KR20160145812A - 접합 구조체 - Google Patents

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Abstract

세라믹 히터(10)는, 세라믹 부재(12)와, 히터 엘리먼트(14)와, 접속 부재(16)와, 외부 통전 부재(18)를 구비한다. 접속 부재(16)는, 세라믹 부재(12) 중의 구멍(12c)의 바닥면으로부터 히터 엘리먼트(14)에 도달하도록 매설되는 원기둥형의 금속 부재이다. 접속 부재(16)는, 직경(D)이 3.5 ㎜∼5 ㎜, 히터 엘리먼트(14)에 접하는 원형면과 원기둥 측면의 코너 부분(16b)의 곡률 반경(R)이 0.3 ㎜∼1.5 ㎜, 비율(R/D)이 0.09∼0.30이다. 외부 통전 부재(18)는, 접속 부재(16)에 접합층(20)을 통해 접합된다. 이 세라믹 히터(10)에 의하면, 종래에 비해 접합 강도를 높게 하면서, 세라믹 부재(12)의 파손의 위험을 낮게 할 수 있다.

Description

접합 구조체{JOINING STRUCTURE}
본 발명은 접합 구조체에 관한 것이다.
세라믹스 부재와 금속 부재의 접합 구조체로서는, 예컨대 특허문헌 1에 기재된 것이 알려져 있다. 특허문헌 1에는, 이러한 접합 구조체로서, 도 5에 도시된 세라믹 히터(210)가 개시되어 있다. 세라믹 히터(210)는, 세라믹 부재(212)와, 접속 부재(216)와, 외부 통전 부재(218)와, 가이드 부재(222)를 구비한다. 세라믹 부재(212)는, 히터 엘리먼트(214)를 내장하는 원판형의 부재이다. 접속 부재(216)는, 세라믹 부재(212)의 바닥이 있는 통형의 구멍(212c)의 바닥면으로부터 히터 엘리먼트(214)에 도달하도록 매설된 금속제의 원기둥 부재이다. 외부 통전 부재(218)는, 접속 부재(216) 중의 구멍(212c)의 바닥면에 노출되는 면에 접합층(220)을 통해 접합되는 금속제의 부재이며, 히터 엘리먼트(214)의 급전을 위해서 이용된다. 가이드 부재(222)는, 외부 통전 부재(218) 중의 접속 부재측의 외주면을 둘러싸는 원통 부재이다. 이 가이드 부재(222) 중의 외부 통전 부재(218)의 플랜지에 면하는 단부면은, 접합층(224)을 통해 플랜지와 접합되고, 구멍(212c)의 바닥면에 면하는 단부면은, 접합층(220)을 통해 외부 통전 부재(218)나 접속 부재(216)와 접합된다. 외부 통전 부재(218) 중 접속 부재측의 외주면은, 가이드 부재(222)에 의해 산화성 분위기로부터 격리된다. 이 세라믹 히터(210)는, 접속 부재(216)와 외부 통전 부재(218)의 접합 강도가 높다고 설명되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 제3790000호 공보
최근, 전술한 세라믹 히터(210)보다 더욱 접합 강도가 높은 것이 요망되고 있다. 접합 강도를 더욱 높게 하기 위해서는, 접속 부재(216)의 직경을 크게 하는 것이 고려된다. 그러나, 그 경우, 세라믹 부재(212)에 크랙이 발생하기 쉽다는 문제가 발생한다. 즉, 세라믹 히터(210)를 고온에서 사용했을 때, 접속 부재(216) 중 히터 엘리먼트(214)에 접하는 면의 코너 부분에 열응력이 집중되는데, 접속 부재(216)의 직경이 크면 열응력이 커져, 그 코너 부분으로부터 세라믹 부재(212)로 크랙이 발생하여 파손될 우려가 있다. 혹은 소성(燒成)이나 접합과 같은 세라믹 제조 공정에 있어서도, 접속 부재(216)의 직경이 크면 열응력도 커져, 접속 부재(216)의 코너 부분으로부터 세라믹 부재(212)로 크랙이 발생할 우려가 있다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 접합 구조체에 있어서, 접합 강도를 한층 높게 하면서, 세라믹 부재의 파손의 위험을 낮게 하는 것을 주목적으로 한다.
본 발명의 제1 접합 구조체는,
웨이퍼 배치면을 구비하는 세라믹 부재와,
상기 세라믹 부재에 매설되며 상기 웨이퍼 배치면을 따르는 형상의 매설 전극과,
상기 세라믹 부재 중의 상기 웨이퍼 배치면과는 반대측의 면으로부터 상기 매설 전극에 도달하도록 매설되는 금속제의 접속 부재와,
상기 접속 부재 중의 외부로 노출되는 면에 접합층을 통해 접합되는 금속제의 외부 통전 부재
를 구비하는 접합 구조체로서,
상기 접속 부재는, 원기둥 부재이며, 직경(D)이 3.5 ㎜∼5 ㎜, 상기 매설 전극에 접하는 원형면과 원기둥 측면의 코너 부분의 곡률 반경(R)이 0.3 ㎜∼1.5 ㎜, 비율(R/D)이 0.09 이상인 것이다.
이 접합 구조체에 의하면, 종래에 비해 접합 강도를 높게 하면서, 세라믹 부재의 파손의 위험을 낮게 할 수 있다. 즉, 종래의 접속 부재의 직경(D)은 3 ㎜ 정도였던 데 비해, 본 발명에서는 직경(D)을 3.5 ㎜∼5 ㎜로 설정했기 때문에, 접속 부재와 외부 통전 부재의 접합 면적이 커져, 접합 강도가 높아진다. 한편, 직경(D)을 크게 하면, 접속 부재 중의 매설 전극에 접하는 면과 원기둥 측면의 코너 부분으로부터 세라믹 부재를 향해 크랙이 발생하기 쉬우나, 그 코너 부분의 곡률 반경(R)이 0.3 ㎜∼1.5 ㎜, 비율(R/D)이 0.09 이상이 되도록 했기 때문에, 이러한 크랙의 발생을 방지할 수 있고, 나아가서는 세라믹 부재의 파손의 위험을 낮게 할 수 있다. 한편, 비율(R/D)을 0.3보다 크게 해도 좋으나, 크랙 방지 효과는 그 이상 향상되는 일은 없고, 오히려 접속 부재와 매설 전극의 접촉 면적이 작아진다. 그 때문에, 비율(R/D)은 0.3 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 접합 구조체는,
웨이퍼 배치면을 구비하는 세라믹 부재와,
상기 세라믹 부재에 매설되며 상기 웨이퍼 배치면을 따르는 형상의 매설 전극과,
상기 세라믹 부재 중 상기 웨이퍼 배치면과는 반대측의 면으로부터 상기 매설 전극에 도달하도록 매설되는 금속제의 접속 부재와,
상기 접속 부재 중 외부로 노출되는 면에 접합층을 통해 접합되는 금속제의 외부 통전 부재
를 구비한 접합 구조체로서,
상기 접속 부재는, 원기둥 부재이며, 직경(D)이 3.5 ㎜∼5 ㎜, 상기 매설 전극에 접하는 원형면과 원기둥 측면의 코너 부분은 단직경(F), 장직경(G)의 타원형 형상이고, 상기 단직경(F) 및 상기 장직경(G)이 0.3 ㎜∼1.5 ㎜, 비율(F/D) 및 비율(G/D)이 0.09 이상인 것이다.
이 접합 구조체에 의하면, 종래에 비해 접합 강도를 높게 하면서, 세라믹 부재의 파손의 위험을 낮게 할 수 있다. 즉, 종래의 접속 부재의 직경(D)은 3 ㎜ 정도였던 데 비해, 본 발명에서는 직경(D)을 3.5 ㎜∼5 ㎜로 설정했기 때문에, 접속 부재와 외부 통전 부재의 접합 면적이 커져, 접합 강도가 높아진다. 한편, 직경(D)을 크게 하면, 접속 부재 중 매설 전극에 접하는 면과 원기둥 측면의 코너 부분으로부터 세라믹 부재를 향해 크랙이 발생하기 쉬우나, 그 코너 부분을 단직경(F), 장직경(G)의 타원형 형상으로 하고, 이들의 값이 0.3 ㎜∼1.5 ㎜, 비율(F/D) 및 비율(G/D)이 0.09 이상이 되도록 했기 때문에, 이러한 크랙의 발생을 방지할 수 있고, 나아가서는 세라믹 부재의 파손의 위험을 낮게 할 수 있다. 한편, 비율(F/D) 및 비율(G/D)을 0.3보다 크게 해도 좋으나, 크랙 방지 효과는 그 이상 향상되는 일은 없고, 오히려 접속 부재와 매설 전극의 접촉 면적이 작아진다. 그 때문에, 비율(F/D) 및 비율(G/D)은 0.3 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 접합 구조체에 있어서, 상기 세라믹 부재는, 재질이 질화알루미늄, 산화알루미늄, 탄화규소 또는 질화규소이고, 상기 접속 부재는, 재질이 Mo, W, Nb, Mo 화합물, W 화합물 또는 Nb 화합물인 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 세라믹 부재와 접속 부재의 열팽창 계수차는 얼마 되지 않기 때문에, 열응력을 작게 억제할 수 있어, 세라믹 부재에 크랙이 발생하는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 예컨대, 세라믹 부재의 재질이 AlN인 경우, 접속 부재의 재질은 Mo가 바람직하다. 세라믹 부재의 재질이 Al2O3인 경우, 접속 부재의 재질은 Nb 또는 WC가 바람직하다. 세라믹 부재의 재질이 SiC인 경우, 접속 부재의 재질은 WC가 바람직하다. 세라믹 부재의 재질이 Si3N4인 경우, 접속 부재의 재질은 W 또는 WC가 바람직하다.
본 발명의 접합 구조체에 있어서, 상기 접합층은, 재질이 Au, Al, Ag, Au 합금, Al 합금 또는 Ag 합금인 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 접합층의 강도를 높게 할 수 있다. 또한, 재질이 Au 또는 Au 합금인 경우, 이에 더하여 내산화성을 높게 할 수 있기 때문에, 더욱 바람직하다.
본 발명의 접합 구조체에 있어서, 상기 외부 통전 부재는, 상기 접속 부재에 상기 접합층을 통해 접합되는 제1 부(部)와, 이 제1 부 중 상기 접속 부재의 접합면과는 반대측의 면에 중간 접합부를 통해 접합되는 제2 부를 구비하고, 상기 제1 부는, 상기 제2 부보다 열팽창 계수가 낮고 내산화성이 높은 금속으로 구성되어도 좋다. 또한, 상기 제1 부는, 상기 제1 부보다 내산화성이 높은 금속으로 이루어지는 가이드 부재에 의해 주위가 둘러싸여져, 주위의 분위기와 직접 접촉하지 않는 구성으로 되어도 좋다.
도 1은 세라믹 히터(10)의 주요부의 단면도.
도 2는 세라믹 히터(10)의 제조 공정도.
도 3은 다른 실시형태의 주요부의 단면도.
도 4는 다른 실시형태의 접속 부재(16) 주위의 단면도.
도 5는 종래의 세라믹 히터(210)의 주요부의 단면도.
다음으로, 본 발명의 접합 구조체의 적합한 일 실시형태인 세라믹 히터(10)에 대해, 이하에 설명한다. 도 1은 세라믹 히터(10)의 주요부의 단면도이다.
세라믹 히터(10)는, 에칭이나 CVD 등을 행하는 웨이퍼를 가열하기 위해서 이용되는 것이며, 도시되지 않은 진공 챔버 내에 설치된다. 이 세라믹 히터(10)는, 세라믹 부재(12)와, 히터 엘리먼트(본 발명의 매설 전극에 상당)(14)와, 접속 부재(16)와, 외부 통전 부재(18)와, 가이드 부재(22)를 구비한다.
세라믹 부재(12)는, 원판형으로 형성되며, 한쪽 면이 웨이퍼를 배치하기 위한 웨이퍼 배치면(12a)으로 이루어진다.. 한편, 도 1에서는, 웨이퍼 배치면(12a)이 아래로 되어 있으나, 실제로 세라믹 히터(10)를 사용할 때에는, 웨이퍼 배치면(12a)이 위가 되도록 한다. 이 세라믹 부재(12)의 재질로서는, 예컨대, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 탄화규소, 질화규소 등이 바람직하다. 또한, 세라믹 부재(12)의 웨이퍼 배치면(12a)과는 반대측의 면(12b)에는, 바닥이 있는 통형의 구멍(12c)이 형성된다. 세라믹 부재(12)는, 예컨대 직경 150 ㎜∼500 ㎜, 두께 0.5 ㎜∼30 ㎜로 해도 좋다. 구멍(12c)은, 예컨대 직경 5 ㎜∼15 ㎜, 깊이 5 ㎜∼25 ㎜로 해도 좋다.
히터 엘리먼트(14)는, 세라믹 부재(12)에 매설되는 전극이며, 웨이퍼 배치면(12a)을 따르는 형상의 부재, 여기서는 원형 형상의 금속 메시이다. 이 히터 엘리먼트(14)의 재질로서는, 예컨대, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈, 백금이나 이들의 합금 등이 바람직하다. 금속 메시는, 예컨대, 선직경 0.1 ㎜∼1.0 ㎜, 1인치당 10개∼100개로 해도 좋다.
접속 부재(16)는, 세라믹 부재(12) 중의 구멍(12c)의 바닥면으로부터 히터 엘리먼트(14)에 도달하도록 매설되는 원기둥형의 금속 부재이다. 이 접속 부재(16)는, 벌크 금속을 이용해도 좋으나, 금속 분말을 소결시킨 것을 이용해도 좋다. 금속으로서는, 예컨대, 몰리브덴, 텅스텐, 니오브 외에, 탄화몰리브덴 등의 몰리브덴 화합물, 탄화텅스텐 등의 텅스텐 화합물, 탄화니오브 등의 니오브 화합물 등을 이용할 수 있다. 또한, 접속 부재(16) 중의 구멍(12c)의 바닥면에 노출되는 노출면(16a)은, 구멍(12c)의 바닥면과 동일면으로 이루어진다. 접속 부재(16)는, 직경(D)이 3.5 ㎜∼5 ㎜, 히터 엘리먼트(14)에 접하는 원형면과 원기둥 측면의 코너 부분(16b)의 곡률 반경(R)이 0.3 ㎜∼1.5 ㎜, 비율(R/D)이 0.09∼0.30이다. 한편, 접속 부재(16)의 높이는, 예컨대 1 ㎜∼5 ㎜로 해도 좋다.
외부 통전 부재(18)는, 접속 부재(16)에 접합층(20)을 통해 접합되는 제1 부(18a)와, 이 제1 부(18a) 중의 접속 부재(16)의 접합면과는 반대측의 면에 중간 접합부(18c)를 통해 접합되는 제2 부(18b)를 구비한다. 제2 부(18b)는, 플라즈마 분위기나 부식 가스 분위기에서 사용되는 것을 고려하여, 내산화성이 높은 금속으로 구성된다. 그러나, 내산화성이 높은 금속은, 일반적으로 열팽창 계수가 크기 때문에, 직접 세라믹 부재(12)와 접합하면, 양자의 열팽창차에 의해 접합 강도가 저하된다. 그 때문에, 제2 부(18b)는, 열팽창 계수가 접속 부재(16)의 열팽창 계수에 가까운 금속으로 이루어지는 제1 부(18a)를 통해 세라믹 부재(12)에 접합된다. 이러한 금속은, 내산화성이 충분하지 않은 경우가 많다. 그 때문에, 제1 부(18a)는, 내산화성이 높은 금속으로 이루어지는 가이드 부재(22)에 의해 주위가 둘러싸여져, 플라즈마 분위기나 부식 가스 분위기와 직접 접촉하지 않는 구성으로 이루어진다. 제2 부(18b)의 재질로서는, 순니켈, 니켈기 내열합금, 금, 백금, 은 및 이들의 합금 등이 바람직하다. 제1 부(18a)의 재질로서는, 몰리브덴, 텅스텐, 몰리브덴-텅스텐 합금, 텅스텐-구리-니켈 합금, 코바르(kovar) 등이 바람직하다. 접합층(20)은, 브레이징 재료에 의해 접합된다. 브레이징 재료로서는, 금속 브레이징 재료가 바람직하고, 예컨대 Au-Ni 브레이징 재료, Al 브레이징 재료, Ag 브레이징 재료 등이 바람직하다. 접합층(20)은, 접속 부재(16)의 노출면(16a)을 포함하는 구멍(12c)의 바닥면과 제1 부(18a)의 단부면을 접합한다. 외부 통전 부재(18)의 중간 접합부(18c)는, 제1 부(18a)와 제2 부(18b)를 접합하고, 가이드 부재(22)의 내주면과 제1 부(18a)의 외주면 전면(全面) 또는 그 일부와의 간극이나 가이드 부재(22)의 내주면과 제2 부(18b)의 외주면의 일부와의 간극을 메운다. 그 때문에, 제1 부(18a)는, 중간 접합부(18c)에 의해 주위의 분위기와의 접촉이 차단된다. 한편, 중간 접합부(18c)도, 접합층(20)과 동일한 재질을 이용할 수 있다. 제1 부(18a)는, 직경 3 ㎜∼6 ㎜, 높이 2 ㎜∼5 ㎜로 해도 좋고, 제2 부(18b)는, 직경 3 ㎜∼6 ㎜, 높이는 임의로 해도 좋다.
가이드 부재(22)는, 외부 통전 부재(18) 중 적어도 제1 부(18a) 주위를 둘러싸는 원통형의 부재이며, 제1 부(18a)보다 내산화성이 높은 재질로 형성된다. 이 가이드 부재(22)는, 내부 직경이 제1 부(18a) 및 제2 부(18b)(플랜지를 제외함)의 외부 직경보다 크고, 외부 직경이 구멍(12c)의 직경보다 작으며, 높이가 제1 부(18a)의 높이보다 높다. 가이드 부재(22) 중의 구멍(12c)의 바닥면에 면하는 단부면은, 접합층(20)을 통해 접속 부재(16), 외부 통전 부재(18) 및 세라믹 부재(12)와 접합된다. 가이드 부재(22)의 재질은, 외부 통전 부재(18)의 제2 부(18b)의 재질로서 예시한 것을 사용할 수 있다.
다음으로, 세라믹 히터(10)의 제조 방법에 대해, 도 2의 제조 공정도에 기초하여 이하에 설명한다. 먼저, 세라믹 원료 분말을 원판이 되도록 프레스 성형하여 성형체(112)를 제작한다[도 2의 (a) 참조]. 이 성형체(112)에는, 원형의 금속 메시로 이루어지는 히터 엘리먼트(14)와, 접속 부재(16)가 되는 금속 분말의 원기둥체(116)를 매설해 둔다. 원기둥체(116)는, 히터 엘리먼트(14)에 접하는 원형면의 코너 부분(116b)이나 이 원형면과 반대측의 원형면의 코너 부분(116d)이 소정의 곡률 반경을 갖도록 성형한다. 이 성형체(112)를 핫프레스로 또는 상압로(常壓爐) 등에서 소성함으로써, 원기둥체(116)가 소결하여 접속 부재(16)가 되고, 성형체(112)가 소결하여 세라믹 부재(12)가 된다[도 2의 (b) 참조]. 소성 시, 원기둥체(116)의 코너 부분(116b, 116d)은 둥그스름한 모양을 갖고 있기 때문에, 여기로부터 크랙이 발생하는 일은 없다. 접속 부재(16)의 상하 양방의 원형면과 원기둥 측면의 코너 부분(16b, 16d)은 곡률 반경(R)을 갖고 있다. 얻어진 세라믹 부재(12)를 소정 치수가 되도록 가공한다.
계속해서, 세라믹 부재(12)의 웨이퍼 배치면(12a)과는 반대측의 면(12b)에 연삭 가공을 실시하여 바닥이 있는 통형의 구멍(12c)을 형성한다[도 2의 (c) 참조]. 이때, 구멍(12c)의 바닥면과 접속 부재(16)의 노출면(16a)이 동일면이 되도록 가공한다. 이에 의해, 접속 부재(16)의 코너 부분(16d)은 제거된다.
계속해서, 구멍(12c)의 바닥면에 접합층(20)이 되는 브레이징 재료(120)를 깔고, 그 위에 외부 통전 부재(18)의 제1 부(18a), 중간 접합부(18c)가 되는 브레이징 재료(118c), 가이드 부재(22) 및 외부 통전 부재(18)의 제2 부(18b)를 이 순서로 쌓아 올려 적층체를 얻는다[도 2의 (d) 참조]. 이 적층체를 비산화성 조건하에서 가열하여 브레이징 재료(118c, 120)를 용융시키고 그 후 고화시킴으로써, 도 1에 도시된 세라믹 히터(10)를 얻는다. 비산화성 조건이란, 진공 하 또는 비산화성 분위기(예컨대 아르곤 분위기나 질소 분위기 등의 불활성 분위기) 하를 말한다.
이상 설명한 본 실시형태의 세라믹 히터(10)에 의하면, 종래에 비해 접합 강도를 높게 하면서, 세라믹 부재(12)의 파손의 위험을 낮게 할 수 있다. 즉, 종래의 접속 부재(216)의 직경(D)은 3 ㎜ 정도였던 데 비해, 여기서는 직경(D)을 3.5 ㎜∼5 ㎜로 설정했기 때문에, 접속 부재(16)와 외부 통전 부재(18)의 접합 면적이 커져, 접합 강도가 높아진다. 한편, 직경(D)을 크게 하면, 접속 부재(16)의 코너 부분(16b)으로부터 세라믹 부재(12)를 향해 크랙이 발생하기 쉬우나, 그 코너 부분(16b)의 곡률 반경(R)이 0.3 ㎜∼1.5 ㎜, 비율(R/D)이 0.09 이상이 되도록 했기 때문에, 이러한 크랙의 발생을 방지할 수 있고, 나아가서는 세라믹 부재의 파손의 위험을 낮게 할 수 있다. 한편, 비율(R/D)을 0.3보다 크게 해도 좋으나, 크랙 방지 효과는 그 이상 향상되는 일은 없고, 오히려 접속 부재(16)와 히터 엘리먼트(14)의 접촉 면적이 작아지기 때문에, 바람직하지 않다.
또한, 세라믹 부재(12)의 재질을 질화알루미늄, 산화알루미늄, 탄화규소 또는 질화규소, 접속 부재(16)의 재질을 Mo, W, Nb, Mo 화합물, W 화합물 또는 Nb 화합물로 했기 때문에, 세라믹 부재(12)와 접속 부재(16)의 열팽창 계수차는 얼마 되지 않아, 열응력을 작게 억제할 수 있어, 세라믹 부재(12)에 크랙이 발생하는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 접합층(20)의 재질을 Au-Ni 브레이징 재료, Al 브레이징 재료 또는 Ag 브레이징 재료로 했기 때문에, 접합층(20)의 강도를 높게 할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 실시형태에 조금도 한정되는 일은 없고, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 여러 가지 양태로 실시할 수 있는 것은 말할 것도 없다.
예컨대, 전술한 실시형태에서는, 본 발명의 접합 구조체로서 세라믹 히터(10)를 예시하였으나, 정전 척으로 해도 좋고, 고주파 전극용 부재로 해도 좋다. 정전 척으로 하는 경우에는, 히터 엘리먼트(14) 대신에 정전 전극을 매설하고, 고주파 전극용 부재로 하는 경우에는, 히터 엘리먼트(14) 대신에 고주파 전극을 매설하면 된다.
전술한 실시형태에서는, 히터 엘리먼트(14)로서 원형의 금속 메시를 채용하였으나, 원형의 금속 시트를 채용해도 좋고, 코일 스프링을 채용해도 좋다. 코일 스프링을 채용하는 경우, 예컨대, 코일 스프링의 일단을 세라믹 부재(12)의 중앙에 배치하고, 거기로부터 발단하여 끊이지 않도록 전면에 걸쳐 배선한 후 타단을 일단의 근방에 배치해도 좋다.
전술한 실시형태의 세라믹 히터(10)의 웨이퍼 배치면(12a)과는 반대측의 면(12b)에, 세라믹 부재(12)와 동일한 재질의 통형의 샤프트를 세라믹 부재(12)와 일체화해도 좋다. 이 경우, 샤프트의 중공 내부에 외부 통전 부재(18) 등이 배치되도록 한다. 샤프트를 제조하기 위해서는, 예컨대, 금형을 이용하여 세라믹 원료 분말을 CIP로 성형하고, 상압로에서 소정 온도에서 소성하며, 소성 후, 소정 치수가 되도록 가공하면 된다. 또한, 샤프트와 세라믹 부재(12)를 일체화하기 위해서는, 예컨대, 샤프트의 단부면을 세라믹 부재(12)의 면(12b)에 맞대고, 소정 온도로 승온해서 양자를 접합하여 일체화하면 된다.
전술한 실시형태에서는, 접속 부재(16)를 중실(中實)의 원기둥 부재로 하였으나, 도 3에 도시된 바와 같이, 중심축을 따라 관통 구멍을 구비한 원기둥 부재(링형 부재)(66)로 해도 좋다. 링형 부재(66)는, 직경(외부 직경)(D)이 3.5 ㎜∼5 ㎜, 히터 엘리먼트(14)에 접하는 면의 코너 부분(66b)의 곡률 반경(R)이 0.3 ㎜∼1.5 ㎜, 비율(R/D)이 0.09∼0.30이 되도록 한다. 이렇게 하면, 전술한 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 한편, 링형 부재(66)와 외부 통전 부재(18)의 접합 면적(환형 부분의 면적)이 종래의 접속 부재(216)와 외부 통전 부재(218)의 접합 면적보다 커지도록, 링형 부재(66)의 외부 직경이나 내부 직경을 결정하는 것이 바람직하다.
전술한 실시형태의 세라믹 히터(10)에 있어서, 웨이퍼 배치면(12a)은 평면이어도 좋으나, 엠보스 형상, 포켓 형상 또는 홈 형상이 되도록 가공되어도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 외부 통전 전극 부재(18)의 제2 부(18b)의 플랜지와 가이드 부재(22)의 단부면을 접합하지 않았으나, 도 5에 도시된 종래예와 같이, 양자 사이를 좁히고 그 간극에 접합층[예컨대 접합층(20)과 동일한 재질]을 형성하여, 양자를 이 접합층을 통해 접합해도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 접속 부재(16)의 코너 부분(16b)의 곡률 반경(R)이 0.3 ㎜∼1.5 ㎜, 비율(R/D)이 0.09 이상으로 하였으나, 도 4에 도시된 바와 같이, 코너 부분(16b)을 단직경(F), 장직경(G)의 타원형 형상으로 하고, 비율(F/D) 및 비율(G/D)이 0.09 이상(바람직하게는 0.09∼0.3)이 되도록 해도 좋다. 이 경우에도, 전술한 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 한편, 도 4에서는 단직경(F)을 접속 부재(16)의 높이 방향(도 4에서 상하 방향), 장직경(G)을 접속 부재(16)의 폭 방향(도 4에서 좌우 방향)으로 하였으나, 단직경(F)을 폭 방향, 장직경(G)을 높이 방향으로 해도 좋다.
실시예
이하에, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 한편, 이하의 실시예는 본 발명을 조금도 한정하는 것이 아니다.
[시험예 1∼9]
도 2의 제조 순서에 따라, 전술한 세라믹 히터(10)의 샘플을 10종류 제조하였다(시험예 1∼9). 먼저, 질화알루미늄 분말에 히터 엘리먼트(14)와 원기둥체(116)를 매설하고, 일축 가압 성형함으로써 성형체(112)를 제작하였다. 히터 엘리먼트(14)로서는, 몰리브덴제의 철망을 사용하였다. 이 철망은, 직경 0.12 ㎜의 몰리브덴선을, 1인치당 50개의 밀도로 짠 것을 사용하였다. 원기둥체(116)로서는, 입자 직경 1 ㎛∼100 ㎛의 몰리브덴 분말을 원기둥형으로 성형하고, 히터 엘리먼트(14)에 접하는 원형면과 원기둥 측면의 코너 부분(116b)의 곡률 반경(R)이 소정의 값이 되도록 가공한 것을 사용하였다. 이 성형체(112)를 금형에 넣고, 카본 포일 내에 밀봉하며, 핫프레스법으로 소성함으로써, 세라믹 부재(12)를 얻었다. 소성은, 온도 1950℃, 압력 200 kgf/㎠에서 2시간 유지함으로써 행하였다. 이 세라믹 부재(12)를 직경 200 ㎜, 두께 8 ㎜가 되도록 가공하였다.
계속해서, 세라믹 부재(12)의 웨이퍼 배치면(12a)과는 반대측의 면(12b)에 머시닝 센터에 의해 바닥이 있는 통형의 구멍(12c)을 형성하였다. 구멍(12c)은, 직경 9 ㎜(개구부 직경 12 ㎜), 깊이 4.5 ㎜로 하였다. 이때, 구멍(12c)의 바닥면과 접속 부재(16)의 노출면(16a)이 동일면이 되도록 가공하였다.
계속해서, 구멍(12c)의 바닥면에 Au-Ni로 이루어지는 브레이징 재료(120)를 깔고, 그 위에 외부 통전 부재(18)의 제1 부(18a), Au-Ni로 이루어지는 브레이징 재료(118c), 니켈제(순도 99% 이상)의 가이드 부재(22) 및 외부 통전 부재(18)의 제2 부(18b)를 이 순서로 쌓아 올려 적층체를 얻었다. 제1 부(18a)로서는, 코바르제이며 직경 4 ㎜, 높이 3 ㎜의 것을 사용하고, 제2 부(18b)로서는, 니켈제(순도 99% 이상)이며 직경 4 ㎜(플랜지 직경 8 ㎜), 높이 60 ㎜의 것을 사용하였다. 이 적층체를, 불활성 분위기하, 960℃∼1000℃에서 10분간 가열하여, 도 1에 도시된 세라믹 히터(10)를 얻었다.
시험예 1∼9의 접속 부재(16)의 직경(D), 코너 부분의 곡률 반경(R), 비율(R/D)의 각 값을 표 1에 나타낸다. 한편, 접속 부재(16)의 높이는, 일률적으로 3 ㎜로 하였다. 시험예 1∼9에 대해, 이하의 평가 시험을 행하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
(인장 파단 강도의 측정)
실온 하에서, 세라믹 부재(12)를 고정하고, 외부 통전 부재(18)의 플랜지를 파지(把持)하여 수직으로 잡아당겨, 접속 부재(16)와 외부 통전 부재(18)의 접합이 파단되었을 때의 하중을 측정하고, 그 하중을 인장 파단 강도로 하였다. 측정에는, 인장 강도 시험기(시마즈 세이사쿠쇼 제조, 오토그래프)를 사용하였다.
(제조 시 파손의 유무)
성형체(112)를 소결시켜 세라믹 부재(12)를 제조한 직후에 세라믹 부재(12)에 크랙이 발생했는지의 여부를 조사하여, 크랙이 발생한 것에 대해 제조 시 파손 있음이라고 판정하였다.
(세라믹 파손의 유무)
진공 하에서, 세라믹 히터(10)를 700℃까지 가열한 후 실온까지 강온하고, 그 상태에서 세라믹 부재(12)에 크랙이 발생했는지의 여부를 조사하여, 크랙이 발생한 것에 대해 세라믹 파손 있음이라고 판정하였다. 덧붙여서 말하면, 세라믹 부재(12)의 재질(AlN)과 접속 부재(16)의 재질(Mo)의 열팽창 계수의 약간의 차이에 의해 열응력이 발생하는데, 코너 부분(16b)에서는 그 열응력이 집중되기 쉽기 때문에, 코너 부분(16b)을 기점으로 하는 크랙이 세라믹 부재(12)에 발생하기 쉽다.
시험예 접속 전극 부재의 치수 평가 결과
직경 D
(mm)		 코너 곡률 반경 R(mm) R/D 인장 파단 강도(kgf) 제조 시 파손 세라믹 파손
1 3.0 0.2 0.07 124 무 무
2 3.5 0.2 0.06 166 무 유
3 4.0 0.2 0.05 - 유 -
4 3.5 0.3 0.09 169 무 무
5 3.5 0.5 0.14 158 무 무
6 4.0 0.5 0.13 207 무 무
7 4.5 1.0 0.22 256 무 무
8 5.0 1.5 0.30 294 무 무
9 5.5 1.5 0.27 - 유 -
시험예 1∼3을 대비하면, 코너 부분(16b)의 곡률 반경(R)은 모두 0.2 ㎜이지만, 시험예 1은, 시험예 2, 3보다 직경(D)이 작기 때문에, 코너 부분(16b)에 집중되는 열응력이 작아, 제조 시 파손도 세라믹 파손도 관찰되지 않았다. 이때의 비율(R/D)은 0.07이었다. 이에 비해, 시험예 2는, 시험예 1보다 직경(D)이 크기 때문에, 열응력이 커져, 세라믹 파손이 관찰되었다. 또한, 시험예 3은, 시험예 1, 2보다 직경(D)이 크기 때문에, 열응력이 더욱 커져, 제조 시 파손이 관찰되었다. 시험예 2, 3의 비율(R/D)은 각각 0.06, 0.05였다. 한편, 시험예 1은, 시험예 2, 3과 비교해서 직경(D)이 작기 때문에, 인장 파단 강도가 낮았다.
시험예 4∼8에서는, 직경(D)이 3.5 ㎜∼5.0 ㎜로 시험예 1에 비해 크기 때문에, 코너 부분(16b)에 집중되는 열응력은 크지만, 코너 부분(16b)의 곡률 반경(R)을 0.3 ㎜∼1.5 ㎜, 비율(R/D)을 0.09∼0.30으로 함으로써 제조 시 파손도 세라믹 파손도 방지할 수 있었다. 또한, 접속 부재(16)와 외부 통전 부재(18)의 접합 면적을 시험예 1과 비교해서 충분히 넓게 할 수 있고, 그만큼, 시험예 1과 비교해서 인장 파단 강도가 높아졌다.
시험예 9에서는, 직경(D)이 5.5 ㎜로 상당히 컸기 때문에, 코너 부분(16b)에 집중되는 열응력은 상당히 커져, 코너 부분(16b)의 곡률 반경(R)을 1.5 ㎜, 비율(R/D)을 0.27로 하였으나, 제조 시에 열응력에 의해 발생하는 크랙을 방지할 수 없었다.
한편, 시험예 1∼9 중, 시험예 4∼8이 본 발명의 실시예에 상당하고, 나머지가 비교예에 상당한다.
[시험예 10∼13]
시험예 10∼13에서는, 원기둥체(116)로서, 히터 엘리먼트(14)에 접하는 원형면과 원기둥 측면의 코너 부분(116b)을 타원형이 되도록 가공한 것을 사용한 것 이외에는, 시험예 1∼9와 동일하게 세라믹 히터(10)를 제조하였다. 시험예 10∼13의 접속 부재(16)의 직경(D), 코너 부분의 타원의 단직경(F), 장직경(G), 비율(F/D), 비율(G/D)의 각 값을 표 2에 나타낸다. 한편, 접속 부재(16)의 높이는, 일률적으로 3 ㎜로 하였다. 또한, 타원의 단직경 방향은 접속 부재(16)의 높이 방향(도 4에서 상하 방향), 타원의 장직경 방향은 접속 부재(16)의 폭 방향(도 4에서 좌우 방향)으로 하였다. 시험예 10∼13에 대해, 전술한 각 평가 시험을 행하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
시험예
 접속 전극 부재의 치수 평가 결과
직경 D
(mm)		 코너 타원 단직경 F (mm) F/D 코너 타원 장직경 G (mm) G/D 단장직경 비율 F/G 인장 파단 강도 (kgf) 제조 시 파손 세라믹 파손
10 3.5 0.3 0.09 0.5 0.14 0.60 156 무 무
11 3.5 0.2 0.06 0.8 0.23 0.25 164 무 유
12 5.0 0.5 0.10 0.8 0.16 0.63 285 무 무
13 5.0 0.2 0.04 1.2 0.24 0.17 - 유 -
시험예 10, 12에서는, 직경(D)이 3.5 ㎜∼5.0 ㎜이기 때문에 코너 부분(16b)에 집중되는 열응력은 크지만, 코너 부분(16b)의 타원의 단직경(F), 장직경(G), 비율(F/D), 비율(G/D)을 적절한 값으로 설정함으로써 제조 시 파손도 세라믹 파손도 방지할 수 있었다. 이에 비해, 시험예 11, 13에서는, 이들 값 중 어느 하나가 적절하지 않았기 때문에 제조 시에 파손되거나 가열 후 강온했을 때에 파손되거나 하였다.
한편, 시험예 10∼13 중, 시험예 10, 12가 본 발명의 실시예에 상당하고, 나머지가 비교예에 상당한다.
본 출원은, 2014년 6월 27일에 출원된 일본국 특허 출원 제2014-132305호를 우선권 주장의 기초로 하고 있으며, 인용에 의해 그 내용 모두가 본 명세서에 포함된다.
한편, 전술한 실시예는 본 발명을 조금도 한정하는 것이 아닌 것은 말할 것도 없다.
본 발명은 예컨대 세라믹 히터나 정전 척, 고주파 전극용 부재 등의 반도체 제조 장치용 부재로서 이용 가능하다.
10: 세라믹 히터 12: 세라믹 부재
12a: 웨이퍼 배치면 12b: 웨이퍼 배치면과는 반대측의 면
12c: 구멍 14: 히터 엘리먼트
16: 접속 부재 16a: 노출면
16b: 코너 부분 18: 외부 통전 부재
18a: 제1 부 18b: 제2 부
18c: 중간 접합부 20: 접합층
22: 가이드 부재 66: 원기둥 부재(링형 부재)
66b: 코너 부분 112: 성형체
116: 원기둥체 116b: 코너 부분
118c, 120: 브레이징 재료 210: 세라믹 히터
212: 세라믹 부재 212c: 구멍
214: 히터 엘리먼트 216: 접속 부재
218: 외부 통전 부재 220: 접합층
222: 가이드 부재 224: 접합층

Claims (6)

  1. 웨이퍼 배치면을 구비하는 세라믹 부재와,
    상기 세라믹 부재에 매설되며 상기 웨이퍼 배치면을 따르는 형상의 매설 전극과,
    상기 세라믹 부재 중의 상기 웨이퍼 배치면과는 반대측의 면으로부터 상기 매설 전극에 도달하도록 매설되는 금속제의 접속 부재와,
    상기 접속 부재 중의 외부로 노출되는 면에 접합층을 통해 접합되는 금속제의 외부 통전 부재
    를 구비하는 접합 구조체로서,
    상기 접속 부재는, 원기둥 부재이며, 직경(D)이 3.5 ㎜∼5 ㎜, 상기 매설 전극에 접하는 원형면과 원기둥 측면의 코너 부분의 곡률 반경(R)이 0.3 ㎜∼1.5 ㎜, 비율(R/D)이 0.09 이상인 것인, 접합 구조체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 비율(R/D)이 0.3 이하인 것인, 접합 구조체.
  3. 웨이퍼 배치면을 구비하는 세라믹 부재와,
    상기 세라믹 부재에 매설되며 상기 웨이퍼 배치면을 따르는 형상의 매설 전극과,
    상기 세라믹 부재 중의 상기 웨이퍼 배치면과는 반대측의 면으로부터 상기 매설 전극에 도달하도록 매설되는 금속제의 접속 부재와,
    상기 접속 부재 중 외부로 노출되는 면에 접합층을 통해 접합되는 금속제의 외부 통전 부재
    를 구비하는 접합 구조체로서,
    상기 접속 부재는, 원기둥 부재이며, 직경(D)이 3.5 ㎜∼5 ㎜, 상기 매설 전극에 접하는 원형면과 원기둥 측면의 코너 부분은 단직경(F), 장직경(G)의 타원형 형상이며, 단직경(F) 및 장직경(G)이 0.3 ㎜∼1.5 ㎜, 비율(F/D) 및 비율(G/D)이 0.09 이상인 것인, 접합 구조체.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 비율(F/D) 및 상기 비율(G/D)이 0.3 이하인 것인, 접합 구조체.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 부재는, 재질이 질화알루미늄, 산화알루미늄, 탄화규소 또는 질화규소이고, 상기 접속 부재는, 재질이 Mo, W, Nb, Mo 화합물, W 화합물 또는 Nb 화합물인 것인, 접합 구조체.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접합층은, 재질이 Au 또는 Au 합금인 것인, 접합 구조체.
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