JPH10167850A - 窒化アルミニウム質基材の接合体の製造方法およびこれに使用する接合助剤 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】窒化アルミニウム質セラミックスからなる基材
同士を接合するのに際して、両者の接合界面に実質的に
第三層を介在させることなく接合できる新しい方法を提
供する。 【解決手段】窒化アルミニウム質の基材１、２を接合す
るのに際して、基材１、２の間に接合助剤３を介在させ
た状態で、接合助剤の融点以上の温度範囲で基材および
接合助剤を加熱することによって、接合助剤を溶融させ
ると共に、溶融した接合助剤と基材との界面近傍で窒化
アルミニウム粒子を液相化させる。次いで、接合助剤お
よび基材を、一層高い温度範囲で、かつ基材の焼結温度
よりも低い温度範囲で加熱することによって、接合助剤
を基材の間から排出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、窒化アルミニウム質基材
を接合する方法およびこれに使用する接合助剤に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】エッチング装置、化学的気相成長装置等
の半導体装置においては、いわゆるステンレスヒーター
や、間接加熱方式のヒーターが一般的であった。しか
し、これらの熱源を用いると、ハロゲン系腐食性ガスの
作用によってパーティクルが発生することがあり、また
熱効率が悪かった。こうした問題を解決するため、本出
願人は、緻密質セラミックス基材の内部に、高融点金属
からなるワイヤーを埋設したセラミックスヒーターを開
示した（特開平３−２６１１３１号公報）。このワイヤ
ーは、円盤状基材の内部で螺旋状に巻回されており、か
つこのワイヤーの両端に端子を接続する。こうしたセラ
ミックスヒーターは、特に半導体製造用として優れた特
性を有していることが判った。

【０００３】セラミックスヒーターの基体を構成するセ
ラミックスとしては、窒化珪素、窒化アルミニウム、サ
イアロン等の窒化物系セラミックスが好ましいと考えら
れている。また、セラミックスヒーター上にサセプター
を設置し、このサセプターの上に半導体ウエハーを設置
して、半導体ウエハーを加熱する場合がある。本出願人
は、こうしたセラミックスヒーターやサセプターの基材
として、窒化アルミニウムが好ましいことを開示した
（特開平５−１０１８７１号公報）。特に、半導体製造
装置においては、エッチングガスやクリーニングガスと
して、ＣｌＦ₃ 等のハロゲン系腐食性ガスを多用する
が、これらのハロゲン系腐食性ガスに対する耐蝕性の点
で、窒化アルミニウムがきわめて高度の耐食性を有して
いることが確認されたからである。一方、セラミックス
は加工が困難であるため、単純な形状のセラミックスを
互いに接合して、複雑な形状の部品を得るための研究が
継続されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、一般にセラミ
ックス同士の接合界面には、熱膨張率や機械的特性の異
なる第三相が形成される。この第三層は、一般に、加熱
冷却に伴う熱応力や、様々な機械的応力に対して破壊し
易いという問題があった。特に、窒化アルミニウム質セ
ラミックスは、窒化珪素セラミッス等と比較して、靱性
が低いために、第三層の影響は深刻であった。

【０００５】また、シリコンを主成分として含む化合物
や、ガラスによって、窒化アルミニウム質セラミックス
を接合した場合には、接合界面に残存する第３相が、Ｎ
Ｆ₃ やＣｌＦ₃ 等のハロゲン系腐食性ガスのプラズマに
よって選択的に腐食される。こうした接合体は、半導体
製造装置といった腐食環境下の使用に耐えないものとな
っていた。

【０００６】また、窒化アルミニウム焼結体からなる基
材同士を直接接合する方法として、特開平２−１２４７
７８号公報においては、基材を１８００℃〜１９００℃
に加熱し、拡散接合により一体化している。しかし、こ
うした拡散接合法によって窒化アルミニウム焼結体を接
合するためには、非常な高温が必要であり、例えば１８
００〜１９００℃は、もとの焼結体の焼結温度と同程度
の高温である。このため、接合工程において基材が変質
したり、変形したりし易い。また、約６０ＭＰａ以下の
低い強度の接合体しか得られていない。

【０００７】特開平８−１３２８０号公報によれば、比
較的強度の高い窒化アルミニウム焼結体の接合体が開示
されている。しかし、この方法においても、やはりもと
の基材である窒化アルミニウム焼結体の焼結温度と同程
度の高温を必要とする。また、基材の接合面の粗度およ
び平面度を０．２μｍ以下とするための超精密加工を必
要とするが、このような加工は製造コストの上昇の原因
となる。

【０００８】本発明の課題は、窒化アルミニウム質セラ
ミックスからなる基材同士を接合するのに際して、両者
の接合界面に実質的に第三層を介在させることなく接合
できるようにするための新しい方法を提供することであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、窒化アルミニ
ウム質の基材を接合するのに際して、接合すべき基材の
間に接合助剤を介在させた状態で、接合助剤の融点以上
の温度範囲で基材および接合助剤を加熱することによっ
て接合助剤を溶融させると共に、溶融した接合助剤と基
材との界面近傍で窒化アルミニウム粒子を液相化させる
第一の工程と、接合助剤および基材を前記第一の工程に
おける温度範囲よりも高く、かつ基材の焼結温度よりも
低い温度範囲で加熱することによって接合助剤を基材の
間から排出させる第二の工程とを有することを特徴とす
る。

【００１０】本発明者は、窒化アルミニウム質セラミッ
クスを第三層を介在させることなく、比較的に低温で接
合する方法を研究していた。このため、種々の金属酸化
物を窒化アルミニウム質セラミックスの間に介在させ、
金属酸化物を加熱して溶融させる実験を行っていたが、
接合助剤をまず溶融させ、次いでこの溶融温度よりも高
温で加熱して保持すると、接合助剤が基材の間から排出
され、基材同士が強固に接合されることを見いだした。
これらの基材の界面を観察すると、接合助剤は実質的に
残留しておらず、窒化アルミニウムの組織が連続してい
た。しかも、こうして得られた接合体の接合強度は非常
に高く、また気密性、耐食性に極めて優れたものである
ことを確認し、本発明を完成した。

【００１１】本発明のプロセスについて、更に詳細に説
明する。基材を構成する窒化アルミニウム質の中には、
種々の焼結助剤や着色剤などの添加剤を含有させること
ができる。図１（ａ）に模式的に示すように、基材の接
合面１ａと基材２の接合面２ａとを対向させる。このと
き、所定の接合助剤３を接合面１ａと２ａとの間に介在
させる。次いで、基材１、２および接合助剤３を、接合
助剤３の溶融温度以上で加熱し、図１（ｂ）に示すよう
に接合助剤を溶融させる。溶融した接合助剤２０の一部
は基材１と２との表面を濡らして移動し、４のように膨
張部分を作る。

【００１２】接合助剤の溶融の初期には、図２（ａ）に
示すように、溶融物２０が接合面１ａと２ａとの間にあ
るが、接合助剤の融点以上の温度範囲で保持すると、溶
融した接合助剤２０に接する基材１、２の界面近傍２１
が液状になる。５は溶融層である。例えば、Ｃａ−Ａｌ
−Ｏ共晶組成やＹ−Ｃａ−Ａｌ−Ｏ共晶組成の酸化物か
らなる接合助剤を使用した場合には、１４１５℃または
１３７５℃付近で接合助剤の溶融が始まり、次いで基材
１、２の接合面がこの溶融物と接触し、液状化してくる
ものと考えられる。

【００１３】窒化アルミニウム質セラミックスは、いわ
ゆる液相焼結と呼ばれる焼結プロセスを経過する。即
ち、いったん窒化アルミニウム粒子が液状化した後に、
冷却過程で固化するというプロセスを経過する。本発明
においても、基材１、２の溶融した接合助剤との界面付
近で窒化アルミニウム粒子が液状化し、この液相を介し
て接合助剤の成分の拡散が起こり、その部分の組成が変
化するものと考えられる。

【００１４】窒化アルミニウム粒子が液相に溶け出す場
合には、接合面における突起部分から優先的に溶融接合
助剤中へと溶け出すので、接合界面が平坦化する。この
後、第二の工程を実施することなく冷却すると、接合助
剤の成分が窒化アルミニウム粒子の粒界において析出す
る。

【００１５】この溶融工程（第一の工程）においては、
加熱温度を接合助剤の溶融温度以上とするが、後述する
接合助剤の排出が実質的に起こる温度以下とし、この段
階では接合助剤の排出を避けることが好ましい。

【００１６】次いで、第一の工程におけるよりも温度を
上昇させると、溶融した接合助剤が実質的に基材の間か
ら排出され、各基材が第三相を介在させることなく、連
続するようになった。この機構は、窒化アルミニウムが
液相から固化し、窒化アルミニウム粒子が析出するとき
に、この粒子中からイットリウム等の焼結助剤が排出さ
れ、更には焼結体の内部から外部へと向かって排出され
ていく機構と類似している。

【００１７】本発明は、９５％以上の相対密度を有する
窒化アルミニウム質に対して好適であり、９８％以上の
相対密度を有する窒化アルミニウム質に対して特に好適
である。基材の少なくとも一方が、ホットプレス焼結ま
たはホットアイソスタティックプレス法による焼成品で
ある場合に、とりわけ好適である。本発明を、仮焼体の
ように比表面積大のものに適用すると、変形等の不具合
が生じる場合がある。

【００１８】第一の工程、第二の工程において、各温度
範囲内では、一定温度に保持することが好ましいが、各
温度範囲内で温度上昇、温度降下を行っても良い。特
に、第一の工程における温度範囲は、接合助剤を確実に
溶融させるためには１４００℃以上とすることが好まし
く、接合助剤との界面における窒化アルミニウム粒子の
液状化を促進するためには１４５０℃以上とすることが
一層好ましい。また、第一の工程において接合助剤の排
出が進行すると、接合助剤の基材中への拡散ないし浸出
が起こりにくくなるため、接合助剤の排出を抑制するた
めに、１６５０℃以下とすることが好ましい。

【００１９】第二の工程における温度範囲は、接合助剤
の排出を促進するために、１６５０℃以上とすることが
好ましい。また、窒化アルミニウム質の基材の変形、変
質等を防止するために、１８００℃以下とすることが好
ましい。

【００２０】第一の工程における加熱時間、第二の工程
における加熱時間は、それぞれ、３０分間以上、１０時
間以下とすることが好ましい。

【００２１】第一の工程、第二の工程における雰囲気
は、非酸化性雰囲気であれば、Ｎ₂ 等の不活性ガス雰囲
気でもよく、真空でも良い。ただし、第二の工程におい
ては、真空中では、若干ではあるものの窒化アルミニウ
ムの分解が認められたため、窒素雰囲気が特に好まし
い。

【００２２】接合時には、図２（ｂ）に矢印Ａで示すよ
うに加圧することが、接合強度を一層向上させる上で好
ましい。加圧の効果は、実質的には５ｋｇ／ｃｍ² の圧
力で現れる。上限は５００ｋｇ／ｃｍ² であり、これを
越える圧力を加えると、基材に変形やクラックが発生し
易くなる。また、低温で加圧すると、基材が割れる場合
がある。従って、接合助剤が融解する温度以上で圧力を
加えることが好ましい。

【００２３】次いで、本発明で特に好適に使用できる接
合助剤について述べる。接合助剤は限定されないが、接
合助剤の組成がＸ−Ｙ−Ｚ系組成である場合が特に好ま
しいことを発見した。ここで、Ｘは、アルカリ金属元素
およびアルカリ土類金属元素からなる群より選ばれた一
種以上の金属元素の化合物であり、Ｙは、希土類元素の
化合物であり、Ｚは、アルミニウムの化合物である。接
合助剤を構成する全金属元素のうち、Ｘを構成する前記
金属元素の割合が２５〜５０ｍｏｌ％であり、Ｙを構成
する希土類元素の割合が５〜３０ｍｏｌ％であり、残部
がアルミニウムである。

【００２４】窒化アルミニウム質基材においては、１６
５０℃を越える温度では、接合助剤の排出が進行し、接
合助剤の窒化アルミニウム中への浸出が生じにくい。こ
のため、接合助剤の融点が１６５０℃以下であることが
必要であり、１６００℃以下であることが一層好まし
い。なお、「接合助剤の融点」とは、液相が生成し始め
る温度を指す。

【００２５】希土類元素とは、スカンジウム、イットリ
ウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、
プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリウ
ム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビ
ウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムの十七元
素を言う。この中で、イットリウム、ランタン、セリウ
ム、ネオジム、イッテルビウムが、接合助剤の排出効果
が特に高く、イットリウムおよびイッテルビウムが一層
好ましく、イットリウムが最も好ましい。

【００２６】Ｘを構成する金属元素としては、リチウ
ム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムが特に好ま
しい。

【００２７】Ｘ、Ｙ、Ｚの各化合物としては、具体的に
は酸化物またはフッ化物が好ましい。酸化物またはフッ
化物以外の化合物も使用できるが、この場合には、接合
助剤が溶融した時に酸化物またはフッ化物を生成するよ
うな化合物が好ましい。こうした化合物としては、炭酸
塩、硝酸塩、シュウ酸塩、リン酸塩などがある。

【００２８】上記において、接合助剤の好適な組成を列
挙したが、接合助剤は次のものを含む。 （１）Ｘ化合物、Ｙ化合物およびＺ化合物からなる混合
物。この場合には、Ｘ化合物、Ｙ化合物およびＺ化合物
として、それぞれ、前記した酸化物、フッ化物、炭酸
塩、硝酸塩、シュウ酸塩、リン酸塩などを使用できる。 （２）Ｘ、Ｙ、Ｚのすべての成分を含有する化合物。例
えば、Ｘを構成する金属の酸化物と、Ｙを構成する金属
の酸化物と、Ｚを構成する金属の酸化物とを混合して混
合物を得、この混合物を仮焼または焼成することによっ
て、複合酸化物またはガラスを得ることができる。この
複合酸化物またはガラスを接合助剤として使用できる。

【００２９】接合助剤の形態は、混合粉末でも良く、仮
焼粉末でも良く、箔状でも良く、平板形状の焼成体でも
良い。

【００３０】また、接合助剤のうち、Ｘ成分とＹ成分と
の少なくとも一方が、１６５０℃〜１８００℃における
蒸気圧が０．００１〜１０００Ｐａである酸化物または
フッ化物を含んでいることが好ましい。こうした酸化物
またはフッ化物としては、具体的には、Ｌｉ₂ Ｏ、Ｍｇ
Ｏ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＳｒＦ₂ がある。

【００３１】また、ＣａＯ：２５〜４０重量％、Ｙ₂ Ｏ
₃ ：１５〜３０重量％および残部Ａｌ₂ Ｏ₃ の系が特に
好ましい。この中でも、３７ＣａＯ−１９Ｙ₂ Ｏ₃ −４
４Ａｌ₂ Ｏ₃ 共晶組成（融点１３７５℃）、２８ＣａＯ
−２６Ｙ₂ Ｏ₃ −４６Ａｌ₂ Ｏ₃ 共晶組成（融点１３９
５℃）が特に好ましい。

【００３２】図３は、半導体製造装置用のサセプターの
保持構造を示す断面図であり、図４は図３のＩＶ−ＩＶ
線断面図である。サセプター６は、例えば円盤形状をし
ており、この表面６ｂに半導体ウエハーを設置できるよ
うになっている。サセプター６の裏面６ａに、例えば略
円筒形状の保持具８の端面８ａを接合する。サセプター
６、保持具８は、いずれも窒化アルミニウム質であり、
両者を本発明に従って接合する。７は、リフトピンを挿
通するための貫通孔である。好ましくは、保持具８の端
面８ａ付近にフランジ部８ｂを形成し、本発明に従って
接合を行う際に、フランジ部８ｂの表面８ｃに対して矢
印Ｂのように圧力を加えることができる。

【００３３】サセプター６の機能や構造は特に限定され
ず、例えば、窒化アルミニウム基材中に抵抗発熱体を埋
設したセラミックスヒーター、基材中に静電チャック用
電極を埋設したセラミック静電チャック、基材中に抵抗
発熱体と静電チャック用電極を埋設した静電チャック付
きヒーター、基材中にプラズマ発生用電極を埋設した高
周波発生用電極装置などを例示できる。

【００３４】例えば、図３、図４に示す装置において
は、サセプター６の中に抵抗発熱体（図示しない）が埋
設されており、抵抗発熱体の端子１２に対してケーブル
１０が接続されている。また、サセプター６の中に、プ
ラズマ発生用電極または静電チャック電極として機能す
る平板形状の電極（図示しない）が埋設されており、こ
の電極の端子１３に対してケーブル１１が接続されてい
る。これらのケーブル１０、１１、端子１２、１３は、
いずれも保持具８の内部空間９内に収容されており、半
導体製造装置のチャンバー中の腐食性ガスまたはそのプ
ラズマに対して直接接触しない。

【００３５】更に、本発明は、半導体ウエハーを設置す
るためのサセプター、ダミーウエハー、シャドーリン
グ、高周波プラズマを発生させるためのチューブ、高周
波プラズマを発生させるためのドーム、高周波透過窓、
赤外線透過窓、半導体ウエハーを支持するためのリフト
ピン、シャワー板等を、他の部材に接合するために使用
できる。

【００３６】

【実施例】以下、更に具体的な実験結果について述べ
る。 〔実験１〕♯８００砥石で、図１（ａ）に示すような窒
化アルミニウムブロック１、２（寸法：２０ｍｍ×２０
ｍｍ×１０ｍｍ）の接合面１ａ、２ａを研磨した。ただ
し、一方のブロックの純度を９５％（５％はイットリ
ア）とし、他方のブロックの純度を９９．９％とした。

【００３７】両者の間に、重量％で３７ＣａＯ−１９Ｙ
₂ Ｏ₃ −４４Ａｌ₂ Ｏ₃となるように混合した混合粉末
（共晶点１３７５℃）を介在させた。この試料を電気炉
に収容し、１５００℃まで加熱し、１５００℃で２時間
保持し、炉内で放冷した。加熱を窒素雰囲気中で行っ
た。加熱の間、接合面に対して５０ｋｇｆ／ｃｍ² の圧
力を加えつづけた。試料の断面を走査型電子顕微鏡写真
および反射電子像によって観察した。図６は、この接合
体の接合界面付近のセラミックス組織を示す反射電子像
の写真である。

【００３８】この写真においては、左側から見て、純度
９５％の窒化アルミニウム層、接合助剤層、純度９９．
９％の窒化アルミニウム層の三層に分かれている。左側
の窒化アルミニウム層においては、黒く見える窒化アル
ミニウム粒子の粒界に、イットリアを主成分とする粒界
層が白く見えている。接合助剤層においては、白色の針
状結晶と、針状結晶を取り囲む灰色のマトリックスとを
観察できる。白色の針状結晶と、灰色のマトリックスと
は、共に３７ＣａＯ−１９Ｙ₂ Ｏ₃−４４Ａｌ₂ Ｏ₃ の
共晶組成を有する接合助剤から生成したものであるが、
互いに組成を異にしているものと考えられる。右側の窒
化アルミニウム層では、ほとんどが黒色の窒化アルミニ
ウム粒子からなっており、粒界層は少ない。

【００３９】左側の窒化アルミニウム層と接合助剤層と
の界面の近傍においては、窒化アルミニウム粒子の粒界
層が、白色（イットリアの存在を示す）ではなく、接合
助剤層中のマトリックスと同じ色であり、つまり接合助
剤が粒界に浸出している。こうした接合助剤の侵入部分
の厚さは約１０μｍに達していた。これは、１５００℃
での加熱および保持工程の際に、溶融した接合助剤と基
材との境界近傍で窒化アルミニウム粒子が溶融し、接合
助剤の成分が拡散したためである。

【００４０】また、右側の窒化アルミニウム層と接合助
剤層との界面の近傍においても、ＡｌＮ粒子の粒界層
に、０．５μｍ以上の接合助剤の浸出が見られる。

【００４１】〔実験２〕実験１において、接合助剤の組
成を、ＣａＯ、ＣａＦ、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ｙ（ＮＯ₃）₃ 、Ｙ
Ｎに変更し、それぞれ前記の実験を行った。この結果、
いずれの例においても、基材１と２とは接合しなかっ
た。

【００４２】〔実験３〕本発明の範囲内である、表１に
示す実験番号１〜７を実施した。♯８００砥石で、図１
（ａ）に示すような窒化アルミニウムブロック１、２
（寸法：２０ｍｍ×２０ｍｍ×１０ｍｍ）の接合面１
ａ、２ａを研磨した。各ブロックの純度は、９５％（５
％はイットリア）または９９．９％とした。

【００４３】試薬特級のＣａＯ、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ａｌ₂ ０₃
粉末を、重量％で３７ＣａＯ−１９Ｙ₂ Ｏ₃ −４４Ａｌ
₂ ０₃ の割合となるようにエタノール中で混合し、混合
粉末（共晶点１３７５℃）を得た。この混合粉末を、更
に大気中１０００℃で２時間加熱し、仮焼粉末を得た。
仮焼粉末の最大径が１００μｍとなるように、整粒し
た。この粉末を、２つの基材の接合面の間に介在させ
た。接合助剤の塗布量は、１〜２０ｍｇ／ｃｍ² とし
た。

【００４４】この試料を電気炉に収容し、図５に示すよ
うな温度−圧力スケジュールで加熱した。ここで、ｔ₀
〜ｔ₇ はそれぞれ経過時間であり、Ｔ₁ 〜Ｔ₄ は温度で
あり、Ｐ₁ 、Ｐ₂ は圧力である。温度Ｔ₁ ＝１４００℃
となったとき（時間ｔ₁ ）で加圧を開始し、温度Ｔ₂ ＝
１４３０℃となったとき（時間ｔ₂ ）で圧力を、表１に
示す各値まで上昇させた。時間ｔ₃ で温度Ｔ₃ に達し
た。ここで，、Ｔ₃ は、第一の保持工程における保持温
度であり、時間ｔ₄ とｔ₃ との差がＴ₃ での保持時間で
ある。

【００４５】次いで、ｔ₄ からｔ₅ にかけて温度をＴ₄
に上昇させる。ここでＴ₄ は、第二の保持工程における
保持温度であり、時間ｔ₆ とｔ₅ との差がＴ₄ での保持
時間である。こうした温度−圧力スケジュールに従って
基材の接合を実施し、得られた接合体の各特性を測定
し、測定結果を表１に示した。

【００４６】「接合強度」は、JISR1601に従った四点曲
げ強度の測定方法によった。ただし、抗折棒を、接合界
面が中心となるように加工した。接合強度の測定温度は
室温である。また、抗折棒の断面を、走査型電子顕微鏡
によって観察し、接合助剤成分の残留レベルを確認し
た。「第三層の残存」については、接合界面を観察し、
第３層の厚さを測定した。一方、塗布層の厚さを、（塗
布重量／接合材の理論密度）／接合面積であるとして計
算し、「第３層の厚さ」を「塗布層の厚さ」で除した値
を表１に示した。

【００４７】表１中の「リーク量」は、次のようにして
測定した。一方の基材として、直径５０ｍｍ、厚さ１５
ｍｍの円板を使用し、他方の基材として、外径３６ｍ
ｍ、内径２８ｍｍ、長さ１０ｍｍの円管を使用した。こ
の円板と円管とを図４に示すように接合した。この接合
方法は、上記と同様とした。得られた接合体を、ヘリウ
ムリーク試験に供した。用いた試験機の測定限界は１．
０×１０^{- 8}ｔｏｒｒ・ｌ／ｓｅｃであった。

【００４８】

【表１】

【００４９】表１からわかるように、本発明の実施例で
ある実験１〜７においては、いずれも極めて高い接合強
度が得られ、第三層の残存がなく、リーク量も少なかっ
た。この中でも、基材１、２として純度９９．９％の窒
化アルミニウム焼結体を使用した実験１の接合体が、最
も高い強度を示した。また、実験２〜７においては、圧
力が高いほど、接合強度の向上が見られた。また、真空
中で接合を行った実験４よりも、窒素雰囲気下で接合を
行った方が、接合強度が高く、かつリーク量が著しく少
なくなることがわかった。

【００５０】更に、リーク測定後に、大気中、５０℃と
７００℃との間での熱サイクル試験を１００サイクル実
施し、接合体が熱衝撃に耐え得るものか否かを判断し
た。実験１〜７については、いずれも不具合は生じなか
った。またリーク量の劣化も認められなかった。また、
表１中、実験１〜３の試験片（抗折棒）については、４
５０℃のＮＦ₃ プラズマ中に２４時間さらしたが、強度
的にもリーク量にも劣化は認められなかった。

【００５１】図７は、表１に示す実験２によって得られ
た抗折棒の接合界面付近のセラミックス組織を示す反射
電子像である。上側から見て、純度９５％の窒化アルミ
ニウム層、純度９９．９％の窒化アルミニウム層の二層
に分かれている。上側の窒化アルミニウム層において
は、黒く見える窒化アルミニウム粒子の粒界に、イット
リアを主成分とする粒界層が白く見えている。下側の窒
化アルミニウム層にはイットリアは観察されない。

【００５２】上側と下側との各窒化アルミニウム層の界
面の近傍においては、確かに上下の粒界および窒化アル
ミニウム粒子の大きさが相違していることから、明確な
境界を観察することができる。しかし、この境界にはま
ったく第二層や亀裂は存在しておらず、上下の窒化アル
ミニウム組織が直接に連続していることが判る。

【００５３】図８は、図７の抗折棒を前記の熱サイクル
試験に供した後の、接合界面付近のセラミックス組織を
示す二次電子像である。上側から見て、純度９５％の窒
化アルミニウム層、純度９９．９％の窒化アルミニウム
層の二層に分かれている。両者の界面においてクラック
や変質層はまったく認められない。

【００５４】図９は、表１に示す実験１によって得られ
た抗折棒の接合界面付近のセラミックス組織を示す二次
電子像である。上側と下側との各窒化アルミニウム層の
界面の近傍においては、明確な境界を観察することがで
きず、この境界にはまったく第二層や亀裂は存在してお
らず、上下の窒化アルミニウム組織が直接に連続してい
ることが判る。

【００５５】〔実験４〕実験３と同様にして、表２に示
す各実験番号の接合体（比較例）を製造した。各実験の
条件および測定結果を、表２に示す。

【００５６】

【表２】

【００５７】表２から判るように、実験８においては、
１５５０℃で２時間保持しており、ある程度高い接合強
度が得られているが、リーク量は１０^{- 6} のレベルであ
った。また、第三層の残存があった。これを熱サイクル
試験に供すると、接合界面が剥離した。実験９において
は、１７００℃で２時間保持しているが、接合強度は２
０ＭＰａとまだ不十分であり、リーク量は１０^{- 6} のレ
ベルであった。接合助剤は加熱工程の間に排出されてお
り、第三層の残存は見られなかった。実験１０において
は、１４００℃で２時間保持し、１５００℃で２時間保
持しているが、第三層の排出はほとんど見られず、接合
助剤の８０％が残存しており、リーク量は１０^{- 5} のレ
ベルであった。

【００５８】実験１１においては、１７００℃、１９０
０℃でそれぞれ２時間ごと保持しており、第三層は残存
していない。しかし、接合強度はまだ不十分であり、リ
ーク量は１０^{- 5} のレベルであった。また、熱サイクル
試験後に、基材に変形が観察された。実験１２において
は、１３００℃、１７００℃でそれぞれ２時間ごと保持
しており、第三層は残存していない。しかし、接合強度
はまだ不十分であり、リーク量は１０^{- 5} のレベルであ
った。実験１１、１２においては、溶融物が基材中へと
浸出するプロセスが進行していないものと思われる。

【００５９】〔実験５〕実験３と同様にして、表３に示
す各実験番号の接合体（本発明の実施例）を製造した。
各実験の条件および測定結果を、表３に示す。ただし、
実験１３、１４、１５においては、仮焼前の混合粉末を
使用し、実験１６では、前記混合粉末を１３６０℃で２
時間熱処理した後、振動ミルで粉砕することによって得
られた粉砕粉末を使用した。実験１７では、混合粉末を
１３６０℃で２時間加熱処理し、その状態で厚さ０．５
ｍｍの箔状に加工することによって箔状の焼結体を得、
これを使用した。

【００６０】

【表３】

【００６１】これらの例から判るように、仮焼粉末、仮
焼粉末を粉砕して得られた粉末、あるいは箔状の焼結体
のいずれを使用した場合であっても、仮焼粉末を使用し
た場合と同様の結果が得られた。

【００６２】〔実験６〕実験３と同様にして、表４に示
す各実験番号の接合体を製造した。各実験の条件および
測定結果を、表４に示す。ただし、実験１８（本発明の
実施例）においては、２８ＣａＯ−２６Ｙ₂ Ｏ₃ −４６
Ａｌ₂ Ｏ₃ の粉砕粉末を使用した。実験１９、２０、２
１（比較例）においては、Ｙ₂ Ｏ₃ 、ＹＮ、８０ＹＦ−
２０ＡｌＦ₃ を使用した。

【００６３】

【表４】

【００６４】実験１８においては、高い接合強度とリー
ク防止性能とが得られた。しかし、実験１９において
は、Ｙ₂ Ｏ₃ がまったく排出されず、かつ接合体が得ら
れなかった。実験２０、２１においては、各粉末が溶融
して接合層を形成することはなく、接合体は得られなか
った。

【００６５】〔実験７〕図３、図４に示すような接合体
を製造した。ただし、サセプター６中には、ヒーターと
して機能するモリブデン製のコイルと、高周波プラズマ
電極として機能するモリブデン製のメッシュとを埋設し
た。焼結体６の純度は９９．９％とし、相対密度は９
９．５％以上とし、ホットプレス法によって製造した。

【００６６】また、外径６０ｍｍ、内径５２ｍｍ、長さ
２１０ｍｍの常圧焼結品からなる環状の保持具８（純度
９５％、イットリア５％）を準備した。サセプター６と
保持具８とを、本発明に従って接合した。

【００６７】接合炉には、カーボン炉材のホットプレス
を用いた。なお加熱は１．５ａｔｍの窒素雰囲気中で行
い、サンプルが１３００℃以上に加熱されている間、接
合面を油圧プレスにより圧力６０ｋｇｆ／ｃｍ² で加圧
し続けた。サンプルは、１０００℃／時間〜１００℃／
時間の速度で昇温させた後、１５５０℃で２時間保持し
て接合助剤を基材の接合面内へと浸出させ、次いで、１
７００℃で２時間加熱し、接合助剤の排出処理を行っ
た。１７００℃で２時間加熱した後、炉内で放冷させ
た。

【００６８】この接合体を炉から取出し、前記と同様に
してリーク量を測定した。この結果、１．０×１０^{- 8}
ｔｏｒｒ・ｌ／ｓｅｃ未満であった。

【００６９】また、焼結体６の内部に埋設されているモ
リブデン製のコイルとメッシュとに電極リードを取り付
け、通電加熱により、約２５℃／分の速度で、３０回の
昇降温を繰り返したが、接合体には変形やクラックは認
められなかった。また、この熱サイクル試験の後に、再
度ヘリウムリーク試験を行ったが、やはり１．０×１０
^{- 8} ｔｏｒｒ・ｌ／ｓｅｃ未満であった。

【００７０】〔実験８〕実験３と同様にして、表５に示
す各実験番号の接合体（本発明例）を製造した。各実験
の条件および測定結果を、表５に示す。

【００７１】

【表５】

【００７２】実験２２、２３、２４においては、接合助
剤として、Ｌｉ₂ Ｏ−Ｙ₂ Ｏ₃ −Ａｌ₂ Ｏ₃ 系の仮焼粉
末を使用したが、いずれも接合強度が高く、リークが少
なく、第三相が見られなかった。なお、接合強度の観点
からは、実施例２２におけるように、相対密度９９．９
％の窒化アルミニウム質基材を使用し、Ｎ₂ 雰囲気の圧
力を２．５ａｔｍに上昇させた方が好ましい。

【００７３】実験２５においては、接合助剤として、Ｂ
ａＯ−Ｙ₂ Ｏ₃ −Ａｌ₂Ｏ₃ 系の仮焼粉末を使用した
が、いずれも接合強度が高く、リークが少なかった。

【００７４】また、実験２２〜２５の各試料について、
リーク量の測定後に、実験３と同様にして、大気中、５
０℃と７００℃との間での熱サイクル試験を１００サイ
クル実施した。この結果、いずれも不具合は生じず、リ
ーク量の劣化も認められなかった。また、実験２２の試
験片（抗折棒）については、４５０℃のＮＦ₃ プラズマ
中に２４時間さらしたが、強度的にもリーク量にも劣化
は認められなかった。

【００７５】〔実験９〕実験３と同様にして、表６に示
す各実験番号の接合体（本発明例）を製造した。各実験
の条件および測定結果を、表６に示す。

【００７６】

【表６】

【００７７】実験２６では、接合助剤としてＣａＯ−Ｌ
ａ₂ Ｏ₃ −Ａｌ₂ Ｏ₃ 系の仮焼粉末を使用し、実験２７
では、接合助剤としてＣａＦ₂ −Ｙ₂ Ｏ₃ −Ａｌ₂ Ｏ₃
系の仮焼粉末を使用し、実験２８では、接合助剤として
ＣａＯ−ＹＦ₃ −Ａｌ₂ Ｏ₃ 系の仮焼粉末を使用し、実
験２９では、接合助剤としてＣａＯ−Ｙ₂Ｏ₃ −Ａｌ₂
Ｏ₃ 系の仮焼粉末を使用し、実験３０では、接合助剤と
してＢａＯ−Ｌａ₂ Ｏ₃ −Ａｌ₂ Ｏ₃ 系の仮焼粉末を使
用した。いずれも接合強度が高く、リークが少なく、第
三相が見られなかった。

【００７８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、窒
化アルミニウム質セラミックスからなる基材同士を接合
するのに際して、両者の接合界面に実質的に第三層を介
在させることなく接合できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、基材１と２とを接合する前の状態を
示す正面図であり、（ｂ）は、基材１と２との界面付近
で接合助剤を溶融させた状態を示す正面図である。

【図２】（ａ）は、基材１と２との間で接合助剤を溶融
させた状態を示す断面図であり、（ｂ）は、基材１、２
の接合界面の近傍が溶融した状態を示す断面図である。

【図３】サセプター６と環状の保持具８とを接合するこ
とによって作成した、サセプターの保持構造を示す一部
断面図である。

【図４】図３の保持構造を示す平面図である。

【図５】温度および圧力スケジュールの一例を示すグラ
フである。

【図６】実験１における接合体の接合界面付近のセラミ
ックス組織を示す反射電子像の写真である。

【図７】表１に示す実験２によって得られた抗折棒の接
合界面付近のセラミックス組織を示す反射電子像であ
る。

【図８】図７の接合体を熱サイクル試験に供した後の、
接合界面付近のセラミックス組織を示す二次電子像であ
る。

【図９】表１に示す実験１によって得られた抗折棒の接
合界面付近のセラミックス組織を示す二次電子像であ
る。

【符号の説明】

１、２ 基材，１ａ、２ａ 基材の接合面，３ 接合助
剤，６サセプター，８ 保持具，９ 保持具８の内部空
間，１０、１１ ケーブル，１２ 抵抗発熱体の端子，
１３ 電極の端子，２０ 溶融した接合助剤，２１ 液
状になった基材の界面近傍

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒化アルミニウム質の基材を接合するのに
   際して、 接合すべき前記基材の間に接合助剤を介在させた状態
   で、前記接合助剤の融点以上の温度範囲で前記基材およ
   び前記接合助剤を加熱することによって前記接合助剤を
   溶融させると共に、溶融した前記接合助剤と前記基材と
   の界面近傍で窒化アルミニウム粒子を液相化させる第一
   の工程と、 前記接合助剤および前記基材を前記第一の工程における
   温度範囲よりも高く、かつ前記基材の焼結温度よりも低
   い温度範囲で加熱することによって前記接合助剤を前記
   基材の間から排出させる第二の工程とを有することを特
   徴とする、窒化アルミニウム質基材の接合体の製造方
   法。
2. 【請求項２】前記第一の工程および前記第二の工程にお
   いて、前記接合助剤および前記基材を加圧することを特
   徴とする、請求項１記載の窒化アルミニウム質基材の接
   合体の製造方法。
3. 【請求項３】前記接合助剤の組成がＸ−Ｙ−Ｚ系組成で
   あることを特徴とする、請求項１または２記載の窒化ア
   ルミニウム質基材の接合体の製造方法。（Ｘは、アルカ
   リ金属元素およびアルカリ土類金属元素からなる群より
   選ばれた一種以上の金属元素の化合物であり、Ｙは、希
   土類元素の化合物であり、Ｚは、アルミニウムの化合物
   であり、前記接合助剤を構成する全金属元素のうち、Ｘ
   を構成する前記金属元素の割合が２５〜５０ｍｏｌ％で
   あり、Ｙを構成する希土類元素の割合が５〜３０ｍｏｌ
   ％であり、残部がアルミニウムである。）
4. 【請求項４】前記第一の工程において前記接合助剤を溶
   融させたときに、溶融した前記接合助剤中に、Ｘを構成
   する前記金属元素の酸化物とフッ化物との少なくとも一
   方と、前記希土類元素の酸化物とフッ化物との少なくと
   も一方と、アルミニウムの酸化物とフッ化物との少なく
   とも一方とが含有されていることを特徴とする、請求項
   ３記載の窒化アルミニウム質基材の接合体の製造方法。
5. 【請求項５】前記接合助剤の組成がＣａＯ：２５〜４０
   重量％、Ｙ₂ Ｏ₃ ：１５〜３０重量％および残部Ａｌ₂
   Ｏ₃ であり、前記第一の工程の温度範囲が１４００℃〜
   １６５０℃であり、前記第二の工程の温度範囲が１６５
   ０℃〜１８００℃であることを特徴とする、請求項１ま
   たは２記載の窒化アルミニウム質基材の接合体の製造方
   法。
6. 【請求項６】請求項１記載の窒化アルミニウム質基材の
   接合体の製造方法において使用する接合助剤であって、
   接合助剤の組成がＸ−Ｙ−Ｚ系組成であることを特徴と
   する、接合助剤。（Ｘは、アルカリ金属元素およびアル
   カリ土類金属元素からなる群より選ばれた一種以上の金
   属元素の化合物であり、Ｙは、希土類元素の化合物であ
   り、Ｚは、アルミニウムの化合物であり、前記接合助剤
   を構成する全金属元素のうち、Ｘを構成する前記金属元
   素の割合が２５〜５０ｍｏｌ％であり、Ｙを構成する希
   土類元素の割合が５〜３０ｍｏｌ％であり、残部がアル
   ミニウムである。）
7. 【請求項７】前記のＸとＹとの少なくとも一方が、１６
   ５０℃〜１８００℃における蒸気圧が０．００１〜１０
   ００Ｐａである酸化物またはフッ化物を含んでいること
   を特徴とする、請求項６記載の接合助剤。
8. 【請求項８】請求項１または２記載の窒化アルミニウム
   質基材の接合体の製造方法において使用する接合助剤で
   あって、ＣａＯ：２５〜４０重量％、Ｙ₂ Ｏ₃ ：１５〜
   ３０重量％および残部Ａｌ₂ Ｏ₃ の組成を有することを
   特徴とする、接合助剤。