(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低熱膨張率材と低熱膨張率材、あるいは低熱膨張率材と金属材を、金属製のボルトとナットで締結する方法であって、そのボルトより大きな熱膨張率であり、締結方向に複数枚配され、それぞれの熱膨張率が異なる金属スペーサにボルトを通して締結することを特徴とする低熱膨張率材材の締結方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック材あるいは石英ガラス材などの低熱膨張率材どうしや、あるいは、セラミック材や石英ガラス材より熱膨張率が大きい金属材をボルト・ナットで締結する方法に係り、高温下でも緩むことがない締結方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミック材は、耐熱性が高く、また雰囲気の影響を受けることが少なく安定性が高いため、炉や温度評価装置の構成部品として、近年多く用いられている材料の一つである。温度評価装置を例にあげると、その中の加熱源としてよく用いられるセラミックヒータがあり、この主要部分はセラミックからなる。
図６に、このセラミックヒータ１の一例を示す。平坦なセラミック板２の表面に、ヒータ３となる厚さが５０μｍ程度の薄い配線パターンが印刷されている。この配線パターンに通電することによって加熱する。
【０００３】
ヒータ３に通電するために、ヒータ３の両端に給電線（図示省略）を固定しなくてはならない。そこで、ヒータ３の両端に金属線６をはんだ付けもしくはロー付けしておいて、金属線６の開放端を給電線と圧着接合する方法がよく採られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
昇温する温度が数１００℃以下の場合は、この給電方法でもさほど問題はなかった。ところが、本来セラミックヒータ１は、セラミック自体の高い耐熱性を生かして、１，０００℃を超える加熱源として利用されることが多い。同時にセラミックは、熱容量が小さいために、昇温・降温速度が大変速い。従って、セラミックヒータ１は、１，０００℃を超える高温まですばやく昇温させたり、逆に高温から常温にすばやく降温させる加熱源として利用価値の高いヒータである。
【０００５】
しかしながら、金属線６をはんだ付けした場合は、加熱温度が数１００℃を超えると、その接合部分が溶融してしまう。また、より耐熱性の高いロー付けであっても、銀ロー付けの場合融点が約６００℃で、ニッケルローを選択したとしても約８００℃であり、これまたその接合部分が溶融・蒸発してしまう。
例えば、半導体素材の気相成長装置などにも、好んでセラミックヒータ１が使用されている。これは、半導体素材を還元雰囲気の加熱チャンバー内に入れて、セラミックヒータ１で約１，０００℃まで急激に昇温し、半導体素材の気相成長を促すものである。ところがそのとき、前述したように、接合材であるロー材が溶融してしまうと、正常に気相成長させることができなくなる。
【０００６】
そこで、このような装置には、以下の給電方法が採られていた。これについて、図７を用いて説明する。
まず、ヒータ３の両端部には取付け穴７があけられている。一方、給電線４には事前に圧着端子８が圧着されている。そこで、圧着端子８をヒータ３端部の取付け穴７に重ね合わせ、両者をボルト１１とナット１２で止めるものである。なおボルト１１とナット１２の材質には、耐熱性が高く比較的加工し易いニッケルが使用されている。これであれば、溶融あるいは蒸発する材料を一切使わないため、前に述べたような問題は発生しない。
なお、給電線４や圧着端子８も通常ニッケル製である。
【０００７】
ところが、常温でボルト１１とナット１２を適当な力で締付けても、温度を上げていくと、いとも簡単に締付け力が低下し、圧着端子８とヒータ３の間には隙間を生じることとなる。これは、ヒータ３が印刷されたセラミック板２と金属製のボルト１１の熱膨張率（α）が、高温下で大きく異なるためである。ちなみに１０００℃付近の温度下では、セラミック板２によく用いられるアルミナの熱膨張率は約７×１０−６／℃で、一方ボルト１１の素材であるニッケルの熱膨張率は約１７×１０−６／℃と、両者には大きな差がある。つまり、昇温とともに、ボルト１１の方がより大きく伸びていくために、ヒータ３と圧着端子８が密着しなくなる訳である。
【０００８】
ヒータ３には通常大きな電流が流れており、少しでも圧着端子８とヒータ３の間に隙間が生じると、そこでスパークが発生し、ひどいときは接合部が溶断してしまう。そこまで至らずに、単に接合部の接触抵抗が増加した場合でも、ヒータ３に所定の電流が流れなくなり、昇温機能が損なわれることとなる。
締結される部材がセラミックではなく、金属どうしであれば、ボルト１１・ナット１２を強固に締付けたり、強いスプリングワッシャーを挟んで締付けたり、あるいは昇温・降温を何回か繰り返した後でボルト１１・ナット１２を増締めすることで、この問題はほとんど解消される。ところが、セラミックを部材に選んだ場合は、セラミックが大変脆い材料であるため、このような対応をすると、セラミックが容易に割れてしまう。従ってそのような対応を採ることはできなかった。
【０００９】
そこで、この問題の一対応策として、次の方法が採られていた。
図８を用いて説明するが、これは、ボルト１１にカーボン製のスペーサ１３を挿入して締結するものである。カーボンは、耐熱性が高く高温下でも溶融しない燒結体であると同時に、熱膨張率もセラミックと同等程度に小さく、また硬度が高くないある程度クッション性のある材料である。そのため、このカーボン製のスペーサ１３を挿入して締結すると、高温下において周囲に及ぼす影響は全くない。また、セラミック部材が割れない程度の強い力で締付けたとき、スペーサ１３がスプリングワッシャーの役目を果たしてくれて、容易にセラミック部材が緩んでしまうことはない。
ところがこの場合も、ヒータ３の昇温・降温を何度か繰り返すうちに、カーボン製のスペーサ１３が塑性変形してしまい、ボルト１１・ナット１２に緩みが生じた。そこで、定期的にボルト１１・ナット１２を増締めする必要があった。しかしながら、装置の構成上、この接合部分は往々にして増締め作業がし難い個所に当たり、面倒臭さもあいまって、増締め作業を怠ることがしばしばあった。すると、緩みが生じてきて、ヒータは正常に昇温・降温できなくなる。また更に緩みが大きくなると、最悪の場合、前に述べたように接合部が溶断してしまい、セラミックヒータ１や給電線４全体を交換しなければならなくなった。
【００１０】
そこで、高温下に置かれ、金属製のボルト・ナットで締結される部材にセラミックを選んだときでも、ボルト・ナットに緩みが生じない締結方法の開発が望まれていた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、上述した問題点を解決するために提案された、セラミック部材の締結方法である。まず第一の特徴は、金属製のボルトより大きな熱膨張率の金属スペーサにボルトを通したことである。このことにより、高温になったとき、金属スペーサはボルトより僅かに大きく伸びるため、ボルト・ナットが緩むことはない。次なる特徴としては、金属スペーサは１枚だけではなく、締結方向に複数枚配され、それら金属スペーサはそれぞれ熱膨張率が異なることである。これによって、金属スペーサによる締結方向の伸縮量を更にきめこまかく調整することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下添付図面にしたがって、本発明に係るセラミック材の締結方法の実施形態について詳説する。なお、従来例と同じ構成部品については、従来例と同符号を用いる。
図１に、本発明を用いて、セラミック板２と圧着端子８を締結する様子を示す。この発明の特徴は、金属スペーサ２１を用いていることである。円筒状の金属スペーサ２１、圧着端子８、及びセラミック板２の取付け穴７にボルト１１を通した上、下方からナット１２で締結するものである。
ここで、金属スペーサ２１は、ニッケルより熱膨張率の大きな材料でつくられている。例えば、ステンレス鋼がそれに当たる。
【００１４】
常温下でこのように組付ける際は、セラミック板２が割れない程度の力で、ボルト１１とナット１２を締付けておく。そうして給電線４に通電をする。いま圧着端子８はヒータ３端部に密着しているため、両者の間の接触抵抗は大きくない。そこで、所定の電流がヒータ３に流れ、ヒータ３は所望の温度カーブで昇温する。
ヒータ３の温度上昇に伴い、周囲（通常、セラミックヒータ１は或る加熱チャンバー内に設置され、その内部は水素などの還元ガスで置換されている。）の温度も上昇する。すると、セラミック板２の厚み方向の伸びに比して、ボルト１１が軸方向に大きく伸びていく。ところが、ボルト１１より大きな熱膨張率を持つ金属スペーサ２１は、更に大きく伸びる。そのためいつまでも、金属スペーサ２１は、圧着端子８をセラミック板２の配線パターンに押付けて、両者を密着させてくれる。従って、周囲が高温になっても、接合部の接触抵抗は増えることなく、所定の電流をヒータ３に流しつづけることができる。
【００１５】
一方、電流値を下げて、温度が高温から常温に戻る際は、適当に金属スペーサ２１が縮んでいく。そのため、金属スペーサ２１は、この間両者の間に、常に高い密着強度を保たせてくれる。従って、降温時にも接合部の接触抵抗は増えることはない。
【００１６】
ここで、発明者は単に金属スペーサ２１を挿入しただけではなく、その材質や長さに次なる関係を持たせている。これについて、図２を用いて説明する。図２は締結したときの側面図であり、（ａ）はセラミック材と金属材を、（ｂ）はセラミック材どうしを締結したときのものである。
（ａ）…セラミック材の厚さをＬｃ，金属材の厚さをＬｍ，金属スペーサ２１の厚さをＬｓとし、それらセラミック材，金属材，金属スペーサ２１，及びボルト１１の熱膨張率を、それぞれαｃ，αｍ，αｓ，αｂとすると、
αｂ・（Ｌｃ＋Ｌｍ＋Ｌｓ）＜αｃ・Ｌｃ＋αｍ・Ｌｍ＋αｓ・Ｌｓ
なる関係となるように、それぞれの材質や長さを選定している。
（ｂ）…２枚からなるセラミック材の厚さの和をＬｃｔ，金属スペーサ２１の厚さをＬｓとし、それらセラミック材と金属スペーサ２１とボルト１１の熱膨張率を、それぞれαｃ，αｓ，αｂとすると、
αｂ・（Ｌｃｔ＋Ｌｓ）＜αｃ・Ｌｃｔ＋αｓ・Ｌｓ
なる関係となるように、それぞれの材質や長さを選定している。
【００１７】
上記の関係式は、右辺・左辺ともに、温度変化に伴う伸び量を表している。左辺はボルト１１の伸び量、一方右辺は組み合わせられたそれぞれの材料あるいは部品の伸び量である。ここで、両式ともに、左辺＜右辺となるように、それぞれの材料・部品の材質や厚さを選定している。ただ、左辺＜右辺とはいえ、余りにその差が大きければ、高温下でセラミック材が割れてしまう。従って、この数式における左辺と右辺の差は、常温で適度な力で締結し、その後高温下に置かれてもセラミック材が割れない程度の範囲内に設定されている。
このため、昇温・降温に伴ってボルト１１が伸び縮みしてもその量は、それぞれの材料あるいは部品もそれより僅かに大きく伸び縮みする。しかも、その大きさの差でセラミック材が割れることはないし、ボルト１１・ナット１２は常に緩むことなく、ほぼ一定の力で２つの材料を密着させてくれる。
【００１８】
更に、本発明の別な実施形態として次の構成がある。
それは、金属スペーサが１枚だけではなく、締結方向に複数枚配され、それら金属スペーサ２１ａ，２１ｂは互いに熱膨張率が異なる構成である。図３は、セラミック材を２枚締結したときの様子を示す側面図である。金属スペーサには、２１ａと２１ｂが用いられている。長さはそれぞれＬｓ１，Ｌｓ２である。また、材質も両者異なり、熱膨張率が異なる。
次に図４を用いて、この構成の利点を述べる。図４は金属スペーサ２１ａ，２１ｂの熱膨張率を示すグラフである。通常、あらゆる物質の熱膨張率は、置かれた環境温度によって変化する。この図を見ると、両カーブともに温度ｔ１まではほぼ直線的に増加しているものの、温度ｔ１からｔ２にかけては、２１ａは増加の度合が増し、反面２１ｂは増加の度合が鈍くなっている。
【００１９】
この金属スペーサ２１の材料としては、当然、温度に対する熱膨張率の変化は小さく、使用温度全域で直線性の高いものが使いやすい。というのは、いま金属スペーサ２１ａ１つだけで締結した場合を考えると、温度がｔ１からｔ２の間で金属スペーサ２１ａの伸び量が増加するため、この間は締結される材料どうしを一層強固に密着させることになる。この力が強すぎると、セラミック材の割れなど不具合の発生を引き起こしかねない。逆に、金属スペーサ２１ｂ１つだけの場合は、温度がｔ１からｔ２の間で金属スペーサ２１ａの伸び量の増加が鈍るため、ボルト・ナットにガタを生じさせかねない。
【００２０】
そこで、図４に示すような２種類の金属スペーサ２１ａ，２１ｂを用いて、それらスペーサの長さを適当に調整すれば、一式のスペーサとして使用温度全域に渡って熱膨張率の直線性が高いスペーサとすることができる。
【００２１】
これまでセラミックヒータと金属性の圧着端子を締結する例を示し、その利点を説明したが、次は本発明を用いてセラミックどうしを締結した場合の、具体例及びその利点を説明する。
図５は、前に少し触れた、半導体素材の気相成長装置に用いられる加熱チャンバー２２をイメージした斜視図（上面部一部くり貫き）である。加熱チャンバー２２は、合計４枚の石英ガラス板２３，２４を組合せて作られており、対向する２つの側面が開口している。そして、一定量の置換用ガスが、その片方の開口部から流入し、対向する開口部から流れ出る。この中にセラミックヒータ１が設置され、そのヒータの上方に半導体素材（図示省略）を置いて、そこで加熱させながら気相成長をさせるものである。
ここで、側面用石英ガラス板２３と上下面用石英ガラス板２４には、各々所定の位置にボルト１１の貫通穴があけられていて、図５のように熱膨張率の大きな金属スペーサ２１をボルト１１に通した後、下面用石英ガラス板２４の下面からナット１２で締結されている。これであれば、通常のセラミック（アルミナなど）より一段と熱膨張率が小さい石英ガラス板を、ニッケル製のボルト１１・ナット１２で締結しても、高温下でボルト１１・ナット１２が緩むことはない。
【００２２】
ところで、ここで、この加熱チャンバー２２に対する特殊な要求項目を述べる。加熱チャンバー２２の内面は、開口部の入口から出口にかけて、断面が均一であることが要求される。言い換えると、ガスが流れる内壁は途中で広がったり狭まったりしてはいけない。その許容範囲は、開口部の寸法が３００ｍｍ×２０ｍｍで長さが５００ｍｍ程度の場合、±０．５ｍｍと大変厳しい。またそれに加えて、その内面は平坦で、組合せられた各石英ガラス板の合わせ面である稜線（図５では、エッジと表現）に極力丸みがないことが要求される。
これは、次の理由による。上記の条件が満たされないと、その不具合個所で、置換用ガスの流れが乱れてしまい、ガスが所謂乱流を起こしてしまう。これが、半導体素材の安定な気相成長を阻害してしまうためである。
【００２３】
本発明のような、石英ガラス板どうしの締結が可能でなければ、最初から角筒状の石英ガラスを一体物で成型したり、上面部を除いたコの字部分を石英ガラスで成型しその上に上面部を被せる方法をとらざるを得ない。しかし、コの字状に成型された石英ガラスの場合、ガスが流れる内面を平坦に仕上げることができず、そこにはある程度のうねりが残ってしまう。また、図５に示すエッジには、どうしても丸みが残ってしまう。従って、狙い通りの形状を有する加熱チャンバーを製作することが難しい。
ところが、組合せる前の素材の状態で、石英ガラス板の各面を平坦に仕上げることは容易である。そのため、その平坦に仕上げた石英ガラス板を、図５のように正確に組合さえすれば、エッジに丸みが一切なく、内壁は全て平坦で、かつ石英ガラス板２３，２４の合わせ面である稜線が全て平行な、理想的な形状の加熱チャンバー２２をつくることができる。また、それら石英ガラス板２３，２４は、本発明の締結方法が採られているため、高温時にもボルト１１・ナット１２が緩むことはない。
従って、常温から高温下に渡り、加熱チャンバー２２は常に理想的な内面形状を維持することでき、このことが半導体素材の安定な気相成長に大いに貢献してくれる。
【００２４】
ここで、図５で示したような加熱チャンバーを発明者が試作し、それを用いて行なった実験結果を述べておく。
主な仕様・条件を
・石英ガラス板…厚み２０ｍｍ
・開口部…幅３００ｍｍ×高さ２０ｍｍ×奥行き５００ｍｍ
・ボルト・ナット…ニッケル製
・金属スペーサ…ステンレス鋼製
・圧着端子…ニッケル製
・温度サイクル…２０℃〜１，０００℃の繰り返し
として試作・実験を行なった結果、温度サイクルを１００回繰り返した後もボルト・ナットの緩みは生じず、またセラミックヒータへの通電状態にも異常はなかった。
【００２５】
以上、半導体素材の気相成長装置を適用例にとって、本発明の特徴また作用効果を説明したが、これに限らず本発明の用途範囲は広い。
例えば、石英ガラス材どうしの締結であれば、被加熱物を載せて加熱炉内へセットする石英ボードなどが好適である。図示は省略するが、平坦な石英ガラス板どうしを本発明の締結方法で締結することにより、被加熱物の位置決めガイドを設けたり、石英ボードを各段が平坦な階段形状にすることが容易に可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の締結方法であれば、セラミック材あるいは石英ガラス材など熱膨張率の小さい材料どうしや、あるいは、セラミック材や石英ガラス材より熱膨張率が大きく金属材を、金属製のボルト・ナットで締結する際に、ボルトより更に熱膨張率が大きな金属スペーサにボルトを通して締結をするために、高温下においてもボルト・ナットが緩むことはない。そのためこの発明は、高温下で使用される種々の部品・装置に適用が可能であり、かつその場合、製作が簡単で完成した部品・装置も精度の高いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を用いてセラミックヒータと圧着端子をボルト・ナットで締結する方法を示す、斜視図と側面図
【図２】  （ａ）本発明を用いて、セラミック材と金属材を締結したときの状態を示す側面図
（ｂ）本発明を用いて、セラミック材どうしを締結したときの状態を示す側面図
【図３】  本発明の別な実施形態を用いて、セラミックどうしを締結したときの状態を示す側面図
【図４】  ２種類の金属の、温度に対する熱膨張率の変化を表すグラフ
【図５】  本発明を用いて組立てた加熱チャンバーをイメージした斜視図
【図６】  金属線がはんだ付けされた、従来のセラミックヒータを示す斜視図
【図７】  セラミックヒータと圧着端子をボルト・ナットで締結する、従来の方法を示す斜視図と側面図
【図８】  セラミックヒータと圧着端子をボルト・ナットで締結する、従来の別な方法を示す斜視図と側面図
【符号の説明】
１  セラミックヒータ
２  セラミック板
３  配線パターン
４  給電線
６  金属線
７  取付け穴
８  圧着端子
１１  ボルト
１２  ナット
１３  スペーサ（カーボン製）
２１，２１ａ，２１ｂ  金属スペーサ
２２  加熱チャンバー
２３  側面用石英ガラス板
２４  上下面用石英ガラス板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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