JPH07247178A - ＴｉもしくはＴｉ合金にアルミナを接合する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＴｉもしくはＴｉ合金とアルミナとの間に、
アルミナ側からＴｉもしくはＴｉ合金側に向けて、Ａｇ
−Ｃｕ−Ｔｉ合金ろう材、ＣｕまたはＣｕ合金、Ａｇ−
Ｃｕ合金ろう材、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ａｇ−Ｃｕ合
金ろう材を順次積層し、前記ろう材を加熱溶融させて接
合する方法において、接合後のアルミナ側の割れや界面
剥離を回避することのできる方法を提供する。 【構成】 接合面の最大長さが３４ｍｍより長い場合と
短い場合に分け、前者の場合は、 ｔ_FeNiCo：Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の厚さ（ｍｍ） ｔ_Ti ：チタン母材の厚さ（ｍｍ） ｄ ：接合面の最大長さ（ｍｍ） を変数として与えられる関係式（後者の場合はｄを除
く）で示される条件下に接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体製造用装
置等において使用する素材の内、ＴｉもしくはＴｉ合金
（以下Ｔｉ母材と言うこともある）とアルミナとを接合
する技術に関し、詳細にはＴｉ母材とアルミナの間に強
度及び真空気密性の良好な接合部を形成することができ
る様な接合方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Ｔｉ母材とアルミナのように熱膨張係数
が異なる材料を接合するに際しては、健全な接合体を得
るという観点から、従来、被接合材の間に応力緩和材を
配置する方法（特開昭６１−２１５２７２）、接合体の
形状を工夫する方法（特開平４−７７３６９）、或は接
合後に接合体を加工する方法（特公平３−７１３９１）
などが検討され、残留応力の緩和を図ることが行われて
いる。

【０００３】特にＴｉ母材とアルミナの接合では、図１
に示すようにアルミナ側にＣｕ材を積層すると共にＴｉ
母材側にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を積層して各層間をろう
材により接合することが提案されている（特開平５−２
８６７７７）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらたとえ上
記の様な方法でＴｉ母材とアルミナを接合したとして
も、上記積層体では、接合終了後の冷却過程で発生する
残留応力を十二分に低減することができず、使用中にア
ルミナ側から割れを生じるというトラブルは避け切れな
かった。

【０００５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、Ｔｉ母材とアルミナの接合体を製造するに
際し、割れなどの欠陥を生じることがなく、しかも接合
強度が高く、接合部の真空気密性にも優れた接合部を得
ることができる様な接合方法の提供を目的とするもので
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すること
のできた本発明接合方法の要旨を述べると、アルミナと
Ｔｉ母材の間に、アルミナ側からＴｉ母材側に向けて、 （Ａ）Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金からなるろう材 （Ｂ）ＣｕまたはＣｕ合金からなる応力緩和材 （Ｃ）Ａｇ−Ｃｕ合金からなるろう材 （Ｄ）Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金 （Ｅ）前記（Ｃ）のＡｇ−Ｃｕ合金と同一または異なっ
たＡｇ−Ｃｕ合金からなるろう材 を順次積層し、前記ろう材を加熱溶融させて接合するに
当たり、（１）接合面の最大長さが３４ｍｍより長い場
合は、下記（１）式

【０００７】

【数３】 の関係を満足する様な条件を、また（２）接合面の最大
長さが３４ｍｍ以下の場合は、下記（２）式

【０００８】

【数４】 の関係を満足する様な条件を選択して接合を行うもので
ある。

【０００９】上記（１）式及び（２）式で示される関係
をグラフ化して説明すると、（１）式で示す関係は接合
面の最大長さ（ｄ）によって異なるので、ｄ＝５０ｍｍ
の場合を代表的に取り上げて図２に示した。また（２）
式で示す関係はｄ値に関係なく図３に示す通りとなる。
尚本発明における『接合面の最大長さ』とは、接合面の
平面視形状において最も離反した二点間の距離を言い、
具体例をもって示せば図４に例示する種々の接合面にお
ける長さｄである。

【００１０】

【作用】本発明における一方の接合対象であるＴｉ母材
は、純ＴｉまたはＴｉ合金であり、Ｔｉ合金としてはそ
の種類を特定するものではなく、要はＴｉ基でありさす
れば良く、Ａｌ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｓｎ，Ｍｏ，
Ｚｒ，Ｃｕ，Ｎｉなどの如何なる合金元素を含んでいる
ものであっても良いが、中でも最も代表的なものを非限
定的に例示しておくと、Ｔｉ−６重量％Ａｌ−４重量％
Ｖ，Ｔｉ−５重量％Ａｌ−２重量％Ｃｒ−１重量％Ｆ
ｅ，Ｔｉ−５重量％Ａｌ−２．５重量％Ｓｎ，Ｔｉ−２
重量％Ｃｕ，Ｔｉ−２．５重量％Ｃｕ，Ｔｉ−１５重量
％Ｍｏ−５重量％Ｚｒ，Ｔｉ−１１．５重量％Ｍｏ−６
重量％Ｚｒ−４．５重量％Ｓｎ，Ｔｉ−５２．５重量％
Ｎｉ−１．５６重量％Ｆｅ−１．７９重量％Ｍｏなどを
挙げることができる。

【００１１】他方の接合対象であるアルミナは、必ずし
も純アルミナである必要はなく、要はアルミナが主体と
なるものであれば良く、例えば、ＳｉＯ₂ 、Ｙ₂ Ｏ₃ 、
ＭｇＯ、ＣａＯ、ＴｉＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＨｆＯ₂ 、Ｓｉ
Ｃ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＷＣ、ＶＣ、ＴａＣ、Ｓｉ₃ Ｎ
₄ 、ＺｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ₂ などとの複合物質も本発
明に適用することができる。次にアルミナとＴｉ母材の
間に介在積層される前記（Ａ）〜（Ｅ）の各物質につい
て説明する。

【００１２】（Ａ）のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金からなるろ
う材としては、汎用のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金ろう材は全
て使用可能であり、代表的なものを非限定的に例示する
と、例えば７２重量％Ａｇ−２７重量％Ｃｕ−１重量％
Ｔｉ合金ろう材、７０．５重量％Ａｇ−２７．５重量％
Ｃｕ−２重量％Ｔｉ合金ろう材、６８．８重量％Ａｇ−
２６．７重量％Ｃｕ−４．５重量％Ｔｉ合金ろう材、６
３重量％Ａｇ−３５．２５重量％Ｃｕ−１．７５重量％
Ｔｉ合金ろう材などを挙げることができる。

【００１３】（Ｂ）のＣｕまたはＣｕ合金からなる応力
緩和材は、ＣｕまたはＣｕ合金の柔軟性を利用するもの
であり、この様な柔軟性を保持するものは全て使用でき
る。従ってまずＣｕとしては、無酸素Ｃｕ、タフピッチ
Ｃｕまたはリン脱酸Ｃｕなどの如何を問わずに用いるこ
とができ、またＣｕ合金としては、Ｃｕの柔軟性に悪影
響を与えない合金元素（例えばＺｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｆ
ｅ，Ａｌ，Ｍｎ，Ｎｉなどが非限定的に例示される）を
含むものが全て使用できる。Ｃｕの厚さは０．１ｍｍ以
上、１ｍｍ以下が望ましい。Ｃｕの厚さが、０．１ｍｍ
未満の場合には、応力緩和の効果が少なく、アルミナに
割れを生じることがある。一方Ｃｕの厚さが１ｍｍを超
えると、Ｃｕの強度が接合強度に対し支配的になってし
まうため、全体的な接合強度が低くなってしまう。

【００１４】（Ｃ）および（Ｅ）のＡｇ−Ｃｕ合金から
なるろう材としては、汎用のＡｇ−Ｃｕ合金ろう材は全
て使用可能であり、代表的なものを非限定的に例示する
と、例えば７２重量％Ａｇ−２８重量％Ｃｕ合金ろう
材、８５重量％Ａｇ−１５重量％Ｃｕ合金ろう材、５０
重量％Ａｇ−５０重量％Ｃｕ合金ろう材、６７重量％Ａ
ｇ−３３重量％Ｃｕ合金ろう材などを挙げることができ
る。（Ｃ）で用いるＡｇ−Ｃｕ合金と（Ｅ）で用いるＡ
ｇ−Ｃｕ合金は、同一であっても異なっていても良い。

【００１５】（Ｄ）のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金はＴｉ母材
よりも熱膨張係数が小さいため、Ｔｉ母材に接して配置
することにより、Ｔｉ母材の熱収縮を減少させる方向に
作用する。この様な条件を満足するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合
金としては、Ｆｅ−（２５〜３５重量％）Ｎｉ−（１３
〜２３重量％）Ｃｏ合金が汎用されており、代表的なも
のを非限定的に例示すると、Ｆｅ−３２重量％Ｎｉ−１
７重量％Ｃｏ合金、Ｆｅ−２９重量％Ｎｉ−１６重量％
Ｃｏ合金、Ｆｅ−２９重量％Ｎｉ−１７重量％Ｃｏ合
金、Ｆｅ−２６重量％Ｎｉ−２２重量％Ｃｏ合金などを
挙げることができる。

【００１６】この様なＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を用いるに
当たっては、Ｔｉ母材の厚さに対応してＦｅ−Ｎｉ−Ｃ
ｏ合金の厚さを定めることが必要であり、そのための条
件式を種々研究した結果、前記（１）式および（２）式
で示されることが分かった。（１）式および（２）式は
接合面の最大長さ（ｄ）によってｄ値＝３４ｍｍを境界
に区別されており、ｄ値が３４ｍｍより長い場合には、
（１）式の条件を満足する厚さのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金
を接合する。この様にしておけば、アルミナとＴｉ母材
との熱膨張係数差で発生する残留応力を低減することが
できる。この条件を満足していないと、アルミナ側に残
留する応力を十分に低減することができず、あるいはＦ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金とアルミナとの熱膨張係数差により
発生する残留応力が大きくなりアルミナ側に割れを生じ
てしまう。

【００１７】一方接合面の最大長さが３４ｍｍ以下の場
合は、アルミナ側に残留する応力は接合面の最大長さに
影響されず、アルミナ側に残留する応力を低減し、アル
ミナの割れを防止するには、Ｔｉ母材とＦｅ−Ｎｉ−Ｃ
ｏ合金の厚さの関係を（２）式で示す条件を満足するよ
うに設定するのが適切であることを究明した。

【００１８】

【実施例】次に本発明の実施例について比較例と比較し
て説明する。実施例１ （図５参照） 直径５０ｍｍ，内径４０ｍｍの円筒形状である純Ｔｉ円
筒２１と直径５０ｍｍの円盤形状であるアルミナ２７と
の接合において、アルミナ２７側から順にＡｇ−Ｃｕ−
Ｔｉ合金ろう材（７２重量％Ａｇ−２７重量％Ｃｕ−１
重量％Ｔｉ合金ろう材）２６、無酸素Ｃｕ２５、Ａｇ−
Ｃｕ合金ろう材（７２重量％Ａｇ−２８重量％Ｃｕ合金
ろう材）２４、Ｆｅ−２９重量％Ｎｉ−１７重量％Ｃｏ
合金２３、およびＡｇ−Ｃｕ合金ろう材（７２重量％Ａ
ｇ−２８重量％Ｃｕ合金ろう材）２２を積層して配置
し、真空炉中で８５０℃に加熱することにより、前記各
ろう材を溶融させて接合を行った。接合した試験片につ
いて、外観観察および超音波探傷により無酸素Ｃｕ２５
とアルミナ２７との接合界面の検査を実施した。試験結
果を表１に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１の実施例で示すように、Ｔｉ母材とＦ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の厚さおよび接合面の最大長さ
（ｄ）の関係が（１）式の条件を満足する場合は、接合
後のアルミナ中の残留応力が低減され、その結果アルミ
ナ側に割れを生じない健全な接合体を提供できた。一方
比較例で示す様に、Ｔｉ母材とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の
厚さおよび接合面の最大長さ（ｄ）の関係が（１）式の
条件を満足しない場合には、残留応力が十分に軽減され
ないため、アルミナ側に割れがみられ、健全な接合体に
はなっていないことが分かった。

【００２１】実施例２（図６参照） いずれも直径３４ｍｍ，内径２０ｍｍの円筒形状である
純Ｔｉ円筒３１とアルミナ円筒３７の接合において、ア
ルミナ３７側から順にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金ろう材（７
０．５重量％Ａｇ−２７．５重量％Ｃｕ−２重量％Ｔｉ
合金ろう材）３６、タフピッチＣｕ３５、Ａｇ−Ｃｕ合
金ろう材（７２重量％Ａｇ−２８重量％Ｃｕ合金ろう
材）３４、Ｆｅ−３２重量％Ｎｉ−１７重量％Ｃｏ合金
３３、およびＡｇ−Ｃｕ合金ろう材（７２重量％Ａｇ−
２８重量％Ｃｕ合金ろう材）３２を積層して配置し、８
５０℃、Ａｒ雰囲気中で加熱接合した。接合した試験片
について、外観観察および超音波探傷によりタフピッチ
Ｃｕ３５とアルミナ３７との接合界面の検査を実施し
た。試験結果を表２に示す。

【００２２】

【表２】

【００２３】表２の実施例で示すように、Ｔｉ母材とＦ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の厚さの関係が（２）式の条件を満
足する場合は、接合後のアルミナ中に残留する応力が低
減され、アルミナ側に割れのない健全な接合体を提供す
ることが可能であった。一方比較例で示すように、Ｔｉ
母材とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の厚さの関係が（２）式の
条件を満足しない場合には、残留応力が十分に軽減され
ないためアルミナ側に割れが見られ、健全な接合体は得
られなかった。

【００２４】実施例３（図７参照） いずれも接合面が一辺４０ｍｍの正方形であるＴｉ−６
重量％Ａｌ−４重量％Ｖ合金ブロック４１とアルミナブ
ロック４７を接合するに当たり、アルミナ４７側から順
にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金ろう材（７２重量％Ａｇ−２７
重量％Ｃｕ−１重量％Ｔｉ合金ろう材）４６、リン脱酸
Ｃｕ４５、Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材（７２重量％Ａｇ−２
８重量％Ｃｕ合金ろう材）４４、Ｆｅ−２９重量％Ｎｉ
−１６重量％Ｃｏ合金４３、およびＡｇ−Ｃｕ合金ろう
材（７２重量％Ａｇ−２８重量％Ｃｕ合金ろう材）４２
を積層して配置し、真空炉中８５０℃に加熱することに
より前記各ろう材を溶融させて接合体を得た。得られた
試験片について、外観観察および超音波探傷によりリン
脱酸Ｃｕ４５とアルミナ４７との接合界面の検査を実施
した。試験結果を表３に示す。

【００２５】

【表３】

【００２６】表３の実施例で示すように、Ｔｉ母材とＦ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の厚さおよび接合面の最大長さ
（ｄ）の関係が（１）式の条件を満足する場合は、接合
後のアルミナ中の残留応力が低減され、アルミナ側に割
れの無い健全な接合体を提供することが可能であった。
一方比較例で示すように、Ｔｉ母材とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ
合金の厚さおよび接合面の最大長さ（ｄ）の関係が
（１）式の条件を満足しない場合には、残留応力が十分
に軽減されないため、アルミナ側に割れがみられ、健全
な接合はなされなかった。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
アルミナとＴｉまたはＴｉ合金とを接合した際の残留応
力を低減することができ、割れや界面剥離の無い健全な
接合体を提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る接合方法を示す模式図。

【図２】本発明に係る接合面の最大長さが５０ｍｍの場
合の（１）式の関係を示すグラフ。

【図３】本発明に係る（２）式の関係を示すグラフ。

【図４】本発明に係る接合面の形状と接合面の最大長さ
との関係を示す模式図。

【図５】本発明の実施例および比較例に係る接合方法を
示す模式図。

【図６】本発明の実施例および比較例に係る接合方法を
示す模式図。

【図７】本発明の実施例および比較例に係る接合方法を
示す模式図。

【符号の説明】

１１ Ｔｉ母材 １２，１４ Ａｇ−Ｃｕろう材 １３ Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金 １５ Ｃｕ １６ Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材 １７ アルミナ ２１ 純Ｔｉ ２２，２４ Ａｇ−Ｃｕろう材 ２３ Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金 ２５ 無酸素Ｃｕ ２６ Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材 ２７ アルミナ ３１ 純Ｔｉ ３２，３４ Ａｇ−Ｃｕろう材 ３３ Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金 ３５ タフピッチＣｕ ３６ Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材 ３７ アルミナ ４１ Ｔｉ−６重量％Ａｌ−４重量％Ｖ ４２，４４ Ａｇ−Ｃｕろう材 ４３ Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金 ４５ りん脱酸Ｃｕ ４６ Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材 ４７ アルミナ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＴｉもしくはＴｉ合金とアルミナとの間
   に、アルミナ側からＴｉもしくはＴｉ合金側に向けて、
   Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金からなるろう材、ＣｕまたはＣｕ
   合金からなる応力緩和材、Ａｇ−Ｃｕ合金からなるろう
   材、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、前記Ａｇ−Ｃｕ合金と同一
   または異なったＡｇ−Ｃｕ合金からなるろう材を順次積
   層し、前記ろう材を加熱溶融させて接合する方法におい
   て、 （１）接合面の最大長さが３４ｍｍより長い場合は、下
   記（１）式 【数１】 の関係を満足する様な条件下に、また （２）接合面の最大長さが３４ｍｍ以下の場合は、下記
   （２）式 【数２】 の関係を満足する様な条件下に接合することを特徴とす
   る接合方法。