TW448136B

TW448136B - Method for producing joined body of AIN substrates and joining agent used for the joining

Info

Publication number: TW448136B
Application number: TW086114342A
Authority: TW
Inventors: Tsuneaki Ohashi
Original assignee: Ngk Insulators Ltd
Priority date: 1996-10-08
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 2001-08-01
Also published as: DE69709600T2; DE69709600D1; JP3316167B2; EP0836221B1; JPH10167850A; US6447626B1; KR100230001B1; EP0836221A2; EP0836221A3; KR19980032608A; US6028022A

Description

(16 4 f β1 Γ3Τ A7 B7

公癌V 五、發明説明（/ ) 本發明是有關於一種製造鋁氮化物基底型接合體的方法以及用以接合之接合物。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 至目前爲止，傳統的半導體製程儀器，通常係使用例如蝕刻機、CVD儀器與類似物、所謂的不銹鋼加熱器以及間接加熱系統加熱器。然而使用這些加熱源時，會遇到被鹵素 .族氣體侵蝕的問題，而所產生的粒子會降低熱效率。爲了解決這些問題，日本特開平3-261,131號專利中提出一種陶瓷加熱器，包括在不透明的陶瓷基底上嵌入一高融點的加熱絲。此加熱絲係螺旋狀地分佈在圓盤狀基'底的內部，並且分別以一導電接頭連接兩端。這種陶瓷加熱器具有相當好的特性，尤其是用於製造半導體上。_ 經濟部中央標準局WC工消費合作社印製當陶瓷加熱器的基底的組成物質爲陶瓷物質時，則較隹之陶瓷物質爲矽氮化物、鋁氮化物、Sialon與類似的氮化物系列陶瓷物質。在某些例子中，陶瓷加熱器上具有一感應器（Susceptor)，而且半導體晶圓係置於感應器上，以及在感應器上加熱。而日本特開平5-101,871號專利中指出陶瓷加熱器的基底與感應器的較佳材質爲鋁氮化物。這是因爲半導·體的製造儀器通常使用腐蝕性的C1F3與類似的鹵素族氣體，作爲蝕刻氣體或淸除氣體，而鋁氮化物則對這些腐蝕性氣體具有相當好的抗腐飩性。同時，因爲陶瓷物質很難處理，有些硏究係將簡單形狀的陶瓷物質接合在一起’而形成複雜形狀的陶瓷元件。然而，在陶瓷物質的接合界面會形成一具有第三相的第三層，此第三層具有不同的熱膨脹係數與機械性質。此第 4 本紙張尺度適用中國國家操準（CNS) A4規格（21(}><297公楚） 4 8T36~ . ———一 2145pif.doc/006 4 „ A 7 ______B7_ 五、發明説明（X ) 三層所遇到的問題爲加熱與冷卻所產生的熱張力，以及不同的機械張力’都很容易造成此第三層產生斷裂現象。尤其’在鋁氮化物陶瓷物質的例子中，由於其黏性低於矽氮化物系列等陶瓷物質的緣故，因此第三層的影響更嚴重。若鋁氮化物陶瓷物質係由玻璃或主要含矽的物質接合在一起，則Nh、Clh或類似的鹵素族腐蝕氣體會選擇性地侵蝕此依然位於接合界面的第三層。因此這些接合體無法在具有腐蝕性氣體的半導體製程儀器中使用。曰本特開平2-124,778號專利中提出一種直接接合鋁氮化物燒結（3丨11〖6]〇體的方法，包括以1800~19〇〇。(：加熱基底，並且利用擴散接合的方式使其接合在一起。然而爲了利用這種擴散接合的方式接合鋁氮化物燒結體，則需要相當的溫度，例如約1800~1900°C，此高溫度與產生鋁氮化物燒結體的溫度相同。因此，在接合製程中基底性質就會變差且會變形。此外’只能獲得強度不超過60MPa的低強度接合體。經濟部中央標準局員工消費合作社印製 {請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 根據日本特開平8-13,280號專利，提出一種鋁氮化物燒結體的·接合體，其具有相當高強度。然而，此方法中的溫度，仍然與產生銀氮化物燒結體的溫度一樣高。此外，需要一個相當精密的製程，其接合物質表面凸起部份與平坦部份分別不能超過〇.2μιη。這種高精密度的製程會增加製造成本。因此，本發明的主要目的就是在提供一種製造鋁氮化物接合體的方法，藉以避免在基底的接合界面產生第三層。 5 本紙張尺度適用中國國家箱^準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 448136 2145pif. doc/006 A7 B7 五、發明説明（j ) 根據本發明的主要目的，提出一種製造鋁氮化物基底型接合體的方法，包括下列步驟：第一製程係在欲接合的基底中間插入一層接合物，並且加熱基底與接合物，其中溫度不可低於接合物的融點，藉以融化接合物。並且將位於融化的接合劑與基底的接合界面之間的鋁氮化物基底粒子 .液化成液相。第二製程係加熱基底與接合物，其中溫度高於第一製程之溫度，但是低於基底的燒結溫度，藉以排出基底之間的的接合物。在接合鋁氮化物陶瓷物質的方法中，發明人做了許多研究包括使用相當低溫且不插入第三相的方法+。爲此目的，發明人做了許多實驗包括在鋁氮化物陶瓷物質中插入金屬氧化物，然後加熱並且融化金屬氧化物。因此，發明人發現當接合物首先被融化，並且再加熱，然後將溫度固定在高於融點溫度，則接合物會從基底中排出來’因此可在基底之間形成很堅固的接合面。觀察基底的接合面可發現’ 事實上接合物並未殘留下來，而留下一連續的銘氮化物基底。此外，發明人的發現衍生出本發明，包括一種接合體’ 其具有高接合強度，且具有更佳的不透氣性與抗腐触性° 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵 '和胃易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式’作詳細說明如下：圖式之簡單說明：帛la圖繪示-接合喊接合觸人_ 1與2之間時，基底1與2的前視圖； 6 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -、1T. 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製本紙張尺度適用t國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 448 13 2 1 45pif.doc/006 A7 B7 五、發明説明（午）第lb圖繪示接合物在接合後融化於基底底1與2周圍時，基底1與2的前視圖；第2a圖繪示接合物融化於基底1與2之間時，基底1 與2的部份剖面圖；第2b圖繪示基底1與2的剖面圖，顯示接合界面周圍 .與接合物融化而成的融化層的狀態；第3圖繪示實施例的一種接合感應器6與圓形固定元件8以固定該感應器6的結構的部份剖面圖；第4圖繪示圖3固定結構的透視圖；第5圖繪示一壓力與溫度對應表的圖示；第6圖繪示以反射性電子影像所顯示的一陶瓷分子結構，且係表1實驗1的條件所照出的接合體接合界面附近的相片；第7圖繪示以反射性電子影像所顯示的一陶瓷分子結構，且係表1實驗2的條件進行一彎曲測試所照出的樣品接合界面附近的相片；經濟部中央標準局—工消費合作社印製 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 第8圖繪示以二次電子影像所顯示的一陶瓷分子結構，且係將圖7之接合體以一加熱循環測試處理後接合體接合界面附近的相片；以及第9圖繪示以二次電子映象所顯示的一陶瓷分子結構，且係以表1的實驗1的條件進行一彎曲測試所照出的樣品接合界面附近的相片。標示標記說明： 1、2 :基底 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 2145pif.doc/006 A7 B7 五、發明説明（G) la、2a :基底1、2的接合表面 3:接合物 . 4=外部膨脹部份 5 :融化層 6 :感應器 7 :孔洞 8 :固定結構 8a :固定結構的尾端表面 8b:凸緣部份 8c :固定結構的外圍邊緣表面 9 :內部空間 10、11 :導線 f 12 、13 :端點 20.:融化部份 21 :液態部份實施例鋁氮化物陶瓷物質所組成的基底中，可加入不同的燒結物、著色·(Coloring)物質或其它的添加物。請參照第1圖，使基底1上欲接合的表面la與基底2上欲接合的表面2a 面對面排列。然後在欲接合的表面la與2a之間插入一層接合物。然後加熱基底1與2以及接合物3，且至少達到可融化接合物3的溫度藉以融化接合物3，如第lb圖所示。請參照第lb圖，融化部份20取代了接合物3,並且溼潤了基底1與2的接合面la與2a，而形成外部膨脹部份4。 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（2丨0X297公釐） (請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) -s

經濟部t央標準局員工消費合作社印製 448 1 3 6 21 45pif.doc/006 A7 B7 五、發明説明（6 ) 在接合物3的融化階段早期，融化部份20就存在於表面la與2a之間。然而，當融化部份20的溫度固定在不低於接合物3的融化溫度時，位於融化部份20周圍的基底1 與2的部份21，會變成液體狀態。標號5係代表接合物3 的融化層。若接合物3的材質爲Ca-Al-Ο系列共融組成 (Eutect ic)的氧化物，或者爲γ-Ca-Al-O系列共融組成時，則當溫度約爲1415°C或1375°C時，接合物3就開始融化。然後接觸融化態接合物3的基底1與2的表面la與2a，就會開始液化。鋁氮化物系列陶瓷物質，通常會產生燒結過程亦即所謂的「液相燒結」。亦即，在鋁氮化物系列陶瓷物質中，鋁氮化物粒子會先液化》接著在冷卻步驟中產生固化現象。在本發明實施例中，鋁氮化物粒子會在融化態接合物3和基底1與2的接合面周圍產生液化現象，而形成液相。當鋁氮化物粒子形成液相之後，表面la與2a往外膨脹的部份會接合在一起，且融入融化態的接合物中。因此，表面la與2a變得平坦化。若接著就冷卻，且沒有進行第二製程’·則接合物的成份就會在鋁氮化物粒子的晶粒邊界產生沈潑現象。在融化步驟（第一製程）中，有效的加熱溫度至少爲接合物的融化溫度。而較隹之溫度爲低於後續所述之排出接合物之溫度，藉以避免排出接合物。然後，在第二製程中，其中溫度係高於第一製程之溫度，融化態的接合物就會從基底之間排出來，因此可形成 9 (請先閱讀背面之注$項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製

本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 448136 2145pif. doc/006 ρ^η Β7 五、發明説明（7 ) 基底的連續體，此連續體中不會產生位於中間的第三相。此反應機構類似於從液態的鋁氮化物粒子中排出燒結物的反應機構，其中燒結物例如爲銘(Yttrium)等，並且類似於固化液態的鋁氮化物藉以沈澱鋁氮化物的步驟中’將燒結物進一步從鋁氮化物粒子燒結體的內部排出至燒結體的外部的反應機構。本發明中鋁氮化物系列陶瓷物質的相對密度至少約爲 95%，並且較佳之密度至少約爲98%。當應用於鍛燒（Cal cine) 體或具有較大特殊表面積的類似物時，因爲有時候會產生變形或類似的缺點，因此本發明特別適用的情況爲，當鋁氮化物系列陶瓷物質中至少有一者爲經過火烤的產物時，其生成法包括使用熱壓形（Hot Pressing)燒結製程或熱均壓（Isotact ic)壓形製程。經濟部中央檫準局員工消費合作社印製 ---：-------ο.裝-- - 1 (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) 在第一與第二製程中，較佳之固定溫度係保持爲製程中相對的溫度範圍內。然而，第一與第二製程中的溫度也可以在相對的溫度範圍內變得更高或者低。尤其，爲了完全融化接合物，第一製程之溫度範圍約爲1400°C，而且爲了加速鋁氮化物與接合物接合面之液化現象，較佳之溫度範圍約爲1450°C。若在第一製程中產生接合物的排除現象。則接合物很難擴散至基底。因此爲了抑制接合物的排除現象，第一製程中較佳之溫度不超過1650°C。爲了加速排除接合物，第二製程的溫度至少爲1650 °C ’並且較佳之値爲不超過1800°C，以避免發生鋁氮化物基底的變形與改質。 10 本紙張财適用中國國家操準（C.NS ) Α4·_ ( 2H)X297公瘦）經濟部中央標準局負工消費合作社印製丨4 4 8彳3 6 2 145pif.doc/006 A 7 B7 五、發明説明（》）第一與第二製程的較佳加熱時間爲至少30分鐘，且不超過10小時。第一與第二製程中的氣體可以爲惰性氣體，例如％等。此氣體爲非氧化性氣體’或者也可以爲真空狀態。因爲鋁氮化物會在真空中產生分解現象，所以在第二製程中較佳之氣體爲氮氣。請參照第2b圖，以箭頭A的方向，在接合時施加一壓力，藉以改善接合強度。當壓力約爲5kg/cm2至500 kg/cm2 時，可實際產生影響。然而，若壓力超過上限値，則很容易產生形變或分裂。若壓力超過上限値，且係在低溫環境下，則基底有可能裂開。因此施加壓力時，較佳之溫度爲不低於接合物的融點。接下來解釋，特別適用於本發明之接合物。發明人發現不需特別限定接合物，然而，具有X-Y-Z系列組成之接合物爲較佳之選擇。其中，X係一化合物，且X中至少包括有一金屬元素係選自於鹼金屬與鹼土金屬族元素組合群。Y 係一稀土元素化合物，以及Z係一鋁化合物。在金屬元素組成的接合物中，X所佔的比例約爲25~50mol%，Y所佔的比例約爲5~30mol%，而其他的部份就是z所估的比例。在鋁氮化物基底中，排出接合物所需的溫度約爲1650 °C。在此高溫下，接合物很難滲入鋁氮化物中。因此接合物的融點溫度需低於1650°C，且其較佳之融點爲不高於 1600°C。在本發明中，「接合物的融點」所代表的意思是開始產生液相時的溫度。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 448 136 2l45pif. doc/006 A7 B7 五、發明説明（？） (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) 此處所用的驗土金屬包括钪（Scandium)、紀、鑭 (Lanthanum)、鈽（Cerium)、鐯（Praseodymium)、敏 (Neodymium)、鉅（Promethium)、衫（Samarium)、銪 (Europium)、乱（Gadolinium)、鉱（Terbium)、鏑 (Dyspros ium)、鈥（Holmium)、領（Erbium)、銭（Thul ium)、 .鏡（Ytterbium)與锻（Lutetium)等十七個元素。其中i乙、鑭、姉、銨與鐘具有較大的排除接合物效果。並且，釔與鏡係較佳之選擇，其中ί乙爲較佳之驗土金屬。而組成X的較佳金屬元素，包括鋰（Lithium)、鈣 (Calcium)、緦（Strontium)與鋇（Barium)。其中，X、Y與Z的化合物較佳係爲氧化物或氟化物。雖然也可以使用氧化物或氟化物之外的物質，然而在此情況下，接合物的較佳材質爲能夠在融化狀態下產生氧化物或氟化物之物質。這些物質包括碳酸鹽（Carbonate)、硝酸鹽（Nitrate)、草酸鹽（Oxalate)與磷酸鹽（Phosphonate)。上述爲接合物的較佳例子，並且接合物包括下列所述：經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 (1) 包含X化合物、Y化合物與X化合物組成之混合物。在此例子·中，X化合物' Υ化合物與X化合物也可以是上述的氧化物、氟化物、碳酸鹽、硝酸鹽、草酸鹽與磷酸鹽等。 (2) 包含全部X、Υ與Ζ成份的化合物。例如，由一金屬的氧化物構成X，由一金屬的氧化物構成Υ，由一金屬的氧化物構成ζ，這三者可混合而形成一混合物。且此混合物可經過锻燒或火烤’而獲得一錯合物或玻璃。此錯合物或玻璃可用作接合物。 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） '4 48136 2145pif.doc/006 A7 B7 五、發明説明（/σ ) 接合物的形狀例如爲一混合粉狀、鍛燒粉狀、鈍型或平板狀。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在這些接合物中，較佳之接合物爲X化合物與γ化合物之中，至少有一者包含氧化物或氟化物，並且在1650〜1800 °<3時，其蒸氣壓約爲0.001~1000Pa。這些氧化物或氟化物例如爲 Li2〇、MgO、CaO、SrO、BaO 與 SrF” 特佳之接合物包含25~40Wt%的CaO、15~30wt%的Y2〇3 與其餘爲Ah〇3。在這些接合物中，較佳之接合物爲共融組成物37CaO-19Y2〇3-44Al2〇3(融點約爲1375°C)與共融組成物 28CaO-26Y2〇3-46Al2Cb(融點約爲 1395°C)。經濟部中夬標隼局員工消費合作社印製第3圖係繪示半導體製程中用以固定感應器6的結構的剖面圖。第4圖係繪示沿著第3圖中IV-IV線所得之部份剖面圖。感應器6的形狀爲圓盤狀，例如，可提供一半導體晶片於感應器6的前方表面6b上。而感應器6的後方表面6a則連接至固定結構8的尾端表面8a上，此固定結構8 的形狀例如爲圓筒狀。感應器6與固定結構8的材質均爲鋁氮化物系列物質，且彼此相接合。而標號7係表示用來插入導線的孔洞。在固定結構8的尾端表面8a上形成凸緣部份8b時，較佳之步驟係依第3圖中箭頭B之方向，施加壓力於凸緣部份8b的外圍邊緣表面8c上。感應器6的功能與結構，並沒有特別限定。實施例中係一陶瓷靜電加熱器，其具有一抗熱源之主體，此主體嵌入於鋁氮化物系列基底中；一陶瓷靜電盤，其具有一嵌入於基底中的電極；一具有靜電盤之加熱器，具有一嵌入於基 13 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210 X 29>7公釐〉 4 4 8 1 3"6 21 45pif.d〇〇/〇〇6 A7 B7 五、發明説明（/1 ) 底中的抗熱源主體與電極；以及，一嵌入於基底中用以獲得高頻波的電漿電極。例如，在第3圖與第4圖所示之裝置中，未顯示嵌入於感應器6中的抗熱源主體。並且，導線10係連接至抗熱源主體的端點12。感應器6中嵌入有一平板電極（未顯示）， .以作爲一電漿電極或靜電盤電極，以及，一導線Π連接至此平板電極的端點13。其中，導線1〇、Π與端點12、13 均位於固定結構8的內部空間9中，並且未直接接觸半導體製程儀器室中的腐蝕性氣體或電漿。此外，本發明也可以將一安置有半導體晶片、一替代 (Damy)晶片、一'覆盖環（Shadow Ring)、一'用以獲得局頻電槳的管狀物、一用以獲得高頻電漿的圓頂物、一高頻波穿透窗、一紅外波穿透窗或一顯示板（Shower Plate)等的感應器連接其他結構。本發明可以下列實驗結果，作詳細說明如下：實驗一. 如第la圖所示，使用第800號磨石，硏磨鋁氮化物塊狀物1與2的接合表面la與2a，此塊狀物的尺寸約爲 20mmx20mmxl0mm。其中一個塊狀物的純度約爲95%(5%爲氧化鏡），而另一個塊狀物的純度約爲99.9%。這兩個塊狀物之間插入有一粉末狀混合物’重量組成爲 37CaO-19Y2〇3-44Al2(M共融溫度約爲1375°C) °將此樣品置於電熱爐中加熱至約’約加熱2小時後在電熱爐中使其冷卻。此加熱步驟例如係在氮氣環境中。並且加熱過 14 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Μ规格（210XM7公釐） —.—-----Ό装— _ 1 ί (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂經濟部中央標準局員工消費合作社印製 448 1 3 6 21 45pif.d〇c/〇〇6 A7 B7 經濟部中央標準扃員工消費合阼.ti.f緊五、發明説明（α) 程中，連續以50kgf/cm2的力量，加壓接合表面。使用量測用顯微鏡與反射式電子影像所照的相片可以觀看到樣品的剖面圖。第6圖係使用反射式電子顯微鏡所照得在接合體的接合面周圍的陶瓷組織的相片。如第6圖所示之照片，陶瓷組織分成三層，從左至右包括純度約爲95%的錦氮化物層、接合物層與純度約爲99,9% 的鋁氮化物層。在左側的鋁氮化物層中，主要由氧化鏡組成的白色結晶晶粒邊界層，係位於鋁氮化物粒子的黑色結晶晶粒邊界層上。在接合物層中，可觀察到白色針狀結晶與位於白色針狀結晶周圍的灰色黏合物（Matrix)。雖然白色針狀結晶與灰色黏合物都是由具有37CaCM9Y2〇3-44Ah〇3共融組成的接合物中製造出來，但是它們具有不同的組成成份。右側的鋁氮化物層則包含有大量的黑色鋁氮化物粒子與少量的結晶晶粒邊界層。在左側的鋁氮化物與接合物層的接合界面周圍，鋁氮化物粒子的結晶晶粒邊界層不是白色的（表示含有氧化鏡），但是存在有會與接合物層的黏合物相混淆的顏色，因此顯示出有接合物摻入結晶晶粒邊界層中。接合物摻入的厚度約爲ΙΟμιη。這是因爲，在加熱且固定溫度爲1500°C的製程中’鋁氮化物粒子會在基底與融化狀接合物的接合面周圍融化，並且接合物的組成成份會擴散進去。同樣地，在右側的鋁氮化物層與接合物層的接合面周圍’接合物會摻入鋁氮化物粒子的結晶晶粒邊界層中，其中接合物摻入的厚度約爲0.5μηι或更多。 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS ) Α4規格（210Χ297公釐） ---：-----11.装-------訂 I~ (讀先閱讀背面之注項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 448736 2145pif.doc/006 八？ B7 五、發明説明（丨3) ^ϊττΐ ίΕΑ- ~~* S. ~ 重複實驗一的步驟，除了將接合物的組成改變舄CaO、 €&?、1〇3、丫（1^)3或γΝ，以進行相對於上述的實驗。結果，在全部的例子中，都無法接合基底1與2。實驗三如表1所示，實驗編號1~7號均在本發明之範圍內。如第la圖所示，使用第800號磨石，硏磨鋁氮化物塊狀物1與2的接合表面ia與2a，此塊狀物的尺寸約爲 20mmx20mmxl0mm。其中一個塊狀物的純度約爲95%(5%爲氧化鏡），而另一個塊狀物的純度約爲99.9%。將專用試劑級的CaO、Y2〇3與Al2〇3粉末，以重量比 37CaO-19Y2〇3-44Al2〇3混合於乙醇中，藉以獲得共融溫度約爲1375°C的混合粉末。然後，在空氣中加熱混合粉末，約達到1000°C且約加熱2小時，以獲得一鍛燒粉末。接著，將鍛燒粉末的最大直徑調整爲約ΙΟΟμπι。將調整過的粉末置入兩個基底上欲接合的表面中間。所使用的接合物數量約爲 l~20mg/cm2 。然後將上述樣品置於電熱爐中，並且根據第5圖所示之溫度-壓力對應表來加熱。其中，t0-t7表示實耗加熱時間， T1〜T4表示加熱溫度，以及P1與P2表示壓力。在tl時間，且當溫度到達1400°C時，開始施加壓力。並且，在t2時間，當溫度到達1430°C時，則壓力會增加至如表一所示之値。加熱13時間後，樣品會達到T3溫度。其中T3是第一固定製程的固定溫度，且t4與t3時間的差爲第一固定製程的本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -β 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 448136 2 I 45pif.d〇c/006 八7 B7 五、發明説明時間。然後，當時間從t4變成t5時，樣品的溫度昇至T4 ’ 其中T4是第二固定製程的固定溫度，且t6與t5時間的差爲第二固定製程的時間。基底的接合即是根據這種溫度-壓力對應表來處理，而且測量所獲得的接合體的性質，其測量結果如表一所示。「接合強度（Joining Strengths)」係根攄日本工業標準（nS)R1601中測量四點彎曲強度的方法來測量。然而’ 彎曲測試中所使用的樣品分光光譜（Specimen Prism)，.經處理之後顯示中心位置會產生接合界面。接合強度係在室溫下測量。且量測型電子顯微鏡可觀察樣品的剖面，藉以觀察接合物組成成份殘留的程度。「第三層的殘留」係觀察接合界面，並且測量第三層的厚度。同時Γ接合物層的厚度」也可以由公式，塗佈重量/接合物的理論密度/接合面積，計算出來。而，表一係顯示「第三層的厚度」除以「塗佈層的厚度」所得的値。表1中「遺漏數量」的値係以下列方法測量的。使用直徑約爲50mm，厚度約爲15mm的圓盤作爲一基底。並且以外徑約爲36mni，內徑約爲28mm，且長度約爲10mm的圓筒作爲另一基底。然後，如第4圖所示，使用上述的接合方法接合此圓盤與圓筒。將所得到的接合體，進行氦氣漏氣測試。所使用的測試儀器的測量極限爲1 · Οχ 10_41〇r r‘ 1 /.sec。如表一所示，本發明實施例之實驗1〜7中所有的樣品，均可提供極高的接合強度，同時不會殘留第三層，並且遺 17 本紙張又度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)

4 48 1 36 2145pif.doc/006 A7 B7 五、發明説明（/50 漏數量相當少。其中，實驗1的接合體係使用純度約爲 99.9%的基底1與2,且其強度最強。在實驗2~7中，當壓力增加，則接合強度也會增加。同樣的，當接合製程係在氮氣環境中進行，則接合強度比實驗4中的真空環境高，且遺漏數量比真空環境小。測量遺漏數量之後，接著進行加熱循環試驗，包括在大氣中，以50~700°C的溫度循環加熱100次，以判斷接合體是否可承受熱衝擊（Thermal Shock)。在實驗1〜7中，沒有發現缺陷（Defect)且遺漏數量不會增加。在表一中，實驗 1~3的樣品，即使在NF3電漿與450°C環境中暴露約24小時，遺漏數量仍然不會變差。第7圖係顯示表1之實驗2中樣品接合界面周圍的陶瓷組織的反射式電子顯像圖。陶瓷組織從上側分成兩層，包括一純度約爲95%的鋁氮化物層與一純度約爲99.9%的.銘氮化物層。在上層的鋁氮化物層中，黑色鋁氮化物粒子的結晶晶粒周圍可看見主要包含氧化鏡的白色結晶晶粒邊界層。而在下層的鋁氮化物層中，並未觀察到氧化鏡。經濟部中央標準局負工消費合作社印製 (请先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在上下層鋁氮化物層的接合界面周圍，鋁氮化物粒子的大小在上層與下層中無疑是不同的，因此可觀察到淸楚的邊界。且邊界上不會產生第二層或斷裂，因此上層與下層的鋁氮化物組織係直接且連續的接合在一起。第8圖係顯示經過彎曲測試的樣品在經過上述熱循環 .測試之後，接合界面周圍的陶瓷組織的二次電子影像圖。從二次電子影像圖中可看到，陶瓷組織從上側起分成兩本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 4 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 4 2 145pif.doc/006 A 7 B7 五、發明説明（/Μ ' 層，包括一純度約爲95%的鋁氮化物層與一純度約爲99.9% 的鋁氮化物層。且上下層的接合界面上不會產生斷裂或較差的層。第9圖係顯示表1之實驗1中經過彎曲測試的樣品，其 .接合界面周圍的陶瓷組織的二次電子影像圖。上層與下層鋁氮化物的接合面周圍，不會產生明顯的邊界，且不會產生第二層或斷裂，因此上層與下層的鋁氮化物組織係直接且連續的接合在一起。實驗四如同實驗三，以表2中第8〜12號實驗之方法，製造接合體（比較例）。表2係繪示各個實驗的條件與實驗結果。如表2所示，實驗8係將一比較樣品的溫度固定爲1550 °C，且約2小時，以獲得稍微高接合強度的接合體。然而，其遺漏數量約爲1〇_6，且會殘留第三層。若對樣品進行熱循環試驗，則接合界面會產生剝離。而實驗9係將一比較樣品的溫度固定爲1700°C，且約2小時。然而，接合強度依然不夠高，只約爲20MPa，且遺漏數量約爲l(Tfi。而在加熱過程中’，接合物會排出來，且第三層不會殘留。在實驗 10中，比較樣品的溫度固定爲1400°C，且約2小時，並且將溫度固定爲1500°C，約2小時。然而，沒有觀察到第三層排出來，且接合物殘餘量約爲80%，而遺漏數量約爲10_ 5 〇，在實驗Η中，比較樣品的溫度固定爲17〇〇°C與1900 °C，且分別約爲2小時，而且沒有殘留第三層。然而，接 19 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐） (請先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 4 8 13 6 2145pif.doc/006 A7 B7 五、發明説明（/")) 合強度依然不足夠，以及遺漏數量約爲10.5。若對比較樣品進行加熱循環試驗’則基底會產生形變。在實驗12中，比較樣品的溫度固定爲130CTC與170CTC，且分別約爲2小時，而且沒有殘留第三層，然而，接合強度依然不足夠，以及遺漏數量約爲10_5。在實驗11與12中，有考慮過進行浸入步驟使融化物浸入基底中，但是實際上未進行。實驗五如同實驗三，以表3中第13〜17號實驗之方法，製造接合體（例如本發明之實施例）。表3係繪示各個實驗的條件與實驗結果。在實驗13、14與15的緞燒步驟之前，先使用混合粉末，以及在實驗16中使用硏磨粉末，硏磨粉末的製法爲使用1360°C的溫度，熱處裡混合粉末約2小時，然後使用震動硏磨機硏磨，以獲得硏磨粉末。在實驗17中使用鈍型燒結體’其製法爲以1360。(：的溫度，熱處裡混合粉末約2小時，然後在此狀態下進行處理步驟，藉以形成厚度約爲0.5mm的鈍型燒結體。由這些例子可知道，無論使用鍛燒粉末、硏磨鍛燒粉末所得的粉·末或鈍型燒結體，其結果均與使用鍛燒粉末所得的結果相同。拓会貫驗八如同實驗三，以表4中第18~21號實驗之方法，製造接合體。表4係繪示各個實驗的條件與實驗結果。然而，在實驗18(本發明的實施例）中，係使用一組成爲28Ca〇_ 26Y2〇3-46Ah〇3的硏磨粉末。以及，在實驗19、2〇與21(比 20 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210><297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 7' 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7 448136 2I45pif. doc/〇〇6 五、發明説明（/f ) 較例）中，係使用Y2〇3、YN或8(^?-20八爪的粉末。實驗18可獲得一高接合強度與具防止遺漏性能的接合體。然而，在實驗19中，Υ2〇3完全不會排出來，且無法獲得接合體。在實驗20與21中，各粉末不會融化成接合層， _因此無法獲得接合體。實驗七製造如第3圖與第4圖所示之接合體。然而，在這些例子中，感應器6係嵌入作爲加熱器之用的鉬圏（Molybdenum Coil)中，且鉬網狀結構（Mesh)係作爲高頻波電漿的電極之用。燒結體6的純度約爲99.9%，且相對密度約爲99.5%，其製法係爲熱壓法。以及，一環狀固定器8(純度約95%、氧化鏡約5%)係由常壓燒結體組成’其外徑約爲60mm、內徑約爲52mm，且長度約爲210mm。根據本發明之方法接合感應器6與固定器在進行接合的爐管中，使用一碳質的熱壓機。在氮氣壓力約爲1 .Satin的環境中加熱’並且以水壓的油壓機在接合表面上施加約60kgf/cm2的壓力，其中樣品的溫度至少加至 1300°C。樣品昇溫的速度約爲100〜i〇〇〇°C/hr，並且在1500 °<3時固定約2小時’藉以使得接合物可滲入基底的接合表面中。然後，在17〇〇°C時固定約2小時，以排出接合物。在固定溫度爲17OOC且約固定2小時後，使樣品在爐管中冷卻。將接合體從爐管中拿出來’並且以上述之方法測量遺漏本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注項再填寫本頁) 訂經濟部中央標準局負工消費合作社印製 -4 48 1 3 6 2145pif.doc/006 A7 B7 五、發明説明（/?) 數量。測量結果中，遺漏數量約少於1.0xl0_8t〇rr/sec。嵌入於燒結體中的鉬圈與鉬網狀結構，係接觸電極的鉛絲。藉由電流的流通加熱鉬圈與鉬網狀結構，並且重複約 30次的溫度昇高與溫度降低循環，其速率約爲25°C/min。因此接合體不會產生裂解或變形。在熱循環試驗之後，使用氦氣遺漏試驗進行試驗，可發現遺漏數量仍然少於 1 〇xlCTstorr/sec 0 實驗八如同實驗三，以表5中第22~25號實驗之方法，製造接合體（本發明的實施例）。表5係繪示各個實驗的條件與實驗結果。在實驗22、23與24中，使用Li2〇-Y2〇3-Ah〇3系列的鍛燒粉末作爲接合物。這些接合物均爲高接合強度，小遺漏數量與無殘留第三層。如實驗22所示，就接合強度的觀點而言，較佳之鋁氮化物基底之相對密度爲99.9%，且吣氣體的壓力約增加至2.5atm。在實驗25中，使用BaO-Y2〇3-Al2〇3系列的鍛燒粉末作爲接合物。這些接合物均爲高接合強度與小遺漏數量。經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 實驗22〜25的樣品係在測量遺漏數量之後，接著在空氣中進行100次循環加熱試驗，其溫度約爲50〜700°C。因此，所有的樣品不會有缺陷，且遺漏數量不會變差。而實驗22 的彎曲試驗樣品，係在450°C之下暴露於N2電漿環境中約 24小時，並且發現接合強度與遺漏數量不會變差。實驗九 22 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐） 443 136 2145pif.d〇c/006 A7 B7 五、發明説明（比）如同實驗三，以表6中第26~30號實驗之方法，製造接合體（本發明的實施例）。表6係繪示各個實驗的條件與實 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 驗結果。在實驗26中係使用CaO-U2〇3-AhCb系列的鍛燒粉末作爲接合物。而在實驗27中係使用〇3?2-丫？3^12〇3系列的鍛燒粉末作爲接合物，實驗28係使用CaF2-Y2〇3-Ah〇3系列的鍛燒粉末作爲接合物，實驗29係使用CaO-Y2〇3-Al2〇3系列的鍛燒粉末作爲接合物，以及實驗30係使用BaO-La2〇3-Ah〇3系列的鍛燒粉末作爲接合物。所有這些實驗所得的樣品均爲高接合強度，小遺漏數量與無第二層存在。如上所詳述，根據本發明之方法，鋁氮化物系列基底可相互接合，並且在接合鋁氮化物系列基底時，不會在接合界面產生第二層。雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。經濟部中央標準局員工消費合作社印製 23 ^紙張尺度適用中國國家椁準lis ) A4規格（210X297公釐）卜 95% 99.9% 37CaO-19Y2〇3-44AI 2〇3 m 製 m 1,550°C 2 hrs 1,700°C 2 hrs N2:1.8 atm 〇 100 <1CT7 壤 CO 95% 99.9% 1,550eC 2 hrs 1,7〇〇°C 2 hrs N2:1.5 atm CN CM 130 I 壤 m 95% 99.9% 1,65CTC 2 hrs 1,750°C 2 hrs N2:1‘2 atm 350 250 <10—8 揉寸 95% 99.9% 1,550°C 2 hrs 1,700°C 2 hrs W L〇 CM 100 <10"7 壙 ΓΟ 95% 95% 1;600°C 2 hrs 1,700°C 2 hrs N2:1.2 atm 160 00 I 0 V 丧 CM 95% 99.9% 1,550°C 2 hrs 1,700°C 2 hrs N2: Ί.2 atm s 220 <10"8 揉 ^— 99.9% 99.9% 1,550〇C 2 hrs 1,700°C 2 hrs N2; 1.5 atm 440 <1CT8 垠 '— C\J 壊在第一次因定製程時的溫度與時間在第二次因定製程時的溫度與時間蝴壓力（kgm/cm2 ) 接合強度（MP。）遺黴量笫三層的殘餘量 AIN的純度齡物 CM 95% 99.9% 37CaO-19Y2〇3-44AI 2〇3 靈磔 1,300°C 2 hrs 1,7〇〇°C 2 hrs N2:1.5 atm g <10"5 揉 •ς— 95% 99.9% 1,700°C 2 hrs 1,900°C 2 hrs N2:1.5 atm § <10-5 揉 Ο 95% 99.9% 1,40〇eC 2 hrs 1,500°C 2 hrs N2；1.5 atm g <10-5 80% cx· 95% 99.9% 搆 1,700°C 2 hrs N2:1.5 atm s 8 <10-6 鹿 00 95% 99.9% 1,550°0 2 hrs 廉 N2:1.5 atm 130 <10~6 70% ^―· CN 在第一次因定製程時的溫度與時閭在第二次因定製程時的溫度與時間礙jj 屋力（kgm/cm2 ) 接綠麼(MPa) 遺漏數量第三層的殘餘量 AIN的純度接合物卜 95% 99.9% 37CaO-19Y2〇3-44AI 2〇3 mm 1,550°C 2 hrs 1,700°C 2 hrs N2:1.2 atm 250 <10-8 廉 C£) 95% 99.9% 磨纖狀 1,550°C 8 hrs 1,660°C 8 hrs N2: 3.0 atm 480 350 <10-8 裸 L〇 95% 99.9% 0 Φ 蜞 1,650°C 1 hr 1,80〇°C 30 min N2:1.2 atm 200 <10~8 联寸 95% 99.9% 〇 ί-Ο 工: 寸一寸 1,70〇°C 2 hrs N2:1.2 atm 120 <10-8 摧 r〇 ^— 99.9% 99.9% 1,550°C 4 hrs 1,70〇°C 4 hrs N2:1.5 atm g 440 <10"8 展 τ— CM 壊在第一次固定製程時的溫度與時間在第二次因定製程時的溫度與時間屋力（kgm/cm2 ) 齡強度(MP。）遺漏數量第三層的殘餘量 ΑΙΝ的純度接合物 95% 99.9% 80YF3- 20ALF3 混合粉狀 1,550°C 2 hrs 1,700°C 2 hrs N2:1.2 atm s 〇 I I 95% 99.9% m 1,550°C 2 h「s 1,6〇〇°C 2 hrs N2:1.2 atm 〇 ! I CD 95% 99.9% Y2O3 1,550°C 2 hrs 1;700°C 2 hrs N2:1.2 atm 〇 I 100% 00 ί^______ 95% 28CqO-26Y2〇3- 46AI2〇3 磨纖狀 1,550°C 3 hrs 1,800°C Ί hr N2:1.2 atm 160 <10-8 礙 ^— 基底2 壊在第一次因定製程時的溫度與時間在第二次因定製程時的溫度與時間 ip? 壓力（kgm/cm2 ) 接合強度(MPa) 遺潘數量第三層的讎量 AIN的純度接合物 L〇 C\f 95% 99.9% Li2〇 56 mol% Y2〇3 7 mol% Al 2〇3 37 moi% ««狀 1t500°C 2 hrs 1,650〇C 2 hrs N2: 2.5 atm S 250 <10~8 揉寸 CM 95% 99.9% Li2〇 49 mol% Ϊ2 〇3 26 mol% Al 2 〇3 25 mol% 粉狀 1,550eC 2 hrs 1,65CTC 2 hrs N2:1.7 atm s 120 <10"8 壤 r〇 CM 95% 99.9% Li 2〇 49 mol% Y2 〇3 26 mol% AI2〇3 25 mol% ««狀 1,55CTC 2 hrs 1.650Ό 2 hrs N2:1.7 atm s 180 <10 ~s 揉 CM CM 95% 99.9% Li2〇 49 mol% Ϊ2〇3 26 mol% AI2O3 25 mol% MM粉狀 1,500°C 2 hrs 1,62CTC Ί hr N2： 2.5 atm g 300 <10"8 壊 ^— CM X N 在第一次因定製程時的溫度與時閭在第二次因定製程時的溫度與時間 m ip? 屋力（kgm/cm2 ) 度(MPa) 遺'獵量第三層的殘餘量 AIN的純度齡物

95% 99.9% CaO 45 mol% L〇2 〇3 5 mol% 25 mol% 25 mol% 粉狀 1,550eC 1 hr P CO 〇 L 〇1 卜 Λ CM N2:1-5 atm 180 <10-8 壤 95% 99.9% CaO 48 moi% y2〇3 9 mol% 0 mol% 43 mol% MM粉狀 1,55CTC 1 hr P CO 〇 L 〇工 -CN 5：- M2:1.5 atm 130 <10-8 95% 99.9% CaO 55 mol% 丫 f3 14 mol% 31 moi% 0 mol% ««狀 1,55〇Ό 1 hr P CO 〇 L 0 f 卜 -CN i— N2:1.5 atm 100 <10-8 联 CD 95% 99.9% CaF2 56 mol% 丫 2〇3 7 mol% 37 mol% 0 mol% 粉狀 1,550°C 2 hrs 〇 b ^ UD _e CO -CN τ— N2:1.7 atm S 140 <10-8 璀 CD 95% 99.9% CaO 56 mol% i- 〇2 〇3 7 mol% 37 mol% 0 mol% ««狀 1,550°C 2 hrs 1,62CTC 1 hr N2:1.7 atm Ί90 <10-8 康 τ— m CN X Al 2〇3 Lu < 在第一次因定製程時的溫度與時間在笫二次固定製程時的溫度與時間 m 屋力（kgm/cm2 ) 接錄度(MP。）遺')!數量第三層的殘餘量 AIN的純度 N

Claims

448 13 ♦丨啼 doc/008 AS B8 C8 D8 14342號中文專利範圍修正本修正曰一肀利範圍種製造鋁氮化物基底型接合體的方法爲第861

經濟部智慧財產局員工消費合 h 社印製聲之，該接合體包括複數個鋁氮化物方法列步驟：一第製程，用以在該些基底間插入該接合1 以大於等於該接合物融點的一溫度範圍加熱該些基底，藉以融化該接合物，並且在融化的該接合物與該些基底之接合界面周圍，融化該些鋁氮化物類基底之複數個粒子以形成一液相；以及一第二製程，包括以高於該第一製程但低於該些基底燒結溫度的一溫度範圍加熱該些基底與該接合物，藉以排出該些基底間的該接合物。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中包括在該第一製程與該第二製程中，施加一壓力於該接合物與該些基底上。 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該接合物具有一 X-Y-Z系列的組合，X爲一化合物，且X中有一金屬元素係選自鹼金屬元素與鹼土金屬元素組合群，Y爲一稀土元素的化合物，Z爲一鋁化合物，且在組成該接合物的整個金屬元素比例中，X佔25〜50 mol%，Y fe 5-30 mol %，其餘爲Z。 4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中在該第一製程中融化該接合物時，融化的該接合物包含組成化合物 X的該金屬元素的氧化物與氟化物其中之一、該稀土元素的氧化物與氟化物其中之一以及該鋁的氧化物與氟化物 — 11111^----I I * -----III ^ 11111111 I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 24 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4規格（210*297公釐〉 rc 4 Π 3 6 2 I 45pif 1 .doc/008 A8 B8 C3 D8 n 補充修正曰期：2001.5.29 爲第86114342號中文專利範圍修正本六、申請專利範圍其中之—·。 5.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該接合物具有一重量比例爲25〜40%的CaO、15-30%的Y2〇3及其餘爲Ah〇3的組成成份，該第一製程的該溫度範圍爲 140(M650°C，以及該第二製稃的該搵度範圍爲1650〜1800 aC。 6..如申請專利範圍第1項所述之·方法，其中該接合物具有一X-Y-Z系列的組合，X爲一化合物，且X中有一金屬元素係選自驗金屬元素與鹼土金屬元素組合群，Y爲一稀土元素的化合物，Z爲一鋁化合物，並且組成該接合物的整個金屬元素比例中，X佔25〜50 mol%，Y佔5〜30 mol %，其餘爲Z。 7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中X與Y之一係包括一氧化物或一氟化物，該氧化物或該氟化物在 1650〜1800°C環境中的蒸氣壓爲0.001〜lOOOPa。 8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該接合物具有一重量比例爲25~40%的CaO、15〜30%的Υ2〇3及其餘爲αι2〇3的組成成份。 9. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該接合物具有一 Χ-Υ-Ζ系列的組合，X爲一化合物，且X中有一金屬元素係選自鹼金屬元素與鹼土金屬元素組合群，Υ爲一稀土元素的化合物，Ζ爲一鋁化合物，且在組成該接合物的整個金屬元素比例中，X佔25〜50 mol%，Y佔5~30 mol %，其餘爲Z。 25 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4规格（210 X 297公* ) ---- I I -------. ^ illn ^- — — — — — — 11 ^ I {請先W讀背面之注意事項再填窝本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印 44813b 2145pifl.doc/008 爲第861 UJ42號φ又専利颭圍修ιΕ本六、申請專利範圍匕 A8B8C8D8 10.如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該接合物具有一重量比例爲25~40%的CaO、15〜30%的Y2〇3及其餘爲AhCL的組成成份，該第一製程的該溫度範園爲 1400~1650°C，以及該第二製程的該溫度籃亂M_1650〜1800 t。 11 .如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該接合物具有一重量比例爲25~40%的CaO、1.5~30%的Y2Ch及其餘爲Al2〇3的組成成份。 ----μ---一----:! j-------r^.r (請先閱ιλ背面之注意事項再填寫本頁) -線· 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製本紙張尺度適用中困团家摞寧（CNS>A4 Λ格（210297公釐>