(57)【要約】【課題】  高熱伝導でシリコンに近い熱膨張係数、かつ精密加工性が良好で、工具摩耗の少ない半導体素子の検査に用いるプローブ案内部材を提供する。【解決手段】  窒化ホウ素３７〜４９質量％、窒化アルミニウム４９〜６０質量％、イットリア１〜４質量％を含有し、相対密度９２％以上かつ窒化アルミニウム結晶粒子の長径の平均が２．０〜３．２μｍであるＢＮ−ＡｌＮ複合焼結体を用いるプローブ案内部材。平均粒径１．２μｍ以下、比表面積２．０ｍ２／ｇ以上の窒化アルミニウム４９〜６０質量％、比表面積２０ｍ２／ｇ以上の窒化ホウ素３７〜４９質量％、イットリア１〜４質量％及びアルミナ３質量％以下（０質量％を含む）の原料を用いて、圧力１０〜５０ＭＰａ、温度１，６４０〜１，７８０℃、保持時間１〜４時間のホットプレス焼結を用いるプローブ案内部材の製造方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ホウ素３７〜４９質量％、窒化アルミニウム４９〜６０質量％、イットリア１〜４質量％を含有し、相対密度９２％以上かつ窒化アルミニウム結晶粒子の長径の平均が２．０〜３．２μｍであるＢＮ−ＡｌＮ複合焼結体を用いることを特徴とするプローブ案内部材。
【請求項２】
熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数２．５〜３．５ｐｐｍ／Ｋ、曲げ強さ２００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１記載のプローブ案内部材。
【請求項３】
平均粒径１．２μｍ以下、比表面積２．０ｍ２／ｇ以上の窒化アルミニウム４９〜６０質量％、比表面積２０ｍ２／ｇ以上の窒化ホウ素３７〜４９質量％、イットリア１〜４質量％及びアルミナ３質量％以下（０質量％を含む）の原料を用いて、圧力１０〜５０ＭＰａ、温度１，６４０〜１，７８０℃、保持時間１〜４時間のホットプレス焼結を用いることを特徴とする請求項１又請求項２に記載のプローブ案内部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の検査工程に好適なＢＮ−ＡｌＮ系のプローブ案内部材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣやＬＳＩ等の半導体では、回路の高精度、微細化が進行している。これらのＩＣやＬＳＩ等チップの良否を判定する装置がプロ−ブカ−ドである。プロ−ブカ−ドは、触針（プローブ）を案内部品（プロ−ブガイド）を通してＬＳＩ等のチップに接し、通電検査するものである。
【０００３】
このプローブの案内部品の材質には、熱膨張係数がシリコンに近い事、熱伝導率が高い事、加工性が良好で工具摩耗のすくない事等が要求されている。
熱膨張率がシリコンに近い必要性は、検査時の発熱や加熱下での測定時、シリコンとの熱膨張差が大きいと寸法に差が出て、検査ができなくなる。又、発熱した熱を効率よく逃がし温度上昇を抑えるためと温度のムラを少なくするため、高い熱伝導率が必要となる。
シリコンウエハ−の大型化、回路の集積化に伴い、これらの素子の電気的特性を検査する装置にも、対応する技術が要求されている。従来よりも高精度、微細な加工が施され、穴の数は数百であったものが、現在では、１０，０００以上にまで加工数が増えてきている。この為、加工性が良く、加工工具の摩耗の少ない材質が望まれている。
【０００４】
高熱伝導性で絶縁性の快削性セラミックスとしては、六方晶窒化ホウ素が良く知られている。しかしながら、窒化ホウ素は、代表的な難焼結性材料で、高密度の焼結体を得ることが困難で、Ｃ軸方向に層間剥離する摺動性材料であるため、ダストフリー化が難しいのと強度が低いという欠点があった、この問題を解決するために、他のセラミックスと組み合わせて使用する技術が多数提供されており、プローブ案内部品としてもジルコニアや窒化ケイ素との組み合わせが公知である。（特許文献１、特許文献２）
しかしながら、窒化ホウ素とジルコニアとの組み合わせにおいて、窒化ホウ素は低熱膨張性材料であるため、窒化ホウ素との複合材がシリコンに近い熱膨張係数を得るためには、ジルコニアを多量に添加する必要があり、その結果、熱伝導率が損なわれ、低熱伝導率であった。
【０００５】
窒化硼素と窒化ケイ素の組み合わせにおいて、窒化ケイ素は、高強度、高靱性化する成分としても知られるが、そのメカニズムは、柱状のβ晶を粒成長させることで発現する繊維強化型であるため、多量に添加して、強度向上とダストの発生をなくすと、快削性そのものが損なわれてしまい、発達した柱状粒子を含む材料微構造は精密加工時に加工工具の刃先の逃げが生じ易い。また、加工時加工工具の摩耗が大きく、加工コスト高であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３５４４８０号公報
【特許文献２】特開２００３−２８６０７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明の目的は、高熱伝導でシリコンに近い熱膨張係数、かつ精密加工性を持ち、工具摩耗の少ない半導体素子の検査工程に好適なＢＮ−ＡｌＮ系のプローブ案内部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明は、窒化ホウ素３７〜４９質量％、窒化アルミニウム４９〜６０質量％、イットリア１〜４質量％を含有し、相対密度９２％以上かつ窒化アルミニウム結晶粒子の長径の平均が２．０〜３．２μｍであるＢＮ−ＡｌＮ複合焼結体を用いることを特徴とするプローブ案内部材である。
【０００９】
本願発明におけるＢＮ−ＡｌＮ系の複合焼結体は、以下の実施態様を有していることが好ましい。
（１）熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ以上であること。
（２）熱膨張係数が２．５〜３．５ｐｐｍ／Ｋであること。
（３）曲げ強さ２００ＭＰａ以上
プローブ案内部材の使用状況から考えて、上記（１）〜（３）の物性が求められる温度域は、２０〜１５０℃の温度範囲である。
【００１０】
本願発明のＢＮ−ＡｌＮ系の複合焼結体を得るために、以下の製造方法を提案するものである。
先ず原料として、
（１）平均粒径１．２μｍ以下、比表面積２．０ｍ２／ｇ以上の窒化アルミニウム４９〜６０質量％、
（２）比表面積２０ｍ２／ｇ以上の窒化ホウ素３７〜４９質量％、
（３）イットリア１〜４質量％
（４）アルミナ３質量％以下（０質量％を含む）
を用い、以下の条件でホットプレス焼結するものである。
（５）圧力１０〜５０ＭＰａ
（６）温度１，６４０〜１，７８０℃
（７）保持時間１〜４時間
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高熱伝導でシリコンに近い熱膨張係数、かつ精密加工性を持ち、工具摩耗の少ないプローブ案内部材を得ることが出来る。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本願発明に用いる素材は、ＢＮ−ＡｌＮ系複合体である。この材料自体は、従来から公知の材料であり、ＡｌＮ単身系に比べて加工し易く、ＢＮ単身系に比べて高熱伝導性かつ高熱膨張性であることが知られている。本願発明の特徴は、高熱伝導でシリコンに近い熱膨張係数、かつ精密加工性を持ち、工具摩耗の少ないプローブ案内部材を得ることが出来る点である。
従来のＢＮ−ＡｌＮ系材料は、ＡｌＮ材の改良を目的としていたため、主としてＡｌＮリッチの組成（ＡｌＮ７０〜８５質量％）で強度と熱伝導率が検討されており、工具の摩耗に関しては、十分にはなされてなく、工具摩耗が大きく、多くの工具が必要となりコスト高となっていた。
本発明者は、鋭意検討結果、ＢＮ−ＡｌＮ系複合体焼結体の窒化ホウ素を３７〜４９質量％、窒化アルミニウムを４９〜６０質量％、イットリアを１〜４質量％にし、窒化アルミニウム結晶粒子の長径の平均を２．０〜３．２μｍにすることにより、精密加工性を保持しながら、加工工具の摩耗が大幅に少なくなる事を見いだした。
【００１３】
窒化ホウ素３７質量％以下、窒化アルミニウム６０質量％以上の場合、工具の摩耗が多くなる。窒化ホウ素４９質量％以上、窒化アルミニウム４９質量％以下の場合、曲げ強度が２００ＭＰａ低下となる。窒化アルミニウム結晶粒子の長径の平均が３．２μｍより大きくなると加工工具の摩耗が大きくなり、１つの加工工具での加工できる穴の数が、少なくなる。このたため、加工に要する加工工具の数が、多く必要となり、加工コストが高くなる。このように、結晶粒子の長径の平均が３．２μｍより大きくなると加工工具の摩耗が大きくなるのは、加工時、ＡｌＮ粒子の粒界で破壊され加工が進むもの考える。この時、結晶粒子が大きいと大きい粒子の状態で破壊が進み、加工工具と焼結体の間に破壊された大きな粒子が存在し、大きな応力が加工治具にかかり摩耗が進むものと推測する。
【００１４】
焼結体中の窒化アルミニウム結晶粒子の長径の平均が、２．０μｍより小さいと、十分な焼結体が得られず、焼結体の強度が不十分となる。好ましくは、焼結体の窒化アルミニウム結晶粒子の長径の平均は、２．２〜３．０μｍである。
なお、窒化アルミニウム結晶粒子の長径の平均は、以下の方法で測定する。
１）焼結体の２，０００〜５，０００倍のＳＥＭ写真を撮影する。
２）ＳＥＭ写真より、ＡｌＮ結晶の長径をスケ−ルで読み取り算出する。
３）ＡｌＮ結晶粒子２００個の長径の値を平均する。
【００１５】
窒化アルミニウムも窒化ホウ素も難焼結性の材料であり、それだけでは、ホットプレスやホットアイソスタチックプレスで高温にしても、高密度な焼結体を得ることは難しいが、焼結助剤を用いることで、比較的容易に緻密な焼結体が得ることが出来る。助剤としては、通常、酸化物が用いられる。窒化ホウ素の助剤としては、酸化ホウ素や酸化カルシウム、アルミナが用いられる。窒化アルミニウムの助剤としては、イットリアをはじめとした希土類酸化物やアルミナ、マグネシア、カルシア、リチアなどがよく知られている。本願発明の組成に於いては、窒化アルミニウムの助剤だけを用いることでも十分緻密な焼結体が得られる。特にイットリアは効果が大きく、安定した焼結体が得られやすい。但し、助剤を余り多く添加すると変色や強度低下の原因となり易いため、添加量としては、１〜４質量％が適切である。また、アルミナはイットリアと共に添加すると、より効果を挙げやすいが、アルミナの添加は熱伝導率の低下を招き易いため、３質量％以下が適切であり、好ましくは２質量％以下である。
【００１６】
プローブ案内部材の細穴は、直径５０〜２５０μｍの場合が多く、一つの部品に５００〜２０，０００個の穴の加工が施される。この場合、精密加工性とは、具体的に(1)穴そのものの形状の精度、(2)穴位置の精度で測られる。(1)は設定した穴径とのズレ及び真円度が目安となり、(2)は穴中心位置または穴間隔の設定値とのズレが目安となる。
工具の摩耗性評価としては、精密加工性を保持しながら、１工具での加工可能な穴数で、摩耗が少ない程、１工具での加工可能な穴数はおおくなり、穴加工に要する工具費が低くなり、低コストとなる。工具の摩耗が大きいと、少ない穴加工で精密加工が出来なくなり、多くの工具が必要となりコスト高となる。
【００１７】
本願発明のプローブ案内部材は精密加工を施すため、粒子間等の空隙は少ない方が好ましく、少なくとも相対密度９２％以上が必要であり、好ましくは９４％以上である。相対密度は、理論密度に対する実測の密度の割合で求められるものであり、密度の測定は、簡便には形状を測定して体積を求め、重量で割って求められるが、より正確な値は、ＪＩＳ  Ｒ  １６３４：１９９８に準拠して、適切に選んだ試片を空気中と水中に浸かっている状態で秤量し、空気中の質量を浮力で除することにより求める（アルキメデス法）。理論密度は、窒化アルミニウムと窒化ホウ素及び助剤の各個別成分の理論密度を加重平均して求められるものである。相対密度９２％以上では、粒子間の連通細孔が殆どなくなり、精密加工を施しても大きな欠陥が生じ難い。
【００１８】
前述のような組成、密度を持つプローブ案内部材は、従来用いられている窒化ケイ素、ジルコニアを多量に含む窒化ホウ素の複合焼結体に比べて高熱伝導性を発現する。従来用いられてきた部材は、２０〜３５Ｗ／ｍＫ程度であり、窒化ホウ素の高熱伝導性が活かされているとは言い難いものである。この程度の熱伝導では、検査時の発熱や、加熱下での測定する際に、温度分布が生じて電極の位置ズレ、即ち測定誤差の発生となり易い。８インチや１２インチなどの大きなウェハーを測定する際には特に敏感であり、プローブ案内部材としては高熱伝導性素材が好ましい。本願発明の部材では、従来部材に対して十分優位な熱伝導性を有するものであり、７０Ｗ／ｍＫ以上である。
【００１９】
本願発明の部材は、素子の電極にプローブを接するための案内をするものであるので、当然、熱膨張係数もシリコンに近い方が位置ズレ等は生じ難くなる。具体的には２．５〜３．５ｐｐｍ／Ｋである。熱膨張係数の測定はＪＩＳ  Ｒ  １６１８：１９９４に示されている方法に準拠して測定するが、使用温度を考えれば、測定温度範囲は２０℃から１５０℃で十分である。
【００２０】
プローブ案内部材の細穴は、直径５０〜２５０μｍの場合が多く、一つの部品に５００〜２０，０００個の穴の加工が施され、その中には、穴壁間が２０μｍと狭いものも有る。このように、穴壁間が狭い場合、焼結体の曲げ強さが低いと、穴壁の破損につながる。焼結体の曲げ強さは、２００ＭＰａ以上が好ましい。
上記の様な熱伝導率、熱膨張係数、結晶粒子、ショア硬度、曲げ強さを有する素材は、窒化アルミニウムと窒化ホウ素の組成以外に以下の条件を適用することで得られる。
【００２１】
先ず原料として、
（１）平均粒径１．２μｍ以下、比表面積２．０ｍ２／ｇ以上の窒化アルミニウム４９〜６０質量％、
（２）比表面積２０ｍ２／ｇ以上の窒化ホウ素３７〜４９質量％、
（３）イットリア１〜４質量％
（４）アルミナ３質量％以下（０質量％を含む）を用い、湿式又は、乾式により十分混合し、混合粉を以下の条件でホットプレス焼成するものである。
（５）圧力１０〜５０ＭＰａ
（６）温度１，６４０〜１，７８０℃
（７）保持時間  １〜４時間
（３）、（４）の助剤については、既述の通りであるが、（１）窒化アルミニウムの平均粒径は、焼結体の結晶粒径に関係し、加工時の加工治具の摩耗性に関係する。大きな窒化アルミニウム粒子があると加工治具の摩耗が大きくなる。焼結体の窒化アルミニウム結晶粒子の長径の平均を２．０〜３．２μｍにするに抑制するため、平均粒径を１．２μｍ以下、比表面積２．０ｍ２／ｇ以上の窒化アルミニウム原料粉を用いる。粒径の測定方法には各種の方法があるが、このレベルの粒径ではレーザー回折・散乱法がもっとも安定しており、本願発明でも採用する。具体的にはＪＩＳ  Ｒ  １６２９：１９９７に準拠して行えばよい。測定は日機装社のマイクロトラックＳＰＡ−ＭＯＤＥＬ−７９９７及び相当品で行う。（２）窒化ホウ素は、比表面積２０ｍ２／ｇ以上を用い、比表面積２０ｍ２／ｇ以下の場合、強度低下する。
【００２２】
本願発明の部材は、前述の原料を用いてホットプレス焼結することによって得られる。焼結条件は原料粉や助剤によっても異なるが、温度１，６４０〜１，７８０℃、圧力１０〜５０ＭＰａ、保持時間１〜４時間の範囲である。温度１、６４０℃未満では、十分に焼結した密度の焼結体が得られず、焼結体密度９２体積％以下となり、曲げ強度２００ＭＰａ以下の低いものとなる。１，７８０℃を超えると窒化アルミニウムの結晶粒子の長径の平均が３．２μｍ以上となり、加工時の工具摩耗が大きくなる。好ましくは、１，６８０〜１，７５０℃である。圧力１０ＭＰａ未満では、十分に焼結した密度の焼結体が得られず、焼結体密度９２体積％以下となり、曲げ強度２００ＭＰａ以下の低いものとなる。圧力５０ＭＰａ以上では、設備が大きくなり、コスト的に不利となる
好ましくは、１３〜４０ＭＰａである。保持時間１時間未満では、焼結体内の特性の分布が大きくなり易い。保持時間４時間を超えると窒化アルミニウムの結晶粒子の長径の平均が３．２μｍ以上となり、加工時の工具摩耗が大きくなる。好ましくは、１．５〜３時間である。
【００２３】
更に、本願発明の部材の原材料は、高純度であることが必要である。半導体素子に接する検査装置に用いることからも、金属不純物は少ない方が好ましく、例示すれば、鉄、ニッケル、コバルト、マンガン、銅の重金属やナトリウム等のアルカリ金属不純物の合計が、０．１質量％以下、特に好ましくは、０．０１質量％以下である。
【実施例】
【００２４】
以下実施例により、本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
先ず原料粉末は以下の方法で調整した。市販の六方晶窒化ホウ素粉末（比表面積４３ｍ２／ｇ、平均粒径３．４μｍ）、市販の窒化アルミニウム粉末（純度９７．８質量％、平均粒径１．１μｍ、比表面積２．６ｍ２／ｇ）市販のイットリア（純度９９質量％、平均粒径０．４μｍ）、及びアルミナ（比表面積１３ｍ２／ｇ、純度９９．９９質量％以上）を、表１に示す所定の割合に混合した。混合は、振動ミルにて、アルミナボ−ル充填し、５時間混合した。
比較例として、窒化アルミニウム粉末の平均粒径が実施例より大きい１．６μｍ、比表面積１．８ｍ２／ｇ、また、窒化アルミニウムの替わりに市販の窒化ケイ素（α化率９２％、平均粒径０．７μｍ、純度９９質量％以上）、ジルコニア（平均粒径０．１９μｍ、比表面積１６．０ｍ２／ｇ）を使用したものについても配合し、混合した。
【００２５】
各混合粉を内径８０ｍｍの黒鉛製のダイスにセットしてホットプレス焼結した。焼結条件を表１に示す。焼結体は取り出した後、外形を１ｍｍ程度研削し、ＪＩＳ  Ｒ  １６３４：１９９８に準拠して、アルキメデス法で相対密度を算出した。直径２５ｍｍ、厚さ１ｍｍに加工して、ＮＥＴＺＳＨ社のＦｌａｓｈ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ＬＦＡ  ４４７  Ｎａｎｏｆｌａｓｈを用いて、ＪＩＳ  Ｒ  １６１１：１９９７に準拠して、熱伝導率を測定した。幅４ｍｍ×厚さ４ｍｍ×長さ２０ｍｍに加工して、ＲＩＧＡＫＵ社のＴＭＡ８３０１を用いて、ＪＩＳ  Ｒ  １６１８：１９９４に準拠して、２０〜１５０℃の熱膨張係数を測定した。
幅４ｍｍ×厚さ３ｍｍ×長さ４０ｍｍに加工して、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１：１９９５に準拠して、３点曲げ強さを測定した。曲げ試料の破断面を倍率３，０００倍にてＳＥＭ観察し、ＡｌＮ結晶粒子の長径を２００個測定し平均を算出した。
幅４０ｍｍ×長さ４０ｍｍ×厚さ１ｍｍのサンプルを加工して、マシニングセンターで直径２００μｍの超硬のマイクロドリルにて穴加工を乾式で行った。穴センターで２５０μｍピッチ（穴−穴の隔壁設定値５０μｍ）の穴を連続４００開けて、穴径をＣＮＣ光学測定器を用いて測定し、２００±５μｍの規格に入っている穴径を合格とし、１バイトでの規格内の穴加工可能数を測定した。
加工条件は、回転数１０，０００ｒｐｍ、加工速度１０ｍｍ／分。これらの結果を表２に示す。
【００２６】
【表１】
2010180105.tif 000002
【００２７】
【表２】
2010180105.tif 000003
【００２８】
原料混合粉をホットプレス焼結した後のＢＮ−ＡｌＮ複合焼結体の組成は、原料混合粉の組成と同等であった。
表２の測定結果から明らかなように、本発明の実施例では、いずれも相対密度９２％、曲げ強さ２００ＭＰａ、熱膨張係数２．５〜３．５ｐｐｍ／Ｋ，熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ以上と比較的高密度、高強度、高熱伝導率でありながら、加工時の工具摩耗が少なく１工具で可能な穴加工数が多く、プローブ案内部品のような精密加工部品に好適であった。又シリコンの熱膨張率に近く、適切な熱膨張係数を有するものであった。
適切な組成範囲に入っていない、ＢＮが過剰な比較例１の場合、強度及び熱伝導率が低く、ＡｌＮが過剰な比較例２の場合、１工具で可能な穴加工数が低く、比較例３では、工具が折れ加工性に劣るものであった。焼結温度が高い比較例４の場合、焼結体中のＡｌＮの結晶粒径が大きく、１工具で可能な穴加工数が低く加工性に劣るものであった。焼結温度が低い比較例５の場合、低密度で強度及び熱伝導率が低いものであった。ＡｌＮ原料紛の平均粒径が大きい比較例６の場合、焼結体の窒化アルミニウム結晶粒子の長径の平均が大きくなり、１工具で可能な穴加工数が多いものであった。
窒化ケイ素を用いた比較例７、及びジルコニアを用いた比較例８では熱伝導率が低く、高熱伝導性とは言い難いものであった。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明のプローブ案内部材は、精密加工性に優れ、１工具で可能な穴加工数が多く、高熱伝導性で適切な熱膨張係数を有しているため、従来材料に比べて安価に作製することが可能で、正確に半導体素子の検査を行うことが出来る。特に今後、更に大型のシリコンウェハーを使って更に微細な電極構造を持った素子が普及することが予想されるため、本発明のプローブ案内部材の必要性が益々高まって行く。