JP4739774B2 - セラミック焼結体接合装置及びセラミック焼結体接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、板状の第１のセラミック焼結体と、円筒状部及び鍔部を有する第２のセラミック焼結体とを接合する装置又はそのような第１のセラミック焼結体と第２のセラミック焼結体とを接合する方法に関する。

板状のセラミック焼結体と、円筒状部及び鍔部を有するセラミック焼結体とを接合したセラミック接合体は、さまざまな分野で使用されており、例えば、半導体製造装置では、半導体ウエハを保持しかつ電熱線ヒータが埋設されている板状のセラミック焼結体に、電熱線ヒータに電気を供給するための電線を通す円筒状のセラミック焼結体を接合したものが使用されている。

このような、板状セラミックスと円筒状セラミックスとを接合する装置及び方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１６５７７９号公報

しかしながら、従来の接合装置及び方法では、高温かつ高荷重下で接合が実施された後に、接合対象であるセラミックスの表面に色むらが発生してしまう。色むらは、商品価値をおとすばかりでなく、たとえばセラミックヒータにおいては色むらにより放射率が部分的に変化するため、均熱性を悪化させる原因になる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その第１の特徴は、板状の第１のセラミック焼結体と、円筒状部及び鍔部を有する第２のセラミック焼結体とを接合する装置であって、（１）第１のセラミック焼結体を載置可能な非炭素系材料からなる台座と、（２）第１のセラミック焼結体の平面部と第２のセラミック焼結体の鍔部との接合面に付与する荷重を発生可能な荷重発生手段と、（３）第２のセラミック焼結体を包囲可能で、かつ鍔部に荷重を伝達可能な第１の荷重伝達部材と、（４）第１のセラミック焼結体の平面部と第２のセラミック焼結体の鍔部との接合面を加熱可能な加熱手段と、（５）第１のセラミック焼結体又は第２のセラミック焼結体の少なくとも一方の少なくとも一部を包囲可能な非炭素系材料を含むカバーと、を備えるセラミック焼結体接合装置であって、カバーとして、第１のセラミック焼結体及び第２のセラミック焼結体を包囲可能で、第１の荷重伝達部材を出し入れ可能な開口部を有し、かつ少なくとも内側部材が非炭素系材料からなる容器を備えることにある。

非炭素系材料としては、例えば窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などが使用できる。荷重発生手段としては、例えば重鎮や油圧シリンダなどが使用できる。

本発明の第２の特徴は、第１の特徴を備えるセラミック焼結体接合装置であって、（１）カバーとして、非炭素系材料からなる第１の荷重伝達部材を有し、（２）さらに、荷重発生手段と第１の荷重伝達部材との間に配置され、荷重発生手段の荷重を第１の荷重伝達部材に伝達可能な第２の荷重伝達部材を備えることにある。

本発明の第３の特徴は、第１の特徴を備えるセラミック焼結体接合装置であって、開口部に装着可能であり、内径が第１の荷重伝達部材の外径より大きく、開口部の端面と第１の荷重伝達部材との間隙に配置可能な、非炭素系材料からなる蓋をさらに備えることにある。

第１の特徴によれば、焼結体接合時に炭素系ガス（ＣＯ）が発生し、第１のセラミック焼結体や第２のセラミック焼結体に触れることにより、セラミック表面に窒化イットリウムが発生するのを防止することによって、これら焼結体表面の変色を抑制することができる。また、第１のセラミック焼結体及び第２のセラミック焼結体の全体を非炭素系材料で覆うことによって、第１のセラミック焼結体及び第２のセラミック焼結体の接合部近傍も炭素系ガスから守ることができ、かかる接合部近傍及び第１のセラミック焼結体の変色を防止することができる。

第２の特徴によれば、第２のセラミック焼結体を覆う第１の荷重伝達部材及び第２の荷重伝達部材という第２のセラミック焼結体の近傍に配置される部材からの炭素系ガスの発生を防止できると共に、他の部材から発生した炭素系ガスが第２のセラミック焼結体に触れることを防止することによって、第２のセラミック焼結体表面の変色をより効果的に抑制することができる。

第３の特徴によれば、炭素系ガスが進入しやすい、開口部を着脱可能な小型の非炭素系材料からなる部材とすることによって、より色むら発生防止に有効である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態、実施例を説明するが、本発明はこれらの実施の形態、実施例に限定されるものではない。

図１に実施例１のセラミック焼結体接合装置を示す。図１に示すように、セラミック焼結体接合装置１００は、円盤状の１次プレート（第１のセラミック焼結体）１０１と、円筒状部及び鍔部を有するシャフト（第２のセラミック焼結体）１０２とを接合する装置であって、（１）１次プレートを載置可能なＢＮからなる台座１０４と、（２）シャフト１０２を包囲可能で、かつシャフトのフランジ（鍔部）１０２ａに荷重を伝達可能なＢＮからなる荷重筒（第１の荷重伝達部材）１０５と、（３）荷重筒１０５に荷重を加える重鎮（荷重発生手段）１０６と、（４）重鎮１０６と荷重筒１０５との間に配置され、重鎮１０６の荷重を荷重筒１０５に伝達可能なＢＮからなるパンチ（第２の荷重伝達部材）１０７と、（５）１次プレート１０１の平面部とフランジ１０２ａとの接合面を加熱可能なヒータ（加熱手段）１０８とを備える。実施例１のセラミック焼結体接合装置１００は、ヒータ１０８に通電する電源装置１０９と、金属製容器１１０と、金属製容器１１０内にガスを供給したり、容器１１０のガスを排出するためのガス排気封入装置１１１、金属製容器１１０の内側に成形断熱材１１２をさらに備える。

＜１次プレートの作成＞
１次プレートの作成について説明する。イットリアを５重量％添加したＡｌＮ原料にＭｏコイル状発熱体を埋設し、プレス成形して直径３５０ｍｍ、厚さ５０ｍｍの成形体を作成した。この成形体を０．５kg/cm^２Ｇ（４９ｋＰａ）の窒素雰囲気下において、最高温度１９１０℃（２１８３Ｋ）、最高温度キープ時間６時間、圧力２００kg/cm^２（１．９６×１０^７Ｐａ）でホットプレス焼成した。平面研削盤、円筒研削盤を用いて焼成体から１次プレートを作成した。その後、１次プレートの表面に凸部を設けた。凸部の形状は、外径８０ｍｍ、内径５９ｍｍ、高さ１．６ｍｍとした。凸部の表面はラップ加工を行い、表面粗さ（算術平均粗さＲａ）０．５μm、平面度０．８μmに仕上げた。

＜シャフトの作成＞
シャフトの作成について説明する。イットリアを５重量％添加したＡｌＮ原料を、中芯をセットしたゴム型内に充填し、圧力５トンでＣＩＰ（冷間静水圧プレス）成形し、焼成時の収縮率分を割り掛けた寸法となるように乾式加工し、０．５kg/cm^２Ｇ（４９ｋＰａ）の窒素雰囲気下において焼成して、内径５９ｍｍ、外径８０ｍｍ、長さ１７０ｍｍのシャフトを得た。このシャフトの端面を、１次プレートと同様に、ラップ加工を実施し、表面粗さ（算術平均粗さＲａ）０．２μｍ、平面度０．３μｍに仕上げた。

＜１次プレートとシャフトの接合＞
このようにして作成した１次プレートとシャフトとの接合界面に硝酸イットリウムを塗布し、シャフトと１次プレートの接合箇所の位置決めをおこない、１００℃（３７３Ｋ）の乾燥機で１時間乾燥した。

次に、図１に示す状態となるように、１次プレート１０１、シャフト１０２等を金属製容器１１０内にセットし、ガス排気封入装置１１１により容器１１０内のガスを排気後、窒素を封入して窒素０．５ｋｇ／ｃｍ＾２・Ｇとする。また、重鎮１０６は、フランジ１０２ａにかかる荷重が０．６ｋｇ／ｃｍ＾２となるようにする。電源装置１０９により通電してヒータ１０８を発熱させ、１次プレート１０１とシャフト１０２との接合面を加熱する。この時、昇温速度は、１次プレート１０１とシャフト１０２の外周部と中央部の温度差が５０Ｋ以上とならないように、４００℃／時間以下の速度で１８５０℃まで昇温し、この状態を１時間保持する。その後、温度を徐々に下げて、１次プレート１０１にシャフト１０２を接合したセラミック接合体を得ることができる。

本発明によれば、ＢＮ製の荷重筒によって１次プレート１０１とシャフト１０２との接合部に荷重を加えるとともに、シャフト１０２の周囲をＢＮ製の荷重筒１０５によって覆うようにしたことから、従来例と比較して筒状セラミック焼結体５２の表面の変色を抑えることができた。

図２に実施例２のセラミック焼結体接合装置２００を示す。実施例２の接合装置２００は、実施例１の接合装置１００と同様に、台座１０４と、荷重筒（第１の荷重伝達部材）１０５と、重鎮（荷重発生手段）１０６と、パンチ（第２の荷重伝達部材）１０７と、ヒータ（加熱手段）１０８と、電源装置１０９と、金属製容器１１０と、ガス排気封入装置１１１を備える。

さらに、実施例２の接合装置２００は、図２に示すように、台座１０４及び荷重筒１０５を包囲可能であって、荷重筒１０５を出し入れ可能な開口部２１０ｄを有し、かつ少なくとも内側部材２１２がＢＮなどの非炭素系材料からなる鞘（容器）２１０を備える。

また、図２に示すように、開口部２１０ｄの端面２１２ｅもＢＮなどの非炭素系材料からなることが好ましい。開口部２１０ｄの端面２１２ｅと荷重筒１０５とのクリアランスは片側で１mm程度であることが好ましい。

鞘２１０は、例えば円盤状底部２１０ａと円筒状部２１０ｂと中空円盤状（ドーナッツ状）部２１０ｃとからなる。

内側部材２１２又は開口部２１０ｄの端面２１０ｅとして使用可能な非炭素系材料とは、例えば窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などである。

鞘２１０の外面２１１は、鞘に強度を持たせるためにカーボン等によって作成する。なお、ＢＮやその他の非炭素系材料を用いて曲げ強度で１０MPa程度の剛性を有する鞘を作成することができれば、外面２１１は不要である。

接合装置２００を使用する以外は、実施例１と同様にして、１次プレート１０１とシャフト１０２を接合する。

図３に実施例３のセラミック焼結体接合装置３００を示す。実施例３の接合装置３００は、実施例３の接合装置２００と同様に、台座１０４と、荷重筒（第１の荷重伝達部材）１０５と、重鎮（荷重発生手段）１０６と、パンチ（第２の荷重伝達部材）１０７と、ヒータ（加熱手段）１０８と、電源装置１０９と、金属製容器１１０と、ガス排気封入装置１１１と、鞘３１０を備える。

図３に示すように、実施例３の鞘３１０も、台座１０４及び荷重筒１０５を包囲可能であって、荷重筒１０５を出し入れ可能な開口部３１０ｄを有し、少なくとも内側部材３１２がＢＮなどの非炭素系材料からなる。

鞘３１０は、例えば円盤状底部３１０ａと円筒状部３１０ｂと中空円盤状（ドーナッツ状）部３１０ｃとからなる。

実施例３の接合装置３００は、開口部３１０ｄに装着可能であって、内径ｄ１が荷重筒１０５の外径より大きく、開口部３１０ｄの端面３１０ｅと荷重筒１０５の間隙に配置可能な蓋３２０をさらに備える。蓋３２０の内側面と荷重筒１０５とのクリアランスｃ１は片側で１mm程度であることが好ましい。

蓋３２０は、例えば内径ｄ１、外径ｄ２の環状部３２０ａと、内径ｄ１、外径ｄ３の環状部３２０ｂとからなるとしても良い。なお、外径ｄ２は、外径ｄ３よりも大きい。

鞘３１０の開口部３１０ｄに着脱可能な蓋３２０を使用することによって、以下の効果が得られる。第１の効果は、開口部の端面と荷重筒１０５とのクリアランスは１ｍｍ程度とすることが好ましいが、中空円盤状部３１０ｃという大きな部材の開口部において高い寸法精度を求めることは困難な場合が多い。しかしながら、蓋３２０という小さな部材に関しては高い寸法精度を得やすい。これにより、クリアランスの精度を上げることができより炭素系ガスの進入を軽微にでき色むら防止に効果が出る。

接合装置３００を使用する以外は、実施例１と同様にして、１次プレート１０１とシャフト１０２を接合する。

比較例

図１に示した接合装置１００のＢＮ製の荷重筒１０５をカーボン製のものに変更した以外は実施例１と同様にして、１次プレート１０１とシャフト１０２を接合する。

実施例１〜３及び比較例の装置を用いて、１次プレートとシャフトを固相接合した後、外観を観察した。また、ヘリウムリークディテクター（島津製作所 MSE-2000）を用いて、１次プレートとシャフトとが気密にシールされているかを調べた。さらに、２５ＭＨｚの超音波探傷装置（パナメトリック製 MODEL9100）を用いて、接合界面の状況を観察した。これらの結果を表１に示す。

実施例１〜３及び比較例ともにヘリウムリーク及び接合界面の超音波探傷検査の結果は良好であった。しかし、外観に関しては、色むらわずか（実施例１）、色むら殆ど無し（実施例２）色むら無し（実施例３）と実施例１〜３はいずれも良好であった。しかし、比較例は、シャフト表面に色むらが観察され、総合評価が不良となった。

図４は接合後の接合体の表面状態を示す。図４（Ａ）左側の接合体は比較例のものであり、図４（Ａ）右側の接合体は実施例３のものである。また、図４（Ｂ）は比較例のシャフト、図４（Ｃ）は実施例３のシャフトの反射電子写真（日本電子製JSM-5900LVを用いて撮影）である。

図４（Ｂ）の白筋は、イットリアの偏析に起因するものである。図４（Ｃ）には、そのような白筋は写し出されていない。つまり、イットリアは偏析していない。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で改良や変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施例１におけるセラミック焼結体接合装置を示す図である。 本発明の実施例２におけるセラミック焼結体接合装置を示す図である。 本発明の実施例３におけるセラミック焼結体接合装置を示す図である。 接合後の接合体の表面状態を示し、（Ａ）の左側の接合体は比較例を、（Ａ）の右側の接合体は実施例３を示し、（Ｂ）は比較例のシャフト、（Ｃ）は実施例３のシャフトの反射電子写真である。

符号の説明

１００，２００，３００…セラミック焼結体接合装置、
１０１…１次プレート（第１のセラミック焼結体）、
１０２…シャフト（第１のセラミック焼結体）、
１０４…台座、１０５…荷重筒（第１の荷重伝達部材）、
１０６…重鎮（荷重発生手段）、１０７…パンチ（第２の荷重伝達部材）、
１０８…ヒータ（加熱手段）、１０９…電源装置、
１１０…金属製容器、１１１…ガス排気封入装置、
２１０，３１０…鞘、３２０…蓋。

Claims (6)

1. 板状の第１のセラミック焼結体と、円筒状部及び鍔部を有する第２のセラミック焼結体とを接合する装置であって、
   前記第１のセラミック焼結体を載置可能な非炭素系材料からなる台座と、
   前記第１のセラミック焼結体の平面部と前記第２のセラミック焼結体の鍔部との接合面に付与する荷重を発生可能な荷重発生手段と、
   第２のセラミック焼結体を包囲可能で、かつ前記鍔部に前記荷重を伝達可能な第１の荷重伝達部材と、
   前記第１のセラミック焼結体の平面部と前記第２のセラミック焼結体の鍔部との接合面を加熱可能な加熱手段と、
   前記第１のセラミック焼結体又は前記第２のセラミック焼結体の少なくとも一方の少なくとも一部を包囲可能な非炭素系材料を含むカバーと、
   を備え、
   前記カバーとして、前記第１のセラミック焼結体及び前記第２のセラミック焼結体を包囲可能で、前記第１の荷重伝達部材を出し入れ可能な開口部を有し、かつ少なくとも内側部材が非炭素系材料からなる容器を備える、セラミック焼結体接合装置。
2. 請求項１記載のセラミック焼結体接合装置であって、
   前記カバーとして、前記容器のほかに、非炭素系材料からなる前記第１の荷重伝達部材と、前記荷重発生手段と前記第１の荷重伝達部材との間に配置され、前記荷重発生手段の荷重を前記第１の荷重伝達部材に伝達可能な第２の荷重伝達部材とを備える、
   セラミック焼結体接合装置。
3. 請求項１又は２記載のセラミック焼結体接合装置であって、
   前記開口部に装着可能であり、内径が前記第１の荷重伝達部材の外径より大きく、前記開口部の端面と前記第１の荷重伝達部材との間隙に配置可能な、非炭素系材料からなる蓋をさらに備える、
   セラミック焼結体接合装置。
4. 請求項１に記載のセラミック焼結体接合装置の台座に第１のセラミック焼結体を載せ、前記第１のセラミック焼結体上に第２のセラミック焼結体を載せ、第２のセラミック焼結体を包囲可能で、かつ第２のセラミック焼結体の鍔部に荷重を伝達可能な第１の荷重伝達部材を載せ、さらに前記荷重伝達部材の上に荷重発生手段を載せ、前記第１のセラミック焼結体又は前記第２のセラミック焼結体の少なくとも一方の少なくとも一部を非炭素系材料を含むカバーによって包囲した状態で、加熱可能な加熱手段で前記第１のセラミック焼結体と前記第２のセラミック焼結体とを加熱して接合温度まで昇温させる、セラミック焼結体接合方法であって、
   前記カバーとして、前記第１のセラミック焼結体及び前記第２のセラミック焼結体を包囲可能で、前記第１の荷重伝達部材を出し入れ可能な開口部を有し、かつ少なくとも内側部材が非炭素系材料からなる容器を用いる、セラミック焼結体接合方法。
5. 請求項４記載のセラミック焼結体接合方法であって、
   前記カバーとして、前記容器のほかに、非炭素系材料からなる前記第１の荷重伝達部材を用い、さらに、前記カバーとして、前記荷重発生手段と前記第１の荷重伝達部材との間に前記荷重発生手段の荷重を前記第１の荷重伝達部材に伝達可能な第２の荷重伝達部材を配置する、セラミック焼結体接合方法。
6. 請求項４又は５に記載のセラミック焼結体接合方法であって、
   前記開口部に装着可能であり、内径が前記第１の荷重伝達部材の外径より大きく、非炭素系材料からなる蓋を前記開口部の端面と前記第１の荷重伝達部材との間隙に、さらに配置する、セラミック焼結体接合方法。