JPH07187836A - レーザ光によるＳｉ含有セラミックスの接合方法 - Google Patents
レーザ光によるＳｉ含有セラミックスの接合方法Info
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- JPH07187836A JPH07187836A JP34779193A JP34779193A JPH07187836A JP H07187836 A JPH07187836 A JP H07187836A JP 34779193 A JP34779193 A JP 34779193A JP 34779193 A JP34779193 A JP 34779193A JP H07187836 A JPH07187836 A JP H07187836A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、短時間の処理で被接合物であるセ
ラミックス本来の物性を損うことなく、十分な接合強度
を有し、半導体製造工程に何ら支障のきたすことのない
セラミックス接合方法の提供を目的としている。 【構成】本発明は、遊離Ｓｉを含有するセラミックス材
料同士の接合部に、Ｓｉ粉末またはＳｉ薄膜を介在さ
せ、この接合部にレーザ光を照射することにより接合部
を局所過熱し、介在せたＳｉ及びセラミックス材料中の
接合部近辺に存在するＳｉを溶融・流動化させて接合部
に充填するとともに、Ｓｉの相互移動により接合部を得
るようにしたことを特徴としている。
ラミックス本来の物性を損うことなく、十分な接合強度
を有し、半導体製造工程に何ら支障のきたすことのない
セラミックス接合方法の提供を目的としている。 【構成】本発明は、遊離Ｓｉを含有するセラミックス材
料同士の接合部に、Ｓｉ粉末またはＳｉ薄膜を介在さ
せ、この接合部にレーザ光を照射することにより接合部
を局所過熱し、介在せたＳｉ及びセラミックス材料中の
接合部近辺に存在するＳｉを溶融・流動化させて接合部
に充填するとともに、Ｓｉの相互移動により接合部を得
るようにしたことを特徴としている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を熱源として
セラミックス材料同士を接合する接合方法に関する。
セラミックス材料同士を接合する接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来よりセラミックス材料同志の接合方
法は数多く提案されているが、大別すると、接合界面に
介在物を用いる所謂ろう付法と、接合界面に介在物を用
いず接合材料同志を酸化や拡散を利用して直接接合する
方法とに分けられる。前者は、例えば特開昭６３−２２
５５８４号公報に記載されており、酸化アルミニウムを
主成分とするセラミックス材料同志の接合に、ろう材と
して酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素
などの混合粉末を用い、炭酸ガスレーザを接合部に照射
し、ろう材粉末を溶融し、凝固させてセラミックス材料
間を接合するものである。この方法では、接合部以外の
セラミックス材料の温度を低温に維持したまま、短時間
で接合がなされ、高い接合強度が得られるとするもので
ある。後者は、ホットプレス法、ＨＩＰ法などと呼ば
れ、接合面を加熱及び加圧状態で直接接合するものであ
るから、被接合物以外の不純物の介入はない。
法は数多く提案されているが、大別すると、接合界面に
介在物を用いる所謂ろう付法と、接合界面に介在物を用
いず接合材料同志を酸化や拡散を利用して直接接合する
方法とに分けられる。前者は、例えば特開昭６３−２２
５５８４号公報に記載されており、酸化アルミニウムを
主成分とするセラミックス材料同志の接合に、ろう材と
して酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素
などの混合粉末を用い、炭酸ガスレーザを接合部に照射
し、ろう材粉末を溶融し、凝固させてセラミックス材料
間を接合するものである。この方法では、接合部以外の
セラミックス材料の温度を低温に維持したまま、短時間
で接合がなされ、高い接合強度が得られるとするもので
ある。後者は、ホットプレス法、ＨＩＰ法などと呼ば
れ、接合面を加熱及び加圧状態で直接接合するものであ
るから、被接合物以外の不純物の介入はない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記所謂ろ
う付法では、介在物と被接合物の熱膨張率差に起因する
残留応力の発生から十分な接合強度が得られない場合が
多い。また異種物質の導入によりセラミックス本来の物
性が損なわれるという本質的な技術的課題もある。そし
て何よりも、拡散炉チューブやボートといった半導体熱
処理工程に用いられるセラミックス部品には、介在物に
含まれるＴｉ、Ａｌ、Ｃｕといった金属類の存在は致命
的である。一方、介在物を用いないホットプレス法は、
単純形状のセラミックスしか接合できず、またＨＩＰ法
は被接合物であるセラミックス全体の加熱が必要で、装
置の大型化及び処理時間が長いという課題を有してい
る。
う付法では、介在物と被接合物の熱膨張率差に起因する
残留応力の発生から十分な接合強度が得られない場合が
多い。また異種物質の導入によりセラミックス本来の物
性が損なわれるという本質的な技術的課題もある。そし
て何よりも、拡散炉チューブやボートといった半導体熱
処理工程に用いられるセラミックス部品には、介在物に
含まれるＴｉ、Ａｌ、Ｃｕといった金属類の存在は致命
的である。一方、介在物を用いないホットプレス法は、
単純形状のセラミックスしか接合できず、またＨＩＰ法
は被接合物であるセラミックス全体の加熱が必要で、装
置の大型化及び処理時間が長いという課題を有してい
る。
【０００４】本発明は上記の点に鑑みてなされたもの
で、短時間の処理で被接合物であるセラミックス本来の
物性を損うことなく、十分な接合強度を有し、半導体製
造工程に何ら支障のきたすことのないセラミックス接合
方法の提供を目的としている。
で、短時間の処理で被接合物であるセラミックス本来の
物性を損うことなく、十分な接合強度を有し、半導体製
造工程に何ら支障のきたすことのないセラミックス接合
方法の提供を目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、遊離Ｓｉを含有するセラミックス材料同士
の接合部に、Ｓｉ粉末またはＳｉ薄膜を介在させ、この
接合部にレーザ光を照射することにより接合部を局所過
熱し、介在せたＳｉ及びセラミックス材料中の接合部近
辺に存在するＳｉを溶融・流動化させて接合部に充填す
るとともに、Ｓｉの相互移動により接合部を得るように
したことを特徴としている。
決するため、遊離Ｓｉを含有するセラミックス材料同士
の接合部に、Ｓｉ粉末またはＳｉ薄膜を介在させ、この
接合部にレーザ光を照射することにより接合部を局所過
熱し、介在せたＳｉ及びセラミックス材料中の接合部近
辺に存在するＳｉを溶融・流動化させて接合部に充填す
るとともに、Ｓｉの相互移動により接合部を得るように
したことを特徴としている。
【０００６】
【作用】上記発明の接合方法では、レーザ光により接合
部の局所加熱を行うため、被接合物（セラミックス）全
体の加熱を不要としている。このことにより接合部以外
の部分の熱劣化が避けられる。またレーザ集光系のコン
トロールによりレーザ光のスキャンが可能となり、ある
程度の接合長さにも対応できる。一方、介在物（接着
剤）としては高純度のＳｉを用いるため、半導体製造工
程に支障をきたすことは全くない。セラミックス材料と
しては、例えばＳｉ含浸Ｓｉｃ、反応焼結Ｓｉ3 Ｎ4 で
あって、これらに含まれる遊離Ｓｉと、接着剤としての
Ｓｉ粉末又は、Ｓｉ薄膜がレーザ光により同時に溶融
し、流動化し接合部に充填されると共に、接着剤Ｓｉと
遊離Ｓｉとの相互移動により強固な接着面が形成され
る。
部の局所加熱を行うため、被接合物（セラミックス）全
体の加熱を不要としている。このことにより接合部以外
の部分の熱劣化が避けられる。またレーザ集光系のコン
トロールによりレーザ光のスキャンが可能となり、ある
程度の接合長さにも対応できる。一方、介在物（接着
剤）としては高純度のＳｉを用いるため、半導体製造工
程に支障をきたすことは全くない。セラミックス材料と
しては、例えばＳｉ含浸Ｓｉｃ、反応焼結Ｓｉ3 Ｎ4 で
あって、これらに含まれる遊離Ｓｉと、接着剤としての
Ｓｉ粉末又は、Ｓｉ薄膜がレーザ光により同時に溶融
し、流動化し接合部に充填されると共に、接着剤Ｓｉと
遊離Ｓｉとの相互移動により強固な接着面が形成され
る。
【０００７】
【実施例】はじめに本発明に用いられるレーザ照射シス
テムを図１に基づき説明する。Ｎａ：ＹＡＧレーザ発振
器１は電源２、冷却器３に接続され、レーザ光が集光系
４、ガルバノメータ５を介して真空チャンバ６に導かれ
る、真空チャンバ６内には被接合物であるセラミックス
材料７が設置され、アルゴン等の雰囲気ガスが充填され
ている。真空チャンバ６内のセラミックス材料７の温度
は赤外線温度計８により測定され、接続されるコンピュ
ータ９により電源２のコントロールに用いられる。
テムを図１に基づき説明する。Ｎａ：ＹＡＧレーザ発振
器１は電源２、冷却器３に接続され、レーザ光が集光系
４、ガルバノメータ５を介して真空チャンバ６に導かれ
る、真空チャンバ６内には被接合物であるセラミックス
材料７が設置され、アルゴン等の雰囲気ガスが充填され
ている。真空チャンバ６内のセラミックス材料７の温度
は赤外線温度計８により測定され、接続されるコンピュ
ータ９により電源２のコントロールに用いられる。
【０００９】上記レーザ発振器には種々あり、本発明の
ようなレーザ熱プロセスに利用される主たるレーザは赤
外域の炭酸ガスレーザと、Ｎｄ：ＹＡＧレーザである
が、必ずしもこれらに限定されることはない。
ようなレーザ熱プロセスに利用される主たるレーザは赤
外域の炭酸ガスレーザと、Ｎｄ：ＹＡＧレーザである
が、必ずしもこれらに限定されることはない。
【００１０】ところで接合強度の良し悪しは、主にレー
ザパワー密度と照射時間に依存する。一般にパワー密度
が大きすぎると熱的にイオン化された高温プラズマが発
生し、レーザを吸収するため加工ができない。またこれ
よりやや小さい程度のパワー密度であると、短時間で表
面温度が蒸発温度となるため、照射の続く間蒸発が起
る。従って、接合のためにはさらにパワー密度を下げ、
表面温度が蒸発温度以下となる条件設定を行う必要があ
る。そして、表面温度を蒸発温度以下かつ融解温度以上
の状態に保持することにより、初めて接合が可能とな
る。適切な接合条件は、パワー密度、照射時間の他、被
接合物表面の反射率や物性（熱伝導率、比熱等）といっ
たファクタによっても決定される。
ザパワー密度と照射時間に依存する。一般にパワー密度
が大きすぎると熱的にイオン化された高温プラズマが発
生し、レーザを吸収するため加工ができない。またこれ
よりやや小さい程度のパワー密度であると、短時間で表
面温度が蒸発温度となるため、照射の続く間蒸発が起
る。従って、接合のためにはさらにパワー密度を下げ、
表面温度が蒸発温度以下となる条件設定を行う必要があ
る。そして、表面温度を蒸発温度以下かつ融解温度以上
の状態に保持することにより、初めて接合が可能とな
る。適切な接合条件は、パワー密度、照射時間の他、被
接合物表面の反射率や物性（熱伝導率、比熱等）といっ
たファクタによっても決定される。
【００１１】次に上記レーザ照射システムを用いて行っ
たセラミックス接合例を図２、図３に基づいて説明す
る。図２に示すように、東芝セラミックス製のＳｉ含浸
タイプＳｉＣ（商品名：ＴＰＳＳ，遊離Ｓｉ量＝１５重
量％）より３ｘ４ｘ２０ｍｍのテストピース７ａを２本
切りだした。そして、この２本のテストピース７ａの端
面同士を突き合わせその間にＳｉの箔７ｂ（ｔ≒０．０
５ｍｍ）をはさみ、反対側の端面には断熱材１０として
のアルミナ製耐火ファイバーを取り付け両側からクラン
プした。
たセラミックス接合例を図２、図３に基づいて説明す
る。図２に示すように、東芝セラミックス製のＳｉ含浸
タイプＳｉＣ（商品名：ＴＰＳＳ，遊離Ｓｉ量＝１５重
量％）より３ｘ４ｘ２０ｍｍのテストピース７ａを２本
切りだした。そして、この２本のテストピース７ａの端
面同士を突き合わせその間にＳｉの箔７ｂ（ｔ≒０．０
５ｍｍ）をはさみ、反対側の端面には断熱材１０として
のアルミナ製耐火ファイバーを取り付け両側からクラン
プした。
【００１２】次に、これを図１のレーザ照射焼結炉内に
セットした。尚、本レーザーの発振器の主たる仕様は、
レーザー媒体＝Ｎｄ：ＹＡＧ，発振波長＝１．０６μ
ｍ，最大出力＝３００Ｗである。セット後、レーザービ
ーム径≒５ｍｍφに絞り接合面にレーザーが照射される
よう位置決めし、徐々に出力を上げると同時に接合面に
そってビームをスキャンさせた。最終的に出力１００Ｗ
で、約１０分間接合面に沿ってレーザー照射を続けた
後、レーザー照射を停止した。尚、照射中の炉内雰囲気
はＡｒガスで、サンプルの平均温度は約１２００℃であ
った。冷えた後、クランプをはずしたところ２本のテス
トピース７ａは接着していた。次にこの接合されたサン
プルの４点曲げ試験を実施したところ、３４５ＭＰａで
あった。なお、この材料単独の４点曲げ強さは約４００
ＭＰａであり、強度の低下率は２０％未満と高強度な接
合体が得ることができた。
セットした。尚、本レーザーの発振器の主たる仕様は、
レーザー媒体＝Ｎｄ：ＹＡＧ，発振波長＝１．０６μ
ｍ，最大出力＝３００Ｗである。セット後、レーザービ
ーム径≒５ｍｍφに絞り接合面にレーザーが照射される
よう位置決めし、徐々に出力を上げると同時に接合面に
そってビームをスキャンさせた。最終的に出力１００Ｗ
で、約１０分間接合面に沿ってレーザー照射を続けた
後、レーザー照射を停止した。尚、照射中の炉内雰囲気
はＡｒガスで、サンプルの平均温度は約１２００℃であ
った。冷えた後、クランプをはずしたところ２本のテス
トピース７ａは接着していた。次にこの接合されたサン
プルの４点曲げ試験を実施したところ、３４５ＭＰａで
あった。なお、この材料単独の４点曲げ強さは約４００
ＭＰａであり、強度の低下率は２０％未満と高強度な接
合体が得ることができた。
【００１３】次に上記実施例と同じ材料を図３に示すよ
うに凹凸形状に加工したサンプル７ａを１セット準備
し、接合強度の試験を行った。この試験においては、こ
の接合部のすき間に高純度Ｓｉ微粉末７ｃを充填し、こ
の他は例１に示すのと同一の条件で、サンプル外側の接
合面に沿ってレーザー照射を行なった。試験後サンプル
７ｂを取りだしたところ接合されていた。これを上記実
施例と同様、４点曲げ試験に供したところ、曲げ強さは
３７０ＭＰａを示し、良好な接合体であることが確認で
きた。
うに凹凸形状に加工したサンプル７ａを１セット準備
し、接合強度の試験を行った。この試験においては、こ
の接合部のすき間に高純度Ｓｉ微粉末７ｃを充填し、こ
の他は例１に示すのと同一の条件で、サンプル外側の接
合面に沿ってレーザー照射を行なった。試験後サンプル
７ｂを取りだしたところ接合されていた。これを上記実
施例と同様、４点曲げ試験に供したところ、曲げ強さは
３７０ＭＰａを示し、良好な接合体であることが確認で
きた。
【００１４】次に、図２に示されるサンプルについて、
次の温度条件でＨＩＰを行ない、上記実施例の接合強度
と比較する試験を行った。尚、加熱炉内の雰囲気はＡｒ
ガスで、その圧力は１０００ｋｇ／ｃｍ2 に維持され、
加熱時間は１時間とした。
次の温度条件でＨＩＰを行ない、上記実施例の接合強度
と比較する試験を行った。尚、加熱炉内の雰囲気はＡｒ
ガスで、その圧力は１０００ｋｇ／ｃｍ2 に維持され、
加熱時間は１時間とした。
【００１５】
【表１】
【００１６】上記比較例の結果からも明らかなように、
本発明はＨＩＰ法による接合と比べり、より強固な接合
面を形成でき、十分な接合強度をうることができた。
尚、上記実施例では、被接合物としてＳｉ含浸タイプの
ＳｉＣを用いたが、本発明の特徴の１つは、被接合物が
遊離Ｓｉを含むセラミックスであることであり、この遊
離Ｓｉは少なくとも接合部付近に存在すれば良い。従っ
て、例えば元来遊離Ｓｉをもたない多孔質セラミックス
を接合する場合には、その接合部付近にＳｉを予め含浸
しておくなどの処理を施せば、本発明を同様に実施でき
る。
本発明はＨＩＰ法による接合と比べり、より強固な接合
面を形成でき、十分な接合強度をうることができた。
尚、上記実施例では、被接合物としてＳｉ含浸タイプの
ＳｉＣを用いたが、本発明の特徴の１つは、被接合物が
遊離Ｓｉを含むセラミックスであることであり、この遊
離Ｓｉは少なくとも接合部付近に存在すれば良い。従っ
て、例えば元来遊離Ｓｉをもたない多孔質セラミックス
を接合する場合には、その接合部付近にＳｉを予め含浸
しておくなどの処理を施せば、本発明を同様に実施でき
る。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ光により短時間でセラミックスの本来の物性を損
うことなく接合することができ、また遊離Ｓｉと接着剤
としてのＳｉとの相互移動により強固な接合面を形成す
ることができる。もちろん異種金属等を含まないから、
接合されたセラミックス部品を半導体製造工程に用いて
も何ら支障ない。
レーザ光により短時間でセラミックスの本来の物性を損
うことなく接合することができ、また遊離Ｓｉと接着剤
としてのＳｉとの相互移動により強固な接合面を形成す
ることができる。もちろん異種金属等を含まないから、
接合されたセラミックス部品を半導体製造工程に用いて
も何ら支障ない。
【図１】 図１は本発明を実施する際に用いるレーザ照
射システムの構成図である。
射システムの構成図である。
【図２】 図２は本発明の一実施例の場合のサンプルセ
ット状態を示す説明図である。
ット状態を示す説明図である。
【図３】 図３は本発明の他の実施例のサンプルセット
状態を示す説明図である。
状態を示す説明図である。
７ セラミックス材料 ７ａ サンプル ７ｂ Ｓｉ箔 ７ｃ Ｓｉ粉末
Claims (1)
- 【請求項１】遊離Ｓｉを含有するセラミックス材料同士
の接合部に、Ｓｉ粉末またはＳｉ薄膜を介在させ、この
接合部にレーザ光を照射することにより接合部を局所過
熱し、介在せたＳｉ及びセラミックス材料中の接合部近
辺に存在するＳｉを溶融・流動化させて接合部に充填す
るとともに、Ｓｉの相互移動により接合部を得るように
したことを特徴とするレーザ光によるＳｉ含有セラミッ
クスの接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34779193A JPH07187836A (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | レーザ光によるＳｉ含有セラミックスの接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34779193A JPH07187836A (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | レーザ光によるＳｉ含有セラミックスの接合方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07187836A true JPH07187836A (ja) | 1995-07-25 |
Family
ID=18392605
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34779193A Pending JPH07187836A (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | レーザ光によるＳｉ含有セラミックスの接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07187836A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003528737A (ja) * | 1999-12-15 | 2003-09-30 | サイメディカ リミテッド | 接合製品およびその製造方法 |
| WO2003106374A1 (de) * | 2002-06-14 | 2003-12-24 | Technische Universität Dresden | Verfahren zur herstellung von gasdichten und hochtemperaturbeständigen verbindungen von formteilen aus nichtoxidischer keramik mittels laser |
| JP2007269506A (ja) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Nippon Electric Glass Co Ltd | ガラス繊維用切断刃、その製造方法及び切断装置 |
| WO2013045308A1 (de) * | 2011-09-30 | 2013-04-04 | Sgl Carbon Se | Laserstrahllöten von materialien auf siliciumkarbidbasis |
| JP2013193082A (ja) * | 2012-03-15 | 2013-09-30 | Toshiba Corp | 接合装置および接合方法 |
| JP2014185058A (ja) * | 2013-03-22 | 2014-10-02 | Toshiba Corp | セラミック部材の接合方法 |
| WO2016194444A1 (ja) * | 2015-06-01 | 2016-12-08 | 株式会社日立製作所 | 炭化珪素セラミックス接合体 |
-
1993
- 1993-12-24 JP JP34779193A patent/JPH07187836A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003528737A (ja) * | 1999-12-15 | 2003-09-30 | サイメディカ リミテッド | 接合製品およびその製造方法 |
| WO2003106374A1 (de) * | 2002-06-14 | 2003-12-24 | Technische Universität Dresden | Verfahren zur herstellung von gasdichten und hochtemperaturbeständigen verbindungen von formteilen aus nichtoxidischer keramik mittels laser |
| US7462255B2 (en) | 2002-06-14 | 2008-12-09 | Technische Universitaet Dresden | Method for producing by laser gastight and high-temperature resistant connections of shaped parts made of a non-oxidic ceramic |
| JP2007269506A (ja) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Nippon Electric Glass Co Ltd | ガラス繊維用切断刃、その製造方法及び切断装置 |
| JP4529185B2 (ja) * | 2006-03-30 | 2010-08-25 | 日本電気硝子株式会社 | ガラス繊維用切断刃、その製造方法及び切断装置 |
| WO2013045308A1 (de) * | 2011-09-30 | 2013-04-04 | Sgl Carbon Se | Laserstrahllöten von materialien auf siliciumkarbidbasis |
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| WO2016194444A1 (ja) * | 2015-06-01 | 2016-12-08 | 株式会社日立製作所 | 炭化珪素セラミックス接合体 |
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