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公開番号2025069468
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-30
出願番号2025023768,2022524457
出願日2025-02-17,2021-05-17
発明の名称接合体及びセラミックス銅回路基板
出願人株式会社東芝,東芝マテリアル株式会社
代理人弁理士法人iX
主分類C04B 37/02 20060101AFI20250422BHJP(セメント;コンクリート;人造石;セラミックス;耐火物)
要約【課題】接合層中のTi分布を制御した接合体及びセラミックス銅回路基板を提供する。
【解決手段】実施形態にかかる接合体は、窒化珪素基板と、銅板と、窒化珪素基板の少なくとも一方の面に配置され、窒化珪素基板と銅板とを接合し、チタンを含有する接合層と、を備える。接合層は、チタンを主成分とした層を含み、層が接合層の窒化珪素基板との界面に形成された、第一領域と、第一領域と銅板との間に位置する第二領域と、を有する。第一域及び第二領域の測定領域の200μm×厚みの範囲におけるTi濃度を測定したときの第一領域のチタン濃度M1at%と第二領域のチタン濃度M2at%の比M1/M2が0.5以上5以下である。第二領域のチタン濃度M2が、0.5at%以上15at%以下の範囲内である。第二領域の複数の測定領域のTi濃度を測定したとき、測定領域同士の間のTi濃度のばらつきが±20%以内である。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
窒化珪素基板と、
銅板と、
前記窒化珪素基板の少なくとも一方の面に配置され、前記窒化珪素基板と前記銅板とを接合する接合層と、
を備え、
前記接合層は、チタンを含有し、
前記接合層は、
チタンを主成分とした層を含み、前記層が前記接合層の前記窒化珪素基板との界面に形成された、第一領域と、
前記第一領域と前記銅板との間に位置する第二領域と、
を有し、
前記第一領域及び前記第二領域のそれぞれの測定領域の２００μｍ×厚みの範囲におけるＴｉ濃度をＥＤＸにより測定したときの、前記第一領域のチタン濃度Ｍ１ａｔ％と前記第二領域のチタン濃度Ｍ２ａｔ％の比Ｍ１／Ｍ２が０．５以上５以下であり、
前記第二領域のチタン濃度Ｍ２が、０．５ａｔ％以上１５ａｔ％以下の範囲内であり、
前記第二領域に複数の前記測定領域を設定し、それぞれの前記測定領域のＴｉ濃度をＥＤＸにより測定したときに、前記複数の測定領域同士の間のＴｉ濃度のばらつきが±２０％以内であることを特徴とする接合体。
続きを表示（約 540 文字）【請求項２】
前記第一領域の厚さが５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
前記第二領域の厚さが５μｍ以上７０μｍ以下であることを特徴とする請求項１また請求項２に記載の接合体。
【請求項４】
前記第二領域には、ＴｉＳｉ、ＣｕＳｎ、およびＴｉＳｎが存在することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項５】
前記銅板の厚さが０．６ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項６】
前記第二領域は、銀および銅から選ばれるいずれか１種または２種を含有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項７】
前記窒化珪素基板の両面に前記銅板がそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の接合体を備え、
前記窒化珪素基板の少なくとも一方の面に配置された前記銅板に回路構造が付与されたことを特徴とするセラミックス銅回路基板。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
後述する実施形態は、接合体及びセラミックス銅回路基板に関する。
続きを表示（約 5,600 文字）【背景技術】
【０００２】
セラミックス基板と銅板の接合体は、半導体素子などを搭載するための回路基板として用いられている。国際公開第２０１８／０２１４７２号公報（特許文献１）には、セラミックス基板と銅板を接合したセラミックス銅回路基板が開示されている。特許文献１では、接合層にＡｇ、Ｃｕ、Ｔｉなどを含有するろう材を用いている。また、接合層のナノインデンテーション硬さを制御することにより、温度サイクル試験（ＴＣＴ）特性を向上させている。特許文献１では、接合層中にＡｇＴｉ結晶やＴｉＣを存在させることにより、ナノインデンテーション硬さを制御している。特許文献１ではナノインデンテーション硬さを制御することにより、接合強度とＴＣＴ特性を向上させている。
その一方で、接合体が大きくなると、ＴＣＴ特性が低下するものがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
国際公開第２０１８／０２１４７２号公報
特許第４０７７８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この原因を追究したところ、接合層中のＴｉ分布に原因があることが分かった。特許第４０７７８８８号公報（特許文献２）には、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉろう材を使った接合体が開示されている。特許文献２では、接合層中に窒化チタン（ＴｉＮ）層が形成されている。この窒化チタン層は、ビッカース硬さ１１００～１３００程度の硬い層である。ＴｉＮ層とＡｇＣｕ層の硬さの違いが原因であることが分かった。
本発明は、このような問題に対応するための接合層中のＴｉ分布を制御した接合体を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態にかかる接合体は、窒化珪素基板と、銅板と、前記窒化珪素基板の少なくとも一方の面に配置され、前記窒化珪素基板と前記銅板とを接合する接合層と、を備える。前記接合層は、チタンを含有する。前記接合層は、チタンを主成分とした層を含み、前記層が前記接合層の前記窒化珪素基板との界面に形成された、第一領域と、前記第一領域と前記銅板との間に位置する第二領域と、を有する。前記第一領域及び前記第二領域のそれぞれの測定領域の２００μｍ×厚みの範囲におけるＴｉ濃度をＥＤＸにより測定したときの、前記第一領域のチタン濃度Ｍ１ａｔ％と前記第二領域のチタン濃度Ｍ２ａｔ％の比Ｍ１／Ｍ２が０．５以上５以下である。前記第二領域のチタン濃度Ｍ２が、０．５ａｔ％以上１５ａｔ％以下の範囲内である。前記第二領域に複数の前記測定領域を設定し、それぞれの前記測定領域のＴｉ濃度をＥＤＸにより測定したときに、前記複数の測定領域同士の間のＴｉ濃度のばらつきが±２０％以内であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
実施形態にかかる接合体の一例を示す図。
実施形態にかかる接合体の接合層の一例を示す図。
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板の一例を示す図。
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板の別の一例を示す。
実施形態にかかる半導体装置の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
実施形態にかかる接合体は、窒化珪素基板と、銅板と、前記窒化珪素基板の少なくとも一方の面に配置され、前記窒化珪素基板と前記銅板とを接合する接合層と、を備える。前記接合層は、チタンを含有する。前記接合層は、チタンを主成分とした層を含み、前記層が前記接合層の前記窒化珪素基板との界面に形成された、第一領域と、前記第一領域と前記銅板との間に位置する第二領域と、を有する。前記第一領域及び前記第二領域のそれぞれの測定領域の２００μｍ×厚みの範囲におけるＴｉ濃度をＥＤＸにより測定したときの、前記第一領域のチタン濃度Ｍ１ａｔ％と前記第二領域のチタン濃度Ｍ２ａｔ％の比Ｍ１／Ｍ２が０．５以上５以下である。前記第二領域のチタン濃度Ｍ２が、０．５ａｔ％以上１５ａｔ％以下の範囲内である。前記第二領域に複数の前記測定領域を設定し、それぞれの前記測定領域のＴｉ濃度をＥＤＸにより測定したときに、前記複数の測定領域同士の間のＴｉ濃度のばらつきが±２０％以内であることを特徴とする。
図１は、実施形態にかかる接合体の一例を示す。図２は、実施形態にかかる接合体の接合層の一例を示す。図１及び図２において、１は接合体である。２はセラミックス基板である。３は銅板である。４は接合層である。５は第一領域である。６は第二領域である。
図１は、セラミックス基板２の両面に接合層４をそれぞれ介して２つの銅板３が配置された接合体１を示す。図示した例では、セラミックス基板２と２つの銅板３のそれぞれの縦横サイズは、互いに同じである。実施形態にかかる接合体は、このような形態に限定されず、セラミックス基板２の片面のみに銅板が設けた構造を有しても良い。また、セラミックス基板２の縦横サイズは、銅板３の縦横サイズと異なっていてもよい。
【０００８】
接合体１は、セラミックス基板２、銅板３、及び接合層４を備える。接合層４は、前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に配置され、前記セラミックス基板２と前記銅板３とを接合している。また、接合層４は、Ｔｉを含有し、第一領域５及び第二領域６を有する。第一領域５は、チタンを主成分とした層を含む。チタンを主成分とした層は、接合層４のセラミックス基板２との界面に形成されている。第二領域６は、第一領域５と銅板との間に位置する。
図２は、接合層４の概念図を示す。接合層４は、第一領域５と第二領域６の積層構造を有する。
【０００９】
第一領域５は、チタンを主成分とする層を含む領域である。チタンを主成分とする層は、チタンが３０ａｔ％以上存在する領域を指す。また、チタンを主成分とする層は、チタン単体、酸化物、窒化物、珪化物、および酸窒化物のいずれか１種または２種以上が存在する層を指す。例えば、窒化チタン層上に、窒化チタン層に接するチタンシリサイドが形成されていた場合、チタンを主成分とする層はチタンシリサイドと窒化チタン層である。つまり、窒化チタン層に、チタンシリサイドが直接接している場合は、窒化チタン層及びチタンシリサイドを、チタンを主成分とする層としてカウントする。
また、第一領域５は、セラミックス基板２と接合層４の界面に沿って存在している。このため、チタンを主成分とする層は、セラミックス基板２表面に沿って形成されることになる。
チタンを主成分とする層は、セラミックス基板２から厚み方向に連続的に形成されている。例えば、チタンを主成分とする層から離れた位置に存在する窒化チタンは、第二領域６としてカウントする。チタン単体、酸化物、酸窒化物がチタンを主成分とする層から離れた位置に存在する場合は、それらを第二領域６としてカウントする。
Ｔｉ酸化物としては、ＴｉＯ
２
（酸化チタン）などが挙げられる。Ｔｉ窒化物として、ＴｉＮ（窒化チタン）、Ｔｉ
２
Ｎ（窒化二チタン）などが挙げられる。Ｔｉ酸窒化物として、ＴｉＯＮ（酸窒化チタン）などが挙げられる。Ｔｉ酸化物、Ｔｉ窒化物、Ｔｉ酸窒化物は、例示したものに限定されない。例えば、ＴｉＮ（窒化チタン）は、チタンと窒素の原子比１対１が安定する化学量論であるが、化学量論からずれていても良い。また、チタンを主成分とする層は、例示した材料の２種以上が混在した層であってもよい。「窒化チタン」は、チタンと窒素の化合物を示す。ＴｉＮと表記した場合、チタンと窒素の原子比は１対１に限定されず、チタンと窒素の化合物を示す。
また、セラミックス基板が窒化物系セラミックス基板の場合、チタンを主成分とする層は、窒化チタンを主成分として含有する。また、窒化物系セラミックス基板の場合、チタンを３０ａｔ％以上含有する窒化チタンが、チタンを主成分とする層を構成する。また、窒化チタンは、立方晶、および六方晶、正方晶から選ばれる１種または２種以上が存在していてもよい。また、窒化物系セラミックス基板の場合、セラミックス基板２の表面に形成された窒化チタン層を基準に第一領域５を求めることができる。つまり、窒化チタン層の最大厚みを用いて第一領域５のチタン量Ｍ１を求めることができる。
接合層４がＡｇを含んでいる場合は、窒化チタンを主成分とする層に、Ｔｉ
２
Ｎ、Ｔｉ
０．８３
Ｎ
０．１７
および金属Ｔｉから選ばれる１種または２種以上が存在していてもよい。Ｔｉ
２
Ｎ、Ｔｉ
０．８３
Ｎ
０．１７
または金属Ｔｉは、Ｔｉ量の多いＴｉリッチ相となる。窒化チタンを主成分とする層にＴｉリッチ相が存在することにより、第二領域６に存在するＴｉ量を制御することができる。また、接合層がＡｇを含んでいない場合は、窒化チタンを主成分とする層に、Ｔｉリッチ相が０ａｔ％以上１０ａｔ％以下の範囲内で存在することが好ましい。なお、Ｔｉリッチ相が０ａｔ％とは、検出限界以下であることを指す。Ｔｉリッチ相は、ＴｉとＮの原子比が１対１の領域よりも多くのＴｉを含む。第一領域５にＴｉ量を多くすることにより、第一領域５のチタン濃度と第二領域６のチタン濃度の比を制御することができる。
また、セラミックス基板が酸化物系セラミックスの場合、チタンを主成分とする層は、酸化チタンを主成分として含有する。また、酸化チタンとしては、ＴｉＯ
２
、ＴｉＯ、Ｔｉ
３
Ｏ
２
などが挙げられる。このため、酸化チタン層を基準にチタンを主成分とする層を認定しても良い。
チタンを主成分とする層は、セラミックス基板２の表面上に形成される。チタンを主成分とする層は、表面方向において一定の厚さである必要は無い。また、チタンを主成分とする層は、接合層４のセラミックス基板２との界面の９０％以上に存在すればよい。セラミックス基板２の界面とは、セラミックス基板２の表面のうち接合層４が設けられた領域のことである。セラミックス基板２の表面であっても、接合層４が設けられていない領域は、カウントの対象にはならない。
チタンを主成分とする層は、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線）分析により確認することができる。接合体１の任意の断面を、ＥＤＸ分析する。ＥＤＸ分析では、接合層４における測定領域内をエリア分析する。測定領域は、長さ２００μｍ×厚みの範囲である。測定領域内の１８０μｍ（＝２００μｍ×９０％）以上に渡って、セラミックス基板２の表面にチタンを主成分とする層が観察されれば、チタンを主成分とする層が存在すると見なすことができる。
また、ＥＤＸ分析によりエリア分析することで、チタンを主成分とする層に含有されるＴｉ以外の成分を分析できる。例えば、エリア分析により、窒素が検出されれば、チタンを主成分とする層は、Ｔｉ窒化物を含有すると考えられる。また、セラミックス基板２と接合層４の境界が判別し難いときは、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）分析を用いる。ＴＥＭ分析の結果を踏まえ、接合層４をＥＤＸ点分析することにより、ＴｉとＮを検出する方法が有効である。窒素以外の元素についても同様の方法で検出することができる。
【００１０】
第一領域５の厚さは、測定領域内で、チタンを主成分とする層のセラミックス基板２に一番近い箇所と一番遠い箇所との間の幅で求める。チタンを主成分とする層は、セラミックス基板２の表面に沿って形成される。セラミックス基板２の表面には、微少な凹凸が存在する。このため、第一領域５の厚さは、前述の方法で求める。この方法で第一領域５の厚さを求めるため、第一領域５は、チタンを主成分とする層以外の領域も含んでいる。
また、測定領域内で、前記一番近い箇所を通り、面方向に平行な線をセラミックス基板２と第一領域５の境界線とする。面方向は、セラミックス基板２と接合層４とを結ぶ厚み方向に対して垂直な方向である。セラミックス基板２と第一領域５の境界線を第一の境界線と呼ぶ。
測定領域内で、前記一番遠い箇所を通り、面方向に平行な線を第一領域５と第二領域６の境界線とする。第一領域５と第二領域６の境界線を、第二の境界線と呼ぶ。従って、第一領域５の厚さは、第一の境界線と第二の境界線との間の幅となる。
第二領域６の厚さは、第二の境界線から、接合層４と銅板３の境界までの幅である。接合層４と銅板３の境界は、測定領域内で接合層の成分がつながって銅板３に接した箇所の一番遠い箇所（セラミックス基板２から一番離れた箇所）となる。第二領域６の銅板３との界面近傍から銅板３に渡って、接合層の成分の検出量が急峻に低下し、接合層の成分が不連続となる。測定領域内で、接合層の成分がつながって銅板３に接した箇所の一番遠い箇所を通り、面方向に平行な線を第三の境界線と呼ぶ。従って、第二領域６の厚さは、第二の境界線から第三の境界線の幅となる。測定領域内では、接合層４を構成する成分が第一領域５までつながった領域が存在する。この領域が銅板３に接する箇所が、接合層４の成分がつながって銅板３に接した箇所である。
（【００１１】以降は省略されています）

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