JP3920555B2 - 接合剤および接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属酸化物からなる接合剤に関し、特にサファイアなどの金属酸化物と他部材とを接合する接合剤に関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量を検出することで圧力を検出する容量式の圧力センサチップがある。この圧力センサチップは、所定の空間を備えた基体と、基体の空間上に配置されたダイヤフラムとから筐体が構成され、基体に配置された固定電極と、ダイヤフラムに固定された可動電極とを備えている。ここで、ダイヤフラムが圧力を受けて変形することで、可動電極と固定電極の間隔が変化してこれらの間の静電容量が変化する。この静電容量の変化に基づき、ダイヤフラムの受けた圧力が測定できる。
【０００３】
このような圧力センサチップにおいて、筐体を構成している基体およびダイヤフラムに、サファイアを用いたものが提案されている。サファイア、すなわちコランダム（酸化アルミニウム，α相）は、熱的にきわめて安定であり、酸，アルカリにほとんど溶解せず、耐火物，絶縁体，研磨剤などのような広い用途がある。このような特性のサファイアを筐体に用いることで、測定対象が腐食性を有している流体であっても、流体を直接ダイヤフラムに受けてこの圧力を測定することが可能となる。
【０００４】
上記圧力センサチップは、図５に示すように台座に固定されて圧力センサとして用いられる。図５に示すように、圧力センサのチップ５０１は、例えばガラスからなる台座５０２の中央部に形成された凹部５０３に、ダイヤフラム部を図面上方に向けて載置される。台座５０２の凹部５０３底面には、台座５０２底面に貫通する電極ピン５０４の端子５０５があり、チップ５０１の基台裏面に引き出されている各電極の配線と接続している。また、凹部５０３底面には、台座５０２底面に連通する通気口５０６が形成されている。
【０００５】
チップ５０１は、中央部に開口部を備えたカバープレート５０７により、上面の周辺部が押さえられ、凹部５０３に固定されている。カバープレート５０７は、台座５０２上面に一度溶融させたガラスにより接合されて台座５０２に固定されている。また、カバープレート５０７とチップ５０１の当接箇所は、チップ５０１上面に接触する測定対象の流体が、チップ５０１周囲の凹部５０３内に侵入しないように、気密封止された状態に接続されている。
【０００６】
カバープレート５０７は、圧力測定の精度を確保するため、チップ５０１の温度による変形の状態を同一にしてチップ５０１に応力が発生しないようにするため、チップ５０１と同一材料のサファイアから形成されている。また、異種間接合を極力排除して上記気密封止状態を得るため、チップ５０１との当接面は、直接接合により接合されている。このような、サファイア同士の接合では、互いの接合面を鏡面研磨して当接し、接合する２つのサファイア部材間に圧力をかけた状態で加熱することで、接合剤などを用いることなく、強固な接合状態を得ている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記直接接合では、サファイアからなる２つの部材の当接面の表面荒さが０．３ｎｍ以下になるまで鏡面研磨する必要があるため、部材（カバープレート）が非常に高価なものとなってしまうという問題があった。一般的にある接合剤などを用いれば、接合面を鏡面にする必要はなくなるが、異なる材料が間に介在するため、応力が発生したり、また、接合箇所がサファイアほどの耐食性や熱的安定性が得られない状態となり、用途が限られたものとなってしまう。
【０００８】
以上示したように、従来では、サファイアなどの金属酸化物からなる２つ以上の部材を接合して部品を形成する場合、部材を構成する材料の特性を１００％発揮させるためには、直接接合により部材間を接合することになるが、直接接合はコストが高いという問題があった。これに対し、従来よりある接合剤を利用して部材間を接合する場合、安価に部品を形成できるが、部材を構成する材料の特性を１００％生かせないという問題があった。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、サファイアなどの金属酸化物からなる部材間を、部材の特性を損なうことなく安価に接合できるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の接合剤は、α相の酸化アルミニウムより不安定でより低いエネルギーレベルに変化しやすい中間体相の酸化アルミニウムと、アモルファス状態の酸化ホウ素との混合物から構成されたものである。
この発明によれば、酸化ホウ素の融点以上に加熱することで、接合剤が、酸化アルミニウムとＡｌ₁₈Ｂ₄Ｏ₃₃との混合体になる。
また、本発明の接合剤は、酸化アルミニウムとＡｌ₁₈Ｂ₄Ｏ₃₃とから構成されたものである。
この発明によれば、接合剤は、１０００℃以上の耐熱性を備えている。
【００１１】
本発明の接合方法は、 金属酸化物からなる基体の接合面上に、アルミニウムと酸素とを含む第１の化合物とホウ素と酸素とを含む第２の化合物とが溶解した溶液からなる溶液層を形成する第１の工程と、この溶液層を加熱し、第１の化合物をα相の酸化アルミニウムより不安定でより低いエネルギーレベルに変化しやすい酸化アルミニウムの中間体相の状態にし、かつ第２の化合物を酸化ホウ素にし、酸化アルミニウムの中間体相と酸化ホウ素とを含む接合剤からなる接合層が、基体の接合面上に形成された状態とする第２の工程と、第２の工程の後、接合層上に他部材を配置し、所定の時間、接合層を酸化ホウ素の融点以上に加熱する第３の工程とを備えたものである。
この発明によれば、第３の工程により、接合層の接合剤が酸化アルミニウムとＡｌ₁₈Ｂ₄Ｏ₃₃との混合体になり、これらにより基体と他部材とが接合される。
【００１２】
上記発明において、金属酸化物はα相の酸化アルミニウムである。また、第１の化合物は、アルミニウムの有機金属化合物であり、第２の化合物は、例えばアルコキシドなどのホウ素の有機金属化合物であればよく、また、第１の化合物は、例えばベーマイトなどのアルミニウムの水酸化物であり、第２の化合物は、ホウ酸であってもよい。なお、酸化アルミニウムの中間体相は、γ相，θ相，ι相，κ相，ε相，χ相，δ相，σ相のいずれかまたは混合物もしくはアモルファス状態であればよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態における接合方法を説明する工程図である。本実施の形態では、サファイア基板同士を接合する場合を例に説明する。
まず、図１に示すように、サファイアからなる基板１０１上に、Ａｌ（ＯＣ₂Ｈ₅）₃とＢ（ＯＣＨ₃）₃とをキシレンに溶解して作製した接合剤を塗布して塗布膜１０２を形成する。つぎに、基板１０１を４５０℃程度に加熱し、かつ、塗布膜１０２に例えば波長１７２ｎｍの紫外線を照射する。このことにより、塗布膜１０２中のキシレンを気化させると共に、Ａｌ（ＯＣ₂Ｈ₅）₃とＢ（ＯＣＨ₃）₃を熱分解させる。
【００１４】
以上のことにより、基板１０１上に、アモルファス状態もしくはγ相のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とアモルファス状態の酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）からなる接合剤からなる接合層１０３が形成された状態とする（図２）。この加熱温度は、酸化ホウ素の融点である４７０℃より低い温度とする。
前述した溶液を塗布することで形成した接合層１０３表面は、基板１０１表面の凹凸を吸収して平坦な状態になっている。また、熱分解して形成された接合層１０３中のアルミナの一部は、サファイアからなる基板１０１表面と接合した状態となっている。
【００１５】
アルミナは、コランダム型の結晶構造（α相）をとることにより、サファイアなどのコランダムとして非常に安定した状態となる。これに対し、立法晶系スピネル型の結晶構造となっているγ−アルミナでは、結晶構造に無理があるためなどにより酸素原子が欠落している格子欠陥が多数存在した状態となっている。また、アモルファス状態のアルミナにおいては、この格子欠陥がより多く存在した状態となっている。このように、酸素原子が欠落している格子欠陥が多数存在した状態の層がサファイアなどの金属酸化物結晶体の上に形成されると、表面の酸素が上記格子欠陥内に入り込み、安定した状態を形成しようとする。このことにより、基板１０１とこの表面に形成された接合層１０３は、化学的に結合した状態となって接合された状態となる。
【００１６】
つぎに、図３に示すように、新たなサファイアからなる基板１０４を用意し、基板１０１上の接合層１０３上に基板１０４を載置し、これらを４７０℃以上例えば４８０℃に加熱する。この加熱温度は、酸化ホウ素が融解する温度以上とする。４８０℃程度では、γ−アルミナはまったく融解しないが、溶解して液体となっている酸化ホウ素には、一部が溶解する平衡状態となる。すなわち、接合層１０３においては、液体となった酸化ホウ素に、一部のγ−アルミナが溶解した状態となる。
【００１７】
上記状態において、融解して液体となった酸化ホウ素と、これに溶解しているγ−アルミナとが反応してＡｌ₂Ｂ₂Ｏ₆が形成される。
４８０℃の加熱状態では、Ａｌ₂Ｂ₂Ｏ₆の融点以上なので、Ａｌ₂Ｂ₂Ｏ₆は、融解して液体の状態となっている。すると、融解しているＡｌ₂Ｂ₂Ｏ₆に対しても、残っているγ−アルミナの一部が溶解して反応し、Ａｌ₄Ｂ₄Ｏ₉を形成する。このＡｌ₄Ｂ₄Ｏ₉も、４８０℃では融解しているので、引き続いて、残っているγ−アルミナの一部がこの融液に溶解して反応し、最終的にＡｌ₁₈Ｂ₄Ｏ₃₃が形成される。Ａｌ₁₈Ｂ₄Ｏ₃₃は、融点が１９５０℃であるので、４８０℃の加熱状態では、溶融せずに固体の状態となる。
【００１８】
以上のことにより、接合層１０３を、４８０℃に加熱した状態を保持していると、初期段階では酸化ホウ素の部分が融解した状態となるが、融解した酸化ホウ素とアルミナとの化学反応の結果、融点が１９５０℃のＡｌ₁₈Ｂ₄Ｏ₃₃が形成される。この結果、図４に示すように、基板１０１と基板１０４とが、アルミナとＡｌ₁₈Ｂ₄Ｏ₃₃とからなる接合層１０３ａにより、強固に接合した状態が得られる。また、接合層１０３ａは、熱的にきわめて安定であり、酸，アルカリにほとんど溶解せず、サファイアなどと同程度の特性である。
【００１９】
なお、前述では、Ａｌ（ＯＣ₂Ｈ₅）₃とＢ（ＯＣＨ₃）₃とを用いるようにしたが、これに限るものではない。例えば、ベーマイトゾルなどのアルミニウムの水酸化物とホウ酸とを用いるようにしても、これらが溶解した塗布膜を加熱することで、基板１０１上に、アモルファス状態もしくはγ相のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とアモルファス状態の酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）からなる接合剤からなる接合層１０３が形成された状態とすることが可能である。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、サファイアからなる圧力センサチップに、サファイアからなる板部材を直接接合と同様の状態に接合できるようになり、サファイアからなる圧力センサを、サファイアの持つ特性を損なうことなく安価に形成できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明実施の形態における接合方法を説明するための工程図である。
【図２】 図１に続く、接合方法を説明するための工程図である。
【図３】 図２に続く、接合方法を説明するための工程図である。
【図４】 図３に続く、接合方法を説明するための工程図である。
【図５】 圧力センサの構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１０１，１０４…基板、１０２…塗布膜、１０３，１０３ａ…接合層。

Claims (9)

1. α相の酸化アルミニウムより不安定でより低いエネルギーレベルに変化しやすい中間体相の酸化アルミニウムと、アモルファス状態の酸化ホウ素との混合物から構成されたことを特徴とする接合剤。
2. 酸化アルミニウムとＡｌ₁₈Ｂ₄Ｏ₃₃とから構成されたことを特徴とする接合剤。
3. 金属酸化物からなる基体の接合面上に、アルミニウムと酸素とを含む第１の化合物とホウ素と酸素とを含む第２の化合物とが溶解した溶液からなる溶液層を形成する第１の工程と、
   この溶液層を加熱し、前記第１の化合物をα相の酸化アルミニウムより不安定でより低いエネルギーレベルに変化しやすい酸化アルミニウムの中間体相の状態にし、かつ前記第２の化合物を酸化ホウ素にし、酸化アルミニウムの中間体相と酸化ホウ素とを含む接合剤からなる接合層が、前記基体の前記接合面上に形成された状態とする第２の工程と、
   前記第２の工程の後、前記接合層上に他部材を配置し、所定の時間、前記接合層を酸化ホウ素の融点以上に加熱する第３の工程と
   を備えたことを特徴とする接合方法。
4. 請求項３の接合方法において、
   前記金属酸化物はα相の酸化アルミニウムであることを特徴とする接合方法。
5. 請求項３または４に記載の接合方法において、
   前記第１の化合物は、アルミニウムの有機金属化合物であり、前記第２の化合物は、ホウ素の有機金属化合物であることを特徴とする接合方法。
6. 請求項５記載の接合方法において、
   前記第２の化合物は、ホウ素のアルコキシドであることを特徴とする接合方法。
7. 請求項３または４に記載の接合方法において、
   前記第１の化合物は、アルミニウムの水酸化物であり、前記第２の化合物は、ホウ酸であることを特徴とする接合方法。
8. 請求項７記載の接合方法において、
   前記第１の化合物は、ベーマイトから構成されたものであることを特徴とする接合方法。
9. 請求項３記載の接合方法において、
   前記酸化アルミニウムの中間体相は、γ相，θ相，ι相，κ相，ε相，χ相，δ相，σ相のいずれかまたは混合物もしくはアモルファス状態であることを特徴とする接合方法。

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