专利名称：陶瓷接合体、其制造方法以及半导体晶片用陶瓷结构体的制作方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷接合体和它的制造方法、半导体晶片用陶瓷结构体的发明，特别涉及电热板(陶瓷加热器)和静电夹头、晶片检测器等用于半导体制造装置和检测装置的陶瓷接合体材料，并主要提供陶瓷基板和保护导电体用陶瓷体的接合结构的方案。
为了解决这些问题，开发了用氮化铝等的陶瓷基板代替金属制基板的加热器。例如美国专利第5231690号等的方案就是这种陶瓷加热器的示例。
这种陶瓷加热器是由加热半导体晶片的陶瓷基板和保护陶瓷基板内的电阻发热元件的供电用导电体的陶瓷体构成。因此用这种陶瓷加热器必须要有陶瓷基板和陶瓷体的接合技术，例如专利第2783980号等公开了陶瓷基板和陶瓷体的接合技术。
可是如图2所示，美国专利第5231690号公开的陶瓷加热器由于保护供电用导电体40的陶瓷体30设置在晶片处理(加热处理)的范围内，陶瓷基板1的热被陶瓷体30夺走，存在容易使陶瓷基板的晶片加热面温度不均匀的问题。
专利第2783980号公开的技术，由于在接合界面存在有高浓度的烧结助剂层，因此使接合强度出乎意料地降低。再有在此文献中，认为由于接合界面存在有高浓度的烧结助剂层，可以得到高的接合强度。可是本发明者对此有不同的看法，下面对此内容做详细说明。
本发明的目的是提供在同种或不同种类的陶瓷体接合时，接合强度高、接合部位性能不恶化的陶瓷接合体和它的制造方法的技术。
本发明的另一个目的是提供一种实用的可以在晶片处理面使温度分布均匀，同时与保护供电用导电体的陶瓷体接合良好的半导体晶片用的陶瓷结构体。
1.陶瓷接合体，其特征是，所述陶瓷接合体是接合了2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体的接合体，一方面在各陶瓷体的接合界面上，存在有以所述界面为中心晶粒长入到两侧陶瓷体中的陶瓷晶粒，另一方面所述接合界面没有烧结助剂层。
2.陶瓷接合体，其特征是，所述陶瓷接合体是接合了2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体的接合体，一方面在各陶瓷体的接合界面上，存在有以所述界面为中心晶粒长入到两侧陶瓷体中的陶瓷晶粒，另一方面所述接合界面没有烧结助剂层，而且在距所述接合界面3mm范围内的各陶瓷体中所含的烧结助剂，其最高浓度Ch和最低浓度Cl之比Ch/Cl在1～100范围内。
3.陶瓷接合体，其特征是，所述陶瓷接合体是接合了2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体的接合体，一方面在各陶瓷体的接合界面上，存在有以所述界面为中心晶粒长入到两侧陶瓷体中的陶瓷晶粒，另一方面所述接合界面没有烧结助剂层，而且以所述界面为中心的一侧陶瓷体中的烧结助剂浓度比接合界面的烧结助剂浓度高，在以所述界面为中心的另一侧陶瓷体中的烧结助剂浓度比接合界面的烧结助剂浓度低。
4.上述1至3任一项所述的陶瓷接合体，其特征为至少有一个陶瓷体含有烧结助剂和/或50～5000ppm的碳。
5.陶瓷接合体的制造方法，其特征为在制造接合有2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体的陶瓷接合体时，在接合界面涂覆浓度为0.3摩尔/升～1摩尔/升的烧结助剂溶液，并在超过1840℃的温度烧结。
6.陶瓷接合体的制造方法，其特征为在接合2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体时，需要接合的一侧陶瓷体中含有烧结助剂，而另一侧陶瓷体中不含烧结助剂，或者与所述的一侧陶瓷体中的烧结助剂含量相比，另一侧陶瓷体中的烧结助剂含量较低；然后使这些陶瓷体彼此接触后烧结。
7.上述第6项所述的陶瓷接合体的制造方法，其特征为所述陶瓷基板中烧结助剂的含量为0.5％至20％，陶瓷体中烧结助剂的含量为0至10％。
8.半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为具有内部有导电体的陶瓷基板和在内部与所述基板内导电体电连接的供电用导电体，而且在所述陶瓷基板和对接的陶瓷体构成的陶瓷结构体中，所述陶瓷体与所述陶瓷基板的半导体晶片处理区域外的部分接合。
9.上述第8项所述的半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为所述半导体晶片处理区域是与半导体晶片相对的所述陶瓷基板的面。
10.上述第8或9项所述的半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为所述陶瓷基板和陶瓷体是由氮化物陶瓷、氧化物陶瓷和碳化物陶瓷中的至少一种或一种以上的陶瓷构成的。
11.上述第8至10项任一项所述的半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为是在100～700℃的温度范围内使用的半导体晶片用陶瓷结构体。
12.半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为具有内部有导电体的陶瓷基板和内部与所述基板内导电体电连接的供电用导电体，而且在所述陶瓷基板和对接的陶瓷体构成的陶瓷结构体中，在各陶瓷体的接合界面上，存在有以所述界面为中心晶粒长入到两侧陶瓷体中的陶瓷晶粒，另一方面所述接合界面没有烧结助剂层。
13.上述第12项所述的陶瓷结构体，其特征为在距所述接合界面3mm范围内的各陶瓷体中所含的烧结助剂，其最高浓度Ch和最低浓度Cl之比Ch/Cl在1～100范围内。
14.上述第12或13项所述的半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为以接合界面为中心的一侧陶瓷体中的烧结助剂浓度比所述接合界面的烧结助剂浓度高，另一方面在以所述界面为中心的另一侧陶瓷体中的烧结助剂浓度比接合界面的烧结助剂浓度低。
15.上述第14项所述的半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为所述陶瓷基板的烧结助剂含量为0.5～20％，除去接合界面附近的保护用陶瓷体中的烧结助剂含量为0～10％。
具体实施例方式
本发明提供了接合2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体的陶瓷接合体，其特征是一方面在各陶瓷体的接合界面上，存在有以所述界面为中心晶粒长入到两侧陶瓷体中的陶瓷生长晶粒，另一方面所述接合界面没有烧结助剂的浓缩层。
在这样的陶瓷接合体的接合界面，生长的陶瓷晶粒相互向另一方扩散生长晶粒并以跨越两个陶瓷体的状态存在，其结果不通过粘合剂也能使陶瓷体彼此牢固接合。
因此，其特征是在用这样的方式接合的陶瓷接合体，其接合界面的烧结助剂层，也就是高浓度的烧结助剂层(富含烧结助剂的层、烧结助剂的浓缩层)实际上是不存在的。如后所述，根据发明人的试验，实际上即使用电子显微镜在接合界面也找不到浓的(局部存在的)烧结助剂，即使用X射线萤光法测试界面附近的烧结助剂含量，在接合界面和陶瓷体内部之间也不能认为有明显差异。
也就是在陶瓷体中存在烧结助剂，而令人吃惊的是原来认为用于接合存在的接合界面，完全看不到烧结助剂在局部浓缩的状态。
可是根据发明人的研究，与现有技术说明的情况不同，如果在接合界面使烧结助剂在局部浓缩的话，此部分会显著变脆，因此即使晶粒之间相互交织在一起，但该烧结助剂层的部分也容易成为破坏源。
本发明的另一个实施方式是提供接合2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体的陶瓷接合体，其特征是一方面在各陶瓷体的接合界面上，存在有以所述界面为中心晶粒长入到两侧陶瓷体中的陶瓷生长晶粒，另一方面所述接合界面没有高浓度的烧结助剂层，而且在距所述接合界面3mm范围内的各陶瓷体中所含的烧结助剂的量，其最高浓度Ch和最低浓度Cl之比Ch/Cl在1～100范围内。
在这种情况下，优选所述接合界面的烧结助剂浓度Cm为处于Ch和Cl之间的值。如果Ch和Cl实际上是相同的值的话，那么在接合界面上烧结助剂浓度Cm实际上也与这些值相同。此外优选Ch和Cl分别存在于夹持接合界面的相对一侧的陶瓷体中。
陶瓷体中所含的烧结助剂的最高浓度Ch和最低浓度Cl的比Ch/Cl为1～100，而1.1～25是较好的，此比率小于1时将没有无意义，而超过100时将在接合界面附近产生畸变。这是因为烧结助剂具有使陶瓷体收缩的性质，所以如果浓度差大，升温时在接合界面容易产生畸变和弯曲。而且如果产生畸变，则陶瓷基板会发生倾斜，而使晶片等难以均匀加热。
在测定陶瓷体所含的烧结助剂浓度时，使用X射线萤光分析仪或能量色散特征X射线分光仪(EDS)。从构成基体元素的峰值强度和烧结助剂峰值强度的比值测定浓度。例如ALN基体(陶瓷基板)中存在有Y2O3(烧结助剂)的情况下，从铝的峰值强度和钇的峰值强度计算。也就是用(I(Y)/2×(I(ALN)+I(Y)))×100％计算。
此外这种浓度测定是在从接合界面向一侧陶瓷的3mm范围内，再从接合界面向另一侧陶瓷3mm范围内进行。
本发明的另外的实施方式是可以接合2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体的接合体，一方面在各陶瓷体的接合界面上，存在有以所述界面为中心晶粒长入到两侧陶瓷体中的陶瓷生长晶粒，另一方面所述接合界面没有高浓度的烧结助剂浓缩层，而且以所述界面为中心的一侧陶瓷体中的烧结助剂浓度比接合界面的烧结助剂浓度高，在以所述界面为中心的另一侧陶瓷体中的烧结助剂浓度比接合界面烧结助剂浓度低。
这样的陶瓷接合体，其烧结助剂的结构在陶瓷体的接合界面的纵断面上存在有浓度梯度，并恰好在接合界面部分没有富含烧结助剂的浓缩层。也就是以接合界面为中心，构成陶瓷体的晶粒分别向各陶瓷体一侧生长以致分别长入到对方的陶瓷体中。这样的接合方式可以得到一侧陶瓷体中含有烧结助剂，另一侧陶瓷体中不含烧结助剂，或者与所述的一侧陶瓷体中的烧结助剂含量相比，另一侧陶瓷体中的烧结助剂含量较低，两者接合进行烧结。
也就是说烧结助剂是从烧结助剂多的一侧向少的一侧扩散的，在接合界面陶瓷的烧结粒子生长，使陶瓷体之间牢固接合。这样得到的陶瓷接合体由于不使用烧结助剂的水溶液，不仅制造方法简单，接合强度也高。这是不存在烧结助剂或烧结助剂少的一侧的陶瓷不进行烧结，烧结助剂扩散，陶瓷大晶粒生长的根本原因。
图5为具有这样浓度梯度的接合结构的电子显微镜照片(×1500)，可以看出烧结助剂少的一侧(轴侧)比烧结助剂多的一侧(热板侧)晶粒直径大，晶粒更容易生长。
所述烧结助剂浓度相对高的一侧的烧结助剂含量希望为0.5～20％。其原因是小于0.5％接合强度降低。优选用作所述烧结助剂的化合物是钇化合物或镱化合物。优选至少一侧的陶瓷体预先含有这些烧结助剂。其原因是在接合界面的陶瓷晶粒的生长速度快，因此能产生使在接合界面的烧结助剂浓缩层消失的作用。
本发明中的烧结助剂是指具有促进陶瓷烧结作用的物质，与接合助剂具有相同的含义。由于接合是利用了烧结反应的原理，因此，用作所述烧结助剂的钇化合物或镱化合物中优选的是钇的卤化物或镱的卤化物。据推测这是由于这些物质具有还原能力，并具有去除接合界面的氧化膜，帮助接合助剂扩散的作用。此外由于是水溶性物质，容易制成涂覆溶液。
下面说明使所述陶瓷体之间接合的方法。
第1个方法是在接合2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体时，在接合界面涂覆浓度从0.3摩尔/升到小于1摩尔/升的烧结助剂溶液，并在超过1840℃的温度烧结的方法。在此方法中使烧结助剂的浓度为不小于0.3摩尔/升的原因是如专利第2783980号所述，在接合界面形成使烧结助剂浓缩的高浓度的烧结助剂层(用白色的连线标示)，而使强度不够。其原因还不是很清楚，估计是浓度过低还原能力变弱，不能去除接合界面的氧化膜。此外当烧结助剂的浓度大于1摩尔/升时，烧结助剂不能充分扩散，仍然会存在被浓缩的高浓度的烧结助剂层。再有在低于1840℃的烧结温度，不进行烧结助剂的扩散，仍然存在有被浓缩的高浓度的烧结助剂层。优选烧结时间为从30分钟到3小时。
也就是在所述浓度范围内不会产生烧结助剂被浓缩的高浓度烧结助剂层(用白色的连线标示)，可以说是所述的浓度范围是具有强度高的特性的范围。从图4可以观察到这种情况。图4横轴从左开始为涂覆钇浓度0.7摩尔/升、0.85摩尔/升、1.00摩尔/升溶液情况下接合界面的照片，纵轴从上开始为1860℃、1840℃、1820℃的烧结温度下接合界面的照片。
从这些照片可以看出，使用0.7摩尔/升、0.85摩尔/升的水溶液，在1860℃的烧结条件下，接合界面不存在钇层。可是用1摩尔/升的水溶液无论在什么温度下都能发现白色的条纹，存在有钇层。此外使用0.7摩尔/升、0.85摩尔/升的水溶液，在1840℃以下的烧结条件下，也发现白色的条纹，存在有钇层。
其他的陶瓷接合体的制造方法是，在接合2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体时，要接合的一侧的陶瓷体中含有烧结助剂，另一侧的陶瓷体中不合烧结助剂，或相对于所述一侧陶瓷体的烧结助剂含量，另一侧的陶瓷体含有较低的烧结助剂，然后在这些陶瓷体之间接触时进行烧结的方法。
采用这样的制造方法会产生烧结助剂从烧结助剂多的一侧向少的一侧扩散，烧结助剂浸入到少的一侧而破坏界面，同时由于烧结助剂少的一侧的陶瓷体不进行原来的烧结，这样可以在烧结助剂扩散的同时使接合界面陶瓷晶粒生长(参照图5)。
在此例子中，优选含有烧结助剂多的一侧陶瓷体中的烧结助剂含量在0.5％或0.5％以上。因为烧结助剂含量低于0.5％接合强度会降低。
接合界面的面粗糙度Rmax在100μm以下为好，因为Rmax超过100μm的话接合强度会降低。即使使Ra小一些，Rmax超过100μm的话接合强度也会降低。与Ra相比必须调整Rmax。在使用氮化铝的情况下，用四点弯曲试验测得的接合强度为700Mpa。与此相反在存在有浓缩后的高浓度烧结助剂层(含量高的层)的情况下，发现接合强度会低到400Mpa。
下面说明使用所述陶瓷接合体的本发明的应用实例。
此实例是半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为具有，内部具有导电体的陶瓷基板、内部与所述基板内导电体电连接的供电用导电体，而且与所述陶瓷基板接合的陶瓷体构成的陶瓷结构体中，所述陶瓷体在半导体晶片处理区域外与所述陶瓷基板接合。
如前所述，在这样的陶瓷结构体中构成陶瓷体的晶粒相互向接合界面的两侧生长，形成通过晶粒扩散使陶瓷体和陶瓷基板形成接合的状态。并且在这样的结构体中接合界面上被浓缩的高浓度烧结助剂层实际上不存在。这一点用电子显微镜观察得到证明，此外用X射线萤光测定方法研究界面附近的烧结助剂含量，发现接合界面和陶瓷体内部没有明显的差异。也就是在面向接合界面的陶瓷体一侧存在有烧结助剂，而接合界面本身不是烧结助剂被浓缩的状态。也就是没有形成烧结助剂(接合助剂)被浓缩的部分(富含烧结助剂的层)。以发明人的看法可以认为这样的烧结助剂层脆，即使晶粒相互交错生长而接合，此烧结助剂层也容易成为破坏源。因此，本发明预先把烧结助剂浓缩层从接合界面排除，另外通过跨越陶瓷体和陶瓷基板的界面、介于两者之间的生长晶粒而使其完全形成一体。采用这样的结构还能确保气密性，不会造成陶瓷体内部的供电用导电体因外部的气氛而被腐蚀。在本发明中达到1×10-11(Pa·m3/sec)以下的氦泄漏量。
如以上的说明所述，关于本发明的陶瓷结构体，在陶瓷基板和陶瓷体的接合界面上不存在浓缩的烧结助剂层，在以此接合界面为中心的两侧3mm范围内，烧结助剂的最高浓度Ch和最低浓度Cl之比Ch/Cl为1～100。
在这种情况下，所述接合界面的烧结助剂浓度Cm希望为在Ch和Cl之间的值。如果Ch和C1实际上是相同的值的话，那么接合界面的烧结助剂浓度Cm实际上也与这些值相同。此外希望Ch和Cl存在于夹持接合界面的相对一侧的陶瓷体中。
陶瓷体所含的烧结助剂的最高浓度Ch和最低浓度Cl的比Ch/Cl为1～100，而1.1～25是较好的，如果此比率小于1则没有实际意义，如果此比率超过100，则在接合界面附近会产生畸变。这是因为烧结助剂具有使陶瓷体收缩的性质，所以如果浓度差大，升温时在接合界面容易产生畸变和弯曲。而且如果产生畸变，则陶瓷基板会发生倾斜，使晶片等难以均匀加热。
在所述陶瓷结构体中，陶瓷基板和陶瓷体的接合界面不存在烧结助剂浓缩层，优选以其接合界面为中心的一侧陶瓷体中的烧结助剂浓度比此接合界面的烧结助剂浓度高，并且以此接合界面为中心相反一侧的陶瓷体中的烧结助剂浓度此接合界面的烧结助剂浓度低。
在这样的陶瓷接合体中，烧结助剂的结构在陶瓷体接合界面的纵断面上存在有浓度梯度，并恰好在接合界面部分没有富含烧结助剂的浓缩层，可是以接合界面为中心，构成陶瓷体的晶粒分别向各陶瓷体一侧晶粒生长以致分别长入到对方的陶瓷体中而相互接合的情况不变。这样的接合方式可以得到一侧陶瓷体中含有烧结助剂，另一侧陶瓷体中不含烧结助剂，或者与所述的一侧陶瓷体中的烧结助剂含量相比，另一侧陶瓷体中的烧结助剂含量较低，两者接合进行烧结。
也就是烧结助剂从烧结助剂多的一侧向少的一侧扩散，在接合界面陶瓷的烧结晶粒生长，而使陶瓷体之间强力接合。这样的接合体由于不使用烧结助剂水溶液等，制造方法简单，而且接合强度也高。
优选所述陶瓷基板的烧结助剂含量为0.5～20％，除去接合界面附近，陶瓷体中的烧结助剂含量为0～10％。其原因是陶瓷基板的烧结助剂含量小于0.5重量％，接合强度降低。此外陶瓷基板的烧结助剂含量小于0.5重量％时，由于不进行烧结，并存在有气孔，在升温时陶瓷基板会发生因自重而引起的弯曲；当陶瓷基板的烧结助剂含量超过20％时，烧结助剂过多，烧结后陶瓷基板因自重而弯曲。因此都难以进行均匀加热。陶瓷体中存在的烧结助剂的含量超过10％时，导热率增加，当陶瓷基板用作加热器时，热量流向陶瓷体，陶瓷基板加热面的温度均匀性降低。
浓度测定使用X射线萤光分析仪或能量色散特征X射线分析仪(EDS)。从构成基体元素的峰值强度和烧结助剂峰值强度的比值测定浓度。例如ALN基体中存在有Y2O3的情况下，从铝的峰值强度和钇的峰值强度计算。也就是用(I(Y)/2×(I(ALN)+I(Y)))×100％计算。
下面再说明本发明其他结构体的示例。
此示例是半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为在陶瓷基板内具有导电体(电阻发热元件)，此外还有与此导电体连接的供电用导电体，同时在由与所述陶瓷基板接合的陶瓷体构成的半导体晶片用陶瓷结构体中，所述陶瓷体在半导体晶片处理区域外与所述陶瓷基板接合。
采用这样结构的陶瓷结构体，由于陶瓷体在半导体晶片处理区域外与所述陶瓷基板接合，即使是在100～700℃的高温加热晶片的情况下，也不会使具有保护功能的所述陶瓷体夺走热量，进而可以使晶片加热面温度均匀。而且由于用陶瓷体对供电用导电体进行保护，所以即使在腐蚀性气氛中使用也不会导致腐蚀的发生。
以上说明的陶瓷结构体可以用于CVD装置、溅射装置等半导体制造和检测装置的各个部分。本发明中陶瓷基板内的导电体也都可以用于电阻发热元件、屏蔽电极、接地电极、等离子电极、RF电极。此外也可以是多个导电体。所述陶瓷基板的半导体晶片处理区域是与半导体晶片相对的表面和与半导体晶片相对的表面。作为加热器使用的情况下，半导体晶片的处理区域为晶片的加热区域。
下面用
图1对本发明的所述陶瓷结构体的具体实例进行说明。图1是在陶瓷基板1内埋设具有电阻发热元件功能的导电体2的示例。在此示例中，用于保护供电用导电体6不受腐蚀性气体腐蚀的陶瓷体5接合在陶瓷基板1上。此接合方法基本上象所述那样利用烧结助剂。所述导电体6用放电加工的方法在其中心部位制成孔，从此孔注入焊料7，使导电体6与通孔(垫片)4接合。采用这样的结构由于具有保护功能的所述陶瓷体5处于晶片加热区域外，此陶瓷体不会夺走热量，所以容易确保整个板面的温度均匀性。
具有保护功能的所述陶瓷体5的制造方法如图3所示，把切掉一部分的未烧结的薄片和不切的未烧结的薄片叠在一起，用印刷导电胶填充切掉的部分(A)。然后烧结(B)，把它切断后加工成园柱形(C)。
所述陶瓷基板1的厚度最好在25mm以下。陶瓷基板1的厚度超过25mm的话，陶瓷基板的热容量变大，特别是在设置温度控制装置进行加热、冷却时，由于热容量大造成跟踪温度变化的性能降低。此外此陶瓷基板1的厚度优选在10mm以下，最好在5mm以下。超过10mm的话在200℃以上的热容量变大，使温度控制性能和放置半导体晶片的平面的温度均匀性降低。
所述陶瓷基板1可以在100～700℃温度范围使用。特别是在100℃以上温度范围，由于陶瓷的弹性模量降低，容易产生弯曲，所以用本发明的基板是有益的。
优选所述陶瓷基板1设置多个用于穿过半导体晶片W的升降销的贯通孔。贯通孔的直径定为0.5mm～30mm。在所述陶瓷基板中，除了使半导体晶片W与陶瓷基板1的一个面以接触状态放置以外，有时用陶瓷表面的凸起部分作为支持销(或升降销)支持半导体晶片，也有时与陶瓷基板1保持一定的间隔。这样安放的半导体晶片的面在下面会显现晶片处理面。陶瓷基板和半导体晶片保持一定距离进行加热的情况下，其分开的距离希望从50到5000μm。
陶瓷基板和半导体晶片保持一定距离进行加热的情况下，晶片和陶瓷基板的支持面的距离不固定的话，不能对晶片进行均匀加热。因此要减小陶瓷基板弯曲的量，本发明特别有效。在本发明中在100～700℃温度范围使用的情况下，希望弯曲量小于70μm。这是因为超过70μm的话，陶瓷基板的处理面(加热面)和晶片的距离不均匀，不能对晶片进行均匀加热。
因为陶瓷基板也追求大型化，因此陶瓷基板的直径限于250mm以上，半导体晶片的直径主要在10英寸以上。希望所述陶瓷基板在12英寸(300mm)以上。因为下世纪半导体晶片会成为主流。此外陶瓷基板超过250mm在高温下容易因自重造成弯曲。厚度在25mm以下的陶瓷，这种弯曲特别显著。本发明通过调整在高温下容易弯曲的陶瓷基板中的烧结助剂浓度，可以防止弯曲。
优选将所述导电体设置在从陶瓷基板的晶片处理面相反的一侧面，在厚度方向上为70％的位置，特别是在60％的位置内的区域，或所述相反一侧的面上。弯曲因自重产生，或在晶片检测器情况下因检测器压力形成。所述导电体可以列举的有导电性陶瓷、金属箔、金属烧结体、金属线等。在用作电阻发热体的情况下，所述导电体位于从陶瓷基板的晶片处理面相反的一侧面在板厚方向为80％的位置内，特别希望在50％位置内的区域，或者在相反一侧的面上。这是因为从发热体通过陶瓷基板内部把热量传递给晶片处理面的情况下，热量在陶瓷基板中扩散并使温度均匀化，晶片处理面和发热体的距离大的，容易使晶片处理面的表面温度均匀化。
气孔率和最大气孔的直径利用烧结时的加压时间、压力、温度、SiC和BN等添加物等来调整。因为SiC和BN阻碍烧结，能够形成气孔。
对构成本发明陶瓷基板的陶瓷材料没有特别的限定，例如可以用氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、氧化物陶瓷等。所述氮化物陶瓷的例子有金属氮化物陶瓷，例如氮化铝、氮化硅、氮化硼、氮化钛等。
所述碳化物陶瓷的例子有金属碳化物，例如碳化硅、碳化锆、碳化钛、碳化钽、碳化钨等。所述氧化物陶瓷的例子有金属氧化物陶瓷，例如氧化铝、氧化锆、堇青石、富铝红柱石等。
这些陶瓷可以单独使用，也可以2种或2种以上一起使用。在这些陶瓷中希望使用氮化物陶瓷、氧化物陶瓷，因为它们在高温下不容易弯曲。在氮化物陶瓷中最好是氮化铝，因为它的传热系数最高，达到180W/m·K。
如前所述，优选在本发明的瓷基板中含烧结助剂(接合助剂)。烧结助剂可以使用碱金属氧化物、碱金属氯化物、碱金属硝酸盐、碱土金属氧化物、碱土金属氯化物、碱土金属硝酸盐、稀土金属氧化物、稀土金属氯化物、稀土金属硝酸盐，这些烧结助剂中特别优选使用CaO、Y2O3、氯化钇、氯化镱、Na2O、Li2O、Rb2O3。此外也可以使用氧化铝。优选其含量为0.1～20重量％。由于氯化物是水溶性的，在涂覆的情况下使用方便，并推测由于具有还原能力，而容易边去除接合界面的氧化膜边向陶瓷内部扩散。
优选本发明的陶瓷体含有50～5000ppm的碳。这是因为在碳的存在下，在不降低接合强度的同时在接合界面形成了热阻。这是由于陶瓷晶粒利用烧结助剂在接合界面生长时，碳以非晶态形式存在，或者固溶到晶体中，使陶瓷粒子的结晶性降低。一般碳用于改善传热效率，而在本发明中作为热阻使用。因此能抑制从一个陶瓷体向另一个陶瓷体的传热效率，而不导致接合强度降低。碳含量过少起不到热阻的作用，相反碳含量过多不能使含碳的原有陶瓷的接合。所述碳含量在50～5000ppm对接合最有利。在把陶瓷基板作为加热器使用的情况下，在接合界面上形成的所述的热阻阻止从陶瓷基板向陶瓷体传热，因此能有效防止加热面温度分布不均匀的情况。通常在烧结陶瓷粉末时使用粘合剂，但一般要脱脂，因此使碳含量在30ppm以下。碳可以含在陶瓷基板、陶瓷体(陶瓷保护体)的任何一方，也可以双方都含有碳。由于含碳的陶瓷基板会变黑，作为加热器使用时能够充分利用辐射热。
碳可以是非晶态的，也可以是结晶态的。使用非晶态碳的情况下，可以防止高温下体积电阻率降低。使用结晶态碳的情况下，能够防止高温下传热系数降低。因此根据用途的不同，也可以是结晶态碳和非晶态碳二者一起用。此外碳含量最好在200～2000ppm范围内。
陶瓷基板中含碳的情况下，希望含碳量按JIS Z 8712规定的亮度值在N6以下。因为具有此程度亮度的陶瓷基板辐射热量、遮蔽能力优良。
其中亮度N把理想黑的亮度定为0，理想白的亮度定为10，在此黑的亮度和白的亮度之间，把对各色的感觉的亮度等分为10份，用记号N0～N10的标号表示。实际亮度的测定与对应N0～N10的色样进行比较。这种情况下小数点1位定为0或5。
本发明的陶瓷基板是用于制造半导体和检查半导体的装置的陶瓷基板，具体的装置例如有静电卡盘、晶片检测器、电热板、电纳等。埋设在陶瓷基板中的导电体(电阻发热体)例如有金属或导电性陶瓷烧结体、金属箔、金属线等。优选的金属烧结体是选自钨和钼的至少1种。这些金属比较难氧化，因此具有足够的用于发热的电阻值。
导电性陶瓷可以使用选自钨和钼的碳化物中的至少1种。电阻发热体使用的金属箔可以是将镍箔、不锈钢箔等用蚀刻的方法形成图案，然后制成电阻发热体。也可以把形成图案的金属箔用树脂薄膜包覆。金属丝例如有钨丝、钼丝等。
(实施例1)带加热器的AlN制静电卡盘(图1)(1)把在空气中500℃下烧结1小时的氮化铝粉末(トクヤマ公司制，平均粒径1.1μm)100重量份、三氧化二钇(平均粒径0.4μm)4重量份、丙烯酸粘合剂11.5重量份、分散剂0.5重量份和由1-丁醇和乙醇组成的醇53重量份混合后成胶状物，用刮刀的方法成形，得到厚度0.47mm的未烧结薄片。
(2)设置由贯通孔构成的部分和通孔(垫片)4构成的部分，把所述未烧结的薄片在80℃下干燥5小时，然后对需要加工的未烧结薄片用冲孔的方法加工成用于穿过直径1.8mm、3.0mm、5.0mm的半导体晶片支持销(升降销)的贯通孔，和用于与供电用导电体连接的通孔(垫片)4。
(3)把平均粒径1μm的钨的碳化物粒子100重量份、丙烯酸粘合剂3.0重量份、α-松油醇溶剂3.5重量份和分散剂0.3重量份混合后制成导体胶状物A。
(4)把导体胶状物A填充到用于连接外部接头的通孔用(垫片)4的贯通孔。然后再在电阻发热体印刷了图案的未烧结薄片的上侧(加热面)堆积34～60片没有经过印刷处理的未烧结薄片，在下侧堆积形成13～30片，把它们在130℃用80kg/cm2的压力压实，形成层压体。
(5)把所述层压体放在氮气中在600℃脱脂5小时，用150kg/cm2压力在1890℃热压3小时，制成氮化铝的板状体1。
(6)用所述(1)得到的未烧结薄片和(3)的胶状体，烧结形成埋设长条状碳化钨的陶瓷板(图3A、B)。
把它沿碳化钨切断，加工成园柱形(图3C)。再用放电加工的方法在碳化钨的导电体上形成贯通孔，制成具有保护功能的陶瓷体5。
(7)在陶瓷体5的接合面上涂覆0.7摩尔/升的氯化钇水溶液，干燥后把这个陶瓷体5和陶瓷基板1用1kg/cm2的压力边加压边在氮气中在1860℃加热，放置3小时。再从所述贯通孔注入由Ni-Au组成的金焊料7，在900℃加热软熔连接后结束。
(实施例2)在陶瓷体5的接合面上涂覆0.85摩尔/升的氯化钇水溶液，干燥后把这个陶瓷体5和陶瓷基板1用1kg/cm2的压力边加压边在氮气中在1860℃加热，放置3小时。
(实施例3)此实施例与实施例1相同，是陶瓷基板使用氮化硅的示例。
具体地说是把氮化硅(平均粒径0.4μm)100重量份、氧化镱(平均粒径0.4μm)1、2、4重量份、丙烯酸粘合剂11.5重量份、分散剂0.5重量份和由1-丁醇和乙醇组成的醇53重量份混合后成胶状物，用刮刀的方法成形，得到厚度0.47mm的未烧结薄片。此外在此未烧结薄片上涂覆的烧结助剂使用了氯化钇的0.3摩尔/升的水溶液。
(对比例1)与实施例1相同，在陶瓷体5的接合面上涂覆1摩尔/升的氯化钇水溶液，干燥后把这个陶瓷体5和陶瓷基板1，用1kg/cm2的压力边加压边在1860℃加热，放置3小时。
(对比例2)与实施例1相同，在陶瓷体5的接合面上涂覆0.26摩尔/升的氯化钇水溶液，干燥后把这个陶瓷体5和陶瓷基板1用1kg/cm2的压力边加压边在1860℃加热，放置3小时。
(对比例3)与实施例1相同，在陶瓷体5的接合面上涂覆0.7摩尔/升的氯化钇水溶液，干燥后把这个陶瓷体5和陶瓷基板1用1kg/cm2的压力边加压边在1840℃加热，放置3小时。
(实施例4)在此示例中采用了与实施例1相同的接合方法，如图2所示，把保护导电体用陶瓷体做成管状，设置在晶片加热区域，导电体使用铜线。管状(筒状)的保护用陶瓷体用下述方法制造。
把氮化铝粉末(トクヤマ公司制，平均粒径1.1μm)100重量份、Y2O3(平均粒径0.4μm)4重量份、丙烯酸类树脂粘合剂11.5重量份、分散剂0.5重量份和由1-丁醇和乙醇组成的醇53重量份混合后的组合物，用喷雾的方法制造颗粒，把此颗粒放入端部有凸缘的大体为园筒形的模具中，在常压下于1890℃烧结，制成长200mm、外径45mm、内径35mm端部有凸缘的管状(筒状)体。
(实施例5)(1)把在空气中500℃下烧结1小时的氮化铝粉末(トクヤマ公司制，平均粒径1.1μm)100重量份、三氧化二钇(平均粒径0.4μm)规定量、丙烯酸粘合剂11.5重量份、分散剂0.5重量份和由1-丁醇和乙醇组成的醇53重量份混合后成胶状物，用刮刀的方法成形，得到厚度0.47mm的未烧结薄片。
(2)设置由贯通孔构成的部分和通孔(垫片)4构成的部分，把所述未烧结的薄片在80℃下干燥5小时，然后对需要的未烧结薄片用冲孔的方法加工成用于穿过直径1.8mm、3.0mm、5.0mm的半导体晶片支持销(升降销)的贯通孔，和用于与供电用导电体连接的通孔(垫片)4。
(3)把平均粒径1μm的钨的碳化物粒子100重量份、丙烯酸粘合剂3.0重量份、α-松油醇溶剂3.5重量份和分散剂0.3重量份混合后制成导体胶状物A。
(4)把导体胶状物A填充到用于连接外部接头的通孔用(垫片)4的贯通孔。然后再在电阻发热体印刷了图案的未烧结薄片的上侧(加热面)堆积34～60片没有经过印刷处理的未烧结薄片，在下侧堆积形成13～30片，再放上印刷有RF电极图案(格子形状)8的未烧结薄片，在它的上面再放上2片没有印刷图案的未烧结薄片，把它们在130℃用80kg/cm2的压力压实，形成层压体。
(5)把所述层压体放在氮气中在600℃脱脂5小时，用150kg/cm2压力在1890℃热压3小时，制成氮化铝的板状体1。
(6)用所述(1)不添加三氧化二钇组分得到的未烧结薄片，和所述(3)的胶状体，烧结形成埋设条状碳化钨的陶瓷板(图3A、B)。把它沿碳化钨切断，加工成园柱形(图3C)。再用放电加工的方法在碳化钨的导电体上形成贯通孔，制成具有保护功能的陶瓷体5。
(7)把这个陶瓷体5和陶瓷基板1用1kg/cm2的压力边加压边在规定的温度加热，放置规定的时间。再从所述贯通孔注入由Ni-Au组成的金焊料7，在900℃加热软熔连接后结束。(图7)表1是对陶瓷基板原料中含有的三氧化钇(烧结助剂)的浓度、用于接合的烧结温度、时间、用能量色散特征X射线分析仪(日立制作所S-430 FESEM)测定了从接合界面到保护用陶瓷体侧3mm位置的烧结助剂的浓度(Ch)、从接合界面到陶瓷基板3mm位置的烧结助剂的浓度(Cl)、接合界面烧结助剂浓度(Cm)、以及碳浓度、接合强度、氦泄漏量、在CF4等离子气体中有无电极腐蚀、550℃高温时的弯曲度、550℃的晶片温度分布。把陶瓷基板、陶瓷保护体破碎，收集在500～800℃加热产生的CO2气体，测定碳浓度。使用氦泄漏检测器(岛津制作所制“MSE-11AU/TP型”)，用面积706.5mm2、厚度1mm的试样，测定了氦泄漏量。
从上述试验结果可以看出，在Ch/Cl超过100时，陶瓷基板变形，晶片温度均匀性降低，氦泄漏量增加，气密性降低，并发生电极腐蚀。Cm的值为Ch、Cl的中间的值。
*1但是保护体也是4重量份*2碳浓度(ppm)基板30、轴30*3实施例1～4中是400℃，其他550℃
(实施例6)碳浓度和扩散性能的关系与实施例4相同，在表2所示条件下制作陶瓷基板和保护用陶瓷，只是在陶瓷基板中添加碳。管状(筒状)体使用下述组成的材料。
把氮化铝粉末(德山公司制，平均粒径1.1μm)100重量份、丙烯酸树脂粘合剂11.5重量份、分散剂0.5重量份和由1-丁醇和乙醇组成的醇53重量份混合后的组合物，用喷雾的方法制造颗粒，把此颗粒放入端部有凸缘的大体为园筒形的模具中，在常压下1890℃烧结，制成长200mm、外径45mm、内径35mm端部有凸缘的管状(筒状)体。此保护用陶瓷体中不添加烧结助剂。
脱脂的成形体中仅残存30ppm的碳，添加碳到50～5000ppm的试样发现加热面的温度不容易降低。为什么形成热阻不出推测的区域，认为是由于烧结助剂造成在接合界面陶瓷晶粒生长时，碳以非晶态形式存在或固溶到结晶体中，使AlN的结晶性降低所致。
详细的机理还不清楚，烧结助剂存在于接合界面，陶瓷晶粒向接合界面两侧生长，陶瓷体中存在50～5000ppm碳的话，会形成热阻。
*1向陶瓷基板添加碳*2陶瓷保护体(筒状体、管状体)下面对所述各实施例和对比例的加热器，进行评价试验。
评价的方法(1)表面温度的均匀性升温到400℃用红外线热摄像仪(日本デ—タム公司制IR162012-0012)测定了陶瓷基板晶片处理面各处的温度，求出最高温度和最低温度的差。
(2)接合强度用四点弯曲试验测定了接合强度。
根据所述评价试验的结果，实施例1、2、3中加热面的温度差为1.0℃、1.0℃、1.5℃，实施例4为3℃。实施例1、2、3的弯曲强度分别为700MPa、750MPa、1500Mpa，对比例1、2、3的弯曲强度分别为400MPa、380MPa、400Mpa。
专利第2783980号中使用氮化硅的情况下为900Mpa，本发明的实施例3超过了此值。
实施例1～3中在接合界面上观察不到烧结助剂的三氧化二钇白线，而对比例1～3可以观察到白线。
从图4可以看出，在1860℃烧结的情况下，即使涂覆0.7摩尔/升、0.85摩尔/升浓度的氯化钇，在接合界面也观察不到三氧化二钇白线。
用能量色散特征X射线分析仪EDS(日立制作所S-430 FESEM)测定，从接合界面到深入陶瓷基板一侧3mm位置的三氧化二钇浓度为0.52％，在接合界面为0.50％，从接合界面到深入陶瓷保护体一侧3mm位置为0.48％，浓度大体相同。
用能量色散特征X射线分析仪测定，在对比例1中，从接合界面到深入陶瓷基板一侧3mm位置的三氧化二钇浓度为0.62％，在接合界面为4.23％，从接合界面到深入陶瓷保护体一侧3mm位置为0.56％。用能量色散特征X射线分析仪测定，在对比例2中，从接合界面到深入陶瓷基板一侧3mm位置的三氧化二钇浓度为0.22％，在接合界面为2.23％，从接合界面到深入陶瓷保护体一侧3mm位置为0.36％。推测是由于烧结助剂量少，不能去除陶瓷表面的氧化膜，而不能进行扩散。
产业上利用的可能性本发明可用作电热板(陶瓷加热器)和静电夹头、晶片检测器等用于CVD装置和溅射装置等的半导体制造装置和检测装置的各结构部件。
权利要求
1.陶瓷接合体，其特征是，所述陶瓷接合体是接合了2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体的接合体，一方面在各陶瓷体的接合界面上，存在有以所述界面为中心晶粒长入到两侧陶瓷体中的陶瓷晶粒，另一方面所述接合界面没有烧结助剂层。
2.陶瓷接合体，其特征是，所述陶瓷接合体是接合了2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体的接合体，一方面在各陶瓷体的接合界面上，存在有以所述界面为中心晶粒长入到两侧陶瓷体中的陶瓷晶粒，另一方面所述接合界面没有烧结助剂层，而且在距所述接合界面3mm范围内的各陶瓷体中所含的烧结助剂，其最高浓度Ch和最低浓度Cl之比Ch/Cl在1～100范围内。
3.陶瓷接合体，其特征是，所述陶瓷接合体是接合了2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体的接合体，一方面在各陶瓷体的接合界面上，存在有以所述界面为中心晶粒长入到两侧陶瓷体中的陶瓷晶粒，另一方面所述接合界面没有烧结助剂层，而且以所述界面为中心的一侧陶瓷体中的烧结助剂浓度比接合界面的烧结助剂浓度高，在以所述界面为中心的另一侧陶瓷体中的烧结助剂浓度比接合界面的烧结助剂浓度低。
4.如权利要求1至3任一项所述的陶瓷接合体，其特征为至少有一个陶瓷体含有烧结助剂和/或50～5000ppm的碳。
5.陶瓷接合体的制造方法，其特征为在制造接合有2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体的陶瓷接合体时，在接合界面涂覆浓度为0.3摩尔/升～1摩尔/升的烧结助剂溶液，并在超过1840℃的温度烧结。
6.陶瓷接合体的制造方法，其特征为在接合2个或2个以上同种或不同种类陶瓷体时，需要接合的一侧陶瓷体中含有烧结助剂，而另一侧陶瓷体中不含烧结助剂，或者与所述的一侧陶瓷体中的烧结助剂含量相比，另一侧陶瓷体中的烧结助剂含量较低；然后使这些陶瓷体彼此接触后烧结。
7.如权利要求6所述的陶瓷接合体的制造方法，其特征为所述烧结助剂的含量在0.5％或0.5％以上。
8.半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为具有内部有导电体的陶瓷基板和在内部与所述基板内导电体电连接的供电用导电体，而且在所述陶瓷基板和对接的陶瓷体构成的陶瓷结构体中，所述陶瓷体与所述陶瓷基板的半导体晶片处理区域外的部分接合。
9.如权利要求8所述的半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为所述半导体晶片处理区域是与半导体晶片相对的所述陶瓷基板的面。
10.如权利要求8或9所述的半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为所述陶瓷基板和陶瓷体是由氮化物陶瓷、氧化物陶瓷和碳化物陶瓷中的至少一种或一种以上的陶瓷构成的。
11.如权利要求8至10任一项所述的半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为是在100～700℃的温度范围内使用的半导体晶片用陶瓷结构体。
12.半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为具有内部有导电体的陶瓷基板和内部与所述基板内导电体电连接的供电用导电体，而且在所述陶瓷基板和对接的陶瓷体构成的陶瓷结构体中，在各陶瓷体的接合界面上，存在有以所述界面为中心晶粒长入到两侧陶瓷体中的陶瓷晶粒，另一方面所述接合界面没有烧结助剂层。
13.如权利要求12所述的陶瓷结构体，其特征为在距所述接合界面3mm范围内的各陶瓷体中所含的烧结助剂，其最高浓度Ch和最低浓度Cl之比Ch/Cl在1～100范围内。
14.如权利要求12或13所述的半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为以接合界面为中心的一侧陶瓷体中的烧结助剂浓度比所述接合界面的烧结助剂浓度高，另一方面在以所述界面为中心的另一侧陶瓷体中的烧结助剂浓度比接合界面的烧结助剂浓度低。
15.如权利要求14所述的半导体晶片用陶瓷结构体，其特征为所述陶瓷基板的烧结助剂含量为0.5～20％，除去接合界面附近的保护用陶瓷体中的烧结助剂含量为0～10％。
全文摘要
本发明涉及陶瓷接合体和它的制造方法，以及半导体晶片用陶瓷结构体的发明，特别涉及电热板(陶瓷加热器)和静电夹头、晶片检测器等用于半导体制造装置和检测装置的陶瓷接合体材料，其基本特征是所述陶瓷接合体是接合了2个或2个以上同种或不同种类的陶瓷体而获得的接合体，一方面在各陶瓷体的接合界面上，存在有以所述界面为中心晶粒长入到两侧陶瓷体中的陶瓷晶粒，另一方面所述接合界面没有烧结助剂浓缩层。
文档编号C04B35/645GK1460094SQ02801092
公开日2003年12月3日 申请日期2002年4月12日 优先权日2001年4月12日
发明者伊藤康隆, 杉本圭三, 尾崎淳, 杉野顺一 申请人:揖斐电株式会社