本発明は、ムライト含有焼結体、その製法及び複合基板に関する。

ムライト焼結体は、一般に、酸化アルミニウム(Al₂O₃)と酸化ケイ素(SiO₂)を3対2の割合で焼結した耐熱衝撃性に優れた材料であり、3Al₂O₃・2SiO₂で表される。こうしたムライト焼結体としては、例えば特許文献1に開示されているように、ムライト粉末にイットリア安定化ジルコニア(YSZ)粉末を30質量%混合した粉末を成形し、その成形体を焼結させたものが知られている。特許文献1では、ムライト焼結体からムライト基板を切り出し、そのムライト基板の主表面を研磨することにより、GaN基板と貼り合わせるのに用いられる下地基板としている。GaNの熱膨張係数は室温から1000℃の範囲で6.0ppm/Kとされ、ムライトの熱膨張係数は5.2ppm/Kとされている。そのため、両者を貼り合わせて使用することを考慮すると、ムライトの熱膨張係数を高めてGaN基板の熱膨張係数に近づけることが好ましく、それゆえムライト粉末にYSZ粉末を混合して焼結させている。

一方、特許文献2には、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等からなる機能性基板とムライト焼結体製の支持基板とが直接接合により接合された複合基板を、弾性表面波素子などの弾性波デバイスに利用した例が記載されている。こうした弾性波デバイスでは、支持基板であるムライト基板の熱膨張係数が4.4ppm/℃(40〜400℃)程度と小さく、ヤング率が220GPa以上と大きいため、弾性波デバイス自体の温度変化による膨張や収縮を小さくすることができ、それにより周波数の温度依存性が大きく改善される。機能性基板と支持基板とを直接接合するためには、各接合面において高い平坦性が求められる。例えば、特許文献2には中心線平均粗さRaが3nm以下であることが好ましいと記載されている。

特許第5585570号公報

特許第5861016号公報

しかしながら、ムライトに相当量の他の成分を加えて熱膨張係数を高めたムライト焼結体については特許文献1に記載され、ムライトの純度が高いムライト焼結体については特許文献2に記載されているものの、熱膨張係数を低減したムライト焼結体については触れられておらず、ましてやこうした低熱膨張のムライト焼結体であって研磨仕上げした面の表面平坦性が高いものは知られていない。また、低熱膨張であっても低剛性のムライト焼結体を複合基板の支持基板として用いた場合、複合基板がわずかな温度差によって反ってしまうことがある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、ムライトを含有する焼結体において、ムライト単独に比べて熱膨張係数を低く剛性を高くすると共に、研磨面の平坦性を高くすることを主目的とする。

本発明のムライト含有焼結体は、ムライトのほかに、窒化珪素、酸窒化珪素及びサイアロンからなる群より選ばれた少なくとも1種を含有するムライト含有焼結体であって、40〜400℃の熱膨張係数が4.3ppm/℃未満であり、開気孔率が0.5%以下であり、平均結晶粒径(焼結粒子の平均粒径)が1.5μm以下のものである。このムライト含有焼結体は、ムライト単独に比べて熱膨張係数が低く剛性が高い。また、研磨面の平坦性を高くすることができる。

本発明のムライト含有焼結体の製法は、(a)平均粒径1μm以下のムライト粉末50〜90体積%と平均粒径1μm以下の窒化珪素粉末10〜50体積%とを合計100体積%となるように混合して混合原料粉末を得る工程と、(b)前記混合原料粉末を所定形状の成形体に成形し、前記成形体をプレス圧20〜300kgf/cm²、焼成温度1525〜1700℃でホットプレス焼成を行うことにより、ムライト含有焼結体を得る工程と、を含むものである。この製法は、上述した本発明のムライト含有焼結体を製造するのに適している。なお、粉末の平均粒径は、レーザー回折法によって測定された値である(以下同じ)。

本発明の複合基板は、機能性基板と支持基板とが接合された複合基板であって、前記支持基板は、上述したムライト含有焼結体である。この複合基板は、支持基板であるムライト含有焼結体の研磨面の平坦性が高いため、機能性基板と良好に接合される。また、この複合基板を弾性表面波デバイスに利用した場合、周波数温度依存性が大きく改善される。また、光導波路デバイス、LEDデバイス、スイッチデバイスにおいても支持基板の熱膨張係数が小さいことで性能が向上する。

ムライト含有焼結体の製造工程図。

複合基板10の斜視図。

複合基板10を用いて作製した電子デバイス30の斜視図。

以下、本発明の実施の形態を具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

本実施形態のムライト含有焼結体は、ムライトのほかに、窒化珪素、酸窒化珪素及びサイアロンからなる群より選ばれた少なくとも1種を含有する。ムライトは、焼結体中に最も多く含まれる成分(主成分)であることが好ましいが、前記群より選ばれた成分が主成分であっても構わない。このムライト含有焼結体は、40〜400℃の熱膨張係数が4.3ppm/℃未満であり、開気孔率が0.5%以下であり、平均結晶粒径が1.5μm以下であることが好ましい。このムライト含有焼結体は、ムライト単独に比べて熱膨張係数が低くヤング率(剛性)が高い。また、このムライト含有焼結体は、開気孔率が0.5%以下であり気孔をほとんど有さず、平均結晶粒径が1.5μm以下と小さいため、研磨仕上げした面(研磨面)の平坦性が高くなる。

本実施形態のムライト含有焼結体は、研磨面100μm×100μmの面積当りに存在する最大長さ1μm以上の気孔の数が10個以下であることが好ましい。気孔の数が10個以下であれば、研磨仕上げした面の平坦性がより高くなる。こうした気孔の数は、3個以下であることがより好ましく、ゼロであることが更に好ましい。

本実施形態のムライト含有焼結体は、ヤング率が240GPa以上であることが好ましく、4点曲げ強度が300MPa以上であることが好ましい。窒化珪素やそれに由来する成分はムライトよりもヤング率や強度が高いため、ムライトに対する窒化珪素の添加割合を調節することによりムライト含有焼結体のヤング率を240GPa以上にしたり4点曲げ強度を300MPa以上にしたりすることができる。なお、4点曲げ強度は320MPa以上であることがより好ましい。

本実施形態のムライト含有焼結体は、研磨面の中心平均粗さRaが1.5nm以下であることが好ましい。弾性波デバイスなどに利用される複合基板として、機能性基板と支持基板とを接合したものが知られているが、このように研磨面のRaが1.5nm以下のムライト含有焼結体を支持基板として用いることで、支持基板と機能性基板との接合性が良好になる。例えば、接合界面のうち実際に接合している面積の割合(接合面積割合)が80%以上(好ましくは90%以上)になる。研磨面の中心平均粗さRaは1.1nm以下であることがより好ましく、1.0nm以下であることが更に好ましい。

本実施形態のムライト含有焼結体は、40〜400℃の熱膨張係数が3.8ppm/℃以下であることがより好ましい。こうしたムライト含有焼結体を支持基板とする複合基板を弾性波デバイスに利用することで、弾性デバイスの温度が上昇した場合に機能性基板は本来の熱膨張よりも小さな熱膨張になるため、弾性デバイスの周波数温度依存性が改善される。40〜400℃の熱膨張係数は3.5ppm/℃以下であることが更に好ましい。

次に、本発明のムライト含有焼結体の製造方法の一実施形態について説明する。ムライト含有焼結体の製造フローは、図1に示すように、(a)混合原料粉末を調製する工程と、(b)ムライト含有焼結体を作製する工程とを含む。

・工程(a):混合原料粉末の調製 混合原料粉末は、ムライト粉末と窒化珪素粉末とを混合することにより調製する。ムライト原料としては、純度が高く、平均粒径が小さい粉末を使用するのが好ましい。純度は99.0%以上が好ましく、99.5%以上がより好ましく、99.8%以上が更に好ましい。純度の単位は質量%である。また、平均粒径(D50)は1.5μm以下が好ましく、0.1〜1.5μmがより好ましい。ムライト原料は、市販品を用いてもよいし、高純度なアルミナやシリカ粉末を用いて作製したものを用いてもよい。ムライト原料を作製する方法としては、例えば特許文献2に記載された方法が挙げられる。窒化珪素原料としては、平均粒径が小さい粉末を使用するのが好ましい。平均粒径は1μm以下が好ましく、0.1〜1μmがより好ましい。ムライト原料と窒化珪素原料とを混合割合は、例えば、ムライト原料50〜90体積%(好ましくは70〜90体積%)と窒化珪素原料10〜50体積%(好ましくは10〜30体積%)とを合計100体積%となるように秤量し、ポットミル等の混合機で混合し、必要に応じてスプレードライヤーで乾燥して混合原料粉末を得るようにしてもよい。

・工程(b):ムライト含有焼結体の作製 工程(a)で得られた混合原料粉末を所定形状の成形体に成形する。成形の方法に特に制限はなく、一般的な成形法を用いることができる。例えば、混合原料粉末をそのまま金型によってプレス成形してもよい。プレス成形の場合は、混合原料粉末をスプレードライによって顆粒状にしておくと、成形性が良好になる。他に、有機バインダーを加えて坏土を作製し押出し成形したり、スラリーを作製しシート成形することができる。これらのプロセスでは焼成工程前あるいは焼成工程中に有機バインダー成分を除去することが必要になる。また、CIP(冷間静水圧プレス)にて高圧成形してもよい。

次に、得られた成形体を焼成してムライト含有焼結体を作製する。この際、焼結粒子を微細に維持し、焼結中に気孔を排出することがムライト含有焼結体の表面平坦性を高めるうえで好ましい。その手法として、ホットプレス法が非常に有効である。このホットプレス法を用いることで常圧焼結に比べて低温で微細粒の状態で緻密化が進み、常圧焼結でよく見られる粗大な気孔の残留を抑制することができる。このホットプレス時の焼成温度(最高温度)は1525〜1700℃が好ましい。また、ホットプレス時のプレス圧力は20〜300kgf/cm²とすることが好ましい。特に低いプレス圧力では、ホットプレス治具の小型化や長寿命化が可能であるため好ましい。焼成温度での保持時間は、成形体の形状や大きさ、加熱炉の特性などを考慮し、適宜、適当な時間を選択することができる。具体的な好ましい保持時間は、例えば1〜12時間、更に好ましくは2〜8時間である。焼成雰囲気にも特に制限はなく、ホットプレス時の雰囲気は窒素、アルゴン等の不活性雰囲気が一般的である。昇温速度や降温速度は、成形体の形状や大きさ、加熱炉の特性などを考慮し、適宜、設定すればよく、例えば50〜300℃/hrの範囲に設定すればよい。

次に、本発明の複合基板の一実施形態について説明する。本実施形態の複合基板は、機能性基板と、上述したムライト含有焼結体製の支持基板とが接合されたものである。この複合基板は、両基板の接合面積割合が大きくなり、良好な接合性を示す。機能性基板としては、特に限定されないが、例えばタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、窒化ガリウム、シリコンなどが挙げられる。接合方法は、直接接合が好ましい。直接接合の場合には、機能性基板と支持基板とのそれぞれの接合面を研磨したあと活性化し、両接合面を向かい合わせにした状態で両基板を押圧する。接合面の活性化は、例えば、接合面への不活性ガス(アルゴンなど)のイオンビームの照射のほか、プラズマや中性原子ビームの照射などで行う。機能性基板と支持基板の厚みの比(機能性基板の厚み/支持基板の厚み)は0.1以下であることが好ましい。図2に複合基板の一例を示す。複合基板10は、機能性基板である圧電基板12と支持基板14とが直接接合により接合されたものである。

本実施形態の複合基板は、電子デバイス等に利用可能である。こうした電子デバイスとしては、弾性波デバイス(弾性表面波デバイスやラム波素子、薄膜共振子(FBAR)など)のほか、LEDデバイス、光導波路デバイス、スイッチデバイスなどが挙げられる。弾性波デバイスに上述した複合基板を利用する場合には、支持基板であるムライト含有焼結体の熱膨張係数が4.3ppm/K(40〜400℃)未満と小さいため、周波数温度依存性が大きく改善される。図3に複合基板10を用いて作製した電子デバイス30の一例を示す。電子デバイス30は、1ポートSAW共振子つまり弾性表面波デバイスである。まず、複合基板10の圧電基板12に一般的なフォトリソグラフィ技術を用いて多数の電子デバイス30のパターンを形成し、その後、ダイシングにより1つ1つの電子デバイス30に切り出す。電子デバイス30は、フォトリソグラフィ技術により、圧電基板12の表面にIDT(Interdigital Transducer)電極32,34と反射電極36とが形成されたものである。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

1.混合原料粉末の作製 ムライト原料として、市販の純度99.9%以上、平均粒径1.5μmのムライト粉末を、窒化珪素原料として市販の純度97%以上、平均粒径0.8μmの窒化珪素粉末を用いた。ムライト原料と窒化珪素原料を表1の実験例1〜3に示す割合で秤量し、φ5mmのアルミナ玉石を用いてポットミル混合し、スプレードライにより混合原料粉末を作製した。

2.ムライト含有焼結体の作製 実験例1〜3の混合原料粉末を、直径約125mmの金型に入れ、厚さ10〜15mm程度の円盤状に200kgf/cm²の圧力で成形し、ムライト含有成形体を得た。次いで、内径約125mmのホットプレス用の黒鉛型にムライト含有成形体を収納し、ホットプレス炉にて直径約125mmで厚さ5〜8mm程度のムライト含有焼結体を作製した。なお、焼成時の最高温度(焼成温度)を1650℃、焼成温度での保持時間を5hrとし、昇温速度、降温速度ともに100℃/hrとした。プレス荷重は昇温中の900℃以上で200kgf/cm²とし、炉内雰囲気は900℃までは真空とし、900℃到達後にN₂を導入しN₂下で焼結を進めた。焼成温度で所定時間保持した後は1200℃まで降温し、プレス荷重と炉内雰囲気の制御を止めて、室温まで自然冷却した。また、実験例4では、ムライト粉末のみで同様にして成形体、焼結体を作製した。

3.特性評価 実験例1〜4の焼結体から、試験片(4×3×40mmサイズの抗折棒等)を切り出し、各種特性を評価した。また、焼結体の研磨面は、4×3×10mm程度の試験片の一面を研磨によって鏡面状に仕上げたものとした。研磨は3μmのダイヤモンド砥粒、0.5μmのダイヤモンド砥粒の順に進め、最終仕上げには0.1μm以下のダイヤモンド砥粒を用いたラップ研磨を行った。評価した特性は以下のとおり。

(1)結晶相 焼結体を粉砕し、X線回折装置により、結晶相の同定を行った。測定条件はCuKα、50kV、300mA、2θ=5−70°とし、回転対陰極型X線回折装置(理学電機製RINT)を用いた。

(2)結晶相比率 上記(1)のX線回折プロファイルから、各結晶相のピーク面積比率を算出した。ムライト(210)面(2θ=26.2°)のピーク面積を1として、それに対する各結晶相のピーク面積を結晶相比率とした。ここで各結晶相の代表ピークとして、窒化珪素は(101)面(2θ=20.6°)、サイアロンはSi₂Al₃O₇Nの(3−20)面(2θ=24.6°)及びSi₅AlON₇の(200)面(2θ=26.9°)を用いた。

(3)嵩密度、開気孔率 抗折棒を用い、純水を用いたアルキメデス法により、嵩密度、開気孔率を測定した。

(4)ヤング率 JIS R1602に準じた、静的撓み法で測定した。試験片形状は3mm×4mm×40mm抗折棒とした。

(5)曲げ強度 JIS R1601に準じて、4点曲げ強度を測定した。試験片形状は3mm×4mm×40mm抗折棒もしくは、そのハーフサイズとした。

(6)熱膨張係数(40〜400℃) JIS R1618に準じて、押し棒示差式で測定した。試験片形状は3mm×4mm×20mmとした。

(7)気孔の数 上記のように仕上げた焼結体の研磨面をSEM観察し、100μm×100μm当りに存在する、最大長さが1μm以上の気孔の数を計測した。

(8)表面平坦性(Ra) 上記のように仕上げた焼結体の研磨面に対し、AFMを用いて中心性平均粗さRaを測定した。測定範囲は、10μm×10μmとした。

(9)焼結粒子の平均粒径 上記のように仕上げた焼結体の研磨面をリン酸にてケミカルエッチングし、SEMにて焼結粒子の大きさを200個以上測定し、線分法を用いて平均粒径を算出した。線分法の係数は1.5とし、SEMにて実測された長さに1.5を乗じた値を平均粒径とした。

(10)接合性 実験例1〜4の焼結体から直径100mm、厚さ600μm程度の円板を切り出した。この円板を上記の通りに研磨仕上げした後に、洗浄して表面のパーティクルや汚染物質等を取り除いた。次に、この円板を支持基板とし、支持基板と機能性基板との直接接合を実施して複合基板を得た。すなわち、まず支持基板と機能性基板のそれぞれの接合面をアルゴンのイオンビームによって活性化し、その後に両接合面を向かい合わせて10tonfで押圧し、接合して複合基板を得た。機能性基板としては、ニオブ酸リチウム(LN)基板を用いた。接合性の評価は、IR透過像から接合面積が90%以上のものを「最良」、80%以上90%未満のものを「良」、80%未満のものを「不良」とした。

4.評価結果 実験例1〜3のムライト含有焼結体は、ムライト原料と窒化珪素原料とを混合した混合原料粉末を焼成したものであるが、窒化珪素の一部が焼成によってサイアロンに変化した。実験例1〜3のムライト含有焼結体は、窒化珪素等を含んでいるため、実験例4のムライト単独の焼結体に比べてヤング率及び4点曲げ強度が向上した。すなわちヤング率は240GPa以上、4点曲げ強度が320MPa以上に向上した。また、実験例1〜3のムライト含有焼結体は、40〜400℃の熱膨張係数が4.3ppm/℃未満(3.5〜4.1ppm/℃)であり、実験例4のムライト単独の焼結体よりも低い値になった。更に、実験例1〜3のムライト含有焼結体や実験例4のムライト単独の焼結体は、開気孔率が0.5%以下(0.1%未満)、平均結晶粒径が1.5μm以下(1.0〜1.2μm)であったため、研磨面の中心平均粗さRaは1.1nm以下(0.9〜1.1nm)と小さくなった。そのため、実験例2〜4の焼結体から切り出した円板を機能性基板と直接接合したときの接合性は、いずれも接合面積が90%以上の「最良」であり、実験例1の焼結体から切り出した円板を機能性基板と直接接合したときの接合性は、接合面積が80%以上90%未満の「良」であった。なお、研磨面の中心平均粗さRaがこのように小さな値になったのは気孔の数が3個以下(ゼロ)だったことも寄与している。

なお、実験例1〜3が本発明の実施例に相当し、実験例4が比較例に相当する。これらの実験例は本発明を何ら限定するものではない。

10 複合基板、12 圧電基板、14 支持基板、30 電子デバイス、32,34 IDT電極、36 反射電極。