JP2001189187A

JP2001189187A - セラミックヒータ用抵抗体ペースト及びセラミックヒータ

Info

Publication number: JP2001189187A
Application number: JP2000320018A
Authority: JP
Inventors: Enrei Shu; 延伶周
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2001-07-10

Abstract

(57)【要約】【課題】材料が安価でかつセラミック基板に抵抗体が
十分な強度をもって密着するとともに、抵抗温度係数の
小さい厚膜抵抗体の形成されたセラミックヒータを提供
すること。【解決手段】セラミック基板１に、銅、ニッケル及び
ガラスフリットからなる厚膜抵抗体２が形成されたセラ
ミックヒータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製品の製造
過程で使用されるセラミックヒータ用抵抗体ペースト、
及びセラミックヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製品は、例えばシリコンウエハ上
に感光性樹脂を塗布した後、エッチングすることにより
製造される。塗布された感光性樹脂を乾燥させるために
は、基板の裏面に発熱体を設けて構成されたヒータの表
面にウエハを載置して加熱することが一般的に行われて
いる。

【０００３】この種のヒータ用の基板としては、従来、
アルミニウム製基板が用いられていた。しかし、近年で
は、電気絶縁性に優れ、熱伝導率が高くかつ熱膨張率が
シリコンに近い、というヒータ基板として優れた特性を
有する窒化アルミニウム製の基板が注目されている。

【０００４】従来における窒化アルミニウム製の基板に
は、抵抗体ペーストを塗布して焼成することにより、発
熱体としての厚膜抵抗体が設けられる。このような抵抗
体ペーストとしては、金属粒子とガラスフリットとを有
機ビヒクルに混合したものが通常よく用いられている。
また、抵抗体ペーストに含まれる金属粒子としては、従
来、金、銀、白金、パラジウムなどの貴金属粒子が主と
して用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金、
銀、白金、パラジウムによって抵抗体ペーストを構成す
ると、材料コストが高くなるという問題点がある。

【０００６】また、抵抗体ペーストは、焼結して厚膜抵
抗体となった際に高強度であって、抵抗温度係数が小さ
いことが望ましい。そこで、本発明の第１の目的は、材
料が安価であって、セラミックヒータ用として好適な抵
抗体ペーストを提供することにある。

【０００７】さらに、本発明の第２の目的は、材料が安
価でかつセラミック基板に抵抗体が十分な強度をもって
密着するとともに、抵抗温度係数の小さい厚膜抵抗体の
形成されたセラミックヒータを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく本
発明者らが種々の材料を用いて鋭意研究した結果、下記
の組成によれば上記課題を解決できることを見出した。

【０００９】即ち、本発明は、実質的に銅及びニッケル
からなる金属粒子と、ガラスフリットとを含有するセラ
ミックヒータ用抵抗体ペーストに係る。さらに、本発明
は、セラミック基板に厚膜抵抗体が形成されたセラミッ
クヒータにおいて、前記厚膜抵抗体は、銅、ニッケル及
びガラスフリットからなることを特徴とするセラミック
ヒータに係る。

【００１０】本発明の抵抗体ペーストは、実質的に銅及
びニッケルからなる金属粒子と、ガラスフリットとを含
有するものである。銅は温度が高くなると抵抗値が大き
くなり、逆にニッケルは温度が高くなると抵抗値が小さ
くなる。従って、銅とニッケルとを組み合わせること
で、全体の抵抗温度係数を極めて小さいものとすること
ができるのである。また、前記抵抗体ペーストが合金化
した場合には、結晶格子の乱れが抵抗として現れるた
め、格子振動に起因する抵抗成分よりも格子の乱れに起
因する抵抗成分のほうが支配的になると考えられる。な
お、格子振動は温度が高くなると大きくなるが、結晶格
子の乱れは温度依存性がない。それゆえ、合金化すると
抵抗温度係数が小さくなると推定される。

【００１１】本発明の抵抗体ペーストは、有機ビヒクル
を含有していることが望ましい。有機ビヒクルが存在し
ていると、ペースト中にガラスフリット、銅、ニッケル
を分散させることができるからである。

【００１２】セラミック基板の構成材料であるセラミッ
クは、窒化物セラミック、酸化物セラミック及び炭化物
セラミックから選ばれる少なくとも１種以上であること
が望ましい。窒化物セラミックとしては、窒化アルミニ
ウム、窒化珪素及び窒化硼素から選ばれる１種以上であ
ることが望ましい。炭化物セラミックとしては、炭化珪
素、炭化硼素及び炭化タングステンから選ばれる１種以
上であることが望ましい。

【００１３】なお、純度の低い炭化物セラミックは電気
伝導性を有する。このため、炭化物セラミックの表面に
シリカ、アルミナなどの酸化物からなる絶縁層を形成
し、この絶縁層上に厚膜抵抗体を形成するようにしても
よい。

【００１４】前記セラミックとしては窒化アルミニウム
が最適である。窒化アルミニウムは、熱伝導性に特に優
れているからである。前記セラミックヒータは、被加熱
物を加熱する加熱面を、厚膜抵抗体が形成されている面
の反対側面に備えていることが望ましい。この構成であ
ると、厚膜抵抗体が形成されている面から加熱面までの
距離を確保できるため、厚膜抵抗体の発生した熱が拡散
しやすくなり、加熱面の温度を均一にできるからであ
る。

【００１５】セラミック基板は、円板状であることが望
ましい。加熱面の温度を均一にできるからである。特に
直径は２００ｍｍ以上が望ましく、厚さは２５ｍｍ以下
が望ましい。直径が大きくて厚さが薄いセラミック基板
であるほど、厚膜抵抗体の抵抗温度係数の影響を強く受
けて加熱面の温度が不均一化しやすく、本発明のような
抵抗温度係数の小さなペーストが有効だからである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に本発明を具体化した一実施
形態のセラミックヒータを図１に基づき説明する。

【００１７】まず、本実施形態のセラミックヒータの製
造にあたって用いられる抵抗体ペーストについて述べ
る。本実施形態のセラミックヒータ用抵抗体ペースト
は、金属粒子、ガラスフリット及び有機ビヒクルを少な
くとも含有するものである。

【００１８】金属粒子としては、銅及びニッケルの混合
物が用いられる。金属粒子の平均粒径は、概ね１μｍ〜
１０μｍ程度、さらには２μｍ〜８μｍ程度であること
が好ましい。平均粒径が小さすぎると、金属粒子が酸化
されやすくなるからである。一方、平均粒径が大きすぎ
ると、焼結し難くなりかつ抵抗値が高くなるからであ
る。

【００１９】また、金属粒子の形状は特に限定されない
ため、球状の金属粒子、鱗片状の金属粒子、球状及び鱗
片状の金属粒子の混合物などを使用することができる。
例えばセラミック基板１が窒化アルミニウム製である場
合、窒化アルミニウムとの密着性の良さという観点か
ら、鱗片状の金属粒子を選択することが好ましい。

【００２０】銅及びニッケルからなる金属粒子は、それ
ぞれ単独の粒子を混合した混合粒子として用いられても
よいほか、あらかじめ銅とニッケルとを合金化してなる
合金粒子として用いられてもよい。

【００２１】さらに、銅とニッケルとの配合割合に関し
ては、銅及びニッケル全量に対して銅が２０重量％〜７
０重量％配合されていることが好ましく、さらには４０
重量％〜７０重量％配合されていることがより好まし
い。余りに銅の割合が高いあるいは余りに銅の割合が低
いと、比抵抗が低くなり、抵抗温度係数が大きくなるか
らである。

【００２２】例えばセラミック基材１が窒化アルミニウ
ム製である場合、ガラスフリットは、金属粒子と基板１
との密着性を向上させるために混合される。このような
ガラスフリットとしては、例えば、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−
ＺｎＯ₂系ガラスが主として用いられる。

【００２３】ガラスフリットの組成については特に限定
されない。しかし、フリット全量に対し、ＳｉＯ₂が１
重量％〜３０重量％、Ｂ₂Ｏ₃が５重量％〜５０重量％、
ＺｎＯ₂が２０重量％〜７０重量％の範囲で配合された
組成であることが好ましい。また、ガラスフリット中に
は、これに加えてＡｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＰｂＯ、ＣｄＯ、
Ｃｒ₂Ｏ₃、ＣｕＯ、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＲｕＯ₂などの
金属酸化物や、ビスマス単体などから選ばれた少なくと
も１種が適宜混合されていてもよい。

【００２４】有機ビヒクルとしては、従来公知のものを
用いることができる。有機ビヒクルは、金属粒子及びガ
ラスフリットの混合物を基板１上に塗布するためにこれ
らをペースト化する役割を果たしている。

【００２５】このような有機ビヒクルとしては、例え
ば、エチルセルロース、メチルセルロース、アクリル系
樹脂などの樹脂バインダと、α−テルピネオール、ブチ
ルカルビトールなどの溶剤とからなるものなどがある。

【００２６】ペーストを構成する各物質の配合比は特に
限定されるものではない。しかし、ペースト全量に対し
て、金属粒子が６０重量％〜８０重量％、ガラスフリッ
トが１重量％〜１０重量％、樹脂バインダが１重量％〜
１０重量％、溶剤が１０重量％〜３０重量％の範囲で配
合されていることが好ましい。

【００２７】本実施形態の抵抗体ペーストは、例えば、
図１に示すように、円板状の基板１の一面１ａ（例えば
基板表面）に、スクリーン印刷法などの適宜の手段によ
って所定形状となるように塗布される。

【００２８】そして、この基板１を窒素雰囲気下で約７
００℃〜９００℃程度で焼成すると、抵抗体ペーストが
焼結して前記基板１に密着した状態となる。以上の結
果、片側の面１ａに厚膜抵抗体２（発熱体）を備えるセ
ラミックヒータが製造される。なお、厚膜抵抗体２の酸
化を防止するため、その表面に、金、銀、パラジウム、
白金、ニッケルなどの非酸化性金属からなる金属層を被
覆することが好ましい。

【００２９】

【実施例及び比較例】以下、いくつか実施例を挙げてさ
らに詳述する。＜ペーストの調整＞金属粒子、ガラスフリット、並び
に、有機ビヒクルとして樹脂バインダ（エチルセルロー
ス）及び溶剤（α−テルピネオール：ブチルカルビトー
ル＝２：８（ｖｏｌ比）の混合物）を十分に混練して、
実施例１〜５の抵抗体ペーストをそれぞれ作製した。実
施例１〜５における抵抗体ペーストの組成は、表１に示
す通りである。銅粒子及びニッケル粒子としては、主と
して平均粒子径４．５μｍ位で、鱗片状のものを用い
た。

【００３０】また、比較例１として、表１に示す組成の
ステンレスペーストを作製した。このペーストは、金属
粒子としてステンレス粒子のみを含むものであって、銅
粒子もニッケル粒子も含んではいない。

【００３１】表１中、組成はペースト全量に対する重量
％で示されている。

【００３２】

【表１】

【００３３】＜試験体の作製＞窒化アルミニウム粉末
（平均粒径１．１μｍ）１００重量部、イットリア（平
均粒径０．４μｍ）４重量部、及びアクリル系樹脂バイ
ンダ１２重量部に、アルコールを混練し、スプレードラ
イ法によって顆粒状粉末を得た。そして、これを成形用
金型に投入し、平板状に成形することにより、成形体を
得た。この成形体に、半導体ウエハ支持ピンを挿入する
ための挿入孔と、熱電対を埋め込むための凹部とをドリ
ル加工によって穿設した。その後、約１８００℃，２０
０ｋｇ／ｃｍ²下でホットプレスし、厚さ３ｍｍの窒化
アルミニウム焼結体を得た。このものから直径２１０ｍ
ｍの円盤を切り出し、これをヒータ用窒化アルミニウム
基板１とした。

【００３４】この基板１に対して、上記実施例１〜５及
び比較例１のペーストを、図１に示した厚膜抵抗体２の
形状になるように、スクリーン印刷法により塗布した。
この基板１を窒素雰囲気下にて８５０℃で焼成すること
により、基板１上にペーストを焼き付けた。そして、こ
のようにして得られた窒化アルミニウムヒータを試験体
とした。なお、いずれの試験体においても、厚膜抵抗体
２の厚さは約５〜１０μｍ、幅は約２．４ｍｍであっ
た。

【００３５】（試験例１）各試験体について、厚膜抵抗
体２の引張強度を測定した。測定方法は、２ｍｍ角の厚
膜抵抗体２についての９０度ピールテストとした。この
ピールテストには、島津製作所製の「オートグラス」を
使用し、引張り速度を５ｍｍ／分に設定して試験を行っ
た。

【００３６】（試験例２）さらに、各試験体について、
厚膜抵抗体２の面積抵抗率を測定した。面積抵抗率は、
厚さ１．０μｍ、幅５ｍｍ、長さ５ｃｍの厚膜抵抗体２
の抵抗値をマルチメーターで測定して計算することによ
り求めた。

【００３７】（試験例３）さらに、各試験体について、
厚膜抵抗体２の抵抗温度係数を測定した。具体的には、
うずまき状パターンを形成し、各試験体について５０℃
〜２００℃の間で抵抗値を測定し、厚膜抵抗体２として
の抵抗温度係数を調べた。

【００３８】各試験例の結果を表２に併せて示す。

【００３９】

【表２】

【００４０】次に、窒化物セラミックであったセラミッ
ク材料を酸化物セラミックに変更して基板１を作製し
た。即ち、アルミナ粉末（平均粒子径１．０μｍ）にア
クリル系バインダを加えてアルコールを混練し、スプレ
ードライ法にて顆粒状粉末を得た。この粉末を成形用金
型に投入し、平板状に成形した。この成形体に半導体ウ
エハ支持ピン挿入するための挿入孔をドリル加工した。
さらに、１６００℃で大気中でホットプレスして厚さ５
ｍｍ、直径３００ｍｍのアルミナ焼結体を得た。このも
のから直径２１０ｍｍの円盤を切り出し、これをヒータ
用アルミナ基板１とした。

【００４１】この基板１に対して、表３に示す組成のペ
ースト（実施例６〜１０及び比較例２）を、図１に示し
た厚膜抵抗体２の形状になるようにスクリーン印刷し
た。この基板１を窒素雰囲気下にて８５０℃で焼成する
ことにより、基板１上にペーストを焼き付けた。そし
て、このようにして得られたアルミナヒータを試験体と
した。なお、いずれの試験体においても、厚膜抵抗体２
の厚さは約６μｍ、幅は２．４ｍｍであった。

【００４２】なお、表３中、組成はペースト全量に対す
る重量％で示されている。

【００４３】

【表３】

【００４４】各試験体について、上述した方法に準拠し
て、厚膜抵抗体２の引張強度、面積抵抗率、抵抗温度係
数をそれぞれ測定した。その結果を表４に併せて示す。

【００４５】

【表４】

【００４６】＜試験結果＞厚膜抵抗体２の引張強度に関
しては、各実施例の測定値のほうが各比較例の測定値に
比べて格段に高くなっていることがわかった。

【００４７】厚膜抵抗体２の面積抵抗率に関しては、各
実施例の測定値のほうが各比較例の測定値に比べて格段
に小さくなっていることがわかった。厚膜抵抗体２の抵
抗温度係数に関しては、各実施例の測定値のほうが各比
較例の測定値に比べて格段に小さくなっていることがわ
かった。

【００４８】従って、本実施形態によれば以下のような
効果を得ることができる。（１）本実施形態のセラミックヒータ用抵抗体ペースト
は、上記のごとく、実質的に銅及びニッケルからなる金
属粒子と、ガラスフリットとを含有することをことを特
徴とする。この抵抗体ペーストでは、導電のための金属
粒子が実質的に銅及びニッケルといった卑金属からなる
ので、比較的材料コストが安価である。

【００４９】また、かかる抵抗体ペーストは、焼結して
厚膜抵抗体２となった後において窒化アルミニウム基板
１やアルミナ基板１と十分な強度をもって密着する。ゆ
えに、厚膜抵抗体２に剥離が起こりにくくなる。さら
に、得られた厚膜抵抗体２の抵抗温度係数も小さいもの
となる。

【００５０】以上のことから、本実施形態のペーストを
用いれば、良好なセラミックヒータを構成することがで
きる。（２）また、本実施形態の抵抗体ペーストによれば、銅
及びニッケルの混合量を変更することによって、面積抵
抗率を適宜調整することができる。

【００５１】なお、本発明の実施形態は以下のように変
更してもよい。（３）前記実施例１〜５では、基板形成材料として窒化
アルミニウムを選択している。窒化アルミニウムは熱伝
導性に特に優れていることから、品質のよいセラミック
ヒータを得ることができる。

【００５２】なお、本発明の実施形態は以下のように変
更してもよい。・セラミック基板１は、実施形態のようなプレス成形
法を経て製造されたものに限定されることはなく、例え
ばドクターブレード装置を利用したシート成形法を経て
製造されたものでもよい。

【００５３】・セラミック基板１に対して抵抗体ペー
ストを塗布する方法としては、スクリーン印刷法のみな
らず、例えば捺印法などのその他の手法もある。・厚膜抵抗体２は実施形態のようにセラミック基板１
の外表面に露出した状態で形成されていてもよいほか、
セラミック基板１の内層に埋設されていてもよい。

【００５４】・本発明の効果を損なわない範囲であれ
ば、銅及びニッケルからなる金属粒子に、金、白金、パ
ラジウムなどの貴金属粒子や、銅、亜鉛などの卑金属粒
子を少量混合しても差し支えない。

【００５５】次に、特許請求の範囲に記載された技術的
思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技
術的思想を以下に列挙する。（１）請求項２乃至４のいずれか１つにおいて、前記
セラミック基板は、略円形状かつ板状であること。従っ
て、この技術的思想１に記載の発明によれば、加熱面の
温度を均一にできる。

【００５６】（２）請求項２乃至４のいずれか１つに
おいて、前記セラミック基板は、直径２００ｍｍ以上か
つ厚さ２５ｍｍ以下の円板状であること。（３）実質的に銅及びニッケルからなる金属粒子と、
ガラスフリットと、有機ビヒクルとを含有することをこ
とを特徴とするセラミックヒータ用抵抗体ペースト。

【００５７】（４）実質的に銅及びニッケルからなる
金属粒子と、ガラスフリットと、有機ビヒクルとを含有
することをことを特徴とする窒化アルミニウムヒータ用
抵抗体ペースト。

【００５８】（５）請求項１乃至４のいずれか１つに
おいて、前記ガラスフリットの組成は、フリット全量に
対し、ＳｉＯ₂が１重量％〜３０重量％、Ｂ₂Ｏ₃が５重
量％〜５０重量％、ＺｎＯ₂が２０重量％〜７０重量％
の範囲で配合されたものであること。

【００５９】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１に記載の
発明に係る抵抗体ペーストによれば、比較的安価な材料
である銅及びニッケルを使用していることから、材料コ
ストを抑えることができる。また、本発明の抵抗体ペー
ストによれば、銅及びニッケルの混合量を変更すること
によって、面積抵抗率を適宜調整することができる。さ
らに、かかる抵抗体ペーストによって形成された厚膜抵
抗体は、密着強度に優れるとともに、抵抗温度係数もか
なり小さなものとなる。

【００６０】つまり、本発明の抵抗体ペーストは、材料
が安価であって、セラミックヒータ用として好適なもの
となる。請求項２〜４に記載の発明によれば、材料が安
価でかつセラミック基板に抵抗体が十分な強度をもって
密着するとともに、抵抗温度係数の小さい厚膜抵抗体の
形成されたセラミックヒータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】セラミック基板に厚膜抵抗体が形成されたセ
ラミックヒータを示す平面図。

【符号の説明】

１…セラミック基板、１ａ…（厚膜抵抗体が形成されて
いる）面、２…厚膜抵抗体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3K034 AA02 AA03 AA04 AA06 AA10 AA16 AA19 AA34 AA37 BB06 BB14 BC04 BC12 HA01 HA10 JA01 JA10 3K092 PP20 QA05 QB02 QB04 QB10 QB17 QB31 QB49 QB75 QB76 RF03 RF11 RF19 RF22 VV19 VV34

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的に銅及びニッケルからなる金属粒子
と、ガラスフリットとを含有することをことを特徴とす
るセラミックヒータ用抵抗体ペースト。
【請求項２】セラミック基板に厚膜抵抗体が形成された
セラミックヒータにおいて、前記厚膜抵抗体は、銅、ニ
ッケル及びガラスフリットからなることを特徴とするセ
ラミックヒータ。
【請求項３】前記セラミックヒータは、被加熱物を加熱
する加熱面を、厚膜抵抗体が形成されている面の反対側
面に備えていることを特徴とする請求項２に記載のセラ
ミックヒータ。
【請求項４】前記セラミックは、酸化物セラミック、炭
化物セラミック及び窒化物セラミックから選ばれる少な
くとも１種以上である請求項２または３に記載のセラミ
ックヒータ。