(57)【要約】【課題】高温化による金属塊の脆化の抑制を図ることが可能なセラミックス部材及びその製造方法を提供する。【解決手段】セラミックス部材１０は、セラミックス焼結体に電極１２及び電極１２に電気的に接続された金属塊１３が埋設され、金属塊１３の一部が外部に露出している。金属塊１３は、タングステン又はモリブデンに、カリウム、希土類元素の酸化物、希土類元素の窒化物、希土類元素の炭化物及び希土類元素の硼化物の群から選択される少なくとも１の添加物が添加された金属からなる。【選択図】図１Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス焼結体に内部電極及び前記内部電極に電気的に接続された金属塊が埋設され、前記金属塊の一部が外部に露出したセラミックス部材であって、
前記金属塊は、タングステン又はモリブデンに、カリウム、希土類元素の酸化物、希土類元素の窒化物、希土類元素の炭化物及び希土類元素の硼化物の群から選択される少なくとも１の添加物が添加された金属からなることを特徴とするセラミックス部材。
【請求項２】
前記金属塊の外部に露出した部分に、端子が電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス部材。
【請求項３】
前記添加物がカリウムである場合、前記添加物の添加量は５０〜１０００ｐｐｍであり、前記添加物が希土類元素の酸化物、希土類元素の窒化物、希土類元素の炭化物及び希土類元素の硼化物のうち少なくとも１つからなる希土類元素化合物である場合、前記添加物の添加量は０．１〜３．０重量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス部材。
【請求項４】
セラミックス粉末からなるセラミックス体内に内部電極及び前記内部電極と電気的に接続させた金属塊を埋設した状態で焼成する工程を含み、
前記金属塊は、タングステン又はモリブデンに、カリウム、希土類元素の酸化物、希土類元素の窒化物、希土類元素の炭化物及び希土類元素の硼化物の群から選択される少なくとも１の添加物が添加されている金属からなることを特徴とするセラミックス部材の製造方法。
【請求項５】
前記焼成により得たセラミックス焼結体の一部を除去し、前記金属塊の一部を外部に露出させる工程と、
前記金属塊の外部に露出した部分に端子を電気的に接続する工程とを含むことを特徴とする請求項４に記載のセラミックス部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置でウエハを保持するために使用される静電チャック又はサセプタにおいて、セラミックス焼結体からなる基体内に埋設される内部電極に外部電源が接続される。この場合、内部電極と電気的に接続された金属塊に外部電源に接続される端子を接合している。金属塊はタングステン又はモリブデンからなり、内部電極と当接し、且つセラミックスに埋設された状態で焼成されることにより、セラミックス焼結体内に埋設される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
なお、特許文献１には、タングステン又はモリブデンに、２ａ族元素、４ａ族元素又は希土類元素の酸化物、窒化物、炭化物又は硼化物からなる微粒子を添加してなるスポット溶接用の電極部材が開示されている。このような微粒子を添加することにより、スポット溶接で繰り返される急激な熱サイクルによるクラック発生の抑制に有効であるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−０４９１８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、焼成時や熱処理時の高温化によって金属塊が粗粒化し脆化するため、焼成後に端子を金属塊にろう付けする際に、金属塊のろう付け部分において剥離が生じ、十分なろう付け強度を得ることができないことが分かった。
【０００６】
そこで、本発明は、高温化による金属塊の脆化の抑制を図ることが可能なセラミックス部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセラミックス部材は、セラミックス焼結体に内部電極及び前記内部電極に電気的に接続された金属塊が埋設され、前記金属塊の一部が外部に露出したセラミックス部材であって、前記金属塊は、タングステン又はモリブデンに、カリウム、希土類元素の酸化物、希土類元素の窒化物、希土類元素の炭化物及び希土類元素の硼化物の群から選択される少なくとも１の添加物が添加された金属からなることを特徴とする。
【０００８】
本発明のセラミックス部材によれば、後述する実施例及び比較例から分かるように、金属塊が高温化によって粗粒化し脆化することの抑制を図ることが可能となる。
【０００９】
本発明のセラミックス部材において、前記金属塊の外部に露出した部分に、端子が電気的に接続されていることが好ましい。
【００１０】
この場合、金属塊に接続される端子の脱落の抑制を図ることが可能となる。
【００１１】
本発明のセラミックス部材において、例えば、前記添加物がカリウムである場合、前記添加物の添加量は５０〜１０００ｐｐｍであり、前記添加物が希土類元素の酸化物、希土類元素の窒化物、希土類元素の炭化物及び希土類元素の硼化物のうち少なくとも１つからなる希土類元素化合物である場合、前記添加物の添加量は０．１〜３．０重量％であればよい。
【００１２】
本発明のセラミックス部材の製造方法は、セラミックス粉末からなるセラミックス体内に内部電極及び前記内部電極と電気的に接続させた金属塊を埋設した状態で焼成する工程を含み、前記金属塊は、タングステン又はモリブデンに、カリウム、希土類元素の酸化物、希土類元素の窒化物、希土類元素の炭化物及び希土類元素の硼化物の群から選択される少なくとも１の添加物が添加されている金属からなることを特徴とする。
【００１３】
本発明のセラミックス部材の製造方法によれば、後述する実施例及び比較例から分かるように、金属塊が高温化によって粗粒化し脆化することの抑制を図ることが可能となる。
【００１４】
本発明のセラミックス部材の製造方法において、前記焼成により得たセラミックス焼結体の一部を除去し、前記金属塊の一部を外部に露出させる工程と、前記金属塊の外部に露出した部分に端子を電気的に接続する工程とを含むことが好ましい。
【００１５】
この場合、金属塊に接続される端子の脱落の抑制を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】本発明の実施形態に係るセラミックス部材の製造方法を説明する概略縦断面図であり、金属塊が基体内に埋設されている状態を示す。
【図１Ｂ】本発明の実施形態に係るセラミックス部材の製造方法を説明する概略縦断面図であり、端子穴を穿削した状態を示す。
【図１Ｃ】本発明の実施形態に係るセラミックス部材の製造方法を説明する概略縦断面図であり、金属塊に給電端子をろう付けした状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態に係るセラミックス部材１０及びその製造方法について説明する。
【００１８】
図１Ｃに示すように、セラミックス部材１０は、セラミックス焼結体からなる基体１１と、基体１１の内部に埋設された電極１２と、電極１２と電気的に接続された金属塊１３（ペレット）と、金属塊１３を介して電極１２に図示しない外部電源から給電するために、金属塊１３の外部に露出した部分に電気的に接続されている給電端子１４（端子）とからなる。
【００１９】
セラミックス部材１０は、半導体製造装置においてウエハを保持する静電チャック又はサセプタとして使用され、その上面１５がウエハ設置面となり、その下面１６が外部電源との接続側の面となる。
【００２０】
基体１１を構成するセラミックス焼結体の材質として、窒化アルミニウム、アルミナ、炭化ケイ素、窒化珪素などを用いることができる。なお、適宜、添加物を加えてもよい。
【００２１】
電極１２及び金属塊１３の材質は、基体１１を構成するセラミックスと一体化した状態で焼成されることを考慮して、基体１１の材質である窒化アルミニウム、アルミナなどと同程度の熱膨張性を有し、高融点金属であることが望ましい。具体的には、電極１２の材質はモリブンデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）またはこれらを主成分とする合金であることが望ましい。
【００２２】
なお、モリブデン、タングステンを主成分とする合金とは、一般的にモリブデンとタングステンとの合計含有率が５０重量％以上のものを指すが、好ましくは７０重量％以上のもの、より好ましくは８０重量％以上のものである。
【００２３】
そして、金属塊１３の材質は、タングステン又はモリブデンに、カリウム、希土類元素の酸化物、希土類元素の窒化物、希土類元素の炭化物及び希土類元素の硼化物の群から選択される少なくとも１の添加物が添加された金属からなるものである。なお、電極１２と金属塊１３との材質は同じ又は主成分が同じであってもよいが、電極１２がモリブデン、金属塊１３がタングステンのように主成分が異なっていてもよい。
【００２４】
なお、添加物がカリウムである場合、添加物の添加量は５０〜１０００ｐｐｍであることが好ましく、より好ましくは５０〜２００ｐｐｍである。これは、カリウムの添加量が多すぎると基体１１を構成するセラミックスにカリウムが拡散し基体１１の特性に影響を及ぼす恐れがあるからである。また、カリウムの添加量が少なすぎると高温化による金属塊１３の脆化の抑制を図るとの効果を十分に得ることができないからである。
【００２５】
また、添加物が希土類元素の酸化物、希土類元素の窒化物、希土類元素の炭化物及び希土類元素の硼化物のうち少なくとも１つからなる希土類元素化合物である場合、添加物の添加量は０．１〜３．０重量％であることが好ましく、より好ましくは０．１〜２．０重量％である。これは、希土類元素化合物の添加量が多すぎると金属塊１３の強度が低下するからである。また、希土類元素化合物の添加量が少なすぎると高温化による金属塊１３の脆化の抑制を図るとの効果を十分に得ることができないからである。
【００２６】
電極１２の形状は、特に限定されず、板状、網状、格子状、穴あき面状、櫛歯状などの任意の形状であってもよい。電極１２の厚さ、線径も特に限定されない。
【００２７】
金属塊１３の形状は、特に限定されないが、板状であることが望ましい。そして、金属塊１３の上面視形状は、特に限定されないが、三角形、四角形状などの多角形状や円状であることが望ましい。
【００２８】
基体１１の下面１６には金属塊１３の一部を外部に露出させる平面視で円形状の端子穴１７が形成される。端子穴１７の平面視形状は円形に限定されず、三角形、四角形などの多角形状であってもよい。
【００２９】
端子穴１７には、給電端子１４が配置される。給電端子１４は、端子穴１７から露出する金属塊１３に対してろう材を介して接合される。
【００３０】
図１Ａに示すように、電極１２及び金属塊１３が内部に埋設された基体１１は、その製造方法は特に限定されないが、セラミックス粉末からなるセラミックス体中に電極１２及び金属塊１３を埋設してホットプレス焼成する方法で製造することが好ましい。この方法では、金属塊１３を基体１１内に容易に配置することが可能となる。
【００３１】
なお、電極１２及び金属塊１３が内部に埋設された基体１１を、セラミックスグリーンシートと内部電極パターン層とを積層圧着させて焼成する方法によって製造してもよい。ただし、この方法では、金属塊１３を基体１１内に配置することが困難となる。
【００３２】
電極１２と金属塊１３とは、予め焼結前に溶接、かしめなどで接合してもよいが、単に接触させて配置するだけでも焼結により接合される。また、電極１２と金属塊１３との間にこれらと同じ素材の粉末を挟んでもよく、この場合は焼成時に一体化される。
【００３３】
また、電極１２及び金属塊１３が内部に埋設された基体１１を、別々に焼成した複数のセラミックス焼結体を熱処理によって接合一体化させる方法によって製造してもよい。
【００３４】
次に、図１Ｂに示すように、給電端子１４を配置するための凹状の端子穴１７をマシニングセンタなどを用いた任意の穴加工方法により、下面１６から基体１１を穿削して設ける工程が行われる。端子穴１７は金属塊１３の下側の面の一部が露出するまで基体１１を除去するように穿設される。このとき、端子穴１７の内径が金属塊１３の外径よりも小さくなるように設定され、端子穴１７の底面が金属塊１３のみで構成されることが望ましい。
【００３５】
その後、図１Ｃに示すように、給電端子１４を金属塊１３にろう材を介して接合する工程が行われる。
【００３６】
給電端子１４は、金属塊１３を介して電極１２に外部電源から給電するためのものであり、一端が金属塊１３とろう付けにより接合され、他端が基体１１から外部に飛び出している。
【００３７】
給電端子１４の形状は、特に限定されないが、金属塊１３との接合を考慮して、円柱状であることが最も好ましい。ただし、給電端子１４の形状は、角柱状、多角柱状、楕円柱状などのほか、突起や凹部を有していてもよい。
【００３８】
給電端子１４は、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）又はこれらを主成分とする合金からなる。なお、ニッケル、チタン、銅を主成分とする合金とは、一般的にニッケル、チタン、銅の合計含有率が５０重量％以上のものを指すが、好ましくは７０重量％以上のもの、より好ましくは８０重量％以上のものである。また、給電端子１４にコバールのような低熱膨張合金も好適に用いることができる。
【００３９】
給電端子１４がニッケル、チタン又はこれらを主成分とする合金からなる場合、給電端子が耐食性に富み、好ましい。また、給電端子１４が銅又は銅を主成分とする合金からなる場合、ニッケルやチタンからなる場合と比べて延性があるため、給電端子１４と給電ラインとの接続に応力が発生する場合であっても、応力が緩和されやすいという利点がある。
【００４０】
金属塊１３と給電端子１４とは、ろう付けにより接合されている。ろう材として例えばＡｇ系ろう、Ａｕ系ろうが用いられ、ろう付け温度は、Ａｇ系ろうであれば８００℃以上、Ａｕ系ろうでは１０００℃以上である。
【００４１】
上述したセラミックス部材１０によれば、後述する実施例及び比較例から分かるように、金属塊１３が高温化によって粗粒化し脆化することの抑制を図ることが可能となる。
【実施例】
【００４２】
（実施例１）
窒化アルミニウム粉末９７重量％、イットリア粉末３重量％の混合粉末を一軸加圧して直径１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの成形体を作製した。そして、カリウム（Ｋ）を２００ｐｐｍ添加したタングステン（Ｗ）からなる直径１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの塊を金属塊１３として用意した。
【００４３】
成形体の面上に、金属塊１３を中心に固定した直径９０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのモリブデン箔からなる電極１２を配置して、カーボン製の成形型に設置した。そこに前記と同様の混合粉末を充填して、１８５０℃でホットプレス焼成した。
【００４４】
そして、得られた焼成体の上下面を研削し、上面１５と電極１２との距離が１．５ｍｍとなるようにした。端子穴１７を、金属塊１３が露出するように穿設した。上面１５の平面度が１μｍ以下となるようにラップ加工を施した。給電端子１４はニッケル製で直径５ｍｍ、長さ１０ｍｍであった。
【００４５】
この給電端子１４を、Ｔｉを含有するＢＡｕ−４金ろうをろう材として用いて、ろう付け温度１０００℃で真空雰囲気でろう付けを行い、給電端子１４と金属塊１３を接合し、セラミックス部材１０（条件１のセラミックス部材１０）を完成させた。
【００４６】
上述した条件１のセラミックス部材１０において、引張により金属塊１３と金属塊１３にろう付けされた給電端子１４とが剥離する強度、すなわち、密着強度を測定した（ＪＩＳＨ８６６６に準じた単純引張試験方法）。
【００４７】
また、ホットプレス焼成後の焼成体に対して真空雰囲気下、１１００℃以上の温度で１４時間加熱した後室温まで自然冷却する熱処理を施して得られたセラミックス部材１０（条件２のセラミックス部材１０）と、この熱処理における１１００℃以上の加熱時間を２３時間に変更して得られたセラミックス部材１０（条件３のセラミックス部材１０）とを準備し、これら条件２、条件３のセラミックス部材１０についても前述と同様の方法で密着強度を測定した。なお、熱処理温度の１１００℃は添加物を含まない金属塊１３の再結晶化が促進される代表温度であり、金ろうを用いた場合のろう付け温度の上限温度近傍である。
【００４８】
また、焼成前の金属塊１３と給電端子１４の密着強度の評価のために、モリブデン板と金属塊１３とをＢＡｕ−４金ろうを用いて接合し、モリブデン板に接合された金属塊１３にＢＡｕ−４金ろうを用いて給電端子１４をろう付けしたサンプルを作製した。このサンプルについて前述の方法で密着強度を測定し、焼成前の密着強度として評価した。
【００４９】
焼成前の密着強度は４３２ＭＰａであり、焼成後の熱処理を行っていない条件１のセラミックス部材１０の密着強度は２４５ＭＰａであった。そして、焼成後の熱処理を行った条件２のセラミックス部材１０の密着強度は２４５ＭＰａであり、条件１の密着強度と同じであった。
【００５０】
さらに、条件２よりも熱処理時間を長くした条件３のセラミックス部材１０の密着強度は２２８ＭＰａであった。以上の結果を表１にまとめた。
【００５１】
また、上述した焼成前のサンプル及び条件１〜３のセラミックス部材１０のそれぞれに
ついて、金属塊１３を切断し、その切断面を研磨し、その研磨面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察し、粒径の範囲、及び粒径の中央値（最大径と最少径との中間値）を求めた。その結果を表２にまとめた。この表２から、焼成による粒成長は２倍以下であり、極度に大きな粒成長は観察されなかった。
【００５２】
以上のことから、カリウム（Ｋ）を２００ｐｐｍ添加したタングステン（Ｗ）からなる金属塊１３は、焼成後に１１００℃以上の熱履歴を与えたとしても、ろう付け強度の劣化が小さく抑えられることが確かめられた。
【００５３】
（実施例２〜６）
実施例２では、金属塊１３を酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）を２重量％添加したタングステンからなるものとした。実施例３では、金属塊１３を酸化セリウム（Ｃｅ２Ｏ３）を２重量％添加したタングステンからなるものとした。実施例４では、金属塊１３を酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を２重量％添加したタングステンからなるものとした。実施例５では、金属塊１３を酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）を２重量％添加したモリブデン（Ｍｏ）からなるものとした。実施例６では、金属塊１３を酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を２重量％添加したモリブデンからなるものとした。
【００５４】
実施例２〜６では、上述した金属塊１３の材質を除いて実施例１と同様にして焼成前のサンプル及び条件１〜３のセラミックス部材１０を作製し、それぞれの密着強度を測定した。密着強度は表１にまとめた。
【００５５】
表１から分かるように、焼成後に１１００℃以上の熱履歴を与えたとしても、密着強度は大きく変化しなかった。以上のことより希土類元素化合物からなる添加物を含むタングステン（Ｗ）またはモリブデン（Ｍｏ）からなる金属塊１３は、焼成後に１１００℃以上の熱履歴を与えたとしても、ろう付け強度の劣化が小さく抑えられることが確かめられた。
【００５６】
（比較例１）
金属塊１３を添加材を添加していないタングステンからなるものとした以外は、実施例１と同様にして焼成前のサンプル及び条件１〜３のセラミックス部材１０を作製し、それぞれの密着強度を測定した。密着強度は表１にまとめた。熱処理を行った条件２のセラミックス部材１０の密着強度は７４ＭＰａであり、熱処理を行っていない条件１のセラミックス部材１０の密着強度である１６６ＭＰａと比較して大きく低下した。
【００５７】
また、実施例１と同様に、焼成前のサンプル及び条件１〜３のセラミックス部材１０のそれぞれについて、金属塊１３の粒径の範囲、及び粒径の中央値を求めた。その結果を表２にまとめた。この表２から、焼成による粒成長は２倍を大きく超えており、大きな粒成長が観察された。
【００５８】
（比較例２）
金属塊１３を添加材を添加していないモリブデンからなるものとした以外は、実施例１と同様にして焼成前のサンプル及び条件１〜３のセラミックス部材１０を作製し、それぞれの密着強度を測定した。密着強度は表１にまとめた。熱処理を行った条件２のセラミックス部材１０の密着強度は８０ＭＰａであり、条件２よりも熱処理時間を長くした条件３のセラミックス部材１０の密着強度は３５ＭＰａであり、いずれも熱処理を行っていない条件１のセラミックス部材１０の密着強度である２１０ＭＰａと比較して大きく低下した。
【００５９】
【表１】
2019009021.tif 000003
【００６０】
【表２】
2019009021.tif 000004
【符号の説明】
【００６１】
１０…セラミックス部材、  １１…基体、  １２…電極、  １３…金属塊、  １４…給電端子（端子）、  １５…上面、  １６…下面、  １７…端子穴。
【図１Ａ】
2019009021.tif 000005
【図１Ｂ】
2019009021.tif 000006
【図１Ｃ】
2019009021.tif 000007