JP5302689B2 - 窒化アルミニウム接合体の製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム接合体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、窒化アルミニウム接合体の製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、窒化アルミニウム焼結体同士を接合した窒化アルミニウム接合体の製造方法に関する。
近年、半導体製造装置では、半導体ウエハーを載置して処理するためのプレートヒーターおよび静電チャックなどの部材として、耐熱性、耐食性に優れた窒化アルミニウムからなる部材が用いられている。このような窒化アルミニウムからなる部材の製造において、小さな窒化アルミニウム焼結体を互いに接合して、大きな部材を製造する場合も多い。これにより、単純な形状の窒化アルミニウム焼結体から、種々の形状を有する部材を得ることもできる。
窒化アルミニウム焼結体の接合方法としては、以下のような方法が知られている。たとえば、特許文献1では、図5に示すように、窒化アルミニウム焼結体501の上に、窒化アルミニウム粉末と希土類酸化物および/または炭酸カルシウムの粉末とを含むペースト502を塗布し、この上に窒化アルミニウム焼結体503を密着させた後、1〜250kgf/cm2の圧力をA方向に印加するとともに、1700〜2000℃に加熱して、窒化アルミニウム接合体500を製造している。また、特許文献2では、窒化アルミニウム粉末と、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物の粉末と、希土類酸化物の粉末とを含む接合剤が用いられており、5〜500kgf/cm2の圧力下、第一の工程では1400〜1650℃に加熱し、第二の工程では1650〜1800℃に加熱して、窒化アルミニウム焼結体同士を接合している。
特開平11−157951号公報 特開平10−273370号公報
しかしながら、いずれの接合方法も、強固に接合された接合体を得るために、窒化アルミニウム焼結体の製造時の焼成温度と同程度の加熱温度を必要としていた。この高温での加熱により、窒化アルミニウム焼結体の変質、変形などが懸念される。また、いずれの接合方法においても、加熱とともに圧力を印加する必要があり、煩雑である。
したがって、本発明の目的は、大気圧下の比較的低い温度で、窒化アルミニウム焼結体同士を強固に接合できる、窒化アルミニウム接合体の製造方法を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、特定の窒化アルミニウム焼結体を用いることにより、窒化アルミニウム焼結体同士を強固に接合できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明に係る窒化アルミニウム接合体の製造方法は、
窒化アルミニウム焼結体同士を接合した窒化アルミニウム接合体の製造方法であって、接合面にアルミナ層が形成された2つの上記窒化アルミニウム焼結体を、上記接合面で対向させ、かつ、上記接合面の間にアルカリ土類金属化合物を含むペースト層を介在させた状態で、1300〜1700℃の温度で加熱し、上記窒化アルミニウム焼結体同士を接合する接合工程を含むことを特徴とする。
上記接合工程は、一方の前記窒化アルミニウム焼結体のアルミナ層が形成された接合面に、アルカリ土類金属化合物を含むペースト層を形成し、該ペースト層に、他方の前記窒化アルミニウム焼結体のアルミナ層が形成された接合面を付着させた後に、1300〜1700℃の温度で加熱し、上記窒化アルミニウム焼結体同士を接合する工程であることが好ましい。
上記窒化アルミニウム焼結体の接合面に形成されたアルミナ層の厚みは、0.1〜10μmであることが好ましい。
本発明に係る窒化アルミニウム接合体の製造方法によれば、大気圧下の比較的低い温度で、窒化アルミニウム焼結体同士を強固に接合できる。
本発明の窒化アルミニウム接合体の製造方法を説明するための図である。 本発明の窒化アルミニウム接合体の製造方法を説明するための図である。 本発明の窒化アルミニウム接合体の製造方法を説明するための図である。 本発明の窒化アルミニウム接合体の製造方法を説明するための図である。 従来の窒化アルミニウム焼結体の製造方法を説明するための図である。 本発明の窒化アルミニウム接合体の一例における接合界面の写真である。 接合強度の測定方法を説明するための図である。 実施例での接合体の製造方法を説明するための図である。 実施例での接合体の製造方法を説明するための図である。 実施例での接合体の製造方法を説明するための図である。 実施例での接合体の製造方法を説明するための図である。
符号の説明
101: 窒化アルミニウム焼結体
102: 接合面
103: アルミナ層
201: ペースト層
301: 窒化アルミニウム焼結体
302: 接合面
303: アルミナ層
400: 窒化アルミニウム接合体
401: 接合部
500: 窒化アルミニウム接合体
501: 窒化アルミニウム焼結体
502: ペースト
503: 窒化アルミニウム焼結体
A: 圧力印加の方向
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係る窒化アルミニウム接合体の製造方法は、窒化アルミニウム焼結体同士を接合した窒化アルミニウム接合体の製造方法であって、接合面にアルミナ層が形成された2つの上記窒化アルミニウム焼結体を、上記接合面で対向させ、かつ、上記接合面の間にアルカリ土類金属化合物を含むペースト層を介在させた状態で加熱し、上記窒化アルミニウム焼結体同士を接合する接合工程を含む。好適には、上記接合工程では、一方の上記窒化アルミニウム焼結体のアルミナ層が形成された接合面に、アルカリ土類金属化合物を含むペースト層を形成し、該ペースト層に、他方の上記窒化アルミニウム焼結体のアルミナ層が形成された接合面を付着させた後に加熱し、上記窒化アルミニウム焼結体同士を接合する。
このように、本発明の製造方法では、窒化アルミニウム焼結体の接合面にアルミナ層が形成されているため、比較的低温でかつ大気圧下で、該焼結体同士を強固に接合することができる。また、得られた接合体は高い気密性を有する。
以下、図を参照しながら、本発明の製造方法をより具体的に説明する。
まず、上記接合工程では、図1に示すように、接合面102にアルミナ層103が形成された窒化アルミニウム焼結体101を用意する。
窒化アルミニウム焼結体101の形状は板状であるが、本発明においてはこれに限られず、たとえば円柱状、多角柱状などであってもよい。また、窒化アルミニウム焼結体は、中空構造であっても中実構造であってもよい。窒化アルミニウム焼結体の形状は、所望の接合体の構造が得られるように適宜選択すればよい。
窒化アルミニウム焼結体101の相対密度は、97%以上であることが好ましい。
また、アルミナ層103の厚みは、好ましくは0.1〜10μm、より好ましくは1〜5μmであることが望ましい。アルミナ層の厚みが薄すぎると本発明の製造方法の効果が得られない場合があり、アルミナ層の厚みが厚すぎるとアルミナ層と窒化アルミニウム焼結体との接合強度が劣る場合がある。
接合面102にアルミナ層103が形成された窒化アルミニウム焼結体101の製造方法は特に限定されないが、たとえば、以下のように窒化アルミニウム焼結体を製造してから、接合面となる面にアルミナ層を形成する方法が挙げられる。
窒化アルミニウム焼結体の製造においては、はじめに、窒化アルミニウム粉末に有機バインダーを添加し、必要に応じて、さらに焼結助剤、分散剤、分散媒などを添加し、混合してスラリーまたはペーストを調製する。
有機バインダーとしては、ポリビニルブチラール等のブチラール樹脂、ポリメタクリルブチル等のアクリル樹脂などが挙げられる。この有機バインダーは、窒化アルミニウム粉末100重量部当り、通常0.1〜30重量部、好ましくは1〜15重量部の量で使用される。
焼結助剤としては、CaO、SrO等のアルカリ土類系酸化物、Y23、CeO2、Ho23、Yb23、Gd23、Nd23、Sm23、Dy23等の希土類系酸化物が挙げられる。これらのうちでY23が好適に使用される。また、焼結助剤は、必ずしも酸化物である必要はなく、たとえば炭酸塩、硝酸塩、リン酸塩などであってもよい。この焼結助剤は、窒化アルミニウム粉末100重量部当り、通常0.1〜30重量部、好ましくは1〜15重量部の量で使用される。
分散剤としては、グリセリン化合物類などが挙げられる。この分散剤は、窒化アルミニウム粉末100重量部当り、通常0.1〜10重量部、好ましくは0.5〜5重量部の量で使用される。
分散媒としては、エタノールなどが挙げられる。この分散媒は、窒化アルミニウム粉末100重量部当り、通常10〜50重量部、好ましくは15〜30重量部の量で使用される。
次いで、上記のようにして得られたスラリーまたはペーストを所望の形状に成形する。ここで、具体的には、押出成形法、射出成形法、鋳込み成形法、ドクターブレード法などの成形手段によって成形する。次いで、得られた成形体を脱脂した後、焼成して窒化アルミニウム焼結体が製造される。上記成形は、スプレードライヤーにより上記スラリーまたはペーストを造粒した後、造粒粉末を金型成型し、たとえば冷間静水圧プレス法により成形してもよい。また、脱脂は、空気中で450〜650℃で行うことが好ましく、焼成は、窒素雰囲気中で1700〜1900℃で行うことが好ましい。
なお、有機バインダーを用いずに、圧縮成形法により成形を行ってもよい。たとえば、窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末との混合粉末を、一軸成形機にて、仮成形したグリーン体を製造し、これを、CIP(冷間等方圧)成形機にて1〜4t/cm2で加圧成形することにより成形体を作製してもよい。この場合は、脱脂工程は不要であり、得られた成形体を好ましくは上述したような条件で焼成して、窒化アルミニウム焼結体が製造される。
なお、上記窒化アルミニウム焼結体において、接合面となる面にアルミナ層を形成する前に、該表面に粗面化処理、研磨処理などの処理を施しておいてもよい。粗面化処理としては、アルカリ性水溶液によるエッチング、サンドブラストなどが挙げられる。また、研磨処理としては、砥粒を用いた研磨、電解インプロセスドレッシング研削などが挙げられる。
次いで、得られた窒化アルミニウム焼結体の接合面となる表面にアルミナ層を形成するが、たとえば以下のような酸化処理によって形成される。すなわち、窒化アルミニウム焼結体を酸素含有ガス雰囲気中で加熱して、表面にアルミナ層を形成する。
酸素含有ガスとしては、空気が最も簡便であるが、純酸素ガス、酸素を不活性ガス(たとえば、酸素を窒素、二酸化炭素、アルゴン等の希ガスなど)および/または空気で希釈したガスなどを用いてもよい。酸素含有ガス中の酸素濃度は20%以上とすることが好ましい。
酸素含有ガスの露点は、好ましくは−25℃以下、より好ましくは−40℃〜−30℃であることが望ましい。露点を上記範囲にするには、圧縮、乾燥剤による乾燥などの適当な手段により、使用するガスを予め乾燥すればよい。
加熱温度は、通常1100〜1300℃、好ましくは1130〜1270℃であり、加熱時間は、通常1〜100時間、好ましくは5〜30時間である。
このような酸化処理により、窒化アルミニウム焼結体の表面の窒化アルミニウムが酸化されてα−Al23が生成し、窒化アルミニウム焼結体の接合面となる表面にアルミナ層が形成される。このα−Al23の生成に伴って窒化アルミニウム焼結体の重量は増加するため、酸化による重量の増加量がアルミナ層の厚みの尺度となる。1.6〜6.5mg/m2の重量の増加は2〜10μmに相当する。
また、より緻密なアルミナ層を形成するためには、特開2005−159334号公報に記載された方法を用いてもよい。すなわち、昇温中に酸素を実質的に固溶させることなく窒化アルミニウム焼結体を窒化アルミニウム焼結体の酸化開始温度より300℃低い温度以上の温度に加熱する工程(この工程を単に「昇温工程」ともいう)、および該工程で窒化アルミニウム焼結体の酸化開始温度より300℃低い温度以上に加熱された窒化アルミニウム焼結体の所望の面に酸素ガスを接触させた後、窒化アルミニウム焼結体の酸化開始温度より高い温度に保持して窒化アルミニウム焼結体の表面を酸化してアルミナ層を形成する工程(この工程を単に「酸化工程」ともいう)を含む方法を用いてもよい。
ここで、酸化開始温度とは、大気圧下では1100℃である。また、良好なアルミナ層を得る観点から、酸素ガスとの接触を開始する温度は、酸化開始温度以上であることが望ましい。
また、アルミナ層103は、θ−Al23からなる層であってもよい。θ−Al23からなる層を形成する場合は、特開2001−294492号公報に記載された方法が好適に用いられる。具体的には、窒化アルミニウム焼結体を、水蒸気分圧が1.0kPa以下の酸素雰囲気下、800〜1000℃の温度で、0.5〜30時間処理すると、θ−Al23からなる層が形成される。
なお、図1では、接合面102のみにアルミナ層103が形成されている場合を示すが、窒化アルミニウム焼結体101の接合面102以外の面にもアルミナ層が形成されていてもよい。すなわち、窒化アルミニウム焼結体101において、少なくとも接合面102にアルミナ層103が形成されていればよい。また、接合面102のみにアルミナ層103を形成するためには公知の方法を用いればよい。
次に、図2に示すように、窒化アルミニウム焼結体101において、アルミナ層103が形成された接合面102に、アルカリ土類金属化合物を含むペースト層201を形成する。
上記ペーストは、アルカリ土類金属化合物を含み、好ましくはアルカリ土類金属塩や酸化物を含む。
アルカリ土類金属塩としては、炭酸カルシウム、硝酸カルシウムなどのカルシウム塩が挙げられる。これらのうちで炭酸カルシウムが好ましい。アルカリ土類金属酸化物としては、酸化カルシウムや、CaO・Al23、3CaO・Al23などが挙げられる。これらアルカリ土類金属化合物は単独で用いても二種以上を混合して用いてもよい。
また、上記ペーストは、低温で反応を開始させるという観点から、さらに酸化アルミニウムを含んでいてもよく、アルカリ土類金属化合物100重量部に対して、通常40〜250重量部、好ましくは50〜200重量部の量で含まれていることが望ましい。
酸化アルミニウムとしては、粒径は小さいが微細な粉末が好ましい。
上記ペーストは、さらに溶媒、分散剤などを含んでいてもよい。
溶媒としては、ターピネオールなどが挙げられる。この溶媒は、アルカリ土類金属化合物粉末100重量部当り、通常10〜90重量部、好ましくは30〜80重量部の量で使用される。また、アルカリ土類金属化合物および酸化アルミニウムを含む場合は、溶媒は、アルカリ土類金属化合物および酸化アルミニウムの合計100重量部当り、通常10〜90重量部、好ましくは30〜80重量部の量で使用される。溶媒は、単独で用いても二種以上を混合して用いてもよい。
分散剤としては、エチルセルロースなどが挙げられる。この分散剤は、アルカリ土類金属化合物粉末100重量部当り、通常0.5〜20重量部、好ましくは1〜10重量部の量で使用される。分散剤は、単独で用いても二種以上を混合して用いてもよい。
上記ペーストは、アルカリ土類金属化合物に、必要に応じて上記の成分を添加し、これらを混合して得られる。
接合面102に上記ペーストからなる層を形成する方法としては、塗布、スクリーン印刷などが挙げられる。
ペースト層201の厚さは、好ましくは10〜1000μm、より好ましくは50〜500μmであることが望ましい。
次に、図3に示すように、ペースト層201に、窒化アルミニウム焼結体301のアルミナ層303が形成された接合面302を付着させる。すなわち、ペースト層201に、窒化アルミニウム焼結体301のアルミナ層303が形成された接合面302が接するように、窒化アルミニウム焼結体301を配設する。なお、接合面302にアルミナ層303が形成された窒化アルミニウム焼結体301は、窒化アルミニウム焼結体101と同様のものが用いられる。
最後に、ペースト層201に接合面302が付着された後加熱処理を行う。すなわち、接合面(102、302)にアルミナ層が形成された2つの上記窒化アルミニウム焼結体(101、301)を、上記接合面(102、302)で対向させ、かつ、上記接合面(102、302)の間にペースト層201を介在させた状態で加熱処理を行う。
加熱温度は、好ましくは1200〜1700℃、より好ましくは1300〜1650℃である。このように、本発明の製造方法によれば、窒化アルミニウム焼結体の接合面にアルミナ層が設けられているため、比較的低温での加熱で強固に接合された接合体が得られる。また、比較的低温で接合するため、得られた接合体において、窒化アルミニウム焼結体部分の歪みもみられない。
加熱の雰囲気としては、アルゴン雰囲気、窒素雰囲気などが挙げられる。窒化アルミニウム焼結体を使用する観点から、窒素雰囲気が好ましい。
また、窒化アルミニウム焼結体の接合面にアルミナ層が設けられているため、大気圧下での加熱であっても、窒化アルミニウム焼結体同士が強固に接合でき、得られた接合部の気密性も高い。また、得られた接合体においては、圧力印加の条件によって均一に圧力がかからなかった場合に生成するような窒化アルミニウム焼結体部分の歪みも抑制できる。さらに、ホットプレス焼結炉などを使用して加熱とともに圧力をかける場合は、大きい焼結体(たとえばφ500mm以上)や、複雑な形状の焼結体の接合は困難であるが、本発明の製造方法では、このような焼結体同士であっても容易に接合できる利点がある。
なお、本発明の製造方法においては大気圧下の加熱で接合体が得られるが、たとえば0.1MPa〜300MPaの圧力下で加熱して接合体を得てもよい。
加熱時間は、好ましくは1〜30時間、より好ましくは3〜10時間である。
加熱に用いる装置としては、常圧焼結炉、ホットプレス焼結炉、ホットアイソスタティクプレス炉が挙げられる。
このようにして、本発明の製造方法によって窒化アルミニウム接合体が得られ、本発明においては、上述のように窒化アルミニウム焼結体101の接合面102のみにペースト層201を形成してもよいが、窒化アルミニウム焼結体101の接合面102とともに、窒化アルミニウム焼結体301の接合面302にもペースト層を形成し、両ペースト層を付着させて、加熱処理を行ってもよい。
また、ペースト層201を形成した後、ペースト層201を室温〜80℃の温度で乾燥してから、窒化アルミニウム焼結体301のアルミナ層303が形成された接合面302を付着させてもよい。
図4に示すように、上述のようにして得られた窒化アルミニウム接合体400では、接合部401にアルミナ層はみられず、窒化アルミニウム焼結体同士が強固に接合され、また、該接合体は高い気密性を有する。なお、図4では模式的に接合部を示したが、実際に得られる接合体は強固に接合されているため、接合界面はSEM写真によっては通常観察されない。これは、上記接合工程で以下のような現象が起きているためと考えられる。たとえば、上記ペーストとして炭酸カルシウム(CaCO3)を含むペーストを用いた場合では、加熱により、炭酸カルシウム(CaCO3)はまず酸化カルシウム(CaO)となる。次に酸化カルシウム(CaO)と、窒化アルミニウム焼結体の表面に存在するアルミナ(Al23)とが反応してCaO・Al23、CaO・2Al23などのカルシウムアルミネートが生成し、このカルシウムアルミネートは粒界に沿って窒化アルミニウム焼結体のバルク中に拡散する。このため、接合部401にアルミナ層は存在しないと考えられる。
酸化カルシウム(CaO)を含むペーストを用いた場合も同様に、加熱により、この酸化カルシウム(CaO)と、窒化アルミニウム焼結体の表面に存在するアルミナ(Al23)とが反応して上記のようなカルシウムアルミネート層が生成する。また、酸化カルシウム(CaO)とアルミナを含むペーストを用いた場合は、加熱により、この酸化カルシウム(CaO)と、ペースト中に含まれるアルミナ及び窒化アルミニウム焼結体の表面に存在するアルミナ(Al23)とが反応して上記のようなカルシウムアルミネートが生成する。さらに、CaO・Al23、3CaO・Al23などを含むペーストを用いた場合も、加熱により同様に上記のようなカルシウムアルミネートが生成すると考えられる。これらいずれの場合も、生成したカルシウムアルミネートは、粒界に沿って窒化アルミニウム焼結体のバルク中に拡散するため、最終的に接合部にアルミナ層を有しない接合体が得られると考えられる。
また、本発明において、比較的低温での加熱で窒化アルミニウム焼結体同士を強固に接合できる理由は以下のように考えられる。
酸化カルシウムに代表されるアルカリ土類金属化合物とアルミナの反応は1400℃程度の比較的低温から起こる。さらに昇温するとともに反応して生成したカルシウムアルミネート相に窒化アルミニウム粒子からAlNが固溶すると考えられる。このようにして生成したCaO−Al−AlNによってAlN同士の強固な接合が可能となる。液相に固溶したAlNは冷却過程において再析出する。CaO−Alの液相成分は粒界に沿って窒化アルミニウム焼結体中に拡散して接合部では確認されなくなる。
上述のようにして得られた窒化アルミニウム接合体400は、比較的低温での加熱で製造されるため、接合部401および窒化アルミニウム焼結体部分(101、301)の歪みが抑制されている。
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[実施例]
1.評価方法
1)接合界面の評価
2次電子走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、窒化アルミニウム焼結体接合界面を観察した。
2)接合強度
ファインセラミックスの室温曲げ試験方法(JIS C2141)に基づいて3点曲げ試験を行った。支点間距離は30mmに設定した。接合後の窒化アルミニウムを評価する際には、30mm×30mm、厚み3mmの窒化アルミニウム接合体702同士を接合して得られた接合体700を全長40mm、厚み3mmの試験片703に加工した(図7参照)。すなわち、図7の点線に沿って切断した。次いで、支点間の中心に接合部701が位置するようにこの試験片703を配置し、この接合部701の上から加重をかけた。
3)気密性試験
接合界面の接合の程度を評価するため、φ50mm、高さ30mm、厚み8mmの中空の円柱状に加工した窒化アルミニウム焼結体とφ50mm、厚み5mmの円板に加工した窒化アルミニウム焼結体とを接合した接合体を用いて、アルバック社製ヘリウムリークディテクター(型式 HELIOT 704D2)によりヘリウムリーク試験を行った。
2.接合面にアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体
1)接合面にアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(A−1−1)〜(A−1−3)
30mm×30mm、厚み3mmの窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−15)を、酸素雰囲気中、1200℃、5時間の条件で酸化処理した。接合面を含む全ての面の表面に2μmの厚みのアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(A−1−1)(以下、単に窒化アルミニウム焼結体(A−1−1)ともいう)を得た。
φ50mm、高さ30mm、厚み8mmの中空の円柱状に加工した窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−15)およびφ50mm、厚み5mmの円板に加工した窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−15)についても同様に酸化処理を行い、それぞれ、接合面を含む全ての面の表面に2μmの厚みのアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(A−1−2)および(A−1−3)(以下、それぞれ単に窒化アルミニウム焼結体(A−1−2)、(A−1−3)ともいう)を得た。
2)接合面にアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(A−2−1)〜(A−2−3)
30mm×30mm、厚み3mmの窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−15)を、酸素雰囲気中、1200℃、30時間の条件で酸化処理した。接合面を含む全ての面の表面に5μmの厚みのアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(A−2−1)(以下、単に窒化アルミニウム焼結体(A−2−1)ともいう)を得た。
φ50mm、高さ30mm、厚み8mmの中空の円柱状に加工した窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−15)およびφ50mm、厚み5mmの円板に加工した窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−15)についても同様に酸化処理を行い、それぞれ、接合面を含む全ての面の表面に5μmの厚みのアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(A−2−2)および(A−2−3)(以下、それぞれ単に窒化アルミニウム焼結体(A−2−2)、(A−2−3)ともいう)を得た。
3)接合面にアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(B−1−1)〜(B−1−3)
30mm×30mm、厚み3mmの窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−50)を、酸素雰囲気中、1200℃、5時間の条件で酸化処理した。接合面を含む全ての面の表面に2μmの厚みのアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(B−1−1)(以下、単に窒化アルミニウム焼結体(B−1−1)ともいう)を得た。
φ50mm、高さ30mm、厚み8mmの中空の円柱状に加工した窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−50)およびφ50mm、厚み5mmの円板に加工した窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−50)についても同様に酸化処理を行い、それぞれ、接合面を含む全ての面の表面に2μmの厚みのアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(B−1−2)および(B−1−3)(以下、それぞれ単に窒化アルミニウム焼結体(B−1−2)、(B−1−3)ともいう)を得た。
4)接合面にアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(A−3−1)〜(A−3−3)
30mm×30mm、厚み3mmの窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−15)を、酸素雰囲気中、1100℃、2時間の条件で酸化処理した。接合面を含む全ての面の表面に0.5μmの厚みのアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(A−3−1)(以下、単に窒化アルミニウム焼結体(A−3−1)ともいう)を得た。
φ50mm、高さ30mm、厚み8mmの中空の円柱状に加工した窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−15)およびφ50mm、厚み5mmの円板に加工した窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−15)についても同様に酸化処理を行い、それぞれ、接合面を含む全ての面の表面に0.5μmの厚みのアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(A−3−2)および(A−3−3)(以下、それぞれ単に窒化アルミニウム焼結体(A−3−2)、(A−3−3)ともいう)を得た。
5)接合面にアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(A−4−1)〜(A−4−3)
30mm×30mm、厚み3mmの窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−15)を、酸素雰囲気中、1300℃、15時間の条件で酸化処理した。接合面を含む全ての面の表面に7μmの厚みのアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(A−4−1)(以下、単に窒化アルミニウム焼結体(A−4−1)ともいう)を得た。
φ50mm、高さ30mm、厚み8mmの中空の円柱状に加工した窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−15)およびφ50mm、厚み5mmの円板に加工した窒化アルミニウム焼結体(トクヤマ製、SH−15)についても同様に酸化処理を行い、それぞれ、接合面を含む全ての面の表面に7μmの厚みのアルミナ層が形成された窒化アルミニウム焼結体(A−4−2)および(A−4−3)(以下、それぞれ単に窒化アルミニウム焼結体(A−4−2)、(A−4−3)ともいう)を得た。
3.接合ペーストの作製
1)接合ペースト(A)
炭酸カルシウム(和光純薬社製)50g及びアルミナ粉末(昭和電工製)50gとともに、溶媒としてターピネオール60g、分散剤としてエチルセルロース3gを、ボールミルを用いて混合して接合ペースト(A)を調製した。
2)接合ペースト(B)
炭酸カルシウム(和光純薬社製)100g、溶媒としてターピネオール60g、分散剤としてエチルセルロース3gを、ボールミルを用いて混合して接合ペースト(B)を調製した。
3)接合ペースト(C)
3CaO・Al23 100g、溶媒としてターピネオール60g、分散剤としてエチルセルロース3gを、ボールミルを用いて混合して接合ペースト(C)を調製した。
4)接合ペースト(D)
酸化カルシウム(和光純薬社製)100g、溶媒としてターピネオール60g、分散剤としてエチルセルロース3gを、ボールミルを用いて混合して接合ペースト(D)を調製した。
[実施例1−1]
窒化アルミニウム焼結体(A−1−1)に接合ペースト(A)を300μmの厚みで塗布し、塗布された接合ペースト(A)層にもう一つの窒化アルミニウム焼結体(A−1−1)を配設した(図8、9参照)。この窒化アルミニウム焼結体(A−1−1)(もう一つの窒化アルミニウム焼結体(A−1−1)が配設された状態にある)について、80℃に保持した恒温乾燥器中で乾燥処理を施した。次いで、これを窒化ホウ素製の冶具内に配置し、窒素雰囲気中、1600℃で5時間加熱して窒化アルミニウム焼結体(A−1−1)同士を接合した。得られた接合体のSEM写真を図6に示したが、界面が分からないほどに接合していた。また、曲げ強度試験を行った結果、接合前の窒化アルミニウム焼結体と同程度の強度(340MPa)を示した。
[実施例1−2]
窒化アルミニウム焼結体(A−1−2)に接合ペースト(A)を300μmの厚みで塗布し、塗布された接合ペースト(A)層に窒化アルミニウム焼結体(A−1−3)を配設した(図10、11参照)。この窒化アルミニウム焼結体(A−1−2)(窒化アルミニウム焼結体(A−1−3)が配設された状態にある)について、80℃に保持した恒温乾燥器中で乾燥処理を施した。次いで、実施例1−1と同様の条件で加熱して両者を接合した。
得られた接合体についてヘリウムリーク試験を行ったところ、リーク量は5.0×10-9atm・cc/sec以下であり、高い気密性を示した。
[実施例2−1]
窒化アルミニウム焼結体(A−1−1)の代わりに窒化アルミニウム焼結体(B−1−1)を用いた以外は、実施例1−1と同様の方法で接合を行った。得られた接合体の曲げ強度試験を行った結果、接合前の窒化アルミニウム焼結体と同程度の強度(300MPa)を示した。
[実施例2−2]
窒化アルミニウム焼結体(A−1−2)および(A−1−3)の代わりに窒化アルミニウム焼結体(B−1−2)および(B−1−3)を用いた以外は、実施例1−2と同様の方法で接合を行った。
得られた接合体についてヘリウムリーク試験を行ったところ、リーク量は5.0×10-9atm・cc/sec以下であり、高い気密性を示した。
[実施例3−1]
窒化アルミニウム焼結体(A−1−1)の代わりに窒化アルミニウム焼結体(A−2−1)を用いた以外は、実施例1−1と同様の方法で接合を行った。この接合体の曲げ強度試験を行った結果、接合前の窒化アルミニウム焼結体と同程度の強度(350MPa)を示した。
[実施例3−2]
窒化アルミニウム焼結体(A−1−2)および(A−1−3)の代わりに窒化アルミニウム焼結体(A−2−2)および(A−2−3)を用いた以外は、実施例1−2と同様の方法で接合を行った。
得られた接合体についてヘリウムリーク試験を行ったところ、リーク量は5.0×10-9atm・cc/sec以下であり、高い気密性を示した。
[実施例4−1]
接合ペースト(A)の代わりに接合ペースト(B)を用いた以外は、実施例1−1と同様の方法で接合した。この接合体の曲げ強度試験を行った結果、接合前の窒化アルミニウム焼結体と同程度の強度(330MPa)を示した。
[実施例4−2]
接合ペースト(A)の代わりに接合ペースト(B)を用いた以外は、実施例1−2と同様の方法で接合を行った。
得られた接合体についてヘリウムリーク試験を行ったところ、リーク量は5.0×10-9atm・cc/sec以下であり、高い気密性を示した。
[実施例5−1]
接合ペースト(A)の代わりに接合ペースト(C)を用いた以外は、実施例1−1と同様の方法で接合した。この接合体の曲げ強度試験を行った結果、接合前の窒化アルミニウム焼結体と同程度の強度(330MPa)を示した。
[実施例5−2]
接合ペースト(A)の代わりに接合ペースト(C)を用いた以外は、実施例1−2と同様の方法で接合を行った。
得られた接合体についてヘリウムリーク試験を行ったところ、リーク量は5.0×10-9atm・cc/sec以下であり、高い気密性を示した。
[実施例6−1]
接合ペースト(A)の代わりに接合ペースト(D)を用いた以外は、実施例1−1と同様の方法で接合した。この接合体の曲げ強度試験を行った結果、接合前の窒化アルミニウム焼結体と同程度の強度(360MPa)を示した。
[実施例6−2]
接合ペースト(A)の代わりに接合ペースト(D)を用いた以外は、実施例1−2と同様の方法で接合を行った。
得られた接合体についてヘリウムリーク試験を行ったところ、リーク量は5.0×10-9atm・cc/sec以下であり、高い気密性を示した。
[実施例7−1]
窒化アルミニウム焼結体(A−1−1)の代わりに窒化アルミニウム焼結体(A−3−1)を用いた以外は、実施例1−1と同様の方法で接合を行った。この接合体の曲げ強度試験を行った結果、接合前の窒化アルミニウム焼結体と同程度の強度(320MPa)を示した。
[実施例7−2]
窒化アルミニウム焼結体(A−1−2)および(A−1−3)の代わりに窒化アルミニウム焼結体(A−3−2)および(A−3−3)を用いた以外は、実施例1−2と同様の方法で接合を行った。
得られた接合体についてヘリウムリーク試験を行ったところ、リーク量は8.0×10-9atm・cc/sec以下であり、高い気密性を示した。
[実施例8−1]
窒化アルミニウム焼結体(A−1−1)の代わりに窒化アルミニウム焼結体(A−4−1)を用いた以外は、実施例1−1と同様の方法で接合を行った。この接合体の曲げ強度試験を行った結果、接合前の窒化アルミニウム焼結体と同程度の強度(310MPa)を示した。
[実施例8−2]
窒化アルミニウム焼結体(A−1−2)および(A−1−3)の代わりに窒化アルミニウム焼結体(A−4−2)および(A−4−3)を用いた以外は、実施例1−2と同様の方法で接合を行った。
得られた接合体についてヘリウムリーク試験を行ったところ、リーク量は8.0×10-9atm・cc/sec以下であり、高い気密性を示した。

Claims (2)

  1. 窒化アルミニウム焼結体同士を接合した窒化アルミニウム接合体の製造方法であって、
    接合面にアルミナ層が形成された2つの前記窒化アルミニウム焼結体を、前記接合面で対向させ、かつ、アルカリ土類金属化合物を含むペースト層を前記接合面の間に介在させた状態で、1300〜1700℃の温度で加熱し、前記窒化アルミニウム焼結体同士を接合する接合工程、を含み、
    前記窒化アルミニウム焼結体の接合面に形成されたアルミナ層の厚みが0.1〜10μmであり、前記ペースト層の厚さが10〜1000μmであり、前記アルカリ土類金属化合物が、アルカリ土類金属塩またはアルカリ土類金属酸化物であることを特徴とする窒化アルミニウム接合体の製造方法。
  2. 前記接合工程が、一方の前記窒化アルミニウム焼結体のアルミナ層が形成された接合面に、アルカリ土類金属化合物を含むペースト層を形成し、該ペースト層に、他方の前記窒化アルミニウム焼結体のアルミナ層が形成された接合面を付着させた後に、1300〜1700℃の温度で加熱し、前記窒化アルミニウム焼結体同士を接合する工程であることを特徴とする請求項1に記載の窒化アルミニウム接合体の製造方法。
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