KR20230138005A

KR20230138005A - 질화규소 기판

Info

Publication number: KR20230138005A
Application number: KR1020237029832A
Authority: KR
Inventors: 요이치로 가가; 레이 후쿠모토; 게이 시마다
Original assignee: 가부시키가이샤 프로테리아루
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2023-10-05
Also published as: CN116964020A; WO2022196693A1; EP4293713A1; US20240150249A1

Abstract

대형의 고열전도율의 질화규소 기판을 제작하면, 열전도율이 낮은 개소가 발생하여, 수율(합격율)이 저하된다고 하는 과제가 있었다. 기판의 중심부의 열전도율 λc와, 기판의 단부의 열전도율 λe의 비율인 λe/λc가 0.85 내지 1.15인 질화규소 기판. 상기 질화규소 기판은, 150㎜×150㎜ 이상의 사이즈인 것이 바람직하다. 상기 질화규소 기판은, 상기 λc 및 상기 λe가 100W/m·K 이상인 것이 바람직하다.

Description

질화규소 기판

본 발명은, 반도체 모듈 혹은 파워 모듈에 사용되는 질화규소 기판에 관한 것이다.

세라믹스 기판과 금속판을 맞붙인 회로 기판은, 반도체 모듈, 파워 모듈 등에 이용되고 있다. 이 세라믹 기판에는, 질화규소가 사용되고 있지만, 최근에는, 고열전도율의 질화규소 기판이 검토되고 있다.

고열전도율(120W/m·K대)의 질화규소 기판은, 예를 들어 특허문헌 1(일본 특허 공개 제2018-184333호 공보)에 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2018-184333호 공보

특허문헌 1에 기재된 고열전도율의 질화규소 기판을, 예를 들어 1변 100㎜를 초과하는 대형의 사이즈로 제작하고자 하면, 질화규소 기판 내에서 열전도율에 편차가 발생하는 경우가 있었다. 예를 들어, 질화규소 기판의 중심부의 열전도율과, 단부의 열전도율에 차이가 발생한다. 질화규소 기판에 열전도율이 낮은 개소가 있으면, 그 열전도율이 낮은 장소에 있어서의 방열성이 나빠져, 기판 전체의 방열성에 영향을 미칠 우려가 있다. 또한, 고열전도율의 질화규소 기판에 복수의 회로 기판의 영역을 형성하여, 절단 분할함으로써 복수의 회로 기판을 제작하는 경우에, 열전도율이 낮은 개소가 있으면, 그 부분에서 형성되는 회로 기판의 방열성에 영향을 미칠 우려가 있다. 대형의 고열전도율의 질화규소 기판을 제작하면, 열전도율에 편차가 발생하여, 수율(합격율)이 저하된다는 과제가 있었다.

본 발명의 목적은, 기판 내에서 열전도율의 편차를 억제하여, 높은 수율로 질화규소 기판을 제공하는 것에 있다.

발명자는, 질화규소 기판을 제작할 때, 질화 공정에 있어서 기판 내에서의 Si의 질화의 편차를 억제함으로써, 기판 내에서의 열전도율의 편차를 억제한 질화규소 기판을 제작할 수 있음을 알아냈다.

본 발명의 질화규소 기판은, 기판의 중심부의 열전도율 λc와, 기판의 단부의 열전도율 λe의 비율인 λe/λc가 0.85 내지 1.15이다.

본 발명의 질화규소 기판은, 150㎜×150㎜ 이상의 사이즈인 것이 바람직하다.

본 발명의 질화규소 기판은, λc 및 λe가 100W/m·K 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 의해, 기판 내에서 열전도율의 편차를 억제하여, 높은 수율로 질화규소 기판을 얻을 수 있다.

도 1은 그린 시트의 적층 상태를 설명하는 개략도이다.
도 2는 도 1에 계속되는 적층 상태를 설명하는 개략도이다.
도 3은 도 2에 계속되는 적층 상태와, 질화 장치에 반입한 양태를 설명하는 개략도이다.
도 4는 도 3에 관해, 실시예에 관한 부재(30a)를 설명하기 위한 (a) 상면도, (b) A1-A1에서 단면을 본 개략도이다.
도 5는 도 3에 관해, 참고예에 관한 세로 프레임 부재(30b)를 설명하기 위한 (a) 상면도, (b) A2-A2에서 단면을 본 개략도, (c) 정면도이다.
도 6은 도 3에 관해, 참고예에 관한 부재(30c)를 설명하기 위한 (a) 상면도, (b) A3-A3에서 단면을 본 개략도, (c) 정면도이다.

본 발명의 형태에 대하여 이하에 설명하지만, 본 발명은 반드시 그것들에 한정되는 것은 아니다. 각 실시 형태에 관한 설명은, 특별히 정함이 없으면 다른 실시 형태에도 적용할 수 있다.

[1] 질화규소 기판의 제조 방법

(1) 슬러리를 제작하는 공정

본 발명의 방법에서는, 규소 분말에, 소결 보조제로서 희토류 원소 산화물 및 마그네슘 화합물을 첨가하여 얻어지는 원료 분말을, 미디어 분산 등의 방법으로 분쇄하여, 슬러리를 제작한다.

(a) 규소

본 발명에서 사용하는 규소로서는, 공업적으로 입수 가능한 그레이드의 규소 분말을 사용할 수 있다. 분쇄 전의 규소는, 메디안 직경 D50이 6㎛ 이상, BET 비표면적이 3㎡/g 이하, 산소량이 1.0질량％ 이하, 및 규소 중의 불순물 C양이 0.15질량％ 이하인 분말인 것이 바람직하고, 메디안 직경 D50이 7㎛ 이상, BET 비표면적이 2.5㎡/g 이하, 산소량이 0.5질량％ 이하, 및 규소 중의 불순물 C양이 0.10질량％ 이하인 분말인 것이 보다 바람직하다. 규소 분말의 순도는 99％ 이상인 것이 바람직하고, 99.5％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 규소에 포함되는 불순물 산소는, 반응 소결에 의해 얻어지는 질화규소 기판의 열전도를 저해하는 요인 중 하나이므로, 가능한 한 적은 쪽이 바람직하다. 또한 본 발명에서는, 후술하는 바와 같이, 마그네슘 화합물에서의 산소량을 제한함으로써, 규소 분말에 포함되는 불순물 산소 및 마그네슘 화합물로부터의 산소의 총량이, 질화규소로 환산한 규소에 대하여, 0.1 내지 1.1질량％의 범위가 되도록 원료 분말을 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 규소에 포함되는 불순물 탄소는, 반응 소결에 의해 얻어지는 질화규소 기판에 있어서, 질화규소 입자의 성장을 저해한다. 그 결과, 치밀화 부족으로 되어 열전도나 절연이 저하되는 요인의 하나가 된다.

또한, 본원 명세서에 있어서 BET 비표면적(㎡/g)은, BET 비표면적계로 BET 1점법(JIS R 1626:1996 「파인 세라믹스 분체의 기체 흡착 BET법에 의한 비표면적의 측정 방법」)에 의해 구한 값이며, 메디안 직경 D50(㎛)은, 레이저 회절·산란법에 의해 구한 입도 분포에 있어서 누적 도수가 50％가 될 때의 입경이다.

본 발명의 제조 방법에 있어서는 필수는 아니지만, 원료 분말에 질화규소의 분말을 포함해도 된다. 단, 규소에 비해 질화규소를 사용한 경우에는 비용이 들기 때문에, 질화규소의 사용량은 가능한 한 적은 쪽이 좋다. 질화규소의 사용량은, 규소(질화규소 환산)의 20mol％ 이하인 것이 바람직하고, 10mol％ 이하인 것이 보다 바람직하고, 5mol％ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

(b) 희토류 원소 산화물

본 발명에 사용하는 희토류 원소 산화물로서는, 입수가 용이하고, 또한, 산화물로서 안정된 Y, Yb, Gd, Er, Lu 등의 산화물이 바람직하다. 희토류 원소 산화물의 구체예로서는, Y₂O₃, Yb₂O₃, Gd₂O₃, Er₂O₃, Lu₂O₃ 등을 들 수 있다. 희토류 원소 산화물의 함유량은, 규소(질화규소로 환산), 희토류 원소 산화물(3가의 산화물 환산) 및 마그네슘 화합물(MgO 환산)의 합계에 대하여, 0.5mol％ 이상 2mol％ 미만이다. 희토류 원소 산화물의 함유량이 0.5mol％ 미만인 경우, 소결 보조제로서의 효과가 불충분해져 밀도가 충분히 높아지지 않기 때문에 바람직하지 않다. 희토류 원소 산화물의 함유량이 2mol％ 이상인 경우, 저열전도율의 입계상이 증가함으로써 소결체의 열전도율을 낮춤과 함께, 고가의 희토류 원소 산화물의 사용량이 증가되게 되어 바람직하지 않다. 희토류 원소 산화물의 함유량은, 바람직하게는 0.6mol％ 이상 2mol％ 미만이고, 보다 바람직하게는 1mol％ 이상 1.8mol％ 이하이다.

또한, 본원에 있어서, 상기 규소가 모두 질화되었을 때 얻어지는 질화규소(Si₃N₄)의 몰수와, 상기 희토류 원소 산화물을 3가의 산화물 RE₂O₃(RE는 희토류 원소)로 환산하였을 때의 몰수와, 상기 마그네슘 화합물을 MgO로 환산하였을 때의 몰수의 합계를, 간단히 「규소(질화규소로 환산), 희토류 원소 산화물(3가의 산화물 환산) 및 마그네슘 화합물(MgO 환산)의 합계」라고 하는 경우도 있다.

(c) 마그네슘 화합물

마그네슘 화합물로서는, Si, N 또는 O를 함유하는 마그네슘 화합물을 1종 또는 2종 이상 사용할 수 있다. 특히, 산화마그네슘(MgO), 질화규소마그네슘(MgSiN₂), 규화마그네슘(Mg₂Si), 질화마그네슘(Mg₃N₂) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 마그네슘 화합물의 합계에 대하여, 87질량％ 이상이 MgSiN₂가 되도록 선택한다. 87질량％ 이상의 MgSiN₂를 사용함으로써, 얻어지는 질화규소 기판 중의 산소 농도를 저감할 수 있다. 마그네슘 화합물 중의 MgSiN₂가 87질량％ 미만인 경우, 소결 후의 질화규소 입자 내의 산소량이 많아짐으로써 소결체의 열전도율이 낮은 값으로 되어 바람직하지 않다. 마그네슘 화합물 중의 MgSiN₂는 바람직하게는 90질량％ 이상이다.

질화규소 기판 중의 마그네슘 화합물의 함유량(MgO 환산)은, 규소(질화규소로 환산), 희토류 원소 산화물(3가의 산화물 환산) 및 마그네슘 화합물(MgO 환산)의 합계에 대하여, 8mol％ 이상 15mol％ 미만이다. 마그네슘 화합물의 함유량이 8mol％ 미만인 경우, 소결 보조제로서의 효과가 불충분해져 밀도가 충분히 높아지지 않게 되어 바람직하지 않다. 마그네슘 화합물의 함유량이 15mol％ 이상인 경우, 저열전도율의 입계상이 증가함으로써 소결체의 열전도율을 낮추게 되어 바람직하지 않다. 마그네슘 화합물의 함유량은, 바람직하게는 8mol％ 이상 14mol％ 미만이고, 보다 바람직하게는 9mol％ 이상 13mol％ 미만이다.

(d) 분쇄

규소 분말에, 소결 보조제로서 희토류 원소 산화물 및 마그네슘 화합물을 소정의 비율이 되도록 첨가하고, 분산매(유기 용제) 및 필요에 따라서 분산제를 첨가하고, 볼 밀로 분쇄하여 슬러리(원료 분말의 분산물)를 제작한다. 미디어는 직경 5㎜ 이상, 슬러리 중의 상기 원료 분말의 농도(슬러리 농도라고도 함)는 40질량％ 이상인 것이 바람직하고, 6시간 이상 분쇄하는 것이 바람직하다. 미디어는, 질화규소의 열전도율을 낮추는 요인이 되는 Al이나 Fe를 주성분으로 하지 않는 재질의 것을 사용하는 것이 바람직하고, 질화규소제인 것이 특히 바람직하다. 분산매 및 분산제의 종류는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 시트 성형하는 방법 등에 따라서 임의로 선택할 수 있다.

분산매로서는, 에탄올, n-부탄올, 톨루엔, MEK, MIBK 등을 사용할 수 있고, 분산제로서는, 예를 들어 소르비탄에스테르형 분산제, 폴리옥시알킬렌형 분산제 등을 사용할 수 있다. 분산매의 사용량은, 예를 들어 상기 분말의 총량에 대하여 40 내지 70질량％인 것이 바람직하고, 분산제의 사용량은, 예를 들어 상기 분말의 총량에 대하여 0.3 내지 2질량％인 것이 바람직하다. 또한 분산 후에 필요에 따라서 분산매의 제거, 또는 다른 분산매로의 치환을 행해도 된다.

분쇄를 행하는 시간은 사용하는 밀링 장치나 출발 원료의 양, 특성 등에 따라 다르기 때문에 특별히 한정되지는 않지만, 원료 분말을 충분히 분쇄, 혼합할 수 있도록 시간을 선택하는 것이 바람직하다. 분쇄 시간은 예를 들어 6시간 이상 48시간 이하에서 행하는 것이 바람직하고, 12시간 이상 24시간 이하에서 행하는 것이 보다 바람직하다. 분쇄 시간이 너무 짧은 경우, 충분한 분쇄를 할 수 없어 본 발명의 조건을 만족시키는 분쇄 후 규소 분말이 얻어지지 않는 경우가 있다. 분쇄 시간이 너무 긴 경우, 불순물 산소량이 서서히 증가되어, 질화규소 기판의 열전도율이 저하되는 경우가 있다.

분쇄 후 규소 입자는, 산소량이 1.0질량％ 이하인 것이 바람직하고, 0.7질량％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 가능한 한 적은 산소량의 규소 입자로 함으로써, 질화규소의 열전도율을 향상시킬 수 있다. 또한, 소결 보조제와 혼합한 후에 규소 입자만의 산소량을 측정하는 것은 어려우므로, 시료로서 소결 보조제를 혼합하지 않는 규소 입자만의 슬러리를 동일한 분쇄 조건에서 제작해 두면, 이 슬러리를 규소 입자의 산소량의 측정에 사용할 수 있다. 예를 들어, 슬러리로부터 규소 입자를 추출하고, 규소 입자에 대하여 불활성 가스 융해-비분산형 적외선 흡수법의 산소 분석 장치를 사용하여 산소량을 측정한다.

분쇄에 의해 얻어진 슬러리 중의 규소 입자의 BET 비표면적(㎡/g), 메디안 직경 D50(㎛) 및 산소량은, 희토류 원소 산화물 및 마그네슘 화합물을 첨가하지 않는 것 이외는 마찬가지로 하여 분쇄한 규소 입자를 사용하여 측정한 값이다. 희토류 원소 산화물의 분말 및 마그네슘 화합물의 분말은, 규소 분말에 대하여 매우 소량만 첨가하고 있기 때문에, 분쇄 효율에 거의 영향을 주지 않고, 이와 같이 하여 구한 값은 슬러리 중의 규소 입자와 실질적으로 동일하다고 생각된다.

(2) 시트상의 성형체를 얻는 공정(성형 공정)

얻어진 슬러리에, 필요에 따라서 분산매, 유기계 바인더, 분산제 등을 첨가하고, 필요에 따라서 진공 탈포를 행하여, 점도를 소정의 범위 내로 조정하여, 도공용의 슬러리를 제작한다. 상기 슬러리 점도는 1Pa·s 이상 15Pa·s 미만의 범위 내로 조정하는 것이 바람직하다. 슬러리의 점도는, 회전형 점도계를 사용하여, 온도: 25℃, 회전수 10rpm으로 측정한 값이다. 경우에 따라서는, 전술한 바와 같이, 분산매의 제거나 치환을 행해도 된다. 제작한 도공용 슬러리를, 시트 성형기를 사용하여 시트상으로 성형하고, 소정의 크기로 절단한 후, 건조시킴으로써 시트상 성형체를 얻는다. 도공용 슬러리 제작에 사용하는 유기계 바인더는, 특별히 한정되지는 않지만, PVB계 수지(폴리비닐부티랄 수지), 에틸셀룰로오스계 수지, 아크릴계 수지 등을 들 수 있다. 분산매, 유기계 바인더, 분산제 등의 첨가량은 도공 조건에 따라서 적절히 조정하는 것이 바람직하다.

도공용 슬러리를 시트상으로 성형하는 방법은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 닥터 블레이드법, 압출 성형법 등의 시트 성형법을 사용할 수 있다. 본 실시 형태의 질화규소 기판의 제조 방법에 있어서는 변질층이 형성되지 않아, 제거할 필요는 없기 때문에, 변질층만큼의 두께는 고려할 필요가 없다. 이 때문에, 얇은 시트상으로 용이하게 성형할 수 있는 시트 성형을 바람직하게 사용할 수 있다.

닥터 블레이드법이나 압출 성형법에 의해 시트상으로 성형하는 경우에는, 도공용 슬러리의 성형 속도는 600㎜/min 이하로 하는 것이 바람직하다. 본원 발명에서 사용하는 도공용 슬러리는, 틱소트로피성을 갖기 때문에, 도공용 슬러리가 닥터 블레이드법의 닥터 블레이드나 압출법의 금형을 통과할 때, 도공용 슬러리에 전단 응력이 가해져, 도공용 슬러리의 점도의 저하가 일어난다. 따라서, 성형 속도가 600㎜/min을 초과하면, 도공용 슬러리가 용이하게 유동되어 공공의 요인이 되는 기포가 혼입되기 쉬워져 치밀화가 저해되는 경우가 있다.

도공용 슬러리의 건조 속도는 0.8질량％/min 이하로 하는 것이 바람직하다. 도공용 슬러리의 건조 속도가 0.8질량％/min을 초과하면, 분산매가 급격하게 휘발됨으로써 시트 내에 기포가 생성하기 쉬워지는 경우가 있다. 도공 후의 시트는 건조 존을 통과시킴으로써, 서서히 승온하여 건조시키기 때문에, 건조 과정에 있어서의 건조 속도는 일정하지 않고 변동된다. 그 때문에, 최대 건조 속도가 0.8질량％/min을 초과하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

성형 공정에 있어서 형성하는 시트상 성형체의 두께는, 예를 들어 0.15 내지 0.8㎜로 한다. 얻어진 시트상 성형체는, 필요에 따라서 예를 들어 펀칭기 등으로 소정의 크기로 커트를 행할 수 있다.

(3) 성형체를 소결하는 공정(소결 공정)

얻어진 시트상의 성형체를 가열함으로써, 성형체에 포함되는 규소를 질화한 후, 치밀화한다. 소결 공정은, 성형체 중의 유기 바인더를 제거하는 탈지 공정, 성형체 중에 포함되는 Si와 질소를 반응시켜 질화시키는 질화 공정, 및 질화 후에 치밀화하는 치밀화 소결 공정을 포함하고 있다. 이들 공정은, 각각의 노에서 축차적으로 행해도 되고, 동일한 노에 있어서 연속으로 행해도 된다. 또한, 시트상의 성형체(그린 시트)를 적층한 적층 조립체에 대하여, 그 주위에 마련하는 부재(예를 들어 판이나 프레임)의 조건은, 질화 공정과 치밀화 소결 공정에서 바꿀 수 있다.

예를 들어, 제작한 시트상 성형체를 BN제의 판 상에 1매 혹은 분리재를 사이에 두고 복수매 적층하여 전기로 내에 설치하고, 탈지(유기 바인더 등의 제거)한 후, 질화 장치에서 900 내지 1300℃에서 탈탄소하고, 질소 분위기 하에서, 소정의 온도까지 승온하여 질화하고, 그 후, 소결 장치에서 소결할 수 있다. 이때 성형체에 10 내지 1000Pa의 하중을 가하면서 가열하는 것이 바람직하다. 탈지는 800℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.

또한 시트상 성형체를 복수매 적층하는 경우, 상기 분리재로서 두께 약 3 내지 20㎛의 질화붕소(BN) 분말을 사용하는 것이 바람직하다. BN 분말층은 소결 후의 질화규소 소결체 기판의 분리를 용이하게 하기 위한 것이고, 각 시트상 성형체의 일면에 BN 분말의 슬러리를, 예를 들어 스프레이, 브러시 도포 또는 스크린 인쇄함으로써 형성할 수 있다. BN 분말은 95％ 이상의 순도 및 1 내지 20㎛의 평균 입경(D50)을 갖는 것이 바람직하다.

질화 공정에 있어서, 질화 시의 질소 분압은 0.05 내지 0.7㎫인 것이 바람직하고, 0.07 내지 0.2㎫인 것이 보다 바람직하다. 질화 온도는, 1350 내지 1500℃인 것이 바람직하고, 1400 내지 1450℃인 것이 보다 바람직하다. 질화 온도까지 가열한 후의 유지 시간은, 3 내지 12시간인 것이 바람직하고, 5 내지 10시간인 것이 바람직하다. 질화 온도가 1350℃ 미만인 경우, 또는 유지 시간이 3시간 미만인 경우, 시트상 성형체에 미반응의 규소 분말이 잔존하여, 질화 공정 후에 행하는 치밀화 소결 공정에 의해 치밀체를 얻을 수 없는 경우가 있다. 질화 온도가 1500℃ 초과이면, 규소 분말이 질화되기 전에 용융되어 버림으로써 질화되지 않고 잔존하는 경우가 있거나, 소결 보조제 성분이 휘발하여 치밀화 소결 공정에 있어서 소결 보조제 성분이 부족하여, 치밀한 소결체를 얻는 것이 어려워지는 경우가 있거나 한다. 유지 시간이 12시간 초과인 경우, 소결 보조제 성분이 휘발되어 치밀화 소결 공정에 있어서 소결 보조제 성분이 부족하여, 치밀한 소결체를 얻는 것이 어려워지는 경우가 있다.

치밀화 소결 시의 질소 분압은, 0.1 내지 0.9㎫인 것이 바람직하고, 0.5 내지 0.9㎫인 것이 보다 바람직하다. 소결 온도는, 1800 내지 1950℃인 것이 바람직하고, 1850 내지 1900℃인 것이 보다 바람직하다. 소결 온도까지 가열한 후의 유지 시간(소결 시간)은, 3 내지 12시간인 것이 바람직하고, 5 내지 12시간인 것이 바람직하다. 소결 온도가 1800℃ 미만인 경우, 또는 유지 시간이 3시간 미만인 경우, 질화규소 입자의 성장이나 재배열이 불충분하여 치밀체를 얻을 수 없는 경우가 있다. 소결 온도가 1950℃ 초과인 경우, 또는 유지 시간이 12시간 초과인 경우, 소결 보조제 성분이 휘발하여 부족하여, 치밀한 소결체를 얻는 것이 어려워지는 경우가 있다.

[2] 질화규소 기판

본 발명의 질화규소 기판은, 시트상의 성형체에 포함되는 규소를 질화하여 이루어지는 질화규소 기판이며, 기판의 중심부의 열전도율 λc와, 기판의 단부의 열전도율 λe의 비율인 λe/λc가 0.85 내지 1.15이다. 또한, 질화규소 기판은, 제1 주면과, 제2 주면과, 4개의 측면을 갖는 형상이다. 상기 제1 주면 또는 상기 제2 주면은, 면 내에 있어서 중심부와 단부를 갖는다. 기판의 중심부의 열전도율 λc 및 기판의 단부의 열전도율 λe는, 100W/m·K 이상인 것이 바람직하고, 110W/m·K인 것이 보다 바람직하고, 120W/m·K 이상인 것이 더욱 바람직하고, 130W/m·K 이상인 것이 특히 바람직하다.

(1) 조성

소결 후의 질화규소 기판은, β상 질화규소를 주성분으로 하고, 희토류 원소 및 마그네슘을 함유한다. 희토류 원소는 단체의 상태여도 되고, 다른 물질과 화합물을 형성하고 있어도 된다. 질화규소 기판에 포함되는 마그네슘은 단체의 상태여도 되고, 다른 물질과의 화합물이어도 된다.

본 발명의 질화규소 기판은, 질화규소 입자와, 상기 질화규소 입자의 입계를 형성하는 입계상을 갖는 질화규소 소결체이다. 상기 입계상 중의 희토류 원소(3가의 산화물 RE₂O₃ 환산(RE는 희토류 원소))의 함유량은 0.5 내지 2.3mol％ 및 마그네슘(MgO 환산)의 함유량은 0.5 내지 10mol％인 것이 바람직하다. 또한, 본원의 질화규소 기판에 있어서, 희토류 원소의 함유량 및 마그네슘의 함유량은, 질화규소(Si₃N₄)의 몰수와, 상기 희토류 원소를 3가의 산화물 RE₂O₃(RE는 희토류 원소)로 환산하였을 때의 몰수와, 상기 마그네슘을 MgO로 환산하였을 때의 몰수의 합계를 100mol％로 하여 구한 값이다. 이하, 상기 합계를, 간단히 「질화규소, 희토류 원소(3가의 산화물 환산) 및 마그네슘(MgO 환산)의 합계」라고 하는 경우도 있다.

여기서, 상기 입계상 중의 희토류 원소(3가의 산화물 RE₂O₃ 환산(RE는 희토류 원소))의 함유량 및 마그네슘(MgO 환산)의 함유량의 합계(입계상의 총량)은, 1.0 내지 12.3mol％인 것이 바람직하다.

질화규소 기판 중의 질화규소, 희토류 원소 및 마그네슘의 함유량은, 제조 시에 첨가한 규소 분말, 그리고 소결 보조제로서 첨가한 희토류 원소 산화물 및 마그네슘 화합물의 첨가량에 의존한다. 본원 발명의 방법에 있어서는, 소성 시에, 주로 마그네슘 화합물이 휘발에 의해 감소하기 때문에, 제조 시에 첨가한 양에 대하여, 소결 후의 질화규소 기판 중의 마그네슘의 함유량은 감소한다. 한편, 희토류 원소 산화물은 거의 휘발되지 않기 때문에, 마그네슘 화합물이 감소함으로써, 질화규소, 희토류 원소(3가의 산화물 환산) 및 마그네슘(MgO 환산)의 합계에 대한 함유율로서는 약간 증가하는 경우가 있다. 또한 마그네슘 화합물의 휘발량은, 성형체의 형상, 소성 조건 등에 따라 변동된다.

질화규소 입자 내의 산소량은 0.05질량％ 이하이다. 산소량이 0.05질량％ 초과이면 높은 열전도율이 얻어지지 않는다. 또한, 시료로서 동일한 조건의 질화규소 기판을 2개 제작해 두고, 한쪽의 질화규소 기판은 기판으로서 사용하고, 다른 쪽의 질화규소 기판을 산소량의 측정에 사용할 수 있다. 예를 들어, 다른 쪽의 질화규소 기판을 분쇄하여, 산세를 함으로써 질화규소 입자를 추출하고(입계상을 산세로 제거), 질화규소 입자에 대하여 불활성 가스 융해-비분산형 적외선 흡수법의 산소 분석 장치를 사용하여 산소량을 측정한다.

(3) 기타

질화규소 기판은, 상대 밀도가 98％ 이상의 치밀한 구조를 갖고 있는 것이 바람직하다. 질화규소 기판의 상대 밀도가 98％ 미만이면 높은 열전도율이 얻어지지 않는다. 이와 같은 치밀한 질화규소 기판은, 보이드에 의한 열전도의 저해가 일어나기 어렵고, 특히 본 발명의 질화규소 기판은, 두께 방향의 열전도율이 115W/m·K 이상이다.

질화규소 기판의 굽힘 강도는, 예를 들어 600㎫ 이상이다. 질화규소 기판에 납재를 통해 구리판 등의 회로를 접합한 파워 모듈용의 질화규소 회로 기판으로 한 경우, 실장 시나 구동 시에 높은 응력이 가해지기 때문에, 그 방식에도 의하지만 굽힘 강도는 600㎫ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 굽힘 강도가 600㎫ 이상으로 높음으로써, 질화규소 기판을 얇게 하는 것도 가능하다.

질화규소 기판의 두께는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 임의의 두께로 할 수 있지만, 예를 들어 반도체 소자나 전자 기기의 절연 방열 기판으로서 사용하는 경우, 0.05 내지 2.5㎜로 하는 것이 바람직하고, 0.1 내지 1㎜로 하는 것이 보다 바람직하고, 특히 파워 모듈용의 질화규소 회로 기판으로 하는 경우에는 0.2 내지 0.6㎜로 하는 것이 더욱 바람직하다. 소결 후의 질화규소 기판의 두께는, 시트 성형 공정에 있어서 형성하는 시트 성형체의 두께를 조정함으로써 조절할 수 있다.

실시예

본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 그것들에 한정되는 것은 아니다.

(1) 실시예 1의 질화규소 기판의 제작

(슬러리 제작 공정)

BET 비표면적이 2.1㎡/g, 메디안 직경 D50이 8.2㎛, 산소량이 0.3질량％인 규소 분말에, 규소(질화규소 환산), 희토류 원소 산화물(3가의 산화물 환산) 및 마그네슘 화합물(MgO 환산)의 합계에 대하여, 1.2mol％의 Y₂O₃의 분말 및 9.8mol％의 MgSiN₂의 분말을 소결 보조제로서 첨가하여, 원료 분말을 얻었다. 이 원료 분말에, 분산매(톨루엔) 및 원료 분말의 합계에 대하여 0.5질량％의 분산제(소르비탄산 트리오레이트)를 첨가하여, 42질량％의 농도의 슬러리로 하고, 볼 밀을 사용하여, 미디어로서 질화규소제 5φ 볼을 사용하여, 24시간 분쇄를 행하였다. 또한 마그네슘 화합물의 첨가량은, 마그네슘 화합물을 모두 MgO로 환산하였을 때의 mol％로 나타냈다. 분쇄 전의 규소 분말의 BET 비표면적, 메디안 직경 D50 및 산소량은, 각각 BET 1점법의 BET 비표면적계, 레이저 회절·산란법의 입도 분포계, 및 불활성 가스 융해-비분산형 적외선 흡수법의 산소 분석 장치를 사용하여 측정하였다.

(시트 성형 공정)

얻어진 슬러리는, 분산매 및 유기계 바인더(아크릴계 수지)를 첨가하여 농도 조제하고, 탈포 처리를 실시하여 슬러리상의 도공액으로 하였다. 이 도공용 슬러리를 닥터 블레이드법에 의해, 캐리어 필름에 도공하여, 두께 0.38㎜의 시트상으로 성형하고, 240㎜×200㎜의 크기로 절단하여 시트상 성형체를 얻었다. 또한, 도공 시에 캐리어 필름을 이송하는 속도가 성형 속도에 상당하고, 이 성형 속도를 600㎜/min. 이하로 하였다.

얻어진 시트상 성형체에 대하여 BN 분말층(두께 4.5㎛)을 사이에 두고 복수매 적층한 적층 조립체를 제작하고, BN판(적재판) 상에 설치하여 세로 프레임 부재(BN제)로 둘러싸면서, 도 1, 도 2의 모식적인 개략도에 나타내는 바와 같이 다단화하였다.

도 1에 도시한 바와 같이, 하판(보유 지지판)(10)의 상면에 적재판(BN제)(20)을 놓고, 그 위에 복수의 그린 시트를 갖는 적층 조립체(40) 및 BN제의 상판(누름판)(50)을 적재하였다. 이어서, 적재판(20)의 외주 부위 상에 도 4에 도시한 BN제(질화붕소제)의 세로 프레임 부재(30a)를 설치하였다. 도 2에 도시한 바와 같이, 다음 단의 적재판(20)을 상기 세로 프레임 부재(30a) 상에 놓고, 그 적재판(20) 상에 적층 조립체(40) 및 상판(누름판)(50)을 적재하였다. 이와 같이 하여, 원하는 단수의 적층 조립체(40) 및 상판(누름판)(50)을 적재해 가고, 최상단의 세로 프레임 부재(30a)(도 4의 타입) 상에 적재판(60)을 적재하여, 적재판 조립체(70)를 준비하였다. 여기서, 도 4의 세로 프레임 부재(30a)는, (a) 상면도에 도시한 바와 같이 직사각형의 프레임의 형태를 갖고 있고, BN제의 일체물로 하였다. (b) 개략도에서 해칭한 단면 개소로 나타내는 바와 같이, 세로 프레임 부재(30a)의 두께는 균일하게 하였다.

이어서, 질소 분위기 하(질소 분압 0.1㎫) 및 750℃에서 5시간 탈지하고(탈지 공정), 도 3에 도시한 바와 같이 적재판 조립체(70)를 질화 장치(80) 내에 수납하여 질소 분위기 하(질소 분압 0.5㎫) 및 1400℃에서 10시간 질화하였다(질화 공정). 이 질화 공정에서는, 질화 장치(80) 내에 있어서 적재판 조립체(70)를 BN제 도가니에는 수납하지 않았다(도가니 없이 질화를 행하였다).

이어서, 질화 장치(80)의 외부로 꺼낸 적재판 조립체(70)를 BN제 도가니 안에 수납한 후에, 소결 장치에 반입하여, 소결 장치 중에서 질소 분위기 하(질소 분압 0.9㎫) 및 1900℃에서 12시간 소결하여(치밀화 소결 공정), BN 분말층을 제거하여, 질화규소 소결체로 이루어지는 기판을 얻었다.

이어서, 질화규소 기판의 표면을 청정화와 적당한 조도로 하는 것을 목적으로 액체 호닝 처리하였다. 호닝 처리는 수중에 알루미나 지립을 적량 첨가하고, 0.5㎫의 압력으로 소결체 표리에 분사하여 행하였다. 얻어진 질화규소 기판의 크기는 200㎜×170㎜, 두께 0.32㎜였다.

청정화와 액체 호닝 처리 후, 질화규소 기판의 중심부의 열전도율 λc와, 단부의 열전도율 λe를 측정하였다. 여기서, 중심부는 질화규소 기판의 중심(기판의 대각선 교점)으로부터 반경 30㎜의 범위 내로 하고 있고, 이 중심부의 범위 내로부터 한 변이 10㎜인 정사각형의 시험편을 잘라냈다. 단부는 질화규소 기판의 코너부(4개의 코너부 중, 임의의 1개의 코너부)로부터 반경 40㎜의 범위 내로 하고 있고, 이 단부의 범위 내로부터 한 변이 10㎜인 정사각형의 시험편을 잘라냈다. 열전도율의 측정은, 한 변이 10㎜인 정사각형으로 잘라낸 각각의 시험편을 사용하여, 플래시법으로 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(주 1) 표 1에서 예를 들어 「1400℃-10h, 0.5㎫」는, 질화 장치(80) 내에 수납하여 질소 분위기 하(질소 분압 0.5㎫) 및 1400℃에서 10시간 질화한 것에 대응한다.

(주 2) 표 1의 질화 조건에서 괄호 내의 도면의 번호는, 그 도면의 세로 프레임 부재를 사용한 것을 나타낸다.

실시예 1에서는, 질화 공정으로 진행할 때, 적재판 조립체(70)는 용기에 상당하는 도가니에 수납하지 않고, 질화 장치 내에 적재판 조립체(70) 상태 그대로 반입하여 수납하였다. 질화 공정에 있어서, 질화 장치의 분위기의 질소(N 원소)가, 도가니에 의해 차단되지 않고, 적절하게 왕래함으로써, 분위기의 질소가 적층 조립체(40)의 대형의 시트상 성형체에 충분히 공급되어, 시트상 성형체 중의 Si(실리콘)가 균일하게 질화되어, 기판 내에서의 질화의 편차가 발생하는 것이 억제된 것으로 생각된다.

(2) 실시예 2 내지 5의 질화규소 기판의 제작

소결 보조제, 탈지 조건 및 질화 조건을 표 1의 실시예 2 내지 5 각각에 나타내는 바와 같이 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 질화규소 기판을 제작하였다.

본 발명의 실시예 1 내지 5의 질화규소 기판은, 열전도율의 비율 λe/λc가 0.94 내지 1.03이라는 범위에 들어가, 참고예와 비교하면, 중심부와 단부의 열전도율의 차가 억제된 것으로 되었다. 질화 공정에서는, 도 1 내지 도 3에 도 4의 세로 프레임 부재를 적용하여, 적재판 조립체(70)를 도가니에 수납하지 않고 질화 공정을 진행시킴으로써, 기판 내의 질화의 변동을 균일화하는 작용이 작용한 것으로 생각된다. 또한, 실시예 1에서는, λc 및 λe가 110W/m·K 이상이었다. 실시예 2에서는, λc 및 λe가 120W/m·K 이상이었다. 실시예 3 내지 5에서는, λc 및 λe가 130W/m·K 이상이었다.

(3) 참고예의 질화규소 기판의 제작

소결 보조제, 탈지 조건 및 질화 조건을 표 1의 참고예에 나타내는 바와 같이 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 질화규소 기판을 제작하였다.

참고예에서는, 도 1 내지 도 3에 도 5의 세로 프레임 부재(30b)를 적용하였다. 도 5의 세로 프레임 부재(30b)는, (a) 상면도에 도시한 바와 같이 직사각형의 프레임의 형태를 갖고 있고, 4변 각각의 중앙에는 상면으로 보아 직사각형(박판상)의 볼록부(30b-1, 30b-2, 30b-3, 30b-4)를 구비하고 있고, 직사각형의 프레임과 4개의 볼록부는 BN제의 일체물로 하였다. (b) 개략도에 있어서, 해칭한 단면 개소(30b-4, 30b-2)의 두께는, 세로 프레임 부재(30b)의 주요한 부재인 "프레임"의 두께보다도 크게 하였으므로, (c) 정면도에 도시한 바와 같이 볼록부끼리의 사이에는 오목부가 형성되게 되었다. 또한, 도 5의 세로 프레임 부재(30b)를 도 6의 세로 프레임 부재(30c)로 변경하는 것도 가능하고, 오목부에 의한 작용은 공통되는 것으로 된다.

도 6의 세로 프레임 부재(30c)는, (a) 상면도에 도시한 바와 같이 직사각형의 프레임의 형태를 갖고 있고, 그 4구석에는 각각 상면으로 보아 L자형의 볼록부(30c-1, 30c-2, 30c-3, 30c-4)를 구비하고 있고, 직사각형의 프레임과 4개의 볼록부는 BN제의 일체물로 하였다. (b) 개략도에서 해칭한 단면 개소의 두께보다도, (c) 정면도의 볼록부(30c-4, 30c-3)의 두께를 크게 하였으므로, (c) 정면도에 도시한 바와 같이 볼록부끼리의 사이에는 오목부가 형성되게 되었다.

참고예의 질화규소 기판은, 열전도율의 비율 λe/λc가 0.83이며, 중심부의 열전도율 및 단부의 열전도율의 차가 확대되는 결과가 되었다. 도 1 내지 도 3에 도 5의 세로 프레임 부재(30b)를 적용하면, 질화 공정에 있어서, 상기 오목부를 통과함으로써 분위기의 질소가 적층 조립체(40)의 대형의 시트상 성형체로 더 공급되어, 시트상 성형체 중의 Si(실리콘)의 질화가 더 촉진·균일화될 것으로 기대하였지만, 단부에서 소결 보조제에 관한 마그네슘(Mg 원소)이 상기 오목부를 통해 분위기 중에 방출되기 쉬워져 버려, 오히려 단부에서의 질화에 편차가 발생한 것이 생각된다.

10: 하판(보유 지지판)
20: 적재판
30a: 세로 프레임 부재
30b: 세로 프레임 부재
30b-1, 30b-2, 30b-3, 30b-4: 볼록부
30c: 세로 프레임 부재
30c-1, 30c-2, 30c-3, 30c-4: 볼록부
40: 적층 조립체
50: 상판(누름판)
60: 적재판
70: 적재판 조립체
80: 질화 장치

Claims

기판의 중심부의 열전도율 λc와, 기판의 단부의 열전도율 λe의 비율인 λe/λc가 0.85 내지 1.15인, 질화규소 기판.
제1항에 있어서,
150㎜×150㎜ 이상의 사이즈인, 질화규소 기판.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 λc 및 상기 λe가 100W/m·K 이상인, 질화규소 기판.