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特許7463641接合体、その製造方法、電極埋設部材、およびその製造方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-01
(45)【発行日】2024-04-09
(54)【発明の名称】接合体、その製造方法、電極埋設部材、およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
   C04B 37/00 20060101AFI20240402BHJP
   H01L 21/683 20060101ALI20240402BHJP
【FI】
C04B37/00 C
H01L21/68 N
【請求項の数】 3
(21)【出願番号】P 2020041215
(22)【出願日】2020-03-10
(65)【公開番号】P2021143084
(43)【公開日】2021-09-24
【審査請求日】2023-01-19
(73)【特許権者】
【識別番号】000004547
【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100114258
【弁理士】
【氏名又は名称】福地 武雄
(74)【代理人】
【識別番号】100125391
【弁理士】
【氏名又は名称】白川 洋一
(74)【代理人】
【識別番号】100208605
【弁理士】
【氏名又は名称】早川 龍一
(72)【発明者】
【氏名】成瀬 則幸
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 裕明
【審査官】神▲崎▼ 賢一
(56)【参考文献】
【文献】特開2011-057488(JP,A)
【文献】特開2005-032842(JP,A)
【文献】国際公開第2018/021491(WO,A1)
【文献】特開2011-011931(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C04B 37/00
H01L 21/683
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
AlNを主成分とする2種類のセラミックス焼結体の接合体の製造方法であって、
AlN原料にYを添加した原料粉を造粒して第1の成形体を作製する工程と、
前記第1の成形体を脱脂処理して第1の脱脂体を作製する工程と、
前記第1の脱脂体を焼成して第1のセラミックス焼結体を作製する工程と、
AlN原料に焼結助剤を添加しないで原料粉を造粒して第2の成形体を作製する工程と、
前記第2の成形体を脱脂処理して第2の脱脂体を作製する工程と、
前記第2の脱脂体を焼成して第2のセラミックス焼結体を作製する工程と、
前記第1のセラミックス焼結体と前記第2のセラミックス焼結体とを加熱しつつ接合して前記接合体を作製する工程と、を含み、
前記第1の脱脂体を作製する工程において、前記第1の脱脂体は、脱脂温度T(℃)と脱脂時間H(h)とY添加量を内比でC(wt%)として、T>20×C+440かつH≧300/{T-(20×C+440)}を満たす条件で作製することを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項2】
処理対象を表面上に保持する板状の保持部材と前記保持部材を支持する支持部材とを接合させた電極埋設部材であって、
前記保持部材は、AlNを主成分とするセラミックス焼結体で形成された表面層およびバルク層と、前記表面層とバルク層との間に設けられた電極と、を備え、
前記支持部材は、AlNを主成分とするセラミックス焼結体で形成され、
前記バルク層を形成するセラミックス焼結体は、Y成分をY換算した内比で0.3wt%以上含み、
前記バルク層と前記支持部材との接合界面の粒界にYAG粒子が含まれ、YAP粒子およびYAM粒子が含まれないことを特徴とする電極埋設部材。
【請求項3】
処理対象を表面上に保持する板状の保持部材と前記保持部材を支持する支持部材とを接合させた電極埋設部材の製造方法であって、
AlN原料にYを添加した原料粉を造粒して複数の第3の成形体を作製する工程と、
前記複数の第3の成形体を脱脂処理して複数の第3の脱脂体を作製する工程と、
前記複数の第3の脱脂体に電極を挟んで積層し、前記積層された積層体を焼成して前記保持部材を作製する工程と、
AlN原料に焼結助剤を添加しないで原料粉を造粒して第4の成形体を作製する工程と、
前記第4の成形体を脱脂処理して第4の脱脂体を作製する工程と、
前記第4の脱脂体を焼成して前記支持部材を作製する工程と、
前記保持部材と前記支持部材とを加熱しつつ接合して電極埋設部材を作製する工程と、を含み、
前記第3の脱脂体を作製する工程において、少なくとも前記支持部材と接合する側に配置する前記第3の脱脂体は、脱脂温度T(℃)と脱脂時間H(h)とY添加量を内比でC(wt%)として、T>20×C+440かつH≧300/{T-(20×C+440)}を満たす条件で作製することを特徴とする電極埋設部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、接合体、その製造方法、電極埋設部材、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体製造装置に用いられるウェハ加熱用ALNヒータは、AlN焼結体製のヒータープレートとそのプレートを断熱するAlN焼結体製のシャフトが接合されるものがある。また、半導体製造装置に用いられるAlN製静電チャックは、AlN焼結体の間に電極を挟み、接合することで製造されるものがある。このように、半導体製造装置に用いられるAlN製部材は、AlN焼結体同士を接合して製造されることがある。
【0003】
特許文献1には、窒化アルミニウム質の基材同士を接合するのに際して、基材同士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、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技術が開示されている。
【0004】
また、特許文献2には、窒化アルミニウム焼結体間に、接合材料をはさみ込み、それを加熱処理して接合する窒化アルミニウム焼結体の接合方法において、該接合材料が、25~80mol%の酸化アルミニウム粉末と20~75mol%の酸化イットリウム粉末から成る混合粉末であり、該接合材料のはさみ込む量が、接合面1cm当たり0.1g以上であり、該接合材料の加熱処理する方法が、15g/cm以上の荷重をかけながら2000℃以下の温度で熱処理する方法であることとした窒化アルミニウム焼結体の接合方法の技術が開示されている。
【0005】
また、特許文献3には、相対密度99%以上の第1及び第2のセラミックス焼結体、並びに空隙を有する導体を用意する工程と、第1及び第2のセラミックス焼結体の間に導体を挟み込み、ホットプレスすることにより、少なくとも一方のセラミックス焼結体がクリープして空隙が埋まり、他方のセラミックス焼結体と接合する工程とを含み、第1及び第2のセラミックス焼結体は、互いに共通する成分を主成分とし、少なくとも一方のセラミックス焼結体の平均粒径を7μm以下とする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開平10-167850号公報
【文献】特開平11-349386号公報
【文献】特開2011-148687号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、例えば、AlN焼結体で形成されたプレートとシャフトとを接合する場合、接合するプレートとシャフトのAlNに添加されている添加物の種類や量が異なるため、接合界面でプレートとシャフトとを構成するそれぞれのAlN粒子の焼結が阻害されるなどして、接合強度が低下する場合があった。このように、接合するAlN焼結体の組成等が異なるときには、接合がうまくいかないことがあった。そこで、2種類のAlN焼結体を接合する場合においても良好な接合界面となる接合方法が要望されていた。
【0008】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、接合強度の強いAlNを主成分とする2種類のセラミックス焼結体の接合体、その製造方法、保持部材と支持部材とを接合させた電極埋設部材、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
(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2種類のセラミックス焼結体の接合体であって、少なくとも一方のセラミックス焼結体は、Y成分をY換算した内比で0.3wt%以上含み、前記2種類のセラミックス焼結体の接合界面の粒界にYAG粒子が含まれ、YAP粒子およびYAM粒子が含まれないことを特徴としている。これにより、YAP粒子またはYAM粒子が含まれる場合と比較して接合強度が強くなる。
【0010】
(2)また、本発明の接合体の製造方法は、AlNを主成分とする2種類のセラミックス焼結体の接合体の製造方法であって、AlN原料にYを添加した原料粉を造粒して第1の成形体を作製する工程と、前記第1の成形体を脱脂処理して第1の脱脂体を作製する工程と、前記第1の脱脂体を焼成して第1のセラミックス焼結体を作製する工程と、AlN原料に焼結助剤を添加しないで原料粉を造粒して第2の成形体を作製する工程と、前記第2の成形体を脱脂処理して第2の脱脂体を作製する工程と、前記第2の脱脂体を焼成して第2のセラミックス焼結体を作製する工程と、前記第1のセラミックス焼結体と前記第2のセラミックス焼結体とを加熱しつつ接合して接合体を作製する工程と、を含み、前記第1の脱脂体を作製する工程において、前記第1の脱脂体は、脱脂温度T(℃)と脱脂時間H(h)とY添加量を内比でC(wt%)として、T>20×C+440かつH≧300/{T-(20×C+440)}を満たす条件で作製することを特徴としている。これにより、脱脂条件を満たさない場合と比較して接合強度が強い接合体を製造できる。
【0011】
(3)また、本発明の電極埋設部材は、処理対象を表面上に保持する板状の保持部材と前記保持部材を支持する支持部材とを接合させた電極埋設部材であって、前記保持部材は、AlNを主成分とするセラミックス焼結体で形成された表面層およびバルク層と、前記表面層とバルク層との間に設けられた電極と、を備え、前記支持部材は、AlNを主成分とするセラミックス焼結体で形成され、前記バルク層を形成するセラミックス焼結体は、Y成分をY換算した内比で0.3wt%以上含み、前記バルク層と前記支持部材との接合界面の粒界にYAG粒子が含まれ、YAP粒子およびYAM粒子が含まれないことを特徴としている。これにより、YAP粒子またはYAM粒子が含まれる場合と比較して接合強度が強くなる。
【0012】
(4)また、本発明の電極埋設部材の製造方法は、処理対象を表面上に保持する板状の保持部材と前記保持部材を支持する支持部材とを接合させた電極埋設部材の製造方法であって、AlN原料にYを添加した原料粉を造粒して複数の第3の成形体を作製する工程と、前記複数の第3の成形体を脱脂処理して複数の第3の脱脂体を作製する工程と、前記複数の第3の脱脂体に電極を挟んで積層し、前記積層された積層体を焼成して前記保持部材を作製する工程と、AlN原料に焼結助剤を添加しないで原料粉を造粒して第4の成形体を作製する工程と、前記第4の成形体を脱脂処理して第4の脱脂体を作製する工程と、前記第4の脱脂体を焼成して前記支持部材を作製する工程と、前記保持部材と前記支持部材とを加熱しつつ接合して電極埋設部材を作製する工程と、を含み、前記第3の脱脂体を作製する工程において、少なくとも前記支持部材と接合する側に配置する前記第3の脱脂体は、脱脂温度T(℃)と脱脂時間H(h)とY添加量を内比でC(wt%)として、T>20×C+440かつH≧300/{T-(20×C+440)}を満たす条件で作製することを特徴としている。これにより、脱脂条件を満たさない場合と比較して接合強度が強い電極埋設部材を製造できる。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、AlNを主成分とする2種類のセラミックス焼結体の接合体の接合強度が強くなる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】第1の実施形態の接合体を示す正断面図である。
図2】第2の実施形態の電極埋設部材を示す正断面図である。
図3】(a)~(d)それぞれ第2の実施形態の製造工程の一段階を模式的に示す断面図である。
図4】各試料の脱脂条件および評価結果を示す表である。
図5】(a)、(b)それぞれ試料a1からa15の各試料の接合強度および粒子径比のデータを脱脂温度と脱脂時間のグラフ上にプロットした図である。
図6】Y-Al系化合物の相図である。
図7】脱脂条件を変えた試料の破断面を示すSEM写真である。
図8】Y成分の添加量としきい式(2)の関係を例示した図である。
図9】各試料の焼結助剤の添加量および評価結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
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。
【0016】
[第1の実施形態]
[接合体の構成]
図1は、接合体10を示す正断面図である。接合体10は、AlNを主成分とする2種類のセラミックス焼結体(第1のセラミックス焼結体11、第2のセラミックス焼結体12)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焼結体とは、AlNを70wt%以上含むことをいう。また、2種類のセラミックス焼結体とは、それぞれのセラミックス焼結体の組成が異なることをいい、焼結助剤の有無やその量が異なることを含む。
【0017】
少なくとも一方のセラミックス焼結体は、Y成分をY換算した内比で0.3wt%以上含む。また、少なくとも一方のセラミックス焼結体は、Y成分をY換算した内比で1.0wt%以上含むことが好ましく、2.0wt%以上含むことがより好ましい。また、少なくとも一方のセラミックス焼結体は、Y成分を焼結助剤として機能する必要な量添加されていればよいため、Y成分をY換算した内比で7.0wt%以下含むことが好ましく、6.0wt%以下含むことがより好ましく、5.0wt%以下含むことがさらに好ましい。このとき、他方のセラミックス焼結体は、Y成分を含まないことが好ましいが、含んでいてもよい。Y成分を含む場合は、一方のセラミックス焼結体のY成分のY換算した含有量(wt%)との差が、0.3ポイント以上であることが好ましく、1.0ポイント以上であることがより好ましい。
【0018】
Y成分を含むセラミックス焼結体は、AlNを主成分とするセラミック焼結体で形成され、YとAlの複酸化物の結晶相が含まれている。
【0019】
接合体10は、2種類のセラミックス焼結体の接合界面13の粒界にYAG粒子が含まれ、YAP粒子およびYAM粒子が含まれない。これにより、YAP粒子またはYAM粒子が含まれる場合と比較して接合強度が強くなる。
【0020】
なお、このような組成は、X線回折においてYAG(YAl12)、YAM(YAl)、YAP(YAlO)のピークが認められるか否かで評価できる。ピークか否かは、バックグラウンドの2倍以上の強度を示す先端があるか否かで判断できる。YAG粒子が含まれるか否かは、JCPDSカードICDD#01-073-3184に示されたYAGの回折ピークのうち、回折角度18.11°付近に表れるピークの有無で判断できる。YAM粒子が含まれるか否かは、JCPDSカードICDD#00-033-0368に示されたYAMの回折ピークのうち、回折角度30.60°付近に表れるピークの有無で判断できる。YAP粒子が含まれるか否かは、JCPDSカードICDD#00-033-0041に示されたYAPの回折ピークのうち、回折角度34.24°付近に表れるピークの有無で判断できる。
【0021】
2種類のセラミックス焼結体の接合界面において、YAG粒子の粒子径とAlN粒子の粒子径との比は、0.3以下であることが好ましい。このように細かいYAG粒子が分散しているため、接合界面で2種類のセラミックス焼結体が良好に接合されると考えられる。
【0022】
[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。まず、2種類の造粒粉を造粒する。一方の造粒粉は、AlN原料粉に内比で0.3~7.0wt%のYを添加し、PVA系のバインダを添加して造粒粉を造粒する。他方の造粒粉は、AlN原料に焼結助剤を添加しないでPVA系のバインダを添加して造粒粉を造粒する。そして、得られた造粒粉をそれぞれ用いて第1の成形体、および第2の成形体を作製する。次に、第1の成形体、および第2の成形体を所定の温度以上、所定の時間以上脱脂処理して第1の脱脂体、および第2の脱脂体を作製する。なお、脱脂には、大気炉または窒素雰囲気炉を用いることができるが、バインダを除去することが重要なので大気炉の方が好ましい。
【0023】
脱脂体を作製する工程は、第1の脱脂体を作製するか第2の脱脂体を作製するかで条件が異なる。第1の脱脂体は、脱脂温度T(℃)と脱脂時間H(h)とY添加量を内比でC(wt%)として、T>20×C+440かつH≧300/{T-(20×C+440)}を満たす条件で作製する。これにより、第1の脱脂体から作製される第1のセラミックス焼結体11が、粒界にYAG粒子が含まれ、YAP粒子およびYAM粒子が含まれなくなる。その結果、第2のセラミックス焼結体12と接合した際に、接合強度が強くなる。
【0024】
また、第2の脱脂体は、添加したバインダが残留しない脱脂温度と脱脂時間であれば、特別な条件を付けなくてもよい。第2の脱脂体はY成分を含まないため、第2の脱脂体から作製される第2のセラミックス焼結体12にYAG粒子、YAP粒子、またはYAM粒子は含まれない。
【0025】
なお、第2の成形体を成形する際に使用した造粒粉に、第1の成形体を成形する際に使用した造粒粉とは異なる添加割合でYを添加してもよいが、その場合は、第1の脱脂体を作製する際の条件と同様に、脱脂温度T(℃)と脱脂時間H(h)とY添加量を内比でC(wt%)として、T>20×C+440かつH≧300/{T-(20×C+440)}を満たす条件で作製する。これにより、第2の脱脂体から作製される第2のセラミックス焼結体12も、粒界にYAG粒子が含まれ、YAP粒子およびYAM粒子が含まれなくなる。
【0026】
次に、第1の脱脂体および第2の脱脂体を焼成し、第1のセラミックス焼結体11および第2のセラミックス焼結体12を作製する。焼結条件は、通常のAlN焼結体を作製する条件でよく、例えば、1800℃以上2000℃以下の温度で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。
【0027】
そして、第1のセラミックス焼結体11および第2のセラミックス焼結体12を接合する。接合は、それぞれのセラミックス焼結体の接合面を鏡面研磨して接触させ、加圧下で加熱する固相接合であることが好ましい。また、接合材を用いないことが好ましい。例えば、1600℃以上1900℃以下の温度、1MPa以上10MPa以下の圧力、0.1時間以上10時間以下保持することで接合することができる。
【0028】
このような方法により、接合強度の強い接合体を製造することができる。なお、上記の説明では、第1のセラミックス焼結体がY成分を含み、第2のセラミックス焼結体がY成分を含まないように説明したが、逆であっても構わないし、両方のセラミックス焼結体がY成分を含んでもよい。
【0029】
従来の脱脂条件では、YAM(YAl)またはYAP(YAlO)組織がまばらに粒界に分散する。しかし、上記の条件を満たすように脱脂を十分に行った後に接合することによって、通常より多くのAlN粒子が酸化し、AlとYとが反応したYAG(YAl12)の組織が粒界に細かく、かつ、多数分散する形態となる。
【0030】
そのため、第1のセラミックス焼結体11と第2のセラミックス焼結体12の接合時においてもYAGが接合面に散点状に析出するため、接合強度が増大すると考えられる。
【0031】
[第2の実施形態]
[電極埋設部材の構成]
図2は、電極埋設部材50を示す正断面図である。電極埋設部材50は、処理対象を表面上に保持する板状の保持部材100と、保持部材100を支持する支持部材200とが接合されて形成されている。電極埋設部材50は、例えば、ウェハ加熱用ヒータや静電チャックとして用いることができる。
【0032】
保持部材100は、円板等の板状に形成され、表面層110、バルク層120および電極150を備える。表面層110およびバルク層120は、AlNを主成分とするセラミック焼結体で形成されている。また、YとAlの複酸化物の結晶相が含まれていてもよい。図2に示す例では、電極150が、表面層110とバルク層120との間のみに設けられているが、電極が複数の層をなすように設けられていてもよい。電極150には、モリブデンまたはタングステンが用いられる。
【0033】
支持部材200は、円筒等の柱状に形成される。支持部材200は、AlNを主成分とするセラミック焼結体で形成されている。また、YとAlの複酸化物の結晶相が含まれていてもよい。電極埋設部材50が、ウェハ加熱用ヒータとして用いられる場合、支持部材200は、熱伝導率を低くする観点から、Y成分が含まれないことが好ましい。
【0034】
保持部材100のバルク層120を形成するセラミックス焼結体は、Y成分をY換算した内比で0.3wt%以上含む。また、バルク層120を形成するセラミックス焼結体は、Y成分をY換算した内比で1.0wt%以上含むことが好ましく、2.0wt%以上含むことがより好ましい。また、バルク層120を形成するセラミックス焼結体は、Y成分を焼結助剤として機能する必要な量添加されていればよいため、Y成分をY換算した内比で7.0wt%以下含むことが好ましく、6.0wt%以下含むことがより好ましく、5.0wt%以下含むことがさらに好ましい。このとき、支持部材200を形成するセラミックス焼結体は、Y成分を含まないことが好ましいが、含んでいてもよい。Y成分を含む場合は、バルク層120を形成するセラミックス焼結体のY成分のY換算した含有量(wt%)との差が、0.3ポイント以上であることが好ましく、1.0ポイント以上であることがより好ましい。
【0035】
なお、バルク層120が複数の層により形成される場合、少なくとも支持部材200と接合される側の最外層を形成するセラミックス焼結体は、Y成分をY換算した内比で0.3wt%以上含み、Y成分を1.0wt%以上含むことが好ましく、2.0wt%以上含むことがより好ましい。また、支持部材200と接合される側の最外層を形成するセラミックス焼結体は、Y成分を焼結助剤として機能する必要な量添加されていればよいため、Y成分をY換算した内比で7.0wt%以下含むことが好ましく、6.0wt%以下含むことがより好ましく、5.0wt%以下含むことがさらに好ましい。このとき、支持部材200と接合される側の最外層以外の層を形成するセラミックス焼結体は、Y成分を含まなくてもよい。
【0036】
バルク層120と支持部材200との接合界面の粒界には、YAG粒子が含まれ、YAP粒子およびYAM粒子が含まれない。これにより、YAP粒子またはYAM粒子が含まれる場合と比較して接合強度が強くなる。
【0037】
なお、このような組成は、第1の実施形態と同様の基準によって、X線回折においてYAG(YAl12)、YAM(YAl)、YAP(YAlO)のピークが認められるか否かで評価できる。
【0038】
バルク層120において、YAG粒子の粒子径とAlN粒子の粒子径との比は、0.3以下であることが好ましい。このように細かいYAG粒子が分散しているため、バルク層120と支持部材200との接合界面で2種類のセラミックス焼結体が良好に接合されると考えられる。
【0039】
[電極埋設部材の製造方法]
(保持部材の製造方法)
次に、上記のように構成された電極埋設部材50の製造方法を説明する。まずは保持部材100の製造方法を説明する。図3(a)~(d)は、それぞれ保持部材100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原料に内比で0.3~7.0wt%のYを添加し、PVA系のバインダを添加して原料粉を造粒する。焼結助剤として、TiNを添加してもよい。そして、得られた造粒粉を用いて複数の成形体(第3の成形体)210、220を作製する。複数の成形体210、220を所定の温度以上、所定の時間以上脱脂処理して複数の脱脂体(第3の脱脂体)310、320を作製する。なお、脱脂には、大気炉または窒素雰囲気炉を用いることができるが、バインダを除去することが重要なので大気炉の方が好ましい。
【0040】
少なくとも、焼成時にバルク側に配置される脱脂体320は、脱脂温度T(℃)と脱脂時間H(h)とY添加量を内比でC(wt%)として、T>20×C+440かつH≧300/{T-(20×C+440)}を満たす条件で作製する。これにより、脱脂体320から得られるバルク層120が、粒界にYAG粒子が含まれ、YAP粒子およびYAM粒子が含まれなくなる。その結果、支持部材200と接合した際に、接合強度が強くなる。
【0041】
また、焼成時に表面側に配置される脱脂体310は、添加したバインダが残留しない脱脂温度と脱脂時間であれば、特別な条件を付けなくてもよいが、焼成時にバルク側に配置される脱脂体320と同一の条件で脱脂してもよい。脱脂体310と脱脂体320とを同じ条件で脱脂することで、製造工程を簡略化できる。
【0042】
このようにして得られた脱脂体310と脱脂体320との間に電極150を挟んで積層し、積層体を焼成する。焼成は、ホットプレス焼成、常圧焼成を用いることができる。焼結条件は、通常のAlN焼結体を作製する条件でよく、例えば、1800℃以上2000℃以下の温度で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。これにより、電極が埋設された保持部材100を製造することができる。
【0043】
(支持部材の製造方法)
次に、支持部材200の製造方法を説明する。まず、AlN原料に焼結助剤を添加しないでPVA系のバインダを添加して造粒粉を造粒する。そして、得られた造粒粉を用いて第4の成形体を作製する。第4の成形体を所定の温度以上、所定の時間以上脱脂処理して第4の脱脂体を作製する。なお、脱脂には、大気炉または窒素雰囲気炉を用いることができるが、バインダを除去することが重要なので大気炉の方が好ましい。
【0044】
次に、第4の脱脂体を焼成し、第4の焼結体を作製する。焼結条件は、通常のAlN焼結体を作製する条件でよく、例えば、1800℃以上2000℃以下の温度で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。これにより、Yを含まない支持部材200を製造することができる。
【0045】
なお、第4の成形体を成形する際に使用した造粒粉に、第3の成形体210、220を成形する際に使用した造粒粉とは異なる添加割合でYを添加してもよいが、その場合は、第3の脱脂体320を作製する際の条件と同様に、脱脂温度T(℃)と脱脂時間H(h)とY添加量を内比でC(wt%)として、T>20×C+440かつH≧300/{T-(20×C+440)}を満たす条件で作製する。これにより、第4の脱脂体から作製される支持部材も、粒界にYAG粒子が含まれ、YAP粒子およびYAM粒子が含まれなくなる。
【0046】
(接合工程)
そして、保持部材100と支持部材200とを接合する。接合は、それぞれの部材の接合面を鏡面研磨して接触させ、加圧下で加熱する固相接合であることが好ましい。また、接合材を用いないことが好ましい。例えば、1600℃以上1900℃以下の温度、0.1MPa以上10MPa以下の圧力、0.1時間以上10時間以下保持することで接合することができる。
【0047】
このような方法により、接合強度の強い電極埋設部材50を製造することができる。
【0048】
[実施例1]
(試料a1~a21)
試料a1~a15として、焼結助剤としてYを5wt%添加して脱脂条件を変えて作製したAlNセラミックス焼結体と、無助剤のAlNセラミックス焼結体とを接合材を介さない接合をして接合体を作製した。また、試料a16~a21として、焼結助剤としてYを0.3~1.5wt%添加して脱脂条件を変えて作製したAlNセラミックス焼結体と、無助剤のAlNセラミックス焼結体とを接合材を介さない接合をして接合体を作製した。そして、これらの接合体の接合部の断面観察およびXRD(X線回折)を行い、粒界の粒子の相の特定と分散状況を調べた。また、接合部の接合強度を測定した。
【0049】
を添加したAlNセラミックス焼結体は、脱脂温度と脱脂時間を様々に変更して作製した。Yを添加していないAlNセラミックス焼結体は、550℃、4時間で脱脂処理し脱脂体を作製した。Yを添加した脱脂体、および添加していない脱脂体を1800℃、2時間焼成してそれぞれのAlN焼結体を作製した。そして、作製したYを添加したAlNセラミックス焼結体およびYを添加していないAlNセラミックス焼結体の接合部を鏡面研磨し、1700℃、1MPa、1時間、窒素雰囲気中で接合して、試料a1~a21を作製した。
【0050】
図4は、各試料の脱脂条件および評価結果を示す表である。脱脂温度および脱脂時間は、図4に示す通りである。SEM観察は、試料の破断面を用いて行なった。なお、研磨等は行なっていない。AlN相以外の粒子径は焼結体組織を5000倍で撮影し、AlN相以外の粒子の長軸寸法が最大のものから上位5点の粒子径の平均とした。組成評価の際のX線回折ピークの確認には、X線回折装置(Rigaku MultiFlex Cu Kα 40kV/40mA)を用いた。
【0051】
(接合強度の測定方法)
接合強度の測定は、JIS R1601 2008(ファインセラミックスの室温曲げ強さ試験方法)に準拠して4点曲げ強度試験を行なった。試験片は各試料10個準備し、長手方向の中央部に接合面が配置されるように切断し、破断面が支点間に位置するように配置して測定を行ない、10個の測定値の平均を強度値とした。
【0052】
(実験結果)
組成評価においてYAG粒子が含まれYAP粒子およびYAM粒子が含まれなかった試料は、いずれも接合強度が300MPa以上であった。図5(a)、(b)は、それぞれY添加量が5wt%である試料a1~a15の各試料の接合強度および粒子径比のデータを脱脂温度と脱脂時間のグラフ上にプロットした図である。図5(a)、(b)に示すように、脱脂温度T(℃)および脱脂時間H(時間)を用いて表される式H=300/(T-540)はY添加量が5wt%のときの脱脂条件の境界を示しており、得られた試料a1~a15の組成を区分している。
【0053】
すなわち、しきい式(1)H≧300/(T-540)の領域内にプロットされた試料は、AlN粒界にYAG粒子が含まれている。H<300/(T-540)の領域内にプロットされた試料は、AlN粒界にYAP粒子またはYAM粒子が含まれている。図5(a)、(b)によれば、AlN粒界にYAG粒子が含まれる試料の方が、AlN粒界にYAP粒子またはYAM粒子が含まれる試料より、接合強度が大きく、粒子径比が小さいことが分かる。
【0054】
図6は、Y-Al系化合物の相図である。図6を参照すると、接合体の接合部において、脱脂を十分に行った後に焼成および接合をしたことにより、AlN粒子の一部が酸化しAlとなり、Alが豊富な状態でYと反応するためYAPやYAMに比べAl成分が高いYAG(YAl12)の組織が粒界に細かく、かつ、多数分散して生成したと考えられる。
【0055】
図7(a)、(b)は、脱脂条件を変えた試料の接合部の破断面を示すSEM写真である。図7(a)に示すように、本発明のしきい式の範囲内の長時間脱脂(しきい式(1)を満たす脱脂)をした試料a6のセラミックス組織の粒界の粒子の結晶相はYAGが主であり、細かい多数の粒子(図中白色)が分散していることが分かった。図7(b)に示すように、本発明の範囲外の通常の脱脂(しきい式(1)を満たさない脱脂)をした試料a3のセラミックス組織の粒界の粒子の結晶相はYAPやYAMが主であり、これらのYAGを含まない組織が連続的に接合界面に偏析していることが分かった。そのため、AlNセラミックス焼結体の組織と異なる接合層が形成され、AlNセラミックス接合体の接合劣化(強度低下等の特性劣化)を引き起こすと考えられる。すなわち、界面を挟んでAlN同士の焼結が阻害されてしまう。
【0056】
一方、Y添加量が5wt%未満である試料a16~a21は、しきい式(1)を満たさない試料であってもYAG粒子が含まれYAP粒子およびYAM粒子が含まれない試料を作製することができた。これは、Y添加量が少なかったため、粒界にYAGを生成させるために必要なAlが少なくて済むからであると考えられる。すなわち、Y添加量が少ない場合は、脱脂温度T(℃)または脱脂時間H(時間)をある程度小さくしてもよい。これを踏まえて、Y添加量を考慮したしきい式(2)を、脱脂温度T(℃)と脱脂時間H(時間)とY添加量を内比でC(wt%)として、T>20×C+440かつH≧300/{T-(20×C+440)}とした。
【0057】
試料a16~a21のうち、YAG粒子が含まれYAP粒子およびYAM粒子が含まれない試料は、しきい式(2)を満たし、YAP粒子またはYAM粒子が含まれYAG粒子が含まれない試料は、しきい式(2)を満たさなかった。また、しきい式(2)にC=5を代入すると、しきい式(1)になる。したがって、しきい式(2)は、しきい式(1)を含むため、試料a1~a21の組成を区分している。なお、添加量Cのしきい式(2)に与える影響は、図8のように示される。図8に示されるように、Y添加量が多い(Cが大きい)場合の脱脂条件の領域は、Y添加量が少ない(Cが小さい)場合の脱脂条件の領域に含まれるため、例えば、Y添加量を5wt%以下としたときに、しきい式(1)H≧300/(T-540)を脱脂条件の式として一律に用いてもよい。このようにすることで、脱脂条件の設定が簡易になる。
【0058】
[実施例2]
(試料b1~b5)
次に、試料b1~b5として、異なる割合で焼結助剤を添加して作製した保持部材と、焼結助剤を添加しないで作製した支持部材とを接合して電極埋設部材を作製して、それらの電極埋設部材の接合部の断面観察およびXRD(X線回折)を行い、粒界の粒子の相の特定と分散状況を調べた。また、接合部の接合強度および接合強度のバラツキを測定した。
【0059】
表面層用としてAlN原料にYを5wt%添加した原料粉を造粒して成形体を作製した。また、バルク層用としてAlN原料にYを0.3wt%~5wt%添加した原料粉を造粒して成形体を作製した。表面層用の成形体を600℃、12時間脱脂処理し脱脂体を作製した。一方、バルク層用の成形体を、脱脂温度と脱脂時間を様々に変更して作製した。
【0060】
このようにして得られたバルク層用の脱脂体に電極を埋設する凹部を形成した。表面層用の脱脂体およびバルク層用の脱脂体の間に電極を配置し、挟んで積層した。いずれも電極として、Moメッシュ(線径0.1mm、平織、メッシュサイズ50)を所定の形状に裁断して用いた。このようにして積層された脱脂体を1800℃、2時間焼成した。
【0061】
一方、支持部材用としてAlN原料に焼結助剤を添加しないで造粒粉を造粒して成形体を作製した。支持部材用の成形体を550℃、4時間で脱脂処理し脱脂体を作製した。次に、支持部材用の脱脂体を1800℃、2時間焼成して支持部材を作製した。
【0062】
そして、作製した保持部材および支持部材の接合部を鏡面研磨し、1700℃、1MPa、1時間、窒素雰囲気中で接合して、試料b1~b5を作製した。図9は、各試料の保持部材および支持部材の組成、成形方法、バルク層の脱脂条件および評価結果を示す表である。脱脂温度および脱脂時間は、図9に示す通りである。SEM観察は、試料の破断面を用いて行なった。なお、研磨等は行なっていない。AlN相以外の粒子径は焼結体組織を5000倍で撮影し、AlN相以外の粒子の長軸寸法が最大のものから上位5点の粒子径の平均とした。組成評価の際のX線回折ピークの確認には、X線回折装置(Rigaku MultiFlex Cu Kα 40kV/40mA)を用いた。接合部の断面観察およびXRD(X線回折)を行い、粒界の粒子の相の特定と分散状況を調べた。
【0063】
(接合強度)
図9に示すように、YAG粒子が含まれYAP粒子およびYAM粒子が含まれなかった試料は、いずれも接合強度が300MPa以上であった。
【0064】
(接合強度のバラツキ)
図9に示すように、接合強度の10個の測定値のうちの最低値は、試料b2は他の試料b1、b3~b5に比べ小さく、接合界面に層状偏析が認められると強度のバラツキは、大きくなった。
【0065】
以上により、本発明の接合体および電極埋設部材は、接合強度が強い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。
【0066】
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。
【符号の説明】
【0067】
10 接合体
11 第1のセラミックス焼結体
12 第2のセラミックス焼結体
13 接合界面
50 電極埋設部材
100 保持部材
110 表面層
120 バルク層
150 電極
200 支持部材
210、220 第3の成形体
310、320 第3の脱脂体
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9