JP2003100142A - セラミックヒーター用導電ペーストおよびセラミックヒーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミック基板との密着性に優れた発熱体を
形成するための導電ペーストと、この導電ペーストを用
いて発熱体を形成してなるセラミックヒーターとを提供
する。 【解決手段】 金属および金属酸化物を含有するセラミ
ックヒーター用導電ペーストおよび窒化物セラミックま
たは炭化物セラミックからなるセラミック基板の表面
に、金属および金属酸化物を含有する発熱体が形成され
たものであって、前記セラミック基板および前記発熱体
は、これらの表面に形成された酸化膜を介して密着して
いるセラミックヒーター。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主としてセラミッ
クヒーターに用いられる発熱体用ペーストとそれを用い
たセラミックヒーターに関するものである。

【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するのが
普通である。その感光性樹脂は、シリコンウエハー表面
にスピンコーターなどで塗布されているが、塗布後は乾
燥させなければならない。そのために、感光性樹脂を塗
布したシリコンウエハーは、ヒーターを使って加熱する
必要がある。従来、このようなヒーターとしては、金属
(Al) 板の裏面に、発熱体を配線したものが用いられて
いる。

【０００３】ところが、このような金属 (Al) 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、ヒーターの厚みは15 mm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、金属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、ヒーターは重
くなり、嵩張ってしまうという問題があった。しかも、
このヒーターによる加熱温度は、発熱体への印加電圧や
電流量を変えることにより制御しているが、金属板は厚
いために、電圧や電流量の変化に対する応答性が悪く、
温度が迅速に追従しないことから、温度制御しにくいと
いう問題もあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これに対して最近、上
記金属ヒーターのもつ問題点を克服するヒーターとし
て、セラミックヒーターが開発されている。このセラミ
ックヒーターは温度制御しやすく、軽くて薄いという特
長がある。しかしながら、セラミックヒーターは、ヒー
ター基板と発熱体との密着性が悪いという課題を抱えて
いた。本発明の目的は、セラミック基板との密着性に優
れた発熱体を形成するための導電ペーストと、この導電
ペーストを用いて発熱体を形成してなるセラミックヒー
ターとを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで発明者らは、セラ
ミックヒーターの、とくに発熱体とヒーター基板との密
着性について鋭意研究した結果、窒化物セラミックや炭
化物セラミックの如きセラミック基板に対しては、金属
粒子を含む導電ペーストの場合は本来、密着性が悪いの
が普通であるが、この導電ペーストに金属酸化物を加え
ると、金属の粒子と窒化物セラミックや炭化物セラミッ
クとがよく密着するようになることを知見した。

【０００６】上記知見に基づいて構成された本発明は、
金属および金属酸化物を含有することを特徴とするセラ
ミックヒーター用導電ペーストである。

【０００７】また、本発明は、金，銀，白金，パラジウ
ム，鉛，タングステンおよびニッケルのうちから選ばれ
るいずれか少なくとも１種以上からなる粒子と、酸化
鉛，酸化亜鉛，酸化けい素，酸化ほう素，酸化アルミニ
ウム，酸化イットリウムおよび酸化チタンのうちから選
ばれる少なくとも１種以上からなるものと、からなるこ
とを特徴とするセラミックヒーター用導電ペーストであ
る。

【０００８】また、本発明は、窒化物セラミックまたは
炭化物セラミックからなるセラミック基板の表面に、金
属および金属酸化物を含有する発熱体が形成されてなる
セラミックヒーターであって、前記セラミック基板の表
面には酸化膜が形成されてなることを特徴とするセラミ
ックヒーターである。窒化物セラミックまたは炭化物セ
ラミックからなるセラミック基板の表面に、金属および
金属酸化物を含有する発熱体が形成されたものであっ
て、前記セラミック基板および前記発熱体は、これらの
表面にそれぞれ形成された酸化膜を介在させて密着して
いるセラミックヒーターである。なお、前記セラミック
ヒーター基板には、焼結助剤を含有することが好まし
い。

【０００９】さらに、本発明は、焼結助剤を含有する窒
化物セラミックまたは炭化物セラミックからなるセラミ
ック基板上に金属および金属酸化物を含有する発熱体が
形成されてなることを提案する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明を適用するときに用いられ
るセラミック基板 (以下、単に「基板」という) 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が
用いられる。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、反ったり歪んだりすることがない。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、
この基板は、熱伝導率が高く、また薄いため、その表面
温度を発熱体の温度変化に迅速に追従させることができ
る。即ち、電圧や電流量を変えて発熱体の温度を変化さ
せる際に、セラミック基板表面温度の制御が容易にな
る。かかる基板の厚さとしては、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。

【０００１１】なお、基板材である前記窒化物セラミッ
クとしては、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、窒化ほう素および窒化チタンな
どのうちから選ばれるいずれか１種以上のセラミックス
が望ましい。また、炭化物セラミックとしては、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、炭化タングステンなど
のうちから選ばれるいずれか１種以上のセラミックスが
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。それは、窒化アルミニウムの場
合、熱伝導率が180 Ｗ／ｍ・Ｋと最も高いからである。

【００１２】本発明において、上記セラミック基板に設
けられる発熱体は、導電ペースト，とくにその中の金属
粒子および金属酸化物を焼結して形成される。即ち、か
かる導電ペーストは、加熱焼成によってセラミック基板
の表面に焼き付けることができる。この焼結時、金属粒
子同士、金属粒子と基板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、基板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。

【００１３】本発明において、前記発熱体形成用導電ペ
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。これら金属は、粒径
が 0.1〜100μｍのもの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】かかる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】本発明にかかる前記導電ペーストの特徴
は、前記金属粒子に加えて金属酸化物を含むことにあ
る。この理由は、窒化物セラミックまたは炭化物セラミ
ックと金属粒子との密着性を改善するのに、金属酸化物
が有効に作用するためである。即ち、金属酸化物を含有
させることにより、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より一層改善されるか
らである。その理由は必ずしも明確ではないが、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一体化して焼結する結果、
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
の密着性が向上するのではないかと推定される。

【００１６】換言すれば、本発明は、窒化物セラミック
または炭化物セラミックからなるセラミック基板の表面
に、金属および金属酸化物を含有する発熱体が形成され
てなるセラミックヒーターであって、前記セラミック基
板および発熱体は、これらの表面にそれぞれ形成された
酸化膜を介在させて密着しているセラミックヒーターと
いえる。

【００１７】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 (Ｂ₂Ｏ₃) 、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。

【００１８】本発明にかかる上記導電ペーストを用いて
発熱体を形成した場合、その発熱体の表面を金属層で被
覆することが望ましい。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。即ち、発熱体表面を金属層で被覆する
と、酸化が防止できるからである。金属層の厚さとして
は、0.1 〜10μｍ程度が望ましい。それは、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。

【００１９】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。

【００２０】なお、本発明において用いられる前記セラ
ミック基板１は、図２に示すように、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。そして、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、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。

【００２１】次に、本発明にかかる導電ペーストを用い
て発熱体およびセラミックヒーターそのものを製造する
方法について以下に説明する。 （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
らなるセラミック基板を形成する工程。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けい素な
どの炭化物セラミックの粉体、必要に応じてイットリア
などの焼結助剤やバインダーなど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、板状に成形して生成形体を製造する。

【００２２】このとき、生成形体に、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。次に、前記生成形体を加熱−焼
成して焼結することにより、セラミック製板状の基板を
製造する。加熱焼成の際は、加圧すれば気孔のないヒー
ターの製造に有効である。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。

【００２３】（２）（１）のセラミック板に対し、金属
粒子および金属酸化物を含む導電ペーストを印刷する工
程。かかる導電ペーストとしては、上述した金属粒子、
および上述した金属酸化物の他、さらに上述したような
樹脂、溶剤からなる粘度の高い流動物が用いられる。こ
の導電ペーストを、スクリーン印刷法などにより、セラ
ミック基板の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、できれば図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。

【００２４】（３）次に、前記セラミック基板を加熱し
て導電ペーストを焼結させ、セラミック基板の表面に発
熱体を形成する工程。導電ペーストは、加熱焼成によっ
て、樹脂や溶剤が除去されるとともに、金属粒子および
金属酸化物が焼結される。このときの加熱焼成の温度
は、500〜1000℃である。この場合、本発明にかかる導
電ペーストの場合、その中に金属酸化物を含有している
ので、この金属酸化物の介在下に金属粒子およびセラミ
ック基板とが焼結して一体化するため、発熱体とセラミ
ック基板との密着性が向上する。

【００２５】（４）さらに、前記発熱体の表面は金属層
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。このよ
うにして、窒化物セラミックまたは炭化物セラミックか
らなるセラミック基板の表面のうち、半導体ウエハーが
位置する側とは反対側の面に、金属および金属酸化物を
含有する導電ペーストを印刷したのち、加熱焼成して得
られる発熱体が形成されてなることを特徴とするセラミ
ックヒーターが得られる。

【００２６】（５）そして、前記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て
製品のセラミックヒーターとする。

【００２７】なお、取り付け部位には半田ペーストを印
刷した後、端子を載せて200〜500℃の温度に加熱するリ
フロー処理を行い、さらに、必要に応じて熱電対を埋め
込んでもよい。以下、実施例に沿って説明する。

【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いれて、平板状に成形して生
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／cm²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 230 mmの円状に切り出してセラミック製の
板状体 (セラミック基板) １とした。

【００２９】（４）（３）で得たセラミック基板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ＰＳ６０
３を使用した。この導電ペーストは、金属酸化物入り銀
／鉛ペーストであり、金属酸化物として酸化鉛、酸化亜
鉛、酸化けい素、酸化ほう素、酸化アルミニウムを含
む。 （５）上記導電ペーストを印刷したセラミック基板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、該基板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80 ｇ／ｌ、次亜リン
酸ナトリウム24 ｇ／ｌ、酢酸ナトリウム12 ｇ／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。 （７）電源との接続を確保するための端子を取付ける部
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、42
0 ℃で加熱リフローし、端子ピン３を発熱体２の表面
に取付けた。 （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。

【００３１】(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。

【００３２】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／mm²、実施例２のヒーターは３kg／mm²であ
った。

【００３３】(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15 mm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。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
セラミック基板と発熱体の密着性を向上させることがで
き、ひいては、薄くて軽いセラミックヒーターを提供す
ることができ、実用的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる導電ペーストを用いて形成した
発熱体を有するセラミックヒーターの模式図。

【図２】ヒーターの使用状態を示す断面図。

【符号の説明】

１ セラミック基板 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

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属および金属酸化物を含有することを
   特徴とするセラミックヒーター用導電ペースト。
2. 【請求項２】 金，銀，白金，パラジウム，鉛，タング
   ステンおよびニッケルのうちから選ばれるいずれか少な
   くとも１種以上からなる粒子と、酸化鉛，酸化亜鉛，酸
   化けい素，酸化ほう素，酸化アルミニウム，酸化イット
   リウムおよび酸化チタンのうちから選ばれるいずれか１
   種以上からなるものと、からなることを特徴とするセラ
   ミックヒーター用導電ペースト。
3. 【請求項３】 窒化物セラミックまたは炭化物セラミッ
   クからなるセラミック基板の表面に、金属および金属酸
   化物を含有する発熱体が形成されてなるセラミックヒー
   ターであって、 前記セラミック基板の表面には酸化膜が形成されてなる
   ことを特徴とするセラミックヒーター。
4. 【請求項４】 前記窒化物セラミックまたは炭化物セラ
   ミックからなるセラミック基板には焼結助剤を含むこと
   を特徴とする請求項３に記載のセラミックヒーター。
5. 【請求項５】 焼結助剤を含有する窒化物セラミックま
   たは炭化物セラミックからなるセラミック基板上に金属
   および金属酸化物を含有する発熱体が形成されてなるこ
   とを特徴とするセラミックヒーター。