KR20190038554A

KR20190038554A - SiC 히터

Info

Publication number: KR20190038554A
Application number: KR1020197003497A
Authority: KR
Inventors: 히로아키 나가토모; 유키 우치카와; 요시히코 무라카미
Original assignee: 스미토모 오사카 세멘토 가부시키가이샤
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2019-04-08
Also published as: JP6717379B2; CN109565906A; WO2018025911A1; US20190174578A1; KR102246856B1; JPWO2018025911A1; CN109565906B; US10966288B2

Abstract

이 SiC 히터는, 박판 형상의 탄화 규소 소결체와 상기 탄화 규소 소결체의 표면에 형성된 절연 피막을 갖는 발열체와, 상기 발열체에 통전하기 위한 한 쌍의 전극과, 상기 발열체로부터의 열을 단열하면서 상기 발열체를 일면 측으로부터 유지하는 히터 베이스를 구비하고, 상기 절연 피막은, 상기 탄화 규소 소결체의 상기 히터 베이스와 반대 측의 면에 위치하며, 상온에서의 전기 비저항이 10⁹Ω·cm 이상이고, 열팽창률이 2×10^-6/K 이상 6×10^-6/K 이하이며, SiO₂를 매트릭스로 하고, B₂O₃ 및 Al₂O₃ 중 적어도 하나를 포함하는 제1 첨가 성분을 1중량% 이상 35중량% 이하 함유하며, MgO 및 CaO 중 적어도 하나를 포함하는 제2 첨가 성분을 1중량% 이상 35중량% 이하 함유한다.

Description

SiC 히터

본 발명은, SiC 히터에 관한 것이다.

본원은, 2016년 8월 2일에, 일본에 출원된 특원 2016-151911호에 근거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

최근, 스마트폰이나 휴대전화, 태블릿 단말 등을 중심으로 2.5D, 3D 실장 등의 고집적화를 향한 개발이 가속되고 있다. 메모리나 애플리케이션 프로세서 등의 SoC(System-on-a-Chip)의 실장에 있어서는, 복수의 디바이스를 일괄하여 연속적으로 열처리하는 리플로에 의한 실장이 주류이다. 그러나, 리플로에 의한 실장으로는, 범프의 미세화, 협(狹)갭화에 한계가 있어, 추가적인 고집적화가 곤란해지고 있다. 따라서 리플로를 대신하는 대체 기술로서, 열압착 공법이라고 부르는 실장 방식이 주목받고, 일부에서는 실용화되고 있다.

열압착 공법이란, 발열체를 구비한 히터에 의하여 칩마다 하중을 가하면서 가열, 냉각을 행하여 실장하는 방식이다. 열압착 공법을 실현하는 히터의 발열체로서 세라믹으로 이루어지는 것을 이용함으로써, 하중을 가했을 때의 발열체의 변형이 억제되고 고정밀도의 실장을 실현할 수 있는 것이 알려져 있다. 이로 인하여 향후에는, 발열체에 세라믹을 이용한 세라믹스 히터에 의한 열압착 공법이 실장의 주류가 되어 갈 것이 예상되고 있다.

세라믹 히터로서는, 발열체에 탄화 규소를 이용한 SiC 히터가 특허문헌 1에 기재되어 있다. 이 SiC 히터는, 탄화 규소로 이루어지는 발열체의 표면에, 붕규산 유리 또는 알루미노 규산 유리로 이루어지는 절연 피막이 마련되어 있다.

일본 특허공보 제3710690호

특허문헌 1에 기재된 SiC 히터는, 700℃ 이상의 고온의 열이력을 받으면 절연 피막이 백탁하여 절연 특성이 현저하게 저하되는 경우가 있다. 일반적으로, 실장 시의 워크의 가열 온도는 450℃ 정도이지만, 상정 외의 과승온에 대응하여 어느 정도의 고온에도 견딜 것이 요망되고 있다.

본 발명은, 종래의 탄화 규소 히터에 있어서의 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 과승온에 의한 절연성의 저하를 억제한 SiC 히터의 제공을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 양태의 SiC 히터는, 박판(薄板) 형상의 탄화 규소 소결체와 상기 탄화 규소 소결체의 표면에 형성된 절연 피막을 갖는 발열체와, 상기 발열체에 통전하기 위한 한 쌍의 전극과, 상기 발열체로부터의 열을 단열하면서 상기 발열체를 일면 측으로부터 유지하는 히터 베이스를 구비하고, 상기 절연 피막은, 상기 탄화 규소 소결체의 상기 히터 베이스와 반대 측의 면에 위치하며, 붕규산 유리 또는 알루미노 규산 유리 중 적어도 하나로 이루어지고, 상온에서의 전기 비저항이 10⁹Ω·cm 이상이며, 열팽창률이 2×10^-6/K 이상 6×10^-6/K 이하이고, SiO₂를 매트릭스로 하며, B₂O₃ 및 Al₂O₃ 중 어느 하나 또는 양쪽 모두를 포함하는 제1 첨가 성분을 1중량% 이상 35중량% 이하 함유하고, MgO 및 CaO 중 어느 하나 또는 양쪽 모두를 포함하는 제2 첨가 성분을 1중량% 이상 35중량% 이하 함유한다.

즉, 상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 양태의 SiC 히터는, 박판 형상의 탄화 규소 소결체와 상기 탄화 규소 소결체의 표면에 형성된 절연 피막을 갖는 발열체와, 상기 발열체에 통전하기 위한 한 쌍의 전극과, 상기 발열체로부터의 열을 단열하면서 상기 발열체를 일면 측으로부터 유지하는 히터 베이스를 구비하고, 상기 절연 피막은, 상기 탄화 규소 소결체의 상기 히터 베이스와 반대 측의 면에 위치하며, 상기 절연 피막은, 상온에서의 전기 비저항이 10⁹Ω·cm 이상이고, 상기 절연 피막은, 열팽창률이 2×10^-6/K 이상 6×10^-6/K 이하이며, 상기 절연 피막은, SiO₂를 매트릭스로 하고, B₂O₃ 및 Al₂O₃ 중 적어도 하나를 포함하는 제1 첨가 성분을 1중량% 이상 35중량% 이하 함유하며, MgO 및 CaO 중 적어도 하나를 포함하는 제2 첨가 성분을 1중량% 이상 35중량% 이하 함유한다.

상기의 SiC 히터에 있어서, 상기 제2 첨가 성분은, BaO를 더 포함하는 구성으로 해도 된다.

상기의 SiC 히터에 있어서, 상기 제2 첨가 성분은, BaO, MgO 및 CaO를 모두 포함하는 구성으로 해도 된다.

상기의 SiC 히터에 있어서, 상기 제2 첨가 성분의 MgO 및 CaO의 함유량의 합계가, BaO의 함유량에 대하여 1배 이상 2배 이하인 구성으로 해도 된다.

상기의 SiC 히터에 있어서, 상기 발열체의 형상은, 대략 정방형 또는 대략 장방형의 서로 대향하는 2변으로부터 각각 반대 측의 변을 향하여 절개되어 있는 2개의 슬릿을 갖는 평면에서 보았을 때 대략 S자 형상이며, 상기 대략 S자 형상의 양 단부 각각에 상기 한 쌍의 전극의 한쪽이 접속되어 있는 구성으로 해도 된다.

상기의 SiC 히터에 있어서, 상기 절연 피막은, 붕규산 유리 또는 알루미노 규산 유리 중 적어도 하나로 이루어지는 구성으로 해도 된다.

상기의 SiC 히터에 있어서, 상기 제1 첨가 성분의 비율은, 상기 절연 피막의 전체 중량에 대하여, 1중량% 이상 30중량% 이하인 구성으로 해도 된다.

상기의 SiC 히터에 있어서, 상기 탄화 규소 소결체의 결합체 밀도가 2.5g/cm³ 이상이며, 25℃에 있어서의 전기 비저항이 0.1Ω·cm 이상 100Ω·cm 이하인 구성으로 해도 된다.

본 발명의 SiC 히터에 의하면, 과승온에 의한 절연성의 저하를 억제한 SiC 히터의 제공을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터의 발열체의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터의 발열체를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터를 나타내는 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터를 나타내는 하측 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터를 나타내는 상측 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터를 나타내는 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터를 이용하여 반도체 칩을 접합하는 상태를 나타내는 정면 단면도(도 4에서 나타내는 A-A선을 따른 단면도)이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터를 이용하여 반도체 칩을 접합하는 상태를 나타내는 측면 단면도(도 4에서 나타내는 B-B선을 따른 단면도)이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터를 이용하여 반도체 칩을 접합하는 상태를 나타내는 경사 방향에서 본 측면 단면도(도 4에서 나타내는 C-C선을 따른 단면도)이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터를 이용하여 플립 칩 본더에 의한 제조 상태를 나타내는 사시도이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태를 구체적으로 설명한다.

단, 이 실시형태는, 발명의 취지를 보다 잘 이해시키기 위하여 구체적으로 설명하는 것이며, 특별히 지정이 없는 한, 발명 내용을 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서, 수나, 위치나, 크기 등에 대한 변경, 생략, 추가 및 그 외의 변경이 가능하다.

〔SiC 히터〕

도 1 및 도 2는, 각각 본 실시형태의 SiC 히터(100)의 발열체(1)의 단면도 및 사시도이다. 또, 도 3~도 6은, 각각 본 실시형태의 SiC 히터(100)의 정면도, 하측 평면도, 상측 평면도 및 측면도이다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 SiC 히터(100)는, 발열체(1)와, 한 쌍의 전극(20, 20)과, 히터 베이스(21)와, 냉각계 접속 부재(22)를 구비한다. 한 쌍의 전극(20, 20)은, 발열체(1)에 통전한다. 히터 베이스(21)는, 발열체(1)로부터의 열을 단열하면서, 발열체(1)를 일면 측으로부터 유지한다. 냉각계 접속 부재(22)는, 히터 베이스(21)를 지지한다. 전극(20)은, 리드선(24)과, 리드선(24)을 발열체(1)에 고정하기 위한 볼트(16)를 갖는다.

이하, 각부에 대하여 구체적으로 설명한다.

〔발열체〕

도 1에 나타내는 바와 같이, 발열체(1)는, 박판 형상의 탄화 규소 소결체(1A)와 상기 탄화 규소 소결체의 표면에 형성된 절연 피막(1B)을 갖는다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 발열체(1)는, 대략 정방형 또는 대략 장방형인 박판이다. 본 실시형태에 있어서, 상기 대략 정방형 또는 대략 장방형은, 서로 대향하는 제1 및 제2 변, 상기 제1 및 제2 변과 모서리부에서 접속하고, 서로 대향하는 제3 및 제4 변을 갖는다고 정의한다. 일례로서, 발열체(1)는, 외형이 22mm의 사각형이고 두께가 1mm인 박판이다. 발열체(1)는, 칩을 흡착하는 측의 면으로서 히터 베이스(21)와 반대 측에 위치하는 흡착면(1a)과, 히터 베이스(21) 측에 위치하는 이면(1b)을 갖는다.

발열체(1)는, 서로 대향하는 2변(즉 제1 변 및 제2 변)으로부터 각각 반대 측의 변을 향하여 절개된 2개의 슬릿(2, 3)(제1 슬릿(2), 제2 슬릿(3)이라고도 함)을 갖는 대략 S자 형상이다. 2개의 슬릿(2, 3)은, 서로 대략 평행이며, 제3 및 제4 변에 대략 수직이다. 슬릿(2, 3)의 길이는, 제3 및 제4 변의 길이의 2/3이다. 또, 발열체(1)에는, 대략 S자 형상의 양 단부(시점 및 종점이라고도 함)에 각각 전극(20)이 접속되어 있다. 슬릿(2, 3)은, 온도 변화에 의한 발열체(1)의 열팽창, 열수축의 영향을 흡수한다. 따라서, 슬릿(2, 3)을 마련함으로써, 발열체(1)를 열응력에 대하여 강하게 하는 것이 가능해진다. 이로써, 발열체(1)의 판두께를 얇게 형성하는 것이 가능해지며, 결과적으로 발열체(1)의 열용량을 작게 하고, 급속한 가열 및 냉각을 가능하게 한다. 이에 더하여, 발열체(1)를 슬릿(2, 3)에 의하여 대략 S자 형상으로 함으로써 전류가 그 경로를 흘러 발열체(1)의 균열성(均熱性)을 향상시킬 수 있다.

발열체(1)에는, 전극 장착용 관통 구멍(4, 5)과, 칩 흡착용 기체 통로를 형성하는 관통 구멍(6)과, 전열판 흡착용 기체 통로를 형성하는 관통 구멍(7, 8) 및 홈(9, 10)과, 불활성 가스의 통로를 형성하는 관통 구멍(11, 12)과, 발열체(1)를 히터 베이스(21)에 고정하는 접시 머리 나사(15, 15)를 삽통(揷通)하기 위한 관통 구멍(13, 14)이 마련되어 있다.

전극 장착용 관통 구멍(4, 5)은, 발열체(1)의 대략 S자 형상의 각 선단부(즉 시점 및 종점)에 위치한다. 관통 구멍(6)은, 발열체(1)의 대략 중앙부에 위치한다. 바꾸어 말하면, 관통 구멍(6)은, 관통 구멍(4)과 관통 구멍(5)을 잇는 직선의 대략 중간점에 위치한다. 관통 구멍(7, 8)은, 발열체(1)의 대략 S자 형상의 각 선단부에 대향하는 모서리부의 외측 가장자리쪽에 위치하고 있다. 홈(9, 10)은, 발열체(1)의 흡착면(1a)에 있어서 관통 구멍(7, 8)에 각각 연통함과 함께 외측 가장자리를 따라 대략 L자 형상으로 형성되어 있다. 관통 구멍(11)은, 관통 구멍(4)과 관통 구멍(7)과의 중간 위치에 위치한다. 관통 구멍(12)은, 관통 구멍(5)과 관통 구멍(8)과의 중간 위치에 위치한다.

발열체(1)의 탄화 규소 소결체(1A)는, 탄화 규소, 특히 소결체 밀도가 2.5g/cm³ 이상인 탄화 규소인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 소결체 밀도가 3.15/cm³ 이상인 탄화 규소이다. 탄화 규소 소결체(1A)의 소결체 밀도를 2.5g/cm³ 이상으로 함으로써, 탄화 규소 입자 간의 결합력을 충분히 얻을 수 있다. 또, 탄화 규소 소결체(1A)의 소결체 밀도를 2.5g/cm³ 이상으로 함으로써, 고온에서의 기계 강도도 충분히 확보할 수 있다. 따라서, 본딩 시의 하중에 의하여 발열체(1)의 파손 및 고온 시의 소성 변형을 억제하고, 수 μm의 표면 정밀도를 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 탄화 규소의 이론 밀도는 3.21g/cm³이다. 따라서, 본 실시형태에 있어서의 탄화 규소 소결체(1A)의 소결체 밀도는, 2.5g/cm³ 이상 3.21g/cm³ 이하인 것이 바람직하다.

탄화 규소 소결체(1A)는, 실온에서의 열전도율이 100W/m·K 이상인 것이 바람직하고, 180W/m·K 이상인 것이 보다 바람직하다. 상술한 바와 같이 탄화 규소 소결체(1A)의 소결 밀도는, 2.5g/cm³ 이상으로 치밀질(緻密質)이며, 또한 후술하는 바와 같이 소결 조제(助劑) 무첨가로 소결할 수 있기 때문에, 입계(粒界)에 존재하는 불순물이 적고, 미세하며 균일한 조직이 얻어져, 100W/m·K 이상의 높은 열전도율이 된다. 이 탄화 규소 소결체(1A)는, 균열성이 우수한 것이 되고, 본딩 부분의 접속 불량이 없어 제품 수율이 높아지며, 또한 냉각에 필요로 하는 시간이 짧아 1회의 본딩 처리 시간이 단축되어 코스트 퍼포먼스가 높아지는 것 외에, 급속 승온 시 또는 급속 강온 시에 있어서도 열충격으로 파손될 우려가 없다. 탄화 규소 소결체(1A)의 실온에서의 열전도율은, 높을수록 바람직하지만, 통상 260W/m·K 이하이다.

탄화 규소 소결체(1A)는, 실온(25℃)에 있어서의 전기 비저항이 0.1Ω·cm 이상 100Ω·cm 이하인 것이 바람직하고, 0.2Ω·cm 이상 10.0Ω·cm 이하인 것이 보다 바람직하다.

탄화 규소 소결체(1A)의 전기 비저항을 0.1Ω·cm 이상으로 함으로써, 탄화 규소 소결체(1A)에 대전류가 흐르는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 전극(20)의 리드선(24)에 발생하는 전자 유도에 기인하는 응력을 억제하여 히터 헤드의 위치 정밀도의 저하를 억제할 수 있다. 이에 더하여, 탄화 규소 소결체(1A)의 전기 비저항을 0.1Ω·cm 이상으로 함으로써, 탄화 규소 소결체(1A)의 저항값을, 발열체(1)를 박육화(薄肉化)시키는 일 없이 충분히 확보하는 것이 가능해져, 본딩 시의 압력(통상 50kg/cm² 정도)에 견딜 수 있는 강도로 할 수 있다.

또, 탄화 규소 소결체(1A)의 전기 비저항을 100Ω·cm 이하로 함으로써, 대전압을 가하는 일 없이 전류를 흘려보낼 수 있고, 특별한 전원을 필요로 하지 않기 때문에 바람직하다.

발열체(1)의 절연 피막(1B)은, 적어도 탄화 규소 소결체(1A)의 히터 베이스(21)와 반대 측의 면(흡착면(1a))에 마련되어 있다. 절연 피막(1B)은, 붕규산 유리 및 알루미노 규산 유리 중 적어도 하나로 이루어진다. 또한, 절연 피막(1B)은, 흡착면(1a)뿐만 아니라, 발열체(1)의 이면(1b) 및 측면에도 형성되어 있는 것이 바람직하다.

절연 피막(1B)의 막두께는, 10μm 이상 100μm 이하로 하는 것이 바람직하다. 절연 피막(1B)의 막두께가 10μm 미만인 경우 히터로서의 절연 특성이 현저하게 저하되어 버리고, 100μm를 초과하면, SiC 히터와의 내부 변형에 의하여, 절연 피막(1B)이 탄화 규소 소결체(1A)로부터 박리되기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다. 절연 피막(1B)의 막두께가 10μm 이상이면, 히터로서의 절연 특성을 확보할 수 있다. 또, 절연 피막(1B)을 100μm 이하로 함으로써, 절연 피막(1B)의 열용량을 작게 함과 함께, 탄화 규소 소결체(1A)로부터 워크로의 절연 피막(1B)을 통한 열전도율을 높일 수 있기 때문에, 히터의 응답 속도를 높일 수 있다.

절연 피막(1B)은, 상온에서의 전기 비저항이 10⁹Ω·cm 이상인 것이 바람직하고, 10¹⁰Ω·cm 이상인 것이 보다 바람직하다. 이로써, 발열체(1)와 발열체(1)에 의한 워크(가열 대상)인 칩과의 절연을 확실히 확보할 수 있다.

절연 피막(1B)은, 상온에서의 전기 비저항은, 절연 저항계에 의하여 측정되고, 구체적으로는 히터에 피복된 유리 표면과 히터 전극 간에 고전압을 인가하여 측정된다.

절연 피막(1B)의 열팽창률은, 2×10^-6/K 이상 6×10^-6/K 이하인 것이 바람직하고, 3.5/K 이상 5.5/K 이하인 것이 보다 바람직하다. 발열체(1)는, 급속한 승강온을 몇번이나 반복한다. 이로 인하여, 절연 피막(1B)의 열팽창률을, 발열체(1)의 베이스의 조성인 탄화 규소 소결체(1A)의 열팽창률(약 4.5×10^-6/K)에 근접시킴으로써, 절연 피막(1B)이 탄화 규소 소결체(1A)로부터 박리되는 것을 억제할 수 있다.

절연 피막(1B)의 열팽창률은, 레이저 간섭계에 의하여 측정된다.

절연 피막(1B)은, SiO₂를 매트릭스로 한다. 절연 피막(1B)은, SiO₂를 매트릭스로 함으로써, 상술한 전기 비저항을 갖는 충분한 절연성을 확보할 수 있다. 또한, SiO₂를 매트릭스로 한다는 것은, 절연 피막(1B)에 있어서, SiO₂가 주성분인 것을 의미한다. SiO₂는, 절연 피막(1B)의 전체 중량에 대하여 30중량% 이상 98중량% 이하인 것이 바람직하고, 46중량% 이상 57중량% 이하인 것이 보다 바람직하다.

절연 피막(1B)은, B₂O₃ 및 Al₂O₃ 중 적어도 하나를 포함하는 제1 첨가 성분을, 절연 피막(1B)의 전체 중량에 대하여 1중량% 이상 35중량% 이하 함유하며, 15중량% 이상 33중량% 이하 함유하는 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 절연 피막(1B)은, B₂O₃ 및 Al₂O₃ 중 적어도 하나를 포함하고, B₂O₃ 및 Al₂O₃ 중 적어도 하나가 포함되는 비율은, 절연 피막(1B)의 전체 중량에 대하여 1중량% 이상 35중량% 이하 함유하며, 15중량% 이상 33중량% 이하 함유하는 것이 바람직하다.

또한, 절연 피막(1B)에 포함되는 B₂O₃의 비율은, 절연 피막(1B)의 전체 중량에 대하여 2중량% 이상 15중량% 이하가 바람직하고, 4중량% 이상 13중량% 이하가 보다 바람직하다. 절연 피막(1B)에 포함되는 Al₂O₃의 비율은, 절연 피막(1B)의 전체 중량에 대하여 8중량% 이상 25중량% 이하가 바람직하고, 10중량% 이상 22중량% 이하가 보다 바람직하다. 또, 필요에 따라서 Al₂O₃의 양이 B₂O₃의 양보다 많은 것이 바람직하다.

절연 피막(1B)은, B₂O₃ 및 Al₂O₃ 중 적어도 하나인 제1 첨가 성분을, 절연 피막(1B)의 전체 중량에 대하여 1중량% 이상 포함함으로써, 내열충격성 및 내마모성을 높일 수 있다. 한편, 제1 첨가 성분의 함유량이 절연 피막(1B)의 전체 중량에 대하여 30중량%를 초과하면 절연 피막(1B)의 인성(靭性)이 손상되어 부서지기 쉬워진다. 따라서, 제1 첨가 성분의 함유량을 30중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

절연 피막(1B)은, MgO 및 CaO 중 적어도 하나인 제2 첨가 성분을 절연 피막(1B)의 전체 중량에 대하여 1중량% 이상 35중량% 이하 함유하며, 10중량% 이상 33중량% 이하 함유하는 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 절연 피막(1B)은, MgO 및 CaO 중 적어도 하나를 포함하고, MgO 및 CaO 중 적어도 하나가 포함되는 비율은, 절연 피막(1B)의 전체 중량에 대하여 1중량% 이상 35중량% 이하 함유하며, 10중량% 이상 33중량% 이하 함유하는 것이 바람직하다. 또, 제2 첨가 성분은, MgO 및 CaO 중 적어도 하나와, 또한 BaO인 것이 바람직하다. 이 경우, 절연 피막(1B)에 포함되는 MgO 및 CaO 중 적어도 하나와 BaO와의 합계의 비율은, 절연 피막(1B)의 전체 중량에 대하여 1중량% 이상 35중량% 이하이고, 10중량% 이상 33중량% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 제2 첨가 성분은, BaO, MgO 및 CaO인 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 절연 피막(1B)에 포함되는 BaO, MgO 및 CaO의 합계의 비율은, 절연 피막(1B)의 전체 중량에 대하여 1중량% 이상 35중량% 이하이고, 10중량% 이상 33중량% 이하인 것이 바람직하다.

또한, 절연 피막(1B)에 포함되는 MgO의 비율은, 필요에 따라서 2중량% 이상 15중량% 이하인 것도 바람직하고, 3중량% 이상 12중량% 이하인 것이 보다 바람직하다.

절연 피막(1B)에 포함되는 CaO의 비율은, 필요에 따라서 1중량% 이상 15중량% 이하인 것도 바람직하고, 3중량% 이상 12중량% 이하인 것이 보다 바람직하다.

BaO가 절연 피막(1B)에 포함될 때, 절연 피막(1B)에 포함되는 BaO의 비율은, 필요에 따라서 3중량% 이상 23중량% 이하인 것도 바람직하고, 4중량% 이상 13중량% 이하인 것이 보다 바람직하다.

MgO와 CaO의 양쪽 모두가 절연 피막(1B)에 포함될 때, 필요에 따라서, CaO의 양은, MgO의 양 이상인 것도 바람직하다.

MgO와 BaO의 양쪽 모두가 절연 피막(1B)에 포함될 때, 필요에 따라서, BaO의 양은, MgO의 양보다 큰 것도 바람직하다.

CaO와 BaO의 양쪽 모두가 절연 피막(1B)에 포함될 때, 필요에 따라서, BaO의 양은, CaO의 양보다 큰 것도 바람직하다.

제2 첨가 성분을 구성하는 BaO, MgO 및 CaO는, 절연 피막(1B)에 포함됨으로써, 절연 피막(1B)의 열팽창률을 높인다. SiO를 매트릭스로 하고 붕규산 유리 및 알루미노 규산 유리 중 적어도 하나로 이루어지는 절연 피막(1B)은, 탄화 규소 소결체(1A)의 열팽창률보다 낮다.

제2 첨가 성분으로서 BaO, MgO 및 CaO 중 적어도 하나를 절연 피막(1B)에 포함시킴으로써, 절연 피막(1B)의 열팽창률을 탄화 규소 소결체(1A)의 열팽창률에 근접시키는 것이 가능해진다. 즉, 제2 첨가 성분은, 열팽창률 조정 성분으로서 기능한다.

절연 피막(1B)은, 제2 첨가 성분을 절연 피막(1B)의 전체 중량에 대하여 1중량% 이상 35중량% 이하 함유함으로써, 절연 피막(1B)의 열팽창률을 탄화 규소 소결체(1A)의 열팽창률에 근접시키는 것이 가능해진다. 또한, 제2 첨가 성분의 함유량이, 절연 피막(1B)의 전체 중량에 대하여 1중량% 미만인 경우에는 절연 피막(1B)의 열팽창률이 2×10^-6/K 미만이 되고, 35중량%를 초과하는 경우에는 절연 피막(1B)의 열팽창률이 6×10^-6/K를 초과한다.

MgO 및 CaO는, 절연 피막(1B)의 융점을 충분히 상승시키는 효과를 나타낸다. 따라서, 제2 첨가 성분으로서, MgO 및 CaO 중 적어도 하나를 절연 피막(1B)에 포함시킴으로써, 절연 피막(1B)의 융점을 높여, 발열체(1)의 내열 온도를 더 높게 할 수 있다. 따라서, 발열체(1)가 상정 외로 과승온된 경우이더라도 절연성의 저하를 억제할 수 있다. 또, 발열체(1)의 내열 온도를 높임으로써, 발열체(1)에 의하여 워크(가열 대상)를 가열할 때에, 가열 대상의 목적 온도보다 발열체(1)의 온도를 충분히 높이는 것이 가능해진다. 이로써, 가열 대상을 더 급속히 가열하는 것이 가능해진다.

한편, BaO는, 절연 피막(1B)의 융점을 높이는 효과가 충분하지 않다. 따라서, MgO 및 CaO 중 적어도 하나를 포함하지 않고, BaO만을 절연 피막(1B)에 포함시키는 경우에는, 발열체(1)의 내열 온도를 충분히 높이는 효과를 충분히 나타내는 경우가 없다. 그러나, BaO는, MgO 및 CaO와 비교하여 절연 피막(1B)으로서의 점성을 나타내는 효과가 있다. 따라서, 제2 첨가 성분으로서 MgO 및 CaO 중 적어도 하나에 더하여, BaO를 더 첨가함으로써, 탄화 규소 소결체(1A)로부터의 박리가 효과적으로 억제된 절연 피막(1B)을 형성할 수 있다. 또한, 제2 첨가 성분에 BaO, MgO 및 CaO가 포함되는 경우에는, 절연 피막으로서의 내열성을 높일 수 있음과 함께, 탄화 규소 소결체(1A)에 대한 절연 피막(1B)의 밀착성을 높일 수 있다.

제2 첨가 성분에 있어서, MgO 및 CaO의 함유량의 합계가, BaO의 함유량에 대하여 1배 이상 2배 이하인 것이 바람직하다. 이로써, 절연 피막(1B)의 내열성을 높이면서, 탄화 규소 소결체(1A)에 대한 절연 피막(1B)의 밀착성을 양호한 밸런스로 향상시킬 수 있다.

〔전극〕

전극(20)은, 리드선(24)과, 볼트(16)를 갖는다. 볼트(16)는, 발열체(1)의 대략 S자 형상의 각 선단부에 위치하는 관통 구멍(4, 5)에 삽통하여 리드선(24)을 발열체(1)에 고정한다. 또한, 발열체(1)에 고정되는 전극(20)은, 발열체(1)의 형상에 따라, 발열체(1)의 전체 범위에 걸쳐서 보다 균일하게 전류가 흐르도록 배치되는 것이 바람직하다.

〔히터 베이스〕

히터 베이스(21)는, 냉각계 접속 부재(22)와 발열체(1)의 사이에 위치한다. 히터 베이스(21)는, 칩 흡착 측의 면(홈 각설(刻設) 측의 면)을 하단을 향하게 한 상태에서 발열체(1)를 유지한다. 히터 베이스(21)는, 발열체(1)의 관통 구멍(13, 14)에 각각 삽통하는 접시 머리 나사(15, 15)를 이용하여 발열체(1)를 유지한다.

히터 베이스(21)는, 단열성이 높고 내열충격성이 우수한 절연체 세라믹스로 이루어진다. 히터 베이스(21)에 이용되는 세라믹스로서는, 질화 규소(Si₃N₄), 칼슘 실리케이트(CaO·SiO₂), 사이알론 등을 예시할 수 있다.

히터 베이스(21)는, 발열체(1)를 일면 측으로부터 유지하기 때문에, 발열체(1)의 승온 시에 있어서 히터 베이스(21)를 통한 열방출을 억제할 수 있다. 이로써, 발열체(1)를 작은 투입 전력으로 급속 승온하는 것이 가능해진다. 또, 히터 베이스(21)를 장착한 냉각계 접속 부재(22)로의 열방출도 적어지기 때문에, 냉각계 접속 부재(22)의 열팽창에 의한 히터의 위치 어긋남을 억제할 수 있다. 이에 더하여, 히터 베이스(21)는, 발열체(1)를 일 방향으로부터 기계적으로 보강하기 때문에, 본딩 시의 하중에 의하여 발열체(1)가 손상되는 것을 억제할 수 있다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 히터 베이스(21)의 발열체(1)와 접하는 측의 면에는, 스폿페이싱부(오목부라고도 함)(21a)가 마련되어 있다. 스폿페이싱부(21a)는, 발열체(1)와 히터 베이스(21)의 사이에서 단열을 필요로 하는 부분 이외에 마련되어 있다. 즉, 스폿페이싱부(21a)가 마련되어 있음으로써, 발열체(1)와 히터 베이스(21)의 사이에서, 단열이 필요한 부분 이외에는, 서로 접촉하지 않는다. 또, 스폿페이싱부(21a)는, 스폿페이싱부(21a)가 형성하는 간극이 냉각 기체의 통로로서 기능한다.

〔냉각계 접속 부재〕

도 3, 도 4 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 냉각계 접속 부재(22)는, 히터 베이스(21)를 통하여 발열체(1)를 지지한다. 냉각계 접속 부재(22)는, 한 쌍의 볼트(23, 23)에 의하여 히터 베이스(21)와 고정되어 있다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 냉각계 접속 부재(22)의 히터 베이스(21)와 반대 측의 면(상면(22a))은, 평탄한 면으로서 형성되어 있다. SiC 히터(100)는, 상면(22a)을 통하여 플립 칩 본더 등의 본딩 장치 측의 히터 장착부에 고정된다. 상면(22a)에는, 히터 장착부에 나사 고정하기 위한 4개의 관통 구멍(28, …, 28)이 마련되어 있다.

도 7~도 9는, SiC 히터를 이용하여 반도체 칩을 접합하는 상태를 나타내는 도이다. 도 7은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터를 이용하여 반도체 칩을 접합하는 상태를 나타내는, 도 4의 A-A선을 따른 단면도이다. 도 8은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터를 이용하여 반도체 칩을 접합하는 상태를 나타내는, 도 4의 B-B선을 따른 단면도이다. 도 9는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터를 이용하여 반도체 칩을 접합하는 상태를 나타내는, 도 4의 C-C선을 따른 단면도이다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 냉각계 접속 부재(22) 및 히터 베이스(21)에는, 발열체(1)의 관통 구멍(6)과 동심적으로 히터 베이스(21) 및 냉각계 접속 부재(22)를 관통한 관통 구멍(칩 흡착용 관통 구멍)(31)이 마련되어 있다. 관통 구멍(31)에는, 부압(負壓) 발생 장치(도시하지 않음)가 접속되어 있으며, 발열체(1)의 관통 구멍(6)에 있어서 칩을 흡착한다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 냉각계 접속 부재(22) 및 히터 베이스(21)에는, 발열체(1)의 관통 구멍(11, 12)과 동심적으로 히터 베이스(21) 및 냉각계 접속 부재(22)를 관통하는 관통 구멍(각종 가스 공급용 관통 구멍)(32, 33)이 마련되어 있다. 관통 구멍(32, 33)은, 불활성 가스 분위기에서, SiC 히터(100)를 이용한 접합을 행하는 경우에, 공급하는 질소 가스 등의 각종 가스의 통로가 된다.

도 9에 나타내는 바와 같이, 냉각계 접속 부재(22) 및 히터 베이스(21)에는, 발열체(1)의 관통 구멍(7, 8)과 동심적으로 히터 베이스(21) 및 냉각계 접속 부재(22)를 관통하는 관통 구멍(홈 측의 전열판 흡착용 관통 구멍)(35, 36)이 마련되어 있다. 또, 도 5에 나타내는 바와 같이, 냉각계 접속 부재(22)에는, 한 쌍의 홈(26)이 마련되어 있다. 또, 관통 구멍(35, 36)은, 한 쌍의 홈(26)에 있어서 상측으로 개구하고 있다. 관통 구멍(35, 36)은, 전열판 흡착용 기체 통로를 형성한다.

도 9에 나타내는 바와 같이, 냉각계 접속 부재(22) 및 히터 베이스(21)에는, 히터 베이스(21)의 스폿페이싱부(21a)에 연통하는 위치에 있어서 히터 베이스(21) 및 냉각계 접속 부재(22)를 관통하는 관통 구멍(37, 38)이 마련되어 있다. 또, 도 5에 나타내는 바와 같이, 냉각계 접속 부재(22)에는, 한 쌍의 홈(27)이 마련되어 있다. 또, 관통 구멍(37, 38)은, 한 쌍의 홈(27)에 있어서 상측으로 개구하고 있다. 관통 구멍(37, 38)은, 발열체(1)를 급속히 냉각하는 냉각 기체를 스폿페이싱부(21a)에 공급하는 급기로를 형성한다. 관통 구멍(37, 38)으로부터 공급된 냉각 기체는, 히터 베이스(21)의 발열체(1) 측의 면에 형성된 스폿페이싱부(21a)를 통과하여, 발열체(1)의 이면을 냉각한 후, 히터 베이스(21)의 가로면으로부터 외부로 빠져 나간다. 또, 관통 구멍(37, 38)으로부터 공급된 냉각 기체는, 스폿페이싱부(21a)를 통하여 슬릿(2, 3)을 통과하여, 발열체(1)를 냉각한 후 발열체(1)의 가로면으로부터 빠져 나간다.

이와 같이 히터 베이스(21)의 발열체(1) 측의 면에, 스폿페이싱부(21a)를 형성하여 발열체(1)와 히터 베이스(21)의 사이에 간극을 마련함과 함께 발열체(1)에 슬릿(2, 3)을 형성함으로써, 냉각 기체로 냉각을 행함에 있어, 스폿페이싱부(21a)에 의하여 발열체(1)와 히터 베이스(21)와의 간극이 냉각 기체와 접하는 면적을 크게 하여 냉각 효율을 높일 수 있다. 또한, 발열체(1)의 슬릿(2, 3)이 스폿페이싱부(21a)와 연통하고 있음으로써, 슬릿(2, 3)에도 냉각 기체가 통과하여 냉각 속도를 높일 수 있어, 급속 냉각이 가능해진다.

〔발열체의 제조 방법〕

다음으로 발열체(1)의 제조 방법에 대하여 설명한다.

본 실시형태의 발열체(1)는, 소결체 밀도 2.5g/cm³ 이상이고 전기 비저항 0.1~100Ω·cm인 탄화 규소 소결체(1A)를 갖는다. 이와 같은 탄화 규소 소결체(1A)는, 평균 입경 0.1~10μm의 제1 탄화 규소 분말과 0.1μm 이하의 제2 탄화 규소 분말을 혼합하고, 이를 소결하는 방법에 의하여 얻어진다. 이 방법에 의하면, 0.1~100Ω·cm의 범위의 전기 비저항을 나타내는 탄화 규소를 얻는 것이 용이하다. 이와 같은 탄화 규소 소결체(1A)의 제조 방법은, 일본 공개특허공보 평4-65361호에 개시되어 있지만, 이 실시형태에 있어서는 전기 비저항이 0.1~100Ω·cm로 큰 것을 이용하는 것이 바람직하다.

상술의 특성을 갖는 탄화 규소 소결체(1A)를 제조하기 위하여, 먼저 평균 입경이 0.1~10μm인 제1 탄화 규소 분말과, 평균 입경이 0.1μm 이하인 제2 탄화 규소 미분말을 준비한다. 제1 및 제2 탄화 규소 분말의 평균 입경은, 레이저 회절식 입도 분포 측정 장치에 의하여 구해진다.

제1 탄화 규소 분말로서는, 일반적으로 사용되고 있는 것이면 되고, 예를 들면 실리카 환원법, 애치슨법 등의 방법에 의하여 제조된 것이 이용된다. 제1 탄화 규소 분말의 결정상으로서는 비정질, α형, β형 중 어느 것이어도 되지만, 전기 비저항값을 0.1~100Ω·cm로 조정하는 용이함에서는 α형의 것이 적합하다.

제2 탄화 규소 분말로서는, 비산화성 분위기의 플라즈마 중에 실레인 화합물 또는 할로젠화 규소와 탄화 수소로 이루어지는 원료 가스를 도입하고, 반응계의 압력을 1기압 미만에서 0.1torr(또한, 1torr=133.3Pa)의 범위로 제어하면서 기상 반응시킴으로써 얻어진 것을 사용한다. 제2 탄화 규소 분말의 결정상으로서는 비정질, α형, β형 중 어느 것이어도 된다. 이와 같이 하여 얻어진 제2 탄화 규소 분말은 소결성이 매우 우수하기 때문에, 상기 제1 탄화 규소 분말과 혼합하는 것만으로, 소결 조제를 첨가하는 일 없이 고순도 또한 치밀질의 탄화 규소 소결체(1A)를 얻을 수 있게 된다.

다음으로, 상기 제1 탄화 규소 분말과 제2 탄화 규소 분말을 혼합하여 혼합물로 한다. 혼합 비율은, 얻어지는 탄화 규소 소결체가 소정의 전기 비저항값(0.1~100Ω·cm)이 되도록 미리 예비 실험에서 구해둔다. 그 후, 상기 혼합물을 원하는 형상으로 성형하고, 얻어진 성형체를 1800~2400℃의 온도에서 소결하여 소결체를 얻으며, 이를 탄화 규소 소결체(1A)로 한다. 소결 방법, 소결 시의 분위기는 모두 제한되지 않지만, 예를 들면 비산화 분위기에 있어서의 핫 프레스 노(爐)에 의한 소결법 등을 들 수 있다.

이어서, 탄화 규소 소결체(1A)의 표면에, 절연 피막(1B)을 형성한다.

절연 피막(1B)의 형성은, 이하의 방법으로 행해진다. 먼저 가공한 탄화 규소 소결체(1A)의 표면을 아세톤으로 초음파 세정한 후 자연 건조시킨다. 그 후, 산화 노로, 예를 들면 온도 1000℃에서 70시간 열처리하여 충분한 산화막을 생성시킨다.

다음으로, 원하는 유리 조성을 갖는 유리 분말과, 제1 및 제2 첨가 성분과, 스크린 오일을 혼합하여 슬러리를 형성한다. 유리 분말의 원하는 유리 조성이란, 구체적으로는, 예를 들면 고순도(3N 이상)의 산화 규소 유리이다. 유리 분말과 제1 및 제2 첨가 성분을 혼합했을 때의 조성비는, 유리 분말과 제1 및 제2 첨가 성분의 전체 중량에 대하여, 산화 규소가 44~60중량%, 제1 첨가 성분이 1~35중량%, 제2 첨가 성분이 1~35중량%이다. 유리 분말과 제1 및 제2 첨가 성분을 혼합했을 때의 조성비는, 유리 분말과 제1 및 제2 첨가 성분의 전체 중량에 대하여, 산화 규소가 46~57중량%, 제1 첨가 성분이 5~25중량%, 제2 첨가 성분이 5~20중량%인 것이 바람직하다.

다음으로, 탄화 규소 소결체(1A)의 히터 베이스와 접하는 면(이면(1b))과 반대의 면(흡착면(1a)) 및 측면에 슬러리 형상의 유리를 도포하고, 건조기로 예를 들면 100℃에서 1시간 건조시킨다.

다음으로, 산화 노로, 예를 들면 1050℃에서 20분간 가열하여 유리를 탄화 규소 소결체(1A)에 용착시켜 절연 피막(1B)을 형성한다. 또한 마무리 공정으로서, 형성된 절연 피막(1B)의 표면을 연삭하고 발열체(1)의 상하면(흡착면(1a) 및 이면(1b))의 평행도를 각각 예를 들면 3μm 이하로 한다.

발열체(1)의 상하면의 평행도는, 다이얼 게이지로, 9점을 측정함으로써 산출된다.

〔반도체 칩의 본딩 방법〕

도 10은, 발명의 일 실시형태에 관한 SiC 히터를 이용하여 플립 칩 본더에 의한 제조 상태를 나타내는 사시도이다. 도 10을 근거로 하여 본 실시형태의 SiC 히터(100)를 이용한 반도체 칩의 본딩 방법에 대하여 설명한다.

도 10에 나타내는 바와 같이, SiC 히터(100)는, 플립 칩 본더(200)의 가동대(210)의 하단부에 장착하여 반도체 실장 보드의 제조를 위하여 사용된다.

먼저, SiC 히터(100)는, 복수의 반도체 칩(40)이 놓여져 있는 트레이(220)를 재치한 오토 로더(230)의 위치까지, 가동대(210)를 이동시키고, 관통 구멍(6)으로부터 공기를 흡인하여 트레이(220)로부터 1개의 반도체 칩(40)을 흡착한다.

다음으로, 가동대(210)를 기판(50)이 준비되어 있는 위치까지 이동시키고, 도 7~도 9에 나타내는 기판(50) 상에 미리 재치된 도전성 본딩재(60) 위에 반도체 칩(40)을 올린다. 또한, 가동대(210)에 의하여 하방에 가압력을 가하면서, SiC 히터(100)에 통전하여 발열체(1)를 발열시키고, 전열판(30)을 통하여 반도체 칩(40), 도전성 본딩재(60), 기판(50)을 대략 균등하게 승온시킨다. 이로써, 도전성 본딩재(60)를 수 초만에 용융시키고, 용융된 도전성 본딩재(60)에 의하여 기판(50)과 반도체 칩(40)을 접합한다.

또한, 불활성 가스 분위기 중에서 본딩을 행하는 경우에는, 관통 구멍(32, 33)으로부터 공급된 불활성 가스를 도전성 본딩재의 배치 측에 분출하면서 접합한다.

기판(50)과 반도체 칩(40)과의 접합이 완료된 후에, 압축 공기를, 관통 구멍(37, 38)을 통하여 스폿페이싱부(21a)에 공급한다. 압축 공기는, 발열체(1)의 이면(1b) 측으로부터 슬릿(2, 3)을 통하여 SiC 히터(100)의 외부에 유출된다. 발열체(1)는, 압축 공기에 의하여 급속히 냉각된다. 도전성 본딩재(60)가 냉각되어 고화되고 나서, 반도체 칩(40)의 흡착을 해제하고, 가동대(210)를 상방으로 이동시킨다. 압축 공기 등의 고압의 압축 가스를 공급하는 냉각에 의하면, 발열체(1)를 수 초만에 급속 냉각할 수 있기 때문에, 반도체 칩(40) 및 기판(50)은, 과열로부터 보호됨과 함께 1사이클의 본딩 처리 시간을 단축할 수 있다.

다음으로, 오토 로더(230)의 위치까지 가동대(210)를 이동시켜 새롭게 반도체 칩(40)을 흡착하고, 다음 기판(50)에 대한 플립 칩 본딩을 연속하여 행한다.

이 반도체 칩 실장 보드의 제조에 사용되는 전열판(30)은, 발열체(1)의 열을 반도체 칩(40), 도전성 본딩재(60), 기판(50)에 대하여 균일하게 전열하기 위하여 이용되는 것이다. 따라서, 전열판(30)은, 전열성, 내열성, 열충격성이 우수한 것이 필요하다. 전열판(30)은, 예를 들면 질화 알루미늄(AlN) 등의 세라믹제인 것이 바람직하다.

도전성 본딩재(60)로서는, 땜납 범프, 금 범프 등을 들 수 있다. 이와 같은 본딩재는 가열에 의하여 용융되고, 냉각에 의하여 고화되는 성질을 갖고 있다.

발열체(1)는, 급속 승강온시키기 위하여, 열용량이 작은 것이 바람직하다. 따라서, 발열체(1)로서의 기계적 강도를 유지하면서 열용량을 작게 하기 위해서는, 발열체(1)의 두께가 약 0.5~1.5mm인 것이 바람직하고, 0.8~1.2mm인 것이 보다 바람직하다.

본 실시형태의 SiC 히터를 이용한 접합 방법에 의하면, 발열체(1)로부터의 열에 의하여 반도체 칩(40), 도전성 본딩재(60), 기판(50)을 가열 가압하여 도전성 본딩재(60)를 수 초만에 용융시키는 급속 가열이다. 따라서, 반도체 칩(40)과 기판(50)의 과열을 억제할 수 있다.

이상으로, 본 발명의 실시형태를 설명했지만, 실시형태에 있어서의 각 구성 및 그들의 조합 등은 일례이며, 본 발명의 취지로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성의 부가, 생략, 치환 및 그 외의 변경이 가능하다. 또, 본 발명은 실시형태에 의하여 한정되는 일은 없다.

실시예

이하에 본 발명을 실시예에 의하여 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

〔시료의 제작〕

SiC 히터의 발열체를 다음과 같이 하여 제조했다.

먼저, 사염화 규소와 에틸렌을 원료 가스로 하고, 플라즈마 CVD법에 의하여, 평균 입경 0.01μm, BET 비표면적 96m²/g의 비정질 탄화 규소 초미분말을 얻었다.

이 탄화 규소 초미분말 5중량%와 시판 중인 α형 탄화 규소 분말(평균 입경 0.7μm, BET 비표면적 13m²/g) 95중량%를, 메탄올 중에 분산시키고, 또한 볼 밀로 12시간 혼합했다. 이어서, 이 혼합물을 건조시키고, 성형, 핫 프레스 소결했다.

또한, 비정질 탄화 규소 초미분말 및 α형 탄화 규소 분말의 평균 입경은, 레이저 회절식 입도 직경 분포 측정 장치 SALD-2300(시마즈 세이사쿠쇼사제)에 의하여 측정했다.

비정질 탄화 규소 초미분말 및 α형 탄화 규소 분말의 BET 비표면적은, BET 비표면적 측정 장치 BELSORP-miniII(마이크로트랙 벨사제)를 이용하여, 가스 흡착법에 의하여 측정했다.

소결 조건은, 아르곤 분위기하에서, 소결 온도 2200℃, 프레스압 39.23MPa(400kgf/cm²)로, 90분간이었다. 소결체의 밀도는 3.1×10³kg/m³, 실온에서의 전기 비저항은, 0.3Ω·cm(4단자법), 실온에서의 열전도율이 230W/mK(레이저 플래시법)인 탄화 규소 소결체를 얻었다.

소결체의 밀도는, 소결체의 진밀도(d0)를 아르키메데스법에 의하여 측정하고, 이 진밀도(d0)의 이론 밀도(dt)에 대한 비(d0/dt)를 백분율로 나타내어, 상대 밀도(%)로 했다.

소결체의 실온에서의 전기 비저항은, 로레스타 GX((주)미쓰비시 케미컬 애널리테크사제)를 이용하여 4단자법에 의하여 측정했지만, 구체적으로는 표면 연삭된 원판의 소결체 표면을, 45°, 10cm 간격으로, 방사 형상으로 측정했다.

소결체의 실온에서의 열전도율은, 레이저 플래시법으로 측정했지만, 구체적으로는, 소결체를 Φ10×3t로 잘라내어, 표면에 레이저광을 조사하고, 이면의 온도를 방사 온도계로 측정함으로써, 열전도율을 산출했다(일본 공업 규격 JIS R 1611 "파인 세라믹스의 플래시법에 의한 열확산율·비열 용량·열전도율의 측정 방법"에 규정된 레이저 플래시법).

다음으로, 상기 탄화 규소 소결체를 가공함으로써, 도 2에 나타내는 바와 같은, 직경 2mm의 반도체 칩 흡착용 관통 구멍(6)과, 전열판 흡착용 관통 구멍(7, 8)과, 외측 가장자리부로부터 내부로 뻗은 폭 1mm의 슬릿(2, 3)을 갖는 탄화 규소 소결체의 박판을 얻었다. 박판의 히터면의 크기는 22×22mm이며, 그 두께 t는 1.0mm였다. 또한 이 박판은, 히터 베이스(21)에 나사 고정하기 위한 관통 구멍(13, 14)과 전극 장착용 관통 구멍(4, 5)이 형성되어 있다. 또한, 반도체 칩 흡착용 관통 구멍(6), 전열판 흡착용 관통 구멍(7, 8) 및 전열판 분리용 관통 구멍(11, 12)은, 히터 베이스(21)에 천설(穿設)되어 있는 관통 구멍(31, 32, 33, 35, 36)과 각각 동축적으로 천설된다.

다음으로, 상술의 공정을 거쳐 제작한 탄화 규소 소결체로 이루어지는 박판의 표면에 절연 피막을 형성하는 표면 처리를 행했다. 이하에, 절연 피막의 형성 수순에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

먼저, 탄화 규소 소결체로 이루어지는 박판의 표면을 아세톤으로 초음파 세정한 후 자연 건조시키고, 그 후 산화 노로 온도 1000℃에서 70시간 열처리하여 충분한 산화막을 생성시켰다.

다음으로, 이하의 표 1에 나타내는 바와 같이, 비교예 1 및 실시예 1~실시예 7의 조성비가 되도록, 유리 분말 및 각 첨가 성분과 스크린 오일을 3:2의 비율로 마노 유발(乳鉢)에 넣고 잘 혼합하여, 슬러리를 제작한다.

다음으로, 탄화 규소 소결체의 표면에 슬러리 형상의 유리를 균일하게 약 200μm의 두께로 도포하고, 건조기로 온도 100℃에서 1시간 건조시킨 후, 산화 노로 가열하여 탄화 규소 소결체의 표면에 절연 피막을 용착시켰다. 또한, 산화 노에 있어서의 가열 시간 및 가열 온도에 대하여, 비교예 1에 대해서는 온도 950℃에서 20분간의 가열을 행하고, 실시예 1~실시예 7에 대해서는 1050℃에서 20분간의 가열을 행했다.

마지막으로, 유리 표면을 연삭하여 발열체의 평행도를 3μm 이하로 마무리했다. 또한, 얻어진 절연 피막의 막두께는 50μm였다.

유리 표면의 평행도는, 다이얼 게이지로, 발열체의 두께 9점을 측정하고, 평행도를 산출했다.

시료	조성비(중량%)
시료	SiO₂	Al₂O₃	B₂O₃	BaO	MgO	CaO
비교예 1	46	14	13	27	-	-
실시예 1	51	18	4	11	7.5	8.5
실시예 2	50	10	8	15	8	9
실시예 3	57	22	10	5	3	3
실시예 4	52	18	11	11	8	-
실시예 5	52	18	11	11	-	8
실시예 6	52	16	10	-	10	12
실시예 7	46	14	13	20	3	4

다음으로, 도 7~도 9에 나타내는 바와 같이, 상기 발열체의 상면(이면(1b))에, 히터 베이스(21)로서의 질화 규소 소결체를 겹쳤다. 또한, 히터 베이스(21)는, 발열체를 냉각하기 위한 관통 구멍(37, 38)을 구비한 것이다. 또한, 체결용 관통 구멍(13, 14)에 M1.4의 볼트를 삽통하고, 히터 베이스(21)와 발열체를 나사 고정했다. 또, 전극 장착 구멍(29)에 M1.4의 접시 머리 나사를 삽통하고, 그 나사의 선단 부근에 리드선의 단부를 너트에 의하여 고정함으로써 전극(20)을 형성하며, 그 결과, 비교예 1 및 실시예 1~실시예 7의 SiC 히터가 얻어졌다.

〔평가〕

이어서, 상술의 공정을 거친 비교예 1 및 실시예 1~실시예 7의 시료에 대하여, 과승온 전후의 절연성 시험 및 히트 사이클 후의 밀착성 평가를 행했다. 이하, 그 평가법에 대하여 설명한다.

(과승온의 열사이클 후의 절연 특성 및 막의 밀착성 평가)

먼저, 비교예 1 및 실시예 1~실시예 7의 시료인 각 SiC 히터의 절연 피막을, 메거 테스터를 이용하여 절연 저항을 측정한바, 모두 2MΩ 이상(DC500V 인가)의 충분한 절연 저항이 있는 것을 확인했다.

이어서, 각 시료의 SiC 히터에 있어서, 온도 조정계를 이용하여, 1초간에 발열체를 100℃에서 800℃로 가열시킨 후, 에어압 0.5MPa의 압축 공기에 의하여 강제 냉각시켰다. 그 후, 육안으로 절연 피막에 이상이 없는지 확인한 후, 메거 테스터에 의하여 절연 피막의 절연 저항을 측정했다. 과승온의 열이력을 최대 5회 반복하고, 그때마다 육안에 의한 절연 피막의 확인과 절연 저항의 측정을 행했다. 절연 저항이 열화된 시료에 대해서는 그 시점에서 종료로 했다. 이들 측정 결과를 표 2에 나타냈다.

시료	과승온 전	과승온(100→800℃) 횟수
시료	과승온 전	1회째	2회째	3회째	4회째	5회째
비교예 1	○ 2MΩ 이상	× 250Ω 이하	-	-	-	-
실시예 1	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상
실시예 2	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상
실시예 3	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상
실시예 4	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	△ 2MΩ 이상
실시예 5	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	△ 2MΩ 이상
실시예 6	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	△ 2MΩ 이상	× 250Ω 이하	-
실시예 7	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	○ 2MΩ 이상	× 250Ω 이하	-	-

주1) 절연막의 관찰 결과, ○: 이상 없음, △: 다소 백탁 있음, ×: 상당히 백탁 있음

주2) 메거 테스터에 의한 절연 저항 측정(DC 500V 인가)

〔고찰〕

비교예 1의 시료는, 과승온 후에 절연성이 현저하게 저하되었다. 비교예 1의 시료는, 과승온 후에 히터의 슬릿의 근원 부분의 절연 피막이 부분적으로 백탁되어 있었던 것이 확인되었다.

또한, 비교예 1의 절연 피막의 융점을 별도 측정한바 융점은 844℃였다. 이들 결과로부터, 비교예 1의 시료에 있어서는, 과승온 시에 전류가 집중되어 특히 온도가 높아진 부분에서 절연 피막이 융점에 달하여 성분이 변화되어 절연성이 열화되었다고 생각된다.

한편, 실시예 1~실시예 3의 시료에 있어서는, 5회의 과승온 후에도, 절연 피막에 외관상의 변화는 없고, 절연 저항의 열화도 없었다. 실시예 1의 절연 피막의 융점을 별도 측정한바 융점은 943℃였다.

또, 실시예 4, 5에 있어서는, 5회의 과승온 후에, 절연 저항의 열화는 보이지 않았지만, 히터의 슬릿의 근원 부분의 절연 피막에 약간의 백탁이 확인되었다.

이들 결과로부터, 실시예 1~실시예 3의 절연 피막에 있어서는, BaO, MgO 및 CaO를 모두 포함하고 있음으로써, 융점이 충분히 높아져 과승온을 행한 경우이더라도 절연성을 확보할 수 있는 것이 확인되었다.

단, 실시예 4, 5에서 볼 수 있는 바와 같이, MgO 또는 CaO 중 어느 한쪽을 포함하지 않는 경우는, 탄화 규소 표면에 대한 절연 피막의 밀착성이 약간 저하되기 때문에, 5회의 과승온 후에, 절연 피막의 계면에서의 박리가 일어나, 다소의 백탁으로서 관찰된 것이라고 생각된다.

실시예 6, 7에 있어서는, 3회째 이후의 과승온 후에, 히터의 슬릿의 근원 부분의 절연 피막에 백탁이 관찰되고, 절연 저항의 저하가 보였다.

실시예 6의 시료는, 절연 피막에 BaO가 첨가되어 있지 않다. 이로 인하여, 절연 피막에 점성이 없어 부서지기 쉽게 되어 있어, 탄화 규소 소결체에 대한 절연 피막의 밀착성이 낮아져 있다고 생각된다. 이로써, 탄화 규소 소결체와 절연 피막과의 계면에서 박리가 발생하여 다소의 백탁이 보이고, 4회째의 과승온 후에는 절연 저항도 열화되어 버린 것이라고 추측된다.

실시예 7의 시료는, 절연 피막의 BaO의 함유량에 대하여, MgO 및 CaO의 함유량의 비율이 적다. 보다 구체적으로는, MgO 및 CaO의 함유량의 합계가, BaO의 함유량에 대하여 1배 이상 2배 이하의 범위로 되어 있지 않다. 이로 인하여, 실시예 7의 시료는, 상기의 범위로 되어 있는 실시예 1~3과 비교하여, 절연 피막의 내열성이 낮아져 있고, 3회째의 과승온에 있어서, 절연 피막의 성분이 변화하여 절연성이 열화된 것이라고 생각된다.

산업상 이용가능성

본 발명은, 급속한 승온과 강온이 가능한 SiC 히터에 관한 것이며, 특히 반도체의 조립 공정에 있어서 사용되는 반도체 칩 본딩용 히터로서 적합하게 사용된다. 본 발명은, 과승온에 의한 절연성의 저하를 억제한 SiC 히터를 제공할 수 있다.

1…발열체
1A…탄화 규소 소결체
1B…절연 피막
2, 3…슬릿
4, 5…(전극 장착용)관통 구멍
6…(칩 흡착용)관통 구멍
7, 8…(전열판 흡착용)관통 구멍
9, 10…(전열판 흡착용)홈
11, 12…(각종 가스 공급용)관통 구멍
13, 14…(장착 나사 삽통용)관통 구멍
15…접시 머리 나사
21…히터 베이스
21a…스폿페이싱부
22…냉각계 접속 부재
24…리드선(배선)
26, 27…홈
28…관통 구멍
29…전극 장착 구멍
30…전열판
31…(칩 흡착용)관통 구멍
32, 33…(각종 가스 공급용)관통 구멍
35, 36…(홈 측의 전열판 흡착용)관통 구멍
37, 38…(냉각 기체 공급용)관통 구멍
40…반도체 칩
50…기판
60…도전성 본딩재
100…SiC 히터

Claims

박판 형상의 탄화 규소 소결체와, 상기 탄화 규소 소결체의 표면에 형성된 절연 피막을 갖는 발열체와,
상기 발열체에 통전하기 위한 한 쌍의 전극과,
상기 발열체로부터의 열을 단열하면서 상기 발열체를 일면 측으로부터 유지하는 히터 베이스를 구비하고,
상기 절연 피막은, 상기 탄화 규소 소결체의 상기 히터 베이스와 반대 측의 면에 위치하며,
상기 절연 피막은, 상온에서의 전기 비저항이 10⁹Ω·cm 이상이고,
상기 절연 피막은, 열팽창률이 2×10^-6/K 이상 6×10^-6/K 이하이며,
상기 절연 피막은, SiO₂를 매트릭스로 하고,
상기 절연 피막은, B₂O₃ 및 Al₂O₃ 중 적어도 하나를 포함하는 제1 첨가 성분을 함유하며,
상기 제1 첨가 성분의 비율은, 상기 절연 피막의 전체 중량에 대하여, 1중량% 이상 35중량% 이하이고,
상기 절연 피막은, MgO 및 CaO 중 적어도 하나를 포함하는 제2 첨가 성분을 함유하며,
상기 제2 첨가 성분의 비율은, 상기 절연 피막의 전체 중량에 대하여, 1중량% 이상 35중량% 이하인, SiC 히터.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 첨가 성분은, BaO를 더 포함하는, SiC 히터.
제 2 항에 있어서,
상기 제2 첨가 성분은, BaO, MgO 및 CaO를 모두 포함하는, SiC 히터.
제 3 항에 있어서,
상기 제2 첨가 성분의 MgO 및 CaO의 함유량의 합계가, BaO의 함유량에 대하여 1배 이상 2배 이하인, SiC 히터.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발열체의 형상은, 평면에서 보았을 때 대략 정방형 또는 대략 장방형의 서로 대향하는 2변으로부터 각각 반대 측의 변을 향하여 절개되어 있는 2개의 슬릿을 갖는 평면에서 보았을 때 대략 S자 형상이며, 상기 대략 S자 형상의 양 단부에 각각 상기 한 쌍의 전극의 한쪽이 접속되어 있는, SiC 히터.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연 피막은, 붕규산 유리 또는 알루미노 규산 유리 중 적어도 하나로 이루어지는, SiC 히터.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 첨가 성분의 비율은, 상기 절연 피막의 전체 중량에 대하여, 1중량% 이상 30중량% 이하인, SiC 히터.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄화 규소 소결체의 결합체 밀도가 2.5g/cm³ 이상이고, 25℃에 있어서의 전기 비저항이 0.1Ω·cm 이상 100Ω·cm 이하인, SiC 히터.