(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス部材と金属接合部材とが接合層を介して接合されている耐酸化性のセラミックスの接合構造において、少なくともモリブデンを含む金属からなる埋設部材が前記セラミックス部材に埋設されており、前記セラミックス部材の前記接合層と接触する接合面に前記埋設部材の一部が露出して金属露出部を形成しており、この接合面に沿って前記セラミックス部材と前記金属露出部とがそれぞれ前記接合層を介して前記金属接合部材へと接合されており、前記接合層の主成分が金、白金およびパラジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属であることを特徴とする、セラミックスの接合構造。
【請求項２】
前記接合層中に、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブおよびマグネシウムからなる群より選ばれた一種以上の活性金属が含有されていることを特徴とする、請求項１記載のセラミックスの接合構造。
【請求項３】
前記セラミックス部材中に前記埋設部材としてモリブデンまたはモリブデン合金製の端子が埋設されており、前記接合面に前記端子の金属露出部が露出しており、前記端子の前記金属露出部および前記セラミックス部材の表面に対して前記接合層を介して前記金属接合部材が接合されていることを特徴とする、請求項１または２記載のセラミックスの接合構造。
【請求項４】
前記セラミックス部材に孔が設けられており、この孔に前記金属露出部が露出しており、前記孔内に筒状雰囲気保護体が挿入されており、この筒状雰囲気保護体の内側に電力供給部材と応力緩和用の低熱膨張導体とが挿入されており、前記筒状雰囲気保護体と前記電力供給部材とが接合されており、前記低熱膨張導体および前記筒状雰囲気保護体が前記埋設部材の前記金属露出部に対して接合されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載のセラミックスの接合構造。
【請求項５】
前記埋設部材がモリブデンまたはモリブデン合金製の端子であり、この端子が前記低熱膨張導体に対して電気的に接続されており、前記セラミックス部材中に金属電極が埋設されており、この金属電極に対して前記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４記載のセラミックスの接合構造。
【請求項６】
請求項１記載のセラミックスの接合構造を製造する方法であって、前記セラミックス部材の前記接合面に前記埋設部材の一部を露出させて前記金属露出部を形成し、この接合面と前記金属接合部材との間に前記接合層の材料を介在させ、非酸化性条件下で加熱することによって、前記セラミックス部材と前記金属露出部とをそれぞれ前記金属接合部材に対して接合させることを特徴とする、セラミックスの接合構造の製造方法。
【請求項７】
前記接合面と前記金属接合部材との間に、前記接合層の材料として、前記接合面の方から順に、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブおよびマグネシウムからなる群より選ばれた一種以上の活性金属材料と、金、白金およびパラジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属を主成分とするろう材とを配置することを特徴とする、請求項６記載のセラミックスの接合構造の製造方法。
【請求項８】
前記活性金属材料の表面に、金、白金およびパラジ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が形成されていることを特徴とする、請求項７記載のセラミックスの接合構造の製造方法。
【請求項９】
前記接合面と前記金属接合部材との間に、前記接合層の材料として、金、白金およびパラジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブおよびマグネシウムからなる群より選ばれた一種以上の活性金属との合金からなるろう材を配置することを特徴とする、請求項６記載のセラミックスの接合構造の製造方法。
【請求項１０】
前記接合層の材料中にニッケルが含有されていることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一つの請求項に記載のセラミックスの接合構造の製造方法。
【請求項１１】
前記埋設部材がモリブデンまたはモリブデン合金からなることを特徴とする、請求項６記載のセラミックスの接合構造の製造方法。
【請求項１２】
前記埋設部材の表面を、予め金、白金およびパラジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属を主成分とするコーティング材でコートした後、前記金属接合部材と接合することを特徴とする、請求項１１記載のセラミックスの接合構造の製造方法。
【請求項１３】
前記コーティング材を熱処理により溶解させてコーティングすることを特徴とする、請求項１２記載のセラミックスの接合構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、セラミックスの接合構造およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体ウエハーの搬送、露光、ＣＶＤ、スパッタリング等の成膜プロセス、微細加工、洗浄、エッチング、ダイシング等の工程において、半導体ウエハーを吸着し、保持するために、静電チャックが使用されている。こうした静電チャックの基材として、緻密質セラミックスが注目されている。特に半導体製造装置においては、エッチングガスやクリーニングガスとして、ＣｌＦ3 等のハロゲン系腐食性ガスを多用する。また、半導体ウエハーを保持しつつ、急速に加熱し、冷却させるためには、静電チャックの基材が高い熱伝導性を備えていることが望まれる。また、急激な温度変化によって破壊しないような耐熱衝撃性を備えていることが望まれる。緻密な窒化アルミニウムおよびアルミナは、前記のようなハロゲン系腐食性ガスに対して高い耐食性を備えている。
【０００３】
また、半導体製造装置の分野において、プラズマを発生させるための高周波電極を内蔵したサセプターが実用化されているが、こうした高周波電力発生装置の分野においても、窒化アルミニウムや緻密質アルミナの基材中に金属電極を埋設している。更に、半導体製造装置の分野において、各プロセス中、ウエハーの温度を制御するために、窒化アルミニウムやアルミナ基材中に金属抵抗体を埋設したセラミックスヒーターも実用化されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの各装置においては、窒化アルミニウム等のセラミックス基材中に金属電極を埋設し、外部の電力供給用コネクターに対して金属電極を電気的に接続する必要がある。しかし、こうした接続部分は、酸化性雰囲気下、更には腐食性ガス雰囲気下で、非常な高温と低温との熱サイクルにさらされる。このような悪条件下においても、長期間高い接合強度と良好な電気的接続とを保持することが望まれている。
【０００５】
本発明者は、このような接続構造について研究を続けてきた。例えば、特願平８−２４８３５号明細書においては、電力供給用コネクターの先端部分とサセプター中の金属電極とを、耐食性の高いＡｌ合金ろう、Ｃｕ合金ろう、Ｎｉ合金ろうによって接合することを開示した。また、特開平８−２７７１７３号公報においては、メッシュ状ないしは網状の金属電極をＡｌＮセラミックス内に埋設させ、メッシュの一部を露出させ、メッシュの露出部分とＡｌＮセラミックスとの双方を電力供給用コネクターの先端面にろう付けすることを提案した。これらの技術においては、ハロゲン系腐食性ガスおよびそのプラズマに対して高い耐食性を有するろう付け方法を提案している。
【０００６】
また、本発明者は、特願平９−１２７６９号明細書で、コネクターと金属電極との接続構造において、酸化性雰囲気下で、高温や熱サイクルにさらされても、高い接合強度と良好な導通性能を保持するような特定の接合構造を提案した。
【０００７】
これらの技術は、いずれも有効なものであったが、本発明者が更に検討を進める過程で、特殊なケースでは新たに次の問題点があることが判明してきた。即ち、セラミックスヒーターの中にモリブデンの抵抗発熱体と端子とを埋設し、この端子を活性銀ろうで外部の電力供給コネクターへとろう付けしたとき、例えば７００℃の高温で長時間運転していると、モリブデンの端子に腐食が見られ、はなはだしい場合には断線したり、あるいは低融点化合物がヒーターの表面に浸出し、絶縁不良を生ずることがあった。また、直流、交流電圧下で銀がマイグレーションを起こし、ヒーター表面に移動して、絶縁不良を生ずることもわかった。
【０００８】
本発明の課題は、モリブデンを含む金属からなる埋設部材がセラミックス部材に埋設されており、セラミックス部材中の埋設部材と金属接合部材とを接合する接合構造において、高温領域で長時間運転しながら空気等の酸化性雰囲気にさらされても、埋設部材の浸食や、セラミックス部材の表面への低融点化合物の浸出による絶縁不良および金属のマイグレーションによる絶縁不良などが生じないようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セラミックス部材と金属接合部材とが接合層を介して接合されている耐酸化性のセラミックスの接合構造において、少なくともモリブデンを含む金属からなる埋設部材がセラミックス部材に埋設されており、セラミックス部材の接合層と接触する接合面に金属部材の一部が露出して金属露出部を形成しており、この接合面に沿ってセラミックス部材と金属露出部とがそれぞれ接合層を介して金属接合部材へと接合されており、接合層の主成分が金、白金およびパラジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属であることを特徴とする、セラミックスの接合構造に係るものである。
【００１０】
また、本発明は、前記のセラミックスの接合構造を製造する方法であって、セラミックス部材の接合面に埋設部材の一部を露出させて金属露出部を形成し、この接合面と金属接合部材との間に接合層の材料を介在させ、加熱することによって、セラミックス部材と金属露出部とをそれぞれ金属接合部材に対して接合させることを特徴とする。
【００１１】
本発明者は、モリブデン端子の腐食等の原因を調査していたが、その過程で、ろう付け部分から僅かにリークした大気等の酸化性雰囲気が、高温領域では、モリブデン端子に接触してモリブデンを酸化し、三酸化モリブデンを生成し、この三酸化モリブデンが銀と反応して低融点の複合酸化物ＡｇＭｏＯ4 を生成することを見いだした。この低融点化合物がモリブデンなどを更に腐食させて抵抗値の上昇を、更にはなはだしくは断線のおそれを招き、あるいは低融点化合物がセラミックス部材の表面に浸出して絶縁不良を招きかねないことを見いだした。
【００１２】
そして、本発明によれば、セラミックス部材の接合層と接触する接合面に埋設部材の一部を露出させて金属露出部を形成し、この接合面に沿ってセラミックス部材と金属露出部とをそれぞれ接合層を介して金属接合部材へと接合し、かつ、接合層の主成分を、三酸化モリブデンと低融点反応相を生成しない金、白金およびパラジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属とすることを想到した。これによって、セラミックス部材およびその内部の埋設部材が外部の金属接合部材に対して強固に接合され、この接合部分を高温の酸化性雰囲気に対して長時間さらしても、接合強度、絶縁抵抗の低下を防止することができた。また、上記のように、接合層の主成分を金、白金およびパラジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属とすることにより、直流または交流電圧下でもマイグレーションが起こらないことを発見した。
【００１３】
【発明の実施形態】
本発明においては、セラミックス部材としては、セラミックス基材中に抵抗発熱体を埋設したヒーター、セラミックス基材中に静電チャック用電極を埋設した静電チャック、セラミックス基材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、セラミックス基材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、セラミックス基材中にプラズマ発生用電極および抵抗発熱体を埋設した高周波発生用電極装置等を例示できる。これらのセラミックス部材においては、セラミックス部材内部の電極に対して電力を供給するための電力供給部材が必要である。
【００１４】
埋設部材として金属電極を使用した場合には、金属電極を面状の金属バルク材とすることが好ましい。ここで、「面状の金属バルク材」とは、例えば、線体あるいは板体を、らせん状、蛇行状に配置することなく、一体の面状のバルクとして成形したものをいう。
【００１５】
通常、金属電極は、アルミナ粉末や窒化アルミニウム粉末等のセラミックス粉末と同時に焼成するので、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は、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。
【００１６】
こうした面状のバルク材としては、次を例示できる。
（１）薄板からなる、面状のバルク材。
（２）面状の電極の中に多数の小空間が形成されているバルク材。これには、多数の小孔を有する板状体からなるバルク材や、網状のバルク材を含む。多数の小孔を有する板状体としては、パンチングメタルを例示できる。
【００１７】
埋設部材は、少なくともモリブデンを含む金属によって形成されている。この金属は、純モリブデンであってよく、またモリブデンと他の金属との合金であってよい。モリブデンと合金化するための金属としては、タングステン、銅、ニッケルおよびアルミニウムが好ましい。
【００１８】
本発明においては、接合層の主成分が、金、白金およびパラジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属である。この金属は、接合層の構成金属の５０重量％以上を占めており、７０重量％以上占めていることが好ましく、更には８０重量％以上占めていることが好ましい。これらの中でも耐酸化性の点で金がもっとも好ましい。
【００１９】
接合層中には、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブおよびマグネシウムからなる群より選ばれた一種以上の活性金属を含有させることが好ましく、これによってセラミックスに対する接合層の密着性、接合力を高めることができる。
【００２０】
接合層中には、Ｓｉ、Ａｌ、ＣｕおよびＩｎからなる群より選ばれた一種以上の第三成分を含有させることができる。
【００２１】
ここで、活性金属の配合量が０．３重量％未満であると、濡れ性が悪くなり、接合しない場合があるとともに、２０重量％を超えると接合界面の反応層が厚くなりクラックが発生する場合があるため、０．３〜２０重量％であると好ましい。また、第三成分の合計の配合量は、５０重量％を超えると、金属間化合物が多くなり、接合界面にクラックが発生する場合があるため、５０重量％以下であると好ましい。
【００２２】
また、接合層中にニッケルを５〜５０重量％含有させることが好ましく、これによって金属接合部材にニッケル含有合金またはニッケルを用いた場合、接合層への多大な溶解を低減できる。これにより、接合後の埋設端子のシール性が向上する。また、金属接合部材と端子の接合前に、金、白金、パラジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属を端子の表面にコートすることにより（この工程をプレコート処理と呼び、プレコートに用いる前記金属をプレコート材と呼ぶ）、接合時の接合層の濡れ性が向上し、接合後の端子部のシール性が向上することを見いだした。このプレコートの方法としては、前記プレコート材の融点以上の熱処理や、メッキ、スパッタなどがある。特に熱処理によるプレコートでは、端子表面のみならず、埋設端子周辺のセラミックスとの界面に浸透し、耐酸化性が向上する。
【００２３】
特に、セラミックス部材中に金属電極とモリブデンまたはモリブデン合金製の端子とが埋設されており、セラミックス部材の接合面に端子の露出部分が露出しており、端子の露出部分およびセラミックス部材の表面に対して接合層を介して金属接合部材が接合されている構造において、端子の腐食がはなはだしく、本発明はこうした接合構造に対して特に好適である。
【００２４】
また、本発明において、セラミックス部材の孔内に筒状雰囲気保護体を挿入し、この筒状雰囲気保護体の内側に電力供給部材と応力緩和用の低熱膨張導体とを挿入し、筒状雰囲気保護体と電力供給部材とを接合し、かつ、低熱膨張導体および筒状雰囲気保護体を埋設部材に対して接合するという構造を採用できる。これによって、他の構造よりもはるかに耐熱性、耐食性が高く、酸化性雰囲気または腐食性雰囲気下で熱サイクルにさらされても、高い接合強度と良好な導通性能を保持できる。
【００２５】
以下、図面を参照しつつ、本発明の各実施形態を述べる。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態に係る接合構造を示す断面図である。略円盤形状のセラミックス基材２の内部に、金網からなる電極３が埋設されている。２ａは半導体ウエハーの設置面であり、２ｂは背面である。電極３は、例えば金網ないしメッシュによって形成されている。
【００２７】
基材２の背面２ｂ側には孔４が設けられている。基材２中には網状の電極３が埋設されており、かつモリブデンまたはモリブデン合金からなる端子１４が埋設されている。端子１４は、本体５と、本体５の表面の一部を覆う、金、白金およびパラジ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１５とからなる。端子１４の本体５は、モリブデンまたはモリブデン合金製のバルク体であってよいが、モリブデンまたはモリブデン合金の各粉末の焼結体であってよい。端子１４の一方の表面５ａが孔４の底面４ａ側に露出しており、端子の他方の表面５ｂが金属電極３に対して接触している。５ｃは側面である。
【００２８】
孔４の中に、本実施形態では円筒形状の雰囲気保護体９が挿入されている。雰囲気保護体９の外側面９ａと孔４の内側面との間には、若干の隙間１８が設けられている。雰囲気保護体９の内側空間の下方には、例えば円盤形状の低熱膨張導体７が収容され、設置されている。
【００２９】
低熱膨張導体７の下側面７ｂと孔４の底面４ａとの間、および下側面７ｂと端子１４との間が、好ましくはろう材からなる本発明の接合層１２によって気密に接合されている。また、雰囲気保護体９の下側面９ｄと底面４ａとの間も接合層１２によって接合されている。
【００３０】
電力供給部材８は、セラミックス部材１外の本体部分８ｂ、円環形状のフランジ部分８ｃ、および先端部分８ｄを備えており、先端部分８ｄが雰囲気保護体９内に収容されている。雰囲気保護体９の内周面９ｂと、低熱膨張導体７および先端部分８ｄとの間には、若干の隙間１９が設けられている。雰囲気保護体９の上側面９ｃとフランジ部分８ｃとの間は、好ましくはろう材からなる導電性接合層６Ｂが形成されている。これと共に、コネクター８の先端面８ａと低熱膨張導体７の上側面７ａとの間には、導電性接合層６Ａが形成されている。
【００３１】
低熱膨張導体７とは、熱膨張率が少なくとも４００℃以下で８．０×１０- 6 ／℃以下の材質からなる導体を言う。低熱膨張導体の材質としては、具体的には、モリブデン、タングステン、モリブデン−タングステン合金、タングステン−銅−ニッケル合金、コバールが好ましい。雰囲気保護体の材質は、純ニッケル、ニッケル基耐熱合金、金、白金、銀、およびこれらの合金とすることが好ましい。電力供給部材８の材質は、雰囲気に対する耐食性の高い金属であることが好ましく、具体的には、純ニッケル、ニッケル基耐熱合金、金、白金、銀、およびこれらの合金が好ましい。
【００３２】
こうした接合構造による作用効果について、主として図１を参照しつつ、更に説明する。電力供給部材８の材質としては、耐酸化性のある金属が好ましいが、これらは一般的に熱膨張率が大きく、セラミックス側との熱膨張差による応力が大きい。このため、電力供給部材８とセラミックス基材２とを直接にろう付けすると、両者の熱膨張差によって接合強度が低下する傾向がある。この点を改善するために、電力供給部材８とセラミックスとの間に低熱膨張導体７を設置することによって、両者の熱応力差を緩和する構造を採用した。
【００３３】
しかし、一般的に、熱膨張率の低い金属（モリブデン、タングステン、モリブデン−タングステン合金など）は、酸化されやすい。このため、低熱膨張導体７が高温の酸化性雰囲気に触れると、低熱膨張導体７が直ちに酸化し、接合強度の低下、電気抵抗の上昇を招く。従って、低熱膨張導体７の材質として、熱膨張率の低い金属を使用することは困難であった。
【００３４】
低熱膨張導体７を、アルミナ、窒化アルミニウム等の絶縁性セラミックスからなる絶縁性の応力緩和材によって置換すると、低熱膨張導体７の酸化という問題は生じなくなると考えられる。しかし、この場合には応力緩和材は電流経路から外れ、応力緩和材とセラミックス基材内部の金属部材との電気的接続が不可能になる。従って、基材内の金属部材に対して供給するべき電力が制限される。
【００３５】
これに対して、本接合構造によれば、低熱膨張導体７と端子本体５との接続部分の面積が大きく、この部分で低熱膨張導体７が電流経路に加わるために、大きな電流、例えば３０アンペア以上の大きさの電流も、容易に流すことができる。
【００３６】
これと共に、筒状雰囲気保護体９を孔４内に収容、設置し、雰囲気保護体９の内側空間の下部に低熱膨張導体７を設置し、低熱膨張導体の上側に電力供給部材８の先端部分８ｄを挿入することによって、低熱膨張導体７の側周面側を雰囲気保護体９によって完全に包囲して保護できる。しかも、低熱膨張導体の上側にコネクター８を設置し、かつその周囲を雰囲気保護体９で包囲できる。
【００３７】
これによって、酸化性雰囲気が低熱膨張導体７に至るまでの進入経路の長さが非常に大きくなった。これと同時に、電力供給部材８と雰囲気保護体９とを導電性接合層６Ｂによって接合し、この接合部分を気密に保持することで、低熱膨張導体７の酸化性雰囲気からの隔離を、一層完全に確保できる。
【００３８】
更に、本実施形態においては、電力供給部材８の先端部分８ｄ、導電性接合層６Ｂ、低熱膨張導体７、接合層１２および端子１４を経由する電流経路と、フランジ部分８ｃ、導電性接合層６Ｂ、雰囲気保護体９、接合層１２を経由する電流経路とがある。この双方の電流経路があることによって、電極３への電力供給量を一層増大させ、かつ安定化することができる。
【００３９】
こうした接合構造の製造方法について述べる。好ましくは、図２に示すように、セラミックスの原料からなる成形体１０を作成し、この成形体１０を焼成する。成形体１０中には、網状の金属電極３と、好ましくは粉末焼結体の原料である金属粉末の成形体１１が埋設されている。ただし、１０ａは半導体ウエハーの設置面側であり、１０ｂは背面側である。この成形体１０を焼成することによって、同時に粉末成形体１１を焼結させて粉末焼結体からなる端子本体５を得ることができる。
【００４０】
次いで、背面２ｂ側から研削加工を施し、図３に示すように孔４を形成する。この際、好ましくは、端子本体５の表面５ａの上に、金、白金またはパラジウムからなる金属箔１３を設置し、加熱する。これによって、加熱後には、図４の拡大図に示すように、端子１４が生成する。端子１４においては、端子本体５の表面５ａが膜１５によって覆われるが、更に端子本体５の側面５ｃとセラミックスとの微細な隙間にも膜１５が一部形成されていた。
【００４１】
次いで、図５に示すように、孔４内の所定箇所に、接合層の材料１６、低熱膨張導体７、筒状雰囲気保護体９、接合層の材料４０Ａ、４０Ｂおよび電力供給部材８を設置し、非酸化性条件下で加熱する。これによって図１に示す接合構造が得られる。非酸化性条件とは、真空下または非酸化性雰囲気（好ましくは不活性雰囲気）下を言う。
【００４２】
ここで、接合面４ａと、金属接合部材である低熱膨張導体７との間には、接合層の材料１６として、図６（ａ）に示すように、接合面４ａの方から順に、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブおよびマグネシウムからなる群より選ばれた一種以上の活性金属材料４３と、金、白金およびパラジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属を主成分とするろう材４１とを配置することが好ましい。この場合には、活性金属材料４３の表面に、金、白金およびパラジ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４４Ａ、４４Ｂを形成しておくことが特に好ましい。これらの膜の形成方法としては、スパッタ、ＣＶＤ、イオンプレーティング、蒸着およびメッキがある。
【００４３】
即ち、活性金属材料４３、特に活性金属箔は、加熱時にきわめて酸化され易く、このために接合の過程で活性を失いやすいことがわかった。このため、活性金属材料、特に箔の表面を、前記の膜４４Ａ、４４Ｂで覆うことによって、歩留り、接合強度を一層高めることができる。
【００４４】
また、接合面と金属接合部材との間に、接合層の材料１６として、図６（ｂ）に示すように、金、白金およびパラジウムからなる群より選ばれた一種以上の金属と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブおよびマグネシウムからなる群より選ばれた一種以上の活性金属との合金からなるろう材４５を配置することが好ましい。
【００４５】
また、端子本体５の表面５ａ、５ｂおよび側面５ｃの全体を、図７に示すように、金、白金およびパラジ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１５によって被覆し、端子４７を作製できる。これによって、端子の酸化をより一層効果的に防止できる。この場合には、端子４７を成形体内に埋設する前に、端子本体５の表面を膜１５によって、溶解、スパッタ、ＣＶＤ、イオンプレーティング、メッキ等の方法で被覆しておくことが好ましい。そして、図７に示すように各部材を設置し、加熱して、図１に示すような接合構造を作製する。
【００４６】
図１の実施形態においては、低熱膨張導体７と電力供給部材８とが電気的に接合されているが、両者を電気的に接続することは必須ではない。図８は、この実施形態に係る接合構造を示す断面図である。
【００４７】
図８の実施形態においては、電力供給部材８の先端部分８ｄと低熱膨張導体７とが、導電性接合層によって接合されておらず、隙間２０が形成されている。しかし、この場合にも、低熱膨張導体７と端子１４とが直接に接合層１２によって接合されており、この部分の電気抵抗が低いので、大電流を供給することが可能である。
【００４８】
図９は、セラミックス部材中に、金属電極と、低熱膨張金属の緻密体とを埋設した実施形態を示す断面図である。
【００４９】
本実施形態においては、セラミックスヒーター３０の基材２の中に、例えばコイル状等の金属電極３１が埋設されている。こうした金属電極の好適例としては、コイル状の線状のヒーターがある。基材２の収容孔４の底面の下側に、緻密体３２（埋設部材の一例）が埋設されている。緻密体３２は、雄ねじ部３２ａと本体３２ｂとを備えており、本体３２ｂの上側面３２ｃが、接合層１２を介して低熱膨張導体７に対して電気的に接続されている。コイル状のヒーター３１が雄ねじ部３２ａに対して巻き付けられている。
【００５０】
図１０、図１１に示した各実施形態の各接合構造も、それぞれ図１の接合構造と類似したものであるが、雰囲気保護体の構造が異なっている。図１０の接合構造においては、雰囲気保護体３３は、前記したような耐熱性の金属からなる本体３６と、本体３６の外側面３６ａおよび内側面３６ｂを被覆している酸化性被膜３５とを備えている。本体３６の上側面３６ｃと下側面３６ｄとは、それぞれ本体３６を構成する金属が露出している。
【００５１】
本体３６の上側の露出面３６ｃが、導電性接合層６Ｂを介在して電力供給部材８に対して接合されている。また、本体３６の下側面３６ｄが、接合層１２を介在して端子１４に対して接合されている。
【００５２】
酸化性被膜３５は、本体３６を構成する耐食性の金属よりも、ろう材に対する濡れ性が低いので、ろう材が雰囲気保護体３３の外側面および内側面に沿って上昇しにくくなり、ろう材が収容孔４の側壁面に沿って上昇する傾向がある。これによって、収容孔４中の接合層１２の形状を、残留応力の少ないフィレット形状とすることができる。また、雰囲気保護体３３と収容孔４をネジの嵌め合わせ構造とすることにより、強度の信頼性が向上する。
【００５３】
図１１の接合構造においては、雰囲気保護体３７は、前記したような耐熱性の金属からなる本体３８と酸化性被膜３５とを備えている。本体３８の外側面３８ａ、内側面３８ｂおよび上側平坦面３８ｃが、酸化性被膜３５によって被覆されている。本体３８の上側傾斜面３８ｄと、下側平坦面３８ｅおよび下側傾斜面３８ｆには、それぞれ本体３８を構成する金属が露出している。
【００５４】
本体３８の上側の露出面である上側傾斜面３８ｄが、導電性接合層６Ｃを介して電力供給部材８に対して接合されている。また、本体３８の下側傾斜面３８ｆおよび下側平坦面３８ｅが、接合層１２を介在して基材２に対して接合されている。
【００５５】
図１０、図１１に示すような形態の各雰囲気保護体を製造するために、図１２（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明する下記の方法によることが好ましい。まず、図１２（ａ）に示すように、前記耐熱性金属からなる管状部材４０を準備し、管状部材４０を酸化性雰囲気下で熱処理することによって、管状部材４０の表面の全体に酸化性被膜３５を生成させる。
【００５６】
次いで、本体４０の両側の端面のみを研削加工することによって、図１０（ｂ）に示す露出面３６ｃ、３６ｄを生成させる。
【００５７】
また、図１２（ａ）の管状部材を研削加工することによって、図１２（ｃ）に示すような露出面３８ｄ、３８ｅ、３８ｆを生成させることができる。この場合には、本体３８の上側平坦面３８ｃ、外側面３８ａ、内側面３８ｂ上には、酸化性被膜３５が残る。
【００５８】
図１３の実施形態においては、端子１４を使用していない。即ち、基材２の背面２ｂ側に開口する孔２２を形成し、この孔２２に、網状電極３（埋設部材の一例）の一部を露出させた。そして、網状電極３と低熱膨張導体７との間、および網状電極３と雰囲気保護体９の底面９ｄとの間を、それぞれ本発明に係る接合層５０によって接合している。
【００５９】
ただし、図１に示すように、端子１４を、セラミックス基材内部の金属電極３と低熱膨張導体７との間に介在させる方が、金属電極３に到達するまでの、酸化性ガスの伝達経路が長くなるので一層好ましい。
【００６０】
図１、図８、図９、図１０、図１１、図１３に示すような各実施形態において、孔４、２２の内側面と雰囲気保護体９の外周面９ａとの隙間１８の大きさは、０．２ｍｍ以上とすることが好ましい。雰囲気保護体９の内側面９ｂと低熱膨張導体７および先端部分８ｄとの隙間１９の大きさは、０．０１ｍ以上とすることが好ましい。これ以下であると、各隙間１８、１９を通して毛細管現象によってろう材が上昇し易くなる。各隙間にろう材が上昇すると、セラミックス基材やろう材のクラックが生じ易くなる。隙間１８の好ましい下限値が０．２ｍｍであるのに対して、隙間１９の好ましい下限値が０．０１ｍｍであるのは、同時に１２、６Ｂで接合するので、この部分の隙間が密閉されても、毛細管の力に対する抵抗となるためである。
【００６１】
ただし、隙間１８、１９の大きさは、共に１．０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００６２】
【実施例】
〔本発明実験Ａ〕
図１〜図６を参照しつつ説明した前記方法に従って、図１に示す接合構造を作製した。具体的には、窒化アルミニウム粉末を一軸加圧成形することによって、図２に示す成形体１０を製造した。
【００６３】
金属電極３としては、モリブデン製の金網を使用した。この金網は、直径φ０．１２ｍｍのモリブデン線を、１インチ当たり５０本の密度で編んだ金網を使用した。この金網３を予備成形体中に埋設した。これと共に、粒径１〜１００μｍのモリブデン粉末を成形して成形体１１を得、この成形体１１を成形体１０中に埋設した。
【００６４】
この成形体１０を型内に設置し、成形体１０をカーボンフォイル内に密封し、１９５０℃の温度、２００ｋｇ／ｃｍ2 の圧力および２時間の保持時間で、ホットプレス法によって、この成形体を焼成し、焼結体を得た。この焼結体の相対密度は、９８．０％以上であった。
【００６５】
得られた焼結体の背面側から、図３に示すように、マシニングセンターによって孔４を形成し、セラミックス部材の試験片を作製した。ただし、この試験片の外形は直方体であり、寸法は２０ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍである。
【００６６】
一方、図１２（ａ）および（ｂ）に示すようにして雰囲気保護体３３を製造した。具体的には、ニッケル製の管状部材４０を準備し、環状部材４０を、大気中、１０００℃で２時間熱処理し、酸化ニッケル膜３５を生成させた。これを研削加工し、図１２（ｂ）に示す雰囲気保護体３３を製造した。
【００６７】
モリブデン粉末の焼結体からなる本体５を研削加工し、表面の酸化物および炭化物を除去し、洗浄、乾燥した。表１の実験番号５においては、本体５の表面５ａ上に、図３に示すように、５±０．５ｍｇの金板１３を載せ、１０８０℃で１時間熱処理し、膜１５を形成した。次いで、目視観察によって、端子本体５の表面の全体が金色になっていることを確認した。他の実験ではモリブデン製端子のメタライズは行っていない。
【００６８】
孔４内に、図６（ａ）に示すろう材４１と活性金属箔４３とを収容し、加熱接合し、実験番号Ａ１〜Ａ１４の各接合構造を作製した。ろう材４１、活性金属箔４３の材質は、表１に示す。ただし、実験番号４、５においては、チタン箔４３の両面に、厚さ４００オングストームの金スパッタ膜４４Ａ、４４Ｂを形成した。この上に、モリブデン製の低熱膨張導体７と、雰囲気保護体３３とを設置した。
【００６９】
また、低熱膨張導体７の上に、Ａｕ−１８ｗｔ％Ｎｉからなるろう材４１とチタン箔４３とを設置し、ニッケル製の電力供給部材８の先端部分８ｄをこの上に載せた。雰囲気保護体３３の上側面３６ｃとフランジ部分８ｃとの間にも、Ａｕ−１８ｗｔ％Ｎｉからなるろう材４１とチタン箔４３とを設置した。こうして得られた組み立て体を９６０℃〜１０００℃で１０分間熱処理し、図１に示す接合構造を製造した。
【００７０】
また、実験番号Ａ１５〜Ａ１８においては、表１に示す各ろう材を使用し、活性金属箔は使用しなかった。
【００７１】
こうして得られた各接合構造について、接合後の引張破断荷重（引張強度）と絶縁抵抗とを測定し、この結果を表１に示す。
【００７２】
また、各接合構造について、１００℃と７００℃との間での熱サイクルを５０回加えた。ただし、昇温速度、降温速度は、共に約２００℃／分とした。この後、引張強度を測定し、熱サイクル後の引張強度として表１に示す。また、この熱サイクル後に、絶縁抵抗を測定し、結果を表１に示す。
【００７３】
また、前記熱サイクルの前と後とに、窒化アルミニウム基材２の外観を目視観察し、外観の変化を観察し、その結果を表１に示すと共に、基材２の表面における低融点化合物の浸出の有無も確認した。
【００７４】
【表１】
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【００７５】
表１からわかるように、本発明の接合構造によれば、熱サイクル後の接合強度が大きく、絶縁抵抗も１００ＧΩ以上と高く、また熱サイクル後にも外観の変化がなく、低融点化合物の浸出も見られなかった。特に、活性金属箔の両面に金をメタライズした実験番号４、５において熱サイクル後の引張強度が高い。
【００７６】
〔比較実験Ｂ〕
また、前記と同様にして、図１〜図６を参照しつつ説明した方法に従って、表２の実験番号Ｂ１〜Ｂ３の各接合構造を製造した。ただし、実験番号Ｂ１、Ｂ２においては、図６（ａ）に示すろう材４１の材質を銀または銀−銅合金とし、実験番号Ｂ３においては、図６（ｂ）に示すろう材４５の材質を銅−アルミニウム−珪素−チタン合金とした。活性金属箔へのスパッタ膜の形成や、モリブデン製端子へのメタライズは行わなかった。この測定結果を表２に示す。
【００７７】
【表２】
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【００７８】
この結果からわかるように、銀ろうまたは銀−銅合金ろうを使用した場合には（実験番号Ｂ１、Ｂ２）、熱サイクル後に引張強度、絶縁抵抗が著しく低下し、基材の外観に茶褐色のシミが発生し、また低融点化合物が観察された。また、銅−アルミニウム−珪素−チタン合金ろうを使用した場合には、熱サイクル後に外観上の変化はなく、絶縁抵抗の低下は生じなかったが、引張強度は低下が見られた。
【００７９】
〔本発明実験Ｃ〕
本発明実験Ａと同様にして、表３の実験番号Ｃ１〜Ｃ６に示す各接合構造を作製した。ただし、直方体形状の試験片ではなく、寸法φ２００ｍｍ×厚さ２０ｍｍの円盤形状の窒化アルミニウム基材を使用した。また、実験番号Ｃ１〜Ｃ４においては、チタン箔を活性金属箔として使用し、図６（ａ）に示すろう材４１の各材質を表３に示すように変更した。実験番号Ｃ３においては、チタン箔４３の両面に、厚さ４００オングストームの金スパッタ膜４４Ａ、４４Ｂを形成した。実験番号Ｂ５、Ｂ６においては、図６（ｂ）に示すろう材４５の材質を表３に示すように変更した。
【００８０】
また、各実験番号について、本体５の表面５ａ上に、図３に示すように、５±０．５ｍｇの金板１３を載せ、１０８０℃で１時間熱処理し、膜１５を形成し、目視観察によって、端子本体５の表面の全体が金色になっていることを確認した。
【００８１】
得られた各接合構造について、室温と６５０℃との間での熱サイクルを加えた。昇温速度、降温速度は、共に約２００℃／分とした。そして、１００回の熱サイクル後にも運転寿命が尽きていないかどうかを確認した。また、７５０℃で保持したときの運転寿命を測定した。ただし、運転寿命とは、運転開始から、セラミックス表面の漏れ電流が大きくなり、温度制御用の熱電対が動作不良となり、運転停止となるまで、もしくは、埋設端子が酸化し、導通不良となり、運転停止となるまでの時間とする。
【００８２】
【表３】
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【００８３】
いずれの接合構造においても、１００回の熱サイクルに耐えることが判明した。また、７５０℃で１５日間以上の運転寿命を有していることが判明した。金−ニッケル合金ろうを使用することによって、７５０℃で保持したときの運転寿命が特に延びることもわかった。
【００８４】
〔比較実験Ｄ〕
本発明実験Ｃと同様にして、表４に示す各接合構造を製造し、実験Ｃと同じ試験に供した。
【００８５】
【表４】
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【００８６】
この結果、５０回以下の熱サイクルによって運転不能となった。また、７５０℃で運転すると、５日以下の運転寿命しかなかった。
【００８７】
〔本発明実験Ｅ〕
本発明実験Ａと同様にして、表５に示す各接合構造を製造した。ただし、各実験番号Ｅ１、Ｅ２、Ｅ４においては、図６（ａ）に示すろう材４１および活性金属箔４３の材質を表５に示すように変更した。実験番号Ｅ２、Ｅ４においては、チタン箔４３の両面に、厚さ４００オングストームの金スパッタ膜４４Ａ、４４Ｂを形成した。実験番号Ｅ３においては、金−ニッケル−チタン合金ろうを使用した。また、実験番号Ｅ４においては、本体５の表面５ａ上に５±０．５ｍｇの金板１３を載せ、１０８０℃で１時間熱処理し、膜１５を形成した。各実験番号について、接合体をそれぞれ１０個ごと製造し、製造時の歩留りを表５に示す。
【００８８】
【表５】
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【００８９】
この結果からわかるように、チタン箔の両面に金スパッタ膜を形成することによって、ろう付け時の歩留りが著しく向上した。
【００９０】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、本発明によれば、モリブデンを含む金属からなる埋設部材がセラミックス部材に埋設されており、セラミックス部材中の埋設部材と金属接合部材とを接合する接合構造において、高温領域で長時間運転しながら空気等の酸化性雰囲気にさらされても、埋設部材の浸食や、セラミックス部材の表面への低融点化合物の浸出による絶縁不良などが生じないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る接合構造の断面図である。
【図２】金属電極３および粉末焼結体の成形体１１が埋設されている成形体１０を示す断面図である。
【図３】基材２に孔４を形成し、孔４に端子本体５を露出させた状態を示す断面図である。
【図４】端子１４の周辺の拡大図である。
【図５】図１の接合構造を製造する前の状態を示す断面図である。
【図６】（ａ）は、ろう材４１と活性金属箔４３とを積層する前の状態を示す断面図であり、（ｂ）はろう材４５を示す断面図である。
【図７】端子４７を使用した実施形態において、接合前の状態を示す断面図である。
【図８】低熱膨張導体７と電力供給部材８とを直接接合しない実施形態に係る接合構造を示す断面図である。
【図９】緻密体３２を基材２中に埋設した実施形態を示す断面図である。
【図１０】酸化性被膜３５を備えている筒状雰囲気保護体３３を使用した実施形態の接合構造を示す断面図である。
【図１１】酸化性被膜３５を備えている雰囲気保護体３７を使用した実施形態の接合構造を示す断面図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、雰囲気保護体３３、３７の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１３】低熱膨張導体７を基材２および電極３に対して直接接合している実施形態の接合構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１、セラミックス部材      ２、セラミックス基材      ２ａ、半導体ウエハー設置面      ２ｂ、基材２の背面      ３  網状の金属電極（埋設部材の一例）      ４、２２、孔      ５、端子本体ないし粉末焼結体
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、導電性接合層      ７、低熱膨張導体（金属接合部材）
８  電力供給部材      ９、３３、３７、円筒状の雰囲気保護体      １０、セラミックスの成形体      １１、粉末焼結体の成形体      １２、５０、接合層      １４、４７、端子（埋設部材の一例）      １５、貴金属の膜      １８、雰囲気保護体９の外周面と孔の内周面との隙間      １９、雰囲気保護体９の内周面と電力供給部材８および低熱膨張導体７の外周面との隙間      ４１、４５、ろう材      ４３、活性金属箔      ４４Ａ、４４Ｂ、貴金属のメタライズ層
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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