JP2006114250A - 金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造 - Google Patents

Abstract

【課題】給電端子の接合強度を向上させた金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造を提供する。
【解決手段】本金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造は、端子挿入穴６が形成されたセラミックス基材２と、このセラミックス基材２に埋設され、電圧が印加される金属部材３と、この金属部材３に給電し、端子挿入穴６に挿入されてセラミックス基材２に取付けられる金属製給電端子４を有し、この給電端子４は、端子挿入穴６内の金属部材３と対向していない位置において、金属性接合材８により端子挿入穴６の表面に設けられた導電性物質７に接合され、金属部材３は、導電性物質７を介して金属製給電端子４と接続される。
【選択図】 図２

Description

本発明は金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造に係り、特にセラミックスヒータや静電チャックなどの構造体のセラミックスに埋設された金属部材に給電し、構造が改良された金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造に関する。

半導体装置の製造工程などに多く使用されるセラミックスヒータや静電チャックなどの構造体は、セラミックスからなる基材内に埋設された金属部材に給電するための金属製端子が一体的に設けられている。

これら構造体の給電端子部の構造として、セラミック基材の下面には、埋設金属部材に連通する穴を穿設し、この穴に露出する上記埋設金属部材の一部を電極取出部とし、この穴に給電端子を挿入するとともに、金属ロウ材を充填してロウ付けしているものがある（特許文献１）。

また、セラミックス基材に静電吸着用の電極及び加熱用の電極に連通する穴を形成し、これらの穴に金属端子側面が空隙になるように、給電端子をロウ付け等にて埋設金属部材に接合してそれぞれ電気的に接続する構造がある（特許文献２）。

さらに、セラミックス基材に埋込こまれて配置された埋設金属部材と、この埋設金属部材に一端が接続され他端側がセラミックス基材の他主面側に導出された給電端子とを有し、埋設金属部材の被接続端子部に対して給電端子が、給電端子を導出するセラミックス基材層の周圧によって圧接的に接続される構造がある（特許文献３）。

しかしながら、特許文献１に記載の構造は、給電端子挿入穴と給電端子の間が金属ロウ材により充填されているので、給電端子をセラミックス基材に強固に接合できる利点があるが、構造体が使用される温度条件や温度サイクルを伴う使用条件では、セラミックスとロウ材との熱膨張差に起因する応力によってセラミックス基材に割れ、クラックが発生し易く、給電端子の脱落や導電不良、電圧印加時のスパークといった不具合が発生するため、使用条件が制約されることとなる。

また、特許文献２に記載の構造は、給電端子先端と埋設金属部材をロウ付けにより接合し、給電端子側面は空隙となっているので、セラミックスとロウ材との熱膨張差に起因する応力が小さく、セラミックスにおける割れやクラックを防止することは可能であるが、接合面に垂直な引っ張り応力には耐性を有する一方、給電端子側面部に空隙があるために生じる接合面剪断応力、ねじり応力に弱く、構造体を装置にセッティングするときなどに給電端子の脱落が生じやすいという問題がある。

さらに、特許文献３に記載の構造は、埋設金属部材の被接続端子部に対して給電端子が、給電端子を導出するセラミックス基材層の周圧によって圧接的に接続される構造であるので、給電端子の先端がセラミックス基材と強く接しているので、セラミックスと給電端子金属との熱膨張差に起因する応力により、給電端子を導出するセラミックス基材層に割れやクラックが発生するおそれがある。
特開平１１−２１９７７４号公報 特開２０００−７７５０８号公報 特開平２００２−３１３５３１号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、給電端子の接合強度を向上させた金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造を提供することを目的とする。

上記給電端子取付け構造において、接合部における剪断応力、ねじり応力に起因する金属製給電端子の脱落を防止するためには、金属製給電端子側面に空隙を設けないことが重要である。

しかし、従来のように、端子挿入穴と金属製給電端子の間が金属ロウ材により充填されている場合には、上述のように金属ロウ材と基材セラミックスの熱膨張差に起因する割れやクラックが発生しやすい。このような割れやクラックは、端子挿入穴の底部の角部から発生する場合がほとんどであり、このような部位が応力集中を生じやすいことに起因することを発明者らは見出した。

具体的には、この角部にロウを介在させず、接合を金属性給電端子側面のみにて行うことにより、角部への応力集中の発生を防止し、割れやクラックの発生の抑止が可能であり、この側面のみによる接合では、金属製給電端子と金属部材との接触が不確実かつ不充分となるおそれがあるが、端子挿入穴の表面に導電性物質を予め設けることにより、金属性給電端子の側面のみのロウ付けでも確実かつ充分な金属製給電端子と金属部材の導電を確保することが可能であるとの知見を得、本発明を完成するに至った。

すなわち、上述した目的を達成するため、本発明に係る金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造は、端子挿入穴が形成されたセラミックス基材と、このセラミックス基材に埋設され、電圧が印加される金属部材と、この金属部材に給電し、前記端子挿入穴に挿入されて前記セラミックス基材に取付けられる金属製給電端子を有し、この給電端子は、前記端子挿入穴内の前記金属部材と対向していない部位において、金属製接合材により前記端子挿入穴の表面に設けられた導電性物質に接合され、前記金属部材は前記導電性物質を介して前記金属製給電端子と接続されることを特徴とする。

好適には、前記端子挿入穴は、開口側から開口面積が漸減するテーパ形状をなし、かつ前記金属製給電端子がテーパ形状をなして前記端子挿入穴にテーパ嵌合し、前記金属性給電端子の先端と前記埋設金属部材と対向する位置の前記導電性物質間に間隙が設けられる。

本発明に係る金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造によれば、給電端子の接合強度を向上させた金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造を提供することができる。

以下、本発明に係る金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造の一実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造が採用されたセラミックスヒータの概念図、図２は本発明の一実施形態に係る金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造の縦断面図である。

図１に示すように、セラミックスヒータ１は、平板状のセラミックス例えばアルミナ基材２に、電圧が印加される抵抗発熱体としての金属部材３が埋設され、金属部材３に給電する金属製給電端子４が間接的に接続されている。

このように金属部材３と金属製給電端子４を間接的に接続する給電端子取付け構造５は、次のような構造になっている。

図２に示すように、給電端子取付け構造５は、アルミナ基材２に設けられた端子挿入穴６の表面に設けられた導電性物質７を介して、金属製給電端子４と接続されており、この金属製給電端子４は、端子挿入穴６内の金属部材３と対向していない位置において、金属性接合材８により、その金属製給電端子４の側面で、端子挿入穴６の表面に設けられた導電性物質７に接合されており、さらに、金属部材３は、導電性物質７を介して金属製給電端子４に電気的に接続されている。

また、端子挿入穴６は、開口側から開口面積が漸減するテーパ形状をなし、さらに、金属製給電端子４もその断面積が上部から下部に向かって漸減するテーパ形状なしており、両者はテーパ嵌合するようになっており、金属製給電端子４の先端と金属部材３と対向する位置の導電性物質７間に間隙ｇが設けられている。このような隙間ｇを設けるために、端子挿入穴６がテーパ形状となっていることが有効である。

金属部材と金属製給電端子間の隙間ｇにより、両者を直接導電させることができないため、端子挿入穴６の各面に導電性物質（導電性膜）を予め作製してからロウ付けすることが必要である。

本実施形態では、金属製給電端子は側面のみの拘束となり、金属部材にも触れないため、セラミックスと金属製給電端子の熱膨張差に起因する応力は金属製給電端子の径方向のみとなり、セラミックスの割れやクラックは発生しにくくなる。

端子挿入穴及び金属製給電端子のテーパは、金属製給電端子と、導電性物質および金属部材の間に隙間を確保するために必要なものであり、金属製給電端子及び端子挿入穴の加工精度を考慮してもテーパ角は１０°程度あれば充分である。ロウ付け時には、金属製給電端子が端子挿入穴に充分に嵌合するように、金属製給電端子に荷重をかけてロウ付けすることが好ましい。

セラミックス基材としては、アルミナあるいは窒化アルミニウムなどが好ましい。

導電性物質は、導電性膜であることが好ましく、セラミックスとの密着度や結合力、ロウ付け環境に対する耐性を考慮して決定すればよいが、Ａｇ、Ｐｔ等の金属、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ等の合金系メタライズ膜とすることが好ましい。

金属接合材を用いる接合は、導電性を確保できれば任意のロウ材を用いてもよいが、Ａｕ−Ｓｎ系の金属ロウ材、Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ系の活性金属ロウ材がロウ付け温度、セラミックスとの結合性の点から好ましい。比較的低温で使用される場合には、金属接合材として半田を用いることもできる。

金属製給電端子は、埋設時の工程条件、導電膜作製条件、ロウ付け条件等から任意に決定して差し支えないが、セラミックスとの熱膨張差が少ないという点でタングステンもしくはモリブデンを適用することが好ましい。金属部材も同様の理由で、タングステンもしくはモリブデンが好ましい。

上記のような本発明に係る金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造によれば、金属製給電端子とセラミックス基材との接合強度を高く保持しつつ、熱サイクル後における接合強度低下を抑制することができ、構造体を半導体製造装置等にセッティングするときの金属製給電端子の脱落を防止でき、かつ、金属とセラミックスの熱膨張差に起因する熱応力によるセラミックス基材の割れやクラックに伴う金属製給電端子の接合力低下を防ぐことが可能となる。

（実施例１）
試料： 純度９９．９５％の高純度アルミナ粉末に２重量％のポリビニルアルコールをバインダとして添加し、ボールミルによって混合した。得られたスラリーをスプレードライヤによって造粒し、造粒粉を一軸加圧金型プレス機によって３０ＭＰａの圧力で成形し、成形体に１００ＭＰａの圧力で冷間静水圧成形を施した。

この成形体を大気雰囲気中、最高９００℃の条件で脱脂、仮焼を行った。

得られた仮焼体は水素雰囲気中、最高１７００℃の条件で焼成した。仮焼体を直径２００ｍｍ×厚さ１５ｍｍ、焼結体を直径２００ｍｍ×厚さ１０ｍｍに研削加工を行い、洗浄を実施した。焼結体の上に直径１８０ｍｍのモリブデン製＃５０メッシュを、メッシュが焼結体の中央になるように載置し、その上に仮焼体を重ね、これをホットプレスにて窒素流気中、最高１７５０℃、１０ＭＰａの条件にて加圧焼成を施した。得られた接合体は、焼結体部、モリブデンメッシュ、仮焼体が一体化し、充分に緻密化していた。接合体は上下面の平面研削及び外周の円筒研削により直径１９０ｍｍ×厚さ１２ｍｍに加工し、接合前に仮焼体であった側から座繰り加工を行い、２箇所の開口径直径１０ｍｍの端子挿入穴をモリブデンメッシュが露出するように形成した（図３（ａ））。

次に端子挿入穴内面に白金ペーストを塗布し、窒素雰囲気中１０００℃の条件にてメタライズを行った（図３（ｂ））。

さらに、白金メタライズ膜の厚さは５０μｍｍとした。端子挿入穴にＭ４の雌ねじ穴を有する直径９．８のモリブデン製給電端子を挿入し、金一錫ロウを用いて、金属端子を金属端子側面のみの領域でロウ付けした（図３（ｃ））。

測定： ロウ付けされた２箇所の金属製給電端子間の絶縁抵抗を、テスタを使用して測定した。絶縁抵抗測定後、片方の金属端子の雌ねじ穴にＭ４ボルトを入れ、トルクレンチを使用して金属製給電端子−セラミックス基材間の結合が切断されるトルクを測定した。その後、この構造体を窒素雰囲気のオーブンに入れ、４００℃に加熱して２時間保持し、オーブンのヒータを切ることにより構造体を室温まで冷却する、というサイクルを２０回繰り返した。この後、トルク測定を行っていない金属製給電端子の雌ねじ穴にＭ４ボルトを入れ、トルクレンチを使用して金属製給電端子−セラミックス基材間の結合が切断されるトルクを測定した。

結果：表１に示す。

（実施例２）
試料： 上述した図２に示す本発明の実施形態に係る給電端子取付け構造の製造方法に相当する。

実施例１と同一の手法でモリブデンメッシュを含む接合体を作製した。モリブデンメッシュを露出させる座繰り加工は開口直径１２ｍｍ、露出しているモリブデンメッシュ部が直径１０ｍｍとなるように行い、座繰りにテーパを持たせた（図４（ａ））。

この後、実施例１と同一の手法で、厚さ５０μｍｍ白金メタライズ膜を端子挿入穴内面に形成し（図４（ｂ））、座繰りと嵌合する形状のモリブデン製給電端子を実施例１と同様の手法でロウ付けした（図４（ｃ））。

なお、金属製給電端子とモリブデンメッシュの間に２００μｍｍの隙間ができるように金属製給電端子形状を作製しており、ロウ付けは金属製給電端子上に１００ｇの錘を載せて荷重をかけて実施した。

測定： 熱サイクルを３０回にする以外は実施例１と同様とした。

その後、この構造体を窒素雰囲気のオーブンに入れ、４００℃に加熱して２時間保持し、オーブンのヒータを切ることにより構造体を室温まで冷却する、というサイクルを３０回繰り返した。

結果：表１に示す。

（実施例３）
試料： 酸素を除く不純物量が１００ｐｐｍ未満である高純度窒化アルミニウム粉末に焼結助剤として酸化イットリウム粉末を０．５質量％、バインダとしてポリビニルブチラールを２重量％添加し、ボールミルによって混合した。得られたスラリーをスプレードライヤによって造粒し、造粒粉を一軸加圧金型プレス機によって３０ＭＰａの圧力で成形し、成形体に１００ＭＰａの圧力で冷間静水圧成形を施した。

この成形体を大気雰囲気中、最高６００℃の条件で脱脂を行った。得られた脱脂体は窒素雰囲気中、最高１８５０℃の条件で焼成した。焼結体を直径２００ｍｍ×厚さ１０ｍｍに研削加工を行い、洗浄を実施した。焼結体の上に直径１８０ｍｍのモリブデン製＃５０メッシュを、メッシュが焼結体の中央になるように載置し、その上にこの焼結体を作製するために用いた造粒粉を大気中、最高６００℃で脱脂処理した脱脂粉を厚さ１ｍｍになるよう敷き詰め、この上にもう１枚焼結体を重ね、これをホットプレスにて窒素流気中、最高１７５０℃、１０ＭＰａの条件にて加圧接合を施した。得られた接合体は、焼結体部、モリブデンメッシュ、脱脂粉部が一体化し、充分に緻密化していた。接合体は上下面の平面研削及び外周の円筒研削により直径１９０ｍｍ×厚さ１２ｍｍに加工し、焼結体とモリブデンメッシュとの問に脱脂粉由来の焼結退部を含む側から座繰り加工を行い、２箇所の開口径直径１０ｍｍの端子挿入穴をモリブデンメッシュが露出するように形成した（図５（ａ））。

端子挿入穴内面に銀一銅一チタンからなるペーストを塗布し、窒素雰囲気中８５０℃の条件にてメタライズを行った（図５（ｂ））。

銀−銅−チタンメタライズ膜の厚さは５０μｍとした。端子挿入穴にＭ４の雌ねじ穴を有するφ９．８ｍｍのモリブデン製給電端子を挿入し、銀−銅−チタン−銅ロウを用いて、給電端子を給電端子側面のみの領域でロウ付けした（図５（ｃ））。

測定：実施例１に同じ。
結果：表１に示す。

（実施例４）
試料： 実施例３と同一の方法でモリブデンメッシュを含む接合体を作製した。モリブデンメッシュを露出させる座繰り加工は開口直径１２ｍｍ、露出しているモリブデンメッシュ部がφ１０ｍｍとなるように行い、座繰りにテーパを持たせた（図６（ａ））。この後、実施例３と同一の方法で、厚さ５０μｍの白金メタライズ膜を金端子挿入穴内面に形成し（図６（ｂ））、座繰りと嵌合する形状のモリブデン製給電端子を実施例３と同様の方法でロウ付けした（図６（ｃ））。

なお、金属製給電端子とモリブデンメッシュの間に２００μｍの隙間ができるように金属端子形状を作製している。

測定：実施例１に同じ。
結果：表１に示す。

（比較例１）
（実施例１）と同一の方法で作製した接合体に図３（ａ）で示す加工を施し、導電膜を形成することなく直接金属性給電端子とセラミックス基材を金一錫ロウで接合を行った（図７）。

測定：実施例１に同じ。
結果：表１に示す。

（比較例２）
実施例２と同一の方法で作製した接合体に図３（ａ）で示す加工を施し、導電膜を形成することなく直接金属端子とセラミックス母材を金一錫ロウで接合を行った（図８）。

このとき、金属製給電端子直径は８ｍｍとし、ロウ付けは金属部材と金属性給電端子が接する面のみで行い、金属製給電端子側面にはロウ材が侵入しないようにした。

測定：実施例２に同じ。
結果：表１に示す。

（比較例３）
実施例３と同一の方法で作製した接合体に図５（ａ）で示す加工を施し、導電膜を形成することなく直接金属製給電端子とセラミックス基材を金一錫ロウで接合を行った（図９）。

測定：実施例１に同じ。
結果：表１に示す。

（比較例４）
実施例４と同一の方法で作製した接合体に図５（ａ）で示す加工を施し、導電膜を形成することなく直接金属端子とセラミックス母材を金−錫ロウで接合を行った（図１０）。

このとき、金属製給電端子直径は８ｍｍとし、ロウ付けは金属部材と金属製給電端子が接する面のみで行い、金属製給電端子側面にはロウ材が侵入しないようにした。

測定：実施例１に同じ。
結果：表１に示す。

表１からもわかるように、絶縁抵抗については、２箇所の金属製給電端子間にセラミックス基材が介在するので、実施例１〜４、比較例１〜４とも１．１〜１．３Ωと大差はない。

トルクについては、端子挿入穴内面にメタライズされた白金を介し、金属製給電端子がその側面のみでセラミックス基材にロウ付された実施例１〜４は、トルク３．０〜３．６Ｎ・ｍと大きな値を示す。これに対して、金属製給電端子がその全面でセラミックス基材に直接ロウ付された比較例１、３は実施例１〜４と同様に３．２Ｎ・ｍ、３．６Ｎ・ｍの値を示すが、金属製給電端子の先端のみでセラミックス基材に直接ロウ付された比較例２、４は１．４Ｎ・ｍ、１．７Ｎ・ｍと小さな値を示し、捻りに対して強度的に弱く、装置への据付時などに金属製給電端子の脱落が生じる可能性があることがわかる。

熱サイクル後のトルクについては、実施例１〜４は、トルク２．７〜３．５Ｎ・ｍと熱サイクル前のトルクに比べて、幾分低下するが、各比較例に比べて大きな値を示し、従来に比べて使用後においても、捻りに対して強度的に強く、捻りに対して強度的に問題がないことがわかる。

これに対して、比較例１は２．１Ｎ・ｍと、比較例３は２．０Ｎ・ｍと大幅に低下し、さらに、比較例２は１．４Ｎ・ｍと、比較例４は１．５Ｎ・ｍと極めて小さな値を示し、捻りに対して強度的に問題が発生することがわかる。

本発明に係る金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造を採用したセラミックスヒータの縦断面図。 本発明に係る金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造の一実施形態の縦断面図。 本発明の一実施形態に係る金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造の製造工程の説明図。 本発明の他の実施形態に係る金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造の製造工程の説明図。 本発明の他の実施形態に係る金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造の製造工程の説明図。 本発明の他の実施形態に係る金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造の製造工程の説明図。 従来の金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造の縦断面図。 従来の他の金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造の縦断面図。 従来の他の金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造の縦断面図。 従来の他の金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造の縦断面図。

符号の説明

１ セラミックスヒータ
２ アルミナ基材
３ 金属部材
４ 金属製給電端子
５ 給電端子取付け構造
６ 端子挿入穴
７ 導電性物質
８ 金属製接合材

Claims (2)

1. 端子挿入穴が形成されたセラミックス基材と、このセラミックス基材に埋設され、電圧が印加される金属部材と、この金属部材に給電し、前記端子挿入穴に挿入されて前記セラミックス基材に取付けられる金属製給電端子を有し、この給電端子は、前記端子挿入穴内の前記金属部材と対向していない部位において、金属製接合材により前記端子挿入穴の表面に設けられた導電性物質に接合され、前記金属部材は前記導電性物質を介して前記金属製給電端子と接続されることを特徴とする金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造。
2. 前記端子挿入穴は、開口側から開口面積が漸減するテーパ形状をなし、かつ前記金属製給電端子がテーパ形状をなして前記端子挿入穴にテーパ嵌合し、前記金属製給電端子の先端と前記金属部材と対向する位置の前記導電性物質間に間隙が設けられることを特徴とする請求項１に記載の金属部材埋設セラミックス基材の給電端子取付け構造。

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