(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも表面部に所望形状の微細凹部が設けられ、厚さ20μm以下のセラミックス材料からなる薄膜状基体と、
前記薄膜状基体の微細凹部内に埋め込まれた金属ろう材層と
を具備することを特徴とする薄膜複合材料。
【請求項２】
厚さ20μm以下のセラミックス材料からなる薄膜状基体の少なくとも表面部に、所望形状の微細凹部を形成する工程と、
前記微細凹部が形成された前記薄膜状基体の表面部に、金属ろう材を前記微細凹部内に埋め込みつつ被覆する工程と、
前記金属ろう材が存在する前記薄膜状基体の表面部にイオンビームを斜め方向から照射して、前記微細凹部内以外の前記薄膜状基体の表面部に存在する前記金属ろう材を除去して、金属ろう材層を前記微細凹部内に形成する工程と
を有することを特徴とする薄膜複合材料の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の薄膜複合材料の製造方法において、
前記薄膜状基体に対する微細凹部の形成工程を、前記薄膜状基体に対する表面粗し加工により実施することを特徴とする薄膜複合材料の製造方法。
【請求項４】
請求項２記載の薄膜複合材料の製造方法において、
前記薄膜状基体に対する微細凹部の形成工程を、レーザビーム照射、電子線照射またはイオンビーム照射による前記セラミックス材料の昇華を利用して実施することを特徴とする薄膜複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜複合材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、セラミックス材料は金属等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が行われている。例えば、セラミックス材料の耐熱性、耐磨耗性、軽量・高強度等の特性を利用して、構造・機械部品等への適用が進められている。ただし、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金属材料と接合一体化して使用することが行われている。このようなセラミックス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が用いられており、このようなろう材は通常、箔の積層体、合金箔、薄膜形成法による堆積等によって、セラミックス材料と金属材料との間に配置される。
【０００３】
ところで、最近、マイクロマシン等の微細構造物に適用し得るような微小かつ薄膜状の基体に対する要求が高まってきている。例えば、マイクロアクチュエータ等においては、 100μm オーダ以下の部品、さらには数10μm オーダの部品が用いられている。このような微細部品に、例えば上記したようなセラミックス−金属接合体を適用しようとした場合、従来のろう材の配置方法ではろう材量を微量制御することが困難であることから、例えば薄膜状のセラミックス部材に対して良好な接合を行うことは難しく、さらに接合体の特性に対して接合層すなわちろう材層の特性が無視できなくなることから、例えば薄膜状のセラミックス部材や金属部材の本来の特性が損われるというような問題もある。また場合によっては、部分接合等が必要となるが、従来のろう材の配置方法ではろう材量やその配置位置を十分に制御できないことから、良好な部分接合を達成することは困難であった。
【０００４】
一方、セラミックス材料の高電気絶縁性、高熱伝導性等の特性を利用して、電子部品等への適用も進められている。この場合、回路の形成等を目的として、セラミックス材料表面に上記した活性金属ろう材等を介して銅板等を接合することによって、金属層を形成することが行われている。また、セラミックス材料に微細な導体パターンを形成する場合には、金属粉末を含む導電性ペーストの塗布、焼成等を適用して、金属層を形成することが行われている。
【０００５】
しかし、上述したような従来の金属層の形成方法では、使用し得る基材側のセラミックス材料の厚さに限界があり、例えば厚さ数10μm オーダというような薄膜状のセラミックス基体に対して微細パターンを有する金属層を良好に形成することは困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のセラミックス材料と金属材料との接合方法では、ろう材量やその配置位置を十分に制御できないことから、薄膜状のセラミックス基体等に対して良好な接合を行うことは困難であり、さらに薄膜状のセラミックス基体等を用いた接合体の本来の特性がろう材層により損われるおそれがあるというような問題がある。そこで、微量なろう材の量自体や配置位置等の制御を可能にする技術が求められている。
【０００７】
また、従来のセラミックス材料への金属層の形成方法では、基材側のセラミックス材料の厚さに限界があることから、例えば薄膜状のセラミックス基体に対して例えば所望のパターン形状の金属層を良好に形成することを可能にする技術が求められている。
【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、例えば薄膜状のセラミックス基体等に対するろう材量や配置位置等の制御を可能にしたり、あるいは薄膜状のセラミックス基体等に対して微細パターン形状の金属層等の形成を可能にした薄膜複合材料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】
本発明の薄膜複合材料は、少なくとも表面部に所望形状の微細凹部が設けられ、厚さ20μm以下のセラミックス材料からなる薄膜状基体と、前記薄膜状基体の微細凹部内に埋め込まれた金属ろう材層とを具備することを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の薄膜複合材料の製造方法は、厚さ20μm以下のセラミックス材料からなる薄膜状基体の少なくとも表面部に、所望形状の微細凹部を形成する工程と、前記微細凹部が形成された前記薄膜状基体の表面部に、金属ろう材を前記微細凹部内に埋め込みつつ被覆する工程と、前記金属ろう材が存在する前記薄膜状基体の表面部にイオンビームを斜め方向から照射して、前記微細凹部内以外の前記薄膜状基体の表面部に存在する前記金属ろう材を除去して、金属ろう材層を前記微細凹部内に形成する工程とを有することを特徴としている。
【００１１】
本発明の薄膜複合材料においては、セラミックス材料からなる薄膜状基体の少なくとも表面部に設けた微細凹部内に金属ろう材層を埋め込み形成しているため、微細凹部の形状や薄膜状基体に対する微細凹部の形成位置等によって、金属ろう材層の量、形成位置、パターン形状等を制御することができる。
【００１２】
また、本発明の薄膜複合材料の製造方法においては、上述したような金属ろう材層の形成工程を、金属ろう材で薄膜状基体の表面部を被覆した後、微細凹部内以外の薄膜状基体の表面部に存在する金属ろう材をイオンビームの斜め照射で除去することにより実施しているため、セラミックス材料からなる薄膜状基体に歪（加工歪）や剥離、破損等を生じさせることなく、微細形状の金属ろう材層を再現性よく形成することができる。
【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、本発明の薄膜複合材料の一実施形態を示す図である。同図に示す薄膜複合材料１は、第１の固体材料からなる薄膜状基体２を基材部分として有している。この薄膜状基体２は、単体として取扱うことが可能な部材である。薄膜状基体２を構成する第１の固体材料には、厚さ20μm以下の薄膜形状を単体として容易に維持し得る材料として、例えば構造・機械部品材料や電子部品材料として一般的に用いられているセラミックス材料が用いられる。
【００１５】
薄膜状基体２の厚さｔは20μm以下とされる。以下に詳述するように、そのような厚さｔを有する薄膜状基体２に対して後述する機能材料層４を良好に形成できることから、本発明は厚さｔが20μm以下の薄膜状基体２に対して効果的である。この厚さｔが20μm以下の薄膜状基体２としては、例えば機械加工による削り出し等により作製した薄膜状セラミックス基板が用いられる。また、薄膜状基体２の全体形状や大きさは、薄膜複合材料１の用途に応じて適宜設定するものとし、例えば薄膜部分を部分的に有するような薄膜状基体であってもよい。
【００１６】
第１の固体材料として使用し得るセラミックス材料としては、例えばアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）、チタン酸アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ・ＴｉＯ2 ）等の酸化物系セラミックス材料、窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化硼素（ＢＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等の窒化物系セラミックス材料、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化硼素（Ｂ4 Ｎ）、炭化チタン（ＴｉＣ）等の炭化物系セラミックス材料等、種々のセラミックス材料を挙げることができる。
【００１７】
これらのうち、例えば薄膜複合材料１をマイクロマシン等の構造・機械部品に適用する場合には、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、サイアロン、炭化珪素等を使用することが好ましく、この場合には薄膜状基体２は薄膜状高強度基体ということができる。また、薄膜複合材料１を電子部品に適用する場合には、高電気絶縁性材料であるアルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化珪素等が好適であり、この場合には薄膜状基体２は薄膜状絶縁性基体ということができる。
【００１８】
上述したように、薄膜状基体２には各種のセラミックス材料を使用することが可能であるが、後述するように、微細凹部３の形成にレーザビーム照射、電子線照射、イオンビーム照射等による固体材料の昇華を利用する場合には、昇華しやすい共有結合性の高い材料、例えば窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化珪素等を使用することが好ましい。これにより、所望の微細パターン形状を有する微細凹部３を容易にかつ再現性よく形成することができる。
【００１９】
上記したような各種セラミックス材料からなる薄膜状基体２は、少なくとも表面部に所望形状の微細凹部３を有している。微細凹部３は図１に示した有底形状の凹部に限らず、例えば図２に示すような貫通孔形状の凹部３であってもよい。そして、このような微細凹部３内に第１の固体材料とは異種材料からなる第２の固体材料が埋め込まれており、この微細凹部３内に埋め込まれた第２の固体材料が機能材料層４を構成している。この機能材料層４はろう材層である。
【００２０】
機能材料層４を構成する第２の固体材料としては、埋め込み形成の容易さ等から金属材料が用いられる。第２の固体材料には第１の固体材料より低融点の材料が用いられる。
【００２１】
第２の固体材料としては、薄膜状基体２にセラミックス材料を使用して、薄膜複合材料１を接合中間材として用いるにあたって金属ろう材、例えばＡｇ−Ｃｕろう材、Ｃｕろう材、これらにＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎ等を添加したろう材、さらにこれらにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ等の活性金属を添加した活性金属ろう材等が挙げられる。このように、機能材料層４は金属ろう材層である。
【００２２】
上述した微細凹部３は、上記機能材料層４の形成部位となるものであり、その用途に応じて種々のパターン形状を適用することができる。機能材料層４は金属ろう材層であるため、ろう材量の制御（全体的なろう材量の削減等を含む）を目的とした、ランダムに形成された深さ2nm〜15μm程度、幅10nm〜30μm程度の微細凹部３や、ろう材の量制御を含む配置位置制御（部分接合に応じたろう材配置等を含む）等を目的とした、所定位置に形成された同様な深さおよび幅の微細凹部３等が挙げられる。金属ろう材層が形成される微細凹部３の幅が10nm未満であると、表面張力により1つの凹部にろう材がいきわたらず、良好な接合が達成できないおそれがあり、また30μmを超えると薄膜状基体２の強度低下等の原因となる。なお、貫通孔形状の凹部３を適用する場合にはこの限りではない。また、この場合の微細凹部３の大きさは、金属ろう材の量や配置パターンに応じて選択すればよい。
【００２４】
微細凹部３の具体的な断面形状は、図３に拡大して示す断面三角形状に限らず、例えば図４に示す断面矩形状、図５に示す断面略半円形状等を適用することができる。また、これら所定の形状を有する有底形状の微細凹部３に限らず、ランダムな有底形状の微細凹部３であってもよい。さらに場合によっては、図２に示したように、貫通孔形状の微細凹部３を適用することも可能である。
【００２５】
上述した実施形態の薄膜複合材料１において、機能材料層４としては金属ろう材層が適用されるため、金属ろう材の量を微細凹部３の大きさや深さ等の形状、さらには微細凹部３の数等によって制御することができる。従って、セラミックス材料からなる薄膜状基体２に対して、例えば同様な薄膜状の金属部材等を良好に接合することが可能となる。また、接合体の基材となる薄膜状のセラミックス基体（２）や金属部材等の厚さや大きさに応じて、ろう材量を制御できることから、接合体の特性に対するろう材層の影響を抑制することが可能となる。さらに、部分接合等を行う場合においても、ろう材の量および配置位置を制御できることから、良好な部分接合を達成することができる。これらによって、例えばマイクロマシンに用いられる構造・機械部品等として、微細かつ薄膜状のセラミックス−金属接合体を提供することが可能となる。
【００２７】
上述した実施形態の薄膜複合材料１は、例えば以下に示す製造方法を適用することにより再現性よく作製することができる。
【００２８】
まず、図６（ａ）に示すように、第１の固体材料からなる薄膜状基体２の表面部に、微細凹部３を所望の形状に形成する。この微細凹部３は、例えばイオン研磨、機械研磨等の表面粗し加工により形成したり、あるいはレーザビーム照射、電子ビーム照射、イオンビーム照射等で表面部の第１の固体材料を昇華除去することにより行う。このようなビーム照射に伴う第１の固体材料の昇華を利用することによって、微細でかつ複雑なパターン形状を有する微細凹部３を再現性よく形成することができる。微細凹部３の形状については前述した通りである。なお微細凹部３の形状は有底穴状に限らず、貫通孔であってもよいことは前述した通りである。
【００２９】
次いで、図６（ｂ）に示すように、少なくとも表面部に所望形状の微細凹部３を有する薄膜状基体２上に、第１の固体材料より低融点の第２の固体材料５を配置する。この状態で第２の固体材料５の融点以上の温度に加熱して、図６（ｃ）に示すように、第２の固体材料５を微細凹部３内に埋め込みつつ、薄膜状基体２の表面を被覆する。この加熱溶融による埋め込み・被覆工程によれば、組成および厚さが均一で細部まで回り込むというような利点がある。
【００３０】
上記した第２の固体材料５の埋め込み・被覆工程は、スパッタ法、蒸着法等の薄膜形成技術により実施してもよい。特に、第１の固体材料に対する第２の固体材料５の塗れ性が低い場合には、薄膜形成技術を適用する。
【００３１】
この後、第２の固体材料５で被覆した薄膜状基体２の表面部に、図６（ｄ）に示すように、イオンビーム６を斜め方向から照射する。イオンビーム６としては、例えば加速電圧 2〜 5kV、ビーム電流 0.5〜 1mA程度のＡｒイオンビームを用いて、このようなＡｒイオンビームを薄膜状基体２の表面に対する角度θを 2〜15°程度に設定して照射する。
【００３２】
上記したイオンビーム６の低角度斜め照射によれば、微細凹部３内を除く薄膜状基体２の表面部に存在する第２の固体材料５のみを除去することができる。また、厚さ20μm 以下というような薄膜状基体２に対して加工歪を生じさせたり、また剥離や割れ等を生じさせることもない。さらに、予め薄膜状基体２の表面を第２の固体材料５で覆っているため、種々の形状の微細凹部３に対して良好に第２の固体材料５を埋め込むことができる。なお、イオンビーム６の照射角度θが 2°未満であると、イオンビーム６による研磨効果を十分に得ることができず、一方15°を超えると微細凹部３内の第２の固体材料５に対しても影響が生じる。
このような各工程を経ることによって、図６（ｅ）に示すように、少なくとも薄膜状基体２の表面部に設けた微細凹部３内にのみに、第２の固体材料５からなる機能材料層４を形成した薄膜複合材料１を、良好にかつ再現性よく得ることができる。
【００３３】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について述べる。
【００３４】
実施例１
まず、薄膜状基体として薄膜状窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）板を用意した。この薄膜状窒化ケイ素板は、削り出し加工により厚さを約20μm とした。この薄膜状窒化ケイ素板の表面部にイオン研磨を施して、平均深さ約 0.1μm 程度の微細凹部を表面全体に形成した。
【００３５】
次に、この微細凹部を有する薄膜状窒化ケイ素板上に、第２の固体材料としてＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金ろう材を配置し、この状態でＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金ろう材の融点以上の温度に加熱した。この加熱処理によりＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金ろう材を予備溶融させ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金ろう材を微細凹部内に埋め込みつつ、薄膜状窒化ケイ素板の表面を被覆した。
【００３６】
この後、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金ろう材を存在させた薄膜状窒化ケイ素板の表面部に対して、加速電圧 5kV、ビーム電流 1mA程度のＡｒイオンビームを照射角度 5°で照射し、微細凹部内を除く薄膜状窒化ケイ素板の表面部に存在するＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金ろう材のみを除去した。
【００３７】
このようにして得た接合中間材としての薄膜複合材料、すなわち薄膜状窒化ケイ素板の微細凹部内のみにＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金ろう材を埋め込み形成した薄膜複合材料は、当初の微細凹部の形状に応じてろう材量が制御されていることが確認された。また、薄膜状窒化ケイ素板に加工歪等は生じていなかった。さらに、この実施例による薄膜複合材料上にＣｕからなる厚さ 5μm 、幅50μm の帯状回路形状の金属部材を配置し、 1100K× 1分の条件で熱処理したところ、薄膜状窒化ケイ素板とＣｕ回路とを良好に接合することができた。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の薄膜複合材料によれば、薄膜状基体に対して金属ろう材層を、その量や形成位置、さらには微細パターン形状等を制御した上で良好に形成することができる。また、本発明の薄膜複合材料の製造方法によれば、薄膜状基体に対して加工歪や剥離、割れ等を生じさせることなく、そのような薄膜複合材料を再現性よく作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の薄膜複合材料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に示す薄膜複合材料の変形例を模式的に示す断面図である。
【図３】  図１に示す薄膜複合材料の微細凹部部分を拡大して示す断面図である。
【図４】  本発明に適用可能な微細凹部の他の形状例を示す断面図である。
【図５】  本発明に適用可能な微細凹部のさらに他の形状例を示す断面図である。
【図６】  本発明の一実施形態による薄膜複合材料の製造工程を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１……薄膜複合材料
２……薄膜状基体
３……微細凹部
４……機能材料層
５……第２の固体材料
６……イオンビーム
【図１】
0003874842.tif 000002
【図２】
0003874842.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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