(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ムライトのほかに、窒化珪素、酸窒化珪素及びサイアロンからなる群より選ばれた少なくとも１種を含有するムライト含有焼結体であって、
４０〜４００℃の熱膨張係数が４．１ｐｐｍ／℃以下であり、
開気孔率が０．５％以下であり、
平均結晶粒径が１．５μｍ以下であり、
研磨面の中心平均粗さＲａが１．５ｎｍ以下であり、
４点曲げ強度が３２０ＭＰａ以上３５０ＭＰａ以下である、
ムライト含有焼結体。
【請求項２】
研磨面１００μｍ×１００μｍの面積当りに存在する最大長さ１μｍ以上の気孔の数が１０個以下である、
請求項１に記載のムライト含有焼結体。
【請求項３】
ヤング率が２４０ＧＰａ以上である、
請求項１又は２に記載のムライト含有焼結体。
【請求項４】
（ａ）平均粒径１．５μｍ以下のムライト粉末５０〜９０体積％と平均粒径１μｍ以下の窒化珪素粉末１０〜５０体積％とを合計１００体積％となるように混合して混合原料粉末を得る工程と、
（ｂ）前記混合原料粉末を所定形状の成形体に成形し、前記成形体をプレス圧２０〜３００ｋｇｆ／ｃｍ2、焼成温度１５２５〜１７００℃、昇温速度５０〜３００℃／ｈｒ、焼成温度での保持時間２〜８時間でホットプレス焼成を行うことにより、請求項１〜３のいずれか１項に記載のムライト含有焼結体を得る工程と、
を含むムライト含有焼結体の製法。
【請求項５】
圧電基板と支持基板とが接合された複合基板であって、
前記支持基板は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のムライト含有焼結体である、
複合基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ムライト含有焼結体、その製法及び複合基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ムライト焼結体は、一般に、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と酸化ケイ素（ＳｉＯ2）を３対２の割合で焼結した耐熱衝撃性に優れた材料であり、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2で表される。こうしたムライト焼結体としては、例えば特許文献１に開示されているように、ムライト粉末にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）粉末を３０質量％混合した粉末を成形し、その成形体を焼結させたものが知られている。特許文献１では、ムライト焼結体からムライト基板を切り出し、そのムライト基板の主表面を研磨することにより、ＧａＮ基板と貼り合わせるのに用いられる下地基板としている。ＧａＮの熱膨張係数は室温から１０００℃の範囲で６．０ｐｐｍ／Ｋとされ、ムライトの熱膨張係数は５．２ｐｐｍ／Ｋとされている。そのため、両者を貼り合わせて使用することを考慮すると、ムライトの熱膨張係数を高めてＧａＮ基板の熱膨張係数に近づけることが好ましく、それゆえムライト粉末にＹＳＺ粉末を混合して焼結させている。
【０００３】
一方、特許文献２には、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等からなる機能性基板とムライト焼結体製の支持基板とが直接接合により接合された複合基板を、弾性表面波素子などの弾性波デバイスに利用した例が記載されている。こうした弾性波デバイスでは、支持基板であるムライト基板の熱膨張係数が４．４ｐｐｍ／℃（４０〜４００℃）程度と小さく、ヤング率が２２０ＧＰａ以上と大きいため、弾性波デバイス自体の温度変化による膨張や収縮を小さくすることができ、それにより周波数の温度依存性が大きく改善される。機能性基板と支持基板とを直接接合するためには、各接合面において高い平坦性が求められる。例えば、特許文献２には中心線平均粗さＲａが３ｎｍ以下であることが好ましいと記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５８５５７０号公報
【特許文献２】特許第５８６１０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ムライトに相当量の他の成分を加えて熱膨張係数を高めたムライト焼結体については特許文献１に記載され、ムライトの純度が高いムライト焼結体については特許文献２に記載されているものの、熱膨張係数を低減したムライト焼結体については触れられておらず、ましてやこうした低熱膨張のムライト焼結体であって研磨仕上げした面の表面平坦性が高いものは知られていない。また、低熱膨張であっても低剛性のムライト焼結体を複合基板の支持基板として用いた場合、複合基板がわずかな温度差によって反ってしまうことがある。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、ムライトを含有する焼結体において、ムライト単独に比べて熱膨張係数を低く剛性を高くすると共に、研磨面の平坦性を高くすることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のムライト含有焼結体は、ムライトのほかに、窒化珪素、酸窒化珪素及びサイアロンからなる群より選ばれた少なくとも１種を含有するムライト含有焼結体であって、４０〜４００℃の熱膨張係数が４．３ｐｐｍ／℃未満であり、開気孔率が０．５％以下であり、平均結晶粒径（焼結粒子の平均粒径）が１．５μｍ以下のものである。このムライト含有焼結体は、ムライト単独に比べて熱膨張係数が低く剛性が高い。また、研磨面の平坦性を高くすることができる。
【０００８】
本発明のムライト含有焼結体の製法は、（ａ）平均粒径１μｍ以下のムライト粉末５０〜９０体積％と平均粒径１μｍ以下の窒化珪素粉末１０〜５０体積％とを合計１００体積％となるように混合して混合原料粉末を得る工程と、（ｂ）前記混合原料粉末を所定形状の成形体に成形し、前記成形体をプレス圧２０〜３００ｋｇｆ／ｃｍ2、焼成温度１５２５〜１７００℃でホットプレス焼成を行うことにより、ムライト含有焼結体を得る工程と、を含むものである。この製法は、上述した本発明のムライト含有焼結体を製造するのに適している。なお、粉末の平均粒径は、レーザー回折法によって測定された値である（以下同じ）。
【０００９】
本発明の複合基板は、機能性基板と支持基板とが接合された複合基板であって、前記支持基板は、上述したムライト含有焼結体である。この複合基板は、支持基板であるムライト含有焼結体の研磨面の平坦性が高いため、機能性基板と良好に接合される。また、この複合基板を弾性表面波デバイスに利用した場合、周波数温度依存性が大きく改善される。また、光導波路デバイス、ＬＥＤデバイス、スイッチデバイスにおいても支持基板の熱膨張係数が小さいことで性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ムライト含有焼結体の製造工程図。
【図２】複合基板１０の斜視図。
【図３】複合基板１０を用いて作製した電子デバイス３０の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
本実施形態のムライト含有焼結体は、ムライトのほかに、窒化珪素、酸窒化珪素及びサイアロンからなる群より選ばれた少なくとも１種を含有する。ムライトは、焼結体中に最も多く含まれる成分（主成分）であることが好ましいが、前記群より選ばれた成分が主成分であっても構わない。このムライト含有焼結体は、４０〜４００℃の熱膨張係数が４．３ｐｐｍ／℃未満であり、開気孔率が０．５％以下であり、平均結晶粒径が１．５μｍ以下であることが好ましい。このムライト含有焼結体は、ムライト単独に比べて熱膨張係数が低くヤング率（剛性）が高い。また、このムライト含有焼結体は、開気孔率が０．５％以下であり気孔をほとんど有さず、平均結晶粒径が１．５μｍ以下と小さいため、研磨仕上げした面（研磨面）の平坦性が高くなる。
【００１３】
本実施形態のムライト含有焼結体は、研磨面１００μｍ×１００μｍの面積当りに存在する最大長さ１μｍ以上の気孔の数が１０個以下であることが好ましい。気孔の数が１０個以下であれば、研磨仕上げした面の平坦性がより高くなる。こうした気孔の数は、３個以下であることがより好ましく、ゼロであることが更に好ましい。
【００１４】
本実施形態のムライト含有焼結体は、ヤング率が２４０ＧＰａ以上であることが好ましく、４点曲げ強度が３００ＭＰａ以上であることが好ましい。窒化珪素やそれに由来する成分はムライトよりもヤング率や強度が高いため、ムライトに対する窒化珪素の添加割合を調節することによりムライト含有焼結体のヤング率を２４０ＧＰａ以上にしたり４点曲げ強度を３００ＭＰａ以上にしたりすることができる。なお、4点曲げ強度は３２０ＭＰａ以上であることがより好ましい。
【００１５】
本実施形態のムライト含有焼結体は、研磨面の中心平均粗さＲａが１．５ｎｍ以下であることが好ましい。弾性波デバイスなどに利用される複合基板として、機能性基板と支持基板とを接合したものが知られているが、このように研磨面のＲａが１．５ｎｍ以下のムライト含有焼結体を支持基板として用いることで、支持基板と機能性基板との接合性が良好になる。例えば、接合界面のうち実際に接合している面積の割合（接合面積割合）が８０％以上（好ましくは９０％以上）になる。研磨面の中心平均粗さＲａは１．１ｎｍ以下であることがより好ましく、１．０ｎｍ以下であることが更に好ましい。
【００１６】
本実施形態のムライト含有焼結体は、４０〜４００℃の熱膨張係数が３．８ｐｐｍ／℃以下であることがより好ましい。こうしたムライト含有焼結体を支持基板とする複合基板を弾性波デバイスに利用することで、弾性デバイスの温度が上昇した場合に機能性基板は本来の熱膨張よりも小さな熱膨張になるため、弾性デバイスの周波数温度依存性が改善される。４０〜４００℃の熱膨張係数は３．５ｐｐｍ／℃以下であることが更に好ましい。
【００１７】
次に、本発明のムライト含有焼結体の製造方法の一実施形態について説明する。ムライト含有焼結体の製造フローは、図１に示すように、（ａ）混合原料粉末を調製する工程と、（ｂ）ムライト含有焼結体を作製する工程とを含む。
【００１８】
・工程（ａ）：混合原料粉末の調製
混合原料粉末は、ムライト粉末と窒化珪素粉末とを混合することにより調製する。ムライト原料としては、純度が高く、平均粒径が小さい粉末を使用するのが好ましい。純度は９９．０％以上が好ましく、９９．５％以上がより好ましく、９９．８％以上が更に好ましい。純度の単位は質量％である。また、平均粒径（Ｄ５０）は１．５μｍ以下が好ましく、０．１〜１．５μｍがより好ましい。ムライト原料は、市販品を用いてもよいし、高純度なアルミナやシリカ粉末を用いて作製したものを用いてもよい。ムライト原料を作製する方法としては、例えば特許文献２に記載された方法が挙げられる。窒化珪素原料としては、平均粒径が小さい粉末を使用するのが好ましい。平均粒径は１μｍ以下が好ましく、０．１〜１μｍがより好ましい。ムライト原料と窒化珪素原料とを混合割合は、例えば、ムライト原料５０〜９０体積％（好ましくは７０〜９０体積％）と窒化珪素原料１０〜５０体積％（好ましくは１０〜３０体積％）とを合計１００体積％となるように秤量し、ポットミル等の混合機で混合し、必要に応じてスプレードライヤーで乾燥して混合原料粉末を得るようにしてもよい。
【００１９】
・工程（ｂ）：ムライト含有焼結体の作製
工程（ａ）で得られた混合原料粉末を所定形状の成形体に成形する。成形の方法に特に制限はなく、一般的な成形法を用いることができる。例えば、混合原料粉末をそのまま金型によってプレス成形してもよい。プレス成形の場合は、混合原料粉末をスプレードライによって顆粒状にしておくと、成形性が良好になる。他に、有機バインダーを加えて坏土を作製し押出し成形したり、スラリーを作製しシート成形することができる。これらのプロセスでは焼成工程前あるいは焼成工程中に有機バインダー成分を除去することが必要になる。また、ＣＩＰ（冷間静水圧プレス）にて高圧成形してもよい。
【００２０】
次に、得られた成形体を焼成してムライト含有焼結体を作製する。この際、焼結粒子を微細に維持し、焼結中に気孔を排出することがムライト含有焼結体の表面平坦性を高めるうえで好ましい。その手法として、ホットプレス法が非常に有効である。このホットプレス法を用いることで常圧焼結に比べて低温で微細粒の状態で緻密化が進み、常圧焼結でよく見られる粗大な気孔の残留を抑制することができる。このホットプレス時の焼成温度（最高温度）は１５２５〜１７００℃が好ましい。また、ホットプレス時のプレス圧力は２０〜３００ｋｇｆ／ｃｍ2とすることが好ましい。特に低いプレス圧力では、ホットプレス治具の小型化や長寿命化が可能であるため好ましい。焼成温度での保持時間は、成形体の形状や大きさ、加熱炉の特性などを考慮し、適宜、適当な時間を選択することができる。具体的な好ましい保持時間は、例えば１〜１２時間、更に好ましくは２〜８時間である。焼成雰囲気にも特に制限はなく、ホットプレス時の雰囲気は窒素、アルゴン等の不活性雰囲気が一般的である。昇温速度や降温速度は、成形体の形状や大きさ、加熱炉の特性などを考慮し、適宜、設定すればよく、例えば５０〜３００℃／ｈｒの範囲に設定すればよい。
【００２１】
次に、本発明の複合基板の一実施形態について説明する。本実施形態の複合基板は、機能性基板と、上述したムライト含有焼結体製の支持基板とが接合されたものである。この複合基板は、両基板の接合面積割合が大きくなり、良好な接合性を示す。機能性基板としては、特に限定されないが、例えばタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、窒化ガリウム、シリコンなどが挙げられる。接合方法は、直接接合が好ましい。直接接合の場合には、機能性基板と支持基板とのそれぞれの接合面を研磨したあと活性化し、両接合面を向かい合わせにした状態で両基板を押圧する。接合面の活性化は、例えば、接合面への不活性ガス（アルゴンなど）のイオンビームの照射のほか、プラズマや中性原子ビームの照射などで行う。機能性基板と支持基板の厚みの比（機能性基板の厚み／支持基板の厚み）は０．１以下であることが好ましい。図２に複合基板の一例を示す。複合基板１０は、機能性基板である圧電基板１２と支持基板１４とが直接接合により接合されたものである。
【００２２】
本実施形態の複合基板は、電子デバイス等に利用可能である。こうした電子デバイスとしては、弾性波デバイス（弾性表面波デバイスやラム波素子、薄膜共振子（ＦＢＡＲ）など）のほか、ＬＥＤデバイス、光導波路デバイス、スイッチデバイスなどが挙げられる。弾性波デバイスに上述した複合基板を利用する場合には、支持基板であるムライト含有焼結体の熱膨張係数が４．３ｐｐｍ／Ｋ（４０〜４００℃）未満と小さいため、周波数温度依存性が大きく改善される。図３に複合基板１０を用いて作製した電子デバイス３０の一例を示す。電子デバイス３０は、１ポートＳＡＷ共振子つまり弾性表面波デバイスである。まず、複合基板１０の圧電基板１２に一般的なフォトリソグラフィ技術を用いて多数の電子デバイス３０のパターンを形成し、その後、ダイシングにより１つ１つの電子デバイス３０に切り出す。電子デバイス３０は、フォトリソグラフィ技術により、圧電基板１２の表面にＩＤＴ（Interdigital Transducer)電極３２，３４と反射電極３６とが形成されたものである。
【００２３】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【実施例】
【００２４】
１．混合原料粉末の作製
ムライト原料として、市販の純度９９．９％以上、平均粒径１．５μｍのムライト粉末を、窒化珪素原料として市販の純度９７％以上、平均粒径０．８μｍの窒化珪素粉末を用いた。ムライト原料と窒化珪素原料を表１の実験例１〜３に示す割合で秤量し、φ５ｍｍのアルミナ玉石を用いてポットミル混合し、スプレードライにより混合原料粉末を作製した。
【００２５】
【表１】
0006650804.tif 000002
【００２６】
２．ムライト含有焼結体の作製
実験例１〜３の混合原料粉末を、直径約１２５ｍｍの金型に入れ、厚さ１０〜１５ｍｍ程度の円盤状に２００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で成形し、ムライト含有成形体を得た。次いで、内径約１２５ｍｍのホットプレス用の黒鉛型にムライト含有成形体を収納し、ホットプレス炉にて直径約１２５ｍｍで厚さ５〜８ｍｍ程度のムライト含有焼結体を作製した。なお、焼成時の最高温度（焼成温度）を１６５０℃、焼成温度での保持時間を５ｈｒとし、昇温速度、降温速度ともに１００℃／ｈｒとした。プレス荷重は昇温中の９００℃以上で２００ｋｇｆ／ｃｍ2とし、炉内雰囲気は９００℃までは真空とし、９００℃到達後にＮ2を導入しＮ2下で焼結を進めた。焼成温度で所定時間保持した後は１２００℃まで降温し、プレス荷重と炉内雰囲気の制御を止めて、室温まで自然冷却した。また、実験例４では、ムライト粉末のみで同様にして成形体、焼結体を作製した。
【００２７】
３．特性評価
実験例１〜４の焼結体から、試験片（４×３×４０ｍｍサイズの抗折棒等）を切り出し、各種特性を評価した。また、焼結体の研磨面は、４×３×１０ｍｍ程度の試験片の一面を研磨によって鏡面状に仕上げたものとした。研磨は３μｍのダイヤモンド砥粒、０．５μｍのダイヤモンド砥粒の順に進め、最終仕上げには０．１μｍ以下のダイヤモンド砥粒を用いたラップ研磨を行った。評価した特性は以下のとおり。
【００２８】
（１）結晶相
焼結体を粉砕し、Ｘ線回折装置により、結晶相の同定を行った。測定条件はＣｕＫα、５０ｋＶ、３００ｍＡ、２θ＝５−７０°とし、回転対陰極型Ｘ線回折装置（理学電機製ＲＩＮＴ）を用いた。
【００２９】
（２）結晶相比率
上記（１）のＸ線回折プロファイルから、各結晶相のピーク面積比率を算出した。ムライト（２１０）面（２θ＝２６．２°）のピーク面積を１として、それに対する各結晶相のピーク面積を結晶相比率とした。ここで各結晶相の代表ピークとして、窒化珪素は（１０１）面（２θ＝２０．６°）、サイアロンはＳｉ2Ａｌ3Ｏ7Ｎの（３−２０）面（２θ＝２４．６°）及びＳｉ5ＡｌＯＮ7の（２００）面（２θ＝２６．９°）を用いた。
【００３０】
（３）嵩密度、開気孔率
抗折棒を用い、純水を用いたアルキメデス法により、嵩密度、開気孔率を測定した。
【００３１】
（４）ヤング率
ＪＩＳ  Ｒ１６０２に準じた、静的撓み法で測定した。試験片形状は３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ抗折棒とした。
【００３２】
（５）曲げ強度
ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準じて、４点曲げ強度を測定した。試験片形状は３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ抗折棒もしくは、そのハーフサイズとした。
【００３３】
（６）熱膨張係数（４０〜４００℃）
ＪＩＳ  Ｒ１６１８に準じて、押し棒示差式で測定した。試験片形状は３ｍｍ×４ｍｍ×２０ｍｍとした。
【００３４】
（７）気孔の数
上記のように仕上げた焼結体の研磨面をＳＥＭ観察し、１００μｍ×１００μｍ当りに存在する、最大長さが１μｍ以上の気孔の数を計測した。
【００３５】
（８）表面平坦性（Ｒａ）
上記のように仕上げた焼結体の研磨面に対し、ＡＦＭを用いて中心性平均粗さＲａを測定した。測定範囲は、１０μｍ×１０μｍとした。
【００３６】
（９）焼結粒子の平均粒径
上記のように仕上げた焼結体の研磨面をリン酸にてケミカルエッチングし、ＳＥＭにて焼結粒子の大きさを２００個以上測定し、線分法を用いて平均粒径を算出した。線分法の係数は１．５とし、ＳＥＭにて実測された長さに１．５を乗じた値を平均粒径とした。
【００３７】
（１０）接合性
実験例１〜４の焼結体から直径１００ｍｍ、厚さ６００μｍ程度の円板を切り出した。この円板を上記の通りに研磨仕上げした後に、洗浄して表面のパーティクルや汚染物質等を取り除いた。次に、この円板を支持基板とし、支持基板と機能性基板との直接接合を実施して複合基板を得た。すなわち、まず支持基板と機能性基板のそれぞれの接合面をアルゴンのイオンビームによって活性化し、その後に両接合面を向かい合わせて１０ｔｏｎｆで押圧し、接合して複合基板を得た。機能性基板としては、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板を用いた。接合性の評価は、ＩＲ透過像から接合面積が９０％以上のものを「最良」、８０%以上９０％未満のものを「良」、８０％未満のものを「不良」とした。
【００３８】
４．評価結果
実験例１〜３のムライト含有焼結体は、ムライト原料と窒化珪素原料とを混合した混合原料粉末を焼成したものであるが、窒化珪素の一部が焼成によってサイアロンに変化した。実験例１〜３のムライト含有焼結体は、窒化珪素等を含んでいるため、実験例４のムライト単独の焼結体に比べてヤング率及び４点曲げ強度が向上した。すなわちヤング率は２４０ＧＰａ以上、４点曲げ強度が３２０ＭＰａ以上に向上した。また、実験例１〜３のムライト含有焼結体は、４０〜４００℃の熱膨張係数が４．３ｐｐｍ／℃未満（３．５〜４．１ｐｐｍ／℃）であり、実験例４のムライト単独の焼結体よりも低い値になった。更に、実験例１〜３のムライト含有焼結体や実験例４のムライト単独の焼結体は、開気孔率が０．５％以下（０．１％未満）、平均結晶粒径が１．５μｍ以下（１．０〜１．２μｍ）であったため、研磨面の中心平均粗さＲａは１．１ｎｍ以下（０．９〜１．１ｎｍ）と小さくなった。そのため、実験例２〜４の焼結体から切り出した円板を機能性基板と直接接合したときの接合性は、いずれも接合面積が９０％以上の「最良」であり、実験例１の焼結体から切り出した円板を機能性基板と直接接合したときの接合性は、接合面積が８０％以上９０％未満の「良」であった。なお、研磨面の中心平均粗さＲａがこのように小さな値になったのは気孔の数が３個以下（ゼロ）だったことも寄与している。
【００３９】
なお、実験例１〜３が本発明の実施例に相当し、実験例４が比較例に相当する。これらの実験例は本発明を何ら限定するものではない。
【符号の説明】
【００４０】
１０  複合基板、１２  圧電基板、１４  支持基板、３０  電子デバイス、３２，３４  ＩＤＴ電極、３６  反射電極。
【図１】
0006650804.tif 000003
【図２】
0006650804.tif 000004
【図３】
0006650804.tif 000005