JP2009051684A - 炭化ケイ素構造体及び炭化ケイ素構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 炭化ケイ素よりなる部材同士が炭化ケイ素を含む接合剤で接合された構造体において、接合剤等が部材の表面に盛り上がって露出することを防止することのできる炭化ケイ素構造体を提供する。
【解決手段】炭化ケイ素構造体１０は、炭化ケイ素よりなる第１の部材１１と、炭化ケイ素よりなる第２の部材１２とを有している。第１の部材１１は凸部１１ａを有し、第２の部材１２は第１の部材１１の凸部１１ａに嵌まり合う非貫通の凹部１２ａを有し、この第１の部材１１の凸部１１ａと第２の部材１２の凹部１２ａとを含む接合部が接合剤１３により接合されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、炭化ケイ素構造体及び炭化ケイ素構造体の製造方法に関する。

炭化ケイ素は、高温強度に優れ、耐熱性や耐酸化性を有し、熱伝導率、電気伝導性が良好であるという特性を有している。そのため、炭化ケイ素よりなる部材は、ヒータや各種治具などに用いられている。

炭化ケイ素部材が用いられるヒータや各種治具は、必要な構造に応じて複数の炭化ケイ素部材部材が組み合わされた構造体となっている。例えば、炭化ケイ素ヒータと、炭化ケイ素電極とが接合されて一体となった構造体がある。このような炭化ケイ素の構造体を作製するための炭化ケイ素部材の接合方法に関して、接合する一方の部材と他方の部材との間隙に炭化ケイ素粉末を含有する接合剤のペーストを充填した後、金属ケイ素を含浸させる焼結を行う方法がある（特許文献１）。この方法に従って炭化ケイ素ヒータ部材と、炭化ケイ素電極部材とを接合剤により接合した構造体は、これらの部材をボルトとナットにより締結固定することが不要であり、ヒータ上面を平坦な面とすることが可能である。
特開２００２−１２４３６４号公報

炭化ケイ素ヒータ部材と炭化ケイ素電極部材とを上記方法により接合する際には、炭化ケイ素ヒータ部材の端部に形成した貫通孔と、炭化ケイ素電極の先端部に形成した凸部との嵌め合い部に接合剤を充填させて接合していた。この接合剤は、接合後には炭化ケイ素ヒータ部材の貫通孔から表面に盛り上がった状態で形成されている。また、接合する際に用いられる金属シリコンは、接合後には炭化ケイ素ヒータ部材の貫通孔から表面ににじみ出ている。炭化ケイ素ヒータ部材の表面上の接合剤や金属シリコンは、炭化ケイ素ヒータ部材表面の平坦性を低下させ、これにより炭化ケイ素ヒータの均一加熱性や、他の部材との取り付け精度や、製品美観を低下させるおそれがあることから好ましくない。

そのため、接合後に炭化ケイ素ヒータ部材の表面を工具により研削加工して、接合剤や金属シリコンを除去することが行われていた。しかし、この研削加工により生じたパーティクルが、ヒータが用いられる半導体製造装置にとっては好ましくない場合があった。また、研削加工作業の巧拙により、研削加工後の部材の表面粗度に不均一が生じることがあり、ヒータの平面度が低下したり、却ってヒータ部材の温度分布の不均一が生じたりするおそれがあった。

炭化ケイ素部材の表面における接合剤や金属シリコンの露出の抑制は、ヒータ用の構造体に限られず、他の構造体においても寸法精度や美観などの観点から求められているところである。

本発明は上記の問題を有利に解決するものであり、炭化ケイ素よりなる部材同士が炭化ケイ素を含む接合剤で接合された構造体において、接合剤等が部材の表面に盛り上がって露出することを防止することのできる炭化ケイ素構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の炭化ケイ素構造体は、炭化ケイ素よりなる第１の部材と、炭化ケイ素よりなる第２の部材とが炭化ケイ素を含む接合剤により接合されてなる炭化ケイ素構造体であって、前記第１の部材は凸部を有し、前記第２の部材は前記第１の部材の凸部に嵌まり合う非貫通の凹部を有し、この第１の部材の凸部と第２の部材の凹部とを含む接合部が前記接合剤により接合されていることを特徴とする。

本発明の炭化ケイ素構造体は、第１の部材及び第２の部材がヒータ用の部材である場合に特に効果が大きい。

本発明の炭化ケイ素構造体は、第１の部材の凸部の高さｂと、第２の部材の凹部の深さａとが、ａ＋２０μｍ≦ｂ≦ａ＋２００μｍの関係を満たすことが好ましく、また、第２の部材の厚さｔと凹部の深さａとが、０．２＜ａ／ｔ＜０．８との関係を満たすことが好ましい。

本発明の炭化ケイ素構造体の製造方法は、炭化ケイ素からなり凸部を有する第１の部材と、炭化ケイ素からなり前記第１の部材の凸部に嵌まり合う凹部を有する第２の部材と用意し、前記第１の部材の凸部及び前記第２の部材の凹部の少なくとも一方に、炭化ケイ素を含む接合剤を塗布し、この第１の部材の凸部及び第２の部材の凹部とを嵌め合わせた後、この接合剤を焼結させることを特徴とする。

本発明の炭化ケイ素構造体によれば、炭化ケイ素部材の表面における接合剤や金属シリコンの露出を防止し、平坦性や寸法精度が良好な構造体を得ることが可能となる。

本発明の炭化ケイ素構造体の製造方法によれば、平坦性や寸法精度が良好な構造体を各部材の割れ等の不具合なく、寸法精度よく作製することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態に係る炭化ケイ素構造体の一例を要部の分解図で図１に示す。

図１に示す炭化ケイ素構造体１０は、炭化ケイ素よりなる第１の部材１１と、炭化ケイ素よりなる第２の部材１２とが接合されてなる構造体である。

第１の部材１１は、概略円柱形上であり、第２の部材と接合する先端部には、凸部１１ａが基面１１ｂから突出して形成されている。また、第２の部材１２は、概略平板形状であり、第１の部材１１と接合する端部には、凸部１１ａに嵌まり合う凹部１２ａが形成されている。この凹部１２ａは、第１の部材１１の厚み方向に貫通していない、止まり穴となっている。したがって、第１の部材１１における接合面とは反対の表面には、凹部１２ａが露出することはない。

図１におけるII−II線視の断面図を図２（ａ）に示す。第１の部材１１の凸部１１ａと第２の部材１２の凹部１２ａとが嵌め合わされた部分及びその周辺の両者の対向面に、炭化ケイ素を含む接合剤１３が形成され、この接合剤１３により第１の部材１１と第２の部材１２が接合されている。図２（ａ）に示した例では、第１の部材１１の凸部１１ａは円柱形状を有している。もっとも、第１の部材１１の凸部１１ａは円柱形状に限定されない。図２（ｂ）は、本発明に係る炭化ケイ素構造体の変形例の断面図であり、図２（ｂ）に示す第１の部材１１Ａは、凸部が円錐台形状を有している。要するに、本発明の炭化ケイ素構造体は、第１の部材１１と第２の部材１２とが互いに嵌まり合う形状であればよい。他の例としては、第１の部材の凸部が雄ねじ形状、第２の部材の凹部が雌ねじ形状の周面を有するものであっても良い。

第１の部材１１の凸部１１ａの平面形状は、図示した円形のものに限定されず、多角形状、十文字状、一文字状等、種々の平面形状が可能である。もっとも、加工の容易さを考慮すれば、平面形状は円形であることは有利である。

図４は、比較例として従来の炭化ケイ素構造体を、要部分解図（図４（ａ））及び図４（ａ）のｂ−ｂ線視の断面図（図４（ｂ））でそれぞれ示す。図４に示す比較例の炭化ケイ素構造体は、先端部に凸部１１０ａを有する第１の部材１１０と、この第１の部材１１０の凸部１１０ａと嵌まり合う貫通孔１２０ａを有する第２の部材１２０とが、接合剤１３により接合されて構成されている。この図４に示す比較例と対比すると、図１及び図２に示した本実施形態の炭化ケイ素構造体１０は、第１の部材１１の凸部１１ａの高さが低く、第２の部材１２の凹部１２ａが非貫通の形状を有している点で相違している。

図１及び図２に示した本実施形態の炭化ケイ素構造体１０は、第２の部材１２の凹部１２ａが非貫通であるから、接合剤１３が第２の部材１２における接合面とは反対の表面に露出しない。したがって、図４に示した比較例のように、接合時に貫通孔１２０ａから盛り上がって形成される接合剤を、その後に研削除去する必要がない。そのため、炭化ケイ素部材をヒータに適用した場合には、加熱温度分布の不均一を生じることがなく、均一加熱性が向上する。また、接合された部材の平面度が低下するおそれもなく、寸法精度や美観も優れている。さらに、接合剤を除去する作業が不要であるため、炭化ケイ素構造体の生産性が向上し、また、パーティクルが発生しない。

第１の部材１１及び第２の部材が、電極やヒータ等のヒータ用部材であることは、均一加熱性の向上や汚染防止等の、本発明の効果が享受できる部材であるために好ましい。もっとも、本実施形態の第１の部材１１及び第２の部材１２は、ヒータ用部材に限定されるものではない。

第１の部材１１の凸部１１ａ及び第２の部材１２の凹部１２ａは、次の関係を満たすことが、より好ましい。

第１の部材の凸部の高さｂと、第２の部材の凹部の深さａとの関係について：ａ＋２０μｍ≦ｂ≦ａ＋２００μｍ
第２の部材の厚さｔと凹部の深さａとの関係について：０．２＜ａ／ｔ＜０．８
これらの関係を図３に示す第１の部材１１と第２の部材１２との接合部近傍の断面図を用いて説明する。

第１の部材１１の凸部１１ａの高さｂは、第２の部材１２の凹部１２ａの深さａよりも大きくする。その好適な範囲としてａ＋２０μｍ≦ｂ≦ａ＋２００μｍの関係を満たすようにする。

ｂ≧ａ＋２０μｍとするのは、第１の部材１１の凸部１１ａの高さを、第２の部材１２の凹部１２ａの深さよりも大きくして、第１の部材１１と第２の部材１２との空隙（図３の符号ｃ）に接合剤が十分に形成させるようにするためである。また、ｂ≦ａ＋２００μｍとするのは、第１の部材１１と第２の部材１２とを、寸法精度よく接合するためである。

また、第２の部材１２の厚さｔと凹部１２ａの深さとの関係については０．２＜ａ／ｔ＜０．８程度の範囲とすることが、接合強度や寸法精度等の関係から好ましい。

また、第１の部材１１の凸部１１ａの角部ｆ及び隅部ｇ、第２の部材１２の凹部１２ａの角部ｅ及び隅部ｄはそれぞれ、面取り又はアール部の形状を有していることが、嵌め合いや接合剤の流動性の観点から好ましい。

次に、本発明に係る構造体の製造方法について説明する。

まず、炭化ケイ素からなり凸部１１ａを有する第１の部材１１と、炭化ケイ素からなり前記第１の部材１１の凸部１１ａに嵌まり合う凹部１２ａを有する第２の部材１２と用意する。第１の部材１１及び第２の部材１２は、特開平１０−６７５６５号公報や特開平１１−７９８４０号公報に記載されているような、炭化ケイ素粉末と非金属系焼結助剤との混合物を焼結して得られた焼結体であることが、高純度の焼結体であるために好ましい。

第１の部材１１と第２の部材１２との接合は、炭化ケイ素を有する接合剤によって行う。炭化ケイ素を有する接合剤は、炭化ケイ素を含む粉末と、バインダーと、必要に応じて含有される炭素源との混合物でありペースト状となっている。このペースト状の接合剤を、第１の部材１１の少なくとも凸部１１ａの側面及び基面１１ｂに塗布付着させる。

次に、上記した第１の部材１１の凸部１１ａと、第２の部材１２の凹部１２ａとを嵌め合わせる。このことにより、第１の部材１１の凸部１１ａと第２の部材１２の凹部との嵌め合い領域に、接合剤が充填される。

次に、第１の部材１１の凸部１１ａと第２の部材１２の凹部との嵌め合された領域に金属ケイ素を含浸させて焼結する。なお、金属ケイ素を含浸させる前に、炭素源となる有機物質を上記領域に含浸させた後に加熱することで、この領域に炭素を生成させてもよい。金属ケイ素の含浸は、高純度金属ケイ素を高温で溶融されたものを接合部に導くことにより行われ、溶融された金属ケイ素が接合剤のペースト内の気孔に吸い上げられてペースト中の炭素と反応焼結して炭化ケイ素が生成する。この炭化ケイ素が接合部に生成することにより第１の部材１１と第２の部材１２との接合部の空隙は埋められ両部材が接合される。このような工程により、第１の部材１１と第２の部材１２とが接合された炭化ケイ素構造体１０が得られる。なお、このような接合方法については、特開２０００−１２４３６４号公報に記載されていて、当該公報の記載に従って接合することができる。

本実施形態の接合方法においては、第１の部材１１の凸部１１ａと第２の部材１２の凹部１２ａとの寸法を適切に調整しておくことにより、金属シリコンを含浸させる反応焼結時に接合剤が膨張しても、組み立て精度の悪化や内部応力による割れなどの発生を回避することができる。そのため、好ましくは、上述したように第１の部材の凸部の高さｂと第２の部材の凹部の深さａとが、ａ＋２０μｍ≦ｂ≦ａ＋２００μｍの関係を満たようにする。

本実施形態の構造体の製造方法によれば、各部材の割れ等の不具合なく、寸法精度よく接合された構造体を作製することが可能となる。

以上、本実施形態に係る炭化ケイ素構造体を図面に従って説明したが、本発明の炭化ケイ素構造体は、図面及び実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることはいうまでもない

本発明の実施の形態に係る炭化ケイ素構造体の分解図である。 本発明の実施の形態に係る炭化ケイ素構造体の断面図である。 本発明の実施の形態に係る炭化ケイ素構造体の断面図である。 比較例の炭化ケイ素構造体の説明図である。

符号の説明

１０ 炭化ケイ素構造体
１１ 第１の部材
１１ａ 凸部
１２ 第２の部材
１２ａ 凹部
１３ 接合剤

Claims (5)

1. 炭化ケイ素よりなる第１の部材と、炭化ケイ素よりなる第２の部材とが炭化ケイ素を含む接合剤により接合されてなる炭化ケイ素構造体であって、
   前記第１の部材は凸部を有し、前記第２の部材は前記第１の部材の凸部に嵌まり合う非貫通の凹部を有し、この第１の部材の凸部と第２の部材の凹部とを含む接合部が前記接合剤により接合されていることを特徴とする炭化ケイ素構造体。
2. 第１の部材及び第２の部材がヒータ用部材であることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素構造体。
3. 前記第１の部材の凸部の高さｂと、前記第２の部材の凹部の深さａとが、ａ＋２０μｍ≦ｂ≦ａ＋２００μｍの関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化ケイ素構造体。
4. 前記第２の部材の厚さｔと凹部の深さａとが、０．２＜ａ／ｔ＜０．８との関係を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化ケイ素構造体。
5. 炭化ケイ素からなり凸部を有する第１の部材と、炭化ケイ素からなり前記第１の部材の凸部に嵌まり合う凹部を有する第２の部材と用意し、
   前記第１の部材の凸部及び前記第２の部材の凹部の少なくとも一方に、炭化ケイ素を含む接合剤を塗布し、この第１の部材の凸部及び第２の部材の凹部とを嵌め合わせた後、この接合剤を焼結させることを特徴とする炭化ケイ素構造体の製造方法。

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