JP3874842B2 - 薄膜複合材料およびその製造方法 - Google Patents
薄膜複合材料およびその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3874842B2 JP3874842B2 JP16161296A JP16161296A JP3874842B2 JP 3874842 B2 JP3874842 B2 JP 3874842B2 JP 16161296 A JP16161296 A JP 16161296A JP 16161296 A JP16161296 A JP 16161296A JP 3874842 B2 JP3874842 B2 JP 3874842B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- fine
- brazing material
- composite material
- film substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Micromachines (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜複合材料およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、セラミックス材料は金属等の従来材料にない各種特性を有することから、各種部品材料として応用展開が行われている。例えば、セラミックス材料の耐熱性、耐磨耗性、軽量・高強度等の特性を利用して、構造・機械部品等への適用が進められている。ただし、セラミックス材料は本質的に脆いという欠点を有しており、このような欠点を補うために金属材料と接合一体化して使用することが行われている。このようなセラミックス材料と金属材料との接合には、例えばAg−Cu−Ti合金のような活性な金属を含むろう材が用いられており、このようなろう材は通常、箔の積層体、合金箔、薄膜形成法による堆積等によって、セラミックス材料と金属材料との間に配置される。
【0003】
ところで、最近、マイクロマシン等の微細構造物に適用し得るような微小かつ薄膜状の基体に対する要求が高まってきている。例えば、マイクロアクチュエータ等においては、 100μm オーダ以下の部品、さらには数10μm オーダの部品が用いられている。このような微細部品に、例えば上記したようなセラミックス−金属接合体を適用しようとした場合、従来のろう材の配置方法ではろう材量を微量制御することが困難であることから、例えば薄膜状のセラミックス部材に対して良好な接合を行うことは難しく、さらに接合体の特性に対して接合層すなわちろう材層の特性が無視できなくなることから、例えば薄膜状のセラミックス部材や金属部材の本来の特性が損われるというような問題もある。また場合によっては、部分接合等が必要となるが、従来のろう材の配置方法ではろう材量やその配置位置を十分に制御できないことから、良好な部分接合を達成することは困難であった。
【0004】
一方、セラミックス材料の高電気絶縁性、高熱伝導性等の特性を利用して、電子部品等への適用も進められている。この場合、回路の形成等を目的として、セラミックス材料表面に上記した活性金属ろう材等を介して銅板等を接合することによって、金属層を形成することが行われている。また、セラミックス材料に微細な導体パターンを形成する場合には、金属粉末を含む導電性ペーストの塗布、焼成等を適用して、金属層を形成することが行われている。
【0005】
しかし、上述したような従来の金属層の形成方法では、使用し得る基材側のセラミックス材料の厚さに限界があり、例えば厚さ数10μm オーダというような薄膜状のセラミックス基体に対して微細パターンを有する金属層を良好に形成することは困難であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のセラミックス材料と金属材料との接合方法では、ろう材量やその配置位置を十分に制御できないことから、薄膜状のセラミックス基体等に対して良好な接合を行うことは困難であり、さらに薄膜状のセラミックス基体等を用いた接合体の本来の特性がろう材層により損われるおそれがあるというような問題がある。そこで、微量なろう材の量自体や配置位置等の制御を可能にする技術が求められている。
【0007】
また、従来のセラミックス材料への金属層の形成方法では、基材側のセラミックス材料の厚さに限界があることから、例えば薄膜状のセラミックス基体に対して例えば所望のパターン形状の金属層を良好に形成することを可能にする技術が求められている。
【0008】
本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、例えば薄膜状のセラミックス基体等に対するろう材量や配置位置等の制御を可能にしたり、あるいは薄膜状のセラミックス基体等に対して微細パターン形状の金属層等の形成を可能にした薄膜複合材料およびその製造方法を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜複合材料は、少なくとも表面部に所望形状の微細凹部が設けられ、厚さ 20 μ m 以下のセラミックス材料からなる薄膜状基体と、前記薄膜状基体の微細凹部内に埋め込まれた金属ろう材層とを具備することを特徴としている。
【0010】
また、本発明の薄膜複合材料の製造方法は、厚さ 20 μ m 以下のセラミックス材料からなる薄膜状基体の少なくとも表面部に、所望形状の微細凹部を形成する工程と、前記微細凹部が形成された前記薄膜状基体の表面部に、金属ろう材を前記微細凹部内に埋め込みつつ被覆する工程と、前記金属ろう材が存在する前記薄膜状基体の表面部にイオンビームを斜め方向から照射して、前記微細凹部内以外の前記薄膜状基体の表面部に存在する前記金属ろう材を除去して、金属ろう材層を前記微細凹部内に形成する工程とを有することを特徴としている。
【0011】
本発明の薄膜複合材料においては、セラミックス材料からなる薄膜状基体の少なくとも表面部に設けた微細凹部内に金属ろう材層を埋め込み形成しているため、微細凹部の形状や薄膜状基体に対する微細凹部の形成位置等によって、金属ろう材層の量、形成位置、パターン形状等を制御することができる。
【0012】
また、本発明の薄膜複合材料の製造方法においては、上述したような金属ろう材層の形成工程を、金属ろう材で薄膜状基体の表面部を被覆した後、微細凹部内以外の薄膜状基体の表面部に存在する金属ろう材をイオンビームの斜め照射で除去することにより実施しているため、セラミックス材料からなる薄膜状基体に歪(加工歪)や剥離、破損等を生じさせることなく、微細形状の金属ろう材層を再現性よく形成することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【0014】
図1は、本発明の薄膜複合材料の一実施形態を示す図である。同図に示す薄膜複合材料1は、第1の固体材料からなる薄膜状基体2を基材部分として有している。この薄膜状基体2は、単体として取扱うことが可能な部材である。薄膜状基体2を構成する第1の固体材料には、厚さ20μm以下の薄膜形状を単体として容易に維持し得る材料として、例えば構造・機械部品材料や電子部品材料として一般的に用いられているセラミックス材料が用いられる。
【0015】
薄膜状基体2の厚さtは20μm以下とされる。以下に詳述するように、そのような厚さtを有する薄膜状基体2に対して後述する機能材料層4を良好に形成できることから、本発明は厚さtが20μm以下の薄膜状基体2に対して効果的である。この厚さtが20μm以下の薄膜状基体2としては、例えば機械加工による削り出し等により作製した薄膜状セラミックス基板が用いられる。また、薄膜状基体2の全体形状や大きさは、薄膜複合材料1の用途に応じて適宜設定するものとし、例えば薄膜部分を部分的に有するような薄膜状基体であってもよい。
【0016】
第1の固体材料として使用し得るセラミックス材料としては、例えばアルミナ(Al2 O3 )、ジルコニア(ZrO2 )、チタン酸アルミニウム(Al2 O3 ・TiO2 )等の酸化物系セラミックス材料、窒化ケイ素(Si3 N4 )、サイアロン(SiAlON)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化硼素(BN)、窒化チタン(TiN)等の窒化物系セラミックス材料、炭化珪素(SiC)、炭化硼素(B4 N)、炭化チタン(TiC)等の炭化物系セラミックス材料等、種々のセラミックス材料を挙げることができる。
【0017】
これらのうち、例えば薄膜複合材料1をマイクロマシン等の構造・機械部品に適用する場合には、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、サイアロン、炭化珪素等を使用することが好ましく、この場合には薄膜状基体2は薄膜状高強度基体ということができる。また、薄膜複合材料1を電子部品に適用する場合には、高電気絶縁性材料であるアルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化珪素等が好適であり、この場合には薄膜状基体2は薄膜状絶縁性基体ということができる。
【0018】
上述したように、薄膜状基体2には各種のセラミックス材料を使用することが可能であるが、後述するように、微細凹部3の形成にレーザビーム照射、電子線照射、イオンビーム照射等による固体材料の昇華を利用する場合には、昇華しやすい共有結合性の高い材料、例えば窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化珪素等を使用することが好ましい。これにより、所望の微細パターン形状を有する微細凹部3を容易にかつ再現性よく形成することができる。
【0019】
上記したような各種セラミックス材料からなる薄膜状基体2は、少なくとも表面部に所望形状の微細凹部3を有している。微細凹部3は図1に示した有底形状の凹部に限らず、例えば図2に示すような貫通孔形状の凹部3であってもよい。そして、このような微細凹部3内に第1の固体材料とは異種材料からなる第2の固体材料が埋め込まれており、この微細凹部3内に埋め込まれた第2の固体材料が機能材料層4を構成している。この機能材料層4はろう材層である。
【0020】
機能材料層4を構成する第2の固体材料としては、埋め込み形成の容易さ等から金属材料が用いられる。第2の固体材料には第1の固体材料より低融点の材料が用いられる。
【0021】
第2の固体材料としては、薄膜状基体2にセラミックス材料を使用して、薄膜複合材料1を接合中間材として用いるにあたって金属ろう材、例えばAg−Cuろう材、Cuろう材、これらにIn、Sn、Zn等を添加したろう材、さらにこれらにTi、Zr、Hf、Nb等の活性金属を添加した活性金属ろう材等が挙げられる。このように、機能材料層4は金属ろう材層である。
【0022】
上述した微細凹部3は、上記機能材料層4の形成部位となるものであり、その用途に応じて種々のパターン形状を適用することができる。機能材料層4は金属ろう材層であるため、ろう材量の制御(全体的なろう材量の削減等を含む)を目的とした、ランダムに形成された深さ2nm〜15μm程度、幅10nm〜30μm程度の微細凹部3や、ろう材の量制御を含む配置位置制御(部分接合に応じたろう材配置等を含む)等を目的とした、所定位置に形成された同様な深さおよび幅の微細凹部3等が挙げられる。金属ろう材層が形成される微細凹部3の幅が10nm未満であると、表面張力により1つの凹部にろう材がいきわたらず、良好な接合が達成できないおそれがあり、また30μmを超えると薄膜状基体2の強度低下等の原因となる。なお、貫通孔形状の凹部3を適用する場合にはこの限りではない。また、この場合の微細凹部3の大きさは、金属ろう材の量や配置パターンに応じて選択すればよい。
【0024】
微細凹部3の具体的な断面形状は、図3に拡大して示す断面三角形状に限らず、例えば図4に示す断面矩形状、図5に示す断面略半円形状等を適用することができる。また、これら所定の形状を有する有底形状の微細凹部3に限らず、ランダムな有底形状の微細凹部3であってもよい。さらに場合によっては、図2に示したように、貫通孔形状の微細凹部3を適用することも可能である。
【0025】
上述した実施形態の薄膜複合材料1において、機能材料層4としては金属ろう材層が適用されるため、金属ろう材の量を微細凹部3の大きさや深さ等の形状、さらには微細凹部3の数等によって制御することができる。従って、セラミックス材料からなる薄膜状基体2に対して、例えば同様な薄膜状の金属部材等を良好に接合することが可能となる。また、接合体の基材となる薄膜状のセラミックス基体(2)や金属部材等の厚さや大きさに応じて、ろう材量を制御できることから、接合体の特性に対するろう材層の影響を抑制することが可能となる。さらに、部分接合等を行う場合においても、ろう材の量および配置位置を制御できることから、良好な部分接合を達成することができる。これらによって、例えばマイクロマシンに用いられる構造・機械部品等として、微細かつ薄膜状のセラミックス−金属接合体を提供することが可能となる。
【0027】
上述した実施形態の薄膜複合材料1は、例えば以下に示す製造方法を適用することにより再現性よく作製することができる。
【0028】
まず、図6(a)に示すように、第1の固体材料からなる薄膜状基体2の表面部に、微細凹部3を所望の形状に形成する。この微細凹部3は、例えばイオン研磨、機械研磨等の表面粗し加工により形成したり、あるいはレーザビーム照射、電子ビーム照射、イオンビーム照射等で表面部の第1の固体材料を昇華除去することにより行う。このようなビーム照射に伴う第1の固体材料の昇華を利用することによって、微細でかつ複雑なパターン形状を有する微細凹部3を再現性よく形成することができる。微細凹部3の形状については前述した通りである。なお微細凹部3の形状は有底穴状に限らず、貫通孔であってもよいことは前述した通りである。
【0029】
次いで、図6(b)に示すように、少なくとも表面部に所望形状の微細凹部3を有する薄膜状基体2上に、第1の固体材料より低融点の第2の固体材料5を配置する。この状態で第2の固体材料5の融点以上の温度に加熱して、図6(c)に示すように、第2の固体材料5を微細凹部3内に埋め込みつつ、薄膜状基体2の表面を被覆する。この加熱溶融による埋め込み・被覆工程によれば、組成および厚さが均一で細部まで回り込むというような利点がある。
【0030】
上記した第2の固体材料5の埋め込み・被覆工程は、スパッタ法、蒸着法等の薄膜形成技術により実施してもよい。特に、第1の固体材料に対する第2の固体材料5の塗れ性が低い場合には、薄膜形成技術を適用する。
【0031】
この後、第2の固体材料5で被覆した薄膜状基体2の表面部に、図6(d)に示すように、イオンビーム6を斜め方向から照射する。イオンビーム6としては、例えば加速電圧 2〜 5kV、ビーム電流 0.5〜 1mA程度のArイオンビームを用いて、このようなArイオンビームを薄膜状基体2の表面に対する角度θを 2〜15°程度に設定して照射する。
【0032】
上記したイオンビーム6の低角度斜め照射によれば、微細凹部3内を除く薄膜状基体2の表面部に存在する第2の固体材料5のみを除去することができる。また、厚さ20μm 以下というような薄膜状基体2に対して加工歪を生じさせたり、また剥離や割れ等を生じさせることもない。さらに、予め薄膜状基体2の表面を第2の固体材料5で覆っているため、種々の形状の微細凹部3に対して良好に第2の固体材料5を埋め込むことができる。なお、イオンビーム6の照射角度θが 2°未満であると、イオンビーム6による研磨効果を十分に得ることができず、一方15°を超えると微細凹部3内の第2の固体材料5に対しても影響が生じる。
このような各工程を経ることによって、図6(e)に示すように、少なくとも薄膜状基体2の表面部に設けた微細凹部3内にのみに、第2の固体材料5からなる機能材料層4を形成した薄膜複合材料1を、良好にかつ再現性よく得ることができる。
【0033】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について述べる。
【0034】
実施例1
まず、薄膜状基体として薄膜状窒化ケイ素(Si3 N4 )板を用意した。この薄膜状窒化ケイ素板は、削り出し加工により厚さを約20μm とした。この薄膜状窒化ケイ素板の表面部にイオン研磨を施して、平均深さ約 0.1μm 程度の微細凹部を表面全体に形成した。
【0035】
次に、この微細凹部を有する薄膜状窒化ケイ素板上に、第2の固体材料としてAg−Cu−Ti合金ろう材を配置し、この状態でAg−Cu−Ti合金ろう材の融点以上の温度に加熱した。この加熱処理によりAg−Cu−Ti合金ろう材を予備溶融させ、Ag−Cu−Ti合金ろう材を微細凹部内に埋め込みつつ、薄膜状窒化ケイ素板の表面を被覆した。
【0036】
この後、Ag−Cu−Ti合金ろう材を存在させた薄膜状窒化ケイ素板の表面部に対して、加速電圧 5kV、ビーム電流 1mA程度のArイオンビームを照射角度 5°で照射し、微細凹部内を除く薄膜状窒化ケイ素板の表面部に存在するAg−Cu−Ti合金ろう材のみを除去した。
【0037】
このようにして得た接合中間材としての薄膜複合材料、すなわち薄膜状窒化ケイ素板の微細凹部内のみにAg−Cu−Ti合金ろう材を埋め込み形成した薄膜複合材料は、当初の微細凹部の形状に応じてろう材量が制御されていることが確認された。また、薄膜状窒化ケイ素板に加工歪等は生じていなかった。さらに、この実施例による薄膜複合材料上にCuからなる厚さ 5μm 、幅50μm の帯状回路形状の金属部材を配置し、 1100K× 1分の条件で熱処理したところ、薄膜状窒化ケイ素板とCu回路とを良好に接合することができた。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の薄膜複合材料によれば、薄膜状基体に対して金属ろう材層を、その量や形成位置、さらには微細パターン形状等を制御した上で良好に形成することができる。また、本発明の薄膜複合材料の製造方法によれば、薄膜状基体に対して加工歪や剥離、割れ等を生じさせることなく、そのような薄膜複合材料を再現性よく作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の薄膜複合材料の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【図2】 図1に示す薄膜複合材料の変形例を模式的に示す断面図である。
【図3】 図1に示す薄膜複合材料の微細凹部部分を拡大して示す断面図である。
【図4】 本発明に適用可能な微細凹部の他の形状例を示す断面図である。
【図5】 本発明に適用可能な微細凹部のさらに他の形状例を示す断面図である。
【図6】 本発明の一実施形態による薄膜複合材料の製造工程を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
1……薄膜複合材料
2……薄膜状基体
3……微細凹部
4……機能材料層
5……第2の固体材料
6……イオンビーム
Claims (4)
- 少なくとも表面部に所望形状の微細凹部が設けられ、厚さ 20 μ m 以下のセラミックス材料からなる薄膜状基体と、
前記薄膜状基体の微細凹部内に埋め込まれた金属ろう材層と
を具備することを特徴とする薄膜複合材料。 - 厚さ 20 μ m 以下のセラミックス材料からなる薄膜状基体の少なくとも表面部に、所望形状の微細凹部を形成する工程と、
前記微細凹部が形成された前記薄膜状基体の表面部に、金属ろう材を前記微細凹部内に埋め込みつつ被覆する工程と、
前記金属ろう材が存在する前記薄膜状基体の表面部にイオンビームを斜め方向から照射して、前記微細凹部内以外の前記薄膜状基体の表面部に存在する前記金属ろう材を除去して、金属ろう材層を前記微細凹部内に形成する工程と
を有することを特徴とする薄膜複合材料の製造方法。 - 請求項2記載の薄膜複合材料の製造方法において、
前記薄膜状基体に対する微細凹部の形成工程を、前記薄膜状基体に対する表面粗し加工により実施することを特徴とする薄膜複合材料の製造方法。 - 請求項2記載の薄膜複合材料の製造方法において、
前記薄膜状基体に対する微細凹部の形成工程を、レーザビーム照射、電子線照射またはイオンビーム照射による前記セラミックス材料の昇華を利用して実施することを特徴とする薄膜複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16161296A JP3874842B2 (ja) | 1996-06-21 | 1996-06-21 | 薄膜複合材料およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16161296A JP3874842B2 (ja) | 1996-06-21 | 1996-06-21 | 薄膜複合材料およびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1012815A JPH1012815A (ja) | 1998-01-16 |
JP3874842B2 true JP3874842B2 (ja) | 2007-01-31 |
Family
ID=15738482
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP16161296A Expired - Fee Related JP3874842B2 (ja) | 1996-06-21 | 1996-06-21 | 薄膜複合材料およびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3874842B2 (ja) |
-
1996
- 1996-06-21 JP JP16161296A patent/JP3874842B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH1012815A (ja) | 1998-01-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1576653B1 (en) | Semiconductor substrate having copper-diamond composite material and method of making same | |
JP4115521B2 (ja) | 被覆の方法、セラミック−金属構造物の製造方法、接着方法、及びそれらにより形成された構造物 | |
JP3126977B2 (ja) | 補強された直接結合銅構造体 | |
GB2151173A (en) | Soldering foil joining of ceramic bodies to metal | |
EP0153618A2 (en) | Method for preparing highly heat-conductive substrate and copper wiring sheet usable in the same | |
WO1999034970A1 (en) | Ceramic composites with improved interfacial properties and methods to make such composites | |
US4624404A (en) | Method for bonding ceramics and metals | |
JPH0222026B2 (ja) | ||
KR100374379B1 (ko) | 기판 | |
JPH0797279A (ja) | 金属/セラミック複合材料の内部はんだ付け | |
JP3874842B2 (ja) | 薄膜複合材料およびその製造方法 | |
JPH0870036A (ja) | 静電チャック | |
JPS6081071A (ja) | セラミツクス接合用金属シ−ト材 | |
KR100365980B1 (ko) | 납땜용 구조체 및 메탈라이즈 구조체 | |
JP2023509856A (ja) | 金属層をセラミック層に接合するためのはんだ材料、そのようなはんだ材料の製造方法、およびそのようなはんだ材料の使用 | |
Hwang et al. | The effects of metal coating on the diffusion bonding in Al 2 O 3/Inconel 600 and the modulus of rupture strength of alumina | |
JPH03137069A (ja) | 高熱伝導性絶縁基板及びその製造方法 | |
JP2000154081A (ja) | セラミックス部品およびその製造方法 | |
JP4275988B2 (ja) | 焼結体の含浸方法 | |
JPH02208033A (ja) | 回路基板用セラミックス板 | |
JP2004327737A (ja) | 複合基板及びその製造方法 | |
JP3176096B2 (ja) | セラミック表面への金属膜形成方法 | |
JP3292767B2 (ja) | 炭化珪素セラミックスとシリコンとの接合方法 | |
JPS62207788A (ja) | 非酸化物系セラミツクスのメタライズ方法 | |
CN114557144A (zh) | 制造金属-陶瓷衬底的方法,焊接体系和利用该方法制造的金属-陶瓷衬底 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060725 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060925 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20061024 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20061025 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101102 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111102 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121102 Year of fee payment: 6 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |