固相拡散接合における窒化珪素/金属界面構造の接合面方位による制御

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窒化珪素の各構成原子間の結合は共有結合性が強く,結晶構造も複雑であるために,拡散や反応の速度に強い結晶方位依存性が期待される.本研究では,この異方性を利用して窒化珪素と高融点金属(チタンやニオブなど)との固相拡散接合界面組織を制御できるかを検討することを目的としている.窒化珪素の互いに直交する3種類の面,(0001),(101^^-0),(1^^-21^^-0),に対してチタンあるいはニオブを固相拡散接合し,その接合界面組織を電子プローブ微小分析,X線回折,高分解能透過電子顕微鏡観察によって分析した.接合は10^<-3>Paの真空雰囲気中で,昇温速度:1.2K/s,接合温度:1473K,1573K,1673Kの3種類,圧力:64MPa,保持時間:3.6ks,14.4ksの2種類,冷却速度:0.3K/sの条件で行った.窒化珪素(0001)面に対してチタンを接合した場合,いずれの温度においても界面で反応が起こり,2種類の化合物相,Ti_5Si_3とTiN,が層状に窒化珪素/Ti_5Si_3/TiN/チタンの配列で形成される.1473K,3.6ksの条件で作成した接合体では,TiN層は厚さ20μm,層内の個々の結晶粒径は平均18μmに成長し,Ti_5Si_3層は厚さ3.2μm,平均粒径は0.25μmに成長している.Ti_5Si_3とTiNならびにTiNとチタンの界面からは,特定の方位関係は見出されなかったが,窒化珪素とTi_5Si_3の界面では窒化珪素(0001)面に対してTi_5Si_3(31^^-2^^-1^^-)面が平行となるように配列している結晶粒が多く観察されている.しかし,面内での配向は見られなかった.一方,窒化珪素(101^^-0),(1^^-21^^-0)面に対してチタンを固相接合した場合,Ti_5Si_3とTiNが同様な形態で形成されるが,1473K,3.6ksの条件で作成した接合体において,Ti_5Si_3層は厚さ3.2μm,平均粒径は0.20μmであり,窒化珪素(0001)の場合よりも平均粒径が少し小さい.また,窒化珪素とTi_5Si_3の界面にも明確な面方位関係が見られない.