JP5356845B2 - 金属製ブッシュおよびこれを備えるセラミック製品 - Google Patents

Description

本発明は、セラミック部材に嵌入、固定される金属製ブッシュおよびこれを備えるセラミック製品に関する。

従来、基板内部に埋設した電極に端子をロウ付けした静電チャックやヒータ等のセラミック部品が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１記載のセラミック部品は、金属製の給電端子と、この給電端子の一部が収容される穴と内部電極を備えており、給電端子が穴の底面で内部電極にロウ付け固着されている。このような構造により、熱サイクルに曝されても端子の脱落や導通不良を生じ難くしている。

特開２００３−４０６８６号公報

しかしながら、セラミック基板と金属端子をロウ付け接合する際に、少量のロウ材では密着不良により金属端子脱落やセラミック内部電極との通電不良等を発生させる可能性がある。そこでロウ材の使用量を多くすると、接合底面に充填したロウ材が金属端子の挿入によりセラミック基板表面に這い上がり、セラミック基板表面にはみ出すことが多くなる。また、ロウ材を適量入れた場合でも、金属端子と孔のクリアランスが小さいとセラミック基板表面への這い上がりやはみ出しが発生するおそれがある。

はみだしたロウ材は基材と接合されるが、基板との熱膨張差により基板側にクラックが生じやすくなる。そのため、ロウ材の除去作業が必要となる。この様な除去作業を行うと、基材にキズ等の不具合を発生させるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、十分な量のロウ材を用いた場合でもロウ材のはみ出しを防止し、セラミック部材にクラックが発生するのを防止できる金属製ブッシュおよびこれを備えるセラミック製品を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明に係る金属製ブッシュは、セラミック部材の止まり穴に嵌入、固定される金属製ブッシュであって、柱体形状に形成され、前記柱体形状の側面にロウ材溜め用の溝を有することを特徴としている。

これにより、ロウ材が側面の溝にトラップされ、セラミック部材表面にまで這い上がり、はみ出すことがなくなる。その結果、外観不良を防止し、はみ出したロウ材の除去作業を不要とすることができる。また、はみ出したロウ材が固着するセラミック部材表面の部分に、熱膨張差によりクラックが発生するのを防止することができる。なお、ブッシュとは、穴形状に合わせて形成された部材を意味する。

（２）また、本発明に係る金属製ブッシュは、前記溝が、前記柱体形状の側面外周に沿って連続的に形成されていることを特徴としている。これにより、側面のどの位置からロウ材が這い上がっても溝でトラップすることができ、安定して這い上がりやはみ出しを防止できる。

（３）また、本発明に係る金属製ブッシュは、前記溝が、前記止まり穴に嵌入されたときに前記止まり穴の底面より開口部に近くなる位置に設けられていることを特徴としている。このように、溝が止まり穴の底面側ではなく開口部側にあるため、ロウ付け時にセラミック部材表面に近い位置までロウ材を行き渡らせることができる。

（４）また、本発明に係る金属製ブッシュは、前記溝の断面形状が、Ｖ字またはＵ字状であることを特徴としている。これにより溝の断面形状が滑らかになるため、ロウ材が溝に浸入しやすくなる。また、断面形状が矩形の溝より端子側面のロウ材の層を薄くでき、ロウ材による熱膨張の影響を低減することができる。

（５）また、本発明に係る金属製ブッシュは、モリブデン、コバール、ニッケルまたはタングステンにより形成されていることを特徴としている。これにより、セラミック部材に対して、金属製ブッシュの熱膨張率とセラミック部材の熱膨張率との差を小さくすることができ、セラミック部材にクラックが発生するのを防止することができる。

（６）また、本発明に係るセラミック製品は、セラミック部材と、前記セラミック部材の止まり穴に嵌入、固定される上記の金属製ブッシュと、前記金属製ブッシュと前記セラミック部材とを固着させるロウ材と、を備えることを特徴としている。これにより、セラミック製品に十分なロウ材で金属製ブッシュを嵌入し固定することで、金属製ブッシュの脱落が生じにくく、かつセラミック部材にクラックの生じ難い静電チャックやヒータを作製できる。

（７）また、本発明に係るセラミック製品は、前記金属製ブッシュの底面と前記セラミック部材の止まり穴の底面との間に、前記金属製ブッシュと前記セラミック部材との熱膨張差を緩衝する緩衝部材を有することを特徴としている。これにより、十分な量のロウ材を用いて金属製ブッシュとセラミック部材とを固着した場合にも、緩衝部材が金属製ブッシュの熱膨張を緩衝し、特に止まり穴の底面部にクラックが生じるのを防止できる。

本発明によれば、ロウ材が側面の溝にトラップされ、セラミック部材表面にまで這い上がり、はみ出すことがなくなる。その結果、外観不良を防止し、はみ出したロウ材の除去作業を不要とすることができる。また、はみ出したロウ材が固着するセラミック部材表面の部分に、熱膨張差によりクラックが発生するのを防止することができる。

（ａ）〜（ｃ）それぞれ給電端子の正面図、平面図および断面図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ溝形状の異なる給電端子を示す正面図である。 ウェハ保持体の斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）それぞれウェハ保持体の構成を示す正面図、平面図および断面図である。 （ａ）〜（ｃ）ウェハ保持体の製造工程の一部としてロウ付け工程を模式的に示す断面図である。 （ａ）給電端子の底面と止まり穴の底面との間に緩衝部材を設けた場合のウェハ保持体の一部を示す断面図、（ｂ）緩衝部材を設ける場合のロウ付け工程の一場面を示す断面図である。 各試料の材質と所定温度における熱膨張係数を示す表である 実験方法を説明するためのウェハ保持体の断面図である。 （ａ）引っ張り強度試験の結果を示す表、（ｂ）切断面観察の結果を示す表である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［実施形態１］
（金属製ブッシュ）
図１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ給電端子１００（金属製ブッシュ）の正面図、平面図および断面図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＡＢ面で切った断面を矢印方向に見た図を示している。図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、給電端子１００は、柱体形状に形成され、セラミック基板３００（セラミック部材）に嵌入、固定される。柱体形状としては円柱形状や多角柱形状が考えられるが、取り扱いの簡易さから円柱形状が好ましい。給電端子１００は、導電性を有し、特にその材質は限定されないが、モリブデン、コバール（Ｋｏｖａｒ）、ニッケルまたはタングステン等により形成されていることが好ましい。これにより、給電端子１００の熱膨張率とセラミック基板３００の熱膨張率との差を小さくすることができ、セラミック基板３００にクラックが発生するのを防止することができる。特にモリブデンが熱膨張の面で優れており、好適である。また、ニッケルは耐腐食性に優れている。

給電端子１００は、柱体形状の一方の底面に雌ねじ穴１２０を有している。雌ねじ穴１２０には、使用時に、さらに棒状の給電用の端子が螺合され、接続される。なお、給電端子１００には雌ねじ穴１２０に代えて雄ねじが形成されていてもよく、給電用の端子等の外部の部材をセラミック基板３００に接続可能な係合機構を有することが好ましい。

また、給電端子１００は、柱体形状の側面に溝１１０を有している。これにより、ロウ材５００が側面の溝１１０にトラップされ、セラミック基板３００の表面にまで這い上がり、はみ出すことがなくなる。その結果、外観不良を防止し、はみ出したロウ材５００の除去作業を不要とすることができる。また、はみ出したロウ材５００が固着するセラミック基板３００の表面の部分に、熱膨張差によりクラックが発生するのを防止することができる。

溝１１０は、断面が矩形であり、給電端子１００の側面外周に沿って連続的に形成されている。これにより、側面のどの位置からロウ材５００が這い上がっても溝でトラップすることができ、安定して這い上がりやはみ出しを防止できる。溝１１０は、幅１ｍｍ以上３ｍｍ以下、深さ０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。

溝１１０は、雌ねじ穴１２０の底面より開口部に近い位置に設けられている。たとえば、溝１１０の中央の位置が開口部側から２：８〜４：６の位置にあることが好ましい。溝１１０が止まり穴３１０の底面側ではなく開口部側にあるため、ロウ付け時にセラミック基板３００の表面に近い位置までロウ材５００を行き渡らせることができる。このようにセラミック表面近くまでロウ材５００を行き渡らせることより、ロウ付け強度が向上する。

溝１１０の断面は矩形状であるが、その他にもＶ字状やＵ字状であってもよい。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ溝形状の異なる給電端子１００を示す正面図である。図２（ａ）に示す給電端子１００は、断面Ｖ字状の溝１３０を有している。また、図２（ｂ）に示す給電端子１００は、断面Ｕ字状の溝１４０を有している。これにより、溝１１０の断面形状が滑らかになるため、ロウ材５００が溝１３０、１４０に浸入しやすくなる。また、断面形状が矩形の溝１１０より端子側面のロウ材５００の層を薄くでき、ロウ材５００による熱膨張の影響を低減することができる。このように形成される給電端子１００は、ウェハ保持体２００（セラミック製品）のセラミック基板３００の止まり穴３１０に嵌入、固定され、電極４００に接続される。

（セラミック製品）
図３は、ウェハ保持体２００の斜視図である。また、図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれウェハ保持体２００の構成を示す正面図、平面図および断面図である。図４（ｃ）は、図４（ｂ）のＣＤ面で切った断面を矢印方向に見た図を示している。ウェハ保持体２００は、たとえば半導体製造装置内で用いられる静電チャックやヒータであり、給電端子１００が露出していない側の主面においてウェハを保持する。図３、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、ウェハ保持体２００は、給電端子１００、セラミック基板３００、電極４００およびロウ材５００を有している。

給電端子１００は、セラミック基板３００の止まり穴３１０に嵌入、固定され、給電のため電極４００に接続されている。セラミック基板３００は、平板状に形成されており、円板形状であることが好ましい。セラミック基板３００の材質には窒化アルミニウム、スピネル、アルミナ、窒化ケイ素等が使用されるが、特に限定されない。ウェハ保持体２００を静電チャックやヒータとして用いる場合、体積抵抗率や熱伝導性から窒化アルミニウム製であることが好ましい。

電極４００は、平面状に形成された金属製であり、セラミック基板３００の内部または表面に設けられる。セラミック基板３００の内部に設けられる場合には、セラミック基板３００の成形時にメッシュ状の電極４００が埋められ、そのままセラミック基板３００が焼成される。電極４００の材質にはモリブデン、タングステン等が使用され、たとえば静電吸着力の発生、プラズマの発生、熱の発生に用いられる。ロウ材５００は、電極４００と給電端子１００とを固着させ、電気的に接続するとともに、給電端子１００とセラミック基板３００とを固着させる。ロウ付け工程については後述する。

（ロウ付け工程）
図５（ａ）〜（ｃ）は、ウェハ保持体２００の製造工程の一部としてロウ付け工程を模式的に示す断面図である。まず、表面から所定深さに電極４００を埋設したセラミック基板３００を準備し、電極４００が穴の底面部に露出するように止まり穴３１０を開けておく。一方、給電端子１００の側面には切削加工等により溝１１０を設けておく。

そして、バインダーを混合した粉末状のロウ材ペースト５１０を止まり穴３１０の底面に塗布し、図５（ａ）の矢印の方向に給電端子１００を止まり穴３１０に挿入する。そして、ロウ材が溶融する所定温度で、所定時間、熱処理する。熱処理は、たとえば真空中で行う。図５（ｃ）に示すように、熱処理の際には、バインダーが消散しロウ材５００が止まり穴３１０の開口部へと這い上がる。そして、ロウ材５００は溝１１０においてトラップされる。その結果、セラミック基板３００表面へのロウ材５００のはみ出しを防止することができる。

［実施形態２］
（緩衝部材）
上記の実施形態では、ロウ材５００により給電端子１００の底面と止まり穴３１０とを直接固着しているが、給電端子１００の底面と止まり穴３１０の底面との間に緩衝部材６００を設けてもよい。これにより、給電端子１００とセラミック基板３００との熱膨張差が緩衝される。図６（ａ）は、給電端子１００の底面と止まり穴３１０の底面との間に緩衝部材６００を設けた場合のウェハ保持体７００（セラミック製品）の一部を示す断面図である。

給電端子１００の脱落を防止するため、ロウ材５００の量を増加させると、給電端子１００のセラミック基板３００への固着面積が増加する。その結果、ロウ付け時に給電端子１００の柱体形状の軸方向（長さ方向）の熱膨張により接合面にクラック等の不具合を発生させる可能性がある。このようなクラックを防止するのには、緩衝部材６００を設けることが有効である。

緩衝部材６００の材質としては、ニッケル、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ，登録商標）、インコロイ（Ｉｎｃｏｌｏｙ，登録商標）、コバール（Ｋｏｖａｒ）、タングステン、モリブデン等を用いることができる。セラミック基板３００のクラック防止のためには特にタングステンが好ましい。

図６（ｂ）は、緩衝部材６００を設ける場合のロウ付け工程の一場面を示す断面図である。図６（ｂ）に示すように、熱処理を行う前に箔状のロウ材５２０、ロウ材ペースト５１０とともに緩衝部材６００を止まり穴３１０内に設置し、給電端子１００を挿入する。このとき、止まり穴３１０の底面側から、ロウ材ペースト５１０、箔状のロウ材５２０、緩衝部材６００、箔状のロウ材５２０、ロウ材ペースト５１０の順に積層し、さらに給電端子１００を嵌入する。そして、上記の実施形態と同様にロウ材５００が溶融する所定温度で、所定時間熱処理することで、緩衝部材６００を設けたウェハ保持体７００を製造することができる。これにより、十分な量のロウ材５００を用いて給電端子１００とセラミック基板３００とを固着した場合にも、ロウ材５００の熱膨張を緩衝し、特に止まり穴３１０の底面部にクラックが生じるのを防止できる。

上記のように構成されるウェハ保持体７００を作製し、給電端子１００の引っ張り強度、セラミック基板３００内のクラックの有無、ロウ材５００の厚み、およびセラミック基板３００表面へのロウ材５００のはみ出しの有無を確認した。

（試料作製）
給電端子１００は、純度９９．９９％以上のモリブデンにより、外径７．９ｍｍ、長さ９．６ｍｍの円柱状に形成されたものを用いた。給電端子１００には、直径４ｍｍ、深さ５ｍｍの雌ねじ穴１２０を設けた。雌ねじ穴１２０の開口側から２．０ｍｍの位置に幅２．０ｍｍ、深さ０．７ｍｍの断面矩形の溝１１０を設けた。また、タングステンの電極４００が埋設され、窒化アルミニウムにより形成された外径３９０ｍｍ、厚み２０ｍｍの円板状のセラミック基板３００を作製した。セラミック基板３００には、８．０ｍｍ、深さ１３．１６ｍｍの円筒状の止まり穴３１０を設け、電極４００を露出させた。

箔状のロウ材５２０およびロウ材ペースト５１０の量は、熱処理後に給電端子１００と止まり穴３１０との間に生じる空隙分（クリアランス分）となるように準備した。ロウ材には、ＪＩＳ規定の銀ロウＢＡｇ−８に活性金属であるチタンを加えたものを使用した。また、直径７．０ｍｍ、厚み２．０ｍｍの金属ペレットを緩衝部材６００として準備した。このような条件の下、図６（ｂ）のようにロウ材ペースト５１０、箔状のロウ材５２０、緩衝部材６００および給電端子１００を設置して、真空中で、８５０℃、１時間の熱処理を行い、Ｗ−１〜４、Ｋ−１〜４、Ｉ−１〜４の１２の試料を得た。各試料の緩衝部材６００には３つの材料、タングステン、コバールおよびインコネルを用いた。図７は、各試料の材質と所定温度における熱膨張係数を示す表である。

（引っ張り強度試験）
得られた試料のうちＷ−１〜３、Ｋ−１〜３、Ｉ−１〜３について、トルクレンチによる引っ張り強度試験を行った。この試験の結果、トルク強度の指標により給電端子１００のセラミック基板３００への固着に対する引っ張り強度が得られた。図８は、実験方法を説明するためのウェハ保持体７００の断面図である。図８に示すように、実験の際には、ウェハ保持体７００とボルト８１０（アンブラコ製ＵＮＣ１０−３２ＳＨＣＳ）の頭との間に引っ張り試験用治具８００をかませ、ボルト８１０を雌ねじ穴１２０に螺合させた。そして、トルク強度を測定しながらトルクレンチ８２０でボルト８１０を締め付け、図８の白抜きの矢印の方向へ引っ張る力を給電端子１００に加えた。そして、給電端子１００がセラミック基板３００から外れたときのトルク強度を記録した。図９（ａ）は、引っ張り強度試験の結果を示す表である。

（切断面観察）
また、Ｗ−４、Ｋ−４、Ｉ−４の試料を給電端子１００の中央でマイクロカッティングマシンにより切断し、切断面をマイクロスコープで観察した。図９（ｂ）は、切断面観察の結果を示す表である。

上記の通り得られた実験結果によれば、給電端子１００の脱落を防止するため、引っ張り強度はトルク強度３００ｃＮ・ｍ以上が好ましいところ、いずれの試料でも６００ｃＮ・ｍ以上が計測され、給電端子１００の固着力には問題ないことが実証された。ただし、切断面を観察したところ、Ｗ−４にはクラックが見つからなかったものの、Ｋ−４、Ｉ−４には、クラックが観察された。また、ロウ材５００の厚みについても確認したところ、いずれにも顕著な差はなく異常は認められなかった。また、いずれの試料でもセラミック基板３００の表面にロウ材５００の這い上がり、はみ出しは認められなかった。このようにして、いずれの試料においても、給電端子１００とセラミック基板３００との固着の強度および表面の這い上がりについて問題ないことが実証された。また、緩衝部材６００の材質としては特にタングステンが好ましいことが示された。

なお、上記の実施形態では、セラミック製品の例としてウェハ保持体を挙げているが、本発明はそれ以外の半導体製造装置用部材や構造部材等にも適用可能である。したがって、セラミック基板３００に代えて板状体以外のセラミック部材に金属製ブッシュを埋め込んでもよい。また、金属製ブッシュは必ずしも給電の機能を有するものでなくてもよい。また、上記の実施形態では、給電端子１００に溝１１０を設けているが、セラミック基板３００側に溝を設けることでもロウ材の這い上がりを防止することができる。その場合には、止まり穴３１０の内側に溝を設ける。ただし、セラミック基板へ溝加工する場合には、その溝部にてクラック等の不具合が発生する可能性があるため、給電端子１００に溝１１０を設ける方が好ましい。

１００ 給電端子（金属製ブッシュ）
１１０、１３０、１４０ 溝
１２０ 雌ねじ穴
２００ ウェハ保持体（セラミック製品）
３００ セラミック基板（セラミック部材）
３１０ 止まり穴
４００ 電極
５００ ロウ材
５１０ ロウ材ペースト
５２０ 箔状のロウ材
６００ 緩衝部材
７００ ウェハ保持体（セラミック製品）
８００ 試験用治具
８１０ ボルト
８２０ トルクレンチ

Claims (5)

1. 止まり穴を有するセラミック部材と、
   柱体形状に形成され、前記柱体形状の側面に前記止まり穴の底面より開口部に近くなる位置に設けられているロウ材溜め用の溝を有し、前記セラミック部材の止まり穴に嵌入、固定された金属製ブッシュと、
   前記金属製ブッシュと前記セラミック部材とを固着させるロウ材と、を備えることを特徴とするセラミック製品。
2. 前記溝は、前記柱体形状の側面外周に沿って連続的に形成されていることを特徴とする請求項１記載のセラミック製品。
3. 前記溝の断面形状は、Ｖ字またはＵ字状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセラミック製品。
4. 前記金属製ブッシュは、モリブデン、コバール、ニッケルまたはタングステンにより形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のセラミック製品。
5. 前記金属製ブッシュの底面と前記セラミック部材の止まり穴の底面との間に、前記金属製ブッシュと前記セラミック部材との熱膨張差を緩衝する緩衝部材を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のセラミック製品。

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