DE69609742T2

DE69609742T2 - Verbundene keramische Bauteile und Verfahren zur Herstellung davon

Info

Publication number: DE69609742T2
Application number: DE69609742T
Authority: DE
Inventors: Tomoyuki Fujii; Ryusuke Ushikoshi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1995-02-09
Filing date: 1996-02-07
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2016-02-08
Also published as: EP0726239B1; JP3813654B2; EP0726239A2; JPH08277173A; EP0726239A3; KR960031402A; TW397808B; US6020076A; DE69609742D1

Description

Hintergrund der Erfindung

(1) Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Metall-Keramik-Verbundstrukturen, bei denen ein Keramikelement mittels eines Hartlötmaterials an ein metallisches Verbindungselement gebunden ist, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

(2) Stand der Technik

Bisher wurden Verbundprodukte aus Aluminiumnitridelementen und Keramikelementen sowie Verbundprodukte aus Aluminiumnitridelementen und metallischen Elementen auf verschiedene Arten konstruiert und für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise müssen im Fall von Keramik-Heizkörpern, elektrostatischen Einspannvorrichtungen, Hochfrequenz-Elektroden usw., die, für Vorrichtungen zur Halbleitererzeugung eingesetzt werden, Aluminiumnitridelemente und verschiedene Keramikelemente, Aluminiumnitridelemente und metallische Passungen für Thermoeelementsätze, Aluminiumnitridelemente und Elektroden usw. miteinander verbunden werden.
Es sind herkömmliche Keramik-Verbundstrukturen bekannt, bei der ein Hartlötmaterial zwischen einem Keramikelement und einem metallischen Verbindungselement angeordnet ist und das Keramikelement und das metallische Verbindungselement durch Erhitzen des Hartlötmaterials miteinander verbunden werden. (Siehe beispielsweise EP-A- 361.678 und US-A-4.596.354). Die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes haben bei Forschungsarbeiten zur Verbesserung der Keramik-Verbundstruktur unter Verwendung eines solchen Hartlötmaterials entdeckt, dass die Verbundfestigkeit des Keramikelements und des metallischen Verbindungselements, die durch herkömmliches Hartlöten miteinander verbunden sind, in manchen Fällen nicht ausreicht.
Die EP-A-375.589 beschreibt eine Konstruktion, bei der ein Keramikfaserkörper über Metalldrähte, die zu einem Faserkörper verwoben und über Hartlötmetall an das Substrat angelötet werden, an einem Metallkörper befestigt ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß vorliegender Erfindung werden eine-Metall-Keramik-Verbundstruktur mit zufriederistellender Verbundfestigkeit sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung bereitgestellt.
Die Metall-Keramik-Struktur gemäß vorliegender Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt.
Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung zur Herstellung einer Metall-Keramik-Verbundstruktur ist in Anspruch 12 dargelegt.
Die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes haben entdeckt, dass das Keramikelement und das metallische Verbindungselement mit zufriedenstellender Verbundfestigkeit miteinander verbunden werden, indem ein metallisches Element so in das Keramikelement eingebettet wird, dass ein Teil des metallischen Elements an der Verbindungsfläche des Keramikelements, die mit dem Hartlötmaterial in Kontakt treten soll, freiliegt, um teilweise den gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitt zu bilden, und indem das Keramikelement und der gegenüber dem Metall freiliegende Abschnitt des metallischen Elements, der am Keramikelement freiliegt, mit dem Hartlötmaterial verbunden werden. Dadurch kann, selbst wenn das verwendete Keramikelement nur schwer mit dem Hartlötmaterial benetzt werden kann, hohe Verbundfestigkeit erzielt werden.
Da nämlich das Keramikelement nicht nur zwischen der Verbindungsfläche des Keramikelements und des Hartlötmaterials, sondern auch zwischen dem Hartlötmaterial und dem gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitt mit guter Verbindbarkeit zum Hartlötmaterial mit dem Hartlötmaterial verbunden wird, kann die tatsächliche oder wesentliche Verbindungsfläche erhöht werden, um die Keramik-Verbundstruktur mit ausreichender Verbindungsfestigkeit und erhöhter Beständigkeit gegenüber Belastung erhalten werden. Wie weiter unten ausgeführt ist es weiters möglich, eine Keramik-Struktur zu erhalten, die zufriedenstellende Korrosionsbeständigkeit am gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitt des metallischen Elements und der Verbindungsfläche des metallischen Verbindungselements aufweist, selbst wenn sie in korrodierender Atmosphäre, wie z. B. einem Halogengas; verwendet wird, da der Verbindungszustand zwischen dem Keramikelement und dem Hartlötelement auf zufriedenstellende Weise ohne nennenswerte Zwischenräume gebildet wird.
Das gemäß vorliegender Erfindung verwendete Hartlötmaterial ist nicht speziell auf eine spezifische chemische Zusammensetzung beschränkt.
Es ist jedoch vorzuziehen, ein Hartlötmaterial zu verwenden, das zufriedenstellende Verbindungsfestigkeit und Benetzbarkeit mit dem Keramikelement selbst aufweist. Wenn eine solche Keramik-Verbundstruktur zur Verwendung unter Einwirkung eines korrosiven Gases auf Halogenbasis bestimmt ist, wird vorzugsweise dichtes Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid als Material für das Keramikelement verwendet. In diesem Fall ist es vorzuziehen, ein Hartlötmaterial zu verwenden, das aus einem Metall als Hauptkomponente, ausgewählt aus Cu, Ni und Al, aus 0,3 bis 20 Gew.-% zumindest eines aktiven Metalls, ausgewählt aus Mg, Ti, Zr und Hf, und aus nicht mehr als 50 Gew.-% einer dritten Komponente besteht. Wenn die Keramik-Verbundstruktur für eine Verwendung bestimmt ist, die Korrosionsbeständigkeit gegen das korrosive Gas auf Halogenbasis erfordert, ist es vorzuziehen, die Verwendung eines Hartlötmaterials auf Ag-Basis zu vermeiden, weil Ag geringe Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Vorzugsweise wird als dritte Komponente zumindest eines von Si, Al, Cu und In verwendet, weil das keine negativen Auswirkungen auf die Hauptkomponente hat. Weiters ist es besonders vorzuziehen, ein Hartlötmaterial zu verwenden, das als Hauptkomponente Al enthält, weil ein solches Hartlötmaterial das Verbinden bei niedrigen Temperaturen und daher geringere thermische Belastungen nach dem Verbinden ermöglicht.
Wenn die Compoundierungsmenge des aktiven Metalls unter 0,3 Gew.-%, bezogen auf 100 Gew.-% des Hartlötmaterials, liegt, nimmt seine Benetzungsfähigkeit ab, was das Verbinden unmöglich machen kann. Wenn die Compoundierungsmenge andererseits über 20 Gew.-% liegt, wird eine an der Verbindungsfläche gebildete Reaktionsschicht dick, was Rissbildung verursachen kann. Weiters nimmt die Menge von intermetaltischön Verbindungen zu, wenn die Gesamt-Compoundierungsmenge der dritten Komponente über 50 Gew.-% liegt, was zur Rissbildung an der Verbindungsfläche führen kann. Daher ist es vorzuziehen, die Gesamt-Compoundierungsmenge der dritten Komponente auf nicht mehr als 50 Gew.-% zu senken. Die dritte Komponente kann auch gänzlich aus dem Hartlötmetall weggelassen werden.
Insbesondere, wenn im Fall des Verbindens des Aluminiumnitrids mit dem metallischen Verbindungselement ein Hartlötmaterial verwendet wird, das aus einem aus Kupfer, Aluminium und Nickel ausgewählten Metall als Hauptkomponente und aus 0,3 Gew.-% bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Hartlötmaterials, zumindest eines aus Magnesium, Titan, Zirkonium und Hafnium ausgewählten aktiven Metalls besteht, weist der Verbindungsabschnitt zwischen dem Aluminiumnitridelement und dem gegenüberliegenden Element deutlich verbesserte Korrosionsbeständigkeit gegen das korrosive Gas auf Halogenbasis und verbesserte Benetzungsfähigkeit für das Aluminiumnitridelement auf.
Es wurde festgestellt, dass 0,3 Gew.-% oder mehr zumindest eines aktiven Metalls die Benetzungsfähigkeit für das Aluminiumnitridelement deutlich erhöhen. Wenn die Menge des zumindest einen aktiven Metalls auf 1,0 Gew.-% oder mehr erhöht wird, wird diese Benetzungsfähigkeit weiter erhöht. Anderseits erhöhen nicht mehr als 10 Gew.-% zumindest eines aktiven Metalls die Korrosionsbeständigkeit des Hartlötmaterials gegenüber dem korrosiven Gas auf Halogenbasis beträchtlich. Vom obigen Standpunkt aus ist es vorzuziehen, dass die Compoundierungsmenge zumindest eines aktiven Metalls nicht über 5,0 Gew.-% liegt.
Da Magnesium, das als aktives Metall im Hartlötmaterial verwendet wird, während des Verbindens teilweise verdampft, kann der Magnesiumgehalt in der Verbindungsschicht nach dem Hartlöten geringer als 0,3 Gew.-% sein, selbst wenn Magnesium in einer Compoundierungsmenge von 0,3 Gew.-% oder mehr eingesetzt wird.
Der Gehalt an Aluminium, Nickel oder Kupfer als Hauptkomponente ist ein Wert, der durch Subtrahieren des Gesamtgehalts des aktiven Metalls und der dritten Komponente von 100 Gew.-% des gesamten Hartlötmaterials erhalten wird.
Da das obige feste Verbinden des Hartlötmaterials mit dem Aluminiumnitridelement nicht nur die Verbindungsfestigkeit erhöhen, sondern auch die Ausbreitung von Korrosion entlang der Grenzfläche zwischen der Verbindungsschicht und dem Aluminiumnitridelement verhindern kann, wird das Korrodieren des metallischen Verbindungselements und des gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitts an der Verbindungsfläche erschwert.
Für ein Hartlötmaterial auf Aluminiumlegierungsbasis ist es vorzuziehen, dass 1 bis 2 Gew.-% Magnesium und 9 bis 12 Gew.-% Silizium enthalten sind, um die Benetzungsfähigkeit zu erhöhen.
Weiters ist es vorzuziehen, dass vor dem Verbinden auf der zumindest einen Oberfläche des Keramikelements, mit der das Hartlötmaterial verbunden wird, und der Oberfläche des Hartlötmetalls, die mit dem Aluminiumnitridelement verbunden wird, durch Sputtern, Dampfabscheidung, Friktionspressenkontaktierung, Plattierung oder dergleichen ein Film aus zumindest einem aus Kupfer, Aluminium und Nickel ausgewählten Metall ausgebildet wird. Dieser Film erhöht die Benetzbarkeit mit dem Hartlötmaterial. Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass vor dem Verbinden ein Film aus zumindest einem aus Magnesium, Titan, Zirkonium und Hafnium ausgewählten Metall auf der zumindest einen Oberfläche des ersten Elements aus Aluminiumnitrid, die mit dem zweiten Element zu verbinden ist, und der Oberfläche des Hartlötmaterials, die mit dem Aluminiumnitridelement zu verbinden ist, durch Sputtern, Dampfabscheidung, Friktionspressenkontaktierung, Plattierung oder dergleichen ausgebildet wird. Dieser Film fördert die Reaktion mit dem Hartlötmaterial. Die Dicke jedes der obigen Metallfilme beträgt vorzugsweise 0,5 bis 5 um.
Als korrosives Gas auf Halogenbasis können beispielsweise CF&sub4;, NF&sub3;, ClF&sub3;, HF, HCl und HBr genannt werden. Von CF&sub4;, NF&sub3; und ClF&sub3; hat ClF&sub3; einen besonderen hohen F-Radikal-Dissoziationsgrad und die höchste Korrosionsbeständigkeit, wenn sie bei gleicher Temperatur und gleichem Plasmaoutput verglichen werden. Die Dicke der Verbindungsschicht beträgt vorzugsweise nicht weniger als 1 um und vorzugsweise nicht mehr als 500 um.
Wenn die Keramik-Verbundstruktur gemäß vorliegender Erfindung als Element eingesetzt werden soll, das dem korrosiven Gas auf Halogenbasis ausgesetzt werden soll, wird die Keramik-Verbundstruktur vorteilhafterweise auf ein Produkt angewandt, das in eine Halbleiter-Erzeugungsvorrichtung einzubauen ist, wobei das korrosive Gas auf Halogenbasis als Filmbildungsgas oder Ätzgas verwendet wird.
Als derartiges Produkt können beispielsweise Vorrichtungen vom Positiv-Typ erwähnt werden, wie z. B. Keramikheizkörper, bei denen ein Widerstandsheizelement in ein Aluminiumnitridsubstrat eingebettet ist, elektrostatische Keramik-Einspannvorrichtungen, bei denen eine elektrostatisch fixierende Elektrode in ein Aluminiumnitridsubstrat eingebettet ist, mit elektrostatischer Einspannvorrichtung versehene Heizkörper, bei denen ein Widerstandsheizelement und eine elektrostatisch fixierende Elektrode in einem Aluminiumnitridsubstrat eingebettet sind, und eine Hochfrequenzwellen erzeugende Elektrodenvorrichtung, bei der eine Plasma erzeugende Elektrode in ein Aluminiumnitridsubstrat eingebettet ist.
Außerdem können beispielsweise Vorrichtungen wie Dummy-Wafers, Schattenringe, Röhren zur Erzeugung von Hochfrequenzplasma, Kuppeln zur Erzeugung von Hochfrequenzplasma, ein Hochfrequenzwellen-Durchlassfenster, Infrarotstrahlen-Durchlassfenster, Hebestifte zum Halten von Halbleiter-Wafers, Brausen usw. erwähnt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachstehend als Beispiele angeführt.

A. Metall-Keramik-Verbundstruktur

(1) Das Keramikmaterial, welches das Keramikelement bildet, ist Aluminiumnitrid.
(2) Die Verbindungsschicht umfasst als Hauptkomponente eine kontinuierliche Phase eines aus Kupfer, Aluminium und Nickel ausgewählten Metalls, und nicht mehr als 10 Gew.-% zumindest eines aus Magnesium, Titan, Zirkonium und Hafnium ausgewählten aktiven Metalls.
(3) Das das metallische Verbindungselement bildende Metall ist ein aus Nickel, Kupfer, Aluminium und Legierungen jeweils zweier oder mehrerer davon ausgewähltes Metall.
(4) Die Hauptkomponente der kontinuierlichen Phasen ist Aluminium, und Magnesium liegt als feste Lösung in der kontinuierlichen Phase vor.
(5) Disperse Phasen aus einer intermetallischen Nickel-Aluminium-Verbindung sind in der kontinuierlichen Phase ausgebildet.
(6) Das metallische Element besteht aus einem aus Molybdän, Wolfram und einer Molybdän und Wolfram umfassenden Legierung ausgewählten Metall.
(7) Der gegenüber dem Metall freiliegende Abschnitt weist eine Netzwerkstruktur auf, und das Keramikelement liegt durch Maschen der Netzwerkstruktur hindurch teilweise frei.

B. Herstellungsverfahren für die Keramikstruktur

(1) Das Hartlötmaterial umfasst nicht mehr als 50 Gew.-% einer dritten Komponente.
(2) Das Herstellungsverfahren für die Keramik-Verbundstruktur ist wie in Anspruch 10 dargelegt, wobei ein Film aus einem aus Kupfer, Aluminium, Nickel, Magnesium, Titan, Zirkonium und Hafnium ausgewählten Metall auf zumindest einer von der Verbindungsfläche des Keramikelements und der Oberfläche des Hartlötrnaterials auf der Seite des Keramikelements ausgebildet wird.
Nachstehend werden verschiedene Ausführungsformen erklärt, auf welche die vorliegende Erfindung Anwendung findet.
Fig. 1 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für eine Struktur einer elektrostatischen Einspannvorrichtung veranschaulicht. In Fig. 1 bezeichnet Bezugsziffer 1 einen elektrostatisch einspannenden Hauptkörper aus einem Keramikelement. In vielen Fällen wird eine solche elektrostatische Einspannvorrichtung mit Hochfrequenzwellen-Elektrode in einer korrosiven Gasatmosphäre auf Halogenbasis eingesetzt. Da Aluminiumnitrid und dichtes Aluminiumoxid Korrosionsbeständigkeit gegenüber eine solchen korrosiven Atmosphäre aufweisen, besteht das Keramikelement vorzugsweise aus Aluminiumnitrid oder dichtem Aluminiumoxid.
Die Bezugsziffern 4 und 5 bezeichnen einen Elektroden-Verbindungsabschnitt bzw. einen Thermoelement-Verbindungsabschnitt. Die detaillierten Strukturen des Elektroden-Verbindungsabschnitts 4 und des Thermoelement-Verbindungsabschnitts 5 werden in Fig. 1 gezeigt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Gitter 7 in den elektrostatisch einspannenden Hauptkörper 1 nahe seine Oberfläche 1a eingebettet. Dieses Gitter 7 kann als Widerstandsheizelement eines Aluminiumnitrid-Heizkörpers oder einer elektrostatisch einspannenden Elektrode eingesetzt werden.
Weiters ist im elektrostatisch einspannenden Hauptkörper 1 ein Loch 8 ausgebildet, das zur Rückfläche 1b des Hauptkörpers 1 hin offen ist. Ein Teil des Gitters 7 liegt durch die Bodenfläche 8a des Lochs 8 hindurch frei. Dadurch werden gegenüber dem Metall freiliegende Abschnitte 7a ausgebildet, wie in einem vergrößerten Maßstab in Fig. 2 gezeigt. Ein Anschluss 12 besteht aus einem korrosionsbeständigen Metall, wie z. B. Nickel, und weist einen zylindrischen Spitzenabschnitt 12a auf, dessen Durchmesser größer als der übrige Abschnitt des Anschlusses 12 ist. Eine Platte 10A aus Hartlötmaterial, das vorzugsweise die oben angeführte spezifische Zusammensetzung aufweist, ein Restspannungen abschwächendes Insertmaterial 11 und eine weitere Platte 15B aus Hartlötmaterial mit der oben angeführten Zusammensetzung sind zwischen der Spitzenendfläche 12a des Spitzenabschnitts 12b und der Bodenfläche 8a des Lochs 8 eingefügt. Der Elektroden-Verbindungsabschnitt 4 wird durch Hartläten gebildet. Fig. 1 zeigt die elektroststatische Einspannvorrichtung im nicht-verbundenen Zustand.
Was die Keramik-Verbundstruktur gemäß vorliegender Erfindung in Verbindung mit der in Fig. 1 gezeigten elektrostatisch einspannenden Vorrichtung auszeichnet, ist der obengenannte Elektroden-Verbindungsabschnitt 4. Das heißt, wie anhand eines Beispiels in Fig. 2 gezeigt, fungiert die Bodenfläche 8a des Lochs 8 des elektrostatisch einspannenden Hauptkörpers 1 aus Aluminiumnitrid als Verbindungsfläche, die direkt mit einer Verbindungsschicht 17 aus dem Hartlötmaterial in Kontakt steht. Das Gitter 7 aus Molybdän, Wolfram oder einer Legierung davon liegt teilweise an der Verbindungsfläche 8a frei, wodurch die gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitte 7a gebildet werden. Die Verbindungsschicht 17 aus dem Hartlötmaterial wird mit der Verbindungsfläche 5a aus Aluminiumnitrid und mit den gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitten 7a des Gitters verbunden.
Insbesondere wird, da bei dieser Keramik-Verbundstruktur als die obigen, gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitte eine Netzwerkstruktur verwendet wird, die Verbindungsschicht 17 alternativ dazu mit dem Aluminiumnitrid- und den gegenüber dem Metall Freiliegenden Abschnitten verbunden, wie an der Verbindungsfläche gesehen, so dass einefestere Verbindung erzielt werden kann.
Weiters ist im elektrostatisch einspannenden Hauptkörper 1 ein Loch 9 ausgebildet, das zur Rückfläche 1b des Hauptkörpers 1 offen ist. Die Bodenfläche 9a des Lochs 9 besteht aus Aluminiumnitrid. Das Loch 9 ist weniger tief als das Loch 8. Um einen Spitzenabschnitt 14a eines Thermoelements, das aus einem Paar Elektroden besteht, ist eine Kappe 15 aus Nickel zum Schutz des Thermoelements vorgesehen. Der Außendurchmesser der Kappe 15 ist etwas geringer als der Innendurchmesser von Loch 9, wodurch die Kappe 15 leicht mit einem bestimmten Abstand dazwischen in das Loch eingesetzt werden kann.
Zwischen der Spitzenendfläche der Kappe 15 und dem Bodenabschnitt 9a von Loch 9 sind eine Platte 10C aus Hartlötmaterial mit der oben angeführten Zusammensetzung, ein Insertmaterial 13 und eine weitere Platte 10D aus Hartlötmaterial mit der oben angeführten Zusammensetzung eingefügt. Der Thermoelement-Verbindungsabschnitt 5 wird durch Hartlöten gebildet.
Die Fig. 3(a) und 3(b) sind Ansichten, die jeweils die Konstruktion beispielhafter Hartlötmaterialien zur Verwendung für die Keramik-Verbundstrukturen gemäß vorliegender Erfindung veranschaulichen. In Fig. 3(A) wird das Hartlötmaterial 18A durch sandwichartiges Einfügen eines Insertmaterials 20A aus Aluminium mit einer Reinheit von 99,9% zwischen die Platten 19A und 198 aus einem Hartlötmaterial auf AI-Basis, wie z. B. einem Al-Mg-Hartlötmaterial, gebildet. Die Dicke der Platte 19A und 19ß beträgt jeweils beispielsweise 0,2 mm, während jene des Insertmaterials 20A beispielsweise 0,55 mm beträgt.
In Fig. 3(B) wird das Hartlötmaterial 18B durch sandwichartiges Einfügen eines Insertmaterials 208 aus W oder Mo zwischen die Platten 19C und 19D aus Hartlötmaterial auf Cu-Basis oder Ni-Basis gebildet. Die Oberfläche des Inserts wird vor dem Einfügen zunächst mit Ni, Al oder Cu beschichtet. Die Dicke der Platten 19C und 19D beträgt jewejls beispielsweise 0,2 mm, während jene des Insertmaterials 20B beispielsweise 0,5 mit beträgt.
Die Keramik-Verbundstruktur gemäß vorliegender Erfindung kann hergestellt werden, indem nur eine der Platten 19A, 198, 19C und 19D aus den jeweiligen Hartlötmaterialien verwendet wird. Wenn jedoch das Insertmaterial 20A oder 20B verwendet wird, wie in Fig. 3(a) oder 3(b) gezeigt, können Restspannungen auf dem Keramikelement aus Aluminiumnitrid oder dergleichen, das mit dem Hartlötmaterial verbunden ist, verringert werden, und die Wärmezyklusbeständigkeit im verbundenen Abschnitt kann verbessert werden. Daher ist die Verwendung eines Insertmaterials besonders bevorzugt.
Die Fig. 4 bis 9 sind Ansichten, die jeweils Konstruktionen anderer Keramik-Verbundstrukturen nahe Elektroden-Verbindungsabschnitten bei elektrostatischen Einspannvorrichtungen ähnlich der in Fig. 1 gezeigten darstellen. Bei jeder der Ausführungsformen in den Fig. 4 bis 9 sind die gleichen Elemente wie die in Fig. 1 gezeigten mit den gleichen Bezugszahlen versehen, und ihre Erklärung entfällt.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist ein zylindrisches Element 22 aus Ni oder Al in einem Loch 8 angeordnet, und die Bodenfläche 8a von Loch 8 wird über eine Verbindungsschicht 21 an die Unterseite des zylindrischen Elements 22 angelötet. Dann wird ein Anschlusselement 23 aus Ni oder Al in den Innenraum des zylindrischen Elements 22 eingesetzt, und das Anschluselement 23 wird an das zylindrische Element 22 wie gezeigt angeschweißt.
Bei der Ausführungsform aus Fig. 5 ist eine Wand eines Lochs 28 in Kegelstumpfform gebracht. Das Loch 28 umfasst eine ebene Bodenfläche 28a und eine geneigte Wandfläche 28b. Ein Anschluss-Endabschnitt 25 aus Ni oder AI mit einer ähnlichen Form wie jene von Loch 28 wird in 28 eingesetzt, und die geneigte Außenfläche 25a und die Bodenfläche 25b des Anschluss-Spitzenabschnitts 25 werden über Verbindungsschichten 27a bzw. 27b an die geneigte Wandfläche 28b und die Bodenfläche 28a von Loch 28 angelötet. Eine U-förmige Verbindungsschicht 27 wird durch die Verbindungsschichten 27ä und 27b gebildet. Daraufhin wird ein Anschlusselement 26 aus Ni oder Al an den Anschlussabschnitt 25 angeschweißt.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform kann die Verbindungsfläche vergrößert werden, indem der kegelstumpfförmige Abschnitt (die geneigte Umfangsfläche des Lochs) an den Anschluss-Endabschnitt 25 angelötet wird, so dass durch die Verbindungsschicht 27a Gasdichtheit gegeben ist. So kann dem Bodenabschnitt 28a eine extrem gasdichte Struktur verliehen werden. Weiters wird, wenn der Anschluss-Endabschnitt 25 in das Loch 28 eingesetzt wird, der Anschluss-Endabschnitt 25 von der Oberseite nach unten gedrückt, so dass der Anschluss-Endäbschnitt 25 nicht nur auf die Verbindungsschicht 27b, sondern auch auf die Verbindungsschicht 27a mit geneigtem Umfang drückt. Demgemäß wird die Umfangsseite des Anschluss-Endabschnitts 25 gesicherter an das Loch angelötet.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist ein Loch 30a in einem zentralen Abschnitt eines Anschluss-Endabschnitts 30 mit geneigtem Umfang vorgesehen, wie in der Ausführungsform von Fig. 5 gezeigt. Ein stabförmiges Anschlusselement 29 mit einem Spitzenabschnitt 29a wird in das Loch 30a des Anschluss-Endabschnitts 30 eingesetzt und fixiert. Der Spitzenabschnitt 29a wird unter Ausübung einer Belastung gegen den Boden 28a eines Lochs 28 gedrückt und daran angelötet, wodurch eine gelötete Schicht 27 gebildet wird.
Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform wird eine dünne Scheibe 32 aus Ni oder AI, deren Außendurchmesser beinahe gleich groß wie der Innendurchmesser des Lochs 8 ist, über eine Verbindungsschicht 21 an den Boden 8a des Lochs angelötet. Daraufhin wird ein Anschlusselement 26 aus Ni oder AI beispielsweise durch Schweißen mit der Scheibe 32 verbunden, wodurch eine Elektrode gebildet wird. Bei der Ausführungsform aus Fig. 7 können die thermischen Spannungen während der Herstellung durch die Verwendung der Scheibe 32 abgeschwächt werden.
Bei der Ausführungsform aus Fig. 8 wird ein zylindrisches Zwischenelement 34 aus Aluminiumnitrid an den Boden 8a des Lochs 8 angelötet. Gleichzeitig damit wird ein Anschlusselement 23 aus Ni oder Al in den Innenraum des Zwischenelements 34 eingesetzt, und das Anschlusselement 23 wird an den Boden 5a angelötet, wodurch eine Elektrode gebildet wird. Bei der Ausführungsform aus Fig. 8 können die thermischen Spannungen abgeschwächt werden, indem nicht nur das Anschlusselement 23, sondern auch das Zwischenelement 32 aus Aluminiumnitrid an den Boden Ba angelötet wird. In Fig. 8 verbindet ein Abschnitt 33a einer Verbindungsschicht 33 das Zwischenelement 34 mit dem Keramikelement 1 und dem gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitt 7a, während ein Abschnitt 33b der Verbindungsschicht 33 gegenüber dem Innenraum des Lochs 8 freiliegt und ein Abschnitt 33c das metallische Anschlusselement 23 mit dem Keramikelement und dem gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitt 7a verbindet.
Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform ist ein Loch 35 unter dem Loch 8 ausgebildet, und ein metallisches Element 7 innerhalb eines Keramikelements (des elektrostatisch einspannenden Hauptkörpers) 1 liegt gegenüber dem Loch 34 in Form der gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitte 7a frei. Ein metallisch leitendes Element 36 ist mit der Bodenfläche von Loch 35 und den gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitten 7a dort verbunden, so dass das metallische leitende Element 36 elektrisch mit dem Gitter 7 verbunden sein kann. Das metallisch leitende Element 36 kann eine Metallplatte oder ein durch Pulvermetallurgie gebildeter Metallblock sein. Eine Spitzenfläche eines Anschlusselements 23 wird an das metallische leitende Element 36 und den Boden 8a von Loch 8 angelötet. Eine der Hauptflächen einer Verbindungsschicht 21 steht mit dem Anschlusselement 23 in Kontakt, und die andere steht mit dem metallisch leitenden Element 36 und dem Keramikelement 1 in Kontakt.
Bei der Fig. 10 gezeigten Ausführungsform wird anstelle des metallischen leitenden Elements 36 ein Gitter 7 verwendet. Das heißt, ein Teil des Gitters 7 wird geschnitten, und die geschnittenen Abschnitte 37 werden zur Rückfläche 1a des Keramikelements 1 hochgebogen. Das Keramikelement 1 wird in diesem Zustand gebrannt. Dabei liegen Endflächen 37a der gebogenen Abschnitte 37 an der Rückfläche 1a frei. In diesem Zustand wird eine Endfläche eines Anschlusselements 23 über eine Verbindungsschicht 38 an die Rückfläche 1b des Keramikelements 1 und die Endflächen 37a der geschnittenen und gebogenen Abschnitte 37 angelötet.
Bei den in den Fig. 9 und 10 gezeigten Ausführungsformen ist es nicht notwendig, in mühevoller Arbeit ein Loch an einer Stelle auszubilden, die einem Abschnitt des Gitters 7 entspricht. Demgemäß kann daher der Elektroden-Verbindungssabschnitt leichter ausgebildet werden.
Die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes haben nach den obengenannten Verbindungsverfahren verschiedene Verbundprodukte hergestellt, die aus Aluminiumnitrid-Elementen bestehen, ihre Verbindungsabschnitte und die Strukturen der Verbindungsschichten im Detail untersucht und die Strukturen der verbundenen Abschnitte und der Verbindungsschichten im Detail untersucht.
Die Fig. 11(a) und 11(b), 1 (b), 12(a) und 12(b) sowie 13(a) und 13(b) sind schematische Schnittansichten, welche die gemäß vorliegender Erfindung gebildeten Verbindungsschichten in vergrößertem Maßstab darstellen. In Fig. 11 (a) ist eine Verbindungsschicht 41A zwischen einem Aluminiumnitrid-Element 1 und einer Oberfläche 40a eines metallischen Verbindungselements 40 ausgebildet. Diese Verbindungsschicht 41A Umfasst eine kontinuierliche Phase 42, die hauptsächlich aus einem aus Kupfer, Aluminium und Nickel ausgewählten Metall besteht.
Eine aktive Metallschicht 43 aus zumindest einem aus Titan, Zirkonium und Hafnium ausgewählten aktiven Metall ist auf einer Oberfläche der Verbindungsschicht 41A auf einer Seite des Aluminiumnitridelements 1 ausgebildet. Es wird angenommen, dass, da diese aktiven Metalleschwer in feste Lösung in einer Hauptkomponente des Hartlötmaterials gebracht werden können, aber eine Verbindungsfläche 8a (28a) des Aluminiumnitridelements 1 leicht benetzen, ein solches aktives Metall in Schichtform gebildet wird. Die Fig. 11 (a) und 11 (b), 12(a) und 1 (b) sowie 13(a) und 13(b) veranschaulichen das Verbinden des elektrostatisch einspannenden Hauptkörpers 1 und des metallischen Verbindungselements 40, wie oben erwähnt. Dieses metallische Verbindungselement 40 kann eines der obengenannten Anschlusselemente sein. Weiters können, was andere Arten von Aluminumnitridelementen und die metallischen Verbindungselemente betrifft, Verbindungsschichten gebildet werden wie in den Fig. 11 (a) und 11 (b), 12(a) und 12(b) sowie 13(a) und 13(b) dargestellt.
In der Verbindungsschicht 41 B aus Fig. 11 (b) ist die Konstruktion der kontinuierlichen Phase 42 und der aktiven Metallschicht 42 die gleiche wie bei der Verbindungsschicht 41A aus Fig. 11(a), aber in der kontinuierlichen Phase 42 ist eine Anzahl von dispersen Phasen 44 ausgebildet. Diese dispersen Phasen 44 sind Teilchen aus der dritten Komponente im Hartlötmaterial.
In der Verbindungsschicht 41 C aus Fig. 12(a) ist eine Anzahl disperser Phasen 44 in einer kontinuierlichen Phase 46 ausgebildet. Die dispersen Phasen 44 sind Teilchen der dritten Komponente im Hartlötmaterial. Die kontinuierliche Phase 46 ist mit einer Oberfläche 40a eines metallischen Verbindungselements 40 verbunden und auch fest mit einer Verbindungsfläche 8a (28a) des Aluminiumnitridelements 1 und den gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitten 7a verbunden. Die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes haben entdeckt, dass, wenn die Hauptkomponente und die zweite Komponente des Hartlötmaterials Aluminium bzw. Magnesium sind, eine kontinuierliche Phase gebildet wird, in der Magnesium in fester Lösung vorliegt. In diesem Fall wird anders als bei den Mikrostrukturen der Verbindungsschichten in den Fig. 11 (a) und 11 (b) keine aktive Metallschicht auf der Oberfläche der Verbindungsschicht auf einer Seite des Aluminiumnitridelements 1 gebildet. Als Ergebnis ist die Hauptkomponente der in Fig. 12(a) gezeigten kontinuierlichen Phase 46 Aluminium, und Magnesium liegt in fester Lösung in der kontinuierlichen Phase 46 vor.
In der Verbindungsschicht 41 D in Fig. 12(b) sind die Hauptkomponente und die zweite Komponente (aktive Metallkomponente) des Hartlötmaterials Aluminium bzw. Magnesium. Ein Nickelelement 50 dient als metallisches Verbindungselement. Dadurch reagiert das Nickelelement 50 während des Hartlötens mit Aluminium im Hartlötmaterial, so dass entlang einer Oberfläche 50a des Nickelelements 50 eine Schicht 48 aus einer intermetallischen Nickel-Aluminium-Verbindung gebildet wird.
In einer Verbindungsschicht 41 E in Fig. 13(a) sind zahlreiche disperse Phasen 44 aus Teilchen der dritten Komponente im Hartlötmaterial und zahlreiche disperse Phasen 51 aus der intermetallischen Nickel-Aluminium-Verbindung gemeinsam in der kontinuierlichen Phase 46 dispergiert. Um eine solche Mikrostruktur herzustellen, sind die Hauptkomponente und die aktive Metallkomponente des Hartlötmaterials Aluminium bzw. Magnesium, und die dritte Komponente wird in das Hartlötmaterial aufgenommen. Ein Nickelfilm wird zunächst auf einer Verbindungsfläche 8a (28a) des Aluminiumnitridelements 1 ausgebildet, oder alternativ dazu wird ein solcher Nickelfilm zunächst auf einem plattenförmigen Hartlötmaterial auf der Seite des Aluminiumnitridelements 1 ausgebildet.
Daraufhin erfolgt Hartlöten, so dass die kontinuierliche Phase 46, in der Magnesium in fester Lösung in Aluminium vorliegt, hergestellt wird und die dispersen Phasen 51 in der kontinuierlichen Phase 46 durch Bildung der intermetallischen Nickel-Aluminium-Verbindung durch Reaktion zwischen Nickel im dünnen Nickelfilm und Aluminium und anschließendes Dispergieren einer solchen intermetallischen Nickel-Aluminum-Verbindung gebildet werden.
Wenn das gleiche Hartlötmaterial und das gleiche Herstellungsverfahren wie oben erwähnt eingesetzt werden und wenn weiters ein Nickelelement 50 als metallisches Verbindungselement verwendet wird, wird eine Verbindungsschicht 41 F mit einer in Fig. 13(b) gezeigten Mikrostruktur gebildet. Die kontinuierliche Phase 46 und die dispersen Phäsen 44 und 51 in der Verbindungsschicht 41 F sind jeweils die gleichen wie jene in der Verbindungsschicht 41 E aus Fig. 13(a). Weiters ist entlang der Oberfläche 50a des Nickelelements 50 eine Schicht 48 aus der intermetallischen Nickel-Aluminium-Verbindung gebildet.
Wie oben erwähnt, wird es bei den Verbindungsschichten mit den jeweiligen oben dargestellten Mikrostrukturen besonders bevorzugt, dass die Hauptkomponente der kontinuierlichen Phase Aluminium ist und Magnesium in fester Lösung in der kontinuierlichen Phase vorliegt. Die in den Fig. 12(a) und 12(b) sowie den Fig. 13(a) und 13(b) dargestellten Ausführungsformen entsprechen dem. Wenn Titan, Zirkonium oder Hafnium als aktives Metall, wie in den Fig. 11 (a) und 11 (b) gezeigt, verwendet wird, besteht die Tendenz, dass sich dieses Metall auf der Seite des Aluminiumnitridelements ansammelt und eine aktive Metallschicht bildet, so dass die Benetzbarkeit des Aluminiumnitridelements mit dem Hartlötmaterial erhöht wird.
Beispielsweise wird, wie in Fig. 14(a) gezeigt, wenn das korrosive Gas auf Halogenbasis mit der Verbindungsschicht in Kontakt gebracht wird, wie durch Pfeile A gezeigt, die Verbindungsschicht daraufhin von ihrer Oberflächenseite her korrodiert, mit dem Ergebnis, dass Oberflächen der Metallteilchen innerhalb der kontinuierlichen Phase 42 korrodiert werden. Bezugszahl 54 bezeichnet den korrodierten Bereich, wobei "L" die Breite des korrodierten Bereichs 54 ist, wie von der Oberfläche der Verbindungsschicht aus gesehen. Da die dritte Komponente, wie z. B. SiO&sub2;, mit größerer Wahrscheinlichkeit mit dem Metall als Hauptkomponente der kontinuierlichen Phase korrodiert, werden dabei die dispersen Phasen der dritten Komponente in Poren 56 umgewandelt, so dass die Poren 56 sogar an einer Stelle erzeugt werden, die tiefer als der korrodierte Bereich 54 liegt.
Dabei haben die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes entdeckt, dass die aktive Metallschicht 43 auch für die Korrosion mit dem korrodierenden Gas auf Halogenbasis anfällig war, und ein korrodierter Bereich 55 in Form einer Schicht entlang der Schicht 43 zwischen der kontinuierlichen Phase 42 und dem Aluminiumnitridelement 1 erzeugt wurde. Die Breite M des korrodierten Bereichs 55 war weitaus größer als die Breite L des korrodierten Bereichs 54 der kontinuierlichen Phase 42. Ein solcher enger schichtförmig korrodierter Bereich 55 kann jedoch die Verbindungsfestigkeit zwischen den Elementen 1 und 40 deutlich verringern.
Im Gegensatz dazu wird, wenn die Hauptkomponente der kontinuierlichen Phase Aluminium ist und Magnesium in feste Lösung in der kontinuierlichen Phase gebracht wird, kein solcher schichtförmig korrodierter Bereich 55 erzeugt. Als Folge wird die Korrosionsbeständigkeit gegen das korrodierten Gas auf Halogenbasis weiter erhöht.
Die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes haben weiters festgestellt, dass die intermetallische Nickel-Aluminium-Verbindung beträchtliche Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem korrodierenden Gas auf Halogenbasis aufweist. Beispielsweise wird, wenn das korrodierende Gas auf Halogenbasis mit der Verbindungsschicht in Kontakt gebracht wird, welche die in den Fig. 13(a) oder 13(b) gezeigte Mikrostruktur aufweist, wie durch Pfeile A in Fig. 14(b) gezeigt, die kontinuierliche Phase 46 korrodiert, und die dispersen Phasen der dritten Komponente werden korrodiert, um die Poren 56 zu bilden. Es wird jedoch keine Korrosion der Schicht 48 aus der intermetallischen Nickel-Aluminium-Verbindung beobachtet, und es wird keine Korrosion der dispersen Phasen 51 aus der intermetallischen Nickel-Aluminium-Verbindung beobachtet, einschließlich der dispersen Phasen 51 im korrodierten Bereich 54.
Auf diese Weise weist die intermetallische Nickel-Aluminium-Verbindung hohe Korrosionsbeständigkeit auf, gleichgültig, ob die Verbindung in Form der dispersen Phasen oder in Form der kontinuierlichen Phase in der Verbindungsschicht vorliegt. Insbesondere liegt eine Anzahl der dispersen Phasen 51 noch vorteilhafter in der kontinuierlichen Phase vor, die hauptsächlich aus Aluminium besteht, weil die Ausbreitung der Korrosion, die in der kontinuierlichen Phase fortschreitet, mit den in der kontinuierlichen Phase dispergierten dispersen Phasen 51 unterbrochen wird und die Korrosionsbeständigkeit der kontinuierlichen Phase selbst verbessert wird.
Die intermetallische Nickel-Aluminium-Verbindung umfasst Al&sub3;Ni, Al&sub9;Ni und AlNi. Der Teilchendurchmesser der dispersen Phasen aus der intermetallischen Nickel-Aluminium-Verbindung liegt im Allgemeinen im Bereich von 2 bis 500 um, besonders bevorzugt von 10 bis 100 um. Die Form der dispersen Phasen ist nicht speziell definiert.
Nachstehend werden tatsächliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erklärt.

Versuch 1

Verbundprodukte aus Aluminiumnitridelementen und verschiedenen metallischen Verbindungselementen wurden mittels Beispielen der Keramik-Verbundstruktur gemäß vorliegender Erfindung hergestellt, in denen ein Mo-Gitter gegenüber der Oberfläche des Aluminiumnitridelements freilag. Die Zugfestigkeit und der Verbindungszustand wurden für jedes dieser Keramikverbundelemente untersucht. Zunächst wurden Aluminiumnitridelemente und verschiedene metallische Verbindungselemente und Hartlötmaterialien hergestellt wie in Tabelle 1 angeführt. Wie in Fig. 15(a) gezeigt wurde ein Loch 8 im Aluminiumnitridelement 57 ausgebildet, in welchem das Mo-Gitter 7 eingebettet war, so dass das Mo-Gitter 7 in Form der gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitte 7a teilweise freilag. Der Durchmesser des metallischen Verbindungselements 23 war etwas geringer als der Innendurchmesser von Loch 8, so dass das metallische Verbindungselement in das Loch 8 eingesetzt werden konnte.
Als nächstes wurde, wie in Fig. 15(b) gezeigt, ein oben hergestelltes plattenfömiges Hartlötmaterial 58 zwischen einem Spitzenabschnitt des metallischen Verbindungselements 23 und dem Boden 8a von Loch 8 des Aluminiumnitridelements 57 angeordnet, gegenüber dem das Mo-Gitter 7 teilweise freilag, und die resultierende Anordnung wurde auf eine Temperatur erhitzt, die von der Zusammensetzung des Hartlötmaterials abhing. Dadurch wurden die verbundenen Keramikprodukte der Beispiele Nr. 1 bis 13 als erfindungsgemäße Beispiele und jene der Vergleichsbeispiele Nr. 1 und 2 erhalten. In den Beispielen Nr. 5 und 6 wurde vor dem Verbinden zunächst ein Ti-Film auf einer Verbindungsfläche des Aluminiumnitridelements durch Sputtern in einer Dicke von 3 um bzw. 1 um ausgebildet. In Beispiel Nr. 7 wurde durch Sputtern vor dem Verbinden ein Ti-Film auf einer Verbindungsfläche des Hartlötmaterials in einer Dicke von 1 um ausgebildet. In Beispiel Nr. 8 wurde durch Sputtern vor dem Verbinden ein AI-Film auf einer Verbindungsfläche des Aluminiumnitridelements in einer Dicke von 1 um ausgebildet. Bei den Beispielen Nr. 1 bis 8 und 10 bis 13 und den Vergleichsbeispielen Nr. 1 und 2 wurde während des Verbindens eine Belastung von 0,6 g/mm² ausgeübt, während in Beispiel Nr. 9 während des Verbindens eine Belastung von 26,5 g/mm² ausgeübt wurde.
Als letztes wurde jedes der so erhaltenen verbundenen Keramikprodukte einem Zugfestigkeitstest unterzogen, wie in Fig. 15(c) dargestellt, wodurch die Zugfestigkeit gemessen wurde. Dabei wurde das metallische Verbindungselement 23 nach oben gezogen, wie durch Pfeil C angegeben, während das Keramikelement 57 nach unten gedrückt wurde, wie durch Pfeile B gezeigt. Ein Abschnitt der Verbindungsfläche wurde ausgeschnitten und betrachtet. Bezugszahl 60 bezeichnet die Verbindungsschicht. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
Aus den Ergebnissen in Tabelle 1 ist zu erkennen, dass die Beispiele Nr. 1 bis 12 unter den Keramik-Verbundstrukturen gemäß vorliegender Erfindung, in denen das Hartlötmaterial 55 sowohl mit dem Aluminiumnitridelement 52 als auch dem Mo-Gitter 51 verbunden war, im Vergleich zu Vergleichsbeispiel Nr. 1, bei dem das Hartlötmaterial 55 mit dem Mo-Gitter 51, nicht jedoch mit dem Aluminiumnitridelement 52 verbunden war, und Vergleichsbeispiel Nr. 2, wo kein Mo-Gitter verwendet wurde, höhere Zugfestigkeit aufwiesen. Weiters ist festzustellen, dass unter den Beispielen, bei denen das Hartlötmaterial auf Al-Basis verwendet wurde, nämlich die Beispiele Nr. 5 bis 8, bei denen ein bestimmter Film auf einer Verbindungsfläche vorgesehen war, im Vergleich zu Beispiel 3 ohne derartigen Film höhere Zugfestigkeit aufwiesen. Außerdem ist auch festzustellen, dass Beispiel Nr. 9, bei dem während des Verbindens eine höhere Belastung ausgeübt wurde, im Vergleich zu Beispiel Nr. 3, bei dem während des Verbindens eine geringere Belastung ausgeübt wurde, höhere Zugfestigkeit aufwies.

Versuch 2

Ein Verbundprodukt wurde auf die gleiche Weise wie in Versuch 1 hergestellt. Genauer gesagt wurde ein Loch 8 in einem Aluminiumnitridelement 57 ausgebildet, in dem ein Mo-Gitter 7 so eingebettet war, so dass das Mo-Gitter 7 in Form der gegenüber dem Metall freiliegenden Abschnitte 7a teilweise freilag. Der Durchmesser des metallischen Verbindungselements 23 war etwas geringer als der Innendurchmesser von Loch 8, so dass das metallische Verbindungselement in das Loch 8 eingesetzt werden konnte. Eine Platte 58 mit der Zusammensetzung Al - 1,5 Mg - 10 Si wurde zwischen dem Spitzenabschnitt des Nickelelements und dem Boden 8a von Loch 8 des Aluminiumnitridelements 57 angeordnet, dem gegenüber das Ma-Gitter freilag. Ein plattierter Nickel-Film mit einer Dicke von 2 um wurde zuvor auf einer Oberfläche dieser Platte auf der Seite des Alumniumnitridelements ausgebildet.
Fig. 16 ist ein Elektronenmikrobild, das ein Keramikgewebe nahe der Verbindungsfläche des so erhaltenen Verbundprodukts darstellt. Fig. 17 ist eine Ansicht, die das Mikrobild aus Fig. 16 schematisch darstellt. Wie zu erkennen ist eine Verbindungsschicht zwischen dem Aluminiumnitridelement 8 und dem Nickelelement 40 angeordnet, eine Aluminiumschicht (der graue Abschnitt im Mikrobild), in dem Magnesium in fester Lösung vorliegt, liegt in der Verbindungsschicht vor, und eine Anzahl von dispersen Phasen 51 (weißliche Abschnitte im Mikrobild) der intermetallischen Nickel-Aluminium-Verbindung sind in dieser Aluminiumschicht ausgebildet. Weiters wird festgestellt, dass eine Anzahl enger disperser Phasen 44 (Abschnitte, die im Mikrobild erivas heller als die Aluminiumschicht sind) gebildet waren. Außerdem ist die Bildung einer Reaktionsschicht 48 aus der intermetallischen Nickel-Aluminium-Verbindung zu erkennen. Die kontinuierliche Phase des Hartlötmaterials auf Aluminiumbasis, in der Magnesium in fester Lösung vorliegt, ist nicht nur mit dem Aluminiumnitridelement 8, sondern auch mit dem metallischen Element (Mo-Gitter) 7a verbunden.
Wie aus der obigen Erklärung klar hervorgeht, ist gemäß vorliegender Erfindung die Keramik-Verbundstruktur so konstruiert, dass der gegenüber dem Metall freiliegende Abschnitt als Teil der Oberfläche des Keramikelements ausgebildet ist, mit der das Hartlötmaterial in Kontakt kommen soff, und das Keramikelement, das metallische Verbindungselement und der gegenüber dem Metall freiliegende Abschnitt sind durch das Hartlötmaterial miteinander verbunden. So sind das Keramikelement und das metallische Verbindungselement mit ausreichender Verbindungsfestigkeit in einem zufriedenstellenden korrosionsbeständigen Zustand miteinander verbunden.

Claims

1. Metall-Keramik-Verbundstruktur, umfassend einen Keramikkörper (1) und ein metallisches Verbindungselement (12, 15, 22, 23 (Fig. 8, 9, 10), 25, 29, 32, 40) die in einem Verbindungsbereich durch eine aus einem Hartlötmaterial bestehende Verbindungsschicht (17, 21, 27, 33, 38, 41) verbunden sind, die mit einander gegenüberliegenden Verbindungsflächen des Keramikkörpers (1) und des metallischen Verbindungselements in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (1) eine kontinuierliche Keramikmatrix aufweist, in die ein Metallelement (7, 36) eingebettet ist, wobei das Metallelement (7, 36) an der Verbindungsfläche des Keramikkörpers (1) teilweise freiliegt und mit der Verbindungsschicht in Kontakt steht, so dass sowohl die kontinuierliche Keramikmatrix als auch das metallische Element durch die Verbindungsschicht an das metallische Verbindungselement gebunden sind.

2. Metall-Keramik-Verbundstruktur nach Anspruch 1, worin das Metallelement (7) aus Mo oder W oder einer Mo und W umfassenden Legierung besteht.

3. Metall-Keramik-Verbundstruktur nach Anspruch 1 oder 2, worin die Verbindungsfläche des Keramikkörpers (1) zumindest eine Bodenfläche einer Ausnehmung (8, 9, 28) im Körper (1) ist.

4. Metall-Keramik-Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die eine Wafer-Heizeinrichtung oder eine Wafer-Einspannvorrichtung ist, und das metallische Verbindungselement ein elektrischer Anschluss an das eingebettete Metallelement ist.

5. Metall-Keramik-Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Keramikmaterial des Körperkörpers (1) Aluminiumnitrid ist.

6. Metall-Keramik-Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Verbindungsschicht als Hauptkomponente eine kontinuierliche Phase eines Metalls, das aus Kupfer, Aluminium und Nickel ausgewählt ist, sowie nicht mehr als 10 Gew.-% zumindest eines aktiven Metalls umfasst, das aus Magnesium, Titan, Zirkonium und Hafnium ausgewählt ist.

7. Metall-Keramik-Verbundstruktur nach Anspruch 6, worin die Hauptkomponente der kontinuierlichen Phase Aluminium ist und Magnesium in der kontinuierlichen Phase in fester Lösung vorliegt.

8. Metall-Keramik-Verbundstruktur nach Anspruch 6, worin in der kontinuierlichen Phase disperse Phasen aus intermetallischer Nickel-Aluminium-Verbindung ausgebildet sind.

9. Metall-Keramik-Verbundstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das metallische Verbindungselement aus einem Metall besteht, das aus Nickel, Kupfer und Aluminium sowie Legierungen jeweils zweier oder mehrerer davon ausgewählt ist.

10. Metall-Keramik-Verbundstruktur nach Anspruch 9, worin das metallische Verbindungselement aus Nickel besteht und auf der Verbindungsfläche des metallischen Verbindungselements eine Reaktionsschicht aus einer intermetallischen Nickel-Aluminium- Verbindung ausgebildet ist.

11. Metall-Keramik-Verbundstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der freiliegende Abschnitt des Metallelements (7) eine Netzwerkstruktur aufweist und das Keramikelement (1) durch Maschen der Netzwerkstruktur hindurch teilweise freiliegt.

12. Verfahren zur Herstellung einer Metall-Keramik-Verbundstruktur, die einen Keramikkörper (1) und ein metallisches Verbindungselement (12, 15, 22, 23 (Fig. 8, 9, 10), 25, 29, 32, 40) umfasst, die durch eine Verbindungsschicht (17, 21, 27, 33, 38, 41) aus einem Hartlötmetall miteinander verbunden sind, wobei der Keramikkörper (1) eine kontinuierliche Keramikmatrix aufweist, in die ein Metallelement (7, 36) eingebettet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

(1) die Herstellung des Keramikkörpers (1), so dass des Metallelement (7) an einer Verbindungsfläche des Keramikkörpers (1), an die das metallische Verbindungselement anzufügen ist, teilweise freiliegt;

(2) das Anordnen des Hartlötmaterials zwischen der Verbindungsfläche des Keramikkörpers (1) und einer Verbindungsfläche des metallischen Verbindungselements, so dass das Hartlötmaterial mit der Verbindungsfläche des Keramikelements, einschließlich des freiliegenden Abschnitts des Metallelement (7, 36) und der Verbindungsfläche des metallischen Verbindungselements, im Wesentlichen in Kontakt steht; und

(3) das Verbinden sowohl des Keramikkörpers (1) als auch des freiliegenden Abschnitts des Metallelements (7, 36) mit dem metallischen Verbindungselement durch die Verbindungsschicht mittels Hartlöten unter Erhitzen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, worin das Hartlötmaterial ein Metall, das aus Kupfer, Aluminium und Nickel ausgewählt ist, und 0,3 bis 20 Gew.-% zumindest eines aktiven Metalls umfasst, das aus Magnesium, Titan, Zirkonium und Hafnium ausgewählt ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, worin das Hartlötmaterial nicht mehr als 50 Gew.- % einer dritten Komponente umfasst.

15. Verfahren nach Anspruch 12, worin ein Film aus einem Metall, das aus Kupfer, Aluminium, Nickel, Magnesium, Titan, Zirkonium und Hafnium ausgewählt ist, auf zumindest einer von der Verbindungsfläche des Keramikkörpers (1) und einer Oberfläche des Hartlötmaterials auf der dem Keramikkörper zugewandten Seite ausgebildet ist.