JP2001060549A

JP2001060549A - ヒーター

Info

Publication number: JP2001060549A
Application number: JP2000192590A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Furukawa; 正和古川
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2000-01-01
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2001-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】温度制御しやすく、薄くて軽いヒーターを提
供する。【解決手段】金属窒化物セラミックまたは金属炭化物
セラミックからなる板状体に対し、半導体ウエハー支持
用のピンを挿通させるための貫通孔を設けると共に、そ
の表面には、金属粒子を焼結して形成した発熱体を設け
る。その発熱体には金属粒子だけではなく、金属酸化物
を含有してもよく、その表面をニッケル層などで被覆し
てもよい。

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ヒーターに関し、とくに、温度
制御しやすく、また、薄くて軽いヒーターに関する。

【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、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。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、塗布後に乾燥させなけ
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、アルミニウム板の裏面に発熱体を配線した
ものが採用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
金属性のヒーターは次のような問題があった。まず、金
属製であるため、ヒーター板の厚みは１５ｍｍ程度と厚
くしなければならない。なぜなら、薄い金属板では、加
熱に起因する熱膨張により、そり、歪みが発生してしま
い、金属板上に載置されるウエハーが破損したり傾いた
りしてしまうからである。このため、ヒーターの重量が
大きくなり、かさばってしまう。

【０００４】また、発熱体に印加する電圧や電流量を変
えることにより、加熱温度を制御するのであるが、金属
板が厚いために、電圧や電流量の変化に対してヒーター
板の温度が迅速に追従せず、温度制御しにくいという問
題があった。本発明は、温度制御しやすく、薄くて軽い
ヒーターを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】発明者らは、鋭意研究し
た結果、ヒーター板として、金属に代えて熱電導性に優
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、薄くしてもそ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ヒーター板の温
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、金属粒子を含む導電ペーストとは密着しにくい
性質があるが、導電ペ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
セラミックとの密着性が向上する事実も合わせて知見し
た。

【０００７】上記の知見に基づいて開発した本願発明の
構成は次の通りである。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の表面に金属粒子を焼結して
形成した発熱体が設けられていると共に、この板状体に
は貫通孔が形成されていることを特徴とするヒーター。

【０００８】本発明において、前記貫通孔は複数設けら
れること、そしてその孔内には支持ピンが挿入できるこ
とが好ましい。また、本発明において、前記板状体の発
熱体形成面とは反対側の面を半導体ウエハー支持面とす
ることが好ましい。

【０００９】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
ックからなるものであ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、加熱によりそったり、歪んだり
しない。そのため、かかるヒーター板は薄くて軽いもの
とすることができる。また、かかるヒーター板は、熱伝
導率が高く、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特
性に優れており、ヒーター板の表面温度制御も容易にで
きる。

【００１０】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、窒化ケイ素、窒化
ホウ素、窒化チタンから選ばれるいずれか１種以上が望
ましい。前記炭化物セラミックは、金属炭化物セラミッ
ク、例えば、炭化ケイ素、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少な
くとも１種以上が望ましい。これらのセラミックの中で
窒化アルミニウムが最も好適である。熱伝導率が１８０
Ｗ／ｍ・Ｋと最も高いからである。前記ヒーター板は、
０．５〜５ｍｍ程度の厚さがよい。薄すぎると破損しや
すくなるからである。

【００１１】本発明において、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。加熱焼成によりセラミック板表面に焼き付ける
ことができるからである。なお、焼結は、金属粒子同
士、金属粒子とセラミックが融着していれば十分であ
る。図１に示すように発熱体２は、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。
厚さ、幅により抵抗値を変化させることができるが、こ
の範囲が最も実用的だからである。抵抗値は、薄く、細
くなるほど大きくなる。

【００１２】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。金属粒子と
しては、金、銀、白金、パラジウム、鉛、タングステ
ン、ニッケルから選ばれる少なくとも１種を用いる。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。

【００１３】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。

【００１４】前記導電ペーストには、金属粒子に加えて
金属酸化物を含ませて、発熱体を金属粒子および金属酸
化物を焼結させ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。金属酸化物により、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、この酸化膜同士が
金属酸化物を介して焼結して一体化し、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。

【００１５】前記金属酸化物としては、酸化鉛、酸化亜
鉛、シリカ、酸化ホウ素 (B_２O_３)、アルミナ、イット
リア、チタニアから選ばれる少なくとも１種以上がよ
い。これらの酸化物は、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。

【００１６】本発明において、前記発熱体の表面は、金
属層で被覆することが望ましい。その理由は、発熱体
は、金属粒子の焼結体であり、露出していると酸化しや
すく抵抗値が変化してしまうからである。そこで、該発
熱体の表面を金属層で被覆することにより、酸化を防止
するのである。金属層の厚さは、０．１〜１０μｍが望
ましい。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範囲だからである。

【００１７】被覆に使用する金属は、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、
ニッケルから選ばれる少なくとも１種以上がよい。なか
でもニッケルが好適である。発熱体には電源と接続する
ための端子が必要であり、この端子は、半田を介して発
熱体に取り付けるが、ニッケルは半田の熱拡散を防止す
るからである。接続端子は、コバール製の端子ピンを使
用することができる。

【００１８】また、半田は銀−鉛、鉛−スズ、ビスマス
−スズなどの合金を使用することができる。なお、半田
層の厚さは、０．１〜５０μｍが望ましい。半田による
接続を確保するに充分な範囲だからである。本発明は、
前記ヒーター板に凹部を設けて熱電対を埋め込んでお
く。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ようになるからである。

【００１９】また、図２に示すように、ヒーター板１に
貫通孔８を複数設け、その貫通孔８に支持ピンを挿入
し、発熱体２が設けられている側とは反対側にあるその
支持ピン７上に半導体ウエハー９を載置することができ
る。また、支持ピン７を上下させて半導体ウエハー９を
受け取ったりすることができる。

【００２０】次に、上記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：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ケ
イ素などの炭化物セラミックの粉体、必要に応じてイッ
トリアなどの焼結助剤、バインダーをスプレードライな
どの方法で顆粒状にし、この顆粒を金型などに入れて加
圧し、板状に形成して生成形体を製造する。

【００２１】生成形体には、熱電対を埋め込む凹部や半
導体ウエハーの支持ピンを挿入するための貫通孔を設け
る。次に、この生成形体を加熱焼成して焼結してセラミ
ック製の板状体を製造する。加熱焼成の際、加圧するこ
と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、１０００〜２
５００℃である。

【００２２】(2) 工程(1) の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：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。

【００２３】(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：導電ペーストを加熱焼成して、樹脂、溶剤を
除去するとともに、金属粒子を焼結させる。加熱焼成温
度は、５００〜１０００℃である。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。

【００２４】(4) さらに、発熱体表面に金属層を被覆す
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。 (5) 発熱体のパターンの端部に電源との接続のための端
子を半田にて取り付ける。

【００２５】取り付け部位に半田ペーストを印刷した
後、端子を乗せて、加熱してリフローする。加熱温度
は、２００〜５００℃が好適である。そして、生成形体
に設けた凹部に熱電対を埋め込む。以下、実施例に沿っ
て説明する。

【００２６】

【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１．１μｍ) １０
０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、アクリルバインダー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、平板状態に成形して生
成形体を得た。生成形体にドリル加工して、半導体ウエ
ハー支持ピンを挿入する貫通孔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２３０ｋｇ／ｍｍ^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。

【００２７】(4) (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) 導電ペーストを印刷したヒーター板を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２．４ｍｍであった。

【００２８】(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に、(5) のヒーター
板を浸漬して、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。

【００２９】(7) 電源との接続を確保するための端子を
取り付ける部分に、スクリーン印刷１より、銀−鉛半田
ペーストを印刷して半田層 (田中貴金属製) ６を形成し
た。ついで、半田層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) を凹部内に
埋め込み、ヒーター１００を得た。

【００３０】(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１．０μｍ
の炭化けい素粉末を使用し、焼結温度を１９００℃とし
た。

【００３１】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、３．１ｋｇ／ｍｍ^２、実施例２のヒーターは、３
ｋｇ／ｍｍ^２であった。

【００３２】(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を発熱体に
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
２４秒を要した。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかるヒ
ーターは、薄く、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、凹部を設けて
熱電対を埋め込んでいるので、温度制御しやすいという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒーターの模式図である。

【図２】本発明のヒーターの使用状態を表す断面図であ
る。

【符号の説明】

１セラミック製の板状体 (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半田層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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｂ 3/20 ３２８Ｈ０５Ｂ 3/20 ３２８

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化物セラミックまたは炭化物セラミッ
クからなる板状体の表面に金属粒子を焼結して形成した
発熱体が設けられていると共に、この板状体には貫通孔
が形成されていることを特徴とするヒーター。
【請求項２】前記発熱体は、金属粒子および金属酸化
物を焼結して形成したものであることを特徴とする請求
項１に記載のヒーター。
【請求項３】前記金属酸化物は、酸化鉛、酸化亜鉛、
シリカ、酸化硼素、アルミナ、イットリア、チタニアか
ら選ばれるいずれか１種以上であることを特徴とする請
求項２に記載のヒーター。
【請求項４】前記貫通孔が複数個形成されていること
を特徴とする請求項１に記載のヒーター。
【請求項５】前記貫通孔に、支持ピンを挿入したこと
を特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載のヒータ
ー。
【請求項６】このヒーターが、半導体ウエハ用ヒータ
ーとして用いられるものであることを特徴とする請求項
１〜５のいずれか１に記載のヒーター。
【請求項７】前記板状体の発熱体形成面とは反対側の
面を半導体ウエハー支持面としたことを特徴とする請求
項１〜６のいずれか１に記載のヒーター。