(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素単結晶体と、前記炭化ケイ素単結晶体の表面に接合配置された、活性金属を含む金属層とを具備する炭化ケイ素−金属複合体であって、
前記炭化ケイ素単結晶体と前記金属層との界面に、前記炭化ケイ素単結晶体の構成元素と活性金属との化合物を主成分とする反応層が形成されていると共に、少なくとも前記炭化ケイ素単結晶体側には安定粒界を有する前記活性金属と炭素との化合物層が生成していることを特徴とする炭化ケイ素−金属複合体。
【請求項２】
請求項１記載の炭化ケイ素−金属複合体において、
前記活性金属はチタンであり、前記活性金属と炭素との化合物として炭化チタンが生成していることを特徴とする炭化ケイ素−金属複合体。
【請求項３】
炭化ケイ素単結晶体上に活性金属を含む金属材料を配置した後、前記活性金属を含む金属材料を溶融させる工程と、
溶融させた前記活性金属を含む金属材料を、前記炭化ケイ素単結晶体の(0001)面と略直交する方向に延伸させつつ、前記炭化ケイ素単結晶体と反応させて、安定粒界を有する前記活性金属と炭素との化合物層を含む反応層を前記炭化ケイ素単結晶体と前記金属層との界面に形成する工程と
を有することを特徴とする炭化ケイ素−金属複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化ケイ素−金属複合体とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ＳｉＣ（炭化ケイ素）などのセラミックス材料は、金属などの従来材料にない各種特性を有することから、各種部品材料として応用展開されている。例えば、ＳｉＣの耐熱性、耐磨耗性、軽量・高強度などの特性を利用して、構造・機械部品などへの適用が進められている。ただし、ＳｉＣを含むセラミックス材料は本質的に脆いという欠点を有しており、このような欠点を補うためには金属材料と接合一体化して使用することが一般的である。
【０００３】
上記したようなＳｉＣ材料と金属材料との接合には、例えばＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金のような活性な金属を含むろう材（活性金属ろう材）が用いられており、このような活性金属ろう材層を予めＳｉＣ材料上に形成することが行われている。活性金属ろう材層は、各金属箔の積層体、合金箔、合金粉末などをＳｉＣ材料上に配置した後、活性金属ろう材の融点以上の温度で加熱処理することにより形成される。
【０００４】
一方、ＳｉＣは半導体特性を示し、また耐圧特性に優れていることから、高速スイッチング動作を必要とする高耐圧のショットキー・ダイオードの構成材料などとしても注目されている。また、従来からバリスタの形成材料としてもＳｉＣは用いられている。このように、ＳｉＣを電子部品に使用する場合、電極の形成などを目的として、ＳｉＣ表面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金のような活性金属を含む金属層（メタライズ層）を形成することが行われている。このようなメタライズ層の形成は、ろう材層の形成と同様にして実施されている。
【０００５】
上述したような活性金属を含有する金属層（ろう材層もしくはメタライズ層）をＳｉＣ材料の表面に形成する場合、従来はＳｉＣ材料の表面に対して活性金属含有ろう材もしくはメタライズ材料を十分に濡れ広がらせることを主眼とした条件で熱処理することが一般的である。しかしながら、従来の熱処理条件ではＳｉＣとＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金との界面における反応生成物、もしくはＳｉＣとＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金との直接的な反応生成物の制御などが十分に行われていなかったことから、反応生成物の状態などによっては接合界面が不安定になるというような問題があった。さらに、接合界面に形成される反応生成物によっては、ＳｉＣと電極との間の接触抵抗が増大するというような問題があった。
【０００６】
また、ＳｉＣ上にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金層のような活性金属を含む金属層を熱処理により形成する場合、ＳｉＣとＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金とが反応して、界面に反応生成物が形成されることは知られている。しかし、反応生成物自体の安定性や組成などを制御するようなことは行われていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のＳｉＣ材料上への活性金属を含む金属層（ろう材層もしくはメタライズ層）の形成方法では、接合界面が不安定になったり、界面での電気抵抗が大きくなる場合があるというような問題があった。このようなことから、ＳｉＣと活性金属含有金属層との界面の制御性や反応生成物の制御性などを高めることによって、接合界面の安定性などを十分にかつ再現性よく向上させることが望まれている。
【０００８】
本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、炭化ケイ素単結晶体と活性金属を含む金属層との接合強度、接合界面の安定性などを再現性よく高めることを可能にした炭化ケイ素−金属複合体およびその製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の炭化ケイ素−金属複合体は、炭化ケイ素単結晶体と、前記炭化ケイ素単結晶体の表面に接合配置された、活性金属を含む金属層とを具備する炭化ケイ素−金属複合体であって、前記炭化ケイ素単結晶体と前記金属層との界面に、前記炭化ケイ素単結晶体の構成元素と活性金属との化合物を主成分とする反応層が形成されていると共に、少なくとも前記炭化ケイ素単結晶体側には安定粒界を有する前記活性金属と炭素との化合物層が生成していることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の炭化ケイ素−金属複合体の製造方法は、炭化ケイ素単結晶体上に活性金属を含む金属材料を配置した後、前記活性金属を含む金属材料を溶融させる工程と、溶融させた前記活性金属を含む金属材料を、前記炭化ケイ素単結晶体の(0001)面と略直交する方向に延伸させつつ、前記炭化ケイ素単結晶体と反応させて、安定粒界を有する前記活性金属と炭素との化合物層を含む反応層を前記炭化ケイ素単結晶体と前記金属層との界面に形成する工程とを有することを特徴としてる。
【００１１】
本発明においては、溶融させた活性金属を含む金属材料を、炭化ケイ素単結晶体の(0001)面と略直交する方向に延伸させつつ、炭化ケイ素単結晶体と反応させているため、少なくとも炭化ケイ素単結晶体側には安定粒界を有する活性金属と炭素との化合物層、例えば炭化チタン層が生成する。このように、安定粒界を有する化合物層を反応層として接合界面に形成することによって、炭化ケイ素単結晶体と活性金属を含む金属層との接合強度、接合界面の安定性などを再現性よく高めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の炭化ケイ素−金属複合体の一実施形態の要部構造を模式的に示す断面図である。同図に示す炭化ケイ素（ＳｉＣ）−金属複合体１は、ＳｉＣ単結晶体２の表面に金属層３を接合配置した構造を有している。ＳｉＣ単結晶体２は特に限定されるものではなく、その厚さも任意とすることができる。ただし後述する薄片状炭化チタン（ＴｉＣ）の形成材料としてＳｉＣ単結晶体２を使用する場合には、ＳｉＣ単結晶体２の厚さは 200nm以下とすることが好ましい。
【００１５】
ＳｉＣ単結晶体２上には、活性金属を含む金属層（以下、活性金属含有金属層と記す）３が活性金属ろう材層やメタライズ層として形成されている。活性金属含有金属層３には、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ａｌなどの活性金属を添加した金属層形成材料が用いられる。この金属層形成材料のベースとなる金属材料としては、Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｃｕなどが挙げられる。
【００１６】
上記したような活性金属は、金属層形成材料中に 1〜10重量% 程度の範囲で含有させることが好ましい。活性金属量が 1重量% 未満であると、後に詳述する反応層としての化合物層の生成量が不足して、ＳｉＣ単結晶体２との接合強度を十分に高めることができない。また、薄片状ＴｉＣを良好に形成することができない。一方、10重量% を超えると化合物層量が増大しすぎて接合強度を低下させるおそれがある。
【００１７】
これらのうち、特に活性金属としてＴｉを含むＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金が好ましく用いられる。Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金は、ろう材層およびメタライズ層のいずれとしても良好な機能を有している。また、活性金属としてのＴｉは特にＳｉＣとの反応性に優れることから、ＳｉＣ単結晶体２と活性金属含有金属層３との接合強度の向上、また薄片状ＴｉＣの形成に大きく貢献する。
【００１８】
上述したような活性金属含有金属層３は、まず金属層の主形成材料および活性金属を含む合金箔、合金粉末、あるいは各金属箔の積層体などをＳｉＣ単結晶体２上に所望形状に配置した後、用いた活性金属含有金属材料の融点以上の温度で熱処理することにより形成される。このような熱処理おいて、活性金属含有金属材料は溶融され、ＳｉＣ単結晶体２の表面を拡散する（濡れ広がる）。
【００１９】
活性金属含有金属材料の拡散に伴って、ＳｉＣ単結晶体２の部分的もしくは全体的な溶融および活性金属との反応が起こり、ＳｉＣ単結晶体２と活性金属含有金属層３との界面には、ＳｉＣ単結晶体の構成元素であるＳｉやＣと活性金属とを含む化合物層が反応層４として生成する。なお、後述するように、ＳｉＣ単結晶体２が例えば 200nm以下と薄い場合には、ＳｉＣ単結晶体２全体が活性金属と反応する。
【００２０】
ここで、上記した熱処理において溶融させた活性金属含有金属材料は、図２に示すように、ＳｉＣ単結晶体２の(0001)面（ｃ面）と略直交する方向に延伸させつつ、ＳｉＣ単結晶体２と反応させる。このように、溶融させた活性金属含有金属材料をＳｉＣ単結晶体２の(0001)面と略直交する方向に延伸させつつ、溶融金属材料中の活性金属とＳｉＣ単結晶体２とを反応させることによって、溶融金属材料の進行（拡散）に伴いＳｉＣが順に溶融し、溶融したＳｉＣと活性金属とが反応して活性金属と炭素との化合物、例えば炭化チタン（ＴｉＣ）が生成する。この際、溶融金属材料の進行方向がＳｉＣ単結晶体２の(0001)面と略直交していると、図２（ｂ）に示すように、安定粒界を有するＳｉＣ単結晶体２の構成元素、特に炭素と活性金属との化合物、例えばΣ3 の安定粒界を有するＴｉＣ５が順に生成する。ここで、反応生成物としての化合物は、ＳｉＣ単結晶体２の厚さや活性金属含有金属材料中の活性金属量などに応じて生成されるため、例えば  ＴｉＣ５の生成量によっては活性金属含有金属層３側の反応生成物の粒界は各種のΣ値をとる場合がある。このような場合においても、図３に示すように、ＳｉＣ単結晶体２側には例えばΣ3 の安定粒界を有するＴｉＣ５が形成される。なお図３における反応層４中のΣ3 の安定粒界を有するＴｉＣ５以外は、Ｔｉ5 Ｓｉ3 、Ｔｉ2 Ｓｉなどのシリサイドを含むものである。
【００２１】
なお、上記したΣ値は、結晶構造および格子常数が等しい 2つの結晶が結晶粒界を挟んで、どのような方位でどのような間隔の周期構造を生成しているかなどを示す指標である。すなわち、 2つの結晶がある界面で接している状態を考えた場合、両結晶の貫通格子を想定して、それらが特定の有理結晶軸の回りに回転関係にあると仮定すると、回転角がある特定値をとるときに両結晶の一部の格子点が重なる。この重なった位置の作る格子を対応格子(Coincidence Site Lattice:ＣＳＬ）と呼び、両結晶の格子点のうち1/Σの割合で格子点が一致するとき、そのＣＳＬをΣ値（常に奇数）で表示する。立方晶系における同一結晶を除く最も単純な対応格子はΣ3 粒界である。
【００２２】
上述したように、ＳｉＣ単結晶体２と活性金属含有金属層３との界面に生成された反応層４中の少なくともＳｉＣ単結晶体２側に、例えばΣ3 の安定粒界を有するＴｉＣ５のような活性金属と炭素との化合物（反応生成物）を生成することによって、ＳｉＣ単結晶体２と活性金属含有金属層３との界面を再現性よく安定化させることができ、また接合強度についても向上させることができる。さらに、反応層４中の安定粒界を有する生成物層がＴｉＣ層５である場合、例えばシリコンカーバイドに比べてＴｉＣは導電性などに優れる。従って、電極などとして活性金属含有金属層３を用いる場合には、ＳｉＣ単結晶体２と電極との良好かつ安定なコンタクトを得ることができる。
【００２３】
一方、溶融金属材料の進行方向がＳｉＣ単結晶体の(0001)面と平行とした場合には、溶融金属材料の進行方向に生成する化合物、例えばＴｉＣの粒界は各種Σ値をとり、不安定な状態となる。上述したように、溶融金属材料の進行方向（拡散方向）をＳｉＣ単結晶体２の(0001)面と略直交する方法とすることによって、はじめて反応層４中に安定粒界を有する化合物（反応生成物）層、例えばΣ3 の安定粒界を有するＴｉＣ層５を生成することが可能となる。
【００２４】
溶融金属材料の進行方向（拡散方向）をＳｉＣ単結晶体２の(0001)面と略直交する方向とするためには、例えばワイヤ状部材で強制的に溶融させた活性金属含有金属材料を拡散させたり、あるいはＳｉＣ単結晶体２の(0001)面と略直交する方向に予め溝を形成しておき、この溝に沿って溶融金属材料を拡散させればよい。これら以外の他の方法によって、溶融金属材料をＳｉＣ単結晶体２の(0001)面と略直交する方向に拡散させてもよい。
【００２５】
上述した実施形態では、例えばΣ3 の安定粒界を有するＴｉＣ層５を界面反応物として生成する場合について説明したが、当初のＳｉＣ単結晶体２の厚さが   200nm以下と薄い場合には、ＳｉＣ単結晶体２全体が活性金属と反応する。このような場合には、溶融金属材料の進行（拡散）に伴いＳｉＣ単結晶体２全体が順に溶融し、溶融金属材料中の活性金属と溶融したＳｉＣ単結晶体２とが反応することによって、図４（ａ）に示すように、ＳｉＣ単結晶体２全体が順次炭化チタン（ＴｉＣ）５となる。
【００２６】
この際、上述したように溶融金属材料の進行方向をＳｉＣ単結晶体２の(0001)面（ｃ面）と略直交する方向とすることによって、図４（ｂ）に示すように、最終的にΣ3 の安定粒界を有する薄片状のＴｉＣ５′が得られる。具体的な条件は界面反応させる場合と同様である。このようにして得られる薄片状ＴｉＣ５′は、上記したようにΣ3 の安定粒界を有するものであり、導電性や強度（クラック制御）などに優れるため、例えば各種の電子部品材料として有効に使用し得るものである。また、薄片状ＴｉＣ５′上には金属層３が形成されているため、これを電極などとして利用することによって、各種の電子部品をより容易に作製することができる。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について述べる。
【００２８】
実施例１
まず、薄片化したＳｉＣ単結晶体（厚さ50nm）を用意し、このＳｉＣ単結晶体上にＡｇ− 27.4wt%Ｃｕ−4.9wt%Ｔｉ合金箔をのせ、これを真空室内の高温ステージ上に配置した。この状態で、 1×10-5Paの真空下で 1073Kに加熱した。この加熱処理において溶融させたＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金は、ＳｉＣ単結晶体の(0001)面と略直交する方向に延伸させた。この溶融合金の延伸はワイヤなどで徐々に引き伸ばすことにより行った。
【００２９】
溶融合金とＳｉＣ単結晶体との反応の様子を電子顕微鏡により観察した。ＳｉＣ単結晶体は溶融合金の延伸にしたがって、溶融合金中に徐々に溶け込むと共に溶融合金中のＴｉと反応してＴｉＣを生成することが確認された。
【００３０】
冷却後の試料の状態をさらに詳細に調べたところ、当初の薄片状ＳｉＣ単結晶体の厚さが50nm程度と十分に薄いため、ＳｉＣ単結晶体はほぼ全体的にＴｉＣになっており、薄片状ＴｉＣが得られていることが確認された。さらに、得られた薄片状ＴｉＣは多結晶体であったものの、その粒界のΣ値はほぼ全体的に 3であり、安定粒界を有する薄片状ＴｉＣであることが確認された。
【００３１】
このように、溶融させたＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金をＳｉＣ単結晶体の(0001)面と略直交する方向に延伸させることによって、安定な薄片状ＴｉＣを得ることができる。
【００３２】
一方、本発明との比較例として、溶融させたＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金をＳｉＣ単結晶体の(0001)面と略平行な方向に延伸させたところ、同様な薄片状ＴｉＣが得られたが、このＴｉＣの粒界のΣ値は 3〜27とばらついており、不安定な状態であった。
【００３３】
実施例２
まず、ＳｉＣ単結晶基板を用意し、このＳｉＣ単結晶基板上にＡｇ− 27.4wt%Ｃｕ−4.9wt%Ｔｉ合金箔をのせ、これを真空室内の高温ステージ上に配置した。この状態で、 1×10-5Paの真空下で 1073Kに加熱した。この加熱処理において、溶融させたＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金は、ＳｉＣ単結晶体の(0001)面と略直交する方向に延伸させた。
【００３４】
溶融合金とＳｉＣ単結晶基板との反応の様子を電子顕微鏡により観察した。  ＳｉＣ単結晶基板は溶融合金の延伸にしたがって、表面層側のＳｉＣが溶融合金中に徐々に溶け込むと共に、溶融合金中のＴｉと反応してＴｉＣを生成することが確認された。
【００３５】
冷却後の試料の状態をさらに詳細に調べたところ、合金層とＳｉＣ単結晶基板との界面には反応層が形成されており、さらにＳｉＣ単結晶体側にはΣ値がほぼ全体的に 3であるＴｉＣ層が形成されていることが確認された。
【００３６】
このように、溶融させたＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金をＳｉＣ単結晶基板の(0001)面と略直交する方向に延伸させることによって、安定粒界を有する反応生成物層が界面に形成され、接合界面の安定性などに優れるＳｉＣ−金属複合体を得ることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安定な界面状態を有するＳｉＣ−金属複合体を得ることができる。これはＳｉＣと金属層との界面の安定化やろう付け接合の安定化などに寄与するだけでなく、新規な電子材料としても有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のＳｉＣ−金属複合体の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】  図１に示すＳｉＣ−金属複合体の製造過程および界面構造を模式的に示す図である。
【図３】  図１に示すＳｉＣ−金属複合体の界面構造の他の形態を模式的に示す断面図である。
【図４】  本発明の薄片状ＴｉＣの製造過程および微細構造を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１……ＳｉＣ−金属複合体
２……ＳｉＣ単結晶体
３……活性金属含有金属層
４……反応層
５……ＴｉＣ層
５′…薄片状ＴｉＣ
【図１】
0003698528.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003698528.tif 000004
【図４】
0003698528.tif 000005