JPWO2018025911A1 - SiCヒーター - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2016年8月2日に、日本に出願された特願2016−151911号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
すなわち、上記の課題を解決するため本発明の一態様のSiCヒーターは、薄板状の炭化珪素焼結体と前記炭化珪素焼結体の表面に形成された絶縁被膜とを有する発熱体と、前記発熱体に通電するための一対の電極と、前記発熱体からの熱を断熱しつつ前記発熱体を一面側から保持するヒーターベースと、を備え、前記絶縁被膜は、前記炭化珪素焼結体の前記ヒーターベースと反対側の面に位置し、前記絶縁被膜は、常温での電気比抵抗が109Ω・cm以上であり、前記絶縁被膜は、熱膨張率が2×10−6/K以上6×10−6/K以下であり、前記絶縁被膜は、SiO2をマトリックスとし、B2O3およびAl2O3の少なくとも1つを含む第1の添加成分を1重量%以上35重量%以下含有し、MgOおよびCaOの少なくとも1つを含む第2の添加成分を1重量%以上35重量%以下含有する。
ただし、この実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるため具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、発明内容を限定するものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、数や、位置や、大きさ等についての変更、省略、追加及びその他の変更が可能である。
図1および図2は、それぞれ本実施形態のSiCヒーター100の発熱体1の断面図および斜視図である。また、図3〜図6は、それぞれ本実施形態のSiCヒーター100の正面図、下平面図、上平面図および側面図である。
図4に示すように、本実施形態のSiCヒーター100は、発熱体1と、一対の電極20、20と、ヒーターベース21と、冷却系接続部材22と、を備える。一対の電極20、20は、発熱体1に通電する。ヒーターベース21は、発熱体1からの熱を断熱しつつ、発熱体1を一面側から保持する。冷却系接続部材22は、ヒーターベース21を支持する。電極20は、リード線24と、リード線24を発熱体1に固定するためのボルト16とを有する。
以下、各部について具体的に説明する。
図1に示すように、発熱体1は、薄板状の炭化珪素焼結体1Aと前記炭化珪素焼結体の表面に形成された絶縁被膜1Bとを有する。
図2に示すように、発熱体1は、略正方形または略長方形である薄板である。本実施形態において、前記略正方形または略長方形は、互いに対向する第1および第2の辺、前記第1および第2の辺と角部で接続し、互いに対向する第3および第4の辺を有すると定義する。一例として、発熱体1は、外形が22mmの四角形で厚みが1mmの薄板である。発熱体1は、チップを吸着する側の面であってヒーターベース21と反対側に位置する吸着面1aと、ヒーターベース21側に位置する裏面1bと、を有する。
電極取り付け用の貫通孔4、5は、発熱体1の略S字形状の各先端部(すなわち始点および終点)に位置する。貫通孔6は、発熱体1の略中央部に位置する。言い換えれば、貫通孔6は、貫通孔4と貫通孔5を結ぶ直線の略中間点に位置する。貫通孔7、8は、発熱体1の略S字状の各先端部に対向する角部の外縁寄りに位置している。溝9、10は、発熱体1の吸着面1aにおいて貫通孔7,8にそれぞれ連通するとともに外縁に沿って略L字状に形成されている。貫通孔11は、貫通孔4と貫通孔7との中間位置に位置する。貫通孔12は、貫通孔5と貫通孔8との中間位置に位置する。
炭化珪素焼結体1Aの電気比抵抗を0.1Ω・cm以上とすることで、炭化珪素焼結体1Aに大電流が流れることを抑制できる。したがって、電極20のリード線24に生じる電磁誘導に起因する応力を抑制してヒーターヘッドの位置精度の低下を抑えることができる。加えて、炭化珪素焼結体1Aの電気比抵抗を0.1Ω・cm以上とすることで、炭化珪素焼結体1Aの抵抗値を、発熱体1を薄肉化することなく十分に確保することが可能となり、ボンディング時の圧力(通常50kg/cm2程度)に耐えうる強度とすることができる。
また、炭化珪素焼結体1Aの電気比抵抗を100Ω・cm以下とすることで、大電圧をかけることなく電流を流すことができ、特別の電源を必要としないため好ましい。
絶縁被膜1Bは、常温での電気比抵抗は、絶縁抵抗計により測定され、具体的にはヒーターに被覆したガラス表面とヒーター電極間に高電圧を印加して測定される。
絶縁被膜1Bの熱膨張率は、レーザー干渉計により測定される。
なお、絶縁被膜1Bに含まれるB2O3の割合は、絶縁被膜1Bの全重量に対し2重量%以上15重量%以下が好ましく、4重量%以上13重量%以下がより好ましい。絶縁被膜1Bに含まれるAl2O3の割合は、絶縁被膜1Bの全重量に対し8重量%以上25重量%以下が好ましく、10重量%以上22重量%以下がより好ましい。また、必要に応じてAl2O3の量の方がB2O3の量より多いことが好ましい。
絶縁被膜1Bは、B2O3およびAl2O3の少なくとも1つである第1の添加成分を、絶縁被膜1Bの全重量に対し1重量%以上含むことで、耐熱衝撃性および耐摩耗性を高めることができる。一方で、第1の添加成分の含有量が絶縁被膜1Bの全重量に対し30重量%を超えると絶縁被膜1Bの靱性が損なわれ脆くなる。したがって、第1の添加成分の含有量を30重量%以下とすることが好ましい。
なお、絶縁被膜1Bに含まれるMgOの割合は、必要に応じて2重量%以上15重量%以下であることも好ましく、3重量%以上12重量%以下であることがより好ましい。
絶縁被膜1Bに含まれるCaOの割合は、必要に応じて1重量%以上15重量%以下であることも好ましく、3重量%以上12重量%以下であることがより好ましい。
BaOが絶縁被膜1Bに含まれるとき、絶縁被膜1Bに含まれるBaOの割合は、必要に応じて3重量%以上23重量%以下であることも好ましく、4重量%以上13重量%以下であることがより好ましい。
MgOとCaOの両方が絶縁被膜1Bに含まれるとき、必要に応じて、CaOの量は、MgOの量以上であることも好ましい。
MgOとBaOの両方が絶縁被膜1Bに含まれるとき、必要に応じて、BaOの量は、MgOの量が大きいことも好ましい。
CaOとBaOの両方が絶縁被膜1Bに含まれるとき、必要に応じて、BaOの量は、CaOの量が大きいことも好ましい。
第2の添加成分として、BaO、MgOおよびCaOの少なくとも1つを絶縁被膜1Bに含ませることで、絶縁被膜1Bの熱膨張率を炭化珪素焼結体1Aの熱膨張率に近づけることが可能となる。すなわち、第2の添加成分は、熱膨張率調整成分として機能する。
一方で、BaOは、絶縁被膜1Bの融点を高める効果が十分ではない。したがって、MgOおよびCaOの少なくとも1つを含まず、BaOのみを絶縁被膜1Bに含ませる場合には、発熱体1の耐熱温度を十分に高めるという効果を十分に奏することがない。しかしながら、BaOは、MgOおよびCaOと比較して絶縁被膜1Bとしての粘りを出す効果がある。よって、第2の添加成分としてMgOおよびCaOの少なくとも1つに加えて、さらにBaOを添加することで、炭化珪素焼結体1Aからの剥離を効果的に抑制された絶縁被膜1Bを形成することができる。さらに、第2の添加成分にBaO、MgOおよびCaOが含まれる場合には、絶縁被膜としての耐熱性を高めることができるとともに、炭化珪素焼結体1Aに対する絶縁被膜1Bの密着性を高めることができる。
電極20は、リード線24と、ボルト16とを有する。ボルト16は、発熱体1の略S字状の各先端部に位置する貫通孔4、5に挿通してリード線24を発熱体1に固定する。なお、発熱体1に固定される電極20は、発熱体1の形状に応じて、発熱体1の全範囲にわたってより均一に電流が流れるように配置されることが好ましい。
ヒーターベース21は、冷却系接続部材22と発熱体1との間に位置する。ヒーターベース21は、チップ吸着側の面(溝刻設側の面)を下端に向けた状態で発熱体1を保持する。ヒーターベース21は、発熱体1の貫通孔13,14にそれぞれ挿通する皿小ネジ15,15を用いて発熱体1を保持する。
図3、図4および図6に示すように、冷却系接続部材22は、ヒーターベース21を介して発熱体1を支持する。冷却系接続部材22は、一対のボルト23,23によりヒーターベース21と固定されている。
このようにヒーターベース21の発熱体1側の面に、ザグリ部21aを形成して発熱体1とヒーターベース21の間に隙間を設けるとともに発熱体1にスリット2,3を形成したことにより、冷却気体で冷却を行うにあたって、ザグリ部21aによって発熱体1とヒーターベース21との間隙が冷却気体と接する面積を大きくして冷却効率を上げることができる。しかも、発熱体1のスリット2,3がザグリ部21aと連通していることにより、スリット2,3にも冷却気体が通過して冷却速度を高めることができて、急速冷却が可能となる。
次に発熱体1の製造方法について説明する。
本実施形態の発熱体1は、焼結体密度2.5g/cm3以上で電気比抵抗0.1〜100Ω・cmである炭化珪素焼結体1Aを有する。このような炭化珪素焼結体1Aは、平均粒径0.1〜10μmの第1の炭化珪素粉末と0.1μm以下の第2の炭化珪素粉末とを混合し、これを焼結する方法により得られる。この方法によれば、0.1〜100Ω・cmの範囲の電気比抵抗を示す炭化珪素を得ることが容易である。このような炭化珪素焼結体1Aの製造方法は、特開平4ー65361号公報に開示されているが、この実施の形態においては電気比抵抗が0.1〜100Ω・cmと大きいものを用いることが望ましい。
第1の炭化珪素粉末としては、一般に使用されているものでよく、例えばシリカ還元法、アチソン法等の方法によって製造されたものが用いられる。第1の炭化珪素粉末の結晶相としては非晶質、α型、β型のいずれであってもよいが、電気比抵抗値を0.1〜100Ω・cmに調整する容易さからはα型のものが好適である。
第2の炭化珪素粉末としては、非酸化性雰囲気のプラズマ中にシラン化合物またはハロゲン化珪素と炭化水素とからなる原料ガスを導入し、反応系の圧力を1気圧未満から0.1torr(なお、1torr=133.3Pa)の範囲で制御しつつ気相反応させることによって得られたものを使用する。第2の炭化珪素粉末の結晶相としては非晶質、α型、β型のいずれであってもよい。このようにして得られた第2の炭化珪素粉末は焼結性が非常に優れているために、上記第1の炭化珪素粉末と混合するのみで、焼結助剤を添加することなく高純度かつ緻密質の炭化珪素焼結体1Aを得ることができるようになる。
絶縁被膜1Bの形成は、以下の方法で行われる。まず加工した炭化珪素焼結体1Aの表面をアセトンで超音波洗浄した後自然乾燥させる。その後、酸化炉にて、例えば、温度1000℃で70時間熱処理して十分な酸化膜を生成させる。
次に、所望のガラス組成を有するガラス粉末と、第1および第2の添加成分と、スクリーンオイルとを混合してスラリーを形成する。ガラス粉末の所望のガラス組成とは、具体的には、例えば、高純度(3N以上)の酸化ケイ素ガラスである。ガラス粉末と第1および第2の添加成分とを混合したときの組成比は、ガラス粉末と第1および第2の添加成分の全重量に対し、酸化ケイ素が44〜60重量%、第1の添加成分が1〜35重量%、第2の添加成分が1〜35重量%である。ガラス粉末と第1および第2の添加成分とを混合したときの組成比は、ガラス粉末と第1および第2の添加成分の全重量に対し、酸化ケイ素が46〜57重量%、第1の添加成分が5〜25重量%、第2の添加成分が5〜20重量%であることが好ましい。
次に、炭化珪素焼結体1Aのヒーターベースと接する面(裏面1b)と反対の面(吸着面1a)および側面にスラリー状のガラスを塗布し、乾燥器にて例えば100℃で1時間乾燥させる。
次に、酸化炉にて、例えば、1050℃で20分間加熱してガラスを炭化珪素焼結体1Aに溶着させ絶縁被膜1Bを形成する。さらに仕上げ工程として、形成された絶縁被膜1Bの表面を研削して発熱体1の上下面(吸着面1aおよび裏面1b)の平行度をそれぞれ例えば3μm以下とする。
発熱体1の上下面の平行度は、ダイヤルゲージにて、9点を測定することにより算出される。
図10は、発明の一実施形態に係るSiCヒーターを用いてフリップチップボンダによる製造状態を示す斜視図である。図10を基に本実施形態のSiCヒーター100を用いた半導体チップのボンディング方法について説明する。
まず、SiCヒーター100は、複数の半導体チップ40が置かれているトレイ220を載置したオートローダ230の位置まで、可動台210を移動し、貫通孔6から空気を吸引してトレイ220から1つの半導体チップ40を吸着する。
なお、不活性ガス雰囲気中でボンディングを行う場合には、貫通孔32,33から供給された不活性ガスを導電性ボンディング材の配設側に吹き出しながら接合する。
導電性ボンディング材60としては、ハンダバンプ、金バンプ等が挙げられる。このようなボンディング材は加熱によって溶融し、冷却によって固化する性質を持っている。
発熱体1は、急速昇降温させるため、熱容量の小さいものが好ましい。従って、発熱体1としての機械的強度を維持しながら熱容量を小さくするためには、発熱体1の厚みが約0.5〜1.5mmであることが好ましく、0.8〜1.2mmであることがより好ましい。
SiCヒーターの発熱体を次のようにして製造した。
まず、四塩化珪素とエチレンとを原料ガスとし、プラズマCVD法により、平均粒径0.01μm、BET比表面積96m2/gの非晶質炭化珪素超微粉末を得た。
この炭化珪素超微粉末5重量%と市販のα型炭化珪素粉末(平均粒径0.7μm、BET比表面積13m2/g)95重量%とを、メタノール中に分散させ、さらにボールミルで12時間混合した。次いで、この混合物を乾燥し、成形、ホットプレス焼結した。
なお、非晶質炭化珪素超微粉末およびα型炭化珪素粉末の平均粒径は、レーザー回折式粒度径分布測定装置SALD−2300(島津製作所社製)により測定した。
非晶質炭化珪素超微粉末およびα型炭化珪素粉末のBET比表面積は、BET比表面積測定装置BELSORP−miniII(マイクロトラックベル社製)を用いて、ガス吸着法により測定した。
焼結条件は、アルゴン雰囲気下で、焼結温度2200℃、プレス圧39.23MPa(400kgf/cm2)で、90分間であった。焼結体の密度は3.1×103kg/m3、室温での電気比抵抗は、0.3Ω・cm(4端子法)、室温での熱伝導率が230W/mK(レーザーフラッシュ法)の炭化珪素焼結体を得た。
焼結体の密度は、焼結体の真密度(d0)をアルキメデス法により測定し、この真密度(d0)の理論密度(dt)に対する比(d0/dt)を百分率で表し、相対密度(%)とした。
焼結体の室温での電気比抵抗は、ロレスタGX((株)三菱ケミカルアナリテック社製)を用いて4端子法により測定したが、具体的には表面研削した円板の焼結体表面を、45°、10cm間隔で、放射状に測定した。
焼結体の室温での熱伝導率は、レーザーフラッシュ法で測定したが、具体的には、焼結体をΦ10×3tに切出し、表面にレーザー光を照射し、裏面の温度を放射温度計で測定することにより、熱伝導率を算出した(日本工業規格JIS R 1611「ファインセラミックスのフラッシュ法による熱拡散率・比熱容量・熱伝導率の測定方法」に規定されたレーザーフラッシュ法)。
まず、炭化珪素焼結体からなる薄板の表面をアセトンで超音波洗浄した後自然乾燥させ、その後、酸化炉に温度1000℃で70時間熱処理して十分な酸化膜を生成させた。
次に、以下の表1に示すように、比較例1および実施例1〜実施例7の組成比となるように、ガラス粉末および各添加成分とスクリーンオイルを3:2の割合でメノウ乳鉢に入れてよく混合し、スラリーを作成する。
次に、炭化珪素焼結体の表面にスラリー状のガラスを均一に約200μmの厚みで塗布し、乾燥器にて温度100℃で1時間乾燥させた後、酸化炉にて加熱して炭化珪素焼結体の表面に絶縁被膜を溶着させた。なお、酸化炉における加熱時間および加熱温度について、比較例1については温度950℃で20分間の加熱を行い、実施例1〜実施例7については1050℃で20分間の加熱を行った。
最後に、ガラス表面を研削して発熱体の平行度を3μm以下に仕上げた。なお、得られた絶縁被膜の膜厚は50μmであった。
ガラス表面の平行度は、ダイヤルゲージで、発熱体の厚み9点を測定し、平行度を算出した。
次いで、上述の工程を経た比較例1および実施例1〜実施例7の試料に対して、過昇温前後の絶縁性試験およびヒートサイクル後の密着性評価を行った。以下、その評価法について説明する。
まず、比較例1および実施例1〜実施例7の試料である各SiCヒーターの絶縁被膜を、メガテスターを用いて絶縁抵抗を測定したところ、全て2MΩ以上(DC500V印加)の十分な絶縁抵抗があることを確認した。
次いで、各試料のSiCヒーターにおいて、温度調整計を用いて、1秒間で発熱体を100℃から800℃に加熱させた後、エア圧0.5MPaの圧縮空気により強制冷却させた。その後、目視にて絶縁被膜に異常がないか確認した後、メガテスターにより絶縁被膜の絶縁抵抗を測定した。過昇温の熱履歴を最大5回繰り返し、その度に目視による絶縁被膜の確認と絶縁抵抗を測定した。絶縁抵抗が劣化した試料についてはその時点で終了とした。これらの測定結果を表2に示した。
比較例1の試料は、過昇温後に絶縁性が著しく低下した。比較例1の試料は、過昇温後にヒーターのスリットの根元部分の絶縁被膜が部分的に白濁していたことが確認された。
なお、比較例1の絶縁被膜の融点を別途測定したところ融点は844℃であった。これらの結果から、比較例1の試料においては、過昇温時に電流が集中して特に温度が高まった部分で絶縁被膜が融点に達して成分が変化し絶縁性が劣化したと考えられる。
一方で、実施例1〜実施例3の試料においては、5回の過昇温の後でも、絶縁被膜に外観上の変化はなく、絶縁抵抗の劣化もなかった。実施例1の絶縁被膜の融点を別途測定したところ融点は943℃であった。
また、実施例4、5においては、5回の過昇温の後で、絶縁抵抗の劣化はみられなかったものの、ヒーターのスリットの根元部分の絶縁被膜が若干の白濁が確認された。
これらの結果から、実施例1〜実施例3の絶縁被膜においては、BaO、MgOおよびCaOをすべて含んでいることで、融点が十分に高くなり過昇温を行った場合であっても絶縁性が確保できることが確認された。
ただし、実施例4、5にみられるように、MgOまたはCaOのどちらかを含まない場合は、炭化珪素表面への絶縁被膜の密着性が若干低下するために、5回の過昇温の後に、絶縁被膜の界面での剥離が起こり、多少の白濁として観察されたものと思われる。
実施例6の試料は、絶縁被膜にBaOが添加されていない。このため、絶縁被膜に粘りがなく脆くなっており、炭化珪素焼結体に対する絶縁被膜の密着性が低くなっていると考えられる。これにより、炭化珪素焼結体と絶縁被膜との界面で剥離が生じて多少の白濁がみられ、4回目の過昇温後には絶縁抵抗も劣化してしまったものと推測される。
実施例7の試料は、絶縁被膜のBaOの含有量に対して、MgOおよびCaOの含有量の割合が少ない。より具体的には、MgOおよびCaOの含有量の合計が、BaOの含有量に対して1倍以上2倍以下の範囲となっていない。このため、実施例7の試料は、前記の範囲となっている実施例1〜3と比較して、絶縁被膜の耐熱性が低くなっており、3回目の過昇温において、絶縁被膜の成分が変化して絶縁性が劣化したものと考えられる。
1A…炭化珪素焼結体
1B…絶縁被膜
2,3…スリット
4,5…(電極取り付け用)貫通孔
6…(チップ吸着用)貫通孔
7,8…(伝熱板吸着用)貫通孔
9,10…(伝熱板吸着用)溝
11,12…(各種ガス供給用)貫通孔
13,14…(取り付けネジ挿通用)貫通孔
15…皿小ネジ
21…ヒーターベース
21a…ザグリ部
22…冷却系接続部材
24…リード線(配線)
26,27…溝
28…貫通孔
29…電極取り付け孔
30…伝熱板
31…(チップ吸着用)貫通孔
32,33…(各種ガス供給用)貫通孔
35,36…(溝側の伝熱板吸着用)貫通孔
37,38…(冷却気体供給用)貫通孔
40…半導体チップ
50…基板
60…導電性ボンディング材
100…SiCヒーター
Claims (8)
- 薄板状の炭化珪素焼結体と、前記炭化珪素焼結体の表面に形成された絶縁被膜とを有する発熱体と、
前記発熱体に通電するための一対の電極と、
前記発熱体からの熱を断熱しつつ前記発熱体を一面側から保持するヒーターベースと、を備え、
前記絶縁被膜は、前記炭化珪素焼結体の前記ヒーターベースと反対側の面に位置し、
前記絶縁被膜は、常温での電気比抵抗が109Ω・cm以上であり、
前記絶縁被膜は、熱膨張率が2×10−6/K以上6×10−6/K以下であり、
前記絶縁被膜は、SiO2をマトリックスとし、
前記絶縁被膜は、B2O3およびAl2O3の少なくとも1つを含む第1の添加成分を含有し、
前記第1の添加成分の割合は、前記絶縁被膜の全重量に対し、1重量%以上35重量%以下であり、
前記絶縁被膜は、MgOおよびCaOの少なくとも1つを含む第2の添加成分を含有し、
前記第2の添加成分の割合は、前記絶縁被膜の全重量に対し、1重量%以上35重量%以下である、
SiCヒーター。 - 前記第2の添加成分は、さらにBaOを含む、
請求項1に記載のSiCヒーター。 - 前記第2の添加成分は、BaO、MgOおよびCaOをすべて含む、
請求項2に記載のSiCヒーター。 - 前記第2の添加成分のMgOおよびCaOの含有量の合計が、BaOの含有量に対して1倍以上2倍以下である、
請求項3に記載のSiCヒーター。 - 前記発熱体の形状は、平面視略正方形または略長方形の互いに対向する2辺からそれぞれ反対側の辺に向けて切り込んでいる2つのスリットを有する平面視略S字形状であり、前記略S字形状の両端部にそれぞれ前記一対の電極の一方に接続されている、
請求項1〜4の何れか一項に記載のSiCヒーター。 - 前記絶縁被膜は、硼珪酸ガラスまたはアルミノ珪酸ガラスの少なくとも1つからなる、
請求項1〜5のいずれか一項に記載のSiCヒーター。 - 前記第1の添加成分の割合は、前記絶縁被膜の全重量に対し、1重量%以上30重量%以下である、
請求項1〜6のいずれか一項に記載のSiCヒーター。 - 前記炭化珪素焼結体の結合体密度が2.5g/cm3以上であり、25℃における電気比抵抗が0.1Ω・cm以上100Ω・cm以下である、
請求項1〜7のいずれか一項に記載のSiCヒーター。
Applications Claiming Priority (3)
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JP2016151911 | 2016-08-02 | ||
JP2016151911 | 2016-08-02 | ||
PCT/JP2017/028028 WO2018025911A1 (ja) | 2016-08-02 | 2017-08-02 | SiCヒーター |
Publications (2)
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