JPH04254479A - 金属との接合層を有するセラミックス基体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属との接合層を有する
セラミックス基体とその製造方法に関し、詳しくはアル
ミナを含むセラミックス基体と金属接合層間において接
合のために１０００℃以上の高温処理を必要とせず、通
常のスパッタリング装置などでも簡単な方法で、接合強
度に優れ、かつ耐酸化性耐拡散性に優れた金属接合層を
有するセラミックス基体およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりセラミックスを金属化して金属
との接合性を持たせる方法のなかで、セラミックス基体
と金属化層との間の比較的高い接合強度の得られる方法
としてテレフンケン法がある。この方法は、通常モリブ
デンとマンガンの粉末に有機バインダーを加えて混合し
て得られるペーストをアルミナ等のセラミックス上に塗
布し、加湿水素または加湿フォーミングガス中で高温熱
処理し、図３に示すようにセラミックス３１上に金属層
３２を形成するものであるが、高温熱処理の際１３００
〜１７００℃にする必要がある。

【０００３】また、セラミックスを金属化する方法のな
かに、　８００℃程度の熱処理で、比較的高い接合強度
の得られる方法もある。これは、図４（ａ）に示すよう
にアルミナまたはアルミナを含むセラミックス４１から
なるセラミックス基体と、該セラミックス基体上に形成
された少なくともモリブデンを含む金属層４３とからな
るものであって、前記セラミックス基体および金属層は
、チタン、ジルコニウム、ニオブのうち１種または２種
以上とアルミニウムとの酸化物４２で形成された結合層
を介して接合されている構成である（特開平１−１３６
９６１号公報）。さらに図４（ｂ）に示すように、モリ
ブデン層４３上にニッケル、金、白金、銅、パラジウム
等の金属層４４を形成した場合、モリブデンを含む金属
層４３はチタン、ジルコニウム、ニオブの金属層４４へ
の拡散を抑える役割も果たす。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法においては金属層はチタン、ジルコニウムおよびニ
オブのうち１種または２種以上とモリブデンとの合金か
らなっているため、　８００℃程度の高温にて長時間熱
処理を行うと、上記の金属（チタン、ジルコニウム、ニ
オブ）がモリブデンを含む金属層に拡散し、ろう付け作
業等で図４（ｂ）のニッケル等の金属層４４を形成する
際、モリブデンを含む金属層４３とニッケル等の金属層
４４のぬれ性が悪化し、強度が低下する。またモリブデ
ンを含む金属層４３の表面にてモリブデンの酸化による
強度劣化等の信頼性低下は避けがたい。

【０００５】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、耐酸化性に優れかつろう付け作業等で他の金属
と接合する際に高温での熱処理を施す必要がなく接合力
に優れている金属接合層を有するセラミックス基体およ
びその製造方法を提供することを目的とするものである
。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下に示す発
想に基づいてなされたものである。すなわち、モリブデ
ンを含む金属層を有するセラミックス基体をろう付けす
る際には、図４（ｂ）のようにニッケルなどの金属層４
４をモリブデンを含む金属層４３上に形成するが、この
ときモリブデンを含む金属層４３の表面にはモリブデン
酸化膜があるため、またチタン、ジルコニウムおよびニ
オブの拡散により強度劣化をまねく。そこで、モリブデ
ンに比べて耐酸化性および耐拡散性に優れ、金属との接
合性が少らず、かつ図４（ａ）の構成による金属化した
セラミックス基体の金属化層と比べて、セラミックス基
体との接合強度が劣らない金属窒化物を用い、図５に示
す構造として上記欠点を克服せんとするものである。

【０００７】アルミナと金属窒化物との結合はアルミナ
と金属窒化物との界面での反応性が律速段階となるので
、これらは高温の熱処理を要する。そこで本発明は窒化
チタン、窒化ジルコニウム、窒化ニオブ、など金属窒化
物に比べアルミナとの反応性に富みかつアルミニウムと
の間で三元複合酸化物を形成しやすい材料を添加して低
温での反応を促進させた上に前記金属窒化物層を形成す
る。これによって、低温で熱処理しても上記三元複合酸
化物が形成されてそれが窒化物層及びアルミナ含有基体
の両表と強力に結合する。

【０００８】すなわち、本発明の金属接合層を有するセ
ラミックス基体は、アルミナまたはアルミナを含むセラ
ミックスからなるセラミックス基体と、該セラミックス
基体上に形成された金属窒化物層とからなり、前記セラ
ミックス基体および金属接合層はチタン、ジルコニウム
、ニオブとアルミニウムとの酸化物で形成された結合層
を介して接合されている。

【０００９】基体を構成するセラミックスは、アルミナ
だけでもよく、あるいは窒化珪素等他のセラミックスを
必要に応じて混合したものでもよい。また、こうして、
本発明によれば、上記の如き金属接合層を有するセラミ
ックス基体の製造方法として、アルミナまたはアルミナ
を含むセラミックスからなるセラミックス基体上に、チ
タン、ジルコニウムおよびニオブのうち１種または２種
以上からなる中間層を形成する中間層形成工程と、前記
中間層上に前記金属の窒化物の層を形成する金属窒化物
層形成工程と、前記中間層形成工程および金属窒化物層
形成工程により得られた積層体を熱処理し、前記アルミ
ナと前記中間層とを反応させてアルミニウムを含む酸化
物からなる結合層を形成する結合層形成工程とよりなる
ことを特徴とする方法が提供される。

【００１０】セラミックス基体上にチタン、ジルコニウ
ム、ニオブのうち１種または２種以上からなる中間金属
層を形成する方法は真空蒸着、スパッタリング、イオン
プレーティング等の物理的手段や湿式メッキ、プラズマ
ＣＶＤ、アルコキシド法等の化学的手段など一般に知ら
れている方法を利用することができる。好ましくは真空
蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等の物理
的手段がよい。これらはチタン、ジルコニウム、ニオブ
等の金属ターゲットと不活性ガスのみを使用するため手
軽な装置で形成でき危険性が少ないからである。

【００１１】前述の如く、上記中間金属層を形成した後
、窒化物層を形成する際には、真空を破ることなく、真
空室中の雰囲気を窒素雰囲気に変え、そして製膜条件を
制御することによって行なう。こうして、セラミックス
基体上に金属層、その上に窒化物層を形成した後、得ら
れた積層体を熱処理して、金属層とセラミックス基体中
のアルミナとを反応させる。これにより、中間層を三元
複合酸化物に変換させ、セラミックス基体と窒化物層と
の接合強度を増大させる。熱処理の条件として　８００
℃以上の温度であればセラミックス基体中のアルミナと
中間層とを反応させてアルミニウムを含む酸化物から形
成された結合層を形成することができ、充分な結合力を
得ることができる。

【００１２】

【実施例】以下本発明を実施例に基づいて具体的に説明
する。 （実施例）図１は本発明の１つの適用例である高温用圧
力検出器の断面図であり、図２は図１のＡ部分拡大断面
図である。図２に示すように金属ダイヤフラム２の表面
にこの表面側よりろう材４−１、ろう材が漏れ易い金属
４−２、金属窒化物層４−３、および結合層４−４が形
成され、これら層上に単結晶サファイアチップ３が接合
されている。この構成（Ａ部）は図１に示されたように
ハウジング５とコネクタ６によって形成された画室７内
に収納される。８はリード線、９はセラミックス基板で
ある。

【００１３】上記構成の製造例を以下に述べる。セラミ
ックス基体として単結晶サファイア基板を、金属層とし
てはチタンおよび窒化チタンを用いた。まず研磨された
サファイア基板表面を洗浄・乾燥後スパッタリング装置
内に配置し、１×１０−３Ｐａ以下まで真空排気した。 そしてチャンバー内をアルゴンガスで十分に置換し、ア
ルゴンガスをチャンバー内に１×１００Ｐａまで導入し
、チタンターゲットに対し高周波電力を印加しプラズマ
を発生させ、　２００Ｗの電力を投入して中間層として
チタンを形成する。次いでアルゴンガス中に窒素ガスを
混入して、アルゴンと窒素の混合比を６５：３５になる
ようにし、チャンバー内圧力を１×１００　Ｐａに調整
する。その際チャンバー内は大気に開放されることなく
真空状態を破らずに行った。そしてサファイア基板上に
形成した中間層上に高周波を印加し、プラズマを発生さ
せ　２００Ｗの投入電力でスパッタリングを行い、金属
窒化物層として窒化チタンを形成し、サファイア基板と
活性金属（チタン）層および金属窒化物（窒化チタン）
層との積層体を得た。

【００１４】得られたサファイア基板と活性金属層およ
び金属窒化物層との積層体に　８００℃の熱処理を施し
、サファイア基板中のアルミナとチタンとを反応させて
アルミニウムを含む酸化物から形成された結合層を形成
する。次に、この実施例で製造した金属接合層を有する
セラミックス基体について引張り試験を行い接合力につ
いて評価した。なお引張り試験は、金属窒化物層上に２
μｍのニッケルを成膜し、さらにコバール（銅合金）に
　８００℃にてろう付け（Ａｇ　ろう）したものを引張
り、耐引張り強度を測定した。それによると耐引張り強
度は、１４．５（Ｋｇ／ｍｍ２）であった。いうまでも
なく、この耐引張り強度はコバールとセラミックス基体
との間の総合的な接合強度（セラミックス基体と窒化チ
タン層との接合力と、窒化チタン層とニッケルとの接合
力と、ニッケルとコバールとの接合力を含む）を表わす
ものである。

【００１５】結果を表に示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】（比較例１）アルミナ基板上にスパッタリ
ング法によりチタン薄膜を形成し、次いでモリブデン薄
膜をスパッタリング法により形成し、アルミナ基板−チ
タン薄膜−モリブデン薄膜からなる積層体を得た。次い
で得られた積層体を大気中に出し、実施例と同様にニッ
ケルを成膜し、　８００℃にて熱処理を施して接合体を
得た。得られた接合体について引張り試験を行ったとこ
ろ、耐引張り強度は１０．６（Ｋｇ／ｍｍ２）であり、
本発明に基付いて製造したアルミナ基体の方が優れた強
度を有する。 （比較例２）アルミナ基板上にスパッタリング法より窒
化チタン薄膜を形成し、アルミナ基板−窒化チタン薄膜
からなる積層体を得た。次に得られた積層体を大気中に
出し実施例と同様にニッケルを成膜し、　８００℃にて
熱処理を施して接合体を得た。得られた接合体について
引張り試験を行ったところ、耐引張り強度は４．６（Ｋ
ｇ／ｍｍ２）であった。本発明のアルミナ基体は活性金
属であるチタン、ジルコニウムおよびニオブを中間層に
用いているため極めて優れた強度を有することが認めら
れる。

【００１８】本発明にて中間層にチタン、ジルコニウム
およびニオブのうち１種または２種以上の金属を用いる
理由は、アルミナを含むセラミックス基体中のアルミナ
に対して密着性が高いためである。また上記金属の窒化
物層を金属接合層として設ける理由は、金属窒化物層は
中間層を形成後にそのまま真空状態を破ることなく簡単
な方法で形成できるためであり，それゆえに製造価格を
低減することができる。

【００１９】また、金属接合層として炭化タングステン
、炭化チタン等を用いれば、引張り強度において比較的
高い強度を有するが、形成時に例えば通常使用されてい
るスパッタリング装置を用いた場合、真空状態を破るこ
となく連続して中間層および金属層を形成することが困
難であり、金属接合層としては金属窒化物層を用いる方
が有利である。

【００２０】また、金属窒化物層は、金属接合層として
優れ、ろう材等との濡れ性、結合力が高い。さらにモリ
ブデン等の金属に比べて耐酸化性、耐拡散性にすぐれ、
図２の４−３金属窒化物層中へのチタン、ジルコニウム
、ニオブ等の拡散が抑えられ、４−２ろう材が濡れ易い
金属（ニッケル等の金属）との界面は金属酸化物等の異
種材料を狭み込むことがなくなる。

【００２１】金属窒化物層の厚さは０．１〜２０μｍ程
度が望ましい。下限を０．１μｍとしたのは形成時膜を
均一にするのが困難であり、層が不連続になる可能性が
あるためである。上限を２０μｍとしたのは、膜内部の
応力等により剥離が生じる可能性があるからである。中
間層の厚さは　０．００５〜０．５μｍ程度であること
が望ましい。下限を　０．００５μｍとしたのは形成時
膜を均一にすることが困難であり、層が不連続になる可
能性があるためである。 上限を０．５μｍとしたのは、膜内部の応力等により剥
離が生じる可能性があるからである。

【００２２】

【発明の効果】金属接合層を有するセラミックス基体に
おいて、金属接合層を従来のモリブデンを含む金属層か
ら、窒化チタン、窒化ジルコニウムまたは窒化ニオブに
することで、耐酸化性、耐拡散性に優れ、モリブデン等
の金属に比べて高い強度を保有する金属接合層を有する
セラミックス基体となり、接合力および信頼性に優れた
効果がある。

【００２３】さらに、金属接合層を有するセラミックス
基体において、金属接合層と中間層をチタン、ジルコニ
ウムおよびニオブのうち少なくとも１種を形成し、その
上に前記中間層と同一金属の窒化物を形成する場合、多
元スパッタリング装置を必要とせず通常のスパッタリン
グ装置で中間層および金属窒化物層を連続で成膜でき、
また高温にて熱処理を施す必要もなく極めて優れた結合
力を有する金属接合層を有するセラミックス基体を短時
間で簡単な方法にて製造することが可能となる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例を示す断面図である。

【図２】図１中のＡ部の拡大断面図である。

【図３】テレフンケン法で製造した金属層を有するセラ
ミックス基体の断面図である。

【図４】（ａ）及び（ｂ）は低温化した製造プロセスに
て製造した金属接合層を有するセラミックス基体の断面
図である。

【図５】本発明の実施例に基づいて製造した金属接合層
を有するセラミックス基体の断面図である。 ２…金属ダイヤフラム ３…サファイアチップ ４−１…ろう材 ４−２…ろう材が漏れやすい金属層 ４−３…金属窒化物層 ４−４…活性金属層 ５…ハウジング ６…コネクタ ８…リード線 ９…セラミックス基体 ３１…セラミックス基体 ３２…モリブデン層 ４１…セラミックス基体 ４２…中間層 ４３…モリブデン層 ４４…ろう材が漏れやすい金属 ５１…セラミックス基体 ５２…活性金属層 ５３…金属窒化物層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　アルミナ又はアルミナを含むセラミッ
   クスからなるセラミックス基体表面に、チタン、ジルコ
   ニウムおよびニオブから選ばれた少なくとも１種の金属
   の窒化物の層を有し、該窒化物層とセラミックス基体と
   が上記金属とアルミニウムとの酸化物からなる結合層を
   介して接合されていることを特徴とする金属との接合層
   を有するセラミックス基体。
2. 【請求項２】　　アルミナまたはアルミナを含むセラミ
   ックスからなるセラミックス基体上に、チタン、ジルコ
   ニウムおよびニオブのうち１種または２種以上からなる
   中間層を形成する中間層形成工程と、前記中間層上に前
   記金属の窒化物の層を形成する金属窒化物層形成工程と
   、前記中間層形成工程および金属窒化物層形成工程によ
   り得られた積層体を熱処理し、前記アルミナと前記中間
   層とを反応させてアルミニウムを含む酸化物からなる結
   合層を形成する結合層形成工程とよりなることを特徴と
   する金属との接合層を有するセラミックス基体の製造方
   法。