KR20060028407A

KR20060028407A - 질화알루미늄 접합체 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20060028407A
Application number: KR1020057023850A
Authority: KR
Inventors: 다쯔오 에사끼
Original assignee: 가부시끼가이샤 도꾸야마
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2006-03-29
Also published as: EP1642876A1; US7488543B2; CN1805911A; KR100716100B1; TW200503984A; US20060156528A1; TWI267498B; CN100381401C; EP1642876A4; WO2004110957A1

Abstract

본 발명의 질화알루미늄 접합체는, 접착제를 사용하지 않고 서로 접합된 2장의 질화알루미늄 소결체판과, 그 접합 계면의 일부에 형성되어 있는 금속층을 포함하며, 상기 접합체의 중심을 통과하는 측 단면에서 볼 때, 상기 접합 계면에서 상기 소결체판끼리 직접 대면하고 있는 직접 접합 영역에는 접합 계면을 따른 길이 L이 평균 0.5 내지 4 ㎛인 빈 구멍이 복수개 존재하고, 이 빈 구멍에 의해 비접합부가 형성되어 있으며, 상기 측 단면에 대하여 하기 수학식 1에 의해 산출되는 비접합률 Q가 평균 0.1 내지 0.5 ％의 범위인 것을 특징으로 한다. 이러한 AlN 접합체는 내부의 금속층의 변형이 효과적으로 억제되고, 접합 강도가 높으며, 내구성도 우수하여, 반도체 제조 장치에 있어서 반도체 웨이퍼를 얹고 처리하기 위한 플레이트 히터나 정전 척으로서 유용하다.

<수학식 1>

비접합률 Q=(X/Y)×100

식 중, X는 직접 결합 영역에 존재하는 상기 빈 구멍의 길이 L의 합계치로 표시되는 상기 비접합부의 접합 계면 방향의 길이이고, Y는 상기 빈 구멍이 존재하는 직접 결합 영역의 길이이다.

질화알루미늄 접합체, 소결체판, 접합 계면, 비접합률.

Description

질화알루미늄 접합체 및 그의 제조 방법 {Aluminum Nitride Conjugate Body and Method of Producing the Same}

본 발명은 반도체 제조 장치에 있어서, 반도체 웨이퍼를 얹고 처리하기 위한 플레이트 히터나 정전 척(electrostatic chuck)으로서 유용한 질화알루미늄 접합체에 관한 것이다. 상세하게는, 2장의 질화알루미늄 소결체판이 금속층을 사이에 두고 접합된 접합 구조를 가지며, 특히 반도체 웨이퍼의 처리를 균일하게 행할 수 있고, 내구성도 양호한 질화알루미늄 접합체에 관한 것이다.

실리콘 웨이퍼 등의 반도체 웨이퍼에 막 부착이나 에칭 처리 등을 실시하는 반도체 제조 장치에 있어서, 이 반도체 웨이퍼를 얹는 다이로서 히터 또는 전극으로서 작용하는 금속층이 내부에 매립된 세라믹 판상 소결체가 사용된다. 예를 들면, 히터로서 금속층을 매립한 것은 플레이트 히터로서, 전극을 매립한 것은 정전 척으로서 사용된다. 또한, 정전 척에 있어서는, 전극 및 히터 둘 다로서 기능하는 금속층을 매립하는 경우도 있다.

최근, 상기 용도로 사용하는 세라믹으로서 열 전도율이 양호한 질화알루미늄 소결체가 사용되고 있다.

한편, 최근의 기술 혁신에 의한 고집적화에 따라 점점 고정밀도화가 요구되 고 있음과 동시에, 처리되는 반도체 웨이퍼도 대형화되어, 예를 들면 표면에 막 부착을 행하는 처리에 있어서는 큰 면적의 반도체 웨이퍼 표면에 균일하고 균질한 박막을 양호한 정밀도로 제조하는 것이 요구되며, 에칭 처리에 있어서는 반도체 웨이퍼 상에 형성된 큰 면적의 각종 박막을 균일하게 에칭하는 것이 요구되고 있다.

이러한 상황하에서 상기 플레이트 히터나 정전 척으로서 사용되는 질화알루미늄의 판상 소결체에 있어서는, 매립되어 있는 금속층이 상기 소결체 상에 장착되어 있는 반도체 웨이퍼로부터 균일한 두께로 존재하는 것이 필요하다.

금속층을 매립한 질화알루미늄의 판상 소결체의 제조 방법으로서는, 금속층이 매립된 질화알루미늄제 그린 시트를 제조하고, 이 그린 시트를 소성하는 방법을 고려할 수 있지만, 이 방법으로는 소결시의 치수 변화에 의해 금속층의 단선이나 변형이 생기는 문제가 있었다. 따라서, 일반적으로는 우선 판상 또는 시트상의 소결체를 제조해 두고, 2개의 소결체를 금속층을 통해 접합하는 방법이 채용되고 있다. 즉, 이 방법으로 얻어지는 질화알루미늄의 판상 소결체는 2장의 질화알루미늄 소결판이 금속층을 사이에 두고 접합된 접합체로 되어 있어, 소결시의 치수 변화에 의한 상기 문제를 효과적으로 방지한다.

그런데, 접합법에 의해 질화알루미늄 접합체를 제조할 때에는, 2장의 소결체판의 접합에 접착제가 사용되고 있다. 그러나, 종래 사용되는 판 접착제는 접착 온도가 높고, 접합시의 가열에 의해 소결체판의 변형이 발생하며, 그에 따라 금속층에 변형이 생기는 문제가 있었다.

따라서, 접착 온도를 저하시킨 접착제를 사용함으로써 변형을 개선하는 방법 이 제안되었다(일본 특허 공개 제2000-252045호 공보 참조).

상기 방법에 의해, 접합체 내의 금속층의 변형은 어느 정도 개량할 수 있지만, 개선의 여지가 있었다. 또한, 질화알루미늄층과 금속층 사이에는 충분한 접합 강도는 확보되지만, 질화알루미늄 소결판끼리 직접 대면하고 있는 부분에서의 접합 강도가 열 이력(thermal hysteresis)에 의해 시간에 따라 저하되는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 2장의 질화알루미늄 소결체판 사이에 금속층을 두고 접합한 질화알루미늄 접합체에 있어서, 내부 금속층의 변형이 매우 낮게 억제되고, 높은 접합 강도를 갖는 접합체를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구를 거듭하였다. 그 결과, 질화알루미늄 소결체판을 특정한 압력을 가하면서 특정한 온도 제어하에 2 단계로 가열하여 접합함으로써, 접착제를 사용하지 않고서도 높은 접합 강도를 갖고, 내부 금속층의 변형이 현저히 낮게 억제된 질화알루미늄 접합체를 얻는 데 성공하였다. 또한, 상기 방법에 의해 얻어진 접합체를 해석한 결과, 질화알루미늄 소결체의 접합 계면에 있어서, 이러한 방법으로부터 유래하는 미세한 크기의 빈 구멍이 특징적으로 잔존한다는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명에 따르면, 접착제를 사용하지 않고 서로 접합된 2장의 질화알루미늄 소결체판과, 그 접합 계면의 일부에 형성되어 있는 금속층을 포함하는 질화알루미늄 접합체에 있어서,

상기 접합체의 중심을 통과하는 측 단면에서 볼 때, 상기 접합 계면에서 상기 소결체판끼리 직접 대면하고 있는 직접 접합 영역에는 접합 계면을 따른 길이 L이 평균 0.5 내지 4 ㎛인 빈 구멍이 복수개 존재하고, 이 빈 구멍에 의해 비접합부가 형성되어 있으며, 상기 측 단면에 대하여 하기 수학식 1에 의해 산출되는 비접합률 Q가 평균 0.1 내지 0.5 ％의 범위인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 접합체(이하, AlN 판상 접합체라고도 함)가 제공된다.

비접합률 Q=(X/Y)×100

또한, 본 발명에 따르면, 2개의 질화알루미늄 소결체판을 준비하는 공정, 한쪽의 질화알루미늄 소결체판의 표면의 일부에 두께 20 ㎛ 이하의 금속층을 형성하는 공정, 다른쪽의 질화알루미늄 소결체판을, 상기 금속층이 사이에 위치하도록, 상기 한쪽의 질화알루미늄 소결체판 상에 겹쳐 적층체를 형성하는 공정, 상기 적층체를 5 내지 100 kg/cm²의 압력으로 가압하면서, 1650 내지 1700 ℃의 온도에서 0.5 내지 4 시간 가열하는 공정, 이어서 상기 압력에 의한 가압을 계속하면서, 1700 ℃ 초과 1800 ℃ 이하의 온도에서 상기 적층체를 2 내지 8 시간 가열하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 접합체의 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 AlN 판상 접합체는, 상기한 특정한 접합 방법에 기초하여 형성되 는 특징적인 접합 계면 구조에 의해 금속층의 변형이 작게 억제되기 때문에, 해당 금속층에 전압을 인가하여 유전체에 전계를 형성하는 경우 등에서 금속층 상의 어느 부분에 있어서든 균일한 전계를 형성하는 것이 가능하다.

또한, 접착제를 사용하지 않고 접합되어 있기 때문에 열 이력에 대해서도 내구성이 있고, 보다 신뢰성이 높은 작동을 기대할 수 있다.

본 발명의 AlN 판상 접합체는 반도체 제조 장치에 사용되는 정전 척, 플레이트 히터로서 매우 효과적으로 사용된다.

도 1은 본 발명의 AlN 판상 접합체의 대표적인 양태를 나타내는 부분 파단 사시도이다.

도 2는 도 1의 AlN 판상 접합체의 중심 O를 통과하는 측 단면의 주요부를 나타내는 도면이다.

도 3은 AlN 판상 접합체에 발생하는 금속층의 변형을 설명하기 위한 개념도이다.

<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

이하, 본 발명을 도면에 따라 상세하게 설명하지만, 본 발명의 양태가 이러한 도면에 도시한 것으로 한정되는 것은 아니다.

(AlN 판상 접합체)

도 1 및 도 2에 있어서, 본 발명의 AlN 판상 접합체는 2장의 질화알루미늄 소결체판 (1-a, 1-b)가 접착제를 사용하지 않고 접합된 접합 구조를 가지며, 그 접 합 계면 (P)(도 2 참조)의 일부에 금속층 (2)가 존재한다. 또한, 도시되어 있지는 않지만, 소결체판 (1-a) 또는 (1-b)에는 관통 구멍이 형성되어 있고, 관통 구멍의 내부에 도체 페이스트 등이 충전되어 금속층 (2)에 통전할 수 있는 구조로 되어 있다. 또한, 이 AlN 판상 접합체의 평면 형상은 통상적으로 원형 또는 정방형 등의 직사각형이며, 금속층 (2)는 히터 플레이트나 정전 척의 용도에 있어서 전극, 히터 등의 회로 패턴을 형성하는데, 도 1에 나타낸 바와 같이 단순히 올 오버(all over) 패턴으로 존재하는 경우도 있고, 선상 패턴으로 존재하는 경우도 있다.

또한, 금속층 (2)는 이것으로 한정되는 것은 아니지만, 텅스텐, 몰리브덴, 백금, 티탄, 구리 등으로 형성되고, 그 두께는 20 ㎛ 이하, 특히 5 내지 15 ㎛의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 금속층 (2)가 차지하는 비율은, 통상적으로 소결체판 (1-a, 1-b)의 접합면에 대하여 50 내지 90 ％, 특히 60 내지 80 ％ 정도인 것이 바람직하다.

한편, 접합 전의 질화알루미늄 소결체판 (1-a, 1-b)는 접합 후에 목적하는 두께의 AlN 판상 접합체가 얻어지도록 각각의 두께가 적절하게 결정된다. 예를 들면, 소결체판 (1-a, 1-b)가 동일한 두께일 수도 있고, 상이한 두께일 수도 있다. 일반적으로는 반도체 웨이퍼를 얹은 측의 소결체판의 두께가 다른쪽보다 얇은 것이 바람직하며, 한쪽 소결체판의 표면(웨이퍼가 장착되는 측의 표면)으로부터의 금속층 (2)의 깊이가 판상 접합체의 전체 두께에 대하여 0.1 내지 50 ％가 되도록 소결판 (1-a, 1-b)의 두께를 결정하는 것이 바람직하다. 상기 AlN 판상 접합체의 총 두께는 용도에 따라서도 다소 상이하지만, 1 내지 100 mm가 일반적이다.

본 발명의 AlN 판상 접합체는, 접착제를 사용하지 않고 상기 질화알루미늄 소결체판 (1-a, 1-b) 사이에 금속층 (2)를 끼워 후술하는 2단계 가열에 의해 접합시킨 것이며, 이러한 방법으로 제조되기 때문에 이하와 같은 특성을 갖는다.

즉, 본 발명의 AlN 판상 접합체의 접합 강도는 다이-시어(die-shear) 테스터에 의해 측정되는 전단 강도로 평가할 수 있으며, 소결체판 사이에서 9.5 내지 11.0 kg/mm², 특히 10.0 내지 11.0 kg/mm²이고, 소결체판-금속층 사이에서 2.5 내지 4.0 kg/mm²,특히 3.0 내지 4.0 kg/mm²이다. 본 발명에서는 이러한 높은 접합 강도로 접합체가 구성되어 있기 때문에, 접착제를 사용하여 제조된 접합체에 비하여 이종 재료와의 계면이 적으며(접착제층이 존재하지 않음), 따라서 열의 반복 이력에 의한 접합 강도의 저하가 매우 작은 특성을 갖는다. 이와 관련하여, 본 발명의 AlN 판상 접합체는 25 ℃에서부터 350 ℃까지의 승강온에 의한 열 이력을 100회 반복한 후의 금속층 (2)와 질화알루미늄 소결체와의 접합면 전단 강도가, 상기 열 이력 전의 전단 강도에 대하여 90 ％ 이상이라는 매우 양호한 내열 이력 특성을 나타낸다.

또한, 본 발명의 AlN 판상 접합체의 최대 특징은, 금속층 (2)의 변형이 현저하게 적다는 점에 있다. 이러한 금속층 (2)의 변형(W)은, 도 3에 나타낸 바와 같이 금속층 (2)에 대하여 직각인 절단면에 있어서, 금속층 (2)의 끝점을 연결하는 선 Z(일점 쇄선)와 금속층 (2)와의 최대 거리(R; ㎛)를 측정하고, 이것을 끝점간의 길이(T; mm)에 의해 하기 수학식 2에 의해 구한 값이다. 본 발명의 AlN 판상 접합 체는, 이러한 변형이 5 내지 25 ㎛/10 mm, 특히 10 내지 20 ㎛/10 mm라는 우수한 물성을 나타낸다.

W(㎛/10 mm)=(R/T)×10

이러한 우수한 낮은 변형 특성은 종래의 접착제를 사용하는 AlN 판상 접합체로는 달성할 수 없는 값이며, 접착제를 사용하지 않고 후술하는 2단계 가열에 의한 특수한 접합 기술에 의해 비로소 달성된 값이다.

또한, 본 발명의 접합체는, 후술하는 특수한 접합 기술에 의해 변형의 감소를 실현하기 때문에, 도 2에 나타낸 바와 같이 접합체의 중심 O를 통과하는 측 단면에서 볼 때, 접합 계면 P에서 상기 소결체판끼리 직접 대면하고 있는 직접 접합 영역에는 접합 계면에 따른 길이 L이 평균 0.5 내지 4 ㎛인 빈 구멍이 복수개 존재하는 특유한 접합 구조를 갖는다. 즉, 이러한 빈 구멍은 직접 결합 영역의 전체에 분포해 있고, 상기 길이 L이 5 ㎛ 이상인 크기는 존재하지 않으며, 상기 빈 구멍은 구형에 가까운 형상을 가지고, 그 접합 계면 방향을 따른 길이 L과 접합 계면에 대하여 수직 방향의 길이 L_p와의 비(L/L_p)가 평균 0.8 내지 2, 특히 1.0 내지 1.5의 범위에 있다. 본 발명의 AlN 판상 접합체에서는 이러한 빈 구멍의 존재에 의해, 소결체판 (1-a)와 (1-b)가 부분적으로 비접합되어 있으며, 임의의 복수개 부분에서 상기 측 단면에 대하여, 하기 수학식 1에 의해 비접합률 Q를 산출하면, 그 값은 평균 0.1 내지 0.5 ％, 특히 바람직하게는 0.2 내지 0.4 ％의 범위에 있다.

<수학식 1>

비접합률 Q=(X/Y)×100

또한, 상술한 빈 구멍의 크기나 비접합률 등은, 판상 접합체를 상기 측 단면이 나타나도록 절단하고, 이 절단면을 전자 현미경으로 관찰함으로써 측정할 수 있다.

(AlN 판상 접합체의 제조 방법)

이하, 상술한 구조를 갖는 본 발명의 AlN 판상 접합체의 제조 방법에 대하여 설명한다.

이 제조 방법은 미리 AlN 소결판을 준비하고, 금속층을 사이에 끼워 2장의 AlN 소결판을 접착제를 사용하지 않고 가열 접합하는 것이지만, 간단히 설명하면 상기 가열 접합을 2 단계의 가열에 의해 행하는 것이 현저한 특징이다. 즉, 제1 단계의 가열 접합은 상기 소결체의 열 팽창이 비교적 적은 저온 영역에서 행해지며, 이 때에는 소결판 서로에서 부분적인 공소결이 발생하여 2장의 소결판은 임시 고정된다. 또한, 이어서 행해지는 제2 단계의 가열 접합은 제1 단계의 가열 접합보다 고온 영역에서 행해지며, 제1 단계의 가열 접합에 의한 고정 상태가 유지된 상태로 추가로 공소결을 진행시켜 확실한 접합부를 형성시키는 것이다.

이와 같이 가열 접합을 2 단계로 행하면, 부분적인 공소결이 서서히 진행되 어 최종적인 접합부(도 2에서의 직접 접합 영역)를 형성하기 때문에, 성장된 공소결부의 사이에 미세하고 거의 구형인 빈 구멍이 잔존하게 된다. 이러한 빈 구멍은 상술한 바와 같은 크기로 접합부의 전체에 걸쳐 거의 균등하게 분포하며, 상기 빈 구멍에 의해 비접합부가 형성되고, 접합 계면에서 상기 수학식 1로 표시되는 비접합률 Q가 소정의 범위 내가 된다. 이와 같이, 접착제를 사용하지 않고 접합이 행해지며, 이러한 접합 구조를 갖기 때문에, 본 발명의 AlN 판상 접합체는 높은 접합 강도와 내열 이력성을 가지며, 나아가 금속층의 변형이 효과적으로 억제된다. 또한, 접착제를 사용하지 않기 때문에, 현저한 입자 계면(grain boundary) 이동이 발생하지 않아 변형이 발생하기 어렵다.

예를 들어, 질화알루미늄 소결체의 소결 온도 부근에서, 1 단계로 가열 접합을 실시한 경우에는 접합의 진행에 따라 비접합부가 잔존하는데, 접합시에 접합 계면이 자유도를 가지고, 이것이 냉각되는 과정의 비교적 고온에서 접합 계면이 고정되기 때문에, 냉각 후의 접합체에 왜곡이 생기기 쉽고, 변형이 발생하게 된다. 또한, 접합시에 있어서 접합 계면이 자유도를 가짐으로써, 빈 구멍의 이동이나 변형이 발생하기 쉽고, 커다란 빈 구멍이 편재하여 존재하거나, 평면 방향으로 찌부러진 형상(접합 계면 방향의 길이 L이 큼)의 빈 구멍이 많이 존재하여, 상술한 비접합률 Q가 꽤 큰 값이 되어 접합 강도나 내열 이력 특성의 저하가 발생하게 된다.

AlN 소결체판 (1-a, 1-b)의 제조:

본 발명에 있어서, 가열 접합해야 할 AlN 소결체판은 그 자체로 공지된 방법에 의해 제조할 수 있으며, 예를 들어 AlN 분말을 포함하는 소성용 분말을 유기 결 합제와 혼합하여 조립 분말 또는 페이스트 등의 성형용 재료를 제조하고, 이 성형 재료를 시트상으로 성형하고, 얻어진 그린 시트에서 결합제를 제거하고, 소성함으로써 제조할 수 있다.

상기 소성용 분말에는 필요에 따라 Mg, Ca, Sr 등의 알칼리 토금속의 산화물이나, Y 등의 희토류 원소의 산화물 등을 소결 보조제로서 첨가할 수도 있다. 이러한 소결 보조제의 첨가량은 통상적으로 1 중량％ 이하, 특히 0.5 중량％ 이하이다.

또한, 유기 결합제로서는 이것으로 한정되는 것은 아니지만, 일반적으로 폴리비닐부티랄, 폴리메틸메타크릴레이트, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌글리콜, 산화폴리에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-아세트산 비닐 공중합체, 폴리스티렌, 폴리아크릴산 등이 사용된다. 이러한 유기 결합제는 그 종류에 따라서도 상이하지만, 일반적으로 상술한 소성용 분말 100 중량부 당 0.1 내지 30 중량부의 양으로 사용된다.

또한, 성형용 재료의 제조에 있어서는, 필요에 따라 장쇄 탄화수소에테르 등의 분산제, 톨루엔, 에탄올 등의 용제, 및 프탈산 등의 가소제를 적절한 양으로 사용할 수도 있다.

상기 성형용 재료를 사용한 성형용 시트(그린 시트)의 제조는 압출 성형법, 닥터 블레이드법, 가압 성형법 등의 공지된 성형법에 의해 행해진다.

결합제 제거는 일반적으로 그린 시트를 공기 중에서 300 내지 90O ℃ 정도로 가열함으로써 행해지며, 소성은 결합제 제거 후의 그린 시트를 불활성 분위기 중( 예를 들면, 질소 분위기 중)에서 1700 내지 1900 ℃의 온도로 가열함으로써 행해진다. 소성 시간은 통상적으로 아르키메데스법에 의한 상대 밀도가 98 ％ 이상이 되는 정도의 시간이면 된다.

상기한 바와 같이 하여 얻어진 AlN 소결체판은, 금속층 (2)와 상기 소결판과의 밀착성을 높이고, 접착제를 사용하지 않고 행해지는 가열 접합에 의해 충분한 접합 강도가 얻어지도록, 표면 조도 Ra(JIS B 0601)가 0.1 내지 0.8 ㎛, 바람직하게는 0.2 내지 0.6 ㎛가 되게 연삭 가공을 실시하는 것이 바람직하다.

금속층 (2)의 형성:

상기한 바와 같이 하여 제조된 AlN 소결체판 (1-a, 1-b)의 한쪽에 금속층 (2)를 형성한다.

이러한 금속층 (2)는, 예를 들면 상술한 금속 재료를 소정의 마스크를 통한 이온 플레이팅 등의 수단으로 소정 두께(20 ㎛ 이하, 특히 5 내지 15 ㎛)로 형성할 수 있다. 또한, 금속 재료를 적당한 유기 결합제나 유기 용제에 분산시킨 도체 페이스트를 소정 패턴 형상으로 소결체판 표면에 도포하고, 베이킹을 행함으로써 금속층 (2)를 형성할 수도 있다.

가열 접합:

본 발명에 있어서는, 상기한 바와 같이 하여 제조된 2장의 AlN 소결체판(한쪽에는 금속층 (2)가 형성되어 있음)을, 그 사이에 금속층 (2)가 존재하도록 하여 중첩시키고 5 내지 100 kg/cm², 바람직하게는 10 내지 30 kg/cm²의 압력으로 압접하 면서 2 단계로 가열 접합한다. 또한, 이 가열 접합은 대기 중 또는 불활성 분위기 중(질소 분위기 중) 어디에서나 행할 수 있지만, 금속 재료의 산화를 방지하기 위해 불활성 분위기 중에서 행하는 것이 바람직하다.

제1 단계의 가열 접합은 1650 내지 1700 ℃, 바람직하게는 1650 내지 1680 ℃의 온도에서 0.5 내지 4 시간, 바람직하게는 1 내지 2 시간 가열이 행해진다. 앞서 설명한 바와 같이, 이 단계에서의 가열 접합은 AlN 소결체의 열 팽창이 비교적 적은 저온 영역에서 행해지는 것이며, 소결체판 서로에서 부분적인 공소결이 발생하여 2장의 소결체판이 임시 고정된다. 따라서, 이 단계에서 가열 접합을 정지했을 때, 2장의 소결체판끼리 접합되어 있는 영역에서의 전단 강도는, 통상적으로 1.0 내지 4.0 kg/mm² 정도로 꽤 낮다.

상기 제1 단계의 가열 접합 후에 상기 압력을 유지한 상태로 제2 단계의 가열을 행함으로써, 목적하는 AlN 판상 접합체를 얻을 수 있다. 이 때의 가열 온도는 1700 ℃ 초과 1800 ℃ 이하, 바람직하게는 175O 내지 1790 ℃의 범위이며, 가열 시간은 2 내지 8 시간, 바람직하게는 4 내지 6 시간이다. 즉, 이러한 제2 단계의 가열에서는 제1 단계에서의 가열 접합에 의한 고정 상태가 유지된 상태로, 또한 공소결이 진행되어 접합부가 형성된다. 따라서, 2장의 소결체판이 직접 접합되어 있는 영역에는 빈 구멍이 분포하고, 이러한 빈 구멍에 의해 비접합부가 발생한다. 그런데, 이러한 빈 구멍은 거의 구형이고, 전체적으로 꽤 균일한 미세 형상이며, 상술한 비접합률 Q가 꽤 작은 범위에 있고, 높은 접합 강도가 확보되어 있으며, 금 속층 (2)의 변형도 효과적으로 억제되어 있다.

상기 2 단계에서의 가열 접합에 있어서, 제1 단계의 가열 온도가 상기 범위보다 높으면, 얻어지는 판상 접합판에 있어서는 금속층 (2)에 큰 변형이 발생하고, 이러한 접합체 자체도 커지게 된다. 또한, 이러한 조건으로 얻어지는 접합체는 빈 구멍의 길이 비(L/L_p)가 본 발명에 비하여 꽤 커져 접합 계면 방향의 길이가 길고 가늘고 긴 형상을 갖는 빈 구멍이 많이 발생하며, 비접합률 Q가 꽤 커져 접합 강도가 크게 저하된다.

또한, 제1 단계의 가열 온도가 상기 범위보다 낮은 경우 또는 가열 시간이 상기 범위보다 짧은 경우에는 임시 고정이 불충분해지고, 역시 커다란 빈 구멍이 많이 발생하며, 비접합률 Q가 커져 접합 강도의 저하나 변형을 일으킨다.

또한, 제1 단계의 가열 시간이 상기 범위보다 긴 경우에는, 금속층 (2)를 형성하고 있는 금속이 소결체판 중에 확산되고, 접합판 내에서의 금속층 (2)의 분포가 불균일해져 반도체 제조 장치에 사용되는 정전 척이나 플레이트 히터로서의 용도로 매우 부적절하게 된다.

또한, 제2 단계의 가열 온도가 상기 범위보다 높은 경우에도, 금속층 (2)를 형성하고 있는 금속이 소결체판 중에 확산되어 금속층 (2)의 분포가 불균일해진다.

제2 단계의 가열 온도가 상기 범위보다 낮은 경우에는, 공소결부의 성장이 불충분해져 충분한 접합 강도를 얻을 수 없다. 즉, 이 경우에는 당연히 상술한 비접합률 Q가 매우 큰 값이 된다.

또한, 제2 단계의 가열 시간이 상기 범위보다 짧은 경우에도 공소결부의 성장이 불충분해져 접합 강도의 저하가 발생하고, 가열 시간이 상기 범위보다 긴 경우에는 변형이 커지게 된다.

상기와 같은 2 단계 접합에 의해 얻어지는 본 발명의 AlN 판상 접합판은 변형이 없고, 금속층이 접합판 내에 균일하게 분포되어 있으며, 접합 강도가 높고, 내열 이력성도 우수하기 때문에, 반도체 제조 장치에서 사용되는 정전 척이나 플레이트 히터로서 매우 유용하다.

이하, 실시예, 비교예를 들어 본 발명의 효과를 보다 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이하에 기술하는 실시예로 한정되는 것이 아니다.

실시예 및 비교예에서의 각종 측정은 하기의 방법에 의해 행하였다.

(1) 비접합률 Q

AlN 접합체의 중심 O로부터 외측을 향하여 각도 90도 간격으로 4군데의 절단면을 취하고, 이 절단면의 소결판끼리의 계면을 주사형 전자 현미경(SEM)을 이용하 여 배율 600배로 연속적으로 사진 촬영하였다. 이 촬영 사진을 기초로 소결판끼리 직접 접합되어 있는 접합 계면에 존재하는 각각의 빈 구멍에 대하여, 접합 계면 방향에 따른 길이 Ln(여기서, n은 1 내지 N이며, N은 계면에 존재하는 빈 구멍의 총 수임)을 구하고, 하기 수학식을 이용하여 비접합률 Q를 각각의 절단면에 대해 구하여, 그 평균치를 나타내었다.

단, Y는 SEM 관찰을 행한 직접 접합 영역의 총 길이이다.

(2) 빈 구멍의 길이 비(L/L_p)

상기 각각의 절단면에 있어서, 상기 빈 구멍의 접합 계면 방향에 따른 길이(L) 및 접합 계면과 수직 방향의 길이(L_p)를 측정하고, 그 비(L/L_p)를 구하여, 그 평균치를 나타내었다.

(3) 금속층의 변형(W) 측정

AlN 판상 접합체를 2분할한 각 단면에 대하여, 도 3에 나타낸 바와 같이 금속층의 끝점을 연결하는 선 Z(일점 쇄선)로부터 가장 떨어진 금속층의 거리(R; ㎛)를 측정하고, 이것을 끝점간의 길이(T; mm)에 의해 하기 수학식 2에 의해 구하여 가장 큰 값을 금속층의 변형으로서 표시하였다.

<수학식 2>

W(㎛/10 mm)=(R/T)×10

(4) 내열 이력 특성

AlN 판상 접합체를 서멀 쇼크 챔버(에스펙(주) 제조, 형식 TSC-103(W))에 넣고, 25 ℃에서부터 350 ℃까지 30 분간 승온한 후, 25 ℃까지 30 분간 냉각하는 승강온을 100회 반복하고, 이러한 열 이력 전후의 접합체의 접합 계면의 전단 강도를 측정하여, 하기 수학식에 의해 내열 이력 특성을 산출하였다.

내열 이력 특성(％)=열 이력 후의 전단 강도×100/열 이력 전의 전단 강도

<실시예 1>

직경 40 mm, 두께 6 mm의 AlN 소결판((주)도꾸야마, SH-50, Y₂O₃: 0.02 중량％, 표면 조도 Ra: 0.4 ㎛)의 한쪽면에 외주(外周)로부터 5 mm 폭의 부분을 알루미늄제 마스크로 피복하고, 이온 플레이팅법에 의해 Ti: 0.2 ㎛, W: 1 ㎛의 순서로 막 형성하여 금속층(두께 1.2 ㎛)을 형성하였다.

이어서, 금속층을 형성하지 않은 AlN 소결판(SH-50)을, 상기 금속층이 형성된 소결판에 금속층이 내측이 되도록 겹쳐 카본제 시료 지그(jig)로 고정하고, 가열 가압로에 넣었다. 그 후, 하중 300 kgf(압력 23.9 kg/cm²)를 가하면서 질소 기류 중에 1650 ℃에서 2 시간 유지한 후, 승온 속도 10 ℃/분으로 1750 ℃까지 승온한 후, 4 시간 유지하였다. 실온까지 냉각한 후, 화로로부터 꺼내 AlN 판상 접합체를 얻었다.

이러한 AlN 판상 접합체의 제조 조건 및 각종 특성을 하기 표 1, 표 2에 나타내었다.

또한, 이 AlN 판상 접합체에 대하여 금속층의 변형 W는 12 ㎛/10 mm이고, 접합 계면의 전단 강도는 금속층을 포함하는 계면에서 3.8 kgf/mm²이며, 금속층을 포함하지 않는 계면(소결판끼리 직접 접합되어 있는 계면)에서는 10 kgf/mm²이고, 내열 이력 특성은 100 ％였다. 또한, 비접합률 Q는 0.2 ％이고, 접합 계면 방향의 빈 구멍의 길이의 평균은 1.8 ㎛이며, 빈 구멍의 길이 비 L/L_p의 평균은 1.1이었다.

<실시예 2>

직경 326 mm, 두께 10 mm의 AlN 소결판(조성 등은 실시예 1과 동일함)의 한쪽 면의 전체면에 실시예 1과 동일하게 하여 Ti 및 W를 포함하는 금속층(두께: 1.2 ㎛)을 형성하였다. 이어서, 금속층의 중심으로부터 반경 146 mm의 범위를 마스킹하고, 외주로부터 17 mm 폭의 금속층(Ti/W막)을 5 vol％ 히드로플루오르산/5 vol％ 질산의 1:1 혼합 용액을 이용하여 제거하였다.

이어서, 금속층이 형성되어 있지 않은 AlN 소결판을, 상기한 AlN 소결판에 금속층이 내측이 되도록 겹쳐 카본제 시료 지그로 고정하고, 가열 가압로에 넣었다. 그 후, 하중 20 tf(압력 24.0 kg/cm²)를 가하면서 질소 기류 중에 1690 ℃에서 2 시간 유지한 후, 승온 속도 3 ℃/분으로 1790 ℃까지 승온한 후, 4 시간 유지하였다. 실온까지 냉각한 후, 화로로부터 꺼내 AlN 판상 접합체를 얻었다.

이러한 AlN 판상 접합체의 제조 조건 및 각종 특성을 표 1, 표 2에 나타내었다.

또한, 상기 AlN 판상 접합체에 대하여 금속층의 변형 W는 17 ㎛/10 mm이며, 접합 계면의 전단 강도는 금속층을 포함하는 계면에서 3.5 kgf/mm²이고, 금속층을 포함하지 않는 계면(소결판끼리 직접 접합되어 있는 계면)에서는 10 kgf/mm²이며, 내열 이력 특성은 100 ％였다.

또한, 비접합률 Q는 0.2 ％이고, 접합 계면 방향의 빈 구멍의 길이의 평균은 2.4 ㎛이며, 빈 구멍의 길이 비 L/L_p의 평균은 1.2였다.

<실시예 3 내지 5>

실시예 1과 동일한 직경 및 두께를 갖는 AlN 소결판을 사용하고, 가열 접합 조건(유지 온도, 유지 시간, 하중)을 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 AlN 판상 접합체를 얻었다.

<실시예 6>

실시예 1과 동일한 AlN 소결판의 한쪽면에 실시예 1과 동일하게 하여 Ti(0.2 ㎛) 및 W(9 ㎛)의 금속층을 형성하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 가열 접합을 행하여 AlN 판상 접합체를 얻었다.

또한, 상기 AlN 판상 접합체에 대하여 금속층의 변형은 19 ㎛/10 mm이며, 접합 계면의 전단 강도는 금속층을 포함하는 계면에서 3.1 kg/mm²이고, 금속층을 포함하지 않는 계면(소결판끼리 직접 접합되어 있는 계면)에서는 10 kg/mm²이며, 내열 이력 특성은 99 ％였다. 또한, 비접합률 Q는 0.2 ％이고, 접합 계면 방향의 빈 구 멍의 길이의 평균은 3.8 ㎛이며, 빈 구멍의 길이 비 L/L_p의 평균치는 1.2였다.

<비교예 1>

실시예 1과 완전히 동일하게 하여, 한쪽면에 금속층(Ti/W)이 형성된 AlN 소결판을 제조하였다.

이어서, 금속층이 형성되어 있지 않은 AlN 소결판에 AlN-Y₂O₃ 슬러리(AlN: 100 중량부, Y₂O₃: 5 중량부, 아크릴 결합제: 4 중량부, 장쇄 탄화수소에테르계 분산제: 0.5 중량부)를 접착제로서 도포한 후, 이것을 금속층이 형성되어 있는 상기 소결판에 금속층이 내측이 되도록 겹쳐 카본제 시료 지그로 고정하고, 가열 가압로에 넣었다.

그 후, 하중 300 kgf(압력 23.9 kg/cm²)를 가하면서 질소 기류 중에 1650 ℃에서 2 시간 유지한 후, 승온 속도 10 ℃/분으로 1750 ℃까지 승온한 후, 4 시간 유지하였다. 실온까지 냉각한 후, 화로로부터 꺼내 접착제층으로 접합된 AlN 판상 접합체를 얻었다.

얻어진 AlN 판상 접합체는 육안으로도 명확하게 밥공기 형태로 변형되어 있었다. 또한, 이 AlN 판상 접합체 표면을 연삭하여 평평하게 한 후, 측정된 금속층의 변형은 297 ㎛/10 mm였다. 또한, 접합 계면의 전단 강도를 측정했더니, 금속층을 포함하는 계면에서 2.0 kg/mm²이고, 금속층을 포함하지 않은 계면(소결판끼리 직접 접합되어 있는 계면)에서는 6 kg/mm²이며, 내열 이력 특성은 68 ％였다. 이어 서, 비접합률 Q를 구했더니 21.1 ％이고, 접합 계면 방향의 빈 구멍의 길이의 평균은 6.5 ㎛이며, 빈 구멍의 길이 비 L/L_p의 평균치는 4.8이었다.

<비교예 2>

실시예 1과 동일한 직경 및 두께를 갖는 AlN 소결판을 사용하고, 가열 접합 조건(유지 온도, 유지 시간, 하중)을 변경한 것 이외에는, 비교예 1과 동일한 방법으로 AlN 판상 접합체를 얻었다.

<비교예 3 내지 9>

Claims

접착제를 사용하지 않고 서로 접합된 2장의 질화알루미늄 소결체판과, 그 접합 계면의 일부에 형성되어 있는 금속층을 포함하는 질화알루미늄 접합체에 있어서, 상기 접합체의 중심을 통과하는 측 단면에서 볼 때, 상기 접합 계면에서 상기 소결체판끼리 직접 대면하고 있는 직접 접합 영역에는 접합 계면을 따른 길이 L이 평균 0.5 내지 4 ㎛인 빈 구멍이 복수개 존재하고, 이 빈 구멍에 의해 비접합부가 형성되어 있으며, 상기 측 단면에 대하여 하기 수학식 1에 의해 산출되는 비접합률 Q가 평균 0.1 내지 0.5 ％의 범위인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 접합체.

<수학식 1>

비접합률 Q=(X/Y)×100

식 중, X는 직접 결합 영역에 존재하는 상기 빈 구멍의 길이 L의 합계치로 표시되는 상기 비접합부의 접합 계면 방향의 길이이고, Y는 상기 빈 구멍이 존재하는 직접 결합 영역의 길이이다.
제1항에 있어서, 상기 직접 결합 영역에는 상기 길이 L이 5 ㎛ 이상인 빈 구멍이 실질상 존재하지 않는 질화알루미늄 접합체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 빈 구멍의 접합 계면 방향에 따른 길이 L 과 접합 계면에 대하여 수직 방향의 길이 L_p의 비(L/L_p)가 평균 0.8 내지 2인 질화알루미늄 접합체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층에서의 변형이 25 ㎛/10 mm 이하인 질화알루미늄 접합체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 1 내지 100 mm의 두께를 갖는 질화알루미늄 접합체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 25 ℃에서부터 350 ℃까지의 승강온에 의한 열 이력을 100회 반복한 후의 상기 금속층과 질화알루미늄 소결체판과의 접합면의 전단 강도가, 상기 열 이력 전의 전단 강도에 대하여 90 ％ 이상인 질화알루미늄 접합체.
2개의 질화알루미늄 소결체판을 준비하는 공정, 한쪽의 질화알루미늄 소결체판의 표면의 일부에 두께 20 ㎛ 이하의 금속층을 형성하는 공정, 다른쪽의 질화알루미늄 소결체판을, 상기 금속층이 사이에 위치하도록, 상기 한쪽의 질화알루미늄 소결체판 상에 겹쳐 적층체를 형성하는 공정, 상기 적층체를 5 내지 100 kg/cm²의 압력으로 가압하면서, 1650 내지 1700 ℃의 온도에서 0.5 내지 4 시간 가열하는 공 정, 이어서 상기 압력에 의한 가압을 계속하면서, 1700 ℃ 초과 1800 ℃ 이하의 온도에서 상기 적층체를 2 내지 8 시간 가열하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 접합체의 제조 방법.
제6항에 있어서, 질화알루미늄 소결체판의 평균 표면 조도 Ra(JIS B 0601)가 0.1 내지 0.8 ㎛의 범위인 질화알루미늄 접합체의 제조 방법.