CN110475915A - 管状蓝宝石构件、热交换器、半导体制造装置及管状蓝宝石构件的制造方法 - Google Patents

管状蓝宝石构件、热交换器、半导体制造装置及管状蓝宝石构件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的管状蓝宝石构件是由蓝宝石构成的管状体，具备：外壁，其沿轴向延伸；多个贯通孔，它们沿所述轴向延伸；以及一个以上的隔壁，其划分多个所述贯通孔并沿所述轴向延伸，所述轴向与蓝宝石的c轴平行，至少一个的所述隔壁在沿所述轴向观察的正面观察下，从中心轴朝向所述外壁延伸而与所述外壁连接，所述隔壁的延伸方向与蓝宝石的a轴及m轴中的任一轴平行。

Description

管状蓝宝石构件、热交换器、半导体制造装置及管状蓝宝石构 件的制造方法
技术领域
本发明涉及管状蓝宝石构件、热交换器、半导体制造装置及管状蓝宝石构件的制造方法。
背景技术
由蓝宝石构成的管状构件具有优异的耐药品性，因此用于使药液流通的用途。另外，蓝宝石具有较高的热传导率，因此也适用于进行热交换的用途。由单晶构成的管状构件的制造方法记载于专利文献1、2中。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭58－26097号公报
专利文献2：日本特表2004－525852号公报
发明内容
本发明的管状蓝宝石构件是由蓝宝石构成的管状体，具备：外壁，其沿轴向延伸；多个贯通孔，它们沿所述轴向延伸；以及一个以上的隔壁，其划分多个所述贯通孔并沿所述轴向延伸，所述轴向与蓝宝石的c轴平行，至少一个的所述隔壁在沿所述轴向观察的正面观察下，从中心轴朝向所述外壁延伸而与所述外壁连接，所述隔壁的延伸方向与蓝宝石的a轴及m轴中的任一轴平行。
附图说明
图1是沿第一实施方式的管状蓝宝石构件的轴向观察到的正面观察图。
图2是第二实施方式的正面观察图。
图3是第三实施方式的正面观察图。
图4是第四实施方式的正面观察图。
图5是第五实施方式的正面观察图。
图6是第六实施方式的正面观察图。
图7是第七实施方式的正面观察图。
图8是用于制造管状蓝宝石构件的模具的俯视观察图。
图9是图8的A－A’部处的纵剖视图。
图10是表示蓝宝石的晶体结构的图。
具体实施方式
参照附图对本发明的管状蓝宝石构件进行说明。
图1是沿第一实施方式的管状蓝宝石构件1的轴向观察到的正面观察图。
如图1所示，管状蓝宝石构件1具备外壁1a和将多个贯通孔2a隔开的隔壁1b。管状蓝宝石构件1在图1中进深方向为轴向。外壁1a和隔壁1b沿轴向延伸。管状蓝宝石构件1具备多个贯通孔2a，该多个贯通孔2a在沿轴向观察的正面观察下均具有相同形状，且呈环状配置。
需要说明的是，蓝宝石是氧化铝的单晶，本发明的管状蓝宝石构件1特别适用于要求耐热性、耐腐蚀性的用途。另外，由于管状蓝宝石构件1具有透光性，因此能够观察流过贯通孔2a的流体，并且不仅通过热传导而且通过热辐射也能够向流体传递热。需要说明的是，在本发明中，管状是指具备沿轴向延伸的第一贯通孔2a的形状。管状蓝宝石构件1也可以是轴长比外径短的形状(管状板)。
在本发明的管状蓝宝石构件1中，外壁1a及隔壁1b的轴向与蓝宝石的c轴平行。在沿轴向观察的正面观察下，隔壁1b从中心轴朝向外壁1a延伸并与外壁1a连接，隔壁1b的延伸方向与蓝宝石的a轴及m轴中的任一轴平行。中心轴是指在沿轴向观察的正面观察下，通过管状蓝宝石构件1的外周面的截面的重心位置的、与轴向平行的假想轴。例如在截面为圆形状的情况下，通过该圆的中心位置并与轴向平行的假想轴为中心轴。
贯通孔2a沿着轴向为同一形状是指贯通孔2a以大致相同的形状沿轴向延伸，其大小也可以局部变化。
本发明的管状蓝宝石构件1具备沿着外壁1a延伸并连接的隔壁1b，因此，与仅存在一个贯通孔的管状构件相比，作为结构体具有高的强度。另外，在隔壁1b中，蓝宝石的晶体方位与隔壁1b的关系满足上述结构，因此管状蓝宝石构件1不易破坏，可靠性优异。即，通过使管状蓝宝石构件1的轴向与蓝宝石的c轴平行，使隔壁1b的延伸方向D与蓝宝石的a轴及m轴中的任一轴平行，由此成为不易破坏的管状蓝宝石构件1。
以下，对通过设为这样的结构而使作为管状蓝宝石构件1的结构体的强度变高的理由进行说明。图10是表示蓝宝石的晶体结构的图。如图10的(a)～(d)分别所示，蓝宝石具有c面、m面、a面、r面等晶体面作为代表性的晶体面。
蓝宝石的机械强度因晶体面与晶体轴的方向不同而不同。对于将主面的面方位及主面的长边的轴方位进行了各种选择的蓝宝石试样，将进行了基于JISR1601的三点弯曲强度试验的结果示于表1。各试样具有宽度4mm、长度40mm、厚度3mm的尺寸，表面利用金刚石砂轮进行精磨削，表面粗糙度(Ra)为0.5μm左右，另外，支承试样的支点间的距离为30mm。
[表1]
如表1所示，试验片的三点弯曲强度在410MPa～960MPa的范围内不同。在将主面的长边的轴方位设为c轴，将主面的面方位设为与晶体的a轴垂直的a面的情况下，试验片的强度最大，示出960MPa的强度。另外，在将主面的长边的轴方位设为c轴，将主面的面方位设为与晶体的m轴垂直的m面的情况下，示出700MPa的强度。
即，在使与隔壁1b的轴向正交的隔壁1b的延伸方向D与蓝宝石的a轴及m轴中的任一轴平行的情况下，隔壁1b的强度较强。因此，管状蓝宝石构件1作为结构构件的可靠性提高。
需要说明的是，在与隔壁1b的轴向正交的隔壁1b的延伸方向D与a轴平行的情况下，隔壁1b具有特别高的强度。例如，如果是图1所示的管状蓝宝石构件1，则能够适用于沿着图1所示的上下方向对环状构件1施加压缩力的用途。另外，在与隔壁1b的轴向正交的隔壁1b的延伸方向D与m轴平行的情况下，在外壁1a存在与强度高的a轴平行的区域。在该情况下，外壁1a的整体强度也变高，能够适用于对管状蓝宝石构件1等压地施加力的用途。
在图1中，示出了设置有一个隔壁1b的例子，但也可以如表示第二实施方式的图2那样，有以朝向相同方向的方式配置的多个隔壁1b。在图2的例中，通过在由外壁1a包围的空间配置两个隔壁1b，从而设置有三个贯通孔2a。在图1、图2所示的方式中，特别是对于沿着图1及图2中的上下方向的力，难以发生变形或破坏。
另外，例如，如表示第三实施方式的图3那样，即使在通过配置向远离中心轴的方向延伸的隔壁1b而具有三个贯通孔2a的情况下，也能够使与隔壁1b的轴向正交的隔壁1b的延伸方向D与蓝宝石的a轴及m轴中的任一轴平行。
在图3的例子中，各个隔壁1b所成的角度为120°的三个隔壁1b在管状蓝宝石构件1的中心轴的附近连接。在该例子中，管状蓝宝石构件1的由隔壁1b隔开的三个贯通孔2a沿着外壁1a的外周配置成环状。这样，在隔壁1b彼此所成的角度为120°的情况下，对于所有的隔壁1b，能够使隔壁1b的延伸方向D与蓝宝石的a轴、m轴平行。
另外，如表示第四实施方式的图4那样，在隔壁1b彼此所成的角度为60°的情况下也同样，对于所有的隔壁1b，能够使隔壁1b的延伸方向D与蓝宝石的a轴、m轴平行。
另外，如表示第五实施方式的图5那样，贯通孔2a中的一个配置于与中心轴重叠的位置，在沿轴向观察的正面观察下，也可以具有将配置于与中心轴重叠的位置的贯通孔2a包围的围绕外壁2c。也就是说，也可以在与轴向重叠的位置还具备由围绕外壁2c包围的贯通孔。以下，将由围绕外壁2c包围的贯通孔记载为第二贯通孔2b，将其他贯通孔记载为第一贯通孔2a进行说明。在图5所示的例中，该第二贯通孔2b配置于与管状蓝宝石构件1的中心轴重叠的位置，成为多个第一贯通孔2a包围其周围的结构。
根据图5所示的结构，即，通过以在管状蓝宝石构件1的中心具备第二贯通孔2b的方式配置围绕外壁2c，从而中心轴的附近区域的机械强度变得较高。
另外，能够在一个第二贯通孔2b与多个第一贯通孔2a之间进行热交换，在将管状蓝宝石构件1用于热交换器的用途的情况下等，能够由一个蓝宝石构件构成多种热交换路径，也能够使热交换的效率较高。
另外，如表示第六实施方式的图6那样，也可以为第二贯通孔2b位于管状蓝宝石构件1的中心，椭圆形状的第一贯通孔2a包围其周围的结构。若设为这样的结构，则与在第一贯通孔2a存在角部的情况相比，能够消除应力集中的部分。
第一贯通孔2a的形状可以为圆形，也可以如图1～6所示，使第一贯通孔2a的形状为非圆形。这样，若使第一贯通孔2a的形状为非圆形，则与圆形的情况相比，第一贯通孔2a的面积相对于第一贯通孔2a的体积变大，因此能够提高热交换效率。作为非圆形的例子，可以举出椭圆、四边形、或者在第一贯通孔2a的内壁形成有多个槽的形状。这些贯通孔2a的横截面的形状在存在角部的情况下，也可以使其角部变圆。
另外，如表示第七实施方式的图7那样，在所有的隔壁1b在中心轴的附近连接的实施方式中，也可以使隔壁1b的连接部分的柱状体在沿轴向观察的正面观察下的面积较大。在该情况下，在包含中心轴的区域中，具有较高的机械强度。
另外，如图1、3、4所示，第一贯通孔2a在沿贯通方向观察的正面观察下，也可以为圆形状的等分形状。另外，如图5、7所示，在沿贯通方向观察的正面观察下，第一贯通孔2a也可以为环状的等分形状。这样，若将第一贯通孔2a的形状设为圆形状的等分形状或环状的等分形状，则沿着轴向的正面观察下的、沿着外壁1a的外周线的机械强度分布变小。在该情况下，即使在对管状蓝宝石构件1整体上施加压力的情况下，变形、破损等也较少。
另外，在沿轴向观察的正面观察下，以中心轴为对称中心，以点对称的方式配置第一贯通孔2a即可。若设为这样的结构，则与随机设置第一贯通孔2a的情况相比，沿着轴向的正面观察下的、沿着外壁1a的外周线的机械强度分布小。
以上说明的管状蓝宝石构件1作为用于使气体、液体流通的流路构件使用。例如，也可以将管状蓝宝石构件1作为使用于制造半导体元件的反应气体等流通的半导体制造装置的部件使用。另外，不仅使气体、液体通过，还可以用作在通过的气体、流体之间进行热交换的热交换器。
以下，使用图8、9对管状蓝宝石构件1的制造方法进行说明。
在管状蓝宝石构件1的制造方法中，使用用于确定管状蓝宝石构件1的形状的模具3。图8是模具3的俯视观察下的概要图。在该模具的上表面的一部分配置熔融的蓝宝石溶液，在使作为晶种的蓝宝石晶体(以下记载为晶种。)与该蓝宝石溶液接触之后，将晶种向图8中的近前方向提拉，由此能够使成为管状蓝宝石构件1的蓝宝石晶体生长。
而且，在使晶种与蓝宝石溶液接触时，通过使晶种的晶体方位对位，提拉晶种，由此能够制造轴向与蓝宝石的c轴平行，与隔壁1b的轴向正交的隔壁1b的延伸方向D与蓝宝石的a轴及m轴中的任一轴平行的本发明的管状蓝宝石构件1。
以下，对本发明的管状蓝宝石构件1的制造方法进行详细说明。
本发明的管状蓝宝石构件1的制造方法包括以下工序：准备在与以上说明的管状蓝宝石构件1的外壁1a及隔壁1b对应的部分具有开口部7和晶体生长(crystal growth)面8的模具3；提拉方向为晶种的c轴，以与提拉方向正交的隔壁1b的延伸方向D与晶种的a轴及m轴中的任一轴平行的方式进行模具3的对位；使晶种与存在于模具3的开口部7的蓝宝石溶液接触；以及提拉晶种使其生长。
用于制造管状蓝宝石构件1的EFG装置具备：坩埚，其收容将蓝宝石原料加热而得到的蓝宝石溶液；模具3，其确定制造的管状蓝宝石构件1的截面形状；加热部件，其对坩埚、蓝宝石溶液和模具3进行加热；以及晶体提拉机构。
而且，通过使安装于提拉机构的下端的晶种与蓝宝石溶液接触而提拉，从而能够使蓝宝石晶体生长。加热部件例如为设置于坩埚的周围的感应加热线圈。
作为坩埚的材料，适合使用Mo、Ir、W等高熔点材料。在本实施方式中，使用了Mo制的坩埚。若坩埚的内周面和外周面的截面形状为圆形，则容易通过加热部件均匀地加热，故优选。
EFG装置还可以在制造中具备管状蓝宝石构件1、蓝宝石溶液、模具3、作为观察晶种的单元的拍摄部、图像处理部、显示部。
图8是用于制造具有图3所示的三个隔壁1b的管状蓝宝石构件1的模具3的俯视观察下的概要图。另外，图9是图8中的A－A’部分处的模具3的纵剖视图。
模具3由位于外侧的环状模具3a和配置于环状模具3a的内侧的三个内侧模具3b构成。在俯视观察下，在管状模具3a与三个内侧模具3b之间存在作为空间的狭缝6。另外，在相邻的内侧模具3b彼此之间也存在作为空间的狭缝6。而且，这些狭缝6全部连接。狭缝6与模具3的上表面连通，另外，狭缝6的下端浸渍在存在于狭缝6的下端的溶液中，具有利用毛细管力向狭缝6的开口部7供给溶液的功能，在制造时在开口部7存在蓝宝石溶液。
而且，以包围开口部7的方式配置模具3的上表面的一部分8。另外，对于模具3的上表面，在与管状蓝宝石构件1的贯通孔2a对应的位置形成有凹部9。
若对模具3的上表面的形状进行汇总，在模具3的上表面形成有凹部9，配置有狭缝6，以包围狭缝6的方式配置有上表面的一部分8。以后，将包围狭缝6的上表面的一部分8称为晶体生长面8。
另外，将模具3的上表面中的除了凹部9的部分、即将狭缝6的开口部7和晶体生长面8合并的区域称为晶体生长区域10。该晶体生长区域10与图3所示的管状蓝宝石构件1的截面形状大致一致。在图9所示的模具3的上表面中，晶体生长面8具有朝向狭缝6变低的倾斜，但晶体生长面8也可以为水平的面。
在制造工序中，蓝宝石溶液通过狭缝6而到达开口部7，扩展到晶体生长面8而存在。也就是说，在晶体生长区域10的上侧存在蓝宝石溶液。通过使晶种与该蓝宝石溶液接触之后，提拉晶种，从而能够制造截面形状与晶体生长区域10大致一致的管状蓝宝石构件1。
为了制造本发明的管状蓝宝石构件1，准备在与以上说明的管状蓝宝石构件1的外壁1a及隔壁1b对应的部分具有晶体生长区域10的模具3。
另外，为了制造本发明的管状蓝宝石构件1，准备晶种。晶种由蓝宝石构成，提拉方向为c轴。晶种的截面形状可以为与晶体生长区域10大致相同的形状。该晶种也可以对蓝宝石块进行加工而准备。
接着，在与管状蓝宝石构件1的提拉方向正交的方向上，在所准备的模具3中，进行晶种的晶体方位与模具3的对位，以使成为隔壁1b的部分的晶体生长区域10与成为外壁1a的部分的晶体生长区域连接的方向d成为晶种的a轴及m轴中的任一轴。
然后，将由氧化铝粉末构成的蓝宝石原料加热到例如2080℃，形成蓝宝石溶液，将该蓝宝石溶液通过狭缝6及开口部7供给到晶体生长区域10。并且，在使晶种与该蓝宝石溶液接触之后，提拉晶种，使蓝宝石晶体生长，从而能够得到本发明的管状蓝宝石构件1。需要说明的是，靠近晶种的部分、晶体生长结束的部分有时含有晶体的絮乱、气泡，因此可以通过加工去除。
另外，也可以适当地进行研磨、退火、蚀刻等后处理。需要说明的是，在上述的例中，晶种设为与晶体生长区域10大致相同的形状，但例如也可以组合使用多个晶种。
另外，在图8的例中，示出了在与管状蓝宝石构件1的外壁1b和隔壁1b对应的部分连续地形成开口部7的例子，但即使在一部分不存在于开口部7的情况下，只要成为蓝宝石溶液被提拉到晶体生长面8的形状，则可以在一部分不存在开口部7。
另外，在本发明中，记载为与蓝宝石的轴平行并不仅指完全平行的轴，例如容许10°左右的角度偏移。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式，也可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种改良及变更。例如，管状蓝宝石构件1的外周形状为圆形，但也可以为多边形状，与隔壁1b同样地，在外壁1b中，也可以使与轴向正交的方向与蓝宝石的a轴及m轴中任一轴平行。
附图标记说明：
1：管状蓝宝石构件
1a：外壁
1b：隔壁
2a：贯通孔(第一贯通孔)
2b：围绕贯通孔(第二贯通孔)
3：模具
3a：环状模具
3b：内部模具
6：狭缝
7：开口部
8：晶体生长面
9：凹部
10：晶体生长区域
D：延伸方向。

Claims (8)

1.一种管状蓝宝石构件，其中，
所述管状蓝宝石构件是由蓝宝石构成的管状体，
所述管状蓝宝石构件具备：
外壁，其沿轴向延伸；
多个贯通孔，它们沿所述轴向延伸；以及
一个以上的隔壁，其划分多个所述贯通孔并沿所述轴向延伸，
所述轴向与蓝宝石的c轴平行，
至少一个的所述隔壁在沿所述轴向观察的正面观察下，从中心轴朝向所述外壁延伸而与所述外壁连接，所述隔壁的延伸方向与蓝宝石的a轴及m轴中的任一轴平行。
2.根据权利要求1所述的管状蓝宝石构件，其中，
一个所述贯通孔配置于与所述中心轴重叠的位置，
在沿所述轴向观察的正面观察下，所述管状蓝宝石构件具备围绕外壁，该围绕外壁包围配置于与所述中心轴重叠的位置的所述贯通孔。
3.根据权利要求1或2所述的管状蓝宝石构件，其中，
在沿所述轴向观察的正面观察下，所述贯通孔为非圆形。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的管状蓝宝石构件，其中，
在沿所述轴向观察的正面观察下，多个所述贯通孔沿着所述外壁的外周呈环状配置。
5.根据权利要求4所述的管状蓝宝石构件，其中，
在沿所述轴向观察的正面观察下，所述管状蓝宝石构件具备均具有相同形状且呈环状配置的多个所述贯通孔。
6.一种热交换器，其中，
所述热交换器具备权利要求1至5中任一项所述的管状蓝宝石构件来作为流路构件。
7.一种半导体制造装置，其中，
所述半导体制造装置具备权利要求6所述的热交换器。
8.一种管状蓝宝石构件的制造方法，所述管状蓝宝石构件是由蓝宝石构成的管状体，
所述管状蓝宝石构件具备：
外壁，其沿轴向延伸；
多个贯通孔，它们沿所述轴向延伸；以及
一个以上的隔壁，其划分多个所述贯通孔并沿所述轴向延伸，
所述轴向与蓝宝石的c轴平行，
至少一个的所述隔壁在沿所述轴向观察的正面观察下，从中心轴朝向所述外壁延伸而与所述外壁连接，所述延伸方向与蓝宝石的a轴及m轴中的任一轴平行，
其中，
所述管状蓝宝石构件的制造方法包括以下工序：
准备模具，该模具在与所述管状蓝宝石构件的所述外壁及所述隔壁对应的部分具有晶体生长区域；
准备由蓝宝石构成的晶种；
进行所述晶种的晶体方位与所述模具的对位，以使提拉方向与所述晶种的c轴平行，并使所述隔壁的所述延伸方向成为所述晶种的a轴及m轴中的任一轴；
在进行所述对位的工序中使所述晶种的晶体方位与所述模具已对位的状态下，使所述晶种与存在于所述模具的所述晶体生长区域的蓝宝石溶液接触；以及
提拉所述晶种而使晶体生长。
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