JP2004241393A - Ceramic heater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主に、半導体の製造や検査のために用いられるセラミックヒータ(ホットプレート)に関する。 The present invention relates to a ceramic heater (hot plate) mainly used for manufacturing and testing semiconductors.
エッチング装置や、化学的気相成長装置等を含む半導体製造・検査装置等においては、従来、ステンレス鋼やアルミニウム合金などの金属製基材を用いたヒータやウエハプローバ等が用いられてきた。 2. Description of the Related Art In a semiconductor manufacturing / inspection apparatus including an etching apparatus and a chemical vapor deposition apparatus, a heater and a wafer prober using a metal base material such as stainless steel or an aluminum alloy have been used.
ところが、このような金属製のヒータは、以下のような問題があった。
まず、金属製であるため、ヒータ板の厚みは、15mm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、反り、歪み等が発生してしまい、金属板上に載置したシリコンウエハが破損したり傾いたりしてしまうからである。しかしながら、ヒータ板の厚みを厚くすると、ヒータの重量が重くなり、また、嵩張ってしまうという問題があった。
However, such a metal heater has the following problems.
First, since it is made of metal, the thickness of the heater plate must be as thick as about 15 mm. This is because, in a thin metal plate, warpage, distortion, and the like are generated due to thermal expansion caused by heating, and the silicon wafer placed on the metal plate is damaged or tilted. However, when the thickness of the heater plate is increased, there is a problem that the weight of the heater increases and the heater becomes bulky.
また、発熱体に印加する電圧や電流量を変えることにより、加熱温度を制御するのであるが、金属板が厚いために、電圧や電流量の変化に対してヒータ板の温度が迅速に追従せず、温度制御しにくいという問題もあった。 In addition, the heating temperature is controlled by changing the voltage or current applied to the heating element. However, because the metal plate is thick, the temperature of the heater plate can quickly follow changes in voltage and current. In addition, there was a problem that it was difficult to control the temperature.
そこで、特許文献1には、基板として、熱伝導率が高く、強度も大きい窒化物セラミックや炭化物セラミックを使用し、これらのセラミックからなる板状体(セラミック基板)の表面に、金属粒子を焼結して形成した発熱体を設けてなるセラミックヒータが開示されている。
このようなセラミックヒータでは、加熱の際に熱膨張しても、セラミック基板に反り、歪み等は発生しにくく、印加電圧や電流量の変化に対する温度追従性も良好であった。 In such a ceramic heater, even when thermally expanded during heating, the ceramic substrate is unlikely to be warped or distorted, and has good temperature followability to changes in applied voltage and current amount.
しかしながら、このセラミックヒータを用いてシリコンウエハ等の被加熱物を加熱すると、その加熱面に温度のばらつきが生じやすく、このような温度のばらつきが生じた場合には、シリコンウエハ等が熱衝撃により破損するという問題があった。 However, when an object to be heated such as a silicon wafer is heated using this ceramic heater, the temperature of the heated surface tends to vary. If such a temperature variation occurs, the silicon wafer or the like may be subjected to thermal shock. There was a problem of damage.
また、近年のシリコンウエハ等の被加熱物の大口径化等に伴って、より直径の大きいセラミックヒータが求められているが、セラミックヒータの直径が大きくなるほどにセラミック基板の加熱面の温度のばらつきは顕著になる。また、通常、セラミック基板の厚さは、厚くなるほどにその加熱面の温度のばらつきは小さくなるものであるが、逆に、その厚さが厚くなるほどに加熱面の温度のばらつきが顕著になることがあった。 Also, with the recent increase in the diameter of an object to be heated such as a silicon wafer, a ceramic heater having a larger diameter has been required. However, as the diameter of the ceramic heater increases, the temperature variation of the heating surface of the ceramic substrate increases. Becomes noticeable. In general, the thickness of the ceramic substrate is such that as the thickness increases, the variation in the temperature of the heating surface decreases, but conversely, as the thickness increases, the variation in the temperature of the heating surface increases. was there.
本発明者らは、上述した問題点に鑑み、加熱面の温度のばらつきが小さく、シリコンウエハ等の被加熱物が熱衝撃により破損することもないセラミックヒータを得ることを目的として鋭意研究を行った結果、この加熱面の温度のばらつきの一因は、セラミック基板の熱伝導率のばらつきにあり、その熱伝導率のばらつきを一定の範囲内に収めることにより、加熱面を均一な温度に制御することができることを見出し、本発明を完成するに至った。 In view of the above-described problems, the present inventors have conducted intensive studies with the aim of obtaining a ceramic heater in which the variation in the temperature of the heating surface is small and the object to be heated such as a silicon wafer is not damaged by thermal shock. As a result, one of the causes of the temperature variation of the heating surface is the variation of the thermal conductivity of the ceramic substrate, and by controlling the variation of the thermal conductivity within a certain range, the heating surface is controlled at a uniform temperature. The inventors have found that the present invention can be performed, and have completed the present invention.
すなわち本発明は、抵抗発熱体がセラミック基板の内部または表面に形成されたセラミックヒータであって、
上記セラミック基板の熱伝導率のばらつきが、−10〜10%であることを特徴とするセラミックヒータである。
That is, the present invention is a ceramic heater in which the resistance heating element is formed inside or on the surface of the ceramic substrate,
A ceramic heater characterized in that the thermal conductivity of the ceramic substrate varies from -10% to 10%.
抵抗発熱体に電流を流して発熱させた際、熱はセラミック基板中を伝搬して、加熱面に到達する。セラミック基板の熱伝導率がほぼ均一であれば、加熱面まで熱が伝搬する量はほぼ均一であるが、セラミック基板の熱伝導率にばらつきがあると、加熱面まで熱が伝搬する量に場所による差が生じ、その結果、加熱面に温度のばらつきが発生するものと考えられる。 When a current is passed through the resistance heating element to generate heat, the heat propagates through the ceramic substrate and reaches the heating surface. If the thermal conductivity of the ceramic substrate is almost uniform, the amount of heat that propagates to the heating surface is almost uniform, but if the thermal conductivity of the ceramic substrate varies, the amount of heat that propagates to the heating surface is limited. It is considered that a difference occurs due to the above, and as a result, a temperature variation occurs on the heating surface.
しかしながら、本発明のセラミックヒータは、上記の通り、セラミック基板の熱伝導率のばらつきを、−10〜10%の範囲内に調整しているので、抵抗発熱体からセラミック基板の加熱面まで熱が伝搬する量に、場所による差が殆ど生じず、そのため、セラミック基板の加熱面の温度を均一にすることができ、熱衝撃によるシリコンウエハ等の被加熱物が破損するのを防止することができる。 However, in the ceramic heater of the present invention, as described above, the variation in the thermal conductivity of the ceramic substrate is adjusted within the range of -10 to 10%, so that heat is generated from the resistance heating element to the heating surface of the ceramic substrate. There is almost no difference in the amount of propagation between places, so that the temperature of the heating surface of the ceramic substrate can be made uniform and the object to be heated such as a silicon wafer can be prevented from being damaged by thermal shock. .
本発明のセラミックヒータにおいて、上記セラミック基板の厚さは、20mm以下であり、また、上記セラミック基板は円板であり、その直径は190mmを超えることが望ましい。 In the ceramic heater according to the present invention, the thickness of the ceramic substrate is preferably 20 mm or less, and the ceramic substrate is a disc, and the diameter thereof is preferably more than 190 mm.
また、本発明のセラミックヒータにおいて、上記抵抗発熱体が、セラミック基板の表面に形成されている場合は、上記抵抗発熱体が形成された面の反対側面を加熱面としたものが望ましく、また、上記セラミック基板の内部に上記抵抗発熱体が形成されている場合は、上記抵抗発熱体は、加熱面の反対側の面から厚さ方向に60%以下の位置に形成されていることが望ましい。 In the ceramic heater of the present invention, when the resistance heating element is formed on the surface of the ceramic substrate, it is preferable that the side opposite to the surface on which the resistance heating element is formed be a heating surface, When the resistance heating element is formed inside the ceramic substrate, it is preferable that the resistance heating element is formed at a position of 60% or less in a thickness direction from a surface opposite to a heating surface.
本発明のセラミックヒータによれば、セラミック基板の熱伝導率のばらつきが、−10〜10%であるので、セラミック基板の加熱面での温度のばらつきを抑制することができ、被加熱対象物であるシリコンウエハ等を均一な温度に加熱することができる。 According to the ceramic heater of the present invention, since the variation in the thermal conductivity of the ceramic substrate is -10 to 10%, the variation in the temperature on the heating surface of the ceramic substrate can be suppressed, and the temperature of the object to be heated can be reduced. A certain silicon wafer or the like can be heated to a uniform temperature.
本発明のセラミックヒータは、抵抗発熱体がセラミック基板の内部または表面に形成されたセラミックヒータであって、
上記セラミック基板の熱伝導率のばらつきが、−10〜10%であることを特徴とする。
The ceramic heater of the present invention is a ceramic heater in which a resistance heating element is formed inside or on a ceramic substrate,
The thermal conductivity of the ceramic substrate varies from -10% to 10%.
図1は、本発明のセラミックヒータの一例を模式的に示す底面図であり、図2はその一部を示す部分拡大断面図である。
セラミック基板11は、円板状に形成されており、抵抗発熱体12は、セラミック基板11のウエハ加熱面11aの全体の温度が均一になるように加熱するため、セラミック基板11の底面11bに同心円状のパターンに形成されている。
FIG. 1 is a bottom view schematically showing an example of the ceramic heater of the present invention, and FIG. 2 is a partially enlarged sectional view showing a part thereof.
The
また、これら発熱体12は、互いに近い二重の同心円同士が1組として、1本の線になるように接続され、その両端に入出力の端子となる外部端子13が金属被覆層12aを介して接続されている。また、中央に近い部分には、シリコンウエハ9を運搬等するリフターピン16を挿通するための貫通孔15が形成され、さらに、測温素子18を挿入するための有底孔14が形成されている。
The
なお、図1〜2に示したセラミックヒータ10において、抵抗発熱体12はセラミック基板11の底部に設けられているが、セラミック基板11の内部に設けられていてもよい。以下、本発明のセラミックヒータを構成する部材等について詳細に説明する。
In the ceramic heater 10 shown in FIGS. 1 and 2, the
本発明のセラミックヒータ10において、セラミック基板11は、加熱面11aを均一な温度に制御するため、その熱伝導率のばらつきが、−10〜10%になるように調整されている。
In the ceramic heater 10 of the present invention, in order to control the temperature of the
ここで、「熱伝導率のばらつき」とは、セラミック基板の熱伝導率が場所によって異なる場合に、熱伝導率の平均値と熱伝導率が最も大きい部分または熱伝導率が最も小さい部分との差のうちの絶対値の大きい方の値で定義される。この「熱伝導率のばらつき」はセラミック基板を製造する際の焼成温度およびセラミック基板の厚さ等に起因して発生する。 Here, “variation in thermal conductivity” refers to the difference between the average value of thermal conductivity and the portion having the largest thermal conductivity or the portion having the smallest thermal conductivity when the thermal conductivity of the ceramic substrate varies from place to place. The difference is defined by the larger absolute value. This “variation in thermal conductivity” occurs due to the firing temperature, the thickness of the ceramic substrate, and the like when manufacturing the ceramic substrate.
上記セラミック基板の熱伝導率のばらつきが発生する理由は明確ではないが、以下のように考えられる。
例えば、窒化アルミニウムからなる基板を製造する場合には、イットリア(Y2O3)等の焼結助剤を添加し、焼結性を高める。
しかしながら、これらの焼結助剤は、焼成中に粒界や焼結体の表面方向に移動し、焼成温度である程度蒸気圧がある場合には、表面に到達した焼結助剤は、逸散(逃散)してしまう場合もある。
The reason why the thermal conductivity of the ceramic substrate varies is not clear, but is considered as follows.
For example, when manufacturing a substrate made of aluminum nitride, a sintering aid such as yttria (Y 2 O 3 ) is added to enhance sinterability.
However, these sintering aids move toward grain boundaries and the surface direction of the sintered body during firing, and when there is a certain degree of vapor pressure at the firing temperature, the sintering aids that reach the surface escape. (Escape).
焼成温度が充分に高い場合には、例えば、かなりの量の焼結助剤(イットリア)は系外に逸散し、一部の蒸発しにくい化合物等に変化したもののみが焼結体内(粒界)に残る。従って、残存するイットリアの量は、比較的均一である。しかし、焼成温度が低いと、焼結助剤(イットリア)の移動等が抑えられ、残存するイットリアの量が多くなるため、そのばらつきも相対的に大きくなり、これに起因して熱伝導率にばらつきが生じると考えられる。なお、焼結助剤は、焼成時に焼結を促進すればよいので、結果的に焼成体内に焼結助剤が残っていなくても、特に問題はない。 When the sintering temperature is sufficiently high, for example, a considerable amount of the sintering aid (yttria) escapes out of the system, and only the sintering aid that has changed to a part of the compound that is difficult to evaporate is contained in the sintered body (particles). World). Therefore, the amount of remaining yttria is relatively uniform. However, when the sintering temperature is low, the movement of the sintering aid (yttria) is suppressed, and the amount of the remaining yttria increases, so that the variation becomes relatively large. It is considered that variation occurs. Note that the sintering aid only needs to promote sintering at the time of firing, so that there is no particular problem even if the sintering aid does not remain in the fired body.
また、セラミック基板が厚い場合にも、内部にあるイットリアは、系外に移動しにくいため、残存量も多くなり、それに伴ってばらつきも大きくなり、セラミック基板の熱伝導率のばらつきが大きくなるものと考えられる。
さらに、焼結前の成形体の成形条件も関係しており、一軸方向にプレスした場合より、冷間静水圧プレスで均等にプレスした方が熱伝導率のバラツキが少ないことも合わせて知見した。これは、一軸プレスでは焼結が均等に進行しないためであると推定される。
In addition, even when the ceramic substrate is thick, the yttria inside is difficult to move out of the system, so that the remaining amount increases, and accordingly the variation increases, and the variation in the thermal conductivity of the ceramic substrate increases. it is conceivable that.
Furthermore, the molding conditions of the molded body before sintering are also related, and it was also found that the uniformity of the thermal conductivity is smaller when pressed evenly by the cold isostatic pressing than when the pressing is performed in the uniaxial direction. . This is presumed to be because sintering does not proceed evenly in the uniaxial press.
本発明では、セラミック基板の熱伝導率の最小の値と最大の値とが、これらを平均した値に対して−10〜10%の範囲内となるように調整されている。
従って、抵抗発熱体からセラミック基板の加熱面まで熱が伝搬する量に場所による差が殆ど生じず、その結果、セラミック基板の加熱面の温度を均一にすることができる。
In the present invention, the minimum value and the maximum value of the thermal conductivity of the ceramic substrate are adjusted so as to fall within a range of −10 to 10% with respect to an average value of these values.
Therefore, there is almost no difference in the amount of heat transmitted from the resistance heating element to the heating surface of the ceramic substrate depending on the location. As a result, the temperature of the heating surface of the ceramic substrate can be made uniform.
このように熱伝導率のばらつきを抑えるため、本発明では、焼成温度を高く保つか、または、セラミック基板の厚さを薄くすることにより、逃散しやすい焼結助剤を系外に逃散させる。これにより、焼結体内には、比較的均一な量の焼結助剤が残存し、セラミック基板の熱伝導率のばらつきを抑制することができる。
例えば、セラミック材料として、窒化アルミニウムを用いてセラミック基板を製造する際には、焼成温度は、1800〜2000℃が好ましい。
In order to suppress the variation in the thermal conductivity as described above, in the present invention, the sintering agent which is easily escaping escapes to the outside of the system by keeping the firing temperature high or reducing the thickness of the ceramic substrate. Thereby, a relatively uniform amount of the sintering aid remains in the sintered body, and the variation in the thermal conductivity of the ceramic substrate can be suppressed.
For example, when manufacturing a ceramic substrate using aluminum nitride as a ceramic material, the firing temperature is preferably 1800 to 2000 ° C.
また、セラミック基板の厚さは、20mm以下であることが望ましい。セラミック基板の厚さが20mmを超えると、セラミック基板の熱伝導率のばらつきが大きくなるとともに温度追従性が低下するからである。また、その厚さは、0.5mm以上であることが望ましい。0.5mmより薄いと、セラミック基板の強度自体が低下するため破損しやすくなる。より望ましくは、1.5を超え5mm以下である。5mmより厚くなると、熱が伝搬しにくくなり、加熱の効率が低下する傾向が生じ、一方、1.5mm以下であると、セラミック基板中を伝搬する熱が充分に拡散しないため加熱面に温度のばらつきが発生することがあり、また、セラミック基板の強度が低下して破損する場合があるからである。 Further, the thickness of the ceramic substrate is desirably 20 mm or less. This is because if the thickness of the ceramic substrate exceeds 20 mm, the thermal conductivity of the ceramic substrate varies greatly, and the temperature followability decreases. Further, the thickness is desirably 0.5 mm or more. When the thickness is smaller than 0.5 mm, the strength of the ceramic substrate itself is reduced, so that the ceramic substrate is easily broken. More preferably, it is more than 1.5 and 5 mm or less. When the thickness is more than 5 mm, heat becomes difficult to propagate, and the efficiency of heating tends to decrease. On the other hand, when the thickness is less than 1.5 mm, the heat propagating in the ceramic substrate is not sufficiently diffused, so that the temperature on the heating surface becomes lower. This is because variations may occur and the strength of the ceramic substrate may be reduced to cause breakage.
上記セラミック基板は、その直径は190mmを超えるものが望ましい。このような直径が大きいものほど加熱面での温度のばらつきが大きくなるため、焼成温度や厚さを調整して、熱伝導率のばらつきを抑える必要があるからである。
また、セラミック基板は、円板であることが望ましい。通常、シリコンウエハ等の円形の被加熱物を加熱するからである。
The ceramic substrate desirably has a diameter exceeding 190 mm. This is because the larger the diameter, the greater the variation in temperature on the heating surface, so it is necessary to adjust the firing temperature and thickness to suppress the variation in thermal conductivity.
Further, the ceramic substrate is desirably a disk. Usually, a circular object to be heated such as a silicon wafer is heated.
セラミック基板11の熱伝導率のばらつきが上記範囲を外れる場合には、抵抗発熱体12から放出された熱が加熱面11aに伝搬する量に関して、場所による差が生じるため、加熱面11aに温度のばらつきが発生する。
上記熱伝導率のばらつきの範囲は、−5〜+5%が望ましい。
If the variation in the thermal conductivity of the
The range of the variation in the thermal conductivity is desirably -5 to + 5%.
本発明のセラミックヒータでは、シリコンウエハ9等の被加熱物をセラミック基板11の加熱面11aに接触させた状態で載置して加熱するほか、図2に示すように、セラミック基板11に貫通孔15を設け、この貫通孔15にリフターピン16を挿入し、このリフターピン16でシリコンウエハ9等の被加熱物を保持することにより、セラミック基板11より一定の距離離間させた状態で被加熱物を加熱してもよい。
In the ceramic heater according to the present invention, an object to be heated such as a silicon wafer 9 is placed and heated while being in contact with the
また、このリフターピン16を上下させることにより、搬送機からシリコンウエハ9等の被加熱物を受け取ったり、被加熱物をセラミック基板11上に載置したり、被加熱物を支持したまま加熱したりすることができる。
Further, by moving the lifter pins 16 up and down, an object to be heated such as the silicon wafer 9 is received from the transfer device, the object to be heated is placed on the
さらに、セラミック基板に凹部や貫通孔等を形成し、この凹部等に先端が尖塔状または半球状の支持ピンを先端がセラミック基板の表面よりわずかに突出した状態で挿入、固定し、シリコンウエハ9等の被加熱物をこの支持ピンで支持することにより、セラミック基板との間に一定の間隔を保って保持してもよい。 Further, a concave portion, a through hole, or the like is formed in the ceramic substrate, and a pin having a spire or hemispherical tip is inserted and fixed in the concave portion or the like with the tip slightly protruding from the surface of the ceramic substrate. By supporting the object to be heated, such as, with the support pins, the object may be held at a constant distance from the ceramic substrate.
図3は、本発明の他の実施形態である、セラミック基板の内部に抵抗発熱体が形成されたセラミックヒータの抵抗発熱体の近傍を模式的に示した部分拡大断面図である。 FIG. 3 is a partially enlarged cross-sectional view schematically showing the vicinity of a resistance heating element of a ceramic heater according to another embodiment of the present invention in which a resistance heating element is formed inside a ceramic substrate.
図示はしていないが、図1に示したセラミックヒータと同様に、セラミック基板21は、円板形状に形成されており、抵抗発熱体22は、セラミック基板21の内部に、図1に示したパターンと同様のパターン、すなわち、同心円形状のパターンに形成されている。
Although not shown, similarly to the ceramic heater shown in FIG. 1, the
また、抵抗発熱体22の端部の直下には、スルーホール28が形成され、さらに、このスルーホール28を露出させる袋孔27が底面21bに形成され、袋孔37には外部端子23が挿入され、ろう材24で接合されている。
また、図3には示していないが、外部端子23には、例えば、導電線を有するソケットが取り付けられ、この導電線は電源等と接続されている。
A through
Although not shown in FIG. 3, for example, a socket having a conductive wire is attached to the
このような内部に抵抗発熱体22が形成されたセラミックヒータにおいても、セラミック基板の熱伝導率のばらつきを−10〜10%になるように調整することにより、抵抗発熱体からセラミック基板の加熱面まで熱が伝搬する量に、場所による差が生じず、セラミック基板の加熱面の温度を均一にすることができる。
Even in such a ceramic heater having the
本発明のセラミックヒータにおいて、セラミック基板の表面に抵抗発熱体を設ける場合は、加熱面は抵抗発熱体形成面の反対側であることが望ましい。セラミック基板が熱拡散の役割を果たすため、加熱面の温度均一性を向上させることができるからである。 In the ceramic heater of the present invention, when the resistance heating element is provided on the surface of the ceramic substrate, it is preferable that the heating surface is on the opposite side of the resistance heating element formation surface. This is because the ceramic substrate plays a role of thermal diffusion, so that the temperature uniformity of the heating surface can be improved.
また、上記抵抗発熱体をセラミック基板の内部に形成する場合は、上記抵抗発熱体は、加熱面の反対側の面から厚さ方向に60%以下の位置に形成されていることが望ましい。60%を超えると、加熱面に近すぎるため、上記セラミック基板内を伝搬する熱が充分に拡散されず、加熱面に温度のばらつきが発生してしまうからである。 When the resistance heating element is formed inside the ceramic substrate, it is desirable that the resistance heating element is formed at a position of 60% or less in the thickness direction from the surface opposite to the heating surface. If it exceeds 60%, the heat is too close to the heating surface, so that the heat propagating in the ceramic substrate is not sufficiently diffused, and the temperature of the heating surface varies.
抵抗発熱体をセラミック基板の内部に形成する場合には、抵抗発熱体形成層を複数層設けてもよい。この場合は、各層のパターンは、相互に補完するようにどこかの層に抵抗発熱体が形成され、加熱面の上方から見ると、どの領域にもパターンが形成されている状態が望ましい。このような構造としては、例えば、互いに千鳥の配置になっている構造が挙げられる。
なお、抵抗発熱体をセラミック基板の内部に設け、かつ、その抵抗発熱体を一部露出させてもよい。
When the resistance heating element is formed inside the ceramic substrate, a plurality of resistance heating element formation layers may be provided. In this case, it is desirable that the resistance heating element is formed in some layer so as to complement each other, and that the pattern is formed in any region when viewed from above the heating surface. As such a structure, for example, there is a structure in which the staggered arrangement is provided.
Note that the resistance heating element may be provided inside the ceramic substrate, and the resistance heating element may be partially exposed.
本発明のセラミックヒータ10では、セラミック基板11の材料としてセラミックを使用している。これは、セラミックは、熱膨張係数が金属より小さく、また、機械的強度に優れるため、薄くしても、加熱により反ったり歪んだりせず、セラミック基板11を薄くて軽いものとすることができるからである。
In the ceramic heater 10 of the present invention, ceramic is used as the material of the
また、セラミック基板11の熱伝導率が高く、またセラミック基板11自体薄いため、熱容量が小さくなり、その結果、セラミック基板11の表面温度が、抵抗発熱体12の温度変化に迅速に追従する。即ち、電圧、電流量を変えて抵抗発熱体12の温度を変化させることにより、セラミック基板11の表面温度を良好に制御することができるのである。
Further, since the thermal conductivity of the
上記セラミックとしては特に限定されず、例えば、窒化物セラミック、炭化物セラミックおよび酸化物セラミック等を挙げることができる。
セラミック基板11の材料として、これらのなかでは、窒化物セラミックを用いる場合に、特に、セラミックヒータが上記特性に優れる。
The ceramic is not particularly limited, and examples thereof include a nitride ceramic, a carbide ceramic, and an oxide ceramic.
Among these, when a nitride ceramic is used as the material of the
上記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。また、上記炭化物セラミックとしては、炭化珪素、炭化チタン、炭化硼素等が挙げられる。さらに、上記酸化物セラミックとしては、アルミナ、コージェライト、ムライト、シリカ、ベリリア等が挙げられる。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と最も高いからである。
Examples of the nitride ceramic include aluminum nitride, silicon nitride, boron nitride, and titanium nitride. Examples of the carbide ceramic include silicon carbide, titanium carbide, boron carbide, and the like. Furthermore, examples of the oxide ceramic include alumina, cordierite, mullite, silica, and beryllia. 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.
また、上記セラミック材料は、焼結助剤を含有していてもよい。上記焼結助剤としては、例えば、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、希土類酸化物等が挙げられる。これらの焼結助剤のなかでは、CaO、Y2O3、Na2O、Li2O、Rb2Oが好ましい。これらの含有量としては、0.1〜20重量%が好ましい。また、アルミナを含有していてもよい。 Further, the ceramic material may contain a sintering aid. Examples of the sintering aid include alkali metal oxides, alkaline earth metal oxides, and rare earth oxides. Among these sintering aids, CaO, Y 2 O 3, Na 2 O, Li 2 O, Rb 2 O are preferred. The content of these is preferably 0.1 to 20% by weight. Further, it may contain alumina.
上記セラミック基板は、明度がJIS Z 8721の規定に基づく値でN4以下のものであることが望ましい。このような明度を有するものが輻射熱量、隠蔽性に優れるからである。また、このようなセラミック基板は、サーモビュアにより、正確な表面温度測定が可能となる。 It is preferable that the ceramic substrate has a brightness of N4 or less as a value based on the specification of JIS Z 8721. This is because a material having such brightness is excellent in radiant heat and concealing property. Further, such a ceramic substrate can accurately measure the surface temperature by using a thermoviewer.
ここで、明度のNは、理想的な黒の明度を0とし、理想的な白の明度を10とし、これらの黒の明度と白の明度との間で、その色の明るさの知覚が等歩度となるように各色を10分割し、N0〜N10の記号で表示したものである。
そして、実際の測定は、N0〜N10に対応する色票と比較して行う。この場合の小数点1位は0または5とする。
Here, N of lightness is 0 for ideal black lightness and 10 for ideal white lightness, and between these black lightness and white lightness, the perception of the lightness of the color is Each color is divided into 10 so as to have a uniform rate, and displayed by symbols N0 to N10.
The actual measurement is performed by comparing the color charts corresponding to N0 to N10. In this case, the first decimal place is 0 or 5.
このような特性を有するセラミック基板は、セラミック基板中にカーボンを100〜5000ppm含有させることにより得られる。カーボンには、非晶質のものと結晶質のものとがあり、非晶質のカーボンは、セラミック基板の高温における体積抵抗率の低下を抑制することでき、結晶質のカーボンは、セラミック基板の高温における熱伝導率の低下を抑制することができるため、その製造する基板の目的等に応じて適宜カーボンの種類を選択することができる。 A ceramic substrate having such characteristics can be obtained by including 100 to 5000 ppm of carbon in the ceramic substrate. There are two types of carbon, amorphous and crystalline.Amorphous carbon can suppress a decrease in volume resistivity of a ceramic substrate at a high temperature. Since the decrease in thermal conductivity at high temperatures can be suppressed, the type of carbon can be appropriately selected according to the purpose of the substrate to be manufactured.
非晶質のカーボンは、例えば、C、H、Oだけからなる炭化水素、好ましくは、糖類を、空気中で焼成することにより得ることができ、結晶質のカーボンとしては、グラファイト粉末等を用いることができる。
また、アクリル系樹脂を不活性雰囲気下で熱分解させた後、加熱加圧することによりカーボンを得ることができるが、このアクリル系樹脂の酸価を変化させることにより、結晶性(非晶性)の程度を調整することもできる。
Amorphous carbon can be obtained, for example, by calcining a hydrocarbon consisting of only C, H, and O, preferably a saccharide, in the air, and using graphite powder or the like as the crystalline carbon. be able to.
In addition, carbon can be obtained by thermally decomposing the acrylic resin in an inert atmosphere and then heating and pressurizing. By changing the acid value of the acrylic resin, it is possible to obtain carbon (crystalline). Can be adjusted.
また、セラミック基板の気孔率は、0または5%以下が好ましい。上記気孔率はアルキメデス法により測定する。
高温での熱伝導率の低下、反りの発生を抑制することができるからである。
The porosity of the ceramic substrate is preferably 0 or 5% or less. The porosity is measured by the Archimedes method.
This is because a decrease in the thermal conductivity at a high temperature and the occurrence of warpage can be suppressed.
本発明では、必要に応じて、セラミック基板に熱電対を埋め込んでおくことができる。熱電対により抵抗発熱体の温度を測定し、そのデータをもとに電圧、電流量を代えて、温度を制御することができるからである。 In the present invention, a thermocouple can be embedded in a ceramic substrate as needed. This is because the temperature of the resistance heating element can be measured with a thermocouple, and the temperature can be controlled by changing the voltage and current based on the data.
上記熱電対の金属線の接合部位の大きさは、各金属線の素線径と同一か、もしくは、それよりも大きく、かつ、0.5mm以下がよい。このような構成によって、接合部分の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されるのである。このため、温度制御性が向上してウエハの加熱面の温度分布が小さくなるのである。
上記熱電対としては、例えば、JIS−C−1602(1980)に挙げられるように、K型、R型、B型、E型、J型、T型熱電対が挙げられる。
The size of the joining part of the metal wires of the thermocouple is preferably equal to or larger than the diameter of each metal wire and 0.5 mm or less. With such a configuration, the heat capacity of the junction is reduced, and the temperature is accurately and quickly converted to a current value. For this reason, the temperature controllability is improved, and the temperature distribution on the heated surface of the wafer is reduced.
Examples of the thermocouple include K-type, R-type, B-type, E-type, J-type, and T-type thermocouples as described in JIS-C-1602 (1980).
セラミック基板の表面または内部に形成される抵抗発熱体は、少なくとも2以上の回路に分割されていることが望ましい。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、シリコンウエハの加熱面の温度を調整することができるからである。 It is desirable that the resistance heating element formed on the surface or inside of the ceramic substrate is divided into at least two or more circuits. This is because, by dividing the circuit, the amount of heat generated can be changed by controlling the power supplied to each circuit, and the temperature of the heating surface of the silicon wafer can be adjusted.
抵抗発熱体のパターンとしては、例えば、同心円、渦巻き、偏心円、屈曲線などが挙げられるが、セラミック基板全体の温度を均一にすることができる点から、図1に示したような同心円状のものか、または、同心円形状と屈曲形状とを組み合わせたものが好ましい。 Examples of the pattern of the resistance heating element include concentric circles, spirals, eccentric circles, bent lines, and the like. However, since the temperature of the entire ceramic substrate can be made uniform, the concentric circles shown in FIG. Or a combination of a concentric shape and a bent shape.
抵抗発熱体をセラミック基板の表面に形成する場合には、金属粒子を含む導体ペーストをセラミック基板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た後、これを焼き付け、セラミック基板の表面で金属粒子を焼結させる方法が好ましい。なお、金属の焼結は、金属粒子同士および金属粒子とセラミックとが融着していれば充分である。 When the resistance heating element is formed on the surface of the ceramic substrate, a conductor paste containing metal particles is applied to the surface of the ceramic substrate to form a conductor paste layer having a predetermined pattern, which is then baked, and then baked on the surface of the ceramic substrate. A method of sintering metal particles is preferred. The sintering of the metal is sufficient if the metal particles and the metal particles and the ceramic are fused.
セラミック基板の表面に抵抗発熱体を形成する場合には、抵抗発熱体の厚さは、1〜30μmが好ましく、1〜10μmがより好ましい。また、セラミック基板の内部に抵抗発熱体を形成する場合には、その厚さは、1〜50μmが好ましい。 When the resistance heating element is formed on the surface of the ceramic substrate, the thickness of the resistance heating element is preferably 1 to 30 μm, more preferably 1 to 10 μm. When a resistance heating element is formed inside a ceramic substrate, the thickness thereof is preferably 1 to 50 μm.
また、セラミック基板の表面に抵抗発熱体を形成する場合には、抵抗発熱体の幅は、0.1〜20mmが好ましく、0.1〜5mmがより好ましい。また、セラミック基板の内部に抵抗発熱体を形成する場合には、抵抗発熱体の幅は、5〜20μmが好ましい。 When the resistance heating element is formed on the surface of the ceramic substrate, the width of the resistance heating element is preferably 0.1 to 20 mm, more preferably 0.1 to 5 mm. When the resistance heating element is formed inside the ceramic substrate, the width of the resistance heating element is preferably 5 to 20 μm.
抵抗発熱体は、その幅や厚さにより抵抗値に変化を持た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、細くなる程大きくなる。抵抗発熱体は、セラミック基板の内部に形成した場合の方が、厚み、幅とも大きくなるが、抵抗発熱体を内部に設けると、加熱面と抵抗発熱体との距離が短くなり、加熱面の温度の均一性が低下するため、抵抗発熱体自体の幅を広げる必要があること、内部に抵抗発熱体を設けるために、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、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、モリブデンなどの炭化物を使用することができ、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。そのため、抵抗発熱体は、上記した厚みや幅とすることが望ましい。 Although the resistance value of the resistance heating element can be varied depending on its width and thickness, the above range is most practical. The resistance value increases as the resistance value decreases and the resistance value decreases. When the resistance heating element is formed inside the ceramic substrate, both the thickness and the width are larger, but when the resistance heating element is provided inside, the distance between the heating surface and the resistance heating element becomes shorter, and the heating surface Since the temperature uniformity decreases, it is necessary to increase the width of the resistance heating element itself, and there is no need to consider the adhesion with nitride ceramics, etc. Since a high melting point metal such as molybdenum or a carbide such as tungsten or molybdenum can be used, and the resistance value can be increased, the thickness itself may be increased for the purpose of preventing disconnection or the like. Therefore, it is desirable that the resistance heating element has the above-described thickness and width.
抵抗発熱体は、断面形状が矩形であっても楕円であってもよいが、偏平であることが望ましい。偏平の方が加熱面に向かって放熱しやすいため、加熱面の温度分布ができにくいからである。
断面のアスペクト比(抵抗発熱体の幅/抵抗発熱体の厚さ)は、10〜5000であることが望ましい。
この範囲に調整することにより、抵抗発熱体の抵抗値を大きくすることができるとともに、加熱面の温度の均一性を確保することができるからである。
The resistance heating element may have a rectangular or elliptical cross section, but is preferably flat. This is because the flat surface is more likely to dissipate heat toward the heating surface, so that the temperature distribution on the heating surface is less likely.
The aspect ratio of the cross section (the width of the resistance heating element / the thickness of the resistance heating element) is desirably 10 to 5000.
By adjusting to this range, the resistance value of the resistance heating element can be increased, and the uniformity of the temperature of the heating surface can be ensured.
抵抗発熱体の厚さを一定とした場合、アスペクト比が上記範囲より小さいと、セラミック基板の加熱面方向への熱の伝搬量が小さくなり、抵抗発熱体のパターンに近似した熱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抵抗発熱体の中央の直上部分が高温となってしまい、結局、抵抗発熱体のパターンに近似した熱分布が加熱面に発生してしまう。従って、温度分布を考慮すると、断面のアスペクト比は、10〜5000であることが好ましいのである。 When the thickness of the resistance heating element is constant, if the aspect ratio is smaller than the above range, the amount of heat propagation in the direction of the heating surface of the ceramic substrate is reduced, and the heat distribution approximate to the pattern of the resistance heating element is reduced. Conversely, if the aspect ratio is too large, the temperature immediately above the center of the resistance heating element becomes high, and eventually, a heat distribution similar to the pattern of the resistance heating element is generated on the heating surface. Therefore, in consideration of the temperature distribution, the aspect ratio of the cross section is preferably 10 to 5000.
抵抗発熱体をセラミック基板の表面に形成する場合は、アスペクト比を10〜200、抵抗発熱体12をセラミック基板の内部に形成する場合は、アスペクト比を200〜5000とすることが望ましい。
抵抗発熱体は、セラミック基板の内部に形成した場合の方が、アスペクト比が大きくなるが、これは、抵抗発熱体を内部に設けると、加熱面と抵抗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、抵抗発熱体自体を偏平にする必要があるからである。
When the resistance heating element is formed on the surface of the ceramic substrate, the aspect ratio is preferably 10 to 200. When the
When the resistance heating element is formed inside the ceramic substrate, the aspect ratio becomes larger, but this is because if the resistance heating element is provided inside, the distance between the heating surface and the resistance heating element becomes shorter, This is because it is necessary to make the resistance heating element itself flat because the temperature uniformity of the resistance heating element decreases.
上記導体ペーストとしては特に限定されないが、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 conductive paste 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.
上記金属粒子としては、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。
上記導電性セラミックとしては、例えば、タングステン、モリブデンの炭化物などが挙げられる。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。
As the metal particles, for example, noble metals (gold, silver, platinum, palladium), lead, tungsten, 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.
Examples of the conductive ceramic include carbides of tungsten and molybdenum. These may be used alone or in combination of two or more.
これら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未満と微細すぎると、酸化されやすく、一方、100μmを超えると、焼結しにくくなり、抵抗値が大きくなるからである。 The metal particles or the conductive ceramic particles preferably have a particle size of 0.1 to 100 μm. If it is too fine, less than 0.1 μm, it is liable to be oxidized, while if it exceeds 100 μm, sintering becomes difficult and the resistance value becomes large.
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、抵抗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 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, the metal oxide between the metal particles is easily retained, and the adhesion between the resistance heating element and the nitride ceramic or the like is improved. And the resistance value can be increased, which is advantageous.
導体ペーストに使用される樹脂としては、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。 Examples of the resin used for 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.
導体ペーストには、金属粒子に金属酸化物を添加し、抵抗発熱体と金属粒子および金属酸化物とを焼結させたもの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させることにより、セラミック基板である窒化物セラミック等と金属粒子とをより密着させることができる。 It is preferable that the conductor paste is obtained by adding a metal oxide to metal particles and sintering the resistance heating element, the metal particles, and the metal oxide. By sintering the metal oxide together with the metal particles in this manner, the ceramic particles, such as a nitride ceramic, and the metal particles can be more closely adhered.
金属酸化物を混合することにより、窒化物セラミック等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等の表面は、わずかに酸化されて酸化膜が形成されており、この酸化膜同士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等とが密着するのではないかと考えられる。また、セラミック基板を構成するセラミックが酸化物セラミックの場合は、当然に表面が酸化物からなるので、密着性に優れた導体層が形成される。 It is not clear why mixing metal oxides improves the adhesion with nitride ceramics, but the surface of metal particles and surfaces of nitride ceramics are slightly oxidized to form oxide films. It is considered that the oxide films are sintered and integrated via the metal oxide, and the metal particles and the nitride ceramics are brought into close contact with each other. When the ceramic constituting the ceramic substrate is an oxide ceramic, the surface is naturally made of an oxide, so that a conductor layer having excellent adhesion is formed.
上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。 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.
これらの酸化物は、抵抗発熱体12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等との密着性を改善することができるからである。
This is because these oxides can improve the adhesion between the metal particles and the nitride 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等との密着性を改善することができる。
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 amount of these oxides in these ranges, the adhesion to nitride ceramics and the like can be particularly improved.
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。また、このような構成の導体ペーストを使用して抵抗発熱体12を形成した際の面積抵抗率は、1〜45mΩ/□が好ましい。
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. The area resistivity when the
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、セラミック基板の表面に抵抗発熱体12を設けたセラミック基板11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。
If the area resistivity exceeds 45 mΩ / □, the amount of heat generated becomes too large with respect to the applied voltage, and it is difficult to control the amount of heat generated in the
抵抗発熱体がセラミック基板の表面に形成される場合には、抵抗発熱体の表面部分に、金属被覆層が形成されていることが望ましい。内部の金属焼結体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。形成する金属被覆層の厚さは、0.1〜10μmが好ましい。 When the resistance heating element is formed on the surface of the ceramic substrate, it is desirable that a metal coating layer be formed on the surface of the resistance heating element. This is to prevent the internal metal sintered body from being oxidized to change the resistance value. The thickness of the metal coating layer to be formed is preferably from 0.1 to 10 μm.
金属被覆層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、ニッケルが好ましい。 The metal used for forming the metal coating layer is not particularly limited as long as it is a non-oxidizing metal, but specific examples include gold, silver, palladium, platinum, and nickel. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, nickel is preferred.
抵抗発熱体には、電源と接続するための端子が必要であり、この端子は、半田を介して抵抗発熱体に取り付けるが、ニッケルは、半田の熱拡散を防止するからである。接続端子としては、例えば、コバール製のものが挙げられる。 The resistance heating element requires a terminal for connection to a power supply, and this terminal is attached to the resistance heating element via solder. Nickel prevents thermal diffusion of the solder. Examples of the connection terminal include those made of Kovar.
なお、抵抗発熱体をセラミック基板の内部に形成する場合には、抵抗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。抵抗発熱体をセラミック基板内部に形成する場合、抵抗発熱体の一部が表面に露出していてもよく、抵抗発熱体を接続するためのスルーホールが端子部分に設けられ、このスルーホールに外部端子が接続、固定されていてもよい。 When the resistance heating element is formed inside the ceramic substrate, the surface is not oxidized, and thus no coating is required. When the resistance heating element is formed inside the ceramic substrate, a part of the resistance heating element may be exposed on the surface, and a through hole for connecting the resistance heating element is provided in the terminal portion. The terminals may be connected and fixed.
外部端子13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。
When the
次に、本発明のセラミックヒータの製造方法について説明する。
まず、セラミック基板11の底面に抵抗発熱体が形成されたセラミックヒータ(図1〜2参照)の製造方法について、図4(a)〜(c)に基づいて説明する。
Next, a method for manufacturing the ceramic heater of the present invention will be described.
First, a method of manufacturing a ceramic heater in which a resistance heating element is formed on the bottom surface of a ceramic substrate 11 (see FIGS. 1 and 2) will be described with reference to FIGS.
(1)セラミック基板の作製工程
上述した窒化アルミニウム等のセラミックの粉末に必要に応じてイットリア(Y2O3)等の焼結助剤、Na、Caを含む化合物、バインダ等を配合してスラリーを調製した後、このスラリーをスプレードライ等の方法で顆粒状にし、この顆粒を金型などに入れて加圧することにより板状などに成形し、成形体(グリーン)を作製する。さらに、この成形体を冷間静水圧プレス(CIP)で圧縮しておくことにより、焼成時において均等に焼結が進行し、焼結密度の相違に起因する熱伝導率のばらつきを低減することができる。CIP時の圧力としては、0.5〜5t/cm2が好ましい。なお、成形体の厚さは、焼成後のセラミック基板の厚さが0.5〜20mmとなるように調整しておく。
(1) Step of preparing ceramic substrate A slurry obtained by mixing a sintering aid such as yttria (Y 2 O 3 ), a compound containing Na and Ca, a binder, or the like with ceramic powder such as aluminum nitride or the like as necessary. After preparing the slurry, the slurry is formed into granules by a method such as spray drying, and the granules are put into a mold or the like and pressed to be formed into a plate shape or the like to produce a formed body (green). Furthermore, by compressing this compact with a cold isostatic press (CIP), sintering proceeds evenly at the time of sintering, thereby reducing the variation in thermal conductivity due to the difference in sintering density. Can be. The pressure at the time of CIP is preferably 0.5 to 5 t / cm 2 . The thickness of the molded body is adjusted so that the thickness of the fired ceramic substrate is 0.5 to 20 mm.
次に、成形体に、必要に応じて、シリコンウエハ9等の被加熱物を運搬等するためのリフターピン16を挿入する貫通孔15となる部分や熱電対などの測温素子を埋め込むための有底孔14となる部分等を形成する。
Next, if necessary, a portion to be a through
次に、この成形体を加熱、焼成して焼結させ、セラミック製の板状体を製造する。この後、所定の形状に加工することにより、セラミック基板11を作製する(図4(a)参照)が、焼成後にそのまま使用することができる形状としてもよい。また、例えば、上下より加圧しながら加熱、焼成を行うことにより、気孔のないセラミック基板11を製造することが可能となる。加熱、焼成は、焼結温度以上であればよいが、例えば、窒化物セラミックでは、1800〜2500℃が好ましく、加圧の圧力は、10〜20MPaが好ましい。
Next, this molded body is heated, fired and sintered to produce a ceramic plate. Thereafter, the
なお、通常は、焼成を行った後に、貫通孔15や測温素子を挿入するための有底孔14を設ける。貫通孔15等は、表面研磨後に、SiC粒子等を用い、サンドブラスト等のブラスト処理を行うことにより形成することができる。
Usually, after firing, a through
(2)セラミック基板に導体ペーストを印刷する工程
導体ペーストは、一般に、金属粒子、樹脂、溶剤からなる粘度の高い流動物である。この導体ペーストをスクリーン印刷などを用い、抵抗発熱体を設けようとする部分に印刷を行うことにより、導体ペースト層を形成する。抵抗発熱体は、セラミック基板全体を均一な温度にする必要があることから、図1に示すような同心円形状からなるパターンに印刷することが望ましい。
導体ペースト層は、焼成後の抵抗発熱体12の断面が、方形で、偏平な形状となるように形成することが望ましい。
(2) Step of Printing Conductor Paste on Ceramic Substrate The conductor paste is generally a high-viscosity fluid composed of metal particles, a resin, and a solvent. This conductor paste is printed on a portion where the resistance heating element is to be provided by screen printing or the like to form a conductor paste layer. Since the resistance heating element needs to have a uniform temperature over the entire ceramic substrate, it is desirable to print it in a concentric pattern as shown in FIG.
The conductor paste layer is desirably formed so that the cross section of the
(3)導体ペーストの焼成
セラミック基板11の底面に印刷した導体ペースト層を加熱焼成して、樹脂、溶剤を除去するとともに、金属粒子を焼結させ、セラミック基板11の底面に焼き付け、抵抗発熱体12を形成する(図4(b)参照)。加熱焼成の温度は、500〜1000℃が好ましい。
導体ペースト中に上述した金属酸化物を添加しておくと、金属粒子、セラミック基板および金属酸化物が焼結して一体化するため、抵抗発熱体とセラミック基板との密着性が向上する。
(3) Firing of the conductive paste The conductive paste layer printed on the bottom surface of the
If the above-described metal oxide is added to the conductor paste, the metal particles, the ceramic substrate and the metal oxide are sintered and integrated, so that the adhesion between the resistance heating element and the ceramic substrate is improved.
(4)金属被覆層の形成
抵抗発熱体12表面には、図2に示したように、金属被覆層12aを設けることが望ましい。金属被覆層12aは、電解めっき、無電解めっき、スパッタリング等により形成することができるが、量産性を考慮すると、無電解めっきが最適である。なお、図4には、金属被覆層12aを示していない。
(4) Formation of Metal Coating Layer It is desirable to provide a metal coating layer 12a on the surface of the
(5)端子等の取り付け
抵抗発熱体12のパターンの端部に電源との接続のための端子(外部端子13)を半田を介して取り付ける(図4(c)参照)。また、有底孔14に熱電対を入れ、ポリイミド等の耐熱樹脂等を用いて封止し、セラミックヒータの製造を終了する。
(5) Attachment of terminals and the like A terminal (external terminal 13) for connection to a power supply is attached to the end of the pattern of the
次に、セラミック基板11の内部に抵抗発熱体12が形成されたセラミックヒータ(図3参照)の製造方法について、図5(a)〜(d)に基づいて説明する。
(1)セラミック基板の作製工程
まず、窒化物セラミック等のセラミックの粉末をバインダ、溶剤等と混合してペーストを調製し、これを用いてグリーンシートを作製する。
Next, a method for manufacturing a ceramic heater (see FIG. 3) in which the
(1) Manufacturing Step of Ceramic Substrate First, a ceramic powder such as a nitride ceramic is mixed with a binder, a solvent and the like to prepare a paste, and a green sheet is manufactured using the paste.
上述したセラミック粉末としては、例えば、窒化アルミニウムなどを使用することができ、必要に応じて、イットリア等の焼結助剤、Na、Caを含む化合物等を加えてもよい。
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種が望ましい。
As the above-mentioned ceramic powder, for example, aluminum nitride or the like can be used. If necessary, a sintering aid such as yttria, a compound containing Na or Ca, or the like may be added.
The binder is preferably at least one selected from an acrylic binder, ethyl cellulose, butyl cellosolve, and polyvinylal.
さらに溶媒としては、α−テルピネオール、グリコールから選ばれる少なくとも1種が望ましい。
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ート状に成形してグリーンシート50を作製する。
グリーンシート50の厚さは、0.1〜5mmが好ましい。
Further, as the solvent, at least one selected from α-terpineol and glycol is desirable.
A paste obtained by mixing these is formed into a sheet by a doctor blade method to produce a
The thickness of the
次に、得られたグリーンシート50に、必要に応じて、シリコンウエハ等の被加熱物を運搬等するためのリフターピンを挿入する貫通孔25となる部分、熱電対などの測温素子を埋め込むための有底孔となる部分、抵抗発熱体を外部の端子ピンと接続するためのスルーホール28となる部分等を形成する。後述するグリーンシート積層体を形成した後に、上記加工を行ってもよい。
Next, in the obtained
(2)グリーンシート上に導体ペーストを印刷する工程
グリーンシート50上に、抵抗発熱体を形成するための金属ペーストまたは導電性セラミックを含む導体ペーストを印刷し、導体ペースト層220を形成し、貫通孔にスルーホール28用の導体ペースト充填層280を形成する。
これらの導体ペースト中には、金属粒子または導電性セラミック粒子が含まれている。
(2) Step of Printing Conductive Paste on Green Sheet On the
These conductive pastes contain metal particles or conductive ceramic particles.
タングステン粒子またはモリブデン粒子の平均粒子径は、0.1〜5μmが好ましい。平均粒子径が0.1μm未満であるか、5μmを超えると、導体ペーストを印刷しにくいからである。
このような導体ペーストとしては、例えば、金属粒子または導電性セラミック粒子85〜87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種のバインダ1.5〜10重量部;および、α−テルピネオール、グリコールから選ばれる少なくとも1種の溶媒を1.5〜10重量部を混合した組成物(ペースト)が挙げられる。
The average particle diameter of the tungsten particles or molybdenum particles is preferably 0.1 to 5 μm. If the average particle diameter is less than 0.1 μm or exceeds 5 μm, it is difficult to print the conductive paste.
As such a conductive paste, for example, 85 to 87 parts by weight of metal particles or conductive ceramic particles; 1.5 to 10 parts by weight of at least one kind of binder selected from acrylic, ethyl cellulose, butyl cellosolve, and polyvinylal; A composition (paste) in which 1.5 to 10 parts by weight of at least one solvent selected from terpineol and glycol is mixed.
(3)グリーンシートの積層工程
導体ペーストを印刷していないグリーンシート50を、導体ペーストを印刷したグリーンシート50の上下に積層する(図5(a)参照)。
このとき、導体ペーストを印刷したグリーンシート50が積層したグリーンシートの厚さに対して、底面から60%以下の位置になるように積層する。
このグリーンシート積層体の厚さは、焼成後のセラミック基板の厚さが0.5〜20mmの範囲内になるように調整しておく。具体的には、上側のグリーンシートの積層数は20〜50枚が、下側のグリーンシートの積層数は5〜20枚が好ましい。
さらに、積層体を300〜1000℃で仮焼した後、冷間静水圧プレス(CIP)で圧縮しておくことにより、焼結密度の相違に起因する熱伝導率のばらつきを低減することができる。
CIP時の圧力としては、0.5〜5t/cm2が好ましい。
(3) Green Sheet Laminating Step The
At this time, the
The thickness of the green sheet laminate is adjusted so that the thickness of the fired ceramic substrate is in the range of 0.5 to 20 mm. Specifically, the number of stacked green sheets on the upper side is preferably 20 to 50, and the number of stacked green sheets on the lower side is preferably 5 to 20.
Further, after the laminate is calcined at 300 to 1000 ° C. and then compressed by a cold isostatic press (CIP), variation in thermal conductivity due to a difference in sintering density can be reduced. .
The pressure at the time of CIP is preferably 0.5 to 5 t / cm 2 .
(4)グリーンシート積層体の焼成工程
グリーンシート積層体の加熱、加圧を行い、グリーンシート中のセラミック粉末および内部の導体ペースト中の金属等を焼結させる(図5(b)参照)。
例えば、窒化物セラミックでは、加熱温度は、1800〜2000℃が好ましく、加圧の圧力は、10〜20MPaが好ましい。加熱は、不活性ガス雰囲気中で行う。不活性ガスとしては、例えば、アルゴン、窒素などを使用することができる。
なお、通常は、焼成を行った後に、測温素子を挿入するための有底孔やリフターピンを挿通するための貫通孔25、スルーホール28を露出させる袋孔27を形成する。貫通孔25や有底孔は、表面研磨後に、サンドブラスト等をブラスト処理を行うことにより形成することができる。
(4) Step of firing green sheet laminate The green sheet laminate is heated and pressed to sinter the ceramic powder in the green sheet and the metal in the internal conductor paste (see FIG. 5B).
For example, in a nitride ceramic, the heating temperature is preferably 1800 to 2000 ° C., and the pressure is preferably 10 to 20 MPa. Heating is performed in an inert gas atmosphere. As the inert gas, for example, argon, nitrogen, or the like can be used.
Usually, after firing, a bottomed hole for inserting a temperature measuring element, a through
(5)端子等の取付け
内部の抵抗発熱体22と接続するため、スルーホール28の露出した部分に半田ペーストを塗布した後、袋孔27の内部に外部端子23を挿入し、加熱、リフローすることにより外部端子13を接続する。加熱の際の温度は、200〜500℃が好適である。
さらに、測温素子としての熱電対などを有底孔に挿入し、ポリイミドなどの耐熱性樹脂等で封止し、セラミックヒータの製造を終了する。
(5) To connect with the
Further, a thermocouple or the like as a temperature measuring element is inserted into the bottomed hole and sealed with a heat-resistant resin such as polyimide or the like, and the production of the ceramic heater is completed.
なお、本発明のセラミックヒータでは、静電電極を設けて静電チャックとして使用することができ、また、表面にチャップトップ導体層を設け、内部にガード電極やグランド電極を設けることによりウエハプローバとして使用することができる。 In the ceramic heater of the present invention, an electrostatic electrode can be provided to be used as an electrostatic chuck, and a chaptop conductor layer can be provided on the surface, and a guard electrode or a ground electrode can be provided inside to serve as a wafer prober. Can be used.
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
(実施例1)外部に抵抗発熱体を有するセラミックヒータの製造(図4参照)
(1)窒化アルミニウム粉末(平均粒径:1.1μm)100重量部、イットリア(平均粒径:0.4μm)4重量部、アクリルバインダ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。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
(Example 1) Manufacture of a ceramic heater having a resistance heating element outside (see FIG. 4)
(1) A composition comprising 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 is spray-dried, A granular powder was produced.
(2)次に、この顆粒状の粉末を金型に入れ、平板状に成形して成形体(グリーン)を得た。さらに神戸製鋼社製の冷間静水圧プレス(CIP)を用い、3t/cm2の圧力で圧縮し、この後、表面を研磨した。 (2) Next, this granular powder was put into a mold and molded into a flat plate to obtain a molded product (green). Further, using a cold isostatic press (CIP) manufactured by Kobe Steel, compression was performed at a pressure of 3 t / cm 2 , and then the surface was polished.
(3)加工処理の終った生成形体を1800℃、圧力:20MPaでホットプレスし、厚さがほぼ20mm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210mmの円板体を切り出し、セラミック製の板状体(セラミック基板11)とした。この成形体にドリル加工を施し、シリコンウエハのリフターピン16を挿入する貫通孔15となる部分、熱電対を埋め込むための有底孔14となる部分(直径:1.1mm、深さ:2mm)を形成した(図4(a))。
(3) The formed product after the processing was hot-pressed at 1800 ° C. and a pressure of 20 MPa to obtain an aluminum nitride plate having a thickness of approximately 20 mm.
Next, a disk having a diameter of 210 mm was cut out from the plate to obtain a ceramic plate (ceramic substrate 11). Drilling is performed on this molded body, and a portion serving as a through
(4)上記(3)で得た板状体に、スクリーン印刷にて導体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。
上記導体ペーストとしては、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。
この導体ペーストは、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4.5μmで、リン片状のものであった。
(4) Conductive paste was printed on the plate obtained in (3) by screen printing. The printing pattern was a concentric pattern as shown in FIG.
As the conductor paste, Solvest PS603D manufactured by Tokuri Chemical Laboratory, which is used for forming through holes in a printed wiring board, was used.
This conductor paste is a silver-lead paste, and based on 100 parts by weight of silver, lead oxide (5% by weight), zinc oxide (55% by weight), silica (10% by weight), and boron oxide (25% by weight). And 7.5 parts by weight of a metal oxide composed of alumina (5% by weight). The silver particles had a mean particle size of 4.5 μm and were scaly.
(5)次に、導体ペーストを印刷したセラミック基板11を780℃で加熱、焼成して、導体ペースト中の銀、鉛を焼結させるとともにセラミック基板11に焼き付け、抵抗発熱体12を形成した(図4(b))。銀−鉛の抵抗発熱体は、厚さが5μm、幅2.4mm、面積抵抗率が7.7Ω/□であった。
(5) Next, the
(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(6)で作製したセラミック基板11を浸漬し、銀−鉛の抵抗発熱体12の表面に厚さ1μmの金属被覆層(ニッケル層)12aを析出させた。
(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 (6) above. Was immersed to deposit a 1 μm-thick metal coating layer (nickel layer) 12 a on the surface of the silver-lead
(7)電源との接続を確保するための外部端子13を取り付ける部分に、スクリーン印刷により、Ag−Sn半田ペースト(田中貴金属社製)を印刷して半田層を形成した。
次いで、半田層の上にコバール製の外部端子13を載置して、700℃で加熱リフローし、外部端子13を抵抗発熱体12の表面に取り付けた(図4(c))。
(7) An Ag-Sn solder paste (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) was printed by screen printing on the portion where the
Next, an
(8)温度制御のための熱電対をポリイミドで封止し、セラミックヒータ10を得た。 (8) A thermocouple for temperature control was sealed with polyimide to obtain a ceramic heater 10.
(実施例2)
焼成されたセラミック基板の厚さが10mmとなるように、生成形体の厚さを調整したほかは実施例1と同様にしてセラミックヒータを製造した。
(Example 2)
A ceramic heater was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the thickness of the formed body was adjusted so that the thickness of the fired ceramic substrate became 10 mm.
(実施例3)内部に抵抗発熱体を有するセラミックヒータの製造(図5参照)
(1)窒化アルミニウム粉末(トクヤマ社製 平均粒径:1.1μm)100重量部、イットリア(平均粒径:0.4μm)4重量部、アクリルバインダ11.5重量部、分散剤0.5重量部および1−ブタノールとエタノールとからなるアルコール53重量部を混合したペーストを用い、ドクターブレード法により成形を行って、厚さ0.47mmのグリーンシートを得た。
(Example 3) Manufacture of a ceramic heater having a resistance heating element inside (see FIG. 5)
(1) 100 parts by weight of aluminum nitride powder (average particle size: 1.1 μm, manufactured by Tokuyama Corporation), 4 parts by weight of yttria (average particle size: 0.4 μm), 11.5 parts by weight of acrylic binder, 0.5 part by weight of dispersant And a paste obtained by mixing 53 parts by weight of alcohol composed of 1-butanol and ethanol with a paste was molded by a doctor blade method to obtain a green sheet having a thickness of 0.47 mm.
(2)次に、このグリーンシートを80℃で5時間乾燥させた後、パンチングにより直径1.8mm、3.0mm、5.0mmの端子ピンと接続するためのスルーホールとなる部分を設けた。 (2) Next, after drying the green sheet at 80 ° C. for 5 hours, a portion serving as a through hole for connecting to a terminal pin having a diameter of 1.8 mm, 3.0 mm, or 5.0 mm was provided by punching.
(3)平均粒径1μmのタングステンカーバイト粒子100重量部、アクリル系バインダ3.0重量部、α−テルピネオール溶媒3.5重量部および分散剤0.3重量部を混合して導体ペーストAを調製した。 (3) 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-terpineol solvent, and 0.3 parts by weight of a dispersant are mixed to form a conductive paste A. Prepared.
平均粒径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−テルピネオール溶媒3.7重量部および分散剤0.2重量部を混合して導体ペーストBを調製した。
この導体ペーストAをグリーンシートにスクリーン印刷で印刷し、導体ペースト層を形成した。印刷パターンは、図1に示したような同心円パターンとした。また、端子ピンを接続するためのスルーホール用の貫通孔に導体ペーストBを充填した。
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 an α-terpineol solvent, and 0.2 parts by weight of a dispersant.
The conductor paste A was printed on a green sheet by screen printing to form a conductor paste layer. The printing pattern was a concentric pattern as shown in FIG. In addition, the conductive paste B was filled in through holes for through holes for connecting terminal pins.
上記処理の終わったグリーンシートに、さらに、タングステンペーストを印刷しないグリーンシートを上側(加熱面)に37枚、下側に13枚、130℃、8MPa(80kgf/cm2)の圧力で積層した。 On the green sheet after the above treatment, 37 green sheets on which the tungsten paste was not printed were further laminated on the upper side (heating surface) and 13 on the lower side at 130 ° C. under a pressure of 8 MPa (80 kgf / cm 2 ).
(4)次に、得られた積層体を窒素ガス中、600℃で5時間脱脂し、さらに神戸製鋼社製の冷間静水圧プレス(CIP)を用い、3t/cm2の圧力で圧縮し、ついで、1850℃、圧力15MPa(150kgf/cm2)で3時間ホットプレスし、厚さがほぼ5mmの窒化アルミニウム板状体を得た。これを215mmの円板状に切り出し、内部に厚さ6μm、幅10mmの導体層を有するセラミック基板を得た。
この後、ドリル加工により、リフターピンを挿通する貫通孔25および有底孔(直径:1.2mm、深さ:2.0mm)を設けた。
(4) Next, the obtained laminate was degreased in nitrogen gas at 600 ° C. for 5 hours, and further compressed at a pressure of 3 t / cm 2 using a cold isostatic press (CIP) manufactured by Kobe Steel. Then, hot pressing was performed at 1850 ° C. and a pressure of 15 MPa (150 kgf / cm 2 ) for 3 hours to obtain an aluminum nitride plate having a thickness of about 5 mm. This was cut into a 215 mm disk to obtain a ceramic substrate having a 6 μm thick and 10 mm wide conductor layer inside.
Thereafter, a through
(5)次に、スルーホール用の貫通孔の一部をえぐり取って凹部とし、この凹部にNi−Auからなる金ろうを用い、700℃で加熱リフローしてコバール製の端子ピンを接続させた。また、温度制御のための複数の熱電対を有底孔に埋め込み、その内部に導体層として抵抗発熱体を有するセラミックヒータの製造を完了した。 (5) Next, a part of the through hole for the through hole is cut out to form a recess, and a gold solder made of Ni-Au is used in the recess, and heated and reflowed at 700 ° C. to connect a Kovar terminal pin. Was. In addition, a plurality of thermocouples for temperature control were embedded in the bottomed holes, and the manufacture of a ceramic heater having a resistance heating element as a conductor layer therein was completed.
(比較例1)表面に抵抗発熱体を有するセラミックヒータの製造
焼成温度を1750℃とし、焼成後のセラミック基板の厚さが25mmとなるように生成形体の厚さを調整したほかは、実施例1と同様にして、セラミックヒータを製造した。
Comparative Example 1 A ceramic heater having a resistance heating element on the surface was manufactured at a firing temperature of 1750 ° C., and the thickness of the formed body was adjusted so that the thickness of the ceramic substrate after firing was 25 mm. In the same manner as in Example 1, a ceramic heater was manufactured.
評価方法
上記実施例1〜3および比較例1で得られたセラミックヒータのセラミック基板の熱伝導率のばらつき、加熱面の温度のばらつき、および、耐電圧を以下の方法で測定し、結果を下記の表1に示した。
Evaluation method Variations in the thermal conductivity of the ceramic substrate of the ceramic heaters obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, variations in the temperature of the heating surface, and withstand voltage were measured by the following methods. The results are shown in Table 1 below.
(1)熱伝導率のばらつきの測定
a.使用機器
リガクレーザーフラッシュ法熱定数測定装置
LF/TCF−FA8510B
b.試験条件
温度・・・常温
雰囲気・・・真空
c.測定方法
・各セラミック基板から試料を均等に20個切り出し、各試料について熱伝導率を測定し、これらの値から各セラミック基板の熱伝導率の平均値、最大値および最小値を計算した。
・比熱測定における温度検出は、試料裏面に銀ペーストで接着した熱電対(プラチネル)により行った。
・常温比熱測定はさらに試料上面に受光板(グラッシーカーボン)をシリコングリースを介して接着した状態で行い、試料の比熱(Cp)は、下記の計算式(1)により求めた。
(1) Measurement of variation in thermal conductivity a. Equipment used Rigaku laser flash method thermal constant measurement device LF / TCF-FA8510B
b. Test conditions Temperature: normal temperature atmosphere: vacuum c. Measurement method: Twenty samples were cut out evenly from each ceramic substrate, the thermal conductivity of each sample was measured, and the average, maximum and minimum values of the thermal conductivity of each ceramic substrate were calculated from these values.
The temperature detection in the specific heat measurement was performed by a thermocouple (platinel) bonded to the back surface of the sample with a silver paste.
The room temperature specific heat measurement was further performed with a light receiving plate (glassy carbon) adhered to the upper surface of the sample via silicon grease, and the specific heat (Cp) of the sample was determined by the following calculation formula (1).
上記計算式(1)において、ΔOは、入力エネルギー、ΔTは、試料の温度上昇の飽和値、CpG.Cは、グラッシーカーボンの比熱、WG.Cは、グラッシーカーボンの重量、CpS.Gは、シリコングリースの比熱、WS.Gは、シリコングリースの重量、Wは、試料の重量である。 In the above formula (1), ΔO is the input energy, ΔT is the saturation value of the temperature rise of the sample, and Cp G. C is the specific heat of glassy carbon, WG . C is the weight of glassy carbon, Cp S.P. G is the specific heat of silicon grease, WS . G is the weight of the silicon grease, and W is the weight of the sample.
(2)加熱面の温度のばらつきの測定
セラミック基板を400℃に昇温した後、サーモビュア(日本データム社製 IR−16−2012−0012)を用いて、加熱面の最高温度と最低温度との差を測定した。
(2) Measurement of Temperature Variation on Heating Surface After the temperature of the ceramic substrate was raised to 400 ° C., the maximum and minimum temperatures of the heating surface were measured using a thermoviewer (IR-16-0012-0012 manufactured by Nippon Datum). The difference was measured.
(3)耐電圧の測定
得られたセラミック基板から厚さ1mmのサンプルを切り出し、その両側に電極を取付け絶縁破壊するまで電圧を印加し、その値を測定した。
(3) Measurement of Withstand Voltage A sample having a thickness of 1 mm was cut out from the obtained ceramic substrate, electrodes were attached to both sides thereof, a voltage was applied until dielectric breakdown, and the value was measured.
実施例1〜3で得られたセラミックヒータのセラミック基板では、その熱伝導率のばらつきは−1〜+8%であり、その加熱面の最高温度と最低温度との差は8℃と小さなものであったため、その上に載置または離間して支持したシリコンウエハをほぼ均一に加熱することができ、また、その耐電圧も15kv/mmと充分に大きなものであった。
一方、比較例1で得られたセラミックヒータのセラミック基板では、その熱伝導率のばらつきは+12%と大きなものであり、その加熱面の最高温度と最低温度との差も15℃と大きなものであったため、その上に載置または離間して支持したシリコンウエハを均一に加熱することができず、熱衝撃によるシリコンウエハの破損が生じた。また、その耐電圧も5kv/mmと小さなものであった。
In the ceramic substrates of the ceramic heaters obtained in Examples 1 to 3, the variation in the thermal conductivity is −1 to + 8%, and the difference between the maximum temperature and the minimum temperature of the heating surface is as small as 8 ° C. As a result, the silicon wafer placed or separated thereon and supported thereon could be heated substantially uniformly, and its withstand voltage was sufficiently large at 15 kv / mm.
On the other hand, in the ceramic substrate of the ceramic heater obtained in Comparative Example 1, the variation in the thermal conductivity was as large as + 12%, and the difference between the maximum temperature and the minimum temperature of the heating surface was as large as 15 ° C. As a result, the silicon wafer placed on or separated from the silicon wafer cannot be heated uniformly, and the silicon wafer is damaged by thermal shock. The withstand voltage was as small as 5 kv / mm.
9 シリコンウエハ
10 セラミックヒータ
11 セラミック基板
11a 加熱面
11b、21b 底面
12、22 抵抗発熱体
13、23 外部端子
14 有底孔
15、25 貫通孔
16 リフターピン
24 ろう材
27 袋孔
28 スルーホール
Reference Signs List 9 silicon wafer 10
Claims (5)
前記セラミック基板の熱伝導率のばらつきが、−10〜10%であることを特徴とするセラミックヒータ。 A ceramic heater in which a resistance heating element is formed inside or on a surface of a ceramic substrate,
A ceramic heater, wherein the thermal conductivity of the ceramic substrate varies from -10% to 10%.
前記抵抗発熱体が形成された面の反対側面を加熱面とした請求項1〜3のいずれか1に記載のセラミックヒータ。 The resistance heating element is formed on a surface of a ceramic substrate,
The ceramic heater according to claim 1, wherein a side opposite to a side on which the resistance heating element is formed is a heating side.
前記抵抗発熱体は、加熱面の反対側の面から厚さ方向60%以下の位置に形成された請求項1〜3のいずれか1に記載のセラミックヒータ。 The resistance heating element is formed inside a ceramic substrate,
The ceramic heater according to any one of claims 1 to 3, wherein the resistance heating element is formed at a position 60% or less in a thickness direction from a surface opposite to a heating surface.
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