JP2015224173A

JP2015224173A - コージェライト接合体

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Publication number: JP2015224173A
Application number: JP2014111399A
Authority: JP
Inventors: 修一飯田; Shuichi Iida; 須恵　敏幸; Toshiyuki Sue; 敏幸須恵; 田中　精一; Seiichi Tanaka; 精一田中; 信也宮崎; Shinya Miyazaki; 春二萩; Haruji Hagi; 吉田　政生; Masao Yoshida; 政生吉田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-05-29
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2015-12-14
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: JP6382579B2

Abstract

【課題】強度のばらつきの少ないコージェライト接合体を提供する。【解決手段】本発明のコージェライト接合体は、コージェライト質焼結体同士が接合されてなるコージェライト接合体であって、接合界面を含まない部分の４点曲げ強度の値をＡ、該接合界面を含む部分の４点曲げ強度の値をＢとしたとき、｜（Ａ−Ｂ）／Ａ?100≦６｜を満たすことから、機械的な応力若しくは機械的に加えて熱的な応力がコージェライト接合体に掛かったとしても、強度のばらつきに起因した破損や接合の剥離は少ないため、高い信頼性を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、コージェライト質焼結体同士が接合されてなるコージェライト接合体に関する。

近年、各種回路の微細化や半導体の高集積化が進み、これを製造する露光装置、加工装置、組み立て装置および測定装置などには、露光精度や加工精度などの精度向上が求められている。そのため、これらの各種装置において、被処理物を載置したり、載置して搬送（移動）したりする構成部材には、熱による寸法変化が小さく、搬送した後の振動が小さく、軽量化による搬送の高速化などが求められることから、熱膨張係数が低く、比較的剛性が高く、比重の小さいコージェライト質焼結体が用いられている。

また、最近では更なる高速化の要求により、構成部材の中空化や、構成部材の複雑形状化に対応すべく、コージェライト質焼結体同士の接合が行われている。

例えば、特許文献１には、室温における熱膨張係数の絶対値が0.6×10^−６／Ｋ以下、
弾性率（ヤング率）が100ＧＰａ以上、比剛性（ヤング率／比重）が40ＧＰａ・ｃｍ^３／
ｇ以上であるコージェライト質焼結体からなる複数の部材の接合面同士を接触させ、熱処理により一体化せしめてなる接合体において、前記コージェライト質焼結体が、当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＳｉの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２）換算で51.5〜70.0質量％となる条件でＳｉを含有し、前記複数の部材同士の接合部を構成する材料が実質的に母材と同じで、コージェライト質焼結体の強度の60％以上であるコージェライト接合体（特許文献１においては、低熱膨張セラミックス接合体）が提案されている。

特許第4890968号公報

しかしながら、特許文献１の表２の記載によれば、コージェライト質焼結体そのものである接合界面を含まない部分と、接合界面を含む（特許文献１の表２においては接合部を支持点の中心）部分とにおける４点曲げ強度の値に差を有している。

このように、コージェライト接合体において、４点曲げ強度の値にばらつきが存在すると、上述したような構造部材として用いた場合、機械的な応力若しくは機械的に加えて熱的な応力がコージェライト接合体に掛かった際に、強度のばらつきに起因して破損したり、接合が剥がれたりするおそれがあった。

本発明は、強度のばらつきの少ないコージェライト接合体を提供することを目的とする。

本発明のコージェライト接合体は、コージェライト質焼結体同士が接合されてなるコージェライト接合体であって、接合界面を含まない部分の４点曲げ強度の値をＡ、該接合界面を含む部分の４点曲げ強度の値をＢとしたとき、｜（Ａ−Ｂ）／Ａ×100≦６｜を満た
すことを特徴とするものである。

本発明のコージェライト接合体は、部位による４点曲げ強度の値のばらつきが小さいため、機械的な応力若しくは機械的に加えて熱的な応力がコージェライト接合体に掛かったとしても、強度のばらつきに起因した破損や接合の剥離は少ないことから、高い信頼性を有する。

本実施形態のコージェライト接合体における接合部分の一例を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。本実施形態のコージェライト接合体における接合部分の端部の一例を示す断面図である。

以下、本実施形態のコージェライト接合体の一例について説明する。

本実施形態のコージェライト接合体は、コージェライト質焼結体同士が接合されてなり、接合界面を含まない部分の４点曲げ強度の値をＡ、接合界面を含む部分の４点曲げ強度の値をＢとしたとき、｜（Ａ−Ｂ）／Ａ×100≦６｜を満たす。このように、本実施形態
のコージェライト接合体は、部位による４点曲げ強度の値のばらつきが小さいため、機械的な応力若しくは機械的に加えて熱的な応力がコージェライト接合体に掛かったとしても、強度のばらつきに起因した破損や接合の剥離は少ないことから、高い信頼性を有する。

なお、上述した記載において、接合界面を含まない部分とは、コージェライト接合体となる前のコージェライト質焼結体そのものにあたる部分のことであり、接合界面を含む部分とは、コージェライト質焼結体同士の接合面の境界である接合界面を含む部分のことである。

一般的に、接合界面を含まない部分と、接合界面を含む部分とでは、特許文献１の記載から明らかなように、接合界面を含む部分の強度が低い。これは、特許文献１の図１に示されているように、スケールから換算した値において接合界面に５〜15μｍ程度の大きさのボイドが存在しているためであると思料される。

これに対し、本実施形態のコージェライト接合体は、接合界面に３μｍを超えるようなボイドが存在せず、接合界面に存在するコージェライト粒子同士が強く結合し、コージェライト質焼結体と変わらない構成になっているため、部位による４点曲げ強度の値のばらつきが小さいのである。

図１は、本実施形態のコージェライト接合体における接合部分の一例を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真であり、2.5万倍に拡大した写真である。このように、本実施形態
のコージェライト接合体は、数千倍レベルの拡大程度では接合界面が確認できず、数万倍に拡大してようやく確認できるほどであり、点線で囲む接合部分とこれ以外の部分は変わらない構成を有している。なお、図１において、接合界面は、ＴＥＭ写真の左右にある黒い点を結ぶ部分に存在している。

そして、４点曲げ強度については、研削加工により試料からＪＩＳＲ 1601−2008（ＩＳＯ 14704：2000）に準拠した寸法の試験片とし、ＪＩＳＲ 1601−2008（ＩＳＯ
14704：2000）に準拠して測定すればよい。

なお、試料において、接合界面を含まない部分であるか、接合界面を含む部分であるかについては、まず、試料形状から、一般的なセラミックスの形成において、一体成型が容易と思われる部分および一体成型が困難であると思われる部分からそれぞれ測定試料を切り出して、例えば、数万倍等に拡大して接合界面の有無を確認し、得られた結果を基に試験片を切り出せばよい。

また、例えば、上壁部、下壁部、側壁部に囲まれた中空体であれば、上壁部または下壁部と、側壁部との境目は、接合界面である可能性が高い。また、複雑形状である場合には、形状の変化している部分に接合界面が存在している可能性が高い。さらに、厚みが厚い試料においては、厚み方向に複数個所確認すれば、接合界面を見つけることができる。なお、段差等により接合箇所が明確なときには、その部分を、接合界面を含む部分とし、段差に掛からない部分を、接合界面を含まない部分とすればよい。

そして、｜（Ａ−Ｂ）／Ａ×100≦６｜の求め方については、接合界面を含まない部分
の４点曲げ強度の値（Ａ）として、少なくとも３つの試験片における４点曲げ強度の値の平均値を求め、また、接合界面を含む部分の４点曲げ強度の値（Ｂ）として、少なくとも３つの試験片における４点曲げ強度の値の平均値を求め、接合界面を含まない部分の４点曲げ強度の平均値（Ａ）−接合界面を含む部分の４点曲げ強度の平均値（Ｂ）の差を、接合界面を含まない部分の４点曲げ強度の平均値（Ａ）で除して100を掛け、得られた値の
絶対値とすればよい。

具体的には、接合界面を含まない部分であるコージェライト質焼結体の４点曲げ強度が240ＭＰａであるとき、接合界面を含む部分（例えば、接合界面を中心とした試験片）に
おける４点曲げ強度は226ＭＰａ〜254ＭＰａである。

次に、図２は、本実施形態のコージェライト接合体における接合部分の端部の一例を示す断面図である。図２に示すように、一方のコージェライト質焼結体における接合面側の端部の少なくとも一部が切り欠き部とされていることが好適である。

本実施形態のコージェライト接合体は、部位による４点曲げ強度のばらつきが小さいものであるが、このように優れた特性を有するものとするには、接合時において、高い圧力を付与して接合する必要がある。そのため、一方のコージェライト質焼結体における接合面側の端部の少なくとも一部が切り欠き部とされていれば、端部に掛かる応力は緩和されるため、例えば、被処理物を載置して搬送する部材として用いた場合に、搬送途中で端部が欠けたり、欠けた端部の表面から粒子が脱落して装置の駆動部分を損傷させるおそれを少なくすることができる。また、接合時において、掛ける圧力を高くすることが可能となる。

なお、接合時においては、接合面側の端部の少なくとも一部が切り欠き部とされたコージェライト質焼結体は、下方に配置するものとし、接合面側の端部の全部が切り欠き部とされていることが好適であることはいうまでもない。

また、本実施形態のコージェライト接合体は、接合界面に、接合界面に沿った長さで１μｍ以上のボイドが存在しないことが好適である。接合界面において、接合界面に沿った長さで１μｍ以上のボイドが存在しないときには、｜（Ａ−Ｂ）／Ａ×100≦４｜を満た
すことができ、さらに、部位による４点曲げ強度のばらつきが小さくすることができるため、より優れた信頼性を有するものとなる。

次に、本実施形態のコージェライト接合体の作製方法について説明する。まず、予め炭酸マグネシウム粉末、酸化アルミニウム粉末、酸化珪素粉末を所定割合となるように調合
した混合粉末を仮焼して粉砕した合成コージェライト粉末と、酸化アルミニウム粉末と、炭酸カルシウム粉末とを用いて、所定の割合で秤量して１次原料とする。そして、この１次原料を湿式混合した後、所定量のバインダを加えたスラリーを得る。

なお、ここで酸化アルミニウム粉末を添加し、コージェライトの化学量論組成よりもＡｌ_２Ｏ_３の含有量を多くすることにより、理由は明らかではないが、接合時の接合界面において、コージェライト粒子同士の結合が活性化されるものと考えられる。また、炭酸カルシウム粉末を添加することにより、コージェライト質焼結体の緻密化を促進させることができ、剛性および機械的強度を高めることができる。また、Ｃａは、コージェライト質焼結体の作製において焼結助剤として一般的に用いられる希土類元素と比較して原子量が小さいため、比重を低くする一因ともなるものである。

また、機械的強度を向上させつつ、耐薬品性を向上させたり、熱膨張係数を調整したりするために、酸化ジルコニウム粉末を１次原料に加えてもよい。さらに、着色されたコージェライト質焼結体を得るには、原料粉末として、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ等の遷移金属元素を含む粉末を１次原料に加えればよい。

次に、噴霧造粒装置（スプレードライヤー）を用いてスラリーを噴霧し、造粒することにより顆粒を得る。そして、得られた顆粒を用いて静水圧プレス成形（ラバープレス）または粉末プレス成形にて成形体を成形し、必要に応じて切削加工を施した後、これを焼成炉にて大気雰囲気中1300℃以上1450℃以下の最高温度で焼成することによりコージェライト質焼結体を得る。なお、切り欠き部を設けるには、一方のコージェライト質焼結体となる成形体において、接合面となる端部の少なくとも一部に切削加工を施せばよい。

また、焼成後に100〜200ＭＰａの圧力を加えながら1000〜1350℃で熱間等方加圧プレスすればり、より緻密化させたコージェライト質焼結体を得ることができる。

次に、得られたコージェライト質焼結体の接合面となる表面の平面度が50μｍ以下となるまで研磨する。そして、それぞれの接合面を合わせて、重石により、接合面に16ｋＰａ以上の圧力を掛けた状態で、1200℃以上1450℃以下の温度で熱処理することにより、本実施形態のコージェライト接合体を得ることができる。

また、得られたコージェライト質焼結体の接合面となる表面の平面度が20μｍ以下となるまで研磨し、それぞれの接合面を合わせて、重石により、接合面に20ｋＰａ以上の圧力を掛けた状態で熱処理すれば、接合界面に、接合界面に沿った長さで１μｍ以上のボイドが存在しないコージェライト接合体を得ることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

平均粒径が３μｍの合成コージェライト粉末と、平均粒径が１μｍの酸化アルミニウム粉末と、炭酸カルシウム粉末と、遷移金属元素を含む粉末を準備した。

そして、試料Ｎｏ．１として、合成コージェライト粉末を94.0質量％、酸化アルミニウム粉末を3.5質量％、炭酸カルシウム粉末を1.0質量％、遷移金属を含む粉末を1.5質量％
秤量した。

また、試料Ｎｏ．２として、合成コージェライト粉末を97.5質量％、炭酸カルシウム粉
末を0.5質量％、遷移金属を含む粉末を1.0質量％秤量した。

さらに、試料Ｎｏ．３として、合成コージェライト粉末を94.0質量％、酸化イットリウム粉末を3.5質量％、炭酸カルシウム粉末を1.0質量％、遷移金属を含む粉末を1.5質量％
秤量した。

そして、純水を加えてボールミルで24時間混合した後、バインダを加えたスラリーとし、噴霧造粒装置を用いてスラリーを噴霧し、造粒することにより顆粒を得た。

そして、金型内に得られた顆粒を入れて１ｔ／ｃｍ^２の圧力を加えて成形し、大気雰囲気中において1410℃で焼成し、続いて150ＭＰａの圧力を加えながら1300℃で熱間等方加
圧プレスすることにより、それぞれコージェライト質焼結体を得た。

次に、得られたコージェライト質焼結体の接合面となる表面の平面度が50μｍ以下となるまで研磨する。そして、それぞれの接合面を合わせて、重石により、接合面に16ｋＰａ以上の圧力を掛けた状態で、1310℃の温度で熱処理した。

また、試料Ｎｏ．４として、一方のコージェライト質焼結体となる成形体において、接合面となる端部の少なくとも一部に切削加工を施して切り欠き部を設けたこと以外は、試料Ｎｏ．１と同様の方法により、コージェライト接合体を得た。なお、接合時において、切り欠き部を設けた方のコージェライト質焼結体を下方に配置した。

さらに、コージェライト質焼結体を得るところまでは、試料Ｎｏ．１と同様の方法により作製し、接合面となる表面の平面度が20μｍ以下となるまで研磨し、それぞれの接合面を合わせて、重石により、接合面に20ｋＰａ以上の圧力を掛けた状態で熱処理した。

そして、研削加工により各試料から、接合界面を含まない部分および接合界面を含む部分からそれぞれ３つのＪＩＳＲ 1601−2008（ＩＳＯ 14704：2000）に準拠した寸法
の試験片を切り出し、ＪＩＳＲ 1601−2008（ＩＳＯ 14704：2000）に準拠して４点
曲げ強度を測定した。

その結果、試料Ｎｏ．２，３は、｜（Ａ−Ｂ）／Ａ×100≦６｜を満たしていなかった
のに対し、試料Ｎｏ．１，４，５は、｜（Ａ−Ｂ）／Ａ×100≦６｜を満たしていた。特
に、試料Ｎｏ．５については、｜（Ａ−Ｂ）／Ａ×100≦４｜を満たしていた。

また、各試料につき、接合界面をＴＥＭで観察したところ、試料Ｎｏ．２，３については、接合界面に、接合界面に沿った長さで５μｍ以上のボイドが観察された。これに対し、試料Ｎｏ．１，４，５は、接合界面に、接合界面に沿った長さで３μｍ以上のボイドが観察されなかった。そして、図１は、試料Ｎｏ．５における接合界面のＴＥＭ写真であり、接合界面にボイド自体が観察されなかった。

この結果より、本発明のコージェライト接合体は、部位による４点曲げ強度のばらつきが小さいため、機械的な応力若しくは機械的に加えて熱的な応力がコージェライト接合体に掛かったとしても、強度のばらつきに起因した破損や接合の剥離は少なく、高い信頼性を有していることから、露光装置、加工装置、組み立て装置および測定装置などにおいて、被処理物を載置したり、載置して搬送（移動）したりする構成部材に好適に用いることができることがわかった。

Claims

コージェライト質焼結体同士が接合されてなるコージェライト接合体であって、接合界面を含まない部分の４点曲げ強度の値をＡ、該接合界面を含む部分の４点曲げ強度の値をＢとしたとき、｜（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００≦６｜を満たすことを特徴とするコージェライト接合体。
一方の前記コージェライト質焼結体における接合面側の端部の少なくとも一部が切り欠き部とされていることを特徴とする請求項１に記載のコージェライト接合体。
前記接合界面に、該接合界面に沿った長さで１μｍ以上のボイドが存在しないことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコージェライト接合体。