(57)【要約】【課題】接合後の位置ズレが小さく、また、接合強度及び気密性が高く、中空部を有する場合でも中空部の寸法精度に優れた接合体が得られる炭化珪素焼結体の接合方法を提供する。【解決手段】第一の炭化珪素焼結体１１と第二の炭化珪素焼結体１２とが金属珪素からなる接合層１４を介して接合された炭化珪素接合体であって、前記第一の炭化珪素焼結体１１は、金属珪素層１３が形成される接合面１１ａを有し、前記第二の炭化珪素焼結体は、前記金属珪素層と当接する接合面１１ｂを有し、前記第一及び第二の炭化珪素焼結体の各接合面は、いずれも表面粗さＲａ０．６μｍ以下であって、前記金属珪素層が熱処理されてなる接合層１４を介して接合されたことを特徴とする炭化珪素接合体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の炭化珪素焼結体と第二の炭化珪素焼結体とが金属珪素からなる接合層を介して接合された炭化珪素接合体であって、
前記第一の炭化珪素焼結体は、金属珪素層が形成される接合面を有し、
前記第二の炭化珪素焼結体は、前記金属珪素層と当接する接合面を有し、
前記第一及び第二の炭化珪素焼結体の各接合面は、いずれも表面粗さＲａ０．６μｍ以下であって、前記金属珪素層が熱処理されてなる接合層を介して接合されたことを特徴とする炭化珪素接合体。
【請求項２】
前記金属珪素層は、相対密度９０％以上である請求項１記載の炭化珪素接合体。
【請求項３】
前記接合層は、３０〜１５０μｍの厚さを有する請求項１または２に記載の炭化珪素接合体。
【請求項４】
ＪＩＳＲ１６２４に準拠した４点曲げ強度が２５０ＭＰａ以上である請求項１〜３に記載の炭化珪素接合体。
【請求項５】
第一及び第二の炭化珪素焼結体の各接合面を表面粗さＲａ０．６μｍ以下に加工する工程と、
第一の炭化珪素焼結体の接合面に金属珪素層を形成する工程と、
第二の炭化珪素焼結体の接合面と前記金属珪素層とを当接し、真空中で熱処理する工程と、
からなる、炭化珪素接合体の製造方法。
【請求項６】
前記金属珪素層は、相対密度９０％以上である請求項５記載の炭化珪素接合体の製造方法。
【請求項７】
前記金属珪素層は、５０〜２００μｍの厚さを有する請求項５または６記載の炭化珪素接合体の製造方法。
【請求項８】
熱処理後に、炭化珪素焼結体の接合面間に形成された接合層の厚さが、前記金属珪素層の５０〜８０％である請求項５〜７に記載の炭化珪素接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素接合体及びその製造方法に関する。特に、接合部の気密性、高い密着性を要する部材に適した接合体に関する。例えば、液浸露光装置における液体回収部や、ＣＶＤ装置等のガス供給部であるシャワープレートに適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素は耐熱性、耐食性に優れており、半導体製造装置用の部材に多く用いられているが、炭化珪素は焼結温度が高く、雰囲気も不活性ガス下で行うことから製法上、一体で形成するには大きさに制限がある。そこで、種々の接合技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、嵩密度２．８g/cm3以上の常圧焼結ＳｉＣ焼結体同士がＳｉからなる接合部及び常圧焼結ＳｉＣ焼結体の接合面に開口する開気孔に充填されて接合部と一体のＳｉからなる充填部を介して接合する技術が開示され、粒径０．０５ｍｍの顆粒状のＳｉをエタノールと混合してペースト状としたものや、厚み０．０２ｍｍの板状のＳｉをＳｉＣ焼結体同士の間に介在させて、接合する例が示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、炭化物セラミックスの表面に金属をコーティングし金属化すること、及び炭化物セラミックス同士を接合する技術が開示され、実施例として、炭化珪素焼結体の間に、厚さ５００μｍ、１０×１０ｍｍ角のＳｉウエハーをはさみ、１６００℃、４×１０ｔｏｒｒ、２０分加熱し、接着したことが示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１４５６７７号公報
【特許文献２】特開昭６０−１６１３８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、これらの文献に開示されたように、金属珪素粉末を充填して接合する方法では、金属珪素粉末の充填率を一定にすることが難しく、接合後の位置ズレを制御することは困難であった。また、金属珪素粉末の溶融時に接合層に空隙が生じやすく、これにより接合強度や気密性が低下する問題があった。また、空隙を防止するため、接合材を大量に用いると接合部からの染み出しが多くなり、例えば中空部を有する接合体の場合には、中空部の形状精度が得られず、閉塞してしまう問題があった。
【０００７】
板材の金属珪素を接合材として用いた例もあげられているが、板材を挟み込む場合は、板材の厚さや平行度等の形状精度が厳しく要求される。さらに、板材の形状を接合部の形状と一致させることはできないので、溶融前の状態では、必然的に部材間に隙間が生じるため、粉末を充填する方法と同様に接合強度や、気密性が得られないおそれがあった。
【０００８】
また、溶融して染み出る金属珪素の量を制御できないことから、微細で複雑な形状を有した部材の接合では、染み出しにより形状精度が得られなかったり、溝や穴が埋まったりといった問題が生じていた。特に液浸露光装置やＣＶＤ装置等では、液体や気体を供給したり回収したりする微細な溝や穴が形成され、中空部を有するような一体形成が困難な形状の部材がある。このような微細構造を形成するには、接合する部材同士の位置関係を精密に調整しなければならないので、接合後の形状不良は大きな問題であった。
【０００９】
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、接合後の位置ズレが小さく、また、接合強度及び気密性が高く、中空部を有する場合でも中空部の形状精度に優れた接合体が得られる炭化珪素接合体とその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、これらの問題を解決するため、第一の炭化珪素焼結体と第二の炭化珪素焼結体とが金属珪素からなる接合層を介して接合された炭化珪素接合体であって、前記第一の炭化珪素焼結体は、金属珪素層が形成される接合面を有し、前記第二の炭化珪素焼結体は、前記金属珪素層と当接する接合面を有し、前記第一及び第二の炭化珪素焼結体の各接合面は、いずれも表面粗さＲａ０．６μｍ以下であって、前記金属珪素層が熱処理されてなる接合層を介して接合されたことを特徴とする炭化珪素接合体を提供する。
【００１１】
本発明では、炭化珪素焼結体の接合面を表面粗さＲａ０．６μｍ以下に加工している。通常、炭化珪素焼結体の表面には、酸化被膜が形成されており、そのままでは、金属珪素との濡れ性が不十分であることからカーボン等により還元処理が成される。しかしながら、本発明ではこのような還元処理をしなくとも接合が可能となる。Ｒａを上記範囲とすることにより、十分な接合強度が得られる程度に濡れ性が発現し接合される。
【００１２】
また、このような焼結体の接合においては、接合面をブラスト等により粗面化する処理がなされるのが一般的である。これは、接合面と接合材との間にアンカー効果を生じさせることにより、接合強度を高めるためである。しかしながら、本発明では、逆に表面粗さを小さくしている。この理由は、炭化珪素焼結体の表面には、酸化により保護膜が形成され、金属珪素との濡れ性を低下させる要因となるが、本発明の表面粗さの範囲内では、炭化珪素焼結体の表面に形成される保護酸化膜の影響を極めて小さくできるためである。
【００１３】
特許文献１や２においても接合材として金属珪素が用いられているが、本発明はこれらの技術と異なり、焼結体同士を接合する前に、一方の炭化珪素焼結体の接合面に金属珪素層を形成している。特許文献１や２に記載されたように金属珪素粉末や金属珪素板の溶融と同時に炭化珪素焼結体同士の接合を行おうとすると、金属珪素粉末等が溶融したときの位置ズレが著しく、接合後の形状に狂いが生じやすい。一方、本発明では予め金属珪素層を形成しているので、再溶融させても位置ズレを少なく抑えられるので接合後の形状が狂い難い。
【００１４】
しかも、上記範囲にＲａを調整し、予め金属珪素層を形成することで、接合時の染み出しも最小限に抑えることができるので、位置ズレを防止できるとともに、接合層の付近に中空部がある場合であっても、閉塞等の不具合を防止することができる。
【００１５】
このように、染み出しや位置ズレを抑えることができるのは、表面粗さを小さくし金属珪素層と炭化珪素焼結体との接触を増やすことにより、真空中の熱処理による金属珪素の揮発を抑制できるためと思われる。このような効果は金属珪素層を形成せずとも、金属珪素板を用いて接合しても得られるように思われるが、金属珪素板と炭化珪素焼結体との間の接触が少なく開放部分が大きいと、金属珪素の揮発が多くなり、染み出しや位置ズレが生じやすく、また空隙も発生し易い。本発明のように、一旦金属珪素層を形成することで揮発を抑えることが可能となる。
【００１６】
金属珪素層の形成は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、溶射等の通常の成膜方法を用いることができる。また、金属粉末や金属板を溶融させても良い。さらに、金属珪素層に研削加工を施して、その厚さを調整することが好ましい。研削加工により、金属珪素層の表面を研削して、酸化膜や炭化膜等の溶融を阻害するような層を除去することにより溶融がスムーズに起こる。さらに好ましくは、金属珪素層の表面粗さについても０．６μｍ以下とすることが望ましい。第二の炭化珪素焼結体の接合面との接触が増えるので、金属珪素の揮発が抑えられ、接合強度及び気密性を高めることができる。
【００１７】
また、金属珪素層は、相対密度９０％以上とすることが望ましい。これは、相対密度が小さいと、接合層に気泡を含み易くなり接合強度が低下するためである。相対密度が低い場合は、熱処理時に染み出しが多くなることが分かっている。これは、内部に気泡を含むことにより濡れ性が著しく変化するためと思われる。
【００１８】
炭化珪素接合体の接合層は、３０〜１５０μｍの厚さを有することが望ましい。上記の表面粗さ及び相対密度に加えて、接合層の厚さをこのような範囲に調整することにより、接合強度に優れた接合体を得ることができる。
【００１９】
さらに本発明の炭化珪素接合体は、ＪＩＳＲ１６２４に準拠した４点曲げ強度が２５０ＭＰａ以上である。上記のように、金属珪素層の形成、接合面の表面粗さ、相対密度及び接合層厚さを調整することにより、このような炭化珪素接合体を得ることができる。
【００２０】
また、本発明は、第一及び第二の炭化珪素焼結体の各接合面を表面粗さＲａ０．６μｍ以下に加工する工程と、第一の炭化珪素焼結体の接合面に金属珪素層を形成する工程と、第二の炭化珪素焼結体の接合面と前記金属珪素層とを当接し、真空中で熱処理する工程と、からなる、炭化珪素接合体の製造方法を提供する。
【００２１】
上述のように、炭化珪素焼結体の各接合面の表面粗さを小さくすることにより、炭化珪素焼結体表面の酸化保護膜による金属珪素の濡れ性の悪化を抑え、また、金属珪素の雰囲気への開放部を少なくできるので熱処理時の揮発を防止でき、接合強度及び気密性の高い接合体を得ることができる。
【００２２】
金属珪素層は、５０〜２００μｍの厚さとすることが望ましい。このような範囲であれば、接合強度および気密性の高い接合体を得ることができる。また、空隙や染み出しの発生を少なくすることができる。
【００２３】
本発明では、熱処理後に炭化珪素焼結体の接合面間に形成された接合層の厚さが、前記金属珪素層の５０〜８０％である。焼結体の表面粗さ及び金属珪素層の相対密度を調整することにより接合層の空隙をなくし、染み出しを抑えることができることから、接合前後での寸法変化を小さくすることができる。また、中空構造を有する接合体であっても中空部への染み出しによる閉塞が生じないので、接合後の加工が困難な中空部であっても優れた形状精度を達成できる。
【発明の効果】
【００２４】
接合後の位置ズレが小さく、また、接合強度及び気密性が高く、中空部を有する場合でも中空部の形状精度に優れた接合体が得られる炭化珪素焼結体の接合方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の炭化珪素焼結体の接合方法について、より詳細に説明する。図１は、本発明の接合方法を示した概略図である。
【００２６】
図１（Ａ）は第一の炭化珪素焼結体１１及び第二の炭化珪素焼結体１２、並びにその接合面１１ａ及び１２ａを示している。
【００２７】
炭化珪素焼結体１１及び１２は、プレス成形、ＣＩＰ成形、鋳込み成形等の成形方法、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できる。接合面１１ａ及び１２ａの表面粗さは、平面研削機、マシニングセンタ等により研削し、さらにラップ加工等により調整することができる。
【００２８】
図１（Ｂ）は、第一の炭化珪素焼結体１１の接合面１１ａに金属珪素層１３を形成した様子を示している。金属珪素層の形成は、上述のように、スパッタリング、ＣＶＤ、ＰＶＤ、溶射等の通常の成膜の他、金属粉末や金属板を溶融させても良い。
【００２９】
金属珪素層の相対密度の調整方法としては、スパッタリング法では、金属珪素をターゲットとし、希ガスのイオン化電圧と成膜する接合面のターゲット間距離を制御することで、相対密度９０％以上の蒸着膜を形成できる。ＣＶＤ法では、ターゲット基板となる接合面の温度制御、気相ガスの濃度および流量等を、接合面の大きさによって、適宜、調整する。溶融させる方法では、加熱時の真空度によって、調整できる。１００ｋＰａ程度の真空度で、相対密度９０％以上の金属珪素層を得ることができる。熱処理温度は金属珪素が溶融する１４１０〜１５００℃とし、熱処理時間は１０〜６０分とすることが好ましい。
【００３０】
金属珪素層の厚さの調整方法としては、スッパッタリング法およびＣＶＤ法では、成膜レートから、時間により厚さを制御する。溶融させる方法では、金属珪素粉末を用いる時は、粉末充填率から溶融後の厚さを計算で求めることで、制御できる。
【００３１】
なお、金属珪素層に対して、必要に応じ加工して厚さ等の形状を調整しても良い。このように加工を施すことにより、他方の炭化珪素焼結体との十分な強度で気密な接合が可能となる。金属珪素層の厚さを５０〜２００μｍとすることにより、位置ズレにより一部の箇所に隙間が生じることなく確実に接合することが可能となる。また、接合材の染み出しを抑えられるので、精度不良や微細穴の閉塞等の不具合が起きることを防ぐことができ中空部を有する場合でも中空部の形状精度に優れた接合体を得ることができる。
【００３２】
金属珪素の純度としては、９７％以上、より好ましくは９９％以上、さらに望ましくは、９９．９％以上の高純度のものを使用することが望ましい。不純物が多いと溶融温度が低下し、染み出し等の不具合が生じるためである。
【００３３】
次に、第二の炭化珪素焼結体１２の接合面１２ａを金属珪素層１３に当接し、加熱して接合する。金属珪素層１３は、第一の炭化珪素焼結体１１に形成されているため、例えば、図２のような曲面で接合する場合であっても、不具合なく接合体を得ることができる。接合材として金属珪素粉末や金属珪素板を用いた場合は、溶融させると、金属珪素が曲面に沿って流れ出たり、液溜まりが生じたりして、空隙等の接合不良が生じるおそれがある。一方、本発明では、金属珪素が染み出し難く、また空隙無く接合することができる。
【００３４】
接合工程の加熱も金属珪素層の形成工程と同様に、真空中が好ましく、熱処理温度は金属珪素が溶融する１４１０〜１５００℃とし、熱処理時間は３０〜６０分とすることが好ましい。また、接合時には、４〜２０ｇ／ｃｍ２の荷重をかけることが望ましい。これよりも大きな荷重をかけると接合部に炭化珪素が生じて接合強度が低下しやすいので好ましくない。
【００３５】
図１（Ｃ）は本発明の接合方法により得られた接合体を示す。接合面間に形成された接合層１４の厚さが、前記金属珪素層の５０〜８０％である。焼結体の表面粗さ及び金属珪素層の相対密度を調整することにより接合層の空隙をなくし、染み出しを抑えることができることから、接合前後での寸法変化を小さくすることができる。
【００３６】
以下、接合強度及び気密性についての試験例を示して、本発明を説明する。
【００３７】
炭化珪素焼結体は、市販の炭化珪素粉末（シュタルク社製ＵＦ−１０）を用い、ＣＩＰ法により成形、アルゴン中２１００℃で焼成した。図３に示したような炭化珪素焼結体（炭化珪素焼結体３１：φ５０ｍｍ、厚さ２５ｍｍ、ザグリ３１ｂ：φ５、深さ２ｍｍ、炭化珪素焼結体３２：φ５０ｍｍ、厚さ２５ｍｍ）を作製した。これらの形状加工は、平面研削、マシニングセンタ等の公知の方法により行い、接合面の表面粗さを調整した。
【００３８】
次に、金属珪素層を形成する方法について説明する。ＣＶＤ法としては、ＣＶＤ成膜装置を用いて、原料ガスとしてはＳｉＣｌ４、キャリヤーガスとしては水素とし、原料ガス濃度を２０％で、接合面となる基板温度を制御することで、金属珪素層を成膜し、その相対密度を調整した。成膜厚さは、５０μｍとした。溶融させて形成する方法としては、純度９９．９９％、厚さ０．５ｍｍのシリコンウエハを、φ５０ｍｍに切断し、中心にφ５ｍｍの貫通穴に設け、接合面に載置し、真空中、１４５０℃、１０分間、熱処理を実施した。溶融した金属珪素層は、平面研削、マシニングセンタ等の公知の方法により行い、金属珪素層厚さを調整した。
【００３９】
以上の方法により、炭化珪素焼結体の接合面の表面粗さ及び金属珪素層の相対密度を変化させて、接合体の作製を行った。また、比較のため、接合材として上記した金属珪素粉末と、金属珪素板（厚さ０．２ｍｍ）を用いて、金属珪素層を形成せずに接合体を作製した。
【００４０】
接合層については、切断面を光学顕微鏡観察し、その厚さ及び中空部を調べた。接合強度は、接合体から試験片（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を切り出して、下部スパン３０ｍｍ、上部スパン１０ｍｍの４点曲げ試験（ＪＩＳＲ１６２４準拠）を行い、接合強度を求めた。気密性の試験は、ＪＩＳＺ２３３１に準拠し、ボンビング法により行った。中空部の観察については、接合体を、φ５、深さ２ｍｍの中空部を通過するように切断し、目視により、中空部の金属珪素による閉塞の有無を観察した。結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
本発明の範囲内であるＮｏ.１〜１０、１６〜１９、及びＮｏ.２１〜２３では、接合強度が２５３〜２８４ＭＰａと、２５０ＭＰａ以上の高い値を示した。金属珪素層形成にＣＶＤを用いたＮｏ.１〜１０では、２５３〜２８４ＭＰａと、２５０ＭＰａ以上の値を示した。また、溶融法を用いたＮｏ．１６〜１９、及びＮｏ.２１〜２３では、２７４〜２８１ＭＰａと２７０ＭＰａ以上の値を示した。なお、これらの接合層の厚さは３２〜１３５μｍであり、３０〜１５０μｍを満たしていた。
【００４３】
一方、接合面の表面粗さの大きいＮｏ.１１〜１３、Ｎｏ.２０では、接合層に空隙が認められ、接合強度が２００ＭＰａに満たない低い値を示した。特に、表面粗さが１．２０μｍであるＮｏ.１３では、巨大な空隙が存在し、未接合部が認められた。接合面の表面粗さが悪いことにより、炭化珪素接合面の酸化膜の影響が顕著となり、金属珪素層の濡れ性が低下し、また金属珪素の揮発が多くなったため、空隙が発生したと考えられる。
【００４４】
また、金属珪素層の相対密度が小さいＮｏ.１４では、接合層に空隙が認められ、接合強度が１００ＭＰａと低い値を示した。これは、相対密度が小さいため、接合層に気泡を多く含んだためである。
【００４５】
金属珪素層を形成せずに接合を行ったＮｏ.２５、２６では、接合強度が１００ＭＰａ以下と低い値を示した。
【００４６】
気密性及び中空部については、本発明の範囲内であるＮｏ.１〜１０、及び１６〜１９、及び２１〜２３では、等価基準リーク量が、１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓより小さく、漏れは認められなかった。また、中空部に閉塞は認められなかった。
【００４７】
一方、本発明の範囲外であるＮｏ.１１〜１５、２０、２５、２６では、等価基準量が、１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以上であり、Ｈｅリークが認められた。
リークの原因は、Ｎｏ.１１〜１３、２０では、接合面の表面粗さが、０．６μｍ以上であるため、金属珪素との濡れ性が悪く、接合層に空隙が形成されたためと思われる。Ｎｏ.１４では、接合層の相対密度が低く、Ｎｏ.１５では、金属珪素層が薄いために、接合面に隙間が生じたと考えられる。
【００４８】
さらに、Ｎｏ.２４〜２６では、接合体の切断面の中空部観察において、中空部の閉塞が認めれられた。Ｎｏ.２４では、気密試験による漏れはなかったものの、金属珪素層が厚いために、余剰の金属珪素が中空部に染み出したものと思われる。金属珪素層を形成していないＮｏ.２５及び２６では、金属珪素の揮発が多くなるため、染み出し、位置ズレ及び空隙が発生したためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の接合方法を示した概略図。
【図２】本発明の接合方法の適用例を示した概略図。
【図３】実施例の炭化珪素接合体形状を示した概略図。
【符号の説明】
【００５０】
１０；接合体
１１、１２；炭化珪素焼結体
１１ａ、１２ａ；接合面
１３；金属珪素層
１４；接合層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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