JP2004214211A

JP2004214211A - ヒーター

Info

Publication number: JP2004214211A
Application number: JP2004043977A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Furukawa; 正和古川
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】温度制御しやすく、薄くて軽いヒーターを提供する。
【解決手段】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の表面に金属粒子を焼結して形成した発熱体が設けられていると共に、この板状体には熱電対用の凹部が形成されていることを特徴とするヒーター。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、加熱によりそったり、歪んだりしない。そのため、かかるヒーター板は薄くて軽いものとすることができる。また、かかるヒーター板は、熱伝導率が高く、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。
【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ヒーターに関し、とくに、温度制御しやすく、また、薄くて軽いヒーターに関する。

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。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、塗布後に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、アルミニウム板の裏面に発熱体を配線したものが採用されている。

ところが、このような金属性のヒーターは次のような問題があった。まず、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、そり、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してしまうからである。このため、ヒーターの重量が大きくなり、かさばってしまう。

また、発熱体に印加する電圧や電流量を変えることにより、加熱温度を制御するのであるが、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。本発明は、温度制御しやすく、薄くて軽いヒーターを提供することを目的とする。

発明者らは、鋭意研究した結果、ヒーター板として、金属に代えて熱電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、薄くしてもそ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ヒーター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性質があるが、導電ペ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の密着性が向上する事実も合わせて知見した。

上記の知見に基づいて開発した本発明の構成は次の通りである。
(1) 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の表面に金属粒子を焼結して形成した発熱体が設けられていると共に、この板状体には凹部が形成されていることを特徴とするヒーター。

(2) 前記凹部は、熱電対を埋め込むために用いられるものであることを特徴とする(1) に記載のヒーター。
(3) 前記発熱体は、金属粒子および金属酸化物を焼結して形成したものであることを特徴とする(1) に記載ヒーター。

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ものであ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、加熱によりそったり、歪んだりしない。そのため、かかるヒーター板は薄くて軽いものとすることができる。また、かかるヒーター板は、熱伝導率が高く、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特性に優れており、ヒーター板の表面温度制御も容易にできる。

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、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタンから選ばれるいずれか１種以上が望ましい。前記炭化物セラミックは、金属炭化物セラミック、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、炭化タングステンから選ばれる少なくとも１種以上が望ましい。これらのセラミックの中で窒化アルミニウムが最も好適である。熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋと最も高いからである。前記ヒーター板は、０．５〜５ｍｍ程度の厚さがよい。薄すぎると破損しやすくなるからである。

本発明において、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。加熱焼成によりセラミック板表面に焼き付けることができるからである。なお、焼結は、金属粒子同士、金属粒子とセラミックが融着していれば十分である。図１に示すように発熱体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、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。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。

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。金属粒子としては、金、銀、白金、パラジウム、鉛、タングステン、ニッケルから選ばれる少なくとも１種を用いる。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、金属粒子に加えて金属酸化物を含ませて、発熱体を金属粒子および金属酸化物を焼結させ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。金属酸化物により、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、この酸化膜同士が金属酸化物を介して焼結して一体化し、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、シリカ、酸化ホウ素 (B_２O_３)、アルミナ、イットリア、チタニアから選ばれる少なくとも１種以上がよい。これらの酸化物は、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。

本発明において、前記発熱体の表面は、金属層で被覆することが望ましい。その理由は、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。そこで、該発熱体の表面を金属層で被覆することにより、酸化を防止するのである。金属層の厚さは、０．１〜１０マイクロメートルが望ましい。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範囲だからである。

被覆に使用する金属は、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、ニッケルから選ばれる少なくとも１種以上がよい。なかでもニッケルが好適である。発熱体には電源と接続するための端子が必要であり、この端子は、半田を介して発熱体に取り付けるが、ニッケルは半田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、半田は銀−鉛、鉛−スズ、ビスマス−スズなどの合金を使用することができる。なお、半田層の厚さは、０．１〜５０マイクロメートルが望ましい。半田による接続を確保するに充分な範囲だからである。本発明は、前記ヒーター板に凹部を設けて熱電対を埋め込んでおく。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ようになるからである。

また、図２に示すように、ヒーター板１に貫通孔８を複数設け、その貫通孔８に支持ピンを挿入し、発熱体２が設けられている側とは反対側にあるその支持ピン７上に半導体ウエハー９を載置することができる。また、支持ピン７を上下させて半導体ウエハー９を受け取ったりすることができる。

次に、上記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：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ケイ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、バインダー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、板状に形成して生成形体を製造する。

生成形体には、熱電対を埋め込む凹部や半導体ウエハーの支持ピンを挿入するための貫通孔を設ける。次に、この生成形体を加熱焼成して焼結してセラミック製の板状体を製造する。加熱焼成の際、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度である。

(2) 工程(1) の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：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)の表面に発熱体を設ける工程：導電ペーストを加熱焼成して、樹脂、溶剤を除去するとともに、金属粒子を焼結させる。加熱焼成温度は、５００〜１０００度である。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) さらに、発熱体表面に金属層を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。
(5) 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る。

取り付け部位に半田ペーストを印刷した後、端子を乗せて、加熱してリフローする。加熱温度は、２００〜５００度が好適である。そして、生成形体に設けた凹部に熱電対を埋め込む。以下、実施例に沿って説明する。

以上説明したように、本発明にかかるヒーターは、薄く、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、凹部を設けて熱電対を埋め込んでいるので、温度制御しやすいという効果がある。

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、アクリルバインダー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、平板状態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貫通孔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度、圧力２３０ｋｇ／ｍｍ^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) (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) 導電ペーストを印刷したヒーター板を７８０度で加熱焼成して、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２．４ｍｍ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) 電源との接続を確保するための端子を取り付ける部分に、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、４２０度で加熱リフローし、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) を凹部内に埋め込み、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度とした。

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、３．１ｋｇ／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を発熱体に挟み、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。

本発明のヒーターの模式図である。本発明のヒーターの使用状態を表す断面図である。

符号の説明

１セラミック製の板状体 (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

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の表面に金属粒子を焼結して形成した発熱体が設けられていると共に、この板状体には凹部が形成されていることを特徴とするヒーター。
前記凹部は、熱電対を埋め込むために用いられるものであることを特徴とする請求項１に記載のヒーター。
前記発熱体は、金属粒子および金属酸化物を焼結して形成したものであることを特徴とする請求項１に記載のヒーター。
前記金属酸化物は、酸化鉛、酸化亜鉛、シリカ、酸化硼素、アルミナ、イットリア、チタニアから選ばれるいずれか１種以上であることを特徴とする請求項３に記載のヒーター。
このヒーターが、半導体ウエハ用ヒーターとして用いられるものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載のヒーター。