JPS61143686A - 寸法精度の優れた耐熱性治具用炭化珪素質焼結体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、寸法精度の優れた耐熱性治具用炭化珪素質焼
結体ｉ←に関し、特に本発明は、電子工業用の耐熱性治
具例えば半導体の拡散酬酸化処理、ダイオードの接合、
ガラス封着およびパフケージのリードフレームのロー付
などの用途に適した寸法精度の優れた耐熱性治具用炭化
珪素質焼結体に関する。

〔従来の技術〕

電子工業用の耐熱性治具は主として半導体等の高純度製
品を取扱う用途に使用されるものであり、高純度で製品
汚染のないこと、耐摩耗性に優れていることおよび寸法
精度に優れていることが重要である。

前記電子工業用の耐熱性治具としては、高純度に精製さ
れた炭化珪素粉末および電子工業用の高純度シリコンか
ら製造された再結晶炭化珪素材料や高純度の黒鉛質材料
の表面を炭化珪素で被覆した炭化珪素被覆黒鉛質材料な
どによって製造されたものが知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前記再結晶炭化珪素材料は電子工業用の
高純度シリコンを出発原料の一部とするため高価である
し、また出発原料の他の一部として比較的粗粒の炭化珪
素を使用するため表面の面粗度が大きく、高い寸法精度
の要求される耐熱性治具を格別の機械加工を施すことな
（製造することは困難である欠点を有しており、一方前
記炭化珪素被覆黒鉛質材料は黒鉛質材料の表面を８ｉ０
ガスと反応させて８ｉＣ化せしめることにより製造され
るものであり、炭化珪素被覆層は比較的薄くポーラスで
あるため耐酸化性および耐摩耗性に劣る欠点を有してい
た。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは、前述の如き従来知られた材料の欠点が除
去改善された電子工業用の耐熱性治具用材料すなわち耐
酸化性、耐摩耗性および寸法精度に優れた電子工業用の
耐熱性治具用材料を安価に提供することを目的とし、種
々研究を積重ねた結果、通常の常圧焼結法に使用される
不純物成分の少ない炭化珪素微粉末を出発原料とし、特
定の雰囲気および温度範囲内で焼結することによって実
質的な焼成収縮を生じさせることなく表面精度の高い高
強度の炭化珪素質焼結体を製造することのできることを
新規に知見するに至り、本発明を完成した。

本発明は、実質的に収縮させることなく焼結させた炭化
珪素質焼結体であって、平均曲げ強度が７ｋｌ／Ｗｄ以
上であることを特徴とする寸法精度に優れた耐熱性治具
用炭化珪素質焼結体である。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明の炭化珪素質焼結体は、実質的に収縮させること
なく焼結させた炭化珪素質焼結体よりなるものであるこ
とが必要である。その理由は、焼結時に収縮させた通常
の常圧焼結法による炭化珪素質焼結体は強度および耐摩
耗性の面では好ましいが、収縮を伴う焼結法によって製
造される焼結体の寸法は生成形体の密度および焼結時の
収縮量に大きく影響を受けるため、寸法精度に優れた焼
結体を製造するためには焼結時の収縮を均一に生起させ
なければならない。ところで、前述の如き収縮を均一に
生起させるためには均一な密度を有する生成形体を得る
ことが重要であるが、そのような均一な密度を有する生
成形体を得ることは極めて困難であり、本発明の目的と
する極めて寸法精度の優れた焼結体を焼成収縮を生起さ
せて製造することが困難であるからである。

なお、本発明の実質的に収縮させることなく焼結させた
炭化珪素質焼結体め焼成収縮率は２％以下であることが
有利であり、なかでも１％以下であることがより好適で
ある。

本発明の炭化珪素質焼結体は、平均曲げ強度が７勿メｄ
以上であることが必要である。その理由は、前記炭化珪
素質焼結体の平均曲げ強度が７に９７ｄよりも小さいと
使用中に折れたり割れたりし易く、実質的な使用に耐え
ないからである。

本発明の炭化珪素質焼結体は、結晶の平均粒径がは〜１
０μｍ、密度が１．４〜２．６ダ／ｉの炭化珪素質焼結
体よりなるものであることが好ましい。前記結晶の平均
粒径が０〜１０μｍの範囲内であることが好ましい理由
は、前記結晶の平均粒径がｏ、Ｓμゴよりも小さい焼結
体は結晶粒相互の結合が弱く、本発明の目的とする７＃
／−以上の平均曲げ強度を有する焼結体となすことが困
難であるし、一方１０μｍよりも大きいと焼結体表面の
面粗度が大きく寸法精度が劣化するからである。また前
記密度が１．４〜２．６ｆ／ｄの範囲内であることが好
ましい理由は、前記密度がｔ、４ｆ／ｄよりも小さな焼
結体は炭化珪素粒子相互の結合箇所が少ないため、本発
明の目的とする’Ｉｋ（ｉ／−以上の平均曲げ強度を有
する焼結体となすことが困難であるからであり、一方２
．６ｇ／ｄｉより大きな焼結体は実際に製造する場合に
は、それに見合った密度の生成形体が要求されるが、２
．６ｆ／ｄよりも大きな密度を有する生成形体を得るこ
とは極めて困難であって現実的でないからである。

本発明の炭化珪素質焼結体は、寸法精度の優れているこ
とが必要であり、平均アスペクト比が５以下の炭化珪素
結晶によって構成される三次元網目構造を有する炭化珪
素質焼結体よりなるものであることが好ましい。

次に本発明の寸法精度の優れた耐熱性治具用炭化珪素質
焼結体を製造する方法について説明する。

本発明の耐熱性治具用炭化珪素質焼結体は平均粒径が５
μｍ以下の炭化珪素粉末を生成形体に成形範囲内の非酸
化性雰囲気下で実質的に収縮させることなく焼結する方
法によって製造することができる。

前記平均粒径が５μｍ以下の炭化珪粉床を使用する理由
は、５μｍより大きい粒度の炭化珪素は焼成収縮を抑制
する上では好ましいが、焼結体重の粒と粒との結合箇所
が少なくなるため、高強度すなわち平均曲げ強度が７１
以上の炭化珪素焼結体を得ることが困難になるばかりで
な（、表面の面粗度を劣化させるからである。

ところで、前記炭化珪素の結晶系にはα型、β型および
非晶嘗のものがあるが、その何れか、およびそれらの混
合物をも使用することができ、なかでもβ型のものは５
μｍ以下のものを微粉末状で取得し易く、しかも比較的
高強度の焼結体を製造することができるため有利に使用
することができ、なかでもβ型炭化珪素を５０重量％以
上含有する炭化珪素粉末を使用することが有利である。

前記炭化珪素粉末は、ホウ素、アルミニウムおよび鉄の
含有量の合計が元素に換算して０．３重量％以下である
ことが好ましい。その理由は、前記ホウ素、アルミニウ
ムおよび鉄の含有量の合計が元素に換算して０．３重量
％より多いと、炭化珪素粉末中に含有されている遊離炭
素との相互作用によって焼結時に焼成収縮し易く、本発
明の目的とする実質的な収縮を生じさせることなく焼結
体を製造することが困難１（なるからである。

なお、前記炭化珪素粉末にホウ素、アルミニウムおよび
鉄の含有量が上記範囲内である場合には、出発原料中に
５重量％以下の遊離炭素を含有させるべく炭素質物質を
添加することができる。前記遊離炭素は結晶粒の粗大化
を抑制する作用を有しており、出発原料中に存在させる
ことにより、焼結体の結晶粒径を均一化し比較的高強度
の焼結体を得ることができる。前記遊離炭素の含有量を
５重量％以下とする理由は、５重量％よりも多いと炭化
珪素粉末粒子間に過剰の炭素が存在することになり、粒
と粒との結合を著しく阻害するため、焼結体の強度が劣
化するからである。

前記炭素質物質としては、焼結開始時に炭素を存在させ
られるものであればよく、例えばフェノ１−ル樹脂、リ
グニンスルホン酸塩、ポリビニルアルコール、コンスタ
ーチ、糖類、コールタールピッチ、アルギン酸塩のよう
な各棚有機物質あるいはカーボンブラック、アセチレン
ブラックのような熱分解炭素を有利に使用することがで
きる。

前記炭化珪素粉末は、前記ホウ素、アルミニウムおよび
鉄の含有量の合計が元素に換算して０．３重量％を越え
る場合には炭素質物質および遊離炭素の含有量が固定炭
素量に換算して０．６重量％以下であることが好ましい
。その理由は、ホウ素、アルミニウムおよび鉄の含有量
の合計が元素に換算して０．３重量％を越える場合に、
炭素質物質および遊離炭素の含有量が固定炭素量に換算
して０．６重量％よりも多いと、先にも説明した如く、
前記ホウ素、アルミニウムあるいは鉄と炭素との相互作
用によって焼結時に焼成収縮し易く、本発明の目的とす
る実質的な収縮を生じさせることなく焼結体を得ること
が困難になるからである。また、前記ホウ素、アルミニ
ウムおよび鉄の含有量が余り多いと焼結体の物性を劣化
させるため、なるべく少ないことが望ましく、その含有
量の合計は元素に換算して２重量％以下であることが好
ましい。

前記生成形体は１７００〜２１００℃の温度範囲内で焼
成される。その理由は前記温度が１７００’Ｃより低い
と粒と粒とを結合するネックを充分に発達させることが
困難で、高い強度を有する焼結体を得ることができず、
一方２１００℃より高いと一旦成長したネックのうち一
定の大きさよりも小さなネックがくびれた形状となった
り、著しい場合には消失したりして、むしろ強度が低１
くなるし、また一部の粒子が粗大化するため表面の面粗
度が劣化するからである。

前記生成形体は非酸化性雰囲気中で実質的に収縮させる
ことなく焼成される。その理由は、焼結時における収縮
は焼結体の強度を向上させる上では好ましいが、一般的
には焼結時の収縮量は生成形体の密度に大きく影響する
ため、均一な収縮を生成させるためには均一な密度を有
する生成形体を得ることが重要である。しかし、そのよ
うな均一な密度を有する生成形体を得ることは極めて困
難であるため、本発明の目的とする極めて寸法精度の高
い焼結体を焼成収縮を生起させて製造することが困難で
あるからである。

なお、前述の如き寸法精度の高い焼結体を得る上で実質
的に収縮させることなく焼結する際の焼成収縮率は２％
以下であることが好ましく、なかでも、１％以下である
ことがより好適である。

また、前記生成形体は１７００〜２１００’Ｃの温度範
囲内において少なくとも１ｏ分間曾囲気中の■あるいは
Ｎ２の少なくともいずれかのガス分圧が１００Ｐａ以上
に維持された雰囲気中で焼成されることが好ましい。そ
の理由は、前記温度範囲内において少なくとも１０分間
雰囲気中のＣＯあるいはＮ２の少なくともいずれかのガ
ス分圧を１００Ｐａ以上とすることによって、ネックの
成長を促進させ、かつ炭化珪素の焼結時における焼成収
縮を効果的に抑制することができるからである。

本発明の耐熱性治具用炭化珪素焼結体は前記生成形体を
焼成雰囲気を制御することのできる耐熱性容器内に装入
し、焼成することが有利である。

このように耐熱性の容器内に装入して焼成雰囲気を制御
しつつ焼成することが有利である理由は、隣接する炭化
珪素結晶同志の結合およびネックの成長を促進させるこ
とができるからである。前述の如く耐熱性の容器内に生
成形体を装入して焼成雰囲気を制御しつつ焼成すること
によって隣接する炭化珪素結晶同志の結合およびネック
の成長を促進させることができる理由は、炭化珪素粒子
間における炭化珪素の蒸発−再凝縮および／または表面
拡散による移動を促進することができるためと考えられ
る。

前記耐熱性容器としては、黒鉛や炭化珪素などの材質お
よびこれらと同等の機能を有するものを有利に使用する
ことができる。

また、前記生成形体を焼成雰囲気を制御することのでき
る耐熱性容器中に装入して焼成することにより、焼成時
における炭化珪素の揮散率を５重量％以下に制御するこ
とが有利である。

前記耐熱性治具用炭化珪素焼結体を製造するための生成
形体は４，５〜ｂ のであることが有利である。その理由は、前記生成形体
の密度が４５容ｊ１％より低いと炭化珪素粒子相互の接
触点が少ないため、必然的に結合箇所が少なくなり本発
明の目的とする７に９／−以上の平均曲げ強度を有する
焼結体を得ることが困難であるからであり、−万８ｏ容
量％より高い生成形体は製造することが困難であるから
である。

また、前記１７００’Ｑに至るまでの昇温過程のうち１
５００°Ｃ以上で少なくとも３０分間雰囲気中のＣＯお
よびＮ２のガス分圧の合計を１００Ｐａ以下に維持する
ことにより、炭化珪素の粒子と粒子との間のネックを均
一に生成させて強固に接合することができる。

なお、炭化珪素以外の炭化物においても炭化珪素と同様
の焼結機構を存するものでＡｒｔば、本発明と同様に寸
法精度および強度に優れた焼結体を得ることができる。

次に本発明を実施例および比較例について説明する。

実施例１ 出発原料として使用した炭化珪素粉末は９４．６重量％
がβ型結晶で残部が突貫的に２Ｈ型結晶より　　　　　
゛なり、０．２９重量％の遊離炭素、０．１７Ｍ量％の
酸素、０．０３重量％の鉄、０．０３重景％のアルミニ
ウムを主として含有し、０．２８−の平均粒径を有して
おり、ホウ素は検出されなかった。

前記炭化珪素粉末１００重量部に対し、ポリビニルアル
コール５重量部、水３００重量部を配合し、ボールミル
中で５時間混合した後乾燥した。

この乾燥混合物を適量採取し、顆粒化した後金属製押し
型を用いて３０００　ｋＱ／ｄの圧力で成形した。

この生成形体の寸法は２５０ｍＸ２５（ｍＸ３０鱈で、
密度は２．Ｏｆｌ／ｃ４　（６２容量％）であった。

前記生成形体を黒鉛製ルツボに装入し、タンマン型焼成
炉を使用して１気圧の主としてアルゴンガス雰囲気中で
焼成した。昇温過程は４５０°Φ時間で２０００℃まで
昇温し、最高温度２０００℃で１０分間保持した。焼結
中の００１３分圧は常温〜１７００″Ｃが８０Ｐａ以下
、１７００℃よりも高温域では３００±５０Ｐａの範囲
内となるようにアルゴンガス流量を適宜調整して制御し
た。

得られた焼結体の密度は２．０５ｆ／ｄで、その結晶構
造は走査型電子顕微鏡によって観察したところ、平均ア
スペクト比が２．５の炭化珪素板状結晶が多方向に複雑
に絡み合うた三次元構造を有しており、生成形体に対す
る線収縮率はいずれの方向に対しても０．２５±０．０
２％の範囲内で、焼結体の寸法精度は±０．０５園以内
であった。また、この焼結体の平均曲げ強度は１８．５
１−と極めて高い値を示した。

実施例２ 実施例１と同様の操作を繰返して焼結体を製造した。結
果は第１表に示した。

第１表に示した結果よりわかるよう筈ζ線収縮率は最大
でも０．２５３±０．０２２％程度であり、実施例１に
示した焼結条件によれば線収縮率を０．２５％に設定し
て生成形体を成形し焼結を行うことにより、寸法精度が
±０．０５５１ｍ以内の極めて寸法精度の高い焼結体を
容易に製造することが可能であることが確認された。

比較例１ ）実施例１に記載した炭化珪素粉末１００重量部に対し
、比表面積が２０．５ｄ／ｆの炭化ホウ素粉末１重量部
、比表面積が１２８　Ｗｌ／ｆのカーボンブラック粉末
２重量部、゛ポリオキンエチレンノニルフェノールエー
テル０．４重量部、水４００重量部を配合し、ボールミ
ル中で２０時間混合した後乾燥した。

この乾燥混合物を適量採取し、顆粒化した後金属製押し
型を用いて１５０１の圧力で仮成形し、次にアイソスタ
ティックプレス機を用いて２０００に４／ｄの圧力で成
形した。得られた生成形体０寸法および密度は第１表に
示した。

前記生成形体を実施例１と同様にタンマン型焼成炉を使
用して１気圧の主としてアルゴンガス雰囲気中で焼成し
た。昇温過程は常温〜１６５０℃は５℃／ｉ％１６５０
℃にて４５分間保持した後、さらに５°ｊで昇温し最高
温度２１００℃で３０分間保持した。焼結中の００１３
分圧は常温〜１６５０℃が５ＫＰａ以下、１６５０℃で
保持する際は５００Ｐａ以下、１６５０℃より高温域で
は５ＫＰａ以下となるようにアルゴンガス流量を適宜調
整して制御した。結果は第１表に示した。

第１表に示した結果よりわかるように、得られた焼結体
はいずれも緻密で高強度であるが、収縮率のバラツキが
大きく特に寸法精度の高い焼結体を仕上げ加工なしで製
造することは困難であった。

ルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを使用して焼結体を
製造した。焼結中の窒素ガス分圧は常温〜１７００℃が
２０Ｐａ以下、１７００℃よりも高温域では３００Ｐａ
に設定した。なお焼結中の００１３分圧は常に５０Ｐ３
以下となるようにアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガス
の流量を適宜調整して制御した。

得られた焼結体の密度は２．０８ｆ／ｄであり、生成形
体に対する線収縮率はいずれの方向に対しても０．２６
１±ｏ、ｏｔｚ％の範囲内であり、焼結体の寸法精度は
±ｏ、ｏａｏ　ｍ以内であった。また、この焼結体の平
均曲げ強度は２２．５ｒｃ−ｊと極めて高い値が得られ
た。

比較例２ 実施例１と同様であるが、炭化珪素粉末として９５．７
重量％がβ型結晶で残部が実質的に２Ｈ型結晶よりなり
、０．１０重量％の遊離炭素、０．１５重量％の酸素、
０．０２重量％の鉄、０．０２重量％のアルミニウムを
主として含有し、８μｍの平均粒径を有する炭化珪素粉
末を使用して焼結体を得た。なお、この炭化珪素粉末か
らはホウ素を検出することができなかった。得られた焼
結体の密度は１．８５ｊ’Ａであり、生成形体に対する
線収縮率は０．２４８±０．０５８％と比較的バラツキ
があり、寸法精度も±０．１４５ｆｆであった。また、
この焼結体の平均曲げ強度は６．３ｋＱ／−と比較的低
いものであった。

】虜１１ 実施例１と同様であるが、焼成時の最高温度を２２００
℃と高めて焼結体を得た。

得られた焼結体の密度は１．９５ｆ／ｄと低（、生成形
体に対する線収縮率は０．２０３±０．１１％と比較的
バラツキが大きく、寸法精度も±０．２７５ｇと著しく
低下した。また、この焼結体の平均曲げ強度は４．２ｋ
Ｖ−と著しく低かった。

実施例４ 実施例１と同様であるが、炭化珪素粉末として９２．８
重量％がβ型結晶で残部が実質的に２Ｈ型結晶よりなり
、０．２１重量％の遊離炭素、０．１７重量％の酸素、
０．０５　Ｍ量％の鉄、０．１重量％のアルＺニウム、
０．２重量％のホウ素を主として含有し、Ｑ、２７ｐｍ
の平均粒径を有する炭化珪素粉末を使用し、前記炭化珪
素粉末１００重量部に対し、固定炭素含有率５１．６重
量％のノボラック型フェノール樹脂０．４部、ベンゼン
３０９重量部を配合し、ボールミル中で５時間混合した
後乾燥して得た乾燥混合物を使用して焼結体を得た。

得られた焼結体の密度は２．０５ｆ／ｄであり、生成形
体に対する線収縮率は０．５２±０．０３％と若干大き
くなったが寸法精度は±０．０８ｇと比較的良好であっ
ｔこ。なお、この焼結体の平均曲げ強度は３２．５＆Ｇ
４と著しく高い値が得られた。

比較例４ 実施例４と同様であるが、ノボラックフェノール樹脂の
配合量を１．６部に変えて焼結体を得た。

得られた焼結体の密度は２．５０Ｆ／ｄと大きくなり、
生成形体に対する線収縮率も４．４７±０．２３％とバ
ラツキが大きく、寸法精度も±０．５７５　ｆｆと著し
く低下した。なお、こ、の焼結体の平均曲げ強度は３１
．７＃／−であった。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明の耐熱性治具用炭化珪素質焼結
体は実質的に収縮を生じさせることなく焼結されたもの
でありで、寸法精度および強度に優れており、格別の機
械加工を施すことなく安価に供給できる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、実質的に収縮させることなく焼結させた炭化珪素質
   焼結体であって、平均曲げ強度が７ｋｇ／ｍｍ＾２以上
   であることを特徴とする寸法精度の優れた耐熱性治具用
   炭化珪素質焼結体。 ２、前記炭化珪素質焼結体の焼結に伴う収縮率は２％以
   下である特許請求の範囲第１項記載の耐熱性治具用炭化
   珪素質焼結体。 ３、前記炭化珪素質焼結体は、結晶の平均粒径が０．５
   〜１０μｍ、密度が１．４〜２．６ｇ／ｃｍ＾２である
   特許請求の範囲第１あるいは２項記載の耐熱性治具用炭
   化珪素質焼結体。 ４、前記炭化珪素質焼結体は、主として平均アスペクト
   比が５以下の−炭化珪素−結晶によって構成される三次
   元網目構造を有する特許請求の範囲第１〜３項記載の耐
   熱性治具用炭化珪素質焼結体。