半導体分野における高熱伝導性SiCセラミックスの需要と応用

現在、炭化ケイ素（SiC）SiCは、国内外で活発に研究されている熱伝導性セラミック材料です。SiCの理論的な熱伝導率は非常に高く、結晶形態によっては270W/mKに達するものもあり、非導電性材料の中では既にトップクラスです。例えば、SiCの熱伝導性を利用した用途としては、半導体デバイスの基板材料、高熱伝導性セラミック材料、半導体製造用ヒーターや加熱プレート、核燃料用カプセル材料、コンプレッサーポンプのガスシールリングなどが挙げられます。

適用炭化ケイ素半導体分野で

研削ディスクと治具は、半導体産業におけるシリコンウェーハ製造の重要なプロセス装置です。研削ディスクが鋳鉄または炭素鋼でできている場合、耐用年数が短く、熱膨張係数が大きくなります。シリコンウェーハの加工中、特に高速研削または研磨中に、研削ディスクの摩耗と熱変形により、シリコンウェーハの平面度と平行度を保証することが困難になります。炭化ケイ素セラミックス硬度が高いため摩耗が少なく、熱膨張係数もシリコンウェーハとほぼ同じであるため、高速での研削・研磨が可能である。

さらに、シリコンウェハーの製造においては、高温熱処理が必要であり、多くの場合、炭化ケイ素製の治具を用いて搬送されます。これらの治具は耐熱性があり、非破壊性です。表面には、性能向上、ウェハーの損傷軽減、汚染の拡散防止のために、ダイヤモンドライクカーボン（DLC）などのコーティングを施すことができます。

さらに、第3世代ワイドバンドギャップ半導体材料の代表例として、炭化ケイ素単結晶材料は、大きなバンドギャップ幅（Siの約3倍）、高い熱伝導率（Siの約3.3倍、GaAsの約10倍）、高い電子飽和移動速度（Siの約2.5倍）、高い絶縁破壊電界（Siの約10倍、GaAsの約5倍）などの特性を有しています。SiCデバイスは、実用化において従来の半導体材料デバイスの欠点を補い、パワー半導体の主流となりつつあります。

高熱伝導性炭化ケイ素セラミックスの需要は劇的に増加している。

科学技術の継続的な発展に伴い、半導体分野における炭化ケイ素セラミックスの応用需要は飛躍的に増加しており、高い熱伝導率は半導体製造装置部品への応用における重要な指標となっている。したがって、高熱伝導性炭化ケイ素セラミックスの研究を強化することは極めて重要である。炭化ケイ素セラミックスの熱伝導率を向上させる主な方法は、格子酸素含有量の低減、密度の向上、および格子内における第二相の分布の適切な制御である。

現在、我が国では高熱伝導性炭化ケイ素セラミックスに関する研究は少なく、世界水準と比較すると大きなギャップがあります。今後の研究方向としては、以下の点が挙げられます。
●炭化ケイ素セラミック粉末の製造プロセス研究を強化する。高純度・低酸素炭化ケイ素粉末の製造は、高熱伝導性炭化ケイ素セラミックスの製造の基礎となる。
●焼結助剤の選定および関連する理論研究を強化する。
●ハイエンド焼結装置の研究開発を強化する。焼結プロセスを適切に制御して合理的な微細構造を得ることは、高熱伝導性炭化ケイ素セラミックスを得るための必要条件である。

炭化ケイ素セラミックスの熱伝導率を向上させるための対策

SiCセラミックスの熱伝導率を向上させる鍵は、フォノン散乱周波数を低減し、フォノンの平均自由行程を増加させることである。SiCセラミックスの気孔率と粒界密度を低減し、粒界の純度を高め、格子不純物や格子欠陥を低減し、SiC中の熱伝導媒体を増加させることで、SiCの熱伝導率を効果的に向上させることができる。現在、焼結助剤の種類と含有量の最適化、および高温熱処理が、SiCセラミックスの熱伝導率を向上させる主な手段となっている。

①焼結助剤の種類と含有量の最適化

高熱伝導性SiCセラミックスを製造する際には、様々な焼結助剤が添加されることが多い。中でも、焼結助剤の種類と含有量は、SiCセラミックスの熱伝導率に大きな影響を与える。例えば、Al2O3系焼結助剤に含まれるAlやO元素はSiC格子に容易に溶解し、空孔や欠陥を生じさせ、フォノン散乱周波数の増加につながる。また、焼結助剤の含有量が少ないと、材料の焼結や緻密化が困難になる一方、含有量が多いと不純物や欠陥が増加する。さらに、液相焼結助剤が過剰になると、SiC結晶粒の成長が阻害され、フォノンの平均自由行程が短くなる可能性もある。したがって、高い熱伝導率を持つSiCセラミックスを製造するためには、焼結密度の要件を満たしつつ、焼結助剤の含有量を可能な限り減らし、SiC格子に溶解しにくい焼結助剤を選択する必要がある。

*異なる焼結助剤を添加した場合のSiCセラミックスの熱特性

現在、焼結助剤としてBeOを使用して焼結されたホットプレスSiCセラミックスは、室温での熱伝導率が最大(270W·m-1·K-1)です。しかし、BeOは毒性が高く発がん性があるため、研究室や産業分野で広く使用するのには適していません。Y2O3-Al2O3系の最低共晶点は1760℃で、これはSiCセラミックスの一般的な液相焼結助剤です。しかし、Al3+はSiC格子に容易に溶解するため、この系を焼結助剤として使用した場合、SiCセラミックスの室温での熱伝導率は200W·m-1·K-1未満になります。

Y、Sm、Sc、Gd、Laなどの希土類元素はSiC格子に溶けにくく、酸素親和性が高いため、SiC格子の酸素含有量を効果的に低減できます。そのため、Y2O3-RE2O3（RE=Sm、Sc、Gd、La）系は、高熱伝導率（>200W·m-1·K-1）SiCセラミックスを製造するための一般的な焼結助剤です。Y2O3-Sc2O3系焼結助剤を例にとると、Y3+とSi4+のイオン偏差値が大きく、両者は固溶しません。1800～2600℃での純粋なSiCへのScの溶解度は小さく、約（2～3）×1017原子·cm-3です。

②高温熱処理

SiCセラミックスの高温熱処理は、格子欠陥、転位、残留応力の除去、一部の非晶質材料の結晶への構造変化の促進、フォノン散乱効果の弱化に効果的です。さらに、高温熱処理はSiC粒子の成長を効果的に促進し、最終的に材料の熱特性を向上させます。例えば、1950℃での高温熱処理後、SiCセラミックスの熱拡散係数は83.03mm2·s-1から89.50mm2·s-1に増加し、室温熱伝導率は180.94W·m-1·K-1から192.17W·m-1·K-1に増加しました。高温熱処理は、SiC表面および格子上の焼結助剤の脱酸素能力を効果的に向上させ、SiC粒子間の結合をより強固にします。高温熱処理後、SiCセラミックスの室温における熱伝導率は大幅に向上した。