WO2000076273A1 - Corps de chauffe en ceramique et procede de fabrication, et pate conductrice pour element chauffant - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a ceramic heater for drying mainly used in the semiconductor industry, and more particularly to a thin and light ceramic heater which is easy to control the temperature, a method of manufacturing the same, and a heating element of the heater.
- the present invention relates to a conductive paste used for forming a conductive paste.
- Typical semiconductor products are manufactured, for example, by applying an etching resist (photosensitive resin) on a silicon wafer and then etching.
- the photosensitive resin applied to the silicon wafer surface must be dried after application.
- a drying method it is general to place a silicon wafer coated with the resin on a heater and heat it.
- a typical example of such a heater is a heater in which a heating element is attached to the back surface of an aluminum substrate.
- a metal heater has the following problems.
- the substrate as the heater body is made of metal, the thickness must be increased to about 15 mm. This is because, in a thin metal plate, warpage and distortion occur due to thermal expansion caused by heating, and the wafer placed on the metal plate is damaged or tilted. Therefore, the conventional metal heater has a problem that it is heavy and bulky.
- Heating of the silicon wafer by the heater is performed by controlling the temperature of the substrate by adjusting the voltage and current applied to the heating element.
- the temperature of the heater substrate is not affected by changes in voltage or current. There was a problem that it did not follow quickly and had poor temperature control characteristics.
- a main object of the present invention is to provide a thin and light heater which can be easily controlled in temperature and a method for manufacturing the same.
- Another object of the present invention is to provide a conductive paste for a heating element having excellent heat generation characteristics. Disclosure of the invention
- a ceramic having excellent thermal conductivity particularly a nitride ceramic or a carbide ceramic, is used as a substrate for a heater instead of a metal such as aluminum.
- C Such ceramic substrates do not warp or warp even if they are thin, and they can control the temperature quickly and easily, especially when controlling the temperature by changing the voltage or current applied to the heating element. was found to be excellent in responsiveness.
- a conductive paste containing metal particles generally has a property of being difficult to adhere to nitride ceramics and carbide ceramics. We have learned that the adhesion is improved through sintering.
- the gist configuration of the present invention developed based on such knowledge is as follows.
- the present invention is a ceramic heater in which a heating element is provided on a surface of a ceramic substrate made of a nitride ceramic or a carbide ceramic.
- the heating element is disposed so as to be partially embedded in the ceramic substrate.
- the heating element is preferably made of a sintered body of metal particles.
- the heating element comprises metal particles and at least one metal oxide selected from lead oxide, zinc oxide, silicon oxide, boron oxide, aluminum oxide, yttrium oxide and titanium oxide. Is preferred.
- the metal particles are noble metal, lead, tungsten, molybdenum and nickel It is preferable to use at least one kind selected from the following.
- the surface of the heating element is preferably covered with a non-oxidizing metal layer.
- the heating element has a sectional shape having a sectional area ratio (width of the heating element Z and thickness of the heating element) of 10 to 10,000 force.
- the cross-sectional aspect ratio (the width of the heating element, the thickness of the heating element) is from 1 to 100 mm.
- a flat heating element is provided inside the ceramic substrate made of the nitride ceramic or the carbide ceramic.
- a flat heating element is disposed inside a ceramic substrate made of a nitride ceramic or a carbide ceramic, and the position of the heating element is set in the thickness direction from the center of the substrate.
- a ceramic heater characterized in that it is disposed at an eccentric position, and a surface farther from the heating element is a heating surface.
- This heater also preferably has a heating element having the above-mentioned configuration of 2 to 8.
- the heating element is preferably made of a sintered body of metal particles or conductive ceramics.
- the heating element is preferably tungsten, molybdenum, tungsten carbide, or molybdenum carbide.
- the degree of eccentricity of the heating element is preferably more than 50% from the heated surface of the substrate and less than 100%.
- the cross-sectional height ratio (width of the heating element / thickness of the heating element) of the heating element is preferably 10 to 10,000.
- the present invention also proposes a method for manufacturing a ceramic heater, characterized by including at least the following steps (1) to (3).
- the conductive paste used in the step (2) it is preferable to use a paste of a mixture of metal particles and a metal oxide.
- the present invention also proposes a method for manufacturing a ceramic heater characterized by including at least the following steps (1) to (4).
- step (3) A step of laminating one or more sheets of the conductive paste-printed green sheet and another green sheet obtained by performing the same treatment as in step (1).
- step 18 When laminating the green sheet obtained by the same processing as in step 1 on the upper and lower sides of the green sheet printed with the conductive base obtained in step 2, the upper and lower sides It is preferable to adjust the ratio of the number of green sheets in the range of 1Z1 to 1Z99.
- the present invention also proposes a conductive paste for a ceramic heater and a heating element comprising metal particles and a metal oxide.
- metal particles it is preferable to use a noble metal or one or more selected from the group consisting of lead, tungsten, molybdenum and nickel.
- the metal oxide may be one or more selected from the group consisting of lead oxide, zinc oxide, silicon oxide, boron oxide, aluminum oxide, yttrium oxide, and titanium oxide. preferable.
- the conductive paste is more than 0.1 wt% to less than 1 Qwt% with respect to the metal particles. It is preferable to use a paste obtained by mixing a metal oxide.
- the metal particles preferably have an average particle size of 0.1 to 1.0 ⁇ im.
- the metal particles are preferably flaky particles or a mixture of spherical particles and flaky particles.
- FIG. 1 is a plan view of one ceramic heater of the present invention
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state of use of the ceramic heater of the present invention
- FIG. 3 is a diagram for explaining a method of manufacturing a ceramic heater of the present invention
- FIG. 4 is a diagram showing terminal pins in through-holes.
- FIG. 5 is an explanatory view showing another example of manufacturing the ceramic heater of the present invention
- FIG. 6 is an explanatory view showing still another example of manufacturing the ceramic heater of the present invention. I can do it.
- the ceramic heater of the present invention uses a ceramic substrate made of insulating nitride ceramic or carbide ceramic, and forms a heat generating body on one surface of the ceramic substrate by printing. It has a heating surface on which semiconductor products such as silicon wafers are placed and heated.
- the ceramic heater of the present invention may also be one in which a heating element having a flat cross-sectional shape is disposed (sandwiched) inside the ceramic substrate.
- the heating element is located at the center of the substrate. May be disposed eccentrically in the thickness direction, and the surface remote from the heating element may be a heating surface.
- the nitride ceramic or carbide ceramic constituting the above substrate has a characteristic that it has a smaller thermal expansion coefficient than metal and does not warp or be distorted by heating even if it is thin. Therefore, the substrate of one heater can be made thin and light.
- such a ceramic substrate has a high thermal conductivity and is thin, so that the surface temperature of the substrate quickly follows a temperature change of the heating element. That is, when the temperature of the heating element is changed by changing the electric power and the electric current, the surface temperature of the ceramic substrate quickly changes following the change.
- the ceramic heater according to the present invention has a heating surface on the side opposite to the side on which the heating element is provided, or is far from a flat heating element which is arranged eccentrically in the thickness direction from the center of the substrate.
- U.S. Pat. No. 5,656,824 does not decenter the heating element and does not disclose a specific shape such as an aspect ratio. For this reason, the temperature uniformity of the heated surface is poor.
- the ceramic substrate preferably has a thickness of about 0.5 to 5 mm. The reason is that if it is too thin, it will be easily broken.
- the nitride ceramic as a material of such a ceramic substrate is selected from metal nitride ceramics, for example, any one selected from aluminum nitride, silicon nitride, boron nitride, boron nitride, titanium nitride, and the like. It is desirable to use one or more.
- the carbide ceramic is selected from metal carbide ceramics, for example, silicon carbide, zirconia, titanium carbide, tantalum carbide, tungsten carbide and the like, and it is desirable to use at least one of them.
- aluminum nitride is preferred. This is because aluminum nitride has the highest thermal conductivity of 180 W / m ⁇ K.
- the heating element disposed on the ceramic substrate is formed by sintering metal particles or metal oxide particles in the conductive paste. This is because each of the particles can be baked on the surface of the ceramic substrate by heating and baking. The sintering treatment is performed to such an extent that the metal particles or the metal particles and the ceramic are fused to each other.
- the thickness of the patterned heating element 2 is desirably about 1 to 50, but when the heating element 2 is formed on the surface of the substrate 1, the thickness is preferably 1 to 10 Aim. On the other hand, when the heating element 2 is formed inside the substrate 1, the thickness is preferably 1 to 50 ⁇ m.
- the width of the heating element is preferably about 0.1 to 20 mm, but when the heating element 2 is formed on the surface of the substrate 1, the width is 0.1 to 5 mm.
- the thickness is preferably about 1 to 20 mm. The reason for limiting to these ranges is generally that the resistance can be changed by changing the thickness and width of the heating element 2, but the above range is most effective for controlling the temperature of the heating element. is there. Note that the resistance value of the heating element 2 increases as it becomes thinner and thinner. It will be good.
- both the thickness and the width can be increased.
- the distance between the heating surface and the heating element becomes short, and the temperature uniformity of the heating surface of the ceramic substrate 1 is reduced, so that the heating surface is uniformly heated. Therefore, it is necessary to increase the width of the heating element 2 itself.
- a heating element is provided inside, there is no need to consider the adhesion of the substrate to nitride ceramics, etc., so it is necessary to use refractory metals such as tungsten and molybdenum, and carbides such as tungsten and molybdenum. It is possible to increase the resistance value. As a result, the thickness of the heating element can be increased for the purpose of preventing disconnection and the like.
- This heating element generally has a rectangular or elliptical cross section, and preferably has a flat shape.
- the heating element when a heating element is provided inside the ceramic substrate 1, the heating element must be flat. The reason for this is that a flat cross section is more likely to radiate heat toward the heating surface, so that it is difficult to generate a temperature distribution on the heating surface.
- the end-to-side ratio (width of the heating element Z and thickness of the heating element) of the cross section of the heating element 2 is desirably about 10 to 10000, and preferably 50 to 5000. By adjusting within this range, the resistance value of the heating element 2 can be increased, and at the same time, the uniformity of the temperature distribution on the heating surface can be ensured.
- the heat transfer amount in the direction of the heating surface of the substrate decreases when the heat-sink ratio is small.
- the heating surface has the same heat distribution as the heating element pattern.
- the aspect ratio is too large, the temperature just above the center of the heating element pattern will be high, and eventually, a heat distribution similar to that of the heating element pattern will be formed on the heating surface.
- the aspect ratio the width of the heating element Z and the thickness of the heating element
- the cross section of the heating element 2 be in the range of 10 to 100 mm ().
- the heating element 2 When the heating element 2 is formed inside the ceramic substrate 1, the end-to-side ratio can be increased. However, when the heating element 2 is provided inside, the heating surface and the heat generation Since the distance to the body becomes shorter and the temperature uniformity on the surface decreases, the heating element itself needs to be flat.
- the position of the heating element in the thickness direction can be eccentrically arranged. It is desirable to set the degree of the position from one surface (heating surface) of the substrate to more than 50% to less than 10%. The reason is that the temperature distribution on the heating surface can be prevented, and the warpage of the ceramic substrate can be suppressed. Preferably it is 55-95%.
- the heating element 2 When the heating element 2 is formed inside the ceramic substrate 1, the heating element may be divided into a plurality of layers. In this case, it is desirable that the patterns of the respective layers are formed so as to complement each other, and that a complete pattern is formed in any layer when viewed from the heating surface. For example, a structure in which the upper layer and the lower layer are arranged in a zigzag pattern with each other so as to form a complete pattern as a whole.
- the heating element 2 When the heating element 2 is disposed on the surface of the ceramic substrate 1, it is desirable that a part (bottom) of the heating element be disposed in a state buried in the ceramic substrate. This is because, by disposing the heating element in this way, it is possible to simultaneously improve the resistance control of the heating element and the adhesion to the ceramic base material.
- the conductive paste is generally a mixture of a resin, a solvent, a thickener, and the like, in addition to metal particles for ensuring conductivity, or conductive ceramic.
- precious metal gold, silver, platinum, palladium
- lead tungsten emissions
- molybdenum c these metals more than any one selected from nickel is used rather relatively oxidized difficulty, Because it shows sufficient resistance to generate heat c
- the conductive ceramic any one or more selected from carbides of tungsten / molybdenum and the like can be used.
- These metal particles or conductive ceramics preferably have a particle size of Q. 1 to 10 m. If it is too fine, it is easily oxidized, while if it is too large, it becomes difficult to sinter and the resistance value becomes large.
- the metal particles may be spherical, scaly, or a mixture of spherical and scaly.
- a metal oxide described later is easily held between the metal particles, and the adhesion between the heating element and the nitride ceramic or the like is improved.
- a resin used for such a conductive paste an epoxy resin, a phenol resin, and the like are preferable.
- Isopropyl alcohol and the like can be used as the solvent.
- Cellulose and the like can be used as the thickener.
- the conductive paste further contains a metal oxide in addition to the metal particles so that the heating element is a sintered body of a mixture of the metal particles and the metal oxide. That is, if a metal oxide is interposed between the nitride ceramic or the carbide ceramic and the metal particles, the adhesion between them can be improved. Although the reason why the adhesion is improved is not clear, the surface of the metal particles and the surface of the nitride ceramic or the surface of the carbide ceramic slightly contain an oxide film. It is presumed that the metal particles and the nitride ceramic or the carbide ceramic adhere to each other via the oxide as a result of showing an affinity for the material and easily integrating them.
- the metal oxide at least one selected from the group consisting of lead oxide, zinc oxide, silicon oxide, boron oxide, aluminum oxide, yttrium oxide, and titanium oxide is used. This is because these oxides can improve the adhesion between the metal particles and the nitride ceramic or the carbide ceramic without increasing the resistance value of the heating element.
- the addition amount of the metal oxide is 0.1 to less than 10 wt% with respect to the metal particles. It is desirable. The reason for this is that if the content is less than 0.1 wt%, the effect of the addition is ineffective, whereas if it is 1 Owt% or more, the resistance value of the heating element 2 becomes too large.
- the mixing ratio of these metal oxides is 1 to 1 Owt% for lead oxide and 1 to 30 t% for silicon oxide and 5 to 30 t% for boron oxide when the total amount of metal oxides is 100 wt%.
- Aluminum oxide 1-1 ⁇ 1 wt%, yttrium oxide 1 ⁇ 50 wt%, titanium oxide 1 ⁇ 50 wt% It is desirable that the total be adjusted so that the total does not exceed 10 Owt%. These ranges are particularly effective in improving the adhesion between the metal particles and the nitride ceramic.
- the sheet resistivity of the heating element can be set to 1 to 45 ⁇ . If the sheet resistivity is too large, the amount of heat generated becomes too large with respect to the applied voltage, and in the case where a heating element is provided on the surface of the ceramic substrate, control becomes difficult. When the amount of the metal oxide is 1 [] wt% or more, the sheet resistivity exceeds 5 ⁇ ⁇ , and the heat generation becomes too large to control the temperature. Uniformity decreases.
- the area resistivity was 5 Although it has been considered that it is unsuitable as a heater resistor (Japanese Patent Application Laid-Open No. 4300249), the present invention conversely sets the area resistivity to 45 mQZL or less to control the temperature. The temperature distribution was made uniform to ensure uniformity.
- the heating element is a sintered body of metal particles, if the heating element is exposed to the air, it is easily oxidized and the resistance value changes. Therefore, oxidation was prevented by coating the surface of the sintered metal particles with a metal layer.
- the thickness of the metal layer is preferably about 0.1 to 1. This is because the heating element can be prevented from oxidizing without changing the resistance value of the heating element.
- the metal coated on the surface of the metal particle sintered body may be a non-oxidizing metal.
- a non-oxidizing metal For example, at least one selected from gold, silver, palladium, platinum, and nickel is preferable. Of these, nickel is preferred.
- the heating element generally needs a terminal to connect to the power supply, and this terminal is attached to the heating element via solder, but so-called nickel also has the function of preventing heat diffusion of the solder. From one. Kovar terminal pins can be used as the connection terminals.
- the heating element when the heating element is arranged inside the ceramic substrate, the heating element surface is not oxidized, so no coating is required.
- the solder may be a solder alloy such as silver lead, lead tin, bismuth soot, etc., and the thickness of the solder layer is 0.1 to 50 ⁇ m, which is a sufficient range to secure the connection by the solder. It is.
- thermocouple G1 can be embedded in the ceramic substrate 1 as necessary, as shown in FIG. 5 (d).
- the temperature of the ceramic substrate 1 is measured by the thermocouple 61, the voltage and current are adjusted based on the data, and the temperature of the heating surface of the ceramic substrate 1 can be easily and accurately controlled.
- FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a usage state of the ceramic heater of the present invention.
- reference numeral 3 denotes a terminal pin
- 4 denotes a sintered body of metal (Ag—Pb) particles
- 5 denotes a metal (N i) coating layer.
- Reference numeral 6 denotes a solder layer through which the terminal pins 3 are mounted.
- a plurality of through-holes 8 are provided in the ceramic substrate 1, and support pins 7 of a semiconductor wafer are inserted into the through-holes 8.
- Mount 9 adjacent or with a slight gap In this case, when the semiconductor wafer 9 is delivered to a carrier (not shown) or the semiconductor wafer 19 is received from the carrier, the support pins 7 are moved up and down.
- a heating element is formed on the surface of a ceramic substrate (Fig. 2)
- powder of a nitride ceramic such as nitrided nitride or a powder of a carbide ceramic such as silicon carbide, and, if necessary, a sintering aid such as an iterator.
- the mixed powder composed of the binder is made into granules by a method such as a spray-drying method, and the obtained granules are put into a mold or the like and pressed to be formed into a plate shape to form a formed body.
- the above-mentioned formed body is provided with a through hole 8 for inserting a support pin 7 of a semiconductor wafer and a concave portion G2 for burying a thermocouple 61 as necessary.
- the green compact is heated and fired and sintered to produce a ceramic plate.
- a ceramic substrate for a heater without pores is manufactured by applying pressure.
- the heating and sintering may be performed at a temperature equal to or higher than the sintering temperature.
- the temperature is preferably 100 to 250 ° C.
- a conductive paste containing metal particles is printed on the surface of the ceramic plate (one heater, ie, ceramic substrate) obtained in the above step (1) to form a metal particle layer 4. Forming step.
- a conductive paste having high viscosity and fluidity composed of metal particles, a resin, and a solvent is printed at a required position by a method such as screen printing.
- the reason why the conductive paste is applied by printing to form the metal particle layer 4 is that, in order to form the heating element 2 for heating the entire ceramic substrate to a uniform temperature, a concentric circle as shown in Fig. 1 is used. This is because it is desirable to accurately form a pattern in which the heating element is formed. Further, it is preferable that the cross-sectional shape of the heating element is a flat cross-sectional shape based on a square.
- heating and sintering temperature is 500 to 1000 ° C.
- a metal oxide is added to the conductive paste, the metal particles, the ceramic plate and the metal oxide are sintered and integrated, so that the heating element and The adhesion to the ceramic plate is improved.
- a metal coating layer 5 may be formed on the surface of the metal particle layer 4. This treatment can be performed by electroplating, electroless plating, or sputtering. However, considering mass production, electroless plating is optimal.
- terminal pins 3 for connection to a power supply are attached by soldering.
- a green sheet 31 is obtained by mixing a ceramic powder such as a nitride ceramic or a carbide ceramic with a binder and a solvent.
- the above-mentioned ceramic powder aluminum nitride, silicon carbide and the like can be used, and if necessary, a sintering aid such as yttrium oxide (ittrium) is added. Is also good.
- the binder is preferably at least one selected from the group consisting of acrylic binder, ethyl cellulose, butyl cellulose, and polyvinylalte.
- the solvent is selected from terpione and glycol, and it is preferable to use at least one of them.
- a paste obtained by mixing these is formed into a sheet by a doctor blade method to produce a green sheet 31.
- the obtained green sheet may be provided with a through hole 8 for inserting a support pin 7 of a silicon wafer and a concave portion 62 for embedding a thermocouple 61 as necessary.
- the through hole 8 and the concave portion 62 are formed by one method such as punching.
- the thickness of the green sheet is preferably about 0.1 to 5 mm.
- the metal particle layer 4 serving as a heating element is formed by printing a conductive paste using a metal paste or a conductive ceramic.
- These pastes contain metal particles or conductive ceramic particles, such as tungsten or molybdenum, and tungsten or molybdenum carbide as the conductive ceramic particles. is there. This is because they are not easily oxidized and the decrease in thermal conductivity is small.
- the average particle diameter of the above-mentioned tungsten particles or molybdenum particles is preferably [] .1 to 5 / m, because printing the conductive paste becomes difficult if the particles are too large or too small.
- the paste 85 to 97 parts by weight of metal particles or conductive ceramic particles, at least one kind of binder selected from acryl-based, ethylcellulose, butyl cellulose, and polyvinylalle 1.5 to 1 (3 parts by weight, tungsten paste or molybdenum paste prepared by mixing 1.5 to 10 parts by weight of at least one solvent selected from one terbione and glycol is most suitable.
- the formation position of the heating element 2 is eccentric in the thickness direction.
- the number of green sheets having the same thickness is laminated, and the ratio of the upper and lower configurations is set to 1Z1 to 1Z99. Specifically, 20 to 50 sheets are stacked on the upper side, and 5 to 20 sheets are stacked on the lower side.
- the granular powder was placed in a mold and formed into a flat plate to obtain a formed product.
- the green compact was drilled to provide a through hole 8 for inserting a semiconductor wafer-support pin, and a recess (not shown) for embedding a thermocouple.
- a conductive paste was printed on the ceramic substrate 1 obtained in (3) by screen printing.
- the printing pattern was a concentric pattern as shown in Fig. 1.
- Solvent PS603D manufactured by Toku Kagaku Kenkyusho, which is used to form through holes in printed wiring boards, was used.
- This conductive paste is a silver-Z-lead paste, which is composed of a metal oxide consisting of a mixture of lead oxide, zinc oxide, silica, boron oxide and alumina (the weight ratio of each is 5Z55 / 10/25/10), and silver paste. It contains 7.5 wt% of the amount.
- the silver used had a mean particle size of 4.5 ⁇ m and a flake shape.
- the ceramic substrate on which the conductive paste was printed was heated and fired at 780 ° C. to sinter silver and lead in the conductive paste, and baked on the ceramic substrate 1.
- the pattern made of the silver-lead lead sintered body 4 had a thickness of 5 m, a width of 2.4 lines, and a sheet resistivity of 7.7 ⁇ .
- the ceramic substrate 1 of (5) is immersed in an electroless nickel plating bath composed of a liquid, and a 1 im nickel metal layer 5 having a thickness of 1 im is deposited on the surface of the silver-lead lead sintered body 4 to generate heat.
- Body 2 formed.
- a solder layer (made by Tanaka Kikinzoku) 6 was formed by printing silver-lead solder paste from screen printing 1 on the part where terminals for securing the connection to the power supply were to be attached. Then, terminal pins 3 made of Kovar were placed on the solder layer 6 and heated and reflowed at 420 ° C. to attach the terminal pins 3 to the surface of the heating element 2.
- thermocouple (not shown) for temperature control was embedded to obtain a heater 1-10 (Figs. 1 and 2).
- Example 2 A heater made of silicon carbide ceramic substrate
- Example 2 Basically the same process as in Example 1, but using silicon carbide powder with an average particle size of 1.0 rn, sintering temperature of 190 ITC, and sintering the surface at 1500 ° C for 2 hours to obtain a thickness of 1 the ⁇ Rn to form S 1 ⁇ two layers.
- the followability of the temperature of the heating surface of the ceramic substrate to changes in voltage and current and the pull strength of the heating element 2 were measured. That is, when a voltage was applied to each heater, the heater of Example 1 showed a temperature change in .5 seconds, and the heater of Example 2 showed a temperature change in 2 seconds. On the other hand, with regard to the pull strength of the heat generating body 2, the heater of Example 1 was 3.1 kg / paint 2 , and the heater of Example 2 was 3 kg / country 2 .
- a semiconductor wafer with a diameter of 1.8 mm and 3.0 mm. 5.0 is provided with through-holes for inserting support pins and through-holes 38 for connecting the heat generator and terminal pins.
- a conductive paste was prepared by mixing 100 parts by weight of tungsten particles having an average particle diameter of 3 / ⁇ , 1.9 parts by weight of an acrylic binder, 3.7 parts by weight of a terbione solvent, and 0.2 parts by weight of a dispersant.
- the conductive paste was printed on the green sheet 31 by drawing a pattern by screen printing.
- the printing pattern was a concentric circle as shown in Fig. 1.
- the through-hole 3 8 for through-hole for connection to a terminal pin 3 7 sheets of conductive paste B Takashi ⁇ the c further, the green sheet 3 1 not printed with the conductive paste A on the upper side (heating surface)
- 17 sheets were laminated on the lower side, and were combined at 130 ° C. and a pressure of 80 kg / cm 2 to form a laminate (FIG. 3).
- the laminate was degreased in nitrogen gas at 600 ° C. for 5 hours, and hot-pressed at 1890 t and a pressure of 150 kg / cm 2 for 3 hours to obtain an aluminum nitride plate having a thickness of 3 countries. This was cut into a circular shape with a diameter of 230 o'clock, and a ceramic substrate 51 having a heating element of 6 mm in thickness and 1 mm in width was cut inside (Fig. 5 (a)).
- connection of the terminal pins 60 is desirably made to have a structure in which the terminal pins 60 are supported at three points by using the concave portions 48 in order to secure connection reliability.
- a plurality of thermocouples 61 for temperature control were buried in the hole 62 to obtain a ceramic heater (Fig. 5 (d)).
- a nichrome wire sandwiched by silicone rubber was used as a heating element.
- a 15 mm thick aluminum plate and a contact plate were sandwiched by the heating element and fixed with a port to form a heater. When a voltage was applied to the heater, it took 24 seconds for the temperature to change.
- Example 2 Basically the same as in Example 1, except that 100 parts by weight of alumina powder (average particle diameter: 1.0 m), 12 parts by weight of acrylic binder and 12 parts by weight of alcohol and a ligated material made of alcohol are granulated by a spray drier method.
- alumina powder average particle diameter: 1.0 m
- acrylic binder 12 parts by weight
- alcohol a ligated material made of alcohol
- Jo which was placed in a mold, and molded body is molded into a flat plate, the raw formed body 1200 ° C, and hot Topuresu at a pressure 200 kg / cm 2, to obtain an alumina substrate of 3 mm thick .
- tungsten particles having an average particle diameter of 3 ⁇ m 100 parts by weight of tungsten particles having an average particle diameter of 3 ⁇ m, 1.9 parts by weight of an acrylic binder, 3.7 parts by weight of «-terbione solvent, 0.2 parts by weight of a dispersant was mixed to form a conductive paste, which was printed.
- the ceramic substrate on which the conductive base was printed was heated and baked with lOOtTC to sinter tungsten.
- Example 4 Basically the same as in Example 4, except that the heating element is not a flat one, but the cross section is a square with a thickness of 20 mx 2 m2 and a width of 2 ⁇ m (1).
- the heating element is not a flat one, but the cross section is a square with a thickness of 20 mx 2 m2 and a width of 2 ⁇ m (1).
- Example 4 Basically the same as in Example 4, except that the printing conditions are changed, and the heating element is not flat, but has a cross-section of 5 x mx 72 widths (12000 ratio). Was used.
- Example 4 Basically the same as in Example 4, except that a green paste printed with a conductive paste is used.
- two sheets are stacked on the lower side and 25 sheets on the upper side, and the heating element is arranged at the center of the ceramic substrate.
- a force solver having the following composition was adjusted instead of the force solver PS603D which is basically the same as in Example 1.
- metal oxide lead oxide, zinc oxide, silica, boron oxide, alumina, weight ratio of each
- the sheet resistivity was 4 ⁇ .
- Nitrided aluminum powder (average particle size 1.1 ⁇ ) 100 parts by weight, yttria (yttrium oxide, average particle size 0.4 urn) 4 parts by weight, acrylic binder 1
- the composition consisting of 2 parts by weight and alcohol is granulated by a spray drier method.
- the green sheet was hot-pressed at 1800 ° (with a pressure of 200 kg / cm 2) to obtain an aluminum nitride substrate with a thickness of 3 mm. It was set to 1.
- sandblasting was performed with alumina powder having a diameter of 1 ⁇ m, and a groove having a width of 2.4 mm and a depth of 6 ⁇ m was formed at the position where the heating element was formed.
- a conductive paste was printed by screen printing to form a metal particle layer serving as a heating element.
- the pattern of the metal particle layer was a concentric pattern as shown in Fig. 1.
- the conductive paste is a solvent paste PS603D manufactured by Tokuka Kagaku Kenkyusho that is used to form through holes in printed wiring boards. used.
- This conductive paste is a silver Z lead paste, and a metal oxide composed of lead oxide, zinc oxide, silica, boron oxide, and alumina (the weight ratio of each is
- 5/5 5 X 10/25/5) is 7.5% by weight based on the amount of silver.
- the silver used was a flake with an average particle size of 4.5 m.
- the ceramic substrate on which the metal particle layer was formed was heated and fired at 780 ° C to sinter silver and lead in the metal particle layer (conductive paste) and baked on the ceramic substrate 1 .
- the pattern of the sintered body 4 of silver lead had a thickness of 5 mm, a width of 2.4 strokes, and a sheet resistivity of 7.7 mm ⁇ .
- the solder layer (made by Tanaka Kikinzoku) was formed by printing a silver-lead solder paste from screen printing 1 on the area where the terminal pins for securing the connection to the power supply were to be attached.
- terminal pins made of Kovar were placed on the solder layer 6, and heated and reflowed at 420 ° C. to attach the terminal pins to the surface of the heating element (see FIG. 6).
- the heating element is embedded in the ceramic substrate but is exposed from the surface. Further, the heating element as shown in FIG. 6B may be partially buried inside the ceramic substrate and partially exposed.
- Example 2 Basically the same as Example 1, except that lead oxide and zinc oxide were added to Solvent PS 6-3D to adjust the amount of metal oxide to 10%.
- the area resistance rate of the obtained heating element was 5 ⁇ / ⁇ ].
- Example 1 to 8 (excluding Example 3) and Comparative Examples 1 to 3, the time (response time) until a temperature change after voltage application was confirmed was measured. Also, the surface temperature The difference between the maximum temperature and the minimum temperature of the heated surface when the temperature was set to 60 (TC) was measured. In Examples 1 and 8, the pull strength (unit: kgZ 2 was measured.
- the ceramic heater of the present invention is practical because it is thin and light, and is used particularly for heating and drying the product in the field of the semiconductor industry.
- the ceramic heater according to the present invention uses nitride ceramic or carbide ceramic as the ceramic substrate and is thin, so that the heating surface can follow the temperature and the amount of change in the amount of current. Excellent and easy to control temperature. Furthermore, since the uniformity of the temperature distribution on the heated surface is excellent, semiconductor products can be dried efficiently.
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Description
明 細 セラ ミ ック ヒータ一およびその製造方法、 発熱体用導電ペースト 技術分野
本発明は、 主に半導体産業において用いられる乾燥用セラミック ヒ一タ一に 関し、 特に、 温度制御しやすく、 薄くて軽いセラ ミ ック ヒーター及びその製造 方法と、 該ヒータ一の発熱体を形成するために用いられる導電ペーストに関す る。 背景技術
代表的な半導体製品は、 例えば、 シリ コ ンウェハー上にエッチングレジス ト (感光性樹脂） を塗布したのちエッチングすることにより製造している。 こ の場合、 シリ コ ンウェハー表面に塗布された感光性樹脂は、 塗布後に乾燥しな ければならない。 乾燥の方法としては、 前記樹脂が塗布されたシリ コ ンウェハ 一をヒータ一上に載置して加熱することが一般的である。
このようなヒーターとしては、 従来、 アルミニウム製基板の裏面に発熱体を 取付けたものが代表的である。 ところが、 このような金属製のヒーターは次の ような問題があった。
即ち、 ヒーター本体である基板が金属製であるため、 厚みを 1 5 mm程度と 厚く しなければならない。 なぜなら、 薄い金属板では、 加熱に起因する熱膨張 により、 そり、 歪みが発生してしまい、 金属板上に載置されるウェハーが破損 したり傾いたりしてしてしまうからである。 そのため、 従来の金属製ヒーター は重量が大きく、 かさばるという問題があった。
また、 ヒーターによるシリ コ ンウェハーの加熱は、 発熱体に印加する電圧や 電流を調節することにより、 基板の温度を制御して行われる。 しかし、 この方 法は、 金属板が厚いために、 電圧や電流の変化に対してヒーター基板の温度が
迅速に追従せず、 温度制御特性が悪いという問題があつた。
本発明の主たる目的は、 温度制御しやすく、 薄くて軽いヒーター及びその製 造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、 発熱特性に優れる発熱体用導電ペーストを提供するこ とにある。 発明の開示
従来技術が抱えている上記課題について検討した結果、 発明者らは、 ヒータ 一用基板として、 アルミニウムなどの金属に代えて熱伝導性に優れたセラミッ ク， とくに窒化物セラミックまたは炭化物セラミックを用いることに着目した c こうしたセラミック基板は、 薄く してもそりや歪みが発生せず、 また、 温度制 御が迅速， 容易にでき、 とくに発熱体に印加する電圧や電流を変化させて温度 制御するときの応答性に優れるという事実を知見した。
また、 発明者らは、 金属粒子を含む導電ペーストは、 一般に、 窒化物セラ ミ ックや炭化物セラミックとは密着しにくい性質があるが、 その導電ペーストに 金属酸化物を加えると、 金属粒子の焼結を通じてその密着性が改善されるとい う事実を知見した。
このような知見の下に開発した本発明の要旨構成は次とおりである。
1 . 本発明は、 窒化物セラミックまたは炭化物セラミックからなるセラミツ ク基板の表面に、 発熱体を配設してなるセラミックヒーターである。
2 . 前記発熱体は、 一部がセラミック基板中に埋設された状態に配設するこ とが好ましい。
3 . 前記発熱体は、 金属粒子の焼結体からなることが好ましい。
4 . 前記発熱体は、 金属粒子と、 酸化鉛、 酸化亜鉛、 酸化珪素、 酸化ホウ素、 酸化アルミニウム、 酸化イ ツ ト リウム及び酸化チタンから選ばれるいずれか 1 種以上の金属酸化物と、 からなることが好ましい。
5 . 前記金属粒子は、 貴金属、 鉛、 タングステン、 モリブデンおよびニッケ
ルから選ばれる 、ずれか 1種 £1上を用いることが好ましい。
6 . 前記発熱体は、 その表面が、 非酸化性の金属層で被覆されていることが 好ましい。
7 . 前記発熱体は、 断面ァスぺク ト比 （発熱体の幅 Z発熱体の厚さ） 力 10 〜10000 の断面形状のものであることが好ましい。
8 . 前記窒化物セラ ミ ックまたは炭化物セラ ミ ックからなるセラ ミ ック基板 の内部に、 断面ァスぺク ト比 （発熱体の幅 Z発熱体の厚さ） が 1 ϋ〜100ϋ0 であ る扁平形状の発熱体を配設することを特徴とする。
9 . 本発明は、 窒化物セラミックまたは炭化物セラミックからなるセラミ ツ ク基板の内部に、 扁平形状の発熱体を配設すると共に、 その発熱体の配設位置 を、 基板の中心から厚さ方向に偏芯した位置に配設し、 かつその発熱体からは 遠い側の面を加熱面としたことを特徴とするセラミックヒータ一である。 この ヒーターもまた、 発熱体は上記 2〜 8の構成を具えることが好ましい。
1 0 . 前記発熱体は、 金属粒子または導電性セラミッタスの焼結体からなる ことが好ましい。
1 1 . 前記発熱体は、 タングステン、 モリブデン、 タングステンカ一バイ ド、 モリブデンカ一バイ ドであることが好ましし、。
1 2 . 前記発熱体の偏芯程度は、 基板の加熱面から 5 0 %を越え、 1 0 0 %未 満までの位置であることが好ましい。
1 3 . 前記発熱体の断面了スぺク ト比 （発熱体の幅/発熱体の厚さ） は 10〜 10000 であることが好ましい。
1 4 . 本発明はまた、 少なくとも 下の①〜③の工程を含むことを特徴とす るセラミックヒーターの製造方法を提案する。
① 窒化物セラミ ック粉末または炭化物セラミ ック粉末を焼結して窒化物セラ ミックまたは炭化物セラミ ックからなる基板を成形する工程。
② 前記基板上に導電ペーストを印刷する工程。
③ 導電ペーストを加熱して焼結させ、 上記セラミック基板表面に発熱体を形
成する工程。
1 5 . 前記工程③の後工程として、 得られた発熱体表面に非酸化性金属をめ つきして金属被覆層を形成する工程を採用することが好ましし、。
1 6 . 前記工程②で用いる導電ペーストは、 金属粒子と金属酸化物との混合 物のペーストを用いることが好ましい。
1 7 . 本発明はまた、 少なくとも以下の①〜④の工程を舍むことを特徴とす るセラ ミ ックヒータ一の製造方法を提案する。
① 窒化物セラミ ック粉末または炭化物セラミック粉末を成形して窒化物セラ ミ ックまたは炭化物セラミックのグリーンシー トを得る工程。
② 前記窒化物セラ ミ ックまたは炭化物セラ ミ ックのグリーンシートの表面に、 金属粒子単独または金属酸化物との混合物からなる導電ペーストを印刷するェ 禾王。
③ 前記導電ペース ト印刷済みグリーンシートと、 工程①と同様に処理して得 られた他のグリーンシートとを 1枚以上を積層する工程。
④ 加熱加圧してグリーンシートおよび導電べ一ストを焼結する工程。
1 8 . 工程②で得られた導電べ一ス ト印刷済みグリーンシー トの上側および 下側に、 工程①と同様の処理によって得られたグリーンシー トを積層するに当 たって、 上側と下側のグリーンシー トの枚数の比率を 1 Z 1から 1 Z 9 9の範 函で調節することが好ましい。
1 9 . 本発明はまた、 金属粒子および金属酸化物からなるセラ ミ ックヒータ 一発熱体用導電ペーストを提案する。
2 0 . 前記金属粒子は、 貴金属または鉛， タングステン， モリブデンおよび ニッケルから選ばれる 1種以上のものを用いることが好ましい。
2 1 . 前記金属酸化物は、 酸化鉛、 酸化亜鉛、 酸化けい素、 酸化ホウ素、 酸 化アルミニウム、 酸化ィ ッ ト リウム、 酸化チタンから選ばれるいずれか 1種以 上からなるものを用いることが好ましい。
2 2 . 前記導電ペーストは、 金属粒子に対して 0. 1 wt%超〜 1 Q w t%未満の
金属酸化物を混合してなるペーストを用いることが好ましい。
2 3 . 前記金属粒子の平均粒子径は、 0. 1 〜1ϋ0 i mの大きさであることが 好ましい。
2 4 . 前記金属粒子は、 リン片状粒子、 もしくは、 球状粒子とリン片状粒子 との混合物であることが好ましい。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明のセラミックヒータ一の平面図、
第 2図は、 本発明のセラミ ックヒータ一の使用状態を示す断面図、 第 3図は、 本発明のセラミックヒーターの製造方法を説明する図、 第 4図は、 スルーホール用孔に端子ピンを接続するもようを示す説明図、 第 5図は、 本発明のセラミ ックヒータ一の他の製造例を示す説明図、 第 6図は、 本発明のセラミックヒーターのさらに他の製造例を示す説明図で める。
発明を実施するための最良の形態
本発明のセラ ミックヒーターは、 絶縁性の窒化物セラ ミックまたは炭化物セ ラミ ックからなるセラミ ック基板を用い、 このセラミック基板の一方の面に発 熱体を印刷形成し、 他の面の上にシリ コ ンゥェハなどの半導体製品を載置して 加熱する加熱面としたものである。
本発明のセラミ ックヒータはまた、 扁平な断面形状を有する発熱体を、 セラ ミ ック基板の内部に配設 （挟持） したものであってもよく、 この場合、 該発熱 体は、 中心から基板の厚さ方向に偏芯させて配設し、 かつその発熱体から遠い 方の面を加熱面としたものであってもよい。
上記基板を構成する窒化物セラミ ックまたは炭化物セラミ ックは、 熱膨張係 数が金属より小さく、 薄く しても、 加熱により、 反ったり、 歪んだりしない特 徴がある。 そのため、 ヒータ一の基板を薄くて軽いものとすることができる。
また、 このようなセラ ミ ック基板は、 熱伝導率が高く、 しかも薄いために該 基板の表面温度が、 発熱体の温度変化に対して迅速に追従するという特徴があ る。 即ち、 電压、 電流を変えて発熱体の温度を変化させる際に、 その変化にセ ラミ ック基板の表面温度も速やかに追随して変動するという特徴がある。 しかも、 本発明のセラミ ックヒーターは、 発熱体配設側とは反対側を加熱面 とすること、 もしくは基板の中心から厚さ方向に偏芯させて配設される、 扁平 形状の発熱体から遠い側を、 加熱面とすることにより、 熱の伝搬が該基板全体 に均一にかつ速やかに拡散するため、 加熱面に発熱体のパターンに限られた温 度分布が発生するのを抑制することができ、 ひいては加熱温度の分布を均一な ものとすることができる。
なお、 この点に関し、 例えば U S P 5 6 4 3 4 8 3号明細書では、 石英基板 の一方の面を粗化し、 ここに白金一パラジウムペーストで発熱体を設け、 発熱 体の反対側面にウェハを載置して加熱する技術が開示されている。 また、 U S P 5 6 6 8 5 2 4号明細書では、 ヒータを埋設したチヤック付きセラミ ックヒ —タを開示している。 さらに、 U S P 5 5 6 6 0 4 3号明細書では、 窒化ホウ 素基板表面に熱分解グラファイ トの発熱体を設けたヒータ一をそれぞれ開示し ている。
しかしながら、 前記 U S P 5 6 4 3 4 8 3号明細書では石英基板を使用し、 また白金一パラジウムペーストで発熱体を設けており、 本発明のように酸化物 を混合していないため、 粗化しなければ発熱体を形成できない。
また、 U S P 5 6 6 8 5 2 4号明細書では、 発熱体を偏芯させておらず、 ま た、 ァスぺク ト比など具体的な形状を開示していない。 このため、 加熱面の温 度均一性に劣る。
さらに、 U S P 5 5 6 6 0 4 3号明細書では、 熱分解グラファイ トの発熱体 を使用しているため、 空気中で 5 0 0 °c以上に加熱すると発熱体自体が焼失し てしまい、 使用温度域が限定される。
このように、 これらの技術は、 本発明とは全く異なるのである。
前記セラミ ック基板は、 0. 5 〜 5 mm程度の厚さのものがよい。 その理由は、 薄すぎると破損しやすくなるからである。
かかるセラミ ック基板の素材である窒化物セラミ ックとしては、 金属窒化物 セラ ミ ック、 例えば、 窒化了ルミ二ゥム、 窒化ケィ素、 窒化ホウ素、 窒化チタ ンなどから選ばれるいずれか 1種以上を使用することが望ましい。 一方、 炭化 物セラミックとしては、 金属炭化物セラミ ック、 例えば、 炭化けい素、 炭化ジ ルコニゥム、 炭化チタン、 炭化タンタル、 炭化タングステンなどから選ばれる し、ずれか 1種以上を使用することが望ましし、。 ただし、 これらのセラ ミ ックの 中でも窒化アルミニウムが好適である。 その理由は、 窒化アルミニウムの熱伝 導率は 1 8 0 W/m · Kと最も高いからである。
また、 かかるセラミ ック基板に配設される発熱体は、 導電ペースト中の金属 粒子や金属酸化物粒子を焼結して形成される。 このように前記各粒子を加熱焼 成により、 セラ ミ ック基板表面に焼き付けることができるからである。 なお、 この焼結処理は、 金属粒子どうしあるいは金属粒子と前記セラミ ックが互いに 融着する程度とする。
次に、 前記発熱体 2は、 図 1に示すように、 セラミック基板 1全体の温度を 均一に昇温する必要があることから、 同心円状に配設したパターンがよい。 パ タ一ン形成した該発熱体 2の厚さは、 1〜 5 0 程度が望ましいが、 該基板 1の表面に発熱体 2を形成する場合は、 1〜 1 0 Ai mが好ましい。 一方、 該基 板 1の内部に該発熱体 2を形成する場合は、 1 ~ 5 0〃mの厚さにすることが 好ましい。
また、 この発熱体の幅は、 0. 1 〜2 0 mm程度とすることが望ましいが、 基 板 1の表面に発熱体 2を形成する場合は、 0. 1 〜 5 mm、 基板 1の内部に該発 熱体 2を形成する場合は、 1〜2 0 mm程度とすることが好ましい。 これらの 範囲に限定する理由は、 一般に、 発熱体 2の厚さおよび幅を変えることにより 抵抗値を変化させることができるが、 上記範囲が発熱体の温度制御に対して最 も効果的だからである。 なお、 発熱体 2の抵抗値は、 薄くかつ細くなるほど大
きくなる。
また、 この発熱体 2は、 基板 1の内部に形成した場合の方が、 厚み、 幅とも 大きくすることができる。 この理由は、 発熱体 2を内部に設けると、 加熱面と 発熱体との距離が短くなり、 セラ ミ ック基板 1の加熱表面の温度均一性が低下 するため、 加熱面を均一に加熱するには、 該発熱体 2自体の幅を広げる必要が 生じる。 一方で、 内部に発熱体を設ける場合、 基板の窒化物セラミック等との 密着性を考慮する必要性がなくなるため、 タングステンゃモリブデンなどの高 融点金属、 タングステンやモリブデンなどの炭化物を使用することができ、 ひ いては抵抗値を高くすることが可能となる。 その結果として、 断線等を防止す る目的で発熱体の厚みを厚くすることができるのである。
この発熱体は、 一般には断面が方形あるいは楕円形であって、 好ましくは扁 平な形状であることが望ましい。 とくに、 セラミック基板 1の内部に発熱体を 設ける場合は、 扁平であることが必須となる。 その理由は、 断面が扁平な形状 の方が加熱面に向かって放熱しやすいため、 加熱面に温度分布ができにくいか らである。
かかる発熱体 2の断面の了スぺク ト比 （発熱体の幅 Z発熱体の厚さ） は、 10 〜10000 程度であることが望ましく、 50〜5000が好ましい。 この範囲内に調整 すると、 発熱体 2の抵抗値を大きくすることができると同時に、 加熱面の温度 分布の均一性を確保することができるからである。
セラミ ック基板 1の表面もしくは内部に配設した発熱体 2のパターンの厚さ が一定の場合、 了スぺク ト比が小さいと、 基板の加熱面方向への熱の伝達量が 小さくなり、 加熱面には発熱体パターンと同じような熱分布になってしまう。 逆に、 ァスぺク ト比が大きすぎると発熱体パターン中央の直上部分が高温とな つてしまい、 結局、 加熱面には発熱体パターンと同じような熱分布が形成され る。 このような温度分布を考慮すると、 発熱体 2の断面のァスぺク ト比 （発熱 体の幅 Z発熱体の厚さ） は、 10〜100ϋ(] の範囲内とすることが望ましい。
それは、 発熱体 2の了スぺク ト比を 50〜5000とすることにより、 熱衝擊によ
るクラックや剝雜が発生しにく くなるからである。
なお、 前記発熱体 2は、 セラミック基板 1の内部に形成した場合の方が、 了 スぺク ト比を大きくすることができるが、 この発熱体 2を内部に設けた場合、 加熱面と発熱体との距離が短くなり、 表面の温度均一性が低下するため、 発熱 体自体は扁平形状にする必要がある。
本発明においては、 発熱体 2をセラ ミ ック基板 1の内部に配設する場合、 こ の発熱体の厚み方向の配設位置を偏芯させて配設することができるが、 その偏 芯の程度は、 基板の一方の面 （加熱面） から 5 0 %越え〜 1 0 ϋ %未満までの 位置とすることが望ましい。 その理由は、 加熱面の温度分布を防止し、 かつセ ラミック基板のそりの発生を抑制できるからである。 好ましくは 5 5〜 9 5 % である。
なお、 この発熱体 2をセラ ミ ック基板 1の内部に形成する場合は、 発熱体を 形成層を複数段に分けてもよい。 この場合は、 各層のパターンは相互に補完す るように形成し、 加熱面からみるとどこかの層で完全なパターンが形成された 状態にすることが望ましい。 例えば、 上層と下層とで互いに千鳥模様に配置し て全体として完全なパターンとなるようにした構造である。
なお、 発熱体 2は、 セラミ ツク基板 1の表面に配設する場合は、 この発熱体 の一部 （底部） がセラ ミ ックス基板中に埋設された状態に配設することが望ま しい。 発熱体をこのように配設すると、 発熱体の抵抗制御の改善とセラミ ック ス基材との密着性の改善を同時に実現できるからである。
次に、 セラミック基板に、 前記発熱体を形成するために用いられる導電べ一 ストについて説明する。 この導電ペーストは、 導電性を確保するための金属粒 子、 または導電性セラミ ックの他、 樹脂、 溶剤、 増粘剤などを混合したものが 一般的である。
金属粒子としては、 貴金属 （金、 銀、 白金、 パラジウム） 、 鉛、 タングステ ン、 モリブデン、 ニッケルから選ばれるいずれか 1種以上のものが用いられる c これらの金属は比較的酸化しにく く、 発熱するに十分な抵抗を示すからである c
一方、 導電性セラミ ックとしては、 タングステンゃモリブデンの炭化物などか ら選ばれるいずれか 1種以上のものが使用できる。
これら金属粒子あるいは導電性セラミックは、 粒径が Q. 1〜10ϋ mの大き さにすることが望ましい。 微細すぎると酸化しやすく、 一方、 大きすぎると焼 結しにく くなり、 抵抗値が大きくなるからである。
前記金属粒子は、 球状、 リン片状、 もしくは球状とリン片状の混合物を使用 することができる。 とくに、 形状がリン片状の場合は、 金属粒子の間に後述す る金属酸化物を保持しやすくなり、 発熱体と窒化物セラミック等との密着性が 向上するからである。
なお、 かかる導電ペース トに用いられる樹脂としては、 エポキシ樹脂、 フヱ ノール樹脂などが好適である。 溶剤としては、 ィソプロピル了ルコールなどが 使用できる。 増粘剤としては、 セルロースなどが使用できる。
前記導電ペース トにはまた、 金属粒子に加えて、 さらに金属酸化物を含有さ せて、 発熱体を金属粒子と金属酸化物との混合物焼結体とすることが有効であ る。 即ち、 窒化物セラ ミ ックまたは炭化物セラ ミックと金属粒子との間に金属 酸化物が介在すると、 これらの密着性を向上させることができる。 このように 密着性が改善される理由は明確ではないが、 金属粒子表面および窒化物セラミ ックまたは炭化物セラミ ックの表面はわずかに酸化膜が存在しているが、 この 酸化膜が金属酸化物に対して親和性を示して容易に一体化し、 その結果、 金属 粒子と窒化物セラミックまたは炭化物セラミ ックが該酸化物を介して密着する のではないかと推定される。
かかる金属酸化物としては、 酸化鉛、 酸化亜鉛、 酸化けい素、 酸化ホウ素、 酸化アルミニウム、 酸化ィッ ト リウム、 酸化チタンから選ばれるいずれか 1種 以上を用いる。 これらの酸化物は、 発熱体の抵抗値を大きくすることなく、 金 属粒子と窒化物セラミ ックまたは炭化物セラミックとの密着性を改善できるか らである。
前記金属酸化物の添加量は、 金属粒子に対して 0 . 1〜 1 0 wt%未満である
ことが望ましい。 この理由は、 0. lwt%未満では添加の効果がなく、 一方で 1 Owt% 、上だと、 発熱体 2の抵抗値が大きくなりすぎるからである。
なお、 これらの金属酸化物の混合割合は、 金属酸化物の全量を 100 wt%とし た場合に、 酸化鉛が 1 ~1 Owt%、 酸化けい素が 1 ~3 0 t%. 酸化ホウ素が 5〜 5 0 wt%、 酸化亜鉛が 2 0〜 7 0 wt%. 酸化アルミニゥムが 1〜 1 ϋ wt%、 酸化ィ ッ ト リウ人が 1〜 5 0 wt%、 酸化チタンが 1〜 5 0 wt%の範囲で、 その 合計が 1 0 Owt%を越えないように調整されることが望ましい。 これらの範囲 は特に金属粒子と窒化物セラミックとの密着性を改善する上で効果的である。 このように、 金属酸化物の添加量を金属粒子に対して 0. 1〜 1 0 wt%未満 の範囲に調整すると、 発熱体の面積抵抗率は 1〜4 5τηΩΖΠとすることがで きる。 この面積抵抗率が大きくなりすぎると、 印加電圧に対して発熱量が大き くなりすぎて、 セラミ ック基板の表面に発熱体を配設したケースでは、 制御が しにく くなる。 なお、 金属酸化物の量が 1 []wt%以上になると、 面積抵抗率は 5 Ο ΙΤΊΩΖΠを越えてしまい、 発熱量が大きくなりすぎて温度制御が困難とな り、 ヒータ—の温度分布の均一性が低下する。
なお、 従来は、 面積抵抗率が 5
ヒータ用抵抗体と して不向きであると考えられてきたが （特開平 4 3 0 0 2 4 9号） 、 本発明 では逆に、 面積抵抗率を 4 5mQZL]以下にして、 温度制御をしやすく して温 度分布の均一性を確保するようにしたのである。
本願発明の他の実施形態としては、 発熱体の表面を金属層で被覆することが 望ましい。 上述したように、 発熱体は、 金属粒子の焼結体であるから、 これが 空気中に露出していると酸化しやすく抵抗値が変化してしまう。 そこで、 金属 粒子焼結体の表面を金属層で被覆することにより、 酸化を防止することとした のである。 その金属層の厚さは、 0. 1〜 1 程度が望ましい。 それは、 発熱体の抵抗値を変化させることなく、 発熱体の酸化を防止できる範囲だから であ^。
金属粒子焼結体表面に被覆される金属は、 非酸化性の金属であればよい。 例
えば、 金、 銀、 パラジウム、 白金、 ニッケルから選ばれるいずれか 1種以上の ものがよい。 なかでもニッケルは好適である。 この理由は、 一般に発熱体には 電源と接続するための端子が必要であり、 この端子ははんだを介して発熱体に 取付けられているが、 いわゆるニッケルははんだの熱拡散を防止する作用をも つからである。 その接続端子としては、 コバール製の端子ピンを使用すること ができる。
ただし、 発熱体がセラミック基板の内部に配設される場合は、 発熱体表面が 酸化されることがないため、 被覆は不要である。
前記はんだは、 銀 鉛、 鉛 スズ、 ビスマスースズなどのはんだ合金を使用 することができ、 そのはんだ層の厚さは、 0 . 1〜 5 0〃mが、 はんだによる 接続を確保するに充分な範囲である。
本発明では、 必要に応じ、 図 5 (d) に示すように、 セラミ ック基板 1中に熱 電対 G 1を埋め込んでおくこともできる。 この熱電対 6 1により該セラミック 基板 1の温度を測定し、 そのデータをもとに電圧、 電流を調節し、 セラミ ック 基板 1の加熱面の温度を容易にかつ正確に制御することができるようになる。 図 2は、 本発明セラミックヒーターの使用状態を示す部分断面図である。 図 示の符号 3は端子ピン、 4は金属 （Ag— Pb) 粒子焼結体、 5は金属 （N i ) 被覆 層であり、 この 4および 5で発熱体 2を構成している。 そして 6ははんだ層で あり、 このはんだ層を介して前記端子ピン 3が取付けられる。
また、 かかるセラミ ック基板 1には貫通孔 8を複数個設け、 その貫通孔 8に は半導体ウェハーの支持ピン 7を挿入し、 セラミック基板 1上に突出する前記 ピン 7の頂部に、 半導体ウェハ— 9を、 隣接もしくは若干の間隙を介して取付 ける。 なお、 この場合、 半導体ウェハー 9を図示しない搬送機に受け渡したり、 搬送機から半導体ウェハ一 9を受け取ったりするときには、 前記支持ピン 7を 昇降させることにより行う。
次に、 本発明にかかるセラミ ックヒータ一の製造方法について説明する。
A . セラミ ック基板の表面に発熱体を形成する場合 （図 2 )
(1) 絶縁性の窒化物セラミックまたは絶縁性の炭化物セラミ ックの粉体を焼 結して窒化物セラミックまたは炭化物セラミ ックからなる板状体 （セラミック 基板） を形成する工程。
この工程では、 前述した窒化了ルミ二ゥムなどの窒化物セラミックまたは炭 化けい素などの炭化物セラ ミ ックの粉体、 さらに必要に応じて、 イ ツ ト リァな どの焼結助剤やバインダ一からなる混合粉末を、 スプレードライ法などの方法 によって頼粒状にし、 得られたこの顆粒を金型などに入れて加圧することによ り、 板状に成形して生成形体とする。
上記生成形体には、 必要に応じて、 半導体ウェハーの支持ピン 7を挿入する ための貫通孔 8や熱電対 6 1を埋め込む凹部 G 2を設けておく。
次に、 この生成形体を加熱焼成して焼結し、 セラ ミ ック製の板状体を製造す る。 加熱焼成の際、 加圧することにより気孔のないヒーター用セラミ ック基板 を製造する。 加熱焼成は、 焼結温度以上であればよいが、 窒化物セラミ ックま たは炭化物セラミックでは、 1 0 0 0〜 2 5 0 0 °Cが好適である。
(2) 上記（1) 工程で得られたセラ ミ ック製の板状体 （ヒータ一板， 即ちセラ ミック基板） の表面に、 金属粒子を含む導電ペーストを印刷して金属粒子層 4 を形成する工程。
この工程では、 金属粒子、 樹脂、 溶剤からなる粘度の高い流動性を有する導 電ペーストを、 スク リーン印刷などの方法により所要の位置に印刷する。 導電 ペーストを印刷により塗布して金属粒子層 4を形成する理由は、 セラミック基 板全体を均一な温度に加熱するための発熱体 2を形成するためには、 図 1に示 すような同心円からなるパターンを正確に形成することが望ましいからである また、 発熱体の断面形状は方形を基本として、 扁平な断面形状とすることが 望ましい。
(3) セラ ミ ック基板上に印刷して形成した金属粒子層を加熱焼結して、 セラ ミ ック基板 1の表面に発熱体 2を形成する工程。
導電ペーストを印刷して形成される金属粒子層を加熱焼成して、 樹脂、 溶剤
を除去するとともに、 金属粒子を焼結 （加熱焼成温度は、 500 〜1000 °C ) させ る。 この点に関し、 例えば、 導電ペース ト中に金属酸化物を添加したりしてお くと、 金属粒子、 セラミック製の板状体および金属酸化物が焼結して一体化す るため、 発熱体とセラミック製の板状体との密着性が向上する。
(4) さらに、 必要に応じ、 前記金属粒子層 4の表面に、 金属被覆層 5を被成 してもよい。 この処理は、 電解めつき、 無電解めつき、 スパッタ リングにより 行うことができるが、 量産性を考慮すると無電解めつきが最適である。
(5) こうして得られた発熱体 2のパタ一ンの端部に、 電源との接続のための 端子ピン 3をはんだにて取りつける。
B . セラミ ック基板の内部に発熱体を設ける場合 （図 3 )
(1) 窒化物セラミック、 炭化物セラミックなどのセラミックの粉体を、 バイ ンダ一および溶剤と混合してグリーンシート 3 1を得る。
前述したセラミ ック粉体としては窒化アルミニウム、 炭化けい素などを使用 することができ、 必要に応じて、 酸化ィ ッ ト リ ウム （ィッ ト リァ） などの焼結 助剤などを加えてもよい。 また、 バインダとしては、 ァク リル系バインダ、 ェ チルセルロース、 ブチルセ口ソルブ、 ポリビニラールから選ばれる少なくとも 1種 £1上が望ましい。 溶媒としては、 —テルピオ一ネ、 グリコールから選ば れるし、ずれか 1種以上を用いることが望ましし
これらを混合して得られるペーストをドクターブレード法でシ一ト状に成形 してグリーンシート 3 1を製造する。 得られたそのグリーンシートに、 必要に 応じて、 シリコンウェハーの支持ピン 7を挿入するための貫通孔 8や熱電対 6 1を埋め込むための凹部 6 2を設けておくことができる。 前記貫通穴 8や凹部 6 2は、 パンチングなどの一にて形成する。
グリーンシートの厚さは、 0. 1 〜 5 mm程度がよい。
(2) 次に、 グリーンシートに発熱体となる金属粒子層を印刷する。
発熱体となる金属粒子層 4は、 金属ペーストあるいは導電性セラミックを用 し、た導電性べ一ストを印刷することにより形成する。
これらのペースト中には金属粒子あるいは導電性セラミ ック粒子が含まれて おり、 このような金属粒子としてはタングステンまたはモリ ブデンが、 また導 電性セラミック粒子としてはタングステンまたはモリブデンの炭化物が最適で ある。 酸化しにく く熱電導率の低下が少ないからである。
上記タングステンの粒子またはモリブデンの粒子の平均粒子径は （]. 1〜 5 / mがよい。 大きすぎても小さすぎても導電べ一ストの印刷が困難になるからで ある。 このような導電ペーストとしては、 金属粒子または導電性セラミ ック 粒子 8 5〜9 7重量部、 了ク リル系、 ェチルセルロース、 ブチルセ口ソルブ、 ポリビニラールから選ばれるいずれか 1種以上のバインダー 1. 5〜 1 (3重量部、 "一テルビオーネ、 グリコールから選ばれる少なくとも 1種以上の溶媒を 1. 5 〜 1 0重量部混合して調製したタングステンペース トまたはモリ ブデンペース トが最適である。
(3) 次に、 （2) の発熱体 2を印刷したグリーンシー ト 3 1と、 （1) 工程と同 様の方法で得られた他のグリーンシート 3 1とを 1枚以上積層する。
図示例では、 金属粒子層 4の上面 （加熱面側） に 3 7枚、 その反対側に 1 7 枚を積層接着したものである。 即ち、 積層する場合は、 （2) の発熱体印刷グリ ーンシートの上側 （加熱面側） に積層される（1) のグリーンシートの数を、 下 側に積層されるグリーンシートの数よりも多く して、 発熱体 2の形成位置を厚 さ方向に偏芯させる。 望ましくは、 同じ厚さのグリーンシー ト数を積層して、 上側と下側の構成の比率を 1 Z 1〜 1 Z 9 9とする。 具体的には、 上側に 2 0 〜5 0枚、 下側に 5 ~ 2 0枚を積層する。
(4) 加熱加圧してグリーンシー トおよび導電べ一ストを焼結する。 加熱温度 は 1 0 0 0〜 2 0 0 0 °Cで、 加圧は 1 0 0〜2 0 [) k g Z c m 2 で不活性ガス 雰囲気下で行う。 不活性ガスとしては、 アルゴン、 窒素などを使用できる。 最後に、 端子ピン 3取り付け部位に、 はんだペーストを印刷した後、 端子ピ ン 3を乗せて、 加熱してリフローすることによりこれを固定する。 はんだべ一 ス トをリ フロ一のための加熱温度は、 2 0 0〜 5 0 0。(：が好適である。 さらに、
必要に応じて熱電対を埋め込むことができる。 実施例
(実施例 1 ) 窒化アルミニウムセラミック基板製ヒーター
( 1 ) 窒化アルミニウム粉末 （平均粒径 1. l m) 1 0 0重量部、 イ ッ ト リア (平均粒径 0. um) 4重量部、 ァク リルバイダー 1 2重量部およびアルコ― ルからなる混合組成物を、 スプレードライヤ一法にて頓粒状粉末にした。
(2) 前記顆粒状粉末を金型に入れて、 平板状に成形して生成形体を得た。 生 成形体をドリル加工して、 半導体ウェハ—支持ピンを挿入するための貫通孔 8、 熱電対を埋め込むための凹部 （図示せず） を設けた。
(3) 生成形体を 1800° (：、 圧力 200 kg/ cm2 でホッ トプレスし、 厚さ 3隱の窒 化アルミニウム板状体を得た。 これを直径 21(] mmの円状に切り出してセラ ミ ッ ク製の板状体 （セラミ ック基板） 1とした。
( 4 ) 上記 （ 3 ) で得たセラミ ック基板 1に、 スク リ一ン印刷にて導電ペース トを印刷した。 印刷パターンは、 図 1に示すような同心円のパターンとした。 導電ペーストは、 プリント配線板のスルーホール形成に使用されている徳カ化 学研究所製のソルべス ト P S 6 0 3 Dを使用した。 この導電ペーストは、 銀 Z 鉛ペース トであり、 酸化鉛、 酸化亜鉛、 シリカ、 酸化ホウ素およびアルミナの 混合物からなる金属酸化物 （それぞれの重量比率は 5Z55/10/25/10) を、 銀の量に対して 7.5 wt%含むものである。 なお、 銀は、 平均粒径 4.5 umでリ ン片状のものを用いた。
(5) 導電ペーストを印刷したセラミック基板を 780 °Cで加熱焼成して、 導電 ペースト中の銀、 鉛を焼結させるとともに、 セラミ ック基板 1に焼きつけた。 銀一鉛焼結体 4によるパターンは、 厚さが 5 m、 幅 2.4 画であり、 面積抵抗 率が 7.7 ΠΊΩΖΟであった。
(6) 硫酸ニッケル 8 0 / 次亜リン酸ナト リウム 2 4 gZ 1、 酢酸ナト リウム 1 2 gZ 1、 ほう酸 8 g/ \、 塩化了ンモニゥ厶 6 g/ 1の濃度の水溶
液からなる無電解ニッケルめっき浴に （5 ) のセラ ミ ック基板 1を浸潰して、 銀一鉛の焼結体 4の表面に厚さ 1 imのニッケルの金属層 5を析出させて発熱 体 2を形成した。
( 7 ) 電源との接続を確保するための端子を取りつける部分に、 スク リーン印 刷 1より、 銀一鉛はんだペーストを印刷してはんだ層 （田中貴金属製） 6を形 成した。 ついで、 このはんだ層 6の上にコバール製の端子ピン 3を載置して、 4 2 0 °cで加熱リフローし、 端子ピン 3を発熱体 2の表面に取りつけた。
(8) 温度制御のための熱電対 （図示しない） を埋め込み、 ヒータ一 1 O 0を 得た （第 1図、 第 2図） 。
(実施例 2 ) 炭化けい素セラ ミ ック基板製ヒータ一
実施例 1と基本的に同じ工程によるが、 平均粒径 1.0 rnの炭化けい素粉末 を使用し、 焼結温度を 190ITCとし、 さらに表面を 1500°cで 2時間焼成して表面 に厚さ 1〃rnを S 1 〇2 層を形成した。
(実施例 3 )
実施例 1、 2のヒータ一について、 電圧、 電流の変化に対するセラ ミ ック基 板の加熱面の温度の追従性、 発熱体 2のプル強度について測定した。 即ち、 各 ヒーターに電圧を印加したところ、 実施例 1のヒーターは ϋ.5 秒で温度変化が 見られ、 また、 実施例 2のヒーターは 2秒で温度変化が観察された。 一方、 発 熱体 2のプル強度については、 実施例 1のヒーターは、 3.1 kg /画2 、 実施例 2のヒータ一は、 3kgZ國 2 であった。
(実施例 4) 発熱体を内部に形成したヒーター （図 3、 図 5)
( 1 ) 窒化アルミニウム粉末 （トクャマ製、 平均粒径 1.1 jum) 100 重量部、 イ ッ ト リア （平均粒径 0.4 um) 4重量部、 了ク リルバイダ— 11. 重量部、 分散剤 0.5 重量部および 1ーブタノ一ルおよびェタノ一ルからなる了ルコール 5 3重量％を混合した混合組成物を、 ドクターブレードで形成して厚さ 0.47 麵のグリーンシ一ト 3 1を得た。
(2 ) グリーンシー ト 3 1を 8 0 :で 5時間乾燥させた後、 パンチングにて直
径 1.8 mm、 3.0 mm. 5.0 画の半導体ウェハ—支持ピン揷入用貫通孔、 および発 熱体と端子ピンとを接続するためのスルーホール用孔 3 8を設けた。
(3) 平均粒子径 1 umのタングステンカーバイ ド粒子 100 重量部、 ァク リル 系バインダ 3. ϋ 重量部、 "一テルビオーネ溶媒を 3.5 重量部、 分散剤 0.3 重量 部を混合して導電性べ一スト Αとした。
また、 平均粒子径 3 /τηのタングステン粒子 100 重量部、 ァク リル系バイン ダ 1.9 重量部、 テルビオーネ溶媒を 3.7 重量部、 分散剤 0.2 重量部を混合 して導電性ペースト Βとした。
上記導電性ペース ト Αをグリーンシート 3 1にスク リーン印刷でパタ―ンを 描いて印刷した。 印刷パターンは図 1のような同心円とした。 また、 端子ピン と接続するためのスルーホール用貫通孔 3 8に、 導電性ペースト Bを充塡した c さらに、 上記導電ペースト Aを印刷しないグリーンシート 3 1を上側 （加熱 面） に 3 7枚、 下側に 1 7枚を積層し、 130 °C、 8 0 kg/ cm2 の圧力で合体さ せて積層体とした （図 3) 。
(4 ) 前記積層体を窒素ガス中で 600 °cで 5時間脱脂し、 1890t：、 圧力 150 kg /cm2 で 3時間ホッ トプレスし、 厚さ 3國の窒化アルミニゥム板状体を得た。 これを直径 230 隱の円状に切り出して内部に厚さ 6 ίπι、 幅 1 ϋ隱の発熱体を 有するセラミック基板 5 1とした （図 5 (a) ) 。
(5) (4) で得たセラミック基板 5 1を、 ダイャモンド砥石で研磨した後、 マスクを載置し、 ガラスビーズによるブラスト処理で熱電対収納用の孔 6 2を 設けた （図 5 (d) ) 。
(6) さらに、 スルーホ—ル用孔 5 8の表面の一部を切り拡げて図 4に示すよ うな凹部 4 8を形成し、 この凹部 4 8に N 1 Au合金からなる金ろうを供給 し、 次いで 7 0 0 °Cで加熱リフローしてコバール製の端子ピン 6 0を接続した (図 5 (c) ) 。
なお、 端子ピン 6 0の接続は、 前記凹部 4 8を利用して、 端子ピン 6 0が 3 点で支持されるような構造にすることが接続信頼性を確保する上で望ましい。
( 7 ) 温度制御のための複数の熱電対 6 1を孔 6 2内に埋め込み、 セラ ミ ック ヒーターを得た （図 5 ( d ) ) 。
(比較例 1 ) アルミニウム板製ヒーター
発熱体としてシリコンゴムで挟持したニクロム線を用い、 厚さ 1 5 mmのアル ミニゥム板とあて板を発熱体にて挟み、 ポルトで固定してヒーターとした。 そ して、 このヒーターに電圧を印加したところ、 温度変化が見られるまで 2 4秒 を要した。
(比較例 2 ) アルミナ製ヒータ一
基本的には実施例 1と同様であるが、 アルミナ粉末 （平均粒径 1. 0 m) 100 重量部、 了ク リルバイダー 1 2重量部およびアルコールからなる紐成物を、 スプレードライヤー法にて顆粒状にし、 これを金型に入れて、 平板状に成形し て生成形体とし、 この生成形体を 1200 °C、 圧力 200 kg/cm 2 でホッ トプレスし、 厚さ 3 mmのアルミナ基板を得た。
また、 導電ペーストとしては、 平均粒子径 3〃mのタングステン粒子 100 重 量部、 ァク リル系バインダ 1. 9 重量部、 《—テルビオーネ溶媒を 3. 7 重量部、 分散剤 0. 2 重量部を混合して導電性ペース トとし、 これを印刷した。 導電べ一 ストを印刷したセラミ ック基板を lOOtTCで加熱焼成して、 タングステンを焼結 させた。
(実施例 5 )
基本的には実施例 4と同様であるが、 発熱体を扁平形状のものではなく、 断 面を厚さ 2 0 m x幅 2 ϋ u mの正方形 （了スぺク ト比 1 ) のものを用いた。
(実施例 6 )
基本的には実施例 4と同様であるが、 印刷条件を変え、 発熱体も扁平形状の ものではなく、 断面を厚さ 5〃m x幅 7 2画 （了スぺク ト比 12000 ) のものを 用いた。
(実施例 7 )
基本的には実施例 4と同様であるが、 導電ペース トを印刷したグリーンシ一
トの下側に 2 枚、 上側に 2 5枚積層し、 発熱体をセラミ ック基板の中央に配 置した例である。
(実施例 8 )
基本的には実施例 1と同様である力 ソルべスト P S 6 0 3 Dに代えて、 以 下の組成をもつものを調整した。
銀粉 球状であり平均粒子径 5. (3 m 1 G 0 重量部
金属酸化物 （酸化鉛、 酸化亜鉛、 シリカ、 酸化ほう素、 アルミナ、 それぞれ の重量比率は、 ) を 7. 5重量部
面積抵抗率は、 4 ΙΉ Ω ΖΟであった。
(実施例 9 )
(1) 窒化了ルミニゥム粉末 （平均粒径 1. 1 τη ) 100 重量部、 ィ ッ ト リア （酸 化ィッ ト リウムのこと 平均粒径 0. 4 u rn ) 4重量部、 ァク リルバイダー 1 2 重量部およびアルコールからなる組成物を、 スプレードライヤー法にて顆粒状 にし 7こ o
(2) 頼粒状粉末を金型に入れて、 平板状に成形してグリーンシートを得た。 こ のグリーンシ一トをドリル加工して、 半導体ウェハー支持ピンを挿入する貫通 孔、 熱電対を埋め込むための有底の穴を設けた。
(3) 前記グリーンシー トを 1800 ° (：、 圧力 200 kg/cm 2 でホッ トプレスし、 厚さ 3 mmの窒化アルミニウム基板を得た。 これを直径 210 隱の円状に切り出してセ ラミック基板 1とした。
さらに、 このセラミック基板 1に金属マスクを形成したのち、 直径 1 〃mの アルミナ粉によるサンドブラスト処理を実施し、 発熱体形成位置に幅 2. 4 mm. 深さ 6 u mの溝を設けた。
(4) (3) で得たセラ ミ ック基板 1の溝に、 スク リーン印刷にて導電ペーストを 印刷し発熱体となる金属粒子層を形成した。 金属粒子層のパターンは、 図 1に 示すような同心円のパターンとした。 導電べ一ストは、 プリ ント配線板のスル —ホール形成に使用されている徳カ化学研究所製のソルべスト P S 6 0 3 Dを
使用した。 この導電ペーストは、 銀 Z鉛ペーストであり、 酸化鉛、 酸化亜鉛、 シリカ、 酸化ホウ素、 アルミナからなる金属酸化物 （それぞれの重量比率は、
5 / 5 5 X 1 0 / 2 5 / 5 ) を銀の量に対して 7. 5 重量％舍むものである。 ま た、 銀の形状は平均粒径 4. 5 mでリ ン片状のものを用いた。
(5) 金属粒子層を形成したセラミック基板を 780 °Cで加熱焼成して、 金属粒子 層 （導電ペース ト） 中の銀、 鉛を焼結させるとともに、 セラ ミ ック基板 1上に 焼き付けた。 銀 鉛の焼結体 4によるパターンは、 厚さが 5〃ι了 i、 幅 2. 4 画で あり、 面積抵抗率が 7. 7 ΓΠ Ω ΖΕΙであった。
(6) 硫酸ニッケル 8 0 g Z 1、 次亜リン酸ナト リウム 2 4 g Z 1、 酢酸ナト リ ゥム 1 2 g Z 1、 ホウ酸 8 g Z 1、 塩化了ンモニゥム 6 g Z 1の濃度の水溶液 からなる無電解ニッケルめっき浴に（5) のセラミ ック基板を焼成して、 銀 鉛 の焼結体 4の表面に厚さ 1 ； u rnのニッケル層 5を析出させて発熱体とした。
(7) 電源との接続を確保するための端子ピンを取り付ける部分に、 スク リーン 印刷 1より、 銀 鉛はんだペース トを印刷してはんだ層 （田中貴金属製） 6を 形成した。 ついで、 はんだ層 6の上にコバール製の端子ピンを載置して、 420 °cで加熱リフローし、 端子ピンを発熱体の表面に取付けた （図 6参照） 。 この実施例では、 図 6 (a) のように発熱体がセラミック基板内部に埋設され るも表面から露出した状態となる。 また、 図 6 (b) のような発熱体がセラミ ッ ク基板の内部に一部埋設され、 一部が露出した状態であってもよい。
この実施例において、 実施例 1、 8と同様にして、 応答時間、 温度差、 プル 強度を測定した。 その結果を表 1に示す。
(比較例 3 )
基本的には実施例 1と同様であるが、 ソルべスト P S 6 ϋ 3 Dに酸化鉛、 酸 化亜鉛を加えて金属酸化物量を 1 0 ^%に調整した。 得られた発熱体の面積抵 抗率は 5 Ο ττι Ω /Ε]であった。
なお、 実施例 1から 8 (実施例 3除く） 、 比較例 1から 3について電圧印加 後の温度変化が確認されるまでの時間 （応答時間） を測定した。 また、 表面温
度を 6 0 (TCとした場合の加熱面の最髙温度と最低温度の差を測定した。 なお. 実施例 1 , 8については、 2隱 X 2隱の領域でプル強度 （単位は kgZ 2隱口） を測定した。
その結果を表 1にまとめて示す。
表 1
以上説明したように、 本願発明のセラミ ックヒータ一は、 薄くかつ軽いので 実用的であり、 とくに半導体産業の分野において、 その製品を加熱乾燥するた めに用いられる。
また、 本発明にかかるセラミ ックヒータ一は、 セラミック基板として、 窒化 物セラミ ックまたは炭化物セラミ ックを使用し、 かつ薄く しているため、 電圧、 電流量の変化に対する加熱面の温度追従性に優れており、 温度制御しやすい。 さらに、 加熱面の温度分布の均一性にも優れているので、 半導体製品の効率的 な乾燥ができる。
Claims
1 . 窒化物セラミ ックまたは炭化物セラミ ックからなるセラ ミ ック基板の表面 に、 発熱体を配設してなるセラ ミ ッ ク ヒーター。
2 . 前記発熱体は、 一部がセラミ ック基板中に埋設された状態に配設したこと を特徴とする請求の範囲 1に記載のセラミ ックヒーター。
3 . 前記発熱体は、 金属粒子の焼結体からなることを特徴とする請求の範囲 1 に記載のセラ ミ ック ヒータ一。
4 . 前記発熱体は、 金属粒子と金属酸化物との混合物焼結体からなることを特 徴とする請求の範囲 1に記載のセラ ミ ック ヒータ一。
5 . 前記金属粒子は、 貴金属， 鉛， タ ングステン， モリ ブデンおよびニッケル から選ばれるいずれか 1種以上を用いることを特徴とする請求の範画 1、 2、 3または 4に記載のセラミックヒータ一。
6 . 前記発熱体は、 その表面が非酸化性の金属層で被覆されてなることを特徴 とする請求の範囲 1、 2、 3、 4または 5に記載のセラミックヒータ一。
7 . 前記発熱体は、 断面ァスぺク ト比 （発熱体の幅 発熱体の厚さ） が、 1 0 〜1 0 0 0 0の形状を示すことを特徴とする請求の範囲 1、 2、 3、 4、 5 または 6に記載のセラミックヒ一ター。
8 . 窒化物セラミ ックまたは炭化物セラミ ックからなるセラミック基板の内部 に、 断面了スぺク ト比 （発熱体の幅 Z発熱体の厚さ） が 1 0〜1 0 0 0 0で ある扁平形状の発熱体を配設したことを特徴とするセラミックヒーター。
9 . 窒化物セラ ミ ックまたは炭化物セラ ミ ックからなるセラ ミ ック基板の内部 に、 扁平形状の発熱体を配設すると共に、 その発熱体の配設位置を、 基板の 中心から厚さ方向に偏芯した位置に配設し、 かつその発熱体からは遠い側の 面を加熱面としたことを特徴とするセラミックヒータ一。
1 0 . 前記発熱体は、 金属粒子または導電性セラミ ッタスの焼結体からなる請 求の範囲 8または 9に記載のセラミック ヒ一ター。
1 . 前記発熱体は、 タングステン、 モリブデン、 タングステン力一バイ ド、 モリブデン力一バイ ドである請求の範画 8または 9に記載のセラミ ックヒー タ一。
2 . 前記発熱体の偏芯程度は、 基板の加熱面から 5 ϋ %を越え、 1 0 0 %未 満までの位置である請求の範囲 9に記載のセラミ ックスヒーター。
3 . 前記発熱体の断面ァスぺク ト比 （発熱体の幅 Ζ発熱体の厚さ） が、 1 0 〜 1 0 0 0 0であることを特徴とする請求の範囲 9に記載のセラミ ック ヒ一 ター。
. 少なくとも下記①〜③の工程を含むことを特徴とするセラ ミ ックヒータ —の製造方法。
①窒化物セラミ ック粉末または炭化物セラミ ック粉末を焼結して窒化物セラ ミ ックまたは炭化物セラミックからなる基板を成形する工程。
②上記セラミ ック基板上に導電ペーストを印刷する工程。
③導電ペーストを加熱して焼結させ、 上記セラミック基板の表面に発熱体を 形成する工程。
5 . 前記工程②で用いる導電ペース トは、 金属粒子と金属酸化物との混合べ ーストを用いることを特徴とする請求の範囲 1 4に記載の製造方法。
6 . 前記工程③の後工程として、 得られた発熱体表面に非酸化性金属のめつ きを行うことにより金属被覆層を設けることを特徴とする請求項 1 4に記載 のヒーターの製造方法。
7 . 少なくとも下記①〜④の工程を含むことを特徴とするセラ ミ ックヒータ 一の製造方法。
①窒化物セラミ ック粉末または炭化物セラミ ック粉体を成形して窒化物セラ ミ ックまたは炭化物セラミックのグリーンシートを得る工程。
②上記窒化物セラミ ックまたは炭化物セラミ ックのグリーンシートの表面に、 金属粒子単独または金属酸化物との混合物からなる導電ペース トを印刷する 工程。
③導電ペースト印刷済みグリーンシートと、 工程①と同様に処理して得られ た他のグリーンシートとを 1枚以上を積層する工程。
④加熱加圧してグリーンシ一トおよび導電ペーストを焼結する工程。
1 8 . 工程②で得られた導電べ一スト印刷済みグリーンシートの上側および下 側に、 工程①と同様の工程で得られたグリーンシー トを積層するに当たって、 上側と下側のグリーンシー トの枚数の比率を 1 / 1から 1 Z 9 9の範囲とす る請求の範囲 1 7に記載の製造方法。
1 9 . 金属粒子と金属酸化物との混合物からなるセラミックヒータの発熱体用 導電ペースト。
2 0 . 前記金属粒子は、 貴金属または鉛， タ ングステン， モリ ブデンおよび二 ッケルから選ばれるいずれか 1種以上であることを特徵とする請求の範画 1 9に記載の導電ペースト。
2 1 . 前記金属酸化物は、 酸化鉛、 酸化亜鉛、 酸化けい素、 酸化ホウ素、 酸化 アルミニウム、 酸化イツ ト リ ウム、 酸化チタンから選ばれる 1種以上である 請求の範囲 1 9に記載の導電ペースト。
2 2 . 前記混合物は、 金属粒子に対して金属酸化物を 0. 1 wt%から 1 0 ^%未 満の割合を含有することを特徴とする請求の範面 1 9に記載の導電ペースト【 2 3 . 前記金属粒子は、 平均粒子径が 0. 1~ 1 0 0 iriであることを特徴とす る請求の範囲 1 9に記載の導電ペースト。
2 4 . 前記金属粒子は、 リン片形状、 もしくは球状とリン片状との混合物であ ることを特徴とする請求の範囲 1 9に記載の導電ペースト。
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