JP7467191B2

JP7467191B2 - 接合方法

Info

Publication number: JP7467191B2
Application number: JP2020054979A
Authority: JP
Inventors: 智末廣; 禎一木村
Original assignee: Japan Fine Ceramics Center
Current assignee: Japan Fine Ceramics Center
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2024-04-15
Anticipated expiration: 2040-03-25
Also published as: JP2021155237A

Description

本発明は、いずれも無機材料からなる複数の部材を炭化珪素により接合する方法に関する。

例えば、セラミックスは、耐熱性、耐食性等に優れた構造材料として有用であり、最終製品の形状、サイズ等によっては、複数のセラミックス部材を接合して一体化物とすることがある。

一般に、複数の部材を接合する単純な方法は、樹脂接着剤を用いる方法であるが、無機部材どうしを接合させてなる一体化物の使用条件等によっては、接着性が低下し接合部を起点として破断することがあった。そこで、接合部を無機材料からなるものとする接合方法が検討されてきた。
特許文献１には、アルミナ焼結体同士を接合するに際し、接合しようとするアルミナ焼結体の間にイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）またはイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）を主成分とする接合材を挟み、これを還元雰囲気中１５００～１９００℃で加熱することによってアルミナ焼結体同士を接合するアルミナ焼結体の接合方法が開示されている。特許文献２には、窒化アルミニウム焼結体の接合方法であって、一方の窒化アルミニウム焼結体の接合面と他方の窒化アルミニウム焼結体の接合面との間に、焼結助剤を含有する介在物（ペースト等）を配置し、電磁波照射によって該介在物を加熱して該窒化アルミニウム焼結体同士を接合させることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の接合方法が開示されている。特許文献３には、接合されるＢ系焼結助剤を用いたＳｉＣ焼結体の接合面に接合材としてのＳｉを介在させ、真空雰囲気あるいは非酸化雰囲気において熱処理し、ＳｉＣ焼結体同士をＳｉ接合し、このＳｉ接合処理中に、ＳｉＣ焼結体中のＢをＳｉ接合部中に拡散、濃縮し、Ｓｉ接合部中のＢ濃度を１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（または、５００ｐｐｍ）以上、１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３までの濃度に高めることを特徴とするＳｉＣ焼結体の接合体の接合方法が開示されている。特許文献４には、セラミックス材と金属材とを積層して接合する方法であって、セラミックス材と金属材との間に、三次元網目状の金属多孔質材からなる中間層を配置し、セラミックス材と中間層との間、および中間層と金属材との間をロウ付けまたは拡散接合により接合し、中間層にセラミックス材との接合面または金属材との接合面に対して略垂直方向に延びるスリットを設けておくことを特徴とするセラミックス材と金属材との接合方法が開示されている。特許文献５には、同じ無機物質主成分を含む２つのセラミック製部材を相互に接合する方法であって、（ａ）無機物質主成分を含む第１および第２のセラミック成形体を準備する工程と、（ｂ）第１のセラミック成形体の少なくとも一つの面に、添加物質を設置する工程であって、添加物質は、第１のセラミック成形体に含まれる無機物質主成分との間で、第１の温度以上の温度で液相を形成する第２の無機物質を含む、工程と、（ｃ）第１および第２のセラミック成形体を焼成して、第１および第２のセラミック製部材を形成する工程と、（ｄ）第１および第２のセラミック製部材を、第１のセラミック製部材の一つの面が、第２のセラミック製部材の一つの面と接触するように配置して、組立体を構成する工程と、（ｅ）組立体を、第２の温度に保持する工程であって、第２の温度は、第１の温度以上の温度である工程と、を有し、これにより、第１のセラミック製部材の一つの面において、融液が生成し、第１および第２のセラミック製部材が相互に接合されることを特徴とする方法が開示されている。また、特許文献６には、複数のセラミックス部材を相互に接合する方法であって、（ａ）同じ無機物質主成分を含む第１および第２のセラミックス部材を準備するステップと、（ｂ）第１および第２のセラミックス部材の被接合面に、無機物質主成分を構成する金属を、金属または合金成分として含む溶射膜を設置するステップと、（ｃ）第１および第２のセラミックス部材の被接合面同士を密着させて、組立体を構成するステップと、（ｄ）組立体を熱処理して、溶射膜中の金属または合金成分を溶融させるとともに、金属成分を、無機物質主成分と同じ物質に変化させるステップと、を有することを特徴とする方法が開示されている。

特開２００３－３３５５８３号国際公開２００７／１１４２０８号特開２００８－６９０５９号特開２０１１－２４１０９９号特開２０１２－６２２２３号特開２０１２－８２０９５号

本発明の目的は、いずれも無機材料からなる第１部材と第２部材とを、炭化珪素により接合する方法を提供することである。

本発明は、以下に示される。
１．いずれも無機材料からなる第１部材と第２部材とを、炭化珪素により接合する方法であって、
上記第１部材及び上記第２部材の間に空隙を設けた状態でこれらを配置する工程（以下、「配置工程」ともいう）と、
不活性ガスの雰囲気下、金属珪素及び炭素を含む原料体にレーザーを照射して、炭化珪素の合成及び該炭化珪素の昇華ガスの生成を行って、該昇華ガスを上記空隙に供給し、上記第１部材の表面及び上記第２部材の表面の少なくとも一方から炭化珪素を結晶成長させ上記空隙を炭化珪素で満たし接合部を形成する工程（以下、「レーザー照射工程」ともいう）と、
を備えることを特徴とする、接合方法。
２．上記第１部材及び上記第２部材の少なくとも一方が予熱されている上記項１に記載の接合方法。

本発明の接合方法によれば、いずれも無機材料からなる２つの部材を炭化珪素により接合することができる。３つ以上の部材の場合も、互いに空隙を設けた状態で本発明の接合方法に供することにより、すべての部材を効率よく接合することができる。特に、複数の部材の少なくとも一方が予熱されている場合には、より効率よく接合することができる。
本発明の接合方法を利用して、半導体装置部材の成膜装置や露光装置、ディーゼルエンジンの排ガスフィルター等に利用可能な接合物（一体化物）を効率よく製造することができる。

本発明の接合方法を説明する図であり、（Ａ）は配置工程により配置された接合前の部材を示し、（Ｂ）はレーザー照射工程により得られた一体化物（接合物）を示す概略図である。本発明の接合方法の１例を示す概略図である。実施例１における接合方法を示す概略図である。実施例１で得られた一体化物（接合物）の破断面（研磨面）をＳＥＭで撮影して得られた画像である。

本発明は、いずれも無機材料からなる第１部材１及び第２部材２と、金属珪素及び炭素を含む原料体と、レーザー照射装置とを用いて、第１部材１及び第２部材２を、炭化珪素により接合して、図１（Ｂ）に示される一体化物（接合物）１０を作製する接合方法である。そして、本発明の接合方法は、図２及び図３に示すように、第１部材１及び第２部材２の間に空隙５を設けた状態でこれらを配置する工程（配置工程）と、金属珪素及び炭素を含む原料体２０にレーザーを照射して、炭化珪素の合成及び炭化珪素の昇華ガス２５の生成を行って、昇華ガス２５を空隙５に供給し、第１部材１の表面（第２部材に面する表面：被接合面）及び第２部材２の表面（第１部材に面する表面：被接合面）の少なくとも一方から炭化珪素を結晶成長させ空隙５を炭化珪素で満たし接合部８を形成し、図１（Ｂ）に示される一体化物（接合物）１０を得る工程（レーザー照射工程）とを備える。尚、本発明においては、図１の接合形態、即ち、第１部材１及び第２部材２の合計２つの部材の接合に限定されるものではなく、合計３つ以上の部材の接合も可能である。

第１部材１及び第２部材２を構成する無機材料は、特に限定されず、金属、合金、セラミックス（繊維強化セラミックスを含む）等のいずれであってもよい。また、第１部材１及び第２部材２の構成材料は、互いに同一であっても、異なってもよい。
第１部材１及び第２部材２の形状は、特に限定されないが、例えば、第２部材２に面する第１部材１の表面（被接合面）、及び、第１部材１に面する第２部材２の表面（被接合面）の形態も、特に限定されない。これらの表面は、平らな表面、凹部を有する表面及び凸部を有する表面のいずれでもよい。

本発明に係る配置工程は、第１部材１及び第２部材２の間に空隙５を設けた状態でこれらを配置する工程である。空隙５は、レーザー照射工程により形成された炭化珪素の昇華ガス２５が供給されて第１部材１の表面及び第２部材２の表面の少なくとも一方から結晶成長した炭化珪素で満たされて接合部８となる領域である。
第１部材１及び第２部材２の間隔（長さ）は、通常、得られる一体化物１０の用途、サイズ等により、適宜、設定される。好ましい間隔（長さ）の上限は、３０μｍである。尚、この３０μｍより長い空隙５を設けた状態での接合も可能である。
第１部材１及び第２部材２は、通常、レーザー照射工程により形成された炭化珪素昇華ガス２５が円滑に空隙５に供給されるように配置される。

本発明に係るレーザー照射工程は、金属珪素及び炭素を含む原料体２０（後述）にレーザーを照射して、炭化珪素の合成及び炭化珪素の昇華ガス２５の生成を行って、昇華ガス２５を空隙５に供給し、第１部材１の表面及び第２部材２の表面の少なくとも一方から炭化珪素を結晶成長させ空隙５を炭化珪素で満たし接合部８を形成する工程である。図２及び図３は、本発明の接合方法、特に、レーザー照射工程を説明する概略図であり、原料体２０にレーザーを照射すると、原料体２０に含まれた金属珪素と炭素とが反応して炭化珪素が生成されるとほぼ同時に昇華ガスとなる。昇華ガス２５は原料体２０の表面近傍に滞留するが、第１部材１及び第２部材２の間の空隙５に供給されて、第１部材１及び第２部材２の２つの被接合面に接触すると、少なくとも一方の表面から炭化珪素の結晶成長が進行する。そして、第１部材１及び第２部材２の空隙５が結晶で満たされ第１部材１及び第２部材２が接合される。尚、図２及び図３の方法では、昇華ガス２５は、通常、第１部材１及び第２部材２の空隙５以外の周辺を滞留するため、第１部材１及び第２部材２の空隙５を形成する表面以外の表面で炭化珪素の結晶成長が起こることがある。これを抑制するために、また、昇華ガス２５がより高い温度の部材表面に接触したときに優れた結晶成長性を有することを考慮してこれを更に向上させるために、図２及び図３の方法では、空隙５に面する第１部材１（の特に被接合面）及び第２部材２（の特に被接合面）の少なくとも一方は予熱されていることが好ましい。

図２は、いずれも円柱状の第１部材１及び第２部材２を原料体２０の上方で水平方向に配置し、その後、原料体２０にレーザーを照射して生成させた昇華ガス２５を第１部材１及び第２部材２の間の空隙５に供給する説明図である。また、図３は、いずれも板状の第１部材１及び第２部材２を積み重ねた状態で原料体２０の上に載置し、その後、原料体２０にレーザーを照射して生成させた昇華ガス２５を第１部材１及び第２部材２の間の空隙５に供給する説明図である。
原料体２０にレーザーを照射すると、炭化珪素の生成にともなって、輻射熱が発生するため、図３の場合は、レーザー照射と同時に第１部材１及び第２部材２が予熱状態となる。一方、図２の場合は、原料体２０と、第１部材１及び第２部材２との距離により予熱効果が得られることがある。図２において、予熱手段を省略しているが、第１部材１の被接合面及び第２部材２の被接合面の少なくとも一方といった特定の部分を予熱するために、赤外線、レーザー、電子ビーム等の照射等を適用することができる。
尚、本発明は、図２及び図３に示される態様に限定されず、昇華ガス２５を第１部材１及び第２部材２の空隙５のみに供給する構成も好ましい態様であることはいうまでもない。

原料体２０に照射するレーザーとしては、炭化珪素の円滑な生成性及び昇華性の観点から、５００ｎｍ～１１μｍの波長のレーザーを用いることが好ましい。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯレーザー、Ｎｄ：ＹＬＦレーザー、チタンサファイアレーザー、炭酸ガスレーザー等を用いることができる。

レーザーの照射条件として、レーザー出力は、炭化珪素の円滑な生成性及び昇華性の観点から、好ましくは３００Ｗ／ｃｍ^２以上、より好ましくは３００～１０００Ｗ／ｃｍ^２、特に好ましくは３００～５００Ｗ／ｃｍ^２である。また、照射時間は、第１部材１及び第２部材２のサイズ等により、適宜、選択される。
また、原料体２０にレーザーを照射する場合、通常、密閉系で行われ、その雰囲気は、不活性ガス、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等であることが好ましい。

レーザーは、原料体２０の特定の位置のみに照射してよいし、広い面積に渡って照射してもよい。後者の場合、原料体２０を固定した状態でレーザーをスキャンさせながら若しくは光拡散レンズを介して光路を変化させながら照射する方法、又は、原料体２０を移動させながら、光路を固定したレーザーを照射する方法を適用することができる。

ここで、原料体２０について、説明する。この原料体２０は、金属珪素及び炭素を含み、炭化珪素の生成を阻害しない限りにおいて、更に、酸化物、窒化物、酸窒化物、炭化物、炭窒化物等の他の成分を含有することができる。本発明においては、上記原料体２０は、金属珪素粉末及び炭素粉末の混合物からなることが好ましい。

上記金属珪素粉末は、その純度が好ましくは９９％以上、より好ましくは９９．９％以上の粉末である。
上記金属珪素粉末の形状は、特に限定されず、いずれも中実体の、球状、楕円球状、多面体状、線状、板状、不定形状等とすることができる。
上記金属珪素粉末の平均粒子径は、特に限定されないが、好ましくは１００ｎｍ～１０００μｍ、より好ましくは１０００ｎｍ～１００μｍである。

上記原料体２０に含まれる炭素粉末は、金属不純物が除かれた、即ち、高純度化された炭素粉末が好ましく、天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末、フラーレン、カーボンナノチューブ等を用いることができる。
上記炭素粉末の平均粒子径は、特に限定されないが、好ましくは１０ｎｍ～１０００μｍ、より好ましくは５０ｎｍ～１０μｍである。

上記原料体２０に含まれる金属珪素粉末及び炭素粉末の含有割合（モル比）は、炭化珪素昇華ガス２５の生成効率の観点から、以下の通りである。炭素粉末の含有量は、金属珪素粉末の含有量を１モルとした場合に、好ましくは０．７～１．０モル、より好ましくは０．９～１．０モルである。

上記原料体２０は、上記のように、他の成分を含有することができる。この場合、他の成分の含有割合の上限は、金属珪素及び炭素の合計量に対して、通常、５０体積％である。

上記原料体２０の調製方法は、特に限定されず、複数種の粉末を均一混合物とするための、従来、公知の方法を適用することができる。本発明においては、乾式混合法が好ましい。

上記原料体２０としては、レーザー受光時における金属珪素及び炭素の高い反応性が得られることから、各原料粉末が近接する、例えば、塊状物等の形態を有することが好ましく、圧縮成形物の形態を有することが特に好ましい。

本発明により、例えば、図１（Ｂ）に示される接合部８を有する一体化物１０を製造することができるが、接合部８をより長くして、第１部材１と第２部材２とを接合するために、（あ）本発明に係る配置工程を行わず、はじめに、第１部材１のみを配置した状態で原料体２０へのレーザー照射を行って、第１部材１の被接合面のみにおいて炭化珪素を結晶成長させ、所望の厚さとなった後に、第２部材２を、その被接合面が第１部材１の炭化珪素膜に面するように且つ空隙を形成するように配置してレーザー照射を行う方法、（い）第１部材１の被接合面及び第２部材２の被接合面の両方に炭化珪素を結晶成長させ、所望の厚さとなった後に、両者の炭化珪素膜が面するように且つ空隙を形成するように配置してレーザー照射を行う方法等を適用することができる。

以下、実施例を挙げて、本発明の実施の形態を更に具体的に説明する。但し、本発明は、これらの実施例に何ら制約されるものではない。

実施例１
高純度化学研究所社製ケイ素粉末（平均粒径：２５μｍ）と、シグマアルドリッチ社製炭素粉末（平均粒径：１００ｎｍ）とを、モル比で１：１となるように秤量した後、これらを乳鉢で混合した。次いで、得られた混合粉末を、圧粉成形（成形圧：１０ＭＰａ）して１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍの原料成形体２０を作製した。
次いで、密閉空間中、窒素ガス雰囲気において、この原料成形体２０の上に載置した２枚のＳｉＣウエハー１，２（Ｃｒｅｅ社製、サイズ：１ｍｍ×１ｍｍ×０．５ｍｍ（厚さ））を重ねて載置した。このとき、わずかな隙間が生じ、その平均値は５０μｍであった。そして、原料成形体２０の表面に、その上方から波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザーを出力３００Ｗ／ｃｍ^２で１分間照射した（図３）。これにより、原料成形体２０から炭化珪素を合成及び昇華させて、密閉空間内に、約２分間に渡って、昇華ガス２５を２枚のウエハーの隙間に滞留させ、空隙５において炭化珪素を結晶成長させて、２枚のウエハーを一体化させた。尚、原料成形体２０へのレーザー照射と同時に原料成形体２０から輻射熱が発生してＳｉＣウエハー１，２の温度が高くなることを確認した。
その後、得られた一体化物を、その中央付近で裁断して、露出した断面を研磨し、走査型電子顕微鏡を用いて撮影した。図４は、断面画像であり、この図４から、２枚のウエハーの隙間が炭化珪素で接合されたことが分かる。

本発明は、いずれも無機材料、好ましくはセラミック材料からなる複数の部材を相互に接合する技術に利用することができる。例えば、炭化珪素部材どうしであれば、原子力の燃料棒の製造に、また、窒化アルミニウム部材どうしであれば、大型放熱基板の製造に有用である。

１：第１部材
２：第２部材
５：空隙
８：ＳｉＣ接合部
１０：一体化物（接合物）
２０：原料体（原料成形体）
２５：昇華ガス
３０：レーザー照射手段

Claims

いずれも無機材料からなる第１部材と第２部材とを、炭化珪素により接合する方法であって、
前記第１部材及び前記第２部材の間に空隙を設けた状態でこれらを配置する工程と、
不活性ガスの雰囲気下、金属珪素及び炭素を含む原料体にレーザーを照射して、炭化珪素の合成及び該炭化珪素の昇華ガスの生成を行って、該昇華ガスを前記空隙に供給し、前記第１部材の表面及び前記第２部材の表面の少なくとも一方から炭化珪素を結晶成長させ前記空隙を炭化珪素で満たし接合部を形成する工程と、
を備えることを特徴とする、接合方法。
前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方が予熱されている請求項１に記載の接合方法。