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Die
vorliegende Erfindung betrifft Halbleitertragevorrichtungen und
Verfahren zur Herstellung derselbigen.
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In
Suszeptoren und dergleichen, die aus Keramikmaterialien, wie z.B.
Aluminiumnitriden, Aluminiumoxid, SiC oder SN bestehen, werden Materialien
für Elektrodenanschlüsse hinsichtlich
Hitzebeständigkeit,
Korrosionsbeständigkeit
und Beständigkeit
ausgewählt,
aber es gibt nur wenige Materialien, die die obigen Erfordernisse
erfüllen.
In einem Verfahren zum Hartlöten
eines Metallanschlusses an ein Keramiksubstrat kommt es beispielsweise
häufig
zu Problemen, wie z.B. einer Rissbildung im Keramikmaterial aufgrund
von Restspannungen während
des Verbindens oder von Wärmespannungen
beim Ein- und Ausschalten des elektrischen Stroms in Stromdurchgangsperioden.
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Aus
diesem Grund wird angenommen, dass auf den Anschluss eine plastisch
verformende Kraft ausgeübt
wird, weil ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt oder ein hochreines
Metall als Material für
den Anschluss verwendet wird. Da der Anschluss selbst jedoch eine
geringe Formbeibehaltungseigenschaft hat, kommt es zu einem Problem,
wie z.B. der Formveränderung
des Anschlusses, oder die Verbindungsgrenzfläche wird aufgrund einer erhöhten Beanspruchung
zwischen dem Anschluss und dem Hartlötmaterial brüchig, sodass
die Verbindungsfestigkeit manchmal abnimmt.
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Andererseits
ist es bekannt, dass ein Verbundmaterial auf Metallbasis mittels
eines Lanxide-Verfahrens (siehe beispielsweise S. Hori, Ceramics „CMC and
MMC Net Shape Producing Technique by using Lanxide System" 32 2, 93-97 (1997))
hergestellt wird. Beispielsweise ist es bekannt, dass die Benetzbarkeit
zwischen geschmolzenem Aluminium und Keramiken durch das Lanxide-Verfahren
in jedem Verbundmaterial auf Siliciumnitrid-Aluminium-Basis und
Aluminium-Aluminium-Basis verbessert wird. Dieses Verfahren wird
im Allgemeinen als „druckloses
Metallimmersions-Verfahren" bezeichnet.
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In
diesem Verfahren wird eine Vorform, die eine ähnliche Form wie die gewünschte Endform
aufweist, unter Einsatz von Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid als
Verstärkungsmateriali
geformt und ein Wachstums-unterbrechender Sperrfilm wird an einer
Oberfläche
der Vorform ausgebildet, die eine andere als die Vorform ist, an
der eine Aluminiumlegierung kontaktiert ist. Wenn die resultierende
Vorform mit der Aluminiumlegierung üblicherweise bei etwa 800 °C unter Stickstoff
kontaktiert wird, gelangt das Aluminium in Hohlräume der Vorform während das
Keramikmaterial benetzt wird, wodurch ein Verbundmaterial geformt
wird. In diesem Verbundmaterial ist eine Schicht aus Aluminiumnitrid
an einer Grenzfläche
zwischen dem Keramikmaterial und dem Aluminium vorhanden.
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Ein
Verfahren, bei dem ein solcher Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper mit
einem Keramikmaterial oder Metall, insbesondere einem isolierenden
Keramikmaterial verbunden wird, ist bisher jedoch noch nicht untersucht
worden.
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In
der
US-A-5.633.073 ist
ein Keramiksuszeptor zur Verwendung bei der Siliciumwaferbehandlung
offenbart, wobei dieser eine eingebettete Mo-Netzelektrode und ein
Metallverbindungselement aufweist, die in einer Vertiefung im Suszeptor
gehalten werden und mittels Hartlötmaterial an die Elektrode
hartgelötet
sind.
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In
der
WO 91/13462 ist
ein Makroverbundkörper
zur Verwendung in einem elektronischen Gehäuse beim Montieren eines elektronischen
Chips offenbart, der durch spontane Infiltration einer durchlässigen Masse
aus Füllstoffmaterial
mit geschmolzenem Matrixmetall und gleichzeitigem Verbinden des
infiltrierten Materialien mit einem zweiten Material geformt wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitertragevorrichtung,
die ein aus einem isolierenden Keramikmaterial bestehendes Substrat,
ein im Substrat eingebettetes leitfähiges Element und einen mit
dem leitfähigen
Element verbundenen Anschluss umfasst und sich zum Ziel setzt, die
Beständigkeit
an einem Verbindungsabschnitt zwischen dem isolierenden Material
und dem Anschluss gegenüber
Stromdurchgangsperioden zu verbessern.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine wie in Anspruch 1 dargelegte Halbleitertragevorrichtung
bereit.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben vorgesehen, dass der aus
dem Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper ausgebildete Anschluss
Leitfähigkeit
in der Struktur aufweist, in welcher der Anschluss mit dem aus dem
isolierenden Keramikmaterial hergestellten Substrat verbunden worden
ist. Es wurde herausgefunden, dass wenn der Anschluss direkt mit
dem Substrat kontaktiert wurde oder wenn ein Zwischenmaterial, das
aus einer Legierung mit 70 Mol-% oder mehr von einer Hauptkomponente
der Metallmatrix, die den Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper bildet,
besteht, zwischen dem Anschluss und dem Substrat angeordnet ist, der
Anschluss durch Wärmebehandlung
des isolierenden Materials und des Anschlusses oder durch Wärmebehandlung
des isolierenden Materials, des Anschlusses und des Zwischenelements
bei einer Temperatur, bei welcher eine Metallmatrix, die den Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper oder
die Metallmatrix und die Legierung bildet, schmelzen kann, unter
einer Atmosphäre
bei einem Druck von 0,013 Pa (0,0001 Torr) oder weniger mit dem
isolierenden Material verbunden werden konnte.
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Da
dieser Anschluss fest mit dem Substrat verbunden war, kam es sogar
bei wiederholten Stromdurchgangsperioden zu keinem Bruch des Verbindungsabschnitts.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine in Anspruch 7 dargelegte
Halbeiterhaltevorrichtung.
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In
einer solchen Halbleitertragevorrichtung kommt es sogar bei wiederholten
Stromdurchgangsperioden zu keinem Bruch der Halbleitertragevorrichtung,
da der Anschluss fest mit dem Substrat verbunden ist.
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Bei
der Umsetzung der obigen Erfindung hatten die Erfinder der vorliegenden
Erfindung die technische Idee, ein aus einem Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper, der
kein Anschluss ist, hergestelltes Element mit einem anderen aus
einem Keramikmaterial, einem Metallmaterial oder einem Keramikmaterial,
in welches ein Metallelement eingebettet war, hergestellten Element
zu verbinden. In der Folge fand man heraus, dass der Verbundkörper mit
dem weiteren Element durch thermisches Erhitzen sowohl des Metallmatrix-Keramik-Verbundkörpers als
auch des weiteren Elements bei einer Temperatur, bei welcher eine
Metallmatrix, die den Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper bildet, schmelzen kann,
unter einer Atmosphäre
bei einem Druck von 0,013 Pa (0,0001 Torr) oder weniger verbunden
werden konnte.
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In
einem solchen Fall kann die Wärmebehandlung
durchgeführt
werden, während
der Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper in direktem Kontakt mit
einem weiteren Element ist. Alternativ dazu kann ein Zwischenmaterial,
das aus einer Legierung mit 70 Mol-% oder mehr einer Hauptkomponente
der Metallmatrix, die den Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper bildet, besteht, bei der
Wärmebehandlung
zwischen diesen angeordnet sein.
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Diese
und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
durch das Lesen der nachstehenden Beschreibung der Erfindung zusammen
mit den beigefügten
Zeichnungen, wobei es sich versteht, dass Fachleute auf dem Gebiet
der Erfindung ohne weiteres Modifizierungen, Variationen und Veränderungen vornehmen
könnten.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, worin:
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1 eine
schematische Ansicht eines aus einem Metall, einem elektrisch leitfähigen Keramikmaterial oder
einem Metallmatrix-Keramik-Verbundmaterial bestehenden Anschlusses 1 und
eines aus einem isolierenden Material bestehenden Substrats 2 ist,
bevor diese miteinander verbunden werden;
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2 eine
schematische Schnittansicht des Anschlusses 1 und des Substrats 2 ist,
nachdem diese miteinander verbunden wurden;
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3 eine
schematische Schnittansicht eines aus einem Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper bestehenden
Anschlusses 11 und eines aus einem isolierenden Material
bestehenden Substrats 2 ist, bevor diese miteinander verbunden
werden;
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4 eine
schematische Schnittansicht des Anschlusses 11 und des
Substrats 2 ist, nachdem diese miteinander verbunden wurden;
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5 eine
Schnittansicht ist, die einen Zustand darstellt, bei dem zwei aus
Metallmatrix-Keramik-Verbundkörpern
bestehende Befestigungsanschlüsse 17 (erste
Elemente) mit einer so genannten Deckplatte (ein zweites Element)
verbunden sind;
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6 eine
Schnittansicht ist, die einen Zustand darstellt, bei dem ein scheibenförmiger Suszeptor 18 (ein
erstes Element) mit einem aus Aluminiumoxid bestehenden Substrat 20 (ein
zweites Element) über
eine aus einem Verbundkörper
bestehende flache Platte 19 (ein Verbindungselement) verbunden
ist;
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7 eine
Aufnahme ist, die ein Sekundärelektronenbild
einer verbundenen Grenzfläche
in Verbindungsversuch 1 darstellt;
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8 eine
Aufnahme ist, die ein Sekundärelektronenbild
einer verbundenen Grenzfläche
in Verbindungsversuch 1 darstellt; und
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9 ein
Grundriss einer Stromdurchgangsperioden-Testvorrichtung ist.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Es
folgt eine detailliertere Beschreibung der vorliegenden Erfindung.
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Wenn
die Wärmebehandlung
bei einer solchen Temperatur durchgeführt wird, bei welcher die Metallmatrix
des Metallmatrix-Keramik-Verbundkörpers schmelzen kann, kann
ein Verbindungsgegenstand mit einer geringeren oder nicht nachweisbaren
Menge an Fremdstoffen an seiner Verbindungsgrenzfläche erhalten
werden. Da dieser Verbindungsabschnitt hohe Hitzebeständigkeit,
keine Brüchigkeit
und hohe Verbindungsfestigkeit aufweist, verfügt es sogar bei wiederholten
Stromdurchgangs- oder Erwärmungsperioden über lange
Haltbarkeit.
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Es
wird angenommen, dass der Grund für die Durchführbarkeit
einer solchen Verbindung ist, dass die Restspannung beim Verbinden
und die durch die Stromdurchgangsperioden bewirkte Spannung durch
die Umordnung der Keramikteilchen und des Matrixmetalls durch Gleiten
an den Korngrenzen oder plastische lokale Deformation der Metallmatrix
verteilt und verringert werden.
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Die
erfindungsgemäße Halbleitertragevorrichtung
umfasst nicht nur eine Verarbeitungsvorrichtung zur Feinverarbeitung
von Si-Wafern, sondern auch Vorrichtungen zur Herstellung von Flüssigkristallanzeigen,
Mikromaschinen, Solarzellen etc. Als Halbleitertragevorrichtung
umfasst eine solche Vorrichtung einen Suszeptor, bei dem ein wärmeerzeugendes
Element, eine elektrostatische Haltevorrichtungselektrode und eine
Hochfrequenzspannung erzeugende Elektrode sowie ein mit dem Suszeptor
verbundener Schaft und eine hintere Platte als Beispiel angeführt werden
können.
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Der
Suszeptor oder dergleichen mit besonders herausragender Stromdurchgangsperiodenbeständigkeit
kann bereitgestellt werden, indem die vorliegende Erfindung so angewandt
wird, dass der Anschluss in der Halbleitertragevorrichtung verbunden
wird. Das isolierende Material ist vorzugsweise ein Keramikmaterial
mit einer Wärmeleitfähigkeit
von nicht mehr als 20 W/m·K.
Dass der Anschluss elektrisch leitfähig ist, bedeutet, dass der
Anschluss eine solche Leitfähigkeit
aufweist, dass er in der Lage ist, als Hochfrequenz-Elektrodenanschluss,
Heizelementanschluss oder elektrostatischer Aufspannvorrichtungsanschluss
zu fungieren. Genauer gesagt weist der Anschluss vorzugsweise einen
Volumenwiderstand von nicht mehr als 0,001 Ω·cm auf.
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Es
wurde auch herausgefunden, dass wenn ein Sackloch oder eine Vertiefung
in einem Substrat ausgebildet und in dieser Vertiefung ein Anschluss
angeordnet und mit dem Substrat verbunden ist, der Verbundkörper eine
ausreichende Pufferwirkung aufwies, um ein geschmolzenes Hartlötmaterial
passend zu absorbieren oder eine unzureichende Menge des Hartlötmaterials
beim Verbinden mit dem Hartlötmaterial
zusätzlich bereitzustellen.
Da die Form der Ausrundung um den Anschluss passend angeordnet werden
kann, wird dadurch eine Abweichung im verbundenen Zustand, die durch
eine überschüssige oder
nicht ausreichende Menge des Hartlötmaterials bei der Herstellung
bewirkt werden würde,
unterdrückt.
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Der
aus dem Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper bestehende Anschluss wird
besonders bevorzugt als Hochfrequenz-Elektrodenanschluss eingesetzt.
Der Grund dafür
wird später
erläutert.
Bei Verwendung eines aus einem Metall bestehenden Hochfrequenz-Elektrodenanschlusses
strömt
ein Hochfrequenzstrom entlang einer beschränkten Stelle nahe der Oberfläche des
Anschlusses, sodass der elektrische Hauptwiderstand erhöht wird
oder es zu lokaler Wärmebildung
kommt. Da der Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper wie ein Bündel an
feinen Drähten
ist, die elektrisch gesehen aus einem elektrisch leitfähigen Material
bestehen, verteilt sich der Hochfrequenzstrom und strömt durch
diese feinen Drähte.
Daher wird angenommen, dass die obige ausgezeichnete Stromfließeigenschaft
erzielt werden kann, weil die wirksame Schnittfläche einer Zone des Metallmatrix-Keramik-Verbundkörpers, durch
welche der Hochfrequenzstrom fließt, verglichen mit dem Metallanschluss
größer ist.
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Da
der Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper aufgrund seiner Abriebfestigkeit
eine geringe teilchenfreisetzende Eigenschaft aufweist, wird der
Verbundkörper
vorzugsweise nicht nur für
den Elektrodenanschluss, sondern auch für den Befestigungsanschluss
verwendet.
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Die
Metallmatrix, welche den obigen Verbundkörper bildet, umfasst besonders
bevorzugt Aluminium als Hauptkomponente. Der Grund dafür ist, dass
die Verbindungstemperatur dadurch relativ gering gehalten werden
kann und Aluminium an sich ein weiches Metall ist. Dabei werden
Al, Mg, In, Sn, Pb und Bi bevorzugt.
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Das
Mischverhältnis
der Keramikteilchen im Verbundkörper
kann passend gewählt
werden, wobei es im Allgemeinen 20 bis 80 Mol-% beträgt. Wenn
zu wenig oder zu viel Keramikteilchen vorliegen, verringert sich deren
Pufferwirkung. Die Teilchengrößenverteilung
der Keramikteilchen ist vorzugsweise breiter. Die bimodale Teilchengrößenverteilung
wird bevorzugt. Der Grund dafür
ist, dass nicht nur die Ladungswirkung der Teilchen in der Metallmatrix
erhöht,
sondern auch die Pufferwirkung in einer Feinstruktur mit gewisser
Uneinheitlichkeit verbessert werden kann.
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Der
Wärmeausdehnungskoeffizient
des Keramikmaterials, welches den Verbundkörper bildet, entspricht vorzugsweise
im Wesentlichen jenem eines damit zu verbindenden Keramikelements
oder liegt darunter. Wenn das Keramikelement beispielsweise aus
AlN oder Aluminiumoxid besteht, können AlN, Aluminiumoxid, SiC
oder SiO2 als die Mischteilchen gewählt werden.
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Als
Keramikmaterial, welches den Verbundkörper bildet, wird eine Keramik
auf Aluminiumbasis besonders bevorzugt, wobei Aluminiumoxid und
Aluminiumnitrid besonders bevorzugt werden.
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Das
Verfahren zur Herstellung des Verbundkörpers unterliegt keinen besonderen
Einschränkungen, wobei
nachstehendes Verfahren bevorzugt wird. Vorbestimmte Keramikteilchen
werden beispielsweise in einem Lösungsmittel,
wie z.B. Isopropanol dispergiert, die Dispersion mit einem organischen
Bindemittel, wie z.B. flüssigem
Acryl-Copolymer-Bindemittel vermischt und eine Aufschlämmung durch
2- bis 20-stündiges Vermischen
des Gemischs unter Rühren
in einer Kugelmühle
im Industriemaßstab
gebildet. Danach wird die Aufschlämmung mit einem Sprühtrockner
vom explosionsverhindernden Typ auf einen Teilchendurchmesser von 30
bis 100 μm
granuliert. Anschließend
wird das granulierte Pulver in eine vorbestimmte Form ge füllt und
bei einem Druck von 20 bis 700 MPa (200 bis 7.000 kp/cm2)
mittels hydraulischer Presse pressgeformt und der geformte Körper entwachst,
wodurch eine Vorform erhalten wird.
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Anstatt
die Aufschlämmung
mit dem organischen Bindemittel herzustellen, kann auch ein durch
Sprühen
erhaltenes Pulver, in welches Ethanol eingemischt ist, erhalten
werden, und das resultierende Pulver wird auch gleiche wie oben
angeführte
Weise pressgeformt, wodurch eine Vorform hergestellt wird.
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Es
wird eine vorbestimmte Metallmatrix in die Vorform eingebracht.
Zu diesem Zeitpunkt können
ein Selbsteinbringungsverfahren, ein Druckeinbringungsverfahren
oder ein Vakuumeinbringungsverfahren angewandt werden. Besonders
bevorzugt wird, dass eine oder mehrere Arten von aktiven aus der
aus Magnesium, Titanium, Zirconium und Hafnium bestehenden Gruppe
ausgewählten
Metallen in eine Aluminiumlegierung aufgenommen werden, wobei die
Matrix der Aluminiumlegierung in Hohlräume in der Vorform gemäß dem drucklosen
Metalleinbringungsverfahren eingebracht wird, Aluminiumnitrid an
der Grenzfläche
zwischen der Matrix und dem Keramikmaterial, die die Vorform bilden,
hergestellt wird, wodurch die Benetzbarkeit zwischen dem Keramikmaterial
und der Matrix verbessert wird.
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In
jedem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird es bei Verwendung des
Zwischenelements bevorzugt, ein aus einem Metall bestehendes Zwischenmaterial
zu verwenden, das eine Schmelztemperatur aufweist, die unter jener
der Metallkomponente im Verbundkörper
liegt. Eine solche Differenz bezüglich
der Schmelztemperatur ist annehmbar, sofern das Zwischenelement
vor dem Schmelzen der Metallmatrix schmilzt, und eine solche Temperaturdifferenz
zwischen diesen beträgt
besonders bevorzugt nicht weniger als 15 °C. Zu diesem Zeitpunkt wird
die Formbeibehaltungseigenschaft des gesamten Verbundgegenstands
verbessert.
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Das
Zwischenelement liegt gegebenenfalls in Form einer Lage, eines Pulvers
oder einer Paste vor.
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Vorzugsweise
wird das Zwischenelement dazwischen angeordnet, da der Verbindungsgrenzflächenabschnitt
leicht dazu neigt, eine geneigte Struktur anzunehmen. Die Dicke
des Zwischenelements beträgt
vorzugsweise 0,05 mm bis 0,5 mm. Wenn das Zwischenelement zu dünn ist,
nimmt die Verarbeitbarkeit ab, was zu Problemen führt, wie
beispielsweise, dass sich das Zwischenmaterial leicht an einer Stelle
verfestigt. Wenn das Zwischenmaterial zu dick ist, ähnelt es
einem Verbundgegenstand, der ausschließlich aus einem Metall- und
einem Keramikmaterial besteht, sodass die Wirkungen in Bezug auf
den Verbundkörper
schwierig zu erzielen sind. Der Verbundkörper kann als Pufferelement
zwischen dem Metall- und dem Keramikmaterial verwendet werden oder
das Verbundmaterial selbst kann als Anschluss verwendet werden.
In beiden Fällen
beträgt
die Dicke des Verbundkörpers
vorzugsweise nicht weniger als 0,4 mm, da ein zu dünner Verbundkörper dessen
Pufferwirkung verringert.
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Das
Zwischenelement enthält
nicht weniger als 70 Mol-% der Hauptkomponente der Metallmatrix,
welche den Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper bildet. Daher besteht
das Zwischenelement in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
aus einer Aluminiumlegierung, die nicht weniger als 70 Mol-% enthält. In einem solchen
Fall beträgt
der Aluminiumgehalt im Zwischenelement weniger als 70 Mol-%, wird
ein Metallelement im Rest mit Aluminium oder der Aluminiumlegierung
in der Matrix legiert, oder bildet eine Zwischenverbindung damit,
die zu Brüchigkeit
führen
kann.
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Besonders
bevorzugt wird, dass nicht weniger als 1 Mol-% und nicht mehr als
10 Mol-% einer oder mehrerer Arten an aktiven aus der aus Magnesium,
Titanium, Zirconium und Hafnium (besonders bevorzugt Magnesium)
bestehenden Gruppe ausgewählten
Metalle im Zwischenelement aufgenommen sind.
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Wenn
die Menge des aktiven Metalls im Zwischenelement nicht weniger als
1 Mol-% beträgt,
verbessert sich die Affinität
mit der Metallkomponente oder die Verstärkung im Substrat, was die
Einbringung erleichtert. Wenn die Menge des aktiven Metalls nicht
mehr als 10 Mol-% beträgt,
kann die lokale Bildung der Zwischenmetallverbindung oder dergleichen,
die zu Brüchigkeit
führt,
unterdrückt
werden.
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Unter
der Annahme, dass der Gesamtgehalt des Zwischenelements 100 Mol-%
beträgt,
stellt der Gehalt des Metalls als Hauptkomponente des Zwischenelements
einen Rest dar, der durch Subtrahieren der Summe des Gehalts der
aktiven Metallkomponente und jener einer dritten Komponente von
100 Mol-% erhalten wird.
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Neben
dem Metall (vorzugsweise Aluminium) als obige Hauptkomponente und
dem/den obigen aktiven Metall(en) kann eine dritte Komponente im
Zwischenelement aufgenommen werden. Als dritte Komponente wird vorzugsweise
Silicium oder Bor eingesetzt, da sie sich nicht auf die Hauptkomponente
auswirken. Eine solche dritte Komponente dient zur Verringerung
des Schmelzpunkts. Wenn die dritte Komponente aufgenommen wird,
verbessert sich das Fließvermögen des
Zwischenelements, und sogar die Temperatur ist gleich. Der Gehalt
der dritten Komponente beträgt
vorzugsweise 1,5 bis 10 Gew.-%.
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In
einer stärker
bevorzugten Ausführungsform
ist die Legierung, welche das Zwischenelement bildet, eine Aluminiumlegierung
mit 1 bis 6 Gew.-% Magnesium und 1,5 bis 10 Gew.-% Silicium.
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Ein
Film aus einer oder mehreren Arten von Metallen, die aus der aus
Magnesium, Titanium, Nickel, Zirconium und Hafnium bestehenden Gruppe
ausgewählt
sind, kann zwischen der Verbindungsfläche des Keramikelements oder
dem Substrat und dem Verbundkörper
durch Sputtern, Dampfabscheidung, Friktionspressenkontaktierung,
Plattieren oder dergleichen bereitgestellt werden. Eine Folie aus
einer oder mehreren Arten von Metallen, die aus der aus Magnesium,
Titanium, Nickel, Zirconium und Hafnium bestehenden Gruppe ausgewählt sind,
kann zwischen der Verbindungsfläche
des Keramikelements oder dem Substrat und dem Verbundkörper angeordnet
sein.
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Wenn
der Anschluss aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, wird
TiB2, B4C, TiC oder
Kohlenstoff bevorzugt.
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Vorzugsweise
wird zumindest eines aus einem oxidierten Film oder einem nitridierten
Film auf jeder der Verbindungsflächen
des Keramikelements und des Substrats durch Waschen dieser Verbindungsflächen mit
einer Säurelösung oder
einer Basenlösung
entfernt. Wenn ein solcher oxidierter Film oder Stickstofffilm an der
Verbindungsfläche
zurückbleibt,
wird befürchtet,
dass das Zwischenelement oder die Matrix daran gehindert werden, über der
Verbindungsgrenzfläche
in das Substrat eingebracht zu werden.
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Die
Atmosphäre
während
der Wärmebehandlung
muss in einem so hohen Vakuum erfolgen, dass dadurch die Oxidation
und Nitridierung des Substrats wirksam verhindert wird. Zu diesem
Zweck beträgt
die Atmosphäre
nicht mehr als 0,013 Pa (1 × 10–4 Torr).
In Hinblick auf die Verhinderung der Verdampfung der Metallkomponente
während
der Wärmebehandlung
beträgt
sie nicht weniger als 1,3 × 10–5 Pa
(1 × 10–7 Torr).
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Die
Temperatur der Wärmebehandlung
zum Schmelzen der Metallmatrix liegt nicht unter dem Schmelzpunkt
des Metalls und ist vorzugsweise um 20 °C höher als dieser Schmelzpunkt.
Zur Unterdrückung des
Schadens gegenüber
dem Keramikmaterial beträgt
die Differenz zwischen dem Schmelzpunkt des Metalls und der Wärmebehandlungstemperatur
vorzugsweise nicht mehr als 50 °C.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
eines Suszeptors gemäß der vorliegenden
Erfindung bevor ein Anschluss 1 mit einem Substrat 2 verbunden
wird. Das Substrat 2 des Suszeptors ist mit einer Rückseite „2e" und einer Anbringungsfläche „2f" bereitgestellt,
und ein Aufnahmeloch „2a" ist an einer Seite
der Rückseite „2e" ausgebildet. Der
Anschluss 1 wird im Aufnahmeloch „2a" aufgenommen. Der
Anschluss 1 besteht aus einem Metall, einem elektrisch
leitfähigen
Keramikmaterial oder einem Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper. Eine vorbestimmte
Elektrode 5 wird im Substrat 2 aufgenommen, während ein
Teil 5a der Elektrode 5 im Inneren des Aufnahmelochs
freiliegt. Der Anschluss ist mit einer Vertiefung 1a und
einem wie angeführten
Schraubloch 1b bereitgestellt. Ein lagenförmiges Verbindungselement 3,
das aus einem Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper und einem Zwischenelement 4 besteht,
ist zwischen der unteren Fläche 1c des
Anschlusses 1 und der unteren Fläche 2b des Aufnahmelochs 2a angeordnet.
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Ein
in 2 gezeigter Verbundgegenstand wird durch Wärmebehandlung
der so erhaltenen Anordnung erhalten. Die untere Fläche 1c des
Anschlusses 1 wird mit der unteren Fläche 2b des Aufnahmelochs 2a mittels
eines Verbundmaterials 32 und der Verbindungsschicht 13 verbunden.
In 2 behält
das Verbindungsmaterial 32 die Feinstruktur des Verbindungselements 3 vor
der Wärmebehandlung
fast bei. Die Verbindungsschicht 13 wird durch Schmelzen
des Zwischenelements vor der Wärmebehandlung
hergestellt. Zu diesem Zeitpunkt fließt ein Teil der Metallmatrix 15,
welche das Verbindungsmaterial 32 bildet, nach unten zur
Verbindungsschicht 13, sodass keine Naht zwischen dem Verbindungsmaterial 32 und
der Verbindungsschicht 13 besteht. Die Metallmatrix der
Verbindungsschicht 13 wird mit dem Keramikelement 2 durch
Hartlöten
verbunden, und es besteht die Tendenz, dass sie mit dem freigelegten
Abschnitt 5a der Elektrode 5 fester verbunden wird.
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3 ist
eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bevor ein Anschluss mit einem Substrat
verbunden wird. Der Anschluss 11 wird in einem Aufnahmeloch 2a des
Substrats 2 aufgenommen. Der Anschluss 1 ist mit
einer Vertiefung 11a und einem Schraubloch 11b bereitgestellt.
Der Anschluss 11 dieser Ausführungsform besteht aus einem
Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper.
Ein Zwischenelement 4 ist zwischen der unteren Fläche 11c des
Anschlusses 1 und der unteren Fläche 2b des Aufnahmelochs 2a angeordnet.
Die Anordnung wird in diesem Zustand wärmebehandelt.
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4 zeigt
die Struktur eines Verbindungsabschnitts zwischen dem Anschluss 11 und
dem Substrat 2 nach der Wärmebehandlung. Ein oberer Abschnitt 11e des
Anschlusses 11 weicht vor der Wärmebehandlung kaum davon ab.
Ein unterer Abschnitt 11d des Anschlusses 11 entspricht
fast einer Zone 12 nach der Wärmebehandlung. Die Naht zwischen
der Zone 12 und der Verbindungsschicht 12 verschwindet
jedoch. Die aus dem Verbundmaterial bestehende Zone 12 weist
relativ dicht vorliegende Keramikteilchen 14 auf und behält die Feinstruktur
des Verbund materials vor dem Verbinden bei. Da andererseits die
Metallmatrix, welche das Verbundmaterial bildet ausschmilzt, und
wenn bei Bedarf ein Zwischenelement bereitgestellt ist, weil das Zwischenelement
schmilzt, besteht die Verbindungsschicht 13 hauptsächlich aus
der Metallmatrix 15, während die
Keramikteilchen 14 relativ dünn sind. Die Metallmatrix 15 neigt
dazu, die freigelegten Abschnitte 5a der Elektrode 5 fest
zu verbinden.
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In
einer Ausführungsform
von 5 werden zwei Befestigungsanschlüsse 17 (erste
Elemente), die aus Metallmatrix-Keramik-Verbundkörpern bestehen, mit einer so
genannten Deckplatte (ein zweites Element) verbunden. Die Bezugszeichen 16a und 17a stehen
jeweils für
Durchgangslöcher.
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In
einer Ausführungsform
von 6 wird ein scheibenförmiger Suszeptor 18,
der an sich aus Aluminiumnitrid besteht (ein erstes Element) mit
einem aus Aluminiumoxid bestehenden Substrat 20 (ein zweites Element) über eine
aus einem Verbundkörper
bestehende flache Platte 19 (Verbindungselement) verbunden.
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(Beispiele)
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(Verbindungsversuch 1)
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Körniges Aluminiumnitrid
mit einer mittleren Teilchengröße von 25 μm wurde in
einem Lösungsmittel aus
Isopropanol dispergiert, zur Dispersion ein flüssiger Acryl-Copolymer-Bindestoff
zugesetzt und das resultierende Gemisch in einer Kugelmühle im Industriemaßstab unter
Rühren
4 Stunden lang vermischt, wodurch eine Aufschlämmung erhalten wurde. Diese
Aufschlämmung
wurde mit einem Sprühtrockner
vom explosionsverhindernden Typ granuliert, wodurch ein kugelförmiges granuliertes
Pulver mit dem mittleren Teilchendurchmesser von etwa 150 μm erhalten
wird. Das so granulierte Pulver wurde in eine vorbestimmte Form
gefüllt
und bei einem Druck von 20 MPa (200 kp/cm2)
mittels hydraulischer Ölpresse
axial pressgeformt, wodurch eine große Vorform mit einem Durchmesser
von 380 mm und einer Dicke von 30 mm erhalten wurde.
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Nachdem
diese Vorform vollständig
trocken und entwachst war, wurde es mit einer Schmelze einer Aluminiumlegierung
(Al: 92,6 Mol-%, Mg: 5,5 Mol-%, Silicium: 1,9 Mol-%) bei 900 °C unter einer
N2-1 % H2-Atmosphäre bei einem
Druck von 1,5 atm 24 Stunden lang kontaktiert, wodurch Aluminium
gemäß einem
drucklosen Metallimmersionsverfahren in eine Vorform eingetaucht
wurde. Anschließend
wurde die Vorform aus der Schmelze herausgezogen, womit ein Verbundkörper erhalten
wurde. Die Menge der im Verbundkörper
aufgenommenen AlN-Körner
betrug 70 Mol-%. Daraus ergab sich, dass der Verbundkörper eine
Abmessung von 20 × 20 × 20 mm
aufwies. Eine gesinterte Probe von Aluminiumnitrid mit einer Reinheit
von 99,9 % wurde in Abmessungen von 20 × 20 × 20 mm erhalten.
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Jede
der Verbindungsendflächen
der Verbundprobe und der gesinterten AlN-Probe wurde mit einem Mahlstein
Nr. 800 geschliffen. Als Nächstes
wurden die jeweils mit Aceton und Isopropylalkohol gewaschenen geschliffenen
Flächen
mit 30%igem Ammoniakwasser 10 min bei 70 °C gewaschen. Eine einzelne Legierungslage
aus einer Al-10-Si-1,5-Mg-Legierung wird gegebenenfalls (oder kann)
auf Abmessungen von 20 × 20 × 0,1 mm
gewalzt und zwischen das Verbundmaterial und die gesinterte AlN-Probe eingebracht.
Danach wurde eine Rußplatte
mit einer Dicke von 20 × 20 × 10 mm
auf ein Laminat gestapelt. Das resultierende Laminat wurde bei einem
Vakuum von weniger als 4 × 10–3 Pa
(3 × 10–5 Torr)
auf bis zu 640 °C
erhitzt und 10 min so gehalten und in einem Ofen abgekühlt. Gemäß der JIS
R 1601, betrug die Vierpunkt-Biegefestigkeit
170 MPa.
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Die 7 und 8 sind
Aufnahmen, die Sekundär-Elektronenbilder
des Verbundkörpers
und der gesinterten AlN-Probe zeigen.
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(Verbindungsversuch 2)
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Nachdem
die geschliffenen Flächen
gewaschen waren, wurde die geschliffene Fläche der gesinterten AlN-Probe
mit Ni plattiert. Der restliche Ablauf war gleich wie in Verbindungsversuch
1. Die Biegefestigkeit betrug 80 MPa.
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Als
Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper
wurde eine blockförmige
Probe verwendet, die erhalten wurde, indem SiC-Verbundpulver mit
einem mittleren Teilchendurchmesser von 70 μm und einer Aluminiumlegierung
gemäß einem
drucklosen Immersionsverfahren hergestellt wurde. Die aufgenommene
Menge von SiC betrug 70 Mol-%.
Davon abgesehen war der restliche Ablauf gleich wie in Verbindungsversuch
1. Die Biegefestigkeit betrug 80 MPa.
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(Verbindungsversuch 4)
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Nachdem
die geschliffenen Flächen
gewaschen waren, wurde die geschliffene Fläche der gesinterten AlN-Probe
mit Ni plattiert. Der restliche Ablauf war gleich wie in Verbindungsversuch
3. Die Biegefestigkeit betrug 100 MPa.
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(Verbindungsversuch 5)
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Ein
Verbundkörper
wurde direkt mit einem gesinterten AlN-Körper kontaktiert, ohne dass
dabei eine Lage der Al-9-Si-1,0-Mg-Legierung dazwischen angeordnet
war. Davon abgesehen war der restliche Ablauf gleich wie in Versuch
3. Die Biegefestigkeit betrug 50 MPa.
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(Verbindungsversuch 6)
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Ein
Verbundkörper
wurde direkt mit einem gesinterten AlN-Körper kontaktiert, ohne dass
dabei eine Lage der Al-10-Si-1,5-Mg-Legierung dazwischen angeordnet
war. Davon abgesehen war der restliche Ablauf gleich wie in Versuch
4. Die Biegefestigkeit betrug 70 MPa.
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(Verbindungsversuch 7)
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Anstelle
der gesinterten AlN-Probe wurden 99,5 Gew.-% Aluminiumoxid verwendet.
Davon abgesehen war der restliche Ablauf gleich wie in Versuch 2.
Die Biegefestigkeit betrug 110 MPa.
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(Verbindungsversuch 8)
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Anstelle
der gesinterten AlN-Probe wurden 99,6 Gew.-% Aluminiumoxid verwendet.
Davon abgesehen war der restliche Ablauf gleich wie in Versuch 4.
Die Biegefestigkeit betrug 130 MPa.
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(Verbindungsversuch 9)
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Anstelle
der gesinterten AlN-Probe wurde eine Fe-50,5-Ni-Legierung verwendet.
Davon abgesehen war der restliche Ablauf gleich wie in Versuch 1.
Die Biegefestigkeit betrug 35 MPa.
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Die
Dichte, der Wärmeausdehnungskoeffizient
und der Elastizitäts-Modul
werden in Bezug auf jede der Verbundproben und Fe-50,5-Ni-Legierungsproben
angeführt.
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(Verbindungsversuch 10)
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Im
Verbindungsversuch 2 wies die Metallmatrix-Keramik-Verbundmaterialprobe
eine Form von 20 mm × 20
mm × 4
mm auf, und die gesinterte AlN-Probe wies eine Form von 20 mm × 20 mm × 18 mm
auf. Eine Molybdänprobe
mit einer Form von 20 mm × 20
mm × 18
mm wurde mit der Verbundmaterialprobe über eine Legierungslage in
Form von Al-10-Si-1,5-Mg an einer Oberfläche verbunden, die jener gegenüberliegt,
mit welcher die gesinterte AlN-Probe verbunden wurde. Abgesehen
von Obigem wurde die Verbindung auf gleiche Weise wie in Verbindungsversuch
2 durchgeführt.
Die Biegefestigkeit des so erhaltenen Verbindungsgegenstands betrug
90 MPa. Tabelle 1
| | Metallmatrix-Keramik-Komplexkörper | Fe-50,5-Ni |
| Al-AlN | Al-SiC | |
| Dichte
g/cm3 | 3,1 | 3,1 | 8,3 |
| Wärmeausdehnungskoeffizient
ppm/K (40-500 °C) | 10,3 | 8,3 | 9,9 |
| Elastizitäts-Modul
bei Raumtemperatur GPa | 200 | 250 | 160 |
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(Anschlussverbindungsversuch A)
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Wie
mittels 1 erläutert, wurde ein Anschluss 1 mit
einem Substrat 2 verbunden. Genauer gesagt wurde, wie in 9 schematisch
dargestellt, ein Suszeptor hergestellt und gemäß 8 überprüft. Ein Mo-Netz 5,
das als Hochfrequenzelektrode und als elektrostatische Haltevorrichtungselektrode
fungiert sowie eine Mo-Spule 25, die als hitzeerzeugendes
Element dient, wurden in einem aus AlN mit einer Reinheit von 99,9
% bestehenden Formkörper
eingebettet und das Ergebnis gesintert, wodurch ein elektrostatisches
Aufspannvorrichtungsheizelement erhalten wurde. Ein Hochfrequenz-Elektrodenanschluss 1 wurde
an das Mo-Netz 5 angebracht und zwei Elektrodenanschlüsse 22 an
die Mo-Spule angebracht. Das Bezugszeichen 25a bezeichnet
einen freigestellten Abschnitt der Spule.
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Die
Elektrodenanschlüsse 1, 22 bestanden
jeweils aus einem wie im Verbindungsversuch 1 verwendeten Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper. Wie
in 1 gezeigt, wurden ein Legierungsblech (Al-10-Si-1,5-Mg) 4 mit
einem Durchmesser von 5 mm und einer Dicke von 0,2 mm, eine Verbundmaterialplatte 3,
die auf einen Durchmesser von 5 mm und eine Dicke von 1,3 mm bearbeitet
wurde (hergestellt aus einem in Verbindungsversuch 1 verwendeten
Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper),
und ein Elektrodenanschluss mit einem Durchmesser von 7 mm und einer
Dicke von 7 mm in dieser Reihenfolge auf dem untersten Teil 2b eines
runden Lochs 2a angeordnet, an welchem das Mo-Netz an 5a freilag.
Der Elektrodenanschluss und das Legierungsblech wurden mit Aceton
und Isopropylalkohol gewaschen. Die Verbundmaterialplatte 3 und
der unterste Abschnitt des Aufnahmelochs wurden mit Aceton und Isopropy lalkohol
und dann mit 30%igem Ammoniakwasser bei 70 °C gewaschen. Ein Mo-Block mit einer Form
von 20 mm × 20
mm × 50
mm (Dicke) wurde auf den Elektrodenanschluss 1 gestapelt.
Für die
Spule wurden Elektrodenanschlüsse ähnlich angeordnet.
Die Anordnung wurde im Vakuum in einem Ofen bei einem Druck von
nicht mehr als 4 × 10–3 Pa
(3 × 10–5 Torr)
auf 640 °C
erhitzt, 10 min so gehalten und im Ofen abgekühlt. Die Bezugszeichen 23, 24 stehen
für hitzebeständige Ziegel
und das Bezugszeichen 26 für einen Siliciumwafer.
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Das
so erhaltene elektrostatische Aufspannvorrichtungsheizelement wurde
in eine Vakuumkammer 28 eingebracht, eine HF-Stromquelle 29 an
den Hochfrequenz-Elektrodenanschluss 1 angeschlossen
und eine Wechselstromquelle 30, die mit einem Thyristor
geregelt wurde, mit dem Heizelementanschluss 22 verbunden. Das
Bezugszeichen 27 steht für eine Hochfrequenzelektrode.
Die Vorrichtung wurde bei einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 20 °C/min unter
Argonatmosphäre
bei einem Druck von 13 Pa (0,1 Torr) erhitzt, 10 min bei 400 °C gehalten
und anschließend
abkühlen
gelassen nachdem die Stromquelle abgedreht war. Nachdem die Vorrichtung
auf 100 °C
abgekühlt
war, wurde sie erneut erwärmt
und bei obiger Temperatur gehalten. Der obige Zyklus wurde 50 mal
wiederholt. Die HF-Spannung wurde nur zu dem Zeitpunkt angelegt,
bei dem die Vorrichtung bei 400 °C
gehalten wurde.
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(Anschlussverbindungsversuch B)
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Bezugnehmend
auf Anschlussverbindungsversuch A werden drei Elektroden 14 aus
Molybdän
hergestellt. Eine Verbundmaterialplatte mit runder Tafelform mit
einem Durchmesser von 5 mm und einer Dicke von 2 mm (aus einem wie
in Verbindungsversuch 1 verwendeten Metallmatrix-Keramik-Verbundkörper erhalten) wurde
zwischen die jeweiligen Molybdänanschlüsse und
eine untere Fläche
eines Aufnahmelochs angeordnet. Ein Legierungsblech (Al-10-Si-1,5-Mg)
mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Dicke von 0,2 mm wurde zwischen
dem jeweiligen Anschluss und der Verbundmaterialplatte und zwischen
der Verbundmaterialplatte und der unteren Fläche des Aufnahmelochs angeordnet.
Abgesehen von Obigem wurde ein elektrostatisches Aufspannvorrichtungsheizelement
auf gleiche Weise wie im An schlussverbindungsversuch A hergestellt
und dem obigen 50-Zyklen-Wärmezyklierungstest
unterzogen. Anschließend
wurde ein Abschnitt nahe jedes der Anschlüsse des Heizelements überprüft, wobei
sich keine Probleme, wie z.B. Rissbildung, ergaben.
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(Anschlussverbindungsversuch C)
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Als
Nächstes
bestanden drei Elektrodenanschlüsse
aus der in Verbindungsversuch 9 verwendeten Fe-50,5-Ni-Legierung,
nicht aus einem Metallmatrix-Keramik-Verbundmaterial. Abgesehen
von Obigem wurde ein elektrostatisches Aufspannvorrichtungsheizelement
auf gleiche Weise wie im Anschlussverbindungsversuch A hergestellt
und einem ähnlichen
Test unterzogen. Daraus ergab sich, dass sich der HF-Elektrodenanschluss
bei 29 Zyklen ablöste,
was die Spannungsanlegung unmöglich
machte. Dann wurden die Stromdurchgangsperioden ausschließlich für das Heizelement
wiederholt. Nach 50 Zyklen wurde ein Abschnitt nahe des Anschlusses 22 überprüft, was
Rissbildungen nahe der Verbindung ergab.
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Wie
aus Obigem hervorgeht, kann die Beständigkeit am Verbindungsabschnitt
zwischen dem Isoliermaterial und dem Anschluss in den Stromdurchgangsperioden
in der Halbleitertragevorrichtung, die das aus dem Isoliermaterial
bestehende Substrat, das im Substrat eingebettete elektrisch leitfähige Element
und den an das elektrisch leitfähige
Element verbundenen Anschluss umfasst, gemäß der vorliegenden Erfindung
verbessert werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann ferner das Verfahren zur Verbindung des
Metallmatrix-Keramik-Verbundkörpers
mit dem Keramikmaterial, dem Metall oder dem Keramikmaterial, worin
das Metall eingebettet ist, bereitstellen.
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Darüber hinaus
kann die vorliegende Erfindung ein neues Verbindungsverfahren zum
Verbinden eines aus einem Keramikmaterial oder einem Metall bestehenden
Elements mit einem anderen aus Keramik oder einem Metall bestehenden
Element bereitstellen.