JP4441080B2

JP4441080B2 - Manufacturing method of composite member

Info

Publication number: JP4441080B2
Application number: JP2000227291A
Authority: JP
Inventors: 正幸新海
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2020-07-27
Also published as: JP2002037679A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異種部材を接合してなる複合部材の製造方法に関し、さらに詳しくは、特定のろう材を使用して固相接合により接合された複合部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異種部材の接合、例えば、セラミックス基材と金属製部材との接合には、ろう材を用いる方法があるが、高温での接合後の冷却操作中に、異種部材間、あるいはこれら異種部材を接合するために使用したろう材と部材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、一方の部材が脆弱な場合には、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複合部材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】
異種部材をろう材を用いて接合する場合には、セラミックス基材とろう材との濡れを確保するためにセラミックス基材の接合面の表面を金属、例えば、Ｎｉ等の金属でメッキした後、両部材を適当な間隔をおいて向かい合わせて配置させ、この間隔にろう材を流し込み、接合させる方法が通常採用されている。また、金属メッキ処理がなくてもセラミックス基材表面に窒化物、酸化物等の反応層を形成することで濡れを確保することができるＴｉ等の添加物をろう材中に加える手法もある。しかしながらこれらの方法では、何らかの手段で接合部に生ずる熱応力を低下させる配慮を行わないと、熱応力に対して脆弱なセラミックス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、結合強度ばかりでなく複合部材として要求される気密性など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低強度の部材を金属材料等の異種部材と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ために、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Ａｕのみ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を接合する方法を考えることができる。しかし、この方法においては、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Ａｕ中へと拡散してしまい、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セラミックス基材にクラックが生ずることになる。
また、Ａｕ−１８Ｎｉろう材と電気伝導体（Ｍｏ）を接合すると、ろう材中のＮｉとＭｏが反応し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特性が低くなり、また、急速に劣化してしまい使用できなくなるといった問題点がある。
【０００５】
さらに、金属部材としてＫｏｖａｒを用いた場合、基材とＫｏｖａｒとの接合の際に、ろう材中にＫｏｖａｒを構成する成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）が拡散し、電気伝導性の低い金属間化合物層を形成するために、熱サイクル特性の劣化、当該部位での以上発熱の生起等の問題点もあった。
【０００６】
一方、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ることができ、この条件に合致する金属材料としては、Ｗ、Ｍｏ等を挙げることができる。しかしこれらの金属材料は、大気中高温条件下においては酸化が激しく、かかる条件下に晒される半導体ウエハーを設置するためのサセプター等に用いるための金属部材としては使用することができないといった問題を有している。
【０００７】
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３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３においてはセラミックス基材１に、孔１４が設けられている。孔１４にはセラミックス基材１中にあらかじめ埋設されたセラミックス基材１と近似の熱膨張係数を有するたとえば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が挿入されている。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および雰囲気保護体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。
この接合構造によれば低熱膨張体１５と金属部材７が接合時の残留応力を緩衝され、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、たとえば前記のＡｕ−１８Ｎｉろうをもって接合しても、接合時にセラミックス基材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。しかし当該接合構造は、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。
【０００８】
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４に示す構造に係るセラミックス基材において、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５、図６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。すなわち、部材構造をこれら形状とすることで熱応力緩和には有効であるが、セラミックスが脆弱である場合、前記公報において開示されたような、ろう材を溶融させて金属部材とセラミックス基材との接合を行なう方法では、金属部材の溶出によるろう材変質が生起し、前記公報で開示される接合構造への配慮のみでは熱応力緩和効果が十分でなくセラミックス基材破損等の不具合を生じる場合がある。
【０００９】
【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共に、熱サイクル特性、及び熱衝撃特性をも有する複合部材の製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、セラミックス基材と金属部材を接合する複合部材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箔と、該活性金属箔上にＡｕからなるろう材を配置して加熱し、該セラミックス基材の表面に該ろう材からなる接合層を形成する第一工程を備え、該接合層の表面に該金属部材を配置して８５０〜９５０℃に加圧加熱し、該接合層と該金属部材を固相接合する第二工程を備えており、セラミックス基材に、Ｍｏ、Ｗ、もしくはＭｏとＷの合金からなる電気伝導体がそ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ことを特徴とする複合部材の製造方法が提供される。
【００１５】
本発明においては、セラミックス基材が窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、炭化珪素のいずれかであることが好ましい。
【００１６】
また、本発明においては、金属部材がＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒのいずれかよりなる金属部材であることが好ましく、金属部材がＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒのいずれかを主な構成要素とする合金からなる金属部材であることも同様に好ましい。さらに、本発明においては、活性金属箔としてＴｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒのいずれかを好適に用いることができる。
【００１７】
【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。
【００１８】
図１は、複合部材の製造方法の一例を示す模式図であり、（ａ）は第一工程、（ｂ）は第二工程を示す模式図である。第一工程においては、セラミックス基材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、加熱により接合層６を形成する。続く第二工程においては、接合層６の表面に金属部材７を配置し、加圧加熱による固相接合を行って複合部材を製造する。
【００１９】
第一工程において用いる活性金属箔４はセラミックス基材１に対して活性であり、セラミックス基材１とＡｕからなるろう材５の界面において反応生成物層を形成する。従って、セラミックス基材１に対するＡｕからなるろう材４の濡れ性が改善され、良好な気密性を有する接合層６が形成される。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当該界面でほとんど消費し尽くされＡｕ中に残留しないので、Ａｕからなるろう材５の耐力値が上昇するといった現象が起こることもない。
【００２０】
また、本発明における一実施態様としては、前述のセラミックス基材にＭｏ、Ｗ、もしくはＭｏとＷの合金からなる電気伝導体が、その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。図２は、本発明に係る複合部材の製造方法の一実施態様を示す模式図であり、（ａ）は第一工程、（ｂ）は第二工程を示す模式図である。セラミックス基材１には、Ｍｏメッシュ２とそ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。第一工程においては、セラミックス基材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、加熱により接合層６を形成する。続く第二工程においては、接合層６の表面に金属部材７を配置し、加圧加熱による固相接合を行って複合部材を製造する。
【００２１】
第一工程において用いる活性金属箔４はセラミックス基材１に対して活性であり、セラミックス基材１とＡｕからなるろう材５、並びに、電気伝導体（Ｍｏ）３とＡｕからなるろう材５との界面において反応生成物層を形成する。従って、セラミックス基材１に対するＡｕからなるろう材５の濡れ性が改善され、同時に気密性が確保されることから、セラミックス基材１に埋設された電気伝導体（Ｍｏ）３が外気に晒さらされることはなく、電気伝導体の酸化劣化が起こり難いといった利点を有している。
【００２２】
セラミックス基材の原材料としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）、活性金属箔としてＴｉを用いた場合では、加熱することによりＡｌＮとろう材の界面においてＴｉＮの薄膜層を形成する。このとき、ＴｉはＡｌＮとの反応によって全て消費されることとなり、従って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接合層を形成するといった効果を有する。
この場合、Ａｕに対するＴｉの量は、０．０３〜１０％が好ましく、０．１〜２％がさらに好ましい。０．０３％より少ない場合には接合不具合が発生する可能性があり、また、１０％超の場合では、Ａｕ中にＴｉが残留することで、Ａｕの耐力上昇によるＡｌＮの割れ発生が生起し得るからである。
【００２３】
本発明に係る複合部材の製造方法においては、Ａｕからなるろう材を使用することを特徴としている。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ものである。従って、本発明に係る、Ａｕからなるろう材を使用して製造した複合部材は熱衝撃にも強く、また、熱サイクル特性も向上している。
【００２４】
このとき使用するＡｕからな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選択できることはいうまでもない。また、ろう材として用いる金属は、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。
【００２５】
また、第二工程において加圧加熱による固相接合を採用することにより、金属部材の成分が接合層に固溶することを抑止することが可能である。従って、固相接合の際の加熱温度はろう材の融点よりも低い温度で行われる。本発明の如くＡｕからなるろう材を使用する場合においては、８５０〜９５０℃である。このことにより、従来の製造方法である液相接合の場合において問題となっている、接合層への金属成分の固溶による耐力値の上昇といった現象が起こることはない。
上述のように、本発明に係る複合部材の製造方法においては、第一工程と第二工程からなる接合工程によって製造するため、接合層を形成する、Ａｕからなるろう材の低耐力特性が保持され、熱サイクル及び熱衝撃に対する信頼性の向上した複合部材を提供することが可能である。
【００２６】
また、本発明の複合部材及びその製造方法においては、セラミックス基材が窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、炭化珪素のいずれかであることが好ましい。セラミックス基材は、活性金属箔との加熱加工によって反応を生ずるものであれば良く、前記各種の材質を用いることができる。なお、上記材質がそれそれ単独でセラミックス基材を構成することに限られるものではなく、上記材質を組み合わせてセラミックス基材を構成しても構わない。従って、これらの材質を単独、あるいは、組み合わせてなるセラミックス基材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複合部材、および、これらを組み込んだ機器類を提供することが可能である。
【００２７】
さらに、本発明の複合部材の製造方法においては、金属部材がＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒのいずれかよりなる、あるいは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒのいずれかを主な構成要素とする合金からなる金属部材であることが好ましい。これらの金属、あるいは合金は、Ａｕからなるろう材と固相接合する際に当該ろう材中にこれらの金属成分が固溶することはなく、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複合部材を提供することが可能である。
なお、ここでいうＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒのいずれかを主な構成要素とする合金とは、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ことを指し、Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｆｅ＋Ｃｒの含有率が５０ｗｔ％以上の合金を意味する。
さらに、上述の金属部材は、図１に示すような形状に限定されるものではなく、円柱状、角柱状、尖塔状、リング状等、その他いかなる形状であっても構わない。
【００２８】
また、これらの金属、あるいは合金は、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共に、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、前記高温ヒーター用の部材を構成することができ、さらには、安価で入手し易い点からみても、これらの金属は好ましい。
【００２９】
なお、本発明の複合部材の製造方法においては、活性金属箔がＴｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒのいずれかであることが好ましい。これらの活性金属箔は、ろう材たるＡｕに一旦固溶したのちセラミックス基材と窒化物等の反応生成物を形成するためにセラミックス基材に対するろう材の濡れ性が良好となる。また、これらの活性金属の所定量を箔状にして用いることにより、ほぼ全て界面における反応によって消費されるため、金属がろう材にほとんど残存することはない。従って、ろう材の耐力を低く維持してその塑性変形による緩衝効果で被接合材の熱応力の低減を図ることができ、また埋設されたＭｏが外気に晒されるといった不具合も解消することができ、これらによって気密性に信頼のある接合層を形成することができるために長期使用にも耐え得る複合部材を提供することができる。
【００３０】
なお、本発明の複合部材の製造方法により製造された、セラミックス基材と金属部材を接合してなる複合部材は、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複合部材として好適に採用することができる。
【００３１】
【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）
内部にＭｏメッシュ（直径φ０．１２ｍｍのＭｏ線を１インチあたり５０本の密度で編んだ金網）及びこれに導通する電気伝導体（粒径１〜１００μｍのＭｏ粉末を成形した成形体：直径φ３ｍｍ）を埋設したＡｌＮ基材（直径φ２００×厚さ２０ｍｍ）の前記電気伝導体の埋め込まれている部位を穿孔して該電気伝導体を露出させ、その電気伝導体ならびにその周囲を含む表面にＴｉ箔（５μｍ）と純Ａｕろう材（厚さ０．３ｍｍ）を配置し、真空雰囲気下、１１００℃、１０ｍｉｎ加熱処理を行い、ＡｌＮ基材上にろう付けを行った。接合層上にＮｉ端子（直径φ５ｍｍ）を配置し、真空雰囲気下、８７０℃、３０ｍｉｎ、荷重１ｋｇｆの加圧加熱処理による固相接合を行って、ろう材にＮｉ端子を接合し、計３個の試料（試料Ｎｏ．１〜３）を作製した。室温付近まで徐冷した複合部材の断面構造の写真を図７、及び接合部付近の断面構造の拡大写真を図８に示す。
なお、Ｎｉ端子を接合する際の時間を１０ｍｉｎとする以外は上記と同様の操作を繰り返し、計３個の試料（試料Ｎｏ．４〜６）を作製した。
上記の方法により作製した複合部材は、図８に示すようにＡｌＮ基材にクラックを生じることはなかった。これは、純Ａｕろう材にＮｉ、Ｔｉが固溶することなく純Ａｕろう材の低耐力特性が維持され、純Ａｕろう材とＡｌＮ基材の熱膨張率差により発生する応力を緩衝することができたためと考えられる。
【００３２】
試料Ｎｏ．１〜３について、引張強度の測定を行った。結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】

【００３４】
試料Ｎｏ．４〜６について、７００℃、１００サイクルの熱サイクル試験を行い、その後、引張強度の測定を行った。結果を表２に示す。また、熱サイクル試験後の接合部付近の断面構造の拡大写真を図９に示す。
【００３５】
【表２】

【００３６】
熱サイクル試験後も引張強度が低下することがなく、またＡｌＮ基材にクラックが生ずることもなかった（図９）。よって、本発明の複合部材の製造方法によって製造された複合部材の優れた特性を確認することができた。
【００３７】
（比較例１）
内部にＭｏメッシュ（直径φ０．１２ｍｍのＭｏ線を１インチあたり５０本の密度で編んだ金網）及びこれに導通する電気伝導体（粒径１〜１００μｍのＭｏ粉末を成形した成形体：直径φ３ｍｍ）を埋設したＡｌＮ基材（直径φ２００×厚さ２０ｍｍ）の前記電気伝導体の埋め込まれている部位を穿孔して該電気伝導体を露出させ、その電気伝導体ならびにその周囲を含む表面にＴｉ箔（５μｍ）とＡｕ−１８Ｎｉろう材（厚さ０．３ｍｍ）を配置し、真空雰囲気下、１１００℃、１０ｍｉｎ加熱処理による液相接合を行ってＡｌＮ基材上にＮｉ端子（直径φ５ｍｍ）を接合した。室温付近まで徐冷した複合部材の、接合部付近の断面構造の拡大写真を図１０に示す。
上記の方法により作製した複合部材は、図１０に示すようにＡｌＮ基材にクラックを生じた。これはＡｕ−１８Ｎｉろう材の耐力値がＡｌＮに比して高く、ろう材とＡｌＮ基材の熱膨張率差により発生する応力を緩衝することができなかったためと考えられる。
【００３８】
（比較例２）
内部にＭｏメッシュ（直径φ０．１２ｍｍのＭｏ線を１インチあたり５０本の密度で編んだ金網）及びこれに導通する電気伝導体（粒径１〜１００μｍのＭｏ粉末を成形した成形体：直径φ３ｍｍ）を埋設したＡｌＮ基材（直径φ２００×厚さ２０ｍｍ）の前記電気伝導体の埋め込まれている部位を穿孔して該電気伝導体を露出させ、その電気伝導体ならびにその周囲を含む表面にＴｉ箔（５μｍ）と純Ａｕろう材（厚さ０．３ｍｍ）及び、Ｎｉ端子（直径φ５ｍｍ）を配置し、真空雰囲気下、１１００℃、１０ｍｉｎ加熱処理による液相接合を行ってＡｌＮ基材上にＮｉ端子を接合した。室温付近まで徐冷した複合部材の、接合部付近の断面構造の拡大写真を図１１に示す。なお、接合後のろう材層を一部採取して組成分析を行ったところ、Ａｕ−４３．４ｗｔ％Ｎｉであり、純Ａｕろう材にＮｉが固溶していることを確認した。
上記の方法により作製した複合部材は、図１１に示すようにＡｌＮ基材にクラックを生じた。これは純Ａｕろう材にＮｉ、Ｔｉが固溶して純Ａｕろう材の耐力値が上昇し、純Ａｕろう材とＡｌＮ基材の熱膨張率差により発生する応力を緩衝することができなかったためと考えられる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の複合部材の製造方法によって製造された複合部材は、接合層としてＡｕからなるろう材を有し、また、接合層と金属部材が固相接合によって接合されていることから、熱サイクル特性や熱衝撃特性に優れている。さらに、本発明の複合部材の製造方法は、所定の工程によって上述した特性を有する複合部材を簡便に製造することのできる優れた製造方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】複合部材の製造方法の一例を示す模式図であり、（ａ）は第一工程、（ｂ）は第二工程を示す模式図である。
【図２】本発明に係る複合部材の製造方法の一実施態様を示す模式図であり、（ａ）は第一工程、（ｂ）は第二工程を示す模式図である。
【図３】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、接合構造の別の例を示す断面図である。
【図５】リングとサセプタ−との接合形態（従来品）の一例を示す部分断面図である。
【図６】リングとサセプタ−との接合形態（従来品）の別の例を示す部分断面図である。
【図７】実施例１により作製した複合部材の断面構造である金属組織及びセラミック材料の組織の写真である。
【図８】実施例１により作製した複合部材の、接合部付近の断面構造である金属組織及びセラミック材料の組織の拡大写真である。
【図９】実施例１により作製した複合部材の、熱サイクル試験後の接合部付近の断面構造である金属組織及びセラミック材料の組織の拡大写真である。
【図１０】比較例１により作製した複合部材の、接合部付近の断面構造である金属組織及びセラミック材料の組織の拡大写真である。
【図１１】比較例２により作製した複合部材の、接合部付近の断面構造である金属組織及びセラミック材料の組織の拡大写真である。
【符号の説明】
１…セラミックス基材、２…Ｍｏメッシュ、３…電気伝導体（Ｍｏ）、４…活性金属箔、５…ろう材、６…接合層、７…金属部材、８…金属端子、９…雰囲気保護体、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−の背面、２３…耐蝕性金属製リング、２４…ウエハー、２５…サセプタ−とリングとの設置面。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a composite member formed by joining heterologous member, more particularly, it relates to a method of manufacturing a bonded composite member by solid phase bonding using a specific brazing material.
[0002]
[Prior art]
Joining of dissimilar members, for example, joining a ceramic base material and a metal member, there is a method using a brazing material, but between dissimilar members or joining these dissimilar members during a cooling operation after joining at a high temperature. If the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the brazing filler metal and the member used to cause peeling occurs at the joint interface, or if one of the members is brittle, cracks will occur near the joint interface. In some cases, desired bonding strength and airtightness cannot be obtained. A product in which these abnormalities occur in the manufacturing process must be disposed of as a defective product, which increases the cost of these composite member products. In addition, when a heat cycle is applied during use, these abnormalities occur after a certain period of use, which is a cause of reducing the reliability of the product.
[0003]
When bonding dissimilar members using brazing material, after plating the surface of the bonding surface of the ceramic substrate with a metal, for example, a metal such as Ni, in order to ensure wetting between the ceramic substrate and the brazing material, A method is generally employed in which both members are arranged facing each other at an appropriate interval, and a brazing material is poured into this interval and joined. There is also a method of adding an additive such as Ti, which can ensure wetting by forming a reaction layer such as a nitride or an oxide on the surface of the ceramic base material, without the metal plating treatment. However, in these methods, unless care is taken to reduce the thermal stress generated at the joint by some means, cracks are often formed on the ceramic substrate side that is vulnerable to thermal stress, or peeling occurs at the joint. Thus, not only the bonding strength but also various performances such as airtightness required as a composite member may be affected. In particular, it is very difficult to join a low-strength member such as aluminum nitride to a dissimilar member such as a metal material while suppressing the above problem.
[0004]
In order to solve the above-mentioned problems, it is possible to consider a method of joining a base material and a metal member by liquid phase joining using a low-strength metal in which plastic deformation occurs due to low stress, for example, a brazing material made only of Au. . However, in this method, when Ni, Co, Kovar or the like is used as the metal member, these components (Fe, Ni, Co) diffuse into Au, and the yield strength of Au is increased. Cracks occur in the ceramic substrate due to thermal cycling and thermal shock.
It is also known that when an Au-18Ni brazing filler metal and an electrical conductor (Mo) are joined, Ni and Mo in the brazing filler metal react to form a brittle structure. Therefore, there is a problem in that durability characteristics when the joint is exposed to a thermal cycle, a thermal shock, or the like are deteriorated, and the joint deteriorates rapidly and cannot be used.
[0005]
Further, when Kovar is used as the metal member, the components (Fe, Ni, Co) constituting Kovar diffuse into the brazing material when the base material and Kovar are joined, and the intermetallic compound has low electrical conductivity. In order to form the layer, there were problems such as deterioration of thermal cycle characteristics and occurrence of heat generation at the part.
[0006]
On the other hand, it is also conceivable to use a metal that does not form a solid solution with Au as a metal member, and examples of the metal material that meets this condition include W and Mo. However, these metal materials are highly oxidized under high temperature conditions in the atmosphere and cannot be used as metal members for use in susceptors or the like for installing semiconductor wafers exposed to such conditions. is doing.
[0007]
Attempts have been made to devise a joint structure as a technique for solving the above problems. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-209255 discloses a joining structure of a ceramic substrate and a power supply connector according to the structure shown in FIG. 3 as a susceptor for installing a semiconductor wafer. In FIG. 3, holes 14 are provided in the ceramic substrate 1. In the hole 14, a metal member 17 such as Mo having a thermal expansion coefficient similar to that of the ceramic substrate 1 embedded in the ceramic substrate 1 in advance is exposed. A cylindrical atmosphere protector 9 is inserted into the hole 14. A power supply connector 16 and a low thermal expansion body 15 for stress relaxation are inserted inside the atmosphere protector 9. The atmosphere protector 9 and the connector 16 are airtightly joined by the brazing material 5, and the low thermal expansion body 15 and the atmosphere protector 9 are airtightly joined to the metal member 17 by the brazing material 5.
According to this joining structure, the low thermal expansion body 15 and the metal member 7 are buffered against residual stress at the time of joining, and the oxidation of the metal member 17 such as Mo is suppressed by the atmosphere protector 9, so that the brazing material having a high yield strength. For example, even when joining with the above-mentioned Au-18Ni brazing, the ceramic base material 1 is not cracked at the time of joining, and durability when the joined part is exposed to a thermal cycle and a thermal shock when using a high-temperature heater is used. High reliability. However, the joining structure requires a very high production control capability because the number of parts increases and the atmosphere protector 9 and the metal member 17 are not completely joined to each other. There are problems such as that.
[0008]
Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 11-278951, as a susceptor for installing a semiconductor wafer, a corrosion-resistant metal ring 23 such as Kovar is used in the ceramic substrate according to the structure shown in FIG. In order to alleviate the thermal stress that occurs when joining to the back surface 22b, there is disclosed a joined body and joining method in which these member structures are shaped as shown in FIGS. 5 and 6, for example. That is, by making the member structure into these shapes, it is effective for relaxation of thermal stress, but when the ceramic is brittle, as disclosed in the above publication, the brazing material is melted to form the metal member and the ceramic substrate. In the method of joining, there is a case where the brazing material changes due to the elution of the metal member, and the thermal stress relaxation effect is not sufficient only by considering the joining structure disclosed in the above-mentioned gazette, resulting in problems such as damage to the ceramic substrate. There is.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the object of the present invention is to provide a composite having airtightness at the joint, thermal cycle characteristics, and thermal shock characteristics. It is to provide a method of manufacturing a part material.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there is provided a method for producing a composite member for joining a ceramic substrate and a metal member, wherein an active metal foil is disposed on the surface of the ceramic substrate, and a brazing material made of Au is disposed on the active metal foil. Heating, and a first step of forming a bonding layer made of the brazing material on the surface of the ceramic substrate, placing the metal member on the surface of the bonding layer and heating to 850 to 950 ° C. under pressure, A second step of solid-phase bonding the bonding layer and the metal member, wherein the ceramic substrate has an electric conductor made of Mo, W, or an alloy of Mo and W, part of the surface of which is a ceramic substrate; There is provided a method for manufacturing a composite member characterized by being embedded in a state exposed to the outside .
[0015]
In the present invention, the ceramic substrate is preferably any of aluminum nitride, silicon nitride, alumina, zirconia, magnesia, spinel, and silicon carbide .
[0016]
In the present invention, the metal member is preferably a metal member made of any one of Ni, Co, Fe, and Cr, and the metal member mainly contains any one of Ni, Co, Fe, and Cr. Similarly, a metal member made of an alloy is also preferable. Furthermore, in the present invention, any of Ti, Nb, Hf, and Zr can be suitably used as the active metal foil.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and may be appropriately selected based on ordinary knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. It should be understood that design changes, improvements, etc. may be made.
[0018]
Figure 1 is a schematic view showing an example of a method for manufacturing a double engagement member, (a) shows the first step, (b) is a schematic view showing a second step. In the first step, an active metal foil 4 and a brazing material 5 made of Au are disposed so as to cover the surface of the ceramic substrate 1, and the bonding layer 6 is formed by heating. In the subsequent second step, the metal member 7 is disposed on the surface of the bonding layer 6 and solid-phase bonding by pressure heating is performed to manufacture a composite member.
[0019]
The active metal foil 4 used in the first step is active against the ceramic substrate 1 and forms a reaction product layer at the interface between the ceramic substrate 1 and the brazing material 5 made of Au. Therefore, the wettability of the brazing material 4 made of Au with respect to the ceramic substrate 1 is improved, and the bonding layer 6 having good airtightness is formed. In addition, since the reaction product layer is formed, the metal element constituting the active metal foil 4 is almost consumed at the interface and does not remain in Au, so that the proof stress value of the brazing material 5 made of Au is increased. There is no such thing as happening.
[0020]
In one embodiment of the present invention, an electric conductor made of Mo, W, or an alloy of Mo and W is formed on the ceramic base material, and a part of the surface of the electric conductor is outside the ceramic base material. that is embedded in the exposed state. Figure 2 is a schematic diagram showing one embodiment of a method of producing a composite member according to the present invention, (a) shows the first step, (b) is a schematic view showing a second step. Embedded in the ceramic substrate 1 are an Mo mesh 2 and an electric conductor (Mo) 3 disposed so as to be electrically connected thereto. In the first step, the active metal foil 4 and the brazing material 5 are disposed so as to cover the surfaces of the ceramic substrate 1 and the electric conductor (Mo) 3, and the bonding layer 6 is formed by heating. In the subsequent second step, the metal member 7 is disposed on the surface of the bonding layer 6 and solid-phase bonding by pressure heating is performed to manufacture a composite member.
[0021]
The active metal foil 4 used in the first step is active with respect to the ceramic substrate 1, the brazing material 5 made of the ceramic substrate 1 and Au, and the brazing material 5 made of the electric conductor (Mo) 3 and Au, A reaction product layer is formed at the interface. Therefore, the wettability of the brazing material 5 made of Au with respect to the ceramic base material 1 is improved, and at the same time the airtightness is secured, so that the electric conductor (Mo) 3 embedded in the ceramic base material 1 is exposed to the outside air. This has the advantage that the electrical conductor is less susceptible to oxidative degradation.
[0022]
When AlN (aluminum nitride) is used as the raw material for the ceramic substrate and Ti is used as the active metal foil, a thin film layer of TiN is formed at the interface between the AlN and the brazing material by heating. At this time, Ti is completely consumed by the reaction with AlN. Therefore, Ti does not dissolve in the brazing material, and an effect is obtained in that a bonding layer is formed in which the low proof stress characteristics of the brazing material are maintained.
In this case, the amount of Ti with respect to Au is preferably 0.03 to 10%, and more preferably 0.1 to 2%. If it is less than 0.03%, bonding failure may occur. If it exceeds 10%, Ti remains in Au, causing cracking of AlN due to an increase in the yield strength of Au. Because you get.
[0023]
The composite member manufacturing method according to the present invention is characterized by using a brazing material made of Au. Au is a soft metal having a low yield strength, and can be a brazing material having a feature of relaxing thermal stress generated by thermal shock by plastic deformation. Therefore, the composite member manufactured using the brazing material made of Au according to the present invention is resistant to thermal shock and also has improved thermal cycle characteristics.
[0024]
Although the amount of the brazing material made of Au used at this time varies depending on the shape of the joint, etc., it is only necessary to cover the active metal foil arranged, and it can be arbitrarily selected within a range that can be melted by heating. Absent. Moreover, the metal used as the brazing material does not prevent the mixed use as long as the characteristic that the thermal stress is relaxed by plastic deformation by mixing is not impaired.
[0025]
Moreover, it is possible to suppress that the component of a metal member dissolves in a joining layer by employ | adopting the solid phase joining by pressurization heating in a 2nd process. Therefore, the heating temperature in the solid phase bonding is performed at a temperature lower than the melting point of the brazing material . In the case of using a brazing material composed of Au as the present invention is a 8 50 to 950 ° C.. As a result, a phenomenon such as an increase in the proof stress due to the solid solution of the metal component in the bonding layer, which is a problem in the case of liquid phase bonding which is a conventional manufacturing method, does not occur.
As described above, in the method for manufacturing a composite member according to the present invention, the low-strength property of the brazing material made of Au, which forms the bonding layer, is maintained because it is manufactured by the bonding process consisting of the first and second processes. Therefore, it is possible to provide a composite member with improved reliability against thermal cycling and thermal shock.
[0026]
In the composite member and the method for producing the same according to the present invention, the ceramic substrate is preferably any one of aluminum nitride, silicon nitride, alumina, zirconia, magnesia, spinel, and silicon carbide. The ceramic base material is not particularly limited as long as it causes a reaction by heat processing with the active metal foil, and the various materials described above can be used. In addition, the said material is not restricted to comprising a ceramic base material independently, You may comprise a ceramic base material combining the said material. Therefore, it is possible to provide composite members according to applications such as heat-resistant temperature and hardness, and devices incorporating these by appropriately selecting a ceramic base material composed of these materials alone or in combination. It is.
[0027]
Further, in the method for manufacturing a composite member of the present invention, the metal member is Ni, Co, Fe, the more one of Cr, or that Ni, Co, Fe, a main component one of Cr alloy A metal member made of When these metals or alloys are solid-phase bonded to a brazing material made of Au, these metal components do not dissolve in the brazing material, and therefore, the low yield strength characteristics of the brazing material made of Au, etc. It is possible to provide a composite member excellent in thermal cycle characteristics and thermal shock characteristics.
The alloy having any one of Ni, Co, Fe, and Cr as the main constituent here is a content at which physical characteristics of any metal element of Ni, Co, Fe, and Cr are remarkably exhibited. This means an alloy having a Ni + Co + Fe + Cr content of 50 wt% or more.
Furthermore, the above-described metal member is not limited to the shape as shown in FIG. 1, and may have any other shape such as a column shape, a prism shape, a spire shape, a ring shape, or the like.
[0028]
Further, these metals or alloys are hardly oxidized even in an oxidation resistance test at 800 ° C. in the atmosphere, and are necessary for use as a power supply metal terminal of a susceptor for installing a semiconductor wafer used in semiconductor manufacturing. It has oxidation resistance and excellent electrical conductivity required for use as a metal terminal. Therefore, these metals are preferable from the viewpoint of being able to constitute the member for the high-temperature heater, and further from the viewpoint of being inexpensive and easily available.
[0029]
In the method for producing a composite member of the present invention, the active metal foil is Ti, Nb, Hf, is preferably any one of Zr. Since these active metal foils once form a solid solution in Au, which is a brazing material, and form a reaction product such as a nitride and a ceramic base material, the wettability of the brazing material to the ceramic base material becomes good. Further, when a predetermined amount of these active metals is used in the form of a foil, almost all of the metal is consumed by the reaction at the interface, so that the metal hardly remains in the brazing material. Therefore, it is possible to reduce the thermal stress of the material to be joined due to the buffering effect due to its plastic deformation while maintaining the proof stress of the brazing material, and it is possible to eliminate the problem that the embedded Mo is exposed to the outside air. Thus, since a bonding layer that is reliable in airtightness can be formed, a composite member that can withstand long-term use can be provided.
[0030]
The composite member produced by joining the ceramic base material and the metal member manufactured by the method for manufacturing a composite member of the present invention makes use of its excellent thermal cycle characteristics and thermal shock resistance. The susceptor for installation, more specifically, it can be suitably employed as a composite member incorporated in a device that exhibits an electrostatic chuck function or a heater function by a built-in metal electrode or metal heating element.
[0031]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described. Needless to say, the present invention is not limited to the following examples.
Example 1
Inside Mo mesh (a wire mesh knitted with 50 wires of diameter φ0.12 mm at a density of 50 per inch) and an electric conductor (molded body formed of Mo powder with a particle size of 1 to 100 μm: diameter φ3 mm) ) Embedded in the AlN base material (diameter φ200 × thickness 20 mm) where the electric conductor is embedded to expose the electric conductor, and Ti is formed on the surface including the electric conductor and its periphery. A foil (5 μm) and a pure Au brazing material (thickness 0.3 mm) were placed, and heat treatment was performed at 1100 ° C. for 10 minutes in a vacuum atmosphere to braze on the AlN substrate. Ni terminals (diameter: 5mm) are placed on the bonding layer, solid phase bonding is performed under pressure and heat treatment at 870 ° C, 30min, load 1kgf in a vacuum atmosphere, and Ni terminals are bonded to the brazing material. Samples (Sample Nos. 1 to 3) were prepared. FIG. 7 shows a photograph of the cross-sectional structure of the composite member gradually cooled to near room temperature, and FIG. 8 shows an enlarged photograph of the cross-sectional structure near the joint.
In addition, except the time at the time of joining Ni terminal being 10 min, the same operation as the above was repeated, and a total of three samples (sample No. 4-6) were produced.
Double if member manufactured by the above method did not cause cracks in the AlN substrate as shown in FIG. This is because the low proof stress characteristics of pure Au brazing material are maintained without solid solution of Ni and Ti in pure Au brazing material, and the stress generated by the difference in thermal expansion coefficient between pure Au brazing material and AlN base material is buffered. This is thought to be due to this.
[0032]
Sample No. About 1-3, the tensile strength was measured. The results are shown in Table 1.
[0033]
[Table 1]

[0034]
Sample No. About 4-6, the heat cycle test of 700 degreeC and 100 cycles was done, and the tensile strength was measured after that. The results are shown in Table 2. FIG. 9 shows an enlarged photograph of the cross-sectional structure in the vicinity of the joint after the thermal cycle test.
[0035]
[Table 2]

[0036]
Even after the thermal cycle test, the tensile strength did not decrease and cracks did not occur in the AlN substrate (FIG. 9). Therefore, the outstanding characteristic of the composite member manufactured by the manufacturing method of the composite member of this invention was able to be confirmed.
[0037]
(Comparative Example 1)
Inside, Mo mesh (a wire mesh knitted with a wire of diameter 0.12 mm and 50 wires per inch) and an electric conductor (a molded body formed of Mo powder having a particle size of 1 to 100 μm: diameter φ3 mm) ) Embedded in the AlN base material (diameter φ200 × thickness 20 mm) where the electric conductor is embedded to expose the electric conductor, and Ti is formed on the surface including the electric conductor and its periphery. A foil (5 μm) and an Au-18Ni brazing material (thickness: 0.3 mm) are placed, and liquid phase bonding is performed by heat treatment at 1100 ° C. for 10 minutes in a vacuum atmosphere to form a Ni terminal (diameter φ5 mm) on the AlN substrate Joined. FIG. 10 shows an enlarged photograph of the cross-sectional structure in the vicinity of the joint of the composite member that has been gradually cooled to near room temperature.
The composite member produced by the above method caused cracks in the AlN substrate as shown in FIG. This is probably because the proof stress of the Au-18Ni brazing material is higher than that of AlN, and the stress generated by the difference in thermal expansion coefficient between the brazing material and the AlN base material could not be buffered.
[0038]
(Comparative Example 2)
Inside Mo mesh (a wire mesh knitted with 50 wires of diameter φ0.12 mm at a density of 50 per inch) and an electric conductor (molded body formed of Mo powder with a particle size of 1 to 100 μm: diameter φ3 mm) ) Embedded in the AlN base material (diameter φ200 × thickness 20 mm) where the electric conductor is embedded to expose the electric conductor, and Ti is formed on the surface including the electric conductor and its periphery. A foil (5 μm), a pure Au brazing material (thickness 0.3 mm) and a Ni terminal (diameter φ5 mm) are arranged, and liquid phase bonding is performed on the AlN substrate by heat treatment at 1100 ° C. for 10 minutes in a vacuum atmosphere. Ni terminals were joined. FIG. 11 shows an enlarged photograph of the cross-sectional structure in the vicinity of the joint of the composite member that has been gradually cooled to near room temperature. A part of the brazing filler metal layer after joining was sampled and analyzed for composition. As a result, it was Au-43.4 wt% Ni, and it was confirmed that Ni was dissolved in the pure Au brazing filler metal.
The composite member produced by the above method cracked the AlN substrate as shown in FIG. This is because Ni and Ti are dissolved in pure Au brazing material and the proof stress of pure Au brazing material is increased, and the stress generated by the difference in thermal expansion coefficient between pure Au brazing material and AlN base material cannot be buffered. It is thought that it was because of.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, the composite member manufactured by the manufacturing method of the composite member of the present invention has a brazing material composed of Au as the bonding layer, the bonding layer and the metal member are bonded by solid phase bonding Therefore, it is excellent in thermal cycle characteristics and thermal shock characteristics. Furthermore, the manufacturing method of the composite member of the present invention is an excellent manufacturing method capable of easily manufacturing the composite member having the above-described characteristics by a predetermined process.
[Brief description of the drawings]
Figure 1 is a schematic diagram showing an example of a method of manufacturing a multi engagement member, (a) shows the first step, (b) is a schematic view showing a second step.
Figure 2 is a schematic diagram showing one embodiment of a method of producing a composite member according to the present invention, (a) shows the first step, (b) is a schematic view showing a second step.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a bonding structure of a susceptor (conventional product) for installing a semiconductor wafer.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing another example of a bonding structure of a susceptor (conventional product) for installing a semiconductor wafer.
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing an example of a joining form (conventional product) between a ring and a susceptor.
FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing another example of a joining form (conventional product) between a ring and a susceptor.
7 is a photograph of a metal structure and a structure of a ceramic material, which are cross-sectional structures of a composite member manufactured according to Example 1. FIG.
8 is an enlarged photograph of a metal structure and a structure of a ceramic material, which are cross-sectional structures in the vicinity of a joint, of the composite member produced according to Example 1. FIG.
9 is an enlarged photograph of a metal structure and a ceramic material structure, which are cross-sectional structures in the vicinity of a joint after a thermal cycle test, of the composite member produced in Example 1. FIG.
10 is an enlarged photograph of a metal structure and a structure of a ceramic material, which are cross-sectional structures in the vicinity of a joint, of a composite member manufactured according to Comparative Example 1. FIG.
11 is an enlarged photograph of a metal structure and a structure of a ceramic material, which are cross-sectional structures in the vicinity of a joint, of a composite member manufactured according to Comparative Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ceramic substrate, 2 ... Mo mesh, 3 ... Electrical conductor (Mo), 4 ... Active metal foil, 5 ... Brazing material, 6 ... Joining layer, 7 ... Metal member, 8 ... Metal terminal, 9 ... Atmosphere protection 14 ... hole, 15 ... low thermal expansion body, 16 ... connector for power supply, 17 ... metal member, 20 ... semiconductor container, 21 ... chamber, 22 ... susceptor, 22a ... wafer mounting surface, 22b ... back surface of susceptor 23 ... Corrosion-resistant metal ring, 24 ... Wafer, 25 ... Installation surface of susceptor and ring.

Claims

A method for producing a composite member for joining a ceramic substrate and a metal member,
A first step of forming an active metal foil on the surface of the ceramic substrate and a brazing material made of Au on the active metal foil and heating to form a bonding layer made of the brazing material on the surface of the ceramic substrate With
The metal member is disposed on the surface of the bonding layer, heated to 850 to 950 ° C., and includes a second step of solid-phase bonding the bonding layer and the metal member ,
An electrical conductor made of Mo, W, or an alloy of Mo and W is embedded in the ceramic substrate with a part of the surface of the electrical conductor exposed to the outside of the ceramic substrate. A method for producing a composite member.

Ceramic substrate is an aluminum nitride, silicon nitride, alumina, zirconia, magnesia, spinel, method of producing a composite member according to claim 1, wherein any one of silicon carbide.

The method for producing a composite member according to claim 1 or 2 , wherein the metal member is a metal member made of any one of Ni, Co, Fe, and Cr.

The method for producing a composite member according to claim 1 or 2 , wherein the metal member is a metal member made of an alloy containing Ni, Co, Fe, or Cr as a main constituent element.

The method for producing a composite member according to any one of claims 1 to 4 , wherein the active metal foil is any one of Ti, Nb, Hf, and Zr.