JP2001189188A

JP2001189188A - 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: JP2001189188A
Application number: JP2000320019A
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形成されたセラミックヒータを
提供すること。【解決手段】このセラミックヒータでは、セラミック
基板１に厚膜抵抗体２が形成されている。厚膜抵抗体２
は、貴金属、ガラスフリット、ホウ化ニッケルからな
る。

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、白
金、パラジウム等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ってしまう。

【０００６】一方、材料コストを下げるために銅、鉛な
どの卑金属を混合した場合、大気中でペーストを焼付け
て焼結させると、卑金属が酸化されてしまい、抵抗値が
変動してしまう。従って、卑金属の酸化を避けるために
は、特殊な条件下（非酸化雰囲気下）でペースト焼付け
を行わなければならないという問題点がある。

【０００７】そこで、本発明の第１の目的は、材料が安
価であって、かつ大気中で焼結することができる抵抗体
ペーストを提供することにある。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】本発明は上記の課題を解
決するためになされたものであって、本発明者らは貴金
属にホウ化ニッケルを混合することにより、上記課題を
解決できることを見出した。

【０００９】即ち、本発明は、貴金属、ホウ化ニッケル
及びガラスフリットとからなるセラミックヒータ用抵抗
体ペーストである。本発明の抵抗体ペーストは、上記の
ごとく貴金属、ホウ化ニッケル及びガラスフリットから
なるため、酸化雰囲気で焼成した場合であっても、ホウ
化ニッケルが酸化されてニッケルを生成する。ゆえに、
貴金属のみを使用したペーストに比べて抵抗値が高くな
り、貴金属の量を減らすことができる。このため、ペー
ストのコストを低減することができる。

【００１０】また、ペーストに卑金属を直接添加する
と、卑金属が焼成時に酸化されることにより、抵抗値が
変動してしまう。これに対して本発明で使用しているホ
ウ化ニッケルは、それ自体が導電性を有するばかりでな
く、酸化されても導電性のニッケルとなる。このため、
焼成の前後において大きく抵抗値が変動するようなこと
がない。

【００１１】前記貴金属としては、銀が最適である。銀
は貴金属のなかで最も安価だからである。また、前記ホ
ウ化ニッケルは、貴金属及びホウ化ニッケルの全重量に
対して１重量％〜５０重量％であることが望ましい。ホ
ウ化ニッケルが１重量％未満であると、貴金属の比率が
大きくなる結果、抵抗値が低くなってしまうからであ
る。逆に、ホウ化ニッケルが５０重量％を越えると、ガ
ラスフリットを還元してしまい、密着性が低下するから
である。

【００１２】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、貴金属、ホウ
化ニッケルを分散させることができるからである。

【００１３】前記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。

【００１４】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。

【００１５】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。本発明の厚膜抵抗体が形成された
セラミックヒータでは、前記厚膜抵抗体は、貴金属、ガ
ラスフリット、並びに「ホウ化ニッケル」もしくは「ニ
ッケル」、または「ホウ化ニッケル及びニッケルの両
方」からなる。つまり、本発明の厚膜抵抗体は、貴金
属、ガラスフリット、ニッケル単体及び／またはそのホ
ウ化物からなる。

【００１６】ホウ化ニッケルは、焼付焼成時に酸化され
てニッケルになる。ホウ化ニッケルが完全に酸化された
場合には、厚膜抵抗体における卑金属はニッケルのみと
なる。しかし、ホウ化ニッケルの一部がそのまま残存し
た場合には、厚膜抵抗体における卑金属はホウ化ニッケ
ル及びニッケルの両方を含むものとなる。不活性雰囲気
や還元性雰囲気で焼成を行った場合についても、ホウ化
ニッケルはそのまま残存する。いずれにしても本発明に
よれば、貴金属の量を減らすことができる。また、抵抗
値を高くすることができ、抵抗変化率も低くすることが
できる。

【００１７】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。

【００１８】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、厚膜抵抗体の温度変化の影響を強く受ける
からである。

【００１９】

【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。

【００２０】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、貴金属粒子、ガラスフリット及び有機ビヒクルを少
なくとも含有するとともに、さらに卑金属粒子としてホ
ウ化ニッケルを含有している。

【００２１】ホウ化ニッケルとしては、ＮｉＢ（ホウ化
一ニッケル），Ｎｉ₂Ｂ（ホウ化二ニッケル），Ｎｉ₃Ｂ
（ホウ化三ニッケル）が知られている。Ｂ／Ｎｉ比率を
下げるという点からみて、本実施形態においてはＮｉ₃
Ｂの選択が好ましい。

【００２２】金属粒子の平均粒径は、概ね０．１μｍ〜
１０μｍ程度、さらには１μｍ〜５μｍ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。

【００２３】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、鱗片状の金属粒子を選択することが好ましい。かか
る粒子形状の金属粒子であれば、窒化アルミニウムとの
密着性が改善されるからである。

【００２４】貴金属粒子として例えば銀粒子を選択した
場合、銀とホウ化ニッケルとの配合割合は、銀及びホウ
化ニッケル全量に対してホウ化ニッケル（１００×ホウ
化ニッケル／（ホウ化ニッケル＋貴金属））が１重量％
〜５０重量％配合され、さらには５重量％〜４０重量％
配合されていることがより好ましい。余りにホウ化ニッ
ケルの割合が高いあるいは余りにホウ化ニッケルの割合
が低いと、比抵抗率が低くなり、抵抗温度係数が大きく
なるからである。

【００２５】例えばセラミック基板１が窒化アルミニウ
ム製である場合等において、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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】そして、この基板１を大気中で約７００℃
〜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。

【００３２】

【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１〜７及び比較例１，２の抵抗体ペーストをそれ
ぞれ作製した。実施例１〜７及び比較例１，２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。

【００３３】実施例１，２，３，７では、金属粒子とし
てＡｇ粒子及びＮｉ₃Ｂ粒子を用いた。なお、Ａｇ粒子
としては、主として平均粒径４．５μｍで、鱗片状のも
のを用いた。実施例４では、金属粒子としてＡｕ粒子及
びＮｉ₃Ｂ粒子を用いた。実施例５では、金属粒子とし
てＰｔ粒子及びＮｉ₃Ｂ粒子を用いた。実施例６では、
金属粒子としてＰｄ粒子及びＮｉ₃Ｂ粒子を用いた。

【００３４】一方、比較例１では金属粒子としてＡｇ粒
子及びＰｄ粒子を用い、比較例２では金属粒子としてＡ
ｇ粒子及びＮｉ粒子を用いた。つまり、比較例１では、
ホウ化ニッケルを用いない抵抗体ペーストとした。比較
例２では、ニッケルをホウ化物としてではなく単体とし
て含む抵抗体ペーストとした。

【００３５】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。＜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０．４μ
ｍ）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℃，２００ｋｇ／ｃｍ
²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２１０ｍｍ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。

【００３６】この基板１に対して、上記実施例１〜７及
び比較例１，２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を大気中にて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５μｍ、幅は約２．４ｍｍであった。

【００３７】（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。

【００３８】（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。

【００３９】（試験例３）さらに、各試験体について、
厚膜抵抗体２の焼成前後における抵抗値の変化率をマル
チメーターで測定した。

【００４０】各試験例の結果を表１に併せて示す。

【００４１】

【表１】

【００４２】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。

【００４３】この基板１に対して、表２に示す組成のペ
ースト（実施例８〜１６及び上記比較例１，２）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を大気中にて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。

【００４４】なお、表２中、組成はペースト全量に対す
る重量％で示されている。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、抵抗変化率をそれぞれ測定した。その結果を表２に
併せて示す。

【００４５】

【表２】

【００４６】＜試験結果＞厚膜抵抗体２の引張強度に関
しては、各実施例と各比較例との間で大きな差異は認め
られず、いずれも高い値を示すことがわかった。

【００４７】厚膜抵抗体２の面積抵抗率に関しては、各
実施例及び比較例２の測定値が０．１Ω／□以上であっ
たのに対し、比較例１の測定値はそれよりもかなり小さ
かった。従って、比較例１の抵抗体ペーストを用いて得
られた試験体は、ヒータとしての好適な特性を有してい
るとは言い難いものであった。

【００４８】厚膜抵抗体２の抵抗変化率に関しては、各
実施例及び比較例１の測定値がずれも０．１％であった
のに対し、比較例２の測定値はそれよりもかなり大き
く、５％であった。従って、比較例２の抵抗体ペースト
を用いて得られた試験体も、ヒータとしての好適な特性
を有しているとは言い難いものであった。

【００４９】なお、Ａｇ粒子を含むペーストを用いて得
られた実施例１，２，３について、厚膜抵抗体２の顕微
鏡観察を行ったところ、マイグレーションを起こしてい
る様子は特になかった。

【００５０】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
には、貴金属、ホウ化ニッケル、及びガラスフリットが
含まれている。即ち、このペースト中には、卑金属の一
種であるニッケルが、単体としてではなくホウ化物とし
て混合されている。従って、かかる抵抗体ペーストは、
大気中で焼結して厚膜抵抗体２となった後においても、
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
をもって密着することができる。ゆえに、厚膜抵抗体２
に剥離が起こりにくくなる。また、それ自体導電性を有
するホウ化ニッケルを添加していることから、導電性確
保のために使用している貴金属の量を低減することがで
きる。ゆえに、ペーストの材料コスト低減を図ることが
できる。

【００５１】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、ホ
ウ化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。

【００５２】（３）上記実施例１，２，３では、貴金属
のうち比較的安価な銀を主に用いているため、金、白
金、パラジウムを用いた場合に比べて材料コストをより
いっそう安価にすることができる。なお、この場合にあ
ってもマイグレーションを起こしにくく、ヒータに高い
信頼性を付与することができる。

【００５３】（４）前記実施例１〜７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。

【００５４】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。

【００５５】・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。

【００５６】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４乃至６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。

【００５７】（２）請求項４乃至６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）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、貴金属、ガ
ラスフリット、ホウ化ニッケル及び／またはニッケルか
らなることを特徴とするセラミックヒータ。

【００５８】（４）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、貴金属、ガラスフリット、ニッケル単体及び／また
はそのホウ化物からなることを特徴とするセラミックヒ
ータ。

【００５９】（５）化合物自体が導電性を有するばか
りでなく酸化されても導電性の金属単体となりうる卑金
属化合物、貴金属及びガラスフリットからなるセラミッ
クヒータ用抵抗体ペースト。

【００６０】（６）化合物自体が導電性を有するばか
りでなく酸化されても導電性の金属単体となりうる卑金
属ホウ化物、貴金属及びガラスフリットからなるセラミ
ックヒータ用抵抗体ペースト。

【００６１】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜３に記
載の発明のセラミックヒータ用抵抗体ペーストによれ
ば、大気中で焼結させることができるとともに、材料コ
ストを抑えることができる。しかも、かかるペーストで
あれば、ホウ化ニッケルの混合量の変更によって面積抵
抗値を適宜調整することができる。

【００６２】請求項４〜６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 (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｂ 3/14 Ｈ０５Ｂ 3/16 3/16 3/20 ３９３ 3/20 ３９３Ｃ０４Ｂ 35/00 Ｙ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】貴金属、ホウ化ニッケル及びガラスフリッ
トからなるセラミックヒータ用抵抗体ペースト。
【請求項２】前記ホウ化ニッケルが、貴金属及びホウ化
ニッケルの全重量に対して１重量％〜５０重量％配合さ
れてなる請求項１に記載のセラミックヒータ用抵抗体ペ
ースト。
【請求項３】前記抵抗体ペーストは有機ビヒクルを含ん
でいる請求項１または２に記載のセラミックヒータ用抵
抗体ペースト。
【請求項４】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、貴金
属、ガラスフリット、並びにホウ化ニッケルもしくはニ
ッケルまたはホウ化ニッケル及びニッケルの両方からな
ることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項５】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４に記載のセラ
ミックヒータ。
【請求項６】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４または５に記載のセラミ
ックヒータ。