JP2004177412A - Temperature measurement element and ceramic base for semiconductor production device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主に半導体産業において使用される半導体製品の乾燥あるいはスパッタリング等に用いられるセラミックヒータや静電チャック、ウエハプローバとしての機能を具える半導体製造装置用セラミック基材、およびこのセラミック基材に用いられる測温素子に関し、特に、温度制御しやすく、加熱面の温度均一性確保に優れる半導体製造装置用セラミック基材を得るための技術を提案する。 The present invention relates to a ceramic heater and an electrostatic chuck used for drying or sputtering of a semiconductor product mainly used in the semiconductor industry, a ceramic substrate for a semiconductor manufacturing apparatus having a function as a wafer prober, and this ceramic substrate. In particular, the present invention proposes a technique for obtaining a ceramic base material for a semiconductor manufacturing apparatus, which is easy to control the temperature and excellent in ensuring the uniformity of the temperature of the heated surface.
半導体製品の電子回路は、シリコンウエハー上にエッチングレジストとして感光性樹脂を塗布したのち、エッチングすることにより形成されている。この場合、シリコンウエハーの表面に塗布された感光性樹脂は、スピンコーターなどにより塗布されたものであるから、塗布後に乾燥する必要がある。その乾燥処理は、感光性樹脂を塗布したシリコンウエハーをヒータの上に載置して加熱することにより行われる。従来、このようなヒータとしては、金属板 (アルミニウム板) からなる基板の裏面に発熱体を配線したものなどが用いられている。 An electronic circuit of a semiconductor product is formed by applying a photosensitive resin as an etching resist on a silicon wafer and then etching. In this case, since the photosensitive resin applied to the surface of the silicon wafer is applied by a spin coater or the like, it is necessary to dry the photosensitive resin after application. The drying process is performed by placing a silicon wafer coated with a photosensitive resin on a heater and heating it. Conventionally, as such a heater, a heater in which a heating element is wired on the back surface of a substrate made of a metal plate (aluminum plate) is used.
ところが、このような金属製基板からなるヒータを半導体製品の乾燥に用いた場合、次のような問題点があった。それは、ヒータの基板が金属製であることから、基板の厚みを15mm以上に厚くしなければならない。なぜなら、薄い金属製基板では、加熱に起因する熱膨張により、そりや歪みが発生してしまい、この基板上に載置されるウエハーが破損したり傾いたりしてしまうからである。しかも、従来のヒータは厚みがあるため重量が大きく、かさばるという問題があった。 However, when a heater made of such a metal substrate is used for drying a semiconductor product, there are the following problems. Since the substrate of the heater is made of metal, the thickness of the substrate must be increased to 15 mm or more. This is because, in a thin metal substrate, warpage or distortion occurs due to thermal expansion caused by heating, and the wafer mounted on the substrate is damaged or tilted. Moreover, the conventional heater has a problem that it is heavy and bulky due to its thickness.
また、基板に取付けた発熱体に印加する電圧や電流量を変えることにより、ヒータの加熱温度を制御する場合、基板の厚みが大きいと、ヒータ基板の温度が電圧や電流量の変動に迅速に追従せず、基板の温度制御特性が悪いという問題点もあった。 Also, when controlling the heating temperature of the heater by changing the voltage or current applied to the heating element attached to the substrate, if the thickness of the substrate is large, the temperature of the heater substrate quickly changes with the fluctuation of the voltage or current. There is also a problem that the temperature control characteristic of the substrate does not follow and is poor.
これに対して従来、特公平8−8247号公報などでは、発熱体を形成した窒化物セラミック基板を使用し、その発熱体近傍の温度を測定しながら、セラミック板の温度を制御するセラミックヒータを提案している。 On the other hand, Japanese Patent Publication No. 8-8247 discloses a ceramic heater that controls the temperature of a ceramic plate while measuring the temperature in the vicinity of the heating element by using a nitride ceramic substrate on which a heating element is formed. is suggesting.
しかしながら、このようなセラミックヒータを用いてシリコンウエハを加熱しようとすると、ヒータ表面に偏った温度分布が不可避的に発生するという問題があった。 However, when attempting to heat a silicon wafer using such a ceramic heater, there is a problem that a biased temperature distribution is inevitably generated on the heater surface.
そこで、本発明の目的は、温度制御しやすく、加熱面の温度均一性に優れるセラミックヒータ, 静電チャック, ウエハプローバとしての機能が付与されたセラミック基材およびこの基材に取付けられる測温素子を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a ceramic base, a ceramic base provided with a function as a ceramic heater, an electrostatic chuck, and a wafer prober, which is easy to control the temperature and has excellent temperature uniformity on a heating surface, and a temperature measuring element attached to the base. Is to provide.
上掲の目的の実現に向け発明者らは、シリコンウエハ破損の原因について研究する中で、温度制御を行っているにもかかわらずセラミック基材に不均一な温度分布が発生する主な理由は、熱電対の応答性が悪いためであることがわかった。そして、発明者らはさらに研究を続けた結果、熱電対の応答性が充分でない理由は、熱電対の接合部分 (金属線接合部) が球状になっており、この部分の熱容量が大きくなるため、温度が正確に電流値に変換されないためであるとの知見を得た。そこで、発明者らは、2本の金属線接合部を従来のように溶融した後、圧着して球状としたものではなく、接合部分をレーザ光でスポット加熱して接合する方法に着目し、この方法によって接合部の形状をスリム化して、熱電対の温度制御性を向上させることに成功した。さらに、この熱電対をシースに格納することで、吸湿防止など耐候性、耐久性に優れた測温素子を実現した。 While studying the causes of silicon wafer breakage toward realization of the above-mentioned objectives, the main reason why uneven temperature distribution occurs on the ceramic substrate despite performing temperature control is as follows. It was found that the responsiveness of the thermocouple was poor. The inventors continued further research and found that the thermocouple was not responsive enough because the junction of the thermocouple (metal wire junction) was spherical and the heat capacity of this part was large. It has been found that this is because the temperature is not accurately converted to a current value. Therefore, the inventors have focused on a method in which the two metal wire joints are not melted and crimped to form a spherical shape as in the related art, but are joined by spot heating the joint with laser light. By this method, the shape of the joint was slimmed down, and the temperature controllability of the thermocouple was improved. Further, by storing the thermocouple in a sheath, a temperature measuring element having excellent weather resistance and durability, such as prevention of moisture absorption, is realized.
即ち、本発明は、シース内に、異なる2種類の金属線を接合して構成される熱電対を収容してなる測温素子において、前記各金属線の接合部位の大きさが、各金属線の素線径と同一か、もしくはそれよりも大きいものの、 0.5mm以下の大きさであることを特徴とする主としてセラミック基材用に使用できる測温素子を提案する。 That is, according to the present invention, in a temperature measuring element including a thermocouple formed by joining two different types of metal wires in a sheath, a size of a joining portion of each of the metal wires is The present invention proposes a temperature measuring element which is the same as or larger than the element wire diameter, but is 0.5 mm or less, which can be mainly used for ceramic substrates.
また、セラミック板の表面または内部に温度制御手段を設けると共に、このセラミック板に、測温素子を配してなる半導体製造装置用セラミック基材であって、前記測温素子は、シース内に、異なる2種類の金属線を接合すると共にその接合部位の大きさが、各金属線の素線径と同一かもしくはそれよりも大きいものの、 0.5mm以下の大きさとした熱電対を、弾性体を介してセラミック板に圧接したものであることを特徴とする半導体製造装置用セラミック基材を提案する。この半導体製造装置用セラミック基材は、セラミックヒータ機能を付与しておくことが望ましい。 Further, a temperature control means is provided on the surface or inside of the ceramic plate, and the ceramic plate is a ceramic substrate for a semiconductor manufacturing apparatus in which a temperature measuring element is arranged, wherein the temperature measuring element is provided in a sheath. Two different types of metal wires are joined together, and the size of the joint is equal to or larger than the wire diameter of each metal wire, but a thermocouple with a size of 0.5 mm or less is inserted through an elastic body. The present invention proposes a ceramic substrate for a semiconductor manufacturing apparatus, which is pressed against a ceramic plate. It is desirable that the ceramic substrate for a semiconductor manufacturing apparatus be provided with a ceramic heater function.
なお、本発明のセラミック基材については、セラミック板の内部に、静電電極を埋設して静電チャックを付与してなる実施の形態をとることが好ましい。さらに、本発明のセラミック基材については、その内部にガード電極とグランド電極を埋設すると共に、この板表面の半導体ウエハ載置面にチャックトップ導体層を形成してウエハプローバ機能を付与してなる実施形態が好ましい。 The ceramic substrate of the present invention preferably has an embodiment in which an electrostatic chuck is provided by embedding an electrostatic electrode inside a ceramic plate. Further, the ceramic substrate of the present invention has a guard electrode and a ground electrode embedded therein, and a chuck top conductor layer formed on the semiconductor wafer mounting surface on the plate surface to provide a wafer prober function. Embodiments are preferred.
本発明の上記各構成において、各種バネの如き弾性体により前記測温素子をセラミック板に圧接固定し、接着固定しないため、接着剤の熱劣化が生じることがなく、測温素子の脱落によるヒータの熱暴走がない。この場合、該測温素子を、セラミック基板に直に接触保持させてもよいし、絶縁材や熱伝導媒体を介して間接的にセラミック基板に接触保持させてもよい。この場合であっても、直接か間接かは問わず、例えば、図4(a)に示すように、測温素子をバネなどの弾性体でセラミック基板に押しつけて圧接固定するようにしてもよい。この場合はとくに、接着したものではないので、熱で接着材が劣化したりしないため、測温素子が脱落しない。このため安全性が恒久的に保証される。このようなセラミックヒータを構成するセラミックは、窒化物セラミックまたは炭化物セラミックであることが望ましい。上記セラミックヒータの発熱体は、少なくとも2以上の回路に分割されてなることが望ましい。そして、上記セラミックヒータの発熱体は、断面が偏平な板状であることが望ましい。 In each of the above configurations of the present invention, the temperature measuring element is fixed to the ceramic plate by pressure contact with an elastic body such as various springs, and is not bonded and fixed. Therefore, thermal deterioration of the adhesive does not occur, and the heater due to the falling off of the temperature measuring element. No heat runaway. In this case, the temperature measuring element may be directly contacted and held on the ceramic substrate, or may be indirectly contacted and held on the ceramic substrate via an insulating material or a heat conductive medium. Even in this case, regardless of whether it is direct or indirect, for example, as shown in FIG. 4A, the temperature measuring element may be pressed against a ceramic substrate with an elastic body such as a spring to be pressed and fixed. . In this case, in particular, since the adhesive is not bonded, the adhesive does not deteriorate due to heat, and the temperature measuring element does not fall off. This guarantees security permanently. The ceramic constituting such a ceramic heater is desirably a nitride ceramic or a carbide ceramic. It is desirable that the heating element of the ceramic heater be divided into at least two or more circuits. The heating element of the ceramic heater desirably has a flat plate-like cross section.
本発明の半導体製造装置用セラミック基材によれば、これをセラミックヒータとして構成した場合、正確な被加熱物の温度の測定が可能となり、この温度の測定結果に基づいて発熱体の発熱状態を調整することにより、シリコンウエハのような被加熱物の全体を均一に加熱することができる。また、これを静電チャックとして構成した場合は、温度むらに起因するチャック力のむらがなくなり、とくにウエハプローバとして構成した場合は、温度むらに起因する導通試験の誤差がない。 According to the ceramic substrate for a semiconductor manufacturing apparatus of the present invention, when this is configured as a ceramic heater, it is possible to accurately measure the temperature of the object to be heated, and to determine the heat generation state of the heating element based on the measurement result of the temperature. The adjustment allows uniform heating of the whole object to be heated such as a silicon wafer. Further, when this is configured as an electrostatic chuck, unevenness in chucking force due to temperature unevenness is eliminated. In particular, when configured as a wafer prober, there is no error in a conduction test due to uneven temperature.
本発明において、セラミック板内に埋設される温度制御手段としては、発熱体やペルチェ素子を用いることができる。また、異なる2種類の金属線の遊端同士を接合してなる熱電対としては、その接合部の大きさ、即ち接合部の径が、各金属線の素線径と同一もしくはそれよりも大きいものの0.5 mm以下の径を有するものが用いられる(図3参照)。このような構成にすることによって、接合部分に集中する熱容量が小さくなり、温度が正確に、また迅速に電流値に変換でき、ひいては温度制御性が向上し、これをヒータに適用した場合に、ウエハ加熱面の温度分布の偏りを小さくすることができる。なお、かかる熱電対の金属線の組み合わせ例としては、例えば、JIS−C−1602(1980)に示されているような、K型、R型、B型、S型、E型、J型、T型熱電対等が挙げられるが、これらのなかでは、K型熱電対がセラミックヒータの発熱体として好ましい。なお、K型とは、Ni/Cr合金線とNi合金の組合せ、R型とはPt−13%Rh合金線とPt線との組合せ、B型とは、Pt−30%Rh合金線とPt−65Rh合金線との組合せ、S型とは、Pt−10%Rh合金線とPt線との組合せ、E型とは、Ni/Cr合金線とCu/Ni合金線との組合せ、J型とは、Fe線とCu/Ni合金線との組合せ、T型とは、Cu線とCu/Ni合金線との組合せである。 In the present invention, a heating element or a Peltier element can be used as the temperature control means embedded in the ceramic plate. Further, as a thermocouple formed by joining the free ends of two different types of metal wires, the size of the junction, that is, the diameter of the junction is equal to or larger than the elementary wire diameter of each metal wire. Those having a diameter of 0.5 mm or less are used (see FIG. 3). By adopting such a configuration, the heat capacity concentrated on the joint portion is reduced, the temperature can be accurately and quickly converted to a current value, and the temperature controllability is improved, and when this is applied to a heater, The bias of the temperature distribution on the wafer heating surface can be reduced. Examples of combinations of metal wires of such thermocouples include, for example, K-type, R-type, B-type, S-type, E-type, J-type, as shown in JIS-C-1602 (1980). T-type thermocouples and the like can be mentioned, and among these, K-type thermocouples are preferable as a heating element of the ceramic heater. The K type is a combination of a Ni / Cr alloy wire and a Ni alloy, the R type is a combination of a Pt-13% Rh alloy wire and a Pt wire, and the B type is a Pt-30% Rh alloy wire and a Pt wire. Combination with -65Rh alloy wire, S type is a combination of Pt-10% Rh alloy wire and Pt wire, E type is a combination of Ni / Cr alloy wire and Cu / Ni alloy wire, J type Is a combination of an Fe wire and a Cu / Ni alloy wire, and T-type is a combination of a Cu wire and a Cu / Ni alloy wire.
この発熱体を構成する前記金属線の大きさ (断面直径) は、0.1 〜0.3 mm程度のものを用いることが望ましい。また、接合部 (D)の大きさは、該金属線の素線径 (d)と同一か、大きくとも0.5 mm以下、好ましくは 0.2〜0.3 mm程度である。このように、大きさを具体的に限定する理由は、接合部 (D)の大きさが素線径 (d)と同一程度であれば、余分な熱容量が存在せず、温度変化を正確に電流に変換でき、その結果として正確な温度測定が可能になるからである。従って、正確な温度の測定結果に基づいて発熱体の発熱状態を調整することになるから、被加熱物を均一に加熱することができるようになるのである。 It is desirable that the size (cross-sectional diameter) of the metal wire constituting the heating element be about 0.1 to 0.3 mm. The size of the joint (D) is the same as or smaller than the element diameter (d) of the metal wire, and is at most 0.5 mm or less, preferably about 0.2 to 0.3 mm. As described above, the reason for specifically limiting the size is that if the size of the joint (D) is about the same as the wire diameter (d), there is no extra heat capacity and the temperature change can be accurately determined. This is because the temperature can be converted into an electric current, and as a result, an accurate temperature measurement can be performed. Therefore, the heating state of the heating element is adjusted based on the accurate temperature measurement result, so that the object to be heated can be uniformly heated.
このような熱電対を製造する方法としては、2種類の金属線を接触させて、レーザ光をパルス(10−6〜10−4秒)照射してスポット加熱する。そのレーザ光としては、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザ、紫外線レーザなどを使用することができる。このように、金属線の接合部をレーザ光をパルス照射してスポット加熱すると、該接合部が、図5に示す従来のような"こぶ状"にならないからである。なお、この熱電対の各金属線は互いに接触しないように、ポリイミドや絶縁パイプで被覆する。この熱電対は、図3(b)に示すようなシースS内に格納する。シースSは、耐酸化性に優れたステンレス、ニッケル、銅などの金属またはアルミナ、シリカなどのセラミック製とする。また、このシースS内には、アルミナ、シリカ、マグネシアなどのセラミック粉末やエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂などの樹脂からなる絶縁材31 (粉末でもよい) を充填することができる。この絶縁材31は熱電対4とシースSとの間に介在して絶縁を確保し、しかも耐熱性、機械的強度、耐圧性などを向上できる。
As a method of manufacturing such a thermocouple, two kinds of metal wires are brought into contact with each other, and a laser beam is irradiated with a pulse (10 −6 to 10 −4 seconds) to perform spot heating. As the laser light, a carbon dioxide laser, an excimer laser, an ultraviolet laser, or the like can be used. This is because, when the joint portion of the metal wire is spot-heated by irradiating the laser beam with the pulse, the joint portion does not have the “bulge” as in the related art shown in FIG. In addition, each metal wire of this thermocouple is covered with polyimide or an insulating pipe so as not to contact each other. This thermocouple is stored in a sheath S as shown in FIG. The sheath S is made of a metal such as stainless steel, nickel, or copper having excellent oxidation resistance, or a ceramic such as alumina or silica. The sheath S can be filled with an insulating material 31 (powder may be used) made of ceramic powder such as alumina, silica, magnesia, or a resin such as epoxy resin, polyimide resin, or fluororesin. The insulating
次に、本発明にかかる半導体製造装置用セラミック基材について、まずこれをセラミックヒータとして構成した例について説明する。セラミックヒータとして構成するセラミック基材は、図2に示すように、セラミック板1の表面または内部に、好ましくは断面形状が扁平な板状の発熱体2を埋設してなるものを基本形とする。そして、このセラミック板1の被加熱物を載置する側である加熱面1aとは反対側の面には、測温素子を取付ける。その取付け例としては、図4に示すような構造とする。この構造は、測温素子4を収容してなるシースSの外側に突起48を設けて、セラミック板1を支持、格納する支持容器(ケーシング)の底板または中底板41との間にコイルバネ45を配設し、そのコイルバネ45の弾性力でセラミック板1に測温素子40を押しつけて圧接させたものである。本発明において、かかる測温素子40は、熱電対4をシースS内に格納しているので、機械的強度に優れるから、このようなバネ弾性力で押しつけて圧接しても、破損することはない。また、セラミック板1とかかる構造の測温素子40との間には、熱伝達媒体42を介在させることができる。その熱伝達媒体42には、くぼみを形成して、測温素子40とセラミック板1との接触面積の拡大を図って、測温素子40の応答性を改善することができる。その熱伝達媒体42としては、金属、セラミックを使用することができる。具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレスなどを使用することができる。また、セラミックとてしては、窒化アルミニウム、炭化珪素などである。セラミック板1の表面には、絶縁層50が形成され、シースSとセラミック板1との絶縁を確保することができる。また、図4(b)は、コイルバネのかわりに板バネ47を使用した例である。
Next, an example in which the ceramic substrate for a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention is first configured as a ceramic heater will be described. As shown in FIG. 2, the ceramic base material constituting the ceramic heater has a basic shape in which a
上記セラミック板1としては、窒化物セラミックや炭化物セラミックがよい。これらのセラミックは、熱膨張係数が金属よりも小さく、機械的な強度が金属に比べて格段に高いため、その厚さを薄くしても、加熱により反ったり、歪んだりしない。そのため、基板を薄くて軽いものとすることができる。さらに、これらの材質からなるセラミック板1は、熱伝導率が高く、板厚も薄いため、該板の表面温度が発熱体の温度変化に迅速に追従させることができる。即ち、電圧、電流値を変えて発熱体の温度を変化させる場合に、このセラミック板の表面温度を迅速に制御することができる。
The
本発明のセラミック基材を用いて構成されるセラミックヒータは、前記発熱体2をセラミック板1の一方の表面に形成し (図2参照) 、その反対側の面をシリコンウエハなどの被加熱物を載置して加熱する加熱面1aとして構成するか、発熱体2を該セラミック板1の内部に埋設すると共に、そのその埋設位置を厚み中心より厚さ方向に偏芯させて配設し、そして、発熱体2から遠い側の面を加熱面1aとしたものが望ましい。
In the ceramic heater constituted by using the ceramic base material of the present invention, the
セラミック板1への発熱体2を上記のように配設することにより、発熱体2から発生した熱が加熱面1aに伝搬していくうちに、基板全体に拡散し、被加熱物5(シリコンウエハなど)を加熱する面の温度分布が均一化され、その結果、被加熱物5の各部分における温度が均一化される。
By disposing the
例えば、図1は、本発明にかかるセラミック基材をセラミックヒータとして構成した例を模式的に示す底面図であり、このセラミックヒータは、円板状に形成されたセラミック板1の底面に対し、発熱体2を、該セラミック板1の加熱面(図示した底面とは反対側の面)全体の温度分布が均一になるように加熱するため、同心円や渦巻き状のパターンに形成される。これらの 発熱体2は、近接する二重の同心円どうしを1組として、1本の線になるように接続し、その両端に入出力の端子となる端子ピン6を接続した構成を有する。このセラミック板1の中央に近い部分には、被加熱物5を支持するための支持ピン7を挿入するための貫通孔8が形成されている。
For example, FIG. 1 is a bottom view schematically illustrating an example in which the ceramic base material according to the present invention is configured as a ceramic heater. This ceramic heater is provided on a bottom surface of a
このような構成にかかるセラミックヒータにおいて、セラミック板1の厚さは、0.5 〜5mmが好ましい。0.5 mmより薄いと破損しやすく、一方、5mmより厚くなると、熱が伝搬しにくくなり、加熱の効率が悪くなる。
In the ceramic heater having such a configuration, the thickness of the
上記セラミック板材料としては、窒化物セラミックまたは炭化物セラミックを使用することが望ましい。その窒化物セラミックとしては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、炭化物セラミックとしては、例えば、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステン等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのなかでは、窒化アルミニウムが最も好ましい。熱伝導率が180W/m・Kと最も高く、温度追従性に優れるからである。 It is desirable to use a nitride ceramic or a carbide ceramic as the ceramic plate material. Examples of the nitride ceramic include aluminum nitride, silicon nitride, boron nitride, and titanium nitride. These may be used alone or in combination of two or more. Examples of the carbide ceramic include silicon carbide, zirconium carbide, titanium carbide, tantalum carbide, and tungsten carbide. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, aluminum nitride is most preferred. This is because the thermal conductivity is the highest at 180 W / m · K, and is excellent in temperature followability.
上記セラミックヒータにおいて、温度制御手段の1つである発熱体2は、図1に示すように、少なくとも2以上の回路に分割することが望ましく、2〜10の回路に分割したものがより望ましい。その理由は、回路を分割することにより、各回路に投入する電力を制御して発熱量を変えることができ、シリコンウエハなどの加熱面1aの温度を正確に制御することができるからである。発熱体2の配線パターンとしては、図1に示した同心円のほか、例えば、渦巻き、偏心円、屈曲線などが挙げられる。
In the above ceramic heater, the
上記セラミックヒータにおいて、発熱体2をセラミック板1の表面に形成する場合には、金属粒子を含む導電ペーストを、該セラミック板1の表面に塗布して所定パターンの導体ペースト層を形成し、その後、これを焼き付け、該セラミック板1の表面で金属粒子を焼結する方法が好ましい。なお、金属粒子の焼結は、金属粒子同士および金属粒子とセラミックとが融着すれば充分である。
In the ceramic heater, when the
図1に示すように、セラミック板1の表面に発熱体2を形成する場合には、この発熱体2の厚さは、1〜30μm程度が好ましく、1〜10μmがより好ましい。一方、発熱体2をこのセラミック板1の内部に形成する場合には、その厚さは、1〜50μmとすることが好ましい。
As shown in FIG. 1, when the
なお、セラミック板1の表面に発熱体2を形成する場合、発熱体2の幅は、0.1 〜20mmが好ましく、0.1 〜5mmがより好ましい。一方、このセラミック板1の内部に発熱体2を埋設形成する場合には、この発熱体2の幅は、5〜20μm程度が好ましい。
When the
上記発熱体2は、その幅や厚さ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、上記した範囲が最も実用的である。抵抗値は、薄く、また細くなる程大きく、そして発熱体2をセラミック基板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。とくに、発熱体2を内部に埋設すると、加熱面1aと発熱体2との距離が短くなり、加熱面1aの温度の均一性が低下するおそれがあるので、該発熱体2自体の幅は広げる必要がある。なお、この発熱体2をセラミック板1の内部に埋設する例では、窒化物セラミック等との密着性を考慮する必要性がないため、この発熱体の材料としてタングステン、モリブデンなどの高融点金属やタングステン、モリブデンの炭化物を使用することができるようになる。また、このような発熱体については、抵抗値を高くすることが可能となるため、断線等を防止する目的で厚み自体を厚くしてもよい。この場合の発熱体もまた、上述した厚みや幅にすることが望ましい。
The resistance of the
かかる発熱体2は、幅方向の断面は矩形であっても楕円径であってもよいが、扁平ないわゆる板状であることが望ましい。それは、扁平断面の方が加熱面に向かって熱を均一に伝搬させやすいため、加熱面の不均一な温度分布ができにくいからである。その扁平の程度としては、断面アスペクト比(発熱体の幅/発熱体の厚さ)で、10〜5000程度であることが望ましい。この範囲に調整すると、発熱体2の抵抗値を大きくすることができるとともに、加熱面1aの温度の均一性を確保することができるからである。
The cross section of the
即ち、発熱体2の厚さを一定と仮定した場合、アスペクト比が上記範囲より小さいと、セラミック板1の加熱面方向への熱の伝搬量が小さくなり、発熱体2のパターンに近似した不均一な温度分布が加熱面に発生してしまい、逆にアスペクト比が大きすぎると、発熱体2の中央の直上部分が高温となってしまい、結局、発熱体2のパターンに近似した温度分布が発生してしまう。従って、温度分布を考慮すると、断面のアスペクト比は、上述したように10〜5000程度にすることが好ましい。
That is, when the thickness of the
なお、発熱体2をセラミック板1の表面に形成する場合は、前記断面アスペクト比は10〜200、発熱体2をセラミック板1の内部に形成する場合は、断面アスペクト比を200〜5000とすることがより好ましい。この点に関し、発熱体2というのは、セラミック板1の内部に形成した場合の方が、前記断面アスペクト比は大きくすることができる。このことは、発熱体2を内部に設けると、加熱面1aと発熱体2との距離が短くなり、その分だけ加熱面の温度均一性が低下するため、発熱体2自体をより扁平にする必要が生じるためである。
When the
ところで、この発熱体2は、セラミック板1の内部の厚み方向に偏芯させて埋設することができるが、その位置は、セラミック板1の加熱面1aに対して反端側の面(底面)に近い位置で、加熱面1aから底面までの距離に対して50%を超え、99%までの位置とすることが望ましい。その埋設位置が50%以下であると、加熱面に近すぎるため、不均一な温度分布が発生してしまい、逆に、99%を超えるような偏芯量では、セラミック板1自体に反りが発生して、加熱時に処理すべきシリコンウエハが破損することがある。
By the way, this
なお、発熱体2をセラミック板1の内部に埋設する場合、この発熱体形成層を複数層に分けて設けてもよい。この場合は、各層のパターンは、相互に補完するような関係、即ちどこかの層の発熱体2が加熱面1aの上方から見ると、必ずどの領域にもパターン形成されているような状態にすることが望ましい。このような構造としては、例えば、互いに千鳥状の配置になっている構造が挙げられる。
When the
かかる発熱体形成用導体ペーストとしては特に限定はないが、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が含有されているほか、樹脂、溶剤、増粘剤などを含むものが好ましい。 The conductor paste for forming a heating element is not particularly limited, but preferably contains not only metal particles or conductive ceramic for ensuring conductivity, but also a resin, a solvent, a thickener, and the like.
次に、上記セラミックヒータの製造方法について説明する。
(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ーおよび溶剤と混合してグリーンシート (生成形体) を得る工程:この工程の処理において、かかる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でき、必要に応じイットリア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、アクリル系バインダ、エチルセルロース、ブチルセロソルブ、ポリビニラールから選ばれる少なくとも1種以上が望ましい。さらに、溶媒としては、α−テルピオーネ、グリコールから選ばれる少なくとも1種以上が望ましい。これらを混合して得られる導電性ペーストを、ドクターブレード法でシート状に成形してグリーンシートを製造する。前記グリーンシートに、必要に応じシリコンウエハー5用の支持ピン7を挿通するための貫通孔8を開口しておくことができる。これらの貫通孔8は、パンチング法などを適用して形成することができる。グリーンシートの厚さは、0.1〜5mm程度がよい。
Next, a method for manufacturing the ceramic heater will be described.
(1) A step of mixing a ceramic powder such as a nitride ceramic and a carbide ceramic with a binder and a solvent to obtain a green sheet (form): In the process of this step, the ceramic powder may be aluminum nitride, silicon carbide, or the like. Element and the like, and a sintering aid such as yttria may be added as necessary. The binder is preferably at least one selected from an acrylic binder, ethyl cellulose, butyl cellosolve, and polyvinylal. Further, as the solvent, at least one selected from α-terpione and glycol is desirable. The conductive paste obtained by mixing them is formed into a sheet by a doctor blade method to produce a green sheet. A through
(2) グリーンシートに発熱体となる導電ペーストを印刷する工程:この工程の処理において、前記グリーンシート上の発熱体形成部分に金属粒子や導電性セラミックの如きからなる導電性ペーストを塗布しまたは印刷する。これらの導電性ペースト中には導電性の金属粒子や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、例えば、貴金属(金、銀、白金、パラジウム)、鉛、タングステン、モリブデン、ニッケルなどが好ましい。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの金属は、比較的酸化しにくく、発熱するに充分な抵抗値を有するからである。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。酸化しにくく熱伝導率が低下しにくいからである。これらは単独でも混合したものであってもよい。 (2) A step of printing a conductive paste serving as a heating element on the green sheet: in the processing of this step, a conductive paste made of metal particles or conductive ceramic is applied to a heating element forming portion on the green sheet; Print. These conductive pastes include conductive metal particles and conductive ceramic particles. Examples of such metal particles include noble metals (gold, silver, platinum, palladium), lead, tungsten, and molybdenum. , Nickel and the like are preferable. These may be used alone or in combination of two or more. This is because these metals are relatively hard to oxidize and have a resistance value sufficient to generate heat. Further, as the conductive ceramic particles, carbide of tungsten or molybdenum is most suitable. This is because it is difficult to be oxidized and the thermal conductivity is not easily reduced. These may be used alone or as a mixture.
このような導電性ペーストとしては、金属粒子または導電性セラミック粒子:85〜97重量部、アクリル系、エチルセルロース、ブチルセロソルブ、ポリビニラールから選ばれる少なくとも1種以上のバインダー:1.5 〜10重量部、α−テルピオーネ、グリコールから選ばれる少なくとも1種以上の溶媒:1.5 〜10重量部を混合調整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。 As such a conductive paste, metal particles or conductive ceramic particles: 85 to 97 parts by weight, at least one or more binders selected from acrylic, ethyl cellulose, butyl cellosolve, and polyvinylal: 1.5 to 10 parts by weight, α-terpione And at least one solvent selected from glycols and glycols: tungsten paste or molybdenum paste prepared by mixing and adjusting 1.5 to 10 parts by weight.
上記導電性ペースト中に含まれる金属粒子または導電性セラミック粒子の粒径は、0.1〜100μmが好ましい。0.1μm未満よりも微細だと酸化されやすく、一方、100μmを超えて大きくなると、焼結しにくくなり、抵抗値が大きくなるからである。上記金属粒子の形状は、球状であっても、リン片状であってもよい。これらの金属粒子を用いる場合、上記球状物と上記リン片状物との混合物であってよい。上記金属粒子がリン片状物、または、球状物とリン片状物との混合物の場合は、金属粒子間の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を確実にし、かつ、抵抗値を大きくすることができるため有利である。 The metal particles or the conductive ceramic particles contained in the conductive paste preferably have a particle size of 0.1 to 100 μm. If it is smaller than 0.1 μm, it is easily oxidized. On the other hand, if it is larger than 100 μm, sintering becomes difficult and the resistance value increases. The shape of the metal particles may be spherical or scaly. When these metal particles are used, they may be a mixture of the above-mentioned spherical material and the above-mentioned scaly material. When the metal particles are scaly, or a mixture of spherical and scaly, it is easy to hold the metal oxide between the metal particles, and the adhesion between the heating element and the nitride ceramic is improved. This is advantageous because it is possible to increase the resistance and increase the resistance value.
導体ペーストに含まれる樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。また、溶剤としては、例えば、イソプロピルアルコールなどが挙げられる。増粘剤としては、セルロースなどが挙げられる。発熱体とすべき導体ペーストには、上記したように、金属粒子に金属酸化物を添加し、これを焼結して発熱体とすることが望ましい。このように、金属酸化物を金属粒子とともに焼結することにより、セラミック板1である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密着性が向上する。なお、導電性ペースト中に金属粒子とともに金属酸化物を混合することにより、窒化物セラミックまたは炭化物セラミックとの密着性が改善される理由は明確ではないが、金属粒子表面や窒化物セラミック、炭化物セラミックの表面は、わずかに酸化されて酸化膜が形成されており、この酸化膜どうしが金属酸化物を介して焼結して一体化し、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が密着するのではないかと考えられる。
Examples of the resin contained in the conductor paste include an epoxy resin and a phenol resin. Examples of the solvent include isopropyl alcohol. Examples of the thickener include cellulose and the like. As described above, it is desirable to add a metal oxide to metal particles and sinter this to a conductor paste to be a heating element to be a heating element. By sintering the metal oxide together with the metal particles in this way, the adhesion between the metal particles and the nitride ceramic or carbide ceramic as the
前記金属酸化物としては、例えば、酸化鉛、酸化亜鉛、シリカ、酸化ホウ素(B2O3)、アルミナ、イットリアおよびチタニアからなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。これらの酸化物は、発熱体2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することができるからである。
As the metal oxide, for example, at least one selected from the group consisting of lead oxide, zinc oxide, silica, boron oxide (B 2 O 3 ), alumina, yttria, and titania is preferable. 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
上記酸化鉛、酸化亜鉛、シリカ、酸化ホウ素(B2O3)、アルミナ、イットリア、チタニアの割合は、金属酸化物の全量を100重量部とした場合、重量比で、酸化鉛が1〜10、シリカが1〜30、酸化ホウ素が5〜50、酸化亜鉛が20〜70、アルミナが1〜10、イットリアが1〜50、チタニアが1〜50であって、その合計が100重量部を超えない範囲で調整されていることが望ましい。これらの範囲で、これらの酸化物の量を調整することにより、特に窒化物セラミックとの密着性を改善することができる。上記金属酸化物の金属粒子に対する添加量は、0.1重量%以上10重量%未満が好ましい。 The ratio of the lead oxide, zinc oxide, silica, boron oxide (B 2 O 3 ), alumina, yttria, and titania is such that when the total amount of the metal oxide is 100 parts by weight, the lead oxide is 1 to 10 by weight. , Silica is 1 to 30, boron oxide is 5 to 50, zinc oxide is 20 to 70, alumina is 1 to 10, yttria is 1 to 50, titania is 1 to 50, and the total exceeds 100 parts by weight. It is desirable that it be adjusted within a range that does not exist. By adjusting the amounts of these oxides in these ranges, the adhesion to the nitride ceramic can be particularly improved. The amount of the metal oxide added to the metal particles is preferably 0.1% by weight or more and less than 10% by weight.
また、このような構成の導体ペーストを使用して発熱体2を形成した際の面積抵抗率は、1〜45mΩ/□が好ましい。面積抵抗率が45mΩ/□を超えると、印加電圧量に対して発熱量は大きくなりすぎて、セラミック板の表面に発熱体を設けたセラミックヒータでは、その発熱量を制御しにくいからである。なお、金属酸化物の添加量が10重量%以上であると、面積抵抗率が50mΩ/□を超えてしまい、発熱量が大きくなりすぎて温度制御が難しくなり、温度分布の均一性が低下する。
The area resistivity when the
なお、発熱体2がセラミック板1の表面に形成される場合には、発熱体2の表面部分に、金属被覆層(図2参照)9が形成されていることが望ましい。内部の金属焼結体 (発熱体2) が酸化されて抵抗値が変化するのを防止するためである。この金属被覆層9の厚さは、0.1〜10μmが好ましい。その金属被覆層9を形成する際に使用される金属は、非酸化性の金属であれば特に限定されないが、具体的には、例えば、金、銀、パラジウム、白金、ニッケルなどが挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのなかでは、ニッケルが好ましい。
When the
(3) 工程(2) で得られた発熱体2用の導電性ペーストを印刷したグリーンシートと、工程(1) と同様の工程で得られたペーストを印刷していないグリーンシートとを各々少なくとも1枚以上積層する工程:この工程において、2種類のグリーンシートを各1層以上積層する場合は、(2) の発熱体用導電性ペーストつきグリーンシートの上側 (加熱面側の意味) に積層されるグリーンシートの数を、下側に積層される(1) のグリーンシートの数よりも少なくして、発熱体2の埋設位置を厚さ方向に偏芯させることが重要である。具体的には、上側に20〜50枚、下側に5〜20枚を積層する。
(3) At least each of a green sheet printed with the conductive paste for the
(4) 上記グリーンシート積層体を加熱加圧してグリーンシートおよび導電ペーストを焼結し、セラミック板、発熱体を形成する工程:発熱体2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、半田を介して発熱体2に取り付けるが、ニッケルは、半田の熱拡散を防止するから好ましい。接続端子としては、例えば、コバール製の端子ピン6が挙げられる。なお、発熱体2をセラミック板1の内部に形成する場合には、発熱体2表面が酸化されることがないため、上述した被覆9は不要である。発熱体2をセラミック板1内部に形成する場合、発熱体2の一部が表面に露出していてもよく、発熱体2を接続するためのスルーホール23, 24が端子部分に設けられ、このスルーホール23, 24に外部端子接続用ピン6が接続、固定されていてもよい。外部端子接続用ピン6を接続する場合、半田としては、銀−鉛、鉛−スズ、ビスマス−スズなどの合金を使用することができる。なお、半田層の厚さは 0.1〜50μmが好ましい。半田による接続を確保するのに充分な範囲だからである。
(4) A step of heating and pressing the green sheet laminate to sinter the green sheet and the conductive paste to form a ceramic plate and a heating element: the
この工程において、加熱の温度は、1000〜2000℃で、加圧は100〜200kg/cm2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。 In this step, the heating is carried out at a temperature of 1000 to 2000 ° C. and a pressure of 100 to 200 kg / cm 2 in an inert gas atmosphere. As the inert gas, argon, nitrogen and the like can be used.
(5) 最後に、上記スルーホール (接続パッド) 23, 24に、外部端子接続用ピン6を挿入するための開口を形成する。そして、この開口内に、ろう材としてはんだペーストを印刷した後、外部端子接続用ピン6を挿入して加熱し、リフロー処理する。加熱温度は200〜500℃が好適である。さらに、必要に応じて測温素子40を埋め込むことができる。
(5) Finally, openings for inserting external terminal connection pins 6 are formed in the through holes (connection pads) 23 and 24. Then, after solder paste is printed as a brazing material in the opening, the external terminal connection pins 6 are inserted, heated, and reflowed. The heating temperature is preferably from 200 to 500C. Furthermore, the
次に、上記のセラミックヒータの使用方法について、図2に基づいて説明する。まず、制御部15を作動させることにより、セラミックヒータに電力を投入すると、セラミック基板1自体の温度が上がり始めるが、外周部の方の表面温度がやや低温になる。測温素子40で測温したデータはまず、記憶部16に格納される。次に、この温度データは演算部17に送られ、この演算部17において、各測定点における温度の差ΔTを演算し、さらに、加熱面1aの温度の均一化のために必要なデータΔWを演算する。例えば、発熱体2aと発熱体2bに温度差ΔTがあり、発熱体2aの方が低ければ、ΔTを0にするような電力データΔWを演算し、これを制御部15に送信して、これに基づいた電力を発熱体2aに投入して昇温させるのである。
Next, a method of using the above ceramic heater will be described with reference to FIG. First, when power is supplied to the ceramic heater by operating the
電力の計算アルゴリズムについては、セラミック板1の比熱と加熱域の重量から昇温に必要な電力を演算する方法が最も簡便であり、これに発熱体パターンに起因する補正係数を加味してもよい。また、予め、特定の発熱体パターンについて昇温試験を行い、測温位置、投入電力、温度の関数を予め求めておき、この関数から投入電力を演算してもよい。そして、演算部17で演算された電力に対応する印加電圧と時間とを制御部15に送信し、この制御部15でその値に基づいて各発熱体2に電力を投入することになる。
Regarding the power calculation algorithm, the simplest method is to calculate the power required to raise the temperature from the specific heat of the
図2は、本発明の好適実施形態を示す図である。この図に示したセラミックヒータでは、セラミック板1の底面1bに発熱体2a、2bが形成され、これらの発熱体2a、2bの外周囲に金属被覆層9が形成されている。また、これらの発熱体2a、2bに金属被覆層9を介して外部端子接続用ピン6が接続、固定され、このピン6に、ソケット18が取り付けられている。そして、このソケット18は、電源を有する制御部15に接続されている。
FIG. 2 is a diagram showing a preferred embodiment of the present invention. In the ceramic heater shown in this figure,
次に、本発明のセラミック基材の別の実施形態としては、セラミック板1のチャック面にシリコンウエハの如き被吸着物を静電的に吸着するために、このセラミック板1内に静電電極を埋設して静電チャック機能を付与したものがある。即ち、図6に示すように、セラミック板1中に発熱体2とともに、あるいは単独に、正・負極の静電電極11を埋設して構成される。この静電電極11は、正極と負極からなる櫛歯状の電極で構成されており、電極に電圧を印加することにより、静電場を発生させてセラミック板1上にセットしたシリコンウエハ5を吸着支持するために用いられる。
Next, as another embodiment of the ceramic substrate of the present invention, in order to electrostatically adsorb an object such as a silicon wafer on the chuck surface of the
本発明のさらに他の実施形態としては、セラミック板1中に、発熱体2や静電電極11とともに、あるいは単独で、ウエハプローバ機能を付与したセラミック基材がある。そのウエハプローバ機能を付与したセラミック基材は、図7(a),(b) に示すように、セラミック板1の内部にガード電極12とグランド電極13とを埋設すると共に、該セラミック板1表面にチャックトップ導体層14を形成した構成によってなる。前記チャックトップ導体層14上にはシリコンウエハ5が載置され、加熱しながらテスタピンがついたプローブカードが押圧され、さらにチャックトップ導体層14に、電圧を印加して導通試験を行うことができるようになっている。このウエハプローバにおいて、前記ガード電極12には、静電容量をキャンセルするためにチャックトップ導体層14と同じ電圧が印加される。また、グランド電極13は、発熱体2からのノイズを除去するために設けられる。
As still another embodiment of the present invention, there is a ceramic substrate provided with a wafer prober function in the
この種のセラミックヒータの動作は、図2に示したセラミックヒータと同様であり、発熱体2a、2bの温度を一定時間毎に測定して記憶部16で記憶し、このデータから演算部17で制御する電圧値等の計算を行い、これに基づき、制御部15から発熱体2a、2bに対して所定の電圧を印加して、セラミックヒータの加熱面1a全体の温度を均一化することができるようになっている。
The operation of this type of ceramic heater is the same as that of the ceramic heater shown in FIG. 2. The temperatures of the
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
供試材1−1
(測温素子の製造)Pt−13%Rh合金からなる断面直径0.2 mmの金属線とPtからなる断面直径0.2 mmの金属線を接合して、10−4秒のパルス炭酸ガスレーザを照射して両者を接合した。金属線に内径0.3 mmで厚さ0.02mmのポリイミド樹脂製のパイプ20をはめ込んで絶縁し、熱電対4とした。この熱電対4は、図3に示したように、2種の金属線4a, 4bの接合部に球状の溶融体4cを形造ることなく接合されている。上記熱電対4は、図3(b)に示すように、マグネシア粉末である絶縁材31とともにシースS内に収納され、一方の端部に防水用のフッ素樹脂からなるスリーブ50を嵌め込んで固定されている。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples.
Test material 1-1
(Manufacture of temperature measuring element) A metal wire having a cross-sectional diameter of 0.2 mm made of a Pt-13% Rh alloy and a metal wire having a cross-sectional diameter of 0.2 mm made of Pt were joined and irradiated with a pulsed carbon dioxide laser for 10-4 seconds. Both were joined. A
供試材1−2 (測温素子の製造)
断面直径がそれぞれ0.2 mmのNi/Cr線とNi合金線を10−6秒のパルスエキシマレーザを照射してスポット溶接した。金属線に、内径0.3 mmで厚さ0.02mmのアルミナ製のパイプ20をはめ込んで絶縁し、熱電対4とした。この熱電対4は、金属線4a, 4bの接合部に0.2 mm程度の球状の溶融体4cが形造られて接合されている。その後、この熱電対は図3(b) に示すように、マグネシア粉末である是%材31とともにシースS内に収納し、一方の端部に防水用のフッ素樹脂からなるスリーブ50を嵌め込んで固定した。
Test material 1-2 (manufacture of temperature measuring element)
A Ni / Cr wire and a Ni alloy wire each having a cross-sectional diameter of 0.2 mm were spot-welded by irradiating a pulse excimer laser for 10-6 seconds. A
実施例1
窒化アルミニウム製のセラミックヒータ(図1参照)の製造
(1) 窒化アルミニウム粉末(平均粒径:1.1 μm)100 重量部、イットリア(平均粒径:0.4 μm)4重量部、アクリル系バインダ12重量部およびアルコールからなる組成物のスプレードライを行い、顆粒状の粉末を作製した。
(2) 次に、この顆粒状の粉末を金型に入れ、平板状に成形して生成形体(グリーン)を得た。このグリーンシートにドリル加工を施し、シリコンウエハの支持ピンを挿入するための貫通孔8となる部分、熱電対を埋め込むための有底孔3となる部分(直径:1.1 mm、深さ:2mm)を形成した。
(3) 加工処理の終ったグリーンシートを1800℃、圧力:200 kg/cm2でホットプレスし、厚さが3mmの窒化アルミニウム板状体を得た。次に、この板状体から直径12インチ(300 mm)の円板体を切り出し、セラミック製の板状体(セラミック板1)とした。
Example 1
Manufacture of ceramic heater made of aluminum nitride (see Fig. 1)
(1) 100 parts by weight of aluminum nitride powder (average particle size: 1.1 μm), 4 parts by weight of yttria (average particle size: 0.4 μm), 12 parts by weight of acrylic binder and alcohol are spray-dried to obtain granules. A powder was prepared.
(2) Next, this granular powder was placed in a mold and molded into a flat plate to obtain a formed product (green). The green sheet is drilled to form a through
(3) The processed green sheet was hot-pressed at 1800 ° C. and a pressure of 200 kg / cm 2 to obtain an aluminum nitride plate having a thickness of 3 mm. Next, a disk having a diameter of 12 inches (300 mm) was cut out from the plate to obtain a ceramic plate (ceramic plate 1).
(4) 上記(3) で得たセラミック板1に、スクリーン印刷にて導電性ペーストを印刷した。印刷パターンは、図1に示したような同心円状のパターンとした。この導電性ペーストとしては、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力化学研究所製のソルベストPS603Dを使用した。この導電性ペーストは、銀−鉛ペーストであり、銀100 重量部に対して、酸化鉛(5重量%)、酸化亜鉛(55重量%)、シリカ(10重量%)、酸化ホウ素(25重量%)およびアルミナ(5重量%)からなる金属酸化物を7.5 重量部含むものであった。また、銀粒子は、平均粒径が4.5 μmで、リン片状のものであった。
(4) A conductive paste was printed on the
(5) 次に、上記導電性ペーストを印刷したセラミック板1を780 ℃で加熱、焼成して、該ペースト中の銀、鉛を焼結させるとともに該板1に焼き付け、発熱体2を形成した。銀−鉛の発熱体2は、厚さが5μm、幅2.4 mm、面積抵抗率が7.7 mΩ/□であった。
(6) 硫酸ニッケル80g/l、次亜リン酸ナトリウム24g/l、酢酸ナトリウム12g/l、ほう酸8g/l、塩化アンモニウム6g/lの濃度の水溶液からなる無電解ニッケルめっき浴に上記(5) で作製したセラミック板1を浸漬し、銀−鉛の発熱体2の表面に厚さ1μmの金属被覆層9(ニッケル層)を析出させた。
(7) 電源との接続を確保するための外部端子を取り付ける部分に、スクリーン印刷により、銀−鉛半田ペースト(田中貴金属製)を印刷して半田層を形成した。ついで、半田層の上にコバール製の外部端子接続用ピン6を載置して、420℃で加熱タフローし、該ピン6を発熱体2の表面に取り付けた。
(5) Next, the
(6) An electroless nickel plating bath composed of an aqueous solution having a concentration of 80 g / l of nickel sulfate, 24 g / l of sodium hypophosphite, 12 g / l of sodium acetate, 8 g / l of boric acid, and 6 g / l of ammonium chloride as described in (5) above. Was immersed to deposit a metal coating layer 9 (nickel layer) having a thickness of 1 μm on the surface of the silver-
(7) A silver-lead solder paste (manufactured by Tanaka Kikinzoku) was printed by screen printing on a portion to which an external terminal for securing connection to a power supply was attached, to form a solder layer. Then, a Kovar external
(8) 温度制御のための供試材1−1の測温素子40を図4のようにアルミニウム板42を介してバネによりセラミック基板に圧着し、ヒータを得た。
(8) The
実施例2
静電チャック (つきセラミックヒータ)基本的には実施例1と同様であるが、グリーンシートの外周に半円弧状部分と、その部分から平行にかつ等間隔にのびる多数の直線部分からなる正極, 負極を櫛歯状に配列した静電電極11を印刷し、このグリーンシートを発熱体2を印刷したグリーンシートとともに積層して1890℃、圧力150kg/cm2で3時間ホットプレスし、厚さ3mmの窒化アルミニウム板状体を得た。これを300mmの円板状に切り出し、内部に厚さ6μm、幅10mmの発熱体および櫛歯状の静電電極11を有するヒータ付き静電チャックとした。
Example 2
Electrostatic chuck (with ceramic heater) Basically the same as in Example 1, except that a positive electrode comprising a semicircular portion on the outer periphery of the green sheet and a number of linear portions extending in parallel and equidistantly from that portion, An
実施例3 ウエハプローバ (つきセラミックヒータ)
(1) 窒化アルミニウム粉末(トクヤマ製、平均粒径1.1μm)100重量部、イットリア(酸化イットリウムのこと 平均粒径0.4μm)4重量部、アクリルバイダー11.5重量部、分散剤0.5重量部および1−ブタノールおよびエタノールからなるアルコール53重量%を混合した組成物を、ドクターブレードで形成して厚さ0.47mmのグリーンシートを得た。
(2) グリーンシートを80℃で5時間乾燥させた後、パンチングにて発熱体2と外部端子接続用ピン6と接続するためのスルーホール用孔を設けた。
(3) 平均粒子径1μmのタングステンカーバイド粒子100重量部、アクリル系バインダ3.0 重量部、α−テルピオーネ溶媒を3.5 重量部、分散剤0.3 重量部を混合して導電性ペーストAとした。また、平均粒子径3μmのタングステン粒子100重量部、アクリル系バインダ1.9 重量部、α−テルピオーネ溶媒を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Bとした。この導電性ペーストAをグリーンシートにスクリーン印刷でガード電極12用印刷体、グランド電極13用印刷体を格子状に印刷して電極パターンを描いて印刷した。さらに、図1に示すように、同心円パターンの発熱体2をグリーンシート裏面に印刷した。また、端子ピン6と接続するためのスルーホール用孔に導電性ペーストBを充填した。そして、印刷されたグリーンシートおよび印刷がされていないグリーンシートを50枚積層して130℃、80kg/cm2の圧力で一体化した。
Example 3 Wafer prober (with ceramic heater)
(1) 100 parts by weight of aluminum nitride powder (manufactured by Tokuyama, average particle size 1.1 μm), 4 parts by weight of yttria (yttrium oxide, average particle size 0.4 μm), 11.5 parts by weight of acrylic binder, 0.1 dispersant. A composition in which 5 parts by weight and 53% by weight of alcohol composed of 1-butanol and ethanol were mixed was formed with a doctor blade to obtain a 0.47 mm thick green sheet.
(2) After the green sheet was dried at 80 ° C. for 5 hours, a hole for a through hole for connecting the
(3) A conductive paste A was prepared by mixing 100 parts by weight of tungsten carbide particles having an average particle diameter of 1 μm, 3.0 parts by weight of an acrylic binder, 3.5 parts by weight of an α-terpione solvent, and 0.3 parts by weight of a dispersant. A conductive paste B was prepared by mixing 100 parts by weight of tungsten particles having an average particle diameter of 3 μm, 1.9 parts by weight of an acrylic binder, 3.7 parts by weight of α-terpione solvent, and 0.2 parts by weight of a dispersant. The printed material for the
(4) 上記積層体を窒素ガス中で600℃で5時間脱脂し、1890℃、圧力150kg/cm2で3時間ホットプレスし、厚さ3mmの窒化アルミニウム板状体を得た。これを直径230mmの円状に切り出してセラミック製の板状体とした。スルーホールの大きさは直径0.2mm、深さ0.2mmであった。また、ガード電極12、グランド電極13の厚さは6μm、ガード電極2の形成位置は、ウエハ載置面から0.7mm、グランド電極13の形成位置は、1.4mm、発熱体2の位置は、2.8mmであった。
(4) The laminate was degreased in nitrogen gas at 600 ° C. for 5 hours, and hot-pressed at 1890 ° C. under a pressure of 150 kg / cm 2 for 3 hours to obtain a 3 mm-thick aluminum nitride plate. This was cut into a circular shape having a diameter of 230 mm to obtain a ceramic plate. The size of the through hole was 0.2 mm in diameter and 0.2 mm in depth. The thickness of the
(5) (4) で得た板状体を、ダイア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表面にウエハ吸着用の溝19(幅0.5mm、深さ0.5mm)を設けた (図7(b))。
(6) 上記溝19が形成された面にスパッタリングにてチタン、モリブデン、ニッケルの3層からなる膜を形成した。スパッタリングのための装置は、日本真空技術株式会社製のSV−4540を使用した。条件は気圧0.6Pa、温度100℃、電力200Wで時間は、30秒から1分で、各金属によって調整した。得られた3層の膜は、蛍光X線分析計の画像から、チタンは0.5μm、モリブデンは4μm、ニッケルは1.5μmの厚みであった。
(5) After polishing the plate-like body obtained in (4) with a diamond grindstone, a mask is placed, and a
(6) A film composed of three layers of titanium, molybdenum and nickel was formed on the surface where the
(7) 硫酸ニッケル30g/l、ほう酸30g/l、塩化アンモニウム30g/l、ロッシェル塩60g/lの濃度の水溶液からなる無電解ニッケルめっき浴に(6)で得られたセラミック基板1を浸漬して、溝19側の上記膜の表面に、厚さ7μm、ホウ素の含有量が1重量%以下のニッケルを析出させて積層し、120℃で3時間アニーリングした。さらにその上に、表面にシアン化金カリウム2g/l、塩化アンモニウム75g/l、クエン酸ナトリウム50g/l、次亜リン酸ナトリウム10g/lからなる無電解金めっき液に93℃の条件で1分間浸漬して、ニッケルめっき層15上に厚さ1mの金めっき層を形成することにより、チャックトップ導体層14を形成した。
(7) The
(8) 溝19から裏面に抜ける空気吸引孔22をドリル加工し、さらにスルーホール23、24を露出させるための孔を設けた。この孔にNi−Au合金(Au81.5、Ni18.4、不純物0.1)からなる金ろうを用い、970℃で加熱リフローしてコバール製の端子ピン6を接続させ、また、供試材1−1の測温素子40を図4(a) に示すように、コイルバネ45で押しつけてウエハプローバを形成した。
(8) The
比較例1
供試材1−1と同様であるが、熱融着した熱電対をつくった。接合部の太さは、0.8mmであった。
比較例2
供試材1−1の熱電対をシースに収納せずに、無機接着剤(東亜合成製 アロンセラミック)で接着固定した。
Comparative Example 1
A thermocouple similar to the test material 1-1, but heat-fused was prepared. The thickness of the joint was 0.8 mm.
Comparative Example 2
The thermocouple of the test material 1-1 was not fixed to the sheath but was fixed with an inorganic adhesive (Alon ceramic manufactured by Toa Gosei).
200℃まで昇温した場合の直径300mmの円板形状のセラミック板の最大温度と最低温度の差を、サーモビュアにより実施例1〜6、比較例について調べた。その結果を表1に示す。また、400℃まで昇温して1000時間経過後の熱電対の脱落の有無を調べた。また、4℃まで冷却し結露させてから、再度200℃まで昇温し、最大温度と最低温度の差を、サーモビュアにより実施例1〜3、比較例1、2について調べた。
本発明では、熱電対がシースで保護されているため、セラミック板に押し付けて圧着させることができ、従来のように測温素子を必ず接着剤で接着固定する必要はない。このため、測温素子が熱劣化で脱落するようなことがない。また、熱電対をシースに収納しているため、耐水性が低下するようなこともない。 In the present invention, since the thermocouple is protected by the sheath, the thermocouple can be pressed and pressed against the ceramic plate, and it is not necessary to fix the temperature measuring element with an adhesive as in the related art. Therefore, the temperature measuring element does not fall off due to thermal deterioration. Further, since the thermocouple is housed in the sheath, the water resistance does not decrease.
1 セラミック基板
1a 加熱面
1b 底面
2 発熱体
3 有底孔
4 熱電対
5 シリコンウエハ
6 端子ピン
7 支持ピン
8 貫通孔
9 金属被覆層
10、23、24 スルーホール
11 静電電極
12 ガード電極
13 グランド電極
14 チャックトップ電極
15 制御部
16 記憶部
17 演算部
19 溝
22 空気吸引孔
Claims (7)
5. A wafer prober function, wherein a guard electrode and a ground electrode are buried inside the ceramic plate, and a chuck top conductor layer is formed on a surface of the ceramic plate on which the semiconductor wafer is mounted. 7. The ceramic substrate for a semiconductor manufacturing apparatus according to any one of items 1 to 6.
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Publications (1)
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2009113451A1 (en) * | 2008-03-11 | 2009-09-17 | 東京エレクトロン株式会社 | Loading table structure and processing device |
CN110620075A (en) * | 2018-06-20 | 2019-12-27 | 新光电气工业株式会社 | Electrostatic chuck and substrate fixing device |
TWI712105B (en) * | 2019-10-31 | 2020-12-01 | 新唐科技股份有限公司 | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
-
2003
- 2003-12-01 JP JP2003401194A patent/JP2004177412A/en active Pending
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