(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-19
(45)【発行日】2022-10-27
(54)【発明の名称】電極埋設部材の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/683 20060101AFI20221020BHJP
C04B 35/645 20060101ALI20221020BHJP
C04B 41/88 20060101ALI20221020BHJP
C04B 41/90 20060101ALI20221020BHJP
H05B 3/74 20060101ALI20221020BHJP
H05B 3/02 20060101ALI20221020BHJP
H05K 3/46 20060101ALI20221020BHJP
【FI】
H01L21/68 N
C04B35/645
C04B41/88 A
C04B41/90
H05B3/74
H05B3/02 B
H05K3/46 H
H05K3/46 N
(21)【出願番号】P 2018162595
(22)【出願日】2018-08-31
【審査請求日】2021-05-24
(73)【特許権者】
【識別番号】000004547
【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000800
【氏名又は名称】特許業務法人創成国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】檜野 誠
【審査官】鈴木 孝章
(56)【参考文献】
【文献】特開2003-077783(JP,A)
【文献】特開2000-340349(JP,A)
【文献】特開2006-013257(JP,A)
【文献】特開2002-231796(JP,A)
【文献】特開2017-162782(JP,A)
【文献】特開平08-078193(JP,A)
【文献】特開2004-356638(JP,A)
【文献】特開2012-099856(JP,A)
【文献】特開2009-060103(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 21/683
C04B 35/645
C04B 41/88
C04B 41/90
H05B 3/74
H05B 3/02
H05K 3/46
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
表面及び裏面を有しセラミックスから構成される板状の基体と、前記表面に沿って前記基体に埋設されたヒーター電極、高周波発生用電極、又は静電吸着電極としての電極と、前記電極に接続された状態で前記基体に埋設された導電性を有するビアとを備える電極埋設部材の製造方法であって、
セラミックス原料粉末にバインダーを添加した複数のグリーンシートを準備する工程と、
箔、メッシュ、織布、又は不織布からなる前記電極を準備する工程と、
前記複数のグリーンシートのうち第1のグリーンシートに前記第1のグリーンシートを貫通するビアホールを形成し、前記第1のグリーンシートの前記ビアホールに前記ビアとなる導電性ペーストを充填することにより前記第1のグリーンシートであるビアグリーンシートを準備する工程と、
前記複数のグリーンシートのうち前記第1のグリーンシートとは異なる第2のグリーンシートと、前記ビアグリーンシートとを前記電極を挟んで、積層することで前記電極に前記ビアが接する積層体を形成する工程と、
前記積層体を焼成することにより前記基体となる焼結体を得る工程と、
を含むことを特徴とする電極埋設部材の製造方法
であって、
前記積層体の外表面から前記ビアとなる導電性ペーストまで達する端子穴を加工し、少なくとも前記ビアとなる導電性ペーストと接続されるように前記端子穴を画定する前記積層体の内側面に導電性ペーストを塗布し、
前記焼結体を得る工程では、前記ビアとなる導電性ペーストが前記電極に押し付けられた状態で前記積層体を焼成すること特徴とする電極埋設部材の製造方法。
【請求項2】
請求項1に記載の電極埋設部材の製造方法であって、
前記焼結体を得る工程の後に、前記端子穴内の前記導電性ペーストが焼成された導通性
部材にニッケルのメッキを行うことによりメッキ膜を形成し、当該メッキ膜の上に端子を
ロウ付けする工程を含むことを特徴とする電極埋設部材の製造方法。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載の電極埋設部材の製造方法であって、
前記焼結体を得る工程は、ホットプレス焼成を含む工程であることを特徴とする電極埋
設部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、セラミックスからなる板状の基体に電極が埋設された電極埋設部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、セラミックス製静電チャックやヒーターのように絶縁性基体の内部に電極を内蔵している部材は、セラミックス焼結体となる一のグリーン体の上に電極を載置または印刷等により形成し、更にその上に他のグリーン体を載せた構造物を焼成し一体化して製作する手法がとられている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1の技術では、グリーンシート積層法において、組成の異なる複数のグリーンシートを作製し、導体ペーストが印刷されたグリーンシートを含む複数のグリーンシートを積層して焼成することで窒化アルミニウム(以下、AlNという。)基板を作製し、半導体製造用部材を製造している。
【0005】
しかし、従来のグリーンシートを積層することによる電極埋設部材の製造方法では、電極形成が印刷法に限定されて一般に電極の厚みが10~30μm程度であり、電極をRF電極(高周波発生用電極)として用いる場合には、インピーダンスが大きくなり、RF電極としての特性が十分でない場合があった。また、電極をヒーター電極として用いる場合は、一般に用いられる導電性ペースト(タングステンペースト)を使用すると電極のシート抵抗が小さく、所定のヒーター抵抗値を得ることが容易でなく、電極の幅を細く、周長を長くする必要があり、電極が破断する虞があった。
【0006】
本発明は、以上の点に鑑み、グリーンシート積層法により製造した電極埋設部材であっても、電極の電気特性を良好にすることができるとともに電極が破断するリスクを低減できる電極埋設部材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
[1]上記目的を達成するため、本発明の電極埋設部材の製造方法は、
表面及び裏面を有しセラミックスから構成される板状の基体と、前記表面に沿って前記基体に埋設されたヒーター電極、高周波発生用電極、又は静電吸着電極としての電極と、前記電極に接続された状態で前記基体に埋設された導電性を有するビアとを備える電極埋設部材の製造方法であって、
セラミックス原料粉末にバインダーを添加した複数のグリーンシートを準備する工程と、
箔、メッシュ、織布、不織布からなる前記電極を準備する工程と、
前記複数のグリーンシートのうち第1のグリーンシートに前記第1のグリーンシートを貫通するビアホールを形成し、前記第1のグリーンシートの前記ビアホールに前記ビアとなる導電性ペーストを充填することにより前記第1のグリーンシートであるビアグリーンシートを準備する工程と、
前記複数のグリーンシートのうち前記第1のグリーンシートとは異なる第2のグリーンシートと、前記ビアグリーンシートとを前記電極を挟んで、積層することで前記電極に前記ビアが接する積層体を形成する工程と、
前記積層体を焼成することにより前記基体となる焼結体を得る工程と、
を含み、
前記積層体の外表面から前記ビアとなる導電性ペーストまで達する端子穴を加工し、少なくとも前記ビアとなる導電性ペーストと接続されるように前記端子穴を画定する前記積層体の内側面に導電性ペーストを塗布し、
前記焼結体を得る工程では、前記ビアとなる導電性ペーストが前記電極に押し付けられた状態で前記積層体を焼成することを特徴とする。
【0008】
かかる製造方法によれば、印刷電極よりも機械的強度が高い箔、メッシュ、織布、不織布による電極をグリーンシートで挟んで埋設するので、機械的強度が低い印刷電極よりも電極が破断し難い。このため、印刷電極と比較して電極としての特性を十分にすることができるとともに破断のリスクを低減することができる。
【0009】
また、かかる製造方法によれば、印刷電極よりも厚みの厚い電極を形成することができる。そのため、高周波発生用電極として電極を使用する際には、インピーダンスを小さくすることができ高周波電気特性を改善することができる。
【0010】
また、かかる製造方法によれば、印刷電極よりもシート抵抗を高くした電極を形成することができるため、ヒーター電極として電極を使用する際には、所定のヒーター抵抗値を容易に得ることができる。
【0011】
グリーンシートのビアホールに導電性ペーストを充填してビアを形成し、このビアに電極が接する。電極は、機械的強度が高い箔、メッシュ、織布、不織布による電極であり、保形性が高いので、印刷電極のように波うち易くはなく、平坦を保つと共に破断し難い。このため、ビアを平坦な電極に確実に接触させることができる。
【0012】
また、焼成時には、ビアとなる導電性ペーストの一部が電極の凹凸部分に入り込む。具体的には、電極がメッシュ、織布、不織布であればこれらの網目にビアを構成するペーストの一部が入り込む。電極が箔であり、もし箔にパンチングされていればパンチ穴にビアとなる導電性ペーストの一部が入り込む。このため、ビアと電極との接続を良好にすることができる。結果、従来のグリーンシート積層法より電気特性が良好な電極埋設部材とすることができる。
【0014】
かかる製造方法によれば、端子穴に嵌る形状を有する型等によって、ビアとなる導電性ペーストが電極に押し付けられるように端子穴の底部、又は、端子穴の底部及び側部を押圧するので、ビアとなる導電性ペーストが電極に強く接触する。このため、ビアが電極にかみ込み、ビアと電極とを良好に密着させることができる。
【0015】
また、グリーンシートも電極に強く押し付けられてグリーンシートが箔、メッシュ、織布、不織布等からなる電極の凹凸部分にかみ込む。具体的には、電極がメッシュ、織布、不織布であればこれらの網目にグリーンシートが食い込む。電極が箔であり、もし箔にパンチングされていれば、パンチ穴にグリーンシートが食い込む。このため、積層体の焼成後に、電極と基体とを良好に密着させることができる。
【0016】
[3]また、本発明の電極埋設部材の製造方法において、前記焼結体を得る工程の後に、前記端子穴内の前記導電性ペーストが焼成された導通性部材にニッケルのメッキを行うことによりメッキ膜を形成し、当該メッキ膜の上に端子をロウ付けする工程を含むことが好ましい。
【0017】
この工程により、端子穴内の導通性部材の上にニッケルのメッキを行うので、端子をニッケルとすると、端子のロウ付け性が向上するとともに、メッキ膜の線膨張係数と端子の線膨張係数と同等になり、使用による熱サイクルによってもメッキ膜と端子が同等に膨張・収縮するので、メッキ膜と端子の密着を良好に保ち電気的接続を確実にすることができる。
【0018】
[4]また、本発明の電極埋設部材の製造方法において、前記焼結体を得る工程は、ホットプレス焼成を含む工程であることが好ましい。
【0019】
この工程により、ホットプレス焼成とすることで、電極をグリーンシートで挟み込んで押し付けるので、積層したグリーンシート間の隙間をなくして積層体を焼成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【
図1】本発明の電極埋設部材を模式的に示す説明図である。
【
図2】
図2Aはグリーンシートを準備する工程の説明図である。
図2Bは電極を準備する工程の説明図である。
【
図3】
図3Aはビアグリーンシートを準備する工程の説明図である。
図3Bは積層体を形成する工程の説明図である。
【
図4】
図4Aは積層体を形成する工程の完成体を説明する断面図である。
図4Bは積層体に端子穴を形成する工程の説明図である。
【
図5】
図5Aは焼結体を得る工程の説明図である。
図5Bは端子をロウ付けする工程の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
(実施形態)
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。なお、図面は、電極埋設部材1を概念的(模式的)に示すものとする。
【0022】
図1に示すように、電極埋設部材1は、表面2a及び裏面2bを有し、主に窒化アルミニウム(AlN)のセラミックスからなり、焼結助剤として酸化イットリウム、酸化カルシウムなどが添加された板状の基体2と、基体2の表面2aに沿って延在し、基体2に埋設されたモリブデン(Mo)製のメッシュからなる電極3と、基体2に埋設されて電極3に導通しているビア4とを備えている。なお、セラミックスは、酸化アルミニウム(Al
2O
3)、炭化珪素(SiC)、窒化珪素(Si
3N
4)などであってもよい。また、電極3は、ヒーター電極、高周波発生用電極、静電吸着電極などであってもよい。
【0023】
基体2には、この基体2の裏面2bから基体2内部のビア4の端面まで穿設される端子穴5が形成されている。また、端子穴5を画定する基体2の内側面11には、少なくともビア4に導通するように導通性部材6が形成されている。この導通性部材6の上には、ニッケルのメッキ膜7が施されている。このメッキ膜7の上には、端子8がロウ材9によってロウ付けされている。なお、実施形態では、ニッケルのメッキ膜7を施したが、メッキ膜7はなくてもよい。この場合、導通性部材6に端子8をロウ材9でロウ付けしてもよい。
【0024】
電極3、ビア4及び導通性部材6は、タングステン、モリブデン又はこれらを主成分とする合金からなる。端子8は、円柱状を呈し、コバール等の低熱膨張金属合金やニッケル、チタン、銅又はこれらを主成分とする合金からなり、導通性部材6にロウ付けによって接合され、ビア4と電気的に接続されている。
【0025】
例えば、端子穴5の径は5mmである。端子8は、直径が4.8mmであり、長さが20mmである。なお、実施形態では、端子8と、端子穴5を画定する基体2の内側面11との間には、導通性部材6、メッキ膜7及びロウ材9が形成されているが、これに限定されず、導通性部材6のみ形成された状態、導通性部材6及びメッキ膜7が形成された状態、導通性部材6及びロウ材9が形成された状態、または導通性部材6、メッキ膜7及びロウ材9が少なくとも一部に形成された状態であってもよい。さらには、端子8と、端子穴5を画定する基体2の内側面11との間には、導通性部材6、メッキ膜7及びロウ材9が形成されていなくてもよい。
【0026】
次に電極埋設部材1の製造方法について説明する。電極埋設部材1の製造方法は、グリーンシート21を準備する工程と、電極3を準備する工程と、ビアグリーンシート22を準備する工程と、積層体31を形成する工程と、グリーン積層体32を形成する工程と、焼結体35を得る工程と、端子8をロウ付けする工程とを備えている。
【0027】
[グリーンシート21を準備する工程]
図2Aに示すように、セラミックス粉末としての窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤として、酸化イットリウム粉末を4質量%、酸化カルシウム粉末を0.2質量%添加してスラリーを作製する。次に、例えばドクターブレード法により、スラリーをシート状に形成してセラミックスのグリーンシート21を得る。
【0028】
ドクターブレード法に用いられるシート製造装置は、一例として、スラリーが投入される容器と、容器の底部側方に開口した略矩形状の開口部と、容器の底から開口部を介して容器の外方まで延びているコンベア状のキャリアフィルムと、開口部の上部を構成するブレードと、容器の外方でキャリアフィルムの上方に配置されたブレードとを備えている。
【0029】
容器に投入されたスラリーは、キャリアフィルム上に載せられ開口部から容器の外方へと移動される。スラリーが開口部のブレード下を通過するとき及び容器外方のブレード下を通過するとき、スラリーはブレードにすり切られるようにしてシート状に形成される。このシートを赤外線ヒーター及びファンによって乾燥させることで、グリーンシート21が得られる。なお、
図2Aに示すグリーンシート21は、矩形状に切られているがこれに限定されず、グリーンシート21を円形状などに切られてもよく、形状は問わない。
【0030】
[電極3を準備する工程]
図2Bに示すように、電極3がヒーター電極の場合、線形0.1mm、メッシュサイズ#50、平織りのモリブデン製メッシュを、所定の形状に裁断することで電極3を得る。なお、メッシュサイズは上記に限定されず、#20~#200が好適であるが、この範囲外であってもよい。また、織り方は、平織りが好適であるがこれ以外の織り方であってもよい。また素材は、モリブデンが好適な素材として採用としたが、これに限定されず、タングステンも好適な素材であり、さらにはこれら以外の素材を採用しても差し支えない。ヒーター電極としての電極3の素材、線径、メッシュサイズ、織り方等は所定のヒーター抵抗値が得られるように適宜選択される。
【0031】
また、電極3が高周波発生用電極(RF電極)または静電吸着用電極の場合、電極3は、厚み0.05mmのモリブデン箔を所定の形状に裁断したものが好適である。電極3は、モリブデン箔の他、タングステン箔であってもよい。電極3の厚みは、0.025mm以上とすると高周波特性が好適となり、0.05mm以上とすると高周波特性が更に好適となる。電極3の厚みは0.4mm以上になると電極3の剛性が大きくなりすぎて、焼成時におけるセラミックスとの物性の不一致により過剰な応力が働きクラックや剥離の原因となる恐れがある。そのため、電極3の厚みは0.4mm未満であることが好適である。また、一枚のグリーンシート21の焼成後の厚みtに対して電極3の厚みTが0.05≦t/T≦0.2の関係を満たせば、上記のクラックや剥離を効果的に抑制することができる。なお、電極3としての箔には、全面にφ3mmの開口部を10mm間隔でパンチングによる打ち抜き加工が施されていてもよく、パンチングの他レーザーによるスリット加工を施してもよい。
【0032】
[ビアグリーンシート22を準備する工程]
図3Aに示すように、第1のグリーンシート21(
図2A参照)を積層し、電極埋設部材1(
図1参照)としたときのビア4の位置に打ち抜きによりビアホール23を形成し、このビアホール23に導電性ペースト34(
図3B参照)を充填することでビアグリーンシート22を得る。なお、実施形態では、ビアグリーンシート22を2層としたが、これに限定されず、1層、3層、4層以上であってもよい。また、実施形態では、ビアホール23の数を、2つとしたが、1つ、3つ、4つ以上であっても差し支えない。
【0033】
[積層体31を形成する工程]
図3Bに示すように、第2のグリーンシート21上に電極3を積層し、電極3上にビアグリーンシート22を積層し、ビアグリーンシート22上に第2のグリーンシート21を積層し、熱プレスし、さらに所定の形状に加工することで
図4Aに示す円板状の積層体31が形成される。
【0034】
[グリーン積層体32を形成する工程]
図4Bに示すように、積層体31(
図4A参照)の外表面からビアホール23内に充填された導電性ペースト34まで達するように端子穴5を加工する。導電性ペースト33を、端子穴5から露出したビアホール23内の導電性ペースト34及び端子穴5を画定する積層体31の内側面に塗布する。これにより、グリーン積層体32を得る。
【0035】
[焼結体35を得る工程]
グリーン積層体32を、ステンレス板上にアルミナを溶射したパンチングメタル上に載置し、500℃~600℃の還元雰囲気にて脱脂を行い、脱脂体を形成する。この脱脂体を還元雰囲気の中において1800℃で焼成する。グリーン積層体32の有機成分を脱脂した後還元雰囲気で本焼成される。
【0036】
導電性ペースト33は、焼成されて導通性部材6となる。導電性ペースト34も焼成されてビア4となる。導通性部材6にニッケルのメッキが施され、メッキ膜7が形成される。これにより、
図5Aに示す焼結体35が得られる。
【0037】
なお、実施形態では、焼結体35にニッケルのメッキ膜7を形成したが、ニッケルのメッキ膜7はなくてもよい。また、実施形態では常圧焼成を行ったが、これに限定されず、一軸方向から加圧するホットプレス焼成、またはいわゆるHIP焼成(熱間等方圧加圧法)であってもよい。ホットプレス焼成では、ビア4が電極3に押し付けられるように端子穴5内を端子穴5に嵌る形状を有する型等で押圧してもよい。
【0038】
[端子をロウ付けする工程]
図5Bに示すように、焼結体35のニッケルのメッキ膜7にロウ材9によって端子8をロウ付けする。これで電極埋設部材1が得られる。なお、ロウ材9に活性金属としてTiを添加してもよく、Ag系のロウ材、ニッケル系のロウ材を用いることもできる。また、端子穴5の底面にコバール、ニッケル、タングステン、モリブデン等の低熱膨張金属からなる端子をAu-Ni系のロウ材で真空ロウ付けしてもよい。
【0039】
次に、以上に述べた電極埋設部材1の製造方法の効果を説明する。
【0040】
かかる製造方法によれば、印刷電極よりも機械的強度が高い箔、メッシュ、織布、不織布による電極3をグリーンシート21、22で挟んで埋設するので、機械的強度が低い印刷電極よりも電極3が破断し難い。このため、印刷電極と比較して電極3としての特性を十分にすることができるとともに破断のリスクを低減することができる。
【0041】
グリーンシート22のビアホール23に導電性ペースト34を塗布してビア4を形成し、このビア4に電極3が接する。電極3は、機械的強度が高い箔、メッシュ、織布、不織布による電極3であり、保形性が高いので、印刷電極のように波うち易くはなく、平坦を保つと共に破断し難い。このため、ビア4を平坦な電極3に確実に接触させることができる。
【0042】
また、焼成時には、ビア4となる導電性ペースト34の一部が電極3の凹凸部分に入り込む。具体的には、電極3がメッシュ、織布、不織布であればこれらの網目にビアとなる導電性ペースト34の一部が入り込む。電極3が箔であり、もし箔にパンチングされていればパンチ穴にビア4となる導電性ペースト34の一部が入り込む。このため、ビア4と電極3との導通を良好にすることができる。結果、従来のグリーンシート積層法より電気特性が良好な電極埋設部材1とすることができる。また、グリーンシート21に電極配置用の間隙を設ける必要がなく、電極3をグリーンシート21に挟んで積層するので、焼成後のセラミックスの間に間隙が生じず、良好に密着する電極埋設部材1を提供することができる。
【0043】
また、端子穴5に嵌る形状を有する型等によって、ビア4となる導電性ペースト34が電極3に押し付けられるように端子穴5の底部、又は、端子穴5の底部及び側部を押圧するので、ビア4が電極3に強く接触する。このため、ビア4が電極3にかみ込み、ビア4と電極3とを良好に密着させることができる。
【0044】
また、積層体を形成する工程では、グリーンシート21、22も電極3に強く押し付けられてグリーンシート3が箔、メッシュ、織布、不織布等からなる電極3の凹凸部分にかみ込む。具体的には、電極3がメッシュ、織布、不織布であればこれらの網目にグリーンシート21、22が食い込む。電極3が箔であり、もし箔にパンチングされていれば、パンチ穴にグリーンシート21、22が食い込む。このため、積層体31の焼成後に、電極3と基体2とを良好に密着させることができる。
【0045】
また、焼結体を得る工程の後に、端子穴5の導通性部材6の上にニッケルのメッキを行うので、端子8をニッケルとすると、メッキ膜7の線膨張係数が端子8の線膨張係数と同等になり、使用による熱サイクルによってもメッキ膜7と端子8が同等に膨張するので、メッキ膜7と端子8の密着を良好に保つことができる。
【0046】
また、グリーン積層体32の焼成を、ホットプレス焼成とすることで、電極3をグリーンシート21で挟み込んで押し付けるので、積層したグリーンシート21間の隙間をさらになくしてグリーン積層体32を焼成することができる。
【0047】
なお、実施形態では、電極3を、メッシュ、箔としたが、これに限定されず、電極3を織布、不織布としても差し支えない。また、箔は、パンチングされたパンチングメタルでもよく、さらには複数の孔が形成されたものであっても差し支えない。
【0048】
また、焼結体35を得る工程の脱脂には、大気雰囲気で550℃以下による方法、N2、H2混合ガス比4:1、露点30℃以上、温度500℃以上1500℃以下で行う方法、またはこれらを併用する方法であってもよい。
【符号の説明】
【0049】
1 … 電極埋設部材
2 … 基体
2a… 表面
2b… 裏面
3 … 電極
4 … ビア
5 … 端子穴
7 … メッキ膜
8 … 端子
21… グリーンシート
22… ビアグリーンシート
23… ビアホール
31… 積層体
32… グリーン積層体
33… 導電性ペースト
34… 導電性ペースト
35… 焼結体