JP7014651B2 - Ceramic substrate structure and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックス基板構造体、特に半導体製造装置における基板加熱装置に用いられるセラミックス基板構造体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a ceramic substrate structure, particularly a ceramic substrate structure used for a substrate heating device in a semiconductor manufacturing apparatus, and a method for manufacturing the same.
半導体製造装置でウエハを保持するために使用される静電チャック又はサセプタにおいて、セラミックス焼結体からなる基体内に埋設される導電体に給電端子を介して外部電源が接続される。この場合、導電体と電気的に接続された給電パッドに外部電源に接続される端子を接合している。給電パッドはタングステン又はモリブデンからなり、給電端子と当接し、且つセラミックスに埋設された状態で焼成されることにより、セラミックス焼結体内に埋設される。 In an electrostatic chuck or susceptor used for holding a wafer in a semiconductor manufacturing apparatus, an external power source is connected to a conductor embedded in a substrate made of a ceramic sintered body via a feeding terminal. In this case, a terminal connected to an external power source is joined to a power supply pad electrically connected to the conductor. The feeding pad is made of tungsten or molybdenum, is in contact with the feeding terminal, and is embedded in the ceramics by being fired in a state of being embedded in the ceramics.
特許文献1には、給電部材(給電端子)と電極端子(給電パッド)とを接合する接合層の接合強度を高くする技術が開示されている。 Patent Document 1 discloses a technique for increasing the joining strength of a joining layer that joins a feeding member (feeding terminal) and an electrode terminal (feeding pad).
しかし、昨今、窒化アルミニウム(AlN)などからなるセラッミクスヒータにおいて、650℃~800℃程度の高温で長時間使用される用途が開発された。このような高温環境下においては、大気、さらには不活性雰囲気においても微量に含まれる酸素が存在するため、給電パッドが酸化されて、脆弱化する。このように脆弱化すると、給電パッドの破損や剥離などの不具合が生じる。 However, recently, an application has been developed in which a ceramics heater made of aluminum nitride (AlN) or the like is used at a high temperature of about 650 ° C to 800 ° C for a long time. In such a high temperature environment, a small amount of oxygen is contained in the atmosphere and even in an inert atmosphere, so that the feeding pad is oxidized and weakened. Such fragility causes problems such as damage and peeling of the power supply pad.
そこで、本発明は、高温雰囲気化における給電パッドの脆弱化の抑制を図ることが可能なセラミックス基板構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a ceramic substrate structure and a method for manufacturing the same, which can suppress the weakening of the power feeding pad in a high temperature atmosphere.
本発明のセラミックス基板構造体は、基板を載置する基板載置面を有し、前記基板載置面の反対側の面に凹部が形成されており、セラミックスからなるセラミックス基体と、前記セラミックス基体に内蔵された導体と、前記導体と電気的に接続され、前記セラミックス基体に埋設され、前記導体とは反対側の面が前記凹部の底面の少なくとも一部を画定する第1の金属からなる給電パッドと、前記給電パッドを介して前記導体に給電するための給電端子と、前記給電パッドの前記導体とは反対側の面の少なくとも一部を覆って外部に露出し、第2の金属からなる金属層とを備え、前記第2の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーは、前記第1の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーより小さく、かつ、-250Kcal/molより大きいことを特徴とする。なお、本明細書において、標準生成自由エネルギーは酸素1mol当たりの値である。 The ceramic substrate structure of the present invention has a substrate mounting surface on which a substrate is mounted, and a recess is formed on the surface opposite to the substrate mounting surface. A ceramic substrate made of ceramics and the ceramic substrate are formed. A power supply made of a first metal, which is electrically connected to the conductor and is embedded in the ceramics substrate and whose surface opposite to the conductor defines at least a part of the bottom surface of the recess. It is made of a second metal, covering at least a part of a pad, a feeding terminal for feeding power to the conductor via the feeding pad, and a surface of the feeding pad opposite to the conductor, and being exposed to the outside. With a metal layer, the standard free energy produced at 650 ° C. in the oxidation reaction between the second metal and oxygen is smaller than the standard free energy produced at 650 ° C. in the oxidation reaction between the first metal and oxygen. , -250 Kcal / mol. In the present specification, the standard free energy of formation is a value per 1 mol of oxygen.
本発明のセラミックス基板構造体によれば、標準生成自由エネルギーが上記の関係にあるため、金属層の酸化が給電パッドの酸化よりも先に進行するので、給電パッドの酸化開始が、金属層が存在しない従来のものと比べて遅くなる。これにより、給電パッドが脆化することによるセラミックス基材構造体の寿命の延長化を図ることが可能となる。 According to the ceramic substrate structure of the present invention, since the standard generation free energy has the above relationship, the oxidation of the metal layer proceeds before the oxidation of the feeding pad, so that the metal layer starts to oxidize the feeding pad. It will be slower than the conventional one that does not exist. This makes it possible to extend the life of the ceramic base material structure by embrittlement of the feeding pad.
本発明のセラミックス基板構造体において、前記第2の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーは、-150Kcal/molより大きいことが好ましい。 In the ceramic substrate structure of the present invention, the standard free energy generated at 650 ° C. in the oxidation reaction between the second metal and oxygen is preferably larger than −150 Kcal / mol.
この場合、さらに、標準生成自由エネルギーが上記の関係にあるため、金属層の酸化が給電パッドの酸化よりも先にさらに確実に進行するので、給電パッドの酸化開始が、金属層が存在しない従来のものと比べて遅くなる。これにより、給電パッドが脆化することによるセラミックス基材構造体10の寿命の延長化をさらに図ることが可能となる。なお、第1の金属がタングステン又はモリブデンであり、第2の金属がクロムである場合、標準生成自由エネルギーは上記の関係を満たす。
In this case, further, since the standard generated free energy has the above relationship, the oxidation of the metal layer proceeds more reliably before the oxidation of the feeding pad, so that the oxidation start of the feeding pad is conventional in the absence of the metal layer. It will be slower than the one. This makes it possible to further extend the life of the ceramic
また、本発明のセラミックス基板構造体において、前記給電パッドと前記給電端子との間に位置し、第3の金属からなり、外部に露出する面が第4の金属で覆われる中間体を備え、前記第4の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーは、前記第1の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーより小さく、かつ、-250Kcal/molより大きい。 Further, in the ceramic substrate structure of the present invention, an intermediate body located between the feeding pad and the feeding terminal, made of a third metal, and whose surface exposed to the outside is covered with the fourth metal is provided. The standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction between the fourth metal and oxygen is smaller than the standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction of the first metal and oxygen, and more than -250 Kcal / mol. It's big.
これにより、標準生成自由エネルギーが上記の関係にあるため、金属層の酸化が給電パッドの酸化よりも先に進行するので、中間体の酸化開始が、中間体を覆う第4の金属で覆われていないものと比べて遅くなる。これにより、中間体が脆化することによるセラミックス基材構造体の寿命の延長化を図ることが可能となる。 As a result , since the standard generated free energy has the above relationship, the oxidation of the metal layer proceeds before the oxidation of the feeding pad, so that the start of oxidation of the intermediate is covered with the fourth metal covering the intermediate. It will be slower than the one that does not. This makes it possible to extend the life of the ceramic base material structure by embrittlement of the intermediate.
本発明のセラミックス基板構造体の製造方法は、基板を載置する基板載置面を有し、導体及び導体と電気的に接続され第1の金属からなる給電パッドを内蔵し、セラミックスからなるセラミックス基体を準備する工程と、前記基体載置面の反対側の面に凹部を形成し、前記給電パッドの一部を露出させる工程と、前記給電パッドの前記露出した面を第2の金属からなる金属層で覆う工程と、前記給電パッドに給電端子を電気的に接続する工程とを備え、前記第2の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーは、前記第1の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーよりも小さく、かつ、-250Kcal/molより大きいことを特徴とする。 The method for manufacturing a ceramic substrate structure of the present invention has a substrate mounting surface on which a substrate is mounted, has a conductor and a power supply pad electrically connected to the conductor and is made of a first metal, and is made of ceramics. The step of preparing the substrate, the step of forming a recess on the surface opposite to the substrate mounting surface to expose a part of the feeding pad, and the step of exposing the exposed surface of the feeding pad to be made of a second metal. A step of covering with a metal layer and a step of electrically connecting a feeding terminal to the feeding pad are provided, and the standard generated free energy at 650 ° C. in the oxidation reaction between the second metal and oxygen is the first metal. It is characterized in that it is smaller than the standard generation free energy at 650 ° C. in the oxidation reaction between and oxygen and is larger than −250 Kcal / mol.
本発明のセラミックス基板構造体の製造方法によれば、標準生成自由エネルギーが上記の関係にあるため、金属層の酸化が給電パッドの酸化よりも先に進行するので、給電パッドの酸化開始が、金属層が存在しない従来のものと比べて遅くなる。これにより、給電パッドが脆化することによるセラミックス基材構造体の寿命の延長化を図ることが可能となる。 According to the method for manufacturing the ceramic substrate structure of the present invention, since the standard generation free energy has the above relationship, the oxidation of the metal layer proceeds before the oxidation of the feeding pad, so that the oxidation of the feeding pad starts. It is slower than the conventional one without a metal layer. This makes it possible to extend the life of the ceramic base material structure by embrittlement of the feeding pad.
本発明のセラミックス基板構造体の製造方法において、第3の金属からなり、表面が第4の金属で覆われる中間体を準備する工程を備え、前記給電パッドと前記給電端子との間に前記中間体を固定することにより、前記給電パッドと前記給電端子とを電気的に接続し、前記第4の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーは、前記第1の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーより小さく、かつ、-250Kcal/molより大きい。 In the method for manufacturing a ceramic substrate structure of the present invention, a step of preparing an intermediate body made of a third metal and whose surface is covered with the fourth metal is provided, and the intermediate is provided between the power feeding pad and the power feeding terminal. By fixing the body, the feeding pad and the feeding terminal are electrically connected, and the standard generated free energy at 650 ° C. in the oxidation reaction between the fourth metal and oxygen is the first metal and oxygen. It is smaller than the standard free energy of formation at 650 ° C. and larger than -250 Kcal / mol in the oxidation reaction with.
これにより、標準生成自由エネルギーが上記の関係にあるため、金属層の酸化が給電パッドの酸化よりも先に進行するので、中間体の酸化開始が、中間体を覆う第4の金属で覆われていないものと比べて遅くなる。これにより、中間体が脆化することによるセラミックス基材構造体の寿命の延長化を図ることが可能となる。 As a result , since the standard generated free energy has the above relationship, the oxidation of the metal layer proceeds before the oxidation of the feeding pad, so that the start of oxidation of the intermediate is covered with the fourth metal covering the intermediate. It will be slower than the one that does not. This makes it possible to extend the life of the ceramic base material structure by embrittlement of the intermediate.
本発明の実施形態に係るセラミックス基板構造体10について説明する。
The
図1及び図2Cに示すように、セラミックス基板構造体10は、セラミックス基体11、導体12、給電パッド13、第1の金属層14、緩衝部材15、第2の金属層16、給電端子17及びろう材層18を備える。
As shown in FIGS. 1 and 2C, the
セラミックス基板構造体10は、半導体製造装置において半導体ウエハなどの基板を保持又は加熱するヒーター、静電チャック又はサセプタとして使用される。第1の金属層14は本発明の金属層に相当し、緩衝部材15は本発明の中間体に相当する。
The
セラミックス基体11は、セラミックスからなる。セラミックス基体11を構成する材質として、窒化アルミニウム、アルミナ、炭化ケイ素、窒化珪素などのセラミックス焼結体を用いることができる。なお、適宜、添加物を加えてもよい。
The
セラミックス基体11は、その上面11aが半導体ウエハなどの基板Wを載置する基板載置面11aとなり、上面11aとは反対側の下面11bが外部電源との接続側の面となっている。
The
そして、セラミックス基体11の下面11bに凹部11cが形成されている。この凹部11cは、セラミックス基体11の下面11aから給電パッド13の一部を外部に露出させるために形成されている。凹部11cは、平面視で、円形、三角形、四角形等の多角形状などに形成されている。凹部11cには、給電パッド13、第1及び第2の金属層14,16及び緩衝部材15などが配置される。
A
導体12は、セラミックス基体に内蔵されている。導体12の形状は、特に限定されず、板状、網状、格子状、穴あき面状、櫛歯状などの任意の形状であってもよい。導体12の厚さ、線径も特に限定されない。導体12は、発熱抵抗体又は吸着用の電極として機能する。導体12は上下方向に隔てた複数の層からなるものであってもよい。
The
導体12の材質はモリブンデン(Mo)、タングステン(W)又はこれらを主成分とする合金であることが望ましい。なお、モリブデン、タングステンを主成分とする合金とは、一般的にモリブデンとタングステンとの合計含有率が50重量%以上のものを指すが、好ましくは70重量%以上のもの、より好ましくは80重量%以上のものである。
The material of the
給電パッド13は、導体12と電気的に接続されており、セラミックス基体11に埋設されており、第1の金属からなる。ここでは、導体12と給電パッド13とは焼成により一体化されている。
The
給電パッド13は、導体12とは反対側の面が凹部11cの底面の少なくとも一部を画定する。ここでは、給電パッド13の下面の中央部が下方に向って露出しており、凹部11cの底面の一部となっている。
The surface of the
給電パッド13の形状は、特に限定されないが、板状であることが望ましい。そして、給電パッド13の上面視形状は、特に限定されないが、三角形、四角形状などの多角形状や円状であることが望ましい。
The shape of the
なお、導体12及び給電パッド13の材質は、セラミックス基体11を構成するセラミックスと一体化した状態で焼成されることを考慮して、セラミックス基体11の材質である窒化アルミニウム、アルミナなどと同程度の熱膨張性を有し、高融点金属であることが望ましい。
The materials of the
また、導体12と給電パッド13との材質は同じ又は主成分が同じであってもよいが、導体12がモリブデン、給電パッド13がタングステンのように主成分が異なっていてもよい。
Further, the material of the
第1の金属層14は、給電パッド13の導体12とは反対側の面の少なくとも一部を覆って外部に露出し、第2の金属からなる。なお、給電パッド13の部分的にでも外部に露出しないように、給電パッド13の凹部11cに露出した部分は全面的に第1の金属層14によって覆われることが好ましい。
The
ここで、第2の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーは、第1の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーより小さく、かつ、-250Kcal/molより大きい。例えば、導体12を構成する第1の金属がタングステン又はモリブデン又はこれらを主成分とする合金である場合、第1の金属層14を構成する第2の金属はクロム(Cr)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)又はこれらを主成分とする合金である。
Here, the standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction between the second metal and oxygen is smaller than the standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction of the first metal and oxygen, and is −250 Kcal / mol. Greater. For example, when the first metal constituting the
ただし、第2の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーは、-150Kcal/molより大きいこととが好ましい。このような第2の金属としては、例えばクロム(Cr)を挙げることができる。 However, the standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction between the second metal and oxygen is preferably larger than −150 Kcal / mol. As such a second metal, for example, chromium (Cr) can be mentioned.
緩衝部材15は、給電パッド13の上面に形成された第1の金属層14と給電端子17との間を上下に挟まれており、第3の金属からなる。緩衝部材15は、第2の金属層16によって外周部分全体を覆われている。ここでは、第2の金属層16に覆われた緩衝部材15と第1の金属層14及び給電端子17とはろう付けによって固定されており、その間をろう材層18で接合している。また、ろう材層18は凹部11cの一部を充填していてもよい。なお、緩衝部材15の上面、下面又は上面及び下面は第2の金属層16によって覆われていなくともよい。第2の金属層16は第4の金属からなる。
The cushioning
ここで、第4の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーは、第3の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーより小さく、かつ、-250Kcal/molより大きい。例えば、緩衝部材15を構成する第3の金属がタングステン又はモリブデンの場合、第2の金属層16を構成する第4の金属はクロム(Cr)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)又はこれらを主成分とする合金である。
Here, the standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction between the fourth metal and oxygen is smaller than the standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction of the third metal and oxygen, and is −250 Kcal / mol. Greater. For example, when the third metal constituting the cushioning
ただし、第4の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーは、-150Kcal/molより大きいこととが好ましい。このような第4の金属としては、例えばクロム(Cr)を挙げることができる。 However, it is preferable that the standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction between the fourth metal and oxygen is larger than −150 Kcal / mol. As such a fourth metal, for example, chromium (Cr) can be mentioned.
給電端子17は、給電パッド13を介して導体12に給電するために、第1及び第2の金属層14,16、緩衝部材15及びろう材層18を介して電気的に接続されている。
The
セラミックス基板構造体10は、さらにセラミックス基体11の下面11bに接続された筒状のシャフト(筒状支持体)19を備えている。シャフト19は、上下方向中央部に位置する円筒部19aと、円筒部19aより拡径した円筒状の拡径部19bを上下両端部に有している。
The
セラミックス基体11の下面11aとシャフト19の上端面とは、拡散接合又はセラミックス若しくはガラス等の接合材による固相接合によって接合されている。なお、セラミックス基体11とシャフト19とは、ねじ止めやろう付けなどによって接続されてもよい。
The
本発明の実施形態に係るセラミックス基板構造体10の製造方法について説明する。ただし、本発明の実施形態に係るセラミックス基板構造体10の製造方法はこれに限定されない。
A method for manufacturing the
まず、図2Aに示すように、導体12と導体12と電気的に接続された給電パッド13が内蔵されたセラミックス基体11を準備する工程を行う。例えば、セラミックス粉末からなるセラミックス体中に導体12及び給電パッド13を埋設してホットプレス焼成する方法で製造することが好ましい。
First, as shown in FIG. 2A, a step of preparing a
導体12と給電パッド13とは、予め焼結前に溶接、かしめなどで接合してもよいが、単に接触させて配置するだけでも焼結により接合される。また、導体12と給電パッド13との間にこれらと同じ素材の粉末を挟んでもよく、この場合は焼成時に一体化される。
The
また、導体12及び給電パッド13が内部に埋設されたセラミックス基体11を、別々に焼成した複数のセラミックス焼結体を熱処理によって接合一体化させる方法によって製造してもよい。
Further, the
次に、図2Bに示すように、給電端子17を配置するための凹部11cをマシニングセンタなどを用いた任意の穴加工方法により、下面11bからセラミックス基体11を穿削して設ける工程を行う。凹部11cは給電パッド13の下側の面の一部が露出するまでセラミックス基体11を除去するように穿設される。このとき、凹部11cの内径が給電パッド13の外径よりも小さくなるように設定され、凹部11cの底面が給電パッド13のみで構成されることが望ましい。
Next, as shown in FIG. 2B, a step of drilling the
図2Cに示すように、給電端子17は、給電パッド13を介して導体12に外部電源から給電するためのものであり、一端が第2の金属層16によって覆われた緩衝部材15とろう材層18を介して接合され、他端がセラミックス基体11から外部に飛び出している。
As shown in FIG. 2C, the
緩衝部材15及び給電端子17の形状は、特に限定されないが、給電パッド13との接合を考慮して、円柱状であることが最も好ましい。ただし、緩衝部材15及び給電端子17の形状は、角柱状、多角柱状、楕円柱状などのほか、突起や凹部を有していてもよい。
The shapes of the cushioning
給電端子17は、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、銅(Cu)又はこれらを主成分とする合金からなる。なお、ニッケル、チタン、銅を主成分とする合金とは、一般的にニッケル、チタン、銅の合計含有率が50重量%以上のものを指すが、好ましくは70重量%以上のもの、より好ましくは80重量%以上のものである。また、給電端子17にコバールのような低熱膨張合金も好適に用いることができる。
The feeding
給電端子17がニッケル、チタン又はこれらを主成分とする合金からなる場合、給電端子17が耐食性に富み、好ましい。また、給電端子17が銅又は銅を主成分とする合金からなる場合、ニッケルやチタンからなる場合と比べて延性があるため、給電端子17と給電ラインとの接続に応力が発生する場合であっても、応力が緩和されやすいという利点がある。
When the feeding
第2の金属層16によって覆われた緩衝部材15と第1の金属層14及び給電端子17とは、ろう付けにより接合されている。ろう材として例えばAg系ろう、Au系ろうが用いられ、ろう付け温度は、Ag系ろうであれば800℃以上、Au系ろうでは1000℃以上である。
The cushioning
上述したセラミックス基材構造体10によれば、標準生成自由エネルギーが上記の関係にあるため、後述する実施例及び比較例から分かるように、第1の金属層14の酸化が給電パッド13の酸化よりも先に、且つ、第2の金属層16の酸化が緩衝部材15の酸化よりも先に進行するので、給電パッド13及び緩衝部材15の酸化開始が遅くなる。これにより、給電パッド13又は緩衝部材15が脆化することによるセラミックス基材構造体10の寿命の延長化を図ることが可能となる。
According to the ceramic
本発明のセラミックス基材構造体及びその製造方法は上述した実施形態に限定されない。例えば、図3に示すように、緩衝部材15及びこれを覆う第2の金属層16が存在せず、第1の金属層14の上にろう材層18を介して直接的に給電端子17が接続されているものであってもよい。また、シャフト19を備えないものであってもよい。
The ceramic substrate structure of the present invention and the method for producing the same are not limited to the above-described embodiments. For example, as shown in FIG. 3, the cushioning
実施例1~8及び比較例1,2において、シャフト19を備えず、セラミックスヒータ-として機能する係るセラミックス基材構造体10を作製した。
In Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2, the ceramic
(実施例1)
窒化アルミニウム粉末97重量%、イットリア粉末3重量%の混合粉末を一軸加圧して直径340mm、厚さ5mmの成形体を第1層として作製した。
(Example 1)
A mixed powder of 97% by weight of aluminum nitride powder and 3% by weight of yttrium powder was uniaxially pressed to prepare a molded product having a diameter of 340 mm and a thickness of 5 mm as the first layer.
そして、この第1層の成形体の上に、直径290mm、線径0.1mm、目開き50メッシュのモリブデン製のメッシュからなり、内部電極として機能する導体12を載置した。さらに、この導体12の上に直径10mm、厚さ0.5mmのタングステン製の円板状体からなる給電パッド13を載置した。さらにその上に前記混合粉末を充填した後に、一軸加圧して成形体の第2層を作製した。第2層の厚さは10mmであった。
Then, a
そして、この第2層の成形体の上に、線径0.1mm、目開き50メッシュであって抵抗値を4Ωに調整したモリブデン製のメッシュからなり、ヒーター電極として機能する導体12を載置した。さらに、この導体12の上に直径10mm、厚さ0.5mmのタングステン製の円板状体からなる給電パッド13を載置した。さらにその上に前記混合粉末を充填した後に、一軸加圧して成形体の第3層を作製した。第3層の厚さは10mmであった。
Then, on the molded body of the second layer, a
このように3層に形成した成形体を、圧力10MPa、焼成温度1850℃、焼成時間2時間でホットプレス焼成した。これにより、直径340mm、厚さ25mmの円板状のセラミックス焼成体からなるセラミックス基体11を得た。
The molded product thus formed into three layers was hot-press fired at a pressure of 10 MPa, a firing temperature of 1850 ° C., and a firing time of 2 hours. As a result, a
そして、得られたセラミックス基体11の上下面を研削し、上面11aとヒーター電極として機能する導体12との距離を0.3mm、表面粗さRaを0.4μmとした。その後、凹部11cを、給電パッド13が露出するように直径5mmで穿設した。
Then, the upper and lower surfaces of the obtained
第1の金属層14は、厚さ10μmのクロム(Cr)からなる金属層であった。第1の金属層14の下面にBAu-4金ろう組成のシート状ろう材を配置した。その下に、第2の金属層16で覆った緩衝部材15を配置し、その下に、前記ろう材と同じろう材を配置した。なお、緩衝部材15はタングステンからなる直径4.5mm、厚さ2mmの円板状体であり、この緩衝部材15の外周全体をクロムに厚さ10μmとなるまでメッキすることにより、緩衝部材15を第2の金属層16で覆った。
The
そして、前記ろう材と同じろう材を用いて給電端子17を配置し、ろう付け温度1050℃で真空雰囲気でろう付けを行うことにより、セラミックス基材構造体10を完成させた。なお、給電端子17はニッケルからなる直径4mm、長さ200mmの円柱状体であった。
Then, the
上述したセラミックス基材構造体10において、給電端子17に対して図示しない電源によって電流を流すことにより、導体12から発熱させた。
In the ceramic
条件Aにおいては、上面11aの温度を650℃に維持した状態を1000時間持続させた。その後、実験者が、給電端子17のぐらつきの有無及び接続状態の異常を目視で確認したが、異常は見出せなかった。また、導体12の抵抗値の初期からの変動は10%以内であり、変動は小さかった。
Under condition A, the temperature of the
条件Bにおいては、上面11aの温度を800℃に維持した状態を1000時間持続させた。その後、実験者が、給電端子17のぐらつきの有無及び接続状態の異常を目視で確認したが、異常は見出せなかった。また、導体12の抵抗値の初期からの変動は10%以内であり、変動は小さかった。
Under condition B, the temperature of the
(実施例2,7,8)
実施例2は、第1の金属層14及び第2の金属層16をPVD(スパッタリング)によって形成したこと以外は、実施例1と同じであった。実施例7は、緩衝部材15がコバール(KOV)からなるものとしたこと以外は、実施例1と同じであった。実施例8は、給電パッド13及び緩衝部材15をモリブデン(Mo)からなるものとしたこと以外は、実施例1と同じであった。
(Examples 2, 7, 8)
Example 2 was the same as Example 1 except that the
実施例2,7,8においては、実施例1と同様に、条件A及び条件Bにおいて、給電端子17の接続状態は良好であり、導体12の抵抗値の変動は10%以内であった。
In Examples 2, 7 and 8, similarly to Example 1, the connection state of the feeding
以上、実施例1,2,7,8によれば、第1の金属層14を構成する第2の金属及び第2の金属層16を構成する第4の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーが、給電パッド13を構成する第1の金属及び緩衝部材15を構成する第3の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーより小さく、かつ、-150Kcal/molより大きい場合、条件A及び条件Bにおいて、給電端子17の接続状態は良好であり、導体12の抵抗値の変動は10%以内であることが分かった。
As described above, according to Examples 1, 2, 7, and 8, 650 in the oxidation reaction between the second metal constituting the
(実施例3~6)
実施例3は、第1の金属層14及び第2の金属層16をタンタル(Ta)からなるものとしたこと以外は、実施例2と同じであった。実施例4は、第1の金属層14及び第2の金属層16をシリコン(Si)からなるものとしたこと以外は、実施例2と同じであった。実施例5は、第1の金属層14及び第2の金属層16をチタン(Ti)からなるものとしたこと以外は、実施例2と同じであった。実施例6は、第1の金属層14及び第2の金属層16がアルミニウム(Al)からなること以外は、実施例2と同じであった。
(Examples 3 to 6)
Example 3 was the same as Example 2 except that the
これにより、実施例3~6においては、第1の金属層14を構成する第2の金属及び第2の金属層14を構成する第4の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーが、給電パッド13を構成する第1の金属及び緩衝部材15を構成する第3の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーより小さく、かつ、-250Kcal/molより大きい。
As a result, in Examples 3 to 6, standard formation at 650 ° C. in the oxidation reaction between the second metal constituting the
実施例3~6においては、実施例1と同様に、条件Aにおいては、給電端子17の接続状態は良好であり、導体12の抵抗値の変動は10%以内であった。条件Bにおいては、給電端子17の接続状態は不良であることが確認され、導体12の抵抗値の変動は10%を超えていた。
In Examples 3 to 6, similarly to Example 1, the connection state of the feeding
(比較例1)
比較例1は、第1の金属層14及び第2の金属層16が存在しないこと以外は、実施例1と同じであった。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 was the same as that of Example 1 except that the
比較例1においては、条件A及び条件Bにおいて、給電端子17の接続状態は不良であることが確認され、導体12の抵抗値の変動は10%を超えていた。
In Comparative Example 1, it was confirmed that the connection state of the feeding
(比較例2)
比較例2は、第1の金属層14及び第2の金属層16がNiからなること以外は、実施例1と同じであった。
(Comparative Example 2)
Comparative Example 2 was the same as that of Example 1 except that the
これにより、比較例2においては、第1の金属層14を構成する第2の金属及び第2の金属層16を構成する第4の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーが、給電パッド13を構成する第1の金属及び緩衝部材15を構成する第3の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーより大きい。
As a result, in Comparative Example 2, the standard generated free energy at 650 ° C. in the oxidation reaction between the second metal constituting the
比較例2においては、条件A及び条件Bにおいて、給電端子17の接続状態は不良であることが確認され、導体12の抵抗値の変動は10%を超えていた。
In Comparative Example 2, it was confirmed that the connection state of the feeding
以上の結果を表1,2にまとめた。 The above results are summarized in Tables 1 and 2.
10…セラミックス基板構造体、 11…セラミックス基体、 11a…上面(基板載置面)、 11b…下面、 11c…凹部、 12…導体、 13…給電パッド、 14…第1の金属層(金属層)、 15…緩衝部材(中間体)、 16…第2の金属層、 17…給電端子、 18…ろう材層、 19…筒状体、 W…基板。 10 ... Ceramic substrate structure, 11 ... Ceramic substrate, 11a ... Top surface (board mounting surface), 11b ... Bottom surface, 11c ... Recession, 12 ... Conductor, 13 ... Power supply pad, 14 ... First metal layer (metal layer) , 15 ... cushioning member (intermediate body), 16 ... second metal layer, 17 ... power supply terminal, 18 ... brazing material layer, 19 ... tubular body, W ... substrate.
Claims (3)
前記セラミックス基体に内蔵された導体と、
前記導体と電気的に接続され、前記セラミックス基体に埋設され、前記導体とは反対側の面が前記凹部の底面の少なくとも一部を画定する第1の金属からなる給電パッドと、
前記給電パッドを介して前記導体に給電するための給電端子と、
前記給電パッドの前記導体とは反対側の面の少なくとも一部を覆って外部に露出し、第2の金属からなる金属層と、
前記給電パッドと前記給電端子との間に位置し、第3の金属からなり、外部に露出する面が第4の金属で覆われる中間体とを備え、
前記第2の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーは、前記第1の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーより小さく、かつ、-250Kcal/molより大きく、
前記第4の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーは、前記第1の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーより小さく、かつ、-250Kcal/molより大きいことを特徴とするセラミックス基板構造体。 A ceramic substrate made of ceramics, which has a substrate mounting surface on which the substrate is mounted and has a recess formed on the surface opposite to the substrate mounting surface.
The conductor built in the ceramic substrate and
A feeding pad made of a first metal that is electrically connected to the conductor, is embedded in the ceramic substrate, and has a surface opposite to the conductor defining at least a part of the bottom surface of the recess.
A power supply terminal for supplying power to the conductor via the power supply pad,
A metal layer made of a second metal, which covers at least a part of the surface of the feeding pad opposite to the conductor and is exposed to the outside .
It is located between the power supply pad and the power supply terminal, is made of a third metal, and has an intermediate whose surface exposed to the outside is covered with the fourth metal .
The standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction between the second metal and oxygen is smaller than the standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction of the first metal and oxygen, and is more than -250 Kcal / mol. Big,
The standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction between the fourth metal and oxygen is smaller than the standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction of the first metal and oxygen, and is more than -250 Kcal / mol. A ceramic substrate structure characterized by being large .
第3の金属からなり、表面が第4の金属で覆われる中間体を準備する工程と、
前記基体載置面の反対側の面に凹部を形成し、前記給電パッドの一部を露出させる工程と、
前記給電パッドの前記露出した面を第2の金属からなる金属層で覆う工程と、
前記給電パッドに給電端子を電気的に接続する工程とを備え、
前記第2の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーは、前記第1の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーよりも小さく、かつ、-250Kcal/molより大きく、
前記給電パッドと前記給電端子との間に前記中間体を固定することにより、前記給電パッドと前記給電端子とを電気的に接続し、
前記第4の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーは、前記第1の金属と酸素との酸化反応における650℃における標準生成自由エネルギーより小さく、かつ、-250Kcal/molより大きいことを特徴とするセラミックス基板構造体の製造方法。 A process of preparing a ceramic substrate made of ceramics by having a substrate mounting surface on which the substrate is placed, a conductor and a power feeding pad made of a first metal electrically connected to the conductor, and a process of preparing a ceramic substrate.
The process of preparing an intermediate consisting of a third metal and whose surface is covered with the fourth metal,
A step of forming a recess on the surface opposite to the surface on which the substrate is placed to expose a part of the power feeding pad.
A step of covering the exposed surface of the power feeding pad with a metal layer made of a second metal,
The process of electrically connecting the power supply terminal to the power supply pad is provided.
The standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction between the second metal and oxygen is smaller than the standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction of the first metal and oxygen, and is −250 Kcal / mol. Larger,
By fixing the intermediate between the power supply pad and the power supply terminal, the power supply pad and the power supply terminal are electrically connected.
The standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction between the fourth metal and oxygen is smaller than the standard free energy of formation at 650 ° C. in the oxidation reaction of the first metal and oxygen, and more than -250 Kcal / mol. A method for manufacturing a ceramic substrate structure, which is characterized by being large .
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