JP6975598B2

JP6975598B2 - 炭化珪素部材の製造方法

Info

Publication number: JP6975598B2
Application number: JP2017181480A
Authority: JP
Inventors: 敬輔佐藤; 良太佐藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: JP2019055897A

Description

本発明は、炭化珪素部材の製造方法に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体は、その高強度、高剛性、高耐摩耗性という特性に鑑みて、半導体製造装置、液晶製造装置等における固定部材などに広く用いられている。しかし、炭化珪素焼結体は、炭化珪素粉末を焼結して得られるため、組織の表面又は内部に気孔（ボイド）が不可避的に存在し、局所的に粒子間の結合力が劣り、その周辺からパーティクルによる発塵が生じるおそれがあった。

そこで、炭化珪素焼結体よりも高強度、高剛性である、化学的気相成長（ＣＶＤ）法により形成した炭化珪素体を利用することが検討されている。しかし、この炭化珪素体は、炭化珪素焼結体を製造する場合と比較して、生産性に劣り、高コストであった。そのため、炭化珪素焼結体にＣＶＤ法により形成した炭化珪素体を接合した部材を用いることにより、低生産性及び高コストを抑制することが提案されている。

例えば、特許文献１には、炭化珪素焼結体からなる基材部とＣＶＤ法により形成した炭化珪素体からなる成形面部とを接合材を介して接合することが開示されている。

特許第４９１７８４４号公報

しかしながら、半導体製造装置等で使用される構造部材は、プラズマエッチングプロセスなどの腐食環境下、又は成膜プロセスなどの高温環境下にさらされることが多く、上記特許文献１のように接合材を介して接合した場合、接合材が炭化珪素焼結体などと比較してプラズマ耐食性及び耐熱性が劣るため、構造部材は全体としてプラズマ耐食性及び耐熱性が劣るという課題があった。

本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであり、接合材を介することなく、炭化珪素焼結体とＣＶＤ法により形成した炭化珪素体とを接合することが可能な炭化珪素部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の炭化珪素部材の製造方法は、炭化珪素焼結体からなる第１の炭化珪素部材の接合面を研磨する第１の研磨工程と、化学的気相成長法により形成した第２の炭化珪素部材の接合面を研磨する第２の研磨工程と、不活性雰囲気下で、研磨された前記第１の炭化珪素部材の接合面と研磨された前記第２の炭化珪素部材の接合面とを直接的に当接させ、前記第１の炭化珪素部材と前記第２の炭化珪素部材とをそれぞれの前記接合面に向けて押圧することにより、当接した前記接合面に圧力をかけながら、加熱することにより、前記第１の炭化珪素部材と前記第２の炭化珪素部材とを接合する接合工程とを有し、前記押圧した方向における前記第１の炭化珪素部材及び第２の炭化珪素部材の寸法減少率が０．１２５〜１％であることを特徴とする。

本発明の炭化珪素部材の製造方法によれば、後述する実施例から分かるように、接合材を介することなく、炭化珪素焼結体からなる第１の炭化珪素部材と化学的気相成長法により形成した第２の炭化珪素部材とを直接的に接合することが可能となる。第１及び第２の炭化珪素部材の寸法減少率が０．１２５％未満であれば、第１の炭化珪素部材と第２の炭化珪素部材とが十分に接合しない。一方、第１及び第２の炭化珪素部材の寸法減少率が１％を超えると、第１及び第２の炭化珪素部材の変形が大きくなり過ぎ、所望の形状が保持できず、多くの追加工が必要となる。第１及び第２の炭化珪素部材の寸法減少率が小さいほど接合後の炭化珪素部材の形状の設計が容易になる。

本発明の炭化珪素部材の製造方法において、前記接合工程では、２０００〜２２００℃の温度で加熱する。

これは、接合温度が２０００℃未満であれば、第１の炭化珪素部材と第２の炭化珪素部材とが十分に接合せず、接合温度が２２００℃を超えると、第１及び第２の炭化珪素部材の変形が大きくなり過ぎ、所望の形状が保持できず、追加工が多く必要となるため生産性の低下及び高コスト化を招くからである。

また、本発明の炭化珪素部材の製造方法において、前記接合工程では、当接した前記接合面に０．１〜１０ＭＰａの圧力をかける。

これは、接合圧力が０．１ＭＰａ未満であれば、第１の炭化珪素部材と第２の炭化珪素部材とが十分に接合せず、接合圧力が１０ＭＰａを超えると、第１及び第２の炭化珪素部材の変形が大きくなり過ぎ、所望の形状が保持できず、追加工が必要となるからである。

また、本発明の炭化珪素部材の製造方法において、前記第１の研磨工程では、前記第１の炭化珪素部材の接合面を表面粗さＲａ０．００５〜０．４μｍとなるまで研磨し、前記第２の研磨工程では、前記第２の炭化珪素部材の接合面を表面粗さ０．００１〜０．４μｍとなるまで研磨することが好ましい。

これは、接合面の表面粗さＲａが０．４μｍを超えると、接合工程において接合面同士の接触不足が生じ、接合が不十分となり、剥離が発生するおそれがあるからである。一方、接合面の表面粗さは、第１及び第２の炭化珪素部材に含まれる気孔の影響を受けるため、第１の炭化珪素部材の接合面の表面粗さＲａを０．００５μｍ未満、又は第２の炭化珪素部材の接合面の表面粗さＲａを０．００１μｍ未満とすることは困難である。

本発明の実施形態に係る炭化珪素部材の製造方法の概略断面図を示し、図１Ａは第１及び第２の研磨工程、図１Ｂは接合工程、図１Ｃは接合工程後の状態をそれぞれ示す。本発明の実施形態に係る炭化珪素部材の製造方法のフローチャート。第１の炭化珪素部材の寸法減少率を示すグラフ。マイクロスコープ顕微鏡で炭化珪素部材の接合界面を観察した写真を示し、図４Ａは実施例１を図４Ｂは実施例２をそれぞれ示す。

本発明の実施形態に係る炭化珪素（ＳｉＣ）部材の製造方法について図１及び図２を参照して説明する。本製造方法は、第１及び第２の研磨工程Ｓ１，Ｓ２及び接合工程Ｓ３を備える。

まず、図１Ａに示すように、炭化珪素焼結体からなる第１の炭化珪素部材１０の接合面１１を研磨する第１の研磨工程Ｓ１を行う。炭化珪素焼結体は、炭化珪素粉末にバインダー、分散剤などを添加した原料から造粒した顆粒を用いて、常圧成形、プレス成形、ＣＩＰ成形等の成形方法、及び常圧焼結、加圧焼結、反応焼結等の焼結方法により作製すればよい。原料粉末に、炭化硼素、グラファイトなどを焼結助剤として添加してもよい。

第１の研磨工程Ｓ１では、第１の炭化珪素部材１０の接合面１１を表面粗さＲａ０．００５〜０．４μｍとなるまで研磨することが好ましい。

また、化学的気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法により形成した第２の炭化珪素部材２０の接合面２１を研磨する第２の研磨工程Ｓ２を行う。第２の炭化珪素部材２０は、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スーパーグロース法、アルコールＣＶＤ法等の従来公知のＣＶＤ法により形成すればよい。

第２の研磨工程Ｓ２では、第２の炭化珪素部材２０の接合面２１を表面粗さ０．００１〜０．４μｍとなるまで研磨することが好ましい。

第１及び第２の研磨工程Ｓ１，Ｓ２における研磨は、平面研削機、マシニングセンタ等により研削したうえで、砥石を用いて研磨することが好ましい。また、砥石を用いて研磨した後、更にラッピング加工機、ポリッシュ加工機等により研磨することも好ましい。接合面１１，２１の表面粗さＲａが０．４μｍを超えると、接合工程Ｓ３において、接合面１１、２１同士の接触不足が生じ、接合が不十分となり、剥離が発生するおそれがあるからである。

また、接合面１１，１２の平面度は１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがより好ましい。接合面１１，１２の平面度が１０μｍを超えると、後述する接合工程Ｓ３で第１の炭化珪素部材１０と第２の炭化珪素部材２０とをそれぞれ接合面１１，２１に向けて押圧したとしても、接合面１１，２１同士の接触不足が生じ、接合が不十分となり、剥離が発生するおそれがあるからである。

そして、図１Ｂに示すように、Ｎ_２、Ａｒ、真空雰囲気などの不活性雰囲気下で、研磨された第１の炭化珪素部材１０の接合面１１と研磨された第２の炭化珪素部材２０の接合面２１とを直接的に当接させ、第１の炭化珪素部材１０と第２の炭化珪素部材２０とをそれぞれの接合面１１，２１に向けて押圧することにより、当接した接合面１１，２１に圧力をかけながら、加熱することにより、第１の炭化珪素部材１０と第２の炭化珪素部材２０とを接合して、炭化珪素部材３０を得る接合工程Ｓ３を行う。これにより、接合材を介して接合されていない炭化珪素部材３０を得ることができる。

接合工程Ｓ３では、２０００〜２２００℃の温度で加熱することが好ましい。接合温度が２０００℃未満であれば、第１の炭化珪素部材１０と第２の炭化珪素部材２０とが十分に接合しない。一方、接合温度が２２００℃を超えると、第１及び第２の炭化珪素部材１０，２０の変形が大きくなり過ぎ、所望の形状が保持できず、追加工が必要となる。

接合工程Ｓ３では、当接した接合面１１，２１に０．１〜１０ＭＰａの圧力をかけることが好ましい。接合圧力が０．１ＭＰａ未満であれば、第１の炭化珪素部材１０と第２の炭化珪素部材２０とが十分に接合しない。一方、接合圧力が１０ＭＰａを超えると、第１及び第２の炭化珪素部材１０，２０の変形が大きくなり過ぎ、所望の形状が保持できず、追加工が必要となる。

接合工程Ｓ３では、押圧した方向における第１の炭化珪素部材１０及び第２の炭化珪素部材２０の寸法減少率Ｔが０．１２５〜１％となるように押圧することが好ましい。ここで、第１の炭化珪素部材１０及び第２の炭化珪素部材２０の寸法減少率Ｔは、Ｌ１を「接合工程Ｓ３前の押圧方向（厚み方向に押圧する場合には厚み方向）における第１の炭化珪素部材１０の長さと第２の炭化珪素部材２０の長さとの和」とし、Ｌ２を「接合工程Ｓ３後の押圧方向（厚み方向に押圧する場合には厚み方向）の炭化珪素部材３０の長さ」としたときにおいて、式（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１×１００で表される。

第１の炭化珪素部材１０及び第２の炭化珪素部材２０の寸法減少率Ｔが０．１２５％未満であれば、第１の炭化珪素部材１０と第２の炭化珪素部材２０とが十分に接合しない。一方、第１の炭化珪素部材１０及び第２の炭化珪素部材２０の寸法減少率Ｔが１％を超えると、第１及び第２の炭化珪素部材１０，２０の変形が大きくなり過ぎ、所望の形状が保持できず、追加工が多く必要となる。

なお、第１の炭化珪素部材１０及び第２の炭化珪素部材２０の寸法減少率Ｔは、接合温度、接合圧力及び接合時間などに依存する。第１の炭化珪素部材１０及び第２の炭化珪素部材２０の寸法減少率Ｔは、接合温度が高いほど、接合圧力が高いほど、接合時間が長いほど、大きくなる。

図３は、接合温度及び接合圧力を変え、それ以外の接合条件を一定した場合における第１の炭化珪素部材１０及び第２の炭化珪素部材２０の寸法減少率Ｔを示すグラフである。このグラフから分かるように、炭化珪素焼結体同士を接合した場合と比較して、炭化珪素焼結体からなる第１の炭化珪素部材１０とＣＶＤ法により形成した第２の炭化珪素部材２０とを接合した場合、第１の炭化珪素部材１０及び第２の炭化珪素部材２０の寸法減少率Ｔは小さくなることが分かる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、第１のセラミックス部材１０の接合面１１を複数、例えば表裏面をそれぞれ接合面１１として、それぞれの接合面１１に第２のセラミックス部材２０を接合してもよい。

以下、本発明の実施例を具体的に挙げ、本発明を詳細に説明する。

（実施例）
まず、第１の炭化珪素部材１０を、炭化珪素焼結体を形成する周知のプロセスで作製した。具体的には、平均粒径が１μｍ以下の炭化珪素粉末に、焼結助剤としてＢ_４Ｃを０．１〜０．５質量％、Ｃ（カーボンブラック）を２〜４質量％、成形助剤としてＰＶＡなどのバインダー等を添加したものを原料粉末とした。炭化珪素粉末として、α型（六方晶）のものを用いた。

次に、この原料粉末をスプレードライヤーなどで顆粒化した後に常圧成形した。そして、アルゴン雰囲気中で２０００℃〜２２００℃で焼成することによって炭化珪素焼結体から第１の炭化珪素部材１０を得た。得られた第１の炭化珪素部材１０はα型（六方晶）であった。

第１の炭化珪素部材１０は、研削加工によって、直径１００ｍｍ、厚さ３．５ｍｍの円板状に形成した。そして、第１の研磨工程Ｓ１において、その一面（図１Ａの下面）を、＃８００の砥石を用いて表面粗さＲａを０．４μｍになるまで研磨した。その後、更に、粒径１μｍのダイヤモンドの遊離砥粒を用いて表面粗さＲａを０．０１μｍになるまで研磨した。第１の炭化珪素部材１０の中心には、図１Ａの上面と下面との間を貫通する直径５ｍｍの貫通孔を形成した。この貫通孔は後述の気密性評価に用いられる試験用ポートである。

また、第２の炭化珪素部材２０を、ＣＶＤ法により炭化珪素体を形成する周知のプロセスで作製した。具体的には、高純度等方性黒鉛材上に加熱成膜によって炭化珪素体を形成する熱ＣＶＤ法によって第２の炭化珪素部材２０を形成した。原料ガスとして、トリクロロメチルシラン（ＣＨ_３ＳｉＣｌ_３：ＭＴＳ）と水素ガスとの混合ガスを用いた。成膜後に黒鉛材を除去することにより第２の炭化珪素部材２０を得た。得られた第２の炭化珪素部材２０はβ型（立方晶）であった。

第２の炭化珪素部材２０は、研削加工によって、直径１００ｍｍ、厚さ４．５ｍｍの円板状に形成した。そして、第２の研磨工程Ｓ２において、その一面（図１Ａの上面）を、＃８００の砥石を用いて表面粗さＲａを０．４μｍになるまで研磨した。その後、更に、粒径１μｍのダイヤモンドの遊離砥粒を用いて表面粗さＲａを０．００５μｍになるまで研磨した。

次に、接合工程Ｓ３において、第１及び第２の炭化珪素部材１０，２０の接合面１１，２１同士と当接させた状態で、焼成炉内に入れて、Ａｒ雰囲気で最高温度に到達してから６時間焼成し、炭化珪素部材３０を得た。

接合工程Ｓ３における焼成温度及び焼成圧力、並びに第１の炭化珪素部材１０及び第２の炭化珪素部材２０の厚み変化量（押圧方向変化量）Ｌ１−Ｌ２及び厚み変化率（寸法減少率）Ｔを表１に示す。

炭化珪素部材３０を切断し、元来第１の炭化珪素部材１０と第２の炭化珪素部材２０との界面をマイクロスコープ顕微鏡で観察したところ、α型の元来第１の炭化珪素部材１０とβ型の元来第２の炭化珪素部材２０との接合界面に押圧不足に起因する局所的な隙間は形成されておらず、良好に接合されていることが観察された。

図４Ａに実施例１の界面を、図４Ｂに実施例２の界面をそれぞれマイクロスコープ顕微鏡で観察した写真を示す。

また、Ｈｅリークディテクタを用いて、第１及び第２の炭化珪素部材１０，２０の接合界面の気密性評価を行った結果をリーク量として表１に示す。気密性評価の方法としては、炭化珪素部材３０の試験用ポートにＨｅリークディテクタの配管を配置し、炭化珪素部材３０の側面にヘリウムを吹き付けたときのリーク量を測定した。厚み変化率が０．１２５％以上である実施例１〜６では、リーク量が１０−９Ｐａ・ｍ３／ｓ以下に抑えられていたことから、十分な気密性が得られ、良好に接合されていることが確認できた。２０００℃以上で接合を行った実施例１〜４、６においては、リーク量が１０-１０Ｐａ・ｍ３／ｓ以下であり、より優れた気密性が得られることが確認された。なお、２０００℃未満で接合を行った実施例５は、本発明の範囲外である。

（比較例）
比較例１の炭化珪素部材３０は、接合温度を変えたほかは実施例１と同様の方法により作製された。比較例１では、厚み変化率が小さすぎたため、リーク量が大きくなり、第１の炭化珪素部材１０と第２の炭化珪素部材２０を良好に接合することができなかった。

１０…第１の炭化珪素部材、１１…接合面、２０…第２の炭化珪素部材、２１…接合面、３０…炭化珪素部材、Ｓ１…第１の研磨工程、Ｓ２…第２の研磨工程、Ｓ３…接合工程。

Claims

炭化珪素焼結体からなる第１の炭化珪素部材の接合面を研磨する第１の研磨工程と、
化学的気相成長法により形成した第２の炭化珪素部材の接合面を研磨する第２の研磨工程と、
不活性雰囲気下で、研磨された前記第１の炭化珪素部材の接合面と研磨された前記第２の炭化珪素部材の接合面とを直接的に当接させ、前記第１の炭化珪素部材と前記第２の炭化珪素部材とをそれぞれの前記接合面に向けて押圧することにより、当接した前記接合面に圧力をかけながら、加熱することにより、前記第１の炭化珪素部材と前記第２の炭化珪素部材とを接合する接合工程とを有し、
前記押圧した方向における前記第１の炭化珪素部材及び前記第２の炭化珪素部材の寸法減少率が０．１２５〜１％であり、
前記接合工程では、当接した前記接合面に０．１〜１０ＭＰａの圧力をかけ、２０００〜２２００℃の温度で加熱することを特徴とする炭化珪素部材の製造方法。
前記第１の研磨工程では、前記第１の炭化珪素部材の接合面を表面粗さＲａ０．００５〜０．４μｍとなるまで研磨し、
前記第２の研磨工程では、前記第２の炭化珪素部材の接合面を表面粗さＲａ０．００１〜０．４μｍとなるまで研磨することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素部材の製造方法。