JP5869437B2 - Method for joining SiC sintered bodies - Google Patents
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Description
本発明は、SiC焼結体の接合方法に関する。 The present invention relates to a bonding how the SiC sintered body.
SiC焼結体は、高強度かつ高剛性であることから、半導体製造プロセスの各種処理時にウエハ、描画マスクなどを固定する際の固定治具などとして広く用いられている。このような固定治具は、温度調整用の熱媒体を流す溝が内部に設けられている。内部に溝を設けるには、接合面に溝を形成したSiC焼結体を接合する必要がある。 Since the SiC sintered body has high strength and high rigidity, it is widely used as a fixing jig for fixing a wafer, a drawing mask, etc. during various processes in the semiconductor manufacturing process. Such a fixing jig is provided with a groove through which a heat medium for temperature adjustment flows. In order to provide a groove inside, it is necessary to join a SiC sintered body having a groove formed on the joint surface.
粉末状、板状などのSiをSiC焼結体の間に挟んでSiの融点以上で熱処理することによって、SiC焼結体を接合することがある。接合時にSiは融点以上に加熱されて液状になるため、溝を有する場合、Siが溝に染み出すことが多い。そこで、特許文献1には、接合面の端部にC面加工を施すことにより、染み出したSiを捕捉して、Siの溝への染み出しを防止することが開示されている。
The SiC sintered body may be joined by sandwiching Si in powder form or plate-like shape between the SiC sintered bodies and heat-treating at a melting point of Si or higher. Since Si is heated to a melting point or higher during bonding and becomes liquid, when it has grooves, Si often oozes into the grooves. Thus,
しかし、溶融したSiの流動を制御することは困難であるので、接合層の厚み、幅などを一定にすることは非常に困難である。その結果、溝の断面積が各部で一定でなくなり、熱媒体を溝に流した際に場所ごとの流量を完全に制御することが難しく、厳密な温度調整をすることが困難であった。従って、接合層の厚み、幅などにばらつきがなく、結果として溝の断面積にばらつきのない構造体を得られるような接合法が望まれていた。 However, since it is difficult to control the flow of molten Si, it is very difficult to make the thickness and width of the bonding layer constant. As a result, the cross-sectional area of the groove is not constant in each part, and it is difficult to completely control the flow rate at each place when a heat medium is passed through the groove, and it is difficult to perform precise temperature adjustment. Therefore, there has been a demand for a bonding method in which there is no variation in the thickness and width of the bonding layer, and as a result, a structure having a uniform cross-sectional area of the groove can be obtained.
そこで、Siなどの接合材を介することなくSiC焼結体の接合面同士を直接接触させた状態で加熱加圧することによって、SiC焼結体を接合することがある。 Therefore, the SiC sintered body may be joined by heating and pressing in a state where the joining surfaces of the SiC sintered body are in direct contact with each other without using a joining material such as Si.
しかしながら、SiC焼結体の接合面同士を直接接触させた状態で加熱加圧して接合する場合、接合面に空隙が生じて良好に接合することができないおそれがあった。接合面に空隙が存在すると、溝に流した熱媒体が漏れ出る。 However, when joining by heating and pressing in a state where the joint surfaces of the SiC sintered bodies are in direct contact with each other, there is a possibility that voids are generated on the joint surface and the joint cannot be performed satisfactorily. If there is a gap in the joint surface, the heat medium that has flowed into the groove leaks out.
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、接合界面に空隙が生じずにSiC焼結体を良好に接合することが可能なSiC焼結体の接合方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these problems, to provide a bonding how the bonding interface can be well bonded to SiC sintered body without causing a gap to a SiC sintered body Objective.
本発明のSiC焼結体の接合方法は、2つのSiC焼結体を準備する工程と、前記SiC焼結体の接合面の最長部寸法をL(mm)としたとき、前記2つのSiC焼結体の接合面をそれぞれ、平面度a(μm)がa≦L/60を満たし、中央部に向って凸形状となるように研磨加工を行う工程と、前記2つのSiC焼結体の接合面を合わせて、前記接合面に0.1MPa以上の圧力で加圧しながら、1500℃以上で10分以上処理する工程とを備えることを特徴とする。 The SiC sintered body joining method of the present invention includes the steps of preparing two SiC sintered bodies, and assuming that the longest dimension of the joining surface of the SiC sintered body is L (mm). Polishing the bonded surfaces of the bonded bodies so that the flatness a (μm) satisfies a ≦ L / 60 and a convex shape toward the center, and bonding of the two SiC sintered bodies And a step of processing at 1500 ° C. or higher for 10 minutes or longer while pressing the joint surfaces with a pressure of 0.1 MPa or higher.
本発明のSiC焼結体の接合方法によれば、接合面が中央部に向って凸形状であるので、熱処理時に接合面の中央部が確実に接触して、接合界面の中央部には空隙が生じ難くなる。そして、凸形状が高過ぎないように、発明を実施するための形態の欄で後述するように平面度a(μm)がa≦L/60を満たしていれば、接合界面の端部にも空隙が生じ難いことが分かった。よって、接合界面に空隙が生じていないSiC接合体を高歩留まりで得ることができる。 According to the bonding method of the SiC sintered body of the present invention, the bonding surface is convex toward the central portion, so that the central portion of the bonding surface is in reliable contact during heat treatment, and there is a gap in the central portion of the bonding interface. Is less likely to occur. If the flatness a (μm) satisfies a ≦ L / 60 so that the convex shape is not too high, as will be described later in the section of the embodiment for carrying out the invention, the end of the joint interface is also formed. It was found that voids were not easily generated. Therefore, it is possible to obtain a SiC bonded body having no voids at the bonding interface with a high yield.
ところで、SiC焼結体の厚さが厚過ぎると、熱処理時に接合面に変形が生じずに、接合界面の端部に空隙が生じるおそれがある。 By the way, when the thickness of the SiC sintered body is too thick, there is a possibility that voids are generated at the end of the bonding interface without deformation of the bonding surface during heat treatment.
そこで、本発明のSiC焼結体の接合方法において、前記SiC焼結体の厚さをt(mm)としたとき、前記平面度a(μm)が、a≦50/tを満たすように前記研磨加工を行う。 Therefore, in the method for joining SiC sintered bodies according to the present invention, when the thickness of the SiC sintered body is t (mm), the flatness a (μm) satisfies a ≦ 50 / t. polished intends line.
この場合、発明を実施するための形態の欄で後述するように、接合界面の端部に空隙が生じないことが分かった。 In this case, as will be described later in the column of the embodiment for carrying out the invention, it has been found that no void is generated at the end of the bonding interface.
また、本発明のSiC焼結体の接合方法において、前記SiC焼結体の焼結温度以下1500℃以上で前記処理を行うことが好ましい。 Moreover, in the joining method of the SiC sintered compact of this invention, it is preferable to perform the said process below 1500 degreeC or more below the sintering temperature of the said SiC sintered compact.
この場合、接合界面での粒成長が抑制され、接合強度の低下を防止することができる。そして、これにより、接合時の変形も抑制することが可能となる。 In this case, grain growth at the bonding interface is suppressed, and a decrease in bonding strength can be prevented. And it becomes possible to also suppress the deformation | transformation at the time of joining by this.
また、本発明のSiC焼結体の接合方法において、前記2つのSiC焼結体の少なくとも一方のSiC焼結体の接合面に溝を形成する工程を備えることが好ましい。 Moreover, in the joining method of the SiC sintered compact of this invention, it is preferable to provide the process of forming a groove | channel in the joining surface of at least one SiC sintered compact of said 2 SiC sintered compact.
この場合、内部に溝を備えたSiC接合体を得ることがきできる。なお、内部の溝は、閉塞空間を形成する溝であっても、外部に連通する溝であってもよい。 In this case, a SiC joined body having a groove inside can be obtained. The inner groove may be a groove forming a closed space or a groove communicating with the outside.
本発明の実施形態に係るSiC焼結体の接合方法について説明する。 The joining method of the SiC sintered compact concerning the embodiment of the present invention is explained.
ここでは、図1(a)に示すように、2つの平板状のSiC焼結体11,12を接合する場合について説明する。
Here, as shown in FIG. 1A, a case where two flat SiC sintered
SiC焼結体11,12は、公知の添加剤、焼結助剤などを必要に応じてSiC原料粉末に添加して、公知の製造プロセスで製造することができる。例えば、焼結助剤としてB4C、Cなどを用いることができる。
The SiC sintered
SiC焼結体11,12は、十分に緻密化したものであることが好ましい。緻密化が不十分では、SiC焼結体11,12が変形して、接合後の内部溝13の形状精度が低下するためである。具体的には、SiC焼結体11,12は、相対密度が95%以上であることが好ましい。
It is preferable that SiC sintered
一方のSiC焼結体12の接合面12aに溝12bを形成する。これにより、SiC焼結体11,12の接合面同士を接合することによって、内部溝13を有するSiC接合体10を得ることができる。
A groove 12b is formed in the
なお、ここでは、一方のSiC焼結体12の接合面12aに溝12bを形成する場合を示したが、これに限定されるものではなく、他方のSiC焼結体11の接合面11aにも溝を形成してもよい。また、SiC焼結体11,12に形成される溝の個数、形状なども限定されない。さらに、何れのSiC焼結体11,12にも溝を形成しなくてもよい。
In addition, although the case where the groove | channel 12b was formed in the joining
SiC焼結体11,12の接合面11a,12aはともに、接合面12aに形成された溝12bを除いて、周囲から中央部に向って滑らかな凸形状に研磨加工する。なお、図面では、厚さ方向が幅方向に対して拡大されており、接合面11a,12aの凸形状が強調されている。接合面は中央部に向って滑らかな凸形状であるので、平面度aは実質的に凸形状の高さを意味している。
Both the joining
接合面11a,12aはともに、その平面度a(μm)は、最長部寸法L(mm)との間に、式(1)の関係を満たす。
a≦L/60 ・・・ (1)
Both the joining
a ≦ L / 60 (1)
なお、最長部とは、例えば、接合面が円形である場合には直径であり、矩形状である場合には対角線である。SiC焼結体11,12は円板、矩形板に限定されず、多角形板など種々の形状の板であってもよい。
The longest part is, for example, a diameter when the joint surface is circular, and a diagonal line when the joint surface is rectangular. The SiC sintered
さらに、接合面11a,12aの平面度a(μm)はともに、SiC焼結体12の厚さt(mm)との間に、式(2)の関係を満たすことが好ましい。
a≦50/t ・・・ (2)
Furthermore, it is preferable that the flatness a (μm) of the
a ≦ 50 / t (2)
接合面11a,12aの研磨加工は、例えば、ラッピング加工により行えばよい。溝12bの加工は、研磨加工の前又は後に行う。SiC焼結体12の焼結前に粗加工しておき、焼結後に溝12bに精度加工を行ってもよい。溝12bは、例えば、エンドミルなどを用いたフライス加工、マシニングセンタを用いた加工などによって形成すればよい。
The polishing of the
接合処理は、接合面11a,12aを合わせて接合面11a,12aに垂直な方向から0.1MPa以上の圧力で加圧しながら1500℃以上で10分以上、熱処理する。なお、熱処理後に、残留応力を除去するためにアニール処理を行ってもよい。
In the joining process, the joining
加圧は、例えば、積み重ねたSiC焼結体11,12の上面に錘を載せる、あるいはホットプレス炉を用いるなどによって、接合面11a,12aに均等に0.1MPa以上の圧力が掛かるように加圧する。なお、接合面11a,12aに垂直な方向とは、略平面としての接合面11a,12aに対する垂直な方向であればよい。加圧力が0.1MPa未満の場合、熱処理時に接合面11a,12a同士の接触が不十分となるため、接合界面に1〜数μmの空隙が発生するので、好ましくない。
The pressurization is performed, for example, by placing a weight on the upper surface of the stacked SiC sintered
熱処理温度は、1500℃以上、特に1500℃〜2000℃の範囲であることが好ましい。熱処理温度が2000℃を超えると、SiC焼結体11,12が軟化して、溝12bの形状が変化する可能性があるので、内部溝13の断面積精度を良好に確保することができないおそれがある。
The heat treatment temperature is preferably 1500 ° C. or more, particularly preferably in the range of 1500 ° C. to 2000 ° C. If the heat treatment temperature exceeds 2000 ° C., the SiC sintered
また、熱処理温度は、SiC焼結体11,12の焼成温度よりも低温とすることが好ましい。これは、粒成長を抑制して、接合強度が低下することを防ぐためである。これにより、接合時の変形も抑制することができ、内部溝13の場所ごとの断面積を一定化することが可能となる。
The heat treatment temperature is preferably lower than the firing temperature of the SiC sintered
一方、熱処理温度が1500℃未満である場合、接合面11a,12aの接触部で物質移動が起きずに、1〜数μmの空隙が接合界面に発生するおそれがある。 On the other hand, when the heat treatment temperature is less than 1500 ° C., mass transfer does not occur at the contact portions of the bonding surfaces 11a and 12a, and a gap of 1 to several μm may be generated at the bonding interface.
処理時間は、10分以上、特に10〜240分であることが好ましい。処理時間が10分未満である場合は、SiC焼結体11,12全体が均一に加熱されずに、局所的に接合界面に空隙が生じるおそれがある。一方、処理時間が240分を超えた場合、一体化反応に及ぼす効果が変わらず、経済的に不利になる。
The treatment time is preferably 10 minutes or more, particularly 10 to 240 minutes. When the processing time is less than 10 minutes, the entire SiC sintered
接合面11a,12aが中央部に向って凹形状、又は平面形状である場合、熱処理時に、特に接合界面の中央部に空隙が生じやすくなる。一方、接合面11a,12aが中央部に向って凸形状であれば、熱処理時に接合面11a,12aの中央部が確実に接触するので、接合界面の中央部には空隙が生じ難くなる。ただし、接合面11a,12aの凸形状が高過ぎると、接合界面の端部に空隙が生じ易くなる。
When the bonding surfaces 11a and 12a are concave or flat toward the center, a gap is likely to be generated particularly at the center of the bonding interface during heat treatment. On the other hand, if the
そこで、後述する実施例及び従来例で述べるように、接合面11a,12aの平面度aがともに、上記式(1)の関係を満たせば、接合界面の端部に空隙が生じないことが分かった。
Therefore, as will be described later in Examples and Conventional Examples, it is understood that if the flatness a of the joining
さらに、SiC焼結体11,12の厚さtが厚過ぎると、熱処理時に接合面11a,12aに変形が生じずに、接合界面の端部に空隙が生じるおそれがある。
Furthermore, if the thickness t of the SiC sintered
しかし、後述する実施例及び従来例で述べるように、接合面11a,12aの平面度aがともに、上記式(2)の関係を満たせば、接合界面の端部に空隙が生じないことが分かった。
However, as will be described later in Examples and Conventional Examples, it is found that if the flatness a of the joining
図1(b)に示すように、SiC焼結体11,12を接合させたSiC接合体10は、内部溝13を有している。そして、接合時に生じる変形が非常に少ないので、内部溝13の場所ごとの断面積は一定となり、内部溝13を流れる熱媒体の流水抵抗のばらつきを抑制することが可能となる。よって、半導体製造プロセスでウエハ、描画マスクなどの被処理物を固定するための冶具としてSiC接合体10を用いた場合、温度調整用の熱媒体を内部溝13に流すことによって、被処理物の温度調整を高精度に均一に行うことが可能となる。
As shown in FIG. 1B, the SiC joined
〔実施例、比較例〕
以下、本発明の実施例及び比較例を具体的に挙げ、本発明を詳細に説明する。
Examples and comparative examples
Hereinafter, the present invention will be described in detail with specific examples and comparative examples of the present invention.
2つのSiC焼結体11,12を周知のプロセスで作製した。具体的には、平均粒径が1μm以下のSiC粉末に、焼結助剤としてB4Cを0.1〜0.5質量%、C(カーボンブラック)を2〜4質量%、成形助剤としてPVAなどのバインダー等を添加したものを原料粉末とした。次に、この原料粉末をスプレードライヤーなどで顆粒化した後にCIP成形した。そして、溝12bを粗加工により形成した後に、アルゴン雰囲気中で2000℃〜2200℃で焼成することによってSiC焼結体11,12を得た。SiC焼結体11,12の相対密度は99.0%であった。
Two SiC sintered
SiC焼結体11,12は、溝12aの有無を除いて同形の円板である。SiC焼結体11,12の直径L及び厚さtは、図2、図3の各欄に記載した。SiC焼結体11,12は円板形状であるので、直径Lが接合面の最長部寸法となる。
The SiC sintered
SiC焼結体11,12の接合面11a,12aをラッピング加工して、接合面11a,12aを中央に向って滑らかな凸形状とした。そして、レーザー干渉式形状測定機を用いて平面度aを測定した。
The joining
SiC焼結体12の接合面12aに、中央部を通って横断する深さ2mm、幅2mm、の溝12bをマシニングセンタを用いて精密加工して形成した。溝12bの寸法を精密に測定した。
A groove 12b having a depth of 2 mm and a width of 2 mm traversing through the central portion was formed on the joining
溝12bの寸法は、溝12bの中央部の断面S3を中心として、溝12bの長手方向に沿って15mmごとの断面S1〜S5における合計5箇所で測定して、その平均値を図2、図3の各欄に記載した。溝12bの深さと幅の積、すなわち断面積のばらつきは0.2%以下であった。なお、ばらつきは、各断面S1〜S5における測定値から算出した5つの断面積の最大値と最小値との差を、算出した5つの断面積の平均値で除算することによって算出した。 The dimensions of the groove 12b were measured at a total of five locations in the cross sections S1 to S5 every 15 mm along the longitudinal direction of the groove 12b with the cross section S3 at the center of the groove 12b as the center. It described in each column of 3. The product of the depth and width of the groove 12b, that is, the variation in cross-sectional area was 0.2% or less. The variation was calculated by dividing the difference between the maximum value and the minimum value of the five cross-sectional areas calculated from the measured values in the cross sections S1 to S5 by the average value of the calculated five cross-sectional areas.
2つのSiC焼結体を、ホットプレス炉で接合面同士を合わせて接合面に垂直な方向から加圧して加熱した状態で、熱処理することによって、SiC接合体を得た。 The two SiC sintered bodies were subjected to heat treatment in a state in which the bonding surfaces were put together in a hot press furnace and pressed from a direction perpendicular to the bonding surfaces and heated to obtain a SiC bonded body.
内部溝13の寸法を、内部溝13の中央部の断面S3を中心として、内部溝13の長手方向に沿って15mmごとの断面S1〜S5における合計5箇所で測定した。各断面S1〜S5での測定値を図2、図3の各欄に記載した。そして、各断面S1〜S5における測定値から算出した5つの断面積の最大値と最小値との差を、算出した5つの断面積の平均値で除算することによってばらつきを算出した。
The dimension of the
〔実施例〕
図2に示すように、全ての実施例1〜10において、上記式(1)及び式(2)を満たしていた。また、熱処理時の処理条件は、全て、処理圧力が0.1MPa以上、加熱温度が1500℃以上、処理時間が10分〜240分であった。
〔Example〕
As shown in FIG. 2, in all Examples 1-10, the said Formula (1) and Formula (2) were satisfy | filled. Moreover, all the processing conditions at the time of heat processing were a processing pressure of 0.1 MPa or more, a heating temperature of 1500 ° C. or more, and a processing time of 10 minutes to 240 minutes.
全ての実施例1〜10において、SiC接合体10の接合界面において空隙を認めることはできなった。
In all Examples 1 to 10, no voids could be observed at the bonding interface of the SiC bonded
また、SiC接合体10の粒径については、断面のSEM観察により、接合前後の平均粒径を測定し、粒成長しているかどうかを調べた。平均粒径は、線インターセプト法により測定したところ、全ての実施例1〜10において、粒成長は認められなかった。
Moreover, about the particle size of the SiC joined
また、全ての実施例1〜10において、内部溝13の断面積のばらつきは1%よりも小さく、内部溝13の形状精度が極めて高いことが分かった。
Moreover, in all Examples 1-10, the dispersion | variation in the cross-sectional area of the
〔比較例〕
図3に示すように、比較例1では、接合面11a,12aの平面度a(μm)がともにL/60(mm)より大きかった。比較例1では、接合界面の端部に近い断面S1及びS5で空隙が観察された。
[Comparative Example]
As shown in FIG. 3, in Comparative Example 1, the flatness a (μm) of the
比較例2では、接合面11a,12aの平面度a(μm)がともに、50/tより大きかった。比較例2では、接合界面の端部に近い断面S1及びS5で空隙が観察された。
In Comparative Example 2, the flatness a (μm) of the
比較例3では、熱処理時の処理温度が1400℃であり、1500℃より低かった。比較例3では、全ての断面S1〜S5で空隙が観察され、接合できていなかった。 In Comparative Example 3, the treatment temperature during the heat treatment was 1400 ° C., which was lower than 1500 ° C. In Comparative Example 3, voids were observed in all the cross sections S1 to S5, and bonding was not possible.
比較例4では、熱処理時の処理時間が5分であり10分より短かった。比較例4では、接合界面の端部に近い断面S1及びS5で空隙が観察された。 In Comparative Example 4, the treatment time during the heat treatment was 5 minutes, which was shorter than 10 minutes. In Comparative Example 4, voids were observed in the cross sections S1 and S5 near the end of the bonding interface.
比較例5では、熱処理時の加圧力が0.05MPaであり、0.1MPaより小さかった。比較例5では、接合界面の端部に近い断面S1及びS5で空隙が観察された。 In Comparative Example 5, the applied pressure during the heat treatment was 0.05 MPa, which was smaller than 0.1 MPa. In Comparative Example 5, voids were observed in the cross sections S1 and S5 near the end of the bonding interface.
比較例6では、接合面11a,12aの平面度a(μm)がともに、L/60(mm)より大きく、且つ50/t(mm)より大きかった。比較例6では、全ての断面S1〜S5で空隙が観察された。
In Comparative Example 6, the flatness a (μm) of the
比較例7では、熱処理温度がSiC焼結体の焼結温度を超えていた。比較例7では、内部溝13の断面積のばらつきは1%よりも大きく、内部溝13の形状精度が悪かった。
In Comparative Example 7, the heat treatment temperature exceeded the sintering temperature of the SiC sintered body. In Comparative Example 7, the variation in the cross-sectional area of the
10…SiC接合体、 11,12…SiC焼結体、 11a,12a…接合面、 12b…溝、 13…内部溝。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記SiC焼結体の接合面の最長部寸法をL(mm)としたとき、前記2つのSiC焼結体の接合面をそれぞれ、平面度a(μm)がa≦L/60を満たし、中央部に向って凸形状となるように研磨加工を行う工程と、
前記2つのSiC焼結体の接合面を合わせて、前記接合面に0.1MPa以上の圧力で加圧しながら、1500℃以上で10分以上処理する工程とを備え、
前記SiC焼結体の厚さをt(mm)としたとき、前記平面度a(μm)が、a≦50/tを満たすように前記研磨加工を行うことを特徴とするSiC焼結体の接合方法。 Preparing two SiC sintered bodies;
When the longest dimension of the bonded surface of the SiC sintered body is L (mm), the flatness a (μm) of the bonded surfaces of the two SiC sintered bodies satisfies a ≦ L / 60, and the center A process of polishing so as to be convex toward the part;
A process of combining the joining surfaces of the two SiC sintered bodies and treating the joining surfaces at a pressure of 0.1 MPa or more and at 1500 ° C. or more for 10 minutes or more ,
When the thickness of the SiC sintered body is t (mm), the polishing is performed so that the flatness a (μm) satisfies a ≦ 50 / t . Joining method.
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