JP2012071995A

JP2012071995A - アルミナセラミックス接合体及びその製造方法

Info

Publication number: JP2012071995A
Application number: JP2010215885A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Umetsu; 基宏梅津; Tomoyuki Ogura; 知之小倉; Ryota Sato; 良太佐藤
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-09-27
Also published as: JP5928672B2

Abstract

【課題】接合面を鏡面研磨することなくアルミナセラミックス焼結体が接合されたアルミナセラミックス接合体を提供する。
【解決手段】アルミナセラミックス接合体１０は、アルミナセラミックス焼結体１，２，３を接合面１ａ，２ａ，３ａで当接させた状態で焼結することにより接合されており、接合界面１１における空孔１２が５μｍ以下であり且つ空孔１２の割合αが３％以上４０％以下である。接合面１ａ，２ａ，３ａの表面粗さＲａを０．２５μｍ以上０．８０μｍ以下に研削したアルミナセラミックス焼結体１，２，３を焼結して形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミナセラミックス焼結体を接合して形成したアルミナセラミックス接合体、及びその製造方法に関する。

アルミナセラミックス焼結体は、耐熱性、絶縁性、耐磨耗性に優れ、半導体製造装置など各種装置の構造用部材として用いられている。構造用部材が中空形状である場合、アルミナセラミックス部材を接合したアルミナセラミックス接合体が必要となる。

アルミナセラミックス部材間に接合材を介在させて接合させることもあるが、接合部で強度や気密性が低下するなどの不具合が生じる。そこで、アルミナセラミックス焼結体同士を直接接合することが好ましい。

例えば、特許文献１には、アルミナセラミックス焼成体の接合面の表面粗さＲａを０．１μｍ以下に研磨した後、アルミナセラミックス焼成体を真空状態で、接合面に対して０．１ＭＰａ〜１．５ＭＰａの圧力を加えながら１３５０℃〜１６５０℃に加熱した状態を１時間〜３時間保持することにより、アルミナセラミックス接合体を得ることが記載されている。

特開２００７−１１９２６２号公報

上記特許文献１に記載された製造方法では、特許文献１の段落０００９に「接合面の表面粗さＲａが、０．１μｍ超える場合には、アルミナ焼成体からなる部品を直接接合することができない。」と記載されているように、アルミナ焼成体の接合面の表面粗さＲａを０．１μｍ以下に調整することは必須である。表面粗さＲａを０．１μ ｍ以下に調整するためには、鏡面研磨が必要となる。

しかしながら、鏡面研磨は、鏡面研磨機によって研磨可能な形状には制約があり、特に大型品の研磨は困難であるという問題がある。また、鏡面研磨は、非常に長い時間とコストを必要とするという問題がある。

本発明は、以上の点に鑑み、接合面を鏡面研磨することなくアルミナセラミックス焼結体が接合されたアルミナセラミックス接合体を提供することを目的とする。また、接合面を鏡面研磨することなくアルミナセラミックス焼結体同士を直接接合することができるアルミナセラミックス接合体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明のアルミナセラミックス接合体は、アルミナセラミックス焼結体を接合面で当接させた状態で焼結することにより接合されたアルミナセラミックス接合体であって、接合界面における空孔が５μｍ以下であり且つ該空孔の割合が３％以上４０％以下であることを特徴とする。

本発明のアルミナセラミックス接合体によれば、上記特許文献１などの従来の製造方法で製造した場合、即ち接合界面における空孔が１μｍ以下であり且つ空孔の割合が２％以下である場合に比べて、接合界面における空孔が大きく且つ空孔の割合も多い。

しかし、発明者は、接合界面における空孔が５μｍ以下であり且つ該空孔の割合が３％以上４０％以下であれば、後述する実施例から、接合部の気密性や強度に問題がないことを見い出した。そして、この程度まで接合界面に空孔を許容することにより、接合面の表面粗さＲａを増加させることが可能となり、必ずしも接合面を鏡面研磨する必要がなくなる。従って、アルミナセラミックス接合体の大型化や製造コストの低下が可能となる。

本発明のアルミナセラミックス接合体の製造方法は、粒度５μｍ以下純度９９．５％以上のアルミナ粉末を用いてアルミナ成形部材を形成する工程と、該アルミナ成形部材を焼成してアルミナセラミックス焼結体を研削加工により形成する工程と、該アルミナセラミックス焼結体の接合面の表面粗さＲａを０．２５μｍ以上０．８０μｍ以下に研削して、アルミナセラミックス焼結部品を形成する工程と、該アルミナセラミックス焼成部品の前記接合面に０．０５ＭＰａ以上２．５ＭＰａ未満の圧力を加えて当接させると共に１３５０℃以上１６５０℃以下で加熱することにより、接合界面における空孔が５μｍ以下であり且つ該空孔の割合が３％以上４０％以下であるアルミナセラミックス接合体を形成する工程とを備えることを特徴とする。

本発明のアルミナセラミックス接合体の製造方法によれば、アルミナ焼結体の接合面の表面粗さＲａを研削加工により０．２５μｍ以上０．８０μｍ以下に調整しているが、この程度の表面粗さＲａであれば鏡面研磨を行う必要がない。従って、アルミナセラミックス接合体の大型化や製造コストの低下が可能となる。そして、接合界面における空孔が５μｍ以下であり且つ該空孔の割合が３％以上４０％以下であっても、接合部の気密性や強度には問題ない。

また、本発明のアルミナセラミックス接合体の製造方法において、前記加熱を３時間以上９時間以下継続することが好ましい。

この場合、上記特許文献１に記載された製造方法と比較して、接合時の焼結時間が長くなる。そのため、接合面の表面粗さＲａを増加させても、接合界面におけるアルミナ表面の溶融及び液相成分の拡散が十分に進行するため、接合界面における空孔の増加を抑制することができる。

本発明の実施形態に係るアルミナセラミックス接合体の製造方法を説明する図であり、（ａ）はアルミナセラミックス接合体を、（ｂ）はアルミナセラミックス焼結体をそれぞれ示す。接合界面における空孔の割合を説明するためのアルミナセラミックス接合体の模式断面図。

本発明の実施形態に係るアルミナセラミックス接合体及びその製造方法について説明する。

このアルミナセラミックス接合体は、半導体製造装置など各種装置の構造用部材として用いられる。特に、流路などの溝や穴が形成されたアルミナセラミックス焼結体を複数段積層して接合されたものからなり、中空形状を有する構造用部材に適したものである。このような構造用部材として、例えば、ヒートシンク、ガス供給板、冷却板、軽量ステージがある。

以下、図１（ａ）に示すアルミナセラミックス接合体１０を例にとって説明する。ただし、本発明のアルミナセラミックス接合体はこれに限定されず、アルミナセラミックス接合体１０に特定の用途はない。

最初に、粒度０．６μｍ以下純度９９．５％以上のアルミナ粉末を用いてアルミナ成形部材を形成する工程を行う。

この工程では、まず、アルミナ焼結体の主成分として、平均粒度０．３μｍ以上０．６μｍ以下、より好ましくは平均粒度０．４μｍ以上０．６μｍ以下、純度９９．５％以上の高純度のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末を用意する。なお、アルミナ粉末の粒度を０．６μｍ以下とするのは、後述するアルミナセラミックス焼結体１，２，３の焼結粒径が大きくなることを防止するためである。

そして、このアルミナ粉末に、焼結助剤、添加剤、バインダ、分散剤などの副成分を適宜な所定量添加したものを攪拌混合してスラリーを得る。そして、このスラリーを噴霧造粒法（スプレードライ法）により噴霧乾燥して造粒し、２次原料とする。焼結助剤は、例えば、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ケイ素である。添加剤は、例えば、色調調整や高強度化用のものである。

そして、噴霧乾燥して造粒した２次原料を所定形状のゴム型内へ投入し、静水圧プレス成形法（ラバープレス法）により成形する。その後、アルミナ成形体をゴム型から取り外し、所定形状となるように切削加工を生加工として行う。なお、成形型として金型を用いてもよい。ここでは、図１（ａ）に示すアルミナセラミックス物品１０を製造するために、円板状の３つのアルミナ成形体を形成する。

そして、図１（ｂ）を参照して、これらのアルミナ成形体に、機械加工を行い、凹状の溝部４，５を形成する。また、必要に応じて、盲穴、貫通穴などを形成してもよい。これにより、アルミナ成形体からなるアルミナ成形部材が得られる。なお、溝部４，５などは、型押しなどによって形成してもよい。

次に、アルミナ成形部材を焼成してアルミナセラミックス焼結体１，２，３を形成する工程を行う。

この工程における焼結は、常圧焼結やホットプレス法（熱間加圧法）を含む加圧焼結、反応焼結など、各種の焼結方法で行うことが可能であり、アルミナセラミックス焼結体１，２，３に求められる特性に適した焼結方法によればよい。例えば、ホットプレス焼結では脱脂不良や色ムラが生じるおそれがあるので、これらの問題を回避したい場合には、ホットプレス焼結以外の常圧焼結などで焼結を行うことが好ましい。

アルミナセラミックス焼結体１，２，３の平均粒径は、６μｍ以下であることが好ましい。ただし、この好ましい平均粒径は、次工程のホットプレス焼結の加熱温度に依存する。例えば、ホットプレス焼結の加熱温度が１４００℃以上１５００℃以下の場合、平均粒径は４．５μｍ以上６μｍ以下であることが好ましい。しかし、ホットプレス焼結の加熱温度が１６５０℃の場合、平均粒径は１５μｍ以下であればよい。

アルミナセラミックス焼結体１，２，３は、焼成によりアルミナ成形体に比べて収縮する。そのため、焼成後のアルミナセラミックス焼結体１，２，３に仕上げの機械加工を行う。この仕上げの機械加工では、各アルミナセラミックス焼結体１，２，３の外形形状及び溝部４，５を所定の寸法に研削、研磨する。

各アルミナセラミックス焼結体１，２，３の接合面、具体的にはアルミナセラミックス焼結体１の下面１ａ、アルミナセラミックス焼結体２の上下面２ａ，２ａ、アルミナセラミックス焼結体３の上面３ａの表面粗さＲａ（ＪＩＳＢ０６０１−２００１）を０．２５μｍ以上０．８０μｍ以下、より好ましくは０．２５μｍ以上０．６μｍ以下になるように砥石やブラシなどを用いた通常の平面研削機で研削する。鏡面仕上げする必要はない。なお、各接合面の平行度は１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下、平面度は１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下とする。

このように接合面１ａ，２ａ，３ａを表面研磨することによって、次工程において、各アルミナセラミックス焼結体１，２，３同士を直接接合することができる。

次に、アルミナセラミックス焼結体１，２，３をホットプレス焼結して直接接合する工程を行う。

まず、アルミナセラミックス焼結体１，２，３を重ね合わせて、ホットプレス装置内に収容する。ホットプレス焼結は、酸化を防止するため、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ_２）などの不活性雰囲気や真空雰囲気下で行うことが好ましい。不活性雰囲気は、例えば、アルゴン９８％程度の状態である。真空化雰囲気は、１３．３Ｐａ〜１．３×１０^−２Ｐａ程度の真空状態である。ただし、ホットプレス焼結は、大気雰囲気下で行ってもよい。

そして、アルミナセラミックス焼結体１，２，３の接合面１ａ，２ａ，３ａに対して、０．０５ＭＰａ以上２．５ＭＰａ未満、より好ましいは０．１ＭＰａ以上２．０ＭＰａ未満の圧力で加圧する。そして、この加圧状態で１３５０℃以上１６５０℃以下、より好ましいは１４００℃以上１６５０℃以下に加熱する。

そして、この加圧加熱状態を３時間以上９時間以下、より好ましくは５時間以上７時間以下保持する。

その後、降温させ圧力を解除して、アルミナセラミックス接合体１０を取り出す。このようにして得られたアルミナセラミックス接合体１０は、アルミナセラミックス焼結体１，２，３が直接接合されたものであり、中空形状を有している。

アルミナセラミックス接合体１０は、図２に模式的に示すように、接合界面１１における所望しない空孔（空隙）１２が５μｍ以下であり且つ空孔１２の割合αが３％以上４０％以下である。ここで、空孔１２の割合αは、接合界面１１の切断拡大写真などにおいて、接合界面１１の長さＬに対する各空孔１２の接合界面１１上における長さａｉの合計長さΣａｉを意味し、式（１）で表される。

α＝Σａi／Ｌ＝（ａ1＋ａ2＋・・・＋ａN）／Ｌ・・・（１）

上記引用文献１など従来の製造方法で得られたアルミナセラミックス接合体は、接合界面における空孔が１μｍ以下であり且つ空孔の割合が２％以下であった。しかし、発明者は、接合界面１１における空孔１２が５μｍ以下であり且つ空孔１２の割合αが３％以上４０％以下であれば、後述する実施例から、接合部の気密性や強度に問題がないことを見い出した。そして、この程度まで接合界面１１に空孔１２を許容することにより、接合面１ａ，２ａ，３ａを鏡面研磨する必要がなくなる。

アルミナセラミックス焼結体１，２，３を焼結して接合するため、接合焼結時に収縮はほとんど生じず、良好な寸法精度が維持されている。例えば１４００℃以上１５００度以下でホットプレス焼成した場合、素材の変形は３．０％以下であり、接合後の密度は０．３％以上０．６８％以下しか増加しない。例えば、厚さ３．５ｍｍ５０ｍｍ角の正方形板の場合、中心部の厚み寸法変化量は３０μｍ以上２００μｍ以下であり、中心部の厚み寸法変化率は０．５％以上８．０％以下である。

よって、通常、アルミナセラミックス接合体１０に仕上げの機械加工を行う必要はない。ただし、高精度の寸法が要求される場合やねじ加工などを行う場合には、アルミナセラミックス接合体１０に機械加工を行う必要がある。

また、アルミナセラミックス接合体１０は、還元作用で黒色化しているので、熱処理を行って、本来の色に復元させる。

〔実施例１〕
まず、粒度０．５μｍ、純度９９．５％のアルミナ粉末に焼結助剤、添加剤を添加したものを攪拌混合してスラリーを得た。このスラリーを噴霧造粒法により噴霧乾燥して造粒した。そして、この造粒した２次原料をゴム型内へ投入し、静水圧プレス成形法により成形してアルミナ成形体を得た。そして、このアルミナ成形体を所定形状となるように切削加工してアルミナ成形部品を得た。

次に、アルミナ成形部材を１６００℃の温度で３時間〜４時間常圧焼成して、図１（ｂ）に示すように、アルミナセラミックス焼結体１，２，３を得た。このアルミナセラミックス焼結体１，２，３の平均粒径は４．３μｍであった。そして、アルミナセラミックス焼結体１，２，３の外形を切削加工して、共に直径８０ｍｍ厚さ１２ｍｍの円板状とした。アルミナセラミックス焼結体１，３を切削加工して、幅５ｍｍ深さ２．５ｍｍの溝部４，５を２本ずつ形成した。さらに、各アルミナセラミックス焼結体１，２，３の接合面１ａ，２ａ，３ａを通常の平面研削機で研削して、表面粗さＲａを０．６μｍｍ、平行度を１０μｍ、平面度を１０μｍとした。

次に、アルミナセラミックス焼結体１，２，３の接合面１ａ，２ａ，３ａに対して、０．１ＭＰａの圧力で加圧する共に１５００℃に加熱した状態を６時間保持することによりホットプレス焼結を行った。ホットプレス焼結は、９８％のアルゴン雰囲気下で行った。そして、アルミナセラミックス接合体１０を得た。

得たられたアルミナセラミックス接合体１０の接合部の強度は母材の少なくとも母材の１／２以上から母材同等レベルであり、ヤング率は３７７ＭＰａであり母材と同等であった。接合後の密度は０．６３％増加していた。そして、中心部の厚み寸法変化量は７００μｍであり、中心部の厚み寸法変化率は５．９％であり、平均粒径は５．９μｍであった。

また、接合部の気密度を、ＪＩＳＺ２３３１に準拠し、ボンビング法によりヘリウムリークディテクターで測定した。気密度は検出限界値２．８×１０^−１１Ｐａ・ｍ^３／ｓ以下であり、気密性は良好であった。

また、アルミナセラミックス接合体１０を切断し、切断断面を鏡面研磨した後、エッチング処理を施し、走査型電子顕微鏡により接合部を観察した。その結果、接合界面１１における空孔１２の最大径は３μｍであり、且つ空孔１２の割合αは４．４％であった。

最後に、アルミナセラミックス接合体１０を、大気中で１４００℃に加熱して２０時間保持した。これにより黒色化が解消したことを、目視で確認した。

〔実施例２−５〕
実施例２では焼成温度を１３５０℃、実施例３では焼成温度を１６５０℃、実施例４では焼成時間を３時間、実施例５では焼成時間を９時間とした以外は、実施例１と同様にして、アルミナセラミックス接合体１０を得た。得られたアルミナセラミックス接合体１０の接合界面１１における空孔１２の最大径は２iｍ〜５iｍであり、空孔１２の割合aは６．０％〜４０．０％であった。リークは検出できず、気密性は良好であった。また、ヤング率は３６０ＧＰａ〜３９５ＧＰａであり、母材と同等であった。

実施例と比較例の結果を表１にまとめた。

〔比較例１〕
比較例１では、アルミナセラミックス焼結体１，２，３を０．１ＭＰａの圧力で加圧しながら１３００℃に加熱した状態を６時間保持することにより、ホットプレス焼結を行った。得られたアルミナセラミックス接合体１０は、接合界面１１における空孔１２の割合αが６０．０％であり、リークが生じた。これは、焼成温度が低過ぎたので、接合界面の溶融が不十分であるためと考えられる。また、空孔１２の最大径は１５μｍであり、これも焼成温度が低過ぎたためであると考えられる。

〔比較例２〕
比較例２では、アルミナセラミックス焼結体１，２，３を０．１ＭＰａの圧力で加圧しながら１７００℃に加熱した状態を６時間保持することにより、ホットプレス焼結を行った。得られたアルミナセラミックス接合体１０は、接合界面１１における空孔１２の割合αが４５．０％であり、リークが生じた。これは、焼成温度が高過ぎたので、激しく粒成長したためであると考えられる。

〔比較例３〕
比較例３では、アルミナセラミックス焼結体１，２，３を０．０１ＭＰａの圧力で加圧しながら１５００℃に加熱した状態を６時間保持することにより、ホットプレス焼結を行った。得られたアルミナセラミックス接合体１０は、接合界面１１における空孔１２の割合αが９２．４％であり、リークが生じた。これは、焼成時の圧力が不足したので、接合界面におけるアルミナ液相成分の拡散が十分に進行しなかったためと考えられる。また、空孔１２の最大径は２０μｍであり、これも、焼成時の圧力不足により、接合界面１１中の空孔１２を十分に潰しきれなかったためであると考えられる。

〔比較例４〕
比較例４では、アルミナセラミックス焼結体１，２，３を３．０ＭＰａの圧力で加圧しながら１５００℃に加熱した状態を６時間保持することにより、ホットプレス焼結を行った。得られたアルミナセラミックス接合体１０は、接合界面１１における空孔１２の割合αが４５．０％であり、リークが生じた。これは、焼成時の圧力が高過ぎたので、激しく粒成長したためであると考えられる。

〔比較例５〕
比較例５では、アルミナセラミックス焼結体１，２，３を０．１ＭＰａの圧力で加圧しながら１５００℃に加熱した状態を２時間保持することにより、ホットプレス焼結を行った。得られたアルミナセラミックス接合体１０は、接合界面１１における空孔１２の割合αが４２．５％であり、リークが生じた。これは、焼成時の保持時間が不足したので、接合界面の溶融が不十分であったためであると考えられる。また、空孔１２の最大径は７μｍであり、これも焼成時の保持時間が不足だったためであると考えられる。

〔比較例６〕
比較例６では、アルミナセラミックス焼結体１，２，３を０．１ＭＰａの圧力で加圧しながら１５００℃に加熱した状態を１０時間保持することにより、ホットプレス焼結を行った。得られたアルミナセラミックス接合体１０は、接合界面１１における空孔１２の割合αが４３．０％であり、リークが生じた。これは、焼成時の保持時間が長過ぎたので、激しく粒成長したためであると考えられる。

１，２，３…アルミナセラミックス焼結体、１ａ，２ａ，３ａ…接合面、４，５…溝部、１０…アルミナセラミックス接合体、１１…接合界面、１２…空孔。

Claims

アルミナセラミックス焼結体を接合面で当接させた状態で焼結することにより接合されたアルミナセラミックス接合体であって、
接合界面における空孔が５μｍ以下であり且つ該空孔の割合が３％以上４０％以下であることを特徴とするアルミナセラミックス接合体。
粒度５μｍ以下純度９９．５％以上のアルミナ粉末を用いてアルミナ成形部材を形成する工程と、
該アルミナ成形部材を焼成してアルミナセラミックス焼結体を形成する工程と、
前記アルミナセラミックス焼結体の前記接合面に０．０５ＭＰａ以上２．５ＭＰａ未満の圧力を加えて当接させると共に１３５０℃以上１６５０℃以下で加熱することにより、接合界面における空孔が５μｍ以下であり且つ該空孔の割合が３％以上４０％以下であるアルミナセラミックス接合体を形成する工程とを備えることを特徴とするアルミナセラミックス接合体の製造方法。
前記加熱を３時間以上９時間以下継続することを特徴とする請求項２に記載のアルミナセラミックス接合体の製造方法。