JP5809896B2 - 炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体及び該接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、部材を接合して大型化させてなる高い接合強度を示す炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体及び該接合体の製造方法に関する。さらに詳しくは、炭化ホウ素を含有するセラミックス製の部材と酸化物セラミックス製の部材同士を強固に接合して複合化させた、高い接合強度で一体化した接合体からなる大型の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス部材の提供を可能にする技術に関する。なお、本発明でいう「炭化ホウ素含有セラミックス」とは、炭化ホウ素を２質量％以上含有してなる炭化ホウ素を形成材料としたセラミックスを意味する。したがって、炭化ホウ素の含有率が数質量％と低いセラミックスから、炭化ホウ素を主成分とする、例えば、炭化ホウ素を６０質量％以上含有するセラミックス、さらには炭化ホウ素を９９質量％以上含有する高純度炭化ホウ素セラミックスの範囲までのセラミックスを意味する。また、「酸化物セラミックス」とは、絶縁性を示す酸素と金属の化合物から構成されるセラミックスで、主にアルミナ（酸化アルミニウム）、ムライト(酸化アルミニウムと酸化ケイ素の化合物)、コーディエライト（酸化アルミニウムと酸化ケイ素と酸化マグネシウムの化合物）やジルコニア（酸化ジルコニウム）等を意味する。

セラミックスは、金属材料と比較して軽量で硬く、高い弾性率を示す材料であることから、構造用部材として工業製品に幅広く応用されている。炭化ホウ素含有セラミックスは、実用セラミックスの中で最高の硬さと最高の軽量性（かさ密度：２．５ｇ／ｃｍ³）を有し、例えば、高速で稼動する機械部材の構造材料等としての利用が期待されている。近年、常圧焼結で、理論密度の９５％以上の高密度焼結体を得る方法が開発され（特許文献１参照）、純度の高い緻密質炭化ホウ素セラミックスを安価に安定して提供することが可能になったことから、今後、炭化ホウ素セラミックの広範な利用が期待されている。

このような中、炭化ホウ素セラミックスは導電性を示すことから、用途によっては電気的な絶縁が求められるため、絶縁性を示す酸化物セラミックスと導電性を示す炭化ホウ素セラミックスを効果的に組み合わせ、強固に接合して一体化した複合部材が提供できれば、その付加価値はさらに高まり、そのニーズは極めて高いと考えられる。一方、近年、稼動する機械部材の大型化は目覚しく、例えば、セラミックス材料が適用されている半導体製造装置用の露光装置では、シリコンウエハのサイズアップによって、稼動する機械部材であるステージも年々大型化しており、使用されるセラミック材料も広い面積を有するものが要求されている。かかる要求に応えるためには、セラミックス製造工程における工業施設や加工機を大型化する必要がある。しかし、この場合は、多大な設備投資を伴い、製品の経済性が損なわれるという極めて重大な実用上の課題を生じる。

このような状況下、小型のセラミックス部材を作製し、得られた複数の小型のセラミックス部材同士を接合して一体化し、大型化することで、低コストで優れた特性を示す大型部品を製造する技術が注目されており、後述するように、様々な研究機関や企業にて研究開発がなされている。しかし、セラミックス製の同種或いは異種の部材同士を強固に接合し、高い接合強度で一体化することは難しい。特に、導電性を示す炭化ホウ素含有セラミックスと、絶縁性を示す酸化物セラミックスとを接合して一体化してなる複合部材の適用が期待される、高速で稼動する機械部材に用いる場合には、より高い接合強度が要求されるため、より優れた接合技術の確立が待望される。

セラミックス部材同士を接合してセラミックス構造体とする方法としては、従来より、各種のロウ材を介して接合させることや、ガラスを介して接合させることが行われている。例えば、特許文献２では、セラミックスの種類に応じた適切な接合強度を得るために、金属とセラミックスとの接合を銀−銅−インジュウム系活性金属ロウを用いて行うことを提案している。また、特許文献３では、同種又は異種のセラミックスを接合する際に用いる、アルミニウム及びケイ素のオキシナイトライドガラスからなるセラミックス接合用接着組成物を提案している。

また、特許文献４では、接合すべき面を６６０℃以上に加熱し、アルミニウム材を介してセラミックス構造体を加熱或いは加圧接合することを提案している。更に、特許文献５では、セラミックス焼結体の接合部分を、該セラミックスと同質化する接合方法を提案している。具体的には、アルミナ基板の間に金属アルミニウムを挟んで、加熱後、金属アルミニウムが基板と同様のアルミナになるように酸化処理することを提案している。また、特許文献６では、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる部材とセラミックスとを接合層を介して接合した接合体を提案しており、該接合層の強度は、接合層中に生成された金属間化合物の量に依存すること、金属間化合物の量は、接合層中に含まれるアルミ母相の銅の含有量を規定することで制御できることが開示されている。上記した技術で接合の対象としているセラミックスは、窒化ケイ素、炭化ケイ素、サイアロン、ジルコニア等である。

特許文献７では、エンジニアリングセラミックスとして高い特性を示す窒化ケイ素セラミックスを強固に接合させるために、接合面がともに嵌め合いとなる形状を有する小型部材を作製し、嵌め合い部にケイ素を含むペーストを充填し、ケイ素を窒素中で窒化ケイ素とすることで接合を行う方法を提案している。

特開２００９−２１５０９１号公報 特開２００３−３３５５８５号公報 特開昭６２−１２８９７５号公報 特開平９−１４２９４８号公報 特開平６−１１５００９号公報 特開平８−２０６８７５号公報 特開２００８−１８４３５２号公報

しかしながら、上述した種々の従来技術では、それぞれ、下記に述べるような課題があった。また、焼結助剤として炭化ホウ素を用いた極微量の炭化ホウ素を含有したセラミックス部材を接合させた例についての記載はあるものの、炭化ホウ素を形成材料に用いた炭化ホウ素含有セラミックス部材を接合することについての検討は殆どなされていない。特に、本発明が最終的な目的としている、炭化ホウ素の含有率が高いセラミックス部材や、炭化ホウ素の含有率が高く緻密なセラミックス部材を、同種或いは異種のセラミックス部材と接合させることについての検討は全くなされていない。勿論、本発明が目的とする、炭化ホウ素含有セラミックス部材に別の特性を付与することを可能にする、酸化物セラミックス部材との接合についての検討も殆どなされていない。このため、半導体製造装置用の露光装置におけるシリコンウエハを載せて使用するステージのような、高速で稼動する機械部材にも利用が可能な、高い接合強度で一体化してなる大型の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス製の複合部材を提供できる接合技術の開発が待望されている。この場合に求められる高い接合強度とは、接合した部分の強度が１００ＭＰａ以上、さらに好ましくは２００ＭＰａ以上である。

前述した特許文献２に記載の技術で用いられるロウ材は、銀−銅−インジュウム系であり、接合強度を検討する以前の問題として、ロウ材の主成分の銀は貴金属であるため、大型のセラミックス構造部材の接合用としては、コスト面から、実用化が難しい。これに対し、前述の特許文献３に記載の技術では、コスト面で有利なオキシナイトライドガラスを接合材として用いており、炭化ホウ素を焼結助剤として用いたセラミックス同士の接合にも適用が可能であるとしている。しかしながら、炭化ホウ素の主成分であるホウ素は、ガラス成分に容易に混入するため、炭化ホウ素を形成材料とする炭化ホウ素含有セラミックス部材と、酸化物セラミックス部材との接合においては、接合部分等の特性が著しく変質し、一体化してなる大型部材の材質が均質なものにならないと考えられる。なお、下記にも示す通り、炭化ホウ素含有セラミックス部材を酸化物セラミックスと接合させることについて、高い接合強度を達成できる簡便な接合手段の報告はない。

特許文献４及び５に記載の技術は、いずれも、アルミナ系セラミックスの接合にアルミニウムを使用するものであり、これらの文献では、それ以外のセラミックスの接合、特に炭化ホウ素含有セラミックス部材と、酸化物セラミックス部材とを接合させることに関しての検討はされていない。特許文献６も、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる部材と、セラミックスとを接合することに関する技術であり、炭化ホウ素含有セラミックス部材と、酸化物セラミックス部材とを接合させることについては検討されていない。また、高いせん断強度が示されているものの、本発明が目的とする接合強度には及ばない。さらに、この技術では、セラミックスの接合面にはメタライズ処理が必要であり、小型部材を複数組み合わせて一体化して大型化することを考えると、その実施化には極めて高いプロセスコストが必要になると考えられる。また、特許文献７の技術では、セラミックス同士の強固な結合を実現するために、セラミックスの向かい合う接合面を、互いに嵌め合いとなる形状としており煩雑であり、セラミックス部材のフラットな面同士で強く接合できる技術が望まれる。さらに、この技術では、窒化ケイ素を主成分とするセラミックスの接合に、ケイ素を主成分としたペーストを用い、そのペーストを、乾燥・窒素雰囲気で窒化する工程を必要としており、この点からも高コスト化は避けられず改善の余地があった。

従って、本発明の目的は、導電性を示す炭化ホウ素含有セラミックス部材と、絶縁性を示す酸化物セラミックス部材とを簡便に接合して一体化された接合体でありながら、１００ＭＰａ以上の極めて高い接合強度を示す複合部材とできる新規な技術を提供することにある。本発明の目的は、高速で稼動する機械部材にも利用することが可能な、機能性に優れる炭化ホウ素含有セラミックスに別の特性のセラミックスが、極めて高い接合強度で接合され一体化されてなる、大型或いは複雑な形状の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体からなる複合部材を、特殊な材料を用いることなく、簡便な方法で経済的に提供することで、機能性や特性に優れた炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の広範な利用を可能にすることである。

上記の目的は、下記の本発明によって達成される。すなわち、本発明は、炭化ホウ素を２質量％以上含有してなる炭化ホウ素含有セラミックス部材と、絶縁性を示す酸化物セラミックス部材とが、アルミニウム又はアルミニウム化合物を接合材として接合した接合層を介して一体化されてなり、かつ、接合した部分の強度が１００ＭＰａ以上であることを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体を提供する。

上記炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の好ましいものとしては、下記の形態が挙げられる。上記炭化ホウ素含有セラミックス部材が、炭化ホウ素を６０質量％以上含有してなること、上記酸化物セラミックス部材が、アルミナ又はムライトを主成分とするものであること、上記接合層の厚みが１〜１，０００μｍであることである。

上記の別の実施形態は、上記の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の製造方法を提供するが、その加熱雰囲気によって、強度に優れる炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体が得られる加熱温度の範囲が下記（１）〜（３）のように異なる。
すなわち、本発明は、前記炭化ホウ素含有セラミックス部材と酸化物セラミックス部材とを接合させる際に、その接合部分に、アルミニウム又はアルミニウム化合物からなる、箔、ペースト及び蒸着層のいずれかを接合材として、その厚みが１，０００μｍ以下となる範囲で介在させ、この状態で上記セラミックス部材同士を保持して、
（１）真空条件下で、少なくとも接合させる部分を６００℃以上１，２００℃以下の温度で加熱するか、
（２）不活性雰囲気中で、少なくとも接合させる部分を６００℃以上１，５００℃以下の温度で加熱するか、
（３）大気中で、少なくとも接合させる部分を６００℃以上８００℃以下の温度で加熱すること
のいずれかを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の製造方法を提供する。

上記において好ましい形態としては、接合材として使用されるアルミニウム化合物が、純アルミニウムに、銅、銀、インジウム、チタン、マンガン、マグネシウム、ケイ素又は亜鉛のいずれかを含んでなるアルミニウム合金であることが挙げられる。なお、この場合、アルミニウムを９０質量％以上含むアルミニウム化合物を用いることが好ましい。また、加熱雰囲気においては、水素や一酸化炭素ガスを含有する還元雰囲気中でもよい。

本発明によれば、導電性を示す炭化ホウ素を６０質量％以上含有してなる炭化ホウ素含有セラミックス部材（以下、単に炭化ホウ素含有セラミックス部材と称す）と、絶縁性を示す酸化物セラミックス部材とを、簡便に接合させて一体化した接合体でありながら、１００ＭＰａ以上の高い接合強度を示す、機能性に優れる炭化ホウ素含有セラミックスにさらなる特性が付与された複合部材が提供される。このため、本発明によれば、高速で稼動する機械部材や、絶縁性が必要とされる部材にも利用が可能な、大型或いは複雑な形状の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の提供が可能になる。また、本発明によれば、上記した優れた炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体を、特殊な材料を用いることなく、簡便な方法で経済的に提供できるので、機能性及び特性に優れた炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の広範な利用を可能にすることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を挙げて、本発明を詳細に説明する。本発明者らは、上記した従来技術の課題を解決すべく鋭意検討の結果、炭化ホウ素含有セラミックス部材と、酸化物セラミックス部材との間に、接合部材として、アルミニウム又はアルミニウム化合物からなる、箔、ペースト及び蒸着層を介在させて、微少量のアルミニウムを介在させた状態で部材同士を保持して、加熱雰囲気にもよるが、６００℃以上の温度で加熱することで一体化させると、接合強度が１００ＭＰａ以上である強固な接合状態を実現できることを見出して本発明に至った。

ここで、セラミックス部材同士の接合強度が１００ＭＰａ以上であることは、その接合部分が、母材であるセラミックス自体の強度と、使用上ほぼ同じレベルであることを意味している。従って、このような接合状態で一体化され、大型化或いは多様な形状とされた炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体は、その強度において、接合処理をすることなく、接合させた個々のセラミックス自体で作製された大型或いは多様な形状の部材と遜色がないものになる。

上記した方法によって、接合強度が１００ＭＰａ以上の強固な接合状態を有する炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体となる理由は定かではないが、本発明者らは、以下のように考えている。炭化ホウ素含有セラミックス部材と、酸化物セラミックス部材との間に介在させたアルミニウムは、酸化物セラミックスに対しては濡れ性が劣るものの、炭化ホウ素セラミックスとの濡れ性が良好なものであることから、容易に接合面に均一にいきわたらせることができると考えられる。また、アルミニウムは、炭化ホウ素と様々な化合物を形成し、アルミニウムホウ化物、アルミニウムと炭素とホウ素の化合物を形成する。このため、酸化物セラミックスと本来濡れ性が悪いアルミニウムであるが、炭化ホウ素とアルミニウムとが様々な化合物を形成することで、濡れ性が向上するとともに、これらが酸化物セラミックス表面に存在する微細な気孔に浸透し、この結果、強固な結合状態が形成されたものと考えられる。

つまり、炭化ホウ素含有セラミックス部材と、酸化物セラミックス部材との間に、例えば、アルミニウムを９０質量％以上含んでなる、箔、ペースト及び蒸着層のいずれかを接合材とし、これを微少量で介在させ、この状態を保持しながら、アルミニウムの融点以上の温度で加熱すると、微少量のアルミニウムが、その接合面に均一な状態にいきわたり、さらに、炭化ホウ素とアルミニウムが反応して、これらが混在する接合層が形成されるものと考えられる。すなわち、該接合層では、金属アルミニウムの状態で存在するものもあるが、それよりも、ホウ化アルミニウムや炭ホウ化アルミニウム等が生成されて、アルミニウムが炭化ホウ素と融合し、これらが混在した状態になる。このような接合層を介して炭化ホウ素セラミックス部材と酸化物セラミックス部材とが強固に接合することとなり、母材であるセラミックスの強度にほぼ近い１００ＭＰａ以上という接合強度を示す、従来の技術では到底得られなかった炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体とできたものと推論している。

以下、本発明の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の構成について説明する。まず、接合する際に用いる一方の部材である炭化ホウ素を含有する各セラミックス部材の形成成分は、用途によって異なり、炭化ホウ素の含有量の異なるものを適宜に選択して使用すればよい。例えば、比較的高い靱性値を要求される用途では、炭化ホウ素を２〜３質量％含有する炭化物、代表的なものとしては炭化ケイ素を主成分とするセラミックス部材を用いることが好ましい。また、高速で稼動し、高い位置精度が求められる用途では、炭化ホウ素含有量が高い組成領域のもの、例えば、炭化ホウ素含有量として、６０質量％以上、さらには８０質量％以上の値を示すセラミックス部材を用いることが好ましい。

接合に用いるもう一方の部材である酸化物セラミックスとしては、例えば、アルミナや、ムライト（酸化アルミニウムと酸化ケイ素の化合物）や、コーディエライト（酸化アルミニウムと酸化ケイ素と酸化マグネシウムの化合物）やジルコニア（酸化ジルコニウム）等を主成分とするものが挙げられるが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明で使用する酸化物セラミックスは、その絶縁特性や、本発明の接合体を使用する環境や条件に応じて、その成分組成等を適宜に選択して使用すればよい。例えば、高い絶縁性が求められる条件で使用される接合体では、純度９８％以上の高純度のアルミナを用いることが好ましい。

各セラミックス部材に、例えば、純度が８０質量％以上、さらには純度が９９質量％以上であって、理論密度が９５質量％以上の緻密なセラミックスを使用すれば、得られる大型の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体は、一部が導電性を示し、他の部分が高い絶縁性を示す、比較的、軽量で、炭化ホウ素含有セラミックスからなる部分は硬く、高い弾性率を示し、様々な用途に利用可能なものとなる。炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の形状も、その一部に、できるだけ平坦な接合面をそれぞれ設けることが好ましいが、それ以外は制約を受けることなく、目的とする大型或いは複雑な形状の接合体の形状に合わせて自由に設計することができる。

上記した本発明の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体は、下記の本発明の製造方法によって、特殊な材料や装置を用いることなく、簡易にかつ安定して得ることができる。以下、本発明の製造方法について、詳細に説明する。本発明の製造方法では、まず、上記した接合させるための炭化ホウ素含有セラミックス部材と、酸化物セラミックス部材とを用意し、これら部材の接合面にアルミニウム又はアルミニウム化合物を接合材として介在させる。そして、この状態で互いの部材が保持されるようにし、さらに、少なくとも接合させる部分を加熱することで接合体を得る。本発明では、前記したように、この結果起こる、炭化ホウ素含有セラミックス部材を構成している炭化ホウ素と、接合材を構成しているアルミニウムとの界面反応を利用して、炭化ホウ素含有セラミックス部材と、酸化物セラミックス部材とが強固に接合した接合体を得る。

上記で使用する２種類のセラミックス部材を接合させる際の接合面に介在させる接合材としては、アルミニウムを主成分として含んでなる（例えば、９０質量％以上、さらには９９％以上含有）、箔、ペースト及び蒸着層のいずれかが挙げられる。また、接合面に介在させる接合材は、その厚みが１，０００μｍ以下となる範囲で、より好ましくは１００μｍ以下、さらには、５０μｍ以下の範囲で用いるとよい。その下限値は、５μｍ以上、少なくとも数μｍの厚みで設けることが好ましい。本発明者らの検討によれば、接合面に介在させるアルミニウムの量は、多過ぎると本発明で目的とするまでの高い接合強度を得ることができない。具体的なものとしては、例えば、５０μｍ或いは１００μｍ程度の厚みを有する、市場から得られる、所謂アルミ箔を、接合する部分に介在させることが好ましい。

接合部分に接合材を介在させるためのその他の方法としては、下記の方法が挙げられる。炭化ホウ素含有セラミックス部材と酸化物セラミックス部材との接合面に、アルミニウム粉末を有機溶剤等の液媒体に分散させてなるペースト状のものを上記範囲の厚みに塗布する方法や、上記接合面に上記範囲の厚みで、アルミニウムを蒸着させて蒸着層を形成する方法や、溶射させてアルミニウムを介在させる方法が挙げられる。本発明で用いる接合材は、様々なアルミニウムの純度を有する材料であっても用いることができるが、アルミニウムの純度は高い方が好ましい。例えば、アルミニウムを９０質量％以上の範囲で含むことが望ましい。しかし、本発明はこれに限定されず、アルミニウム以外のその他の成分として、例えば、銅、銀、インジウム、チタン、マンガン、マグネシウム、ケイ素又は亜鉛等を含む合金等を用いることができる。

上記したような方法によって、炭化ホウ素含有セラミックス部材と酸化物セラミックス部材との接合面に、アルミニウムを含む接合材を介在させた後、カーボンや耐熱性の金属等の冶具で、この状態が保持されるようにして固定する。固定する際は、部材同士を圧着してもよいし、接合時に製品がズレたり、動かない範囲で無負荷の状態で保持してもよい。本発明では、次に、この状態で少なくとも接合させる部分を加熱して、炭化ホウ素含有セラミックス部材と酸化物セラミックス部材とを接合させる。以下、加熱する条件について説明する。

本発明者らは、加熱条件について詳細な検討を行う過程で、本発明において特に重要なことは、加熱の際に、炭化ホウ素含有セラミックス部材と酸化物セラミックス部材とを接合させる部分に、多くなり過ぎない僅少量のアルミニウムを介在させ、これを溶融させることであることを見出した。したがって、その加熱条件については、その温度が、アルミニウムの融点以上であればよく、特に詳細に規定する必要はない。しかし、より強固な接合を実現するためには、温度以外の加熱条件に応じて、好適な温度範囲で加熱すればよいことがわかった。すなわち、まず、加熱雰囲気は、真空条件下、不活性雰囲気中（例えば、ＡｒやＮ₂ガス雰囲気）、或いは、大気中のいずれであってもよい。また、水素や一酸化炭素を含有する還元ガス雰囲気でもよい。ただし、接合した部分の強度が１００ＭＰａ以上を示す強固な接合体とするためには、加熱雰囲気に応じて、下記の温度範囲となるようにして加熱することが有効であり、この結果、本発明が目的とする強固な炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体を安定して得ることができることを確認した。

具体的には、（１）真空条件下で加熱する場合には、少なくとも接合させる部分を６００℃〜１，２００℃の温度で加熱するとよい。また、（２）不活性雰囲気下で加熱する場合には、少なくとも接合させる部分を６００℃〜１，５００℃の温度で加熱するとよい。さらに、（３）大気中で加熱する場合には、少なくとも接合させる部分を６００℃〜８００℃の温度で加熱するとよい。

上記した加熱温度は、加熱する雰囲気や、使用する接合材やセラミックス部材によっても異なるが、強度のより高い接合体が得られる最適範囲としては、下記のようである。真空条件下で加熱する場合は、８００〜１，２００℃、さらには９００〜１，１００℃の温度範囲で加熱することが好ましい。また、不活性雰囲気下で加熱する場合は、６００℃〜１，０００℃以下の温度範囲で加熱することが好ましい。本発明は、大気中での加熱によっても強固な接合体を得ることができるが、この場合には、炭化ホウ素の酸化が開始する８００℃以下であればよく、特に、６００℃以上７００℃以下の温度範囲で加熱することが好ましい。

また、加熱時間は、使用する接合材や、セラミックス部材の種類や、接合部分の大きさにもよるが、数時間、具体的には、１〜３時間程度とすればよい。その後、徐冷することで、接合層を介してセラミックス部材が一体化されてなり、その接合強度が１００ＭＰａ以上である本発明の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体を、容易に得ることができる。さらに、本発明の製造方法において、使用する材料や、加熱処理条件を選べば、２００ＭＰａ以上、或いは３００ＭＰａ以上、さらには４００ＭＰａ程度の、より接合強度の高い接合体を得ることができる。

上記した本発明の製造方法による接合処理の結果、形成される前記した接合層に存在するアルミニウムやアルミニウム化合物は、電子線マイクロアナライザー（波長分散型分光器ＷＤＳ、エネルギー分散型分光器ＥＤＳ）による表面分析法や、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によるＸ線分析装置によって測定することができる。また、Ｘ線回折法により結晶構造を同定することにより、測定できる。本発明者らの検討によれば、アルミニウムと炭化ホウ素化合物が存在している接合層となる範囲は、介在させた接合材の厚みと、圧着等の保持方法にもよるが、その範囲は、条件に依存し、１〜３００μｍ程度となる。得られる接合体の接合強度と、この接合層となる範囲との関係については、より詳細な検討が待たれるが、より高い強度を達成するためには、接合層の厚みが、１０〜１００μｍ程度となるようにするとよい。

本発明の実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。
［実施例１］
接合後の接合体の少なくとも一辺の全長が４０ｍｍとなるようにするため、それぞれが２０ｍｍ×２０ｍｍ×４．５ｍｍの板状の、２〜９９％の炭化ホウ素セラミックス部材と、９９％の純度のアルミナセラミックス部材と、ムライトセラミックス（酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）：酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）＝３：２）部材を、炭化ホウ素セラミックス部材と上記酸化物セラミックス部材が、各々２枚１組となるように用意した。また、接合材として、アルミニウム含有量９９．８質量％の、１０μｍのアルミニウム箔を準備した。

そして、炭化ホウ素セラミックス部材と酸化物セラミックス部材との接合部分にそれぞれ、上記アルミニウム箔を配置させて挟み、カーボン冶具にて固定した。加熱条件を、真空条件下で、少なくとも接合させる部分が１，０００℃の温度になるようにして、接合処理をそれぞれに行って接合体を得た。さらに、炭化ホウ素を６０質量％、さらに９９質量％含有するセラミックスと酸化物セラミックスを用い、６００℃、８００℃、さらに１２００℃で同様に接合体を得た。
上記で得られた各接合体を加工して、ＪＩＳ Ｒ１６０１（ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法）に準じて、接合箇所が中央となるようにしてなる、厚み３ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ４０ｍｍの試験片を、それぞれ作製した。そして、得られた試験片を用いて、ＪＩＳに準拠して抗折強度を測定し、結果を表１に示した。

［実施例２］
実施例１で使用したうちの炭化ホウ素含有量が９９％である高純度炭化ホウ素セラミックスと、実施例１で使用したと同様のアルミナセラミックス部材を複数枚用意した。また、接合材として、アルミニウム含有量９９．８質量％の、５〜１，０００μｍまでの厚みの異なるアルミニウム箔をそれぞれ準備した。そして、上記２種類のセラミックス部材の接合部分に、それぞれ厚みの異なるアルミニウム箔を用い、アルミニウム箔が重ならないように注意して配置させて挟み、カーボン冶具にて固定した。加熱条件を、真空条件下で、少なくとも接合させる部分が１，０００℃の温度となるようにして、接合処理をそれぞれに行って接合体を得た。得られた接合体について、実施例１と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表２に示した。

［比較例１］
実施例１で使用したうちの炭化ホウ素含有量が９９％である高純度炭化ホウ素セラミックスと、実施例１で使用したと同様のアルミナセラミックス部材を複数用意した。また、接合材として、２００μｍの厚みのシリコンと、１００μｍの厚みのオキシナイトライドガラス（酸窒化ガラス）を用意した。そして、２種類のセラミックス部材と、それぞれの接合材を用いて、窒素雰囲気下、表３に示した各温度条件で２時間加熱して各接合体を作製した。しかし、窒素雰囲気下、１，５００℃以上の高温で処理したにもかかわらず、いずれの場合も接合しなかった。比較例の接合体の作製条件を表３にまとめて示した。

（評価結果）
表３に示したように、炭化ホウ素セラミックス部材を、シリコンやオキシナイトライドガラスを接合材として接合させた比較例１のものでは、２種類のセラミックス部材同士を接合することができなかった。これに対し、１，０００μｍの厚みまでのアルミニウム箔を接合材として接合させた実施例２では、表２に示したように、アルミニウムの融点以上の温度である１，０００℃の加熱で、いずれの厚みの接合材を用いた場合においても、ほぼ母材である炭化ホウ素セラミックスやアルミナと同等な高い抗折強度を示す接合体を得ることができた。さらに、アルミニウムを、ペースト塗膜や、蒸着によって接合面に介在させた場合においても、高い接合強度を示す接合体が得られることを確認した。

［実施例３、比較例２］
実施例２で用いたと同一形状及び同一の組み合わせの２種類のセラミックス部材と、接合材としてアルミニウム含有量９９．８質量％の１０μｍの厚みのアルミニウム箔とを用い、代表的な不活性雰囲気であるアルゴンと窒素中にて、加熱温度を、６００〜１，６００℃の温度範囲で段階的に変えてそれぞれ接合処理を行った。この際の他の条件は、カーボン冶具にて、５ｋｇｆ／ｃｍ²程度の値で圧着させて、２時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例２と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表４に示した。なお、水素や一酸化炭素を含有する還元ガス雰囲気中でもほぼ同じ結果を示した。

［実施例４、比較例３］
実施例２と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材とアルミナセラミックス部材と、接合材に、アルミニウム含有量９９．８質量％の１０μｍの厚みのアルミニウム箔とを用い、大気中、加熱温度を５００〜９００℃の温度範囲で段階的に変えて接合処理を行った。この際の他の条件は、カーボン冶具にて、５ｋｇｆ／ｃｍ²程度の値で圧着させて、２時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例２と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表５にまとめて示した。

（評価結果）
表５に示したように、大気中では、８００℃で処理した場合には、高い抗折強度を示す接合体が得られたのに対して、９００℃で処理した比較例３−２の場合は、炭化ホウ素が酸化することにより発生した表面に大きな発泡が見られ、接合していなかった。
さらに、表４に示したように、不活性ガス雰囲気下では、アルゴン、窒素いずれの雰囲気下においても、６００℃以上１，５００℃までの温度で、高い抗折強度を示す接合体が得られることを確認した。これに対し、比較例２に示したように、より高温の１，６００℃では、アルゴン、窒素いずれの雰囲気下においても、炭化ホウ素の溶融が見られ、接合していなかった。

（実施例５）
実施例２で用いたものと同一形状及び同一の組み合わせの２種類のセラミックス部材とを用い、実施例１〜４で用いた９９．８質量％のアルミニウム箔に変えて、アルミニウム以外の成分を含む１０μｍの厚みのアルミニウムを主成分とする箔をそれぞれ接合材として用いて、１，０００℃、真空中で２時間接合を行い、各接合体を得た。そして、得られた各接合体について、実施例２と同様にして、接合層の厚みと、抗折強度を測定し、結果を表６に示した。この結果、接合材のアルミニウム材料中に共存する成分によって抗折強度に若干の差異が認められたものの、いずれも１００ＭＰａ以上の値を示し、接合強度の高い接合体が得られることを確認した。

本発明の活用例としては、硬度や軽量性において極めて優れた特性を示す炭化ホウ素含有セラミックスを一部に用いた有用な複合材料として、炭化ホウ素含有セラミックスと酸化物セラミックスの部材同士を強固に接合して一体化し、複合化した接合体が安価に提供できるので、下記の利用が期待される。すなわち、上記の結果、有用な工業部材である炭化ホウ素セラミックスの利用拡大が図れ、これまで、大型部材への応用が期待されていたが、歩留まり等が低いが故に使用されなかった種々の用途への適用が可能になる。また、本発明によれば、炭化ホウ素含有セラミックス部材と、酸化物セラミックス部材とを組合せて強固に一体化して複合化することによって、炭化ホウ素含有セラミックスに別の特性を付加した部材や、大型部材を提供することが可能になることから、製造プロセスにおいてトータルでの省エネ効果を生みだし、コストと大幅なグリーンガス削減との相乗効果等も期待できる。

Claims (6)

1. 炭化ホウ素を６０質量％以上含有してなる炭化ホウ素含有セラミックス部材と、該セラミックス部材とは異種の、絶縁性を示す、アルミナ、ムライト、コーディエライト又はジルコニアを主成分とする酸化物セラミックス部材とが、アルミニウム又はアルミニウム合金を接合材として接合した接合層を介して一体化されてなり、かつ、接合した部分の抗折強度が１００ＭＰａ以上であることを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体。
2. 前記接合層の厚みが１〜１，０００μｍである請求項１に記載の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体。
3. 請求項１又は２に記載の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の製造方法であって、前記炭化ホウ素含有セラミックス部材と前記酸化物セラミックス部材とを接合させる際に、その接合部分に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる、箔、ペースト及び蒸着層のいずれかを接合材とし、その厚みが１，０００μｍ以下となる範囲で介在させ、この状態で上記セラミックス部材同士を保持して、真空条件下で、少なくとも接合させる部分を６００℃以上１，２００℃以下の温度で加熱することを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の製造方法。
4. 請求項１又は２に記載の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の製造方法であって、前記炭化ホウ素含有セラミックス部材と前記酸化物セラミックス部材とを接合させる際に、その接合部分に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる、箔、ペースト及び蒸着層のいずれかを接合材とし、その厚みが１，０００μｍ以下となる範囲で介在させ、この状態で上記セラミックス部材同士を保持して、不活性雰囲気中で、少なくとも接合させる部分を６００℃以上１，５００℃以下の温度で加熱することを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の製造方法。
5. 請求項１又は２に記載の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の製造方法であって、前記炭化ホウ素含有セラミックス部材と前記酸化物セラミックス部材とを接合させる際に、その接合部分に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる、箔、ペースト及び蒸着層のいずれかを接合材とし、その厚みが１，０００μｍ以下となる範囲で介在させ、この状態で上記セラミックス部材同士を保持して、大気中で、少なくとも接合させる部分を６００℃以上８００℃以下の温度で加熱することを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の製造方法。
6. 前記アルミニウム合金が、純アルミニウムに、銅、銀、インジウム、チタン、マンガン、マグネシウム、ケイ素又は亜鉛のいずれかを含んでなるアルミニウム合金である請求項３〜５のいずれか１項に記載の炭化ホウ素含有セラミックス−酸化物セラミックス接合体の製造方法。