JP2002203664A - 半導体製造・検査装置用セラミックヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ヒータの加熱に伴なう発熱体の、基板からの剥
離や断線を招くおそれのない、基板表面への発熱体支持
構造を提案することにあり、このことによって寿命の永
いセラミックヒータを製造する。 【解決手段】セラミック基板の加熱面とは反対側の表面
に、金属や導電性セラミック等からなる発熱体を、物理
的手段を介して固定してなるセラミックヒータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造・検査
装置などに用いられるセラミックヒータに関し、とくに
高温長時間の使用によく耐え得る長寿命のセラミックヒ
ータの構造について提案する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製品の電子回路は、シリコンウエ
ハー上にエッチングレジストとして感光性樹脂を塗布し
たのち、エッチングすることにより形成されている。こ
の場合、シリコンウエハーの表面に塗布された感光性樹
脂は、スピンコーターなどにより塗布されたものである
から、塗布後に乾燥する必要がある。その乾燥処理は、
感光性樹脂を塗布したシリコンウエハーをホットプレー
ト（以下、単に「ヒータ」という）の上に載置して加熱
することにより行われる。従来、このような半導体製造
・検査装置用ヒータとしては、金属板（アルミニウム
板）からなる基板の一表面に金属箔などの抵抗発熱体を
接着したものなどが用いられている。

【０００３】ところが、このような金属製基板からなる
ヒータを、半導体製品の乾燥に用いた場合、次のような
問題点があった。それは、ヒータの基板が金属製である
ことから、基板の厚みを１５ｍｍ以上に厚くしなければ
ならない。なぜなら、薄い金属製基板では、加熱に起因
する熱膨張により、そりや歪みが発生してしまい、この
基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。しかも、従来のヒータは厚みがある
ため重量が大きく、かさばるという問題があった。

【０００４】これに対して従来、特公平８−８２４７号
公報などでは、従来の金属製基板に代えて、窒化物セラ
ミック基板を使用したセラミックヒータの提案によって
上記の問題についてはある程度克服されている。しか
し、セラミックスを用いて基板を薄くすると、発熱体を
セラミック基板中に埋設した場合には、基板内熱拡散に
よる均一加熱を実現することができなくなる。そのため
に、その発熱体を該基板のウエハ加熱側の面とは反対側
の面に配線固定することが必要になる。その発熱体固定
の方法として、従来、金属箔や導電性セラミック基板の
印刷層を主として合成樹脂接着剤を使って接着する方法
を採っていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
セラミックヒータによって、シリコンウエハを長時間に
亘って加熱乾燥しようとすると、発熱体が脱落し、断線
して加熱ができなくなるという問題点があった。従来、
上記セラミックヒータの表面への発熱体パターンの形成
には、例えば、図１に示すような櫛歯状の金属箔を接着
剤を介して貼着していた。即ち、金属箔状発熱体をセラ
ミック基板の表面に、主として樹脂系接着剤、例えばポ
リイミド樹脂系、エポキシ樹脂系、フェノール樹脂系あ
るいはシリコン樹脂系の接着剤などを用いて接着固定し
ていた。ところが、これらの合成樹脂接着剤は、熱可塑
性樹脂の場合、温度の上昇と共に力学的強度が低下し、
やがては軟化（融解）して液状となるし、また熱硬化性
樹脂の場合も温度の上昇と共に力学的強度が低下し、や
がては熱分解する。

【０００６】その結果、転位点（Ｔｍ）が高いと言われ
ているポリイミド樹脂でさえ500℃未満であり、一方、
これらの樹脂の連続可使温度はほとんどが120〜260℃で
あるから、そこでもし、これらの樹脂がセラミックヒー
タ用発熱体（ヒータ加熱温度200〜400℃）の固定手段と
して使われると、基板からの抜熱を考慮したとしてもな
お樹脂の劣化が早く接着剤の早期劣化、軟化が起こり、
発熱体の剥離や断線が発生し、該ヒータ寿命の低下を招
くという問題があった。

【０００７】一方、有機系合成樹脂の上述した欠点を回
避するために、耐熱性に優れたガラス質の無機系接着剤
を使用する方法についても検討したが、この種の接着剤
についても、その構成成分中に含まれる酸化物中の酸素
が、該発熱体中に浸透して、発熱体の抵抗値を変動さ
せ、その結果として温度変動を招くことになるという別
の問題があった。

【０００８】そこで、本発明の目的は、ヒータの加熱に
伴なう発熱体の、基板からの剥離や断線を招くおそれの
ない、基板表面への発熱体支持構造を提案することにあ
り、このことによって寿命の永いセラミックヒータを製
造する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上掲の目的の実現に向け
た研究の中で、発明者らは、発熱体を、接着剤を使用し
ないで基板に固定する方法を検討した結果、以下の要旨
構成に係る本発明に想到した。即ち、本発明は、セラミ
ック基板の加熱面とは反対側の表面に、金属や導電性セ
ラミック等からなる発熱体を、物理的手段を介して固定
してなるセラミックヒータである。

【００１０】なお、本発明においては、発熱体の物理的
な固定手段として、ねじもしくはばねの如き弾性体を用
いること、およびばねによる上記固定手段は、基板直下
にある底板との間に、コイルばねもしくは板ばねを介挿
して行うようにしたことが好ましい。さらに、本発明に
おいては、物理的な上記各固定手段に加えて、発熱体を
接着剤によっても固定することがより好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明にかかるセラミックヒータ
の特徴は、セラミック基板の表面、とくに半導体ウエハ
ーの如き被加熱物が位置する側の面とは反対側の面に、
発熱体を配設する場合の、その発熱体の固定手段につい
ての新規な構成にある。即ち、本発明は、基板の表面に
発熱体を固定するに際し、従来のように、接着剤を介し
て化学的に固定するのではなくして、ねじやばねのよう
な物理的な手段を使うところに特徴がある。

【００１２】このように、接着剤の使用を止めた理由
は、ヒータの連続使用や、トラブル時の過電流によって
起る一時的な過熱状態などによって、接着剤が早期に劣
化したり、軟化、融解することから、発熱体の剥離、脱
落が起こり易く、ヒータの機能が早期に失われるという
弊害を避けるためである。例えば、エポキシ樹脂やポリ
イミドの連続可使温度は120〜260℃、ポリエチレンの場
合で120℃、フッ素樹脂（CTFE）の場合で180〜200℃程
度である。これに対し、発熱体の通電加熱温度は100〜8
00℃程度であり、基板の抜熱を考慮しても基板と発熱体
との境界にある前記接着剤も相当の高温に曝されて劣化
や軟化が激しいものになる。そこで、本発明では、発熱
体の昇温の影響が少ない物理的な方法、例えば、ねじを
介して螺着したり、基板表面にばね（板バネ、コイルバ
ネ、皿バネ等）によって圧接支持する方法にて該発熱体
の固定を果すようにしたのである。

【００１３】図２(a)、(b)、(c)は、基板１に発熱体２
を物理的な手段によって固定する構成例の幾つかを例示
したものである。図２(a)は、基板１への発熱体２の固
定手段として、ねじ１５ａを用いた例であり、図１に示
す櫛歯状のパターンをもつ各発熱体２をねじ止めしたも
のである。図２(b)は、支持器100に取付けた中底板１１
上に固定したＺ字状板バネ１５ｂの上端を発熱体２に弾
圧的に押し付けることにより固定する構成例を示してい
る。また、図２(c)は、前記中底板１１と発熱体２との
間に支持ピンを介挿したコイルスプリング１５ｃを介在
させて固定する例を示している。なお、この場合におい
て、図２(c)において仮想線で示すように、該発熱体２
を支持するために、金属製の補助板１６を介在させて固
定するようにしてもよい。

【００１４】上述した発熱体２の各固定手段は、あくま
でも例示であり、物理的な手段であればこれらの形態に
限定されないことはもちろん、とくに初期状態の安定の
ために接着剤と併用することを排除するものではなく、
むしろこの併用して固定する例において、本発明の効果
はより一層向上するものとなる。

【００１５】さて、図３は、本発明の半導体製造・検査
装置用セラミックヒータの一実施形態であるホットプレ
ートユニットの一例を示す断面図であり、セラミック基
板（ヒータ）を支持器に取付けた状態の一実施形態であ
る。

【００１６】図において、セラミック基板１は、好まし
くは円板状に形成され、そのいずれか一方の面、すなわ
ち加熱側の面とは反対側の面、例えば底面に、発熱体２
を一対の半円弧櫛歯状のパターンにて形成されているも
のである。

【００１７】このセラミック基板１には、シリコンウエ
ハの運搬等に用いるリフターピンを装入するための複数
の貫通孔３が形成してあり、さらにこの貫通孔３の直下
には、該貫通孔３に連通するようにガイド管５が設けら
れ、さらに支持器100の底板４部分にも、これらが連通
する底板貫通孔４ａが形成されている。そして、上下す
る前記リフターピンを介して、発熱体形成面とは反対側
の加熱面側にウエハを支持するのである。

【００１８】上記セラミック基板１の底面には、また熱
電対等の測温素子６を挿入するための有底孔７が形成さ
れ、その測温素子６は、リード線などを介して底板４に
設けた貫通孔４ａより外部電源に接続されるようになっ
ている。

【００１９】一般的に、かかるセラミック基板１は、外
周に取付けた断熱リング８を介して支持器100の円筒状
ケーシング１７内上部に嵌め込まれ、ボルト等の締結具
９とワッシャの如き押さえ金具１０とによって支持器10
0に固定される。また、この支持器100のケーシング１７
内のセラミック基板１の下方には、中底板１１が取付け
られ、さらにこの中底板１１の下方には、必要に応じて
底板４も固定される。なお、支持器100のケーシング１
７と底板４とは、一体に成形されたものであってもよ
い。

【００２０】前記ホットプレートユニットにおいて、発
熱体２の端部２ａには、外部端子１２が接続され、この
外部端子１２は、ソケット１３を介してリード線１４と
接続されており、このリード線１４はまた、底板４の貫
通孔４ａより外部に引き出され、電源（図示せず）との
接続が図られている。

【００２１】この支持器100にはまた、冷媒導入管等を
介して該支持器100の内部に冷却用のエアー等を導入す
ることができる。なお、中底板１１には、底板４に固定
されているガイド管５、冷媒導入管15等の邪魔にならな
いように、貫通孔３が形成されている。

【００２２】次に、本発明の半導体製造・検査装置に用
いられるセラミックヒータの支持器において、その内部
には、中底板および／または底板が、外枠となる筒状の
ケーシング１７を介してその中ほど、または下端に取付
けられる。この中底板１１は、セラミック基板１の下方
にあって発熱体２から放射された熱を反射して、該セラ
ミック基板１の保温効果を向上させたり、セラミック基
板１の下方に設けた配線や外部機器等を熱から保護す
る、所謂、熱遮蔽の目的で設けられているものである。
また、この中底板１１の他の目的は、前記発熱体２をば
ね等を介して基板１の下面に固定するための補助手段と
なるものである。即ち、この中底板１１に板ばね１５ｂ
やコイルスプリング１５ｃをボルト等を介して固定した
上で、それらの上端を発熱体２に押し付けることによ
り、配線の固定を行うようにしたのである。

【００２３】上記セラミック基板の材料としては、例え
ば、窒化物セラミック、炭化物セラミック、酸化物セラ
ミック等が挙げられる。上記窒化物セラミックの例とし
ては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒
化チタン等を用いることができ、上記炭化物セラミック
の例としては、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、炭化タングステン等を
用いることができる。上記酸化物セラミックの例として
は、例えば、アルミナ、ジルコニア、コージェライト、
ムライト等を用いることができる。これらのセラミック
は単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。こ
れらのセラミックの中では、窒化物セラミックや炭化物
セラミックの方が酸化物セラミックに比べて好ましい。
それは、これらのセラミックスは熱伝導率が高いからで
ある。なかでも窒化アルミニウムは熱伝導率が180Ｗ／
ｍ・Ｋと最も高いから好適である。

【００２４】本発明において、上記セラミック基板１の
いずれか一方の表面もしくはその内部に形成される発熱
体２は、貴金属（金、銀、白金、パラジウム）、鉛、タ
ングステン、モリブデン、ニッケル等の金属、とくに圧
延箔やめっき箔を用いることが望ましい。これらは抵抗
値を調整することが可能であり、また断線等を防止する
目的で厚みを厚くすることができるとともに、酸化しに
くく、熱伝導率が低下しにくいからである。これらは、
単独で用いてもよく、２種以上の合金であってもよい。
さらには、タングステンやモリブデン等の炭化物の如き
導電性セラミックの印刷薄板を用いてもよい。

【００２５】これらの発熱体２は、セラミック基板１全
体の温度を均一にする必要があることから、図1に示す
ような櫛歯状のパターンや、同心円状のパターンと屈曲
線形状のパターンとを組み合わせたものなどとすること
が好ましい。また、この発熱体２の厚さは、１〜５０μ
ｍ程度が望ましく、その幅は、５〜２０mmが望ましい。

【００２６】この発熱体２は、断面が方形、楕円形、紡
錐形、蒲鉾形状のいずれでもよいが、上述した物理的手
段による固定のしやすさを考えると、断面が扁平なもの
であることが好ましい。しかも、断面が扁平形状の方が
加熱面に向かって放熱しやすいため、加熱面への熱伝搬
量を多くすることができ、加熱面の不均一な温度分布に
なりにくいからである。

【００２７】

【実施例】（実施例１）ホットプレートユニット （１）窒化アルミニウム粉末（トクヤマ社製、平均粒径
１.１μｍ）100重量部、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃：イ
ットリア、平均粒径０.４μｍ）４重量部、アクリルバ
インダ１２重量部およびアルコールからなる組成物のス
プレードライを行い、顆粒状の粉末を作製した。

【００２８】（２）この顆粒状の粉末を金型に入れ、平
板状に成形して生成形体（グリーン）を得た。 （３）加工処理の終わった生成形体を温度：1800℃、圧
力：２０ＭＰａでホットプレスし、厚さが３mmの窒化ア
ルミニウム焼結体を得た。次に、この焼結体から直径21
0mmまたは310mmの円板体を切り出し、セラミック製の板
状体（セラミック基板１）とした。

【００２９】次に、この板状体にドリル加工を施し、シ
リコンウエハのリフターピンを挿入するための貫通孔
３、熱伝対６を埋め込むための有底孔７（直径：１.１m
m、深さ：２mm）を形成した。

【００３０】（４）上記（３）で得た焼結体（基板）の
底面に、溶製金属板を圧延して得た半円弧櫛歯状の一対
の金属箔（銀−鉛合金）をねじまたは板ばねを使って、
図２(a)、(b)、図３に示したような方法で取付けた。
（５）上記窒化アルミニウム焼結体を780℃に加熱して
焼成することにより、厚さが５μｍ、幅２.４mm、面積
抵抗率が７.７ｍΩ／□の銀−鉛合金箔板からなる発熱
体２を固定した。

【００３１】（６）次に、基板の裏面に銀−鉛合金箔か
らなる発熱体２を固定した上記焼結体を、硫酸ニッケル
８０ｇ／１、次亜リン酸ナトリウム２４ｇ／１、酢酸ナ
トリウム１２ｇ／１、ほう酸８ｇ／1、塩化アンモニウ
ム６ｇ／１の濃度の水溶液からなる無電解ニッケルメッ
キ浴に浸漬し、前記銀−鉛合金箔の発熱体２の表面に、
厚さ１μｍの金属ニッケルを析出させて被覆した。

【００３２】（７）そして、外部端子１２を取付ける部
分に、スクリーン印刷により、銀−鉛ハンダペースト
（田中貴金属社製）を印刷して、ハンダペースト層を形
成した。次いで、そのハンダペースト層の上にコバール
製の外部端子を載置して、420℃で加熱リフローし、外
部端子をハンダ層を介して発熱体２の端部に取付けた。

【００３３】（８）温度制御のための熱電対６を有底孔
７に挿入し、その有底孔７中にポリイミド樹脂を充填
し、190℃で２時間硬化させた。

【００３４】（９）支持器100を用意し、発熱体２を有
するセラミック基板１を、断熱リング８を介してケーシ
ング１７の頂部内に嵌め込んだ。次に、前記中底板１１
を支持器100に取付け、外部端子１２を中底板１１に形
成した貫通孔３から引出し、リード線１４と接続された
ソケット１３を外部端子１２と接続することで、外部端
子１２とリード線１４とを接続した。その後、底板４を
支持器100に対し、ユキシマレーザで溶接して取付け、
ホットプレートの製造を終了した。

【００３５】（実施例２）発熱体をねじで固定したこと
以外は、実施例１と同じホットプレートを製造した。

【００３６】（比較例１、２）基板１の裏面への発熱体
２の固定の方法として、ホウケイ酸ガラスで接着した例
(1)、およびポリイミド樹脂で接着したこと以外は、実
施例１と同様にして、ホットプレートを製造した。

【００３７】このようにして得られた実施例および比較
例に係るホットプレートユニットに通電し、200℃まで
昇温した後、冷媒として室温の空気を用い、０.０１ｍ³
／分の流速で冷媒導入管から空気を吹き込み、冷却し
た。そして、このホットプレートユニットにつき、以下
のような基準で評価を行った。

【００３８】評価方法 （１）接着寿命 ヒータを200℃で1000時間加熱したときに、基板から発
熱体が剥離し、または脱落するか否かを目視観察した。 （２）抵抗変化率 ２５℃での１０ヶ所の抵抗を測定して、これを平均して
平均抵抗値(Ａ)を計算し、さらに、200℃で1000時間放
置後に、再度同じ抵抗測定を実施して平均抵抗値(Ｂ)を
計算し、次式に基づいて算出した。

【数１】

【００３９】

【表１】

【００４０】上記表１に示したように、実施例１および
２に係るホットプレートユニットでは、長時間にわたっ
て継続的に使用しても脱落のおそれが少なく、また抵抗
変化率も小さく熱劣化が少ないことがわかった。一方、
比較例１に係るホットプレートユニットでは、寿命が悪
く、とくに劣化が実施例に比べて速いという結果となっ
た。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体製造
・検査装置用セラミックヒータによれば、半導体ウエハ
を均一に加熱することができる他、降温や昇温時間のば
らつきも少なくすることができ、良好な特性を有するシ
リコンウエハ等の半導体関連製品を安定して製造するの
に有効である。また、本発明によれば、接着剤を使用せ
ずに発熱体の固定を行うので、剥離や脱落を起こすよう
なことがなく、装置寿命を著しく向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体製造・検査装置の一例であるホ
ットプレートユニットのとくにセラミック基板の裏面を
示す平面図である。

【図２】セラミック基板への発熱体固定例を例示する部
分断面図である。

【図３】本発明を適用したホットプレートユニットの縦
断面図である。

【符号の説明】

１．セラミック基板 ２．発熱体 ３．貫通孔 ４．底板 ８．断熱リング ９．締結具 １１．中底板 １５(a)、１５(b)、１５(c)．固定手段 １６．補助板 １７．ケーシング

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年６月４日（２００１．６．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】 半導体製造・検査装置用セラミック
ヒータ

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体製造・検査装
置などに用いられるセラミックヒータに関し、とくに高
温長時間に耐え得る超寿命の半導体製造・検査装置用セ
ラミックヒータの構造について提案する。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】

【課題を解決するための手段】上掲の目的の実現に向け
た研究の中で、発明者らは、発熱体を、接着剤を使用し
ないで基板に固定する方法を検討した結果、以下の要旨
構成に係る本発明に想到した。即ち、本発明は、セラミ
ック基板の加熱面とは反対側の表面に、金属や導電性セ
ラミック等からなる発熱体を、物理的手段を介して固定
してなる半導体製造・検査装置用セラミックヒータであ
る。

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 3/68 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５６７ Ｆターム(参考） 3K034 AA02 AA15 AA22 AA34 BB06 BC09 BC12 BC29 CA02 CA15 CA22 CA35 DA04 DA08 FA38 HA01 HA10 JA02 3K092 QA05 QA10 QB02 QB31 QB43 QB69 QB73 QB74 QC02 QC07 QC18 QC38 QC49 QC52 RF03 RF11 RF17 RF22 TT22 UA05 UA17 UA18 VV22 VV31 5F046 KA04

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック基板の加熱側の面とは反対側の
   表面に、金属もしくは導電性セラミックからなる発熱体
   を、物理的手段を介して固定してなるセラミックヒー
   タ。
2. 【請求項２】発熱体の物理的な固定手段として、ねじも
   しくは弾性体を用いることを特徴とする請求項１に記載
   のセラミックヒータ。
3. 【請求項３】ばねによる上記固定手段は、基板直下にあ
   る中底板もしくは底板との間に、コイルばねもしくは板
   ばねを介挿して行うようにしたことを特徴とする請求項
   ２に記載のセラミックヒータ。
4. 【請求項４】物理的な上記各固定手段に加えて、発熱体
   を接着剤によっても固定するようにしたことを特徴とす
   る請求項１〜３のいずれか１に記載のセラミックヒー
   タ。