JPS63101085A - 拡散接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、従来の接合温度より格段に低い領域で材料
同士の接合を可能とする拡散接合方法に関する。

〔従来技術とその問題点〕

同種もしくは異種材料の接合法に関する従来の方法を整
理分類すると大略以下のようになる。

（１１材料を高温に加熱し溶融させて接合する浴接法。

（２）真空もしくはガス雰囲気で材料をその溶融点以下
の温度に加熱し、これを加圧することにより接合する拡
散接合法。

（３）ハ／ダ、ろう材を用いて接合する方法。

（４）有機系接着剤を用いる方法。

上記の（１１〜（３）の方法は、いずれも接合材料を加
熱する必要があるので、全般的に、 ■熱膨張特性の異なる材料では接合時に発生する熱応力
が大となり、接合しようとする材料に割れとか、その材
料の特性劣化を生じやすい。

■熱に対して特性変化が敏感な材料９例えばｓ性材料、
アセスフマス材料。圧電材料などにおいては接合処理時
の加熱により、それが本来もっている特性を喪失してし
まい、その再現のためには複雑な再処理を必要とする。

などの問題点を有している。

さらに上記の方法の問題点を詳細に述べると以下のよう
になる。

（１）の方法では、ｆｊ融点の差の大きい材料同士の接
合は困難である。また、セラミ、りなどの非金属材料に
対しては一般的に適用不能である。

１２）の方法は、（１）の方法より低い温度で材料を溶
融させずに、かつ異種材料でもその条件を適切に選定す
・ることにより強固な接合を得ることが可能であるとい
う長所をもつ。しかし、一般には真空もしくはガス雪囲
気下で材料を加熱する必要があるので、蒸、気圧の高い
元素を含む材料にあってはその元素の蒸発によって材料
組成の変化とか特性劣化を生じ、さらにその蒸発によっ
て容器内を汚染させやすいという問題がある。なお、（
２）の方法は接合時にかなり大きい負荷荷重を必要とし
、圧電セラミ、りなど機械的に脆弱な材料には適用しが
たいという欠点もある。

（３）の方法は、ハンダまたはろう材の種類を選定する
ことにより＋１１　、　＋２１の方法よりさらに低温で
接合することができる。しかし、ハンダ、ろう材に対し
て濡れ性の悪い材料、例えばセラミックとか有機系材料
には適用しがたいという制約がある。

（４１の有機系接着剤は１００’Ｃ前後以下、あるいは
接着剤の種類によっては常温付近でも接着可能であり、
接合しようとする材料の熱膨張４？住の差はほとんど問
題にならないという特徴を有する。一方、その接合部の
機械的強度、とくに高温強度とか耐薬品性などは前記の
（１１〜（３１の方法によるものより劣ることが欠点で
ある。

最近、新素材として注目されているアモルファス合金や
ファインセラミック（構造用と機能用）の接合、さらに
はマイクロエレクトロニクス分野の進展に伴ない、熱膨
張特性の大幅に異なる異種材料１例えばガラス−機能用
セラミック（例えば圧電セラミ、りなど）、セラミック
（構造用）−金属、金属−機能用セラミ、りなどを接合
することも必要になってきた。しかしながらこれらの接
合は前記で概観した従来の接合方法ではその目標を果た
すことは困難である。このため、材料に変形やひずみを
できるだけ与えずに低温で高精度に接合できる方法とそ
の装置の開発が要請されている。

上記の観点から、材料同士の低温接合を可能とするもの
として提案されているのが超高真空下での接合である０
通常、固体材料の表面にある原子は原子間結合に不要な
結合手をもつが、大気中では錆のように酸素と結びつい
たり、いろいろな汚染物質と結合して活性度を失ってい
る。超高真空下での接合原理は材料表面に余分に結合し
ている酸素などの汚染物質を超高真空のり１１−ユング
作用でとり除き、活性状態にすることにより、材料同士
の結合手を結びつけて接合する仕組みである・この方式
であるならば、熱や応力に弱い材料や熱膨張特性の大幅
に異なる異種材料でも、その接合を簡単に行うことがで
きるという利点がある。しかしながら、この接合方式に
おいては材料表面を清浄に保つため１０　〜１０　　ｔ
ｏｒｒ以下の真空雰囲気が必要なこと、さらに無加圧で
接合させるために材料表面の平坦性、平滑性が極めて高
く、接合材料の表面全域にわたって密着していることな
どが要求される。１０　〜１０　　ｔｏｒｒ　　の真空
度は実験室の小型装置では到達可能であるが、工業的な
規模の装置においては現在の技術水撫でも到達困難なレ
ベルである口したがって、この超高真空接合方式の利点
を活かしながら、それよりも簡便な方式で接合を可能と
する方法と装置の出現が望まれるＯ 〔発明の目的〕 この発明は、実用的な真空度もしくはガス雰囲気で、か
つ低温下において、熱膨張特性の異なる材料同士の精密
接合を可能とする拡散接合方法を提供することにある。

〔発明の要点〕

前記の目的はこの発明によれば、接合しようとする一方
の材料表面をエツチング、イオン照射。

スパッタ、蒸着などのいずれか一つの方法で清浄化もし
くは活性化させたのち、その状態を維持したまま、Ｘ空
もしくはガス雰囲気下で清浄化もしくは活性化した表面
にもう一方の接合材を重ね合せ、それを加圧負荷するこ
とにより達成することができる。

本発明者らは、材料表面に付着している汚染物質をなん
らかの方法により除去し、その状態を維持したまま、こ
の材料表面にもう一方の材料を重ね合せそれを加圧負荷
すれば、超高真空下の接合方法のような極めて高い真空
度は必要でなく、さらに従来方法のような高い加熱温度
も不要になるのではないかと発想した。さらに、この方
法であるならば接合装置の製作も簡便で、経済的になる
であろうと推定した０以上の観点から種々の検討を行っ
たところ、接合しようとする一方の材料表面の汚染物質
を除去し、清浄化もしくは活性化する方法としてはプラ
ズマエツチング、イオン注入。

スバ、りもしくは蒸着による活性化金属の被覆などが最
適であり、さらにこの処理後、この状態を維持したまま
（汚染物質の付着防止）速かに接合しようとするもう一
方の材料を重ね合せ、それを加圧すれば１０　〜１０　
　ｔｏｒｒの真空度あるいはＨ２ｅＡｒなとの還元もし
くは不活性ガス雰囲気でも接合可能であることを見出し
た◎ 本発明の場合、真空度はより低圧であればあるほど好ま
しいものであるか、１０　〜１０　　ｔｏｒｒの範囲で
あれば良好な接合を得ることができた０これはプラズマ
エ、チング、イオン注入、スバ、り。

蒸着などによって材料表面が十分に清浄化あるいは活性
化されたためと考えられる０接合時の憤荷応力も犬であ
れば、接合面の密着性が向上し、その接合力の増加に効
果を発揮するが、本発明の場合には０．１〜ＩＱＱ％の
範囲の加圧力であれば良好な結果を得た・そして本発明
の方法によれば、常温でも接合は可能であった。なお、
接合の際に加熱すれば、接合面における原子の拡散が活
発になって、接合性を高めるが、接合装置に加熱手段を
配設する必要があり、装置が大型化、複雑化してしまう
という欠点もあるので、加熱するかいなかは接合材料お
よびその接合目的によって選択すれば良い。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を、材料として圧電体プレートと硼
硅酸ガラスを使用し、材料表面の清浄化方法としてプラ
ズマエツチングを用いた場合につき詳細に説明する。

本発明で用いた装置の概略を第１図に示す。第１図にお
いて、１は上部電極２．マツチング回路４、高周波電源
５を備えた下部電極３．真空排気弁６．ガス供給弁７．
および側壁８からなる処理室である。接合試料としての
圧電体プレート９は下部電極３の上にセットされている
。さらに処理室１には接合試料を移動するためのプッシ
ャー棒１０と移動ステージ１】が設備されている・プッ
シャー棒１０と＠壁８の間には０リング１２が配置され
、摺動の役割を果している。

一方、第１図の１３は加圧処理室であって、加圧処理室
１３には油圧シリンダー１４．架台１５．真空排気弁１
６が配設され、さらにもう一方の接合試料であるガラス
板１７は油圧シリンダー１４の下部に真空吸引パルプ１
８によって吸着されている。また、１９はＯＩＩングで
あり、油圧シ１１ンダー１４の昇降の際のしゅ勤と気密
防止の役割をもっている。

第１図に示した接合装置において、処理室ｌと加圧処理
室１３の間には仕切り弁部が配設され、必要に応じて開
閉可能な構造となっている。２１はＯ１１ングであって
、その役割は前記１９と同様である◎かかる接合装置に
おいて、圧電体プレート９゜ガラス板１７をアセトン中
で超音波洗浄したのち、圧電体プレート９は処理室１の
下部電極３上にセットシ、ガラス板１７は油圧シリンダ
ー１４の下部に真空吸引パルプ１８によって吸引固定す
る。その後。

仕切り弁２）によって処理室１と加圧処理室１３をそれ
ぞれ独ｖした処理室となし、真空排気弁６，１６を開放
して室内を１０ｔｏｒｒの真空まで排気する◎１０　　
ｔｏｒｒの真空に到達したら処理室１を排気している真
空排気弁６のみを閉じ、ガス供給弁７を開いて外部より
アルゴンガスを導入し、ガスが室内に充満するまで供給
する。その後上下電極２，３に電圧を印加して圧電体プ
レート９の表面上を頷〜ω分間プラズマエツチングを行
う・所定時間のプラズマエツチング処理が終了したなら
ば、電圧印加を除荷し、真空排気弁６を再度間いて処理
室１を排気しＩＱ　　ｔｏｒｒまで真空引きを行う。処
理室１が１０””　ｔｏｒｒの真空に到達後、仕切り弁
１９を上げ。

プッシャー棒１０で圧電体プレート９を押すことにより
移動ステージ１１に沿って加圧処理９１３の架台１４の
上まで移動させ、油圧シリンダー１４の真下に位ＩＨさ
せる。その後、油圧シ１１ンダー１４ヲ下降せしめ圧電
体プレート９の表面にガラス板１７を重ね合せ、さらに
所定の圧力まで加圧することにより、室温下で両者を接
合した＠ この接合処理後、両者の厚さ方向をダイシングソーで切
断して研摩を行ったのち、その接合断面を１００倍の光
学顕微鏡で観察した。その接合部に空孔などの欠陥はみ
られずその性状は良好であることが確認された＠従来技
術では、圧電体プレートとガラス板を室温において接合
することは側底不可能であったが、本発明の方法によれ
ばそれが可能であることが！証された。

なお、前記の本発明の方法に２いて、圧電体プレートと
ガラス板の位置を逆にしガラス板の表面をプラズマエツ
チング後接合処理しても、前記と同様の良好な接合を得
ることができた。

以上は、圧電体プレートとガラス板を使用し、清浄化と
活性化の手段としてプラズマエツチングを用いた場合に
つき説明したが、他の材料組合せおよびイオン注入、ス
バ、り、蒸着などの方法によっても、さらに加圧処理案
の４ＩＩ囲気が還元才たは不活性ガスでも良好な接合の
得られることを実験的に確認した。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は接合しようとする一方の
材料表面をエツチング、イオン照射、スバ、り、蒸着な
どのいずれか一つの方法で清ｐ化もしくは活性化し、そ
の状態を維持したままこの材料表面に別の接合試料を皿
ね合せ、それを加圧することによって接置する方法であ
り、従来の接合方法と比べると格段に低い温度１例えば
常温近傍そして極めて低い加圧力で接合させることがで
きるので、熱膨張特性が大幅に異なる異種材料さらには
機械的強度の極めて小さい脆弱な材料であっても精密接
合ができ、また熱に対して特性変化が敏感な材料でも、
その特性を劣化させることなく接合が可能であるという
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の接合方法を行なうための接合装置の概
略断面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）被接合材の一方の材料表面をエッチング、イオン照
   射、スパッタ、蒸着などのうちいずれか一つの方法で清
   浄化もしくは活性化したのち、その状態を維持できる真
   空もしくはガス雰囲気で、前記接合材表面にもう一方の
   接合材を密着させ加圧することによって接合することを
   特徴とする拡散接合方法。