KR20020073158A - 세라믹히터 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20020073158A
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후루카와마사카즈
히라마츠야스지
이토야스타카
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이비덴 가부시키가이샤
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Abstract

온도제어가 쉬우며, 얇고 가벼운 세라믹히터와, 이 히터에 사용하는 발열체 형성용 도전 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 하고, 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹으로 되는 세라믹 기판의 표면 또는 내부에 금속입자와, 필요에 따라 혼합되는 금속산화물을 소결하여 형성한 발열체를 설치하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 이같은 도전 페이스트는 금속입자와 금속산화물을 혼합하여 이루는 페이스트를 사용한다.

Description

세라믹히터 및 그 제조방법{CERAMIC HEATER AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
본 발명은 주로 반도체 산업에 있어서 사용되는 건조용 세라믹히터에 관한 것으로, 특히 온도제어가 쉽고, 얇고 가벼운 세라믹히터 및 그 제조방법과, 그 히터의 발열체를 형성하기 위하여 사용되는 도전 페이스트에 관한 것이다.
대표적인 반도체 제품은, 예를 들면 실리콘웨이퍼상에 에칭레지스트(감광성 수지)를 도포한 뒤 에칭함으로써 제조하고 있다. 이 경우, 실리콘웨이퍼 표면에 도포된 감광성 수지는 도포후에 건조시키지 않으면 안된다. 건조방법은 상기 수지가도포된 실리콘웨이퍼를 히터상에 재치하여 가열하는 것이 일반적이다.
이같은 히터는 종래 알루미늄제 기판 이면에 발열체를 부착한 것이 대표적이다. 그러나, 이같은 금속제 히터는 다음과 같은 문제가 있었다.
즉, 히터 본체인 기판이 금속제이기 때문에 두께를 15mm 정도로 두껍게 하지 않으면 안된다. 왜냐하면, 얇은 금속판으로는 가열에 기인한 열팽창에 의해, 휨, 왜곡이 발생해버려 금속판상에 재치되는 웨이퍼가 파손되거나 기울어져 버리기 때문이다. 때문에, 종래의 금속제 히터는 중량이 크고 부피가 많아지는 문제가 있었다.
또, 히터에 의한 실리콘웨이퍼의 가열은 발열체에 인가하는 전압이나 전류를 조절함으로써 기판 온도를 제어하여 행해진다. 그러나, 이 방법은 금속판이 두껍기 때문에 전압이나 전류의 변화에 대하여 히터 기판 온도가 신속히 따라가지 못하고 온도제어특성이 나쁘다는 문제가 있었다.
본 발명의 주된 목적은 온도제어가 쉽고, 얇고 가벼운 히터 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 발열특성이 우수한 발열체용 도전 페이스트를 제공함에 있다.
도 1은 본 발명의 세라믹히터의 평면도,
도 2는 본 발명의 세라믹히터의 사용형태를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명의 세라믹히터의 제조방법 설명도,
도 4는 스루홀용 구멍에 단자핀을 접속하는 모양을 나타내는 설명도,
도 5는 본 발명의 세라믹히터의 다른 제조예를 나타내는 설명도,
도 6은 본 발명의 세라믹히터의 또 다른 제조예를 나타내는 설명도.
발명의 개시
종래기술이 안고 있는 상기 과제에 대하여 검토한 결과, 발명자들은 히터용기판으로 알루미늄 등의 금속 대신 열전도성이 우수한 세라믹, 특히 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹을 사용하는데 착안하였다. 이같은 세라믹기판은 얇게 하여도 휨이나 왜곡이 발생하지 않고 또, 온도제어가 신속, 용이하며, 특히 발열체에 인가하는 전압이나 전류를 변화시켜 온도제어를 할 때의 응답성이 우수하다는 사실을 발견하였다.
또, 발명자들은 금속입자를 함유하는 도전 페이스트는 일반적으로 질화물 세라믹이나 탄화물 세라믹과는 밀착되기 어려운 성질이 있으나, 그 도전 페이스트에 금속산화물을 첨가하면 금속입자의 소결을 통하여 그 밀착성이 개선된다는 사실을 발견하였다.
이같은 지견(智見)하에 개발한 본 발명의 요지구성은 다음과 같다.
1. 상기 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹으로 되는 세라믹 기판 내부에 단면 아스펙트비(발열체의 폭/발열체의 두께)가 10∼10000인 편평형상의 발열체를 배열설치하는 것을 특징으로 한다.
2. 본 발명은 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹으로 되는 세라믹 기판 내부에 편평형상의 발열체를 배열설치함과 동시에 그 발열체 배열설치위치를 기판 중심에서 두께 방향으로 편심된 위치에 배열설치하고, 또 그 발열체로부터 먼쪽 면을 가열면으로 한 것을 특징으로 하는 세라믹 히터이다.
3. 상기 발열체는 금속입자 또는 도전성 세라믹스의 소결체로 되는 것이 바람직하다.
4. 상기 발열체는 텅스텐, 몰리브덴, 텅스텐카바이드, 몰리브덴카바이드인것이 바람직하다.
5. 상기 발열체의 편심정도는 기판의 가열면에서 50%를 넘고, 100% 미만까지의 위치인 것이 바람직하다.
6. 상기 발열체의 단면아스펙트비(발열체의 폭/발열체의 두께)는 10∼10000인 것이 바람직하다.
7. 본 발명은 또 적어도 이하의 ①∼④의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹히터 제조방법을 제안한다.
① 질화물 세라믹 분말 또는 탄화물 세라믹 분말을 성형하여 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹의 그린시트를 얻는 공정.
② 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹의 그린시트 표면에 금속입자 단독 또는 금속산화물과의 혼합물로 되는 도전 페이스트를 인쇄하는 공정.
③ 상기 도전 페이스트 인쇄 완료 그린시트와, 공정 ①과 같이 처리하여 얻은 다른 그린시트를 1매 이상을 적층하는 공정.
④ 가열가압하여 그린시트 및 도전 페이스트를 소결하는 공정.
8. 공정 ②에서 얻은 도전 페이스트 인쇄 완료 그린시트 상측 및 하측에 공정 ①과 같은 처리로 얻은 그린시트를 적층함에 있어, 상측과 하측의 그린시트의 매수 비율을 1/1에서 1/99 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
발명을 실시하기 위한 최량의 형태
본 발명의 세라믹 히터는 절연성의 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹으로 되는 세라믹 기판을 사용하고, 이 세라믹 기판 한쪽면에 발열체를 인쇄형성하고,다른 면상에 실리콘 웨이퍼 등의 반도체 제품을 재치하여 가열하는 가열면으로 한 것이다.
본 발명의 세라믹히터는 또, 편평한 단면형상을 갖는 발열체를 세라믹기판 내부에 배열설치(협지; 끼워 지지하다)한 것이라도 좋고, 이 경우, 그 발열체는 중심에서 기판두께방향으로 편심시켜 배열설치하고, 또 그 발열체에서 먼쪽 면을 가열면으로 한 것이라도 좋다.
상기 기판을 구성하는 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹은 열팽창계수가 금속보다 작고, 얇게 하더라도 가열에 의해 휘거나 왜곡되지 않는 특징이 있다. 이 때문에, 히터 기판을 얇고 가벼운 것으로 할 수 있다.
또, 이같은 세라믹기판은 열전도율이 높고, 게다가 얇기 때문에 그 기판의 표면온도가 발열체 온도변화에 대하여 신속하게 추종하는 특징이 있다. 즉, 전압, 전류를 바꾸어 발열체 온도를 변화시킬 때, 그 변화에 세라믹 기판 표면온도도 신속하게 추수하여 변동하는 특징이 있다.
게다가, 본 발명의 세라믹히터는 발열체 배열설치측과는 반대측을 가열면으로 하거나, 기판 중심에서 두께 방향으로 편심시켜서 배열설치되는 편평형상의 발열체에서 먼 쪽을 가열면으로 함으로써 열 전파가 그 기판 전체에 균일하고 또 신속하게 확산되기 때문에 가열면에 발열체 패턴에 한정된 온도분포가 발생하는 것을 억제할 수 있고, 나아가 가열온도 분포를 균일한 것으로 할 수 있다.
또, 이 점에 관하여, 예를 들면 미국특허 제5643483호 명세서에는 석영기판 한쪽면을 조화하고, 여기에 백금-팔라듐 페이스트로 발열체를 설치하고, 발열체 반대측면에 웨이퍼를 재치하여 가열하는 기술이 개시되어 있다. 또, 미국특허 제5668524호 명세서에는 히터를 매설한 척 부착의 세라믹히터를 개시하고 있다. 또한, 미국특허 제5566043호 명세서에는 질화붕소기판 표면에 열분해 그래파이트의 발열체를 설치한 히터를 각각 개시하고 있다.
그러나, 상기 미국특허 제5643483호 명세서에는 석영기판을 사용하고 또 백금-팔라듐 페이스트로 발열체를 설치하고, 본 발명과 같이 산화물을 혼합하지 않았기 때문에 조화하지 않으면 발열체를 형성할 수 없다.
또, 미국특허 제5668524호 명세서에는 발열체를 편심시키지 않고, 또 아스펙트비 등, 구체적 형상을 개시하지 않았다. 이 때문에 가열면의 온도균일성이 떨어진다.
또한, 미국특허 제5566043호 명세서에는 열분해 그래파이트의 발열체를 사용하고 있기 때문에 공기중에서 500℃ 이상으로 가열하면 발열체 자체가 소실해버려, 사용온도영역이 한정된다.
이와 같이, 이들 기술은 본 발명과는 전혀 다른 것이다.
상기 세라믹기판은 0.5∼5mm 정도의 두께의 것이 좋다. 그 이유는 너무 얇으면 파손되기 쉽기 때문이다.
이같은 세라믹 기판의 소재인 질화물 세라믹은 금속질화물 세라믹, 예를 들면 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 질화티탄 등에서 선택되는 어느 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 탄화물 세라믹은 금속탄화물 세라믹, 예를 들면 탄화규소, 탄화질코늄, 탄화티탄, 탄화탄탈, 탄화텅스텐 등에서 선택되는 어느 1종이상을 사용하는 것이 바람직하다. 단, 이들 세라믹중에서도 질화알루미늄이 적합하다. 그 이유는, 질화알루미늄의 열전도율은 180W/m·K로 가장 높기 때문이다.
또, 이같은 세라믹기판에 배열설치되는 발열체는 도전 페이스트중의 금속 입자나 금속산화물 입자를 소결하며 형성된다. 이같이 상기 각 입자를 가열소성에 의해 세라믹기판 표면에 베이킹할 수 있기 때문이다. 또, 이 소결처리는 금속입자끼리 또는 금속입자와 상기 세라믹이 서로 융착하는 정도로 한다.
다음에, 상기 발열체(2)는 도 1과 같이 세라믹 기판(1) 전체 온도를 균일하게 승온할 필요가 있으므로 동심원 형상으로 배열설치한 패턴이 좋다. 패턴 형성한 그 발열체(2) 두께는 1∼50㎛ 정도가 바람직하나 그 기판(1) 표면에 발열체(2)를 형성할 경우는 1∼10㎛가 바람직하다. 한편, 그 기판(1) 내부에 그 발열체(2)를 형성할 경우는 1∼50㎛ 두께로 하는 것이 바람직하다.
또, 이 발열체 폭은 0.1∼20mm 정도로 하는 것이 바람직하지만 기판(1) 표면에 발열체(2)를 형성할 경우는 0.1∼5mm, 기판(1) 내부에 그 발열체(2)를 형성할 경우는 1∼20mm 정도로 하는 것이 바람직하다. 이들 범위로 한정하는 이유는, 일반적으로 발열체(2) 두께 및 폭을 바꿈으로써 저항치를 변화시킬 수 있으나, 상기 범위가 발열체의 온도제어에 대하여 가장 효과적이기 때문이다. 또, 발열체(2)의 저항치는 얇고 가늘수록 커진다.
또, 이 발열체(2)는 기판(1) 내부에 형성할 경우의 쪽이 두께, 폭 모두 크게 할 수 있다. 그 이유는 발열체(2)를 내부에 설치하면 가열면과 발열체 거리가 짧아져서 세라믹기판(1)의 가열표면의 온도균일성이 저하되기 때문에 가열면을 균일하게 가열하는데는 그 발열체(2) 자체 폭을 넓힐 필요가 생긴다. 한편, 내부에 발열체를 설치할 경우, 기판의 질화물 세라믹 등과의 밀착성을 고려할 필요성이 없어지기 때문에 텅스텐이나 몰리브덴 등의 고융점 금속, 텅스텐이나 몰리브덴 등의 탄화물을 사용할 수 있고, 나아가 저항치를 높게 하기가 가능해진다. 그 결과로 단선 등을 방지할 목적으로 발열체 두께를 두껍게 할 수 있게 된다.
이 발열체는 일반적으로는 단면이 사각형 또는 타원형으로, 바람직하게는 편평한 형상인 것이 좋다. 특히, 세라믹 기판(1) 내부에 발열체를 설치할 경우는 편평한 것이 필수적이다. 그 이유는, 단면이 편평한 형상 쪽이 가열면을 향하여 가열하기 쉽기 때문에 가열면에 온도분포가 되기 어렵기 때문이다.
이같은 가열체(2) 단면의 아스펙트비(발열체의 폭/발열체의 두께)는 10∼10000 정도가 바람직하고, 50∼5000이 바람직하다. 이 범위내로 조정하면 발열체(2)의 저항치를 크게 할 수 있음과 동시에 가열면의 온도분포의 균일성을 확보할 수 있기 때문이다.
세라믹기판(1)의 표면 또는 내부에 배열설치한 발열체(2) 패턴의 두께가 일정할 경우, 아스펙트비가 작으면 기판의 가열면 방향에서의 열 전달량이 작아지고, 가열면에는 발열체패턴과 같은 열분포로 되어 버린다. 반대로, 아스펙트비가 너무 크면 발열체패턴 중앙의 직상부분이 고온이 되어 버려 결국, 가열면에는 발열체 패턴과 같은 열분포가 형성된다. 이같은 온도분포를 고려하면 발열체(2) 단면의 아스펙트비(발열체의 폭/발열체의 두께)는 10∼10000 범위내로 하는 것이 바람직하다.
그것은, 발열체(2)의 아스펙트비를 50∼5000으로 함으로써 열충격에 의한 크랙이나 박리가 발생되기 어렵기 때문이다.
또, 상기 발열체(2)는 세라믹기판(1) 내부에 형성할 경우 쪽이 아스펙트비를 크게 할 수 있으나, 이 발열체(2)를 내부에 설치할 경우, 가열면과 발열체 거리가 짧아져서 표면의 온도균일성이 저하되기 때문에 발열체 자체는 편평형상으로 할 필요가 있다.
본 발명에 있어서는 발열체(2)를 세라믹기판(1) 내부에 배열설치할 경우, 이 발열체 두께 방향의 배열설치위치를 편심시켜서 배열설치할 수 있으나, 그 편심 정도는 기판의 한쪽면(가열면)에서 50% 이상∼100% 미만 까지의 위치로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 가열면의 온도분포를 방지하고 또 세라믹기판의 휨 발생을 억제할 수 있기 때문이다. 바람직하게는 55∼95%이다.
또, 이 발열체(2)를 세라믹기판(1) 내부에 형성할 경우는 발열체 형성층을 복수층으로 나누어도 된다. 이 경우는 각 층의 패턴은 상호 보완하도록 형성하고, 가열면에서 보면 어느 한 층에서 완전한 패턴이 형성된 상태로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상층과 하층에 서로 지그재그로 배치하여 전체가 완전한 패턴이 되게 한 구조이다.
또, 발열체(2)는 세라믹기판(1) 표면에 배열설치할 경우는 이 발열체 일부(저부)가 세라믹스기판중에 매설된 상태로 배열설치하는 것이 바람직하다. 발열체를 이와 같이 배열설치하면 발열체의 저항억제 개선과 세라믹스 기재와의 밀착성 개선을 동시에 실현할 수 있기 때문이다.
다음에, 세라믹기판에 상기 발열체를 형성하기 위하여 사용되는 도전 페이스트에 대하여 설명한다. 이 도전 페이스트는 도전성을 확보하기 위한 금속입자, 또는 도전성 세라믹 외에 수지, 용제, 증점제 등을 혼합한 것이 일반적이다.
금속입자로는 귀금속(금, 은, 백금, 팔라듐), 납, 텅스텐, 몰리브덴, 니켈에서 선택된 어느 1종 이상의 것이 사용된다. 이들 금속은 비교적 산화되기 어렵고, 발열하는데 충분한 저항을 보이기 때문이다. 한편, 도전성 세라믹은 텅스텐이나 몰리브덴의 탄화물 등에서 선택되는 어느 1종 이상의 것이 사용된다.
이들 금속입자 또는 도전성 세라믹은 입경이 0.1∼100㎛ 크기로 하는 것이 바람직하다. 너무 미세하면 산화되기 쉽고, 한편 너무 크면 소결되기 어려워 저항치가 크게 되기 때문이다.
상기 금속입자는 구 형상, 인편상, 또는 구 형상과 인편상의 혼합물을 사용할 수 있다. 특히, 형상이 인편상의 경우는 금속입자 사이에 후술하는 금속산화물을 유지하기 쉬워지고, 발열체와 질화물 세라믹 등과의 밀착성이 향상되기 때문이다.
또, 이같은 도전 페이스트에 사용되는 수지는 에폭시수지, 페놀수지 등이 적합하다. 용제로는 이소프로필알콜 등이 사용된다. 증점제로는 셀룰로스 등이 사용된다.
상기 도전 페이스트는 또, 금속입자에 첨가하여 다시 금속산화물을 함유시켜서 발열체를 금속입자와 금속산화물의 혼합물 소결체로 하는 것이 유효하다. 즉, 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹과 금속입자 사이에 금속산화물이 개재하면 이들 밀착성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이 밀착성이 개선되는 이유는 명확하지 않으나금속입자 표면 및 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹 표면은 약간 산화막이 존재하고 있으나 이 산화막이 금속산화물에 대하여 친화성을 나타내어 쉽게 일체화되고, 그 결과 금속입자와 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹이 그 산화물을 통하여 밀착하는 것이 아닌가 추정된다.
이같은 금속산화물은 산화납, 산화아연, 산화규소, 산화붕소, 산화알루미늄, 산화이트륨, 산화티탄에서 선택된 어느 1종 이상을 사용한다. 이들 산화물은 발열체의 저항치를 크게 하지 않고, 금속입자와 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹과의 밀착성을 개선할 수 있기 때문이다.
상기 금속 산화물 첨가량은 금속입자에 대하여 0.1∼10Wt% 미만이 바람직하다. 그 이유는 0.1Wt% 미만은 첨가효과가 없고, 한편 10Wt% 이상이면 발열체(2) 저항치가 너무 크기 때문이다.
또, 이들 금속산화물의 혼합비율은 금속산화물 전량을 100Wt%로 할 경우에 산화납이 1∼10Wt%, 산화규소가 1∼30Wt%, 산화붕소가 5∼50Wt%, 산화아연이 20∼70Wt%, 산화알루미늄이 1∼10Wt%, 산화이트륨이 1∼50Wt%, 산화티탄이 1∼50Wt% 범위로 그 합계가 100Wt%를 넘지 않도록 조정되는 것이 바람직하다. 이들 범위는 특히 금속입자와 질화물 세라믹의 밀착성을 개선시키는 데에 효과적이다.
이와 같이 금속 산화물 첨가량을 금속입자에 대하여 0.1∼10Wt% 미만의 범위로 조정하면 발열체의 면적저항률은 1∼45mΩ/□로 할 수 있다. 이 면적 저항률이 너무 크면 인가전압에 대하여 발열량이 너무 커서 세라믹 기판 표면에 발열체를 배열설치한 케이스에서는 제어하기 어려워진다. 또, 금속산화물 양이 10Wt% 이상이되면 면적 저항률은 50mΩ/□를 넘어버려 발열량이 너무 커져서 온도제어가 곤란해지고 히터온도분포의 균일성이 저하된다.
또, 종래는 면적저항률이 50mΩ/□ 이상이 아니면 히터용 저항체로서 적합하지 않다고 생각되어 왔으나(특개평 4-300249호) 본 발명은 반대로 면적저항률을 45mΩ/□ 이하로 하여 온도제어를 쉽게 하여 온도분포의 균일성을 확보하게 한 것이다.
본 발명의 다른 실시형태는, 발열체 표면을 금속층으로 피복하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 발열체는 금속입자의 소결체이기 때문에 이것이 공기중에 노출해 있으면 산화되기 쉽고 저항치가 변화해 버린다. 그래서, 금속입자 소결체의 표면을 금속층으로 피복함으로써 산화를 방지하게 한 것이다. 그 금속층 두께는 0.1∼10㎛ 정도가 바람직하다. 그것은, 발열체 저항치를 변화시키지 않고 발열체 산화를 방지하는 범위이기 때문이다.
금속입자소결체 표면에 피복된 금속은 비산화성 금속이면 된다. 예를 들면 금, 은, 팔라듐, 백금, 니켈에서 선택된 어느 1종 이상의 것이 좋다. 그 중에서도 니켈은 적합하다. 그 이유는 일반적으로 발열체는 전원과 접속하기 위한 단자가 필요하고, 이 단자는 땜납을 통하여 발열체에 부착되어 있으나 소위 니켈은 땜납의 열확산을 방지하는 작용을 갖기 때문이다. 그 접속단자는 코바르제의 단자핀을 사용할 수 있다.
단, 발열체가 세라믹기판의 내부에 배열설치될 경우는 발열체 표면이 산화되는 일이 없기 때문에 피복은 불필요하다.
상기 땜납은 은-납, 납-주석, 비스무스-주석 등의 땜납 합금을 사용할 수 있고, 그 땜납층의 두께는 0.1∼50㎛가 땝납에 의한 접속을 확보하는데 충분한 범위이다.
본 발명은 필요에 따라 도 5d와 같이 세라믹기판(1)중에 열전대(61)를 매립해둘 수도 있다. 이 열전대(61)에 의해 그 세라믹기판(1)의 온도를 측정하고, 그 데이터를 기초로 전압, 전류를 조절하고 세라믹기판(1)의 가열면 온도를 용이하고 또 정확하게 제어할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명 세라믹히터의 사용상태를 나타내는 부분단면도이다. 도시하는 부호 3은 단자핀, 4는 금속(Ag-Pb) 입자 소결체, 5는 금속(Ni) 피복층으로, 이 4 및 5로 발열체(2)를 구성하고 있다. 그리고 6은 땜납층으로, 이 땜납층을 통하여 상기 단자핀(3)이 부착된다.
또, 이같은 세라믹기판(1)에는 관통구멍(8)을 복수개 설치하고, 그 관통구멍(8)에는 반도체 웨이퍼의 지지핀(7)을 삽입하고, 세라믹기판(1)상에 돌출하는 상기 핀(7) 정부에 반도체 웨이퍼(9)를 인접 또는 약간의 틈새를 통하여 부착한다. 또, 이 경우, 반도체웨이퍼(9)를 도시하지 않는 운반기에 인도인수하거나 운반기에서 반도체웨이퍼(9)를 수취하거나 할 때는 상기 지지핀(7)을 승강시킨다.
다음에, 본 발명에 관한 세라믹히터의 제조방법에 대하여 설명한다.
A. 세라믹기판의 표면에 발열체를 형성할 경우(도 2)
(1) 절연성 질화물 세라믹 또는 절연성 탄화물 세라믹 분체를 소결하여 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹으로 되는 판상체(세라믹기판)를 형성하는 공정.
이 공정은 상기 질화알루미늄 등의 질화물 세라믹 또는 탄화 규소 등의 탄화물 세라믹 분체, 또한 필요에 따라 이트리아 등의 소결보조제나 바인더로 되는 혼합분말을 스프레이드라이법 등의 방법에 의해 과립상으로 하고, 얻은 이 과립을 금형 등에 넣어서 가압함으로써 판상으로 형성한 생성형체로 한다.
상기 생성형체에는 필요에 따라 반도체 웨이퍼의 지지핀(7)을 삽입하기 위한 관통구멍(8)이나 열전대(61)를 매립하는 오목부(62)를 설치해 둔다.
다음에, 이 생성형체를 가열소성하여 소결하고, 세라믹제의 판상체를 제조한다. 가열소성시에 가압함으로써 기공이 없는 히터용 세라믹기판을 제조한다. 가열소성은 소결온도 이상이면 좋으나 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹은 1000∼2500℃가 적합하다.
(2) 상기 (1) 공정으로 얻은 세라믹제의 판상체(히터판, 즉 세라믹기판) 표면에 금속입자를 함유하는 도전 페이스트를 인쇄하여 금속입자층(4)을 형성하는 공정.
이 공정은 금속입자, 수지, 용제로 되는 점도 높은 유동성을 갖는 도전 페이스트를 스크린인쇄 등의 방법으로 소정 위치에 인쇄한다. 도전 페이스트를 인쇄에 의해 도포하여 금속입자층(4)을 형성하는 이유는 세라믹기판 전체를 균일한 온도로 가열하기 위한 발열체(2)를 형성하기 위해서는 도 1과 같은 동심원으로 되는 패턴을 정확하게 형성하는 것이 바람직하기 때문이다.
또, 발열체의 단면형상은 사각형을 기본으로 하여 편평한 단면형상으로 하는 것이 바람직하다.
(3) 세라믹 기판상에 인쇄하여 형성한 금속입자층을 가열소결하여 세라믹기판(1) 표면에 발열체(2)를 형성하는 공정.
도전 페이스트를 인쇄하여 형성되는 금속입자층을 가열소성하여 수지, 용제를 제거함과 동시에 금속입자를 소결(가열소성온도는 500∼1000℃)시킨다. 이 점에 관하여, 예를 들면 도전 페이스트중에 금속 산화물을 첨가해두면 금속입자, 세라믹제의 판상체 및 금속산화물이 소결하여 일체화되기 때문에 발열체와 세라믹제의 판상체의 밀착성이 향상된다.
(4) 또한, 필요에 따라 상기 금속입자층(4) 표면에 금속피복층(5)을 형성하여도 된다. 이 처리는 전해도금, 무전해도금, 스패터링에 의해 행할 수 있으나 양산성을 고려하면 무전해도금이 최적이다.
(5) 이같이 얻은 발열체(2)의 패턴 단부에 전원과의 접속을 위한 단자핀(3)을 땜납으로 부착한다.
B. 세라믹 기판 내부에 발열체를 설치할 경우(도 3)
(1) 질화물 세라믹, 탄화물 세라믹 등의 세라믹 분체를 바인더 및 용제와 혼합하여 그린시트(31)를 얻는다.
상기 세라믹 분체는 질화알루미늄, 탄화규소 등을 사용할 수 있고, 필요에 따라 산화이트륨(이트리아) 등의 소결보조제 등을 첨가하여도 된다. 또, 바인더는 아크릴계 바인더, 에틸셀룰로스, 부틸셀로솔브, 폴리비니랄에서 선택된 적어도 1종 이상이 바람직하다. 용매는 α-테르피네올, 글리콜에서 선택된 어느 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
이들을 혼합하여 얻은 페이스트를 독터블레이더법으로 시트상으로 성형하여 그린시트(31)를 제조한다. 얻은 그린시트에, 필요에 따라 실리콘 웨이퍼의 지지핀(7)을 삽입하기 위한 관통구멍(8)이나 열전대(61)를 매립하기 위한 오목부(62)를 설치해 둘 수 있다. 상기 관통구멍(8)이나 오목부(62)는 펀칭 등으로 형성한다.
그린시트 두께는 0.1∼5mm 정도가 좋다.
(2) 다음에, 그린시트에 발열체가 되는 금속입자층을 인쇄한다.
발열체가 되는 금속입자층(4)은 금속페이스트 또는 도전성 세라믹을 사용한 도전성 페이스트를 인쇄함으로써 형성한다.
이들 페이스트중에는 금속입자 또는 도전성 세라믹 입자가 함유되어 있고, 이같은 금속입자는 텅스텐 또는 몰리브덴이, 또 도전성 세라믹 입자는 텅스텐 또는 몰리브덴의 탄화물이 최적이다. 산화하기 어렵고 열전도율 저하가 적기 때문이다.
상기 텅스텐 입자 또는 몰리브덴 입자의 평균입자경은 0.1∼5㎛가 좋다. 너무 크거나 너무 작으면 도전 페이스트 인쇄가 곤란해지기 때문이다. 이같은 도전 페이스트는 금속입자 또는 도전성 세라믹 입자 85∼97중량부, 아크릴계, 에틸셀룰로스, 부틸셀로솔브, 폴리비니랄에서 선택된 어느 1종 이상의 바인더 1.5∼10중량부, α-테르피네올, 글리콜에서 선택된 적어도 1종 이상의 용매를 1.5∼10중량부 혼합하여 조제한 텅스텐 페이스트 또는 몰리브덴 페이스트가 최적이다.
(3) 다음에, (2)의 발열체(2)를 인쇄한 그린시트(31)와, (1) 공정과 동일 방법으로 얻은 다른 그린시트(31)를 1매 이상 적층한다.
도시예는 금속입자층(4) 상면(가열면측)에 37매, 그 반대측에 17매를 적층접착한 것이다. 즉, 적층할 경우는 (2)의 발열체 인쇄그린시트 상측(가열면측)에 적층되는 (1)의 그린시트 수를, 하측에 적층되는 그린시트수보다 많게 하여 발열체(2) 형성위치를 두께방향으로 편심시킨다. 바람직하게는 같은 두께의 그린시트수를 적층하여 상측과 하측의 구성 비율을 1/1∼1/99로 한다. 구체적으로는 상측에 20∼50매, 하측에 5∼20매를 적층한다.
(4) 가열가압하여 그린시트 및 도전 페이스트를 소결한다. 가열온도는 1000∼2000℃로, 가압은 100∼200kg/cm2로 불활성가스 분위기 하에서 행한다. 불활성 가스는 아르곤, 질소 등을 사용할 수 있다.
최후에, 단자핀(3) 부착부위에 땜납 페이스트를 인쇄한 후, 단자핀(3)을 얹고 가열하여 리플로함으로써 이것을 고정한다. 땜납 페이스트의 리플로를 위한 가열온도는 200∼500℃가 적합하다. 또한 필요에 따라 열전대를 매립할 수 있다.
실시예
(실시예 1) 질화 알루미늄 세라믹 기판제 히터
(1) 질화 알루미늄 분말(평균입경 1.1㎛) 100중량부, 이트리아(평균입경 0.4㎛) 4중량부, 아크릴바인더 12중량부 및 알콜로 되는 혼합 조성물을 스프레이드라이어법으로 과립상 분말로 하였다.
(2) 상기 과립상 분말을 금형에 넣어서, 평판상으로 성형하여 생성형체를 얻었다. 생성형체를 드릴가공하여 반도체 웨이퍼 지지핀을 삽입하기 위한관통구멍(8), 열전대를 매립하기 위한 오목부(도시생략)를 설치하였다.
(3) 생성형체를 1800℃, 압력 200kg/cm2로 핫프레스하고, 두께 3mm의 질화 알루미늄 판상체를 얻었다. 이것을 직경 210mm의 원 형상으로 잘라내어 세라믹제 판상체(세라믹 기판; 1)로 하였다.
(4) 상기 (3)에서 얻은 세라믹기판(1)에 스크린인쇄로 도전 페이스트를 인쇄하였다. 인쇄패턴은 도 1과 같은 동심원의 패턴으로 하였다. 도전 페이스트는 프린트 배선판의 스루홀 형성에 사용되고 있는 도쿠리키 화학연구소제의 솔베스트 PS603D를 사용하였다. 이 도전 페이스트는 은/납 페이스트로서, 산화납, 산화아연, 실리카, 산화붕소 및 알루미나의 혼합물로 되는 금속산화물(각 중량비율은 5/55/10/25/10)을 은의 양에 대하여 7.5Wt% 함유하는 것이다. 또, 은은 평균입경 4.5㎛로 인편상의 것을 사용하였다.
(5) 도전 페이스트를 인쇄한 세라믹 기판을 780℃로 가열소성하여 도전 페이스트중의 은, 납을 소결시킴과 동시에 세라믹 기판(1)에 베이킹하였다. 은-납 소결체(4)에 의한 패턴은 두께 5㎛, 폭 2.4mm이고, 면적저항률이 7.7mΩ/□였다.
(6) 황산니켈 80g/l, 차아인산나트륨 24g/l, 아세트산나트륨 12g/l, 붕산 8g/l, 염화암모늄 6g/l의 농도의 수용액으로 되는 무전해니켈 도금욕에 (5)의 세라믹기판(1)을 침지하여 은-납의 소결체(4) 표면에 두께 1㎛의 니켈 금속층(5)을 석출시켜서 발열체(2)를 형성하였다.
(7) 전원과의 접속을 확보하기 위한 단자를 부착하는 부분에 스크린인쇄(1)에서 은-납 땜납 페이스트를 인쇄하여 땜납층(다나카 귀금속제; 6)을 형성하였다. 이어서, 이 땜납층(6)상에 코바르제 단자핀(3)을 재치하여 420℃로 가열 리플로하고, 단자핀(3)을 발열체(2) 표면에 부착하였다.
(8) 온도제어를 위한 열전대(도시생략)를 매립하여 히터(100)를 얻었다(도 1, 도 2).
(실시예 2) 탄화규소 세라믹 기판제 히터
실시예 1과 기본적으로 같은 공정에 따르나, 평균입경 1.0㎛의 탄화규소 분말을 사용하고, 소결온도를 1900℃로 하며, 또한 표면을 1500℃로 2시간 소결하여 표면에 두께 1㎛의 SiO2층을 형성하였다.
(실시예 3)
실시예 1, 2의 히터에 대하여 전압, 전류의 변화에 대한 세라믹기판의 가열면의 온도추종성, 발열체(2)의 풀강도에 대하여 측정하였다. 즉, 각 히터에 전압을 인가한 바, 실시예 1의 히터는 0.5초로 온도변화가 보이고, 또 실시예 2의 히터는 2초로 온도변화가 관찰되었다. 한편, 발열체(2)의 풀강도에 대해서는, 실시예 1의 히터는 3.1kg/mm2, 실시예 2의 히터는 3kg/mm2이었다.
(실시예 4) 발열체를 내부에 형성한 히터(도 3, 도 5)
(1) 질화 알루미늄 분말(도쿠야마제, 평균입경 1.1㎛) 100중량부, 이트리아(평균입경 0.4㎛) 4중량부, 아크릴바인더 11.5중량부, 분산제 0.5중량부 및 1-부탄올 및 에탄올로 되는 알콜 53중량%를 혼합한 혼합조성물을 독터블레이더로 형성하여 두께 0.47mm의 그린시트(31)를 얻었다.
(2) 그린시트(31)를 80℃로 5시간 건조시킨후, 펀칭으로 직경 1.8mm, 3.0mm, 5.0mm의 반도체웨이퍼 지지핀 삽입용 관통구멍 및 발열체와 단자핀을 접속하기 위한 스루홀용 구멍(38)을 설치하였다.
(3) 평균입자경 1㎛의 텅스텐 카바이드 입자 100중량부, 아크릴계 바인더 3.0중량부, α-테르피네올 용매를 3.5중량부, 분산제 0.3중량부를 혼합하여 도전성 페이스트 A로 하였다.
또, 평균입자경 3㎛의 텅스텐입자 100중량부, 아크릴계 바인더 1.9중량부, α-테르피오네 용매를 3.7중량부, 분산제 0.2중량부를 혼합하여 도전성 페이스트 B로 하였다.
상기 도전성 페이스트 A를 그린시트(31)에 스크린 인쇄로 패턴을 묘사하여 인쇄하였다. 인쇄패턴은 도 1과 같은 동심원으로 하였다. 또, 단자핀과 접속하기 위한 스루홀용 관통구멍(38)에 도전성 페이스트 B를 충전하였다.
또한, 상기 도전 페이스트 A를 인쇄하지 않은 그린시트(31)를 상측(가열면)에 37매, 하측에 17매를 적층하고, 130℃, 80kg/cm2의 압력으로 합체시켜서 적층체로 하였다(도 3).
(4) 상기 적층체를 질소가스중에서 600℃로 5시간 탈지하고, 1890℃, 압력 150kg/cm2로 3시간 핫프레스하고, 두께 3mm의 질화알루미늄 판상체를 얻었다. 이것을 직경 230mm의 원 형상으로 절단하여 내부에 두께 6㎛, 폭 10mm의 발열체를 갖는세라믹기판(51)으로 하였다(도 5a).
(5) (4)에서 얻은 세라믹기판(51)을 다이어몬드 숫돌로 연마한 후, 마스크를 재치하여 유리비즈에 의한 블라스트 처리로 열전대 수납용 구멍(62)을 설치하였다(도 5d).
(6) 또한, 스루홀용 구멍(58)의 표면 일부를 깎아내어 도 4와 같은 오목부(48)를 형성하고, 이 오목부(48)에 Ni-Au 합금으로 되는 금납을 공급하고 이어서 700℃로 가열 리플로하여 코바르제 단자핀(60)을 접속하였다(도 5c).
도, 단자핀(60)의 접속은 상기 오목부(48)를 이용하여 단자핀(60)이 3점에서 지지되는 구조로 하는 것이 접속신뢰성 확보에 바람직하다.
(7) 온도제어를 위한 복수의 열전대(61)를 구멍(62)내에 매립하여, 세라믹히터를 얻었다(도 5d).
(비교예 1) 알루미늄판제 히터
발열체로서 실리콘고무로 끼워 지지한 니크롬선을 사용하여 두께 15mm의 알루미늄판과 패드를 발열체로 끼우고, 볼트로 고정하여 히터로 하였다. 그리고, 이 히터에 전압을 인가하였던 바, 온도변화가 보이기 까지 24초를 필요로 하였다.
(비교예 2) 알루미나제 히터
기본적으로는 실시예 1과 같으나, 알루미나 분말(평균입경 1.0㎛) 100중량부, 아크릴바인더 12중량부 및 알콜로 되는 조성물을 스프레이드라이어 법으로 과립상으로 하고, 이것을 금형에 넣어서 평판상으로 성형하여 생성형체로 하고, 이생성형체를 1200℃, 압력 200kg/cm2으로 핫프레스하여 두께 3mm의 알루미나 기판을 얻었다.
또, 도전 페이스트는 평균입경 3㎛의 텅스텐입자 100중량부, 아크릴계 바인더 1.9중량부, α-테르피네올 용매를 3.7중량부, 분산제 0.2중량부를 혼합하여 도전성 페이스트로 하여, 이것을 인쇄하였다. 도전 페이스트를 인쇄한 세라믹기판을 1000℃로 가열소성하여 텅스텐을 소결시켰다.
(실시예 5)
기본적으로 실시예 4와 같으나, 발열체를 편평형상의 것이 아니고 단면을 두께 20㎛×폭 20㎛의 정방형(아스펙트비 1)의 것을 사용하였다.
(실시예 6)
기본적으로 실시예 4와 같으나, 인쇄조건을 바꾸어 발열체도 편평형상의 것이 아니고 단면을 두께 5㎛×폭 72mm(아스펙트비 12000)의 것을 사용하였다.
(실시예 7)
기본적으로 실시예 4와 같으나, 도전 페이스트를 인쇄한 그린시트 하측에 24매, 상측에 25매 적층하여 발열체를 세라믹기판 중앙에 배치한 예이다.
(실시예 8)
기본적으로는 실시예 1과 동일하나 솔베스트 PS603D 대신 이하 조성을 갖는 것으로 조정하였다.
은가루 구 형상으로 평균입경 5.0㎛ 100중량부
금속산화물(산화납, 산화아연, 실리카, 산화붕소, 알루미나, 각 중량비율은 5/55/10/25/5)을 7.5중량부
면적저항률은 4mΩ/□였다.
(실시예 9)
(1) 질화알루미늄분말(평균입경 1.1㎛) 100중량부, 이트리아(산화이트륨을 가르킴, 평균입경 0.4㎛) 4중량부, 아크릴바인더 12중량부 및 알콜로 되는 조성물을 스프레이드라이어 법으로 과립상으로 하였다.
(2) 과립상 분말을 금형에 넣어서 평판상으로 형성하여 그린시트를 얻었다. 이 그린시트를 드릴가공하여 반도체 웨이퍼 지지핀을 삽입하는 관통구멍, 열전대를 매립하기 위한 바닥구멍을 설치하였다.
(3) 상기 그린시트를 1800℃, 압력 200kg/cm2으로 핫프레스하여, 두께 3mm의 질화알루미늄 기판을 얻었다. 이것을 직경 210mm의 원 형상으로 절단하여 세라믹기판(1)으로 하였다.
또한, 이 세라믹기판(1)에 금속마스크를 형성한 뒤 직경 1㎛의 알루미나분에 의한 샌드블라스트 처리를 실시하여 발열체 형성위치에 폭 2.4mm, 깊이 6㎛의 홈을 설치하였다.
(4) (3)에서 얻은 세라믹기판(1)의 홈에 스크린인쇄로 도전 페이스트를 인쇄하여 발열체가 되는 금속입자층을 형성하였다. 금속입자층 패턴은 도 1과 같은 동심원 패턴으로 하였다. 도전 페이스트는 프린트배선판의 스루홀 형성에 사용되고있는 도쿠리키 화학연구소제의 솔베스트 PS603D를 사용하였다. 이 도전 페이스트는 은/납 페이스트로서, 산화납, 산화아연, 실리카, 산화붕소, 알루미나로 되는 금속산화물(각 중량비율은 5/55/10/25/5)을 은의 양에 대하여 7.5중량% 함유하는 것이다. 또, 은의 형상은 평균입경 4.5㎛로 인편상의 것을 사용하였다.
(5) 금속입자층을 형성한 세라믹기판을 780℃로 가열소성하여 금속입자층(도전 페이스트)중의 은, 납을 소결시킴과 동시에 세라믹기판(1)상에 베이킹하였다. 은-납의 소결체(4)에 의한 패턴은 두께 5㎛, 폭 2.4mm이고 면적저항률이 7.7mΩ/□였다.
(6) 황산니켈 80g/l, 차아인산나트륨 24g/l, 아세트산나트륨 12g/l, 붕산 8g/l, 염화암모늄 6g/l 농도의 수용액으로 되는 무전해니켈 도금욕에 (5)의 세라믹기판을 소성하여 은-납의 소결체(4) 표면에 두께 1㎛의 니켈층(5)을 석출시켜 발열체로 하였다.
(7) 전원과의 접속을 확보하기 위한 단자핀을 부착하는 부분에, 스크린인쇄(1)에서 은-납 땜납 페이스트를 인쇄하여 땜납층(다니카 귀금속제; 6)을 형성하였다. 이어서, 땜납층(6)상에 코바르제의 단자핀을 재치하여 420℃로 가열 리플로하고 단자핀을 발열체 표면에 부착하였다(도 6 참조).
이 실시예는 도 6a와 같이 발열체가 세라믹기판 내부에 매설되지만 표면에서 노출한 상태가 된다. 또, 도 6b와 같은 발열체가 세라믹기판 내부에 일부 매설되고 일부 노출된 상태라도 좋다.
이 실시예에 있어서, 실시예 1, 8과 같이 하여 응답시간, 온도차, 풀강도를측정하였다. 그 결과를 표 1에 표시한다.
(비교예 3)
기본적으로는 실시예 1과 같으나 솔베스트 PS603D에 산화납, 산화아연을 가하여 금속산화물량을 10Wt%로 조정하였다. 얻은 발열체의 면적저항률은 50mΩ/□였다.
또, 실시예 1에서 8(실시예 3 제외), 비교예 1에서 3에 대하여 전압인가 후의 온도 변화가 확인되기까지의 시간(응답시간)을 측정하였다. 또, 표면온도를 600℃로 할 경우의 가열면의 최고온도와 최저온도의 차를 측정하였다. 또, 실시예 1, 8에 대해서는 2mm×2mm의 영역에서 풀강도(단위는 kg/2mm□)를 측정하였다.
그 결과를 표 1에 함께 표시한다.
응답시간 (초) 온도차 (℃) 풀강도 (kg/2mm□)
실시예 1 0.5 8 12.4
실시예 2 2.0 9
실시예 4 1.0 8
실시예 5 1.6 15
실시예 6 0.8 18
실시예 7 0.7 18
실시예 8 0.7 18 6.0
실시예 9 0.8 9 24.0
비교예 1 24 15
비교예 2 40 22
비교예 3 0.8 15
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 세라믹히터는 얇고 또 가벼워서 실용적이며, 특히 반도체 산업분야에 있어서 그 제품을 가열건조하기 위하여 사용된다.
또, 본 발명에 관한 세라믹히터는 세라믹기판으로서 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹을 사용하고, 또한 가볍게 되어 있기 때문에 전압, 전류량 변화에 대한 가열면의 온도추종성이 우수하고, 온도제어가 쉽다. 또, 가열면의 온도분포의 균일성에도 우수하기 때문에 반도체 제품의 효율적 건조가 가능하다.

Claims (8)

  1. 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹으로 이루어진 세라믹기판 내부에, 단면 아스펙트비(발열체의 폭/발열체의 두께)가 10∼10000인 편평형상의 발열체를 배열설치한 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  2. 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹으로 이루어진 세라믹기판 내부에, 편평형상의 발열체를 배열설치함과 동시에, 그 발열체의 배열설치위치를 기판 중심에서 두께 방향으로 편심한 위치에 배열설치하고, 또한 그 발열체로부터는 먼 쪽의 면을 가열면으로 한 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  3. 제 1 또는 2 항에 있어서, 상기 발열체는 금속입자 또는 도전성 세라믹스의 소결체로 이루어진 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  4. 제 1 또는 2 항에 있어서, 상기 발열체는 텅스텐, 몰리브덴, 텅스텐 카바이드, 몰리브덴 카바이드인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 발열체의 편심정도는 기판의 가열면에서 50%를 넘고, 100% 미만까지의 위치인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 발열체의 단면아스펙트비(발열체의 폭/발열체의 두께)가 10∼10000인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  7. ① 질화물 세라믹 분말 또는 탄화물 세라믹 분말을 성형하여 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹의 그린시트를 얻는 공정,
    ② 상기 질화물 세라믹 또는 탄화물 세라믹의 그린시트 표면에 금속입자 단독 또는 금속산화물과의 혼합물로 된 도전 페이스트를 인쇄하는 공정,
    ③ 도전 페이스트 인쇄 완료 그린시트와, 공정 ①과 동일하게 처리하여 얻은 다른 그린시트의 1매 이상을 적층하는 공정,
    ④ 가열가압하여 그린시트 및 도전 페이스트를 소결하는 공정을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 공정 ②에서 얻은 도전 페이스트 인쇄완료 그린시트의 상측 및 하측에, 공정 ①과 동일한 공정으로 얻은 그린시트를 적층함에 있어서, 상측과 하측의 그린시트의 매수 비율을 1/1에서 1/99 범위로 하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터의 제조방법.
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