JP3288922B2

JP3288922B2 - 接合体およびその製造方法

Info

Publication number: JP3288922B2
Application number: JP8446796A
Authority: JP
Inventors: 琢磨牧野; 正幸新海; 伸夫津野; 知之藤井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 2002-06-04
Anticipated expiration: 2016-03-14
Also published as: JPH09249465A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウム部材
と金属部材との接合体、この接合体を利用した半導体保
持装置、および接合体の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化アルミニウムは、高熱伝導性、高電
気絶縁性、低熱膨張性、低誘電率特性等の特性を有して
いることから、高出力半導体素子用基板材料といった種
々の用途に使用されている。従来、セラミックス部材を
金属部材に対して接合する方法としては、セラミックス
部材と金属部材との間にろう材を介在させ、ろう材を加
熱して溶融させることで、接合させることが知られてい
る。

【０００３】窒化アルミニウム部材を金属部材に対して
接合するためのろう材としては、ろう材の濡れ性を改善
するために、チタン、ジルコニウム等の活性金属を含有
するろう材が使用されている。例えば、「窒化アルミニ
ウムと金属の接合」（中尾嘉邦、「軽金属溶接」Ｖｏ
ｌ．３１１９９３年Ｎｏ．８第３５９頁〜３６５
頁）によれば、窒化アルミニウムを銅と接合するための
ろう材として、Ａｇ−Ｃｕ系合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系
合金といった各種の合金が試験されてきており、これら
の合金からなるろう材の中に、活性金属として、チタ
ン、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、バナジウムを
含有させることが知られている。これらの活性金属は、
窒化アルミニウム部材の表面付近に偏在し、厚さ数μｍ
のオーダーの反応層を形成する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特に半導体製
造装置内に接合体を設置する用途においては、ハロゲン
系腐食性ガスの雰囲気、特にこのプラズマの雰囲気中に
この窒化アルミニウム部材の接合体を設置し、さらす必
要がある。しかし、この際に、ろう付け部から腐食性雰
囲気が内部に侵入し、接合層が劣化し、この結果として
窒化アルミニウム接合体の接合強度の低下が生じた。

【０００５】この問題を解決するために、本出願人は、
特願平７−２１６５７号明細書において、アルミニウ
ム、ニッケルまたは銅の合金ろうを使用し、同時にこの
ろうの中にチタン、ハフニウム等の活性成分を含有させ
ることを提案した。

【０００６】本発明者は、盤状の窒化アルミニウム部材
と盤状の金属部材（例えばモリブデンやタングステン−
モリブデン合金からなる）との間にこれらのろう材を配
し、ろう材を加熱することによって、両部材を接合する
ことを試みた。従来は、こうした大面積の部材同士は、
機械的な結合方法によっていた。しかし、後述する理由
から、大面積の部材同士を、接合面の全体にわたって隙
間無く密着させる必要があり、機械的な結合方法ではこ
うした隙間のない密着は実現できなかったので、ろう材
等の接合材を使用した方法を検討した。

【０００７】この場合には、例えば８インチウエハーや
１２インチウエハーに対応するために、窒化アルミニウ
ム部材や金属部材の接合面の寸法は、これらのウエハー
と同等以上の大きな面積とする必要がある。この結果、
特にこうした盤状の窒化アルミニウム部材と金属部材と
を直接ろう付けする場合には、溶融後の冷却時にろう材
が大きく収縮し、いわゆる引け巣が発生するため、全接
合面の面積に対する接合部分の面積の比率が非常に小さ
くなることが判明した。

【０００８】本発明の課題は、窒化アルミニウム部材と
金属部材とをアルミニウム合金ろうを使用して強固に接
合することであり、特に窒化アルミニウム部材と金属部
材との接合界面におけるアルミニウム合金ろうの収縮を
防止し、接合界面の全面積に対する接合部分の面積の比
率を向上させることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、窒化アルミニ
ウム部材と金属部材との接合体であって、窒化アルミニ
ウム部材、金属部材、および、窒化アルミニウム部材の
接合面と金属部材の接合面との間に介在しているアルミ
ニウム合金ろうのシートを含む積層体を、接合面に略垂
直な方向に向かって積層体に加圧力を加えながら、アル
ミニウム合金ろうの液相線温度以下、固相線温度以上の
温度で加熱することによって得られ、窒化アルミニウム
部材と金属部材との間にアルミニウム合金ろうの成分か
らなる接合層が形成されていることを特徴とする、接合
体に係るものである。

【００１０】また、本発明は、窒化アルミニウム部材と
金属部材との接合体を製造する方法であって、窒化アル
ミニウム部材、金属部材、および、両者の間に介在して
いるアルミニウム合金ろうのシートを含む積層体を、接
合面に略垂直方向に向かって積層体に対して加圧力を加
えながら、アルミニウム合金ろうの液相線温度以下、固
相線温度以上の温度で加熱することによって、窒化アル
ミニウム部材と金属部材とを接合することを特徴とす
る、接合体の製造方法に係るものである。

【００１１】本発明者は、大面積の平板状ないし盤状の
窒化アルミニウム部材を金属部材に対して接合する実験
を行ってきており、アルミニウム合金を使用し、固相接
合法を検討したが、窒化アルミニウム部材と金属部材と
の接合面のうちの一部分しか実質的に接合させることは
できなかった。

【００１２】このため、本発明者は、更にアルミニウム
合金ろうからなるシートを窒化アルミニウム部材と金属
部材との間に挟み、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２といった圧力を
加えながらろう付けを行うことも試みた。しかし、ろう
付け時に加圧すると、冷却時には、いったん溶融したろ
う材が一層収縮し易くなり、非接合部分が一層拡大する
ことが判明してきた。

【００１３】しかし、最終的に、本発明者は、窒化アル
ミニウム部材と金属部材との間に、アルミニウム合金ろ
うからなるシートを介在させ、接合面に対して略垂直の
方向へと向かって所定の圧力を加えながら、アルミニウ
ム合金ろうを液相線温度以下、固相線温度以上の温度に
保持し続けることによって、窒化アルミニウム部材と金
属部材との接合界面の全体にわたってろう材による接合
が行われ、非接合部分が著しく減少することを発見し、
本発明に到達した。

【００１４】こうした作用効果が得られた理由は明確で
はないが、おそらくは、アルミニウム合金ろうを固液共
存状態に保持した状態で加圧することによって、接合面
の各部分における濡れ性が高くなってろう材が窒化アル
ミニウムに対して隙間無く密着するのと共に、加熱時の
ろう材の流動性が少ないかまたは非流動状態であるの
で、冷却時の窒化アルミニウム部材表面でのろう材の収
縮が抑制されるためと考えられる。

【００１５】そして、アルミニウム合金ろうによる接合
体は、ハロゲン系腐食性ガスに対する耐蝕性も高いこと
が判った。

【００１６】アルミニウム合金ろうの主成分はアルミニ
ウムである。ろう材の主成分をアルミニウムとすること
によって、ハロゲン系腐食性ガスに対する耐蝕性、にそ
のプラズマに対する耐蝕性が著しく向上し、接合界面の
浸食を抑制できる。しかし、アルミニウム単独では、窒
化アルミニウム部材に対する濡れ性が悪いが、アルミニ
ウムに、添加成分として、マグネシウム、チタン、ジル
コニウムまたはハフニウムからなる群より選ばれた一種
以上の金属（合金を含む）を添加することによって、ろ
う材の窒化アルミニウムに対する濡れ性が顕著に向上し
た。

【００１７】ここで、これらの活性金属の割合を０．３
重量％以上とすることによって、窒化アルミニウム部材
の濡れ性が著しく改善されることが判った。これを１．
０重量％以上とすることによって、前記の濡れ性が一層
向上した。一方、これらの活性金属の割合を１０重量％
以下とすることによって、ろう材のハロゲン系腐食性ガ
スに対する耐蝕性が顕著に向上した。この観点からは、
５．０重量％以下とすることが一層好ましい。

【００１８】アルミニウム合金ろう中には、活性金属以
外の添加成分を含有させることができ、珪素またはホウ
素を用いることが、アルミニウムに影響を与えない点か
ら好ましい。こうした活性金属以外の添加成分の作用
は、液相線温度の降下であり、この観点から１重量％以
上添加することが好ましい。活性金属以外の添加成分の
含有割合が２０重量％を越えると、接合層の耐食性が悪
くなるため、２０重量％以下とすることが好ましい。活
性金属以外の添加成分の含有割合は、１〜１２重量％と
することが、一層好ましい。

【００１９】アルミニウムの含有割合は、ろう材の全含
有量を１００重量％とした場合に、活性成分および活性
成分以外の添加成分の含有割合を１００重量％から差し
引いた残部である。しかし、アルミニウムが主成分であ
るため、アルミニウムは７０重量％以上含有されている
必要がある。

【００２０】アルミニウム合金ろうは、マグネシウムを
１〜２重量％含有しており、かつ珪素を９〜１２重量％
含有していることが、濡れ性の向上の観点から最も好ま
しい。

【００２１】特に好適な態様においては、アルミニウム
に対してマグネシウムが固溶しており、かつ珪素からな
る粒子がこの中に分散している。

【００２２】ここで、本発明者は、本発明の製造方法に
よって得られた接合体の接合相の微構造について更に検
討した。この結果、接合層中に、珪素等の添加成分から
なる粒状の結晶相が分散されていることが判明した。

【００２３】こうした微構造が生成した理由は、おそら
く、固液共存状態のろう材に対して、接合面に略垂直方
向に圧力を加える方法なので、ろう付け時のろう材の流
動が少なく、珪素粒子がろう材のマトリックス中に微小
な粒子として分散された微構造が、ろう付け後に保持さ
れるものと考えられる。これに対して、アルミニウム合
金ろうの液相線温度を越える温度でろう付けを行った場
合には、後述するように針状の粗大な珪素粒子が生成
し、かつ金属部材との接合界面付近に針状の珪素粒子が
偏析していた。これは、ろう材の溶融によって珪素粒子
が接合界面の方へと向かって流動し、再結晶するためと
考えられる。

【００２４】こうした微構造を有する接合層は、特に耐
蝕性が高く、ハロゲン系腐食性ガスによって腐食されに
くいことが判った。これに対して、針状の珪素粒子が接
合界面の方へと向かって偏析しているような微構造を有
する接合層の場合には、この珪素粒子がハロゲン系腐食
性ガスによって腐食され易く、しかも針状の珪素粒子を
伝わって腐食が進行していくために、本発明の微構造よ
りも腐食が進行し易かった。

【００２５】積層体の加熱温度が固相線温度未満になる
と、圧力をくわえても接合面積は小さかった。ここで、
窒化アルミニウム部材と金属部材とを確実に接合するた
めには、加熱温度を固相線温度＋５℃以上とすることが
一層好ましい。また、加熱温度を液相線温度−５℃以下
とすることによって、窒化アルミニウム部材と金属部材
との間の全面積に対する接合面積の割合が一層向上す
る。

【００２６】積層体を加熱する際には、アルミニウム合
金ろうを固液共存状態に保持することが好ましく、液化
が完全に進行しないようにする必要がある。

【００２７】また、窒化アルミニウム部材と金属部材と
を強固に接合するためには、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上の
圧力を加えることが好ましく、３０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上
が更に好ましい。また、実用上は、３００ｋｇｆ／ｃｍ
^２以下の圧力が好ましく、２００ｋｇｆ／ｃｍ^２以下が
更に好ましい。

【００２８】本発明においては、窒化アルミニウム部材
の形状、金属部材の形状は特に限定されないが、接合面
に対して略垂直な方向に圧力を加える必要がある。ここ
で、「略垂直な方向に圧力を加える」とは、加圧方向の
ずれや偏差は許容する趣旨であり、この許容範囲は通常
は５度以下である。また、他の方向にも若干の圧力が加
わってもよい。また、窒化アルミニウム部材や金属部材
が平板形状または盤状である場合に、本発明は特に有効
である。

【００２９】例えば、図１に示すように、窒化アルミニ
ウム部材１の表面１ａと１ｂとは互いに略平行であり、
金属部材３の表面３ａと３ｂとは互いに略平行であるも
のとする。接合面１ｂと３ａとの間に、アルミニウム合
金ろうからなるシート２を介在させて積層体２２を作製
し、接合面に対して略垂直な方向（矢印Ａ）に向かって
圧力を加える。

【００３０】金属部材の好適例は、その用途によって異
なる。特に熱伝導性を要求される用途においては、金属
部材は、モリブデン、銅およびタングステンからなる群
より選ばれた一種以上の金属（合金を含む）からなるこ
とが好ましい。また、ハロゲン系腐食性ガスに対して耐
蝕性を要求される用途においては、金属部材は、ニッケ
ル、銅、アルミニウムおよびこれらの合金からなる群よ
り選ばれた金属が好ましい。

【００３１】また、接合にあたり、窒化アルミニウム部
材の表面に、または窒化アルミニウム部材に接合される
シートの表面に、銅およびアルミニウムからなる群より
選ばれた一種以上の金属からなる膜を、スパッタ、蒸
着、摩擦圧接、メッキ等の方法により設けることができ
る。これらの金属膜の膜厚は、０．１〜２０μｍとする
ことが好ましい。ただし、ニッケル膜を形成すると、液
相線温度以下の温度で加熱を行っても、ニッケルとアル
ミニウムとの反応による発熱によって、ろう材の一部が
局所的に溶融するために、接合面積が小さくなることが
判明した。

【００３２】ハロゲン系腐食性ガスとしては、ＣＦ_４、
ＮＦ_３、ＣｌＦ_３、ＨＦ、ＨＣｌ、ＨＢｒを例示でき
る。ＣＦ_４、ＮＦ_３、ＣｌＦ_３の中で、ＣｌＦ_３が特に
Ｆラジカルの解離度が高く、同じ温度およびプラズマ出
力下で比較すると、最も強い腐食性を有している。接合
層の厚さは、１μｍ以上とすることが好ましく、５００
μｍ以下とすることが好ましい。

【００３３】窒化アルミニウム部材は、窒化アルミニウ
ムに他の添加物を加えたものを含む。また窒化アルミニ
ウムの相対密度は特に限定されないが、半導体製造用途
においては９５％以上であることが好ましい。

【００３４】本発明の好適な態様では、窒化アルミニウ
ム部材が、半導体ウエハーを設置するための設置面を備
えた半導体保持部材であり、金属部材が、半導体保持部
材と外部との間で熱量の伝達を行うための熱伝達部材で
ある。この場合には、半導体保持部材としては、窒化ア
ルミニウム基体中に抵抗発熱体を埋設したセラミックス
ヒーター、窒化アルミニウム基体中に静電チャック用電
極を埋設したセラミックス静電チャック、窒化アルミニ
ウム基体中に抵抗発熱体と静電チャック用電極とを埋設
した静電チャック付きヒーター、窒化アルミニウム基体
中にプラズマ発生用電極を埋設した高周波発生用電極装
置のような能動型装置を例示することができる。また、
窒化アルミニウム基体からなる受動型のサセプターでも
良い。

【００３５】本発明のこの態様について、更に詳細に説
明する。半導体製造用の静電チャックの分野では、特開
平４─２８７３４４号公報において、セラミック製静電
チャック部材とベース部材とをシリコーン樹脂で接合す
ることが開示されている。しかし、この装置では、シリ
コーン樹脂の耐熱性が低いことから、−１００℃〜２０
０℃の温度範囲でしか使用することができないと記載さ
れており、シリコーン樹脂の耐熱性、耐寒性から見て実
際には一層狭い温度範囲でしか安定して使用することは
できない。

【００３６】一方、半導体製造装置では、２００℃以上
の温度範囲でサセプターを使用する要請が強く、この使
用温度範囲は、２００℃〜６００℃ないし１１００℃に
達する。このため、こうした２００℃以上の温度範囲で
安定して使用できるような温度調節機構付きのサセプタ
ーが必要である。

【００３７】特に、最近、プラズマの高密度化が進行し
つつあるが、高密度プラズマを使用すると、半導体保持
部材の表面に対するプラズマの衝突によって局所的に著
しい温度上昇が起こり、このために半導体膜の膜厚が変
動することがあり、解決が要望されている。

【００３８】この観点から、本発明者は、半導体保持部
材の背面側に熱伝達部材を、本発明の方法によって接合
することを想到した。こうして得られた半導体保持装置
は、２００℃以上の高温領域においても安定して良好に
使用することができるし、高密度プラズマを使用した場
合に熱を迅速に熱伝達部材へと逃がすことができる。そ
して、半導体保持部材と熱伝達部材との間の非接合部分
を著しく減少させることによって、保持部材の半導体設
置面における温度の均一性を向上させることができる。

【００３９】窒化アルミニウム基体の内部に抵抗発熱体
や電極を埋設する場合には、この内部の抵抗発熱体等の
腐食を防止し、かつこれらの金属が半導体を汚染する可
能性をなくするために、窒化アルミニウムの相対密度を
９９％以上とすることが好ましい。しかし、窒化アルミ
ニウムは、特に焼結しにくい材料である。このため、従
来の常圧焼結方法では、高い相対密度を有する焼結体を
得ることは困難である。従って、従来は、窒化アルミニ
ウム粉末中に多量の焼結助剤を含有させてその焼結を促
進することが行われていた。

【００４０】しかし、窒化アルミニウム粉末をホットプ
レス焼結することにより、窒化アルミニウム粉末におけ
る焼結助剤の含有量が５％以下である場合においても、
９９％を越える極めて高い相対密度を有する基体を製造
することができる。従って、本発明においては、９９％
以上の相対密度を有した、常圧焼結、ホットプレス焼成
又は熱ＣＶＤによって製造した、高純度の緻密な窒化ア
ルミニウムを使用することが好ましい。

【００４１】基体中に埋設されるべき電極や抵抗発熱体
は、最高６００℃以上の高温にまで温度が上昇する用途
においては、高融点金属で形成することが好ましい。こ
うした高融点金属としては、タンタル、タングステン、
モリブデン、白金、レニウム、ハフニウム及びこれらの
合金を例示できる。半導体汚染防止の観点から、更に、
タンタル、タングステン、モリブデン、白金及びこれら
の合金が好ましい。電極の形態は、薄板からなる面状の
電極の他、多数の小孔を有する板状体からなる面状の電
極も含む。電極が、多数の小孔を有する板状体である場
合には、これらの多数の小孔にセラミックス粉末が流動
して回り込むので、板状体の両側におけるセラミックス
の接合力が大きくなり、基体の強度が向上する。こうし
た板状体としては、パンチングメタル、金網を例示でき
る。

【００４２】ただし、電極が高融点金属からなり、かつ
パンチングメタルである場合には、金属の硬度が高いの
で、高融点金属からなる板に多数の小孔をパンチによっ
て開けることは困難であり、加工コストも非常に高くな
る。この点、電極が金網である場合には、高融点金属か
らなる線材が容易に入手できるので、この線材を編組す
れば金網を製造できる。従って、電極の製造が容易であ
る。また、電極の形態が薄板である場合には、電極と基
体との熱膨張係数の差によって、電極の周縁部分に特に
大きな応力が加わり、この応力のために基体が破損する
ことがあった。しかし、電極が、多数の小孔を有する板
状体である場合には、この応力が多数の小孔によって分
散される。

【００４３】熱伝達部材は、一体の厚いヒートシンクと
することができる。また、熱伝達部材に対して、別体の
熱授受部材を接合し、一体化することができる。この場
合には、熱授受部材中に熱を授受するための流体の流通
孔を設ける。この態様においては、熱伝達部材と熱授受
部材とを直接接合することができ、また、熱伝達部材と
熱授受部材との間に、軟質金属部材を介在させることが
できる。軟質金属部材は、熱授受部材と熱伝達部材との
間の熱膨張差による熱変形を吸収し、窒化アルミニウム
基体の反りやクラックを防止してその信頼性を高める上
で、有効である。こうした軟質金属部材の材質として
は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａ
ｇ、Ｍｇ、Ｓｉおよびそれらの合金が好ましい。

【００４４】熱伝達部材と軟質金属部材との接合、軟質
金属部材と熱授受部材との接合については、いずれも使
用温度範囲で安定な接合材を使用する必要がある。こう
した接合材は、使用温度範囲の上限値によって変更する
べきである。一般的には、接合材として金属ろうを使用
する。接合材としてアルミニウムまたはアルミニウムろ
うを使用した場合には、室温から５００℃の温度範囲内
で安定して使用できる。また、銀ろう等の貴金属ろうを
使用した場合には、室温から７００℃の温度範囲内で安
定して使用できる。

【００４５】熱伝達部材は、タングステン、モリブデ
ン、銅、またはこれらの合金によって形成する。タング
ステン−モリブデン合金を使用した場合には、モリブデ
ンの比率を４０〜７０原子％とすることが、半導体ウエ
ハーの設置面における反りを防止するという観点から、
一層好ましい。

【００４６】図２は、本態様に係る半導体ウエハー保持
装置を概略的に示す断面図であり、図３は、半導体ウエ
ハー保持部材４と熱伝達部材８とを接合する直前の状態
を示す断面図である。緻密質の窒化アルミニウムからな
る基体５の内部に平板状の電極６が埋設されている。図
２に示すように、保持部材４の背面４ｂに対して、平板
形状の熱伝達部材８の接合面８ａを対向させ、背面（接
合面）４ｂと接合面８ａとの間にアルミニウム合金ろう
のシート７を介在させ、積層体２３を作製する。次い
で、前記した本発明の方法に従って保持部材４と熱伝達
部材８とを接合する。図において、１２は接合層であ
る。

【００４７】図２に示すように、保持部材４の設置面４
ａに半導体ウエハー９が設置されており、ウエハー１に
は電線１０Ｂが接触している。熱伝達部材８の他方の主
面８ｂに対して、熱授受部材１１の主面１１ａが接合さ
れている。熱授受部材１１の内部には、温度調節用の媒
体の流通孔１１ｄが形成されており、流通孔１１ｄが、
主面１１ａとは反対側の背面１１ｂ側に２箇所に開口し
ている。供給管２０Ａから矢印Ｃで示すように媒体を流
し、開口を通して流通孔１１ｄ内に媒体を供給し、排出
管２０Ｂから媒体を矢印Ｄのように流しだす。熱授受部
材の背面１１ｂ側には、保持装置のフランジ部１１ｃが
形成されており、このフランジ部１１ｃを、半導体製造
装置内の所定箇所に取り付けることができる。

【００４８】保持部材４内に埋設された電極６に対して
電線１０Ａが接続されており、この電線１０Ａが、熱授
受部材１１の背面１１ｂ側から保持装置の外部へと引き
出されている。各電線１０Ａと１０Ｂとを、図示しない
所定の静電チャック用の直流電源に接続することによっ
て、半導体ウエハー９をチャックすることができる。

【００４９】設置面４ａの各部分の温度をリアルタイム
で計測し、この測定温度が目的値よりも上昇したときに
は冷却用の媒体の流量を増やし、保持部材４から熱量を
排出させる。この媒体としては、水を使用するが、その
他の気体や液体を使用することもできる。

【００５０】また、保持部材４において、窒化アルミニ
ウム基体のうち電極６と熱伝達部材８との間の領域に、
抵抗発熱体を埋設し、この抵抗発熱体に対して電力を供
給して抵抗発熱体を発熱させ、これによって設置面４ａ
上の半導体ウエハー９を加熱することができる。

【００５１】図４は、本態様の他の実施例に係る保持装
置を概略的に示す断面図である。本実施例の保持部材１
５においては、緻密質の窒化アルミニウムからなる基体
２４の内部に、高融点金属からなる抵抗発熱体１６が埋
設されている。この抵抗発熱体１６は、好ましくは、螺
旋状に巻回されたコイルスプリング形状の巻回体からな
り、かつ円盤状の基体２４を平面的にみると、抵抗発熱
体１６は、渦巻形をなすように設置されている。抵抗発
熱体１６の両端部には、それぞれ図示しない端子を介し
て電線１０Ｄ、１０Ｅが電気的に接続されており、各電
線１０Ｄ、１０Ｅは、それぞれヒーター電源に対して接
続されている。

【００５２】基体２４の内部においては、更に抵抗発熱
体１６の上側に、即ち、設置面１５ａ側に、例えば円盤
形状のプラズマ発生用電極２５が埋設されている。この
プラズマ発生用電極２５には、高周波供給用の端子を介
して、電線１０Ｃが接続されている。ただし、図４にお
いては電線１０Ｃを一本示したが、この電線の本数は、
供給する高周波信号に応じた必要な本数とすることがで
きる。

【００５３】本実施例における保持部材１５は、プラズ
マを発生させるための電極装置として機能する。従っ
て、この保持部材１５を、デポジション用ガス等に曝露
されるチャンバーに設置し、保持部材の設置面１５ａ側
に半導体ウエハー９を設置する。この状態で、チャンバ
ー内において、保持部材１５に対向する位置に他方の高
周波電極を設置し、半導体ウエハー９上にプラズマを発
生させる。

【００５４】熱授受部材１９の内部にも、温度調節用の
媒体の流通孔１９ｄが形成されており、流通孔１９ｄ
が、背面１９ｂ側に２箇所に開口している。供給管２０
Ａから矢印Ｃで示すように開口を通して媒体を流し、流
通孔１９ｄ内に媒体を供給し、排出管２０Ｂから媒体を
矢印Ｄのように流しだす。熱授受部材の背面１９ｂ側に
は、保持装置のフランジ部１９ｃが形成されており、こ
のフランジ部１９ｃを、半導体製造装置内の所定箇所に
取り付けることができる。

【００５５】保持部材１５の背面１５ｂに対して、熱伝
達部材の主面１７ａが、本発明に従って接合されてい
る。１２は接合層である。軟質金属部材１８の一方の端
面１８ａが熱伝達部材１７の主面１７ｂに対して接合さ
れており、他方の端面１８ｂが熱授受部材１９の主面１
９ａに対して接合されている。軟質金属部材１８を介在
させることによって、熱授受部材１９と熱伝達部材１７
との熱膨張差、熱収縮差による応力を吸収できる。

【００５６】この保持装置を作動させる際には、抵抗発
熱体１６に対して電力を供給して抵抗発熱体を発熱さ
せ、冷却用媒体を流通孔１９ｄに流して保持部材１５か
ら熱量を排出させながら、設置面１５ａ上の半導体ウエ
ハー９を予熱する。そして、高周波電極２５に対して電
力を供給し、半導体ウエハー上にプラズマを生成させ
る。この際、プラズマから熱が供給されるため、半導体
ウエハーの温度を測定しながら、その温度が一定に保持
されるように、抵抗発熱体１６への供給電力を調節す
る。

【００５７】図４の実施例において、電極２５を、半導
体ウエハー９を静電気力によりチャックするための静電
チャック電極としても働かせることができる。電極２５
に対して、静電気力を発生させるための直流電圧を印加
すると同時に、絶縁トランスを介して高周波信号を供給
すれば、半導体ウエハー９を保持部材１５の設置面１５
ａに吸着するのと同時に、半導体ウエハー９の上にプラ
ズマを発生させることができる。

【００５８】ただし、電極２５に対して高周波信号を供
給する際には、電力供給用の電線としては、抵抗値が１
Ω以下の電線が必要であり、この電線がタングステン製
の電線である場合には、直径１０ｍｍ以上の電線が４本
必要となる。この一方、電極２５を仮に静電チャック電
極のみとして使用する場合には、電線の抵抗値は数１０
０Ωであれば良く、従って直径０．１ｍｍ程度の電線で
も十分に使用できる。

【００５９】

【実施例】以下、更に具体的な実験結果について述べ
る。（実験Ａ）図１に示すように、直径２０ｍｍ×厚さ１０ｍｍの緻密
質窒化アルミニウム製の円盤１とモリブデン製の円盤３
とを準備した。ろう材の組成は、アルミニウム８８．５
重量％、珪素１０重量％およびマグネシウム１．５重量
％とした。この固相線温度は５５９℃であり、液相線温
度は５９１℃である。ろう材からなるシート２の寸法
は、直径２０ｍｍ×厚さ１５０μｍの円盤形状とした。
この積層体２２を５℃／分の昇温速度で６００℃まで加
熱し、６００℃で３０分間保持し、室温まで冷却し、比
較例の接合体を得た。

【００６０】この接合体について超音波探傷試験を行
い、接合している部分と非接合部分とを探索した。接合
面の全面積に対する接合部分の面積の比率（以下、接合
面積率と呼ぶ）は、４０％であった。また、この接合層
の走査型電子顕微鏡写真を、図５に示す。図５におい
て、上側はモリブデンであり、研磨傷が斜めの線として
見える。下側は窒化アルミニウムである。モリブデンと
窒化アルミニウムとの間にある接合層では、珪素が針状
の結晶相として偏析していることが判る。

【００６１】（実験Ｂ）実験Ａと同じように、緻密質窒化アルミニウム製の円盤
１、モリブデン製の円盤３およびシート２を準備し、前
記した方法に従って接合体を製造した。ただし、接合温
度および加圧力を、表１に示すように変更した。実験番
号１〜６、８、９においては、各接合温度で３０分間加
圧しながら保持した。実験番号７では、更に室温まで冷
却するまで加圧を維持した。

【００６２】実験番号５においては、ろう付けに先立っ
て窒化アルミニウム部材の接合面に厚さ１０μｍのニッ
ケル層をメッキ法によって形成し、実験番号６において
は、ろう付けに先立って窒化アルミニウムの部材の接合
面に厚さ５μｍのアルミニウム層をスパッタリング法に
よって形成した。実験番号８では、ブレージングシート
を使用した。超音波探傷によって測定した接合面積率
を、表１に示す。

【００６３】

【表１】

【００６４】実験番号１、２（いずれも比較例）から判
るように、１００ｋｇｆ／ｃｍ^２もの加圧力を加えて
も、接合面積率は７５％であった。一方、接合温度を５
７５℃とし、加圧力を１０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上とした実
験番号３、４においては、９７％または１００％の接合
面積率が得られることが判った。実験番号３において
は、エッジの部分が僅かに接合しないままになっていた
が、この非接合部分は、３０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上に加圧
力を上げると、消滅した。実験番号５においては、窒化
アルミニウム部材の接合面にニッケルメッキを施した
が、アルミニウムとニッケルとの反応熱によってろう材
が溶融し、引け巣が生じた。

【００６５】実験番号６、７でも１００％の接合面積率
が得られた。実験番号８（比較例）では、ブレージング
シートを使用したが、接合面積は小さかった。実験番号
９でも１００％の接合面積率が得られた。

【００６６】実験番号４によって得られた本発明例の接
合体について、接合層の走査型電子顕微鏡写真を図６に
示す。図６において、上側はモリブデンであり、下側は
窒化アルミニウムである。モリブデンと窒化アルミニウ
ムとの間にある接合層では、珪素が微細な球状の結晶粒
子としてアルミニウムマトリックス中に均一に分散され
ていることが判る。

【００６７】（実験Ｃ）図２および図３を参照しつつ説明した方法に従って、半
導体ウエハー保持部材４とモリブデン部材８との接合体
を製造した。保持部材４、モリブデン部材８およびシー
ト７の各平面的寸法は、８インチウエハーを保持するた
めに、いずれも直径２００ｍｍとした。ろう材の組成
は、アルミニウム８８．５重量％、珪素１０重量％およ
びマグネシウム１．５重量％とした。この積層体を５℃
／分の昇温速度で６００℃まで加熱し、６００℃で１０
０ｋｇｆ／ｍｍ^２の圧力を加えながら３０分間保持し、
室温まで冷却した。

【００６８】この接合面を超音波探傷によって測定した
結果、１００％の接合面積率が得られた。

【００６９】（実験Ｄ）本発明者は、図４に示す保持装置を試作した。この際、
基体２４は、相対密度９９．９％の窒化アルミニウム焼
結体によって形成し、基体２４の平面的寸法は、８イン
チの半導体ウエハーを設置できる大きさとした。抵抗発
熱体１６としては、モリブデン製のメッシュを使用し、
このメッシュを平面的に見て渦巻き形状に基体内に埋設
した。電極２５としては、モリブデン製のバルク状の電
極を使用した。熱授受部材１９をアルミニウムによって
形成し、熱伝達部材１７をモリブデン５０原子％のタン
グステン−モリブデン合金によって形成し、軟質金属部
材１８を銅によって形成した。基体２４と熱伝達部材１
７とを、実験Ｃと同じ方法で接合した。

【００７０】媒体として水を使用した。抵抗発熱体に対
して電力を供給して発熱させ、設置面の温度を１００℃
まで上昇させ、１００℃で保持し、次いで再び室温まで
下降させた。この結果、基体にはクラック等の欠陥は発
生しなかった。また設置面の温度分布は±５℃であっ
た。

【００７１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、窒
化アルミニウム部材と金属部材とを強固に接合すること
ができ、特に窒化アルミニウム部材と金属部材との接合
界面におけるアルミニウム合金ろうの収縮を防止し、接
合界面の全面積に対する接合部分の面積の比率を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】窒化アルミニウム部材１と金属部材３との接合
前の状態を示す正面図である。

【図２】本発明の実施例に係る半導体ウエハー保持装置
を概略的に示す断面図である。

【図３】半導体ウエハー保持部材４と熱伝達部材８との
接合前の状態を示す断面図である。

【図４】本発明の他の実施例に係る半導体ウエハー保持
装置を概略的に示す断面図である。

【図５】比較例における接合層のセラミックス組織およ
び金属組織の走査型電子顕微鏡写真である。

【図６】本発明の実施例における接合層のセラミックス
組織および金属組織の走査型電子顕微鏡写真である。

【符号の説明】

４半導体ウエハー保持部材４ｂ半導体ウエハー
保持部材の接合面５基体６平板状の電極
７アルミニウム合金ろうのシート８熱伝達部
材８ａ熱伝達部材８の接合面９半導体ウエ
ハー１１熱授受部材１５保持部材１６
抵抗発熱体２４緻密質の窒化アルミニウムから
なる基体２５プラズマ発生用電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/68 Ｈ０１Ｌ 21/68 Ｎ (72)発明者藤井知之愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内 (56)参考文献特開昭56−26779（ＪＰ，Ａ) 特開平６−115009（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 37/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウム部材と金属部材との接合
体であって、前記窒化アルミニウム部材、前記金属部材
および前記窒化アルミニウム部材の接合面と前記金属部
材の接合面との間に介在しているアルミニウム合金ろう
のシートを含む積層体を、前記接合面に略垂直な方向に
向かって前記積層体に加圧力を加えながら、前記アルミ
ニウム合金ろうの液相線温度以下、固相線温度以上の温
度で加熱することによって得られ、前記接合体において
前記窒化アルミニウム部材と前記金属部材との間に前記
アルミニウム合金ろうの成分からなる接合層が形成され
ていることを特徴とする、接合体。
【請求項２】前記窒化アルミニウム部材が、半導体ウエ
ハーを設置するための設置面を備えた半導体保持部材で
あり、前記金属部材が、前記半導体保持部材と外部との
間で熱量の伝達を行うための熱伝達部材であり、前記接
合体が、前記半導体保持部材と前記熱伝達部材との接合
体であることを特徴とする、請求項１記載の接合体。
【請求項３】窒化アルミニウム部材と金属部材との接合
体を製造する方法であって、前記窒化アルミニウム部
材、前記金属部材および前記窒化アルミニウム部材の接
合面と前記金属部材の接合面との間に介在しているアル
ミニウム合金ろうのシートを含む積層体を、前記接合面
に略垂直方向に向かって前記積層体に対して加圧力を加
えながら、前記アルミニウム合金ろうの液相線温度以
下、固相線温度以上の温度で加熱することによって、前
記窒化アルミニウム部材と前記金属部材とを接合するこ
とを特徴とする、接合体の製造方法。
【請求項４】前記積層体を、前記液相線温度−５℃以
下、前記固相線温度＋５℃以上の温度で加熱することを
特徴とする、請求項３記載の接合体の製造方法。
【請求項５】前記積層体を加熱する間、前記アルミニウ
ム合金ろうを固液共存状態に保持することを特徴とす
る、請求項５または６記載の接合体の製造方法。
【請求項６】前記積層体を、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上、
３００ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の圧力で加圧することを特徴
とする、請求項３〜５のいずれか一つの請求項に記載の
接合体の製造方法。
【請求項７】前記金属部材がモリブデン、銅およびタン
グステンからなる群より選ばれた一種以上の金属からな
ることを特徴とする、請求項３〜６のいずれか一つの請
求項に記載の接合体の製造方法。