JP2005209981A - Cooling block, heater unit and apparatus mounting same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷却ブロック並びに該冷却ブロックと熱処理を施すためのヒータ基板とを組み合せたヒータユニットおよびこれを搭載した装置に関する。特に、エッチング装置、スパッタ装置、プラズマCVD装置、減圧プラズマCVD装置、メタルCVD装置、絶縁膜CVD装置、低誘電率膜(Low−K)CVD装置、MOCVD装置、デガス装置、イオン注入装置、コータデベロッパなどの半導体製造装置や半導体検査装置、あるいはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置や、フォトレジスト加熱処理装置に関するものである。 The present invention relates to a cooling block, a heater unit in which the cooling block and a heater substrate for performing heat treatment are combined, and an apparatus equipped with the heater unit. In particular, etching apparatus, sputtering apparatus, plasma CVD apparatus, low pressure plasma CVD apparatus, metal CVD apparatus, insulating film CVD apparatus, low dielectric constant film (low-K) CVD apparatus, MOCVD apparatus, degas apparatus, ion implantation apparatus, coater developer The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus, a semiconductor inspection apparatus, a flat display panel manufacturing / inspection apparatus, and a photoresist heat treatment apparatus.
従来、半導体の製造工程では、被処理物である半導体基板(ウェハ)に対して成膜処理やエッチング処理など様々な処理が行われる。このような半導体基板に対する処理を行う半導体製造装置では、半導体基板を保持し、半導体基板を加熱するためのセラミックスヒータが用いられている。 Conventionally, in a semiconductor manufacturing process, various processes such as a film formation process and an etching process are performed on a semiconductor substrate (wafer) that is an object to be processed. In a semiconductor manufacturing apparatus that performs processing on such a semiconductor substrate, a ceramic heater for holding the semiconductor substrate and heating the semiconductor substrate is used.
例えば、フォトリソグラフィー工程においては、ウェハ上にレジスト膜パターンが形成される。この工程では、ウェハを洗浄後、加熱乾燥し、冷却後ウェハ表面にレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィー処理装置内のセラミックスヒータ上にウェハを搭載し、乾燥した後、露光、現像などの処理が施される。このフォトリソグラフィー工程では、レジストを乾燥するときの温度が塗膜の品質に大きな影響を与えるので、セラミックスヒータの処理時の温度の均一性が重要である。 For example, in the photolithography process, a resist film pattern is formed on the wafer. In this process, the wafer is cleaned, heat-dried, cooled, coated with a resist film on the wafer surface, mounted on a ceramic heater in a photolithography processing apparatus, dried, and then subjected to processing such as exposure and development. Applied. In this photolithography process, since the temperature at which the resist is dried greatly affects the quality of the coating film, the temperature uniformity during the processing of the ceramic heater is important.
また、CVD工程では、ウェハを洗浄、乾燥した後、CVD装置内のセラミックスヒータ上にウェハを搭載し、ウェハ表面に化学反応によって絶縁膜や金属膜を成膜する。この化学反応時の温度が、絶縁膜や金属膜の品質に大きく影響するので、やはりセラミックスヒータの温度の均一性が重要である。 In the CVD process, after cleaning and drying the wafer, the wafer is mounted on a ceramic heater in the CVD apparatus, and an insulating film or a metal film is formed on the wafer surface by a chemical reaction. Since the temperature during this chemical reaction greatly affects the quality of the insulating film and the metal film, the temperature uniformity of the ceramic heater is also important.
また、これらのウェハの処理はスループットを向上させるために、できるだけ短時間で終わらせることが要求される。このため、発明者等は、加熱したヒータを短時間で冷却するために冷却手段を有する半導体製造装置を検討してきた。例えば、特許文献1では、ヒータのウェハ搭載面とは反対側の面に、当接、分離が可能な冷却ブロックを備えた半導体製造装置を提案した。
Further, these wafer processes are required to be completed in as short a time as possible in order to improve the throughput. For this reason, the inventors have studied a semiconductor manufacturing apparatus having a cooling means in order to cool the heated heater in a short time. For example,
また、特許文献2では、冷却ブロックに冷却用液体の流路を形成し、冷却速度をさらに向上させるとともに、冷却開始から冷却終了までのヒータの温度の均一性を保つような半導体製造装置を提案した。
最近の電子デバイスなどの半導体製造プロセスにおいては、更なるヒータの温度分布の均一性が要求されており、加熱保持中はもちろんのこと、冷却開始から冷却終了までの間のヒータの温度分布の更に高い均一性が要求されている。 In recent semiconductor manufacturing processes such as electronic devices, further uniformity of the temperature distribution of the heater is required, and the temperature distribution of the heater from the start of cooling to the end of cooling as well as during heating and holding is further increased. High uniformity is required.
そこで、本発明の目的は、冷却開始から冷却終了までの間のヒータの温度分布をより均一にできる冷却ブロック、該冷却ブロックとヒータとを組み合せたヒータユニット及びこれを搭載した装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a cooling block that can make the temperature distribution of the heater more uniform from the start to the end of cooling, a heater unit that combines the cooling block and the heater, and an apparatus equipped with the same. It is.
発明者等は、特許文献2の技術において、冷却開始から冷却終了までのヒータの温度分布をさらに均一にすることを検討した結果、冷却ブロックに形成する冷却媒体の流路の配置が、ヒータの温度分布に影響を与えることを見出した。すなわち、本発明の冷却ブロックは、冷媒流路を有し、該冷媒流路の復路が往路に沿って配設されている。このように冷媒流路を配置すれば、冷却開始から冷却終了までのヒータの温度分布の均一性が向上することを見出した。前記冷媒流路の往路と復路は略同一平面上に配設されていることが好ましい。
The inventors have studied to further uniform the temperature distribution of the heater from the start of cooling to the end of cooling in the technique of
また、前記冷媒流路の往路と復路の間隔が、15mm以下であることが好ましく、前記冷却ブロックが、熱伝導率が30W/mK以上の材質からなることが好ましく、熱伝導率が100W/mK以上の材質からなることが更に好ましい。 The distance between the forward path and the return path of the refrigerant flow path is preferably 15 mm or less, the cooling block is preferably made of a material having a thermal conductivity of 30 W / mK or more, and the thermal conductivity is 100 W / mK. More preferably, it consists of the above materials.
また、前記冷却ブロックの表面がニッケルメッキされていることが好ましい。更に、前記冷却ブロックの材質が、アルミニウムであり、該冷却ブロックの表面がアルマイト処理されていることが好ましい。 The surface of the cooling block is preferably nickel-plated. Furthermore, the material of the cooling block is preferably aluminum, and the surface of the cooling block is preferably anodized.
更に、本発明のヒータユニットは、被加熱物を載置して加熱処理するヒータ基板と、前記いずれかの冷却ブロックとから成ることを特徴とする。前記冷却ブロックは、前記ヒータ基板に接合されているかあるいは、前記ヒータ基板に対し、当接及び分離する手段を有することが好ましい。 Furthermore, the heater unit of the present invention comprises a heater substrate on which an object to be heated is placed and heat-treated, and any one of the cooling blocks. It is preferable that the cooling block is bonded to the heater substrate or has means for contacting and separating from the heater substrate.
前記ヒータの主成分が、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素のうちのいずれかであることが好ましく、特に窒化アルミニウムであることが好ましい。 The main component of the heater is preferably aluminum nitride, aluminum oxide, silicon carbide, or silicon nitride, and particularly preferably aluminum nitride.
このようなヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置、あるいはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置、またはフォトレジスト加熱処理装置は、従来の装置よりもヒータの温度分布がより均一になるので、半導体やフラットディスプレイパネルの特性や歩留り、信頼性あるいは集積度や画像品質の向上が図れる。 A semiconductor manufacturing / inspection apparatus equipped with such a heater unit, a flat display panel manufacturing / inspection apparatus, or a photoresist heat treatment apparatus has a more uniform heater temperature distribution than conventional apparatuses. The characteristics, yield, reliability, integration degree, and image quality of the flat display panel can be improved.
本発明によれば、冷却開始から冷却終了までの間のヒータの温度分布をより均一にできる冷却ブロック並びに該冷却ブロックとヒータを組み合せたヒータユニットを提供することができる。このようなヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置、あるいはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置、またはフォトレジスト加熱処理装置は、従来の装置よりもヒータの温度分布がより均一になるので、半導体やフラットディスプレイパネルの特性や歩留り、信頼性あるいは集積度や画像品質の向上が図れる。 According to the present invention, it is possible to provide a cooling block that can make the temperature distribution of the heater more uniform from the start of cooling to the end of cooling, and a heater unit that combines the cooling block and the heater. A semiconductor manufacturing / inspection apparatus equipped with such a heater unit, a flat display panel manufacturing / inspection apparatus, or a photoresist heat treatment apparatus has a more uniform heater temperature distribution than conventional apparatuses. The characteristics, yield, reliability, integration degree, and image quality of the flat display panel can be improved.
本発明の実施の形態を、図1を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態の一例であり、円形の冷却ブロック1の冷媒流路2の平面模式図を示す。矩形の場合の平面模式図を図2に示す。冷却ブロック1には、冷媒流路2が形成されており、冷媒流路の往路2aは冷却ブロックの外周部から内周部へと配設され、冷却ブロックの中央付近の折り返し部2cで折り返して復路2bにつながっている。そして、冷媒流路の復路2bが往路2aに沿って、略同一平面上に配設されている。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an example of an embodiment of the present invention, and shows a schematic plan view of a
冷却媒体は、冷却媒体入口3から冷却媒体流路の往路2aへ導入され、折り返し部2cを経て、復路2bを経由して出口4から冷却ブロック外へ出て行く。冷却ブロックが、例えばヒータに接触してヒータを冷却するとき、冷却媒体は、入口から入って、出口から出ていくまでの間、単位時間当りほぼ一定の熱量を受け取る。
The cooling medium is introduced from the
従って、冷却媒体の温度は、入口に入ってから上昇しはじめ、その流路の長さに比例して、温度が上昇していく。この時、入口と出口を冷却ブロックのほぼ同じ位置に配置し、冷媒流路の往路と復路を沿うように配設すれば、往路と復路の長さはほぼ同じになり、冷媒流路の長さに関係なく、往路と復路の平均温度は、一定となる。従って、冷却ブロックの温度分布の均一性が向上することを見出した。冷却ブロックの温度分布の均一性が向上すれば、冷却ブロックで冷却する例えばヒータなどの温度分布の均一性が向上する。 Therefore, the temperature of the cooling medium begins to rise after entering the inlet, and the temperature rises in proportion to the length of the flow path. At this time, if the inlet and the outlet are arranged at substantially the same position of the cooling block and are arranged along the forward path and the return path of the refrigerant flow path, the lengths of the forward path and the return path become substantially the same, and the length of the refrigerant flow path Regardless of this, the average temperature on the forward and return paths is constant. Therefore, it has been found that the uniformity of the temperature distribution of the cooling block is improved. If the uniformity of the temperature distribution of the cooling block is improved, the uniformity of the temperature distribution of, for example, a heater cooled by the cooling block is improved.
図1あるいは図2において、往路2aの長さをLとし、入口3における冷却媒体の温度をTin、冷媒流路内の単位長さあたりでの冷却媒体の温度上昇をΔTとしたとき、入口からxの距離での往路内の冷却媒体の温度は、Tin+ΔT・xとなる。同じ位置の復路内の冷却媒体の温度は、復路の長さは往路の長さと同じであるから、Tin+ΔT・(2L−x)となる。
1 or 2, when the length of the
従って、入口からxの距離での、往路内と復路内の冷却媒体の平均温度は、Tin+ΔT・Lとなり、冷却媒体の流路の位置に関係なく、一定の温度になる。ここで、入口3と出口4の位置関係は、図1や図2に示すように入口を冷却ブロックの中心側になるように配置することが好ましい。これは、冷却媒体が最も低温である入口を、冷却ブロックの中心側にした方が、冷却ブロック全体の冷却効果が高まるからである。
Therefore, the average temperature of the cooling medium in the forward path and the return path at the distance x from the inlet is Tin + ΔT · L, and is constant regardless of the position of the flow path of the cooling medium. Here, the positional relationship between the
往路と復路の間隔が広いと、冷却媒体の平均温度を一定にする効果は小さくなり、冷却媒体の流路の位置によって平均温度に差がでることになる。往路と復路の間隔は、15mm以下にした方が、冷却ブロックの温度分布の均一性が、より向上する。更に、冷却ブロックの材質として、熱伝導率が30W/mK以上のものを用いると、冷却ブロックの温度分布の均一性がより向上する。更に高い均一性を要求される用途では、熱伝導率が100W/mK以上のものを用いることが望ましい。 When the distance between the forward path and the return path is wide, the effect of making the average temperature of the cooling medium constant becomes small, and the average temperature varies depending on the position of the flow path of the cooling medium. The uniformity of the temperature distribution of the cooling block is further improved when the distance between the forward path and the return path is 15 mm or less. Furthermore, when a material having a thermal conductivity of 30 W / mK or more is used as the material of the cooling block, the uniformity of the temperature distribution of the cooling block is further improved. For applications that require even higher uniformity, it is desirable to use one having a thermal conductivity of 100 W / mK or more.
冷却ブロックの材質は、前記熱伝導率のものが好ましいが、加工性やコストを考慮すると、金属であることがより好ましい。具体的には、純アルミニウムやアルミニウム鋳物、あるいはクロムニッケル鋼、ニッケル鋼、純鉄等を挙げることができる。冷却ブロックの被冷却物であるヒータ等と当接する当接面は、錆などが発生しないことが望ましい。冷却ブロックの材質を金属にした場合は、程度の差はあるが、使用していくと、前記当接面が多少変質していく。冷却ブロックの当接面表面が変質すると、冷却効率が低下することになる。 The material of the cooling block is preferably the one having the thermal conductivity, but considering workability and cost, it is more preferably a metal. Specific examples include pure aluminum, aluminum casting, chromium nickel steel, nickel steel, and pure iron. It is desirable that rust or the like does not occur on the abutting surface that abuts against a heater or the like that is an object to be cooled of the cooling block. When the material of the cooling block is made of metal, although there is a difference in degree, the abutment surface is somewhat altered as it is used. When the contact surface of the cooling block changes in quality, the cooling efficiency is lowered.
そこで、この表面の変質を抑えるために、冷却ブロックの少なくとも当接面表面を、ニッケルメッキすることが望ましい。ニッケルメッキの中でも、いわゆるカニゼンメッキと呼ばれる無電解ニッケルメッキが好ましい。無電解ニッケルメッキは、耐食性、耐摩耗性、密着性、厚みの均一性などに優れるからである。また、冷却ブロックの材質をアルミニウムにする場合は、表面をアルマイト処理としてもよい。 Therefore, in order to suppress this surface alteration, it is desirable to nickel-plat at least the contact surface of the cooling block. Among the nickel platings, electroless nickel plating called so-called Kanisen plating is preferable. This is because electroless nickel plating is excellent in corrosion resistance, wear resistance, adhesion, thickness uniformity, and the like. When the material of the cooling block is aluminum, the surface may be anodized.
冷却ブロックは、1枚の板に、冷媒流路をドリルなどによって彫り込んで行くこともできるが、加工性やコストを考慮すると、2枚の板に溝を加工して、製作することが好ましい。例えば、図3(a)に示すように、2枚の板の両方に冷媒流路となる溝を加工して形成し、2枚の板を接合する。また、図3(b)に示すように、片方の板にのみ冷媒流路となる溝を加工してもよい。また、図3(c)に示すように、それぞれの板に、冷媒流路の往路と復路となる溝を加工してもよい。更に、図3(d)に示すように、3枚の板を用いて、冷媒流路の往路と復路を上下方向に沿わすこともできる。 The cooling block can be formed by engraving the coolant flow path on one plate with a drill or the like. However, in consideration of workability and cost, it is preferable to manufacture the cooling block by processing grooves on the two plates. For example, as shown to Fig.3 (a), the groove | channel used as a refrigerant | coolant flow path is processed and formed in both of two boards, and two boards are joined. Further, as shown in FIG. 3 (b), a groove serving as a coolant channel may be processed only in one plate. Further, as shown in FIG. 3C, grooves serving as the forward path and the return path of the refrigerant flow path may be processed in each plate. Furthermore, as shown in FIG. 3 (d), the forward and backward paths of the refrigerant flow path can be along the vertical direction using three plates.
いずれの場合も、板をネジ止めなどの方法で接合するとき、少なくとも外周部をO−リング等によって、シールしておいた方が冷却媒体が冷却ブロックの外に漏れ出す恐れがなくなるので、好ましい。 In any case, when joining the plates by screwing or the like, it is preferable to seal at least the outer peripheral portion with an O-ring or the like, because there is no possibility that the cooling medium leaks out of the cooling block. .
以上のような冷却ブロックをヒータと組み合せることにより、ヒータユニットとすることができる。冷却ブロックは、図4に示すように、ヒータ5に例えばネジ止めのような方法で、接合してもよい。また、図5に示すように、ヒータ5に対し、当接及び分離が可能なように冷却ブロックを、例えばエアーシリンダーのような昇降手段6を用いて設置してもよい。図5(a)は、冷却ブロックがヒータに当接した状態を示し、図5(b)は冷却ブロックがヒータと分離した状態を示す。
A heater unit can be obtained by combining the above cooling block with a heater. As shown in FIG. 4, the cooling block may be joined to the
冷却ブロックとヒータの外径形状は、ほぼ同一であることが好ましい。ほぼ同一ではない場合は、冷却ブロックの温度分布が均一であっても、ヒータを冷却する能力がヒータ面内でムラが発生し、冷却中のヒータの温度分布が不均一になる。 It is preferable that the outer diameter shapes of the cooling block and the heater are substantially the same. If they are not substantially the same, even if the temperature distribution of the cooling block is uniform, the ability to cool the heater is uneven in the heater surface, and the temperature distribution of the heater being cooled becomes non-uniform.
例えば、略円形のヒータの場合、ヒータの直径よりも冷却ブロックの直径を大きくすると、冷却時に、ヒータの外周部がより冷却されて温度が中央部より下がるので、ヒータの中央部と外周部で温度差が大きくなる。逆に、冷却ブロックの直径をヒータより小さくすると、ヒータの中央付近の温度がより下がり、やはりヒータの中央部と外周部で温度差が大きくなる。略円形のヒータの場合、ヒータと冷却ブロックの直径の差は、±25%以内とすることが望ましい。また、略矩形のヒータの場合は、辺の長さの差を、±25%以内とすることが望ましい。 For example, in the case of a substantially circular heater, if the diameter of the cooling block is made larger than the diameter of the heater, the outer periphery of the heater is further cooled during cooling and the temperature falls below the center. The temperature difference increases. Conversely, when the diameter of the cooling block is made smaller than that of the heater, the temperature near the center of the heater is lowered, and the temperature difference between the center and the outer periphery of the heater is also increased. In the case of a substantially circular heater, the difference in diameter between the heater and the cooling block is preferably within ± 25%. In the case of a substantially rectangular heater, the difference in side length is preferably within ± 25%.
以上のようなヒータユニットを容器内に設置することによって、半導体製造・検査装置、あるいはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置、またはフォトレジスト加熱処理装置とすることができる。 By installing the above heater unit in the container, a semiconductor manufacturing / inspection apparatus, a flat display panel manufacturing / inspection apparatus, or a photoresist heat treatment apparatus can be obtained.
例えば、図6に示すように、冷却ブロック1は、エアーシリンダなどの昇降手段6によって容器10内に設置され、必要に応じてヒータ5に当接および分離ができるようになっている。図6は冷却ブロック1が分離した状態を示す。この冷却ブロック1には、給電のための電極7や温度測定手段8などの挿入物を貫通するための貫通孔が設けられている。これらの挿入物と容器10とは、封止材9で気密に封止されていてもよい。
For example, as shown in FIG. 6, the
ヒータを昇温する時や高温に保持する時には、昇温速度の低下防止及び消費電力の低減を目的として、冷却媒体を流さず、ヒータを冷却する時のみ冷却媒体を流すという運用とすることが好ましい。また、図6に示すように、冷却ブロックを当接及び分離できるように設置した場合は、ヒータの加熱時や高温保持時には、冷却ブロックを分離しておき、冷却時に当接させるという運用が好ましく、冷却媒体を当接前から流し始める方がより冷却速度を短縮できる。なお、冷却媒体は、液体であることが取扱い上好ましい。 When heating the heater or holding it at a high temperature, for the purpose of preventing a decrease in the heating rate and reducing power consumption, the cooling medium should not be flowed and the cooling medium should be flowed only when the heater is cooled. preferable. In addition, as shown in FIG. 6, when the cooling block is installed so that it can be contacted and separated, it is preferable that the cooling block is separated when the heater is heated or kept at a high temperature and is contacted during cooling. The cooling rate can be shortened by starting to flow the cooling medium before the contact. In addition, it is preferable on handling that the cooling medium is a liquid.
本発明のヒータの材質は、セラミックスが好ましい。金属を用いた場合は、ウェハ上にパーティクルが付着するという問題があるので好ましくない。セラミックスとしては、温度分布の均一性を重視するならば、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや炭化珪素が好ましい。信頼性を重視するならば、窒化珪素が高強度で熱衝撃にも強いので好ましい。コストを重視するのであれば、酸化アルミニウムが好ましい。 The material of the heater of the present invention is preferably ceramic. Use of metal is not preferable because there is a problem that particles adhere to the wafer. As the ceramic, aluminum nitride or silicon carbide having high thermal conductivity is preferable if importance is attached to the uniformity of temperature distribution. If importance is placed on reliability, silicon nitride is preferable because it is strong and resistant to thermal shock. If importance is attached to the cost, aluminum oxide is preferable.
これらのセラミックスの中でも、性能とコストのバランスを考慮すれば、窒化アルミニウム(AlN)が好適である。以下に、本発明のヒータの製造方法をAlNの場合で詳述する。 Among these ceramics, aluminum nitride (AlN) is preferable in consideration of the balance between performance and cost. Below, the manufacturing method of the heater of this invention is explained in full detail in the case of AlN.
AlNの原料粉末は、比表面積が2.0〜5.0m2/gのものが好ましい。比表面積が2.0m2/g未満の場合は、窒化アルミニウムの焼結性が低下する。また、5.0m2/gを超えると、粉末の凝集が非常に強くなるので取扱いが困難になる。更に、原料粉末に含まれる酸素量は、2wt%以下が好ましい。酸素量が2wt%を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。また、原料粉末に含まれるアルミニウム以外の金属不純物量は、2000ppm以下が好ましい。金属不純物量がこの範囲を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。特に、金属不純物として、SiなどのIV族元素や、Feなどの鉄族元素は、焼結体の熱伝導率を低下させる作用が高いので、含有量は、それぞれ500ppm以下であることが好ましい。 The raw material powder of AlN preferably has a specific surface area of 2.0 to 5.0 m 2 / g. When the specific surface area is less than 2.0 m 2 / g, the sinterability of aluminum nitride is lowered. On the other hand, if it exceeds 5.0 m 2 / g, the aggregation of the powder becomes very strong, so that handling becomes difficult. Furthermore, the amount of oxygen contained in the raw material powder is preferably 2 wt% or less. When the amount of oxygen exceeds 2 wt%, the thermal conductivity of the sintered body decreases. The amount of metal impurities other than aluminum contained in the raw material powder is preferably 2000 ppm or less. When the amount of metal impurities exceeds this range, the thermal conductivity of the sintered body decreases. In particular, group IV elements such as Si and iron group elements such as Fe as metal impurities have a high effect of reducing the thermal conductivity of the sintered body, and therefore the content is preferably 500 ppm or less.
AlNは難焼結性材料であるので、AlN原料粉末に焼結助剤を添加することが好ましい。添加する焼結助剤は、希土類元素化合物が好ましい。希土類元素化合物は、焼結中に窒化アルミニウム粉末粒子の表面に存在するアルミニウム酸化物あるいはアルミニウム酸窒化物と反応して、窒化アルミニウムの緻密化を促進するとともに、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を低下させる原因となる酸素を除去する働きもあるので、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を向上させることができる。 Since AlN is a hardly sinterable material, it is preferable to add a sintering aid to the AlN raw material powder. The sintering aid to be added is preferably a rare earth element compound. The rare earth element compound reacts with the aluminum oxide or aluminum oxynitride existing on the surface of the aluminum nitride powder particles during the sintering to promote the densification of the aluminum nitride and the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body. Therefore, the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body can be improved.
希土類元素化合物は、特に酸素を除去する働きが顕著であるイットリウム化合物が好ましい。添加量は、0.01〜5wt%が好ましい。0.01wt%未満であると、緻密な焼結体を得ることが困難であるとともに、焼結体の熱伝導率が低下する。また、5wt%を超えると、窒化アルミニウム焼結体の粒界に焼結助剤が存在することになるので、腐食性雰囲気で使用する場合、この粒界に存在する焼結助剤がエッチングされ、脱粒やパーティクルの原因となる。更に、好ましくは焼結助剤の添加量は、1wt%以下である。1wt%以下であれば、粒界の3重点にも焼結助剤が存在しなくなるので、耐食性が向上する。 The rare earth element compound is preferably an yttrium compound that is particularly effective in removing oxygen. The addition amount is preferably 0.01 to 5 wt%. If it is less than 0.01 wt%, it is difficult to obtain a dense sintered body, and the thermal conductivity of the sintered body decreases. If it exceeds 5 wt%, a sintering aid exists at the grain boundaries of the aluminum nitride sintered body. Therefore, when used in a corrosive atmosphere, the sintering aid present at the grain boundaries is etched. , Cause degranulation and particles. Furthermore, the amount of the sintering aid added is preferably 1 wt% or less. If it is 1 wt% or less, the sintering aid is not present at the triple point of the grain boundary, so that the corrosion resistance is improved.
また、希土類元素化合物は、酸化物、窒化物、フッ化物、ステアリン酸化合物などが使用できる。この中で、酸化物は安価で入手が容易であり好ましい。また、ステアリン酸化合物は、有機溶剤との親和性が高いので、窒化アルミニウム原料粉末と焼結助剤などを有機溶剤で混合する場合には、混合性が高くなるので特に好適である。 As the rare earth element compound, an oxide, nitride, fluoride, stearic acid compound, or the like can be used. Of these, oxides are preferable because they are inexpensive and readily available. In addition, since the stearic acid compound has a high affinity with an organic solvent, when the aluminum nitride raw material powder and the sintering aid are mixed with the organic solvent, the mixing property is particularly preferable.
次に、これら窒化アルミニウム原料粉末や焼結助剤粉末に、所定量の溶剤、バインダー、更には必要に応じて分散剤や邂逅剤を添加し、混合する。混合方法は、ボールミル混合や超音波による混合等が可能である。このような混合によって、原料スラリーを得ることができる。 Next, a predetermined amount of a solvent, a binder and, if necessary, a dispersant and a glaze are added to and mixed with the aluminum nitride raw material powder and the sintering aid powder. As the mixing method, ball mill mixing, ultrasonic mixing, or the like is possible. A raw material slurry can be obtained by such mixing.
得られたスラリーを成形し、焼結することによって窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。その方法には、コファイアー法とポストメタライズ法の2種類の方法が可能である。 An aluminum nitride sintered body can be obtained by molding and sintering the obtained slurry. There are two types of methods, a cofire method and a post metallization method.
まず、ポストメタライズ法について説明する。前記スラリーをスプレードライアー等の手法によって、顆粒を作成する。この顆粒を所定の金型に挿入し、プレス成形を施す。この時、プレス圧力は、9.8MPa以上であることが望ましい。9.8MPa未満の圧力では、成形体の強度が充分に得られないことが多く、ハンドリングなどで破損し易くなる。 First, the post metallization method will be described. Granules are prepared from the slurry by a technique such as spray drying. The granules are inserted into a predetermined mold and press-molded. At this time, the press pressure is desirably 9.8 MPa or more. When the pressure is less than 9.8 MPa, the strength of the molded body is often not sufficiently obtained, and is easily damaged by handling.
成形体の密度は、バインダーの含有量や焼結助剤の添加量によって異なるが、1.5g/cm3以上であることが好ましい。1.5g/cm3未満であると、原料粉末粒子間の距離が相対的に大きくなるので、焼結が進行しにくくなる。また、成形体密度は、2.5g/cm3以下であることが好ましい。2.5g/cm3を超えると、次工程の脱脂処理で成形体内のバインダーを充分除去することが困難となる。このため、前述のように緻密な焼結体を得ることが困難となる。 Although the density of a molded object changes with content of a binder, and the addition amount of a sintering auxiliary agent, it is preferable that it is 1.5 g / cm < 3 > or more. If it is less than 1.5 g / cm 3 , the distance between the raw material powder particles becomes relatively large, so that sintering does not proceed easily. Moreover, it is preferable that a molded object density is 2.5 g / cm < 3 > or less. If it exceeds 2.5 g / cm 3 , it will be difficult to sufficiently remove the binder in the molded body by the degreasing process in the next step. For this reason, it becomes difficult to obtain a dense sintered body as described above.
次に、前記成形体を非酸化性雰囲気中で加熱し、脱脂処理を行う。大気等の酸化性雰囲気で脱脂処理を行うと、AlN粉末の表面が酸化されるので、焼結体の熱伝導率が低下する。非酸化性雰囲気ガスとしては、窒素やアルゴンが好ましい。脱脂処理の加熱温度は、500℃以上、1000℃以下が好ましい。500℃未満の温度では、バインダーを充分除去することができないので、脱脂処理後の積層体中にカーボンが過剰に残存するので、その後の焼結工程での焼結を阻害する。また、1000℃を超える温度では、残存するカーボンの量が少なくなり過ぎるので、AlN粉末表面に存在する酸化被膜の酸素を除去する能力が低下し、焼結体の熱伝導率が低下する。 Next, the molded body is heated in a non-oxidizing atmosphere to perform a degreasing treatment. When the degreasing treatment is performed in an oxidizing atmosphere such as the air, the surface of the AlN powder is oxidized, so that the thermal conductivity of the sintered body is lowered. As the non-oxidizing atmosphere gas, nitrogen or argon is preferable. The heating temperature for the degreasing treatment is preferably 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. When the temperature is less than 500 ° C., the binder cannot be sufficiently removed, and therefore excessive carbon remains in the laminated body after the degreasing treatment, which inhibits sintering in the subsequent sintering step. Further, at a temperature exceeding 1000 ° C., the amount of remaining carbon becomes too small, so that the ability of the oxide film present on the surface of the AlN powder to remove oxygen is lowered, and the thermal conductivity of the sintered body is lowered.
また、脱脂処理後の成形体中に残存する炭素量は、1.0wt%以下であることが好ましい。1.0wt%を超える炭素が残存していると、焼結を阻害するので、緻密な焼結体を得ることができない。 Moreover, it is preferable that the carbon amount which remains in the molded object after a degreasing process is 1.0 wt% or less. If carbon exceeding 1.0 wt% remains, sintering is inhibited, and a dense sintered body cannot be obtained.
次いで、焼結を行う。焼結は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、1700〜2000℃の温度で行う。この時、使用する窒素などの雰囲気ガスに含有する水分は、露点で−30℃以下であることが好ましい。これ以上の水分を含有する場合、焼結時にAlNが雰囲気ガス中の水分と反応して酸窒化物が形成されるので、熱伝導率が低下する可能性がある。また、雰囲気ガス中の酸素量は、0.001vol%以下であることが好ましい。酸素量が多いと、AlNの表面が酸化して、熱伝導率が低下する可能性がある。 Next, sintering is performed. Sintering is performed at a temperature of 1700 to 2000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon. At this time, it is preferable that the moisture contained in the atmosphere gas such as nitrogen used is −30 ° C. or less in terms of dew point. In the case of containing more moisture than this, AlN reacts with moisture in the atmospheric gas during sintering to form oxynitrides, which may reduce the thermal conductivity. Moreover, it is preferable that the oxygen amount in atmospheric gas is 0.001 vol% or less. If the amount of oxygen is large, the surface of AlN may be oxidized and the thermal conductivity may be reduced.
更に、焼結時に使用する治具は、窒化ホウ素(BN)成形体が好適である。このBN成形体は、前記焼結温度に対し充分な耐熱性を有するとともに、その表面に固体潤滑性があるので、焼結時に積層体が収縮する際の治具と積層体との間の摩擦を小さくすることができるので、歪みの少ない焼結体を得ることができる。 Furthermore, a boron nitride (BN) compact is suitable for the jig used during sintering. Since this BN compact has sufficient heat resistance to the sintering temperature and has a solid lubricating property on its surface, the friction between the jig and the laminate when the laminate shrinks during sintering. Therefore, a sintered body with less distortion can be obtained.
得られた焼結体は、必要に応じて加工を施す。次工程の導電ペーストをスクリーン印刷する場合、焼結体の表面粗さは、Raで5μm以下であることが好ましい。5μmを超えるとスクリーン印刷により回路形成した際に、パターンのにじみやピンホールなどの欠陥が発生しやすくなる。表面粗さはRaで1μm以下であればさらに好適である。 The obtained sintered body is processed as necessary. When screen-printing the conductive paste in the next step, the surface roughness of the sintered body is preferably 5 μm or less in terms of Ra. If the thickness exceeds 5 μm, defects such as pattern bleeding and pinholes are likely to occur when a circuit is formed by screen printing. The surface roughness Ra is more preferably 1 μm or less.
上記表面粗さを研磨加工する際には、焼結体の両面にスクリーン印刷する場合は当然であるが、片面のみにスクリーン印刷を施す場合でも、スクリーン印刷する面と反対側の面も研磨加工を施す方がよい。スクリーン印刷する面のみを研磨加工した場合、スクリーン印刷時には、研磨加工していない面で焼結体を支持することになる。その時、研磨加工していない面には突起や異物が存在することがあるので、焼結体の固定が不安定になり、スクリーン印刷で回路パターンがうまく描けないことがあるからである。 When polishing the above surface roughness, it is natural to screen print on both sides of the sintered body, but even when screen printing is performed only on one side, the surface opposite to the screen printed side is also polished. It is better to apply. When only the surface to be screen printed is polished, the sintered body is supported by the surface that is not polished during screen printing. At this time, there may be protrusions and foreign matters on the surface that has not been polished, so that the fixing of the sintered body becomes unstable, and the circuit pattern may not be drawn well by screen printing.
また、この時、両加工面の平行度は0.5mm以下であることが好ましい。平行度が0.5mmを超えるとスクリーン印刷時に導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平行度は0.1mm以下であれば特に好適である。さらに、スクリーン印刷する面の平面度は、0.5mm以下であることが好ましい。0.5mmを超える平面度の場合にも、導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平面度も0.1mm以下であれば特に好適である。 At this time, the parallelism of both processed surfaces is preferably 0.5 mm or less. When the parallelism exceeds 0.5 mm, the thickness of the conductive paste may vary greatly during screen printing. The parallelism is particularly preferably 0.1 mm or less. Furthermore, the flatness of the screen printing surface is preferably 0.5 mm or less. Even in the case of flatness exceeding 0.5 mm, the variation in the thickness of the conductive paste may increase. A flatness of 0.1 mm or less is particularly suitable.
研磨加工を施した焼結体に、スクリーン印刷により導電ペーストを塗布し、電気回路の形成を行う。導体ペーストは、金属粉末と必要に応じて酸化物粉末と、バインダーと溶剤を混合することにより得ることができる。金属粉末は、セラミックスとの熱膨張係数のマッチングから、タングステンやモリブデンあるいはタンタルが好ましい。 A conductive paste is applied by screen printing to the polished sintered body to form an electric circuit. The conductive paste can be obtained by mixing metal powder, oxide powder as necessary, binder and solvent. The metal powder is preferably tungsten, molybdenum or tantalum from the viewpoint of matching the thermal expansion coefficient with ceramics.
また、AlNとの密着強度を高めるために、酸化物粉末を添加することもできる。酸化物粉末は、IIa族元素やIIIa族元素の酸化物やAl2O3、SiO2などが好ましい。特に、酸化イットリウムはAlNに対する濡れ性が非常に良好であるので、好ましい。これらの酸化物の添加量は、0.1〜30wt%が好ましい。0.1wt%未満の場合、形成した電気回路である金属層とAlNとの密着強度が低下する。また30wt%を超えると、電気回路である金属層の電気抵抗値が高くなる。 In order to increase the adhesion strength with AlN, an oxide powder can also be added. The oxide powder is preferably an oxide of a IIa group element or a IIIa group element, Al 2 O 3 , SiO 2 or the like. In particular, yttrium oxide is preferable because it has very good wettability to AlN. The addition amount of these oxides is preferably 0.1 to 30 wt%. When the content is less than 0.1 wt%, the adhesion strength between the metal layer, which is the formed electric circuit, and AlN is lowered. Moreover, when it exceeds 30 wt%, the electrical resistance value of the metal layer which is an electric circuit will become high.
導電ペーストの厚みは、乾燥後の厚みで、5μm以上、100μm以下であることが好ましい。厚みが5μm未満の場合は、電気抵抗値が高くなりすぎるとともに、密着強度も低下する。また、100μmを超える場合も、密着強度が低下する。 The thickness of the conductive paste is preferably 5 μm or more and 100 μm or less after drying. When the thickness is less than 5 μm, the electrical resistance value becomes too high and the adhesion strength also decreases. Moreover, also when exceeding 100 micrometers, adhesive strength falls.
また、形成する回路パターンが、ヒータ回路(発熱体回路)の場合は、パターンの間隔は0.1mm以上とすることが好ましい。0.1mm未満の間隔では、発熱体に電流を流したときに、印加電圧及び温度によっては漏れ電流が発生し、ショートする。特に、500℃以上の温度で使用する場合には、パターン間隔は1mm以上とすることが好ましく、3mm以上であれば更に好ましい。 In addition, when the circuit pattern to be formed is a heater circuit (a heating element circuit), the pattern interval is preferably 0.1 mm or more. If the interval is less than 0.1 mm, when a current is passed through the heating element, a leakage current is generated depending on the applied voltage and temperature, resulting in a short circuit. In particular, when used at a temperature of 500 ° C. or higher, the pattern interval is preferably 1 mm or more, more preferably 3 mm or more.
次に、導電ペーストを脱脂した後、焼成する。脱脂は、窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中で行う。脱脂温度は500℃以上が好ましい。500℃未満では、導電ペースト中のバインダーの除去が不十分で金属層内にカーボンが残留し、焼成したときに金属の炭化物を形成するので、金属層の電気抵抗値が高くなる。 Next, the conductive paste is degreased and fired. Degreasing is performed in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon. The degreasing temperature is preferably 500 ° C. or higher. If the temperature is less than 500 ° C., the binder in the conductive paste is not sufficiently removed, and carbon remains in the metal layer, and metal carbide is formed when baked, so that the electrical resistance value of the metal layer becomes high.
焼成は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、1500℃以上の温度で行うのが好適である。1500℃未満の温度では、導電ペースト中の金属粉末の粒成長が進行しないので、焼成後の金属層の電気抵抗値が高くなり過ぎる。また、焼成温度はセラミックスの焼結温度を超えない方がよい。セラミックスの焼結温度を超える温度で導電ペーストを焼成すると、セラミックス中の含有する焼結助剤などが揮散しはじめ、更には導電ペースト中の金属粉末の粒成長が促進されてセラミックスと金属層との密着強度が低下する。 Firing is preferably performed at a temperature of 1500 ° C. or higher in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon. When the temperature is less than 1500 ° C., the particle growth of the metal powder in the conductive paste does not proceed, so that the electric resistance value of the fired metal layer becomes too high. The firing temperature should not exceed the sintering temperature of the ceramic. When the conductive paste is fired at a temperature exceeding the sintering temperature of the ceramic, the sintering aid contained in the ceramic begins to evaporate, and further, the grain growth of the metal powder in the conductive paste is promoted, and the ceramic and the metal layer. The adhesion strength of the is reduced.
次に、形成した金属層の絶縁性を確保するために、金属層の上に絶縁性コートを形成することができる。絶縁性コートの材質は、電気回路との反応性が小さく、AlNとの熱膨張係数差が、5.0x10−6/K以下であれば特に制約はない。例えば、結晶化ガラスやAlN等が使用できる。これらの材料を例えばペースト状にして、所定の厚みのスクリーン印刷を行い、必要に応じて脱脂を行った後、所定の温度で焼成することにより形成することができる。 Next, in order to ensure the insulation of the formed metal layer, an insulating coat can be formed on the metal layer. The material of the insulating coat is not particularly limited as long as the reactivity with the electric circuit is small and the difference in thermal expansion coefficient from AlN is 5.0 × 10 −6 / K or less. For example, crystallized glass or AlN can be used. These materials can be formed, for example, by pasting them into a paste, performing screen printing with a predetermined thickness, degreasing as necessary, and firing at a predetermined temperature.
次に、必要に応じて更にセラミックス基板を積層することができる。積層は、接合剤を介して行うのが良い。接合剤は、酸化アルミニウム粉末や窒化アルミニウム粉末に、IIa族元素化合物やIIIa族元素化合物とバインダーや溶剤を加え、ペースト化したものを接合面にスクリーン印刷等の手法で塗布する。塗布する接合剤の厚みに特に制約はないが、5μm以上であることが好ましい。5μm未満の厚みでは、接合層にピンホールや接合ムラ等の接合欠陥が生じやすくなる。 Next, a ceramic substrate can be further laminated as required. Lamination is preferably performed via a bonding agent. The bonding agent is obtained by adding a IIa group element compound or a group IIIa element compound and a binder or a solvent to aluminum oxide powder or aluminum nitride powder, and applying the paste to the bonding surface by a method such as screen printing. Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of the bonding agent to apply | coat, it is preferable that it is 5 micrometers or more. When the thickness is less than 5 μm, bonding defects such as pinholes and bonding unevenness easily occur in the bonding layer.
接合剤を塗布したセラミックス基板を、非酸化性雰囲気中、500℃以上の温度で脱脂する。その後、積層するセラミックス基板を重ね合わせ、所定の荷重を加え、非酸化性雰囲気中で加熱することにより、セラミックス基板同士を接合する。荷重は、5kPa以上であることが好ましい。5kPa未満の荷重では、充分な接合強度が得られないか、もしくは前記接合欠陥が生じやすい。 The ceramic substrate coated with the bonding agent is degreased at a temperature of 500 ° C. or higher in a non-oxidizing atmosphere. Thereafter, the ceramic substrates to be stacked are superposed, a predetermined load is applied, and the ceramic substrates are bonded together by heating in a non-oxidizing atmosphere. The load is preferably 5 kPa or more. When the load is less than 5 kPa, sufficient bonding strength cannot be obtained, or the above-described bonding defect is likely to occur.
接合するための加熱温度は、セラミックス基板同士が接合層を介して十分密着する温度であれば、特に制約はないが、1500℃以上であることが好ましい。1500℃未満では、十分な接合強度が得られにくく、接合欠陥を生じやすい。前記脱脂ならびに接合時の非酸化性雰囲気は、窒素やアルゴンなどを用いることが好ましい。 The heating temperature for bonding is not particularly limited as long as the ceramic substrates are sufficiently adhered to each other through the bonding layer, but is preferably 1500 ° C. or higher. If it is less than 1500 degreeC, sufficient joint strength is hard to be obtained and it will be easy to produce a joint defect. Nitrogen or argon is preferably used for the non-oxidizing atmosphere during the degreasing and bonding.
以上のようにして、ヒータとなるセラミックス積層焼結体を得ることができる。なお、電気回路は、導電ペーストを用いずに、例えば、ヒータ回路であれば、モリブデン線(コイル)、静電吸着用電極やRF電極などの場合には、モリブデンやタングステンのメッシュ(網状体)を用いることも可能である。 As described above, a ceramic laminated sintered body serving as a heater can be obtained. For example, if the electric circuit is a heater circuit without using a conductive paste, for example, a molybdenum wire (coil), an electrostatic adsorption electrode or an RF electrode, a mesh of molybdenum or tungsten (network) It is also possible to use.
この場合、AlN原料粉末中に上記モリブデンコイルやメッシュを内蔵させ、ホットプレス法により作製することができる。ホットプレスの温度や雰囲気は、前記AlNの焼結温度、雰囲気に準ずればよいが、ホットプレス圧力は、0.98MPa以上加えることが望ましい。0.98MPa未満では、モリブデンコイルやメッシュとAlNの間に隙間が生じることがあるので、ヒータの性能が出なくなることがある。 In this case, the molybdenum coil and mesh are incorporated in the AlN raw material powder, and can be manufactured by a hot press method. The hot press temperature and atmosphere may be in accordance with the sintering temperature and atmosphere of AlN, but the hot press pressure is preferably 0.98 MPa or more. If it is less than 0.98 MPa, a gap may be formed between the molybdenum coil or mesh and AlN, and the performance of the heater may not be achieved.
次に、コファイアー法について説明する。前述した原料スラリーをドクターブレード法によりシート成形する。シート成形に関して特に制約はないが、シートの厚みは、乾燥後で3mm以下が好ましい。シートの厚みが3mmを超えると、スラリーの乾燥収縮量が大きくなるので、シートに亀裂が発生する確率が高くなる。 Next, the cofire method will be described. The raw material slurry described above is formed into a sheet by a doctor blade method. Although there is no restriction | limiting in particular regarding sheet shaping | molding, As for the thickness of a sheet | seat, 3 mm or less is preferable after drying. If the thickness of the sheet exceeds 3 mm, the amount of drying shrinkage of the slurry increases, so that the probability of cracking in the sheet increases.
上述したシート上に所定形状の電気回路となる金属層を、導体ペーストをスクリーン印刷などの手法により塗布することにより形成する。導電ペーストは、ポストメタライズ法で説明したものと同じものを用いることができる。ただし、コファイアー法では、導電ペーストに酸化物粉末を添加しなくても支障はない。 A metal layer to be an electric circuit having a predetermined shape is formed on the above-described sheet by applying a conductive paste by a technique such as screen printing. The same conductive paste as that described in the post metallization method can be used. However, in the cofire method, there is no problem even if the oxide powder is not added to the conductive paste.
次に、回路形成を行ったシート及び回路形成をしていないシートを積層する。積層の方法は、各シートを所定の位置にセットし、重ね合わせる。この時、必要に応じて各シート間に溶剤を塗布しておく。重ね合わせた状態で、必要に応じて加熱する。加熱する場合、加熱温度は、150℃以下であることが好ましい。これを超える温度に加熱すると、積層したシートが大きく変形する。そして、重ね合わせたシートに圧力を加えて一体化する。加える圧力は、1〜100MPaの範囲が好ましい。1MPa未満の圧力では、シートが充分に一体化せず、その後の工程中に剥離することがある。また、100MPaを超える圧力を加えると、シートの変形量が大きくなりすぎる。 Next, the sheet on which the circuit is formed and the sheet on which the circuit is not formed are stacked. In the laminating method, each sheet is set at a predetermined position and overlapped. At this time, a solvent is applied between the sheets as necessary. In the state of being overlaid, heat as necessary. When heating, it is preferable that heating temperature is 150 degrees C or less. When heated to a temperature exceeding this, the laminated sheets are greatly deformed. Then, the stacked sheets are integrated by applying pressure. The applied pressure is preferably in the range of 1 to 100 MPa. If the pressure is less than 1 MPa, the sheets may not be sufficiently integrated and may peel during the subsequent steps. Further, when a pressure exceeding 100 MPa is applied, the deformation amount of the sheet becomes too large.
この積層体を、前述のポストメタライズ法と同様に、脱脂処理並びに焼結を行う。脱脂処理や焼結の温度や、炭素量等はポストメタライズ法と同じである。前述した、導電ペーストをシートに印刷する際に、複数のシートにそれぞれヒータ回路や静電吸着用電極等を印刷し、それらを積層することで、複数の電気回路を有する通電発熱ヒータを容易に作成することも可能である。このようにして、ヒータとなるセラミックス積層焼結体を得ることができる。 This laminated body is degreased and sintered in the same manner as the above-described post metallization method. The degreasing treatment and sintering temperature, the amount of carbon, etc. are the same as in the post metallization method. When the conductive paste is printed on a sheet as described above, a heater circuit, an electrostatic adsorption electrode, etc. are printed on a plurality of sheets, respectively, and these are stacked to facilitate an energizing heat generating heater having a plurality of electric circuits. It is also possible to create it. In this way, a ceramic laminated sintered body serving as a heater can be obtained.
なお、発熱体回路などの電気回路が、セラミックス積層体の最外層に形成されている場合は、電気回路の保護と絶縁性の確保のために、前述のポストメタライズ法と同様に、電気回路の上に絶縁性コートを形成することができる。 In addition, when an electric circuit such as a heating element circuit is formed in the outermost layer of the ceramic laminate, in order to protect the electric circuit and ensure insulation, the electric circuit An insulating coating can be formed thereon.
得られたセラミックス積層焼結体は、必要に応じて加工を施す。通常、焼結した状態では、半導体製造装置で要求される精度に入らないことが多い。加工精度は、例えば、被処理物搭載面の平面度は0.5mm以下が好ましく、さらには0.1mm以下が特に好ましい。平面度が0.5mmを超えると、被処理物とセラミックスヒータとの間に隙間が生じやすくなり、セラミックスヒータの熱が被処理物に均一に伝わらなくなり、被処理物の温度ムラが発生しやすくなる。 The obtained ceramic laminated sintered body is processed as necessary. Usually, in the sintered state, the accuracy required for a semiconductor manufacturing apparatus is often not reached. As for the processing accuracy, for example, the flatness of the workpiece mounting surface is preferably 0.5 mm or less, more preferably 0.1 mm or less. When the flatness exceeds 0.5 mm, a gap is likely to be formed between the workpiece and the ceramic heater, and the heat of the ceramic heater is not transmitted uniformly to the workpiece, and the temperature unevenness of the workpiece is likely to occur. Become.
また、被処理物搭載面の面粗さは、Raで5μm以下が好ましい。Raで5μmを超えると、通電発熱ヒータと被処理物との摩擦によって、AlNの脱粒が多くなることがある。この時、脱粒した粒子はパーティクルとなり、被処理物上への成膜やエッチングなどの処理に対して悪影響を与えることになる。さらに、表面粗さは、Raで1μm以下であれば、好適である。 The surface roughness of the workpiece mounting surface is preferably 5 μm or less in terms of Ra. When the Ra exceeds 5 μm, AlN may be shed more frequently due to friction between the energizing heater and the workpiece. At this time, the shed particles become particles and have an adverse effect on processes such as film formation and etching on the object to be processed. Further, the surface roughness is preferably 1 μm or less in terms of Ra.
100重量部の窒化アルミニウム粉末と0.6重量部のステアリン酸イットリウム粉末を混合し、ポリビニルブチラールをバインダー、ジブチルフタレートを溶剤として、それぞれ10重量部、5重量部混合して、スプレードライにより顆粒を作成後、プレス成形し、700℃窒素雰囲下で脱脂し、窒素雰囲気中、1850℃で焼結し、窒化アルミニウム焼結体を作成した。なお、窒化アルミニウム粉末は、平均粒径0.6μm、比表面積3.4m2/gのものを使用した。前記窒化アルミニウム焼結体を加工し、直径330mm、厚み15mmとした。 Mix 100 parts by weight of aluminum nitride powder and 0.6 parts by weight of yttrium stearate powder, mix 10 parts by weight and 5 parts by weight of polyvinyl butyral as a binder and dibutyl phthalate as a solvent. After the production, it was press-molded, degreased in a nitrogen atmosphere at 700 ° C., and sintered at 1850 ° C. in a nitrogen atmosphere to produce an aluminum nitride sintered body. The aluminum nitride powder used had an average particle size of 0.6 μm and a specific surface area of 3.4 m 2 / g. The aluminum nitride sintered body was processed to have a diameter of 330 mm and a thickness of 15 mm.
また、平均粒径が2.0μmのW粉末を100重量部として、Y2O3を1重量部と、5重量部のバインダーであるエチルセルロースと、溶剤としてブチルカルビトールを用いてWペーストを作製した。混合にはポットミルと三本ロールを用いた。このWペーストをスクリーン印刷で、前記加工した窒化アルミニウム焼結体上に、発熱体回路パターンを形成した。その後、900℃、窒素雰囲気中で脱脂し、窒素雰囲気中1800℃で焼成した。発熱体回路パターンを形成した面に、ZnO−B2O3−Al2O3系のガラスペーストを用いて、給電部を除いて100μmの厚さに塗布し、窒素雰囲気中700℃で焼成した。また、給電部には、金ロウでタングステン端子を取付け、タングステン端子にニッケル電極をネジ止めし、ヒータを完成させた。 Also, a W paste was prepared using 100 parts by weight of W powder having an average particle size of 2.0 μm, 1 part by weight of Y 2 O 3 , 5 parts by weight of ethyl cellulose as a binder, and butyl carbitol as a solvent. did. A pot mill and three rolls were used for mixing. The W paste was screen-printed to form a heating element circuit pattern on the processed aluminum nitride sintered body. Then, it degreased in 900 degreeC and nitrogen atmosphere, and baked at 1800 degreeC in nitrogen atmosphere. A ZnO—B 2 O 3 —Al 2 O 3 glass paste was applied to the surface on which the heating element circuit pattern was formed, applied to a thickness of 100 μm, excluding the power feeding portion, and baked at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere. . In addition, a tungsten terminal was attached to the power feeding portion with a gold solder, and a nickel electrode was screwed to the tungsten terminal to complete the heater.
次に、冷却ブロックとして、直径330mm、厚み12mmと7mmの純アルミニウム板を用意した。純アルミニウム板の熱伝導率は、200W/mKである。このうち、厚み12mmのアルミニウム板に、幅5mm、深さ5mmの冷却媒体を流すための図1に示すような流路を加工により形成した。さらにこの流路の外周に、O−リングを挿入するための、幅2mm、深さ1mmの溝を形成した。また冷却媒体の出入り口に貫通孔を形成した。これら2枚のアルミニウム板をO−リングを挿入して、ネジ止めにて固定した。これらのアルミニウム板には、給電用電極や熱電対が貫通するように、貫通孔を3ヶ所形成した。 Next, a pure aluminum plate having a diameter of 330 mm, a thickness of 12 mm, and 7 mm was prepared as a cooling block. The thermal conductivity of the pure aluminum plate is 200 W / mK. Among these, a flow path as shown in FIG. 1 for flowing a cooling medium having a width of 5 mm and a depth of 5 mm was formed by machining on an aluminum plate having a thickness of 12 mm. Further, a groove having a width of 2 mm and a depth of 1 mm for inserting an O-ring was formed on the outer periphery of the flow path. In addition, through holes were formed at the entrance and exit of the cooling medium. These two aluminum plates were fixed with screws by inserting an O-ring. In these aluminum plates, three through holes were formed so that the power supply electrode and thermocouple penetrated.
また、クロムニッケル鋼、ニッケル鋼、純鉄、アルミニウム鋳物の冷却ブロックも同様に用意した。更に、各材質の冷却ブロックにおいて、冷却媒体の流路は、冷却ブロックの外周から10mmの位置より中心側に形成し、流路の全面積は冷却ブロックの当接面の面積の15%とし、往路と復路の間隔を表1に示すような間隔とした。なお、この間隔は、往路と復路の各流路の壁面間隔である。また、流路の冷却媒体が接触する面の面粗さは、Ra0.2μmとした。
Moreover, the cooling block of chromium nickel steel, nickel steel, pure iron, and aluminum casting was similarly prepared. Furthermore, in the cooling block of each material, the flow path of the cooling medium is formed on the center side from the
更に、各材質の冷却ブロックの当接面の反りは、0.02mm以下とし、当接面の外周角部は100μmの面取りを施した。また、比較のために、図7に示すような従来の流路パターンを有する冷却ブロックも各材質で作成した。流路パターン以外は、実施例と同様に仕上げた。なお、図7の流路パターンでは、往路と復路の間隔はないので、表1では、間隔欄に比較例と記載して示す。 Further, the warpage of the contact surface of the cooling block made of each material was 0.02 mm or less, and the outer peripheral corner portion of the contact surface was chamfered to 100 μm. For comparison, a cooling block having a conventional flow path pattern as shown in FIG. 7 was also made of each material. Except for the flow path pattern, it was finished in the same manner as in the example. In the flow path pattern of FIG. 7, there is no interval between the forward path and the return path, so in Table 1, it is described as a comparative example in the interval column.
これらのヒータと、冷却ブロックを図6のように半導体製造装置の容器に取り付け、更に冷却ブロックの貫通孔を通して、給電用電極と熱電対を取り付けて、ヒータを通電加熱できるようにした。この時、冷却ブロックの当接面とヒータの当接面とのなす角度を5度以内になるように設置した。 These heaters and a cooling block were attached to a container of a semiconductor manufacturing apparatus as shown in FIG. 6, and further, a power supply electrode and a thermocouple were attached through the through holes of the cooling block so that the heater could be heated by energization. At this time, the angle between the contact surface of the cooling block and the contact surface of the heater was set to be within 5 degrees.
ヒータを熱電対の測定値で400℃まで昇温後、30分間400℃で保持して、温度を安定化した。この間冷却ブロックは、ヒータから分離しており、冷却媒体は流さなかった。その後、通電を停止し、冷却媒体として水を流した冷却ブロックをヒータに当接させ、ヒータを冷却して、250℃に到達したときの温度バラツキΔTを測定した。これらの結果を表1に示す。なお、冷却水の流量は、1000cc/分とした。 The heater was heated up to 400 ° C. as measured by a thermocouple and then held at 400 ° C. for 30 minutes to stabilize the temperature. During this time, the cooling block was separated from the heater, and the cooling medium was not flowed. Thereafter, the energization was stopped, the cooling block in which water was passed as a cooling medium was brought into contact with the heater, the heater was cooled, and the temperature variation ΔT when 250 ° C. was reached was measured. These results are shown in Table 1. The cooling water flow rate was 1000 cc / min.
なお、温度バラツキの測定は、ウェハ温度計を用いた。ヒータのウェハ搭載面に、ウェハ温度計を載置して、ウェハ温度計の測定値の最大値と最小値の差をヒータの温度バラツキとした。 Note that a wafer thermometer was used to measure the temperature variation. A wafer thermometer was placed on the wafer mounting surface of the heater, and the difference between the maximum value and the minimum value of the measured value of the wafer thermometer was regarded as the temperature variation of the heater.
表1から判るように、本発明の冷却ブロックでは、温度バラツキが小さく、ヒータの温度分布の均一性に優れている。また、往路と復路の間隔は、15mm以内の方が温度のバラツキは小さく、この間隔が30mmになると、温度のバラツキは、従来の冷却ブロックを用いた場合に近づくことが判る。更に、冷却ブロックの材質が、熱伝導率30W/mK以上である方が、温度バラツキは小さくなり、100W/mK以上であれば更に温度バラツキが小さくなることも判る。 As can be seen from Table 1, the cooling block of the present invention has small temperature variation and excellent uniformity of the heater temperature distribution. Further, it can be seen that the distance between the forward path and the return path is less than 15 mm when the temperature variation is small, and when this distance is 30 mm, the temperature variation approaches that when a conventional cooling block is used. It can also be seen that the temperature variation is smaller when the material of the cooling block is a thermal conductivity of 30 W / mK or more, and the temperature variation is further reduced when the material is 100 W / mK or more.
実施例1と同様の窒化アルミニウム製のヒータと純アルミニウム製の冷却ブロックを用意した。また、純アルミニウム製の冷却ブロックの表面に、ニッケルメッキしたものと、アルマイト処理を施したものも用意した。なお、冷却ブロックの流路の往路と復路の間隔は、15mmとした。これらの窒化アルミニウムヒータと冷却ブロックを実施例1と同様に半導体製造装置の容器に組み付けた。 The same aluminum nitride heater and pure aluminum cooling block as in Example 1 were prepared. Moreover, the surface of the cooling block made of pure aluminum was prepared by nickel plating and the surface subjected to alumite treatment. The distance between the forward path and the return path of the cooling block flow path was 15 mm. These aluminum nitride heater and cooling block were assembled in a container of a semiconductor manufacturing apparatus in the same manner as in Example 1.
実施例1と同様にヒータを熱電対の測定値で400℃まで昇温後、30分間400℃で保持して、温度を安定化した後、通電を停止し、冷却媒体として水を流した冷却ブロックをヒータに当接させ、ヒータを50℃まで冷却し、再度400℃まで昇温するというサイクルを1000回繰り返し、実施例1と同様に250℃に到達したときの温度バラツキΔTを1回目と1000回目で測定した。その結果を表2に示す。 As in Example 1, the heater was heated up to 400 ° C. as measured by a thermocouple and held at 400 ° C. for 30 minutes to stabilize the temperature. Then, the energization was stopped and cooling was performed by flowing water as a cooling medium. The cycle in which the block is brought into contact with the heater, the heater is cooled to 50 ° C., and the temperature is raised again to 400 ° C. is repeated 1000 times, and the temperature variation ΔT when the temperature reaches 250 ° C. as in Example 1 is It was measured at the 1000th time. The results are shown in Table 2.
表2から判るように、冷却ブロックの表面に処理を施さない場合は、1000回の繰り返しで、ヒータの温度の均一性が悪くなるのに対し、ニッケルメッキやアルマイト処理を施せば、ヒータの温度の均一性は1000回繰り返してもほとんど変化しなかった。 As can be seen from Table 2, when the surface of the cooling block is not treated, the uniformity of the heater temperature deteriorates after 1000 repetitions, whereas when the nickel plating or alumite treatment is applied, the heater temperature is reduced. The uniformity of was almost unchanged even after 1000 times of repetition.
1000回繰り返した後の冷却ブロックのヒートとの当接面を観察すると、ニッケルメッキ並びにアルマイト処理を施した冷却ブロックのヒータとの当接面は、金属光沢を維持していたが、無処理の冷却ブロックでは、白色の斑点のような突起が無数発生していた。この突起を分析すると、酸化アルミニウムであった。これは、純アルミニウムが熱酸化されたものと考えられる。このような突起が発生したために、冷却ブロックとヒータとの当接状態に変化が生じ、ヒータの温度の均一性が悪化したものと考えられる。 When the contact surface with the heat of the cooling block after repeating 1000 times was observed, the contact surface with the heater of the cooling block subjected to nickel plating and alumite treatment maintained a metallic luster, but no treatment In the cooling block, innumerable protrusions such as white spots were generated. When this protrusion was analyzed, it was aluminum oxide. This is considered that pure aluminum was thermally oxidized. It is considered that since the protrusions are generated, the contact state between the cooling block and the heater is changed, and the uniformity of the heater temperature is deteriorated.
実施例1の窒化アルミニウム製のヒータと、純アルミニウム製の冷却ブロックを準備した。冷却ブロックは、実施例1で作成したものの他に、図3(a)及び図3(c)に示すように、12mmと7mmの厚さの純アルミニウム板の両方に溝加工を施したものも準備した。更に、3mmと8mmと8mmの3枚の純アルミニウム板に図3(d)に示すような溝加工を施したものも準備した。冷却媒体を流すための流路は、実施例1と同じ形状で、冷却ブロックに組み上げたときに幅5mmで深さ5mmに仕上がるようにした。なお、往路と復路の間隔は、10mmとした。 The heater made from aluminum nitride of Example 1 and the cooling block made from pure aluminum were prepared. In addition to the cooling block prepared in Example 1, as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (c), both 12 mm and 7 mm thick pure aluminum plates were grooved. Got ready. Further, three pure aluminum plates of 3 mm, 8 mm and 8 mm were prepared by performing groove processing as shown in FIG. The flow path for flowing the cooling medium had the same shape as that of Example 1, and was finished to a width of 5 mm and a depth of 5 mm when assembled in the cooling block. The distance between the forward path and the return path was 10 mm.
これらの冷却ブロックと窒化アルミニウム製のヒータを実施例1と同様に、半導体製造装置の容器に組み付けた。実施例1と同様にして、250℃に到達したときの温度バラツキΔTを測定した。その結果を表3に示す。 These cooling block and aluminum nitride heater were assembled in a container of a semiconductor manufacturing apparatus in the same manner as in Example 1. In the same manner as in Example 1, the temperature variation ΔT when the temperature reached 250 ° C. was measured. The results are shown in Table 3.
表3から判るように、往路と復路が同一平面上に形成された図3(a)あるいは図3(b)の温度バラツキがもっとも少なく、ほぼ同一平面上と見なせる図3(c)では若干温度バラツキが大きくなり、同一平面上とはいえない図3(d)の温度バラツキがもっとも大きかった。 As can be seen from Table 3, the temperature variation in FIG. 3 (a) or FIG. 3 (b) where the forward path and the return path are formed on the same plane is the smallest, and in FIG. The variation was large, and the temperature variation of FIG. 3D, which was not on the same plane, was the largest.
実施例1と同様に、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素の3種類の材質のヒータを作成した。これに実施例1で作成した窒化アルミニウム製のヒータを加えた4種類のヒータを用いた。冷却ブロックの材質は、純アルミニウムとして、往路と復路の間隔を15mmとした実施例1で作成した冷却ブロックを用いて、実施例1と同様に容器に組み付けた。そして、実施例1と同様に250℃でのヒータの温度バラツキΔTを測定した。 In the same manner as in Example 1, three types of heaters of aluminum oxide, silicon carbide, and silicon nitride were prepared. Four types of heaters were used in which the aluminum nitride heater prepared in Example 1 was added. The cooling block was made of pure aluminum, and the cooling block prepared in Example 1 with the distance between the forward path and the return path being 15 mm was assembled in the container in the same manner as in Example 1. Then, similarly to Example 1, the temperature variation ΔT of the heater at 250 ° C. was measured.
また、ヒータを熱電対での測定値で400℃まで加熱した後、30分間400℃に保持して温度を安定させた後、通電停止とともに、冷却水を流した冷却ブロックをヒータに接触させて、50℃までヒータを冷却し、再度昇温するという操作を最大1000回繰り返し、ヒータが破損するまでの回数を調べた。それらの結果を表4に示す。 In addition, after heating the heater to 400 ° C. as measured by a thermocouple, the temperature was stabilized by maintaining the temperature at 400 ° C. for 30 minutes, and when the energization was stopped, the cooling block in which cooling water was passed was brought into contact with the heater. The operation of cooling the heater to 50 ° C. and raising the temperature again was repeated 1000 times at maximum, and the number of times until the heater was damaged was examined. The results are shown in Table 4.
表4から判るように、温度の均一性では、窒化アルミニウムと炭化珪素が優れている。また、酸化アルミニウム以外は、サイクル試験で破損せず、信頼性が高いことが判る。更に、窒化アルミニウムは、温度の均一性と信頼性の両方で優れていることが判った。 As can be seen from Table 4, aluminum nitride and silicon carbide are superior in temperature uniformity. In addition, it can be seen that other than aluminum oxide does not break in the cycle test and is highly reliable. Furthermore, it has been found that aluminum nitride is excellent in both temperature uniformity and reliability.
実施例1で用いた窒化アルミニウム製のヒータと、往路と復路の間隔が10mmの冷却ブロックを、レジスト加熱処理装置に搭載してフォトリソグラフ処理を行った。用いたレジストは、波長248nmのKrFエキシマレーザステッパ用超高解像度レジストで、130℃90秒のプリベークおよび130℃90秒の露光ベークを行い、130nmノードの線幅バラツキ(3σ)を測定した。 The aluminum nitride heater used in Example 1 and a cooling block with a distance of 10 mm between the forward path and the return path were mounted on a resist heat treatment apparatus, and photolithography was performed. The resist used was an ultra-high resolution resist for KrF excimer laser steppers with a wavelength of 248 nm, pre-baked at 130 ° C. for 90 seconds and exposed at 130 ° C. for 90 seconds, and the line width variation (3σ) at 130 nm node was measured.
その結果、線幅バラツキは、8nmであった。これに対し、実施例1で用いた図7の流路パターンの冷却ブロックを用いて、同様の線幅バラツキを測定したところ、13nmであった。このように、本発明の冷却ブロックを用いれば、ヒータの温度分布が従来よりも大幅に均一になるので、線幅バラツキを大幅に低減できることが判った。 As a result, the line width variation was 8 nm. On the other hand, when the same line width variation was measured using the cooling block of the flow path pattern of FIG. 7 used in Example 1, it was 13 nm. Thus, it has been found that the use of the cooling block of the present invention makes the temperature distribution of the heater much more uniform than in the prior art, so that the line width variation can be greatly reduced.
線幅バラツキを大幅に低減できるということは、例えば、半導体装置であるトランジスタは、電極配線や絶縁膜、不純物拡散層等の要素から成り立っている。これらの要素の寸法は、サブミクロンメートルから近年では100nm前後と非常に微細なものもあるので、高い寸法精度が要求される。 The fact that the line width variation can be greatly reduced means that, for example, a transistor which is a semiconductor device includes elements such as an electrode wiring, an insulating film, and an impurity diffusion layer. Since the dimensions of these elements are very fine, from submicron meters to around 100 nm in recent years, high dimensional accuracy is required.
これらの要素は、極薄膜の化学蒸着やエッチング、フォトリソグラフィー工程等の各種の加熱を伴う工程を経て形成される。この時、被処理物である半導体基板の面内で、加熱温度にバラツキがあると、それらの要素の寸法にバラツキが生じる。加熱温度のバラツキが少なく温度が均一であれば、それらの要素の寸法のバラツキが小さくなり、歩留りが向上する。 These elements are formed through various heating-related processes such as ultra-thin chemical vapor deposition, etching, and photolithography processes. At this time, if the heating temperature varies within the surface of the semiconductor substrate that is the object to be processed, the dimensions of those elements vary. If there is little variation in the heating temperature and the temperature is uniform, the variation in the dimensions of those elements will be reduced, and the yield will be improved.
また、それらの要素の寸法精度が向上すれば、より微細な寸法での設計が可能となるので、集積度を向上させることができる。つまり、半導体装置の特性の向上が可能となる。また、フラットディスプレイパネルでも、同様に歩留りの向上や、パネル全面での画素特性の均一化、あるいは画素の微細化による画像の高精細化などの特性を向上させることができる。 Further, if the dimensional accuracy of these elements is improved, the design with finer dimensions becomes possible, and the degree of integration can be improved. That is, the characteristics of the semiconductor device can be improved. Also in a flat display panel, it is possible to improve characteristics such as yield improvement, uniformity of pixel characteristics over the entire panel surface, and high-definition image by pixel miniaturization.
従って、本発明のヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置や、フラットディスプレイパネルの製造・検査装置あるいはフォトレジスト加熱処理装置を用いれば、半導体やフラットディスプレイパネルの特性や歩留り、信頼性あるいは集積度や画像品質の向上が図れる。 Therefore, if a semiconductor manufacturing / inspection apparatus equipped with the heater unit of the present invention, a flat display panel manufacturing / inspection apparatus, or a photoresist heat treatment apparatus is used, the characteristics, yield, reliability, or integration degree of the semiconductor or flat display panel will be described. And image quality can be improved.
本発明によれば、冷却開始から冷却終了までの間のヒータの温度分布をより均一にできる冷却ブロック並びに該冷却ブロックとヒータを組み合せたヒータユニットを提供することができる。このようなヒータユニットを搭載した半導体製造・検査装置、あるいはフラットディスプレイパネルの製造・検査装置、またはフォトレジスト加熱処理装置は、従来の装置よりもヒータの温度分布がより均一になるので、半導体やフラットディスプレイパネルの特性や歩留り、信頼性あるいは集積度や画像品質の向上が図れる。 According to the present invention, it is possible to provide a cooling block that can make the temperature distribution of the heater more uniform from the start of cooling to the end of cooling, and a heater unit that combines the cooling block and the heater. A semiconductor manufacturing / inspection apparatus equipped with such a heater unit, a flat display panel manufacturing / inspection apparatus, or a photoresist heat treatment apparatus has a more uniform heater temperature distribution than conventional apparatuses. The characteristics, yield, reliability, integration degree, and image quality of the flat display panel can be improved.
1 冷却ブロック
2 冷媒流路
3 冷却媒体入口
4 冷却媒体出口
5 ヒータ
6 昇降手段
7 給電電極
8 温度測定手段
9 封止材
10 容器
DESCRIPTION OF
Claims (13)
A photoresist heat treatment apparatus equipped with the heater unit according to claim 7.
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