JP2023050778A - Joined body, manufacturing method thereof, and electrode-embedded member - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、接合体、その製造方法、および電極埋設部材に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a bonded body, a manufacturing method thereof, and an electrode-embedded member.
半導体製造装置に用いられるAlN製部材は、様々な機能を付加することを目的として、金属部材と接合させることがあった。 AlN members used in semiconductor manufacturing equipment are sometimes joined to metal members for the purpose of adding various functions.
特許文献1には、窒化アルミニウム部材と金属部材がAlロウ材で接合された接合体および半導体保持装置が開示されている。好適な態様として、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例が開示されている。また、熱伝達部材の例として、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、と開示されている。これらの金属部材はヒートシンクとして機能し一定の厚さを有している。 Patent Literature 1 discloses a joined body and a semiconductor holding device in which an aluminum nitride member and a metal member are joined with Al brazing material. As a preferred embodiment, the aluminum nitride member is a semiconductor holding member having an installation surface for installing a semiconductor wafer, and the metal member is a heat transfer member for transferring heat between the semiconductor holding member and the outside. An example is disclosed that is a member. It also discloses that the heat transfer member is made of tungsten, molybdenum, copper, or an alloy thereof. These metal members function as heat sinks and have a certain thickness.
また、特許文献2には、比較的大きな厚みを有し且つ導電性の高い焼結金属層を内蔵し、しかも、反りの発生が極めて小さく抑えられ、さらには焼結金属層と基板との接合強度も高く、電極埋設部材の用途に好適な窒化アルミニウム接合体及びその製造方法を提供することを目的として、接合面の少なくとも一部に、厚み15~100μmのタングステン又はモリブデンよりなる焼結金属層が形成された窒化アルミニウム焼結体の接合体であって、前記焼結金属層のシート抵抗値が1Ω/□以下であり、且つ前記焼結金属層の反りが100μm/100mm以下である窒化アルミニウム接合体が開示されている。 In addition, in Patent Document 2, a sintered metal layer having a relatively large thickness and high conductivity is incorporated, and warping is suppressed to an extremely low level. A sintered metal layer made of tungsten or molybdenum and having a thickness of 15 to 100 μm is provided on at least a part of the bonding surface for the purpose of providing an aluminum nitride bonded body that has high strength and is suitable for use as an electrode-embedded member, and a method for manufacturing the same. is formed of aluminum nitride sintered bodies, wherein the sintered metal layer has a sheet resistance value of 1 Ω/□ or less and a warp of the sintered metal layer of 100 μm/100 mm or less A conjugate is disclosed.
半導体製造プロセスで使用されるAlNセラミックスは、ヒートシンク等に利用される高融点金属と一体化される場合があった。そのためには高融点金属は一定以上の厚みが必要であるが、特許文献2のような焼結金属層ではそのような構造とすることはできなかった。 AlN ceramics used in semiconductor manufacturing processes are sometimes integrated with high-melting-point metals used for heat sinks and the like. For this purpose, the refractory metal must have a certain thickness or more, but the sintered metal layer as disclosed in Patent Document 2 cannot have such a structure.
また、非特許文献1によると、AlNと高融点金属は接合材なしでは反応しないため接合体を作製することは困難であるとされてきた。そのため、従来はAlNセラミックと高融点金属の接合体は、接合界面にロウ材等を介在させて接合する(特許文献1、3、4)方法で製作されていた。 In addition, according to Non-Patent Document 1, it has been considered difficult to produce a bonded body because AlN and a high-melting-point metal do not react without a bonding material. Therefore, conventionally, a joined body of AlN ceramic and a high-melting-point metal has been manufactured by a method of joining by interposing a brazing material or the like at the joint interface (Patent Documents 1, 3, and 4).
しかし、これらの接合体を半導体製造プロセスで使用する場合、特許文献1、3、4の方法では、接合層であるロウ材の浸食、接合層からのコンタミネーションが懸念された。そのため、AlNセラミックと厚みの厚い高融点金属の接合体であって、接合材からのコンタミネーションや浸食の恐れを抑制したAlN-高融点金属接合体が望まれていた。 However, when these bonded bodies are used in a semiconductor manufacturing process, the methods of Patent Documents 1, 3, and 4 raise concerns about erosion of the brazing material that is the bonding layer and contamination from the bonding layer. Therefore, an AlN-high melting point metal joined body, which is a joined body of AlN ceramic and a thick high melting point metal, and which suppresses the risk of contamination and corrosion from the joining material, has been desired.
さらに、これらの接合体は、AlNに埋設されたヒーター電極や周辺部材との電気的絶縁がなされる必要が多い。従来は、高融点金属の露出面にアルミナなどの絶縁性の溶射膜を形成したり、高融点金属を貫通する孔にはアルミナ製等のスリーブを準備し、接着したりして絶縁物とすることが行われてきた。 Furthermore, these joints often need to be electrically insulated from the heater electrodes embedded in AlN and peripheral members. Conventionally, an insulating thermal spray film such as alumina is formed on the exposed surface of the high-melting-point metal, or a sleeve made of alumina or the like is prepared for the hole penetrating the high-melting-point metal, and is adhered to act as an insulator. things have been done.
しかし、露出面に溶射膜をコーティングする場合は、露出面の形状に制約が多く、一般的には平坦な面でないと均質な膜が得られなかった。さらに、溶射膜自体通常5%程度の気孔率を有し電気絶縁性という観点では十分でない場合もあった。 However, when the exposed surface is coated with a thermally sprayed film, there are many restrictions on the shape of the exposed surface, and in general, a uniform film cannot be obtained unless the surface is flat. Furthermore, the sprayed film itself usually has a porosity of about 5%, and in some cases it is not sufficient from the viewpoint of electrical insulation.
また、スリーブを接着する場合は、接着剤によって接合体の使用温度に制約が生じ、一般的に使用される有機系接着剤では200℃程度の耐熱しか得られなく、200℃以上の高温用途では適用ができなかった。 Also, when a sleeve is glued, the temperature at which the bonded body can be used is restricted by the adhesive, and generally used organic adhesives can only achieve heat resistance of about 200°C. could not be applied.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基板保持部材などの基台となる金属部材の所望の面にAlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる絶縁層を接合でき、電気絶縁性を高めることができ、金属部材および絶縁層の接合面の浸食やコンタミネーションを抑制することができる接合体、その製造方法、および電極埋設部材を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is capable of bonding an insulating layer made of a ceramic sintered body containing AlN as a main component to a desired surface of a metal member serving as a base of a substrate holding member or the like. An object of the present invention is to provide a joined body, a method for producing the same, and an electrode-embedded member, which can improve electric insulation and suppress erosion and contamination of the joint surface of the metal member and the insulating layer.
(1)上記の目的を達成するため、本発明の接合体は、2000℃以上の融点を有する高融点金属からなる金属部材およびAlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる絶縁層の接合体であって、前記金属部材の一方の主面に垂直な方向の最大厚みが1mm以上であり、前記絶縁層は、前記金属部材の前記一方の主面と前記一方の主面に対向する側の他方の主面との2面を除く少なくとも一部に直接接合されていることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, the joined body of the present invention is a joined body of an insulating layer made of a metal member made of a high melting point metal having a melting point of 2000° C. or higher and a ceramic sintered body containing AlN as a main component. wherein the maximum thickness in a direction perpendicular to one main surface of the metal member is 1 mm or more, and the insulating layer is formed on the one main surface of the metal member and the side facing the one main surface. It is characterized in that it is directly bonded to at least a portion of the other main surface except for two surfaces.
これにより、基板保持部材などの基台となる金属部材の所望の面にAlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる絶縁層を接合でき、電気絶縁性を高めた接合体とすることができる。また、金属部材および絶縁層の接合面の浸食やコンタミネーションを抑制することができる。また、金属部材の厚みが厚いことで、金属部材をヒートシンクとして利用したりするなど、様々な用途に適用できる。 As a result, an insulating layer made of a ceramic sintered body containing AlN as a main component can be bonded to a desired surface of a metal member that serves as a base such as a substrate holding member, and a bonded body with improved electrical insulation can be obtained. . Also, erosion and contamination of the joint surface between the metal member and the insulating layer can be suppressed. Moreover, since the thickness of the metal member is large, it can be applied to various uses such as using the metal member as a heat sink.
(2)また、本発明の接合体において、前記金属部材は、前記絶縁層および前記金属部材の接合界面近傍に前記高融点金属の炭化物を含むカーバイド化層を有し、前記カーバイド化層の平均厚みは、40μm以下であることを特徴としている。 (2) Further, in the joined body of the present invention, the metal member has a carbide layer containing a carbide of the high-melting-point metal in the vicinity of the joint interface between the insulating layer and the metal member, and the average of the carbide layer The thickness is characterized by being 40 μm or less.
このように、絶縁層および金属部材の接合界面近傍の高融点金属のカーバイド化層の平均厚みを小さくすることで、絶縁層と金属部材との接合強度を強くでき、金属部材の電気絶縁性の信頼性が高くなる。 By reducing the average thickness of the carbide layer of the high-melting-point metal in the vicinity of the bonding interface between the insulating layer and the metal member, the bonding strength between the insulating layer and the metal member can be increased, and the electrical insulation properties of the metal member can be improved. Increased reliability.
(3)また、本発明の接合体において、前記金属部材は、厚み方向に貫通する貫通孔、または一方の主面、他方の主面、もしくは側面に溝部を有し、前記絶縁層は、前記貫通孔の内面または前記溝部を含む面に接合されることを特徴としている。 (3) Further, in the joined body of the present invention, the metal member has a through hole penetrating in a thickness direction, or a groove portion on one main surface, the other main surface, or a side surface, and the insulating layer includes the It is characterized in that it is bonded to the inner surface of the through-hole or the surface including the groove.
このように、金属部材に厚み方向に貫通する貫通孔、または一方の主面、他方の主面、もしくは側面に溝部を有し、絶縁層が貫通孔の内面または溝部を含む面に接合されることで、直接接合することが困難であった貫通孔の内面または溝部を含む面に絶縁層を形成でき、接合体の用途がさらに拡大する。 In this way, the metal member has a through hole penetrating in the thickness direction, or a groove on one main surface, the other main surface, or a side surface, and the insulating layer is bonded to the inner surface of the through hole or the surface including the groove. As a result, the insulating layer can be formed on the inner surface of the through-hole or the surface including the groove, which has been difficult to directly bond, further expanding the applications of the bonded body.
(4)また、本発明の接合体において、前記金属部材は、前記高融点金属とは異なる金属の酸化物である第2の金属酸化物を1wt%以下含むことを特徴としている。 (4) In addition, in the joined body of the present invention, the metal member contains 1 wt % or less of a second metal oxide, which is an oxide of a metal different from the high-melting-point metal.
このように、金属部材が高融点金属とは異なる金属の酸化物である第2の金属酸化物を1wt%以下含むことで、絶縁層と金属部材との接合強度が強くなり、金属部材の電気絶縁性の信頼性が高くなる。 In this way, when the metal member contains 1 wt % or less of the second metal oxide, which is an oxide of a metal different from the high-melting-point metal, the bonding strength between the insulating layer and the metal member increases, and the metal member becomes electrically conductive. Insulation reliability is enhanced.
(5)また、本発明の接合体は、前記金属部材の前記一方の主面に、AlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる第1のセラミックス部材が接合されていることを特徴としている。 (5) Further, in the joined body of the present invention, a first ceramic member made of a ceramic sintered body containing AlN as a main component is joined to the one main surface of the metal member. .
このように、金属部材の一方の主面にセラミックス部材が接合されることにより、金属部材を基台として用いた接合体とすることができ、接合体を基板保持部材などに適用できる。また、金属部材の厚みが厚いことで、金属部材をヒートシンクとして利用したりするなど、様々な用途に適用できる。 By joining the ceramic member to one main surface of the metal member in this manner, a joined body using the metal member as a base can be obtained, and the joined body can be applied to a substrate holding member or the like. Moreover, since the thickness of the metal member is large, it can be applied to various uses such as using the metal member as a heat sink.
(6)また、本発明の接合体は、前記金属部材の前記他方の主面に、AlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる第2のセラミックス部材がさらに接合されていることを特徴としている。 (6) Further, in the bonded body of the present invention, a second ceramic member made of a ceramic sintered body containing AlN as a main component is further bonded to the other main surface of the metal member. there is
このように、金属部材の両方の主面にセラミックス部材が接合されることにより、金属部材の露出面の電気絶縁性の信頼性がより高くなるとともに、接合体の内部応力がバランスすることにより接合体の信頼性が向上し、接合体の用途がさらに拡大する。 By bonding the ceramic members to both main surfaces of the metal members in this way, the reliability of the electrical insulation of the exposed surfaces of the metal members is increased, and the internal stress of the bonded body is balanced, resulting in better bonding. The reliability of the body is improved, and the application of the joined body is further expanded.
(7)また、本発明の電極埋設部材は、上記(5)に記載の接合体と、前記接合体の前記第1のセラミックス部材に埋設された電極と、を備えることを特徴としている。 (7) Further, an electrode-embedded member of the present invention is characterized by comprising the joined body described in (5) above and an electrode embedded in the first ceramic member of the joined body.
このように、接合体の第1のセラミックス部材に電極が埋設された電極埋設部材とすることで、電極埋設部材をヒーター機能を有するヒーターモジュールとして利用することができる。 By using the electrode-embedded member in which the electrode is embedded in the first ceramic member of the joined body in this way, the electrode-embedded member can be used as a heater module having a heater function.
(8)また、本発明の接合体の製造方法は、2000℃以上の融点を有する高融点金属からなる金属部材およびAlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる絶縁層の接合体の製造方法であって、AlN原料粉またはAlN原料粉に金属酸化物原料粉を添加した粉末を造粒した造粒粉を準備する準備工程と、前記造粒粉または前記造粒粉から形成した成形体、および前記高融点金属からなる厚み1mm以上の板状の金属部材前駆体を、前記金属部材前駆体の一方の主面が積層方向に垂直になるようにカーボン型に配置し、前記金属部材前駆体の側面と前記カーボン型の間隙に前記造粒粉または前記成形体が充填されるように積層する充填積層工程と、前記カーボン型にカーボンパンチを挿入し、積層体を形成する積層体形成工程と、前記積層体を一軸加圧焼成する焼成工程と、前記一軸加圧焼成後に、前記金属部材前駆体に形成されたセラミックス焼結体を、所定の厚みを残して除去加工する除去加工工程と、を含むことを特徴としている。 (8) A method for manufacturing a joined body of the present invention includes a metal member made of a high melting point metal having a melting point of 2000° C. or higher and an insulating layer made of a ceramic sintered body containing AlN as a main component. A preparation step of preparing granulated powder obtained by granulating AlN raw material powder or powder obtained by adding metal oxide raw material powder to AlN raw material powder; and a plate-like metal member precursor having a thickness of 1 mm or more made of the refractory metal is arranged in a carbon mold so that one main surface of the metal member precursor is perpendicular to the stacking direction, and the metal member precursor A filling lamination step of laminating so that the granulated powder or the molded body is filled in the gap between the side surface and the carbon mold, and a laminate forming step of inserting a carbon punch into the carbon mold to form a laminate , a firing step of uniaxial pressure firing of the laminate, and a removal processing step of removing and processing the ceramic sintered body formed in the metal member precursor after the uniaxial pressure firing, leaving a predetermined thickness. is characterized by including
これにより、金属部材の側面の電気絶縁性の信頼性が高い接合体が得られる。金属部材の厚みが厚いことで、接合体を基板保持部材などに適用する場合、金属部材をヒートシンクとして利用したり、セラミックスの強度や寸法精度を高めたりする基台として利用するなど、様々な用途に適用できる。 As a result, a joined body having highly reliable electrical insulation on the side surfaces of the metal members can be obtained. Due to the thickness of the metal members, it can be used for a variety of applications, such as using the metal members as a heat sink, or as a base to increase the strength and dimensional accuracy of ceramics, when applying the bonded body to a substrate holding member, etc. can be applied to
(9)また、本発明の接合体の製造方法において、前記金属部材前駆体は、厚み方向に貫通する貫通孔、または一方の主面、他方の主面、もしくは側面に溝部を有し、前記除去加工工程は、前記貫通孔または前記溝部に形成されたセラミックス焼結体を、所定の厚みを残して除去加工する工程を含むことを特徴としている。 (9) Further, in the method for manufacturing a joined body of the present invention, the metal member precursor has a through hole penetrating in a thickness direction, or a groove portion on one main surface, the other main surface, or a side surface, and The removal processing step includes a step of removing the ceramic sintered body formed in the through hole or the groove while leaving a predetermined thickness.
これにより、直接接合することが困難であった貫通孔の内面または溝部を含む面に絶縁層を形成でき、接合体の用途がさらに拡大する。 As a result, the insulating layer can be formed on the inner surface of the through-hole or the surface including the groove, which has been difficult to directly bond, further expanding the applications of the bonded body.
本発明によれば、基板保持部材などの基台となる金属部材の所望の面にAlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる絶縁層を接合でき、電気絶縁性を高めた接合体とすることができる。また、金属部材および絶縁層の接合面の浸食やコンタミネーションを抑制することができる。 According to the present invention, an insulating layer made of a ceramic sintered body containing AlN as a main component can be bonded to a desired surface of a metal member that serves as a base such as a substrate holding member, thereby providing a bonded body with improved electrical insulation. be able to. Also, erosion and contamination of the joint surface between the metal member and the insulating layer can be suppressed.
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。なお、構成図において、各構成要素の大きさは概念的に表したものであり、必ずしも実際の寸法比率を表すものではない。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in each drawing, and overlapping descriptions are omitted. In addition, in the configuration diagram, the size of each component is conceptually represented, and does not necessarily represent the actual size ratio.
[第1の実施形態]
[接合体の構成]
本発明の第1の実施形態に係る接合体を説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る接合体の一例を示す模式的な断面図である。本発明の第1の実施形態に係る接合体10は、2000℃以上の融点を有する高融点金属からなる金属部材10およびAlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる絶縁層30が接合されて形成されている。高融点金属からなる金属部材10とは、融点が2000℃以上のモリブデン(Mo)やタングステン(W)、タンタル(Ta)等が適用でき、純度99wt%以上のものを指す。これにより、一軸加圧焼成時の温度であっても金属部材10の変形が抑制される。また、同時に金属部材10と絶縁層30との界面で900℃以上の比較的高温の融点を持つ高融点金属酸化物が形成されるため、金属部材10と絶縁層30との接合界面の変形を抑制することができる。AlNを主成分とする絶縁層30とは、AlNを90wt%以上含むことをいう。
[First Embodiment]
[Structure of conjugate]
A joined body according to a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a joined body according to a first embodiment of the invention. A joined
接合体100は、金属部材10の一方の主面12と一方の主面12に対向する側の他方の主面14との2面を除く少なくとも一部に、絶縁層30が直接接合されている。直接接合されるとは、ロウ材や接着剤など他の部材を介さず接合されることをいう。これにより、基板保持部材などの基台となる金属部材10の所望の面にAlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる絶縁層30を直接接合でき、接合面の浸食やコンタミネーションを抑制し、電気絶縁性を高めた接合体100とすることができる。絶縁層30の厚みは、1mm以上であることが好ましい。絶縁層の厚みは、一定でなくてもよい。
In the bonded
金属部材10は、金属部材10の一方の主面12に垂直な方向の最大厚みが1mm以上である。このように、金属部材10の厚みが厚いことで、金属部材10を基板保持部材の基台として利用したり、ヒートシンクやヒートスプレッダーとして利用したりするなど、様々な用途に適用できる。金属部材10の一方の主面12とは、金属部材10の厚み方向に垂直な一方の面または面積が最大の面である。金属部材10の厚みが厚いとは、金属部材10の一方の主面12に垂直な方向の最大厚みが1mm以上であることとする。金属部材10の最大厚みが1mmより小さくなると金属部材10の変形が起きたり用途が限定されたりするため1mm以上であることが好ましい。また、金属部材10の一方の主面12に垂直な方向の平均厚みが1mm以上であることが好ましい。
金属部材10の一方の主面12に垂直な方向の最大厚みは、適用する用途に応じた厚みにすることが好ましい。本発明のような金属部材10の厚みの厚い接合体100がなかったことを考慮すると、用途によっては、例えば、2mm以上であることが好ましく、3mm以上であることがより好ましく、4mm以上であることがさらに好ましい。また、金属部材10の側面16は、凹凸状、曲面、テーパー状であってもよい。
The maximum thickness in the direction perpendicular to one
金属部材10は、金属部材10および絶縁層30の接合界面近傍に高融点金属の炭化物を含むカーバイド化層を有していてもよい。金属部材10がカーバイド化層を有する場合、カーバイド化層の平均厚みは40μm以下である。高融点金属の炭化物を含むカーバイド化層は脆化層であるため、金属部材10および絶縁層30の接合界面近傍のカーバイド化層の平均厚みを小さくすることで、金属部材10と絶縁層30との接合強度を強くでき、接合面の浸食やコンタミネーションを抑制した接合体100が得られる。金属部材10のカーバイド化層の平均厚みは、5μm以下であることが好ましい。このように、高融点金属の炭化物を含むカーバイド化層の平均厚みが薄くなることで、金属部材10と絶縁層30との接合強度が強くなり、接合体の信頼性が高くなる。接合界面近傍については、後述する。
高融点金属の炭化物を含むカーバイド化層は絶縁層30を形成するAlNの成分にも影響を受け、AlNに含まれる金属酸化物の有無やその添加量にも影響を受ける。そのため、高融点金属のカーバイド化層のC成分は、金属酸化物を添加することによる造粒粉の残炭または環境からの混入と推定される。
The carbide layer containing refractory metal carbide is affected by the composition of AlN forming the insulating
図2は、本発明の第1の実施形態に係る接合体の変形例を示す模式的な断面図である。図2に示されるように、金属部材10は、厚み方向に貫通する貫通孔20、または一方の主面12、他方の主面14、もしくは側面16に溝部22を有することが好ましい。また、その場合、絶縁層30は、貫通孔20の内面または溝部22を含む面に接合されることが好ましい。このように、金属部材10に厚み方向に貫通する貫通孔20、または一方の主面12、他方の主面14、もしくは側面16に溝部22を有し、絶縁層30が貫通孔20の内面または溝部22を含む面に接合されることで、直接接合することが困難であった貫通孔20の内面または溝部22を含む面に絶縁層30を形成でき、接合体10の用途がさらに拡大する。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a modification of the joined body according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the
溝部22は、段差である場合を含む。また、一方の主面12、または他方の主面14に溝部22を有する場合、溝部22の内部は金属部材10の一方の主面12と他方の主面14との2面を除く部分であるとしてもよい。
The
絶縁層30は、金属酸化物からなる第2相を含んでいてもよい。絶縁層30が金属酸化物からなる第2相を含む場合、第2相の金属酸化物を構成する金属は、Y、Caから選択された1種類以上であることが好ましく、Yであることがより好ましい。第2相を構成する金属酸化物は、AlNを主成分とするセラミックス焼結体の焼結助剤であってもよい。その場合、第2相を構成する金属酸化物は、セラミックス焼結体の焼結助剤として必要な量添加されていてもよい。例えば、Yを焼結助剤として添加される場合、Y2O3換算で0.1wt%以上5wt%以下添加されてもよい。また、絶縁層30は、AlNのみから構成されてもよい。
The insulating
金属部材10は、高融点金属とは異なる金属の酸化物である第2の金属酸化物を1wt%以下含むことが好ましい。金属部材10が第2の金属酸化物を1wt%以下含むことで、金属部材10と絶縁層30との接合強度が強くなり、接合体100の信頼性が高くなる。第2の金属酸化物を構成する金属は、Y、Ce、Caから選択された1種類以上であることが好ましく、Y、またはCeであることがより好ましい。絶縁層30が金属酸化物からなる第2相を含んでいる場合、第2の金属酸化物を構成する金属は、絶縁層30の第2相の金属酸化物を構成する金属と同じであってもよい。金属部材10に予め含まれるこれらの金属酸化物成分が接合界面の金属や酸素濃度を高め、接合強度を高くすることができる。
The
金属部材10および絶縁層30の接合界面は、酸素濃度が、絶縁層30の内部の酸素濃度より大きいことが好ましい。また、絶縁層30が金属酸化物からなる第2相を含んでいる場合、金属部材10および絶縁層30の接合界面は、絶縁層30の第2相を構成する金属の濃度および酸素濃度が、絶縁層30の内部の当該金属の濃度および酸素濃度よりそれぞれ大きいことが好ましい。このように、高融点金属からなる金属部材10およびAlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる絶縁層30の接合界面の酸素濃度が、絶縁層30の内部の酸素濃度より大きい、または第2相を構成する金属の濃度および酸素濃度が、絶縁層30の内部の金属の濃度および酸素濃度よりそれぞれ大きいことで、これらを介して金属部材10と絶縁層30とが接合され、接合面の浸食やコンタミネーションを抑制した接合体が得られる。
The oxygen concentration at the bonding interface between the
接合界面付近の酸素濃度が大きくなる理由は、高融点金属表面に形成されていた自然酸化膜が高融点金属と反応し、焼成時に900℃以上の融点を示す高融点金属酸化物が生成し、これらが一部融液となってセラミックス焼結体側に拡散するためと推定される。 The reason why the oxygen concentration in the vicinity of the bonding interface increases is that the natural oxide film formed on the surface of the high-melting metal reacts with the high-melting-point metal, generating a high-melting-point metal oxide exhibiting a melting point of 900°C or higher during firing. It is presumed that part of these melts and diffuses toward the ceramic sintered body.
なお、金属部材10および絶縁層30の接合界面とは、EDXまたはEPMAによる断面の元素マッピングにおいて金属部材20を主に構成する金属元素が急激にその濃度を低下させる界面を指す。また、絶縁層30の内部とは、接合界面を直線で近似したとき、その直線に垂直に絶縁層30(セラミックス焼結体)の方向に1mm以上離間した領域とする。また、絶縁層30が1mmより薄い場合、接合界面から最も離間した絶縁層30の表面から500μm内側の領域、または絶縁層30の厚みの中間領域のうち接合界面からより離間している領域を絶縁層30の内部とする。絶縁層30が金属酸化物からなる第2相を含んでいる場合、絶縁層30の第2相を構成する金属の濃度が一様である領域といってもよい。また、接合界面近傍とは、接合界面を直線で近似したとき、その直線に垂直な100μm以内の範囲とする。高融点金属のカーバイド化層は、全体が接合界面近傍に含まれる。
Note that the bonding interface between the
金属部材10、絶縁層30、またはその接合界面に存在する金属、炭素、および酸素の濃度変化は、EPMAによる当該領域の特性X線の強度(カウント数)の比較によって行うことができる。これにより界面近傍および内部の金属、炭素、および酸素濃度の差を相対的に評価することができる。
Changes in the concentration of metal, carbon, and oxygen existing in the
高融点金属のカーバイド化層は、EDXまたはEPMAによる断面の元素マッピングによりその存在を確認でき、断面のSEM観察や光学顕微鏡観察により厚さの測定をすることができる。高融点金属のカーバイド化層の平均厚みは、例えば、1000倍のSEM画像上で接合界面を近似した直線に垂直な10μm間隔の等間隔の10本の直線を引いて、確認されたカーバイド化層と重なる線分の長さの平均値を求めることで測定することができる。その平均値をその視野の高融点金属のカーバイド化層の平均厚みとする。全体的な平均値とするため、3視野以上でそれぞれ求めた平均値をさらに平均することが好ましい。ここで、カーバイド化層がSEM画像で確認が困難な程度に薄い場合は、少なくとも寸法が計測可能な2μm以下であったと評価される。 The presence of the refractory metal carbide layer can be confirmed by cross-sectional elemental mapping by EDX or EPMA, and the thickness can be measured by cross-sectional SEM observation or optical microscope observation. The average thickness of the carbide layer of the refractory metal is confirmed, for example, by drawing 10 equally spaced straight lines at 10 μm intervals perpendicular to a straight line approximating the bonding interface on a 1000× SEM image of the carbide layer. It can be measured by calculating the average value of the length of the line segment that overlaps with . The average value is taken as the average thickness of the refractory metal carbide layer in that field. In order to obtain an overall average value, it is preferable to further average the average values obtained in three or more fields of view. Here, when the carbide layer is so thin that it is difficult to confirm it in the SEM image, it is evaluated to be at least 2 μm or less, which is measurable.
金属部材10は、金属部材10および絶縁層30の接合界面近傍に高融点金属のカーバイド化層を有しなくてもよい。接合界面近傍に高融点金属のカーバイド化層を有しないとは、EDXまたはEPMAによる断面の元素マッピングにおいて、接合界面を直線で近似したとき、その直線に垂直な100μm以内の範囲にC成分が検出されないことをいう。
絶縁層30は、さらに第4族の金属を含み、金属部材10は、当該第4族の金属が拡散していることが好ましい。このように、絶縁層30が第4族の金属を含み、金属部材10に第4族の金属が拡散していることで、金属部材10と絶縁層30との接合強度が強くなり、接合体100の信頼性が高くなる。第4族の金属は、Ti、Hfから選択された1種類以上であることが好ましく、Tiであることがより好ましい。
Preferably, the insulating
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態に係る接合体について説明する。図3は、本発明の第2の実施形態に係る接合体の一例を示す模式的な断面図である。本実施形態に係る接合体200は、基本的な構成は第1の実施形態に係る接合体100と同様であるので、以下では、異なる点のみ説明する。
[Second embodiment]
A joined body according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a joined body according to a second embodiment of the invention. Since the joined
本実施形態に係る接合体200は、金属部材10の一方の主面12に、AlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる第1のセラミックス部材40が接合されている。このとき、金属部材10は、第1のセラミックス部材40の最大径の50%以上の最大径を有することが好ましい。また、第1のセラミックス部材40は、金属部材10の一方の主面12の全面に接合されることが好ましい。これらの特徴を有することで、金属部材10を様々な用途に応じた形態で適用できる。また、第1のセラミックス部材40は、金属部材10の一方の主面12に他の部材を介さず直接接合されることが好ましい。他の部材を介すと、接合強度が小さくなる虞があるためである。
A joined
このように、金属部材10の一方の主面12に第1のセラミックス部材40が接合されることにより、金属部材10を基台として用いた接合体200とすることができ、金属部材10により第1のセラミックス部材40の強度や寸法精度を高めたりするなど、様々な用途に適用でき、接合体200を基板保持部材などに適用できる。
By bonding the first
図4は、本発明の第2の実施形態に係る接合体の変形例を示す模式的な断面図である。図4に示されるように、接合体200は、金属部材10の一方の主面12に対向する側の他方の主面14に、AlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる第2のセラミックス部材45がさらに接合されていることが好ましい。このように、金属部材10の両方の主面12、14にセラミックス部材40、45が接合されることで、接合体200の内部応力がバランスすることにより接合体200の信頼性が向上するとともに、接合体200の用途がさらに拡大する。また、セラミックス部材40、45で板状の高融点金属(金属部材10)を挟み込むことにより、接合体200の反りを抑制することができ、寸法精度の高い接合体200を作製することができる。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a modification of the joined body according to the second embodiment of the invention. As shown in FIG. 4, the joined
第1のセラミックス部材40および第2のセラミックス部材45は、いずれもAlNを主成分とするセラミックス焼結体からなるが、その組成、すなわち焼結助剤の種類や量は絶縁層30と同じでもよいし、異なっていてもよい。また、第1のセラミックス部材40および第2のセラミックス部材45で、その組成は同じでもよいし、異なっていてもよい。第1のセラミックス部材40または第2のセラミックス部材45と絶縁層30とは、一体的に形成されることが好ましい。第1のセラミックス部材40または第2のセラミックス部材45は、絶縁層30として機能させるために接合されてもよい。
The first
[電極埋設部材の構成]
次に、本発明の実施形態に係る電極埋設部材を説明する。図5は、本発明の第2の実施形態に係る電極埋設部材の一例を示す模式的な断面図である。本発明の第2の実施形態に係る電極埋設部材250は、接合体200と、接合体200の第1のセラミックス部材40に埋設された電極50と、を備える。
[Structure of Electrode-Embedded Member]
Next, an electrode-embedded member according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of the electrode-embedded member according to the second embodiment of the present invention. An electrode-embedded
接合体200は、上述した接合体200である。電極50は、接合体200の第1のセラミックス部材40に埋設される。電極50の形状は、メッシュ状や箔状など、様々な形状とすることができる。また、材質も、モリブデン、タングステンなど、様々な材質とすることができる。電極50は、ヒーター用電極として使用できる。
The bonded
電極埋設部材250は、図示しない端子穴、端子が設けられていてもよい。
The electrode embedded
本発明の接合体および電極埋設部材は、基板保持部材などの基台となる金属部材の所望の面にAlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる絶縁層を接合でき、金属部材の露出面を電気絶縁することにより周辺部材とのアセンブリが行えるので、電気絶縁性を高めた部材とすることができる。また、金属部材にスリーブが金属部材と一体化して形成されるため、耐熱温度を従来より高めることができる。また、金属部材および絶縁層の接合面の浸食やコンタミネーションを抑制した部材とすることができるので、様々な用途に適用できる。また、金属部材の側面に封止部材を配置することにより、必要な気密性を確保することも可能になる。 The bonded body and electrode-embedded member of the present invention can bond an insulating layer made of a ceramic sintered body containing AlN as a main component to a desired surface of a metal member that serves as a base such as a substrate holding member, and the exposed surface of the metal member. can be assembled with the peripheral member by electrically insulating the member, so that the member can be a member with improved electrical insulation. In addition, since the sleeve is integrally formed with the metal member, the heat resistance temperature can be increased as compared with the conventional one. In addition, since it is possible to obtain a member that suppresses erosion and contamination of the joint surface between the metal member and the insulating layer, it can be applied to various uses. Further, by arranging the sealing member on the side surface of the metal member, it is also possible to ensure necessary airtightness.
[接合体の製造方法]
次に、上記のように構成された接合体100、200の製造方法を説明する。図6(a)~(e)は、それぞれ本発明の実施形態に係る製造方法の製造工程の一段階を模式的に示す断面図である。本発明の実施形態に係る製造方法は準備工程と、充填積層工程と、積層体形成工程と、焼成工程と、除去加工工程と、を含む。
[Method for producing joined body]
Next, a method for manufacturing the bonded
準備工程は、AlN原料粉またはAlN原料粉に金属酸化物原料粉を添加した粉末を造粒した造粒粉32を準備する。AlN原料粉末は、高純度であることが好ましく、その純度は、好ましくは96%以上、より好ましくは98%以上である。また、AlN粉末の平均粒径は、好ましくは0.1μm以上1.0μm以下、より好ましくは0.3μm以上0.8μm以下である。金属酸化物原料粉として、例えばY2O3を用いる場合は、AlN原料粉に内比で0.1wt%~5wt%のY2O3を添加し、PVA系等のバインダ、分散剤、溶剤を添加してスラリーを調製し、スプレードライヤー等により造粒粉32を造粒する。
In the preparation step,
充填積層工程は、厚み1mm以上の板状の高融点金属からなる金属部材前駆体24を準備し、造粒粉32または造粒粉32から形成した成形体、および金属部材前駆体24を、金属部材前駆体24の一方の主面12が積層方向に垂直になるように有底のカーボン型60(成形型)に配置し、金属部材前駆体24の側面16とカーボン型60の間隙に造粒粉32または成形体が充填されるように積層する。
In the filling lamination step, a plate-shaped
成形体を積層する他の例として、得られた造粒粉32を用いて1または複数の成形体を作製する。成形体の成形方法としては、例えば、一軸加圧成形や冷間静水等方圧加圧(CIP:Cold Isostatic Pressing)法などの公知の方法を用いればよい。なお、成形体を形成する方法は、加圧成形に限らず、例えば、グリーンシート積層、または鋳込み成形であっても適用が可能である。
As another example of stacking compacts, the obtained
電極埋設部材250を作製する場合は、造粒粉32を充填する際に、造粒粉32を仮プレスし電極50を配置しさらに造粒粉32を投入し仮プレスする、または、成形体を積層し電極50を配置しさらに成形体を積層することで、焼結後第1のセラミックス部材40となる部分に電極50が埋設される。
In the case of producing the electrode-embedded
積層体形成工程は、カーボン型60にカーボンパンチ70を挿入し、積層体34を形成する。積層体34は、焼結後セラミックス焼結体36となる造粒粉32または成形体の層と、焼結後金属部材10となる金属部材前駆体24の2層であってもよいし、金属部材前駆体24が造粒粉32または成形体の層で挟まれた3層であってもよい。また、積層方向の側面は、絶縁層30が形成されない領域に金属部材前駆体24が露出する部分があってもよいが、絶縁層30が形成されない領域も造粒粉32または成形体で覆われて焼成され、焼成後研削して露出させることが好ましい。図6は、金属部材前駆体24が造粒粉32で覆われて、3層で作製される場合を示している。
In the laminate forming step, the
焼成工程は、積層体34を一軸加圧焼成することで接合体100、200を作製する。焼成条件は、例えば、1700℃以上2000℃以下の温度、1MPa以上の圧力で、0.1時間以上10時間以下保持することで焼成することができる。このとき、造粒粉32または造粒粉32から形成した成形体は、静水圧的な力を受け金属部材前駆体24の側面16にも押し当てられ、セラミックス焼結体36が金属部材前駆体24と接合材を介することなく接合し、一体化する。
In the firing process, the joined
このとき、一軸加圧焼成する工程は、金属部材10において絶縁層30および金属部材10の接合界面近傍の高融点金属の炭化物を含むカーバイド化層の平均厚みが40μm以下となるように制御されることが好ましい。造粒粉32に含まれる添加物の量が多くなるほど高融点金属のカーバイド化層が早く厚くなる傾向にあるため、焼成時間は短く、焼成温度は低くすることが好ましい。一方、セラミックス焼結体36を焼結させるためには、造粒粉32に含まれる添加物の量に応じて、所定の温度以上で、所定の時間焼成する必要がある。よって、造粒粉32に含まれる添加物の量に応じて、焼成時間や焼成温度を調整する。
At this time, the step of uniaxial pressure firing is controlled so that the average thickness of the carbide layer containing the carbide of the high melting point metal in the vicinity of the bonding interface between the insulating
除去加工工程は、一軸加圧焼成後に、金属部材10に形成されたセラミックス焼結体36の所定の領域を、所定の厚みを残して除去加工する。その他、所定の形状に加工する工程を設けてもよい。このとき、接合体100、200の設計に応じて、金属部材10の一方の主面12、他方の主面14、または側面16に形成されたセラミックス焼結体36のうちの一部、または全部を取り去り、金属部材10を露出する加工を行なってもよい。除去加工工程は、焼成後のセラミックス焼結体36が絶縁層30、第1のセラミックス部材40または第2のセラミックス部材45として必要な厚みである場合、除去加工を行なわなくてもよい。また、金属部材10の形状を加工する工程を設けてもよい。このときは、金属部材10の一方の主面12に垂直な方向の最大厚みが1mmを下回らないように加工をする。
In the removing process, after the uniaxial pressure firing, a predetermined area of the ceramic
また、電極埋設部材250とした場合は、電極50の一部を露出させる工程や、電極50に端子を接続する工程を設けてもよい。
Further, when the
なお、成形体を作製し積層する方法では、成形体を脱脂して脱脂体を作製する工程や脱脂体を仮焼して仮焼体を作製する工程を設けてもよい。その場合、例えば、脱脂温度は400℃以上800℃以下であることが好ましく、脱脂時間は1時間以上120時間以下であることが好ましい。脱脂雰囲気は、大気雰囲気または窒素雰囲気であることが好ましく、大気雰囲気であることがより好ましい。また、例えば、仮焼温度は1200℃以上1700℃以下であることが好ましく、仮焼時間は、0.5時間以上12時間以下であることが好ましい。仮焼雰囲気は、窒素や不活性ガス雰囲気であることが好ましいが、真空などの雰囲気であってもよい。 In addition, in the method of forming and laminating the molded body, a process of degreasing the molded body to produce a degreased body and a process of calcining the degreased body to produce a calcined body may be provided. In that case, for example, the degreasing temperature is preferably 400° C. or higher and 800° C. or lower, and the degreasing time is preferably 1 hour or longer and 120 hours or shorter. The degreasing atmosphere is preferably an air atmosphere or a nitrogen atmosphere, more preferably an air atmosphere. Further, for example, the calcination temperature is preferably 1200° C. or more and 1700° C. or less, and the calcination time is preferably 0.5 hours or more and 12 hours or less. The calcining atmosphere is preferably a nitrogen or inert gas atmosphere, but may be a vacuum atmosphere.
図7(a)~(e)は、それぞれ本発明の実施形態に係る製造方法の製造工程の一段階を模式的に示す断面図である。図7は、厚み方向に貫通する貫通孔20、または一方の主面12、他方の主面14、もしくは側面16に溝部22を有する金属部材前駆体24を使用した製造方法の一例を示している。上記の製造方法との違いのみ説明する。
7A to 7E are cross-sectional views schematically showing one stage of the manufacturing process of the manufacturing method according to the embodiment of the present invention. FIG. 7 shows an example of a manufacturing method using a
充填積層工程において準備する金属部材前駆体24は、厚み方向に貫通する貫通孔20、または一方の主面12、他方の主面14、もしくは側面16に溝部22を有することが好ましい。また、充填積層工程において、金属部材前駆体24に形成された貫通孔20または溝部22に、造粒粉32または造粒粉から形成した成形体を充填することが好ましい。このように、貫通孔20または溝部22に造粒粉32等を充填して焼成することで、静水圧的な力により貫通孔20の内面や溝部22の内側にも押し当てられ、貫通孔20の内面や溝部22にセラミックス焼結体36を直接接合することができる。また、焼成後のセラミックス焼結体36に不具合が生じる虞が低減される。造粒粉32または造粒粉から形成した成形体のほか、これらの仮焼体や焼成体を充填してもよい。
The
また、除去加工工程は、貫通孔20または溝部22に形成されたセラミックス焼結体36を、所定の厚みを残して除去加工する工程を含むことが好ましい。これにより、直接接合することが困難であった貫通孔20の内面または溝部22を含む面に絶縁層30を形成でき、接合体100、200の用途がさらに拡大する。また、厚み方向に貫通する貫通孔20、または一方の主面12、他方の主面14、もしくは側面16に溝部22を有する金属部材前駆体24を使用することで、難加工性の高融点金属を予め加工しておくことができ、焼成後に加工するよりも容易に種々の構造のための形状を作製でき、接合体100、200の用途がさらに拡大する。
Moreover, the removing process preferably includes a process of removing the ceramic
貫通孔20は、例えば、電極取り出しのための給電端子を後付けするための孔、ガスを供給または吸引するための孔、基板を載置するためのリフトピン用の孔として使用される。溝部22は、例えば、周辺部材との封止部材の設置溝として使用される。
The through-
このような方法により、電気絶縁性を高め、金属部材および絶縁層の接合面の浸食やコンタミネーションを抑制することができる接合体または電極埋設部材を製造することができる。 By such a method, it is possible to manufacture a joined body or an electrode-embedded member capable of enhancing electrical insulation and suppressing erosion and contamination of the joint surface of the metal member and the insulating layer.
[実施例]
(接合体の作製)
(実施例1)
AlN原料粉に内比で5wt%のY2O3を添加し、バインダ(PVA)、分散剤、溶剤を添加してスラリーを調製し、スプレードライヤーにより造粒粉を造粒した。また、高融点金属からなる金属部材となる金属部材前駆体として、径Φ50mm、厚み8mm、側面の厚み方向中間部に幅5mm、深さ3mmの溝部を設けた板状のMoを準備した。
[Example]
(Preparation of conjugate)
(Example 1)
5 wt % of Y 2 O 3 was added to the AlN raw material powder, and a binder (PVA), dispersant and solvent were added to prepare a slurry, and a granulated powder was granulated with a spray dryer. In addition, as a metal member precursor made of a high-melting-point metal, a plate-shaped Mo having a diameter of Φ50 mm, a thickness of 8 mm, and a groove portion having a width of 5 mm and a depth of 3 mm was provided in the middle portion in the thickness direction of the side surface.
次に、造粒粉を有底のカーボン型に充填し、カーボンパンチでプレス成形し、径Φ80mm、厚み10mmの成形体を作製した。次に、金属部材前駆体を準備し、成形体上に載置した。 Next, the granulated powder was filled in a carbon mold with a bottom and press-molded with a carbon punch to produce a compact having a diameter of 80 mm and a thickness of 10 mm. Next, a metal member precursor was prepared and placed on the compact.
次に、カーボン型と金属部材前駆体の側面との間に生じる隙間に同じ組成の造粒粉を充填した。次に、カーボン型に造粒粉をさらに充填して金属部材前駆体を埋設した。このとき、金属部材前駆体の上面より厚みが10mmになるように、造粒粉の充填およびカーボンパンチでの成形をした。 Next, the gap between the carbon mold and the side surface of the metal member precursor was filled with granulated powder having the same composition. Next, the carbon mold was further filled with the granulated powder, and the metal member precursor was embedded therein. At this time, the metal member precursor was filled with granulated powder and molded with a carbon punch so that the thickness from the upper surface of the metal member precursor became 10 mm.
そして、カーボンパンチをカーボン型に挿入した状態で、温度1800℃、圧力4MPa、N2雰囲気で2時間一軸ホットプレス焼成を行った。これにより直径80mmのAlN焼結体の内部に高融点金属のMoからなる金属部材を埋設することができた。次に、金属部材の側面から中心軸方向の断面に沿って絶縁層の厚みが1mmの厚みになるまで接合体の側面の除去加工を行った。また、金属部材の側面の溝に形成された絶縁層は、溝の表面より1mmの厚みを残して除去加工を行った。このようにして、実施例1の接合体を作製した。 Then, with the carbon punch inserted in the carbon mold, uniaxial hot press firing was performed at a temperature of 1800° C., a pressure of 4 MPa, and an N 2 atmosphere for 2 hours. As a result, a metal member made of Mo, which is a high-melting-point metal, could be embedded inside the AlN sintered body having a diameter of 80 mm. Next, the side surface of the joined body was removed along the cross section in the central axis direction from the side surface of the metal member until the thickness of the insulating layer became 1 mm. In addition, the insulating layer formed in the groove on the side surface of the metal member was removed leaving a thickness of 1 mm from the surface of the groove. In this way, the joined body of Example 1 was produced.
(実施例2)
実施例1の造粒粉のうち、一方の主面に積層する成形体を形成する造粒粉をAlN原料粉に内比で0.5wt%のY2O3および0.9wt%のTiNを添加したものに変更した以外、実施例1と同じ工程、条件で実施例2の接合体を作製した。なお、他方の主面に積層する成形体を形成する造粒粉、およびカーボン型と金属部材前駆体の側面との間に生じる隙間に充填した造粒粉は、AlN原料粉に内比で5wt%のY2O3を添加したものであり、実施例1と同じである。
(Example 2)
Among the granulated powders of Example 1, the granulated powders for forming a molded body to be laminated on one main surface were AlN raw material powders containing 0.5 wt% Y 2 O 3 and 0.9 wt% TiN. A joined body of Example 2 was produced in the same process and under the same conditions as in Example 1, except that the additive was changed. The granulated powder forming the molded body to be laminated on the other main surface and the granulated powder filled in the gap between the carbon mold and the side surface of the metal member precursor were 5 wt. % Y 2 O 3 is added, which is the same as in Example 1.
(実施例3)
実施例2の金属部材前駆体を、MoにY2O3が0.4wt%添加された合金からなる部材に置き換えた以外、実施例2と同じ工程、条件で実施例3の接合体を作製した。
(Example 3)
A bonded body of Example 3 was produced in the same process and under the same conditions as in Example 2, except that the metal member precursor of Example 2 was replaced with a member made of an alloy in which 0.4 wt% of Y 2 O 3 was added to Mo. bottom.
(実施例4)
実施例1の金属部材前駆体を、Wからなる部材に置き換えた以外、実施例1と同じ工程、条件で実施例4の接合体を作製した。
(Example 4)
A joined body of Example 4 was produced in the same process and under the same conditions as in Example 1, except that the metal member precursor of Example 1 was replaced with a member made of W.
(実施例5)
実施例2の造粒粉のうち、一方の主面に積層する成形体を形成する造粒粉をAlN原料粉のみに変更した以外、実施例2と同じ工程、条件で実施例5の接合体を作製した。なお、他方の主面に積層する成形体を形成する造粒粉、およびカーボン型と金属部材前駆体の側面との間に生じる隙間に充填した造粒粉は、AlN原料粉に内比で5wt%のY2O3を添加したものであり、実施例1と同じである。
(Example 5)
The joined body of Example 5 was produced in the same process and under the same conditions as in Example 2, except that the granulated powder for forming the molded body to be laminated on one main surface of the granulated powder of Example 2 was changed only to the AlN raw material powder. was made. The granulated powder forming the molded body to be laminated on the other main surface and the granulated powder filled in the gap between the carbon mold and the side surface of the metal member precursor were 5 wt. % Y 2 O 3 is added, which is the same as in Example 1.
(実施例6)
実施例1の焼成時間を、5時間とした以外、実施例1と同じ工程、条件で実施例6の接合体を作製した。
(Example 6)
A joined body of Example 6 was produced in the same process and under the same conditions as in Example 1, except that the firing time in Example 1 was changed to 5 hours.
(実施例7)
実施例2の造粒粉のうち、一方の主面に積層する成形体を形成する造粒粉をAlN原料粉に内比で7wt%のY2O3を添加したものに変更し、温度1800℃、圧力4MPa、N2雰囲気で10時間一軸ホットプレス焼成した以外、実施例2と同じ工程、条件で実施例7の接合体を作製した。なお、他方の主面に積層する成形体を形成する造粒粉、およびカーボン型と金属部材前駆体の側面との間に生じる隙間に充填した造粒粉は、AlN原料粉に内比で5wt%のY2O3を添加したものであり、実施例1と同じである。
(Example 7)
Among the granulated powders of Example 2, the granulated powder for forming the molded body to be laminated on one main surface was changed to the AlN raw material powder to which Y 2 O 3 was added in an internal ratio of 7 wt%, and the temperature was 1800. C., a pressure of 4 MPa, and a N2 atmosphere for 10 hours, except for uniaxial hot press sintering. The granulated powder forming the molded body to be laminated on the other main surface and the granulated powder filled in the gap between the carbon mold and the side surface of the metal member precursor were 5 wt. % Y 2 O 3 is added, which is the same as in Example 1.
(比較例1)
実施例1と同一形状のAlの金属部材を準備し、絶縁層の代わりにAlの側面にプラズマ溶射によるアルミナ膜を100μm製膜したものを用意した。
(Comparative example 1)
An Al metal member having the same shape as in Example 1 was prepared, and instead of the insulating layer, a 100 μm-thick alumina film was formed on the side surface of the Al by plasma spraying.
(電気絶縁性の評価)
Moを接地し、絶縁層またはアルミナ膜の任意の点100個所に絶縁抵抗計(DC1000V)のプローブをあてて絶縁抵抗値を評価した。50MΩ以上を合格とした。
(Evaluation of electrical insulation)
Mo was grounded, and a probe of an insulation resistance meter (DC 1000 V) was applied to 100 arbitrary points on the insulating layer or alumina film to evaluate the insulation resistance value. A resistance of 50 MΩ or more was regarded as a pass.
(測定結果)
実施例は、いずれも絶縁抵抗が50MΩ以上であり電気絶縁性が高いことが確かめられた。比較例1は、100箇所中7箇所に絶縁不良個所が現れ、電気絶縁性が十分ではなかった。これは、溶射膜は本質的にポーラスであること、凹凸部の隅部など平面でない箇所は特に疎な組織になりやすいこと、絶縁性を十分確保するほど厚く製膜することが困難であることなどから局所的に電気絶縁性が確保できないためであると考えられる。これに対して、本発明の絶縁層は焼結体となっており気孔率が溶射膜に比べ小さく、かつ、厚みを厚くすることも容易なため電気絶縁性を確保することが容易であったためであると考えられる。
(Measurement result)
It was confirmed that all of the examples had an insulation resistance of 50 MΩ or more, indicating high electrical insulation. In Comparative Example 1, 7 out of 100 locations showed defective insulation, indicating insufficient electrical insulation. This is due to the fact that the thermal sprayed film is essentially porous, the non-flat areas such as the corners of uneven parts tend to have a particularly sparse structure, and it is difficult to form a film thick enough to ensure sufficient insulation. It is considered that this is because electrical insulation cannot be locally ensured due to the above reasons. On the other hand, since the insulating layer of the present invention is a sintered body, the porosity is smaller than that of the sprayed film, and it is easy to increase the thickness, so that it is easy to secure electrical insulation. It is considered to be
(元素分析)
次に、実施例1の試料について、積層方向に垂直な切断面をEPMAで元素分析をしてマッピングした。Y、およびOは、絶縁層およびセラミックス部材(AlN焼結体)内にも存在するが、絶縁層またはセラミックス部材と金属部材との接合界面にそれより多く存在していることが分かった。すなわち、絶縁層またはセラミックス部材と金属部材との接合界面は、セラミックス焼結体の第2相を構成する金属の濃度および酸素濃度が、セラミックス焼結体の内部の金属の濃度および酸素濃度よりそれぞれ大きいことが確かめられた。
(Elemental analysis)
Next, with respect to the sample of Example 1, a cut surface perpendicular to the stacking direction was subjected to elemental analysis by EPMA and mapped. It was found that Y and O are present in the insulating layer and the ceramic member (AlN sintered body), but are present in greater amounts at the joint interface between the insulating layer or the ceramic member and the metal member. That is, at the joint interface between the insulating layer or the ceramic member and the metal member, the metal concentration and oxygen concentration that constitute the second phase of the ceramic sintered body are higher than the metal concentration and oxygen concentration inside the ceramic sintered body, respectively. confirmed to be large.
図8は、実施例1の側面を垂直に切り出した断面の模式図である。同じ視野の断面について、予めEPMAで元素分析をしてマッピングした結果とSEM画像の色調の違い等を合わせた結果、接合体の接合界面の近傍は、図8の模式図で右から順にAlNセラミックスの層、酸素リッチなAlNセラミックスの層、高融点金属であるMoの層、炭化したMoを含むカーバイド化層、Moの層という順に層状に構成されていることが分かった。また、実施例2、5の断面でも、各層の厚さは異なるが、同様の構成であることが分かった。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view obtained by vertically cutting the side surface of Example 1. FIG. Regarding the cross section of the same field of view, the result of elemental analysis by EPMA in advance and the mapping was combined with the difference in color tone of the SEM image. layer, an oxygen-rich AlN ceramic layer, a refractory metal Mo layer, a carbide layer containing carbonized Mo, and a Mo layer in this order. Moreover, it was found that the cross sections of Examples 2 and 5 also had the same structure, although the thickness of each layer was different.
AlNセラミックスの層と酸素リッチなAlNセラミックスの層は、SEM画像上では色調の違いが表れていなかった。また、実施例1および2の酸素リッチなAlNセラミックスの層は、接合界面から相対的に離れた位置にあるAlNセラミックスの層と比較して、OだけでなくYも多く含んでいた。実施例5の酸素リッチなAlNセラミックスの層は、Oを多く含んでいた。なお、AlNセラミックスの層と酸素リッチなAlNセラミックスの層とは、セラミックス部材に相対的に酸素等の量が異なる部分があるということであり、明確な基準による区別はできなかった。 The AlN ceramic layer and the oxygen-rich AlN ceramic layer showed no difference in color tone on the SEM image. In addition, the oxygen-rich AlN ceramic layers of Examples 1 and 2 contained more Y as well as O than the AlN ceramic layers located relatively far from the bonding interface. The oxygen-rich AlN ceramic layer of Example 5 contained a large amount of O. It should be noted that the AlN ceramic layer and the oxygen-rich AlN ceramic layer have portions in which the amounts of oxygen and the like are relatively different in the ceramic member, and it was not possible to distinguish them by a clear standard.
高融点金属のカーバイド化層は、接合界面から少し離れた位置に形成されていた。高融点金属がカーバイド化するためのCは、原料由来または環境から混入したものであると考えられるが、このような層が接合界面から少し離れた位置に形成される理由は分かっていない。 A carbide layer of refractory metal was formed at a distance from the bonding interface. It is believed that C for carbiding the refractory metal is derived from the raw material or mixed from the environment, but the reason why such a layer is formed at a position a little away from the bonding interface is unknown.
(カーバイド化層の厚みの測定)
1000倍のSEM画像で高融点金属のカーバイド化層の平均厚みを測定した。その結果、実施例1は24μm、実施例2は14μm、実施例3は17μm、実施例4は16μm、実施例5は2μm、実施例6は32μm、実施例7は36μmであった。造粒粉に含まれる添加物の量が多くなるほど、または焼成時間が長くなるほど高融点金属のカーバイド化層が厚くなる傾向にあることが確かめられた。
(Measurement of thickness of carbide layer)
The average thickness of the refractory metal carbide layer was measured on 1000x SEM images. As a result, Example 1 was 24 μm, Example 2 was 14 μm, Example 3 was 17 μm, Example 4 was 16 μm, Example 5 was 2 μm, Example 6 was 32 μm, and Example 7 was 36 μm. It was confirmed that the higher the amount of additive contained in the granulated powder or the longer the firing time, the thicker the carbide layer of the high-melting-point metal.
本発明の接合体は、セラミックス焼結体および金属部材の接合界面に形成される高融点金属のカーバイド化層の平均厚みを十分に薄くすることができるため、接合強度が高くなると考えられる。また、本発明の接合体は、セラミックス焼結体および金属部材の接合界面に、酸素が高濃度で存在することで、酸素を介して高融点金属とAlNとの化学結合がされている可能性が高いと考えられる。セラミックス焼結体が第2相を構成する金属酸化物を含む場合、セラミックス焼結体および金属部材の接合界面に、酸素だけでなくセラミックス焼結体の第2相を構成する金属も高濃度で存在しているため、これによる寄与もあると考えられるが、このような接合体は、第2相を構成する金属酸化物を原料中に添加することによって一軸加圧時にカーバイド化が促進し、高融点金属のカーバイド化層の平均厚みが厚くなってしまったため、接合強度自体は、小さくなると考えられる。 In the joined body of the present invention, the average thickness of the carbide layer of the high-melting-point metal formed at the joint interface between the ceramic sintered body and the metal member can be made sufficiently thin, so it is thought that the joint strength increases. In addition, in the bonded body of the present invention, oxygen is present at a high concentration at the bonding interface between the ceramic sintered body and the metal member, so there is a possibility that the high melting point metal and AlN are chemically bonded via oxygen. is considered to be high. When the ceramic sintered body contains a metal oxide that constitutes the second phase, not only oxygen but also the metal that constitutes the second phase of the ceramic sintered body is present at a high concentration at the bonding interface between the ceramic sintered body and the metal member. Since it exists, it is thought that this also contributes, but in such a bonded body, the addition of a metal oxide that constitutes the second phase to the raw material promotes carbide formation during uniaxial pressing. Since the average thickness of the carbide layer of the refractory metal has increased, the bond strength itself is considered to be reduced.
(実施例8)
実施例1の金属部材前駆体にφ12mmの貫通孔を2か所(PCD.40mm、等配)設けた。そして、径φ80mmの成形体の上に金属部材前駆体を載置し、金属部材前駆体の貫通孔および金属部材前駆体の側面に造粒粉を充填するとともに、金属部材前駆体の上面より厚みが10mmになるように造粒粉をさらに充填してMoを埋設した以外、同じ工程、条件で実施例8の接合体を作製した。
(Example 8)
Two φ12 mm through-holes (PCD. 40 mm, equidistant) were formed in the metal member precursor of Example 1. Then, the metal member precursor is placed on a molded body having a diameter of φ80 mm, and the through holes of the metal member precursor and the side surfaces of the metal member precursor are filled with granulated powder, and the thickness is greater than the upper surface of the metal member precursor. A joined body of Example 8 was produced in the same process and under the same conditions, except that the granulated powder was further filled so that the diameter became 10 mm and the Mo was embedded.
実施例8の接合体を焼成後、金属部材の側面に形成されたセラミックス焼結体の厚みが1mmになるまで除去加工を行い、さらに、金属部材の貫通孔に形成された同質のセラミックスを貫通孔と同軸にΦ8mmの穴加工を行った。その結果、貫通孔にはMoと接合された厚み2mmの絶縁性スリーブ(絶縁層)を設けることができた。 After firing the joined body of Example 8, removal processing was performed until the thickness of the ceramic sintered body formed on the side surface of the metal member became 1 mm. A hole of Φ8 mm was drilled coaxially with the hole. As a result, it was possible to provide an insulating sleeve (insulating layer) with a thickness of 2 mm bonded to Mo in the through hole.
(実施例9)
(電極埋設部材の作製)
実施例9は、実施例8の製法において金属部材前駆体の上に位置するAlN焼結体(セラミックス部材)にヒーター電極を埋設し、高温下のプロセスで使用できるヒーターモジュールを作製した。
(Example 9)
(Preparation of electrode embedded member)
In Example 9, a heater electrode was embedded in the AlN sintered body (ceramic member) positioned on the metal member precursor in the manufacturing method of Example 8 to produce a heater module that can be used in high-temperature processes.
造粒粉は、実施例1と同様のものを準備した。また、金属部材前駆体として、上部径Φ298mm、厚み10mm、下部径Φ298mm、厚み10mm、厚み方向中間部に幅5mm、深さ5mmの溝部、端子穴に対応する中心から半径20mmの位置に2箇所Φ12mmの貫通孔を設けた板状のMoを準備した。 The same granulated powder as in Example 1 was prepared. In addition, as a metal member precursor, an upper diameter φ298 mm, a thickness of 10 mm, a lower diameter φ298 mm, a thickness of 10 mm, a groove having a width of 5 mm and a depth of 5 mm in the middle part in the thickness direction, two positions at a radius of 20 mm from the center corresponding to the terminal hole A plate-shaped Mo with a through hole of Φ12 mm was prepared.
まず、ヒーター積層体を作製した。造粒粉を有底のカーボン型に充填し、カーボンパンチでプレス成形し、径Φ320mm厚み8mmの成形体を作製した。次に、ヒーター電極を成形体上に載置した。ヒーター電極はMoメッシュ(線径0.1mm、メッシュサイズ#50、平織)をヒーター電極の抵抗値を合わせるため所定のパターンに裁断したものである。次に、カーボン型に造粒粉をさらに充填してヒーター電極を埋設することでヒーター積層体を作製した。このとき、ヒーター電極の上面より厚みが8mmになるように、造粒粉の充填およびカーボンパンチでの成形をした。
First, a heater laminate was produced. The granulated powder was filled in a bottomed carbon mold and press-molded with a carbon punch to prepare a compact having a diameter of Φ320 mm and a thickness of 8 mm. Next, a heater electrode was placed on the compact. The heater electrode is obtained by cutting Mo mesh (wire diameter 0.1 mm,
次に、板状のMoをヒーター積層体上に載置して、積層体を作製した。このようにして、ヒーター積層体、および板状のMoが積層された積層体を作製した。 Next, a plate-like Mo was placed on the heater laminate to produce a laminate. In this manner, a heater laminate and a laminate in which plate-like Mo was laminated were produced.
そして、カーボンパンチをカーボン型に挿入した状態で、温度1800℃、圧力4MPa、N2雰囲気で4時間一軸ホットプレス焼成を行った。焼成後、外形加工(Φ300mm×18mm)を行った。電極と外部電源とを接続するための端子穴の穿設(Φ8mm)、端子の接続、および必要な絶縁構造の作製は、焼成後の加工時に同時に行なった。このようにして、実施例9の電極埋設部材を作製した。 Then, with the carbon punch inserted into the carbon mold, uniaxial hot press firing was performed at a temperature of 1800° C., a pressure of 4 MPa, and an N 2 atmosphere for 4 hours. After firing, the outer shape was processed (Φ300 mm×18 mm). The drilling of terminal holes (Φ8 mm) for connecting the electrodes and an external power supply, the connection of the terminals, and the preparation of the necessary insulating structure were simultaneously performed during processing after firing. Thus, an electrode-embedded member of Example 9 was produced.
(評価)
作製されたヒーターモジュールは、ヒーター電極に外部電源より通電することにより400℃に加熱することができた。
(evaluation)
The fabricated heater module could be heated to 400° C. by energizing the heater electrodes from an external power supply.
以上により、本発明の接合体または電極埋設部材は、基板保持部材などの基台となる金属部材の所望の面にAlNを主成分とするセラミックス焼結体からなる絶縁層を接合でき、電気絶縁性を高めた接合体とすることができることが確かめられた。また、金属部材の厚みが厚いことで、金属部材をヒートシンクとして利用したりするなど、様々な用途に適用できることが確かめられた。また、本発明の製造方法は、そのような接合体または電極埋設部材を製造できることが確かめられた。 As described above, the bonded body or electrode-embedded member of the present invention can bond an insulating layer made of a ceramic sintered body containing AlN as a main component to a desired surface of a metal member that serves as a base such as a substrate holding member, thereby providing electrical insulation. It was confirmed that a conjugate with enhanced properties can be obtained. In addition, it was confirmed that the thick metal member can be used for various purposes, such as using the metal member as a heat sink. Moreover, it was confirmed that the manufacturing method of the present invention can manufacture such a bonded body or an electrode-embedded member.
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形および均等物に及ぶことはいうまでもない。また、各図面に示された構成要素の構造、形状、数、位置、大きさ等は説明の便宜上のものであり、適宜変更しうる。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but extends to various modifications and equivalents within the spirit and scope of the present invention. Also, the structure, shape, number, position, size, etc. of the constituent elements shown in each drawing are for convenience of explanation, and may be changed as appropriate.
10 金属部材
12 一方の主面
14 他方の主面
16 側面
20 貫通孔
22 溝部
24 金属部材前駆体
30 絶縁層
32 造粒粉
34 積層体
36 セラミックス焼結体
40 第1のセラミックス部材
45 第2のセラミックス部材
50 電極
60 カーボン型
70 カーボンパンチ
100、200 接合体
250 電極埋設部材
10
Claims (9)
前記金属部材の一方の主面に垂直な方向の最大厚みが1mm以上であり、
前記絶縁層は、前記金属部材の前記一方の主面と前記一方の主面に対向する側の他方の主面との2面を除く少なくとも一部に直接接合されていることを特徴とする接合体。 A joined body of a metal member made of a high melting point metal having a melting point of 2000° C. or higher and an insulating layer made of a ceramic sintered body containing AlN as a main component,
The maximum thickness in a direction perpendicular to one main surface of the metal member is 1 mm or more,
The bonding, wherein the insulating layer is directly bonded to at least a part of the metal member except for two surfaces of the one main surface and the other main surface facing the one main surface. body.
前記カーバイド化層の平均厚みは、40μm以下であることを特徴とする請求項1記載の接合体。 the metal member has a carbide layer containing a carbide of the refractory metal in the vicinity of the bonding interface between the metal member and the insulating layer;
2. A joined body according to claim 1, wherein said carbide layer has an average thickness of 40 [mu]m or less.
前記絶縁層は、前記貫通孔の内面または前記溝部を含む面に接合されることを特徴とする請求項1または請求項2記載の接合体。 The metal member has a through hole penetrating in the thickness direction, or a groove on one main surface, the other main surface, or a side surface,
3. The joined body according to claim 1, wherein the insulating layer is joined to the inner surface of the through hole or the surface including the groove.
前記接合体の前記第1のセラミックス部材に埋設された電極と、を備えることを特徴とする電極埋設部材。 a joined body according to claim 5;
and an electrode embedded in the first ceramic member of the joined body.
AlN原料粉またはAlN原料粉に金属酸化物原料粉を添加した粉末を造粒した造粒粉を準備する準備工程と、
前記造粒粉または前記造粒粉から形成した成形体、および前記高融点金属からなる厚み1mm以上の板状の金属部材前駆体を、前記金属部材前駆体の一方の主面が積層方向に垂直になるようにカーボン型に配置し、前記金属部材前駆体の側面と前記カーボン型の間隙に前記造粒粉または前記成形体が充填されるように積層する充填積層工程と、
前記カーボン型にカーボンパンチを挿入し、積層体を形成する積層体形成工程と、
前記積層体を一軸加圧焼成する焼成工程と、
前記一軸加圧焼成後に、前記金属部材前駆体に形成されたセラミックス焼結体を、所定の厚みを残して除去加工する除去加工工程と、を含むことを特徴とする接合体の製造方法。 A method for producing a joined body of a metal member made of a high melting point metal having a melting point of 2000° C. or higher and an insulating layer made of a ceramic sintered body containing AlN as a main component,
a preparation step of preparing a granulated powder obtained by granulating the AlN raw material powder or a powder obtained by adding a metal oxide raw material powder to the AlN raw material powder;
The granulated powder or a molded body formed from the granulated powder and a plate-shaped metal member precursor having a thickness of 1 mm or more made of the high-melting metal are arranged so that one main surface of the metal member precursor is perpendicular to the stacking direction. A filling lamination step of laminating so that the granulated powder or the molded body is filled in the gap between the side surface of the metal member precursor and the carbon mold, and
A laminate forming step of inserting a carbon punch into the carbon mold to form a laminate;
A sintering step of uniaxially pressurizing and sintering the laminate;
and a removing step of removing the ceramic sintered body formed in the metal member precursor after the uniaxial pressure firing while leaving a predetermined thickness.
前記除去加工工程は、前記貫通孔または前記溝部に形成されたセラミックス焼結体を、所定の厚みを残して除去加工する工程を含むことを特徴とする請求項8記載の接合体の製造方法。
The metal member precursor has a through hole penetrating in the thickness direction, or a groove on one main surface, the other main surface, or a side surface,
9. The method of manufacturing a joined body according to claim 8, wherein said removing step includes a step of removing said ceramic sintered body formed in said through-hole or said groove while leaving a predetermined thickness.
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