JP3729785B2

JP3729785B2 - セラミックヒータ

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Publication number: JP3729785B2
Application number: JP2001576720A
Authority: JP
Inventors: 靖二平松; 康隆伊藤
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2001-04-16
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2021-04-16
Also published as: US6887316B2; US20020166854A1; EP1274280A1; WO2001080601A1

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、主に半導体産業において使用されるセラミックヒータに関し、特に、基板加熱面における温度分布の均一性に優れるセラミックヒータである。
【０００２】
【背景技術】
近年、半導体は、単に電子産業に止まらず、種々の産業界において不可欠な部品の１つとして重用されている。例えば、代表的な半導体チップは、シリコン単結晶を所定の厚さにスライスしてシリコンウエハを作製し、その後、このシリコンウエハに複数の集積回路等を形成することにより製造されている。
この半導体チップの製造工程においては、静電チャック上に載置したシリコンウエハに、エッチングやＣＶＤ等の種々の処理を施することにより、導体回路等を形成したり、レジスト用の樹脂を塗布したのち加熱して乾燥したりする処理が行われる。このような処理には、多くの場合セラミックヒータが用いられる。例えば、特開平１１−４０３３０号公報、特開平４−３００２４９号公報などには、炭化物や窒化物を素材とするセラミックヒータが開示されている。しかしながら、これらの技術は、加熱間の温度分布が不均一になりやすいという問題があった。これに対し、特開平１１−２５１０４０号公報には、セラミックヒータの加熱面における温度分布の均一化を目的として、基板内部に埋設した抵抗発熱体の厚さをばらつきの小さいものにするという技術を提案している。しかしながら、この技術の場合、発熱体が基板内部に埋設されていることから、基板加熱面と発熱体との距離が近づきすぎて、板面全体に均一な温度分布を確保するという点で、なお不十分であった。
【０００３】
【発明の開示】
発明者らは、特開平１１−２５１０４０号公報に開示の技術が抱えている上述した問題点につき検討した結果、温度が不均一になる理由が、基本板の加熱面と抵抗発熱体との距離が近すぎこと、さらに加えて抵抗発熱体の厚さのばらつきが大きいこと、および／または抵抗発熱体の面粗度が一定の基準を越えて大きい場合にあることを知見し、本発明を完成した。即ち、本発明は、抵抗発熱体を基板の加熱面とは反対側の表面に形成すると共に、該抵抗発熱体を特定のばらつきの範囲内に収めること、および／または該抵抗発熱体の面粗度を特定の面粗度の範囲内に調整してなるものである。
このようにして開発した本発明の要旨構成を以下に列挙する。
１．本発明は、抵抗発熱体がセラミック基板の表面に抵抗発熱体が形成されてなるセラミックヒータにおいて、該抵抗発熱体の面粗度を、Ｒｍａｘで０．０５μｍ〜１００μｍの範囲内にすると共に、該抵抗発熱体の平均厚さの５０％以下（１／２以下）にしたことを特徴とするものである。
２．本発明はまた、抵抗発熱体がセラミック基板の表面に形成されてなるセラミックヒータにおいて、該抵抗発熱体の厚さのばらつきが、平均厚さの±５０％以内で、かつ該抵抗発熱体の面粗度をＲｍａｘで０．０５μｍ〜１００μｍにすると共に、該抵抗発熱体の平均厚さの５０％以下（１／２以下）にしたことを特徴とするものである。
３．なお、本発明において、前記抵抗発熱体は、セラミック基板の加熱面とは反対側の面に形成されていることが好ましい。
４．また、本発明において、前記セラミック基板は、炭化物または窒化物セラミックからなるものであることが好ましい。
５．また、本発明において、前記セラミック基板は、その厚さが２５ｍｍ以下であることが好ましい。
６．また、本発明において、前記セラミック基板は、その表面に酸化物セラミックからなる絶縁層が形成され、その絶縁層の表面に前記抵抗発熱体が形成されていることが好ましい。
７．さらに、本発明において、前記抵抗発熱体は、２以上の回路で構成されていることが好ましい。
【０００４】
上述したように本発明は、セラミック基板の加熱面とは反対側の表面に抵抗発熱体を形成すると共に、該抵抗発熱体の面粗度が、ＪＩＳＲ０６０１で表わされるＲｍａｘで、０．０５μｍ〜１００μｍの範囲にすると共に該抵抗発熱体厚さのばらつきが平均厚さの５０％以下となるようにすることが必要である。
【０００５】
本発明において、抵抗発熱体の厚さのばらつきがを平均厚さの±５０％以下に調整する理由は、そのばらつきが小さくなると抵抗値の変動も小さくなり、ウエハ等を加熱する板の面の温度分布が均一になるからである。
【０００６】
また、抵抗発熱体の面粗度については、Ｒｍａｘが０．０５μｍ未満では、表面が平滑すぎて雰囲気気体が流動しやすくなり、この雰囲気気体が局所的に抵抗発熱体の熱を奪うためウエハ等の加熱面の温度が不均一になりやすい。逆に、この面粗度のＲｍａｘが１００μｍを超えるとでは、抵抗発熱体の厚さがばらつくことになり、ウエハ等の加熱面の温度が不均一になりやすい。つまり、抵抗発熱体の面粗度は、大きすぎても小さくなりすぎても加熱面の温度を均一にすることができない。
即ち、抵抗発熱体の厚さのばらつきや面粗度を調整する理由は、その上限を越えると、抵抗発熱体の抵抗値のばらつきが大きくなり、ひていはウエハ等の加熱面の温度分布ばらつきが大きくなるのを阻止することにある。
【０００７】
なお、本発明では、上述した構成に加えて、抵抗発熱体を基板の表面に形成する。こうすると、セラミック基板の抵抗発熱体が形成された面の反対側が加熱面となるため、抵抗発熱体側から加熱面側への熱が拡散伝搬が効率よく行われ、加熱面に抵抗発熱体パターンに近似した温度分布が生じにくくなる。本発明のセラミック基板は、その厚さを２５ｍｍ以下にすることが望ましい。ただし、２５ｍｍ以下の薄い基板は、熱容量が小さいため昇温特性には優れるが、抵抗発熱体の抵抗値のばらつきの影響を強く受けやすく、加熱面温度が不均一になりやすい。しかしながら、本発明では、上述した構成の採用によって抵抗値のばらつきを小さくすることで、昇温特性と加熱面温度の均一の両方に優れたセラミックヒータを得ることにしたのである。
【０００８】
ところで、特開平１１−２５１０４０号公報には、内部に発熱体を埋設してその発熱体の厚さのばらつきを小さくする技術が開示されているが、この技術は、抵抗発熱体を内部に形成したヒータであり、本発明のように基板表面に形成したものではない。また、基板厚さについても言及されておらず、本発明とは全く異なる。なお、抵抗発熱体を内部に形成する場合は、発熱体の上下両面にセラミックが接しており、熱はウエハ加熱面に反射されるため、温度ばらつきは、セラミック基板の片面に発熱体を形成する場合に比べて大きくなる。
【０００９】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明のセラミックヒータは、セラミック基板の素材として窒化物セラミックまたは炭化物セラミック等が用いられる。また、このセラミック基板表面には必要に応じ、絶縁層として酸化物セラミック層を形成する。絶縁層を形成する理由は、窒化物セラミックの場合は、酸素固溶等によって、高温で体積抵抗値が低下しやすいこと、また炭化物セラミックの場合は高純度化しない限り導電性があるため、酸化物セラミックを絶縁層として形成すれば、高温時あるいは不純物を含有していても、回路間の短絡を防止して温度制御性を向上させることができるからである。
【００１０】
前記セラミック基板を構成する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、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン等が挙げられる。また、上記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、炭化タンステン等が挙げられる。
【００１１】
本発明においては、セラミック基板中に焼結助剤を含有することが望ましい。例えば窒化アルミニウムの焼結助剤としては、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、希土類酸化物を使用することができ、これらの焼結助剤のなかでは、特にＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏ、Ｒｂ_２Ｏ_３が好ましい。また、アルミナを使用してもよい。これらの含有量としては、０．１〜２０ｗｔ％が望ましい。また、炭化珪素の場合は、焼結助剤は、Ｂ_４Ｃ、Ｃ、ＡＬＮである。
【００１２】
本発明では、セラミック基板中に５〜５０００ｐｐｍのカーボンを含有していることが望ましい。カーボンを含有させることにより、セラミック基板を黒色化することができ、ヒータとして使用する際に輻射熱を充分に利用することができるからである。カーボンは、非晶質のものであっても、結晶質のものであってもよい。非晶質のカーボンを使用した場合には、高温における体積抵抗率の低下を防止することができ、結晶質のものを使用した場合には、高温における熱伝導率の低下を防止することができるからである。従って、用途によっては、結晶質のカーボンと非晶質のカーボンの両方を併用してもよい。また、カーボンの含有量は、５０〜２０００ｐｐｍがより好ましい。
【００１３】
前記セラミック基板としては、その厚さは、５０ｍｍ以下、特に２５ｍｍ以下が望ましい。特にセラミック基板の厚さが２５ｍｍを超えると、セラミック基板の熱容量が大きくなり、特に、温度制御手段を設けて加熱、冷却する場合に、熱容量の大きさに起因して温度追従性が低下してしまう。特に５ｍｍ以上が好適である。なお、厚みは、１．５ｍｍを越えることが望ましい。
【００１４】
前記絶縁層としては、酸化物セラミックが望ましく、具体的には、シリカ、アルミナ、ムライト、コージェライト、ベリリアなどを使用することができる。このような絶縁層としては、アルコキシドを加水分解重合させたゾル溶液をセラミック基板にスピンコートして乾燥、焼成を行ったり、スパッタリング、ＣＶＤなどで形成してもよい。また、セラミック基板表面を酸化処理して酸化物層としてもよい。
この絶縁層は、０．１〜１０００μｍであることが望ましい。０．１μｍ未満では、絶縁性を確保できず、１０００μｍを越えると抵抗発熱体からセラミック基板への熱伝導性を阻害してしまうからである。さらに、この絶縁層の体積抵抗率は、前記セラミック基板体積抵抗率の１０倍以上（同一測定温度）であることが望ましい。１０倍未満では、回路の短絡を防止できないからである。
【００１５】
なお、本発明のセラミックヒータでは、半導体ウエハをセラミック基板のウエハ載置面に接触させた状態で載置するほか、半導体ウエハを支持ピンや支持球などで支持し、セラミックス基板との間に一定の間隔を保って保持する場合もある。離間距離としては、５〜５０００μｍが望ましい。
半導体ウエハは、リフターピンを上下することにより、搬送機からウエハを受け取ったり、ウエハをセラミック基板上に載置したり、ウエハを支持したまま加熱したりできる。
【００１６】
前記セラミック基板の直径は２００ｍｍ以上が望ましい。特に１２インチ（３００ｍｍ）以上であることが望ましい。このような大きなヒータほど加熱面の温度不均一の問題が発生しやすく、本発明が有効だからである。
【００１７】
本発明のセラミックヒーターでは、必要に応じて、セラミック基板の有底孔に熱電対を埋め込んでおくことができる。熱電対により抵抗発熱体の温度を測定し、そのデータをもとに電圧、電流量を変えて、温度を制御することができるからである。熱電対の金属線の接合部位の大きさは、各金属線の素線径と同一か、もしくは、それよりも大きく、かつ、０．５ｍｍ以下がよい。このような構成にすることによって、接合部分の熱容量が小さくなり、温度が正確に、また、迅速に電流値に変換されるのである。このため、温度制御性が向上してウエハの加熱面の温度分布が小さくなるのである。こうした熱電対としては、例えば、ＪＩＳ−Ｃ−１６０２（１９８０）に挙げられるように、Ｋ型、Ｒ型、Ｂ型、Ｓ型、Ｅ型、Ｊ型、Ｔ型熱電対が挙げられる。なお、かかる熱電対としては、金ろう、銀ろうなどを使用して、有底孔１４の底に接着してもよく、有底孔１４に挿入した後、耐熱性樹脂で封止してもよく、両者を併用してもよい。かかる耐熱性樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂、特にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド−トリアジン樹脂などが挙げられる。これらの樹脂は、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。また、上記金ろうとしては、３７〜８０．５ｗｔ％Ａｕ−６３〜１９．５ｗｔ％Ｃｕ合金、８１．５〜８２．５ｗｔ％Ａｕ−１８．５〜１７．５ｗｔ％Ｎｉ合金から選ばれる少なくとも１種が望ましい。これらは、溶融温度が、９００℃以上であり、高温領域でも溶融しにくいためである。銀ろうとしては、例えば、Ａｇ−Ｃｕ系のものを使用することができる。
【００１８】
前記抵抗発熱体１２は、図１に示したように、少なくとも２以上の回路に分割されていることが望ましく、２〜１０の回路に分割されていることがより望ましい。回路を分割する理由は、各回路に投入する電力を制御して発熱量を変えることができ、ウエハ加熱面１１ｂの温度を調整することができるからである。かかる抵抗発熱体１２のパターンとしては、図１に示した同心円のほか、例えば、渦巻き、偏心円、屈曲線などが挙げられる。
【００１９】
本発明においては、この発熱体を形成する前に、セラミック基板表面に絶縁層を設けることが望ましい。こうした絶縁層の形成する方法としては、セラミック基板の表面にアルコキシドを加水分解重合させたゾル溶液をスピンコートして乾燥したのち、焼成したり、スパッタリング、ＣＶＤなどの方法によっても形成してもよい。また、その絶縁層として、セラミック基板の表面を酸化雰囲気中で焼成することにより酸化物層を設けて代替してもよい。前記絶縁層の形成の際に、該絶縁層の収縮でセラミック基板を一方向へ反らせることが可能になる。
【００２０】
前記抵抗発熱体をセラミック基板１１の表面に形成するには、セラミック基板１１の表面に、金属粒子を含む導電ペーストを塗布して所定パターンの導体ペースト層を形成した後、これを焼き付け、セラミック基板１１の表面で金属粒子を焼結させる方法が好ましい。なお、金属の焼結は、金属粒子同士および金属粒子とセラミックとが融着していれば充分である。
セラミック基板１１の表面に抵抗熱体を形成する場合、この抵抗発熱体の厚さは、１〜３００μｍ、好ましくは１〜１００μｍ、さらに好ましくは１〜１０μｍ程度とする。
また、セラミック基板１１の表面に発熱体を形成する場合には、発熱体の幅は、１〜５０ｍｍが好ましい。
【００２１】
発熱体は、その幅や厚さにより抵抗値に変化を持たせることができるが、上記した範囲が最も実用的である。抵抗値は、薄く、また、細くなる程大きくなる。
発熱体の形成位置をこのように設定することにより、発熱体から発生した熱が伝搬していくうちに、セラミック基板全体に拡散し、被加熱物（シリコンウエハ）を加熱する面の温度分布が均一化され、その結果、ウエハ等の被加熱物（ワーク）の各部分における温度が均一化される。
前記抵抗発熱体は、断面が矩形であっても楕円であってもよいが、偏平であることが望ましい。偏平の方がウエハ加熱面に向かって放熱しやすいため、ウエハ加熱面の不均な温度分布となりにくいからである。この抵抗発熱体の断面のアスペクト比（発熱体の幅／発熱体の厚さ）は、１０〜５０００程度あることが望ましい。断面アスペクト比をこの範囲に調整する理由は、この範囲内であれば、発熱体の抵抗値を大きくすることができるとともに、ウエハ加熱面の温度の均一性を確保することができるからである。とくに、該抵抗発熱体１２の厚さを一定にした場合、アスペクト比が上記範囲より小さいと、基板１１のウエハ加熱面に向っての熱の伝搬量（拡散）が小さくなり、該抵抗発熱体のパターンに近似した熱分布がウエハ加熱面に発生してしまう。逆に、アスペクト比が大きすぎると抵抗発熱体の中央の直上部分が高温となってしまい、結局、発熱体のパターンに近似した熱分布がウエハ加熱面に発生してしまう。従って、温度分布を考慮すると、発熱体断面のアスペクト比は、１０〜５０００であることが好ましい。抵抗発熱体を基板１１の表面に形成する場合は、アスペクト比を１０〜２００とすることが望ましい。
【００２２】
セラミック基板の表面に前記抵抗発熱体を形成するには導体ペーストを用いる。その導電ペーストとしては特に限定されないが、導電性を確保するための金属粒子または導電性セラミックが含有されているほか、樹脂、溶剤、増粘剤などを含むものが好ましい。上記金属粒子としては、例えば、貴金属（金、銀、白金、パラジウム）が好ましく、２種以上を併用することが望ましい。これらの金属は、比較的酸化しにくく、発熱するに充分な抵抗値を有するからである。これら金属粒子または導電性セラミック粒子（酸化物粒子等）の粒径は、０．１〜１００μｍ程度が好ましい。この粒径の大きさが０．１μｍ未満では微細すぎて、酸化されやすく、一方、１００μｍを超える大きさだと、焼結しにくくなり抵抗値が大きくなるからである。上記金属粒子の形状は、球状であっても、リン片状であってもよい。これらの金属粒子を用いる場合、上記球状物と上記リン片状物との混合物であってよい。上記金属粒子がリン片状物、または、球状物とリン片状物との混合物の場合は、厚みばらつきや面粗度を小さくできる。
【００２３】
前記導体ペーストに使用される樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。また、溶剤としては、例えば、イソプロピルアルコールなどが挙げられる。増粘剤としては、セルロースなどが挙げられる。この導体ペーストには、上述したように、金属粒子および酸化物を焼結したものを用いることが望ましい。このように、酸化物を金属粒子とともに焼結させることにより、セラミック基板１１である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を密着させることができる。かかる導体ペースト中に酸化物を混合することにより、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、金属粒子表面や窒化物セラミック、炭化物セラミックの表面は、わずかに酸化されて酸化膜が形成されており、この酸化膜同士が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とが密着するのではないかと考えられる。
【００２４】
上記酸化物としては、例えば、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、酸化ルテニウムからなる群から選ばれる少なくとも１種が好ましい。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することができるからである。前記酸化鉛、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、酸化ルテニウムの割合は、金属酸化物の全量を１００重量部とした場合、酸化鉛が１〜１０ｗｔ％、シリカが１〜３０ｗｔ％、酸化ホウ素が５〜５０ｗｔ％、酸化亜鉛が２０〜７０ｗｔ％、アルミナが１〜１０ｗｔ％、イットリアが１〜５０ｗｔ％、チタニアが１〜５０ｗｔ％、酸化ルテニウムが１〜５０ｗｔ％であって、その合計が１００重量部を超えない範囲で調整されていることが望ましい。これらの範囲で、これらの酸化物の量を調整することにより、特に窒化物セラミックとの密着性を改善することができる。
【００２５】
上記酸化物の金属粒子に対する添加量は、０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％未満が好ましい。また、このような構成の導体ペーストを使用して抵抗発熱体を形成した際の面積抵抗率は、０．１〜１０Ω／□程度が好ましい。その面積抵抗率が１０Ω／□を超えると、抵抗値の制御のために、発熱体パターン幅を大きくしなければならず、発熱体パターンを２以上の回路に分割して制御する場合にパターン設計の自由度が奪われ、温度の均一性が確保できない。また、逆に面積抵抗率０．１Ω／□未満では、パターン幅を小さくしなければ抵抗値を確保できず、上述したような加熱面の温度が不均一になるという問題が発生してしまう。
【００２６】
抵抗発熱体１２をセラミック基板１１の表面に形成するとき、好ましくは、該抵抗発熱体の表面に、はんだ等の金属被覆層１２ａを形成することが望ましい。金属被覆層を形成する際に使用される金属は、非酸化性の金属であれば特に限定されないが、具体的には、例えば、金、銀、パラジウム、白金、ニッケルなどが挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。これらのなかでは、ニッケルが好ましい。それはニッケルは、はんだの熱拡散を防止に有効だからである。前記抵抗発熱体１２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、半田を介して該抵抗発熱体に取り付けるが、接続端子としては、例えば、コバール製の端子ピン１３が挙げられる。
【００２７】
接続端子を接続する場合、半田としては、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、０．１〜５０μｍが好ましい。はんだによる接続を確保するのに充分な範囲だからである。
次に、本発明のセラミックヒータの製造方法について説明する。
【００２８】
（１）セラミック基板の作製工程上述した窒化物セラミックまたは炭化物セラミックの粉末に必要に応じてイットリア等の焼結助剤やバインダ等を配合してスラリーを調製した後、このスラリーをスプレードライ等の方法で顆粒状にし、この顆粒を金型などに入れて加圧することにより板状などに成形し、生成形体（グリーン）を作製し、リフターピン１６を挿入するための貫通孔１５となる部分や熱電対などの測温素子を埋め込むための有底孔１４となる部分を形成する。
次に、この生成形体を加熱、焼成して焼結させ、セラミック製の板状体を製造する。その後、所定の形状に加工することにより、セラミック基板１１を作製するが、焼成後にそのまま使用することができる形状としてもよい。また、加圧しながら加熱、焼成を行うことにより、気孔のないセラミック基板１１を製造することも可能となる。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。
【００２９】
（２）基板の表面に抵抗発熱体用導体ペーストを印刷する工程導体ペーストは、２種以上の貴金属からなる金属粒子、樹脂、溶剤からなる粘度の高い流動物である。この導体ペーストをスクリーン印刷などを用い、抵抗発熱体を形成しようとする部分に印刷を行うことにより、導体ペースト層を形成する。抵抗発熱体１２は、セラミック基板１１全体を均一な温度分布にする必要があることから、図１に示すような同心円状からなるパターンに印刷することが望ましい。印刷は、厚さばらつき、面粗度を小さくできるように印刷方向を直角にかえて２回以上印刷を行ってもよい。また、導体ペーストにリン片状のものを使用してもよい。
導体ペースト層は、焼成後の発熱体１３の断面が、方形で、偏平な形状となるように形成することが望ましい。
【００３０】
（３）導体ペーストの焼成セラミック基板１１の加熱面とは反対側に当たる面（底面）に印刷した前記導体ペースト塗布層を加熱焼成し、樹脂、溶剤を除去するとともに、該ペースト中の金属粒子を焼結し、該基板１１の底面に焼き付け、抵抗発熱体１２を形成する。加熱焼成の温度は、５００〜１０００℃が好ましい。
導体ペースト中に上述した金属酸化物を添加しておくと、金属粒子、基板および金属酸化物が焼結して一体化するため、抵抗発熱体１２とセラミック基板１１との密着性が向上する。
例えば、抵抗発熱体をそのまま印刷した状態では、厚さのばらつきは、平均値の５０％を超えてしまい、また面粗度もＲｍａｘで１００μｍを超えてしまう。そこで厚さのばらつきや面粗度Ｒｍａｘを調整する方法が必要になる。発熱体の厚さばらつきや面粗度の調整方法としては、レーザトリミングで厚い部分を除去する方法やベルトサンダーやバフ研磨で表面を研磨する方法、リンペン状のペーストを使用して発熱体の凹凸をなくす方法などを採用できる。
【００３１】
（４）被覆層の形成前記抵抗発熱体１２の表面には、金属被覆層１２ａを設けることが望ましい。この金属被覆層１２ａは、電解めっき、無電解めっき、スパッタリング等により形成することができるが、量産性を考慮すると、無電解めっきが好適である。この金属被覆層としては、また金属以外にポリイミドなどの樹脂やガラスなどの無機物を採用できる。
【００３２】
（５）端子等の取り付け前記発熱体１２のパターンの端部に電源との接続のための外部端子（端子ピン１３）をはんだで取り付ける。また、有底孔１４に銀ろう、金ろうや樹脂、セラミックなどで図示しない熱電対を固定し、ポリイミド等の耐熱樹脂で封止し、セラミックヒータ１０の製造を終了する。
なお、本発明のセラミックヒータでは、静電電極を設けて静電チャックとしてもよく、チャップトップ導体層を設けてウエハプローバとしてもよい。
【００３３】
【実施例】
（実施例１）炭化けい系製のセラミックヒータの製造
（１）ＳｉＣ粉末（平均粒径：０．３μｍ）１００重量部、焼結助剤のＢ_４Ｃを０．５重量部、アクリル系バインダ１２重量部およびアルコールからなる組成物のスプレードライを行い、顆粒状の粉末を作製した。
（２）次に、この顆粒状の粉末を金型に入れ、平板状に成形して生成形体（グリーン）を得た。
（３）加工処理の終った生成形体を２１００℃、圧力：１８０ｋｇ／ｃｍ^２でホットプレスし、厚さが３ｍｍのＳｉＣ板状体とし、この板状体の表面から直径２１０ｍｍの円板体を切り出してセラミック基板１１とした。このセラミック基板１１の発熱体形成面（反加熱面）に、ガラスペースト（昭栄化学工業製Ｇ−５２３２Ｎ）を塗布して、１０００℃で１時間焼成して厚さ２μｍのＳｉＯ_２からなる絶縁層１１ｂの膜を形成した。
前記セラミック基板１１には、ドリル加工を施してシリコンウエハの昇降支持を行うリフターピン１６を挿入する貫通孔１５となる部分、熱電対を埋め込むための有底孔１４となる部分（直径：１．１ｍｍ、深さ：２ｍｍ）を穿孔形成した。
（４）上記（３）で得たセラミック基板１１の発熱体形成面に、スクリーン印刷にて発熱体用導体ペーストを印刷した。印刷パターンは、図１に示したような同心円状のパターンとした。このパターンは９個のパターンに分割されており、１〜３本目、４〜６本目、７〜９本目までをそれぞれ１つの制御区画とし、温度制御できるものである。
導体ペーストとしては、以下の組成のものを使用した。リン片状銀（昭栄化学工業製Ａｇ−５４０）９０重量部、針状結晶の白金（昭栄化学工業製Ｐｔ−４０１）１０重量部、シリカ７．５重量部、酸化硼素１．５重量部、酸化亜鉛６重量部、有機ビヒクルとして酢酸セルロース３０重量部からなるものであった。
（５）次に、導体ペーストを印刷したセラミック基板１１を７８０℃で加熱、焼成して、導体ペースト中の銀、白金を焼結させるとともに基板１１に焼き付け、抵抗発熱体１２を形成した。この発熱体１２は、厚さが５μｍ、幅１０ｍｍ、面積抵抗率が０．１３Ω／□のものであった。
（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、ほう酸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、上記（５）で作製したセラミック基板１１を浸漬し、銀−鉛からなる抵抗発熱体１２の表面に、厚さ１μｍの金属被覆層（ニッケル層）１２ａを析出させた。
（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、スクリーン印刷により、銀−鉛半田ペースト（田中貴金属製）を印刷してはんだ層１７を形成した。ついで、発熱体１２の表面にはんだ層１７の上にコバール製の外部端子ピン１３を載置して、４２０℃で加熱してリフローし、端子ピン１３を取り付けた。
（８）温度制御のための熱電対を有底孔１４にはめ込み、セラミック接着剤（東亜合成製アロンセラミック）を埋め込んで固定しセラミックヒータ１０を得た。
【００３４】
（実施例２）炭化けい素製のセラミックヒータの製造
平均粒径１．０μｍのＳｉＣを使用し、焼結温度を１９００℃とし、さらに得られた板状体の表面を１５００℃で２時間焼成し、その板状体表面に厚さ１μｍのＳｉＯ_２からなる絶縁層１１ｂを形成したほかは、実施例１と同様にし、炭化けい素製のセラミックヒータを製造した。
【００３５】
（実施例３）窒化アルミニウム製のセラミックヒータの製造
（１）窒化アルミニウム粉末（平均粒径：０．６μｍ）１００重量部、イットリア（平均粒径：０．４μｍ）４重量部、アクリル系バインダ１２重量部およびアルコールからなる組成物のスプレードライを行い、顆粒状の粉末を作製した。
（２）次に、この顆粒状の粉末を金型に入れ、平板状に成形して生成形体（グリーン）を得た。
（３）加工処理の終った生成形体を１８００℃、圧力：２００ｋｇ／ｃｍ^２でホットプレスし、厚さが３ｍｍのＡｌＮ板状体を得た。次に、この板状体から直径２１０ｍｍの円板体を切り出し、セラミック基板１１とした。このセラミック基板１１の表面に、実施例１のガラスペーストを塗布し、乾燥焼成して厚さ２μｍのＳｉＯ_２からなる絶縁層１１ｂを形成した。
この成形体にドリル加工を施し、シリコンウエハのリフターピン１６を挿入する貫通孔１５となる部分、熱電対を埋め込むための有底孔１４となる部分（直径：１．１ｍｍ、深さ：２ｍｍ）を形成した。
（４）上記（３）で得たセラミック基板１１に、スクリーン印刷にて導体ペーストを印刷した。印刷パターンは、図１に示したような同心円状のパターンとした。このパターン９個のパターンに分割されており、１〜３本目、４〜６本目、７〜９本目までをそれぞれ１つの制御区画とし、温度制御している。
導体ペーストとしては、リン片状銀（昭栄化学工業製Ａｇ−５４０）５０重量部、球状パラジウム（昭栄化学工業製Ｐｄ−２２５）５０重量部、酸化亜鉛１０ｗｔ％、シリカ８ｗ量％、酸化ホウ素２ｗｔ％、有機ビヒクルとして酢酸セルロース３０重量部からなるものを使用した。
（５）次に、導体ペーストを印刷したセラミック基板１１を７８０℃で加熱、焼成して、導体ペースト中の銀、Ｐｄを焼結するとともに、基板表面に焼き付け、抵抗発熱体１２を形成した。この銀−Ｐｄの抵抗発熱体１２は、厚さが５μｍ、幅１５ｍｍ、面積抵抗率が５．０９Ω／□のものであった。
（６）次に、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、ほう酸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上記（５）で作製しセラミック基板１１を浸漬し、銀−鉛の抵抗発熱体１２の表面に厚さ１μｍの金属被覆層（ニッケル層）１２ａを析出させた。
（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、スクリーン印刷により、銀−鉛はんだ（田中貴金属製）を印刷してはんだ層１７を形成した。ついで、このはんだ層１７の上にコバール製の外部端子ピン１３を載置して、４２０℃で加熱してリフローし、外部端子ピン１３を抵抗発熱体１２の表面に取り付けた。
（８）温度制御のための熱電対を有底孔１４にはめ込み、セラミック接着剤（東亜合成製アロンセラミック）を埋め込んで固定しセラミックヒータ１０を得た。
【００３６】
（実施例４）
実施例３と同様であるが、導体ペーストとしては、球状白金（昭栄化学工業製Ｐｔ−２２５）５０重量部、酸化亜鉛１０ｗｔ％、シリカ８ｗｔ％、酸化ホウ素２ｗｔ％、有機ビヒクルとして酢酸セルロース３０重量部からなるものであった。また、印刷厚さを２００μｍとした。さらに、表面をバフ研磨にて５０μｍ研磨した。
【００３７】
（実施例５）
実施例１と同様であるが、ダイヤモンドペースト（マルトー製平均粒子径１μｍ）を用いて抵抗発熱体表面をポリシングした。
【００３８】
（比較例１）
実施例１と同様であるが、導体ペーストとしては、プリント配線板のスルーホール形成に使用されている徳力化学研究所製のソルベストＰＳ６０３Ｄを使用した。この導体ペーストは、銀ペーストであり、銀１００重量部に対して、酸化鉛（５ｗｔ％）、酸化亜鉛（５５ｗｔ％）、シリカ（１０ｗｔ％）、酸化ホウ素（２５ｗｔ％）およびアルミナ（５ｗｔ％）からなる金属酸化物を７．５重量部含むものであった。パターンは９本形成し、パターン線幅は１ｍｍとした。
【００３９】
（比較例２）
実施例４と同様であるが、表面をバフ研磨しなかった。
【００４０】
（比較例３）
実施例１と同様であるが、ダイヤモンドペースト（マルトー製平均粒子径０．２５μｍ）を用いて抵抗発熱体表面をポリシングした。
【００４１】
（比較例４）
（１）次に、空気中、５００℃で１時間焼成した窒化アルミニウム粉末（トクヤマ社製、平均粒径１．１μｍ）１００重量部、イットリア（平均粒径：０．４μｍ）１、２、４重量部、アクリルバインダ１１．５重量部、分散剤０．５重量部および１−ブタノールとエタノールとからなるアルコール５３重量部を混合したペーストを用い、ドクターブレード法による成形を行って、厚さ０．４７ｍｍのグリーンシートを得た。
（２）次に、これらのグリーンシートを８０℃で５時間乾燥させた後、加工が必要なグリーンシートに対し、パンチングにより直径１．８ｍｍ、３．０ｍｍ、５．０ｍｍの半導体ウエハ支持ピン（リフタピン）を挿入する貫通孔となる部分、長尺導電体と接続するためのスルーホール（パッド）となる部分を設けた。
（３）平均粒子径１μｍのタングステンカーバイト粒子１００重量部、アクリル系バインダ３．０重量部、α−テルピネオール溶媒３．５重量部および分散剤０．３重量部を混合して導体ペーストＡを調製した。
（４）さらに、外部端子を接続するためのスルーホール用（パッド）４の貫通孔に導電ペーストを充填した。
抵抗発熱体のパターンが印刷形成されたグリーンシートに、さらに前記導電ペーストを印刷しないグリーンシートを上側（加熱面）に３４〜６０枚、下側に１３〜３０枚積層し、これらを１３０℃、８０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で圧着して積層体を形成した。
（５）次に、得られた積層体を窒素ガス中、６００℃で５時間脱脂し、１８９０℃、圧力１５０ｋｇ／ｃｍ^２で３時間ホットプレスし窒化アルミニウム製の板状体１とした。抵抗発熱体の厚さは１５μｍであった。
【００４２】
以上、本発明の実施例１〜３および比較例１、２のヒータについて４００℃まで昇温し、加熱面の最高温度と最低温度の差を、サーモビュア（日本データム社製ＩＲ−１６−２０１２−００１２）で測定した。また、面粗度と厚さのばらつきを表面形状測定器（ＫＬＡ・Ｔｅｎｃｏｒ社製Ｐ−１１）で調べた。測定条件は、走査速度５０μｍ／秒、荷重３ｍｇ、サンプリングレート１００Ｈｚ、波長フィルター８０μｍで実施した。厚さのばらつきは、任意の２０点の厚さを測定し、平均をもとめ、その測定点中、平均からもっとも離れた値を選び、その値を平均値で除して％表記した。
【００４３】
（比較例５）
実施例１と同様だが、セラミック基板の厚さを２３ｍｍとした。
【００４４】
（比較例６）
実施例１と同様だが、セラミック基板の厚さを２８ｍｍとした。
なお、実施例４，５、比較例３のように発熱体を研磨した場合は、Ｒｍａｘがそのまま厚さばらつきになるが、それ以外では、Ｒｍａｘと厚さばらつきは一致していない。ばらつきは、抵抗発熱体のうねりが反映されるが研磨してうねりがなくなれば面粗度がばらつきに一致する。
【００４５】

【００４６】
（１）表１に示すように、本発明に適合する実施例１では、厚さのばらつきが平均厚さに対して１５％、面粗度がＲｍａｘで０．５μｍ、温度差５℃、実施例２では、厚さのばらつきが平均厚さに対して５％、面粗度がＲｍａｘで０．５μｍ、温度差３℃、実施例３では厚さのばらつきが平均厚さに対して３０％、面粗度がＲｍａｘで１μｍ、温度差６℃である。
これに対し比較例１では、厚さのばらつきが平均厚さに対して５５％、面粗度がＲｍａｘで３．５μｍ、温度差１０℃であった。
【００４７】
（２）実施例４、５は、研磨により面粗度を調整したものである。実施例４では、厚さのばらつきが平均厚さに対して４０％、面粗度がＲｍａｘで８０μｍ、温度差６℃、実施例２では、厚さのばらつきが平均厚さに対して１．３％、面粗度がＲｍａｘで０．０６μｍ、温度差２℃である。
【００４８】
（３）比較例２ではＲｍａｘが１００μｍを超える場合である。これでは厚さのばらつきが大きくなり、抵抗値もばらついて加熱面の温度差も大きくなる。さらに比較例３では、逆に面粗度を小さくしているが、かえって加熱面の温度ばらつきが大きいという意外な結果となっている。抵抗発熱体に接する空気が極めて流動しやすくなり、熱を奪うため抵抗発熱体が局所的に冷えてしまうためと推定している。比較例４では、抵抗発熱体をセラミック基板内部に埋設している。この状態では、厚さばらつきを小さくしても、抵抗発熱体の上下面にセラミックが接しているため、熱の反射で加熱面の温度が均一化しにくいのではないかと思われた。
また、比較例５、６において、セラミック基板の厚さが２５ｍｍを越えると、加熱面の温度ばらつきが小さくなる。このことは、基板が厚くなると熱の伝搬距離が長くなり、拡散するためであると考えられる。
一方、電力を投入した後、加熱面の温度が上昇するまでの時間は、実施例１〜５では０．５（ｓｅｃ）、比較例１では０．５（ｓｅｃ）、比較例５では１．０（ｓｅｃ）、比較例６では６０（ｓｅｃ）である。セラミック基板が厚くなると温度追従性が悪くなる。
以上説明からわかるように、本発明に適合するセラミックヒータによれば、加熱面の温度分布を均一化できる。
【００４９】
【産業上の利用可能性】
本発明のセラミックヒータは、半導体の製造や半導体の検査を行うための装置に用いられる具体的な装置としては、例えば、静電チャック、ウエハプローバ、サセプタなどが挙げられる。静電チャックとして使用される場合は、抵抗発熱体に加えて、静電電極、ＲＦ電極が、さらにウエハプローバとして使用される場合は、表面に導電体としてチャックトップ導体層が形成されており、内部にはガード電極、グランド電極が導電体として形成されている。また、本発明の半導体装置用セラミック基板は、１００℃以上、望ましくは２００℃以上で使用されることが最適である。

Claims

抵抗発熱体がセラミック基板の表面に抵抗発熱体が形成されてなるセラミックヒータにおいて、該抵抗発熱体の面粗度をＲｍａｘで０．０５μｍ〜１００μｍの範囲内にすると共に、該抵抗発熱体の平均厚さの５０％以下にしたことを特徴とする。
前記抵抗発熱体は、セラミック基板の加熱面とは反対側の面に形成されていることを特徴とする請求の範囲１に記載のセラミックヒータ。
前記セラミック基板は、炭化物または窒化物セラミックであることを特徴とする請求の範囲１に記載のセラミックヒータ。
前記セラミック基板は、その厚さが２５ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲１に記載のセラミックヒータ。
前記セラミック基板の表面に、酸化物セラミックからなる絶縁層が形成され、その絶縁層の表面に前記抵抗発熱体が形成されていることを特徴とする請求の範囲１に記載のセラミックヒータ。
前記抵抗発熱体は、２以上の回路で構成されていることを特徴とする請求の範囲１に記載のセラミックヒータ。
抵抗発熱体がセラミック基板の表面に形成されてなるセラミックヒータにおいて、該抵抗発熱体の厚さのばらつきが、平均厚さの±５０％以内で、かつ該抵抗発熱体の面粗度をＲｍａｘで０．０５μｍ〜１００μｍにすると共に、該抵抗発熱体の平均厚さの５０％以下にしたことを特徴とする。
前記抵抗発熱体は、セラミック基板の加熱面とは反対側の面に形成されていることを特徴とする請求の範囲７に記載のセラミックヒータ。
前記セラミック基板は、炭化物または窒化物セラミックであることを特徴とする請求の範囲７に記載のセラミックヒータ。
前記セラミック基板は、その厚さが２５ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲７に記載のセラミックヒータ。
前記セラミック基板の表面に、酸化物セラミックからなる絶縁層が形成され、その絶縁層の表面に前記抵抗発熱体が形成されていることを特徴とする請求の範囲７に記載のセラミックヒータ。
前記抵抗発熱体は、２以上の回路で構成されていることを特徴とする請求の範囲７に記載のセラミックヒータ。