JP5069050B2

JP5069050B2 - 接合方法および接合体

Info

Publication number: JP5069050B2
Application number: JP2007172660A
Authority: JP
Inventors: 保原田
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: JP2009007230A

Description

本発明は、ＳｉＣで構成される多孔体と、接合材とを接合させる接合方法またはその接合方法により製造される接合体に関する。

ＳｉＣは、耐熱性、耐食性に優れているため、従来から半導体製造装置部材や自動車部品として多く用いられている。このＳｉＣの焼結は、焼結温度が高く、雰囲気も不活性ガス下で行なうことから、大きさに制限があると共に、複雑な形状とすることが困難であった。それを解決するための接合技術が、種々提案されている。接合で特に問題となるのは、接合材との熱膨張差による残留応力である。残留応力が大きい場合、接合後に残留ひずみが発生し、接合部の強度が低下する。それを解決するために、従来、ＳｉＣと熱膨張係数が近い金属シリコンが接合材として用いられている。金属シリコンは、ＳｉＣ表面上に残留するＣ成分と反応してＳｉＣを形成するというメカニズムで接合するため、更に熱膨張差が小さくなるという利点がある。

近時、半導体製造装置部材および自動車部品としてＳｉＣの用途は、更なる広がりをみせてきており、ＳｉＣの緻密な焼結体以外にも多孔体の要求が高まっている。そして、緻密な焼結体と同様に、複雑な形状が求められ、多孔体による接合技術が望まれている。

特許文献１には、含珪素セラミックからなる多孔質体の開放気孔中に、金属シリコンを含浸した複数のセラミック・金属複合体製の２つの基材からなるセラミック部材が開示されている。この基材同士は、金属シリコンからなる接合層を介して接合されている。

また、特許文献２には、炭化ケイ素多孔質セラミックスの接合方法が開示されている。この技術は、７５０℃以上１７００℃以下で熱処理することにより、炭化ケイ素からなる多孔質セラミックスの内外表面に酸化膜を形成させ、シリコン系ろう材を用いて、その酸化膜が形成した面に他の炭化ケイ素セラミックス材を接合させる。
特開２００２−１１６５３号公報特開２００７−１５３７００号公報

上記のようなＳｉＣの多孔体は、その使用範囲は広いため、幅広い形状が要求されている。しかし、ＳｉＣ多孔体は、セラミックスであるため、製造できる形状に限界がある。このため、必要な形状を作製するためには、ＳｉＣ多孔体同士の接合やＳｉＣの緻密体との接合が必要不可欠である。

上記のように、ＳｉＣの緻密体や多孔体を接合する場合、通常、熱膨張差を考慮して金属シリコンが接合材として用いられている。金属シリコンは、粉末や薄板など自由に形状を決めることができると共に、容易に手に入る材料であるため、ＳｉＣ緻密体同士の接合に広く用いられている。また、熱膨張差だけでなく、ＳｉＣ表面にある残留カーボンと反応するため、濡れ性が良く、接合材として良好にその特性を発揮する。

しかし、ＳｉＣの多孔体については、多孔体内部にも残留カーボンが多く存在するため、接合材である金属シリコンが接合面のみに留まらず、内部にまで過剰に浸透してしまい、接合材として十分な機能を果たすことができない。このような状況では、ＳｉＣ多孔体を用いて、複雑な形状を有する接合体を実現することが困難である。

また、従来から、金属シリコンにアルミニウムやチタン等を加えたシリコン合金からなる「ろう材」を接合剤として用いることが行なわれている。このようなろう材は、金属シリコンよりも低融点であるため、接合温度を下げることができ、また、ＳｉＣとの濡れを制御できる点で有利である。しかしながら、特許文献２に記載されている技術のように、金属シリコンに異種金属を加えたろう材を用いると、熱膨張率が変化するため、十分な接合強度が得られないおそれがある。また、金属シリコンは凝固膨張する金属であるため、金属シリコン単体では引け巣のポアは発生しにくいが、アルミニウムのような凝固収縮する金属をろう材に添加することにより、接合層に引け巣によるポアが発生し、強度が低下することもある。さらに、汚染を嫌う半導体製造装置用部材としては、金属シリコン以外の金属を加えたろう材を用いることは好ましくない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、接合時にＳｉＣ多孔体の内部に接合材が過剰に侵入することを防ぐと共に、十分な接合強度が得られる接合方法またはその接合方法により製造される接合体を提供することを目的とする。

（１）本発明は、上記の目的を達成するために、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の接合方法は、ＳｉＣで構成される多孔体と、接合材とを接合させる接合方法であって、前記多孔体を、大気中において第１の温度で熱処理し、前記多孔体内の残留カーボンを除去する工程と、前記第１の温度で熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体と前記接合材とを接合させる工程と、を少なくとも含むことを特徴としている。

通常のＳｉＣ多孔体の表面には、未反応のカーボンや多孔体を作製する際のバインダーが残留している。このため、例えば、接合材として金属シリコンを用いた場合、金属シリコンとカーボンとが容易に反応し、ＳｉＣを形成する。その際の反応エネルギーによって、金属シリコンは、ＳｉＣ多孔体の内部に過剰に浸透してしまう。本発明者は、この点に着目し、ＳｉＣ多孔体と接合材（例えば、金属シリコン）との濡れ性を悪化させることにより、ＳｉＣ多孔体内部への接合材の過剰な侵入を防ぐことを可能とした。すなわち、本発明は、ＳｉＣ多孔体を、大気中において第１の温度で熱処理し、前記多孔体内の残留カーボンを除去するので、接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。その結果、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。

（２）また、本発明の接合方法は、ＳｉＣで構成される多孔体と、接合材とを接合させる接合方法であって、前記多孔体を、大気中において第２の温度で熱処理し、前記多孔体の表面を酸化させる工程と、前記第２の温度で熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体と前記接合材とを接合させる工程と、を少なくとも含むことを特徴としている。

通常のＳｉＣ多孔体の表面には、未反応のカーボンや多孔体を作製する際のバインダーが残留している。このため、例えば、接合材として金属シリコンを用いた場合、金属シリコンとカーボンとが容易に反応し、ＳｉＣを形成する。その際の反応エネルギーによって、金属シリコンは、ＳｉＣ多孔体の内部に過剰に浸透してしまう。本発明者は、この点に着目し、ＳｉＣ多孔体と接合材（例えば、金属シリコン）との濡れ性を悪化させることにより、ＳｉＣ多孔体内部への接合材の過剰な侵入を防ぐことを可能とした。特に、発明者は、接合材として金属シリコンを用いた場合、金属シリコンとＳｉＯ_２との濡れ性が悪いことから、ＳｉＣ多孔体の表面を酸化させることにより、高い効果が得られることを見出した。すなわち、本発明は、ＳｉＣ多孔体を、大気中において第２の温度で熱処理し、前記多孔体の表面を酸化させるので、ＳｉＣ多孔体と接合材との濡れ性が悪くなり、接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。その結果、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。

本発明においては、多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程が含まれる。カーボンの除去またはＳｉＣの表面の酸化により濡れ性が悪くなった多孔体の接合面にカーボンを塗布することで、接合面の強固な接合が可能となる。カーボンを塗布することにより除去したカーボンを補うだけでなく、接合面近傍のＳｉＯ_２を炭素還元することにより接合材である金属シリコンと適切に接合させることが可能となる。また、カーボンを塗布する際にＳｉＣ多孔体へのカーボンの染み込み深度を適切に調整することにより、接合材の過剰な侵入を防ぐことができ、適度なアンカー効果により強固な接合が可能となる。カーボンの染み込み深度はスプレーの照射時間を制御することにより調整することができる。

（３）また、本発明の接合方法において、前記第１の温度は、７００℃から１０００℃の間のいずれかの温度であることを特徴としている。

ＳｉＣ多孔体の表面には、未反応のカーボンが残留していたり、多孔体を作製する際に用いるバインダーが残留していたりするが、このように、第１の温度が、７００℃から１０００℃の間のいずれかの温度であるので、これらの残留カーボンを燃焼させて除去することが可能となる。一方、１０００℃を越えると、ＳｉＣが酸化してしまって、メカニズムが変わってしまう。このため、本発明では、第１の温度を７００℃から１０００℃の間のいずれかの温度とした。これにより、接合時に、ＳｉＣ多孔体内部への接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。その結果、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。

（４）また、本発明の接合方法において、前記第２の温度は、１０００℃から１２００℃の間のいずれかの温度であることを特徴としている。

ＳｉＯ_２は、金属シリコンとの濡れ性が悪いことが知られていると共に、ＳｉＣの酸化は、１０００℃から始まることが知られている。本発明では、第２の温度は、１０００℃から１２００℃の間のいずれかの温度とすることによって、ＳｉＣ多孔体の表面を酸化させ、接合材との濡れ性が悪くなるようにしている。一方、１２００℃を越えるとＳｉＣの酸化が進みすぎてＳｉＣ自体が劣化してしまう。その結果、接合ができたとしても強度に欠けることになってしまう。このため、本発明では、第２の温度を１０００℃から１２００℃の間のいずれかの温度とした。これにより、接合時に、ＳｉＣ多孔体と接合材との濡れ性が悪くなり、接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。その結果、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。

（５）また、本発明の接合方法において、前記接合材は、金属シリコンであることを特徴としている。

このように、接合材が、金属シリコンである場合、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。特に、従来から知られているように、接合材として、金属シリコンにアルミニウムやチタン等を加えたシリコン合金からなる「ろう材」を用いる技術では、熱膨張率が変化するため、十分な接合強度が得られないおそれがある。また、金属シリコンは凝固膨張する金属であるため、金属シリコン単体では引け巣のポアは発生しにくいが、アルミニウムのような凝固収縮する金属をろう材に添加することにより、接合層に引け巣によるポアが発生し、強度が低下することもある。さらに、汚染を嫌う半導体製造装置用部材としては、金属シリコン以外の金属を加えたろう材を用いることは好ましくない。これに対し、本発明によれば、接合材として金属シリコンのみを使用するため、半導体製造装置用部材として好適であると共に、十分な接合強度を得ることが可能となる。

（６）また、本発明の接合方法において、前記接合材は、金属シリコン粉末を固めたシートまたは金属シリコン粉末に有機バインダーを混入させて固めたシートであることを特徴としている。

このように、接合材が、金属シリコン粉末を固めたシートまたは金属シリコン粉末に有機バインダーを混入させて固めたシートであっても、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。

（７）また、本発明の接合材は、ＳｉＣで構成される多孔体を、大気中において７００℃から１０００℃の間のいずれかの温度で熱処理し、前記多孔体内の残留カーボンを除去する工程と、前記熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体と金属シリコンとを接合させる工程と、を少なくとも含む接合方法を用いて製造され、または、ＳｉＣで構成される多孔体を、大気中において１０００℃から１２００℃の間のいずれかの温度で熱処理し、前記多孔体の表面を酸化させる工程と、前記熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体と金属シリコンとを接合させる工程と、を少なくとも含む接合方法を用いて製造された接合体であって、前記接合面において、前記金属シリコンの前記多孔体への侵入量が、前記多孔体の気孔径の５倍以内であることを特徴としている。

この構成により、接合材である金属シリコンが、ＳｉＣ多孔体の内部にまで過剰に透することなく、接合材として十分に機能させることが可能となる。

本発明によれば、ＳｉＣ多孔体と接合材（例えば、金属シリコン）との濡れ性を悪化させることにより、ＳｉＣ多孔体内部への接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。すなわち、本発明は、ＳｉＣ多孔体を、大気中において第１の温度で熱処理し、前記多孔体内の残留カーボンを除去するので、接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。その結果、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。また、本発明は、ＳｉＣ多孔体を、大気中において第２の温度で熱処理し、前記多孔体の表面を酸化させるので、ＳｉＣ多孔体と接合材との濡れ性が悪くなり、接合材の過剰な侵入を防ぐことが可能となる。その結果、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。また、本発明では、接合材として金属シリコンのみを使用するため、半導体製造装置用部材として好適であると共に、十分な接合強度を得ることが可能となる。

本発明は、ＳｉＣ多孔体内部に、接合材である金属シリコンが過剰に侵入しないように、ＳｉＣ多孔体と金属シリコンとの濡れ性を悪化させ、金属シリコンの過剰な侵入を防ぐことにより、接合を良好に行なうものである。通常のＳｉＣ多孔体の表面には、未反応のカーボンやＳｉＣ多孔体を作製する際のバインダーが残留している。金属シリコンは、カーボンと容易に反応し、ＳｉＣを形成する。その際の反応エネルギーによって金属シリコンはＳｉＣ多孔体の内部に過剰に侵入してしまい、適切な接合が阻害されてしまう。

本発明では、ＳｉＣ多孔体内部にある残留カーボンを大気中で昇温して燃焼することにより金属シリコンの過剰な侵入を防ぐ。また、金属シリコンとＳｉＯ_２の濡れ性が不良であることから、さらに高温で処理を行ない、ＳｉＣの表面をＳｉＯ_２化することにより、金属シリコンの過剰な侵入を防ぐ。また、残留カーボンの燃焼およびＳｉＣの表面をＳｉＯ_２化は、大気中の他、例えば酸素濃度が２３〜３０％の酸素富化空気中で行なうことも可能である。酸素富化空気により多孔体内にある微細なポア部の残留カーボンの燃焼およびＳｉＯ_２化を促進できることが期待される。

ただし、完全に濡れ性を悪化させると、接合材である金属シリコンとＳｉＣ多孔体とが濡れず、接合しなくなってしまう。そこで、本発明では、表面から１００μｍ以下（気孔径の５倍以内）の深度までカーボン材を塗布または浸透させることにより、接合面近傍のみ金属シリコンが濡れ、接合ができるようにした。

このように、ＳｉＣ多孔体を大気中で昇温処理することにより多孔体内部にある残留カーボンを除去、もしくはＳｉＣ表面を酸化することにより、接合材である金属シリコンがＳｉＣ多孔体内部に過剰に侵入することを防ぎ、金属シリコンを接合材として有効に機能させることができる。

［実施例１〜１２］
以下、本発明の各実施例について説明する。ＳｉＣ多孔体として、気孔率４０％で気孔径１５μｍのもの（多孔体（１））と気孔率６５％で気孔径２０μｍのもの（多孔体（２））を使用した。これらの形状は５０ｍｍ×５０ｍｍ×ｔ１０ｍｍである。またこれらと同形状のＳｉＣ緻密体（相対密度９８％）と多孔体との接合も行なった。ＳｉＣ多孔体を熱処理した後、接合面にカーボンスプレーを塗布した。その際、カーボン成分がＳｉＣ多孔体に浸透した深さを確認するために切断し、マイクロスコープで観察したところ、４０〜８０μｍであった。

接合方法は、金属シリコン粉末を有機バインダーで固め、厚さ３００μｍの金属シリコンシートを接合材とし、Ａｒ中で１４５０℃−１ｈｒ（昇温速度１００℃／ｈｒ）の条件で行なった。また、接合が良好に行なわれるように荷重をかけた。具体的には、ＳｉＣの焼結体を５００ｇのせた。

［評価方法］
接合後の評価は、接合層の厚さと接合材としての金属シリコンがＳｉＣ多孔体に侵入した距離をマイクロスコープで観察し、その値で評価を行なった。表１は、熱処理温度が８００℃と９５０℃である場合の結果を示す。また、表２は、熱処理温度が１０５０℃と１２００℃である場合の結果を示す。

表１および表２に示すように、接合層の厚さは、いずれも１００μｍ前後の値であり、もとの金属シリコンシートと比較すると半分以下につぶれていた。金属シリコンの侵入距離は、５５μｍから８０μｍの範囲となった。金属シリコンのＳｉＣ多孔体への侵入距離はすべて気孔径の５倍以下と微量であり、多孔体としての特性を十分残すものであった。

［比較例１〜４］
大気中での熱処理温度を６５０℃とした以外は、上記各実施例と同様の方法で多孔体の作製および評価を行なった。評価結果を表３に示す。

また、カーボンの塗布していないものとして比較例４を実施した。評価結果を合わせて表３に示す。

上記各実施例と比較して、比較例１〜３の方が接合層の厚さが薄く、金属シリコンの侵入距離が大きかった。これは、６５０℃の熱処理では、残留カーボンが完全に除去できず、そのため金属シリコンの染み込みが多くなり、その分接合層が薄くなったと考えられる。その結果、接合体としては、十分な接合強度が確保できないものと予想される。また比較例４では接合面にカーボンを塗布していないため、金属シリコンと多孔体との濡れ性が悪く、十分な接合がされていなかった。

以上説明したように、ＳｉＣ多孔体を、７００℃〜１０００℃もしくは１０００℃〜１２００℃の大気中で熱処理することにより、残留カーボンを除去し、さらにＳｉＯ_２膜をＳｉＣ表面上に形成することができる。これにより、ＳｉＣ多孔体と、接合材である金属シリコンとの濡れ性を悪くし、ＳｉＣ多孔体内部に金属シリコンが浸透しなくなり、さらに接合面にカーボンを塗布することにより、ＳｉＣ多孔体と接合材とを適切に接合させることが可能となる。また、ＳｉＣ多孔体同士もしくはＳｉＣ多孔体とＳｉＣ緻密体を接合する場合も、同様の結果を得ることが可能となる。これにより、本発明は、自動車の排気ガス処理装置に使用されるハニカムや腐食下で使用される触媒担体やフィルタに、さらに耐食性や耐熱性を必要とする半導体製造装置部材などに好適であることが明らかとなった。

Claims

ＳｉＣで構成される多孔体と、ＳｉＣで構成される接合対象とを接合材により接合させる接合方法であって、
前記多孔体を、大気中において７００℃から１０００℃の間のいずれかの温度で熱処理し、前記多孔体内の残留カーボンを除去する工程と、
前記熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、
前記接合面において、前記多孔体と前記接合対象とを金属シリコンを含む接合材を用いて接合させる工程と、を少なくとも含むことを特徴とする接合方法。
ＳｉＣで構成される多孔体と、ＳｉＣで構成される接合対象とを接合材により接合させる接合方法であって、
前記多孔体を、大気中において１０００℃から１２００℃の間のいずれかの温度で熱処理し、前記多孔体の表面を酸化させる工程と、
前記熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、
前記接合面において、前記多孔体と前記接合対象とを金属シリコンを含む接合材を用いて接合させる工程と、を少なくとも含むことを特徴とする接合方法。
前記接合材は、金属シリコンであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の接合方法。
前記接合材は、金属シリコン粉末を固めたシートまたは金属シリコン粉末に有機バインダーを混入させて固めたシートであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の接合方法。
ＳｉＣで構成される多孔体を、大気中において７００℃から１０００℃の間のいずれかの温度で熱処理し、前記多孔体内の残留カーボンを除去する工程と、前記熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体とＳｉＣで構成される接合対象とを金属シリコンにより接合させる工程と、を少なくとも含む接合方法を用いて製造され、または、
ＳｉＣで構成される多孔体を、大気中において１０００℃から１２００℃の間のいずれかの温度で熱処理し、前記多孔体の表面を酸化させる工程と、前記熱処理がされた多孔体の接合面にカーボンを塗布する工程と、前記接合面において、前記多孔体とＳｉＣで構成される接合対象とを金属シリコンにより接合させる工程と、を少なくとも含む接合方法を用いて製造された接合体であって、
前記接合面において、前記金属シリコンの前記多孔体への侵入距離が、前記多孔体の気孔径の５倍以内であることを特徴とする接合体。