KR20060086492A - 금속 부재와 세라믹 부재의 접합 구조 및 그 제조 방법 - Google Patents

금속 부재와 세라믹 부재의 접합 구조 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

접합 구조는 금속 부재와, 적어도 금속 부재의 일부를 수용하기 위한 수용홈을 갖는 세라믹 부재를 구비하고, 도전성 접합층이 금속 부재의 저면과 수용홈의 저면 사이에 형성되고, 도전성 접합층에 의해 제공된 습윤성(wettability)을 갖는 막이 금속 부재의 측벽면의 적어도 일부에 형성된다.
수용홈, 금속 부재, 접합 구조, 도전성 접합층, 도전성 접합재의 피복층

Description

금속 부재와 세라믹 부재의 접합 구조 및 그 제조 방법{JOINT STRUCTURE OF METAL MEMBER AND CERAMIC MEMBER AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
도 1은 본 발명자가 검토한 비교예로서의 접합 구조를 나타낸 단면도.
도 2a는 금속 부재(5)와 이 금속 부재의 표면 상에 형성된 막(36)을 구비한 금속 합성 부재의 실시예를 나타낸 단면도, 도 2b는 금속 합성 부재(13A)의 다른 실시예를 나타낸 단면도, 도 2c는 금속 합성 부재(13B)의 하나의 실시예를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 도 4에 나타낸 접합 구조의 실시예의 제조 전의 상태를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 접합 구조의 제1 실시예를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 따른 접합 구조의 제2 실시예를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 접합 구조의 제3 실시예를 나타낸 단면도,
도 7은 도 6에 나타낸 세라믹 부재(1)를 제조하는데 사용되는 성형체(32)를 나타낸 단면도.
도 8a는 도 3 내지 도 6에 나타낸 접합 구조에 적용되는 세라믹 부재(1)의 부분 파단 사시도, 도 8b는 도 8a에 나타낸 세라믹 부재(1)에 매설되어 있는 망형 전극(2)을 나타낸 사시도.
도 9a 내지 도 9c는 각각 세라믹 부재에 매설되어 있는 평판형 벌크 전극의 여러 실시예를 나타낸 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 세라믹 기판
1a : 배면
2 : 망형 전극(도전성 부재의 일종)
2A : 도전성 부재의 노출 부분
4 : 수용홈
4a : 수용홈(4)의 저면
4b : 수용홈(4)의 측벽면
5 : 금속 부재(금속 부재의 본체)
5a : 금속 부재의 저면
5b : 금속 부재의 측벽면
5c : 금속 부재의 상측면
5d : 금속 부재의 모서리
6, 6A : 수용홈의 표면을 피복하는 금속박
7 : 수축 공동
11 : 금속 부재(5)의 표면에 따라 상승된 도전성 접합재
13A, 13B : 금속 합성 부재
14A, 14B : 금속 부재(5)보다도 습윤성이 낮은 도전성 접합재에 의한 막
16 : 도전성 접합재
17 : 도전성 접합층
18 : 금속박 상의 도전성 접합재의 피복층
19 : 금속 부재의 모서리면 상의 도전성 접합재의 피복층
30 : 분말 소결체
본 발명은 금속 부재 및 세라믹 부재의 접합 구조, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 반도체 웨이퍼의 반송(搬送), 노광, CVD, 스퍼터링 등의 성막 프로세스, 또는 미세 가공, 세정, 에칭, 다이싱(dicing) 등의 공정에 있어서 반도체 웨이퍼를 흡착시키고 유지시키기 위해 정전 척(electrostatic chuck)이 사용되고 있다. 정전 척의 기판으로서, 치밀한 세라믹이 주목되고 있다. 특히, 반도체 제조 장치에서 에칭 가스 또는 세정 가스로서, ClF3 등의 부식성 할로겐계가 사용되고 있다. 또한, 반도체 기판을 유지한 상태에서 급속으로 가열하고 냉각시키기 위해서는 정전 척의 기판이 높은 열도전성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 급속한 온도 변화에 의해 기판이 파괴되지 않도록 내열 충격성을 갖는 것이 바람직하다. 이런 접속에 있어서, 치밀한 질화 알루미늄, 알루미나 등은 상기한 부식성 할로겐계 가스에 대한 높은 내부식성을 갖는다.
또한, 반도체 제조 장치의 분야에서 플라즈마를 발생시키기 위해 고주파 전극을 내장한 서셉터(susceptor)가 실용화되어 있다. 이러한 고주파 전력 발생 장치의 분야에서도, 질화 알루미늄, 알루미나 등의 기판에 금속 전극이 매설되어 있다.
이들 장치에 있어서, 금속 전극은 질화 알루미늄, 알루미나 등의 세라믹 기판에 매설되고, 전력을 공급하기 위해 외부 커넥터에 전기적으로 접속될 필요가 있다. 그러나, 이러한 접속 부분은 산화 분위기에서 또는 부식성 가스 분위기에서 초고온 및 저온의 열 사이클에 노출되어 있다. 이러한 악조건에서도, 상기 접속 부분이 장기간 높은 접합 강도 및 양호한 전기 접속을 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명자들은 반도체 제조 장치에 사용되는 세라믹 히터, 정전 척 또는 고주파 전극을 제조함에 있어서, 질화 알루미늄, 질화 실리콘 등의 기판에 기계 가공하여 홈을 형성하고, 상기 홈으로부터 기판의 내측에 금속 전극을 노출시키며, 상기 홈에 원주형의 금구(metal fitting)를 삽입시키고, 상기 금속 전극에 금구를 납땜하는 기술을 제안하였다(일본 특허 출원 제7-21657호).
그러나, 이 기술은 다음과 같은 문제점이 확인되었다. 즉, 소정의 접합 강도 및 도전성을 확보할 수 없는 경우가 있고, 따라서 효율이 저하하였다. 예를 들면, 세라믹 기판에 형성된 수용홈의 저면에 원주형 금구의 상면을 납땜시킬 때, 납땜 재료가 금구측으로 유입되어 지나치게 상승되기 때문에, 접합 부분에 충분한 양의 납땜 재료가 남아 있지 않는 경우가 발생된다. 이 때문에, 금구에 응력이 인가 되면 강도가 저하되는 경향이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 금속 부재와, 금속 부재의 적어도 일부를 수용하기 위한 수용홈을 갖는 세라믹 부재의 접합 구조에서의 금속 부재의 접합 강도를 향상시키는 것에 있다.
본 발명에 따르면, 금속 부재와, 금속 부재의 적어도 일부를 수용하기 위한 수용홈을 갖는 세라믹 부재의 접합 구조에 있어서, 상기 금속 부재가 상기 수용홈에 수용되고, 상기 세라믹 부재와 상기 금속 부재를 접합시키는 도전성 접합층이 금속 부재의 저면과 상기 수용홈의 저면 사이에 형성되며, 상기 금속 부재의 금속보다도 상기 도전성 접합층의 습윤성이 낮은 막이 상기 금속 부재의 상면, 저면, 모서리 면을 제외한 측면 또는 금속 부재의 상면, 저면을 제외한 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 접합 구조 및 그 제조 방법을 제공한다.
우선, 본 발명자는 도 1에 나타낸 바와 같은 구성을 갖는 세라믹 부재(1)에 금속 부재(5)를 접합시키는 실험을 행하였다. 이 경우, 후술하는 바와 같은 망형 전극(2)이 일체 소결되는 세라믹 부재(1)에 매설되어 있다. 또한, 원형의 오목부(3)가 세라믹 부재(1)의 배면(1a)에 형성되고, 또한 오목부(3)의 내측에 횡단면이 실질적으로 원형인 수용홈(4)이 형성된다. 기술된 예에 있어서, 수용홈(4)에 원주 형상의 금속 부재(5)를 삽입하기 전에 수용홈(4)의 저면(4a)과 수용홈의 저면에 근접한 측벽면(4b)의 일부를 피복하도록 금속박(6)을 형성하였다.
금속 부재(5)의 저면(5a)과 이에 대향하는 수용홈(4)의 저면(4a) 사이에 평판형 납땜 재료를 개재시킨다. 또한, 금속 부재(5)의 측벽면 (5b)과 수용홈(4)의 측벽면(4b) 사이에 약간의 간격이 존재한다.
이러한 상태에서 납땜을 수행하면, 도 1에 나타낸 바와 같이 납땜으로 이루어진 도전성 접합층(8)을 개재하여 세라믹 부재(1)에 금속 부재(5)를 접합시키는 것을 성공하였다. 그러나, 금속 부재의 접합 강도, 특히 화살표(A)의 방향으로 인가된 응력에 대한 접합 강도가 낮아지는 경우가 생길 수 있고, 접합 부분의 전기 저항치가 상승되어 발열되는 경우가 생길 수 있다. 또한, 대기중에서 고온으로 노출되면, 망형 전극(2)이 산화되어, 도전성이 현저하게 저하된다.
본 발명자들은 이러한 문제의 이유에 대해 검토한 바, 납땜 재료의 일부가 납땜 단계에서 금속 부재(5)의 측벽면(5b)과 수용홈(4)의 측벽면(4b) 사이의 간격(9)이 상승되는 것에 주목하였다. 즉, 땜납중에 납땜 재료의 유동성이 생기기 때문에, 금속 부재(5)에 인가되는 약간의 하중과 금속 부재(5) 자체의 무게에 의해 납땜 재료가 유동되고, 수용홈(4)의 주변 에지부를 향하여 유입된다. 일반적으로, 세라믹 부재, 특히 질화 알루미늄 부재는 납땜 재료에 의해 습윤되기 어렵기 때문에, 금속박(6)으로 세라믹 부재의 표면을 피복하여 세라믹 부재의 표면이 납땜 재료에 의해 습윤될 수 있게 된다. 따라서, 수용홈(4)의 측벽면(4b)을 향하여 그 저면(4a)상으로 유입되는 납땜 재료의 일부가 금속박(6)에 따라 상승된다.
그러나, 납땜 재료의 대부분이 금속 부재(5)의 측벽면(5b)을 따라 위쪽으로 흐르게 되고, 측벽면(5b)을 적시는 경향이 있다. 그 결과, 측벽면(5b)을 따라 위 쪽으로 납땜 재료층(11)이 생성되는 경향이 있다. 이러한 납땜 재료층(11)은 금속 부재(5)의 접합 강도를 증가시키는데 기여하기 어렵다. 또한, 금속 부재(5)의 저면(5a)과 수용홈(4)의 저면(4a) 사이에 충전되야 하는 납땜 재료가 위쪽으로 잡아 끌리어, 납땜 재료층(11)의 형성과 함께 수축 공동(shrinkage cavity: 7)이 생긴다. 그 결과, 수축 공동(7)에 의해 금속 부재(5)의 접합 강도가 저하된다라고 생각된다. 또한, 망형 전극(2)은 수축 공동(7)에 의해 노출될 수 있고, 대기중에서 고온에 노출되어 있으면 산화될 수 있다라고 생각된다. 또한, 고온에서 할로겐 가스 등의 부식성 가스에 노출되면, 부식하기 쉽게 된다라고 생각된다.
본 발명자들은 이러한 접합 구조를 더욱 연구한 바, 후술하는 바와 같이 본 발명에 따른 접합 구조를 달성하였다.
도 2a에 나타낸 바와 같이, 금속 부재(5)의 표면보다 낮은 습윤성을 갖는 납땜 재료 등의 도전성 접합재의 막(36)을 금속 부재(5)의 저면(5a), 측벽면(5b), 상면(5c) 및 C 모서리면(5d) 상에 형성한다. 이러한 막으로 금속 산화물막이 바람직하지만, 금속 부재(5)의 금속보다 낮은 습윤성을 갖는 도전성 접합재의 재료로 이루어진 막을 사용해도 된다. 금속 부재에 있어서, C 모서리면 대신에 반원 모서리면을 사용해도 된다.
다음에, 도전성 접합재에 의한 금속 부재의 습윤성을 유지하기 위해 막(36)의 일부를 제거하여 금속 부재(5)의 표면 일부를 노출시킨다. 즉, 금속 부재(5)의 저면(5a)에 가까운 측벽면(5b)의 적어도 일부에서 막(36)을 제거할 필요가 있다. 전원 공급용 부재로서 금속 부재(5)를 사용하면, 금속 부재(5)의 전기 저항치를 감 소시키기 위해 금속 부재(5)의 적어도 상면(5c) 및 저면(5a)에서 막(36)을 제거하는 것이 특히 바람직하다.
바람직하게는, 도 2b에 나타낸 바와 같이 측벽면(5b) 상에 막(14A)을 남기기 위해 금속 부재(5)의 상면(5c), 저면(5a), C 모서리면(5d)으로부터 막(36)을 제거함으로써 금속 합성 부재(13A)를 얻는다. 선택적으로, 도 2c에 나타낸 바와 같이, 측벽면(5b) 및 C 모서리면(5d) 상에 막(14B)을 남기기 위해 금속 부재(5)의 상면(5c) 및 저면(5a)으로부터 막(36)을 제거함으로써 금속 합성 부재(13B)를 얻는다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 금속 합성 부재(13A)를 수용홈(4)에 삽입하여, 납땜 재료 등의 도전성 접합재(16)와 금속 부재(5)의 저면(5a)을 대향시킨다. 이 실시예에서 접합되는 세라믹 부재(1)에 대하여 이하에 설명한다.
도 8a 및 8b에 나타낸 바와 같이, 망형 전극(2)이 세라믹 부재(1)에 매설되어 있다. 상기 전극(2)은 전극(2)의 외부 주변부을 구성하는 거의 원형의 금속선(2a)과, 금속선(2a) 내측에 망형으로 된 금속선(2b)을 구비하고, 금속선(2a)과 금속선(2b) 사이, 복수의 금속선(2b) 사이에는 메쉬(mesh)가 형성되어 있다. 또한, 참조 번호(22)는 각각 반도체 웨이퍼를 지지하는 핀을 통과하는 관통홈이다.
도 3에서, 도전성 부재로 이루어진 망형 전극(2)의 일부(2A)가 수용홈(4)의 저면(4a)에서 노출되어 있다. 도전성 접합재(16)의 표면(16b)이 수용홈(4)의 저면(4a)과 전극(2)의 노출부(2A)에 대향되어 있는 반면, 금속 합성 부재(13A)의 저면(5a)이 도전성 접합재(16)의 다른 표면(16a)에 대향되어 있다. 상기 상태에서 전체를 가열함으로써 도 4에 나타낸 바와 같은 접합 구조가 얻어진다.
도 4에서, 금속 합성 부재(13A)의 저면(5a)과 수용홈(4)의 저면(4a)과의 사이에 도전성 접합층(17)이 형성되어 있다. 도전성 접합재가 용융될 때, 수용홈(4)의 저면에 있는 금속박(6)을 적시면서 유동시킨 결과, 금속박(6)의 말단 부근까지 도전성 접합재가 유동되어, 도전성 접합재로 된 피복층(18)이 생성된다.
동시에, 도전성 접합재가 금속 합성 부재(13A)의 저면(5a)을 적신다. 그러나, 금속 부재(5)의 측벽면(5b) 상에 설치되어 있는 막(14A)의 표면이 매우 습윤되기 어렵기 때문에, 금속 합성 부재(13A)의 측벽면(5b)에 따라서 도전성 접합재가 상승되지 않는다. 이 결과, 도 1에 나타낸 바와 같은 도전성 접합재의 과잉 유동에 의한 수축 공동의 형성을 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 세라믹 부재에 매설된 도전성 금속의 일부가 금속 합성 부재를 수용시키는 수용홈의 저면으로부터 노출되어, 도전성 접합층을 개재하여 금속 부재에 세라믹 부재를 접합함에 있어서 상기 노출부가 도전성 접합층에 접합될 수 있고, 따라서 세라믹 부재와 금속 부재 사이의 접합 강도를 향상시킬 수 있다. 이러한 특이한 접합 구조를 채용함으로써, 세라믹 부재가 납땜 재료에 의해 습윤되기 어렵더라도 높은 접합 강도를 얻을 수 있다.
도 4에 나타낸 접합 구조에 있어서, 세라믹 부재(1)에 매설된 망형 전극(2)의 일부가 수용홈(4)의 저면(4a)으로부터 노출되어 부분적으로 노출된 부분(2A)을 형성하게 된다. 그 결과, 세라믹 부재(1)를 도전성 접합층(17; 접합부(40)에 대응 하는)에 접합함과 동시에, 도전성 접합층(17; 접합부(40)에 대응하는)을 개재하여 금속 부재(5)에 부분적으로 노출된 부분(2A)을 접합할 수 있다.
또한, 도 3의 금속 합성 부재(13A) 대신에 금속 합성 부재(13B)를 사용하여 도 5에 나타낸 바와 같은 접합 구조를 얻을 수 있다. 이 경우, 도 4에 나타낸 바와 같이 동일한 부재에 동일한 참조 번호를 부치고, 그에 대한 설명은 생략한다. 도 5의 접합 구조에 있어서, 막(14B)이 금속 부재(5)의 C 모서리면(5d) 상에 연장되도록 형성되어, C 모서리면(5d)이 도전성 접합재에 의해 습윤되지 않고, 따라서 도 4에 나타낸 바와 같은 도전성 접합재의 피복층(19)은 형성되지 않는다.
도 6의 접합 구조에 있어서, 수용홈(4)의 저면(4a)과 망형 전극(2)과의 사이에 분말 소결체(30)가 매설되어 있다. 분말 소결체(30)의 한 쪽 표면(30a)이 도전성 접합층(35)에 의해 금속 합성 부재(13B)에 접합되어 있고, 분말 소결체(30)의 다른 쪽의 표면(30b)이 망형 전극(2) 및 세라믹 기판에 대하여 접합되어 있다. 본 실시예에서는 수용홈(4)의 저면(4a)중 분말 소결체(30)가 노출되어 있지 않은 부분에 금속박(6A)을 설치하고 잇다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 분말 소결체(30)를 세라믹 부재(1) 내부의 도전성 부재(2)와 금속 합성 부재(13B)와의 사이에 개재시키는 쪽이 도전성 부재(2)에 도달할 때까지의 산화성 가스 내지 부식성 가스의 전달 경로가 길게 되기 때문에, 한층 더 바람직하다.
이러한 접합 구조를 제조하기 위해서는 바람직하게는 도 7에 나타낸 바와 같이, 세라믹의 원료로 이루어진 성형체(32)를 작성하고, 이 성형체(32)를 소성시킨 다. 성형체(32)중에는 망형의 금속 전극(2)과, 분말 소결체의 원료인 금속 분말의 성형체(33)가 매설되어 있다. 단, 참조 번호(32b)는 반도체 웨이퍼의 설치면 측이고, 참조 번호(32a)는 배면 측이다. 이 성형체(32)를 소성함으로써, 동시에 분말 성형체(33)를 소결시켜 분말 소결체(30)를 얻는다. 그리고, 배면(1a)측으로부터 연삭 가공을 실시하고, 수용홈(4)을 형성한다.
세라믹 부재중에 매설되는 도전성 부재는 세라믹 분말과 동시에 소성되기 때문에, 고융점 금속으로 이루어진 평판형 벌크 재료인 것이 특히 바람직하다. 이러한 고융점 금속으로서는 탄탈, 텅스텐, 몰리브덴, 백금, 레늄, 하프늄 및 이들의 합금을 들 수 있다. 반도체 오염 방지의 관점에서, 탄탈, 텅스텐, 몰리브덴, 백금 및 이들의 합금이 바람직하다. 그러나, 세라믹과 동시 소성하기 때문에, 열팽창이 세라믹에 가까운 금속이 바람직하고, 예를 들면 알루미늄 세라믹에 대해서는 몰리브덴, 텅스텐 및 이들의 합금이 바람직하다.
이러한 평판형의 벌크 재료로서는 다음과 같다.
(1) 박판으로 이루어진 평판형 벌크 재료.
(2) 평판형의 전극 중에 다수의 작은 공간이 형성되어 있는 벌크 재료. 이것에는 다수의 작은 홈을 갖는 판상체로 이루어진 벌크 재료나, 망형의 벌크 재료를 포함한다. 다수의 작은 홈을 갖는 판상체로서는 펀칭 메탈(punching metal)을 들 수 있다. 단, 벌크 재료가 고융점 금속으로 이루어지고, 또한 펀칭 메탈인 경우에는, 고융점 금속의 경도가 높기 때문에, 고융점 금속으로 이루어진 판에 다수의 작은 홈을 펀치로 구멍내기가 곤란하고, 가공 비용도 매우 높아진다. 이 점, 벌크 재료가 금망(wire mesh)일 경우에는, 고융점 금속으로 이루어진 도선 재료가 용이하게 사용될 수 있고, 이 도선 재료를 편조(編組)함으로써 금망을 제조할 수 있다.
이러한 금망의 메쉬 형상, 도선 직경 등은 특히 한정되지는 않는다. 그러나, 도선 직경 0.03mm, 150메쉬 내지 도선 직경 0.5mm, 6메쉬에 있어서, 특히 문제없이 사용할 수 있다. 또한, 금망을 구성하는 도선 재료의 폭 방향의 단면 형상은 원형 외에, 타원형, 장방형 등, 각종의 압연 형상(rolled shape)이어도 된다. 여기서, 1메쉬는 1인치당 1도선을 의미한다.
도 9a는 금속 전극으로서 사용할 수 있는 펀칭 메탈(23)을 나타낸 사시도이다. 펀칭 메탈(23)은 원형을 이루고 있고, 원형의 평판(23a) 내에 다수의 원형 홈(23b)이 직사각형 배열로 다수 형성되어 있다. 도 9b는 금속 전극으로서 사용할 수 있는 원형의 박판(24)을 나타낸 사시도이다.
도 9c는 금속 전극으로서 사용할 수 있는 박판(25)을 나타낸 평면도이다. 박판(25)내에는 가늘고 긴 직선형의 슬릿(slit: 25b, 25c)이 서로 평행하게 합계 6열로 형성되어 있다. 이중, 3열의 슬릿(25b)은 도 9c에서 하측에 개구되어 있고, 나머지 3열의 슬릿(35c)은 상측에 개구되어 있다. 슬릿(25b, 25c)은 교대로 배치되어 있다. 이러한 형상을 채용한 결과, 박판에 의해 가늘고 긴 도전로가 형성된다. 이 도전로의 양단(25a)에 단자를 접속한다.
할로겐계 부식성 가스 또는 오존 가스를 성막용 가스, 에칭용 가스로서 사용하는 반도체 제조 장치내에 설치하기 위한 부재에 대하여 본 발명의 접합 구조를 적용할 수 있다.
이러한 부재로서는 세라믹 기판중에 저항 발열체를 매설한 히터, 세라믹 기판중에 정전 척용 전극을 매설한 정전 척, 세라믹 기판중에 저항 발열체와 정전 척용 전극을 매설한 정전 척을 갖는 히터, 세라믹 기판중에 플라즈마 발생용 전극을 매설한 고주파 발생용 전극 장치, 세라믹 기판중에 플라즈마 발생용 전극 및 저항 발열체를 매설한 고주파 발생용 전극 장치 등을 들 수 있다.
본 발명에 있어서, 세라믹 부재의 재질은 한정되지 않지만, 특히 불소계 할로겐 가스를 이용하는 장치에는, 질화 알루미늄, 알루미나가 바람직하다. 또한, 금속 부재의 재질도 특히 한정되지는 않지만, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 백금, 로듐 및 이들의 합금과 같은 고융점 금속이 특히 바람직하다.
도전성 접합층의 재질은 한정되지는 않지만, 기밀성이 높고, 전기 저항이 작은 것이 바람직하다. 이 관점에서는, 금속 납땜 재료가 특히 바람직하다. 이러한 납땜 재료의 화학 조성은 특히 한정되지는 않는다.
그러나, 세라믹 부재 그 자체에 대해서도 양호한 접합력 내지 높은 습윤성을 갖는 납땜 재료가 바람직하다. 세라믹 부재의 기본 재료를 알루미나 또는 질화 알루미늄으로 한 경우에는, 주성분이 Cu, Ni, Ag 및 Al 중의 1종류로 이루어지고, Mg, Ti, Zr 및 Hf 중의 1종류로 이루어진 활성 금속을 0.3 ∼ 20 중량%와, 제3 성분 50중량% 이하를 함유하는 납땜 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 단, 할로겐계 부식성 가스에 대한 내식성이 필요한 용도에 있어서는, Ag계의 납땜 재료는 내식성이 낮기 때문에 사용하지 않는 쪽이 바람직하다.
제3 성분으로서 Si, Al, Cu 및 In 중의 적어도 1종을 사용하는 것이 주성분에 영향을 주지 않는 점에서 바람직하다. 또한, 특히 주성분이 Al로 이루어진 납땜 재료를 사용하면, 저온에서 접합하기 때문에 접합 후의 열 응력이 작게 되어 바람직하다.
활성 금속의 배합량을 0.3중량% 이하로 한 경우에는, 습윤성이 나쁘고, 접합이 처리될 수 없는 반면, 20중량%를 초과하면, 접합 계면의 반응층이 두껍게 되어 크랙이 발생한다. 이 때문에, 활성 금속의 양은 0.3 ∼ 20중량%이다. 또한, 제3 성분의 총배합량이 50중량%를 초과하면, 금속간 화합물이 많게 되고, 접합 계면에 크랙이 발생하게 된다. 이 때문에, 50중량% 이하인 것이 바람직하다. 제3 성분은 함유되어 있지 않아도 된다.
납땜 재료의 주성분인 금속의 함유 비율은 납땜 재료의 모든 함유량을 100중량%로 한 경우에, 활성 금속 성분 및 제3 성분의 함유 비율을 100중량%로부터 뺀 나머지이다.
또한, 수용홈(4)의 저면(4a), 또는 저면(4a)에 대향하고 있는 납땜 재료의 표면에 구리, 알루미늄 및 니켈로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속으로 이루어진 막을 스퍼터, 증착, 마찰 압접, 도금 및 금속박의 삽입 등의 방법으로 설치하는 것이 보다 바람직하다. 이들의 막은 납땜 재료와의 습윤성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 수용홈(4)의 저면(4a)에, 또는 저면(4a)에 대향하고 있는 납땜 재료의 표면에 마그네슘, 티탄, 질코늄 및 하프늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속으로 이루어진 막을 스퍼터, 증착, 마찰 압접, 도금 및 금속박의 삽입 등의 방법으로 설치하는 것이 바람직하다. 이러한 막은 납땜 재료에 대한 반응을 향상시키는 효과가 있다. 이러한 금속막의 두께는 0.5 ∼ 5㎛인 것이 바람직하다.
도 4, 5, 및 6에 도시된 바와 같이, 금속 부재의 측벽면과 수용홈(4)의 측벽면(4b) 간의 갭(9)의 거리 p는 0.2 - 1.0 mm가 되는 것이 바람직하다. 거리 p가 0.2 mm 미만일 때, 도전성 접합층은 모세관 현상으로 인해 갭(9) 내로 상승하기 쉽고 접합 부재의 잔류 응력 완화 효과는 작아지므로 세라믹 부재 내에 균열이 발생하기 쉽게 된다. 한편, 거리 p가 1.0 mm 이상일 때, 금속 부재(5)는 화살표 A 방향에서 응력이 가해질 때 이동되기 쉽다(도 1 참조).
금속 부재의 표면 상에 형성되는 막(36)으로서, 금속 부재를 구성하는 금속의 습윤성보다 작은 도전성 접합층의 습윤성을 가진 막이 사용되며, 이는 다음과 같다.
(1) 금속 부재를 구성하는 금속의 산화에 의해 형성된 금속 산화물막, 금속 부재를 구성하는 금속의 질화에 의해 형성된 금속 질화물막, 또는 금속 부재를 구성하는 금속의 탄화에 의해 형성된 금속 탄화물막. 금속 부재의 산화, 질화 및 탄화에 의해 형성된 막의 사용은 상기 막이 열 납땜 단계 시에 또는 정전 척 등을 사용하여 본 발명의 접합부에 가해지는 열 싸이클에 의해 금속 부재로부터 박리되기 어렵고, 상기 막의 두께와 물리적인 특성이 쉽게 균일화되기 때문에 특히 선호된다. 이들 중에서, 금속 산화물막이 더 바람직하다.
금속 산화물막은 대기 중에서 금속 부재를 열 처리함으로써 가장 용이하게 얻어질 수 있다. 또한, 금속 산화물막, 금속 질화물막, 및 금속 탄화물막은 산, 알칼리 등의 약품 처리와 같은 널리 공지된 방법에 의해 형성될 수 있다.
(2) 질화 붕소막 또는 탄화막. 이러한 막은 상기 막이 열 납땜 단계 시에 또는 정전 척 등을 사용하여 본 발명의 접합부에 가해지는 열 싸이클에 의해 금속 부재로부터 박리되기 어렵기 때문에, 또한 바람직하다.
(3) 금속 부재의 산화, 탄화, 또는 질화가 아닌 다른 처리에 의해 얻어지는 금속 산화물, 탄화물, 또는 질화물막. 예를 들면, 상기 막은 금속 산화물, 금속 질화물, 또는 금속 탄화물을 포함하는 페이스트를 금속 부재의 선정 부분에 도포하고, 그 다음에 이러한 코팅층을 가열함으로써 얻어진다. 상기 경우에, Ti, Al, 및 Mg가 금속으로서 특히 선호된다.
다음의 예들은 본 발명에 대한 설명을 위한 것이며 본 발명은 이러한 예들로서 제한되지 않는다.
(비교예)
플라즈마 발생용 전극 장치(1)가 도 1에서 설명한 공정들에 따라 제조된다. 상기 경우에, 1 인치당 50 도선의 밀도에서 직경이 0.12mm인 몰리브덴 도선을 니팅(knitting)하여 얻어진 금망이 망형 전극(2)으로서 사용된다. 이러한 금망은 질화 알루미늄 분말의 예비 성형체에 매설되어 있다.
예비 성형체를 몰드(mold)내에 배치하고, 탄소박(carbon foil)으로 밀봉하였다. 이 상태에서, 1950℃의 온도, 200kg/cm2의 압력 및 2시간의 유지 시간으로 핫 프레스(hot press)법으로 이 성형체를 소성하여, 소결체를 얻었다. 이 소결체의 상대 밀도는 98.0% 이상이었다.
얻어진 플라즈마 발생용 전극 장치(1)의 치수는 직경이 200mm이고, 두께가 8mm이었다. 얻어진 소결체의 배면측으로부터, 머시닝 센터(machining center)에 의해 직경 5mm, 깊이 8mm의 수용홈(4)을 설치하고, 망형 전극(2)을 수용홈(4)의 저면(4a)에 노출시켰다. 직경 6mm의 티탄박(두께 5㎛: 6)을 수용홈(4)의 저면(4a)에 배치하였다.
두께 200㎛의 순 Ag의 조성을 갖는 납땜 재료판(16)을 수용홈 내에 설치하고, 길이 6mm의 니켈제의 금속 부재(5)를 수용홈(4)내에 삽입하였다. 금속 부재(5)의 중심에는 접합 후에 토크(torque) 시험을 실시하기 위해 M3의 나사홈이 깊이 2mm로 형성되어 있다. 납땜은, 금속 부재(5)에 50g의 하중을 인가하면서, 진공중에서 970℃로 가열함으로써 수행된다.
따라서, 도 1에 나타낸 바와 같은 접합 구조가 얻어진다. 이 금속 부재(5)에 화살표(A) 방향으로 토크를 인가하는 시험을 접합 구조에 대하여 실시하였다. 그 결과, 금속 부재(5)의 이탈없이 인가가능한 최대 토크가 5kg/cm이었다.
(발명예)
도 3, 도 4를 참조하면서 설명한 순서에 따라서 본 발명의 예의 플라즈마 발생용 전극 장치(1)를 제조하였다. 단, 망형 전극(2), 세라믹 부재(1)는 비교예와 동일하게 하였다.
얻어진 소결체의 배면측으로부터, 머시닝 센터에 의해 직경 5mm, 깊이 8mm의 수용홈(4)을 설치하고, 망형 전극(2)을 수용홈(4)의 저면(4a)에 노출시켰다. 직경 6mm의 티탄박(두께 5㎛: 6)을 수용홈(4)의 저면(4a)에 설치하였다. 두께 200㎛의 순 Ag의 조성을 갖는 납땜 재료판(16)을 수용홈내에 설치하였다.
한편, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 니켈제의 금속 부재(5)의 표면에 대기중 1000℃×2시간의 열처리에 의해, 산화막(36)을 형성하였다. 이어서, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 샌드 페이퍼법(sand paper method)에 의해 상측면(5c), 저면(5a) 및 C 모서리면(5d)으로부터 막(36)을 삭제하였다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 금속 합성 부재(13A)가 수용홈(4)에 삽입된다. 금속 합성 부재(13A)의 중앙에는 접합 후에 토크 시험을 하기 위해 2mm 깊이로 M3의 나사홈이 형성된다. 납땜은, 금속 합성 부재(13A)에 50g의 하중을 인가하면서, 진공하에서 970℃의 온도에서 가열함으로써 수행된다.
따라서, 도 4에 나타낸 접합 구조가 얻어진다. 금속 합성 부재(13A)에 화살표(A) 방향으로 토크를 인가하는 시험을 접합 구조에 대하여 실시하였다. 그 결과, 금속 합성 부재(13A)의 이탈없이 인가가능한 최대 토크가 10kg/cm였다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 금속 부재와, 이 금속 부재의 적어도 일부를 수용하기 위한 수용홈을 갖는 세라믹 부재로 이루어진 접합 구조에 있어서 금속 부재의 접합 강도를 향상시킬 수 있다.

Claims (2)

  1. 금속 부재와, 상기 금속 부재의 적어도 일부를 수용하는 수용홈을 갖는 세라믹 부재의 접합 구조에 있어서,
    상기 금속 부재는 상기 수용홈에 수용되어 있고,
    상기 세라믹 부재에 상기 금속 부재를 접합시키는 도전성 접합층이 상기 금속 부재의 저면과 상기 수용홈의 저면 사이에 형성되어 있으며,
    전극의 일부가 상기 수용홈의 저면으로부터 노출되며, 상기 도전성 접합층을 통해 상기 금속 부재에 접합되어 있고,
    상기 금속 부재의 금속보다 낮은 습윤도를 갖는 상기 도전성 접합층의 막이 상기 금속 부재의 상면, 저면, 모서리면 또는 상면, 저면을 제외한 측벽면에 형성되어 있는 금속 부재와 세라믹 부재의 접합 구조.
  2. 금속 부재와, 상기 금속 부재의 적어도 일부를 수용하는 수용홈을 갖는 세라믹 부재의 접합 구조에서, 상기 금속 부재가 상기 수용홈에 수용되어 있고, 상기 세라믹 부재에 상기 금속 부재를 접합하는 도전성 접합층이 상기 금속 부재의 저면과 상기 수용홈의 저면 사이에 형성되어 있으며, 전극의 일부가 상기 수용홈의 저면으로부터 노출되며, 상기 도전성 접합층을 통해 상기 금속 부재에 접합되어 있는 접합 구조의 제조 방법에 있어서,
    상기 금속 부재의 금속보다 낮은 습윤도를 갖는 도전성 접합재로 이루어진 막을 상기 금속 부재의 상면, 저면, 모서리면 또는 상면, 저면을 제외한 측벽면에 형성하는 단계,
    상기 세라믹 부재와 상기 금속 부재를 접합하기 위한 도전성 접합 부재를 상기 금속 부재의 저면과 수용홈의 저면 사이에 배열하는 단계,
    상기 금속 부재를 상기 수용홈에 삽입하는 단계, 및
    적어도 상기 도전성 접합 부재를 가열하여 상기 도전성 접합층을 형성하는 단계
    를 포함하는 금속 부재와 세라믹 부재의 접합 구조의 제조 방법.
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