JP2003252693A

JP2003252693A - セラミックス−金属複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003252693A
Application number: JP2002057371A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Kawai; 和秀河合; Hideo Uemoto; 英雄上本; Shunzo Shimai; 駿蔵島井
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2003-09-10

Abstract

(57)【要約】【課題】被加工性に優れたセラミックス−金属複合材
料を提供する。【解決手段】多孔質セラミックス焼結体の気孔に体積
率５０〜９０％の金属が充填されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造用部
材、例えば、シリコンウェーハの拡散処理等に用いるウ
ェーハボート等に用いられるセラミックス−金属複合材
料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のセラミックス−金属複合
材料としては、炭化珪素焼結体に５〜３０重量％の高純
度シリコンを含むものが知られている（特公昭５４−１
０８２５号公報参照）。この炭化珪素−シリコン複合材
料は、炭化珪素の多孔質の焼結体又は成形体に金属シリ
コンを含浸させることによって製造される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のセラミ
ックス−金属複合材料、例えば、炭化珪素−シリコン複
合材料では、複雑な形状の部材を一度に製作することが
難しいので、幾つかのより形状が単純な部材をまず制作
し、それらを加工し、組み合わせた後、接着等の処理を
施してウェーハボート等の形状に仕上げられている。し
かしながら、この複合材料は、硬度の高い炭化珪素を多
量に含むため、切断や研削等の加工がし難い不具合があ
る。そのために、加工に非常に多くの時間とコストを要
し、このことが製品を工業的に量産する上でのネックと
なっている。

【０００４】そこで、本発明は、被加工性に優れたセラ
ミックス−金属複合材料及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明のセラミックス−金属複合材料は、多孔質セ
ラミックス焼結体の気孔に体積率５０〜９０％の金属が
充填されていることを特徴とする。前記多孔質セラミッ
クス焼結体の気孔は、骨格によって形成される直径２０
〜１０００μｍのほぼ球状のマクロ気孔及び骨格を形成
するセラミックス粒子間の隙間によって形成されるミク
ロ気孔からなることが好ましい。前記隣接するマクロ気
孔同士は、連通していることが好ましい。又、前記多孔
質セラミックス焼結体は、炭化珪素であり、金属は、シ
リコンであることが好ましい。

【０００６】一方、セラミックス−金属複合材料の製造
方法は、セラミックス粉末と気散性の液体とを混合して
スラリーとし、このスラリーに硬化性樹脂及びその硬化
剤を添加し攪拌しながら泡立てて泡沫状のスラリーを調
製すると共に、硬化性樹脂及びその硬化剤の作用により
固化させ、固化体を乾燥させてから焼成して気孔率５０
〜９０％の多孔質セラミックス焼結体を作製し、この多
孔質セラミックス焼結体の気孔に溶融金属を含浸するこ
とを特徴とする。前記多孔質セラミックス焼結体の気孔
は、骨格によって形成される直径２０〜１０００μｍの
ほぼ球状のマクロ気孔及び骨格を形成するセラミックス
粒子間の隙間によって形成されるミクロ気孔からなるこ
とが好ましい。前記多孔質セラミックス焼結体の気孔率
を約６０〜９０％とすることが好ましい。又、前記セラ
ミックス粉末を炭化珪素とし、金属をシリコンとするこ
とが好ましい。

【０００７】

【作用】本発明のセラミックス−金属複合材料におい
て、金属の体積率が従来のものの１．５〜３倍となる。

【０００８】多孔質セラミックス焼結体としては、炭化
珪素、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、ムライト、そ
の他のセラミックスからなるものが挙げられる。金属と
しては、シリコン、アルミニウム、銅、その他の金属が
挙げられる。

【０００９】セラミックス−金属複合材料における金属
の体積率が、５０％未満であると、多孔質セラミックス
焼結体の体積率が５０％を超えることとなり、被加工性
の改善効果が少なくなる。一方、９０％を超えると、金
属を充填させるための多孔質セラミックス焼結体の強度
発現が困難となり、複合材料が得難くなる。好ましい金
属の体積率は、６０〜８０％である。

【００１０】多孔質セラミックス焼結体のマクロ気孔の
直径が、２０μｍ未満であると、金属の充填、保持の上
では支障がないものの、所要の金属体積率の複合材料を
得る上で困難が生じ、実質的に実現が難しくなる。一
方、１０００μｍを超すと、その中に溶融状態の金属を
保持しておくことが困難となり、得られる複合材料に金
属が充填されていないマクロ気孔が生じる。好ましいマ
クロ気孔の直径は、２０〜３００μｍである。

【００１１】一方、セラミックス−金属複合材料の製造
方法においては、多孔質セラミックス焼結体が、セラミ
ックス粒子が焼結して形成する骨格と、骨格によって形
成されるほぼ球状のマクロ気孔（空隙）と、骨格を形成
するセラミックス粒子間の隙間によって形成されるミク
ロ気孔（細孔）とを備えた微構造のものとなる。

【００１２】セラミックス粉末としては、炭化珪素、ア
ルミナ、ジルコニア、窒化珪素、ムライト、その他の粉
末が挙げられる。気散性の液体としては、イオン交換
水、その他の液体が用いられる。硬化性樹脂としては、
エポキシ樹脂、ポリビニルアルコール、ポリエチレンイ
ミン等が用いられる。硬化剤としては、アミン系化合物
（ジアミン類等）、ジアルデヒド、多官能基エポキシ化
合物等の硬化能を有する物質が用いられる。金属として
は、シリコン、アルミニウム、銅、その他の金属が挙げ
られる。

【００１３】多孔質セラミックス焼結体の気孔率が、５
０％未満であると、セラミックス−金属複合材料におけ
る多孔質セラミックス焼結体の体積率が５０％を超える
こととなり、被加工性の改善効果が少なくなる。一方、
９０％を超えると、多孔質セラミックス焼結体の強度発
現が困難となり、複合材料が得難くなる。好ましい多孔
質セラミックス焼結体の気孔率は、６０〜８０％であ
る。

【００１４】多孔質セラミックス焼結体のマクロ気孔
が、２０μｍ未満であると、金属の含浸、保持の上では
支障がないものの、所要の気孔率の多孔質セラミックス
焼結体を作製する上で困難が生じ、実質的に実現が難し
くなる。一方、１０００μｍを超すと、その中に溶融状
態の金属を保持しておくことが困難となり、得られる複
合材料に金属が充填されていないマクロ気孔が生じる。
好ましいマクロ気孔の直径は、２０〜３００μｍであ
る。

【００１５】多孔質セラミックス焼結体の気孔率が、約
６０％を超す場合には、隣接するマクロ気孔同士の間に
マクロ気孔の直径の１／１０程度の直径の連通孔が存在
する。この連通孔は、多孔質セラミックス焼結体に金属
を速やかに含浸させるのに有効である。なお、連通孔が
存在しなくても、骨格中のミクロ気孔が存在するので、
金属を含浸させる上で支障はない。

【００１６】以下、本発明の実施の形態について具体的
な実施例、比較例等を参照して説明する。実施例１〜４、比較例１先ず、セラミックス粉末としての平均粒経０．７μｍの
炭化珪素粉末と、気散性の液体としてのイオン交換水と
を混合してスラリーとし、このスラリーに硬化性樹脂と
しての水溶性エポキシ樹脂及びその硬化剤としてのイミ
ノビスプロピルアミンを添加し、回転羽根で攪拌しなが
ら泡立てて泡沫状のスラリーを調製すると共に、水溶性
エポキシ樹脂及びイミノビスプロピルアミンの作用によ
り固化させ、固化体を乾燥させてから、アルゴンガス雰
囲気において２０００℃の温度で焼成して気孔率の異な
る各種の多孔質炭化珪素焼結体（実施例１：５０％、実
施例２：７０％、実施例３：８０％、実施例４：９０
％、比較例１：３０％）を作製した。各多孔質炭化珪素
焼結体のマクロ気孔は、直径３０〜３００μｍの間に分
布しており、平均的な直径は、約１００μｍであった。
又、気孔率６０〜９０％の多孔質炭化珪素焼結体におけ
る隣接するマクロ気孔同士には、マクロ気孔の直径の１
／１０程度の直径の連通孔が存在していた。次に、各多
孔質炭化珪素焼結体の気孔に、１５００℃の温度で別途
融解した高純度（９９．９９％）のシリコンを含浸させ
た後、冷却して炭化珪素−シリコン複合材料をそれぞれ
得た。

【００１７】得られた各炭化珪素−シリコン複合材料を
板状（１００×１００×１０ｍｍ）の試料に加工し、各
試料に対して、厚み１．２ｍｍのダイヤモンド砥粒のカ
ッター刃で、深さ４ｍｍ，長さ１００ｍｍの切り込みを
水平方向へ入れ、この時にそれぞれの試料にかかる鉛直
方向の荷重を測定したところ、表１に示すようになっ
た。

【００１８】比較例２金属シリコンを板状（１００×１００×１０ｍｍ）の試
料に加工し、これに対して上述した場合と同様のカッタ
ー刃で同様の切り込みを入れ、その時に試料にかかる鉛
直方向の荷重を測定したところ、表１に示すようになっ
た。

【００１９】従来例炭化珪素焼結体に３０重量％のシリコンを含む、従来の
炭化珪素−シリコン複合材料を板状（１００×１００×
１０ｍｍ）の試料に加工し、これに対して前述した場合
と同様の切り込みを入れ、その時に試料にかかる鉛直方
向の荷重を測定したところ、表１に示すようになった。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１から分かるように、本発明に係る炭化
珪素−シリコン複合材料の切り込み時の荷重は、従来の
炭化珪素−シリコン複合材料のそれの１／２〜１／３で
あり、本発明に係る炭化珪素−シリコン複合材料は、被
加工性が格段に優れている。

【００２２】なお、上述した実施の形態においては、多
孔質セラミックス焼結体を炭化珪素で形成する場合につ
いて説明したが、これに限定されるものではなく、アル
ミナ、ジルコニア、窒化珪素、ムライト、その他のセラ
ミックスによって多孔質セラミックス焼結体を形成して
もよい。又、金属も、シリコンとする場合に限らず、ア
ルミニウム、銅、その他の金属としてもよい。更に、多
孔質セラミックス焼結体の製造に際し、セラミックス粉
末と気散性の液体からなるスラリーに、硬化性樹脂及び
その硬化剤を添加し、攪拌しながら泡立てて泡沫状のス
ラリーとする場合に限らず、更に、起泡剤を添加して泡
沫状のスラリーとしてもよく、あるいはセラミックス粉
末と球状樹脂の混合物を成形、焼成するようにしてもよ
い。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したよぷに、本発明のセラミッ
クス−金属複合材料によれば金属の体積率が従来のもの
の１．５〜３倍となるので、被加工性を格段に優れたも
のとすることができる。一方、セラミックス−金属複合
材料の製造方法によれば、多孔質セラミックス焼結体
が、セラミックス粒子が焼結して形成する骨格と、骨格
によって形成されるほぼ球状のマクロ気孔と、骨格を形
成するセラミックス粒子間の隙間によって形成されるミ
クロ気孔とを備えた微構造となるので、金属が含浸され
易くなると共に、含浸された金属が抜け難いので、金属
の体積率を容易に多くすることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者島井駿蔵神奈川県秦野市曽屋30番地東芝セラミックス株式会社開発研究所内Ｆターム(参考） 4G019 FA11 FA15 GA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多孔質セラミックス焼結体の気孔が体積
率５０〜９０％の金属が充填されていることを特徴とす
るセラミックス−金属複合材料。
【請求項２】前記多孔質セラミックス焼結体の気孔が
骨格によって形成される直径２０〜１０００μｍのほぼ
球状のマクロ気孔及び骨格を形成するセラミックス粒子
間の隙間によって形成されるミクロ気孔からなることを
特徴とする請求項１記載のセラミックス−金属複合材
料。
【請求項３】前記隣接するマクロ気孔同士が連通して
いることを特徴とする請求項２記載のセラミックス−金
属複合材料。
【請求項４】前記多孔質セラミックス焼結体が炭化珪
素であり、金属がシリコンであることを特徴とする請求
項１、２又は３記載のセラミックス−金属複合材料。
【請求項５】セラミックス粉末と気散性の液体とを混
合してスラリーとし、このスラリーに硬化性樹脂及びそ
の硬化剤を添加し攪拌しながら泡立てて泡沫状のスラリ
ーを調製すると共に、硬化性樹脂及びその硬化剤の作用
により固化させ、固化体を乾燥させてから焼成して気孔
率５０〜９０％の多孔質セラミックス焼結体を作製し、
この多孔質セラミックス焼結体の気孔に溶融金属を含浸
することを特徴とするセラミックス−金属複合材料の製
造方法。
【請求項６】前記多孔質セラミックス焼結体の気孔が
骨格によって形成される直径２０〜１０００μｍのほぼ
球状のマクロ気孔及び骨格を形成するセラミックス粒子
間の隙間によって形成されるミクロ気孔からなることを
特徴とする請求項５記載のセラミックス−金属複合材料
の製造方法。
【請求項７】前記多孔質セラミックス焼結体の気孔率
を約６０〜９０％とすることを特徴とする請求項６記載
のセラミックス−金属複合材料の製造方法。
【請求項８】前記セラミックス粉末を炭化珪素とし、
金属をシリコンとすることを特徴とする請求項５、６又
は７記載のセラミックス−金属複合材料の製造方法。