KR20140047607A

KR20140047607A - AlN 기판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20140047607A
Application number: KR1020137030519A
Authority: KR
Inventors: 타케히사 야마모토; 사다무 이시즈
Original assignee: 가부시끼가이샤 아라이도 마테리아루
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2014-04-22
Also published as: EP2733132A1; EP2733132B1; KR101705024B1; JPWO2013008697A1; EP2733132A4; CN103608313A; WO2013008697A1; JP5189712B2; CN103608313B; EP2733132B9; US20140124700A1

Abstract

접합면에 접합되는 반도체 기판 등의 다른 부재와의 사이의 열전달 효율이 우수한 AlN 기판과, 상기 AlN 기판을 제조하기 위한 제조 방법을 제공한다. AlN 기판은 2A족 원소, 3A족 원소를 포함하는 AlN의 소결체로 이루어지고, 접합면의 표면 거칠기(Ra)가 3㎚ 이하, 상기 접합면에 노출된 장경 0.25㎛ 이상의 보이드의 상기 장경의 평균값이 1.5㎛ 이하이고, 또한 최대값이 1.8㎛ 이하이다. 제조 방법은 AlN을 88.7∼98.5질량%, 2A족 원소를 산화물 환산으로 0.01∼0.3질량%, 3A족 원소를 산화물 환산으로 0.05∼5질량%의 범위에서 포함하는 소결 재료에 의해 형성한 전구체를 1500∼1900℃의 온도에서 소결해서 소결체를 형성하고, 상기 소결체를 1450∼2000℃의 온도, 및 9.8㎫ 이상의 압력으로 HIP 처리한다.

Description

AlN 기판 및 그 제조 방법{ALN SUBSTRATE AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은 AlN 기판과 그 제조 방법에 관한 것이다.

예를 들면 반도체 발광 소자 등의 동작시에 발열을 수반하는 반도체 소자로부터의 열을 제거하기 위해서 높은 열전도성을 갖는 재료로 이루어지는 히트 스프레더가 사용된다.

상기 히트 스프레더로서는, 예를 들면 반도체 기판과 본딩해서 본딩 기판을 구성하는 하지 기판 등을 들 수 있다(특허문헌 1 등 참조).

상기 본딩 기판에 있어서는 반도체 기판측의 노출된 표면에 단층 또는 복층의 반도체층을 에피택셜 성장시킴으로써 상기 반도체 발광 소자 등의 반도체 소자가 형성된다.

상기 하지 기판에는 상기 높은 열전도성을 가짐과 동시에 본딩 기판의 휨이나 박리 등을 방지하기 위해서 반도체 기판과의 열팽창계수의 차가 작을 것이 요구된다.

예를 들면 반도체 기판으로서 GaN 등으로 이루어지는 것을 사용할 경우, 상기 하지 기판으로서는 이들 요구를 만족시키는 AlN 기판이 적합하게 사용된다.

그러나 특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이, AlN(질화알루미늄)을 소결해서 제조되는 종래의 AlN 기판에는 다수의 결함(기공)이 내재되어 있어, 반도체 기판과의 접합면을 열전달 효율을 향상시키기 위해서 경면 연마하거나 하면 상기 기공이 개구되어서 상기 접합면에 반도체 기판과의 사이에서의 열전달을 방해하는 보이드로서 나타나기 때문에 원하는 열전달 효과가 얻어지지 않는 경우가 있다.

그 때문에, 종래의 AlN 기판을 하지 기판으로서 포함하는 본딩 기판에서는 반도체 기판 상에 형성되는 반도체 소자로부터의 열을 상기 반도체 기판으로부터 AlN 기판으로 효율적으로 전달해서 제거할 수 없어 상기 열에 의해 반도체 소자가 오동작하거나 파손되거나 하기 쉽다는 문제가 있다.

일본국 특허 공개 2008-300562호 공보 일본국 특허 공개 2002-293637호 공보

본 발명의 목적은, 종래에 비하여 접합면에 접합되는 반도체 기판 등의 다른 부재와의 사이의 열전달 효율이 우수한 AlN 기판과, 상기 AlN 기판을 제조하기 위한 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명은 다른 부재와의 접합면을 구비한 AlN 기판으로서, 2A족 원소 및 3A족 원소를 포함하는 AlN의 소결체로 이루어지고, 상기 접합면의 표면 거칠기(Ra)가 15㎚ 이하, 상기 접합면에 노출된 장경 0.25㎛ 이상의 보이드의 상기 장경의 평균값이 1.5㎛ 이하이고, 또한 최대값이 1.8㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 AlN 기판은 상기와 같이 2A족 원소 및 3A족 원소를 포함하는 AlN의 소결체로 이루어지고, 접합면의 표면 거칠기(Ra)가 15㎚ 이하의 보이드가 적은 평활면이며, 또한 상기 접합면에 존재하는 장경 0.25㎛ 이상의 보이드의 상기 장경의 평균값이 1.5㎛ 이하, 최대값이 1.8㎛ 이하로 규정되기 때문에 상기 접합면에 접합되는 반도체 기판 등의 다른 부재와의 사이의 열전달 효율을 지금까지보다 향상시킬 수 있다.

그 때문에 본 발명의 AlN 기판을, 예를 들면 하지 기판으로서 반도체 기판과 본딩해서 본딩 기판을 구성한 경우에는 상기 반도체 기판 상에 형성되는 반도체 발광 소자 등의 반도체 소자로부터의 열을 상기 반도체 기판으로부터 AlN 기판으로 지금까지보다 효율적으로 전달하고, 또한 상기 AlN 기판에 접속되는 방열 부재 등을 통해서 가능한 한 신속하게 제거할 수 있어 상기 열에 의한 반도체 소자의 오동작이나 파손 등을 확실하게 방지할 수 있다.

상기 2A족 원소로서는 Ca 및 Mg로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종이 바람직하다. 본 발명의 AlN 기판은 상기 2A족 원소를 산화물 환산으로 0.009질량% 이상 0.28질량% 이하의 비율로 포함하고 있는 것이 바람직하다.

또한 3A족 원소로서는 Y 및 란타노이드로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종이 바람직하다. 본 발명의 AlN 기판은 상기 3A족 원소를 산화물 환산으로 0.02질량% 이상 4.5질량% 이하의 비율로 포함하고 있는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 본 발명의 AlN 기판을 제조하기 위한 제조 방법으로서, AlN을 88.7질량% 이상 98.5질량% 이하, 2A족 원소를 산화물 환산으로 0.01질량% 이상 0.3질량% 이하, 3A족 원소를 산화물 환산으로 0.05질량% 이상 5질량% 이하의 범위에서 포함하는 소결 재료에 의해 상기 AlN 기판의 전구체를 형성하는 공정, 상기 전구체를 1500℃ 이상 1900℃ 이하의 온도에서 소결해서 소결체를 형성하는 공정, 및 상기 소결체를 1450℃ 이상 2000℃ 이하의 온도, 및 9.8㎫ 이상의 압력으로 열간 정수압 가압 처리[HIP(Hot Isostatic Pressing) 처리]하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 의하면, 상기 각 성분을 포함하는 소결 재료에 의해 형성한 전구체로부터 상기 온도 범위 내의 비교적 저온에서의 소결에 의해 형성한, 일정 범위의 이론 밀도를 갖는 AlN의 소결체(가소결체)를 상기 조건으로 HIP 처리함으로써 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메워서 개개의 기공 사이즈를 소경화함과 아울러 기공의 수를 줄일 수 있다.

즉 HIP 처리 공정에서의 상기 온도 범위 내에서의 가열에 의해 상기 소결 재료 중에 포함되는 2A족 원소는 AlN 입자 표면의 산화물과 반응해서 상기 소결 재료 중에 포함되는 다른 소결 조제 성분과 함께 액상의 생성을 촉진하는 작용을 하고, 3A족 원소는 생성된 상기 액상의 점성을 적절하게 조정하는 작용을 한다.

그 때문에 HIP 처리 공정에서 소결체의 전체에 상기 압력 범위 내의 정수압을 가함으로써 반용융 상태로 된 소결 조제를 소결체의 입계 부분에서 유동시킴과 아울러 상기 소결체를 구성하는 결정립을 재배열시켜서 소결체를 치밀화시킬 수 있고, 결과적으로 상기와 같이 소결체 중에 내재되는 기공을 메워서 상기 기공의 수를 줄임과 아울러 남은 기공의 사이즈를 소경화할 수 있다.

따라서 HIP 처리 후에 다른 부재와의 접합면을 연마 공정에서 경면 연마하거나 함으로써 상기 기공이 개구되어서 상기 접합면에 나타나는 장경 0.25㎛ 이상의 보이드의 상기 장경의 평균값을 1.5㎛ 이하, 최대값을 1.8㎛ 이하로 함과 아울러 보이드의 수의 파라미터로서의 상기 접합면의 표면 거칠기(Ra)를 상기 15㎚ 이하로 할 수 있다.

또한 소결 공정+HIP 처리 공정 대신에 (a) 전구체를 가압하면서 소결하는 핫 프레스법을 채용하거나, (b) 소결 공정을 생략하고 전구체를 직접 HIP 처리하거나, 또는 (c) 소결 공정을 소결 조건을 다르게 해서 2단계로 실시하고 HIP 처리를 생략하거나 하는 것이 생각된다.

그러나 (a)의 핫 프레스법에서는 소결 조제의 이동이 충분하게 행하여지지 않기 때문에 본 발명의 제조 방법에 의해 제조한 것과 동등한 치밀화된 AlN 기판을 제조할 수 없다.

또한 (b)의 방법에서는 개기공(開氣孔)으로 되어 있기 때문에, 역시 본 발명의 제조 방법에 의해 제조한 것과 동등한 치밀화된 AlN 기판을 제조할 수 없다.

또한 (c)의 2단계의 소결에서도 소결 조제의 이동이 충분하게 행하여지지 않기 때문에 본 발명의 제조 방법에 의해 제조한 것과 동등한 치밀화된 AlN 기판을 제조할 수 없다.

(발명의 효과)

본 발명에 의하면, 종래에 비하여 접합면에 접합되는 반도체 기판 등의 다른 부재와의 사이의 열전달 효율이 우수한 AlN 기판과, 상기 AlN 기판을 제조하기 위한 제조 방법을 제공할 수 있다.

본 발명은 다른 부재와의 접합면을 구비한 AlN 기판으로서, 2A족, 원소 및 3A족 원소를 포함하는 AlN의 소결체로 이루어지고, 상기 접합면의 표면 거칠기(Ra)가 15㎚ 이하, 상기 접합면에 노출된 장경 0.25㎛ 이상의 보이드의 상기 장경의 평균값이 1.5㎛ 이하이고, 또한 최대값이 1.8㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 의하면, 상기와 같이 2A족 원소 및 3A족 원소를 포함하는 AlN의 소결체로 이루어지고, 접합면의 표면 거칠기(Ra)가 15㎚ 이하의 보이드가 적은 평활면이고, 또한 상기 접합면에 존재하는 장경 0.25㎛ 이상의 보이드의 상기 장경의 평균값이 1.5㎛ 이하, 최대값이 1.8㎛ 이하로 규정되기 때문에 상기 접합면에 접합되는 반도체 기판 등의 다른 부재와의 사이의 열전달 효율을 지금까지보다 향상시킬 수 있다.

그 때문에 본 발명의 AlN 기판을, 예를 들면 하지 기판으로서 반도체 기판과 본딩해서 본딩 기판을 구성했을 경우에는 상기 반도체 기판 상에 형성되는 반도체 발광 소자 등의 반도체 소자로부터의 열을 상기 반도체 기판으로부터 AlN 기판으로 지금까지보다 효율적으로 전달하고, 또한 상기 AlN 기판에 접속되는 방열 부재 등 을 통해서 가능한 한 신속하게 제거할 수 있어 상기 반도체 소자의 열에 의한 오동작이나 파손 등을 확실하게 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 접합면의 표면 거칠기(Ra)가 상기 15㎚ 이하로 한정되는 것은 하기의 이유에 의한다.

즉 표면 거칠기(Ra)가 15㎚를 초과할 경우에는 가령 보이드의 장경의 범위, 및 상기 장경의 평균값이 상기 범위 내이었다고 하여도 상기 접합면에는 다수의 보이드가 존재하게 되고, 상기 접합면에 접합되는 다른 부재와의 사이의 열전달 효율을 향상시키는 효과가 얻어지지 않는다. 또한, 다른 부재의 접합 강도가 저하되어 박리되기 쉬워질 우려도 있다.

또한, 보이드의 수를 적게 해서 열전달 효율을 향상시키는 효과를 더욱 향상시키는 것을 고려하면 상기 접합면의 표면 거칠기(Ra)는 상기 범위 내에서도 작을수록 바람직하고, 특히 10㎚ 이하인 것이 바람직하다. 단, AlN 기판의 생산성이나 수율 등을 고려하면 상기 표면 거칠기(Ra)는 상기 범위 내에서도 0.1㎚ 이상인 것이 바람직하다. 표면 거칠기(Ra)를 상기 범위 미만으로 하는 것은 실질적으로 곤란하다.

상기 접합면의 표면 거칠기(Ra)를 본 발명에서는 일본 공업 규격 JIS B0601: 2001「제품의 기하 특성 규정(GPS)-표면 성상: 윤곽 곡선 방식-용어, 정의 및 표면 성상 파라미터」에 있어서 규정된 윤곽 곡선의 산술 평균 높이 Ra로 나타내는 것으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 접합면에 노출된 장경의 평균값 및 최대값을 구하는 보이드의 장경이 0.25㎛ 이상으로 한정되는 것은 하기의 이유에 의한다.

즉, 장경이 0.25㎛ 미만이라는 매우 작은 보이드의 대부분은 반도체 기판 등의 다른 부재를 상기 접합면에 예를 들면 직접 접합법, 표면활성화법 등에 의해 본딩할 때에 메워져버림과 동시에 본딩한 후에 보이드로서 남은 경우라도 접합한 다른 부재와의 사이의 열전달을 방해하지 않는다.

그 때문에 본 발명에서는, 장경 0.25㎛ 미만의 작은 보이드는 상기 접합면에 노출된 보이드의 장경의 평균값 및 최대값을 구할 때에는 보이드로서 계수하지 않는 것으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 접합면에 노출된 장경 0.25㎛ 이상의 보이드의 상기 장경의 평균값이 1.5㎛ 이하이고, 또한 최대값이 1.8㎛ 이하로 한정되는 것은 하기의 이유에 의한다.

즉 접합면에 노출된 상기 보이드의 장경의 평균값, 또는 최대값이 어느 한쪽이라도 상기 범위를 초과할 경우에는 가령 접합면의 표면 거칠기(Ra)가 15㎚ 이하의 범위 내이었다고 하여도 상기 접합면에 접합되는 다른 부재와의 사이의 열전달 효율을 향상시키는 효과가 얻어지지 않는다. 또한, 다른 부재의 접합 강도가 저하되어 박리되기 쉬워질 우려도 있다.

또한, 열전달 효율을 향상시키는 효과를 더욱 향상시키는 것을 고려하면 상기 보이드의 장경의 평균값은 상기 범위 내에서도 1.0㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한 상기 보이드의 장경의 최대값은 상기 범위 내에서도 1.2㎛ 이하인 것이 바람직하다.

단, AlN 기판의 생산성이나 수율 등을 고려하면 상기 보이드의 장경의 평균값은 상기 범위 내에서도 0.3㎛ 이상인 것이 바람직하고, 최대값은 상기 범위 내에서도 0.5㎛ 이상인 것이 바람직하다. 평균값이나 최대값을 상기 범위 미만으로 하는 것은 실질적으로 곤란하다.

접합면에 노출된 보이드의 장경을 본 발명에서는 하기의 방법으로 측정한 값으로 나타내는 것으로 한다.

즉 AlN 기판의 경면 연마하거나 한 접합면에 카본을 증착하고, 주사형 전자현미경을 이용하여 임의의 5시야를 배율 1000배로 촬영한다. 이어서 촬영한 화상을 3배로 확대하여 시야 내에서 확인되는 모든 보이드를 타원 근사하고, 그 장축을 장경으로서 측정한다. 그리고 장경 0.25㎛ 미만인 것을 제외한 장경 0.25㎛ 이상의 모든 보이드의 장경의 측정값으로부터 상기 장경의 평균값, 및 최대값을 구한다.

상기 2A족 원소로서는, 예를 들면 Ca 및 Mg로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종이 바람직하다. 또한 3A족 원소로서는, 예를 들면 Y 및 란타노이드로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종이 바람직하다.

후술하는 본 발명의 제조 방법에 의해 제조되는 AlN 기판은 그 출발 원료로서의 소결 재료의 조성에 의거하여 상기 2A족 원소의 비율이 산화물 환산으로 0.009질량% 이상인 것이 바람직하고, 0.28질량% 이하인 것이 바람직하다. 또한 3A족 원소의 비율은 산화물 환산으로 0.02질량% 이상인 것이 바람직하고, 4.5질량% 이하인 것이 바람직하다.

2A족 원소의 비율이 상기 범위 미만이 되는 것은 상기 본 발명의 제조 방법에 있어서 출발 원료로서 사용하는 소결 재료에 있어서의 상기 2A족 원소의 비율이 앞서 설명한 소정값보다 적기 때문인 경우가 많다. 그 경우에는, 소결 재료에 2A족 원소를 배합하는 것에 의한 효과가 얻어지지 않고, 연마 후의 AlN 기판의 접합면에 노출된 보이드가 본원 발명에서 규정한 범위를 상회해서 커져버릴 우려가 있다.

한편, 2A족 원소의 비율이 상기 범위를 초과하는 것은 마찬가지로 상기 소결 재료에 있어서의 상기 2A족 원소의 비율이 앞서 설명한 소정값보다 많기 때문인 경우가 많고, 그 경우에는 과잉의 2A족 원소의 작용에 의해 연마 후의 AlN 기판의 접합면에 노출된 보이드가 역시 본원 발명에서 규정한 범위를 상회해서 커져버릴 우려가 있다.

또한 3A족 원소의 비율이 상기 범위 미만이 되는 것은 상기 소결 재료에 있어서의 상기 3A족 원소의 비율이 앞서 설명한 소정값보다 적기 때문인 경우가 많고, 그 경우에는 소결 재료에 3A족 원소를 배합하는 것에 의한 효과가 얻어지지 않고, 연마 후의 AlN 기판의 접합면에 노출된 보이드가 본원 발명에서 규정한 범위를 상회해서 커져버릴 우려가 있다.

한편, 3A족 원소의 비율이 상기 범위를 초과하는 것은 마찬가지로 상기 소결 재료에 있어서의 상기 2A족 원소의 비율이 앞서 설명한 소정값보다 많기 때문인 경우가 많고, 그 경우에는 제조되는 AlN 기판의 열전도율을 상기 AlN 기판에 요구되는 열전도율의 적합 범위, 특히 후술하는 80W/m·K 이상의 범위로 유지할 수 없을 우려가 있다.

또한 상기 AlN 기판은 Si를 산화물 환산으로 0.3질량% 이하의 비율로 포함하고 있어도 좋다. Si의 함유 비율의 하한값은 0질량%, 즉 Si를 포함하고 있지 않은 경우도 포함한다.

상기 AlN 기판의 잔부는 실질적으로 AlN이다. 여기에서 말하는 「실질적으로」란 AlN 이외에 결정립계를 구성하는 복합 산화물 중에 상기 AlN을 구성하지 않는 Al이나, 또는 O, 기타 불가피한 불순물을 포함하고 있어도 되는 것을 의미한다.

상기 각 성분의 산화물 환산의 함유 비율은 AlN 기판의 경면 연마한 접합면을 글로 방전 질량 분석(GDMS)에 의해 분석한 결과로부터 구할 수 있다.

본 발명의 AlN 기판은 도체 발광 소자 등의 반도체 소자로부터의 열을 가능한 한 신속하게 제거하기 위한 높은 열전도성을 부여하는 것을 고려하면 그 열전도율이 80W/m·K 이상인 것이 바람직하다.

또한 열전도율은 상기 범위 내에서도 260W/m·K 이하인 것이 바람직하다. 열전도율은 AlN의 소결체를 구성하는 AlN의 결정립의 입경, 소결 재료의 조성 등을 적당하게 변경함으로써 조정 가능하지만, AlN의 소결체로 260W/m·K를 초과하는 높은 열전도율을 갖는 AlN 기판을 형성하는 것은 실질적으로 곤란하다.

또한 본 발명의 AlN 기판을 앞서 설명한 바와 같이 하지 기판으로 하고, GaN 등으로 이루어지는 반도체 기판과 본딩해서 본딩 기판을 구성할 경우에는 상기 AlN 기판과 반도체 기판의 열팽창계수의 차가 작을 것이 요구된다. 구체적으로는, AlN 기판의 열팽창계수는 3.5×10^-6/K 이상 4.8×10^-6/K 이하 정도인 것이 바람직하다.

본 발명의 AlN 기판은 상기와 같이 하지 기판으로서 반도체 기판과 본딩해서 본딩 기판을 구성하기 위해서 적합하게 사용되는 이외에, 상기 접합면에 직접적으로 반도체 소자 등을 접합하는 절연 기판으로서 사용할 수도 있다.

어느 경우에나, AlN 기판이 높은 열전도성을 갖는 동시에, 상기와 같이 다른 부재와의 사이의 열전달 효율에도 뛰어나기 때문에, 예를 들면 반도체 발광 소자 등의 반도체 소자로부터의 열을 상기 AlN 기판에 지금까지보다 효율적으로 전달하고, 또한 상기 AlN 기판에 접속되는 방열 부재 등을 통해서 가능한 한 신속하게 제거할 수 있어 상기 열에 의한 반도체 소자의 오동작이나 파손 등을 확실하게 방지할 수 있다.

상기 본 발명의 AlN 기판은 AlN을 88.7질량% 이상 98.5질량% 이하, 2A족 원소를 산화물 환산으로 0.01질량% 이상 0.3질량% 이하, 3A족 원소를 산화물 환산으로 0.05질량% 이상 5질량% 이하의 범위에서 포함하는 소결 재료에 의해 상기 AlN 기판의 전구체를 형성하는 공정, 상기 전구체를 1500℃ 이상 1900℃ 이하의 온도에서 소결해서 소결체를 형성하는 공정(소결 공정), 및 상기 소결체를 1450℃ 이상 2000℃ 이하의 온도, 및 9.8㎫ 이상의 압력으로 HIP 처리하는 공정(HIP 처리 공정)을 포함하는 본 발명의 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.

또한 본 발명에서는 소결 공정까지에 제거되는 후술하는 바인더나 유기용매 등의 유기물, 또는 물 등을 제외한 상기 AlN, 2A족 원소, 3A족 원소 등의 소결 공정, 및 HIP 처리 공정을 거쳐서 AlN 기판을 구성하는 원료가 되는 각종 재료를 소결 재료라고 총칭한다.

상기 AlN, 2A족 원소, 3A족 원소 등의 질량%는 상기 소결 재료의 총량 중의 함유 비율이다. 2A족 원소, 3A족 원소로서 각각 2종 이상을 병용할 경우에는 병용한 2종 이상의 원소의 합계의 함유 비율(산화물 환산)이 상기 범위 내일 필요가 있다.

본 발명에 있어서, 소결 재료의 총량 중의 AlN의 함유 비율이 88.7질량% 이상 98.5질량% 이하로 한정되는 것은 하기의 이유에 의한다.

즉 AlN의 함유 비율이 상기 범위 미만에서는 상기 각 공정을 거쳐서 제조되는 AlN 기판의 열전도율을 상기 AlN 기판에 요구되는 열전도율의 적합 범위, 특히 앞서 설명한 80W/m·K 이상의 범위로 유지할 수 없을 우려가 있다.

한편, 상기 범위를 초과할 경우에는 상대적으로 소결 조제의 함유 비율이 적어지기 때문에 HIP 처리시에 소결체를 구성하는 결정립을 재배열시켜서 상기 소결체를 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 효과가 얻어지지 않는다.

또한 소결 재료의 총량 중의 2A족 원소의 함유 비율이 산화물 환산으로 0.01질량% 이상 0.3질량% 이하로 한정되는 것은 하기의 이유에 의한다.

즉 2A족 원소의 함유 비율이 상기 범위 미만에서는 상기 2A족 원소에 의한 앞서 설명한 AlN 입자 표면의 산화물과 반응해서 상기 소결 재료 중에 포함되는 다른 소결 조제 성분과 함께 액상의 생성을 촉진하는 효과가 얻어지지 않는다. 그 때문에 저온 소결이 진행되지 않고, HIP 처리시에 소결체를 구성하는 결정립을 재배열시켜서 상기 소결체를 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 효과가 얻어지지 않는다.

한편, 상기 범위를 초과하는 경우에는 과도하게 소결이 진행되어서 소결 조제가 AlN 결정립의 삼중점에 편석하기 쉬워지고, 상기 편석이 발생하면 HIP 처리시에 상기 소결 조제의 이동이 저해되기 때문에, 소결체를 구성하는 결정립을 재배열시켜서 상기 소결체를 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 효과가 얻어지지 않는다.

그 때문에 어느 경우에나 연마 후의 AlN 기판의 접합면에 노출된 보이드가 본원 발명에서 규정한 범위를 상회해서 커져버린다.

상기 2A족 원소로서는 상기 촉진 효과 등을 고려하면 Ca 및 Mg로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종이 바람직하고, 특히 Ca가 바람직하다.

또한 소결 재료의 총량 중의 3A족 원소의 함유 비율이 산화물 환산으로 0.05질량% 이상 5질량% 이하로 한정되는 것은 하기의 이유에 의한다.

즉 3A족 원소의 함유 비율이 상기 범위 미만에서는 액상의 점성이 지나치게 낮아서 상기 액상 성분이 입계에 남기 어려워져 HIP 처리시에 소결 조제의 이동이 저해되기 때문에, 소결체를 구성하는 결정립을 재배열시켜서 상기 소결체를 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 효과가 얻어지지 않는다.

그 때문에, 연마 후의 AlN 기판의 접합면에 노출된 보이드가 본원 발명에서 규정한 범위를 상회해서 커져버린다.

한편, 상기 범위를 초과할 경우에는 액상의 점성이 지나치게 올라가서 소결이 방해받기 때문에 상기 각 공정을 거쳐서 제조되는 AlN 기판의 열전도율을 상기 AlN 기판에 요구되는 열전도율의 적합 범위, 특히 앞서 설명한 80W/m·K 이상의 범위로 유지할 수 없는 우려가 있다.

상기 3A족 원소로서는 상기 액상의 점성을 조정하는 효과 등을 고려하면 Y 및 란타노이드로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종이 바람직하고, 특히 란타노이드 중 Yb와 Nd를 병용하거나, 또한 상기 양자와 Y를 병용하거나 하는 것이 바람직하다.

상기 소결 재료에는 상기 각 성분에 추가해서 AlN을 구성하지 않는 Al을 산화물 환산으로 소결 재료의 총량 중의 0.05질량% 이상 5질량% 이하의 범위에서 더 함유시키는 것이 바람직하다.

AlN을 구성하지 않는 Al의 함유 비율이 상기 범위 미만에서는 액상의 생성량이 적어져서 소결이 진행되지 않을 우려가 있다. 한편, 상기 범위를 초과할 경우에는 액상의 생성 온도가 상승하여 AlN의 결정립이 조립화될 우려가 있다. 또한, 입계상이 AlN 결정립의 삼중점에 편석하기 쉬워지고, 이러한 편석이 발생하면 HIP 처리시에 소결 조제의 이동이 저해되기 때문에 소결체를 구성하는 결정립을 재배열시켜서 상기 소결체를 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 효과가 얻어지지 않을 우려도 있다.

또한 AlN을 구성하지 않는 Al의 산화물에는 원료인 AlN 입자의 표면에 존재하는 산화물도 포함하는 것으로 한다. 원료로서의 AlN 중에 포함되는 산화물량을 미리 구하고, 이러한 산화물량이 상기 범위 내의 소정값에 모자랄 경우에는 Al의 산화물을 추가해서 합계의 산화물량이 상기 소정값이 되도록 상기 추가량을 설정하면 좋다.

상기 각 성분 중 2A족 원소의 산화물 환산 중량(x)과, AlN을 구성하지 않는 Al의 산화물 환산 중량(y)은 식(1) :

0.05≤x/(x+y)≤0.35 (1)

을 만족하는 범위로 조정하는 것이 바람직하다. 또한 3A족 원소의 산화물 환산 중량(z)과, AlN을 구성하지 않는 Al의 산화물 환산 중량(y)은 식(2) :

0.20≤y/(z+y)≤0.60 (2)

를 만족하는 범위로 조정하는 것이 바람직하다.

상기 식(1)(2)를 만족하는 범위 내로 함으로써 2A족 원소, 3A족 원소, 및 AlN을 구성하지 않는 Al의 각각 앞서 설명한 기능의 균형을 잡을 수 있다.

상기 소결 재료에는 반도체 기판 등에 대한 상기 직접 접합법 등에 의한 접합성을 높이기 위해서 Si를 함유시켜도 좋다. 단 Si를 다량으로 함유시켰을 경우에는 복합 산화물 SiAlON 결정이 생성되어 HIP 처리 후의 연마 공정 등에서 탈립(脫粒)을 발생시킬 우려가 있다. 그 때문에 Si는 함유시키지 않는 것이 바람직하고, 만일 함유시킬 경우라도 산화물 환산으로 소결 재료의 총량 중의 1질량% 이하의 비율로 하는 것이 바람직하다.

AlN 이외의 각 성분은, 예를 들면 산화물, 질화물, 탄화물, 탄산염, 복합 산화물 등의 화합물의 상태로 AlN과 배합할 수 있다. 산화물 이외의 화합물을 사용할 경우에는 상기 화합물 중에 포함되는 2A족 원소 등의 함유 비율이 산화물 환산으로 상기 범위 내로 되도록 상기 화합물의 배합량을 조정하면 좋다.

상기 각 성분 중 AlN 분말의 평균 입경은 0.1㎛ 이상 3.0㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한 2A족 원소 화합물의 분말의 평균 입경은 0.2㎛ 이상 5.0㎛ 이하인 것이 바람직하다. 3A족 원소 화합물의 분말의 평균 입경은 0.2㎛ 이상 4.0㎛ 이하인 것이 바람직하다. AlN을 구성하지 않는 Al 화합물의 분말의 평균 입경은 0.1㎛ 이상 3.0㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한 Si 화합물의 분말의 평균 입경은 0.5㎛ 이상 6.0㎛ 이하인 것이 바람직하다.

상기 각 성분의 평균 입경이 각각 상기 범위 미만에서는 분말이 부피가 커져서 균일하게 혼합하는 것이 용이하지 않게 되고, 또한 필요로 하는 소결 밀도가 얻어지지 않을 우려가 있다. 한편, 평균 입경이 각각 상기 범위를 초과할 경우에는 혼합 공정에서 각 성분이 충분히 분쇄되지 않기 때문에 조성이 불균일해져서 소결 후에 밀도의 불균일이 발생하거나, HIP 처리 후의 연마 공정 등에서 탈립이 발생하거나, 가공 후의 표면 거칠기가 커지거나 할 우려가 있다.

(예비 성형 공정)

상기 소결 재료에 바인더와 분산매를 더 배합해서 슬러리를 조제하고, 상기 슬러리를 시트 형상으로 성형해서 그린 시트를 제작한다.

상기 바인더로서는 유기용매를 분산매로서 사용하는 것과, 물을 분산매로서 사용하는 것 중 어느 것이나 사용 가능하다.

이 중 유기용매를 분산매로서 사용하는 바인더로서는, 예를 들면 아크릴계, 폴리비닐부티랄계, 셀룰로오스계 등의 바인더의 1종 또는 2종 이상을 들 수 있다. 유기용매로서는, 예를 들면 각종 알코올 등의 1종 또는 2종 이상을 들 수 있다.

또한 물을 분산매로서 사용하는 바인더로서는, 예를 들면 폴리비닐알코올계, 아크릴계, 우레탄계, 아세트산 비닐계 등의 바인더의 1종 또는 2종 이상을 들 수 있다.

또한 슬러리에는 상기 슬러리의 안정성이나 소결 재료의 분산성, 또는 그린 시트의 유연성 등을 향상시키기 위해서, 예를 들면 분산제나 가소제 등을 배합해도 좋다.

슬러리의 혼합에는, 예를 들면 볼밀, 아트라이터(attritor), 유성 밀 등의 일반적인 혼합 장치를 사용한 건식 혼합법, 습식 혼합법을 어느 것이나 채용할 수 있다. 습식 혼합법으로 혼합한 슬러리는, 예를 들면 구멍지름 1㎛ 정도의 메쉬를 이용하여 조립을 체로 쳐서 가려내어도 좋다.

상기 슬러리를 시트 형상으로 성형해서 그린 시트를 제작하기 위한 성형법으로서는, 예를 들면 압출법 등이 채용된다. 또한 닥터 블레이드법 등으로 제작한 얇은 시트를 복수매 포개서 그린 시트를 제작해도 좋다.

이어서, 상기 그린 시트를 건조시켜서 예비 성형체를 얻는다.

건조의 온도는 0℃ 이상, 특히 15℃ 이상인 것이 바람직하고, 80℃ 이하, 특히 50℃ 이하인 것이 바람직하다.

온도가 상기 범위 미만에서는 그린 시트 내로부터의 분산매의 휘발 속도가 너무 느려서 건조에 장시간을 필요로 하기 때문에 AlN 기판의 생산성이 저하될 우려가 있다.

한편, 상기 범위를 초과할 경우에는 그린 시트 내로부터의 분산매의 휘발 속도가 지나치게 빨라서 건조 정도에 불균일을 발생시키기 쉬워지고, 그에 따라서 예비 성형체에 주름이나 휨이 발생하기 쉬워질 우려가 있다.

또한 건조의 시간은 1시간 이상, 그 중에서도 10시간 이상, 특히 20시간 이상인 것이 바람직하다.

시간이 상기 범위 미만에서는 건조가 충분하지 않아 다음 공정인 탈바인더 공정에 있어서 예비 성형체 내에 잔존하는 분산매의 휘발에 의한 깨짐 등이 발생하기 쉬워질 우려가 있다.

또한 AlN 기판의 생산성 등을 고려하면 건조의 시간은 상기 범위 내에서도 48시간 이하인 것이 바람직하다.

(탈바인더 공정)

이어서 상기 예비 성형체를 바인더의 열분해 온도 이상으로 가열해서 바인더 이외의 유기물을 제거함으로써 소결 재료만으로 이루어지는 소결 전의 전구체를 제작한다.

탈바인더 처리는 바인더의 열분해를 촉진하기 위해서 대기 중 등의 산화성 분위기 중에서 행해도 되고, 질소 분위기 중 등의 불활성 분위기 중에서 행해도 된다.

탈바인더 처리를 대기 중에서 행할 경우, 그 온도는 400℃ 이상 600℃ 이하인 것이 바람직하다.

온도가 상기 범위 미만에서는 바인더를 충분히 제거할 수 없어 다음 공정인 소결 공정에 있어서 전구체 중에 잔존한 바인더에 의해 소결이 저해되거나, 상기 바인더가 가스화해서 소결체에 균열을 발생시키거나 할 우려가 있다.

한편, 상기 범위를 초과할 경우에는 표면 산화에 의해 소결이 저해될 우려가 있다.

또한 탈바인더 처리를 질소 분위기 중에서 행할 경우, 그 온도는 500℃ 이상 900℃ 이하인 것이 바람직하다.

온도가 상기 범위 미만에서는 바인더를 충분하게 제거할 수 없어 다음 공정인 소결 공정에 있어서 전구체 중에 잔존한 바인더에 의해 소결이 저해되거나, 상기 바인더가 가스화해서 소결체에 균열을 생기게 하거나 할 우려가 있다.

한편, 상기 범위를 초과해도 그 이상의 효과가 얻어지지 않을 뿐만 아니라, 가열에 필요한 에너지가 과대가 되어서 AlN 기판의 생산성이 저하될 우려가 있다.

또한 탈바인더 처리의 시간은 어느 분위기 중에서 탈바인더 처리를 실시하는 경우나 1시간 이상 10시간 이하인 것이 바람직하다.

시간이 상기 범위 미만에서는 바인더를 충분하게 제거할 수 없어 다음 공정인 소결 공정에 있어서 전구체 중에 잔존한 바인더에 의해 소결이 저해되거나, 상기 바인더가 가스화해서 소결체에 균열을 생기게 하거나 할 우려가 있다.

(소결 공정)

이어서 상기 전구체를 질소 분위기 등의 불활성 분위기 중에서 1500℃ 이상 1900℃ 이하의 온도에서 소결해서 소결체를 형성한다.

소결의 온도가 1500℃ 이상 1900℃ 이하로 한정되는 것은 하기의 이유에 의한다.

즉 온도가 상기 범위 미만에서는 소결이 불충분하여 소결체 중에 내재되는 기공이 지나치게 크기 때문에, 다음 공정인 HIP 처리 공정에 있어서 소결체를 구성하는 결정립을 재배열시켜서 상기 소결체를 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 효과가 얻어지지 않는다.

한편, 상기 범위를 초과할 경우에는 소결이 과도하게 진행되어 HIP 처리시에 소결 조제의 이동이 저해되기 때문에, 소결체를 구성하는 결정립을 재배열시켜서 상기 소결체를 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 효과가 얻어지지 않는다.

또한, 다음 공정인 HIP 처리 공정에 있어서 소결체를 한층더 양호하게 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 것을 고려하면 소결의 온도는 상기 범위 내에서도 1600℃ 이상인 것이 바람직하고, 1750℃ 이하인 것이 바람직하다.

또한 소결의 시간은 1시간 이상 10시간 이하인 것이 바람직하다.

시간이 상기 범위 미만에서는 상기 소결 공정에 있어서 결정립의 재배열이나 결합에 필요한 시간이 짧기 때문에 소결체 중에서의 밀도의 불균일이 커져서 다음 공정에서 HIP 처리를 해도 부분적으로밖에 기공을 메우거나 소경화하거나 할 수 없는 우려가 있다.

한편, 상기 범위를 초과할 경우에는 소결이 과도하게 진행되어 소결 조제가 표면에 편석하기 쉬워지고, 이러한 편석이 발생하면 HIP 처리시에 소결 조제의 이동이 저해되기 때문에 소결체를 구성하는 결정립을 재배열시켜서 상기 소결체를 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 효과가 얻어지지 않을 우려가 있다.

소결시의 압력은 1기압(=1013.25hPa) 이상 10기압(=10132.5hPa) 이하인 것이 바람직하다.

압력이 상기 범위 미만에서는 AlN이 분해될 우려가 있고, 상기 범위를 초과할 경우에는 소결 조제가 소결체 내에서 편석하기 쉬워지고, 이러한 편석이 발생하면 HIP 처리시에 소결 조제의 이동이 저해되기 때문에 소결체를 구성하는 결정립을 재배열시켜서 상기 소결체를 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 효과가 얻어지지 않을 우려가 있다.

(HIP 처리 공정)

이어서 상기 소결체를, 예를 들면 질소 분위기, 아르곤 분위기 등의 불활성 분위기 중에서 1450℃ 이상 2000℃ 이하의 온도, 및 9.8㎫ 이상의 압력으로 HIP 처리한다.

HIP 처리의 온도가 1450℃ 이상 2000℃ 이하로 한정되는 것은 하기의 이유에 의한다.

즉 온도가 상기 범위 미만에서는 소결 조제와 AlN 입자 표면의 산화물의 반응에 의한 앞서 설명한 액상의 생성이 진행되지 않기 때문에 상기 액상의 유동에 의해 생기는 소결체를 구성하는 결정립을 재배열시켜서 상기 소결체를 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 효과가 얻어지지 않을 우려가 있다. 또한 그 때문에 표면 거칠기(Ra)가 15㎚를 초과해버릴 우려가 있다.

한편, 상기 범위를 초과할 경우에는 결정립의 성장 반응이 지배적으로 되어서 상기 결정립의 재배열이 생기기 어려워지기 때문에 상기 재배열에 의해 소결체를 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 효과가 얻어지지 않을 우려가 있다. 또한 그 때문에, 표면 거칠기(Ra)가 15㎚를 초과해버릴 우려가 있다.

또한 HIP 처리 공정에 있어서 소결체를 한층더 양호하게 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 것을 고려하면 상기 온도는 1600℃ 이상인 것이 바람직하고, 1900℃ 이하인 것이 바람직하다.

또한 HIP 처리의 압력이 9.8㎫ 이상으로 한정되는 것은 하기의 이유에 의한다.

즉 압력이 상기 범위 미만에서는 소결체를 구성하는 결정립을 재배열시켜서 상기 소결체를 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 효과가 얻어지지 않는다.

또한 상기 압력은 상기 범위 내에서도 196㎫ 이하인 것이 바람직하다.

상기 범위를 초과해도 그 이상의 효과가 얻어지지 않을 뿐만 아니라, HIP 처리에 필요한 에너지가 과대가 되어서 AlN 기판의 생산성이 저하될 우려가 있다.

또한 HIP 처리의 시간은 1시간 이상 10시간 이하인 것이 바람직하다.

시간이 상기 범위 미만에서는 액상이 생성되어도 소결 조제의 이동이 충분하게 행하여지지 않기 때문에, 결정립의 재배열에 의해 소결체를 치밀화시킴과 아울러 상기 소결체 중에 내재되는 기공을 메우거나 소경화하거나 하는 효과가 충분하게 얻어지지 않을 우려가 있다.

한편, 상기 범위를 초과해도 그 이상의 효과가 얻어지지 않을 뿐만 아니라, HIP 처리에 필요한 에너지가 과대가 되어서 AlN 기판의 생산성이 저하될 우려가 있다.

(연마 공정)

HIP 처리 후의 AlN 기판의 다른 부재와의 접합면을 앞서 설명한 바와 같이 경면 연마하거나 하여 표면 거칠기(Ra)가 3㎚ 이하, 상기 접합면에 노출된 장경 0.25㎛ 이상의 보이드의 상기 장경의 평균값이 1.5㎛ 이하이고, 또한 최대값이 1.8㎛ 이하인 면으로 마무리함으로써 본딩 기판의 하지 기판 등으로서 사용할 수 있다.

연마 방법으로서는, 예를 들면 유리 지립, 고정 지립에 의한 랩 가공 등의 기계 연마나, 또는 케미컬 메카니컬 폴리싱 등의 다양한 연마 방법이 어느 것이나 채용 가능하다.

(가열 처리 공정)

HIP 처리 후, 연마 공정 전의 AlN 기판을 필요에 따라서 예를 들면 질소 분위기, 아르곤 분위기 등의 불활성 분위기 중에서 면 방향으로 가압하면서 가열 처리해도 좋다. 이러한 가열 처리를 실시함으로써 AlN 기판의 휨을 교정할 수 있다.

가열 처리의 온도는 1500℃ 이상인 것이 바람직하고, 1900℃ 이하인 것이 바람직하다. 가열 처리의 온도가 상기 범위 미만에서는 휨의 교정 효과가 충분히 얻어지지 않을 우려가 있다. 또한 상기 범위를 초과해도 그 이상의 효과가 얻어지지 않아 합리적이지 않다.

또한 가열 처리의 시간은 0.5시간 이상인 것이 바람직하고, 5시간 이하인 것이 바람직하다. 가열 처리의 시간이 상기 범위 미만에서는 휨의 교정 효과가 충분히 얻어지지 않을 우려가 있다. 또한 상기 범위를 초과해도 그 이상의 효과가 얻어지지 않아 합리적이지 않다.

또한 면 방향의 가압의 압력은 면압으로 나타내서 150㎩ 이상인 것이 바람직하고, 1000㎩ 이하인 것이 바람직하다. 압력이 상기 범위 미만에서는 휨의 교정 효과가 충분히 얻어지지 않을 우려가 있다. 또한 상기 범위를 초과해도 그 이상의 효과가 얻어지지 않아 합리적이지 않다.

또한 AlN 기판의 휨은 상기 AlN 기판의 접합면 상의 길이 1㎜당 상기 접합면의 직교 방향의 최대 변위량으로 나타내서 ±0.7㎛/1㎜ 이내, 특히 ±0.3㎛/1㎜ 이내인 것이 바람직하다.

실시예

<실시예 1>

(소결 재료의 준비)

소결 재료로서는 하기의 각 성분의 분말을 준비했다.

AlN : 평균 입경 0.9㎛, 산소 함량 0.8질량%

CaCO₃ : 평균 입경 6㎛

Yb₂O₃ : 평균 입경 1.2㎛

Nd₂O₃ : 평균 입경 3.5㎛

Al₂O₃ : 평균 입경 0.3㎛

SiO₂ : 평균 입경 3.8㎛

(슬러리의 조제 및 예비 성형체의 제작)

상기 각 성분의 분말을 소결 재료의 총량 중의 함유 비율이

AlN : 96.8질량%

2A족 원소로서의 Ca(산화물 환산) : 0.1질량%

3A족 원소로서의 Yb(산화물 환산) : 1.1질량%

3A족 원소로서의 Nd(산화물 환산) : 1.0질량%

AlN을 구성하지 않는 Al(산화물 환산) : 0.8질량%

Si(산화물 환산) : 0.2질량%

로 되도록 배합함과 아울러(상기 배합을 「조성A」라고 한다), 분산매와 바인더를 배합해서 슬러리를 조제했다.

이어서 상기 슬러리를 압출법에 의해 세로 260㎜×가로 260㎜×두께 1.2㎜의 시트 형상으로 성형해서 그린 시트를 제작하고, 상기 그린 시트를 온도 : 24±4℃, 시간 : 24시간의 조건으로 자연 건조시켜서 예비 성형체를 제작했다.

(탈바인더 공정)

상기 예비 성형체를 질화 붕소제의 지그 상에 배치하고, 대기 중에서 온도 : 500℃, 시간 : 5시간의 조건으로 탈바인더 처리하여 소결 재료만으로 이루어지는 소결 전의 전구체를 제작했다.

(소결 공정)

상기 전구체를 질소 분위기 중에서 온도 : 1650℃, 시간 : 5시간, 압력 : 1기압의 조건으로 소결시켜서 소결체를 제작했다.

(HIP 처리 공정∼연마 공정)

상기 소결체를 질소 분위기 중에서 온도 : 1790℃, 시간 : 1시간, 압력 : 98㎫의 조건으로 HIP 처리한 후, 유리 지립에 의한 랩 가공에 의해 외형을 정형함과 아울러 접합면을 경면 연마하여 φ200×0.7mmt의 원판 형상의 AlN 기판을 제조했다. 상기 AlN 기판의 휨은 0.8㎛/㎜이었다.

<실시예 2∼6, 비교예 1, 2>

소결 공정에서의 소결의 온도를 1480℃(비교예 1), 1500℃(실시예 2), 1600℃(실시예 3), 1750℃(실시예 4), 1850℃(실시예 5), 1900℃(실시예 6), 및 1920℃(비교예 2)로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 AlN 기판을 제조했다.

<실시예 7, 8>

소결 공정에서의 소결의 시간을 1시간(실시예 7), 및 10시간(실시예 8)으로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 AlN 기판을 제조했다.

<표면 거칠기(Ra)의 측정>

상기 각 실시예, 비교예에서 제조한 AlN 기판의 원판의 편면인 접합면 상의 임의의 5개소에서 비접촉형의 표면 조도계를 이용하여 0.6㎜×0.5㎜의 시야에서 측정한 표면 거칠기의 윤곽 곡선으로부터 산술 평균 높이 Ra를 구하고, 그 평균값을 산출해서 각 실시예, 비교예의 AlN 기판의 접합면의 표면 거칠기(Ra)로 했다.

<보이드의 장경 측정>

앞서 설명한 바와 같이, 상기 각 실시예, 비교예에서 제조한 AlN 기판의 원판의 편면인 접합면에 카본을 증착하고, 주사형 전자현미경을 이용하여 임의의 5시야를 배율 1000배로 촬영했다.

이어서, 촬영한 화상을 3배로 확대하여 시야 내에서 확인되는 모든 보이드를 타원 근사하여 그 장축을 장경으로서 측정하고, 장경 0.25㎛ 미만인 것을 제외한 장경 0.25㎛ 이상의 모든 보이드의 장경의 측정값으로부터 상기 장경의 평균값, 및 최대값을 구했다.

<열전도율 측정>

상기 각 실시예, 비교예에서 제조한 AlN 기판의 두께 방향의 열전도율을 레이저 플래시법에 의해 측정했다.

<열팽창계수 측정>

상기 각 실시예, 비교예에서 제조한 AlN 기판의 면 방향의 열팽창계수를 시차열팽창계를 이용하여 측정했다.

<조성 분석>

상기 각 실시예, 비교예에서 제조한 AlN 기판의 원판의 편면인 경면 연마한 접합면을 글로 방전 질량 분석(GDMS)에 의해 분석하고, 분석 결과로부터 상기 AlN 기판 중에 포함되는 2A족 원소 및 3A족 원소의 비율(질량%)을 산화물 환산으로 구했다.

이상의 결과를 표 1, 표 2에 나타낸다.

표 1, 표 2의 실시예 1∼6, 비교예 1, 2의 결과로부터 AlN, 2A족 원소 및 3A족 원소의 함유 비율이 각각 본원 발명에서 규정한 범위 내인 소결 재료를 이용하여 소결 공정, 및 HIP 처리 공정을 거쳐서 AlN 기판을 제조할 경우, 제조된 AlN 기판의 접합면의 표면 거칠기(Ra), 및 보이드의 장경의 평균값이나 최대값을 본원 발명에서 규정한 범위 내로 하기 위해서는 상기 소결 공정에서의 소결의 온도를 1500℃ 이상 1900℃ 이하로 설정할 필요가 있는 것을 알 수 있었다.

또한 실시예 1∼6의 결과로부터, 상기 접합면의 표면 거칠기(Ra), 및 보이드의 장경의 평균값이나 최대값을 상기 범위 내에서도 가능한 한 작게 하기 위해서는 상기 소결의 온도를 상기 범위 내에서도 1600℃ 이상 1750℃ 이하로 설정하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다.

또한 실시예 1, 7, 8의 결과로부터 상기 소결 공정에서의 소결의 시간은 1∼10시간으로 설정하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다.

<실시예 9∼13, 비교예 3, 4>

HIP 처리의 온도를 1430℃(비교예 3), 1450℃(실시예 9), 1600℃(실시예 10), 1700℃(실시예 11), 1900℃(실시예 12), 2000℃(실시예 13), 및 2030℃(비교예 4)로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 AlN 기판을 제조했다.

<실시예 14, 15, 비교예 5>

HIP 처리의 압력을 8.5㎫(비교예 5), 9.8㎫(실시예 14), 및 196㎫(실시예 15)로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 AlN 기판을 제조했다.

<비교예 6∼8>

HIP 처리 공정을 생략함과 아울러 소결 공정에서의 소결의 온도를 1500℃(비교예 6), 1650℃(비교예 7), 및 1900℃(비교예 8)로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 AlN 기판을 제조했다.

<비교예 9>

HIP 처리 공정을 생략함과 아울러 소결 공정을 하기 (A)(B)의 2단계로 실시 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 AlN 기판을 제조했다.

(A) 온도 : 1650℃, 시간 : 5시간, 압력 : 1기압

(B) 온도 : 1790℃, 시간 : 1시간, 압력 : 1기압

상기 각 실시예, 비교예에서 제조한 AlN 기판에 대해서 앞서 실시한 평가 시험을 행하고, 그 특성을 평가했다. 결과를 실시예 1의 결과와 함께 표 3, 표 4에 나타낸다.

표 3, 표 4의 실시예 1, 9∼13, 비교예 6∼9의 결과로부터 AlN, 2A족 원소 및 3A족 원소의 함유 비율이 각각 본원 발명에서 규정한 범위 내인 소결 재료를 이용하여 AlN 기판을 제조할 경우, 제조된 AlN 기판의 접합면의 표면 거칠기(Ra), 및 보이드의 장경의 평균값이나 최대값을 본원 발명에서 규정한 범위 내로 하기 위해서는 HIP 처리 공정을 실시하지 않고 소결의 온도를 변경하거나, 상기 소결을 2단계로 실시하거나 하는 것만으로는 불충분하여 소결 공정 후에 HIP 처리 공정을 실시할 필요가 있는 것을 알 수 있었다.

또한 실시예 1, 9∼13, 비교예 3, 4의 결과로부터 상기 소결 재료를 이용하여 소결 공정, HIP 처리 공정을 거쳐서 AlN 기판을 제조할 경우, 제조된 AlN 기판의 접합면의 표면 거칠기(Ra), 및 보이드의 장경의 평균값이나 최대값을 본원 발명에서 규정한 범위 내로 하기 위해서는 상기 HIP 처리의 온도를 1450℃ 이상 2000℃ 이하로 설정할 필요가 있는 것을 알 수 있었다.

또한 실시예 1, 9∼13의 결과로부터 상기 접합면의 표면 거칠기(Ra), 및 보이드의 장경의 평균값이나 최대값을 상기 범위 내에서도 가능한 한 작게 하기 위해서는 상기 HIP 처리의 온도를 상기 범위 내에서도 1600℃ 이상 1900℃ 이하로 설정하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다.

또한 실시예 1, 14, 15, 비교예 5의 결과로부터 상기 소결 재료를 이용하여 소결 공정, HIP 처리 공정을 거쳐서 AlN 기판을 제조할 경우, 제조된 AlN 기판의 접합면의 표면 거칠기(Ra), 및 보이드의 장경의 평균값이나 최대값을 본원 발명에서 규정한 범위 내로 하기 위해서는 상기 HIP 처리의 압력을 9.8㎫ 이상으로 설정할 필요가 있는 것을 알 수 있었다.

<실시예 16, 17, 비교예 10>

상기 조성A의 소결 재료 대신에 하기 표 5에 나타내는 조성B(실시예 16), 조성C(실시예 17), 및 조성D(비교예 10)의 소결 재료를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 AlN 기판을 제조했다.

상기 각 실시예, 비교예에서 제조한 AlN 기판에 대해서 앞서 실시한 평가 시험을 행하고, 그 특성을 평가했다. 결과를 실시예 1의 결과와 함께 표 6, 표 7에 나타낸다.

표 6, 표 7의 실시예 1, 16, 17, 비교예 10의 결과로부터 제조된 AlN 기판의 접합면의 표면 거칠기(Ra), 및 보이드의 장경의 평균값이나 최대값을 본원 발명에서 규정한 범위 내로 하기 위해서는 AlN의 함유 비율은 소결 재료의 총량의 88.7질량% 이상 98.5질량% 이하로 설정할 필요가 있는 것을 알 수 있었다.

<실시예 18, 19, 비교예 11, 12>

상기 조성A의 소결 재료 대신에 하기 표 8에 나타내는 조성E(실시예 18), 조성F(실시예 19), 조성G(비교예 11), 및 조성H(비교예 12)의 소결 재료를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 AlN 기판을 제조했다.

상기 각 실시예, 비교예에서 제조한 AlN 기판에 대해서 앞서 실시한 평가 시험을 행하고, 그 특성을 평가했다. 결과를 실시예 1의 결과와 함께 표 9, 표 10에 나타낸다.

표 9, 표 10의 실시예 1, 18, 19, 비교예 11, 12의 결과로부터 제조된 AlN 기판의 접합면의 표면 거칠기(Ra), 및 보이드의 장경의 평균값이나 최대값을 본원 발명에서 규정한 범위 내로 하기 위해서는 2A족 원소의 함유 비율은 산화물 환산으로 소결 재료의 총량의 0.01질량% 이상 0.3질량% 이하로 설정할 필요가 있는 것을 알 수 있었다.

<실시예 20∼22, 비교예 13, 14>

상기 조성A의 소결 재료 대신에 하기 표 11에 나타내는 조성J(실시예 20), 조성K(실시예 21), 조성L(실시예 22), 조성M(비교예 13), 및 조성N(비교예 14)의 소결 재료를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 AlN 기판을 제조했다.

상기 각 실시예, 비교예에서 제조한 AlN 기판에 대해서 앞서 실시한 평가 시험을 행하고, 그 특성을 평가했다. 결과를 실시예 1의 결과와 함께 표 12, 표 13에 나타낸다.

표 12, 표 13의 실시예 1, 20∼22, 비교예 13, 14의 결과로부터 제조된 AlN 기판의 접합면의 표면 거칠기(Ra), 및 보이드의 장경의 평균값이나 최대값을 본원 발명에서 규정한 범위 내로 하기 위해서는 3A족 원소의 합계의 함유 비율은 산화물 환산으로 소결 재료의 총량의 0.05질량% 이상 5질량% 이하로 설정할 필요가 있는 것을 알 수 있었다.

<실시예 23>

소결 공정에서의 소결의 조건을 질소 분위기 중, 온도 : 1500℃, 시간 : 5시간, 압력 : 1기압으로 하고, 또한 HIP 처리의 조건을 질소 분위기 중, 온도 : 1450℃, 시간 : 1시간, 압력 19.6㎫로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 AlN 기판을 제조했다.

<실시예 24∼26, 비교예 15, 16>

HIP 처리의 온도를 1440℃(비교예 15), 1650℃(실시예 24), 1790℃(실시예 25), 2000℃(실시예 26), 및 2015℃(비교예 16)로 한 것 이외에는 실시예 23과 마찬가지로 해서 AlN 기판을 제조했다.

상기 각 실시예, 비교예에서 제조한 AlN 기판에 대해서 앞서 실시한 평가 시험을 행하고, 그 특성을 평가했다. 결과를 표 14, 표 15에 나타낸다.

표 14, 표 15의 실시예 24∼26, 비교예 15, 16의 결과로부터 소결 공정의 온도, 및 HIP 처리의 압력이 상이한 계에 있어서도 앞선 실시예 1, 9∼13, 비교예 3, 4의 계와 마찬가지로 제조된 AlN 기판의 접합면의 표면 거칠기(Ra), 및 보이드의 장경의 평균값이나 최대값을 본원 발명에서 규정한 범위 내로 하기 위해서는 상기 HIP 처리의 온도를 1450℃ 이상 2000℃ 이하로 설정할 필요가 있는 것이 확인되었다.

또한 실시예 24∼26, 비교예 15, 16의 결과로부터 상기 접합면의 표면 거칠기(Ra), 및 보이드의 장경의 평균값이나 최대값을 상기 범위 내에서도 가능한 한 작게 하기 위해서는 상기 HIP 처리의 온도를 상기 범위 내에서도 1600℃ 이상 1900℃ 이하로 설정하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다.

<실시예 27∼30>

실시예 1과 동일한 조건으로 제작한 HIP 처리 후, 연마 공정 전의 AlN 기판의 양면을 질화 붕소판으로 사이에 두고, 면압이 490㎩가 되도록 몰리브덴판을 추로서 얹은 상태에서 1500℃(실시예 27), 1700℃(실시예 28), 1800℃(실시예 29), 1900℃(실시예 30)에서 각각 2시간 가열 처리한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 AlN 기판을 제조하고, 그 휨(㎛/1㎜)을 측정했다. 결과를 실시예 1의 결과와 함께 표 16에 나타낸다.

표 16의 실시예 27∼30의 결과로부터 HIP 처리 후, 연마 공정 전의 AlN 기판을 1500℃ 이1900℃ 이하의 온도에서 가열 처리함으로써 그 휨을 효율적으로 교정할 수 있는 것을 알 수 있었다.

Claims

다른 부재와의 접합면을 구비한 AlN 기판으로서, 2A족 원소 및 3A족 원소를 포함하는 AlN의 소결체로 이루어지고, 상기 접합면의 표면 거칠기(Ra)가 15㎚ 이하, 상기 접합면에 노출된 장경 0.25㎛ 이상의 보이드의 상기 장경의 평균값이 1.5㎛ 이하이고, 또한 최대값이 1.8㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 AlN 기판.
제 1 항에 있어서,
상기 2A족 원소는 Ca 및 Mg로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 AlN 기판.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 2A족 원소를 산화물 환산으로 0.009질량% 이상 0.28질량% 이하의 비율로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 AlN 기판.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 3A족 원소는 Y 및 란타노이드로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 AlN 기판.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 3A족 원소를 산화물 환산으로 0.02질량% 이상 4.5질량% 이하의 비율로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 AlN 기판.
상기 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 AlN 기판을 제조하기 위한 제조 방법으로서, AlN을 88.7질량% 이상 98.5질량% 이하, 2A족 원소를 산화물 환산으로 0.01질량% 이상 0.3질량% 이하, 3A족 원소를 산화물 환산으로 0.05질량% 이상 5질량% 이하의 범위에서 포함하는 소결 재료에 의해 상기 AlN 기판의 전구체를 형성하는 공정, 상기 전구체를 1500℃ 이상 1900℃ 이하의 온도에서 소결해서 소결체를 형성하는 공정, 및 상기 소결체를 1450℃ 이상 2000℃ 이하의 온도, 및 9.8㎫ 이상의 압력으로 열간 정수압 가압 처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 AlN 기판의 제조 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 소결 재료는 AlN을 구성하지 않는 Al을 산화물 환산으로 0.05질량% 이상 5질량% 이하의 범위에서 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 AlN 기판의 제조 방법.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 소결 재료는 Si를 포함하지 않거나, 또한 산화물 환산으로 1질량% 이하의 범위에서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 AlN 기판의 제조 방법.