WO2001084885A1

WO2001084885A1 - Ceramic heater

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Publication number: WO2001084885A1
Application number: PCT/JP2001/003759
Authority: WO
Inventors: Yasutaka Ito; Yasuji Hiramatsu
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2000-05-02
Filing date: 2001-05-01
Publication date: 2001-11-08
Anticipated expiration: 2002-11-02
Also published as: EP1231820A1; US20020155262A1

Description

明細書

セラミックヒータ

技術分野

本発明は、主に半導体産業において使用されるセラミックヒータに関する。背景技術 ' 半導体は種々の産業において必要とされる極めて重要な製品であり、半導体チップは、例えば、シリコン単結晶を所定の厚さにスライスしてシリコンウェハを作製した後、このシリコンウェハに複数の集積回路等を形成することにより製造される。

この半導体チップの製造工程においては、静電チャック上に载置したシリコンウェハに、エッチング、 C V D等の種々の処理を施して、導体回路や素子等を形成する。また、レジスト用の樹脂を塗布して、加熱乾燥させたりする。

このような加熱にはセラミックヒータが用いられ、特開平 1 1一 7 4 0 6 4号公報ゃ特開平 1 1— 4 0 3 3 0号公報などに、炭化物や窒化物を使用したヒータが開示されている。発明の要約

しかしながら、特開平 1 1一 7 4 0 6 4号公報に記載されているヒータは、発熱体が内部に埋設され.ており、発熱体の余熱を強制冷却できない、発熱体の抵抗値を制御しにくいなどの問題があった。

特開平： L 1—4 0 3 3 0号公報に記載の技術では、抵抗発熱体を外部に配置しており、このような問題を解決することができるが、セラミック基板の加熱面の外周の温度が設定値より下がったり、急速な昇温、降温によりクラックが発生するという問題が見られた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、発熱体の余熱を強制冷却しやすく、発熱体の抵抗値を制御しゃすく、カゝっ外周の温度が設定値より下がらず、さらに、急速な昇温、降温によりクラックが発生しないヒータを提供することを. 目勺とする。本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究した結果、特開平 1 1—7 4 0 6 4号公報に記載のヒータは、特開 2 0 0 0 - 2 9 9 2 8 1号公報の図 1に示すように、外周部分に断熱リングを配することになるため、外周部分約 4 0 m m程度に発熱体を形成しておらず、このため、外周付近の温度が低下したり、温度差に起因して熱膨張の程度が外周付近と内周部で異なり、応力が発生してクラックが生じてしまうことが判り、このような不都合を防止するためには、セラミ' ック基板の最外周の近くに抵抗発熱体を成形すればよいことを見出し、本発明に想到したものである。

すなわち、本発明は、主として円板形状のセラミック基板の表面に抵抗発熱体が形成されてなるセラミックヒータであって、

抵抗発熱体形成領域の最外周が、上記セラミック基板の側面から 3 5 mm以内にあることを特徴とするセラミックヒータである。

本発明では、抵抗発熱体が、セラミック基板の表面に形成されており、抵抗値の測定がしゃすく、また冷却するにあたり抵抗発熱体に直接冷却流体を接触させることができ、急速な降温を実現できる。また、抵抗発熱体形成面の反対側に加熱面が形成されており、抵抗体形成面から加熱面へ熱が伝搬するに従い熱が拡散する一方、発熱体側面がセラミック基板と接触していないので内部に発熱体がある場合と異なり、加熱面の外周の温度が下がりやすいが、本発明では、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 3 5 mm以内にあり、このように構成することにより加熱面の外周温度が低下することを防止レている。また、セラミック基板の外周温度が低下しないので急速な畀温、降温によるクラッ ' クの発生を防止することができる。

さらに、セラミック基板の側面から 3 5 mm以内に抵抗発熱体を形成するため、わざわざ断熱リングを形成する必要もない。

このため図 3に示すような、支持容器（ケーシング） 5 1と支持柱 5 6を介して固定することで、セラミック基板 1 1と支持容器 5 1とが非接触となるように保持しても、セラミック基板 1 1の外周温度が低下せず、構造を簡単なものにすることができる。

上記セラミック基板は、円板形状であることが望ましい。円板形状は加熱面の温度均一性が要求され、本発明の構成が大きな効果を奏するからである。

上記セラミック基板は炭化物または窒化物セラミックであることが望ましい。熱伝導性に優れているからである。

上記セラミック基板の厚さは、 2 5 mm以下であることが望ましい。抵抗努熱体の熱が加熱面に伝わりやすく、外周の温度が低下しにくいからである。

,上記セラミック基板の直径は、 1 5 O mmを超えることが望ましく、 2 1 0 m mを超えることが最適である。加熱面の面積が大きいため、外周温度が低下しやすく、本発明が特に効果を奏するからである。図面の簡単な説明

図 1は、本発明のセラミックヒータの抵^:発熱体パターン図である。

図 2は、本努明のセラミックヒータの断面図である。

図 3は、本発明のセラミックヒータの組みつけ断面図である。符号の説明

1 0 セラミックヒータ

1 1 セラミック基板

1 2 抵抗発熱体

1 3 端子ピン

1 4 有底孔

1 5 貫通孔発明の詳細な開示

以下、本発明を実施形態に則して説明する。

本発明は、主として円板形状のセラミック基板の表面に抵抗発熱体が形成されてなるセラミックヒータであって、

本実施形態に係るセラミックヒータは、セラミック基板として窒化物セラミツクまたは炭化物セラミックを使用し、セラミック基板の表面に絶縁層として酸化物セラミックを使用する。窒化物セラミックは酸素固溶等により、高温で体積抵抗値が低下しゃすく、また炭化物セラミックは特に高純度化しない限り導電性を有しており、酸化物セラミックを絶縁層として形成することにより、高温時ある Vヽは不純物を含有していても回路間の短絡を防止して温度制御性を確保できるからである。 ' セラミック基板の表面は、面粗度が R aで 0. 05〜20 μιη、 Rma xで 0. 5〜200 /zmが好ましい。

上記セラミック基板を構成する窒化物セラミックとしては、金属窒化物セラミック、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケィ素、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、金属炭化物セラミック、例えば、炭化ケィ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タンステン等が挙げられる。

なお、セラミック基板として酸化物セラミックを使用してもよく、アルミナ、シリカ、コージエライト、ムライト、ジルコユア、ベリリアなどを使用することができる。

本発明においては、セラミック基板中に焼結助剤を含有することが望ましい。例えば、窒化アルミニウムの焼結助剤としては、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、希土類酸化物を使用することができ、これらの焼結助剤のなかでは、特に C aO、 Y₂0₃、 Na ₂0、 L i ₂0、 Rb ₂0₃が好ましい。また、アルミナを使用してもよい。これらの含有量としては、 0. 1〜20重量％が望ましい。

また、炭化珪素の場合は、焼結助剤は、 B₄C、 C、 A 1 Nであることが好ましい。

本発明では、セラミック基板中に 5~ 5000 pmのカーボンを含有していることが望ましい。

カーボンを含有させることにより、セラミック基板を黒色化することができ、ヒータとして使用する際に輻射熱を充分に利用することができるからである。カーボンは、非晶質のものであっても、結晶質のものであってもよい。非晶質のカーボンを使用した場合には、高温における体積抵抗率の低下を防止することができ、結晶質のものを使用した場合には、高温における熱伝導率の低下を防止することができるからである。従って、用途によっては、結晶質のカーボンと非晶質のカーボンの両方を併用してもよい。また、カーボンの含有量は、 5 0〜2 0 0 0 p p mがより好ましい。

本発明のセラミック基板としては、その厚さは、 5 O mm以下、特に 2 5 mm 以下が望ましい。

特にセラミック基板の厚さが 2 5 mmを超えると、セラミック基板の熱容量が大きくなり、特に、温度制御手段を設けて加熱、冷却すると、熱容量の大きさに起因して温度追従性が低下してしまう。

特に 5 mm以上が最適である。なお、厚みは、 1 . 5 mmを超えることが望ましい。

セラミック基板の厚さのばらつきは、土 3 %が好ましい。また、熱伝導率のばらつきは ± 1 0 %が好ましい。

本発明で使用される絶縁層としては、酸化物セラミックが望ましく、.具体的には、シリカ、アルミナ、ムライト、コ一ジエライト、ベリリアなどを使用することができる。 "

このような絶縁層は、アルコキシドを加水分解重合させたゾル溶液をセラミック基板にスピンコートして乾燥、焼成を行うことにより形成してもよく、スパッタリング、 C V Dなどで形成してもよい。また、セラミック基板表面を酸化処理して酸化物層を設けてもよい。

なお、本発明のセラミックヒータでは、半導体ウェハをセラミック'基板のゥェハ載箧面に接触させた状態で載置するほか、半導体ウェハを支持ピンや支持球などで支持し、セラミックス基板との間に一定の間隔を保って保持する場合もある。離間距離としては、 5〜5 0 0 0 μ πιが望ましい。

半導体ウェハは、リフターピンを上下することにより、搬送機から半尊体ゥェハを受け取ったり、半導体ウェハをセラミック基板上に載置したり、半導体ゥェハを支持したまま加熱したりできる。本発明のセラミック基板の直径は 2 0 O mm以上が望ましい。特に 1 2インチ ( 3 0 O mm) 以上であることが最適である。次世代の半導体ウェハの主流となるからであり、外周の温度が低下しやすく、本発明の構成が効果的だからである。また、上記セラミック基板の外形は半導体ウェハと同等かそれより大きいこと. が望ましく、半導体ウェハと非接触で加熱が行われていてもよい。

また、上記セラミック基板は閉気孔であることが望ましく、また、ヘリウムリ' ーク量は、 1 0— ⁷ P a - m ³/ s e c以下であることが望ましい。強制冷却用の冷媒のガス漏れを防止するためである。

さらにセラミック基板の体積抵抗、あるいは絶縁層の体積抵抗率は、 1 0 0で以上で 1 0 ⁵ Ω · c m以上にすることが望ましい。抵抗発熱体間の絶縁を確保するためである。

セラミック基板の平坦度は、 5 0 m以下であることが有利である。

本発明のセラミックヒータは、半導体の製造や半導体の検査を行うための装置に用いられ具体的な装置としては、例えば、静電チャック、ウェハプローバ、サセプタ等が挙げられる。

静電チャックとして使用される場合は、抵抗発熱体に加えて、静電電極、 R F 電極が、さらにウェハプローバとして使用される場合は、表面に導電体としてチャヅクトップ導体層が形成されており、内部にはガード電極、グランド電極が導電体として形成されている。

また、本発明の半導体装置用セラミック基板は、 1 0 0で以上、望ましくは 2

0 0 以上で使用されることが最適である。

本発明では、必要に応じて、セラミック基板の有底孔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、電流量を変えて、温度を制御することができるからである。

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 . 5 mm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半導体ウェ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、 J I S— C— 1602 (1980) に挙げられるように、 K型、 R型、 B型、 S型、 E型、 J型、 T型熱電対が挙げられる。上記測温素子は、金ろう、銀ろうなどを使用して、有底孔 14の底に接着してもよく、有底孔 14に揷入した後、耐熱性樹脂で封止してもよく、両者を併用してもよい。

上記耐熱性樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂、特にはエポキシ樹脂、ポリ' ィミド樹脂、ビスマレイミドートリァジン樹脂などが挙げられる。これらの樹脂は、単独で用いてもよく、 2種以上を併用してもよい。

上記金ろうとしては、 37〜80. 5重量％Au— 6.3〜 1 9. 5重量％じ11 合金、 81. 5〜82. 5重量⁰ /oAu—18. 5〜17. 5重量⁰ /₀N i合金から選ばれる少なくとも 1種が望ましい。これらは、溶融温度が、 900°C以上であり、高温領域でも溶融しにくいためである。

銀ろう'としては、例えば、 Ag—Cu系のものを使用することができる。発熱体 1 2は、図 1に示したように、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く、 2〜10の回路に分割されていることがより望ましい。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、ウェハ加熱面 1 1 aの温度を調整することができるからである。

発熱体 1 2のパターンとしては、図 1に示した同心円状と屈曲線状との組み合わせからなるパターンのほか、例えば、渦巻き、偏心円などが挙げられる。本発明においては、この発熱体を形成する前に、セラミック基板表面に絶縁層を設ける。絶縁層の形成は、アル.コキシドを加水分解重合させたゾル溶液をセラミック基板にスピンコートして乾燥、焼成を行ったり、スパッタリング、 CVD などで形成してもよい。また、セラミック基板表面を酸化雰囲気中で焼成して酸化物層を設けてもよい。 '

発熱体をセラミック基板 1 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セラミック基板 11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 11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。本実施形態では、図 1のようなパターンを採用する。セラミック基板 1 1には、抵抗発熱体形成領域 1として 1 2 d、抵抗発熱体形成領域 2として 1 2 c、抵抗発熱体形成領域 3として 1 2 b、抵抗発熱体形成領域 4として 1 2 aが存在する。抵抗発熱体形成領域 1と抵抗発熱体形成領域 2の間、抵抗発熱体形成領域 2と抵抗発熱体形成領域 3の間、抵抗発熱体形成領域 3と抵抗発熱体形成領域 4の間に抵抗発熱体形球領域の緩衝領域として設けている。この緩衝領域の存在によって'、抵抗発熱体形成領域 2に大きな電力が投入されて温度が上昇しても、緩衝領域が存在するため、抵抗発熱体形成領域 1や抵抗発熱体形成領域 3に影響を与えない。このため、抵抗発熱体形成領域 1や抵抗発熱体形成領域 3の温度を低下させるなどの温度制御が不要であり、簡単な制御で加熱面の温度差を低減することができる。

抵抗発熱体の形成領域最外周は上記セラミック基板の側面から 3 5 mm以内にあることが必要であり、 2 5 mm以内が最適である。 2 5 mm以内であれば、そり量をきわめて小さくできるからである。

さらに、抵抗発熱体の形成領域最外周の上記セラミック基板の側面からの距離を 0 . 5 mm以上にすることが望ましい。 0 . 5 mm未満であると支持容器が金属性の場合、電気的短絡を起こしたり、ハンドリング性が低下するからである。この実施形態に係るセラミックヒータでは、抵抗発熱体形成領域の幅は、直径の 5〜3 0 %に調整している。 '

セラミック基板 1 1には、貫通孔 1 5が形成され、リフターピンが挿入される。貫通孔の面粗度は、 1 111 & で0 . 0 5 ~ 2 0 0 jti m、 R aで 0 . 0 0 5〜 2 0 j mであることが望ましい。

有底孔 1 4には測温素子が形成される。抵抗発熱体 1 2には、端子部 1 3が形成されてなる。 .

抵抗発熱体形成領域として、同心円、渦巻き、屈曲パターンを形成するが、一つの抵抗発熱体形成領域としては、一つの回路であることが望ましい _D —つの回路である方が制御しやすいからである。

セラミック基板 1 1の表面に発熱体を形成する場合には、この発熱体の厚さは、 1〜 3 0 μ mが好ましく、 1〜； L 0 /X mがより好ましい。また、セラミック基板 1 1の表面に発熱体を形成する場合には、発熱体の幅は、 0 . 1〜2 O mmが好ましく、 0 . 1〜 5 mmがより好ましい。

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。発熱体の形成位置をこのように設定することにより、発熱体から発生した熱が伝搬していくうちに、セラミック基板全体に拡散し、被加熱物（シリコンウェハ ) を加熱する面の温度分布が均一化され、その結果、被加熱物の各部分における温度が均一化される。，

発熱体は、断面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。偏平の方がウェハ加熱面に向かって放熱しやすいため、ウェハ加熱面の温度分布ができにくいからである。

断面のァスぺクト比（発熱体の幅/発熱体の厚さ）は、 1 0〜5 0 0 0であることが望ましい。

この範囲に調整することにより、発熱体の抵抗値を大きくすることができるとともに、ウェハ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。

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 1 1のウェハ加熱面方向への熱の伝搬量が小さくなり、発熱体のパターンに近似した熱分布がウェハ加熱面に発生してしまい、逆にァスぺクト比が大きすぎると発熱体の中央の直上部分が高温となってしまい、結局、発熱体のパターンに近似した熱分布がウェハ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、 1 0〜5 0 0 0であることが好ましいのである。

発熱体を基板 1 1の表面に形成する場合は、アスペクト比を 1 0〜2 0 0、発熱体を基板 1 1の内部に形成する場合は、アスペクト比を 2 0 0〜5 0 0 0とすることが望ましい。

発熱体は、基板 1 1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 1 これは、発熱体を内部に設けると、ウェハ加熱面と発熱体との距離が短くなり、表面の温度均一性が低下するため、発熱体自体を偏平にする必要があるからである。導体ペーストとして ά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。 .

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、モリプデン、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。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〜 1 0 0 μ mが好ましい。 0 . 1 /z m未満と微細すぎると、酸化されやすく、一方、

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。

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ゃすくなり、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。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、フエ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。

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、発熱体を金属粒子および金属酸化物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または炭化物セラミックと金属粒子とを密着させることができる。

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ツ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。

' 上記金属酸ィヒ物としては、例えば、酸化鉛、酸化亜鉛、シリカ、酸化ホウ素（

B ₂0₃) 、アルミナ、イットリアおょぴ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。 - 上記酸化酸化亜鉛、シリカ、酸化ホウ素（B ₂0 ₃) 、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 1 0 0重量部とした場合、重量比で、酸化鉛が 1〜： L O、シリカが 1〜 3 0、酸化ホウ素が 5〜 5 0、酸化亜鉛が 2 0〜7 0、アルミナが 1〜 1 0、イットリアが 1〜5 0、チタニアが 1〜5 0 であって、その合計が 1 0 0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1 0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発熱体を形成した際の面積抵抗率は、 1〜4 δ πι Ω Ζ口が好ましい。

面積抵抗率が 4 5 πι Ω /口を超えると、印加電圧量に対して発熱量は小さくなりすぎて、セラミック基板の表面に発熱体を設けたセラミック基板 1 1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 1 0重量％以上であると、面積抵抗率が 5 Ο πι Ω Ζ口を超えてしまい、発熱量が小さ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。

発熱体が基板 1 1の表面に形成される場合には、発熱体の表面部分に、金属被覆層（図 2参照） 1 2 0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 1 2 0の厚さは、 0 . 1〜1 0 i mが好まし)/、。

金属被覆層 1 2 0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レ、。これらのなかでは、ニッケルが好ましい。

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、コバール製の端子ピン 1 3が挙げられる。

接続端子を接続する場合、半田としては、銀一鉛、鉛一スズ、ビスマス一スズ' 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 . l〜5 0 /i m 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。

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。

ここでは、セラミック基板の内部に発熱体が形成されたセラミックヒータ 1 0 (図 2参照）の製造方法について説明する。

( 1) セラミック基板の作製工程

上述した窒化物セラミックまたは炭化物セラミックの粉末に必要に応じてィットリァ等の焼結助剤やバインダ等を配合してスラリーを調製した後、このスラリ一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、生成形体（グリーン）を作製する。

次に、生成形体に、必要に応じて、シリコンウェハを支持するための支持ピン ^挿入する貫通孔 1 5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 1 4となる部分を形成する。 '

次に、この生成形体を加熱、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、基板 1 1を作製するが、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レ、。加圧しながら加熱、焼成を行うことにより、気孔のない基板 1 1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、窒化物セラミックまたは炭化物セラミックでは、 1 0 0 0〜2 5 0 0 °Cである。なお、貫通孔ゃ有底孔等は、燒結体を製造した後、形成してもよい。

(2) 基板に導体ぺ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レ、、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。発熱体は、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状と屈曲線状との組み合わせからなるパターンを印刷することが望ましい。

導体ペースト層は、焼成後の発熱体 1 2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。また、導体ペースト層は、得られるセラミック基板の抵抗亮熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 3 5 mm以' 内になるようにする形成する必要がある。

(3) 導体ペーストの焼成

基板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、基板 1 1の底面に焼き付け、発熱体 1 2を形成する。加熱焼成の温度は、 5 0 0〜 1 .0 0 0 °C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、基板および金属酸化物が焼結して一体化するため、発熱体 1 2と基板 1 1との密着性が向上する。 '

(4) 金属被覆層の形成 .

発熱体 1 2の表面には、金属被覆層を設けることが望ましい。金属被覆層は、電解めつき、無電解めつき、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、無電解めつきが最適である。

(5) 端子等の取り付け

発熱体 1 2のパターンの端部に電源との接続のための端子（端子ピン 1 3 ) を半田で取り付ける。また、有底孔 1 4に銀ろう、金ろうなどで熱電対を固定し、ポリイミド等の耐熱樹脂で封止し、セラミックヒータ 1 0の製^を終了する。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もよく、チヤップトップ導体層を設けてウェハプローバとしてもよい。

このセラミックヒータの取付け構造を図 3に示す。

このセラミックヒータ 1 0は、セラミック基板 1 1に抵抗発熱体 1 2が形成され、その抵抗発熱体形成面の反対側面がウェハ加熱面 1 1 aとなっており、支持容器（ケーシング） 5 1と支持柱 5 6を介して固定されている。このため、断熱リングが存在しない。本発明では断熱リングがなくとも、外周部分の温度低下を抑制できる。セラミック基板 1 1と支持容器 51とは非接触である。支持柱 56 には、固定金具 56 aが取付けられている。さらにセラミック基板 11には、リフターピン用貫通孔 1 50が形成されている。また、抵抗発熱体 12には給電端子 54がばね 55を介して固定されている。さらに、支持容器 51にほ、中底板 52、底板 5 laが固定されており、底板 51 aには、開口 510が形成されている。中底板 52は、ばね 53で支持容器 51内部の空間に固定される。また、底板 5 laには、冷却ノズル 59が設けられ、空気などを吹き付けて冷却行う。さらに、温度制御のための熱電対 44が、ばね 45により伝熱板 42を介して圧着されている。発明を実施するための最良の形態

(実施树 1) S i C製のセラミックヒータ（図 1、 2参照）の製造

(1) S i C粉末（平均粒径： 0. 3 μπι) 100重量部、焼結助剤の B₄Cを 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。

(3)加工処理の終った生成形体を 2100°C、圧力： 18MP aでホットプレスし、厚さが 3 ramの S i C製のセラミック板状体を得た。

次に、この板状体の表面から直径 21 Ommの円板体を切り出し、表面を R a = 0. 1 /xmになるまで鏡面研磨し、セラミック基板 1 1とした。

セラミック基板 1 1に、テトラェチルシリケート 25重量部、エタノール 37. 6重量部、塩酸 0. 3重量部からなる混合液を 24時間、攪拌しながら加水分解重合させたゾル溶液をスピンコートで塗布し、ついで 80°Cで 5時間乾燥させ、 1000°Cで 1時間焼成して S i C製セラミック基板 1 1表面に厚さ 2 μΐηの S i O ₂の膜を形成した。

この成形体にドリル加工を施し、シリコンウェハの支持ピンを揷入する貫通孔 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. 1 mm、深さ： 2mm) を形成した。 (4) 上記 (3) で得たセラミック基板 1 1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と屈曲線状との組み合わせからなるパターンとした。

ただし、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 30m mになるようにした。

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' 徳カ化学研究所製のソルべスト P S 603 Dを使用した。

この導体ペーストは、銀ペーストであり、銀 100重量部に対して、酸ィヒ鉛（ 5重量％) 、酸化亜鉛（55重量％) 、シリカ（10重量％) 、酸化ホウ素（2 5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. で、リン片状のものであつた。

(5) 次に、導体ペーストを印刷したセラミック基板 11を 780 °Cで加熱、焼成して、導体ペースト中の銀を焼結させるとともに基板 1 1に焼き付け、発熱体 12を形成した。銀の発熱体 12は、厚さが 5 zm、幅 2. 4mm、面積抵抗率が 7. 7ιηΩ /口であった。

(6) 硫酸ニッケル 80 g/l、次亜リン酸ナトリゥム 24 g/l、酢酸ナトリゥム 12 gZ 1、ほう酸 8 g/ 1、塩化アンモニゥム 6 g/ 1の濃度の水溶液からなる無電解二ッケルめつき浴に上記 (5) で作製した基板 11を浸漬し、銀一鉛の発熱体 12の表面に厚さ 1 /zmの金属被覆層（ニッケル層） 120を析出させた。

(7) 電源との接続を確保するための端子を取り付ける部分に、スクリーン印刷により、銀一鉛半田ペースト（田中貴金属製）を印刷して半田層を形成した。ついで、半田層の上にコパール製の端子ピ、ン 13を載置して、 420でで加熱タフローし、端子ピン 1 3を発熱体 1 2の表面に取り付けた。

(8) 温度制御のための熱電対を有底孔 14にはめ込み、セラミック接着剤（東亜合成製ァロンセラミック）を埋め込んで固定しセラミックヒータ 10を得た。

(実施例 2)

実施例 1に準じるが、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 2 Ommになるようにした。 '

(実施例 3)

実施例 1に準じるが、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 1 Ommになるようにした。

(実施例 4)

実施例 1に傘じる 1 抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側' 面から 1mmになるようにした。

(比較例 1 )

実施例 1と同様であるが、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 4 Ommになるようにした。

(実施例 5) 窒化アルミニウム製のセラミックヒータ（囪 1、 2参照）の製造 (1) 窒化アルミニウム粉耒（平均粒径： 0. 6 μπι) 100重量部、イツトリァ（平均粒径： 0. 4/im) 4重量部、アクリル系バインダ 12重量部およびァ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（ダリーン）を得た。

(3) 加工処理の終った生成形体を 1 80 Q°C 圧力： 2 OMP aでホットプレスし、厚さが 3 mm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 21 Ommの円板体を切り出し、セラミック基板 1 1とした。この基板の表面に、実施例 1のゾル溶液を塗布し、乾燥焼成して厚さ 2 μΐη'の S i 0₂膜を形成した。

この成形体にドリル加工を施し、シリコンウェハの支持ピンを揷入する貫通孔 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. 1 mm、深さ： 2 mm) を形成した。

(4) 上記 (3) で得た基板 1 1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と屈曲線状との組み合わせからなるパターンとした。

ただし、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 30m mになるようにした。 ' 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カ化学研究所製のソルべスト P S 60 3 Dを使用した。

この導体ペーストは、銀一鉛ペーストであり、銀 1 00重量部に対して、酸化鉛（5重量％) 、酸化亜鉛（5 5重量％) 、シリカ（1 0重量％) 、酸化ホウ素 (2 5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 /zmで、リン片状のもの' であった。

(5) 次に、導体ペーストを印刷した基板 1 1を 7 80°Cで加熱、焼成して、導体ペースト中の銀を焼結させるとともに基板 1 1に焼き付け、発熱体 1 2を形成した。発熱体 1 2は、厚さが 5 jum、幅 2. 4 mm、面積抵抗率が 7. 7 Q/ □であった。

(6) 硫酸ニッケル 80 _g/ l、次亜リン酸ナトリゥム 24 g/ l、酢酸ナトリゥム 1 2 gノ 1、ほう酸 8 gノ 1、塩化アンモニゥム 6 g/ 1の濃度の水溶液からなる無電解ニッケルめっき浴に上記 (5) で作製した基板 1 1を浸漬し、銀一鉛の発熱体 1 2の表面に厚さ 1 μ mの金属被覆雇 (ニッケル層） 1 20を析出させた。

(7) 電源との接続を確保するための端子を取り付ける部分に、スクリーン印刷により、銀一鉛半田ペースト（田中貴金属製）を印刷して半田層を形成した。ついで、半田層の上にコパール製の端子ピン 1 3を载置して、 4 20でで加熱タフローし、端子ピン 1 3を発熱体 1 2の表面に取り付けた。

(8) 温度制御のための熱電対を有底孔 14にはめ込み、セラミック接着剤（東亜合成製ァロンセラミック）を埋め込んで固定しセラミックヒータ 1 0を得た。

(実施例 6 )

実施例 5に準じるが、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 2 Ommになるようにした。

(実施例 7)

実施例 5に準じるが、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 1 Ommになるようにした。

(実施例 8 ) 実施例 5に準じるが、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 1 mmになるようにした。

(比較例 2)

実施例 8と同様であるが、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 4 Ommになるようにした。

この比較例は、特開平 1 1— 403 30号公報に記載のセラミックヒータの製造方法に準じる。このヒータは特開 2000- 299 28 1号公報の図 1にあるように、外周部分に断熱リングを配することになるため、外周部分には宪熱体が存在しない。

(比較例 3)

(1) 窒化アルミニウム粉末（トクャマ社製、平均粒径 1. 1 μτη) 100重量部、イットリア（平均粒径： 0. 4 μπι) 4重量部、アタリルバィンダ 1 1.

5重量部、分散剤 0. 5重量部おょぴ 1ープタノールとエタノールとからなるァルコール 5 3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る成形を行って、厚さ 0. 4 7mmのグリーンシートを得た。

(2) 次に、このグリーンシートを 80でで 5時間乾燥させた後、パンチングにより直径 1. 8mm、 3. 0 mm, 5. 0 mmの半導体ウェハ支持ピンを揷入する貫通孔となる部分、外部端子と接続するためのスルーホールとなる部分を設けた。

(3) 平均粒子径 1 /xmのタングステンカーバイト粒子 1 00重量部、ァクリル系パインダ 3. 0重量部、 a—テルビネオール溶媒 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。

平均粒子径 3 μπιのタングステン粒子 1 00重量部、ァクリル系バインダ 1. 9重量部、 α—テルビネオール溶媒 3. 7重量部おょぴ分散剤 0. 2重量部を混合して導体ペースト Βを調製した。

この導電性ペースト Αをダリーンシートにスクリーン印刷で印刷し、導体ぺースト層を形成した。印刷パターンは、同心円パターンとした。

さらに、外部端子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。 ' 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 34枚、下側に 1 3枚積層し、 ^の上に静電電極パターンからなる導体ペースト層を印刷したグリーンシート 5 0を積層し、さらにその上にタングステンペーストを印刷していないグリーンシート 5 0' を 2枚積層し、これらを 1 30°C、 8 MP aの圧力で圧着して積層体を形成した。 '

(4) 次に、得られた積層体を窒素ガス中、 600°Cで 5時間脱脂し、 1 8 9 0°C、圧力 1 5 MP aで 3時間ホットプレスし、厚さ 3 mmの窒化'アルミニウム板状体を得た。これを 2 3 Ommの円板状に切り出し、内部に厚さ 6 μ m、幅 1 Ommの抵抗発熱体を有する窒化アルミニウム製のセラミック基板とした。セラミック基板内部の抵抗発熱体は、 ¾抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 3 Ommになるようにした。

(5) 次に、（4) で得られた板状体を、ダイヤモンド砥石で研磨した後、マスクを载置し、 S i C等によるプラスト処理で表面に熱電対のための有底孔（直径： 1. 2mm、深さ： 2. Omm) を設けた。

(6) さらに、スルーホールが形成されている部分をえぐり取って袋孔とし、この袋孔に N i一 Auからなる金ろうを用い、 70 0°Cで加熱リフローしてコバ一ノレ製の外部端子を接続させた。

なお、外部端子の接続は、タングステンの支持体が 3点で支持する構造が望ましい。接続信頼性を確保することができるからである。

(7) 次に、温度制御のための複数の熱電対を有底孔に埋め込んだ。

(実施例 9 ) S i C製のセラミックヒータ

(1) S i C粉末（平均粒径： 0. 3 μιη) 1 0 0重量部、焼結助剤の B ₄ Cを 4 重量部、アクリル系バインダ 1 2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。

(3) 加工処理の終った生成形体を 2 1 00°C、圧力： 1 8 MP aでホットプレスし、厚さが 3mmの S i Cセラミック基板を得た。次に、この板状体の表面から直径 31 Ommの円板体を切り出し、表面を R a =0. 1 izmになるまで鏡面研磨し、セラミック基板 1 1とした。

セラミック基板 1 1に、テトラェチルシリケート 25重量部、エタノール 37. 6重量部、塩酸 0. 3重量部からなる混合液を 24時間、攪姅しながら加水分解重合させたゾル溶液をスピンコートで塗布し、ついで 80 °Cで 5時間乾燥させ、 1000°Cで 1時間焼成して S i Cセラミック基板 1 1表面に厚さ 2 /xmの S i' o₂の膜を形成した。

この成形体にドリル加工を施し、シリコンウェハの支持ピンを挿入する貫通孔

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. 1 mm、深さ： 2mm) を开成した。 '

(4) 上記 (3) で得たセラミック基板 1 1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と屈曲線状との組み合わせからなるパターンとした。

ただし、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 0. 5 mmになるようにした。

導体ペーストとしては、プリント配線板のスルーホーノレ形成に使用されている徳カ化学研究所製のソルべスト P S 603 Dを使用した。

この導体ペーストは、銀ペーストであり、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（2 5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. で、リン片状のものであつた。 '

(5) 次に、導体ペーストを印刷したセラミック基板 1 1を 780°Cで加熱、焼成して、導体ペースト中の銀を焼結させるとともに基板 1 1に焼き付け、発熱体 12を形成した。銀の発熱体 1 2は、厚さが 5 /zm、幅 2. 4mm、面積抵抗率が 7. 7 ιηΩノロであった。

(6)硫酸ニッケル 80 gZ 1、次亜リン酸ナトリウム 24 gZ 1、酢酸ナトリゥム 1 2 g/l、ほう酸 8 gZl、塩化アンモニゥム 6 gZ】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) で作製した基板 1 1を浸漬し、銀一鉛の発熱体 1 2の表面に厚さ 1 / mの金属被覆層（ニッケル層）を析出させた。

(7) 電源とめ接続を確保するための端子を取り付ける部分に、スクリーン印刷により、銀一鉛半田ペースト（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端子ピン 1 3を載置して、 420°Cで加熱タフローし、端子ピン 1 3を発熱体 1 2の表面に取り付けた。

(8) 温度制御のための熱電対を有底孔 14にはめ込み、セラミック接着剤（東' 亜合成製ァロンセラミック）を埋め込んで固定しセラミックヒータを得た。

(実施例 10)

実施例 9と同様であるが、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 35 mmになるようにした。

(比較例 4)

比較例 3と同様であるが、セラミック基板側面からの距離を 40 mmとした。

(比較例 5 )

実施例 9と同様であるが、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 4 Ommになるようにした。この比較例は、特開平 11— 40330 号公報に準じる。このヒータは特開 2000— 299281号公報の図 1にあるように、外周部分に断熱リングを配することになるため、外周部分には発熱体が存在しない。

(比較例 6)

実施例 1と同様であるが、セラミック基板の直径を 15 Ommとし、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 4 Ommになるようにした。

(比較例 7)

実施例 9と同様であるが、抵抗発熱体形成領域の最外周が上記セラミック基板の側面から 0. 2mmになるようにした。発熱体に電流を流したところ、発熱体から支持容器に放電してしまった。

さらに実施例と比較例のヒータについて、図 3に示すように支持容器に組みつけて、ユニット化し、 400°Cまで昇温し、外周と内部の温度差をサーモピュア (日本データム製 I R- 16-2012-0012) で測定した。また、 40 0°Cまで 45秒で昇温して割れの発生率を調べた。さらに、 200°Cから 150 °Cまでエアーを吹きつけて強制冷却させて、降温時間を測定した結果を表 1に示す。

上記表 1に示した結果より明らかなように、抵抗発熱体を表面に形成することで、冷却時間を短くすることができる。また、抵抗発熱体を表面に形成することで、加熱面の温度差が大きくなる（比較例 2 4の対比）。抵抗発熱体をセラミック基板側面から 3 5 mm以下に形成することで、加熱面の温度差が小さくなる _t また、急速な昇温でも割れることがない（実施例 1〜1 0と比較例との対比）。また、比較例 1と比較例 5の対比から、セラミック基板の直径が大きいほど温度差が大きくなることが判る。

さらに、比較例 1と比較例 6の対比からセラミック基板の直径が小さいほど温度差が小さくなることが判る。' '

本発明は、直径 1 5 O mmを超える大きなセラミックヒータで生じる外周温度の低下という問題を解決し、その効果は、直径 2 1 O mmを超える場合に顕著である。産業上利用の可能性

以上のように、本発明によれば、発熱体の余熱を強制冷却しやすく、発熱体の抵抗値を制御しやすく、かつ外周の温度が設定値より下がらず、さらに、急速な昇温、降温によりクラックが発生しないヒータを実現することができる。

Claims

請求の範囲

1. セラミック基板の表面に抵抗発熱体が形成されてなるセラミックヒータであって、

抵抗発熱体形成領域の最外周が前記セラミック基板の側面から 3 5 mm以内にあることを特徴とするセラミックヒータ。

2 . 前記セラミック基板は、円板形状である請求の範囲 1に記載のセラミックヒータ。

3 . 前記セラミック基板は炭化物または窒化物セラミックである請求の範囲 1 または 2に記載のセラミックヒータ。

4 . 前記セラミック基板の厚さは、 2 5 mm以下である請求の範囲 1または 2 に記載のセラミックヒータ。

5 . 前記セラミック基板の直径は、 1 5 O mmを超える請求の範囲 1または 2 に記載のセラミックヒータ。