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1. WO2020129863 - 接合方法および接合体

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明 細 書

発明の名称 接合方法および接合体

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005  

課題を解決するための手段

0006   0007   0008   0009   0010  

発明の効果

0011  

図面の簡単な説明

0012  

発明を実施するための形態

0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023  

実施例

0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036  

産業上の利用可能性

0037  

符号の説明

0038  

請求の範囲

1   2   3   4   5  

図面

1   2   3   4   5   6A   6B   6C   7A   7B   7C   7D   8   9   10   11   12   13  

明 細 書

発明の名称 : 接合方法および接合体

技術分野

[0001]
 本発明は、部材同士を拡散接合によって接合する接合方法および接合体に関するものである。

背景技術

[0002]
 半導体製造装置に用いられる部品として、電極部、冷却板、ヒーター、シャワーヘッドなどは流路付プレートを有する。流路付きプレートは、金属やセラミックス複合体からなり、加温用、冷却用の媒体またはプロセスガスが移動する流路が形成された本体部がカバーで覆われている(例えば、特許文献1を参照)。特許文献1では、カバーと本体部とを重ね合わせた後、ろう付によって本体部とカバーとを接合している。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 特表2009-535801号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0004]
 しかしながら、特許文献1の接合方法では、ろう付時にろうが流路に流れ込んで、流路の表面が荒れたり、ろうが滞留した部分における流量のばらつき、流量のばらつきによる温度変化が生じたり、ろう材成分による不純物汚染が発生したりする等の品質低下が懸念されている。
[0005]
 本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、本体部とカバーとを確実に接合しつつ、接合による品質低下を抑制することができる接合方法および接合体を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0006]
 上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる接合方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、熱交換を促す媒体を流通させる流路が形成される本体部と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記本体部の前記流路を覆うカバーとを接合する接合方法であって、前記本体部に前記カバーを被せる被覆ステップと、接合温度が500℃以上640℃以下、接合面圧が0.7MPa以上の条件下で拡散接合することによって、前記本体部と前記カバーとを接合する拡散接合ステップと、を含むことを特徴とする。
[0007]
 また、本発明にかかる接合方法は、上記の発明において、前記本体部の接合面および前記カバーの接合面の平面度が、それぞれ0.2以下であることを特徴とする。
[0008]
 また、本発明にかかる接合方法は、上記の発明において、前記本体部の接合面および前記カバーの接合面の面粗度が、各々0より大きくRa0.4以下であることを特徴とする。
[0009]
 また、本発明にかかる接合体は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、熱交換を促す媒体を流通させる流路が形成される本体部と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記本体部の前記流路を覆うカバーと、を備え、前記本体部と前記カバーとが、拡散接合されてなることを特徴とする。
[0010]
 また、本発明にかかる接合体は、上記の発明において、前記本体部および前記カバーが、6061番のアルミニウム合金からなり、引張り強さが125MPa以上であることを特徴とする。

発明の効果

[0011]
 本発明によれば、本体部とカバーとを確実に接合しつつ、接合による品質低下を抑制することができるという効果を奏する。

図面の簡単な説明

[0012]
[図1] 図1は、本発明の一実施の形態にかかる流路付きプレートの構造を示す部分断面図である。
[図2] 図2は、図1に示す領域Rを拡大した断面図である。
[図3] 図3は、本発明の一実施の形態にかかる流路付きプレートの製造方法を説明する断面図である。
[図4] 図4は、本発明の一実施の形態にかかる流路付きプレートの製造方法を説明する断面図である。
[図5] 図5は、本発明の実施例に用いた試験片の構成を説明する図である。
[図6A] 図6Aは、本発明の実施例における接合後の界面のSEM画像を示す図である。
[図6B] 図6Bは、本発明の実施例における接合後の界面のSEM画像を示す図である。
[図6C] 図6Cは、本発明の実施例における接合後の界面のSEM画像を示す図である。
[図7A] 図7Aは、本発明の実施例における接合後の界面のEDX観察像を示す図である。
[図7B] 図7Bは、本発明の実施例における接合後の界面のEDX観察像を示す図である。
[図7C] 図7Cは、本発明の実施例における接合後の界面のEDX観察像を示す図である。
[図7D] 図7Dは、本発明の実施例における接合後の界面のEDX観察像を示す図である。
[図8] 図8は、接合面圧を0.7MPaとして拡散接合した試験片の引張試験結果を示す図である。
[図9] 図9は、接合面圧を0.7MPaとして拡散接合した試験片の引張試験結果を示す図である。
[図10] 図10は、接合面圧を0.5MPaとして拡散接合した試験片の引張試験結果を示す図である。
[図11] 図11は、接合面圧を0.5MPaとして拡散接合した試験片の引張試験結果を示す図である。
[図12] 図12は、実施例にかかる流路付きプレートの超音波探傷試験結果を示す図である。
[図13] 図13は、パーティクル測定について説明する図である。

発明を実施するための形態

[0013]
 以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。
[0014]
 図1は、本発明の一実施の形態にかかる流路付きプレートの構造を示す部分断面図である。図2は、図1に示す領域Rを拡大した断面図である。図1に示す流路付きプレート1は、円板状の本体部10と、本体部10の一方の面(ここでは上面)を覆うカバー20とを備える。流路付きプレート1は、本体部10とカバー20とが拡散接合によって接合された接合体である。流路付きプレート1は、例えば、半導体装置に取り付けられ、当該半導体装置における冷却装置として機能する。このほか、流路付きプレート1は、取り付けられる装置を温めるヒーターとして用いてもよいし、後述する流路にガスを流通させるヒータープレートとして用いてもよいし、薄膜形成装置においてプロセスガスを噴射するシャワーヘッドとして用いてもよい。
[0015]
 本体部10は、アルミニウム、又はアルミニウム合金からなる円板状をなす。本体部10には、熱交換を促す媒体を流通させる流路(例えば、図1に示す流路11~13)が形成されている。本体部10は、流路の開口側の面がカバー20と拡散接合によって接合している。流路11~13は、壁部14または壁部15によって区切られている。流路11~13は、連通して一つの流路を形成するものであってもよいし、少なくとも一部が独立した流路を形成するものであってもよい。また、媒体は、例えば水等の液体や、気体である。
[0016]
 カバー20は、アルミニウム、又はアルミニウム合金からなる円板状をなす。カバー20は、本体部10の流路形成面を覆っている。
 アルミニウム合金としては、例えば6061番のアルミニウム合金(A6061)が挙げられる。
 本体部10とカバー20とは、後述する拡散接合によって接合される。
[0017]
 流路付きプレート1では、媒体流入口(図示せず)から媒体を導入して流路に流通させ、媒体排出口(図示せず)から媒体を排出する。流路付きプレート1では、熱源から伝達された熱を、本体部10及びカバー20を介して外部に放出するか、または、熱源から伝達された熱を吸収した媒体が流路から排出される。
[0018]
 次に、流路付きプレート1の作製方法について説明する。図3および図4は、本発明の一実施の形態にかかる流路付きプレートの製造方法を説明する断面図である。
[0019]
 まず、上述した流路(例えば流路11~13)が形成された本体部10と、カバー20を用意する(図3参照)。そして、本体部10にカバー20を被せる(被覆ステップ)。この際、本体部10の流路の開口が、カバー20によって覆われる。流路付きプレート1は、例えばφ150mm以上の円板状をなしている。
[0020]
 続いて、本体部10とカバー用母材200とを拡散接合により接合する(図4参照:拡散接合ステップ)。拡散接合では、密着させた部材同士に対し、部材の融点以下の温度条件において加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する。この際、密着させた部材には、塑性変形をできるだけ生じない程度の荷重を加える。
[0021]
 アルミニウム、又はアルミニウム合金からなる部材同士を拡散接合させる条件としては、接合温度が500℃以上640℃以下、接合面圧が0.7MPa以上である。
 接合温度は、アルミニウム合金の種類によって変わる。例えば、部材の融点よりも低い温度に設定される。
 接合面圧は、部材の種類にもよるが、3MPa以下であることが好ましい。
 また、各部材の接合面の精度として、平面度が0.2以下であることが好ましい。また、接合面の面粗度は、0より大きくRa0.4以下であることが好ましく、Ra0.1以下であることがさらに好ましい。
[0022]
 上述した実施の形態では、本体部10とカバー20とを拡散接合によって接合するようにした。拡散接合することによって、本体部とカバーとを確実に接合しつつ、接合による品質低下を抑制することができる。本実施の形態では、従来のような、ろう付時にろうが流路に流れ込んで、流路の表面が荒れたり、ろうが滞留した部分における流量のばらつき、流量のばらつきによる温度変化が生じたり、ろう材成分による不純物汚染が発生したりする品質の低下を抑制し、部材同士を確実に接合することが可能である。
[0023]
 このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。
実施例
[0024]
 以下、本発明にかかる接合方法および接合体の実施例について説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
[0025]
(試験片の接合面の評価)
 接合体として試験を行う試験片は、同一の形状をなす二つの部材を接合させたものを使用した。図5は、本発明の実施例に用いた試験片の構成を説明する図である。本試験片は、部材300を拡散接合させたものを使用した。部材300は、6061番のアルミニウム合金(A6061)からなる。部材300は、接合面を有する略円柱状の接合部301と、接合部301の接合面側と反対側に連なり、試験時に把持される把持部302とを有する。把持部302は、側面においてねじ山が形成されている。
[0026]
 本実施例では、上述した部材300を用いて、接合温度を550℃、接合面圧を0.7MPaとして拡散接合した試験片を6つ、接合面圧を0.5MPaとして接合した試験片を6つ作製した。図6A~図6Cは、本発明の実施例における接合後の界面のSEM画像を示す図である。図6Bは、図6Aの中央部を拡大した図である。図6Cは、図6Bの中央部を拡大した図である。図6A~図6Cに示すように、接合界面において、欠陥なく接合されていることがわかる。
[0027]
 図7A~図7Dは、本発明の実施例における接合後の界面のEDX観察像を示す図である。図7Aは、接合後の界面における反射像を示している。図7Bは、接合後の界面におけるアルミニウム(Al)の分布像を示している。図7Cは、接合後の界面におけるマグネシウム(Mg)の分布像を示している。図7Dは、接合後の界面におけるケイ素(Si)の分布像を示している。図7B~図7Dでは、色が薄いほど、その成分を多く含んでいることを示している。
[0028]
 図7Bに示すように、部材300の主成分であるアルミニウムが広く分布していることがわかる。
 また、図7Cおよび図7Dに示すように、マグネシウムやケイ素が接合界面において析出していることがわかる。ここでは、マグネシウムやケイ素が、アルミニウムの酸化皮膜を還元して酸化物となる。この反応によって、接合界面の非晶質酸化膜が結晶酸化物粒子に変化し、部材300同士の接合に寄与していることが考えられる。
[0029]
(試験片の引張試験)
 また、これらの試験片について、引張試験を実施した。接合面圧を0.7MPaとして接合した試験片にNo.1~No.6の番号を付し、接合面圧を0.5MPaとして接合した試験片にNo.11~No.16の番号を付して試験を行った。引張試験結果を、図8~図11に示す。
[0030]
 図8は、接合面圧を0.7MPaとして拡散接合した試験片の引張試験結果を示す図である。試験片No.1~No.6は、いずれも引張り強さが125MPaを超えている。ここで、6061番のアルミニウム合金(A6061)の引張り強さは125MPaである。このことから、試験片No.1~No.6は、すべての試験片が、部材300の主成分である6061番のアルミニウム合金(A6061)の引張り強さよりも大きい引張り強さを有しているといえる。
[0031]
 図9は、接合面圧を0.7MPaとして拡散接合した試験片の引張試験結果を示す図である。試験片No.1~No.6のいずれについても、接合界面ではなく、一方の部材において破断が生じていることがわかる。
[0032]
 図10は、接合面圧を0.5MPaとして拡散接合した試験片の引張試験結果を示す図である。試験片No.11~No.16においては、試験片No.13の引張り強さが、125MPaを下回っている。このことから、試験片No.11~No.16は、一部において、部材300の主成分である6061番のアルミニウム合金(A6061)の引張り強さよりも小さい引張り強さとなることがある。
[0033]
 図11は、接合面圧を0.5MPaとして拡散接合した試験片の引張試験結果を示す図である。試験片No.11~No.16のうち、一部(試験片No.13、No.16)が、接合界面において破断が生じていることがわかる。
[0034]
(流路付きプレートの超音波探傷試験)
 図12は、実施例にかかる流路付きプレートの超音波探傷試験結果を示す図である。図12は、接合面圧を0.7MPaとして接合した流路付きプレートを示している。図12から分かるように、円板の部材に形成されている流路に損傷などの欠陥がないことがわかる。
[0035]
(流路付きプレートのパーティクル測定)
 また、上述した流路付きプレート1を作製し、この流路付きプレート1を試験片として、パーティクル測定を行った。比較対象として、ろう付によって接合した試験片を作製して、パーティクル測定を行った。図13は、パーティクル測定について説明する図である。本実施例では、各試験片(試験片100)を治具101に取り付け、治具101を介して収集したパーティクルを、測定器102によって測定した。パーティクル測定は、各試験片について、それぞれ三回実施した。
 初期のパーティクルは量が多いため、一回目の測定では、数分間、流路に窒素を流す処理を複数回実施し、パーティクルを安定させてからパーティクルの測定を行った。パーティクル測定では、まず、イソプロピルアルコール(Isopropyl alcohol:IPA)を流路に導入し、45秒間、窒素でブローした。その後、窒素を1分導入し、粒径に応じた粒子数(積算数)をカウントした。本実施例では、粒径(パーティクルサイズ)が0.3μm以下の粒子数と、粒径が0.3μmより大きく0.5μm以下の粒子数をカウントした。
[0036]
 拡散接合によって接合した試験片によるパーティクル測定の結果は、以下のようになった。
          パーティクルサイズ
       0.5μm以下  0.3μm以下
  1回目    88       15
  2回目    39       13
  3回目    15        2
 これに対し、ろう付けによって接合した試験片によるパーティクル測定の結果は、以下のようになった。
          パーティクルサイズ
       0.3μm以下  0.5μm以下
  1回目   483      168
  2回目   238       84
  3回目   189       87
 なお、治具のみのパーティクル測定では、いずれのサイズもカウント数がゼロであった。
 上述した測定結果から、拡散接合によって接合した流路付きプレートの流路は、ろう付によって接合した流路付きプレートの流路と比して、パーティクルが少ないといえる。

産業上の利用可能性

[0037]
 以上説明したように、本発明に係る接合方法および接合体は、本体部とカバーとを確実に接合しつつ、接合による品質低下を抑制するのに好適である。

符号の説明

[0038]
 1 流路付きプレート
 10 本体部
 11~13 流路
 14、15 壁部
 20 カバー

請求の範囲

[請求項1]
 アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、熱交換を促す媒体を流通させる流路が形成される本体部と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記本体部の前記流路を覆うカバーとを接合する接合方法であって、
 前記本体部に前記カバーを被せる被覆ステップと、
 接合温度が500℃以上640℃以下、接合面圧が0.7MPa以上の条件下で拡散接合することによって、前記本体部と前記カバーとを接合する拡散接合ステップと、
 を含むことを特徴とする接合方法。
[請求項2]
 前記本体部の接合面および前記カバーの接合面の平面度が、それぞれ0.2以下である
 ことを特徴とする請求項1に記載の接合方法。
[請求項3]
 前記本体部の接合面および前記カバーの接合面の面粗度が、各々0より大きくRa0.4以下である
 ことを特徴とする請求項1または2に記載の接合方法。
[請求項4]
 アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、熱交換を促す媒体を流通させる流路が形成される本体部と、
 アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記本体部の前記流路を覆うカバーと、
 を備え、
 前記本体部と前記カバーとが、拡散接合されてなる
 ことを特徴とする接合体。
[請求項5]
 前記本体部および前記カバーが、6061番のアルミニウム合金からなり、
 引張り強さが125MPa以上である
 ことを特徴とする請求項4に記載の接合体。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6A]

[ 図 6B]

[ 図 6C]

[ 図 7A]

[ 図 7B]

[ 図 7C]

[ 図 7D]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]