JP4140593B2 - メタライズ基板 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス基板もしくはセラミックスと金属の複合基板の表面に導体膜を形成して、表面を緻密かつ平滑にしたメタライズ基板に関する。更には、このメタライズ基板を用いた、半導体製造装置や半導体検査装置に使用される加熱装置に関し、更にはそれを搭載したウェハプローバやハンドラ装置やテスターなどに関するものである。

従来、半導体の検査工程では、被処理物である半導体基板（ウェハ）に対して加熱処理が行われる。すなわち、ウェハを通常の使用温度よりも高温に加熱して、不良になる可能性のある半導体チップを加速的に不良化させて取り除き、出荷後の不良の発生を予防するバーンインが行われている。バーンイン工程では、半導体ウェハに半導体回路を形成した後、個々のチップに切断する前に、ウェハを加熱しながら各チップの電気的な性能を測定して、不良品を取り除いている。

このようなバーンイン工程では、半導体基板を保持し、半導体基板を加熱するためのヒータが用いられている。従来のヒータは、例えば、特許文献１にあるように、ウェハの裏面全面をグランド電極に接触させる必要があるので、金属製のものが用いられていた。

また、特許文献２では、セラミック基板上に多孔質の金属層を形成し、ウェハプローバに使用することが開示されている。この発明では、セラミックスは金属に比べて変形しにくいので、比較的厚みの薄いプローバを提供できるとされている。

しかし、特許文献２では、セラミックス基板上に、金属粉末のペーストを焼き付けるという方法が取られているが、セラミックス基板に金属粉末のペーストを焼き付けると、金属粉末の焼結による体積収縮と、金属とセラミックスとの熱膨張係数差により、基板が反ってしまうという問題があった。反った基板では、例えば半導体ウェハ等の被処理物を、基板上に密着して搭載することができない。密着して搭載することができないと、例えばウェハプローバとして基板を用いた場合、被処理物を十分に吸着固定できないだけでなく、吸着固定できたとしても、プローブカードを被処理物に押し付けた時、プローブピンが被処理物に当接できない部分ができたり、被処理物が破損するという問題があった。

また、セラミックス基板の表面にメッキ層を形成し、メタライズ層とすることは可能であるが、セラミックスの表面に気孔や突起が存在している場合、形成されたメッキ層は、気孔や突起の形状を強調した形で形成されることになる。すなわち、セラミックス基板上の突起部は、より大きな突起形状のメッキ膜となり、また大きな気孔部にはメッキ膜が形成されにくく、ピンホールが形成されやすいという問題もあった。更に、金属ペーストやメッキなどでは、金属層の厚みを厚くすることができないという問題もあった。
特開平０１−３１５１５３号公報 特開２００１−１３５６８５号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、反りがほとんど無く、表面が緻密でかつ平滑なメタライズ基板を提供することを目的とする。

本発明のウェハプローバに用いられるメタライズ基板は、セラミックスと金属の複合体基板の表面に、溶射により導体膜が形成されており、該導体膜の表面粗さが、Ｒａ≦１．０μｍであることを特徴とする。前記導体膜の表面は、加工された加工面であってもよい。前記溶射は、アーク溶射、プラズマ溶射、フレーム溶射のいずれかであることが好ましい。

前記導体膜の主成分は、ニッケル、アルミニウム、銅、チタン、ステンレス、金、白金、銀のいずれか１種以上であることが好ましい。

前記導体膜が、２種類以上の溶射膜を積層してなることが好ましい。また、前記導体膜を形成後、熱処理を施すことが好ましく、前記熱処理の雰囲気が、非酸化性雰囲気であることが好ましい。

前記セラミックスと金属の複合体が、炭化ケイ素とアルミニウムの複合体、あるいはケイ素と炭化ケイ素の複合体であることが好ましい。

前記導体膜の上に、メッキ膜を形成していることが好ましく、該メッキ膜の表面粗さは、Ｒａ≦１．０μｍであることが好ましい。更に、前記基板に貫通孔が形成されていることが好ましく、前記基板に溝が形成されていてもよい。

更に、前記基板の導体膜が形成されている面の反対側の面、あるいは基板内部に、導体層が形成されていることが好ましく、該導体層が、発熱体であることが好ましい。

本発明によれば、セラミックスと金属の複合体基板の表面に、溶射により導体膜が形成することにより、反りがほとんど無く、表面が緻密でかつ平滑なメタライズ基板を提供することができる。このようなメタライズ基板は、ウェハプローバとして最適であり、メタライズ基板のメタライズ面を研磨加工することによって、ウェハ等の被処理物との密着性を高めることができ、ウェハプローバとしての性能を向上させることができる。

発明者らは、反りのないメタライズ基板を得るための手法を鋭意検討した結果、セラミックス基板もしくはセラミックスと金属の複合体基板に、溶射によって導体膜を形成すれば、反りのほとんど無いメタライズ基板を得ることができることを見出した。

溶射は、基本的に導体物の液滴を噴射するので、形成した導体膜内の気孔を少なくすることができる。従って、溶射後の導体膜の表面は平滑にできるし、平滑でない場合でも、表面を研磨加工などで加工すれば、平滑な面を得ることができるという利点もある。

金属ペーストを焼成する場合は、金属粉末を焼成しているので、金属層内に気孔や気泡を内在する。従って、表面を研磨加工しても、気孔は除去できず、平滑な表面を有するメタライズ基板を得ることは困難であった。この時、例えば、メタライズ基板を半導体ウェハの加熱処理用のヒータとして用いた場合、ヒータから半導体ウェハへの熱の伝達が気孔によって阻害されるので、半導体ウェハを均一に加熱できないが、溶射であれば、気孔がほとんどないので、均一に加熱することができる。

本発明に用いる基板は、セラミックス基板もしくはセラミックスと金属の複合体基板である。これらの材料は、金属と比較して、ヤング率が高いので、変形しにくい。従って、例えばウェハプローバとして用いた時、比較的厚みの薄いプローバとすることができる。

また、溶射した導体膜の表面粗さは、Ｒａで１．０μｍ以下であることが好ましい。これは、例えば、メタライズ基板をプローバとして用いる場合、表面粗さがＲａ１．０μｍ以下であれば、被処理物である半導体ウェハとメタライズ面が良好に密着するからである。溶射した導体膜の表面は、溶射条件を最適化すれば、表面粗さをＲａ１．０μｍ以下にすることができるが、一般的に溶射は金属粒子の集合体であるので、Ｒａ１．０μｍを超える場合が多い。その場合は、溶射した導体膜の表面を研磨加工することにより、表面粗さをＲａ１．０μｍ以下にすることができる。この研磨加工は、金属の研磨加工と同じであるから、例えば研磨砥粒を細かくすることにより、表面粗さをＲａ０．２μｍ以下にすることもできる。Ｒａ０．２μｍ以下であれば、例えば前記プローバの場合、半導体ウェハとメタライズ面とを、ほとんど隙間無く密着させることができる。また、溶射した導体膜に存在する気孔は、気孔率５％以下であることが好ましい。５％を超える気孔率の場合、研磨加工しても、表面にピンホールなどの欠陥が残りやすい。

本発明での溶射方法は、原理的には制約はないが、アーク溶射、プラズマ溶射、フレーム溶射のいずれかであることが好ましい。アーク溶射は、２本の線材を溶射ガン先端のノズル部分で通電し、２本の線材の交差部で短絡させることによって発生するアークの熱で線材を溶融し、更に溶融した溶滴を圧縮空気で微細化して噴射する。このため、基材に対する融滴の圧縮強度が比較的大きくできるため、基材との密着性に優れた溶射膜とすることができる。

プラズマ溶射には、減圧プラズマ溶射と大気圧プラズマ溶射の２種類がある。減圧プラズマ溶射は、チャンバー内で内部の空気を一旦排気し、減圧下でアルゴンなどの不活性ガスを封入し、雰囲気調整をした後、プラズマ溶射を行う。プラズマ溶射は、気体が高温となり、ガス分子が原子に分離し、更に電子と陽イオンに電離したガス（プラズマ）を収束した高温高速のガス噴流、つまりプラズマジェットを利用して粉末材料を溶融し噴射する。減圧プラズマでは、雰囲気調整されたチャンバー内で溶射するので、チタンなど比較的活性の高い金属でも成膜することができる。また、溶射粒子の速度が、大気中に比べて相対的に速いので、より緻密で高い密着力を持った溶射膜を得ることができる。大気圧プラズマ溶射は、大気中でプラズマ溶射を行うので、減圧プラズマに比べて安価にすることができる。

また、フレーム溶射は、高速フレーム溶射、溶線式フレーム溶射、粉末式フレーム溶射がある。高速フレーム溶射では、溶射ガン燃焼室の圧力を高めることで、高速火炎を発生させ、この燃焼炎ジェット流の中心に粉末材料を供給して溶融または半溶融状態にし、高速度で連続噴射させる。この手法においては噴射された溶射材料が超音波速度で基材に衝突するため、極めて緻密で高密着力を有する被膜を形成することができる。また、溶線式フレーム溶射では、酸素とアセチレンもしくはプロパン等の可燃性ガスの炎を熱源とし、金属や合金の線材を溶融、噴射して基材に被膜を形成する。この手法では、例えば、アルミニウム、亜鉛等の比較的低融点の材料から、例えば、銅、ステンレス、モリブデン等の比較的高融点の材料にまで適用できる。この手法は一般的には大気中で行われるので、形成される被膜内に酸化物や窒化物等が含有され、原料よりは硬度の高い膜が得られる傾向にある。このため、形成された膜は、比較的耐摩耗性に優れたものとなる。また、粉末式フレーム溶射は、酸素とアセチレンもしくはプロパン等の可燃性ガスの炎を熱源とし、粉末材を溶融噴射し、基材表面に溶射膜を形成する。この手法においても被膜内に酸化物や窒化物等が含有され、原料よりは硬度の高い膜が得られる傾向にある。

基材の表面に形成する導体膜の材質としては、液相を有するもの全てを適用することができる。これらの中でも特にニッケル、アルミニウム、銅、チタン、ステンレス、金、白金、銀が好適である。ニッケルは、溶射の際に液滴表面に若干の酸化被膜が形成される。この酸化被膜が基材表面の酸化膜と結合し、比較的強固な密着強度を実現することができる。

また、アルミニウムは、溶射時の液滴表面に酸化物や酸窒化物、もしくは窒化物が形成される。この酸化物、酸窒化物、窒化物は、特に基材がアルミニウム化合物やケイ素化合物の場合、特に強固な密着強度を実現することができる。例えば、基材がアルミナの場合、液滴表面の酸化アルミニウムすなわちアルミナと基材は容易に結合するので、優れた密着強度を得ることができる。また基材が窒化アルミニウムの場合は、窒化アルミニウムの表面には、窒化アルミニウム以外に空気中の酸素と反応して酸窒化アルミニウムや酸化アルミニウムの薄い被膜が形成されている。この被膜と、アルミニウムの液滴表面の酸化物、酸窒化物、窒化物とが容易に反応し、特に強固な密着強度を実現することができる。また、基材が酸窒化アルミニウムの場合も同様に密着力は強固である。

更に、基材がケイ素化合物の場合、ケイ素化合物の表面には、ケイ素の酸化物が存在する。このケイ素酸化物とアルミニウムの酸化物は非常に反応しやすく、アルミニウムとケイ素の比率によって、ムライト相やコージェライト相、ステアタイト相を形成し、容易に強固な密着強度を実現することができる。また、ケイ素の窒化物とアルミニウムの酸化物や酸窒化物とは反応していわゆるサイアロンを形成して、強固な密着強度を実現することができる。

これらのことから、導体膜の材質がアルミニウムである場合は、密着強度が優れる基材の材質としては、アルミナ、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、ケイ素、炭化ケイ素、炭化ケイ素とアルミニウムやケイ素の複合体、窒化ケイ素、サイアロン、ムライト、コージェライト、ステアタイトなどがある。

また、導体膜の材質が、銅の場合も比較的強固な密着強度を実現することができる。溶射の際に噴射される銅の液滴表面には、Ｃｕ_２ＯやＣｕＯ等の酸化物が含有される。この酸化物が、基材表面に存在する酸化物と反応し、銅と基材が強固に密着すると思われる。また、銅の酸化物は、特にアルミニウムやケイ素の酸化物と容易に共晶を形成する。このため、基材がアルミニウムやケイ素の化合物を含有する場合、共晶の形成により互いを強固に結合することができるので、より強固な密着性を実現することができる。

このように、導体膜の材質が銅である場合も、密着強度が優れる基材の材質としては、前記導体膜の材質がアルミニウムの場合と同様の材質を挙げることができる。また、銅やアルミニウムは、いわゆる軟質金属であり、基材との熱膨張係数の差が大きくても、あるいはヒートサイクルがかかる部分であっても、導体膜の変形能が大きいので、導体膜や基材にストレスがかかりにくいという特性を有しており、好適に用いることができる。

また、基材と導体膜との密着性の観点からは、導体膜の材質としてチタンが非常に優れている。チタンは、基材がどのような材質であっても非常に強固に密着する。しかし、チタンは非常に酸化しやすいので、溶射の手法としては減圧プラズマ溶射が適している。

更に、導体膜の材質として、ステンレスも比較的高い密着性を示す。これは、ステンレスに含有されるニッケルやクロムなどの金属による働きが大きいと考えられる。ニッケルに関しては、上述の用にニッケルの酸化物が基材と反応するので、比較的強固な密着強度を実現することができる。クロムに関しては、チタンほどではないが比較的活性な金属であり、どのような基材の材質であっても、比較的強固に密着することができる。

また、金、白金、銀は、高温時においても耐酸化性に優れた金属である。しかし、金、白金、銀はそれゆえに反応性の乏しい金属であり、各種基材に直接溶射しても、強固な密着強度を得ることができない。このため、金属を含有する基材か、予めチタンなどの金属被膜を形成している基材の場合に有効である。基材に含有される金属や、チタンなどの被膜と金、白金、銀などの金属が直接結合することにより優れた密着強度を実現することができる。

本発明において、導体膜の厚みは特に制約はない。しかし、導体膜が１層で、基材の面積が直径換算で３００ｍｍを超え、応力緩和対策を施さない場合、２００℃以下の温度で繰り返しメタライズ基板を使用する場合は、導体膜の厚みは１．０ｍｍ以下であることが好ましく、４００℃以下の温度で繰り返しメタライズ基板を使用する場合は、導体膜の厚みは０．３ｍｍ以下であることが好ましい。１．０ｍｍや０．３ｍｍ以上の厚みの導体膜の場合、室温からそれぞれの温度まで繰り返し温度が上げ下げするヒートサイクルがかかると、導体膜が剥離することがある。しかし、導体膜が２層以上であったり、導体膜に溝などを形成する応力緩和対策を施せば、前記厚み以上の厚みでも剥離しないようにすることができる。

導体層を２層以上にすることによって、基材との密着性に優れ、かつ耐酸化性や耐腐食性に優れた導体膜とすることができる。例えば、基材がアルミナ、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、ケイ素、炭化ケイ素、炭化ケイ素とアルミニウムやケイ素の複合体、窒化ケイ素、サイアロン、ムライト、コージェライト、ステアタイトなどである場合、最初にアルミニウムもしくは銅を溶射し、導体膜を形成する。この導体膜は前述のように基材と強固な密着性を実現することができる。しかし、アルミニウムや銅は比較的表面が酸化されやすいので、例えばウェハプローバとして使用した場合、使用中にその表面が徐々に酸化して、ウェハと導体膜との電気的導通が悪くなる。

そこで、アルミニウムや銅の上に、ニッケルや金、白金、銀などの耐酸化性に優れた金属を溶射すれば、使用中に電気的導通が悪くなることを防ぐことができる。ニッケルや金、白金、銀は、アルミニウムや銅と強固な密着強度を得ることができるので、基材との密着性に優れ、かつ耐酸化性にも優れた導体膜とすることができる。

また、アルミニウムや銅は、軟質金属であるので、その上にニッケルやステンレスなどの比較的固い金属を溶射しても、アルミニウムや銅に変形能があるので、ヒートサイクルなどがかかった場合でも、剥離の起こりにくい導体膜とすることができる。

また、アルミニウムや銅の代わりにチタンを用いることもできる。チタンの場合は、前述のように非常に活性な金属であるので、基材の材質は限定されないメリットがある。先ず、チタンを溶射した後、ニッケルや金、白金、銀などを溶射すれば、密着性や耐酸化性に優れた導体膜を得ることができる。ただし、チタンの溶射は減圧プラズマ溶射で行う必要があるので、コストが若干高くなる。従って、基材材質に、アルミニウムやケイ素が含有される場合は、アルミニウムや銅を用いる方が、コストを低減することができる。

導体膜の組合せとしては、上述の組合せだけでなく、用途によって種々の組合せを用いることができる。例えば、最初にニッケルを溶射し、その上に金、白金、銀などを溶射すれば、４００℃以上の高温でも耐酸化性を有する導体膜とすることができる。導体膜の組合せとしては、基材の種類、使用温度、使用雰囲気、用途などによって種々の組合せを用いることができる。

導体膜を形成後、非酸化性雰囲気中で熱処理することによって、導体膜の電気伝導性を向上させることができる。大気中で、溶射を行うと、導体膜中に酸化物が形成される。この酸化物は、前述のように、基材と導体膜の密着強度を高めること寄与しているが、基材との界面付近以外に存在する酸化物は、基材との密着強度向上に寄与していない。酸化物は、電気伝導性が悪いので、特に導体膜表面の酸化物は、導体膜とウェハとの電気伝導性を低下させるので、除去した方が好ましい。前記のように非酸化性雰囲気中で熱処理することによって、酸化物を除去して導体膜の電気伝導性を向上させることができる。

非酸化性の雰囲気は、窒素やアルゴンなどでもよいが、水素であれば、導体膜中の酸素を除去する能力が高いので特に好ましい。また、窒素やアルゴン、水素などのガスを用いる場合、ガスの露点を−３０℃以下にすることが望ましい。−３０℃を超える露点のガスを用いた場合は、導体膜を酸化させることがある。

また、熱処理温度は、３００℃以上、導体膜の融点以下の温度が好ましい。３００℃未満の温度では、酸素を除去する効率が悪く、また導体膜の融点以上の温度では、導体膜が溶融してしまい剥離する。

基材の材質は、アルミナ、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、ケイ素、炭化ケイ素、炭化ケイ素とアルミニウムやケイ素の複合体、窒化ケイ素、サイアロン、ムライト、コージェライト、ステアタイトなどを用いることができるが、セラミックスとしては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素のいずれかであることが好ましい。これらのセラミックスは、金属に比較してヤング率が高いので、例えばプローバとして使用した場合、プローブカードをウェハに押し付けた時の基板の変形が起こりにくい。特に、炭化ケイ素や窒化アルミニウムは、熱伝導率が高いので、基板を加熱した時の基板の温度分布が小さくできる。また、窒化ケイ素は、機械的強度が高いので、厚みを薄くすることができる。更に、酸化アルミニウムは、安価である。これらの材質は、アルミニウムもしくはケイ素を含有しているので、アルミニウムや銅の溶射膜と強固な密着性を実現することができる。

また、基板の材質として、セラミックスと金属の複合体としては、炭化ケイ素とアルミニウムの複合体もしくは炭化ケイ素とケイ素の複合体であることが好ましい。これらの複合体は、熱伝導率及びヤング率が高いので、たとえば基板をプローバとする場合、厚みが薄く、温度の均一性に優れた基板とすることができる。

また、基板上に形成された導体膜（溶射膜）の上に更にメッキ膜を形成することができる。例えば、アルミニウムや銅などの耐酸性の乏しい材料を溶射膜とした場合、ニッケルや金、銀などの耐酸性に優れた金属をメッキすれば、溶射膜の酸化を防止することができる。メッキ膜の厚みとしては、特に制約は無いが、０．１μｍ以上であることが好ましい。０．１μｍ未満の厚みでは、溶射膜の酸化を防止することが困難である。メッキ膜の厚みは、１．０μｍ以上であれば、変色などが起こらないので好適である。

また、溶射膜を研磨後にメッキを行うこともできる。この場合は、メッキの厚みをできるだけ薄くすることが好ましい。なぜなら、溶射膜を研磨して表面を平滑にしても、メッキを厚くすると表面粗さが悪くなるからである。例えば、厚さ２００μｍのアルミニウムの溶射膜を形成し、研磨加工によって表面粗さをＲａ０．１μｍ程度に仕上げ、ニッケルメッキを１０μｍの厚さで行うと、表面粗さは、Ｒａ０．３μｍ程度になってしまう。ニッケルメッキの厚みを５μｍ以下にすれば、表面粗さはほとんど変化しない。

また、メッキ後の表面粗さを平滑にするために、メッキ後に研磨することも可能である。この場合は、メッキの厚みを５μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上として、研磨することが好ましい。５μｍ未満の厚みでは、研磨加工でメッキ膜がなくなり下地の溶射膜が露出する可能性がある。

また、メタライズ基板に貫通孔が形成されていることが好ましい。貫通孔は、メタライズ基板を例えば、プローバとして利用する場合、ウェハを固定するための真空吸着用の孔とすることができる。ウェハを確実に固定するためには、複数の貫通孔を形成することが好ましい。

更に、基板の導体膜が形成されている面（メタライズ面）に、同心円状や螺旋状、放射状、碁盤の目状の溝を形成し、その溝の中に貫通孔を形成すれば、ウェハを真空吸着したときに、より確実にウェハを固定することができる。

また、メタライズ面の平面度は、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。メタライズ基板を例えばウェハプローバとして用いた場合、０．５ｍｍを超える平面度では、ウェハとメタライズ面との間に隙間ができてしまい、真空吸着力が弱くなり、ウェハを確実に固定することが困難となるからである。

また、基板の導体膜が形成されている面（メタライズ面）の反対側の面、あるいは基板内部に、導体層を形成することもできる。メタライズ面の反対側の面、あるいは基板内部に導体層を形成すれば、溶射によって発生する若干の基板の反りを、さらに低減することができる。特に、本発明のメタライズ基板を高温と低温の間で繰り返しヒートサイクルがかかる分野で使用する場合、該導体層が無いと、徐々にメタライズ基板に反りが大きくなることがあるが、該導体層を形成しておけば、その反りの増加を抑えることができる。

この導体層は、例えば金属粉末に少量の金属酸化物粉末、バインダーを加え、ペースト状にしたものを、スクリーン印刷などの手法で塗布し、焼成することにより形成することができる。金属としては、タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属や、銀、金、パラジウム、白金などの貴金属を挙げることができる。

導体層をスクリーン印刷などの手法で塗布し、焼成すると、焼成後に基板が反ることがあるので、このため、導体層を形成する場合は、導体層を形成した後、導体膜を形成する面を研磨加工によって、好ましくは平面度０．５ｍｍ以下に研磨した後、溶射により導電膜を形成することが望ましい。

また、基板が導電性の場合、予め絶縁層を形成してから導体層を形成することが好ましい。絶縁層を形成しないと、導体層がショートするからである。絶縁層の形成は、ガラスを印刷、焼成する方法や、絶縁体を溶射することのよって形成することができる。ガラスとしては、ＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３や希土類酸化物、アルミニウムやケイ素の窒化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化鉛などを挙げることができる。これらの粉末に溶剤やバインダーを加え、ペースト状にして、スクリーン印刷などにより塗布した後、焼成することにより形成することができる。

また、絶縁層を溶射によって形成する場合は、絶縁体として、アルミナ、ムライト、コージェライト、ステアタイトなど溶射可能な絶縁材料であれば特に制約無く用いることができる。絶縁層がガラスであっても、溶射膜であっても、絶縁層の焼成温度あるいは融点が、その後に形成する導体層の焼成温度より高いものを選ぶことが必要である。

また、導体層は、ステンレスやニッケルとクロムの合金の箔を取り付けることにより形成することもできる。基板が絶縁体の場合は、前記金属箔をネジなどで直接固定したり、例えば樹脂、ガラス、セラミックス、マイカなどの絶縁性シートで直接押さえつけて固定することができる。基板が導電性の場合は、前記金属箔を前記絶縁性シートで挟み込めばよい。また、金属箔を樹脂で接着させて形成することもできる。この場合、樹脂として、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂などを挙げることができる。これらの樹脂は、使用温度や耐熱性、使用環境によって適宜選択すればよい。また、これらの樹脂に、フィラーを混入させることもできる。フィラーを混入させることによって接着層の熱伝導率が向上するので、導体層が発熱体である場合、導体層で発生した熱を素早く基板に伝えることができ、応答性の優れたメタライズ基板とすることができる。このように、金属箔を取り付けることにより導体層を形成する場合は、焼成工程が無いので、導体層形成による基板の反りの発生を極力抑えることができる。

また、基板の内部に導体層を形成する場合は、基板材料のグリーンシートを複数枚用意し、その一面に前記金属ペーストをスクリーン印刷などにより塗布し、必要に応じてグリーンシートを積層し、脱脂、焼成することにより形成することができる。また、複数の基板を用意し、その一面に前記金属ペーストを塗布し、焼成した後、基板を張り合わせることによって形成することもできる。張り合わせるための接着層としては、ＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３や希土類酸化物、アルミニウムやケイ素の窒化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化鉛などを挙げることができる。これらの粉末に溶剤やバインダーを加え、ペースト状にして、スクリーン印刷などにより塗布した後、焼成することで基板を接合することができる。

導体層は、発熱体であることが好ましい。本発明のメタライズ基板を、例えば、ウェハプローバとして用いた場合、ウェハを検査するために、ウェハを例えば２００℃程度に加熱することがある。基板の反りを低減するための導体層を、加熱のための発熱体とすることにより、余分な回路を形成することがなくなる。

本発明のメタライズ基板は、ウェハ等の被処理物を加熱、検査するために好適に用いることができる。例えば、ウェハプローバあるいはハンドラ装置あるいはテスター装置に適用すれば、高剛性、高熱伝導率である特性を特に活かすことができるので、好適である。

直径３３０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウムと炭化ケイ素の複合体（Ａｌ−ＳｉＣ）、ケイ素と炭化ケイ素の複合体（Ｓｉ−ＳｉＣ）基板を用意した。これらの基板の反り量はいずれも１０μｍ以下であった。これらの基板一面中央に、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ステンレス（ＳＵＳ）を溶線式フレーム溶射によって、直径３１０ｍｍ、厚み５０μｍの導体膜を形成した後、導体膜の面の反りの増加量（単位はμｍ）を測定した。

比較のために、銀粉末９０重量％、白金粉末５重量％、ＺｎＯ_２粉末２重量％、Ｂ_２Ｏ_３粉末２重量％、ＳｉＯ_２粉末を１重量％混合し、有機溶剤、バインダーを添加して作成した銀ペーストを用意した。この銀ペースト（Ａｇ）を前記各基板の一面中央に、スクリーン印刷によって直径３１０ｍｍ、厚さ５０μｍに塗布し、大気中８５０℃で焼成し、導体膜とし、導体膜の面の反りの増加量（μｍ）を測定した。これらの結果を、表１に示す。

表１から判るように、溶射によって導体膜を形成すれば、導体膜の材質によらず、反りの増加は非常に少ない。これに対して、従来のように銀ペーストを焼成すれば、反りの増加は非常に大きくなる。特に、Ａｌ−ＳｉＣでは、アルミニウムは溶融したので反りの測定はできなかった。

実施例１のアルミニウムを溶射した各基板を用意した。図１に示すように、基板１の上に形成したアルミニウム導体膜２の面に、直径が２５０ｍｍ、１５０ｍｍ、５０ｍｍの３本の環状溝３を、幅２ｍｍ、深さ２ｍｍで機械加工によって形成した。この環状溝内に貫通孔４を形成した。貫通孔の数は、直径２５０ｍｍの溝では４箇所、直径１５０ｍｍの溝では３箇所、直径５０ｍｍの溝では２箇所とし、反対側から真空吸着できるようにした。

導体膜の表面を研磨加工して、導体膜表面の面粗さ（Ｒａ）を変えて、ウェハの吸着性を調べた。その結果を表２に示す。なお、吸着性の評価は、吸着性が非常によく、真空引き完了後１分後でも十分密着しているものは◎、吸着性がよく、真空引き中は密着しているものは○、吸着性が悪く、真空引き中でも手で動かせる状態のものは×で示す。

表２から判るように、導体膜の表面の粗さがＲａ１．０μｍ以下であれば、ウェハを十分吸着することができ、Ｒａ０．２μｍ以下であれば、更に良好な吸着状態とすることができる。

実施例２で用いたメタライズ基板の導電膜上にニッケルメッキを２０μｍ施し、ニッケルメッキの表面を表３に示すような面粗さ（Ｒａ）になるように研磨加工した。その後、実施例２と同様にウェハの吸着性を調べた。その結果を表３に示す。なお、記号は表２と同様である。

表３から判るように、導体膜の上にメッキを施した場合でも、メッキ表面の粗さがＲａ１．０μｍ以下であれば、ウェハを十分吸着することができ、Ｒａ０．２μｍ以下であれば、更に良好な吸着状態とすることができる。

実施例２と同様の、環状溝と貫通孔を形成したメタライズ基板を用意した。また、厚み２０μｍのステンレス箔をエッチングして、所定の発熱回路パターンを形成した。図２に示すように、メタライズ基板の導電膜２を形成した面の反対側の面に、前記パターン化したステンレス箔５を発熱体として、マイカシート６で挟み込み、ステンレス製のネジ（図示せず）で固定した。また、実施例１の銀以外の各メタライズ基板にも同様にして発熱回路パターンのステンレス箔をネジ止めした。

これらをウェハプローバとして、検査装置に組み込み、直径３００ｍｍのシリコンウェハを真空吸着し、２００℃の温度でシリコンウェハの検査を行った。２００℃の昇温は、ステンレス箔に通電することにより行った。その結果、いずれのメタライズ基板でも、正常に検査することができた。

更に、環状溝と貫通孔を形成したメタライズ基板に関して、２００℃での温度分布を、測温抵抗体を取り付けたウェハ温度計で測定し、最大値と最小値の差を均熱性とした。また、メタライズ面の常温と２００℃における反りの変化（増加量）をレーザー変位計を用いて測定した。また、比較のために、前記ステンレス箔を取り付けないものも、ハロゲンランプ加熱によって、２００℃に加熱して温度分布と反りの増加量を測定した。更に、ステンレス箔を取り付けているが、加熱はハロゲンランプにより行って、温度分布と反り増加量を測定した。これらの結果を表５に示す。

表５から判るように、導体膜を形成した面の反対側に発熱体（導体層）を形成した方が、反りの増加量が少ない。また、導体層を発熱体として加熱した方が均熱性に優れることが判る。

基板材料として、４０ｍｍ角、厚さ２ｍｍのアルミニウムと炭化ケイ素の複合体（Ａｌ−ＳｉＣ）、ケイ素と炭化ケイ素の複合体（Ｓｉ−ＳｉＣ）基板を用意した。これらの基板に、減圧プラズマ溶射により、チタンを厚さ１００μｍ形成した後、その上にアーク溶射によりニッケルを厚さ１００μｍ形成した（Ｔｉ／Ｎｉ）。また、実施例１と同様にアルミニウムまたは銅を厚さ１００μｍ溶射して形成した後、それらの上にアーク溶射によりニッケルを厚さ１００μｍ形成した（Ａｌ／Ｎｉ、Ｃｕ／Ｎｉ）。また、アーク溶射によりニッケルを厚さ１００μｍ形成した（Ｎｉ）。また、フレーム溶射によりステンレスを厚さ１００μｍ形成した後、その上にアーク溶射によりニッケルを厚さ１００μｍ形成した（ＳＵＳ／Ｎｉ）。

これら導体膜に、幅５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのニッケルメッキを施したコバール製リードフレームを半田付けした。このリードフレームを垂直方向に引張ることにより、導体膜と基材との密着強度を測定した。その結果を表６に示す。なお、表６において、◎は溶射膜が剥がれずに基板が破壊したことを示し、数値は溶射した導体膜が剥がれた時の引張強度（ＭＰａ）を示す。

表６から判るように、アルミニウムおよび銅が基板と密着している場合、基板材料にアルミニウムやケイ素を含有する場合、基板が破壊するまで剥がれないような優れた密着性を示す。また、チタンやステンレスが基板と密着していれば、これらの金属は活性であるので、いずれの基板とも比較的良好な密着強度を示す。

実施例１と同様の形状の基板を用意し、実施例６と同様にして、表７に示す材質の導体膜を溶射した。表７において、数値は、各材質の厚み（ｍｍ）を示す。これらのメタライズ基板を、２００℃のデシケータに入れ２時間放置した後、取り出して２時間室温で放置することを１サイクルとして、導体膜が剥がれるまでの回数を１００サイクルを上限にサイクル試験を行った。その結果を表８に示す。なお、表８において、◎は１００サイクルでも導体膜が剥がれなかったことを示す。また、−は密着性が悪くサイクル試験前に剥がれたか、１サイクルで剥がれたことを示す。

これらの結果から、導体膜の厚みが１．０ｍｍ以下であれば、カーボン基板以外では、１００サイクル後も剥がれない。１．０ｍｍを超える厚みでも、銅やアルミニウムなどの軟質金属が基板と密着していれば、１００サイクル後でも剥がれないことが判る。

実施例７と同様にして、表９に示す厚みの変えた導体膜を形成し、４００℃のサイクル試験を行った。その結果を表１０に示す。

これらの結果から、４００℃のサイクル試験では、導体膜の厚みが０．３ｍｍをこえると剥がれやすくなることが判る。

実施例１で使用したＳｉ−ＳｉＣ基板と同じ基板を用意し、図３に示すような渦巻き状の回路パターン７を形成した。回路パターンは、ニッケルをアーク溶射により形成した。溶射後の回路抵抗値を測定した後、水素雰囲気中７００℃で熱処理を行い、回路抵抗値の変化と導体膜の外観の変化を調べた。その結果、溶射後の抵抗値は、２４Ωで、外観は薄い黄土色であったが、熱処理後は、抵抗値２２Ωで、外観は銀白色で光沢があった。水素雰囲気中で熱処理を施すことにより、抵抗値が下がることが確認できた。

本発明によれば、セラミックス基板もしくはセラミックスと金属の複合体基板に溶射によって導体層を形成しているので、表面が緻密で平滑なメタライズ基板とすることができる。このようなメタライズ基板にウェハ等の被処理物を搭載すれば、メタライズ基板と被処理物との密着性が良くなる。そのため、ウェハ等を吸着したり、均一に加熱する必要のある半導体製造装置や半導体検査装置の被処理物保持体に、本発明のメタライズ基板を用いれば、被処理物の密着性や均熱性を向上させることができる。そのため、成膜やエッチングや検査などの歩留りや性能を向上させることができる。

本発明のメタライズ基板の断面構造の一例を示す。 本発明のメタライズ基板の断面構造の他の例を示す。 本発明の発熱体回路パターンの一例を示す。

符号の説明

１ 基板
２ 導体膜
３ 溝
４ 貫通孔
５ 導体層
６ 絶縁体
７ 回路パターン

Claims (13)

1. セラミックスと金属の複合体基板の表面に、溶射により導体膜が形成されており、該導体膜の表面粗さが、Ｒａ≦１．０μｍであることを特徴とするウェハプローバに用いられるメタライズ基板。
2. 前記溶射が、アーク溶射、プラズマ溶射、フレーム溶射のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のウェハプローバに用いられるメタライズ基板。
3. 前記導体膜の主成分が、ニッケル、アルミニウム、銅、チタン、ステンレス、金、白金、銀のいずれか１種以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のウェハプローバに用いられるメタライズ基板。
4. 前記導体膜が、２種類以上の溶射膜を積層してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のウェハプローバに用いられるメタライズ基板。
5. 前記導体膜を形成後、熱処理を施すことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のウェハプローバに用いられるメタライズ基板。
6. 前記熱処理の雰囲気が、非酸化性雰囲気であることを特徴とする請求項５に記載のウェハプローバに用いられるメタライズ基板。
7. 前記セラミックスと金属の複合体が、炭化ケイ素とアルミニウムの複合体、あるいはケイ素と炭化ケイ素の複合体であることを特徴とする請求項１に記載のウェハプローバに用いられるメタライズ基板。
8. 前記導体膜の上に、メッキ膜を形成していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のウェハプローバに用いられるメタライズ基板。
9. 前記メッキ膜の表面粗さが、Ｒａ≦１．０μｍであることを特徴とする請求項８に記載のウェハプローバに用いられるメタライズ基板。
10. 前記基板に貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のウェハプローバに用いられるメタライズ基板。
11. 前記基板に溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のウェハプローバに用いられるメタライズ基板。
12. 前記基板の導体膜が形成されている面の反対側の面、あるいは基板内部に、導体層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のウェハプローバに用いられるメタライズ基板。
13. 前記導体層が、発熱体であることを特徴とする請求項１２に記載のウェハプローバに用いられるメタライズ基板。

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