JP2008174443A

JP2008174443A - セラミックス接合体およびその製造方法

Info

Publication number: JP2008174443A
Application number: JP2007326272A
Authority: JP
Inventors: Masaru Yokoyama; 優横山; Sachiyuki Nagasaka; 幸行永坂; Tomohiro Nagata; 智浩永田
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】高純度な接合部によりセラミックス焼結体が接合されてなる、接合強度が高く耐食性に優れたセラミックス接合体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス接合体１０は、同じ材料からなる２個のセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂと、これらを接合する接合部１４とを有する。セラミックス焼結体１２ａ，１２ｂと同じ材料の、不純物含有量が合計で１００ｐｐｍ以下であり粒径が３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるセラミックス粒子のみを固形分として含むスラリーを、セラミックス焼結体１２ａ，１２ｂの接合面に塗布してこれらの接合面を接着し、その後、所定温度に加熱し、セラミックス焼結体１２ａ，１２ｂの接合面に挟まれたセラミックス粒子を焼結させることで、接合部１４を形成するとともにセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂを接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は同じ材料からなるセラミックス焼結体を接合してなるセラミックス接合体およびその製造方法に関する。

所謂エンジニアリングセラミックスは、耐熱性や耐食性、耐摩耗性に優れていることから、産業用構造部材として広く利用されている。しかし、エンジニアリングセラミックスは難加工性であることから、複雑な形状のものの製造には加工コストが高くなるという問題がある。

そこで、１個のセラミックス部品を構成する複数のセラミックス焼結体を作製し、これらをセラミックス系スラリーを用いて接合することにより、そのセラミックス部品を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、従来のセラミックス系スラリーを用いた接合方法では、スラリーに含まれる固形成分たるセラミックス粒子の純度が高くない。そのため、例えば、半導体製造装置に用いられるセラミックス部品のように、ウエハ汚染を防止するために高純度材料で構成しなければならないセラミックス部品の製造方法として用いることができない。
特開２００３−１２８４７３号公報（段落［０００９］等）

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、高純度な接合部によりセラミックス焼結体が接合されてなる、接合強度が高く耐食性に優れたセラミックス接合体およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点によれば、同じ材料からなる２個のセラミックス焼結体と、これら２個のセラミックス焼結体を接合する接合部とを有するセラミックス接合体であって、前記接合部は、前記セラミックス焼結体と同じ材料であり、平均粒径が１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であるセラミックス粒子で構成されたセラミックス焼結体であることを特徴とするセラミックス接合体が提供される。

本発明の第２の観点によれば、同じ材料からなる２個のセラミックス焼結体と、前記２個のセラミックス焼結体を接合する接合部とを有するセラミックス接合体であって、前記接合部は、前記セラミックス焼結体と同じ材料であり、不純物含有量が合計で１００ｐｐｍ以下であり、平均粒径が３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のセラミックス粒子を１３００℃以上１６００℃以下で焼結させることにより形成されたものであることを特徴とするセラミックス接合体が提供される。

このようなセラミックス接合体に用いる材料としてはアルミナが好適である。

本発明の第３の観点によれば、このようなセラミックス接合体の製造方法が提供される。すなわち、同じ材料からなる２個のセラミックス焼結体を接合するセラミックス接合体の製造方法であって、前記セラミックス焼結体と同じ材料の、不純物含有量が合計で１００ｐｐｍ以下であり、平均粒径が３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるセラミックス粒子のみを固形分として含むスラリーまたはペーストを、前記２個のセラミックス焼結体の接合面に塗布してこれらの接合面を接着し、その後、１３００℃以上１６００℃以下で加熱し、前記２個のセラミックス焼結体の接合面に挟まれたセラミックス粒子を焼結させることで前記２個のセラミックス焼結体を接合することを特徴とするセラミックス接合体の製造方法が提供される。

また、前記スラリーまたはペーストを構成する溶媒分は、純水であることが好適である。

本発明に係るセラミックス接合体は、その接合部が高純度セラミックスで形成されているために高い耐食性を示し、しかも高い接合強度を示す。そのため、例えば、本発明に係るセラミックス接合体を半導体製造装置等において腐食性流体雰囲気やプラズマ雰囲気等にさらされる部品として用いた場合、接合部の腐食が抑制され、長寿命となる。これにより、パーティクル発生が抑えられてウエハが汚染され難くなり、また、装置のメンテナンス回数が減ることで装置のランニングコストが下がり、生産性も高められるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１にセラミックス接合体の概略断面図を示す。このセラミックス接合体１０は、同じ材料からなる２個のセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂと、これら２個のセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂを接合する接合部１４とを有している。勿論、セラミックス接合体は、２個のセラミックス焼結体のみからなるものに限定されるものではなく、３個以上のセラミックス焼結体が接合部を介して接合された構造であってもよい。

同じ材料からなるセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂとは、例えば、材料がアルミナである場合、セラミックス焼結体１２ａ，１２ｂはともにアルミナ焼結体であることをいう。

後述するように、接合部１４の形成は焼結により行われるため、加熱時におけるセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂの熱的挙動が同じとなるように、セラミックス焼結体１２ａ，１２ｂは組成が同じであり、同じ製造方法により製造された同じ材料であることが好ましい。また、接合部１４の形成時にセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂから接合部１４へ不純物が拡散しないように、セラミックス焼結体１２ａ，１２ｂは高純度であることが好ましい。セラミックス接合体１０を、例えば半導体製造装置用部材として用いる場合には、セラミックス焼結体１２ａ，１２ｂは、高い耐食性を維持する観点から、純度が９９．９％以上のものであることが好ましい。

また、セラミックス焼結体１２ａ、１２ｂとの接合の際、加熱時におけるセラミックス焼結体１２ａ、１２ｂと熱的挙動が同じとなるように接合部１４においても、セラミックス焼結体１２ａ、１２ｂと同じ材料であることが好ましい。

接合部１４がセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂと同じ材料であるとは、セラミックス焼結体１２ａ，１２ｂがアルミナ焼結体である場合には、接合部１４もまたアルミナからなることをいう。
接合部１４は、平均粒径が１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下のセラミックス粒子から構成された焼結体である。なお、接合部１４を構成するセラミックス粒子の平均粒径は、セラミックス接合体１０をその接合面で破断させ、破断面をＳＥＭ観察して得られる画像を分析することにより求められる。

一般的に、接合部１４の厚さが薄すぎるとセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂどうしが接合せず、厚すぎると接合強度が低下するが、高い接合強度が得られる接合部１４の厚さは、セラミックス焼結体１２ａ，１２ｂの接合面の表面粗さに依存して変化する。そのため、接合部１４の厚さは、高い接合強度が得られるようにセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂの接合面の表面粗さを考慮して、適宜、決定される。

セラミックス接合体１０を構成する材料としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化ケイ素（ＳｉＯ_２），酸化セリウム（ＣｅＯ_２），酸化ホルミウム（Ｈｏ_２Ｏ_３），酸化チタン（ＴｉＯ_２），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）が挙げられ、特にアルミナは、高純度な超微粒子を容易に入手することができる点で有利であり、また、後述する実施例に示すように、優れた接合特性が得られる。

次に、セラミックス接合体１０の製造方法について説明する。

接合対象となるセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂと同じ材料からなり、不純物含有量が合計で１００ｐｐｍ以下であり、焼結助剤等を用いず、平均粒径が３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるセラミックス粒子のみを固形分として含むスラリーまたはペースト（以下「スラリー等」という）を作製する。ここでは、固形分とは、後の焼結処理後に残留する成分をいう。

このスラリー等をセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂの接合面の両方または一方に塗布して、一定の加重を掛けて接着する。必要に応じて、スラリー等に含まれる溶媒を蒸発させるために、貼り合わされたセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂを１００℃程度で乾燥させる。次に、貼り合わされたセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂを電気炉等に載置して所定温度に加熱し、所定時間保持する。これにより、スラリー等の塗布により形成されていた塗布膜が焼結して接合部１４が形成されると同時にセラミックス焼結体１２ａ，１２ｂどうしが接合され、セラミックス接合体１０が得られる。

この接合処理の温度は、アルミナの場合には、１３００℃〜１６００℃とすることが好ましい。１３００℃未満の場合には、スラリー等の塗布部たる接合部での粒成長が進行せず、高い接合強度が得られない。一方、１６００℃超の場合には、接合部での粒成長が進み過ぎることで高い接合強度が得られなくなったり、着色する等の問題が発生する。

また、スラリー等に用いられる固形分以外の溶媒分は純水を用いることが好ましい。その他の溶媒、例えば、アルコール類等を用いる場合には、セラミックス粒子をより多く溶解させることが難しい。このため、セラミックス接合体１０の結合強度が低下するため、好ましくない。

こうして、接合部１４は高純度な材料で構成されるために優れた耐食性を示し、また接合部１４の形成のためにセラミックスの超微粒子を用いているために、高い結合強度を得ることができる。

（実施例１）
不純物として含まれるナトリウム（Ｎａ）が７ｐｐｍ、マグネシウム（Ｍｇ）が８ｐｐｍ、シリコン（Ｓｉ）が７ｐｐｍ、リン（Ｐ）が６ｐｐｍ、その他の元素が５ｐｐｍ以下であり、平均粒径が３０ｎｍ（最小粒径が１０ｎｍ、最大粒径が５０ｎｍ）、比表面積が５２ｍ^２／ｇのアルミナ超微粒子を、溶媒として純水を用いて、ポットミルで粉砕分散し、スラリーを作製した。

一方、ＪＩＳ−Ｒ１６２４（ファインセラミックス接合の曲げ強さ試験方法）に則り、６ｍｍ×６ｍｍ×１８ｍｍで、表面粗さがＲａ＝０．２μｍに加工されたアルミナ焼結体を所定数準備した。アルミナ焼結体の純度は９９．９％以上で、１５００℃に昇温しても焼結が進まない条件にて作製されている。

アルミナ焼結体の６ｍｍ×６ｍｍの面全体にスラリーを塗布して、２個のアルミナ焼結体をその塗布面で貼り合わせ、２ｋｇｆの荷重を掛けて接着した。こうして作製したアルミナ焼結体の接着体を１５００℃で１時間焼成し、実施例１に係るセラミックス接合体を得た。

（比較例）
実施例１と同様にしてセラミックス焼結体の接着体を作製し、これを９００℃焼成で１時間焼成して、比較例１に係るセラミックス接合体を作製した。同様に、セラミックス焼結体の接着体を作製し、１２００℃焼成で１時間焼成して、比較例２に係るセラミックス接合体を作製した。さらに、実施例１に係るセラミックス接合体の作製に用いたものと同じアルミナ焼結体を、アルミナ接着剤（CERAMABOND503（Aremco Products INC.製））を用いて、３００℃の焼成により接合し、比較例３に係るセラミックス接合体を作製した。また、溶媒としてエタノールを用いて、それ以外は実施例１と同様な条件で行い、比較例４に関るセラミックス接合体を作製した。

作製したセラミックス接合体における接合部の厚さは５０μｍであった。これらのセラミックス接合体における接合強度を四点曲げ強度により評価した。図２に四点曲げ強度の測定結果を示す。比較例１，２と実施例１の曲げ強度から、焼成温度が高くなるほど曲げ強度が大きくなっていることがわかる。したがって、比較例１，２の曲げ強度が小さい理由としては、焼成温度が低かったためにアルミナ超微粒子の焼結が不十分であったことが考えられる。比較例３の曲げ強度は、全ての接合体の中で最も大きくなっているが、比較例３のアルミナ接着剤には、エネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＸ）による分析結果から、リン（Ｐ）が５．８重量％含まれていることが確認され、そのため、耐食性の点で問題があると判断される。また、比較例４においては焼成温度が高くても曲げ強度が大きく低下することが確認された。

実施例１の曲げ強度は比較例３に近い高い値を示し、しかも不純物が少ないために耐食性に優れていることは明らかであるので、特性バランスの良好なセラミックス接合体と判断することができる。

実施例１の接合体の破断面をＳＥＭ観察した結果、平均粒径は１００ｎｍで、最大粒径は約２００ｎｍであった。また、ＥＤＸによる組成分析では、接合部へのアルミナ焼結体からの不純物元素の拡散は観察されなかった。

（実施例２）
不純物として含まれるナトリウム（Ｎａ）が７ｐｐｍ、マグネシウム（Ｍｇ）が８ｐｐｍ、シリコン（Ｓｉ）が７ｐｐｍ、リン（Ｐ）が６ｐｐｍ、その他の元素が５ｐｐｍ以下であり、平均粒径が２００ｎｍ（最小粒径が１５０ｎｍ、最大粒径が２５０ｎｍ）のアルミナ超微粒子を、溶媒として純水を用いて、ポットミルで粉砕分散し、スラリーを作製した。

アルミナ焼結体の６ｍｍ×６ｍｍの面全体にスラリーを塗布して、２個のアルミナ焼結体をその塗布面で貼り合わせ、２ｋｇｆの荷重を掛けて接着した。こうして作製したアルミナ焼結体の接着体を１５００℃で１時間焼成し、実施例２に係るセラミックス接合体を得た。

作製したセラミックス接合体における接合部の厚さは５０μｍであった。これらのセラミックス接合体における接合強度を四点曲げ強度により評価した。図２に四点曲げ強度の測定結果を示す。

その結果、実施例１とほぼ同様な曲げ強度を得ることができた。

従って、実施例２の曲げ強度においても比較例３に近い高い値を示し、しかも不純物が少ないために耐食性に優れていることは明らかであるので、特性バランスの良好なセラミックス接合体と判断することができる。

実施例２の接合体の破断面をＳＥＭ観察した結果、平均粒径は３００ｎｍで、最大粒径は約４００ｎｍであった。また、ＥＤＸによる組成分析では、接合部へのアルミナ焼結体からの不純物元素の拡散は観察されなかった。

（実施例３）
不純物として含まれるナトリウム（Ｎａ）が７ｐｐｍ、マグネシウム（Ｍｇ）が８ｐｐｍ、シリコン（Ｓｉ）が７ｐｐｍ、リン（Ｐ）が６ｐｐｍ、その他の元素が５ｐｐｍ以下であり、平均粒径が３００ｎｍ（最小粒径が２５０ｎｍ、最大粒径が３５０ｎｍ）のアルミナ超微粒子を、溶媒として純水を用いて、ポットミルで粉砕分散し、スラリーを作製した。

アルミナ焼結体の６ｍｍ×６ｍｍの面全体にスラリーを塗布して、２個のアルミナ焼結体をその塗布面で貼り合わせ、２ｋｇｆの荷重を掛けて接着した。こうして作製したアルミナ焼結体の接着体を１５００℃で１時間焼成し、実施例３に係るセラミックス接合体を得た。

従って、実施例３の曲げ強度においても比較例３に近い高い値を示し、しかも不純物が少ないために耐食性に優れていることは明らかであるので、特性バランスの良好なセラミックス接合体と判断することができる。

実施例３の接合体の破断面をＳＥＭ観察した結果、平均粒径は４００ｎｍで、最大粒径は約６００ｎｍであった。また、ＥＤＸによる組成分析では、接合部へのアルミナ焼結体からの不純物元素の拡散は観察されなかった。

本発明に係るセラミックス接合体は、その利用分野が限定されるものでなく、構造部材として広く用いることができるが、特に、高純度材料から構成され、高い耐食性が要求される半導体製造装置用部品やＦＰＤ（Flat Panel Display）製造装置用部品として、好適である。

セラミックス接合体の概略構造を示す断面図。実施例および比較例の接合強度を示すグラフ。

符号の説明

１０…セラミックス接合体、１２ａ，１２ｂ…セラミックス焼結体、１４…接合部。

Claims

同じ材料からなる２個のセラミックス焼結体と、これら２個のセラミックス焼結体を接合する接合部とを有するセラミックス接合体であって、
前記接合部は、前記セラミックス焼結体と同じ材料であり、平均粒径が１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であるセラミックス粒子で構成されたセラミックス焼結体であることを特徴とするセラミックス接合体。
同じ材料からなる２個のセラミックス焼結体と、これら２個のセラミックス焼結体を接合する接合部とを有するセラミックス接合体であって、
前記接合部は、前記セラミックス焼結体と同じ材料であり、不純物含有量が合計で１００ｐｐｍ以下であり、平均粒径が３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のセラミックス粒子を１３００℃以上１６００℃以下で焼結させることにより形成されたものであることを特徴とするセラミックス接合体。
前記セラミックス焼結体および前記セラミックス粒子を構成する材料がアルミナであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミックス接合体。
同じ材料からなる２個のセラミックス焼結体を接合するセラミックス接合体の製造方法であって、
前記セラミックス焼結体と同じ材料の，不純物含有量が合計で１００ｐｐｍ以下であり、平均粒径が３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるセラミックス粒子のみを固形分として含むスラリーまたはペーストを、前記２個のセラミックス焼結体の接合面に塗布してこれらの接合面を接着し、その後、１３００℃以上１６００℃以下で加熱し、前記２個のセラミックス焼結体の接合面に挟まれたセラミックス粒子を焼結させることで前記２個のセラミックス焼結体を接合することを特徴とするセラミックス接合体の製造方法。
前記セラミックス焼結体および前記セラミックス粒子を構成する材料はアルミナであることを特徴とする請求項４に記載のセラミックス接合体の製造方法。
スラリーまたはペーストを構成する溶媒分は、純水であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のセラミックス接合体の製造方法。