KR19980070688A

KR19980070688A - 세라믹 부재와 전력 공급용 커넥터의 접합 구조체

Info

Publication number: KR19980070688A
Application number: KR1019980001838A
Authority: KR
Inventors: 우시코시류스케; 츠루다히데요시; 후지이도모유키
Original assignee: 시바타마사하루; 니뽄가이시가부시키가이샤
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 1998-10-26
Also published as: KR100279650B1; EP0855764B1; JP3790000B2; DE69822533D1; EP0855764A3; EP0855764A2; DE69822533T2; TW367531B; JPH10209255A; US5995357A

Abstract

금속 부재가 매설되어 있는 세라믹 부재와 전력 공급용 커넥터의 접합 구조체로서, 산화성 분위기하에서 고온이라든지 열 사이클에 노출되어도 높은 접합 강도와 양호한 도통 성능을 유지할 수 있다.

세라믹 부재(1)에는 구멍(4)이 설치되어 있다. 금속 부재(5)의 일부가 구멍(4)에 노출되어 있다. 구멍(4)내에 관형 분위기 차폐 부재(9)가 삽입되어 있다. 분위기 차폐 부재(9)의 내측에 전력 공급용 커넥터(8)와 응력 완화용의 저열 팽창 도체(7)가 삽입되어 있다. 분위기 차폐 부재(9)와 커넥터(8)가 접합되어 있다. 저열 팽창 도체(7) 및 분위기 차폐 부재(9)는 금속 부재(5)에 대응하여 접합되어 있다. 바람직하게는, 분위기 차폐 부재(9)와 커넥터(8)가 납재에 의해서 기밀하게 접합되어 있고, 저열 팽창 도체(7) 및 분위기 차폐 부재(9)는 금속 부재(5)에 대응하고 납재에 의해서 기밀하게 접합되어 있다.

Description

세라믹 부재와 전력 공급용 커넥터의 접합 구조체

본 발명은, 세라믹 부재와 전력 공급용 커넥터의 접합 구조체에 관한 것이다.

현재, 반도체 웨이퍼의 반송, 노광, CVD와 스퍼터링 등의 성막 공정, 미세가공, 세척, 에칭, 다이싱(dicing) 등의 공정에서, 반도체 웨이퍼를 흡착하고 유지하기 위해서 정전척(electrostatic chuck)이 사용되고 있다. 이러한 정전척의 기재로서, 조밀질 세라믹이 주목되고 있다. 특히 반도체 제조 장치에 있어서는, 에칭 가스라든지 세정 가스로서 ClF₃등의 할로겐계 부식성 가스를 다용한다. 또한, 반도체 웨이퍼를 유지하면서 급속히 가열하고 냉각시키기 위해서는, 정전척의 기재가 높은 열전도성을 구비하는 것이 요망된다. 또한, 급격한 온도 변화에 의해서 파괴되지 않는 내열충격성을 구비하는 것이 요망된다. 조밀한 질화 알루미늄 및 알루미나는 상기와 같은 할로겐계 부식성 가스에 대하여 높은 내식성을 구비하고 있다.

또한, 반도체 제조 장치의 분야에서 플라스마를 발생시키기 위한 고주파 전극을 내장한 수용기(susceptor)가 실용화 되고 있지만, 이러한 고주파 전력 발생 장치의 분야에 있어서도 질화 알루미늄이라든지 조밀질 알루미나 기재중에 금속 전극을 매설하고 있다. 또한, 반도체 제조 장치의 분야에서, 각 공정중 웨이퍼의 온도를 제어하기 위해서, 질화 알루미늄이라든지 알루미나 기재 중에 금속 저항기를 매설한 세라믹 히터도 실용화 되어 있다.

이들 각 장치에 있어서, 질화 알루미늄등의 세라믹 기재 중에 금속 전극을 매설하여, 외부의 전력 공급용 커넥터에 대하여 금속 전극을 전기적으로 접속할 필요가 있다. 그러나, 이러한 접속 부분은 산화성 분위기 하에서, 또한 부식성 가스 분위기 하에서, 대단한 고온과 저온의 열순환에 노출된다. 이러한 악조건 하에서도, 장기간 높은 접합 강도와 양호한 전기적 접속을 유지하는 것이 필요하다.

본 발명자는 이러한 접속 구조체에 관해서 연구를 계속하여 왔다. 예컨대, 일본 특허 출원 평8―24835호 명세서에는, 전력 공급용 커넥터의 선단 부와 수용기 속의 금속 전극을, 높은 내식성의 합금납, 구리 합금납, 니켈 합금납에 의해 접합하는 것이 공지되어 있다. 또한, 일본 특허 출원 평8―24836호 명세서에는, 메쉬(mesh) 형상 내지는 망형의 금속 전극을 A1N 세라믹내에 매설시키어, 그물의 일부를 노출시키고, 그물의 노출 부분과 AlN 세라믹의 쌍방을 전력 공급용 커넥터의 선단면에 납땜하는 것이 공지되어 있다.

이들 명세서에 있어서는, 할로겐계 부식성 가스 및 그 플라스마에 대하여 높은 내식성을 이용하는 납땜 방법을 제안하고 있지만, 커넥터와 금속 전극과의 접속 구조에 있어서, 산화성 분위기 하에서 고온이라든지 열순환에 노출되더라도, 높은 접합 강도와 양호한 도통 성능을 유지하는 특정한 접합 구조체는 아직 상세히 검토되고 있지 않다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접합 구조체의 단면도.

도 2는 금속 전극(3) 및 분말 소결체의 성형체(11)가 매설되어 있는 성형체(10)를 도시한 단면도.

도 3의 (a)는 플라스마 발생용 전극 장치(1)의 일부분을 파단하여 도시한 사시도이고, (b)는 금속망 내지 금속 메쉬로 이루어지는 망형 전극(3)을 도시한 사시도.

도 4의 (a), (b) 및 (c)는 세라믹 부재 내에 매설할 수 있는 금속 전극의 바람직한 실시예를 도시한 사시도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 접합 구조체를 도시한 단면도.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 접합 구조체를 도시한 단면도.

도 7은 조밀체(32)를 기재중에 매설한 실시예의 접합 구조체를 도시한 단면도.

도 8은 산화성 피막(35)을 구비하고 있는 분위기 차폐 부재(33)를 사용한 실시예의 접합 구조체를 도시한 단면도.

도 9는 산화성 피막(35)을 구비하고 있는 분위기 차폐 부재(37)를 사용한 실시예의 접합 구조체를 도시한 단면도.

도 10의 (a), (b) 및 (c)는 분위기 차폐 부재(33, 37)의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도.

도 11은 비교예의 접합 구조체를 도시한 단면도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 플라스마 발생용 전극 장치(세라믹 부재 내지 수용기(susceptor))

2 : 세라믹 기재

2a : 반도체 웨이퍼 설치면

2b : 기재(2)의 배면

3 : 망형의 금속 전극(금속 부재의 일례)

4, 22 : 구멍

5 : 분말 소결체(금속 부재의 한쪽 면)

6A, 6B, 6C, 6D : 도전성 접합층

7 : 저열 팽창 도체

8 : 전력 공급용 커넥터

9, 33, 37 : 관형의 분위기 차폐 부재

l0 : 성형체

11 : 분말 소결체의 성형체

15, 16, 17 : 금속 전극의 일례

18 : 분위기 차폐 부재(9)의 외주면과 구멍의 내주면의 간극

19 : 분위기 차폐 부재(9)의 내주면과 커넥터(8) 및 저열 팽창 도체(7)의 외주면의 간극

본 발명은 금속 부재가 매설되어 있는 세라믹 부재와 전력 공급용 커넥터의 접합 구조체로서, 세라믹 부재에 구멍이 설치되어 있고, 이 구멍에 금속 부재의 일부가 노출되어 있으며, 구멍내에 관형 분위기 차폐 부재가 삽입되어 있고, 이 관형 분위기 차폐 부재의 내측에 전력 공급용 커넥터와 응력 완화용의 저열 팽창 도체가 삽입되어 있고, 관형 분위기 차폐 부재와 전력 공급용 커넥터가 접합되어 있으며, 저열 팽창 도체 및 관형 분위기 차폐 부재가 금속 부재에 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 접합 구조체에 관한 것이다.

본 발명자는 구멍내에 관형의 분위기 차폐 부재를 삽입하고, 이 관형 분위기 차폐 부재의 내측에 전력 공급용 커넥터와 응력 완화용의 저열 팽창 도체를 삽입하고, 관형 분위기 차폐 부재와 전력 공급용 커넥터를 접합하며, 또한, 저열 팽창 도체 및 관형 분위기 차폐 부재를 금속 부재에 접합하는 구조에 착안하여 실험한 바, 다른 구조보다도 훨씬 내열성, 내식성이 높고, 산화성 분위기 또는 부식성 분위기 하에서 열순환에 노출되더라도 높은 접합 강도와 양호한 도통 성능을 유지하는 것이 확인되어 본 발명에 이르렀다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 여러 실시예를 진술한다. 본 발명의 작용 효과등은 이하의 설명으로부터 한층 더 명확하게 될 것이다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접합 구조체를 도시한 단면도이다. 도 3(a)는 플라스마 발생용 전극 장치(1) 중 일부를 절결하여 도시한 사시도이고, 도 3(b)는 금속망으로 이루어진 전극(3)을 도시한 사시도이다.

대략 원반형상의 세라믹 기재(2)의 내부에, 금속망으로 이루어진 전극(3)이 매설되어 있다. (2a)는 반도체 웨이퍼의 설치면이고, (2b)는 배면이다. 기재(2)의 소정 위치에, 반도체 웨이퍼를 상승시키기 위한 핀을 통과시키는 구멍(13)이 형성되어 있다. 전극(3)은, 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시한 것 같은 금속망에 의해서 형성되어 있다. 금속망(3)은 원형의 테두리 와이어(3a)와, 테두리 와이어(3a)의 내부에 종횡으로 형성되어 있는 와이어(3b)로 이루어져 있고, 이들 사이에 메쉬(14)가 형성되어 있다.

기재(2)의 배면(2b)측에는 구멍(4)이 설치된다. 기재(2) 중에는 망형의 전극(3)이 매설되어 있고, 또한 금속의 분말 소결체(5)가 매설되어 있다. 분말 소결체(5)의 한쪽 표면(5a)은 구멍(4)의 저면(4a)측에 노출되어 있고, 분말 소결체(5)의 다른 쪽 표면(5b)은 금속 전극(3)과 접촉하고 있다.

본 실시예에 있어서, 관형의 분위기 차폐 부재(9)가 구멍(4)속에 삽입되어 있다. 분위기 차폐 부재(9)의 외측면(9a)과 구멍(4)의 내측면의 사이에는 약간의 간극(18)이 설치된다. 분위기 차폐 부재(9)의 내측 공간의 아래쪽으로는, 예컨대, 원반형상의 저열 팽창 도체(7)가 수용되도록 설치되어 있다.

저열 팽창 도체(7)의 하측면(7b)과 구멍(4)의 저면(4a)의 사이, 및 하측면(7b)과 분말 소결체(5)의 사이가, 바람직하게는 납재로 이루어지는 도전성 접합층(6A)에 의해서 기밀하게 접합되어 있다. 또한, 분위기 차폐 부재(9)의 하측면(9d)과 저면(4a)의 사이도, 도전성 접합층(6A)에 의해서 접합되어 있다.

전력 공급용 커넥터(8)는 플라스마 발생용 전극 장치(1)의 본체 부분(8b), 둥근 고리 형상의 플랜지부(8c) 및 선단부(8d)를 구비하고, 선단부(8d)는 분위기 차폐 부재(9)내에 수용되어 있다. 분위기 차폐 부재(9)의 내주면(9b)과, 저열 팽창 도체(7) 및 선단부(8d) 사이에는, 약간의 간극(19)이 설치된다. 분위기 차폐 부재(9)의 상측면(9c)과 플랜지부(8c)의 사이에는 바람직하게는 납재로 이루어진 도전성 접합층(6C)이 형성되어 있다. 이와 함께, 커넥터(8)의 선단면(8a)과 저열 팽창 도체(7)의 상측면(7a) 사이에는 도전성 접합층(6B)이 형성되어 있다.

이러한 접합 구조체를 갖는 플라스마 발생용 전극 장치를 제조하기 위해서는, 바람직하게는, 도 2에 도시된 바와 같이 세라믹 원료로 이루어지는 성형체(10)를 작성하고, 이 성형체(10)를 소성한다. 성형체(10)중에는 소용돌이형의 금속 전극(3)과, 분말 소결체의 원료인 금속 분말의 성형체(11)가 매설되어 있다. 참고로 (10a)는 반도체 웨이퍼의 설치면측이고, (10b)는 배면측이다. 이 성형체(10)를 소성함으로써, 동시에 분말 성형체(11)를 소결시키어 분말 소결체(5)를 획득한다. 그리고, 배면(2b)측에서 연삭 가공을 실시하여 구멍(4)을 형성한다.

본 발명에 있어서, 저열 팽창 도체는 열팽창율이 적어도 400℃이하에서 8.0×10^-6/℃이하의 재질로 이루어지는 도체를 말한다. 구체적으로는, 저열 팽창 도체의 재질로는 몰리브덴, 텅스텐, 몰리브덴-텅스텐합금, 텅스텐-구리-니켈 합금, 코바르(Kovar)가 바람직하다. 분위기 차폐 부재의 재질은 순니켈, 니켈기 내열합금, 금, 백금, 은 및 이것들의 합금인 것이 바람직하다. 커넥터의 재질은 분위기에 대하여 내식성이 높은 금속인 것이 바람직하고, 구체적으로는, 순니켈, 니켈기 내열합금, 금, 백금, 은 및 이들의 합금인 것이 바람직하다.

본 발명의 작용 효과를 주로 도 1을 참조하면서 덧붙여 설명한다. 커넥터(8)의 재질로서는 내산화성이 있는 금속이 바람직하지만, 이들은 일반적으로 열팽창율이 크고, 세라믹측과의 열팽창에 의한 응력이 크다. 이 때문에, 커넥터(8)와 세라믹 기재(2)를 직접 납땜하면, 양자의 열팽창에 의해서 접합 강도가 저하되는 경향이 있다. 이 점을 개선하기 위해서, 본 발명에 있어서는 커넥터(8)와 세라믹의 사이에 저열 팽창 도체(7)를 설치하여, 커넥터와 세라믹 사이의 응력차를 완화하는 구조를 채용하였다.

그러나, 일반적으로, 열팽창율이 낮은 금속(몰리브덴, 텅스텐, 몰리브덴-텅스텐 합금등)은 산화되기 쉽다. 이 때문에, 저열 팽창 도체(7)가 고온의 산화성 분위기에 닿으면 저열 팽창 도체(7)가 즉시 산화하여, 접합 강도의 저하, 전기 저항의 상승을 초래한다. 따라서, 저열 팽창 도체(7)의 재질로서 열팽창율이 낮은 금속을 사용하는 것은 곤란하였다.

저열 팽창 도체(7)를 알루미나, 질화 알루미늄등의 절연성 세라믹으로 이루어지는 절연성의 응력 완화재로 치환하면, 저열 팽창 도체(7)의 산화라는 문제는 생기지 않을 것이라고 생각된다. 그러나, 이 경우에는 응력 완화재는 전류 경로로부터 벗어나, 응력 완화재와 세라믹 기재 내부의 금속 부재와의 전기적 접속이 불가능하게 된다. 따라서, 기재내의 금속 부재에 대하여 공급해야 되는 전력이 제한된다.

이에 대하여, 본 발명의 구조체에 의하면, 저열 팽창 도체(7)와 금속 부재(5)의 접속 부분의 면적이 크고, 이 부분에서 저열 팽창 도체(7)가 전류 경로에 가해지기 위해서 큰 전류, 예컨대 30 암페어 이상의 크기의 전류도 용이하게 흐르게 할 수 있다.

이와 함께, 본 발명자는 관형 분위기 차폐 부재(9)를 구멍(4)내에 수용, 설치하여, 분위기 차폐 부재(9)의 내측 공간의 하부에 저열 팽창 도체(7)를 설치하여, 저열 팽창 도체의 상측에 커넥터(8)의 선단부(8d)를 삽입하였다.

이에 의해서, 저열 팽창 도체(7)의 원주면측을 분위기 차폐 부재(9)에 의해서 완전히 포위하여 보호하였다. 더구나, 저열 팽창 도체의 상측에 커넥터(8)를 설치하고, 또한 그 주위를 분위기 차폐 부재(9)로 포위하였다. 따라서, 산화성 분위기가 저열 팽창 도체(7)에 이를 때까지의 진입 경로의 길이가 대단히 커졌다. 이와 동시에, 커넥터(8)와 분위기 차폐 부재(9)를 도전성 접합층(6C)에 의해 접합하여, 이 접합 부분을 기밀하게 유지하는 것으로, 저열 팽창 도체(7)의 산화성 분위기로부터의 격리를 한층 더 완전히 확보하는데 성공하였다.

또한, 본 실시예에 있어서, 커넥터(8)의 선단부(8d), 도전성 접합층(6B), 저열 팽창 도체(7), 도전성 접합층(6A) 및 분말 소결체(5)를 경유하는 전류 경로와, 플랜지부(8c), 도전성 접합층(6C), 분위기 차폐 부재(9), 도전성 접합층(6A)을 경유하는 전류 경로가 있다. 이 쌍방의 전류 경로가 있음으로써, 전극(3)에의 전력 공급량을 한층 더 증대시키고, 또한 안정화시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 세라믹 기재 내에 금속 전극을 매설하는 경우에는, 금속 전극을 면형의 금속 벌크재로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 「면형의 금속 벌크재」란, 예컨대, 선체 혹은 판체를, 나선형, 사행형으로 배치하는 일 없이, 예컨대, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 금속을 일체의 면형으로서 형성한 것을 말한다.

금속 전극은, 알루미나 분말이라든지 질화 알루미늄 분말등의 세라믹 분말과 동시에 소성되기 때문에, 고융점 금속으로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 고융점 금속으로는 탄탈, 텅스텐, 몰리브덴, 백금, 레늄, 하프늄 및 이들의 합금을 예시할 수 있다. 반도체 오염 방지의 관점에서 또한, 탄탈, 텅스텐, 몰리브덴, 백금 및 이들의 합금이 바람직하다.

이러한 면형의 벌크재로서는, 다음을 예시할 수 있다.

(1) 박판으로 이루어지는 면형의 벌크재.

(2) 면형의 전극 속에 다수의 소공간이 형성되어 있는 벌크재. 이는 다수의 소구멍을 이용한 판형체로 이루어지는 벌크재나, 소용돌이형의 벌크재를 함유한다. 다수의 소구멍을 가지는 판형체로서는 펀칭 메탈을 예시할 수 있다. 다만, 벌크재가 고융점 금속으로 이루어지고, 또한 펀칭 메탈인 경우에는 고융점 금속의 경도가 높기 때문에, 고융점 금속으로 이루어지는 판에 다수의 소구멍을 펀치에 의해서 여는 것은 곤란하고 가공 비용도 매우 비싸게 된다. 이 때, 벌크재가 금속망인 경우에는, 고융점 금속으로 이루어지는 선재를 용이하게 입수할 수 있고, 이 선재를 편조하면 금속망을 제조할 수 있다.

이러한 금속망의 메쉬 형상, 와이어의 지름등은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 와이어의 지름이 ∮0.03mm이고 메쉬가 150인 금속망에서 부터 와이어의 지름이 ∮0.5mm이고 메쉬가 6인 금속망에 이르기까지 특별히 문제없이 사용할 수 있었다. 또한, 금속망을 구성하는 선재의 폭 방향 단면 형상은, 원형 외에, 타원형, 장방형등 여러 가지의 압연 형상이어도 좋다. 여기서, 1메쉬는 1인치당 하나라는 의미이다.

도 4(a)는, 금속 전극으로서 사용할 수 있는 펀칭 메탈(15)을 도시한 사시도이다. 펀칭 메탈(15)은 원형이며, 원형의 평판(15a)내에 다수의 원형구멍(15b)이 바둑판눈 형상으로 다수 형성되어 있다. 도 4(b)는 금속 전극으로서 사용할 수 있는 원형의 박판(16)을 도시한 사시도이다.

도 4(c)는 금속 전극으로서 사용할 수 있는 박판(17)을 도시한 평면도이다. 박판(17)내에는 가늘고 긴 직선형의 홈(17b, 17c)이 서로 평행하게 합계 6열이 형성되어 있다. 이 중에서, 3열의 홈(17b)은 도4(c)에 있어서 하측에 개구하고 있고, 나머지 3열의 홈(17c)은 상측에 개구하고 있다. 홈(17b)과 홈(17c)은, 교대로 배치되어 있다. 이러한 형상을 채용한 결과, 박판에 의해서 가늘고 긴 도전로가 형성된다. 이 도전로의 양단(17a)에 단자를 접속한다.

할로겐계 부식성 가스를 성막용 가스, 에칭용 가스로서 사용하는 반도체 제조 장치 내에 설치하기 위한 부재에 대하여, 본 발명의 접합 구조체를 적용할 수 있다.

이러한 부재로서는, 세라믹 기재 중에 저항 발열체를 매설한 히터, 세라믹 기재 중에 정전척용 전극을 매설한 정전척, 세라믹 기재 중에 저항 발열체와 정전척용 전극을 매설한 정전척 부착 히터, 세라믹 기재 중에 플라스마 발생용 전극을 매설한 고주파 발생용 전극 장치, 세라믹 기재 중에 플라스마 발생용 전극 및 저항 발열체를 매설한 고주파 발생용 전극 장치등을 예시할 수 있다.

본 발명에 있어서, 도전성 접합층의 재질은 한정되지 않지만, 기밀성이 높고 전기 저항이 작은 것이 바람직하다. 이 관점에서는, 금속 납재가 특히 바람직하다. 이러한 납재의 화학조성은 특별히 한정되지 않는다.

그러나, 세라믹 부재 그 자체에 대해서도 양호한 접합력 내지 점착성(wettability)을 이용하는 납재가 바람직하다. 세라믹 부재의 기재를 조밀질 알루미나 또는 질화 알루미늄으로 한 경우에는, 주성분이 구리, 니켈, 은 및 알루미늄 중의 한 금속으로 구성되고, 마그네슘, 티타늄, 지르코늄 및 하프늄 중의 한 금속으로 이루어진 활성 금속을 0.3∼20wt% 포함하고, 50wt% 이하의 제3 성분을 함유하는 납재를 사용하는 것이 바람직하다. 할로겐계 부식성 가스에 대하여 내식성이 필요한 용도에 있어서, 은계 납재등은 내식성이 낮으므로 사용하지 않은 편이 바람직하다.

제3 성분으로는, 실리콘, 알루미늄 및 인듐 중의 적어도 한 금속을 이용하는 것이, 주성분에 영향을 주지 않은 점에서 바람직하다. 또한, 특히 주성분이 알루미늄으로 이루어지는 납재를 이용하면, 저온으로 접합되기 때문에 접합 후의 열응력이 작아져서 바람직하다.

여기서, 활성 금속의 배합량이 0.3wt% 미만이면, 점착성이 나쁘게 되어 접합되지 않는 경우가 있음과 동시에, 20wt%를 넘으면 접합계면의 반응층이 두텁게 되어 크랙이 발생하는 경우가 있기 때문에, 0.3∼20wt% 이면 바람직하다. 또한, 제3 성분의 합계의 배합량이 50wt%를 넘으면, 금속간의 화합물이 많아지고 접합계면에 크랙이 발생하는 경우가 있기 때문에, 50wt%이하가 바람직하다. 제3 성분은 함유되어 있지 않더라도 좋다.

여기서, 납재의 주성분인 금속의 비율은 납재의 모든 함유량을 100wt%으로 한 경우에, 활성 금속 성분 및 제3 성분의 비율을 100wt%으로부터 뺀 나머지이다.

본 발명에 있어서, 도 1의 실시예에 있어서와 같이, 저열 팽창 도체와 커넥터가 전기적으로 접합되어 있는 것이 바람직하지만, 양쪽을 전기적으로 접속하는 것이 필수는 아니다. 도 5는, 이 실시예에 관한 접합 구조체를 도시한 단면도이다. 다만, 도 5 및 도 6에 있어서, 도 1에 도시된 구성 부분에는 같은 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.

도 5의 실시예에 있어서, 커넥터(8)의 선단부(8d)와 저열 팽창 도체(7)는, 도전성 접합층에 의해서 접합되어 있지 않고 간극(20)이 형성되어 있다. 그러나, 이 경우에도, 저열 팽창 도체(7)와 금속 부재(5)가 직접 도전성 접합층(6A)에 의해서 접합되어 있고 이 부분의 전기 저항이 낮기 때문에, 대전류를 공급하는 것이 가능하다.

도 6의 실시예에 있어서는, 분말 소결체(5)를 사용하지 않고 있다. 즉, 기재(2)의 배면(2b)측에 개구하는 구멍(22)을 형성하고, 이 구멍(22)에, 망형 전극(3)의 일부를 노출시켰다. 그리고, 망형 전극(3)과 저열 팽창 도체(7)와의 사이 및 망형 전극(3)과 분위기 차폐 부재(9)의 저면(9d)과의 사이를, 각각, 도전성 접합층(6D)에 의해서 접합하고 있다.

다만, 도 1에 도시된 바와 같이, 금속 전극에 도달할 때까지의 산화성 가스 내지 부식성 가스의 전달 경로가 길게 되기 때문에, 분말 소결체를 세라믹 기재 내부의 금속 전극과 저열 팽창 도체의 사이에 게재시키는 편이 한층 바람직하다.

도 1, 도 5 및 도 6에 도시한 것과 같은 실시예에 있어서, 구멍(4,22)의 내측면과 분위기 차폐 부재(9)의 외주면(9a)의 간극(18)의 크기는 0.2mm이상으로 하는 것이 바람직하다. 분위기 차폐 부재(9)의 내측면(9b)과 분말 소결체(7)및 선단부(8d)의 간극(19)의 크기는, 0.01mm이상으로 하는 것이 바람직하다. 이 이하이면, 각 간극(18,19)을 통하여 모세관 현상에 의해서 납재가 상승하기 쉽게 된다. 각 간극에 납재가 상승하면, 세라믹 기재라든가 납재의 크랙이 생기기 쉽게 된다. 간극(18)의 바람직한 하한치가 0.2mm인데 대하여, 간극(19)의 바람직한 하한치가 0.01mm인 것은, 동시에 (6A,6C)에서 접합하기 때문에, 이 부분의 간극이 밀폐되더라도 모세관의 힘에 대한 저항으로 되기 때문이다.

다만, 간극(18,19)의 크기는 모두 1.0mm 이하로 되는 것이 바람직하다.

도 7은, 세라믹 부재중에 금속 전극과 저열 팽창 금속의 조밀체를 매설한 실시예를 도시한 단면도이다. 다만, 도 7, 도 8 및 도 9에 있어서, 도 1에 도시된 구성 부분과 같은 구성 부분에는 같은 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.

본 실시예에 있어서는, 세라믹 히터(30)의 기재(2) 속에, 예컨대 코일형등의 금속 전극(31)이 매설되어 있다. 이러한 금속 전극의 적합한 예로서는, 코일형의 와이어형 히터가 있다. 기재(2)의 수용 구멍(4)의 저면 하측에는 조밀체(32)가 매설되어 있다. 조밀체(32)는 수나사부(32a)와 본체(32b)를 구비하고 있고, 본체(32b)의 상측면(32c)은 도전성 접합층(6A)을 통해 저열 팽창 도체(7)에 대하여 전기적으로 접속되어 있다. 코일형의 히터(31)가 암나사부(32a)에 대하여 감겨져 있다.

도 8 및 도 9에 도시한 각 실시예의 접합 구조체는 각각 도 1의 접합 구조체와 유사한 것이지만, 분위기 차폐 부재의 구조가 다르다. 도 8의 접합 구조체에 있어서는, 분위기 차폐 부재(33)는 상기한 바와 같은 내열성 금속으로 이루어지는 본체(36)와 본체(36)의 외측면(36a) 및 내측면(36b)을 피복하고 있는 산화성 피막(35)을 구비하고있다. 본체(36)의 상측면(36c)과 하측면(36d)에는, 각각 본체(36)를 구성하는 금속이 노출되고 있다.

본체(36)의 상측의 노출면(36c)은 도전성 접합층(6C)을 통해 커넥터(8)에 대하여 접합되어 있다. 또, 본체(36)의 하측면(36d)은 도전성 접합층(6A)을 통해 분말 소결체(5)에 대응하여 접합되어 있다. 산화성 피막(35)은, 본체(36)를 구성하는 내식성의 금속보다 납재에 대하는 점착성이 낮기 때문에, 납재가 분위기 차폐 부재(33)의 외측면 및 내측면을 따라서 상승하기 어렵게 되어, 납재가 수용 구멍(4)의 측벽면에 따라서 상승하는 경향이 있다. 이에 의해서, 수용 구멍(4) 속의 도전성 접합층(6A)의 형상을 잔류 응력이 덜 발생하는 필렛 형상으로 할 수 있다. 또한, 분위기 차폐 부재(33)와 수용 구멍(4)을 나사의 끼워 맞춤 구조로 함으로써 강도의 신뢰성이 향상된다.

도 9의 접합 구조체에 있어서, 분위기 차폐 부재(37)는 상기한 바와 같은 내열성 금속으로 이루어지는 본체(38)와 산화성 피막(35)을 구비하고 있다. 본체(38)의 외측면(38a), 내측면(38b) 및 상측 평탄면(38c)은 산화성 피막(35)에 의해서 피복되어 있다. 본체(38)의 상측 경사면(38d), 하측 평탄면(38e) 및 하측 경사면(38f)에는, 각각 본체(38)를 구성하는 금속이 노출되어 있다.

본체(38)의 상측 노출면인 상측 경사면(38d)이, 도전성 접합층(6E)을 통해 케이블(8)에 대응하며 접합되어 있다. 또한, 본체(38)의 하측 경사면(38f) 및 하측 평탄면(38e)은 도전성 접합층(6A)을 통해 분말 소결체(5)에 대응하며 접합되어 있다.

도 8 및 도 9에 도시한 것 같은 형태의 각 분위기 차폐 부재를 제조하기 위해서, 도 10(a) 내지 도 10(c)를 참조하면서 설명하는 하기의 방법에 의한 것이 바람직하다. 도 10(a)에 도시된 바와 같이, 상기 내열성 금속으로 이루어지는 관형 부재(40)를 준비하여, 환형 부재(40)를 산화성 분위기 하에서 열처리함으로써, 관형 부재(40)의 표면의 전체에 산화성 피막(35)을 생성시킨다.

이어서, 본체(40)의 양측의 단면만을 연삭 가공함으로써, 도 10(b)에 도시한 노출면(36c, 36d)을 생성시킨다.

또한, 도 10(a)의 관형 부재를 연삭 가공함으로써, 도 10(c)에 도시한 노출면(38d, 38e, 38f)을 생성시킬 수 있다. 이 경우에는, 본체(38)의 상측 평탄면(38c), 외측면(38a) 및 내측면(38b)상에는 산화성 피막(35)이 남는다.

[실시예]

도 8 및 도 3에 도시한 접합 구조체로 제조했다. 질화 알루미늄 분말을 단축 가공 성형함으로써 도 2에 도시한 형태의 둥근 고리 형상의 예비 성형체(10)를 제조했다.

금속 전극(3)으로는 몰리브덴제의 금속망을 사용했다. 이 금속망은 직경 ∮0.12㎜의 몰리브덴 와이어를 1인치당 50개의 밀도로 짠 금속망을 사용했다. 이 금속망은 예비 성형체 중에 매설되어 있다. 이와 동시에, 입경 1∼100㎛의 몰리브덴 분말을 성형해서 성형체(11)를 얻고, 이 성형체(11)를 성형체(10)중에 매설했다.

이 성형체(10)를 틀 내에 설치하고, 성형체(10)를 카본 호일 내에 밀봉하고, 1950℃의 온도, 200㎏/㎠의 압력 및 2시간의 유지 시간으로 고온 프레스법에 의하여, 이 성형체를 소성하여, 소결체를 얻었다. 이 소결체의 상대 밀도는, 98.0%이상이었다.

획득한 소결체의 배면측으로부터, 복합 공작 기계에 의해서 구멍(4)을 형성하고, 플라즈마 발생용 전극 장치를 제조했다. 획득한 플라즈마 발생용 전극 장치(1)의 치수는 직경이 200㎜이고, 두께는 8㎜이었다.

한편, 도 10(a) 및 도 10(b)에 도시된 분위기 차폐 부재(33)를 제조했다. 구체적으로는, 니켈제의 관형 부재(40)를 준비하고, 환형 부재(40)를 준비하고, 대기중에서, 1000℃에서 2시간 열처리하여 산화 니켈막(35)을 생성시켰다. 이것을 연삭 가공하여, 도 (10b)에 도시한 분위기 차폐 부재(33)를 제조했다.

구멍(4)내에 두께 5㎛의 티탄박, 두께 200㎛의 은판 및 보조로 두께 5㎛ 의 티탄박을 순차적으로 적층해서 설계했다. 이 위에, 몰리브덴제의 저열 팽창 도체(7)와 상기 분위기 차폐 부재(33)를 설치했다. 저열 팽창 도체(7) 위에 두께 5㎛의 티탄박을 설치하고, 이 위에 두께 400㎛의 은판을 설치하고, 니켈제의 커넥터 (8)의 선단부(8d)를 얹었다. 분위기 차폐 부재(33)의 상측면(36c)과 플랜지부(8c)의 사이에, 두께 200㎛의 은판을 얹었다. 이렇게 하여 얻어진 조립체를 960℃∼1000℃에서 10분간 열처리하고 도 8에 도시한 접합 구조체로 제조했다.

이렇게 해서 획득할 수 있는 접합 구조체에 관해서, 인장 파단 하중을 측정한 바, 175±29kgf이었다(n=4). 또한, 굽힘 파단 토크를 측정한 바, 22±3kgf·cm이었다(n=2).

또한, 이 접합 구조체에 관해서, 100℃와 700℃와의 사이에서의 열순환을 50회 가한 후에, 인장 파단 하중을 측정하였다. 다만, 온도 상승 속도 및 온도 하강 속도는 같이 약 200℃/분으로 하였다. 이 결과, 인장 파단 하중은, 157±17kgf이었다 (n=4). 또한, 이 열 사이클 후의 접합 구조체의 굽힘 파단 토크를 측정한바, 20±5kg f·cm이었다(n=2).

또한, 이 접합 구조체에 관해서, 700℃로 24시간 유지하는 내열 시험후에, 인장 파단 하중을 측정한 바, 101±63kgf이었다(n=5). 또한, 이 내열 시험 후의 굽힘 파단 토크를 측정한 바, 18±2kgf·cm이었다(n=2).

[비교예]

비교예로서, 도 11에 도시한 것과 같은 접합 구조체를 제조하였다. 우선, 상기한 본 발명예와 같이 하여 플라스마 발생용 전극 장치(1)를 제조하였다. 이어서, 구멍(22)내에 두께 5㎛의 티탄박을 설치하여, 그 위에 두께 200㎛의 은판을 설치하였다. 이 위에, 니켈재의 커넥터(25)의 선단의 플랜지부(25a)를 얹었다. 납재의 시이트를, 커넥터(25)의 선단면(25b)에 대하여 접촉시켰다.

이어서, 플랜지부(25a)의 위에 질화 알루미늄제의 둥근 고리 모양 부재(26)를 설치했다. 둥근 고리 모양 부재(26)의 내주면(26a)을 커넥터(25)의 외주면에 대향시켜, 둥근 고리 모양 부재(26)의 하측면(26c)을 플랜지부(25a)에 대향시켰다. 둥근 고리 모양 부재(26)의 외측면에 간극(26b)을 설치하였다.

둥근 고리 모양 부재(26)의 내주면(26a)과 커넥터(25)의 외주면의 사이, 및 둥근 고리 모양 부재(26)의 하측면(26c)과 플랜지부(25a)와의 사이에, 각각 전술한 바의 조성으로 된 납재의 시이트를 설치하였다. 이렇게 해서 획득할 수 있는 조립체를 960℃∼1000℃에서 10분간 열처리하여, 도 11에 도시한 접합 구조체를 제조하였다. 또 도면 부호(27, 28)는 도전성 접합층을 지시한다.

이렇게 해서 획득할 수 있는 접합 구조체에 관해서, 인장 파단 하중을 측정한바, 129±31kgf이었다(n=13). 또한, 굽힘 파단 토크를 측정한 바, 15±5kgf·cm이었다(n=3).

또한, 이 접합 구조체에 관해서, 100℃와 700℃와의 사이에서의 열순환을 50회 가한 후에, 인장 파단 하중을 측정하였다. 다만, 온도 상승 속도 및 온도 하강 속도는 같이 약 200℃/분으로 하였다. 이 결과, 인장 파단 하중은, 33±22kgf이었다 (n=21). 또한, 이 열순환 후의 접합 구조체의 굽힘 파단 토크를 측정한 바 10±3kgf·cm이었다(n=3).

또한, 이 접합 구조체에 관해서, 700℃에서 24시간 유지하는 내열 시험의 후에, 인장 파단 하중을 측정한 바, 25±12kgf이었다(n=4). 또한, 이 내열 시험 후의 굽힘 파단 토크를 측정한 바, 8±4kgf·cm 이었다(n=3).

이상으로부터 명백하듯이, 본 발명에 의하면, 금속 부재가 매설되어 있는 세라믹 부재와 전력 공급용 커넥터와의 접합 구조체에 있어서, 산화성 분위기 하에서, 고온이라든지 열순환에 노출되더라도, 높은 접합 강도와 양호한 도통 성능을 유지할 수 있다.

Claims

금속 부재가 매설되어 있는 세라믹 부재와 전력 공급용 커넥터와의 접합 구조체로서,

상기 세라믹 부재에 구멍이 설치되고 있고, 이 구멍에 상기 금속 부재의 일부가 노출되어 있고, 상기 구멍내에 관형 분위기 차폐 부재가 삽입되어 있고, 이 관형 분위기 차폐 부재의 내측에 상기 전력 공급 커넥터와 응력 완화용의 저열 팽창 도체가 삽입되어 있고, 상기 관형 분위기 차폐 부재와 상기 전력 공급용 커넥터가 접합되어 있고, 상기 저열 팽창 도체 및 상기 관형 분위기 차폐 부재가 상기 금속 부재에 대응하여 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 부재와 전력 공급용 커넥터의 접합 구조체.
제1항에 있어서, 상기 관형 분위기 차폐 부재와 상기 전력 공급용 커넥터가 납재에 의해서 기밀하게 접합되어 있고, 상기 저열 팽창 도체 및 상기 관형 분위기 차폐 부재가 상기 금속 부재에 대하여 납재에 의해서 기밀하게 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저열 팽창 도체와 상기 전력 공급용 커넥터가 전기적으로 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저열 팽창 도체는 몰리브덴, 텅스텐, 몰리브덴-텅스텐 합금, 텅스텐-구리-니켈 합금 및 코바르(Kovar)중 어느 한 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 분위기 차폐 부재는 순니켈, 니켈기 내열합금, 금, 백금, 은 및 이들의 합금중의 어느 한 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 커넥터는 순니켈, 니켈기 내열합금, 금, 백금, 은 및 이들의 합금중의 어느 한 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 공급용 커넥터의 선단부의 상부 외주면에는 플랜지부가 형성되어 있고, 관형 분위기 차폐 부재의 상부는 상기 커넥터의 플랜지부에 기밀하게 접합되는 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 부재의 기재는 조밀질 알루미나 또는 질화 알루미늄으로 이루어지며, 납재는 구리, 니켈, 은 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 금속 중 하나를 주성분으로 하여, 마그네슘, 티타늄, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어진 군에서 선택된 활성 금속을 0.3 내지 20 wt% 함유하고, 실리콘, 알루미늄, 구리 및 인듐으로 이루어진 군에서 선택된 제3의 성분을 50 wt%미만 함유하는 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 부재는 반도체 웨이퍼를 설치하기 위한 수용기인 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 부재는 면형의 금속 전극이며, 그 금속 전극은 분말 소결체를 통해 저열 팽창 도체에 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 분말 소결체는 상기 세라믹 부재에 매설되어 있는 것을 특징으로 하는 커넥터의 접합 구조체.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 부재는 면형의 금속 전극이며, 그 금속 전극은 저열 팽창 금속으로 된 조밀체를 통해 저열 팽창 도체에 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 조밀체는 상기 세라믹 부재에 매설되어 있는 것을 특징으로 하는 접합 구조체.