JP3681824B2 - セラミックスの接合体およびセラミックスの接合方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、アルミニウムの化合物からなるセラミックスと、金属やセラミックスからなる他部材との接合体に関するものであり、またこの接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、セラミックス部材と金属部材とをろう材により接合したセラミックスの接合方法は、種々の構成のものが様々な用途に使用されている。特に、アルミナや窒化アルミニウムを他の部材に対して接合する方法として、次のものが知られている。
（１）活性金属ろう材によって接合する。
（２）窒化アルミニウムの表面にモリブデン−マンガンペーストを塗布し、これを焼き付けてペースト焼き付け層を形成し、この上にニッケルメッキを施し、ニッケルメッキの上にろう材を介在させてろう付けを行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、（１）、（２）の方法では、チタン、モリブデン等の活性金属が接合部分に残留している。このため、特にハロゲン系腐食性ガスのプラズマが存在している場合には、この接合部分に存在している活性金属（Ｔｉ、Ｚｎ等）、またはＭｎ、Ｍｏ、ガラス等が腐食を受けやすい。また、（１）の方法では、活性金属ろうを直接セラミックス部材の表面に対して接触させ、このろうを溶融させるが、アルミナや窒化アルミニウムの濡れ性が悪いことが多く、安定して高い強度を得るために改善の余地があった。
【０００４】
（２）の方法は、このセラミックスに対する濡れ性の問題を解決するためのものであって、モリブデンとマンガンとガラスとの各粉末を含有するペーストをセラミックス部材の表面に塗布し、このペーストを焼き付ける。この際、ガラス成分がセラミックスの表面の方で固形化してガラス層を生成し、このガラス層上にモリブデン─マンガン層が生成する。ここで、セラミックス部材とガラス層との接合強度は比較的に高く、またモリブデン─マンガン層と金属ろう材とは強固に結合する。このように、セラミックス部材の表面に対して金属ろうを直接強固に結合させることは困難なので、これらの間にガラス層およびモリブデン─マンガン層を介在させることによって接合強度を向上させようとしている。しかし、セラミックス部材と他部材との間に介在する層の数が多く、接合部分の強度は必ずしも安定しなかった。また、このようなガラス含有ペーストをセラミックス部材の表面に対して焼き付けるためには、通常８００℃以上の高温が必要であるため、セラミックス部材と金属部材との間での熱膨張差に起因する残留応力が大きく、破壊の原因となり易い。
【０００５】
本発明の課題は、アルミニウムを含有するセラミックスを、金属やセラミックスからなる他の部材に対して接合するための新たな方法を提供することである。また、本発明の課題は、この接合強度を向上させることである。また、本発明の課題は、接合界面における強度が高い接合体の微構造を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、アルミニウム化合物からなるセラミックス製の第一の部材と、セラミックスまたはニッケル、銅、モリブデン及びコバールからなる群より選ばれた金属からなる第二の部材との接合体であって、第一の部材と第二の部材との間に金属接合材および前記金属接合材とニッケルとの金属間化合物からなる接合層が形成されており、この接合層が、前記金属接合材からなる連続相と、この連続相の間に生成している前記金属間化合物からなる分散相とを備えていることを特徴とする、セラミックスの接合体に係るものである。
【０００７】
また、本発明は、アルミニウム化合物からなるセラミックス製の第一の部材と、セラミックスまたはニッケル、銅、モリブデン及びコバールからなる群より選ばれた金属からなる第二の部材とを接合する方法であって、第一の部材の接合面に対してニッケルからなる金属膜が直接に接触するように金属膜を形成し、この金属膜と第二の部材との間に金属膜とは異なる材質からなる金属接合材を介在させた状態で少なくとも金属接合材および金属膜を加熱することによって第一の部材と第二の部材とを接合することを特徴とする、セラミックスの接合方法に係るものである。
【０００８】
本発明者は、窒化アルミニウム等のセラミックス部材を他の部材に対して、できるだけ低温で強固に接合する方法を開発するべく、研究を進めていた。この過程で、セラミックス部材の表面にニッケルの蒸着層またはメッキ層を形成してみた。この段階では、ニッケルの蒸着層やメッキ層とセラミックス部材との接合力は弱く、簡単に剥離した。しかし、このニッケルの蒸着層またはメッキ層の表面に直接ろう材を設置し、ろう材と、他の金属またはセラミックス部材を接触させ、熱処理してみると、セラミックス部材と他部材とが予想外に強固に接合することを見いだした。
【０００９】
そして、得られた接合体の接合界面の状態を解析してみると、ニッケルの蒸着層やメッキ層が消滅し、ニッケルがろう材と反応して金属間化合物からなる分散相を形成していることを確認した。このことから、接合の機構を以下のように推定した。ろう材を加熱する過程で、まずアルミニウムろうがニッケルに濡れ、ニッケルがろう材に溶解し、ニッケルとアルミニウムとの金属間化合物が生成したと考えられる。このようにニッケルとアルミニウムとの金属間化合物を生成する反応は、発熱反応であるため、この反応熱によって局部的な温度の上昇が発生し、このためにアルミニウムと窒化アルミニウムとが濡れ、接合がなされたものと考えられる。
【００１０】
この点について更に説明する。ニッケルからなる金属膜とアルミニウムを主成分とする金属接合材とを使用した場合、通常は６００℃に加熱する。このとき、アルミニウム−ニッケルの金属間化合物が生成し、この生成反応が発熱反応であるため、局所的に温度が上昇することが予想される。一般にセラミックスと金属とは、高温下で濡れ性が良くなるので、この場合も、発熱反応による温度上昇により、アルミニウムとセラミックスの濡れ性が向上し、両者が強固に接合したものと考えられる。
【００１１】
このようにして得られた本発明の接合体は、金属接合材からなる連続相と、この連続相の中に分散された状態の金属間化合物からなる分散相とを含んでいる。金属間化合物の熱膨張係数は、通常、金属接合材の主成分の熱膨張係数よりも小さく、セラミックス、特に窒化物セラミックスの熱膨張係数に近い。こうした分散相が金属接合材の連続相中に分散されている構造を採用することによって、特に接合後の残留応力が著しく緩和された。
【００１２】
また、特に本発明の接合体を、ＮＦ３、ＣＦ４等のハロゲン系腐食性ガスに対して暴露される用途に使用する場合には、このハロゲン系腐食性ガスの接合層の内部への浸透が、前記金属間化合物からなる分散相の場所でくい止められ、腐食の浸透が抑制されることがわかった。従って、本発明はこの用途に最も適している。
【００１３】
上記の接合は、窒化アルミニウム部材を他部材に対して接合する際にもっとも有用であったが、アルミナ部材の場合にも適用できることを確認した。
【００１４】
また、金属接合材の材質としては、金属ろう材を使用することができる。接合材の形態としては、シート、粉末、および粉末とバインダーとを混合したペーストのいずれでも良い。また、上記において、「第一の部材の接合面に対して金属膜が直接に接触するように金属膜を形成する」とは、金属膜と第一の部材との間に他の材質が介在しないように接合することを意味している。金属膜と第一の部材との間に他の材質が介在していると、金属接合材の第一の部材に対する接合力を向上させることはできない。
【００１５】
具体的には、第一の部材の表面に対して金属膜を気相法（化学的気相成長法、スパッタリング法）、液相法（電解メッキ法、無電解メッキ法等）によって形成することができる。特に、無電界メッキ法によれば、セラミックスの表面を容易に被覆することができる。金属膜の厚さは、０．１〜２０μｍとすることが好ましい。
【００１６】
また、第一の部材の表面に対して、ニッケル等の粉末を有機バインダーに分散させて得たペーストを塗布し、この塗布層を乾燥させ、有機バインダーを飛散させることによって、金属膜を形成できる。また、金属箔を第一の部材の表面に対して接触させることによって、金属膜を形成できる。
【００１７】
これらの各方法のうち、気相法、液相法、およびペーストを乾燥する方法によって金属膜を設けた場合には、特に接合強度および残留応力の点で良好であった。
【００１８】
次いで、金属膜と第二の部材との間に金属接合材を介在させた状態で、少なくとも金属接合材および金属膜を加熱する。この加熱の際には、金属接合材を溶融させてろう付けすることが好ましい。しかし、必ずしも金属接合材の全体を溶融させることは必要ではなく、金属接合材の金属膜との少なくとも界面付近を部分的に溶融させることができれば良い。また、「少なくとも金属接合材および金属膜を加熱する」とは、これらを含んで第一の部材および第二の部材をすべて加熱処理する場合の他、金属膜および金属接合材の存在する領域のみを高周波やレーザー光等の局所的加熱手段によって加熱する場合を含む。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）〜（ｃ）は、第一の部材５０と第二の部材５１とを接合する過程を示す断面図である。これらの各部材５０、５１の全体の形状には特に制限はない。第一の部材５０はアルミニウム化合物のセラミックスからなり、第二の部材５１は、これ以外のセラミックスまたはニッケル、銅、モリブデン及びコバールからなる群より選ばれた金属からなる。このセラミックスとしては、窒化アルミニウムを例示できる。図１（ａ）に示すように、第一の部材５０の接合面５０ａに金属膜５２を形成する。次いで、図１（ｂ）に示すように、第一の部材５０と第二の部材５１とを対向させ、金属膜５２と第二の部材５１の接合面５１ａとの間に金属接合材５３を介在させる。次いで、第一の部材および第二の部材を加熱処理すると、図１（ｃ）に示すように部材５０と５１とが接合され、これらの各部材の間に接合層５４が生成する。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｃ）は、第一の部材５０Ａと第二の部材５０Ｂとを接合する過程を示す断面図である。第一の部材５０Ａおよび第二の部材５０Ｂは、それぞれアルミニウム化合物のセラミックスからなる。このため、図２（ａ）に示すように、第一の部材５０Ａの接合面５０ａに金属膜５２Ａを形成するのと共に、第二の部材５０Ｂの表面にも同様に金属膜５２Ｂを形成する。次いで、図２（ｂ）に示すように、第一の部材５０Ａと第二の部材５０Ｂとを対向させ、金属膜５２Ａと５２Ｂとの間に金属接合材５３を介在させる。次いで、第一の部材および第二の部材を加熱処理すると、図２（ｃ）に示すように部材５０Ａと５０Ｂとが接合され、これらの各部材の間に接合層５５が生成する。
【００２２】
図１（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明したように、第一の部材に対して、アルミニウム化合物からなるセラミックス以外のセラミックスまたはニッケル、銅、モリブデン及びコバールからなる群より選ばれた金属からなる第二の部材を接合したときには、図３（ａ）の模式的断面図に示すように、接合層５４が生成する。この接合層５４においては、金属膜５２（図１（ａ）参照）は消滅し、金属接合材からなる連続相５６の中に、金属間化合物からなる粒子ないし分散相５７が分散していた。即ち、金属膜の材質と金属接合材との反応の進行に伴って、金属膜の成分が金属接合材の中に移動していた。また、特に金属からなる第二の部材５１の表面には、金属間化合物からなる連続相６０が生成することがあった。特に、金属部材がニッケルである場合にはこの連続相６０が生成し易かった。この連続相６０は、組成が相異なる金属間化合物からなる複数の相によって構成されることもあるが、単一組成の金属間化合物からなることもある。
【００２３】
一方、図２（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明したように、共にアルミニウム化合物からなる部材５０Ａと５０Ｂとを接合したときには、図３（ｂ）の模式的断面図に示すように、接合層５５が生成する。即ち、この接合層５５においては、金属膜５２Ａ、５２Ｂ（図２（ａ）参照）は消滅し、この代わりに各部材の表面５０ａに沿って、金属間化合物からなる粒子５９Ａ、５９Ｂが生成していた。これは、各表面５０ａに近い位置から凝固が開始されるからと思われる。これら各粒子５９Ａ、５９Ｂは、それぞれ界面に沿って連続し、金属間化合物が豊富な領域が生成していた。
【００２４】
次いで、本発明で使用できる好ましい金属接合材について説明する。この金属接合材は、金属膜の材質と金属間化合物を生成しうるものであれば特に制限はなく、銅、ニッケル、銀、アルミニウムの各金属を主成分とする合金、またはこれらの純金属を使用できる。ただし、第一の部材と第二の部材との間の残留応力を最大限減少させるためには、低温で接合可能な、アルミニウムを主成分とするろう材が好ましい。また、本発明においては、特に金属接合材の中に活性金属を含有させることなく、強固な接合を形成することができた。これは、セラミックス部材中への活性金属成分の拡散は特に不要であることを意味している。
【００２５】
従って、アルミニウムろう中に活性金属を含有させる必要はないが、Ｍｇを０．３〜２０重量％含有させることができる。また、更に５０重量％以下の第３成分を含有させることができる。この第三成分としては、ＳｉおよびＣｕからなる群より選ばれた一種以上の成分を使用することができる。
【００２６】
また、ハロゲン系腐食性ガスに対する耐久性という点で、ニッケル、銅およびアルミニウムのいずれかを主成分とする金属接合材が好ましい。また、合金成分として、Ｓｉの場合はハロゲン系腐食性ガスによって腐食を受けやすいために、２０ｗｔ．％以下が望ましい。
【００２７】
以下、第一の部材および第二の部材の形態を種々変更した実施形態の好適例について順次説明する。図４（ａ）は、高周波電極を有するサセプターの構造の一例を示す図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のサセプターを示すＩＶｂ−ＩＶｂ線断面図である。アルミニウム化合物のセラミックスからなる円盤状基材１の中に高周波電極１２が埋設されている。この高周波電極１２は、本実施例では網状のバルク材である。２は、基材１を取り付けるためのアルミナ製フランジであり、４は電力供給部材の接合部であり、５は熱電対の接合部であり、６はサセプターの基材１とアルミナフランジ２との支持部である。このうち電力供給部材の接合部４と熱電対の接合部５との構造の詳細を、図４（ｂ）に示す。
【００２８】
フランジ２が窒化アルミニウム製のハブ１１に対して接合されており、ハブ１１が基材１の背面１ｂに対して接合されている。基材１の表面１ａの近傍の内部に、高周波電極１２が埋設されている。この材質は、モリブデン、タングステン等の高融点金属とすることが好ましい。基材１には、背面１ｂ側に開口した孔１３が形成されており、この孔１３の底部に網状電極１２が露出している。フランジ２の内側空間に細長い電力供給部材１４が収容されており、この部材１４の先端部１４ａが孔１３の底部１３ａに、接合層１５および残留応力緩和用のインサート材１６を介して接合されている。これらによって接合部４が構成されている。
【００２９】
電極接合部４では、図５にその一例を示すように、基材１の孔１３の底部１３ａに対して接合層１５が接触しており、この底部１３ａに網状電極１２が露出している。そして、接合層１５と、金属露出部である網状電極１２とが接合しており、かつ接合層１５と基材１とが接合している。特に、金属露出部として網状電極１２を使用すると、接合層１５と網状電極１２との接合部は網状に存在しており、この編み目において、接合層１５と基材１との接合部とが生成する。このように、網状電極とろう材との接合部と、基材とろう材との接合部とが交互に存在しているので、きわめて強固な接合を達成できる。
【００３０】
また、基材１には孔１７が形成されており、この孔１７が、基材１の背面１ｂに開口しており、孔１７は孔１３よりは浅く、この孔１７の底部には基材のセラミックスが露出している。また、フランジ２内には、熱電対を収容した中空シース１８が収容されており、この中空シース１８の先端部１８ａの周囲には、熱電対保護用の高融点金属製のキャップ１９がかぶせられている。キャップ１９の外径は、孔１７の内径よりも若干小さくなっている。そして、キャップ１９を、孔部１７の底部１７ａに、接合層２０およびインサート材２１を介して接合することによって、熱電対の接合部５を構成している。
【００３１】
ここで、アルミナ製のフランジ２と窒化アルミニウム製のハブ１１との接合、ハブ１１と窒化アルミニウム製の基材１の接合に対して、本発明を適用することができる。この場合には、いずれか一方を第一の部材とし、他方を第二の部材とすることができる。また、インサート材１６と基材１との接合部分に対して、本発明を適用することができる。この場合には、孔１３に露出している基材１を第一の部材とし、インサート材１６を第二の部材とする。
【００３２】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）、図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図８（Ａ）、図８（Ｂ）は、それぞれ図４（ａ）、（ｂ）に示した例と同様のプラズマ発生用電極装置における電力供給部材の接合部の周辺を示す断面図である。これらの図面において、図４に示す部材と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
【００３３】
図６（Ａ）に示す例では、中心に貫通孔４１ａが形成されているチューブ形状の端子４１を孔１３内に収容した。この端子４１は、Ｎｉ製またはＡｌ製である。端子４１の下側の端面が接合層１５ａによって底部１３ａに対して接合されており、端子４１の側周面の下側が接合層１５ｂによって孔１３の周面に対して接合されている。この接合層１５ｂは、網状電極１２に対して半導体製造装置内の腐食性ガスが直接に接触しないように作用する。
【００３４】
図６（Ｂ）に示す例では、孔５７をテーパー加工し、同じくテーパー付きのＮｉまたはＡｌ製の端子４４を孔５７内に収容する。そして、端子４４の底面と孔５７の底部５７ａとを接合層２２ａを介して接合し、端子４４の側周面と孔５７の側周面５７ｂとを接合層２２ｂを介して接合している。この後、ＮｉまたはＡｌ製の電力供給部材４５を端子４４に溶接している。
【００３５】
図６（Ｂ）に示す例においては、更に、孔５７をテーパー形状とし、この側周面５７ｂと端子４４と間も本発明に従って接合することで、接合面積を大きくとれるとともに、底部５７ａに対する気密性が一層高い構造となる。また、端子４４を孔５７内に挿入することで、先端部４４のテーパー面に沿って孔５７の側周面を加圧しながら、金属接合材の加熱を行うことができる。
【００３６】
図６（Ｃ）の接合構造は、図６（Ａ）の接合構造において、更に、貫通孔４１ａの中に窒化アルミニウム製の応力緩和材２４が収容されており、この応力緩和材２４の底面と孔１３の底面１３ａとの間も、本発明に従って接合されている。即ち、この接合部分とその周辺とは、温度の上昇と加工とに対してさらされるが、この場合にセラミックスと金属との間の熱膨張差によって、特に接合層１５ａ、１５ｂとセラミックスの接合界面に対して熱応力が加わる。しかし、このセラミックス製の応力緩和材２４によって端子４１を挟んだ構造を採用することによって、この端子４１から接合層に対して加わる応力が分散され、緩和される。特に、接合層１５ａとセラミックスの接合界面における応力の緩和に効果が大きい。なお、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）においては、孔１３に露出する基材１を第一の部材とし、これと接合される耐腐食性金属製の端子４１、４４を第二の部材とする。
【００３７】
図７（Ａ）に示す例では、テーパー付きのブッシュ５８の中心部に貫通孔４６が設けられている。電力供給部材４５の最先端には凸形状の押圧部４５ａが設けられている。そして、貫通孔４６の中に部材４５を挿入し、押圧部４５ａによって金属接合材を底部５７ａの方向へと向かって押しつけながら加熱する。また、ブッシュ５８によって金属接合材を側周面５７ｂの方へと向かって加圧しながら加熱する。
【００３８】
この例においては、更に、孔５７の底部５７ａに対して接合を行うときに、押圧部４５ａによって圧力を加えることができるので、この底部５７ａに沿って接合部分の接合強度を一層向上させることができる。この実施形態では、基材１を第一の部材とし、これと接合される耐腐食性金属製のブッシュ５８および押圧部４５ａを第二の部材とする。
【００３９】
図７（Ｂ）に示す例では、孔１３の内径および形状とほぼ同じ内径および形状を有する、ＮｉまたはＡｌ製の薄い円板４７を、孔１３の底部１３ａに対して、本発明に従って接合層１５を介して接合する。次いで、ＮｉまたはＡｌ製の電力供給部材４５を円板４７と溶接等することによって一体化する。本実施例では、円板４７を使用することで、製造時および使用時の熱応力を一層低減することができる。この実施形態では、基材１を第一の部材とし、これと接合される円盤４７を第二の部材とする。
【００４０】
図８（Ａ）に示す例では、孔１３内において、窒化アルミニウム製のリング状中間部材４８と、ＮｉまたはＡｌ製の電力供給部材４５との各端面を、接合層１５を介して底部１３ａに対して接合している。この実施形態では、実際に電力を供給する部材４５と同時に、窒化アルミニウム製の中間部材４８をも底部１３ａに対して接合しているので、一層熱応力を低減することができる。この実施形態においては、基材１を第一の部材とし、電力供給部材４５および中間部材４８を第二の部材とする。
【００４１】
図８（Ｂ）に示す実施形態では、網状電極１２の一部を切断し、この切断した残りの部分を基材１の背面の方向へと向かって伸ばした状態で基材１を一体焼結させた。これによって、網状電極１２から切断部分５８を背面の方向へと伸ばし、この切断部分を構成する細線５８の端面を背面１ｂに露出させている。基材１の背面１ｂに対して電力供給部材４５を、接合層１５を介して接合しており、かつ電力供給部材４５を細線５８に対して接続している。この実施形態においては、基材１を第一の部材とし、電力供給部材４５を第二の部材とする。図８（Ｂ）に示す各実施形態においては、加工の難しいメッシュ１２の部分については孔１３、５７を形成する加工を行う必要がない。
【００４２】
図９は、半導体製造装置の金属フランジ６０と、セラミックスヒーター６２との接合構造を概略的に示す断面図である。このフランジ６０は、半導体製造装置のチャンバーに取り付けるための取り付け部６０ａと、装置の内部へと延びる延設部６０ｂとを備えている。延設部６０ｂの内側に、装置の内部の雰囲気とは隔離された空間６１が形成されている。延設部６０ｂの端面６０ｃに、セラミックスヒーター６２のセラミックス基材６６の背面６６ｂが、本発明の方法に従って接合層７０を介して接合されている。この基材６６の内部には抵抗発熱体６３が埋設されており、抵抗発熱体６３の端部が端子６４に対して接続されている。各端子６４は背面６６ｂに露出しており、各端子に対して電力供給用の棒状部材６７が接合されている。また、基体６６の背面６６ｂ側に凹部６５が形成されており、この凹部６５の中に熱電対６８の末端の熱接点が収容されている。
【００４３】
熱電対６８によって基体の温度を観測しつつ、抵抗発熱体６３への供給電力を調整し、ウエハー加熱面６６ａの温度を調整する。むろん、温度の測定方法や抵抗発熱体の構成や端子の接続構造などは、特に限定されない。このような構成によって、セラミックスヒーターの端子や熱電対などの腐食を受けやすい部分が半導体製造装置内に露出しないような加熱装置を提供することができる。
【００４４】
図９において、フランジ６０を接合すべき基体の内部には、静電チャック電極や高周波電極などの機能性部材を埋設することができ、この際に各機能性部材およびこれに電力を供給するための端子が、空間６１に対して露出し、半導体製造装置内に露出しないようにすることができる。
【００４５】
また、図４〜図８の各実施形態において、高周波電極である網状電極をパンチングメタルや不織布とすることができる。また、基材の内部に、高周波電極の代わりに、静電チャック電極や抵抗発熱体（図９におけるように）を埋設することができる。
【００４６】
【実施例】
（実施例１）
図２に示す方法に従って接合体を製造した。第一の部材および第二の部材として、それぞれ窒化アルミニウムセラミックスからなる平板形状の部材を作成した。各部材の寸法は、８ｍｍ×４０ｍｍ×２０ｍｍとした。表１における実施例１−１〜１−４においては、各部材の表面５０ａをニッケルメッキ液に対して所定時間接触させることによってメッキを行った。そして、両部材の間に、表１に示す各成分比率を有するろう材のシート５３を挟んで被処理体を製造し、この被処理体を電気炉中に収容し、これを真空中で各ろう材の融点以上の温度にまで加熱し、ついで室温まで温度を降下させて各接合体を製造した。前記シートの寸法は、８ｍｍ×４０ｍｍ×０．１２ｍｍとした。加熱の際には、このシートに対して垂直の方向に、７０ｇ／ｃｍ2 の圧力を加えた。また、比較例１−１、１−２においては、各部材の表面処理を行わなかった。
【００４７】
各接合体について、ＪＩＳ Ｚ２２０４に準拠して４点曲げ試験片を切り出し、四点曲げ強度を測定した。また、各接合体をＣＦ4 プラズマ中に４００℃で１９２時間暴露した。この暴露後の接合体について、上記のようにして四点曲げ強度を測定した。また、接合体の接合界面の変色を調査し、この変色部分を浸食部分と考え、この浸食部分の表面からの長さを測定し、浸食距離として表示した。
【００４８】
【表１】
【００４９】
表１に示すように、本発明によって、四点曲げ強度が高く、ハロゲン系腐食性ガスプラズマ等の腐食性ガスに対して高い耐腐食性を有する接合体を提供することができるし、この接合を、種々のアルミニウム合金からなるろう材や純アルミニウムからなるろう材によって、簡単に行うことができる。
【００５０】
これに対して、比較例１−１においては、接合強度が相対的に見て低く、また耐腐食性も劣っていた。これは、窒化アルミニウムに対するろう材の濡れ性が低いためであろうと思われる。また、比較例１−２においては、ろう材中の活性金属の割合を顕著に増大させることによって、ろう材の窒化アルミニウムに対する濡れ性を向上させる手法をとった。このため、初期の強度は大きいが、しかし腐食性ガスに接合体をさらすと接合部分の腐食が極度に進行した。
【００５１】
また、実施例１−１の接合体の接合界面を走査型電子顕微鏡によって撮影し、図１０に示した。図１０に示すように、ろう材からなる接合層の両側界面に沿って、別の物質の粒子が列状に生成していた。この接合層の各部分の元素をＥＤＡＸによって測定したところ、主としてろう材からなる層の両側に、アルミニウム−ニッケルの金属間化合物の分散相がリッチな領域が残留していることが判明した。この分散相を構成する金属間化合物の組成は、Ａｌ３Ｎｉであった。
【００５２】
（実施例２）
図１に示す方法に従って接合体を製造した。即ち、窒化アルミニウムからなる第一の部材を２枚準備し、金属製の第二の部材を１枚準備し、２枚の第一の部材の間に１枚の第一の部材を挟んで接合した。ここで、第二の部材の材質は、表２に示すように変更した。第一の部材の寸法は８ｍｍ×４０ｍｍ×２０ｍｍとし、第二の部材の寸法は８ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍとした。
【００５３】
表２における実施例２−１〜２−７においては、第一の部材５０の表面５０ａをニッケルメッキ液に対して所定時間接触させることによってメッキを行った。そして、第一の部材５０と第二の部材５１との間に、表２に示す各成分比率を有するろう材のシート５３を挟んで被処理体を製造し、この被処理体を電気炉中に収容し、これを真空中で各ろう材の融点以上の温度にまで加熱し、ついで室温まで温度を降下させて各接合体を製造した。前記シートの寸法は、８ｍｍ×４０ｍｍ×０．１２ｍｍとした。加熱の際には、このシートに対して垂直の方向に、７０ｇ／ｃｍ2 の圧力を加えた。また、比較例２−１〜２−４においては、各部材の表面処理を行わなかった。
【００５４】
各接合体について、ＪＩＳ Ｚ２２０４に準拠して４点曲げ試験片を切り出し、四点曲げ強度を測定した。
【００５５】
【表２】
【００５６】
表２に示すように、本発明によって、四点曲げ強度が高い接合体を提供することができるし、この接合を、種々のアルミニウム合金からなるろう材や純アルミニウムからなるろう材によって、簡単に行うことができる。また、第二の部材の材質としてニッケル、モリブデン、銅、コバールのいずれを使用したときにも、高い強度が得られた。
【００５７】
これに対して、比較例２−１、２−２においては、接合強度が相対的に見て低かった。これは、窒化アルミニウムに対するろう材の濡れ性が低いためであろうと思われる。また、比較例２−３においては、ろう材中の活性金属の割合を顕著に増大させることによって、ろう材の窒化アルミニウムに対する濡れ性を向上させる手法をとった。しかし、この場合、接合温度は、Ａｌ系ろう材が６００℃〜６７０℃であるのに対し、比較例２−３は８５０℃であり、比較例２−４は１０５０℃であるため、金属である第二部材とセラミックスである第一部材との間の熱膨張差に起因する熱応力が顕著となるため、強度が低くなっている。
【００５８】
また、実施例２−１の接合体の接合界面を走査型電子顕微鏡によって撮影し、図１１に示した。図１１からわかるように、ろう材からなる接合層の中に、別の物質からなる粒子が随所に存在していた。このため、この接合層の各部分の元素をＥＤＡＸによって測定したところ、ろう材からなる連続相の中に、アルミニウム−ニッケルの金属間化合物からなる粒子が多数生成していることが判明した。この金属間化合物の組成はＡｌ３Ｎｉであった。
【００５９】
なお、図１１の写真において接合層のニッケル部材との界面に沿って、ニッケル−アルミニウム金属間化合物からなる連続相が層状に延びていることがわかった。この連続相のうち、ニッケル部材から遠い領域には主としてＡｌ3 Ｎｉが生成しており、ニッケル部材に近い領域には主としてＡｌ3 Ｎｉ2 が生成していた。
【００６０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、アルミニウムを含有するセラミックスを、金属やセラミックスからなる他の部材に対して接合するための新たな方法を提供することができ、これによって前記セラミックスの接合を容易にでき、かつ接合強度を向上させることができる。従って、本発明の接合体は、セラミックスヒーター、静電チャック、高周波電極付きのサセプターの他、各種の半導体製造装置および半導体デバイスに対して好適に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、第一の部材５０の表面５０ａに金属膜５２を形成した状態を示す断面図であり、（ｂ）は、第一の部材５０と第二の部材５１とを対向させて積層した状態を示す断面図であり、（ｃ）は、第一の部材と第二の部材とを接合して得た接合体を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、第一の部材５０Ａおよび第二の部材５０Ｂの各表面に金属膜を形成した状態を示す断面図であり、（ｂ）は、部材５０Ａと５０Ｂとを対向させて積層した状態を示す断面図であり、（ｃ）は、第一の部材と第二の部材とを接合して得た接合体を示す断面図である。
【図３】（ａ）は、第一の部材５０と第二の部材５１との接合界面を拡大して模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、部材５０Ａと部材５０Ｂとの接合界面を拡大して模式的に示す断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明のセラミックスの接合構造が使用されている一例として、高周波電極を内蔵するプラズマ発生電極装置の一例を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すプラズマ発生電極装置における電力供給部材の接合部の状態を示す断面図である。
【図５】図４（ｂ）における網状電極１２と接合層１５との界面の周辺を拡大して模式的に示す断面図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ本発明の接合方法および接合体をプラズマ発生電極装置の電力供給部材と網状電極との接合部分に対して適用した実施形態を示す断面図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ本発明の接合方法および接合体をプラズマ発生電極装置の電力供給部材と網状電極との接合部分に対して適用した実施形態を示す断面図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ本発明の接合方法および接合体をプラズマ発生電極装置の電力供給部材と網状電極との接合部分に対して適用した実施形態を示す断面図である。
【図９】半導体製造装置のフランジ部６０に対してセラミックスヒーター６２を接合して一体化した状態を模式的に示す断面図である。
【図１０】図３（ｂ）に対応する、接合体の接合界面のセラミックス組織を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図１１】図３（ａ）に対応する、接合体の接合界面のセラミックス組織を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１ 基材 １１ ハブ １２ 網状電極 １４ 電力供給部材 １５、２０ 接合層 １６、２１ インサート材 １９ キャップ
４４ 電力供給部材の端子 ４５ 電力供給部材 ５０、５０Ａ アルミニウム化合物のセラミックスからなる第一の部材 ５０ａ 第一の部材の表面 ５０Ｂ、５１ 第二の部材 ５２、５２Ａ、５２Ｂ 金属膜 ５３金属接合材 ５４、５５ 接合層 ５６、５８ 金属接合材 ５７、５９Ａ、５９Ｂ 金属間化合物からなる分散相 ６０ 金属間化合物からなる連続相 ７１─７２ 金属間化合物が豊富な領域
【発明の技術分野】
本発明は、アルミニウムの化合物からなるセラミックスと、金属やセラミックスからなる他部材との接合体に関するものであり、またこの接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、セラミックス部材と金属部材とをろう材により接合したセラミックスの接合方法は、種々の構成のものが様々な用途に使用されている。特に、アルミナや窒化アルミニウムを他の部材に対して接合する方法として、次のものが知られている。
（１）活性金属ろう材によって接合する。
（２）窒化アルミニウムの表面にモリブデン−マンガンペーストを塗布し、これを焼き付けてペースト焼き付け層を形成し、この上にニッケルメッキを施し、ニッケルメッキの上にろう材を介在させてろう付けを行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、（１）、（２）の方法では、チタン、モリブデン等の活性金属が接合部分に残留している。このため、特にハロゲン系腐食性ガスのプラズマが存在している場合には、この接合部分に存在している活性金属（Ｔｉ、Ｚｎ等）、またはＭｎ、Ｍｏ、ガラス等が腐食を受けやすい。また、（１）の方法では、活性金属ろうを直接セラミックス部材の表面に対して接触させ、このろうを溶融させるが、アルミナや窒化アルミニウムの濡れ性が悪いことが多く、安定して高い強度を得るために改善の余地があった。
【０００４】
（２）の方法は、このセラミックスに対する濡れ性の問題を解決するためのものであって、モリブデンとマンガンとガラスとの各粉末を含有するペーストをセラミックス部材の表面に塗布し、このペーストを焼き付ける。この際、ガラス成分がセラミックスの表面の方で固形化してガラス層を生成し、このガラス層上にモリブデン─マンガン層が生成する。ここで、セラミックス部材とガラス層との接合強度は比較的に高く、またモリブデン─マンガン層と金属ろう材とは強固に結合する。このように、セラミックス部材の表面に対して金属ろうを直接強固に結合させることは困難なので、これらの間にガラス層およびモリブデン─マンガン層を介在させることによって接合強度を向上させようとしている。しかし、セラミックス部材と他部材との間に介在する層の数が多く、接合部分の強度は必ずしも安定しなかった。また、このようなガラス含有ペーストをセラミックス部材の表面に対して焼き付けるためには、通常８００℃以上の高温が必要であるため、セラミックス部材と金属部材との間での熱膨張差に起因する残留応力が大きく、破壊の原因となり易い。
【０００５】
本発明の課題は、アルミニウムを含有するセラミックスを、金属やセラミックスからなる他の部材に対して接合するための新たな方法を提供することである。また、本発明の課題は、この接合強度を向上させることである。また、本発明の課題は、接合界面における強度が高い接合体の微構造を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、アルミニウム化合物からなるセラミックス製の第一の部材と、セラミックスまたはニッケル、銅、モリブデン及びコバールからなる群より選ばれた金属からなる第二の部材との接合体であって、第一の部材と第二の部材との間に金属接合材および前記金属接合材とニッケルとの金属間化合物からなる接合層が形成されており、この接合層が、前記金属接合材からなる連続相と、この連続相の間に生成している前記金属間化合物からなる分散相とを備えていることを特徴とする、セラミックスの接合体に係るものである。
【０００７】
また、本発明は、アルミニウム化合物からなるセラミックス製の第一の部材と、セラミックスまたはニッケル、銅、モリブデン及びコバールからなる群より選ばれた金属からなる第二の部材とを接合する方法であって、第一の部材の接合面に対してニッケルからなる金属膜が直接に接触するように金属膜を形成し、この金属膜と第二の部材との間に金属膜とは異なる材質からなる金属接合材を介在させた状態で少なくとも金属接合材および金属膜を加熱することによって第一の部材と第二の部材とを接合することを特徴とする、セラミックスの接合方法に係るものである。
【０００８】
本発明者は、窒化アルミニウム等のセラミックス部材を他の部材に対して、できるだけ低温で強固に接合する方法を開発するべく、研究を進めていた。この過程で、セラミックス部材の表面にニッケルの蒸着層またはメッキ層を形成してみた。この段階では、ニッケルの蒸着層やメッキ層とセラミックス部材との接合力は弱く、簡単に剥離した。しかし、このニッケルの蒸着層またはメッキ層の表面に直接ろう材を設置し、ろう材と、他の金属またはセラミックス部材を接触させ、熱処理してみると、セラミックス部材と他部材とが予想外に強固に接合することを見いだした。
【０００９】
そして、得られた接合体の接合界面の状態を解析してみると、ニッケルの蒸着層やメッキ層が消滅し、ニッケルがろう材と反応して金属間化合物からなる分散相を形成していることを確認した。このことから、接合の機構を以下のように推定した。ろう材を加熱する過程で、まずアルミニウムろうがニッケルに濡れ、ニッケルがろう材に溶解し、ニッケルとアルミニウムとの金属間化合物が生成したと考えられる。このようにニッケルとアルミニウムとの金属間化合物を生成する反応は、発熱反応であるため、この反応熱によって局部的な温度の上昇が発生し、このためにアルミニウムと窒化アルミニウムとが濡れ、接合がなされたものと考えられる。
【００１０】
この点について更に説明する。ニッケルからなる金属膜とアルミニウムを主成分とする金属接合材とを使用した場合、通常は６００℃に加熱する。このとき、アルミニウム−ニッケルの金属間化合物が生成し、この生成反応が発熱反応であるため、局所的に温度が上昇することが予想される。一般にセラミックスと金属とは、高温下で濡れ性が良くなるので、この場合も、発熱反応による温度上昇により、アルミニウムとセラミックスの濡れ性が向上し、両者が強固に接合したものと考えられる。
【００１１】
このようにして得られた本発明の接合体は、金属接合材からなる連続相と、この連続相の中に分散された状態の金属間化合物からなる分散相とを含んでいる。金属間化合物の熱膨張係数は、通常、金属接合材の主成分の熱膨張係数よりも小さく、セラミックス、特に窒化物セラミックスの熱膨張係数に近い。こうした分散相が金属接合材の連続相中に分散されている構造を採用することによって、特に接合後の残留応力が著しく緩和された。
【００１２】
また、特に本発明の接合体を、ＮＦ３、ＣＦ４等のハロゲン系腐食性ガスに対して暴露される用途に使用する場合には、このハロゲン系腐食性ガスの接合層の内部への浸透が、前記金属間化合物からなる分散相の場所でくい止められ、腐食の浸透が抑制されることがわかった。従って、本発明はこの用途に最も適している。
【００１３】
上記の接合は、窒化アルミニウム部材を他部材に対して接合する際にもっとも有用であったが、アルミナ部材の場合にも適用できることを確認した。
【００１４】
また、金属接合材の材質としては、金属ろう材を使用することができる。接合材の形態としては、シート、粉末、および粉末とバインダーとを混合したペーストのいずれでも良い。また、上記において、「第一の部材の接合面に対して金属膜が直接に接触するように金属膜を形成する」とは、金属膜と第一の部材との間に他の材質が介在しないように接合することを意味している。金属膜と第一の部材との間に他の材質が介在していると、金属接合材の第一の部材に対する接合力を向上させることはできない。
【００１５】
具体的には、第一の部材の表面に対して金属膜を気相法（化学的気相成長法、スパッタリング法）、液相法（電解メッキ法、無電解メッキ法等）によって形成することができる。特に、無電界メッキ法によれば、セラミックスの表面を容易に被覆することができる。金属膜の厚さは、０．１〜２０μｍとすることが好ましい。
【００１６】
また、第一の部材の表面に対して、ニッケル等の粉末を有機バインダーに分散させて得たペーストを塗布し、この塗布層を乾燥させ、有機バインダーを飛散させることによって、金属膜を形成できる。また、金属箔を第一の部材の表面に対して接触させることによって、金属膜を形成できる。
【００１７】
これらの各方法のうち、気相法、液相法、およびペーストを乾燥する方法によって金属膜を設けた場合には、特に接合強度および残留応力の点で良好であった。
【００１８】
次いで、金属膜と第二の部材との間に金属接合材を介在させた状態で、少なくとも金属接合材および金属膜を加熱する。この加熱の際には、金属接合材を溶融させてろう付けすることが好ましい。しかし、必ずしも金属接合材の全体を溶融させることは必要ではなく、金属接合材の金属膜との少なくとも界面付近を部分的に溶融させることができれば良い。また、「少なくとも金属接合材および金属膜を加熱する」とは、これらを含んで第一の部材および第二の部材をすべて加熱処理する場合の他、金属膜および金属接合材の存在する領域のみを高周波やレーザー光等の局所的加熱手段によって加熱する場合を含む。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）〜（ｃ）は、第一の部材５０と第二の部材５１とを接合する過程を示す断面図である。これらの各部材５０、５１の全体の形状には特に制限はない。第一の部材５０はアルミニウム化合物のセラミックスからなり、第二の部材５１は、これ以外のセラミックスまたはニッケル、銅、モリブデン及びコバールからなる群より選ばれた金属からなる。このセラミックスとしては、窒化アルミニウムを例示できる。図１（ａ）に示すように、第一の部材５０の接合面５０ａに金属膜５２を形成する。次いで、図１（ｂ）に示すように、第一の部材５０と第二の部材５１とを対向させ、金属膜５２と第二の部材５１の接合面５１ａとの間に金属接合材５３を介在させる。次いで、第一の部材および第二の部材を加熱処理すると、図１（ｃ）に示すように部材５０と５１とが接合され、これらの各部材の間に接合層５４が生成する。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｃ）は、第一の部材５０Ａと第二の部材５０Ｂとを接合する過程を示す断面図である。第一の部材５０Ａおよび第二の部材５０Ｂは、それぞれアルミニウム化合物のセラミックスからなる。このため、図２（ａ）に示すように、第一の部材５０Ａの接合面５０ａに金属膜５２Ａを形成するのと共に、第二の部材５０Ｂの表面にも同様に金属膜５２Ｂを形成する。次いで、図２（ｂ）に示すように、第一の部材５０Ａと第二の部材５０Ｂとを対向させ、金属膜５２Ａと５２Ｂとの間に金属接合材５３を介在させる。次いで、第一の部材および第二の部材を加熱処理すると、図２（ｃ）に示すように部材５０Ａと５０Ｂとが接合され、これらの各部材の間に接合層５５が生成する。
【００２２】
図１（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明したように、第一の部材に対して、アルミニウム化合物からなるセラミックス以外のセラミックスまたはニッケル、銅、モリブデン及びコバールからなる群より選ばれた金属からなる第二の部材を接合したときには、図３（ａ）の模式的断面図に示すように、接合層５４が生成する。この接合層５４においては、金属膜５２（図１（ａ）参照）は消滅し、金属接合材からなる連続相５６の中に、金属間化合物からなる粒子ないし分散相５７が分散していた。即ち、金属膜の材質と金属接合材との反応の進行に伴って、金属膜の成分が金属接合材の中に移動していた。また、特に金属からなる第二の部材５１の表面には、金属間化合物からなる連続相６０が生成することがあった。特に、金属部材がニッケルである場合にはこの連続相６０が生成し易かった。この連続相６０は、組成が相異なる金属間化合物からなる複数の相によって構成されることもあるが、単一組成の金属間化合物からなることもある。
【００２３】
一方、図２（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明したように、共にアルミニウム化合物からなる部材５０Ａと５０Ｂとを接合したときには、図３（ｂ）の模式的断面図に示すように、接合層５５が生成する。即ち、この接合層５５においては、金属膜５２Ａ、５２Ｂ（図２（ａ）参照）は消滅し、この代わりに各部材の表面５０ａに沿って、金属間化合物からなる粒子５９Ａ、５９Ｂが生成していた。これは、各表面５０ａに近い位置から凝固が開始されるからと思われる。これら各粒子５９Ａ、５９Ｂは、それぞれ界面に沿って連続し、金属間化合物が豊富な領域が生成していた。
【００２４】
次いで、本発明で使用できる好ましい金属接合材について説明する。この金属接合材は、金属膜の材質と金属間化合物を生成しうるものであれば特に制限はなく、銅、ニッケル、銀、アルミニウムの各金属を主成分とする合金、またはこれらの純金属を使用できる。ただし、第一の部材と第二の部材との間の残留応力を最大限減少させるためには、低温で接合可能な、アルミニウムを主成分とするろう材が好ましい。また、本発明においては、特に金属接合材の中に活性金属を含有させることなく、強固な接合を形成することができた。これは、セラミックス部材中への活性金属成分の拡散は特に不要であることを意味している。
【００２５】
従って、アルミニウムろう中に活性金属を含有させる必要はないが、Ｍｇを０．３〜２０重量％含有させることができる。また、更に５０重量％以下の第３成分を含有させることができる。この第三成分としては、ＳｉおよびＣｕからなる群より選ばれた一種以上の成分を使用することができる。
【００２６】
また、ハロゲン系腐食性ガスに対する耐久性という点で、ニッケル、銅およびアルミニウムのいずれかを主成分とする金属接合材が好ましい。また、合金成分として、Ｓｉの場合はハロゲン系腐食性ガスによって腐食を受けやすいために、２０ｗｔ．％以下が望ましい。
【００２７】
以下、第一の部材および第二の部材の形態を種々変更した実施形態の好適例について順次説明する。図４（ａ）は、高周波電極を有するサセプターの構造の一例を示す図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のサセプターを示すＩＶｂ−ＩＶｂ線断面図である。アルミニウム化合物のセラミックスからなる円盤状基材１の中に高周波電極１２が埋設されている。この高周波電極１２は、本実施例では網状のバルク材である。２は、基材１を取り付けるためのアルミナ製フランジであり、４は電力供給部材の接合部であり、５は熱電対の接合部であり、６はサセプターの基材１とアルミナフランジ２との支持部である。このうち電力供給部材の接合部４と熱電対の接合部５との構造の詳細を、図４（ｂ）に示す。
【００２８】
フランジ２が窒化アルミニウム製のハブ１１に対して接合されており、ハブ１１が基材１の背面１ｂに対して接合されている。基材１の表面１ａの近傍の内部に、高周波電極１２が埋設されている。この材質は、モリブデン、タングステン等の高融点金属とすることが好ましい。基材１には、背面１ｂ側に開口した孔１３が形成されており、この孔１３の底部に網状電極１２が露出している。フランジ２の内側空間に細長い電力供給部材１４が収容されており、この部材１４の先端部１４ａが孔１３の底部１３ａに、接合層１５および残留応力緩和用のインサート材１６を介して接合されている。これらによって接合部４が構成されている。
【００２９】
電極接合部４では、図５にその一例を示すように、基材１の孔１３の底部１３ａに対して接合層１５が接触しており、この底部１３ａに網状電極１２が露出している。そして、接合層１５と、金属露出部である網状電極１２とが接合しており、かつ接合層１５と基材１とが接合している。特に、金属露出部として網状電極１２を使用すると、接合層１５と網状電極１２との接合部は網状に存在しており、この編み目において、接合層１５と基材１との接合部とが生成する。このように、網状電極とろう材との接合部と、基材とろう材との接合部とが交互に存在しているので、きわめて強固な接合を達成できる。
【００３０】
また、基材１には孔１７が形成されており、この孔１７が、基材１の背面１ｂに開口しており、孔１７は孔１３よりは浅く、この孔１７の底部には基材のセラミックスが露出している。また、フランジ２内には、熱電対を収容した中空シース１８が収容されており、この中空シース１８の先端部１８ａの周囲には、熱電対保護用の高融点金属製のキャップ１９がかぶせられている。キャップ１９の外径は、孔１７の内径よりも若干小さくなっている。そして、キャップ１９を、孔部１７の底部１７ａに、接合層２０およびインサート材２１を介して接合することによって、熱電対の接合部５を構成している。
【００３１】
ここで、アルミナ製のフランジ２と窒化アルミニウム製のハブ１１との接合、ハブ１１と窒化アルミニウム製の基材１の接合に対して、本発明を適用することができる。この場合には、いずれか一方を第一の部材とし、他方を第二の部材とすることができる。また、インサート材１６と基材１との接合部分に対して、本発明を適用することができる。この場合には、孔１３に露出している基材１を第一の部材とし、インサート材１６を第二の部材とする。
【００３２】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）、図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図８（Ａ）、図８（Ｂ）は、それぞれ図４（ａ）、（ｂ）に示した例と同様のプラズマ発生用電極装置における電力供給部材の接合部の周辺を示す断面図である。これらの図面において、図４に示す部材と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
【００３３】
図６（Ａ）に示す例では、中心に貫通孔４１ａが形成されているチューブ形状の端子４１を孔１３内に収容した。この端子４１は、Ｎｉ製またはＡｌ製である。端子４１の下側の端面が接合層１５ａによって底部１３ａに対して接合されており、端子４１の側周面の下側が接合層１５ｂによって孔１３の周面に対して接合されている。この接合層１５ｂは、網状電極１２に対して半導体製造装置内の腐食性ガスが直接に接触しないように作用する。
【００３４】
図６（Ｂ）に示す例では、孔５７をテーパー加工し、同じくテーパー付きのＮｉまたはＡｌ製の端子４４を孔５７内に収容する。そして、端子４４の底面と孔５７の底部５７ａとを接合層２２ａを介して接合し、端子４４の側周面と孔５７の側周面５７ｂとを接合層２２ｂを介して接合している。この後、ＮｉまたはＡｌ製の電力供給部材４５を端子４４に溶接している。
【００３５】
図６（Ｂ）に示す例においては、更に、孔５７をテーパー形状とし、この側周面５７ｂと端子４４と間も本発明に従って接合することで、接合面積を大きくとれるとともに、底部５７ａに対する気密性が一層高い構造となる。また、端子４４を孔５７内に挿入することで、先端部４４のテーパー面に沿って孔５７の側周面を加圧しながら、金属接合材の加熱を行うことができる。
【００３６】
図６（Ｃ）の接合構造は、図６（Ａ）の接合構造において、更に、貫通孔４１ａの中に窒化アルミニウム製の応力緩和材２４が収容されており、この応力緩和材２４の底面と孔１３の底面１３ａとの間も、本発明に従って接合されている。即ち、この接合部分とその周辺とは、温度の上昇と加工とに対してさらされるが、この場合にセラミックスと金属との間の熱膨張差によって、特に接合層１５ａ、１５ｂとセラミックスの接合界面に対して熱応力が加わる。しかし、このセラミックス製の応力緩和材２４によって端子４１を挟んだ構造を採用することによって、この端子４１から接合層に対して加わる応力が分散され、緩和される。特に、接合層１５ａとセラミックスの接合界面における応力の緩和に効果が大きい。なお、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）においては、孔１３に露出する基材１を第一の部材とし、これと接合される耐腐食性金属製の端子４１、４４を第二の部材とする。
【００３７】
図７（Ａ）に示す例では、テーパー付きのブッシュ５８の中心部に貫通孔４６が設けられている。電力供給部材４５の最先端には凸形状の押圧部４５ａが設けられている。そして、貫通孔４６の中に部材４５を挿入し、押圧部４５ａによって金属接合材を底部５７ａの方向へと向かって押しつけながら加熱する。また、ブッシュ５８によって金属接合材を側周面５７ｂの方へと向かって加圧しながら加熱する。
【００３８】
この例においては、更に、孔５７の底部５７ａに対して接合を行うときに、押圧部４５ａによって圧力を加えることができるので、この底部５７ａに沿って接合部分の接合強度を一層向上させることができる。この実施形態では、基材１を第一の部材とし、これと接合される耐腐食性金属製のブッシュ５８および押圧部４５ａを第二の部材とする。
【００３９】
図７（Ｂ）に示す例では、孔１３の内径および形状とほぼ同じ内径および形状を有する、ＮｉまたはＡｌ製の薄い円板４７を、孔１３の底部１３ａに対して、本発明に従って接合層１５を介して接合する。次いで、ＮｉまたはＡｌ製の電力供給部材４５を円板４７と溶接等することによって一体化する。本実施例では、円板４７を使用することで、製造時および使用時の熱応力を一層低減することができる。この実施形態では、基材１を第一の部材とし、これと接合される円盤４７を第二の部材とする。
【００４０】
図８（Ａ）に示す例では、孔１３内において、窒化アルミニウム製のリング状中間部材４８と、ＮｉまたはＡｌ製の電力供給部材４５との各端面を、接合層１５を介して底部１３ａに対して接合している。この実施形態では、実際に電力を供給する部材４５と同時に、窒化アルミニウム製の中間部材４８をも底部１３ａに対して接合しているので、一層熱応力を低減することができる。この実施形態においては、基材１を第一の部材とし、電力供給部材４５および中間部材４８を第二の部材とする。
【００４１】
図８（Ｂ）に示す実施形態では、網状電極１２の一部を切断し、この切断した残りの部分を基材１の背面の方向へと向かって伸ばした状態で基材１を一体焼結させた。これによって、網状電極１２から切断部分５８を背面の方向へと伸ばし、この切断部分を構成する細線５８の端面を背面１ｂに露出させている。基材１の背面１ｂに対して電力供給部材４５を、接合層１５を介して接合しており、かつ電力供給部材４５を細線５８に対して接続している。この実施形態においては、基材１を第一の部材とし、電力供給部材４５を第二の部材とする。図８（Ｂ）に示す各実施形態においては、加工の難しいメッシュ１２の部分については孔１３、５７を形成する加工を行う必要がない。
【００４２】
図９は、半導体製造装置の金属フランジ６０と、セラミックスヒーター６２との接合構造を概略的に示す断面図である。このフランジ６０は、半導体製造装置のチャンバーに取り付けるための取り付け部６０ａと、装置の内部へと延びる延設部６０ｂとを備えている。延設部６０ｂの内側に、装置の内部の雰囲気とは隔離された空間６１が形成されている。延設部６０ｂの端面６０ｃに、セラミックスヒーター６２のセラミックス基材６６の背面６６ｂが、本発明の方法に従って接合層７０を介して接合されている。この基材６６の内部には抵抗発熱体６３が埋設されており、抵抗発熱体６３の端部が端子６４に対して接続されている。各端子６４は背面６６ｂに露出しており、各端子に対して電力供給用の棒状部材６７が接合されている。また、基体６６の背面６６ｂ側に凹部６５が形成されており、この凹部６５の中に熱電対６８の末端の熱接点が収容されている。
【００４３】
熱電対６８によって基体の温度を観測しつつ、抵抗発熱体６３への供給電力を調整し、ウエハー加熱面６６ａの温度を調整する。むろん、温度の測定方法や抵抗発熱体の構成や端子の接続構造などは、特に限定されない。このような構成によって、セラミックスヒーターの端子や熱電対などの腐食を受けやすい部分が半導体製造装置内に露出しないような加熱装置を提供することができる。
【００４４】
図９において、フランジ６０を接合すべき基体の内部には、静電チャック電極や高周波電極などの機能性部材を埋設することができ、この際に各機能性部材およびこれに電力を供給するための端子が、空間６１に対して露出し、半導体製造装置内に露出しないようにすることができる。
【００４５】
また、図４〜図８の各実施形態において、高周波電極である網状電極をパンチングメタルや不織布とすることができる。また、基材の内部に、高周波電極の代わりに、静電チャック電極や抵抗発熱体（図９におけるように）を埋設することができる。
【００４６】
【実施例】
（実施例１）
図２に示す方法に従って接合体を製造した。第一の部材および第二の部材として、それぞれ窒化アルミニウムセラミックスからなる平板形状の部材を作成した。各部材の寸法は、８ｍｍ×４０ｍｍ×２０ｍｍとした。表１における実施例１−１〜１−４においては、各部材の表面５０ａをニッケルメッキ液に対して所定時間接触させることによってメッキを行った。そして、両部材の間に、表１に示す各成分比率を有するろう材のシート５３を挟んで被処理体を製造し、この被処理体を電気炉中に収容し、これを真空中で各ろう材の融点以上の温度にまで加熱し、ついで室温まで温度を降下させて各接合体を製造した。前記シートの寸法は、８ｍｍ×４０ｍｍ×０．１２ｍｍとした。加熱の際には、このシートに対して垂直の方向に、７０ｇ／ｃｍ2 の圧力を加えた。また、比較例１−１、１−２においては、各部材の表面処理を行わなかった。
【００４７】
各接合体について、ＪＩＳ Ｚ２２０４に準拠して４点曲げ試験片を切り出し、四点曲げ強度を測定した。また、各接合体をＣＦ4 プラズマ中に４００℃で１９２時間暴露した。この暴露後の接合体について、上記のようにして四点曲げ強度を測定した。また、接合体の接合界面の変色を調査し、この変色部分を浸食部分と考え、この浸食部分の表面からの長さを測定し、浸食距離として表示した。
【００４８】
【表１】
表１に示すように、本発明によって、四点曲げ強度が高く、ハロゲン系腐食性ガスプラズマ等の腐食性ガスに対して高い耐腐食性を有する接合体を提供することができるし、この接合を、種々のアルミニウム合金からなるろう材や純アルミニウムからなるろう材によって、簡単に行うことができる。
【００５０】
これに対して、比較例１−１においては、接合強度が相対的に見て低く、また耐腐食性も劣っていた。これは、窒化アルミニウムに対するろう材の濡れ性が低いためであろうと思われる。また、比較例１−２においては、ろう材中の活性金属の割合を顕著に増大させることによって、ろう材の窒化アルミニウムに対する濡れ性を向上させる手法をとった。このため、初期の強度は大きいが、しかし腐食性ガスに接合体をさらすと接合部分の腐食が極度に進行した。
【００５１】
また、実施例１−１の接合体の接合界面を走査型電子顕微鏡によって撮影し、図１０に示した。図１０に示すように、ろう材からなる接合層の両側界面に沿って、別の物質の粒子が列状に生成していた。この接合層の各部分の元素をＥＤＡＸによって測定したところ、主としてろう材からなる層の両側に、アルミニウム−ニッケルの金属間化合物の分散相がリッチな領域が残留していることが判明した。この分散相を構成する金属間化合物の組成は、Ａｌ３Ｎｉであった。
【００５２】
（実施例２）
図１に示す方法に従って接合体を製造した。即ち、窒化アルミニウムからなる第一の部材を２枚準備し、金属製の第二の部材を１枚準備し、２枚の第一の部材の間に１枚の第一の部材を挟んで接合した。ここで、第二の部材の材質は、表２に示すように変更した。第一の部材の寸法は８ｍｍ×４０ｍｍ×２０ｍｍとし、第二の部材の寸法は８ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍとした。
【００５３】
表２における実施例２−１〜２−７においては、第一の部材５０の表面５０ａをニッケルメッキ液に対して所定時間接触させることによってメッキを行った。そして、第一の部材５０と第二の部材５１との間に、表２に示す各成分比率を有するろう材のシート５３を挟んで被処理体を製造し、この被処理体を電気炉中に収容し、これを真空中で各ろう材の融点以上の温度にまで加熱し、ついで室温まで温度を降下させて各接合体を製造した。前記シートの寸法は、８ｍｍ×４０ｍｍ×０．１２ｍｍとした。加熱の際には、このシートに対して垂直の方向に、７０ｇ／ｃｍ2 の圧力を加えた。また、比較例２−１〜２−４においては、各部材の表面処理を行わなかった。
【００５４】
各接合体について、ＪＩＳ Ｚ２２０４に準拠して４点曲げ試験片を切り出し、四点曲げ強度を測定した。
【００５５】
【表２】
表２に示すように、本発明によって、四点曲げ強度が高い接合体を提供することができるし、この接合を、種々のアルミニウム合金からなるろう材や純アルミニウムからなるろう材によって、簡単に行うことができる。また、第二の部材の材質としてニッケル、モリブデン、銅、コバールのいずれを使用したときにも、高い強度が得られた。
【００５７】
これに対して、比較例２−１、２−２においては、接合強度が相対的に見て低かった。これは、窒化アルミニウムに対するろう材の濡れ性が低いためであろうと思われる。また、比較例２−３においては、ろう材中の活性金属の割合を顕著に増大させることによって、ろう材の窒化アルミニウムに対する濡れ性を向上させる手法をとった。しかし、この場合、接合温度は、Ａｌ系ろう材が６００℃〜６７０℃であるのに対し、比較例２−３は８５０℃であり、比較例２−４は１０５０℃であるため、金属である第二部材とセラミックスである第一部材との間の熱膨張差に起因する熱応力が顕著となるため、強度が低くなっている。
【００５８】
また、実施例２−１の接合体の接合界面を走査型電子顕微鏡によって撮影し、図１１に示した。図１１からわかるように、ろう材からなる接合層の中に、別の物質からなる粒子が随所に存在していた。このため、この接合層の各部分の元素をＥＤＡＸによって測定したところ、ろう材からなる連続相の中に、アルミニウム−ニッケルの金属間化合物からなる粒子が多数生成していることが判明した。この金属間化合物の組成はＡｌ３Ｎｉであった。
【００５９】
なお、図１１の写真において接合層のニッケル部材との界面に沿って、ニッケル−アルミニウム金属間化合物からなる連続相が層状に延びていることがわかった。この連続相のうち、ニッケル部材から遠い領域には主としてＡｌ3 Ｎｉが生成しており、ニッケル部材に近い領域には主としてＡｌ3 Ｎｉ2 が生成していた。
【００６０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、アルミニウムを含有するセラミックスを、金属やセラミックスからなる他の部材に対して接合するための新たな方法を提供することができ、これによって前記セラミックスの接合を容易にでき、かつ接合強度を向上させることができる。従って、本発明の接合体は、セラミックスヒーター、静電チャック、高周波電極付きのサセプターの他、各種の半導体製造装置および半導体デバイスに対して好適に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、第一の部材５０の表面５０ａに金属膜５２を形成した状態を示す断面図であり、（ｂ）は、第一の部材５０と第二の部材５１とを対向させて積層した状態を示す断面図であり、（ｃ）は、第一の部材と第二の部材とを接合して得た接合体を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、第一の部材５０Ａおよび第二の部材５０Ｂの各表面に金属膜を形成した状態を示す断面図であり、（ｂ）は、部材５０Ａと５０Ｂとを対向させて積層した状態を示す断面図であり、（ｃ）は、第一の部材と第二の部材とを接合して得た接合体を示す断面図である。
【図３】（ａ）は、第一の部材５０と第二の部材５１との接合界面を拡大して模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、部材５０Ａと部材５０Ｂとの接合界面を拡大して模式的に示す断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明のセラミックスの接合構造が使用されている一例として、高周波電極を内蔵するプラズマ発生電極装置の一例を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すプラズマ発生電極装置における電力供給部材の接合部の状態を示す断面図である。
【図５】図４（ｂ）における網状電極１２と接合層１５との界面の周辺を拡大して模式的に示す断面図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ本発明の接合方法および接合体をプラズマ発生電極装置の電力供給部材と網状電極との接合部分に対して適用した実施形態を示す断面図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ本発明の接合方法および接合体をプラズマ発生電極装置の電力供給部材と網状電極との接合部分に対して適用した実施形態を示す断面図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ本発明の接合方法および接合体をプラズマ発生電極装置の電力供給部材と網状電極との接合部分に対して適用した実施形態を示す断面図である。
【図９】半導体製造装置のフランジ部６０に対してセラミックスヒーター６２を接合して一体化した状態を模式的に示す断面図である。
【図１０】図３（ｂ）に対応する、接合体の接合界面のセラミックス組織を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図１１】図３（ａ）に対応する、接合体の接合界面のセラミックス組織を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１ 基材 １１ ハブ １２ 網状電極 １４ 電力供給部材 １５、２０ 接合層 １６、２１ インサート材 １９ キャップ
４４ 電力供給部材の端子 ４５ 電力供給部材 ５０、５０Ａ アルミニウム化合物のセラミックスからなる第一の部材 ５０ａ 第一の部材の表面 ５０Ｂ、５１ 第二の部材 ５２、５２Ａ、５２Ｂ 金属膜 ５３金属接合材 ５４、５５ 接合層 ５６、５８ 金属接合材 ５７、５９Ａ、５９Ｂ 金属間化合物からなる分散相 ６０ 金属間化合物からなる連続相 ７１─７２ 金属間化合物が豊富な領域
Claims (7)
- アルミニウム化合物からなるセラミックス製の第一の部材と、セラミックスまたはニッケル、銅、モリブデン及びコバールからなる群より選ばれた金属からなる第二の部材との接合体であって、前記第一の部材と前記第二の部材との間に金属接合材および前記金属接合材とニッケルとの金属間化合物からなる接合層が形成されており、この接合層が、前記金属接合材からなる連続相と、この連続相の間に生成している前記金属間化合物からなる分散相とを備えていることを特徴とする、セラミックスの接合体。
- 前記接合層の前記第一の部材との界面に沿って、前記分散相が豊富な層状の領域が形成されていることを特徴とする、請求項１記載のセラミックスの接合体。
- 前記第二の部材がセラミックスであり、前記接合層の前記第二の部材との界面に沿って、前記分散相が豊富な層状の領域が形成されていることを特徴とする、請求項２記載のセラミックスの接合体。
- 前記第二の部材が金属であり、前記接合層の前記第二の部材との界面に沿って、金属間化合物の連続相からなる界面層が形成されており、この界面層と前記第一の部材との間で前記接合層中に前記分散相が生成していることを特徴とする、請求項１記載のセラミックスの接合体。
- アルミニウム化合物からなるセラミックス製の第一の部材と、セラミックスまたはニッケル、銅、モリブデン及びコバールからなる群より選ばれた金属からなる第二の部材とを接合する方法であって、前記第一の部材の接合面に対してニッケルからなる金属膜が直接に接触するように前記金属膜を形成し、この金属膜と前記第二の部材との間に前記金属膜とは異なる材質からなる金属接合材を介在させた状態で少なくとも前記金属接合材および前記金属膜を加熱することによって前記第一の部材と前記第二の部材とを接合することを特徴とする、セラミックスの接合方法。
- 前記金属接合材がアルミニウム純金属およびアルミニウム系合金からなる群より選ばれた金属からなることを特徴とする、請求項５記載のセラミックスの接合方法。
- 前記第一の部材を構成する前記セラミックスが、窒化アルミニウムおよびアルミナからなる群より選ばれたセラミックスであることを特徴とする、請求項５または６記載のセラミックスの接合方法。
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