专利名称：陶瓷接合体的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种使陶瓷烧结体彼此接合而成的陶瓷接合体的制造方法。
背景技术：
陶瓷是与金属、塑料等相比耐热性、耐蚀性及耐磨损性高，即使在高温环境、腐蚀环境这样苛刻的条件下也能够使用的材料。其中，由于碳化硅陶瓷具有高刚性、高导热性及低热膨胀性这样的优良特性，因此作为高温结构部件、半导体制造装置用部件而被利用。如此，虽然陶瓷尤其碳化硅陶瓷是能够在苛刻的环境下使用的有用的材料，但是很难以一体成型的方式制作复杂形状的部件、大型部件。如此，制作复杂形状的部件、大型部件时，准备多个较小的陶瓷烧结体，例如块状的陶瓷烧结体，通过使它们相互接合来制作复杂形状的部件、大型部件。作为使陶瓷烧结体彼此接合的方法，在下述专利文献1中公开有通过碳进行扩散接合的方法。具体为，在一对陶瓷烧结体的至少一方的接合面上涂敷在高温下分解而形成硬质碳膜的有机物。而且，使一对陶瓷烧结体的接合面彼此抵接，在有机物的分解温度以上且非氧化气氛中进行加热。在利用了碳扩散的该接合方法的情况下，存在如下课题，很难将接合层厚度控制为在整体上均勻且为所希望的厚度。作为使陶瓷烧结体彼此接合的方法，为了使多个陶瓷烧结体彼此接合，还进行在接合部分上形成含有碳化硅的区域的碳化硅接合。例如，在下述专利文献2所述的方法中， 首先用有机类粘结剂使一对碳化硅陶瓷烧结体彼此粘结，形成预制的陶瓷接合体。其后，在惰性气体气氛中将预制的陶瓷接合体加热至1400°C以上，在加热后的预制的陶瓷接合体及配有有机类粘结剂的接合部上浸渗熔融的硅从而进行碳化硅接合。但是，此时为了在接合部上浸渗熔融的硅，需要从外部供给熔融硅，接合方法变得复杂。而且，还存在如下课题，很难在接合部整体上同样地含有从外部添加的熔融硅并使接合部整体均勻。如此，作为减少从外部供给熔融硅从而进行碳化硅接合的方法，具有下述专利文献3所公开的方法。在下述专利文献3中，通过由含有碳化硅微粒的热固化性树脂形成的胶粘剂，使利用反应烧结法而制作的碳化硅陶瓷烧结体(烧结体)和多孔质碳化硅陶瓷烧结体(多孔质烧结体)重合。在多孔质烧结体的上面重叠薄片状硅，在硅熔融的温度下对该重合状态的物体进行热处理。专利文献1 日本国特开昭60-127270号公报专利文献2 日本国特开2005_2四05号公报专利文献3 日本国特开平03-112871号公报在上述专利文献3所述的方法中，使配置于多孔质烧结体上面的薄片状硅渗透至空孔内，并使胶粘剂的热固化性树脂与碳化后的碳反应。但是，此时也为了在接合工序中含有熔融的硅，而从外部添加硅。因此，对于接合方法复杂来说没有很大的改善。而且，从配置有薄片状硅的位置至接合部位的浸渗距离长，很难稳定地供给硅。尤其在较厚的多孔质烧结体的情况下，存在很难形成均勻的接合面的课题。而且，由于胶粘剂使用热固化性树脂， 因此热处理时胶粘剂层发生热收缩，由此还存在如下课题，在接合面内接合强度产生不均。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种不从外部添加硅，防止在热处理工序中伴随接合层热收缩的裂纹或起因于此的接合不良，从而高强度地进行接合的陶瓷接合体的制造方法。本发明所涉及的陶瓷接合体的制造方法是使陶瓷烧结体彼此接合而成的陶瓷接合体的制造方法，其特征在于，具备准备工序，准备分别具有接合面的一对陶瓷烧结体，其中至少一方通过反应烧结法而形成且含有游离硅；形成工序，形成微粒层，其是在所述一对陶瓷烧结体各自的接合面之间配置使含有碳元素的微粒分散在有机溶剂中的接合浆后干燥而成的；及接合工序，在以加压的方式保持所述微粒层的状态下，在惰性气氛下加热所述一对陶瓷烧结体，将所述游离硅导入所述微粒层，由此，形成至少含有碳化硅的接合层以进行接合，从而成为陶瓷接合体。作为本发明的准备工序中准备的陶瓷烧结体的一对陶瓷烧结体的至少一方是利用反应烧结法而形成的。因此，陶瓷烧结体中含有游离硅。该游离硅在烧结体中以未构成化合物的金属元素的状态存在，具有易于移动的性质。而且，在一对陶瓷烧结体的接合面之间形成由含有碳元素的微粒所生成的微粒层。在该状态下加热时，由碳及游离硅生成碳化硅。而且，将该碳化硅生成的反应作为驱动力，残存的游离硅发生扩散移动，移动至一对陶瓷烧结体之间的微粒层。如此，不必另外添加熔融硅便能形成含有碳化硅的牢固的接合层。而且，由于接合浆由分散的微粒形成，因此能够在接合面上均等地配置碳源。通过在接合面上均等地配置细微的碳粒，可提高与游离硅的反应性。这种反应性的提高有利于游离硅的进一步移动。接合浆通过使溶剂为有机溶剂，而在热处理前的时候已经处于溶剂蒸腾后的状态。因而，即使在接合工序中进行加热，也能够抑制因有机溶剂的蒸发所引起的接合层的体积变化、与此相伴的接合层的裂纹产生或位置偏移。本发明中例如通过控制有机溶剂的干燥状态，还能够使微粒堆积成为高密度填充。通过这种微粒的致密的堆积，能够抑制因进一步的体积变化所引起的不良现象、裂纹产生。如此，根据本发明，不必从外部添加金属硅，仅通过从陶瓷烧结体浸透过来的程度的微量金属硅即游离硅，便能够在接合层整体上确保足够的强度。而且，在本发明所涉及的陶瓷接合体的制造方法中，还优选所述准备工序中准备的所述一对陶瓷烧结体的至少一方通过反应烧结法而形成且含有游离硅，并且含有硼元
ο硅的熔点为1414°C，而在硼所共存的Si-B体系中最低液相生成温度为1385°C，因在硅中加入其它成分而导致液相生成温度降低。因而，在接合条件下金属硅即游离硅容易移动，在接合面整体上均勻地扩散。由于更加促进了热处理时的金属硅即游离硅的扩散，因此能够在接合层整体上达成更加均等且足够的强度。还优选所述形成工序中形成的所述微粒层还含有硼元素。硅的熔点为1414 °C，而在碳所共存的Si-C体系中最低液相生成温度为1404士5°C，在Si-B-C的3成分体系中最低液相生成温度降低至1300°C左右。因而，能够在接合条件下更加促进移动至接合层的游离硅的扩散，因而，在接合条件下Si金属容易移动，在接合面整体上均勻地扩散。因而，由于更加促进了热处理时的金属Si元素的扩散，因此能够在接合层整体上达成更加均等且足够的强度。还优选在所述接合工序中以1200°C 1500°C进行加热。在接合工序的加热中，如果使温度高于硅的熔点，则热处理中陶瓷烧结体所含有的游离硅变为具有适当粘度的液体，因此，促进了硅向由干燥的微粒形成的接合层移动，能够在短时间内进行涉及到接合面整体的接合层的形成。另一方面，以牢固的接合为目的时， 优选使接合层足够致密化。过度的加热温度的高温化因硅的蒸腾而成为形成不均勻的接合层、陶瓷烧结体的劣化的原因。而且，由于产生伴随硅的碳化硅化的急剧的体积收缩，而很难稳定地制作陶瓷接合体。该影响尤其在超过1500°C的温度时显著地出现。因而，通过使加热温度为1500°C以下，可抑制接合层中的急剧的碳化硅的生成、因硅的蒸腾所引起的劣化。还优选在所述接合工序中，所述惰性气氛为氩气氛。在接合工序的热处理中一定要注意的是气氛中的成分与游离硅的反应、游离硅发生蒸腾而从陶瓷烧结体脱离。在该优选的方式中，通过作为惰性气氛而选择氩气氛，能够解决气氛中的成分与游离硅的反应的课题，同时还能抑制游离硅的蒸腾。还优选在所述形成工序中，通过喷涂将所述接合浆配置在所述一对陶瓷烧结体各自的接合面之间。通过使用喷涂，能够通过简单的方法在接合面整体上均等地配置碳微粒。而且，通过在涂敷的同时引起适度的有机溶液的蒸腾，可实现致密的颗粒堆积。根据本发明，提供一种不从外部添加硅，防止在热处理工序中伴随接合层热收缩的裂纹或起因于此的接合不良，从而高强度地进行接合的陶瓷接合体的制造方法。
图1是表示通过本发明实施方式的制造方法得到的陶瓷接合体的构成的模式化立体图。图2是用于说明陶瓷接合体的制造方法中的准备工序的图。图3是用于说明陶瓷接合体的制造方法中的形成工序的图。图4是用于说明陶瓷接合体的制造方法中的形成工序的图。图5是用于说明陶瓷接合体的制造方法中的接合工序的图。图6是表示实施例中的断面观察结果的图。图7是表示对比例中的断面观察结果的图。图8是表示实施例及对比例的热处理温度与接合强度的关系的图。图9是包括接合层的陶瓷接合体的电子显微镜照片。符号说明10-陶瓷接合体；20-陶瓷烧结体；30-陶瓷烧结体；40-接合层；41-接合浆； 42-微粒层；201、301-接合面。
具体实施例方式下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。为了便于理解说明，在各附图中对同一构成要素尽可能地标注同一符号，省略重复的说明。参照图1对通过本发明实施方式的制造方法得到的陶瓷接合体进行说明。图1是表示本发明实施方式的陶瓷接合体10的构成的模式化立体图。如图1所示，陶瓷接合体10 通过利用接合层40使陶瓷烧结体20和陶瓷烧结体30接合而构成。另外，在图1中，以作为沿使陶瓷烧结体20和陶瓷烧结体30接合的接合面的平面形成ZX平面的方式设定正交坐标系，从而设定了 χ轴、y轴、ζ轴。在以后的说明中，也适当使用该xyz坐标系。陶瓷烧结体20可使用能够含有金属硅的各种陶瓷。其中，可列举含有金属硅的碳化硅陶瓷、含有金属硅的碳化硼陶瓷、含有金属硅且含有碳化硅及碳化硼的陶瓷烧结体等。 陶瓷烧结体30除可使用于前述的陶瓷烧结体20的陶瓷以外，还能够使用不含金属硅的各种陶瓷。虽然通过接合层40而接合的2个陶瓷烧结体即陶瓷烧结体20、30的至少一方是含有金属硅的陶瓷即可，但是陶瓷烧结体20、30双方是含有金属硅的陶瓷时，陶瓷烧结体 20,30与接合层40的密合性变高，因此更为优选。接合层40是介于陶瓷烧结体20和陶瓷烧结体30之间使两者接合的层。在后述的接合工序(热处理工序)中，介于陶瓷烧结体20和陶瓷烧结体30之间的碳源碳化后，通过从任意一个烧结体向其浸透金属硅而与碳发生反应，变为含有金属硅的碳化硅的层。接下来，参照图2 图5对本发明实施方式的陶瓷接合体10的制造方法进行说明。图2是用于说明陶瓷接合体10的制造方法中的准备工序的图。图3是用于说明陶瓷接合体10的制造方法中的形成工序的图。图4是用于说明陶瓷接合体10的制造方法中的形成工序的图。图5是用于说明陶瓷接合体10的制造方法中的接合工序的图。图2 图 5示出包括图1的yz平面，经过陶瓷接合体10中央附近的平面上的断面。如图2所示，在准备工序中，准备分别具有接合面201、301的一对陶瓷烧结体20、 30，其中至少一方通过反应烧结法而形成且含有游离硅。接合时，对接面即接合面201、301的形状没有限制，可利用对接、嵌合等方法。由于是涂敷或喷射接合浆的接合，因此从简便的角度优选对接。关于接合面201、301的面粗糙度没有限制，优选喷涂后没有间隙的程度，优选为 Ra = 3μπι以下，更优选为Ra = 0. 5μπι以下。在图3及图4所示的形成工序中形成微粒层42，其是在一对陶瓷烧结体20、30各自的接合面201、301之间配置使含有碳元素的微粒分散在有机溶剂中的接合浆41后干燥而成的。具体为，首先如图3所示，在陶瓷烧结体20的接合面201上涂敷接合浆41。作为接合浆41，可使用含有碳微粒的浆料、含有碳化硼微粒的浆料或者含有混合有碳微粒和碳化硼微粒的粉末的浆料。微粒的粒径为10 μ m以下即可。优选为Iym以下即可。而且，从容易调整接合层厚度的观点出发，也可以在涂敷接合浆41时用喷雾器等进行喷射成形。通过喷涂，接合厚度的控制变得容易。作为微粒可以利用含有碳元素的微粒。具体为，可以使用碳微粒。而且，除碳元素以外优选含有硼元素的微粒，例如可以使用碳化硼微粒、硼微粒、硼酸微粒及氧化硼微粒的任意一种。而且，也可以使用如下微粒，其混合有碳微粒和含有硼元素的微粒。作为用于使微粒分散的有机溶剂，优选微粒分散性高的溶剂。而且，还可以适宜地利用挥发性高的溶剂。例如，可以使用二氯甲烷、异丙酮、甲苯、乙醇、丙酮以及对它们进行适当混合的溶液。另外，如果能够使微粒分散则作为溶剂也可以使用水。接下来，如图4所示，使接合浆41中的有机溶剂蒸发，形成微粒层42。该工序是选择性地采用的工序，是在接合加热时使存在于成为接合层40的接合浆中的有机成分干燥的工序。干燥温度可以是常温 150°C。接下来，如图5所示，在以加压的方式保持微粒层42的状态下，在惰性气氛下加热一对陶瓷烧结体20、30，通过将游离硅导入微粒层42，形成至少含有碳化硅的接合层40从而进行接合，执行成为陶瓷接合体10的接合工序。接合处理所需的温度可以在比包含于陶瓷烧结体20的状态下的金属硅的熔点高，且比包含于陶瓷烧结体20的状态下的金属硅的蒸发温度低的温度即1500°C为止的范围内适当选定。本实施方式的陶瓷烧结体20是在接合处理时已经含有金属硅的陶瓷烧结体，通过陶瓷烧结体的金属硅的移动而形成以金属硅为主成分的接合层40。另外，在接合处理的升温阶段，也可以通过在400 900°C左右保持规定时间，使接合浆中的残存溶剂完全蒸发。在本实施方式中，已知包含于陶瓷烧结体20的金属硅在1100°C以上的温度下熔解，并且在超过1700°C时不能忽视金属硅的蒸发。因此，作为热处理温度优选1200 1500°C，进一步优选能够在比金属硅单质状态下的熔点(1412°C)低的温度下进行热处理的 1300 1400"C。在接合工序中，在0. 1 200ΜΙ^的范围内适当选定进行热处理时的压力。也可以对使陶瓷烧结体20及陶瓷烧结体30重合的成型体整体进行加压，还可以用夹具以按压的方式夹持接合面201、301并进行热处理。接合工序在适当的惰性气氛下进行即可，可列举出真空、氩气氛或氮气氛等。优选为真空气氛，更加优选为氩气氛。另外，即使是氩和氮的混合气体也可以进行接合。(实施例1)作为陶瓷烧结体20、30准备了含有金属硅、碳化硼及碳化硅的陶瓷烧结体。作为接合浆41，制作了将碳细微粉末分散在二氯甲烷和异丙酮的混合溶液中的碳粉末浆，以能够通过喷雾器进行涂敷的方式进行了准备。含有金属硅、碳化硼及碳化硅的陶瓷烧结体是通过以下方法制作的。将平均粒径0. 6 μ m的碳化硅粉末30重量份和平均粒径25 μ m的碳化硼粉末70 重量份、平均粒径^nm的碳黑粉末10重量份放入相对于碳化硅粉末、碳化硼粉末、碳黑粉末添加有0. 1 1重量份分散剂的纯水中并使其分散，用氨水等将PH调整至8 9. 5，制作了低于500CP的低粘度的浆料。用罐磨机等将该浆料混合数小时后，相对于碳化硅粉末、 碳化硼粉末、碳黑粉末添加1 2重量份胶粘剂并混合，其后进行脱泡在石膏板上放置内径 80mm的丙烯酸树脂管浇注浆料，制作了厚度IOmm左右的成形体。在成形体自然干燥、100 150°C的干燥后，在1X10—4 ΙΧΙΟ οπ·的减压状态下以温度600°C保持2h以进行脱脂， 通过以温度1700°C保持Ih来进行煅烧。进行煅烧后，加热至温度1500°C保持30min，通过使熔融的硅浸渗于成形体中而制造了反应烧结体。以20mm见方、厚度6mm切制所得到的含有金属硅、碳化硼及碳化硅的陶瓷烧结体， 以接合面变为Ra = 0. 2 μ m的方式进行磨削加工，制作了 2个陶瓷烧结体。在2个陶瓷烧结体的接合面上喷射碳浆，干燥后用碳夹具进行固定，成为 20 X 40 X 6mm 的形状。用碳炉在1个大气压的氩气氛中以1400°C对固定的试样进行热处理。在升温(升温速度为300度/1小时)至1400°C的中途以600°C保持1小时，使有机溶剂蒸发。(对比例1)作为相当于陶瓷烧结体20、30的烧结体准备了含有金属硅、碳化硼及碳化硅的陶瓷烧结体。通过与实施例1相同的方法制作了含有金属硅、碳化硼及碳化硅的陶瓷烧结体， 接合用试样也准备了相同的形状。而且，作为相当于接合层40的物质，作为热可塑性树脂薄膜准备了厚度35 μ m的玻璃纸。在2个陶瓷烧结体的接合面上夹入玻璃纸，用碳夹具进行固定，成为20X40X6mm 的形状。用碳炉在1个大气压的氩气氛中以1400°C对固定的试样进行热处理。在升温(升温速度为300度/1小时)至1400°C的中途以600°C保持1小时，使玻璃纸碳化。下面，将实施例1及对比例1中得到的试样切制为3mmX4mmX40mm的块状，实施了调查有无碎裂的切制试验。在表1中示出试验结果。表权利要求
1.一种陶瓷接合体的制造方法，是使陶瓷烧结体彼此接合而成的陶瓷接合体的制造方法，其特征在于，具备准备工序，准备分别具有接合面的一对陶瓷烧结体，其中至少一方通过反应烧结法而形成且含有游离硅；形成工序，形成微粒层，其是在所述一对陶瓷烧结体各自的接合面之间配置使含有碳元素的微粒分散在有机溶剂中的接合浆后干燥而成的；及接合工序，在以加压的方式保持所述微粒层的状态下，在惰性气氛下加热所述一对陶瓷烧结体，将所述游离硅导入所述微粒层，由此，形成至少含有碳化硅的接合层以进行接合，从而成为陶瓷接合体。
2.根据权利要求1所述的陶瓷接合体的制造方法，其特征在于，所述准备工序中准备的所述一对陶瓷烧结体的至少一方通过反应烧结法而形成且含有游离硅，并且含有硼元ο
3.根据权利要求1所述的陶瓷接合体的制造方法，其特征在于，所述形成工序中形成的所述微粒层还含有硼元素。
4.根据权利要求1所述的陶瓷接合体的制造方法，其特征在于，所述接合工序中以 1200°C 1500°C进行加热。
5.根据权利要求1所述的陶瓷接合体的制造方法，其特征在于，在所述接合工序中，所述惰性气氛为氩气氛。
6.根据权利要求1所述的陶瓷接合体的制造方法，其特征在于，在所述形成工序中，通过喷涂将所述接合浆配置在所述一对陶瓷烧结体各自的接合面之间。
全文摘要
本发明提供一种不从外部添加硅，防止在热处理工序中伴随接合层热收缩的裂纹或起因于此的接合不良，从而高强度地进行接合的陶瓷接合体的制造方法。该制造方法具备准备工序，准备一对陶瓷烧结体，其中至少一方通过反应烧结法而形成且含有游离硅；形成工序，形成微粒层，其是在一对陶瓷烧结体各自的接合面之间配置使含有碳元素的微粒分散在有机溶剂中的接合浆后干燥而成的；及接合工序，在以加压的方式保持微粒层的状态下，在惰性气氛下加热一对陶瓷烧结体，将游离硅导入微粒层，由此，形成至少含有碳化硅的接合层以进行接合，从而成为陶瓷接合体。
文档编号C04B37/00GK102276283SQ20111014067
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月26日 优先权日2010年5月27日
发明者井出贵之, 安藤正美 申请人:Toto株式会社