JP2005022935A - 石英ガラスの接合方法及び石英ガラスの構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、石英ガラスの加工において困難を伴う工程であった接合を、精度よく効率的に行う方法を提供することを目的とする。さらに、前記方法に使用する接着剤、前記方法で得られる耐熱性・気密性に優れた石英部材を含む構造物を提供することを目的とする。
【解決手段】少なくとも一方の接合面が石英ガラスである部材を接合する場合において、接合面に、シリコーンレジン及びフェニル基を有するオルガノシロキサンの縮合物を含有する熱硬化性接着剤を介在させる構成とした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、接着材を使用して石英ガラスを接合する方法、及び接着された石英ガラスの構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石英ガラスは、高純度、耐熱性、耐蝕性、光透過性に優れた特性を有していることから、ＬＣＤ基板、ウェハー、ハンガー、各種治具類等の半導体分野、セル、レンズ、プリズム、レーザー用素子等の光学材料分野、蒸留装置、分析機器、計器部品等の理化学機器分野において注目されている。しかし、１２００℃以上の高温で軟化する熱特性を有するため、加工が困難であるという難点があった。特に、複数の部材を組み合わせてなる構造物を製造する場合、部材の接合方法が大きな課題となる。
【０００３】
従来、石英ガラス部材の接合は、酸素・水素ガスの燃焼炎を利用して石英ガラスを軟化させ形状出しや溶接を行う火加工によって行うのが一般的であった（特開平１１−６０２５７）。しかし、この方法は、加工に長い時間と高度な熟練を要するという製造上の問題の他、局部的な高温加熱・伸張による材料の不均一性から、製品にクラックや亀裂を生じやすいという問題があった。
また、火加工以外の接合方法としては、グラファイトモールド等でモールドされた石英ガラス部材同士を固定し保護ガス存在下で石英ガラスの軟化温度（１７１０〜１７９０℃）まで昇温し次いで徐冷させる方法（特開２００１−４８５５９、接合面を水で濡らした状態で圧力をかけながら石英ガラスの転移点以上軟化点以下の温度で加熱する方法（特開２００３−５４９７１）、レーザー光を利用する方法（特開平５−１６３０７６）等が提案されている。しかしこれらの方法は、接合時に１０００℃を超える高温とする必要があったり、または特殊な装置を要したりするなど、必ずしも製造上の困難を解決するものではなかった。その他、特開平１０−３６１４５には、フッ化水素酸含有溶液またはアルカリ溶液などの石英ガラスを溶解させるための溶液を接合面に施し、荷重によって石英ガラス部材を接合させて光学測定装置を製造する方法が開示されているが、高温あるいは真空条件での使用を目的とする用途には、耐熱性・気密性の点で満足できるものではなかった。
【０００４】
一方、部材接合技術として接着剤を使用することも知られている。耐熱性を要求される部材の接着剤としては、例えばエポキシ系接着剤（特開平９−１００４５７）、鉛ガラスを含有したフリット、アルミナやシリカを主成分とした無機系耐熱性接着剤があげられる。しかし、エポキシ系接着剤は２５０℃以上の高温で炭化現象が生じるため、高温雰囲気に曝されると接着強度の低下、気密性の低下、絶縁破壊等、製品の機能が低下する問題があった。無機系接着剤による接合も、高温・真空下での気密状態を維持することが困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来、石英ガラスの加工において困難を伴う工程であった接合を、精度よく効率的に行う方法と、それに使用する接着剤を提供することを目的とする。また、耐熱性・気密性に優れた石英ガラス部材を含む構造物、例えば半導体分野における各種治具類、特に減圧や高温条件で使用される各種処理工程（洗浄工程等）に使用されるのに好適な処理槽を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、検討の結果、特定のシリコーン系熱硬化性接着剤を使用して石英ガラス部材を接合することによって、従来の火加工のような高温条件を要さず、しかも耐熱性、気密性に優れた石英ガラス部材を含む構造物が得られることを見出し、本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、本発明は、少なくとも一方の接合面が石英ガラスである部材を接合する場合において、前記接合面にシリコーンレジンとフェニル基を有するオルガノシロキサンとの縮合物を含有する熱硬化性接着剤を介在させることを特徴とするものである。
また、本発明は、フェニル基を有するオルガノシロキサンが、フェニルヘプタメチルシクロテトラシロキサン及び／又は２，６−シス−ジフェニルヘキサメチルシクロテトラシロキサンであることを特徴としている。
さらに、本発明は、石英ガラス製部材を１以上含む複数の部材からなり、少なくとも石英ガラス製部材と隣接部材の接合面が、シリコーンレジンとフェニル基を有するオルガノシロキサンとの縮合物を含有する熱硬化性接着剤によって接合されていることを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明で接合される部材は、少なくとも一方の接合面が石英ガラスである部材である。例えば、石英ガラスと石英ガラスの他、石英ガラスと他素材の接合面を有する部材（例えば石英以外のガラス、セラミックス、金属、樹脂など）の接合があげられる。
本発明の部材の接合方法は、清浄な各部材の接合面に、（Ａ）シリコーンレジンと（Ｂ）フェニル基を有するオルガノシロキサンとの縮合物を含有する熱硬化性接着剤を施し、好ましくは脱泡させた後、接合面を合わせて硬化温度まで昇温させ接着させる。
【０００９】
ここで使用される前記シリコーン系接着剤について詳述すると、（Ａ）シリコーンレジンとしては、例えばメチルシリコーンレジン、メチルフェニルシリコーンレジン、各種変性シリコーンレジン（アルキル変性、エポキシ変性、ポリエステル変性、アルキッド変性等）があげられる。
【００１０】
また、（Ｂ）フェニル基を有するオルガノシロキサンとしては、フェニルヘプタメチルシクロテトラシロキサン、２，６−シス−ジフェニルヘキサメチルシクロテトラシロキサンなどがあげられ、これらの１種または２種以上を選択する。好ましいオルガノシロキサンは、フェニルヘプタメチルシクロテトラシロキサン、２，６−シス−ジフェニルヘキサメチルシクロテトラシロキサンである。
【００１１】
本発明に使用する熱硬化性接着剤は、前記（Ａ）及び（Ｂ）の各成分を、トルエン、キシレン等の有機溶媒を使用して縮合反応させ、その後、温度１００〜１５０℃、圧力１００Ｐａ〜１Ｐａで溶媒除去・脱泡処理を行って製造され、この方法により粘度１００〜１００００ｍＰａ・ｓのペースト状の接着剤を得ることができる。
【００１２】
前記接着剤は、ペースト状で、あるいは各種溶剤で希釈し、またはシート状接着剤とすることができる。希釈する場合の溶剤としては、通常接着剤に使用される公知の溶剤を使用することができ、例えばトルエン、キシレン等があげられる。
【００１３】
シート状接着剤は、前期ペースト状接着剤を、テフロンシート上に平滑に塗布する際に、温度１００〜１５０℃にて均一に塗布した後室温に戻して得ることができる。好ましいシート状接着剤の厚さは１０〜３００μｍである。この接着剤は、軟化温度が約５０〜１５０℃、硬化温度が約２５０〜３００℃であり、部材接合の作業性が良好で、しかも耐熱性・気密性に優れた接着剤である。
【００１４】
次に、前記熱硬化性接着剤を使用した、本発明の石英ガラス部材の好ましい接合方法を、具体的に説明する。
１）接合面の洗浄
予め、接合する部材の接合面を、アセトンやメタノール洗浄、硫酸と過酸化水素による洗浄、アンモニアと過酸化水素による洗浄、純粋洗浄等を、適宜組み合わせて洗浄することが好ましい。洗浄後に十分乾燥させ、接合部を清浄にする。
２）接着剤の塗布
清浄な接合面に、均一に接着剤を施す。ペースト・液を塗布する場合は、接着剤を軟化温度に加温して軟化させ、ディスペンサー塗布、ディッピング、スプレー、スクリーン印刷等の、公知の塗布方法を用いて、接合面に均一に塗布する。塗布量は、熱硬化後の接着剤層が、好ましくは５０〜２００μｍの厚さとなるように調整する。シート状接着剤を使用する場合は、接合面の形状に裁断された接着剤を、接合面に合わせて設置後、加温し、軟化させる。
【００１５】
３）脱泡
好ましくは、各部材に塗布された接着剤の脱泡処理を行う。脱泡は、気圧１００Ｐａ前後で行う。また、下限は特に設定されず、１〜１０Ｐａ程度の高真空下でもよい。温度は接着剤の軟化温度範囲（５０〜１５０℃）に設定すればよいが、作業性・安全性の点から１２０℃前後で行うことが好ましい。さらに、処理時間は、１０〜６０分で行うことが好ましい。本発明で使用する前記のシリコーン系接着剤は、接着処理後の脱ガスが少なく優れたものである。
４）組み立て及び仮接着
接着剤付部材を、所定の構造に組み立て、硬化前の接着剤の粘着力により仮接着する。この際、耐熱性の重りやクリップ等で接合部に荷重をかけるてやることが好ましい。
【００１６】
５）熱硬化
仮接着された構造物に、好ましくは荷重をかけたまま、接合部を接着剤の硬化温度以上で加熱して接着剤を熱硬化させる。好ましい硬化温度は、１８０〜３５０℃であり、より好ましくは２５０〜３００℃である。硬化温度保持時間は、構造物の大きさ等にもよるが、１０分〜１時間が好ましく、１０〜３０分程度とするのがより好ましい。
６）冷却
急激な温度低下とならないよう、冷却は１００℃／ｈｒ以下で徐冷することが好ましい。加熱機内で、そのまま室温まで自然放冷してもよい。
前記１）〜６）の操作によって、本発明の石英ガラス製構造物を得ることができる。
【００１７】
本発明の石英部材接合方法で作成される構造物としては、石英ガラス製の各種製品、例えば半導体分野加工品（ＣＶＤ、拡散用各種炉芯管、各種ボート・治具類、洗浄槽、化学処理槽、ベルジャー、チャンバー、フォトマスク基板、マスクブランクス等）、光学用精密加工品（セル、プリズム、レンズ、合成ガラス板等）、理化学分野の各種器具（実験用器具、高純度蒸留水製造装置、溶剤蒸留器、ガラス管）等、接合を要する構造物であれば特に制限されない。特に、高温（特に３００℃以上）や減圧条件で密封を要する使用を目的とする加工品、特に半導体分野の各種処理槽やチャンバーにおいて、本発明の効果は顕著に発揮される。また、石英ガラス部材からなる加工品だけでなく、一部に他の素材、例えば石英以外のガラス、セラミックス、金属、樹脂との接合を要する加工品の場合も、本発明の接合方法を使用して作成可能であり、優れた耐熱・気密特性を有するものを得ることができる。
【００１８】
【実施例】
（実施例１）
接着剤１の製造
フェニルヘプタメチルシクロテトラシロキサン１ｇとシリコーンレジン５９ｇをトルエン４０ｇに溶解し、１００℃に加熱しながらトルエンを蒸発させ約２時間、より好ましくは５時間以上かけて縮合反応させる。次いで、この反応生成物を図４に示す真空チャンバー６のホットプルート７に移し、真空度１００Ｐａ、温度１２０℃で２〜５時間加熱しながら真空排気を行う。その後、この反応生成物を真空チャンバー６のホットプレート７上で、減圧下で加熱しながらトルエンを除去及び脱泡する。次いでホットプレート７を冷却しながら雰囲気を大気まで戻し、粘度数百ｍＰａ・ｓのペースト状接着剤を得た。この反応性生物を粘度２００ｍＰａ・ｓに調整し、本発明の接着剤を得た。
【００１９】
漏洩試験用チャンバー（図１参照）の作成
まず、図２に示すように、被着材として厚さ２．８ｍｍ、３０ｍｍ角の直径３ｍｍの穴１ａの開いた石英ガラス板１と厚さ２．８ｍｍ、３０ｍｍ角の石英ガラス板２を厚さ２．８ｍｍで外寸２５ｍｍ、幅３ｍｍの石英ガラス枠３を用いて接着試験用の試料を作成した。各部材の接合面は、予めメチルアルコール、エチルメチルアルコール、ケトン等で洗浄を行い、十分乾燥させた。
【００２０】
次に、図３に示すように、石英ガラス枠３をホットプレート７に載せ、接着剤４を石英ガラス枠３の上面に周辺を１２０℃に加熱したディスペンサー５を用いて該接着剤４を軟化させて塗布する。そして、図４に示すように、この接着剤４を塗布した石英ガラス枠３を真空加熱炉６に入れ、真空ポンプ９にて１２０℃１００Ｐａの条件で１０〜６０分間脱泡した。次に、穴１ａの開いた石英ガラス１と石英ガラス枠３とを重ね合わせ仮接着させる。これを図示しないベーク炉に入れ、１ｋｇの重りをのせ、３００℃まで加熱し、接着剤を硬化させ接着させる。冷却後、図３に示す同様の工程で石英ガラス枠３の上面に周辺を１２０℃に加熱したディスペンサー５を用いて接着剤４を軟化させて塗布し、石英ガラス板２を接着し、漏洩試験用試料として真空排気可能なチャンバー８を作成した。
【００２１】
漏洩試験用チャンバーの気密性、耐熱性評価
図５に示すように、漏洩試験用試料であるチャンバー８を室温にてヘリウムディテクタ（ＡＬＣＡＴＥＬ社製）１０に接続し、ヘリウムガスをチャンバー８の周辺に吹きかけてリークチェックした結果、検出限界（１０^−１０Ｐａｍ^３／Ｓ）以下の真空気密性が確認できた。
さらに、この漏洩試験用試料を３００℃に加熱した後、再び室温にてリークチェックした結果、３００℃加熱前と同様に検出限界以下の真空気密性が確認でき、高温においても優れていることが確認された。
【００２２】
（実施例２）
シート状接着剤２の製造
フェニルヘプタメチルシクロテトラシロキサン０．１ｇ、２，６−シス−ジフェニルヘキサメチルシクロテトラシロキサン０．１ｇ、シリコーンレジン５９．８ｇをトルエン４０ｇに溶解し、１２０℃に加熱しながらトルエンを蒸発させ、約３時間縮合反応させる。次いで、図４に示すように、反応生成物を真空チャンバー６中のホットプレート７上に移し、減圧下で加熱しながら脱泡処理を行う。その後、反応生成物を真空チャンバー中のホットプレート上で、減圧下で加熱しながらトルエン除去を行う。次いで、ホットプレート７を冷却しながら雰囲気を室温まで下げ、粘度約数百ｍＰａ・ｓのペースト状接着剤を得た。このペースト状接着剤をテフロンシート上にトルエンで軟化させて平滑に塗布し、その状態で１００℃にて５ｈｒ冷却した後、室温に戻して厚さ５００μｍのシート状接着剤を得た。
【００２３】
漏洩試験用チャンバーの作成
実施例１で使用したペースト状接着剤を塗布する代わりに、接合面の大きさ・形状に裁断したシート状接着剤を使用し、図１に示す漏洩試験用チャンバー８を製造した。清浄化した接合面にシート状接着剤を設置してから軟化温度に昇温し軟化させる。その後、脱泡、硬化、冷却を、実施例１の方法に準じて行い、漏洩試験用チャンバー８を完成した。
【００２４】
漏洩試験用チャンバーの気密性、耐熱性評価
実施例１と同様に、漏洩試験用試料であるチャンバーを室温、３５０℃で真空気密性を評価した結果、両温度で、良好な真空気密性が確認できた。
【００２５】
（比較例１）
接着剤としてガラスフリットを使用し、実施例１と同じ漏洩試験用チャンバーを作成した。接合方法は、ガラスフリット接着剤の通常の接着方法に従った。実施例１と同様に、漏洩試験用試料であるチャンバーを室温、３５０℃で真空気密性を評価した結果、室温での機密性は良好であったが、３４０℃まで昇温した時点で大きなリークが発生し、高温での気密性は満足されるものではなかった。
【００２６】
（比較例２）
接着剤としてポリスルホン系接着剤（テクノアルファ（株）製「ステイスティック３０１」）を使用し、実施例１と同じ漏洩試験用チャンバーを作成した。接合方法は実施例１に準じたが、温度条件等は、使用した接着剤の条件に従った。実施例１と同様に、漏洩試験用試料であるチャンバーを室温、３５０℃で真空気密性を評価した結果、室温での機密性は良好であったが、３００℃まで昇温した時点で大きなリークが発生し、高温での気密性は満足されるものではなかった。
【００２７】
（実施例３）
石英ガラス製洗浄槽の作成
部材として、底面用の石英ガラス板１枚、側面用の石英ガラス板４枚を、上部が開放された直方体に組みたて、各部材が接着された洗浄槽を、以下の手順で作成した。
１）１２０℃に加温し軟化させた接着剤（実施例１で使用した接着剤）を、ディスペンサーを用いて、各部剤の接合部に均一に塗布する。
２）部材を真空炉に入れ、１００Ｐａ，１２０℃の条件で、１０〜６０分脱泡処理を行う。
３）部材の接合部を合わせて組み立て、仮接着させる。
４）３）をベーク炉に入れて１００℃／ｈｒにて３００℃まで昇温し、３０分間加熱する。
５）室温まで放冷する。
【００２８】
上述のように構成された石英ガラス製洗浄槽は、耐熱性・機密性に優れ、高温においても接着材に含有されている有機性のガスが発生しない。そのため、図６に示すように、従来使用されていた高価な火加工によるウェハー洗浄槽の代わりに、ウェハー１１を洗浄する安価なウェハー洗浄槽１２として使用することができるものである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、石英ガラスの接合を高温・減圧下でも優れた密封性を有する、耐熱性・気密性に優れた石英ガラス製加工品を効率・精度よく製造することができ、安価なウェハー洗浄槽として使用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】漏洩試験用チャンバーの斜視図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】ディスペンサーによる接着剤の塗布状態を示す平面図である。
【図４】真空チャンバーにおける脱泡、接着状態を示す断面図である。
【図５】実施例１、２で得た漏洩試験用チャンバーのリークディテクター試験状態を示す断面図である。
【図６】実施例３で得た石英ガラス製洗浄槽をウェハー洗浄槽として使用した状態を示す斜視図ある。
【符号の説明】
１ 穴の開いた石英ガラス板
１ａ穴
２ 石英ガラス板
３ 石英ガラス枠
４ 接着剤
５ ディスペンサー
６ 真空チャンバー
７ ホットプレート
８ 漏洩試験用チャンバー
９ 真空ポンプ
１０ヘリウムディテクタ
１１ウェハー
１２ウェハー洗浄槽

Claims (3)

1. 少なくとも一方の接合面が石英ガラスである部材を接合する場合において、前記接合面にシリコーンレジンとフェニル基を有するオルガノシロキサンとの縮合物を含有する熱硬化性接着剤を介在させることを特徴とする石英ガラスの接合方法。
2. 請求項１に記載の石英ガラスの接合方法において、フェニル基を有するオルガノシロキサンが、フェニルヘプタメチルシクロテトラシロキサン及び／又は２，６−シス−ジフェニルヘキサメチルシクロテトラシロキサンであることを特徴とする石英ガラスの接合方法。
3. 石英ガラス製部材を１以上含む複数の部材からなり、少なくとも石英ガラス製部材と隣接部材の接合面が、シリコーンレジンとフェニル基を有するオルガノシロキサンとの縮合物を含有する熱硬化性接着剤によって接合されていることを特徴とする石英ガラスの構造物。

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