DE102017002808A1

DE102017002808A1 - Mullit-enthaltender Sinterkörper, Verfahren zur Herstellung desselben und Verbundwerkstoffsubstrat

Info

Publication number: DE102017002808A1
Application number: DE102017002808.7A
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Isoda; Yoshio Suzuki; Katsuhiro Inoue; Yuji Katsuda
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2017-09-28
Also published as: KR20170110526A; US9981876B2; US20170275206A1; KR102377657B1; TW201733962A; JP2017171534A; CN107226690B; CN107226690A; TWI718275B; JP6650804B2

Abstract

Ein Mullit-enthaltender Sinterkörper gemäß der vorliegenden Erfindung enthält Mullit und mindestens eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid und Sialon. Es ist bevorzugt, dass der Mullit-enthaltende Sinterkörper einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 4,3 ppm/°C bei 40°C bis 400°C, eine offene Porosität von 0,5% oder weniger und eine mittlere Korngröße von 1,5 μm oder weniger aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mullit-enthaltenden Sinterkörper, ein Verfahren zur Herstellung desselben und ein Verbundwerkstoffsubstrat.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Im Allgemeinen ist ein Mullit-Sinterkörper ein Material, welches durch Sintern eines Aluminiumoxids (Al₂O₃) und eines Siliziumoxids (SiO₂) in einem Verhältnis von 3 bis 2 hergestellt wird und welches ausgezeichnete Wärmeschock-Beständigkeit aufweist und durch 3Al₂O₃·2SiO₂ wiedergegeben wird. Hinsichtlich eines solchen Mullit-Sinterkörpers ist ein Material, das durch Formen eines Pulvers, in welchem 30 Masseprozent Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid(YSZ)-Pulver in ein Mullitpulver gemischt wird, und Sintern des erhaltenen Presslings hergestellt wurde, bekannt, wie zum Beispiel in PTL 1 offenbart. In PTL 1 wird ein an ein GaN-Substrat zu bondendes Basissubstrat durch Schneiden eines Mullit-Substrats aus dem Mullit-Sinterkörper und Polieren einer Hauptoberfläche des Mullit-Substrats hergestellt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von GaN ist im Bereich von Raumtemperatur bis 1000°C als 6,0 ppm/K ausgewiesen und der Wärmeausdehnungskoeffizient von Mullit ist als 5,2 ppm/K ausgewiesen. Deshalb ist es in Anbetracht der zwei aneinander zu bondenden Substrate, wenn die zwei Substrate verwendet werden, bevorzugt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient von Mullit so erhöht ist, dass er sich dem Wärmeausdehnungskoeffizient des GaN-Substrats nähert. Folglich wird das YSZ-Pulver in das Mullitpulver gemischt und Sintern wird durchgeführt.
PTL 2 beschreibt ein Beispiel, bei dem ein Verbundwerkstoffsubstrat, das durch direktes Bonden eines funktionellen Substrats, bestehend aus Lithiumtantalat, Lithiumniobat oder dergleichen, an ein Trägersubstrat, bestehend aus einem Mullit-Sinterkörper, hergestellt worden ist, für akustische Wellenvorrichtungen, z. B. ein akustisches Oberflächenwellenelement, verwendet wird. In Anbetracht einer solchen akustischen Wellenvorrichtung weist das als das Trägersubstrat dienende Mullit-Substrat einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 4,4 ppm/°C (40°C bis 400°C) und einen hohen Youngschen Modul von 220 GPa oder mehr auf. Deshalb kann Ausdehnung und Schrumpfung auf Grund von Temperaturänderungen der akustischen Wellenvorrichtung selbst vermindert werden und im Ergebnis ist die Temperaturabhängigkeit der Frequenz zu einem großen Ausmaß verbessert. Um das funktionelle Substrat an das Trägersubstrat direkt zu bonden, ist es erforderlich, dass jede zu bondende Oberfläche hohe Glattheit aufweist. Zum Beispiel erwähnt PTL 2, dass die durchschnittliche Mittellinien-Rauhigkeit Ra vorzugsweise 3 nm oder weniger ist.
ZITATENLISTE
PATENTLITERATUR

PTL 1: Japanisches Patent Nr. 5585570
PTL 2: Japanisches Patent Nr. 5861016

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein Mullit-Sinterkörper mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der durch Zugeben einer großen Menge einer anderen Komponente zu Mullit erhöht ist, wird in PTL 1 beschrieben und ein Mullit-Sinterkörper mit einer hohen Mullitreinheit wird in PTL 2 beschrieben. Jedoch wird ein Mullit-Sinterkörper mit einem verminderten Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht beschrieben. Weiterhin ist ein Mullit-Sinterkörper mit einer niedrigen thermischen Ausdehnung, wie vorstehend beschrieben, in welchem die Oberflächenglattheit einer polierten fertigen Oberfläche hoch ist, nicht bekannt. In dieser Hinsicht kann in dem Fall, wenn ein Mullit-Sinterkörper, der niedrige thermische Ausdehnung, aber geringe Steifigkeit zeigt, als ein Trägersubstrat von einem Verbundwerkstoffsubstrat verwendet wird, das Verbundwerkstoffsubstrat sich auf Grund von einem leichten Temperaturunterschied umhüllt verziehen.
Die vorliegende Erfindung wurde ausgeführt, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen und die Hauptaufgabe besteht darin, einen Mullit-enthaltenden Sinterkörper mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, hoher Steifigkeit und hoher Glattheit einer polierten Oberfläche, verglichen mit Mullit allein, bereitzustellen.
Ein Mullit-enthaltender Sinterkörper gemäß der vorliegenden Erfindung enthält Mullit und mindestens eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid und Sialon, wobei der Mullit-enthaltende Sinterkörper einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 4,3 ppm/°C bei 40°C bis 400°C, eine offene Porosität von 0,5% oder weniger, und eine mittlere Korngröße (mittlere Korngröße von Sinterteilen) von 1,5 μm oder weniger aufweist. Der Mullit-enthaltende Sinterkörper weist einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und hohe Steifigkeit, verglichen mit Mullit allein, auf. Zusätzlich kann die Glattheit von einer polierten Oberfläche hoch gestaltet werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Mullit-enthaltenden Sinterkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst (a) Herstellen eines gemischten Rohmaterialpulvers durch Mischen von 50 bis 90 Volumenprozent Mullitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,5 μm oder weniger und 10 bis 50 Volumenprozent Siliziumnitridpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1 μm oder weniger, so dass die Summe 100 Volumenprozent ist, und (b) Herstellen des Mullit-enthaltenden Sinterkörpers durch Formen des gemischten Rohmaterialpulvers zu einem Pressling mit einer vorbestimmten Gestalt und Unterziehen des Presslings Heiß-Press-Brennen bei einem Pressdruck von 20 bis 300 kgf/cm² und einer Brenntemperatur von 1525°C bis 1700°C. Dieses Herstellungs-Verfahren ist zum Herstellen des vorstehend-beschriebenen Mullit-enthaltenden Sinterkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet. In dieser Hinsicht ist der mittlere Teilchendurchmesser des Pulvers ein Wert, gemessen durch Anwenden eines Laserbeugungs-Verfahrens (das Gleiche gilt für das Nachstehende).
Ein Verbundwerkstoffsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundwerkstoffsubstrat, in welchem ein funktionelles Substrat an ein Trägersubstrat gebondet ist, und das Trägersubstrat ist der vorstehend-beschriebene Mullit-enthaltende Sinterkörper. Dieses Verbundwerkstoffsubstrat wird vorteilhaft an das funktionelle Substrat gebondet, weil die Glattheit der polierten Oberfläche des Mullit-enthaltender Sinterkörpers, der als das Trägersubstrat dient, hoch ist. Auch in dem Fall, wenn das Verbundwerkstoffsubstrat für eine Oberflächenwellenvorrichtung verwendet wird, ist die Temperaturabhängigkeit der Frequenz zu einem großen Ausmaß verbessert. Auch die Leistung einer optischen Wellenleiter-Vorrichtung, einer LED-Vorrichtung oder einer Schalter-Vorrichtung ist erhöht, weil der Wärmeausdehnungskoeffizient des Trägersubstrats gering ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm der Herstellungs-Schritte eines Mullit-enthaltenden Sinterkörpers.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Verbundwerkstoffsubstrats 10.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer elektronischen Vorrichtung 30, hergestellt durch Anwenden des Verbundwerkstoffsubstrats 10.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend genauer beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die nachstehenden Ausführungsformen beschränkt. Es sollte verständlich sein, dass Modifizierungen und Verbesserungen, basierend auf dem üblichen Wissen des Fachmanns geeignet ausgeführt werden ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
Ein Mullit-enthaltender Sinterkörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält Mullit und mindestens eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid und Sialon. Es ist bevorzugt, dass Mullit eine Komponente ist, die in dem Sinterkörper in der größten Menge (primäre Komponente) enthalten ist. Jedoch kann eine Komponente, ausgewählt aus der vorstehend-beschriebenen Gruppe, eine primäre Komponente sein. Vorzugsweise weist der Mullit-enthaltende Sinterkörper einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 4,3 ppm/°C bei 40°C bis 400°C, eine offene Porosität von 0,5% oder weniger und eine mittlere Korngröße von 1,5 um oder weniger auf. Der Mullit-enthaltende Sinterkörper weist einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und hohen Youngschen Modul (Steifigkeit), verglichen mit Mullit allein, auf. Zusätzlich ist die Glattheit einer polierten fertigen Oberfläche (polierte Oberfläche) des Mullit-enthaltenden Sinterkörpers hoch, weil die offene Porosität 0,5% oder weniger ist, Poren vernachlässigbar eingeschlossen sind, und die mittlere Korngröße so klein wie 1,5 μm oder weniger ist.
Betrachtet man den Mullit-enthaltenden Sinterkörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform, ist die Anzahl von Poren, die eine maximale Länge von 1 μm oder mehr aufweisen, die in einer Fläche von 100 μm × 100 μm von einer polierten Oberfläche vorliegen, vorzugsweise 10 oder weniger. In dem Fall, wenn die Anzahl von Poren 10 oder weniger ist, ist die Glattheit der polierten fertigen Oberfläche erhöht. Die Anzahl von solchen Poren ist bevorzugter 3 oder weniger und weiterhin bevorzugt Null.
Der Mullit-enthaltende Sinterkörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist vorzugsweise einen Youngschen Modul von 240 GPa oder mehr auf und weist vorzugsweise eine Vier-Punkt-Biegefestigkeit von 300 MPa oder mehr auf. Der Youngsche Modul und die Festigkeit von Siliziumnitrid und davon abgeleiteten Komponenten sind höher als jene von Mullit. Deshalb kann der Youngsche Modul des Mullit-enthaltenden Sinterkörpers 240 GPa oder mehr sein und die Vier-Punkt-Biegefestigkeit um 300 MPa oder mehr durch Einstellen des Anteils von zu Mullit zugegebenem Siliziumnitrid sein. In dieser Hinsicht ist die Vier-Punkt-Biegefestigkeit bevorzugter 320 MPa oder mehr.
Der Mullit-enthaltende Sinterkörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist vorzugsweise eine durchschnittliche Mittellinien-Rauhigkeit Ra der polierten Oberfläche von 1,5 nm oder weniger auf. Ein Verbundwerkstoffsubstrat, hergestellt durch Bonden eines funktionellen Substrats auf ein Trägersubstrat, ist als ein Verbundwerkstoffsubstrat bekannt, das für eine akustische Wellenvorrichtung und dergleichen verwendet wird. Die Bindungsfähigkeit zwischen dem Trägersubstrat und dem funktionellen Substrat ist durch Anwenden des vorstehend-beschriebenen Mullit-enthaltenden Sinterkörpers gut, wobei Ra der polierten Oberfläche von 1,5 nm oder weniger als das Trägersubstrat aufweist. Zum Beispiel ist der Anteil der Bondungsgrenzfläche, die tatsächlich gebondet ist (Bondungsflächenanteil) 80% oder mehr (vorzugsweise 90% oder mehr). Die durchschnittliche Mittellinien-Rauhigkeit Ra der polierten Oberfläche ist bevorzugter 1,1 nm oder weniger und weiterhin bevorzugt 1,0 nm oder weniger.
Der Mullit-enthaltende Sinterkörper gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist bevorzugter einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 3,8 ppm/°C oder weniger bei 40°C bis 400°C auf. In dem Fall, wenn ein Verbundwerkstoffsubstrat, in welchem das Trägersubstrat ein solcher Mullit-enthaltender Sinterkörper ist, für eine akustische Wellenvorrichtung verwendet wird, wird, verglichen mit der innewohnenden thermischen Ausdehnung, die thermische Ausdehnung des funktionellen Substrats vermindert, wenn die Temperatur der akustischen Wellenvorrichtung ansteigt und dadurch ist die Temperaturabhängigkeit der Frequenz der akustischen Wellenvorrichtung verbessert. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist weiterhin bevorzugt 3,5 ppm/°C oder weniger bei 40°C bis 400°C.
Nun wird eine Ausführungsform von einem Verfahren zur Herstellung des Mullit-enthaltenden Sinterkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in 1 gezeigt, schließt ein Herstellungsablauf des Mullit-enthaltenden Sinterkörpers (a) einen Schritt zum Herstellen eines gemischten Rohmaterialpulvers und (b) einen Schritt zum Herstellen des Mullit-enthaltenden Sinterkörpers ein.
Schritt (a): Herstellung von gemischtem Rohmaterialpulver
Das gemischte Rohmaterialpulver wird durch Mischen eines Mullitpulvers und eines Siliziumnitridpulvers hergestellt. Vorzugsweise wird ein Pulver mit einer hohen Reinheit und einem kleinen mittleren Teilchendurchmesser als ein Mullit-Rohmaterial verwendet. Die Reinheit ist vorzugsweise 99,0% oder mehr, bevorzugter 99,5% oder mehr, und weiterhin bevorzugt 99,8% oder mehr. Die Maßeinheit der Reinheit ist Masseprozent. Zudem ist der mittlere Teilchendurchmesser (D50) vorzugsweise 1,5 μm oder weniger und bevorzugter 0,1 bis 1,5 μm. Hinsichtlich des Mullit-Rohmaterials kann ein kommerziell erhältliches Produkt verwendet werden oder ein Material, hergestellt durch Anwenden eines hoch-reinen Aluminumoxid- oder Siliziumdioxid-Pulvers, kann verwendet werden. Beispiele von Verfahren zum Herstellen des Mullit-Rohmaterials schließen ein in PTL 2 beschriebenes Verfahren ein. Betrachtet man das Siliziumnitrid-Rohmaterial, ist es bevorzugt, dass ein Pulver mit einem kleinen mittleren Teilchendurchmesser verwendet werden kann. Der mittlere Teilchendurchmesser ist vorzugsweise 1 μm oder weniger und bevorzugter 0,1 bis 1 μm. Das Mullit-Rohmaterial und das Siliziumnitrid-Rohmaterial werden gemischt. Zum Beispiel kann das gemischten Rohmaterialpulver durch Einwiegen von 50 bis 90 Volumenprozent (vorzugsweise 70 bis 90 Volumenprozent) Mullit-Rohmaterial und 10 bis 50 Volumenprozent (vorzugsweise 10 bis 30 Volumenprozent) Siliziumnitrid Rohmaterial hergestellt werden, so dass die Summe 100 Volumenprozent ist, durch Ausführen von Mischen durch Anwenden eines Mischers, z. B. eine Topfmühle, und durch Ausführen von Trocknen, falls erforderlich, durch Anwenden eines Sprühtrockners.
Schritt (b): Herstellung von Mullit-enthaltendem Sinterkörper
Das gemischte Rohmaterialpulver, hergestellt in Schritt (a), wird zu einem Pressling mit einer vorbestimmten Gestalt geformt. Es gibt keine besondere Begrenzung hinsichtlich des Form-Verfahrens und ein übliches Form-Verfahren kann verwendet werden. Zum Beispiel kann das gemischte Rohmaterialpulver durch Anwenden einer Form press-geformt werden. In dem Fall des Pressformens wird die Formbarkeit durch Sprühtrocknen des gemischten Rohmaterialpulvers zu Granulat erhöht. Zusätzlich kann ein Körper zur Extrusion durch Zugeben eines organischen Bindemittels hergestellt werden, oder eine Aufschlämmung kann hergestellt werden, um so zu einer Folie bzw. Platte geformt zu werden. Bei diesen Verfahren müssen organische Bindemittel-Komponenten vor einem Brenn-Schritt oder während eines Brenn-Schritts entfernt werden. Auch Hoch-Druck-Formen durch CIP (isostatisches Kaltpressen) kann durchgeführt werden.
Anschließend wird der erhaltene Pressling gebrannt, um so den Mullit-enthaltenden Sinterkörper herzustellen. Um die Oberflächenglattheit des Mullit-enthaltenden Sinterkörpers zu erhöhen, ist es zu diesem Zeitpunkt bevorzugt, gesinterte Teilchen fein zu halten und Gas während des Sinterns abzuführen. Eine sehr nützliche Technik dafür ist ein Heiß-Press-Verfahren. Wenn das Heiß-Press-Verfahren verwendet wird, verläuft die Verdichtung in dem Zustand von feinen Granulen bei einer niederen Temperatur, verglichen mit drucklosen Sintern, und Aufrechterhaltung von groben Poren, was häufig bei dem drucklosem Sintern beobachtet wird, kann unterdrückt werden. Die Brenntemperatur (maximale Temperatur) während des Heißpressens ist vorzugsweise 1525°C bis 1700°C. Auch der Pressdruck während des Heißpressens wird so eingestellt, dass er vorzugsweise 20 bis 300 kgf/cm² ist. Insbesondere ist ein niederer Pressdruck bevorzugt, weil eine Heiß-Press-Vorrichtung in der Größe vermindert werden kann und die Lebensdauer davon erhöht werden kann. Ein geeigneter Zeitpunkt kann als die Verweilzeit bei der Brenntemperatur unter Berücksichtigung von Gestalt und Größe des Presslings, den Eigenschaften des Ofens und dergleichen ausgewählt werden. Insbesondere ist die Verweilzeit zum Beispiel vorzugsweise 1 bis 12 Stunden und weiterhin bevorzugt 2 bis 8 Stunden. Es gibt keine besondere Begrenzung, betrachtet man die Brennatmosphäre. Im Allgemeinen ist die Atmosphäre während des Heißpressens eine inerte Atmosphäre, z. B. Stickstoff, Argon oder dergleichen. Die Rate des Temperaturanstiegs und die Rate der Temperatursenkung kann geeigneterweise in Anbetracht der Gestalt und Größe des Presslings, den Eigenschaften des Ofens und dergleichen eingestellt werden, und kann im Bereich zum Beispiel von 50°C/h bis 300°C/h eingestellt werden.
Nun wird eine Ausführungsform von einem Verbundwerkstoffsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Verbundwerkstoffsubstrat gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird durch Bonden eines funktionellen Substrats auf ein Trägersubstrat, zusammengesetzt aus dem vorstehend-beschriebenen Mullit-enthaltenden Sinterkörper, hergestellt. In dem Verbundwerkstoffsubstrat ist der Bondungsflächenanteil zwischen den zwei Substraten groß, um so gute Bindungsfähigkeit zu zeigen. Es gibt keine besondere Begrenzung, betrachtet man das funktionelle Substrat, und Beispiele davon schließen Lithiumtantalat, Lithiumniobat, Galliumnitrid und Silizium ein. Das Bondungs-Verfahren ist vorzugsweise direktes Bonden. In dem Fall von direktem Bonden wird die zu bondende Oberfläche von jedem funktionellen Substrat und dem Trägersubstrat poliert und wird anschließend aktiviert. Die zwei Substrate werden gepresst, während die zwei zu bondenden Oberflächen zueinander weisen. Die Aktivierung von der zu bondenden Oberfläche wird zum Beispiel durch Bestrahlen mit Ionenstrahlen von inertem Gas (Argon oder dergleichen) oder Bestrahlen mit Plasma oder neutralen Atomstrahlen durchgeführt. Das Verhältnis der Dicke von dem funktionellen Substrat zu der Dicke von dem Trägersubstrat (Dicke von funktionellem Substrat/Dicke von Trägersubstrat) ist vorzugsweise 0,1 oder weniger. 2 zeigt ein Beispiel von einem Verbundwerkstoffsubstrat. Ein Verbundwerkstoffsubstrat 10 wird durch direktes Bonden eines piezoelektrischen Substrats 12 hergestellt, das als das funktionelle Substrat für ein Trägersubstrat 14 dient.
Das Verbundwerkstoffsubstrat gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann für eine akustische Vorrichtung und dergleichen verwendet werden. Beispiele von solchen elektronischen Vorrichtungen schließen akustische Wellenvorrichtungen (eine Oberflächenwellenvorrichtung, ein Lamb-Wellenelement, einen Dünnfilmresonator (FBAR) und dergleichen) und zusätzlich LED-Vorrichtungen, optische Wellenleiter-Vorrichtungen und Schalter-Vorrichtungen ein. Wenn das vorstehend-beschriebene Verbundwerkstoffsubstrat für die akustische Wellenvorrichtung verwendet wird, wird die Temperaturabhängigkeit der Frequenz zu einem großen Ausmaß verbessert, weil der Wärmeausdehnungskoeffizient des Mullit-enthaltenden Sinterkörpers, der als das Trägersubstrat dient, weniger als 4,3 ppm/°C (40°C bis 400°C) ist und klein ist. 3 zeigt ein Beispiel von einer elektronischen Vorrichtung 30, hergestellt durch Anwenden des Verbundwerkstoffsubstrats 10. Die elektronische Vorrichtung 30 ist ein 1-Port-SAW-Resonator, das heißt, eine Oberflächenwellenvorrichtung. Anfänglich wird das piezoelektrische Substrat 12 des Verbundwerkstoffsubstrats 10 mit einem Muster von vielen elektronischen Vorrichtungen 30 durch Anwenden üblicher Photolithographie-Technologie bereitgestellt. Danach wird jede von elektronischen Vorrichtungen 30 durch Kaltgranulieren geschnitten. In der elektronischen Vorrichtung 30 werden IDT(Interdigitalwandler)-Elektroden 32 und 34 und Reflexionselektroden 36 auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 12 durch Anwenden von Photolithographie-Technologie gebildet.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend-beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann auf verschiedene Art ausgeführt werden, so lange wie sie zu dem technischen Umfang der Erfindung gehören.
BEISPIELE
1. Herstellung von gemischtem Rohmaterialpulver
Ein kommerziell erhältliches Mullitpulver mit einer Reinheit von 99,9% oder mehr und einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,5 μm wurde als ein Mullit-Rohmaterial verwendet und ein kommerziell erhältliches Siliziumnitridpulver mit einer Reinheit von 97% oder mehr und einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,8 μm wurde als ein Siliziumnitrid-Rohmaterial verwendet. Das Mullit-Rohmaterial und das Siliziumnitrid-Rohmaterial wurden bei in Versuchs-Beispielen 1 bis 3 in Tabelle 1 gezeigten Verhältnissen eingewogen und wurden in einer Topfmühle durch Anwenden von Aluminumoxid-Kieseln mit einem Durchmesser von 5 mm gemischt, und ein gemischtes Rohmaterialpulver wurde durch Sprühtrocknen hergestellt. [Tabelle 1]
*1: Die Peakfläche von Mullit(210)-Fläche (2θ = 26,2°) in dem XRD-Profil wurde mit 1 angenommen, und eine Peakfläche von jeder Kristallphase relativ zu jener wurde als das Verhältnis der Kristallphase ausgewiesen.
*2: Ein Fall, wo der Bondungsflächenanteil in einem IR-Übertragungsbild 90% oder mehr war, wurde als ”am Besten” eingestuft und ein Fall, wo der Anteil 80% oder mehr und weniger als 90% war, wurde als ”gut” eingestuft.
2. Herstellung von Mullit-enthaltendem Sinterkörper
Das gemischte Rohmaterialpulver von jedem von Versuchs-Beispielen 1 bis 3 wurde in eine Form mit einem Durchmesser von etwa 125 mm gegeben und wurde in die Gestalt von einer Scheibe mit einer Dicke von etwa 10 bis 15 mm durch einen Druck von 200 kgf/cm² geformt, um so einen Mullit-enthaltenden Pressling zu erhalten. Anschließend wurde der Mullit-enthaltende Pressling in einer Heiß-Press-Graphit-Form mit einem Innendurchmesser von etwa 125 mm untergebracht und ein. Mullit-enthaltender Sinterkörper wurde in einem Heiß-Press-Ofen hergestellt, um so einen Durchmesser von etwa 125 mm und eine Dicke von 5 bis 8 mm aufzuweisen. In dieser Hinsicht wurde die maximale Temperatur während des Brennens (Brenntemperatur) auf 1650°C eingestellt, die Verweilzeit bei der Brenntemperatur wurde auf 5 h eingestellt und sowohl die Temperaturanstiegsrate als auch die Temperatursenkungsrate wurden auf 100°C/h eingestellt. Die Presslast wurde auf 200 kgf/cm² bei 900°C oder höher während des Temperaturanstiegs eingestellt, die Atmosphäre in dem Ofen wurde auf Vakuum eingestellt, bis 900°C erreicht wurde, und nachdem 900°C erreicht wurden, wurde N₂ eingeführt, um so Sintern in N₂ auszuführen. Nachdem die Brenntemperatur für eine vorbestimmte Zeit gehalten wurde, wurde die Temperatur auf 1200°C gesenkt, Regulierung der Presslast und der Atmosphäre in dem Ofen wurde gestoppt und natürliches Kühlen auf Raumtemperatur wurde durchgeführt. Zudem wurden in Versuchs-Beispiel 4 gleichfalls ein Pressling und ein Sinterkörper hergestellt, ausgenommen, dass ein Mullitpulver allein verwendet wurde.
3. Bewertung von Eigenschaften
Teststücke (Biegestäbe mit einer Größe von 4 × 3 × 40 mm und dergleichen) wurden aus den Sinterkörpern von Versuchs-Beispielen 1 bis 4 herausgeschnitten und verschiedene Eigenschaften wurden bewertet. Zusätzlich wurde hinsichtlich einer polierten Oberfläche des Sinterkörpers eine Oberfläche von einem Teststück von etwa 4 × 3 × 10 mm durch Polieren Hochglanz-endbearbeitet. Das Polieren wurde in der Größenordnung von 3-μm Diamantabriebkörnern und 0,5-μm Diamantabriebkörnern durchgeführt, und Läppen durch Anwenden von Diamantabriebkörnern von 0,1 μm oder weniger wurde als finale Endbearbeitung durchgeführt. Bewertete Eigenschaften waren wie nachstehend beschrieben.
(1) Kristallphase
Der Sinterkörper wurde pulverisiert und eine Kristallphase wurde durch Anwenden eines Röntgenspektrographen identifiziert. Die Messbedingungen wurden auf CuK_α, 50 kV, 300 mA, und 2θ = 5° bis 70° eingestellt und ein rotierendes Anoden-Röntgendiffraktometer (RINT hergestellt von Rigaku Industrial Corp.) wurde verwendet.
(2) Verhältnis der Kristallphase
Das Peak-Flächen-Verhältnis von jeder Kristallphase wurde aus dem XRD-Profil von dem vorstehend-beschriebenen (1) berechnet. Die Peak-Fläche von Mullit(210)-Fläche (2θ = 26,2°) wurde mit 1 angenommen und eine Peak-Fläche von jeder Kristallphase bezüglich jener wurde als das Verhältnis der Kristallphase ausgewiesen. Hier betrachtet man den repräsentativen Peak von jeder Kristallphase, die (101)-Fläche (2θ = 20,6°) von Siliziumnitrid und die (3–20)-Fläche (2θ = 24,6°) von Si₂Al₃O₇N und die (200)-Fläche (2θ = 26,9°) von Si₅AlON₇ von Sialon wurden verwendet.
(3) Schüttdichte und offene Porosität
Ein Biegestab wurde verwendet und die Schüttdichte und die offene Porosität wurden durch Anwenden eines Archimedes-Verfahren gemessen, in welchem reines Wasser verwendet wurde.
(4) Youngscher Modul
Die Messung wurde durch Anwenden eines statischen Umlenkungs-Verfahren in Übereinstimmung mit JIS R1602 durchgeführt. Das Teststück wurde zum Aufweisen der Gestalt von einem Biegestab von 3 mm × 4 mm × 40 mm eingestellt.
(5) Biegefestigkeit
Die Vier-Punkt-Biegefestigkeit wurde in Übereinstimmung mit JIS R1601 gemessen. Das Teststück wurde eingestellt, um die Gestalt von einem Biegestab von 3 mm × 4 mm × 40 mm oder die Hälfte der Größe davon aufzuweisen.
(6) Wärmeausdehnungskoeffizient (40°C bis 400°C)
Die Messung wurde durch Anwenden einer Schubstange vom Differenzialtyp in Übereinstimmung mit JIS R1618 durchgeführt. Die Gestalt des Teststücks wurde auf 3 mm × 4 mm × 20 mm eingestellt.
(7) Anzahl von Poren
Die polierte Oberfläche des wie vorstehend beschrieben fertig gestellten Sinterkörpers wurde durch Anwenden eines SEM beobachtet, und die Anzahl von Poren, die eine maximale Länge von 1 μm oder mehr aufweisen, die in 100 μm × 100 μm vorliegen, wurde gezählt.
(8) Oberflächenglattheit (Ra)
Die durchschnittliche Mittellinien-Rauhigkeit Ra der polierten Oberfläche des wie vorstehend beschrieben fertig gestellten Sinterkörpers wurde durch Anwenden eines AFM gemessen. Der Messbereich wurde auf 10 μm × 10 μm eingestellt.
(9) Mittlere Korngröße von Sinterteilen
Die polierte Oberfläche des wie vorstehend beschrieben fertig gestellten Sinterkörpers wurde chemischem Ätzen durch Anwenden von Phosphorsäure unterzogen, die Abmessungen von 200 oder mehr der Sinterteilchen wurden durch Anwenden des SEM gemessen, und die mittlere Korngröße wurde durch Anwenden linearer Analyse berechnet. Der Koeffizient der linearen Analyse wurde auf 1,5 eingestellt und der Wert, erzeugt durch Multiplizieren der Länge, die durch Anwenden des SEM tatsächlich gemessen wurde, mal 1,5 wurde als die mittlere Korngröße genommen.
(10) Bindungsfähigkeit
Eine Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 100 mm und einer Dicke von etwa 600 μm wurde aus jedem der Sinterkörper von Versuchs-Beispielen 1 bis 4 herausgeschnitten. Diese Scheibe wurde wie vorstehend beschrieben Hochglanzendbearbeitet und wurde danach gereinigt, um so Teilchen, Verunreinigungen und dergleichen auf der Oberfläche zu entfernen. Anschließend wurde die erhaltene Scheibe als Trägersubstrat verwendet, und ein Verbundwerkstoffsubstrat wurde durch Ausführen von direktem Bonden zwischen dem Trägersubstrat und dem funktionellen Substrat hergestellt. Das heißt, anfänglich wurde die zu bondende Oberfläche von jedem Trägersubstrat und dem funktionellen Substrat durch Argonionenstrahlen aktiviert und danach wurden die zwei Substrate aneinander gebondet durch Pressen bei 10 tonf, während die zwei zu bondenden Oberflächen zueinander zeigten, um so ein Verbundwerkstoffsubstrat herzustellen. Ein Lithiumniobat(LN)-Substrat wurde als das funktionelle Substrat verwendet. Hinsichtlich der Entwicklung der Bindungsfähigkeit wurde ein Fall, bei dem der Bondungsflächenanteil in einem IR-Übertragungsbild 90% oder mehr war, als ”am Besten” eingestuft, ein Fall, bei dem der Anteil 80% oder mehr und weniger als 90% war, wurde als ”gut” eingestuft und ein Fall, bei dem der Anteil weniger als 80% war, wurde als ”schlecht” eingestuft.
4. Bewertungsergebnis
Jedes von den Mullit-enthaltenden Sinterkörpern von Versuchs-Beispielen 1 bis 3 wurde durch Brennen des gemischten Rohmaterialpulvers, in welchem das Mullit-Rohmaterial und das Siliziumnitrid-Rohmaterial gemischt wurden, und ein Teil von Siliziumnitrid zu Sialon durch Brennen geändert wurde, hergestellt. Jeder der Mullit-enthaltenden Sinterkörper von Versuchs-Beispielen 1 bis 3 enthielt Siliziumnitrid und dergleichen und deshalb waren der Youngsche Modul und die Vier-Punkt-Biegefestigkeit verbessert, verglichen mit jenen des Sinterkörpers von Mullit allein von Versuchs-Beispiel 4. Das heißt, der Youngsche Modul war auf 240 GPa oder mehr verbessert und die Vier-Punkt-Biegefestigkeit war auf 320 MPa oder mehr verbessert. Zusätzlich war der Wärmeausdehnungskoeffizient von jedem der Mullit-enthaltenden Sinterkörper von Versuchs-Beispielen 1 bis 3 weniger als 4,3 ppm/°C (3,5 bis 4,1 ppm/°C) bei 40°C bis 400°C und deshalb war der Wert geringer als jener des Sinterkörpers von Mullit allein von Versuchs-Beispiel 4. Betrachtet man weiterhin jeden der Mullit-enthaltenden Sinterkörper von Versuchs-Beispielen 1 bis 3 und des Sinterkörpers von Mullit allein von Versuchs-Beispiel 4, war die offene Porosität 0,5% oder weniger (weniger als 0,1%), die mittlere Korngröße war 1,5 μm oder weniger (1,0 bis 1,2 μm) und deshalb war die durchschnittliche Mittellinien-Rauhigkeit Ra der polierten Oberfläche so klein wie 1,1 nm oder weniger (0,9 bis 1,1 nm). Folglich war in dem Fall, bei dem eine Scheibe, die aus jedem der Sinterkörper von Versuchs-Beispielen 2 bis 4 geschnitten wurde, an das funktionelle Substrat direkt gebondet war, die Bindungsfähigkeit ”am Besten”, weil der Bondungsflächenanteil 90% oder mehr war und war in dem Fall, bei dem eine Scheibe, die aus dem Sinterkörper von Versuchs-Beispiel 1 herausgeschnitten wurde, an das funktionelle Substrat direkt gebondet war, die Bindungsfähigkeit ”gut”, weil der Bondungsflächenanteil 80% oder mehr und weniger als 90% war. In dieser Hinsicht trug die Anzahl von Poren, die 3 oder weniger (Null) sind, zu solcher Verminderung im Wert der durchschnittlichen Mittellinien-Rauhigkeit Ra der polierten Oberfläche bei.
Im Übrigen entsprechen Versuchs-Beispiele 1 bis 3 den Beispielen gemäß der vorliegenden Erfindung und Versuchs-Beispiel 4 entspricht einem Vergleichs-Beispiel. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Beispiele begrenzt.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-058970 , eingereicht am 23. März 2016, deren gesamter Inhalt hierin durch diesen Hinweis einbezogen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016-058970 [0041]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS R1602 [0032]
JIS R1601 [0033]
JIS R1618 [0034]

Claims

Mullit-enthaltender Sinterkörper, umfassend Mullit und mindestens eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid und Sialon, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient bei 40°C bis 400°C weniger als 4,3 ppm/°C ist, die offene Porosität 0,5% oder weniger ist, und die mittlere Korngröße 1,5 μm oder weniger ist.
Mullit-enthaltender Sinterkörper nach Anspruch 1, wobei die Anzahl von Poren, die eine maximale Länge von 1 μm oder mehr aufweisen, welche in einer Fläche von 100 μm × 100 μm von einer polierten Oberfläche vorliegen, 10 oder weniger ist.
Mullit-enthaltender Sinterkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Youngsche Modul 240 GPa oder mehr ist.
Mullit-enthaltender Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vier-Punkt-Biegefestigkeit 320 MPa oder mehr ist.
Mullit-enthaltender Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die durchschnittliche Mittellinien-Rauhigkeit Ra der polierten Oberfläche 1,5 nm oder weniger ist.
Verfahren zur Herstellung eines Mullit-enthaltenden Sinterkörpers, umfassend: (a) Herstellen eines gemischten Rohmaterialpulvers durch Mischen von 50 bis 90 Volumenprozent Mullitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,5 μm oder weniger und 10 bis 50 Volumenprozent Siliziumnitridpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1 μm oder weniger, so dass die Summe 100 Volumenprozent ist, und (b) Herstellen des Mullit-enthaltenden Sinterkörpers durch Formen des gemischten Rohmaterialpulvers zu einem Pressling mit einer vorbestimmten Gestalt und Unterziehen des Presslings Heiß-Press-Brennen bei einem Pressdruck von 20 bis 300 kgf/cm² und einer Brenntemperatur von 1525°C bis 1700°C.
Verbundwerkstoffsubstrat, in welchem ein funktionelles Substrat an ein Trägersubstrat gebondet ist, wobei das Trägersubstrat der Mullit-enthaltende Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ist.