JP7792254B2 - 接合体、その製造方法、および電極埋設部材 - Google Patents

Description

本発明は、接合体、その製造方法、および電極埋設部材に関する。

半導体製造装置に用いられるＡｌＮ製部材は、様々な機能を付加することを目的として、金属部材と接合させることがあった。

特許文献１には、窒化アルミニウム部材と金属部材がＡｌロウ材で接合された接合体および半導体保持装置が開示されている。好適な態様として、窒化アルミニウム部材が、半導体ウエハーを設置するための設置面を備えた半導体保持部材であり、金属部材が、半導体保持部材と外部との間で熱量の伝達を行うための熱伝達部材である例が開示されている。また、熱伝達部材の例として、タングステン、モリブデン、銅、またはこれらの合金によって形成する、と開示されている。これらの金属部材はヒートシンクとして機能し一定の厚さを有している。

また、特許文献２には、比較的大きな厚みを有し且つ導電性の高い焼結金属層を内蔵し、しかも、反りの発生が極めて小さく抑えられ、さらには焼結金属層と基板との接合強度も高く、電極埋設部材の用途に好適な窒化アルミニウム接合体及びその製造方法を提供することを目的として、接合面の少なくとも一部に、厚み１５～１００μｍのタングステン又はモリブデンよりなる焼結金属層が形成された窒化アルミニウム焼結体の接合体であって、前記焼結金属層のシート抵抗値が１Ω／□以下であり、且つ前記焼結金属層の反りが１００μｍ／１００ｍｍ以下である窒化アルミニウム接合体が開示されている。

特開平９－２４９４６５号公報 特開２００５－１５９３３４号公報 特開平５－２４６７６９号公報 特開昭６２－７８１６７号公報

日本金属学会誌 第４５巻第２号（１９８１） Ｐ．１８４－Ｐ．１８９

半導体製造プロセスで使用されるＡｌＮセラミックは、ヒートシンク等に利用される高融点金属と一体化される場合があった。そのためには高融点金属は一定以上の厚みが必要であるが、特許文献２のような焼結金属層ではそのような構造とすることはできなかった。

また、非特許文献１によると、ＡｌＮと高融点金属は接合材なしでは反応しないため接合体を作製することは困難であるとされてきた。そのため、従来はＡｌＮセラミックと高融点金属の接合体は、接合界面にロウ材等を介在させて接合する（特許文献１、３、４）方法で製作されていた。

しかし、これらの接合体を半導体製造プロセスで使用する場合、特許文献１、３、４の方法では、接合層であるロウ材の浸食、接合層からのコンタミネーションが懸念された。そのため、ＡｌＮセラミックと厚みの厚い高融点金属の接合体であって、接合材からのコンタミネーションや浸食の虞を抑制したＡｌＮ－高融点金属接合体が望まれていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、接合面の浸食やコンタミネーションを抑制でき、接合強度が強く、金属部材の厚みが厚い接合体、その製造方法、および電極埋設部材を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の接合体は、ＡｌＮを主成分とするセラミックス部材および２０００℃以上の融点を有する高融点金属からなる金属部材の接合体であって、前記セラミックス部材は、少なくとも前記金属部材の一方の主面に接合され、前記金属部材は、前記金属部材の一方の主面に垂直な方向の最大厚みが１ｍｍ以上であり、前記金属部材の一方の主面に垂直な断面の５００倍のマイクロスコープ画像において、前記セラミックス部材と前記金属部材との接合界面の断面曲線の前記セラミックス部材側に前記断面曲線と交差せず２箇所以上で接触する長さ２００μｍの基準線分をとり、前記断面曲線の前記金属部材側に前記断面曲線と交差せず接触し、前記基準線分に対し長方形の対辺となる長さ２００μｍの第２の線分をとったときに、前記基準線分および前記第２の線分の距離は６．０μｍ以上であり、前記基準線分および前記第２の線分の内側の前記セラミックス部材の酸素濃度が、前記基準線分より外側の前記セラミックス部材の酸素濃度より高いことを特徴としている。

このように、金属部材の一方の主面に垂直な断面の５００倍のマイクロスコープ画像において、セラミックス部材と金属部材との接合界面の断面曲線のセラミックス部材側に断面曲線と交差せず２箇所以上で接触する長さ２００μｍの基準線分をとり、断面曲線の金属部材側に断面曲線と交差せず接触し、基準線分に対し長方形の対辺となる長さ２００μｍの第２の線分をとったときに、基準線分および第２の線分の距離は６．０μｍ以上、すなわち、セラミックス部材と金属部材との接合界面の断面曲線が、２００μｍの長さごとに６．０μｍ以上の凹凸を有し、セラミックス部材の凸部の酸素濃度をそれ以外のセラミックス部材の酸素濃度と比較して高くすることにより、ＡｌＮセラミックスと金属部材との接合強度を強くでき、接合面の浸食やコンタミネーションを抑制した接合体が得られる。また、金属部材の厚みが厚いことで、金属部材をヒートシンクとして利用したり、接合体の強度や寸法精度を高めたりするなど、様々な用途に適用できる。

（２）また、本発明の接合体において、前記セラミックス部材は、金属酸化物からなる第２相を含むことを特徴としている。

このように、セラミックス部材が金属酸化物からなる第２相を含むことで、接合強度を保ちつつＡｌＮセラミックスの性質を変更することができ、接合体の用途が広くなる。

（３）また、本発明の接合体において、前記金属部材は、第２の金属酸化物を１ｗｔ％以下含むことを特徴としている。

このように、金属部材が第２の金属酸化物を１ｗｔ％以下含むことで、ＡｌＮセラミックスと金属部材との接合強度が強くなり、接合体の信頼性が高くなる。

（４）また、本発明の接合体において、前記セラミックス部材は、周期律表第４族の金属を含むことを特徴としている。

このように、セラミックス部材が周期律表第４族の金属を含むことで、接合強度を保ちつつＡｌＮセラミックスの性質を変更することができ、接合体の用途が広くなる。

（５）また、本発明の接合体において、前記金属部材は、厚み方向に貫通する貫通孔、または前記一方の主面もしくは前記一方の主面に対向する側の他方の主面に溝を有することを特徴としている。

このように、金属部材に厚み方向に貫通する貫通孔、または一方の主面もしくは他方の主面に溝を有することで、接合体の用途がさらに拡大する。

（６）また、本発明の接合体において、前記金属部材の一方の主面に対向する側の他方の主面に、さらにセラミックス部材が接合されていることを特徴としている。

このように、金属部材の両方の主面にＡｌＮセラミックスが接合されることにより、接合体の用途がさらに拡大する。

（７）また、本発明の電極埋設部材は、上記（１）から（５）のいずれかに記載の接合体と、前記接合体のセラミックス部材に埋設された電極と、を備えることを特徴としている。

ＡｌＮは熱伝導率が高く絶縁性が高いため、ＡｌＮセラミックスおよび金属部材の接合体のＡｌＮセラミックスに電極を埋設した電極埋設部材は、ヒーターモジュールとして利用することができる。

（８）また、本発明の接合体の製造方法は、ＡｌＮを主成分とするセラミックス部材および２０００℃以上の融点を有する高融点金属からなる金属部材の接合体の製造方法であって、ＡｌＮ原料粉またはＡｌＮ原料粉に金属酸化物原料粉を添加した粉末を造粒した造粒粉を準備する工程と、板状の前記高融点金属からなり、一方の主面に垂直な方向の最大厚みが１ｍｍ以上であり、前記一方の主面における長さ２００μｍの基準線分ごとの凹凸が６．０μｍ以上となるように粗面化された、焼成後前記金属部材となる金属部材前駆体を準備する工程と、前記造粒粉または前記造粒粉から形成した成形体、および前記金属部材前駆体を、前記金属部材前駆体の前記一方の主面が積層方向に垂直になるようにカーボン型に積層する工程と、前記カーボン型にカーボンパンチを挿入し、積層体を形成する工程と、前記積層体を一軸加圧焼成する工程と、を含み、前記一軸加圧焼成する工程は、１８００℃で２時間以上、又は９００℃～１５００℃で５時間以上一軸加圧焼成を行うことによって、前記造粒粉または前記成形体が前記金属部材前駆体の前記一方の主面の凹部に侵入し、前記凹部に侵入して焼成された前記セラミックス部材の酸素濃度が、前記凹部以外で焼成されたセラミックス部材の酸素濃度より高くなるように制御されることを特徴としている。

これにより、接合面の浸食やコンタミネーションを抑制した接合強度の大きいＡｌＮセラミックスおよび高融点金属からなる金属部材の接合体が得られる。金属部材の厚みが厚いことで、金属部材をヒートシンクとして利用したり、ＡｌＮセラミックスの強度や寸法精度を高めたりするなど、様々な用途に適用できる。

（９）また、本発明の接合体の製造方法において、前記金属部材前駆体は、厚み方向に貫通する貫通孔、または前記一方の主面もしくは前記一方の主面と対向する側の他方の主面に溝を有することを特徴としている。

このように、厚み方向に貫通する貫通孔、または一方の主面もしくは他方の主面に溝を有する金属部材前駆体を使用することで、難加工性の高融点金属を予め加工しておくことができ、焼成後に加工するよりも容易に種々の構造のための形状を作製でき、接合体の用途がさらに拡大する。

本発明によれば、ＡｌＮを主成分とするセラミックス部材および高融点金属からなる金属部材の接合面の浸食やコンタミネーションを抑制した接合体が得られる。また、金属部材の厚みが厚いことで、金属部材をヒートシンクとして利用したり、セラミックス部材の強度や寸法精度を高めたりするなど、様々な用途に適用できる。

本発明の実施形態に係る接合体の一例を示す模式的な断面図である。 本発明の実施形態に係る接合体の一例における断面曲線周辺を一部拡大した模式的な断面図である。 本発明の実施形態に係る接合体の変形例を示す模式的な断面図である。 本発明の実施形態に係る電極埋設部材の一例を示す模式的な断面図である。 （ａ）～（ｅ）、それぞれ本発明の実施形態に係る製造方法の製造工程の一段階を模式的に示す断面図である。 （ａ）～（ｅ）、それぞれ本発明の実施形態に係る製造方法の製造工程の一段階を模式的に示す断面図である。 （ａ）、実施例１の断面のＳＥＭ画像である。（ｂ）～（ｇ）、それぞれ実施例１の断面のＥＰＭＡ分析のマッピングを示す写真である。 （ａ）～（ｂ）、それぞれ実施例１、比較例１の断面を２０００倍で撮影したＳＥＭ画像である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。なお、構成図において、各構成要素の大きさは概念的に表したものであり、必ずしも実際の寸法比率を表すものではない。

［実施形態］
［接合体の構成］
まず、本発明の実施形態に係る接合体を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る接合体の一例を示す模式的な断面図である。本発明の実施形態に係る接合体１０は、ＡｌＮを主成分とするセラミックス部材２０および高融点金属からなる金属部材３０が接合されて形成されている。ＡｌＮを主成分とするセラミックス部材とは、ＡｌＮを９０ｗｔ％以上含むことをいう。また、高融点金属からなる金属部材とは、融点が２０００℃以上のモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）等が適用でき、純度９９ｗｔ％以上のものを指す。これにより、一軸加圧焼成時の温度であっても金属部材３０の変形が抑制される。また、同時にＡｌＮと金属部材３０との界面で９００℃以上の比較的高温の融点を持つ高融点金属酸化物が形成されるため、ＡｌＮと金属部材３０の接合界面の変形を抑制することができる。

接合体１０は、セラミックス部材２０が少なくとも金属部材３０の一方の主面に接合されている。また、金属部材３０は、セラミックス部材２０の最大径の５０％以上の最大径を有することが好ましい。また、セラミックス部材２０は、金属部材３０の一方の主面の全面に接合されることが好ましい。これらの特徴を有することで、金属部材３０を様々な用途に応じた形態で適用できる。また、セラミックス部材２０は、金属部材３０の一方の主面に他の部材を介さず直接接合されることが好ましい。他の部材を介すと、接合強度が小さくなる虞があるためである。

セラミックス部材２０は、金属酸化物からなる第２相を含むことが好ましい。これにより、接合強度を保ちつつセラミックス部材２０の性質を変更することができ、接合体１０の用途が広くなる。セラミックス部材２０が金属酸化物からなる第２相を含む場合、第２相の金属酸化物を構成する金属は、Ｙ、Ｃａから選択された１種類以上であることが好ましく、Ｙであることがより好ましい。第２相を構成する金属酸化物は、ＡｌＮを主成分とするセラミックス部材の焼結助剤であってもよい。その場合、第２相を構成する金属酸化物は、セラミックス部材の焼結助剤として必要な量添加されていてもよい。例えば、Ｙを焼結助剤として添加される場合、Ｙ_２Ｏ_３換算で０．１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下添加されてもよい。また、セラミックス部材２０は、ＡｌＮのみから構成されてもよい。

セラミックス部材２０は、さらに周期律表第４族の金属を含むことが好ましい。このように、セラミックス部材２０が周期律表第４族の金属を含むことで、セラミックス部材２０と金属部材３０との接合強度を保ちつつセラミックス部材２０の性質を変更することができ、接合体１０の用途が広くなる。周期律表第４族の金属は、Ｔｉ、Ｈｆから選択された１種類以上であることが好ましく、Ｔｉであることがより好ましい。

金属部材３０は、金属部材３０の一方の主面３２に垂直な方向の最大厚みが１ｍｍ以上である。このように、金属部材３０の厚みが厚いことで、金属部材３０をヒートシンクやヒートスプレッダーとして利用したり、セラミックス部材２０の強度や寸法精度を高めたりするなど、様々な用途に適用できる。金属部材３０の一方の主面３２とは、セラミックス部材２０との接合面である。金属部材３０の厚みが厚いとは、金属部材３０の一方の主面３２に垂直な方向の最大厚みが１ｍｍ以上であることとする。金属部材３０の最大厚みが１ｍｍより小さくなると寸法精度を高める効果が十分に発揮されなくなるため１ｍｍ以上であることが好ましい。

金属部材３０の一方の主面３２に垂直な方向の最大厚みは、適用する用途に応じた厚みにすることが好ましい。本発明のような金属部材３０の厚みの厚い接合体がなかったことを考慮すると、用途によっては、例えば、２ｍｍ以上であることが好ましく、３ｍｍ以上であることがより好ましく、４ｍｍ以上であることがさらに好ましい。

図２（ａ）、（ｂ）は、図１に示す接合体における断面曲線周辺を一部拡大した模式的な一部拡大断面図である。接合体１０は、基準線分Ｌ１および第２の線分Ｌ２の距離が６．０μｍ以上である。基準線分Ｌ１は、金属部材３０の一方の主面３２に垂直な断面の５００倍のマイクロスコープ画像において、セラミックス部材２０と金属部材３０との接合界面の断面曲線のセラミックス部材側に設けられ、断面曲線と交差せず２箇所以上で接触する長さ２００μｍの線分であり、第２の線分Ｌ２は断面曲線の金属部材側に設けられ、断面曲線と交差せず接触し、基準線分Ｌ１に対し長方形の対辺となる長さ２００μｍの線分である。

また、基準線分Ｌ１および第２の線分Ｌ２の内側のセラミックス部材２０の酸素濃度が、基準線分Ｌ１より外側のセラミックス部材の酸素濃度より高い。すなわち、セラミックス部材の凸部２８の酸素濃度が、凸部２８以外のセラミックス部材の酸素濃度より高くなる。セラミックス部材の凸部２８は、接合界面近傍に位置するセラミックス部材２０のうち、金属部材側に突出した部分のことを指す。

このように、金属部材３０の一方の主面３２に垂直な断面の５００倍のマイクロスコープ画像において、セラミックス部材２０と金属部材３０との接合界面の断面曲線のセラミックス部材側に断面曲線と交差せず２箇所以上で接触する長さ２００μｍの基準線分Ｌ１をとり、断面曲線の金属部材側に断面曲線と交差せず接触し、基準線分Ｌ１に対し長方形の対辺となる長さ２００μｍの第２の線分Ｌ２をとったときに、基準線分Ｌ１および第２の線分Ｌ２の距離は６．０μｍ以上、すなわち、セラミックス部材２０と金属部材３０との接合界面の断面曲線が、２００μｍの長さごとに６．０μｍ以上の凹凸を有し、セラミックス部材の凸部２８の酸素濃度をそれ以外のセラミックス部材の酸素濃度と比較して高くすることにより、ＡｌＮセラミックスと金属部材との接合強度を強くでき、接合面の浸食やコンタミネーションを抑制した接合体が得られる。

なお、図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、同一の断面であっても、基準線分Ｌ１をとる位置により基準線分Ｌ１および第２の線分Ｌ２の距離は異なる。基準線分Ｌ１および第２の線分Ｌ２の距離は、マイクロスコープ画像だけでなく、ＳＥＭ画像等を用いて測定してもよく、倍率も５００倍に限らず、２００倍～２０００倍の何れかであってもよい。

セラミックス部材の凸部２８の酸素濃度が、それ以外のセラミックス部材の酸素濃度よりも高くなる理由は、高融点金属表面に形成されていた自然酸化膜が高融点金属と反応し、焼成時に９００℃以上の融点を示す高融点金属酸化物が生成し、これらが一部融液となってセラミックス部材側に拡散するためと推定される。これにより、セラミックス部材２０と金属部材３０とが酸素を介して化学結合で結合されるとともに、流動性を増したセラミックス部材が接合界面の凹凸に侵入し強いアンカー効果を発揮することで、さらに高い接合強度が得られるものと推定される。

なお、セラミックス部材２０および金属部材３０の接合界面とは、ＥＤＸまたはＥＰＭＡによる断面の元素マッピングにおいて金属部材３０を主に構成する金属元素が急激にその濃度を低下させる界面を指す。また、セラミックス部材２０の内部とは、２００倍のマイクロスコープ画像において接合界面の断面曲線を直線で近似したとき（以降、近似直線という）、近似直線に垂直にセラミックス部材２０の方向に少なくとも１ｍｍ離間した領域とする。セラミックス部材２０が金属酸化物からなる第２相を含んでいる場合、セラミックス部材２０の第２相を構成する金属の濃度が一様である領域といってもよい。基準線分Ｌ１よりセラミックス部材２０側にあるセラミックス部材２０を基準線分Ｌ１より外側のセラミックス部材２０とすると、基準線分Ｌ１より外側のセラミックス部材２０は、基準線分Ｌ１をとる位置によって異なる。そのため、基準線分Ｌ１より外側のセラミックス部材２０の酸素濃度は、セラミックス部材２０の内部の酸素濃度としてもよい。また、接合界面近傍とは、近似直線に垂直な１００μｍ以内の範囲とする。接合界面の断面曲線は、近似直線の方向に２００μｍの長さごとに２以上の金属部材３０の凸部を有することが好ましい。

セラミックス部材２０、金属部材３０、またはその接合界面に存在する金属、酸素および炭素の濃度変化は、ＥＰＭＡによる当該領域の特性Ｘ線の強度（カウント数）の比較によって行うことができる。これにより界面近傍および内部の金属、酸素および炭素濃度の差を相対的に評価することができる。

金属部材３０は、第２の金属酸化物を１ｗｔ％以下含むことが好ましい。金属部材３０が第２の金属酸化物を１ｗｔ％以下含むことで、セラミックス部材２０と金属部材３０との接合強度が強くなり、接合体１０の信頼性が高くなる。第２の金属酸化物を構成する金属は、Ｙ、Ｃｅ、Ｃａから選択された１種類以上であることが好ましく、Ｙ、またはＣｅであることがより好ましい。セラミックス部材２０が金属酸化物からなる第２相を含んでいる場合、第２の金属酸化物を構成する金属は、セラミックス部材２０の第２相の金属酸化物を構成する金属と同じであってもよい。金属部材３０に予め含まれるこれらの金属酸化物成分が接合界面の金属や酸素濃度を高め、接合強度を高くすることができる。

金属部材３０は、厚み方向に貫通する貫通孔、または一方の主面３２もしくは他方の主面３４に溝を有することが好ましい。このように、金属部材３０に厚み方向に貫通する貫通孔、または一方の主面３２もしくは他方の主面３４に溝を有することで、接合体１０の用途がさらに拡大する。

金属部材３０は、セラミックス部材２０および金属部材３０の接合界面近傍に高融点金属のカーバイド化層を有してもよい。接合界面近傍に高融点金属のカーバイド化層を有するとは、ＥＤＸまたはＥＰＭＡによる断面の元素マッピングにおいて、接合界面を直線で近似したとき、その直線に垂直な１００μｍ以内の範囲にＣ成分が検出されることをいう。高融点金属のカーバイド化層は脆化層であるため、カーバイド化層が存在することで接合強度が弱くなると考えられるが、本発明の接合体１０は、カーバイド化層が生成された場合であっても高い接合強度が得られる。

図３は、本発明の実施形態に係る接合体の変形例を示す模式的な断面図である。図３に示されるように、金属部材３０の一方の主面３２に対向する側の他方の主面３４に、さらにセラミックス部材２０が接合されていることが好ましい。このように、金属部材３０の両方の主面３２、３４にセラミックス部材２０が接合されることで、接合体１０の内部応力がバランスすることにより接合体１０の信頼性が向上するとともに、接合体１０の用途がさらに拡大する。また、セラミックス部材２０で板状の高融点金属（金属部材３０）を挟み込むことにより、接合体１０の反りを抑制することができ、寸法精度の高い接合体１０を作製することができる。

［電極埋設部材の構成］
次に、本発明の実施形態に係る電極埋設部材を説明する。図４は、本発明の実施形態に係る電極埋設部材の一例を示す模式的な断面図である。本発明の実施形態に係る電極埋設部材５０は、接合体１０と、接合体１０のセラミックス部材２０に埋設された電極４０と、を備える。

接合体１０は、上述した接合体１０である。電極４０は、接合体１０のセラミックス部材２０に埋設される。電極４０の形状は、メッシュ状や箔状など、様々な形状とすることができる。また、材質も、モリブデン、タングステンなど、様々な材質とすることができる。電極４０は、ヒーター用電極として使用できる。

電極埋設部材５０は、図示しない端子穴、端子が設けられていてもよい。

本発明の接合体および電極埋設部材は、ＡｌＮを主成分とするセラミックス部材および高融点金属からなる金属部材の接合面の浸食やコンタミネーションを抑制した部材である。また、本発明の接合体および電極埋設部材は、金属部材の厚みが厚いことで、金属部材をヒートシンクやヒートスプレッダーとして利用したり、セラミックス部材の強度や寸法精度を高めたりするなど、様々な用途に適用できる。

［接合体の製造方法］
次に、上記のように構成された接合体１０の製造方法を説明する。図５（ａ）～（ｅ）は、それぞれ本発明の実施形態に係る製造方法の製造工程の一段階を模式的に示す断面図である。

まず、ＡｌＮ原料粉またはＡｌＮ原料粉に金属酸化物原料粉を添加した粉末を造粒した造粒粉２２を準備する。ＡｌＮ原料粉末は、高純度であることが好ましく、その純度は、好ましくは９６％以上、より好ましくは９８％以上である。また、ＡｌＮ粉末の平均粒径は、好ましくは０．１μｍ以上１．０μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以上０．８μｍ以下である。金属酸化物原料粉として、例えばＹ_２Ｏ_３を用いる場合は、ＡｌＮ原料粉に内比で０．１ｗｔ％～５ｗｔ％のＹ_２Ｏ_３を添加し、ＰＶＡ系等のバインダ、分散剤、溶剤を添加してスラリーを調製し、スプレードライヤー等により造粒粉２２を造粒する。

次に、焼成後金属部材３０となる金属部材前駆体３６を準備する。金属部材前駆体３６は、板状の高融点金属からなり、一方の主面に垂直な方向の最大厚みが１ｍｍ以上であり、一方の主面における長さ２００μｍの基準線分Ｌ１ごとの凹凸が６．０μｍ以上となるように粗面化される。

金属部材前駆体３６は、中心線平均粗さＲａが１．０μｍ以上となるように加工されることにより、金属部材前駆体３６の一方の主面が粗面化されることが好ましい。金属部材前駆体３６の粗面化は、ブラスト加工であることが好ましい。これにより、一方の主面における長さ２００μｍの基準線分Ｌ１ごとの凹凸が６．０μｍ以上となるように、容易に粗面化することが可能である。

Ｒａが１．０μｍより小さいと酸素濃度の高いセラミックス領域が接合界面の凹凸に侵入することが相対的に困難になる。接合強度は化学結合を主となるため、相対的に接合強度が低くなってしまう虞がある。また、金属部材前駆体３６は、中心線平均粗さＲａが５．０μｍ以下となるように加工されることが好ましい。Ｒａが５．０μｍより大きくても接合強度は得られるが、金属部材の加工精度が悪化し、接合体の寸法精度に悪影響を与える虞がある。

また、金属部材前駆体３６は、ローレット加工により、金属部材前駆体３６の一方の主面を粗面化されてもよい。ローレット加工は、アヤ目ローレット等、従前の文様でよい。また、ローレット加工は、ワークの表面を削り取る切削加工でもワークを転がしながら圧力を加えて変形させる転造加工でもよい。

次に、造粒粉２２または造粒粉から形成した成形体、および金属部材前駆体３６を、板状の金属部材前駆体３６の一方の主面が積層方向に垂直になるように有底のカーボン型６０（成形型）に積層する。

成形体を積層する他の例として、得られた造粒粉２２を用いて１または複数の成形体を作製する。成形体の成形方法としては、例えば、一軸加圧成形や冷間静水等方圧加圧（ＣＩＰ：Cold Isostatic Pressing）法などの公知の方法を用いればよい。なお、成形体を形成する方法は、加圧成形に限らず、例えば、グリーンシート積層、または鋳込み成形であっても適用が可能である。

電極埋設部材５０を作製する場合は、造粒粉２２を積層する際に、造粒粉２２を仮プレスし電極４０を配置しさらに造粒粉２２を投入し仮プレスする、または、成形体を積層し電極４０を配置しさらに成形体を積層することで、焼結後セラミックス部材２０となる部分に電極４０が埋設される。

次に、カーボン型６０にカーボンパンチ７０を挿入し、積層体１２を形成する。積層体１２は、焼結後セラミックス部材２０となる造粒粉２２または成形体の層と、焼結後金属部材３０となる板状の金属部材前駆体３６の２層であってもよいし、板状の金属部材前駆体３６が造粒粉２２または成形体の層で挟まれた３層であってもよい。また、積層方向の側面は、板状の金属部材前駆体３６が露出する部分があってもよいし、板状の金属部材前駆体３６が造粒粉２２または成形体で覆われていてもよい。図５は、板状の金属部材前駆体３６が造粒粉２２で覆われて、３層で作製される場合を示している。

次に、積層体１２を一軸加圧焼成することで接合体１０を作製する。焼成条件は、例えば、１７００℃以上２０００℃以下の温度、１ＭＰａ以上の圧力で、０．１時間以上１０時間以下保持することで焼成することができる。

このとき、一軸加圧焼成する工程は、造粒粉または成形体が金属部材前駆体３６の一方の主面の凹部３８に侵入し、凹部３８に侵入して焼成されたセラミックス部材の酸素濃度が、凹部３８以外で焼成されたセラミックス部材の酸素濃度より高くなるように制御される。すなわち、焼成後の接合体１０において、セラミックス部材の凸部２８の酸素濃度が、凸部２８以外のセラミックス部材の酸素濃度より高くなるように制御される。このような制御は、一軸加圧する圧力、焼成温度、焼成時間、昇温または降温する時間等の焼成条件を材料に応じて制御することで行われる。例えば、Ｙ_２Ｏ_３を５ｗｔ％含むＡｌＮとＭｏの場合、９００℃～１５００℃での焼成時の保持時間を通常より長くすることが好ましく、例えば５時間以上とすることが好ましい。

焼成後、所定の形状に加工する工程を設けてもよい。このとき、板状の金属部材前駆体３６の積層方向の側面がセラミックス部材で覆われている場合、板状の金属部材前駆体３６を露出する加工を行ってもよい。また、板状の金属部材前駆体３６がセラミックス部材２０の層で挟まれた３層である場合、セラミックス部材２０のうちの一部、または一方のセラミックス部材２０を全部取り去る加工をしてもよい。また、板状の金属部材前駆体３６の形状を加工する工程を設けてもよい。このときは、板状の金属部材前駆体３６の一方の主面３２に垂直な方向の最大厚みが１ｍｍを下回らないように加工をする。

また、電極埋設部材５０とした場合は、電極４０の一部を露出させる工程や、電極４０に端子を接続する工程を設けてもよい。

なお、成形体を作製し積層する方法では、成形体を脱脂して脱脂体を作製する工程や脱脂体を仮焼して仮焼体を作製する工程を設けてもよい。その場合、例えば、脱脂温度は４００℃以上８００℃以下であることが好ましく、脱脂時間は１時間以上１２０時間以下であることが好ましい。脱脂雰囲気は、大気雰囲気または窒素雰囲気であることが好ましく、大気雰囲気であることがより好ましい。また、例えば、仮焼温度は１２００℃以上１７００℃以下であることが好ましく、仮焼時間は、０．５時間以上１２時間以下であることが好ましい。仮焼雰囲気は、窒素や不活性ガス雰囲気であることが好ましいが、真空などの雰囲気であってもよい。

また、板状の金属部材前駆体３６は、厚み方向に貫通する貫通孔、または一方の主面３２もしくは他方の主面３４に溝を有することが好ましい。このように、厚み方向に貫通する貫通孔、または一方の主面３２もしくは他方の主面３４に溝を有する板状の金属部材前駆体３６を使用することで、難加工性の金属部材前駆体を予め加工しておくことができ、焼成後に加工するよりも容易に種々の構造のための形状を作製でき、接合体１０の用途がさらに拡大する。

図６（ａ）～（ｅ）は、それぞれ本発明の実施形態に係る製造方法の製造工程の一段階を模式的に示す断面図である。図６は、厚み方向に貫通する貫通孔、および一方の主面３２に溝を有する板状の金属部材前駆体３６を使用した製造方法の一例を示している。上記の製造方法との違いのみ説明する。

厚み１ｍｍ以上の板状の金属部材前駆体３６を準備する工程において、板状の金属部材前駆体３６に、接合体１０の設計に応じて、厚み方向に貫通する貫通孔、または一方の主面３２もしくは他方の主面３４に溝を加工する。そして、一方の主面における長さ２００μｍの基準線分ごとの凹凸が６．０μｍ以上となるように、金属部材前駆体３６の一方の主面を粗面化する。また、積層体１２を形成する工程において、加工によって形成された板状の金属部材前駆体３６の貫通孔または溝には、造粒粉２２または造粒粉から形成した成形体を充填することが好ましい。このように貫通孔または溝に造粒粉等を充填して焼成することで、焼成後のセラミックス部材に不具合が生じる虞が低減される。造粒粉２２または造粒粉から形成した成形体のほか、これらの仮焼体や焼成体を充填してもよい。

焼成後、所定の形状に加工する。このとき、板状の金属部材前駆体３６の貫通孔または溝のセラミックスが充填された領域を加工することで、焼成後の後加工の負担を小さくすることができる。貫通孔は、例えば、電極取り出しのための給電端子を後付けするための孔、ガスを供給または吸引するための孔、基板を載置するためのリフトピン用の孔として使用される。その際には、貫通孔に充填して形成されたセラミックスの一部を残して加工することにより電気絶縁の機能を付加することができる。溝は、例えば、冷媒流路の一部として使用される。

このような方法により、ＡｌＮを主成分とするセラミックス部材および高融点金属からなる金属部材の接合面の浸食やコンタミネーションを抑制した接合体または電極埋設部材を製造することができる。

［実施例］
（接合体の作製）
（実施例１）
ＡｌＮ原料粉に内比で５ｗｔ％のＹ_２Ｏ_３を添加し、バインダ（ＰＶＡ）、分散剤、溶剤を添加してスラリーを調製し、スプレードライヤーにより造粒粉を造粒した。また、金属部材となる板状の金属部材前駆体として、径Φ５０ｍｍ、厚み５ｍｍ、ブラスト加工により主面の中心線平均粗さＲａを２．０μｍに粗面化したの板状のＭｏを準備した。ブラスト加工は、粒度＃１００であるＳｉＣ粉を使用し、エア圧力０．１５ＭＰａという条件で行った。

次に、造粒粉を有底のカーボン型に充填し、カーボンパンチでプレス成形し、径Φ８０ｍｍ、厚み１０ｍｍの成形体を作製した。次に、Ｍｏを成形体上に載置した。次に、カーボン型に造粒粉をさらに充填してＭｏを埋設した。このとき、Ｍｏの上面より厚みが１０ｍｍになるように、造粒粉の充填およびカーボンパンチでの成形をした。

そして、カーボンパンチをカーボン型に挿入した状態で、温度１８００℃、圧力４ＭＰａ、Ｎ_２雰囲気で２時間一軸ホットプレス焼成を行った。これにより直径８０ｍｍのＡｌＮ焼結体の内部に直径５０ｍｍの高融点金属のＭｏからなる金属部材を埋設することができた。このようにして、実施例１の接合体を作製した。その後、積層方向が長辺となるように３ｍｍ×４ｍｍ×１９ｍｍの実施例１の試験片を複数切り出した。

（実施例２）
実施例１の造粒粉を、ＡｌＮ原料粉に内比で５ｗｔ％のＹ_２Ｏ_３および０．９ｗｔ％のＴｉＮを添加したものに変更した以外、同じ工程、条件で実施例２の接合体を作製した。

（実施例３）
実施例１の高融点金属を、ＭｏにＹ_２Ｏ_３が０．４ｗｔ％添加された合金に置き換えた以外、同じ工程、条件で実施例３の接合体を作製した。

（実施例４）
実施例１の高融点金属を、Ｗに置き換えた以外、同じ工程、条件で実施例４の接合体を作製した。

（実施例５）
実施例１の造粒粉を、ＡｌＮ原料粉のみに変更した以外、同じ工程、条件で実施例５の接合体を作製した。

（実施例６）
実施例１の焼成時間を、５時間とした以外は実施例１と同じ工程、条件で実施例６の接合体を作製した。

（実施例７）
実施例１の造粒粉を、ＡｌＮ原料粉に内比で７ｗｔ％のＹ_２Ｏ_３を添加したものに変更し、温度１８００℃、圧力４ＭＰａ、Ｎ_２雰囲気で１０時間一軸ホットプレス焼成した以外は実施例１と同じ工程、条件で実施例７の接合体を作製した。

（実施例８）
実施例１の金属部材前駆体の主面をローレット加工した以外は実施例１と同じ工程、条件で実施例８の接合体を作製した。ローレット加工は、ＪＩＳ Ｂ ０９５１に規定される、アヤ目 ｍ０．５とした。

（実施例９）
実施例１の金属部材前駆体の主面をＲａ４．０μｍとなるように粗面化した以外は実施例１と同じ工程、条件で実施例９の接合体を作製した。

（実施例１０）
実施例１の金属部材前駆体の主面をＲａ１．２μｍとなるように粗面化した以外は実施例１と同じ工程、条件で実施例１０の接合体を作製した。

（比較例１）
実施例１の金属部材前駆体の主面を粗面化しなかった点以外は実施例１と同じ工程、条件で比較例１の接合体を作製した。なお、Ｒａは０．８μｍであった。

（比較例２）
実施例２の金属部材前駆体の主面を粗面化しなかった点以外は実施例２と同じ工程、条件で比較例２の接合体を作製した。なお、Ｒａは０．８μｍであった。

（接合強度の測定）
ＪＩＳ Ｒ１６０１ ２００８（ファインセラミックスの室温曲げ強さ試験方法）に準拠した３点曲げ強度試験により、接合体の接合強度の測定を行った。スパンは１０ｍｍとし、長手方向の中央部に接合面を配置してナイフエッジを接合面に合わせて測定を行った。試験片は各試料５個準備し、５個の測定値の平均値を各試料の接合強度の値とした。

（測定結果）
表１の通り、比較例１の接合強度は７７ＭＰａであり、比較例２の接合強度は、１１５ＭＰａであった。これに対して、実施例１は、接合強度が３２５ＭＰａとなり、従来の比較例と比べ４倍程度高い接合強度が得られていることが分かった。実施例２、４、６、７、８、および１０は、それぞれ２９０ＭＰａ、２４０ＭＰａ、２７０ＭＰａ、２１５ＭＰａ、３００ＭＰａ、および１８０ＭＰａとなり、実施例１の試料よりは接合強度が低かったものの、比較例より高い接合強度を得られた。また、実施例３、５、および９は、それぞれ３３０ＭＰａ、３４５ＭＰａ、および３４０ＭＰａとなり、実施例１の試料より高い接合強度が得られた。

（基準線分および第２の線分の距離の測定）
次に、実施例１～１０および比較例１～２の試料について、金属部材の一方の主面に垂直な断面の５００倍のマイクロスコープ画像における、基準線分および第２の線分の距離を測定した。

（測定結果）
表１の通り、比較例１、２における基準線分および第２の線分の距離の最小値は４μｍであった。これに対して、実施例１は、基準線分および第２の線分の距離の最小値が１４μｍとなり、従来の比較例と比べて基準線分および第２の線分の距離が非常に長いことが分かった。実施例２、５～７は、１５μｍとなり、実施例１の試料より基準線分および第２の線分の距離の最小値が長いことが分かった。また、実施例４は、１６μｍとなり、実施例１の試料より基準線分および第２の線分の距離の最小値が長いことが分かった。また、実施例８は、１２０μｍとなり、実施例１の試料より基準線分および第２の線分の距離の最小値が非常に長いことが分かった。また、実施例９は、２９μｍとなり、実施例１の試料より基準線分および第２の線分の距離の最小値が長いことが分かった。実施例１０は、７μｍとなり、実施例１の試料よりは基準線分および第２の線分の距離の最小値が短かったものの、比較例より基準線分および第２の線分の距離の最小値が長かった。

（元素分析）
次に、実施例の試料について、積層方向に垂直な切断面をＥＰＭＡで元素分析をしてマッピングした。図７（ａ）～（ｇ）は、それぞれ実施例２のＥＰＭＡのマッピングを示す写真である。図７（ａ）は、実施例２の断面の分析視野を２０００倍で撮影したＳＥＭ画像である。図７（ｂ）～（ｇ）は、それぞれ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｏ、Ｎ、Ｔｉ、およびＹをマッピングした写真である。

図７（ａ）～（ｄ）に示されるように、Ｏは、セラミックス部材（ＡｌＮ）内にも存在するが、セラミックス部材の凸部にそれより多く存在していることが分かった。すなわち、セラミックス部材および金属部材の接合界面は、セラミックス部材の酸素濃度が、セラミックス部材の内部の酸素濃度よりそれぞれ大きいことが確かめられた。

セラミックス部材の凸部は、相対的にＡｌ、Ｏが多い一方、Ｎが少ないことから、金属部材およびセラミックス部材の接合界面は－Ｍｏ－（Ｏ－Ａｌ）－Ｎ－のような化学結合がなされているものと推定される。

また、セラミックス部材の凸部に形成された成分は融点が相対的に低くなり、金属部材の凹部に容易に侵入し物理的なアンカー効果を発揮しているものと推定される。

図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ実施例１、比較例１の断面を２０００倍で撮影したＳＥＭ画像である。同じ視野の断面について、予めＥＰＭＡで元素分析をしてマッピングした結果とＳＥＭ画像の色調の違い等を合わせた結果、接合体の接合界面の近傍は、図７のＳＥＭ画像で上から順にＡｌＮセラミックスの層、酸素リッチなＡｌＮセラミックスの層、高融点金属であるＭｏの層という順に層状に構成されていることが分かった。また、比較例１の断面でも、各層の厚さは異なるが、同様の構成であることが分かった。

実施例１におけるＡｌＮセラミックスの層と酸素リッチなＡｌＮセラミックスの層は、ＳＥＭ画像上では色調の違いが表れており、酸素リッチなＡｌＮセラミックスの層は、他のＡｌＮセラミックスの層と比べて濃い色味となっている。また、酸素リッチなＡｌＮセラミックスの層は、接合界面およびセラミックス部材の凸部に多く存在していた。これに対して、比較例１においても、酸素リッチなＡｌＮセラミックスの層が接合界面付近に存在していると考えられるが、明確に視認できない。そのため、一方の主面における長さ２００μｍの基準線分ごとの凹凸が６．０μｍ以上となるように粗面化されることによって、接合界面およびセラミックス部材の凸部に酸素リッチなＡｌＮセラミックスの層が形成されることが確認された。

（実施例１１）
実施例１の金属部材となる板状の金属部材前駆体を、径φ６０ｍｍ、厚み１０ｍｍの板状のＭｏにφ６ｍｍの貫通孔を４か所（ＰＣＤ．４０ｍｍ、等配）設けた。さらに幅５ｍｍ、深さ５ｍｍの溝を金属部材の中心を通り直交するように形成し、径φ６０ｍｍの上下の表面をＲａ４．０μｍとなるように粗面化した。そして、径φ８０ｍｍの成形体の上に金属部材を載置し、金属部材の貫通孔及び溝の空間に造粒粉を充填するとともに、Ｍｏの上面より厚みが１０ｍｍになるように造粒粉をさらにしてＭｏを埋設した以外、同じ工程、条件で実施例１１の接合体を作製した。なお、実施例１１における基準線分および第２の線分の距離は２６μｍであった。

実施例１１の接合体を焼成後、セラミックス部材に板状のＭｏの貫通孔を貫通する孔および板状のＭｏの溝まで達する溝を形成した。いずれも、接合体の焼成後に板状のＭｏを加工するよりも容易に形成することができた。接合体にこのような構造を形成する必要がある場合は、焼成前に予め板状の金属部材前駆体を加工しておくことが好ましいことが確かめられた。

（実施例１２）
（電極埋設部材の作製）
実施例１２は、実施例１の製法において金属部材前駆体の上に位置するＡｌＮ焼結体（セラミックス部材）にヒーター電極を埋設し、高温下のプロセスで使用できるヒーターモジュールを作製した。

造粒粉は、実施例１と同様のものを準備した。また、金属部材となる板状の金属部材前駆体として、径φ３００ｍｍ、厚み８ｍｍの板状のＭｏを準備した。そして、金属部材の径φ３００ｍｍの上下の表面をＲａ２．０μｍで粗面化した。

まず、ヒーター積層体を作製した。造粒粉を有底のカーボン型に充填し、カーボンパンチでプレス成形し、径φ３２０ｍｍ厚み８ｍｍの成形体を作製した。次に、ヒーター電極を成形体上に載置した。ヒーター電極はＭｏメッシュ（線径０．１ｍｍ、メッシュサイズ＃５０、平織）をヒーター電極の抵抗値を合わせるため所定のパターンに裁断したものである。次に、カーボン型に造粒粉をさらに充填してヒーター電極を埋設することでヒーター積層体を作製した。このとき、ヒーター電極の上面より厚みが８ｍｍになるように、造粒粉の充填およびカーボンパンチでの成形をした。

次に、板状のＭｏをヒーター積層体上に載置した。そして、Ｍｏを載置したカーボン型に造粒粉をさらに充填してＭｏを埋設した。このとき、板状のＭｏの上面より厚みが８ｍｍになるようにカーボンパンチで成形し、積層体を作製した。このようにして、ヒーター積層体、および板状のＭｏが積層された積層体を作製した。

そして、カーボンパンチをカーボン型に挿入した状態で、温度１８００℃、圧力４ＭＰａ、Ｎ_２雰囲気で４時間一軸ホットプレス焼成を行った。焼成後、外形加工（φ３００ｍｍ×１８ｍｍ）を行った。電極と外部電源とを接続するための端子穴の穿設、端子の接続、および必要な絶縁構造の作製は、焼成後の加工時に同時に行った。このようにして、実施例１２の電極埋設部材を作製した。

（評価）
作製されたヒーターモジュールは、ヒーター電極に外部電源より通電することにより４００℃に加熱することができた。

以上により、本発明の接合体および電極埋設部材は、接合面の浸食やコンタミネーションを抑制でき、接合強度が強く、金属部材の厚みが厚い接合体および電極埋設部材であることが確かめられた。また、本発明の製造方法は、そのような接合体または電極埋設部材を製造できることが確かめられた。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形および均等物に及ぶことはいうまでもない。また、各図面に示された構成要素の構造、形状、数、位置、大きさ等は説明の便宜上のものであり、適宜変更しうる。

１０ 接合体
１２ 積層体
２０ セラミックス部材
２２ 造粒粉
２８ 凸部
３０ 金属部材
３２ 一方の主面
３４ 他方の主面
３６ 金属部材前駆体
３８ 凹部
４０ 電極
５０ 電極埋設部材
６０ カーボン型
７０ カーボンパンチ

Claims (9)

1. ＡｌＮを主成分とするセラミックス部材および２０００℃以上の融点を有する高融点金属からなる金属部材の接合体であって、
   前記セラミックス部材は、少なくとも前記金属部材の一方の主面に接合され、
   前記金属部材は、前記金属部材の一方の主面に垂直な方向の最大厚みが１ｍｍ以上であり、
   前記金属部材の一方の主面に垂直な断面の５００倍のマイクロスコープ画像において、前記セラミックス部材と前記金属部材との接合界面の断面曲線の前記セラミックス部材側に前記断面曲線と交差せず２箇所以上で接触する長さ２００μｍの基準線分をとり、前記断面曲線の前記金属部材側に前記断面曲線と交差せず接触し、前記基準線分に対し長方形の対辺となる長さ２００μｍの第２の線分をとったときに、前記基準線分および前記第２の線分の距離は６．０μｍ以上であり、
   前記基準線分および前記第２の線分の内側の前記セラミックス部材の酸素濃度が、前記基準線分より外側の前記セラミックス部材の酸素濃度より高いことを特徴とする接合体。
2. 前記セラミックス部材は、金属酸化物からなる第２相を含むことを特徴とする請求項１記載の接合体。
3. 前記金属部材は、第２の金属酸化物を１ｗｔ％以下含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合体。
4. 前記セラミックス部材は、周期律表第４族の金属を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の接合体。
5. 前記金属部材は、厚み方向に貫通する貫通孔、または前記一方の主面もしくは前記一方の主面に対向する側の他方の主面に溝を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の接合体。
6. 前記金属部材の一方の主面に対向する側の他方の主面に、さらにセラミックス部材が接合されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の接合体。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の接合体と、
   前記接合体のセラミックス部材に埋設された電極と、を備えることを特徴とする電極埋設部材。
8. ＡｌＮを主成分とするセラミックス部材および２０００℃以上の融点を有する高融点金属からなる金属部材の接合体の製造方法であって、
   ＡｌＮ原料粉またはＡｌＮ原料粉に金属酸化物原料粉を添加した粉末を造粒した造粒粉を準備する工程と、
   板状の前記高融点金属からなり、一方の主面に垂直な方向の最大厚みが１ｍｍ以上であり、前記一方の主面における長さ２００μｍの基準線分ごとの凹凸が６．０μｍ以上となるように粗面化された、焼成後前記金属部材となる金属部材前駆体を準備する工程と、
   前記造粒粉または前記造粒粉から形成した成形体、および前記金属部材前駆体を、前記金属部材前駆体の前記一方の主面が積層方向に垂直になるようにカーボン型に積層する工程と、
   前記カーボン型にカーボンパンチを挿入し、積層体を形成する工程と、
   前記積層体を一軸加圧焼成する工程と、を含み、
   前記一軸加圧焼成する工程は、１８００℃で２時間以上、又は９００℃～１５００℃で５時間以上一軸加圧焼成を行うことによって、前記造粒粉または前記成形体が前記金属部材前駆体の前記一方の主面の凹部に侵入し、前記凹部に侵入して焼成された前記セラミックス部材の酸素濃度が、前記凹部以外で焼成されたセラミックス部材の酸素濃度より高くなるように制御されることを特徴とする接合体の製造方法。
9. 前記金属部材前駆体は、厚み方向に貫通する貫通孔、または前記一方の主面もしくは前記一方の主面と対向する側の他方の主面に溝を有することを特徴とする請求項８記載の製造方法。