JP6204224B2

JP6204224B2 - 断熱用部材

Info

Publication number: JP6204224B2
Application number: JP2014030539A
Authority: JP
Inventors: 猛宗石; 甫戸田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2034-02-20
Also published as: JP2015155716A

Description

本発明は、断熱用部材に関する。

熱が外部へ伝わることを抑制するために用いられる部材として断熱用部材が広く知られている。近年、省エネルギー化の観点から、より断熱性能の優れた断熱用部材が要求されている。例えば、半導体製造分野においては、温度変化が大きい工程が存在しており、効率改善のために優れた断熱用部材が求められている。

このような断熱用部材として、例えば、特許文献１には、２枚の板状体を所定の間隔で保持するとともに、該２枚の板状体の周縁端部を封着材により密封して、低圧空間が形成されるようにした複層体において、該低圧空間を構成する希薄気体がＨ、Ｈｅ、Ｎｅの中の単一の気体あるいは、２種類以上の混合気体を含むようにしたことを特徴とする低圧空間を有する複層体が提案されている。

特開平11−157884号公報

しかしながら、特許文献１に記載の複層体は、断熱用部材の一方側または他方側に位置する断熱対象物の温度変化が大きい場合や、断熱用部材の一方側または他方側が特に高温となっている場合に、複層体の一部に応力が生じて破損につながるおそれがあり、信頼性の点で改善の余地があった。

本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、信頼性が向上した断熱用部材を提供するものである。

本発明の断熱用部材は、セラミックスからなり、蓋体部と、底板部と、隔壁部とを備え、それぞれによって囲まれた閉空間を有するとともに、前記蓋体部と、前記底板部と、前記隔壁部の少なくとも一つが、外部につながる孔部を有していることを特徴とするものである。

本発明の断熱用部材によれば、信頼性が向上した断熱用部材とすることができる。

本実施形態の断熱用部材の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線での断面図である。本実施形態の断熱用部材の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線での断面図である。本実施形態の断熱用部材の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ線での断面図である。

図１は、本実施形態の断熱用部材の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線での断面図である。また、以降の図において同一の部材については、同一の番号を付するものとする。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の断熱用部材10は、セラミックスからなるとともに、蓋体部１と、底板部２と、隔壁部３を有し、それぞれによって囲まれた閉空間４を有している。

本実施形態の断熱用部材10は、蓋体部１側または底板部２側に、断熱対象物が位置することで、断熱用部材10として機能する。なお、これらの断熱対象物は、気体、液体、固体など容態は問わないものである。そして、本実施形態の断熱用部材10を用いることにより、断熱対象物を一定の温度に保つほか、断熱対象物からの放熱を抑制できる。

また、本実施形態の断熱用部材10は、セラミックスからなることにより、腐食性ガスやプラズマ環境下などにおいて使用した場合でも汚染のおそれが少ない。

そして本実施形態の断熱用部材10は、蓋体部１と、底板部２と、隔壁部３の少なくとも一つが、外部につながる孔部５を有している。なお、図１（ｂ）においては、隔壁部３の途中から底板部２側の外部につながる孔部５を設けた例を示している。

蓋体部１と、底板部２と、隔壁部３の少なくとも一つが、外部につながる孔部５を有することで、断熱用部材10の一方側または他方側に位置する断熱対象物の温度変化が大きい場合や、断熱用部材10の一方側または他方側が特に高温となっている場合に生じる応力を、孔部５によって緩和することができる。具体的には、孔部５を有することで、断熱用部材10の変形の自由度を高めることができ、断熱用部材10に生じる応力を緩和することができる。それゆえ、信頼性の向上した断熱用部材10とすることができる。

ここで、孔部５は、断熱用部材10としての機械的強度を考慮して設ければよく、図１（ｂ）においては、底板部２側に設けた例を示したが、例えば蓋体部１側に設けるほか、隔壁部３（側壁部）に設けることもできる。

なお、孔部５の大きさおよび深さは、特に限定されるものでは無いが、断熱用部材10としての断熱特性を維持するために、直径３ｍｍ以上10ｍｍ以下、深さ３ｍｍ以上20ｍｍ以下であることが好適であり、孔の個数は上述したように機械的強度を考慮して設ければよい。

なお、孔部５の確認方法としては、断熱用部材10を目視して確認するほか、特に孔の大きさや深さを確認するには、断熱用部材10から孔部５を含んだサンプルを切り出し、観察した面が見えるようにサンプルを加工した後、公知の顕微鏡（光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）など）で観察すればよい。この他に、断熱用部材10に対し、Ｘ線透過試験機を用いて観察することによって孔部５を確認することもできる。

ここで、断熱用部材10の材質としては、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、炭化硼素、コージェライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライトまたはこれらの複合物であるセラミックスを用いることができる。

特に、本実施形態の断熱用部材は、炭化珪素を主成分とする炭化珪素質焼結体からなることが好ましい。ここで、主成分とは、断熱用部材を構成する成分のうち80質量％以上の割合で占める成分のことをいう。そして、本実施形態の断熱用部材が、炭化珪素を主成分とする炭化珪素質焼結体からなるときには、優れた機械的特性や耐食性が高いことから、
信頼性が向上する。また、他のセラミックス、例えばアルミナと比べて比重が小さいことから、大型の断熱用部材10が必要な場合に軽量化を図ることもできる。

なお、隔壁部３は断熱用部材10としての機械的強度が維持されるように配置されることが好適であるが、例えば一部に空間を設けた形状とするほか、図１（ｂ）の紙面に対して垂直な方向に複数個に分離されて設けられた形状としてもよい。

なお、閉空間４とは、断熱用部材10の外部とつながっていない空間であり、蓋体部１、底板部２、隔壁部３よりも熱伝導率が低いことが好適である。特に、低圧空間であることが好適であり、例えば、20ｋＰａ以下であることが好適である。

ところで、本実施形態の断熱用部材10において、断熱効果を保持しつつ、破損を抑制するにあたり、断熱対象物が位置する側と反対側（図１（ｂ）においては底板部２側）に、孔部５を設けることがより効果的である。それによって、断熱対象物に大きな温度変化が生じたり、特に高温となっていたりする場合に、応力が生じたとしても、孔部５によって断熱用部材10の変形の自由度が高められていることから、断熱用部材10に生じる応力を緩和することができ、破損等を抑制することができる。それゆえ、信頼性の向上した断熱用部材10とすることができる。

図２は、本実施形態の断熱用部材の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線での断面図である。

図２に示す例の断熱用部材20は、隔壁部３の少なくとも一部が、蓋体部１または底板部２に向けて幅が狭くなっている点で、図１に示す例の断熱用部材10と異なっている。このように、隔壁部３の少なくとも一部が、蓋体部１または底板部２に向けて幅が狭くなっているときには、断熱効果を高めることができる。例えば、蓋体部１側に断熱対象物が位置する場合には、図２（ｂ）に示すように、隔壁部３の少なくとも一部が、蓋体部１に向けて幅が狭くなっていることによって、断熱対象物が位置する側と反対側の底板部２から伝達する熱を抑えることができるほか、閉空間４の蓋体部１側の体積を大きくできるので、断熱効果を高めることができる。

なお、図２（ｂ）においては、隔壁部３の一部は階段状になっているが、連続して狭くなるようなストレート状であっても構わない。

図３は、本実施形態の断熱用部材の他の例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ線での断面図である。

図３に示す例の断熱用部材30は、孔部５が、蓋体部１または底板部２に向けて幅が広くなっている点で、図１に示す例の断熱用部材10と異なっている。断熱対象物が蓋体部１側に位置する場合、孔部５を、これと反対側である底板部２に向けて幅が広くなるように設けることで、より変形の自由度を高めることができ、破損等を抑制することができる。それにより、さらに信頼性が向上した断熱用部材30とすることができる。

なお、図３（ｂ）においては、孔部５は階段状になっているが、外部に向かって連続して広くなるようなストレート状であっても構わない。

また、本実施形態の断熱用部材10，20，30は、使用用途に応じて、蓋体部１、底板部２および隔壁部３を構成するセラミックよりも熱膨張係数の大きい、ステンレス、アルミニウム、チタンやその他の合金を主成分とした金属溶射処理をしても構わない。金属溶射処理時における金属の熱収縮により、圧縮応力が生じることで、蓋体部１、底板部２および
隔壁部３の強度を向上することができる。なお、金属溶射処理は、蓋体部１、底板部２および隔壁部３の外面全体を覆うように行なうことが好ましい。

上述のように、本実施形態の断熱用部材10，20，30は、信頼性の向上した断熱用部材とすることができることから、断熱を必要とする分野において使用することができるが、特に、温度変化が大きい工程が存在する半導体製造分野で用いられる半導体製造装置用部材として使用することが好適である。

次に、本実施形態の断熱用部材10，20，30の作製方法の一例について説明する。

まず、蓋体部１と、それ以外となる底板部２と隔壁部３とが一体に形成された凹部を有する基体（以下、単に基体とも記載する。）との成形体を得た後、接合剤を用いて蓋体部１と基体とを接合することによって断熱用部材10，20，30となる成形体を得る工程について説明する。

まず、純度が90％以上であり平均粒径が0.5μｍ以上２μｍ以下のセラミック原料を用
意し、これに焼結助剤、バインダ、溶媒および分散剤等を所定量添加して混合したスラリーを噴霧造粒法（スプレードライ法）により噴霧乾燥して造粒し、１次原料とする。次に、噴霧乾燥して造粒した１次原料を所定形状のゴム型内へ投入し、静水圧プレス法（ラバープレス法）により成形し、その後、成形体をゴム型から取り外し、切削加工を施す。

なお、この切削加工において、基体となる成形体については、閉空間４を構成する凹部を所望の形状に加工する。

次に、断熱用部材10，20，30の蓋体部１について、静水圧プレス法、粉末プレス法等にて成形体を形成する。

次に、蓋体部１となる成形体と、基体となる成形体とを接合する。接合に用いる接合剤としては、蓋体部１となる成形体および基体となる成形体の作製に用いたセラミック原料、焼結助剤、バインダ、分散剤および溶媒を所定量秤量して混合して作製したスラリーからなる接合剤を用いる。そして、蓋体部１となる成形体および底板部２と隔壁部３とを構成する基体となる成形体の少なくとも一方の接合部にこの接合剤を塗布し、底板部２と隔壁部３とを構成する基体となる成形体および蓋体部１となる成形体とが一体化した接合成形体を得る。続いて、得られた成形体に対して、ドリル加工やレーザー加工によって孔部を形成する。

また、成形体の他の製造方法の例として、スラリーを用いてセラミックスの一般的な成形法であるドクターブレード法やスラリーを造粒した後にロールコンパクション成形法によってグリーンシートを形成し、レーザー加工や金型により所望形状に加工したグリーンシートを積層して成形体を形成してもよい。なお、積層後にドリル加工やレーザー加工によって孔部を形成しても構わない。

なお、グリーンシートを得るためのスラリーの作製方法の一例としては、炭化珪素質焼結体からなる断熱用部材を得るにあたっては、まず平均粒径が0.5μｍ以上２μｍ以下で
ある炭化珪素粉末と、焼結助剤として炭化硼素およびカルボン酸塩の粉末とを準備する。そして、焼結助剤を、例えば、炭化珪素粉末100質量％に対して、炭化硼素の粉末を0.12
質量％以上1.4質量％以下、カルボン酸塩の粉末を１質量％以上3.4質量％以下となるように秤量して混合する。

次に、この混合粉末とともに、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、アク
リル樹脂またはブチラール樹脂等のバインダと、水と、分散剤とを、ボールミル、回転ミル、振動ミルまたはビーズミル等に入れて混合する。ここで、バインダの添加量としては、成形体の強度や可撓性が良好で、また、焼成時に成形用バインダの脱脂が不十分とならないようにすればよい。このようにして作製したスラリーを用いてグリーンシートを作製すればよい。

次に、このようにして作製した複数のグリーンシートを、厚みを変更したり、積層するグリーンシートの枚数を変更したりして、所望の閉空間４となるように積層する。

また、それぞれのグリーンシートの接合面には、グリーンシートを作製するときに用いたものと同様のスラリーを接合剤として塗布し、グリーンシートを積層したあとに、平板状の加圧具を介して約0.5ＭＰａ程度の加圧を加え、そのあとに、約50〜70℃の室温で約10〜15時間乾燥させる。

このようにして製造された成形体は、ガラスや有機物による接着剤を使用せずに一体成形されたものであることから、あらゆる環境で使用しても汚染をするおそれを少なくすることができる。

なお、上述の説明において、静水圧プレス法（ラバープレス法）により、基体の成形体を作製する場合に、蓋体部１の成形体を、静水圧プレス法、粉末プレス法等にて形成する例を示したが、蓋体部１については、スラリーを用いてセラミックスの一般的な成形法であるドクターブレード法やスラリーを造粒した後にロールコンパクション成形法によって作製したグリーンシートを用いて形成してもよい。

次に、断熱用部材10，20，30となる成形体を、例えば公知のプッシャー方式やローラー方式の連続トンネル炉で焼成する。それぞれの材質により焼成温度は異なるが、例えば、炭化珪素が主成分の材料であれば、不活性ガスの雰囲気中または真空雰囲気中で、脱脂のために400℃〜800℃の範囲で10分〜72時間保持した後、1800〜2200℃の温度範囲で10分〜10時間保持した後、2200〜2350℃の温度範囲で10分〜20時間保持して焼成すればよい。

ここで、閉空間４を低圧空間とするにあたっては、焼成雰囲気を不活性ガス雰囲気下とし、焼成後、１時間以上かけて冷却すればよい。焼成時に閉空間４となる領域に存在する不活性ガスの気圧が、冷却することに伴って低圧となり、結果的に閉空間４を低圧空間とすることができる。なお、不活性ガスとしては、アルゴン、ヘリウムなどの希ガス、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素等を用いることができる。

あわせて、孔部５が設けられている蓋体部１、底板部２および隔壁部３の脱脂工程を効率よく行なうことができる。

１：蓋体部
２：底板部
３：隔壁部
４：閉空間
５：孔部
10，20，30：断熱用部材

Claims

セラミックスからなり、蓋体部と、底板部と、隔壁部とを備え、それぞれによって囲まれた閉空間を有するとともに、前記蓋体部と、前記底板部と、前記隔壁部の少なくとも一つが、外部につながる孔部を有していることを特徴とする断熱用部材。
前記蓋体部側または前記底板部側に断熱対象物が位置する場合であって、前記孔部が、前記断熱対象物と反対側の外部につながっていることを特徴とする請求項１に記載の断熱用部材。
前記隔壁部の少なくとも一部が、前記蓋体部または前記底板部に向けて幅が狭くなっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の断熱用部材。
前記孔部が、前記蓋体部または前記底板部に向けて幅が広くなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の断熱用部材。
前記蓋体部、前記底板、前記隔壁部の外面の少なくとも一部が、金属又は合金により覆われていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の断熱用部材。