JPWO2020129863A1 - 接合方法および接合体 - Google Patents
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Abstract
本発明にかかる接合方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、熱交換を促す媒体を流通させる流路が形成される本体部と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、本体部の流路を覆うカバーとを接合する接合方法であって、本体部にカバーを被せる被覆ステップと、接合温度が５００℃以上６４０℃以下、接合面圧が０．７ＭＰａ以上の条件下で拡散接合することによって、本体部とカバーとを接合する拡散接合ステップと、を含む。
Description
本発明は、部材同士を拡散接合によって接合する接合方法および接合体に関するものである。
半導体製造装置に用いられる部品として、電極部、冷却板、ヒーター、シャワーヘッドなどは流路付プレートを有する。流路付きプレートは、金属やセラミックス複合体からなり、加温用、冷却用の媒体またはプロセスガスが移動する流路が形成された本体部がカバーで覆われている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１では、カバーと本体部とを重ね合わせた後、ろう付によって本体部とカバーとを接合している。
しかしながら、特許文献１の接合方法では、ろう付時にろうが流路に流れ込んで、流路の表面が荒れたり、ろうが滞留した部分における流量のばらつき、流量のばらつきによる温度変化が生じたり、ろう材成分による不純物汚染が発生したりする等の品質低下が懸念されている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、本体部とカバーとを確実に接合しつつ、接合による品質低下を抑制することができる接合方法および接合体を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる接合方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、熱交換を促す媒体を流通させる流路が形成される本体部と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記本体部の前記流路を覆うカバーとを接合する接合方法であって、前記本体部に前記カバーを被せる被覆ステップと、接合温度が５００℃以上６４０℃以下、接合面圧が０．７ＭＰａ以上の条件下で拡散接合することによって、前記本体部と前記カバーとを接合する拡散接合ステップと、を含むことを特徴とする。
また、本発明にかかる接合方法は、上記の発明において、前記本体部の接合面および前記カバーの接合面の平面度が、それぞれ０．２以下であることを特徴とする。
また、本発明にかかる接合方法は、上記の発明において、前記本体部の接合面および前記カバーの接合面の面粗度が、各々０より大きくＲａ０．４以下であることを特徴とする。
また、本発明にかかる接合体は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、熱交換を促す媒体を流通させる流路が形成される本体部と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記本体部の前記流路を覆うカバーと、を備え、前記本体部と前記カバーとが、拡散接合されてなることを特徴とする。
また、本発明にかかる接合体は、上記の発明において、前記本体部および前記カバーが、６０６１番のアルミニウム合金からなり、引張り強さが１２５ＭＰａ以上であることを特徴とする。
本発明によれば、本体部とカバーとを確実に接合しつつ、接合による品質低下を抑制することができるという効果を奏する。
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。
図１は、本発明の一実施の形態にかかる流路付きプレートの構造を示す部分断面図である。図２は、図１に示す領域Ｒを拡大した断面図である。図１に示す流路付きプレート１は、円板状の本体部１０と、本体部１０の一方の面（ここでは上面）を覆うカバー２０とを備える。流路付きプレート１は、本体部１０とカバー２０とが拡散接合によって接合された接合体である。流路付きプレート１は、例えば、半導体装置に取り付けられ、当該半導体装置における冷却装置として機能する。このほか、流路付きプレート１は、取り付けられる装置を温めるヒーターとして用いてもよいし、後述する流路にガスを流通させるヒータープレートとして用いてもよいし、薄膜形成装置においてプロセスガスを噴射するシャワーヘッドとして用いてもよい。
本体部１０は、アルミニウム、又はアルミニウム合金からなる円板状をなす。本体部１０には、熱交換を促す媒体を流通させる流路（例えば、図１に示す流路１１〜１３）が形成されている。本体部１０は、流路の開口側の面がカバー２０と拡散接合によって接合している。流路１１〜１３は、壁部１４または壁部１５によって区切られている。流路１１〜１３は、連通して一つの流路を形成するものであってもよいし、少なくとも一部が独立した流路を形成するものであってもよい。また、媒体は、例えば水等の液体や、気体である。
カバー２０は、アルミニウム、又はアルミニウム合金からなる円板状をなす。カバー２０は、本体部１０の流路形成面を覆っている。
アルミニウム合金としては、例えば６０６１番のアルミニウム合金（Ａ６０６１）が挙げられる。
本体部１０とカバー２０とは、後述する拡散接合によって接合される。
アルミニウム合金としては、例えば６０６１番のアルミニウム合金（Ａ６０６１）が挙げられる。
本体部１０とカバー２０とは、後述する拡散接合によって接合される。
流路付きプレート１では、媒体流入口（図示せず）から媒体を導入して流路に流通させ、媒体排出口（図示せず）から媒体を排出する。流路付きプレート１では、熱源から伝達された熱を、本体部１０及びカバー２０を介して外部に放出するか、または、熱源から伝達された熱を吸収した媒体が流路から排出される。
次に、流路付きプレート１の作製方法について説明する。図３および図４は、本発明の一実施の形態にかかる流路付きプレートの製造方法を説明する断面図である。
まず、上述した流路（例えば流路１１〜１３）が形成された本体部１０と、カバー２０を用意する（図３参照）。そして、本体部１０にカバー２０を被せる（被覆ステップ）。この際、本体部１０の流路の開口が、カバー２０によって覆われる。流路付きプレート１は、例えばφ１５０ｍｍ以上の円板状をなしている。
続いて、本体部１０とカバー用母材２００とを拡散接合により接合する（図４参照：拡散接合ステップ）。拡散接合では、密着させた部材同士に対し、部材の融点以下の温度条件において加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する。この際、密着させた部材には、塑性変形をできるだけ生じない程度の荷重を加える。
アルミニウム、又はアルミニウム合金からなる部材同士を拡散接合させる条件としては、接合温度が５００℃以上６４０℃以下、接合面圧が０．７ＭＰａ以上である。
接合温度は、アルミニウム合金の種類によって変わる。例えば、部材の融点よりも低い温度に設定される。
接合面圧は、部材の種類にもよるが、３ＭＰａ以下であることが好ましい。
また、各部材の接合面の精度として、平面度が０．２以下であることが好ましい。また、接合面の面粗度は、０より大きくＲａ０．４以下であることが好ましく、Ｒａ０．１以下であることがさらに好ましい。
接合温度は、アルミニウム合金の種類によって変わる。例えば、部材の融点よりも低い温度に設定される。
接合面圧は、部材の種類にもよるが、３ＭＰａ以下であることが好ましい。
また、各部材の接合面の精度として、平面度が０．２以下であることが好ましい。また、接合面の面粗度は、０より大きくＲａ０．４以下であることが好ましく、Ｒａ０．１以下であることがさらに好ましい。
上述した実施の形態では、本体部１０とカバー２０とを拡散接合によって接合するようにした。拡散接合することによって、本体部とカバーとを確実に接合しつつ、接合による品質低下を抑制することができる。本実施の形態では、従来のような、ろう付時にろうが流路に流れ込んで、流路の表面が荒れたり、ろうが滞留した部分における流量のばらつき、流量のばらつきによる温度変化が生じたり、ろう材成分による不純物汚染が発生したりする品質の低下を抑制し、部材同士を確実に接合することが可能である。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。
以下、本発明にかかる接合方法および接合体の実施例について説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
（試験片の接合面の評価）
接合体として試験を行う試験片は、同一の形状をなす二つの部材を接合させたものを使用した。図５は、本発明の実施例に用いた試験片の構成を説明する図である。本試験片は、部材３００を拡散接合させたものを使用した。部材３００は、６０６１番のアルミニウム合金（Ａ６０６１）からなる。部材３００は、接合面を有する略円柱状の接合部３０１と、接合部３０１の接合面側と反対側に連なり、試験時に把持される把持部３０２とを有する。把持部３０２は、側面においてねじ山が形成されている。
接合体として試験を行う試験片は、同一の形状をなす二つの部材を接合させたものを使用した。図５は、本発明の実施例に用いた試験片の構成を説明する図である。本試験片は、部材３００を拡散接合させたものを使用した。部材３００は、６０６１番のアルミニウム合金（Ａ６０６１）からなる。部材３００は、接合面を有する略円柱状の接合部３０１と、接合部３０１の接合面側と反対側に連なり、試験時に把持される把持部３０２とを有する。把持部３０２は、側面においてねじ山が形成されている。
本実施例では、上述した部材３００を用いて、接合温度を５５０℃、接合面圧を０．７ＭＰａとして拡散接合した試験片を６つ、接合面圧を０．５ＭＰａとして接合した試験片を６つ作製した。図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の実施例における接合後の界面のＳＥＭ画像を示す図である。図６Ｂは、図６Ａの中央部を拡大した図である。図６Ｃは、図６Ｂの中央部を拡大した図である。図６Ａ〜図６Ｃに示すように、接合界面において、欠陥なく接合されていることがわかる。
図７Ａ〜図７Ｄは、本発明の実施例における接合後の界面のＥＤＸ観察像を示す図である。図７Ａは、接合後の界面における反射像を示している。図７Ｂは、接合後の界面におけるアルミニウム（Ａｌ）の分布像を示している。図７Ｃは、接合後の界面におけるマグネシウム（Ｍｇ）の分布像を示している。図７Ｄは、接合後の界面におけるケイ素（Ｓｉ）の分布像を示している。図７Ｂ〜図７Ｄでは、色が薄いほど、その成分を多く含んでいることを示している。
図７Ｂに示すように、部材３００の主成分であるアルミニウムが広く分布していることがわかる。
また、図７Ｃおよび図７Ｄに示すように、マグネシウムやケイ素が接合界面において析出していることがわかる。ここでは、マグネシウムやケイ素が、アルミニウムの酸化皮膜を還元して酸化物となる。この反応によって、接合界面の非晶質酸化膜が結晶酸化物粒子に変化し、部材３００同士の接合に寄与していることが考えられる。
また、図７Ｃおよび図７Ｄに示すように、マグネシウムやケイ素が接合界面において析出していることがわかる。ここでは、マグネシウムやケイ素が、アルミニウムの酸化皮膜を還元して酸化物となる。この反応によって、接合界面の非晶質酸化膜が結晶酸化物粒子に変化し、部材３００同士の接合に寄与していることが考えられる。
（試験片の引張試験）
また、これらの試験片について、引張試験を実施した。接合面圧を０．７ＭＰａとして接合した試験片にＮｏ．１〜Ｎｏ．６の番号を付し、接合面圧を０．５ＭＰａとして接合した試験片にＮｏ．１１〜Ｎｏ．１６の番号を付して試験を行った。引張試験結果を、図８〜図１１に示す。
また、これらの試験片について、引張試験を実施した。接合面圧を０．７ＭＰａとして接合した試験片にＮｏ．１〜Ｎｏ．６の番号を付し、接合面圧を０．５ＭＰａとして接合した試験片にＮｏ．１１〜Ｎｏ．１６の番号を付して試験を行った。引張試験結果を、図８〜図１１に示す。
図８は、接合面圧を０．７ＭＰａとして拡散接合した試験片の引張試験結果を示す図である。試験片Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６は、いずれも引張り強さが１２５ＭＰａを超えている。ここで、６０６１番のアルミニウム合金（Ａ６０６１）の引張り強さは１２５ＭＰａである。このことから、試験片Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６は、すべての試験片が、部材３００の主成分である６０６１番のアルミニウム合金（Ａ６０６１）の引張り強さよりも大きい引張り強さを有しているといえる。
図９は、接合面圧を０．７ＭＰａとして拡散接合した試験片の引張試験結果を示す図である。試験片Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６のいずれについても、接合界面ではなく、一方の部材において破断が生じていることがわかる。
図１０は、接合面圧を０．５ＭＰａとして拡散接合した試験片の引張試験結果を示す図である。試験片Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１６においては、試験片Ｎｏ．１３の引張り強さが、１２５ＭＰａを下回っている。このことから、試験片Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１６は、一部において、部材３００の主成分である６０６１番のアルミニウム合金（Ａ６０６１）の引張り強さよりも小さい引張り強さとなることがある。
図１１は、接合面圧を０．５ＭＰａとして拡散接合した試験片の引張試験結果を示す図である。試験片Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１６のうち、一部（試験片Ｎｏ．１３、Ｎｏ．１６）が、接合界面において破断が生じていることがわかる。
（流路付きプレートの超音波探傷試験）
図１２は、実施例にかかる流路付きプレートの超音波探傷試験結果を示す図である。図１２は、接合面圧を０．７ＭＰａとして接合した流路付きプレートを示している。図１２から分かるように、円板の部材に形成されている流路に損傷などの欠陥がないことがわかる。
図１２は、実施例にかかる流路付きプレートの超音波探傷試験結果を示す図である。図１２は、接合面圧を０．７ＭＰａとして接合した流路付きプレートを示している。図１２から分かるように、円板の部材に形成されている流路に損傷などの欠陥がないことがわかる。
（流路付きプレートのパーティクル測定）
また、上述した流路付きプレート１を作製し、この流路付きプレート１を試験片として、パーティクル測定を行った。比較対象として、ろう付によって接合した試験片を作製して、パーティクル測定を行った。図１３は、パーティクル測定について説明する図である。本実施例では、各試験片（試験片１００）を治具１０１に取り付け、治具１０１を介して収集したパーティクルを、測定器１０２によって測定した。パーティクル測定は、各試験片について、それぞれ三回実施した。
初期のパーティクルは量が多いため、一回目の測定では、数分間、流路に窒素を流す処理を複数回実施し、パーティクルを安定させてからパーティクルの測定を行った。パーティクル測定では、まず、イソプロピルアルコール（Isopropyl alcohol：ＩＰＡ）を流路に導入し、４５秒間、窒素でブローした。その後、窒素を１分導入し、粒径に応じた粒子数（積算数）をカウントした。本実施例では、粒径（パーティクルサイズ）が０．３μｍ以下の粒子数と、粒径が０．３μｍより大きく０．５μｍ以下の粒子数をカウントした。
また、上述した流路付きプレート１を作製し、この流路付きプレート１を試験片として、パーティクル測定を行った。比較対象として、ろう付によって接合した試験片を作製して、パーティクル測定を行った。図１３は、パーティクル測定について説明する図である。本実施例では、各試験片（試験片１００）を治具１０１に取り付け、治具１０１を介して収集したパーティクルを、測定器１０２によって測定した。パーティクル測定は、各試験片について、それぞれ三回実施した。
初期のパーティクルは量が多いため、一回目の測定では、数分間、流路に窒素を流す処理を複数回実施し、パーティクルを安定させてからパーティクルの測定を行った。パーティクル測定では、まず、イソプロピルアルコール（Isopropyl alcohol：ＩＰＡ）を流路に導入し、４５秒間、窒素でブローした。その後、窒素を１分導入し、粒径に応じた粒子数（積算数）をカウントした。本実施例では、粒径（パーティクルサイズ）が０．３μｍ以下の粒子数と、粒径が０．３μｍより大きく０．５μｍ以下の粒子数をカウントした。
拡散接合によって接合した試験片によるパーティクル測定の結果は、以下のようになった。
パーティクルサイズ
０．５μｍ以下 ０．３μｍ以下
１回目 ８８ １５
２回目 ３９ １３
３回目 １５ ２
これに対し、ろう付けによって接合した試験片によるパーティクル測定の結果は、以下のようになった。
パーティクルサイズ
０．３μｍ以下 ０．５μｍ以下
１回目 ４８３ １６８
２回目 ２３８ ８４
３回目 １８９ ８７
なお、治具のみのパーティクル測定では、いずれのサイズもカウント数がゼロであった。
上述した測定結果から、拡散接合によって接合した流路付きプレートの流路は、ろう付によって接合した流路付きプレートの流路と比して、パーティクルが少ないといえる。
パーティクルサイズ
０．５μｍ以下 ０．３μｍ以下
１回目 ８８ １５
２回目 ３９ １３
３回目 １５ ２
これに対し、ろう付けによって接合した試験片によるパーティクル測定の結果は、以下のようになった。
パーティクルサイズ
０．３μｍ以下 ０．５μｍ以下
１回目 ４８３ １６８
２回目 ２３８ ８４
３回目 １８９ ８７
なお、治具のみのパーティクル測定では、いずれのサイズもカウント数がゼロであった。
上述した測定結果から、拡散接合によって接合した流路付きプレートの流路は、ろう付によって接合した流路付きプレートの流路と比して、パーティクルが少ないといえる。
以上説明したように、本発明に係る接合方法および接合体は、本体部とカバーとを確実に接合しつつ、接合による品質低下を抑制するのに好適である。
１ 流路付きプレート
１０ 本体部
１１〜１３ 流路
１４、１５ 壁部
２０ カバー
１０ 本体部
１１〜１３ 流路
１４、１５ 壁部
２０ カバー
Claims (5)
- アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、熱交換を促す媒体を流通させる流路が形成される本体部と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記本体部の前記流路を覆うカバーとを接合する接合方法であって、
前記本体部に前記カバーを被せる被覆ステップと、
接合温度が５００℃以上６４０℃以下、接合面圧が０．７ＭＰａ以上の条件下で拡散接合することによって、前記本体部と前記カバーとを接合する拡散接合ステップと、
を含むことを特徴とする接合方法。 - 前記本体部の接合面および前記カバーの接合面の平面度が、それぞれ０．２以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。 - 前記本体部の接合面および前記カバーの接合面の面粗度が、各々０より大きくＲａ０．４以下である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の接合方法。 - アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、熱交換を促す媒体を流通させる流路が形成される本体部と、
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記本体部の前記流路を覆うカバーと、
を備え、
前記本体部と前記カバーとが、拡散接合されてなる
ことを特徴とする接合体。 - 前記本体部および前記カバーが、６０６１番のアルミニウム合金からなり、
引張り強さが１２５ＭＰａ以上である
ことを特徴とする請求項４に記載の接合体。
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