JP2014065631A - セラミックス接合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のセラミックス焼結体の接合部における変形量の抑制を図ることができるセラミックス接合体等を提供する。
【解決手段】セラミックス接合体１において、同一組成の複数のセラミックス焼結体１１及び１２が接合部１０を介して接合されている。接合部１０が、セラミックス焼結体１１及び１２と同一組成である。接合部１０におけるボイドの存在率が３〜３０％の範囲、好ましくは３〜５％の範囲に含まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス焼結体同士を接合することにより製造されるセラミックス接合体及びその製造方法に関する。

エンジニアリングセラミックスの多くは、硬くかつ脆いため、複雑な形状の部材を製造するためには加工コストが高くなる。そこで、セラミックス焼結体同士を、セラミックス系スラリー接着剤等により接着した上で焼成により接合する等、セラミックス焼結体を組み合わせて接合する手法が提案されている（特許文献１〜３参照）。接合対象である複数の焼結体と同一組成又は略同一組成の緻密焼結体により接合層が構成されることにより、当該複数の焼結体と同等の特性を接合層に持たせることができる。

特開２００８−１７４４４３号公報 特開平１０−２７２６１４号公報 特開平０３−００５３８１号公報

しかし、半導体製造装置に使用されるガス分散板、冷却板又は天板など、局所的に加熱される部品としてセラミックス接合体が用いられる場合、当該接合体が全体的に反る等、変形してしまう可能性がある。接合体が接着剤により別個の基体に貼付されて使用される場合、この反り（変形）により接合体に対して貼付された基材間の接着に悪影響を及ぼす可能性がある。

そこで、本発明は、複数のセラミックス焼結体の接合部における変形量の抑制を図ることができるセラミックス接合体及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のセラミックス接合体は、同一組成の複数のセラミックス焼結体が接合部を介して接合されているセラミックス接合体であって、前記接合部が前記セラミックス焼結体と同一組成であり、かつ、前記接合部におけるボイドの存在率が３〜３０％の範囲に含まれていることを特徴とする。前記接合部におけるボイドの存在率が３〜５％の範囲に含まれていることが好ましい。

本発明のセラミックス接合体の製造方法は、前記複数のセラミックス焼結体を作製する工程と、前記複数のセラミックス焼結体を構成するセラミックスと同種のセラミックス粒子を含む接合材を調整する工程と、前記複数のセラミックス焼結体が前記接合材をはさんでいる状態で、前記複数のセラミックス焼結体の雰囲気温度を制御し、かつ、前記複数のセラミックス焼結体が相互に近接するように前記複数のセラミックス焼結体に圧力を加える加圧焼結工程と、を含み、前記加圧焼結工程において、前記雰囲気温度Ｔ［℃］および前記圧力Ｐ［ｋｇ／ｃｍ²］の組み合わせを表わすプロットが、４本の線分Ｔ＝１４００（２０≦Ｐ≦１００）、Ｐ＝２０（１４００≦Ｔ≦１６５０）、Ｐ＝１００（１４００≦Ｔ≦１５００）およびＰ＝−０．５３３Ｔ＋９００（１５００≦Ｔ≦１６５０）により囲まれている第１所定範囲に含まれるように、前記雰囲気温度Ｔおよび前記圧力Ｐを制御することを特徴とする。

前記加圧焼結工程において、前記雰囲気温度Ｔ［℃］および前記圧力Ｐ［ｋｇ／ｃｍ²］の組み合わせを表わすプロットが、４本の線分Ｐ＝６０（１５５０≦Ｔ≦１５７５）、Ｐ＝１００（１４００≦Ｔ≦１５００）、Ｐ＝−０．２７Ｔ＋４７８（１４００≦Ｔ≦１５５０）およびＰ＝−０．５３３Ｔ＋９００（１５００≦Ｔ≦１５７５）により囲まれている第２所定範囲に含まれるように、前記雰囲気温度Ｔおよび前記圧力Ｐを制御することが好ましい。

本発明のセラミックス接合体によれば、接合部がセラミックス焼結体または母材と同一組成であるため、複数のセラミックス焼結体と同程度の耐食性を当該接合部に持たせることができる。また、接合部におけるボイドの存在率が調節されていることにより接合部の弾性率等、応力緩和に関連する特性の向上が図られ、セラミックス接合体の局所的な加熱による当該接合部の変形量の低減が図られる。

このため、本発明のセラミックス接合体は、各種装置の構成部品としての汎用性があり、特に高い耐食性及び高純度材料からなることが要求される半導体製造装置の構成部品などに適用されうる。

例えば、本発明のセラミックス接合体が、局所的に腐食性流体又はプラズマ雰囲気等に曝されかつ加熱されるような環境下で半導体製造装置の構成部品として用いられた場合、接合部の腐食が抑制されることによって当該構成部品の長寿命化が図られる。これに加えて、構成部品がウエハ載置部分に用いられている場合、セラミックス接合体の変形が抑制されることによってウエハ処理時の不良発生頻度が著しく低減されうる。その結果、製品の歩留まり向上、ひいては、装置のメンテナンス頻度を低下させ、装置のランニングコストの低下（生産効率の向上）にも寄与し得る。

本発明のセラミックス接合体の構成の概念説明図。 接合強度の測定方法に関する説明図。 平面度の測定方法に関する説明図。 接合層（接合部）の定義に関する説明図。 ボイド存在率の測定方法に関する説明図。 接合体の製造条件に関する説明図。

（セラミック接合体の製造方法）
原料粉末に対して、アルコール又は水、有機バインダー及び可塑剤が添加された上でこれらが混合されることによりスラリーが調整され、スラリーがスプレードライされることにより原料顆粒が得られる。原料顆粒がＣＩＰ等により成形されることにより成形体が作製される。そして、所定温度で所定時間にわたって焼成されることで、セラミックス焼結体が作製される。複数の焼結体同士の接合面は、研削加工等の加工により形成又は形状調節されてもよい。表面粗さは、できる限り平滑である方が接合には好ましいが、生産性や加工コストの観点から、一般的な研削面程度（Ｒａ０．７［μｍ］程度）が望ましい。

半導体装置で使用されるガス分散板として使用されるような部品にはアルミナ、冷却板として使用されるような部品には炭化ケイ素又は窒化アルミ、天板として使用されるような部品にはアルミナ又はイットリアなどが原料として採用される。

焼結体と同一組成の原料粉末に対して、バインダー及び可塑剤が添加された上で混合されることによりペーストが作製される。複数のセラミックス焼結体の接合面の一方又は両方に対してペーストが印刷により均一に塗布される。接合部の構成要素として、焼結体の接合面に対してペーストに代えてスラリーが塗布されてもよく、グリーンシートが設置されてもよい。

また、接合材の厚みは、接合後の接合層厚みで、５［μｍ］以上となるように調節するのが好ましく、更に好ましくは１０〜６０［μｍ］程度がより好ましい。これは、薄すぎると、変形に対する緩衝効果が小さく、厚すぎると強度の著しい低下を招く原因となる可能性が考えられるためである。

接合材の塗布後、ペーストが適当な温度（例えば１００［℃］）で乾燥される。大気雰囲気下で適当な温度（例えば５００［℃］程度の温度）で脱脂処理が施されてもよい。

接合材が塗布された焼結体の接合面同士が貼り合わせられた上で、固定された状態で、非酸化雰囲気の下、加圧焼結される。この際の雰囲気温度Ｔ［℃］および圧力Ｐ［ｋｇ／ｃｍ²］の組み合わせを表わすプロットが、第１所定範囲Ｃ１に含まれるように、雰囲気温度Ｔおよび圧力Ｐが制御される（図６参照）。第１所定範囲Ｃ１は、図６に一点鎖線で示されている４本の直線線分Ｔ＝１４００（２０≦Ｐ≦１００）、Ｐ＝２０（１４００≦Ｔ≦１６５０）、Ｐ＝１００（１４００≦Ｔ≦１５００）およびＰ＝−０．５３３Ｔ＋９００（１５００≦Ｔ≦１６５０）により囲まれている。

雰囲気温度Ｔ［℃］および圧力Ｐ［ｋｇ／ｃｍ²］の組み合わせを表わすプロットが、第１所定範囲Ｃ１の一部である第２所定範囲Ｃ２に含まれるように、雰囲気温度Ｔおよび圧力Ｐが制御されることが好ましい（図６参照）。第２所定範囲Ｃ２は、図６に二点鎖線で示されている４本の直線線分Ｐ＝６０（１５５０≦Ｔ≦１５７５）、Ｐ＝１００（１４００≦Ｔ≦１５００）、Ｐ＝−０．２７Ｔ＋４７８（１４００≦Ｔ≦１５５０）およびＰ＝−０．５３３Ｔ＋９００（１５００≦Ｔ≦１５７５）により囲まれている。

前記工程を経て、図１に示されているように、第１セラミックス焼結体１１及び第２セラミックス焼結体１２がボイド１００を有する接合層１０を介して接合されているセラミックス接合体１が製造される。

接合層にボイドを発生させる要因としては、加圧焼結時のセラミックス焼結体の雰囲気温度Ｔおよび圧力Ｐのほか、セラミックス焼結体の接合面の表面粗さ（大きい方がボイド発生）、接合材に含まれる残留有機物量（バインダー等、多い方がボイド発生）、接合材に使用する原料粒子径、接合材の形成手法および材料種などが挙げられる。

（実施例）
アルミナ質焼結体（母材）同士が接合されることより、アルミナ質セラミックス接合体が製造された。具体的には、まず、純度９９．９９％以上のアルミナ粉末に対して、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）、有機バインダー及び可塑剤が添加された上でこれらが混合され、スプレードライ法によりアルミナ顆粒が得られた。顆粒がＣＩＰにより成形されることにより成形体が作製され、当該成形体が所定の焼成温度で６時間にわたり常圧焼成された。これにより、相対密度９９％以上のアルミナ質焼結体が得られた。

２つの焼結体が、表面粗さがＲａ０．７［μｍ］になるように研削加工された。

雰囲気温度Ｔおよび圧力Ｐの組み合わせが、表１に示されているように制御されることにより、実施例１〜１０のそれぞれのセラミックス接合体が製造された。図６に示されているように、実施例１〜１０のそれぞれのセラミックス接合体の製造条件である雰囲気温度Ｔおよび圧力Ｐの組み合わせを表わすプロット（実施例の数番を表わす丸付き数字）は、第１所定範囲Ｃ１に含まれている。実施例４、７および８のそれぞれのセラミックス接合体の製造条件である雰囲気温度Ｔおよび圧力Ｐの組み合わせを表わすプロット（実施例の数番を表わす二重丸付き数字）は、第２所定範囲Ｃ２に含まれている。

接合体の形状および加工内容は、各評価項目に応じて調節された。具体的には、接合強度測定用の接合体の形状は、４×３×片側母材厚み２０［ｍｍ］（全長４０［ｍｍ］＋接合層）に調節され、平面度測定用の接合体の形状は、φ２００×片側母材厚み２［ｍｍ］（全厚４［ｍｍ］＋接合層）に調節され、ボイド存在率測定用の接合体の形状は、片側母材厚み４［ｍｍ］（全厚８［ｍｍ］＋接合層）×１０［ｍｍ］に調節され、当断接合体には面研磨加工が施された。

各実施例のセラミックス接合体の接合強度は、ＪＩＳ Ｒ１６２４ ファインセラミックス接合の曲げ強さ試験方法にしたがって評価された。具体的には、図２に示されているように、焼結体１１及び１２のそれぞれが、その対向方向（図左右方向）に対して垂直な方向（図上下方向）について、一方の側（下側）において接合層１０（接合部）から遠い箇所で支持されている状態で、他方の側（上側）において接合層１０に近い箇所で荷重が掛けられ、接合体１が（接合層１０において）割れた際の当該荷重が計測された。接合強度は、接合層を有していないセラミックス焼結体を基準（１００％）として表現されている。

実施例１〜４のセラミックス接合体の変形量（平面度変化量）は、光学計測機器が用いられ、図３に示されているように接合体１が一方の主面側で加熱されている一方、他方の主面側で冷却（自然冷却）されている状況下で評価された。

各実施例のセラミックス接合体の接合層内のボイド存在率の測定は、黒面積計算ソフトを用いた画像解析にて、領域内のボイド面積比率を評価した。具体的には、以下に記す方法にて算出した。

「接合層」とは、図４（ａ）および（ｂ）のそれぞれに示されているように、セラミック焼結体１１および１２の接合方向（上下方向）について、横方向に並んでいる、最も端（上端および下端）の複数のボイドからなるボイド列の位置を示す一対の境界線により挟まれている領域を意味する。電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて極力ボイドのエッジがフラッシュしない条件でサンプルが撮像される。観察倍率は、観察画面に対して母材１１および１２と接合層の比が、２:１（母材：接合層）程度になる倍率が好ましい。同様に異なる１０箇所においてサンプルが撮像される。図５（ａ）〜（ｄ）には、ボイド存在率が異なる複数の撮像画像が例示されている。

後述のように処理された画像から接合層１０の厚みｔが計測され、この厚みｔの２倍の間隔２ｔを長辺とする矩形状領域Ｉが定義される（図４（ａ）（ｂ）太線矩形参照）。

図画像処理ソフトの画像調整機能にしたがって、ボイドのエッジ強調処理等、ボイド１００とそれ以外の部分との識別を容易化するための予備処理が当該領域Ｉの撮像画像に施される。その上で、当該画像がさらに２値化処理され、ボイド部分およびそれ以外の部分が識別される。黒面積計算ソフトの機能にしたがって、２値化画像の黒部分の面積と黒面積比率が算出される。同一サンプルの１０箇所における撮像画像について、当該算出値の平均値がボイド存在率として評価された（数値誤差：測定値±１０%程度）。

図５（ａ）〜（ｄ）に示されているセラミックス接合体の接合部を含む撮像画像から求められたボイド存在率は、２３．１％、１５．２％、３．３％および２．８％のそれぞれであった。

表１には、実施例１〜１０のそれぞれのセラミックス接合体の評価結果が接合条件とともにまとめて示されている。

表１から次のことがわかる。実施例１〜１０のそれぞれのセラミックス接合体の接合層におけるボイドの存在率が２〜３０％の範囲にあり、かつ、複数のセラミックス焼結体１１および１２の同士の接合強度が、当該セラミックス焼結体（単体）の強度に対して２５〜８０［％］の範囲にあること。実施例１〜４のそれぞれのセラミックス接合体の変形量が２〜１０［ｍｍ］の範囲にあること。

特に、製造条件が第２所定範囲Ｃ２に含まれる実施例４、７および８（図６参照）のそれぞれのセラミックス接合体の接合部１０におけるボイド存在率が３〜５％と低く、かつ、接合強度が８０％と高いこと。

（比較例）
雰囲気温度Ｔおよび圧力Ｐの組み合わせが、表２に示されているように制御されることにより、比較例１〜１１のそれぞれのセラミックス接合体が製造された。図６に示されているように、比較例１〜１１のそれぞれのセラミックス接合体の製造条件である雰囲気温度Ｔおよび圧力Ｐの組み合わせを表わすプロット（比較例の数番を表わす三角付き数字）は、第１所定範囲Ｃ１からはずれている。

表２には、実施例１〜１０のそれぞれのセラミックス接合体の評価結果が接合条件とともにまとめて示されている。

表２から次のことがわかる。比較例１〜３では、セラミックス焼結体１１および１２の接合に必要な温度が不足しているため、接合体を得ることができないこと。比較例４、６および９のそれぞれのセラミックス接合体においてはセラミックス焼結体１１および１２の接合強度が弱く、変形量の評価試験に際して加熱による反りに耐えられなくなり、接合界面から焼結体１１および１２が剥離したこと。

比較例５、７および８のそれぞれのセラミックス接合体の接合層におけるボイドの存在率が３％より小さく（殆ど存在しない）、接合層による複数のセラミックス焼結体同士の接合強度が、当該セラミックス焼結体の強度に対して８０［％］より高く、かつ、変形量が１０［ｍｍ］より大きいこと（すなわちセラミックス焼結体単体と同様の性質を示していること）。比較例１０および１１では、焼結温度が過度に高温となり、セラミックス焼結体（母材）自体に著しい粒成長が発生し、これによる母材自体の気孔の増加、接合の段階での大きな変形、及び表面の一部が溶融（メルト）してしまい、良好な接合体が得られないこと。

１‥セラミックス接合体、１０‥接合層（接合部）、１１‥第１セラミックス焼結体、１２‥第２セラミックス焼結体、１００‥ボイド。

Claims (4)

1. 同一組成の複数のセラミックス焼結体が接合部を介して接合されているセラミックス接合体であって、
   前記接合部が前記セラミックス焼結体と同一組成であり、かつ、前記接合部におけるボイドの存在率が３〜３０％の範囲に含まれていることを特徴とするセラミックス接合体。
2. 請求項１記載のセラミックス接合体において、前記接合部におけるボイドの存在率が３〜５％の範囲に含まれていることを特徴とするセラミックス接合体。
3. 請求項１記載のセラミックス接合体の製造方法であって、
   前記複数のセラミックス焼結体を作製する工程と、
   前記複数のセラミックス焼結体を構成するセラミックスと同種のセラミックス粒子を含む接合材を調整する工程と、
   前記複数のセラミックス焼結体が前記接合材をはさんでいる状態で、前記複数のセラミックス焼結体の雰囲気温度を制御し、かつ、前記複数のセラミックス焼結体が相互に近接するように前記複数のセラミックス焼結体に圧力を加える加圧焼結工程と、を含み、
   前記加圧焼結工程において、前記雰囲気温度Ｔ［℃］および前記圧力Ｐ［ｋｇ／ｃｍ²］の組み合わせを表わすプロットが、４本の線分Ｔ＝１４００（２０≦Ｐ≦１００）、Ｐ＝２０（１４００≦Ｔ≦１６５０）、Ｐ＝１００（１４００≦Ｔ≦１５００）およびＰ＝−０．５３３Ｔ＋９００（１５００≦Ｔ≦１６５０）により囲まれている第１所定範囲に含まれるように、前記雰囲気温度Ｔおよび前記圧力Ｐを制御することを特徴とするセラミックス接合体の製造方法。
4. 請求項３記載の方法において、
   前記加圧焼結工程において、前記雰囲気温度Ｔ［℃］および前記圧力Ｐ［ｋｇ／ｃｍ²］の組み合わせを表わすプロットが、４本の線分Ｐ＝６０（１５５０≦Ｔ≦１５７５）、Ｐ＝１００（１４００≦Ｔ≦１５００）、Ｐ＝−０．２７Ｔ＋４７８（１４００≦Ｔ≦１５５０）およびＰ＝−０．５３３Ｔ＋９００（１５００≦Ｔ≦１５７５）により囲まれている第２所定範囲に含まれるように、前記雰囲気温度Ｔおよび前記圧力Ｐを制御することを特徴とするセラミックス接合体の製造方法。