DE69834771T2

DE69834771T2 - Verbundkörper aus Keramik und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69834771T2
Application number: DE69834771T
Authority: DE
Inventors: Ryusuke Tajimi City Ushikoshi; Hideyoshi Tokai City Tsuruta; Tomoyuki Meito-Ku Nagoya-City Fujii
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1998-06-15
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2018-06-16
Also published as: EP0886312A2; EP0886312B1; KR100283600B1; JPH1112053A; TW407298B; KR19990006874A; EP0886312A3; US6617514B1; JP3746594B2; DE69834771D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine keramische Verbundstruktur und ein Verfahren zur Herstellung dieser.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Heutzutage werden elektrostatische Haltevorrichtungen zum Anziehen und Halten von Halbleiterwafern beim Umlagern, der Belichtung, dem Unterziehen einer Filmausbildungsbehandlung, etwa CVD oder Sputtern, einer- Feinbearbeitungs-, Reinigungs-, Ätz- oder Chipsägebehandlung verwendet. Dichte Keramikmaterialien sind als Substrate für derartige elektrostatische Haltevorrichtungen bekannt. Insbesondere bei einer Halbleiter-Herstellungsvorrichtung wird häufig ein korrosives Gas auf Halogenbasis, etwa ClF₃, CF₄, NF₃, als Ätz- oder Reinigungsgas verwendet. Um den Halbleiterwafer rasch zu erhitzen und abzukühlen, während er von einem solchen Substrat gehalten wird, ist es erwünscht, dass das Substrat der elektrostatischen Haltevorrichtung eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Zudem ist es erwünscht, dass das Substrat eine solche Temperaturwechselbeständigkeit aufweist, dass es durch rasche Temperaturänderungen nicht zerstört wird. Dichtes Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem obgenannten korrosiven Gas auf Halogenbasis auf.
Auf dem Gebiet der Halbleiter-Herstellungsvorrichtungen werden in der Praxis Aufnehmer mit eingebauten Hochfrequenzelektroden zur Erzeugung von Plasma verwendet. Im Bereich solcher Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Hochfrequenzspannung wird eine Metallelektrode in einem Substrat aus Aluminiumnitrid oder dichtem Aluminiumoxid eingebettet. Zudem werden im Bereich der Halbleiter-Herstellungsvorrichtungen Keramikheizvorrichtungen verwendet, bei denen ein Metallwiderstand in einem Substrat aus Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid eingebettet wird, um die Temperatur des Wafers bei jedem der Vorgänge zu regeln.
Bei diesen Vorrichtungen ist es erforderlich, dass die Metallelektrode in dem aus Aluminiumnitrid oder dergleichen hergestellten Substrat eingebettet ist und dass die Metallelektrode mit einem externen elektrischen Spannungsversorgungsverbinder elektrisch gekoppelt wird. Aus diesem Grund ist aber ein Kopplungsabschnitt einem Wärmezyklus zwischen extrem hohen Temperaturen und niedrigen Temperaturen in einer oxidativen Atmosphäre und weiters in einer korrosiven Gasatmosphäre ausgesetzt. Ein solcher Verbundabschnitt soll über lange Zweit hinweg selbst unter solchen schwierigen Bedingungen eine hohe Verbindungsfestigkeit und hervorragende elektrische Kopplungsleistung aufweisen.
Die Erfinder haben die obgenannten Kopplungsstrukturen über lange Zeit studiert. Beispielsweise offenbarte die japanische Patentanmeldung Nr. 8-24.835 (veröffentlicht als JP-A-08-277171) die Kopplung der Spitze eines elektrischen Spannungsversorgungsverbinders mit einer Metallelektrode in einem Aufnehmer durch ein Hartlötmaterial aus einer Al-Legierung, ein Hartlötmaterial aus einer Cu-Legierung oder ein Hartlötmaterial aus einer Ni-Legierung, die alle korrosionsbeständig sind. Weiters wird in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 8-277.173 (JP-A-8-277.173) vorgeschlagen, eine Maschen- oder Netzmetallelektrode in AlN-Keramik einzubetten, während ein Teil der Maschen- oder Netzmetallelektrode freiliegt, und den freiliegenden Maschen- oder Netzabschnitt und die AlN-Keramik an einer Spitzenfläche des elektrischen Spannungsversorgungsverbinders hartzulöten. Bei den obgenannten Verfahren bieten die vorgeschlagenen Hartlötmethoden eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem korrosiven Gas auf Halogenbasis und dessen Plasma. Zudem haben die Erfinder in der japanischen Patentanmeldung Nr. 9-12.769 (entspricht der US-A Nr. 5.995.357) eine spezielle Verbundstruktur für die Verbindung von Verbinder und Metallelektrode vorgeschlagen, die eine hohe Verbindungsfestigkeit hervorragende Leistung in Bezug auf die Leitfähigkeit beibehalten kann, selbst wenn an diese hohe Temperaturen oder Temperaturwechsel unter oxidativer Atmosphäre angelegt werden.
Diese oben aufgeführten Verfahren sind sehr effektiv. Bei weiteren Untersuchungen haben die Erfinder jedoch herausgefunden, dass in einem extremen Fall die folgen den Nachteile zu Tage treten. Eine Molybdän-Widerstandsheizvorrichtung und eine Molybdän-Anschlussklemme wurden in eine Keramikheizvorrichtung eingebettet und die Anschlussklemme am elektrischen Spannungsversorgungsverbinder unter Verwendung eines Hartlötmaterials aus aktivem Silber hartgelötet. In diesem Fall korrodierte der Molybdän-Anschluss, wenn die Heizvorrichtung lange Zeit bei beispielsweise 700 °C betrieben wurde. In einem Extremfall brach die Verbundstruktur, oder eine Verbindung mit einem niedrigen Schmelzpunkt sickerte an einer Oberfläche der Heizvorrichtung durch und verursachte ein schlechtes Isolationsverhalten. Außerdem bewegte sich eine Silberkomponente zu einer Oberfläche der Heizvorrichtung aufgrund der Migration unter Gleich- oder Wechselstrombedingungen und führte ebenfalls zu einem schlechten Isolationsverhalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine keramische Verbundstruktur sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, bei der die Korrosion eines eingebetteten Elements sowie ein schlechtes Isolationsverhalten aufgrund des Durchsickerns einer Verbindung mit einem niedrigen Schmelzpunkt an einer Oberfläche eines Keramikelements oder aufgrund der Migration einer Metallkomponente verhindert werden, selbst wenn sie bei einem Betrieb langer Dauer in einem Hochtemperaturbereich einer oxidativen Atmosphäre, etwa Luft, ausgesetzt ist.
Gemäß der Erfindung ist eine keramische Verbundstruktur wie in Anspruch 1 dargelegt bereitgestellt.
Zudem ist gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Verbundstruktur wie in Anspruch 6 dargelegt bereitgestellt.
Die Erfinder haben die Ursachen für die Korrosion und das schlechte Isolierverhalten der Molybdän-Anschlussklemme untersucht. Bei dieser Untersuchung wurde herausgefunden, dass eine geringe Menge an oxidativer Atmosphäre, etwa Luft, die aus einem hartgelöteten Abschnitt austritt, zum Molybdän-Anschluss gelangt und Molybdän oxidiert, um Molybdäntrioxid zu bilden, und dass das so gebildete Molybdäntrioxid mit Silber reagiert, um die Oxidverbindung AgMoO₄ zu bilden, die einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist. Diese niedrigschmelzende Verbindung sorgt für die weitere Korrosion von Molybdän, was einen Widerstandsanstieg oder, in extremen Fällen, zu einem Bruch des Verbindungsabschnitts führt. Zudem sickerte diese Verbindung mit niedrigem Schmelzpunkt an einer Oberfläche des Keramikelements durch und sorgte dort für ein schlechtes Isolationsverhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat der Erfinder eine Struktur entwickelt, bei der ein Teil des eingebetteten Elements einer Verbindungsoberfläche des Keramikelements ausgesetzt ist, der mit der Verbindungsschicht in Kontakt steht, um einen Metallaussetzabschnitt auszubilden; das Keramikelement und der Metallaussetzabschnitt jeweils über die Verbindungsschicht mit dem Metallelement verbunden sind; und die Verbindungsschicht hauptsächlich aus einem oder mehreren aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählten Metallen hergestellt ist. In diesem Fall wurden das Keramikelement und das eingebettete Element fest mit dem externen Metallelement verbunden, wodurch es möglich wurde, eine Abnahme der Verbindungsfestigkeit und eine Abnahme des Isolationswiderstands zu verhindern. Zudem stellte sich heraus, dass unter Gleich- oder Wechselstrom keine Migration ausgelöst wird, da die Verbindungsschicht aus einem oder mehreren aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählten Metallen hergestellt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform einer Verbundstruktur gemäß der Erfindung zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht, die einen Formkörper 10 veranschaulicht, in dem eine Metallelektrode 3 und ein Formkörper 11, hergestellt aus einem gesinterten Pulverkörper, eingebettet sind;
3 ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand abbildet, in dem ein Loch 4 in einem Substrat 2 ausgebildet und ein Anschluss-Hauptkörper 5 dem Loch 4 ausgesetzt ist;
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die die nähere Umgebung des Anschlusses 14 veranschaulicht;
5 ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand vor der Herstellung der in 1 dargestellten Verbundstruktur veranschaulicht;
6a ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand vor dem Stapeln eines Hartlötmaterials 42 und einer aktiven Metallfolie 43 abbildet; und 6b ist eine Querschnittsansicht, die ein Hartlötmaterial 45 zeigt;
7 ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand vor der Herstellung der Verbundstruktur unter Verwendung eines Anschlusses 47 veranschaulicht;
8 ist eine Querschnittsansicht, die eine Verbundstruktur abbildet, bei der ein Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung und ein elektrisches Spannungsversorgungselement 8 nicht direkt verbunden sind;
9 ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand zeigt, in dem ein dichter Körper 32 im Substrat 2 eingebettet ist;
10 ist eine Querschnittsansicht, die eine Verbundstruktur veranschaulicht, in der ein röhrenförmiges, atmosphärenabschirmendes Element 33, das einen oxidativen Film 35 aufweist, verwendet wird;
11 ist eine Querschnittsansicht, die eine Verbundstruktur abbildet, in der ein atmosphärenabschirmendes Element 37, das den oxidativen Film 35 aufweist, verwendet wird; die 12a, 12b und 12c sind Querschnittsansichten, die jeweils ein Herstellungsverfahren für das atmosphärenabschirmende Element 33 bzw. 37 zeigen; und
13 ist eine Querschnittsansicht, die eine Verbundstruktur abbildet, bei der der Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung direkt mit dem Substrat 2 und der Elektrode 3 verbunden ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Als keramisches Element gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise eine Heizvorrichtung, in der eine Widerstandsheizvorrichtung in einem Keramiksubstrat eingebettet ist, eine elektrostatische Haltevorrichtung, in der eine Elektrode für die elektrostatische Haltevorrichtung in einem Keramiksubstrat eingebettet ist, eine Heizvorrichtung mit einer elektrostatischen Haltevorrichtung, in der eine Widerstandsheizvorrichtung und eine Elektrode für die elektrostatische Haltevorrichtung in einem Keramiksubstrat eingebettet sind, eine Elektrodenvorrichtung zur Hochfrequenzerzeugung, in der eine Elektrode zur Plasmaerzeugung in einem Keramiksubstrat eingebettet ist, und eine Elektrodenvorrichtung zur Hochfrequenzerzeugung, in der eine Elektrode zur Plasmaerzeugung und eine Widerstandsheizvorrichtung in einem Keramiksubstrat eingebettet sind, aufgeführt werden. Bei diesen obgenannten Keramikelementen ist es erforderlich, eine elektrische Spannungsversorgung zur Speisung der Elektrode im Keramikelement mit elektrischer Spannung anzuordnen.
Im Fall der Verwendung einer Metallelektrode als eingebettetes Element ist es bevorzugt, eine Metallelektrode in Form eines planaren, massiven Metallelements zu verwenden. Hierin bezeichnet der Begriff "planares, massives Metallelement" nicht nur einen planaren, einstückigen Metallformkörper, sondern auch einen Draht oder einen planaren Körper, der spiral- oder zickzackförmig angeordnet ist.
Da die Metallelektrode gemeinsam mit Keramikpulvern, etwa mit Aluminiumoxidpulvern oder Aluminiumnitridpulvern gesintert wird, ist es normalerweise bevorzugt, die Metallelektrode aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt auszubilden. Als solch hochschmelzende Metalle können Tantal, Wolfram, Molybdän, Platin, Rhenium, Hafnium und Legierungen dieser aufgeführt werden. Vom Standpunkt des Verhinderns der Verschmutzung des Halbleiters sind Tantal, Wolfram, Molybdän und Legierungen dieser bevorzugt.
Als planares, massives Element können die folgenden erwähnt werden:

(1) Ein aus einer dünnen Platte hergestelltes planares, massives Element.
(2) Ein planares, massives Elektrodenelement, in dem eine Vielzahl an kleinen Öffnungen ausgebildet ist. Dies umfasst ein aus einem planaren Material mit mehreren kleinern Löchern hergestelltes massives Element sowie ein netzartiges, massives Element. Als planares Element mit zahlreichen kleinern Löchern kann ein gestanztes Metall erwähnt werden.

Das eingebettete Element ist aus einem Metall, das zumindest Molybdän umfasst, ausgebildet. Ein solches Metall ist beispielsweise reines Molybdän oder eine Legierung aus Molybdän und einem anderen Metall. Als Metall zur Bildung einer Legierung mit Molybdän wird bevorzugt Wolfram, Kupfer, Nickel und Aluminium verwendet.
In der vorliegenden Erfindung ist ein Hauptbestandteil der Verbindungsschicht ein oder mehrere aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählte Metalle. Dieses Metall ist in der Verbindungsschicht mit mehr als 50 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Metall in der Verbindungsschicht, enthalten. Es ist bevorzugt, dass dieser Gehalt mehr als 70 Gew.-%, noch bevorzugter mehr als 80 Gew.-% ausmacht. Von diesen ist hinsichtlich der Oxidationsbeständigkeit die Verwendung von Gold am stärksten bevorzugt.
In der Verbindungsschicht ist es bevorzugt, ein oder mehrere aktive Metalle einzusetzen, die aus der aus Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob und Magnesium bestehenden Gruppe ausgewählt sind. In diesem Fall ist es möglich, die Hafteigen schaften und die Verbindungsfestigkeit der Verbindungsschicht in Bezug auf das Keramikelement zu verbessern.
Es ist möglich, in der Verbindungsschicht eine oder mehrere Drittkomponenten zu verwenden, die aus der aus Si, Al, Cu und In bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
Beträgt der Zusammensetzungsanteil an aktivem Metall unter 0,3 Gew.-%, so nimmt die Benetzbarkeit der Verbindungsschicht ab, sodass in einigen Fällen eine wirksame Verbindung nicht mehr möglich ist. Beträgt der Zusammensetzungsanteil an aktivem Metall hingegen mehr als 20 Gew.-%, so wird eine Reaktionsschicht an der Verbindungsgrenzfläche so große, dass sich in einigen Fällen Risse bilden können. Deshalb ist es bevorzugt, den Gesamtzusammensetzungsanteil an aktivem Metall in einem Bereich von 0,3 bis 20 Gew.-% festzulegen. Beträgt außerdem der Gesamtzusammensetzungsanteil der Drittkomponente mehr als 50 Gew.-%, so nimmt die intermetallische Verbindung zu, und in einem extremen Fall entsteht so ein Riss an der Verbindungsgrenzfläche. Deshalb ist es bevorzugt, den Gesamtzusammensetzungsanteil der Drittkomponente auf einem Bereich von nicht mehr als 50 Gew.-% festzulegen.
Zudem ist es bevorzugt, 5 bis 50 Gew.-% Nickel in der Verbindungsschicht zu integrieren. In diesem Fall ist es möglich, ein übermäßiges Schmelzen der Verbindungsschicht zu reduzieren, wenn das Metallelement aus Nickel oder einer Nickellegierung hergestellt ist. Dadurch ist es möglich, die Dichtungseigenschaften eines eingebetteten Anschlusses nach dem Verbinden zu verbessern. Werden zudem ein oder mehrere aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählte Metalle vor dem Verbinden des Metallelements und des Anschlusses auf einer Oberfläche des Anschlusses aufgetragen (dieser Schritt wird als Vorbeschichtungsvorgang bezeichnet und das Material, das im Vorbeschichtungsvorgang verwendet wird, wird als Vorbeschichtungsmaterial bezeichnet), so stellt sich heraus, dass die Benetzbarkeit der Verbindungsschicht während des Verbindens verbessert wird und zudem auch die Dichtungseigenschaften eines eingebetteten Anschlusses nach dem Verbinden verbessert wird. Als Verfahren zur Durchführung des Vorbeschichtungsvor gangs sind eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur, die über dem Schmelzpunkt des Vorbeschichtungsmaterials liegt, Plattieren oder Sputtern möglich. Wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, so dringt das Vorbeschichtungsmaterial nicht nur in die Oberfläche des Anschlusses, sondern auch in die Grenzfläche des Keramikelements, das zum eingebetteten Anschluss benachbart ist, ein, sodass es möglich ist, die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern.
Insbesondere bei einer Verbundstruktur, bei der eine Metallelektrode und ein aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung hergestellter Anschluss in einem Keramikelement eingebettet sind, ein Aussetzanschnitt des Anschlusses einer Verbindungsoberfläche des Keramikelements ausgesetzt ist und das Metallelement über eine Verbindungsschicht mit dem Aussetzabschnitt des Anschlusses und einer Oberfläche des Keramikelements verbunden ist, korrodiert der Anschluss außergewöhnlich stark. Die vorliegende Erfindung kann insbesondere auf eine solche Verbundstruktur angewendet werden.
In der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Verbundstruktur anzuwenden, bei der ein röhrenförmiges, atmosphärenabschirmendes Element in einem Loch eingeführt ist, das in einem Keramikelement bereitgestellt ist, ein elektrisches Spannungsversorgungselement und ein Leiter mit niedriger Wärmeausdehnung zur Belastungssenkung im Inneren des röhrenförmigen, atmosphärenabschirmenden Elements eingeführt sind und der Leiter mit niedriger Wärmeausdehnung und das röhrenförmige, atmosphärenabschirmende Element mit einem eingebetteten Element verbunden sind. In diesem Fall weist die Verbundstruktur im Vergleich zu anderen Verbundstrukturen hervorragende Eigenschaften der Wärme- und Korrosionsbeständigkeit auf, und es ist möglich, eine hohe Verbindungsfestigkeit und gute Leitfähigkeit selbst bei Anlegung von Temperaturwechselbeanspruchungen unter oxidativer oder korrosiver Atmosphäre beizubehalten.
Hierin in Folge wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert werden.
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform einer Verbundstruktur gemäß der Erfindung zeigt. Eine aus einem Metallnetz oder -maschen hergestellte Elektrode 3 ist in einem fast scheibenförmigen Keramiksubstrat 2, das eine Halbleiterwafer-Anordnungsseite 2a und eine Rückseite 2b aufweist, eingebettet.
Ein Loch 4 ist im Substrat an einer Seite der Rückseite 2a ausgebildet. Die netzartige Elektrode 3 ist im Substrat 2 eingebettet, und ein aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung hergestellter Anschluss ist ebenfalls in diesem eingebettet. Der Anschluss 14 umfasst einen Hauptkörper 5 und einen Film 15, der aus einem oder mehreren aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählten Metallen hergestellt ist und der einen Teil der Oberfläche des Hauptkörpers 5 bedeckt. Der Hauptkörper 5 des Anschlusses 14 kann aus einem aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung hergestellten massiven Körper oder aus einem gesinterten Körper aus entsprechenden Molybdän- oder Molybdänlegierungspulvern gebildet sein. Eine Oberfläche 5a des Anschlusses 14 ist einer Bodenfläche 4a des Lochs 4 ausgesetzt, während die andere Oberfläche 5b des Anschlusses 14 die Metallelektrode 3 berührt. Bezugszeichen 5c kennzeichnet eine Seitenfläche des Anschlusses 14.
In dieser Ausführungsform ist ein röhrenförmiges, atmosphärenabschirmendes Element 9 im Loch 4 eingeführt. Ein kleiner Spalt 18 ist zwischen einer Außenumfangsfläche 9a des atmosphärenabschirmenden Elements 9 und einer Innenumfangsfläche des Lochs 4 angeordnet. Ein Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung, der beispielsweise scheibenförmig ist, ist in einem unteren Innenraum des atmosphärenabschirmenden Elements 9 platziert.
Eine untere Oberfläche 7b des Leiters 7 mit niedriger Wärmeausdehnung ist gasdicht mit der Bodenoberfläche 4a des Lochs 4 und mit dem Anschluss 14 mithilfe einer Verbindungsschicht 12, die erfindungsgemäß vorzugsweise aus einem Hartlötmaterial hergestellt ist, verbunden. Zudem ist eine untere Oberfläche 9d des atmosphärenabschirmenden Elements 9 mithilfe der Verbindungsschicht 12 mit der Bodenoberfläche 4a des Lochs 4 verbunden.
Ein elektrisches Spannungsversorgungselement 8 umfasst ein Körperelement 8b außerhalb eines Keramikelements 1, einen ringförmigen Flanschabschnitt 8c und einen Endabschnitt 8d, wobei der Endabschnitt 8d im atmosphärenabschirmenden Element 9 untergebracht ist. Ein kleiner Spalt 19 ist zwischen einer Innenumfangsoberfläche 9b und dem Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung und dem Endabschnitt 8d angeordnet. Eine leitfähige Verbindungsschicht 6B, die vorzugsweise aus einem Hartlötmaterial hergestellt ist, ist zwischen einer oberen Oberfläche 9c des atmosphärenabschirmenden Elements 9 und dem Flanschabschnitt 8c ausgebildet. Zudem ist eine leitfähige Verbindungsschicht 6A zwischen einer Endoberfläche 8a des elektrischen Spannungsversorgungselements 8 und einer oberen Oberfläche 7a des Leiters 7 mit niedriger Wärmeausdehnung ausgebildet.
In der vorliegenden Erfindung ist der Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung ein Leiter, der aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von zumindest nicht mehr als 8,0 × 10^–6/°C bei 400 °C oder weniger hergestellt ist. Als Material für den Leiter mit niedriger Wärmeausdehnung wird bevorzugt Molybdän, Wolfram, eine Molybdän-Wolfram-Legierung, eine Wolfram-Kupfer-Nickel-Legierung und Kovar verwendet. Als Material für das atmosphärenabschirmende Element wird bevorzugt reiner Nickel, eine wärmebeständige Legierung auf Nickelbasis, Gold, Platin und Legierungen dieser verwendet. Als Material für das elektrische Spannungsversorgungselement 8 wird bevorzugt ein Material mit hoher Korrosionsbeständigkeit gegenüber der Atmosphäre verwendet. Spezifisch sind reiner Nickel, eine wärmebeständige Legierung auf Nickelbasis, Gold, Platin, Silber und Legierungen dieser bevorzugt.
Funktionen und Wirkungen einer solchen Verbundstruktur werden nun in erster Linie anhand von 1 erläutert werden. Als Material für das Spannungsversorgungselement 8 wird vorzugsweise ein oxidationsbeständiges Metall verwendet. Im Allgemeinen weist ein solches Metall einen großen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, sodass durch den Wärmeausdehnungsunterschied zwischen dem Metall und dem Keramikelement eine große Beanspruchung erzeugt wird. Aus diesem Grund nimmt, wenn das Spannungsversorgungselement 8 direkt an das Keramiksubstrat 2 hartge lötet wird, die Verbindungsfestigkeit aufgrund des Wärmeausdehnungsunterschieds zwischen den beiden eher ab. Um dies zu verbessern, wird ein Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung zwischen dem Spannungsversorgungselement 8 und dem Keramikmaterial angeordnet, um die Wärmebeanspruchungsdifferenz zwischen diesen zu reduzieren.
Allerdings oxidieren Metalle mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie etwa Molybdän, Wolfram und Molybdän-Wolfram-Legierungen im Allgemeinen recht leicht. Wird also der Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung bei hohen Temperaturen mit einer oxidativen Atmosphäre in Berührung gebracht, so oxidiert der Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung sofort, wodurch die Verbindungsfestigkeit abnimmt und der elektrische Widerstand ansteigt. Daher war es schwierig, ein Metall mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten als Material für den Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung zu verwenden.
Es wird angenommen, dass im alternativen Falle einer Herstellung des Leiters 7 mit niedriger Wärmeausdehnung aus einem isolierenden, belastungssenkenden Material, etwa Isolierkeramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid usw., das Problem der Oxidation des Leiters 7 mit niedriger Wärmeausdehnung nicht eintritt. In diesem Fall liegt aber das belastungssenkende Material außerhalb des Stromflussdurchlasses, und das belastungssenkende Material kann mit dem im Keramiksubstrat angeordneten Metallelement nicht elektrisch verbunden werden. Deshalb ist das Ausmaß an elektrischer Leistung, die dem Metallelement im Inneren des Substrats zugeführt werden kann, eingeschränkt.
Im Gegensatz dazu ist gemäß der Verbundsstruktur der vorliegenden Erfindung ein Bereich der Verbindung zwischen dem Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung und dem Anschluss-Hauptkörper 5 groß, und der Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung stellt in diesem Verbindungsbereich die Verbindung des Stromflussdurchlasses her. Demnach kann einfach ein großer Strom, beispielsweise 30 Ampere, fließen.
Zudem ist das röhrenförmige, atmosphärenabschirmende Element 9 im Loch 4 angeordnet und installiert, während der Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung in einem unteren Abschnitt des Innenraums des atmosphärenabschirmenden Elements 9 angeordnet ist, und der Endabschnitt 8d des Spannungsversorgungselements 8 ist oberhalb des Leiters mit niedriger Wärmeausdehnung eingeführt. Somit ist es möglich, die Umfangsoberflächenseite des Leiters 7 mit niedriger Wärmeausdehnung mit dem atmosphärenabschirmenden Element 9 vollständig zu ummanteln und zu schützen. Außerdem ist es möglich, das Spannungsversorgungselement 8 am Leiter mit niedriger Wärmeausdehnung anzuordnen und dessen nahe Umgebung mit dem atmosphärenabschirmenden Element 9 zu ummanteln.
In der Folge wird die Länge des in die oxidative Atmosphäre eindringenden Durchlasses bis zum Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung sehr lang. Gleichzeitig ist das Spannungsversorgungselement 8 mittels der leitfähigen Verbindungsschicht 6B mit dem atmosphärenabschirmenden Element 9 verbunden, und dieser Verbindungsabschnitt wird gasdicht gehalten. Somit kann die Isolierung des Leiters 7 mit niedriger Wärmeausdehnung von der oxidativen Atmosphäre vollständig gewährleistet werden.
Weiters sind gemäß dieser Ausführungsform zwei Stromflussdurchlässe vorhanden: einer ist ein Stromflussdurchlass, der durch den Endabschnitt 8d des Spannungsversorgungselements 8, die leitfähige Verbindungsschicht 6B und den Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung tritt; der andere ist ein Stromflussdurchlass, der durch den Flanschabschnitt 8c, die leitfähige Verbindungsschicht 6B, das atmosphärenabschirmende Element 9 und die Verbindungsschicht 12 tritt. In diesem Fall kann die Höhe der elektrischen Leistung, die der Elektrode 3 zugeführt wird, stärker erhöht und stabilisiert werden.
Um eine solche Verbindungsstruktur zu erhalten, wird ein aus Keramikausgangsmaterialien hergestellter Formkörper 10, vorzugsweise wie der in 2 gezeigte, gefertigt und gesintert. In diesem Formkörper 10 sind eine netzartige Metallelektrode 3 und ein geformtes Metallpulver 11 zur Ausbildung eines gesinterten, pulvrigen Form körpers eingebettet. In 2 entsprechen die Bezugszeichen 10a und 10b der Halbleiter-Anordnungsseite und deren Rückseite. Wenn der Formkörper 10 gesintert wird, wird gleichzeitig auch der pulvrige Formkörper 11 gesintert, um den Anschluss-Hauptkörper 5 zu erhalten.
Danach wird das Loch 4 im gesinterten Formkörper 10 von der Seite der Rückseite 2b aus mithilfe einer Schleifvorrichtung ausgebildet, wie in 3 dargestellt ist. In diesem Fall wird eine Metallfolie 13, die aus Gold, Platin oder Palladium hergestellt ist, vorzugsweise auf der Oberfläche 5a des Anschluss-Hauptkörpers 5 angeordnet und erhitzt, um den Anschluss zu erhalten, der in 4 vergrößert dargestellt ist. Beim Anschluss 14 ist die Oberfläche 5a des Anschlusskörpers 5 mit einem Film 15 bedeckt, und der Film 15 ist weiters in einen Teil eines kleinen Spalts zwischen der Seitenfläche 5c des Anschlusses 5 und dem Keramikmaterial eingeführt.
Danach werden, wie in 5 dargestellt ist, ein Material 16 für die Verbindungsschicht, den Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung, das röhrenförmige, atmosphärenabschirmende Element 9, Materialien 40A und 40B für die Verbindungsschicht und das elektrische Spannungsversorgungselement 8 im Loch 4 angeordnet und unter nicht-oxidativen Bedingungen erhitzt, um die in 1 dargestellte Verbundstruktur zu erhalten. Nicht-oxidative Bedingungen bedeutet eine Vakuumatmosphäre oder eine nicht-oxidative Atmosphäre (vorzugsweise eine inerte Atmosphäre).
Das Material 16 für die Verbindungsschicht, die zwischen der Bodenfläche 4a und dem Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung als Metallelement angeordnet ist, weist vorzugsweise eine Struktur auf, in der ein aktives Metallmaterial 43 oder ein oder mehrere aktive Metalle, die aus der aus Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Niob und Magnesium bestehenden Gruppe ausgewählt sind, und ein Hartlötmaterial 41, das hauptsächlich aus einem oder mehreren Metallen, die aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählt sind, von der Seite der Bodenfläche 4a aus in dieser Reihenfolge gestapelt sind, wie in 6a dargestellt ist. In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, die Filme 44A und 44B, die jeweils aus einem oder mehreren aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausge wählten Metallen hergestellt sind, an beiden Oberflächen des aktiven Metallmaterials 43 auszubilden. Um einen solchen Film auszubilden, können Sputtern, CVD, Ionenplattieren, Abscheidung und Plattieren angewendet werden.
Da das aktive Metallmaterial 43 insbesondere in der aktiven Metallfolie leicht während der Erhitzung einem Oxidationsrisiko ausgesetzt ist, verliert es während des Vorgangs des Verhinderns seine Aktivität. Wenn nun beide Oberflächen des aktiven Metallmaterials, insbesondere der aktiven Metallfolie, mit den Filmen 44A und 44B bedeckt sind, ist es möglich, die Ausbeute und die Verbindungsfestigkeit deutlich zu verbessern.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Material 16 für die Verbindungsschicht, die zwischen der Bodenfläche 4a und dem Metallelement angeordnet ist, vorzugsweise aus einem Hartlötmaterial 45 aufgebaut, das aus einer Legierung aus einem oder mehreren aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählten Metallen und einem oder mehreren aus der aus Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Niob und Magnesium bestehenden Gruppe ausgewählten aktiven Metallen hergestellt ist, wie in 6B dargestellt ist.
Wie 7 zu entnehmen ist, können die gesamten Oberflächen 5a und 5b sowie die Seitenoberfläche 5c des Anschluss-Hauptkörpers 5 mit dem Film 15, der aus einem oder mehreren aus der aus Titan, Zirconium und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählten Metallen hergestellt ist, bedeckt sein, um einen Anschluss 47 zu bilden. Auf diese Weise kann die Oxidation des Anschlusses noch effektiver verhindert werden. In diesem Fall wird der Film 15 vor der Einbettung des Anschlusses 47 in den Formkörper auf die gesamten Oberflächen des Anschlusskörpers 5 durch ein Verfahren, etwa durch Schmelzen, Sputtern, CVD, Ionenplattieren, Plattieren usw., aufgebracht. Danach werden die jeweiligen Elemente wie in 7 gezeigt angeordnet und erhitzt, um die in 1 gezeigte Verbundstruktur zu erhalten.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung mit dem Spannungsversorgungselement 8 elektrisch verbunden, es ist jedoch nicht ausschlaggebend, diese zu verbinden. 8 ist eine Querschnittsansicht, die eine solche Verbundstruktur zeigt. In der in 8 dargestellten Ausführungsform ist die Endoberfläche 8a des elektrischen Spannungsversorgungselements 8 nicht über die Verbindungsschicht mit dem Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung elektrisch verbunden, sondern es ist ein kleiner Spalt 20 dazwischen ausgebildet. Da der Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung aber über die Verbindungsschicht 12 direkt und elektrisch mit dem Anschluss 14 verbunden ist, um einen elektrischen Durchlass zu bilden, und da dieser Durchlass einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist, ist in diesem Fall die Zufuhr eines großen Stroms durch diesen elektrischen Durchlass möglich.
9 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform zeigt, in der eine Metallelektrode und ein dichter Körper, der aus einem Metall mit niedriger Wärmeausdehnung hergestellt ist, in einem Keramiksubstrat eingebettet sind. In dieser Ausführungsform ist beispielsweise eine Metallelektrode 31 mit Spulenform oder dergleichen im Substrat 2 einer keramischen Heizvorrichtung 30 eingebettet. Eine spulenförmige Linearheizvorrichtung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Metallelektrode. Ein dichter Körper 32 (ein Beispiel für ein eingebettetes Element) ist an einer unteren Seite der Bodenfläche des Aufnahmelochs 4 des Substrats 2 eingebettet. Der dichte Körper 32 umfasst einen Außengewindeabschnitt 32a und einen Hauptkörper 32b, und eine Oberseite 32c des Hauptkörpers 32b ist über die Verbindungsschicht 12 mit dem Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung elektrisch verbunden. Eine spulenförmige Heizvorrichtung 31 ist um den Außengewindeabschnitt 32a gewickelt.
Verbundstrukturen der in den 10 und 11 gezeigten Ausführungsformen ähneln jener aus 1, mit der Ausnahme, dass die Struktur des atmosphärenabschirmenden Elements 33 anders ist. Bei der Verbundstruktur in 10 umfasst ein atmosphärenabschirmendes Element 33 einen Hauptkörper 36, der aus einem wärmebeständigen Metall, wie oben erwähnt, hergestellt ist, und einen Oxidfilm 35, der die Außen- und Innenoberflächen 36c und 36d des Hauptkörpers 36 bedeckt. Das den Hauptkörper 36 bildende Metall liegt an der oberen und der unteren Oberfläche 36c und 36d des Hauptkörpers 36 frei.
Die ausgesetzte obere Oberfläche 36c des Hauptkörpers 36 ist über die leitfähige Verbindungsschicht 6B mit dem elektrischen Spannungsversorgungselement 8 verbunden.
Zudem ist die untere Oberfläche 36d des Hauptkörpers 36 über die leitfähige Verbindungsschicht 12 mit dem Anschluss 14 verbunden.
Da der Oxidfilm 35 eine geringere Benetzbarkeit für das Hartlötmaterial als das den Hauptkörper 36 bildende korrosionsbeständige Material aufweist, ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass das Hartlötmaterial entlang der Innen- und Außenumfangsoberfläche des atmosphärenabschirmenden Elements 33 nach oben steigt, sodass das Hartlötmaterial eher entlang der Umfangsoberfläche des Aufnahmelochs 4 nach oben steigt. Aufgrund dieser Tatsache kann die leitfähige Verbindungsschicht 12 im Aufnahmeloch 4 die Form einer Ausrundung aufweisen, was zu geringerer Restspannung führt. Außerdem kann die Zuverlässigkeit der Festigkeit durch Verwenden einer Schraubeingriffstruktur zwischen dem atmosphärenabschirmenden Element 33 und dem Aufnahmeloch 4 verbessert werden.
Bei der Verbundstruktur aus 11 umfasst ein atmosphärenabschirmendes Element 37 einen Hauptkörper 38, der aus einem wärmebeständigen Metall, wie oben erwähnt, hergestellt ist. Die Außen- und Innenumfangsoberflächen 38a und 38d und eine obere flache Oberfläche 38c des Hauptkörpers 38 sind von einem Oxidfilm 35 bedeckt. Das den Hauptkörper 38 bildende Metall liegt an einer oberen geneigten Oberfläche 38d, einer unteren flachen Oberfläche 38e und einer unteren geneigten Oberfläche 38f des Hauptkörpers 38 frei.
Die ausgesetzte obere geneigte Oberfläche 38d des Hauptkörpers 38 ist über eine leitfähige Verbindungsschicht 6C mit dem elektrischen Spannungsversorgungselement 8 verbunden. Zudem sind die untere geneigte Oberfläche 38f und die untere flache Oberfläche 38e über die Verbindungsschicht 12 mit dem Substrat 2 verbunden.
Zur Herstellung der atmosphärenabschirmenden Elemente der Ausführungsformen aus den 10 und 11 ist das folgende Verfahren, das anhand der 12a bis 12c erklärt wird, bevorzugt. Zunächst wird, wie in 12a dargestellt ist, ein aus dem obigen wärmebeständigen Metall bestehendes röhrenförmiges Element 40 hergestellt und der Oxidfilm 35 durch Erhitzen des röhrenförmigen Elements 40 in einer oxidativen Atmosphäre auf der gesamten Oberfläche des röhrenförmigen Elements 40 ausgebildet. Nun werden die ausgesetzten Oberflächen 36c und 36d, die in 12b dargestellt, durch Schleifen gegenüberliegender Stirnflächen des Hauptkörpers 46 ausgebildet. Die in 12c gezeigten ausgesetzten Oberflächen 38d, 38e und 38f können durch Schleifen des röhrenförmigen Elements 40 aus 12a erhalten werden. In diesem Fall verbleibt der Oxidfilm 35 auf der oberen flachen Oberfläche 38c, der Außenumfangsoberfläche 38a und der Innenumfangsoberfläche 38d des Hauptkörpers 38.
In der Ausführungsform aus 12 wird kein Anschluss 14 verwendet. Das heißt, dass ein Loch 4, das sich an einer Seite der Rückseite 2b des Substrats 2 öffnet, ausgebildet wird und ein Teil der netzartigen Elektrode 3 (ein Beispiel für das eingebettete Element) ist in diesem Loch 4 ausgesetzt. Die netzartige Elektrode 3 ist gemäß der Erfindung mit dem Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung und mit der unteren Oberfläche 9d des atmosphärenabschirmenden Elements 9 über eine Verbindungsschicht 50 verbunden.
Wie in 1 dargestellt ist, ist es aber bevorzugt, den Anschluss 14 zwischen der Metallelektrode 3 im Inneren des Keramiksubstrats und dem Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung anzuordnen, da die Länge des Übertragungswegs für oxidierendes Gas oder korrosives Gas bis zur Metallelektrode länger wird.
In den Ausführungsformen, die in den 1, 8, 9, 10, 11 und 13 gezeigt sind, ist der Spalt 18 zwischen der Innenumfangsoberfläche der Löcher 4, 22 und der Außenum fangsoberfläche 9a des atmosphärenabschirmenden Elements 9 vorzugsweise nicht kleiner als 0,2 mm. Der Spalt 19 zwischen der Innenumfangsoberfläche 9b des atmosphärenabschirmenden Elements 9 und dem Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung und dem Endabschnitt 8d ist vorzugsweise nicht kleiner als 0,01 mm. Ist der Spalt 18 kleiner als 0,2 mm und/oder der Spalt 19 kleiner als 0,01 m, so steigt das Hartlötmaterial wahrscheinlich aufgrund der Kapillarwirkung im Spalt nach oben. Steigt das Hartlötmaterial nach oben, so kann leicht ein Riss im Keramiksubstrat und im Hartlötmaterial entstehen. Der Grund für die Untergrenze des Spalts 18 von 0,2 mm und des Spalts 19 von 0,01 mm besteht darin, dass beim Verschluss des Spalts der Spalt einen Widerstand gegenüber der Kapillarkraft ausübt, da der Spalt an beiden Verbindungsschichten, 12 und 6B, verschlossen ist. Es ist noch bevorzugter, dass die Spalte 18 und 19 nicht größer als 1,0 mm sind.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele detaillierter erklärt.
Beispiel A gemäß der Erfindung
Eine in 1 dargestellte Verbundstruktur wurde gemäß dem Verfahren, das anhand der 1 bis 6 erläutert wurde, hergestellt. Zunächst wurde der in 2 dargestellte Formkörper 10 durch einachsiges Pressformen von Aluminiumnitridpulvern hergestellt.
Als Metallelektrode 3 wurde ein aus Molybdän hergestelltes Metallnetz verwendet, bei dem Molybdändrähte mit einem Durchmesser von 0,12 mm in einer Dichte von 50 Drähten pro Zoll (1 Zoll = 25,4 mm) verstrickt wurden. Das Metallnetz wurde im zuvor geformten Körper 10 eingebettet. Zudem wurde der Formkörper 11 durch Formen von Molybdänpulvern mit einer Teilchengröße von 1–100 μm hergestellt. Auch der Formkörper 11 wurde in den Formkörper 10 eingebettet.
Dieser Formkörper 10 wurde in eine Form eingebracht, wobei der Formkörper 10 in Kohlenstofffolie eingeschlossen war, und bei einer Temperatur von 1950 °C unter ei nem Druck von 200 kg/cm² für eine Haltezeit von 2 Stunden in einer Heißpresse gesintert, wodurch ein gesinterter Körper mit einer relativen Dichte von nicht weniger als 98 % erhalten wurde.
Wie in 3 dargestellt ist, wurde ein Loch 4 im so erhaltenen gesinterten Körper von einer Seite der Rückseite aus durch spanende Bearbeitung ausgebildet, sodass ein Prüfling des Keramikelements erhalten wurde. Der Prüfling wies die Maße 20 mm × 20 mm × 20 mm auf.
Ein atmosphärenabschirmendes Element 33 wurde wie in den 12a und 12b gezeigt hergestellt. Spezifischer wurde das aus Nickel bestehende röhrenförmige Element 40 hergestellt und das so erhaltene röhrenförmige Element 40 zwei Stunden lang bei 1000 °C wärmebehandelt, wodurch auf selbigem der Nickeloxidfilm 35 ausgebildet wurde. Das erhaltene röhrenförmige Element wurde geschliffen, um das in 12b gezeigte atmosphärenabschirmende Element 33 zu erhalten.
Der aus dem gesinterten Körper aus Molybdänpulvern hergestellte Hauptkörper 5 wurde geschliffen, um darauf verbliebene Oxide und Carbide zu entfernen, gewaschen und getrocknet. Beim Prüfling Nr. A5 in Tabelle 1 wurde die Goldplatte 13 mit einem Gewicht von 5 ± 0,5 mg an der Oberfläche 5a des Hauptkörpers 5 angeordnet, wie in 3 gezeigt ist, und 1 Stunde lang bei einer Temperatur von 1080 °C erhitzt, um den Film 15 auszubilden. Danach konnte mit bloßem Auge bestätigt werden, dass die gesamte Oberfläche des Anschluss-Hauptkörpers 5 eine goldene Farbe aufwies. Bei den anderen Prüflingen, abgesehen von A5, wurde der aus Molybdän hergestellte Anschluss keiner Metallisierungsbehandlung wie der obgenannten unterzogen.
Das Hartlötmaterial 41 und die aktive Metallfolie 43, die in 6 gezeigt sind, wurden in Loch 4 untergebracht und durch Erhitzen miteinander verbunden, um die Verbundstrukturen der Prüflinge Nr. A1–A14 zu erhalten. Die für das Hartlötmaterial 41 und die aktive Metallfolie 43 verwendeten Materialien sind in Tabelle 1 angeführt. In diesem Fall wurden bei den Prüflingen Nr. A4 und A5 Goldsputterfilme 44A und 44B mit einer Dicke von 400 Angström (1 Ångström = 0,1 nm) auf beiden Oberflächen der Titanfolie 43 aufgebracht, auf denen der aus Molybdän hergestellte Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung und das atmosphärenabschirmende Element 33 angeordnet wurden.
Zudem wurden das Hartlötmaterial 41, das aus Au-18 Gew.-% Ni besteht, und die Titanfolie 43 auf den Leiter 7 mit niedriger Wärmeausdehnung platziert, und auf diesen wurde der Endabschnitt 8d des aus Nickel hergestellten elektrischen Spannungsversorgungselements 8 angeordnet. Außerdem wurden das Hartlötmaterial 41, das aus Au-18 Gew.-% Ni besteht, und die Titanfolie 43 auch zwischen der oberen Oberfläche 36c des atmosphärenabschirmenden Elements 33 und dem Flanschabschnitt 8c angeordnet. Die erhaltene Anordnung wurde einer 10-minütigen Wärmebehandlung bei 960–1000 °C unterzogen, um die in 1 gezeigte Verbundstruktur zu erhalten.
Weiters wurden für die Proben-Nr. A15–A18 die in Tabelle 1 gekennzeichneten Lötmaterialien verwendet, es wurden aber keine aktiven Metallfolien verwendet.
Die Zugfestigkeit nach dem Verbinden und der Isolationswiderstand nach dem Verbinden der so erhaltenen Verbundstrukturen wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angeführt.
Außerdem wurden 50 Zyklen einem Temperaturwechselbeanspruchungstest zwischen 100 und 700 °C an die so erhaltenen Verbundstrukturen angelegt. Die Temperaturanstiegsrate und die Temperaturabfallrate betrugen jeweils etwa 20 °C/min. Danach wurde die Zugfestigkeit gemessen, und die gemessene Zugfestigkeit ist in Tabelle 1 als Zugfestigkeit nach dem Temperaturwechseltest angegeben. Zudem wurde der Isolationswiderstand gemessen, und der gemessene Isolationswiderstand ist in Tabelle 1 als Isolationswiderstand nach dem Temperaturwechseltest angegeben.
Außerdem wurde das Aussehen des Aluminiumnitridsubstrats 2 mit bloßem Auge vor und nach der Temperaturwechselbeanspruchung betrachtet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. War an der Oberfläche des Substrats eine durchgesickerte Verbindung mit einem niedrigen Schmelzpunkt vorhanden, so wurde auch das bestätigt.
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, wurden mit der Verbundstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Ergebnisse erzielt: die Verbindungsfestigkeit nach der Temperaturwechselbeanspruchung war groß; der Isolationswiderstand nach der Temperaturwechselbeanspruchung war groß und nicht geringer als 100 GΩ; das Aussehen hatte sich nach der Temperaturwechselbeanspruchung nicht verändert; keine durchgesickerte Verbindung mit niedrigem Schmelzpunkt wurde detektiert. Insbesondere geht hervor, dass die Zugfestigkeit nach der Temperaturwechselbeanspruchung der Prüflinge Nr. A4 und A5, bei denen Gold auf beide Oberflächen der aktiven Metallfolie aufmetallisiert wurde, größer war.
Vergleichsbeispiel B
Wie in Beispiel A wurden Verbundstrukturen der Prüflinge B1–B3 in Tabelle 2 gemäß dem anhand der 1 bis 6 erläuterten Verfahren hergestellt. Bei den Prüflingen Nr. B1 und B2 wurde aber das in 6a gezeigte Hartlötmaterial 41 aus Silber oder einer Silberkupferlegierung hergestellt. Beim Prüfling Nr. B3 hingegen wurde das in 6b gezeigte Hartlötmaterial aus einer Kupfer-Aluminium-Silicium-Kupfer-Legierung hergestellt. Zudem wurde kein gesputterter Film auf der aktiven Metallfolie aufgebracht und der aus Molybdän hergestellte Anschluss keiner Metallisierung unterzogen. Die Messergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Wie aus den obigen Ergebnissen hervorgeht, ergab sich mit den Prüflingen Nr. B1 und B2, bei denen ein Silber- oder ein Silberkupfer-Hartlötmaterial verwendet wurde, Folgendes: die Zugfestigkeit und der Isolationswiderstand waren nach der Temperaturwechselbeanspruchung äußerst stark vermindert; ein dunkelbrauner Fleck wurde auf dem Substrat nachgewiesen; ein Durchsickern der Verbindung mit niedrigem Schmelzpunkt konnte beobachtet werden. Außerdem ergab sich mit dem Prüfling Nr. B3, bei dem eine Kupfer-Aluminium-Silicium-Kupfer-Legierung verwendet wurde, Folgendes: das Aussehen war nach der Temperaturwechselbeanspruchung unverändert; jedoch war die Zugfestigkeit nach der Temperaturwechselbeanspruchung geringer.
Beispiel C gemäß der vorliegenden Erfindung
Wie in Beispiel A wurden Verbundstrukturen der Prüflinge C1–C6 in Tabelle 3 hergestellt. Allerdings war die Form der Prüflinge nicht rechteckig, sondern es wurde ein scheibenförmiges Nitridsubstrat mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Dicke 20 mm als Prüfling verwendet. Zudem wurde bei den Prüflingen C1–C4 eine Titanfolie als aktive Metallfolie verwendet, und das in 6a dargestellte Hartlötmaterial wurde wie in Tabelle 3 angeführt geändert. Beim Prüfling Nr. C3 wurden Goldsputterfilme 44A und 44B mit einer Dicke von 400 Angström auf beiden Oberflächen der Titanfolie 43 aufgebracht. Bei den Prüflingen Nr. B5 und B6 wurde das in 6b dargestellte Hartlötmaterial wie in Tabelle 3 angeführt geändert.
Zudem wurde die Goldplatte 13 mit einem Gewicht von 5 ± 0,5 mg an der Oberfläche 5a des Hauptkörpers 5 angeordnet, wie in 3 gezeigt ist, und 1 Stunde lang bei einer Temperatur von 1080 °C erhitzt, um den Film 15 auszubilden. Danach konnte mit bloßem Auge bestätigt werden, dass die gesamte Oberfläche des Anschluss-Hauptkörpers 5 eine goldene Farbe aufwies.
Außerdem wurden ein Temperaturwechselbeanspruchungstest zwischen Raumtemperatur und 650 °C an die so erhaltenen Verbundstrukturen angelegt. Die Temperaturanstiegsrate und die Temperaturabfallrate betrugen jeweils etwa 20 °C/min. Zu dem wurde die Betriebslebensdauer gemessen, wenn die Verbundstruktur bei einer Temperatur von 750 °C gehalten wurde. In diesem Fall wurde die Betriebslebensdauer als Zeitraum vom Betriebsbeginn bis zum Betriebsende, bei dem ein Thermoelement für die Temperaturregelung aufgrund eines großen Verluststroms am Keramiksubstrat kaputt ging oder bei dem der eingebettete Anschluss oxidierte und einen Leitungsdefekt verursachte, definiert.
Tabelle 3
Aus den obigen Ergebnissen geht hervor, dass alle Verbundstrukturen eine Temperaturwechselbeanspruchung von 100 Zyklen aushielten. Zudem geht hervor, dass alle Verbundstrukturen eine Betriebslebensdauer von 15 Tagen oder mehr aufwiesen, wenn sie bei 750 °C gehalten wurden. Außerdem geht hervor, dass die Betriebslebensdauer bei 750 °C länger war, wenn ein aus einer Gold-Nickel-Legierung hergestelltes Hartlötmaterial verwendet wurde.
Vergleichsbeispiel D
Wie in Beispiel C wurden Verbundstrukturen der Prüflinge D1–D3, die in Tabelle 4 angeführt sind, hergestellt, und den gleichen Untersuchungen wie die Verbundstrukturen aus Beispiel C unterzogen. Die Messergebnisse finden sich in Tabelle 4.
Tabelle 4
Aus den obigen Ergebnissen geht hervor, dass der Betrieb nach 50 Zyklen oder weniger gestoppt wurde. Außerdem geht hervor, dass die Betriebslebensdauer bei 750 °C 5 Tage oder weniger betrug.
Beispiel E der gegenständlichen Erfindung
Wie in Beispiel A wurden Verbundstrukturen der Prüflinge E1–E5, die in Tabelle 5 angeführt sind, hergestellt. Allerdings wurden bei den Prüflingen Nr. E1, E2 und E4 das in 6a dargestellte Hartlötmaterial 41 und die aktive Metallfolie 43 wie in Tabelle 5 angeführt geändert. Bei den Prüflingen Nr. E2 und E4 wurden Goldsputterfilme 44A und 44B mit einer Dicke von 400 Angström auf beiden Oberflächen der Titanfolie 43 aufgebracht. Beim Prüfling Nr. E3 wurde das Hartlötmaterial aus einer Gold-Nickel-Titan-Legierung hergestellt. Beim Prüfling Nr. E4 wurde die Goldplatte 13 an der Oberfläche 5a des Hauptkörpers 5 angeordnet und 1 Stunde lang bei einer Temperatur von 1080 °C erhitzt, um den Film 15 auszubilden. Ein Ausbeuteprozentsatz während des Hartlötens wurde für jeweils 10 Prüfling gemessen, und die Messergebnisse sind in Tabelle 5 angegeben.
Tabelle 5
Aus den obigen Ergebnissen geht hervor, dass der Ausbeuteprozentsatz während des Hartlötens außerordentlich stark verbessert wurde, wenn die Goldsputterfilme auf beiden Oberflächen der Titanfolien aufgebracht wurden.
Wie aus den obigen Erklärungen klar ersichtlich ist, ist es gemäß der Erfindung möglich, einen Isolationsdefekt aufgrund der Korrosion des eingebetteten Elements oder des Durchsickerns einer Verbindung mit niedrigem Schmelzpunkt an einer Oberfläche des Keramikelements in der Verbindungsstruktur, in der das eingebettete Element, das aus einem Molybdän enthaltenden Metall hergestellt ist, im Keramikelement eingebettet ist und das im Keramikelement eingebettete Element mit dem Metallelement verbunden ist, zu verhindern.

Claims

Keramische Verbundstruktur, in der ein Keramikelement (1) mit einer oxidationsbeständigen Eigenschaft und ein Metallelement (8) über eine Verbindungsschicht (12) miteinander verbunden sind, worin: (1) ein aus einem Metall, das zumindest Molybdän enthält, hergestelltes, eingebettetes Element (5) im Keramikelement (1) eingebettet ist; (2) ein Teil (5a) des eingebetteten Elements (5) einer Verbindungsoberfläche (4a) des Keramikelements (1) ausgesetzt ist, wobei der Teil (5a) mit der Verbindungsschicht (12) in Kontakt steht, um einen Metallaussetzabschnitt (15) auszubilden; (3) das Keramikelement (1) und der Metallaussetzabschnitt (15) jeweils über die Verbindungsschicht (12) mit dem Metallelement (8) verbunden sind; und (4) die Verbindungsschicht (12) aus mehr als 50 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Metall in der Verbindungsschicht (12), eines oder mehrerer aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählter Metalle hergestellt ist.
Keramische Verbundstruktur nach Anspruch 1, worin die Verbindungsschicht (12) zudem eines oder mehrere aus der aus Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Niob und Magnesium bestehenden Gruppe ausgewählte aktive Metalle enthält.
Keramische Verbundstruktur nach Anspruch 1, worin: ein aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung hergestellter Anschluss (14) als besagtes eingebettetes Element (5) im Keramikelement (1) eingebettet ist; ein Metallaussetzabschnitt (15) des Anschlusses (14) der Verbindungsoberfläche (4a) ausgesetzt ist; und das Metallelement (8) über die Verbindungsschicht (12) mit Oberflächen des Keramikelements (1) und des Metallaussetzabschnitts (15) des Anschlusses (14) verbunden ist.
Keramische Verbundstruktur nach Anspruch 1, worin: ein Loch (4) im Keramikelement (1) bereitgestellt ist; ein röhrenförmiges, atmosphärenabschirmendes Element (9) im Loch (4) eingeführt ist; ein elektrisches Spannungsversorgungselement (8) und ein Leiter (7) mit niedriger Wärmeausdehnung zur Belastungssenkung im Inneren des röhrenförmigen, atmosphärenabschirmenden Elements (9) eingeführt sind; wobei das röhrenförmige, atmosphärenabschirmende Element (9) und das elektrische Spannungsversorgungselement (8) miteinander verbunden sind; und der Leiter (7) mit niedriger Wärmeausdehnung und das röhrenförmige, atmosphärenabschirmende Element (9) mit dem Metallaussetzabschnitt (15) des eingebetteten Elements (5) verbunden sind.
Keramische Verbundstruktur nach Anspruch 4, worin: das eingebettete Element (5) ein aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung hergestellter Anschluss (14) ist; der Anschluss (14) mit dem Leiter (7) mit niedriger Wärmeausdehnung elektrisch verbunden ist; eine Metallelektrode (3) im Keramikelement (1) eingebettet ist; und der Anschluss (14) mit der Metallelektrode (3) elektrisch verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer keramischen Verbundstruktur, in der ein Keramikelement (1) mit einer oxidationsbeständigen Eigenschaft und ein Metallelement (8) über eine Verbindungsschicht (12) verbunden sind, worin in der Struktur: (1) ein aus einem Metall, das zumindest Molybdän enthält, hergestelltes, eingebettetes Element (5) im Keramikelement (1) eingebettet ist; (2) ein Teil (5a) des eingebetteten Elements (5) einer Verbindungsoberfläche (4a) des Keramikelements (1) ausgesetzt ist, wobei der Teil (5a) mit der Verbindungsschicht (12) in Kontakt steht, um einen Metallaussetzabschnitt (15) zu bilden; (3) das Keramikelement (1) und der Metallaussetzabschnitt (15) jeweils über die Verbindungsschicht (12) mit dem Metallelement (8) verbunden sind; und (4) die Verbindungsschicht (12) aus mehr als 50 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Metall in der Verbindungsschicht (12), eines oder mehrerer aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählter Metalle hergestellt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: das Ausbilden des Metallaussetzabschnitts (15) durch Aussetzen eines Teils des eingebetteten Elements (5) der Verbindungsoberfläche (4a) des Keramikelements (1); das Anordnen eines Materials für die Verbindungsschicht (12) zwischen der Verbindungsoberfläche (4a) und dem Metallelement (8); und das Erhitzen in einer oxidationsbeständigen Atmosphäre, um das Keramikelement (1) und den Metallaussetzabschnitt (15) jeweils mit dem Metallelement (8) zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 6, worin der Schritt des Anordnens eines Materials für die Verbindungsschicht (12) die folgenden Schritte umfasst: das Anordnen eines Materials aus einem oder mehreren aus der aus Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Niob und Magnesium bestehenden Gruppe ausgewählten aktiven Metallen an der Verbindungsoberfläche (4a); und das Anordnen eines Lötmaterials, das hauptsächlich aus einem oder mehreren aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählten Metallen besteht, auf dem vorgenannten Material.
Verfahren nach Anspruch 7, worin eine Folie (15), die aus einem oder mehreren aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählten Metallen besteht, an einer Oberfläche des Materials aus einem oder mehreren aktiven Metallen ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, worin der Schritt des Anordnens eines Materials für die Verbindungsschicht (12) den folgenden Schritte umfasst: das Anordnen eines Lötmaterials, das aus einer Legierung aus einem oder mehreren aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählten Metallen und aus einem oder mehreren aus der aus Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Niob und Magnesium bestehenden Gruppe ausgewählten aktiven Metallen besteht.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 9, worin Nickel im Material für die Verbindungsschicht (12) enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 6, worin das eingebettete Element (5) aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, worin ein hauptsächlich aus einem oder mehreren aus der aus Gold, Platin und Palladium bestehenden Gruppe ausgewählten Metallen bestehendes Beschichtungsmaterial vor dem Verbinden auf einer Oberfläche des eingebetteten Elements (5) aufgebracht wird und das so beschichtete eingebettete Element (5) mit dem Metallelement (8) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 12, worin das Beschichtungsmaterial durch Schmelzen desselben mittels einer Wärmebehandlung auf dem eingebetteten Element (5) aufgebracht wird.