TWI390663B - A joining structure and a method for manufacturing the same - Google Patents

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Description

接合構造體及其製造方法
本發明係關於接合構造體及其製造方法。更詳言之，本發明係關於將連接構件接合於陶瓷構件中所埋設端子上的接合構造體、具有對所埋設電極供應電力之連接構件的接合構造體及其製造方法。
在諸如蝕刻裝置、CVD裝置等半導體製造裝置領域中，將使用在陶瓷構件中埋設著電極的靜電吸盤等半導體用承載器。例如：在氮化鋁或緻密質氧化鋁等基材中埋設電極，並具有供產生電漿用之放電電極機能的半導體用承載器；或者在氮化鋁或氧化鋁基材中埋設金屬電阻體(加熱器)，且在CVD等熱處理製程中將具有控制晶圓溫度用之陶瓷加熱器機能的半導體用承載器。此外，在半導體晶圓的搬送、曝光、CVD、濺鍍等成膜製程、或細微加工、洗淨、蝕刻、切割等步驟中，在具有供將半導體晶圓吸附並保持之靜電吸盤機能的半導體用承載器中，亦有埋設電極者(例如參照專利文獻1)。
在上述靜電吸盤等半導體支撐裝置中所埋設的電極，將經由接合構造體從外部供應電流。例如接合構造體係包括：陶瓷構件、端子、硬銲料接合層、以及連接構件。該陶瓷構件係埋設內部電極，並設有從表面朝內部電極的凹部，且設有從凹部底面到達內部電極的端子孔。該端子係依下面鄰接內部電極，且上面將露出於凹部底面之方式，埋設於端子孔中。該硬銲料接合層係涵蓋上面且鄰接凹部底面。該連接構件係依鄰接硬銲料接合層之方式插入於凹部中。陶瓷構件與連接構件的接合強度係負責陶瓷構件的凹部側面與連接構件間之接合部的接合強度。
但是，隨對半導體支撐裝置的熱回應性提升要求，陶瓷構件將從10mm薄板化至2mm，習知確保3mm以上的凹部深度將有變淺為0.5mm程度的傾向。隨此現象，將有陶瓷構件凹部側面與連接構件的接觸面積會降低，陶瓷構件與連接構件的接合強度會降低的顧慮。
所以，將渴求即使連接構件所插入的陶瓷構件凹部深度較淺，仍可維持連接強度的接合構造體及其製造方法。
[專利文獻1]日本專利特開2006-196864號公報
本發明之目的在於提供即使連接構件所插入的陶瓷構件凹部深度較淺，仍可維持連接強度的接合構造體及其製造方法。
本發明第1特徵主旨的接合構造體，係包括：陶瓷構件、導電性端子、硬銲料接合層、及連接構件；該陶瓷構件係埋設著板狀內部電極，並設有從表面朝內部電極的凹部，且在凹部底面其中一部分處設置到達內部電極的端子孔，並對底面施行粗化處理，且以氧化鋁為主成分；該導電性端子係依下面鄰接內部電極，上面露出於凹部底面的水平面之方式，埋設於端子孔中；該硬銲料接合層係涵蓋上面且鄰接凹部底面；該導電性連接構件係依下端面鄰接硬銲料接合層之方式，將下部插入於凹部中，且熱膨脹係數在6.5~9.5ppm/K範圍內。
本發明第2特徵主旨的接合構造體之製造方法，係包括有：在以氧化鋁為主成分的第1陶瓷層上面，形成板狀內部電極的步驟；將由燒結體構成的端子，依下面鄰接內部電極上面其中一部分的方式，配置於內部電極上的步驟；依覆蓋端子與內部電極之方式，配置以氧化鋁為主成分的燒成材料，經燒成而獲得第2陶瓷層，製得內部電極與端子埋設於第1陶瓷層與第2陶瓷層間之陶瓷構件的步驟；設置從陶瓷構件表面朝內部電極的凹部，且使端子上面露出於凹部底面其中一部分的步驟；依使凹部底面的表面粗糙度為Ra=0.7~2.0μm之方式，施行粗化處理的步驟；在底面與接合材層之間，更配置含有Ni之電鍍層的步驟；涵蓋端子上面，在凹部底面上設置硬銲料接合層的步驟；以及依表面粗糙度為Ra=1~3μm之方式，對與硬銲料接合層間之接觸面施行粗化處理，且熱膨脹係數6.5~9.5ppm/K範圍內的導電性連接構件下端面，依鄰接硬銲料接合層之方式，將連接構件下部插入於凹部中的步驟。
根據本發明，將提供即使連接構件所插入的陶瓷構件凹部深度較淺，仍可維持連接強度的接合構造體及其製造方法。
以下，舉實施形態進行本發明的說明，惟本發明並不僅侷限於以下的實施形態。相關圖中具有相同機能或類似機能者，便賦予相同或類似的元件符號，並省略說明。此外，本說明書中，就上面、下面等的「上」、「下」定義僅屬求便宜上為之，亦可依照現實方向的選擇方式而將「上」、「下」顛倒的情況，亦可為傾斜方向。
[第1實施形態] (半導體用承載器(接合構造體))
第1(a)圖所示係第1實施形態的半導體用承載器11朝縱向切剖所獲得的剖視概略圖，第1(b)圖所示係實施形態的半導體用承載器11從平行陶瓷構件表面切剖所獲得，從A1-A2線所觀看到的截面概略圖，第1(c)圖所示係第1實施形態的半導體用承載器11從平行陶瓷構件4表面切剖所獲得，從B1-B2線所觀看到的剖視概略圖。此外，藉由對第1實施形態的半導體用承載器11進行說明，亦將針對接合構造體、具有接合構造體的半導體製造裝置進行說明。
第1實施形態的半導體用承載器11係包括：陶瓷構件4、導電性端子3、硬銲料接合層6、及導電性連接構件5。該陶瓷構件4係埋設板狀內部電極2，並設有從表面朝內部電極2的凹部4a，且在凹部4a的底面4s其中一部分設置到達內部電極2的端子孔4c，底面4s經粗化處理，且以氧化鋁為主成分。該導電性端子3係依下面鄰接內部電極，上面3s露出凹部4a底面4s水平面之方式，埋設於端子孔4c中。該硬銲料接合層6係涵蓋上面3s，且鄰接凹部4a的底面4s。該導電性連接構件5係依下端面5e鄰接硬銲料接合層之方式將下部插入凹部4a中，且熱膨脹係數在6.5~9.5ppm/K範圍內。
陶瓷構件4最好以氧化鋁(Al2 O3 )為主成分的材料。此外，為能具有較高的電阻率，最好將氧化鋁純度設為99%以上，尤以99.5%以上為佳。此情況，將可獲得適當使用庫倫力的靜電吸盤。另一方面，為能獲得使用Johnsen-Rahbeck力的靜電吸盤，本發明亦可使用以諸如鈦等過渡金屬元素為摻雜材料並添加的氧化鋁。
內部電極2最好由碳化鎢(WC)與氧化鋁的混合物構成。理由係將使配置於內部電極2周圍且由氧化鋁構成的陶瓷構件4或端子3間之接合性佳，且不會出現諸如界面剝離等裂痕等等情況，更可防止不需要導電材料的擴散情況發生。內部電極2最好將碳化鎢(WC)粉末與氧化鋁粉末的混合糊劑施行印刷而製得的印刷電極。此外，內部電極2亦可將碳化鈮(NbC)與氧化鋁的混合物使用為內部電極2。內部電極2係除印刷電極之外，尚可形成網狀電極等形態。
端子3的材質係就從如同內部電極2的相同理由，將可使用與內部電極2為相同的材料。此外尚可使用Pt、Nb。端子3最好形成平板狀。理由藉由形成平板狀，不僅可使製造趨於容易，並可在維持內部電極2與連接構件5二者間充分的電氣性接觸，並可抑制因熱循環等所造成的破損情況。
端子3直徑與端子孔4c內徑最好為0.7mm~3mm。理由係若小於0.7mm，則與連接構件5間的接合面積較小，將有頗難確保充分導電性的情況。且，理由係若大於3mm，將有殘留應力變大的情況。
端子3埋設方法(形態)係將由上述組成的材料粉末施行燒結而獲得平板狀燒結體設置於內部電極2上，並依覆蓋內部電極2及端子3之方式，以氧化鋁為主成分的燒成材料，並搭載著氧化鋁粉末或氧化鋁的胚片，然後藉由施行熱壓燒成而進行埋設。除上述方法之外，尚可考慮將上述組成的材料混合粉末成形為平板狀，經設置後，再施行熱壓，或者使用糊劑狀材料混合粉末的方法。就從接合構造體不易出現裂痕、原料材料不易擴散的觀點，最好將預先製造的燒結體使用為端子3。
凹部4a內徑最好大於連接構件5外徑。理由係為能將連接構件5插入於凹部4a中。此外，理由係當將連接構件5插入凹部4a中之際，為使連接構件5能進行熱膨脹，而在與連接構件5外徑間形成空隙4d。空隙4d係可圍繞連接構件5整個周圍，亦可使連接構件5其中一部分接觸到凹部4a。空隙4d係將將連接構件5外徑設為4~6mm時，最好設定為超過0mm、且約0.5mm以下。若小於下限值，將有連接構件5無法插入凹部4a中，在製作上極為困難的狀況。反之，若凹部4a徑較大，則將有雜質容易進入，導致成為污染源、電極腐蝕原因的可能性。原本陶瓷構件4中所鑿設的凹部4a越大，陶瓷構件4強度將越降低，在連接構件5插入時亦具有導引功用，因而並不需要鑿設必要以上的較大凹部4a。具體而言，凹部4a直徑最好為3~15mm左右。若直徑小於3mm，因為接合面積較小，因而經接合後將有連接構件5偏離陶瓷構件4的情況發生。反之，若直徑大於15mm，因為殘留應力將變大，因而將有發生遭破壞的情況。
凹部4a的底面4s為能擴大與硬銲料接合層6間之接觸面積便施行表面(粗面)處理，因而藉由錨釘效應，便將提升凹部4a底面4s、與硬銲料接合層6間之密接力。因而，將提升連接構件5與凹部4a底面4s間之連接強度。凹部4a底面4s最好表面粗糙度(Ra)=0.7~2.0μm，尤以表面粗糙度(Ra)=1.0~1.5μm為佳。若小於0.7μm便無法獲得錨釘效應，反之，若超過2.0μm，則硬銲料接合層6進行熔融時的潤濕性將降低，連接強度將降低。所謂「錨釘效應」係指藉由硬銲料接合層6進入於基材表面上所形成凸凹中，而造成基材表面凸凹與硬銲料接合層6的糾結情形。例如第1實施形態中，便指底面4s表面上所形成凸凹與硬銲料接合層6的糾結。當對凹部4a底面4s施行粗化處理時，相關端子3上面3s亦將同時施行粗化處理。
根據第1實施形態，藉由設置具有經粗化處理過底面4s之凹部4a的陶瓷構件4，就半導體支撐裝置等所使用的接合構造體，將可提升硬銲料接合層6與由氧化鋁構成的陶瓷構件4間之密接力。特別係藉由依底面4s表面粗糙度為Ra=0.7~2.0μm範圍方式施行粗化處理，便可提升對硬銲料接合層6的密接力。
粗化處理方法並無特別的限制，有如砂磨法等。砂磨的條件最好使用粒度#600的碳化矽磨粒，依空氣壓=2kgf/cm2 施行1分鐘程度。此外，粒度#600碳化矽磨粒的微粉粒度分佈，若依照電阻試驗方法，則最大粒徑(dv-0值)在53μm以下、積分高度3%時的粒徑(dv-3值)在43μm以下、積分高度50%時的粒徑(dv-50值)為20.0μm±1.5μm、積分高度95%時的粒徑(dv-95值)在13μm以上。
硬銲料接合層6係如第1(a)圖所示，將便衝於連接構件5端部的下端面5e、與端子3上面3s(露出面)間。硬銲料接合層6的材質係可使用諸如：銦及其合金、鋁及其合金、金、金/鎳合金，但就從減少殘留應力的觀點，最好為銦及鋁合金。硬銲料接合層6最好依覆蓋露出於凹部4a上的端子3整面及周圍凹部4a的底面4s，且覆蓋壁面底面附近其中一部分之方式進行填充。硬銲料接合層6最好盡量不要填充於凹部4a的空隙4d中。理由係若有填充，則當陶瓷構件4與連接構件5間有熱膨脹差的情況，陶瓷構件4將發生裂痕。硬銲料接合層6的厚度，當將硬銲料接合層6直徑設定在4mm以上、6mm以下時，硬銲料接合層6的層厚最好設為超過0.05mm、且低於0.3mm。
在連接構件5內部中切取螺旋狀溝5a，雖為能較容易理解發明而省略圖示，但在溝5a中將螺鎖入具有對半導體用承載器11供應電力的螺旋狀溝之電極一端。
連接構件5係當將陶瓷構件4的主成分設為氧化鋁時，最好使用接近氧化鋁熱膨脹係數的材料。理由係可減少殘留應力。具體而言，連接構件5最好由熱膨脹係數6.5~9.5ppm/K範圍內的導電性物質形成。理由係將可減少因連接構件5與陶瓷構件4間之熱膨脹係數差所造成的殘留應力。此外，理由係就靜電吸盤、具加熱器之靜電吸盤、RF基座(RF susceptor)等半導體支撐裝置等等，將可抑制陶瓷構件4、連接構件5、及陶瓷構件4-連接構件5間之接合部分等發生破損情況。
再者，連接構件5最好由熱傳導率50W/mK以下的金屬形成。熱傳導率的下限值並無特別的限制，將設為20W/mK左右。理由係藉由將連接構件5的材質設為熱傳導率50W/mK以下的金屬，便可改善連接構件5與硬銲料接合層6間之接合部的均熱性。具體而言，連接構件5最好係由從鈦(Ti)、鈮(Nb)、白金(Pt)、及該等合金所構成群組中選擇的金屬形成。其中，尤以鈦為佳。此外，相對氧化鋁熱膨脹係數為8.0ppm/K，Ti、Nb、Pt的熱膨脹係數分別係Ti:8.9、Nb:7.2、Pt:9.0[ppm/K]。
連接構件5最好依將涵蓋連接構件5下端面5e在內，在與連接構件5的硬銲料接合層6間之接觸面表面粗糙度形成Ra=1~3μm範圍內之方式，施行粗化處理。理由係將可更加提升與硬銲料接合層6間之密接力。
粗化處理方法係有如上述砂磨法，但除此之外，連接構件5尚可使用應力抑制材料，藉由對連接構件5與陶瓷構件4的表面分別施行粗化處理，便可更加提升連接構件5與陶瓷構件4間的接合強度。
以上，針對第1實施形態進行說明，惟就第1實施形態中，特佳的態樣係連接構件係含有從鈦(Ti)、鈮(Nb)、白金(Pt)、及該等合金所構成群組中選擇的金屬，且將凹部4a的底面4s依表面粗糙度Ra=0.7~2.0μm之方式施行粗化處理，並將連接構件5的下端面5e依表面粗糙度Ra=1~3μm之方式施行粗化處理，尤以硬銲料接合層係銦(In)或鋁(Al)合金為佳。
(第1實施形態之變化例)
第1實施形態中，雖無設置電鍍層，但是在凹部4a的底面4s及端子3、與硬銲料接合層6之間，亦可更進一步配製含Ni的電鍍層。理由係藉由對上述凹部4a底面4s及端子3的上面施行粗化處理，更設置電鍍層，便可更加提升連接構件5、與凹部4a底面4s及端子3間之連接強度。電鍍層最好具有與陶瓷構件4、端子3及連接構件5相同程度的熱膨脹係數。理由將可達加熱時的應力緩和。具體而言，電鍍層最好以鎳(Ni)為主成分。此外，電鍍層的副成分係可含有金、鈦。
凹部4a底面4s的角部亦可依表面粗糙度為Ra=0.1~0.5μm程度之方式施行粗化處理。理由係將可達應力緩和。此情況，若表面粗糙度小於Ra=0.1，便應力容易發生集中情況，反之，若表面粗糙度大於Ra=0.5，便將會有金屬端子跨上角部的情況發生。
(半導體用承載器(接合構造體)之製造方法)
(一)準備如第2圖所示以氧化鋁為主成分的第1陶瓷層41。然後，對將成為電極形成面的第1陶瓷層41表面，依成為平面之方式施行研削。
(二)如第3圖所示，在以氧化鋁為主成分的第1陶瓷層41上面，形成板狀內部電極2。此情況，最好將電極材料糊劑印刷於第1陶瓷層41表面上，經乾燥而形成印刷電極。
(三)使用與內部電極2相同材料的電極材料糊劑，製造平板狀煅燒物。然後，在氮中依1800℃左右施行2小時左右的燒成，便製得由密度95%以上的燒結體所構成端子3。此外，最好將端子3加工成既定尺寸的圓盤形狀(平板狀)。
(四)如第4圖所示，將由燒結體構成的端子3，依下面連接內部電極2上面其中一部分之方式，配置於內部電極2上。然後，將已配置端子3的第1陶瓷層41設置於模具內。然後，依附蓋端子3與內部電極2之方式，配置以氧化鋁為主成分的燒成材料。使用模壓機，製作埋設著內部電極2與端子3的成形體。將成形體在氮中依1850℃施行熱壓燒成，便如第5圖所示獲得第2陶瓷層42，將製得內部電極2及端子3埋設於第1陶瓷層41與第2陶瓷層42之間的陶瓷構件4。此時，端子3、內部電極2、及周圍之由氧化鋁構成的陶瓷構件4將牢固地燒結接合。
(五)如第6圖所示，設置從陶瓷構件4表面朝內部電極2的凹部4a，並使端子3上面3s露出於凹部4a底面4s。此時，最好利用機械加工而設置凹部4a。亦可依使凹部4a底面4s露出於端子3上面3s，且凹部4a底面4s與端子3上面3s呈同一高度之方式，對端子3其中一部分施行研削加工。
(六)為擴大凹部4a底面4s的表面積，便將底面4s利用砂磨法施行粗化處理。然後，適當地在凹部4a底面4s與端子3上面3s設置電鍍層。
(七)如第7圖所示，在涵蓋端子3上面3a且凹部4a的底面4s上設置硬銲料接合層6(硬銲料材)。
(八)如第8圖所示，依由熱膨脹係數6.5~9.5ppm/K範圍內的導電性物質所形成連接構件5下端面5e，鄰接硬銲料接合層6之方式，將連接構件5下部插入於凹部4a中。在將連接構件5插入於凹部4a中之前，亦可依表面粗糙度為Ra=1~2μm之方式，對涵蓋連接構件5下端面5e在內，且連接構件5與硬銲料接合層6的接觸面利用砂磨法施行粗化處理。然後，在真空或非活性環境下，將硬銲料接合層6施行加熱而熔融。加熱溫度係當銦硬銲料的情況，最好依200℃左右施行加熱，當鋁(Al)合金硬銲料的情況，最好依670℃左右施行加熱，當金硬銲料的情況，最好依1100℃左右施行加熱。最好經確認硬銲料接合層6已熔融之後，便在該溫度下放置5分鐘左右之後，便停止加熱且施行自然冷卻。連接構件5係經由硬銲料接合層6連接於端子3。藉由上述，便製得如第1(a)、(b)圖所示的半導體用承載器11。
[第2實施形態] (半導體用承載器(接合構造體))
就與第1實施形態的半導體用承載器11間之差異點為中心進行說明。
第9(a)圖所示第2實施形態的半導體用承載器21，就平行於陶瓷構件4表面的陶瓷構件4切剖面，將如第9(b)圖所示，半圓狀硬銲料滯留空間4b係設置於陶瓷構件4的凹部4a側壁其中一部分上，硬銲料接合層6b將填充於硬銲料滯留空間4b其中一部分中。半導體用承載器21係更包括：依連接構件5埋藏硬銲料滯留空間4b其中一部分之方式，使連接構件5外周表面其中一部分嵌合於硬銲料滯留空間4b的半圓狀掛鉤部5b。
因為第2實施形態的半導體用承載器21係在空隙4d其中一部分設有硬銲料滯留空間4b，因而在該空間中所填充的硬銲料接合層6將具有鑰匙的功用(以下稱「鑰匙效果」)，因而相較於無設置硬銲料滯留空間4b的第1實施形態之下，對以連接構件5的軸為中心進行迴轉之力，前者將大幅提高扭轉斷裂強度。
根據第2實施形態，因為空隙4d僅其中一部分將由硬銲料接合層6填滿，因而連接構件5與陶瓷構件4將僅利用凹部4a側面其中一部分牢固地拘束，而連接構件5與陶瓷構件4間的大部分將形成空隙4d。所以，當因空隙4d全部由硬銲料接合層6充滿時所造成的陶瓷構件4遭破壞情形，在第2實施形態中將不會發生。第2實施形態的扭轉斷裂強度，將遠大於如第1圖所示，插入與凹部4a相同截面形狀連接構件5的第1實施形態。
如第1實施形態，當插入與凹部4a相同截面形狀連接構件5時，在凹部4a與連接構件5間將產生空隙4d。雖亦將有連接構件5會接觸到凹部4a其中一部分的情況，依照連接構件5的旋轉方向，因為必定會出現空隙4d，因而若旋轉方向相反便將會有斷裂的傾向。相對的，第2實施形態中，當將已螺鎖入連接構件5之溝5a的螺絲施行鎖緊或鬆開的情況，因為將依在二種旋轉方向下，半圓狀硬銲料滯留空間4b中將不會出現空隙4d之方式充滿硬銲料接合層6b，因而將利用鑰匙效果而發揮高強度的扭轉斷裂強度。
硬銲料接合層6最好形成沿連接構件5側面攀升至距陶瓷構件4的凹部4a底面4s為2mm左右處。藉此，因為將增加連接構件5-硬銲料接合層6間的接合面積，因而將可提升接合強度。具體而言，最好藉由對凹部4a壁面利用鍍金屬處理等施行表面處理，便將如第9(a)圖所示，使硬銲料接合層6b沿凹部4a壁面攀升。理由係硬銲料接合層6、與連接構件5及凹部4a間之接觸面積將增加，就提升接合強度的觀點將具優勢。此情況，除對凹部4a側面其中一部分施行鍍金屬處理之外，最好不欲使硬銲料接合層6攀升的連接構件5既定部分處施行表面氧化處理。理由係藉由施行表面氧化處理，硬銲料接合層6便不會攀升，因而將可防止空隙4d整體被硬銲料接合層6所充滿。不僅侷限於表面氧化處理，亦可將潤濕性較差的物質塗佈於不欲攀升的部分處。若採行對陶瓷構件4施行鍍金屬處理、或對連接構件5施行表面氧化處理中任一項處理或二者均實施，便可使硬銲料接合層6b僅在硬銲料滯留空間4b中攀升。
硬銲料滯留空間4b可為單一地方，亦可設置複數硬銲料滯留空間4b。例如在2或4地方處依成相互對稱方式配置硬銲料滯留空間4b，便可更加提升扭轉斷裂強度。但是，若多於例如5個地方，因為所必要的硬銲料接合材量將增加，且陶瓷發生斷裂的可能性將提高，因而最好避免。其中，硬銲料滯留空間4b最好在凹部4a側壁相互呈相對向位置處設置1組或2組，尤以在凹部4a側壁呈相對向位置處設置1組為佳。
(半導體用承載器之製造方法)
針對第2實施形態的半導體用承載器21之製造方法，就與第1實施形態間的差異處為中心進行說明。
(一)如同第1實施形態的第2圖~第6圖，對陶瓷構件4施行加工。
(二)如第10(a)、(b)圖所示，使用鑽床等在陶瓷構件4的凹部4a外周其中一部分處形成硬銲料滯留空間4b。此時，亦可與凹部4a同時形成硬銲料滯留空間4b。
(三)然後，如第11(a)、(b)圖所示，除硬銲料滯留空間4b之外，將密封構件10配置於陶瓷構件4上，然後施行鍍金屬處理。理由係藉由施行鍍金屬處理，當硬銲料接合層6熔融時，便容易在硬銲料滯留空間4b中攀升。對不欲使硬銲料接合層6攀升的連接構件5既定部分處適當地施行表面氧化處理。
(四)如第12圖所示，在端子3上的第1空間4e中配置硬銲料接合層6。然後，隔著硬銲料接合層6將連接構件5配置於陶瓷構件4的凹部4a內。將由熱膨脹係數類似於陶瓷構件4的高熔點金屬所構成連接構件5，依鄰接硬銲料接合層6之方式插入於凹部4a中。然後，對硬銲料接合層6施行加熱而熔融。加熱溫度最好加熱至較硬銲料接合層6的熔點高出20℃左右。經確認硬銲料接合層6已熔融之後，便在該溫度下放置5分左右。
(五)然後，藉由使硬銲料接合層6在連接構件5側面或硬銲料滯留空間4b側面進行攀升，便沿硬銲料接合層6界面依序上昇而將硬銲料滯留空間4b填充。然後，停止加熱並施行自然冷卻。連接構件5將經由硬銲料接合層6連接於端子3。依如上述，便製得第9(a)、(b)圖所示半導體用承載器21。
根據第2實施形態，將可提供即便外部螺絲進行螺合及拆卸時，可靠度仍高，即使在高溫下仍可使用之高可靠度接合構造、及具有該接合構造的半導體製造裝置。
[實施形態變化例]
如上述，雖本發明有依第1、第2實施形態進行描述，惟所揭示部份的論述及圖式均不得理解為係限制本發明。當然，熟此技術者將可從該揭示施行各種替代實施形態、實施例及運用技術。例如為增加扭轉斷裂強度，亦可採取如下述的構造。
變化例1：如第13(a)、(b)圖所示，連接構件5亦可包括在連接構件5外周表面其中一部分份處朝內側切入的缺口部5f，構成當安裝於陶瓷構件4中之時，硬銲料接合層6將連續於第1空間4e並缺口部5f其中一部分填充的半導體用承載器31。
再者，將提供使用本實施形態承載器的半導體製造裝置。
依此的話，當然本發明亦包括此處並無記載的各種實施形態等。所以，本發明的技術範圍僅由從上述說明所妥善訂出申請專利範圍的發明特定事項決定。
[實施例] [接合構造體之製造例]
根據第1實施形態的接合構造體之製造方法，在表1、表2、表3所示條件下，依照以下的步驟，製造如第1(a)、(b)圖所示實施例1~42、比較例1~68的接合構造體。
(一)準備如第2圖所示由99.9質量%氧化鋁粉所調製得第1陶瓷層41。
(二)如第3圖所示，在第1陶瓷層41上面，將由碳化鎢(WC)與氧化鋁(Al2 O3 )的混合物所構成電極材料糊劑施行印刷，經乾燥，便形成印刷電極，即板狀內部電極2。
(三)將碳化鎢(WC)粉末與氧化鋁(Al2O3 )粉末相混合，經成形後，在非活性環境中依1700℃施行燒成，便獲得燒結體。從其中加工切取出直徑2mm、厚1mm的平板狀端子3。
(四)如第4圖所示，將端子3依下面鄰接內部電極2上面其中一部分的方式配置於內部電極2上。然後，將已配置端子3的第1陶瓷層41設置於模具內。然後，依覆蓋端子3與內部電極2之方式，配置著以氧化鋁為主成分的原料粉末。使用模壓機製作將內部電極2與端子3埋設於氧化鋁原料粉末中的成形體。將成形體在氮中依170℃施行熱壓燒成，便獲得如第5圖所示陶瓷構件4。
(五)如第6圖所示，利用機械加工穿設到達端子3且直徑7mm、深度4mm的凹部4a。依凹部4a的底面4s上露出直徑2mm的端子3，且底面4s與端子3上面3s呈同一高度之方式，亦將端子3其中一部分與凹部4a同時施行研削加工。
(六)將凹部4a的底面4s、與連接構件5的下端面5e，依成為表1、表2所示表面粗糙度(Ra)之方式，使用粒度#600碳化矽磨粒，在空氣壓=2kgf/cm2 條件利用砂磨法施行粗化處理。表面粗糙度係藉由改變砂磨時間而進行調整。例如凹部4a底面4s的表面粗糙度(Ra)在未施行砂磨的情況下係0.3μm，若將砂磨時間設為30秒，則Ra便將為0.7μm，若將砂磨時間設為5分鐘，則Ra將為2.5μm。
(七)其次，對凹部4a利用無電解鍍法依電鍍溫度70℃施行10分鐘的鍍Ni。經洗淨、乾燥後，便如第7圖所示，在涵蓋端子3上面3a且於凹部4a底面4s上設置硬銲料接合層6(硬銲料材)。
接著，當硬銲料接合層6係銦(In)時便施行(八)步驟，當硬銲料接合層6係鋁(Al)合金時便施行(九)步驟。
(八)當硬銲料接合層6係銦(In)時，便將表1、表2所示材質的連接構件5與陶瓷構件4加熱至180℃。且，使用超音波焊接烙鐵將硬銲料接合層6熔融，便將凹部4a底面4s與端子3上面3s上的鍍Ni層利用硬銲料接合層6濕潤。然後，如第8圖所示，依連接構件5下端面5e鄰接硬銲料接合層6之方式，將連接構件5下部插入於凹部4a中。然後，在利用200g錘對連接構件施加荷重之狀態下，冷卻至室溫。
(九)另一方面，當硬銲料接合層6係鋁(Al)合金時，便如第8圖所示，將如表1、表3所示材質的連接構件5，依連接構件5下端面5e鄰接硬銲料接合層6之方式插入於凹部4a中。然後，在利用200g錘施加荷重之情況下，利用真空爐依610℃、1×10-5 Torr的真空環境施行硬銲料接合。然後，隔著硬銲料接合層6將連接構件5與陶瓷構件4相接合，便獲得如第1(a)、(b)圖所示，在端子3表面上包括硬銲料接合層6的接合構造體。
另外，表1、2中的連接構件內，Ti、Nb、Pt、Mo係達純度95%以上，Ti-Ni合金係Ti:Ni=50:50(at%)。
依如上述，準備複數個如第14圖所示，陶瓷構件4的尺寸:20mm×20mm、陶瓷構件4的厚度D:5mm、凹部4a的直徑A:7mm、凹部4a的深度E:4mm、端子3的直徑C:3mm、端子3的厚度:0.5mm之接合構造體1(試驗片)。各接合構造體係由如表1~表3所示端子材質及硬銲料接合層構成，將具有氧化鋁表面粗糙度Ra及端子表面粗糙度Ra。
(接合強度測定)
在第14圖所示固定具8上掛勾著接合構造體1之後，利用螺鎖入連接構件5之溝5a中的拉伸構件9依如箭頭所示朝垂直上方加重，測定直到連接構件5從陶瓷構件4上脫離為止的耐加重，並視為接合強度(kgf)。實驗條件及實驗結果整理如表1、表2、表3所示。
由表1得知，凹部4a底面4s的表面粗糙度Ra係0.7μm~2.0μm，將可獲得良好接合強度。得知特別係底面4s的表面粗糙度Ra越接近上限的2.0μm，將越能獲得良好的連接強度。此外，表1中，在凹部4a底面4s的表面粗糙度Ra為相同條件下，當硬銲料接合層6係相較於使用銦(In)之情況下，使用金(Al)的情況將可獲得較良好的連接強度。
如表1、2所示，當硬銲料接合層係銦(In)的情況，將連接構件材質為鈦(Ti)的實施例1~10與比較例1~8進行比較的結果，凹部4a底面4s的表面粗糙度Ra為0.7μm~2.0μm、連接構件5的表面粗糙度Ra為1.0μm~3.0μm時，分別均可獲得良好的接合強度。由此現象將可明確凹部4a底面4s與連接構件5表面粗糙度Ra的臨界意義。此外，由表1、2中，從連接構件材質設為鈮(Nb)的實施例11~14、比較例9~16，與將連接構件材質設為白金(Pt)的實施例12~18、比較例17~24、以及將連接構件材質設為鈦-鎳(Ti-Ni)合金的實施例19~22、比較例25~32中得知，同樣的當硬銲料接合層係銦(In)的情況，將可明確凹部4a底面4s與連接構件5表面粗糙度Ra的臨界意義。
此外，從表2中得知，當硬銲料接合層係銦(In)的情況，將連接構件材質設為鉬(Mo)、不銹鋼(SUS304)，且凹部4a的底面4s及連接構件5的表面粗糙度Ra均符合本發明所規定範圍內的比較例33、34，均呈現較差的接合強度。由此得知，連接構件材質最好設為鈦(Ti)、鈮(Nb)、白金(Pt)、鈦-鎳(Ti-Ni)合金。
如表1、3所示，當硬銲料接合層係鋁(Al)合金的情況，將連接構件材質設為鈦(Ti)的實施例23~30、與比較例35~42進行比較結果，得知凹部4a底面4s的表面粗糙度Ra為0.7μm~2.0μm、連接構件5的表面粗糙度Ra為1.0μm~3.0μm時將分別可獲得良好的接合強度。由此現象，將可明確凹部4a的底面4s與連接構件5的表面粗糙度Ra之臨界意義。此外，由表1、3得知，將連接構件材質設為鈮(Nb)的實施例31~34、比較例43~50、以及將連接構件材質設為白金(Pt)的實施例35~38、比較例51~58、以及將連接構件材質設為鈦-鎳(Ti-Ni)合金的實施例39~42、比較例59~66，均同樣的可明確將硬銲料接合層設為鋁(Al)合金時，凹部4a底面4s與連接構件5表面粗糙度Ra的臨界意義。
再者，由表3中得知，當將硬銲料接合層設為鋁(Al)合金的情況，將連接構件材質設為鉬(Mo)、不銹鋼(SUS304)，且凹部4a的底面4s及連接構件5的表面粗糙度Ra均在本發明所規定範圍內的比較例67、68，均屬於接合強度較差。由此現象得知，連接構件材質最好設為鈦(Ti)、鈮(Nb)、白金(Pt)、鈦-鎳(Ti-Ni)合金。
(均熱性試驗)
如同接合構造體的製造例，獲得如表4所示由連接構件材質、硬銲料接合層構成的接合構造體。然後，將提供鋁製冷卻水路51a的冷卻板51隔著熱傳導性樹脂片53黏著於接合構造體上，並在連接構件5與冷卻板51之間依包圍連接構件5之方式安裝絕緣管52，便獲得如第15圖所示靜電吸盤61。然後，對內部電極2施行通電而將陶瓷構件4加熱，利用紅外線熱像儀評估設定為平均溫度80℃時的均熱性。結果如第16圖所示。第16圖所示係從由紅外線熱像儀對端子3周邊靠基板載置面側之表面的測定結果，將溫度分佈依等高線進行描繪的結果。第16(a)圖所示係實施例，第16(b)圖所示係比較例。結果，若將端子3周邊、與陶瓷構件4表面的平均溫度差進行比較，實施例將為-2.2℃，比較例將為-3.5℃，得知均熱性已獲提升。
1．．．接合構造體
2．．．內部電極(印刷電極)
3．．．端子
3s．．．上面
4．．．陶瓷構件
4a．．．凹部
4b．．．硬銲料滯留空間
4c．．．端子孔
4d．．．空隙
4e．．．第1空間
4s．．．底面
5．．．連接構件
5a．．．溝
5b．．．掛鉤部
5e．．．下端面
5f．．．缺口部
6．．．硬銲料接合層
6b．．．硬銲料接合層
10．．．密封構件
11、21、31．．．半導體用承載器(接合構造體)
41．．．第1陶瓷層
42．．．第2陶瓷層
51．．．冷卻板
51a．．．冷卻水路
52．．．絕緣管
53．．．熱傳導性樹脂片
61．．．靜電吸盤
第1圖中，(a)係第1實施形態的半導體用承載器朝縱向切剖所獲得的剖視概略圖，(b)係第1實施形態的半導體用承載器朝平行於陶瓷構件表面進行切剖，且從A1-A2切剖線所觀看到的剖視概略圖，(c)係第1實施形態的半導體用承載器朝平行於陶瓷構件表面進行切剖，且從B1-B2切剖線所觀看到的剖視概略圖。
第2圖係第1實施形態的半導體用承載器之製造步驟圖(其1)。
第3圖係第1實施形態的半導體用承載器之製造步驟圖(其2)。
第4圖係第1實施形態的半導體用承載器之製造步驟圖(其3)。
第5圖係第1實施形態的半導體用承載器之製造步驟圖(其4)。
第6圖係第1實施形態的半導體用承載器之製造步驟圖(其5)。
第7圖係第1實施形態的半導體用承載器之製造步驟圖(其6)。
第8圖係第1實施形態的半導體用承載器之製造步驟圖(其7)。
第9圖中，(a)係第2實施形態的半導體用承載器朝縱向切剖所獲得的剖視概略圖，(b)係第2實施形態的半導體用承載器朝平行於陶瓷構件表面進行切剖所獲得剖視概略圖。
第10(a)、(b)圖係第2實施形態的半導體用承載器之製造步驟圖(其1)。
第11(a)、(b)圖係第2實施形態的半導體用承載器之製造步驟圖(其2)。
第12圖係第2實施形態的半導體用承載器之製造步驟圖(其3)。
第13圖中，(a)係係第2實施形態之變化例1的半導體用承載器朝縱向切剖所獲得的剖視概略圖，(b)係第2實施形態之變化例1的半導體用承載器朝平行於陶瓷構件表面進行切剖所獲得剖視概略圖。
第14圖係半導體用承載器的接合構造體之接合強度測定概念圖。
第15圖係均熱性試驗所使用的靜電吸盤概略圖。
第16(a)、(b)圖係從紅外線熱像儀測定端子3周邊靠基板載置面側之表面的結果，將溫度分佈依等高線描繪的結果[(a)係實施例、(b)係比較例]。
2．．．內部電極
3．．．端子
3s．．．上面
4．．．陶瓷構件
4a．．．凹部
4c．．．端子孔
4d．．．空隙
4s．．．底面
5．．．連接構件
5a．．．溝
5e．．．下端面
6．．．硬銲料接合層
11．．．半導體用承載器

Claims (7)

  1. 一種接合構造體，其特徵在於包括：陶瓷構件，埋設著板狀內部電極，並設有從表面朝上述內部電極的凹部，且在上述凹部底面其中一部分處設置到達上述內部電極的端子孔，並對上述底面施行粗化處理，且以氧化鋁為主成分；導電性端子，依下面鄰接上述內部電極，上面露出於上述凹部底面的水平面之方式，埋設於上述端子孔中；硬銲料接合層，涵蓋上述上面且鄰接上述凹部底面；以及導電性連接構件，依下端面鄰接上述硬銲料接合層之方式，將下部插入於上述凹部中，且熱膨脹係數在6.5~9.5ppm/K範圍內，其中，上述連接構件係含有從鈦(Ti)、鈮(Nb)、白金(Pt)、及該等合金所構成群組中選擇的金屬；上述凹部的底面係依表面粗糙度為Ra=0.7~2.0μm之方式施行粗化處理；上述連接構件的上述下端面係依表面粗糙度為Ra=1~3μm之方式施行粗化處理；上述陶瓷構件及上述導電性連接構件係藉由上述硬銲料接合層接合。
  2. 如申請專利範圍第1項之接合構造體，其中，上述連接構件係含有熱傳導率在50W/mK以下的金屬。
  3. 如申請專利範圍第1項之接合構造體，係更進一步包括有配置於上述凹部的底面與上述硬銲料接合層之間，且含有Ni的電鍍層。
  4. 如申請專利範圍第1項之接合構造體，其中，在平行上述陶瓷構件表面的上述陶瓷構件截面中，半圓狀硬銲料滯留空間係設置於上述陶瓷構件的上述凹部側壁其中一部分處；上述硬銲料接合層係填充上述硬銲料滯留空間其中一部分；上述連接構件係依將上述硬銲料滯留空間其中一部分埋藏之方式，在上述連接構件的外周表面其中一部分處，更包括嵌合於上述硬銲料滯留空間的掛鉤部。
  5. 如申請專利範圍第4項之接合構造體，其中，上述連接構件係在上述連接構件的外周表面其中一部分處，包括切入於上述連接構件內側的缺口部；上述硬銲料接合層係將上述缺口部其中一部分填充。
  6. 一種接合構造體，包括：陶瓷構件，埋設著板狀內部電極，並設有從表面朝上述內部電極的凹部，且在上述凹部底面其中一部分處設置到達上述內部電極的端子孔，並對上述底面施行粗化處理，且以氧化鋁為主成分；導電性端子，依下面鄰接上述內部電極，上面露出於上述凹部底面的水平面之方式，埋設於上述端子孔中；硬銲料接合層，涵蓋上述上面且鄰接上述凹部底面；導電性連接構件，依下端面鄰接上述硬銲料接合層之方式，將下部插入於上述凹部中，且熱膨脹係數在 6.5~9.5ppm/K範圍內；以及掛鉤部，為使上述連接構件將上述硬銲料滯留空間其中一部分埋藏，而設置於上述連接構件的外周表面其中一部分處，且將嵌合於上述硬銲料滯留空間；上述半圓狀硬銲料滯留空間係在平行上述陶瓷構件表面的上述陶瓷構件截面中，將設置於上述陶瓷構件的上述凹部側壁其中一部分處；而上述硬銲料接合層將填充上述硬銲料滯留空間其中一部分；其特徵在於：上述連接構件係含有從鈦(Ti)、鈮(Nb)、白金(Pt)、及該等合金所構成群組中選擇的金屬；上述凹部的底面係依表面粗糙度為Ra=0.7~2.0μm之方式施行粗化處理；上述連接構件的上述下端面係依表面粗糙度為Ra=1~3μm之方式施行粗化處理；上述連接構件係在上述連接構件的外周表面其中一部分處，包括切入於上述連接構件內側的缺口部；上述硬銲料接合層係將上述缺口部其中一部分填充。
  7. 一種接合構造體之製造方法，其特徵在於包括：在以氧化鋁為主成分的第1陶瓷層上面，形成板狀內部電極的步驟；將由燒結體構成的端子，依下面鄰接上述內部電極上面其中一部分的方式，配置於上述內部電極上的步驟；依覆蓋上述端子與上述內部電極之方式，配置以氧化 鋁為主成分的燒成材料，經燒成而獲得第2陶瓷層，製得上述內部電極與上述端子埋設於上述第1陶瓷層與上述第2陶瓷層間之陶瓷構件的步驟；設置從上述陶瓷構件表面朝上述內部電極的凹部，且使上述端子上面露出於上述凹部底面其中一部分的步驟；依使上述凹部底面的表面粗糙度為Ra=0.7~2.0μm之方式，施行粗化處理的步驟；在上述底面與接合材層之間，更配置含有Ni之電鍍層的步驟；涵蓋上述端子上面，在上述凹部底面上設置硬銲料接合層的步驟；以及依表面粗糙度為Ra=1~3μm之方式，對與上述硬銲料接合層間之接觸面施行粗化處理，且熱膨脹係數6.5~9.5ppm/K範圍內的導電性連接構件下端面，依鄰接上述硬銲料接合層之方式，將上述連接構件下部插入於上述凹部中的步驟。
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