JP7348803B2 - セラミックス焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス焼結体の製造方法に関する。

従来、収容空間を有する第１セラミックス成形体と、前記収容空間に収容されるべき第２セラミックス成形体とを準備し、焼成による収縮率において、第１セラミックス成形体の方が第２セラミックス成形体よりも大きくなるように、成形時のプレス圧力などを用いて調整した後、収容空間に第２セラミックス成形体を挿入し、挿入した状態で両者を焼成する製法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－５９６３４号公報

特許文献１のセラミックス焼結体の製造方法では、２つの成形体を接合するにあたり、成形時のプレス圧力を調整する必要があり、製造が困難であり、さらに容易に接合強度を高められるセラミックス焼結体の製造方法が望まれる。
本発明は、従来よりも容易に接合強度を向上させることができるセラミックス焼結体の製造方法を提供することを目的とする。

［１］上記目的を達成するため、本発明は、
第１セラミックス成形体を第１温度で仮焼し、第１セラミックス仮焼体を得る第１仮焼工程と、
第１セラミックス成形体と主成分が同一の第２セラミックス成形体を前記第１温度より高い第２温度で仮焼し、第２セラミックス仮焼体を得る第２仮焼工程と、
周面と底面とに囲われ、第１方向に開口を有する収容空間を前記第１セラミックス成形体または前記第１セラミックス仮焼体に形成する収容空間形成工程と、
前記第１セラミックス成形体もしくは前記第２セラミックス成形体の少なくとも一方、または前記第１セラミックス仮焼体もしくは前記第２セラミックス仮焼体の少なくとも一方、に前記第１方向に開口を有する付加的空間を形成する付加的空間形成工程と、
前記収容空間に前記第２セラミックス仮焼体を前記開口から前記第１方向に沿って挿入することにより、前記収容空間を画定する前記第１セラミックス仮焼体の収容面のうちの前記底面と前記第２セラミックス仮焼体の被収容面の一部の挿入先端面とが前記第１方向において対向するように配置される挿入工程と、
前記収容空間に前記第２セラミックス仮焼体を挿入した状態で、前記第１セラミックス仮焼体及び前記第２セラミックス仮焼体を、前記第２温度より高い第３温度で、前記第１方向に沿った一軸方向からの１ＭＰａ以上の圧力を加え前記第１方向に対向する前記収容面の前記底面及び前記被収容面の一部の前記挿入先端面を当接させた状態で焼成する一軸加圧焼成を行い、前記第１セラミックス仮焼体と前記第２セラミックス仮焼体とが嵌合して一体化し、前記付加的空間の前記第１方向の開口が前記底面又は前記挿入先端面により塞がれた状態とされたセラミックス焼結体を得る焼結工程と、
を含むことを特徴とする。

本発明によれば、第１セラミックス成形体を仮焼成するときの第１温度よりも高い第２温度で第２セラミックス成形体を仮焼成して得ることにより、第１セラミックス仮焼体の収縮度合いを第２セラミックス仮焼体の収縮度合いよりも大きくすることができる。そして、第２セラミックス仮焼体を収容空間に挿入して本焼成を行うことにより、従来よりもさらに接合強度を向上させたセラミックス焼結体を得ることができる。

［２］また、本発明においては、
前記挿入工程において、前記第２セラミックス仮焼体を前記収容空間に挿入したとき、前記第１セラミックス仮焼体と前記第２セラミックス仮焼体との間には、前記第１方向に直交する第２方向において隙間が形成されるように、前記第２セラミックス仮焼体と前記収容空間とが構成されており、
前記焼結工程において、前記第１セラミックス仮焼体と前記第２セラミックス仮焼体とが一体化して前記隙間は消滅することが好ましい。

本発明によれば、挿入工程においては第１セラミックス仮焼体と第２セラミックス仮焼体との第２方向における間に隙間が形成されているため、第２セラミックス仮焼体を収容空間に容易に挿入することができる。また、焼成工程においては、第１セラミックス仮焼体と第２セラミックス仮焼体との間の第２方向における隙間が消滅するため、隙間が残っている場合と比較して、第１セラミックス仮焼体と第２セラミックス仮焼体とをしっかりと一体化させたセラミックス焼結体を製造することができる。

［３］また、本発明においては、
前記焼結工程において、前記セラミックス焼結体の焼成工程における収縮特性を示す収縮曲線の変曲点の温度である変曲点温度以上前記第３温度以下に設定された第４温度に前記セラミックス焼結体が達した時点から前記第１方向から加圧することが好ましい。

変曲点温度未満の温度から加圧すると第２方向における収縮率が低下することが分かった。
そこで、本発明においては、変曲点温度以上第３温度以下に設定された第４温度にセラミックス仮焼体が達した時点から第１方向から加圧することにより第２方向へ十分に収縮させることができ、第１セラミックス仮焼体と第２セラミックス仮焼体との一体化をより高めることができる。

［４］また、本発明においては、
前記第１セラミックス成形体と前記第２セラミックス成形体の主成分が炭化ケイ素である場合には、前記第１温度は９００℃～１７００℃、前記第２温度は１２００℃～１９００℃、前記第３温度は１８００℃～２２００℃、前記第４温度は１２００℃～１９００℃、とすることができる。

［５］また、本発明においては、
上記製造方法にて製造されたセラミックス焼結体を用いた半導体製造部材の製造方法であって、前記セラミックス焼結体に静電チャックを取り付ける取付工程を含むように製造してもよい。

本発明によれば、セラミックス焼結体に静電チャックを取り付けて半導体製造部材として用いることができる。

本発明の実施形態のセラミックス焼結体の製造方法に用いられるセラミックス成形体を示す説明図。 本実施形態のセラミックス焼結体の製造工程を示すフローチャート。 本実施形態のセラミックス仮焼体を示す説明図。 本実施形態のセラミックス焼結体を示す説明図。 本実施形態のセラミックス仮焼体の温度変化に伴う収縮特性又は密度変化特性を示すグラフ。

図面を参照して、本発明のセラミックス焼結体の製造方法の実施形態について説明する。
図１及び図３を参照して、本実施形態のセラミックス焼結体の製造方法は、円盤形状の第１セラミックス成形体１１と、第１セラミックス成形体と主成分が同一で円盤形状の第２セラミックス成形体２１とを用いて、セラミックス焼結体を製造する方法である。

本実施形態においては、第１セラミックス成形体１１を成形するときに、収容空間３１、および付加的空間３３を形成している。収容空間３１は、第１セラミックス成形体１１を仮焼成した第１セラミックス仮焼体１２における収容空間３１が第２セラミックス成形体２１を仮焼した第２セラミックス仮焼体２２を挿入できるように形成される。第２セラミックス仮焼体２２を第１セラミックス仮焼体１２の収容空間３１に挿入する方向が本実施形態の第１方向に該当し、図１では第１方向は上下方向となる。本実施形態においては、成形工程が収容空間形成工程を兼ねている。

なお、収容空間３１及び付加的空間３３は、仮焼成する前の第１セラミックス成形体１１に形成しなくてもよく、例えば、第１セラミックス成形体１１を仮焼成した後の第１セラミックス仮焼体１２に形成してもよい。この場合、第１セラミックス成形体１１を仮焼成した後に収容空間形成工程および付加的空間形成工程を行うことになる。また、付加的空間３３は、第１セラミックス成形体１１に形成しなくてもよく、例えば、第２セラミックス成形体２１または第２セラミックス仮焼体２２に形成してもよい。

さらに、付加的空間３３は第１セラミックス成形体１１と第２セラミックス成形体２１の双方または第１セラミックス仮焼体１２と第２セラミックス仮焼体２２の双方に形成してもよい。付加的空間３３は第１方向に開口している。そして、第１セラミックス成形体１１と第２セラミックス成形体２１の双方または第１セラミックス仮焼体１２と第２セラミックス仮焼体２２の双方に付加的空間３３が形成されている場合であっても、何れか一方の付加的空間は底面又は挿入先端面に含まれるものとして規定し、「付加的空間の第１方向の開口が底面又は挿入先端面により塞がれた状態」に該当するものと規定する。

図２を参照して、本実施形態のセラミックス焼結体の製造方法は、図１に示す第１セラミックス成形体１１、および第２セラミックス成形体２１を成形する成形工程（図２のＳＴＥＰ１）と、仮焼工程（ＳＴＥＰ２）と、挿入工程（ＳＴＥＰ３）と、焼成工程（ＳＴＥＰ４）と、を備える。

仮焼工程（ＳＴＥＰ２）は、第１セラミックス成形体１１を第１温度Ｔ１で仮焼し、第１セラミックス仮焼体１２を得る第１仮焼工程と、第１セラミックス成形体１１と主成分が同一の第２セラミックス成形体２１を第１温度Ｔ１より高い第２温度Ｔ２で仮焼し、第２セラミックス仮焼体２２を得る第２仮焼工程と、を含む。

次に、挿入工程（ＳＴＥＰ３）で、第１セラミックス仮焼体１２の第１方向の表面に開口３１ａを有する収容空間３１に第２セラミックス仮焼体２２を第１方向に沿って挿入する。収容空間３１を画定する第１セラミックス仮焼体１２の収容面は、内底面３１ｂと内側面３１ｃとで構成される。第２セラミックス仮焼体２２の収容空間３１に収容される面である被収容面は、第２セラミックス仮焼体２２の外底面２２ｂと外側面２２ｃとで構成される。本実施形態においては、内底面３１ｂが収容空間３１を画定する底面、内側面３１ｃが収容空間３１を画定する周面、外底面２２ｂが挿入先端面に該当する。

この挿入工程（ＳＴＥＰ３）では、収容空間３１を画定する第１セラミックス仮焼体１２の収容面のうちの一部である内底面３１ｂと、第２セラミックス仮焼体２２の被収容面の一部である外底面２２ｂ（挿入先端面）とが第１方向において対向するように配置される。

次に、焼成工程（ＳＴＥＰ４）として、収容空間３１に第２セラミックス仮焼体２２を挿入した状態で、第１セラミックス仮焼体１２及び第２セラミックス仮焼体２２を、第２温度Ｔ２より高い第３温度Ｔ３で、第１方向に沿った一軸方向からの１ＭＰａ以上の圧力を加え第１方向に対向する収容面の一部としての内底面３１ｂ（底面）及び被収容面の一部としての外底面２２ｂ（挿入先端面）を当接させた状態で焼成する一軸加圧焼成を行う。このときに加える圧力の上限は設備にも依存するが、例えば、２５ＭＰａ以下とすることができる。

焼成工程（ＳＴＥＰ４）では、第１セラミックス仮焼体１２と第２セラミックス仮焼体２２とが嵌合して一体化し、付加的空間３３の第１方向の開口が外底面２２ｂ（挿入先端面）により塞がれた状態とされたセラミックス焼結体４を得ることができる。

図５は、焼結工程における温度変化とセラミックス仮焼体の寸法との関係を示すグラフであり、セラミックス焼結体の焼成工程における収縮特性を示す収縮曲線を示し、横軸が温度、縦軸がセラミックス仮焼体の寸法を示している。図５から明らかなように、セラミックス仮焼体は、温度が上がるにつれて次第に寸法の変化量が大きくなっていくが、所定の温度以上になると次第に寸法の変化量が小さくなっていく。この寸法の変化量が次第に大きくなる状態から次第に小さくなる状態に切り替わる点、または、曲線の二回導関数が０になる点、または、曲線が凹から凸に切り替わる点、を変曲点という。

焼結工程においては、図５の収縮曲線の変曲点の温度である変曲点温度Ｔ５以上第３温度Ｔ３以下に設定された第４温度Ｔ４にセラミックス焼結体が達した時点から第１方向から加圧するようにしている。これは、変曲点温度Ｔ５未満の温度から加圧すると第２方向における収縮率が低下することが分かった。そこで、本実施形態においては、変曲点温度Ｔ５以上第３温度Ｔ３以下に設定された第４温度Ｔ４にセラミックス仮焼体が達した時点から第１方向から加圧することにより第２方向へ十分に収縮させることができ、第１セラミックス仮焼体と第２セラミックス仮焼体との一体化をより高めることができる。

一例として、第１セラミックス成形体１１と第２セラミックス成形体２１の主成分が炭化ケイ素である場合には、第１温度は９００℃～１７００℃、第２温度は１２００℃～１９００℃、第３温度は１８００℃～２２００℃、第４温度は１２００℃～１９００℃、変曲点温度Ｔ５は１３００℃と、することができる。

また、挿入工程（ＳＴＥＰ３）において、第２セラミックス仮焼体２２を収容空間３１に挿入したとき、第１セラミックス仮焼体１２と第２セラミックス仮焼体２２との間には、第１方向に直交する第２方向において隙間が形成されて、内側面３１ｃと外側面２２ｃとが離隔するように、第２セラミックス仮焼体２２と収容空間３１を有する第１セラミックス仮焼体１２とが構成されている。

この隙間は、焼結工程（ＳＴＥＰ４）において、第１セラミックス仮焼体１２と第２セラミックス仮焼体２２とが一体化して消滅する。

本実施形態のセラミックス焼結体４の製造方法によれば、第１セラミックス仮焼体１２を得るために第１セラミックス成形体１１を仮焼成するときの第１温度Ｔ１よりも高い第２温度Ｔ２で第２セラミックス仮焼体２２を仮焼成して得ることにより、第２セラミックス仮焼体２２の収縮度合いを第１セラミックス仮焼体１２の収縮度合いよりも大きくすることができる。そして、第２セラミックス仮焼体２２を収容空間３１に挿入して本焼成を行うことにより、従来よりもさらに接合界面の接合強度を向上させたセラミックス焼結体４を得ることができる。

また、本実施形態によれば、挿入工程（ＳＴＥＰ３）においては第１セラミックス仮焼体１２と第２セラミックス仮焼体２２との第２方向における間に隙間が形成されているため、第２セラミックス仮焼体２２を収容空間３１に容易に挿入することができる。また、焼成工程（ＳＴＥＰ４）においては、第１セラミックス焼結体１２の第２方向における収縮率が第２セラミックス仮焼体２２の第２方向における収縮率よりも大きく、第１セラミックス仮焼体１２と第２セラミックス仮焼体２２との間の第２方向における隙間が消滅するため、隙間が残っている場合と比較して、第１セラミックス仮焼体１２と第２セラミックス仮焼体２２とをしっかりと一体化させたセラミックス焼結体４を製造することができる。

また、本実施形態の製造方法にて製造されたセラミックス焼結体４を用いた半導体製造部材の製造方法として、セラミックス焼結体４に静電チャックを取り付ける取付工程を含むようにしてもよい。これにより、セラミックス焼結体４に静電チャックを取り付けて付加的空間３３に媒体を流すことにより種々の半導体製造プロセスに適用し得る半導体製造部材として用いることができる。

以下、実施例と比較例について説明する。各実施例と比較例は、直径３００ｍｍ、厚み２５ｍｍの静電チャック用基台を作成して評価したものである。評価内容として、付加的空間３３に６［ｋｇｆ／ｃｍ^２］の水圧を負荷し、セラミックス焼結体４の付加的空間３３を画定する周壁からの水漏れの有無も確認した。また、付加的空間３３に０．５ＭＰａのＨｅガスを加圧、封止し、１分経過後の封止された空間の圧力変動の有無によりガスリークの有無を確認した。このとき、圧力変動が１％以内である場合には、ガスリーク無しと判定した。

［実施例１］
実施例１では、原料は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を純度９９．５％、平均粒子径０．５μｍの酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の原料粉を用いた。実施例１の成形体は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）バインダーを３％添加して顆粒状にしてＣＩＰ成形した後、第１セラミックス成形体１１及び第２セラミックス成形体２１の形状に機械加工した。仮焼成及び本焼成は大気雰囲気で行った。また、本焼成時の加圧は１ＭＰａで行った。結果を表１に示す。表１から明らかなように、実施例１の付加的空間３３を画定する周壁からの水漏れは検知されなかった。また、ガスリークも確認されなかった。

［実施例２］
実施例２では、純度９８％、平均粒子径０．５μｍの原料として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）に炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）及び炭素（Ｃ）を添加したものを用いた。セラミックス成形体は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）バインダーを３％添加して顆粒状にしてＣＩＰ成形した後、第１セラミックス成形体１１及び第２セラミックス成形体２１の形状に機械加工した。仮焼成及び本焼成はアルゴン雰囲気で行った。また焼成時の加圧は４ＭＰａで行った。結果を表１に示す。表１から明らかなように、実施例２の付加的空間３３を画定する周壁からの水漏れは検知されなかった。また、ガスリークも確認されなかった。

［比較例１］
比較例１は、焼成時の一軸加圧の圧力を０．５ＭＰａとした以外は、実施例２と同一とした。比較例１では、付加的空間３３を画定する周壁から水漏れが発生した。また、Ｈｅガスを用いたガスリークの確認試験ではＨｅガスの圧力変動が確認されガスリークが発生した。

［実施例３］
実施例３は、一軸加圧焼成の時の加圧を変曲点温度（１３００℃）に達する前の８００℃で開始した場合のものであり、他は、実施例２と同一に構成している。実施例３の付加的空間３３を画定する周壁からの水漏れは検知されなかった。一方でＨｅガスを用いたガスリークの確認試験ではＨｅガスの圧力電動が確認されガスリークが発生した。

１１ 第１セラミックス成形体
１２ 第１セラミックス仮焼体
２１ 第２セラミックス成形体
２２ 第２セラミックス仮焼体
２２ｂ 外底面（挿入先端面）
２２ｃ 外側面
３１ 収容空間
３１ａ 開口
３１ｂ 内底面（底面）
３１ｃ 内側面（周面）
３３ 付加的空間
４ セラミックス焼結体
Ｔ１ 第１温度
Ｔ２ 第２温度
Ｔ３ 第３温度
Ｔ４ 第４温度
Ｔ５ 変曲点温度

Claims (5)

1. 第１セラミックス成形体を第１温度で仮焼し、第１セラミックス仮焼体を得る第１仮焼工程と、
   第１セラミックス成形体と主成分が同一の第２セラミックス成形体を前記第１温度より高い第２温度で仮焼し、第２セラミックス仮焼体を得る第２仮焼工程と、
   周面と底面とに囲われ、第１方向に開口を有する収容空間を前記第１セラミックス成形体または前記第１セラミックス仮焼体に形成する収容空間形成工程と、
   前記第１セラミックス成形体もしくは前記第２セラミックス成形体の少なくとも一方、または前記第１セラミックス仮焼体もしくは前記第２セラミックス仮焼体の少なくとも一方、に前記第１方向に開口を有する付加的空間を形成する付加的空間形成工程と、
   前記収容空間に前記第２セラミックス仮焼体を前記開口から前記第１方向に沿って挿入することにより、前記収容空間を画定する前記第１セラミックス仮焼体の収容面のうちの前記底面と前記第２セラミックス仮焼体の被収容面の一部の挿入先端面とが前記第１方向において対向するように配置される挿入工程と、
   前記収容空間に前記第２セラミックス仮焼体を挿入した状態で、前記第１セラミックス仮焼体及び前記第２セラミックス仮焼体を、前記第２温度より高い第３温度で、前記第１方向に沿った一軸方向からの１ＭＰａ以上の圧力を加え前記第１方向に対向する前記収容面の前記底面及び前記被収容面の一部の前記挿入先端面を当接させた状態で焼成する一軸加圧焼成を行い、前記第１セラミックス仮焼体と前記第２セラミックス仮焼体とが嵌合して一体化し、前記付加的空間の前記第１方向の開口が前記底面又は前記挿入先端面により塞がれた状態とされたセラミックス焼結体を得る焼結工程と、
   を含むことを特徴とするセラミックス焼結体の製造方法。
2. 請求項１に記載のセラミックス焼結体の製造方法であって、
   前記挿入工程において、前記第２セラミックス仮焼体を前記収容空間に挿入したとき、前記第１セラミックス仮焼体と前記第２セラミックス仮焼体との間には、前記第１方向に直交する第２方向において隙間が形成されるように、前記第２セラミックス仮焼体と前記収容空間とが構成されており、
   前記焼結工程において、前記第１セラミックス仮焼体と前記第２セラミックス仮焼体とが一体化して前記隙間は消滅することを特徴とするセラミックス焼結体の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のセラミックス焼結体の製造方法であって、
   前記焼結工程において、前記セラミックス焼結体の焼成工程における収縮特性を示す収縮曲線の変曲点の温度である変曲点温度以上前記第３温度以下に設定された第４温度に前記セラミックス焼結体が達した時点から前記第１方向から加圧することを特徴とするセラミックス焼結体の製造方法。
4. 請求項３に記載のセラミックス焼結体の製造方法であって、
   前記第１セラミックス成形体と前記第２セラミックス成形体の主成分が炭化ケイ素であり、前記第１温度は９００℃～１７００℃、前記第２温度は１２００℃～１９００℃、前記第３温度は１８００℃～２２００℃、前記第４温度は１２００℃～１９００℃、であることを特徴とするセラミックス焼結体の製造方法。
5. 請求項１から請求項４の何れか１項に記載の製造方法にて製造されたセラミックス焼結体を用いた半導体製造部材の製造方法であって、
   前記セラミックス焼結体に静電チャックを取り付ける取付工程を含む半導体製造部品の製造方法。

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