アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法
【課題】アルミニウム−セラミックス複合体の残留応力を除去することにより、使用環境下での温度変化等による、平面度や寸法の変化量が極めて小さい寸法安定性に優れる大型部品にも適用可能なアルミニウム−セラミックス複合体を提供する。
【解決手段】アルミニウム−セラミックス複合体を製造した後、各種温度条件にて加熱冷却処理を行い、複合化時及び加工時の残留応力に加え、複合体由来の残留応力を除去することで、複合体由来の残留応力を低減することにより、アルミニウム−セラミックス複合体の寸法安定性を改善する。
【解決手段】アルミニウム−セラミックス複合体を製造した後、各種温度条件にて加熱冷却処理を行い、複合化時及び加工時の残留応力に加え、複合体由来の残留応力を除去することで、複合体由来の残留応力を低減することにより、アルミニウム−セラミックス複合体の寸法安定性を改善する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックスを分散粒子として添加し、マトリックスを金属とする金属−セラミックス複合体は、金属とセラミックスの両方の特性を兼ね備えており、セラミックスの持つ低熱膨張特性、高剛性等の特徴を活かしながら、金属の持つ高靱性、加工性を付加した材料であり、いろいろな分野での利用が期待されている。従来、この様な材料としては、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ等の材料が検討されていたが、比重が大きく、大型の装置部品として用いる場合に問題があり、機械装置メーカー等の業界より、次世代材料として金属−セラミックス複合体が注目されている。
【０００３】
金属−セラミックス複合体としては、金属としてアルミニウムをマトリックスとする材料が、近年、活発に研究されている（特許文献１）。アルミニウムは、軽量で熱伝導特性に優れ且つ融点が低い為、比較的容易に複合化できる特徴がある。この様な、アルミニウム−セラミックス複合体の製造方法としては、従来、高圧鍛造法にてアルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金を含浸するものが知られており、セラミックス粒子又は繊維による多孔体を作製し、高温、高圧下でアルミニウム合金を複合化させる方法である。
アルミニウム−セラミックス複合体の製法については、高圧鍛造法以外にも加圧を行わずに含浸を行う非加圧含浸法（特許文献２）、セラミックス粉末とアルミニウム粉末を混合して温度と圧力を加えて製造を行う粉末冶金法（特許文献３）等の製法がある。
【特許文献１】特開平３−５０９８６０号公報。
【特許文献２】特開平１１−１１６３６２号公報。
【特許文献３】特開平１０−８１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体製造治具等として、アルミニウム−セラミックス複合体を用いる場合、表面の平面度等の要求が厳しく、アルミニウム−セラミックス複合体は、研削加工等により表面を高精度に加工して用いられている。更に、当該用途では、使用環境下での温度変化等による、平面度や寸法の変化量が極めて小さいことが要求される為、アルミニウム−セラミックス複合体を半導体製造治具等に用いる場合、複合化時及び加工時の残留応力を除去する目的で、アニール処理を行っている。
【０００５】
一方で、アルミニウム−セラミックス複合体は、熱膨張率の大きく異なる、アルミニウムとセラミックスの複合体であり、両物質間の界面には、複合化後の冷却過程で不可避的に残留応力が発生する。この両物質間の界面に発生する残留応力は、高温でのアニール処理を施したアルミニウム−セラミックス複合体であっても、その冷却過程で、両物質の熱膨張差により残留する。この複合体由来の残留応力は、アルミニウム−セラミックス複合体を室温近傍の温度域でヒートサイクルを負荷すると、部分的に開放されアルミニウム−セラミックス複合体の寸法が変化することがある。この為、アルミニウム−セラミックス複合体を、使用環境下での温度変化等による、平面度や寸法の変化量が極めて小さいことが要求される半導体製造治具等として用いるには、この複合体由来の残留応力を如何に除去するかが課題である。
【０００６】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、アルミニウム−セラミックス複合体の残留応力を除去することにより、使用環境下での温度変化等による、平面度や寸法の変化量が極めて小さい寸法安定性に優れる大型部品にも適用可能なアルミニウム−セラミックス複合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、アルミニウム−セラミックス複合体を製造した後、各種温度条件にて加熱冷却処理を行い、複合化時及び加工時の残留応力に加え、複合体由来の残留応力を除去することができることを見出した。この複合体由来の残留応力を低減することにより、アルミニウム−セラミックス複合体の寸法安定性を改善することが出来るとの知見を得て本発明を完成した。
【０００８】
即ち、本発明は、セラミックス多孔体にアルミニウム合金を含浸し、歪み除去のためのアニール処理を行った後、温度−２００℃〜３５０℃の温度範囲にて、温度差１００℃以上の加熱冷却処理を行うことを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体の製造方法である。
【０００９】
また、本発明は、セラミックス多孔体が、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体の製造方法である。
【００１０】
更に、本発明は、温度２０℃と１５０℃のヒートサイクル試験を１０回行った後の寸法変化量が、３０ｐｐｍ以下であることを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体である。
【００１１】
また、本発明は、温度２０℃の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上および温度１５０℃の熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、使用環境下の温度変化による寸法変化が極めて小さい寸法安定性に優れた材料であり、かつ高熱伝導という特性を有しており、静電チャック部材等の半導体製造治具として用いることができる特性の優れた放熱部品を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
金属−セラミックス複合体の製法は、大別すると含浸法と粉末冶金法の２種がある。このうち粉末冶金法は熱伝導率等の特性面で十分なものが得られておらず、実際に商品化されているのは、含浸法によるものである。含浸法にも種々の製法が有り、常圧で行う方法と、高圧下で行う方法（高圧鍛造法）がある。高圧鍛造法には、溶湯鍛造法とダイキャスト法がある。
【００１４】
本発明に好適な方法は、高圧下で含浸を行う高圧鍛造法であり、溶湯鍛造法とダイキャスト法のどちらも使用できるが、緻密な複合体を得るには溶湯鍛造法がより好ましい。高圧鍛造法は、高圧容器内に、セラミックス多孔体（以下、プリフォームという）を装填し、これにアルミニウム合金の溶湯を高温、高圧下で含浸させて複合体を得る方法である。
【００１５】
以下、本発明について、溶湯鍛造法による製法例を説明する。原料であるセラミックス粉末（必要に応じて例えばシリカ等の結合材を添加する）を、成形、焼成してプリフォームを作製する。得られたプリフォームは、所定の平面度を確保する為に、必要に応じて面加工を行う場合もある。また、必要に応じて最終製品で穴加工を施す部分については、最終製品での穴寸法より大きな寸法の穴を、予めプリフォームに加工する。予めプリフォームに穴加工を施した部分は、複合体でアルミニウム合金のみが満たされた部分となり、穴加工等を行う場合に通常の機械加工で容易に加工することができる。また、プリフォームに予め穴加工した部分に、アルミナ等のセラミックス繊維等を充填して複合化すると、アルミニウム合金部分の強度向上に効果があると共に、アルミニウム合金部を取り囲む複合体部との熱膨張差を小さくすることにより、アルミニウム合金と複合体の境界部に発生する応力を低減する効果もある。更に、プリフォームに予め穴加工した部分に、黒鉛成形体を充填して複合化すると、複合化後にアルミニウム−黒鉛複合体となり、アルミニウム−黒鉛複合体部を取り囲むアルミニウム−セラミックス複合体部との熱膨張差を極めて小さくすることができ、境界部に発生する応力を低減することができ、且つアルミニウム−黒鉛複合体は、加工性に優れ、加工コストを低減できる効果もある。
【００１６】
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体に用いられるセラミックスは、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムの群から選ばれる少なくとも１種以上からなることが好ましい。本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、その用途から高熱伝導性が要求される。アルミニウム−セラミックス複合体の熱伝導率は、セラミックス材料自体の熱伝導率と、アルミニウム合金との界面状態により決まる。この為、セラミックス材料として、熱伝導率、アルミニウム合金との濡れ性、並びに密着性の点から、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムの群から選ばれることが好ましい。
【００１７】
本発明に係るプリフォームの製造方法に関して特に制限はなく、公知の方法で製造することが可能である。例えば、炭化珪素粉末にシリカ或いはアルミナ等を結合材として添加して混合、成形し、８００℃以上で焼成することによって得ることができる。成形方法についても特に制限は無く、プレス成形、押し出し成形、鋳込み成形等を用いることができ、必要に応じて保形用バインダーの併用が可能である。
【００１８】
本発明に用いるセラミックス多孔体の気孔率は、１５〜６０％が好ましく、２５〜５０％がより好ましい。アルミニウム−セラミックス複合体の特性、特に熱膨張係数は、用いるセラミックスの熱膨張係数とその含有量により決まる。本発明の放熱部品を、例えば静電チャックモジュールの放熱部品として用いる場合、静電チャックの素材（アルミナ、窒化アルミニウム等）との膨張係数の差が大きくなると、接合時に接合部に応力が発生し、部品が反る場合がある。この為、アルミニウム−セラミックス複合体の膨張係数を小さくする為、気孔率の上限は６０％が好ましく、５０％がより好ましい。一方、気孔率が１５％未満では、アルミニウム合金との複合化が難しく、複合化時に気孔が残留する等の弊害が生じ、その結果、熱伝導率が低下する場合がある。セラミックス多孔体の気孔率は、用いるセラミックス粉末の種類、粒子形態、粒度及び配合比を調整することにより制御できる。また、セラミックス多孔体の気孔率は、成形方法によっても調整することができる。
【００１９】
プリフォームを積層して一つのブロックとする方法は特に限定されるものではないが、例えば、次の方法が挙げられる。前記プリフォームを、離型剤を塗布した離型板で挟み積層して一つのブロックとする方法、前記プリフォームの両面に、アルミナまたはシリカを主成分とする繊維、並びに、球状または破砕形状の粒子を直接接するように配置し、離型板で挟み、一つのブロックとする方法である。
【００２０】
次に、前記ブロックを５００〜７５０℃程度で予備加熱後、高圧容器内に１個または２個以上配置し、ブロックの温度低下を防ぐために出来るだけ速やかにアルミニウム合金の溶湯を給湯して３０ＭＰａ以上の圧力で加圧し、アルミニウム合金をプリフォームの空隙中に含浸させることで、アルミニウム−セラミックス複合体が得られる。
【００２１】
得られたアルミニウム−セラミックス複合体は、含浸時の残留歪み除去の為に、アニール処理を行う。このアニール処理の温度は、使用するアルミニウム合金の種類によっても異なるが、アルミニウム合金の融点以下のより高い温度であることが好ましく、アルミニウム−シリコン系合金の場合、５００℃〜５５０℃であることが好ましい。処理時間は、アルミニウム−セラミックス複合体の形状、サイズによっても異なるが、アルミニウム−−セラミックス複合体自体の温度が均一となった後、１０分以上保持することが好ましい。更に、残留歪み除去の点から、アニール処理時の降温速度は、３℃／分以下であることが好ましい。アニール処理時の降温速度が３℃／分より速い場合、アルミニウム−セラミックス複合体に、冷却過程で歪みが発生し、得られた複合体の残留歪み除去が十分に行われない為である。また、アニール処理回数については、アルミニウム−セラミックス複合体の寸法変化が無くなる迄、複数回実施することが好ましく、アルミニウム−セラミックス複合体の種類にもよるが、３回以上実施することが好ましい。
【００２２】
このアニール処理に関しては、複合化直後に実施することもできるが、その後の加工等の工程で発生する残留応力を除去する目的から、最終形状に近い形状となった時点で実施することが好ましい。一方で、含浸後にアニール処理を実施せずに形状加工を行い、その後にアニール処理を実施する場合、製品寸法が変化する為、予めその後のアニール処理等の処理での寸法変化量を加味して加工を行う必要がある。この為、含浸直後にアニール処理を実施して、含浸時の残留応力を除去した後、更に、最終形状に近い形状となった時点でアニール処理を行うことがより好ましい。
【００２３】
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体中のアルミニウム合金は、アルミニウムの他にマグネシウム等が含まれることがある。このようなアルミニウム合金として、例えばマグネシウム０．２〜３質量％含有したアルミニウム合金を用いる場合がある。マグネシウムを含有させることにより、セラミックス粒子と金属部分との結合がより強固になり好ましい。更に、含浸時にプリフォームの空隙内に十分にアルミニウム合金を浸透させるため、アルミニウム合金の融点がなるべく低いことが好ましいため、例えばシリコンを５〜２５質量％含有したアルミニウム合金を用いる場合もある。アルミニウム合金中のアルミニウム、マグネシウム以外の金属成分に関しては、極端に特性が変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えば銅等が含まれていても良い。
【００２４】
得られたアルミニウム−セラミックス複合体の加工方法の例を説明する。本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、高圧鍛造法で作製するため、周囲をアルミニウム合金で覆われている。先ず、この表面アルミニウム合金層をグラインダー等で除去した後、ダイヤモンド製の工具を用いて平面研削盤等により面加工を行い平板状のアルミニウム−セラミックス複合体とする。尚、表面のアルミニウム合金層を除去せずに、直接、ダイヤモンド製の工具を用いて平面研削盤等により面加工することもできる。次に、マシニングセンター、ウォータージェット加工機、放電加工機等により、外周加工及び穴加工等を行う。特に、複雑なタップ穴等を加工する場合、前述したように、予め穴加工を行う部分のプリフォームを最終形状より数ｍｍ程度大きめに加工することが好ましい。アルミニウム合金含浸後にその部分がアルミニウム合金層となり、通常の機械加工により容易に加工することができ、加工コストを低減できる。
【００２５】
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、上述した加工を行うことにより、平板で両主面においてアルミニウム−セラミックス複合体が露出してなることを特徴とする。表面のアルミニウム合金層が完全に除去できず残留した場合、アルミニウム−セラミックス複合体とアルミニウム合金層の熱膨張率の差より、使用時の温度変化で反りが発生し、温度勾配のある環境下で高精度の平坦度等が要求される用途で用いられる治具、例えば半導体製造治具等に用いる場合、必要とする平坦度等が確保できなくなることがある。
【００２６】
この様にして得られたアルミニウム−セラミックス複合体には、アルミニウム合金とセラミックスの熱膨張差に由来する残留応力（以下、複合体由来の残留応力と云う）、が不可避的に存在する。この複合体由来の残留応力は、熱膨張率の大きく異なる、アルミニウムとセラミックスの両物質間の界面に、複合化後の冷却過程で不可避的に発生する残留応力であり、通常の高温域でのアニール処理を施したアルミニウム−セラミックス複合体であっても、その冷却過程で、両物質の熱膨張差により残留する。
【００２７】
この為、この複合体由来の残留応力を除去する為に、温度−２００℃〜３５０℃の温度範囲にて、温度差１００℃以上の加熱冷却処理を行うことが好ましい。この加熱冷却処理に関しては、一般的な使用環境温度に近い温度域で、より温度差の大きい処理を行うことが好ましい。処理温度の下限に関しては、冷媒の関係から、温度−２００℃であり、好ましくは、温度−７０℃である。また、処理温度の上限に関しては、アルミニウム合金のクリープ温度以下であることが好ましく、温度３５０℃であり、好ましくは、温度３００℃である。温度３５０℃を超えると、処理温度からアルミニウム合金のクリープ温度迄に冷却過程で、アルミニウム−セラミックス複合体に残留応力が発生し、本発明が目的とする残留歪み除去が十分に実施できない為である。加熱冷却処理の温度域に関しては、アルミニウム−セラミックス複合体の使用される環境温度域を含む温度域で実施することが好ましく、より好ましくは、想定される使用環境温度域の低温側及び高温側を含む温度域である。
【００２８】
加熱冷却処理の温度差については、温度差１００℃以上であり、より好ましくは、温度差１２０℃以上であり、更に好ましくは、温度差１５０℃以上である。加熱冷却処理の温度差が１００℃未満では、複合体由来の残留応力除去が十分ではなく、好ましくない。但し、極端に加熱冷却処理回数を増やせば、温度差１００℃未満でも複合体由来の残留応力除去は可能であるが、生産性、コスト面から現実的ではない。
【００２９】
加熱冷却処理時の保持時間に関しては、製品温度が所定温度に達するに必要な時間であり、気相の場合は２０分以上、液相の場合は１０分以上であることが好ましい。また、加熱冷却処理回数に関しては、アルミニウム−セラミックス複合体の種類、処理温度域、温度差により異なるが、製品寸法が安定する迄（具体的には製品寸法増が無くなる迄）実施することが好ましい。
【００３０】
加熱冷却処理後のアルミニウム−セラミックス複合体は、複合体由来の残留応力が除去されている為、その後の温度２０℃と１５０℃のヒートサイクル試験を１０回実施した場合、その際の寸法変化量が３０ｐｐｍ以下であり、寸法安定性に優れている。一方、加熱冷却処理での複合体由来の残留応力除去が不十分な場合は、温度２０℃と１５０℃のヒートサイクル試験を１０回実施した場合、寸法変化量が３０ｐｐｍを超えてしまうことがあり、この場合は、更に、加熱冷却処理を実施することにより、目的とする寸法安定性を確保することが出来る。
【００３１】
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、温度１５０℃の熱膨張係数が１０×１０−６/Ｋ以下であることが好ましく、温度勾配のある環境下で高精度の平坦度等が要求される用途で用いられる治具、例えば半導体製造治具等に好適である。温度１５０℃の熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋを超えると、上記した半導体製造治具等に用いる場合、使用時の微妙な温度勾配により、複合体自体の熱膨張により平坦度等が確保できなくなることがある。熱膨張係数については、例えばセラミックス製の静電チャック等の部材と接合して用いる場合、接合する部材の熱膨張係数に合わせることが好ましい。
【００３２】
また、本発明の複合体は、温度２０℃における熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。これは、放熱が要求される部品に用いる場合に好適であり、且つ上記した半導体製造治具等に用いる場合にも、熱伝導特性に優れる材料は、複合体自他の熱勾配を低減する効果があり好ましい。
【実施例】
【００３３】
（実施例１〜１１、比較例１〜４）
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−８０、平均粒径：２００μｍ）１２００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−１５０、平均粒径：１００μｍ）１２００ｇ、炭化珪素粉末Ｃ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）６００ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）３００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３００ｍｍ×１８ｍｍの寸法の平板状に面圧３０ＭＰａでプレス成形した。
【００３４】
得られた成形体を、温度１２０℃で２時間乾燥後、大気中、温度９５０℃で２時間焼成して、気孔率が２８％の炭化珪素プリフォームを得た。得られた炭化珪素プリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、１５ｍｍの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法がΦ２９０ｍｍの形状に外周部を加工した。
【００３５】
得られた炭化珪素プリフォームは、両主面を０．５ｍｍｔの黒鉛シートで挟んで、上下に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つのブロックとした。次に、このブロックを電気炉で６５０℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径Φ４００ｍｍ×３００ｍｍｔのプレス型内に収め、シリコンを１２質量％及びマグネシウムを１質量％含有するアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２５分間加圧して炭化珪素プリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだ黒鉛シートをはがしてアルミニウム−炭化珪素複合体を得た。
【００３６】
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ長さ１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、温度２０℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（アルバック社製；ＴＣ３０００）で測定した。その結果、温度１５０℃の熱膨張係数は６．２×１０-6／Ｋ、温度２０℃での熱伝導率は２１５Ｗ／ｍＫであった。
【００３７】
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体を、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが：１４ｍｍとなるように両面を均一に研削加工した。その後、部材を外形寸法がΦ２８０ｍｍの形状に外周部を研削加工した。得られた加工品は、表１に示す条件にて、含浸時及び加工時の歪み除去のためのアニール処理を行った後、表２に示す条件の加熱冷却処理を実施した。アルミニウム−炭化珪素複合体の各処理前後での外径（直径）寸法の変化量を三次元形状測定機で計測した。その結果を表１及び表２に示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【００４０】
次に、各処理品を温度２０℃で６０分間保持した後、温度１５０℃に加熱した乾燥器に投入し、６０分間保持するヒートサイクル試験を１０回行った。ヒートサイクル前後での各処理品の外径（直径）寸法の変化量を表３に示す。
【００４１】
【表３】
【００４２】
（実施例１２）
炭化珪素粉末Ｂ：１０００ｇ、炭化珪素粉末Ｃ：２０００ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）３００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３００ｍｍ×１８ｍｍの寸法の平板状に面圧３０ＭＰａでプレス成形した。得られた成形体を、温度１２０℃で２時間乾燥後、大気中、温度９５０℃で２時間焼成して、気孔率が４０％の炭化珪素プリフォームを得た。得られた炭化珪素プリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、１５ｍｍの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法がΦ２９０ｍｍの形状に外周部を加工した。
【００４３】
得られた炭化珪素プリフォームは、両主面を０．５ｍｍｔの黒鉛シートで挟んで、上下に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つのブロックとした。次に、このブロックを電気炉で７００℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径Φ４００ｍｍ×３００ｍｍｔのプレス型内に収め、マグネシウムを１質量％含有するアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２５分間加圧して炭化珪素プリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだ黒鉛シートをはがしてアルミニウム−炭化珪素複合体を得た。
【００４４】
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体、熱伝導率測定用試験体を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計で、温度２０℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定した。その結果、温度１５０℃の熱膨張係数は８．５×１０-6／Ｋ、温度２０℃での熱伝導率は２０５Ｗ／ｍＫであった。
【００４５】
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体を、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが：１４ｍｍとなるように両面を均一に研削加工した。その後、部材を外形寸法がΦ２８０ｍｍの形状に外周部を研削加工した。得られた加工品は、含浸時及び加工時の歪み除去のため、４時間で温度５３０℃まで加熱して２時間保持した後、１２時間で温度２０℃まで冷却するアニール処理を５回行った後、温度−７０℃で３０分間保持した後、温度８０℃で３０分間保持する加熱冷却処理を３０回実施した。アルミニウム−炭化珪素複合体の各処理前後での外径（直径）寸法の変化量を三次元形状測定機で計測した。その結果、アニール処理前後で３０５μｍの寸法増加、加熱冷却処理前後で３５μｍの寸法増加があった。
【００４６】
次に、処理品を温度２０℃で６０分間保持した後、温度１５０℃に加熱した乾燥器に投入し、６０分間保持するヒートサイクル試験を１０回行った。ヒートサイクル前後での各処理品の外径（直径）寸法の変化量は１６ｐｐｍであった。
【００４７】
（実施例１３）
炭化珪素粉末Ａ：１５００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ：９００ｇ、窒化珪素粉末（電気化学工業社製：ＳＮ−９Ｓ、平均粒径：２μｍ）６００ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）３００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３００ｍｍ×１８ｍｍｔの寸法の平板状に圧力３０ＭＰａでプレス成形した。
【００４８】
得られた成形体を、温度１２０℃で２時間乾燥後、窒素雰囲気中、温度１２００℃で２時間焼成して、気孔率が２３％のプリフォームを得た。得られたプリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、１５ｍｍの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法がΦ２９０ｍｍの形状に外周部を加工した。得られたプリフォームは、実施例１と同様にして、アルミニウム−炭化珪素／窒化珪素複合体を得た。
【００４９】
得られたアルミニウム−炭化珪素／窒化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体、熱伝導率測定用試験体を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度１５０℃の熱膨張係数、温度２５℃での熱伝導率を測定した。その結果、温度１５０℃の熱膨張係数は４．９×１０-6／Ｋであり、温度２５℃の熱伝導率は１６０Ｗ／ｍＫであった。
【００５０】
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素／窒化珪素複合体を、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが：１４ｍｍとなるように両面を均一に研削加工した。その後、部材を外形寸法がΦ２８０ｍｍの形状に外周部を研削加工した。得られた加工品は、含浸時及び加工時の歪み除去のため、４時間で温度５３０℃まで加熱して２時間保持した後、１２時間で温度２０℃まで冷却するアニール処理を５回行った後、温度−７０℃で３０分間保持した後、温度１５０℃で３０分間保持する加熱冷却処理を３０回実施した。アルミニウム−炭化珪素／窒化珪素複合体の各処理前後での外径（直径）寸法の変化量を三次元形状測定機で計測した。その結果、アニール処理前後で１８０μｍの寸法増加、加熱冷却処理前後で４７μｍの寸法増加があった。
【００５１】
次に、処理品を温度２０℃で６０分間保持した後、温度１５０℃に加熱した乾燥器に投入し、６０分間保持するヒートサイクル試験を１０回行った。ヒートサイクル前後での各処理品の外径（直径）寸法の変化量は１２ｐｐｍであった。
【００５２】
（実施例１４）
炭化珪素粉末Ａ：１２００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ：１２００ｇ、窒化アルミニウム粉末（トクヤマ社製：Ｈグレード、平均粒径：１．２μｍ）６００ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）３００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３００ｍｍ×１８ｍｍｔの寸法の平板状に圧力３０ＭＰａでプレス成形した。
【００５３】
得られた成形体を、温度１２０℃で２時間乾燥後、窒素雰囲気中、温度１２００℃で２時間焼成して、気孔率が２５％のプリフォームを得た。得られたプリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、１５ｍｍの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法がΦ２９０ｍｍの形状に外周部を加工した。得られたプリフォームは、実施例１と同様にして、アルミニウム−炭化珪素／窒化アルミニウム複合体を得た。
【００５４】
得られたアルミニウム−炭化珪素／窒化アルミニウム複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体、熱伝導率測定用試験体を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度１５０℃の熱膨張係数、温度２５℃での熱伝導率を測定した。その結果、温度１５０℃の熱膨張係数は５．１×１０-6／Ｋであり、温度２０℃の熱伝導率は１９０Ｗ／ｍＫであった。
【００５５】
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素／窒化アルミニウム複合体を、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが：１４ｍｍとなるように両面を均一に研削加工した。その後、部材を外形寸法がΦ２８０ｍｍの形状に外周部を研削加工した。得られた加工品は、含浸時及び加工時の歪み除去のため、４時間で温度５３０℃まで加熱して２時間保持した後、１２時間で温度２０℃まで冷却するアニール処理を５回行った後、温度−７０℃で３０分間保持した後、温度１００℃で３０分間保持する加熱冷却処理を３０回実施した。アルミニウム−炭化珪素／窒化アルミニウム複合体の各処理前後での外径（直径）寸法の変化量を三次元形状測定機で計測した。その結果、アニール処理前後で２２０μｍの寸法増加、加熱冷却処理前後で４３μｍの寸法増加があった。
【００５６】
次に、処理品を温度２０℃で６０分間保持した後、温度１５０℃に加熱した乾燥器に投入し、６０分間保持するヒートサイクル試験を１０回行った。ヒートサイクル前後での各処理品の外径（直径）寸法の変化量は１４ｐｐｍであった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックスを分散粒子として添加し、マトリックスを金属とする金属−セラミックス複合体は、金属とセラミックスの両方の特性を兼ね備えており、セラミックスの持つ低熱膨張特性、高剛性等の特徴を活かしながら、金属の持つ高靱性、加工性を付加した材料であり、いろいろな分野での利用が期待されている。従来、この様な材料としては、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ等の材料が検討されていたが、比重が大きく、大型の装置部品として用いる場合に問題があり、機械装置メーカー等の業界より、次世代材料として金属−セラミックス複合体が注目されている。
【０００３】
金属−セラミックス複合体としては、金属としてアルミニウムをマトリックスとする材料が、近年、活発に研究されている（特許文献１）。アルミニウムは、軽量で熱伝導特性に優れ且つ融点が低い為、比較的容易に複合化できる特徴がある。この様な、アルミニウム−セラミックス複合体の製造方法としては、従来、高圧鍛造法にてアルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金を含浸するものが知られており、セラミックス粒子又は繊維による多孔体を作製し、高温、高圧下でアルミニウム合金を複合化させる方法である。
アルミニウム−セラミックス複合体の製法については、高圧鍛造法以外にも加圧を行わずに含浸を行う非加圧含浸法（特許文献２）、セラミックス粉末とアルミニウム粉末を混合して温度と圧力を加えて製造を行う粉末冶金法（特許文献３）等の製法がある。
【特許文献１】特開平３−５０９８６０号公報。
【特許文献２】特開平１１−１１６３６２号公報。
【特許文献３】特開平１０−８１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体製造治具等として、アルミニウム−セラミックス複合体を用いる場合、表面の平面度等の要求が厳しく、アルミニウム−セラミックス複合体は、研削加工等により表面を高精度に加工して用いられている。更に、当該用途では、使用環境下での温度変化等による、平面度や寸法の変化量が極めて小さいことが要求される為、アルミニウム−セラミックス複合体を半導体製造治具等に用いる場合、複合化時及び加工時の残留応力を除去する目的で、アニール処理を行っている。
【０００５】
一方で、アルミニウム−セラミックス複合体は、熱膨張率の大きく異なる、アルミニウムとセラミックスの複合体であり、両物質間の界面には、複合化後の冷却過程で不可避的に残留応力が発生する。この両物質間の界面に発生する残留応力は、高温でのアニール処理を施したアルミニウム−セラミックス複合体であっても、その冷却過程で、両物質の熱膨張差により残留する。この複合体由来の残留応力は、アルミニウム−セラミックス複合体を室温近傍の温度域でヒートサイクルを負荷すると、部分的に開放されアルミニウム−セラミックス複合体の寸法が変化することがある。この為、アルミニウム−セラミックス複合体を、使用環境下での温度変化等による、平面度や寸法の変化量が極めて小さいことが要求される半導体製造治具等として用いるには、この複合体由来の残留応力を如何に除去するかが課題である。
【０００６】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、アルミニウム−セラミックス複合体の残留応力を除去することにより、使用環境下での温度変化等による、平面度や寸法の変化量が極めて小さい寸法安定性に優れる大型部品にも適用可能なアルミニウム−セラミックス複合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、アルミニウム−セラミックス複合体を製造した後、各種温度条件にて加熱冷却処理を行い、複合化時及び加工時の残留応力に加え、複合体由来の残留応力を除去することができることを見出した。この複合体由来の残留応力を低減することにより、アルミニウム−セラミックス複合体の寸法安定性を改善することが出来るとの知見を得て本発明を完成した。
【０００８】
即ち、本発明は、セラミックス多孔体にアルミニウム合金を含浸し、歪み除去のためのアニール処理を行った後、温度−２００℃〜３５０℃の温度範囲にて、温度差１００℃以上の加熱冷却処理を行うことを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体の製造方法である。
【０００９】
また、本発明は、セラミックス多孔体が、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体の製造方法である。
【００１０】
更に、本発明は、温度２０℃と１５０℃のヒートサイクル試験を１０回行った後の寸法変化量が、３０ｐｐｍ以下であることを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体である。
【００１１】
また、本発明は、温度２０℃の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上および温度１５０℃の熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、使用環境下の温度変化による寸法変化が極めて小さい寸法安定性に優れた材料であり、かつ高熱伝導という特性を有しており、静電チャック部材等の半導体製造治具として用いることができる特性の優れた放熱部品を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
金属−セラミックス複合体の製法は、大別すると含浸法と粉末冶金法の２種がある。このうち粉末冶金法は熱伝導率等の特性面で十分なものが得られておらず、実際に商品化されているのは、含浸法によるものである。含浸法にも種々の製法が有り、常圧で行う方法と、高圧下で行う方法（高圧鍛造法）がある。高圧鍛造法には、溶湯鍛造法とダイキャスト法がある。
【００１４】
本発明に好適な方法は、高圧下で含浸を行う高圧鍛造法であり、溶湯鍛造法とダイキャスト法のどちらも使用できるが、緻密な複合体を得るには溶湯鍛造法がより好ましい。高圧鍛造法は、高圧容器内に、セラミックス多孔体（以下、プリフォームという）を装填し、これにアルミニウム合金の溶湯を高温、高圧下で含浸させて複合体を得る方法である。
【００１５】
以下、本発明について、溶湯鍛造法による製法例を説明する。原料であるセラミックス粉末（必要に応じて例えばシリカ等の結合材を添加する）を、成形、焼成してプリフォームを作製する。得られたプリフォームは、所定の平面度を確保する為に、必要に応じて面加工を行う場合もある。また、必要に応じて最終製品で穴加工を施す部分については、最終製品での穴寸法より大きな寸法の穴を、予めプリフォームに加工する。予めプリフォームに穴加工を施した部分は、複合体でアルミニウム合金のみが満たされた部分となり、穴加工等を行う場合に通常の機械加工で容易に加工することができる。また、プリフォームに予め穴加工した部分に、アルミナ等のセラミックス繊維等を充填して複合化すると、アルミニウム合金部分の強度向上に効果があると共に、アルミニウム合金部を取り囲む複合体部との熱膨張差を小さくすることにより、アルミニウム合金と複合体の境界部に発生する応力を低減する効果もある。更に、プリフォームに予め穴加工した部分に、黒鉛成形体を充填して複合化すると、複合化後にアルミニウム−黒鉛複合体となり、アルミニウム−黒鉛複合体部を取り囲むアルミニウム−セラミックス複合体部との熱膨張差を極めて小さくすることができ、境界部に発生する応力を低減することができ、且つアルミニウム−黒鉛複合体は、加工性に優れ、加工コストを低減できる効果もある。
【００１６】
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体に用いられるセラミックスは、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムの群から選ばれる少なくとも１種以上からなることが好ましい。本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、その用途から高熱伝導性が要求される。アルミニウム−セラミックス複合体の熱伝導率は、セラミックス材料自体の熱伝導率と、アルミニウム合金との界面状態により決まる。この為、セラミックス材料として、熱伝導率、アルミニウム合金との濡れ性、並びに密着性の点から、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムの群から選ばれることが好ましい。
【００１７】
本発明に係るプリフォームの製造方法に関して特に制限はなく、公知の方法で製造することが可能である。例えば、炭化珪素粉末にシリカ或いはアルミナ等を結合材として添加して混合、成形し、８００℃以上で焼成することによって得ることができる。成形方法についても特に制限は無く、プレス成形、押し出し成形、鋳込み成形等を用いることができ、必要に応じて保形用バインダーの併用が可能である。
【００１８】
本発明に用いるセラミックス多孔体の気孔率は、１５〜６０％が好ましく、２５〜５０％がより好ましい。アルミニウム−セラミックス複合体の特性、特に熱膨張係数は、用いるセラミックスの熱膨張係数とその含有量により決まる。本発明の放熱部品を、例えば静電チャックモジュールの放熱部品として用いる場合、静電チャックの素材（アルミナ、窒化アルミニウム等）との膨張係数の差が大きくなると、接合時に接合部に応力が発生し、部品が反る場合がある。この為、アルミニウム−セラミックス複合体の膨張係数を小さくする為、気孔率の上限は６０％が好ましく、５０％がより好ましい。一方、気孔率が１５％未満では、アルミニウム合金との複合化が難しく、複合化時に気孔が残留する等の弊害が生じ、その結果、熱伝導率が低下する場合がある。セラミックス多孔体の気孔率は、用いるセラミックス粉末の種類、粒子形態、粒度及び配合比を調整することにより制御できる。また、セラミックス多孔体の気孔率は、成形方法によっても調整することができる。
【００１９】
プリフォームを積層して一つのブロックとする方法は特に限定されるものではないが、例えば、次の方法が挙げられる。前記プリフォームを、離型剤を塗布した離型板で挟み積層して一つのブロックとする方法、前記プリフォームの両面に、アルミナまたはシリカを主成分とする繊維、並びに、球状または破砕形状の粒子を直接接するように配置し、離型板で挟み、一つのブロックとする方法である。
【００２０】
次に、前記ブロックを５００〜７５０℃程度で予備加熱後、高圧容器内に１個または２個以上配置し、ブロックの温度低下を防ぐために出来るだけ速やかにアルミニウム合金の溶湯を給湯して３０ＭＰａ以上の圧力で加圧し、アルミニウム合金をプリフォームの空隙中に含浸させることで、アルミニウム−セラミックス複合体が得られる。
【００２１】
得られたアルミニウム−セラミックス複合体は、含浸時の残留歪み除去の為に、アニール処理を行う。このアニール処理の温度は、使用するアルミニウム合金の種類によっても異なるが、アルミニウム合金の融点以下のより高い温度であることが好ましく、アルミニウム−シリコン系合金の場合、５００℃〜５５０℃であることが好ましい。処理時間は、アルミニウム−セラミックス複合体の形状、サイズによっても異なるが、アルミニウム−−セラミックス複合体自体の温度が均一となった後、１０分以上保持することが好ましい。更に、残留歪み除去の点から、アニール処理時の降温速度は、３℃／分以下であることが好ましい。アニール処理時の降温速度が３℃／分より速い場合、アルミニウム−セラミックス複合体に、冷却過程で歪みが発生し、得られた複合体の残留歪み除去が十分に行われない為である。また、アニール処理回数については、アルミニウム−セラミックス複合体の寸法変化が無くなる迄、複数回実施することが好ましく、アルミニウム−セラミックス複合体の種類にもよるが、３回以上実施することが好ましい。
【００２２】
このアニール処理に関しては、複合化直後に実施することもできるが、その後の加工等の工程で発生する残留応力を除去する目的から、最終形状に近い形状となった時点で実施することが好ましい。一方で、含浸後にアニール処理を実施せずに形状加工を行い、その後にアニール処理を実施する場合、製品寸法が変化する為、予めその後のアニール処理等の処理での寸法変化量を加味して加工を行う必要がある。この為、含浸直後にアニール処理を実施して、含浸時の残留応力を除去した後、更に、最終形状に近い形状となった時点でアニール処理を行うことがより好ましい。
【００２３】
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体中のアルミニウム合金は、アルミニウムの他にマグネシウム等が含まれることがある。このようなアルミニウム合金として、例えばマグネシウム０．２〜３質量％含有したアルミニウム合金を用いる場合がある。マグネシウムを含有させることにより、セラミックス粒子と金属部分との結合がより強固になり好ましい。更に、含浸時にプリフォームの空隙内に十分にアルミニウム合金を浸透させるため、アルミニウム合金の融点がなるべく低いことが好ましいため、例えばシリコンを５〜２５質量％含有したアルミニウム合金を用いる場合もある。アルミニウム合金中のアルミニウム、マグネシウム以外の金属成分に関しては、極端に特性が変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えば銅等が含まれていても良い。
【００２４】
得られたアルミニウム−セラミックス複合体の加工方法の例を説明する。本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、高圧鍛造法で作製するため、周囲をアルミニウム合金で覆われている。先ず、この表面アルミニウム合金層をグラインダー等で除去した後、ダイヤモンド製の工具を用いて平面研削盤等により面加工を行い平板状のアルミニウム−セラミックス複合体とする。尚、表面のアルミニウム合金層を除去せずに、直接、ダイヤモンド製の工具を用いて平面研削盤等により面加工することもできる。次に、マシニングセンター、ウォータージェット加工機、放電加工機等により、外周加工及び穴加工等を行う。特に、複雑なタップ穴等を加工する場合、前述したように、予め穴加工を行う部分のプリフォームを最終形状より数ｍｍ程度大きめに加工することが好ましい。アルミニウム合金含浸後にその部分がアルミニウム合金層となり、通常の機械加工により容易に加工することができ、加工コストを低減できる。
【００２５】
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、上述した加工を行うことにより、平板で両主面においてアルミニウム−セラミックス複合体が露出してなることを特徴とする。表面のアルミニウム合金層が完全に除去できず残留した場合、アルミニウム−セラミックス複合体とアルミニウム合金層の熱膨張率の差より、使用時の温度変化で反りが発生し、温度勾配のある環境下で高精度の平坦度等が要求される用途で用いられる治具、例えば半導体製造治具等に用いる場合、必要とする平坦度等が確保できなくなることがある。
【００２６】
この様にして得られたアルミニウム−セラミックス複合体には、アルミニウム合金とセラミックスの熱膨張差に由来する残留応力（以下、複合体由来の残留応力と云う）、が不可避的に存在する。この複合体由来の残留応力は、熱膨張率の大きく異なる、アルミニウムとセラミックスの両物質間の界面に、複合化後の冷却過程で不可避的に発生する残留応力であり、通常の高温域でのアニール処理を施したアルミニウム−セラミックス複合体であっても、その冷却過程で、両物質の熱膨張差により残留する。
【００２７】
この為、この複合体由来の残留応力を除去する為に、温度−２００℃〜３５０℃の温度範囲にて、温度差１００℃以上の加熱冷却処理を行うことが好ましい。この加熱冷却処理に関しては、一般的な使用環境温度に近い温度域で、より温度差の大きい処理を行うことが好ましい。処理温度の下限に関しては、冷媒の関係から、温度−２００℃であり、好ましくは、温度−７０℃である。また、処理温度の上限に関しては、アルミニウム合金のクリープ温度以下であることが好ましく、温度３５０℃であり、好ましくは、温度３００℃である。温度３５０℃を超えると、処理温度からアルミニウム合金のクリープ温度迄に冷却過程で、アルミニウム−セラミックス複合体に残留応力が発生し、本発明が目的とする残留歪み除去が十分に実施できない為である。加熱冷却処理の温度域に関しては、アルミニウム−セラミックス複合体の使用される環境温度域を含む温度域で実施することが好ましく、より好ましくは、想定される使用環境温度域の低温側及び高温側を含む温度域である。
【００２８】
加熱冷却処理の温度差については、温度差１００℃以上であり、より好ましくは、温度差１２０℃以上であり、更に好ましくは、温度差１５０℃以上である。加熱冷却処理の温度差が１００℃未満では、複合体由来の残留応力除去が十分ではなく、好ましくない。但し、極端に加熱冷却処理回数を増やせば、温度差１００℃未満でも複合体由来の残留応力除去は可能であるが、生産性、コスト面から現実的ではない。
【００２９】
加熱冷却処理時の保持時間に関しては、製品温度が所定温度に達するに必要な時間であり、気相の場合は２０分以上、液相の場合は１０分以上であることが好ましい。また、加熱冷却処理回数に関しては、アルミニウム−セラミックス複合体の種類、処理温度域、温度差により異なるが、製品寸法が安定する迄（具体的には製品寸法増が無くなる迄）実施することが好ましい。
【００３０】
加熱冷却処理後のアルミニウム−セラミックス複合体は、複合体由来の残留応力が除去されている為、その後の温度２０℃と１５０℃のヒートサイクル試験を１０回実施した場合、その際の寸法変化量が３０ｐｐｍ以下であり、寸法安定性に優れている。一方、加熱冷却処理での複合体由来の残留応力除去が不十分な場合は、温度２０℃と１５０℃のヒートサイクル試験を１０回実施した場合、寸法変化量が３０ｐｐｍを超えてしまうことがあり、この場合は、更に、加熱冷却処理を実施することにより、目的とする寸法安定性を確保することが出来る。
【００３１】
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、温度１５０℃の熱膨張係数が１０×１０−６/Ｋ以下であることが好ましく、温度勾配のある環境下で高精度の平坦度等が要求される用途で用いられる治具、例えば半導体製造治具等に好適である。温度１５０℃の熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋを超えると、上記した半導体製造治具等に用いる場合、使用時の微妙な温度勾配により、複合体自体の熱膨張により平坦度等が確保できなくなることがある。熱膨張係数については、例えばセラミックス製の静電チャック等の部材と接合して用いる場合、接合する部材の熱膨張係数に合わせることが好ましい。
【００３２】
また、本発明の複合体は、温度２０℃における熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。これは、放熱が要求される部品に用いる場合に好適であり、且つ上記した半導体製造治具等に用いる場合にも、熱伝導特性に優れる材料は、複合体自他の熱勾配を低減する効果があり好ましい。
【実施例】
【００３３】
（実施例１〜１１、比較例１〜４）
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−８０、平均粒径：２００μｍ）１２００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−１５０、平均粒径：１００μｍ）１２００ｇ、炭化珪素粉末Ｃ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）６００ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）３００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３００ｍｍ×１８ｍｍの寸法の平板状に面圧３０ＭＰａでプレス成形した。
【００３４】
得られた成形体を、温度１２０℃で２時間乾燥後、大気中、温度９５０℃で２時間焼成して、気孔率が２８％の炭化珪素プリフォームを得た。得られた炭化珪素プリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、１５ｍｍの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法がΦ２９０ｍｍの形状に外周部を加工した。
【００３５】
得られた炭化珪素プリフォームは、両主面を０．５ｍｍｔの黒鉛シートで挟んで、上下に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つのブロックとした。次に、このブロックを電気炉で６５０℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径Φ４００ｍｍ×３００ｍｍｔのプレス型内に収め、シリコンを１２質量％及びマグネシウムを１質量％含有するアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２５分間加圧して炭化珪素プリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだ黒鉛シートをはがしてアルミニウム−炭化珪素複合体を得た。
【００３６】
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ長さ１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、温度２０℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（アルバック社製；ＴＣ３０００）で測定した。その結果、温度１５０℃の熱膨張係数は６．２×１０-6／Ｋ、温度２０℃での熱伝導率は２１５Ｗ／ｍＫであった。
【００３７】
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体を、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが：１４ｍｍとなるように両面を均一に研削加工した。その後、部材を外形寸法がΦ２８０ｍｍの形状に外周部を研削加工した。得られた加工品は、表１に示す条件にて、含浸時及び加工時の歪み除去のためのアニール処理を行った後、表２に示す条件の加熱冷却処理を実施した。アルミニウム−炭化珪素複合体の各処理前後での外径（直径）寸法の変化量を三次元形状測定機で計測した。その結果を表１及び表２に示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【００４０】
次に、各処理品を温度２０℃で６０分間保持した後、温度１５０℃に加熱した乾燥器に投入し、６０分間保持するヒートサイクル試験を１０回行った。ヒートサイクル前後での各処理品の外径（直径）寸法の変化量を表３に示す。
【００４１】
【表３】
【００４２】
（実施例１２）
炭化珪素粉末Ｂ：１０００ｇ、炭化珪素粉末Ｃ：２０００ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）３００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３００ｍｍ×１８ｍｍの寸法の平板状に面圧３０ＭＰａでプレス成形した。得られた成形体を、温度１２０℃で２時間乾燥後、大気中、温度９５０℃で２時間焼成して、気孔率が４０％の炭化珪素プリフォームを得た。得られた炭化珪素プリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、１５ｍｍの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法がΦ２９０ｍｍの形状に外周部を加工した。
【００４３】
得られた炭化珪素プリフォームは、両主面を０．５ｍｍｔの黒鉛シートで挟んで、上下に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つのブロックとした。次に、このブロックを電気炉で７００℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径Φ４００ｍｍ×３００ｍｍｔのプレス型内に収め、マグネシウムを１質量％含有するアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２５分間加圧して炭化珪素プリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだ黒鉛シートをはがしてアルミニウム−炭化珪素複合体を得た。
【００４４】
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体、熱伝導率測定用試験体を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計で、温度２０℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定した。その結果、温度１５０℃の熱膨張係数は８．５×１０-6／Ｋ、温度２０℃での熱伝導率は２０５Ｗ／ｍＫであった。
【００４５】
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体を、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが：１４ｍｍとなるように両面を均一に研削加工した。その後、部材を外形寸法がΦ２８０ｍｍの形状に外周部を研削加工した。得られた加工品は、含浸時及び加工時の歪み除去のため、４時間で温度５３０℃まで加熱して２時間保持した後、１２時間で温度２０℃まで冷却するアニール処理を５回行った後、温度−７０℃で３０分間保持した後、温度８０℃で３０分間保持する加熱冷却処理を３０回実施した。アルミニウム−炭化珪素複合体の各処理前後での外径（直径）寸法の変化量を三次元形状測定機で計測した。その結果、アニール処理前後で３０５μｍの寸法増加、加熱冷却処理前後で３５μｍの寸法増加があった。
【００４６】
次に、処理品を温度２０℃で６０分間保持した後、温度１５０℃に加熱した乾燥器に投入し、６０分間保持するヒートサイクル試験を１０回行った。ヒートサイクル前後での各処理品の外径（直径）寸法の変化量は１６ｐｐｍであった。
【００４７】
（実施例１３）
炭化珪素粉末Ａ：１５００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ：９００ｇ、窒化珪素粉末（電気化学工業社製：ＳＮ−９Ｓ、平均粒径：２μｍ）６００ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）３００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３００ｍｍ×１８ｍｍｔの寸法の平板状に圧力３０ＭＰａでプレス成形した。
【００４８】
得られた成形体を、温度１２０℃で２時間乾燥後、窒素雰囲気中、温度１２００℃で２時間焼成して、気孔率が２３％のプリフォームを得た。得られたプリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、１５ｍｍの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法がΦ２９０ｍｍの形状に外周部を加工した。得られたプリフォームは、実施例１と同様にして、アルミニウム−炭化珪素／窒化珪素複合体を得た。
【００４９】
得られたアルミニウム−炭化珪素／窒化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体、熱伝導率測定用試験体を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度１５０℃の熱膨張係数、温度２５℃での熱伝導率を測定した。その結果、温度１５０℃の熱膨張係数は４．９×１０-6／Ｋであり、温度２５℃の熱伝導率は１６０Ｗ／ｍＫであった。
【００５０】
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素／窒化珪素複合体を、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが：１４ｍｍとなるように両面を均一に研削加工した。その後、部材を外形寸法がΦ２８０ｍｍの形状に外周部を研削加工した。得られた加工品は、含浸時及び加工時の歪み除去のため、４時間で温度５３０℃まで加熱して２時間保持した後、１２時間で温度２０℃まで冷却するアニール処理を５回行った後、温度−７０℃で３０分間保持した後、温度１５０℃で３０分間保持する加熱冷却処理を３０回実施した。アルミニウム−炭化珪素／窒化珪素複合体の各処理前後での外径（直径）寸法の変化量を三次元形状測定機で計測した。その結果、アニール処理前後で１８０μｍの寸法増加、加熱冷却処理前後で４７μｍの寸法増加があった。
【００５１】
次に、処理品を温度２０℃で６０分間保持した後、温度１５０℃に加熱した乾燥器に投入し、６０分間保持するヒートサイクル試験を１０回行った。ヒートサイクル前後での各処理品の外径（直径）寸法の変化量は１２ｐｐｍであった。
【００５２】
（実施例１４）
炭化珪素粉末Ａ：１２００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ：１２００ｇ、窒化アルミニウム粉末（トクヤマ社製：Ｈグレード、平均粒径：１．２μｍ）６００ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）３００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３００ｍｍ×１８ｍｍｔの寸法の平板状に圧力３０ＭＰａでプレス成形した。
【００５３】
得られた成形体を、温度１２０℃で２時間乾燥後、窒素雰囲気中、温度１２００℃で２時間焼成して、気孔率が２５％のプリフォームを得た。得られたプリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、１５ｍｍの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法がΦ２９０ｍｍの形状に外周部を加工した。得られたプリフォームは、実施例１と同様にして、アルミニウム−炭化珪素／窒化アルミニウム複合体を得た。
【００５４】
得られたアルミニウム−炭化珪素／窒化アルミニウム複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体、熱伝導率測定用試験体を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度１５０℃の熱膨張係数、温度２５℃での熱伝導率を測定した。その結果、温度１５０℃の熱膨張係数は５．１×１０-6／Ｋであり、温度２０℃の熱伝導率は１９０Ｗ／ｍＫであった。
【００５５】
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素／窒化アルミニウム複合体を、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが：１４ｍｍとなるように両面を均一に研削加工した。その後、部材を外形寸法がΦ２８０ｍｍの形状に外周部を研削加工した。得られた加工品は、含浸時及び加工時の歪み除去のため、４時間で温度５３０℃まで加熱して２時間保持した後、１２時間で温度２０℃まで冷却するアニール処理を５回行った後、温度−７０℃で３０分間保持した後、温度１００℃で３０分間保持する加熱冷却処理を３０回実施した。アルミニウム−炭化珪素／窒化アルミニウム複合体の各処理前後での外径（直径）寸法の変化量を三次元形状測定機で計測した。その結果、アニール処理前後で２２０μｍの寸法増加、加熱冷却処理前後で４３μｍの寸法増加があった。
【００５６】
次に、処理品を温度２０℃で６０分間保持した後、温度１５０℃に加熱した乾燥器に投入し、６０分間保持するヒートサイクル試験を１０回行った。ヒートサイクル前後での各処理品の外径（直径）寸法の変化量は１４ｐｐｍであった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス多孔体にアルミニウム合金を含浸し、アニール処理を行った後、温度−２００℃〜３５０℃の温度範囲にて、温度差１００℃以上の加熱冷却処理を行うことを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体の製造方法。
【請求項２】
セラミックス多孔体が、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム−セラミックス複合体の製造方法。
【請求項３】
温度２０℃と１５０℃のヒートサイクル試験を１０回行った後の寸法変化量が、３０ｐｐｍ以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の製造方法で作製されたアルミニウム−セラミックス複合体。
【請求項４】
温度２０℃の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上および温度１５０℃の熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の製造方法で作製されたアルミニウム−セラミックス複合体。
【請求項１】
セラミックス多孔体にアルミニウム合金を含浸し、アニール処理を行った後、温度−２００℃〜３５０℃の温度範囲にて、温度差１００℃以上の加熱冷却処理を行うことを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体の製造方法。
【請求項２】
セラミックス多孔体が、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム−セラミックス複合体の製造方法。
【請求項３】
温度２０℃と１５０℃のヒートサイクル試験を１０回行った後の寸法変化量が、３０ｐｐｍ以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の製造方法で作製されたアルミニウム−セラミックス複合体。
【請求項４】
温度２０℃の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上および温度１５０℃の熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の製造方法で作製されたアルミニウム−セラミックス複合体。
【公開番号】特開２００９−１４９４５５（Ｐ２００９−１４９４５５Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２６７６４（Ｐ２００７−３２６７６４）
【出願日】平成１９年１２月１９日（２００７．１２．１９）
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１９日（２００７．１２．１９）
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
【Ｆターム（参考）】
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