JP2010059010A - 半導体製造用セラミックス接合体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部においても、接合する部品自体と同等レベルの強度を有し、接合部周辺に欠落箇所が生じた場合であっても、接合状態を保持し、一体の部材としての機能を維持することができ、半導体製造用部材として好適に用いることができるセラミックス接合体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】凹部を有する第１のセラミックス焼結体に、同一組成からなる第２のセラミックス焼結体が前記第１のセラミックス焼結体の凹部に嵌挿されて接合されたセラミックス接合体を製造する際、前記セラミックス焼結体と同一組成からなる平均粒径５ｎｍ以上７５ｎｍ以下のセラミックス粒子を分散させたスラリー調製工程と、接合面へのスラリー塗布工程と、第１のセラミックス焼結体の仮焼体の凹部に、第２のセラミックス焼結体を嵌挿して、前記接合面同士を合わせた後、１５００℃以上２０００℃以下で焼結させて接合する工程とを経る。
【選択図】なし

Description

本発明は、セラミックス焼結体の凹部に、他のセラミックス焼結体が嵌挿されて接合された半導体製造用セラミックス接合体およびその製造方法に関する。

セラミックスは、耐熱性や耐食性、耐摩耗性に優れ、高硬度、高強度である等の特性を有していることから、各種構造部材として利用されており、特に、高純度セラミックスは、半導体製造用部材にも好適に用いられている。
しかしながら、セラミックスの多くは、硬くて脆いため、金属や樹脂に比べて難加工性であり、複雑な形状の部材は、一体成形による製造が困難な場合も多く、このような場合には、各部品を組み合わせて接合して部材を構成する。

セラミックス部品同士を接合する方法としては、例えば、特許文献１に、セラミックス系スラリー接着剤を用いて接着し、焼成して接合する方法が記載されている。
また、孔や凹部を有するセラミックス部品に他のセラミックス部品を嵌挿させて一体化させた接合体を作製する場合には、例えば、特許文献２に記載されているように、各部品の焼成収縮率差を利用して、焼成により接合する、いわゆる焼き嵌めを用いること方法が知られている。

特開２００３−１２８４７３号公報 特開平６−２７９１３１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されているようなセラミックス系スラリー接着剤は、該接着剤中に含まれるセラミックス粒子の純度が低く、接合部における強度が、接合する部品自体の強度に比べて１割程度劣る。また、セラミックス粒子成分以外の他の不純物成分が多く含まれているため、接合部の耐食性に劣るという課題を有していた。
さらに、該接着剤により接合したセラミックス接合体を半導体製造用部材として用いる場合には、該接着剤に含まれるセラミックス粒子成分以外の他の不純物成分により被処理ウェーハ等が汚染されるおそれがある。

また、上記特許文献２に記載されているような焼き嵌めによる接合方法は、前記接着剤を用いた接合よりも、高い接合強度が得られるものの、接合部近辺において、部品にクラックが入り、欠落箇所が生じることもある。
焼き嵌めは、外側の部品が、熱収縮により、内側の部品を締め付けて、形状および固定状態を保持しているにすぎないため、上記のように、一部でも欠落が生じた場合、両部品は容易に分離してしまう。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、接合部においても、接合する部品自体と同等レベルの強度を有し、接合部周辺に欠落箇所が生じた場合であっても、接合状態を保持し、一体の部材としての機能を維持することができ、半導体製造用部材として好適に用いることができるセラミックス接合体およびその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る半導体製造用セラミックス接合体は、凹部を有する第１のセラミックス焼結体に、同一組成からなる第２のセラミックス焼結体が前記第１のセラミックス焼結体の凹部に嵌挿されて接合されたセラミックス接合体であって、前記第１のセラミックス焼結体と第２のセラミックス焼結体との接合部は、前記第１および第２のセラミックス焼結体と同一組成からなる平均粒径５ｎｍ以上７５ｎｍ以下のセラミックス粒子の焼結体により密着していることを特徴とする。
このような構成のセラミックス接合体は、いわゆる焼き嵌めによる接合において、接合強度がより向上され、焼き嵌めの接合部においても、接合する部品自体と同等レベルの強度を有し、接合部周辺に欠落箇所が生じた場合であっても、接合状態を保持し、一体の部材としての機能を維持することができる。

前記セラミックス接合体は、高純度、接合特性、半導体用途等の観点から、特に、前記組成がアルミナであることが好ましい。

また、本発明に係る半導体製造用セラミックス接合体の製造方法は、凹部を有する第１のセラミックス焼結体に、同一組成からなる第２のセラミックス焼結体が前記第１のセラミックス焼結体の凹部に嵌挿されて接合されたセラミックス接合体の製造方法であって、前記第１および第２のセラミックス焼結体と同一組成からなる平均粒径５ｎｍ以上７５ｎｍ以下のセラミックス粒子を分散させたスラリーまたはペーストを調製する工程と、前記第１のセラミックス焼結体の前駆体である仮焼体または成形体および前記第２のセラミックス焼結体の接合面の一方または両方に、前記スラリーまたはペーストを塗布する工程と、前記第１のセラミックス焼結体の前駆体である仮焼体または成形体の凹部に、前記第２のセラミックス焼結体を嵌挿して、前記接合面同士を合わせた後、１５００℃以上２０００℃以下で焼結させて接合する工程とを備えていることを特徴とする。
上記のようなスラリーまたはペーストを用いて接合させると、焼結時の粒子の粒成長により、嵌挿した接合部に、前記第１および第２のセラミックス焼結体と同一組成のセラミックス粒子の焼結体が形成され、上記のような接合強度の高いセラミックス接合体を得ることができる。

上記製造方法は、特に、前記組成がアルミナである場合に好適に適用することができる。

本発明に係るセラミックス接合体は、高い接合強度を有し、接合部周辺に欠落箇所が生じた場合であっても、接合状態を保持し、一体の部材としての機能を維持することができる。
また、本発明に係るセラミックス接合体は、全体が同一組成からなるため、半導体製造用部材として用いた際の被処理ウェーハ等に対する不純物汚染の防止を図ることができる。
また、本発明に係る製造方法によれば、上記の本発明に係るセラミックス接合体を好適に得ることができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係る半導体製造用セラミックス接合体は、凹部を有する第１のセラミックス焼結体に、同一組成からなる第２のセラミックス焼結体が前記第１のセラミックス焼結体の凹部に嵌挿されて接合されたセラミックス接合体である。
そして、この接合体の接合部が、前記第１および第２のセラミックス焼結体と同一組成からなる平均粒径５ｎｍ以上７５ｎｍ以下のセラミックス粒子の焼結体により密着していることを特徴とするものである。
本発明は、焼結時の熱収縮を利用したいわゆる焼き嵌めによる接合において、その接合強度をより向上させたものである。
すなわち、本発明に係る接合体は、焼き嵌めの接合部においても、接合する部品自体と同等レベルの強度を有し、接合部周辺に欠落箇所が生じた場合であっても、接合状態を保持し、一体の部材としての機能を維持することができる接合体である。

前記第１および第２のセラミックス焼結体は、接合の際、焼結時における熱的挙動が同じとなるように、同一組成であることが好ましい。
さらに、同一の製造方法により製造された同一材料で構成されていることがより好ましい。

本発明に係るセラミックス接合体は、半導体製造に用いるものであるため、前記組成としては、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、シリカ（ＳｉＯ₂）、セリア（ＣｅＯ₂）、酸化ホルミウム（Ｈｏ₂Ｏ₃）、チタニア（ＴｉＯ₂）、マグネシア（ＭｇＯ）、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等が好ましい。これらのうち、特に、高純度（純度９９．９％以上）な微粒子を容易に入手することができ、優れた接合特性を得ることができるため好ましい。
なお、本発明に係るセラミックス接合体は、半導体製造用として、高純度、高耐食性等も要求されることから、純度９９．９％以上の高純度であることが好ましい。

また、前記接合部は、不純物を含まず、前記第１および第２のセラミックス焼結体を高い接合強度で一体化させるため、前記第１および第２のセラミックス焼結体と同一組成の焼結体で密着されていることが好ましい。
なお、第１および第２のセラミックス焼結体と接合部との熱膨張係数差による剥離や破損等を防止し、耐食性に優れた半導体製造用の接合体とするために、接合部も、いずれの組成においても、純度９９．９％以上の高純度であることが好ましい。
さらに、前記接合部の焼結体は、高い接合強度を得る観点から、平均粒径５ｎｍ以上７５ｎｍ以下のセラミックス粒子からなることが好ましい。

また、本発明に係る接合体は、焼き嵌めにより接合するものであるため、接合されている各セラミックス焼結体の形状は、第１のセラミックス焼結体は凹部を有しており、該凹部に第２のセラミックス部材が嵌挿されるように構成される。
前記凹部は、孔でもよく、接合体の態様は、例えば、管状体に柱状体を嵌挿させたものや、径の大きい管状体に、径の小さい管状体を嵌挿させたものであってもよい。
また、接合部の周面は、円状に限定されるものでなく、多角形状でもよい。
なお、本発明に係るセラミック接合体は、２個のセラミックス焼結体の接合体に限定されるものではなく、３個以上の同一組成からなるセラミックス焼結体がそれぞれ、接合部を介して接合されたものであってもよい。

前記セラミックス接合体は、具体的には、以下のような本発明に係る製造方法により得ることができる。
本発明に係るセラミックス接合体の製造方法は、前記第１および第２のセラミックス焼結体と同一組成からなる平均粒径５ｎｍ以上７５ｎｍ以下のセラミックス粒子を分散させたスラリーまたはペーストを調製する工程と、前記第１のセラミックス焼結体の前駆体である仮焼体または成形体および前記第２のセラミックス焼結体の接合面の一方または両方に、前記スラリーまたはペーストを塗布する工程と、前記第１のセラミックス焼結体の前駆体である仮焼体または成形体の凹部に、前記第２のセラミックス焼結体を嵌挿して、前記接合面同士を合わせた後、１５００℃以上２０００℃以下で焼結させて接合する工程とを経るものである。
上記のようなスラリーまたはペーストを用いて接合させると、焼結時の粒子の粒成長により、嵌挿した接合部に、前記第１および第２のセラミックス焼結体と同一組成のセラミックス粒子の焼結体が形成され、上記のようなセラミックス接合体を得ることができる。

以下、上記製造方法を各工程順に説明する。
まず、周知の方法により、同一組成からなる第１および第２のセラミックス焼結体を作製する。
次に、前記第１および第２のセラミックス焼結体と同一組成からなる平均粒径５ｎｍ以上７５ｎｍ以下のセラミックス粒子を分散媒に分散させて混合し、スラリーまたはペーストを調製する。
前記分散媒は、セラミックス粒子の材料に応じた分散性、スラリーまたはペーストの粘性等を考慮して、適宜選択されるが、焼結処理後に残留成分が生じない液体であることが好ましい。一般には、純水、アルコール等が用いられる。

次に、調製したスラリーまたはペーストを、前記第１のセラミックス焼結体の前駆体である仮焼体または成形体および前記第２のセラミックス焼結体との接合面の一方または両方に塗布する。
凹部を有する第１のセラミックス焼結体については、焼結時の収縮による焼き嵌めにより接合することから、完全に焼結していない仮焼体や成形体の状態で、第２のセラミックス焼結体をその凹部に嵌挿させる。
前記スラリーまたはペーストの塗布は、例えば、刷毛等を用いて行う。塗布は、接合する第１および第２セラミックス焼結体の各接合面の一方のみでも、両方に行ってもよい。

最後に、前記第１のセラミックス焼結体の前駆体である仮焼体または成形体の凹部に、前記第２のセラミックス焼結体を嵌挿して、前記スラリーまたはペーストを塗布した接合面同士を合わせた後、１５００℃以上２０００℃以下で焼結させて接合する。
これにより、焼き嵌めによる接合力とスラリーまたはペースト中のセラミックス粒子の焼結体による接合力との両方の効果により、接合強度の高い接合体が得られる。
前記処理温度は１５００℃未満である場合、スラリーまたはペースト中のセラミックス粒子の粒成長が十分に進行せず、接合部において十分な接合強度が得られない。
一方、前記処理温度が２０００℃を超えても、温度に相応した接合強度の向上は望めない。

上記製造方法は、各種セラミックス接合体に適用することができるが、特に、アルミナセラミックス接合体を製造するのに好適である。

また、本発明に係る製造方法は、焼き嵌めによる接合強度の向上を図るものであることから、径の異なる管状体同士を嵌挿させて接合する際に、優れた効果を発揮し得る。得られた管状接合体は、気密性に優れていることから、ガス管等として好適に利用することができる。
この場合、各管状体の嵌挿部において、両者の隙間は小さいことが好ましいが、高い気密性を得るためには、塗布したスラリーまたはペーストが剥離しない程度の余裕を持たせることが好ましい。
これにより、接合部周辺において、接合したセラミックス焼結体に欠落箇所が生じた場合であっても、接合面に塗布したスラリーまたはペーストによる焼結体が存在しているため、両セラミックス焼結体が容易に分離することなく、接合状態を保持し、一体の部材としての機能を維持することができ、該接合体を継続使用することが可能となる。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［試験１］
外径１２ｍｍ、肉厚２ｍｍ、長さ１２０ｍｍのアルミナ焼結体のパイプＡと、９００℃で仮焼した内径１２．２ｍｍ、肉厚１ｍｍ、長さ１２０ｍｍのアルミナ仮焼体のパイプＢを準備した。パイプＡの接合部にアルミナ粒子を分散させたスラリーを塗布後、パイプＢの孔に約１０ｍｍ嵌挿し、大気中、１８００℃で焼結させた。
前記スラリーのアルミナ粒子の平均粒径を表１に示すように変化させ、得られた各接合体について、接合部の気密性を評価した。

また、パイプＡを嵌挿したパイプＢの接合部に局所的に荷重を加え、クラックを発生させ、故意に、パイプＢの外周の１／４程度に欠落箇所を生じさせた。
この欠落箇所を生じさせた接合体について、パイプが抜ける強度を評価する引っ張り試験を行った。
これらの結果を表１にまとめて示す。
なお、比較例４においては、スラリーを塗布せずに接合させた。

表１に示したように、いずれの接合体も良好な気密性が得られたが、接合部に欠落箇所を生じさせた場合の接合強度は、塗布したスラリーのアルミナ粒子の平均粒径が１００ｎｍ以上（比較例１〜３）では、４００Ｎ程度で接合体のパイプが抜けてしまい、スラリーを塗布しない場合（比較例４）と同等程度であった。
これに対して、平均粒径５ｎｍ以上７５ｎｍ以下のアルミナ粒子のスラリーを接合部に塗布した場合は、接合部に欠落が生じた場合でも、パイプの接合強度が十分であった。

［試験２］
焼結温度を表２に示すように変化させ、それ以外は実施例２と同様にして、接合体を作製し、各評価を行った。
これらの結果を表２にまとめて示す。

表２に示したように、焼結温度が１５００℃以上の場合（実施例２，５〜７）は、引っ張り強度が高く、スラリー塗布の効果が認められた。
これに対して、焼結温度が１５００℃未満の場合（比較例５〜７）は、十分な接合強度が得られず、スラリー塗布の効果が認められなかった。

［試験３］
パイプＢの内径を表２に示すように変化させ、それ以外は実施例２と同様にして、接合体を作製し、各評価を行った。
これらの結果を表３にまとめて示す。

表３に示したように、パイプＡの外径が１２ｍｍの場合、パイプＢの内径がその１．０５倍未満（試料１〜４）では、嵌挿する際、塗布したスラリーが擦れて剥離し、十分な接合強度が得られなかった。
一方、両パイプの接合部に、ある程度の隙間（パイプＢの内径がパイプＡの外径の１．０５倍以上）を確保することができれば、スラリーは剥離せず、その機能を十分に果たすことが認められた。ただし、パイプＢの内径がパイプＡの外径の１．２１倍を超えると（試料９）、パイプＢの焼結による収縮が不十分となり、接合しなかった。
この試験においては、パイプＢの内径がパイプＡの外径の１．０５倍以上１．１３倍以下の場合が、より高い接合強度が得られた。

Claims (4)

1. 凹部を有する第１のセラミックス焼結体に、同一組成からなる第２のセラミックス焼結体が前記第１のセラミックス焼結体の凹部に嵌挿されて接合されたセラミックス接合体であって、
   前記第１のセラミックス焼結体と第２のセラミックス焼結体との接合部は、前記第１および第２のセラミックス焼結体と同一組成からなる平均粒径５ｎｍ以上７５ｎｍ以下のセラミックス粒子の焼結体により密着していることを特徴とする半導体製造用セラミックス接合体。
2. 前記組成がアルミナであることを特徴とする請求項１記載の半導体製造用セラミックス接合体。
3. 凹部を有する第１のセラミックス焼結体に、同一組成からなる第２のセラミックス焼結体が前記第１のセラミックス焼結体の凹部に嵌挿されて接合されたセラミックス接合体の製造方法であって、
   前記第１および第２のセラミックス焼結体と同一組成からなる平均粒径５ｎｍ以上７５ｎｍ以下のセラミックス粒子を分散させたスラリーまたはペーストを調製する工程と、
   前記第１のセラミックス焼結体の前駆体である仮焼体または成形体および前記第２のセラミックス焼結体の接合面の一方または両方に、前記スラリーまたはペーストを塗布する工程と、
   前記第１のセラミックス焼結体の前駆体である仮焼体または成形体の凹部に、前記第２のセラミックス焼結体を嵌挿して、前記接合面同士を合わせた後、１５００℃以上２０００℃以下で焼結させて接合する工程とを備えていることを特徴とする半導体製造用セラミックス接合体の製造方法。
4. 前記組成がアルミナであることを特徴とする請求項３記載の半導体製造用セラミックス接合体の製造方法。