(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス部材と他の部材との接合体を製造する方法であって、
銅を５０−９９重量％、アルミニウムを０．５−２０重量％およびチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウムおよびニオブからなる群より選ばれた一種以上の活性金属を０．５−５重量％含有するろう材を使用し、前記セラミックス部材と前記他の部材とをロウ付けすることによって、前記セラミックス部材、前記他の部材およびろう材層を備える接合体を得、前記ろう材層を酸化性雰囲気下で６００℃−９５８℃の温度に加熱し不働態化層を生成させることを特徴とする、接合体の製造方法。
【請求項２】
前記セラミックス部材が窒化アルミニウムからなり、前記他の部材がコバールからなることを特徴とする、請求項１記載の接合体の製造方法。
【請求項３】
セラミックス部材と他の部材との接合体であって、
前記セラミックス部材と前記他の部材とがろう材層を介して接合されており、前記ろう材層が、銅を５０−９９重量％、アルミニウムを０．５−２０重量％およびチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウムおよびニオブからなる群より選ばれた一種以上の活性金属を０．５−５重量％含有するろう材であって、酸化性雰囲気下で加熱処理することにより不働態化層が生成されたろう材からなることを特徴とする、接合体。
【請求項４】
セラミックス部材と他の部材との接合体であって、
前記セラミックス部材と前記他の部材とがろう材層を介して接合されており、前記ろう材層が、銅を５０−９９重量％、アルミニウムを０．５−２０重量％およびチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウムおよびニオブからなる群より選ばれた一種以上の活性金属を０．５−５重量％含有するろう材からなり、ろう材中のアルミニウムが前記ろう材層の表面側に拡散し、酸化することで前記ろう材層の表面側に不働態化層が生成していることを特徴とする、接合体。
【請求項５】
前記接合体が、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３又は４記載の接合体。
【請求項６】
前記ろう材層が、前記チャンバー外の不活性または酸化性を有する雰囲気と、前記チャンバー外の雰囲気よりも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ものであることを特徴とする、請求項５記載の接合体。
【請求項７】
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って、
前記接合体が、セラミックス部材、他の部材および前記セラミックス部材と前記他の部材とを接合するろう材層を備えており、このろう材層が、前記チャンバー外の酸化性雰囲気と、前記チャンバー外の前記酸化性雰囲気よりも圧力が低い前記チャンバー内雰囲気に対して曝露されるものであり、前記ろう材層が、銅を５０−９９重量％、アルミニウムを０．５−２０重量％およびチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウムおよびニオブからなる群より選ばれた一種以上の活性金属を０．５−５重量％含有し、ろう材によって形成されており、このろう材は、酸化性雰囲気下で加熱することにより生成された不働態化層を有することを特徴とする、接合体。
【請求項８】
前記セラミックス部材が窒化アルミニウムからなり、前記他の部材がコバールからなることを特徴とする、請求項３〜７のいずれか一つの請求項に記載の接合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス部材と他の部材との接合体、接合体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化アルミニウム焼結体からなる基材同士を直接接合する方法は知られている。例えば、特開平２−１２４７７８号公報においては、窒化アルミニウム基材を１８００℃〜１９００℃に加熱し、拡散接合により一体化している。特開平８−１３２８０号公報によれば、比較的強度の高い窒化アルミニウム焼結体の接合体が開示されている。
【０００３】
また、特に窒化物セラミックス部材を、他の窒化物セラミックス部材とロウ付けしたり、あるいは金属部材とロウ付けしたりする方法が知られている。例えば、特開平８−２７７１７１号公報においては、アルミニウム、銅またはニッケルを主成分とし、チタン等の活性金属を添加し、このろう材によって窒化アルミニウム部材同士を接合することによって、ＣｌＦ3 等のハロゲン系腐食性ガスに対して高い耐蝕性を有する接合体を得ている。このろう材は、ハロゲン系腐食性ガスによって腐食されにくく、しかも窒化アルミニウムの表面に濡れやすいものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、用途によっては問題が残されている。例えば、高温用途の半導体製造装置においては、セラミックス部材と金属部材とを接合する接合層が、５００℃以上の高温で、半導体用チャンバー内外の各雰囲気に対して曝露される。チャンバー外の雰囲気は、大気や不活性ガスであり、チャンバー内の雰囲気は、例えば中高真空であるが、この中にハロゲン系腐食性ガスやオゾンガスが供給される。
【０００５】
例えば、アルミニウム系ろうは、５００℃以上の高温領域では蒸気圧が高くなるために、使用が困難である。銀系ろう、例えば銀−銅−チタン系合金ろうの場合には、やはり５００℃以上といった高温領域では蒸気圧が高いために、高真空下では揮発し、かつ大気に接触すると酸化しやすいので、ろう材層の寿命が短い。
【０００６】
本発明の課題は、セラミックス部材と金属部材とを金属ろう材層によって接合し、接合体を得るのに際して、ろう材層を酸化性雰囲気、高真空雰囲気などに対して高温で曝露した場合にも、長期間にわたって接合状態を維持できるようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
セラミックス部材と他の部材との接合体を製造する方法であって、銅を５０−９９重量％、アルミニウムを０．５−２０重量％およびチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウムおよびニオブからなる群より選ばれた一種以上の活性金属を０．５−５重量％含有するろう材を使用し、前記セラミックス部材と前記他の部材とをロウ付けすることによって、前記セラミックス部材、前記他の部材およびろう材層を備える接合体を得、前記ろう材層を酸化性雰囲気下で６００℃−９５８℃の温度に加熱し不働態化層を生成させることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、セラミックス部材と他の部材との接合体であって、
前記セラミックス部材と前記他の部材とがろう材層を介して接合されており、前記ろう材層が、銅を５０−９９重量％、アルミニウムを０．５−２０重量％およびチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウムおよびニオブからなる群より選ばれた一種以上の活性金属を０．５−５重量％含有するろう材であって、酸化性雰囲気下で加熱処理するとにより不働態化層が生成されたろう材からなることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、セラミックス部材と他の部材との接合体であって、セラミックス部材と他の部材とがろう材層を介して接合されており、ろう材層が、銅を５０−９９重量％、アルミニウムを０．５−２０重量％およびチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウムおよびニオブからなる群より選ばれた一種以上の活性金属を０．５−５重量％含有するろう材からなり、ろう材中のアルミニウムがろう材層の表面側に拡散し、酸化することでろう材層の表面側に不働態化層が生成していることを特徴とする。
【００１０】
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って、
前記接合体が、セラミックス部材、他の部材および前記セラミックス部材と前記他の部材とを接合するろう材層を備えており、このろう材層が、前記チャンバー外の酸化性雰囲気と、前記チャンバー外の前記酸化性雰囲気よりも圧力が低い前記チャンバー内雰囲気に対して曝露されるものであり、前記ろう材層が、銅を５０−９９重量％、アルミニウムを０．５−２０重量％およびチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウムおよびニオブからなる群より選ばれた一種以上の活性金属を０．５−５重量％含有し、ろう材によって形成されており、このろう材は、酸化性雰囲気下で加熱することにより形成された不働態化層を有する。
【００１１】
本発明者は、前記した特定組成範囲の銅−アルミニウム−活性金属系のろう材を使用すると、セラミックス部材に対するろう材の濡れ性が良好になり、高温時のろう材層の揮発性が低くなることを見いだした。その上、このろう材層を高温の酸化性雰囲気に対して曝露すると、ろう材層の表面領域に、アルミニウムおよび酸素を主成分とする不働態化層が生成し、この結果、高温の酸化性雰囲気、オゾン雰囲気、ハロゲン系腐食性ガス雰囲気に対して、極めて高い耐蝕性が得られることを見いだした。
【００１２】
ろう材層の表面領域に前記のような不動体化層を生成させるためには、ろう材層を６００℃−９５８℃（望ましくは８００℃−９５８℃）の温度で、酸化性雰囲気、例えば大気に対して曝露する。
【００１３】
また、セラミックス部材を他の部材と接合して接合体を製造した後、この接合体を高温の酸化性雰囲気に対して曝露することなく、半導体製造用チャンバーに対して設置することができる。この場合にも、半導体製造用チャンバーの少なくとも外側雰囲気が大気等の酸化性雰囲気であり、かつ接合体が８００℃−９５８℃の温度にさらされる場合には、接合体を使用し始めると、早期にろう材層の表面領域に不動体化層が生成するので、本発明の効果を奏することができる。
【００１４】
セラミックス部材としては、ハロゲン系腐食性ガスに対して耐蝕性を有するセラミックスが好ましく、特に窒化アルミニウムまたは緻密質アルミナが好ましく、９５％以上の相対密度を有する窒化アルミニウム質セラミックス、アルミナに対して特に好適である。セラミックス部材の中には、種々の焼結助剤や着色剤などの添加剤を含有させ得る。また、セラミックス部材が、ホットプレス焼結またはホットアイソスタティックプレス焼結法による焼成品である場合にも、好適である。
【００１５】
他の部材は、前述のようなセラミックス部材か、あるいは、ハロゲン系腐食性ガスに対して耐蝕性を有する金属が好ましく、特にニッケル、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。
【００１６】
セラミックス部材中には、抵抗発熱体、静電チャック用電極、プラズマ発生用電極などの機能性部品を埋設することかできる。また、シャドーリング、高周波プラズマを発生させるためのチューブ、高周波プラズマを発生させるためのドームなどに対して本発明を適用できる。セラミックス部材に対して接合される他の部材としては、サセプターをチャンバーに取り付けるための耐蝕性金属製のリングが特に好適である。
【００１７】
例えば、図１に模式的に示すように、半導体収容容器１のチャンバー２中にサセプター６が収容されており、サセプター６のウエハー設置面６ａに半導体ウエハー７が設置されている。サセプター６の背面６ｂに対して耐蝕性金属製のリング３の本体の筒状部分３ａが接合されている。５はこの接合部分である。リング３にはフランジ部３ｂが設けられており、フランジ部３ｂがチャンバー２の内面に対して接合されている。２ａはチャンバー２の開口である。リング３とサセプター６との接合部分５は、チャンバー内雰囲気８と、チャンバー外雰囲気４とに対して曝露される。
【００１８】
ろう材中には、銅を５０−９９重量％含有させる必要がある。銅の割合が９９重量％を超えると、アルミニウム金属による接合効果および活性金属による接合性が発現しなくなる。アルミニウムの割合が０．５重量％未満であると、アルミニウムの酸化物保護膜が、ろう材層の表面を十分に被覆できなくなる。望ましくは、銅８０−９５重量％、アルミニウム１．０−１０重量％が良い。
【００１９】
ろう材中には、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウムおよびニオブからなる群より選ばれた活性金属を含有させる必要がある。この割合を０．５重量％以上（更に好ましくは１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。この割合を５重量％以下（更に好ましくは３重量％以下）とすることによって、酸化雰囲気やハロゲン系腐食性ガス雰囲気に対する耐蝕性が一層向上した。
【００２０】
上記の活性金属の中で、チタンが特に好ましい。
【００２１】
ろう材中には、第四成分として珪素またはホウ素を分を含有させることができる。こうした第四成分の作用は、融点の降下である。同じ温度でも、第四成分を添加することによって、ろう材の流動性が良くなる。第四成分の含有割合が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。第四成分の含有割合は、１〜１２重量％とするとさらに好ましい。
【００２２】
ろう材層における不動体化層の厚さは、０．１μｍ以上、更には１．０μｍ以上とすることが、耐酸化性の点から好ましい。また、１００μｍ以下、更には５０μｍ以下とすることが、接合強度の点から好ましい。
【００２３】
ろう材を加熱しながら酸化させる際の条件は、ろう材の固相線温度以下とするが、１０５８℃以下とすることが更に好ましい。また、８００℃以上とすることが好ましく、８５０℃以上とすることが一層好ましい。例えば８００℃では１時間以上酸化処理することが好ましく、８５０℃では０．２時間以上酸化処理することが好ましく、９００℃では０．２時間−５時間酸化処理することが好ましい。
【００２４】
【実施例】
以下、具体的な実施例について説明する。
図１に示すような円盤状のセラミックスサセプターとリングとを、本発明の方法に従って接合した。ただし、サセプターの材質は、純度９９．９％、密度３．２６ｇ／ｃｍ３の窒化アルミニウム焼結体とし、サセプターの寸法は、直径φ２０８ｍｍ×厚さ１０ｍｍとした。また、リングの材質はコバール合金とし、リングの外径は２００ｍｍとし、内径は１９８ｍｍとし、高さは２０ｍｍとした。
【００２５】
サセプターの背面とリングの末端面とを対向させ、これらの間にろう材を介在させた。ろう材の組成は、銅：９２．７５量％、アルミニウム：２重量％、チタン：２．２５量％、珪素：３重量％とした。この組み立て体を１０５０℃で１０分間保持し、サセプターとリングとをロウ付けし、接合体を得た。
【００２６】
このロウ付け直後の接合体の接合部分にあるろう材層の断面を研磨し、研磨面を走査型電子顕微鏡写真によって観測した。図２は、このろう材層の写真を示す。ロウ付け直後のろう材層は、灰色のマトリックス（連続相）と、マトリックスの間にある粒状の黒色の分散相とに分かれていた。これらの各相における組成を、ＥＤＳによって測定し、表１に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
次いで、この接合体を、大気中で、表２に示す各温度、各時間、酸化処理した。得られた接合体について、外観を目視観察した。また、接合部分の断面を研磨し、研磨面を走査型電子顕微鏡によって観察し、表面にある膜の厚さを測定した。これらの測定結果を表２に示す。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
以上述べたように、酸化処理温度時の温度を８００℃−９００℃とし、酸化処理時間を制御することで、例えば０．１μｍ−３．０μｍの厚さを有する不動体化層を、ろう材層の表面に形成できることがわかった。そしてこの不動体化層は、ろう材層の表面の変色として目視で観測できた。８００℃で０．２時間熱処理した場合には、酸化層は明瞭には観測できなかった。９００℃で２０時間熱処理した場合には、ろう材層の表面が腐食し、無数の凹凸が生成した。１０００℃で０．２時間熱処理した場合には、ろう材が半溶解した。
【００３１】
図３には、８００℃で１００時間、酸化処理した例（実験番号４）について、その断面の走査型電子顕微鏡写真を示す。この断面写真から見て、ロウ付け直後のろう材層に、変質が進行していることがわかる。即ち、ろう材層の表面側には不動体化層が明らかに生成している。これとともに、酸化層の内側は、マトリックス（連続相）と分散相とからなっているが、マトリックスは白色になり、分散相は灰色になっていた。表３に、各相における組成の測定結果を示す。
【００３２】
【表３】
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【００３３】
マトリックス、分散相からはアルミニウムが消失し、ろう材層の表面側に拡散し、不動体化層を生成していることが分かる。
【００３４】
（高温の真空下における耐久試験）
実験番号４、７の各試料を、５００℃、１×１０-9トールの雰囲気下に１００時間保持した。その後、図１のサセプターとリングとの接合部５のシール性を、ヘリウムリーク測定装置で評価したところ、耐久試験前後ともに，ヘリウムリーク量は、１×１０-8Ｔｏｒｒ・ｌ／ｓ未満であり、耐久試験後にもシール性の悪化は認められなかった。
【００３５】
（高温の酸化性雰囲気における耐久試験）
実験番号４、７の各試料を、大気下で、７００℃で１００時間保持した。その後、図１のサセプターとリングとの接合部５のシール性を、ヘリウムリーク測定装置で評価したところ、耐久試験前後ともに、ヘリウムリーク量は、１×１０-8Ｔｏｒｒ・ｌ／ｓ未満であり、耐久試験後にもシール性の悪化は認められなかった。
【００３６】
（比較例）
前述のロウ付け工程において、銀６３  重量％、銅３５．２５重量％、チタン１．７５重量％のろう材を使用した。ロウ付け時の温度は８５０℃とし、このロウ付け温度での保持時間は１０分間とし、比較例の接合体を得た。
【００３７】
この接合体を、前述の高温の真空下における耐久試験、高温の酸化性雰囲気における耐久試験に供したところ、いずれも、耐久試験前にはヘリウムリーク量が１×１０-8Ｔｏｒｒ・ｌ／ｓ未満であったが、耐久試験後には、１×１０-7Ｔｏｒｒ・ｌ／ｓを超えており、シール性の劣化が認められた。シール性が劣化した原因としては、真空試験の場合には銀の揮発が影響し、酸化試験の場合には、保護膜がないために、ろう材層の酸化が進行したためと考えられる。
【００３８】
（接合部分の好適形態）
図４−図１０は、いずれも、本発明の接合体を適用するのに好適な各接合形態を例示するものである。
【００３９】
図４の接合形態においては、リング３の末端面１０がサセプター６の背面６ｂに対して接合されている。図４−図１０において、リングは好ましくはコバールからなり、サセプターは好ましくは窒化アルミニウムからなる。ここで、ろう材層１１の幅ｌをリング３の厚さｔで割った値（ｌ／ｔ）は、１．５以上、２０以下とすることが好ましく、２以上、１０以下とすることが一層好ましく、これによって接合部５に発生する熱応力を緩和しやすい。
【００４０】
図５の接合形態におけるように、リング３Ａの厚さｔを０．８ｍｍ以下とすることによっても、接合部５に発生する熱応力を一層緩和できる。ただし、リングの厚さは、通常１．０ｍｍ以上である。
【００４１】
また、図６−図９に示すように、ろう材層が設けられるリングの表面および／またはサセプターの表面に、Ｃ面あるいはＲ面を設けることによって、ろう材層のフィレット形状を制御でき、これによって接合部の残留応力が小さくなる。
【００４２】
例えば、図６に示すように、リング３Ｂの末端面１０側に、Ｃ面１２を設けることができる。また、図７に示すように、サセプター６の外周縁面側にＣ面１３を設けることによって、ろう材層１１の厚さがゆるやかに傾斜し、残留応力が小さくなる。
【００４３】
また、図８に示すように、サセプター６の内周面側に平面的に見て円形の凹部１５を設け、凹部１５の周縁にＣ面１６を設けることができる。そして、Ｃ面１６にろう材層１１の一部分を位置させる。また、図９に示すように、サセプター６に、外周面側のＣ面１３と、凹部１５および内周面側のＣ面１６とを同時に設けることができる。むろん、図７、図８、図９の各形態において、リング３側にもＣ面やＲ面を設けることができる。
【００４４】
また、リングとサセプターとの接合部分において、リングおよび／またはサセプターに凹凸を設けることができる。例えば、図１０においては、リング３Ｃのサセプター背面との接合部分に、好ましくはリング３Ｃの全周にわたって、凹凸が設けられている。１７は凹部であり、１８は凸部であり、凹部１７と凸部１８とは交互に繰り返されている。これに応じて、ろう材層１１には、肉厚部分１７と肉薄部分１８とが交互に繰り返されている。こうした構造を採用することによって、ロウ付け時に、真空度を上昇させやすく、このためにろう材による濡れの不良が生じにくい。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、セラミックス部材と金属部材とを金属ろう材層によって接合し、接合体を得るのに際して、ろう材層を酸化性雰囲気、高真空雰囲気に対して高温で曝露した場合にも、長期間にわたって接合状態を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体収容容器１のチャンバー２に対して、サセプター６とリング３との接合体を取り付けた状態を模式的に示す断面図である。
【図２】ロウ付け直後の接合体の接合部分にあるろう材層の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】図２の接合体を、８００℃で１００時間、大気下で処理した後のろう材層の走査型電子顕微鏡写真を示す。
【図４】リング３とサセプター６との好適な接合形態を示す部分断面図である。
【図５】リング３Ａとサセプター６との好適な接合形態を示す部分断面図である。
【図６】リング３Ｂとサセプター６との好適な接合形態を示す部分断面図であり、リング３ＢにＣ面１２が設けられている。
【図７】リング３とサセプター６との好適な接合形態を示す部分断面図であり、サセプター６の外周縁部側にＣ面１３が設けられている。
【図８】リング３とサセプター６との好適な接合形態を示す部分断面図であり、サセプター６の内周縁部側に凹部１５とＣ面１６とが設けられている。
【図９】リング３とサセプター６との好適な接合形態を示す部分断面図であり、サセプター６の外周縁部側にＣ面１３が設けられており、サセプター６の内周縁部側に凹部１５とＣ面１６とが設けられている。
【図１０】リング３Ｃとサセプター６との好適な接合形態を示す部分断面図であり、リング３Ｃのサセプターとの接合部分に凹凸が設けられている。
【符号の説明】
１  半導体収容容器      ２  チャンバー      ３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ  耐蝕性金属製のリング      ４  チャンバー外の雰囲気      ６ａ  ウエハー設置面      ５  サセプターとリングとの接合部分      ６  サセプター８  チャンバー内の雰囲気      １１  ろう材層      １２、１３、１６Ｃ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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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