DE112021004004T5 - Silicon nitride substrate and method of making the same - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Siliziumnitridsubstrat mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit in einer Dickenrichtung. Das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung weist bei Bestrahlung einer Substratoberfläche mit Röntgenstrahlen einen Röntgenbeugungspeak von β-Si3N4, einen Orientierungsgrad fa, der einen Anteil einer langen Achse (c-Achse) der in der Dickenrichtung in dem Siliziumnitridsubstrat angeordneten β-Si3N4-Körnern angibt, innerhalb eines Bereichs von 0 bis 0,3 und eine Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung von 80 W/m · K oder mehr auf.A silicon nitride substrate excellent in thermal conductivity in a thickness direction is described. The silicon nitride substrate of the present invention, upon irradiation of a substrate surface with X-rays, has an X-ray diffraction peak of β-Si3N4, an orientation degree fa indicating a proportion of a long axis (c-axis) of the β-Si3N4 grains arranged in the thickness direction in the silicon nitride substrate, inside a range of 0 to 0.3 and a thermal conductivity in the thickness direction of 80 W/m·K or more.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Siliziumnitridsubstrat, das eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit in einer Dickenrichtung aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.The present invention relates to a silicon nitride substrate excellent in thermal conductivity in a thickness direction and a method for manufacturing the same.

Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention

In den letzten Jahren wurden Versuche unternommen, Siliziumnitrid(Si₃N₄)-substrate als Substrate für Halbleiterschaltungen, wie z.B. Stromhalbleiter, zu verwenden. Aluminiumoxid(Al₂O₃)-substrate und Aluminiumnitrid(AIN)-substrate werden als Substrate für Halbleiterschaltungen verwendet. Obwohl Aluminiumoxidsubstrate eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 30 W/m · K aufweisen, sind niedrigere Kosten möglich. Außerdem können Aluminiumnitridsubstrate eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 160 W/m K oder mehr aufweisen. Andererseits wurde als ein Siliziumnitridsubstrat ein Substrat mit einer Wärmeleitfähigkeit von 50 W/m · K oder mehr entwickelt.In recent years, attempts have been made to use silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) substrates as substrates for semiconductor circuits such as power semiconductors. Alumina (Al ₂ O ₃ ) substrates and aluminum nitride (AlN) substrates are used as substrates for semiconductor circuits. Although alumina substrates have a thermal conductivity of about 30 W/m·K, lower costs are possible. In addition, aluminum nitride substrates can have high thermal conductivity of 160 W/mK or more. On the other hand, as a silicon nitride substrate, a substrate having a thermal conductivity of 50 W/m·K or more has been developed.

Obwohl Siliziumnitridsubstrate eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Aluminiumnitridsubstrate aufweisen, weisen sie eine ausgezeichnete Drei-Punkt-Biegefestigkeit von 500 MPa oder mehr auf. Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit eines Aluminiumnitridsubstrats beträgt in der Regel etwa 300 bis 400 MPa, und die Festigkeit nimmt tendenziell ab, wenn die Wärmeleitfähigkeit zunimmt. Siliziumnitridsubstrate können dünner gemacht werden, indem man ihre hohe Festigkeit ausnutzt. Ein dünneres Substrat bedeutet, dass es möglich ist, den Wärmewiderstand zu senken und damit die Wärmeabfuhr zu verbessern.Although silicon nitride substrates have lower thermal conductivity than aluminum nitride substrates, they have excellent three-point bending strength of 500 MPa or more. The three-point bending strength of an aluminum nitride substrate is typically about 300 to 400 MPa, and the strength tends to decrease as the thermal conductivity increases. Silicon nitride substrates can be made thinner by taking advantage of their high strength. A thinner substrate means it is possible to lower thermal resistance and thus improve heat dissipation.

Unter Ausnutzung dieser Eigenschaften werden Siliziumnitridsubstrate häufig als Schaltungssubstrate verwendet, indem ein Schaltungsteil, wie z.B. eine Metallplatte, bereitgestellt wird. Darüber hinaus ist auch ein Verfahren der Verwendung eines Siliziumnitridsubstrats als ein Schaltungssubstrat für eine Druckkontaktstruktur bekannt, wie in der Druckschrift der Internationalen Veröffentlichung Nr. WO 2011/010597 (Patentliteratur 1) gezeigt ist.Utilizing these properties, silicon nitride substrates are widely used as circuit substrates by providing a circuit part such as a metal plate. In addition, there is also known a method of using a silicon nitride substrate as a circuit substrate for a pressure contact structure as disclosed in the document of International Publication No. WO 2011/010597 (Patent Literature 1).

Liste der zitierten LiteraturList of cited literature

Patentliteraturpatent literature

Patentliteratur 1: Druckschrift der Internationalen Veröffentlichung Nr. WO 2011/010597 Patent Literature 1: Document of International Publication No. WO 2011/010597

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention

Technisches ProblemTechnical problem

Wie oben beschrieben, weisen Siliziumnitridsubstrate jedoch eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Aluminiumnitrid und dergleichen auf, so dass bei Verwendung in einem Halbleiterschaltungssubstrat die in dem Halbleiterchip erzeugte Wärme nicht effizient an den Kühlkörper abgeleitet werden kann und es eine Begrenzung bezüglich des Stroms gibt, der an das Halbleiterschaltungssubstrat angelegt werden kann. Daher besteht ein Bedarf, dass Siliziumnitridsubstrate eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit, insbesondere in der Dickenrichtung, aufweisen.However, as described above, silicon nitride substrates have lower thermal conductivity than aluminum nitride and the like, so when used in a semiconductor circuit substrate, the heat generated in the semiconductor chip cannot be efficiently dissipated to the heat sink and there is a limit to the current that can be applied to the semiconductor circuit substrate can be created. Therefore, there is a need for silicon nitride substrates to have even higher thermal conductivity, particularly in the thickness direction.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Siliziumnitridsubstrat mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung bereitzustellen.An object of the present invention is to provide a silicon nitride substrate excellent in thermal conductivity in the thickness direction.

Lösung des Problemsthe solution of the problem

Um das oben beschriebene Problem zu lösen, betrifft die vorliegende Erfindung ein Siliziumnitridsubstrat, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es bei Bestrahlung einer Substratoberfläche mit Röntgenstrahlen einen Röntgenbeugungspeak von β-Si₃N₄, einen Orientierungsgrad fa, der einen Anteil einer langen Achse (c-Achse) von β-Si₃Na-Körnern anzeigt, die in der Dickenrichtung in dem Siliziumnitridsubstrat orientiert sind, innerhalb eines Bereichs von 0 bis 0,3 und eine Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung von 80 W/m · K oder mehr aufweist.In order to solve the above-described problem, the present invention relates to a silicon nitride substrate characterized in that when a substrate surface is irradiated with X-rays, it has an X-ray diffraction peak of β-Si ₃ N ₄ , an orientation degree fa having a long-axis (c -axis) of β-Si ₃ Na grains oriented in the thickness direction in the silicon nitride substrate within a range of 0 to 0.3 and a thermal conductivity in the thickness direction of 80 W/m·K or more.

$$\text{fa}=\left(\text{P}-\text{P}0\right)/\left(1-\text{P0}\right)$$

$$\text{fa}=\left(\text{P}-\text{P}0\right)/\left(1-\text{P0}\right)$$

In Formel (1) wird P durch die Formel (2) dargestellt und bedeutet alle Röntgenbeugungslinien-Intensitätsverhältnisse in Bezug auf die c-Achse innerhalb des Bereichs von (10° ≤ 2Θ ≤ 80°) in dem Siliziumnitridsubstrat vom β-Typ (insbesondere die Röntgenbeugungsintensitäten der (101)-, (111)-, (201)-, (121)-, (301)-, (221)-, (131)-, (002)-, (401)-, (102)-, (112)-, (231)-, (202)-, (141)-, (212)-, (302)- und (501)-Ebenen), und P0 wird durch die Formel (3) dargestellt und beschreibt alle auf die c-Achse bezogenen Röntgenbeugungslinien-Intensitätsverhältnisse im Bereich von (10° ≤ 2Θ≤ 80°) in dem Siliziumnitridpulver vom β-Typ (insbesondere die Röntgenbeugungsintensitäten der (101)-, (111)-, (201)-, (121)-, (301)-, (221)-, (131)-, (002)-, (401)-, (102)-, (112)-, (231)-, (202)-, (141)-, (212)-, (302)- und (501)-Ebenen).In formula (1), P is represented by the formula (2) and means all X-ray diffraction line intensity ratios with respect to the c-axis within the range of (10° ≤ 2Θ ≤ 80°) in the β-type silicon nitride substrate (particularly the X-ray diffraction intensities of (101)-, (111)-, (201)-, (121)-, (301)-, (221)-, (131)-, (002)-, (401)-, (102) -, (112), (231), (202), (141), (212), (302) and (501) planes), and P0 is represented by the formula (3) and describes all c-axis X-ray diffraction line intensity ratios in the range of (10°≤2Θ≤80°) in the β-type silicon nitride powder (particularly, the X-ray diffraction intensities of (101)-, (111)-, (201)-, (121)-, (301)-, (221)-, (131)-, (002)-, (401)-, (102)-, (112)-, (231)-, (202)-, (141), (212), (302) and (501) planes).

$$\begin{array}{l}\text{P}=\left(\text{I}\left(101\right)+\text{I}\left(111\right)+\text{I}\left(201\right)+\text{I}\left(121\right)+\text{I}\left(301\right)+\text{I}\left(221\right)+\text{I}\left(131\right)+\text{I}\left(002\right)+\text{I}\left(401\right)+\text{I}\left(102\right)+\text{I}(112\right)\\ +\text{I}\left(231\right)+\text{I}\left(202\right)+\text{I}\left(141\right)+\text{I}\left(212\right)+\text{I}\left(302\right)+\text{I}\left(501\right))/(\text{I}\left(100\right)+\text{I}\left(110\right)+\text{I}\left(200\right)+\text{I}\left(101\right)+\text{I}\left(120\right)+\text{I}\left(111\right)\\ +\text{I}\left(300\right)+\text{I}\left(201\right)+\text{I}\left(220\right)+\text{I}\left(130\right)+\text{I}\left(301\right)+\text{I}\left(400\right)+\text{I}\left(221\right)+\text{I}\left(131\right)+\text{I}\left(230\right)+\text{I}\left(002\right)+\text{I}\left(140\right)+\\ \text{I}\left(401\right)+\text{I}\left(102\right)+\text{I}\left(112\right)+\text{I}\left(231\right)+\text{I}\left(202\right)+\text{I}\left(500\right)+\text{I}\left(141\right)+\text{I}\left(330\right)+\text{I}\left(212\right)+\text{I}\left(240\right)+\text{I}\left(302\right)+\text{I}\left(501\right)\end{array}$$

$$\begin{array}{l}\text{P}=\left(\text{I}\left(101\right)+\text{I}\left(111\right)+\text{I}\left(201\right)+\text{I}\left(121\right)+\text{I}\left(301\right)+\text{I}\left(221\right)+\text{I}\left(131\right)+\text{I}\left(002\right)+\text{I}\left(401\right)+\text{I}\left(102\right)+\text{I}(112\right)\\ +\text{I}\left(231\right)+\text{I}\left(202\right)+\text{I}\left(141\right)+\text{I}\left(212\right)+\text{I}\left(302\right)+\text{I}\left(501\right))/(\text{I}\left(100\right)+\text{I}\left(110\right)+\text{I}\left(200\right)+\text{I}\left(101\right)+\text{I}\left(120\right)+\text{I}\left(111\right)\\ +\text{I}\left(300\right)+\text{I}\left(201\right)+\text{I}\left(220\right)+\text{I}\left(130\right)+\text{I}\left(301\right)+\text{I}\left(400\right)+\text{I}\left(221\right)+\text{I}\left(131\right)+\text{I}\left(230\right)+\text{I}\left(002\right)+\text{I}\left(140\right)+\\ \text{I}\left(401\right)+\text{I}\left(102\right)+\text{I}\left(112\right)+\text{I}\left(231\right)+\text{I}\left(202\right)+\text{I}\left(500\right)+\text{I}\left(141\right)+\text{I}\left(330\right)+\text{I}\left(212\right)+\text{I}\left(240\right)+\text{I}\left(302\right)+\text{I}\left(501\right)\end{array}$$

$$$$

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$$\begin{array}{l}\text{P0}=(\text{I0}\left(101\right)+\text{I0}\left(111\right)+\text{I0}\left(201\right)+\text{I0}\left(121\right)+\text{I}0\left(301\right)+\text{I0}\left(221\right)+\text{I0}\left(131\right)+\text{I0}\left(002\right)+\text{I0}\left(401\right)+\text{I0}\left(102\right)\\ +\text{I0}\left(112\right)+\text{I0}\left(231\right)+\text{I0}\left(202\right)+\text{I}0\left(141\right)+\text{I0}\left(212\right)+\text{I}0\left(302\right)+\text{I}0\left(501\right))/(\text{I0}\left(100\right)+\text{I0}\left(110\right)+\text{I}0\left(200\right)+\\ \text{I0}\left(101\right)+\text{I0}\left(120\right)+\text{I0}\left(111\right)+\text{I}0\left(300\right)+\text{I0}\left(201\right)+\text{I0}\left(220\right)+\text{I0}\left(121\right)+\text{I0}\left(130\right)+\text{I0}\left(301\right)+\text{I0}\left(400\right)+\text{I0}\left(221\right)\\ +\text{I0}\left(131\right)+\text{I0}\left(230\right)+\text{I0}\left(002\right)+\text{I}0\left(140\right)+\text{I0}\left(401\right)+\text{I0}\left(102\right)+\text{I0}\left(112\right)+\text{I}0\left(231\right)+\text{I0}\left(202\right)+\text{I0}\left(500\right)\\ +\text{I0}\left(141\right)+\text{I0}\left(330\right)+\text{I0}\left(212\right)+\text{I0}\left(240\right)+\text{I0}\left(302\right)+\text{I0}\left(501\right)\end{array}$$

$$\begin{array}{l}\text{P0}=(\text{I0}\left(101\right)+\text{I0}\left(111\right)+\text{I0}\left(201\right)+\text{I0}\left(121\right)+\text{I}0\left(301\right)+\text{I0}\left(221\right)+\text{I0}\left(131\right)+\text{I0}\left(002\right)+\text{I0}\left(401\right)+\text{I0}\left(102\right)\\ +\text{I0}\left(112\right)+\text{I0}\left(231\right)+\text{I0}\left(202\right)+\text{I}0\left(141\right)+\text{I0}\left(212\right)+\text{I}0\left(302\right)+\text{I}0\left(501\right))/(\text{I0}\left(100\right)+\text{I0}\left(110\right)+\text{I}0\left(200\right)+\\ \text{I0}\left(101\right)+\text{I0}\left(120\right)+\text{I0}\left(111\right)+\text{I}0\left(300\right)+\text{I0}\left(201\right)+\text{I0}\left(220\right)+\text{I0}\left(121\right)+\text{I0}\left(130\right)+\text{I0}\left(301\right)+\text{I0}\left(400\right)+\text{I0}\left(221\right)\\ +\text{I0}\left(131\right)+\text{I0}\left(230\right)+\text{I0}\left(002\right)+\text{I}0\left(140\right)+\text{I0}\left(401\right)+\text{I0}\left(102\right)+\text{I0}\left(112\right)+\text{I}0\left(231\right)+\text{I0}\left(202\right)+\text{I0}\left(500\right)\\ +\text{I0}\left(141\right)+\text{I0}\left(330\right)+\text{I0}\left(212\right)+\text{I0}\left(240\right)+\text{I0}\left(302\right)+\text{I0}\left(501\right)\end{array}$$

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumnitridsubstrats, wobei das Verfahren einen Schritt des Mischens eines Siliziumpulvers, eines Sinterhilfsmittels und eines Dispersionsmediums zur Herstellung einer Aufschlämmung, einen Schritt des Ausformens eines lagenförmigen Körpers aus der Aufschlämmung, einen Schritt des Bildens eines Siliziumnitrids durch Wärmebehandeln des lagenförmigen Körpers in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre, um das Silizium in dem lagenförmigen Körper zu nitridieren, und einen Schritt des Herstellens eines Siliziumnitridsubstrats durch Sintern des das Siliziumnitrid enthaltenden lagenförmigen Körpers umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem Schritt des Bildens des Siliziumnitrids die Verflüchtigung des Sinterhilfsmittels so gesteuert wird, dass die Siliziumnitridkörner in Dickenrichtung, welche die Richtung ist, in der sich das Sinterhilfsmittel bewegt, orientiert werden.Furthermore, the present invention relates to a method for manufacturing a silicon nitride substrate, the method including a step of mixing a silicon powder, a sintering aid and a dispersion medium to prepare a slurry, a step of forming a sheet-like body from the slurry, a step of forming a silicon nitride by heat-treating the sheet-like body in a nitrogen-containing atmosphere to nitride the silicon in the sheet-like body, and comprising a step of preparing a silicon nitride substrate by sintering the sheet-like body containing the silicon nitride, characterized in that at least in the step of forming the silicon nitride, the volatilization of the sintering aid is controlled so that the silicon nitride grains are oriented in the thickness direction, which is the direction in which the sintering aid moves.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei der Gewinnung des Siliziumnitrids aus Silizium durch den Nitridierungsschritt und weiterhin bei der Gewinnung des Siliziumnitridsubstrats durch den Sinterschritt die Verflüchtigung des Sinterhilfsmittels zumindest bei der Gewinnung des Siliziumnitrids gefördert. Daher werden die hergestellten β-Siliziumnitridkörner durch Diffusionsbewegung aufgrund der Verflüchtigung des Sinterhilfsmittels in der Dickenrichtung orientiert.According to the present invention, in obtaining the silicon nitride from silicon through the nitriding step and further in obtaining the silicon nitride substrate through the sintering step, volatilization of the sintering aid is promoted at least in obtaining the silicon nitride. Therefore, the produced β-silicon nitride grains are oriented in the thickness direction by diffusional movement due to volatilization of the sintering aid.

Als Ergebnis wird ein Siliziumnitridsubstrat erhalten, das bei Bestrahlung der Substratoberfläche einen Röntgenbeugungspeak von β-Si₃N₄ sowie einen Orientierungsgrad fa, der den Anteil der langen Achse (c-Achse) von in Dickenrichtung in dem Siliziumnitridsubstrat orientierten β-Si₃N₄-Körnern angibt, in einem Bereich von 0 bis 0,3 aufweist. Dieses Substrat weist eine Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung von 80 W/m · K oder mehr und damit eine höhere Wärmeleitfähigkeit als ein herkömmliches Siliziumnitridsubstrat auf.As a result, a silicon nitride substrate is obtained which, when the substrate surface is irradiated, has an X-ray diffraction peak of β-Si ₃ N ₄ and an orientation degree fa which indicates the proportion of the long axis (c-axis) of β-Si ₃ N ₄ oriented in the thickness direction in the silicon nitride substrate -grains in a range of 0 to 0.3. This substrate has a thermal conductivity in the thickness direction of 80 W/m·K or more, which is higher in thermal conductivity than a conventional silicon nitride substrate.

Daher kann selbst bei Verwendung in einem Halbleiterschaltungssubstrat die vom Halbleiterchip erzeugte Wärme effizient an einen Kühlkörper abgeleitet werden, und dem Halbleiterschaltungssubstrat kann eine größere Menge an Strom zugeführt werden. Das heißt, in Verbindung mit der ausgezeichneten Festigkeit der Siliziumnitridsubstrate kann das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung bei verschiedenen Halbleiterschaltungssubstraten, einschließlich Stromhalbleitern, eingesetzt werden.Therefore, even when used in a semiconductor circuit substrate, heat generated from the semiconductor chip can be efficiently dissipated to a heat sink, and a larger amount of current can be supplied to the semiconductor circuit substrate. That is, coupled with the excellent strength of silicon nitride substrates, the silicon nitride substrate of the present invention can be applied to various semiconductor circuit substrates including power semiconductors.

Bei dem Siliziumnitridsubstrat und dem Herstellungsverfahren hiervon gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Sinterhilfsmittel vorzugsweise mindestens eines von einem Seltenerdoxid und einer Magnesiumverbindung. Dies fördert die Bewegung der flüssigen Phase, die von dem oben beschriebenen Sinterhilfsmittel in der Dickenrichtung erzeugt wird, so dass die oben beschriebenen Wirkungen noch deutlicher gezeigt werden können.In the silicon nitride substrate and the manufacturing method thereof according to the present invention, the sintering aid is preferably at least one of a rare earth oxide and a magnesium compound. This promotes movement of the liquid phase produced by the sintering aid described above tel is generated in the thickness direction, so that the effects described above can be exhibited more clearly.

Weiterhin weist das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Biegefestigkeit gemäß einem Drei-Punkt-Verfahren von 500 MPa oder mehr und eine Dicke von 0,1 bis 1,2 mm auf. Dadurch kann ein Siliziumnitridsubstrat mit einer für die praktische Anwendung ausreichenden Festigkeit erhalten werden.Furthermore, the silicon nitride substrate of the present invention preferably has a flexural strength according to a three-point method of 500 MPa or more and a thickness of 0.1 to 1.2 mm. Thereby, a silicon nitride substrate having a strength sufficient for practical use can be obtained.

Des Weiteren weist das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Hauptoberflächengröße von 400 bis 40.000 mm², eine Dichte von 3,15 bis 3,40 g/cm³ und eine Spannungsfestigkeit von 20 kV/mm oder mehr auf. Dadurch kann ein Siliziumnitridsubstrat mit einer für die praktische Anwendung ausreichenden Durchschlagfestigkeit erhalten werden.Furthermore, the silicon nitride substrate of the present invention preferably has a major surface area of 400 to 40,000 mm ² , a density of 3.15 to 3.40 g/cm ³ and a withstand voltage of 20 kV/mm or more. Thereby, a silicon nitride substrate having a dielectric strength sufficient for practical use can be obtained.

Vorteilhafte Wirkung der ErfindungAdvantageous Effect of the Invention

Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Siliziumnitridsubstrat bereitgestellt werden, das eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung aufweist.As described above, according to the present invention, a silicon nitride substrate excellent in thermal conductivity in the thickness direction can be provided.

Figurenlistecharacter list

• 1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Kristallsystem von β-Si₃N₄ zeigt. 1 Fig. 12 is a schematic diagram showing a crystal system of β-Si ₃ N ₄ .
• 2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Siliziumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 12 is a schematic cross-sectional view of a silicon nitride substrate according to an embodiment of the present invention.

Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments

1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Kristallsystem von β-Si₃N₄ veranschaulicht, und 2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Siliziumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 Fig. 12 is a schematic diagram illustrating a crystal system of β-Si ₃ N ₄ , and 2 12 is a schematic cross-sectional view of a silicon nitride substrate according to an embodiment of the present invention.

Das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung weist einen Siliziumnitridgehalt von vorzugsweise 85 Massen-% oder mehr, und stärker bevorzugt von 87 Massen-% oder mehr auf. Dies führt zu einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung des Siliziumnitridsubstrats aufgrund des Kristallsystems (der Kristallstruktur) von Siliziumnitrid, wie unten beschrieben. Wenn der Gehalt an Siliziumnitrid weniger als 85 Massen-% beträgt, ist die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung des Siliziumnitridsubstrats unzureichend, da der oben beschriebene Anteil des Siliziumnitrids zu gering ist.The silicon nitride substrate of the present invention has a silicon nitride content of preferably 85% by mass or more, and more preferably 87% by mass or more. This leads to improved thermal conductivity in the thickness direction of the silicon nitride substrate due to the crystal system (crystal structure) of silicon nitride as described below. If the content of silicon nitride is less than 85% by mass, the improvement in thermal conductivity in the thickness direction of the silicon nitride substrate is insufficient because the content of silicon nitride described above is too small.

Des Weiteren beträgt der Siliziumnitridgehalt bevorzugt 95 Massen-% oder weniger, und stärker bevorzugt 93 Massen-% oder weniger. Wenn der Siliziumnitridgehalt 95 Massen-% übersteigt, nimmt aufgrund der Abnahme des Gehalts an Sinterhilfsmittel, das in dem Siliziumnitridsubstrat enthalten ist, die Menge der flüssigen Phase ab und die Bewegung der flüssigen Phase in vertikaler Richtung, die sich in Richtung der Trennmittelschicht bewegt, nimmt ab. Infolgedessen ist es für das hergestellte Siliziumnitrid schwierig, sich in der Dickenrichtung des Siliziumnitridsubstrats auszurichten, und die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung des Siliziumnitridsubstrats kann nicht verbessert werden.Furthermore, the silicon nitride content is preferably 95% by mass or less, and more preferably 93% by mass or less. When the silicon nitride content exceeds 95% by mass, due to the decrease in the content of the sintering aid contained in the silicon nitride substrate, the amount of the liquid phase decreases and the movement of the liquid phase in the vertical direction moving toward the release agent layer decreases away. As a result, it is difficult for the produced silicon nitride to align in the thickness direction of the silicon nitride substrate, and thermal conductivity in the thickness direction of the silicon nitride substrate cannot be improved.

Das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung hat einen Sinterhilfsmittelgehalt von bevorzugt 5 Massen-% oder mehr und stärker bevorzugt von 7 Massen-% oder mehr. Durch Mitverwenden eines Sinterhilfsmittels in einem Anteil von 5 Massen-% oder mehr, wie später beschrieben, wird der Anteil der flüssigen Phase bei der Herstellung des Siliziumnitridsubstrats durch Sintern optimiert, die Siliziumnitridkörner werden senkrecht zur Dickenrichtung orientiert, sowie der Siliziumnitridanteil wird optimiert, und die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung des Siliziumnitridsubstrats wird verbessert.The silicon nitride substrate of the present invention has a sintering aid content of preferably 5% by mass or more, and more preferably 7% by mass or more. By using a sintering aid in a proportion of 5% by mass or more as described later, the proportion of the liquid phase is optimized in the production of the silicon nitride substrate by sintering, the silicon nitride grains are oriented perpendicular to the thickness direction, and the silicon nitride proportion is optimized, and the Thermal conductivity in the thickness direction of the silicon nitride substrate is improved.

Andererseits ist in dem Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung erforderlich, dass der Gehalt des Sinterhilfsmittels 15 Massen-% oder weniger beträgt. Wenn der Gehalt des Sinterhilfsmittels 15 Massen-% übersteigt, wird der Anteil des Siliziumnitrids verringert und dadurch wird die Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung des aus dem Siliziumnitrid hergestellten Siliziumnitridsubstrats verringert.On the other hand, in the silicon nitride substrate of the present invention, the content of the sintering aid is required to be 15% by mass or less. When the content of the sintering aid exceeds 15% by mass, the content of the silicon nitride is reduced, and thereby the thermal conductivity in the thickness direction of the silicon nitride substrate made of the silicon nitride is reduced.

Das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung enthält neben dem Siliziumnitrid und dem Sinterhilfsmittel, wie oben beschrieben, unvermeidbare Verunreinigungen. Diese unvermeidbaren Verunreinigungen umfassen beispielsweise das organische Lösemittel als Dispersionsmedium und die in dem Herstellungsverfahren des Siliziumnitridsubstrats verwendeten Zusatzstoffe, wie z.B. das Bindemittel und das Plastifizierungsmittel.The silicon nitride substrate of the present invention contains unavoidable impurities besides the silicon nitride and the sintering aid as described above. These unavoidable impurities include, for example, the organic solvent as the dispersion medium and those in the manufacture Additives used in the processing of the silicon nitride substrate, such as the binder and the plasticizer.

Das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise bei Bestrahlung der Substratoberfläche mit Röntgenstrahlen einen Röntgenbeugungspeak von β-Si₃N₄, sowie einen Orientierungsgrad fa, der den Anteil der langen Achse (c-Achse) der in der Dickenrichtung in dem Siliziumnitridsubstrat orientierten β-Si₃N₄-Körner angibt, in einem Bereich von 0 bis 0,3 auf.The silicon nitride substrate of the present invention preferably has an X-ray diffraction peak of β-Si ₃ N ₄ when the substrate surface is irradiated with X-rays, and an orientation degree fa which is the long-axis (c-axis) proportion of the β-Si oriented in the thickness direction in the silicon nitride substrate ₃ N ₄ grains ranges from 0 to 0.3.

Wie in 1 dargestellt, ist das Kristallsystem (die Kristallstruktur) von β-Si₃N₄ ein hexagonales Prisma mit mehreren Ebenen, einschließlich der (200)-Ebene und der (120)-Ebene an seinen Seiten und der (002)-Ebene an seinen Endflächen. Daher bedeutet bei Bestrahlung der Substratoberfläche mit Röntgenstrahlen ein den Anteil der in der Dickenrichtung in dem Siliziumnitridsubstrat orientierten β-Si₃N₄-Körner angebender Orientierungsgrad fa, der in dem Bereich von 0 bis 0,3 liegt, dass die β-Si₃Na-Körner bevorzugt in der Dickenrichtung des Siliziumnitridsubstrats orientiert sind und dass in einem Modus wie dem in 2 dargestellten, die meisten der säulenförmigen β-Si₃N₄-Körner 11 in dem Siliziumnitridsubstrat 10 in der Dickenrichtung orientiert sind. Es sei darauf hingewiesen, dass das Referenzeichen 12 eine Korngrenzphase darstellt, die durch das Sinterhilfsmittel oder dergleichen verursacht wird.As in 1 As shown, the crystal system (crystal structure) of β-Si ₃ N ₄ is a hexagonal prism having multiple planes including (200) plane and (120) plane on its sides and (002) plane on its end faces . Therefore, when the substrate surface is irradiated with X-rays, an orientation degree fa indicating the proportion of the β-Si ₃ N ₄ grains oriented in the thickness direction in the silicon nitride substrate, which is in the range of 0 to 0.3, means that the β-Si ₃ Na -grains are preferentially oriented in the thickness direction of the silicon nitride substrate and that in a mode like that in 2 1, most of the columnar β-Si ₃ N ₄ grains 11 in the silicon nitride substrate 10 are oriented in the thickness direction. It should be noted that reference numeral 12 represents a grain boundary phase caused by the sintering aid or the like.

Die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitridkörnern ist naturgemäß in der Längsrichtung der hexagonalen Säulenform höher als in anderen Richtungen. Das heißt, in der vorliegenden Erfindung, wie in 2 dargestellt, ist beispielsweise der Anteil an hexagonalem säulenförmigem Siliziumnitrid (β-Si₃N₄), das entlang der Dickenrichtung des Siliziumnitridsubstrats orientiert ist, höher. Daher kann die vorliegende Erfindung eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung aufweisen.The thermal conductivity of silicon nitride grains is naturally higher in the longitudinal direction of the hexagonal columnar shape than in other directions. That is, in the present invention, as in 2 1, for example, the proportion of hexagonal columnar silicon nitride (β-Si ₃ N ₄ ) oriented along the thickness direction of the silicon nitride substrate is higher. Therefore, the present invention can exhibit high thermal conductivity in the thickness direction.

Wenn der Orientierungsgrad fa, der den Anteil der in Dickenrichtung in dem Siliziumnitridsubstrat orientierten β-Si₃N₄-Körner angibt, kleiner als 0 ist, d.h. in einem negativen Bereich liegt, wird die Orientierung in der Ebenenrichtung gewichtig, so dass die oben beschriebenen Wirkungen nicht ausreichend erreicht werden können und eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung des Siliziumnitridsubstrats nicht erreicht werden kann. Weiterhin liegt die Obergrenze für den Orientierungsgrad fa derzeit bei 0,3, jedoch ist es unter dem Gesichtspunkt der Wärmeleitfähigkeit umso besser, je höher der Grad ist. Wenn dieses Verhältnis jedoch zu hoch wird, nimmt die mechanische Festigkeit, wie beispielsweise die Bruchfestigkeit in der Dickenrichtung, ab.When the degree of orientation fa, which indicates the proportion of the β-Si ₃ N ₄ grains oriented in the thickness direction in the silicon nitride substrate, is less than 0, ie, in a negative range, the orientation in the plane direction becomes important, so that the above-described Effects cannot be obtained sufficiently and high thermal conductivity in the thickness direction of the silicon nitride substrate cannot be obtained. Further, the upper limit of the degree of orientation fa is currently 0.3, but the higher the degree, the better from the viewpoint of thermal conductivity. However, when this ratio becomes too high, mechanical strength such as fracture toughness in the thickness direction decreases.

Das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung weist eine Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung von 80 W/m · K oder mehr, und vorzugsweise von 85 W/m · K oder mehr auf. Infolgedessen kann, selbst wenn das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung für ein Halbleiterschaltungssubstrat verwendet wird, die durch den Halbleiterchip erzeugte Wärme effizient an den Kühlkörper abgeleitet werden, und es kann eine größere Menge an Strom kann in das Halbleiterschaltungssubstrat eingespeist werden. Das heißt, in Verbindung mit der hervorragenden Festigkeit von Siliziumnitridsubstraten kann das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung bei verschiedenen Halbleiterschaltungssubstraten einschließlich Stromhalbleitern eingesetzt werden.The silicon nitride substrate of the present invention has a thermal conductivity in the thickness direction of 80 W/m·K or more, and preferably 85 W/m·K or more. As a result, even when the silicon nitride substrate of the present invention is used for a semiconductor circuit substrate, the heat generated by the semiconductor chip can be efficiently dissipated to the heat sink, and a larger amount of current can be supplied to the semiconductor circuit substrate. That is, coupled with the excellent strength of silicon nitride substrates, the silicon nitride substrate of the present invention can be applied to various semiconductor circuit substrates including power semiconductors.

Die oben beschriebene Wärmeleitfähigkeit kann erreicht werden, wenn das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung den oben beschriebenen Siliziumnitridgehalt und Sinterhilfsmittelgehalt aufweist und die oben beschriebenen Röntgenbeugungsanforderungen erfüllt.The thermal conductivity described above can be achieved when the silicon nitride substrate of the present invention has the silicon nitride content and sintering aid content described above and satisfies the X-ray diffraction requirements described above.

Des Weiteren weist das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung eine Biegefestigkeit gemäß einem Drei-Punkt-Verfahren von vorzugsweise 500 MPa oder mehr und eine Dicke von vorzugsweise 0,1 bis 1,2 mm auf. Dadurch kann ein Siliziumnitridsubstrat mit einer für die praktische Anwendung ausreichenden Festigkeit erhalten werden. Ferner kann, wie in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigt, das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung eine Biegefestigkeit gemäß einem Drei-Punkt-Verfahren von 650 MPa oder mehr, und vorzugsweise von 700 MPa oder mehr, aufweisen.Furthermore, the silicon nitride substrate of the present invention has a flexural strength according to a three-point method of preferably 500 MPa or more and a thickness of preferably 0.1 to 1.2 mm. Thereby, a silicon nitride substrate having a strength sufficient for practical use can be obtained. Further, as shown in Table 1 below, the silicon nitride substrate of the present invention can have a flexural strength according to a three-point method of 650 MPa or more, and preferably 700 MPa or more.

Darüber hinaus weist das Siliziumnitridsubstrat der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Hauptoberflächengröße von 400 bis 40.000 mm², eine Dichte von 3,15 bis 3,40 g/cm³ und eine Spannungsfestigkeit von 20 kV/mm oder mehr auf. In diesem Fall kann ein Siliziumnitridsubstrat mit einer für die praktische Anwendung ausreichenden Durchschlagsfestigkeit erhalten werden.Furthermore, the silicon nitride substrate of the present invention preferably has a major surface area of 400 to 40,000 mm ² , a density of 3.15 to 3.40 g/cm ³ and a withstand voltage of 20 kV/mm or more. In this case, a silicon nitride substrate having a dielectric strength sufficient for practical use can be obtained.

Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des Siliziumnitridsubstrats der vorliegenden Erfindung beschrieben.Next, a method of manufacturing the silicon nitride substrate of the present invention will be described.

Zunächst werden ein Siliziumpulver und ein Sinterhilfsmittelpulver als Rohmaterialien hergestellt. Das Siliziumpulver weist vorzugsweise einen mittleren Durchmesser D50 von beispielsweise 50 µm oder weniger und einen Sauerstoffverunreingungsgehalt von vorzugsweise 0,6 Massen-% oder weniger auf. Die Menge des Sinterhilfsmittels beträgt vorzugsweise 15 Massenteile, bezogen auf 100 Massenteile des Siliziumpulvers.First, a silicon powder and a sintering aid powder are prepared as raw materials. The silicon powder preferably has an average diameter D50 of, for example, 50 μm or less and an oxygen impurity content of preferably 0.6% by mass or less. The amount of the sintering aid is preferably 15 parts by mass based on 100 parts by mass of the silicon powder.

Das Sinterhilfsmittel ist vorzugsweise beispielsweise ein Pulver einer Metallverbindung mit einem mittleren Durchmesser D50 von 10 µm oder weniger. Beispiele für Metallverbindungspulver umfassen Oxide von Seltenen Erden, Magnesium, Titan, Hafnium und dergleichen, und stärker bevorzugt sind Oxide der Seltenen Erden und Magnesiumverbindungen (z.B. Magnesiumoxid). Da diese Sinterhilfsmittel eine ausgezeichnete Fließfähigkeit aufweisen, zeigen sie ein Fließverhalten, wie es später beschrieben wird, und erleichtern die Orientierung des Siliziumnitrids (Körner) in der Dickenrichtung.The sintering aid is preferably, for example, a metal compound powder having an average diameter D50 of 10 μm or less. Examples of metal compound powders include rare earth oxides, magnesium, titanium, hafnium and the like, and more preferred are rare earth oxides and magnesium compounds (e.g., magnesium oxide). Since these sintering aids are excellent in fluidity, they exhibit fluidity as described later and facilitate orientation of silicon nitride (grains) in the thickness direction.

Als Nächstes wird ein Dispersionsmedium zu dem Siliziumpulver und dem Sinterhilfsmittel zugegeben, die resultierende Mischung wird in dem Medium dispergiert, beispielsweise mit einer Kugelmühle, und pulverisiert und vermischt, um eine Aufschlämmung herzustellen. Als das Dispersionsmedium kann ein organisches Lösemittel wie z.B. Toluol, Ethanol und Butanol verwendet werden.Next, a dispersion medium is added to the silicon powder and the sintering aid, the resultant mixture is dispersed in the medium with, for example, a ball mill, and pulverized and mixed to prepare a slurry. As the dispersion medium, an organic solvent such as toluene, ethanol and butanol can be used.

Als Nächstes werden der Aufschlämmung nach Bedarf ein Bindemittel, ein Plastifizierungsmittel und dergleichen zugesetzt, und anschließend wird eine Vakuumentschäumung durchgeführt, um die Viskosität der Aufschlämmung einzustellen. Als Bindemittel kann ein organisches Bindemittel wie z.B. Butylmethacrylat oder Polybutylmethacrylat, Polyvinylbutyral und Polymethylmethacrylat verwendet werden.Next, a binder, a plasticizer, and the like are added to the slurry as needed, and then vacuum defoaming is performed to adjust the viscosity of the slurry. As the binder, an organic binder such as butyl methacrylate or polybutyl methacrylate, polyvinyl butyral and polymethyl methacrylate can be used.

Anschließend wird die bezüglich der Viskosität eingestellte Aufschlämmung durch ein Lagenformverfahren, wie z.B. ein Rakelverfahren oder ein Walzenverfahren, zu einer Lage geformt, um einen lagenförmigen Körper mit einer Dicke von beispielsweise 0,2 bis 1,5 mm zu bilden. Der lagenförmige Körper kann beispielsweise durch Auftragen und Ausformen der Aufschlämmung auf einer Folie und Entfernen der Folie nach dem Trocknen erhalten werden.Then, the viscosity-adjusted slurry is formed into a sheet by a sheet forming method such as a doctor blade method or a roll method to form a sheet-shaped body having a thickness of, for example, 0.2 to 1.5 mm. The sheet-like body can be obtained, for example, by applying and forming the slurry on a sheet and removing the sheet after drying.

Als Nächstes wird eine Aufschlämmung, die aus Keramikpulver und einem Dispersionsmedium zusammengesetzt ist, je nach Erfordernis auf die Hauptfläche des lagenförmigen Körpers zur Bildung einer Trennmittelschicht aufgetragen. Ähnlich wie oben beschrieben, kann ein organisches Lösemittel, wie z.B. Toluol, Ethanol und Butanol, als Dispersionsmedium verwendet werden. Des Weiteren kann als Beschichtungsverfahren ein Sprühverfahren, ein Stabbeschichtungsverfahren, ein Siebdruckverfahren oder dergleichen verwendet werden.Next, a slurry composed of ceramic powder and a dispersion medium is coated on the main surface of the sheet-shaped body as required to form a release agent layer. Similarly as described above, an organic solvent such as toluene, ethanol and butanol can be used as the dispersion medium. Furthermore, as the coating method, a spray method, a bar coating method, a screen printing method, or the like can be used.

Als Nächstes wird, falls erforderlich, der lagenförmige Körper z.B. in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 600°C oder weniger während mehrerer Stunden entfettet. Danach wird der lagenförmige Körper 2 bis 8 Stunden bei einer Temperatur von 1200 bis 1500°C in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre gehalten, wodurch das Silizium, aus dem der lagenförmige Körper aufgebaut ist, nitridiert wird, um Siliziumnitrid zu bilden. Der Stickstoffpartialdruck in der stickstoffhaltigen Atmosphäre beträgt beispielsweise 0,05 bis 0,5 MPa.Next, if necessary, the sheet-shaped body is degreased, for example, in a non-oxidizing atmosphere at a temperature of 600°C or lower for several hours. Thereafter, the sheet-like body is held in a nitrogen-containing atmosphere at a temperature of 1200 to 1500°C for 2 to 8 hours, whereby the silicon constituting the sheet-like body is nitrided to form silicon nitride. The nitrogen partial pressure in the nitrogen-containing atmosphere is, for example, 0.05 to 0.5 MPa.

Anschließend wird das Siliziumnitrid gesintert, indem das Siliziumnitrid 6 bis 24 Stunden in derselben stickstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von 1800 bis 1950°C gehalten wird.Subsequently, the silicon nitride is sintered by keeping the silicon nitride at a temperature of 1800 to 1950° C. for 6 to 24 hours in the same nitrogen-containing atmosphere.

In vorliegenden Erfindung wird bei den Nitridierungs- und Sinterschritten eine Gewichtsplatte verwendet. Beispiele für Verfahren zur Verwendung der Gewichtsplatte umfassen: (1) ein Verfahren, bei dem beim Nitridieren des Siliziums die obere Oberfläche ohne Verwendung der Gewichtsplatte frei gelassen wird und die Gewichtsplatte nur während des Sinterns verwendet wird; (2) ein Verfahren, bei dem eine poröse Platte als Gewichtsplatte verwendet wird und eine Last auf das Formteil aufgebracht wird, während das Silizium nach und nach nitridiert und das Siliziumnitrid gesintert wird; (3) ein Verfahren, bei dem eine dichte Platte als Gewichtsplatte verwendet wird und eine Trennmittelschicht zwischen dem Formteil und der dichten Platte bereitgestellt wird.In the present invention, a weight plate is used in the nitriding and sintering steps. Examples of methods for using the weight plate include: (1) a method in which, when silicon is nitrided, the upper surface is left exposed without using the weight plate and the weight plate is used only during sintering; (2) a method in which a porous plate is used as a weight plate and a load is applied to the molding while nitriding the silicon little by little and sintering the silicon nitride; (3) A method in which a dense plate is used as the weight plate and a release agent layer is provided between the molding and the dense plate.

Die Trennmittelschicht, die aus einem keramischen Pulver zusammengesetzt ist, ist nicht besonders eingeschränkt, solange sie während des Nitridierens und Sinterns thermisch stabil ist und die dichte Platte nach Abschluss des Sinterns abgetrennt werden kann. Bornitrid ist jedoch bevorzugt.The separator layer composed of a ceramic powder is not particularly limited as long as it is thermally stable during nitriding and sintering and the dense plate can be separated after sintering is completed. However, boron nitride is preferred.

Wenn Bornitrid als keramisches Pulver verwendet wird, weist das Bornitrid vorzugsweise eine Reinheit von 95 % oder mehr auf und weist vorzugsweise eine durchschnittliche Teilchengröße von 5 bis 20 µm auf. Des Weiteren beträgt die Dicke der Trennmittelschicht vorzugsweise 10 bis 60 µm oder 20 bis 60 µm.When boron nitride is used as the ceramic powder, the boron nitride preferably has a purity of 95% or more and preferably has an average particle size of 5 to 20 μm. Furthermore, the thickness of the release agent layer is preferably 10 to 60 μm or 20 to 60 μm.

Mehrere lagenförmige Körper, die jeweils eine auf der Hauptoberfläche ausgebildete Trennmittelschicht aufweisen, können aufeinander laminiert werden, wobei die Trennmittelschicht zwischen ihnen angeordnet ist. In diesem Fall kann eine Vielzahl von Siliziumnitridsubstraten durch Durchführen der oben beschriebenen Nitridierungs- und Sinterschritte gleichzeitig hergestellt werden.A plurality of sheet-like bodies each having a release agent layer formed on the major surface may be laminated one on another with the release agent layer interposed therebetween. In this case, a plurality of silicon nitride substrates can be manufactured simultaneously by performing the nitriding and sintering steps described above.

Als Ergebnis kann ein Siliziumnitridsubstrat erhalten werden, das bei Bestrahlung der Substratoberfläche mit Röntgenstrahlen einen Röntgenbeugungspeak von β-Si₃N₄ und einen Orientierungsgrad fa, der den Anteil der langen Achse (c-Achse) der in der Dickenrichtung in dem Siliziumnitridsubstrat orientierten β-Si₃N₄-Körner anzeigt, in dem Bereich von 0 bis 0,3 aufweist.As a result, a silicon nitride substrate can be obtained which, when the substrate surface is irradiated with X-rays, has an X-ray diffraction peak of β-Si ₃ N ₄ and an orientation degree fa which indicates the long-axis (c-axis) proportion of the β-axis oriented in the thickness direction in the silicon nitride substrate. Si ₃ N ₄ grains in the range of 0 to 0.3.

[Beispiele][Examples]

(Beispiel 1)(Example 1)

Ein metallisches Si-Pulver, ein Sinterhilfsmittel (ein Seltenerdoxid und eine Magnesiumverbindung), ein Dispergiermittel (ein Dispergiermittel vom Polyoxyalkylen-Typ) und Dispersionsmedien (Ethanol, Butanol) wurden 35 Stunden unter Verwendung einer Kugelmühle gemischt. Das Massenverhältnis zwischen dem metallischen Si-Pulver und dem Sinterhilfsmittel wurde auf 0,89:0,11 eingestellt. Anschließend wurden ein Dispersionsmedium (Ethanol, Methylethylketon), ein organisches Bindemittel (Acrylharz) und ein Plastifizierungsmittel zu dem Gemisch zugegeben und das Mischen wurde erneut durchgeführt, um eine Aufschlämmung herzustellen. Als Nächstes wurde die hergestellte Aufschlämmung aus der Kugelmühle entnommen, in eine Entschäumungsmaschine überführt, und anschließend wurde die Viskosität der Aufschlämmung durch Vakuumentschäumung eingestellt und diese in Form einer Lage ausgeformt, um ein lagenförmiges Formteil von 100×100×t0,38 mm herzustellen. Ein Rakelverfahren wurde als Lagenformverfahren verwendet.A metallic Si powder, a sintering aid (a rare earth oxide and a magnesium compound), a dispersant (a polyoxyalkylene type dispersant), and dispersion media (ethanol, butanol) were mixed for 35 hours using a ball mill. The mass ratio between the metallic Si powder and the sintering aid was adjusted to 0.89:0.11. Then, a dispersion medium (ethanol, methyl ethyl ketone), an organic binder (acrylic resin), and a plasticizer were added to the mixture, and mixing was performed again to prepare a slurry. Next, the prepared slurry was taken out from the ball mill, transferred to a defoaming machine, and then the slurry was adjusted in viscosity by vacuum defoaming and molded in the form of a sheet to produce a sheet-shaped molded article of 100×100×t0.38 mm. A doctor blade method was used as the sheet forming method.

Daraufhin wurde eine keramische Aufschlämmung, die aus Bornitrid zusammengesetzt ist, auf das lagenförmige Formteil aufgetragen, um eine Trennmittelschicht mit einer Dicke von 10 µm auf der Oberfläche des lagenförmigen Formteils auszubilden, und anschließend wurde das lagenförmige Formteil einer Entfettungsbehandlung bei 550°C in einer nicht oxidierenden Atmosphäre unterzogen.Then, a ceramic slurry composed of boron nitride was applied to the sheet-shaped molding to form a release agent layer with a thickness of 10 μm on the surface of the sheet-shaped molding, and then the sheet-shaped molding was subjected to a degreasing treatment at 550° C. in a non subjected to oxidizing atmosphere.

Als Nächstes wurde das lagenförmige Formteil, auf dessen Hauptoberfläche eine Trennmittelschicht, aus die Bornitrid zusammengesetzt ist, ausgebildet ist, einer 2-stündigen Nitridierungsbehandlung bei 1400°C in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Stickstoffpartialdruck von 0,2 MPa unterzogen. Weiterhin wurde das lagenförmige Formteil 9 Stunden bei 1820°C in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Stickstoffpartialdruck von 0,7 MPa gesintert, um ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Beispiel 1 herzustellen.Next, the sheet-like molded article, on the main surface of which a release agent layer composed of boron nitride is formed, was subjected to a nitriding treatment at 1400° C. for 2 hours in a nitrogen-containing atmosphere with a nitrogen partial pressure of 0.2 MPa. Further, the sheet-like compact was sintered at 1820° C. for 9 hours in a nitrogen-containing atmosphere having a nitrogen partial pressure of 0.7 MPa to prepare a silicon nitride substrate according to Example 1.

(Beispiel 2)(Example 2)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Beispiel 2 wurde unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Massenverhältnis zwischen dem metallischen Si-Pulver und dem Sinterhilfsmittel auf 0,895:0,105 eingestellt wurde, eine Trennmittelschicht mit einer Dicke von 20 µm auf der Oberfläche des lagenförmigen Formteils ausgebildet wurde und das lagenförmige Formteil in diesem Zustand der Entfettungsbehandlung unterzogen wurde.A silicon nitride substrate according to Example 2 was manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 1 except that the mass ratio between the metal Si powder and the sintering aid was adjusted to 0.895:0.105, a release agent layer with a thickness of 20 µm on the surface of the sheet-shaped molding was formed and the sheet-shaped molding was subjected to the degreasing treatment in this state.

(Beispiel 3)(Example 3)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Beispiel 3 wurde unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Massenverhältnis zwischen dem metallischen Si-Pulver und dem Sinterhilfsmittel auf 0,878:0,122 eingestellt wurde, eine Trennmittelschicht mit einer Dicke von 25 µm auf der Oberfläche des lagenförmigen Formteils ausgebildet wurde und das lagenförmige Formteil in diesem Zustand der Entfettungsbehandlung unterzogen wurde.A silicon nitride substrate according to Example 3 was manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 1 except that the mass ratio between the metal Si powder and the sintering aid was adjusted to 0.878:0.122, a release agent layer with a thickness of 25 µm on the surface of the sheet-shaped molding was formed and the sheet-shaped molding was subjected to the degreasing treatment in this state.

(Beispiel 4)(Example 4)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Beispiel 4 wurde unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Massenverhältnis zwischen dem metallischen Si-Pulver und dem Sinterhilfsmittel auf 0,885:0,115 eingestellt wurde, eine Trennmittelschicht mit einer Dicke von 35 µm auf der Oberfläche des lagenförmigen Formteils ausgebildet wurde und das lagenförmige Formteil in diesem Zustand der Entfettungsbehandlung unterzogen wurde.A silicon nitride substrate according to Example 4 was manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 1 except that the mass ratio between the metallic Si powder and the sintering aid was adjusted to 0.885:0.115, a release agent layer with a thickness of 35 µm on the surface of the sheet-shaped molding was formed and the sheet-shaped molding was subjected to the degreasing treatment in this state.

(Beispiel 5)(Example 5)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Beispiel 5 wurde unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Massenverhältnis zwischen dem metallischen Si-Pulver und dem Sinterhilfsmittel auf 0,883:0,117 eingestellt wurde, eine Trennmittelschicht mit einer Dicke von 35 µm auf der Oberfläche des lagenförmigen Formteils ausgebildet wurde und das lagenförmige Formteil in diesem Zustand der Entfettungsbehandlung unterzogen wurde.A silicon nitride substrate according to Example 5 was manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 1 except that the mass ratio between the metallic Si powder and the sintering aid was adjusted to 0.883:0.117, a release agent layer with a thickness of 35 µm on the surface of the sheet-shaped molding was formed and the sheet-shaped molding was subjected to the degreasing treatment in this state.

(Beispiel 6)(Example 6)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Beispiel 6 wurde unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Massenverhältnis zwischen dem metallischen Si-Pulver und dem Sinterhilfsmittel auf 0,885:0,115 eingestellt wurde, eine Trennmittelschicht mit einer Dicke von 50 µm auf der Oberfläche des lagenförmigen Formteils ausgebildet wurde und das lagenförmige Formteil in diesem Zustand der Entfettungsbehandlung unterzogen wurde.A silicon nitride substrate according to Example 6 was manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 1 except that the mass ratio between the metallic Si powder and the sintering aid was adjusted to 0.885:0.115, a release agent layer with a thickness of 50 μm on the surface of the sheet-shaped molding was formed and the sheet-shaped molding was subjected to the degreasing treatment in this state.

(Beispiel 7)(Example 7)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Beispiel 7 wurde unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das lagenförmige Formteil der Entfettungsbehandlung in einem Zustand unterzogen wurde, in dem keine Trennmittelschicht auf der Oberfläche des lagenförmigen Formteils ausgebildet wurde, und das lagenförmige Formteil in dem Sinterverfahren auf eine dichte Platte mit einer Porosität von 0 % platziert wurde.A silicon nitride substrate according to Example 7 was manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 1, except that the sheet-shaped molding was subjected to the degreasing treatment in a state where no release agent layer was formed on the surface of the sheet-shaped molding, and the sheet-shaped molding was in placed on a dense plate with a porosity of 0% by the sintering process.

(Beispiel 8)(Example 8)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Beispiel 8 wurde unter den gleichen Produktionsbedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass eine poröse Platte mit einer Porosität von 40 % anstelle einer Trennmittelschicht auf der Oberfläche des lagenförmigen Formteils gebildet wurde und das lagenförmige Formteil in diesem Zustand der Entfettungsbehandlung unterzogen wurde.A silicon nitride substrate according to Example 8 was produced under the same production conditions as in Example 1, except that a porous plate having a porosity of 40% was formed instead of a release agent layer on the surface of the sheet-shaped article and the sheet-shaped article in this state of degreasing treatment was subjected to.

(Beispiel 9)(Example 9)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Beispiel 9 wurde unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass eine halbdichte Platte mit einer Porosität von 15% anstelle einer Trennmittelschicht auf der Oberfläche des lagenförmigen Formteils ausgebildet wurde und das lagenförmige Formteil in diesem Zustand der Entfettungsbehandlung unterzogen wurde.A silicon nitride substrate according to Example 9 was manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 1, except that a semi-dense plate having a porosity of 15% was formed instead of a release agent layer on the surface of the sheet-shaped article and the sheet-shaped article in this state of degreasing treatment was subjected to.

(Beispiel 10)(Example 10)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Beispiel 10 wurde unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein lagenförmiges Formteil von 240×180×t0,29 mm unter Einstellen des Massenverhältnisses zwischen dem metallischen Si-Pulver und dem Sinterhilfsmittel auf 0,921:0,079 hergestellt wurde, eine Trennmittelschicht mit einer Dicke von 20 µm auf der Oberfläche des lagenförmigen Formteils ausgebildet wurde, das lagenförmige Formteil in diesem Zustand der Entfettungsbehandlung unterzogen wurde und das lagenförmige Formteil 12 Stunden bei 1840°C in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Stickstoffpartialdruck von 0,7 MPa gesintert wurde.A silicon nitride substrate according to Example 10 was manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 1 except that a sheet-shaped molding of 240×180×t0.29 mm was made by adjusting the mass ratio between the metallic Si powder and the sintering aid to 0.921:0.079 was prepared, a release agent layer having a thickness of 20 µm was formed on the surface of the sheet-like molding, the sheet-like molding was subjected to the degreasing treatment in this state, and the sheet-like molding was subjected to the degreasing treatment at 1840°C for 12 hours in a nitrogen-containing atmosphere with a nitrogen partial pressure of 0, 7 MPa was sintered.

(Beispiel 11)(Example 11)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Beispiel 11 wurde unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie in Beispiel 10 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Massenverhältnis zwischen dem metallischen Si-Pulver und dem Sinterhilfsmittel auf 0,92:0,08 eingestellt wurde und das lagenförmige Formteil 12 Stunden bei 1830°C in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Stickstoffpartialdruck von 0,7 MPa gesintert wurde.A silicon nitride substrate according to Example 11 was manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 10, except that the mass ratio between the metallic Si powder ver and the sintering aid was adjusted to 0.92:0.08, and the sheet-like molding was sintered at 1830°C for 12 hours in a nitrogen-containing atmosphere with a nitrogen partial pressure of 0.7 MPa.

(Beispiel 12)(Example 12)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Beispiel 12 wurde unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie in Beispiel 11 hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein lagenförmiges Formteil von 240×180×t0,38 mm unter Einstellen des Massenverhältnisses zwischen dem metallischen Si-Pulver und dem Sinterhilfsmittel auf 0,926:0,074 hergestellt wurde, eine Trennmittelschicht mit einer Dicke von 10 µm auf der Oberfläche des lagenförmigen Formteils ausgebildet wurde und das lagenförmige Formteil in diesem Zustand der Entfettungsbehandlung unterzogen wurde.A silicon nitride substrate according to Example 12 was manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 11 except that a sheet-shaped molding of 240×180×t0.38 mm was made by adjusting the mass ratio between the metal Si powder and the sintering aid to 0.926:0.074 was prepared, a release agent layer having a thickness of 10 µm was formed on the surface of the sheet-form article, and the sheet-form article was subjected to the degreasing treatment in this state.

(Beispiel 13)(Example 13)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Beispiel 13 wurde unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie in Beispiel 12 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Massenverhältnis zwischen dem metallischen Si-Pulver und dem Sinterhilfsmittel auf 0,927:0,073 eingestellt wurde, eine Trennmittelschicht mit einer Dicke von 20 µm auf der Oberfläche des lagenförmigen Formteils ausgebildet wurde und das lagenförmige Formteil in diesem Zustand der Entfettungsbehandlung unterzogen wurde.A silicon nitride substrate according to Example 13 was manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 12 except that the mass ratio between the metal Si powder and the sintering aid was adjusted to 0.927:0.073, a release agent layer with a thickness of 20 µm on the surface of the sheet-shaped molding was formed and the sheet-shaped molding was subjected to the degreasing treatment in this state.

(Vergleichsbeispiele)(comparative examples)

(Vergleichsbeispiel 1)(Comparative Example 1)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Vergleichsbeispiel 1 wurde unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein lagenförmiges Formteil von 100×100×t0,38 mm unter Einstellen des Massenverhältnisses zwischen dem metallischen Si-Pulver und dem Sinterhilfsmittel auf 0,909:0,091 hergestellt wurde, eine Trennmittelschicht mit einer Dicke von 35 µm auf der Oberfläche des lagenförmigen Formteils ausgebildet wurde, das lagenförmige Formteil in diesem Zustand der Entfettungsbehandlung unterzogen wurde und das lagenförmige Formteil 9 Stunden bei 1820°C in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre mit einem Stickstoffpartialdruck von 0,7 MPa gesintert wurde.A silicon nitride substrate according to Comparative Example 1 was manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 1 except that a sheet-shaped molding of 100×100×t0.38 mm was made by adjusting the mass ratio between the metal Si powder and the sintering aid to 0.909:0.091 was prepared, a release agent layer having a thickness of 35 µm was formed on the surface of the sheet-form article, the sheet-form article was subjected to the degreasing treatment in this state, and the sheet-form article was subjected to the degreasing treatment for 9 hours at 1820°C in a nitrogen-containing atmosphere with a nitrogen partial pressure of 0, 7 MPa was sintered.

(Vergleichsbeispiel 2)(Comparative example 2)

Ein Siliziumnitridsubstrat gemäß Vergleichsbeispiel 2 wurde unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Massenverhältnis zwischen dem metallischen Si-Pulver und dem Sinterhilfsmittel auf 0,904:0,096 eingestellt wurde.A silicon nitride substrate according to Comparative Example 2 was manufactured under the same manufacturing conditions as in Comparative Example 1, except that the mass ratio between the metal Si powder and the sintering aid was adjusted to 0.904:0.096.

(Bewertungsverfahren)(evaluation procedure)

Die Eigenschaften der Siliziumnitridsubstrate jedes Beispiels und jedes Vergleichsbeispiels wurden wie folgt bewertet.The properties of the silicon nitride substrates of each example and each comparative example were evaluated as follows.

(Orientierungsgrad basierend auf der Intensität der Röntgenbeugungspeaks)(degree of orientation based on intensity of X-ray diffraction peaks)

Der Orientierungsgrad wurde mittels Durchführung einer Röntgenbeugung unter Verwendung von Cu-Kα-Strahlen, die mit 40 kV und 15 mA angeregt waren, und einem Scannen basierend auf der Θ-2Θ-Methode mit einer Schrittbreite von 0,01 ° gemessen.The degree of orientation was measured by performing X-ray diffraction using Cu-Kα rays excited at 40 kV and 15 mA and scanning based on the Θ-2Θ method with a step width of 0.01°.

(Elementaranalyse)(elemental analysis)

Eine quantitative Analyse von Si, N, Mg und Seltenerdelementen wurde mittels Fluoreszenz-Röntgenanalyse unter Verwendung eines ZSX Primus II-Geräts, hergestellt von Rigaku Corporation, durchgeführt. Hingegen wurde die Sauerstoffanalyse mittels eines Verfahrens einer Inertgasfusion - Nichtdispersiven-Infrarot-Absorption (NDIR) unter Verwendung eines EMGA-920-Geräts, hergestellt von HORIBA, Ltd., durchgeführt. Der Gehalt an SiN wurde aus den Mengen und Verhältnissen von Si und N berechnet, und die Menge des Sinterhilfsmittels wurde aus den Mengen und Verhältnissen von Mg und O und den Mengen und Verhältnissen der Seltenerdenelemente und O berechnet.Quantitative analysis of Si, N, Mg and rare earth elements was performed by fluorescent X-ray analysis using a ZSX Primus II manufactured by Rigaku Corporation. On the other hand, the oxygen analysis was carried out by a method of inert gas fusion - non-dispersive infrared absorption (NDIR) using an EMGA-920 manufactured by HORIBA, Ltd.. The content of SiN was calculated from the amounts and ratios of Si and N, and the amount of the sintering aid was calculated from the amounts and ratios of Mg and O and the amounts and ratios of the rare earth elements and O.

(Wärmeleitfähigkeit)(thermal conductivity)

Die Temperaturleitfähigkeit wurde mittels eines Flash-Verfahrens unter Verwendung eines LFA 467 HyperFlash-Geräts, hergestellt von der NETZSCH Gerätebau GmbH, gemessen. Durch Verwendung des Geräts zur Bestrahlung mit Xenon-Blitzlicht mit einer Pulsbreite von 20 µs wurde die AC-Temperaturänderung mit einem IR-Detektor gemessen und die Temperaturleitfähigkeit wurde aus der Amplitude der Temperaturänderung und der Dämpfungsrate in Bezug auf die Position berechnet. Die Messung wurde nach Schwärzen der Oberfläche eines Probekörpers, der eine Größe von 10 mm × 10 mm aufwies, durchgeführt.The thermal diffusivity was measured by a flash method using an LFA 467 HyperFlash device manufactured by NETZSCH Gerätebau GmbH. By using the device to irradiate xenon flash light with a pulse width of 20 µs, the AC temperature change was measured with an IR detector, and the thermal diffusivity was calculated from the amplitude of the temperature change and the attenuation rate with respect to the position. The measurement was performed after blackening the surface of a test piece having a size of 10 mm × 10 mm.

(Dichtemessung)(density measurement)

Die Dichte wurde unter Verwendung des Archimedes-Prinzips gemessen.Density was measured using Archimedes' principle.

(Biegefestigkeit gemäß dem Drei-Punkt-Verfahren)(Bending strength according to the three-point method)

Ein Probekörper von 4 mm × 35 mm wurde gemäß JIS R1601:2008 vom Mittelpunkt zweier Auflager aus bei Raumtemperatur (25°C) gebogen, wobei der Abstand zwischen den beiden Auflagern 30 mm betrug, und der gemessene Wert wurde als 3-Punkt-Biegefestigkeit herangezogen. Der Mittelwert der 3-Punkt-Biegefestigkeiten von 10 Probekörpern wurde als Biegefestigkeit herangezogen.A test piece of 4 mm × 35 mm was bent from the center of two supports at room temperature (25°C) with the distance between the two supports being 30 mm according to JIS R1601:2008, and the measured value was taken as the 3-point bending strength used. The average of the 3-point flexural strengths of 10 specimens was used as the flexural strength.

Tabelle 1 fasst einige der Herstellungsbedingungen der Siliziumnitridsubstrate jedes Beispiels und jedes Vergleichsbeispiels sowie die Bewertungsergebnisse zusammen.Table 1 summarizes some of the manufacturing conditions of the silicon nitride substrates of each example and each comparative example and the evaluation results.

[Tabelle 1] Gehalt an Siliziumnitrid (Massen-%) Gehalt an Sinterhilfsmittel (Massen-%) Dicke der Trennmittelschicht (µm) Orientierungsgrad fa Dichte (g/cm3) Biegefestigkeit (MPa) Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung (W/m·K) Beispiel 1 89,0 11,0 10 0,0144 3,223 820 91,7 Beispiel 2 89,5 10,5 20 0,0460 3,240 845 80,0 Beispiel 3 87,8 12,2 25 0,0841 3,223 820 89,8 Beispiel 4 88,5 11,5 35 0,1295 3,214 806 89,6 Beispiel 5 88,3 11,7 35 0,1570 3,232 872 93,0 Beispiel 6 88,5 11,5 50 0,2202 3,227 851 89,1 Beispiel 7 88,8 11,2 - 0,2854 3,239 723 89,4 Beispiel 8 87,7 12,3 - 0,1945 3,226 808 92,6 Beispiel 9 89,8 10,2 - 0,0072 3,228 827 91,6 Beispiel 10 92,1 7,9 20 0,0721 3,227 685 121,6 Beispiel 11 92,0 8,0 20 0,0929 3,230 675 115,4 Beispiel 12 92,6 7,4 10 0,0479 3,225 678 113,0 Beispiel 13 92,7 7,3 20 0,0769 3,226 689 111,2 Vergleichsbeispiel 1 90,9 9,1 35 -0,0804 3,248 775 74,4 Vergleichsbeispiel 2 90,4 9,6 35 -0,0953 3,235 802 71,4 [Table 1] Content of silicon nitride (mass %) Content of sintering aid (mass %) Thickness of release agent layer (µm) degree of orientation Density (g/cm3) Flexural strength (MPa) Thermal conductivity in the thickness direction (W/m K) example 1 89.0 11.0 10 0.0144 3,223 820 91.7 example 2 89.5 10.5 20 0.0460 3,240 845 80.0 Example 3 87.8 12.2 25 0.0841 3,223 820 89.8 example 4 88.5 11.5 35 0.1295 3,214 806 89.6 Example 5 88.3 11.7 35 0.1570 3,232 872 93.0 Example 6 88.5 11.5 50 0.2202 3,227 851 89.1 Example 7 88.8 11.2 - 0.2854 3,239 723 89.4 example 8 87.7 12.3 - 0.1945 3,226 808 92.6 example 9 89.8 10.2 - 0.0072 3,228 827 91.6 Example 10 92.1 7.9 20 0.0721 3,227 685 121.6 Example 11 92.0 8.0 20 0.0929 3,230 675 115.4 Example 12 92.6 7.4 10 0.0479 3,225 678 113.0 Example 13 92.7 7.3 20 0.0769 3,226 689 111.2 Comparative example 1 90.9 9.1 35 -0.0804 3,248 775 74.4 Comparative example 2 90.4 9.6 35 -0.0953 3,235 802 71.4

Bei den Beispielen 1 bis 5 und 10 bis 13, bei denen eine Trennmittelschicht auf einer Hauptoberfläche des lagenförmigen Körpers ausgebildet wurde, und bei den Beispielen 6 bis 9, bei denen eine poröse Platte ausgebildet wurde, wurde festgestellt, dass alle Siliziumnitridsubstrate einen Orientierungsgrad fa, der den Anteil der in der Dickenrichtung orientierten β-Si₃N₄-Körner angibt, in einem Bereich von 0 bis 0,3 sowie eine Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung von 80 W/m · K oder mehr aufwiesen.In Examples 1 to 5 and 10 to 13 in which a release agent layer was formed on a main surface of the sheet-like body, and in Examples 6 to 9 in which a porous plate was formed, it was found that all of the silicon nitride substrates had an orientation degree fa, indicating the ratio of the β-Si ₃ N ₄ grains oriented in the thickness direction in a range of 0 to 0.3 and a thermal conductivity in the thickness direction of 80 W/m·K or more.

BezugszeichenlisteReference List

1010

Siliziumnitridsubstratsilicon nitride substrate

1111

Siliziumnitridkörnersilicon nitride grains

1212

Korngrenzphasegrain boundary phase

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

• WO 2011/010597 [0004, 0005]WO 2011/010597 [0004, 0005]

Claims (7)

Siliziumnitridsubstrat, aufweisend: bei Bestrahlung einer Substratoberfläche mit Röntgenstrahlen einen Röntgenbeugungspeak von β-Si₃N₄, einen Orientierungsgrad fa, der einen Anteil einer langen Achse (c-Achse) der in einer Dickenrichtung in dem Siliziumnitridsubstrat orientierten β-Si₃N₄-Körner angibt, innerhalb eines Bereichs von 0 bis 0,3, und eine Wärmeleitfähigkeit in der Dickenrichtung von 80 W/m · K oder mehr.A silicon nitride substrate comprising: when a substrate surface is irradiated with X-rays, an X-ray diffraction peak of β-Si ₃ N ₄ , an orientation degree fa showing a long axis (c-axis) portion of the β-Si ₃ N ₄ - oriented in a thickness direction in the silicon nitride substrate - grains, within a range of 0 to 0.3, and a thermal conductivity in the thickness direction of 80 W/m·K or more. Siliziumnitridsubstrat gemäß Anspruch 1, wobei der Orientierungsgrad fa in einem Bereich von 0,0072 bis 0,2854 liegt und die Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von 80,0 bis 121,6 W/m · K liegt.Silicon nitride substrate according to claim 1 , wherein the degree of orientation fa is in a range from 0.0072 to 0.2854 and the thermal conductivity is in a range from 80.0 to 121.6 W/m·K. Siliziumnitridsubstrat gemäß Anspruch 2, wobei der Orientierungsgrad fa in einem Bereich von 0,0479 bis 0,0929 liegt und die Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von 111,2 bis 121,6 W/m·K liegt.Silicon nitride substrate according to claim 2 , wherein the degree of orientation fa is in a range of 0.0479 to 0.0929 and the thermal conductivity is in a range of 111.2 to 121.6 W/m·K. Siliziumnitridsubstrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das ein Seltenerdoxid und eine Magnesiumverbindung als Sinterhilfsmittel umfasst.Silicon nitride substrate according to any one of Claims 1 until 3 which comprises a rare earth oxide and a magnesium compound as a sintering aid. Siliziumnitridsubstrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Siliziumnitridsubstrat eine Biegefestigkeit gemäß einem Drei-Punkt-Verfahren von 500 MPa oder mehr und eine Dicke von 0,1 bis 1,2 mm aufweist.Silicon nitride substrate according to any one of Claims 1 until 4 wherein the silicon nitride substrate has a flexural strength according to a three-point method of 500 MPa or more and a thickness of 0.1 to 1.2 mm. Siliziumnitridsubstrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Siliziumnitridsubstrat eine Hauptoberflächengröße von 400 bis 40.000 mm², eine Dichte von 3,15 bis 3,40 g/cm³ und eine Spannungsfestigkeit von 20 kV/mm oder mehr aufweist.Silicon nitride substrate according to any one of Claims 1 until 5 , wherein the silicon nitride substrate has a major surface area of 400 to 40,000 mm ² , a density of 3.15 to 3.40 g/cm ³ and a withstand voltage of 20 kV/mm or more. Verfahren zur Herstellung eines Siliziumnitridsubstrats, umfassend: einen Schritt des Mischens eines Siliziumpulvers, eines Sinterhilfsmittels und eines Dispersionsmediums zur Herstellung einer Aufschlämmung, einen Formgebungsschritt des Herstellens eines lagenförmigen Formteils aus der Aufschlämmung, einen Nitridierungsschritt des Wärmebehandelns des lagenförmigen Formteils in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre, um das Silizium, welches das lagenförmige Formteil bildet, zu nitridieren, und einen Brennschritt des Sinterns des dem Nitridierungsschritt unterzogenen lagenförmigen Formteils zur Herstellung eines Siliziumnitridsubstrats, wobei zumindest in dem Nitridierungsschritt die Verflüchtigung des Sinterhilfsmittels gefördert wird und die Siliziumnitridkörner in einer Dickenrichtung orientiert werden, die der Verflüchtigungsrichtung entspricht.A method of manufacturing a silicon nitride substrate, comprising: a step of mixing a silicon powder, a sintering aid and a dispersion medium to prepare a slurry, a molding step of making a sheet-like molding from the slurry, a nitriding step of heat-treating the sheet-shaped article in a nitrogen-containing atmosphere to nitride the silicon constituting the sheet-shaped article, and a firing step of sintering the sheet-shaped article subjected to the nitriding step to produce a silicon nitride substrate, wherein at least in the nitriding step, volatilization of the sintering aid is promoted and the silicon nitride grains are oriented in a thickness direction corresponding to the volatilization direction.

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