JP4510745B2 - セラミックス基材と電力供給用コネクタの接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材が埋設されたセラミックス基材と金属部材に電力を供給する電力供給用コネクタとの接合構造に関する。

従来より、窒化アルミニウム等のセラミックス基材中に埋設された金属電極や金属抵抗体等の金属部材に電力供給用コネクタを電気的に接続し、電力供給用コネクタから金属部材に電力を供給することにより、高周波電力を発生させたり、セラミックス基材を加熱したりする装置が実用化されている。このような装置では、金属部材の少なくとも一部が露出するようにセラミックス基材に開口部を形成し、開口部の底面部分において金属部材と電力供給用コネクタとを直接接合するようにしている（特許文献１，２，３参照）。
特開平１０−２０９２５５号公報 特開平１１−１２０５３号公報 特許第３６８１８２４号公報

しかしながら、従来装置は、上述の通り、金属部材と電力供給用コネクタが開口部の底面部分において接合する構造となっているために、曲げ応力に対する接合部の強度が低く、外部からの曲げ負荷によって電力供給用コネクタが金属部材から外れてしまうことがあった。また、開口部から酸素が侵入することによって接合部、特に金属部材の劣化が進み、接合部（電気的接続）の寿命が短くなることがあった。このような背景から、より高い接合強度と良好な電気的接続を長期間保持することが可能な金属部材と電力供給用コネクタの接合構造の提供が市場的急務となっている。

本発明は、上記要求を鑑みてなされたものであり、その目的は、高い接合強度と良好な電気的接続を長期間保持することが可能なセラミックス基材と電力供給用コネクタの接合構造を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係るセラミックス基材と電力供給用コネクタの接合構造は、金属部材の少なくとも一部が露出するようにセラミックス基材に形成されたザグリ穴と、ザグリ穴の小径部の形状と適合する形状の突起部を有し、突起部が小径部に挿入された状態でザグリ穴に配設された応力緩和用インサート部材と、電力供給用コネクタと応力緩和用インサート部材を接合すると共に、ザグリ穴と応力緩和用インサート部材間の隙間をシールするロウ材とを備える。

本発明に係るセラミックス基材と電力供給用コネクタの接合構造によれば、金属部材と電力供給用コネクタはザグリ穴に配設された応力緩和用インサート部材とザグリ穴全体をシールするロウ材を介して接合されているので、接合部は実質的にセラミックス基材の側面部とも接合することになり、曲げ応力に対する強度を向上させることができる。また、本発明に係るセラミックス基材と電力供給用コネクタの接合構造によれば、セラミックス基材と電力供給用コネクタの接合部全体はロウ材によってシールされているので、接合部への酸素の侵入速度が遅くなり、接合部の寿命を長くすることができる。

本発明は、セラミックス基材中に埋設されたＲＦ電極に電力供給用コネクタを電気的に接続し、電力供給用コネクタを介してＲＦ（Radio Frequency）電極に電力を供給することにより、高周波電力を発生する高周波発生用電極装置に適用することができる。以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる高周波発生用電極装置の構成及びその製造方法について詳しく説明する。なお、本発明の適用は上記高周波発生用電極装置に限られることはなく、例えば、セラミックス基材中に抵抗体が埋設されたヒーター，セラミックス基材中に静電チャック用電極が埋設された静電チャック，セラミックス基材中に抵抗発熱体と静電チャック用電極が埋設された静電チャック付きヒーター，セラミックス基材中にＲＦ電極と抵抗発熱体が埋設されたヒーター付き高周波発生用電極装置等、セラミックス基材中に埋設された金属部材と電力供給用コネクタの接合構造を有する装置であれば本発明を適用することができる。

〔高周波発生用電極装置の構成〕
始めに、図１を参照して本発明の実施形態となる高周波発生用電極装置の構成について説明する。

本発明の実施形態となる高周波発生用電極装置１は、図１に示すように、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる略円盤形状のセラミックス基材２と、セラミックス基材２の内部に埋設されたＭｏ（モリブデン）メッシュからなるＲＦ電極３とを備える。また、セラミックス基材２にはＲＦ電極３の一部が露出するようにザグリ穴４が形成され、ザグリ穴４の中にはザグリ穴４の小径孔の形状に適合した形状を有する突起部５ａ側が挿入される形でＫｏｖａｒ（コバール）又はパーマロイからなる応力緩和用インサート部材５が配設されている。また、ザグリ穴４と応力緩和用インサート部材５間の隙間はＡｕ（金）−Ｎｉ（ニッケル）ロウ等のＡｕ又はＡｌ（アルミニウム）を少なくとも含む金属材料からなるロウ材６によってシールされている。また、応力緩和用インサート部材５はロウ材６と雰囲気保護管７によってＮｉからなる給電棒８と気密に接合されている。

そして、このような構成を有する高周波発生用電極装置１は、給電棒８に供給された電力が応力緩和用インサート部材５とロウ材６を介してＲＦ電極３に供給されるのに応じて高周波電力を発生する。なお、高周波発生用電極装置１の応用例の構成として、図２に示すように、ＲＦ電極３とロウ材６の間にＴｉ（チタン），Ｚｒ（ジルコニウム），Ｈｆ（ハフニウム）のうちの少なくとも一つの金属を含む活性金属箔９を設けるようにしてもよい。このような構成によれば、ＲＦ電極３とロウ材６の接合強度をより向上させることができる。

〔高周波発生用電極装置の製造方法〕
次に、図３を参照して上記高周波発生用電極装置１の製造方法について説明する。

上記高周波発生用電極装置１を製造する際は、始めに、ＡｌＮ原料粉末をスプレードライヤにて造粒粉とした後、造粒粉内にＲＦ電極３を埋設して一軸プレス成形する。そして、できあがった成型体を温度１９００［℃］，圧力１００［ｋｇ／ｃｍ^２］の窒素雰囲気中でホットプレス焼成することにより、図３（ａ）に示すような構成の略円盤形状のセラミックス基材２を作製する。なお、本実施形態では、セラミックス基材２は直径３３０［ｍｍ］，厚さ１５［ｍｍ］の寸法を有するように作製した。

次に、図３（ａ）に示すセラミックス基材２にリフトピン穴（図示せず），端子穴（図示せず），ザグリ穴４等の穴を一次加工すると共に、給電棒８を通すための穴が形成されたＡｌＮ製のシャフト（図示せず）を固相接合した後、外形の仕上げ加工をして洗浄することにより、図３（ｂ）に示すような構成のセラミックス基材２を作製する。なお、上記シャフトは直径５５［ｍｍ］，肉厚３［ｍｍ］の寸法を有し、上記端子穴は直径７［ｍｍ］，深さ１４［ｍｍ］の寸法を有するように作製した。また、本実施形態では、ザグリ穴４は応力緩和用インサート部材５を配設した際、応力緩和用インサート部材５との側面クリアランスが片側０．２［ｍｍ］となるように適宜応力緩和用インサート部材５の形状に合わせて作製した。

次に、図２（ｂ）に示すセラミックス基材２のザグリ穴４の大径底部部分に雰囲気保護管７を配置し、雰囲気保護管７の内部にＡｕ合金からなるロウ材６，応力緩和用インサート部材５，給電棒８を順にセットした後、真空炉内部にて１Ｅ−３［Ｐａ］の真空度で約１０００［℃］まで昇温することにより応力緩和用インサート部材５と給電棒８を気密接合した。なお、ロウ材６がＡｌやＡｌ−Ｍｇ合金である場合には昇温温度は６００［℃］程度とする。これら一連の工程によって上記高周波発生用電極装置１が製造される。

なお、図４に示すように、応力緩和用インサート部材５の水平方向長さをａ、突起部５ａの水平方向長さをｂとした場合、ｂ／ａの値が０．３〜０．８の範囲内になるように応力緩和用インサート部材５を構成することが望ましい。これは、ｂ／ａの値が０．３以下である場合は、ＲＦ電極３との接合面積が小さくなり、接合部の接合強度の向上に寄与しないためである。また、ｂ／ａの値が０．８以上である場合には、ＲＦ電極３の露出面積が大きくなりすぎて、接合部に酸素が侵入しやすくなり、寿命が向上しないためである。

また、図４に示すように突起部５ａの高さをｃとした場合、ｃ／ｂの値が０．０５〜２．０の範囲内になるように応力緩和用インサート部材５を構成することが望ましい。これは、ｃ／ｂの値が０．０５以下である場合は、セラミックス基材２の側面部との接合面積が小さくなり、接合部の接合強度の向上に寄与しないためである。また、ｃ／ｂの値が２．０以上である場合には、側面の距離が長すぎることにより、残留応力が増大し、セラミックス基材２が破損しやすくなるためである。

以下、上記製造方法により製造された高周波発生用電極装置１の幾つかの実施例について説明する。

以下に示す表１は、実施例１〜６の寸法を有する応力緩和用インサート部材を備えた高周波発生用電極装置と、比較例１〜４の寸法を有する応力緩和用インサート部材を備えた高周波発生用電極装置と、従来の高周波発生用電極装置（応力緩和用インサート部材なし）それぞれについて、ＲＦ電極に通電している状態で昇温速度１０［℃／ｍｉｎ］で１００［℃］から７００［℃］まで装置を昇温した後に平均冷却速度７［℃／ｍｉｎ］で７００［℃］と１００［℃］まで装置を冷却するサイクルを繰り返し行う通電サイクル試験を行った結果を示す。なお、この試験では応力緩和用インサート部材としてコバール材、ロウ材としてＡｕ合金を用いた。また、ＲＦ電極とロウ材間には活性金属箔９を設けなかった。

表１に示す通り、従来の高周波発生用電極装置は、３００サイクル完了後にＲＦ電極と給電棒間の接合強度が大幅に低下すると共に、接合部の酸化によって抵抗異常となった。これに対して、実施例１〜６の寸法を有する応力緩和用インサート部材を備えた高周波発生用電極装置は、５００サイクル後もＲＦ電極と給電棒間の接合強度は大きく変化することはなく、また抵抗値は上昇しなかった。このことから、実施例１〜６の高周波発生用電極装置によれば、高い接合強度と良好な電気的接続とを長期間保持可能であることが知見される。なお、本明細書中において接合強度とは、３０［ｃｍ］の給電棒の先端部分に軸方向に対し垂直に荷重Ａを掛けることにより接合部分に曲げモーメントをかけ、接合部分が破損した時の曲げモーメントの大きさ３０Ａ［ｇｆ・ｃｍ］を意味する。

また、表１に示す通り、比較例１〜４の寸法を有する応力緩和用インサート部材を備えた高周波発生用電極装置は、５００サイクル完了後にＲＦ電極と給電棒間の接合強度が大幅に低下すると共に、接合部の酸化によって抵抗異常となった。これに対して、実施例１〜６の寸法を有する応力緩和用インサート部材を備えた高周波発生用電極装置は、５００サイクル後もＲＦ電極と給電棒間の接合強度は大きく変化することはなく、また抵抗値は上昇しなかった。このことから、応力緩和用インサート部材５の水平方向長さをａ、突起部５ａの水平方向長さをｂ、突起部５ａの高さをｃとした場合、ｂ／ａの値が０．３〜０．８の範囲内、且つ、ｃ／ｂの値が０．０５〜２．０の範囲内になるように応力緩和用インサート部材５を構成することが望ましいことが知見される。

以下に示す表２は、表１に示す実施例１の寸法を有する応力緩和用インサート部材を備えた高周波発生用電極装置について、ＲＦ電極とロウ材間に種々の活性金属箔を設け、上記と同様の通電サイクル試験を行った結果を示す。

表２から明らかなように、活性金属箔を設けた方（実施例２〜５）が活性金属箔を設けない方（実施例１，６）よりも通電サイクル試験後の接合強度の劣化度合いが小さいことが知見された。このことから、ＲＦ電極とロウ材の接合強度を向上させるために、ＲＦ電極とロウ材の間にＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆのうちの少なくとも一つの金属を含む活性金属箔を設けることが望ましいことが知見された。

以下に示す表３は、表１に示す実施例の寸法を有する応力緩和用インサート部材を備えた高周波発生用電極装置と従来の高周波発生用電極装置（応力緩和用インサート部材なし）について、応力緩和用インサート部材やロウ材の材料を変更して、ＲＦ電極に通電している状態で昇温速度１０［℃／ｍｉｎ］で１００［℃］から５００［℃］まで装置を昇温した後に平均冷却速度７［℃／ｍｉｎ］で５００［℃］と１００［℃］まで装置を冷却するサイクルを繰り返し行う通電サイクル試験を行った結果を示す。

表３から明らかなように、従来の高周波発生用電極装置は、接合時のＲＦ電極と給電棒間の接合強度が弱く、また通電サイクル試験後の接合強度の低下割合が大きい。これに対して、実施例１〜３の高周波発生用電極装置は、接合時のＲＦ電極と給電棒間の接合強度が強く、また通電サイクル試験後の接合強度の低下割合が小さい。このことから、実施例１〜３の高周波発生用電極装置１によれば、高い接合強度と良好な電気的接続とを長期間保持可能であることが知見される。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、この実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となる高周波発生用電極装置の構成を示す断面図である。 図１に示す高周波発生用電極装置の応用例の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態となる高周波発生用電極装置の製造方法を示す断面工程図である。 図１に示す応力緩和用インサート部材の寸法を説明するための模式図である。

符号の説明

１：高周波発生用電極装置
２：セラミックス基材
３：ＲＦ電極
４：ザグリ穴
５：応力緩和用インサート部材
５ａ：突起部
６：ロウ材
７：雰囲気保護管
８：給電棒

Claims (5)

1. 金属部材が埋設されているセラミックス基材と前記金属部材に電力を供給する電力供給用コネクタの接合構造であって、
   前記金属部材の少なくとも一部が露出するように前記セラミックス基材に形成されたザグリ穴と、
   前記ザグリ穴の小径部の形状と適合する形状の突起部を有し、当該突起部が小径部に挿入された状態でザグリ穴に配設された応力緩和用インサート部材と、
   前記電力供給用コネクタと前記応力緩和用インサート部材を接合すると共に、前記ザグリ穴と応力緩和用インサート部材間の隙間をシールして、応力緩和用インサート部材全体を覆うロウ材と
   を備えることを特徴とする接合構造。
2. 請求項１に記載の接合構造であって、
   前記応力緩和用インサート部材は、コバール又はパーマロイにより形成されていることを特徴とする接合構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の接合構造であって、
   前記ロウ材は、少なくとも金又はアルミニウムを含む金属により形成されていることを特徴とする接合構造。
4. 請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の接合構造であって、
   前記ロウ材と前記金属部材の間にはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属材料により形成された活性金属箔が配設されていることを特徴とする接合構造。
5. 請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の接合構造であって、
   前記応力緩和用インサート部材の前記突起部が形成されている平面の水平方向長さをａ、突起部の水平方向長さをｂ、突起部の高さをｃとすると、ｂ／ａの値は０．３〜０．８の範囲内、且つ、ｃ／ｂの値は０．０５〜２．０の範囲内にあり、突起部と前記ザグリ穴の側面クリアランスは片側０．２ｍｍ以内であることを特徴とする接合構造。

Images