JP2008504675A - 半導体のウエット化学処理に使用するインラインヒーター及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

半導体のウェット化学処理に使用するインラインヒーターは、単結晶アルミナ基材と、単結晶アルミナ基材上に配置された抵抗加熱部材と、抵抗加熱部材上に配置された保護層と、を含む。単結晶アルミナ基材は、抵抗加熱部材及び保護層の熱膨張係数（ＣＴＥ）と実質的に同等な適度のＣＴＥを有する。従って、基材と保護層との間のクラックを最小化することができる。本発明に係るインラインヒーターは、高温であっても優れた耐食性を示し、フッ化水素溶液を含む様々な腐食性薬品を使用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、全体として電気ヒーターに関し、より詳細には半導体のウエット化学処理に使用するインラインヒーター及びその製造方法に関する。

半導体のウエット化学処理のためのインラインヒーターは公知である。従来の半導体のウエット化学処理のためのインラインヒーターは、放射型又は直接加熱型のいずれかである。通常の放射型ヒーターは、加熱する液体薬品を輸送するためのテフロン（登録商標）製チューブと、テフロン（登録商標）製チューブの外側に位置する赤外線ランプ等の赤外線加熱源とを含み、液体薬品を赤外線ランプからの放射によって加熱する。しかし、放射型ヒーターは加熱効率が悪く、薬品が汚染される傾向がある場合が多い。放射による加熱は必然的にかなりの量の熱損失をもたらすことがよく知られている。また、テフロン（登録商標）製チューブは高温において薬品に弱く、加熱する薬品に粒子状物質を放出する場合が多いため、汚染の問題が発生する。

従来の直接加熱型ヒーターは、電源に電気的に接続された抵抗加熱部材が外側表面に設けられたチューブを含む。電力を供給すると、抵抗加熱部材はチューブ内を流れる薬品を伝導加熱によって加熱する。伝導による加熱は熱損失が少ないため、放射による加熱よりも効率的である。従来の材料の中でも、石英は直接加熱型ヒーターのチューブのための優れた材料として知られている。これは、石英はステンレス鋼等の他の従来の材料よりも優れた化学耐食性を有し、脱イオン水や酸などの腐食性薬品に耐性を有するためである。しかし、石英の耐食性は温度が上昇するにつれて低下する。従って、石英チューブの抵抗加熱部材に接触する部分でしばしば発生する腐食から明らかなように、石英も他の従来の材料と同様に高温において化学的腐食に弱い。例えば、約２年間使用すると、石英チューブは腐食性薬品によって約０．０４０インチ（０．０１６ｃｍ）の深さまで腐食することがある。他の従来の材料と同様に、石英はフッ化水素（ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｉｄｅ；ＨＦ）溶液に対して固有の脆弱性を有するため、石英チューブにＨＦ溶液を流すことはできない。

石英は他の従来の材料よりも優れた耐薬品性を示すが、石英には、保護層と基材との間でクラックを生じさせることなくチューブと抵抗加熱部材を覆うための保護層として適切な誘電材料を見出すことが困難であるという欠点がある。石英は、約５．５×１０^−７／℃という比較的低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有するが、ケイ酸塩ガラスフリット等の一般に使用される誘電材料は約４．５×１０^−６から約９×１０^−６／℃というはるかに高いＣＴＥを有する。保護層、抵抗部材、基材の熱膨張の差によって熱応力が生じ、基材にクラックが発生する。この問題を解決する通常の手段は、保護層を設けていないチューブを提供することである。しかし、保護層が設けられていない場合には、抵抗加熱部材が外部環境に暴露され、抵抗加熱部材が損傷してしまう場合がある。

従来のチューブ材料には、抵抗加熱部材と電源との間の信頼性のある電気的接続を達成することが困難である場合が多いという別の問題もある。公知のヒーターでは、金属リード線とチューブとの熱膨張差のために、抵抗加熱部材を電源に直接接続するためにリード線を使用することができないことがある。この問題に対する一般的な解決手段は、抵抗加熱部材をリード線に接続するために負荷スプリング（ｌｏａｄｅｄ ｓｐｒｉｎｇ）等の機械的装置を使用することである。しかし、長期間の使用後にそのような機械的装置の疲労が生じ、抵抗加熱部材と電源との接続が不十分となってしまう可能性が高くなる場合がある。また、機械的装置を高い温度で使用すると疲労が加速する。

好ましい態様によれば、半導体のウェット化学処理に使用するヒーターであって、単結晶アルミナ基材と、単結晶アルミナ基材上に配置された抵抗加熱部材と、抵抗加熱部材上に配置された保護層と、を含むヒーターが提供される。

別の態様によれば、半導体のウェット化学処理に使用するヒーターであって、単結晶アルミナ基材と、単結晶アルミナ基材上に配置された抵抗加熱部材と、を含むヒーターが提供される。また、半導体のウェット化学処理に使用するヒーターであって、単結晶アルミナ基材を含むヒーターが提供される。

別の態様によれば、半導体のウェット化学処理に使用するヒーターであって、単結晶アルミナ基材と、単結晶アルミナ基材上に配置された抵抗加熱部材と、抵抗加熱部材上に配置された保護層と、を含むヒーターが提供される。また、端子パッドが抵抗加熱部材に接続され、リード線が端子パッドに接続され、リード線の端子パッドとの接続部上に歪み軽減キャップが配置される。

また、半導体のウェット化学処理に使用するヒーターであって、基材熱膨張係数を有する材料を含み、ウェット化学処理薬品に耐性を有する基材を含むヒーターが提供される。基材上に配置され、抵抗加熱部材熱膨張係数を有する材料を含む抵抗加熱部材と、抵抗加熱部材上に配置され、保護層熱膨張係数を有する材料を含む保護層とがさらに設けられる。本発明のこの態様によれば、熱膨張係数は実質的に同等であり、ヒーターの製造時に生じる熱応力が減少する。

本発明の方法によれば、半導体のウェット化学処理に使用するヒーターの製造方法であって、抵抗加熱部材を単結晶アルミナ上に設ける工程と、抵抗加熱部材に接続される端子パッドを単結晶アルミナ基材上に設ける工程と、保護層を抵抗加熱部材上に設ける工程と、接合材料を端子パッド上に設ける工程と、リード線を端子パッド上に接合材料と接触するように配置する工程と、を含む方法が提供される。

本発明の利用可能性のさらなる領域は、以下の詳細な説明から明らかになるだろう。以下の詳細な説明と実施例は本発明の好適な実施形態を示すものではあるが、単なる例示のみを意図するものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

以下の詳細な説明と添付図面によって、本発明はより良く理解されるだろう。

以下の好適な実施形態の説明は単なる例示であって、本発明及び本発明の用途または使用を制限することを意図するものではない。

図１を参照すると、本発明に係る半導体のウエット化学処理のためのインラインヒーターが示されており、全体として参照番号１０で示している。インラインヒーター１０は好ましくはチューブ形状を有しており、基材１２と、基材１２に直接設けられた抵抗加熱部材１４とを含む。本発明の教示によれば、基材１２はサファイアとしても知られている単結晶アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）で形成されている。単結晶アルミナは非常に高い純度を有し、約５．５×１０^−７／℃というはるかに低いＣＴＥを有する従来の直接加熱型基材とは対照的に、約８×１０^−６／℃という適度なＣＴＥを有する。また、単結晶アルミナは広範囲の処理温度で優れた耐薬品性を示す。例えば、単結晶アルミナは、化学的に不活性かつ不溶性であり、フッ化水素酸、硫酸、塩酸等の多くの一般的な産業溶液に対する耐食性を有する。高温における耐薬品性に関しては、単結晶アルミナは高温に耐えることができ、水、ＨＮＯ_３、Ｈ_２ＳＯ_４、ＨＣＩ内において３００℃まで溶解することはない。また、従来の材料とは異なり、単結晶アルミナはフッ化水素（ＨＦ）溶液に対する耐食性を有する。また、単結晶アルミナは従来の材料よりも高い機械的強度を有し、単結晶アルミナからなる基材の疲労寿命は、同様な動作条件下で従来の材料からなる基材の疲労寿命よりも約４倍長い。

好ましくは、抵抗加熱部材１４は、白金（Ｐｔ）系導電材料、銀（Ａｇ）系導電材料、パラジウム（Ｐｄ）系導電材料又はそれらの組み合わせからなる。抵抗加熱部材１４は基材１２の外側表面に設けられており、数あるパターンのうち、図示するように蛇状パターンに形成することができる。抵抗加熱部材１４のパターンは、電力レベルや電力配分等の特定の設計要件に応じて選択する。従って、図示する蛇状パターンは単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。なお、図１は直列回路を示しているが、本発明の範囲内において並列回路を使用することもできる。

図２及び図３を参照すると、本発明の一態様において、インラインヒーター１０は、抵抗加熱部材１４上に設けられた保護層１６をさらに含む。ただし、インラインヒーター１０には保護層１６を設けてもよく、設けなくてもよい。また、インラインヒーター１０は、抵抗加熱部材１４をリード線２０（説明の便宜上１つのみを示す）に電気的に接続するための端子パッド１８（説明の便宜上１つのみを示す）も含む。１層の抵抗層（すなわち、抵抗加熱部材１４）のみを図示しているが、インラインヒーターは、本発明の範囲内において、図４に示すように誘電体層によって分離された複数の抵抗層を有していてもよい。

抵抗加熱部材１４は、インラインヒーター１０の特定の設計要件及び抵抗加熱部材１４を形成するために使用する層形成方法に応じて様々な厚みで形成することができる。抵抗加熱部材１４は、２００４年１月６日に出願され、本願と同一の譲受人に譲渡され、同時係属中の「層状ヒーターのための複合材料層形成技術」と題する米国特許出願第１０／７５２，３５９号に記載されているような厚膜法、薄膜法、溶射法、ゾルゲル法等を使用して材料を基材に塗布又は堆積させることによって形成する。なお、米国特許出願第１０／７５２，３５９号の開示内容はこの参照によって本願の開示内容の一部をなすものとする。例えば、一態様では、抵抗加熱部材１４は、本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第５，９７３，２９６号に開示されているように、スクリーン印刷又は直接印刷等の厚膜プロセスによって形成する。なお、米国特許第５，９７３，２９６号の開示内容はこの参照によって本願の開示内容の一部をなすものとする。別の態様では、抵抗加熱部材１４は、化学蒸着法（ＣＶＤ）又は物理蒸着法（ＰＶＤ）等の薄膜法によって形成する。なお、本発明の範囲から逸脱することなく、その他の層形成方法を抵抗加熱部材１４及び／又は保護層１６を形成するために採用することができる。

単結晶アルミナが適度なＣＴＥを有するため、クラックが発生する可能性を減少させるために、様々な材料を抵抗加熱部材１４を形成するために選択することができる。厚膜法を使用する場合には、抵抗加熱部材１４は、好ましくは導電性貴金属粉末とケイ酸塩ガラスフリットの混合物を含む材料で形成する。貴金属は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、それらの組み合わせからなる群から選択される。好ましくは、ケイ酸塩ガラスフリットは約４．５×１０^−６から約９×１０^−６／℃の範囲のＣＴＥを有し、ガラス転移温度は約４００℃から約７００℃の範囲であり、シート抵抗は約２０ｍΩ／sqから約８０ｍΩ／sqの範囲である。薄膜法を使用する場合には、抵抗加熱部材１４は、好ましくは白金を含む材料で形成する。抵抗加熱部材１４のＣＴＥも、約４．５×１０^−６／℃から約９×１０^−６／℃の範囲である。

端子パッド１８は、好ましくは導電性貴金属粉末とガラスフリットの混合物を含む材料で形成し、約５ｍΩ／sq未満のシート抵抗を有する。抵抗加熱部材１４と同様に、端子パッド１８を形成するためのケイ酸塩ガラスフリットは、約４．５×１０^−６から約９×１０^−６／℃の範囲のＣＴＥを有する。ただし、抵抗加熱部材１４とは異なり、端子パッド１８を形成するためのガラスフリットは、好ましくは約４００℃から約６５０℃の範囲のガラス転移温度を有する。

リード線２０は、抵抗加熱部材１４を電源（図示せず）に電気的に接続するために好ましくは端子パッド１８に接合される。導電性を向上させるために、リード線２０は好ましくはニッケルと銀からなる群から選択される材料で形成する。

保護層１６は、好ましくは動作環境から抵抗加熱部材１４を電気的に絶縁し、保護するための誘電材料である。また、電源との電気的な接続を促進するための十分な領域が存在する限りにおいて、保護層１６は端子パッド１８の一部を被覆することができる。基材１２は様々な誘電材料と似通ったＣＴＥを有するため、熱応力による保護層１６と抵抗加熱部材１４の間又は内部にクラックを生じさせることなく下層の抵抗加熱部材１４に絶縁性を与える保護層１６を見出すことは困難ではない。好ましくは、保護層１６は、約４．５×１０^−６／℃から約９×１０^−６／℃の範囲のＣＴＥを有するケイ酸塩ガラスフリットで形成する。また、ガラス転移温度は好ましくは約４００℃から約６５０℃の範囲である。

図２及び図３に示すように、本発明の一態様では、リード線２０と端子パッド１８の接続を保護するために歪み軽減キャップ３０を採用している。好ましくは、溝３２を歪み軽減キャップ３０の下面に沿って形成し、溝３２の内部にリード線２０を収容し、溝３２内にリード線２０を閉じ込める。また、歪み軽減キャップ３０はリード線２０が端子パッド１８から斜めに引っ張られる可能性を減少させ、リード線２０と端子パッド１８の電気的接続の信頼性を高める。図３に最も良く示すように、歪み軽減キャップ３０は端子パッド１８よりわずかに大きく、基材１２の外側表面とほぼ同じ曲率を有する湾曲した下面３４を有しており、端子パッド１８及び基材１２との適合性が向上する。好ましくは、歪み軽減キャップ３０は、約９９．５％よりも高い純度を有する焼結アルミナを含む材料で形成する。

抵抗加熱部材１４と端子パッド１８を基材１２に設け、リード線２０を接続することを含むインラインヒーター１０を形成する方法を以下に詳細に説明する。図５を参照すると、厚膜法を使用する場合には、最初に加熱線の設計に応じて抵抗加熱部材の材料をスクリーン印刷又は直接印刷法を使用してチューブ状の単結晶アルミナ基材に塗布し、抵抗加熱部材１４を形成する。抵抗加熱部材の材料を塗布した後、材料を乾燥させて有機溶媒を除去する。次に、抵抗加熱部材の材料を焼成して厚膜の抵抗加熱部材１４を形成する。厚膜の抵抗加熱部材１４を、抵抗加熱部材１４に使用する材料に応じて約８００℃から１２５０℃で焼成する。

抵抗加熱部材１４を形成した後、端子パッドの材料を抵抗加熱部材１４の接続端部において基材１２に設ける。抵抗加熱部材１４を形成する方法と同様に、材料を乾燥・焼成して端子パッド１８を形成する。

次に、保護層１６の材料を抵抗加熱部材１４及び基材１２上に設けるが、リード線２０との電気的接続のために端子パッド１８を完全に覆わないように設ける。抵抗加熱部材１４及び端子パッド１８を形成する方法と同様に、材料を乾燥・焼成して保護層１６を形成する。次に、接合材料を端子パッド１８および基材１２の端子パッド１８に隣接する部分に塗布し、歪み軽減キャップ３０とリード線２０を接続する。好ましい接合材料は、ガラスフリットと銀粉末を含み、約４００℃から約５００℃の範囲のガラス転移温度を有する材料である。最後に、アセンブリ全体を乾燥・焼成し、本発明の教示に係るインラインヒーター１０を完成させる。

本発明の説明は単に例示を目的としたものであり、本発明の要旨から逸脱しない変形も本発明の範囲に含まれる。そのような変形は本発明の範囲から逸脱するとはみなされない。

本発明の教示に従って構成された半導体のウェット化学処理に使用するインラインヒーターの斜視図である。 本発明の教示に係るインラインヒーターの図１のＡ−Ａ線に沿った拡大断面図である。 本発明の教示に係るインラインヒーターの図２のＢ−Ｂ線に沿った部分拡大断面図である。 本発明の教示に従って構成された複数の抵抗層を含むインラインヒーターの拡大断面図である。 本発明の教示に係るインラインヒーターを形成するための製造方法の概略フロー図である。

Claims (31)

1. 半導体のウェット化学処理に使用するヒーターであって、
   単結晶アルミナ基材と、
   前記単結晶アルミナ基材上に配置された抵抗加熱部材と、
   前記抵抗加熱部材上に配置された保護層と、
   を含むヒーター。
2. 請求項１において、前記抵抗加熱部材に電気的に接続された端子パッドをさらに含むヒーター。
3. 請求項１において、前記基材がチューブ形状を有するヒーター。
4. 請求項１において、前記抵抗加熱部材が、厚膜法、薄膜法、熱溶射法、ゾルゲル法からなる群から選択される層形成方法によって形成されるヒーター。
5. 請求項１において、前記抵抗加熱部材が導電性貴金属粉末とガラスフリットの混合物を含む材料で形成されているヒーター。
6. 請求項５において、前記導電性貴金属が、銀、白金、金、パラジウム、それらの組み合わせからなる群から選択されるヒーター。
7. 請求項１において、前記抵抗加熱部材が白金を含む材料で形成されているヒーター。
8. 請求項１において、前記端子パッドが導電性貴金属粉末とガラスフリットの混合物を含む材料で形成されているヒーター。
9. 請求項１において、前記保護層がケイ酸塩ガラスフリットを含むヒーター。
10. 半導体のウェット化学処理に使用するヒーターであって、
    単結晶アルミナ基材と、
    前記単結晶アルミナ基材上に配置された抵抗加熱部材と、
    を含むヒーター。
11. 請求項１０において、前記抵抗加熱部材の複数層を含むヒーター。
12. 半導体のウェット化学処理に使用するヒーターであって、単結晶アルミナ基材を含むヒーター。
13. 半導体のウェット化学処理に使用するヒーターであって、
    単結晶アルミナ基材と、
    前記単結晶アルミナ基材上に配置された抵抗加熱部材と、
    前記抵抗加熱部材上に配置された保護層と、
    前記抵抗加熱部材に接続された端子パッドと、
    前記端子パッドに接続されたリード線と、
    前記リード線と前記端子パッドの接続部上に配置された歪み軽減キャップと、
    を含むヒーター。
14. 請求項１３において、前記抵抗加熱部材が導電性貴金属粉末とガラスフリットの混合物を含む材料で形成されているヒーター。
15. 請求項１４において、前記導電性貴金属が、銀、金、パラジウム、白金、それらの組み合わせからなる群から選択されるヒーター。
16. 請求項１３において、前記抵抗加熱部材が白金材料を含む材料で形成されているヒーター。
17. 請求項１３において、前記端子パッドが導電性貴金属粉末とガラスフリットの混合物を含む材料で形成されているヒーター。
18. 請求項１３において、前記保護層がケイ酸塩ガラスフリットを含むヒーター。
19. 請求項１３において、前記リード線がニッケルと銀からなる群から選択される材料を含むヒーター。
20. 請求項１３において、前記歪み軽減キャップが焼結アルミナを含む材料で形成されているヒーター。
21. 請求項１３において、前記歪み軽減キャップが前記リード線を配置するための溝をさらに含むヒーター。
22. 請求項１３において、前記端子パッドと、前記リード線と、前記歪み軽減キャップとの間に配置された接合材料をさらに含むヒーター。
23. 請求項１３において、前記接合材料がガラスフリットと銀粉末を含む材料であるヒーター。
24. 半導体のウェット化学処理のためのヒーターに使用される単結晶アルミナ基材。
25. 半導体のウェット化学処理に使用するヒーターであって、
    基材熱膨張係数を有する材料を含み、ウェット化学処理の薬品に対して耐性を有する基材と、
    前記基材上に配置され、抵抗加熱部材熱膨張係数を有する材料を含む抵抗加熱部材と、
    前記抵抗加熱部材上に配置され、保護層熱膨張係数を有する材料を含む保護層と、
    を含み、
    前記熱膨張係数が実質的に同等であり、前記ヒーターの製造時に生じる熱応力を減少させるヒーター。
26. 請求項２５において、前記基材熱膨張係数が約８×１０^−６／℃であり、前記抵抗加熱部材熱膨張係数が約４．５×１０^−６／℃から約９×１０^−６／℃の範囲であり、前記保護層熱膨張係数が約４．５×１０^−６／℃から約９×１０^−６／℃の範囲であるヒーター。
27. 半導体のウェット化学処理に使用するヒーターの製造方法であって、
    （ａ）抵抗加熱部材を単結晶アルミナ上に設ける工程と、
    （ｂ）前記抵抗加熱部材に接続される端子パッドを前記単結晶アルミナ基材上に設ける工程と、
    （ｃ）保護層を前記抵抗加熱部材上に設ける工程と、
    （ｄ）接合材料を前記端子パッド上に設ける工程と、
    （ｅ）リード線を前記端子パッド上に前記接合材料と接触するように配置する工程と、
    を含む方法。
28. 請求項２７において、前記リード線と前記端子パッドの接続部上に歪み軽減キャップを配置する工程をさらに含む方法。
29. 請求項２７において、前記工程（ａ），（ｂ），（ｃ）のそれぞれの後に乾燥工程と焼成工程とをさらに含む方法。
30. 請求項２７において、前記抵抗加熱部材を、厚膜法、薄膜法、熱溶射法、ゾルゲル法からなる群から選択される層形成方法によって形成する方法。
31. 半導体のウェット化学処理に使用するヒーターであって、耐化学腐食性をもたらす手段を含むヒーター。

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