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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eine Verbundstruktur aus einem Metallelement
und einem Keramikelement sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Derzeit
werden elektrostatische Haltevorrichtungen zum Anziehen und Halten
von Halbleiterwafern bei der Umlagerung des Halbleiterwafers, den Filmausbildungsvorgängen, etwa
der Belichtung, dem chemischen Dampfauftrag (CVD), Sputtern und dergleichen,
oder bei den Schritten der Mikrobearbeitung, Reinigung, dem Ätzen, dem
Sägen zu
Chips und dergleichen verwendet. Als Substrat für die elektrostatische Haltevorrichtung
wurden dichte Keramikmaterialien ins Auge gefasst. Insbesondere
ein korrosives Gas vom Halogentyp, etwa ClF3 oder
dergleichen wird häufig
als Ätzgas
in einer Vorrichtung zur Herstellung von Halbleitern verwendet.
Zudem sollte das Substrat für
die elektrostatische Haltevorrichtung eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, um den Halbleiterwafer rasch zu erwärmen und zu kühlen, während dieser
gehalten wird. Außerdem
sollte es temperaturwechselbeständig
sein, um kein Brechen des Substrats aufgrund einer Temperaturveränderung
zu verursachen. In diesem Zusammenhang weisen ein dichtes Aluminiumnitrid,
Aluminiumoxid und dergleichen eine hohe Korrosionsbeständigkeit
gegenüber
dem zuvor erwähnten
korrosiven Halogengas auf.
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Außerdem wird
in der Praxis auf dem Gebiet der Halbleiterherstellung ein Aufnehmer
mit einer darin enthaltenen Hochfrequenzelektrode zur Erzeugung
eines Plasmas verwendet. Auch auf dem Gebiet solcher Vorrichtungen
zur Erzeugung von Hochfrequenzleistung ist eine Metallelektrode
im Substrat aus Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder dergleichen eingebettet.
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In
diesen Vorrichtungen ist es erforderlich, dass die Metallelektrode
im Keramiksubstrat aus Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder dergleichen
eingebettet und mit einem externen Verbindungsteil zur Speisung
mit elektrischer Leistung elektrisch verbunden ist. Ein solcher
Verbindungsabschnitt ist jedoch einem thermischen Zyklus von extrem
hohen und niedrigen Temperaturen in einer Oxidationsatmosphäre oder
gar in einer Atmosphäre
aus korrosivem Gas ausgesetzt. Auch unter solch schlechten Bedingungen
muss der Verbindungsabschnitt eine hohe Verbindungsfestigkeit und
eine gute elektrische Verbindung über große Zeiträume beibehalten können.
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Die
Erfinder haben bereits ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen
Heizvorrichtung, einer elektrostatischen Haltevorrichtung oder einer
Hochfrequenzelektrodenvorrichtung vorgeschlagen, die in Halbleiterherstellungsvorrichtungen
verwendet werden, in denen ein Loch durch maschinelles Bearbeiten
des Substrats aus Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid oder dergleichen
ausgebildet ist und eine Metallelektrode im Inneren des Substrats
vom Loch heraus frei gelegt ist, und in denen ein zylindrisches
Passstück in
das Loch eingeführt
ist und eine Oberseite des Metallpassstücks an der Metallelektrode
angelötet
ist (japanische Patentanmeldung Nr. 7-21657, JP-A-8-277171).
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Allerdings
wurde bestätigt,
dass dieses Verfahren noch immer das folgende Problem aufweist.
In einigen Fällen
kann eine gegebene Verbindungsfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit
nicht gewährleistet
werden, was die Ausbeute senkt. Ist beispielsweise die Oberseite
des zylindrischen Metallpassstücks an
der Unterseite des im Keramiksubstrat ausgebildeten Gehäuselochs
angelötet,
so kann dies dazu führen,
das keine ausreichende Menge des Hartlotmaterials im Verbindungsabschnitt
des Gehäuselochs
zurückgehalten
wird, da das Hartlotmaterial durch Benetzung stark zur Seite des
Metallpassstücks
ansteigt. Daraus ergibt sich die Tendenz zu einer schwächeren Festigkeit
bei der Ausübung
einer Belastung auf das Metallpassstück.
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Eine ähnliche
Struktur ist in der EP-A-726239 gezeigt.
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Die
JP-A-02-188475 zeigt eine gelötete
Verbindung aus einem Keramikelement und einem Metallelement, bei
der ein beispielsweise aus einem Oxid, Nitrid, Carbid oder Borid
hergestellter Beschichtungsfilm auf einem Teil des Metallelements ausgebildet
ist, um eine übermäßige Benetzung durch
das Hartlotmaterial zu verhindern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Daher
ist es ein Ziel der Erfindung, die Verbindungsfestigkeit eines Metallelements
in einer Verbundstruktur aus einem Metallelement und einem Keramikelement
zu verbessern, die ein Aufnahmeloch für die Unterbringung von zumindest
einem Teil des Metallelements aufweist.
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Gemäß der Erfindung
ist eine Verbundstruktur aus einem Metallelement und einem Keramikelement
bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt ist.
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Die
Erfindung stellt weiters ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Verbundstruktur bereit, wie in Anspruch 6 dargelegt ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Verbundstruktur als Vergleichsbeispiel
ist, das von den Erfindern geprüft
wurde;
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2a eine
Schnittansicht einer Ausführungsform
eines Metallverbundelements ist, das ein Metallelement 5 und
einen auf einer Oberfläche
des Metallelements ausgebildeten Film 36 umfasst;
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2b eine
Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Metallverbundelements 13A ist;
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3 eine
schematische Schnittansicht einer Verbundstruktur ist, die einen
Zustand vor der Herstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundstruktur
aus 4 veranschaulicht;
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4 eine
schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Verbundstruktur
gemäß der Erfindung
ist;
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5a eine
teilweise ausgeschnittene perspektivische Ansicht eines Keramikelements 1 ist,
das auf die in den 3 und 4 dargestellte
Verbundstruktur anzuwenden ist;
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5b eine
perspektivische Ansicht einer Netzelektrode 2 ist, die
in das in 5a dargestellte Keramikelement
einzubetten ist; und
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die 6a–6c perspektivische
Ansichten verschiedener Ausführungsformen
einer plattenförmigen
Massivelektrode sind, die jeweils in das Keramikelement einzubetten
sind.
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BESCHREIBUNG
VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zunächst haben
die Erfinder den Versuch unternommen, ein Metallelement 5 und
ein Keramikelement 1 mit einer in 1 dargestellten
Konfiguration zu verbinden. In diesem Fall wurde eine Netzelektrode 2,
wie nachstehend noch erläutert
wird, in das Keramikelement 1 eingebettet, um als ein Stück gesintert
zu werden. Zudem wurde ein kreisrunder, konkaver Anschnitt 3 in
der rückseitigen
Oberfläche 1a des
Keramikelements 1 ausgebildet, und weiters wurde ein Aufnahmeloch 4 mit
einer im Wesentlichen kreisrunden Form im seitlichen Bereich im
Inneren des konkaven Abschnitts 3 ausgebildet. In der veranschaulichten
Ausführungsform
wurde eine Metallfolie 6 so ausgebildet, dass sie die Bodenfläche 4a des Aufnahmelochs 4 und
einen Abschnitt einer Seitenwand 4b in der Nähe der Bodenfläche abdeckt,
bevor das zylindrische Metallelement 5 in das Aufnahmeloch 4 eingeführt wurde.
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Ein
plattenförmiges
Hartlotmaterial wurde zwischen der Bodenfläche 5a des Metallelements 5 und
der Bodenfläche 4a des
Aufnahmelochs 4, die diesem gegenüberliegt, angeordnet. Zwischen
einer Seitenwandfläche 5b des
Metallelements 5 und einer Seitenwandfläche 4b es Aufnahmelochs 4 ist
ein kleiner Spalt vorhanden.
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Beim
Hartlöten
in einem solchen Zustand wird das Metallelement 5 über eine
elektrische leitende Schicht 8, die aus dem Hartlotmaterial
hergestellt ist, wie in 8 dargestellt
erfolgreich mit dem Keramikelement 1 verbunden. Allerdings
kann hierbei eine Schwächung
der Verbindungsfestigkeit des Metallelements 5, insbesondere
der Verbindungsfestigkeit gegenüber
einer Belastung, die in die durch Pfeil A dargestellte Richtung
ausgeübt
wird, sowie ein Anstieg des elektrischen Widerstands des Verbindungsabschnitts
und somit die Erzeugung von Wärme
hervorgerufen werden. Außerdem
oxidiert die Elektrode 2, wenn sie höheren Temperaturen ausgesetzt
wird, wodurch die Verbindungsfestigkeit und die elektrische Leitfähigkeit
deutlich abnehmen.
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Die
Erfinder haben die Ursachen dieser Probleme untersucht und bemerkt,
dass ein Teil des Hartlotmaterials im Verlauf des Hartlotschritts
im Spalt 9 zwischen der Seitenwandfläche 5b des Metallelements 5 und
der Seitenwandfläche 4b des
Aufnahmelochs 4 ansteigt. Da das Hartlotmaterial durch das
Hartlöten
fließfähig wird,
verflüssigt
sich das Hartlotmaterial bei der Anlegung einer geringen Last an
das Metallelement 5 und durch das Eigengewicht des Metallelements 5 und
fließt
zum Umfangsrandabschnitt des Aufnahmelochs 4. Im Allgemeinen ist
das Keramikelement, insbesondere ein Aluminiumnitridelement, nur
schwer durch das Hartlotmaterial benetzbar, sodass die Oberfläche des
Keramikelements durch das Hartlotmaterial benetzbar gemacht wird,
indem die Oberfläche
des Keramikelements mit einer Metallfolie 6 bedeckt wird.
Deshalb steigt ein Teil des Hartlotmaterials, das an der Bodenfläche 4a des
Aufnahmelochs 4 fließt,
zur Seitenwandfläche 4b desselben
hin und steigt entlang der Metallfolie 6 nach oben.
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Ein
größerer Teil
des Hartlotmaterials fließt aber
entlang der Seitenwandfläche 5b des
Metallelements 5 nach oben und benetzt die Seitenwandfläche 5b.
Folglich er gibt sich die Tendenz zur Bildung einer Hartlotmaterialschicht 11 entlang
der Seitenwandfläche 5b.
Eine solche Hartlotmaterialschicht 11 trägt kaum
zur Steigerung der Verbindungsfestigkeit des Metallelements 5 bei.
Außerdem
wird das ursprünglich
zwischen der Bodenfläche 5a des
Metallelements 5 und der Bodenfläche 4a des Aufnahmelochs 4 angeordnete
Hartlotmaterial nach oben gezogen und bildet neben der Entstehung
der Hartlotmaterialschicht 11 einen Lunker 7 aus.
Es wird angenommen, dass die Verbindungsfestigkeit des Metallelements 5 durch
den Lunker 7 geschwächt
wird. Außerdem
wird angenommen, dass die Netzelektrode 2 durch den Lunker 7 freigelegt
werden kann und oxidiert, wenn sie einer höheren Temperatur in Luft ausgesetzt
ist. Zudem wird angenommen, dass die Netzelektrode 2 korrosionsanfällig ist,
wenn sie einem korrosiven Gas, etwa Halogengas oder dergleichen, bei
hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
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Die
Erfinder haben eine derartige Verbundstruktur weiter untersucht
und haben eine Verbundstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung
entwickelt, die nachstehend beschrieben ist.
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Wie
in 2a dargestellt ist, ist ein Film 36, der
durch ein elektrisch leitfähiges
Verbindungsmaterial, etwa ein Hartlotmaterial oder dergleichen,
weniger benetzbar ist als die Oberfläche des Metallelements, auf
einer Bodenflächen 5a,
einer Seitenwandfläche 5b,
einer Oberseitenfläche 5c und
einer C-förmig
abgefasten Fläche 5d ausgebildet.
Als solcher Film ist ein Metalloxidfilm bevorzugt, es kann aber auch
ein Film, der aus einem Material hergestellt ist, das der durch
ein elektrisch leitfähiges
Verbindungsmaterial weniger benetzbar ist als das Metall des Metallelements 5,
verwendet werden. Beim Metallelement kann anstelle der C-förmig abgefasten
Fläche auch
eine rund abgefaste Fläche 5d verwendet
werden.
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Danach
wird ein Teil des Films 36 entfernt, um einen Teil der
Oberfläche
des Metallelements 5 freizulegen, um die Benetzbarkeit
des Metallelements durch das elektrisch leitfähige Verbindungsmaterial aufrechtzuerhalten.
Das heißt,
es ist erforderlich, den Film 36 von zumindest einem Abschnitt der
Seitenwandfläche 5b des
Metallelements 5 in der Nähe seiner Bodenfläche 5a zu
entfernen. Wird das Metallelement 5 als Speisungselement
für elektrische
Leistung verwendet, so ist es besonders bevorzugt, den Film 36 zumindest
von der Oberseitenfläche 5c und
der Bodenfläche 5a des
Metallelements 5 zu entfernen, um den elektrischen Widerstand
des Metallelements 5 zu mindern.
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Im
Besonderen wird ein Metallverbundelement 13A erhalten,
indem der Film 36 von der Oberseitenfläche 5c, der Bodenfläche 5a und
der C-förmig abgefasten
Fläche 5d des
Metallelements 5 entfernt wird, um einen Film 14A an
der Seitenwandfläche 5b wie
in 2b dargestellt zurückzulassen.
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Wie
in 3 dargestellt ist, wird das Metallverbundelement 13A in
das Aufnahmeloch 4 eingeführt, sodass die Bodenfläche 5a des
Metallelements 5 dem elektrisch leitfähigen Verbindungsmaterial 16, etwa
ein Hartlotmaterial oder dergleichen, gegenüberliegt. Das Keramikelement 1,
das in dieser Ausführungsform
verbunden wird, wird nachstehend noch beschrieben.
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Wie
in den 5a und 5b dargestellt
ist, ist die Netzelektrode 2 im Keramikelement 1 eingebettet.
Die Elektrode 2 umfasst einem im Wesentlichen runden Metalldraht 2a,
der den Außenumfang der
Elektrode 2 bildet, und im Inneren des Metalldrahts 2a netzförmig angeordnete
Metalldrähte 2b, wobei
Maschen 21 zwischen dem Metalldraht 2a und dem
Metalldraht 2b sowie zwischen mehreren Metalldrähten 2b ausgebildet
sind. Die Bezugszeichen 22 kennzeichnen durch Durchgangslöcher geführte Stifte,
die jeweils einen Halbleiterwafer tragen.
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In 3 ist
ein Teil 2A der Netzelektrode 2 aus einem elektrisch
leitenden Element von der Bodenfläche 4a des Aufnahmelochs 4 frei
gelegt. Eine Oberfläche
des elektrisch leitenden Verbindungsmaterials 16 liegt
der Bodenfläche 4a des
Aufnahmelochs 4 und dem freigelegten Abschnitt 2A der
Netzelektrode 2 gegenüber,
während
die Bodenfläche 5a des
Metallverbundelements 13A einer anderen Oberfläche des
elektrisch leitenden Verbindungsmaterials 16 gegenüberliegt.
Eine in 4 dargestellte Verbundstruktur
wird durch Erwärmen
des ganzen im obigen Zustand erhalten.
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In 4 ist
eine elektrisch leitende Verbindungsschicht 17 zwischen
der Bodenfläche 5a des Metallverbundelements 13A und
der Bodenfläche 4a des
Aufnahmelochs 4 ausgebildet. Beim Schmelzen eines solchen
Verbindungsmaterials fließt
das elektrisch leitende Verbindungsmaterial und benetzt dabei die
Bodenfläche
des Aufnahmelochs 4, sodass das elektrisch leitende Verbindungsmaterial
im Wesentlichen bis ans Ende der Metallfolie 6 nach oben fließt und dabei
eine aus dem elektrisch leitenden Verbindungsmaterial gebildete Überzugsschicht 18 formt.
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Gleichzeitig
benetzt das elektrisch leitende Verbindungsmaterial die Bodenfläche 5a des
Metallverbundelements 13A. Allerdings ist die Oberfläche des
an der Seitenwandfläche 5b des
Metallelements 5 ausgebildeten Films nur schwer durch das
elektrisch leitende Verbindungsmaterial benetzbar, sodass das elektrisch
leitende Verbindungsmaterial nicht entlang der Seitenwandfläche 5b des
Metallverbundelements 13A nach oben steigt. Folglich kann die
Ausbildung eines Lunkers aufgrund des übermäßigen Fließens des elektrisch leitenden
Verbindungsmaterials wie in 1 dargestellt
verhindert werden.
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In
der Erfindung ist ein Teil des im Keramikelement eingebetteten elektrisch
leitenden Verbindungsmaterials von der Bodenfläche des Aufnahmelochs 4,
das das Metallverbundelement aufnimmt, freigelegt, sodass ein solcher
freiliegender Abschnitt im Zuge der Verbindung des Keramikelements
mit dem Metallelement durch die elektrisch leitende Verbindungsschicht
mit der elektrisch leitenden Verbindungsschicht verbunden werden
kann, wodurch die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Keramikelement
und dem Metallelement verbessert werden kann. Durch die Verwendung
einer spezifischen Verbundstruktur kann selbst dann eine höhere Verbindungsfestigkeit
erhalten werden, wenn das Keramikmaterial durch das Hartlotmaterial
kaum benetzt wird.
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In
der Verbundstruktur aus 4 ist ein Teil der im Keramikelement 1 eingebetteten
Netzelektrode 2 von der Bodenfläche 4a des Aufnahmelochs 4 freigelegt,
um einen teilweise freiliegenden Abschnitt 2A zu bilden.
In der Folge kann der teilweise freiliegende Abschnitt 2A durch
die elektrisch leitende Verbindungsschicht 17 mit dem Me tallelement 5 verbunden
werden (was einem Verbindungsabschnitt 41 entspricht),
während
das Keramikmaterial 1 mit der elektrisch leitenden Verbindungsschicht 17 verbunden
wird (was einem Verbindungsabschnitt 40 entspricht). Das
im Keramikelement 1 eingebettete elektrisch leitende Material
ist vorzugsweise ein plattenförmiges,
massives Material, das aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt hergestellt
ist, da es gemeinsam mit dem Keramikpulver gebrannt wird. Als Metalle
mit hohem Schmelzpunkt können
Tantal, Wolfram, Molybdän,
Platin, Rhenium, Hafnium und Legierungen dieser aufgeführt werden.
Hinsichtlich des Schutzes des Halbleiters vor Verschmutzungen ist
die Verwendung von Tantal, Wolfram, Molybdän, Platin und Legierungen derselben
günstig.
Ein Metall, dessen Wärmeausdehnung
im Wesentlichen jener des Keramikmaterials entspricht, ist aufgrund
des gemeinsamen Brennvorgangs besonders bevorzugt. Beispielsweise
sind für
Aluminiumnitrid die Metalle Molybdän, Wolfram und Legierungen
dieser bevorzugt.
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Als
plattenförmiges,
massives Material können
die Folgenden aufgeführt
werden:
- (1) Ein aus einem dünnen Blech hergestelltes plattenförmiges,
massives Material.
- (2) Ein massives Material einer plattenförmigen Elektrode, die viele
kleine Hohlräume
ins sich ausbildet. Dies umfasst ein massives Material eines plattenförmigen Körpers, der
zahlreiche Löcher
in sich aufweist, sowie ein netzartiges massives Material. Ein Stanzmetall
kann als Beispiel für einen
plattenförmigen
Körper,
der zahlreiche Löcher
in sich aufweist, erwähnt
werden. Allerdings ist die Ausbildung von Löchern in der Platte durch Stanzen
schwierig, wenn das massive Material ein Stanzmetall mit hohem Schmelzpunkt
ist, da ein Metall mit hohem Schmelzpunkt eine hohe Härte aufweist,
wodurch die Kosten für
die maschinelle Bearbeitung ansteigen. Handelt es sich beim massiven
Material jedoch um ein Drahtgeflecht, so ist ein Drahtmaterial mit
hohem Schmelzpunkt leicht erhältlich,
sodass das Drahtgeflecht durch Verstricken der Drahtmaterialien hergestellt
werden kann.
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Beim
Drahtgeflecht unterliegen die Form, der Drahtdurchmesser und dergleichen
keinen besonderen Einschränkungen.
150 Maschen mit einem Drahtdurchmesser von 0,03 mm bis 6 Maschen
mit einem Drahtdurchmesser von 0,5 mm können problemlos verwendet werden.
Außerdem
kann die Querschnittsform der Drahtmaterialien, die das Drahtgeflecht
bilden, in der Richtung der Breite verschiedene Walzprofile aufweisen,
etwa die eines Kreises, einer Ellipse, eines Rechtecks und dergleichen.
Hier bedeutet eine Masche 1 Draht pro Zoll.
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6a ist
eine perspektivische Ansicht eines Stanzmetalls 23, das
als Metallelektrode verwendet werden kann. Das Stanzmetall 23 ist
rund durch Ausbilden einer Vielzahl an runden Löchern 23b in einer
runden Platte 23a in einer rechteckigen Anordnung gebildet. 6a ist
eine perspektivische Ansicht eines runden, dünnen Blechs 24, das
als Metallelektrode verwendet werden kann.
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6c ist
eine Draufsicht auf ein dünnes Blech 25,
das als Metallelektrode verwendet werden kann. Im dünnen Blech
sind insgesamt sechs Reihen aus geraden, schmalen Schlitzen 25b und 25c parallel
zueinander ausgebildet. Von diesen Reihen sind drei Reihen der Schlitze 25b nach
unten hin offen in 6c und drei Reihen der Schlitze 25c nach
oben hin offen. Die Schlitze 25b und 25c sind
alternierend angeordnet. Durch die Anwendung einer derartigen Konfiguration
wird ein länglicher,
elektrisch leitender Weg auf dem dünnen Blech ausgebildet. Anschlüsse (nicht
dargestellt) sind an beiden Enden 25a des länglichen,
elektrisch leitenden Wegs angeschlossen.
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Die
Verbundstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung kann auf eine Vorrichtung angewendet werden, die in einem
Herstellungsgerät
für Halbleiter angeordnet
wird, welche als Gas für
die Filmausbildung oder als Ätzgas
ein korrosives Gas vom Halogentyp oder ein Ozongas verwendet.
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Als
solche Vorrichtungen können
eine Heizvorrichtung, die ein Keramiksubstrat und ein darin eingebettetes
Widerstandsheizelement umfasst, eine elektrostatische Haltevorrichtung,
die ein Keramiksubstrat und eine darin eingebettete Elektrode für eine elektrostatische
Haltevorrichtung umfasst, eine Heizvorrichtung, die mit einer elektrostatischen
Haltevorrichtung ausgestattet ist, welche ein Keramiksubstrat und
darin eingebettet ein Widerstandsheizelement und eine Elektrode
für eine
elektrostatische Haltevorrichtung umfasst, eine Elektrodenvorrichtung
zur Hochfrequenzerzeugung, die ein Keramiksubstrat und eine darin
eingebettete Plasma erzeugende Elektrode umfasst, eine Elektrode
zur Hochfrequenzerzeugung, die ein Keramiksubstrat und darin eingebettet
eine Plasma erzeugende Elektrode und ein Widerstandsheizelement
umfasst, und dergleichen erwähnt
werden.
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In
der Erfindung unterliegt das Material des Keramikelements keinen
besonderen Einschränkungen,
jedoch sind für
das Gerät,
das ein Halogengas vom Fluortyp verwendet, Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid
günstig.
Auch das Material des Metallelements unterliegt keinen besonderen
Einschränkungen,
jedoch ist ein Metall mit hohem Schmelzpunkt, etwa Nickel, Molybdän, Wolfram,
Platin, Rhodium oder eine Legierung dieser besonders vorteilhaft.
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Das
Material der elektrisch leitenden Verbindungsschicht unterliegt
keinen besonderen Einschränkungen,
jedoch ist es vorteilhaft, über
Luftdichtheit und einen kleinen elektrischen Widerstand zu verfügen. Von
diesem Standpunkt aus betrachtet ist ein Hartlotmetallmaterial besonders
bevorzugt. Die chemische Zusammensetzung eines solchen Hartlotmaterials
unterliegt keinen besonderen Einschränkungen.
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Im
Besonderen weist das Hartlotmaterial vorzugsweise eine gute Verbindungsfestigkeit
und eine hohe Benetzbarkeit für
das Keramikelement auf. Wenn das Grundmaterial des Keramikelements
Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid ist, so ist es demnach bevorzugt,
ein Hartlotmaterial zu verwenden, das eines aus Cu, Ni, Ag und Al
als Hauptbetsandteil, 0,3–20
Gew.-% eines aktiven Metalls, das aus der aus Mg, Ti, Zr und Hf
bestehenden Gruppe ausgewählt
ist, und nicht mehr als 50 Gew.-% einer dritten Komponente umfasst.
Allerdings ist es wünschenswert,
dass ein Hartlotmaterial vom Ag-Typ nicht in Anwendungen verwendet
werden, die Korrosionsbeständigkeit
gegenüber
dem korrosiven Gas vom Halogentyp voraussetzen, da dessen Korrosionsbeständigkeit
schwach ist.
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Als
dritter Bestandteil ist es günstig,
zumindest eines aus Si, Al, Cu und In zu verwenden, die den Hauptbestandteil
nicht beeinflussen. Handelt es sich beim Hauptbestandteil um Al,
so ist es besonders bevorzugt, die Verbindung unter geringer Temperatur
durchzuführen
und die thermische Beanspruchung nach dem Verbinden niedrig zu halten.
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Beträgt die Menge
der aktiven Metallkomponente weniger als 0,3 Gew.-%, so ist die
Benetzbarkeit schwach, wodurch gegebenenfalls die Verbindung nicht
durchgeführt
werden kann, während
eine Menge von über
20 Gew.-% dazu führt,
dass eine an der Verbindungsgrenzfläche ausgebildete Reaktionsschicht
dick wird und leicht Risse bildet. Aus diesem Grund beträgt die Menge
des aktiven Metalls 0,3–20 Gew.-%.
Beträgt
die Menge der dritten Komponente mehr als 50 Gew.-%, so wird die
intermetallische Verbindung groß,
es können
leicht Risse an der Verbindungsgrenzfläche entstehen. Daher beträgt die Menge
der dritten Komponente nicht mehr als 50 Gew.-%. Die dritten Komponente kann auch
weggelassen werden.
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Die
Menge des Metalls als Hauptbestandteil des Hartlotmaterials ist
der Rest, der übrig
bleibt, wenn die Summe der Mengen des aktiven Metalls und der dritten
Komponente von 100 Gew.-% des Hartlotmaterials abgezogen werden.
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Weiters
ist es bevorzugt, das ein Film aus zumindest einem Metall, das aus
Kupfer, Aluminium und Nickel ausgewählt ist, an der Bodenfläche 4a des Aufnahmelochs 4 oder
der Oberfläche
des Hartlotmaterials, die der Bodenfläche 4a gegenüberliegt, durch
Sputtern, Dampfauftrag, Reibpressschweißen, Plattieren, Einführen einer
Metallfolie oder dergleichen im Verbindungsvorgang ausgebildet wird.
Ein solcher Film bietet die Wirkung einer verbesserten Reaktion
auf das Hartlotmaterial. Die Dicke eines solchen Metallfilms liegt
günstigerweise
bei 0,5–5 μm.
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In
der in 4 dargestellten Ausführungsform beträgt ein Abstand
p eines Spalts 9 zwischen der Seitenwandfläche des
Metallelements und der Seitenwandfläche 4b des Aufnahmelochs 4 vorzugsweise
0,2–1,0
mm. Ist der Abstand p kleiner 0,2 mm, so ist die elektrisch leitende
Verbindungsschicht dafür
anfällig,
durch die Kapillarwir kung im Spalt 9 nach oben zu steigen,
der Effekt des Verbindungsmaterials, die Restspannung zu mindern,
nimmt ab, und es entstehen leicht Risse im Keramikelement. Ist andererseits
der Abstand p größer als
1,0 mm, so kann das Metallelement 5 leicht abgelöst werden,
wenn das Metallelement 5 in die Richtung des Pfeils A (1)
beansprucht wird.
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Als
Film 36, der an der Oberfläche des Metallelements auszubilden
ist, kann ein Film verwendet werden, dessen Benetzbarkeit durch
die elektrisch leitende Verbindungsschicht geringer als jene des Metalls
ist, das das Metallelement bildet, was Folgendes mit einschließt:
- (1) Einen Metalloxidfilm, der durch die Oxidation eines
Metalls, das das Metallelement bildet, erhalten wird, einen Metallnitridfilm,
der durch Nitrieren eines Metalls, das das Metallelement bildet,
erhalten wird, oder einen Metallcarbidfilm, der durch Carbonisieren
eines Metalls, das das Metallelement bildet, erhalten wird. Die
Verwendung von Filmen, die durch Oxidieren, Nitrieren und Carbonisieren
des Metallelements erhalten werden, ist besonders vorteilhaft, da
der Film sich dann beim Hartlötvorgang
oder durch den an den erfindungsgemäßen Verbindungsabschnitt angelegten
thermischen Zyklus unter Verwendung der elektrostatischen Haltevorrichtung
oder dergleichen nur schwer vom Metallelement ablöst und die
Dicke und die physikalischen Eigenschaften des Films auf einfache
Weise gleichmäßig werden.
Von diesen ist der Metalloxidfilm am meisten bevorzugt.
Der
Metalloxidfilm kann am einfachsten erhalten werden, indem das Metallelement
einer Wärmebehandlung
in Luft unterzogen wird. Weiters können der Metalloxidfilm, der
Metallnitridfilm und der Metallcarbidfilm mit einem gemeinhin bekannten Verfahren
ausgebildet werden, etwa durch die Behandlung mit Chemikalien, wie
etwa Säuren,
Basen und dergleichen.
- (2) Einen Bornitridfilm oder einen Kohlenstofffilm. Dieser Film
löst sich
bei dem Hartlötvorgang
oder durch den an den erfindungsgemäßen Verbindungsabschnitt angelegten
thermischen Zyklus kaum ab und ist daher ebenfalls bevorzugt.
- (3) Ein Film aus Metalloxid, -nitrid oder -carbid, der durch
eine andere Behandlung als Oxidieren, Nitrieren und Carbonisieren
des Metallelements erhalten wird. Beispielsweise kann ein solcher Film
durch Auftragen einer Paste, die ein Metalloxid, Metallnitrid oder
Metallcarbid enthält,
auf einen bestimmten Abschnitt des Metallelements und anschließendes Erwärmen der
erhaltenen Überzugsschicht
gebildet werden. In diesem sind als das Metall Ti, Al und Mg besonders
bevorzugt.
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Die
folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung der Erfindung und
sind nicht als Einschränkung
dieser zu betrachten.
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(Vergleichsbeispiel)
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Eine
Elektrodenvorrichtung 1 zur Erzeugung von Plasma wurde
gemäß den Bezug
nehmend auf 1 beschriebenen Verfahren hergestellt.
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In
diesem Fall wurde ein Drahtgeflecht, das durch Verstricken von Molybdändrähten mit
einem Durchmesser von 0,12 mm in der Dichte von 50 Drähten pro
Zoll erhalten worden war, als Netzelektrode 2 verwendet.
Dieses Drahtgeflecht wurde in einen aus Aluminiumnitridpulver vorgeformten
Körper eingebettet.
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Der
vorgeformte Körper
wurde in eine Form eingebracht und mit Kohlenstofffolie hermetisch
abgedichtet. In diesem Zustand wurde der vorgeformte Körper durch
2-stündiges Heißpressen
bei einer Temperatur von 1950 °C
und einem Druck von 200 kg/cm2 gebrannt,
um einen gesinterten Körper
zu erhalten. Der gesinterte Körper
wies eine relative Dichte von nicht weniger als 98 % auf.
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Die
so erhaltene Elektrodenvorrichtung 1 zur Erzeugung von
Plasma wies einen Durchmesser von 200 mm und eine Dicke von 8 mm
auf. Ein Aufnahmeloch 4 mit einem Durchmesser von 5 mm
und einer Tiefe von 8 mm wurde im gesinterten Körper durch maschinelle Bearbeitung
von der rückseitigen Oberfläche des
gesinterten Körpers
aus ausgebildet, um die Netzelektrode 2 in der Bodenfläche 4a des Aufnahme lochs 4 freizulegen.
Eine Titanfolie 6 mit einem Durchmesser von 6 mm und einer
Dicke von 5 μm
wurde auf die Bodenfläche 4a des
Aufnahmelochs 4 gelegt.
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Eine
Hartlötmaterialplatte 16 aus
reinem Ag mit einer Dicke von 200 μm wurde im Aufnahmeloch 4 angeordnet,
wonach ein Metallelement 5 aus Nickel mit einer Länge von
6 mm in das Aufnahmeloch 4 eingeführt wurde. In der Mitte des
Metallelements 5 war ein Schraubenloch M3 in einer Tiefe
von 2 mm ausgebildet, um nach der Verbindung einen Drehmomenttest
durchzuführen.
Die Hartlötung
wurde durch Erhitzen im Vakuum auf eine Temperatur von 970 °C unter Anlegen
einer Last von 50 g an das Metallelement durchgeführt.
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So
wurde eine Verbundstruktur wie in 1 dargestellt
erhalten. Ein Test hinsichtlich der Verbindungsstruktur wurde durch
Anlegen eines Drehmoments an das Metallelement 5 in die
Richtung des Pfeils A durchgeführt.
Das Resultat zeigte, dass das an das Metallelement 5 maximal
anlegbare Drehmoment ohne eine Ablösung zur Folge haben 5 kg/cm betrug.
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(Beispiel der Erfindung)
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Eine
Elektrodenvorrichtung 1 zur Erzeugung von Plasma gemäß der Erfindung
wurde nach den Bezug nehmend auf die 3 und 4 beschriebenen
Verfahren hergestellt. Die Netzelektrode 2 und der gesinterte
Körper
als Keramikelement entsprachen jenen aus dem Vergleichsbeispiel.
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Ein
Aufnahmeloch 4 mit einem Durchmesser von 5 mm und einer
Tiefe von 8 mm wurde im gesinterten Körper durch maschinelle Bearbeitung
von der rückseitigen
Oberfläche
des gesinterten Körpers
aus ausgebildet, um die Netzelektrode 2 in der Bodenfläche 4a des
Aufnahmelochs 4 freizulegen. Eine Titanfolie 6 mit
einem Durchmesser von 6 mm und einer Dicke von 5 μm wurde auf
die Bodenfläche 4a des Aufnahmelochs 4 gelegt.
Eine Hartlotmaterialplatte 16 aus reinem Ag mit einer Dicke
von 200 μm
wurde im Aufnahmeloch 4 angeordnet.
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Zudem
wurde ein Oxidfilm 36 auf der Oberfläche des Metallelements 5 aus
Nickel durch 2-stündiges
Erhitzen in Luft bei einer Temperatur von 1000 °C ausgebildet, wie in 2 dargestellt ist. Danach wurde der Film 36 von
der oberseitigen Fläche 5c, der
Bodenfläche 5a und
der C-förmig
abgefasten Fläche 5c durch
das Schmirgelpapierverfahren entfernt, um ein Metallverbundelement 13A zu
erhalten, das in 2b dargestellt ist.
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Wie
in 3 dargestellt ist, wurde das Metallverbundelement 13A in
das Aufnahmeloch 4 eingeführt. In der Mitte des Metallelements 5 war
ein Schraubenloch M3 in einer Tiefe von 2 mm ausgebildet, um nach
der Verbindung einen Drehmomenttest durchzuführen. Die Hartlötung wurde
durch Erhitzen im Vakuum auf eine Temperatur von 970 °C unter Anlegen
einer Last von 50 g an das Metallverbundelement 13A durchgeführt.
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So
wurde eine Verbundstruktur wie in 4 dargestellt
erhalten. Ein Test hinsichtlich der Verbindungsstruktur wurde durch
Anlegen eines Drehmoments an das Metallverbundelement 13A in
die Richtung des Pfeils A durchgeführt. Das Resultat zeigte, dass
das maximal anlegbare Drehmoment ohne Ablösung des Metallverbundelements 13A 10
kg/cm betrug.
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Wie
aus dem Obigen hervorgeht, kann gemäß der Erfindung die Verbindungsfestigkeit
des Metallelements in der Verbindungsstruktur, die das Metallelement
und das mit einem Aufnahmeloch für
die Unterbringung von zumindest einem Teil des Metallelements versehene
Keramikelement umfasst, verbessert werden.