(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基材と金属部材とをろう材を介して固相接合してなる異種材料の接合体において、前記セラミックス基材の表面にペーストを用いて又は気相法によってメタライズ層を形成し、該メタライズ層上にＡｕからなるろう材を配置した後、該Ａｕろう材を加熱溶融させるか又は溶融させること無く加圧及び加熱して固相接合することでプレコート層を形成し、
該プレコート層の表面にバリア層を介して前記金属部材を配置するとともに前記バリア層と前記金属部材の間にＡｕからなるろう材を配置し、前記メタライズ層と前記バリア層、及び前記バリア層と前記金属部材をそれぞれの間に配置したＡｕからなるろう材と加圧及び加熱することにより同時に固相接合してなることを特徴とする異種材料の接合体。
【請求項２】
前記バリア層がＣｒである請求項１に記載の異種材料の接合体。
【請求項３】
前記プレコート層の厚さが２０μｍ以上である請求項１又は２に記載の異種材料の接合体。
【請求項４】
プレコート層の硬度がＨｖ0.1８０より小さい請求項１〜３のいずれか一項に記載の異種材料の接合体。
【請求項５】
前記金属部材を構成する金属が、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ及びＦｅからなる群より選択される少なくともいずれか一種又はいずれか一種を主成分とする合金である請求項１〜４のいずれか一項に記載の異種材料の接合体。
【請求項６】
半導体製造用チャンバーに対して取り付けるための接合体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の異種材料の接合体。
【請求項７】
前記接合体が、半導体ウエハーを設置するためのセラミックス製サセプターと、当該サセプターを半導体製造用チャンバーに対して取り付けるための耐蝕性金属製のリングとが接合された物であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の異種材料の接合体。
【請求項８】
前記ろう材が、前記チャンバー外の不活性又は酸化性を有する雰囲気と、チャンバー外の雰囲気より圧力が低い前記チャンバー内の雰囲気に対して曝露されることを特徴とする請求項６又は７に記載の異種材料の接合体。
【請求項９】
前記セラミックス基材にＭｏ、Ｗ、又はＭｏとＷとの合金からなる電気伝導体が、該電気伝導体の表面の一部が該セラミックス基材の外部に露出した状態で埋設されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の異種材料の接合体。
【請求項１０】
ヒーター機能もしくは静電チャック機能又はこれらの両機能を有する半導体ウエハーを設置するためのサセプターに用いられる請求項１〜９のいずれか一項に記載の異種材料の接合体。
【請求項１１】
前記金属部材が、前記の埋設された電気伝導体へ給電するための端子であって、前記ろう材がチャンバー外の不活性又は酸化性を有する雰囲気とに曝露されることを特徴とする請求項１０に記載の異種材料の接合体。
【請求項１２】
前記バリア層が前記金属部材にめっきを施すことにより形成される請求項１〜１０のいずれか一項に記載の異種材料の接合体。
【請求項１３】
セラミックス基材と金属部材とをろう材を介して固相接合してなる異種材料の接合体において、前記セラミックス基材の表面に活性金属を配置し、該活性金属上にＡｕからなる前記ろう材を配置し、前記活性金属及び前記ろう材を加熱してプレコート層を形成し、該プレコート層にＣｒ又はＣｒを主成分とする合金からなる前記金属部材を配置し、前記プレコート層と前記金属部材とを加圧及び加熱することにより固相接合してなることを特徴とする異種材料の接合体。
【請求項１４】
セラミックス基材と金属部材とをろう材を介して固相接合してなる異種材料の接合体において、前記セラミックス基材の表面にペーストを用いて又は気相法によってメタライズ層を形成し、該メタライズ層上にＡｕからなるろう材を配置した後、該Ａｕろう材を加熱溶融させるか、又は溶融させること無く加圧して固相接合することでプレコート層を形成し、
該プレコート層にＣｒ又はＣｒを主成分とする合金からなる前記金属部材を配置し、前記プレコート層と前記金属部材とを加圧及び加熱することにより固相接合してなることを特徴とする異種材料の接合体。
【請求項１５】
セラミックス基材と金属部材とをろう材を介して固相接合してなる異種材料の接合体の製造方法において、前記セラミックス基材の表面に活性金属を配置し、該活性金属上にＡｕからなる前記ろう材を配置し、前記活性金属及び前記ろう材を加熱してプレコート層を形成し、該プレコート層の表面にバリア層を介して前記金属部材を配置し、前記プレコート層と前記金属部材とを加圧及び加熱することにより固相接合することを特徴とする異種材料の接合体の製造方法。
【請求項１６】
セラミックス基材と金属部材とをろう材を介して固相接合してなる異種材料の接合体の製造方法において、前記セラミックス基材の表面にペーストを用いて、又は気相法によってメタライズ層を形成し、該メタライズ層上にＡｕからなるろう材を配置した後、該Ａｕろう材を加熱溶融させるか、又は溶融させること無く加圧及び加熱して固相接合することでプレコート層を形成し、
該プレコート層の表面にバリア層を介して前記金属部材を配置し、前記プレコート層と前記金属部材とを加圧及び加熱することにより固相接合してなることを特徴とする異種材料の接合体の製造方法。
【請求項１７】
メタライズ層とバリア層、及びバリア層と金属部材をそれぞれの層間に配置したＡｕからなるろう材と、加圧及び加熱することにより同時に固相接合する請求項１６に記載の異種材料の接合体の製造方法。
【請求項１８】
前記バリア層をＣｒにする請求項１５に記載の異種材料の接合体の製造方法。
【請求項１９】
前記プレコート層の厚さを２０μｍ以上にする請求項１５又は１８に記載の異種材料の接合体の製造方法。
【請求項２０】
プレコート層の硬度をＨｖ0.1８０より小さくする請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の異種材料の接合体の製造方法。
【請求項２１】
前記セラミックス基材にＭｏもしくはＷ又はＭｏとＷとの合金からなる電気伝導体を、該電気伝導体の表面の一部が該セラミックス基材の外部に露出した状態で埋設する請求項１５〜２０のいずれか一項に記載の異種材料の接合体の製造方法。
【請求項２２】
前記バリア層を前記金属部材にめっきを施すことにより形成する請求項１５〜２１のいずれか一項に記載の異種材料の接合体の製造方法。
【請求項２３】
セラミックス基材と金属部材とをろう材を介して固相接合してなる異種材料の接合体の製造方法において、前記セラミックス基材の表面に活性金属を配置し、該活性金属上にＡｕからなる前記ろう材を配置し、前記活性金属及び前記ろう材を加熱してプレコート層を形成し、該プレコート層にＣｒ又はＣｒを主成分とする合金からなる前記金属部材を配置し、前記プレコート層と前記金属部材とを加圧及び加熱することにより固相接合してなることを特徴とする異種材料の接合体の製造方法。
【請求項２４】
セラミックス基材と金属部材とをろう材を介して固相接合してなる異種材料の接合体の製造方法において  前記セラミックス基材の表面にペーストを用いて又は気相法によってメタライズ層を形成し、該メタライズ層上にＡｕからなるろう材を配置した後、該Ａｕろう材を加熱溶融させるか、又は溶融させること無く加圧して固相接合することでプレコート層を形成し、
該プレコート層にＣｒ又はＣｒを主成分とする合金からなる前記金属部材を配置し、前記プレコート層と前記金属部材とを加圧及び加熱することにより固相接合してなることを特徴とする異種材料の接合体の製造方法。
【請求項２５】
メタライズ層とＣｒからなる金属部材を間に配したＡｕからなるろう材と加圧及び加熱することにより固相接合する請求項２４に記載の異種材料の接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異種材料の接合体及びその製造方法に関し、更に詳しくは、高温域での使用が可能な異種材料の接合体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異種材料の接合、例えば、セラミックス基材と金属部材との接合には、ろう材を用いる方法があるが、高温での接合での冷却操作中に、異種材料間、あるいはこれら異種材料を接合するために使用したろう材と部材との熱膨張率の差に起因する熱応力が発生し、接合界面に剥離を生じたり、また、一方の部材が脆弱な場合には、接合界面近傍にクラックを生じたりして、所望の接合強度や気密性を得られないことがある。製造過程でこれらの異常が発生した製品は、不良品として処分せざるを得ないためにこれら複合部材の製品のコストを押し上げる一因となっている。また、使用時に熱サイクルがかかる場合には、これらの異常が一定期間の使用後に発生して、製品の信頼性を低下させる一因ともなっている。
【０００３】
異種材料をろう材を用いて接合する場合、手法としてはメタライズろう付け法と直接ろう付け法がある。メタライズろう付け法は、セラミックス表面に気層からの析出、蒸着、スパッタリング等の気相法や、ペースト塗布後の加熱処理等の手法で金属層を形成し金属材料との接合を行う手法である。直接ろう付け法は活性金属法が著名で、第ＩＶ属元素をインサート材として用いて金属材料との接合を行う手法である。
ところで、これらの方法においては、接合部に生ずる熱応力を低下させるための何らかの手段を講じないと、熱応力に対して脆弱なセラミックス基材側にしばしばクラックを生じたり、接合部に剥離を生じたりして、結合強度ばかりでなく複合部材として要求される気密性などの各種性能に影響を及ぼす場合がある。とりわけ、窒化アルミニウム等低強度の部材を金属材料等の異種材料と上記の問題を抑止しつつ接合することは非常に困難である。
【０００４】
上記問題点を解決するために、低い応力によって塑性変形が起こる低耐力の金属、例えばＡｇ、Ｃｕ、Ａｕからなるろう材を使用し、液相接合によって基材と金属部材を接合する方法を考えることができる。しかし、Ａｇ、Ｃｕを用いる場合には、接合体を酸化雰囲気下で４００℃以上の使用環境に曝すときのろう材の酸化に起因する不具合、高温低圧下で使用する際にはこれらの蒸気圧が高さに起因するろう材揮発に起因する問題、通電して使用する場合にはマイグレーションの問題、あるいはＭｏ酸化物との反応の問題等により使用が困難である場合がある。
また、Ａｕを用いることは、前記Ａｇ、Ｃｕを用いた際の不具合の回避には有効であるが、耐酸化性に優れた金属部材としてＮｉ、Ｃｏ、Ｋｏｖａｒ等を用いた場合、これらの成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）が熱を加えた場合にＡｕ中へと拡散してしまい、ろう材の耐力が上昇し、その結果、接合時の残留応力をろうの塑性変形で吸収しきれなくなり、接合あがりの時点で、又はその後に加えられる熱によって、接合強度が低下することになる。そのため、熱サイクル又は熱衝撃を加えた場合等には、セラミックス基材にクラックが生ずることもある。
【０００５】
また、Ａｕ−１８Ｎｉろう材と電気伝導体（Ｍｏ）を接合すると、ろう材中のＮｉとＭｏが反応し脆性組織を形成することが知られている。従って、例えば高温ヒーター用部材として使用を想定した場合、接合部が熱サイクル及び熱衝撃等に曝された際の耐久特性が低くなり、また、急速に劣化してしまうために使用できなくなるといった問題がある。
【０００６】
更に、金属部材として、例えばＫｏｖａｒを用いた場合、基材とＫｏｖａｒとの接合の際に、ろう材中にＫｏｖａｒを構成する成分（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）が拡散し、電気伝導性の低い金属間化合物層を形成するために、熱特性の劣化、当該部位での異常発熱の生起等の問題もあった。
【０００７】
一方、Ａｕと固溶しない金属を金属部材として使用することも考えることができ、この条件に合致する金属材料としては、Ｗ、Ｍｏ等を挙げることができる。しかしこれらの金属材料は、大気中高温条件下においては酸化が激しく、係る条件下に曝される高温ヒーター用の金属部材としては使用することができないといった問題を有している。
【０００８】
上記の問題を解決する手法として、接合構造を工夫する試みも行われている。例えば特開平１０−２０９２５５号公報において、半導体ウエハーを設置するためのサセプターとして、図４に示す構造に係るセラミックス基材と電力供給用コネクターの接合構造が開示されている。図４においてはセラミックス基材１に、孔１４が設けられている。孔１４にはセラミックス基材１中に予め埋設されたセラミックス基材１と近似の熱膨張係数を有する、例えばＭｏ等の金属部材１７が露出している。また孔１４内に筒状雰囲気保護体１０が挿入されている。雰囲気保護体１０の内側に電力供給用コネクター１６と応力緩和用の低熱膨張体１５が挿入されている。雰囲気保護体１０とコネクター１６はろう材５によって気密に接合されており、低熱膨張体１５及び雰囲気保護体１０は金属部材１７に対してろう材５によって気密に接合されている。
【０００９】
この接合構造によれば、低熱膨張体１５と金属部材１７が接合時の残留応力を緩衝され、またＭｏ等の金属部材１７の酸化は雰囲気保護体１０によって押さえられているので、耐力の高いろう材、例えば前記のＡｕ−１８Ｎｉろうをもって接合しても、接合時にセラミックス基材１に割れを生ずることは無くまた、熱による強度変化も少なく、接合部が高温ヒーター使用時の熱サイクル及び熱衝撃等に曝された際の耐久信頼性も高い。しかし当該接合構造は、部品点数が多くなること、雰囲気保護体１０と金属部材１７の接合を完全に行わないと、金属部材１７の酸化による劣化を生ずるので、非常に高い生産管理能力が要求されること等の問題を有している。
【００１０】
また、特開平１１−２７８９５１号公報においては、半導体ウエハーを設置するためのサセプターとして、図５に示す構造に係るセラミックス基材において、Ｋｏｖａｒ等の耐蝕性金属製リング２３を、セラミックス製サセプター２２の背面２２ｂに接合するに当たって、発生する熱応力緩和のためこれら部材構造を、例えば、図６、図７に示す形状にする接合体及びその製造方法が開示されている。即ち、部材構造をこれら形状とすることで熱応力緩和には有効であるが、Ｃｕをベースとしたろう材を用いるために前記のろう材酸化、蒸気圧に起因するろう材揮発の問題により使用温度の制約がある。
【００１１】
上記の不具合を回避するために、本願発明者らは特願２０００−２２７２９１明細書に示すように、Ａｕからなるろう材でＮｉからなる金属部材を他の部材に接合した固相接合体を提案した。当該出願内容に記載された手法によれば、脆弱な部材と異種材料とを高い信頼性を持って接合することができる。しかしながら、Ａｕからなるろう材とＮｉからなる金属部材の固相接合体を、７５０℃を超える高温雰囲気下において長時間保持した場合、徐々にＡｕ中にＮｉが拡散し、Ａｕの耐力が上昇するといった現象が認められる。従って、使用条件が７００℃を超えるような電気機器、例えば半導体ウエハーを設置するためのサセプター用の部材として、Ａｕからなるろう材をプレコート層とするセラミックス基材とＮｉ等からなる金属部材との複合部材を使用した場合においては、比較的短期間の使用によりセラミックス基材にクラックを生ずるといった不具合を招きやすい。
【００１２】
また、ＰｔがＡｕ中での拡散速度が遅いことが知られており、特開２００１−１９９７７５公報にはセラミックと金属をＡｕを主成分とするろう材で接合しかつ金属成分の拡散を抑止するためにバリア層としてＰｔで被覆する手法が提案されている。しかし、セラミックとろう材との接合にＴｉを使用している場合、Ｐｔをバリア層として使用することはできない。例えば、ＡｕとＴｉを用いてセラミックとＰｔで被覆した金属材料を接合する場合、特開２００１−１９９７７５公報に示される液層接合を行った場合には、Ａｕとセラミックとの接合が効果的に起こらない。これはＰｔとＴｉの親和性がよいためにＡｕ中に溶融したＴｉが、Ｐｔ層に引き寄せられる結果、界面でＴｉＮ反応層を形成すべきＴｉが不足してＴｉＮ層の形成が不十分となり、Ａｕろうとセラミックとの接合力が低下するものと理解される。
【００１３】
更に、本発明者らの先願（特願２０００−２２７２９１）の手法に沿って、Ｔｉを活性材として使用したＡｕプレコ−ト層に対してＰｔコーティング材を固相接合した場合においても、一定温度以上の使用においてはＡｕろう中の微量ＴｉがＰｔ側に引き寄せられてセラミックとＡｕろう材層との接合強度が低下するほか、これら原子の移動の際にＰｔ被覆材の接合界面近傍で生ずるカーケンダールボイドにより接合強度が低下してしまうので使用が困難である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術の有する問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、Ａｕろう材（プレコート層）へのＮｉの拡散を抑止するバリア層を設けてセラミックス基材と金属部材とを固相接合することにより、Ａｕの硬度上昇を効果的に抑え、高温域での使用を可能にした異種材料の接合体及びその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の異種材料の接合体は、セラミックス基材と金属部材とをろう材を介して固相接合してなる異種材料の接合体において、前記セラミックス基材の表面にペーストを用いて又は気相法によってメタライズ層を形成し、該メタライズ層上にＡｕからなるろう材を配置した後、該Ａｕろう材を加熱溶融させるか又は溶融させること無く加圧及び加熱して固相接合することでプレコート層を形成し、該プレコート層の表面にバリア層を介して前記金属部材を配置するとともに前記バリア層と前記金属部材の間にＡｕからなるろう材を配置し、前記メタライズ層と前記バリア層、及び前記バリア層と前記金属部材をそれぞれの間に配置したＡｕからなるろう材と加圧及び加熱することにより同時に固相接合してなることを特徴とする。
【００１６】
また、上記目的を達成する本発明の他の異種材料の接合体は、セラミックス基材と金属部材とをろう材を介して固相接合してなる異種材料の接合体において、前記セラミックス基材の表面に、活性金属を配置し又はメタライズ層を配置して、該活性金属又はメタライズ層上にＡｕからなる前記ろう材を配置し、前記活性金属又はメタライズ層及び前記ろう材を加熱してプレコート層を形成し、該プレコート層にＣｒ又はＣｒを主成分とする合金からなる前記金属部材を配置し、前記プレコート層と前記金属部材とを加圧及び加熱することにより固相接合してなることを特徴とする。
【００１７】
上記目的を達成する本発明の異種材料の接合体の製造方法は、セラミックス基材と金属部材とをろう材を介して固相接合してなる異種材料の接合体の製造方法において、前記セラミックス基材の表面に、活性金属を配置し又はメタライズ層を配置して、該活性金属又はメタライズ層上にＡｕからなる前記ろう材を配置し、前記活性金属又はメタライズ層及び前記ろう材を加熱してプレコート層を形成し、該プレコート層の表面にバリア層を介して前記金属部材を配置し、前記プレコート層と前記金属部材とを加圧及び加熱することにより固相接合することを特徴とする。
【００１８】
更に、上記目的を達成する本発明の他の異種材料の接合体の製造方法は、セラミックス基材と金属部材とをろう材を介して固相接合してなる異種材料の接合体の製造方法において、前記セラミックス基材の表面に、活性金属を配置し又はメタライズ層を配置して、該活性金属又はメタライズ層上にＡｕからなる前記ろう材を配置し、前記活性金属又はメタライズ層及び前記ろう材を加熱してプレコート層を形成し、該プレコート層にＣｒ又はＣｒを主成分とする合金からなる前記金属部材を配置し、前記プレコート層と前記金属部材とを加圧及び加熱することにより固相接合することを特徴とする。
【００１９】
このように、本発明の異種材料の接合体の製造方法によれば、異種材料であるセラミックス基材と金属部材とを、Ａｕからなるろう材（プレコート層）及びバリア層を介して固相接合するか、また金属部材をＣｒ又はＣｒを主成分とする合金としてＡｕからなるろう材を介してセラミックス基材と固相接合したため、高温条件で使用しても、該バリア層によりＮｉ等Ａｕろう材に固溶した際の硬化が激しい金属材料のろう材側への拡散を防止し、Ａｕからなるろう材の耐力上昇を抑制することにより、高温条件においても接合強度が低下し難い接合体が得られる。そして、本発明の異種材料の接合体は、上記本発明の製造方法によって得られた異種材料の接合体である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜、設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００２１】
図１は、本発明の異種材料の接合体の製造方法の第一の実施の形態を示す模式図であり、（ａ）は第一工程、（ｂ）は第二工程を示す。
【００２２】
第一工程においては、セラミックス基材１の表面を覆うように活性金属箔４と、Ａｕからなるろう材（以下、「Ａｕろう材」という。）５を配置し、加熱によりプレコート層６を形成する。続く第二工程においては、プレコート層６の上にＣｒ板からなるバリア層８を配置し、その上にＡｕろう材９を、更にその上に金属部材７を配置して、加圧及び加熱することによりＡｕプレコート層６、Ａｕろう材９を溶融させること無く固相接合する。そして、本発明の異種材料の接合体は、上述した本発明の製造方法により得られた異種材料の接合体である。
【００２３】
プレコート層形成にあたっては、スパッタリングにより活性金属の膜が配置した上にＡｕろう材を配置して加熱溶融してもよく、又は活性金属とＡｕを含むペーストをセラミックス基材上に塗布して加熱溶融してもよい。
【００２４】
また、メタライズ処理されたセラミックス基材にＡｕのプレコート層を形成してもよい。メタライズ処理は、ペーストによりあるいは蒸気により、メタライズ層を形成すればよく、当該メタライズ層を形成する金属が、Ｗ等Ａｕに固溶しＡｕプレコート層を固溶硬化させる恐れが少ない金属である場合にはＡｕろう材を溶融させてプレコート層を形成すればよいし、固溶硬化の恐れがある場合にはＡｕを溶融させること無く固相接合すればよい。メタライズ層を形成する金属としてはＷ以外には、Ｍｏ、Ｍｏ−Ｍｎ、Ｗ−ＭｎあるいはこれらにＳｉＯ2、ＴｉＯ2等の添加物を加えたものが挙げられる。固相接合させる場合には前記第二工程において、当該メタライズ層とＡｕろう材間、並びにＡｕろう材とバリア層たるＣｒ間、バリア層とＡｕろう材間、Ａｕろう材と金属部材を一括で固相接合してもよい。
【００２５】
このように、本発明の異種材料の接合体の製造方法によれば、異種材料であるセラミックス基材と金属部材とを、Ａｕろう材からなるプレコート層及びＣｒからなるバリア層を介して固相接合したため、高温条件で使用しても、該バリア層によりろう材側への金属部材成分の拡散を防止し、Ａｕからなるろう材の耐力上昇を抑制することにより、高温条件においても接合強度が低下し難い接合体が得られる。また、本発明の異種材料の接合体は、上記本発明の製造方法によって得られた異種材料の接合体である。
【００２６】
第一工程において用いるＡｕろう材５及び第二工程において用いるＡｕろう材９として使用するＡｕは、低耐力特性を有する軟質金属であり、熱衝撃により発生する熱応力を塑性変形により緩和するといった特徴を有するろう材となり得るものである。従って、Ａｕろう材を使用する本発明の製造方法により異種材料を接合して得られた本発明の接合体は、熱衝撃にも強く、熱サイクル特性も向上し、接合強度及び気密性を良好に保持することができる。また、Ａｕろう材の使用量は、接合部の形状等によっても異なるが、配置した活性金属箔（Ａｕろう５の場合）やＣｒ板からなるバリア層（Ａｕろう９の場合）を覆うことができればよく、加熱により溶融させ得る範囲内において任意にその使用量を調整すればよい。また、接合時の残留応力を低減させるために、プレコート層としたときの厚さを２０μｍ以上とすることが好ましい。また、Ａｕが高価なろう材であることを考慮すると、２ｍｍ以上とすることは材料費用の観点で必ずしも好ましいことではないであろう。そしてセラミックス部位が曲げ強度が３００〜４００ＭＰａ程度である窒化アルミ二ウムである場合には、接合時の不具合や熱サイクルを与えた際の不具合を効率的に回避する上で、Ａｕプレコート層のビッカース硬度がＨｖ0.1８０より小さいことが好ましい。
【００２７】
また、活性金属箔４はセラミックス基材１に対して活性であり、セラミックス基材１とＡｕろう材５の界面において、Ａｕろう材５に一旦固溶した後、セラミックス基材と窒化物等反応生成物層を形成する。そのため、セラミックス基材１に対するＡｕろう材５の濡れ性が改善され、良好な気密性を有するプレコート層６が形成される。また、活性金属箔４の材質はＴｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、及びＺｒからなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。活性金属箔４をこれらのような材質にしたため、活性金属箔を構成する金属元素がＡｕろう材との界面でほとんど消費し尽くされ、Ａｕろう材５中に残留しないので、Ａｕろう材５の耐力を低く維持してその塑性変形による緩衝効果で被接合材の熱応力が低減され、気密性に信頼のあるプレコート層を形成することができるために、長期信頼性を有する複合部材を提供することができる。活性金属の形態は、上述のような箔状が好ましいが、ペースト状物から形成された膜状物であってもよいし、スパッタリングによりセラミックス基材上に形成された膜状物であってもよい。
【００２８】
更に、セラミックス基材の材質は、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル及び炭化珪素からなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。セラミックス基材は、活性金属箔との加熱加工によって反応を生ずるものであればよく、前記各種の材質を用いることができる。尚、上記材質がそれぞれ単独でセラミックス基材を構成することに限られるものではなく、上記材質を組み合わせてセラミックス基材を構成してもよい。従って、これらの材質を単独、又は、組み合わせてなるセラミックス基材を適宜選択することにより、用途に応じた耐熱性や硬度等を有する接合体、及びこれらを組み込んだ機器類を提供することが可能である。
【００２９】
ここで、上述のセラミックス基材及び活性金属箔について、セラミックス基材の原材料として窒化アルミニウム（以下、「ＡｌＮ」という）を用い、活性金属箔としてＴｉを用いた場合においては、加熱することによりＡｌＮとろう材の界面においてＴｉＮの薄膜層が形成される。このとき、ＴｉはＡｌＮとの反応によって全て消費されることとなり、従ってＴｉがろう材に固溶することがなく、ろう材の低耐力特性が維持されたプレコート層が形成されるといった効果を示す。この場合、Ａｕろう材に対するＴｉの使用量は０．０３〜１０質量％が好ましく、０．１〜２質量％が更に好ましい。０．０３質量％より少ない場合には接合不具合が発生する可能性があり、また、１０質量％超の場合では、ろう材中にＴｉが残留することで、ろう材の耐力上昇によるＡｌＮにクラックが発生し得るからである。
【００３０】
第二工程において、加圧及び加熱することにより固相接合するため、金属部材の成分が接合層に固溶することを抑止することが可能である。従って、固相接合の際の加熱温度はＡｕろう材の融点よりも低い温度で行われることが好ましく、具体的には、７５０〜１０００℃が好ましく、８００〜９５０℃が更に好ましい。
【００３１】
図１（ｂ）に示す、プレコート層６の上に配置するバリア層８を構成する金属は、Ｃｒが好ましい。Ｃｒを使用することにより、金属部材７中の成分、特にＮｉのＡｕろう材への拡散を抑制し、Ａｕろう材の耐力値が上昇するのを抑制している。これにより、Ａｕの有する、低耐力特性を有する軟質金属であり、熱衝撃により発生する熱応力を塑性変形により緩和するといった特徴を保持することができる。そして、Ｃｒを使用すると、Ａｕろう材と固溶しても硬くなり難いためバリア層自体がＡｕろう材の特性を低下させることもない。また、活性金属としてＴｉを使用しても、ＣｒとＴｉとの親和性が低いため、Ｐｔを使用した場合のようにＴｉがＣｒ（バリア層）に引き寄せられることは無く、接合部の強度も低下しない。
【００３２】
バリア層８は、図１（ｂ）のように板状であってもよいが、図１（ｃ）のように、金属部材７にめっきを施すことにより配置することもできる。Ｃｒめっきは、ＪＩＳ  Ｈ８６１５「工業用Ｃｒめっき」に規定される、普通Ｃｒめっき、二重Ｃｒめっきが好適に利用できるがポーラスＣｒめっき、クラックＣｒめっきであってもよい。
【００３３】
金属部材の材質はＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ及びＦｅからなる群より選択される少なくとも１種であるか、又は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ及びＦｅからなる群より選択される少なくともいずれか１種を主な構成要素とする合金であることが好ましい。特にＮｉあるいはＮｉをベースとする合金は耐酸化性能が優れており被覆をすること無く高温の大気中での長期間の使用が可能である。尚、ここでいうＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ及びＦｅからなる群より選択される少なくとも１種を主な構成要素とする合金とは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ及びＦｅのいずれかの金属元素の物理的特性が顕著に表れる含有率であることを意味し、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ及びＦｅのそれぞれの含有率の合計が５０質量％以上の合金を意味する。例えば、インコネル６００、インコネル６０１、ナイモニック９０、パイロマックス、インコロイ８００、インコロイ９０３、ハステロイ及びＫｏｖａｒ等が挙げられる。
【００３４】
これらの金属あるいは合金は、大気中、８００℃における耐酸化性試験においても酸化され難く、半導体製造において使用される半導体ウエハー設置用のヒーター機能を有するサセプターの給電用金属端子等の構成部品として使用するために必要な耐酸化性を有しているとともに、金属端子として使用するために必要な電気伝導性にも優れている。従って、前記高温ヒーター用の部材を構成することができ、更には、安価で入手し易い点からみても、これらの金属は好ましい。
【００３５】
更に、上述の金属部材は、図１に示すような形状に限定されるものではなく、円柱状、角柱状、尖塔状、リング状等、その他各種の形状を任意に採用することができる。
【００３６】
本発明の異種材料の接合体及びその製造方法においては、前述のセラミックス基材にＭｏ、Ｗ、又はＭｏとＷの合金からなる電気伝導体が、その電気伝導体の表面の一部がセラミックス基材の外部に露出した状態で埋設されていてもよい。図２は、それを例示するものであり、本発明の異種材料の接合体の製造方法の第二の実施の形態を示す模式図である。（ａ）は第一工程、（ｂ）は第二工程を示す。
【００３７】
セラミックス基材１には、Ｍｏメッシュ２とそれに導通するよう配置された電気伝導体（Ｍｏ）３が埋設されている。第一工程においては、セラミックス基材１と電気伝導体（Ｍｏ）３の表面を覆うように活性金属箔４とろう材５を配置し、加熱によりプレコート層６を形成する。続く第二工程においては、プレコート層６の上にＣｒ板からなるバリア層８を配置し、その上にＡｕろう材９を、更にその上に金属部材７を配置して、加圧及び加熱することにより固相接合する。そして、本発明の異種材料の接合体は、上述した本発明の第二の実施態様で示した異種材料の接合体の製造方法によっても得ることができる。
【００３８】
第一工程において用いる活性金属箔４はセラミックス基材１に対して活性であり、セラミックス基材１とＡｕろう材５、及び、電気伝導体（Ｍｏ）３とろう材５との界面において反応生成物層を形成する。従って、セラミックス基材１に対するＡｕろう材５の濡れ性が改善され、同時に気密性が確保されることから、セラミックス基材１に埋設された電気伝導体（Ｍｏ）３が外気に曝されることは無く、電気伝導体の酸化劣化が起こり難いといった利点を有する。このような、セラミックス基材に埋設された電気伝導体に接合する金属部材は、電気伝導体へ給電するための端子として構成することができ、該接合体を半導体製造用チャンバーに対して取り付けたときに、ろう材がチャンバー外の不活性又は酸化性を有する雰囲気に曝露されてもよい。
【００３９】
尚、本発明の異種材料の接合体は、熱による強度低下が少なく、熱サイクル特性や熱衝撃耐性に優れているため、半導体製造装置においてヒーター機能を有する半導体ウエハーを設置するためのサセプター、より具体的には、内蔵する金属電極や金属発熱体によって静電チャック機能やヒーター機能を発揮する機器に組み込まれる接合体として好適に採用することができる。また、本発明の異種材料の接合体は、図５に示すような、半導体ウエハーを設置するためのセラミックス製サセプターと、当該サセプターを半導体製造用チャンバーに対して取り付けるための耐蝕性金属製のリングとを接合した接合体とすることにより、接合部を図６や図７のような構造にしなくても、発生する熱応力を緩和することができる。このとき、ろう材は、チャンバー外の不活性又は酸化性を有する雰囲気とチャンバー外の雰囲気より圧力が低いチャンバー内の雰囲気に対して曝露されていてもよい。
【００４０】
本発明の異種材料の接合体の製造方法の他の実施形態は、まず、図３（ａ）に示すように、上述した図１（ａ）に示すプレコート層の形成方法と同様の方法で、セラミックス基材１上にプレコート層６を形成する。そして、図３（ｂ）に示す金属部材７を、図１（ｃ）に示すようにＣｒとし、プレコート層６の上に配置し、加圧及び加熱することにより固相接合する。また、セラミックス基材上に上記メタライズ層を形成し、該メタライズ層とＣｒからなる金属部材の間にＡｕろう材を配して、加圧及び加熱することにより固相接合してもよい。そして、本発明の他の異種材料の接合体は、上述した本発明の他の製造方法により得られた異種材料の接合体である。金属部材としてはＣｒの他にＣｒを主成分とする合金を使用することができる。
【００４１】
このように、金属部材をＣｒとすることにより、バリア層を使用すること無く、金属部材とセラミックス基材とをＡｕろう材を使用して固相接合しても、Ａｕろう材中への金属成分の拡散を防止することができる。使用される金属部材はＣｒを主成分とする合金であってもよいが、現時点で工業的に量産され販売されているものは無い様である。
【００４２】
【実施例】
次に本発明の実施例について説明するが、本発明が以下の実施例に限定されるものでないことはいうまでもない。
【００４３】
（実施例１〜８）
ＡｌＮからなるセラミックス基材（ＡｌＮ純度＞９９．９％の焼結体、曲げ強度３６０ＭＰａ）上にＴｉ箔５μｍと純Ａｕろう材１０００μｍを配置し、真空雰囲気下１１００℃−１０ｍｉｎの条件で加熱溶融させてＡｕプレコート層（厚さ８００μｍ）を形成した。プレコート層の硬度（ビッカース硬度（荷重１００ｇ）Ｈｖ0.1））を測定した結果、Ｈｖ0.1＝４５〜５５であった。また、これら接合層を設けた後に、これら接合層を研削除去してＡｌＮのクラック発生の有無を調べたところ、ＡｌＮにクラックは生じていなかった。
【００４４】
当該プレコート層の上に、厚さ２ｍｍ、直径６ｍｍの純Ｃｒ板、その上に厚さ２００μｍの純Ａｕ、そして、その上に直径５ｍｍ、長さ２０ｍｍのインコネル６０１（Ｆｅ−６１Ｎｉ−２３Ｃｒ−１．４Ａｌ）及びＮｉ端子を配置して、真空雰囲気下、８００℃−１ｈの温度条件で、荷重１０ＭＰａの加圧過熱処理を行って固相接合した（実施例１、５）。接合後でのプレコート層の硬度（ＡｌＮから５０μｍの位置で測定）はＨｖ0.1＝４５〜５５であり、変化していなかった。また、これら接合端子、接合層を研削除去してＡｌＮのクラック発生の有無を調べたところ、ＡｌＮにクラックは生じていなかった。
【００４５】
上記接合体を大気中、８００℃−１００時間、８５０℃−１００時間及び９００℃−１００時間の条件で保持した（実施例２〜４、６〜８）。プレコート層の硬度は、８００℃及び８５０℃で保持したものは、Ｈｖ0.1＝４５〜５５と変化はなかった。９００℃で保持したものは、いずれもＨｖ0.1＝５５〜６５と高くなっていたが、この変化は表４に示すように接合体としては特に問題となるものではない。接合層を研削除去してＡｌＮのクラック発生の有無を調べたところ、ＡｌＮにクラックは生じていなかった。上記実施例１〜８の接合体について下記引張り試験を行った。結果を表１に示す。
引張試験は、前記の金属端子φ５ｍｍ×２０ｍｍｔ＋ろう材層＝Ａｕ他φ５ｍｍ×０．５ｍｍｔ＋セラミックス基材＝ＡｌＮ２０ｍｍ×５ｍｍｔの接合体を引張速度：０．５ｍｍ／ｍｉｎで引張り測定した。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
（実施例９〜１３）
上記実施例１〜８と同様に、ＡｌＮからなるセラミックス基材上にプレコート層を形成し、該プレコート層上に、厚さ２０μｍのＣｒめっきを施した直径５ｍｍ、長さ２０ｍｍのコバール（Ｆｅ−２９Ｎｉ−１７Ｃｏ）端子又はＮｉ端子を配置し、８００℃−１ｈｒ、１０ＭＰａの条件で固相接合した（実施例９、１１）。
【００４８】
上記接合体を大気中、Ｎｉ端子を配置したものについては、７００℃−１００時間の条件で保持し（実施例１０）、コバール端子を配置したものについては、７００℃−１００時間及び８００℃−１００時間の条件で保持した（実施例１２、１３）。プレコート層の硬度は、いずれも、Ｈｖ0.1＝４５〜５５と変化はなかった。接合層を研削除去してＡｌＮのクラック発生の有無を調べたところ、ＡｌＮにクラックは生じていなかった。上記実施例９〜１３の接合体について上記引張り試験を行った。結果を表１に示す。
【００４９】
（比較例１〜３）
上記実施例１〜８と同様に、ＡｌＮからなるセラミックス基材上にプレコート層を形成し、該プレコート層上に直径５ｍｍ、長さ２０ｍｍのＮｉ端子を配置し、８００℃−１ｈｒ、１０ＭＰａの条件で固相接合した（比較例１）。
上記接合体を大気中、７００℃−１００時間又は８００℃−１００時間の条件で保持した（比較例２、３）。
【００５０】
接合後及び７００℃−１００時間の条件で保持したものについては、プレコート層の硬度は、いずれも、Ｈｖ0.1＝４５〜５５と変化はなく、また、接合層を研削除去してＡｌＮのクラック発生の有無を調べたところ、ＡｌＮにクラックは生じていなかった。それに対し、８００℃−１００時間の条件で保持したものについては、プレコート層の硬度は、Ｈｖ0.1＝１９０〜２４０と高くなっており、更に、接合層を研削除去してＡｌＮのクラック発生の有無を調べたところ、ＡｌＮにクラックが生じていた。
【００５１】
以上より、Ｎｉ端子とＡｌＮからなるセラミックス基材とをＣｒを介在させずにＡｕろうで接合すると、８００℃−１００時間の条件でＡｕろう材からなるプレコート層の硬度が大きく上昇し、ＡｌＮにクラックが生じるのに対し、Ｎｉとプレコート層との間にＣｒ板又はＣｒめっきを介在させて、Ｎｉ（インコネル、コバール）とＡｌＮとをＡｕろうで接合すると、８００℃以上の保持温度でもプレコート層の硬度の大きな上昇はなく、ＡｌＮにクラックが発生することもないことが分かった。上記比較例１〜３の接合体について上記引張り試験を行った。結果を表１に示す。
【００５２】
また、上記実施例５、６、８及び比較例１〜３の接合体について、プレコート層中への不純物（Ｃｒ又はＮｉ）の拡散状態とプレコート層の硬度変化を詳細に測定した。実施例５、６、８の接合体についてはＣｒからの距離が、また比較例１〜３についてはＮｉからの距離が２０、５０、１００、２００、３００、４００μｍの位置におけるＣｒ又はＮｉの各濃度（質量％（ＥＤＳ分析結果））と硬度（Ｈｖ0.1（ＪＩＳ  Ｚ２２４４に基づく））を測定した。そして、実施例５、６、８及び比較例１〜３において、ＡｌＮからの距離が２０、５０、１００μｍの位置について前記測定を行った。結果を表２、３に示す。
【００５３】
【表２】
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【００５４】
【表３】
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【００５５】
表２、３より、Ｎｉとプレコート層との間にＣｒを介在させると、Ｃｒ原子のＡｕ層への拡散速度がＮｉ原子にくらべて遅い上、拡散しても固溶硬化の効果が小さいためプレコート層の硬度上昇を効果的に抑止していることがわかる。
【００５６】
本例のようにセラミックス部位が曲げ強度が３００〜４００ＭＰａ程度である窒化アルミ二ウムである場合には、基材クラックを効率的に回避する上で、Ａｕろう材からなるプレコート層の硬度としては、表４より、Ｈｖ0.1８０より小さいことが好ましいことがわかる。
【００５７】
【表４】
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【００５８】
表４は、Ａｕろう材と活性金属Ｔｉにより金属材料とＡｌＮ（ＡｌＮ純度＞９９．９％の焼結体で、曲げ強度３６０ＭＰａ）を接合した接合体について、Ａｕろう材の硬度と対比させてＡｌＮのクラック発生状況を調査した結果である。調査に供されたサンプルは、Ａｕろう材に各種の元素が拡散して硬度が上昇し、それぞれの硬度となっているものを使用している。そのため、Ａｕろう材中に拡散した金属は必ずしも一定の組成ではない。ろう材の硬度は接合されているＡｌＮから約３０μｍ離れた位置で測定した。判定は、各種のサンプルの硬度とＡｌＮのクラック発生の有無を調査して、硬度毎に層別（Ｈｖ0.1５０〜５９、６０〜６９等）して判定した。各硬度範囲において１０点以上のサンプルを調査して、全点でＡｌＮにクラックが確認されないものを「クラック無し」と判定し、一部についてクラックが確認される場合は「一部クラックが確認」とし、全点でクラックが確認される場合は「必ずクラックが発生」と判定した。尚、クラックが確認されない範囲でも、Ａｕ硬度が低下するほど、接合部の残留応力が低くなり接合強度が高くなるため好ましい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の異種材料の接合体の製造方法によれば、異種材料であるセラミックス基材と金属部材とを、Ａｕからなるろう材（プレコート層）及びバリア層を介して固相接合するか、又は金属部材をＣｒ又はＣｒを主成分とする合金としてＡｕからなるろう材を介してセラミックス基材と固相接合したため、高温条件で使用しても、該バリア層によりＮｉ等Ａｕろう材に固溶した際の硬化が激しい金属材料のろう材側への拡散を防止し、Ａｕからなるろう材の耐力上昇を抑制することにより、高温条件においても接合強度が低下し難い接合体が得られる。そして、本発明の異種材料の接合体は、上記本発明の製造方法によって得られた異種材料の接合体である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の異種材料の接合体の製造方法の第一の実施の形態を示す模式図であり、（ａ）は第一工程、（ｂ）、（ｃ）は第二工程を示す。
【図２】  本発明の異種材料の接合体の製造方法の第二の実施の形態を示す模式図であり、（ａ）は第一工程、（ｂ）は第二工程を示す。
【図３】  本発明の異種材料の接合体の製造方法の他の実施の形態を示す模式図であり、（ａ）は第一工程、（ｂ）は第二工程を示す。
【図４】  半導体ウエハーを設置するためのサセプター（従来品）の、接合構造の一例を示す断面図である。
【図５】  半導体ウエハーを設置するためのサセプター（従来品）の、接合構造の他の例を示す断面図である。
【図６】  リングとサセプターとの接合形態（従来品）の一例を示す部分断面図である。
【図７】  リングとサセプターとの接合形態（従来品）の別の例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１…セラミックス基材、２…Ｍｏメッシュ、３…電気伝導体（Ｍｏ）、４…活性金属箔、５…Ａｕろう材、６…プレコート層、７…金属部材、８…バリア層、９…Ａｕろう材、１０…雰囲気保護体、１４…孔、１５…低熱膨張体、１６…電力供給用コネクター、１７…金属部材、２０…半導体収容容器、２１…チャンバー、２２…サセプター、２２ａ…ウエハー設置面、２２ｂ…サセプターの背面、２３…耐蝕性金属製リング、２４…ウエハー、２５…サセプターとリングとの設置面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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