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公開番号2025134913
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-17
出願番号2025105607,2023545603
出願日2025-06-23,2022-08-30
発明の名称高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法
出願人株式会社東芝,株式会社Niterra Materials
代理人弁理士法人iX
主分類C04B 35/587 20060101AFI20250909BHJP(セメント;コンクリート;人造石;セラミックス;耐火物)
要約【課題】固溶酸素量を制御した高熱伝導性窒化珪素焼結体を提供する。
【解決手段】実施形態に係る高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法は、平均粒径2.5μm以下、不純物酸素含有量2質量%以下の窒化珪素粉末と、平均粒径3μm以下の焼結助剤と、を混合する湿式解砕混合工程と、原料粉末スラリーを用いて成形する成形工程と、成形体を400～800℃で脱脂する脱脂工程と、脱脂体を焼結する焼結工程とを備える。焼結工程は、非酸化性雰囲気中1500～1650℃で2～10時間保持する第一の保持工程と、非酸化性雰囲気中1750～2000℃で5～30時間保持する第二の保持工程と、を含む。得られた窒化珪素焼結体の熱伝導率は80W/(m・K)以上であり、固溶酸素量の平均値は0.2wt%以下であり、窒化珪素結晶粒子の長径の平均値は1～10μmであり、窒化珪素結晶粒子のアスペクト比の平均は2～10であり、粒界相の含有量が1～20質量%である。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
平均粒径２．５μｍ以下、不純物酸素含有量２質量％以下の窒化珪素粉末と、平均粒径３μｍ以下の焼結助剤と、を含む原料粉末を、有機溶媒中で湿式解砕して混合する湿式解砕混合工程と、
前記湿式解砕混合工程により得られた原料粉末スラリーを用いて成形体を形成する成形工程と、
得られた前記成形体を４００℃以上８００℃以下の範囲内で脱脂して脱脂体を得る脱脂工程と、
得られた前記脱脂体を焼結して窒化珪素焼結体を得る焼結工程であって、
非酸化性雰囲気中、１５００℃以上１６５０℃以下の範囲内で２時間以上１０時間以内保持する第一の保持工程と、
非酸化性雰囲気中、１７５０℃以上２０００℃以下の範囲内で５時間以上３０時間以下保持する第二の保持工程と、
を含む、前記焼結工程と、を備え、
得られた前記窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒子及び粒界相を含む高熱伝導性窒化珪素焼結体であって、
前記窒化珪素焼結体の熱伝導率は、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、
前記窒化珪素焼結体の任意の断面における単位面積２０μｍ×２０μｍに存在する前記窒化珪素結晶粒子の固溶酸素量の平均値は、０．２ｗｔ％以下であり、
前記窒化珪素焼結体の任意の断面における単位面積５０μｍ×５０μｍに存在する前記窒化珪素結晶粒子の長径の平均値は、１μｍ以上１０μｍ以下であり、
前記単位面積５０μｍ×５０μｍに存在する前記窒化珪素結晶粒子のアスペクト比の平均は、２以上１０以下であり、
前記粒界相の含有量が１質量％以上２０質量％以下である、高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法。
続きを表示（約 770 文字）【請求項２】
前記湿式解砕混合工程を行うことにより、前記原料粉末の粒度分布のピーク位置が粒子サイズの小さい方にシフトする、請求項１記載の高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法。
【請求項３】
前記第一の保持工程は、常圧雰囲気またはそれ以下の減圧雰囲気で行う、請求項１または請求項２に記載の高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法。
【請求項４】
前記第二の保持工程は、０．５ＭＰａ以上の加圧雰囲気で行う、請求項１または請求項２に記載の高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法。
【請求項５】
前記第二の保持工程は、０．５ＭＰａ以上の加圧雰囲気で行う、請求項３に記載の高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法。
【請求項６】
得られた前記窒化珪素焼結体に、１４００℃以上１６００℃以下の範囲内で保持する再熱処理工程を施す、請求項１または請求項２に記載の高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法。
【請求項７】
得られた前記窒化珪素焼結体に、１４００℃以上１６００℃以下の範囲内で保持する再熱処理工程を施す、請求項５に記載の高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法。
【請求項８】
前記再熱処理工程は、常圧またはそれ以下の減圧雰囲気下で行う、請求項６の高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法。
【請求項９】
前記再熱処理工程は、常圧またはそれ以下の減圧雰囲気下で行う、請求項７の高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法。
【請求項１０】
前記再熱処理工程における保持温度と、前記第二の保持工程における保持温度と、の差は５０℃以上３００℃以下の範囲内である、請求項６の高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
後述する実施形態は、高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法に関する。
続きを表示（約 4,900 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、窒化珪素（Ｓｉ
３
Ｎ
４
）基板を半導体回路基板に適用することが試みられている。半導体回路基板としては、アルミナ（Ａｌ
２
Ｏ
３
）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板が使用されている。アルミナ基板は熱伝導率が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であるが、低コスト化が可能である。また、窒化アルミニウム基板は熱伝導率が１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上となる高熱伝導化が可能である。一方、窒化珪素基板としては、熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の基板が開発されている。
窒化珪素基板の熱伝導率は、窒化アルミニウム基板と比較して低い。しかし、窒化珪素基板の３点曲げ強度は、５００ＭＰａ以上であり、優れている。窒化アルミニウム基板の３点曲げ強度は、通常３００～４００ＭＰａ程度であり、熱伝導率が高くなるほどに強度が下がる傾向にある。高強度の利点を生かすことにより、窒化珪素基板は薄型化が可能である。基板の薄型化により熱抵抗を下げることが可能になるので、放熱性が向上する。
例えば、特許第６２９３７７２号公報（特許文献１）には、熱伝導率５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素基板が開示されている。特許文献１では、基板の厚み方向の粒界相の分布割合を制御している。これにより、特許文献１では、絶縁耐力のばらつきを抑制し、体積固有抵抗値の温度依存性を向上させている。さらに、特許文献１では、５０Ｈｚと１ｋＨｚでの比誘電率も制御している。
近年、半導体素子の高性能化に伴い、動作保証温度が高温になっている。ＳｉＣ素子やＧａＮ素子では、動作保証温度が２５０℃程度まで高くなることが見込まれている。また、半導体素子の動作周波数が１ＭＨｚ程度まで高くなることも見込まれている。このため、窒化珪素基板についても、２５０℃程度の高温環境下、又は１ＭＨｚ程度の高周波環境下であっても、絶縁性を維持することが求められている。
特許文献１に記載された窒化珪素基板は、良好な絶縁性を有するものの、近年はそれ以上の性能向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許第６２９３７７２号公報
特開２０１８－２４５４８号公報
特開２０２２－７１４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この原因を追究したところ、窒化珪素結晶粒子内の固溶酸素量に影響を受けることが分かった。固溶酸素は、窒化珪素結晶の結晶格子の一部が酸素元素に置換されること、または結晶格子間に酸素が侵入することで発生する。つまり、固溶酸素とは、窒化珪素結晶粒子内に取り込まれた酸素のことである。固溶酸素は、窒化珪素焼結体の粒界相に存在する酸素とは区別される。また、固溶酸素は、結晶格子の欠陥の原因となるため、固溶酸素量を制御する必要があった。
例えば、特開２０１８－２４５４８号公報（特許文献２）には、窒化珪素結晶粒子の固溶酸素濃度が１～２５００ｐｐｍの窒化珪素焼結体が開示されている。特許文献２では、固溶酸素量の測定に二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）を用いている。特許文献２では、ラスター領域３μｍとしている。特許文献２の方法によれば、３μｍ以上の窒化珪素結晶粒子の固溶酸素量は測定できる。窒化珪素焼結体中の３μｍ以下の窒化珪素結晶粒子に関する固溶酸素量は測定できていない。また、ＳＩＭＳは、表面分析法であるため、試料表面の酸化を受けやすい方法である。このため、窒化珪素焼結体中の固溶酸素量の制御が必ずしも十分であったとは言えなかった。
本発明は、このような問題に対処するためのものであり、固溶酸素量を制御した高熱伝導性窒化珪素焼結体を提供するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法は、平均粒径２．５μｍ以下、不純物酸素含有量２質量％以下の窒化珪素粉末と、平均粒径３μｍ以下の焼結助剤と、を含む原料粉末を、有機溶媒中で湿式解砕して混合する湿式解砕混合工程と、前記湿式解砕混合工程により得られた原料粉末スラリーを用いて成形体を形成する成形工程と、得られた前記成形体を４００℃以上８００℃以下の範囲内で脱脂して脱脂体を得る脱脂工程と、得られた前記脱脂体を焼結して窒化珪素焼結体を得る焼結工程であって、非酸化性雰囲気中、１５００℃以上１６５０℃以下の範囲内で２時間以上１０時間以内保持する第一の保持工程と、非酸化性雰囲気中、１７５０℃以上２０００℃以下の範囲内で５時間以上３０時間以下保持する第二の保持工程と、を含む前記焼結工程と、を備える。得られた前記窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒子及び粒界相を含む高熱伝導性窒化珪素焼結体であって、前記窒化珪素焼結体の熱伝導率は、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、前記窒化珪素焼結体の任意の断面における単位面積２０μｍ×２０μｍに存在する前記窒化珪素結晶粒子の固溶酸素量の平均値は、０．２ｗｔ％以下であり、前記窒化珪素焼結体の任意の断面における単位面積５０μｍ×５０μｍに存在する前記窒化珪素結晶粒子の長径の平均値は、１μｍ以上１０μｍ以下であり、前記単位面積５０μｍ×５０μｍに存在する前記窒化珪素結晶粒子のアスペクト比の平均は、２以上１０以下であり、前記粒界相の含有量が１質量％以上２０質量％以下である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
実施形態に係る窒化珪素焼結体の断面組織の一例を示す模式図。
第一のプロット図の一例を示す図。
第二のプロット図の一例を示す図。
第三のプロット図の一例を示す図。
実施形態に係る窒化珪素回路基板の一例を示す模式図。
実施形態に係る半導体装置の一例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
実施形態に係る高熱伝導性窒化珪素焼結体の製造方法は、平均粒径２．５μｍ以下、不純物酸素含有量２質量％以下の窒化珪素粉末と、平均粒径３μｍ以下の焼結助剤と、を含む原料粉末を、有機溶媒中で湿式解砕して混合する湿式解砕混合工程と、前記湿式解砕混合工程により得られた原料粉末スラリーを用いて成形体を形成する成形工程と、得られた前記成形体を４００℃以上８００℃以下の範囲内で脱脂して脱脂体を得る脱脂工程と、得られた前記脱脂体を焼結して窒化珪素焼結体を得る焼結工程であって、非酸化性雰囲気中、１５００℃以上１６５０℃以下の範囲内で２時間以上１０時間以内保持する第一の保持工程と、非酸化性雰囲気中、１７５０℃以上２０００℃以下の範囲内で５時間以上３０時間以下保持する第二の保持工程と、を含む前記焼結工程と、を備える。得られた前記窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒子及び粒界相を含む高熱伝導性窒化珪素焼結体であって、前記窒化珪素焼結体の熱伝導率は、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、前記窒化珪素焼結体の任意の断面における単位面積２０μｍ×２０μｍに存在する前記窒化珪素結晶粒子の固溶酸素量の平均値は、０．２ｗｔ％以下であり、前記窒化珪素焼結体の任意の断面における単位面積５０μｍ×５０μｍに存在する前記窒化珪素結晶粒子の長径の平均値は、１μｍ以上１０μｍ以下であり、前記単位面積５０μｍ×５０μｍに存在する前記窒化珪素結晶粒子のアスペクト比の平均は、２以上１０以下であり、前記粒界相の含有量が１質量％以上２０質量％以下である。
図１は、実施形態に係る窒化珪素焼結体の断面組織の一例を示す模式図である。図１において、符号１は高熱伝導性窒化珪素焼結体、符号２は窒化珪素結晶粒子、符号３は粒界相である。高熱伝導性窒化珪素焼結体１のことを、単に窒化珪素焼結体１と呼ぶこともある。
窒化珪素焼結体１は、窒化珪素結晶粒子２と粒界相３を備える。粒界相３は、窒化珪素結晶粒子２同士の隙間に分布している。粒界相３は、後述する焼結助剤が反応して形成される。粒界相３が存在することにより、窒化珪素結晶粒子２同士が強固に結合し、熱伝導率の高い窒化珪素焼結体１を形成することができる。また、窒化珪素焼結体１には、図示しないポアが存在してもよい。
実施形態に係る窒化珪素焼結体１の熱伝導率は、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。熱伝導率が高いことにより放熱性が向上する。このため、熱伝導率は、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、さらには１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。
【０００８】
窒化珪素結晶粒子２の長径の平均長さは、１μｍ以上１０μｍ以下である。窒化珪素結晶粒子２のアスペクト比の平均は、２以上１０以下である。
長径の平均長さ及び平均アスペクト比の測定には、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を用いる。ＳＥＭ写真は、２０００倍で撮影される。また、ＳＥＭ写真において、窒化珪素結晶粒子２の個々の最大径を測定する。ＳＥＭ写真に写る個々の窒化珪素結晶粒子２の最大径を、長径とする。単位面積５０μｍ×５０μｍに写る個々の窒化珪素結晶粒子２の最大径の平均値を、長径の平均長さとする。
【０００９】
アスペクト比は、長径／短径により算出される。長径は、前述の最大径である。長径の中心点から垂直に伸ばした線に沿う窒化珪素結晶粒子の長さを、短径とする。単位面積５０μｍ×５０μｍに写る窒化珪素結晶粒子の個々のアスペクト比の平均値を、平均アスペクト比とする。なお、長径および短径は、ＳＥＭ写真に写る窒化珪素結晶粒子の部分を使って測定する。例えば、他の窒化珪素結晶粒子と重なって輪郭すべてが見えない窒化珪素結晶粒子については、見えている部分（ＳＥＭ写真に写っている部分）のみを使って、長径及び短径を測定する。また、単位面積５０μｍ×５０μｍのＳＥＭ写真の端部で輪郭が途切れている窒化珪素結晶粒子についても、見えている部分（ＳＥＭ写真に写っている部分）のみを使って、長径及び短径を測定する。窒化珪素結晶粒子の輪郭が確認し難い場合には、粒界相をエッチングで除去してもよい。
【００１０】
窒化珪素結晶粒子２の長径の平均長さは、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内である。また、窒化珪素結晶粒子２の平均アスペクト比は、２以上１０以下である。この範囲内であると、熱伝導率を向上させることができる。また、強度の向上も図ることができる。
長径の平均長さが１μｍ未満であると、窒化珪素結晶粒子２が小さすぎて熱伝導率が低下する可能性がある。また、１０μｍを超えて大きいと、熱伝導率は向上するものの、強度が低下する可能性がある。平均アスペクト比が２未満であると、細長い窒化珪素結晶粒子が少ないため、強度が低下する可能性がある。平均アスペクト比が１０を超えると、窒化珪素結晶粒子同士の隙間が大きくなる可能性がある。窒化珪素結晶粒子同士の隙間が大きくなると、粒界相が大きくなる。大きな粒界相は、熱伝導率を低下させる原因となる可能性がある。
また、図１に示すように、長径が５μｍ未満の窒化珪素結晶粒子２ａ（第１窒化珪素結晶粒子）と、長径が５μｍ以上の窒化珪素結晶粒子２ｂ（第２窒化珪素結晶粒子）と、が存在することが好ましい。小さな結晶粒子と大きな結晶粒子が存在することにより、大きな結晶粒子の隙間に小さな結晶粒子を存在させることができる。これにより、熱伝導率と強度の向上を図ることができる。この観点から、長径３μｍ未満の窒化珪素結晶粒子２ｂが存在することが、より好ましい。
（【００１１】以降は省略されています）

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