WO2024154827A1 - 窒化珪素基板およびそれを用いた窒化珪素回路基板 - Google Patents

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silicon nitride
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maximum
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逸暉 松本
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Toshiba Corp
Toshiba Materials Co Ltd
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    • H05K2201/098—Special shape of the cross-section of conductors, e.g. very thick plated conductors

Definitions

  • the embodiments described below relate to silicon nitride substrates and silicon nitride circuit substrates using the same.
  • Patent Document 1 discloses a silicon nitride substrate with a thermal conductivity of 50 W/m ⁇ K or more and a three-point bending strength of 600 MPa or more.
  • ⁇ -type silicon nitride powder contained in the raw material powder grows into ⁇ -type silicon nitride crystal particles during the sintering process.
  • the grown ⁇ -type silicon nitride crystal particles become intricately intertwined, which increases the strength of the silicon nitride substrate.
  • the three-point bending strength of aluminum nitride substrates and aluminum oxide substrates is approximately 300 to 450 MPa.
  • silicon nitride substrates with thermal conductivity of 50 W/m ⁇ K or more, and even 80 W/m ⁇ K or more, have been developed. In this way, silicon nitride substrates combine high strength with heat dissipation properties.
  • Silicon nitride substrates are bonded to metal plates and used as silicon nitride circuit substrates.
  • metal plates are bonded using an active metal bonding method.
  • the active metal method is a bonding method that uses a bonding brazing material that contains active metals such as titanium. Large surface irregularities on silicon nitride substrates can cause poor bonding.
  • Patent Document 3 discloses a silicon nitride substrate in which the height difference between the peaks and valleys on the substrate surface is 1.5 to 15 ⁇ m.
  • the maximum unevenness height which is the difference between the height of the maximum convexity and the depth of the maximum concavity, is 50 ⁇ m or less.
  • the portion includes a first region having a height ratio to the maximum unevenness height of 0.8 to 1.0, a second region having the height ratio of 0.5 to less than 0.8, a third region having the height ratio of 0.3 to less than 0.5, and a fourth region having the height ratio of 0 to less than 0.3.
  • the ratio of the area of the first region to the total area of the first to fourth regions is 1% to 10%, the ratio of the area of the second region to the total area is 10% to 50%, the ratio of the area of the third region to the total area is 20% to 50%, and the ratio of the area of the fourth region to the total area is 10% to 60%.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a silicon nitride substrate according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of the maximum unevenness height.
  • FIG. 2 is a plan view showing an example of an unevenness distribution on the surface of a silicon nitride substrate.
  • FIG. 2 is a side view showing an example of a silicon nitride circuit substrate according to an embodiment.
  • 1 is a side view showing an example of a semiconductor device according to an embodiment;
  • the maximum unevenness height which is the difference between the height of the maximum convexity and the depth of the maximum concavity, is 50 ⁇ m or less.
  • the portion includes a first region having a height ratio to the maximum unevenness height of 0.8 to 1.0, a second region having the height ratio of 0.5 to less than 0.8, a third region having the height ratio of 0.3 to less than 0.5, and a fourth region having the height ratio of 0 to less than 0.3.
  • the ratio of the area of the first region to the total area of the first to fourth regions is 1% to 10%, the ratio of the area of the second region to the total area is 10% to 50%, the ratio of the area of the third region to the total area is 20% to 50%, and the ratio of the area of the fourth region to the total area is 10% to 60%.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a silicon nitride substrate according to an embodiment.
  • reference numeral 1 denotes a silicon nitride substrate
  • reference numeral 2 denotes a surface.
  • FIG. 1 illustrates a silicon nitride substrate 1 having a rectangular surface 2.
  • the shape of surface 2 is not limited to a rectangle, and may be various shapes such as a square, a circle, a pentagon, an L-shape, or a U-shape.
  • surface 2 of silicon nitride substrate 1 can be used as a surface on which a circuit portion is provided.
  • the maximum unevenness height which is the difference in height between the maximum convexity and the maximum concaveity, is 50 ⁇ m or less.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing an example of the maximum unevenness height.
  • reference numeral 2 denotes the surface
  • reference numeral 3 denotes the maximum convexity
  • reference numeral 4 denotes the maximum concave
  • reference numeral 5 denotes the maximum unevenness height.
  • a three-dimensional shape measuring device is used to observe the unevenness.
  • the three-dimensional shape measuring device used is a Keyence VR-3000 or a device with equivalent or greater performance.
  • the highest point in the 6 mm x 6 mm part is the maximum convex part 3.
  • the lowest point is the maximum concave part 44.
  • the difference in height between the maximum convex part 3 and the maximum concave part 4 is the maximum concave height 5.
  • the position of the highest point in the 6 mm x 6 mm part in the direction perpendicular to the plane is the maximum convex part 3.
  • the position of the lowest point in the 6 mm x 6 mm part in the direction perpendicular to the plane is the maximum concave depth 4.
  • the maximum concave height 5 is expressed as the distance in the direction perpendicular to the plane between the maximum convex part 3 and the maximum concave depth 4.
  • the direction perpendicular to the plane is the direction perpendicular to the plane 2 when the plane 2 is viewed macroscopically.
  • the maximum unevenness height 5 is 50 ⁇ m or less. If the maximum unevenness height 5 is greater than 50 ⁇ m, it can cause poor bonding. Furthermore, in any 6 mm x 6 mm portion of surface 2, the maximum unevenness height 5 is 50 ⁇ m or less. In other words, no matter which 6 mm x 6 mm portion is observed, the maximum unevenness height 5 is 50 ⁇ m or less.
  • the size of the area to be observed is set to 6 mm x 6 mm because this provides good measurement accuracy. If the size is wider than 6 mm x 6 mm, undulations in the board may be detected, which may reduce measurement accuracy. If the size is smaller than 6 mm x 6 mm, the number of measurements will increase, which may reduce inspection efficiency.
  • first to fourth regions are present.
  • the first region is a region in which the height ratio to the maximum unevenness height 5 is 0.8 or more and 1.0 or less.
  • the second region is a region in which the height ratio to the maximum unevenness height 5 is 0.5 or more and less than 0.8.
  • the third region is a region in which the height ratio to the maximum unevenness height 5 is 0.3 or more and less than 0.5.
  • the fourth region is a region in which the height ratio to the maximum unevenness height 5 is 0 or more and less than 0.3.
  • the maximum unevenness height 5 in the 6 mm x 6 mm area is measured.
  • the height of each measurement area in the 6 mm x 6 mm area is measured.
  • the “measurement area” corresponds to the laser spot diameter of the 3D shape measuring device.
  • the “height” is the position of each measurement area in the direction perpendicular to the surface when the maximum recess depth 4 is used as the reference.
  • the height of the measurement area / maximum unevenness height height ratio.
  • the maximum unevenness height 5 is 30 ⁇ m.
  • the first region having a height ratio of 0.8 to 1.0 relative to the maximum unevenness height 5 refers to a region that exists in a range of heights of 24 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the second region having a height ratio of 0.5 to less than 0.8 relative to the maximum unevenness height 5 refers to a region that exists in a range of heights of 15 ⁇ m to less than 24 ⁇ m.
  • the third region having a height ratio of 0.3 to less than 0.5 relative to the maximum unevenness height 5 refers to a region that exists in a range of heights of 9 ⁇ m to less than 15 ⁇ m.
  • the fourth region having a height ratio of 0 to less than 0.3 relative to the maximum unevenness height 5 refers to a region that exists in a range of heights of 0 ⁇ m to less than 9 ⁇ m.
  • the total area of the first to fourth regions is 100%.
  • the area ratio of the first region to the total area is 1% to 10%.
  • the area ratio of the second region to the total area is 10% to 50%.
  • the area ratio of the third region to the total area is 20% to 50%.
  • the area ratio of the fourth region to the total area is 10% to 60%.
  • the first area can be displayed in red, the second area in orange or yellow, the third area in yellow-green, and the fourth area in light blue or blue.
  • the area ratio of each of the first to fourth areas can be calculated. It is also effective to use the color mapping function of a 3D shape measuring instrument to measure the area ratio.
  • Figure 3 is a plan view showing an example of the distribution of projections and recesses on the surface of a silicon nitride substrate.
  • reference numeral 2 denotes a surface
  • reference numeral 6 denotes a first region
  • reference numeral 7 denotes a second region
  • reference numeral 8 denotes a third region
  • reference numeral 9 denotes a fourth region.
  • the area ratio of the first region 6 is 1% or more and 10% or less.
  • the height ratio of the first region 6 is 0.8 or more and 1.0 or less, and the first region 6 includes the highest point.
  • the area ratio of the most convex region relative to the maximum recess depth 4 is controlled to 1% or more and 10% or less. In order to suppress the occurrence of poor bonding, it is effective to control the distribution of the unevenness rather than controlling local unevenness as in the past. If the area ratio of the first region 6 exceeds 10%, the area of the most convex region relative to the maximum recess depth 4 will be large, which will cause poor bonding.
  • the second region 7, the third region 8, and the fourth region 9 exist in a predetermined ratio. This can mitigate the effect of unevenness on the bond in a narrow area of 6 mm x 6 mm.
  • the area ratio of the fourth region is 10% or more and 60% or less.
  • the height ratio of the fourth region 9 is 0 or more and less than 0.3, and the fourth region 9 includes the lowest point. If the area ratio of the fourth region is less than 10%, the proportion of localized recesses increases, causing bond failure.
  • the area ratio of the second region is 10% or more and 50% or less.
  • the area ratio of the third region is 20% or more and 50% or less.
  • the area of the first region 6 is A1
  • the area of the second region 7 is A2
  • the area of the third region 8 is A3
  • the area of the fourth region 9 is A4. It is preferable that the ratio of the area of the second region 7 to the area of the first region 6 is within the range of 2 ⁇ A2/A1 ⁇ 30. In other words, the area of the second region 7 is within the range of 2 to 30 times the area of the first region 6.
  • the area ratios of the second region 7, the third region 8, and the fourth region 9 preferably satisfy 3 ⁇ (A3+A4)/A2.
  • the total area of the third region 8 and the fourth region 9 is at least three times the area of the second region 7.
  • the maximum unevenness height is 5 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less, it is preferable to satisfy 0.3 ⁇ (A2+A3)/(A1+A2+A3+A4) ⁇ 0.6.
  • the maximum unevenness height 5 being 5 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less indicates that the maximum unevenness height 5 is at a medium level (medium unevenness).
  • the ratio of the total area of the second region 7 and the third region 8 within the range of 6 mm x 6 mm is in the range of 30% to 60%. Since the area ratio of the first region 6 is 1% to 10%, the remainder excluding the second region 7 and the third region 8 is the fourth region 9.
  • the maximum unevenness height is more than 25 ⁇ m and less than 50 ⁇ m, it is preferable to satisfy 0.5 ⁇ (A2+A3)/(A1+A2+A3+A4) ⁇ 0.8.
  • the maximum unevenness height 5 is more than 25 ⁇ m and less than 50 ⁇ m, it indicates that the maximum unevenness height 5 is at a high level (large unevenness).
  • the total area of the second region 7 and the third region 8 is in the range of 50% to 80% in the 6 mm x 6 mm portion. In other words, it is effective to increase the total area of the second region 7 and the third region 8 compared to when the maximum unevenness height 5 is at a medium level (5 ⁇ m to 25 ⁇ m).
  • the condition 0.5 ⁇ (A2+A3)/(A1+A2+A3+A4) ⁇ 0.8 may be combined with one or more conditions selected from 2 ⁇ A2/A1 ⁇ 30 and 3 ⁇ (A3+A4)/A2.
  • the maximum convex portion 3 and maximum concave portion 4 are present in the first region 6 and fourth region 9, which are located toward the center. If the maximum convex portion 3 and maximum concave portion 4 are connected by a straight line L, then both the second region 7 and third region 8 exist on the straight line L.
  • the first region 6 is a region in which the height ratio to the maximum unevenness height 5 is 0.8 or more and 1.0 or less.
  • the fourth region 9 is a region in which the height ratio to the maximum unevenness height 5 is 0 or more and less than 0.3.
  • the thickness of the silicon nitride substrate 1 is preferably within the range of 0.2 mm to 3 mm. If the substrate is less than 0.2 mm thick, the insulating properties may be reduced. As mentioned above, surface 2 of the silicon nitride substrate 1 according to the embodiment has irregularities. If the substrate is too thin, the effect of the irregularities becomes greater and the insulating properties may be reduced. If the substrate is thicker than 3 mm, the insulating properties will improve, but the substrate may become a thermal resistor and the heat dissipation properties may be reduced. For this reason, the thickness of the silicon nitride substrate 1 is preferably within the range of 0.2 mm to 3 mm, and more preferably within the range of 0.2 mm to 1 mm.
  • the specific size of the silicon nitride substrate 1 is arbitrary.
  • the size of the silicon nitride substrate 1 may be 50 mm or more in length and 50 mm or more in width.
  • silicon nitride substrates 1 larger than 50 mm in length and 50 mm in width more effective results can be obtained by controlling the unevenness in the 6 mm x 6 mm portion.
  • Large silicon nitride substrates allow multiple pieces to be produced. Multiple pieces are produced by scribing the silicon nitride substrate and dividing it into smaller pieces. This can increase mass productivity. The scribing may be performed before or after bonding the metal plate. If bonding defects occur in large silicon nitride substrates, it will have a large impact on the yield. For this reason, it is more effective to control the unevenness.
  • the thermal conductivity of the silicon nitride substrate 1 is preferably 50 W/m ⁇ K or more, and more preferably 80 W/m ⁇ K or more.
  • the thermal conductivity is measured by a flash method.
  • the thermal conductivity is measured in accordance with JIS-R-1611.
  • JIS-R-1611 corresponds to ISO18755.
  • the three-point bending strength of the silicon nitride substrate is preferably 500 MPa or more, and more preferably 600 MPa or more.
  • the three-point bending strength is measured in accordance with JIS-R-1601. JIS-R-1601 corresponds to ISO14704.
  • the metal plate examples include a copper plate (including copper alloys) and an aluminum plate (including aluminum alloys). If necessary, the metal plate may be bonded to the silicon nitride substrate 1 via a bonding layer.
  • bonding methods include an active metal bonding method using an active metal. When bonding a copper plate, the active metal bonding method uses an active metal brazing material containing an active metal such as Ti. When bonding an aluminum plate, an active metal brazing material containing an active metal such as Si is used.
  • the metallized layer is formed by applying a metal paste to the silicon nitride substrate 1 and firing it.
  • the metallized layer contains, for example, one selected from Ag (silver), Cu (copper), Mo (molybdenum), and W (tungsten) as a main component.
  • the thin film is a conductive film formed by sputtering or vapor deposition.
  • FIG. 4 is a side view showing an example of a silicon nitride circuit board according to an embodiment.
  • 1 is a silicon nitride substrate
  • 10 is a silicon nitride circuit substrate
  • 11 is a circuit portion
  • 12 is a bonding layer
  • 13 is a heat dissipation portion.
  • the silicon nitride circuit board 10 includes a silicon nitride substrate 1 and a circuit portion 11 provided on at least one surface of the silicon nitride substrate 1.
  • the circuit portion 11 is provided on the surface of the silicon nitride substrate 1, and the heat dissipation portion 13 is provided on the back surface.
  • the circuit portion 11 and the heat dissipation portion 13 are each bonded to the silicon nitride substrate 1 via a bonding layer 12.
  • the circuit portion 11 made of a metal plate can be provided on the front surface, and the heat dissipation portion 13 made of a metal plate can be provided on the back surface. If necessary, the circuit portion 11 may be provided on both sides of the silicon nitride substrate 1.
  • the number of circuit portions 11 provided on the front surface is arbitrary. Not limited to the example shown in the figure, one circuit portion 11 or three or more circuit portions 11 may be provided on the front surface.
  • the active metal joining method When metal plates are to be joined, the active metal joining method is used.
  • an active metal brazing material containing an active metal is applied and fired to join the silicon nitride substrate 1 and the metal plate.
  • a joining layer 12 is formed by firing the brazing material layer.
  • an active metal brazing material containing Ti reacts with the silicon nitride substrate 1 to form a titanium nitride layer. The formation of the titanium nitride layer firmly bonds the silicon nitride substrate 1 and the metal plate.
  • the embodiment of the present invention is suitable for a silicon nitride circuit substrate 10 in which a metal plate is bonded using an active metal bonding method.
  • the silicon nitride circuit board 10 can be used in a semiconductor device on which a semiconductor element is mounted.
  • FIG. 5 is a side view showing an example of a semiconductor device according to an embodiment.
  • reference numeral 10 denotes a silicon nitride circuit board
  • reference numeral 14 denotes a semiconductor element
  • reference numeral 20 denotes a semiconductor device.
  • FIG. 5 shows an example in which one semiconductor element 14 is mounted, but multiple semiconductor elements 14 may also be mounted. Also, a lead frame or wire bonding (not shown) may be provided. Sealing with resin may also be performed.
  • the manufacturing process for silicon nitride substrates includes the raw material mixing process, molding process, degreasing process, and sintering process.
  • raw material powder is prepared by mixing silicon nitride powder, the main component, with sintering aid powder.
  • An organic binder is mixed with the raw material powder to prepare a raw material paste. Either direct nitriding powder or powder produced by the imide decomposition method can be used as the silicon nitride powder.
  • a silicon nitride sheet body is prepared from the raw material paste. Methods for preparing a silicon nitride sheet body include the doctor blade method, die molding method, and injection molding.
  • the degreasing process and the sintering process are preferably performed by placing a sheet-shaped silicon nitride molded body on the boron nitride plate. It is preferable that the surface of the boron nitride plate does not have any recesses with a depth of 40 ⁇ m or more. In addition, it is preferable that the maximum height roughness Rz of the surface of the boron nitride plate is 40 ⁇ m or less. The amount of warping of the boron nitride plate is preferably 0.1 mm or less.
  • the warping of the boron nitride plate refers to the greatest distance between the boron nitride plate and a straight line connecting one end of the boron nitride plate and the opposite end of the boron nitride plate. It is preferable that the amount of warping of the boron nitride plate in the long side direction, short side direction, and diagonal direction is 0.2 mm or less.
  • the binder is removed from the sheet-shaped silicon nitride molded body.
  • the sheet-shaped silicon nitride molded body is called a silicon nitride molded body.
  • the silicon nitride molded body is placed on the boron nitride plate.
  • a single layer of silicon nitride molded body may be placed, or multiple silicon nitride molded bodies may be stacked.
  • a weight plate may be placed on the silicon nitride molded body.
  • a layered structure of a boron nitride plate and a silicon nitride molded body may be taken, such as boron nitride plate/silicon nitride molded body/boron nitride plate/silicon nitride molded body.
  • a powder may be used between the silicon nitride molded bodies.
  • the powder is preferably boron nitride powder with an average particle size of 10 ⁇ m or less.
  • a powder with a small particle size can reduce the surface unevenness of the silicon nitride substrate 1. For this reason, the average particle size of the powder is preferably 10 ⁇ m or less, and more preferably 6 ⁇ m or less.
  • the effect of suppressing warping of the silicon nitride substrate 1 can be obtained.
  • the effect of suppressing warping of the silicon nitride substrate 1 can be obtained.
  • the degreasing process is preferably carried out at a temperature in the range of 350°C to 600°C.
  • the degreasing process removes the organic binder from the silicon nitride compact.
  • the degreasing process produces a silicon nitride degreased body.
  • the silicon nitride substrate 1 can be obtained by the above steps. If necessary, steps such as a powder removal step, a cleaning step, and a warping correction step may be performed. The surface of the silicon nitride substrate 1 may be inspected, and only the silicon nitride substrate 1 included in the embodiment may be selected.
  • Example 2 (Examples 1 to 7, Comparative Examples 1 to 2) A raw material powder was prepared by mixing silicon nitride powder and a sintering aid. A binder and the like were added to the raw material powder, and a sheet-shaped silicon nitride molded body was produced by the doctor blade method. A boron nitride plate and boron nitride bedding powder were used to carry out a degreasing process and a sintering process for the sheet-shaped silicon nitride molded body. The degreasing process was carried out in the range of 350°C to 600°C. The sintering process was carried out in the range of 1600°C to 2000°C.
  • the size of the silicon nitride substrate was 120 mm long x 100 mm wide.
  • the boron nitride plate and boron nitride bedding powder used are as shown in Table 1.
  • the preferred manufacturing conditions are met.
  • the boron nitride plate has little warping, but large irregularities.
  • the average particle size of the powder is larger than in the examples.
  • the boron nitride plate has little irregularities, but the amount of warping is large.
  • the surface unevenness of the obtained silicon nitride substrate was inspected. Several 6 mm x 6 mm sections were randomly selected on the surface of the silicon nitride substrate, and the unevenness of each section was observed. A three-dimensional shape measuring device (Keyence VR-3000) was used to observe the unevenness. The method for measuring the maximum unevenness height and the area ratio of the first to fourth regions was as described above. The area ratio of each of the first to fourth regions was calculated assuming that the sum of the areas of the first to fourth regions was 100%. The results are shown in Table 2. In Table 2, “YES” indicates that the area ratio of each region was within the specified range. “NO” indicates that the area ratio of each region was outside the specified range.
  • the maximum unevenness height was 50 ⁇ m or less in all 6 mm x 6 mm parts, and the area ratio of each region was within the specified range. In the examples, the preferred conditions for the maximum unevenness height and area ratio were met.
  • Example 1 there was a mixture of regions with a maximum unevenness height of 5 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less, and regions with a maximum unevenness height of more than 25 ⁇ m and 50 ⁇ m or less.
  • Comparative Example 1 there was a portion with a maximum unevenness height of 83 ⁇ m. That is, in Comparative Example 1, the area ratio of each region was within the specified range, but there was a portion with a maximum unevenness height exceeding 50 ⁇ m.
  • Comparative Example 2 the area ratio of the first region was 15%, and the area ratio of the second region was 5%. That is, in Comparative Example 2, the maximum unevenness height was 50 ⁇ m, but there was a portion with the area ratio of the first region and the area ratio of the second region outside the range.
  • the silicon nitride substrate of Example 1 was classified according to the relationship of the area ratio of each region. Specifically, the area of the first region 6 is A1, the area of the second region 7 is A2, the area of the third region 8 is A3, and the area of the fourth region 9 is A4. In this case, for each substrate, it was determined whether or not each of the following conditions was satisfied: 2 ⁇ A2/A1 ⁇ 30, 3 ⁇ (A3+A4)/A2, 0.3 ⁇ (A2+A3)/(A1+A2+A3+A4) ⁇ 0.6, and 0.5 ⁇ (A2+A3)/(A1+A2+A3+A4) ⁇ 0.8.
  • Example 1 was classified into Examples 2 to 7 according to whether or not each condition was satisfied. The results are shown in Table 3. In Table 3, "YES” indicates that the condition is satisfied, and "NO” indicates that the condition is not satisfied. For the condition 0.3 ⁇ (A2+A3)/(A1+A2+A3+A4) ⁇ 0.6, the evaluation was conducted for Examples 2 to 4, in which the maximum unevenness height was 5 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less. For the condition 0.5 ⁇ (A2+A3)/(A1+A2+A3+A4) ⁇ 0.8, the evaluation was conducted for Examples 5 to 7, in which the maximum unevenness height was more than 25 ⁇ m and 50 ⁇ m or less.
  • Table 4 also shows the measurement results of the maximum unevenness height and the area ratio of the first to fourth regions in any 6 mm x 6 mm area for the silicon nitride substrates of Examples 2 to 7.
  • metal plates were bonded to the front and back surfaces of the silicon nitride substrate using active metal bonding.
  • a 0.8 mm thick copper plate was bonded to the front surface to form a circuit section.
  • a 0.8 mm thick copper plate was bonded to the back surface as a heat sink.
  • a brazing material containing Ti as an active metal was used for the active metal brazing material.
  • the copper plate on the front surface was etched to give it a circuit shape, forming the circuit section. Through these processes, a silicon nitride circuit substrate was produced.
  • the silicon nitride circuit boards of the examples and comparative examples were examined for the presence or absence of bonding defects. Bonding defects were examined using ultrasonic testing (SAT). Examples where the area ratio of bonding defects in the circuit section was between 0% and 1% were rated "excellent”. Examples where the area ratio of bonding defects was between 1% and 3% or less were rated "good”. Examples where the area ratio of bonding defects was between 3% and 5% or less were rated "passable”. Examples where the area ratio of bonding defects exceeded 5% were rated "unacceptable”. The area ratio of bonding defects in 10 silicon nitride circuit boards for each example and comparative example was measured, and the result with the largest area ratio of bonding defects was recorded.
  • SAT ultrasonic testing
  • Embodiments of the invention include the following features.
  • (Feature 1) When the unevenness is observed in a 6 mm ⁇ 6 mm area on at least one surface of the silicon nitride substrate, the maximum unevenness height, which is the difference between the height of the maximum convexity and the depth of the maximum concaveity, is 50 ⁇ m or less;
  • the portion is A first region having a height ratio to the maximum irregularity height of 0.8 or more and 1.0 or less;
  • a second region having a height ratio of 0.5 or more and less than 0.8; a third region having a height ratio of 0.3 or more and less than 0.5;
  • Including, a ratio of an area of the first region to a total area of the first to fourth regions is 1% or more and 10% or less; a ratio of an area of the second region to the total area is 10% or more and 50% or less; a ratio of an area of the third region to the total area is
  • (Feature 2) 2. The silicon nitride substrate according to claim 1, wherein the ratio of the area of the second region to the area of the first region is 2.ltoreq.30. (Feature 3) 3 ⁇ (the area of the third region+the area of the fourth region)/the area of the second region. (Feature 4) The maximum unevenness height is 5 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less, 4. The silicon nitride substrate according to any one of features 1 to 3, wherein 0.3 ⁇ (the area of the second region+the area of the third region)/the total area ⁇ 0.6 is satisfied. (Feature 5) The maximum irregularity height is more than 25 ⁇ m and not more than 50 ⁇ m, 4.
  • (Feature 6) 6.
  • feature 7) 7.
  • (Feature 8) 8.
  • a silicon nitride circuit board comprising:

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Abstract

接合不良を低減できる窒化珪素基板およびそれを用いた窒化珪素回路基板を提供する。実施形態に係る窒化珪素基板の少なくとも一方の面における６ｍｍ×６ｍｍの部分の凹凸を観察した場合に、最大凸部の高さと最大凹部の深さとの差である最大凹凸高さが５０μｍ以下である。前記部分は、前記最大凹凸高さに対する高さ比が０．８以上１．０以下の第１領域と、前記高さ比が０．５以上０．８未満の第２領域と、前記高さ比が０．３以上０．５未満の第３領域と、前記高さ比が０以上０．３未満の第４領域と、を含む。前記第１乃至前記第４領域の合計面積に対する前記第１領域の面積の比は、１％以上１０％以下であり、前記合計面積に対する前記第２領域の面積の比は、１０％以上５０％以下であり、前記合計面積に対する前記第３領域の面積の比は、２０％以上５０％以下であり、前記合計面積に対する前記第４領域の面積の比は、１０％以上６０％以下である。

Description

窒化珪素基板およびそれを用いた窒化珪素回路基板
　後述する実施形態は、窒化珪素基板およびそれを用いた窒化珪素回路基板に関する。
　近年、産業機器の高性能化に伴い、それに搭載されるパワーモジュールの高出力化が進んでいる。これに伴い、半導体素子の高出力化が進んでいる。半導体素子の動作保証温度は、１２５℃～１５０℃であるが、今後１７５℃以上に上昇する可能性を有する。半導体素子の発熱量の増加に伴い、窒化珪素基板が用いられるようになっている。
　例えば、特許第６２９３７７２号公報（特許文献１）では、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素基板が開示されている。窒化珪素基板の製造過程では、原料粉末に含まれるα型窒化珪素粉末が、焼結工程にてβ型窒化珪素結晶粒子に粒成長していく。粒成長したβ型窒化珪素結晶粒子が複雑に絡み合うことにより、窒化珪素基板の強度を高くすることができる。
　窒化アルミニウム基板や酸化アルミニウム基板の３点曲げ強度は、３００～４５０ＭＰａ程度である。特許文献１に示されたように、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素基板も開発されている。このように、窒化珪素基板は、高い強度と放熱性を兼ね備えている。
　一方、窒化珪素基板については、その表面凹凸が課題となっている。β型窒化珪素結晶粒子が細長い結晶粒子であるため、窒化珪素基板の表面には、凹凸が生じやすい。窒化珪素基板は、金属板が接合されて窒化珪素回路基板として用いられている。例えば、特許第６７８９９５５号公報（特許文献２）では、活性金属接合法を用いて金属板が接合されている。活性金属法は、チタンなどの活性金属を含んだ接合ろう材を用いた接合方法である。窒化珪素基板の表面凹凸が大きいと、接合不良の原因となっていた。
　表面凹凸について、例えば特許第３５３９６３４号公報（特許文献３）では、基板表面の山頂部と谷底部の高低差を１．５～１５μｍにした窒化珪素基板が開示されている。
特許第６２９３７７２号公報 特許第６７８９９５５号公報 特許第３５３９６３４号公報
　窒化珪素基板の表面凹凸を小さくすることにより、接合強度の改善はみられた。一方、ＴＣＴ特性に関しては、更なる改善が求められていた。ＴＣＴ（耐熱サイクル試験）を行った際に、接合層に亀裂が入る現象が発生していた。この原因を追究したところ、表面凹凸の分布が関係することが分かった。実施形態は、このような課題に取り組むためのものであり、表面凹凸の分布を制御した窒化珪素基板を提供するためのものである。
　実施形態に係る窒化珪素基板の少なくとも一方の面における６ｍｍ×６ｍｍの部分の凹凸を観察した場合に、最大凸部の高さと最大凹部の深さとの差である最大凹凸高さが５０μｍ以下である。前記部分は、前記最大凹凸高さに対する高さ比が０．８以上１．０以下の第１領域と、前記高さ比が０．５以上０．８未満の第２領域と、前記高さ比が０．３以上０．５未満の第３領域と、前記高さ比が０以上０．３未満の第４領域と、を含む。前記第１乃至前記第４領域の合計面積に対する前記第１領域の面積の比は、１％以上１０％以下であり、前記合計面積に対する前記第２領域の面積の比は、１０％以上５０％以下であり、前記合計面積に対する前記第３領域の面積の比は、２０％以上５０％以下であり、前記合計面積に対する前記第４領域の面積の比は、１０％以上６０％以下である。
実施形態に係る窒化珪素基板の一例を示す斜視図。 最大凹凸高さの一例を示す模式図。 窒化珪素基板の表面における凹凸分布の一例を示す平面図。 実施形態に係る窒化珪素回路基板の一例を示す側面図。 実施形態に係る半導体装置の一例を示す側面図。
　実施形態に係る窒化珪素基板の少なくとも一方の面における６ｍｍ×６ｍｍの部分の凹凸を観察した場合に、最大凸部の高さと最大凹部の深さとの差である最大凹凸高さが５０μｍ以下である。前記部分は、前記最大凹凸高さに対する高さ比が０．８以上１．０以下の第１領域と、前記高さ比が０．５以上０．８未満の第２領域と、前記高さ比が０．３以上０．５未満の第３領域と、前記高さ比が０以上０．３未満の第４領域と、を含む。前記第１乃至前記第４領域の合計面積に対する前記第１領域の面積の比は、１％以上１０％以下であり、前記合計面積に対する前記第２領域の面積の比は、１０％以上５０％以下であり、前記合計面積に対する前記第３領域の面積の比は、２０％以上５０％以下であり、前記合計面積に対する前記第４領域の面積の比は、１０％以上６０％以下である。
　図１は、実施形態に係る窒化珪素基板の一例を示す斜視図である。図１において、符号１は窒化珪素基板、符号２は面、である。図１では、長方形の面２を有する窒化珪素基板１を例示している。面２の形状は、長方形に限らず、正方形、円形、五角形、Ｌ字、又はＵ字など、様々な形状であってもよい。後述するように、窒化珪素基板１の面２は、回路部を設ける面として用いることができる。
　窒化珪素基板１の少なくとも一方の面２において、６ｍｍ×６ｍｍの部分の凹凸を観察した場合、最大凸部と最大凹部との高さの差である最大凹凸高さが、５０μｍ以下である。図２は、最大凹凸高さの一例を示す模式図である。図２において、符号２は面、符号３は最大凸部、符号４は最大凹部、符号５は最大凹凸高さ、である。
　まず、面２における任意の６ｍｍ×６ｍｍの部分の凹凸を観察する。凹凸の観察には、３次元形状測定機を用いる。３次元形状測定器には、キーエンス社製ＶＲ－３０００またはそれと同等以上の性能を有する装置を用いる。
　３次元形状測定器で測定した場合に、６ｍｍ×６ｍｍの部分において、最も高い点を最大凸部３とする。最も低い点を最大凹部４４とする。最大凸部３と最大凹部４の高さの差を、最大凹凸高さ５とする。６ｍｍ×６ｍｍの部分の中で、最も高い箇所の面直方向における位置が、最大凸部３である。６ｍｍ×６ｍｍの部分の中で、最も低い箇所の面直方向における位置が、最大凹部深さ４である。最大凹凸高さ５は、最大凸部３と、最大凹部深さ４と、の間の面直方向における距離で表される。面直方向は、面２を巨視的に見た時に、面２に対して垂直な方向である。
　実施形態に係る窒化珪素基板では、最大凹凸高さ５が５０μｍ以下である。最大凹凸高さ５が５０μｍを超えて大きいと、接合不良の原因となる。また、面２の任意の６ｍｍ×６ｍｍの部分において、最大凹凸高さ５は５０μｍ以下である。つまりは、どの６ｍｍ×６ｍｍの部分を観察したとしても、最大凹凸高さ５は５０μｍ以下である。
　観察する部分のサイズを６ｍｍ×６ｍｍに設定しているのは、測定精度が良いからである。サイズが６ｍｍ×６ｍｍよりも広がり過ぎると、基板のうねりが検出され、測定精度が低下する可能性がある。サイズが６ｍｍ×６ｍｍよりも小さいと、測定回数が増えるため、検査効率が低下する可能性がある。
　また、実施形態に係る窒化珪素基板１においては、６ｍｍ×６ｍｍの部分を観察した場合に、第１領域～第４領域が存在する。第１領域は、最大凹凸高さ５に対する高さ比が０．８以上１．０以下の領域である。第２領域は、最大凹凸高さ５に対する高さ比が０．５以上０．８未満の領域である。第３領域は、最大凹凸高さ５に対する高さ比が０．３以上０．５未満の領域である。第４領域は、最大凹凸高さ５に対する高さ比が０以上０．３未満の領域である。
　６ｍｍ×６ｍｍの部分を観察した後は、この部分の画像解析を行う。まず、６ｍｍ×６ｍｍの部分における最大凹凸高さ５を計測する。次に、６ｍｍ×６ｍｍの部分において、各測定エリアの高さを測定する。「測定エリア」は、３次元形状測定機のレーザのスポット径に相当する。「高さ」は、最大凹部深さ４を基準とした場合の各測定エリアの面直方向における位置である。測定エリアの高さ／最大凹凸高さ＝高さ比となる。
　例えば、最大凹凸高さ５が３０μｍとする。この場合、最大凹凸高さ５に対して高さ比が０．８以上１．０以下の第１領域とは、高さが２４μｍ以上３０μｍ以下の範囲内に存在する領域のことである。最大凹凸高さ５に対して高さ比が０．５以上０．８未満の第２領域とは、高さが１５μｍ以上２４μｍ未満の範囲内に存在する領域のことである。最大凹凸高さ５に対して高さ比が０．３以上０．５未満の第３領域とは、高さが９μｍ以上１５μｍ未満の範囲内に存在する領域のことである。最大凹凸高さ５に対して高さ比が０以上０．３未満の第４領域とは、高さが０μｍ以上９μｍ未満の範囲内に存在する領域のことである。
　６ｍｍ×６ｍｍの部分において、第１～第４領域の面積の合計を１００％とする。この場合、合計面積に対する第１領域の面積比は、１％以上１０％以下である。合計面積に対する第２領域の面積比は、１０％以上５０％以下である。合計面積に対する第３領域の面積比は、２０％以上５０％以下である。合計面積に対する第４領域の面積比は、１０％以上６０％以下である。
　キーエンス社製ＶＲ－３０００を用いた場合、例えば、第１領域を赤色、第２領域をオレンジ色または黄色、第３領域を黄緑色、第４領域を水色または青色で示すことができる。それぞれの色で表された領域の面積を計算することで、第１～第４領域のそれぞれの面積比を計算できる。面積比の測定には、３次元形状測定器のカラーマッピング機能を使うことも有効である。
　図３は、窒化珪素基板の表面における凹凸分布の一例を示す平面図である。図３において、符号２は面、符号６は第１領域、符号７は第２領域、符号８は第３領域、符号９は第４領域である。
　実施形態に係る窒化珪素基板１では、第１領域６の面積比が１％以上１０％以下である。第１領域６の高さ比は０．８以上１．０以下であり、第１領域６は最も高い箇所を含む。つまり、最大凹部深さ４に対して最も凸となる領域の面積比が、１％以上１０％以下に制御されている。接合不良の発生を抑制するためには、従来のように局所的な凹凸を制御するのではなく、凹凸の分布を制御することが有効である。第１領域６の面積比が１０％を超えると、最大凹部深さ４に対して最も凸となる領域の面積が多いため、接合不良の原因となる。
　第２領域７、第３領域８、及び第４領域９についても、各領域が所定の割合で存在することが重要である。それにより、６ｍｍ×６ｍｍという狭い部分における凹凸が接合に与える影響を、緩和することができる。具体的には、第４領域の面積比は、１０％以上６０％以下である。第４領域９の高さ比は０以上０．３未満であり、第４領域９は最も低い箇所を含む。第４領域の面積比が１０％未満であると、局所的な凹部の割合が増え、接合不良の原因となる。第２領域の面積比は、１０％以上５０％以下である。第３領域の面積比は、２０％以上５０％以下である。第２領域及び第３領域を、これらの割合で存在させることで、面２における凹凸の急峻な変化を抑制し、接合強度を高めることができる。
　ここでは、第１領域６の面積をＡ１、第２領域７の面積をＡ２、第３領域８の面積をＡ３、第４領域９の面積をＡ４とする。第１領域６の面積に対する第２領域７の面積の比は、２≦Ａ２／Ａ１≦３０の範囲内であることが好ましい。つまり、第２領域７の面積は、第１領域６の面積の２倍以上３０倍以下の範囲内である。第１領域６に対して第２領域７を多く存在させることにより、第１領域６が突出した凸にならないようにすることができる。
　第２領域７、第３領域８、及び第４領域９のそれぞれの面積比は、３≦（Ａ３＋Ａ４）／Ａ２、を満たすことが好ましい。つまり、第３領域８と第４領域９の合計面積が、第２領域７の面積の３倍以上である。第２領域７に比べて第３領域８と第４領域９を多く存在させることにより、第２領域７による凹凸の影響を緩和することができる。また、２≦Ａ２／Ａ１≦３０と組合わせることにより、さらに効果を得ることができる。
　最大凹凸高さが５μｍ以上２５μｍ以下である場合、０．３≦（Ａ２＋Ａ３）／（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＋Ａ４）≦０．６、を満たすことが好ましい。最大凹凸高さ５が５μｍ以上２５μｍ以下であるとは、最大凹凸高さ５が中レベル（凹凸が中くらい）であることを示している。この場合は、６ｍｍ×６ｍｍの範囲内で第２領域７と第３領域８の合計面積の割合が、３０％以上６０％以下の範囲内であることが好ましい。第１領域６の面積比は１％以上１０％以下であるから、第２領域７及び第３領域８を除く残部は第４領域９である。つまり、最大凹凸高さ５が５μｍ以上２５μｍ以下である場合、第４領域９の割合を多めにすることが有効である。０．３≦（Ａ２＋Ａ３）／（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＋Ａ４）≦０．６の条件は、２≦Ａ２／Ａ１≦３０、および、３≦（Ａ３＋Ａ４）／Ａ２から選択される１つ以上の条件と組合せてもよい。
　最大凹凸高さが２５μｍを超えて５０μｍ以下である場合、０．５≦（Ａ２＋Ａ３）／（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＋Ａ４）≦０．８、を満たすことが好ましい。最大凹凸高さ５が２５μｍを超えて５０μｍ以下であるとは、最大凹凸高さ５が高レベル（凹凸が大きい）であることを示している。この場合は、６ｍｍ×６ｍｍの部分において、第２領域７と第３領域８の合計面積が５０％以上８０％以下の範囲内であることが好ましい。つまり、最大凹凸高さ５が中レベル（５μｍ以上２５μｍ以下）である場合と比べて、第２領域７と第３領域８の合計面積を多くすることが有効である。０．５≦（Ａ２＋Ａ３）／（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＋Ａ４）≦０．８の条件は、２≦Ａ２／Ａ１≦３０、および、３≦（Ａ３＋Ａ４）／Ａ２から選択される１つ以上の条件と組合せてもよい。
　６ｍｍ×６ｍｍの部分において、第１領域６と第４領域９の間には、第２領域７と第３領域８の両方が存在していることが好ましい。より具体的には、６ｍｍ×６ｍｍの部分に存在する最大凸部３と最大凹部４を直線で結んだ場合に、その直線上には、第２領域７と第３領域８の両方が存在していることが好ましい。
　例えば図３に示した６ｍｍ×６ｍｍの部分では、中央寄りに位置する第１領域６と第４領域９に、それぞれ、最大凸部３と最大凹部４が存在する。最大凸部３と最大凹部４を直線Ｌで結んだ場合に、直線Ｌの上に置いて、第２領域７と第３領域８の両方が存在している。
　第１領域６とは、最大凹凸高さ５に対する高さ比が０．８以上１．０以下の領域である。第４領域９とは、最大凹凸高さ５に対する高さ比が０以上０．３未満の領域である。最大凸部３と最大凹部４の間に、第２領域７と第３領域８の両方が存在することにより、最も高い最大凸部３から最も低い最大凹部４に向けた傾斜を、なだらかにすることができる。これにより、凹凸の影響を低減することができる。
　６ｍｍ×６ｍｍの部分において、第１～第４領域の分布を制御することにより、凹凸の影響を緩和することができる。言い換えると、所定の凹凸が存在していたとしても、第１～第４領域の分布を制御することにより不具合を低減させることができるのである。
　窒化珪素基板１の厚さは、０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。基板の厚さが０．２ｍｍ未満であると、絶縁性が低下する可能性がある。前述のように、実施形態にかかる窒化珪素基板１の面２には、凹凸が存在する。基板が薄くなり過ぎると、凹凸の影響が大きくなり、絶縁性が低下する可能性がある。基板が３ｍｍを超えて厚いと、絶縁性は向上するものの、基板が熱抵抗体となって放熱性が低下する可能性がある。このため、窒化珪素基板１の厚さは、０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内が好ましく、０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内がより好ましい。
　窒化珪素基板１の具体的なサイズは任意である。例えば、窒化珪素基板１のサイズは、縦５０ｍｍ以上、横５０ｍｍ以上であってもよい。縦５０ｍｍ×横５０ｍｍよりも大きなサイズの窒化珪素基板１について、６ｍｍ×６ｍｍの部分における凹凸を制御することによって、より効果を得ることができる。大きなサイズの窒化珪素基板であると、多数個取りが可能となる。多数個取りとは、窒化珪素基板にスクライブ加工を施し、窒化珪素基板を小さなサイズに分割することである。これにより、量産性を高めることができる。スクライブ加工は、金属板の接合前に実施されてもよいし、接合後に実施されてもよい。大きなサイズの窒化珪素基板で接合不良が発生すると、歩留まりへの影響が大きい。このため、凹凸の制御を行うことが、より有効である。
　窒化珪素基板１の熱伝導率は、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。熱伝導率は、フラッシュ法で測定する。熱伝導率は、ＪＩＳ－Ｒ－１６１１に準じて測定する。ＪＩＳ－Ｒ－１６１１は、ＩＳＯ１８７５５に対応している。窒化珪素基板の３点曲げ強度は、５００ＭＰａ以上であることが好ましく、６００ＭＰａ以上であることがより好ましい。３点曲げ強度は、ＪＩＳ－Ｒ－１６０１に準じて測定する。ＪＩＳ－Ｒ－１６０１は、ＩＳＯ１４７０４に対応している。
　以上で説明した窒化珪素基板１は、回路部を設けた窒化珪素回路基板に用いることができる。回路部には、金属板、メタライズ層、薄膜などを用いることができる。
　金属板としては、銅板（銅合金含む）、アルミニウム板（アルミニウム合金含む）などが挙げられる。金属板は、必要に応じ、接合層を介して窒化珪素基板１に接合されてもよい。接合の方法には、活性金属を用いた活性金属接合法が挙げられる。銅板を接合する場合、活性金属接合法では、Ｔｉなどの活性金属を含む活性金属ろう材を用いる。アルミニウム板を接合する場合、Ｓｉなどの活性金属を含む活性金属ろう材を用いる。
　メタライズ層は、窒化珪素基板１に金属ペーストを塗布し、焼成して形成される。メタライズ層は、例えば、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）から選ばれる１種を主成分として含む。薄膜は、スパッタ又は蒸着により形成される導電性膜である。
　図４は、実施形態に係る窒化珪素回路基板の一例を示す側面図である。図４において、１は窒化珪素基板、１０は窒化珪素回路基板、１１は回路部、１２は接合層、１３は放熱部である。窒化珪素回路基板１０は、窒化珪素基板１と、窒化珪素基板１の少なくとも一方の面に設けられた回路部１１と、を備える。図４に示す例では、窒化珪素基板１の表面に回路部１１が設けられ、裏面に放熱部１３が設けられている。回路部１１及び放熱部１３は、それぞれ、接合層１２を介して窒化珪素基板１に接合されている。例えば、表面に金属板の回路部１１を設け、裏面に金属板の放熱部１３を設けることができる。必要に応じ、窒化珪素基板１の両面に回路部１１が設けられてもよい。また、表面に設けられる回路部１１の数は任意である。図示した例に限らず、１つの回路部１１、又は３つ以上の回路部１１が表面に設けられても良い。
　実施形態に係る窒化珪素回路基板１０によれば、面２と回路部１１との接合不良を抑制することができる。ＴＣＴ試験後の接合不良も低減することができる。窒化珪素基板１の表面凹凸の影響を緩和しているため、窒化珪素基板１と回路部１１との接合界面に微少な隙間が発生するのを抑制できる。窒化珪素基板１と回路部１１との接合界面に微少な隙間が存在すると、ＴＣＴ試験後に隙間が大きくなり、接合不良の原因となる可能性がある。接合不良は、超音波探傷試験（ＳＡＴ）で測定可能である。
　金属板が接合される場合、活性金属接合法が用いられる。活性金属接合法では、活性金属を含有する活性金属ろう材を塗布し、焼成して窒化珪素基板１と金属板が接合される。ろう材層を焼成することにより、接合層１２が形成される。
　窒化珪素基板１の面２における凹凸差が大きいと、活性金属ろう材を塗布した際、窒化珪素基板１とろう材層の間に隙間が形成され易くなる。窒化珪素基板１とろう材層の間に隙間があると、窒化珪素基板１と接合層１２との間にも隙間が形成され易くなる。例えば、Ｔｉを含む活性金属ろう材は、窒化珪素基板１と反応して窒化チタン層を形成する。窒化チタン層が形成されることにより、窒化珪素基板１と金属板が強固に接合される。窒化珪素基板１と接合層１２との間に隙間ができると、強固な接合に悪影響を及ぼす。言い換えると、本発明の実施形態は、活性金属接合法を用いて金属板を接合した窒化珪素回路基板１０に好適である。窒化珪素基板１の面２における最大凹凸高さ５、第１領域６～第４領域９の各割合などが制御されることで、窒化珪素基板１と接合層１２との間に隙間が形成され難くなる。その結果、窒化珪素基板１と金属板との接合強度を高めることができる。
　窒化珪素回路基板１０は、半導体素子が実装された半導体装置に用いることができる。図５は、実施形態に係る半導体装置の一例を示す側面図である。図５において、符号１０は窒化珪素回路基板、符号１４は半導体素子、符号２０は半導体装置である。図５では、１つの半導体素子１４が実装された例を示したが、複数の半導体素子１４が実装されても良い。また、図示しないリードフレームまたはワイヤボンディングが設けられても良い。樹脂による封止が行われてもよい。
　次に、実施形態に係る窒化珪素基板１の製造方法について説明する。実施形態に係る窒化珪素基板１は、上記特性を有していれば、その製造方法は特に限定されない。ここでは、窒化珪素基板１を歩留まり良く得るための方法の一例を説明する。
　窒化珪素基板の製造工程は、原料混合工程、成形工程、脱脂工程、焼結工程、を含む。原料混合工程では、主成分となる窒化珪素粉末と焼結助剤粉末を混合した原料粉末を調製する。原料粉末に有機バインダを混合し、原料ペーストを調製する。窒化珪素粉末には、直接窒化粉、イミド分解法粉のいずれも使うことができる。成形工程では、原料ペーストからシート状窒化珪素成形体を調製する。シート状窒化珪素成形体の調製には、ドクターブレード法、金型成形法、射出成形法などが挙げられる。
　次に、脱脂工程、焼結工程を行う。脱脂工程および焼結工程は、窒化硼素板上にシート状窒化珪素成形体を配置して行うことが好ましい。窒化硼素板の表面には、深さ４０μｍ以上の凹部がないことが好ましい。また、窒化硼素板の表面における最大高さ粗さＲｚは、４０μｍ以下であることが好ましい。窒化硼素板の反り量は、０．１ｍｍ以下であることが好ましい。窒化硼素板の反りとは、窒化硼素板の一方の端部と反対側の端部を直線で結び、その直線と窒化硼素板が最も離れた距離を示す。窒化硼素板の長辺方向、短辺方向、対角線方向のいずれの反り量も０．２ｍｍ以下であることが好ましい。
　脱脂工程では、シート状窒化珪素成形体からバインダを除去する。シート状窒化珪素成形体を窒化珪素成形体と呼ぶ。窒化硼素板上に窒化珪素成形体を配置する。単層の窒化珪素成形体が配置されてもよいし、複数の窒化珪素成形体が積層して配置されてもよい。窒化珪素成形体上に重し板が配置されてもよい。窒化硼素板／窒化珪素成形体／窒化硼素板／窒化珪素成形体のように、窒化硼素板と窒化珪素成形体の積層構造が取られてもよい。窒化珪素成形体同士が積層される場合、窒化珪素成形体同士の間に、敷粉を用いてもよい。敷粉は、平均粒径１０μｍ以下の窒化硼素粉であることが好ましい。粒径が小さい敷粉であると、窒化珪素基板１の表面凹凸を小さくすることができる。このため、敷粉の平均粒径は１０μｍ以下が好ましく、６μｍ以下であることがより好ましい。また、重し板を用いることにより、窒化珪素基板１の反りを抑制する効果も得られる。同様に、窒化硼素板と窒化珪素成形体の積層構造を取ることにより、窒化珪素基板１の反りを抑制する効果も得られる。
　脱脂工程は、３５０℃以上６００℃以下の範囲内で行うことが好ましい。脱脂工程により、窒化珪素成形体から有機バインダが除去される。脱脂工程により、窒化珪素脱脂体が得られる。
　焼結工程では、窒化珪素脱脂体を焼結する。焼結工程は、１６００℃以上２０００℃以下の範囲内で行うことが好ましい。焼結工程の雰囲気には、真空中、大気中、不活性雰囲気中などが挙げられる。焼結工程における圧力は、常圧または加圧などに設定される。
　以上の工程により、窒化珪素基板１を得ることができる。必要に応じ、敷粉の除去工程、洗浄工程、反り直し工程などが施されてもよい。窒化珪素基板１の表面を検査し、実施形態に含まれる窒化珪素基板１のみが選別されてもよい。
（実施例）
（実施例１～７、比較例１～２）
　窒化珪素粉と焼結助剤を混合した原料粉末を用意した。原料粉末にバインダなどを添加し、ドクターブレード法により、シート状窒化珪素成形体を作製した。窒化硼素板、窒化硼素敷粉を用いて、シート状窒化珪素成形体の脱脂工程および焼結工程を行った。脱脂工程は、３５０℃以上６００℃以下の範囲内で行った。焼結工程は、１６００℃以上２０００℃以下の範囲内で行った。これにより、窒化珪素基板を得た。窒化珪素基板のサイズは、縦１２０ｍｍ×横１００ｍｍである。使用した窒化硼素板および窒化硼素敷粉は、表１に示した通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　実施例では、好ましい製造条件が満たされている。比較例１では、窒化硼素板の反りは小さいが、凹凸が大きい。また、比較例１では、実施例に比べて敷粉の平均粒径が大きい。比較例２では、窒化硼素板の凹凸は小さいが、反り量が大きい。
　得られた窒化珪素基板の表面凹凸を検査した。窒化珪素基板の表面において、無作為に６ｍｍ×６ｍｍの部分を複数選択し、各部分の凹凸を観察した。凹凸の観察には、３次元形状測定機（キーエンス社製ＶＲ－３０００）を用いた。最大凹凸高さおよび第１～第４領域の面積比の測定方法は、前述の通りである。第１～第４領域のそれぞれの面積比を、第１～第４領域の面積の和を１００％として計算した。その結果を表２に示す。表２において、「ＹＥＳ」は、各領域の面積比が所定の範囲内であったことを示す。「ＮＯ」は、各領域の面積比が所定の範囲外であったことを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
　実施例では、いずれの６ｍｍ×６ｍｍの部分においても、最大凹凸高さが５０μｍ以下であり、かつ各領域の面積比が所定の範囲内であった。実施例では、最大凹凸高さおよび面積比について、好ましい条件が満たされていた。なお、実施例１では、最大凹凸高さが５μｍ以上２５μｍ以下の領域と２５μｍを超えて５０μｍ以下の領域が混在している。比較例１では、最大凹凸高さが８３μｍである部分が存在した。すなわち、比較例１では、各領域の面積比が所定の範囲内であったが、最大凹凸高さが５０μｍを超えている部分が存在した。比較例２では、第１領域の面積比が１５％であり、第２領域の面積比が５％であった。すなわち、比較例２では、最大凹凸高さが５０μｍであったが、第１領域の面積比および第２領域の面積比が範囲外となる部分が存在した。
　次に、実施例１に係る窒化珪素基板を、各領域の面積比の関係に応じて分類した。具体的には、第１領域６の面積をＡ１、第２領域７の面積をＡ２、第３領域８の面積をＡ３、第４領域９の面積をＡ４とする。この場合に、基板ごとに、２≦Ａ２／Ａ１≦３０、３≦（Ａ３＋Ａ４）／Ａ２、０．３≦（Ａ２＋Ａ３）／（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＋Ａ４）≦０．６、０．５≦（Ａ２＋Ａ３）／（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＋Ａ４）≦０．８のそれぞれの条件を満たすか否かを判定した。また、最大凸部と最大凹部の間に、第２領域と第３領域の両方が存在しているかも判定した。各条件を満たすか否かに応じて、実施例１を、それぞれ実施例２～７に分類した。その結果を表３に示す。表３において、「ＹＥＳ」は条件を満たすことを示し、「ＮＯ」は条件を満たさないことを示す。なお、０．３≦（Ａ２＋Ａ３）／（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＋Ａ４）≦０．６、の条件については、最大凹凸高さが５μｍ以上２５μｍ以下である実施例２～４を対象に判定した。０．５≦（Ａ２＋Ａ３）／（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＋Ａ４）≦０．８、の条件については、最大凹凸高さが２５μｍを超えて５０μｍ以下である実施例５～７を対象に判定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
  
　また、実施例２～７に係る窒化珪素基板について、任意の６ｍｍ×６ｍｍの部分における、最大凹凸高さおよび第１～第４領域の面積比の測定結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
  
　次に、窒化珪素基板の表面および裏面に、それぞれ活性金属接合法により金属板を接合した。表面には、回路部を形成するために、厚さ、０．８ｍｍの銅板を接合した。裏面には、厚さ０．８ｍｍの銅板を放熱板として接合した。活性金属ろう材には、活性金属としてＴｉを含有するろう材を用いた。表面の銅板にエッチング処理を施して回路形状を付与し、回路部を形成した。これらの工程により、窒化珪素回路基板を作製した。
　実施例および比較例に係る窒化珪素回路基板に対して、接合不良の有無を調べた。接合不良は、超音波探傷試験（ＳＡＴ）により調べた。回路部における接合不良の面積比が０％以上１％以下である例を、「優良」とした。接合不良の面積比が１％を超えて３％以下である例を、「良」とした。接合不良の面積比が３％を超えて５％以下である例を、「可」とした。接合不良の面積比が５％超えた例を「不可」とした。実施例および比較例ごとに１０個の窒化珪素回路基板における接合不良の面積比を測定し、最も接合不良の面積比が大きかった結果を記録した。
　また、ＴＣＴ試験を行った後の接合不良を調べた。ＴＣＴ試験では、－４０℃で３０分、常温で１０分、１５０℃で３０分、常温で１０分を１サイクルとし、４０００サイクル後の接合不良の面積比を測定した。実施例および比較例ごとに１０個の窒化珪素回路基板における接合不良の面積比を測定し、最も接合不良の面積比が大きかった結果を記録した。それらの結果を表５に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
  
　表５から分かる通り、実施例に係る窒化珪素回路基板では、接合不良が低減されていた。特に、好ましい条件をすべて満たす実施例２および実施例５では、ＴＣＴ試験後であっても接合不良の面積比が小さく、ＴＣＴによる接合強度の低下が抑制されていた。それに対し、比較例１では、最大凹凸高さが大きいため、ＴＣＴ試験前の段階で接合不良の面積比が大きかった。比較例２では、最大凹凸高さが小さいものの、第１領域および第２領域の割合が好ましい範囲を外れていた。このため、ＴＣＴ試験前の段階で接合不良の面積比が比較的大きく、ＴＣＴ試験によって面積比がさらに増加した。
　本発明の実施形態は、以下の特徴を含む。
（特徴１）
　窒化珪素基板の少なくとも一方の面における６ｍｍ×６ｍｍの部分の凹凸を観察した場合に、最大凸部の高さと最大凹部の深さとの差である最大凹凸高さが５０μｍ以下であり、
　前記部分は、
　　前記最大凹凸高さに対する高さ比が０．８以上１．０以下の第１領域と、
　　前記高さ比が０．５以上０．８未満の第２領域と、
　　前記高さ比が０．３以上０．５未満の第３領域と、
　　前記高さ比が０以上０．３未満の第４領域と、
　を含み、
　前記第１乃至前記第４領域の合計面積に対する前記第１領域の面積の比は、１％以上１０％以下であり、
　前記合計面積に対する前記第２領域の面積の比は、１０％以上５０％以下であり、
　前記合計面積に対する前記第３領域の面積の比は、２０％以上５０％以下であり、
　前記合計面積に対する前記第４領域の面積の比は、１０％以上６０％以下である、窒化珪素基板。
（特徴２）
　２≦前記第２領域の前記面積／前記第１領域の前記面積≦３０、を満たす特徴１記載の窒化珪素基板。
（特徴３）
　３≦（前記第３領域の前記面積＋前記第４領域の前記面積）／前記第２領域の前記面積、を満たす特徴１または特徴２に記載の窒化珪素基板。
（特徴４）
　前記最大凹凸高さが５μｍ以上２５μｍ以下であり、
　０．３≦（前記第２領域の前記面積＋前記第３領域の前記面積）／前記合計面積≦０．６、を満たす特徴１乃至特徴３のいずれか１つに記載の窒化珪素基板。
（特徴５）
　前記最大凹凸高さが２５μｍを超えて５０μｍ以下であり、
　０．５≦（前記第２領域の前記面積＋前記第３領域の前記面積）／前記合計面積≦０．８、を満たす特徴１乃至特徴３のいずれか１つに記載の窒化珪素基板。
（特徴６）
　前記部分において、前記最大凸部と前記最大凹部とを直線で結んだ場合に、前記直線上に前記第２領域と前記第３領域の両方が存在している、特徴１乃至特徴５のいずれか１つに記載の窒化珪素基板。
（特徴７）
　基板厚さが０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下である、特徴１乃至特徴６のいずれか１つに記載の窒化珪素基板。
（特徴８）
　縦の寸法が５０ｍｍ以上であり、横の寸法が５０ｍｍ以上である特徴７に記載の窒化珪素基板。
（特徴９）
　特徴１乃至特徴８のいずれか１つに記載の前記窒化珪素基板と、
　前記窒化珪素基板の上に設けられた回路部と、
　を備えた窒化珪素回路基板。
　以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、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、特許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、相互に組み合わせて実施することができる。
１…窒化珪素基板
２…面
３…最大凸部
４…最大凹部
５…最大凹凸高さ
６…第１領域
７…第２領域
８…第３領域
９…第４領域
１０…窒化珪素回路基板
１１…回路部
１２…接合層
１３…放熱部
１４…半導体素子
２０…半導体装置
 

Claims (19)

  1. 　窒化珪素基板の少なくとも一方の面における６ｍｍ×６ｍｍの部分の凹凸を観察した場合に、最大凸部の高さと最大凹部の深さとの差である最大凹凸高さが５０μｍ以下であり、
    　前記部分は、
    　　前記最大凹凸高さに対する高さ比が０．８以上１．０以下の第１領域と、
    　　前記高さ比が０．５以上０．８未満の第２領域と、
    　　前記高さ比が０．３以上０．５未満の第３領域と、
    　　前記高さ比が０以上０．３未満の第４領域と、
    　を含み、
    　前記第１乃至前記第４領域の合計面積に対する前記第１領域の面積の比は、１％以上１０％以下であり、
    　前記合計面積に対する前記第２領域の面積の比は、１０％以上５０％以下であり、
    　前記合計面積に対する前記第３領域の面積の比は、２０％以上５０％以下であり、
    　前記合計面積に対する前記第４領域の面積の比は、１０％以上６０％以下である、窒化珪素基板。
  2. 　２≦前記第２領域の前記面積／前記第１領域の前記面積≦３０、を満たす請求項１記載の窒化珪素基板。
  3. 　３≦（前記第３領域の前記面積＋前記第４領域の前記面積）／前記第２領域の前記面積、を満たす請求項１または請求項２に記載の窒化珪素基板。
  4. 　前記最大凹凸高さが５μｍ以上２５μｍ以下であり、
    　０．３≦（前記第２領域の前記面積＋前記第３領域の前記面積）／前記合計面積≦０．６、を満たす請求項１または請求項２に記載の窒化珪素基板。
  5. 　前記最大凹凸高さが５μｍ以上２５μｍ以下であり、
    　０．３≦（前記第２領域の前記面積＋前記第３領域の前記面積）／前記合計面積≦０．６、を満たす請求項３に記載の窒化珪素基板。
  6. 　前記最大凹凸高さが２５μｍを超えて５０μｍ以下であり、
    　０．５≦（前記第２領域の前記面積＋前記第３領域の前記面積）／前記合計面積≦０．８、を満たす請求項１または請求項２に記載の窒化珪素基板。
  7. 　前記最大凹凸高さが２５μｍを超えて５０μｍ以下であり、
    　０．５≦（前記第２領域の前記面積＋前記第３領域の前記面積）／前記合計面積≦０．８、を満たす請求項３に記載の窒化珪素基板。
  8. 　前記部分において、前記最大凸部と前記最大凹部とを直線で結んだ場合に、前記直線上に前記第２領域と前記第３領域の両方が存在している、請求項１または請求項２に記載の窒化珪素基板。
  9. 　前記部分において、前記最大凸部と前記最大凹部とを直線で結んだ場合に、前記直線上に前記第２領域と前記第３領域の両方が存在している、請求項５に記載の窒化珪素基板。
  10. 　前記部分において、前記最大凸部と前記最大凹部とを直線で結んだ場合に、前記直線上に前記第２領域と前記第３領域の両方が存在している、請求項７に記載の窒化珪素基板。
  11. 　基板厚さが０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の窒化珪素基板。
  12. 　基板厚さが０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下である、請求項５に記載の窒化珪素基板。
  13. 　基板厚さが０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下である、請求項８に記載の窒化珪素基板。
  14. 　縦の寸法が５０ｍｍ以上であり、横の寸法が５０ｍｍ以上である請求項１１に記載の窒化珪素基板。
  15. 　縦の寸法が５０ｍｍ以上であり、横の寸法が５０ｍｍ以上である請求項１２に記載の窒化珪素基板。
  16. 　縦の寸法が５０ｍｍ以上であり、横の寸法が５０ｍｍ以上である請求項１３に記載の窒化珪素基板。
  17. 　請求項１または請求項２に記載の前記窒化珪素基板と、
    　前記窒化珪素基板の上に設けられた回路部と、
    　を備えた窒化珪素回路基板。
  18. 　請求項１２に記載の前記窒化珪素基板と、
    　前記窒化珪素基板の上に設けられた回路部と、
    　を備えた窒化珪素回路基板。
  19. 　請求項１３に記載の前記窒化珪素基板と、
    　前記窒化珪素基板の上に設けられた回路部と、
    　を備えた窒化珪素回路基板。
     
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