氮化硅衬底的制造方法技术

本发明专利技术提供一种氮化硅衬底的制造方法，其包括：原料粉末准备步骤，其准备含有硅粉末、稀土元素化合物、及镁化合物的原料粉末，其中，当将原料粉末中的硅换算成氮化硅时，该原料粉末含有以氧化物计1摩尔％以上7摩尔％以下的稀土元素化合物，并含有以氧化物计8摩尔％以上15摩尔％以下的镁化合物；片材成形步骤，其将原料粉末成形为片状而形成片材体；氮化步骤，其在氮气氛中以1200℃以上1500℃以下对片材体进行加热，将包含在片材体中的硅氮化；以及烧结步骤，其在氮气氛下对完成了氮化步骤的片材体进行烧结。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种氮化硅衬底的制造方法。
技术介绍
近些年，随着电子设备、半导体装置的高集成化、高电力化，从半导体元件产生的热的散热技术正变得极为重要。因此，对于在电子设备或半导体装置中被用作绝缘部件的衬底等，寻求散热性优异的散热衬底。作为散热衬底的材料例如考虑金属或陶瓷等，但金属的耐氧化性、耐水性、耐腐蚀性不如陶瓷，特别是在超过50℃的条件下不可能不进行冷却来使用。另外，由于具有导电性，因此难以用作要求绝缘的高密度装配衬底等要求较高散热性的绝缘衬底。另一方面，与金属相比，陶瓷具有较高的耐氧化性、耐水性、耐腐蚀性，例如氧化铝、氮化铝等被用作散热衬底的材料。其中氮化铝同时具有优异的绝缘性和高热导率，因此被用作功率模块的散热衬底材料。然而，由于氮化铝的强度、断裂任性等机械特性较差、缺乏可靠性，因此其用途非常有限。另一方面，氮化硅烧结体作为同时具有高强度和高韧性的优异构造用陶瓷材料被广为人知，其预测其单晶的热导率具有200～320W/mK的极为高的值。因此，期待将其用作散热衬底的材料。然而，对于一般的氮化硅烧结体，在氮化硅颗粒内部固溶有杂质氧等。因此，用于导热的声子会被固溶，与单晶时所预测的20～80W/mK的值相比，氮化硅烧结体的热导率会低很多。在此，在非专利文献1公开了为了在氮化硅烧结体中实现较高的热导率，寻求在烧结时降低低热导玻璃相、以及减少在氮化硅颗粒内部固溶的氧。然而，氮化硅是共价性极其高的难烧结性材料。因此，为了得到致密的烧结体，需要进行使用烧结助剂的液相烧结。并且，作为在制造氮化硅的烧结体时所添加的烧结助剂可举出氧化物。所添加的烧结助剂通过在烧结中与存在于氮化硅粉末表面的硅石反应而生成液相，利用此液相来进行致密化和晶粒生长。对于在烧结中生成的液相，在冷却时其大部分作为玻璃相残留在烧结体中。另外，在制造氮化硅的烧结体时，作为用于氮化硅烧结体的高导热性而添加的烧结助剂，可举出氧亲和力较高的稀土氧化物。当添加了稀土氧化物时，由于具有所生成的液相捕捉大量的氧的效果，因此能够降低氮化硅颗粒内部的固溶氧量，能够实现高导热性。然而，当作为烧结助剂仅添加稀土氧化物时，由于所生成的液相的熔点较高，因此难以得到机械特性优异的致密的烧结体。因此，为了得到使机械特性和高热导率同时优异的氮化硅烧结体，采取了各种方法。例如，在专利文献1中公开了一种高热导率氮化硅烧结体的制造方法，其在向Al含量为0.1重量％以下的氮化硅粉末中添加1重量％以上15重量％以下的选自Mg、Ca、Sr、Ba、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho、Er、Yb中的一种或两种以上的元素的氧化物烧结助剂并成形后，在1气压以上500气压以下的氮气压下，以1700℃以上2300℃以下的温度，烧结直至孔隙率为5％以下且发现预定的组织。并且，其公开了得到了热导率为80W/(m K)以上、断裂韧性为7MPam1/2以上、以四点弯曲法测定的弯曲强度为600MPa以上的高热导率氮化硅烧结体。另外，在专利文献中公开了一种高热导氮化硅烧结体的制造方法，其对在氮化硅粉末中添加了总计1.0重量％以下的镁及钇及/或镧族元素的一种以上的氧化物的原料粉末进行成形后，在温度1800℃～2000℃、氮气压0.5MPa～10Mpa下，使用由氮化硅、氮化硼及氧化镁构成的混合粉末烧结成烧结气氛调节用的填装粉。另外，公开了通过将烧结体的颗粒的大小、氮化硅颗粒内的氧的量、残留烧结助剂成分量设为预定的范围，从而得到常温下热导率为90W/mK以上、3点弯曲强度为600MPa以上的氮化硅烧结体。另外，在非专利文献2中，公开了在以往的烧结法中，尽管烧结时间的增加、氮化硅的晶粒生长被促进、热导率提高，但由于过度的晶粒生长，使得热导率提高的同时，强度及断裂韧性显著的降低。如上述事例所列举的那样，在以往的方法中，通过使用氮化硅粉末、使烧结助剂的种类、添加量、烧结条件等工艺参数最佳化、实现预定的细微构造，从而制作了具有80W/mK以上的热导率以及600MPa以上的弯曲强度的氮化硅烧结体。然而，即使是在专利文献1、2所公开的任意的制造方法中，由于使用昂贵的氮化硅粉末，因此存在制造成本升高的问题。另外，当改变烧结条件以使热导率提高到超过100W/mK时，存在强度、韧性急剧降低、机械性的可靠性缺乏的问题。这样一来，从同时满足制造成本和机械特性的两个观点来看，利用以往的烧结法得到的高热导氮化硅并未满足该要求。因此，从降低原料粉末所需的成本的观点来看，正在进行一种高热导氮化硅材料的开发，该高热导氮化硅材料使用便宜的硅粉末作为原料粉末，在氮中对其成形体进行氮化后，在高温下进行烧结、也即使用了反应烧结手法。例如专利文献3中公开了一种Si3N4烧结体的制造方法，其将含氧量为1重量％以下的80～99重量％的Si粉末、和1～20重量％的Y、Yb、Sm的至少一种元素的氧化物粉末混合，在氮气氛中以1400℃以下的温度对其成型体进行氮化处理后，在含氮气氛中以1700℃～1950℃的温度对所得到的氮化体进行烧结。在该Si3N4烧结体的制造方法中，通过使用含氧量为1重量％以下的高纯度的Si粉末，从而抑制杂质氧离子向Si3N4结晶颗粒内的固溶、并实现Si3N4烧结体的高导热化。另外，还记载了以下内容，通过在原料粉末中进一步添加混合Si粉末的1～10重量％的还原性涂剂，在100Torr以下的真空中或含氮气氛中以200℃～800℃的温度对其成形体进行热处理后，进行上述氮化处理及烧结，从而进一步减少所得到Si3N4烧结体中的含氧量，并进一步提高热导率。另外，专利文献4和5中公开了在硅粉末或硅粉末与氮化硅粉末的混合粉末中以将硅换算成氮化硅时的比例混合0.5～7摩尔％的稀土元素的氧化物和1～7摩尔％的镁化合物，以及通过将该混合物成形并氮化、在预定压力的氮中对所得到的氮化体进行加热并以相对密度为95％以上的方式进行致密化从而制造氮化硅烧结体。并且公开了得到具有热导率为100W/mK以上、三点弯曲强度为600MPa以上、断裂韧性值为7MPam1/2以上的特性的氮化硅烧结体。然而，根据专利文献3～5公开的氮化硅烧结体的制造方法制造氮化硅衬底时，在氮化硅衬底的表层部以90μm～140μm左右的厚度产生了包含多个气孔的多孔质的改性层。当在氮化硅衬底的表面包含改性层时，由于该氮化硅衬底的电气特性及机械强度降低，因此需要通过研磨等将形成在氮化硅衬底表面上的改性层部分刮掉，存在制造工序增加、以及随之而来的成本增大的问题。<现有技术文献><专利文献>专利文献1：(日本)特开平9-30866号公报专利文献2：(日本)特开2002-293642号公报专利文献3：(日本)特开平11-314969号公报专利文献4：(日本)专利第5046221号专利文献5：(日本)专利第4997431号<非专利文献>非专利文献1：Journal of the American Ceramic Society,“Thermal Conductivity of be-ta-Si3N4II:Effect of Lattice Oxygen,”83[8]1985-1992(2000)非专利文献2：Y.Hayashi e本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化硅衬底的制造方法，其包括：原料粉末准备步骤，其准备含有硅粉末、稀土元素化合物、及镁化合物的原料粉末，其中，当将原料粉末中的硅换算成氮化硅时，该原料粉末含有以氧化物计1摩尔％以上7摩尔％以下的所述稀土元素化合物，并含有以氧化物计8摩尔％以上15摩尔％以下的所述镁化合物；片材成形步骤，其将所述原料粉末成形为片状而形成片材体；氮化步骤，其在氮气氛中以1200℃以上1500℃以下对所述片材体进行加热，将包含在片材体中的硅氮化；以及烧结步骤，其在氮气氛下对完成了所述氮化步骤的所述片材体进行烧结。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.31 JP 2014-0743401.一种氮化硅衬底的制造方法，其包括：原料粉末准备步骤，其准备含有硅粉末、稀土元素化合物、及镁化合物的原料粉末，其中，当将原料粉末中的硅换算成氮化硅时，该原料粉末含有以氧化物计1摩尔％以上7摩尔％以下的所述稀土元素化合物，并含有以氧化物计8摩尔％以上15摩尔％以下的所述镁化合物；片材成形步骤，其将所述原料粉末成形为片状而形成片材体；氮化步骤，其在氮气氛中以1200℃以上1500℃以下对所述片材体进行加热，将包含在片材体中的硅氮化；以及烧结步骤，其在氮气氛下对完成了所述氮化步骤的所述片材体进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：草野大，田边元，平尾喜代司，日向秀树，周游，
申请(专利权)人：日本精细陶瓷有限公司，
类型：发明
国别省市：日本;JP