JP4374096B2 - セラミックス部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスの内部に形成された導体または抵抗体と外部に形成された端子とを接続する接続導体及びその接続導体を用いたセラミックス部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックス、特に窒化アルミニウム焼結体は、熱伝導率が高いことから、回路基板や放熱板などに用いられている。また、耐食性にも優れており、しかもシリコン素子の熱膨張係数にも近いことから、半導体製造プロセス中でも多く使用されており、例えば無垢の部材に、あるいは内部に導体や抵抗体を形成したヒータ、静電チャック、サセプタなどの基材に多く使用されている。
【０００３】
これらヒータ、静電チャック、サセプタなどの内部に形成される導体または抵抗体には、基材である窒化アルミニウム焼結体と熱膨張係数の近いタングステンやモリブデンなどの高融点金属が使用されているものが多いが、その場合にはその導体や抵抗体と外部の端子とを接続する接続導体としては、同じ高融点金属の粉末焼結体や金属塊が用いられており、その焼結体や金属塊などの接続導体を導体や抵抗体の上面に埋設し、その上部を加工して接続導体を露出させ、その露出面にろう付けなどをすることにより外部端子と接続していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この接続導体では、高い温度の熱が加わるとたとえ基材である窒化アルミニウム焼結体と熱膨張係数が近いといえども、その間の熱膨張差により接続導体の周辺部にクラックや剥離が生じるといった問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した接続導体が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、高い温度の熱が加わっても接続導体の周辺部にクラックや剥離を生じない接続導体を提供し、その接続導体を用いたセラミックス部材をも提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、接続導体に金属−セラミックス複合材料を用いれば、周辺部にクラックや剥離が生じない接続導体とすることができるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち本発明は、（１）セラミックスの内部に形成された導体または抵抗体と外部に形成された端子とを接続する接続導体において、該接続導体が、金属−セラミックス複合材料からなることを特徴とする接続導体とし、また、（２）前記接続導体を用いたセラミックス部材が、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックスであり、かつ接続導体が、タングステン、モリブデンまたはタングステン−モリブデン合金と窒化アルミニウム粉末からなる金属−セラミックス複合材料であることを特徴とするセラミックス部材とし、さらに、（３）前記複合材料中の窒化アルミニウム粉末の含有量が、１０〜７５ｖｏｌ％であることを特徴とする（２）記載のセラミックス部材とすることを要旨とする。以下さらに詳細に説明する。
【０００８】
上記で述べたように、内部に形成された導体または抵抗体と外部に形成された端子とを接続する接続導体としては、その材質を金属−セラミックス複合材料からなることとした。
【０００９】
接続導体として、金属−セラミックス複合材料としたのは、この複合材料がその中に含まれる金属とセラミックスとの割合を変化させることで基材であるセラミックスの熱膨張係数と一致させることができることによる。特に基材のセラミックスの電気的性質や機械的性質を制御するために、あるいは耐食性を向上させるために添加物を加えることがしばしばあるが、その場合には添加する前に比べて基材のセラミックスの熱膨張係数が変化していることが多いので、複合材料中の金属とセラミックスの割合を変えることで基材のセラミックスの熱膨張係数に容易に合わせることができることとなる。
【００１０】
その基材のセラミックスとしては、窒化アルミニウム焼結体からなるとし、それに用いる接続導体、すなわち金属−セラミックス複合材料としては、タングステン、モリブデンまたはタングステン−モリブデン合金と窒化アルミニウム粉末からなる複合材料とした。
【００１１】
セラミックスとして窒化アルミニウム焼結体としたのは、この焼結体が熱伝導率が高いため、高温で多用されることによる。また、接続導体である金属−セラミックス複合材料中の金属をタングステン、モリブデンまたはタングステン−モリブデン合金としたのは、これら金属が高温で使用可能である上に基材である窒化アルミニウム焼結体の熱膨張係数と近いことによる。
【００１２】
さらに、複合材料中のセラミックスを窒化アルミニウム粉末としたのは、基材であるセラミックスが窒化アルミニウム焼結体であるからであり、その窒化アルミニウム焼結体と接続導体とを同時焼成すれば、窒化アルミニウム焼結体と複合材料中の窒化アルミニウム粉末とが一体化して接続導体が窒化アルミニウム焼結体に強固に接合され、高い温度の熱が加わっても接続導体周辺部にクラックや剥離といった問題が生じなくなる。このことは、窒化アルミニウム焼結体と接続導体との熱膨張係数を一致させることが不可能な場合には、非常に有効な手段となる。
【００１３】
その複合材料中の金属と窒化アルミニウム粉末との割合としては、窒化アルミニウム粉末の含有量を１０〜７５ｖｏｌ％とすることとした。窒化アルミニウム粉末の含有量が、１０ｖｏｌ％を下回ると、基材である窒化アルミニウム焼結体との熱膨張差が大きくなるばかりでなく、基材との接合が弱くなり、部材に高い温度の熱が加わると接続導体の周辺部にクラックや剥離が生じることとなる。
【００１４】
一方、窒化アルミニウム粉末の含有量が、７５ｖｏｌ％を上回ると、残部の金属であるタングステン、モリブデンあるいはタングステン−モリブデン合金が導通しなくなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法を述べると、先ず基材の材料として窒化アルミニウム粉末を用意する。これに焼結助剤を加えてもよいし、また、体積抵抗率や誘電率などの電気的性質を、曲げ強度や硬度などの機械的性質を制御するために添加物を加えてもよいし、さらに、耐食性ガスに対する耐食性を上げるために添加物を加えてもよい。
【００１６】
これとは別に基材の内部に形成する導体または抵抗体の材料も用意する。これにはタングステンやモリブデンなどの高融点金属が使われるが、窒化チタン、珪化モリブデンなどの化合物を用いても高温で使用できるので問題はなく、目的に応じた材料を用いればよい。このほか接続導体の材料として、タングステン、モリブデンまたはタングステン−モリブデン合金も別に用意する。
【００１７】
これら材料を用いて導体あるいは抵抗体と接続導体とが埋設された窒化アルミニウム焼結体を作製する。その方法としては、窒化アルミニウム焼結体を先ず作製し、その上面にタングステンなどの導体または抵抗体を形成する。形成方法はメッシュ、箔、板、ブロック、スクリーン印刷体などのどれでもよく、目的に応じた方法を採用すればよい。その導体または抵抗体の上面に１０〜７５ｖｏｌ％の窒化アルミニウム粉末と残部がタングステン、モリブデンまたはタングステン−モリブデン合金とで作製された所定の形状と大きさを有する複合材料を接続導体として載せ、その上部全体に窒化アルミニウム粉末を充填した後、ホットプレスで焼結することで作製することができる。
【００１８】
また、別の方法としては、先ず窒化アルミニウムの成形体を作製し、その上面に導体または抵抗体をスクリーン印刷などで形成し、その上面に接続導体を載せ、さらにその上部全体に窒化アルミニウム粉末を充填した後、ホットプレスで焼結する方法、あるいはドクターブレード法でグリーンシートを作製し、そのシートの上面に導体または抵抗体を形成し、その上面に接続導体を載せ、その上面にさらにシートで覆った後、ホットプレスで焼結する方法で作製することができる。
【００１９】
一方、接続導体として用いる複合材料の作製は、例えば窒化アルミニウム粉末とタングステン等の金属粉末とを混合し、それを加圧してペレットなどにすることで、あるいはそのペレットなどを焼結することで作製することができる。用いる窒化アルミニウム粉末の細かさは特に限定されるものではないが、５μｍ以下の平均粒径を有する粉末が取り扱い易いことから好ましい。同様に残部のタングステン等の金属の細かさも、特に限定されるものではないが取り扱い易いことから２０μｍ以下の平均粒径を有する粉末が好ましい。
【００２０】
次にこのままでは接続導体が内蔵されたままであるので、接続導体の上部を穴加工などして接続導体の一部を露出させ、この接続導体の露出部にはんだ付けなどをして外部端子と接続することにより、前記接続導体を用いたセラミックス部材を作製することができる。
【００２１】
以上述べた方法で接続導体とその接続導体を用いたセラミックス部材を作製すれば、高い温度の熱が加わっても接続導体の周辺部にクラックや剥離を生じない接続導体とその接続導体を用いたセラミックス部材を得ることができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００２３】
（実施例１〜３）
（１）接続導体とそれを用いたセラミックス部材の作製
９７ｍａｓｓ％の窒化アルミニウム粉末と、３ｍａｓｓ％のイットリア粉末とを混合した粉末を一軸加圧して成形体を作製し、これを焼結してφ１００×１０ｍｍの焼結体を作製した。この焼結体の面上にスクリーンにより抵抗体であるタングステンペーストを印刷し、ヒートパターンを印刷した。
【００２４】
別に平均粒径が２μｍの窒化アルミニウム粉末と平均粒径が４μｍの表１に示す金属粉末を表１に示す割合で混合し、それを加圧してペレットとし複合材料を作製した。得られた複合材料をφ１０×２ｍｍに切り出して接続導体とし、それを前記印刷面に配置し、この上部に９７ｍａｓｓ％の窒化アルミニウム粉末と、３ｍａｓｓ％のイットリア粉末とを混合した粉末を充填した後、ホットプレス焼結することでφ１００×２０ｍｍの窒化アルミニウム焼結体を作製した。この焼結体の上下面を焼結体中の抵抗体と焼結体表面との厚さが３ｍｍとなるように研削し、φ１００×６ｍｍの焼結体を作製し、これの接続導体の上部にφ４ｍｍの穴加工をして接続導体の一部を露出させ、その露出部にはんだ付けで外部端子と接続してセラミックスで部材を作製した。
【００２５】
（２）評価
本実施例は温度を上げることのできるヒータであるので、得られたセラミックス部材の外部端子に電圧を印加して７５０℃に昇温した。そして、これを冷却して室温〜７５０℃の昇降温を繰り返し、これの外部端子と接続導体との接続部を切断して接続部でのクラックや剥離状態を目視観察した。その結果を表１に示す。
【００２６】
（比較例１）
比較例１では、接続導体が複合材料ではなく、金属単味とした他は実施例と同様にセラミックス部材を作製し、評価した。その結果も表１に示す。
【００２７】
表１から明らかなように、実施例全てが昇降温を１００００回繰り返してもクラックや剥離は生じなかった。このことは、接続導体を本発明の金属−セラミックス複合材料とすれば、接続導体の周辺部にクラックや剥離が生じなくなるということを示している。
【００２８】
これに対して、比較例１では、接続導体が金属単味であるため、基材である窒化アルミニウム焼結体の熱膨張係数に近づけることができなく、１３０回の昇降温の繰り返しで接続導体の周辺部が剥離していた。
【００２９】
【発明の効果】
以上の通り、本発明にかかる接続導体であれば、高い温度の熱が加わっても、接続導体の周辺部にクラックや剥離が生じない接続導体とすることができるようになった。このことにより、高温に晒されるヒータ、静電チャック、サセプタなどのセラミックス部材にも接続導体に問題ないものが得られるようになった。
【表１】

Claims (4)

1. タングステン、モリブデンまたはタングステン−モリブデン合金と、窒化アルミニウム粉末との混合物を加圧したペレットからなる金属−セラミックス複合材料、または前記ペレットを焼結してなる金属−セラミックス複合材料の接続導体を作製する工程と、
   導体または抵抗体を形成するための窒化アルミニウム成形体または窒化アルミニウム焼結体を作製した後、その上面に導体または抵抗体を形成し、前記接続導体を前記導体または前記抵抗体の上面に載せ、さらに前記接続導体が載せられた面に窒化アルミニウム粉末を充填した後にホットプレスで焼結する工程と、
   前記接続導体を露出させる穴加工を行った後、前記接続導体の露出部に外部端子を接続する工程とを含むセラミックス部材の製造方法。
2. タングステン、モリブデンまたはタングステン−モリブデン合金と、窒化アルミニウム粉末との混合物を加圧したペレットからなる金属−セラミックス複合材料、または前記ペレットを焼結してなる金属−セラミックス複合材料の接続導体を作製する工程と、
   導体または抵抗体を形成するための窒化アルミニウムグリーンシートを作製した後、その上面に導体または抵抗体を形成し、前記接続導体を前記導体または前記抵抗体の上面に載せ、さらに前記接続導体が載せられた面を窒化アルミニウムグリーンシートで覆った後にホットプレスで焼結する工程と、
   前記接続導体を露出させる穴加工を行った後、前記接続導体の露出部に外部端子を接続する工程とを含むセラミックス部材の製造方法。
3. 基材である窒化アルミニウム焼結体と、基材の内部に形成された導体または抵抗体と、前記導体または前記抵抗体と外部に形成された端子とを接続する接続導体と、を備え、請求項１または請求項２記載のいずれかの製造方法により得られたセラミックス部材であって、前記接続導体の周辺部にクラックや剥離のないセラミックス部材。
4. 前記接続導体中の窒化アルミニウム粉末の含有量が、１０〜７５ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項３記載のセラミックス部材。