(57)【要約】【課題】半導体製造装置用部材として、より熱膨張係数の低い、高強度な窒化珪素製中空接合体の要求が高まっていた。【解決手段】窒化珪素を主成分とし、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含む窒化珪素質焼結体からなる一対の基体１，４がガラスを主成分として、窒化珪素から成る微細結晶およびＥｒ成分とを含む接合層を介して接合されていることから、部材の熱膨張を極力抑え、加熱による部材の形状変化が起こることを防止することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素を主成分とし、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含む窒化珪素質焼結体からなる一対の基体を、ガラスを主成分とし、窒化珪素から成る微細結晶およびＥｒ成分を含む接合層を介して接合されたことを特徴とする窒化珪素接合体。
【請求項２】
前記接合層におけるＥｒ成分は、Ｅｒ２Ｏ３換算で５質量％以下の範囲で含有されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化珪素接合体。
【請求項３】
前記接合層における窒化珪素から成る微細結晶は、その平均結晶粒径が０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化珪素接合体。
【請求項４】
前記接合層は、その厚みが０．５〜５μｍであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の窒化珪素接合体。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかに記載の窒化珪素接合体の製造方法であって、窒化珪素を主成分として、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を焼結助剤として含有してなる窒化珪素質焼結体からなる一対の基体を得る工程と、一方の基体の所定位置にガラスを主成分とする接合剤を塗布するとともに、該接合剤を介して他方の基体を載置し、１２５０〜１４００℃の温度で熱処理する工程と、を有することを特徴とする窒化珪素接合体の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至４の何れかに記載の窒化珪素接合体からなり、一方の基体に穴部を備えるとともに、他方の基体により前記穴部を閉鎖するように接合したことを特徴とする半導体製造装置用部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化珪素質焼結体同士を接合剤を用いて接合した窒化珪素接合体とその製造方法、並びにこの窒化珪素接合体を用いた半導体製造装置用部材に関し、特にウエハ定盤や半導体露光装置用ステージ等の大型中空構造を有する部材に適用されるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造において、ウエハ表面の研磨加工に用いられるウエハ定盤や、半導体露光装置用のステージについては、一度により多くの製品を加工して工程内の合理化を図るという目的から大型化の要求が高まっている。
【０００３】
このような大型化に際して、ウエハ定盤やステージ等には、撓みがなく、振動に対して共振しにくく、軽量で、熱膨張係数が低く、且つわずかな温度差によっても形状変化が起こりにくいことが求められ、この要求を満足させるために、中空構造を有したセラミック構造体からなるウエハ定盤やステージ部材が多用されている。
【０００４】
大型の中空セラミック構造体は、例えば容器状のセラミック焼結体に板状のセラミック焼結体を接合剤を介して接合したものであり、この接合方法としては、両者をネジ留めして機械的に係合させるのが一般的であるが、このような接合方法では、大型中空セラミック構造体の表面に重量物を積載し、移動させた場合に係合箇所のみに負荷が集中し、繰り返し負荷がかかることで係合箇所が破断する恐れがあり、また、振動が加わった際に、係合箇所に応力集中が生じ係合が緩む可能性があった。
【０００５】
このような問題点から、前記容器状のセラミック焼結体と板状のセラミック焼結体を無機接合剤で接合して一体化させる方法が用いられている。
【０００６】
また、ウエハ定盤やステージに用いられるセラミック焼結体としては、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素等のセラミックスが用いられているが、近年では、軽量かつ低熱膨張係数である窒化珪素質焼結体からなるものが多用されている。
【０００７】
この窒化珪素質焼結体同士を接合したセラミック構造体として、例えば特許文献１では、接合剤として被接合体である窒化珪素質焼結体の焼結助剤のうち少なくとも１種以上の成分と、窒化珪素とを含有してなる接合剤が提案されており、具体的にＹ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスにＳｉ３Ｎ４を添加した接合剤を用いてＹ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３を焼結助剤とする窒化珪素質焼結体同士を接合することが示されている。
【０００８】
また、特許文献２には、セラミック焼結体を接合するために、周期律表３族元素の酸化物と、珪素酸化物と、アルミニウム酸化物とを配合してなる接合剤において、前記周期律表３族元素の酸化物を少なくとも２種配合し、かつ窒素を含有することにより、熱膨張係数を低下させ、接合部の耐熱性、機械的特性を向上させることが提案されており、窒化物系セラミックスをこの接合剤により接合することが示されている。
【特許文献１】特開平５−４８７６号公報
【特許文献２】特開平１１−２７８９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１では、Ｙ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスや、これに予め窒化珪素を加えた組成のガラス等の接合剤が用いられており、これら接合剤は融点が１４５０〜１５５０℃と高い。同様に、特許文献２の接合剤では、１２００〜１４５０℃と従来よりも低融点の接合剤とし、接合体の熱膨張を低いものとすることはできるものの、接合剤中に含まれる各成分の結晶粒径やＳｉＯ２の粒径が大きいため、接合層を高強度なものとすることができないため、接合部に熱応力が発生した際にクラックが生じやすいという問題を有している。
【００１０】
また、接合剤に３族元素の酸化物として、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）を含有させた場合には、高温で熱処理するために酸化エルビウムはβ−Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７を構成することができないため、接合部の熱膨張を小さくすることは困難である。
【００１１】
さらに、接合部の厚みが４０〜７０μｍと厚いため、接合部の密度を均一にすることが困難となり、接合後の接合面積率が低下し接合強度が低下しやすいという問題を有している。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、窒化珪素を主成分とし、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含む窒化珪素質焼結体からなる一対の基体を、ガラスを主成分とし、窒化珪素から成る微細結晶およびＥｒ成分を含む接合層を介して接合されたことを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記接合層は、Ｅｒ元素がＥｒ２Ｏ３換算で５質量％以下含有されていることを特徴とする。
【００１４】
さらに、前記接合層における窒化珪素の微細結晶は、その平均結晶粒径が０．２μｍ以下であることを特徴とする。
【００１５】
さらにまた、前記接合層は、その厚みが０．５〜５μｍであることを特徴とする。
【００１６】
また、前記窒化珪素接合体からなる半導体製造装置用部材であって、一方の基体に穴部を備えるとともに、他方の基体により前記穴部の周囲を閉鎖するように接合したことを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記窒化珪素接合体の製造方法であって、窒化珪素を主成分として、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を焼結助剤として含有してなる窒化珪素質焼結体からなる一対の基体を得る工程と、一方の基体の所定位置にガラスを主成分とする接合剤を塗布するとともに、該接合剤を介して他方の基体を載置し、１２５０〜１４００℃の温度で熱処理する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、窒化珪素接合体の基体としてＥｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３を焼結助剤として含む窒化珪素質焼結体を用いることで、半導体製造装置用部材として用いた場合、部材の熱膨張を極力抑え、加熱による部材の形状変化が起こることを防止することが可能となる。これにより、例えばウエハ定盤のようなウエハ加工装置用部材として用いる場合には、ウエハ表面の微細加工、表面加工に影響を与えることがない。また、半導体露光用ステージとして用いた場合も同様にウエハにマスクパターンを形成する際等に、部材の形状変化を極力少なくすることが可能であり、より高精度なパターン形成が可能となる。
【００１９】
これに加え、窒化珪素接合体の接合層中に窒化珪素から成る微細結晶とＥｒ成分を含有した構成とすることにより、前記接合層を高強度化でき、かつＥｒ成分の働きにより、接合層を低融点化、低熱膨張化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００２１】
本発明の窒化珪素接合体は、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含む窒化珪素質焼結体からなる一対の基体を接合層を介して接合してなるものであり、前記接合層中に窒化珪素から成る微細結晶とＥｒ成分を含むことを特徴とする。
【００２２】
このような構成の窒化珪素接合体は、基体である窒化珪素焼結体が酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）を含んでおり、これが焼結時に焼結助剤として働くと同時に、主成分であるβ−Ｓｉ３Ｎ４と反応することにより熱膨張の小さなβ−Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７として、窒化珪素焼結体の結晶粒子間に存在する。そのため、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）を焼結助剤として含む窒化珪素質焼結体と比較して、その熱膨張係数を１．４×１０−６／℃以下の低いものとすることができる。
【００２３】
このように、熱膨張係数の小さな窒化珪素焼結体とできる理由としては、結晶粒子間にβ−Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７を存在させることにより、窒化珪素接合体自体の熱膨張を小さくすることができるため、焼結体に熱が加わった際に主成分であるβ−Ｓｉ３Ｎ４とβ−Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７の各結晶の熱膨張の総和を小さくすることができる。その結果、窒化珪素質焼結体の熱膨張係数を１．４×１０−６／℃以下と小さくすることができるのである。
【００２４】
本発明の窒化珪素接合体は、接合層中に窒化珪素から成る微細結晶とＥｒ成分を含むことを最大の特徴とする。
【００２５】
これにより、Ｙ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラス、Ｙｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラス、Ｌｕ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラス等のガラスを主成分とする接合層中に窒化珪素の微細結晶を析出させ、さらに基体中のＥｒ元素が接合層中に拡散してＥｒ２Ｏ３、β−Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７を構成するため、接合層のガラスの存在比率も低く、且つ熱膨張の小さいβ−Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７の存在により、接合層を低熱膨張化、高強度化することが可能となる。
【００２６】
なお、このように接合層中に窒化珪素から成る微細結晶とＥｒ成分を含むようにするためには、詳細は後述するが、窒化珪素から成る微細結晶は接合層となる接合体の主成分であるガラスの成分Ｓｉが窒素雰囲気中で焼成することにより、得られる接合体の接合層中に窒化珪素を生成するものであり、Ｅｒ成分は基体中のＥｒ元素が熱処理時に接合層中に拡散してＥｒ２Ｏ３、β−Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７を構成するものである。また、この接合層となる接合剤中のＳｉＯ２粒度を制御し、また、熱処理温度を低くすること、さらには熱処理時の雰囲気ガス、熱処理温度、キープ時間を調整することにより、接合層中に窒化珪素から成る微細結晶を析出させ、かつＥｒ成分を基体より拡散させることができる。
【００２７】
前記窒化珪素の微細結晶とは、平均結晶粒径が０．２μｍ以下の窒化珪素の結晶であり、基体である窒化珪素の平均結晶粒径は１〜５μｍ程度であるため、このように基体より小さな平均結晶粒径の窒化珪素結晶を含有した接合層の構成とすることにより、接合部の強度を著しく向上する効果があり、接合層をほぼ基体と同様の強度とできる。さらには、微細な窒化珪素結晶とすることにより、接合層の厚みをより薄くすることが可能となる。接合層の厚みは０．５〜５μｍと非常に薄くすることが可能であり、この接合層の厚みが０．５μｍより薄いと、十分な接合強度が得られず、また５μｍを超えると、接合部にかかる応力が大きくなり好ましくない。より好ましい接合層の厚さとしては０．７〜２μｍとすることがより好ましい。
【００２８】
なお、前記接合層における窒化珪素の微細結晶については、例えば接合層を含んだ接合体の一部を切り出し、この表面に高精度ラップ加工により鏡面加工を施した後、３０００〜１００００倍でＳＥＭ観察することにより、その存在を確認する。そしてその粒径については、接合層の任意の箇所を波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー装置（日本電子製ＪＸＡ−８６００Ｍ型）により分析し、観察部のＮ元素の分布を確認するとともに、その範囲の大きさから推定することが可能である。
【００２９】
また、前記接合層に含まれるＥｒ成分としては、Ｅｒ元素がＥｒ２Ｏ３換算で５質量％以下で含まれていることが好ましい。Ｅｒ成分を含有させるのは、接合層の低熱膨張化を促進するためであり、この量が５質量％を超えると、主に基体同士の接着の役割を果たしているＹ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスの量が少なく、接合強度が低下する原因となる。
【００３０】
なお、前記接合層におけるＥｒ成分の存在は、接合層を含む接合体の一部を切り出し、この表面に高精度ラップ加工により鏡面加工を施した試料を作製後、接合層の一部をＳＥＭにより１０００〜５０００倍に拡大観察し、その範囲を波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー装置（日本電子製ＪＸＡ−８６００Ｍ型）により分析し、観察部のＥｒ元素の分布状態の確認を行うことで実施可能である。また、前記Ｅｒ成分量の確認は、接合層のみを精密加工により切り出し、これを粉砕して粉末状にした後、ＩＣＰ発光分光分析装置（島津製作所製ＩＣＰＳ−８１００型）によりＥｒ元素量を確認する方法や、前記接合層を透過型電子顕微鏡により５０００〜２万倍に拡大観察した後、接合層の任意の箇所をエネルギー分散型Ｘ線回折装置により分析し、各部の元素カウント数から、Ｅｒ成分の質量割合を求める方法のいずれかにより確認することができる。
【００３１】
このように熱膨張係数の小さな窒化珪素接合体は、例えば一体に製造しにくい中空部を有するウエハ加工用定盤やステージ等の半導体製造装置用部材として好適に用いることができ、高温時でも熱膨張が小さく寸法精度の高い半導体製造装置用部材を得ることができる。具体的には、図１（ａ）に示すように、穴部２を備えた凹形状の一方の基体１に、基体１の縁部に嵌合する凸部３を有する円盤状の基体４を、基体１の接合部５に塗布した接合剤を介して接合し、図１（ｂ）に示すような円柱状の中空体からなる半導体製造装置用部材を得ることができる。
【００３２】
この半導体製造装置用部材は、軽量化するためにその内部を中空としており、このような構造の中空体は、一体には形成できないため、一対の基体１、４を接合した接合体として製造される。例えばこれを半導体製造装置のウエハ加工用定盤やステージとして用いることにより、多少の温度変化によっても、形状変化が微小で、ウエハの超精密加工や、半導体の超精密配線等が可能な半導体製造装置とすることができる。
【００３３】
なお、本発明の窒化珪素接合体の接合層の強度は、ＪＩＳ  Ｒ１６０１−１９９５に準拠した測定で、５００ＭＰａ以上の強度を有している。この強度は基体である窒化珪素焼結体とほぼ同等以上の強度である。また、熱膨張係数については、特に室温での熱膨張係数を測定する必要があるため、基体及び接合層を含む接合体を切り出し、加工して長さ１５〜１６ｍｍとし、長さ方向の両端をＲ状に面取り加工したものとする。次いで、真空理工株式会社製のレーザー熱膨張計を用い、この試料をＨｅガス中で０〜５０℃の範囲で昇温速度１℃／分程度で連続的に昇温しながら、レーザーを用いて試料の長さを計測し、ＡＳＴＭ（The American Society of Testing and Materials）  Ｅ  ２８９（Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Rigid Solids with Interferometry）に準拠した測定に従って２３℃における熱膨張係数を測定した。
【００３４】
次に、本発明の窒化珪素接合体の製造方法について詳細を以下に示す。
【００３５】
本発明の窒化珪素接合体の製造方法としては、まず基体としてＥｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３を焼結助剤として含む純度９９〜９９．８％の窒化珪素原料粉末を準備し、これにバインダー、分散剤、溶媒を加え、スラリーとした後、噴霧造粒装置（スプレードライヤー）にて造粒して、球状の２次原料粉末を作製する。しかる後、前記２次原料粉末を用いて、粉末プレス成形法や湿式静水圧プレス成形（ラバープレス）法により、成形体を作製し、必要に応じて切削加工を施す。本発明の窒化珪素接合体に用いる基体は、孔部や凹凸部を形成する場合が多く、このような孔部や凹凸部の形成は、前記切削加工時に行う場合が多い。そして前記成形体を焼成する。窒素雰囲気中、１７００〜２０００℃の最高温度で焼成する。その後、必要に応じて研削加工を施し、本発明の窒化珪素接合体の基体を得ることができる。
【００３６】
次に、接合剤を準備する。前記接合剤については、Ｙ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２，Ｙｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２，Ｌｕ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２等のガラスを用いる。ここで、Ｙ２Ｏ３粉末としては純度が９８％以上、平均粒径が０．５〜１．５μｍのものを、またＳｉＯ２粉末としては純度が９９％以上、平均粒径が０．５μｍ以下のものを、Ａｌ２Ｏ３粉体としては純度が９５％以上、平均粒径が０．５〜２μｍのものを使用する。そして、これをＹ２Ｏ３が３５〜４５質量％、Ａｌ２Ｏ３が１０〜３０質量％、ＳｉＯ２が３５〜４５質量％の範囲で３種類の粉末の合計が１００質量％となるように混合する。
【００３７】
ここで、前記ＳｉＯ２粉末の平均粒径のみ０．５μｍ以下と小さくしなければならないのは、ＳｉＯ２粉末の大きさが前記接合層に生成される窒化珪素微細結晶の大きさに影響するからである。０．５μｍより大きなＳｉＯ２粉末を用いた場合には、接合層の窒化珪素微細結晶の大きさを０．２μｍ以下にすることができない。また、前記ＳｉＯ２の含有量が３５質量％より少ないと前記接合層に微細な窒化珪素結晶を生成させにくく、本発明の構成となる高強度な接合層を得ることができない。また、ＳｉＯ２量が４５質量％を超えると、窒化珪素微細結晶の生成量が多く、Ｙ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２ガラスの量が少なくなり、接合層の強度が低下するために好ましくない。
【００３８】
そして、この混合粉末にアルミナボール、有機溶剤（イソプロピルアルコール）を適量加えたものを円柱状のプラスチック容器中に投入し、回転装置にて軸方向と平行に、１２〜３６時間回転させ混合する。混合後、プラスチック容器から前記アルミナボールと混合スラリーを分離しながら金属製容器内にスラリーを排出する。排出後、金属製容器に入れたまま乾燥機内で４０〜８０℃の温度で３６〜６０時間乾燥し、乾燥後に得られた粉体の固まりを解砕して接合剤用原料とする。
【００３９】
次に、前記接合剤用原料と溶媒と分散剤とを調合する。前記接合剤用原料１００質量％に対し、溶媒を１０〜２０質量％、分散剤を０．５〜２質量％の割合で添加して、これらを再度円柱状のプラスチック容器内に投入して、容器の軸方向と平行に回転装置にて回転させながら８時間以上混合する。ここで、前記溶媒としては、疎水性有機溶媒、例えばパラフィン系等の溶媒を使用することが好ましい。疎水性有機溶媒は接合する一方の基体の接合部に塗布した際に表面が乾きにくく、他方の基体の接合部となじみ易く、より良好な接合層とすることが可能となる。分散剤についても、前記疎水性溶媒に適した非イオン界面活性剤を用いるのが良く、例えば、しょ糖脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、脂肪酸アルカノールアミド等を用いるのが良い。なお、接合剤用原料と溶媒と分散剤の混合溶液、すなわち接合剤ペーストは載置して保管すると分離或いは固化するので、回転させたまま保管するのが良い。さらに、この接合剤ペーストの粘度は０．５〜２Ｐａ・ｓとするのが良い。０．５Ｐａ・ｓより低粘度では、粘度が低すぎて基体の接合部に塗布した際に、ペーストが接合部に留まらずに垂れ落ちるために好ましくない。また、２Ｐａ・ｓを超える粘度では、基体の接合部に薄くペーストを塗布することができず、結果的に接合層の厚さが厚くなってしまうために好ましくない。
【００４０】
次に、上述のようにして作製した接合剤ペーストを窒化珪素焼結体からなる基体の接合部に塗布する。接合剤ペーストの塗布は、刷毛などを用いて行なっても良いが、塗布厚さをより均一とするためには、接合部のみ目開きし、その他は目封止したスクリーンを準備し、そのスクリーンの目開き部分を接合部に合わせ、スクリーン上に接合剤ペーストを垂らし、樹脂性のスキージでスクリーンを介して接合剤ペーストを塗布するとよい。ここで、前記接合剤ペーストの塗布厚さは１０〜１００μｍの範囲とするのが良い。１０μｍより薄いと、窒化珪素焼結体からなる基体同士を接合するのに際して一方の基体表面を加圧して接合部に加圧力を加えた際に、接合剤ペーストが接合部全体に均一に拡がりにくい。さらに本発明では接合部よりはみ出した接合剤ペーストが、熱処理時に溶融状態となった際に、表面張力の影響で応力集中を受けやすい角部に拡がり、その部分を補強する効果があり、この効果を得るには１０μｍ以上の塗布厚さが必要となる。また、接合剤ペーストの塗布厚さが１００μｍを超えると、加圧後に接合部よりはみ出した接合剤ペーストが基体の内面や外面に付着して良好な外観が得られず、それを除去するために追加工を施さなければならなくなり、その分製造コストが増加してしまうために好ましくない。また、接合部に加える加圧力は、接合剤ペーストの粘度にもよるが、接合面にかかる圧力（面圧）が１５ＭＰａ以上の圧力となるように設定すれば良い。
【００４１】
次に、接合剤ペーストを塗布して接合面同士を当接、加圧させた後、熱処理を実施する。熱処理には、窒素ガスを注入して炉内を窒素雰囲気に調整可能な大型のバッチ炉を用いる。注入窒素量としては、原子割合で１〜３０％程度の窒素量とし、更に炉内を常圧で２〜５×１０−３ＭＰａのＮ２分圧とするのが良い。熱処理温度を１２５０〜１４００℃にて、０．５〜３時間保持すれば均一で強固な接合が可能となり、さらには１〜３時間保持することが好ましい。このような雰囲気、温度、保持時間にて熱処理することにより、接合層中により微細な窒化珪素結晶を析出させることが可能となり、接合層の強度を高めることができる。また基体中のＥｒ成分が接合層へ拡散しやすく、接合層の低熱膨張化を促進させることが可能となる。前記熱処理温度が１２５０℃より低いと、接合層中に微細な窒化珪素結晶を生成させることができず、１４００℃を超えると、接合層を構成する成分が昇華し始めるため、接合層の密度が低下し、接合強度が低下する。これについては、本発明では基体から接合層へＥｒ成分を拡散させることにより、接合層を低熱膨張化しているが、Ｅｒ成分の拡散は、接合層を構成する成分の融点を下げる効果もあり、これによって、熱処理温度を低下でき、より低温度で熱処理が可能となるため、製造コストの削減につながる。
【実施例】
【００４２】
以下、本発明の実施例について詳細を示す。
【００４３】
（実施例１）
本発明の窒化珪素接合体と従来の窒化珪素接合体を製造し、その接合強度、熱膨張係数について比較する試験を実施した。また、本発明の窒化珪素接合体においては、接合層中の窒化珪素から成る微細結晶とＥｒ成分の有無を確認した。
【００４４】
本発明の窒化珪素接合体試料として、先ず、基体を作製するため、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含む窒化珪素質焼結体を製造する。市販の窒化珪素粉末（純度９９．５％以上、平均粒径１μｍ）、酸化エルビウム粉末（純度９９．５％以上、平均粒径１μｍ）、アルミナ粉末（純度９９％以上、平均粒径１μm）を準備し、窒化珪素粉末１００質量％に対し、それぞれ酸化エルビウムを５質量％、アルミナ粉末を２．５質量％添加して混合攪拌機にて混合して酸化エルビウム、アルミナを焼結助剤として含有した窒化珪素粉末を得る。その後、前記粉末にバインダー、分散剤、溶媒を加え、スラリーとした後、スプレードライヤーにて造粒して、２次原料粉末を作製する。そして前記２次原料粉末を用いて、粉末プレス成形法にて外径１２０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの円盤状の窒化珪素成形体を数十個作製した。この後、前記窒化珪素質成形体を窒素雰囲気中１９００℃にて焼成し、窒化珪素焼結体を得て、これに研削加工を施し、外径１００ｍｍ、厚さ３０ｍｍの窒化珪素焼結体からなる円盤状の基体を数十個作製した。
【００４５】
次に、前記基体同士を円盤状にて接合する。以下接合方法を記載する。
【００４６】
まず、接合剤ペーストを作製するために、市販のＹ２Ｏ３粉末（純度９８％、平均粒径１μｍ）、Ａｌ２Ｏ３粉末（純度９５％、平均粒径１μｍ）、ＳｉＯ２粉末（純度９９％、平均粒径０．５μm）を準備する。Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２の各粉末をそれぞれ４０、２０、４０質量％の割合で、合計１００質量％となるように混合し、これにアルミナボール、有機溶剤（イソプロピルアルコール）を適量加え、プラスチック容器中で２４時間回転攪拌した後、プラスチック容器から所定の金属容器にスラリーを排出し、乾燥機内で６０℃の温度で４０時間乾燥し、乾燥後に得られた粉体の固まりを解砕して接合剤用原料とする。
【００４７】
次に前記接合剤用原料と溶媒と分散剤とを混合する。接合剤用原料１００質量％に対し、溶媒としてイソパラフィンを１５質量％、分散剤としてポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステルを１．５質量％の割合で添加して、これらを再度円柱状のプラスチック容器内に投入して、回転装置にて回転させながら１０時間混合する。接合剤ペーストの粘度をＥ型粘度計にて測定したところ１Ｐａ・ｓであった。
【００４８】
この後、得られた接合剤ペーストを、円盤状の窒化珪素焼結体から成る基体の表面にスクリーンを介して塗布し、その塗布面に円盤状の窒化珪素焼結体から成る基体を接合し、１５ＭＰａの加圧力で加圧した。加圧後、前記接合体試料を窒素量２０％、３×１０−３ＭＰａのＮ２分圧とした熱処理炉内で１３００℃の温度で熱処理した。
【００４９】
熱処理後、炉内より取り出した各試料について、中央部に接合層が位置するように、ＪＩＳ  Ｒ１６０１−１９９５に準拠した試験片サイズを研削加工により数十本切り出し、強度試験用の試験片を作製して３点曲げ強度を測定した。なお、各試料の接合層の厚さは１．５μｍであり、基体のみでは６００ＭＰａの強度を示した。
【００５０】
また、同様の試料について、接合層を含んだ形で加工して長さ１５〜１６ｍｍとし、長さ方向の両端をＲ状に面取り加工したものとする。次いで、真空理工株式会社製のレーザー熱膨張計を用い、この試料をＨｅガス中で０〜５０℃の範囲で昇温速度１℃／分程度で連続的に昇温しながら、レーザーを用いて試料の長さを計測し、ＡＳＴＭ（The American Society of Testing and Materials）  Ｅ  ２８９（Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Rigid Solids with Interferometry）に準拠した測定に従って室温における熱膨張係数を測定した。
【００５１】
また、接合層における窒化珪素微細結晶の存在を確認するために、試料の接合層を含む表面を高精度ラップ加工し、鏡面とした後、その表面をＳＥＭにより観察し、任意の箇所を波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー装置（日本電子製ＪＸＡ−８６００Ｍ型）により分析し、Ｎ元素の分布を確認した。さらにＥｒ元素についても同様に分析し、接合層のＥｒ元素の存在を確認した。
【００５２】
なお、本発明の窒化珪素接合体の基体となる窒化珪素焼結体の窒化珪素平均結晶粒径は３μｍであった。また、接合層の厚さは２μｍとしている。
【００５３】
つづいて、比較例１として、従来の窒化珪素接合体についても同様の評価を実施した。基体としては、イットリア（Ｙ２Ｏ３）とアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を焼結助剤として含有する外径１００ｍｍ、厚さ３０ｍｍの円板状の窒化珪素焼結体を用い、これを本発明の窒化珪素接合体と同様にＹ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系接合剤を用いて接合した。このとき、接合剤に使用するＳｉＯ２の平均粒径を１μｍとした。さらに、その熱処理温度は本発明の窒化珪素接合体と同じ１３００℃では、接合剤が溶融しなかったため、１５５０℃と高い熱処理温度とした。
【００５４】
また、比較例２として、基体に前記イットリア（Ｙ２Ｏ３）とアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を焼結助剤として含有する外径１００ｍｍ、厚さ３０ｍｍの円板状の窒化珪素焼結体を用い、これをＥｒ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系接合剤（Ｅｒ２Ｏ３：２０質量％，Ｙ２Ｏ３：２０質量％，Ａｌ２Ｏ３：２０質量％，ＳｉＯ２：４０質量％）を用いて接合した従来の窒化珪素接合体も準備した。この接合剤に用いるＳｉＯ２の平均粒径については、比較例１と同じく１μｍとした。また熱処理温度については、接合剤が溶融し、良好な接合状態が得られた１４５０℃とした。その後、本発明の窒化珪素接合体と同様の評価を実施した。
【００５５】
本発明と比較例１，２の評価結果を表１に示す。
【表１】
2007254205.tif 000003
【００５６】
表１において、比較例１，２は、いずれも熱処理温度が高い。これは、比較例１については、基体にＥｒ成分が含まれておらず、Ｅｒ成分が接合層に拡散することによる接合剤の低融点化の効果が発揮されなかったためである。また、比較例２については、接合剤にＥｒ成分が含まれているものの、Ｅｒ成分の含有量が多いため、接合剤の溶融温度が高いものとなっている。また、強度については、比較例１，２ともに低い。これは、接合層に窒化珪素結晶が含有されているものの、接合剤に用いたＳｉＯ２の平均粒径が大きいため、接合層中の窒化珪素結晶粒径は０．２μｍより大きくなり、微細結晶ではないためである。さらに、熱膨張係数は、比較例１については、接合層にＥｒ成分が存在せず、β−Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７が生成されないため高い値を示している。比較例２については、Ｅｒ成分が存在するため、β−Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７が接合層に生成され、本発明ほどではないものの、比較的低い値となっている。
【００５７】
これと比較して本発明の窒化珪素接合体は、接合剤として用いるＳｉＯ２平均粒径を小さくしたため、接合層に０．２μｍ以下の窒化珪素の微細結晶を析出でき、かつ接合層に基体からＥｒ成分が５質量％以下の割合で適量拡散したため、β−Ｅｒ２Ｓｉ２Ｏ７が生成し、接合層を低熱膨張化できており、かつ接合剤を低融点化でき、熱処理温度も１３００℃と低いものとできた。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の窒化珪素接合体である中空体の構成を示す概略図であり、（ａ）は分解斜視図であり、（ｂ）は接合後の斜視図である。
【符号の説明】
【００５９】
１：基体
２：穴部
３：凸部
４：基体
５：接合部
【図１】
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