JP3859914B2 - 金属端子を有するセラミック−金属複合部品、及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセスにおいて用いられるセラミック−金属複合部品、特にシリコンウェハを保持するための静電チャックや、セラミック面状ヒータのような部品における金属端子部の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセスにおいて、シリコンウェハを保持したり、またこれを熱処理するために用いられるプロセス装置部品として、静電チャックや面状ヒータがある。これらの部品は、プロセス装置が高温下で使用されることがあり、また、腐食性の薬剤を使用することがあるなどの理由から、部品材料としてセラミックが多用されている。そして、熱伝導性に優れ、耐食性、耐熱衝撃性に優れていることから、特に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）がよく用いられている。
【０００３】
図４に、静電チャックの構造の１例を示す。ＡｌＮなどの板状セラミック絶縁基体２２の表面に内部電極２３ａ、２３ｂを配置し、さらにその表面にＡｌＮなどのセラミック絶縁表面層２１を形成する。図示していないが、内部電極２３ａ、２３ｂの裏面から絶縁基体を貫通して、使用時に外部から電力を供給するための金属端子が設けられている。
【０００４】
このような静電チャックは、その表面にシリコンウェハ２４を載置し、内部電極に印加した高電圧によって発生するクーロン力によりシリコンウェハを保持し、プロセス装置において各種処理を行うものである。
【０００５】
また、ここでは静電チャックの例を示したが、セラミック面状ヒータは、静電チャックの２枚の内部電極に代えて抵抗配線を配置しただけで基本的な構造は変わっていない。
【０００６】
従来、これらのセラミック−金属複合部品においては、金属端子は樹脂あるいは銀ロウでセラミック絶縁基体に固定され、外部からの配線をネジで固定する方法や、金属端子として金属ヘリサートを用い外部からの配線をネジにより固定する方法が採用されていた。
【０００７】
ところで、金属端子を樹脂や銀ロウでセラミック絶縁基体に固定する第１の方法で製作したセラミック面状ヒータは、用いている樹脂の軟化点が２００℃程度また銀ロウの軟化点が７００℃程度であり、それ以上の温度に加熱すると、端子を固定している樹脂や銀ロウが溶解し、金属端子が脱落する恐れがあるため、これらの温度以上の高温では使用できず、使用限界温度が十分でないといった問題があった。また、通常この端子構造では、金属端子と内部電極もしくは抵抗配線との間は、銀ペーストなどを塗布して電気的接続を行なうが、この銀ペーストが金属端子部形成時にセラミック絶縁表面層とセラミック絶縁基体との界面に沿って近接する他の内部電極あるいは抵抗配線にまで漏洩して接触しショートするという問題があった。
【０００８】
また、第２の方法は、金属ヘリサートを内部導電体と外部電極の接続のために使用する方法である。すなわち、ステンレス鋼やりん青銅製の高精度コイルをセラミック絶縁基体に形成された雌ネジ部と外部接続ネジである雄ネジの間に挿入してネジを一体に固定する方法で、この方法によれば強固な接続が可能となる。しかしながら、セラミック絶縁基体の内部電極とヘリサートは、永続的な電気的接続を行っておらず、単に線接触することとなるが、ヘリサートへ外部電極を頻繁に脱着した場合、内部導電体の接触部分は磨耗し、接触不良を起こす危険性がある。また、ヘリサート自身が強力にＡｌＮなどのセラミック絶縁基体と固定できないため、度重なる昇降温による熱応力でヘリサートにゆるみが生じ、内部導電体とヘリサート間で接触不良を引き起こす恐れがあった。さらに、ヘリサートを固定する時の応力により、ＡｌＮ等のセラミック絶縁基体の固定部分に破損が生じ易い問題があった。そしてヘリサートを固定するためにＡｌＮセラミック絶縁基体は、ネジ切り加工を行う必要があり、その加工コストが高いため、製品のコストアップの原因となるといった問題があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、静電チャックやセラミック面状ヒータなどのセラミック−金属複合部品の金属端子部における上記問題を解決するためになされたもので、比較的高い温度でも安定して使用でき、かつ金属端子部形成時における金属端子を介する内部導電体間のショートを防止できる金属端子部を実現することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記従来技術の欠点を改良するためになされたもので、セラミック絶縁表面層とセラミック絶縁基体の間に、単数もしくは複数の内部導電体が配置され、該セラミック絶縁基体の該内部導電体から導出される端子部に相応する部分に貫通孔が穿設され、該貫通孔に、外部電極を引き出すためのネジ穴を有する金属端子が埋設された構造を有するセラミック−金属複合部品において、
金属端子が、相平行する少なくとも２つの平面を有する金属ブロックの１平面にネジ穴を貫通することなく穿設し、ネジ穴の最奥部からネジ穴開口部の他方の平面に向けて該ネジ穴より小径で該金属ブロックを貫通する通気孔を設けて作成したものであり、かつ該金属端子が該内部導電体及び該セラミック絶縁基体と高融点金属ペーストの焼結体でそれぞれ電気的及び物理的に接続されていることを特徴とする金属端子を有するセラミック−金属複合部品である。
【００１１】
また、本発明は、金属円筒状体に所要のネジ穴及び通気孔を形成して作成された金属端子を用いたセラミック−金属複合部品である。
【００１２】
さらに、本発明は、金属端子が、１つの金属円筒状体と、該金属円筒状体より大径の金属円筒状体とを、該両金属円筒状体の中心軸を一致させることなく両金属円筒状体の平面において非同心円状に接合させたものであり、大径を有する金属円筒状体の１平面にネジ穴を貫通することなく穿設し、ネジ穴の最奥部から小径を有する金属円筒状体の平面に向けて該ネジ穴より小径の貫通孔からなる通気孔を設けて作成したものであることを特徴とする金属端子を有するセラミック−金属複合部品である。
【００１３】
このような金属端子を有するセラミック−金属複合部品は次のようにして製造することができる。
【００１４】
相平行する少なくとも２つの平面を有する金属ブロックの１平面に外部電極を引き出すためのネジ穴を金属ブロックを貫通することなく穿設し、該ネジ穴の最奥部から金属ブロックの他方の平面に向けて該ネジ穴より小径で該金属ブロックを貫通する通気孔を設けた金属端子を製作する。
【００１５】
焼成したセラミック絶縁表面層と、内部導電体から導出する端子部に相応する部分に貫通孔を設けた焼成したセラミック絶縁基体の間に、単数もしくは複数の内部導電体を配置し、接合剤等により接合する。
【００１６】
該セラミック絶縁基体の貫通孔内面及び該内部導電体に高融点金属のペーストを塗布し、該セラミック絶縁基体に形成された貫通孔に該金属ブロックを、該通気孔が該内部導電体に接するように挿入する。
【００１７】
次いで、これを焼成し、高融点金属ペーストを焼結することにより、該セラミック絶縁基体と該金属端子との接合、及び該内部導電体と該金属端子との電気的接続を行うことによって金属端子を有するセラミック−金属複合部品を製造方法することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明のセラミック−金属複合部品の１例である。１が、セラミック絶縁表面層であり、２は、セラミック絶縁基体である。セラミック絶縁基体とセラミック絶縁表面層の間には、静電チャックの内部電極もしくは面状ヒータの抵抗配線などとして機能する内部導電体３ａ、３ｂ、３ｃが配置されている。セラミック絶縁基体２の該内部導電体から導出される端子部に相応する部分に貫通孔を設けて金属端子４を埋設する。該金属端子４には、外部電極を接続するためのネジ穴５を設けるが、このネジ穴は、セラミック絶縁基体を貫通しないように穿設する。ネジ穴５が、セラミック絶縁基体を貫通してしまうと、外部電極接続用の雄ネジを取り付けた場合、雄ネジが内部導電体３ａに直接接触してセラミック絶縁基体２とセラミック絶縁表面層１との剥離を生起する恐れがあるからである。
【００２０】
めくら穴状にネジ穴５を設けた後、ネジ穴の最奥部から、セラミック絶縁基体の他方の平面に至るまで貫通する通気孔６を穿設する。かかる通気孔６の径は、ネジ穴５より小径とする。
【００２１】
このようにして作成した金属端子４を前記セラミック絶縁基体２に設けた貫通孔に埋設するが、この際、セラミック絶縁基体２と、金属端子４との接合及び内部導電体３ａと金属端子４の電気的接合を高融点金属を含有するペーストを用いて行う。高融点金属のペーストを用いるのは、使用限界温度を向上させるためであり、高融点金属材料としてはタングステンやモリブデンなどを用いることができる。セラミック絶縁基体材料としてＡｌＮを用いた場合は、このＡｌＮと比較的熱膨張率が近似しているタングステンを用いることが望ましい。タングステンペーストによる接合は、セラミック絶縁基体２の貫通孔にタングステンペーストを塗布した後、金属端子４を挿入する。この際、金属端子４に通気孔６が設けられていることにより、タングステンペースト７の余剰部分が貫通孔６に流入し、タングステンペーストがセラミック絶縁表面材１とセラミック絶縁基体２の界面に拡散漏洩することが妨げられ、これにより、所望しない他の電極３ｂ、３ｃとの間のショートを防止することができる。
【００２２】
次いで、組み立て体を、高融点金属の焼成温度以上の温度で、タングステンペーストを用いた場合には約１７５０℃で焼成する。この工程によりセラミック絶縁基材２と金属端子４の機械的接合及び内部導電体３ａと金属端子４の電気的接続が同時に行われることになる。
【００２３】
次に、変形例について説明する。
金属端子の形状が円筒形状であって円筒の回転中心軸と雌ネジの中心軸が一致している場合には、雌ネジを切った金属端子に外部配線を雄ネジにより固定すると、雌ネジの軸を中心とした回転トルクにより、回転方向のせん断力が発生し、高融点金属ペースト焼結体による接合部が破壊され、金属端子が脱落してしまう恐れがある。
【００２４】
これを防止するためには、金属端子形状を、該金属端子に形成される雌ネジの軸を中心とする回転対称とならないように形成すればよい。
【００２５】
このように回転破壊を防止する構造の１例を、図２及び図３に示す。図２において、１１、１２はそれぞれセラミック絶縁表面材及びセラミック絶縁基体である。セラミック絶縁基体には貫通孔が穿設され、貫通孔に金属端子が埋設されている。この金属端子の形状は、それぞれ径の異なる２つの円筒状体を、中心軸が一致しないように非同心円状に重ねた形をしている。図３に図２の金属端子の上面図を示す。図３において、１４ａは、小径の円筒状体を、また１４ｂは大径の円筒状体の輪郭を示している。小径の円筒状体上部平面に、ネジ穴の最奥部から穿孔された貫通孔の開口部１６がある。
【００２６】
この金属端子を用いた場合、ネジ穴に雄ネジを取り付け、回転トルクを加えたとしても、金属端子は非回転対称となっているため、タングステンペースト焼成体にせん断力は働かないため接合破壊の恐れはない。
【００２７】
また、他の１例としては、金属端子として、単一の円筒状体を用いた場合でも、円筒状体の回転軸と、ネジ穴の中心軸を一致させずに偏心させても同等の効果が得られる。あるいは、金属端子を断面が多角形状もしくは楕円形状となるように形成してもよい。
【００２８】
さらに、セラミック絶縁基体と金属端子との接触面積を増加させることでせん断力に耐えるようにすることが可能になる。接触面積を増加させる方法としては、例えば、金属端子外表面にローレット仕上げを行う方法がある。
【００２９】
また、上記方法を併用することにより、金属端子の脱落を防止することができ、かつ、接合の信頼性を向上させることが可能になる。
【００３０】
本発明のセラミック−金属複合部品は次のように製造される。
内部導電体から導出される電極部に相応する部分に貫通孔を穿設したセラミック絶縁基体焼結体の一面に接合剤を塗布する。セラミック材料としてＡｌＮを用いる場合には、接合剤としてはＡｌＮ−Ｙ２Ｏ３−Ｌｉ２Ｏ系のペースト、もしくはこれらの系を有機溶剤に分散させ塗布したものが適切である。
【００３１】
また、セラミック絶縁表面層にあたる焼結板状体の内表面にも同様に接合剤を塗布した後、内部導電体を接合し、さらにその表面に接合剤を塗布する。
【００３２】
次いで、セラミック絶縁基体と内部導電体を接合したセラミック絶縁表面層を接着し、これを加熱して脱脂する。この際の加熱条件は、窒素などの不活性ガス雰囲気下で３５０℃〜６００℃、１時間〜５時間の加熱が適当である。
【００３３】
こうして得られた組み立て体の貫通孔表面及び貫通孔内に露出している内部導電体表面に、高融点金属のペーストもしくは有機溶剤に分散させた高粘性体を塗布し、別途成形した金属端子を通気孔が内部導電体に接するように貫通孔に挿入する。これを、高融点金属の融点以上の温度で焼成し、接合を完了させることにより製造することができる。
【００３４】
【実施例】
タングステンブロックから次の７種の金属端子を作成した。
▲１▼ ２段式： タングステンブロックで図２及び図３に示す形状の金属端子を形成した。小径側の直径を４ｍｍ、大径側の直径を６ｍｍとした。ネジ穴としてはＭ３の雌ネジ加工を行った。通気孔としては、２．２５ｍｍのもの、１．５ｍｍのもの、及び１．０ｍｍのものの３種類を用意した。
【００３５】
▲２▼ 円筒： 直径が６ｍｍ、及び１０ｍｍのタングステン円筒状体を用意し、これに一方の平面からＭ３の雌ネジ加工を施し、さらに図１に示すように通気孔を形成した。通気孔の径はいずれも１．０ｍｍとした。また比較のため、通気孔を形成しない金属端子も製作した。
【００３６】
▲３▼ ローレット加工品： 直径６ｍｍのタングステン円筒状体を用意し、これに一方の平面からＭ３の雌ネジ加工を施した。この際、タングステン円筒中心とＭ３雌ネジ孔の中心とが１ｍｍずれる様に加工を施した。通気孔としては１．０ｍｍの貫通孔を穿設した。このタングステン金属端子の側面にローレット加工を施した。
【００３７】
挿入する金属端子の直径より０．２ｍｍ大きい径の貫通孔を有するＡｌＮからなるセラミック絶縁基体と板状のＡｌＮからなるセラミック絶縁表面層を重ね合わせシャコ万力で固定した。
【００３８】
貫通孔の内面及び内部導電体にタングステンペースト（タングステン粒子９１．２％、樹脂０．７％、ブチルカルビトール７．４％、フタル酸ジブチル０．７％）を塗布し、タングステンから製造した金属端子（長さ５ｍｍ）を挿入した。タングステンペーストは非ニュートン流体であり、かつ準塑性物質であるため、挿入速度は１ｍｍ／ｓｅｃ以下とした。挿入後シャコ万力を開放し、金属端子を埋設したＡｌＮセラミック絶縁基体と、ＡｌＮセラミック絶縁表面層に分解し、ＡｌＮセラミック絶縁層に付着したタングステンペーストの径をノギスで読み取り、貫通孔の半径に対するペースト漏洩の距離（貫通孔から漏洩部の先端までの距離）の比をとり、タングステンペーストの漏洩評価の尺度とした。
【００３９】
上記試験で、タングステンペーストの漏洩が発生していない実施例に関しては、再度同様のタングステン金属電極の挿入を行い、１１０℃で１時間乾燥した後、不活性雰囲気中６００℃で１時間熱処理し、その後ＡｌＮセラミック絶縁表面層とＡｌＮセラミック絶縁基体に分解した。タングステン端子が挿入された状態のＡｌＮセラミック絶縁基体に対し１７５０℃３時間減圧下で熱処理をおこないタングステンペーストを焼結し、金属端子をＡｌＮセラミック絶縁基体に接合した。接合後金属製Ｍ３雄ネジを金属端子に固定し、デジタルトルク試験機で雄ネジを回し、金属端子の接合強度を測定した。
【００４０】
表１にタングステンペーストの漏洩試験の結果及び金属端子の接合トルク強度試験の結果を示す。表中、漏洩試験の判定は、〇がタングステンペーストによるショート発生の恐れのほとんどないもの、×がショート発生の可能性が大きいものを示す。また、接合トルク強度試験の判定は、〇が実用上十分な強度を有しているもの、△が過度な力を加えないように注意を要するもの、×が使用に耐えないものを示す。総合評価は、〇が実用上十分な特性を有しているもの、△が用途によっては使用に供し得るもの、×が全く使用に耐えないものを示す。また、破壊の状況では、「端子剥離」は、タングステンペーストによる接合の強度が弱く、トルク計により応力を加えてゆく内に金属端子が基体から剥離し脱落することを言う。さらに「ネジ切断」は、接合強度が強くトルク計により応力を加えてゆく内に端子剥離が発生する前にネジの破壊が発生することを言う。
【００４１】
表から明らかなように、本発明の金属端子を用いた例では、タングステンペーストの漏洩が限られた範囲にとどまり、不要な導電体との電気的接続が防止できるためショートの恐れが激減した。また、外部電極引き出しのためのネジによる端子脱落も防止でき、信頼性の高い端子部を実現できることが判明した。
【００４１】
【表１】

【００４２】
【発明の効果】
以上の如く、金属端子の形状を改良することで接合強度が高く、かつ内部導電体においてショートの恐れのないセラミック−金属複合部品が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一例を示すセラミック−金属複合部品の金属端子をみた側面断面図である。
【図２】図２は、本発明の他の一例を示すセラミック−金属複合部品の金属端子をみた側面断面図である。
【図３】図３は、図２のセラミック−金属複合部品で用いている電極端子を上面から見た図である。
【図４】図４は、従来のセラミック静電チャックを説明するための一部欠截斜視図である。
【符号の説明】
１、１１、２１ セラミック絶縁表面層
２、１２、２２ セラミック絶縁基体
３、１３、２３ 内部導電体
４、１４ 金属端子
５、１５ ネジ穴
６、１６ 通気孔

Claims (5)

1. セラミック絶縁表面層とセラミック絶縁基体の間に、単数もしくは複数の内部導電体が配置され、該セラミック絶縁基体の該内部導電体から導出される端子部に相応する部分に貫通孔が穿設され、該貫通孔に、外部電極を引き出すためのネジ穴を有する金属端子が埋設された構造を有するセラミック−金属複合部品において、
   該金属端子が、相平行する少なくとも２つの平面を有する金属ブロックの１平面にネジ穴を貫通することなく穿設し、ネジ穴の最奥部からネジ穴開口部の他方の平面に向けて該ネジ穴より小径で該金属ブロックを貫通する通気孔を設けて作成したものであり、かつ高融点金属ペーストの焼結体で該内部導電体と該金属端子の通気孔側平面とが電気的に接続され、また該セラミック絶縁基体の内表面と該金属端子の外表面が接合されていることを特徴とする金属端子を有するセラミック−金属複合部品
2. 金属端子が、金属円筒状体からなる金属ブロックから形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の金属端子を有するセラミック−金属複合部品
3. 金属端子の側面がローレット加工されていることを特徴とする請求項２記載の金属端子を有するセラミック−金属複合部品
4. 金属端子が、１つの金属円筒状体と、該金属円筒状体より大径の金属円筒状体とを、該両金属円筒状体の中心軸を一致させることなく両金属円筒状体の平面において非同心円状に当設させた形状を有するものであり、大径を有する金属円筒状体の１平面にネジ穴を貫通することなく穿設し、ネジ穴の最奥部から小径を有する金属円筒状体の平面に向けて該ネジ穴より小径で該金属ブロックを貫通する通気孔を設けて作成したものであることを特徴とする請求項１に記載の金属端子を有するセラミック−金属複合部品
5. 相平行する少なくとも２つの平面を有する金属ブロックの１平面に外部電極を引き出すためのネジ穴を金属ブロックを貫通することなく穿設し、該ネジ穴の最奥部から金属ブロックの他方の平面に向けて該ネジ穴より小径で該金属ブロックを貫通する通気孔を設けた金属端子を製作する工程、
   セラミック絶縁表面層と、内部導電体から導出する端子部に相応する部分に貫通孔を設けたセラミック絶縁基体の間に、単数もしくは複数の内部導電体を配置・接合する工程、該セラミック絶縁基体の貫通孔内面及び該内部導電体に高融点金属のペーストを塗布する工程、
   該セラミック絶縁基体に形成された貫通孔に該金属ブロックを、該通気孔が該内部導電体に接するように挿入する工程、及び
   これらを焼成することにより該セラミック絶縁基体と該金属端子との接合、及び該内部導電体と該金属端子との電気的接続を行うことを特徴とする金属端子を有するセラミック−金属複合部品の製造方法

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