JP6616421B2 - 流路部材 - Google Patents

Description

本開示は、流路部材に関するものである。

従来、基体の内部に流路を備える流路部材を用い、流路に低温または高温の流体を流して、基体と熱交換対象物とを接触させることにより、熱交換対象物の温度の調節が行なわれている。例えば、熱交換対象物が高温ガスである場合には、高温ガスに接触するように基体を配置し、流路に低温の液体を流すことにより、高温ガスを冷却することができる。また、熱交換対象物は高温ガス等の気体に限らず、液体や固体であってもよい。

そして、上述したような流路部材は、長期間の使用に耐えることが求められることから、機械的特性に優れたセラミックスで基体を構成した流路部材が提案されている（例えば、特開２０１０−１７３８７３号公報を参照。）。

本開示の流路部材は、非酸化物セラミックスからなる基体の内部に、流入口と流出口とを備える流路を有する。そして、前記基体の外面に第１酸化層を備える。また、前記流路
を構成する前記基体の内面に、第２酸化層を備える。前記第１酸化層の表面から前記基体方向への深さ５０ｎｍにおける前記第１酸化層の酸素濃度をＣ１、前記第２酸化層の表面から前記基体方向への深さ５０ｎｍにおける前記第２酸化層の酸素濃度をＣ２としたとき、Ｃ２／Ｃ１が２以上１０以下である。

本開示の流路部材の一例を示す斜視図である。 図１に示す流路部材の断面図である。

セラミックスは、機械的特性に優れているものの、例えば、セラミックスの表面を平坦にするための研磨、または、セラミックスの表面を荒らすためのブラスト等、セラミックスの表面性状を変更するための処理によってマイクロクラックが発生し、機械的特性が低下する場合がある。

特に、流路部材においては、流路を有する中空体であり、中実体と比較して機械的特性が低いものであることから、マイクロクラックの発生によって機械的特性が低下すれば、信頼性に欠けるものとなる。したがって、今般の流路部材においては、表面性状の変更のための処理を行なったとしても、セラミックスが本来的に有している機械的特性を十分に有するものであることが求められている。

以下に本開示の流路部材について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本開示の流路部材の一例を示す斜視図である。また、図２は、図１に示す流路部材の断面図である。

本開示の流路部材１０は、非酸化物セラミックスからなる基体１により構成される。そして、図１に示すように、本開示の流路部材１０は、基体１の内部に、流入口６および流出口７を備える流路２を有する。なお、図１においては、図２に示すように、基体１が、蓋体３と、蓋体３の反対に位置する底板５と、蓋体３と底板５との間に位置する中板４とからなり、これらに囲まれた空間で流路２が構成され、中板４に流入口６および流出口７が開口している例を示している。

ここで、非酸化物セラミックスとは、炭化珪素質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスのことである。なお、炭化珪素質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち炭化珪素を７５質量％以上含有するものであり、炭化珪素質セラミックスにおいて、炭化珪素は主成分ということができるものである。また、他の非酸化物セラミックスについても同様であり、窒化珪素質セラミックスにおいて窒化珪素が主成分であり、窒化アルミニウム質セラミックスにおいて窒化アルミニウムが主成分である。

そして、基体１を構成する非酸化物セラミックスが、炭化珪素質セラミックスであるならば、優れた機械的特性を有するとともに、高い熱伝導率により熱交換効率を高めることができる。

また、本開示の流路部材１０における基体１の材質は、以下の方法により確認することができる。まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて基体１を測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値をＪＣＰＤＳカードにより同定する。ここで同定されたのが炭化珪素であれば、次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（ＩＣＰ）を用いて、珪素（Ｓi）の定量分析を行なう。そして、ＩＣＰで測定した珪素の含有量から炭化珪素（ＳｉＣ）に換算する。この換算によって算出された炭化珪素の含有量が７５質量％以上であれば、対象の基体の材質は、炭化珪素質セラミックスであるということができる。なお、他の非酸化物セラミックスについても同様の方法により確認することができる。

また、非酸化物セラミックスに含まれる酸素は、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち１０質量％未満である。ここで、非酸化物セラミックスに含まれる酸素は、酸素および窒素同時分析装置（(株)堀場製作所製ＥＭＧＡ−６５０ＦＡ、ＥＭＧＡ−９２０等）を用いて測定すればよい。

そして、本開示の流路部材１０は、図２に示すように、基体１の外面１ａに第１酸化層８を備えている。このような構成を満足していることにより、本開示の流路部材１０は、基体１を構成する非酸化物セラミックスが本来的に有している機械的特性を十分に発揮することができる。そのため、本開示の流路部材１０は、優れた機械的特性を有する。なお、図１には、第１酸化層８は示していない。

ここで、本開示の流路部材１０が、優れた機械的特性を有しているのは、基体１の外面１ａに第１酸化層８を備えていることで、外面１ａに存在するマイクロクラックが第１酸化層８によって覆われることとなるため、基体１に曲げ応力が掛った際に、マイクロクラックの進展が抑制されるからである。

また、本開示の流路部材１０は、基体１の外面１ａに第１酸化層８を備えていることにより、マイクロクラック内に存在するパーティクルの脱落が抑制される。また、第１酸化層８の存在により、基体１の外面１ａが腐食性の高い熱交換対象物に曝されて侵されることを抑制することができる。よって、本開示の流路部材１０は、腐食性の高い熱交換対象物に曝されつつも、パーティクル汚染が少ないことが求められる半導体製造装置等の用途において好適に用いることができる。

なお、蓋体３に熱交換対象物を載置する場合には、熱交換対象物の荷重によって、蓋体３に最も曲げ応力が掛かる。このとき、図２に示すように、蓋体３の外面１ａに第１酸化層８を備えていれば、蓋体３以外の外面に第１酸化層８を備えている場合よりも、優れた機械的特性を有するものとなる。また、基体１の外面１ａの全体が第１酸化層８を備えていれば、さらに優れた機械的特性を有するものとなる。

次に、基体１の外面１ａに第１酸化層８を備えているか否かの確認方法について説明する。まず、流路部材１０の外表面を測定面とし、Ｘ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）を用い、特定のエネルギーを有したＸ線（ｈν）を測定面に照射する。そして、測定面から放出された光電子の運動エネルギー（Ｅ_ＫＩＮ）を測定し、この光電子が原子に束縛されていた結合エネルギー（Ｅ_Ｂ）を求める（Ｅ_Ｂ＝ｈν−Ｅ_ＫＩＮ−φ）。そして、結合エネルギー値は原子固有であることから、測定面を構成する元素を同定することができる。また、放出された光電子の強度は元素の濃度と比例しているため、ＸＰＳで測定することにより、元素の濃度を求めることができる。

なお、流路部材１０の外表面から数μｍの深さまでの領域の元素を調べるには、Ａｒイオンを照射し、試料表面をエッチングで除去する工程と、エッチングにより新しく形成された面をＸＰＳで測定する工程とを交互に繰り返せばよい。

そして、この測定結果、流路部材１０の表面から基体に向かう方向において酸素が確認されるとともに、酸素濃度が１０％以上であれば、基体１の外面１ａに第１酸化層８を備えているとする。なお、第１酸化層８の厚みは、流路部材１０の外表面から酸素濃度が１０％未満となるまでの深さとする。

また、本開示の流路部材１０は、図２に示すように、基体１の内面１ｂに、第２酸化層９を備えていてもよい。このような構成を満足するならば、流路２に流体を流した際に、パーティクルが脱落することが少なく、機械的特性の低下が少ないため、信頼性に優れたものとなる。上述したように、本開示の流路部材１０は、パーティクルが脱落することが少ないことから、流路２に流す流体を循環させて用いる場合に循環ポンプが故障するおそれを低くすることができる。さらに、腐食性の高い流体を流路２に流す場合、第２酸化層９の存在により、基体１の内面１ｂが侵されることを抑制することができる。

ここで、基体１の内面１ｂに第２酸化層９を備えているか否かについては、上述した第１酸化層８の確認方法と同様の方法により、測定面を流路部材１０の内表面、つまり流路２の内面を確認すればよい。なお、流路２の内面から基体に向かう方向において酸素が確認されるとともに、酸素濃度が１０％以上であれば、基体１の内面１ｂに第２酸化層９を備えているとする。また、第２酸化層９の厚みは、流路２の内面から酸素濃度が１０％未満となるまでの深さとする。

また、外面１ａに第１酸化層８を備え、内面１ｂに第２酸化層９を備えている構成において、第１酸化層８が第２酸化層９よりも厚いときには、優れた機械的強度を有しつつ、熱交換効率に優れたものとなる。

ここで、熱交換効率が優れたものとなるのは、第１酸化層８は、非酸化物セラミックスからなる基体１よりも熱伝導性の低いものであることから、第１酸化層８に熱交換対象物から熱が与えられた場合、この熱が、外面１ａに沿う方向ではなく、外面１ａから内面１ｂ側に向かう方向に移動しやすいためである。

一方、外面１ａに第１酸化層８を備え、内面１ｂに第２酸化層９を備えている構成において、第２酸化層９が第１酸化層８よりも厚いときには、曲げ応力に対する耐久性が向上するとともに、熱的信頼性に優れたものとなる。

ここで、曲げ応力に対する耐久性が向上するのは、以下の理由による。例えば、蓋体３に熱交換対象物を載置する場合、熱交換対象物の荷重によって、基体１に曲げ応力が掛かかり、外面１ａに圧縮応力、内面１ｂに引張応力が働く。そして、セラミックスは、圧縮応力よりも引張応力に対する強度が弱いため、掛かり続ける曲げ応力によって、外面１ａよりも内面１ｂから亀裂が発生しやすい。よって、第２酸化層９が第１酸化層８よりも厚いことにより、内面１ｂから亀裂が発生するのを抑制することができ、曲げ応力に対する耐久性を向上させることができる。

また、熱的信頼性に優れたものとなるのは、例えば、熱交換対象物が高温であり、流路２を流れる流体が低温であるとき、内面１ｂには、熱交換対象物と流体との熱交換によって大きな熱差が生じるが、第２酸化層９が第１酸化層８よりも厚いことにより、上記熱差による熱衝撃を緩和することができるからである。

ここで、第１酸化層８の厚みと第２酸化層９の厚みとの比較については、上述した第１酸化層８および第２酸化層９の確認方法を行ない、第１酸化層８の厚みおよび第２酸化層９の厚みを測定することで行なえばよい。

そして、本開示の流路部材１０は、第１酸化層８の表面から基体１方向への深さ５０ｎｍにおける第１酸化層８の酸素濃度をＣ１、第２酸素層９の表面から基体１方向への深さ５０ｎｍにおける第２酸化層９の酸素濃度をＣ２としたとき、Ｃ２／Ｃ１が２以上１０以下であってもよい。このような構成を満足するならば、曲げ応力に対する高い耐久性と優れた熱的信頼性とを兼ね備える流路部材１０となる。

また、本開示の流路部材１０における流路２は、流出口７に繋がる流出路と、流出路および流入口６の間の流通路とを有し、流通路における第２酸化層９の厚みは、流出路における第２酸化層９の厚みよりも厚くてもよい。ここで、流出路とは、流出口７から流路２の総路長の１／５にあたる部分までのことを指す。一方、流通路とは、流路２において流出路を除いた部分のことであり、言い換えるならば、流入口６から流路２の総路長の４／５にあたる部分までのことを指す。そして、このような構成を満足するならば、流通路における第２酸化層９の厚みが相対的に厚いことで、優れた機械的強度を有する。さらに、流出路における第２酸化層９の厚みが相対的に薄いことで、流通路を流れる流体よりも高い温度の流体が流れる流出路において熱伝達を促進させ、熱交換効率を向上させることができる。

次に、本開示の流路部材１０の製造方法の一例について説明する。

まず、主成分原料（炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム）の粉末に、焼結助剤、バインダ、溶媒および分散剤等を添加して適宜混合することにより、スラリーを作製する。

次に、このスラリーを用いて、ドクターブレード法によりセラミックグリーンシートを形成する。なお、セラミックグリーンシートは、スラリーを噴霧造粒法（スプレードライ法）により噴霧乾燥して造粒することによって顆粒を作製し、その顆粒をロールコンパクション法によって作製してもよい。

次に、セラミックグリーンシートを製品形状に合わせて金型で打ち抜く。具体的には、蓋体３および底板５となる成形体については外形状のみを、中板４となる成形体については、外形状に加えて流路２となる部分を打ち抜く。

そして、打ち抜いたセラミックグリーンシートを積層して積層体である成形体を作製する。なお、成形体の他の成形方法としては、冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）法によりブロック状の成形体を得た後、切削加工を施すことによって、蓋体３となる成形体と、中板４および底板５が一体となった成形体とを作製することもできる。

次に、蓋体３となる成形体、中板４となる成形体、底板５となる成形体のそれぞれの接触部分の少なくともいずれか一方に接合剤を塗布した後、積み重ねて加圧する。なお、接合剤には、例えば上記スラリーを用いればよい。

次に、乾燥させた後、主成分原料に応じた雰囲気および温度により焼成する。具体的には、主成分原料が炭化珪素であれば、アルゴン等の不活性ガス雰囲気において１７００℃以上２２００℃以下、主成分原料が窒化珪素であれば、窒素雰囲気中において１６００℃以上１９００℃以下の温度で焼成すればよい。

そして、必要に応じて、基体１の外面１ａを平坦にするための研磨や、基体１の外面１ａを荒らすためのブラスト等、表面性状を変更するための処理を施す。

次に、大気雰囲気において、９００℃以上１２００℃以下の温度で３０分以上３００分以下保持する熱処理を行なう。このように熱処理を行なうことにより、基体１の外面１ａに、第１酸化層８を形成することができる。なお、成形体の作製において、中板４となる成形体のうち、１枚について切削加工により流入口６および流出口７を形成し、流入口６または流出口７から流路２となる空洞部分に空気が入るようにして上記熱処理を行なえば、基体１の内面１ｂに、第２酸化層９を形成することができる。

また、成形体の作製において流入口６のみを形成した状態として熱処理を行なえば、流路２となる空洞部分の酸化が抑制されることから、第１酸化層８を第２酸化層９よりも厚くすることができる。この場合、流出口７は熱処理を行なった後に切削加工で形成すればよい。

また、成形体の作製において流入口６および流出口７を形成し、熱処理時に、流入口６から空気を供給し、空洞部分における空気の平均流速を５０ｃｍ／分以上にすることで、第２酸化層９を第１酸化層８よりも厚くすることができる。そして、この方法では、熱処理の保持時間を長くする程、基体１の外面の酸化に比べて、流路２となる空洞部分の酸化がより進む。例えば、基体１を炭化珪素質セラミックスで構成し、空気の流速を１００ｃｍ／分にし、１０００℃の温度で熱処理を行なう場合、保持時間を５０分以上２００分以下とすることで、Ｃ２／Ｃ１を２以上１０以下とすることができる。

なお、基体１の外面１ａをセラミックス製のダミー板や粉で覆って、流入口６および流出口７を解放した状態で熱処理を行なうことでも、第２酸化層９を第１酸化層８よりも厚くすることができる。

また、成形体の作製において流入口６および流出口７を形成し、空洞部分の流出路となる部分をセラミック製の粉で覆って、流入口６から空洞部分に空気が入るように熱処理を行なえば、流通路における第２酸化層９の厚みを、流出路における第２酸化層９の厚みよりも厚くすることができる。この場合、熱処理を行なった後、流路２を洗浄することで、セラミック製の粉を除去すればよい。

最後に、本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

１：基体
１ａ：外面
１ｂ：内面
２：流路
３：蓋体
４：中板
５：底板
６：流入口
７：流出口
８：第１酸化層
９：第２酸化層
１０：流路部材

Claims (6)

1. 非酸化物セラミックスからなる基体の内部に、流入口と流出口とを備える流路を有し、前記基体の外面に第１酸化層、前記流路を構成する前記基体の内面に、第２酸化層を備え、
   前記第１酸化層の表面から前記基体方向への深さ５０ｎｍにおける前記第１酸化層の酸素濃度をＣ１、前記第２酸化層の表面から前記基体方向への深さ５０ｎｍにおける前記第２酸化層の酸素濃度をＣ２としたとき、Ｃ２／Ｃ１が２以上１０以下である流路部材。
2. 前記第１酸化層が、前記第２酸化層より厚い請求項１に記載の流路部材。
3. 前記第２酸化層が、前記第１酸化層より厚い請求項１に記載の流路部材。
4. 前記流路は、前記流出口に繋がる流出路と、該流出路および前記流入口の間の流通路とを有し、該流通路における前記第２酸化層の厚みは、前記流出路における前記第２酸化層の厚みよりも厚い請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の流路部材。
5. 非酸化物セラミックスからなる基体の内部に、流入口と流出口とを備える流路を有し、前記基体の外面に第１酸化層、前記流路を構成する前記基体の内面に、第２酸化層を備え、
   前記流路は、前記流出口に繋がる流出路と、該流出路および前記流入口の間の流通路とを有し、該流通路における前記第２酸化層の厚みは、前記流出路における前記第２酸化層の厚みよりも厚い流路部材。
6. 前記非酸化物セラミックスが、炭化珪素質セラミックスである請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の流路部材。

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