TW465254B - Ceramic heater - Google Patents

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TW465254B
TW465254B TW089116058A TW89116058A TW465254B TW 465254 B TW465254 B TW 465254B TW 089116058 A TW089116058 A TW 089116058A TW 89116058 A TW89116058 A TW 89116058A TW 465254 B TW465254 B TW 465254B
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TW089116058A
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Yasutaka Ito
Masakazu Furukawa
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Ibiden Co Ltd
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Description

4 0525 4 A7 ---—------- B7_____ _____ 五、發明說明（丨） 〔技術領域〕 本發明係關於半導體產業所使用之陶瓷加熱器。 〔背景技術〕 半導體製品係經由蝕刻製程等所製造出’該蝕刻製程 ，係在半導體晶圓上用感光性樹脂形成抗蝕刻層，以進行 半導體晶圖的蝕刻。· 該感光性樹脂爲液狀，係使用旋轉塗佈器等塗佈於半 導體晶圖的袠面，塗佈後爲讓溶劑等揮發必須進行乾燥處 理’而須將塗佈後的半導體晶圓載置於加熱器上加熱。 以往’用於上述甩途之金屬製加熱器，係採用在銘板 背面配置發熱體而成者。 然而，這種金屬製加熱器會有以下的問題。 首先’由於是金屬製，加熱板的厚度必須加厚到 15mm左右。其原因在於，簿金屬板會因加熱所引起的熱 膨脹而產生板彎、應變等，而造成金屬板上所載置之半導 體晶圓的破損、傾斜。然而，若將加熱板的厚度加厚，加 熱器的重量會變重，又其體積會變大。 又，由於是利用施加於發熱體之電壓、電流値的變化 來控制加熱溫度，若採用厚金屬板，加熱板的溫度將無法 迅速的追隨電壓或電流量的變化，而有溫度不易控制之問 題。 於是，如日本專利特開平9 - 306642公報.、特開平4 -3242%號公報等所記載般’係提案出一陶瓷加熱器，其 使用熱傳導率高、強度大之非氧化物陶瓷的A1N基板，並 3 本紙ίί尺度適用中國國家^準（CNS)A4規格（210 X 297公爱一)----- -------------Qii (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
*— — — 1— I I I ϊ ----------- - - - - ------I I 4 6 525 4 A7 B7 ---------- 1 ' ' ~ "" _____ 五、發明說明（/ ) 在該A1N基板的表面或內部形成發熱體 圖5係示意地顯示以往的陶瓷加熱器之底視圖。 該陶瓷加熱器30 ’是在加熱板31的底面形成圖5所 示般的同心圓狀圖案的電阻發熱體32。33代表電阻發熱體 32末端所接合之用以連接電源等的外部端子，半導體晶圓 的加熱面(以下稱晶圓加熱面）’係位於電阻發熱髖32設置 面之相反面。電阻發熱體32也能形成漩渦狀。 〔發明之摘述〕 然而，若使用以同心圓狀或漩渦狀的圖案來形成電;阻_ 發熱體32之陶瓷加熱器30來加熱半導體晶圓等，即使霉 阻發熱體圖案的密度爲全體皆均一，晶圓加熱面全體的溫 度並無法均一，其結果，被加熱之半導體晶圓的中心部分 和外周部分會產生溫度差，而造成問題。 用圖6來說明上述問題點，當熱從同心圓狀的電阻發 熱體向加熱板傳導時，來自大圓構成的電阻發熱體12之熱 傳導區域會比來自小圓構成的電阻發熱體h之熱傳導區域 來得大’爲使加熱板表面溫度均一化之電阻發熱體12所需 的熱量將比電阻發熱體丨t來得大。’ 因此可考虜成，若以同樣的圖案來形成電阻發熱體， 並供應同樣的電力，則會使加熱對象物產生溫度不均一的 情形。 因此’在中心部分和外周部分必須對供應電力作變化 ，但要作微妙的控制乃是相當的困難。 本發明人針對上述習知技術的問題深入撿討的結果發 4 本紙張尺度適用、國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公g ) ---- I I I-----------r 11 — -------^ ------^--I--------11____ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) _ 465254 A7 ___B7 _ 五、發明說明（4 ) .現到，藉由使熱傳導方向不僅沿直徑方向，而是變得無規 化(random)，_.即可使加熱板的溫度均一化。 又發現到，由於電阻發熱體是用印刷來形成出，同心 圓或漩渦狀圖案，電阻發熱體的形成方向將產生和印刷方 向大致垂直和大致平行的部分，在垂直於印刷方向的部分 和平行於印刷方向的部分將產生厚度不均％起因於此也會 造成電阻値改變，如此所造成的溫度不均也是上述問題點 的原因之一。 例如，圖7所示的電阻發熱體42，印刷方向與電阻發 熱體的形成方向呈近似直角之區域Α的圖案，電阻發熱體 有厚度較厚的傾向，另一方面，印刷方向與電阻發熱體的 形成方向呈近似平行之區域B的圖案，電阻發熱體有厚度 較薄的傾向。 因此，區域A之電阻値較低，區域B之電阻値較高 〇 根據以上的認知，本發明係提出由同心圓或漩渦狀的 圖案和曲線的重複圖案所組合成之電阻發熱體，具體而言 在圓板狀的陶瓷基板內部（中心部分），係形成和以往同 樣的同心圚狀等圖案的電阻發熱體，在外周部分，則是形 成不同於同心圓狀之曲線狀的電阻發熱體，藉此使熱的傳 導方向變得無規化，以將半導體晶圓等作全體均一的加熱 ’如此即完成本發明。 亦即，本發明之陶瓷加熱器，係在圓板狀的陶瓷基板, 表面或內部設置電阻發熱體而成，其特徵在於： 5 本紙張尺1適用中國國家標準("CNS)X4_規格（210 X 297公釐） "" -------------.a· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線， 46525 4 A7 --------B7______ .五、發明說明（+ ) 該電阻發熱體，係由同心圓或漩渦狀的圖案' 和曲線 構成的圖案或曲線的重複圖案之電阻發熱體所組合而成。 本發明中較佳爲，在圓板狀的陶瓷基板之至少外周部 分，形成曲線的重複圖案之電阻發熱體。 〔圖式之簡單說明〕 圖1係示意地顯示本發明的陶瓷加熱器的一例之仰視 圖。 圖2係示意地顯示圖1所示的陶瓷加熱器之局部的部 分擴大截面圖。 圖3係示意地顯示本發明的陶瓷加熱器中，在加熱板 內部形成電狙發熱體的局部之部分擴大截面圖。 圖4係示意地顯示本發明的陶瓷加熱器之電阻發熱體 圖案的另一例之仰視圖。 '圖5係示意地顯示以往的陶瓷加熱器之仰視圖。 圖6係顯示以往的陶瓷加熱器之熱傳導狀態之示意圖 〇 圖7係顯示漩渦形狀的電砠發熱體的印刷圖案之說明 圖。 ί 圖8係顯示曲線狀電阻發熱體的印刷圖案之說明圖。 丨 圖9係顯示部分曲線圖案和漩渦圖案所混合成之電阻 ί 發熱體的圖案之說明圖。 | 〔符號說明〕 10、 20…陶瓷加熱器 11、 61…加熱板 6 ^紙張尺度迠用中固國ί標準（CNS)A4&格（210 X 2听公楚） 一 一 ： <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
----l·---訂---------線J 11. -n n n I f n I 1· n J - 4 6 525 4 A7 ___B7__ 五、發明說明（< ) 11a…底面 11 b…晶圓加熱面 12a、12b、22a、22b、22c、22d…電阻發熱體 42、52、62a、62b、62c、62d、72"，電阻發熱體 13、 73…外部端子 14、 74…有底孔 15、 75…貫通孔 16…昇降銷 ' Π···金屬被覆層 19…半導體晶圓 76…通孔 〔發明之詳細揭示〕 本發明之陶瓷加熱器，係在圓板形陶瓷基板的表面或 內部設置電阻發熱體，其特徵在於，上述電阻發熱體，是 由同心圓狀或漩渦狀的圖案、和曲線構成的圖案或曲線的 重複圖案之電阻發熱體所組合而成。 依據本發明的陶瓷加熱器，由於上述電阻發熱體是由 :同心圓狀或漩渦狀的圖案、和曲線構成的圖案或曲線的 | 重複圖案之電阻發熱體所組合而成.，相較於陶瓷基板全體 皆形成同心圓狀或漩渦狀圖案之電阻發熱體，可減少外周 部分之溫度降低，能使晶圓加熱面全體的溫度更均一，結 果就能均一的加熱半導體晶圓等。 圖8係示意地顯示曲線的重複圖案所構成之電阻發熱 體52的俯視圖，此曲線構成的圖案、或曲線的重複圖案， 7 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
l·---訂---------線J _ 465254 A7 -：-------B7 ___ 五、發明說明（& ) 由於在_曲部分產生：印刷方向和電阻發熱體的形成方向 呈大致垂直之部分C、.呈平行的部分D，其全體的發熱量 變得均~ °因此，可將電阻發熱體52的電阻値之不均所產 生之溫度不均減低。 構成本發明的陶瓷加熱器之陶瓷基板，係由氮化物陶 瓷、碳化物陶瓷等的非氧化物陶瓷、氧化物陶瓷所構成， 也能在非氧化物陶瓷基板的表面形成作爲絕緣層之氧化物 陶瓷。 氮化物陶瓷因固溶有氧等，高溫下體積電阻係數易降 低’又碳化物若沒有特別的高純度化將具有導電性，藉由 形成絕緣層之氧化物陶瓷，即使是高溫或含有不純物，也 能防止電路間的短路而確保其溫度控制性◊ 又’非氧化物陶瓷，由於熱傳導率高、爲迅速的進行 昇降溫相當有利。另一方面，非氧化物陶瓷由於熱傳導率 高’起因於電阻發熱體圖案之溫度不均易產生，藉由形成 本發明般的圖案之電阻發熱體’相較於氧化物陶瓷，其溫 度均一化的效果更大，故本發明的構成特別的有利。 ^ 陶瓷基板的加熱面之相反側面（底面）之表面面粗度較 I 佳爲 Ra=0.01 〜2〇e m，Rmax=〇,i〜200以 m。 I 構成陶瓷基板之氮化物陶瓷，可列舉金屬氮化物陶瓷 ： 之例如氮化鋁、氮化矽、氮化硼、氮化鈦等。 作爲碳化物陶瓷’可列舉金屬碳化物陶瓷之例如碳化 矽、碳化鉻、碳化鈦、碳化鉅 '碳化鎢等。 也能使用氧化物陶瓷作爲陶瓷基板，該氧化物陶瓷可 _ S 本紙張尺度適用7團國家標準(^MS)A4規格（210 X 297公ϋ--- (請先閲請背面之注意事項再填寫本頁) ^ I I 1 [ I I、 A7 B7 46525 4 五、發明說明（η ) 列舉氧化錦、堇青石(cordierite)、莫來石(muHite)、二氧化 矽、氧化鈹(Beryllia)等等。 上述氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、氧化物陶瓷可單獨使 用或倂用至少2種。 其中以氮化物陶瓷爲較佳，以氮化鋁爲最佳。由於其 熱傳導率之180W/m . K爲最高。 又，上述氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等之非氧化物陶瓷 基板，因熱傳導率高，能使加熱板的表面溫度迅速的追隨 電阻發熱體的溫度變化，而能對晶圓加熱面的溫度作良好 的控制，且由於機械強度大，加熱板不致產生板彎，而能 防止載置於其上方之半導體晶圓的破損。 圖1係示意地顯示本發明的陶瓷加熱器的一例之仰視 圖，圖2係顯示其局部之部分擴大截面圖。 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、氧化物陶瓷等所構成之陶 瓷基板(以下也稱氮化物等的陶瓷基板)所構成之加熱板11 ，係形成圓板狀，爲了將陶瓷基板U(以下也稱加熱板)以 晶圓加熱面lib全體溫度成爲均一的方式來加熱，係在加 熱板底面11a的內部形成同心圓狀圖案的電阻發熱體 12a’並在加熱板11的外周部分形成曲線的重複圖案之電 阻發熱體12b。 又，內側的電阻發熱體12a，是以互相接近的雙重同 心圓爲1組，並連接成1條線，其兩端是透過金屬被覆層 17來連接於輸出入端子之外部端子13。在靠中央的部分形 成貫通孔15，以插通半導體晶圓支撐用的支持銷16，又形 I 1 1 ___ _ 9 , 私紙張尺度適用中「國國家標準（€购々4規格（210><297公釐） "'^ --- ίιιιιιιιι — ----Γ 1 I I --I ! . .-/·1 ..· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 I 1· -線丨 465254 A7 ______SI____ 五、發明說明（$ ) 成有爲插入測溫元件之有底孔14。 圖1、2所示之陶瓷加熱器10中，雖將電阻發熱體12 設於加熱板11的底部，如圖3所示般，將電阻發熱體72 設於加熱板11內部亦可。當電阻發熱體72設於加熱板11 內部時，電阻發熱體72的圖案和設於底面時完全相同。將 電阻發熱體72設於加熱板11內部時，係透過通孔76及焊 材(未圖示)來連接外部端子73。加熱板11上形成有能插通 昇降銷16之貫通孔75，並形成有爲埋設熱電偶等的測溫 元件之有底孔74。 本發明的陶瓷加熱器10，作爲加熱板的材料是使用氮 化物等陶瓷，由於其熱膨脹係數比金屬小' 厚度薄時也不 會因加熱產生板彎、變形，而能使加熱板11作成既輕且薄 〇 又，由於加熱板U的熱傳導率高且本身夠薄，加熱 板11的表面溫度將能迅速的追隨電阻發熱體的溫度變化。 亦即，藉由改變電壓、電流量來使電阻發熱體的溫度變化 ，即可對加熱板U的表面溫度作良好的控制a 陶瓷加熱器的加熱板11厚較佳爲0.5〜5mm。若比 ； 0.5mm還薄’強度過低而易破損，若比5mm更厚，將變得 不易傳熱，而使加熱效率變差。 圖1、2所不之陶瓷加熱器是在內部形成同心圓狀的 電阻發熱體Ua，該電阻發熱體爲漩渦狀亦可。 另一方面，在外周部分是形成曲線的重複圖案之電阻 發熱體12b，關於曲線的彎曲之重複程度，將單位長度之 _______ 10 I紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格⑵心^公愛） "—-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
465254 A7 ------ B7 ---------- 五、發明說明（f ) 彎曲數目加大亦可。亦即比圖1所示之電阻發熱體12b的 彎曲次數更多亦可。 圖1中，囲線構成的電阻發熱體12b，其接近直線的 部分，係以大致垂直切過描繪於外周部的虛線A之方式來 形成，相反地，將接近直線的部分’以大致平行於虛線A 的方式，形成平行於圓周方向之多數個小曲線亦可。 又，所謂內部，係代表從加熱板11的中心部分算起 迄I/3半徑爲止的範圍之圓形部分，其他部分則爲外周部 分。 本發明中，由於只要至少在外周部分具有曲線的重複 圖案即可，如圖4所示般，在內部的漩渦圖案及/或同心圓 圖案構成之電阻發熱體22a、22c間具有曲線的重複圖案構 成之電阻發熱體22b、22d亦可。 又，如圖9所示般，在加熱板61底面之外周部分之 同心圓狀圖案所構成之電阻發熱體62a間，夾入曲線的重 複圖案所構成之電阻發熱體62b，並在內部形成同心圓狀 的圖案62c、62d'亦可。 陶瓷基板的表面或內部所形成之電阻發熱體12，較佳 爲至少分割成至少2個電路。藉由將電路作分割，可控制 各電路所供應的電力以改變發熱量，而將半導體晶圚的加 熱面之溫度作調整》 要將電阻發熱體Π形成於加熱板11表面時，較佳爲 ，將含金屬粒子的導體糊塗佈於加熱板11表面以形成既定 圖案的導體糊層後，進行熱處理，以使金屬粒子燒結於加 祆紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 465254 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（一） 熱板11表面。金屬之燒結’只要能使金屬粒子彼此及金屬 粒子和陶瓷熔接即可。 要在加熱板11表面形成電阻發熱體時，電阻發熱體 的厚度較佳爲卜30# m，更佳爲1〜l〇e m。要在加熱板U 內部形成電阻發熱體時’其厚度較佳爲1〜50^m。 要在加熱板11表面形成電阻發熱體時，電阻發熱體 的寬度較佳爲0·1〜20mm ’更佳爲ο.1〜5mm。要在加熱板 11內部形成電阻發熱體時，電阻發熱體的寬度較佳爲 5~20mm 0 電阻發熱體12，雖能利用其寬度及厚度的變化來改變 電阻値，但以上述範圍最具實用性。越薄且越細時電阻値 越大。電阻發熱體12形成於加熱板11的內部時，其厚度 、寬度皆較大。若將電阻發熱體12設於內部，加熱面和電 阻發熱體12的距離會變短，表面的溫度均一性會降低，而 必須將電阻發熱體本身的寬度加寬；由於將電阻發熱體12 設於內部，將不須考慮其和氮化物陶瓷等的密著性，而能 使用鎢、鉬等高熔點金屬或鎢、鉬等的碳化物，而能提高 電阻値，基於防止斷線等的目的可將其厚度加厚。因此， 電阻發熱體12較佳爲形成上述厚度及寬度。 電阻發熱體Π之截面形狀可爲矩形或橢圓形，較佳 爲扁平狀。由於採扁平狀時易朝向晶圓加熱面放熱，加熱 面的溫度分佈較不易產生。 截面之寬厚比（電阻發熱體寬/電阻發熱體厚）較佳爲 10〜5000 〇 12 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --D . -線. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） AT B7 6525 4 五、發明說明（u) 藉由調整成該範圍，可將電阻發熱體12的電阻値加 大，同時能確保加熱面的溫度均一性。 當電阻發熱體12的厚度爲一定時，若寬厚比小於上 述圍’加熱板11之朝晶圓加熱方向的熱傳送量變小，近 似於電阻發熱體12圖案之熱分布將在加熱面產生。相反地 當寬厚比過大時，電阻發熱體12中央的正上方變得高溫， 結果近似於電阻發熱體12圖案之熱分布仍會在加熱面產生 。因此，若考慮到溫度分布，截面的寬厚比以10〜5000爲 較佳。 要將電阻發熱體12形成於加熱板11表面時，寬厚比 以10~200爲較佳，要將電阻發熱體12形成於加熱板11內 部時，寬厚比以20〜5000爲較佳。 要將電阻發熱體12形成於加熱板11內部時，其寬厚 比會變大。此乃基於，若將電阻發熱體12設於內部，加熱 面和電阻發熱體12的距離變短，表面的溫度均一性降低， 而必須將電阻發熱體12本身設爲扁平狀。 要使電阻發熱體12以偏芯的方式設於加熱板11內部 時，其位置較佳爲，靠近加熱板11的加熱面之對向面(底 面），且相對於加熱面至底面的距離爲50%〜99%。 .若低於50%以下，由於過度接近加熱面，將產生溫度 分布，相反地，若超過99%，加熱板11本身會產生板彎， 而造成半導體晶圓的破損。 要將電阻發熱體12設於加熱板U內部時，可設置複 數層的電阻發熱體形成層。這時各層的圖案較佳爲，以互 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4蜆格（21〇 x 297公釐） 46 525 4 A7
五、發明說明（ 補的方式來形成各層的電阻發熱體12,而從晶圓加熱面的 方觀之，係呈現不管在任何區域皆形成有圖案的狀態。 就;其構成而言，可舉互呈交錯狀配置的構造爲例。 又，將電阻發熱體12設於加熱板11內部，且使該電 阻發熱體12局部露出亦可。 就導體糊而言，雖沒有特別的限定，但除了含有能確 保導電性之金屬粒子或導電性陶瓷外，較佳爲含有樹脂.、 溶劑、增粘劑等等。. 就上述金屬粒子而言，較佳爲貴金屬（金、銀、鉑、 鈀）、鉛、鎢、鉬、鎳等等。這些可單獨使用，或倂用至少 2種。此乃基於，該等金屬不易氧化，且具備發熱所需之 電阻値。 就上述導電性陶瓷而言，可列舉鎢、鉬等的碳化物。 這些可單獨使用，或倂用至少2種。 該等金屬粒子或導電性陶瓷粒子的粒徑’較佳爲 0.1〜100# m。若未達0.1 /z m，因過度微細而變得易被氧化 ’若超過100# m，將變得不易燒結且電阻値變大。 上述金屬粒子的形狀可爲球狀或鱗片狀。使用該等粒 子時，也可以是球狀和鱗片狀的混合物。 上述金屬粒子爲鱗片狀物、或球狀和鱗片狀的混合物 時’由於在金屬粒子間變得較易保持住金屬氧化物’而使 電阻發熱體12和氮化物陶瓷等的密著性變得更確實’且能 提昇電阻値，故較爲有利。 就導體糊所使用之樹脂而言，可列舉環氧樹脂 '酚醛 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210〆297公釐） I 閱 讀 背
I 填 頁 訂 h.
5 2 5 4 A7 _____B7______ 五、發明說明（〇) 樹脂等等。作爲溶劑，可列舉異丙醇等等。作爲增粘劑， 可列舉纖維素等等。 導體糊較佳爲，在金屬粒子中添加氧化物，以使電阻 發熱體12成爲金屬粒子與氧化物所燒結而成者。如此般， 藉由將氧化物和金屬粒子一起燒結，可使得加熱板之氮化 物陶瓷等和金屬粒子變得更爲密著。 藉由混合氧化物，以改善和氮化物陶瓷等的密著性之 理由雖尙不明確，但可考慮成，金屬粒子表面和氮化物陶 瓷等、特別是非氧化物陶瓷等的表面，係稍被氧化而形成 氧化膜，將氧化膜彼此係透過金屬氧化物進行燒結而成爲 一體化，可使金屬粒子和氮化物陶瓷等的密著變得更確實 〇 就上述氧化物而言，較佳爲擇自氧化鉛、氧化鋅、二 氧化矽、氧化硼(B2〇3)、氧化鋁、三氧化二釔及二氧化鈦 所構成群中之至少1種。 此乃基於，這些氧化物，不致增大電阻發熱體12的 電阻値，但能改善金屬粒子和氮化物陶瓷等的密著性之故 〇 上述氧化鉛、氧化鋅、二氧化矽、氧化硼(b2o3)、氧 化鋁、三氧化二釔及二氧化鈦的比例，當氧化物的全量爲 100重量份時，較佳爲調整成：重量比下，氧化鉛卜10、 二氧化矽1〜30、氧化砸5〜50、氧化鋅20〜70、氧化鋁 1〜10、三氧化二記1〜50、二氧化欽1〜5〇，且合計不超過 1〇〇重量份。 15 ^紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線丨，
Bril _ 465254 B7 五、發明說明（vt) 藉由以上述範圍來調整這些氧化物的量，特別是能改 善和氮化物陶瓷等的密著性。 氧化物相對於金屬粒子的添加量，較佳爲0.1重量 %〜10重量V。。使用上述構成的導體糊來形成發熱體12時 的面積電阻率較佳爲1〜45πιΩ/1Ι]。 面積電阻率超過45 ηιΩ/[□時，對應於施加電壓量之 發熱量變得過大，表面設有電阻發熱體12之加熱板U的 發熱量變得不易控制。又，當氧化物的添加量爲重量％ 以上時，面積電阻率將超過5()mQ〇,發熱量變得過大而 難以進行溫度控制，溫度分布的均一性會變差。 當電阻發熱體12是形成於加熱板11表面時，較佳爲 在電阻發熱體12的表面部分形成金屬被覆層12a。如此即 可防止內部的金屬燒結體被氧化而產生電阻値的改變。所 形成的金屬被覆層12a厚度較佳爲0.1〜lO^m。 .形成金屬被覆層12a時所使用的金屬，只要是非氧化 性的金屬即可，並沒有特別的限定’具體而言可列舉金、 銀、鈀、鉑、鎳等等。這些可單獨使用或倂用至少2種。 .其中以鎳爲較佳。 電阻發熱體12上，爲連接電源必須有端子，該端子 可透過焊料來裝設於電阻發熱體12，而鎳則是兩來防止焊 料的熱擴散。連接端子可列舉柯伐合金(K〇var)製者。 又，當電阻發熱體12是形成於加熱板11內部時，由 於電阻發熱體表面不致被氧化，被覆是不需要的。當電阻 發熱體12形成於加熱板Π內部時’可使電阻發熱體的局 16 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（21〇 54 297公釐） -I ϊ I H ! n i— n n I n u I * 1 I I n ti I I · u n ί I ϋ I n I n ^ a— 1« I n n f ϋ n l n J n E I n n n n ί I _ (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) _ 厂 46525 4 A7 _______ B7 經齊即 五、發明說明（以） 部露出表面’將用以連接電阻發熱體12之貫通孔設於端子 部分，將外部端子連接'固定在該貫通孔亦可。 要連接外部端子13時’焊料可使用銀-鉛、鉛-錫 '鉍-錫等的合金。焊料層的厚度較佳爲〇1〜5〇 A m。如 此即可充分確保焊料所形成的連接。 如圖2所不般，在加熱板H上設置貫通孔15，將昇 降銷16插入該貫通孔15中，即可將半導體晶圓送到未圖 示之搬送機，或從搬送機接收半導體晶圓。 加熱板之電阻發熱體胗成面的相反面即構成被加熱物 的加熱面。 本發明中’視必要能將熱電偶埋設於陶瓷基板中。利 用熱電偶來測定電阻發熱體的溫度，根據測定値來改變電 壓、電流量，藉以控制溫度。 熱電偶之金屬線接合部位的大小，是和各金屬線的線 徑相同，或更大，且較佳爲0.5mm以下。藉由該構成，接 合部分的熱容量變小’溫度能正確且迅速的轉換成電流値 。因此’可提高溫度控制性而將晶圓加熱面的溫度分佈縮 小。. 上述電熱偶，可列舉JIS-C-1602(1980)之K型、R型 、S型、S型、E型、；[型、.τ型熱電偶等。 本發明之加熱板，厚度爲50mm以下，更佳爲20mm 以下。若加熱板的厚度超過20mm，加熱板的熱容量會變 大’當設置溫度控制機構來作加熱冷卻時，起因於熱容量 的大小會使溫度追隨性變差。 17 -I— n n n n n I n n n i n ϋ m I I ^n d ( If I n n n n K n t— I I n n Tc n n · {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 465254 A7 B7 五、發明說明（士） 又基於，本發明所要解決之溫度不均一問題，當加熱 板厚度超過·2〇Γηπι時並不容易產生。 特別是以5mm以下爲最佳。又厚度較佳爲imm以上 本發明的加熱板直徑較佳爲200mm以上，更佳爲12 吋(300mm)以上。此乃下一世代的矽晶圓之主流。又基於 ’本發明所要解決之溫度不均一問題，當加熱板直徑低於 200mm時並不容易產生。 其次，說明本發明的陶瓷加熱器之製造方法。 首先，針對在加熱板11底面形成電阻發熱體的陶瓷 加熱器(參照圖1〜2)之製造方法作說明。 (1)加熱板之製作過程 在上述氮化鋁等的陶瓷粉末中，視需要配合三氧化乙 釔(Y2〇3)或B4C等的燒結助劑、含Na、Ca的化合物、結 合劑寺而g周製成獎液後’將該漿;液用噴乾(spray dry)等方法 顆粒化’將該顆粒置入模具等中，藉由加壓而成形爲板狀 等，以製作出生成形體(green)。 在生成形體上，視需要，形成用以插入昇降銷（用以 搬運半導體晶圓等）之貫通孔、爲埋設熱電偶等的測溫元件 之有底孔等。 接著，將該生成形體加熱、燒成以使其燒結，而製造 出陶瓷製的板狀體。之後V藉由加工成既定形狀，以製作 出加熱板11 ’或採用燒成後可直接使用的形狀亦可。藉由 邊加壓邊進行加熱、燒成，可製作出無氣孔的加熱板11。 18 (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁)
1丨—丨I
_ II
線丨J-------------------- .V 本纸張尺度適用中國圈家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 _B7 . 五、發明說明（η) 加熱、燒成只要在燒結溫度以上即可，例如氮化物陶瓷爲 1000〜2500°c·。又氧化物陶瓷爲1500〜2000。(：。 (2) 將導體糊印刷於加熱板的過程 導體糊一般是金屬粒子、樹脂、溶劑所構成之高粘度 的流體。使用網版印刷等’將該導體糊印刷於應設置發熱 體的部位’以形成導體糊層。囱於必須使加熱板全體形成 均一的溫度’發熱體較佳爲印刷成圖1所示般之同心圓和 曲線所組合成的圖案。 導體糊層較佳爲，燒成後之電阻發熱體12的截面係 形成方形等扁平的形狀。 (3) 導體糊的燒成 將印刷於加熱板11底面之導體糊層實施加熱燒成， 以除去樹脂和溶劑，同時將金屬粒子燒結後固著於加熱板 11底面，以彤成電阻發熱體12。加熱燒成的溫度較佳爲 500〜1000〇C。 若在導體糊中添加上述氧化物，由於金屬粒子、加熱 板、氧化物在燒結後會一體化，故能提昇發熱體和加熱板 的密著性。 (4) 金屬被覆層的形成 在電阻發熱體12表面上，較佳爲設置金屬被覆層12a 。金屬被覆層Ua可藉由電鍍、化學鍍、濺鍍等來形成出 ，若考慮到量產性，以化學鍍爲最適當。 (5) 端子等的安裝 在發熱體12的圖案端部用焊接來安裝用以連接電源 19 本紙張尺度適用ϋ國家標準(0NSM4規格（210 X 297^楚T-丨― -- -n fl * n I l·- If ί n^L I If I I I I n f ^, (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 465254 A7 ________B7 _ 五、發明說明（V Μ 之端子(外部端子13)。用銀蠟、金蠟等將熱電偶固定在有 底孔Η上，·或使用聚醯亞胺等的耐熱樹脂進行封止，如此 即完成陶瓷加熱器的製造。 其次，針對在加熱板11內部形成發熱體12之陶瓷加 熱器的製造方法作說明。 (1)加熱板製作過程 首先’將氮化物等的陶瓷粉末和結合劑、溶劑等混合 而調製出糊劑（paste)，使用該糊劑製作出生薄板（green sheet)。 . 作爲上述氮化物等的陶瓷粉末，例如可使用氮化鋁等 ’視需要可加入三氧化二紀等的燒結助劑、含Na、Ca的 化合物等。 作爲結合劑，較佳爲擇自丙烯酸系結合劑.、乙基纖維 素、丁基溶纖劑、聚乙烯醇之至少1種》 作爲溶劑，較佳爲擇自α -萜品醇、甘油之至少丨種 〇 將這些混合後所得之糊劑用刮塗法成形爲片狀，以製 作出生薄板。. 生薄板的厚度較佳爲0.1~5mm。 接著，在所得的生薄板上’視需要來形成用以插入昇 降銷(用以搬運半導體晶圓等)之貫通孔75、爲埋設熱電偶 等的測溫元件之有底孔74、爲將發熱體連接於外部端子73 之貫通孔76等。在後述之形成生薄片積層體後再進行上述 加工亦可。 20 本紙張尺度適用中國國家標準ϋ)Α4規格（210 x297公釐) ^ -- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----r--—訂·-----線一' _ -ϋ ·1 n n n ϋ κ n I* 1 .^1 1 n ί - 46525 4_ 37 _ 五、發明說明（\f ) .(2)在生薄片上印刷導體糊的過程 在生薄.片上印刷用以形成發熱體之金屬糊或含有導電 性陶瓷之導體糊。這時的印刷圖案，係圖1所示般之同心 圓和曲線所組合成的圖案。 這些導體糊中，係含有金屬粒子或導電性陶瓷。 鎢粒子或鉬粒子的平均粒徑較佳爲0.1〜5#m。此乃 基於，平均粒徑未達0.1 或超過5/zm時，導體糊將變 得不易印刷。 就導體糊而言，例如是將金屬粒子或導電性陶瓷粒子 85~87重量份，擇自丙烯酸系、乙烯纖維素、丁基溶纖劑 、聚乙烯醇之至少1種結合劑1.5〜1〇重量份，擇自α -萜 品醇.、甘油之至少1種溶劑1.5〜10重量份混合成的組成物 (糊劑）。 (3) 生薄片的積層過程 將未印刷導體糊之生薄片積層於印刷有導體糊之生薄 片的上、下二側。 這時，上側所積層之生薄片數目比下側所積層之生薄 片數目來得多，以使發熱體的形成位置朝底面方向偏芯。 具體而言較佳爲，上側之生薄片的積層數爲20〜50片 ，下側之生薄片的積層數爲5〜20片。 (4) 生薄片積層體的燒成過程 進行生薄片積層體的加熱、加壓，以使生薄片及內部 的導體糊燒結爲一體。 加熱溫度較佳爲1000〜2000 °C，加壓壓力較佳爲 21 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格·（210 X 297公釐） 46525 4 A7 j__ B7 _ 五 '發明說明（/^) 100~200kg/cm2。加熱是在惰性氣體周圍環境中進行。情性 氣體可使用氬、氮等。 又’於進行燒成後，設置爲插入測溫元件的有底孔亦 可。有底孔’可在表面硏磨後，藉由進行噴砂等衝撃 (blast)處理來形成。又，在用以連接內部的發熱體之貫通 孔76上連接外部端子73，加熱以進行熔焊(reflow)。加熱 溫度以200〜5〇0°C爲適當。 將測溫元件之熱電偶等插入有底孔中，用銀蠟、金蠟 等安裝後’用聚醯亞胺等的耐熱性樹脂封止，如此即完成 陶瓷加熱器的製造。 又’本發明之陶瓷加熱器.，可作爲靜電夾頭、晶圓探 測器之夾頭頂層(top stage)來使用。 〔用以實施本發明之最佳形態〕 以下’對本發明作更詳細的說明。 (實施例1) (1) 將氮化鋁粉末(平均粒徑l.l/zm)100重量份、三氧化二 ί乙(平均粒徑〇.4/zm)4重量份、丙烯酸系結合劑12重量份 及醇類所構成的組成物進行噴乾處理，製作出顆粒狀的粉 末。. (2) 接著’將該顆粒狀的粉末置入模具內，將其成形爲平板 狀，以得出生成形體(green)。 (3 )將完成加工處理後之生成形體以溫度i 8〇〇乞、壓力 20MPa的條件實施熱壓，而得出厚度3mrn的氮化銘板狀體 〇 22 本紙張ϋ適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮) ---- ------------------· !訂--I 1 I I ---線. (請先閱讀背面之注意事項再^寫本頁) 465254 A7 ____B7_____五、發明說明（χ/ ) 接著’從該板狀體切出直徑210mm的圓板體，以作 爲陶瓷製板狀體(加熱板11)。對該成形體施以鑽孔加工， 以形成用以插入半導體晶圚的昇降銷之貫通孔15、用以埋 設熱電偶之有底孔14(直徑1.1mm，深度2mm)。 (4) 在上述(3)所得之加熱板Η上，以網版印刷法來印刷導 體糊。印刷圖案是採用圖1所示的同心圓和曲線所組合成 的圖案。又，也可以是圖4所示之陶瓷加熱器20般的圖案 〇 作爲導體糊，係使用印刷電路板的貫通孔形成用之德 力化學硏究所製的索魯貝斯特PS603D。 該導體糊爲銀-鉛糊劑，相對於銀1〇〇重量份，係含 有由氧化鉛（5重量％)、氧化鋅(55重量％)、二氧化矽（10 重量％) '氧化硼(25重量。/。)及氧化鋁(5重量°/〇)所構成之金 屬氧化物7.5重量份。又銀粒子爲平均粒徑4.5# m、呈鱗 片狀者。 (5) 接著，將印刷有導體糊之加熱板11於780°C進行加熱燒 成，以將導體糊中的銀、鉛燒結同時固接於加熱板1丨上’ 而形成電阻發熱體.12。銀-鉛發熱體之厚度爲5 Vm、寬 度爲2.4mm、面積電阻率爲7.7ιηΩ/〇。又厚度之不均’整 體而言爲±〇.4y m，並沒有局部不均的情形。 (6) 在硫酸鎳80g/l、次磷酸鈉24g/l、醋酸鈉12§/卜硼酸 8g/卜氯化銨6g/l之水溶液所構成的化學鍍浴中，浸入上 述(5)所製作出的加熱板11，以在銀-鉛電阻發熱體12的 表面析出厚度的金屬被覆層(鎳層 23 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 ----------------- (請先閱請背面之注意事項再寫本頁) _ LSJ- --線· 4 6 525 4 B7 五、發明說明（产） (7) 在用以連接電源之外部端子〗3的安裝部分’以網版印 刷法印刷銀鉛焊料糊（田中貴金屬公司製）以形成焊料層 〇 接著，將柯伐合金製的外部端子13載置於焊料層上 ，於420°C加熱以進行熔焊，以將外部端子13裝設於發熱 體表面。 (8) 將溫度控制用的熱電偶用聚醯亞胺封止’即得出陶瓷加 熱器10。 (實施例2) (1) 將氮化鋁粉末(德山公司製，平均粒徑1.1 M m)100重量 份、氧化釔(Υ2〇3，平均粒徑〇.4#m)4重量份、丙烯酸系 樹脂結合劑11.5重量份、分散劑0.5重量份、1 - 丁醇和 乙醇所構成的醇類53重量份混合成糊劑，用刮刀法進行成 形，製作出厚〇.47mm之生薄片。 (2) 接著，將該生薄片以80°C乾燥5小時後，鑽孔出圖3所 示之爲插入昇降銷16(用以搬運矽晶圓19等）之貫通孔75 彤成部分、導通孔（via hole)形成部分、通孔（through hole)76形成部分。 (3) 將平均粒徑1弘m的碳化鎢粒子100重量份 '丙烯酸系 結合劑3.0重量份、〇：-裢品醇溶劑3.5重量份及分散劑 0.3重量份加以混合，調整成導體糊A。 將平均粒徑3# m的碳化鎢粒子1〇〇重量汾、丙烯酸 系結合劑1.9重量份、α -萜品醇溶劑3.7重量份及分散 劑0.2重量份加以混合，調整成導體糊Β。 24 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> -線- _ II. 4 6 5 2 5 4 A7 __B7 _______ 五、發明說明（>)) 以網版印刷法將導體糊A印刷在形成有導通孔部分之 生薄片上，以形成電阻發熱體用的導體糊層。印刷圖案是 採用圖9所示般之漩渦圖案和局部彎曲圖案。導體糊層的 寬度爲10mm、厚度爲l2^m。就整體而言’厚度不均爲 ±0.5/zm ,並沒有局部不均的情形。 接著，以網版印刷法將導體糊B印刷在形成有貫通孔 部分之生薄片上，以形成導電電路用的導體糊層。印刷形 狀爲帶狀。 · 又，將導體糊B充塡於導通孔形成部分及貫通孔形成 部分。 在將完成上述處理後之印刷有導體糊層的生薄片上方 ，重疊未印刷導體糊層之生薄片37片，在下方重疊未印刷 導體糊層的生薄片12片後’以130°C、8MPa的壓力進行 積層。 (4)接著，將生所的積層體，於氮氣中以600°C脫脂5小時 ，以1890°C、壓力15MPa熱壓10小時，得出厚度3inm的 陶瓷板狀體。切成230mm的圓板狀後，即製作出內部具有 厚6# m、寬10mm的電阻發熱體72及貫通孔76之加熱板 f 11。 ' (5)接著’將(4)所得之加熱板11用鑽石磨石硏磨後，載置 上遮罩’藉由SiC等的噴砂處理以在表面設置熱電偶用的 有底孔74。 (6)將溫度控制用的熱電偶插入有底孔74，充塡入砂膠，於 190°C進行2小時的硬朦化，得出具有電阻發熱體72及貫 25 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公髮) ------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ./··
iIB 線. 4 6525 4 A7 ___B7__ 五、發明說明 通孔76之陶瓷加熱器。 (實施例3) (1) 將SiC粉末（平均粒徑0.3μπι)100重量份、燒結助劑 0.5重量份、丙烯酸系結合劑12重量份及醇類所構成 的組成物進行噴乾處理，製作出顆粒狀的粉末。 (2) 接著，將該顆粒狀的粉末置入模具內，將其成形爲平板 狀，以得出生成形體(green)。 (3) 將完成加工處理後之生成形體以溫度21〇〇°C、壓力 18MPa的條件實施熱壓，而得出厚度3mm的SiC板狀體。 接著，從該板狀體切出直徑210mm的圓板體，以得 出加熱板。 在加熱板上塗佈玻璃糊(昭榮化學工業公司製G- 5232叫， 以l〇〇〇°C燒成1小時，以在SiC製的陶瓷基板表面彤成厚 度2#m的_Si02膜。 對該成形體施以鑽孔加工，以形成用以插入半導體晶 圚的昇降銷之貫通孔、用以埋設熱電偶之有底孔（直徑 1. 1mm，深度 2mm)。 (4) 在上述(3)所得之陶瓷基板上，以網版印刷法來印刷導體 糊。印刷圖案是採用圖1所不的漩渦和重複曲線的混合圖 案。 該導體糊的組成如下。亦即，由鱗片狀銀（昭榮化學 工業製，Ag- 540)90重量份 '針狀結晶的白金（昭榮化學 工業製，Pt-401)10重量份、二氧化矽7.5重量份、氧化 硼1.5重量份、氧化鋅6重量份、有機展色劑之醋酸纖維 26 本紙ϋ度ϋ中國國家標準（CNS)A「規格（210 X 297公€ — -----Γ---訂--------- {請先閲讀背面之注意事項再t寫本頁> _ 465^5 4 A7 ·· " _ B7 _ 五、發明說明（〆） 素30重量份所構成。 (5) 接著，將·印刷有導體糊之陶瓷基板於780°C進行加熱燒 成’以將導體糊中的銀、鉑燒結同時固接於基板上，而形 成電阻發熱體。銀-鉑電阻發熱體之厚度爲5# m、寬度爲 10mm、面積電阻率爲〇·13ιηΏ/□。就整體而言，厚度不均 爲土0.5 # m，並沒有局部不均的情形。 (6) 在硫酸鎳80g/l、次磷酸鈉24g/l、醋酸鈉Ug/l、硼酸 8g/l '氯化銨6g/l之水溶液所構成的化學鍍浴中，浸入上 述（5)所製作出的基板，以在銀-鉑電阻發熱體12的表面 析出厚度1 # m的金屬被覆層(鎳層）17。 (7) 在用以連接電源之外部端子的安裝部分，以網版印刷法 印刷銀-鉛焊料糊(田中貴金屬公司製)以形成焊料層。 接著，將柯伐合金製的端子銷載置於焊料層上，於 420°C加熱以進行熔焊，以將外部端子13裝設於電阻發熱 體表面。 (8) 將溫度控制用的熱電偶嵌裝於有底孔，用陶瓷接著劑（ 東亞合成公司製阿隆CERAMIC)固定住而得出陶瓷加熱器 〇 (試驗例） 除將氧化鋁粉末(平均粒徑1.1# m)100重量份、三氧 化二釔(平均粒徑0.4以m)4重量份、丙烯酸系結合劑K重 量份及醇類所構成之組成物進行噴乾，以製作出顆粒狀的 粉末外，係和實施例1同樣的製造出陶瓷加熱器。 (比較例1) 27 未紙張尺度通用中國國家標準（0NS)A4規格（210 X 297公f : , I. j :. ίιίιιΛ^ ---l· — — — ^iim---^ ·,1'. ./· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 厶 6 5 2 5 4 a7 B7 . —' _一丨 _ ·ιι — I 丨丨 丨 — - _ 五、發明說明（>) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 除將導體糊印刷成和圖5所示之陶瓷加熱器30相同 之電阻發熱體的圖案外，和實施例1同樣的製造出陶瓷加 熱器。厚度爲6/zm，不均程度爲±〇.4#m。且厚度不均在 印刷方向的垂直方向較厚、平行方向較薄，而有局部化的 情形。 接著，將實施例及比較例所得之陶瓷加熱器通電，使 中心部分的溫度上昇至200°C，測定中心部分和外周部(從 外周端部起朝中心20mm的點)的溫度差ΔΤ。又，同時測 定爲昇溫至200°C所需的時間。 其結果，實施例1〜3及試驗例所得的陶瓷加熱器，△ T=〇.5°C(實施例 1)、ΔΤ=0·5°(：(實施例 2)、ΔΤ=0_4°(：(實 施例3)、ΔΤ=0.8°(：(試驗例），而顯示中心部分和外周部幾 乎沒有溫度差。但比較例1所得的陶瓷加熱器，ΔΤ=3°(： ，.即中心部分和外周部產生大的溫度差。 -線. 又，迄200°C的昇溫時間，實施例1〜3及試驗例中， 分別爲3〇秒(實施例1)、32秒(實施例2)、4〇秒(實施例3) 、5分(試驗例），比較例1則爲30秒。 根據以上的結果可知，若考慮到昇溫時間等，相較於 氧化物陶瓷，以採用非氧化物陶瓷較爲有利。 〔產業上之利用可能性〕 依據以上所說明之本發明的陶瓷加熱器，由於在中心部 分形成同心圖狀或漩渦狀圖案的發熱體，在外周部分形成重 複彎曲圖案的發熱體’可避免晶圓加熱面之外周部分的溫度 降低，而能對加熱對象之半導體晶圓全體作均一的加熱。 28 本紙張尺度適ϋ國ϋ家標準（εϋΑί規格（210 X 297公餐)

Claims (1)

  1. 46525 4 I _^_I .械甙 六、申請專利範圍 第89116058號專利申請案申請專利範圍修正本 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1、一種陶瓷加熱器，係在圓板狀的陶瓷基板表面或 內部設有發熱體，其特徵在於：. 該發熱體，係由同心圓狀或漩渦狀的圖案、和曲線構 成的圖案之發熱體所混合而成。 2、 一種陶瓷加熱器，係在圓板狀的陶瓷基板表面或內 部設有發熱體，其特徵在於： 該發熱體，係由同心圓狀或漩渦狀的圖案、和重複曲 線圖案之發熱體所混合而成。 3、 如申請專利範圍第1項之陶瓷加熱器，係在圓板狀 的陶瓷基板之至少外周部分，形成曲線構成的圖案之發熱 體。 4、 如申請專利範圍第2項之陶瓷加熱器》係在圓板狀 的陶瓷基扳之至少外周部分，形成重複曲線圖案之發熱體 〇 5、 如申請專利範圍第1〜4項中任一項之陶瓷加熱器， 其中前述陶瓷基板，係非氧化物陶瓷。 6、 如申請專利範圍第1〜4項中任一項之陶瓷加熱器， 其中前述陶瓷基板，係氮化物陶瓷。 7、 如申請專利範圍第卜4項中任一項之陶瓷加熱器， 其中前述陶瓷基板，係碳化物陶瓷。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
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