JP5324969B2

JP5324969B2 - ＳｉＣ接合体

Info

Publication number: JP5324969B2
Application number: JP2009060603A
Authority: JP
Inventors: 昇宮田; 基宏梅津; 良太佐藤
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: JP2010215419A

Description

本発明は、接合層にＳｉとＳｉＣを含むＳｉＣ接合体に関する。例えば、半導体製造でウエハや描画マスクを各種処理する際に、温度調整も可能な固定用治具として用いることができる。

ＳｉＣは耐熱性、耐食性に優れており、半導体製造装置用の部材に多く用いられているが、ＳｉＣは焼結温度が高く、雰囲気も不活性ガス下で行うことから製法上、一体で形成するには大きさに制限がある。そこで、種々の接合技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、嵩密度２．８ｇ/ｃｍ^３以上の常圧焼結ＳｉＣ焼結体同士がＳｉからなる接合部及び常圧焼結ＳｉＣ焼結体の被接合面に開口する開気孔に充填されて接合部と一体のＳｉからなる充填部を介して接合する技術が開示され、粒径０．０５ｍｍの顆粒状のＳｉをエタノールと混合してペースト状としたものや、厚み０．０２ｍｍの板状のＳｉをＳｉＣ焼結体同士の間に介在させて、接合する例が示されている。

また、特許文献２には、二つ以上の炭化ケイ素系部材の被接合面に、炭素源としての樹脂類及びシリコン粉末を含んだスラリーを塗布した後接着し、その後、該接着した炭化ケイ素系部材を、真空或いは不活性雰囲気下において９００〜１３００℃の温度で焼成して樹脂を炭素化し、その後、該炭素化した炭化ケイ素系部材を、真空或いは不活性雰囲気下において１３００℃以上の温度で焼成処理し、シリコンと樹脂からの炭素を反応焼結させて上記被接合面に炭化ケイ素を生成させる炭化ケイ素系部材ＳｉＣ接合体の製造方法が示されている。

また、接合時にＳｉは一旦融点以上に加熱されて液状になるために、例えば内部に溝等の空洞部を有するような接合構造の場合、所望の接合部から空洞部に染み出すことが多く、この対策として特許文献３では、接合部の端部にＣ面をとって染み出したＳｉを捕捉するなどして、歩留り良く接合するための工夫がされている

特開２００２−１４５６７７号公報特開昭６０−１６１３８４号公報特開２００１−２６１４５９号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載された発明のように、金属珪素粉末等を充填して接合したり、板材の金属珪素を接合材として用いたりする方法では、接合部からの染み出しが多いことが問題であった。例えば空洞部を有するＳｉＣ接合体の場合には、溶融して染み出るＳｉの量を制御できないことから、染み出しにより空洞部の形状精度が得られなかったり、空洞が埋まったりといった問題が生じていた。

このような空洞部を有するＳｉＣ接合体は、例えば、被処理物を載置して、その温度を調整する部材として用いられる。空洞部には温度調整用の水等の熱媒体が流されるが、空洞部の形状精度が得られないと熱媒体の流量にバラツキが生じるため温度調整が困難になる。

本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、接合強度及び気密性が高く、空洞部を有する場合でも空洞部の形状精度に優れたＳｉＣ接合体を提供する。

本発明は、これらの問題を解決するため、以下に示す（１）〜（３）の発明を提供する。
（１）ＳｉＣ焼結体である被接合材がＳｉとＳｉＣを含む接合層によって接合されるＳｉＣ接合体であって、前記接合層は、前記接合層の中心を含み、前記被接合材に挟まれるとともに、前記接合層の接合方向から見た形状と相似な形状の中央部と、前記中央部に対して前記中央部の全周に渡って隣接し、かつ前記中央部を囲む外周部とからなり、前記接合層のＳｉＣの含有割合であるＳｉＣ／（Ｓｉ＋ＳｉＣ）が前記接合層の中央部と外周部において、中央部のＳｉＣの含有割合＞外周部のＳｉＣの含有割合の関係を有し、前記接合層のＳｉＣの含有割合が前記中央部で０．１〜０．５、前記外周部で０〜０．１であることを特徴とするＳｉＣ接合体。
（２）少なくとも被ＳｉＣ接合材の一方は被接合面に溝を有し、該溝は前記接合層によって画定される空洞部を構成する（１）記載のＳｉＣ接合体。
（３）前記空洞部に熱媒体を流すことにより被処理物の温度を調整する（２）記載のＳｉＣ接合体。

接合強度及び気密性が高く、空洞部を有する場合でも空洞部の形状精度に優れたＳｉＣ接合体を提供することができる。

Ｓｉ接合によるＳｉＣ接合体の概略断面図である。他のＳｉ接合によるＳｉＣ接合体の概略断面図である。本発明のＳｉＣ接合体の概略断面図である。本発明のＳｉＣ接合体の概略平面図である。一方のＳｉＣ焼結体と他方のＳｉＣ焼結体とを示す概略図である。

以下、図面を参照してより詳細に説明する。Ｓｉ接合により得られるＳｉＣ接合体の概略断面図を図１に示した。ＳｉＣ接合体１０は、ＳｉＣ焼結体１１及び１２がＳｉの接合層１３により接合されている。

図１から分かるように、Ｓｉ接合により得られるＳｉＣ接合体は接合層のＳｉとＳｉＣ焼結体の熱膨張係数差（ＳｉＣの熱膨張係数＞Ｓｉの熱膨張係数）により、ＳｉＣ焼結体は表面の中央部がやや凹んだ形状に変形する。その結果、ＳｉＣ接合体の接合層厚みは、中央部が端部に比べて薄くなる傾向にある。こうした挙動により、接合層のＳｉは溶融時に特に中央部近傍で染み出しやすくなる。

図２はＳｉ接合により得られ、中央部に空洞部を有するＳｉＣ接合体の概略断面図である。ＳｉＣ接合体２０には、空洞部への染み出し２３ａが認められる。このように上記現象により、接合により形成した空洞部の幅を縮めたり、あるいは閉塞したりといった問題が引き起こされる。

本発明では、接合層にＳｉに加えてＳｉＣを含ませるとともに、接合層のＳｉＣの含有割合であるＳｉＣ／（Ｓｉ＋ＳｉＣ）が前記接合層の中央部と外周部において、中央部＞外周部の関係を有する構成とすることで上記問題を解決できることを見出した。ここで、ＳｉＣ／（Ｓｉ＋ＳｉＣ）は、ＳｉＣの体積／（Ｓｉの体積＋ＳｉＣの体積）を示す。

図３は、本発明のＳｉＣ接合体の一例を示す概略断面図である。ＳｉＣ接合体３０は、被接合材のＳｉＣ焼結体３１と３２とが、ＳｉとＳｉＣを含む接合層３３によって接合されている。また、ＳｉＣ焼結体３２は被接合面に溝３２ａを有し、溝３２ａは対向する他方の被接合材３１及び接合層３３によって画定される空洞部３４を構成している。

ここで、接合層の中央部と外周部とを図３及び図４を用いて説明する。図３では、接合層の位置について、中心を通る点線Ａ、端部を通る点線Ｃ及び中心と端部の間を通る点線Ｂが表示されている。図３において点線Ａから点線Ｃで示されるＳｉＣ接合体の左側半分の概略断面を用いて、接合層の中央部を表すと、点線Ａから点線Ｂの範囲を中央部ということができる。外周部は、点線Ｂの外側から点線Ｃの範囲とすることができる。図４は、ＳｉＣ接合体の概略平面図である。点Ａを円の中心とする円板形のＳｉＣ接合体４０１の場合は、点Ａを中心とする点線Ｂで示される円までの範囲を中央部、点線Ｂの外側から周端部Ｃまでの範囲を外周部とすることができる。点線Ｂで示される円の半径は、例えば、円板の半径Ｒに対してＲ／２とすることができる。ただし、ＳｉＣ接合体の形状は円板に限らず、ＳｉＣ接合体４０２のように四角板やその他所定の形状を採用することもできる。このような場合、中央部は接合層の形状に対して、例えば相似比１／２の同心相似形とすることができる。

接合層の形状に対する中央部の相似比は、１／２に限定されるものではなくＳｉＣ接合体に形成される空洞部の位置や大きさによって調整できる。相似比の好ましい範囲は、１／３〜２／３である。また、正確に相似形である必要はなく、接合層の中央部を形成する効果が得られる範囲で調整できる。例えば、中央部の一部を上記相似比に相当する範囲で変形しても良い。

本発明では、接合層にＳｉＣが含まれる。接合層がＳｉだけの場合、溶融Ｓｉが低粘性であり、また被接合材のＳｉＣ焼結体が変形するために一箇所で染み出すと余剰のＳｉもそこを通じて流れ出すように染み出してしまう。接合層にＳｉＣを含めて複合化することでＳｉ溶融時の溶融部の粘性を高めるとともに被接合材の変形を小さくすることで、一箇所からの多量な流れ出しによる染み出しを抑えることが可能となる。

接合層のＳｉＣの含有割合（体積割合）であるＳｉＣ／（Ｓｉ＋ＳｉＣ）は、接合層の中央部と外周部において、中央部＞外周部の関係を有する。上述のように、Ｓｉ接合によるＳｉＣ接合体においては、ＳｉＣ焼結体は表面の中央部がやや凹んだ形状に変形し、接合層厚みは中央部が端部に比べて薄くなり、さらに接合層のＳｉは溶融時に特に中央部近傍で染み出しやすくなる。一方、本発明では、接合層にＳｉＣが含まれ、さらに外周部よりも中央部にＳｉＣを多く含ませることで、変形を抑えるとともに染み出しを防ぐことができる。

接合層のＳｉＣの含有割合であるＳｉＣ／（Ｓｉ＋ＳｉＣ）は、中央部で０．１〜０．５とすることが好ましい。このような範囲に調整することで、溶融Ｓｉの局所的な染み出しを抑えることが可能である。内部に溝等の空洞部を有するような接合構造において接合層がＳｉだけの場合、溶融Ｓｉが溝等の空洞部に染み出す際の特徴として、溶融Ｓｉが低粘性であるために一箇所で染み出すと他の余剰Ｓｉもそこを通じて流れ出すように染み出してしまう。従って、接合層がＳｉだけの場合、被接合材の変形によって生じた余剰Ｓｉは限られた部分から多量に溝等の空洞部に染み出して、空洞部の幅を縮めたり溝を閉塞したりといった問題を引き起こす。一方、本発明では、上記範囲で中央部にＳｉＣを含めているので、Ｓｉ溶融時の粘性が高まるとともに変形も小さくなるので、一箇所からの多量な流れ出しによる染み出しを抑えることが可能となる。なお、ＳｉＣの含有割合が大きすぎると、Ｓｉの染み出しは抑制できるものの接合材であるＳｉの絶対量の不足により、接合強度の低減や未接合部が増えることで気密性の低減を起こすために好ましくない。中央部のＳｉＣ含有割合のより好ましい範囲は、０．１５〜０．４０である。

接合層のＳｉＣの含有割合は、外周部で０〜０．１とすることが好ましい。端部に近い外周部では接合後の被接合材であるＳｉＣ焼結体の形状変化が小さく接合層厚みの変化も少ない。そのため、余剰の接合材によって発生する接合材染み出しがほとんど生じない。むしろ、ＳｉＣ接合体の端部近傍の外周部では中心部とは逆に、僅かながらＳｉＣ焼結体間の間隔が広がる傾向にあるために、溶融時に低粘性を示した方が形状変化への追随性を持たせるために好ましい。したがって、外周部のＳｉＣ割合が大きすぎると接合材の粘性が高まることで被接合材の形状変化に対する追随性が弱まることにより未接合部を生じやすくなるので好ましくない。このような点から、外周部のＳｉＣ含有割合は、上記範囲とすることが好ましい。外周部のＳｉＣ含有割合のより好ましい範囲は、０．０１〜０．１０である。

また、本発明のＳｉＣ接合体は、少なくとも被接合材の一方は被接合面に溝を有し、該溝は対向する他方の被接合材及び前記接合層によって画定される空洞部を構成する。上述のように、本発明は、接合によって空洞部が形成されるＳｉＣ接合体に好適である。

図３では、中央部に空洞部が形成された例を示したが、空洞部の位置はこれに限定されるものではなく、接合層の中央部側に限らず外周部側に形成されても良い。接合層の中央部と外周部との関係を上記のようにすることで、溝の位置に拠らず、形状精度に優れ、閉塞の無い空洞部を形成することができる。

本発明は、例えば、半導体製造でウエハや描画マスク等の被処理物を各種処理する際に、その温度調整も可能な固定用治具に好適である。温度調整は、ＳｉＣ接合体の空洞部に熱媒体を流すことにより行うことができる。本発明のＳｉＣ接合体は、空洞部の形状精度に優れているので、空洞部を流れる熱媒体の流水抵抗のバラツキを抑えることができる。したがって本発明のＳｉＣ接合体を被処理物の固定用冶具として用いれば、被処理物の温度を均一化することができる。

次に本発明のＳｉＣ接合体の製造方法について説明する。図５は被接合材であるＳｉＣ焼結体の概略図である。被接合面に流水用等を想定した溝５２ａを形成したＳｉＣ焼結体の円板５２と、通常の研削加工が施されたＳｉＣ焼結体の円板５１を用意する。なお、これらを接合することで図３に示したような被接合面に溝を有する一方のＳｉＣ焼結体と、他方のＳｉＣ焼結体とが接合されたＳｉＣ接合体が得られる。

ＳｉＣ焼結体は、加圧焼結、反応焼結等の公知の方法により作製することができる。被接合面の溝は、エンドミル等を用いたフライス加工、マシニングセンタ等により形成できる。被接合面の加工は、平面研削等を用いることができる。

接合材には、Ｓｉ粉末にＳｉＣ粉末を所定量添加したものを用いる。例えば、アルコール等の有機溶剤を加えてペースト化するなどして、被接合面に分布させやすい形態にしておくことが好ましい。また、仕切り板等を用いて、中央部と外周部とで別々に接合材を充填しても良い。

Ｓｉ粉末としては、純度９７％以上、より好ましくは９９％以上、さらに望ましくは、９９．９％以上の高純度のものを使用することが望ましい。不純物が多いと溶融温度が低下し、染み出し等の不具合が生じるためである。ＳｉＣ粉末としては、平均粒径１〜２０μｍのものを用いることが好ましい。このような範囲であれば、溶融Ｓｉと十分に濡れるので接合層に空隙が発生せず、Ｓｉが溶融したときの粘性低下抑制効果を発揮できる。なお、ＳｉＣ粉末の平均粒径はレーザー回折式粒度分布測定によるメディアン径（Ｄ５０）である。

被接合面への接合材の塗布は、溝を有する円板５２及び溝を有しない円板５１のどちらに行っても良い。どちらの場合であっても、ＳｉＣ接合体の空洞部が接合材によって埋まらないように溝５２ａや、溝に対向する円板５１の表面の一部には、接合材が塗布されないようにする。例えば、スクリーン印刷用のマスクを準備して、ＳｉＣ円板にマスクを設置した後にペースト化された接合材をスクリーン印刷することで、接合が必要な被接合面にのみ接合材を分布させることができる。また、仕切り板やマスクを用いて、粉末状の接合材を充填しても良く、この場合も同様にＳｉＣ接合体の空洞部が接合材によって埋まらないように充填する。

次に、接合材を塗布または充填した上に、もう一方の被接合材を設置する。塗布等された接合材の上に設置される被接合材の厚みによって接合時の加圧力が異なるが、接合をより確実にするために、上に設置される被接合材の重量も加味した上で合計４〜３０ｇ／ｃｍ^２の荷重を加圧力として印加することが好ましい。

これを、減圧雰囲気で接合材中に含まれるＳｉの融点以上に加熱してＳｉを溶融させた後に冷却することで、ＳｉＣ接合体が得られる。接合温度としてＳｉの融点以上であることが必要であるが、温度が高すぎるとＳｉの揮発が促進されて接合材不足を引き起こして好ましくなく、Ｓｉの融点＋５０℃以内の温度で処理されることが好ましい。同様の理由によりＳｉを長時間、溶融状態に曝しておくことは好ましくないため、Ｓｉを融点以上の温度に曝しておくのは１０〜６０分が好ましい。

以下、実施例及び比較例を示して、本発明を説明する。

［実施例１］
図５に示すような２つの円板形状のＳｉＣ焼結体（直径１００ｍｍ、厚み６ｍｍ）を準備した。一方のＳｉＣ焼結体５２の被接合面には断面が縦３ｍｍ、横３ｍｍの貫通溝５２ａが加工されている。

このＳｉＣ焼結体５２の貫通溝５２ａ以外の被接合面に接合材のペーストを塗布した。ＳｉＣ焼結体５２の半径Ｒに対し半径Ｒ／２の円内を中央部とし、その外側を外周部とした。中央部には、接合層のＳｉＣの含有割合ＳｉＣ／（Ｓｉ＋ＳｉＣ）が体積割合で０．２５となるようにＳｉ粉末とＳｉＣ粉末とを混合し、アルコールを加えてペースト化した接合材を接合層厚みが１００μｍになるようにスクリーン印刷して分布させた。続いて外周部には、接合層のＳｉＣの含有割合ＳｉＣ／（Ｓｉ＋ＳｉＣ）が０．０５となるようにＳｉ粉末とＳｉＣ粉末とを混合し、アルコールを加えてペースト化した接合材を接合層厚みが１００μｍになるようにスクリーン印刷して分布させた。

次に塗布した接合材に他方のＳｉＣ焼結体５１を重ねて設置し、さらに全荷重で８ｇ／ｃｍ^２になるように重りを載せて、真空雰囲気中、１４５０℃、２０分間、熱処理した。得られたＳｉＣ接合体の空洞部の両端に継ぎ手を接続できるように切削加工した後、継ぎ手を接続し、空洞部の一端から他端に向かって０．１ｌ／ｍｉｎの流量の水を流したところ、圧力損失は５５ｋＰａであった。ＳｉＣ接合体を切断して空洞部への接合材の染み出しを観察したところ、空洞部の全体にわたり染み出しは見られなかった。

［実施例２〜７］
同様にして表１に示すように接合材の配合を変化させてＳｉＣ接合体を作製し、実施例１と同じ評価をした。

［比較例１〜３］
同様にして表１に示すように接合材の配合を変化させてＳｉＣ接合体を作製し、実施例１と同じ評価をした。

実施例１〜７の各試料は、同等の圧力損失を示した。これらは接合材の染み出しが無く、良好なＳｉＣ接合体が得られた。

一方、比較例１については中央部で接合材の染み出しが見られ、圧力損失も大幅に増加した。比較例２については、中央部の接合不良が原因で未接合に、比較例３では端部の接合材不足で溝部以外からのリークが発生した。

３０ＳｉＣ接合体
３１、３２ＳｉＣ焼結体
３２ａ溝
３３接合層
３４空洞部

Claims

ＳｉＣ焼結体である被接合材がＳｉとＳｉＣを含む接合層によって接合されるＳｉＣ接合体であって、
前記接合層は、前記接合層の中心を含み、前記被接合材に挟まれるとともに、前記接合層の接合方向から見た形状と相似な形状の中央部と、前記中央部に対して前記中央部の全周に渡って隣接し、かつ前記中央部を囲む外周部とからなり、
前記接合層のＳｉＣの含有割合であるＳｉＣ／（Ｓｉ＋ＳｉＣ）が前記接合層の中央部と外周部において、中央部のＳｉＣの含有割合＞外周部のＳｉＣの含有割合の関係を有し、
前記接合層のＳｉＣの含有割合が前記中央部で０．１〜０．５、前記外周部で０〜０．１であることを特徴とするＳｉＣ接合体。
少なくとも被ＳｉＣ接合材の一方は被接合面に溝を有し、
該溝は前記接合層によって画定される空洞部を構成する請求項１記載のＳｉＣ接合体。
前記空洞部に熱媒体を流すことにより被処理物の温度を調整する請求項２記載のＳｉＣ接合体。