JP2009007230A - Joining method and joined body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、SiCで構成される多孔体と、接合材とを接合させる接合方法またはその接合方法により製造される接合体に関する。 The present invention relates to a bonding method for bonding a porous body made of SiC and a bonding material, or a bonded body manufactured by the bonding method.
SiCは、耐熱性、耐食性に優れているため、従来から半導体製造装置部材や自動車部品として多く用いられている。このSiCの焼結は、焼結温度が高く、雰囲気も不活性ガス下で行なうことから、大きさに制限があると共に、複雑な形状とすることが困難であった。それを解決するための接合技術が、種々提案されている。接合で特に問題となるのは、接合材との熱膨張差による残留応力である。残留応力が大きい場合、接合後に残留ひずみが発生し、接合部の強度が低下する。それを解決するために、従来、SiCと熱膨張係数が近い金属シリコンが接合材として用いられている。金属シリコンは、SiC表面上に残留するC成分と反応してSiCを形成するというメカニズムで接合するため、更に熱膨張差が小さくなるという利点がある。 Since SiC is excellent in heat resistance and corrosion resistance, it has been conventionally used as a semiconductor manufacturing apparatus member and automobile parts. Since the sintering of SiC is performed at a high sintering temperature and under an inert gas atmosphere, the size is limited and it is difficult to form a complicated shape. Various joining techniques for solving this have been proposed. Particularly problematic in bonding is residual stress due to a difference in thermal expansion from the bonding material. When the residual stress is large, residual strain is generated after joining, and the strength of the joint is reduced. In order to solve this problem, conventionally, metallic silicon having a thermal expansion coefficient close to that of SiC has been used as a bonding material. Metallic silicon is bonded by a mechanism that reacts with the C component remaining on the SiC surface to form SiC, and thus has an advantage that the difference in thermal expansion is further reduced.
近時、半導体製造装置部材および自動車部品としてSiCの用途は、更なる広がりをみせてきており、SiCの緻密な焼結体以外にも多孔体の要求が高まっている。そして、緻密な焼結体と同様に、複雑な形状が求められ、多孔体による接合技術が望まれている。 Recently, the use of SiC as a semiconductor manufacturing apparatus member and automobile part has been further expanded, and the demand for a porous body is increasing in addition to a dense sintered body of SiC. As with a dense sintered body, a complicated shape is required, and a joining technique using a porous body is desired.
特許文献1には、含珪素セラミックからなる多孔質体の開放気孔中に、金属シリコンを含浸した複数のセラミック・金属複合体製の2つの基材からなるセラミック部材が開示されている。この基材同士は、金属シリコンからなる接合層を介して接合されている。 Patent Document 1 discloses a ceramic member made of two substrates made of a plurality of ceramic / metal composites in which metal silicon is impregnated in the open pores of a porous body made of silicon-containing ceramic. The base materials are bonded to each other through a bonding layer made of metal silicon.
また、特許文献2には、炭化ケイ素多孔質セラミックスの接合方法が開示されている。この技術は、750℃以上1700℃以下で熱処理することにより、炭化ケイ素からなる多孔質セラミックスの内外表面に酸化膜を形成させ、シリコン系ろう材を用いて、その酸化膜が形成した面に他の炭化ケイ素セラミックス材を接合させる。
上記のようなSiCの多孔体は、その使用範囲は広いため、幅広い形状が要求されている。しかし、SiC多孔体は、セラミックスであるため、製造できる形状に限界がある。このため、必要な形状を作製するためには、SiC多孔体同士の接合やSiCの緻密体との接合が必要不可欠である。 Since the SiC porous body as described above has a wide range of use, a wide shape is required. However, since the SiC porous body is ceramic, there is a limit to the shape that can be produced. For this reason, in order to produce a required shape, it is indispensable to join SiC porous bodies or a dense SiC body.
上記のように、SiCの緻密体や多孔体を接合する場合、通常、熱膨張差を考慮して金属シリコンが接合材として用いられている。金属シリコンは、粉末や薄板など自由に形状を決めることができると共に、容易に手に入る材料であるため、SiC緻密体同士の接合に広く用いられている。また、熱膨張差だけでなく、SiC表面にある残留カーボンと反応するため、濡れ性が良く、接合材として良好にその特性を発揮する。 As described above, when bonding a dense body or porous body of SiC, metal silicon is usually used as a bonding material in consideration of a difference in thermal expansion. Metallic silicon is a material that can be freely determined in shape, such as powder or thin plate, and can be easily obtained, and is therefore widely used for joining SiC dense bodies. Moreover, since it reacts with not only the thermal expansion difference but also residual carbon on the SiC surface, it has good wettability and exhibits its properties well as a bonding material.
しかし、SiCの多孔体については、多孔体内部にも残留カーボンが多く存在するため、接合材である金属シリコンが接合面のみに留まらず、内部にまで過剰に浸透してしまい、接合材として十分な機能を果たすことができない。このような状況では、SiC多孔体を用いて、複雑な形状を有する接合体を実現することが困難である。 However, since there is a lot of residual carbon inside the porous body of SiC, metal silicon as a bonding material does not stay only on the bonding surface, but penetrates excessively to the inside, which is sufficient as a bonding material. Can not fulfill the function. Under such circumstances, it is difficult to realize a joined body having a complicated shape using the SiC porous body.
また、従来から、金属シリコンにアルミニウムやチタン等を加えたシリコン合金からなる「ろう材」を接合剤として用いることが行なわれている。このようなろう材は、金属シリコンよりも低融点であるため、接合温度を下げることができ、また、SiCとの濡れを制御できる点で有利である。しかしながら、特許文献2に記載されている技術のように、金属シリコンに異種金属を加えたろう材を用いると、熱膨張率が変化するため、十分な接合強度が得られないおそれがある。また、金属シリコンは凝固膨張する金属であるため、金属シリコン単体では引け巣のポアは発生しにくいが、アルミニウムのような凝固収縮する金属をろう材に添加することにより、接合層に引け巣によるポアが発生し、強度が低下することもある。さらに、汚染を嫌う半導体製造装置用部材としては、金属シリコン以外の金属を加えたろう材を用いることは好ましくない。 Conventionally, a “brazing material” made of a silicon alloy obtained by adding aluminum, titanium, or the like to metal silicon has been used as a bonding agent. Since such a brazing filler metal has a lower melting point than metal silicon, it is advantageous in that the bonding temperature can be lowered and the wetting with SiC can be controlled. However, as in the technique described in Patent Document 2, when a brazing material obtained by adding a different metal to metal silicon is used, the coefficient of thermal expansion changes, so that sufficient bonding strength may not be obtained. In addition, since metallic silicon is a metal that expands and solidifies, pores in shrinkage cavities are unlikely to occur with metallic silicon alone, but by adding a metal that solidifies and shrinks, such as aluminum, to the soldering material, Pore may occur and the strength may decrease. Furthermore, it is not preferable to use a brazing material to which a metal other than metal silicon is added as a member for a semiconductor manufacturing apparatus that dislikes contamination.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、接合時にSiC多孔体の内部に接合材が過剰に侵入することを防ぐと共に、十分な接合強度が得られる接合方法またはその接合方法により製造される接合体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a bonding method or a bonding method for preventing the bonding material from excessively entering the inside of the SiC porous body at the time of bonding and obtaining sufficient bonding strength. An object of the present invention is to provide a joined body manufactured by the above method.
(1)本発明は、上記の目的を達成するために、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の接合方法は、SiCで構成される多孔体と、接合材とを接合させる接合方法であって、前記多孔体を、大気中において第1の温度で熱処理し、前記多孔体内の残留カーボンを除去する工程と、前記第1の温度で熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体と前記接合材とを接合させる工程と、を少なくとも含むことを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, the present invention has taken the following measures. That is, the bonding method of the present invention is a bonding method in which a porous body composed of SiC and a bonding material are bonded, wherein the porous body is heat-treated at a first temperature in the atmosphere, A step of removing residual carbon, a step of applying carbon to a bonding surface of a porous body heat-treated at the first temperature, a step of bonding the porous body and the bonding material on the bonding surface, It is characterized by including at least.
通常のSiC多孔体の表面には、未反応のカーボンや多孔体を作製する際のバインダーが残留している。このため、例えば、接合材として金属シリコンを用いた場合、金属シリコンとカーボンとが容易に反応し、SiCを形成する。その際の反応エネルギーによって、金属シリコンは、SiC多孔体の内部に過剰に浸透してしまう。本発明者は、この点に着目し、SiC多孔体と接合材(例えば、金属シリコン)との濡れ性を悪化させることにより、SiC多孔体内部への接合材の過剰な侵入を防ぐことを可能とした。すなわち、本発明は、SiC多孔体を、大気中において第1の温度で熱処理し、前記多孔体内の残留カーボンを除去するので、接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。その結果、SiC多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。 On the surface of a normal SiC porous body, unreacted carbon and a binder for producing the porous body remain. For this reason, for example, when metallic silicon is used as the bonding material, metallic silicon and carbon easily react to form SiC. Due to the reaction energy at that time, the metal silicon permeates excessively into the SiC porous body. The inventor pays attention to this point, and can prevent excessive penetration of the bonding material into the SiC porous body by deteriorating the wettability between the SiC porous body and the bonding material (for example, metal silicon). It was. That is, according to the present invention, the SiC porous body is heat-treated at the first temperature in the atmosphere to remove the residual carbon in the porous body, so that it is possible to prevent excessive penetration of the bonding material. As a result, the SiC porous body and the bonding material can be appropriately bonded.
(2)また、本発明の接合方法は、SiCで構成される多孔体と、接合材とを接合させる接合方法であって、前記多孔体を、大気中において第2の温度で熱処理し、前記多孔体の表面を酸化させる工程と、前記第2の温度で熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体と前記接合材とを接合させる工程と、を少なくとも含むことを特徴としている。 (2) Moreover, the bonding method of the present invention is a bonding method in which a porous body made of SiC and a bonding material are bonded, wherein the porous body is heat-treated at a second temperature in the atmosphere, A step of oxidizing the surface of the porous body, a step of applying carbon to a bonding surface of the porous body heat-treated at the second temperature, and a step of bonding the porous body and the bonding material on the bonding surface And at least.
通常のSiC多孔体の表面には、未反応のカーボンや多孔体を作製する際のバインダーが残留している。このため、例えば、接合材として金属シリコンを用いた場合、金属シリコンとカーボンとが容易に反応し、SiCを形成する。その際の反応エネルギーによって、金属シリコンは、SiC多孔体の内部に過剰に浸透してしまう。本発明者は、この点に着目し、SiC多孔体と接合材(例えば、金属シリコン)との濡れ性を悪化させることにより、SiC多孔体内部への接合材の過剰な侵入を防ぐことを可能とした。特に、発明者は、接合材として金属シリコンを用いた場合、金属シリコンとSiO2との濡れ性が悪いことから、SiC多孔体の表面を酸化させることにより、高い効果が得られることを見出した。すなわち、本発明は、SiC多孔体を、大気中において第2の温度で熱処理し、前記多孔体の表面を酸化させるので、SiC多孔体と接合材との濡れ性が悪くなり、接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。その結果、SiC多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。 On the surface of a normal SiC porous body, unreacted carbon and a binder for producing the porous body remain. For this reason, for example, when metallic silicon is used as the bonding material, metallic silicon and carbon easily react to form SiC. Due to the reaction energy at that time, the metal silicon permeates excessively into the SiC porous body. The inventor pays attention to this point, and can prevent excessive penetration of the bonding material into the SiC porous body by deteriorating the wettability between the SiC porous body and the bonding material (for example, metal silicon). It was. In particular, the inventors have found that when metallic silicon is used as the bonding material, the wettability between metallic silicon and SiO 2 is poor, so that a high effect can be obtained by oxidizing the surface of the SiC porous body. . That is, according to the present invention, the SiC porous body is heat-treated at a second temperature in the atmosphere to oxidize the surface of the porous body. Intrusion can be prevented. As a result, the SiC porous body and the bonding material can be appropriately bonded.
本発明においては、多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程が含まれる。カーボンの除去またはSiCの表面の酸化により濡れ性が悪くなった多孔体の接合面にカーボンを塗布することで、接合面の強固な接合が可能となる。カーボンを塗布することにより除去したカーボンを補うだけでなく、接合面近傍のSiO2を炭素還元することにより接合材である金属シリコンと適切に接合させることが可能となる。また、カーボンを塗布する際にSiC多孔体へのカーボンの染み込み深度を適切に調整することにより、接合材の過剰な侵入を防ぐことができ、適度なアンカー効果により強固な接合が可能となる。カーボンの染み込み深度はスプレーの照射時間を制御することにより調整することができる。 In this invention, the process of apply | coating carbon to the joint surface of a porous body is included. By applying carbon to the bonding surface of the porous body whose wettability has deteriorated due to the removal of carbon or the oxidation of the surface of SiC, the bonding surface can be strongly bonded. Not only compensate for the carbon was removed by applying a carbon, the SiO 2 of the joint surface near it is possible to suitably joined with the metal silicon as the bonding material by carbon reduction. In addition, by appropriately adjusting the carbon penetration depth into the SiC porous body when applying carbon, it is possible to prevent excessive penetration of the bonding material, and it is possible to perform strong bonding with an appropriate anchor effect. The carbon penetration depth can be adjusted by controlling the spray irradiation time.
(3)また、本発明の接合方法において、前記第1の温度は、700℃から1000℃の間のいずれかの温度であることを特徴としている。 (3) Further, in the bonding method of the present invention, the first temperature is any temperature between 700 ° C. and 1000 ° C.
SiC多孔体の表面には、未反応のカーボンが残留していたり、多孔体を作製する際に用いるバインダーが残留していたりするが、このように、第1の温度が、700℃から1000℃の間のいずれかの温度であるので、これらの残留カーボンを燃焼させて除去することが可能となる。一方、1000℃を越えると、SiCが酸化してしまって、メカニズムが変わってしまう。このため、本発明では、第1の温度を700℃から1000℃の間のいずれかの温度とした。これにより、接合時に、SiC多孔体内部への接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。その結果、SiC多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。 Although the unreacted carbon remains on the surface of the SiC porous body or the binder used when producing the porous body remains, the first temperature is 700 ° C. to 1000 ° C. in this way. Therefore, it is possible to burn and remove these residual carbon. On the other hand, when it exceeds 1000 ° C., SiC is oxidized and the mechanism is changed. For this reason, in this invention, 1st temperature was made into any temperature between 700 degreeC and 1000 degreeC. Thereby, it becomes possible to prevent excessive penetration of the bonding material into the SiC porous body during bonding. As a result, the SiC porous body and the bonding material can be appropriately bonded.
(4)また、本発明の接合方法において、前記第2の温度は、1000℃から1200℃の間のいずれかの温度であることを特徴としている。 (4) Further, in the bonding method of the present invention, the second temperature is any temperature between 1000 ° C. and 1200 ° C.
SiO2は、金属シリコンとの濡れ性が悪いことが知られていると共に、SiCの酸化は、1000℃から始まることが知られている。本発明では、第2の温度は、1000℃から1200℃の間のいずれかの温度とすることによって、SiC多孔体の表面を酸化させ、接合材との濡れ性が悪くなるようにしている。一方、1200℃を越えるとSiCの酸化が進みすぎてSiC自体が劣化してしまう。その結果、接合ができたとしても強度に欠けることになってしまう。このため、本発明では、第2の温度を1000℃から1200℃の間のいずれかの温度とした。これにより、接合時に、SiC多孔体と接合材との濡れ性が悪くなり、接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。その結果、SiC多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。 It is known that SiO 2 has poor wettability with metal silicon, and SiC oxidation is known to start at 1000 ° C. In the present invention, the second temperature is set to any temperature between 1000 ° C. and 1200 ° C., so that the surface of the SiC porous body is oxidized and the wettability with the bonding material is deteriorated. On the other hand, when the temperature exceeds 1200 ° C., the oxidation of SiC proceeds so much that SiC itself deteriorates. As a result, even if it can join, it will lack intensity | strength. For this reason, in this invention, 2nd temperature was made into any temperature between 1000 degreeC and 1200 degreeC. Thereby, the wettability between the SiC porous body and the bonding material is deteriorated during bonding, and excessive bonding of the bonding material can be prevented. As a result, the SiC porous body and the bonding material can be appropriately bonded.
(5)また、本発明の接合方法において、前記接合材は、金属シリコンであることを特徴としている。 (5) In the bonding method of the present invention, the bonding material is metallic silicon.
このように、接合材が、金属シリコンである場合、SiC多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。特に、従来から知られているように、接合材として、金属シリコンにアルミニウムやチタン等を加えたシリコン合金からなる「ろう材」を用いる技術では、熱膨張率が変化するため、十分な接合強度が得られないおそれがある。また、金属シリコンは凝固膨張する金属であるため、金属シリコン単体では引け巣のポアは発生しにくいが、アルミニウムのような凝固収縮する金属をろう材に添加することにより、接合層に引け巣によるポアが発生し、強度が低下することもある。さらに、汚染を嫌う半導体製造装置用部材としては、金属シリコン以外の金属を加えたろう材を用いることは好ましくない。これに対し、本発明によれば、接合材として金属シリコンのみを使用するため、半導体製造装置用部材として好適であると共に、十分な接合強度を得ることが可能となる。 Thus, when the bonding material is metallic silicon, the SiC porous body and the bonding material can be appropriately bonded. In particular, as is known in the art, the technique using a “brazing material” made of a silicon alloy in which aluminum, titanium, or the like is added to metallic silicon as the bonding material changes the coefficient of thermal expansion. May not be obtained. In addition, since metallic silicon is a metal that expands and solidifies, pores in shrinkage cavities are unlikely to occur with metallic silicon alone, but by adding a metal that solidifies and shrinks, such as aluminum, to the soldering material, Pore may occur and the strength may decrease. Furthermore, it is not preferable to use a brazing material to which a metal other than metal silicon is added as a member for a semiconductor manufacturing apparatus that dislikes contamination. On the other hand, according to the present invention, since only metal silicon is used as the bonding material, it is suitable as a member for a semiconductor manufacturing apparatus, and sufficient bonding strength can be obtained.
(6)また、本発明の接合方法において、前記接合材は、金属シリコン粉末を固めたシートまたは金属シリコン粉末に有機バインダーを混入させて固めたシートであることを特徴としている。 (6) In the bonding method of the present invention, the bonding material is a sheet obtained by solidifying metal silicon powder or a sheet obtained by mixing an organic binder with metal silicon powder.
このように、接合材が、金属シリコン粉末を固めたシートまたは金属シリコン粉末に有機バインダーを混入させて固めたシートであっても、SiC多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。 Thus, even if the bonding material is a sheet obtained by solidifying metal silicon powder or a sheet obtained by mixing an organic binder with metal silicon powder, it is possible to appropriately bond the SiC porous body and the bonding material. Become.
(7)また、本発明の接合材は、SiCで構成される多孔体を、大気中において700℃から1000℃の間のいずれかの温度で熱処理し、前記多孔体内の残留カーボンを除去する工程と、前記熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体と金属シリコンとを接合させる工程と、を少なくとも含む接合方法を用いて製造され、または、SiCで構成される多孔体を、大気中において1000℃から1200℃の間のいずれかの温度で熱処理し、前記多孔体の表面を酸化させる工程と、前記熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体と金属シリコンとを接合させる工程と、を少なくとも含む接合方法を用いて製造された接合体であって、前記接合面において、前記金属シリコンの前記多孔体への侵入量が、前記多孔体の気孔径の5倍以内であることを特徴としている。 (7) Moreover, the bonding material of the present invention is a process in which a porous body made of SiC is heat-treated in the atmosphere at any temperature between 700 ° C. and 1000 ° C. to remove residual carbon in the porous body. And a step of applying carbon to a bonding surface of the heat-treated porous body, and a step of bonding the porous body and metal silicon on the bonding surface, or , A step of heat-treating a porous body composed of SiC at any temperature between 1000 ° C. and 1200 ° C. in the atmosphere to oxidize the surface of the porous body, and a bonding surface of the heat-treated porous body A bonded body manufactured using a bonding method including at least a step of applying carbon to the surface and a step of bonding the porous body and metal silicon on the bonding surface, In the bonding surface, the amount of intrusion into the porous body of the metal silicon is characterized in that the is within 5 times the pore diameter of the porous body.
この構成により、接合材である金属シリコンが、SiC多孔体の内部にまで過剰に透することなく、接合材として十分に機能させることが可能となる。 With this configuration, the metal silicon that is the bonding material can sufficiently function as the bonding material without excessively penetrating the inside of the SiC porous body.
本発明によれば、SiC多孔体と接合材(例えば、金属シリコン)との濡れ性を悪化させることにより、SiC多孔体内部への接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。すなわち、本発明は、SiC多孔体を、大気中において第1の温度で熱処理し、前記多孔体内の残留カーボンを除去するので、接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。その結果、SiC多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。また、本発明は、SiC多孔体を、大気中において第2の温度で熱処理し、前記多孔体の表面を酸化させるので、SiC多孔体と接合材との濡れ性が悪くなり、接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。その結果、SiC多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。また、本発明では、接合材として金属シリコンのみを使用するため、半導体製造装置用部材として好適であると共に、十分な接合強度を得ることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to prevent excessive penetration of the bonding material into the inside of the SiC porous body by deteriorating the wettability between the SiC porous body and the bonding material (for example, metal silicon). That is, according to the present invention, the SiC porous body is heat-treated at the first temperature in the atmosphere to remove the residual carbon in the porous body, so that it is possible to prevent excessive penetration of the bonding material. As a result, the SiC porous body and the bonding material can be appropriately bonded. In the present invention, the SiC porous body is heat-treated at a second temperature in the atmosphere to oxidize the surface of the porous body, so that the wettability between the SiC porous body and the bonding material is deteriorated, and the bonding material is excessive. Intrusion can be prevented. As a result, the SiC porous body and the bonding material can be appropriately bonded. Moreover, in this invention, since only metal silicon is used as a bonding material, it is suitable as a member for a semiconductor manufacturing apparatus, and sufficient bonding strength can be obtained.
本発明は、SiC多孔体内部に、接合材である金属シリコンが過剰に侵入しないように、SiC多孔体と金属シリコンとの濡れ性を悪化させ、金属シリコンの過剰な侵入を防ぐことにより、接合を良好に行なうものである。通常のSiC多孔体の表面には、未反応のカーボンやSiC多孔体を作製する際のバインダーが残留している。金属シリコンは、カーボンと容易に反応し、SiCを形成する。その際の反応エネルギーによって金属シリコンはSiC多孔体の内部に過剰に侵入してしまい、適切な接合が阻害されてしまう。 The present invention deteriorates the wettability between the SiC porous body and the metal silicon so that the metal silicon as a bonding material does not excessively enter the SiC porous body, thereby preventing excessive penetration of the metal silicon. Is performed satisfactorily. Unreacted carbon and a binder for producing the SiC porous body remain on the surface of the normal SiC porous body. Metallic silicon reacts easily with carbon to form SiC. Metal silicon penetrates excessively into the SiC porous body due to the reaction energy at that time, and proper bonding is hindered.
本発明では、SiC多孔体内部にある残留カーボンを大気中で昇温して燃焼することにより金属シリコンの過剰な侵入を防ぐ。また、金属シリコンとSiO2の濡れ性が不良であることから、さらに高温で処理を行ない、SiCの表面をSiO2化することにより、金属シリコンの過剰な侵入を防ぐ。また、残留カーボンの燃焼およびSiCの表面をSiO2化は、大気中の他、例えば酸素濃度が23〜30%の酸素富化空気中で行なうことも可能である。酸素富化空気により多孔体内にある微細なポア部の残留カーボンの燃焼およびSiO2化を促進できることが期待される。 In the present invention, the residual carbon inside the SiC porous body is heated in the atmosphere and burned to prevent excessive penetration of metallic silicon. Further, since the wettability between the metal silicon and SiO 2 is poor, the treatment is further performed at a higher temperature to convert the SiC surface into SiO 2 , thereby preventing excessive penetration of the metal silicon. Further, the combustion of residual carbon and the conversion of the SiC surface to SiO 2 can be performed in the air, for example, in oxygen-enriched air having an oxygen concentration of 23 to 30%. It is expected that the oxygen-enriched air can promote the combustion of residual carbon in the fine pores in the porous body and the conversion to SiO 2 .
ただし、完全に濡れ性を悪化させると、接合材である金属シリコンとSiC多孔体とが濡れず、接合しなくなってしまう。そこで、本発明では、表面から100μm以下(気孔径の5倍以内)の深度までカーボン材を塗布または浸透させることにより、接合面近傍のみ金属シリコンが濡れ、接合ができるようにした。 However, if the wettability is completely deteriorated, the metallic silicon as the bonding material and the SiC porous body are not wetted and cannot be bonded. Therefore, in the present invention, by applying or infiltrating a carbon material to a depth of 100 μm or less (within 5 times the pore diameter) from the surface, the metallic silicon is wetted only in the vicinity of the joint surface and can be joined.
このように、SiC多孔体を大気中で昇温処理することにより多孔体内部にある残留カーボンを除去、もしくはSiC表面を酸化することにより、接合材である金属シリコンがSiC多孔体内部に過剰に侵入することを防ぎ、金属シリコンを接合材として有効に機能させることができる。 As described above, by heating the SiC porous body in the atmosphere, residual carbon inside the porous body is removed, or by oxidizing the SiC surface, the metal silicon as the bonding material is excessively contained inside the SiC porous body. Intrusion can be prevented and metal silicon can function effectively as a bonding material.
[実施例1〜12]
以下、本発明の各実施例について説明する。SiC多孔体として、気孔率40%で気孔径15μmのもの(多孔体(1))と気孔率65%で気孔径20μmのもの(多孔体(2))を使用した。これらの形状は50mm×50mm×t10mmである。またこれらと同形状のSiC緻密体(相対密度98%)と多孔体との接合も行なった。SiC多孔体を熱処理した後、接合面にカーボンスプレーを塗布した。その際、カーボン成分がSiC多孔体に浸透した深さを確認するために切断し、マイクロスコープで観察したところ、40〜80μmであった。
[Examples 1 to 12]
Examples of the present invention will be described below. As the SiC porous body, those having a porosity of 40% and a pore diameter of 15 μm (porous body (1)) and those having a porosity of 65% and a pore diameter of 20 μm (porous body (2)) were used. These shapes are 50 mm × 50 mm × t10 mm. Also, a SiC dense body (relative density of 98%) having the same shape as these and a porous body were joined. After heat-treating the SiC porous body, carbon spray was applied to the joint surface. At that time, when the carbon component was cut to confirm the depth of penetration into the SiC porous body and observed with a microscope, it was 40 to 80 μm.
接合方法は、金属シリコン粉末を有機バインダーで固め、厚さ300μmの金属シリコンシートを接合材とし、Ar中で1450℃−1hr(昇温速度100℃/hr)の条件で行なった。また、接合が良好に行なわれるように荷重をかけた。具体的には、SiCの焼結体を500gのせた。 The bonding method was performed by solidifying metal silicon powder with an organic binder and using a metal silicon sheet having a thickness of 300 μm as a bonding material in Ar at 1450 ° C. to 1 hr (temperature increase rate: 100 ° C./hr). Further, a load was applied so that the bonding was performed satisfactorily. Specifically, 500 g of a sintered body of SiC was placed.
[評価方法]
接合後の評価は、接合層の厚さと接合材としての金属シリコンがSiC多孔体に侵入した距離をマイクロスコープで観察し、その値で評価を行なった。表1は、熱処理温度が800℃と950℃である場合の結果を示す。また、表2は、熱処理温度が1050℃と1200℃である場合の結果を示す。
[Evaluation methods]
In the evaluation after the bonding, the thickness of the bonding layer and the distance at which the metal silicon as the bonding material entered the SiC porous body was observed with a microscope, and the evaluation was performed based on the values. Table 1 shows the results when the heat treatment temperatures are 800 ° C and 950 ° C. Table 2 shows the results when the heat treatment temperatures are 1050 ° C and 1200 ° C.
表1および表2に示すように、接合層の厚さは、いずれも100μm前後の値であり、もとの金属シリコンシートと比較すると半分以下につぶれていた。金属シリコンの侵入距離は、55μmから80μmの範囲となった。金属シリコンのSiC多孔体への侵入距離はすべて気孔径の5倍以下と微量であり、多孔体としての特性を十分残すものであった。 As shown in Table 1 and Table 2, the thickness of the bonding layer was a value around 100 μm, and it was crushed to less than half compared to the original metal silicon sheet. The penetration distance of metallic silicon was in the range of 55 μm to 80 μm. The penetration distance of metallic silicon into the SiC porous body was a very small amount of 5 times or less the pore diameter, and the characteristics as a porous body remained sufficiently.
[比較例1〜4]
大気中での熱処理温度を650℃とした以外は、上記各実施例と同様の方法で多孔体の作製および評価を行なった。評価結果を表3に示す。
[Comparative Examples 1-4]
Except that the heat treatment temperature in the atmosphere was 650 ° C., the porous body was produced and evaluated in the same manner as in the above examples. The evaluation results are shown in Table 3.
また、カーボンの塗布していないものとして比較例4を実施した。評価結果を合わせて表3に示す。 Further, Comparative Example 4 was carried out on the assumption that no carbon was applied. The evaluation results are shown in Table 3.
上記各実施例と比較して、比較例1〜3の方が接合層の厚さが薄く、金属シリコンの侵入距離が大きかった。これは、650℃の熱処理では、残留カーボンが完全に除去できず、そのため金属シリコンの染み込みが多くなり、その分接合層が薄くなったと考えられる。その結果、接合体としては、十分な接合強度が確保できないものと予想される。また比較例4では接合面にカーボンを塗布していないため、金属シリコンと多孔体との濡れ性が悪く、十分な接合がされていなかった。 Compared with each said Example, the thickness of the joining layer of Comparative Examples 1-3 was thin, and the penetration | invasion distance of metal silicon was large. This is probably because the residual carbon could not be completely removed by the heat treatment at 650 ° C., so that the penetration of metal silicon increased, and the bonding layer became thinner accordingly. As a result, it is anticipated that sufficient bonding strength cannot be secured for the bonded body. In Comparative Example 4, since carbon was not applied to the bonding surfaces, the wettability between the metal silicon and the porous body was poor, and sufficient bonding was not performed.
以上説明したように、SiC多孔体を、700℃〜1000℃もしくは1000℃〜1200℃の大気中で熱処理することにより、残留カーボンを除去し、さらにSiO2膜をSiC表面上に形成することができる。これにより、SiC多孔体と、接合材である金属シリコンとの濡れ性を悪くし、SiC多孔体内部に金属シリコンが浸透しなくなり、さらに接合面にカーボンを塗布することにより、SiC多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。また、SiC多孔体同士もしくはSiC多孔体とSiC緻密体を接合する場合も、同様の結果を得ることが可能となる。これにより、本発明は、自動車の排気ガス処理装置に使用されるハニカムや腐食下で使用される触媒担体やフィルタに、さらに耐食性や耐熱性を必要とする半導体製造装置部材などに好適であることが明らかとなった。 As described above, the SiC porous body is heat-treated in the atmosphere at 700 ° C. to 1000 ° C. or 1000 ° C. to 1200 ° C., thereby removing residual carbon and further forming a SiO 2 film on the SiC surface. it can. As a result, the wettability between the SiC porous body and the metallic silicon that is the bonding material is deteriorated, the metallic silicon does not permeate into the SiC porous body, and carbon is applied to the bonding surface, thereby joining the SiC porous body. It becomes possible to join material appropriately. In addition, similar results can be obtained also when bonding SiC porous bodies or SiC porous bodies and SiC dense bodies. Thus, the present invention is suitable for honeycombs used in automobile exhaust gas treatment apparatuses, catalyst carriers and filters used under corrosion, and semiconductor manufacturing apparatus members that further require corrosion resistance and heat resistance. Became clear.
Claims (7)
前記多孔体を、大気中において第1の温度で熱処理し、前記多孔体内の残留カーボンを除去する工程と、
前記第1の温度で熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、
前記接合面において、前記多孔体と前記接合材とを接合させる工程と、を少なくとも含むことを特徴とする接合方法。 A joining method for joining a porous body made of SiC and a joining material,
Heat treating the porous body at a first temperature in the atmosphere to remove residual carbon in the porous body;
Applying carbon to the bonding surface of the porous body heat-treated at the first temperature;
A step of bonding the porous body and the bonding material at the bonding surface.
前記多孔体を、大気中において第2の温度で熱処理し、前記多孔体の表面を酸化させる工程と、
前記第2の温度で熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、
前記接合面において、前記多孔体と前記接合材とを接合させる工程と、を少なくとも含むことを特徴とする接合方法。 A joining method for joining a porous body made of SiC and a joining material,
Heat treating the porous body at a second temperature in the atmosphere to oxidize the surface of the porous body;
Applying carbon to the bonding surface of the porous body heat-treated at the second temperature;
A step of bonding the porous body and the bonding material at the bonding surface.
SiCで構成される多孔体を、大気中において1000℃から1200℃の間のいずれかの温度で熱処理し、前記多孔体の表面を酸化させる工程と、前記熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体と金属シリコンとを接合させる工程と、を少なくとも含む接合方法を用いて製造された接合体であって、
前記接合面において、前記金属シリコンの前記多孔体への侵入量が、前記多孔体の気孔径の5倍以内であることを特徴とする接合体。 A step of heat-treating a porous body made of SiC at any temperature between 700 ° C. and 1000 ° C. in the atmosphere to remove residual carbon in the porous body, and a bonding surface of the heat-treated porous body Manufactured by using a joining method including at least a step of applying carbon to the surface, and a step of joining the porous body and metal silicon at the joining surface, or
A step of heat-treating a porous body composed of SiC at any temperature between 1000 ° C. and 1200 ° C. in the atmosphere to oxidize the surface of the porous body, and a bonding surface of the heat-treated porous body A bonded body manufactured using a bonding method including at least a step of applying carbon and a step of bonding the porous body and metal silicon at the bonding surface,
The joined body, wherein the amount of penetration of the metal silicon into the porous body is within 5 times the pore diameter of the porous body on the joined surface.
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