JP2000340347A - セラミックヒーターおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度制御がしやすく、薄くて軽いセラミック
ヒーター、とくに発熱体と電源との接続が容易にできる
セラミックヒーターおよびその製造方法を提案する。 【解決手段】 窒化物または耐火物のセラミックからな
る板状体の表面に、導電ペーストを焼結して得た発熱体
が設けられていると共に、その発熱体には端子ピンが取
付けられてなるセラミックヒーターとそれの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に半導体産業に
おいて使用される乾燥用のヒーターに関し、特には、温
度制御しやすく、また、薄くて軽いセラミックヒーター
およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製品は、シリコンウエハー上に感
光性樹脂をエッチングレジストとして形成し、そのシリ
コンウエハーをエッチングすることにより製造される。
その感光性樹脂は、液状でスピンコーターなどでシリコ
ンウエハー表面に塗布されるのであるが、塗布後は乾燥
させなければならず、塗布したシリコンウエハーをヒー
ター上に載置して加熱することになる。従来、このよう
なヒーターとしては、金属アルミニウム板の裏面に、発
熱体を配線したものが用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
金属アルミニウム製のヒーターは、次のような問題があ
った。それは、基板が金属製であるため、この金属基板
の厚みは１５ｍｍ程度と厚くしなければならならいこと
にある。なぜなら、薄い金属基板では、加熱に起因する
熱膨張により、反りや歪みが発生してしまい、該金属基
板上に載置されるウエハーが破損したり、傾いたりする
からである。そのため、ヒーターが重くなり、嵩張って
しまう。

【０００４】また、発熱体の温度制御は、これに印加す
る電圧や電流量を変えることにより行われるが、金属板
状体を厚くすると、電圧や電流量の変化に対して金属基
板の温度が迅速に追従せず、温度制御しにくいという問
題もあった。本発明は、温度制御がしやすく、薄くて軽
いセラミックヒーター、とくに発熱体と電源との接続が
容易にできるセラミックヒーターおよびその製造方法を
提案することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来技術
が抱えている上述した問題について鋭意研究した結果、
ヒーター板として、金属に代えて熱伝導性に優れた窒化
物セラミックまたは炭化物セラミックを使用すると、薄
くしても反りや歪みが発生せず、また、発熱体に印加す
る電圧や電流量の変化に対して基板の温度が迅速に追従
するという事実を知見した。

【０００６】さらに、窒化物セラミックや炭化物セラミ
ックは、発熱体を形成するための金属粒子を含む導電ペ
ーストとは密着しにくいのが普通であるが、その導電ぺ
ーストに金属酸化物を加えることにより、金属粒子が焼
結して窒化物セラミックや炭化物セラミックと密着する
事実も合わせて知見した。さらに、前記発熱体と電源と
の接続を容易ならしめるための端子ピンを該発熱体の表
面に取付けておくことが有効であるとの事実を知見し
た。

【０００７】上記知見に基づいて開発した本発明は、窒
化物または耐火物のセラミックからなる板状体の表面
に、発熱体を設けられていると共に、その発熱体には端
子ピンが取付けられてなるセラミックヒーターである。
上記の本発明において、前記板状体の発熱体形成面の反
対側を半導体ウエハー加熱面とすることが好ましく、ま
た、前記端子ピンを、はんだを介して取付けることが好
ましい。

【０００８】本発明はまた、少なくとも以下の〜の
工程を含むことを特徴とするセラミックヒーターの製造
方法を提案する。 窒化物セラミックまたは炭化物セラミックの粉体を
焼結して窒化物セラミックまたは炭化物セラミックから
なる板状体とする工程。 上記で得られた板状体上に、金属粒子または金属
粒子と金属酸化物との混合物からなる導電ペーストを印
刷する工程。 加熱して上記の導電ペーストを焼結することによ
り、セラミック板状体の表面に発熱体を形成する工程。 上記で得られた発熱体のパターンの端部に、電源
接続用端子ピンをはんだ付けして取付ける工程。

【０００９】本発明はさらに、前記製造方法において、
工程の後のできれば工程の前に、発熱体表面にめっ
きを行い、金属層で被覆することが好ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明では、板状体 (以下、「ヒ
ーター板」と称す) は、窒化物セラミックまたは炭化物
セラミックからなることが必要である。窒化物セラミッ
クまたは炭化物セラミックは、熱膨張係数が金属より小
さく、薄くしても、加熱により反ったり、歪んだりしな
い。そのため、ヒーター板を薄くて軽いものとすること
ができる。また、ヒーター板の熱伝導率が高く、また、
ヒーター板自体が薄いため、ヒーター板の表面温度が、
発熱体の温度変化に迅速に追従する。即ち、電圧、電流
量を変えて発熱体の温度を変化させることにより、ヒー
ター板の表面温度を制御できるのである。かかるヒータ
ー板の厚さは、０．５〜５ｍｍ程度がよい。薄すぎると
破損しやすくなるからである。

【００１１】前記窒化物セラミックは、金属窒化物セラ
ミック、例えば、窒化アルミニウム、窒化けい素、窒化
ほう素、窒化チタンから選ばれるいずれか１種以上を用
いることが望ましい。また、炭化物セラミックは、金属
炭化物セラミック、例えば、炭化けい素、炭化ジルコニ
ウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステンか
ら選ばれるいずれか１種以上を用いることが望ましい。
これらのセラミックの中では窒化アルミニウムが最も好
適である。熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋと高いからであ
る。

【００１２】本発明では、前記発熱体は、導電ペースト
中の金属粒子を焼結して形成したものであることが必要
である。それは加熱焼成により該導電ペーストをセラミ
ックヒーター板の表面に焼き付けることができるからで
ある。なお、この焼結により、金属粒子同士、金属粒子
とセラミックとが融着する。こうして得られた発熱体２
は、図１に示すように、ヒーター板１全体の温度を均一
にする必要があることから、同心円状のパターンがよ
い。また、発熱体２のパターンの厚さは、１〜２０μｍ
が望ましく、幅は０．５〜５ｍｍが望ましい。パターン
の厚さや幅を変えることにより抵抗値を変化させること
ができるが、そのためには上記範囲が最も実用的だから
である。なお、抵抗値は、薄く、細くなるほど大きくな
る。

【００１３】前記導電ペーストは、金属粒子の他、樹
脂、溶剤、増粘剤などを含むものが一般的である。その
金属粒子としては、金、銀、白金、パラジウム、鉛、タ
ングステン、ニッケルのうちから選ばれるいずれか１種
以上のものがよい。これらの金属は、比較的酸化しにく
く、発熱するに十分な抵抗値を有するからである。これ
ら金属粒子の粒径は０．１〜１００μｍであることが望
ましい。微細すぎると酸化しやすく、大きすぎると焼結
しにくくなり、抵抗値が大きくなるからである。

【００１４】導電ペーストに使用される樹脂としては、
エポキシ樹脂、フェノール樹脂などがよい。また、溶剤
としては、イソプロピルアルコールなどが使用される。
増粘剤としては、セルロースなどが挙げられる。

【００１５】前記導電ペーストには、前記金属粒子に加
えて金属酸化物を混合し、いわゆる発熱体を金属粒子と
金属酸化物との混合物を焼結したものとすることが望ま
しい。この理由は、窒化物セラミックまたは炭化物セラ
ミックと金属粒子を密着させるためである。このとき、
金属酸化物を添加すると、窒化物セラミックまたは炭化
物セラミックと金属粒子との密着性が改善される理由は
明確ではないが、金属粒子表面および窒化物セラミック
または炭化物セラミックの表面にはわずかに酸化膜が形
成されており、この酸化膜どうしが金属酸化物を介して
焼結して一体化することで、金属粒子と窒化物セラミッ
クまたは炭化物セラミックが密着するのではないかと推
定している。

【００１６】前記金属酸化物としては、酸化鉛、酸化亜
鉛、酸化けい素 (シリカ) 、酸化ホウ素 (B_２O_３) 、酸
化アルミニウム (アルミナ) 、酸化イットリウム (イッ
トリア) 、酸化チタン (チタニア) のうちから選ばれる
いずれか１種以上がよい。これらの金属酸化物は、発熱
体の抵抗値を大きくすることなく、金属粒子と窒化物セ
ラミックまたは炭化物セラミックとの密着性を改善でき
るからである。

【００１７】本発明では、発熱体の表面は、金属層で被
覆されてなることが望ましい。この理由は、上記発熱体
は、金属粒子の焼結体であることから、露出していると
酸化しやすく抵抗値が変化してしまうので、該発熱体表
面を金属層で被覆すれば酸化を防止できるからである。
金属層の厚さは、０．１〜１０μｍが望ましい。それ
は、この範囲だと発熱体の抵抗値を変化させることな
く、発熱体の酸化を防止できるからである。

【００１８】発熱体の被覆に使用される金属は、非酸化
性の金属であればよい。具体的には、金、銀、パラジウ
ム、白金、ニッケルのうちから選ばれる少なくとも１種
がよい。なかでもニッケルが好適である。

【００１９】前記発熱体には、電源と接続するための端
子ピンが必要であり、この端子ピンは、はんだを介して
発熱体に取り付けられる。この場合、前記発熱体の表面
に、酸化防止のために被覆する金属として用いられるも
ののうち、ニッケルは、はんだの熱拡散を防止するので
有効である。なお、接続用の前記端子ピンとして、コバ
ール製の端子ピンを使用することができる。

【００２０】また、前記はんだは、銀−鉛、鉛−錫、ビ
スマス−錫などの合金を使用することができる。なお、
はんだ層の厚さは、０．１〜５０μｍが望ましい。この
はんだによる接続を確保するに好適だからである。本発
明では、必要に応じてヒーター板に熱電対を埋め込んで
おくことができる。この熱電対により、ヒーター板の温
度を測定し、そのデータをもとに電圧、電流量を変え
て、ヒーター板の温度を制御することができるからであ
る。

【００２１】図２は、本発明に係るセラミックヒーター
を示すものであり、前記ヒーター板１には、貫通孔８を
複数設けてその孔８に支持ピン７を挿入し、その支持ピ
ン７を介して発熱体２が設けられている側とは反対側に
半導体ウエハー９を載置するようになっている。そし
て、この支持ピン７を上下させて半導体ウエハー９を、
図示しない搬送機に渡したり、逆にその搬送機から半導
体ウエハー９を受け取ったりすることができる。

【００２２】以下、本発明のセラミックヒーターの製造
方法について説明する。 (1) 窒化物セラミックまたは炭化物セラミックの粉体を
焼結させて窒化物セラミックまたは炭化物セラミックか
らなる板状体 (ヒーター板) を形成する工程。この工程
では、前述した窒化アルミニウムなどの窒化物セラミッ
クまたは炭化けい素などの炭化物セラミックの粉体に、
必要に応じてイットリアなどの焼結助剤やバインダーな
どを加えてスプレードライ法などにより顆粒状にし、こ
の顆粒を金型などに入れて加圧し、板状に成形して生成
形体を製造する。

【００２３】このとき、かかる生成形体には、必要に応
じて半導体ウエハーの支持ピンを挿入する貫通孔や熱電
対を埋め込む凹部を設けておくことができる。次いで、
前記生成形体を加熱焼成して焼結し、セラミック製の板
状体を製造する。加熱焼成の際に加圧する。これによ
り、気孔のないヒーター板を製造することができる。加
熱焼成は、焼結温度以上であればよいが、窒化物セラミ
ックまたは炭化物セラミックでは、１０００〜２５００
℃である。

【００２４】(2) 上記(1) で得られたセラミック製の板
状体 (ヒーター板) に金属粒子からなる導電ペーストを
印刷する工程。この工程において、導電ペーストは、一
般に、金属粒子、樹脂、溶剤からなる粘度の高い流動物
である。この導電ペーストをスクリーン印刷などで発熱
体を設けようとする部分に印刷する。発熱体は、ヒータ
ー板全体を均一な温度にする必要があることから、図１
に示すような同心円からなるパターンに印刷することが
望ましい。

【００２５】(3) 加熱して導電ペーストを焼結して、セ
ラミック製の板状体 (ヒーター板)の表面に発熱体を設
ける工程。この工程では、導電ペーストを加熱焼成し
て、樹脂や溶剤を除去するとともに、金属粒子を焼結さ
せる。このときの加熱焼成温度は、５００〜１０００℃
である。この場合、導電ペースト中に金属酸化物を添加
しておくと、金属粒子、セラミック製の板状体および金
属酸化物が焼結して一体化するため、発熱体とセラミッ
ク製の板状体との密着性が向上する。

【００２６】(4) 前記発熱体表面は金属層で被覆するこ
とが望ましい。被覆は、電解めっき、無電解めっき、ス
パッタリングにより行うことができるが、量産性を考慮
すると無電解めっきが最適である。

【００２７】(5) 次に、発熱体パターンの端部に、電源
との接続のための端子ピンをはんだを介して取り付ける
工程。この工程では、端子ピンを取り付ける発熱体の部
位に、はんだペーストを印刷し、その後、該はんだペー
スト印刷部の所定の位置に端子ピンを載せて、加熱して
リフローに固定する。リフローのための加熱温度は、２
００〜５００℃が好適である。さらに、必要に応じて熱
電対を埋め込むことができる。以下、実施例によってさ
らに詳しく説明する。

【００２８】

【実施例】(実施例１) 窒化アルミニウムセラミック
板 (1) 窒化アルミニウム粉末 (平均粒径1.1 μｍ) 100 重
量部、イットリア (酸化イットリウムのこと 平均粒径
0.4μｍ) ４重量部、アクリルバイダー１２重量部およ
びアルコールからなる組成物を、スプレードライヤー法
にて顆粒状にした。 (2) 顆粒状粉末を金型に入れて、平板状に成形して生成
形体を得た。生成形体をドリル加工して、半導体ウエハ
ー支持ピンを挿入する孔８、図示しないが、熱電対を埋
め込むための凹部を設けた。 (3) 生成形体を、1800℃、圧力230 kg／cm^２でホットプ
レスし、厚さ３mmの窒化アルミニウム板状体を得た。こ
れを直径 230mmの円状に切り出してセラミック製の板状
体 (ヒーター板) １とした。

【００２９】(4) 上記(3) で得たヒーター板１に、スク
リーン印刷にて導電ペーストを印刷した。印刷パターン
は、図１に示すような同心円のパターンとした。導電ペ
ーストは、徳力化学研究所製のソルベストＰＳ６０３を
使用した。この導電ペーストは、銀／鉛ペーストであ
り、金属酸化物を含むものである。 (5) 上記導電ペーストを印刷したヒーター板１を780 ℃
で加熱焼成して、導電ペースト中の銀、鉛を焼結させる
とともに、ヒーター板１に焼き付けた。銀−鉛の焼結体
４によるパターンは、厚さが５μｍ、幅2.4 mmであっ
た。

【００３０】(6) 硫酸ニッケル８０ｇ／ｌ、次亜リン酸
ナトリウム２４ｇ／ｌ、酢酸ナトリウム１２ｇ／ｌ、ホ
ウ酸８ｇ／ｌ、塩化アンモニウム６ｇ／ｌの濃度の水溶
液からなる無電解ニッケルめっき浴中に、上記(5) で得
たヒーター板１を浸漬し、銀−鉛の焼結体４の表面に厚
さ１μｍのニッケル層５を析出させて発熱体２とした。

【００３１】(7) 上記(6) で得た発熱体２に対し、所定
の位置、即ち電源との接続を確保するための端子ピンを
取り付ける部分に、スクリーン印刷１より、銀−鉛はん
だペーストを印刷してはんだ層 (田中貴金属製) ６を形
成した。ついで、そのはんだ層６の上にコバール製の端
子ピン３を載置して、420 ℃で加熱リフローし、端子ピ
ン３を発熱体２の表面に取り付けた。 (8) 温度制御のための熱電対 (図示しない) を埋め込
み、ヒーター１００を得た。

【００３２】(実施例２) 炭化けい素セラミック板 実施例１と基本的に同様であるが、平均粒径1.0 μｍの
炭化けい素粉末を使用し、焼結温度を1900℃とした。

【００３３】実施例１、２のヒーターについて、電圧、
電流量の変化に対する温度の追従性、発熱体のプル強度
について測定した。ヒーターに電圧を印加したところ、
実施例１のヒーターは0.5 秒で温度変化が見られ、ま
た、実施例２のヒーターは２秒で温度変化が観察され
た。発熱体２のプル強度については、実施例１のヒータ
ーは3.1 kg／mm^２、実施例２のヒーターは３kg／mm^２で
あった。

【００３４】(比較例) アルミニウム板 発熱体としてシリコンゴムで挟持したニクロム線を用
い、厚さ１５mmのアルミニウム板とあて板で発熱体を挟
み、ボルトで固定してヒーターとした。比較例のヒータ
ーに電圧を印加したところ、温度変化が見られるまで２
４秒を要した。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかるセ
ラミックヒーターは、薄くかつ軽くすることができ、実
用的である。また、板状体として窒化物セラミックまた
は炭化物セラミックを使用し、かつ薄くしているため、
電圧、電流量の変化に対する温度追従性に優れており、
温度制御しやすい。とくに、発熱体の表面には端子ピン
が取り付けられているので、電源との接続が容易であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒーターの模式図。

【図２】本発明のヒーターの使用状態を表す断面図。

【符号の説明】

１ 板状体 (ヒーター板) ２ 発熱体 ３ 端子ピン ４ 金属 (銀−鉛) 粒子焼結体 ５ 金属 (ニッケル) 被覆層 ６ はんだ層 ７ 半導体ウエハー支持ピン ８ 貫通孔 ９ 半導体製品 １００ ヒーター

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化物または炭化物のセラミックからな
   る板状体の表面に、発熱体が設けられていると共に、そ
   の発熱体には端子ピンが取付けられてなるセラミックヒ
   ーター。
2. 【請求項２】 前記板状体の発熱体形成面の反対側を、
   半導体ウエハー加熱面としたことを特徴とする請求項１
   に記載のセラミックヒーター。
3. 【請求項３】 前記端子ピンを、はんだを介して取付け
   たことを特徴とする請求項１に記載のセラミックヒータ
   ー。
4. 【請求項４】 少なくとも以下の〜の工程を含むこ
   とを特徴とするセラミックヒーターの製造方法。 窒化物セラミックまたは炭化物セラミックの粉体を
   焼結して窒化物セラミックまたは炭化物セラミックから
   なる板状体とする工程。 上記で得られた板状体上に、金属粒子または金属
   粒子と金属酸化物との混合物からなる導電ペーストを印
   刷する工程。 加熱して上記の導電ペーストを焼結することによ
   り、セラミック板状体の表面に発熱体を形成する工程。 上記で得られた発熱体のパターンの端部に、電源
   接続用端子ピンをはんだ付けして取付ける工程。
5. 【請求項５】 前記工程の後、発熱体表面をめっきに
   よって金属層で被覆することを特徴とする請求項４に記
   載のセラミックヒーターの製造方法。