JP2006165181A - 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】複数の金属部材が埋設された金属製給電端子の接続に適し、耐プラズマ及び機械的強度に優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を提供する。
【解決手段】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に埋設されて電圧が印加され、一つはその一部分が端子挿入穴６の底面に露出され、他はその一部分が端子挿入穴６の側面に露出された金属部材３ａ，３ｂと、端子挿入穴内面に形成され露出した金属部材３ａ，３ｂを全て電気的に導通させる導電性物質７と、底面のみで導電性物質７を介して全て金属部材３ａ、３ｂに電気的の導通され電圧を印加する金属製給電端子４を有する。
【選択図】図１

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、特に主として半導体装置、ＬＣＤ等の製造工程で使用される静電吸着装置などの複数の金属部材埋設セラミックス基材において、各金属部材に取付けられる接続端子の取付け構造の改良に関する。

半導体装置の製造工程などに多く使用されるサセプタ用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母材内に埋設された金属部材に給電するための金属製給電端子が一体的に設けられている。

半導体やＬＣＤの製造工程で使用されるプラズマを応用した工程では、耐プラズマ性及び機械的強度を考慮した構造が採用されている。

例えば、金属部材が埋設されたセラミックス基材の一面に、金属製給電端子取付け用の穴が形成され、この穴の底面に露出された金属部材の一部分にろう材を介して金属製給電端子が溶着された接続端子の取付け構造が提案されている（特許文献１）。

しかし、特許文献１の構造は、セラミック基材に複数の金属部材が埋設された接続端子の取付け構造には適さない。

また、セラミックス基材を２分割し、その一側のセラミックス基材にテーパ孔を穿設し、このテーパ孔によりこのテーパ孔を貫通する金属製給電端子を押さえ、金属部材と金属製給電端子を強固・密接的な接続を行う接続端子の取付け構造が提案されている（特許文献２）。

しかし、この特許文献２の構造は、セラミック基材に複数の金属部材が埋設された接続端子の取付け構造には適さず、さらに、金属製給電端子の接合部に強度的な問題を残す。

また、図４に示すように、セラミックス基材に埋設された複数の金属部材に接続される接続端子取付け構造１０として、複数の金属部材１１ａ、１１ｂが埋設された板状のセラミック基材１２の一面１２ａに接続端子取付け用の穴１３を形成し、この穴１３の底部及び側面に露出する金属部材１１ａ、１１ｂの露出部分をメタライズ層１４で電気的に導通させ、さらに、金属製給電端子１５をろう材１６により、穴１３の底部及び側面に形成されたメタライズ層１４に溶着するようにしたものが用いられている。しかし、このような接続端子の取付け構造は、セラミック基材に複数の金属部材が埋設されたセラミック基材の接続端子の取付け構造に適するが、ろう付は、７００℃乃至１０００℃で行われるため、ろう付後の冷却過程でのセラミックス部材と金属製給電端子の熱膨張差によってセラミックス部材内部に残留応力が発生する。その影響で、セラミックス部材のろう付部分近傍にクラックが発生するか、クラックが発生しなくてもろう付部分の強度が低下してしまうという欠点があり、特に、金属製給電端子を接合する穴の底面と側面の両方でろう付するため、セラミックス部材内部の残留応力は増大し、強度が低下する。
特開平８−２７７１７３号公報 特開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、複数の金属部材が埋設された金属製給電端子の接続に適し、耐プラズマ及び機械的強度に優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、ねじれ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、この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、このように、端子挿入穴と金属製給電端子の間が金属ろう材により充填されている場合には、上述のように金属ろう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、この角部にろう材を介在させず、接合を金属性給電端子先端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、この先端面のみによる接合では、金属性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、金属性給電端子の先端面のみのろう付けでも確実かつ充分な金属性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基材と、このセラミック基材に複数埋設され、電圧が印加され、かつ、一つはその一部分が前記端子挿入穴の底面に露出され、他はその一部分が前記端子挿入穴の側面に露出された金属部材と、前記底面及び前記側面に設けられ、これら両面に露出した前記金属部材を全て電気的に導通させる導電性物質と、前記底面のみで金属製接合材により接合され、前記導電性物質を介して全ての前記複数の金属部材に電気的に導通され、かつ、電圧を印加する接続端子を有することを特徴とする。

好適には、前記導電性物質はメタライズ層からなり、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉのうち一つ以上の元素を含む。

また、好適には、前記メタライズ層は、気孔率が１０〜５０％である。

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、複数の金属部材が埋設された金属製給電端子の接続に適し、耐プラズマ及び機械的強度に優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静電チャックの概念図、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、静電チャック１は、平板状のセラミックス基材例えば窒化アルミニウム基材２に、電圧が印可される抵抗発熱体としての例えば金属メッシュのような金属部材３ａ、３ｂが複数例えば２枚埋設され、この金属部材３ａ、３ｂ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。

このように静電チャック１に設けられ、金属部材３ａ、３ｂ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、窒化アルミニウム基材２に設けられた端子挿入穴６の表面すなわち底面６ａ及び側面６ｂに導電性物質７が設けられ、この導電性物質７は底面６ａにおいてこの底面６ａに一部が露出された金属部材３ａの露出部分３ａ１に接合され、また、側面６ｂにおいてこの側面６ｂに一部が露出された金属部材３ｂの露出部分３ｂ１に接合されており、さらに、金属製給電端子４はその先端面４ａを介して導電性物質７の底面部７ａのみと金属製接合材８により接合され、導電性物質７を介して両金属部材３ａ、３ｂに接続されるようになっている。従って、導電性物質７はその側面部７ｂでは金属製給電端子４及び金属製接合材８と接合されておらず、側面部７ｂと、金属製給電端子４及び金属製接合材８間には間隙ｇが形成される。

上記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、導電性膜であるのが好ましく、セラミックスとの密着度や結合力、ろう付け環境に対する耐性を考慮して決定すればよいが、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉのうち一つ以上の元素を含むメタライズ膜とすることが好ましい。

このメタライズ膜と両金属部材３ａ、３ｂの接続は、セラミックス基材２に埋設された金属部材３ａ、３ｂの露出部分３ａ１、３ｂ１を、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｖ、Ｉｎのうちどれか一つを含む金属でメタライズした後、メタライズ面と金属製給電端子４の間に融点が５００℃以下のろう材を挿入して、所定の温度で加熱処理することによって、セラミックス基材のろう付部近傍の残留応力を低減することができ、クラックの発生および強度低下を招かない接合が可能になる。

ろう材の組成は特に限定しないが、ろう付時にメタライズ層が再溶融しないように、メタライズ層の融点よりも低い温度となる組成にすることが必要である。また、セラミックス部材内部の残留応力を低減させるために、融点が４００℃以下の組成のろう材を選択することが好ましい。

特に上記給電端子取付け構造のように、複数の金属部材３ａ、３ｂが埋設されている場合、この金属部材３ａ、３ｂの露出部分３ａ１、３ｂ１を含むセラミックス基材２の表面をメタライズ後、そのメタライズ面の一部、例えば金属製給電端子４をろう付する導電性物質７の底面部７ａだけにろう材である金属製接合材８を介在させ、側面６ｂと金属製給電端子４間に隙間ｇが設けられた構造にすることによって、セラミックス基材２の残留応力を低減させることができ、かつ、埋設された全ての金属部材３ａ、３ｂと金属製給電端子４間に電気的導通をもたせることができる。

上記メタライズの方法は、上述した金属元素単体または合金の粉末を有機溶剤に分散させ、バインダを添加したペーストをセラミックス基材表面にスクリーン印刷あるいは、ヘラ、刷毛などで塗布した後、所定の温度、雰囲気で焼き付ける。また、ペーストの変わりに箔をメタライズ面に配置して焼き付けてもよい。また、セラミックス基材表面をメッキ処理によってメタライズしてもよい。

また、ペーストを塗布して焼付けを行う場合には、焼付けの条件を制御して、メタライズ層の内部に適度に気孔が体積比で５％から５０％残留する構造にすることによって、メタライズ時、およびろう付時に、セラミックス基材内部に発生する残留応力の緩和がより効果的になる。気孔が５％未満の場合は、残留応力を緩和させる効果が少なく、逆に気孔が５０％を超える場合は、メタライズ層自体の強度が低下して、金属製給電端子が剥離しやすくなる。

上記のような本実施形態によれば、複数の金属部材に金属製給電端子の接続が可能であることに加えて、金属製給電端子は導電性物質の底面部すなわち端子挿入穴の底面のみの拘束となり、導電性物質及びセラミックス基材に触れないため、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長さ方向のみとなり、セラミックスの割れやクラックが発生することがない。

１．試験１
１．１ 試料：窒化アルミニウムセラミックス成型工程で金属電極として２枚のＭｏメッシュを埋設して焼成後、加工して静電チャック本体を得た。さらに、金属製給電端子を接合する部分を穴加工して、埋設したＭｏメッシュの一部を露出させた（図３（ａ））。このＭｏメッシュの露出部分を含む穴の内面を、いずれも表１に示すような各種金属ペースト、箔を焼付、または、メッキ処理によって、メタライズした形成後（図３（ｂ））、このメタライズ層にＮｉ下地にＡｕメッキを施したＭｏまたはＷの金属製給電端子をろう材を用いてろう付した（図３（ｃ））（実施例１〜１３）。また、メタライズ層を設けず直接ろう材により金属製給電端子と２枚のＭｏメッシュの露出部分を直接接合した静電チャックを作製した（比較例１、２）。

１．２ 方法：実施例１〜１３及び比較例１、２を用いて、メタライズ層（Ｍｏメッシュ）と金属製給電端子間の引張強度、接合状態を調べた。

１．３ 結果：表１に示す。表１からもわかるように、メタライズを行わない比較例１、２はいずれも引張強度が１と小さな値であり、また、窒化アルミニウム基材にクラックが発生した。これに対して、メタライズ層が単一金属元素を含む組成の実施例１〜４、１３は、メタライズ方法に関係なく、引張強度が７〜１５と比較例１、２に比べて大きな値を示し、また、窒化アルミニウム基材にクラックが発生することなく良好であった。さらに、メタライズ層が３種以上の金属元素を含む組成の実施例５〜１２は、メタライズ方法に関係なく、引張強度が２５〜３０と比較例１、２に比べて著しく大きな値を示し、メタライズ層が単一金属元素を含む組成の実施例１〜４、１３に比べても大きな値を示し、また、窒化アルミニウム基材にクラックが発生することなく良好であった。

２．試験２
２．１ 試料：試験１の実施例６のようにして作製した静電チャックを用い、表２に示すようにメタライズ層の気孔率を換えて、気孔率が本発明の範囲内のもの（実施例１４〜１７）と範囲外のもの（比較例３、４）を作製した。

２．２ 方法：実施例１４〜１７及び比較例３、４を用いて、メタライズ層と金属製給電端子間の引張強度、接合状態を調べた。

２．３ 結果：表２に示す。表２からもわかるように、気孔率が本発明の範囲内の実施例１４〜１７は引張強度が２５〜３５と、気孔率が１と下限を下回る比較例３の引張強度２２及び気孔率が６０と上限を上回る比較例４の引張強度１０に比べて大きく、さらに、接合状態は実施例１４〜１７、比較例３、４共良好であった。

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静電チャックの縦断面図。 図１の給電端子取付け構造を拡大して示す縦断面図。 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。 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。

符号の説明

１ 静電チャック
２ 窒化アルミニウム基材
３ａ、３ｂ 金属部材
３ａ１ 露出部分
３ｂ１ 露出部分
４ 金属製給電端子
４ａ 先端面
５ 給電端子取付け構造
６ 端子挿入穴
６ａ 底面
６ｂ 側面
７ 導電性物質
８ 金属製接合材

Claims (3)

1. 端子挿入穴が形成されたセラミック基材と、このセラミック基材に複数埋設され、電圧が印加され、かつ、一つはその一部分が前記端子挿入穴の底面に露出され、他はその一部分が前記端子挿入穴の側面に露出された金属部材と、前記底面及び前記側面に設けられ、これら両面に露出した前記金属部材を全て電気的に導通させる導電性物質と、前記底面のみで金属製接合材により接合され、前記導電性物質を介して全ての前記複数の金属部材に電気的に導通され、かつ、電圧を印加する金属製給電端子を有す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. 前記導電性物質はメタライズ層からなり、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉのうち一つ以上の元素を含む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。
3. 前記メタライズ層は、気孔率が１０〜５０％であることを特徴とする請求項２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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