(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物からなる基体の接合面上に、前記金属酸化物を構成する金属と酸素とを含む化合物が溶解し、かつ光触媒が添加された溶液からなる溶液層を形成する第１の工程と、
この溶液層を加熱し、前記金属と酸素とを前記金属酸化物より不安定でより低いエネルギーレベルに変化しやすい中間体相の状態の化合物とした接着層が前記基体の前記接合面上に形成された状態とする第２の工程と、
前記接着層上に他部材を配置して前記基体と前記他部材との間に圧力を加えると共に前記接着層に紫外線を照射しかつ電界を印加した状態で前記接着層を加熱し、前記接着層の中間体相の状態の化合物をより安定な相である前記金属酸化物に転移させて前記基体と前記他部材とを接合する第３の工程と
を備え、
前記金属酸化物はα相の酸化アルミニウムであり、前記接着層は前記α相以外の酸化アルミニウムから構成されたものである
ことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の接合方法において、
前記金属と酸素とを含む化合物は、前記金属と酸との塩であることを特徴とする接合方法。
【請求項３】
請求項１記載の接合方法において、
前記金属と酸素とを含む化合物は、有機金属化合物であることを特徴とする接合方法。
【請求項４】
請求項１記載の接合方法において、
前記金属と酸素とを含む化合物は、前記金属の水酸化鉱物であることを特徴とする接合方法。
【請求項５】
請求項１記載の接合方法において、
前記金属酸化物はサファイアであることを特徴とする接合方法。
【請求項６】
請求項１または５記載の接合方法において、
前記金属と酸素とを含む化合物は、ベーマイトであることを特徴とする接合方法。
【請求項７】
請求項１記載の接合方法において、
前記α相以外の酸化アルミニウムは、γ相，θ相，ι相，κ相，ε相，χ相，δ相，σ相のいずれかもしくは混合物であることを特徴とする接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サファイアなどの金属酸化物からなる部材に他部材を接合する接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サファイアなどのα相の酸化アルミニウムや、ジルコニア（ＺｒＯ2）などの金属酸化物の結晶は、機械的性質や耐熱性耐食性に優れ、種々の装置を構成する部材として用いられている。例えば、サファイアから筐体などを構成した圧力センサが提案されている。この圧力センサは、静電容量を検出することで圧力を検出する容量式の圧力センサであり、所定の空間を備えた基体と、基体の空間上に配置されたダイヤフラムとから筐体が構成され、基体に配置された固定電極と、ダイヤフラムに固定された可動電極とを備えている。これら基体やダイヤフラムが、サファイアから構成されている。
【０００３】
サファイア、すなわちコランダム（α相酸化アルミニウム）は、熱的にきわめて安定であり、酸，アルカリにほとんど溶解せず、耐火物，絶縁体，研磨剤などのような広い用途がある。このような特性の部材を筐体に用いることで、上記圧力センサは、測定対象が腐食性を有している流体であっても、流体を直接ダイヤフラムに受けてこの圧力を測定することが可能となる。
【０００４】
上記圧力センサチップは、図７に示すように台座に固定されて圧力センサとして用いられる。図７に示すように、圧力センサのチップ７０１は、例えばガラスからなる台座７０２の中央部に形成された凹部７０３に、ダイヤフラム部を図面上方に向けて載置される。台座７０２の凹部７０３底面には、台座７０２底面に貫通する電極ピン７０４の端子７０５があり、チップ７０１の基台裏面に引き出されている各電極の配線と接続している。また、凹部７０３底面には、台座７０２底面に連通する通気口７０６が形成されている。
【０００５】
チップ７０１は、中央部に開口部を備えたカバープレート７０７により、上面の周辺部が押さえられ、凹部７０３に固定されている。カバープレート７０７は、台座７０２上面に一度溶融させたガラスにより接合されて台座７０２に固定されている。また、カバープレート７０７とチップ７０１の当接箇所は、チップ７０１上面に接触する測定対象の流体が、チップ７０１周囲の凹部７０３内に侵入しないように、気密封止された状態に接続されている。
【０００６】
カバープレート７０７は、圧力測定の精度を確保するため、チップ７０１の温度による変形の状態を同一にしてチップ７０１に応力が発生しないようにするため、チップ７０１と同一材料のサファイアから形成されている。また、異種間接合を極力排除して上記気密封止状態を得るため、チップ７０１との当接面は、直接接合により接合されている。このような、サファイア同士の接合では、互いの接合面を鏡面研磨して当接し、接合する２つのサファイア部材間に圧力をかけた状態で加熱することで、接着剤などを用いることなく、強固な接合状態を得ている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記直接接合では、サファイアからなる２つの部材の当接面の表面荒さが０．３ｎｍ以下にまで鏡面研磨する必要があるため、部材（カバープレート）が非常に高価なものとなってしまうという問題があった。一般的にある接着剤などを用いれば、接合面を鏡面にする必要はなくなるが、異なる材料が間に介在するため、応力が発生したり、また、接合箇所がサファイアほどの耐食性や熱的安定性が得られない状態となり、用途が限られたものとなってしまう。
【０００８】
以上示したように、従来では、金属酸化物からなる２つ以上の部材を接合して部品を形成する場合、部材を構成する材料の特性を１００％発揮させるためには、直接接合により部材間を接合することになるが、直接接合はコストが高いという問題があった。これに対し、接着剤などを利用して２つの部材を接合する場合、安価に部品を形成できるが、部材を構成する材料の特性を１００％生かせないという問題があった。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、サファイアなどの金属酸化物からなる部材間を、部材の特性を損なうことなく安価に接合できるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の接合方法は、金属酸化物からなる基体の接合面上に、金属酸化物を構成する金属と酸素とを含む化合物が溶解し、かつ光触媒が添加された溶液からなる溶液層を形成し、この溶液層を加熱し、金属と酸素とを基体を構成する金属酸化物より不安定でより低いエネルギーレベルに変化しやすい中間体相の状態の化合物とした接着層が基体の接合面上に形成された状態とし、接着層上に他部材を配置して基体と他部材との間に圧力を加えると共に接着層に紫外線を照射しかつ電界を印加した状態で接着層を加熱し、接着層の中間体相の状態の化合物をより安定な相である基体を構成する金属酸化物に転移させて基体と他部材とを接合しようとしたものである。
この発明によれば、基体と他部材とは、これらの間に基体の構成物以外のものがない状態で、接合される。
【００１１】
上記発明において、金属酸化物はα相の酸化アルミニウムであり、接着層はα相以外の酸化アルミニウムから構成されたものである。
上記発明において、金属と酸素とを含む化合物は、金属と酸との塩、または有機金属化合物、もしくは、金属の水酸化鉱物である。また、金属と酸素とを含む化合物は、ベーマイトである。また、α相以外の酸化アルミニウムは、γ相，θ相，ι相，κ相，ε相，χ相，δ相，σ相のいずれかもしくは混合物である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態における接合方法を説明する工程図である。
サファイア基板同士を接合する場合を例に説明する。
まず、アルミニウムの水酸化鉱物であるベーマイト（ＡｌＯ（ＯＨ））の水溶液を用意し、これに二酸化チタンを添加し、これを塗布することで、図１に示すように、サファイアかなる基板１０１の上に、塗布膜１０２を形成する。したがって、塗布膜１０２は、ベーマイトの水溶液に二酸化チタンが添加されたものとなっている。なお、上記塗布溶液に硝酸を微量添加して水素イオン濃度（ｐＨ）を４程度としておくことで、ベーマイトを高濃度としても安定して溶解した状態にできる。
【００１３】
次いで、塗布膜１０２が形成された基板１０１を、例えば４５０℃に加熱する。加熱により水分が蒸発することで、ベーマイトの水溶液からなる塗布膜は、まずゲル状の膜となる。このゲル状となった基板１０１上のベーマイトは、さらに加熱が加わることにより脱水反応を起こし、γ相のアルミナ（γ−アルミナ）となり、サファイアからなる基板１０１と接合した状態となる。この結果、図２に示すように、基板１０１の表面の接合領域上には、γ−アルミナもしくはアモルファス状態のアルミナからなる中間体層（接着層）１０２ａが接合した状態で形成される。また、中間体層１０２ａは、ベーマイトの水溶液を塗布することで形成しているので、中間体層１０２ａ表面は基板１０１表面の凹凸を吸収して、平坦な状態になっている。これは、中間体層１０２ａがサファイアであった場合、直接接合ができる程度に平坦化された状態となっている。
【００１４】
アルミナは、コランダム型の結晶構造（α相）をとることにより、サファイアなどのコランダムとして非常に安定した状態となる。これに対し、立方晶系スピネル型の結晶構造となっているγ−アルミナでは、結晶構造に無理があるためなどにより酸素原子が欠落している格子欠陥が多数存在した状態となっている。すなわち、γ−アルミナは、α−アルミナより不安定で、より低いエネルギーレベルに変化しやすい中間体相の状態である。また、アモルファス状態のアルミナにおいては、この格子欠陥がより多く存在した状態となっている。このように、酸素原子が欠落している格子欠陥が多数存在した状態の層がサファイアの上に形成されると、サファイア表面のサファイアを構成している酸素が格子欠陥内に入り込み、安定した状態を形成しようとする。このことにより、サファイアかなる基板１０１と、この表面に形成された中間体層１０２ａとは、化学的に結合した状態となって接合された状態となる。
【００１５】
つぎに、他部材であるサファイアかなる基板１０３を用意し、図３に示すように、基板１０１上の中間体層１０２ａ表面と、基板１０３の表面とを当接させ、この状態で、基板１０１と基板１０３との間に、例えば１００〜３００００Ｐａ、好ましくは２０００Ｐａ程度の圧力を加える。この加重により、基板１０１と基板１０３とには、荷重がかかった状態となり、基板のそりが無くなり、基板１０１（中間体層１０２ａ）と基板１０３との接合面全域が互いに接触した状態となる。また、中間体層１０２ａには、約５ｋＶ／ｍｍの電界を加え、かつ紫外線（１８５ｎｍ）を照射する。加えて、これらを７００℃程度に加熱する。なお、これらは、減圧された雰囲気で行う。
【００１６】
以上のことにより、中間体層１０２ａを構成しているγ−アルミナは、上記加熱によりσ−アルミナ→θ−アルミナを経てα相の酸化アルミニウム（α−アルミナ）に転移する。
この結果、中間体層１０２ａの部分がα−アルミナからなる結晶層１０４となり、最終的に各々の境界はなくなり、基板１０１と基板１０３は、結晶層１０４を介して連続的にα−アルミナとなった状態で接合される（図４）。結晶層１０４は、α−アルミナすなわちサファイアとなっているので、基板１０１と基板１０３とは、直接接合した場合と同様に、同一材料のサファイアからなる結晶層１０４により、境目なく強固に接合した状態を得る。
【００１７】
この接合に関して考察する。上記γ−アルミナは、約１０００℃に加熱することで、立方晶系スピネル型の結晶構造がコランダム型の結晶構造に相転移し、コランダムとなる。この相転移では、結晶構造に大きな変化を発生させるため、各原子の大きな移動が必要となり、例えば、アルミニウムと酸素との結合が部分的に切れる必要がある。このため、γ−アルミナからα−アルミナへの相転移には、上記のように１０００℃という高温が必要となる。
【００１８】
ここで、前述したように、中間体層に予め二酸化チタンを添加しておき、加えて、上述したように電界を加えて紫外線を照射することで、以下に説明するように、より低温でもアルミニウムと酸素との結合が切れやすい状態となり、各原始の移動度を大きくさせることが可能になるものと考えられる。
まず、中間体層中に添加されている二酸化チタンでは、紫外線が照射されることで正孔−電子対が発生する。加えて、この中間体層には電界が印加されているので、発生した正孔−電子対は引き離され、各々が消滅せずに存在し続ける。
【００１９】
このような状態の二酸化チタンが陽極近傍に存在すれば、陽極より電子を受け取り電子過剰の状態となり、この電子過剰の状態を解消すべく、近傍のアルミニウム−酸素結合に電子を放出する。γ−アルミナにおけるアルミニウム−電子結合は、通常では１０００℃近くの高温にならないと結合を切ることができないが、上記に酸化チタンからの電子の攻撃を受けると、より低い温度であっても結合が切れるようになる。
【００２０】
この結果、放出された電子を受けたアルミニウム−酸素結合は、７００℃程度で切れてＯ2-を発生させ、結晶格子の中で、酸素原子があるべきところにない酸素欠陥を発生させる。
一方、上記状態で陰極近傍に存在する二酸化チタンでは、陰極に電子を奪われて電子欠乏の状態となっている。分離したＯ2-は、近くに存在している電子欠乏状態の二酸化チタンに電子を受け渡し、近傍の酸素欠陥に収まる。なお、二酸化チタンに限るものではなく、ＺｎＯ2などの他の光触媒を用いるようにしても同様である。
【００２１】
以上のことにより、予め二酸化チタンを添加しておき、電界を印加しかつ紫外線を照射しておくことで、約７００℃の加熱で、γ−アルミナの中間体層をα−アルミナであるコランダムに相転移させることが可能となる。
【００２２】
本実施の形態の場合、サファイア基板１０１，１０３の接合面の表面荒さは、例えば１０ｎｍ程度としておけばよく、溶液を塗布して中間体層を形成した段階で、中間体層表面がサファイア基板の表面荒さを吸収して平坦な状態となっていればよい。表面荒さが１０ｎｍ程度のサファイア基板は、例えば、腕時計の窓用に用いられているものであり、この大きさなら価格が１枚数百円であり、安価である。同じ寸法で表面荒さが０．３ｎｍ以下と直接接合できるように加工されたものは、価格が数万円となる。このように、本実施の形態によれば、コストの増大を招く高い精度の加工を必要とせずに、直接接合と同程度の状態にサファイア基板を接合できる。
＜実施の形態２＞
つぎに、本発明の他の形態について説明する。
本実施の形態では、硝酸アルミニウムの水溶液からγ−アルミナを形成するようにした。まず、図５に示すように、基板１０１上に、光触媒としての二酸化チタンを添加した硝酸アルミニウムの水溶液を塗布して膜５０２を形成する。この後、膜５０２が形成された状態で、基板１０１を加熱すると、膜５０２の水分が蒸発した後、膜５０２の硝酸アルミニウムは硝酸を失って塩基性塩となり、最終的にγ−アルミナとなる。この結果、図２に示すように、基板１０１上にγ−アルミナからなる中間体層１０２ａが形成される。この中間体層１０２ａ中には、二酸化チタンが添加された状態となっている。
【００２３】
これは、上記実施の形態と同様であり、以降も上記実施の形態と同様に、他部材であるサファイアかなる基板１０３を用意し、図３に示すように、基板１０１上の中間体層１０２ａ表面と、基板１０３の表面とを当接させ、この状態で、基板１０１と基板１０３との間に、２０００Ｐａ程度の圧力を加え、中間体層１０２ａには、約５ｋＶ／ｍｍの電界を加え、かつ紫外線（１８５ｎｍ）を照射する。加えて、これらを７００℃程度に加熱する。なお、これらは、減圧された雰囲気で行う。
以上のことにより、本実施の形態においても、図４に示すように、基板１０１と基板１０３とは、直接接合した場合と同様に、同一材料のサファイアからなる結晶層１０４により、境目なく強固に接合した状態が得られる。
【００２４】
＜実施の形態３＞
つぎに、本発明の他の形態について説明する。
本実施の形態では、アルミニウムの有機金属化合物を２００〜６００℃程度に加熱することで、中間体層を形成するようにした。アルミニウムの有機金属化合物としては、例えばエチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレートやアルミニウムイソプロピレートがある。
アルミニウムの有機金属化合物を利用する場合は、まず、図６に示すように、基板１０１にアルミニウムの有機金属化合物の有機溶媒溶液を塗布して有機膜６０２を形成する。なお、この有機溶媒溶液には、予め光触媒としての二酸化チタンを添加しておく。
【００２５】
この後、有機膜６０２が形成された状態で、基板１０１を加熱すると、有機膜６０２の有機溶媒が蒸発し、この後、上記温度にすることで、有機金属化合物が分解して有機成分が気化し、アモルファス状態もしくはγ相の酸化アルミニウムが残る。この分解は、紫外線を照射したり、また、酸素プラズマ中で行うことで、より低温で行えるようになる。この結果、前述した実施の形態と同様図２に示すように、基板１０１上にアモルファス状態のアルミナまたはγ−アルミナからなる中間体層１０２ａが形成される。この中間体層１０２ａ中には、二酸化チタンが添加された状態となっている。
【００２６】
これは、上記実施の形態と同様であり、以降も上記実施の形態と同様に、他部材であるサファイアかなる基板１０３を用意し、図３に示すように、基板１０１上の中間体層１０２ａ表面と、基板１０３の表面とを当接させ、この状態で、基板１０１と基板１０３との間に、２０００Ｐａ程度の圧力を加え、中間体層１０２ａには、約５ｋＶ／ｍｍの電界を加え、かつ紫外線（１８５ｎｍ）を照射する。加えて、これらを７００℃程度に加熱する。なお、これらは、減圧された雰囲気で行う。
以上のことにより、本実施の形態においても、図４に示すように、基板１０１と基板１０３とは、直接接合した場合と同様に、同一材料のサファイアからなる結晶層１０４により、境目なく強固に接合した状態が得られる。
なお、上記実施の形態では、金属酸化物としてサファイアを例に説明したが、これに限るものではなく、例えばジルコニア（ＺｒＯ2）でも同様である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、サファイアなどのα相酸化アルミニウムからなる部材に、他部材を直接接合と同様の状態に接合できるようになり、材料の特性を損なうことなく、安価に接合できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態における接合方法の課程を示す工程図である。
【図２】  図１に続く、本発明の接合方法の課程を示す工程図である。
【図３】  図２に続く、本発明の接合方法の課程を示す工程図である。
【図４】  図３に続く、本発明の接合方法の課程を示す工程図である。
【図５】  本発明の他の形態における接合方法の課程を示す工程図である。
【図６】  本発明の他の形態における接合方法の課程を示す工程図である。
【図７】  従来よりある接合方法で製造した圧力センサの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１…基板（基体）、１０２…塗布膜、１０２ａ…中間体層（接着層）、１０３…基板（他部材）、１０４…結晶層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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