炭化珪素接合体およびその製造方法
【課題】炭化珪素材冶具等の炭化珪素接合体を低コストで製造することができる炭化珪素接合体およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】炭化珪素質焼結体１０同士を、接合部２０を介して接合した炭化珪素接合体１において、接合部２０は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を含むとともにＳｉＯ２を主成分として含むＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物からなる炭化珪素接合体１。
【解決手段】炭化珪素質焼結体１０同士を、接合部２０を介して接合した炭化珪素接合体１において、接合部２０は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を含むとともにＳｉＯ２を主成分として含むＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物からなる炭化珪素接合体１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素接合体およびその製造方法に関し、詳しくは、電子部品等を焼成する際に棚板等として用いられる炭化珪素接合体およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セラミックコンデンサ等の電子部品を多段積みにして焼成する場合には、焼成対象である被焼成物を載置する冶具として炭化珪素材冶具が用いられている。
【０００３】
一般的に、炭化珪素材冶具は、図３に示されるように、炭化珪素製の棚板と、この棚板上の周辺端部に棚板の表面中央部を囲むように載置された通常４個の炭化珪素製の側面板または棒体とからなり、全体が額縁状になっている。そして、炭化珪素材冶具の、棚板と、側面板または棒体（以下、「側面部材」という）とで囲まれて形成される凹部には、コンデンサ・チップ等の被焼成物が載置されるようになっている。なお、側面部材の棚板の表面からの高さは、棚板上に載置される被焼成物の高さより高くされる。このため、炭化珪素材冶具を多段積みして焼成することにより、多くの被焼成物を一度に焼成できるようになっている。
【０００４】
しかし、炭化珪素材冶具は、棚板と側面部材とが別部材であるため、多段積みの際に、棚板と側面部材とをいちいちセットしなければならず、煩雑である。
【０００５】
このため、近年、棚板と側面部材とが一体化した額縁状の炭化珪素材冶具が提案されている。この一体化した炭化珪素材冶具は、通常、炭化珪素の一軸加圧成形により額縁状に成形されたものであり、この炭化珪素材冶具を作製するために一軸加圧成形用の成形型の作製が必要となる。
【０００６】
ところで、被焼成物の焼成の良否や焼成品の製造効率は、炭化珪素材冶具の形状や大きさに影響されるため、炭化珪素材冶具には、焼成品に合った形状・大きさのものが必要である。たとえば、セラミックコンデンサ等の電子部品を焼成する場合には、電子部品の形状がメーカー毎に異なるため、電子部品の形状に対応した様々な形状の炭化珪素材冶具とその成形型を用意する必要がある。
【０００７】
しかし、炭化珪素材冶具の成形型の作製には大きなコストがかかる。このため、電子部品の形状に対応した様々な形状の炭化珪素材冶具を作製するために、様々な形状の成形型を作製する場合は、コストが非常に多くかかってしまう。
【０００８】
たとえば、焼成する対象が試験のための少量のサンプルである場合には、炭化珪素材冶具の成形型の作製による高いコストの回収が困難であるため、成形型を用いることが困難になる。
【０００９】
このように、従来、成形型の作製のコストが高いことから、多くの異なる形状の焼成品や少量生産の焼成品の焼成の用途で、一軸加圧成形で一体化した炭化珪素材冶具を用いることは困難であった。
【００１０】
これに対し、炭化珪素製の棚板と、炭化珪素製の側面部材とを、無機酸化物等の接着剤で接合して一体化した炭化珪素接合体からなる炭化珪素材冶具を用いることが検討されている。
【００１１】
この炭化珪素接合体からなる炭化珪素材冶具は、炭化珪素焼結体と、炭化珪素焼結体同士を接合する接合部とからなり、一軸加圧成形で一体化した炭化珪素材冶具よりも安価で、かつ炭化珪素焼結体と接合部との接合強度が高いことが要求される。
【００１２】
たとえば、特許文献１（特開２００１−１６３６８０号公報）には、常圧焼結炭化珪素焼結体同士の接合面間にＳｉを介在させ、Ｓｉの融点以上の温度で熱処理する炭化珪素接合体の製造方法が記載されている。
【００１３】
また、特許文献２（特開２００７−１５３７００号公報）には、炭化珪素多孔質セラミックスの内外表面に酸化膜を形成し、該酸化膜形成多孔質セラミックスを他の炭化珪素セラミックス材に、シリコン系ろう材を用いて接合させる炭化珪素接合体の製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−１６３６８０号公報
【特許文献２】特開２００７−１５３７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、シリコン系ろう材は粘性が低いため炭化珪素の気孔に吸い込まれてしまい接合できない恐れがある。また、炭化珪素接合体を電子部品等を焼成する際に用いる治具として使用した場合、被焼成物を載積させて焼成した際にシリコン系ろう材の融点と焼成温度とが近いため、接合部が溶けてしまい、被焼成物または電子部品等の焼成品が破損する恐れがある。
【００１６】
このため、シリコン系ろう材以外のろう材を用いて炭化珪素接合体を製造する方法が要望されている。
【００１７】
ところで、炭化珪素接合体を構成する炭化珪素焼結体には、大きく分けて、常圧焼結炭化珪素、反応焼結炭化珪素、および再結晶炭化珪素がある。
【００１８】
常圧焼結炭化珪素は、たとえば、β相炭化珪素粉末に、硼素、炭素等の焼結助剤を加え、成形し、寸法収縮を伴なう焼結をさせたものである。常圧焼結炭化珪素は、緻密で見掛け気孔率が数％以下と低く高密度である。
【００１９】
このため、常圧焼結炭化珪素を用いて炭化珪素接合体を製造する場合は、接合部を構成する接着剤としてＳｉを用い、１４１０℃以上でＳｉを溶融させることにより、常圧焼結炭化珪素同士がＳｉで接合されるため、炭化珪素接合体を製造することができる。しかし、常圧焼結炭化珪素は、高価であるという問題がある。
【００２０】
反応焼結炭化珪素は、たとえば、炭化珪素と炭素とを含む成形体を、Ｓｉと接触させつつ熱処理することにより、炭化珪素二次粒子を生成させて焼結させたものである。反応焼結炭化珪素は、常圧焼結炭化珪素よりも見掛け気孔率が高く、気孔が多く存在する。
【００２１】
また、再結晶炭化珪素は、高温で焼成して炭化珪素粒子接触部分のネックを成長させることにより、寸法収縮を伴わない焼結をさせて得られたものである。再結晶炭化珪素は、常圧焼結炭化珪素や反応焼結炭化珪素よりも安価であるため好ましい。しかし、再結晶炭化珪素は、反応焼結炭化珪素よりもさらに見掛け気孔率が高く、気孔がより多く存在する。
【００２２】
このため、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素を用いて炭化珪素接合体を製造する場合において、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素を接着面の気孔を減らす処理をせずにそのまま用いるときは、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素の気孔のために、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素同士をＳｉで接合することが困難になる。具体的には、接着剤であるＳｉは１４１０℃以上に加熱されて溶融すると流動性が高くなる。そして、この流動性の高いＳｉは、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素の気孔に吸い込まれて接合部のＳｉ量が実質的に減少するため、接合部による反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素同士の接合不良が生じ、炭化珪素接合体の作製が困難になる。
【００２３】
そこで、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素を用いて炭化珪素接合体を製造するときは、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素の接着面の気孔を減らす処理が必要となる。しかし、接着面の気孔を減らす処理を行うと、工程が増加するため、炭化珪素接合体の製造コストが高くなるという問題がある。
【００２４】
このように、接着剤としてＳｉを用いて炭化珪素材冶具等の炭化珪素接合体を製造する場合、常圧焼結炭化珪素、反応焼結炭化珪素および再結晶炭化珪素のいずれを用いた場合でも炭化珪素接合体の製造コストが高くなるという問題があった。
【００２５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、炭化珪素材冶具等の炭化珪素接合体を低コストで製造することができる炭化珪素接合体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】
【００２６】
本発明の炭化珪素接合体およびその製造方法は、炭化珪素焼結体として比較的安価な再結晶炭化珪素を用いるとともに、接合部に用いる接着剤として溶融時にＳｉよりも粘性が高い特定の酸化物を用いれば、再結晶炭化珪素を用いた炭化珪素接合体を低コストで製造することができることを見出して完成されたものである。
【００２７】
本発明の炭化珪素接合体は、上記問題点を解決するものであり、炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合した炭化珪素接合体において、前記接合部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を含むとともにＳｉＯ２を主成分として含むＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物からなることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の炭化珪素接合体の製造方法は、上記問題点を解決するものであり、炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合して炭化珪素接合体を製造する炭化珪素接合体の製造方法において、前記接合部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３および水を含むとともにＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３のうちＳｉＯ２を主成分として含む接着剤を、前記炭化珪素質焼結体の接着面に塗布して接着剤層を形成し、この接着剤層を熱処理して形成されたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の炭化珪素接合体およびその製造方法によれば、再結晶炭化珪素を用いた炭化珪素接合体を低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例１の炭化珪素接合体のＳＥＭによる断面写真（倍率２００倍）。
【図２】実施例１の炭化珪素接合体のＳＥＭによる拡大した断面写真（倍率８５００倍）。
【図３】本発明の炭化珪素接合体で作製した額縁状の炭化珪素材冶具の一例。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
［炭化珪素接合体］
本発明の炭化珪素接合体は、炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合した炭化珪素接合体である。
【００３２】
（炭化珪素質焼結体）
炭化珪素質焼結体は、炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分として含む焼結体である。炭化珪素質焼結体は、炭化珪素を、通常９５質量％以上、好ましくは９８質量％以上、さらに好ましくは９９質量％〜１００質量％含む。炭化珪素質焼結体は、炭化珪素以外の成分の含有量が少ないほど、見掛け気孔率が高くなるため好ましい。
【００３３】
炭化珪素質焼結体は、炭化珪素以外の成分を含むとき、この炭化珪素以外の成分は、通常、Ｓｉである。
【００３４】
炭化珪素質焼結体は、見掛け気孔率が、通常５〜４０％、好ましくは１０〜４０％、さらに好ましくは１８〜３０％である。
【００３５】
炭化珪素質焼結体の見掛け気孔率が上記範囲内にあると、炭化珪素接合体が焼成用の炭化珪素材冶具として用いられるときに、炭化珪素質焼結体が高密度すぎないことから、スポーリングによる割れが生じ難いため好ましい。また、炭化珪素質焼結体の見掛け気孔率が上記範囲内にあると、炭化珪素質焼結体の強度が十分に大きいことから、反りや割れが生じ難いため好ましい。
【００３６】
一方、炭化珪素質焼結体の見掛け気孔率が５％未満であると、炭化珪素接合体が焼成用の炭化珪素材冶具として用いられるときに、炭化珪素質焼結体が高密度すぎ、スポーリングによる割れが生じるおそれがある。
【００３７】
また、炭化珪素質焼結体の見掛け気孔率が４０％を超えると、炭化珪素接合体が焼成用の炭化珪素材冶具として用いられるときに、炭化珪素質焼結体の強度が不十分になり、反りや割れが生じるおそれがある。
【００３８】
炭化珪素質焼結体は、再結晶炭化珪素からなると、安価であるため好ましい。また、再結晶炭化珪素からなる炭化珪素質焼結体は、一般的に、炭化珪素以外の成分の含有量が少なく、かつ、見掛け気孔率が上記の５〜４０％を満たすことが多いため、これらの点でも好ましい。
【００３９】
炭化珪素質焼結体は、公知の方法により製造することができる。炭化珪素質焼結体は、接着面の気孔を減らす処理を行わないまま、炭化珪素接合体を作製する原料として用いられる。
【００４０】
（接合部）
接合部は、炭化珪素質焼結体同士を接合するものである。接合部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を含むとともにＳｉＯ２を主成分として含むＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物からなる。
【００４１】
ここで、接合部がＳｉＯ２を主成分として含むとは、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物中のＳｉＯ２の含有量が最大であることを意味する。
【００４２】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、その一部が、炭化珪素質焼結体との接合面における炭化珪素質焼結体の表面の気孔の内部に適度に食い込んでおり、アンカー効果により、炭化珪素質焼結体と接合部とが強固に接合されている。
【００４３】
なお、炭化珪素質焼結体の表面には、通常、酸化膜であるＳｉＯ２層が形成されているが、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、炭化珪素質焼結体の接合面に存在するＳｉＯ２層と強固に固着する。
【００４４】
このため、本発明の炭化珪素接合体では、上記アンカー効果による物理的な接合力に加え、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物と炭化珪素質焼結体のＳｉＯ２層との間の化学的な接合力も加わることから、炭化珪素質焼結体と接合部とが非常に強固に接合されている。
【００４５】
また、本発明の接合部のＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の熱膨張率は、炭化珪素質焼結体の熱膨張率に近い。このため、本発明の炭化珪素接合体は、加熱、冷却等の熱履歴が繰り返し与えられても、炭化珪素質焼結体と接合部とが剥離し難い。
【００４６】
＜接合部におけるＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量＞
ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、通常、ＳｉＯ２を６５〜９０質量％含むとともに、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を合計で１０〜３５質量％含む。
【００４７】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、ＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量が上記範囲内であると、融点が適度に高くなる。
【００４８】
このように、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、融点が適度に高いことにより、接合部を作製する際にガラス粘性が高くなり接合部の接合強度が高くなるとともに、融点が高すぎないことにより、接合部がスポーリングで割れ難くなる。
【００４９】
すなわち、接合部を作製する際に、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物のガラス粘性が適度に高いと、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物が炭化珪素質焼結体の気孔に過度に吸い込まれることが抑制され、この結果、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物量が十分に存在し、接合部の接合強度が高くなる。
【００５０】
また、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の融点が高すぎると、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物が高温まで硬い状態で存在するため、接合部がスポーリングで割れ易くなる。しかし、本発明のＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は融点が高すぎず、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物が高温領域で適度に軟化するため、接合部にスポーリングが生じ難い。
【００５１】
一方、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、ＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量が上記範囲外であると、融点が低くなりすぎて接合部の接合強度が低下したり、融点が高くなりすぎて接合部にスポーリングが生じたりするおそれがある。
【００５２】
すなわち、接合部を作製する際に、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物のガラス粘性が低すぎると、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の多くが炭化珪素質焼結体の気孔に吸い込まれて、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物量が減少するため、接合部の接合強度が低下するおそれがある。
【００５３】
また、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の融点が高すぎると、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物が高温まで硬い状態で存在するため、接合部がスポーリングで割れ易くなる。
【００５４】
＜接合部におけるＡｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比＞
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が、通常２０：８０〜６０：４０の範囲内にある。
【００５５】
すなわち、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との合計量を１００質量％とした場合において、通常、Ａｌ２Ｏ３が２０〜６０質量％かつＹ２Ｏ３が８０〜４０質量％の関係を満たしている。
【００５６】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲内にあると、融点が適度に高くなる。
【００５７】
このため、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲内にあると、融点が適度に高いことにより、接合部を作製する際にガラス粘性が高くなり接合部の接合強度が高くなるとともに、融点が高すぎないことにより、接合部がスポーリングで割れ難くなる。
【００５８】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物において、融点が適度に高いことにより接合部を作製する際にガラス粘性が高くなり接合部の接合強度が高くなるとともに、融点が高すぎないことにより接合部がスポーリングで割れ難くなる理由は、上記と同じであるため、説明を省略する。
【００５９】
一方、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲外であると、融点が低くなりすぎて接合部の接合強度が低下したり、融点が高くなりすぎて接合部にスポーリングが生じたりするおそれがある。
【００６０】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物において、融点が低くなりすぎて接合部の接合強度が低下したり、融点が高くなりすぎて接合部にスポーリングが生じたりするおそれがある理由は、上記と同じであるため、説明を省略する。
【００６１】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、ＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量が上記範囲内であるとともに、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲内にあると、より好ましい。
【００６２】
すなわち、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、ＳｉＯ２を６５〜９０質量％含み、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を合計で１０〜３５質量％含むとともに、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が、２０：８０〜６０：４０の範囲内にあると、より好ましい。
【００６３】
＜接合部におけるＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の微視的な構造＞
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、通常、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部とＹ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部とを含む。
【００６４】
ここで、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部とは、ＳｉおよびＡｌを含む非晶質酸化物部を意味する。また、Ｙ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部とは、ＹおよびＳｉを含む酸化物結晶を意味する。
【００６５】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物では、通常、特定の形状を有さないＳｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部中に、塊状のＹ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部が取り込まれた状態になっている。
【００６６】
＜ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の融点＞
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、融点が１４００〜１５００℃である。この融点は、セラミックコンデンサ等の電子部品の焼成温度よりも高いため、本発明の炭化珪素接合体を焼成冶具として用いて電子部品等を焼成しても、炭化珪素接合体の接合部が溶けることがない。
【００６７】
＜接合部の厚み＞
接合部は、厚みが、通常１μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上２０μｍ以下である。
【００６８】
接合部の厚みが、上記範囲内にあると、接合部の接合強度が高いため好ましい。一方、接合部の厚みが、１μｍ未満であると、接合部の接合強度が不十分になるおそれがある。また、接合部の厚みが、２００μｍを超えると、接合部に亀裂が生じて剥離するおそれがある。
【００６９】
本発明の炭化珪素接合体は、たとえば、以下に説明する炭化珪素接合体の製造方法を用いて製造することができる。
【００７０】
［炭化珪素接合体の製造方法］
本発明の炭化珪素接合体の製造方法は、炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合して炭化珪素接合体を製造する炭化珪素接合体の製造方法である。
【００７１】
炭化珪素質焼結体としては、本発明の炭化珪素接合体で説明したものと同じものが用いられる。
【００７２】
本発明の炭化珪素接合体の製造方法において、接合部は、接着剤を、炭化珪素質焼結体の接着面に塗布して接着剤層を形成し、この接着剤層を熱処理することにより形成される。
【００７３】
（接着剤）
接着剤は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３および水を含むとともにＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３のうちＳｉＯ２を主成分として含むものである。
【００７４】
ここで、接着剤がＳｉＯ２を主成分として含むとは、接着剤に含まれるＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計量中において、ＳｉＯ２の含有量が最大であることを意味する。
【００７５】
＜接着剤におけるＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量＞
接着剤は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計量を１００質量％としたときに、ＳｉＯ２を６５〜９０質量％含むとともに、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を合計で１０〜３５質量％含む
【００７６】
接着剤は、ＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量が上記範囲内であると、融点が適度に高くなる。
【００７７】
このように、接着剤は、融点が適度に高いことにより、接着剤から接合部を作製する際に接着剤のガラス粘性が高くなり接合部の接合強度が高くなるとともに、融点が高すぎないことにより、得られる接合部がスポーリングで割れ難くなる。
【００７８】
一方、接着剤は、ＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量が上記範囲外であると、融点が低くなりすぎて得られる接合部の接合強度が低下したり、融点が高くなりすぎて得られる接合部にスポーリングが生じたりするおそれがある。
【００７９】
＜接着剤におけるＡｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比＞
接着剤は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が、通常２０：８０〜６０：４０の範囲内にある。
【００８０】
すなわち、接着剤は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との合計量を１００質量％とした場合において、通常、Ａｌ２Ｏ３が２０〜６０質量％かつＹ２Ｏ３が８０〜４０質量％の関係を満たしている。
【００８１】
接着剤は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲内にあると、融点が適度に高くなる。
【００８２】
このため、接着剤は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲内にあると、融点が適度に高いことにより、接着剤から接合部を作製する際にガラス粘性が高くなり接合部の接合強度が高くなるとともに、融点が高すぎないことにより、得られる接合部がスポーリングで割れ難くなる。
【００８３】
一方、接着剤は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲外であると、融点が低くなりすぎて得られる接合部の接合強度が低下したり、融点が高くなりすぎて接合部にスポーリングが生じたりするおそれがある。
【００８４】
接着剤は、ＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量が上記範囲内であるとともに、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲内にあると、より好ましい。
【００８５】
すなわち、接着剤は、ＳｉＯ２を６５〜９０質量％含み、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を合計で１０〜３５質量％含むとともに、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が、２０：８０〜６０：４０の範囲内にあると、より好ましい。
【００８６】
＜接着剤におけるＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の粒径＞
接着剤に含まれるＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３は、接着剤を炭化珪素質焼結体の接着面に塗布しやすいように、粉末状であることが好ましい。
【００８７】
また、接着剤に含まれるＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３は、平均結晶粒径Ｄ５０が、通常５０μｍ以下、好ましくは１〜２０μｍ、さらに好ましくは３〜８μｍである。平均結晶粒径Ｄ５０とは、原料をマイクロトラックを使用して測定した体積積算である。
【００８８】
ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の平均結晶粒径Ｄ５０が、この範囲内にあると、接着剤を炭化珪素質焼結体の接着面に塗布しやすいとともに、接着剤を熱処理して得られるＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物に酸化物組成のばらつきに起因する剥離が生じ難くなるため好ましい。
【００８９】
一方、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の平均結晶粒径Ｄ５０が、５０μｍを超えると、接着剤を熱処理して得られるＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物に酸化物組成のばらつきに起因する剥離が生じやすくなる。
【００９０】
接着剤は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３および水を混合することにより作製することができる。
【００９１】
接着剤の比重は、１．４６〜１．４８ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。
【００９２】
接着剤は、ドクターブレード法や刷毛等を用いて、炭化珪素質焼結体の接合面に塗布することができる。
【００９３】
なお、従来用いられているＳｉ接着剤は通常板状のＳｉの固体結晶である。このため、Ｓｉ接着剤を用いて炭化珪素接合体を製造するためには、炭化珪素質焼結体間に板状のＳｉ接着剤を配置する必要があるため、熱処理前のパーツセットが困難であり、長時間を要していた。
【００９４】
これに対し、本発明の接着剤は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の粉末を水で溶いたものであるため、炭化珪素質焼結体の接着面に接着剤を塗布するだけで容易に炭化珪素質焼結体同士を仮に接着することができる。このため、本発明の接着剤によれば、熱処理前のパーツセットが容易であり、短時間で済む。
【００９５】
また、本発明の接着剤は、接着剤の溶融時に従来のＳｉ接着剤よりも粘性が高いため、炭化珪素質焼結体の気孔に吸収される量が適度であり、また吸収される量の調整も容易である。
【００９６】
さらに、本発明の接着剤を熱処理して得られるＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の熱膨張率は、炭化珪素質焼結体の熱膨張率に近い。このため、本発明の炭化珪素接合体は、加熱、冷却等の熱履歴が繰り返し与えられても、炭化珪素質焼結体と接合部とが剥離し難い。
（接着剤層の厚み）
【００９７】
接着剤層は、厚みが、通常１μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上２０μｍ以下である。
【００９８】
接着剤層の厚みが、上記範囲内にあると、接着剤層を熱処理して得られる接合部の接合強度が高いため好ましい。
【００９９】
一方、接着剤層の厚みが、１μｍ未満であると、接着剤の一部または全部が炭化珪素質焼結体の気孔に吸収されて、得られる接合部の接合強度が不十分になるおそれがある。また、接着剤層の厚みが、２００μｍを超えると、得られる接合部に亀裂が生じて剥離するおそれがある。
【０１００】
接着剤層は、炭化珪素質焼結体とともに酸化炉等で熱処理されることにより、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物を生成し、本発明の炭化珪素接合体の接合部となる。
【０１０１】
熱処理の温度は、通常１４００〜１７００℃、好ましくは１４００〜１６００℃、さらに好ましくは１４５０〜１５５０℃である。
【０１０２】
また、熱処理の時間は、通常０．５〜５時間、好ましくは１〜３時間である。
【０１０３】
本発明の炭化珪素接合体は、炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合して得られる。本発明の炭化珪素接合体は、たとえば、炭化珪素材冶具として用いられる。
【０１０４】
図３は、本発明の炭化珪素接合体で作製した額縁状の炭化珪素材冶具の一例である。具体的には、図３（Ａ）は、炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合する前の状態を示し、図３（Ｂ）は、炭化珪素質焼結体同士を接合部を介して接合して得られた額縁状の炭化珪素材冶具を示す。
【０１０５】
はじめに、図３（Ａ）に示されるように、平板状の炭化珪素質焼結体（以下、「平板状炭化珪素質焼結体」という）３０Ａと、断面が矩形の棒状の炭化珪素質焼結体（以下、「棒状炭化珪素質焼結体」という）３０Ｂとを用意する。
【０１０６】
次に、棒状炭化珪素質焼結体３０Ｂの側面の一面に、接合部を形成するための図示しない接着剤を塗布し、この棒状炭化珪素質焼結体３０Ｂの接着剤を塗布した面を、平板状炭化珪素質焼結体３０Ａの表面上の周囲に載置して、平板状炭化珪素質焼結体３０Ａと棒状炭化珪素質焼結体３０Ｂとが弱く接着した仮接着体を作製する。
【０１０７】
さらに、この仮接着体を、接合部を形成可能な温度、たとえば、１４００〜１７００℃で熱処理すると、図３（Ｂ）に示されるような額縁状の炭化珪素材冶具２が得られる。
【実施例】
【０１０８】
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されて解釈されるものではない。
【０１０９】
［実施例１］
（炭化珪素接合体の作製）
はじめに、見掛け気孔率が２５％で断面が矩形の棒状の再結晶炭化珪素（以下、「棒状試料」という）と、見掛け気孔率が２５％で平板状の再結晶炭化珪素（以下、「平板試料」という）と、を用意した。平板試料は平面に置いた。
また、平均結晶粒径Ｄ５０が５μｍのＳｉＯ２粉末、平均結晶粒径Ｄ５０が０．５μｍのＡｌ２Ｏ３粉末、および平均結晶粒径Ｄ５０が３μｍのＹ２Ｏ３粉末を用意した。これらのＳｉＯ２粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末およびＹ２Ｏ３粉末を、表１の接合部の酸化物の組成比と同じ質量比率になるように採取、混合し、水に溶いて、比重が１．４７±０．０１ｇ/ｃｍ３の接着剤を作製した。
次に、棒状試料の側面の一つを選び、この側面に接着剤を塗布した。そして、接着剤を塗布した面を下向きにして、棒状試料を平板試料の上側表面上に載置した。これにより、平板試料と棒状試料とが接着剤からなる接着剤層を介して弱く接着した仮接着体が得られた。
この仮接着体を酸化雰囲気とした酸化炉中、１５００℃で２時間熱処理を行ったところ、平板試料と棒状試料とが接合部を介して接合された炭化珪素接合体が得られた。
【０１１０】
（炭化珪素接合体の評価）
＜接合部＞
得られた炭化珪素接合体について、接合部で接合されているか否かを目視テスト、持ち上げテスト、および押圧テストにより確認した。
目視テストでは、炭化珪素接合体の側面を観察して、接合部、または接合部と炭化珪素質焼結体との界面に剥離またはクラックが存在するか否かを調べた。
持ち上げテストでは、炭化珪素接合体を一方の炭化珪素質焼結体を上にして平坦面に載置した状態で一方の炭化珪素質焼結体のみをつまんで持ち上げたときに、接合部、または接合部と炭化珪素質焼結体との界面で剥離するか否かを調べた。
押圧テストでは、炭化珪素接合体を一方の炭化珪素質焼結体を上にして平坦面に載置した状態で一方の炭化珪素質焼結体の表面を人差し指で軽く押圧したときに、接合部、または接合部と炭化珪素質焼結体との界面で剥離するか否かを調べた。
目視テスト、持ち上げテストおよび押圧テストのいずれか１個のテストで剥離が明確に観察されたときは、接合部が剥離していると判断した。なお、目視テストでクラックのみが観察されたときは、持ち上げテストおよび押圧テストの結果で接合部の剥離の有無を判断した。
また、得られた炭化珪素接合体の側面について、高倍率（２００倍）のＣＣＤ顕微鏡で接合部を観察し、接合部の厚みを測定した。接合部の厚みは、測定点を５箇所選んでそれぞれ測定し、平均値を算出した。
【０１１１】
さらに、得られた炭化珪素接合体について、接合部を構成する物質の種類を調べた。ＣＣＤ顕微鏡を用いて炭化珪素接合体の表面を倍率２００倍で観察した範囲内では、接合部は、一様な組成の酸化物になっていると観察された。このため、接合部を構成する酸化物は、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｙ２Ｏ３酸化物になっていると判断された。
【０１１２】
また、得られた炭化珪素接合体について、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：走査型電子顕微鏡）による断面写真を撮影した。断面写真の撮影は、接合部を構成するＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｙ２Ｏ３酸化物の微視的な構造を調べる目的で行った。
具体的には、炭化珪素接合体の接合部の断面を、ＳＥＭを用いて倍率２００倍と倍率８５００倍で観察した。図１は、実施例１の炭化珪素接合体のＳＥＭによる断面写真（倍率２００倍）である。図２は、実施例１の炭化珪素接合体のＳＥＭによる拡大した断面写真（倍率８５００倍）である。
この結果、図１に示されるように、倍率２００倍では、炭化珪素接合体１は、炭化珪素質焼結体１０同士が接合部２０を介して接合されており、接合部２０は、一様な組成の酸化物になっているように見えた。
一方、図２に示されるように、倍率８５００倍では、接合部２０は、微視的に見ると、一様な組成の酸化物でなく、特定の形状を有さないＳｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部２１中に、塊状のＹ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部２２が取り込まれた状態になっていることが分かった。
なお、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部２１とＹ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部２２の組成は、ＳＥＭに併設されたＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ ＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｓｅｒ：電子線マイクロアナライザー）を用いた組成定性分析で判明したものである。
また、図１に示されるように、炭化珪素接合体１の炭化珪素質焼結体１０は、炭化珪素質部１１中に気孔１２が形成されたものになっていることが確認された。
【０１１３】
表１に、接合部の厚み、接合部を構成する物質の種類、および接合部の酸化物の組成比を示す。
【０１１４】
【表１】
【０１１５】
＜繰り返し熱処理試験＞
得られた炭化珪素接合体について、繰り返し熱処理試験を行った。
はじめに、得られた炭化珪素接合体から評価用試料を切り出した。
次に、この評価用試料を、熱処理装置内に配置し、水蒸気が含まれ、かつ、酸素分圧が１０−９ＭＰａの雰囲気下、１２５０℃で１０時間熱処理した。熱処理終了後、評価用試料を熱処理装置から取り出し、大気中に放置して常温（２５℃）まで除冷した。
この熱処理と除冷処理とを合わせた加熱冷却処理を１サイクルとし、この加熱冷却処理を５０サイクル繰り返した。
加熱冷却処理を５０サイクル繰り返した後に、評価用試料の接合部の剥離の有無を調べた。
表２に、繰り返し熱処理試験の結果を示す。
実施例１の炭化珪素接合体の繰り返し熱処理試験結果は、繰り返し熱処理試験５０回でも接合部に剥離がなく、非常に良いことが分かった。
【０１１６】
【表２】
【０１１７】
［実施例２〜２７］
（炭化珪素接合体の作製）
ＳｉＯ２粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末およびＹ２Ｏ３粉末を、表１の接合部の酸化物の組成比と同じ質量比率になるように採取した以外は、実施例１と同様にして、接着剤を作製し、この接着剤を用いて炭化珪素接合体を作製した。
【０１１８】
（炭化珪素接合体の評価）
＜接合部＞
得られた炭化珪素接合体について、実施例１と同様にして、接合部の接合の有無、接合部の厚み、および接合部を構成する物質の種類を調べ、ＳＥＭによる断面写真を撮影した。
実施例２〜２７の炭化珪素接合体は、接合部が接合されていることが確認された。
また、実施例２〜２７の炭化珪素接合体は、接合部を構成する酸化物が、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｙ２Ｏ３酸化物になっていることが分かった。
さらに、実施例２〜２７の炭化珪素接合体は、接合部を構成するＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｙ２Ｏ３酸化物が、微視的にみると、特定の形状を有さないＳｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部中に、塊状のＹ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部が取り込まれた状態になっていることが分かった。
表１に、接合部の厚み、接合部を構成する物質の種類、および接合部の酸化物の組成比を示す。
【０１１９】
＜繰り返し熱処理試験＞
得られた炭化珪素接合体について、実施例１と同様にして、繰り返し熱処理試験を行った。
表２に、繰り返し熱処理試験の結果を示す。
実施例２〜２１の炭化珪素接合体の繰り返し熱処理試験結果は、繰り返し熱処理試験５０回でも接合部が剥離することがなく、非常に良いことが分かった。
実施例２２〜２５の炭化珪素接合体の繰り返し熱処理試験結果は、繰り返し熱処理試験２回目で接合部が剥離することが分かった。
実施例２６および２７の炭化珪素接合体の繰り返し熱処理試験結果は、繰り返し熱処理試験１０回目で接合部が剥離することが分かった。
【０１２０】
［比較例１］
（炭化珪素接合体の作製）
ＳｉＯ２粉末およびＡｌ２Ｏ３粉末を、表１の接合部の酸化物の組成比と同じ質量比率になるように採取した以外は、実施例１と同様にして、接着剤を作製し、この接着剤を用いて炭化珪素接合体を作製した。
【０１２１】
（炭化珪素接合体の評価）
＜接合部＞
得られた炭化珪素接合体について、実施例１と同様にして、接合部の接合の有無、接合部の厚み、および接合部を構成する物質の種類を調べた。
比較例１の炭化珪素接合体は、接合部が剥離しており、平板試料と棒状試料とが接合されていないことが確認された。
また、比較例１の炭化珪素接合体は、接合部を構成する酸化物が、全体的に、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２酸化物になっていることが分かった。
表１に、接合部の厚み、接合部を構成する物質の種類、および接合部の酸化物の組成比を示す。
なお、比較例１の炭化珪素接合体は、接合部が接合されていないため、繰り返し熱処理試験を行わなかった。
【０１２２】
［比較例２］
（炭化珪素接合体の作製）
接着剤として厚み０．８ｍｍの固体のＳｉ片を用いた以外は実施例１と同様にして、炭化珪素接合体を作製した。
【０１２３】
（炭化珪素接合体の評価）
＜接合部＞
得られた炭化珪素接合体について、実施例１と同様にして、接合部の接合の有無、および接合部の厚みを調べた。
比較例２の炭化珪素接合体は、接合部となるべきＳｉが平板試料および棒状試料の気孔に吸収された結果、接合部の厚みが０μｍになっており、平板試料と棒状試料とが接合されていないことが確認された。
表１に、接合部の厚み、および接合部を構成する物質の種類を示す。
なお、比較例２の炭化珪素接合体は、接合部が接合されていないため、繰り返し熱処理試験を行わなかった。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明の炭化珪素接合体は、たとえば、炭化珪素材冶具に用いることができる。
【符号の説明】
【０１２５】
１ 炭化珪素接合体
２ 炭化珪素材冶具
１０ 炭化珪素質焼結体
１１ 炭化珪素質部
１２ 気孔
２０ 接合部
２１ Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部
２２ Ｙ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部
３０Ａ 平板状炭化珪素質焼結体
３０Ｂ 棒状炭化珪素質焼結体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素接合体およびその製造方法に関し、詳しくは、電子部品等を焼成する際に棚板等として用いられる炭化珪素接合体およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セラミックコンデンサ等の電子部品を多段積みにして焼成する場合には、焼成対象である被焼成物を載置する冶具として炭化珪素材冶具が用いられている。
【０００３】
一般的に、炭化珪素材冶具は、図３に示されるように、炭化珪素製の棚板と、この棚板上の周辺端部に棚板の表面中央部を囲むように載置された通常４個の炭化珪素製の側面板または棒体とからなり、全体が額縁状になっている。そして、炭化珪素材冶具の、棚板と、側面板または棒体（以下、「側面部材」という）とで囲まれて形成される凹部には、コンデンサ・チップ等の被焼成物が載置されるようになっている。なお、側面部材の棚板の表面からの高さは、棚板上に載置される被焼成物の高さより高くされる。このため、炭化珪素材冶具を多段積みして焼成することにより、多くの被焼成物を一度に焼成できるようになっている。
【０００４】
しかし、炭化珪素材冶具は、棚板と側面部材とが別部材であるため、多段積みの際に、棚板と側面部材とをいちいちセットしなければならず、煩雑である。
【０００５】
このため、近年、棚板と側面部材とが一体化した額縁状の炭化珪素材冶具が提案されている。この一体化した炭化珪素材冶具は、通常、炭化珪素の一軸加圧成形により額縁状に成形されたものであり、この炭化珪素材冶具を作製するために一軸加圧成形用の成形型の作製が必要となる。
【０００６】
ところで、被焼成物の焼成の良否や焼成品の製造効率は、炭化珪素材冶具の形状や大きさに影響されるため、炭化珪素材冶具には、焼成品に合った形状・大きさのものが必要である。たとえば、セラミックコンデンサ等の電子部品を焼成する場合には、電子部品の形状がメーカー毎に異なるため、電子部品の形状に対応した様々な形状の炭化珪素材冶具とその成形型を用意する必要がある。
【０００７】
しかし、炭化珪素材冶具の成形型の作製には大きなコストがかかる。このため、電子部品の形状に対応した様々な形状の炭化珪素材冶具を作製するために、様々な形状の成形型を作製する場合は、コストが非常に多くかかってしまう。
【０００８】
たとえば、焼成する対象が試験のための少量のサンプルである場合には、炭化珪素材冶具の成形型の作製による高いコストの回収が困難であるため、成形型を用いることが困難になる。
【０００９】
このように、従来、成形型の作製のコストが高いことから、多くの異なる形状の焼成品や少量生産の焼成品の焼成の用途で、一軸加圧成形で一体化した炭化珪素材冶具を用いることは困難であった。
【００１０】
これに対し、炭化珪素製の棚板と、炭化珪素製の側面部材とを、無機酸化物等の接着剤で接合して一体化した炭化珪素接合体からなる炭化珪素材冶具を用いることが検討されている。
【００１１】
この炭化珪素接合体からなる炭化珪素材冶具は、炭化珪素焼結体と、炭化珪素焼結体同士を接合する接合部とからなり、一軸加圧成形で一体化した炭化珪素材冶具よりも安価で、かつ炭化珪素焼結体と接合部との接合強度が高いことが要求される。
【００１２】
たとえば、特許文献１（特開２００１−１６３６８０号公報）には、常圧焼結炭化珪素焼結体同士の接合面間にＳｉを介在させ、Ｓｉの融点以上の温度で熱処理する炭化珪素接合体の製造方法が記載されている。
【００１３】
また、特許文献２（特開２００７−１５３７００号公報）には、炭化珪素多孔質セラミックスの内外表面に酸化膜を形成し、該酸化膜形成多孔質セラミックスを他の炭化珪素セラミックス材に、シリコン系ろう材を用いて接合させる炭化珪素接合体の製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−１６３６８０号公報
【特許文献２】特開２００７−１５３７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、シリコン系ろう材は粘性が低いため炭化珪素の気孔に吸い込まれてしまい接合できない恐れがある。また、炭化珪素接合体を電子部品等を焼成する際に用いる治具として使用した場合、被焼成物を載積させて焼成した際にシリコン系ろう材の融点と焼成温度とが近いため、接合部が溶けてしまい、被焼成物または電子部品等の焼成品が破損する恐れがある。
【００１６】
このため、シリコン系ろう材以外のろう材を用いて炭化珪素接合体を製造する方法が要望されている。
【００１７】
ところで、炭化珪素接合体を構成する炭化珪素焼結体には、大きく分けて、常圧焼結炭化珪素、反応焼結炭化珪素、および再結晶炭化珪素がある。
【００１８】
常圧焼結炭化珪素は、たとえば、β相炭化珪素粉末に、硼素、炭素等の焼結助剤を加え、成形し、寸法収縮を伴なう焼結をさせたものである。常圧焼結炭化珪素は、緻密で見掛け気孔率が数％以下と低く高密度である。
【００１９】
このため、常圧焼結炭化珪素を用いて炭化珪素接合体を製造する場合は、接合部を構成する接着剤としてＳｉを用い、１４１０℃以上でＳｉを溶融させることにより、常圧焼結炭化珪素同士がＳｉで接合されるため、炭化珪素接合体を製造することができる。しかし、常圧焼結炭化珪素は、高価であるという問題がある。
【００２０】
反応焼結炭化珪素は、たとえば、炭化珪素と炭素とを含む成形体を、Ｓｉと接触させつつ熱処理することにより、炭化珪素二次粒子を生成させて焼結させたものである。反応焼結炭化珪素は、常圧焼結炭化珪素よりも見掛け気孔率が高く、気孔が多く存在する。
【００２１】
また、再結晶炭化珪素は、高温で焼成して炭化珪素粒子接触部分のネックを成長させることにより、寸法収縮を伴わない焼結をさせて得られたものである。再結晶炭化珪素は、常圧焼結炭化珪素や反応焼結炭化珪素よりも安価であるため好ましい。しかし、再結晶炭化珪素は、反応焼結炭化珪素よりもさらに見掛け気孔率が高く、気孔がより多く存在する。
【００２２】
このため、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素を用いて炭化珪素接合体を製造する場合において、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素を接着面の気孔を減らす処理をせずにそのまま用いるときは、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素の気孔のために、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素同士をＳｉで接合することが困難になる。具体的には、接着剤であるＳｉは１４１０℃以上に加熱されて溶融すると流動性が高くなる。そして、この流動性の高いＳｉは、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素の気孔に吸い込まれて接合部のＳｉ量が実質的に減少するため、接合部による反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素同士の接合不良が生じ、炭化珪素接合体の作製が困難になる。
【００２３】
そこで、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素を用いて炭化珪素接合体を製造するときは、反応焼結炭化珪素または再結晶炭化珪素の接着面の気孔を減らす処理が必要となる。しかし、接着面の気孔を減らす処理を行うと、工程が増加するため、炭化珪素接合体の製造コストが高くなるという問題がある。
【００２４】
このように、接着剤としてＳｉを用いて炭化珪素材冶具等の炭化珪素接合体を製造する場合、常圧焼結炭化珪素、反応焼結炭化珪素および再結晶炭化珪素のいずれを用いた場合でも炭化珪素接合体の製造コストが高くなるという問題があった。
【００２５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、炭化珪素材冶具等の炭化珪素接合体を低コストで製造することができる炭化珪素接合体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】
【００２６】
本発明の炭化珪素接合体およびその製造方法は、炭化珪素焼結体として比較的安価な再結晶炭化珪素を用いるとともに、接合部に用いる接着剤として溶融時にＳｉよりも粘性が高い特定の酸化物を用いれば、再結晶炭化珪素を用いた炭化珪素接合体を低コストで製造することができることを見出して完成されたものである。
【００２７】
本発明の炭化珪素接合体は、上記問題点を解決するものであり、炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合した炭化珪素接合体において、前記接合部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を含むとともにＳｉＯ２を主成分として含むＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物からなることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の炭化珪素接合体の製造方法は、上記問題点を解決するものであり、炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合して炭化珪素接合体を製造する炭化珪素接合体の製造方法において、前記接合部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３および水を含むとともにＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３のうちＳｉＯ２を主成分として含む接着剤を、前記炭化珪素質焼結体の接着面に塗布して接着剤層を形成し、この接着剤層を熱処理して形成されたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の炭化珪素接合体およびその製造方法によれば、再結晶炭化珪素を用いた炭化珪素接合体を低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例１の炭化珪素接合体のＳＥＭによる断面写真（倍率２００倍）。
【図２】実施例１の炭化珪素接合体のＳＥＭによる拡大した断面写真（倍率８５００倍）。
【図３】本発明の炭化珪素接合体で作製した額縁状の炭化珪素材冶具の一例。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
［炭化珪素接合体］
本発明の炭化珪素接合体は、炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合した炭化珪素接合体である。
【００３２】
（炭化珪素質焼結体）
炭化珪素質焼結体は、炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分として含む焼結体である。炭化珪素質焼結体は、炭化珪素を、通常９５質量％以上、好ましくは９８質量％以上、さらに好ましくは９９質量％〜１００質量％含む。炭化珪素質焼結体は、炭化珪素以外の成分の含有量が少ないほど、見掛け気孔率が高くなるため好ましい。
【００３３】
炭化珪素質焼結体は、炭化珪素以外の成分を含むとき、この炭化珪素以外の成分は、通常、Ｓｉである。
【００３４】
炭化珪素質焼結体は、見掛け気孔率が、通常５〜４０％、好ましくは１０〜４０％、さらに好ましくは１８〜３０％である。
【００３５】
炭化珪素質焼結体の見掛け気孔率が上記範囲内にあると、炭化珪素接合体が焼成用の炭化珪素材冶具として用いられるときに、炭化珪素質焼結体が高密度すぎないことから、スポーリングによる割れが生じ難いため好ましい。また、炭化珪素質焼結体の見掛け気孔率が上記範囲内にあると、炭化珪素質焼結体の強度が十分に大きいことから、反りや割れが生じ難いため好ましい。
【００３６】
一方、炭化珪素質焼結体の見掛け気孔率が５％未満であると、炭化珪素接合体が焼成用の炭化珪素材冶具として用いられるときに、炭化珪素質焼結体が高密度すぎ、スポーリングによる割れが生じるおそれがある。
【００３７】
また、炭化珪素質焼結体の見掛け気孔率が４０％を超えると、炭化珪素接合体が焼成用の炭化珪素材冶具として用いられるときに、炭化珪素質焼結体の強度が不十分になり、反りや割れが生じるおそれがある。
【００３８】
炭化珪素質焼結体は、再結晶炭化珪素からなると、安価であるため好ましい。また、再結晶炭化珪素からなる炭化珪素質焼結体は、一般的に、炭化珪素以外の成分の含有量が少なく、かつ、見掛け気孔率が上記の５〜４０％を満たすことが多いため、これらの点でも好ましい。
【００３９】
炭化珪素質焼結体は、公知の方法により製造することができる。炭化珪素質焼結体は、接着面の気孔を減らす処理を行わないまま、炭化珪素接合体を作製する原料として用いられる。
【００４０】
（接合部）
接合部は、炭化珪素質焼結体同士を接合するものである。接合部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を含むとともにＳｉＯ２を主成分として含むＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物からなる。
【００４１】
ここで、接合部がＳｉＯ２を主成分として含むとは、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物中のＳｉＯ２の含有量が最大であることを意味する。
【００４２】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、その一部が、炭化珪素質焼結体との接合面における炭化珪素質焼結体の表面の気孔の内部に適度に食い込んでおり、アンカー効果により、炭化珪素質焼結体と接合部とが強固に接合されている。
【００４３】
なお、炭化珪素質焼結体の表面には、通常、酸化膜であるＳｉＯ２層が形成されているが、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、炭化珪素質焼結体の接合面に存在するＳｉＯ２層と強固に固着する。
【００４４】
このため、本発明の炭化珪素接合体では、上記アンカー効果による物理的な接合力に加え、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物と炭化珪素質焼結体のＳｉＯ２層との間の化学的な接合力も加わることから、炭化珪素質焼結体と接合部とが非常に強固に接合されている。
【００４５】
また、本発明の接合部のＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の熱膨張率は、炭化珪素質焼結体の熱膨張率に近い。このため、本発明の炭化珪素接合体は、加熱、冷却等の熱履歴が繰り返し与えられても、炭化珪素質焼結体と接合部とが剥離し難い。
【００４６】
＜接合部におけるＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量＞
ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、通常、ＳｉＯ２を６５〜９０質量％含むとともに、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を合計で１０〜３５質量％含む。
【００４７】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、ＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量が上記範囲内であると、融点が適度に高くなる。
【００４８】
このように、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、融点が適度に高いことにより、接合部を作製する際にガラス粘性が高くなり接合部の接合強度が高くなるとともに、融点が高すぎないことにより、接合部がスポーリングで割れ難くなる。
【００４９】
すなわち、接合部を作製する際に、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物のガラス粘性が適度に高いと、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物が炭化珪素質焼結体の気孔に過度に吸い込まれることが抑制され、この結果、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物量が十分に存在し、接合部の接合強度が高くなる。
【００５０】
また、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の融点が高すぎると、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物が高温まで硬い状態で存在するため、接合部がスポーリングで割れ易くなる。しかし、本発明のＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は融点が高すぎず、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物が高温領域で適度に軟化するため、接合部にスポーリングが生じ難い。
【００５１】
一方、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、ＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量が上記範囲外であると、融点が低くなりすぎて接合部の接合強度が低下したり、融点が高くなりすぎて接合部にスポーリングが生じたりするおそれがある。
【００５２】
すなわち、接合部を作製する際に、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物のガラス粘性が低すぎると、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の多くが炭化珪素質焼結体の気孔に吸い込まれて、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物量が減少するため、接合部の接合強度が低下するおそれがある。
【００５３】
また、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の融点が高すぎると、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物が高温まで硬い状態で存在するため、接合部がスポーリングで割れ易くなる。
【００５４】
＜接合部におけるＡｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比＞
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が、通常２０：８０〜６０：４０の範囲内にある。
【００５５】
すなわち、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との合計量を１００質量％とした場合において、通常、Ａｌ２Ｏ３が２０〜６０質量％かつＹ２Ｏ３が８０〜４０質量％の関係を満たしている。
【００５６】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲内にあると、融点が適度に高くなる。
【００５７】
このため、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲内にあると、融点が適度に高いことにより、接合部を作製する際にガラス粘性が高くなり接合部の接合強度が高くなるとともに、融点が高すぎないことにより、接合部がスポーリングで割れ難くなる。
【００５８】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物において、融点が適度に高いことにより接合部を作製する際にガラス粘性が高くなり接合部の接合強度が高くなるとともに、融点が高すぎないことにより接合部がスポーリングで割れ難くなる理由は、上記と同じであるため、説明を省略する。
【００５９】
一方、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲外であると、融点が低くなりすぎて接合部の接合強度が低下したり、融点が高くなりすぎて接合部にスポーリングが生じたりするおそれがある。
【００６０】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物において、融点が低くなりすぎて接合部の接合強度が低下したり、融点が高くなりすぎて接合部にスポーリングが生じたりするおそれがある理由は、上記と同じであるため、説明を省略する。
【００６１】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、ＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量が上記範囲内であるとともに、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲内にあると、より好ましい。
【００６２】
すなわち、接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、ＳｉＯ２を６５〜９０質量％含み、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を合計で１０〜３５質量％含むとともに、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が、２０：８０〜６０：４０の範囲内にあると、より好ましい。
【００６３】
＜接合部におけるＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の微視的な構造＞
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、通常、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部とＹ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部とを含む。
【００６４】
ここで、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部とは、ＳｉおよびＡｌを含む非晶質酸化物部を意味する。また、Ｙ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部とは、ＹおよびＳｉを含む酸化物結晶を意味する。
【００６５】
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物では、通常、特定の形状を有さないＳｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部中に、塊状のＹ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部が取り込まれた状態になっている。
【００６６】
＜ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の融点＞
接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、融点が１４００〜１５００℃である。この融点は、セラミックコンデンサ等の電子部品の焼成温度よりも高いため、本発明の炭化珪素接合体を焼成冶具として用いて電子部品等を焼成しても、炭化珪素接合体の接合部が溶けることがない。
【００６７】
＜接合部の厚み＞
接合部は、厚みが、通常１μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上２０μｍ以下である。
【００６８】
接合部の厚みが、上記範囲内にあると、接合部の接合強度が高いため好ましい。一方、接合部の厚みが、１μｍ未満であると、接合部の接合強度が不十分になるおそれがある。また、接合部の厚みが、２００μｍを超えると、接合部に亀裂が生じて剥離するおそれがある。
【００６９】
本発明の炭化珪素接合体は、たとえば、以下に説明する炭化珪素接合体の製造方法を用いて製造することができる。
【００７０】
［炭化珪素接合体の製造方法］
本発明の炭化珪素接合体の製造方法は、炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合して炭化珪素接合体を製造する炭化珪素接合体の製造方法である。
【００７１】
炭化珪素質焼結体としては、本発明の炭化珪素接合体で説明したものと同じものが用いられる。
【００７２】
本発明の炭化珪素接合体の製造方法において、接合部は、接着剤を、炭化珪素質焼結体の接着面に塗布して接着剤層を形成し、この接着剤層を熱処理することにより形成される。
【００７３】
（接着剤）
接着剤は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３および水を含むとともにＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３のうちＳｉＯ２を主成分として含むものである。
【００７４】
ここで、接着剤がＳｉＯ２を主成分として含むとは、接着剤に含まれるＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計量中において、ＳｉＯ２の含有量が最大であることを意味する。
【００７５】
＜接着剤におけるＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量＞
接着剤は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計量を１００質量％としたときに、ＳｉＯ２を６５〜９０質量％含むとともに、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を合計で１０〜３５質量％含む
【００７６】
接着剤は、ＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量が上記範囲内であると、融点が適度に高くなる。
【００７７】
このように、接着剤は、融点が適度に高いことにより、接着剤から接合部を作製する際に接着剤のガラス粘性が高くなり接合部の接合強度が高くなるとともに、融点が高すぎないことにより、得られる接合部がスポーリングで割れ難くなる。
【００７８】
一方、接着剤は、ＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量が上記範囲外であると、融点が低くなりすぎて得られる接合部の接合強度が低下したり、融点が高くなりすぎて得られる接合部にスポーリングが生じたりするおそれがある。
【００７９】
＜接着剤におけるＡｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比＞
接着剤は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が、通常２０：８０〜６０：４０の範囲内にある。
【００８０】
すなわち、接着剤は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との合計量を１００質量％とした場合において、通常、Ａｌ２Ｏ３が２０〜６０質量％かつＹ２Ｏ３が８０〜４０質量％の関係を満たしている。
【００８１】
接着剤は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲内にあると、融点が適度に高くなる。
【００８２】
このため、接着剤は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲内にあると、融点が適度に高いことにより、接着剤から接合部を作製する際にガラス粘性が高くなり接合部の接合強度が高くなるとともに、融点が高すぎないことにより、得られる接合部がスポーリングで割れ難くなる。
【００８３】
一方、接着剤は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲外であると、融点が低くなりすぎて得られる接合部の接合強度が低下したり、融点が高くなりすぎて接合部にスポーリングが生じたりするおそれがある。
【００８４】
接着剤は、ＳｉＯ２の含有量ならびにＡｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の合計の含有量が上記範囲内であるとともに、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が上記範囲内にあると、より好ましい。
【００８５】
すなわち、接着剤は、ＳｉＯ２を６５〜９０質量％含み、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を合計で１０〜３５質量％含むとともに、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が、２０：８０〜６０：４０の範囲内にあると、より好ましい。
【００８６】
＜接着剤におけるＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の粒径＞
接着剤に含まれるＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３は、接着剤を炭化珪素質焼結体の接着面に塗布しやすいように、粉末状であることが好ましい。
【００８７】
また、接着剤に含まれるＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３は、平均結晶粒径Ｄ５０が、通常５０μｍ以下、好ましくは１〜２０μｍ、さらに好ましくは３〜８μｍである。平均結晶粒径Ｄ５０とは、原料をマイクロトラックを使用して測定した体積積算である。
【００８８】
ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の平均結晶粒径Ｄ５０が、この範囲内にあると、接着剤を炭化珪素質焼結体の接着面に塗布しやすいとともに、接着剤を熱処理して得られるＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物に酸化物組成のばらつきに起因する剥離が生じ難くなるため好ましい。
【００８９】
一方、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の平均結晶粒径Ｄ５０が、５０μｍを超えると、接着剤を熱処理して得られるＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物に酸化物組成のばらつきに起因する剥離が生じやすくなる。
【００９０】
接着剤は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３および水を混合することにより作製することができる。
【００９１】
接着剤の比重は、１．４６〜１．４８ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。
【００９２】
接着剤は、ドクターブレード法や刷毛等を用いて、炭化珪素質焼結体の接合面に塗布することができる。
【００９３】
なお、従来用いられているＳｉ接着剤は通常板状のＳｉの固体結晶である。このため、Ｓｉ接着剤を用いて炭化珪素接合体を製造するためには、炭化珪素質焼結体間に板状のＳｉ接着剤を配置する必要があるため、熱処理前のパーツセットが困難であり、長時間を要していた。
【００９４】
これに対し、本発明の接着剤は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３の粉末を水で溶いたものであるため、炭化珪素質焼結体の接着面に接着剤を塗布するだけで容易に炭化珪素質焼結体同士を仮に接着することができる。このため、本発明の接着剤によれば、熱処理前のパーツセットが容易であり、短時間で済む。
【００９５】
また、本発明の接着剤は、接着剤の溶融時に従来のＳｉ接着剤よりも粘性が高いため、炭化珪素質焼結体の気孔に吸収される量が適度であり、また吸収される量の調整も容易である。
【００９６】
さらに、本発明の接着剤を熱処理して得られるＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物の熱膨張率は、炭化珪素質焼結体の熱膨張率に近い。このため、本発明の炭化珪素接合体は、加熱、冷却等の熱履歴が繰り返し与えられても、炭化珪素質焼結体と接合部とが剥離し難い。
（接着剤層の厚み）
【００９７】
接着剤層は、厚みが、通常１μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上２０μｍ以下である。
【００９８】
接着剤層の厚みが、上記範囲内にあると、接着剤層を熱処理して得られる接合部の接合強度が高いため好ましい。
【００９９】
一方、接着剤層の厚みが、１μｍ未満であると、接着剤の一部または全部が炭化珪素質焼結体の気孔に吸収されて、得られる接合部の接合強度が不十分になるおそれがある。また、接着剤層の厚みが、２００μｍを超えると、得られる接合部に亀裂が生じて剥離するおそれがある。
【０１００】
接着剤層は、炭化珪素質焼結体とともに酸化炉等で熱処理されることにより、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物を生成し、本発明の炭化珪素接合体の接合部となる。
【０１０１】
熱処理の温度は、通常１４００〜１７００℃、好ましくは１４００〜１６００℃、さらに好ましくは１４５０〜１５５０℃である。
【０１０２】
また、熱処理の時間は、通常０．５〜５時間、好ましくは１〜３時間である。
【０１０３】
本発明の炭化珪素接合体は、炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合して得られる。本発明の炭化珪素接合体は、たとえば、炭化珪素材冶具として用いられる。
【０１０４】
図３は、本発明の炭化珪素接合体で作製した額縁状の炭化珪素材冶具の一例である。具体的には、図３（Ａ）は、炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合する前の状態を示し、図３（Ｂ）は、炭化珪素質焼結体同士を接合部を介して接合して得られた額縁状の炭化珪素材冶具を示す。
【０１０５】
はじめに、図３（Ａ）に示されるように、平板状の炭化珪素質焼結体（以下、「平板状炭化珪素質焼結体」という）３０Ａと、断面が矩形の棒状の炭化珪素質焼結体（以下、「棒状炭化珪素質焼結体」という）３０Ｂとを用意する。
【０１０６】
次に、棒状炭化珪素質焼結体３０Ｂの側面の一面に、接合部を形成するための図示しない接着剤を塗布し、この棒状炭化珪素質焼結体３０Ｂの接着剤を塗布した面を、平板状炭化珪素質焼結体３０Ａの表面上の周囲に載置して、平板状炭化珪素質焼結体３０Ａと棒状炭化珪素質焼結体３０Ｂとが弱く接着した仮接着体を作製する。
【０１０７】
さらに、この仮接着体を、接合部を形成可能な温度、たとえば、１４００〜１７００℃で熱処理すると、図３（Ｂ）に示されるような額縁状の炭化珪素材冶具２が得られる。
【実施例】
【０１０８】
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されて解釈されるものではない。
【０１０９】
［実施例１］
（炭化珪素接合体の作製）
はじめに、見掛け気孔率が２５％で断面が矩形の棒状の再結晶炭化珪素（以下、「棒状試料」という）と、見掛け気孔率が２５％で平板状の再結晶炭化珪素（以下、「平板試料」という）と、を用意した。平板試料は平面に置いた。
また、平均結晶粒径Ｄ５０が５μｍのＳｉＯ２粉末、平均結晶粒径Ｄ５０が０．５μｍのＡｌ２Ｏ３粉末、および平均結晶粒径Ｄ５０が３μｍのＹ２Ｏ３粉末を用意した。これらのＳｉＯ２粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末およびＹ２Ｏ３粉末を、表１の接合部の酸化物の組成比と同じ質量比率になるように採取、混合し、水に溶いて、比重が１．４７±０．０１ｇ/ｃｍ３の接着剤を作製した。
次に、棒状試料の側面の一つを選び、この側面に接着剤を塗布した。そして、接着剤を塗布した面を下向きにして、棒状試料を平板試料の上側表面上に載置した。これにより、平板試料と棒状試料とが接着剤からなる接着剤層を介して弱く接着した仮接着体が得られた。
この仮接着体を酸化雰囲気とした酸化炉中、１５００℃で２時間熱処理を行ったところ、平板試料と棒状試料とが接合部を介して接合された炭化珪素接合体が得られた。
【０１１０】
（炭化珪素接合体の評価）
＜接合部＞
得られた炭化珪素接合体について、接合部で接合されているか否かを目視テスト、持ち上げテスト、および押圧テストにより確認した。
目視テストでは、炭化珪素接合体の側面を観察して、接合部、または接合部と炭化珪素質焼結体との界面に剥離またはクラックが存在するか否かを調べた。
持ち上げテストでは、炭化珪素接合体を一方の炭化珪素質焼結体を上にして平坦面に載置した状態で一方の炭化珪素質焼結体のみをつまんで持ち上げたときに、接合部、または接合部と炭化珪素質焼結体との界面で剥離するか否かを調べた。
押圧テストでは、炭化珪素接合体を一方の炭化珪素質焼結体を上にして平坦面に載置した状態で一方の炭化珪素質焼結体の表面を人差し指で軽く押圧したときに、接合部、または接合部と炭化珪素質焼結体との界面で剥離するか否かを調べた。
目視テスト、持ち上げテストおよび押圧テストのいずれか１個のテストで剥離が明確に観察されたときは、接合部が剥離していると判断した。なお、目視テストでクラックのみが観察されたときは、持ち上げテストおよび押圧テストの結果で接合部の剥離の有無を判断した。
また、得られた炭化珪素接合体の側面について、高倍率（２００倍）のＣＣＤ顕微鏡で接合部を観察し、接合部の厚みを測定した。接合部の厚みは、測定点を５箇所選んでそれぞれ測定し、平均値を算出した。
【０１１１】
さらに、得られた炭化珪素接合体について、接合部を構成する物質の種類を調べた。ＣＣＤ顕微鏡を用いて炭化珪素接合体の表面を倍率２００倍で観察した範囲内では、接合部は、一様な組成の酸化物になっていると観察された。このため、接合部を構成する酸化物は、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｙ２Ｏ３酸化物になっていると判断された。
【０１１２】
また、得られた炭化珪素接合体について、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：走査型電子顕微鏡）による断面写真を撮影した。断面写真の撮影は、接合部を構成するＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｙ２Ｏ３酸化物の微視的な構造を調べる目的で行った。
具体的には、炭化珪素接合体の接合部の断面を、ＳＥＭを用いて倍率２００倍と倍率８５００倍で観察した。図１は、実施例１の炭化珪素接合体のＳＥＭによる断面写真（倍率２００倍）である。図２は、実施例１の炭化珪素接合体のＳＥＭによる拡大した断面写真（倍率８５００倍）である。
この結果、図１に示されるように、倍率２００倍では、炭化珪素接合体１は、炭化珪素質焼結体１０同士が接合部２０を介して接合されており、接合部２０は、一様な組成の酸化物になっているように見えた。
一方、図２に示されるように、倍率８５００倍では、接合部２０は、微視的に見ると、一様な組成の酸化物でなく、特定の形状を有さないＳｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部２１中に、塊状のＹ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部２２が取り込まれた状態になっていることが分かった。
なお、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部２１とＹ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部２２の組成は、ＳＥＭに併設されたＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ ＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｓｅｒ：電子線マイクロアナライザー）を用いた組成定性分析で判明したものである。
また、図１に示されるように、炭化珪素接合体１の炭化珪素質焼結体１０は、炭化珪素質部１１中に気孔１２が形成されたものになっていることが確認された。
【０１１３】
表１に、接合部の厚み、接合部を構成する物質の種類、および接合部の酸化物の組成比を示す。
【０１１４】
【表１】
【０１１５】
＜繰り返し熱処理試験＞
得られた炭化珪素接合体について、繰り返し熱処理試験を行った。
はじめに、得られた炭化珪素接合体から評価用試料を切り出した。
次に、この評価用試料を、熱処理装置内に配置し、水蒸気が含まれ、かつ、酸素分圧が１０−９ＭＰａの雰囲気下、１２５０℃で１０時間熱処理した。熱処理終了後、評価用試料を熱処理装置から取り出し、大気中に放置して常温（２５℃）まで除冷した。
この熱処理と除冷処理とを合わせた加熱冷却処理を１サイクルとし、この加熱冷却処理を５０サイクル繰り返した。
加熱冷却処理を５０サイクル繰り返した後に、評価用試料の接合部の剥離の有無を調べた。
表２に、繰り返し熱処理試験の結果を示す。
実施例１の炭化珪素接合体の繰り返し熱処理試験結果は、繰り返し熱処理試験５０回でも接合部に剥離がなく、非常に良いことが分かった。
【０１１６】
【表２】
【０１１７】
［実施例２〜２７］
（炭化珪素接合体の作製）
ＳｉＯ２粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末およびＹ２Ｏ３粉末を、表１の接合部の酸化物の組成比と同じ質量比率になるように採取した以外は、実施例１と同様にして、接着剤を作製し、この接着剤を用いて炭化珪素接合体を作製した。
【０１１８】
（炭化珪素接合体の評価）
＜接合部＞
得られた炭化珪素接合体について、実施例１と同様にして、接合部の接合の有無、接合部の厚み、および接合部を構成する物質の種類を調べ、ＳＥＭによる断面写真を撮影した。
実施例２〜２７の炭化珪素接合体は、接合部が接合されていることが確認された。
また、実施例２〜２７の炭化珪素接合体は、接合部を構成する酸化物が、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｙ２Ｏ３酸化物になっていることが分かった。
さらに、実施例２〜２７の炭化珪素接合体は、接合部を構成するＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｙ２Ｏ３酸化物が、微視的にみると、特定の形状を有さないＳｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部中に、塊状のＹ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部が取り込まれた状態になっていることが分かった。
表１に、接合部の厚み、接合部を構成する物質の種類、および接合部の酸化物の組成比を示す。
【０１１９】
＜繰り返し熱処理試験＞
得られた炭化珪素接合体について、実施例１と同様にして、繰り返し熱処理試験を行った。
表２に、繰り返し熱処理試験の結果を示す。
実施例２〜２１の炭化珪素接合体の繰り返し熱処理試験結果は、繰り返し熱処理試験５０回でも接合部が剥離することがなく、非常に良いことが分かった。
実施例２２〜２５の炭化珪素接合体の繰り返し熱処理試験結果は、繰り返し熱処理試験２回目で接合部が剥離することが分かった。
実施例２６および２７の炭化珪素接合体の繰り返し熱処理試験結果は、繰り返し熱処理試験１０回目で接合部が剥離することが分かった。
【０１２０】
［比較例１］
（炭化珪素接合体の作製）
ＳｉＯ２粉末およびＡｌ２Ｏ３粉末を、表１の接合部の酸化物の組成比と同じ質量比率になるように採取した以外は、実施例１と同様にして、接着剤を作製し、この接着剤を用いて炭化珪素接合体を作製した。
【０１２１】
（炭化珪素接合体の評価）
＜接合部＞
得られた炭化珪素接合体について、実施例１と同様にして、接合部の接合の有無、接合部の厚み、および接合部を構成する物質の種類を調べた。
比較例１の炭化珪素接合体は、接合部が剥離しており、平板試料と棒状試料とが接合されていないことが確認された。
また、比較例１の炭化珪素接合体は、接合部を構成する酸化物が、全体的に、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２酸化物になっていることが分かった。
表１に、接合部の厚み、接合部を構成する物質の種類、および接合部の酸化物の組成比を示す。
なお、比較例１の炭化珪素接合体は、接合部が接合されていないため、繰り返し熱処理試験を行わなかった。
【０１２２】
［比較例２］
（炭化珪素接合体の作製）
接着剤として厚み０．８ｍｍの固体のＳｉ片を用いた以外は実施例１と同様にして、炭化珪素接合体を作製した。
【０１２３】
（炭化珪素接合体の評価）
＜接合部＞
得られた炭化珪素接合体について、実施例１と同様にして、接合部の接合の有無、および接合部の厚みを調べた。
比較例２の炭化珪素接合体は、接合部となるべきＳｉが平板試料および棒状試料の気孔に吸収された結果、接合部の厚みが０μｍになっており、平板試料と棒状試料とが接合されていないことが確認された。
表１に、接合部の厚み、および接合部を構成する物質の種類を示す。
なお、比較例２の炭化珪素接合体は、接合部が接合されていないため、繰り返し熱処理試験を行わなかった。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明の炭化珪素接合体は、たとえば、炭化珪素材冶具に用いることができる。
【符号の説明】
【０１２５】
１ 炭化珪素接合体
２ 炭化珪素材冶具
１０ 炭化珪素質焼結体
１１ 炭化珪素質部
１２ 気孔
２０ 接合部
２１ Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部
２２ Ｙ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部
３０Ａ 平板状炭化珪素質焼結体
３０Ｂ 棒状炭化珪素質焼結体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合した炭化珪素接合体において、
前記接合部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を含むとともにＳｉＯ２を主成分として含むＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物からなることを特徴とする炭化珪素接合体。
【請求項２】
前記接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、ＳｉＯ２を６５〜９０質量％含むとともに、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を合計で１０〜３５質量％含むことを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素接合体。
【請求項３】
前記接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が２０：８０〜６０：４０の範囲内にあることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素接合体。
【請求項４】
前記接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部とＹ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部とを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の炭化珪素接合体。
【請求項５】
前記炭化珪素質焼結体は、見掛け気孔率が５〜４０％であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の炭化珪素接合体。
【請求項６】
前記接合部は、厚みが１μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の炭化珪素接合体。
【請求項７】
前記接合部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３および水を含むとともにＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３のうちＳｉＯ２を主成分として含む接着剤を、前記炭化珪素質焼結体の接着面に塗布して接着剤層を形成し、この接着剤層を熱処理して形成されたものであり、
前記接着剤層の厚みは、１μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭化珪素接合体。
【請求項８】
炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合して炭化珪素接合体を製造する炭化珪素接合体の製造方法において、
前記接合部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３および水を含むとともにＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３のうちＳｉＯ２を主成分として含む接着剤を、前記炭化珪素質焼結体の接着面に塗布して接着剤層を形成し、この接着剤層を熱処理して形成されたものであることを特徴とする炭化珪素接合体の製造方法。
【請求項１】
炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合した炭化珪素接合体において、
前記接合部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を含むとともにＳｉＯ２を主成分として含むＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物からなることを特徴とする炭化珪素接合体。
【請求項２】
前記接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、ＳｉＯ２を６５〜９０質量％含むとともに、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３を合計で１０〜３５質量％含むことを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素接合体。
【請求項３】
前記接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３との質量組成比が２０：８０〜６０：４０の範囲内にあることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素接合体。
【請求項４】
前記接合部を構成するＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３系酸化物は、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系非晶質部とＹ−Ｓｉ−Ｏ系結晶部とを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の炭化珪素接合体。
【請求項５】
前記炭化珪素質焼結体は、見掛け気孔率が５〜４０％であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の炭化珪素接合体。
【請求項６】
前記接合部は、厚みが１μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の炭化珪素接合体。
【請求項７】
前記接合部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３および水を含むとともにＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３のうちＳｉＯ２を主成分として含む接着剤を、前記炭化珪素質焼結体の接着面に塗布して接着剤層を形成し、この接着剤層を熱処理して形成されたものであり、
前記接着剤層の厚みは、１μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭化珪素接合体。
【請求項８】
炭化珪素質焼結体同士を、接合部を介して接合して炭化珪素接合体を製造する炭化珪素接合体の製造方法において、
前記接合部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３および水を含むとともにＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＹ２Ｏ３のうちＳｉＯ２を主成分として含む接着剤を、前記炭化珪素質焼結体の接着面に塗布して接着剤層を形成し、この接着剤層を熱処理して形成されたものであることを特徴とする炭化珪素接合体の製造方法。
【図３】
【図１】
【図２】
【図１】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−７５７７０（Ｐ２０１３−７５７７０Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１４８３９（Ｐ２０１１−２１４８３９）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
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