JP2004207250A

JP2004207250A - セラミックヒーターおよびその製造方法

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Publication number: JP2004207250A
Application number: JP2004046091A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Furukawa; 正和古川
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】発熱体の酸化が効果的に防止し、抵抗値の変動を抑制する。
【解決手段】窒化物または炭化物からなる板状体の表面に、発熱体が設けられていると共に、この発熱体の表面が金属層にて被覆されていることを特徴とするセラミックヒーターであり、このヒータは少なくとも以下の１から４の工程にて製造される。
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板状体を得る工程。
２．上記１で得られたセラミック板状体上に、金属粒子または金属粒子と金属酸化物との混合物からなる導電ペーストを印刷する工程。
３．上記２の導電ペーストを加熱して焼結し、セラミックからなる板状体の表面に発熱体を設ける工程。
４.上記３で得られた発熱体表面を金属層で被覆する工程。
【選択図】図２

Description

本発明は、主に半導体産業において使用される乾燥用のヒーターに関し、特には、温度制御しやすく、また、薄くて軽いセラミックヒーターおよびその製造方法に関する。

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。その感光性樹脂は、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、塗布後は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、金属アルミニウム板の裏面に、発熱体を配線したものが用いられている。

ところが、このような金属アルミニウム製のヒーターは、次のような問題があった。それは、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、反りや歪みが発生してしまい、該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。そのため、ヒーターが重くなり、嵩張ってしまう。

また、発熱体の温度制御は、これに印加する電圧や電流量を変えることにより行われるが、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。そこで本発明は、温度制御がしやすく、薄くて軽いセラミックヒーターの提供に併せて、酸化しにくく密着性の良い発熱体を提供することを目的とする。

本発明者らは、従来技術が抱えている上述した問題について鋭意研究した結果、ヒーター板として、金属に代えて熱伝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、薄くしても反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基板の温度が迅速に追従するという事実を知見した。

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のが普通であるが、その導電ぺ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密着する事実も併せて知見した。さらに、発熱体表面をニッケルの如き金属にて被覆しておくと、この発熱体の酸化が効果的に防止でき、ひいては抵抗値の変動が抑制できることを見い出し、本発明に想到した。

上記知見に基づいて開発した本発明の要旨構成は次の通りである。
１．窒化物または炭化物からなる板状体の表面に、発熱体が設けられていると共に、この発熱体の表面が金属層にて被覆されていることを特徴とするセラミックヒーター。
２．前記発熱体は、金属粒子または金属粒子と金属酸化物との混合物を焼結して形成した１に記載のセラミックヒーター。

少なくとも以下の１〜４の工程を含むことを特徴とするセラミックヒーターの製造方法。
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板状体を得る工程。
２.上記１で得られたセラミック板状体上に、金属粒子または金属粒子と金属酸化物との混合物からなる導電ペーストを印刷する工程。
３.上記２の導電ペーストを加熱して焼結し、セラミックからなる板状体の表面に発熱体を設ける工程。
４．上記３で得られた発熱体表面を金属層で被覆する工程。

本発明にかかるセラミックヒーターは、薄くかつ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、温度制御しやすい。さらに、発熱体の表面が非酸化性の金属層に覆われているので、発熱体の酸化が防止でき、ひいては抵抗値の変動を抑えることができる。

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、加熱により反ったり、歪んだりしない。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、ヒーター板の熱伝導率が高く、また、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ことにより、ヒーター板の表面温度を制御できるのである。このヒーター板の厚さは、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。

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、窒化けい素、窒化ほう素、窒化チタンから選ばれるいずれか１種以上を用いることが望ましい。また、炭化物セラミックは、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、炭化タングステンから選ばれるいずれか１種以上を用いることが望ましい。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。熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋと高いからである。

本発明では、前記発熱体は、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。それは加熱焼成により該導電ペーストをセラミックヒーター板の表面に焼き付けることができるからである。なお、この焼結により、金属粒子同士、金属粒子とセラミックとが融着する。こうして得られた発熱体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、図１に示すように、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、１〜２０マイクロメートルが望ましく、幅は０．５〜５ｍｍが望ましい。パターンの厚さや幅を変えること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。なお、抵抗値は、薄く、細くなるほど大きくなる。

前記導電ペーストは、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。これら金属粒子の粒径は０．１〜１００マイクロメートル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。

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。

前記導電ペーストには、前記金属粒子に加えて金属酸化物を混合し、いわゆる発熱体を金属粒子と金属酸化物との混合物を焼結し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。このとき、金属酸化物を添加すると、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、この酸化膜どうしが金属酸化物を介して焼結して一体化することで、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。

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 (B_２O_３) 、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。

本発明では、発熱体の表面は、金属層で被覆することが必要である。この理由は、上記発熱体は金属粒子の焼結体であることから、露出していると酸化しやすく抵抗値が変化してしまうが、この発熱体の表面を金属層で被覆すれば酸化を防止できるからである。金属層の厚さは、０．１〜１０マイクロメートルが望ましい。それは、この範囲だと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。

発熱体の表面へ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いずれか１種以上がよい。なかでもニッケルが好適である。その理由は、発熱体には電源と接続するための端子が設けられるが、この端子を、はんだを介して発熱体に取り付けるとき、ニッケルは、はんだ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。

また、前記はんだは、銀−鉛、鉛−錫、ビスマス−錫などの合金を使用することができる。なお、はんだ層の厚さは、０．１〜５０マイクロメートルが望ましい。このはんだによる接続を確保するに好適だからである。本発明では、必要に応じてヒーター板に熱電対を埋め込んでおくことができる。この熱電対により、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からである。

図２は、本発明に係るセラミックヒーターを示すものであり、前記ヒーター板１には、貫通孔８を複数設けてその孔８に支持ピン７を挿入し、その支持ピン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を載置するようになっている。また、この支持ピン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、逆にその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。
以下、本発明にかかるセラミック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。この工程では、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に、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加えてスプレードライ法などにより顆粒状にし、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。

このとき、かかる生成形体には、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ことができる。次いで、前記生成形体を加熱焼成して焼結し、セラミック製の板状体を製造する。加熱焼成の際に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、１０００〜２５００℃である。

(2) 上記(1) で得られた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。この工程において、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。

(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)の表面に発熱体を形成する工程。この工程では、導電ペーストを加熱焼成して、樹脂や溶剤を除去するとともに、金属粒子を焼結させる。このときの加熱焼成温度は、５００〜１０００℃である。この場合、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。

(4) 次に、上記発熱体表面に金属層を被覆する。この金属層の被覆は、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) 次に、上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ピンをはんだにて取り付ける。この工程では、端子ピンを取り付ける発熱体の部位に、はんだペーストを印刷し、その後、該はんだペースト印刷部の所定の位置に端子ピンを載せて、加熱してリフローする。加熱温度は、２００〜５００℃が好適である。さらに、必要に応じて熱電対を埋め込むことができる。以下、実施例によってさらに詳しく説明する。

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マイクロメートル ) 100 重量部、イットリア (酸化イットリウムのこと平均粒径 0.4マイクロメートル) 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入れて、平板状に成形して生成形体を得た。生成形体をドリル加工して、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／cm^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。

(4) 上記(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) 上記導電ペーストを印刷したヒーター板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、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５マイクロメートル、幅2.4 mmであった。

(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中に、上記(5) で得たヒーター板１を浸漬し、銀−鉛の焼結体４の表面に厚さ１マイクロメートルのニッケル層５を析出させて発熱体２とした。

(7) 上記(6) で得た発熱体２に対し、所定の位置、即ち電源との接続を確保するための端子ピンを取り付ける部分に、スクリーン印刷１より、銀−鉛はんだペーストを印刷してはんだ層 (田中貴金属製) ６を形成した。ついで、そのはんだ層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) を埋め込み、ヒーター１００を得た。

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マイクロメートルの炭化けい素粉末を使用し、焼結温度を1900℃とした。

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／mm^２、実施例２のヒーターは３kg／mm^２であった。

(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２４秒を要した。

以上のように、本発明は主に半導体産業において使用される乾燥用のヒーターに関し、特には、温度制御しやすく、また、薄くて軽いセラミックヒーターおよびその製造方法に関する。

本発明のヒーターの模式図。本発明のヒーターの使用状態を表す断面図。

符号の説明

１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はんだ層
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

窒化物または炭化物のセラミックからなる板状体の表面に、発熱体が設けられていると共に、この発熱体の表面が金属層にて被覆されてなるセラミックヒーター。
前記発熱体は、金属粒子または金属粒子と金属酸化物との混合物を焼結して形成した請求項１に記載のセラミックヒーター。
少なくとも以下の１〜４の工程を含むことを特徴とするセラミックヒーターの製造方法。
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板状体を得る工程。
２．上記１で得られたセラミック板状体上に、金属粒子または金属粒子と金属酸化物との混合物からなる導電ペーストを印刷する工程。
３．上記２の導電ペーストを加熱して焼結し、セラミックからなる板状体の表面に発熱体を設ける工程。
４.上記３で得られた発熱体表面を金属層で被覆する工程。