JP2015030629A

JP2015030629A - アルミナセラミックス接合体及びその製造方法

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Publication number: JP2015030629A
Application number: JP2013159569A
Authority: JP
Inventors: 梅津　基宏; Motohiro Umetsu; 基宏梅津; 良太佐藤; Ryota Sato
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-16
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: JP6196492B2

Abstract

【課題】高い接合強度を有するとともに、高い寸法精度のアルミナセラミックス接合体を製造することができるアルミナセラミックス接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】本製造方法は、アルミナセラミックス焼結体１，２，３の各接合面を当接させた状態で各焼結体１，２，３に対して１．００ＭＰａ以上２．５０ＭＰａ以下の圧力を加えるとともに、１５００℃以上１５５０℃以下の温度で保持する１次処理工程と、１次処理工程により形成された接合体を１６００℃以上１６５０℃以下の温度で保持し、アルミナセラミックス接合体１０を形成する２次処理工程とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミナセラミックス焼結体を接合して形成したアルミナセラミックス接合体及びその製造方法に関する。

アルミナセラミックス焼結体は、耐熱性、絶縁性、耐磨耗性に優れ、半導体製造装置等の各種装置の構造用部材として用いられている。構造用部材が中空構造等の複雑な構造である場合、複数のアルミナセラミックス焼結体の部材を接合したアルミナセラミックス接合体が用いられている。

従来、アルミナセラミックス接合体の製造方法として、アルミナセラミックス焼結体にガラス等の接合材を介在させさることなく、複数のアルミナセラミックス焼結体の部材を接合したアルミナセラミックス接合体の製造方法が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１２−０７１９９５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたアルミナセラミックス接合体の製造方法は、高い接合強度のアルミナセラミックス接合体を製造するために高温高圧処理を行う必要があり、複数のアルミナセラミックス焼結体の部材を接合する前後において、アルミナセラミックス接合体がクリープ変形する場合がある。そのため、高い寸法精度が要求される中空構造等の複雑な構造のアルミナセラミックス接合体の形成が困難な場合がある。

そこで、本発明は、高い接合強度を有するとともに、高い寸法精度のアルミナセラミックス接合体を製造することができるアルミナセラミックス接合体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を行った結果、アルミナセラミックス焼結体の接合面同士を当接させた状態で焼結して接合する１次処理で形成されたアルミナセラミックス接合体を、さらに、１次処理よりも高い温度で長時間加熱することにより、高い接合強度を有するとともに、高い寸法精度のアルミナセラミックス接合体を製造することができることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明のアルミナセラミックス接合体の製造方法は、複数のアルミナセラミックス焼結体同士が接合されて構成されているアルミナセラミックス接合体の製造方法であって、前記複数のアルミナセラミックス焼結体のそれぞれの接合面の表面粗さＲａを、０．３０μｍ以下に研磨加工する研磨処理工程と、前記研磨処理工程により研磨加工された接合面同士を当接させた状態で前記接合面に対して垂直な方向に前記複数のアルミナセラミックス焼結体に対して１．００ＭＰａ以上２．５０ＭＰａ以下の圧力を加えるとともに、１５００℃以上１５５０℃以下の温度で３時間以上９時間以下にわたり保持して、アルミナセラミックス接合体を形成する１次処理工程と、前記１次処理工程により形成された前記アルミナセラミックス接合体の前記接合面の垂線方向を重力方向に合わせ、前記アルミナセラミックス接合体を１６００℃以上１６５０℃以下の温度で１０時間以上２０時間以下にわたり保持する２次処理工程と、を備えることを特徴とする。

本発明のアルミナセラミックス接合体の製造方法によれば、まず、研磨処理工程により、接合対象である複数のアルミナセラミックス焼結体それぞれの接合面の表面粗さＲａが、０．３０μｍ以下に研磨加工される。各焼結体の接合面の表面粗さＲａが０．３０μｍを超える場合、当該焼結体同士の接合界面における気孔の最大気孔径が大きくなるため、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における気密性及び接合強度が無視できない程度に低下する可能性があるからである。

次に、１次処理工程により、複数のアルミナセラミックス焼結体の接合面同士を当接させた状態で接合面に対して垂直な方向に圧力を加え、一定温度で一定時間保持することでアルミナセラミックス接合体を形成する。１次処理により形成されたアルミナセラミックス接合体は、接合界面における気孔の最大気孔径と、気孔の空間占有率とが調整され、接合強度を高めるとともに、クリープ変形が抑制される。

そして、２次処理工程より、アルミナセラミックス接合体の接合面より垂線方向上方の部分の自重を利用して接合面に対して圧力を加え、一定温度で一定時間保持する。これにより、アルミナセラミックス接合体の接合界面を構成するアルミナ粒子の粒成長が促進され、当該接合界面に残存していた気孔の少なくとも一部が当該結晶粒子により充填される。その結果、接合界面における気孔の最大気孔径が３μｍ以下に、そして気孔の空間占有率が３％以下になることにより、２８０ＭＰａ〜３６０ＭＰａという高い接合強度のアルミナセラミックス接合体が製造される。さらに、１次処理後のアルミナセラミックス接合体に対する寸法変化率を０．３％以下に調整する。従って、高い寸法精度を有するとともに、接合部における高い接合強度と高い気密性とを有するアルミナセラミックス接合体を製造することができる。

また、本発明のアルミナセラミックス接合体は、複数のアルミナセラミックス焼結体同士が接合されることにより構成されているアルミナセラミックス接合体であって、接合界面における気孔の気孔最大径が３μｍ以下であり、前記気孔の空間占有率が３％以下であることを特徴とする。

本発明のアルミナセラミックス接合体によれば、接合界面における気孔の最大気孔径が３μｍ以下、かつ気孔の空間占有率が３％以下であるという優れた気密性を有することにより、２８０ＭＰａ〜３６０ＭＰａという高い接合強度を実現できる。従って、高い接合強度が要求される中空構造等の複雑な構造のアルミナセラミックス接合体に適用できる。

本発明の実施形態に係るアルミナセラミックス接合体の製造方法を説明する図であり、（ａ）はアルミナセラミックス接合体を、（ｂ）はアルミナセラミックス焼結体をそれぞれ示す。本発明の実施形態に係るアルミナセラミックス接合体の製造方法の２次処理工程を説明する図。接合界面における気孔の空間占有率を説明するためのアルミナセラミックス接合体の模式断面図。１次処理工程における温度と圧力の条件を示す図。２次処理工程における温度と保持時間の条件を示す図。アルミナセラミックス接合体の接合界面における最大気孔径、気孔の空間占有率、及び接合強度との関係を示す図。

本実施形態のアルミナセラミックス接合体及びその製造方法について説明する。

本実施形態のアルミナセラミックス接合体は、複数のアルミナセラミックス焼結体同士が接合されることにより構成されているアルミナセラミックス接合体であって、接合界面における気孔の最大気孔径が３μｍ以下であり、気孔の空間占有率が３％以下であるアルミナセラミックス接合体である。

本実施形態のアルミナセラミックス接合体は、例えば、流路などの溝や穴が形成されたアルミナセラミックス焼結体を複数段積層して接合され、中空構造を有する構造用部材に適したものである。このような構造用部材として、例えば、冷却機構付温調チャック、ヒートシンク、ガス供給板、冷却板、軽量ステージ等が挙げられる。

以下、図１（ａ）に示されるアルミナセラミックス接合体１０を用いて説明する。ただし、本発明のアルミナセラミックス接合体はこれに限定されず、アルミナセラミックス接合体１０に特定の用途はない。

（成形処理工程）
まず、粒度０．６μｍ以下純度９９．５％以上のアルミナ粉末を用いてアルミナ成形部材を形成する成形処理工程が行われる。

本工程では、まず、アルミナ焼結体の主成分として、平均粒度０．３μｍ以上０．６μｍ以下、純度９９．５％以上のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末を用意する。なお、アルミナ粉末の粒度を０．６μｍ以下にするのは、後述するアルミナセラミックス焼結体１，２，３の焼結粒径が大きくなることを防止するためである。

そして、アルミナ粉末に、焼結助剤、バインダ、分散剤などの副成分を所定量添加したものを攪拌混合してスラリーを得る。焼結助剤として、例えば、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ケイ素、硝酸マグネシウム等が挙げられる。バインダとしては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール樹脂、ウレタン樹脂、メチルセルロース及びポリアクリルアミド等が挙げられる。分散剤としては、例えば、ソルビタン脂肪酸エステル及びカルボン酸系共重合体等が挙げられる。

そして、このスラリーを噴霧造粒法（スプレードライ法）により噴霧乾燥して造粒し、２次原料として用意する。噴霧乾燥して造粒した２次原料を所定形状のゴム型内へ投入し、静水圧プレス成形法（ラバープレス法）により成形する。その後、アルミナ成形体をゴム型から取り外し、所定形状に切削加工を生加工として行う。本実施形態では、図１（ａ）に示されるように、アルミナセラミックス接合体であるアルミナセラミックス物品１０を製造するために、円板状の３つのアルミナ成形体を形成する。

そして、図１（ｂ）に示されるように、これらのアルミナ成形体に、機械加工を行い、凹状の溝部４，５を形成する。また、必要に応じて、盲穴、貫通穴などを形成してもよい。これにより、アルミナ成形体からなるアルミナ成形部材が得られる。なお、溝部４，５などは、型押し等によって形成してもよい。

（焼成処理工程）
次に、アルミナ成形部材を焼成してアルミナセラミックス焼結体１，２，３を形成する焼成処理工程が行われる。

本工程における焼結は、常圧焼結やホットプレス法（熱間加圧法）を含む加圧焼結、反応焼結など、各種の焼結方法を用いることが可能であり、アルミナセラミックス焼結体１，２，３に要求される特性に適した焼結方法を用いることができる。例えば、ホットプレス焼結では脱脂不良や色ムラが生じるおそれがあるので、これらの問題を回避したい場合には、ホットプレス焼結以外の常圧焼結などで焼結を行うことが好ましい。

アルミナセラミックス焼結体１，２，３の平均粒径は、６μｍ以下であることが好ましい。次工程の１次処理工程において、１５００℃以上１５５０℃以下の温度で加熱することにより、接合界面において気孔の最大気孔径が５μｍ以下、前記気孔の空間占有率が３％以上１０％以下の気孔分布態様を実現するためである。

（研磨処理工程）
焼成処理工程後のアルミナセラミックス焼結体１，２，３に仕上げの機械加工を行う研磨処理工程が行われる。仕上げの機械加工では、各アルミナセラミックス焼結体１，２，３の外形形状及び溝部４，５を所定の寸法に研削、研磨する。

各アルミナセラミックス焼結体１，２，３の接合面、具体的にはアルミナセラミックス焼結体１の下面１ａ、アルミナセラミックス焼結体２の上下面２ａ，２ａ、アルミナセラミックス焼結体３の上面３ａの表面粗さＲａ（ＪＩＳＢ０６０１−２００１）を０．３０μｍ以下になるように研磨する。各焼結体の接合面の表面粗さＲａが０．３０μｍを超える場合、当該焼結体同士の接合界面における気孔の最大気孔径が大きくなるため、後述する２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における気密性及び接合強度が無視できない程度に低下する可能性があるからである。

尚、各接合面において、平行度（ＪＩＳＢ０６２１−１９８１）を１０μｍ以下、平面度（ＪＩＳＢ０６２１−１９８１）を１０μｍ以下となるように表面研磨する。接合面１ａ，２ａ，３ａを上記数値範囲内の表面粗さＲａ、平行度及び平面度に表面研磨することによって、次工程の１次処理工程において、各アルミナセラミックス焼結体１，２，３同士を直接接合することができる。

（１次処理工程）
次に、アルミナセラミックス焼結体１，２，３をホットプレス焼結して直接接合し、アルミナセラミックス接合体１０’を形成する１次処理工程が行われる。

１次処理工程において、アルミナセラミックス焼結体１，２，３を重ね合わせて、ホットプレス装置内に収容する。ホットプレス焼結は、酸化を防止するため、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）等の不活性雰囲気や真空雰囲気下で行うことが好ましい。不活性雰囲気は、例えば、アルゴン９８％程度の状態である。真空化雰囲気は、１．３×１０^−２Ｐａ〜１３．３Ｐａ程度の真空状態である。

また、アルミナセラミックス焼結体同士を当接させて、１５００℃以上１５５０℃以下で加熱することが好ましい。加熱する温度が１５００℃未満である場合、接合界面における気孔の最大気孔径が大きくなるとともに、気孔の空間占有率が大きくなる。そのため、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、高い接合強度が得られない可能性がある。一方、加熱する温度が１５５０℃を超える場合、１次処理工程におけるアルミナセラミックス接合体のクリープ変形が大きくなり、高い寸法精度を有するアルミナセラミックス接合体を製造することが可能性な場合がある。

また、アルミナセラミックス焼結体同士を当接させた状態で、アルミナセラミックス焼結体の接合面に対して垂直な方向に、アルミナセラミックス焼結体に対して１．００ＭＰａ以上２．５０ＭＰａ以下の圧力を加えて加熱することが好ましい。

圧力が１．００ＭＰａ未満の場合、接合界面における気孔の最大気孔径及び気孔の空間占有率が大きくなり、１次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、接合強度が低くなる。その結果、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、高い接合強度が得られない可能性がある。

一方、圧力が２．５０ＭＰａを超える場合、接合界面における気孔の空間占有率が大きくなるとともに、粒界に微細なクラックが発生し、１次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合強度が低くなり、その結果、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体において、高い接合強度が得られない可能性がある。また、１次処理工程におけるアルミナセラミックス接合体のクリープ変形が大きくなり、２次処理工程後、高い寸法精度を有するアルミナセラミックス接合体を製造することが困難となる可能性がある。

さらに、アルミナセラミックス焼結体１，２，３の接合面１ａ，２ａ，３ａに対して、上記温度及び圧力の加圧加熱状態を３時間以上９時間以下にわたり保持することが好ましい。

加圧加熱状態の保持時間が３時間未満の場合、接合界面における気孔の最大気孔径及び気孔の空間占有率が大きくなり、１次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、接合強度が低くなる。その結果、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、高い接合強度が得られない可能性がある。一方、加圧加熱状態の保持時間が９時間を超える場合、アルミナセラミックス接合体のクリープ変形が大きくなり、２次処理工程後、高い寸法精度を有するアルミナセラミックス接合体を製造することが困難となる可能性がある。

（２次処理工程）
そして、加圧状態を開放した後、１次処理工程により形成されたアルミナセラミックス接合体１０’の接合面の垂線方向を重力方向に合わせ、アルミナセラミックス接合体１０’を１次処理工程の処理温度より高い温度で一定時間保持してアルミナセラミックス接合体１０を形成する２次処理工程が行われる。

１次処理工程により形成されたアルミナセラミックス接合体を、１６００℃以上１６５０℃以下の温度で保持することが好ましい。

２次処理工程の温度が１６００℃未満である場合、接合界面におけるアルミナ粒子が十分に粒成長せず、粒子間のネッキングが促進されず、気孔の最大気孔径が３μｍ以下、気孔の空間占有率が３％以下であるアルミナセラミックス接合体が形成されず、２８０ＭＰａ以上の高い接合強度を得られない可能性がある。一方、２次処理工程の温度が１６５０℃を超える場合、接合界面におけるアルミナ粒子の粒成長が過剰に促進され、アルミナ結晶粒子の平均粒子径が大きくなることにより、最大気孔径及び気孔の空間占有率が大きくなり、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、高い接合強度が得られない可能性がある。

また、１次処理工程により形成されたアルミナセラミックス接合体を、上記温度範囲の温度で１０時間以上２０時間以下にわたり保持することが好ましい。

２次処理工程の時間が１０時間未満の場合、接合界面におけるアルミナ粒子の粒成長が十分ではなく、アルミナ結晶粒子の平均粒子径が小さく、最大気孔径と気孔の空間占有率が大きくなり、２８０ＭＰａ以上の高い接合強度を得られない可能性がある。一方、２次処理工程の時間が２０時間を超える場合、アルミナセラミックス接合体が変形し、高い寸法精度を有するアルミナセラミックス接合体を製造することが困難となる可能性があるとともに、粒成長が促進され平均粒子径が大きくなることにより、最大気孔径及び気孔の空間占有率が大きくなり、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、高い接合強度が得られない可能性がある。

さらに、２次処理工程において、アルミナセラミックス接合体１０’の接合面の垂線方向が重力方向に合わせられる。具体的に、図２に示されるように、アルミナセラミックス接合体１０’は円板状に形成されていることから、アルミナセラミックス接合体１０’の接合面と保持部材２０の平面とが平行になるようにアルミナセラミックス接合体１０’が保持部材２０上に載置される。

保持部材２０は、アルミナセラミックス接合体１０’が載置される側に平坦な平面２１を有し、アルミナセラミックス接合体１０’の（図示しない）接合面と平面２１とが平行になるようにアルミナセラミックス接合体１０’が平面２１上に載置される。

尚、平面２１は、平坦な平面に限られず、２次処理工程においてアルミナセラミックス接合体の自重によるクリープ変形を抑制可能な面であればよく、例えば、湾曲する面、アルミナセラミックス接合体が載置される面側に格子状に溝が形成された面等も含まれる。

２次処理工程の処理雰囲気として、例えば、大気雰囲気、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ_２）等の不活性雰囲気、真空雰囲気が挙げられる。特に、１次処理工程により形成されたアルミナセラミックス接合体１０は酸素欠損により黒色化しているので、２次処理工程の処理雰囲気として大気雰囲気が好ましく、アルミナセラミックス接合体本来の色に復元させることができる。

その後、降温させ、アルミナセラミックス接合体１０を取り出す。２次処理工程により形成されたアルミナセラミックス接合体１０は、アルミナセラミックス焼結体１，２，３が直接接合されたものであり、中空構造を有している。

アルミナセラミックス接合体１０は、図３に模式的に示されるように、接合界面１１において、気孔（空隙）１２が３μｍ以下、気孔１２の空間占有率αが３％以下である気孔が存在し得る。ここで、気孔１２の空間占有率αは、接合界面１１の切断拡大写真などにおいて、接合界面１１の長さＬに対する各気孔１２の接合界面１１上における長さａｉの合計長さΣａｉを意味し、式（１）で表される。

α＝Σａi／Ｌ＝（ａ1＋ａ2＋・・・＋ａN）／Ｌ・・・（１）
アルミナセラミックス焼結体１，２，３のクリープ変形による厚さ方向の寸法変化を制御できる１次処理工程を行い、その後クリープ変形を抑制できる２次処理を行うことにより、２次処理工程後も高い寸法精度が維持される。例えば、１次処理工程後の寸法変化率は厚さ方向において１．０％以下であり、２次処理工程後の寸法変化率は厚さ方向において０．３％以下である。例えば、厚さ３．５ｍｍ５０ｍｍ角の正方形板の場合、２次処理工程後の中心部の厚み寸法変化量は３８．５μｍ以下であり、中心部の厚み寸法変化率は１．１％以下である。

従って、高い寸法精度が要求される中空構造に代表される複雑な構造のアルミナセラミックス接合体を製造することができる。

また、本実施形態のアルミナセラミックス接合体の製造方法により製造されたアルミナセラミックス接合体は、接合界面１１における気孔の最大気孔径が３μｍ以下、かつ気孔の空間占有率が３％以下という優れた気密性を有するので、２８０ＭＰａ〜３６０ＭＰａという高い接合強度を実現する。

以下、実施例及び比較例を示して説明する。

（実施例１）
［アルミナセラミックス焼結体の作製］
粒度０．５μｍ、純度９９．５％のアルミナ粉末１０ｋｇに、焼結助剤として硝酸マグネシウムを６５ｇ、バインダとしてポリビニルアルコールを２０ｇ、分散剤としてポリカルボン酸ナトリウム塩を１５ｇ添加した原料粉末をボールミルに投入するとともに、適量のイオン交換水を添加して攪拌混合してスラリーを得た。得られたスラリーを噴霧造粒法により噴霧乾燥して造粒した。そして、造粒した２次原料をゴム型内へ投入し、静水圧プレス成形法により成形してアルミナ成形体を得た。そして、このアルミナ成形体を所定形状となるように切削加工してアルミナ成形部品を形成した。

次に、アルミナ成形部材を１６００℃の温度で３時間〜４時間常圧焼成して、図１（ｂ）に示されるアルミナセラミックス焼結体１，２，３を形成した。アルミナセラミックス焼結体１，２，３の平均粒径は４．３μｍであった。そして、アルミナセラミックス焼結体１，２，３の外形を切削加工して、共に直径８０ｍｍ厚さ１２ｍｍの円板状に形成した。アルミナセラミックス焼結体１，３を切削加工して、幅５ｍｍ深さ２．５ｍｍの溝部４，５を２本ずつ形成した。さらに、各アルミナセラミックス焼結体１，２，３の接合面１ａ，２ａ，３ａを通常の平面研削機で研削して、表面粗さＲａを０．２５μｍ、平行度を１０μｍ、平面度を１０μｍに加工した。

［１次処理工程］
次に、アルミナセラミックス焼結体１，２，３の接合面１ａ，２ａ，３ａに対して、１．８７ＭＰａの圧力で加圧するともに１５２５℃に加熱した状態を６時間にわたり保持することによりホットプレス焼結を行った。ホットプレス焼結は、９８％のアルゴン雰囲気下で行った。そして、アルミナセラミックス接合体１０’を得た。

［２次処理工程］
１次処理工程により形成されたアルミナセラミックス接合体の接合面の垂線方向を重力方向に合わせ、当該アルミナセラミックス接合体を、大気雰囲気中１６２５℃で１５時間にわたり加熱して、アルミナセラミックス接合体１０を得た。

２次処理工程において、アルミナセラミックス接合体１０’は円板状に形成されていることから、アルミナセラミックス接合体１０’の接合面と保持部材２０の平面とが平行になるようにアルミナセラミックス接合体１０’を保持部材２０上に載置し、アルミナセラミックス接合体１０’の接合面の垂線方向を重力方向に合わせた。

［評価］
１次処理後及び２次処理後のアルミナセラミックス接合体から、接合部が中央に位置するように曲げ試験片を切り出して４点曲げ試験（ＪＩＳＲ１６０１）により接合強度を測定した。その結果、１次処理後のアルミナセラミックス接合体の接合強度は、２３２ＭＰａ、２次処理後のアルミナセラミックス接合体の接合強度は、３４５ＭＰａであって。

また、１次処理後及び２次処理後のアルミナセラミックス接合体中心部の厚み方向の寸法変化率を測定した。この結果、１次処理におけるアルミナセラミックス接合体中心部の厚み方向の寸法変化率は０．７％、２次処理におけるアルミナセラミックス接合体中心部の厚み方向の寸法変化率は０．０８％、１次処理及び２次処理全体を通じたアルミナセラミックス接合体中心部の厚み方向の寸法変化率は０．７８％であった。

また、１次処理後及び２次処理後のアルミナセラミックス接合体を切断し、切断断面を鏡面研磨した後、エッチング処理を施し、走査型電子顕微鏡により接合部を観察した。その結果、１次処理後のアルミナセラミックス接合体において、接合界面における気孔の最大気孔径が３．５μｍ、気孔の空間占有率が３．８％であり、２次処理後のアルミナセラミックス接合体において、接合界面における気孔の最大気孔径が１．０μｍ、気孔の空間占有率が２．０％であった。

（実施例２）
焼結体の接合面の表面粗さＲａを０．２０μｍに加工したほかは、実施例１と同一条件で実施例２のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（実施例３）
焼結体の接合面の表面粗さＲａを０．３０μｍに加工したほかは、実施例１と同一条件で実施例３のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（実施例４）
１次処理工程における加熱温度を１５００℃にしたほかは、実施例１と同一条件で実施例４のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（実施例５）
１次処理工程における加熱温度を１５５０℃にしたほかは、実施例１と同一条件で実施例５のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（実施例６）
１次処理工程において、アルミナセラミックス焼結体の各接合面に対して１．００ＭＰａの圧力で加圧したほかは、実施例１と同一条件で実施例６のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（実施例７）
１次処理工程において、アルミナセラミックス焼結体の各接合面に対して２．５０ＭＰａの圧力で加圧したほかは、実施例１と同一条件で実施例７のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（実施例８）
２次処理工程における加熱温度を１６００℃にしたほかは、実施例１と同一条件で実施例８のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（実施例９）
２次処理工程における加熱温度を１６５０℃にしたほかは、実施例１と同一条件で実施例９のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（実施例１０）
２次処理工程における加熱状態の保持時間を１０時間にしたほかは、実施例１と同一条件で実施例１０のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（実施例１１）
２次処理工程における加熱状態の保持時間を２０時間にしたほかは、実施例１と同一条件で実施例１１のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（実施例１２）
２次処理工程における処理雰囲気をアルゴン９８％のアルゴン雰囲気にしたほかは、実施例１と同一条件で実施例１２のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（実施例１３）
２次処理工程における処理雰囲気を１０．０Ｐａの真空雰囲気にしたほかは、実施例１と同一条件で実施例１３のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（比較例１）
焼結体の接合面の表面粗さＲａを０．３５μｍに加工したほかは、実施例１と同一条件で比較例１のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（比較例２）
１次処理工程における加熱温度を１４５０℃にしたほかは、実施例１と同一条件で比較例２のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（比較例３）
１次処理工程における加熱温度を１６００℃にしたほかは、実施例１と同一条件で比較例３のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（比較例４）
１次処理工程において、アルミナセラミックス焼結体の各接合面に対して０．７５ＭＰａの圧力で加圧したほかは、実施例１と同一条件で比較例４のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（比較例５）
１次処理工程において、アルミナセラミックス焼結体の各接合面に対して３．００ＭＰａの圧力で加圧したほかは、実施例１と同一条件で比較例５のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（比較例６）
２次処理工程における加熱温度を１５７５℃にしたほかは、実施例１と同一条件で比較例６のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（比較例７）
２次処理工程における加熱温度を１６７５℃にしたほかは、実施例１と同一条件で比較例７のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（比較例８）
２次処理工程における加熱状態の保持時間を８時間にしたほかは、実施例１と同一条件で比較例８のアルミナセラミックス接合体を製造した。

（比較例９）
２次処理工程における加熱状態の保持時間を２２時間にしたほかは、実施例１と同一条件で比較例９のアルミナセラミックス接合体を製造した。

アルミナセラミックス焼結体の接合面の表面粗さＲａ（μｍ）と、１次処理工程の条件（温度（℃），圧力（ＭＰａ））と、１次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合界面における気孔の最大気孔径（μｍ）、気孔の空間占有率（％）、接合強度（ＭＰａ）及び接合体中心部の厚み方向の寸法変化率（％）とを、表１に示す。表１中、「※」は本実施形態の好適範囲外の値を示す。

２次処理工程の条件（温度（℃），保持時間（Ｈｒ），処理雰囲気）と、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合界面における気孔の最大気孔径（μｍ）、気孔の空間占有率（％）、接合強度（ＭＰａ）及び接合体中心部の厚み方向の寸法変化率（％）と、１次処理工程及び２次処理工程の全体を通じたアルミナセラミックス接合体中心部の厚み方向の寸法変化率（％）を、表２に示す。表２中、「※」は本実施形態の好適範囲外の値を示す。

図４には、１次処理工程における温度と圧力の組合せの条件を表すプロットが、黒数字付き白球体（数字は実施例の数番を表している）と、黒数字付き白四角形（数字は比較施例の数番を表している）により表されている。また、図５には、２次処理工程における温度と保持時間の組合せの条件を表すプロットが、黒数字付き白球体（数字は実施例の数番を表している）と、黒数字付き白四角形（数字は比較施例の数番を表している）により表されている。さらに、図６には、アルミナセラミックス接合体の接合界面における最大気孔径と、気孔の空間占有率と、接合強度との関係が、黒数字付き白球体（数字は実施例の数番を表している）と、黒数字付き白四角形（数字は比較施例の数番を表している）により表されている。

表１〜表２、図４〜図６の実施例１〜１３から、アルミナセラミックス焼結体のそれぞれの接合面の表面粗さＲａを、０．３０μｍ以下に研磨加工する研磨処理工程と、研磨処理工程により研磨加工された接合面同士を当接させた状態で当該接合面に対して垂直な方向に各アルミナセラミックス焼結体に対して１．００ＭＰａ以上２．５０ＭＰａ以下の圧力を加えるとともに、１５００℃以上１５５０℃以下の温度で３時間以上９時間以下にわたり保持して、アルミナセラミックス接合体を形成する１次処理工程と、１次処理工程により形成されたアルミナセラミックス接合体を、１６００℃以上１６５０℃以下の温度で１０時間以上２０時間以下にわたり保持する２次処理工程とを行うことにより、接合界面における気孔の最大気孔径が３μｍ以下、かつ前記気孔の空間占有率が３％以下であるアルミナセラミックス接合体が製造されることがわかる。その結果、接合強度が２８０ＭＰａ以上３６０ＭＰａ以下であるアルミナセラミックス接合体が製造されることがわかる。

また、実施例１〜１１は、大気雰囲気下で２次処理工程を実施しているため、アルミナセラミックス接合体本来の乳白色に復元した。一方、２次処理工程を、アルゴン雰囲気下で行った実施例１２、及び真空雰囲気下で行った実施例１３は、アルミナセラミックス接合体本来の乳白色に復元せず、１次処理工程後の黒色を維持した。

比較例１は、アルミナセラミックス焼結体の接合面の表面粗さＲａが０．３０μｍを超える０．３５μｍであったため、アルミナセラミックス接合体の接合界面における気孔の最大気孔径が１次処理工程後で５．５μｍ、２次処理工程後で４．０μｍと大きくなった。その結果、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、接合強度は２６０ＭＰａに低下した。

比較例２は、１次処理工程の温度が１５００℃未満である１４５０℃であったため、１次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合界面における気孔の最大気孔径が６．０μｍと大きくなるとともに、気孔の空間占有率が１２％と大きくなった。これにより、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合界面における気孔の最大気孔径が３．０μｍを超える４．６μｍと大きくなるとともに、気孔の空間占有率が３％を超える７％と大きくなった。その結果、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、接合強度は１９４ＭＰａに低下した。

比較例３は、１次処理工程の温度が１５５０℃を超える１６００℃であったため、１次処理工程でアルミナ粒子の粒成長が過剰に促進され、平均粒径が１０．５μｍと大きくなり、２次処理工程後の気孔の空間占有率が３．０％を超える３．５％と大きくなった。その結果、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、接合強度は２６０ＭＰａに低下した。

また、１次処理工程におけるアルミナセラミックス接合体のクリープ変形が大きくなり、１次処理工程における接合体中心部の厚み方向の寸法変化率が１．９％と大きくなり、その結果、１次処理工程及び２次処理工程の全体を通じた接合体中心部の厚み方向の寸法変化率が１．１％を超える１．９８％となった。

比較例４は、１次処理工程において、アルミナセラミックス焼結体同士を当接させて１．００ＭＰａ未満の０．７５ＭＰａの圧力を加えたため、１次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合界面における気孔の最大気孔径が５．２μｍと大きく、気孔の空間占有率も１０．５％と大きくなった。これにより、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合界面における気孔の最大気孔径が３μｍを超える４．０μｍと大きく、気孔の空間占有率も３．０％を超える４．０％と大きくなった。その結果、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、接合強度は２５５ＭＰａに低下した。

比較例５は、１次処理工程において、アルミナセラミックス焼結体同士を当接させて当該焼結体の接合面に２．５０ＭＰａを超える３．０ＭＰａの圧力を加えたため、接合界面における気孔の空間占有率１０．５％と大きくなるとともに、粒界に微細なクラックが発生し、１次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合強度１３０ＭＰａと低くなった。その結果、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合強度は１２０ＭＰａに低下した。

また、１次処理工程におけるアルミナセラミックス接合体のクリープ変形が大きくなり、１次処理工程における接合体中心部の厚み方向の寸法変化率が２．２％と大きくなり、その結果、１次処理工程及び２次処理工程の全体を通じた接合体中心部の厚み方向の寸法変化率が１．１％を超える２．２８％となった。

比較例６は、２次処理工程の温度が１６００℃未満である１５７５℃であったため、粒成長が十分に促進されず、平均粒子径が小さくなり、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合界面における気孔の最大気孔径が３．０μｍを超える３．３μｍ、気孔の空間占有率が３．０％を超える３．２％と大きくなった。その結果、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、接合強度は２７０ＭＰａに低下した。

比較例７は、２次処理工程の温度が１６５０℃を超える１６７５℃であったため、粒成長が過剰に促進され、平均粒子径が大きくなり、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合界面における気孔の最大気孔径が３．０μｍを超える４．０μｍ、気孔の空間占有率が３．０％を超える６．５％と大きくなった。その結果、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、接合強度は２０１ＭＰａに低下した。

また、２次処理工程における接合体中心部の厚み方向の寸法変化率が１．５％と大きくなり、その結果、１次処理工程及び２次処理工程の全体を通じた接合体中心部の厚み方向の寸法変化率が１．１％を超える２．１９％となった。

比較例８は、２次処理工程の保持時間が１０時間未満の８時間であったため、接合界面におけるアルミナ粒子の粒成長が十分ではなく、平均粒子径が小さくなり、最大気孔径が３μｍを超える３．１μｍで、気孔の空間占有率が３．０％を超える３．３％と大きくなり、接合強度が２６０μｍに低下した。

比較例９は、２次処理工程の保持時間が２０時間を超える２２時間であったため、アルミナセラミックス接合体が変形し、２次処理における接合体中心部の厚み方向の寸法変化率が１．３％と大きくなり、その結果、１次処理工程及び２次処理工程の全体を通じた接合体中心部の厚み方向の寸法変化率が１．１％を超える１．９９％となった。

また、粒成長が過剰に促進され、平均粒子径が大きくなり、最大気孔径が３μｍを超える３．３μｍ、気孔の空間占有率が３．０％を超える４．０％と大きくなり、２次処理工程後のアルミナセラミックス接合体の接合部における高い気密性が得られず、接合強度は２１０ＭＰａに低下した。

１，２，３…アルミナセラミックス焼結体、１ａ，２ａ，３ａ…接合面、４，５…溝部、１０，１０’…アルミナセラミックス接合体、１１…接合界面、１２…気孔、２０…保持部材。

Claims

複数のアルミナセラミックス焼結体同士が接合されて構成されているアルミナセラミックス接合体の製造方法であって、
前記複数のアルミナセラミックス焼結体のそれぞれの接合面の表面粗さＲａを、０．３０μｍ以下に研磨加工する研磨処理工程と、
前記研磨処理工程により研磨加工された接合面同士を当接させた状態で前記接合面に対して垂直な方向に前記複数のアルミナセラミックス焼結体に対して１．００ＭＰａ以上２．５０ＭＰａ以下の圧力を加えるとともに、１５００℃以上１５５０℃以下の温度で３時間以上９時間以下にわたり保持して、アルミナセラミックス接合体を形成する１次処理工程と、
前記１次処理工程により形成された前記アルミナセラミックス接合体の前記接合面の垂線方向を重力方向に合わせ、前記アルミナセラミックス接合体を１６００℃以上１６５０℃以下の温度で１０時間以上２０時間以下にわたり保持する２次処理工程と、を備えることを特徴とするアルミナセラミックス接合体の製造方法。
複数のアルミナセラミックス焼結体同士が接合されることにより構成されているアルミナセラミックス接合体であって、
接合界面における気孔の最大気孔径が３μｍ以下であり、前記気孔の空間占有率が３％以下であることを特徴とするアルミナセラミックス接合体。