(57)【要約】【課題】低コストで、実用に耐えうる十分な接合強度を有し、接合の信頼性が高く、低熱膨張かつ剛性及び比剛性の高い低熱膨張セラミックス接合体およびその製造方法を提供する。【解決手段】室温における熱膨張係数の絶対値が０．６×１０−６／Ｋ以下、弾性率が１００ＧＰａ以上、比剛性が４０ＧＰａ・ｃｍ３／ｇ以上のコーディエライト結晶質焼結体からなる複数の部材の接合面同士を接触させ、熱処理により接合一体化した接合体およびその製造方法である。焼結体は当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＳｉの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）換算で５１．５〜７０．０質量％となる条件でＳｉを含有する。焼結体中の余剰ＳｉＯ２が加熱時に液相を形成して物質移動を活性化し、これにより接合部の材料が実質的に母材と同じになり、熱膨張係数差に起因する残留応力を解消して、極めて高い接合強度の接合体が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
室温における熱膨張係数の絶対値が０．６×１０−６／Ｋ以下、弾性率（ヤング率）が１００ＧＰａ以上、比剛性（ヤング率／比重）が４０ＧＰａ・ｃｍ３／ｇ以上であるコーディエライト結晶質焼結体からなる複数の部材の接合面同士を接触させ、熱処理により一体化せしめてなる接合体において、
前記コーディエライト結晶質焼結体が、当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＳｉの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）換算で５１．５〜７０．０質量％となる条件でＳｉを含有し、
前記複数の部材同士の接合部を構成する材料が実質的に母材と同じである
ことを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体。
【請求項２】
請求項１に記載の低熱膨張セラミックス接合体において、
前記コーディエライト結晶質焼結体が、
当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＭｇの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）換算で８．０〜１７．２質量％となる条件でＭｇを含有し、
当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＡｌの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）換算で２２．０〜３８．０質量％となる条件でＡｌを含有する
ことを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の低熱膨張セラミックス接合体において、
前記コーディエライト結晶質焼結体が、Ｌｉを酸化物（Ｌｉ２Ｏ）換算で０．１〜２．５質量％の割合で含有する
ことを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の低熱膨張セラミックス接合体において、
前記コーディエライト結晶質焼結体が、Ｙを含む希土類元素の１種又は２種以上を酸化物換算で０．１〜１０質量％の割合で含有する
ことを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の低熱膨張セラミックス接合体において、
前記コーディエライト結晶質焼結体が、遷移金属元素の１種又は２種以上を酸化物換算で２質量％以下の割合で含有する
ことを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の低熱膨張セラミックス接合体において、
前記複数の部材同士の接合強度が、コーディエライト結晶質焼結体の強度の６０％以上である
ことを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体。
【請求項７】
室温における熱膨張係数の絶対値が０．６×１０−６／Ｋ以下、弾性率（ヤング率）が１００ＧＰａ以上、比剛性（ヤング率／比重）が４０ＧＰａ・ｃｍ３／ｇ以上であるコーディエライト結晶質焼結体からなる複数の部材の接合面同士を接触させ、熱処理により一体化せしめる低熱膨張セラミックス接合体の製造方法であって、
前記コーディエライト結晶質焼結体は、当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＳｉの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）換算で５１．５〜７０．０質量％となる条件でＳｉを含有しており、
前記熱処理は１２００〜１５００℃の温度で行う
ことを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の低熱膨張セラミックス接合体の製造方法において、
前記熱処理時に、接合面の少なくとも一部に０．５ｋＰａ以上の圧力を加える
ことを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体や磁気ヘッド等の製造装置や測定装置等に用いられる、室温で非常に低熱膨張かつ剛性及び比剛性の高い低熱膨張セラミックス接合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近来、半導体の高集積化や磁気ヘッドの微細化等により、これら半導体や磁気ヘッドの製造装置（露光機、加工機、組み立て装置等）や測定装置には高い寸法精度や高剛性が求められている。また、これらの装置では、寸法精度や幾何精度の安定性も重要になってきており、雰囲気温度の変動や装置自身の発熱等によって生じる装置の熱変形を防止することが重要な課題となっている。このため、これら装置の部材として、非常に低熱膨張で剛性及び比剛性（ヤング率／比重）の高い材料が要求されるようになってきている。
例えば、特許文献１〜特許文献３には、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）やリチウムアルミノシリケート（Ｌｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２）を主体とする焼結体を装置部材として適用することが提案されている。
【０００３】
しかし、最近では、装置のさらなる大型化、高速移動化に伴い、より軽量な装置部材が必要とされており、軽量化の手段として、部材を中空構造にすることが行われている。具体的には、中空を有した箱状部材又は前記箱状部材の内部に補強用リブを設けた部材等を接合することで内部空間を確保する方法が採用され、これにより装置部材の大幅な重量減少を図ることができる。
また、一方では、セラミックスは高強度・高剛性である特性を有する反面、難加工性の材料であるため、製品形状に制限が多く、製品コストも高くなってしまう。そこで、製品を複数の部品に分けて製造し、最終的に各々の部品を接合すれば、一体ものでは加工が困難な形状でも製造することができる。さらに、単純な形状に作製したもの同士を接合すれば、加工工数や加工量を低減できるため、製品コストを低く抑えることができる。
このような状況から、コーディエライトやリチウムアルミノシリケート等の低熱膨張かつ剛性及び比剛性の高い焼結体を接合する技術が要求されるようになってきている。
【０００４】
従来、このようなセラミックス接合体を形成するためには、部材の接合面の少なくとも一方の表面に、半田、銀ロウ材、ガラスなどの無機接着材、エポキシ樹脂などの有機接着材などを塗布した後、前記接合面同士を対向圧着させ、所定の温度まで加熱処理することが行われている（例えば、特許文献４参照）。
しかしながら、従来から接合材として用いられている無機接着材や有機接着材は低熱膨張材料でないため、母材である低熱膨張セラミックス焼結体と接合部の熱膨張係数差に起因する残留応力により、接合強度が大幅に低下してしまい、深刻な場合には、接合界面にクラックが生じてしまうという問題があった。また、これら接着材は剛性が低いため、接合後の部材全体の剛性が低下してしまうという問題もあった。
【０００５】
そこで、このような問題を解決するため、コーディエライトやリチウムアルミノシリケート等の低熱膨張材料を主体とする接合材を用いることで、母材と接合部の熱膨張係数差に起因する残留応力を低減し、接合強度が高い接合体を形成することが試みられている。
例えば、特許文献５では、粒径が１．０ｍｍ未満のスポジューメン質粒子１０〜８０重量％と、粒径が０．１〜１μｍのシリカ粉末６〜１７重量％と、粒径０．０１〜１．０ｍｍのコーディエライト質骨材１０〜８０重量％とを含む接合用組成物を接合材として用いることが開示されている。
また、特許文献６では、周期律表第３族元素から選ばれた少なくとも１種の化合物が１〜２０質量％と、コーディエライト粉末８０〜９９質量％の割合からなる混合物を接合材として用いることが開示されている。
さらに、特許文献７では、低熱膨張セラミックスからなる母材よりも溶融温度が低く、２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が−１×１０−６〜１×１０６／Ｋであり、リチウムアルミノシリケート、窒化物および酸化マグネシウムからなる複合材料を接合材として用いることが開示されている。
【０００６】
しかしながら、これらの方法では、確かに母材と接合部の熱膨張係数差は小さくなるため、残留応力はある程度低減されるものの、接合部が実質的に母材とは異なる材料で構成されているため、少なからずの残留応力が発生してしまう。
この残留応力は接合面積に比例して大きくなるため、構造用部材等の大型部材の場合には、残留応力が無視できない程度に大きくなり、部材全体の剛性及び接合強度の低下や、経時的な部材形状の変化を招いてしまうという問題があった。
また、接合体に研削等の加工を施す場合には、この残留応力により加工中の破損が起こり易くなり、製造歩留まりを大きく低下させてしまうという問題があった。
さらに、このような接合材を用いる場合には、接合材を塗布する工程が必要となるため、製造プロセスが煩雑になり、工業的生産性、経済面において適当ではないという問題もあった。
【０００７】
その他の接合方法としては、金属同士、または、金属とセラミックスとを強固に接合する方法として有用なホットプレス法（ＨＰ）または熱間等方加圧法（ＨＩＰ）を、セラミックス同士の接合に適用する研究も進められている。これらの研究は、Ｃ．Ｓｃｏｆｆらによって行われており、日本では、特許文献８等に研究事例が見られ、本発明が目的とする低熱膨張材料の接合に適用することも考えられる。
しかしながら、ＨＰまたはＨＩＰは、一般的な設備の内径がおよそφ３００〜４００ｍｍであり、これ以下の寸法の製品しか適用できない。この設備内径に対して、さらなる大型化が求められている半導体や磁気ヘッド等の製造装置や測定装置用の部材で適用できる製品は限定されてしまうという問題がある。
【０００８】
以上が焼結体同士の接合であるのに対し、焼成前の成形体を用いた接合方法としては、鋳込み成形法で得られた成形体同士を成形前の前駆体である泥しょうを接合媒体とするノタ付けまたはヌタ付け、とも付け法と称する接合方法が良く知られている。
しかしながら、成形体同士の接合方法であるノタ付け法は、鋳込み成形による成形体を用いる製法であるため、鋳込み成形で適応できる成形体形状に限定されてしまい、本発明が目的とする用途には不適である。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−７４３３４号公報
【特許文献２】特開２００１−１９５４０号公報
【特許文献３】特開２００４−２９２２４９号公報
【特許文献４】特開平５−４８７６号公報
【特許文献５】特開２０００−１０３６８７号公報
【特許文献６】特開２００２−１６７２８４号公報
【特許文献７】特開２００５−３５８３９号公報
【特許文献８】特開平５−９７５３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上述べたように、低コストで、実用に耐えうる十分な接合強度を有し、低熱膨張で、しかも精密機器用の構造用部材として使用可能な程度に大きな剛性及び比剛性を有するような低熱膨張セラミックス接合体およびその製造方法は現在までに得られていなかった。
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、低コストで、実用に耐えうる十分な接合強度を有し、接合の信頼性が高く、低熱膨張かつ剛性及び比剛性の高い低熱膨張セラミックス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】
【００１２】
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）  室温における熱膨張係数の絶対値が０．６×１０−６／Ｋ以下、弾性率（ヤング率）が１００ＧＰａ以上、比剛性（ヤング率／比重）が４０ＧＰａ・ｃｍ３／ｇ以上であるコーディエライト結晶質焼結体からなる複数の部材の接合面同士を接触させ、熱処理により一体化せしめてなる接合体において、前記コーディエライト結晶質焼結体が、当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＳｉの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）換算で５１．５〜７０．０質量％となる条件でＳｉを含有し、前記複数の部材同士の接合部を構成する材料が実質的に母材と同じであることを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体。
（２）  上記（１）に記載の低熱膨張セラミックス接合体において、前記コーディエライト結晶質焼結体が、当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＭｇの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）換算で８．０〜１７．２質量％となる条件でＭｇを含有し、当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＡｌの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）換算で２２．０〜３８．０質量％となる条件でＡｌを含有することを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体。
（３）  上記（１）または（２）に記載の低熱膨張セラミックス接合体において、前記コーディエライト結晶質焼結体が、Ｌｉを酸化物（Ｌｉ２Ｏ）換算で０．１〜２．５質量％の割合で含有することを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体。
（４）  上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の低熱膨張セラミックス接合体において、前記コーディエライト結晶質焼結体が、Ｙを含む希土類元素の１種又は２種以上を酸化物換算で０．１〜１０質量％の割合で含有することを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体。
（５）  上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の低熱膨張セラミックス接合体において、前記コーディエライト結晶質焼結体が、遷移金属元素の１種又は２種以上を酸化物換算で２質量％以下の割合で含有することを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体。
（６）  上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の低熱膨張セラミックス接合体において、前記複数の部材同士の接合強度が、コーディエライト結晶質焼結体の強度の６０％以上であることを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体。
（７）  室温における熱膨張係数の絶対値が０．６×１０−６／Ｋ以下、弾性率（ヤング率）が１００ＧＰａ以上、比剛性（ヤング率／比重）が４０ＧＰａ・ｃｍ３／ｇ以上であるコーディエライト結晶質焼結体からなる複数の部材の接合面同士を接触させ、熱処理により一体化せしめる低熱膨張セラミックス接合体の製造方法であって、前記コーディエライト結晶質焼結体は、当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＳｉの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）換算で５１．５〜７０．０質量％となる条件でＳｉを含有しており、前記熱処理は１２００〜１５００℃の温度で行うことを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体の製造方法。
（８）  上記（７）に記載の低熱膨張セラミックス接合体の製造方法において、前記熱処理時に、接合面の少なくとも一部に０．５ｋＰａ以上の圧力を加えることを特徴とする低熱膨張セラミックス接合体の製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
室温における熱膨張係数の絶対値が０．６×１０−６／Ｋ以下、弾性率（ヤング率）が１００ＧＰａ以上、比剛性（ヤング率／比重）が４０ＧＰａ・ｃｍ３／ｇ以上であるコーディエライト結晶質焼結体からなる複数の部材の接合面同士を接触させ、熱処理により一体化せしめてなる接合体において、前記コーディエライト結晶質焼結体が、当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＳｉの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）換算で５１．５〜７０．０質量％となる条件でＳｉを含有することにより、熱処理時における焼結体中の反応（物質移動）を活性化できる。このため、接合材を用いなくても接合強度の高い接合体を形成することができる。この結果、接合部の材料が実質的に母材と同じとなり、母材と接合部の熱膨張係数差に起因する残留応力の発生がないため、接合強度が極めて高く、且つ接合の信頼性の高い低熱膨張セラミックス接合体が低コストで得られる。本発明は、産業上その利用価値は極めて高いものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００１５】
本発明の低熱膨張セラミックス接合体は、室温における熱膨張係数の絶対値が０．６×１０−６／Ｋ以下、弾性率（ヤング率）が１００ＧＰａ以上、比剛性（ヤング率／比重）が４０ＧＰａ・ｃｍ３／ｇ以上であるコーディエライト結晶質焼結体からなる複数の部材の接合部が、実質的に母材と同じ材料で構成されており、かつ、前記コーディエライト結晶質焼結体が、当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＳｉの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）換算で５１．５〜７０．０質量％となる条件でＳｉを含有ことが重要である。
ここで、上記のＳｉの含有量（以下、その単位を換算質量％と表す）は、コーディエライト結晶質焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）のまま存在するとして、ＳｉＯ２／（ＭｇＯ＋Ａｌ２Ｏ３＋ＳｉＯ２）によって算出したものである。
【００１６】
本発明では、焼結体中のＳｉＯ２成分の含有量が５１．５〜７０．０換算質量％となっている。この含有量は、コーディエライト結晶相の化学量論組成である５１．３６質量％よりも多いものであるため、コーディエライト結晶相に固溶できない余剰なＳｉＯ２成分は、コーディエライト結晶粒以外の粒界相として存在している。この余剰ＳｉＯ２は、接合のための加熱処理中に、比較的低温から液相を形成するため、焼結体中の反応（物質移動）を活性化し、接合材を用いなくても密着強度の高い接合体を形成することができる。その結果、接合部の材料が実質的に母材と同じとなり、母材と接合部の熱膨張係数差に起因する残留応力の発生がないために、得られる接合体の接合強度は極めて高く、接合の信頼性を高めることができる。
しかし、この余剰ＳｉＯ２が多すぎると加熱処理中の発泡現象や焼結体の密度・剛性の低下等をもたらすため、焼結体中のＳｉＯ２成分の含有量は７０．０換算質量％以下であることが好ましい。
【００１７】
なお、本発明において、接合部とは、複数の部材の接合面同士を接触させた界面を中心とした幅１００μｍ程度の領域を示す。この接合部の材料は、その材料構成が実質的に母材と同じであれば良く、接合部に１〜５０μm程度のポアが接合強度に影響を与えない程度に含まれていても良い。
また、上記余剰ＳｉＯ２の焼結体中での存在形態は、非晶質であっても結晶質であっても構わないが、特に少なくとも一部が結晶質であることが高剛性の点では好ましく、逆に、低熱膨張性の点では非晶質であることが好ましい。
【００１８】
焼結体の熱膨張係数については、最近の高集積半導体や微細化磁気ヘッド等の製造装置に必要な寸法精度の安定性を維持する必要上、室温における熱膨張係数の絶対値が０．６×１０−６／Ｋ以下であることが必要である。さらに高精度の熱的安定性が要求される精密部材においては、ゼロ膨張に近い熱膨張係数が必要で、室温での熱膨張係数の絶対値が０．３×１０−６／Ｋ以下であることが望ましい。
なお、本発明において、室温とは２０〜２５℃の温度範囲をいい、本明細書において室温とはすべてこの温度範囲を示すものである。
【００１９】
焼結体のヤング率については、一定の空間内で精密な構造体として使用するためには、１００ＧＰａ以上である必要があり、最適には１２０ＧＰａ以上であることが好ましい。ヤング率が１００ＧＰａより低くなると、部材の変形を抑えるために構造体を肉厚且つ大型化しなくてはならなくなり、軽量化の点から好ましくない。
また、精密装置のさらなる大型化、高速移動化に対応するためには、焼結体の比剛性も大きくなくてはならない。本発明においては、４０ＧＰａ・ｃｍ３／ｇ以上の比剛性が必要であり、５０ＧＰａ・ｃｍ３／ｇ以上であることがより好ましい。
【００２０】
また、本発明においては、上記のコーディエライト結晶質焼結体が、当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＭｇの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）換算で８．０〜１７．２質量％となる条件で、Ｍｇを含有することが好ましい。また、当該焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）中におけるＡｌの割合が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）換算で２２．０〜３８．０質量％となる条件で、Ａｌを含有することが好ましい。
なお、上記のＭｇの含有量（以下、その単位を換算質量％と表す）は、コーディエライト結晶質焼結体の構成元素（Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ）が酸化物（ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）のまま存在するとして、ＭｇＯ／（ＭｇＯ＋Ａｌ２Ｏ３＋ＳｉＯ２）によって算出したものである。これと同様にして、上記のＡｌの含有量（以下、その単位を換算質量％と表す）は、Ａｌ２Ｏ３／（ＭｇＯ＋Ａｌ２Ｏ３＋ＳｉＯ２）によって算出したものである。
【００２１】
ここで、コーディエライト結晶の化学量論組成は、酸化物換算でＭｇＯ：１３．７８質量％、Ａｌ２Ｏ３：３４．８６質量％、ＳｉＯ２：５１．３６質量％であり、同三成分系内における固溶域が非常に狭いことが知られている。したがって、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、及びＳｉＯ２成分の組成比のずれにより、コーディエライト結晶相以外の他の相が生成してしまう。
本発明では、コーディエライト結晶相として存在する以外のＭｇＯやＡｌ２Ｏ３成分は、前述の余剰ＳｉＯ２を主体とする粒界相に固溶するか、もしくは、スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３）等の他の結晶相として存在すると考えられる。ＭｇＯやＡｌ２Ｏ３成分の組成が本発明範囲内であれば、コーディエライト結晶相として存在する以外のＭｇＯやＡｌ２Ｏ３成分の少なくとも一部は、余剰ＳｉＯ２を主体とする粒界相に固溶するため、加熱処理中により低温から液相を形成し、接合強度をより高くすることができる。
しかし、ＭｇＯの含有量が１７．２換算質量％よりも多く、さらに／又は、Ａｌ２Ｏ３の含有量が３８．０換算質量％よりも多い場合には、スピネル等の他の結晶相の生成量が多くなり、熱膨張係数の増大をもたらしてしまうため好ましくない。
また、ＭｇＯの含有量が８．０換算質量％よりも少なく、さらに／又は、Ａｌ２Ｏ３の含有量が２２．０換算質量％よりも少ない場合には、相対的なＳｉＯ２含有量が多くなりすぎ、加熱処理中の発泡現象や焼結体の密度・剛性の低下等をもたらしてしまうため好ましくない。
【００２２】
さらに、上記のコーディエライト結晶質焼結体は、Ｌｉを酸化物（Ｌｉ２Ｏ）換算で０．１〜２．５質量％（焼結体全体におけるＬｉ酸化物の質量％）の割合で含有していることが好ましい。
Ｌｉは、Ｌｉ−Ｓｉ−Ｏ系等のガラスにおいて、その融点を大幅に下げるガラスフォーマーとして一般的に知られている。本発明においては、Ｌｉの少なくとも一部がＳｉＯ２成分を主体とする粒界相に固溶することで、加熱処理中により低温から液相を形成するため、接合強度のより高い接合体を形成することができる。このＬｉの効果を得るためには、酸化物換算の含有量が０．１質量％以上であることが好ましく、特に含有量を０．２〜１．０質量％とすることにより、熱膨張係数の絶対値が０．１×１０−６／Ｋ以下という熱膨張係数が非常に低い部材が得られるためより好ましい。含有量が２．５質量％を超えると弾性率の低下が著しくなるので好ましくない。
【００２３】
また、焼結体中にＹを含む希土類元素の１種又は２種以上を含有することでも、Ｌｉと同様に焼結体中の反応を活性化し、接合強度をより一層高めることができる。
希土類元素の効果を得るためには、酸化物換算で０．１〜１０質量％（焼結体全体における希土類元素酸化物の質量％）の割合で含有することが好ましく、特に含有量を１．０〜５．０質量％とすることにより、熱膨張係数の絶対値が０．１×１０−６／Ｋ以下という熱膨張係数が非常に低い部材が得られるため、より好ましい。
希土類元素としては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕ等が挙げられ、これらの中でも容易に入手でき、安価な点でＹが好適である。
【００２４】
また、本発明では、上記のコーディエライト結晶質焼結体が、遷移金属元素の１種又は２種以上を酸化物換算で２質量％（焼結体全体における遷移金属酸化物の質量％）以下の割合で含有することが好ましい。
これにより、余剰ＳｉＯ２を主体とする粒界相に遷移金属元素の少なくとも一部が固溶し、加熱処理中により低温から液相を形成するため、焼結体中の反応が促進され、接合強度をより一層高くすることができる。
遷移金属元素は、酸化物換算の含有量が２質量％以上では発泡現象や密度・剛性の低下等をもたらすため好ましくない。
ここで、本発明で用いる遷移元素としては、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ等の第１遷移元素が最も優れている。
【００２５】
ここで、Ｌｉ、希土類元素及び遷移金属元素は、その含有量の少なくとも一部が余剰ＳｉＯ２成分を主体とする粒界相に固溶していれば良く、熱膨張係数に影響を与えない程度に酸化物、窒化物、炭化物又は硼化物等の化合物結晶として存在しても構わない。
特に、この酸化物としては、Ｌｉ、希土類元素及び遷移金属元素の単一酸化物、又はＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２のうちの少なくとも１種とＬｉ、希土類元素、遷移金属元素のうちの少なくとも１種との複合酸化物が挙げられる。
【００２６】
また、本発明では、上記のようなコーディエライト結晶質焼結体からなる複数の部材同士の接合強度が、母材であるコーディエライト結晶質焼結体の強度の６０％以上、特に７０％以上であることが好ましい。
これにより、接合後の部材全体の剛性が高く、且つ接合の信頼性の高い低熱膨張セラミックス接合体を形成することができる。
【００２７】
次に、本発明の低熱膨張セラミックス接合体を製造する方法について説明する。
上記複数の焼結体の接合面を研削加工し、その加工面同士を接触させ、加熱処理を行う。加熱温度は、１２００〜１５００℃、特に１２７５〜１４５０℃であることが好適である。この加熱温度が１２００℃より低いと焼結体中の反応が十分進行しないため接合強度が低下してしまい、１５００℃より高いとコーディエライト結晶が分解してしまい、接合強度の低下を招いてしまう。なお、この熱処理は、大気中又は水素、窒素やアルゴンなどの非酸化雰囲気中において、常圧又は所望によりガス圧焼成（ＧＰＳ）、ホットプレス焼成（ＨＰ）、熱間静水圧焼成（ＨＩＰ）などの加圧条件下で行うことができる。
特に、本発明においては、熱処理において、接合面の少なくとも一部に０．５ｋＰａ以上、特に３ｋＰａ以上、より好適には７ｋＰａ以上の圧力を加えることが好ましい。これにより、接合強度を高めることができる。
【実施例１】
【００２８】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
原料粉末として、マグネシア（平均粒径０．２μｍ）、コーディエライト（平均粒径３μｍ）、水酸化マグネシウム（平均粒径１μｍ）、炭酸リチウム（平均粒径２μｍ）、β−スポジューメン（平均粒径２μｍ）、ユークリプタイト（平均粒径２μｍ）、シリカ（溶融シリカ平均粒径０．７μｍ）、アルミナ（平均粒径０．３μｍ）を使用した。遷移金属元素源及び希土類元素源の原料としては、それぞれの酸化物（平均粒径１μｍ）を用いた。
【００２９】
各原料を以下の表１に示す化学組成になるように調合し、樹脂バインダーを３重量部加え、水を溶媒としてアルミナポットミル中で２４時間混合した。このスラリーを乾燥造粒し、静水圧１．０ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力で成形した。得られた成形体を空気中で５００℃迄昇温して樹脂バインダーを脱脂した。
これら脱脂した成形体を、表１に記載の焼成方法、焼成雰囲気、焼成温度にて焼結した。ＨＰにおいては面圧４００ＭＰａにて、ＧＰＳではガス圧０．５ＭＰａにて、ＨＩＰでは常圧焼結後に１５２ＭＰａ、１３００℃にて焼結を行った。焼成時間は、常圧焼成とＧＰＳの場合は４時間、ＨＰとＨＩＰでは１時間とした。
なお、表１には、各試料における各成分の含有量は、以下の方法により得られた値を記載している。
（Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ含有量）  既知の合成試料より算出した検量線を用いて、蛍光Ｘ線分析により定量した。表１には、ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２の各換算質量％を記載している。
（その他の成分含有量）  誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光スペクトル分析により定量した。表１には、コーディエライト結晶質焼結体中の各酸化物の質量％を記載している。
【００３０】
【表１】
2008007341.tif 000003
【００３１】
上記のようにして得られた各試料について、以下の評価を行った。評価結果は、以下の表２に示す。
（熱膨張係数）  室温の熱膨張係数測定は、精密な測定が必要なため、低熱膨張ガラスの熱膨張係数測定のためのＪＩＳ−Ｒ−３２５１（二重光路マイケルソン型レーザー干渉方式）に基づき、測定を行った。
（ヤング率）  超音波パルス法（ＪＩＳ−Ｒ−１６０２）により測定した。
（比剛性）  ヤング率の値を、アルキメデス法（ＪＩＳ−Ｒ−１６３４）により測定した密度で除して算出した。
（曲げ強度）  ＪＩＳ−Ｒ−１６０１による４点曲げ試験強度を測定した。
次に、この焼結体を一辺が３０ｍｍの立方体に加工して部材とした。この部材の接合面同士を接触させ、表１に示した条件により２時間保持して熱処理した。得られた接合体について、各成分含有量を焼結体と同じ方法で評価し、接合体と焼結体との間にずれがないことを確認した。さらに、得られた接合体について、以下の評価を行った。
（接合部の組織観察）  鏡面研磨した試料、および鏡面研磨した後、４６％ＨＦによりエッチングを行った試料について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により接合部の表面状態を解析した。
（接合強度）  接合体から３ｍｍ×４ｍｍ×４５ｍｍの寸法で、接合部が長手方向の中心に位置するように曲げ試験片を切り出した。次に、ＪＩＳ−Ｒ−１６０１に基づき、接合部が支持点の中心に配置するように行った４点曲げ試験により室温曲げ強度を測定し、これを接合強度とした。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
表２において、Ｎｏ．１〜２０が本発明の実施例であり、いずれも良好な成績を得ることができた。
Ｎｏ．２に示す実施例（実施例２）における接合部（鏡面研磨した試料）の組織観察結果を図１に示す。図１より、接合部に５０μm以下のポアが含まれているが、材料構成は実質的に母材と同じであり、接合強度は本発明範囲内である。
Ｎｏ．１０に示す実施例（実施例１０）における接合部（鏡面研磨した後、４６％ＨＦによりエッチングを行った試料）の組織観察結果を図２に示す。図２より、接合部の材料構成は、実質的に母材と同じであることが分かる。
【００３４】
表２において、Ｎｏ．２１〜２７が比較例である。
Ｎｏ．２１は、ＳｉＯ２含有量が本発明範囲から外れているため、熱膨張係数、及び接合強度が本発明範囲外であった。
Ｎｏ．２２は、化学組成がコーディエライト結晶相の化学量論組成にほぼ等しく、遷移金属元素、Ｌｉ２Ｏ又は希土類元素も全く含んでいないことから、ヤング率及び接合強度が本発明範囲外であった。
Ｎｏ．２３は、接合処理温度が本発明の下限以下であったため、接合強度が本発明範囲外であった。
Ｎｏ．２４は、ＭｇＯ含有量が本発明範囲から外れているため、熱膨張係数、及び接合強度が本発明範囲外であった。
Ｎｏ．２５は、ＭｇＯ及びＬｉ２Ｏ含有量が本発明範囲から外れているため、熱膨張係数、ヤング率及び比剛性が本発明範囲外であった。
Ｎｏ．２６は、Ａｌ２Ｏ３含有量が本発明範囲から外れているため、熱膨張係数、ヤング率が本発明範囲外であった。
Ｎｏ．２７は、希土類元素の含有量は本発明範囲内であるものの、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、及びＳｉＯ２成分の組成比がコーディエライト結晶相の化学量論組成比にほぼ等しく、本発明範囲外である上記特許文献６に記載の焼結体を接合したものである。その結果、接合強度が大幅に本発明範囲から外れた。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例２の接合体について、鏡面研磨した試料の走査型電子顕微鏡による観察結果である。
【図２】実施例１０の接合体について、鏡面研磨した後、４６％ＨＦによりエッチングを行った試料の走査型電子顕微鏡による観察結果である。
【図１】
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【図２】
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