JPH10273370A - 窒化アルミニウム質セラミックス基材の接合体、窒化アルミニウム質セラミックス基材の接合体の製造方法及び接合剤 - 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
窒化アルミニウム質セラミックス以外の第三相を介在さ
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。 【解決手段】基材１と２との間に、少なくとも窒化アル
ミニウム質セラミックスと融材とを含有する接合剤を設
け、熱処理によって窒化アルミニウム質と融材とを共融
させる。次いで、基材１、２の接合界面に、窒化アルミ
ニウム質セラミックスからなる再析出相を析出させる。
または、融材の融点以上の温度範囲Ｔ１で接合剤を加熱
し、次いで温度範囲Ｔ１より高い温度範囲Ｔ２で、融材
の成分が界面から排出されるまで加熱し、次いで再析出
相を析出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化アルミニウム
質セラミックスからなる基材の接合体、接合方法および
これに好適に使用できる接合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、窒化珪素セラミックス等と比較して、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三相が、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窒化アルミニウム質セラミックス
相以外の第三相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。また、比
較的に低い温度で強固に接合できるようにすることであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、窒化アルミニ
ウム質セラミックスからなる複数の基材の接合体であっ
て、基材の接合界面に、液相中から再析出した窒化アル
ミニウム質セラミックスからなる再析出相が生成してい
ることを特徴とする、窒化アルミニウム質基材の接合体
に係るものである。

【００１０】また、本発明は、窒化アルミニウム質セラ
ミックスからなる複数の基材の接合体を製造する方法で
あって、基材の間に、少なくとも窒化アルミニウム質セ
ラミックスと融材とを含有する接合剤を設け、熱処理に
よって窒化アルミニウム質と融材とを共融させ、次いで
基材の接合界面に窒化アルミニウム質セラミックスから
なる再析出相を再析出させることを特徴とする。

【００１１】また、本発明は、窒化アルミニウム質セラ
ミックスからなる複数の基材の接合体を製造する方法で
あって、基材の間に、少なくとも窒化アルミニウム質セ
ラミックスと融材とを含有する接合剤を設け、融材の融
点以上の温度範囲Ｔ１で接合剤を加熱し、次いで温度範
囲Ｔ１より高い温度範囲Ｔ２で融材の成分が界面から排
出されるまで加熱し、次いで再析出相を析出させること
を特徴とする。

【００１２】また、本発明は、窒化アルミニウム質セラ
ミックスからなる複数の基材を接合するために使用する
接合剤であって、ＣａＯ：２５〜４５重量％、Ｙ
₂ Ｏ₃ ：５〜３０重量％、残部Ａｌ₂ Ｏ₃ の組成からな
る融材と窒化アルミニウム質セラミックスとを含有して
おり、かつ窒化アルミニウム質セラミックスの含有量が
１０重量％以上、９０重量％以下であることを特徴とす
る。

【００１３】また、本発明は、窒化アルミニウム質セラ
ミックスからなる複数の基材を接合するために使用する
接合剤であって、接合剤が融材および窒化アルミニウム
質セラミックスを含有しており、融材の組成がＸ−Ｙ−
Ｚ系組成であり、接合剤における窒化アルミニウム質セ
ラミックスの含有量が１０重量％以上、９０重量％以下
であることを特徴とする接合剤に係るものである。（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、融材を構成する全金属元素のう
ち、Ｘを構成する金属元素の割合が２５〜５０ｍｏｌ％
であり、Ｙを構成する希土類元素の割合が５〜３０ｍｏ
ｌ％であり、残部がアルミニウムである。）

【００１４】本発明の接合体および接合方法について、
適宜図面を参照しつつ、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セラミックスの中には、種々
の焼結助剤や着色剤などの添加剤を含有させ得る。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
剤３を接合面１ａと２ａとの間に介在させる。

【００１５】この際、本発明者は、接合剤３中に、少な
くとも窒化アルミニウム質セラミックスと融材とを含有
させることを想到した。この融材は、基材１、２の焼結
温度よりも低い温度で溶融する必要があり、特に基材
１、２に対して、熱による劣化を生じさせないために、
１５００℃以下の融点を有しているものが好ましい。

【００１６】本発明者は、基材１、２および接合剤３
を、接合剤３中の融材の溶融温度以上で加熱してみた。
これによって、図１（ｂ）に示すように接合剤を溶融さ
せる。溶融した接合剤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。

【００１７】ここで、融材の溶融の初期には、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、融材の融点以上の温度範囲で保持する
と、溶融した接合剤２０に接する基材１、２の界面近傍
２１が液状になってきた。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融
材を使用した場合には、１４１５℃または１３７５℃付
近で融材の溶融が始まり、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。

【００１８】しかも、接合剤中に、窒化アルミニウム質
セラミックスを混在させておくことで、これが融材中に
溶融してくるものと考えられる。

【００１９】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。

【００２０】ただし、基材１、２のような通常の基材を
製造する際には、窒化アルミニウム質の粉末を混合し、
通常は５重量％以下の焼結助剤を添加し、加熱する。こ
の際には、窒化アルミニウム質粒子の表面近傍が溶融
し、主として粒子の表面に沿って物質移動が生じ、隣接
する粒子同士が、移動した溶融物によって接合する。こ
の結果、無数の粒子が互いに強固に結合され、セラミッ
クスの骨格が生成していく。

【００２１】これに対して、接合剤３を加熱して、基材
１と２との間に溶融物相５を生成させた場合には、溶融
した接合剤と基材１、２との界面付近で、窒化アルミニ
ウム粒子が液状化し、この液相を介して融材の成分の基
材中への拡散が起こり、その部分の組成が変化するもの
と考えられる。

【００２２】しかし、本発明においては、これと共に、
溶融物５の中では窒化アルミニウム質セラミックスの骨
材粒子がほぼ溶融し、ほぼ消失しているものと考えられ
る。これは、溶融物５の内部では融材の量が多いからで
ある。

【００２３】なお、窒化アルミニウム粒子が液相に溶け
出す場合には、基材１、２の接合面１ａ、２ａにおける
突起部分から、優先的に溶融接合剤中へと溶け出すの
で、接合界面が平坦化する。この後、次の加熱工程を実
施することなく冷却すると、接合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。

【００２４】融材の溶融工程（第一の工程）において
は、加熱温度を融材の溶融温度以上とするが、後述する
接合剤の排出が実質的に起こる温度以下とし、この段階
では接合剤の排出を避けることが好ましい。

【００２５】次いで、第一の工程におけるよりも温度を
上昇させると、溶融した融材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。

【００２６】しかも、融材中にほぼ溶融していた窒化ア
ルミニウムが、冷却過程で再析出し、析出相が生成する
ことが判明した。そして、基材１と基材２とは、この融
材中から再析出した窒化アルミニウム質セラミックスの
析出相を介して、窒化アルミニウム質相以外の第三相を
介在させることなく、直接に強固に接合されていること
を発見し、本発明を完成した。

【００２７】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。ただし、このプロセスは、前記した
ように、窒化アルミニウム粒子の表面近傍で起こるもの
である。

【００２８】本発明は、基材を構成する窒化アルミニウ
ム質セラミックスの種類を問うことなく、いずれの場合
にも高い接合強度が得られる。しかも、融材の溶融の過
程において、窒化アルミニウム粒子の相互の拡散が容易
になるため、固相接合より低い温度で接合が可能になっ
た。

【００２９】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セラミックスに対して特に好適であ
る。また、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焼結法による焼
成品である場合にも、好適である。

【００３０】融材を溶融させる第一の工程、融材を排出
させる第二の工程において、各温度範囲Ｔ１、Ｔ２内で
は、それぞれ一定温度に保持することが好ましいが、各
温度範囲Ｔ１、Ｔ２内で、それぞれ温度上昇、温度降下
を行っても良い。

【００３１】また、第一の工程における温度範囲は、接
合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
接合剤の排出が進行すると、接合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。

【００３２】第二の工程における温度範囲は、接合剤の
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。

【００３３】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が、適宜選択できる。

【００３４】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。

【００３５】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、融材が融解する温度以上で圧力を加え
ることが好ましい。

【００３６】融材の組成は限定されないが、イットリウ
ムを含有する系が好ましく、この場合に、融材の排出効
果が特に顕著であった。この観点からは、Ｙ−Ｃａ−Ａ
ｌ−Ｏ共晶組成が特に好ましく、ＣａＯ：２５〜４５重
量％（更に好ましくは２５〜４０重量％）、Ｙ₂ Ｏ₃ ：
５〜３０重量％（更に好ましくは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 −４４Ａｌ₂ Ｏ₃ 共晶組成
（融点１３７５℃）、２８ＣａＯ−２６Ｙ₂ Ｏ₃ −４６
Ａｌ₂ Ｏ₃ 共晶組成（融点１３９５℃）、４３ＣａＯ−
５Ｙ₂Ｏ₃ −５２Ａｌ₂ Ｏ₃ 組成（融点１５００℃）が
特に好ましい。

【００３７】融材としては、他の組成系の酸化物も好適
に使用できる。しかし、窒化アルミニウム質セラミック
スにおいては、１６５０℃を越える温度では、融材の排
出が進行し、融材の窒化アルミニウム中への浸出が生じ
にくいため、融材の融点が１６５０℃以下であることが
好ましく、１６００℃以下であることが一層好ましい。
なお、上記において、接合剤の融点とは、液相が生成し
始める温度を指す。

【００３８】また、接合剤中には、少なくとも窒化アル
ミニウム質セラミックスを含有させる。この際、窒化ア
ルミニウム質セラミックスの含有比率は、接合剤の全体
を１００重量％としたときに、１０重量％以上とするこ
とが好ましく、これによって窒化アルミニウム質の再析
出が生じやすくなる。この観点からは４０重量％以上と
することが一層好ましい。

【００３９】また、９０重量％以下とすることが好まし
く、これによって窒化アルミニウム質セラミックスの溶
融が進行し易い。ただし、窒化アルミニウム質セラミッ
クスが接合剤の９０重量％も占めている場合には、この
全体は溶融しないと考えられるが、その場合でも窒化ア
ルミニウム質セラミックス粒子の溶融が進行し、最終的
に接合剤において窒化アルミニウム質セラミックス粒子
の再析出が見られる。

【００４０】ただし、窒化アルミニウム質セラミックス
の溶融を一層進行させ、再析出する粒子の粒径を小さく
かつ均一にして、接合部分の強度を向上させるために
は、接合剤中の窒化アルミニウム質セラミックスの比率
を８０重量％以下とすることが好ましい。

【００４１】融材は、化合物の形でも良く、各成分の混
合物でも良い。また、接合剤の形態も限定されない。例
えば、融材の粉末と窒化アルミニウム質セラミックスの
粉末との混合粉末とすることが好ましいが、融材の粉末
と窒化アルミニウム質セラミックスの粉末との仮焼粉末
とすることもできる。更に、融材と窒化アルミニウム質
セラミックスとの仮焼物の箔や薄板とすることができ
る。

【００４２】特には前述のＸ−Ｙ−Ｚ組成系の融材が好
ましい。ここで、希土類元素は、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、融材の排出効果が
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。

【００４３】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。

【００４４】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、融材
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。

【００４５】上記において、融材の好適な組成を列挙し
たが、融材は次のものを含む。 （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融材として使用できる。

【００４６】また、融材のうち、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、ＭｇＯ、
ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＳｒＦ₂ がある。

【００４７】本発明においては、基材の接合界面に、窒
化アルミニウム質セラミックスの粒子の再析出相が生成
する。これは、いったん融材の溶融物中に融解した窒化
アルミニウムの析出によって形成されたものである。通
常、基材の接合界面における窒化アルミニウム粒子の平
均粒径は小さく、３．０μｍ以下であり、こうした液相
からの細かい析出粒子が、基材の接合界面に沿って層状
をなして存在している。窒化アルミニウムの全部または
かなりの部分が融材中にいったん融解し、再析出してい
るので、基材などに比べて未だ窒化アルミニウム粒子の
成長が進行していないことによって、細かい粒子が生成
するものと考えられる。

【００４８】このような微構造によって、基材の接合界
面付近の接合強度と気密性とは極めて向上し、基材の接
合界面の強度が他の部分の強度よりも高くなるという顕
著な特徴がある。また、この接合界面には、融材の残留
はほとんど見られず、顕著な第三相は確認されていな
い。

【００４９】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セラミッ
クスであり、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８
ｃに対して矢印Ｂのように圧力を加えることができる。

【００５０】サセプター６の機能や構造は特に限定され
ず、例えば、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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】

【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）表１、表２に示す各実験を行って接合体を作
製し、得られた接合体について、各種特性を評価した。

【００５４】ただし、接合した基材１である「９５％Ａ
ｌＮ」とは、５重量％のＹ₂ Ｏ₃ 粉末と９５重量％の窒
化アルミニウム粉末との混合粉末を焼結して得た焼結体
である。基材２である「９９．９％ＡｌＮ」とは、添加
剤を含まない窒化アルミニウム粉末を焼結して得た焼結
体である。各基材の寸法は、２０ｍｍ×２０ｍｍ×１０
ｍｍである。

【００５５】一方、「接合剤」として、表１に示す各組
成の酸化物の粉末と、ＡｌＮ骨材の粉末とを準備し、混
合して得た混合粉末を使用した。ここで、各粉末の履歴
は、以下の通りである。

【００５６】（３７ＣａＯ−１９Ｙ₂ Ｏ₃ −４４Ａｌ₂
Ｏ₃ ）試薬特級のＣａＯ、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ を重量
％で３７ＣａＯ−１９Ｙ₂ Ｏ₃ −４４Ａｌ₂ Ｏ₃ となる
ように混合し、大気中で１６００℃で溶解した後、水中
に投下し、次いで、３２ミクロンの篩を通るまでボール
ミルにて粉砕した。

【００５７】（２８ＣａＯ−２６Ｙ₂ Ｏ₃ −４６Ａｌ₂
Ｏ₃ 、４３ＣａＯ−５Ｙ ₂ Ｏ₃ −５２Ａｌ₂ Ｏ₃ ）試薬
特級のＣａＯ、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ を、重量％で各組
成比率となるように混合し、乳鉢にて−３２ミクロンの
篩を通るまで粉砕した。

【００５８】（ＡｌＮ骨材）純度９９．９％の窒化アル
ミニウム粉末をペレット状に成形し、窒素中、１９００
℃で相対密度が９８％以上になるまで焼結した。この焼
結体を解砕し、３２ミクロンの篩を通るまでボールミル
にて粉砕した。

【００５９】表１、表２には、酸化物粉末とＡｌＮ骨材
との混合粉末の混合比率を、「重量％」の単位で表示し
た。

【００６０】各基材の接合面を、表面粗さＲａが０．２
μｍ〜２μｍとなるように、研削加工した。表１、表２
に示す各組成の接合剤（混合粉末）を、各基材の接合面
に、２〜２００ｍｇ／ｃｍ² の割合で塗布した。

【００６１】各実験における接合条件は、表１、表２に
示すとおりである。加圧に際しては油圧プレスを用い
た。加熱の間中、接合面と垂直な方向に一軸加圧し、表
１、２に示す所定の圧力を加え続けた。昇降温速度は、
２０００℃／時間〜３０℃／時間の範囲内とした。融材
の溶融時の温度Ｔ１と融材の排出時の温度Ｔ２とを、表
１、２に示すように変更した。また、熱処理時の雰囲気
とその圧力も表１、２に示す。

【００６２】こうして得られた各実験番号の接合体（抗
折棒）について、「ＪＩＳＲ１６０１Ｋ 抗折試験」に
基づいて接合強度を評価した。ただし、室温で、接合体
を、接合界面が中心となるように加工した。

【００６３】また、前記において、基材の形状を変更し
た。即ち、実験番号１〜１０の各条件に従って、直径φ
５０ｍｍ×厚さ１５ｍｍの円板形状の基材と、外径３６
ｍｍ、内径２８ｍｍ、長さ１０ｍｍの円管形状の基材と
を接合した。得られた接合体を、Ｈｅリーク試験に供し
た。この試験に用いた試験機の測定限界は、１．０×１
０^{- 8} ｔｏｒｒリットル／秒であった。ただし、表１、
２の「リーク量」中の数値の単位は「ｔｏｒｒリットル
／秒」であり、１．０Ｅ−８とは「１．０×１０^{- 8} 」
であり、１．０Ｅ−６とは「１．０×１０^{- 6} 」であ
る。

【００６４】また、各抗折棒を、走査型電子顕微鏡によ
る断面観察にも供し、接合界面の様子を確認した。接合
界面相は、反射電子像及びＥＤＳ(Energy Dispersion S
pectroscopy)により同定した。これらの結果を表１、２
に示す。

【００６５】

【表１】

【００６６】

【表２】

【００６７】実験番号１（比較例）では、基材の接合強
度が極めて低く、リーク量も多い。実験番号２〜７、
９、１０では、接合強度が高く、リーク量が少なく、装
置の測定限界未満であった。

【００６８】実験番号８では、ＡｌＮ骨材を入れていな
いが、非常に強固な接合が形成されていることがわか
る。しかし、本発明例の方が、接合強度がさらに著しく
向上していることも判る。

【００６９】次に、リーク量を測定した各接合体につい
て、それぞれ、大気中で、５０℃と７００℃との間の熱
サイクル試験（１００サイクル）を実施した。これによ
って、接合体が熱衝撃、熱サイクルに耐え得るものか否
かを判断した。この結果、本発明の実施例については、
いずれも剥離やリーク量の低下は認められなかった。

【００７０】また、リーク量を測定した実験番号３、
４、５、６の各接合体を、４５０℃のＮＦ₃ プラズマ中
に２４時間さらした。この後、前記のようにしてリーク
量を測定したところ、リーク量の劣化は認められなかっ
た。

【００７１】ここで、実験番号５の接合体（抗折棒）の
接合界面近傍のセラミックス組織の反射電子像写真を、
図５に示す。写真の上側から順番に、９５％ＡｌＮ、接
合界面、９９．９％ＡｌＮが並んでいる。上側の９５％
ＡｌＮ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９９．９％ＡｌＮ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、粒界層は見
えない。

【００７２】界面層の厚さは、約１０μｍであった。た
だし、界面層とその周辺において、クラックや変質層は
まったく認められず、またＣａ−Ｙ−Ａｌ−Ｏ系の材料
が豊富な層も認められず、上下の窒化アルミニウム層の
セラミックス組織と連続していることが判る。

【００７３】この界面層の組成を分析した結果、窒化ア
ルミニウムと判定された。塗布した粉末の粒径は、いず
れも最大３２μｍであったのに対して、界面層中にある
窒化アルミニウム質粒子の粒径は約２ミクロンである。
つまり、界面層中の窒化アルミニウム粒子は、再析出し
たものであることを示している。また、界面層には酸化
物は認められず、純度の異なる上側と下側との各窒化ア
ルミニウム質基材が、良好に接合していることが判る。

【００７４】実験番号２、３、４、６、７の接合体にお
いても、上記と同様の微構造を観察した。

【００７５】実験番号１においては、析出層は認められ
なかった。また、実験番号８においては、酸化物が接合
界面から完全に排出されており、９９．９％窒化アルミ
ニウム側の結晶相と９５％窒化アルミニウム側の結晶相
とが隙間なく連続していることが判明した。

【００７６】（実験２）実験１と同様にして、表３、表
４に示す各実験番号の条件に従って、各接合体を製造
し、実験１と同様の試験に供した。ただし、実験２にお
いては、９５％ＡｌＮからなる基材同士を接合した。こ
れらの結果を表３、４に示す。

【００７７】

【表３】

【００７８】

【表４】

【００７９】実験番号１１（比較例）では、基材の接合
強度が極めて低く、リーク量も多い。実験番号１２〜１
７、１９、２０では、接合強度が高く、リーク量が少な
く、装置の測定限界未満であった。

【００８０】実験番号１８では、ＡｌＮ骨材を入れてい
ないが、非常に強固な接合が形成されていることがわか
る。しかし、本発明例の方が、接合強度がさらに著しく
向上していた。

【００８１】次に、リーク量を測定した各接合体につい
て、それぞれ、大気中で、５０℃と７００℃との間の熱
サイクル試験（１００サイクル）を実施した。この結
果、本発明の実施例では、剥離やリーク量の低下は認め
られなかった。

【００８２】また、リーク量を測定した実験番号１３〜
１６の各接合体を、４５０℃のＮＦ₃ プラズマ中に２４
時間さらした。この後、前記のようにしてリーク量を測
定したところ、リーク量の劣化は認められなかった。

【００８３】実験番号１５の接合体の接合界面近傍のセ
ラミックス組織を示す反射電子像写真を、図６に示す。
写真の上側から順番に、９５％ＡｌＮ／界面相／９５％
ＡｌＮが並んでいる。９５％ＡｌＮ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。

【００８４】界面層の厚さは、約５μｍであった。この
界面層の組成を分析した結果、窒化アルミニウムと判定
された。塗布した粉末の粒径は最大３２μｍであったの
に対して、界面層中にある窒化アルミニウム質粒子の粒
径は約２ミクロンである。つまり、界面層中の窒化アル
ミニウム粒子は、再析出したものであることを示してい
る。

【００８５】実験番号１２、１３、１４、１６、１７の
接合体においても、上記と同様の微構造を観察した。

【００８６】実験番号１１においては、析出層は認めら
れなかった。実験番号１８においては、酸化物が接合界
面から完全に排出されており、各基材の結晶相が隙間な
く連続していることが判明した。

【００８７】（実験３）実験１と同様にして、表５、表
６に示す各実験番号の条件に従って、各接合体を製造
し、実験１と同様の試験に供した。これらの結果を表
５、６に示す。

【００８８】

【表５】

【００８９】

【表６】

【００９０】実験番号２１〜２４では、９５％ＡｌＮと
９９．８％ＡｌＮ（０．１５重量％のイットリアを添加
したもの）とを接合した。いずれも接合強度、リーク量
共に良好であり、析出相はＡｌＮ相であった。この中で
も、接合剤中のＡｌＮの含有量を４０〜６０重量％とす
ることによって、最も接合強度が向上することがわかっ
た。

【００９１】実験番号２５、２６では、９９．９％Ａｌ
Ｎと９９．８％ＡｌＮとを接合したが、実験番号２２、
２３と比較しても一層接合強度が高くなっていた。実験
番号２７、２８においては、９９．９％ＡｌＮ同士を接
合した。これらの結果から判るように、基材中のＡｌＮ
の純度が高くなると、一層接合強度が向上する傾向があ
り、特に９９％以上の純度のＡｌＮにおいてこの作用が
著しい。

【００９２】実験番号２９、３０においては、９５％Ａ
ｌＮの基材同士を接合するために、Ｙ₂ Ｏ₃ またはＣａ
ＣＯ₃ をＡｌＮ粉末と混合した接合剤を使用した。しか
し、基材は接合しなかった。これは、Ｙ₂ Ｏ₃ やＣａＣ
Ｏ₃ が、１５５０℃では溶融せず、融材として機能しな
かったためと思われる。

【００９３】次に、リーク量を測定した各接合体につい
て、それぞれ、大気中で、５０℃と７００℃との間の熱
サイクル試験（１００サイクル）を実施した。この結
果、本発明の実施例では、剥離やリーク量の低下は認め
られなかった。

【００９４】また、リーク量を測定した実験番号２１〜
２８の各接合体を、４５０℃のＮＦ₃ プラズマ中に２４
時間さらした。この後、前記のようにしてリーク量を測
定したところ、リーク量の劣化は認められなかった。

【００９５】実験番号２３の接合体の接合界面近傍のセ
ラミックス組織を示す反射電子像写真を、図７に示す。
上側から順番に、９５％ＡｌＮ／界面相／９９．８％Ａ
ｌＮが並んでいる。界面相の厚さは、約４ミクロンであ
った。

【００９６】この界面層の組成を分析した結果、窒化ア
ルミニウムと判定された。塗布した粉末の粒径は最大３
２μｍであったのに対して、界面層中にある窒化アルミ
ニウム質粒子の粒径は約２ミクロンである。つまり、界
面層中の窒化アルミニウム粒子は、再析出したものであ
ることを示している。やはり界面に酸化物は認められな
い。

【００９７】（実験４：保護管付きヒーターの試作）図
３、図４に示す接合体を試作した。具体的には、モリブ
デン製のコイル状のヒーターと、モリブデン製のメッシ
ュ（高周波プラズマ電極）とが埋設されている窒化アル
ミニウム製の円板（サセプター）６を、窒化アルミニウ
ム製のパイプ（保持具）８に対して接合することを試み
た。保持具８の寸法は、外径６０ｍｍ、内径５２ｍｍ、
長さ２１０ｍｍであった。保持具８は、ＡｌＮの純度が
９５％である常圧焼結品である。

【００９８】接合炉には、カーボン炉材を使用したホッ
トプレス炉を用いた。加熱は、１．５ａｔｍの窒素雰囲
気中で行った。サセプター６と保持具８とを接触させ、
１０００℃／時間〜１００℃／時間の速度で昇温させ、
１５５０℃で１時間保持し、引き続いて１７００℃で２
時間保持した。１７００℃で２時間保持した後は、炉内
で室温まで放冷させた。試料が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。

【００９９】接合体を炉から取り出した後、実験１と同
様にしてリーク試験を行ったところ、リーク量は１．０
×１０^{- 8} リットル／秒未満であった。

【０１００】次いで、サセプター中に埋設されているモ
リブデン製のコイルとモリブデン製のメッシュとに対し
て、電極リードを取り付けた。コイルを通電加熱して、
約２５℃／分の速度で３０回の昇降温（熱サイクル）を
繰り返したが、変形やクラックは認められなかった。ま
た、この熱サイクル後に、再度ヘリウムのリーク試験を
行ったが、リーク量は、１．０×１０^{- 8} リットル／秒
未満を維持していた。

【０１０１】（実験５）実験１と同様にして、表７、表
８に示す各実験番号の条件に従って、各接合体を製造
し、実験１と同様の試験に供した。ただし、Ｘ、Ｙ、Ｚ
の化合物の種類、各化合物の融材中における割合（ｍｏ
ｌ％）、融材と窒化アルミニウム骨材との重量比率（重
量部）を、表７、８に示すように変更した。これらの結
果を表７、８に示す。

【０１０２】

【表７】

【０１０３】

【表８】

【０１０４】実験番号３１〜３９のいずれにおいても、
接合強度、リーク量共に良好であり、析出相はＡｌＮ相
であった。すなわち、（Ｌｉ、Ｂａ、Ｃａ）−（Ｙ、Ｌ
ａ）−Ａｌ系の金属元素の組み合わせにおいて、酸化
物、フッ化物のいずれを利用しても良好な結果が得られ
た。

【０１０５】次に、実験番号３１〜３９の各接合体につ
いて、それぞれ、大気中で、５０℃と７００℃との間の
熱サイクル試験（１００サイクル）を実施した。この結
果、いずれの実施例でも、剥離やリーク量の低下は認め
られなかった。

【０１０６】また、実験番号３１〜３９の各接合体を、
４５０℃のＮＦ₃ プラズマ中に２４時間さらした。この
後、前記のようにしてリーク量を測定したところ、リー
ク量の劣化は認められなかった。

【０１０７】

【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窒化アルミ
ニウム質セラミックス相以外の相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。また、比較的に低い温度で強固に接合できる。

【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と管状の保持具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】実験番号５の接合体の接合界面近傍のセラミッ
クス組織の反射電子像写真である。

【図６】実験番号１５の接合体の接合界面近傍のセラミ
ックス組織を示す反射電子像写真である。

【図７】実験番号２３の接合体の接合界面近傍のセラミ
ックス組織を示す反射電子像写真である。

【符号の説明】

１、２ 基材，１ａ、２ａ 基材の接合面，３ 接合
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 溶融した接合剤，２１ 液状
になった基材の界面近傍

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒化アルミニウム質セラミックスからなる
   複数の基材の接合体であって、 前記基材の接合界面に、液相中から再析出した窒化アル
   ミニウム質セラミックスからなる再析出相が生成してい
   ることを特徴とする、窒化アルミニウム質基材の接合
   体。
2. 【請求項２】前記再析出相中に存在する窒化アルミニウ
   ム質セラミックス粒子の平均粒径が１μｍ以上、３．０
   μｍ以下であ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。
3. 【請求項３】窒化アルミニウム質セラミックスからなる
   複数の基材の接合体を製造する方法であって、 前記基材の間に、少なくとも窒化アルミニウム質セラミ
   ックスと融材とを含有する接合剤を設け、熱処理によっ
   て前記窒化アルミニウム質セラミックスと前記融材とを
   共融させ、次いで前記基材の接合界面に窒化アルミニウ
   ム質セラミックスからなる再析出相を再析出させること
   を特徴とする、窒化アルミニウム質セラミックス基材の
   接合体の製造方法。
4. 【請求項４】前記融材の融点以上の温度範囲Ｔ１で前記
   接合剤を加熱し、次いで前記温度範囲Ｔ１より高い温度
   範囲Ｔ２で前記融材の成分が界面から排出されるまで加
   熱し、次いで前記再析出相を析出させることを特徴とす
   る、請求項３記載の窒化アルミニウム質セラミックス基
   材の接合体の製造方法。
5. 【請求項５】窒化アルミニウム質セラミックスからなる
   複数の基材の接合体を製造する方法であって、 前記基材の間に、少なくとも窒化アルミニウム質セラミ
   ックスと融材とを含有する接合剤を設け、前記融材の融
   点以上の温度範囲Ｔ１で前記接合剤を加熱し、次いで前
   記温度範囲Ｔ１より高い温度範囲Ｔ２で前記融材の成分
   が界面から排出されるまで加熱し、次いで前記再析出相
   を析出させることを特徴とする、窒化アルミニウム質セ
   ラミックス基材の接合体の製造方法。
6. 【請求項６】前記融材の融点が１３００℃以上、１５０
   ０℃以下であることを特徴とする、請求項５記載の窒化
   アルミニウム質基材の接合体の製造方法。
7. 【請求項７】前記融材の組成がＣａＯ：２５〜４５重量
   ％、Ｙ₂ Ｏ₃ ：５〜３０重量％および残部Ａｌ₂ Ｏ₃ で
   あり、１４００℃〜１６５０℃の温度範囲で前記接合剤
   を加熱し、次いで１６５０℃〜１８００℃の温度範囲で
   前記融材の成分が界面から排出されるまで加熱すること
   を特徴とする、請求項６記載の窒化アルミニウム質基材
   の接合体の製造方法。
8. 【請求項８】前記接合剤が、ＣａＯ：２５〜４５重量
   ％、Ｙ₂ Ｏ₃ ：５〜３０重量％、残部Ａｌ₂ Ｏ₃ の組成
   からなる融材と窒化アルミニウム質セラミックスとを含
   有しており、かつ窒化アルミニウム質セラミックスの含
   有量が１０重量％以上、９０重量％以下であることを特
   徴とする、請求項５記載の窒化アルミニウム質基材の接
   合体の製造方法。
9. 【請求項９】前記融材の組成がＸ−Ｙ−Ｚ系組成である
   ことを特徴とする、請求項５または６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、前記融材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。）
10. 【請求項１０】前記融材の融点以上の温度範囲Ｔ１で前
    記接合剤を加熱したときに、前記融材と前記窒化アルミ
    ニウム質セラミックスとの共融物中に、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９記載
    の窒化アルミニウム質基材の接合体の製造方法。
11. 【請求項１１】前記接合剤において、窒化アルミニウム
    質セラミックスの含有量が１０重量％以上、９０重量％
    以下であることを特徴とする、請求項９記載の窒化アル
    ミニウム質基材の接合体の製造方法。
12. 【請求項１２】窒化アルミニウム質セラミックスからな
    る複数の基材を接合するために使用する接合剤であっ
    て、 ＣａＯ：２５〜４５重量％、Ｙ₂ Ｏ₃ ：５〜３０重量
    ％、残部Ａｌ₂ Ｏ₃ の組成からなる融材と窒化アルミニ
    ウム質セラミックスとを含有しており、かつ窒化アルミ
    ニウム質セラミックスの含有量が１０重量％以上、９０
    重量％以下であることを特徴とする、接合剤。
13. 【請求項１３】窒化アルミニウム質セラミックスからな
    る複数の基材を接合するために使用する接合剤であっ
    て、 前記接合剤が融材および窒化アルミニウム質セラミック
    スを含有しており、前記融材の組成がＸ−Ｙ−Ｚ系組成
    であり、前記接合剤における窒化アルミニウム質セラミ
    ックスの含有量が１０重量％以上、９０重量％以下であ
    ることを特徴とする接合剤。（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
    記融材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。）
14. 【請求項１４】前記のＸとＹとの少なくとも一方が、１
    ６５０℃〜１８００℃における蒸気圧が０．００１〜１
    ０００Ｐａ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１３記載の接合剤。