ、接合面にはボイドは見られなかった。

〈実施例３２〉
実施例１で製造したＡｌＮ基板の接合面にＣＶＤ法によって厚み０．１μｍのＳｉＯ₂膜を成膜した後、当該ＡｌＮ基板をチャンバー内に設置して６０ｓｃｃｍのＮ₂ガスを導入しながら１００ＷのＲＦプラズマによって上記ＳｉＯ₂膜の表面を清浄面化した。

またφ２００×０．７ｍｍｔの円板状のサファイア基板を用意し、その片面である被接合面を上記と同様に６０ｓｃｃｍのＮ₂ガスを導入しながら１００ＷのＲＦプラズマによって清浄面化した。

次いで上記ＡｌＮ基板をＳｉＯ₂膜を上にして設置した上に、サファイア基板を、清浄面化した被接合面が上記ＳｉＯ₂膜と密着するように重ね合わせた状態で３００℃に加熱して両基板を接合させた。

そして接合させたＡｌＮ基板とサファイア基板の全体をサファイア基板側から金属顕微鏡によって倍率１０００倍で観察したところ、接合面にはボイドは見られなかった。

〈実施例３３〉
実施例６で製造したＡｌＮ基板を用いたこと以外は実施例３２と同様にして、当該ＡｌＮ基板とサファイア基板とを接合させた。

そして接合させたＡｌＮ基板とサファイア基板の全体をサファイア基板側から金属顕微鏡によって倍率１０００倍で観察したところ、接合面に１０個のボイドが見られたが、それ以外の領域は貼り合わせ基板として使用できると判断した。

〈比較例１５〉
比較例３で製造したＡｌＮ基板を用いたこと以外は実施例３２と同様にして、当該ＡｌＮ基板とサファイア基板とを接合させた。

そして接合させたＡｌＮ基板とサファイア基板の全体をサファイア基板側から金属顕微鏡によって倍率１０００倍で観察したところ、接合面の全面に１０００個以上のボイドが認められ、貼り合わせ基板として使用できる領域を見出すことはできなかった。

Claims (4)

1. 酸化物換算で０．００９質量％以上、０．２８質量％以下の２Ａ族元素、および酸化物換算で０．０２質量％以上、４．５質量％以下の３Ａ族元素を含むＡｌＮの焼結体からなり、他部材との接合面を備え、前記接合面は、面精度を示すＰＶ値が３００ｎｍ以下であるＡｌＮ基板。
2. 前記２Ａ族元素はＣａ、およびＭｇからなる群より選ばれた少なくとも１種である請求項１に記載のＡｌＮ基板。
3. 前記３Ａ族元素はＹ、およびランタノイドからなる群より選ばれた少なくとも１種である請求項１又は請求項２に記載のＡｌＮ基板。
4. 前記接合面には、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、およびＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の金属、Ａｕ−Ｓｎ、またはＳｉＯ₂からなる少なくとも１層の膜が形成されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＡｌＮ基板。