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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-04
(45)【発行日】2022-03-14
(54)【発明の名称】セラミックス焼結体及び半導体装置用基板
(51)【国際特許分類】
C04B 35/119 20060101AFI20220307BHJP
H01L 23/15 20060101ALI20220307BHJP
【ＦＩ】
C04B35/119
H01L23/14 C
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2020558758
(86)(22)【出願日】2018-12-06
(86)【国際出願番号】 JP2018044950
(87)【国際公開番号】W WO2020115870
(87)【国際公開日】2020-06-11
【審査請求日】2021-03-10
(73)【特許権者】
【識別番号】000004064
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】391039896
【氏名又は名称】ＮＧＫエレクトロデバイス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000202
【氏名又は名称】新樹グローバル・アイピー特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】梅田 勇治
(72)【発明者】
【氏名】河野 浩
【審査官】浅野 昭
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１４／１０３４６５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／２１７４９０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平１－２１２２７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５７－１４０３７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５７－１００９７６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ０４Ｂ ３５／１１９
Ｈ０１Ｌ ２３／１５
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴＣｈｉｎａ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｚｒと、Ａｌと、Ｙと、Ｍｇとを含み、Ｚｒの含有量は、ＺｒＯ２換算で、７．５質量％以上２３．５質量％以下であり、
Ａｌの含有量は、Ａｌ２Ｏ３換算で、７４．９質量％以上９１．８質量％以下であり、
Ｙの含有量は、Ｙ２Ｏ３換算で、０．４１質量％以上１．５８質量％以下であり、
Ｍｇの含有量は、ＭｇＯ換算で、０．１０質量％以上０．８０質量％以下であって、
結晶相として、ＺｒＯ２結晶相を含み、
前記ＺｒＯ２結晶相は、結晶構造として、単斜晶相と正方晶相とを有し、
１８０℃環境下で１００時間の熱エージング処理を施した場合、Ｘ線回折パターンにおいて、単斜晶相及び正方晶相それぞれのピーク強度の和に対する単斜晶相のピーク強度の比は、１５％以下である、
セラミックス焼結体。
【請求項2】
１８０℃環境下で１００時間の熱エージング処理を施した場合、Ｘ線回折パターンにおいて、単斜晶相及び正方晶相それぞれのピーク強度の和に対する単斜晶相のピーク強度の比は、４％以上である、請求項１に記載のセラミックス焼結体。
【請求項3】
結晶相として、Ａｌ２Ｏ３結晶相とＭｇＡｌ２Ｏ４結晶相とを含み、前記熱エージング処理を施す前、Ｘ線回折パターンにおいて、Ａｌ２Ｏ３結晶相のピーク強度に対するＭｇＡｌ２Ｏ４結晶相のピーク強度の比は、４％以下である、
請求項１又は２に記載のセラミックス焼結体。
【請求項4】
１８０℃環境下で１００時間の熱エージング処理を施した場合、曲げ強度が、５００ＭＰａ以上である、請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミックス焼結体。
【請求項5】
前記熱エージング処理を施す前、Ｘ線回折パターンにおいて、単斜晶相及び正方晶相それぞれのピーク強度の和に対する単斜晶相のピーク強度の比は、７％以下である、請求項１乃至４のいずれかに記載のセラミックス焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、セラミックス焼結体及び半導体装置用基板に関する。
【背景技術】
【0002】
パワートランジスタモジュールなどに用いる半導体装置用基板として、セラミックス焼結体の表面に銅板を備えたＤＢＯＣ基板（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）や、セラミックス焼結体の表面にアルミニウム板を備えたＤＢＯＡ基板（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）が知られている。
【0003】
特許文献１には、アルミナと部分安定化ジルコニアとマグネシアとを含むセラミックス焼結体が開示されている。特許文献１に記載のセラミックス焼結体において、部分安定化ジルコニアの含有量は１～３０ｗｔ％であり、マグネシアの含有量は０.０５～０.５０ｗｔ％であり、部分安定化ジルコニアにおけるイットリアのモル分率は０.０１５～０.０３５であり、セラミックス焼結体に含まれるジルコニア結晶のうち８０～１００％が正方晶相である。特許文献１に記載のセラミックス焼結体によれば、機械的強度を向上させてセラミックス焼結体と銅板又はアルミニウム板との接合界面にクラック及びボイド（部分的な剥離又は浮き上がり）が生じることを抑制できるとされている。
【0004】
特許文献２には、アルミナとジルコニアとイットリアとを含むセラミックス焼結体が開示されている。特許文献２に記載のセラミックス焼結体において、ジルコニアの含有量は２～１５重量％であり、アルミナの平均粒径は２～８μｍである。特許文献２に記載のセラミックス焼結体によれば、熱伝導率を向上させることができるとされている。
【0005】
特許文献３には、アルミナ、安定化成分、ハフニア及びジルコニアを含むセラミック基板が開示されている。特許文献３に記載のセラミックス基板において、ハフニア及びジルコニアのアルミナに対する重量比は７～１１重量比であり、アルミナの平均粒径は１．０～１．５μｍであり、ジルコニアの平均粒径は０．３～０．５μｍである。特許文献３に記載のセラミックス焼結体によれば、熱伝導率を向上させることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特許４７１７９６０号公報
【文献】特表２０１５－５３４２８０号公報
【文献】国際公開第２０１６－２０８７６６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献１～３に記載のセラミックス焼結体では、高温環境下に曝されると機械的強度が低下しやすいという問題に加えて、半導体装置用基板に組み込んだ状態で熱サイクルを繰り返すとクラックが発生しやすいという問題もある。
【0008】
本発明は、機械的強度の低下とクラックの発生とを抑制可能なセラミックス焼結体の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係るセラミックス焼結体は、Ｚｒと、Ａｌと、Ｙと、Ｍｇとを含み、Ｚｒの含有量は、ＺｒＯ２換算で７．５質量％以上２３．５質量％以下であり、Ａｌの含有量は、Ａｌ２Ｏ３換算で７４．９質量％以上９１．８質量％以下であり、Ｙの含有量は、Ｙ２Ｏ３換算で０．４１質量％以上１．５８質量％以下であり、Ｍｇの含有量は、ＭｇＯ換算で０．１０質量％以上０．８０質量％以下である。セラミックス焼結体は、結晶相として、ＺｒＯ２結晶相を含む。ＺｒＯ２結晶相は、結晶構造として、単斜晶相と正方晶相とを有する。１８０℃環境下で１００時間の熱エージング処理を施した場合、Ｘ線回折パターンにおいて、単斜晶相及び正方晶相それぞれのピーク強度の和に対する単斜晶相のピーク強度の比は、１５％以下である。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、機械的強度の低下とクラックの発生とを抑制可能なセラミックス焼結体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図2】実施形態に係る半導体装置用基板の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図3】実施例に係る半導体装置用基板サンプルの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明に係るセラミックス焼結体及びそれを用いた半導体装置用基板の構成について、図面を参照しながら説明する。
【0013】
（半導体装置１の構成）
図１は、実施形態に係る半導体装置１の断面図である。半導体装置１は、自動車、空調機、産業用ロボット、業務用エレベータ、家庭用電子レンジ、ＩＨ電気炊飯器、発電（風力発電、太陽光発電、燃料電池など）、電鉄、ＵＰＳ（無停電電源）などの様々な電子機器においてパワーモジュールとして用いられる。
図１は、実施形態に係る半導体装置１の断面図である。半導体装置１は、自動車、空調機、産業用ロボット、業務用エレベータ、家庭用電子レンジ、ＩＨ電気炊飯器、発電（風力発電、太陽光発電、燃料電池など）、電鉄、ＵＰＳ（無停電電源）などの様々な電子機器においてパワーモジュールとして用いられる。
【0014】
半導体装置１は、半導体装置用基板２、第１接合材５、第２接合材５’、半導体チップ６、ボンディングワイヤ７及びヒートシンク８を備える。
【0015】
半導体装置用基板２は、いわゆるＤＢＯＣ基板（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）である。半導体装置用基板２は、セラミックス焼結体３、第１銅板４及び第２銅板４’を備える。
【0016】
セラミックス焼結体３は、半導体装置用基板２用の絶縁体である。セラミックス焼結体３は、平板状に形成される。セラミックス焼結体３は、半導体装置用基板２の基板である。セラミックス焼結体３の構成については後述する。
【0017】
第１銅板４は、セラミックス焼結体３の表面に接合される。第１銅板４には、電送回路が形成されている。第２銅板４’は、セラミックス焼結体３の裏面に接合される。第２銅板４’は、平板状に形成される。
【0018】
なお、半導体装置用基板２は、第１及び第２銅板４，４’に代えて、第１及び第２アルミニウム板を用いた、いわゆるＤＢＯＡ基板（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）であってもよい。銅板よりも柔らかいアルミニウム板が用いられるＤＢＯＡ基板では、内部に発生する熱応力を更に緩和させることができる。
【0019】
また、半導体装置用基板２では、電送回路が形成された第１銅板４がセラミックス焼結体３の表面に接合されているが、電送回路は、サブトラクティブ法又はアディティブ法によって形成されてもよい。
【0020】
半導体装置用基板２の作製方法は特に制限されないが、例えば次のように作製することができる。まず、セラミックス焼結体３の表裏面に第１及び第２銅板４，４’を配置した積層体を形成する。次に、積層体を１０７０℃～１０７５℃の窒素雰囲気条件下で１０分程度加熱する。これによって、セラミックス焼結体３と第１及び第２銅板４，４’とが接合する界面（以下、「接合界面」と総称する。）にＣｕ－Ｏ共晶液相が生成され、セラミックス焼結体３の表裏面が濡れる。次に、積層体を冷却することによってＣｕ－Ｏ共晶液相が固化されて、セラミックス焼結体３に第１及び第２銅板４，４’が接合される。
【0021】
第１接合材５は、第１銅板４と半導体チップ６との間に配置される。半導体チップ６は、第１接合材５を介して第１銅板４に接合される。ボンディングワイヤ７は、半導体チップ６と第１銅板４とを接続する。
【0022】
第２接合材５’は、第２銅板４’とヒートシンク８との間に配置される。ヒートシンク８は、第２接合材５’を介して第２銅板４’に接合される。ヒートシンク８は、例えば銅などによって構成することができる。
【0023】
（セラミックス焼結体３の構成元素）
セラミックス焼結体３は、Ｚｒ（ジルコニウム）と、Ａｌ（アルミニウム）と、Ｙ（イットリウム）と、Ｍｇ（マグネシウム）とを含む。
セラミックス焼結体３は、Ｚｒ（ジルコニウム）と、Ａｌ（アルミニウム）と、Ｙ（イットリウム）と、Ｍｇ（マグネシウム）とを含む。
【0024】
セラミックス焼結体３における各構成元素の含有量は、以下の通りである。
【0025】
・Ｚｒ：ＺｒＯ２換算で、７．５質量％以上２３．５質量％以下
・Ａｌ：Ａｌ２Ｏ３換算で、７４．９質量％以上９１．８質量％以下
・ Ｙ：Ｙ２Ｏ３換算で、０．４１質量％以上１．５８質量％以下
・Ｍｇ：ＭｇＯ換算で、０．１０質量％以上０．８０質量％以下
・Ａｌ：Ａｌ２Ｏ３換算で、７４．９質量％以上９１．８質量％以下
・ Ｙ：Ｙ２Ｏ３換算で、０．４１質量％以上１．５８質量％以下
・Ｍｇ：ＭｇＯ換算で、０．１０質量％以上０．８０質量％以下
【0026】
Ｚｒの含有量をＺｒＯ２換算で７．５質量％以上とすることによって、セラミックス焼結体３の線熱膨張係数が過小になることを抑制でき、セラミックス焼結体３と第１及び第２回路板４，４’との線熱膨張係数差を小さくできると考えられる。その結果、接合界面に生じる熱応力を小さくでき、熱サイクルによってクラックが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。
【0027】
Ｚｒの含有量をＺｒＯ２換算で２３．５質量％以下とすることによって、回路板接合時の接合界面における反応が過剰になることを抑制できると考えられる。その結果、接合界面にボイドが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。
【0028】
Ｙの含有量をＹ２Ｏ３換算で０．４１質量％以上とすることによって、後述する熱エージング後Ｍ相率が過大になることを抑制できると考えられる。その結果、熱エージング処理によってセラミックス焼結体３の機械的強度が低下することの抑制に寄与するものと考えられる。
【0029】
Ｙの含有量をＹ２Ｏ３換算で１．５８質量％以下とすることによって、後述する熱エージング後Ｍ相率が過小になることを抑制できると考えられる。その結果、熱エージング処理によってセラミックス焼結体３の機械的強度が低下することの抑制に寄与するものと考えられる。
【0030】
Ｍｇの含有量をＭｇＯ換算で０．１０質量％以上とすることによって、焼成温度を過剰に高くしなくてもセラミックス焼結体３を焼結させられ、Ａｌ２Ｏ３粒子及びＺｒＯ２粒子の粗大化を抑制できると考えられる。その結果、セラミックス焼結体３の機械的強度を向上でき、熱サイクルによってクラックが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。また、セラミックス焼結体３中に十分な量のＭｇＡｌ２Ｏ４（スピネル）結晶を生成でき、回路板接合時におけるＣｕ－Ｏ共晶液相との濡れ性を向上させることができると考えられる。その結果、接合界面にボイドが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。
【0031】
Ｍｇの含有量をＭｇＯ換算で０．８０質量％以下とすることによって、アルミナ結晶及びジルコニア結晶の過剰な成長を抑制でき、セラミックス焼結体３の機械的強度を向上できると考えられる。その結果、熱サイクルによってクラックが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。また、セラミックス焼結体３中にＭｇＡｌ２Ｏ４結晶が過剰に生成されることを抑制でき、回路板接合時の接合界面における反応が過剰になることを抑制できると考えられる。その結果、接合界面にボイドが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。
【0032】
本実施形態において、セラミックス焼結体３の構成元素の含有量は、上記のとおり酸化物換算にて算出されるが、セラミックス焼結体３の構成元素は、酸化物の形態で存在していてもよいし、酸化物の形態で存在していなくてもよい。例えば、Ｙ、Ｍｇ及びＣａのうち少なくとも１種は、酸化物の形態で存在せず、ＺｒＯ２中に固溶していてもよい。
【0033】
なお、セラミックス焼結体３の構成元素の酸化物換算での含有量は、以下のように算出される。まず、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）、又は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付設のエネルギー分散型分析器（ＥＤＳ）を用いて、セラミックス焼結体３の構成元素を定性分析する。次に、この定性分析により検出された各元素につき、ＩＣＰ発光分光分析装置を用いて定量分析を行う。次に、この定量分析により測定された各元素の含有量を酸化物に換算する。
【0034】
セラミックス焼結体３は、上記の構成元素のほか、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｃａ（カルシウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｋ（カリウム）、Ｆｅ（鉄）、Ｔｉ（チタン）及びＭｎ（マンガン）のうち少なくとも１種の酸化物を含んでいてもよい。これらの酸化物は、意図的に添加されるものであってもよいし、不可避的に混入するものであってもよい。
【0035】
（セラミックス焼結体３のＭ相率）
セラミックス焼結体３は、結晶相としてＺｒＯ２結晶相を含む。ＺｒＯ２結晶相は、結晶構造として、単斜晶相（ｍｏｎｏｃｌｉｎｉｃ相）と正方晶相（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ相）とを有する。
セラミックス焼結体３は、結晶相としてＺｒＯ２結晶相を含む。ＺｒＯ２結晶相は、結晶構造として、単斜晶相（ｍｏｎｏｃｌｉｎｉｃ相）と正方晶相（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ相）とを有する。
【0036】
焼結後に１８０℃環境下で１００時間の熱エージング処理が施されたセラミックス焼結体３のＸ線回折パターンにおいて、単斜晶相及び正方晶相それぞれのピーク強度の和に対する単斜晶相のピーク強度の比（以下、「熱エージング後Ｍ相率」という。）は、１５％以下である。これにより、セラミック焼結体３において、ジルコニア結晶の正方晶相が単斜晶相に相転移して起こる体積膨張に伴う応力歪みによって欠陥が堆積することを抑制できると考えられる。
【0037】
熱エージング後Ｍ相率は、４％以上であることが好ましい。これにより、セラミック焼結体３に機械的応力が印加された場合に発生するクラックの先端においてジルコニア結晶の正方晶相が単斜晶相に相転移し、クラックが伝播することを抑制できると考えられる。その結果、熱エージング後におけるセラミックス焼結体３の機械的強度の低下の抑制に寄与するものと考えられる。
【0038】
また、熱エージング処理が施されていないセラミックス焼結体３のＸ線回折パターンにおいて、単斜晶相及び正方晶相それぞれのピーク強度の和に対する単斜晶相のピーク強度の比（以下、「熱エージング前Ｍ相率」という。）は、７％以下であることが好ましい。これにより、熱エージング時にジルコニア結晶の正方晶相が単斜晶相に相転移することを抑制でき、熱エージング後におけるセラミックス焼結体３の機械的強度の低下をより抑制することができると考えられる。
【0039】
なお、熱エージング前後におけるＭ相率は、セラミックス焼結体３の外表面をＸ線回折装置（ＸＲＤ：リガク社製、ＭｉｎｉＦｌｅｘII）で解析して得られるＸ線回折パターンを用いて、以下の式（１）から求めることができる。式（１）において、Ｍ１は単斜晶（１１１）面のピーク強度であり、Ｍ２は単斜晶（１１－１）面のピーク強度であり、Ｔ１は正方晶（１１１）面のピーク強度であり、Ｔ２は立方晶（１１１）面のピーク強度である。
【0040】
単斜晶相の比＝１００×（Ｍ１＋Ｍ２）／（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｍ１＋Ｍ２） ・・・（１）
【0041】
熱エージング後Ｍ相率は、上述のようにセラミックス焼結体３の構成元素の含有量を至適化したうえで、焼結後のセラミックス焼結体３に含まれるＺｒＯ２結晶粒子の粒子特性を制御することによって簡便に調整できる。具体的には、セラミックス焼結体３に含まれるＺｒＯ２結晶粒子の平均粒径を０．６μｍ以上１．５μｍ以下とし、かつ、セラミックス焼結体３に含まれるＺｒＯ２結晶粒子のうち粒径が１．８μｍ以上の粗大ＺｒＯ２結晶粒子の面積割合を１５％以下とする。なお、セラミック焼結体３におけるＺｒＯ２結晶粒子の平均粒径と粗大ＺｒＯ２結晶粒子の含有割合との制御手法については後述する。
【0042】
ＺｒＯ２結晶粒子の平均粒径は、以下のように算出される。まず、走査型電子顕微鏡を用いて、セラミックス焼結体３の外表面を６０００倍の倍率で撮像する。次に、画像処理ソフトを用いて、撮像画像から無作為に選出した３００個のＺｒＯ２結晶粒子の平均円相当径を平均粒径として算出する。平均円相当径とは円相当径の平均値であり、円相当径とは粒子と同じ面積を有する円の直径である。
【0043】
粗大ＺｒＯ２結晶粒子の面積割合は、平均粒径の測定のために選出した３００個のＺｒＯ２結晶粒子のうち円相当径が１．８μｍ以上の粗大ＺｒＯ２結晶粒子の合計面積を、３００個のＺｒＯ２結晶粒子の合計面積で除した値である。
【0044】
（セラミックス焼結体３のスピネル相率）
セラミックス焼結体３は、結晶相として、ＭｇＡｌ２Ｏ４結晶相を含んでいてもよい。この場合、熱エージング処理が施されていないセラミックス焼結体３のＸ線回折パターンにおいて、Ａｌ２Ｏ３結晶相のピーク強度に対するＭｇＡｌ２Ｏ４結晶相のピーク強度の比（以下、「スピネル相率」という。）は、４％以下であることが好ましい。これにより、銅板接合時の接合界面における反応が過剰になることを抑制でき、接合界面にボイドが生じることを抑制できる。なお、スピネル相率は０％であってもよい。
セラミックス焼結体３は、結晶相として、ＭｇＡｌ２Ｏ４結晶相を含んでいてもよい。この場合、熱エージング処理が施されていないセラミックス焼結体３のＸ線回折パターンにおいて、Ａｌ２Ｏ３結晶相のピーク強度に対するＭｇＡｌ２Ｏ４結晶相のピーク強度の比（以下、「スピネル相率」という。）は、４％以下であることが好ましい。これにより、銅板接合時の接合界面における反応が過剰になることを抑制でき、接合界面にボイドが生じることを抑制できる。なお、スピネル相率は０％であってもよい。
【0045】
スピネル相率は、０．５％以上３．５％以下であることがより好ましい。これにより、銅板接合時におけるセラミックス焼結体３とＣｕ－Ｏ共晶液相との濡れ性を向上させることができるとともに、銅板接合時の接合界面における反応が過剰になることをより抑制でき、接合界面にボイドが生じることを更に抑制できる。
【0046】
スピネル相率は、セラミックス焼結体３の表面をＸＲＤで解析して得られるＸ線回折パターンを用いて、以下の式（２）から求めることができる。式（２）において、Ａ１はスピネル相の（３１１）面のピーク強度であり、Ｂ１はＡｌ２Ｏ３結晶相の（１０４）面のピーク強度である。
【0047】
ＭｇＡｌ２Ｏ４の比（％）＝１００×Ａ１／（Ａ１＋Ｂ１） ・・・（２）
【0048】
【0049】
ステップＳ１において、以下の粉体材料を調合する。
【0050】
・ＺｒＯ２換算で、７．５質量％以上２３．５質量％以下のＺｒＯ２
・Ａｌ２Ｏ３換算で、７４．９質量％以上９１．８質量％以下のＡｌ２Ｏ３
・Ｙ２Ｏ３換算で、０．４１質量％以上１．５８質量％以下のＹ２Ｏ３
・ＭｇＯ換算で、０．１０質量％以上０．８０質量％以下のＭｇＯ
・Ａｌ２Ｏ３換算で、７４．９質量％以上９１．８質量％以下のＡｌ２Ｏ３
・Ｙ２Ｏ３換算で、０．４１質量％以上１．５８質量％以下のＹ２Ｏ３
・ＭｇＯ換算で、０．１０質量％以上０．８０質量％以下のＭｇＯ
【0051】
この際、比表面積が５ｍ２／ｇ以上１０ｍ２／ｇのＺｒＯ２粉体を用いることが好ましい。これにより、熱サイクルによってクラックが生じることを抑制しやすくなる。
【0052】
なお、ＺｒＯ２及びＹ２Ｏ３のそれぞれは単独の粉体材料でもいいが、予めＹ２Ｏ３で部分安定化されたＺｒＯ２粉体を用いてもよい。また、所望により、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、ＣａＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏなどの粉体材料を調合してもよい。
【0053】
ステップＳ２において、調合した粉体材料を、例えばボールミルなどにより粉砕混合する。
【0054】
ステップＳ３において、粉砕混合した粉体材料に、有機質バインダー（例えば、ポリビニルブチラール）、溶剤（キシレン、トルエンなど）及び可塑剤（フタル酸ジオクチル）を添加してスラリー状物質を形成する。
【0055】
ステップＳ４において、所望の成形手段（例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、射出成形、ドクターブレード法、押し出し成型法など）によって、スラリー状物質を所望の形状に成形してセラミックス成形体を作製する。
【0056】
ステップＳ５において、セラミックス成形体を、酸素雰囲気又は大気雰囲気で焼成（１５８０℃～１６２０℃、０．７時間～１．０時間）することによって、セラミックス焼結体３が形成される。このセラミックス焼結体３は、上述のとおり、焼結後におけるＺｒＯ２結晶粒子の平均粒径が０．６μｍ以上１．５μｍ以下、かつ、粗大ＺｒＯ２結晶粒子の面積割合が１５％以下であるため、熱エージング処理によって機械的強度が低下することを抑制できる。また、上述のとおり、セラミックス焼結体３における各構成元素の含有量が至適化され、かつ、比表面積が５ｍ２／ｇ以上１０ｍ２／ｇのＺｒＯ２粉体を用いて作製されているため、熱サイクルによってクラックが生じることを抑制できる。
【0057】
なお、セラミック焼結体３におけるＺｒＯ２結晶粒子の平均粒径と粗大ＺｒＯ２結晶粒子の含有割合は、粉体材料の調合組成（ステップＳ１）、粉砕混合時間（ステップＳ２）、及び焼成温度（ステップＳ５）を制御することによってある程度調整できる。粉砕混合時間を長くすると、ＺｒＯ２結晶粒子の平均粒径は小さくなる傾向があり、粗大ＺｒＯ２結晶粒子の含有割合も少なくなる傾向がある。焼成温度を高くすると、ＺｒＯ２結晶粒子の平均粒径は大きくなる傾向があり、粗大ＺｒＯ２結晶粒子の含有割合も多くなる傾向がある。
【0058】
（特徴）
セラミックス焼結体３において、Ｚｒの含有量は、ＺｒＯ２換算で、７．５質量％以上２３．５質量％以下であり、Ａｌの含有量は、Ａｌ２Ｏ３換算で、７４．９質量％以上９１．８質量％以下であり、Ｙの含有量は、Ｙ２Ｏ３換算で、０．４１質量％以上１．５８質量％以下であり、Ｍｇの含有量は、ＭｇＯ換算で、０．１０質量％以上０．８０質量％以下である。また、熱エージング後Ｍ相率は、１５％以下である。
セラミックス焼結体３において、Ｚｒの含有量は、ＺｒＯ２換算で、７．５質量％以上２３．５質量％以下であり、Ａｌの含有量は、Ａｌ２Ｏ３換算で、７４．９質量％以上９１．８質量％以下であり、Ｙの含有量は、Ｙ２Ｏ３換算で、０．４１質量％以上１．５８質量％以下であり、Ｍｇの含有量は、ＭｇＯ換算で、０．１０質量％以上０．８０質量％以下である。また、熱エージング後Ｍ相率は、１５％以下である。
【0059】
このように、セラミックス焼結体３の構成元素の含有量を至適化し、かつ、熱エージング後Ｍ相率を１５％以下とすることによって、熱エージング処理後において機械的強度（３点曲げ強度試験で測定される抗折強度を）を維持できるとともに、熱サイクルによるクラックの発生を抑制することができる。
【実施例】
【0060】
以下のように、実施例１～９及び比較例１～８に係るセラミックス焼結体３を作製して、熱エージング前後のＭ相率と熱エージング前後の抗折強度（機械的強度）とを測定した。また、実施例１～９及び比較例１～８に係るセラミックス焼結体３を用いて、図３に示される半導体装置用基板サンプル１０を作製して、セラミックス焼結体３にクラックが生じる熱サイクル回数を測定した。
【0061】
（セラミックス焼結体３の作製）
まず、表１に示す組成の材料を、ボールミルで粉砕混合した。実施例１～９及び比較例１～６では、比表面積が５ｍ２／ｇ以上１０ｍ２／ｇ以下のＺｒＯ２粉体を用い、比較例７，８では、比表面積が１３ｍ２／ｇ以上１９ｍ２／ｇ以下のＺｒＯ２粉体を用いた。
まず、表１に示す組成の材料を、ボールミルで粉砕混合した。実施例１～９及び比較例１～６では、比表面積が５ｍ２／ｇ以上１０ｍ２／ｇ以下のＺｒＯ２粉体を用い、比較例７，８では、比表面積が１３ｍ２／ｇ以上１９ｍ２／ｇ以下のＺｒＯ２粉体を用いた。
【0062】
次に、粉砕混合した粉体材料に、有機質バインダーとしてのポリビニルブチラールと、溶剤としてのキシレンと、可塑剤としてのフタル酸ジオクチルとを添加してスラリー状物質を形成した。
【0063】
次に、ドクターブレード法によって、スラリー状物質をシート状に成形してセラミックス成形体を作製した。
【0064】
次に、セラミックス成形体を、酸素雰囲気又は大気雰囲気において表１に示す焼成温度で０．８時間焼成してセラミックス焼結体３を作製した。セラミックス焼結体３のサイズは、厚み０.３２ｍｍ、縦３９ｍｍ、横４５ｍｍであった。
【0065】
（Ｍ相率）
焼結後の各セラミックス焼結体３の外表面をＸＲＤ（リガク社製、ＭｉｎｉＦｌｅｘII）で解析して得たＸ線回折パターンを用いて、上記式（１）から、熱エージング前Ｍ相率を算出した。算出した熱エージング前Ｍ相率を表１にまとめて示す。
焼結後の各セラミックス焼結体３の外表面をＸＲＤ（リガク社製、ＭｉｎｉＦｌｅｘII）で解析して得たＸ線回折パターンを用いて、上記式（１）から、熱エージング前Ｍ相率を算出した。算出した熱エージング前Ｍ相率を表１にまとめて示す。
【0066】
続いて、焼結後の各セラミックス焼結体３に１８０℃環境下で１００時間の熱エージング処理を施した。
【0067】
次に、熱エージング後の各セラミックス焼結体３の外表面をＸＲＤ（リガク社製、ＭｉｎｉＦｌｅｘII）で解析して得たＸ線回折パターンを用いて、上記式（１）から、熱エージング後Ｍ相率を算出した。算出した熱エージング後Ｍ相率を表１にまとめて示す。
【0068】
（スピネル相率）
焼結後の各セラミックス焼結体３の外表面をＸＲＤ（リガク社製、ＭｉｎｉＦｌｅｘII）で解析して得たＸ線回折パターンを用いて、上記式（２）から、Ａｌ２Ｏ３結晶相のピーク強度に対するＭｇＡｌ２Ｏ４結晶相のピーク強度の比（熱エージング前のスピネル相率）を算出した。熱エージング前のスピネル相率を表１にまとめて示す。
焼結後の各セラミックス焼結体３の外表面をＸＲＤ（リガク社製、ＭｉｎｉＦｌｅｘII）で解析して得たＸ線回折パターンを用いて、上記式（２）から、Ａｌ２Ｏ３結晶相のピーク強度に対するＭｇＡｌ２Ｏ４結晶相のピーク強度の比（熱エージング前のスピネル相率）を算出した。熱エージング前のスピネル相率を表１にまとめて示す。
【0069】
（抗折強度）
焼結後の各セラミックス焼結体３について１０ピースずつの抗折強度（機械的強度）を、試料サイズ（１５×４５×厚み０．３２ｍｍ）、スパン３０ｍｍの３点曲げ強度試験で測定して、１０ピースの測定値の算術平均値（熱エージング前の抗折強度）を算出した。熱エージング前の抗折強度を表１にまとめて示す。
焼結後の各セラミックス焼結体３について１０ピースずつの抗折強度（機械的強度）を、試料サイズ（１５×４５×厚み０．３２ｍｍ）、スパン３０ｍｍの３点曲げ強度試験で測定して、１０ピースの測定値の算術平均値（熱エージング前の抗折強度）を算出した。熱エージング前の抗折強度を表１にまとめて示す。
【0070】
続いて、焼結後の各セラミックス焼結体３に１８０℃環境下で１００時間の熱エージング処理を施した。
【0071】
次に、熱エージング後の各セラミックス焼結体３について１０ピースずつの抗折強度（機械的強度）を、試料サイズ（１５×４５×厚み０．３２ｍｍ）、スパン３０ｍｍの３点曲げ強度試験で測定して、１０ピースの測定値の算術平均値（熱エージング後の抗折強度）を算出した。熱エージング後の抗折強度を表１にまとめて示す。
（半導体装置用基板サンプル１０の作製）
（半導体装置用基板サンプル１０の作製）
【0072】
ＪＩＳ Ｃ１０２０に準拠した無酸素銅からなる第１及び第２銅板４，４’（それぞれ、０.４０ｍｍ厚み）を大気中で３００℃に加熱することによって、第１及び第２銅板４，４’それぞれの外表面を酸化させた。
【0073】
次に、実施例１～９及び比較例１～８に係るセラミックス焼結体３を第１及び第２銅板４，４’で挟んだ積層体を、Ｍｏ（モリブデン）からなるメッシュ材１１上に載置し、窒素（Ｎ２）雰囲気中において１０７０℃で１０分加熱した。
【0074】
次に、積層体を冷却することによって、セラミックス焼結体３に第１及び第２銅板４，４’を接合するとともに、第２銅板４’にメッシュ材１１を接合した。
【0075】
（クラック発生率）
各半導体装置用基板サンプル１０について、セラミックス焼結体３にクラックが発生するまで、Ｎ２（窒素）とＨ２（水素）の混合ガス（Ｎ２：Ｈ２＝７：３）の雰囲気中で「室温→３１０℃×５分」の熱サイクルを繰り返した。
各半導体装置用基板サンプル１０について、セラミックス焼結体３にクラックが発生するまで、Ｎ２（窒素）とＨ２（水素）の混合ガス（Ｎ２：Ｈ２＝７：３）の雰囲気中で「室温→３１０℃×５分」の熱サイクルを繰り返した。
【0076】
表１では、各セラミックス焼結体３について１０ピースのいずれかにクラックが発生した熱サイクル回数が、クラック発生熱サイクル回数として記載されている。表１では、クラック発生熱サイクル回数が２０回以上のサンプルが「◎」と評価され、７回以上１９回以下のサンプルが「○」と評価され、６回以下のサンプルが「×」と評価されている。
【0077】
【表1】
【0078】
表１に示すように、比表面積が５ｍ２／ｇ以上１０ｍ２／ｇ以下のＺｒＯ２粉体を用いたセラミックス焼結体３において、構成元素の含有量が以下の通り至適化され、かつ、熱エージング後Ｍ相率が１５％以下である実施例１～９では、熱エージング処理後の機械的強度維持と熱サイクルによるクラック抑制とを両立することができた。具体的には、実施例１～９において、熱エージング後の抗折強度は５００ＭＰａ以上であり、クラック発生熱サイクル回数は７回以上にであった。
【0079】
・ＺｒＯ２換算で、７．５質量％以上２３．５質量％以下のＺｒＯ２
・Ａｌ２Ｏ３換算で、７４．９質量％以上９１．８質量％以下のＡｌ２Ｏ３
・Ｙ２Ｏ３換算で、０．４１質量％以上１．５８質量％以下のＹ２Ｏ３
・ＭｇＯ換算で、０．１０質量％以上０．８０質量％以下のＭｇＯ
・Ａｌ２Ｏ３換算で、７４．９質量％以上９１．８質量％以下のＡｌ２Ｏ３
・Ｙ２Ｏ３換算で、０．４１質量％以上１．５８質量％以下のＹ２Ｏ３
・ＭｇＯ換算で、０．１０質量％以上０．８０質量％以下のＭｇＯ
【0080】
一方、比較例１～６では構成元素の含有量が至適化されていないため、また、比較例７，８では熱エージング後のＭ相率が１５％超であったため、機械的強度維持とクラック抑制とを両立することはできなかった。
【産業上の利用可能性】
【0081】
本発明によれば、セラミックス焼結体における機械的強度の低下とクラックの発生とを抑制できるため、本発明に係るセラミックス焼結体は、種々の電子機器に用いられる半導体装置用基板に利用することができる。
【符号の説明】
【0082】
１…半導体装置
２…半導体装置用基板
３…セラミックス焼結体
４，４’…銅板
５，５’…接合材
６…半導体チップ
７…ボンディングワイヤ
８…ヒートシンク
１０…半導体装置用基板サンプル
１１…メッシュ材
２…半導体装置用基板
３…セラミックス焼結体
４，４’…銅板
５，５’…接合材
６…半導体チップ
７…ボンディングワイヤ
８…ヒートシンク
１０…半導体装置用基板サンプル
１１…メッシュ材
【図1】
【図2】
【図3】