(57)【要約】  窒化珪素結晶粒子と粒界相を有する窒化珪素焼結体からなる窒化珪素基板において、窒化珪素基板の板厚は０．４ｍｍ以下であり、窒化珪素焼結体の任意の断面または表面において、単位面積１０μｍ×１０μｍに存在する窒化珪素結晶粒子の中で結晶粒子内に転位欠陥部を有するものの割合が個数割合で０％以上２０％以下であることを特徴とする。回路基板にする際に耐エッチング性を向上させることができる。
2020044974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素結晶粒子及び粒界相を有する窒化珪素焼結体を備える窒化珪素基板であって、
前記窒化珪素基板の板厚は、０．４ｍｍ以下であり、
前記窒化珪素焼結体の任意の断面又は表面の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる任意の５０個の前記窒化珪素結晶粒子における、内部に転位欠陥部を有する前記窒化珪素結晶粒子の数の割合が、０％以上２０％以下であることを特徴とする窒化珪素基板。
【請求項２】
前記割合が０％以上１０％以下であることを特徴とする請求項１記載の窒化珪素基板。
【請求項３】
前記転位欠陥部において、珪素、酸素および窒素を除く成分が１μｍ２以上の塊になっていないことを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項にことを特徴とする窒化珪素基板。
【請求項４】
前記転位欠陥部において、珪素、酸素および窒素を除く成分が１０ｍｏｌ％以上検出されないことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項５】
前記転位欠陥部を有する前記窒化珪素結晶粒子の前記数に対する、前記転位欠陥部の占有面積率が５％以下である前記窒化珪素結晶粒子の数の割合が、７０％以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項６】
前記窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、前記窒化珪素結晶粒子の長径の最大値が６０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項７】
前記窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、前記窒化珪素結晶粒子の長径の平均は１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項８】
前記窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、それぞれの前記粒界相の面積が９μｍ２以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項９】
前記板厚が０．１０ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項１０】
絶縁耐圧が２５ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項１１】
熱伝導率が８０Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項１２】
３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の窒化珪素基板と、
前記窒化珪素基板の上に設けられた回路部と、
を備えたことを特徴とする窒化珪素回路基板。
【請求項１４】
前記回路部が、厚さ０．８ｍｍ以上の金属板であることを特徴とする請求項１３に記載の窒化珪素回路基板。
【請求項１５】
前記回路部は、エッチングによりパターン形状に加工されたものであることを特徴とする請求項１３ないし請求項１４のいずれか１項に記載の窒化珪素回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、窒化珪素基板及び窒化珪素回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワー半導体は、高出力化が進んでいる。また、パワー半導体を搭載したパワーモジュールは、パワー密度が年々高くなっている。モジュールのパワー密度は、パワー密度＝ＶＭ×ＩＭ×ｎ／Ｍｖにより求められる。ここで、ＶＭは、定格耐電圧（Ｖ）である。ＩＭは、定格電流＠△Ｔｊ−ｃ＝１２５℃（Ａ）である。ｎは、モジュール内のパワー半導体の数である。また、Ｍｖは、モジュールの体積（ｃｍ３）である。
パワーモジュールのパワー密度を高くするには、モジュール内のパワー半導体の数を増やすか、モジュールの体積を小さくすることが必要である。前述のように半導体素子は、高出力化している。このため、発熱量も大きくなっている。これに伴い、半導体素子を搭載する絶縁回路基板には、放熱性、耐熱性、および絶縁性の向上が求められるようになっている。
国際公開第２０１５／０６０２７４号公報（特許文献１）には、窒化珪素基板が開示されている。特許文献１では、厚み方向の粒界相の分布量を制御することにより、絶縁性のバラツキを改善している。
特許文献１には、常温（２５℃）と２５０℃での１０００Ｖ印可時の体積固有抵抗値の比が示されている。常温での体積固有抵抗値をρｖ１、２５０℃での体積固有抵抗値をρｖ２としたとき、ρｖ２／ρｖ１が０．２０以上となっている。このため、特許文献１の窒化珪素基板は、高温環境下での絶縁性にも優れている。
一方、半導体素子については、更なる大電流化が進められている。半導体素子を搭載する回路基板は、高温環境下での耐熱サイクル特性（ＴＣＴ）特性が求められている。国際公開第２０１７／０５６３６０号公報（特許文献２）では、銅板側面の形状、ろう材はみ出し部のサイズおよび硬さなどを制御した窒化珪素回路基板が開示されている。特許文献２では−４０℃から２５０℃のＴＣＴ試験において優れた耐久性を示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０６０２７４号公報
【特許文献２】国際公開第２０１７／０５６３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２では、銅板側面形状やろう材はみ出し部サイズの制御にはエッチング加工を用いていた。エッチング加工では、エッチング液を用いて金属板やろう材層を除去していく。通常、金属板のエッチング液とろう材層のエッチング液は異なる。それぞれ、エッチング加工に適したエッチング液を使っていく。このため、窒化珪素基板は、様々なエッチング液にさらされることになる。
エッチング加工を施した窒化珪素回路基板は、ＴＣＴ特性は優れるものの、絶縁性が低下が発生していた。この原因を追究したところ、エッチング液により、窒化珪素基板がダメージを受けている現象があることが判明した。本発明は、このような課題に対応するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態にかかる窒化珪素基板は、窒化珪素結晶粒子及び粒界相を有する窒化珪素焼結体を備え、窒化珪素基板の板厚は０．４ｍｍ以下であり、窒化珪素焼結体の任意の断面又は表面の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる任意の５０個の窒化珪素結晶粒子における、内部に転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が、０％以上２０％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
実施形態にかかる窒化珪素基板では、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の割合が低い。これにより、窒化珪素基板のエッチング液への耐久性を向上させることができる。このため、窒化珪素基板を薄型化したとしても、絶縁性を維持することができる。また、実施形態にかかる窒化珪素回路基板は、エッチング加工後であっても絶縁性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子を例示する概念図。
【図２】窒化珪素結晶粒子の長径を例示する概念図。
【図３】実施形態にかかる窒化珪素回路基板の一例を示す図。
【図４】実施形態にかかる窒化珪素回路基板の別の一例を示す図。
【図５】実施形態にかかる半導体装置の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施形態にかかる窒化珪素基板は、窒化珪素結晶粒子及び粒界相を有する窒化珪素焼結体を備え、窒化珪素基板の板厚は０．４ｍｍ以下であり、窒化珪素焼結体の任意の断面又は表面の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる任意の５０個の窒化珪素結晶粒子における、内部に転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が、０％以上２０％以下であることを特徴とする。
【０００９】
窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒子と粒界相を有している。粒界相は、主に焼結助剤の成分から構成される。粒界相は焼結工程において、焼結助剤が反応して形成される。反応は、焼結助剤同士の間、焼結助剤と窒化珪素との間、または焼結助剤と不純物酸素との間で起こる。
実施形態にかかる窒化珪素基板は、観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる任意の５０個の窒化珪素結晶粒子における、内部に転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が、０％以上２０％以下であることを特徴とする。
【００１０】
転位欠陥の観察は、窒化珪素焼結体の任意の断面または表面で行われる。
イオンミリング加工またはＦＩＢ（集束イオンビーム）加工で、表面粗さＲａが１μｍ以下になるように、窒化珪素焼結体の任意の断面または表面を加工する。加工した断面または表面を、評価面とする。
次に、評価面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察する。ＴＥＭによる観察時の倍率は、１００００倍以上とする。評価は、５０μｍ×５０μｍの領域を観察して行う。一視野で５０μｍ×５０μｍの領域が観察できないときは、領域を複数に分けて観察しても良い。評価では、一つの観察領域（５０μｍ×５０μｍ）を観察した後、その領域から１０００μｍ以上離れた別の領域を観察する。つまり、５０μｍ×５０μｍの領域を２箇所以上観察して、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子（欠陥粒子）の数の割合を算出する。
転位欠陥部の有無は、ＴＥＭの観察画像の暗視野と明視野の観察により判別する。転位欠陥部は、暗視野では白く見え、明視野では黒く反転して見える。このように、暗視野と明視野を切り替えたときに画素の色が反転する部位を、転位欠陥部とする。
【００１１】
図１は、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子を例示する概念図である。図１において、１は窒化珪素結晶粒子である。２は、転位欠陥部である。図１に示すように、実施形態にかかる窒化珪素基板の窒化珪素焼結体では、窒化珪素結晶粒子１の内部に転位欠陥部２が存在しうる。
窒化珪素結晶粒子内に転位欠陥部があると、窒化珪素基板の絶縁性が低下する。転位欠陥部は、結晶中に含まれる結晶欠陥である。結晶欠陥は、格子欠陥（Ｌａｔｔｉｃｅ  Ｄｅｆｅｃｔ）とも呼ばれている。結晶欠陥は、原子配列の乱れまたは不純物によって起きる。転位欠陥部は、安定した結晶構造に欠陥が生じて発生するため、絶縁性が低下する原因となる。転位欠陥部は少量であれば、絶縁性に悪影響を与えない。その一方で、転位欠陥部は、エッチング液によりダメージを受け易い。転位欠陥部がダメージを受けると、より大きな窒化珪素組織の欠陥に進展する。実施形態にかかる窒化珪素基板の厚さは、０．４０ｍｍ以下である。このような薄型基板の表面で転位欠陥部に起因する組織欠陥が生じると、その部分の絶縁性が大幅に低下してしまう。
実施形態にかかる窒化珪素基板では、任意の５０μｍ×５０μｍという微小領域において、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が０％以上２０％以下である。任意の観察領域５０μｍ×５０μｍにおける前記割合が０％以上２０％以下ということは、どこの５０μｍ×５０μｍの領域を観察したとしても、その数の割合が０％以上２０％以下であることを示している。
【００１２】
転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が２０％を超えると、窒化珪素基板の絶縁性が低下する。実施形態にかかる窒化珪素基板の板厚は、０．４ｍｍ以下である。基板が薄いため、転位欠陥部が多いと絶縁性が低下する。特許文献１で示しているように、窒化珪素基板に部分的な絶縁性のばらつきがあると、絶縁性の低い部分に電界集中が起きる。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。これに対し、実施形態では、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合を制御している。
このため、観察領域５０μｍ×５０μｍに存在する窒化珪素結晶粒子において、内部に転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が０％以上１０％以下であることが好ましい。最も好ましくは、前記割合が０％である。つまり、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子がないことにより、窒化珪素基板の絶縁性を高めることができる。なお、互いに１０００μｍ以上離れた２箇所以上の領域を、観察対象とする。また、観察領域５０μｍ×５０μｍの少なくとも一部を写したＴＥＭ写真において、輪郭が全て写っていない窒化珪素結晶粒子は、数の割合の計算には用いない。例えば、輪郭が写真の端で切れている窒化珪素結晶粒子は、数の割合の計算には用いない。また、全ての輪郭が写っている窒化珪素結晶粒子が５０個確認できたときに、その５０個の窒化珪素結晶粒子における、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合を求める。つまり、輪郭がすべて写っている窒化珪素結晶粒子が５０個確認できるまで観察する。１つの観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭が写っている５０個の窒化珪素結晶粒子を観察できないときは、別の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭が写っている５０個の窒化珪素結晶粒子を観察する。観察領域５０μｍ×５０μｍに５０個を超える窒化珪素結晶粒子が写っているときには、任意の５０個の窒化珪素結晶粒子が選択される。実施形態にかかる窒化珪素焼結体では、任意の５０個の窒化珪素結晶粒子における、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が、０％以上２０％以下である。これは、観察領域５０μｍ×５０μｍに５０個を超える窒化珪素結晶粒子が写っているときには、どの５０個の窒化珪素結晶粒子を選択したとしても、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が０％以上２０％以下であることを示す。
【００１３】
また、転位欠陥部では、珪素、酸素および窒素を除く成分が１μｍ２以上の塊になっていないことが好ましい。また、転位欠陥部では、珪素、酸素および窒素を除く成分が１０ｍｏｌ％以上検出されないことが好ましい。
珪素、酸素および窒素を除く成分とは、粒界相を構成する成分のことである。粒界相は、主に焼結助剤から構成される。このため、珪素、酸素および窒素を除く成分は、焼結助剤の金属成分に対応する。例えば、焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を用いた場合、珪素、酸素および窒素を除く成分は、イットリウム（Ｙ）である。
また、珪素、酸素および窒素を除く成分が１μｍ２以上の塊になっていないということは、転位欠陥部において、粒界相を構成している金属成分の塊が１μｍ２未満（０μｍ２含む）になっていることを示している。また、複数の焼結助剤を用いた場合であっても、珪素、酸素および窒素を除く成分が１μｍ２以上の塊になっていないことが好ましい。これは、焼結助剤成分が転位欠陥部の核になっていないことを示している。このため、転位欠陥部においては、粒界相を構成している金属成分の塊が、１μｍ２未満、さらには０．２μｍ２以下であることが好ましい。
また、珪素、酸素および窒素を除く成分が１０ｍｏｌ％以上検出されないこととは、転位欠陥部において、焼結助剤の金属成分が１０ｍｏｌ％未満（０ｍｏｌ％含む）であることを示す。例えば、焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を用いた場合、転位欠陥部はイットリウム（Ｙ）が１０ｍｏｌ％未満（０ｍｏｌ％含む）であることを示す。また、複数の焼結助剤を用いた場合は、焼結助剤の金属成分の合計が１０ｍｏｌ％未満であることが好ましい。これは、焼結助剤成分が転位欠陥部の核になっていないことを示している。
また、転位欠陥部において、粒界相を構成している金属成分の塊が１μｍ２未満（０μｍ２含む）かつ１０ｍｏｌ％未満（０ｍｏｌ％含む）になっていることが好ましい。
【００１４】
焼結助剤成分が転位欠陥部の核になっていないことにより、エッチング液への耐久性は向上する。転位欠陥部の珪素、酸素および窒素を除く成分のサイズおよび濃度の分析は、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）またはＷＤＳ（波長分散型Ｘ線分析）で行う。ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）を組合せて分析を行ってもよい。
【００１５】
また、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数に対する、転位欠陥部の占有面積率が５％以下である窒化珪素結晶粒子の数の割合は、７０％以上であることが好ましい。前述のように、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数が少なければ、絶縁性低下の原因とはならない。その一方で、一つの窒化珪素結晶粒子内に大きな転位欠陥部があると、絶縁性が低下する可能性がある。このため、一つの窒化珪素結晶粒子内の転位欠陥部の占有面積率は、５％以下が好ましい。また、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数に対する、転位欠陥部の占有面積率が５％以下である窒化珪素結晶粒子の数の割合が７０％以上であると、絶縁性を低下させずに、応力緩和効果を得ることができる。この割合も、観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて求める。
つまり、最初に、１つの観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全ての輪郭が写っている任意の５０個の窒化珪素結晶粒子を観察する。次に、観察した５０個の窒化珪素結晶粒子のそれぞれに、転位欠陥部が存在するか確認する。また、個々の窒化珪素結晶粒子をＴＥＭ観察する倍率は１００００倍とする。一個の窒化珪素結晶粒子が一つの画像に収まらないときは複数に分けて撮影してもよい。観察した５０個の窒化珪素結晶粒子における、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合を計算する。この割合が、０％以上２０％以下であることが好ましい。続いて、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子が存在する場合には、それらの窒化珪素結晶粒子のそれぞれについて、転位欠陥部の占有面積率を計算する。転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数に対する、転位欠陥部の占有面積率が５％以下である窒化珪素結晶粒子の数の割合を計算する。この割合が、７０％以上であることが好ましい。１つの観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる５０個の窒化珪素結晶粒子が無いときは、別の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる５０個の窒化珪素結晶粒子を探す。ある観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合、転位欠陥部の占有面積率などを測定した後は、その観察領域から１０００μｍ以上離れた別の観察領域５０μｍ×５０μｍを観察する。実施形態にかかる窒化珪素基板では、任意の断面のいずれの観察領域５０μｍ×５０μｍにおいても、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の前記割合が０％以上２０％以下である。また、転位欠陥部の占有面積率が５％以下である窒化珪素結晶粒子の数の前記割合が、７０％以上である。
言い換えると、実施形態にかかる窒化珪素基板では、５０μｍ×５０μｍという微小領域においても、窒化珪素結晶粒子の転位欠陥部のサイズを制御している。
【００１６】
また、一つの窒化珪素結晶粒子内の転位欠陥部の占有面積率の測定には、前述のＴＥＭ写真の暗視野像を用いる。暗視野像では、転位欠陥部は白く観察される。暗視野像で観察される一つの窒化珪素結晶粒子において、白く見える領域の面積と黒く見える領域の面積の合計を、その窒化珪素結晶粒子の面積とする。暗視野像で白く見える領域の面積を、転位欠陥部の面積とする。（転位欠陥部の面積／窒化珪素結晶粒子の面積）×１００（％）を、転位欠陥部の占有面積率とする。また、この占有面積率の測定には、画像処理ソフトを使う。画像解析ソフトとして、Ｉｍａｇｅ−ｊまたはそれと同等以上の解像度を有するものを用いる。
【００１７】
また、窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、窒化珪素結晶粒子の長径は６０μｍ以下、さらには２５μｍ以下であることが好ましい。また、窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、窒化珪素結晶粒子の長径の平均は、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、窒化珪素焼結体の任意の断面の単位面積３００μｍ×３００μｍにおいて、個々の粒界相の面積は、９μｍ２以下であることが好ましい。粒界相の面積とは、複数の窒化珪素結晶粒子で囲まれた領域の面積を意味する。
窒化珪素結晶粒子の長径が６０μｍ以下であるということは、長径が６０μｍ以上を超えた窒化珪素結晶粒子がないことを示す。つまり、６０μｍを超えた粗大粒がない状態を示す。前述のように、転位欠陥部を少なくすることにより、絶縁性を向上させている。大きな粗大粒を存在させないことにより、部分的な絶縁性のばらつきを抑制することができる。このため、窒化珪素結晶粒子の長径は、６０μｍ以下、さらには２５μｍ以下が好ましい。
また、窒化珪素結晶粒子の長径の平均は、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。長径の平均が１μｍ未満では、窒化珪素結晶粒子が小さすぎてしまい熱伝導率が低下する。また、長径の平均が１０μｍを超えると、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。
また、窒化珪素基板の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、個々の粒界相の面積は、９μｍ２以下であることが好ましい。粒界相の面積が９μｍ２を超えると、絶縁性のばらつきの原因となる可能性がある。粒界相と窒化珪素結晶粒子は、絶縁性が異なる。このため、あまり粒界相が大きいと、窒化珪素結晶粒子の転位欠陥部を抑制した効果が小さくなる。このため、粒界相の面積は、９μｍ２以下、さらには５μｍ２以下が好ましい。
【００１８】
窒化珪素結晶粒子の長径と粒界相の面積は、ＳＥＭ写真を使って測定する。窒化珪素基板の任意の断面のＳＥＭ写真を撮る。断面は、表面粗さＲａが１μｍ以下の研磨面にする。ＳＥＭ写真の倍率は、１０００倍以上に設定する。推奨されるＳＥＭ写真の倍率は、４０００倍である。一視野で３００μｍ×３００μｍの領域を撮影できないときは、３００μｍ×３００μｍの領域を複数に分けて撮影しても良い。断面の一方向における長さが３００μｍ未満であるときは、その一方向における観察領域の長さを可能な限り長くしたうえで、９００００μｍ２の観察領域を観察する。窒化珪素結晶粒子の長径は、９００００μｍ２の観察領域における観察結果に基づいて測定する。
図２に示すように、長径は、一つの窒化珪素結晶粒子の外縁上の任意の２点を結んで得られる線分のうち、最も長い線分の長さである。観察領域３００μｍ×３００μｍのＳＥＭ写真に写る個々の窒化珪素結晶粒子の長径を測定する。輪郭がＳＥＭ写真の端で切れて全体が写っていない窒化珪素結晶粒子は、カウントの対象外とする。図２において、３は、窒化珪素結晶粒子１の長径を示す。それらの長径の最大値が６０μｍ以下、さらには２５μｍ以下であることが好ましい。また、個々の窒化珪素結晶粒子の長径の平均を計算する。長径の平均は、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
ＳＥＭ写真において、窒化珪素結晶粒子と粒界相は、コントラストの違いで判別できる。窒化珪素結晶粒子は濃い灰色、粒界相は薄い灰色に写る。ＳＥＭ写真を画像解析することにより、粒界相の面積を求めることができる。具体的には、２値化した画像を、画像解析ソフトにより解析する。二値画像では、窒化珪素結晶粒子は黒色、粒界相は白色で表わされる。３個以上の窒化珪素結晶粒子で囲われた領域を粒界相として、その面積を求める。つまり、窒化珪素結晶粒子の２粒子間に存在する粒界相は除いて面積を求める。また、画像解析ソフトとして、Ｉｍａｇｅ−ｊまたはそれと同等以上の解像度を有するものを用いる。
【００１９】
以上の構成を有することにより、熱伝導率８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３点曲げ強度６００ＭＰａ以上とすることができる。つまり、熱伝導率および強度を低下させずに、絶縁性を向上させることができる。
なお、熱伝導率は、ＪＩＳ−Ｒ−１６１１（２０１０）のフラッシュ法に準じて測定する。ＪＩＳ−Ｒ−１６１１（２０１０）は、ＩＳＯ１８７５５（２００５）に対応する。また、３点曲げ強度は、ＪＩＳ−Ｒ−１６０１（２００８）に準じて測定する。ＪＩＳ−Ｒ−１６０１（２００８）は、ＩＳＯ１４７０４（２０００）に対応する。
焼結助剤の含有量は、酸化物換算で１５質量％以下が好ましい。焼結助剤の含有量が１５質量％を超えると、粒界相の割合が増え、転位欠陥を有する窒化珪素結晶粒子を少なくする効果が低下する。また、焼結助剤は、希土類元素、マグネシウム、チタン、ハフニウム、アルミニウム、及びカルシウムから選ばれる１種または２種以上であることが好ましい。それぞれ金属単体を酸化物に換算して、合計量を１５質量％以下にする。焼結助剤の含有量は、０．１質量％以上であることが好ましい。焼結助剤の含有量が０．１質量％未満では、添加効果が不十分となる可能性がある。このため、焼結助剤の含有量は、酸化物換算で０．１質量％以上１５質量％以下、さらには２質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。
また、窒化珪素基板の板厚は、０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であることが好ましい。また、窒化珪素基板に回路部を設けて窒化珪素回路基板とすることが好ましい。
窒化珪素基板は、半導体素子を実装するためのものである。半導体素子の実装方法としては、回路部を設ける方法が挙げられる。また、半導体素子を窒化珪素基板で圧接する方法もある。
【００２０】
実施形態にかかる窒化珪素基板は、回路部を有する窒化珪素回路基板に用いることが好ましい。回路部を形成する方法としては、ろう材を用いて金属板を接合する方法、金属ペーストを用いたメタライズ方法などが挙げられる。
ろう材を用いて金属板を接合する方法としては、活性金属接合法が挙げられる。
金属板が銅板であるとき、活性金属は、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、及びＮｂ（ニオブ）から選ばれる１種または２種以上を用いる。活性金属とＡｇ（銀）およびＣｕ（銅）を混合して活性金属ろう材とする。また、必要に応じ、Ｓｎ（錫）、Ｉｎ（インジウム）、及びＣ（炭素）から選ばれる１種または２種以上を添加しても良い。
また、活性金属の中ではＴｉ（チタン）が好ましい。Ｔｉは窒化珪素基板と反応して窒化チタン（ＴｉＮ）を形成することにより、接合強度を高めることができる。Ｔｉは窒化珪素基板と反応性が良く、接合強度を高めることができる。
また、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００質量％としたとき、Ａｇの含有率が４０質量％以上８０質量％以下、Ｃｕの含有率が１５質量％以上６０質量％以下、Ｔｉの含有率が１質量％以上１２質量％以下の範囲内であることが好ましい。また、Ｉｎ、Ｓｎを添加する場合は、ＩｎおよびＳｎから選ばれる少なくとも一つの元素の含有率が５質量％以上２０質量％以下の範囲であることが好ましい。Ｃが添加されるときには、Ｃの含有率が、０．１質量％以上２質量％以下の範囲であることが好ましい。つまり、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｓｎ（またはＩｎ）＋Ｃ＝１００質量％としたとき、Ａｇの含有率が４０質量％以上７３．９質量％以下、Ｃｕの含有率が１５質量％以上４５質量％以下、Ｔｉの含有率が１質量％以上１２質量％以下、Ｓｎ（またはＩｎ）の含有率が５質量％以上２０質量％以下、Ｃの含有率が０．１質量％以上２質量％以下の範囲内であることが好ましい。ここではＴｉを用いたろう材の組成について説明したが、Ｔｉの一部または全部を他の活性金属に置き換えてもよい。
また、金属板がアルミニウム板であるとき、活性金属はＳｉ（珪素）またはＭｇ（マグネシウム）から選ばれる１種または２種の元素となる。これら活性金属とＡｌ（アルミニウム）を混合して活性金属ろう材とする。
【００２１】
窒化珪素基板上に活性金属ろう材を塗布し、金属板を配置する。次に、金属板が配置された窒化珪素基板を６００℃以上９００℃以下で加熱し、金属板を窒化珪素基板に接合する。これにより、銅板またはアルミニウム板を接合することができる。また、接合時には、真空中（１０−２Ｐａ以下）で加熱することが好ましい。必要に応じ、エッチング工程などで回路パターンを形成しても良い。
また、金属ペーストを用いたメタライズ方法としては、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｗ（タングステン）、又はＭｏ（モリブデン）などの金属ペーストを塗布して、加熱により回路部を形成する方法である。
金属板を接合する方法では、板厚の厚い金属板を基板に接合することができる。これにより、通電容量を向上させることができる。その一方で回路パターンの形成にはエッチング処理などの工程が必要となる。また、メタライズ法は、回路パターンを形成したい箇所にペーストを塗布することができる。このため、複雑な形状のパターンを形成できる。その一方で、回路部を厚くするのが困難であるため、通電容量を向上させ難い。メタライズ法の一種として、金属メッキ法を用いる方法もある。回路部の形成方法は、目的に応じて適宜選択できる。
【００２２】
上記のように回路部に金属板を用いた場合、金属板のエッチングとろう材層のエッチングの２種類のエッチング加工が必要になる。
例えば、銅板をエッチングする際は、塩化第二銅または塩化第二鉄が使われる。また、活性金属ろう材層をエッチングする際は、過酸化水素水、フッ化アンモニウム、フッ化水素などが使われる。さらに、硫酸、塩酸、硝酸などの酸溶液を化学研磨液として使う場合もある。また、エッチングレジストを除去するために、窒化珪素回路基板を薬液に漬けることもある。このように、窒化珪素回路基板は、２種または３種以上の薬液にさらされる。また、銅板の側面形状やろう材はみ出し部のサイズを最適化するために、エッチングの回数を増やすこともある。特に、銅板の厚さが０．８ｍｍ以上と厚くなるとエッチング回数の増加、エッチングの長時間化、又はエッチング液の高濃度化などの対応が必要になる。また、通常、活性金属ろう材のエッチング液として、ｐＨ５〜６程度のものが使われている。ｐＨ５以下のエッチング液を用いることや、ｐＨ１程度の化学研磨液と組合せることなどにより、エッチング時間を短くすることも行われている。このため、ｐＨ５以下のエッチング液を用いたエッチング工程が増加する傾向にある。しかし、活性金属ろう材のエッチングは、窒化珪素基板への負荷も大きい。
実施形態にかかる窒化珪素基板は、転位欠陥部を少なくしてあるので、窒化珪素結晶粒子がエッチング加工により受けるダメージを低減できる。このため、エッチング加工による窒化珪素基板の絶縁性の低下を抑制できる。このため、実施形態にかかる窒化珪素基板は、エッチング加工による負荷が特に増加する厚さ０．８ｍｍ以上の金属板を回路部に使用した窒化珪素回路基板に好適である。また、窒化珪素基板の板厚を０．４０ｍｍ以下と薄くすることにより、窒化珪素基板の熱抵抗を低減できる。窒化珪素基板の板厚を０．３０ｍｍ以下と薄くすることにより、さらに熱抵抗を下げることができる。実施形態にかかる窒化珪素基板は、転位欠陥部を少なくしてあるので、エッチング液への耐久性が優れている。このため、窒化珪素基板の板厚が薄い場合でもおり、エッチング加工による絶縁性の低下を抑制できる。なお、窒化珪素基板の板厚は、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。板厚が０．１ｍｍ未満であると、窒化珪素基板の強度が低下する。
【００２３】
次に、実施形態にかかる窒化珪素基板の製造方法について説明する。窒化珪素基板の製造方法は以下の例に限定されない。窒化珪素基板を歩留り良く得るための方法として、以下の製造方法が挙げられる。
まずは、原料粉末を用意する。原料粉末には、窒化珪素粉末および焼結助剤粉末が必要となる。焼結助剤は、希土類元素、マグネシウム、チタン、ハフニウム、アルミニウム、及びカルシウムから選ばれる１種または２種以上であることが好ましい。それぞれ金属単体を酸化物に換算して、合計量を１５質量％以下にする。なお、焼結助剤の添加量の下限値は０．１質量％以上であることが好ましい。焼結助剤量が０．１質量％未満では、添加効果が不十分となる可能性がある。このため、焼結助剤の添加量は０．１質量％以上１５質量％以下が好ましい。
【００２４】
また、窒化珪素粉末については、α化率が８０質量％以上であり、平均粒径が０．４μｍ以上２．５μｍ以下であり、不純物酸素含有量が２質量％以下であることが好ましい。不純物酸素含有量は、１．０質量％以下、さらには０．１質量％以上０．８質量％以下であることがより好ましい。不純物酸素含有量が２質量％を超えると、不純物酸素と焼結助剤との反応が起きて、必要以上に粒界相が形成される可能性がある。
また、焼結助剤には希土類化合物を使うことが好ましい。希土類化合物は、窒化珪素結晶粒子の長径制御に重要な材料である。希土類化合物粉末の添加量は、酸化物換算で３質量％以上１０質量％以下、さらには５質量％以上９質量％以下に制御することが好ましい。なお、酸化物換算は、希土類元素をＲとしたとき、Ｒ２Ｏ３にて換算する。
また、窒化珪素結晶粒子が粒成長する過程において、窒化珪素結晶粒子の表面に希土類元素が配位しやすい状態を形成することが必要になる。表面に配位とは、窒化珪素の表面元素に希土類元素（希土類元素化合物含む）が隣接することである。窒化珪素結晶粒子の表面に希土類元素が配位することで、窒化珪素結晶粒子と希土類元素との間の反応及び焼結助剤同士の反応を促進させることができる。原料粉としては、微粉形態が好ましく、平均粒子径Ｄ５０を１．０μｍ以下、さらには０．４μｍ以下に制御することが好ましい。また、粉末ではなく、アルコキシド化合物などの溶液を用いて湿式にて混合し、窒化珪素結晶粒子表面に希土類元素を化学結合させることも効果的な手法となる。
また、必要に応じ、マグネシウム、チタン、ハフニウム、アルミニウム、及びカルシウムから選ばれる１種または２種以上を含む化合物の粉末を添加する。また、これら化合物の添加量は合計で５質量％以下であることが好ましい。また、これらの化合物は、酸化物または炭酸化物であることが好ましい。焼結助剤の構成元素として酸素を含むと、焼結助剤同士の反応、または窒化珪素粉末中の不純物酸素と焼結助剤の反応により、酸化物液相が形成される。これにより、窒化珪素結晶粒子の緻密化を促進することができる。
希土類化合物は焼結を促進する効果がある。また、マグネシウム、チタン、ハフニウム、アルミニウム、又はカルシウムを含む化合物は、焼結温度の低温化、粒界相強化などの効果を有する。
【００２５】
上記原料粉末を混合し、さらにバインダを添加して原料混合体を調製する。原料粉末は、窒化珪素粉末と焼結助剤粉末の混合粉末である。焼結工程で、窒化珪素結晶粒子の粒成長を制御するためには、混合粉末が均一に混合されている必要がある。混合工程は、ボールミルなどを用いて解砕混合していく。解砕応力が大きすぎると、窒化珪素粉末に転位欠陥部が形成されてしまい、焼結後の窒化珪素粒子に転位欠陥部が残存しやすくなる。このため、混合工程は、２０時間以上かけて、平均粒径Ｄ５０が１μｍ以下となるように実行することが好ましい。また、混合時間の上限は特に限定されないが、６０時間以下が好ましい。６０時間を超えて混合してもよいが、製造時間が長くなりすぎる。平均粒径Ｄ５０の測定は、レーザ回析／散乱式粒子径分布測定装置（株式会社堀場製作所製）を用いることが好ましい。
【００２６】
次に、原料混合体を成形する成形工程を行う。原料混合体の成形法としては、汎用の金型プレス法、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）法、又はシート成形法（例えば、ドクターブレード法、ロール成形法）などが適用できる。また、必要に応じ、原料混合体を、トルエン、エタノール、又はブタノールなどの溶媒と混合する。ドクターブレード法は、厚さ０．４０ｍｍ以下の基板の量産に適している。
次に上記成形工程の後、成形体の脱脂工程を行う。脱脂工程では、非酸化性雰囲気中、温度５００℃以上８００℃以下で１時間以上４時間以下加熱して、予め添加していた大部分の有機バインダの脱脂を行う。非酸化性雰囲気としては、窒素ガス雰囲気中、アルゴンガス雰囲気中などが挙げられる。必要であれば大気雰囲気などの酸化雰囲気で処理し、脱脂体に残存する有機物量を制御する。
また、有機バインダとしては、ブチルメタクリレート、ポリビニルブチラール、又はポリメチルメタクリレートなどが挙げられる。また、原料混合体（窒化珪素粉末と焼結助剤粉末との合計量）を１００質量％としたとき、有機バインダの添加量は３質量％以上２８質量％以下であることが好ましい。
有機バインダの添加量が３質量％未満では、バインダ量が少なすぎて成形体の形状を維持するのが困難となる。このような場合、成形体を多層化して量産性を向上することが困難となる。
一方、バインダ量が２８質量％を超えて多いと、脱脂工程により脱脂処理された後の成形体の空隙が大きくなり、窒化珪素基板のポアが大きくなる。このため、有機バインダの添加量は、３質量％以上２８質量％以下、さらには３質量％以上１７質量％以下の範囲内が好ましい。
次に、脱脂処理された成形体は焼成容器内に収容され、焼成炉内において非酸化性雰囲気中で焼結工程が行われる。焼結工程における温度は、１８００℃以上１９５０℃以下の範囲内であることが好ましい。非酸化性雰囲気としては、窒素ガス雰囲気、または窒素ガスを含む還元性雰囲気が好ましい。また、焼成炉内は、加圧雰囲気であることが好ましい。
焼結温度が１８００℃未満の低温状態で焼成すると、窒化珪素結晶粒子の粒成長が十分でなく、緻密な焼結体が得難い。一方、焼結温度が１９５０℃より高温度で焼成すると、炉内雰囲気圧力が低い場合には、窒化珪素がＳｉとＮ２に分解する可能性がある。このため、焼結温度は、上記範囲内に制御することが好ましい。また、焼結時間は、７時間以上２０時間以下の範囲内が好ましい。
【００２７】
焼結工程を行う際、１３５０℃から１６００℃までの昇温速度を、５０℃／ｈ以下にすることが好ましい。１３５０℃から１６００℃までの温度域で、焼結助剤を主とする液相が生成される。このため、昇温速度の制御により、窒化珪素結晶粒子表面への液相の拡散を促進させることができる。
また、１６５０℃から焼結温度までの昇温速度は、５０℃／ｈ以下であることが好ましい。昇温速度を５０℃／ｈ以下にすることにより、均一な粒成長が促進されて粗大粒の生成を抑制できるとともに、窒化珪素結晶粒子に転位欠陥部が形成されることを抑制できる。
また、１３００℃から１６５０℃までの昇温速度を、第一の昇温速度とする。１６５０℃から焼結温度までの昇温速度を、第二の昇温速度とする。第一の昇温速度は、第二の昇温速度以上であることが好ましい。第二の昇温度速度を第一の昇温速度と同じかそれよりも遅くすることで、粗大粒の発生を抑制する効果を向上させることができる。粒成長は、窒化珪素結晶粒子表面に拡散した液相を介して進行する。よって、１６５０℃から焼結温度までの昇温速度を、液相の拡散に効果的な第一昇温速度に維持、又はそれよりも遅い第二昇温速度に設定することで、均質な粒成長が促される。これにより、粗大粒の発生を抑制する効果を向上させることができる。
さらに、焼結工程において、圧力の変化量が０．３ＭＰａ以下になるように、圧力を制御することが好ましい。圧力の変化量を抑制することによっても、窒化珪素結晶粒子に転位欠陥部が形成されることを抑制できる。圧力の変化は、窒化珪素結晶粒子の粒成長に影響を与える。焼結工程を常圧又は加圧で行う場合、圧力の変化量を０．３ＭＰａ以下、さらには０．１ＭＰａ以下にすることが好ましい。圧力の変化量を制御するためには、焼結雰囲気中のガス圧を制御することが有効である。窒化珪素基板の焼結工程中には、ガスが発生し易い。焼結工程においては、成形体中のバインダ、焼結助剤、窒化珪素粉末中の不純物酸素などがガス成分となる。発生したガス成分により焼結雰囲気の圧力が変化する。つまり、特に圧力を負荷しない常圧焼結であっても、発生したガス成分によっては焼結雰囲気の圧力が変化する。このため、焼結工程中の雰囲気圧力が変化しないように、発生したガス成分を除去するなどの制御が必要である。特に、１３００℃以上の熱処理工程から焼結工程の間の圧力の変化量を０．３ＭＰａ以下にすることが好ましい。
【００２８】
このように、昇温速度の制御又は圧力変化の抑制により、窒化珪素結晶粒子の異常粒成長を抑制することができる。
これにより、窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、窒化珪素結晶粒子の長径の最大値を６０μｍ以下、さらには２５μｍ以下に制御することができる。また、窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、窒化珪素結晶粒子の長径の平均を１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内に制御することができる。また、異常粒成長を抑制できるので、窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、個々の粒界相の面積を９μｍ２以下、さらには５μｍ２以下に制御することができる。
また、焼結工程後の冷却速度は適宜設定可能である。粒界相の結晶化を促進するには、冷却速度を１００℃／ｈ以下にすることが好ましい。
【００２９】
図３〜図５は、実施形態にかかる窒化珪素回路基板の一例を示す図である。図３において、１０は窒化珪素回路基板である。１２は窒化珪素基板である。１３は、表金属板である。１４は接合層である。１５は裏金属板である。図３は、２つの表金属板３を窒化珪素基板１２に接合した例を示す。実施形態は、このような形に限定されるものではなく、１つ又は３つ以上の表金属板１３が窒化珪素基板１２に接合されても良い。各表金属板１３は、配線パターンに加工されていても良い。図３の例では、さらに、裏金属板１５を窒化珪素基板１２に接合している。裏金属板１５は、回路ではなく放熱板として機能する。裏金属板１５は、必要に応じ設けることができる。
窒化珪素基板に貫通孔が設けられていても良い。窒化珪素回路基板は、表の金属板と裏の金属板が貫通孔を介して導通した構造を有することが好ましい。図４は、貫通孔を有する窒化珪素回路基板の一例を示す。図４は、貫通孔が設けられた部分における断面図である。図４において、１０は窒化珪素回路基板である。１２は窒化珪素基板である。１３は表金属板である。１４は接合層である。１８は裏金属板である。１９は貫通孔である。図４では、貫通孔１９を介して、表金属板１３と裏金属板１８が導通している。図４では、複数の貫通孔１９が、それぞれ、複数の表金属板１３と複数の裏金属板１８を接続している。実施形態は、このような構造に限定されない。窒化珪素回路基板１０において、複数の表金属板１３の一部に対してのみ貫通孔１９が設けられていても良い。複数の裏金属板１８の一部に対してのみ貫通孔１９が設けられていても良い。貫通孔１９の内部には、接合層１４と同じ材料が充填されることが好ましい。貫通孔１９の内部の構造は、表金属板と裏金属板を導通できれば、特に限定されない。このため、貫通孔１９内壁にのみ金属薄膜が設けられていても良い。一方、接合層１４と同じ材料を充填することにより、接合強度を向上させることができる。
実施形態にかかる窒化珪素回路基板は、半導体装置に好適である。半導体装置では、窒化珪素回路基板の金属板に、接合層を介して半導体素子が実装される。図５は、半導体装置の一例を示す。図５において、１０は窒化珪素回路基板である。２０は半導体装置である。２１は半導体素子である。２２は接合層である。２３はワイヤボンディングである。２４は金属端子である。図５では、窒化珪素回路基板１０の金属板上に接合層２２を介して半導体素子２１を接合している。同様に、接合層２２を介して金属端子２４を接合している。隣り合う金属板同士をワイヤボンディング２３で導通している。図５では、半導体素子２１の他にワイヤボンディング２３と金属端子２４を接合している。実施形態にかかる半導体装置は、このような構造に限定されない。例えば、ワイヤボンディング２３と金属端子２４はどちらか一方のみが設けられていても良い。半導体素子２１、ワイヤボンディング２３、および金属端子２４は、表金属板１３にそれぞれ複数個設けても良い。裏金属板１８には、半導体素子２１、ワイヤボンディング２３、および金属端子２４を必要に応じ接合できる。金属端子２４には、リードフレーム形状、凸型形状など様々な形状が適用できる。
半導体素子２１又は金属端子２４を接合する接合層２２としては、ハンダ、ろう材などが挙げられる。ハンダは鉛フリーハンダが好ましい。ハンダの融点は、４５０℃以下であることが好ましい。ろう材の融点は、４５０℃以下であることが好ましい。融点が５００℃以上のろう材を、高温ろう材を呼ぶ。高温ろう材として、Ａｇを主成分とするものが挙げられる。
【００３０】
（実施例）
（実施例１〜５、参考例１）
窒化珪素粉末と焼結助剤粉末を混合した混合原料粉末を用意した。次に混合原料粉末を解砕混合し、混合原料粉末１〜３を調製した。なお、解砕混合はボールミルにより行った。その結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
2020044974.tif 000003
【００３２】
混合原料粉末１〜３は、平均粒径Ｄ５０が８０％になるまでの解砕混合を２０時間以上かけて行った。また、混合原料粉末４は、平均粒径Ｄ５０が１μｍになるまでの解砕混合を１０時間と短い時間で行った。なお、平均粒径Ｄ５０の測定は、レーザ回折／散乱式粒子径分布測定装置（株式会社堀場製作所製）を用いた。
次に混合原料粉末にバインダを５質量％以上１０質量％以下添加し、混合原料ペーストを調整した。混合原料ペーストを用いて、ドクターブレード法によりシート成形した。シート成形体を５００℃以上８００℃以下で、１時間以上４時間以下の脱脂工程を行い脱脂体を調製した。
次に、表２に示した焼結工程を、窒素雰囲気中で実施した。また、焼結工程後の窒化珪素基板を分割することにより、縦５０ｍｍ×横４０ｍｍの窒化珪素基板を得た。また、圧力の０．１ＭＰａは、常圧を示している。
【００３３】
【表２】
2020044974.tif 000004
【００３４】
実施例および参考例にかかる窒化珪素基板に関して、転位欠陥部、窒化珪素結晶粒子の長径、粒界相の面積、熱伝導率、３点曲げ強度、破壊靱性値、絶縁耐圧を測定した。
転位欠陥部の測定では、任意の断面をイオンミリング加工で表面粗さＲａ１μｍ以下に加工し、評価面とした。評価面をＴＥＭにより観察した。ＴＥＭによる観察では、任意の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、互いに隣接する複数の領域をそれぞれ順次撮影した。ＴＥＭ写真を撮影するときの倍率は１００００倍に設定し、明視野像および暗視野像を撮影した。暗視野像で白く見える領域を、転位欠陥部とした。明視野像と暗視野像を対比することにより、一つの窒化珪素結晶粒子内の転位欠陥部の有無、占有面積率を求めた。また、転位欠陥部の占有面積率は、暗視野像を画像処理ソフトにより２値化し、（白色の画素の塊の面積／（白色の画素の塊の面積＋黒色の画素の塊の面積））×１００を求めることにより測定した。一つの観察領域５０μｍ×５０μｍにおける観察は、輪郭がすべてみえる窒化珪素結晶粒子が５０個確認されるまで行った。ＴＥＭ写真の端部で見切れている窒化珪素結晶粒子（すなわち全輪郭が写っていない窒化珪素結晶粒子）は、数の割合のカウントから除外した。輪郭がすべて写っている窒化珪素結晶粒子が５０個確認できると、観察領域５０μｍ×５０μｍの全体を観察していない場合でも、別の観察領域をＴＥＭにより観察した。別の観察領域として、直前の観察領域から１０００μｍ以上離れた領域を選んだ。合計で２箇所以上の観察領域を撮影した。画像解析ソフトには、Ｉｍａｇｅ−ｊを使った。
また、転位欠陥部の核となっている元素を分析した。転位欠陥部の分析にはＥＤＸを用いた。これにより、転位欠陥部に、珪素、酸素および窒素以外の元素が１μｍ２以上の塊になっているか否か、１０ｍｏｌ％以上に検出されるか否かを測定した。
【００３５】
また、窒化珪素結晶粒子の長径は、任意の断面におけるＳＥＭ観察に基づいて測定した。ＳＥＭ写真を撮影するときの倍率は、３０００倍に設定し、３００μｍ×３００μｍの領域を撮影した。ＳＥＭ写真において、一つの窒化珪素結晶粒子の外縁上の任意の２点を結んで得られる線分のうち、最も長い線分の長さを長径とする。ＳＥＭ写真（観察領域３００μｍ×３００μｍ）に写る窒化珪素結晶粒子の長径の平均を求めた。また、各窒化珪素結晶粒子の長径から最も長いものを、長径の最大値として抽出した。
また、上記ＳＥＭ写真（観察領域３００μｍ×３００μｍ）を画像解析ソフトにより２値化し、二値画像を解析した。二値画像において、３個以上の窒化珪素結晶粒子で囲われた領域を粒界相として、その面積を求めた。また、画像解析ソフトとして、Ｉｍａｇｅ−ｊを使った。
熱伝導率は、ＪＩＳ−Ｒ−１６１１（２０１０）のフラッシュ法に準じて測定した。ＪＩＳ−Ｒ−１６１１（２０１０）は、ＩＳＯ１８７５５（２００５）に対応する。３点曲げ強度は、ＪＩＳ−Ｒ−１６０１（２００８）に準じて測定した。また、破壊靱性は、ＪＩＳ−Ｒ−１６０７（２０１５）のＩＦ法に準じ、新原の式を用いて測定した。絶縁耐圧はＪＩＳ−Ｃ−２１４１に準じて２端子法にて測定した。ＪＩＳ−Ｃ−２１４１は、ＩＥＣ６７２−２（１９８０）に対応する。絶縁耐圧の測定では、先端が直径２５ｍｍの平面電極である測定端子を使用した。また、絶縁耐力の測定は、フロリナート中で行った。
その結果を表３、表４に示した。
【００３６】
【表３】
2020044974.tif 000005
【００３７】
【表４】
2020044974.tif 000006
【００３８】
実施例にかかる窒化珪素基板は、転位欠陥部の割合が２０％以下、さらには１０％以下であった。転位欠陥部が観察された実施例（実施例２，４，５，７）では、転位欠陥部の核（珪素、酸素および窒素以外の元素）のサイズは、０．２μｍ以下の範囲内であった。また、実施例に係る窒化珪素焼結体の転位欠陥部の核では、珪素、酸素および窒素以外の元素は、１０ｍｏｌ％未満であった。
窒化珪素結晶粒子の長径の最大値は、６０μｍ以下であった。実施例にかかる窒化珪素基板では、粒界相の面積の最大値が９μｍ２以下であり、参考例に比べて小さかった。また、熱伝導率、３点曲げ強度、絶縁耐圧についても、優れた値が得られた。
次に、実施例および参考例にかかる窒化珪素基板に、活性金属ろう材を用いて銅板（厚さ０．８ｍｍ）を両面に接合した。活性金属ろう材は、Ａｇ（６０質量％）、Ｃｕ（２８質量％）、Ｓｎ（９質量％）、Ｔｉ（３質量％）からなるものを用いた。また、活性金属接合層の厚さは３０μｍにした。
【００３９】
次に、表銅板をエッチング加工して、パターニングした。銅板のエッチング加工には、塩化第二銅溶液を用いた。また、活性金属ろう材層のエッチング加工には、フッ化アンモニウムと過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を含有したエッチング溶液を用いた。
エッチング条件１では、活性金属ろう材のエッチング液のｐＨを、５．２以上５．８以下の範囲内にした。エッチング条件２では、活性金属ろう材のエッチング液のｐＨを、４．５以上５．０以下の範囲内にした。また、エッチング条件２では、塩酸を含有するｐＨ１以上２以下の化学研磨液も使用した。すなわち、エッチング条件２によるエッチングでは、エッチング条件１に比べて、窒化珪素基板がよりダメージを受けやすい。
エッチング加工を行った後の窒化珪素回路基板における窒化珪素基板の絶縁性を、エッチング加工を行う前の窒化珪素回路基板における窒化珪素基板の絶縁性と比較して、低下率を測定した。リーク電流を測定することで、絶縁性の低下率を測定した。リーク電流は、温度２５℃、湿度７０％の条件下で上記窒化珪素基板の表裏間に１．５Ｋｖ−１００Ｈｚの交流電圧を印加して測定した。エッチング前後でのリーク電流の変化量が５％以下であった窒化珪素回路基板を、良品（○）とした。リーク電流の変化量が５％を超えて１０％以下であって窒化珪素回路基板を、やや良品（△）とした。また、リーク電流の変化量が１０％を超えた窒化珪素回路基板を、不良品（×）とした。その結果を表５に示す。
【００４０】
【表５】
2020044974.tif 000007
【００４１】
実施例にかかる窒化珪素基板は、エッチング条件１及び２によるいずれのエッチング加工後であっても、絶縁性の低下が小さかった。参考例１にかかる窒化珪素基板については、エッチング条件１でエッチングしたときの絶縁性の低下は小さかった。しかし、エッチング条件２でエッチングしたときには、絶縁性の低下が見られた。また、実施例７にかかる窒化珪素基板では、粗大粒が２５μｍを超え、且つ粒界相の面積が９μｍ２と大きいため、エッチング条件２でエッチングしたときには、絶縁性がやや低下した。
エッチング条件２は、銅板厚さが０．８ｍｍ以上のときに必要となる。言い換えれば、エッチング条件２は、銅板厚さが０．８ｍｍ以上の窒化珪素回路基板をエッチング加工する際に、好適である。
【００４２】
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これら実施形態は、例として示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組合わせて実施することができる。
【図１】
2020044974.tif 000008
【図２】
2020044974.tif 000009
【図３】
2020044974.tif 000010
【図４】
2020044974.tif 000011
【図５】
2020044974.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】令和2年10月22日(2020.10.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素結晶粒子及び粒界相を有する窒化珪素焼結体を備える窒化珪素基板であって、
前記窒化珪素基板の板厚は、０．４ｍｍ以下であり、
前記窒化珪素焼結体の任意の断面又は表面の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる任意の５０個の前記窒化珪素結晶粒子における、内部に転位欠陥部を有する前記窒化珪素結晶粒子の数の割合が、０％以上１０％以下であることを特徴とする窒化珪素基板。
【請求項２】
前記転位欠陥部において、珪素、酸素および窒素を除く成分が１μｍ２以上の塊になっていないことを特徴とする請求項１に記載の窒化珪素基板。
【請求項３】
前記転位欠陥部において、珪素、酸素および窒素を除く成分が１０ｍｏｌ％以上検出されないことを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項４】
前記転位欠陥部を有する前記窒化珪素結晶粒子の前記数に対する、前記転位欠陥部の占有面積率が５％以下である前記窒化珪素結晶粒子の数の割合が、７０％以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項５】
前記窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、前記窒化珪素結晶粒子の長径の最大値が６０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項６】
前記窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、前記窒化珪素結晶粒子の長径の平均は１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項７】
前記窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、それぞれの前記粒界相の面積が９μｍ２以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項８】
前記板厚が０．１０ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項９】
絶縁耐圧が２５ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項１０】
熱伝導率が８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項１１】
３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の窒化珪素基板。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の窒化珪素基板と、
前記窒化珪素基板の上に設けられた回路部と、
を備えたことを特徴とする窒化珪素回路基板。
【請求項１３】
前記回路部が、厚さ０．８ｍｍ以上の金属板であることを特徴とする請求項１２に記載の窒化珪素回路基板。
【請求項１４】
前記回路部は、エッチングによりパターン形状に加工されたものであることを特徴とする請求項１２ないし請求項１３のいずれか１項に記載の窒化珪素回路基板。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
実施形態にかかる窒化珪素基板は、窒化珪素結晶粒子及び粒界相を有する窒化珪素焼結体を備え、窒化珪素基板の板厚は０．４ｍｍ以下であり、窒化珪素焼結体の任意の断面又は表面の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる任意の５０個の窒化珪素結晶粒子における、内部に転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が、０％以上１０％以下であることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、窒化珪素結晶粒子の長径は６０μｍ以下、さらには２５μｍ以下であることが好ましい。また、窒化珪素焼結体の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、窒化珪素結晶粒子の長径の平均は、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、窒化珪素焼結体の任意の断面の単位面積３００μｍ×３００μｍにおいて、個々の粒界相の面積は、９μｍ２以下であることが好ましい。粒界相の面積とは、複数の窒化珪素結晶粒子で囲まれた領域の面積を意味する。
窒化珪素結晶粒子の長径が６０μｍ以下であるということは、長径が６０μｍを超えた窒化珪素結晶粒子がないことを示す。つまり、６０μｍを超えた粗大粒がない状態を示す。前述のように、転位欠陥部を少なくすることにより、絶縁性を向上させている。大きな粗大粒を存在させないことにより、部分的な絶縁性のばらつきを抑制することができる。このため、窒化珪素結晶粒子の長径は、６０μｍ以下、さらには２５μｍ以下が好ましい。
また、窒化珪素結晶粒子の長径の平均は、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。長径の平均が１μｍ未満では、窒化珪素結晶粒子が小さすぎてしまい熱伝導率が低下する。また、長径の平均が１０μｍを超えると、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。
また、窒化珪素基板の任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、個々の粒界相の面積は、９μｍ２以下であることが好ましい。粒界相の面積が９μｍ２を超えると、絶縁性のばらつきの原因となる可能性がある。粒界相と窒化珪素結晶粒子は、絶縁性が異なる。このため、あまり粒界相が大きいと、窒化珪素結晶粒子の転位欠陥部を抑制した効果が小さくなる。このため、粒界相の面積は、９μｍ２以下、さらには５μｍ２以下が好ましい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
焼結工程を行う際、１３５０℃から１６００℃までの昇温速度を、５０℃／ｈ以下にすることが好ましい。１３５０℃から１６００℃までの温度域で、焼結助剤を主とする液相が生成される。このため、昇温速度の制御により、窒化珪素結晶粒子表面への液相の拡散を促進させることができる。
また、１６５０℃から焼結温度までの昇温速度は、５０℃／ｈ以下であることが好ましい。昇温速度を５０℃／ｈ以下にすることにより、均一な粒成長が促進されて粗大粒の生成を抑制できるとともに、窒化珪素結晶粒子に転位欠陥部が形成されることを抑制できる。
また、１３００℃から１６５０℃までの昇温速度を、第一の昇温速度とする。１６５０℃から焼結温度までの昇温速度を、第二の昇温速度とする。第一の昇温速度は、第二の昇温速度以上であることが好ましい。第二の昇温速度を第一の昇温速度と同じかそれよりも遅くすることで、粗大粒の発生を抑制する効果を向上させることができる。粒成長は、窒化珪素結晶粒子表面に拡散した液相を介して進行する。よって、１６５０℃から焼結温度までの昇温速度を、液相の拡散に効果的な第一昇温速度に維持、又はそれよりも遅い第二昇温速度に設定することで、均質な粒成長が促される。これにより、粗大粒の発生を抑制する効果を向上させることができる。
さらに、焼結工程において、圧力の変化量が０．３ＭＰａ以下になるように、圧力を制御することが好ましい。圧力の変化量を抑制することによっても、窒化珪素結晶粒子に転位欠陥部が形成されることを抑制できる。圧力の変化は、窒化珪素結晶粒子の粒成長に影響を与える。焼結工程を常圧又は加圧で行う場合、圧力の変化量を０．３ＭＰａ以下、さらには０．１ＭＰａ以下にすることが好ましい。圧力の変化量を制御するためには、焼結雰囲気中のガス圧を制御することが有効である。窒化珪素基板の焼結工程中には、ガスが発生し易い。焼結工程においては、成形体中のバインダ、焼結助剤、窒化珪素粉末中の不純物酸素などがガス成分となる。発生したガス成分により焼結雰囲気の圧力が変化する。つまり、特に圧力を負荷しない常圧焼結であっても、発生したガス成分によっては焼結雰囲気の圧力が変化する。このため、焼結工程中の雰囲気圧力が変化しないように、発生したガス成分を除去するなどの制御が必要である。特に、１３００℃以上の熱処理工程から焼結工程の間の圧力の変化量を０．３ＭＰａ以下にすることが好ましい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
図３〜図５は、実施形態にかかる窒化珪素回路基板の一例を示す図である。図３において、１０は窒化珪素回路基板である。１２は窒化珪素基板である。１３は、表金属板である。１４は接合層である。１５は裏金属板である。図３は、２つの表金属板１３を窒化珪素基板１２に接合した例を示す。実施形態は、このような形に限定されるものではなく、１つ又は３つ以上の表金属板１３が窒化珪素基板１２に接合されても良い。各表金属板１３は、配線パターンに加工されていても良い。図３の例では、さらに、裏金属板１５を窒化珪素基板１２に接合している。裏金属板１５は、回路ではなく放熱板として機能する。裏金属板１５は、必要に応じ設けることができる。
窒化珪素基板に貫通孔が設けられていても良い。窒化珪素回路基板は、表の金属板と裏の金属板が貫通孔を介して導通した構造を有することが好ましい。図４は、貫通孔を有する窒化珪素回路基板の一例を示す。図４は、貫通孔が設けられた部分における断面図である。図４において、１０は窒化珪素回路基板である。１２は窒化珪素基板である。１３は表金属板である。１４は接合層である。１８は裏金属板である。１９は貫通孔である。図４では、貫通孔１９を介して、表金属板１３と裏金属板１８が導通している。図４では、複数の貫通孔１９が、それぞれ、複数の表金属板１３と複数の裏金属板１８を接続している。実施形態は、このような構造に限定されない。窒化珪素回路基板１０において、複数の表金属板１３の一部に対してのみ貫通孔１９が設けられていても良い。複数の裏金属板１８の一部に対してのみ貫通孔１９が設けられていても良い。貫通孔１９の内部には、接合層１４と同じ材料が充填されることが好ましい。貫通孔１９の内部の構造は、表金属板と裏金属板を導通できれば、特に限定されない。このため、貫通孔１９内壁にのみ金属薄膜が設けられていても良い。一方、接合層１４と同じ材料を充填することにより、接合強度を向上させることができる。
実施形態にかかる窒化珪素回路基板は、半導体装置に好適である。半導体装置では、窒化珪素回路基板の金属板に、接合層を介して半導体素子が実装される。図５は、半導体装置の一例を示す。図５において、１０は窒化珪素回路基板である。２０は半導体装置である。２１は半導体素子である。２２は接合層である。２３はワイヤボンディングである。２４は金属端子である。図５では、窒化珪素回路基板１０の金属板上に接合層２２を介して半導体素子２１を接合している。同様に、接合層２２を介して金属端子２４を接合している。隣り合う金属板同士をワイヤボンディング２３で導通している。図５では、半導体素子２１の他にワイヤボンディング２３と金属端子２４を接合している。実施形態にかかる半導体装置は、このような構造に限定されない。例えば、ワイヤボンディング２３と金属端子２４はどちらか一方のみが設けられていても良い。半導体素子２１、ワイヤボンディング２３、および金属端子２４は、表金属板１３にそれぞれ複数個設けても良い。裏金属板１８には、半導体素子２１、ワイヤボンディング２３、および金属端子２４を必要に応じ接合できる。金属端子２４には、リードフレーム形状、凸型形状など様々な形状が適用できる。
半導体素子２１又は金属端子２４を接合する接合層２２としては、ハンダ、ろう材などが挙げられる。ハンダは鉛フリーハンダが好ましい。ハンダの融点は、４５０℃以下であることが好ましい。ろう材の融点は、４５０℃以下であることが好ましい。融点が５００℃以上のろう材を、高温ろう材を呼ぶ。高温ろう材として、Ａｇを主成分とするものが挙げられる。
【国際調査報告】
2020044974.tif 000013
2020044974.tif 000014