JP6081277B2 - セラミックス接合体、耐熱部品及びセラミックス接合体の製造方法 - Google Patents
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Description
本発明では、複数のセラミックス部品が接合されて得られる高強度のセラミックス接合体を提供することを目的とする。
また、複数のセラミックス部品が接合されて得られる高強度のセラミックス接合体を用いた耐熱部品を提供することを目的とする。
さらに、複数のセラミックス部品が接合されて得られる高強度の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。
また、前記課題を解決するための耐熱部品は、前記記載のセラミックス接合体を用いる。
さらに、前記課題を解決するための本発明のセラミックス接合体の製造方法は、第1の面を有する第1のセラミックス部品と、第2の面を有する第2のセラミックス部品とを、該第1の面と該第2の面とが向き合う空間部を形成するように配置し、
前記空間部に原料ガスを供給し、該空間部を通過して該第1の面または該第2の面に光照射する光CVD法により、第1のセラミックス部品と第2のセラミックス部品を接合するCVDセラミックスからなる接合部を形成する。
本発明において、セラミックス接合体は、第1のセラミック部品、第2のセラミック部品の2部品が組み合わせられ構成されているが、3部品以上が組み合わさって構成されていても良い。
本発明において、一体的とは、ネジなどの機械的接合によるものではなく二つのものが接着して接合していることをさし、材質が互いに異なっていても良い。
本発明のセラミックス接合体は、第1の面を有する第1のセラミックス部品と、第2の面を有する第2のセラミックス部品と、該第1の面と該第2の面とが向き合う領域を充填するCVDセラミックスからなる接合部と、からなる。
すなわち、第1のセラミックス部品と第2のセラミックス部品を接合部で接合することによってセラミックス接合体が得られる。この際、第1のセラミックス部品の第1の面と第2のセラミックス部品の第2の面とが、CVDセラミックスによって接合されている。
本発明のセラミックス接合体は、第1の面と第2の面が接合し、一体的に得ることができるので、セラミックス部品の製造装置にサイズ上の制約がある場合であっても、大きなセラミックス接合体を容易に得ることができる。
光CVD法は、高エネルギー(短波長)の光照射を用いて原料ガスを励起、熱分解してCVDセラミックスを得る方法である。このため母材である第1及び第2のセラミックス部品を加熱することなく接合部が得られる。これには、二つの効果がある。
(1)母材である第1及び第2のセラミックス部品を原料ガスが分解する温度まで加熱する必要がないので大きなCVD加熱炉を必要としない。このため、気密性さえ保持できる反応容器を用いることにより、CVDセラミックスからなる接合部を有するセラミックス接合体を容易に得ることができる。
(2)母材である第1及び第2のセラミックス部品を加熱することなく、かつ高エネルギー(短波長)の光照射を用いて原料ガスを励起、熱分解することにより温度を上げることなくCVDセラミックスからなる接合部を得ることができるので、母材である第1及び第2のセラミックス部品と接合部との間に熱歪みが生じにくく、高強度のセラミックス接合体を得ることができる。
また、第3の面と第4の面は、接合部を挟んで同一平面状にあることが好ましい。第3の面と第4の面は、接合部を挟んで同一平面状にあると、接合部を近傍のセラミックス接合体の外表面はほぼ平面にすることができるので、接合部に応力集中しにくくすることができる。このため高強度のセラミックス接合体を得ることができる。
なお、接合部に充填されたCVDセラミックスの厚さとは、接合部の表面から最も深く充填されたCVDセラミックスまでの距離のことを示し、第1の面と第2の面との距離のことではない。
第1のセラミックス部品が内部にセラミックス繊維を有する複合材であると、高強度のセラミックス接合体を得ることができる。また、第1の面から、セラミックス繊維の端部が接合部内に突出していると、接合部と強固に接合することができる。
Mn+1AXn
(a)Mは、Sc,Ti,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf及びTaからなる群から選択されるいずれかの元素である。
(b)Aは、Al,Si,P,S,Ga,Ge,As,Cd,In,Sn,Ti,Pbからなる群から選択されるいずれかの元素である。
(c)Xは、CまたはNである。
(d)nは、0.5≦n≦3である。
このため、第1のセラミックス部品、第2のセラミックス部品または接合部のいずれかが異なる材質または形態のセラミックスの組合せとなった場合、発生する内部応力を緩和することができる。
なお、第1または第2のセラミックス部品と接合部の形態が異なる場合とは、同じ組成であってもCVDセラミックスと焼結体との組合せとなっている場合も含む。
本発明のセラミックス接合体は耐熱部品として好適に利用することができる。耐熱部品とは、ホットプレス、熱処理炉、半導体製造装置など工業炉の炉壁、内部部材などである。このような工業炉の耐熱部材に本発明のセラミック接合体を用いると、第1及び第2のセラミック部材が接合部で接合され一体的に構成され、高強度であるので、複雑な形状、大きなサイズの耐熱部材にも対応でき好適に利用することができる。
本発明のセラミックス接合体の製造方法は、第1の面を有する第1のセラミックス部品と、第2の面を有する第2のセラミックス部品とを、該第1の面と該第2の面とが向き合う空間部を形成するように配置し、
前記空間部に原料ガスを供給し、該空間部を通過して該第1の面または該第2の面に光照射する光CVD法により、第1のセラミックス部品と第2のセラミックス部品を接合するCVDセラミックスからなる接合部を形成することを特徴とする。
本発明のセラミックス接合体の製造方法によれば、一体的にセラミックス接合体を得ることができるので、セラミックス部品の製造装置にサイズ上の制約がある場合であっても、大きなセラミックス接合体を容易に得られる製造方法を提供することができる。
光CVD法は、高エネルギー(短波長)の光照射を用いて原料ガスを励起、熱分解してCVDセラミックスを得る方法である。このため母材である第1及び第2のセラミックス部品を加熱することなく接合部が得られる。これには、二つの効果がある。
(1)母材である第1及び第2のセラミックス部品を原料ガスが分解する温度まで加熱する必要がないので大きなCVD加熱炉を必要しない。このため、気密性さえ保持できる反応容器を用いることにより、CVDセラミックスからなる接合部を有するセラミックス接合体を容易に得ることができる。
(2)母材である第1及び第2のセラミックス部品を加熱することなく、かつ高エネルギー(短波長)の光照射を用いて原料ガスを励起、熱分解することにより温度を上げることなくCVDセラミックスからなる接合部を得ることができるので、母材である第1及び第2のセラミックス部品と接合部との間に熱歪みが生じにくく、高強度のセラミックス接合体を容易に得ることができる。
第1の被覆部のCVDセラミックスは、接合部のCVDセラミックスと同時に形成することができる。このため、第1のセラミックス部品と第2のセラミックス部品は、接合部だけでなく第1の被覆部でもつなぐことができるので高強度のセラミックス接合体の製造方法を提供することができる。
なお、接合部に充填されたCVDセラミックスの厚さとは、接合部の表面から最も深く充填されたCVDセラミックスまでの距離のことを示し、第1の面と第2の面との距離のことではない。
第1のセラミックス部品が内部にセラミックス繊維を有する複合材であると、高強度のセラミックス接合体を得ることができる。また、第1の面から、セラミックス繊維の端部が接合部内に突出していると、接合部と強固に接合することができる。
第1の面からセラミックス繊維の端部が突出した第1のセラミックス部品は、例えば次のように得ることができる。第1の面をマトリックスが選択的にエッチングされるように処理して得ても良い。またセラミック繊維を内部に有する複合材からなる第1のセラミックス部品にノッチを入れて割った破断面を第1の面としても良い。複合材の破断面は、セラミックス繊維の引き抜きが生じるので、第1の面には突出したセラミックス繊維と、セラミックス繊維が引き抜かれた孔の両方が生じる。また、複合材を形成する際に、マトリックスを部分的に形成し、セラミックス繊維が露出した側面を第1の面としてもよい。
このように、セラミックス繊維の端部が突出している第1の面に光CVD法でCVDセラミックスを成長させると、セラミックス繊維の端部が包み込まれるように接合部を形成することができる。
Mを含有するハロゲン化物、水素化物または炭化水素化物、
Aを含有するハロゲン化物、水素化物または炭化水素化物、及び
Xを含有する有機物、酸化物、窒素、アンモニアまたはアミン類、、
を前記原料ガスとして接合部を形成することが好ましい。
Mn+1AXn
(a)Mは、Sc,Ti,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf及びTaからなる群から選択されるいずれかの元素である。
(b)Aは、Al,Si,P,S,Ga,Ge,As,Cd,In,Sn,Ti,Pbからなる群から選択されるいずれかの元素である。
(c)Xは、CまたはNである。
(d)nは、0.5≦n≦3である。
このため、第1のセラミックス部品、第2のセラミックス部品または接合部のいずれかが異なる材質または形態のセラミックスの組合せとなった場合、発生する内部応力を緩和することができる。
なお、第1または第2のセラミックス部品と接合部の形態が異なる場合とは、同じ組成であってもCVDセラミックスと焼結体との組合せとなっている場合も含む。
TiCl4+CH4+H2→TiC+4HCl (式1)
SiCl4+CH4+H2→SiC+4HCl (式2)
CH3SiCl3+H2→SiC+3HCl (式3)
3TiCl4+SiCl4+2CH4+H2→Ti3SiC2+16HCl (式4)
2TaCl5+2CH4+H2→2TaC+10HCl (式5)
これらの反応では光照射によって原料ガスを励起、分解させCVDセラミックスを得ることができる。
また、反応は、SiCl4、CH4、H2原料ガス、キャリアガスの全圧、3.5Torr、温度700℃、レーザ光としてCO2レーザー(出力250W、単位面積当たりのレーザー出力105Wm−2以上、ビーム径3μm〜100μm)を用い、接合部を形成することができる。
実施の形態1は平面状のセラミックス接合体、実施の形態2は円筒形状のセラミックス接合体、実施の形態3は角パイプ形状のセラミックス接合体である。実施の形態4は平面状のセラミックス接合体であるが、実施の形態1とは第1及び第2のセラミックス部品にセラミックス繊維が含まれる複合材であることが異なる。
このため、実施の形態1では、セラミックス接合体の形状、接合部の形態、製造方法について説明し、実施の形態2、実施の形態3では、主に形状について説明する。実施の形態4では、セラミックス接合体の接合部の形態、製造方法について主に説明する。
図1は、同じ厚さの四角形の平板の側面を接合部で接合した本発明の実施の形態1のセラミックス接合体を示す。
図2(a)は本発明の実施の形態1のセラミックス接合体の接合部近傍のA−A’断面図を示し、(b)〜(d)は実施の形態1の変形例を示す。
図5は、本発明の実施の形態1のセラミックス接合体を得る製造装置である。
図6は、本発明の実施の形態1のセラミックス接合体が得られる過程の説明図であって(a)は、第1及び第2のセラミックス部品を配置した過程、(c)は、第1及び第2のセラミックス部品が接合部で接合された過程、(b)はそれらの中間の過程を示す。
図3(a)は、底面が同一形状、同一サイズの円筒形状の第1のセラミックス部品1及び第2のセラミックス部品2を底面が一致するように接合部3で接合した本発明の実施の形態2のセラミックス接合体100を示す。
図3(b)は、底面が同一形状、同一サイズの角パイプ形状の第1のセラミックス部品1及び第2のセラミックス部品2を底面が一致するように接合部3で接合した本発明の実施の形態3のセラミックス接合体100を示す。
第1のセラミックス部品1及び第2のセラミックス部品2にセラミックス繊維51,52を有する実施の形態4のセラミックス接合体100の断面図である。全体の形状は、実施の形態1と同じである。
2 第2のセラミックス部品
3 接合部
4 空間部
11 第1の面
12 第3の面
21 第2の面
22 第4の面
31 第1の被覆部
32 第2の被覆部
51,52 セラミックス繊維
53,54 セラミックス繊維の端部
91 レーザ光源
92 窓
93 ガス導入口
94 排気口
100 セラミックス接合体
Claims (19)
- 第1の面を有する第1のセラミックス部品と、第2の面を有する第2のセラミックス部品と、該第1の面と該第2の面とが向き合う領域を充填するCVDセラミックスからなる接合部と、からなるセラミックス接合体であって、
前記第1のセラミックス部品は、内部にセラミックス繊維を有する複合材であって、前記第1の面から該セラミックス繊維の端部が前記接合部内に突出していることを特徴とするセラミックス接合体。 - 前記CVDセラミックスは、光CVD法により形成されたことを特徴とする請求項1に記載のセラミックス接合体。
- 前記セラミックス接合体は、
前記第1のセラミックス部品に前記接合部から離れるように延びる第3の面を有し、該接合部近傍の該第3の面を被覆するCVDセラミックスからなる第1の被覆部を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のセラミックス接合体。 - 前記セラミックス接合体は、
前記第2のセラミックス部品に前記接合部から離れるように延びる第4の面を有し、該接合部近傍の該第4の面を被覆するCVDセラミックスからなる第2の被覆部を有することを特徴とする請求項3に記載のセラミックス接合体。 - 前記第1の被覆部及び前記第2の被覆部のいずれよりも、前記接合部に充填されたCVDセラミックスの方が厚いことを特徴とする請求項4に記載のセラミックス接合体。
- 前記接合部は、表面よりも内部が細いことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のセラミックス接合体。
- 前記第2のセラミックス部品は、内部にセラミックス繊維を有する複合材であって、前記第2の面から該セラミックス繊維の端部が前記接合部内に突出していることを特徴とする請求項1に記載のセラミックス接合体。
- 前記CVDセラミックスは、下記組成式で定義されるMAX相セラミックスからなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のセラミックス接合体。
Mn+1AXn
(a)Mは、Sc,Ti,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf及びTaからなる群から選択されるいずれかの元素である。
(b)Aは、Al,Si,P,S,Ga,Ge,As,Cd,In,Sn,Ti,Pbからなる群から選択されるいずれかの元素である。
(c)Xは、CまたはNである。
(d)nは、0.5≦n≦3である。 - 前記MAX相セラミックスは、Ti3SiC2であることを特徴とする請求項8に記載のセラミックス接合体。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載のセラミックス接合体を用いることを特徴とする耐熱部品。
- 前記耐熱部品は、半導体製造装置用であることを特徴とする請求項10に記載の耐熱部品。
- 第1の面を有する第1のセラミックス部品と、第2の面を有する第2のセラミックス部品とを、該第1の面と該第2の面とが向き合う空間部を形成するように配置し、
前記空間部に原料ガスを供給し、該空間部を通過して該第1の面または該第2の面に光照射する光CVD法により、第1のセラミックス部品と第2のセラミックス部品を接合するCVDセラミックスからなる接合部を形成するセラミックス接合体の製造方法であって、
前記第1のセラミックス部品は、前記第1の面からセラミックス繊維の端部が突出したセラミックス繊維を有する複合材であって、前記接合部を該端部が包み込まれるように形成することを特徴とするセラミックス接合体の製造方法。 - 前記第1のセラミックス部品に前記接合部から離れるように延びる第3の面を有し、
前記光照射が前記空間部をはみ出すように照射することにより、
該接合部近傍の該第3の面を被覆するCVDセラミックスからなる第1の被覆部を形成することを特徴とする請求項12に記載のセラミックス接合体の製造方法。 - 前記第2のセラミックス部品に前記接合部から離れるように延びる第4の面を有し、
前記光照射が前記空間部をはみ出すように照射することにより、
該接合部近傍の該第4の面を被覆するCVDセラミックスからなる第2の被覆部を形成することを特徴とする請求項13に記載のセラミックス接合体の製造方法。 - 前記光照射を集中的に前記空間部に照射することにより、前記第1の被覆部及び前記第2の被覆部のいずれよりも、前記接合部に充填されたCVDセラミックスを厚く形成すること特徴とする請求項14に記載のセラミックス接合体の製造方法。
- 前記空間部の表面よりも内部が狭くなるように前記第1のセラミックス部品および前記第2のセラミックス部品を配置することにより、前記接合部を、表面よりも内部が細くなるように形成することを特徴とする請求項12〜15のいずれか一項に記載のセラミックス接合体の製造方法。
- 前記第2のセラミックス部品は、前記第2の面からセラミックス繊維の端部が突出したセラミックス繊維を有する複合材であって、前記接合部を該端部が包み込まれるように形成することを特徴とする請求項12に記載のセラミックス接合体の製造方法。
- 前記CVDセラミックスは、下記組成式で定義されるMAX相セラミックスからなり、Mを含有するハロゲン化物、水素化物または炭化水素化物、
Aを含有するハロゲン化物、水素化物または炭化水素化物、及び
Xを含有する有機物類、酸化物、窒素、アンモニアまたはアミン類、
を前記原料ガスとして前記接合部を形成することを特徴とする請求項12〜17のいずれか一項に記載のセラミックス接合体の製造方法。
Mn+1AXn
(a)Mは、Sc,Ti,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf及びTaからなる群から選択されるいずれかの元素である。
(b)Aは、Al,Si,P,S,Ga,Ge,As,Cd,In,Sn,Ti,Pbからなる群から選択されるいずれかの元素である。
(c)Xは、CまたはNである。
(d)nは、0.5≦n≦3である。 - 前記MAX相セラミックスは、Ti3SiC2であり、ハロゲン化チタン、ハロゲン化珪素、及びハロゲン化炭素を原料ガスとして前記接合部を形成することを特徴とする請求項18に記載のセラミックス接合体の製造方法。
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