JP3989254B2 - 異種材料接合体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス基材と金属部材とを接合してなる異種材料接合体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異種材料どうしの接合方法、例えば、セラミックス基材と金属部材との接合方法としてはろう材を用いる方法等があるが、高温での接合後の冷却操作中に、異種材料間、又はこれら異種材料を接合するために使用したろう材と各材料との熱膨張率の差に起因する熱応力が発生し、接合界面に剥離を生じたり、また、一方の材料が脆弱な場合には、接合界面近傍にクラックを生じたりして、所望の接合強度や気密性を得られないことがある。製造過程でこれらの異常が発生した製品は、不良品として処分せざるを得ないためにこれら接合体の製品のコストを押し上げる一因となっている。また、使用時に熱サイクルがかかる場合には、これらの異常が一定期間の使用後に発生して、製品の信頼性を低下させる一因ともなっている。
【０００３】
セラミックス基材（以下、単に「基材」と記す。）と金属部材とをろう材を用いて接合する手法としてはメタライズろう付け法と直接ろう付け法とがある。メタライズろう付け法とは、セラミックス表面に気相からの析出、蒸着、スパッタリング、ペースト塗布後の加熱処理等の手法で金属層を形成し金属材料との接合を行う手法である。直接ろう付け法とは、その中でも活性金属法が著名であり、第ＩＶ属元素をインサート材として用いて金属材料との接合を行う手法である。
ところで、これらの手法では、接合部に生ずる熱応力を低下させるための何らかの手段を講じないと、熱応力に対して脆弱な基材側にしばしばクラックが形成されたり、接合部に剥離を生じたりして、接合強度のみならず接合体として要求される気密性等の各種性能に影響を及ぼす場合がある。とりわけ、窒化アルミニウム等の低強度の基材と金属等からなる部材とを、上記の問題を抑止しつつ接合することは非常に難しい。
【０００４】
上記問題点を解決する方法として、低い応力によって塑性変形が起こる低耐力の金属、例えばＡｇ、Ｃｕ、又はＡｕからなるろう材を使用し、液相接合によって基材と金属部材とを接合する方法が考えられる。
しかし、Ａｇ、Ｃｕからなるろう材を用いた場合には、得られた接合体を酸化雰囲気下で４００℃以上の使用環境に曝露したときのろう材の酸化に起因する問題、高温低圧下で使用する際には蒸気圧の高さに起因するろう材揮発の問題、通電して使用する場合にはマイグレーションの問題、又は、Ｍｏ酸化物との反応の問題等により使用が困難である場合がある。
【０００５】
また、Ａｕからなるろう材を用いることは、前記Ａｇ又はＣｕからなるろう材を用いた場合に起こり得る問題の回避には有効であるが、耐酸化性に優れた金属部材としてＮｉ、Ｃｏ、Ｋｏｖａｒ等を用いた場合、これらの成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）がろう材を構成するＡｕの中へと拡散してしまうことに起因してＡｕの耐力が上昇し、その結果熱サイクル及び熱衝撃によって基材にクラックが生ずることになる。
【０００６】
なお、Ａｕ−１８Ｎｉろう材とＭｏからなる電気伝導体とを接合すると、ろう材中のＮｉとＭｏとが反応して脆性組織を形成することが知られている。従って、接合部が熱サイクル及び熱衝撃等に曝された際の耐久性が低下して接合部が急速に劣化するため、このような接合部を備えた機器・装置等が使用不可能になり易いといった問題点がある。
【０００７】
一方、ろう材を構成するＡｕと固溶しない金属を金属部材として使用することも考えられ、この条件に合致する金属としては、Ｗ、Ｍｏ等を挙げることができる。しかし、これらの金属は大気中高温条件下においては酸化が激しいものである。このため、例えばサセプターへの給電端子や、サセプターを半導体製造用チャンバー（以下、単に「チャンバー」と記す。）へ取り付けるための金属リング等、大気中高温条件下に曝される場面が想定される部材用の金属材料としては不適当である。
【０００８】
上記の問題を解決する手法として、接合構造を工夫する試みも行われている。例えば特開平１０−２０９２５５号公報において、半導体ウエハーを設置するためのサセプターとして、図４に示す構造に係るセラミックス基材と電力供給用コネクターの接合構造が開示されている。図４においては基材１に、孔１４が設けられており、孔１４には基材１中にあらかじめ埋設された基材１と近似の熱膨張係数を有する例えばＭｏ等の金属部材１７が露出している。また孔１４内に筒状雰囲気保護体９が挿入されており、雰囲気保護体９の内側に電力供給用コネクター１６と応力緩和用の低熱膨張体１５が挿入されている。雰囲気保護体９とコネクター１６はろう材５によって気密に接合されており、低熱膨張体１５及び雰囲気保護体９は金属部材１７に対してろう材５によって気密に接合されている。
【０００９】
この接合構造によれば低熱膨張体１５と金属部材１７が接合時の残留応力を緩衝し、またＭｏ等の金属部材１７の酸化は雰囲気保護体９によって押さえられているので、耐力の高いろう材、例えば前記のＡｕ−１８Ｎｉろうをもって接合しても基材１に割れを生ずることはなく、また、接合部が高温ヒーター使用時の熱サイクル及び熱衝撃等に曝された際の耐久信頼性も高い。しかし、この接合構造は、部品点数が多くなること、雰囲気保護体９と金属部材１７の接合を完全に行わないと、金属部材１７の酸化による劣化を生ずるので、非常に高い生産管理能力が要求されること等の問題点を有している。
【００１０】
また、特開平１１−２７８９５１号公報においては、半導体ウエハーを設置するためのサセプターとして、図５に示す構造に係る基材において、Ｋｏｖａｒ等の耐蝕性金属製リング２３を、セラミックス製サセプター２２の背面２２ｂに接合するに当たって、発生する熱応力緩和のためこれら部材構造を、例えば、図６、図７に示す形状にする接合体及び接合方法が開示されている。部材構造をこれらの形状にすることで熱応力緩和には有効であるが、Ｃｕをベースとしたろう材を用いるために前述したろう材の酸化、蒸気圧に起因するろう材揮発の問題により使用温度の制約がある。
【００１１】
上述してきた種々の問題を解消すべく、本願出願人は特願２０００−２２７２９１明細書において、セラミックス基材と金属部材とをＡｕろう材を用いて固相接合された複合部材及びその製造方法について提案した。この複合部材の製造方法によれば、Ａｕろう材の低耐力を維持しつつ基材と金属部材とを接合可能な固相接合を採用しているために、接合時に基材の破損等が生じ難く、また、接合部が熱サイクルや熱衝撃等に曝された際にも接合部の耐久性は低下し難いという極めて優れた効果を示すものである。
ただし、前記明細書において提案された複合部材の製造方法において採用される固相接合においては、加圧操作等も必要であり、その操作手順が煩雑となる場合も想定されるために更なる改良の余地が存在する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、接合部において気密性を有するとともに、熱サイクル特性及び熱衝撃特性をも有する異種材料接合体の簡便な製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明によれば、セラミックス基材と金属部材とを接合する異種材料接合体の製造方法であって、該セラミックス基材の表面に活性金属層、及び該活性金属層上にＡｕからなるろう材が配置した後、該活性金属層及び該ろう材を加熱溶融させてプレコート層を形成し、該プレコート層の表面に、Ａｕに比して低融点である合金をＡｕと形成し得る純金属、又は、該純金属とＡｕとの合金により構成されている挿入金属層を介して該金属部材を配置し、該挿入金属層、及び少なくとも該挿入金属層と該プレコート層との接触界面近傍を加熱溶融して該金属部材と該プレコート層とを接合することにより、該セラミックス基材と該金属部材とを接合することを特徴とする異種材料接合体の製造方法が提供される。
【００２５】
本発明においては、活性金属の箔体を配置する、又はスパッタリングにより活性金属層を形成することが好ましく、これら活性金属層を、その上に配置したＡｕとともに加熱溶融し、活性金属の反応層でセラミックス基材の表面にＡｕが接合されたプレコート層を形成することが好ましい。また、本発明においては、純金属若しくは合金の箔体又は粉体を配置することにより挿入金属層を形成することが好ましい。
【００２６】
本発明においては、純金属としてＡｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｔｌ、Ｂｅ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｈ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｃｄ、Ａｓ、及びＢｉからなる群より選択される少なくとも一種を用いることが好ましい。本発明においては、ろう材の量に対して０．０１〜１０質量％の純金属を用いることが好ましく、同様に、ろう材の量に対して０．０１〜１０質量％の合金を用いることも好ましい。
【００２７】
本発明においては、セラミックス基材を構成するセラミックスとして窒化アルミニウムを用いることが好ましい。本発明においては、金属部材を構成する金属として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＣｒからなる群より選択される少なくともいずれか一種を用いることが好ましく、同様に、金属部材を構成する金属として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＣｒからなる群より選択される少なくともいずれか一種を主成分とする合金を用いることも好ましい。
【００２８】
本発明においては、活性金属層を構成する金属として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、及びＺｒからなる群より選択される少なくとも一種を用いることが好ましい。また、本発明においては、活性金属層を配置することに代えて、セラミックス基材の表面にペーストを用いて又は気相法によりメタライズ層を形成し、メタライズ層上にろう材を配置した後、ろう材を加熱溶融又は加圧して固相接合することによりプレコート層を形成することが好ましい。本発明においては、Ｍｏ、Ｗ、又はＭｏとＷとの合金からなる電気伝導体が、電気伝導体の表面の一部がセラミックス基材の外部に露出した状態で埋設されているセラミックス基材を用いることが好ましい。
【００２９】
本発明においては、セラミックス基材が凹形状部を有し、凹形状部内に、凹形状部の内面に沿う形状のプレコート層を形成するとともに、プレコート層に嵌合し得る凸形状部を有する金属部材を配置することが好ましく、プレコート層を円錐テーパ型又は円錐台テーパ型の凹形状に形成するとともに、凹形状に嵌合し得る円錐テーパ型又は円錐台テーパ型である凸形状部を有する金属部材を配置することが好ましい。本発明においては、プレコート層を、プレコート層の垂直方向の断面形状が三角形テーパ型又は台形テーパ型の凹形状となるように形成するとともに、垂直方向の断面形状が、プレコート層の垂直方向の断面形状に嵌合し得る三角形テーパ型又は台形テーパ型である凸形状部を有する金属部材を配置することが好ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜、設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００３２】
図１は、本発明に係る異種材料接合体の製造方法の一実施態様を示す模式図である。本発明では、まず基材１の表面を覆うように活性金属箔４とＡｕからなるろう材５が配置された後、この活性金属箔４とろう材５とが加熱されることにより、プレコート層６が形成される（図１（ａ））。次いで、形成されたプレコート層６の表面に金属箔１０と、基材１に接合されるべき金属部材７が配置され（図１（ｂ））、加熱されることにより異種材料接合体が製造される（図１（ｃ））。
【００３３】
図１（ａ）においては、活性金属箔４が配置されることにより活性金属層（図示せず）が形成される態様を示しているが、本発明においては取り扱いの容易性や層厚を任意に調整し得るといった観点から、箔体が配置されることの他、スパッタリングにより活性金属層が形成されてもよい。
【００３４】
基材１の表面に配置される活性金属箔４は基材１に対して活性であり、基材１とろう材５の界面において反応生成物層（図示せず）を形成する。従って、基材１に対するろう材５の濡れ性が改善され、良好な気密性を有するプレコート層６が形成される（図１（ｂ））。また、この反応生成物層が形成されることにより、活性金属箔４を構成する金属元素が前述の界面でほとんど消費し尽くされ、プレコート層６中に残留しないので、プレコート層６の耐力値が上昇するといった現象が起こることもない。
【００３５】
一例を挙げると、基材を構成するセラミックスがＡｌＮ（窒化アルミニウム）、活性金属箔を構成する金属がＴｉである場合、加熱されることにより、基材とろう材との界面においてＴｉＮ（窒化チタン）の反応生成物層（薄膜層）が形成される。このとき、ＴｉはＡｌＮとの反応によって全て消費されるため、Ｔｉがろう材に固溶することがなく、ろう材の低耐力特性が維持されたプレコート層が形成される。
【００３６】
上記の場合、ろう材を構成する金属であるＡｕに対するＴｉの量は、０．０３〜１０質量％であることが好ましく、０．１〜２質量％であることが更に好ましい。０．０３％未満である場合には接合不具合が発生する可能性があり、１０質量％超の場合では、ろう材中にＴｉが残留することでＡｕの耐力値が上昇し、ＡｌＮに割れが発生する恐れがあるために好ましくない。なお、活性金属とＡｕとを含むペーストが基材上に塗布された後、このペーストが加熱溶融されることでプレコート層が形成されてもよい。ここで、ペーストに含まれるＡｕに対するＴｉの適性量は、これまで述べてきたような箔体（Ｔｉ）が配置される場合と同様であり、更に、スパッタリングにより活性金属層が形成される場合も同様である。
【００３７】
異種材料接合体を製造するために用いられる、ろう材を構成する金属はＡｕである。Ａｕは低耐力特性を有する軟質金属であり、熱衝撃により発生する熱応力を塑性変形により緩和するといった特徴を有するろう材となり得る金属である。従って、本発明に係る異種材料接合体の製造方法により製造された異種材料接合体は熱衝撃にも強く、また、熱サイクル特性も向上している。なお、プレコート層が形成されるに際して、活性金属箔及びろう材の加熱される温度は、ろう材を構成する金属であるＡｕの融点を考慮すると１０８０〜１２００℃であることが好ましく、１１００〜１１５０℃であることが更に好ましい。
【００３８】
用いられるろう材の量は接合部の形状等によっても異なるが、配置した活性金属箔を覆うことができるとともに、接合時に応力緩衝効果を示す最低限度の厚さが必要である。ここで、本発明では、挿入金属層を構成する金属と接合される金属部材を構成する金属（不純物金属）がプレコート層中に拡散することにより、プレコート層において液相拡散が生起される箇所のうち、一定の厚さは硬化する。従って、接合後においてこの不純物金属の拡散による硬化の影響のない接合層の厚さを、有効な応力緩衝効果を示す厚さである２０μｍ以上残すため、ろう材の厚さは、具体的には５０μｍ以上であることが好ましく、１００μｍ以上であることが更に好ましい。即ち、用いられるろう材の量は、このような厚みをもたせられる量であればよく、加熱により溶融させ得る範囲内において任意に調整可能であることはいうまでもない。また、ろう材を構成する金属は、混合することにより熱応力を塑性変形により緩和するといったＡｕの特徴が損なわれない限りにおいて、混合して使用することを何ら妨げるものではない。
【００３９】
なお、プレコート層の表面に配置される挿入金属層は、Ａｕに比して低融点である金属若しくはＡｕと共晶反応を起こす金属、又は、この純金属とＡｕとの合金（低融点金合金）により構成されているものである。なお、純金属として、具体的にはＡｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｔｌ、Ｂｅ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｈ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｃｄ、Ａｓ、及びＢｉからなる群より選択される少なくとも一種が好適に採用される。
【００４０】
前述の低融点金合金の具体例としては、Ａｕ−５Ａｌ、Ａｕ−３Ａｌ等を挙げることができる。なお、図１（ｂ）においては、プレコート層６上に金属箔１０が配置される態様を示しているが、本発明においては金属箔１０のような箔体が配置されることの他、同様の純金属若しくは低融点金合金の粉体が配置されてもよい。特に、低融点金合金によっては脆性である場合も多く、箔体として取り扱うことが困難な場合もあるため、粉体として用いられることにより取り扱いが容易となる。ただし、挿入金属層は、プレコート層と金属部材とが実質的に接触しないように、前述の粉体によって密に形成されることが必要である。
【００４１】
挿入金属層と、これに接触して配置されるプレコート層の接触界面近傍が加熱されるに際しての温度は、挿入金属層とろう材を構成するＡｕとの使用量の比率（質量比）、及び挿入金属層を構成する純金属等の種類により変動するが、プレコート層と挿入金属層とは、Ａｕに比して低融点である合金、具体的には共晶組成の合金を形成し得るため、又は、この挿入金属層は共晶組成の合金そのものであるため、Ａｕの融点に比して低温でよい。例えば、挿入金属層を構成する金属がＡｌである場合、Ａｌとろう材との使用量比（質量比）が調整されることにより、６００℃以下の加熱温度で挿入金属層（Ａｌ）とプレコート層との接触界面近傍が溶融可能となる。
【００４２】
更に、加熱後は、挿入金属層とプレコート層との間で金属成分の相互拡散を生ずるため、そのまま等温で保持されることにより凝固して接合層が形成され、基材と金属部材とが接合される。また、接合は、プレコート層の少なくとも一部が加熱溶融して進行する、いわゆる液相拡散接合であるため、接合されるべき金属部材からプレコート層の方向への特別の加圧操作が必要とされず、等温で保持するだけで接合可能であり、操作手順が極めて簡便である。
【００４３】
なお、本発明の異種材料接合体の製造方法により製造される異種材料接合体においては、金属部材を構成する金属元素の拡散は等温凝固層近傍のみにとどまることで、プレコート層中へと拡散することが効果的に抑制されており、Ａｕからなるろう材の特徴である低耐力特性が損なわれることなく接合層が形成されている。従って、本発明の異種材料接合体の製造方法により製造される異種材料接合体は、熱サイクルや熱衝撃に曝された場合であっても接合部の耐久性は低下し難いという効果を示すものである。
【００４４】
本発明においては、挿入金属層を構成する純金属の量が、ろう材の量に対して０．０１〜１０質量％であることが好ましく、０．０５〜８質量％であることが更に好ましく、０．１〜５質量％であることが特に好ましい。０．０１質量％未満である場合には、Ａｕに比して溶融する純金属の絶対量が不足してしまい、いわゆる液相拡散接合が起こり難いために好ましくなく、１０質量％超である場合には、形成される接合層に残留する純金属の量が多くなり、その耐力値が顕著に上昇してしまうために好ましくない。
【００４５】
また、挿入金属層を構成する純金属とＡｕとの合金の量が、ろう材の量に対して０．０１〜１０質量％であることが好ましく、０．０５〜８質量％であることが更に好ましく、０．１〜５質量％であることが特に好ましい。０．０１質量％未満である場合にも同様に、溶融する合金の絶対量が不足してしまい、いわゆる液相拡散接合が起こり難いために好ましくなく、１０質量％超である場合には、形成される接合層に残留する純金属の量が多くなり、その耐力値が顕著に上昇してしまうために好ましくない。
【００４６】
本発明においては、基材を構成するセラミックスは通常の接合手法によっては金属材料との接合体に信頼性を持たせることが困難な脆性な材料であって使用温度域の要求の厳しいもの、具体的には、窒化アルミニウムであることが好ましい。なお基材は、窒化アルミニウム単独で構成されていることに限定されず、種々の材質を組み合わせて基材が構成されていても構わない。従って、基材を構成する材質やその組み合わせを適宜選択することにより、耐熱温や硬度等の用途に応じた異種材料接合体、及びこれを組み込んだ機器、装置等を提供することが可能である。
【００４７】
更に、本発明においては、金属部材を構成する金属が、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＣｒからなる群より選択される少なくともいずれか一種であることが好ましく、また、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＣｒからなる群より選択される少なくともいずれか一種を主成分とする合金であることも同様に好ましい。これらの金属及び合金は、大気中、８００℃における耐酸化性試験においても酸化され難く、半導体製造において使用される半導体ウエハー設置用のサセプターの給電用金属端子として使用するために必要な耐酸化性を有しているとともに、金属端子として使用するために必要な電気伝導性にも優れている。従って、前記サセプター用の部材を構成することができるために好ましい材質であり、更には、安価で入手し易い点においても好ましい材質である。
【００４８】
なお、本発明において「Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＣｒからなる群より選択される少なくともいずれか一種を主成分とする合金」とは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒのいずれかの金属元素の物理的特性が顕著に表れる含有率である合金ことを意味し、Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｆｅ＋Ｃｒの含有率が５０質量％以上の合金を意味する。更に、金属部材の形状は、図１に示す形状に限定されるものではなく、例えば円柱状、角柱状、尖塔状、リング状等をはじめとする各種の形状が採用される。
【００４９】
本発明においては、活性金属箔を構成する金属が、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、及びＺｒからなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましい。これらの活性金属箔は、Ａｕからなるろう材に一旦固溶した後で窒化物等の反応生成物層を形成するため、基材に対するろう材の濡れ性が良好となる。また、これらの金属の所定量が箔状で用いられることにより、界面における反応によってそのほとんどが消費され、これらの金属がプレコート層に残留することがない。従って、本発明の異種材料接合体の製造方法により製造される異種材料接合体はその接合層の耐力が低く維持されており、塑性変形による緩衝効果で熱応力低減を図ることができる。
【００５０】
本発明においては、これまで述べてきたような活性金属層に代えて、基材の表面にペーストを用いて、又は気相法により形成されたメタライズ層を介してろう材が配置された後、そのろう材が加熱溶融されること、又は加圧され固相接合されることによりプレコート層が形成されてもよい。ここで、メタライズ層とはＭｏ、Ｍｏ−Ｍｎ、Ｗ、Ｗ−Ｍｎ又はこれらにＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂等の添加物を含む高融点金属が、加湿水素又は加湿フォーミングガス（水素／窒素）中で加熱処理されることで酸化物等を形成し、セラミックスと界面反応を起こすことでセラミックスと金属との中間層となり得る接合層のことであり、ろう材が加熱溶融されることだけでなく、溶融されずに加圧により固相接合されることによっても所望とするプレコート層が形成される。即ち、加熱溶融されることだけでなく、固相接合されることによりプレコート層が形成され得るため、ろう材であるＡｕに固溶し易く、形成されるプレコート層の耐力値を上昇させる金属であっても好適に採用される。
【００５１】
また、本発明においてはＭｏ、Ｗ、又はＭｏとＷとの合金からなる電気伝導体が、電気伝導体の表面の一部が基材の外部に露出した状態で基材に埋設されていてもよい。図２は、本発明に係る異種材料接合体の製造方法の別の実施態様を示す模式図である。基材１には、Ｍｏメッシュ２と、これに導通するよう配置された電気伝導体（Ｍｏ）３が埋設されている。まず、基材１と電気伝導体（Ｍｏ）３の表面を覆うように活性金属箔４とろう材５が配置された後、この活性金属箔４とろう材５とが加熱されることにより、プレコート層６が形成される（図２（ａ））。次いで、形成されたプレコート層６の表面に金属箔１０と、基材１に接合されるべき金属部材７が配置され（図２（ｂ））、加熱されることにより異種材料接合体が製造される（図２（ｃ））。
【００５２】
図２において、活性金属箔４は基材１に対して活性であり、基材１とろう材５、及び電気伝導体（Ｍｏ）３とろう材５との界面において反応生成物層（図示せず）が形成される。従って、基材１に対するＡｕからなるろう材５の濡れ性が改善されているとともに、気密性に信頼性を有する接合層１１が形成されている。また、電気伝導体（Ｍｏ）３が外気に曝されず、酸化劣化等が起こり難いために、熱サイクルや熱衝撃等に曝される環境下における長期使用に耐え得る。
【００５３】
なお、本発明の異種材料接合体の製造方法により製造される異種材料接合体は、半導体ウエハーを設置するためのセラミックス製サセプターと、このセラミックス製サセプターをチャンバーに対して取り付けるための金属製のリングとが接合されたものとして好適に用いられる。即ち、Ａｕは、ＡｇやＣｕに比して蒸気圧が低く、このＡｕからなるろう材を用いてなる異種材料接合体は、Ａｇ、又はＣｕからなるろう材等で接合されてなる異種材料接合体に比して、より高温での使用に耐え得るものである。
【００５４】
更に、サセプターを構成するセラミックスが窒化アルミニウム、金属製リングを構成する金属がＫｏｖａｒである場合にも、Ｋｏｖａｒの金属成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）がろう材中へと拡散し難いために、接合層の耐力値も上昇せず、熱サイクル及び熱衝撃によっても基材にクラックが生じ難いといった効果を示す。また、このような効果に鑑み、本発明の異種材料接合体の製造方法により製造される異種材料接合体は、その接合層が、前述のチャンバー外の外部雰囲気と、この外部雰囲気に比して低圧力であるチャンバー内の内部雰囲気に対して曝露される場合であっても好適に用いられるものであり、特に、このろう材層が、内部雰囲気に対して曝露される温度が４００℃以上となる使用環境下であっても好適に用いられる。
【００５５】
更に、本発明の異種材料接合体の製造方法により製造される異種材料接合体は、その優れた熱サイクル特性や熱衝撃耐性を生かし、半導体製造装置において半導体ウエハーを設置するためのサセプター、より具体的には内蔵する金属電極や金属発熱体によって静電チャック機能やヒーター機能を発揮する機器に組み込まれる接合体として、特に、金属部材が、Ｍｏ、Ｗ、又はＭｏとＷとの合金からなる電気伝導体へ給電するための端子であるとともに、接合層が外部雰囲気に曝露される構成とした場合に好適に採用される。
【００５６】
図３は、本発明に係る異種材料接合体の製造方法の更に別の実施態様を示す模式図であり、基材１に設けられた凹形状部３０の内面に活性金属箔４を介してろう材５が配置された後（図３（ｂ））、加熱によりプレコート層６が形成され（図３（ｃ））、このプレコート層６が凹形状に加工された後（図３（ｄ））、金属箔１０を介して凸形状部を有する金属部材７が配置され（図３（ｅ））、次いで、加熱されることにより基材１と金属部材７とが接合される状態が示されている（図３（ｆ））。このように、本発明においては基材１が凹形状部３０を有しており（図３（ａ））、この凹形状部３０内に、凹形状部３０の内面に沿う形状、特に、円錐テーパ型又は円錐台テーパ型の凹形状のプレコート層６が形成される（図３（ｄ））とともに、プレコート層６に嵌合し得る凸形状部を有する金属部材７が配置されることが好ましい。なお、金属部材７の凸形状部は、前記凹形状のプレコート層６と嵌合すべく、円錐テーパ型又は円錐台テーパ型であることが好ましい。以下、その詳細について説明する。
【００５７】
得られる異種材料接合体は、基材１の凹形状部３０内に金属部材７の凸形状部が配された構成であるために、図１、２において示すような金属部材７の先端の平面部のみならず、金属部材７の側面部も含めて接合されており、接合部における機械的強度、特に、曲げ荷重に対して優れた強度を有する。なお、本願出願人が前記特願２０００−２２７２９１明細書において示した固相接合によっても図３（ｆ）に示す構成の異種材料接合体を得ることは可能であるが、接合界面における接触状態を更に高めるためには充分な接合荷重が必要とされ、操作が困難となる場合もあるが、前記本発明の異種材料接合体は特別の荷重も必要とされず、簡便な操作により得られる。
【００５８】
また、プレコート層の垂直方向の断面形状が三角形テーパ型又は台形テーパ型であるとともに、凸形状部の垂直方向の断面形状が、プレコート層の垂直方向の断面形状に嵌合し得る三角形テーパ型又は台形テーパ型であることも好ましい。即ち、プレコート層、及び金属部材の凸形状部の形状をこのような構成とすることにより、例えば金属部材における接合される箇所がリング形状である場合においても、接合部における機械的強度、特に、曲げ荷重に対して優れた強度を有し、また、簡便な操作により作製されるものである。
【００５９】
本発明においては、接合層のビッカース硬度がＨｖ_0.1８０以下であることが好ましく、Ｈｖ_0.1７０以下であることが更に好ましく、Ｈｖ_0.1５５以下であることが特に好ましい。Ｈｖ_0.1８０超である場合には、例えば基材を構成するセラミックスが、曲げ強度が３００〜４００ＭＰａ程度である窒化アルミ二ウムである場合等に、接合時の割れの発生が顕著となるために好ましくない。なお、本発明においては、前記ビッカース硬度の下限値については特に限定されないが、熱サイクルを与えた際の不具合を効率的に回避する上では低いほど望ましいことはいうまでもなく、不純物をほとんど含まない純Ａｕからなる接合層が形成された場合を想定すると、Ｈｖ_0.1４５〜５５であることが好ましい。
【００６０】
また、本発明においては、接合層が、ビッカース硬度Ｈｖ_0.1８０以下、かつ、厚さ３０μｍ以上の部分を含むことが好ましく、ビッカース硬度Ｈｖ_0.1７０以下、かつ、厚さ７０μｍ以上の部分を含むことが更に好ましく、ビッカース硬度Ｈｖ_0.1５５以下、かつ、厚さ１００μｍ以上の部分を含むことが特に好ましい。前述の含まれる部分がＨｖ_0.1８０超、かつ、厚さ３０μｍ未満である場合には、応力緩衝効果が不充分で基材の破損が生ずるために好ましくない。なお、本発明においては、前記ビッカース硬度の下限値については特に限定されないが、熱サイクルを与えた際の不具合を効率的に回避する上では低いほど望ましいことはいうまでもなく、不純物をほとんど含まない純Ａｕからなる接合層が形成された場合を想定すると、Ｈｖ_0.1４５〜５５であることが好ましい。
【００６１】
本発明は、基材と金属部材とを接合する異種材料接合体の製造方法であり、基材の表面に活性金属層を介してＡｕからなるろう材を配置した後、活性金属層及びろう材を加熱溶融してプレコート層を形成し、プレコート層の表面に、Ａｕに比して低融点である合金をＡｕと形成し得る純金属、又は、純金属とＡｕとの合金により構成されている挿入金属層を介して金属部材を配置し、挿入金属層、及び少なくとも挿入金属層とプレコート層との接触界面近傍を加熱溶融して金属部材とプレコート層とを接合することにより、基材と金属部材とを接合するものである。以下、その詳細について説明する。
【００６２】
図１は、本発明に係る異種材料接合体の製造方法の一実施態様を示す模式図である。既に述べてきたように、本発明では、まず基材１の表面を覆うように活性金属箔４とＡｕからなるろう材５を配置した後、この活性金属箔４とろう材５とを加熱することにより、プレコート層６を形成する（図１（ａ））。次いで、形成したプレコート層６の表面に金属箔１０と、基材１に接合されるべき金属部材７を配置し（図１（ｂ））、加熱することにより本発明に係る異種材料接合体を製造することができる（図１（ｃ））。
【００６３】
図１（ａ）においては、活性金属箔４を配置することにより活性金属層（図示せず）を形成する態様を示しているが、本発明においては取り扱いの容易性や層厚を任意に調整し得るといった観点から、箔体を配置することの他、スパッタリングにより活性金属層を形成してもよい。
【００６４】
基材１の表面に配置する活性金属箔４は基材１に対して活性であり、基材１とろう材５の界面において反応生成物層（図示せず）を形成する。従って、基材１に対するろう材５の濡れ性が改善され、良好な気密性を有するプレコート層６を形成することができる（図１（ｂ））。また、この反応生成物層を形成することにより、活性金属箔４を構成する金属元素が界面でほとんど消費し尽くされ、プレコート層６中に残留しないので、プレコート層６の耐力値が上昇するといった現象が起こることもない。
【００６５】
一例を挙げると、基材を構成するセラミックスとしてＡｌＮ（窒化アルミニウム）、活性金属箔を構成する金属としてＴｉを用いた場合、加熱することにより、基材とろう材との界面においてＴｉＮ（窒化チタン）の反応生成物層（薄膜層）が形成される。このとき、ＴｉはＡｌＮとの反応によって全て消費されるため、Ｔｉがろう材に固溶することがなく、ろう材の低耐力特性が維持されたプレコート層を形成することができる。
【００６６】
上記の場合、ろう材を構成する金属であるＡｕに対して０．０３〜１０質量％のＴｉを用いることが好ましく、０．１〜２質量％のＴｉを用いることが更に好ましい。０．０３％未満である場合には接合不具合が発生する可能性があり、１０質量％超の場合では、ろう材中にＴｉが残留することで、Ａｕの耐力上昇に起因してＡｌＮにクラックが発生する恐れがあるために好ましくない。なお、形成するプレコート層の低耐力値が維持され得る量の活性金属とＡｕとを含むペーストを、基材上に塗布した後、このペーストを加熱溶融することによりプレコート層を形成してもよい。
【００６７】
異種材料接合体を製造するために用いる、ろう材を構成する金属はＡｕである。Ａｕは低耐力特性を有する軟質金属であり、熱衝撃により発生する熱応力を塑性変形により緩和するといった特徴を有するろう材となり得る金属である。従って、本発明によれば熱衝撃にも強く、また、熱サイクル特性も向上した異種材料接合体を提供することができる。なお、ろう材を構成する金属であるＡｕの融点を考慮すると、プレコート層を形成するに際して、１０８０〜１２００℃で活性金属箔及びろう材を加熱することが好ましく、１１００〜１０５０℃で加熱することが更に好ましい。
【００６８】
使用するろう材の量は接合部の形状等によっても異なるが、配置した活性金属箔を覆うことができるとともに、接合時に応力緩衝効果を示す最低限度の厚さが必要である。ここで、本発明では、挿入金属層を構成する金属と接合される金属部材を構成する金属（不純物金属）がプレコート層中に拡散することにより、プレコート層において液相拡散が生起される箇所のうち、一定の厚さは硬化する。従って、接合後においてこの不純物金属の拡散による硬化の影響のない接合層の厚さを、有効な応力緩衝効果を示す厚さである２０μｍ以上残すため、ろう材の厚さは、具体的には５０μｍ以上であることが好ましく、１００μｍ以上のであることが更に好ましい。即ち、使用するろう材の量は、このような厚みとなる量であればよく、加熱により溶融させ得る範囲内において任意にその形状を調整してもよい。また、ろう材を構成する金属は、混合することにより熱応力を塑性変形により緩和するといったＡｕの特徴が損なわれない限りにおいて、混合して使用することを何ら妨げるものではない。
【００６９】
なお、プレコート層の表面に配置する挿入金属層は、Ａｕに比して低融点である合金（低融点金合金）をＡｕと形成し得る純金属、又は、この純金属とＡｕとの合金（低融点金合金）により構成されているものである。なお、純金属としては、具体的にはＡｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｔｌ、Ｂｅ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｈ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｃｄ、Ａｓ、及びＢｉからなる群より選択される少なくとも一種を好適に用いることができる。
【００７０】
前述の低融点金合金として、具体例にはＡｕ−５Ａｌ、Ａｕ−３Ａｌ等を好適に用いることができる。なお、図１（ｂ）においては、プレコート層６上に金属箔１０を配置する態様を示しているが、本発明においては金属箔１０のような箔体を配置されることの他、同様の純金属若しくは低融点金合金の粉体を配置してもよい。特に、用いる低融点金合金によっては脆性である場合も多く、箔体として取り扱うことが困難な場合もあるため、粉体として用いることにより取り扱いが容易となるために好ましい。ただし、挿入金属層は、プレコート層と金属部材とが実質的に接触しないように、この粉体によって密に形成することが必要である。
【００７１】
挿入金属層と、これに接触して配置するプレコート層の接触界面近傍を加熱するに際しての温度は、挿入金属層とろう材を構成するＡｕとの使用量の比率（質量比）、及び挿入金属層を構成する金属の種類により変動させればよいが、このプレコート層と挿入金属層とは、Ａｕに比して低融点である合金、具体的には共晶組成の合金を形成し得るため、又は、この挿入金属層は共晶組成の合金そのものであるため、Ａｕの融点に比して低温でよい。例えば、挿入金属層を構成する金属としてＡｌを用いた場合、Ａｌとろう材５との使用量比（質量比）を調整することにより、６００℃以下の加熱温度で挿入金属層とプレコート層との接触界面近傍を溶融することができる。
【００７２】
更に、加熱後は、挿入金属層とプレコート層との間で金属成分の相互拡散を生ずるため、そのまま等温で保持することにより凝固して接合層を形成し、基材と金属部材とを接合することができる。また、接合は、プレコート層の少なくとも一部が加熱溶融して進行する、いわゆる液相拡散接合であるため、接合されるべき金属部材からプレコート層の方向への特別の加圧操作を実施する必要がなく、等温で保持するだけで接合可能であるために、操作手順が極めて簡便であるといった利点を有する。
【００７３】
なお、本発明の異種材料接合体の製造方法は、金属部材を構成する金属元素がプレコート層中へと拡散することを効果的に抑制することができるため、Ａｕからなるろう材の特徴である低耐力特性を損なうことなく接合層を形成することができる。従って、本発明の異種材料接合体の製造方法により製造された異種材料接合体は、熱サイクルや熱衝撃に曝された場合であっても接合部の耐久性は低下し難いものである。
【００７４】
本発明においては、ろう材の量に対して０．０１〜１０質量％の純金属を用いることが好ましく、０．０５〜８質量％の純金属を用いることが更に好ましく、０．１〜５質量％の純金属を用いることが特に好ましい。０．０１質量％未満用いた場合には、Ａｕに比して溶融する純金属の絶対量が不足してしまい、いわゆる液相拡散接合が起こり難いために好ましくなく、１０質量％超用いた場合には、形成する接合層に残留する純金属の量が多くなり、その耐力値が顕著に上昇してしまうために好ましくない。
【００７５】
また、ろう材の量に対して０．０１〜１０質量％の純金属とＡｕとの合金を用いることが好ましく、０．０５〜８質量％の純金属とＡｕとの合金を用いることが更に好ましく、０．１〜５質量％の純金属とＡｕとの合金を用いることが特に好ましい。０．０１質量％未満用いた場合には、Ａｕに比して溶融する金属の絶対量が不足してしまい、いわゆる液相拡散接合が起こり難いために好ましくなく、１０質量％超用いた場合には、形成する接合層に残留する純金属の量が多くなり、その耐力値が顕著に上昇してしまうために好ましくない。
【００７６】
また、本発明においては、基材を構成するセラミックスは活性金属箔と反応性を示すものであればよく、具体的には窒化アルミニウムを用いることが好ましい。なお基材は、窒化アルミニウム単独で構成されていることに限定されず、種々の材質を組み合わせて基材が構成されていても構わない。従って、基材を構成する材質やその組み合わせを適宜選択することにより、耐熱温や硬度等の用途に応じた異種材料接合体、及びこれを組み込んだ機器、装置等を提供することが可能である。
【００７７】
本発明においては、金属部材を構成する金属として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＣｒからなる群より選択される少なくともいずれか一種を用いることが好ましく、また、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＣｒからなる群より選択される少なくともいずれか一種を主成分とする合金を用いることも同様に好ましい。これらの金属及び合金により構成される金属部材をプレコート層と接合するに際して、これら金属成分はこのプレコート層中に固溶し難いものである。従って、Ａｕからなるろう材の有する低耐力特性等を何ら損なうことはなく、熱サイクル特性や熱衝撃特性に優れた異種材料接合体を製造することが可能である。
【００７８】
また、これらの金属及び合金は、大気中、８００℃における耐酸化性試験においても酸化され難く、半導体製造において使用される半導体ウエハー設置用のサセプターの給電用金属端子として使用するために必要な耐酸化性を有しているとともに、金属端子として使用するために必要な電気伝導性にも優れている。従って、前記サセプター用の部材を構成することができるために好ましい材質であり、更には、安価で入手し易い点においても好ましい材質である。
【００７９】
本発明においては、活性金属箔を構成する金属として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、及びＺｒからなる群より選択される少なくとも一種を用いることが好ましい。これらの活性金属箔は、Ａｕからなるろう材に一旦固溶した後で窒化物等の反応生成物層を形成するため、基材に対するろう材の濡れ性を向上させることができる。また、これらの金属の所定量を箔状で用いることにより、界面における反応によってそのほとんどを消費し、これらの金属のプレコート層への残留を抑止することができる。従って、接合層の耐力が低く、その塑性変形による緩衝効果で熱応力低減効果を示す異種材料接合体を製造することができる。
【００８０】
本発明においては、これまで述べてきたような活性金属層に代えて、基材の表面にペーストを用いて、又は気相法により形成したメタライズ層を介してろう材を配置した後、そのろう材を加熱溶融すること、又は加圧し固相接合することによりプレコート層を形成してもよく、従って、ろう材を加熱溶融することだけでなく、溶融せずに加圧により固相接合することによっても所望とするプレコート層を形成することができる。即ち、加熱溶融だけでなく、固相接合によってもプレコート層を形成し得るため、ろう材であるＡｕに固溶し易く、プレコート層の耐力値を上昇させる金属であっても用いることができる。なお、メタライズ層を形成する金属としては、具体的にはＭｏ、Ｍｏ−Ｍｎ、Ｗ、Ｗ−Ｍｎ又はこれらにＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂等の添加物を含む高融点金属を好適に用いることができる。
【００８１】
また、本発明においてはＭｏ、Ｗ、又はＭｏとＷとの合金からなる電気伝導体が、電気伝導体の表面の一部が基材の外部に露出した状態で埋設されている基材を用いてもよい。図２は、本発明に係る異種材料接合体の製造方法の別の実施態様を示す模式図である。基材１には、Ｍｏメッシュ２と、これに導通するよう配置された電気伝導体（Ｍｏ）３が埋設されている。まず、基材１と電気伝導体（Ｍｏ）３の表面を覆うように活性金属箔４とろう材５を配置した後、この活性金属箔４とろう材５とを加熱することにより、プレコート層６を形成する（図２（ａ））。次いで、形成したプレコート層６の表面に金属箔１０と、基材１に接合されるべき金属部材７を配置し（図２（ｂ））、加熱することにより異種材料接合体を製造することができる（図２（ｃ））。
【００８２】
図２において、活性金属箔４は基材１に対して活性であり、基材１とろう材５、及び電気伝導体（Ｍｏ）３とろう材５との界面において反応生成物層（図示せず）を形成することができる。従って、基材１に対するＡｕからなるろう材５の濡れ性を改善することができ、気密性に信頼性を有する接合層１１を形成することができる。また、電気伝導体（Ｍｏ）３が外気に曝されず、酸化劣化等が起こり難いために、熱サイクルや熱衝撃等に曝される環境下における長期使用に耐え得る異種材料接合体を提供することができる。
【００８３】
図３は、本発明に係る異種材料接合体の製造方法の更に別の実施態様を示す模式図であり、基材１に設けられた凹形状部３０の内面に活性金属箔４を介してろう材５を配置した後（図３（ｂ））、加熱によりプレコート層６を形成し（図３（ｃ））、このプレコート層６を凹形状に加工した後（図３（ｄ））、金属箔１０を介して凸形状部を有する金属部材７を配置し（図３（ｅ））、次いで、加熱することにより基材１と金属部材７とを接合する状態を示している（図３（ｆ））。このように、本発明においては基材１が凹形状部３０を有しており（図３（ａ））、この凹形状部３０内に、凹形状部３０の内面に沿う形状、特に、円錐テーパ型又は円錐台テーパ型の凹形状のプレコート層６を形成する（図３（ｄ））とともに、プレコート層６に嵌合し得る凸形状部を有する金属部材７を配置することが好ましい。なお、前記凹形状のプレコート層６と嵌合すべく、円錐テーパ型又は円錐台テーパ型の凸形状部を有する金属部材７を用いることが好ましい。以下、その詳細について説明する。
【００８４】
基材１の凹形状部３０内に金属部材７の凸形状部を配した構成とするために、図１、２において示すような金属部材７の先端の平面部のみならず、金属部材７の側面部も含めて接合することができ、接合部における機械的強度、特に、曲げ荷重に対して優れた強度を有する異種材料接合体を製造することができる。なお、本願出願人が前記特願２０００−２２７２９１明細書において示した固相接合によっても図３（ｆ）に示す構成の異種材料接合体を得ることは可能であるが、接合界面における接触状態を更に高めるためには充分に接合荷重をかけることが必要である。このため操作が困難となる場合もあるが、前記本発明の製造方法では特別の荷重が不要であり、操作が極めて簡便であるといった利点を有する。
【００８５】
また、プレコート層を、プレコート層の垂直方向の断面形状が三角形テーパ型又は台形テーパ型の凹形状となるように形成するとともに、垂直方向の断面形状が、プレコート層の垂直方向の断面形状に嵌合し得る三角形テーパ型又は台形テーパ型である凸形状部を有する金属部材を配置することも好ましい。即ち、プレコート層、及び金属部材の凸形状部の形状が上記のような構成、例えば接合される箇所がリング形状である金属部材を用いた場合であっても、接合部における機械的強度、特に、曲げ荷重に対して優れた強度を有する異種材料接合体を、簡便な操作により製造することができる。
【００８６】
【実施例】
次に本発明の実施例について説明するが、本発明が以下の実施例に限定されるものでないことはいうまでもない。
（実施例１〜８）
ＡｌＮ製の基材の表面上に直径６．５ｍｍφ×厚さ５μｍ（重さ約０．７５ｍｇ）のＴｉ箔を配置し、その上に直径６．５ｍｍφ×厚さ６００μｍ（重さ約３８５ｍｇ）の純Ａｕろう材を配置し、真空雰囲気下、１１００℃、１０ｍｉｎ加熱処理を行い、基材上に活性金属の反応生成物層を含む厚さ６００μｍのＡｕからなるプレコート層を形成した。なお、プレコート層の厚さを調整するため、純Ａｕろう材の周囲にカーボン製の簡易堰を設けて加熱処理を行った。
このプレコート層上に、挿入金属層となる直径５ｍｍφ×厚さ１３μｍ（重さ約０．７ｍｇ）のＡｌ箔と、金属部材（端子）であるＮｉ又はＫｏｖａｒ端子（直径５ｍｍφ）を配置し、真空雰囲気下、６００〜９００℃、１０又は６０ｍｉｎ、荷重０．１５ＭＰａの加圧加熱処理による接合を行って、プレコート層上にＮｉ端子を接合して異種材料接合体を得た（実施例１〜１３）。
いずれの場合においても、接合時に基材にクラックが生ずることはなかった。また、実施例１の異種材料接合体については、金属部材（Ｎｉ）からの距離が１０、２０、５０、１００、２００、３００、４００、及び５００μｍの各箇所における接合層の硬度と不純物（Ｎｉ、Ａｌ）濃度の測定を行った。なお、測定方法については後述する。
【００８７】
（実施例９〜１１）
挿入金属層となるＡｌ箔に代えて、Ａｕ−５Ａｌ合金又はＡｕ−３Ａｌ合金の破砕材をプレコート層上に、約３２ｍｇ（これらの合金を調製する際の溶融時に、直径６．５ｍｍφ×５０μｍ相当）となるように配置すること、金属部材（端子）としてＮｉ端子（直径５ｍｍφ）を用いること、及び７００℃又は８００℃で接合すること以外は、前記実施例１〜８の場合と同様の操作により、異種材料接合体を得た（実施例９〜１１）。なお、いずれの場合においても、接合時に基材にクラックが生ずることはなかった。
【００８８】
（実施例１２、１３）
挿入金属層となるＡｌ箔に代えて、直径６．５ｍｍφ×厚さ２０μｍ（重さ約４．８ｍｇ）のＳｎ箔又は直径６．５ｍｍφ×厚さ２０μｍ（重さ約４．８ｍｇ）のＩｎ箔を用いること、及び７００℃で接合すること以外は、前記実施例１〜８の場合と同様の操作により、異種材料接合体を得た（実施例１２、１３）。なお、いずれの場合においても、接合時に基材にクラックが生ずることはなかった。
【００８９】
（比較例１〜３）
ＡｌＮ製の基材の表面上に直径６．５ｍｍφ×厚さ５μｍ（重さ約０．７５ｍｇ）のＴｉ箔を配置し、その上に直径６．５ｍｍφ×厚さ６００μｍ（重さ約３８５ｍｇ）の純Ａｕろう材を置いて、真空雰囲気下、１１００℃、１０ｍｉｎ加熱処理を行い、基材上に厚さ６００μｍのプレコート層を形成した。なお、プレコート層の厚さを調整するため、純Ａｕろう材の周囲にカーボン製の簡易堰を設けて加熱処理を行った。
このプレコート層上に、金属部材（端子）であるＮｉ端子（直径５ｍｍφ）を配置し、真空雰囲気下、８００℃、１０ｍｉｎ、荷重０．１５、０．５、及び１０ＭＰａの加圧加熱処理による固相接合を行って、プレコート層上へのＮｉ端子の接合を試みた。（比較例１〜３）。なお、荷重０．５及び１０ＭＰａとした場合については目的とする異種材料接合体（比較例２、３）を得ることができたが、荷重０．１５ＭＰａとした場合（比較例１）については接合不可能であった。また、比較例２、３においては、接合時に基材にクラックが生ずることはなかった。
【００９０】
（実施例１４〜１６）
図３に示すように、凹形状部３０（直径７ｍｍφ、深さ１２ｍｍ）を有するＡｌＮ製基材１の凹形状部３０の内部に活性金属箔４としてＴｉ箔（底面：直径６．５ｍｍφ×厚さ５μｍ（重さ約０．７５ｍｇ）、側面：１２ｍｍ×２２ｍｍ×厚さ５μｍ（重さ約６．０ｍｇ）、及び純Ａｕろう材５として純Ａｕろう材（直径６．５ｍｍφ、１４ｍｍ、（重さ約８．９ｇ））を配置し（図３（ｂ））、真空雰囲気下、１１００℃、１０ｍｉｎ加熱処理を行い、基材１の凹形状部内にプレコ−ト層６を形成した（図３（ｃ））。
このプレコート層６に、底面の直径４ｍｍφ、側面角度１７°の円錐台テーパ型の穴をあけることにより、プレコート層を凹形状とし（図３（ｄ））、この中に、先端をＡｌ箔（厚さ１３μｍ）で被覆した金属部材７（Ｎｉ端子）を挿入した（図３（ｅ））。なお、基材から金属部材の底面（端部）までのプレコート層の厚さは約１ｍｍであった。真空雰囲気下、６００〜８００℃、６０ｍｉｎ、荷重０．１５ＭＰａの加圧加熱処理による接合を行ってプレコート層６上に金属部材７を接合し、図３（ｆ）に示すような形状の異種材料接合体を得た（実施例１４〜１６）。なお、いずれの場合においても、接合時に基材にクラックが生ずることはなかった。
【００９１】
（比較例４、５）
金属部材（Ｎｉ端子）の先端をＡｌ箔で被覆しないこと、及び８００℃、荷重１若しくは２０ＭＰａの加圧加熱処理による接合を行うこと以外は、前記実施例１４〜１６の場合と同様の操作により、図３（ｆ）に示すような形状の異種材料接合体を得た（比較例４、５）。なお、いずれの場合においても、接合時に基材にクラックが生ずることはなかった。
【００９２】
（実施例１７）
厚さ１３μｍのＡｌ箔を用いること、及び６００℃、荷重０．１５ＭＰａの加圧加熱処理による接合を行うこと以外は、前記実施例１〜８の場合と同様の操作により、異種材料接合体を得た（実施例１７）。なお、接合時に基材にクラックが生ずることはなかった。
【００９３】
（実施例１８）
直径３００ｍｍφ×厚さ１５ｍｍのＡｌＮ製基材上に、活性金属箔として内径１９６ｍｍφ、外径２０４ｍｍφ×厚さ５μｍ（重さ約５７ｍｇ）のＴｉ箔を配置し、その上に、純Ａｕろう材（板厚６００μｍの部材を切断したものをＴｉ箔と同形状のリング形状となるように並べたものであって、溶融接合後には内径１９６ｍｍφ、外径２０４ｍｍφ×厚さ６００μｍとなる量（重さ約２９．１ｇ））を配置し、真空雰囲気下、１１００℃、１０ｍｉｎ加熱処理を行い、基材上に内径１９６ｍｍφ、外径２０４ｍｍφ×厚さ６００μｍのプレコート層を形成した。なお、プレコート層の幅と厚さを調整するため、純Ａｕろう材の周囲にカーボン製の簡易堰を設けて加熱処理を行った。
【００９４】
このプレコート層上に、挿入金属層として内径１９７ｍｍφ、外径２０３ｍｍφ×厚さ１６μｍ（重さ約８１．４ｍｇ）の純Ａｌ箔、及び金属部材として内径１９８ｍｍφ×外径２０２ｍｍφ×長さ６０ｍｍのＫｏｖａｒ製のリングを配置し、真空雰囲気下、６００℃、１０ｍｉｎ、荷重０．１５ＭＰａで接合し異種材料接合体を得た（実施例１８）。なお、接合時に基材にクラックが生ずることはなかった。
【００９５】
（比較例６〜８）
挿入金属層としての純Ａｌ箔を用いないこと、及び８００℃、１０ｍｉｎ、荷重０．１５、１、２０ＭＰａで接合すること以外は、前記実施例１８と同様の操作により、異種材料接合体を得た（比較例６〜８）。なお、いずれの場合においても、接合時に基材にクラックが生ずることはなかった。
【００９６】
（各種物性値の測定及び評価試験）
作製した異種材料接合体について、各種物性値の測定及び評価試験を実施した。結果を表１（実施例１〜１３、比較例１〜３）、表２（実施例１４〜１６、比較例４〜５）及び表３（実施例１７、比較例６〜８）、表４（実施例１）に示す。なお、物性値の測定方法及び評価試験の実施方法を以下に示す。
【００９７】
［接合強度劣化温度の測定］：
接合された端子を６００〜９５０℃まで加温し、２５℃刻みで端子に軽微衝撃を加え、接合部が容易に破損したときの温度を接合強度劣化温度（℃）とした。結果を表１に示す。
【００９８】
［不純物拡散距離の測定］：
Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＣｏ等の各種金属成分が、異種材料接合体を構成する金属部材の端部からＡｕプレコート層内の方向へと拡散している距離を、異種材料接合体の断面をＥＤＳ分析することにより測定し、この値を不純物拡散距離（μｍ）とした。結果を表１、２に示す。
【００９９】
［接合層硬度と不純物濃度の測定］：
得られた各異種材料接合体について、ＪＩＳ Ｚ２２４４に基づき接合層のビッカース硬度（Ｈｖ_0.1）を測定した。結果を表１、２に示す。
なお、接合層の硬度測定は、不純物拡散の生起していない部分について実施した。また、実施例１については、接合後、６００℃及び７００℃で１０００時間保持した後の接合層中への不純物（Ｎｉ、Ａｌ）の拡散状態と接合層の硬度変化を詳細に測定した。具体的には、接合層の、Ｎｉからの距離が１０、２０、５０、１００、２００、３００、４００、及び５００μｍの各位置におけるＮｉとＡｌの各濃度（質量％（ＥＤＳ分析結果））及び硬度（Ｈｖ_0.1）を測定した。結果を表４に示す。
【０１００】
［接合強度（引張り）の測定］：
得られた各異種材料接合体について、各々を、金属部材（端子）：直径５ｍｍφ×厚さ１５ｍｍ、接合層：直径５ｍｍφ×厚さ０．５ｍｍ基材：２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ５ｍｍの接合体とし、この接合体を引張速度：０．５ｍｍ／ｍｉｎで引張ることにより、接合強度（引張り、ＭＰａ）を測定した。結果を表１、２に示す。
【０１０１】
［接合強度（曲げ）の測定］：
基材の上面から３０ｍｍ上方の位置で金属部材に対して水平荷重をかけ、金属部材が外れる荷重を測定し、これを接合強度（曲げ、Ｎ・ｍ）とした。結果を表２に示す。
【０１０２】
［接合強度劣化の評価］：
接合された端子を大気雰囲気７００℃×１０００ｈ保持後、及び大気雰囲気７００℃〜ＲＴを１サイクルとする冷熱サイクルに１００サイクル曝露後に引張り試験を行い、接合強度劣化を評価した。評価基準は、接合上がり時点の接合体と同様、即ち、接合部で破損せず基材が破損したものは、接合強度が劣化していないとして「なし」と評価した。結果を表１に示す。
【０１０３】
［接合不全部の確認］：
ＳＥＭによる断面観察を行い、接合部界面の間隙の有無及びクラックの有無を確認するとともにＥＤＳにより金属成分の拡散状況を同定した。なお、接合不全部の評価基準は、接合部を切断観察した際に接合界面に空隙が全くなかった場合を「なし」、観察した横断面の接合部のうち接合されていない空隙部が５％未満ではあるが一部でも空隙があった場合を「あり（少）」、接合されていない部位が５％以上の場合に「あり（多）」とした。また、ＡｌＮ基材の割れについては接合後、ろう材を研削除去して、全く割れが見られない場合のみ「なし」と判定した。結果を表２に示す。
【０１０４】
［リークテスト］：
実施例１８及び比較例６〜８の各異種材料接合体について、これらの接合部における気密性を調べるため、構成部材であるリングと基材とにより形成される管状空間について、ヘリウムリーク測定装置で、接合後、及び大気中７００℃×１００時間保持した後の計２回の評価を行った。結果を表３に示す。
【０１０５】
【表１】

【０１０６】
【表２】

【０１０７】
【表３】

【０１０８】
【表４】

【０１０９】
（考察）
表１に示す結果から明らかな通り、プレコート層の表面にＡｌからなる挿入金属層を設けることにより、特別な荷重をかけることなくセラミックス基材と金属部材とを接合することが可能であるとともに、得られた異種材料接合体の接合強度や強度劣化に関して、固相接合で作製した異種材料接合体に比して何ら遜色のないことが判明した。また、挿入金属層を構成する金属はＡｌだけでなくＳｎ、Ｉｎであってもよく、更に、活性金属の箔体を配置することだけでなく、破砕材等の粉体を配置することによっても接合可能であることが判明した。
従って、脆性なセラミックスからなる基材に大きな負荷をかけずに接合できるという固相接合のメリット維持しつつ、低温かつ低荷重で接合可能であるという本発明の優位性を確認することができた。
【０１１０】
更に、表２に示す結果から明らかな通り、基材と金属部材との接合部の構造を図３に示すような構造とすることにより、金属部材の底面（一端面）のみならず側面も接合することが可能であり、より接合強度に優れた異種材料接合体を簡便に製造可能であることが判明した。
【０１１１】
また、表３に示す結果から明らかな通り、比較例６及び７の異種材料接合体は充分な気密性が確保されておらず、リークテストにおける測定が不可能であった。これに対し、実施例１８及び比較例８の異種材料接合体は接合後の段階で、いずれもヘリウムリーク量は１×１０^-8Ｔｏｒｒ未満であってシール性は良好であり、充分な気密性が確保されていた。更に、これらの異種材料接合体は、７００℃×１００時間保持した後であっても気密性が劣化しなかった。
これらの結果から、リング形状の金属材料を基材に接合することも可能であり、この接合においては固相接合で高い荷重をかけなければ確保できなかった気密性が（比較例８：２０ＭＰａ）、低荷重で達成できるため（実施例１８：０．１５ＭＰａ）、気密性に優れた異種材料接合体を簡便に製造可能であることが判明した。
【０１１２】
なお、表４に示す結果から、接合後、６００℃及び７００℃×２４０ｈ保持した後でも、接合された金属部材（端子）であるＮｉ近傍の領域では液相拡散接合の影響により硬度は高くなるが、Ｎｉから離れた領域では硬度が低く保たれた、即ち応力緩衝効果の高い低耐力なＡｕ層が維持されていることが確認された。
【０１１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の異種材料接合体の製造方法によれば、Ａｕからなるろう材によりプレコート層を形成した後、所定の金属箔を介して金属部材を配置し、金属部材とプレコート層とを液相拡散接合することにより基材と金属部材とを接合するため、前述した接合部における気密性や、優れた熱サイクル特性、熱衝撃特性を備えた異種材料接合体を、簡便に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る異種材料接合体の製造方法の一実施態様を示す模式図である。
【図２】 本発明に係る異種材料接合体の製造方法の別の実施態様を示す模式図である。
【図３】 本発明に係る異種材料接合体の製造方法の更に別の実施態様を示す模式図である。
【図４】 半導体ウエハーを設置するためのサセプター（従来品）の、接合構造の一例を示す断面図である。
【図５】 半導体ウエハーを設置するためのサセプター（従来品）の、接合構造の別の例を示す断面図である。
【図６】 リングとサセプターとの接合形態（従来品）の一例を示す部分断面図である。
【図７】 リングとサセプターとの接合形態（従来品）の別の例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１…基材、２…Ｍｏメッシュ、３…電気伝導体（Ｍｏ）、４…活性金属箔、５…ろう材、６…プレコート層、７…金属部材、８…金属端子、９…雰囲気保護体、１０…金属箔、１１…接合層、１４…孔、１５…低熱膨張体、１６…電力供給用コネクター、１７…金属部材、２０…半導体収容容器、２１…チャンバー、２２…サセプター、２２ａ…ウエハー設置面、２２ｂ…サセプターの背面、２３…耐蝕性金属製リング、２４…ウエハー、２５…サセプターとリングとの設置面、３０…凹形状部。

Claims (15)

1. セラミックス基材と金属部材とを接合する異種材料接合体の製造方法であって、
   該セラミックス基材の表面に活性金属層、及び該活性金属層上にＡｕからなるろう材を配置した後、該活性金属層及び該ろう材を加熱溶融させてプレコート層を形成し、
   該プレコート層の表面に、Ａｕに比して低融点である合金をＡｕと形成し得る純金属、又は、該純金属とＡｕとの合金により構成されている挿入金属層を介して該金属部材を配置し、
   該挿入金属層、及び少なくとも該挿入金属層と該プレコート層との接触界面近傍を加熱溶融して該金属部材と該プレコート層とを接合することにより、該セラミックス基材と該金属部材とを接合することを特徴とする異種材料接合体の製造方法。
2. 活性金属の箔体の配置、又は、スパッタリングにより前記活性金属層を形成する請求項１に記載の異種材料接合体の製造方法。
3. 前記純金属若しくは前記合金の箔体又は粉体を配置することにより前記挿入金属層を形成する請求項１又は２に記載の異種材料接合体の製造方法。
4. 前記純金属としてＡｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｔｌ、Ｂｅ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｔｈ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｃｄ、Ａｓ、及びＢｉからなる群より選択される少なくとも一種を用いる請求項１〜３のいずれか一項に記載の異種材料接合体の製造方法。
5. 前記ろう材の量に対して０．０１〜１０質量％の前記純金属を用いる請求項１〜４のいずれか一項に記載の異種材料接合体の製造方法。
6. 前記ろう材の量に対して０．０１〜１０質量％の前記合金を用いる請求項１〜４のいずれか一項に記載の異種材料接合体の製造方法。
7. 前記セラミックス基材を構成するセラミックスとして窒化アルミニウムを用いる請求項１〜６のいずれか一項に記載の異種材料接合体の製造方法。
8. 前記金属部材を構成する金属として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＣｒからなる群より選択される少なくともいずれか一種を用いる請求項１〜７のいずれか一項に記載の異種材料接合体の製造方法。
9. 前記金属部材を構成する金属として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＣｒからなる群より選択される少なくともいずれか一種を主成分とする合金を用いる請求項１〜７のいずれか一項に記載の異種材料接合体の製造方法。
10. 前記活性金属層を構成する金属として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、及びＺｒからなる群より選択される少なくとも一種を用いる請求項１〜９のいずれか一項に記載の異種材料接合体の製造方法。
11. 前記活性金属層を配置することに代えて、
    前記セラミックス基材の表面にペーストを用いて又は気相法によりメタライズ層を形成し、
    該メタライズ層上に前記ろう材を配置した後、前記ろう材を加熱溶融又は加圧して固相接合することにより前記プレコート層を形成する請求項１〜９のいずれか一項に記載の異種材料接合体の製造方法。
12. Ｍｏ、Ｗ、又はＭｏとＷとの合金からなる電気伝導体が、
    該電気伝導体の表面の一部が前記セラミックス基材の外部に露出した状態で埋設されている前記セラミックス基材を用いる請求項１〜１１のいずれか一項に記載の異種材料接合体の製造方法。
13. 前記セラミックス基材が凹形状部を有し、
    該凹形状部内に、該凹形状部の内面に沿う形状の前記プレコート層を形成するとともに、前記プレコート層に嵌合し得る凸形状部を有する前記金属部材を配置する請求項１〜１２のいずれか一項に記載の異種材料接合体の製造方法。
14. 前記プレコート層を円錐テーパ型又は円錐台テーパ型の凹形状に形成するとともに、
    該凹形状に嵌合し得る円錐テーパ型又は円錐台テーパ型である前記凸形状部を有する前記金属部材を配置する請求項１３に記載の異種材料接合体の製造方法。
15. 前記プレコート層を、前記プレコート層の垂直方向の断面形状が三角形テーパ型又は台形テーパ型の凹形状となるように形成するとともに、垂直方向の断面形状が、前記プレコート層の垂直方向の断面形状に嵌合し得る三角形テーパ型又は台形テーパ型である前記凸形状部を有する前記金属部材を配置する請求項１３に記載の異種材料接合体の製造方法。

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