JP7525444B2

JP7525444B2 - セラミック構造体

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Publication number: JP7525444B2
Application number: JP2021089314A
Authority: JP
Inventors: 浩浜島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2024-07-30
Anticipated expiration: 2041-05-27
Also published as: JP2024138531A; JP2022182025A

Description

本開示は、セラミック構造体に関する。

従来、プラズマ処理装置において、シャワープレートなどの各種被締結部材は、ワッシャおよびボルトによって処理容器の壁に締結されている。締結構造として、例えば特許文献１には、可撓性ワッシャを備えた締結構造が記載されている。しかし、特許文献１に記載された可撓性ワッシャは、樹脂から形成されている。そのため、プラズマに晒されると劣化しやすく、劣化した部分が脱離して処理容器内を浮遊する。その結果、浮遊物によって、処理容器内が汚染される。

そこで、特許文献２には、セラミックスで形成されたワッシャおよびＴ字状ワッシャを用いた締結構造が記載されている。このようなセラミックで形成されたワッシャおよびＴ字状ワッシャは、プラズマに対する耐食性を有している。しかし、Ｔ字状ワッシャの鍔部と円筒部との接続部は、応力集中が高い。そのため、プラズマの影響によってこの接続部にクラックが発生しやすくなる。

特許第５７５０４９５号公報特許第３８７７１５７号公報

本開示の課題は、長期間にわたってプラズマ空間に晒される環境下で使用しても、クラックの発生が低減され破損しにくいセラミック構造体を提供することである。

本開示に係るセラミック構造体は、円板状または角板状を有する板状部と、板状部の一方の主面側に位置している柱状部と、板状部と柱状部との間に位置している傾斜部とを含む。傾斜部の外側面の少なくとも一部は、柱状部側から板状部側にかけて、板状部材の外周部方向に向かって傾斜した構造を有している。本開示に係る段付きワッシャーは、上記のセラミック構造体を含み、板状部から柱状部にかけて貫通孔を有している。

本開示に係るセラミック構造体において、傾斜部の外側面は、柱状部側から板状部側にかけて、板状部の外周部方向に向かって傾斜した構造を有している。このような構造を有することによって、比較的厚みの薄い板状部が、比較的厚みを有する傾斜部によって支持される面積が増える。すなわち、板状部と傾斜部との接触面積が広くなる。したがって、本開示によれば、長期間にわたってプラズマ空間に晒される環境下で使用しても、クラックの発生が低減され破損しにくいセラミック構造体を提供することができる。

（Ａ）は本開示の一実施形態に係るセラミック構造体を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示すＸ－Ｘ線で切断した際の断面を示す断面図である。（Ａ）～（Ｃ）は、本開示の一実施形態に係るセラミック構造体を製造する工程の一例を説明するための説明図である。（Ａ）～（Ｃ）は、本開示の一実施形態に係るセラミック構造体を製造する工程の他の例を説明するための説明図である。（Ａ）～（Ｃ）は、本開示の一実施形態に係るセラミック構造体を製造する工程のさらに他の例を説明するための説明図である。（Ａ）は本開示の他の実施形態に係るセラミック構造体を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示すＹ－Ｙ線で切断した際の断面を示す断面図である。

本開示に係るセラミック構造体は、上記のように、円板状または角板状を有する板状部と、板状部の一方の主面側に位置している柱状部と、板状部と柱状部との間に位置している傾斜部とを含む。本開示に係るセラミック構造体を、図１～３に基づいて説明する。図１～３に示すセラミック構造体１、１’は、段付きワッシャーである。

図１（Ａ）は、本開示の一実施形態に係るセラミック構造体１を示す平面図であり、円板状を有する板状部２と、板状部２の一方の主面側に位置している柱状部３と、板状部２と柱状部３との間に位置している傾斜部４とを含む。さらに、一実施形態に係るセラミック構造体１には、板状部２から柱状部３にかけて貫通孔５が形成されている。

一実施形態に係るセラミック構造体１において、円板状を有する板状部２の大きさは限定されない。セラミック構造体１の用途に応じて適宜設定すればよく、例えば、直径が５．０ｍｍ以上３０ｍｍ以下、厚みが０．５ｍｍ以下であってもよい。

板状部２を形成しているセラミックスは、限定されず、例えば、酸化アルミニウム、酸化イットリウム等の希土類元素酸化物、イットリウム・アルミニウム複合酸化物等の希土類元素アルミニウム複合酸化物、炭化珪素などを主成分とするセラミックスが挙げられる。本明細書において「主成分」とは、セラミックスを構成する成分の合計１００質量％における８０質量％以上を占める成分をいう。酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスの場合、珪素、マグネシウム、カルシウムをそれぞれ酸化物として含んでいてもよい。後述する柱状部３、傾斜部４についても同様である。セラミックスに含まれる各成分の同定は、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折装置で行い、各成分の含有量は、例えばＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）発光分光分析装置または蛍光Ｘ線分析装置により求めればよい。

上記のセラミックスの中でも、板状部２は、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、イットリウム・アルミニウム複合酸化物、または炭化珪素を主成分とするセラミックスで形成されているのがよい。これらのセラミックスは、プラズマに対して優れた耐食性を有する。その結果、これらのセラミックスを用いたセラミック構造体１は、例えば、プラズマ空間に晒される環境下においても、長期間にわたって使用することができる。

板状部２において、主面２ａ、２ｂの算術平均粗さ（Ｒａ）は限定されない。例えば、後述する柱状部３が位置している側の主面２ａは、０．０２μｍ以上０．４μｍ以下の算術平均粗さ（Ｒａ）を有していてもよい。主面２ａが０．０２μｍ以上の算術平均粗さ（Ｒａ）を有していると、最低限のアンカー効果が発揮される。そのため、板状部２と後述する傾斜部４との間で接合されている場合、板状部２と傾斜部４との剥離が低減される。一方、主面２ａが０．４μｍ以下の算術平均粗さ（Ｒａ）を有していると、主面２ａの凹凸は比較的少ない。そのため、プラズマ環境下で生じる反応生成物（デポ）が、主面２ａの凹部に侵入する可能性が低くなる。その結果、デポが主面２ａに固着しにくくなる。

板状部２において、主面２ａ、２ｂの粗さ曲線における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、切断レベル差（Ｒδｃ）は限定されない。例えば、柱状部３が位置している側の主面２ａは、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、切断レベル差（Ｒδｃ）が０．０３μｍ以上０．８μｍ以下であってもよい。

主面２ａの切断レベル差（Ｒδｃ）が０．０３μｍ以上であれば、最低限のアンカー効果が発揮される。そのため、板状部２と後述する傾斜部４との間で接合されている場合、板状部２と傾斜部４との剥離が低減される。一方、主面２ａの切断レベル差（Ｒδｃ）が０．８μｍ以下であれば、主面２ａの凹凸は比較的少ない。そのため、プラズマ環境下で生じる反応生成物（デポ）が、主面２ａの凹部に侵入する可能性が低くなる。その結果、デポが主面２ａに固着しにくくなる。

算術平均粗さ（Ｒａ）および切断レベル差（Ｒδｃ）は、ＪＩＳＢ０６０１：２００１に準拠し、形状解析レーザ顕微鏡（(株)キーエンス製、ＶＫ－Ｘ１１００またはその後継機種）を用いて測定することができる。測定条件としては、まず、照明方式を同軸落射方式、倍率を４８０倍、カットオフ値λｓを無し、カットオフ値λｃを０．０８ｍｍ、カットオフ値λｆを無し、終端効果の補正を有り、測定対象とする主面２ａから１か所当たりの測定範囲を、例えば、７１０μｍ×５３３μｍに設定する。各測定範囲に、測定範囲の長手方向に沿って測定対象とする線を略等間隔に４本引いて、線粗さ計測を行えばよい。板状部が円板状の場合、測定範囲は径方向に沿って等間隔となるように合計３箇所とする。板状部が角板状の場合、測定範囲は外縁に沿って等間隔となるように合計４箇所とする。計測の対象とする線１本当たりの長さは、例えば、５６０μｍである。

一実施形態に係るセラミック構造体１において、柱状部３は円柱状を有し、後述する傾斜部４を介して板状部２に接合されている。円柱状を有する柱状部３の高さは限定されず、セラミック構造体１の用途に応じて適宜設定すればよく、例えば１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であってもよい。円柱状の柱状部３の直径は、板状部２の直径よりも小さければ限定されず、セラミック構造体１の用途に応じて適宜設定すればよく、例えば３．０ｍｍ以上２５ｍｍ以下であってもよい。

柱状部３を形成しているセラミックスは、限定されず、例えば、酸化アルミニウム、酸化イットリウム等の希土類元素酸化物、イットリウム・アルミニウム複合酸化物等の希土類元素アルミニウム複合酸化物、炭化珪素などを主成分とするセラミックスが挙げられる。「主成分」については上述の通りであり、詳細な説明は省略する。

上記のセラミックスの中でも、柱状部３は、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、イットリウム・アルミニウム複合酸化物、または炭化珪素を主成分とするセラミックスで形成されているのがよい。これらのセラミックスは、プラズマに対して優れた耐食性を有する。その結果、これらのセラミックスを用いたセラミック構造体１は、例えば、プラズマ空間に晒される環境下においても、長期間にわたって使用することができる。

一実施形態に係るセラミック構造体１において、傾斜部４は板状部２と柱状部３との間に位置している。すなわち、板状部２と柱状部３とは、傾斜部４を介して接合されている。傾斜部４を形成しているセラミックスは、限定されず、例えば、酸化アルミニウム、酸化イットリウム等の希土類元素酸化物、イットリウム・アルミニウム複合酸化物等の希土類元素アルミニウム複合酸化物、炭化珪素などを主成分とするセラミックスが挙げられる。「主成分」については上述の通りであり、詳細な説明は省略する。

上記のセラミックスの中でも、傾斜部４は、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、イットリウム・アルミニウム複合酸化物、または炭化珪素を主成分とするセラミックスで形成されているのがよい。これらのセラミックスは、プラズマに対して優れた耐食性を有する。その結果、これらのセラミックスを用いたセラミック構造体１は、例えば、プラズマ空間に晒される環境下においても、長期間にわたって使用することができる。

一実施形態に係るセラミック構造体１において、傾斜部４の外側面は、柱状部３側から板状部２側にかけて、板状部２の外周部方向に向かって傾斜した構造を有している。このような構造を有することによって、比較的厚みの薄い板状部２が、比較的厚みを有する傾斜部４によって支持される面積が増える。すなわち、板状部２と傾斜部４との接触面積が広くなる。その結果、一実施形態に係るセラミック構造体１は、長期間にわたってプラズマ空間に晒される環境下で使用しても、クラックの発生が低減され破損しにくい。

図１（Ａ）および（Ｂ）では、傾斜部４の外側面全体が、柱状部３側から板状部２側にかけて、板状部３の外周部方向に向かって傾斜した構造を有している。しかし、一実施形態に係るセラミック構造体１において、傾斜部４の外側面の少なくとも一部が、柱状部３側から板状部２側にかけて、板状部３の外周部方向に向かって傾斜した構造であればよい。

傾斜部４の外側面は焼成面であってもよい。傾斜部４の外側面が焼成面であると、傾斜部４の外側面には破砕層が存在しない。そのため、傾斜部４の外側面から脱離する粒子が低減し、プラズマ空間を浮遊する粒子が低減する。その結果、粒子によってプラズマ空間が汚染される可能性が低減する。

さらに、傾斜部４は、断面視した場合に凹状に湾曲していてもよい。凹状に湾曲していることによって、平面状である場合よりも、残留応力が分散されやすくなる。そのため、プラズマが繰り返し照射されても破損するおそれが低減する。ここで、断面とは、柱状部３の軸を含む仮想平面であり、その断面図は図１（ｂ）である。特に、傾斜部４は、周方向全体で凹状に湾曲していてもよい。

一実施形態に係るセラミック構造体１の製造方法は限定されず、例えば、拡散接合によって一実施形態に係るセラミック構造体１が得られる。具体的には、図２（Ａ）～（Ｃ）に基づいて説明する。

まず、図２（Ａ）に示すように、セラミックスで形成された板状部２と、セラミックスで形成された柱状部３および傾斜部４が一体成形された一体成形品とを準備する。セラミックスについては上述の通りであり、詳細については省略する。

板状部２の主面２ａ、２ｂのうち、柱状部３および傾斜部４の一体成形品と接合される側の主面２ａについて、加工に供さず焼成面であってもよく、研磨や研削などの加工に供してもよい。主面２ａは、上述のように、０．０２μｍ以上０．４μｍ以下の算術平均粗さ（Ｒａ）を有していてもよく、０．０３μｍ以上０．８μｍ以下の切断レベル差（Ｒδｃ）を有していてもよい。

次いで、図２（Ｂ）に示すように、板状部２と柱状部３および傾斜部４の一体成形品とを接合する。接合方法は、限定されず、例えば、拡散接合、ガラス接合などによって接合される。これらの中でも、拡散接合によって接合するのがよい。拡散接合を採用すると、単純な形状のセラミックス同士を自由に組み合わせることができる。その結果、設計の自由度が増え、使用目的に適ったセラミック構造体とすることができる。

拡散接合とは、接着剤などを介さずに部材同士を接合させる接合方法である。具体的には、部材同士を密着させて、部材の融点以下の温度条件下で、接合面間に生じる原子の拡散を利用して部材同士を接合させる方法である。

次いで、図２（Ｃ）に示すように、板状部２と柱状部３および傾斜部４の一体成形品とを接合させた後、板状部２から柱状部３にかけて貫通孔５を形成する。貫通孔５は、例えば切削加工などによって形成される。貫通孔５は、図２（Ｃ）に示すように、貫通孔５内に段差を設けるように形成される。すなわち、貫通孔５は、板状部２側の開口径と柱状部３側の開口径とが異なるように形成される。このようにして、一実施形態に係るセラミック構造体１（段付きワッシャー）が得られる。

図２（Ａ）～（Ｃ）では、板状部２と柱状部３および傾斜部４の一体成形品との拡散接合について説明している。しかし、図３（Ａ）～（Ｃ）および図４（Ａ）～（Ｃ）に示すように、板状部２および傾斜部４の一体成形品と柱状部３とを、拡散接合によって接合させてもよい。この場合、傾斜部４と柱状部３とを拡散接合に供すればよい。図３（Ａ）～（Ｃ）および図４（Ａ）～（Ｃ）に示すように、板状部２と傾斜部４とを一体成形品とすることによって、板状部２の破損がより低減される。図４（Ａ）～（Ｃ）では、傾斜部４が板状部２の端部まで伸びている。そのため、板状部２の破損がさらに低減される。あるいは、板状部２と柱状部３と傾斜部４とを、それぞれ拡散接合によって接合させてもよい。

特に、板状部２、傾斜部４および柱状部３がいずれも酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなり、珪素、マグネシウムおよびカルシウムをそれぞれ酸化物として含んでいるとよい。この場合、板状部２に含まれるマグネシウムを酸化物に換算した含有量は、柱状部３に含まれるマグネシウムを酸化物に換算した含有量よりも少ないとよい。さらに、板状部２に含まれるカルシウムを酸化物に換算した含有量は、柱状部３に含まれるカルシウムムを酸化物に換算した含有量よりも少ないとよい。

板状部２において、マグネシウムおよびカルシウムの少なくともいずれかの含有量が、柱状部３の含有量よりも少なくなっていると、プラズマに対する耐食性の低い粒界相の占める割合が減少している。その結果、板状部２にプラズマが繰り返し照射されても、長期間に亘って用いることができる。

板状部２に含まれるマグネシウムを酸化物に換算した含有量は、例えば、０．０２質量％以上０．０６質量％以下であってもよい。柱状部３に含まれるマグネシウムを酸化物に換算した含有量との差は、例えば０．０２質量％以上であってもよい。板状部２に含まれるカルシウムを酸化物に換算した含有量は、例えば、０．０２質量％以上３質量％以下であってもよい。柱状部３に含まれるマグネシウムを酸化物に換算した含有量との差は、例えば０．０２質量％以上であってもよい。

次に、本開示の他の実施形態に係るセラミック構造体１’を、図５（Ａ）および（Ｂ）に基づいて説明する。図５（Ａ）は本開示の他の実施形態に係るセラミック構造体１’を示す斜視図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）に示すＹ－Ｙ線で切断した際の断面を示す断面図である。

他の実施形態に係るセラミック構造体１’は、板状部２’、柱状部３’および傾斜部４’の形状が、一実施形態に係るセラミック構造体１の板状部２、柱状部３および傾斜部４の形状と相違する。具体的には、一実施形態に係るセラミック構造体１の板状部２は円板状を有しているのに対し、他の実施形態に係るセラミック構造体１’の板状部２’は四角板状を有している。一実施形態に係るセラミック構造体１の柱状部３は円柱状を有しているのに対し、他の実施形態に係るセラミック構造体１’の柱状部３’は四角柱状を有している。傾斜部４’については、傾斜部４と同様に、柱状部３’に対応した形状を有している。他の実施形態に係るセラミック構造体１’にも、図３（Ｂ）に示すように、貫通孔５’が、内壁部に段差を設けるように形成される。

他の実施形態に係るセラミック構造体１’において、四角板状を有する板状部２’の大きさは限定されない。セラミック構造体１’の用途に応じて適宜設定すればよく、例えば、４つの辺がそれぞれ５．０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の長さであってもよく、厚みが０．５ｍｍ以下であってもよい。四角板状を有する板状部２’は、長方形状であってもよく、正方形状であってもよい。セラミック構造体１’の用途によっては、例えば、ひし形状、平行四辺形状、台形状などであってもよい。

板状部２’を形成しているセラミックスの原料については、上述の板状体２で説明した通りであり、詳細な説明は省略する。さらに、板状部２’の主面２ａ’、２ｂ’の算術平均粗さ（Ｒａ）、および板状部２’の主面２ａ’、２ｂ’の切断レベル差（Ｒδｃ）についても、上述の板状体２で説明した通りであり、詳細な説明は省略する。

他の実施形態に係るセラミック構造体１’において、四角柱状を有する柱状部３’は、傾斜部４’を介して板状部２’に接合されている。四角柱状を有する柱状部３’の高さは限定されず、セラミック構造体１’の用途に応じて適宜設定すればよく、例えば１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であってもよい。四角柱状を有する柱状部３’の端面の形状は、板状部２’の主面２ａ’、２ｂ’よりも小さければ限定されず、セラミック構造体１’の用途に応じて適宜設定すればよい。柱状部３’の端面において、例えば４つの辺がそれぞれ３．０ｍｍ以上２５ｍｍ以下の長さであってもよい。

柱状部３’を形成しているセラミックスの原料については、上述の柱状部３で説明した通りであり、詳細な説明は省略する。さらに、傾斜部４’の原料や構造については、上述の傾斜部４で説明した通りであり、詳細な説明は省略する。

他の実施形態に係るセラミック構造体１’の製造方法についても上述の通りであり、例えば、拡散接合によって得られる。

本開示に係るセラミック構造体は、プラズマ処理装置など長期間にわたってプラズマ空間に晒される環境下で使用される部材として採用される。このような部材としては、例えば、セラミック構造体１、１’として示すような段付きワッシャーの他に、フランジ付き固定プレートなどが挙げられる。段付きワッシャーは、例えば、プラズマ処理装置において、シャワープレートなどの各種被締結部材を締結するために使用される。

１、１’ セラミック構造体
２、２’ 板状部
３、３’ 柱状部
４、４’ 傾斜部
５、５’ 貫通孔

Claims

円板状または角板状を有する板状部と、
該板状部の一方の主面側に位置している柱状部と、
前記板状部と前記柱状部との間に位置している傾斜部と、
を含み、
前記傾斜部の外側面の少なくとも一部は、前記柱状部側から前記板状部側にかけて、前記板状部の外周部方向に向かって傾斜した構造を有している、
プラズマ空間に晒される環境下で使用されるセラミック構造体。
前記傾斜部の外側面が焼成面である、請求項１に記載のプラズマ空間に晒される環境下で使用されるセラミック構造体。
前記傾斜部が、断面視した場合に凹状に湾曲している、請求項１または２に記載のプラズマ空間に晒される環境下で使用されるセラミック構造体。
前記板状部が、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、イットリウム・アルミニウム複合酸化物、または炭化珪素を主成分とするセラミックスである、請求項１～３のいずれかに記載のプラズマ空間に晒される環境下で使用されるセラミック構造体。
前記柱状部が、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、イットリウム・アルミニウム複合酸化物、または炭化珪素を主成分とするセラミックスである、請求項１～４のいずれかに記載のプラズマ空間に晒される環境下で使用されるセラミック構造体。
前記傾斜部が、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、イットリウム・アルミニウム複合酸化物、または炭化珪素を主成分とするセラミックスである、請求項１～５のいずれかに記載のプラズマ空間に晒される環境下で使用されるセラミック構造体。
前記柱状部と前記傾斜部とが一体成形品であり、前記傾斜部と前記板状部とが拡散接合されている、請求項１～６のいずれかに記載のプラズマ空間に晒される環境下で使用されるセラミック構造体。
前記板状部において、前記柱状部が位置している側の前記主面は、０．０２μｍ以上０．４μｍ以下の算術平均粗さ（Ｒａ）を有する、請求項１～７のいずれかに記載のプラズマ空間に晒される環境下で使用されるセラミック構造体。
前記板状部において、前記柱状部が位置している側の前記主面は、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、切断レベル差（Ｒδｃ）が０．０３μｍ以上０．８μｍ以下である、請求項１～８のいずれかに記載のプラズマ空間に晒される環境下で使用されるセラミック構造体。
前記板状部と前記傾斜部とが一体成形品であり、前記傾斜部と前記柱状部とが拡散接合されている、請求項１～６のいずれかに記載のプラズマ空間に晒される環境下で使用されるセラミック構造体。
請求項１～１０のいずれかに記載のプラズマ空間に晒される環境下で使用されるセラミック構造体を含み、前記板状部から前記柱状部にかけて貫通孔を有する、段付きワッシャー。