KR100368627B1 - 반도체 지지 장치 및 그 제조 방법과, 접합체 및 그 제조 방법 - Google Patents

반도체 지지 장치 및 그 제조 방법과, 접합체 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 지지 장치 및 그 제조 방법과, 금속 매트릭스-세라믹스 복합체(複合體)의 접합 방법, 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 이용한 접합체의 제조 방법 및 이것에 의해 얻어진 접합체에 관한 것이다.
본 발명의 반도체 지지 장치는 절연성 재료로 이루어지는 기판(2)과, 상기 기판(2) 속에 매설되어 있는 도전성 부재(5)와, 상기 도전성 부재(5)에 접속되고 도전성을 갖는 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 단자(11)를 구비하여 절연성 재료와 단자와의 접합부의 통전 사이클에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 지지 장치 및 그 제조 방법과, 접합체 및 그 제조 방법{SEMICONDUCTOR-SUPPORTING DEVICES, PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF THE SAME, JOINED BODIES AND PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF THE SAME}
본 발명은 반도체 지지 장치 및 그 제조 방법과, 금속 매트릭스-세라믹스 복합체의 접합 방법, 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 이용한 접합체의 제조 방법 및 이것에 의해 얻어진 접합체에 관한 것이다.
질화알루미늄, 알루미나, SiC, SN 등의 세라믹스 기판으로 이루어지는 서셉터(susceptor)류에서의 전극의 단자류는 내열성, 내식성, 접합성의 관점에서 재질이 선택되지만, 이들의 각 요구 항목을 완전히 충족시키는 재질은 매우 드물다. 예컨대, 금속 단자를 세라믹스 기판에 납땜하는 방법에서는 접합시의 잔류 응력이나 전력의 ON/OFF에 따르는 통전 사이클에 기인하는 열 응력 등에 의해 세라믹스에 균열이 발생하는 등의 문제가 발생하기 쉬웠다.
이 때문에, 단자에 소성 변형능력을 갖게 하기 위해서 단자의 재질로서 저융점의 금속이나 고순도의 금속을 사용하는 등의 방법을 생각할 수 있지만, 단자 자체가 보형성(保形性)이 뒤떨어지기 때문에 단자의 변형 등의 문제가 발생하거나 또는 땜납재와의 지나친 반응에 의해 접합 계면이 약해져서 접합 강도가 저하되는 경우도 있다.
한편, 랭크 사이드 방식(rank side method)에 의해 금속기 복합 재료를 제조하는 것이 알려져 있다[예컨대, 「세라믹스」32(1997) No. 2 제 93 페이지-197 페이지, 「랭크 사이드 방식에 의한 CMC 및 MMC의 네트 셰이프 제조 기술」]. 예컨대, 탄화규소/알루미늄계, 알루미나/알루미늄계의 각 복합 재료에 있어서, 랭크 사이드법을 적용하여 용융 알루미늄과 세라믹스 사이의 습윤성을 양호하게 하는 것이 알려져 있다. 이 방법은 일반적으로 비가압 금속 침투법으로 불려진다.
이 방법에서는 강화재인 탄화규소나 알루미나를 이용하여 최종적인 목적 형상에 가까운 형상을 갖는 예비 성형품(preform)을 성형하고, 예비 성형품 중의 알루미늄 합금에 접촉하는 표면 이외의 표면에 성장 정지용 장벽을 설치한다. 상기 예비 성형품을 통상 800℃ 정도의 질소 속에서 알루미늄 합금과 접촉시키면 알루미늄이 세라믹스를 적시면서 예비 성형품 속의 공동(空洞)으로 침투하여 복합 재료를 형성한다. 이 복합 재료에서는 세라믹스와 알루미늄과의 계면에 질화알루미늄 층의 존재가 확인되고 있다.
그러나, 이러한 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 세라믹스나 금속, 특히 절연성 세라믹스에 접합하는 것에 대해서는 지금까지 검토되지 않았다.
본 발명의 목적은 절연성 재료로 이루어지는 기판과, 상기 기판 속에 매설되는 도전성 부재와, 이 도전성 부재에 접속되는 단자를 구비하고 있는 반도체 지지 장치에 있어서, 절연성 재료와 단자와의 접합부의 통전 사이클에 대한 내구성을 향상시키는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 세라믹스, 금속 또는 금속이 매설된 세라믹스에 접합하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 세라믹스, 금속 또는 금속이 매설된 세라믹스로 이루어지는 복수의 부재를 서로 접합하기 위한 새로운 접합 방법을 제공하는 것이다.
도 l은 금속, 도전성 세라믹스 또는 금속 매트릭스-세라믹스 복합체(複合體)로 이루어지는 단자(1)와 절연성 재료로 이루어지는 기판(基體:2)을 접합하기 전의 상태를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 2는 단자(1)와 기판(2)한 접합한 후의 상태를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 3은 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 단자(11)와 절연성 재료로 이루어지는 기판(2)을 접합하기 전의 상태를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 4는 단자(11)와 기판(2)을 접합한 후의 상태를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 5는 소위 커버 플레이트(16 : 다른쪽 부재)에 대하여 2개의 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 제조된 고정 단자(17 : 한쪽 부재)가 접합되어 있는 상태를 도시하는 정면도.
도 6은 복합체로 제조된 평판(19 : 결합재)을 통해 원반 형상의 서셉터(18 : 한쪽 부재)와, 알루미나로 제조된 기반(20 : 다른쪽 부재)이 접합되어 있는 상태를도시하는 단면도.
도 7은 접합 실험 1에서 접합 계면의 2차 전자상을 나타내는 사진.
도 8은 접합 실험 1에서 접합 계면의 2차 전자상을 나타내는 사진.
도 9는 통전 사이클 시험 장치의 개략도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1, 11 : 전극 단자
2 : 절연성 재료로 이루어지는 기판
3 : 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 결합재
4 : 중간재
5 : 고주파 전극
14 : 세라믹스 입자
15 : 금속 매트릭스
25 : 코일
본 발명은 절연성 재료로 이루어지는 기판과, 상기 기판 속에 매설되는 도전성 부재와, 이 도전성 부재에 접속되는 단자로서, 도전성을 갖는 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 지지 장치에 관한 것이다.
본 발명자는 절연성 세라믹스로 이루어지는 기판과 단자를 접합하는 구조에 있어서, 단자를 도전성을 갖는 금속 매트릭스-세라믹스 복합체에 의해 형성하는 것을 고려하였다. 그리고, 이 단자와 기판을 직접 접촉시키거나 또는 이 단자와 기판 사이에 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스의 주성분을 70 mol% 이상 함유하는 합금으로 이루어지는 중간재를 개재시킨 상태에서 0.0001 torr 이하의 압력의 분위기 속에서 금속 매트릭스 및 합금이 용융되는 온도로 절연성 재료, 단자 및 중간재를 열처리함으로써 단자를 절연성 재료로 접합시켜 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 이 단자는 기판에 견고하게 접합하고 통전 사이클을 반복하여도 파괴를 일으키지 않는 것이다.
또한, 본 발명은 절연성 재료로 이루어지는 기판과, 상기 기판 속에 매설되는 도전성 부재와, 이 도전성 부재에 접속되는 단자로서, 금속 또는 도전성 세라믹스로 이루어지는 단자와, 이 단자와 기판과의 사이에 삽입되고, 단자 및 기판에 접합되는 결합재로서, 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 결합재를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 지지 장치에 관한 것이다.
이러한 반도체 지지 장치에 있어서도 단자는 기판에 강고하게 접합하고 통전 사이클을 반복하여도 파괴를 일으키지 않는 것이었다.
또한, 본 발명의 발명자는 상기 발명을 단자 이외의 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 제조된 한쪽 부재와, 세라믹스, 금속 또는 금속이 매설된 세라믹스로 이루어지는 다른쪽 부재와 접합할 때에 적용하는 것을 고려하였다. 이 결과, 양자를 0.0001 torr 이하의 압력의 분위기 속에서 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스가 용융되는 온도로 금속 매트릭스-세라믹스 복합체 및 다른쪽 부재를 열처리함으로써 상기 복합체를 다른쪽 부재에 접합할 수 있다는 것을 발견하였다.
이 경우에 있어서, 금속 매트릭스-세라믹스 복합체와 다른쪽 부재를 직접 접촉시킨 상태로 열처리할 수 있고, 또는 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스의 주성분을 70 mol% 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 중간재를 삽입시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 각 제조 방법에 의해 얻어진 것을 특징으로 하는 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 한쪽 부재와, 세라믹스, 금속 또는 금속이 매설된 세라믹스로 이루어지는 다른쪽 부재와의 접합체에 관한 것이다.
또한, 본 발명자는 전술한 접합 방법을 더욱 발전시켜 세라믹스, 금속, 또는 금속이 매설된 세라믹스로 이루어지는 한쪽 부재와 세라믹스, 금속 또는 금속이 매설된 세라믹스로 이루어지는 다른쪽 부재와의 사이에 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 결합재를 삽입시키고, 0.0001 torr 이하의 압력의 분위기 속에서 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스가 용융되는 온도로 한쪽 부재, 결합재 및 다른쪽 부재를 열처리함으로써 양자를 접합할 수 있다는 것을 발견하였다.
이 경우에 있어서도, 금속 매트릭스-세라믹스 복합체, 한쪽 부재 및 다른쪽 부재를 직접 접촉시킨 상태로 열처리할 수 있다. 또는, 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스의 주성분을 70 mol% 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 중간재를 한쪽 부재와 결합재 사이 및/또는 다른쪽 부재와 결합재와의 사이에 추가적으로 삽입시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제조 방법에 의해 얻어진 것을 특징으로 하는 접합체에 관한 것이다.
상술한 바와 같이, 금속 매트릭스-세라믹스 복합체의 금속 매트릭스가 용융되는 온도로 열처리함으로써 접합 계면에서 이물이 적거나 또는 이물이 검출되지 않는 접합체를 얻을 수 있다. 이 접합 부분은 내열성이 높고, 또한 무른 성질(脆性)이 없으며, 접합 강도가 높기 때문에 통전 사이클 또는 열 싸이클을 반복하여 인가했을 때의 내구성이 높다.
이러한 접합을 얻을 수 있는 이유는 접합시의 잔류 응력이나 통전 사이클에 따른 응력이 세라믹스 입자와 매트릭스 금속의 입계(grain boundaries)의 미끄러짐에 의한 재배열이나 금속 매트릭스의 국소적 소성 변형에 의해 분산되고 완화되기 때문으로 생각된다.
본 발명의 반도체 지지 장치는 Si 웨이퍼를 미세 가공하기 위한 가공 장치에 한정되지 않고, 액정 패널, 마이크로머신, 태양 전지 등을 제조하기 위한 장치를 포함한다. 반도체 지지 장치로서는 발열체, 정전척용 전극, 고주파 발생용 전극이 매설되는 서셉터와, 이 서셉터에 접합되는 샤프트나 백보드를 구비하는 장치를 예시할 수 있다.
본 발명을 반도체 지지 장치의 단자의 접합에 적용함으로써, 특히 통전 사이클 내성이 우수한 서셉터류를 제공할 수 있다. 바람직하게, 절연성 재료는 열전도율이 20 W/m·K 이상의 세라믹스로 이루어진다. 또한, 단자가 도전성이라는 것은 서셉터의 고주파 전극 단자, 히터 단자, 정전척용 단자로서 기능할 수 있는 정도의 도전성을 갖는 것을 뜻한다. 구체적으로, 예컨대 체적 저항율이 0.001 Ω·cm 이하인 것이 좋다.
또한, 기판에 막힌 구멍 내지 오목부를 형성하고, 이 오목부 속에 단자를 수용하며, 단자를 기판에 접합할 때에는 상기 복합체가 땜납 접합시에 용융된 땜납을 적절히 흡수하거나 또는 땜납재의 부족분을 공급하는 완충 효과를 갖는 것을 알 수 있었다. 따라서, 단자 주변의 필렛의 형상을 적절한 것으로 할 수 있기 때문에 생산시의 땜납재의 미소한 과다, 과소에 기인하는 접합 상태의 변동을 억제할 수 있다.
특히, 바람직하게는 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 단자를 고주파 전극 단자로서 사용한다. 이 이유를 기술한다. 금속으로 이루어지는 고주파 전극 단자를 사용한 경우, 고주파 전류는 단자의 표면 근방이 제한된 장소를 따라 흐르기 때문에 실질적인 전기 저항이 높아지거나 또는 국부 발열 등의 원인이 된다. 상기 금속 매트릭스-세라믹스 복합체는 전기적으로 보면, 도전성 물질의 세선을 묶은 것에 가깝고, 고주파 전류는 각 세선으로 분산되어 흐르기 때문에, 고주파 전류가 흐르는 영역의 유효 단면적이 금속 단자의 경우보다 커져 양호한 통전성을 얻을 수 있었던 것으로 생각된다.
상기 금속 매트릭스-세라믹스 복합체는 그 특징인 내마찰성에 따른 낮은 입자성도 얻을 수 있기 때문에 전극 단자뿐만 아니라 고정 단자 등에도 적합하다.
상기 복합체를 구성하는 금속 매트릭스는 알루미늄이 주성분인 것이 특히 바람직하지만, 이것은 접합 온도를 비교적 낮게 할 수 있는 데다가 알루미늄 자체가 부드러운 금속이기 때문이다. Al 이외에는 Mg, In, Sn, Pb, Bi가 바람직하다.
상기 복합체 중 세라믹스 입자의 배합량은 적절히 선택하면 좋지만, 20 내지 80%가 목표이다. 세라믹스 입자가 지나치게 적거나 지나치게 많아도 완충 효과가 작아진다. 세라믹스 입자의 입도 분포는 넓게 분포되는 쪽이 바람직하다. 2가지 형태의 입도 분포도 좋다. 이것은 금속 매트릭스중의 충전 효율을 높일 뿐만 아니라, 어느 정도 불균일한 미세 구조 쪽이 완충 효과가 높아지기 때문이다.
상기 복합체를 구성하는 세라믹스의 열팽창 계수는 접합 대상인 세라믹스와 동일한 정도이거나 또는 그 이하인 것이 바람직하다. 예컨대, 세라믹스 부재가 AlN이나 알루미나인 경우는 배합 입자에 AlN, 알루미나, SiC, SiO2를 선택할 수 있다.
상기 복합체를 구성하는 세라믹스는 특히 알루미늄계 세라믹스가 바람직하고, 알루미나, 질화알루미늄이 한층 더 바람직하다.
상기 복합체를 제조하는 방법은 한정되지 않지만 이하의 방법이 적합하다. 예컨대, 소정의 세라믹스 입자를 이소프로판올 등의 용매에 분산시킨 후, 액상 아크릴 공중합물 바인더 등의 유기 바인더와 혼합시켜 대형 포트 밀(Pot mill)로 2-40 시간 교반 혼합하여 슬러리를 형성한다. 그 후, 슬러리를 방폭형 스프레이 드라이기를 이용하여 입자 지름 30-100 μm로 조립(造粒)한다. 계속해서, 조립 분말을 소정의 금형에 넣어, 유압 프레스기 등에 의해 200-7000 kgf/cm2의 압력으로 가압 성형한 후 탈지함으로써 예비 성형품을 제조한다.
또, 유기 바인더에 의해 슬러리를 제조하는 대신에 세라믹스 입자에 에탄올등을 분무로 혼합시킨 분말을 얻고, 이것을 상기한 바와 동일하게 가압 성형함으로써 예비 성형품을 제조할 수도 있다.
상기 예비 성형품에 소정의 금속 매트릭스를 침투시킨다. 이 때에는 예컨대, 자발 침투법, 가압 침투법, 진공 침투법을 채용할 수 있다. 특히, 바람직하게는 알루미늄 합금 속에 마그네슘, 티탄, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 활성 금속을 첨가하여 비가압 금속 침투법으로 알루미늄 합금의 매트릭스를 예비 성형품의 공동 속으로 침투시키고, 매트릭스와 예비 성형품을 구성하는 세라믹스와의 계면에 질화알루미늄을 생성시킴으로써 세라믹스와 매트릭스와의 습윤성을 양호하게 한다.
어느쪽 발명에 있어서도 중간재를 사용하는 경우에는 복합체의 금속 성분보다 용융 온도가 낮은 금속으로 이루어지는 중간재를 사용하는 것이 바람직하다. 이 용융 온도의 차는 금속 매트릭스의 용융보다도 중간재의 용융이 선행되도록 하면 좋지만, 양쪽의 차가 15℃ 이상인 것이 특히 바람직하다. 따라서, 접합체 전체의 보형성이 향상된다.
상기 중간재는 시트 형상인 경우에도 분말 또는 접합재도 가능하다.
상기 중간재를 삽입하는 쪽이 접합 계면이 경사적 구조로 되기 쉽기 때문에 바람직하다. 상기 중간재의 두께는 0.05 mm∼0.5 mm가 바람직하고, 그 두께가 얇으면 작업성이 저하하여 한 지점으로 굳어지는 등의 문제가 발생하기 쉽게 되며,그 두께가 지나치게 두꺼우면 순수하게 합금과 세라믹스와의 접합체에 가깝게 되어 상기 복합체의 효과를 쉽게 얻을 수 없게 된다. 상기 복합체는 금속과 세라믹스와의 완충재로서 사용하여도 좋고 복합체 그 자체를 단자로서 사용하여도 좋다. 어느 쪽의 경우도 복합체가 지나치게 얇으면 그 완충 효과가 약해지기 때문에 복합체의 두께를 0.5 mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
상기 중간재는 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스의 주성분을 70 mol% 이상 함유한다. 따라서, 상기 중간재의 적합한 형태는 알루미늄 함유량이 70 mol% 이상인 알루미늄 합금으로 이루어진다. 이 경우에는 중간재의 알루미늄의 함유량이 70 mol% 미만이면 나머지 금속 원소와 매트릭스 중의 알루미늄 혹은 알루미늄 합금이 합금화되거나 또는 금속간 화합물을 생성하여 약해지는 원인이 된다.
특히, 바람직하게는 중간재 속에는 마그네슘, 티탄, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 활성 금속(특히, 바람직하게는 마그네슘)을 1 mol% 이상, 10 mol% 이하 함유한다.
상기 중간재의 활성 금속의 비율을 1 mol% 이상으로 함으로써 기재 중의 금속 성분이나 강화재와의 친화성이 향상되어 침투하기 쉽게 된다. 상기 활성 금속의 비율을 10 mol% 이하로 함으로써 약해지는 원인이 되는 금속간 화합물 등의 국소적인 생성을 억제할 수 있다.
또, 상기 중간재 중의 주성분 금속의 함유량은 중간재의 전 함유량을 100 mol%로 한 경우, 활성 금속 성분의 함유량 및 후술하는 제3 성분의 함유량의 합계를 100 mol%에서 뺀 나머지이다.
상기 중간재 속에는 주성분이 되는 금속(바람직하게는 알루미늄)과 활성 금속은 별도로 제3 성분을 함유할 수 있다. 상기 제3 성분으로서 규소 또는 붕소를이용하는 것이 주성분에 영향을 주지 않는 점에서 바람직하다. 이러한 제3 성분의 작용은 융점의 강하이다. 동일한 온도에서 제3 성분을 첨가함으로써 중간재의 유동성이 좋아지며, 상기 제3 성분의 함유 비율은 1.5-10 mol%로 하면 더욱 바람직하다.
더욱 적합한 형태로서는 중간재를 구성하는 합금은 마그네슘을 1-6 mol% 함유하고, 규소를 1.5-10 mol% 함유하는 알루미늄 합금이다.
또한, 접합에 있어서 세라믹스 부재 내지 기판의 접합면과 복합체와의 사이에 마그네슘, 티탄, 니켈, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 금속으로 이루어지는 막을 스퍼터, 증착, 마찰 압접, 도금 등의 방법으로 설치할 수 있다. 또한, 접합에 있어서 세라믹스 부재 또는 기판의 접합면과 복합체와의 사이에 마그네슘, 니켈, 티탄, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 금속으로 이루어지는 박(箔)을 삽입시킬 수 있다.
단자가 도전성 세라믹스로 이루어지는 경우 도전성 세라믹스로는 TiB2, B4C, TiC, 카본이 바람직하다.
또한, 열처리 전에 세라믹스 부재 또는 기판의 접합면을 산 용액 또는 알칼리 용액으로 세정함으로써 각 접합면 상의 산화막과 질화막 중 적어도 한쪽을 제거하는 것이 바람직하다. 이러한 산화막 또는 질화막이 접합 계면에 잔류하면 중간재나 매트릭스가 접합 계면을 횡단하여 기재 속으로 침투해 나가는 것을 저해할 우려가 있다.
열처리시의 분위기는 각 기재의 표면의 산화, 질화를 방지하는 데 유효한 정도로 고진공일 필요가 있기 때문에 1×10-4Torr 이하이다. 한편, 열처리시의 금속성분의 증발을 방지한다고 하는 관점에서는 1×10-7Torr 이상인 것이 바람직하다.
금속 매트릭스를 용융시키기 위한 열처리 온도는 금속의 융점 이상이지만, 융점보다도 20℃ 이상 높은 것이 바람직하다. 또한, 세라믹스로의 손상을 억제하기 위해서는 금속의 융점과 열처리 온도와의 차는 50℃ 이하인 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일실시 형태에 따른 단자(1)의 접합전의 상태를 도시한다. 서셉터의 기판(2)에는 설치면(2f), 배면(2e)이 설치되고, 상기 배면(2e)측에는 수용 구멍(2a)이 형성되어 있다. 상기 수용 구멍(2a) 속에는 단자(1)가 수용되어 있고, 상기 단자(1)는 금속, 도전성 세라믹스 또는 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어진다. 상기 기판(2) 속에는 소정의 전극(5)이 매설되어 있고, 상기 전극(5)의 일부(5a)가 수용 구멍 내에 노출되어 있다. 상기 단자(1)에는 나사 구멍(1b)과 오목부(1a)가 설치되어 있다. 상기 단자(1)의 저면(1C)과 수용 구멍(2a)의 저면(2b)과의 사이에는 금속 매트릭스 세라믹스 복합체로 이루어지는 시트형 결합재(3)와 중간재(4)가 삽입되어 있다.
이 상태에서 열처리를 행함으로써 도 2의 접합체를 얻는다. 상기 단자(1)의 저면(1c)이 수용 구멍(2a)의 저면(2b)에 대하여 결합재(32) 및 접합층(13)에 의해 접합되어 있다. 여기서, 결합재(32)는 열처리 전의 시트형 결합재(3)의 미세 구조를 거의 고정시키고 있다. 상기 접합층(13)은 열처리 전의 중간재의 용융에 의해 발생하고 있다. 단, 결합재(32)를 구성하는 금속 매트릭스(15)의 일부는 하측을 향하여 유출되어 접합층(13)쪽으로 유입되며 양쪽의 이음매가 소실되어 있다. 상기 접합층(13)의 금속 매트릭스는 기판(2)에 대해서도 납땜 작용으로 접합되지만, 전극의 노출부(5a)에 대해 보다 강고하게 결합하는 경향이 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 단자(11)의 접합 전의 상태를 도시한다. 수용 구멍(2a) 속에는 단자(11)가 수용되고, 상기 단자(11)에는 나사 구멍(11b)과 오목부(11a)가 설치되어 있다. 본 예의 단자(11)는 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어진다. 상기 단자(11)의 저면(11c)과 수용 구멍(2a)의 저면(2b)과의 사이에는 중간재(4)가 삽입되어 있다. 이 상태에서 열처리를 행한다.
도 4는 열처리 후의 단자의 접합 부분의 구조의 일례를 도시한다. 단자(11)의 상부(11e)는 열처리 전과 비교하여 거의 변화되지 않으며, 그 하부(11d)는 열처리 후에 복합재 영역(12)에 거의 대응한다. 단, 상기 복합재 영역(12)과 접합층(13)과의 이음매는 소실되어 있다. 상기 복합재 영역(12)은 상대적으로 세라믹스 입자(14)가 조밀하고, 접합전의 복합체의 미세 구조를 남기고 있다. 한편, 상기 접합층(13)에서는 복합체를 구성하는 금속 매트릭스의 용출에 의해, 또 필요에 따라 설치한 중간재의 용융에 의해 금속 매트릭스(15)가 주류를 차지하고 세라믹스 입자(14)는 상대적으로 적다. 이 금속 매트릭스(15)는 전극(5)의 노출 부분(5a)을 향해 강고히 결합하는 경향이 있다.
도 5의 예에서, 소위 커버 플레이트(16 : 다른쪽 부재)에 대해 2개의 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 제조된 고정 단자(17 : 한쪽 부재)가 접합되어 있다. 도면 부호 "16a, 17a"는 각각 관통 구멍이다.
도 6의 예에서, 상기 복합체로 제조된 평판(19)을 통해 예컨대 질화알루미늄으로 제조된 원반 형상의 서셉터(18 : 한쪽 부재)와 알루미나로 제조된 기반(20 :다른쪽 부재)이 접합된다.
(접합 실험 1)
평균 입자 지름 25 μm의 질화알루미늄 입자를 이소프로판올 용매 속에 분산시키고, 액상 아크릴 공중합물 바인더를 첨가하여 대형 포트 밀에서 4시간 교반 혼합시켜 슬러리를 얻었다. 이 슬러리를 방폭형 스프레이 드라이기로 조립시켜 입자 지름 약 150 μm의 구형 조립 분말을 얻었다. 이 조립 분말을 소정의 금형에 충전하고, 유압 프레스를 이용하여 200 kgf/cm2의 압력으로 1축 가압 성형하여 직경 "380 mm", 두께 "30 mm"의 대형 예비 성형품을 제조하였다.
상기 예비 성형품을 충분히 건조하고 탈지시킨 후, 알루미늄 합금(알루미늄 92.6 mol%, 마그네슘 5.5 mol%, 실리콘 1.9 mol%) 융액(融液)에 질소 -1% 수소 분위기, 1.5 기압의 압력하에 900℃에서 24시간 접촉시키고, 비가압 금속 침투법으로 알루미늄을 함침시켜 예비 성형품을 융액으로부터 끌어 올려 복합체를 얻었다. AlN 입자의 배합량은 70%이다. 이것에 의해, 치수 20×20×20 mm의 복합체 시료를 얻었다. 또한, 치수 20×20×20 mm의 순도 99.9%의 질화알루미늄 소결체 시료를 제조하였다.
복합체 시료와 AlN 소결체 시료와의 각 접합 단부면을 모두 #800의 숫돌로 연삭하였다. 계속해서, 각 연삭면을 아세톤 및 이소프로필알콜로 세정한 후, 70℃의 30% 암모니아수로 10분간 세정하였다. 치수 "20×20×0.1 mm"로 압연한 Al-10 Si-1.5 Mg 합금 시트를 복합체 시료와 AlN 소결체 시료와의 사이에 1장 삽입하여 준비하였다. 또한, 20×20×10 mmt의 카본 블록과 20×20×50 mmt의 Mo 블록을 중첩시켜 세트하고, 3×10-5Torr 이상의 진공 속에서 640 ℃까지 승온시켜 10분 유지한 후 로내에서 냉각시켰다. 「JIS R1601」에 따라 접합체의 4점 굽힘 강도를 측정한 결과 170 MPa였다.
도 7, 도 8은 복합체와 AlN 소결체 시료와의 접합 계면의 2차 전자상을 나타낸 사진이다.
(접합 실험 2)
각 연삭면을 암모니아수로 세정한 후, AlN 소결체 시료의 연삭면에 Ni 도금을 행하였다. 그 이외에는 실험 1과 동일하게 하였다. 굽힘 강도는 80 MPa였다.
(접합 실험 3)
금속 매트릭스-세라믹스 복합체로서 평균 입자 지름 70 μm의 SiC 입자와 알루미늄 합금을 비가압 침투법으로 복합시켜 얻은 블록형의 시료를 이용하였다. SiC의 배합량은 70%이다. 그 밖에는 실험 1과 동일하였다. 굽힘 강도는 80 MPa였다.
(접합 실험 4)
각 연삭면을 암모니아수로 세정한 후 AlN측에 Ni 도금을 행하였다. 그 밖에는 실험 3과 동일하다. 굽힘 강도는 100 MPa였다.
(접합실험 5)
Al-10 Si-1.5 Mg 합금 시트를 삽입시키지 않고, 복합체와 AlN 소결체를 직접 접촉시켰다. 그 밖에는 실험 3과 동일하다. 굽힘 강도는 50 MPa였다.
(접합 실험 6)
Al-10 Si-1.5 Mg 합금 시트를 삽입시키지 않고, AlN 소결체 시료를 직접 접촉시켰다. 그 밖에는 실험 4와 동일하다. 굽힘 강도는 70 MPa였다.
(접합 실험 7)
AlN 소결체 시료 대신에 99.5% 알루미나를 이용하였다. 그 이외에는 실험 2와 동일하다. 굽힘 강도는 110 MPa였다.
(접합 실험 8)
AlN 소결체 시료 대신에 99.6% 알루미나를 이용하였다. 그 이외에는 실험 4와 동일하다. 굽힘 강도는 130 MPa였다.
(접합 실험 9)
금속 매트릭스-세라믹스 복합체 대신에 동일한 치수의 Fe-50.5 Ni 합금을 이용하였다. 그 이외에는 실험 1과 동일하다. 굽힘 강도는 35 MPa였다.
또, 각 복합체 시료 또는 Fe-50.5 Ni 합금 시료의 밀도, 열팽창 계수, 실온에서의 세로 탄성 계수를 표 1에 나타낸다.
(접합 실험 10)
접합 실험 2에서, 금속 매트릭스-세라믹스 복합체 시료의 치수를 20 mm×20 mm×4 mm로 하고, AlN 소결체 시료의 치수를 20 mm×20 mm×18 mm로 하였다. 복합체 시료의 AlN 소결체 시료와의 접합면의 반대측에는 Al-10 Si-1.5 Mg 합금 시트를 사이에 끼우고, 치수 "20 mm×20 mm×18 mm"의 몰리브덴 시료를 접합하였다. 그 밖에는 실험 2와 동일하게 하여 접합하였다. 얻어진 접합체의 굽힘 강도는 90 MPa였다.
금속 메트릭스-세라믹스 복합체 Fe-50.5Ni
AI-AIN AI-SiC
밀도 g/㎤ 3.1 3.1 8.3
열팽창계수 ppm/K(40-500℃) 10.3 8.3 9.9
실온에서의 세로탄성계수 200 250 160
(단자의 접합 실험 A)
도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 하여 단자(1)를 기판(2)에 접합하였다. 구체적으로, 도 9에 모식적으로 도시하는 서셉터를 제조하여 도 8에 도시한 바와 같이 하여 평가하였다. 고주파 전극과 정전척 전극을 겸한 Mo 메쉬(5)와 발열 소자로서의 Mo 코일(25)을 순도 99.9%의 AlN의 성형체 내에 매설하고, 이것을 소결하여 정전척 히터를 얻었다. 상기 Mo 메쉬(5)에는 1개의 고주파 전극 단자(1)를 설치하고, Mo 코일에는 2개의 전극 단자(22)를 설치하였다. 도면 부호 "25a"는 코일의 노출 부분이다.
어느 쪽의 전극 단자(1, 22)나 접합 실험 1에서 이용한 금속 매트릭스-세라믹스 복합체에 의해 형성하였다. 도 1과 같이 Mo 메쉬(5)를 5a와 같이 노출시킨 둥근 구멍(2a)의 저부(2b)의 위에 직경5 mm×0.2 mm의 합금 시트(4 : Al-10 Si-2 Mg), 직경5 mm×1.3 mm로 가공한 시트형 결합재(3 : 접합 실험 1에서 이용한 금속 매트릭스-세라믹스 복합체에 의해 형성한 판) 및 직경7 mm×7mm의 전극 단자 순으로 배치하였다. 상기 전극 단자와 합금 시트는 아세톤 및 이소프로필알콜에 의해 세정하였다. 상기 복합체판(3) 및 수용 구멍의 저부는 아세톤, 이소프로필알콜로 세정한 후, 70℃의 30% 암모니아수로 세정하였다. 상기 전극 단자(1) 위에 20×20×50 mmt의 Mo 블록을 중첩시켜 설정하였다. 코일 쪽의 전극 단자도 동일하게 설정하였다. 3×10-5Torr 이하의 압력의 진공 속에서 640℃까지 승온시켜 10분 동안 유지하고 로내에서 냉각시켰다. 도면 부호 "23, 24"는 내열 벽돌이며, 26은 실리콘 웨이퍼이다.
얻어진 정전척 히터를 진공 챔버(28)에 장착하고, 고주파 전극 단자(1)에는 RF 전원(29)을 접속하며, 전극 단자(22)에는 사이리스터 제어에 의한 교류 전원(30)을 접속하였다. 도면 부호 "27"은 고주파 전극이다. 압력 0.1 torr의 아르곤 속에서 승온 속도 20℃/min로 승온시켜 400℃에서 10분간 유지한 후, 전원을 오프하여 방냉(放冷)하였다. 100℃까지 식힌 후, 다시 승온 및 유지를 반복하였다. 이 사이클을 50 사이클 반복하였다. RF는 400℃로 유지한 때에만 인가하였다.
시험 종료 후에 각 단자 부근의 단면 관찰을 행하여 균열 등의 문제가 없는 것을 확인하였다.
(단자의 접합 실험 B)
단자의 접합 실험 "A"에서, 3개의 전극 단자(1, 22)를 몰리브덴으로 형성하였다. 또한, 몰리브덴으로 제조된 단자와 수용 구멍의 저부와의 사이에 직경 5 mm, 두께 2 mm의 원판 형상의 복합체판(접합 실험 1에서 이용한 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 형성한 판)을 삽입시켰다. 상기 단자와 복합체판과의 사이, 복합체판과 수용 구멍의 저부와의 사이에는 각각 직경 5 mm×두께 0.2 mm의 합금 시트(Al-10 Si-1.5 Mg)를 삽입하였다. 그 밖에는 단자의 접합 실험 "A"와 동일하게 정전척 히터를 제조하여, 상기한 50 사이클의 열 싸이클 시험에 이용하였다. 이 후, 각 단자 부근의 단면 관찰을 행한 결과 균열 등의 문제는 없었다.
(단자의 접합 실험 C)
다음에, 3개의 전극 단자(1, 22)를 금속 매트릭스-세라믹스 복합체가 아닌 접합 시험 "9"에서 이용한 Fe-50.5 Ni 합금으로 형성하였다. 그 밖에는 실험 "A"와 동일하게 정전척 히터를 제작하여 동일한 시험을 행하였다. 이 결과, 29 사이클째에서 RF 전극 단자(1)가 빠져 인가할 수 없게 되었다. 그 후, 히터만 통전 사이클을 반복하여 50 사이클 종료 후, 상기 전극 단자(22) 부근의 단면 관찰을 행한 결과 접합부 부근에 균열이 있는 것을 확인하였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 절연성 재료로 이루어지는 기판과, 상기 기판 속에 매설되어 있는 도전성 부재와, 이 도전성 부재에 접속되어 있는 단자를 구비하고 있는 반도체 지지 장치에 있어서, 절연성 재료와 단자와의 접합부의 통전 사이클에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 세라믹스, 금속 또는 금속이 매설된 세라믹스에 대해 접합하는 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 세라믹스나 금속으로 이루어지는 한쪽 부재를 세라믹스 또는 금속으로 이루어지는 다른쪽 부재에 접합하기 위한 새로운 접합 방법을 제공할 수 있다.

Claims (19)

  1. 절연성 재료로 이루어지는 기판과,
    상기 기판 속에 매설되어 상기 기판 내의 수용 구멍을 통해 노출된 도전성 부재와,
    상기 도전성 부재에 상기 수용 구멍을 통해 접속되고, 도전성을 갖는 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 지지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단자는 상기 도전성 부재에 고주파 전압을 인가하기 위한 고주파 전극 단자인 반도체 지지 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연성 재료는 열전도율이 20 W/m·K 이상인 세라믹스로 이루어지는 반도체 지지 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속의 주성분이 알루미늄인 반도체 지지 장치.
  5. 반도체 지지 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    절연성 재료로 구성되고, 도전성 부재의 일부가 외부로 노출되도록 매설되는 기판을 제조하는 단계와;
    금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 단자를 제조하는 단계와;
    상기 단자를 도전성 부재의 노출 부분과 접촉시키는 단계와;
    0.0001 torr 이하의 압력 분위기 속에서 상기 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스가 용융되는 온도로 상기 기판 및 단자를 열처리함으로써, 상기 단자를 기판 및 도전성인 부재와 접합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 지지 장치의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기판과 상기 단자와의 사이에 중간재를 삽입시키고, 상기 중간재가 상기 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스의 주성분을 70 mol% 이상 함유하는 합금으로 이루어지며, 0.0001 torr 이하의 압력의 분위기 속에서 상기 금속 매트릭스 및 상기 합금이 용융되는 온도에서 상기 기판, 단자 및 중간재를 열처리함으로써, 상기 단자를 상기 기판에 접합하는 반도체 지지 장치의 제조 방법.
  7. 절연성 재료로 이루어지는 기판과,
    상기 기판 속에 매설되어 상기 기판 내의 수용 구멍을 통해 노출된 도전성 부재와,
    상기 도전성 부재에 상기 수용 구멍을 통해 접속되고, 금속 또는 도전성 세라믹스로 이루어지는 단자와,
    상기 단자와 상기 기판 사이에 삽입되어, 상기 단자와 상기 기판에 접합되며, 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 결합재를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 지지 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 절연성 재료는 열전도율이 20 W/m·K 이상인 세라믹스로 이루어지는 반도체 지지 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속의 주성분이 알루미늄인 반도체 지지 장치.
  10. 반도체 지지 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    절연 재료로 구성되고, 도전성 부재의 일부가 외부로 노출되도록 매설되는 기판을 제조하는 단계와;
    금속 또는 도전성 세라믹 재료로 이루어지는 단자를 제조하는 단계와;
    상기 단자와 기판과의 사이에 삽입되고 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 결합재를 통해 상기 단자를 기판과 접촉시키는 단계와;
    0.0001 torr 이하의 압력 분위기 속에서 상기 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스가 용융되는 온도로 상기 기판, 결합재 및 단자를 열처리함으로써, 상기 결합재를 단자 및 기판과 접합하고, 상기 단자를 도전성 부재와 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 지지 장치의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 기판과 상기 결합재와의 사이에 중간재를 삽입시키고, 상기 중간재가 상기 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스의 주성분을 70 mol% 이상 함유하는 합금으로 이루어지며, 0.0001 torr 이하의 압력의 분위기 속에서 상기 금속 매트릭스 및 상기 합금이 용융되는 온도로 상기 기판, 결합재, 중간재 및 단자를 열처리하는 반도체 지지 장치의 제조 방법.
  12. 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 한쪽 부재와 세라믹스, 금속, 또는 금속이 매설되는 세라믹스로 이루어지는 다른쪽 부재를 접합하여 접합체를 제조하는 방법에 있어서,
    0.0001 torr 이하의 압력 분위기 속에서 상기 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스가 용융되는 온도로 상기 한쪽 부재 및 다른쪽 부재를 열처리하는 것을 특징으로 하는 접합체의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 한쪽 부재와 상기 다른쪽 부재와의 사이에 중간재를 삽입시키고, 상기 중간재가 상기 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스의 주성분을 70 mol% 이상 포함하는 합금으로 이루어지며, 0.0001 torr 이하의 압력 분위기 속에서 상기 합금이 용융되는 온도로 상기 한쪽 부재, 중간재 및 다른쪽 부재를 열처리하는 접합체의 제조 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 다른쪽 부재는 금속이 매설되는 세라믹스로 이루어지고, 상기 다른쪽 부재의 표면에 금속이 노출되며, 상기 한쪽 부재가 상기 다른쪽 부재를 구성하는 상기 세라믹스 및 노출된 금속에 접합되는 접합체의 제조 방법.
  15. 삭제
  16. 세라믹스, 금속 또는 금속이 매설되어 있는 세라믹스로 이루어지는 한쪽 부재와 다른쪽 부재를 서로 접합하여 접합체를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 한쪽 부재와 상기 다른쪽 부재와의 사이에 금속 매트릭스-세라믹스 복합체로 이루어지는 결합재를 삽입시키고, 0.0001 torr 이하의 압력 분위기 속에서 상기 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스가 용융되는 온도로 상기 한쪽 부재, 다른쪽 부재 및 결합재를 열처리하는 것을 특징으로 하는 접합체의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 다른쪽 부재는 세라믹스 또는 금속이 매설되어 있는 세라믹스로 이루어지고, 상기 다른쪽 부재와 결합재 사이에 중간재를 삽입시키고, 상기 중간재가 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스의 주성분을 70 mol% 이상 포함하는 합금으로 이루어지며, 상기 금속 매트릭스-세라믹스 복합체를 구성하는 금속 매트릭스가 용융되는 온도로 상기 한쪽 부재, 다른쪽 부재, 결합재 및 중간재를 열처리하는 접합체의 제조 방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 다른쪽 부재는 금속이 매설되어 있는 세라믹스로 이루어지고, 상기 다른쪽 부재의 표면에 금속이 노출되며, 상기 한쪽 부재가 상기 다른쪽 부재를 구성하는 세라믹스 및 노출된 금속에 접합되는 접합체의 제조 방법.
  19. 삭제
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