JP6693832B2 - セラミックス部材 - Google Patents

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Description

本発明は、セラミックス部材、特にセラミックス基体に埋設された金属部材に他の金属部材がろう付けで接合されているセラミックス部材に関する。
静電チャック及びＲＦサセプタなどの半導体製造装置などで用いられるセラッミクス部材においては、その内部に埋設されているヒータ又は電極などの端子に給電ロッドを介して電圧を印加している。そのために、給電ロッドに接続される金属製の接続部材を、金属製の端子に接続させることが多い。
この接続部材は、セラミックス基体に形成した止め穴の内部において、止め穴の底面に露出した端子とろう付けにより接続されている。
例えば特許文献１には、接続部材の金属端子との接合面側の端部を小径化することにより、セラミックス基体に形成された止め穴と端子の小径化した端部との隙間に余剰のろう材を流し込んで、接続部材と端子との間のろう材からなる接合層を薄くして、接合強度を確保することが記載されている。
また、特許文献１には、セラミックス基体に形成した止め穴の側面の一部にろう溜空間を設けることにより、このろう溜空間に接続部材と端子とを接続するろう材と一体化するようにろう材を充填させて、接続部材と端子とのねじり破断強度の向上を図ることも記載されている。
特開２００９−１８８３９４号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、接続部材と端子との接合強度を十分に確保することができない場合があった。
そこで、本発明は、接続部材と端子との接合強度の向上を図ることが可能なセラミックス部材を提供することを目的とする。
本発明のセラミックス部材は、第１の金属部材が埋設されているセラミックス基体と、前記セラミックス基体に形成され、前記セラミックス基体の下面と前記第１の金属部材とを連通する止め穴と、前記止め穴内に挿入され、前記第１の金属部材とろう材固化部を介して接続されている第２の金属部材とを備えたセラミックス部材であって、前記止め穴は、内周面に囲まれた空間が、少なくとも底面において、周方向について少なくとも部分的に外側に拡がっている拡大部を有しており、前記拡大部の内部に前記ろう材固化部の少なくも一部が存在していることを特徴とする。
本発明によれば、例えば端子である第１の金属部材と例えば接続部材である第２の金属部材との間に介在するろう材固化部の少なくも一部が止め穴の拡大部の内部に存在する。これにより、この部分がアンカー効果を発揮し、第１の金属部材と第２の金属部材との接合強度の向上を図ることが可能となる。
本発明において、前記拡大部は、前記止め穴の前記底面において全周に亘って外側に拡がっていることが好ましい。
この場合、第１の金属部材と第２の金属部材との接合強度の向上を、止め穴の全周に亘って図ることが可能となる。
本発明において、前記ろう材固化部は、前記第１及び第２の金属部材に対する濡れ性が、前記セラミックス基体に対する濡れ性よりも高いろう材が固化している層であることが好ましい。
この場合、いわゆる活性金属を含まないロウ材を用いることが望ましい。活性金属を含むとそのロウ材の融点以上において融液の流動性がわるく空間が存在していても空間に充填することが相対的に困難である。これに対して純金属からなるロウ材または活性金属を含まない金属ロウ材は融液状態では相対的に流動性が高くかつ金属に対する濡れ性がセラミックスより高く空間に充填することが可能になる。
本発明の実施形態に係るセラミックス部材の断面図。 セラミックス部材の部分拡大断面図。
本発明の実施形態に係るセラミックス部材１００について図１及び図２を参照して説明する。
セラミックス部材１００は、セラミックス基体１０、金属体２０、端子（第１の金属部材）３０、接続部材（第２の金属部材）４０、給電ロッド５０及びシャフト６０を備えている。
セラミックス部材１００は、ここでは、金属体２０が電極として機能し、この電極に給電ロッド５０から端子３０及び接続部材４０を介して電圧が印加されることによって発生するクーロン力により、セラミックス基体１０の表面に基板を吸引する静電チャックである。
ただし、セラミックス部材１００は、金属体２０が発熱抵抗体（ヒータ）として機能し、このヒータに給電ロッド５０から電圧が印加されることによって発生する熱により、セラミックス基体１０の表面上に載置される基板を加熱するヒータであってもよい。
また、セラミックス部材１００は、表面に近い金属体２０が電極として機能し、表面から離れた金属体２０が抵抗発熱体として機能するヒータ機能付きの静電チャックであってもよい。
セラミックス基体１０に金属体２０が埋設されており、この金属体２０の裏面に、端子３０が接続されている。
セラミックス基体１０は、ここでは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のセラミックス焼結体からなっている。ただし、セラミックス基体１０は、静電チャック又はヒータの基体の材料として使用される素材、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）又はイットリア（Ｙ２Ｏ３）等のセラミックス焼結体などからなっているものであってもよい。
セラミックス基体１０は、例えば高純度（例えば純度９９．９％以上）の窒化アルミニウム粉末、必要に応じてこれに適量の酸化イットリウム粉末などの焼結助剤が添加された混合原料粉末を成形した成形体をホットプレス焼結することにより形成されたセラミックス焼結体から構成されている。
金属体２０は、タングステン、モリブデン、これらの合金、白金、チタンなどの金属からなり、薄板、薄膜、メッシュ状、線状などのものである。
そして、セラミックス焼結体の間に金属体２０を挟んでホットプレスすることにより、メッシュ金属や金属箔からなる金属体２０をセラミックス基体１０の中に埋め込んでいる。ただし、埋め込みの方法は、これに限定されない。例えば、金属体２０の材料となる金属粉末を前記混合原料に間に挟み込んで、全体をホットプレスしてもよい。また、セラミックス焼結体の接合面に凹部を形成して金属体２０を埋め込み、その後、セラミックス焼結体同士を接合材で接合してもよい。
なお、セラミックス基体１０の表面の上に、保護層などが形成されていてもよい。また、セラミックス基体１０内に、冷却構造を設けてもよい。
そして、セラミックス基体１０には、下面（裏面）に開口を有し、上下方向に延びる止め穴１１が形成されている。この止め穴１１は、各端子３０に対して１個ずつ形成されている。この止め穴１１は、例えば、ドリルなどを用いた研削加工によって形成されている。
止め穴１１は、全体大略円柱形状の穴であるが、内周面に囲まれた空間が、少なくとも底面１１ａにおいて、周方向について少なくとも部分的に外側に拡がっている拡大部１１ｂを有している。拡大部１１ｂは、ここでは、止め穴１１の底面１１ａにおいて全周に亘って拡大した拡径部１１ｂとなっている。ただし、図示しないが、拡大部１１ｂは、止め穴１１の底面１１ａにおいて、周方向について部分的に１又は複数の箇所に亘る部分が拡がっているものでであってもよい。
止め穴１１の上下方向の軸線に沿った拡径部１１ｂの断面形状は、ここでは、直角三角形状となっている。ただし、拡径部１１ｂの断面形状は、これに限定されず、台形、矩形など、さらに、曲線部を有する形状などであってもよい。
止め穴１１は、例えば、円柱部の直径が４ｍｍ、拡径部１１ｂの直角三角形の底辺が０．２５ｍｍ、高さが３ｍｍである。このように、止め穴１１の拡大部（拡径部）１１ｂは、円柱部の直径の数分の一から十数分の一程度拡大していればよい。
なお、拡大部（拡径部）１１ｂは、偏心ドリルなどを用いた切削加工などによって形成すればよい。拡大部（拡径部）１１ｂは、図面では角度が鋭角に示されているが、実際には拡大部（拡径部）１１ｂを加工する工具の角部の形状に応じた丸みを帯びている。
端子３０は、タングステン、モリブデン、これらの合金、白金などの金属からなり、金属体２０に電気的に接続されており、本発明の第１の金属部材に相当する。端子３０は、例えば、タングステン粉末などの金属粉末を厚く積層させて金属体２０を接続した状態で前記混合材料の間に挟み込み、全体をホットプレスすることにより形成した金属焼結体からなるものであってもよい。また、端子３０は、金属板などからなるものであってもよい。
端子３０は、金属体２０と比較して厚さが厚くなっている。これにより、止め穴１１をドリルなどの研削工具を用いて形成する際に、研削工具によって多少研削されても、端子３０に割れなどの破損が生じない。
接続部材４０は、タングステン、モリブデン、白金、チタン、コバール、ニッケル、これらの合金などの金属からなる円柱状の部材であり、本発明の第２の金属部材に相当する。接続部材４０の外径は、止め穴１１の内径に比較して僅かに小さくなっている。
接続部材４０の端子３０に接続される側である先端部は、平らになっている。ただし、この先端部はＣ面又はＲ面などの面取り加工されている。接続部材４０の後端部には、雌ねじ４１が形成されている。
給電ロッド５０は、チタン、ニッケルなどの耐熱性、耐酸性及び導電性の優れた金属からなり、長い丸棒状となっている。給電ロッド５０の長手方向の先端部には雄ねじ部５１が形成されており、この雄ねじ部５１に接続部材４０の雌ねじ穴４１が螺合されることにより、給電ロッド５０は接続部材４０に接続される。
また、接続部材４０と端子３０が一体化した長い丸棒状の接続部材であってもよい。
シャフト６０は、セラミックス基体１０と同様に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、又はイットリア（Ｙ２Ｏ３）等のセラミックス焼結体からなっている。シャフト６０は、全体として中空を有する大略円筒形状に形成されている。
シャフト６０は、セラミックス基体１０の下面に取り付けられている。シャフト６０は、中間部６１に比べて拡径したフランジ部６２を上端に有している。セラミックス基体１０とシャフト６０とは固相接合、ろう付けなどによって接合されている。シャフト６０の内部に給電ロッド５０が配置されている。
セラミックス部材１００において、端子３０の露出した部分と接続部材４０とはろう材固化部７０を介して接続されている。ろう材固化部７０は、ろう材が固化して形成された層である。
ろう材固化部７０は、端子３０と接続部材４０との間に介在するが、その少なくも一部が止め穴１１の拡大部１１ｂの内部にも存在している。ろう材固化部７０は、拡大部１１ｂの内部全体を占めるものであってもよいが、その一部のみを占めるものであってもよい。また、ろう材固化部７０は、止め穴１１の内周面と接続部材４０の外周面との隙間に存在していてもよい。
このように、端子３０と接続部材４０とを接合するろう材固化部７０の少なくも一部が止め穴１１の拡大部１１ｂの内部に存在するので、この部分がアンカー効果を発揮し、接続部材４０を端子３０から下方に向けて離そうとする際の接合強度の向上を図ることが可能となる。
なお、ろう材は、端子３０と接続部材４０とを接合する際に従来から使用されていたものでよいが、端子３０及び接続部材４０に対する濡れ性が、セラミックス基体１０に対する濡れ性よりも高いことが好ましい。
ろう材は、特に、チタン等の活性金属を含有せず、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス基体１０に対して濡れ性が低い非活性ろう材であることが好ましい。これは、上述のようにセラミックス基体１０と接続部材４０とを十分に接合しなくても、接続部材４０の接合強度を十分に確保することが可能であるからである。これにより、空間に流動性の高いロウ材が充てんされアンカー効果が発揮されるという効果を奏する。
尚、ろう材の量は空間の容積とほぼ同程度の量が望ましい。これより多いと接続部材や給電ロッドと止め穴のクリアランスに流動性の良い融液が毛細管現象で這い上がり空間にろう材を充填することができなくなる。またロウ材料が少なすぎると空間に充填されるロウ材量が少なくなりすぎアンカー効果を十分に発揮しえない。
空間体積をＶとするとロウ材量は ０．３Ｖ〜１Ｖが望ましく、更に０．６Ｖ〜１Ｖがより好ましい。
１０…セラミックス基体、 １１…止め穴、 １１ａ…底面、 １１ｂ…拡大部、拡径部、 ２０…金属体、 ３０…端子（第１の金属部材）、 ４０…接続部材（第２の金属部材）、 ４１…雌ねじ穴、 ５０…給電ロッド、 ５１…雄ねじ部、 ６０…シャフト、 ７０…ろう材固化部、 １００…セラミックス部材

Claims (4)

  1. 第１の金属部材が埋設されているセラミックス基体と、
    前記セラミックス基体に形成され、前記セラミックス基体の下面と前記第１の金属部材とを連通する止め穴と、
    前記止め穴内に挿入され、前記第１の金属部材とろう材固化部を介して接続されている第２の金属部材とを備えたセラミックス部材であって、
    前記止め穴は、内周面に囲まれた空間が、少なくとも底面において、周方向について少なくとも部分的に外側に拡がっている拡大部を有しており、前記拡大部の内部に前記ろう材固化部の少なくも一部が存在していることを特徴とするセラミックス部材。
  2. 請求項１に記載のセラミックス部材であって、
    前記拡大部は、前記止め穴の前記底面において全周に亘って外側に拡がっていることを特徴とするセラミックス部材。
  3. 請求項１又は２に記載のセラミックス部材であって、
    前記ろう材固化部は、前記第１及び第２の金属部材に対する濡れ性が、前記セラミックス基体に対する濡れ性よりも高いろう材が固化している層であることを特徴とするセラミックス部材。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のセラミックス部材であって、
    前記ろう材固化部は、活性金属を含まないろう材が固化している層であることを特徴とするセラミックス部材。
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