Eutectic bonding of single crystal parts

【発明の詳細な説明】 単結晶部品の共晶接合 発明の背景 本発明は、類似の要素（部品、部片）間に高強度接合を形成する技術に関するものであり、特には単結晶要素を互いに共晶接合する技術に関する。 今日の飛躍的な技術の発展により、サファイアは、単なる宝石原石として以外の用途に使用されている。 例えば、サファイアは、スーパーマーケットの勘定カウンターにおける窓として使用されうるし、代表的に半導体ウエハを処理中イオン注入室内に固定するのに代表的に使用される静電チャックを形成するのに使用されうるし、或いはロケットのノーズコーン用に使用されうる。 サファイアは、 その単結晶格子構造が経時的に永久分極しない傾向があるので、電気的な装置と併用してのそうした用途に特に適合する。 サファイアの様々に異なった用途での使用は、サファイアのような単結晶要素を互いに、強固で安定した結合部並びにサファイア成層体が曝露されうる過酷な環境因子に耐えることのできる結合部を創出するような態様で接合しうることへの必要性を生み出してきた。 斯界は、特定の部品要素を互いに接合する共晶接合用混合物を開発することによりこの必要性を満たす試みを行ってきた。 しかし、斯界ではまだ単結晶要素間に安定した結合部を創出する接合用混合物の改善に対する必要性が存在している。 比較的強固な結合を創出しそして温度及び化学的侵食に対して非常に高い耐性のある接合用混合物に対する必要性がまだ尚存在している。 従って、本発明の目的の一つは、高温及び化学的侵食に耐えることのできるよう単結晶要素を接合するための共晶接合用混合物を使用することである。 本発明のまた別の目的は、単結晶間に比較的強固な密封シールを形成するために共晶接合用混合物を使用することである。 本発明の他の全般的目的及びより特定した目的は、一部は自明であろうしまた一部は図面並びに以下の記載から明らかとなろう。 発明の概要 本発明は、サファイアのような単結晶要素を互いに共晶接合して、間に高温や化学的浸食に耐えることのできる強固な結合部を形成するための方法並びにその方法から形成された物品を提供する。 生成する物品は、比較的高い電気抵抗を有し、従って高電圧用途において使用できる。 以上は、単結晶要素を互いに結合するための、ＩＩＩＡ族化合物、そして好ましくはイットリウム含有化合物を含む、本発明に従う共晶接合用混合物を使用して実現することができる。 一様相に従えば、共晶接合用混合物は一種以上のＩＩＩＡ族化合物を含むものとなしえ、そして好ましくは酸化アルミニウムと混合される。 酸化アルミニウムの使用は、単結晶要素の熱膨張係数のような特定の性質をよくマッチさせ、かくして加熱及び冷却中クラックを発生する傾向が少ない物品を形成する。 別の様相に従えば、イットリウム含有化合物は、イットリア（Ｙ ₂ Ｏ ₃ ）或いはイットリウム・アルミニウム・ガーネットＹ ₃ Ａｌ ₅ Ｏ ₁₂ （ＹＡＧ）いずれかを含むことができる。 また別の様相に従えば、イットリウム含有化合物は、約４重量部の固体Ｙ ₂ Ｏ ₃ と約１重量部の適当なキャリヤ流体から形成されるスラリーを含む。 キャリヤ流体はメタノールを含むことができる。 別の様相に従えば、イットリウム含有化合物はＹ ₂ Ｏ ₃が約８１．５重量％の量において存在しそしてＡｌ ₂ Ｏ ₃が約１５．８ 重量％の量において存在するよう、約４重量部の固体、主にイットリウム・アルミニウム・ガーネットと約１重量部の適当なキャリヤ流体から形成されるスラリーを含みうる。 また別の様相に従えば、単結晶要素は、そこから残査や汚染物を除去するべく共晶接合用混合物で被覆するに先立ってエッチング処理される。 被覆要素はその後要素を溶融することなく接合用混合物を溶融するに十分の温度に十分の時間加熱される。 加熱された要素はその後冷却されそして接合用混合物が凝固するときそれは要素を互いに接合する。 本発明はまた以上のプロセスにより製造された物品をも提供する。 図面の簡単な既述 本発明の以上のまた他の目的、特徴及び利点は続いての記載及び添付図面から明らかとなろう。 図面において、図面全体を通して同じ部品には同じ参照番号が付せられている。 図面は本発明の原理を例示し、実寸ではないけれども、相対寸法を示す。 図１は、本発明の教示に従って互いに共晶接合された一対の単結晶要素から形成される物品の断面図である。 図２は、本発明の教示に従って、図１の物品を形成するためのプロセスの概略流れ図である。 例示具体例の説明 本発明は、本発明の教示に従う方法により製造された改善された物品１０に関係する。 物品１０は、選択された共晶混合物を使用して単結晶要素を互いに共晶接合することにより形成される。 共晶混合物は接合されるべき物品の融点より低い特定の接合用温度において流動状態となる。 図１は、特定の部品要素１２、１４を互いに共晶接合することにより形成される物品１０を例示する。 例示の物品は１０は、上方単結晶要素１２と下方単結晶要素１４とを含んでいる。 下方単結晶要素１４の上面１４Ａには接合用層１６が被覆される。 上方単結晶層１２の下面１２Ａもまた接合用層１６と接触する。 単結晶要素１２、１４は、以下に詳しく記載するように、接合用層１６を加熱して高温及び腐食性化学侵食に対して耐性のある高強度共晶結合を形成することにより互いに結合される。 例示した単結晶要素１２、１４としては、石英及び酸化マグネシウムを挙げることができ、そして好ましくはサファイアのような酸化アルミニウム（Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ）化合物である。 本発明の教示に従って使用される単結晶酸化アルミニウムは、 LaBelle,Jr.に付与された米国特許第３，５９１，３４８号、LaBelle,Jr.等に付与された米国特許第３，６８７，６３３号、Baileyに付与された米国特許第３， ８２６，６２５号、及びLaBelle,Jr.に付与された米国特許第３，９５３，１７ ４号に記載された方法のような従来からの製造方法により形成することができる。 これら特許の教示はここに言及することにより本明細書の一部となす。 例示した接合用層の厚さは、明示のため誇張されている。 これは、隣り合う単結晶要素間の強固な結合を提供しうる範囲で最少限量の共晶混合物が使用されるべきであるからである。 従って、接合用層１６は、単結晶要素の対接状態の程度に依存して約１０μｍ〜約１２５μｍの範囲の厚さをとることができる。 例示の接合用層１６は一種以上の共晶化合物の混合物を含むことができる。 共晶化合物は、単独で使用される場合でも、他の化合物と組み合わせて使用される場合でも、単結晶要素の融点より低い融点を有する。 本発明に従えば、単結晶要素がサファイアであるとき、共晶接合用層１６は約２０００℃より低い融点を有する。 再度図１を参照すると、接合用層１６は、一種以上のＩＩＩＡ族化合物を含むことができ、そして好ましくはイットリウム含有化合物或いは酸化物或いはその誘導体を含む。 好ましいイットリウム含有化合物は、酸化イットリウム、即ちイットリア（Ｙ ₂ Ｏ ₃ ）或いはイットリウム・アルミニウム・ガーネットＹ ₃ Ａ ｌ ₅ Ｏ ₁₂ （ＹＡＧ）である。 好ましい実施態様に従えば、イットリウム含有化合物は酸化アルミニウム（Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ）と混合されうる。 例示の接合用層１６は、粉末形態にあるか、スラリー中に混合された状態にあるか或いはゲル乃至ゾル形態いずれかである一種以上の化合物を含んでいる。 もし接合用層１６がスラリーから成るなら、イットリア或いはＹＡＧのような上記の化合物の一種以上が水やメタノールのような適当なキャリア流体と混合されてスラリーを形成するようにすることができる。 例えば、４部のＹ ₂ Ｏ ₃粉末或いは４部の、８１．５重量％Ｙ ₂ Ｏ ₃及び１５．８重量％Ａｌ ₂ Ｏ ₃を含有するＹＡＧ粉末が１部のメタノール及び／又は水と混合されてスラリーを形成する。 スラリーは、単結晶要素の一方ないし両方、例えば下方単結晶要素１４に、要素１４をスラリー中に浸漬することにより、スラリーを上面１４ａ上に塗布することにより、或いはスラリーを要素上に押し流し、注出乃至噴霧することによるかいずれかにより被覆されうる。 当業者は、様々の被覆手段に適当なスラリーそれぞれに変更されたレオロジー性質を与えるように被覆プロセス中追加料の水が添加されうることを理解しよう。 共晶接合層の均質性を保証するために、比較的細かい粒寸の粉末、好ましくは約０．１μｍ〜１００μｍの範囲の寸法を有する粉末を使用することが所望される。 ＩＩＩＡ族化合物を使用する共晶接合層１６の顕著な利益は、それが単結晶要素１２、１４間に高強度の結合を形成し、従って比較的高い温度及び化学的侵食に対してきわめて耐性のある安定した物品１０を形成することである。 接合層はまた、高度に電気的に絶縁性の層を形成し、従って物品を高電圧環境において使用することを可能ならしめる。 本発明の共晶接合用混合物においてイットリアの使用はいくつかのユニークな利益を提供する。 利益の一つはイットリウム含有接合用層１６が単結晶要素の熱膨張特性と非常によくマッチ（整合）する共晶結合部を形成することである。 更に、イットリアの化学的構造はジルコニアのような従来化合物に比較してその特性を変更する改質イオンを受け入れるに一層適している。 イットリアの特性を変更しうることは、ユーザが接合用混合物の性質を特定の用途に適合させることを可能ならしめる。 例えば、単結晶要素と共晶化合物との熱膨張係数の密接なマッチング（整合）は物品１０の機械的一体性を加熱及び冷却中保持することを助成する。 ＩＩＩＡ族化合物が好ましいが、幾つかの場合には、接合層１６は、ＩＩＡ族もしくはランタン及びネオジム並びにその酸化物及び誘導体のようなランタニド系列の化合物のような別の物質を含みうる（或いは主成分としてさえ）。 例示した接合層１６は、ＩＩＩＡ族及びＩＩＩＢ族金属並びにランタニド系列元素の炭化物及び窒化物を含め一種以上の非金属化合物をも使用することができる。 上述した化合物の一種以上が、単独で使用できるし或いはそれらのうちの別の化合物と或いは酸化アルミニウム（Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ）と混合されうる。 図２は、サファイア部品のような単結晶要素間に共晶結合を形成するための本発明方法をフローチャートで例示する。 単結晶要素は、段階２０として呈示されるように、硝酸と弗化水素酸との混合物によるような任意の適用な媒体を使用して表面汚染物を除去するべくエッチングされうる。 その後、単結晶要素の一方が、段階２２において示されるように、一種以上のＩＩＩＡ族の化合物を含みうる共晶接合用混合物で被覆される。 好ましい実施態様に従えば、共晶接合用混合物はイットリア含有化合物或いはイットリア含有化合物と酸化アルミニウムの混合物を含む。 酸化アルミニウムの使用は、サファイア部品の熱膨張係数に一層ぴったりと整合する共晶結合を提供する。 ひとたびサファイア要素が共晶接合用混合物で被覆されると、サファイア要素は組み立てられそして生成する未加熱状態の複合物品は接合用表面を緊密な接触状態に保持するために適当な治具のような任意の適当な固定装置に置かれる。 これは段階２４及び２６に例示される。 段階２８に例示されるように、サファイア要素１２、１４の非接合用表面は、加熱に先立って余剰の接合用材料を除去するべく完全に清浄にされうる。 余剰の接合用材料は、紙タオル、綿捧並びにメタノールのような適当な洗浄液のような任意の適当な媒体を使用してサファイア要素の表面から除去することができる。 洗浄液は好ましくはサファイア要素とまた接合用混合物と有害な反応をしない。 その後、複合物品は、共晶混合物を溶融するに十分のしかもサファイア要素の融点より低い、例えば２０５０℃より低い選択された適当な温度に加熱される。 好ましい実施態様に従えばそして段階３０に示されるように、組み立てられた物品は単結晶要素の融点より低い温度の下に置かれ、好ましくは１８００〜１９５ ０℃の範囲のそしてもっとも好ましくは約１８３０〜１９００℃の範囲の温度に曝される。 当業者は共晶接合用混合物が混合物の特定の成分化合物に応じて変化することを認識しよう。 最大温度に達するに際して物品１０の保持時間もまた、共晶接合用混合物において使用される特定の化合物によって変更される。 好ましい実施態様に従えば、 物品は約１〜１００分の範囲の、好ましくは約１５〜６０分の範囲の時間加熱される。 例えば共晶接合用混合物が酸化アルミニウムと酸化イットリウムを含んでいるなら、物品は約１８３４℃を超えて約１５分間加熱され、最大到達温度は１ ８８０℃とされる。 物品要素１２、１４は、好ましくは、共晶溶融温度に共晶接合用層の完全な溶融を保証するに十分な時間維持され、そして本例に従えばこの温度に約１分以上維持される。 共晶接合用混合物の特定成分についての知識を有する当業者は既知の相図から混合物の融点をそして簡単な実験から適当な保持時間を知ることができよう。 加熱プロセス中、治具により物品に適用される力は捕捉気体の結合部内部での形成を排除し、従ってサファイア部品要素間に高強度の結合の形成を保証する。 物品１０が加熱された後、そして接合用層が完全に溶融しそしてその温度で充分の期間維持された後、物品はその構造一体性、完全性に悪影響を与えることなくそこから熱を取り除きそしてそれ以上の反応が起こるのを抑制するに充分の速度で冷却される。 これは段階３２において例示される。 物品は既知の技術に従ってそして既知の冷却速度で冷却されそして好ましくは約５℃／分〜１０℃／分の範囲の速度で冷却される。 共晶接合用混合物がイットリウム含有化合物と酸化アルミニウムを含むとき、物品は約８℃／分に近い速度で室温まで冷却されうる。 当業者は、冷却速度が互いに結合されている特定の化合物並びに生成する製品の用途及び型式に応じて変更されることを容易に認識しよう。 本発明の実施によって、サファイアのような単結晶部品が互いに共晶接合されて、比較的高い強度を有しそして化学的侵食に非常に耐性のある結合部を生成する。 次の限定を意図しない例はこれら特徴を例示する。 例 例１ サファイア要素を接合するためのアルミナ−イットリアゾルの調製 粉末状の水分散性の酸化アルミニウムのようなアルミナ水和物及びイットリア（Ｙ ₂ Ｏ ₃ ）を使用してコロイド懸濁液、即ちゾルを化学量論的に調製した。 化合物をそれらがゾル中に十分分散されるまで混合せしめた。 ゾルは、容器内で上記化合物に１５０ｍｌの脱イオン水を添加することにより生成した。 約２０ｇのＣ ｏｎｄｅａ Ｄｉｓｐｅｒｓａｌ ＳｏｌＰ２のようなベーマイト乃至擬ベーマイト物質１０ｇづつ添加し、同時に容器内で溶液を連続的に撹拌して水和アルミナを分散せしめた。 溶液のｐＨは約５に維持されるべきである。 約２５ｇのイットリアをこの混合物に３回のほぼ等量部分に分けて添加した。 混合溶液のｐＨは次第に９を超えるまで増大した。 その後、この容器内のアルカリ性溶液を約１０ ｍｌの脱イオン水と混合した。 容器をその後水の蒸発を防止するためにカバーしそして最小約６時間溶液の混合を継続せしめた。 この時点の終わりで、ゾルは濃厚となり、そして酸化アルミニウムとイットリアは混合の終了に際しても懸濁状態にとどまった。 接合用ゾルを爾後の被覆のために流動性を増加するべく上記懸濁液に約５０〜 １００ｍｌの範囲の脱イオン水を添加することにより一つ以上のサファイア要素に被覆した。 ゾルは、溶液中のわずかの大きな粒子を除くために７４メッシュテフロン（商品名）製篩を通して濾過した。 Ｂａｄｇｅｒ・Ｍｏｄｅｌ・２５０のようなモデル製作業者のエアーブラシを使用して、サファイア要素の一方の表面に接合用ゾルを被覆した。 詳しくは、希釈ゾルをスプレイガンの細いテフロン製チューブに吸入しそして好ましくは約３０ｐｓｉ（２０７ＭＰａ）に加圧した不活性ガスを推進体として使用してスプレイ中溶液を噴霧した。 溶液で被覆するに先立って、サファイアを硝酸及び弗化水素酸でエッチング処理してわずかの表面汚染物及び残査を除去した。 その後、ゾルを上端から出発して側辺から側辺へとパスを繰り返して被覆した。 この場合、１回のパスは表面の垂直１インチ（２．５４ｃｍ）毎に行った。 その後、要素を９０度廻動しそして被覆手順を繰り返した。 反対面を同じ手順により接合用ゾルで被覆した。 サファイア要素被覆表面をその後大気乾燥せしめた。 互いに接合されるべき表面は、直接接触状態に置かれそして／又は互いのずれを防止するように互いに固定保持した。 サファイア要素をその後１９００℃を超える温度に到達しうる金属若しくはグラファイト高温帯域を有する真空炉内で加熱した。 サファイア組体を炉内のモリブデン台板上に置いた。 耐火金属を上面に置き、圧力適用のための接触点として作用せしめた。 その後、サファイア組体を真空中で約５℃／分〜１０℃／分の範囲の昇温速度で、好ましくはこの例では約８℃／分において約１８８０℃まで加熱しそして保持時間、即ち均熱時間は約１５〜６０分間、そしてこの例では好ましくは約１５分とした。 この加熱過程は約４００分を費やした。 炉をその後、約５〜１０℃／分の範囲の降温速度でそして好ましくは約８℃／分において室温まで冷却した。 サファイア要素は接合用層を溶融し、続いて再凝固せしめることにより互いに共晶凝固された。 この接合用層は比較的高い強度を有しそして薬品に対して不浸透性の即ち強い化学的侵食に耐えることのできる共晶結合部を形成した。 追加的に、酸化アルミニウムとイットリアの使用はサファイア要素の熱膨張率のような特定の特性によくマッチする協商接合用混合物を提供し、それに加えて高い電気抵抗を有しそして化学的侵食に耐えることのできる結合部を形成する。 本発明が、とりわけ以上の説明から明らかなように、先に呈示した課題を効率的に実現することが理解されよう。 本発明の範囲から逸脱することなく以上の構成にある種の変更を為し得るから、以上の記載に含まれたまた添付図面に示された事項はすべて、限定的な意味ではなく例示的なものとして解釈されるべきである。 以下の請求の範囲はここで記載した本発明の全体的及び特定的特徴のすべてをそしてまた言語上の問題として本発明に入ると考えられる本発明範囲の記述のすべてを網羅するものである。 以上本発明を説明したが、新規でありそして特許により保護されることを所望される請求事項は次の通りである：

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コリンズ，ジョーゼフ エム. アメリカ合衆国 03086 ニューハンプシ ャー，ウィルトン，イーストビュー ドラ イブ 21 ナンバー25 (72)発明者 フィッツギボン，ジェレマイア エフ. アメリカ合衆国 03110 ニューハンプシ ャー，ベッドフォード，ダービー レイン 29 (72)発明者 ローカー，ジョン ダブリュー. アメリカ合衆国 01564 マサチューセッ ツ，スターリング，ジャスティス ヒル ロード 161 (72)発明者 マッキャンドルーズ，ブライアン ジェ イ. アメリカ合衆国 03033 ニューハンプシ ャー，ブルックライン，オーバールック レイン ３