JP6708460B2 - 接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、多孔質セラミックスおよびガス分散板ならびに吸着用部材に関するものである。

従来、ガス分散板には多孔質セラミックスと緻密質セラミックスとを接合した接合体が用いられている。このような接合体を得るための製造方法の例として、特許文献１では、平均粒径が１０〜５０［μｍ］であるセラミックス粗粒の成形体を加圧焼結させ、多孔質セラミックスを得る第１焼結工程と、平均粒径が０．１〜１［μｍ］であるセラミックス微粒の環状成形体に多孔質セラミックスを嵌め込み、環状成形体を緻密化させるとともに、環状の緻密質セラミックスと多孔質セラミックスとを直接接合させる第２焼結工程と、を含むセラミック接合体の製造方法が提案されている。

特開２０１２−２３６７６２号公報

特許文献１で提案された製造方法によって得られるガス分散板の多孔質セラミックスの主面は、焼き肌面であって表面の凹凸が大きい。この凹凸にはパーティクル等が引っ掛かり易く、多孔質セラミックスの主面にはパーティクルが付着し易かった。付着したパーティクルは、気体等が多孔質セラミックスに供給された場合などに、多孔質セラミックスの表面から離れ、処理装置内部を汚染しやすいという問題があった。上述したような問題は、真空チャック等の吸着用部材においても同様に発生していた。

本開示は、表面の少なくとも一部に、粗さ曲線における２５％の負荷長さ率での切断レベルと、前記粗さ曲線における７５％の負荷長さ率での切断レベルとの差を表す、前記粗さ曲線における切断レベル差（Ｒδｃ）の平均値が、１μｍ以下（但し、０μｍを除く）である領域を有する接合体の製造方法であって、多孔質のセラミックスから成る部材と、前記部材の周囲を囲む環状の緻密質セラミックスとを当接して円板状部材を作製し、前記円板状部材に対して、平均粒径が８μｍ以上１２μｍ以下のダイヤモンド砥粒と、鍛鉄または鋳鉄製の研磨定盤とを用いた第１の研磨、平均粒径が２μｍ以上６μｍ以下のダイヤモンド砥粒と、銅製または鋳鉄製の研磨定盤とを用いた第２の研磨、平均粒径が１μｍ以上３μｍ以下のダイヤモンド砥粒と、錫製または錫鉛合金製の研磨定盤を用いた第３の研磨を順次行うことによって前記円板状部材を接合体にする、接合体の製造方法を提供する。

本開示の多孔質セラミックスは、パーティクル等の付着が抑制されている。

多孔質セラミックスの表面写真であり、（ａ）は本実施形態の多孔質セラミックス表面の電子顕微鏡写真であり、（ｂ）は多孔質セラミックス表面の比較例の電子顕微鏡写真である。 図２（ａ）は図１（ａ）の一部の拡大写真であり、図２（ｂ）は図１（ｂ）の一部の拡大写真である。 本実施形態のガス分散板の一実施形態を説明する図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。 本実施形態の吸着用部材の一実施形態を説明する図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、多孔質セラミックスの表面写真であり、（ａ）は本実施形態の多孔質セラミックス１０の一例の表面の電子顕微鏡写真であり、（ｂ）は多孔質セラミックス表面の比較例の電子顕微鏡写真である。図２（ａ）は図１（ａ）の一部の拡大写真であり、図２（ｂ）は図１（ｂ）の一部の拡大写真である。本実施形態の多孔質セラミックスは、例えば、ガス分散板および吸着用部材の一部として用いられる。

本実施形態の多孔質セラミックス１０は、少なくとも表面の一部に、粗さ曲線における２５％の負荷長さ率での切断レベルと、この粗さ曲線における７５％の負荷長さ率での切断レベルとの差を表す、この粗さ曲線における切断レベル差（Ｒδｃ）の平均値が、１μｍ以下（但し、０μｍを除く）である領域２０を有する。領域２０は、例えばセラミックス１０の表面の、２．６ｍｍ×２ｍｍ四方の範囲をいう。より具体的には、本実施形態の多孔質セラミックスの表面における領域とは、電子顕微鏡またはレーザー顕微鏡を用い、倍率を１００倍として観察した表面のうち、その表面の特徴を示す代表的な表面状態を示す２．６ｍｍ×２ｍｍ四方の領域をいう。

本実施形態の切断レベル差とは、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１で規定されている、粗さ曲線における切断レベル差（Ｒδｃ）に対応する。すなわち、本実施形態の多孔質セラミックスはより詳細には、少なくとも表面の一部に、粗さ曲線Ｒにおける２５％の負荷長さ率Ｒｍｒ１での、この粗さ曲線Ｒの切断レベルＣ（Ｒｒｍ１）と、粗さ曲線Ｒにおける７５％の負荷長さ率Ｒｍｒ２での、この粗さ曲線Ｒの切断レベルＣ（Ｒｒｍ２）との、粗さ曲線の高さ方向の差を表す、粗さ曲線の切断レベル差（Ｒδｃ）（以降、単に、切断レベル差（Ｒδｃ’）ともいう）が、１μｍ以下（但し、０μｍを除く）である領域を有する。

負荷長さ率Ｒｍｒとは、以下の式（１）に示されるように、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１で規定されている粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さＬだけ抜き取り、この抜き取り部分の粗さ曲線を山頂線に平行な切断レベルで切断したときに得られる切断長さη_１，η_２，・・・、η_ｎの和（負荷長さηp）の、基準長さＬに対する比を百分率で表
した値であり、高さ方向およびこの高さ方向に垂直な方向の表面性状を示すものである。本実施形態での基準長さＬは、例えば５０μｍ〜２５０μｍの範囲、好ましくは２００μｍに設定すればよい。

Ｒｍｒ＝ηp／Ｌ×１００・・・（１）
ηｐ：η_１＋η_２＋・・・・＋η_ｎ
このような負荷長さ率Ｒｍｒに対応する、２種類の負荷長さ率それぞれに対応する切断レベルＣ（Ｒｒｍｒ）、およびこれら切断レベルＣ（Ｒｒｍｒ）同士の差を表す切断レベル差（Ｒδｃ）も、表面の高さ方向およびこの高さ方向に垂直な方向の表面性状に対応する。切断レベル差（Ｒδｃ’）が大きい場合、測定の対象とする表面の凹凸は大きいが、小さい場合には、その表面の凹凸は小さく比較的平坦といえる。

本実施形態では、粗さ曲線における切断レベル差（Ｒδｃ）、二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）および最大山高さ（Ｒｐ）は、いずれもＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に準拠した測定モードを有するレーザー顕微鏡装置（例えば、(株)キーエンス社製（ＶＫ−９５１０））を用いて求めてもよい。レーザー顕微鏡ＶＫ−９５１０を用いる場合、例えば、測定モードをカラー超深度、測定倍率を１０００倍、１箇所当りの測定範囲を２８０μｍ×２１０μｍ、測定ピッチを０．０５μｍ、λｓ輪郭曲線フィルタを２．５μｍ、λｃ輪郭曲線フィルタを０．０８ｍｍとして測定範囲毎に上記各表面性状を示す値を求めればよい。

セラミック多孔質体の表面の領域２０での平均値とは、例えばセラミックス１０の表面
の、２．６ｍｍ×２ｍｍ四方の領域２０内でそれぞれ異なる１０箇所を測定し、求められた１０箇所の測定値の算術平均値のことをいう。１０箇所の測定箇所は、レーザー顕微鏡による観察画像（倍率１００倍での画像）において、セラミックス粒子間１２に存在する空隙１３（図１参照）を外した位置を選べばよい。

図１（ａ）および図２（ａ）に電子顕微鏡写真で示した多孔質セラミックス１０の表面は、切断レベル差（Ｒδｃ’）の平均値が１μｍ以下である領域２０を有する。一方、図１（ｂ）および図２（ｂ）に電子顕微鏡写真で示した多孔質セラミックスの表面は、このような領域を有していない。

図１（ｂ）および図２（ｂ）に示す写真では、多孔質セラミックスを構成するセラミックス粒子１２の表面に細かな凹凸が表れていることが分かるが、図１（ａ）および図２（ａ）に示す写真では、多孔質セラミックス１０を構成するセラミックス粒子１２の表面は、このような細かな凹凸は存在せず平坦になっている。本実施形態の多孔質セラミックス１０は、表面に露出したセラミックス粒子１２の表面のほぼ全てに、切断レベル差（Ｒδｃ’）の平均値が１μｍ以下である領域２０を有する。いいかえると、多孔質セラミックス１０は、表面が全面的に領域２０となっている。

図１（ａ）および図２（ａ）に示す写真の多孔質セラミックス１０は、これら領域２０に対応する表面部分がいわゆる鏡面状になっている。このような鏡面状の表面を有する多孔質セラミックスは従来得られていなかった。図１（ａ）および図２（ａ）の多孔質セラミックス１０における鏡面とは、いわゆる光沢をもった表面である。光沢をもった表面とは、自然光等の白色光に当てた際の反射の程度が大きく、輝きを呈する表面をいう。より具体的には、自然光を照射しても不要な散乱が少ない表面であり、可視光を散乱させるような、可視光の波長範囲の大きさの凹凸が少ない状態の表面である。

図１（ａ）および図２（ａ）に示す表面のうち、切断レベル差（Ｒδｃ’）の平均値が１μｍ以下（但し、０μｍを除く）である領域２０は、散乱が特に少なく、反射によって生じる表面の光沢が強い。光沢が強いので、付着したゴミ等を比較的容易に判別することができる。併せて、上記領域２０は比較的平坦であり、この領域２０にはパーティクル等のゴミが付着し難い。このため、この領域２０からパーティクル等が発生し難く、この領域２０に載置された対象物等へのパーティクルの付着等も抑制されている。

本実施形態の多孔質セラミックス１０は、この領域２０の粗さ曲線における二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）の平均値が２μｍ以下（但し、０μｍを除く）である。このような多孔質セラミックス１０は、表面の細かい凹凸における局部的な傾斜が緩やかであり、細かいパーティクルが凹凸に引っかかり難いので、パーティクルがより付着し難い。

また、本実施形態の多孔質セラミックス１０は、この領域の粗さ曲線における最大山高さ（Ｒｐ）の平均値が８μｍ以下（但し、０μｍを除く）である。このような多孔質セラミックス１０は、表面の細かい凹凸が小さいため、パーティクルがさらに凹凸に引っかかり難いので、パーティクルがより付着し難い。

なお、本実施形態の多孔質セラミックス１０は、連続した三次元網目構造を有する気孔を備え、例えば、気孔率が２５体積％以上５０体積％以下である。この気孔率はアルキメデス法を用いて求めることができる。また、多孔質セラミックス１０の平均気孔径は、２０μｍ以上１００μｍ以下であることが好適である。この平均気孔径は、ＪＩＳ Ｒ １６５５：２００３に準拠した水銀圧入法により求めることができる。

また、本実施形態の多孔質セラミックス１０は、例えば、酸化アルミニウム、炭化珪素
、窒化珪素、コージェライトまたはムライトを主成分とするセラミックスである。

本実施形態の多孔質セラミックス１０および後述する緻密質セラミックスにおける主成分とは、それぞれのセラミックスを構成する成分の含有量の合計１００質量％のうち、５０質量％を超える成分をいう。

それぞれのセラミックスを構成する成分は、まず、Ｘ線回折装置を用いて同定する。次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（ＩＣＰ）または蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いて金属元素の含有量を測定する。そして、金属元素の含有量はＸ線回折装置を用いて同定された化合物の成分に換算することにより求められ、主成分の含有量も求められる。

図３は、本実施形態の多孔質セラミックス１０が、ガス分散板としてガス導入部材２に装着された状態の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。

本実施形態のガス分散板は、上述の多孔質セラミックス１０を主成分とする板部材１ｂ（ガス分散部１ｂともいう）を有し、板部材１ｂの一方主面１Ａから他方主面１Ｂに向けてガスを供給することで、多孔質セラミックス１０内でガスを分散させて他方主面１Ｂからガスを放出するガス分散板であって、他方主面１Ｂの少なくとも一部に領域２０を備える。ガス分散板１は、緻密質セラミックスからなる枠状部１ａを有し、枠状部１ａの内側にガス分散部１ｂが配置されている。

ガス導入部材２は、緻密質セラミックスからなり、上方に向って開口する凹部２ａと、下面から凹部２ａの底面まで貫通するガス導入孔２ｂとを備えてなる。ガス分散板１は、凹部２ａ内に収容され、接合あるいは嵌合によって固定されている。枠状部１ａおよびガス導入部材２を構成する緻密質セラミックスは、例えば、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素、コージェライトまたはムライトを主成分とする、相対密度が９８体積％以上のセラミックスである。

ガス分散板１がガス導入部材２に配置されて構成された、図３に示すガス導入装置では、ガス導入孔２ｂを通じて板部材１ｂの一方主面１Ａから他方主面１Ｂに向けてガスを供給する。供給されたガスは、多孔質セラミックス１０内で分散されて他方主面１Ｂから放出される。ガス分散板１は、他方主面１Ｂに、切断レベル差（Ｒδｃ）の平均値が１μｍ以下（但し、０μｍを除く）である領域２０を有するので、他方主面１Ｂへのパーティクルの付着が少なく、多孔質セラミックス１０を通過したガスによるパーティクルの巻き上げも少ない。このため、図３に示すガス導入装置では、他方主面１Ｂの周辺環境の汚染が抑制されている。

図４は、本実施形態の吸着用部材の一例である真空チャックを示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。

図４に示す真空チャック５は、多孔質セラミックス１０を主成分とする板部材４（吸着部４ともいう）を有し、板部材４の一方主面４Ａの側から多孔質セラミックス１０内の気体を吸引して、他方主面４Ｂに配置された対象物を吸着する吸着用部材であって、他方主面４Ｂの少なくとも一部に領域２０を備える。

真空チャック５は、緻密質セラミックスからなる凹部３ａを備える。吸着部４は、凹部３ａ内に収容されている。この吸着部４は、他方主面４Ｂが、例えば半導体ウエハ等の被吸着物（不図示）を吸着する吸着面となっている。また、支持部３は吸引路３ｂを備えている。支持部３を構成する緻密質セラミックスは、例えば、酸化アルミニウム、炭化珪素
、窒化珪素、コージェライトまたはムライトを主成分とする、相対密度が９８体積％以上のセラミックスである。

図４に示す真空チャック５では、吸引路３ｂを通じて板部材４の一方主面４Ａの側から多孔質セラミックス１０内の気体を吸引して、他方主面４Ｂに配置された対象物を吸着する。載置された対象物は、他方主面４Ｂに比較的強い力で吸い付けられる。他方主面４Ｂにパーティクル等が付着している場合は、このパーティクルが対象物に付着し易い。真空チャック１０の板部材４は、吸着面である他方主面４Ｂに、切断レベル差（Ｒδｃ）の平均値が１μｍ以下（但し、０μｍを除く）である領域２０を有するので、他方主面４Ｂから対象物へのパーティクルの付着が少ない。このため、図４に示す真空チャック１０では、吸着する対象物の汚染が抑制されている。また板部材４は、表面の細かい凹凸における局部的な傾斜が緩やかであり、かつ表面の細かい凹凸の大きさが小さいため、吸着した対象物に与える局所的な外力が抑制されており、対象物に生じる傷や欠けが少ない。

次に、本実施形態の多孔質セラミックスの製造方法の一例について説明する。まず、主面が焼き肌面である円板形状の多孔質セラミックスと、多孔質セラミックスの周囲を囲む環状の緻密質セラミックスとを準備する。

環状の緻密質セラミックスは、後述する研磨で、多孔質セラミックスの研磨速度を制御するために用いられるものであり、研磨後に緻密質セラミックスが不要となる場合には、円筒研削盤等で緻密質セラミックスを削除すればよい。

次に、多孔質セラミックスと緻密質セラミックスとを組み合わせて円板状部材を形成し、この円板状部材を研磨治具上に配置して接着して固定する。この円板状部材では、多孔質セラミックスの外周面と、環状の緻密質セラミックスの内周面とが当接している。

この状態で、まず平均粒径が８μｍ以上１２μｍ以下のダイヤモンド砥粒と、鍛鉄または鋳鉄製の研磨定盤とを用いて第１の研磨を行う。次に、平均粒径が２μｍ以上６μｍ以下のダイヤモンド砥粒と、銅製または鋳鉄製の研磨定盤とを用いて第２の研磨を行う。
第１の研磨および第２の研磨に用いられる研磨定盤は、特に、球状黒鉛含有鋳鉄製であることが好適である。

最後に、平均粒径が１μｍ以上３μｍ以下のダイヤモンド砥粒と、錫製または錫鉛合金製の研磨定盤を用いて第３の研磨を行った後、研磨治具から多孔質セラミックスを取り外すことによって、本実施形態の多孔質セラミックスを得ることができる。

ここで、領域の粗さ曲線における二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）の平均値が２μｍ以下（但し、０μｍを除く）である多孔質セラミックスを得るには、平均粒径が１μｍ以上３μｍ以下のダイヤモンド砥粒と、錫製の研磨定盤を用いればよい。

また、領域の粗さ曲線における最大山高さ（Ｒｐ）の平均値が８μｍ以下（但し、０μｍを除く）である多孔質セラミックスを得るには、平均粒径が１μｍ以上２μｍ以下のダイヤモンド砥粒と、錫製の研磨定盤を用いればよい。

次に、本実施形態のガス分散板の製造方法の一例について説明する。

まず、主面が焼き肌面である円板形状の多孔質セラミックスと、環状（枠状）の緻密質セラミックスの生成形体との組立体（前駆体）を準備する。この組立体を所定温度および所定時間だけ昇温して緻密質セラミックスの生成形体を焼成し、多孔質セラミックスの外周面と緻密質セラミックスの内周面とが直接接合したセラミック接合体を形成する。

このセラミック接合体を、緻密質セラミックスからなり、上方に向って開口する凹部２ａを備えるガス導入部材２の、凹部２ａ内に配置して固定する。そして、セラミック接合体とガス導入部材２との組立体を研磨治具に固定して、上述した研磨方法によって研磨することによって、ガス導入部材に収容された、本実施形態のガス分散板を得ることができる。

１０ 多孔質セラミックス
１２ セラミックス粒子
１３ 空隙
２０ 領域

Claims (3)

1. 表面の少なくとも一部に、粗さ曲線における２５％の負荷長さ率での切断レベルと、前記粗さ曲線における７５％の負荷長さ率での切断レベルとの差を表す、前記粗さ曲線における切断レベル差（Ｒδｃ）の平均値が、１μｍ以下（但し、０μｍを除く）である領域を有する接合体の製造方法であって、
   多孔質のセラミックスから成る部材と、前記部材の周囲を囲む環状の緻密質セラミックスとを当接して円板状部材を作製し、
   前記円板状部材に対して、平均粒径が８μｍ以上１２μｍ以下のダイヤモンド砥粒と、鍛鉄または鋳鉄製の研磨定盤とを用いた第１の研磨、
   平均粒径が２μｍ以上６μｍ以下のダイヤモンド砥粒と、銅製または鋳鉄製の研磨定盤とを用いた第２の研磨、
   平均粒径が１μｍ以上３μｍ以下のダイヤモンド砥粒と、錫製または錫鉛合金製の研磨定盤を用いた第３の研磨
   を順次行うことによって前記円板状部材を接合体にする、接合体の製造方法。
2. 前記領域の前記粗さ曲線における二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）の平均値が２μｍ以下（但し、０μｍを除く）であることを特徴とする請求項１に記載の接合体の製造方法。
3. 前記領域の前記粗さ曲線における最大山高さ（Ｒｐ）の平均値が８μｍ以下（但し、０μｍを除く）であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合体の製造方法。