專利名稱：陶瓷加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)不會(huì)污染半導(dǎo)體晶片的陶瓷加熱器。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體設(shè)備經(jīng)由包括在半導(dǎo)體晶片上涂布作為抗蝕劑的光敏樹脂并蝕刻未涂布區(qū)的方法制成。
當(dāng)光敏樹脂利用旋轉(zhuǎn)涂布器等裝置以液體形式施加到半導(dǎo)體晶片的表面時(shí)，它必須在涂布后干燥，使溶劑等散發(fā)，因此這樣涂布的半導(dǎo)體晶片要置于加熱器上加熱。
迄今用于該目的的常規(guī)金屬加熱器包括置于一塊鋁板背面的加熱元件。
然而，這樣的金屬加熱器具有以下缺點(diǎn)。
首先，因?yàn)樗薪饘俨牧?，所以加熱器板必須厚達(dá)大約15毫米。這是因?yàn)楸〗饘侔鍟?huì)在加熱時(shí)發(fā)生熱膨脹，形成卷曲和應(yīng)力，損壞置于板上的半導(dǎo)體晶片或使其傾覆。然而，增大加熱器板的厚度又會(huì)增大加熱器的重量和體積。
此外，雖然加熱器溫度是通過改變施加到加熱元件上的電壓和電流而控制的，但是加熱板很厚的厚度會(huì)引起這樣的問題，加熱器板的溫度不能及時(shí)跟上電壓和電流值的變化，這樣就使溫度的控制很難進(jìn)行。
因此，例如日本公開的專利申請(qǐng)平-9-306642與平-4-324276提出了這樣一些陶瓷加熱器，其中每個(gè)都包括含有AIN的基板和在內(nèi)部形成的加熱元件，AIN是導(dǎo)熱性高和強(qiáng)度高的非氧化物陶瓷材料。
關(guān)于這些陶瓷加熱器，含有Y、Na、B、Li、Rb和/或Ca的陶瓷具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，因此可優(yōu)選用于加熱器的用途。其中，JP2798570揭示了一種導(dǎo)熱性高的含Ca和Na的燒結(jié)氮化鋁材料。
同時(shí)，在普通陶瓷加熱器中，如日本公開專利申請(qǐng)平-7-280462所述，加熱元件形成于其上的表面經(jīng)過粗糙處理，而半導(dǎo)體晶片要放置其上并在其上加熱的表面則經(jīng)平整處理。
然而，在基于含有Y、Na、Ca等的陶瓷的陶瓷加熱器中，如果半導(dǎo)體晶片要放置其上的表面是平而光滑的話，那么基片與陶瓷加熱器之間的接觸面積就增大，結(jié)果，晶片會(huì)由于熱擴(kuò)散而污染。
再者，即使半導(dǎo)體晶片不與陶瓷加熱器的加熱表面直接接觸，而是利用支撐銷等與該表面保持隔開而加熱時(shí)，實(shí)際上也會(huì)遇到蒸發(fā)的Y、Na、Ca等沉積到半導(dǎo)體晶片上的麻煩問題。
再一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)半導(dǎo)體晶片用支撐銷等與陶瓷加熱器的加熱表面保持隔開而加熱時(shí)，在陶瓷加熱器中會(huì)反映出加熱表面的溫度分布。
發(fā)明的概述本發(fā)明研究了上述現(xiàn)有技術(shù)中問題，發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)晶片元件例如半導(dǎo)體晶片放置或支撐在其上面以進(jìn)行加熱的陶瓷加熱器的表面(下面有時(shí)稱為晶片加熱表面)進(jìn)行粗糙化處理，加熱表面與置于其上的半導(dǎo)體晶片之間的接觸就能夠成為點(diǎn)接觸，結(jié)果，即使當(dāng)陶瓷板含有雜質(zhì)例如Y和Na時(shí)，也能夠阻止雜質(zhì)從陶瓷加熱器熱擴(kuò)散到半導(dǎo)體晶片。本發(fā)明人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)所述晶片加熱表面進(jìn)行粗糙化處理，還能夠阻止Y、Na等從晶片加熱表面蒸發(fā)。
發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱期間半導(dǎo)體晶片與加熱表面保持隔開時(shí)不能獲得均勻溫度的原因在于，由于所述表面不規(guī)整而在基材例如半導(dǎo)體晶片與加熱表面之間的間隙內(nèi)形成氣流湍流會(huì)引起局部的熱積累，還發(fā)現(xiàn)提高加熱表面的平整度，就能夠避免形成所述的氣流湍流，使半導(dǎo)體晶片的溫度分布更為均勻。這樣，本發(fā)明人完成了本發(fā)明。
因此，本發(fā)明第一方面的陶瓷加熱器包括一塊陶瓷基質(zhì)和置于所述基質(zhì)表面或內(nèi)部的加熱元件，其中加熱器的加熱表面具有JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.05-200微米。
本發(fā)明第二方面的陶瓷加熱器包括一塊陶瓷基質(zhì)和置于所述基質(zhì)表面或內(nèi)部的加熱元件，其中所述的陶瓷基質(zhì)還含有其主要組成元素以外的元素，而且加熱器的加熱元件表面具有JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.2-200微米。
在本發(fā)明第一和第二方面的陶瓷加熱器中，陶瓷基質(zhì)優(yōu)選為選自氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和氧化物陶瓷中的至少一種。
本發(fā)明第三方面的陶瓷加熱器包括氮化物陶瓷基質(zhì)和置于所述氮化物陶瓷基質(zhì)表面或內(nèi)部的加熱元件，其中所述的氮化物陶瓷基質(zhì)還含有其主要組成元素以外的元素，而且加熱器的對(duì)元件加熱表面具有JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.2-200微米。
本發(fā)明第四方面的陶瓷加熱器包括氮化物陶瓷基質(zhì)和置于所述基質(zhì)表面或內(nèi)部的加熱元件，其中所述的氮化物陶瓷基質(zhì)含有至少另一種選自Na、B、Y、Li、Rb和Ca的元素，而且其對(duì)工件加熱的加熱表面具有JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.2-200微米。
在本發(fā)明第三和第四方面的陶瓷加熱器中，氮化物陶瓷基質(zhì)優(yōu)選是直徑大于150毫米的盤形。
另外，所述陶瓷基質(zhì)優(yōu)選含有不低于0.1％(重量)的至少一種選自Y、Li、Rb和Ca的元素，和不低于0.05ppm的至少一種選自Na和B的元素。
附圖的簡要說明

圖1是作為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的陶瓷加熱器的平面示意圖；圖2是圖1所示陶瓷加熱器的一部分的剖面示意圖；圖3是顯示本發(fā)明的靜電卡盤的剖面示意圖，該卡盤包括裝有靜電極的陶瓷加熱器；圖4是沿圖3中A-A線斷開的該靜電卡盤的剖面圖；圖5(a)-(d)是說明所述靜電卡盤的制造流程的剖面示意圖；圖6是裝有支撐銷的陶瓷加熱器的一部分的剖面示意圖，其部分是放大的。
編號(hào)的簡要說明10陶瓷加熱器11加熱器板11a底面11b加熱表面
12加熱元件12a金屬覆蓋層13外部接頭14盲孔15通孔16支撐銷19半導(dǎo)體晶片20、20a、20b卡盤正極靜電層30、30a、30b卡盤負(fù)極靜電層40陶瓷電介質(zhì)膜50耐熱元件90硅片100陶瓷基質(zhì)101靜電卡盤發(fā)明的詳細(xì)說明本發(fā)明第一方面的陶瓷加熱器包括一塊陶瓷基質(zhì)和置于所述基質(zhì)表面或內(nèi)部的加熱元件，其中加熱器的對(duì)工件加熱的表面具有JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.05-200微米。
本發(fā)明第二方面的陶瓷加熱器包括一塊陶瓷基質(zhì)和置于所述基質(zhì)表面或內(nèi)部的加熱元件，其中所述的陶瓷基質(zhì)還含有其主要組成元素以外的至少一種其他元素，而且其加熱元件表面具有JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.2-200微米。
本發(fā)明第三和第四方面的特征在于所規(guī)定的原材料、加熱表面粗糙度和陶瓷基質(zhì)內(nèi)的元素。因此，下面主要描述本發(fā)明的第一、第二方面，本發(fā)明的其他方面將在需要時(shí)另外闡述。
本發(fā)明的陶瓷加熱器雖然也能夠用于加熱其他類型的工件，但是它主要用于加熱半導(dǎo)體晶片等。
因?yàn)楸景l(fā)明第一方面的陶瓷加熱器的JIS B 0601表面粗糙度是Rmax＝0.05-200微米，所以工件與加熱器的加熱表面保持隔開時(shí)就能夠均勻受熱。
在加熱與加熱表面保持隔開的工件的情形下，如果加熱表面的Rmax值超過200微米，那么就會(huì)在工件與加熱表面之間形成氣流湍流，使熱量局部聚集，在工件內(nèi)形成溫度分布。另一方面，如果Rmax值低于0.05微米，那么加熱表面的溫度分布就會(huì)由輻射熱量直接反映到工件上，使得工件內(nèi)形成溫度分布。因此Rmax＝0.05-200微米的范圍是適于加熱其中元件與加熱表面保持隔開的模式并在氣態(tài)傳熱介質(zhì)中進(jìn)行加熱的表面粗糙度的特征范圍。
氣態(tài)傳熱介質(zhì)優(yōu)選至少一種選自空氣、惰性氣體和反應(yīng)性氣體的氣體。優(yōu)選的惰性氣體是二氧化碳、氮?dú)夂蜌鍤?。作為所述的反?yīng)性氣體，可以提到的是鹵素氣體和CF4。
優(yōu)選的加熱表面粗糙度Rmax值是0.2-100微米。在該范圍內(nèi)，就能夠成功地控制來自于陶瓷基質(zhì)的雜質(zhì)蒸發(fā)。
為了使工件保持與加熱表面隔開，將支撐銷18等牢固地裝在陶瓷基質(zhì)11的通孔或凹處內(nèi)，如圖6所示。
工件與加熱表面之間的距離優(yōu)選為1-5000微米。如果該距離短于1微米，那么加熱表面的溫度分布就會(huì)反映到工件上，另外，由于加熱表面有起伏，也會(huì)使工件與加熱表面互相接觸。另一方面，如果該距離超過5000微米，那么加熱表面與工件之間的溫度差就變得過大。
在本發(fā)明第二方面的陶瓷加熱器中，陶瓷基質(zhì)含有其主要組成元素以外的元素。然而，由于加熱表面的粗糙度設(shè)定為Rmax＝0.2-200微米，所以工件就受到保護(hù)，免除了由于雜質(zhì)從陶瓷基質(zhì)熱擴(kuò)散或蒸發(fā)而造成的污染，尤其在工件直接放置在加熱表面上的加熱模式時(shí)，甚至在工件與加熱表面保持給定距離而進(jìn)行加熱的加熱模式時(shí)也是如此。
如果加熱表面的Rmax值小于0.2微米，那么加熱表面與工件之間的接觸面積就會(huì)很大，以致發(fā)生所述雜質(zhì)擴(kuò)散入工件的污染。另一方面，如果Rmax值超過200微米，那么工件與加熱表面之間的平均距離就會(huì)變得過大，不能充分對(duì)工件加熱。
另外，即使在加熱與加熱表面保持隔開的工件的模式，當(dāng)Rmax值不小于0.2微米時(shí)，氣態(tài)傳熱介質(zhì)與加熱表面之間的接觸面積也足夠大，使雜質(zhì)從陶瓷基質(zhì)表面蒸發(fā)的所需熱量會(huì)被所述傳熱介質(zhì)有效地除去，結(jié)果，工件污染減至最少。
對(duì)元件加熱的表面的JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.2-200微米，是在能夠成功地對(duì)工件而不加熱對(duì)其污染的特征范圍。
能夠用于本發(fā)明的陶瓷包括氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和氧化物陶瓷。
優(yōu)選的氮化物陶瓷是至少一種選自氮化鋁、氮化硅、氮化硼和氮化鈦的氮化物。
其中，氮化鋁是最優(yōu)選的，因?yàn)槠?80W/m.K的導(dǎo)熱率是最高的。
優(yōu)選的碳化物陶瓷是至少一種選自碳化硅、碳化鈦、碳化硼、碳化鉭、碳化鎢和碳化鋯的碳化物。
氧化物陶瓷優(yōu)選是至少一種選自氧化鋁、氧化硅、氧化鋯、多鋁紅柱石、堇青石和氧化鈹?shù)难趸铩?br> 當(dāng)陶瓷基質(zhì)具有導(dǎo)電性時(shí)，可以在其鄰近加熱表面上提供一個(gè)絕緣層。該絕緣層優(yōu)選由二氧化硅、氧化鋁等制成，而且該層的優(yōu)選厚度為0.1-2000微米。
當(dāng)加熱元件是導(dǎo)線時(shí)，用絕緣層覆蓋導(dǎo)線表面。
尤其優(yōu)選的陶瓷是氮化物陶瓷和碳化物陶瓷，因?yàn)檫@些陶瓷的導(dǎo)熱性高，因此熱量的可控制性優(yōu)良。如果加熱元件的熱量輸出不均勻，那么當(dāng)基質(zhì)材料的導(dǎo)熱性高時(shí)，該非均勻分布的熱量就會(huì)直接反映到加熱表面上。因此，就能夠利用本發(fā)明的表面粗糙度控制的辦法來解決這個(gè)問題。
在采用氮化物陶瓷作為陶瓷基質(zhì)的情形下，所述氮化物陶瓷板含有氮化物陶瓷的組成元素以外的元素，特別是至少一種選自Y、Na、B、Li、Rb和Ca等的元素，這就會(huì)具有優(yōu)良導(dǎo)熱性，結(jié)果，加熱器板的表面溫度就可以及時(shí)跟上加熱元件溫度的變化，由此就能夠有效控制加熱晶片的表面溫度。
另外，由于對(duì)晶片加熱的表面已經(jīng)如上所述經(jīng)過粗糙化處理，其與在其上放置的半導(dǎo)體晶片之間的接觸就能夠成為點(diǎn)接觸，使得能夠抑制雜質(zhì)(Y和其他雜質(zhì))從陶瓷加熱器熱擴(kuò)散到半導(dǎo)體晶片上。
此外，即使當(dāng)半導(dǎo)體晶片被支撐銷支撐而脫離接觸，如圖2所示，氮化物陶瓷的組成元素以外的雜質(zhì)元素例如Y、Na、B、Li、Rb、Ca、Al等(下面稱為Y和其他雜質(zhì))也會(huì)擴(kuò)散出來，并在高溫下蒸發(fā)，污染半導(dǎo)體晶片，除非對(duì)晶片加熱的表面進(jìn)行粗糙化處理。例如，尤其當(dāng)陶瓷加熱器用于噴濺線時(shí)，此時(shí)加熱操作在真空下實(shí)施，Y和其他雜質(zhì)就更容易蒸發(fā)。
然而，在本發(fā)明中，其中對(duì)晶片加熱的表面已經(jīng)過粗糙化處理，Y和其他雜質(zhì)不會(huì)從表面上蒸發(fā)，能夠避免污染半導(dǎo)體晶片。
目前尚不清楚為什么形成粗糙表面可以有效阻止陶瓷組成元素以外的元素例如Y等蒸發(fā)出來，但是有人提出，因?yàn)榇植诘膶?duì)晶片加熱的表面具有類似散熱器片的功能，所以該表面上就能除去引起Y和其他雜質(zhì)蒸發(fā)的熱量。
在由支撐銷支撐的條件下加熱半導(dǎo)體晶片時(shí)，半導(dǎo)體晶片與陶瓷基質(zhì)之間的優(yōu)選距離為1-5000微米，更優(yōu)選5-500微米。如果它們隔開過寬，就會(huì)影響加熱效果，而過份近的間隙會(huì)形成或多或少的陶瓷板表面溫度分布的完全反映，使得不能均勻加熱半導(dǎo)體晶片。
本發(fā)明的陶瓷加熱器包括形成于氮化物陶瓷板表面上或其內(nèi)部的加熱元件。
圖1是體現(xiàn)本發(fā)明的陶瓷加熱器的平面示意圖；圖2是以放大比例顯示同一陶瓷加熱器的一部分的剖面示意圖。
陶瓷基質(zhì)11(下面也稱為加熱器板)成形為盤狀，加熱元件12在加熱器板11的底面上形成為同心圓圖案，使氮化物陶瓷板(下面有時(shí)稱為加熱器板)對(duì)晶片加熱的表面11b可以在其整體面積上加熱到一個(gè)均勻的溫度。加熱元件不一定是呈圖案形的元件，可以例如是珀耳帖元件。
上述加熱元件12實(shí)際上包括許多同心的雙圓圖案，每個(gè)雙圓都形成一個(gè)單獨(dú)導(dǎo)體，而且每個(gè)圖案在其兩端都與外部接頭13連接，其中一個(gè)接頭起輸入接頭的作用，另一個(gè)接頭起輸出接頭的作用，每個(gè)接頭都有金屬覆蓋層12a。另外，加熱元件12在加熱板中心附近具有通孔15，用以安裝所述用來支撐半導(dǎo)體晶片的支撐銷16，還有盲孔14，用以安裝測(cè)溫傳感器。如圖1和2所示的陶瓷加熱器10是在加熱器板11的底面上裝有所述加熱元件12。然而，加熱元件也可以形成于加熱器板11的內(nèi)部。
下面詳細(xì)說明本發(fā)明陶瓷加熱器的組成。在下面的描述中，將氮化物陶瓷作為一個(gè)例子，但是該描述也適用于碳化物陶瓷或氧化物陶瓷。
在本發(fā)明的陶瓷加熱器10中，加熱器板11是用氮化物陶瓷作為加熱器板的材料。這是因?yàn)樵撎囟ú牧系臒崤蛎浵禂?shù)比金屬低，因此即使當(dāng)其厚度減小，加熱時(shí)也不會(huì)卷邊或翹曲，即使在減小加熱器板11的厚度情況下也是如此，又減輕其重量。
此外，由于加熱器板11導(dǎo)熱性高，而且厚度小，所以加熱器板11的表面溫度就容易跟上加熱元件的溫度變化。
換言之，通過改變電壓和電流就能夠調(diào)節(jié)加熱元件的溫度，由此就控制加熱器板11的表面溫度。加熱器板11含有至少一種選自Y、Na、B、Li、Rb和Ca的元素。
其中Y、Li、Rb和Ca通常以氧化物形式作為燒結(jié)助劑加入。為了使加熱器板11的導(dǎo)熱性可以高至130-200W/m.K，Y、Li、Rb和/或Ca優(yōu)選為0.1-5％(重量)。
如果Y和其他雜質(zhì)的含量低于0.1％(重量)，那么燒結(jié)就達(dá)不到足夠的致密度，就很難保證高的導(dǎo)熱性。
Na和B會(huì)在晶粒邊界偏析，這有助于提高導(dǎo)熱性。
Na和B的優(yōu)選量為0.05-50ppm。如果該量低于0.05ppm那么導(dǎo)熱性就不會(huì)提高。
這些元素在原材料粉末中本來就存在，但是如果需要，Na的化合物和Ca的化合物，例如NaCO3和CaCO3也可以加入到粉末中，使它們的含量提高到上述范圍內(nèi)。
作為碳化物陶瓷的燒結(jié)助劑，可以提到的是B4C、AIN等，雜質(zhì)可以是例如Al和B。陶瓷基質(zhì)中Al和/或B的量是0.05ppm-0.5％(重量)。
所述加熱器板11的加熱表面已經(jīng)粗糙化處理至JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.05-200微米，所以能在采用工件與加熱表面保持隔開的加熱模式中能阻止傳熱介質(zhì)中發(fā)生湍流。
在加熱期間工件與加熱表面保持隔開的模式中，如果加熱表面的粗糙度大于Rmax＝200微米，那么在工件與加熱表面之間就會(huì)形成氣體湍流，隨后的局部熱聚集會(huì)在工件內(nèi)引起溫度分布。另一方面，如果表面粗糙度小于Rmax＝0.05微米，那么加熱表面的溫度分布就會(huì)由輻射熱量直接反映到工件上，由此在工件內(nèi)形成溫度分布。優(yōu)選的表面粗糙度是Rmax＝0.2-100。
在本發(fā)明中，所述加熱器板11的加熱表面被粗糙化處理至JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.2-200微米，以阻止雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體晶片內(nèi)。
如果表面粗糙度小于Rmax＝0.2微米，接觸形式就是平面接觸，就難以阻止雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體晶片。另一方面，如果表面粗糙度超過Rmax＝200微米，那么晶片就不能充分加熱，不必說粗糙化處理的困難了，大概因?yàn)榫c固定晶片的表面之間的間隙增大，輻射熱量或通過空氣傳播的熱量以及到達(dá)晶片的熱量就減少了。
另外，在采用晶片由所述支撐銷支撐而進(jìn)行不接觸的加熱的加熱器使用模式時(shí)，粗糙度小于Rmax＝0.2微米的加熱表面也不能有效地抑制Y與其他雜質(zhì)的蒸發(fā)。另一方面，如果表面粗糙度大于Rmax＝200微米，那么加熱表面的有效面積就會(huì)提高至使蒸發(fā)量更大。因此，上述Rmax范圍在抑制Y與其他雜質(zhì)蒸發(fā)方面是有效的。
優(yōu)選的表面粗糙度是Rmax＝1-20微米，因?yàn)樵谠摲秶鷥?nèi)，與晶片的接觸不容易放出灰塵顆粒。
對(duì)表面進(jìn)行粗糙化處理的方法沒有特別限制，可以例如是噴砂方法，此時(shí)采用氧化鋁、SiC、玻璃、氧化鋯或其他的固體顆粒對(duì)著加熱板的加熱表面噴射。
上述陶瓷加熱器的加熱器板11的優(yōu)選厚度是0.5-5毫米。如果該厚度小于0.5毫米，那么由于強(qiáng)度減小，板很易損壞。另一方面，如果該厚度大于5毫米，導(dǎo)熱就會(huì)差，使熱效率降低。
在本發(fā)明的陶瓷加熱器中，所述氮化物陶瓷板的幾何形狀沒有特別限制。它可以例如是橢圓形(平面視圖)，優(yōu)選為圓盤狀板例如圖1所示。當(dāng)?shù)锾沾砂迨潜P狀時(shí)，其直徑優(yōu)選大于150毫米，更優(yōu)選不小于200毫米，再優(yōu)選不小于300毫米。這是因?yàn)槟壳笆褂玫钠胀ò雽?dǎo)體晶片的直徑不小于8英寸(約200毫米)，而預(yù)計(jì)大多數(shù)下一代的半導(dǎo)體晶片會(huì)更大，即直徑為12英寸(300毫米)或更大。
形成于所述氮化物陶瓷板表面上或內(nèi)部的加熱元件12優(yōu)選分成至少兩個(gè)電路。將電路分開，就能夠分別控制輸入這兩個(gè)電路的功率而調(diào)節(jié)產(chǎn)生的熱量，結(jié)果，由此就能夠控制對(duì)晶片加熱的表面的溫度。
加熱元件1 2的圖案可以例如是一套同心圓或旋渦形、一套偏心圓或螺旋形，但優(yōu)選為圖1所示的同心圓圖案，因?yàn)樗杀ＷC在整個(gè)加熱器板上方的溫度分布均勻。
當(dāng)加熱元件12形成于加熱器板11的表面上時(shí)，優(yōu)選采用這樣的方法，它是用含有金屬粉的導(dǎo)電膏以預(yù)定的電路圖案涂布在加熱器板11的表面上，然后烘烤形成的導(dǎo)電膏層，使金屬粉在加熱器板11的表面上燒結(jié)。該燒結(jié)進(jìn)行到金屬粒子彼此熔合并與陶瓷板融合的程度就足夠了。
當(dāng)加熱元件形成于加熱器板11的表面上時(shí)，加熱元件的厚度優(yōu)選1-30微米，更優(yōu)選1-10微米。而當(dāng)加熱元件形成于加熱器板11的內(nèi)部時(shí)，其厚度優(yōu)選1-50微米。
此外，當(dāng)加熱元件形成于加熱元件11的表面上時(shí)，加熱元件的導(dǎo)體寬度優(yōu)選0.1-20毫米，更優(yōu)選0.1-5毫米。當(dāng)加熱元件形成于加熱器板11的內(nèi)部時(shí)，加熱元件的導(dǎo)體寬度是5-20微米。
通過改變導(dǎo)體厚度和寬度就能夠方便地調(diào)節(jié)加熱元件12的電阻，但是上述范圍對(duì)于操作是很有用的。加熱元件的寬度越薄越細(xì)，其電阻值就越大。當(dāng)加熱元件12形成于加熱器板11的內(nèi)部時(shí)，其厚度和寬度應(yīng)當(dāng)大些。當(dāng)加熱元件12形成于內(nèi)部時(shí)，加熱表面與加熱元件12之間的距離就較短，結(jié)果，加熱表面的溫度均勻性就會(huì)差，由此就必需增大加熱元件的寬度。此外，當(dāng)加熱元件12要排布在內(nèi)部時(shí)，就無需考慮其與氮化物陶瓷的粘合性，就能夠使用高熔點(diǎn)金屬例如鎢或鉬或其碳化物來提高電阻，而且因此，就能夠增大其厚度，目的是阻止例如斷路問題的發(fā)生。從這些方面考慮，加熱元件12的導(dǎo)體厚度和寬度優(yōu)選控制在上述范圍內(nèi)。
加熱元件12的截面可以是長方形或橢圓，但是優(yōu)選具有平整的表面。在向?qū)訜岬谋砻孑椛錈崃糠矫?，平整表面的效率較高，而且形成溫度梯度的可能性較小。
加熱元件的截面寬高比(加熱元件的寬度/加熱元件的厚度)優(yōu)選為10-5000。
因?yàn)榭刂扑鰧捀弑仍谏鲜龇秶鷥?nèi)，就能夠提高加熱元件12的電阻值，而且能夠保證加熱表面的溫度均勻性。
假設(shè)加熱元件12的厚度恒定，采用比上述范圍小的寬高比，會(huì)使沿對(duì)晶片加熱的方向來自于加熱器板11的熱量的散布相對(duì)減少，結(jié)果可在加熱表面上再形模擬加熱元件12圖案的熱量分布。相反，如果寬高比過大，在緊靠加熱元件12的中心的上方區(qū)域內(nèi)，就普遍是相對(duì)高溫了，結(jié)果同樣會(huì)在加熱表面上形成或多或少地模擬加熱元件12圖案的熱量分布。因此，考慮到溫度分布，橫截面的寬高比優(yōu)選限制在10-5000范圍內(nèi)。
當(dāng)加熱元件12形成于加熱器板11的表面上時(shí)，寬高比優(yōu)選10-200，而當(dāng)加熱元件12形成于加熱器板11的內(nèi)部時(shí)，優(yōu)選的寬高比是200-5000。
當(dāng)加熱元件12形成于加熱器板11的內(nèi)部時(shí)優(yōu)選較大寬高比的原因是，當(dāng)加熱元件12排布在內(nèi)部時(shí)，加熱表面與加熱元件12之間的距離相對(duì)減小，使表面溫度分布的均勻性降低，因此對(duì)于加熱元件12本身就需要更平整的幾何形狀。
當(dāng)加熱元件12在加熱器板11內(nèi)與加熱器板的加熱表面和底面距離不等時(shí)，優(yōu)選形成于接近與加熱器板11的加熱表面相反的表面(底面)的位置，而且在自加熱表面到所述底面之間距離的50％-99％的范圍內(nèi)。
如果加熱元件的位置與加熱表面的距離小于50％，加熱元件12就距離加熱表面太近，使加熱表面上會(huì)形成溫度梯度。相反，如果大于99％，加熱器板11自身會(huì)卷起，損壞半導(dǎo)體晶片。
另外，當(dāng)加熱元件12形成于加熱器板11的內(nèi)部時(shí)，加熱元件可以分成許多層。在此情形下，各層優(yōu)選排成互補(bǔ)關(guān)系的圖形，使得從加熱晶片的表面上方看時(shí)，能夠看到整個(gè)加熱元件12，而在整個(gè)視野中沒有重疊。這種布局一般是的交錯(cuò)排布的圖形。
在加熱器板11的內(nèi)部形成加熱元件12時(shí)，也能夠讓加熱元件12部分露出。
導(dǎo)電膏沒有特別限制，但是優(yōu)選這樣的組合物，它不僅含有導(dǎo)電性所要求的金屬粉或?qū)щ娞沾煞?，而且還含有樹脂、溶劑、增稠劑和其他添加劑。
上述金屬粉優(yōu)選是例如貴金屬(金、銀、鉑、鈀)、鉛、鎢、鉬或鎳的粉。這些金屬能夠單獨(dú)使用或兩種或多種組合使用。這些金屬相對(duì)抗氧化，并具有足夠高的抗產(chǎn)生熱量的性能。
導(dǎo)電陶瓷粉包括而不局限于碳化鎢或碳化鉬粉。這些粉能夠單獨(dú)使用或兩種或多種組合使用。
所述金屬或?qū)щ娞沾煞鄣膬?yōu)選粒徑是0.1-100微米。如果粉比0.1微米還細(xì)，就容易氧化。另一方面，如果超過100微米，粉就不容易燒結(jié)，電阻值會(huì)增大。
上述金屬粉可以是球狀或片狀。也可以采用球狀和片狀粉的混合物。當(dāng)金屬粉是片狀或球狀和片狀粒子的混合物時(shí)，所加入的金屬氧化物就會(huì)更有效地保持在金屬粒子之間，隨之產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)是，能夠保證加熱元件12與氮化物陶瓷之間更牢固的粘合力，并能夠提高電阻值。
用于導(dǎo)電膏的樹脂包括而不局限于環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂。溶劑可以是例如異丙醇。增稠劑可以例如是纖維素。
如上所述，導(dǎo)電膏優(yōu)選是將金屬氧化物加入到金屬粉中制成，使加熱元件12成為由金屬和金屬氧化物粉構(gòu)成的燒結(jié)體。由此，將金屬氧化物與金屬粉一同燒結(jié)，就能夠?qū)崿F(xiàn)加熱器板的氮化物陶瓷與金屬粉之間的緊密結(jié)合。
至今，尚待闡明為什么在導(dǎo)電膏加入金屬氧化物會(huì)提高其與氮化物陶瓷的粘合強(qiáng)度，但是有人提出，由于金屬粒子表面和氮化物陶瓷表面已經(jīng)輕微氧化，所形成的氧化物膜與加入的金屬氧化物的中間物一同燒結(jié)成一體，由此形成了金屬粉與氮化物陶瓷的緊密粘合。
上述的金屬氧化物優(yōu)選是選自氧化鉛、氧化鋅、氧化硅、氧化硼(B2O3)、氧化鋁、氧化釔和氧化鈦的至少一種。
這些氧化物能夠提高金屬粉與氮化物陶瓷之間的粘合力，而不會(huì)增大加熱元件12的電阻值。
上述氧化鉛、氧化鋅、氧化硅、氧化硼(B2O3)、氧化鋁、氧化釔和氧化鈦在每100份(重量)金屬氧化物總量中的比例是1-10份(重量)氧化鉛、1-30份(重量)氧化硅、5-50份(重量)氧化硼、20-70份(重量)氧化鋅、1-10份(重量)氧化鋁、1-50份(重量)氧化釔和1-50份(重量)氧化鈦。這些氧化物的總量優(yōu)選不高于100份(重量)。
在上述范圍內(nèi)調(diào)節(jié)氧化物的量，就能夠提高尤其與氮化物陶瓷的粘合性。
所述金屬氧化物的加入量相對(duì)于金屬粉優(yōu)選不低于0.1％(重量)，但低于10％(重量)。另外，用上述組成的導(dǎo)電膏形成的加熱元件12的面積電阻率優(yōu)選為1-45mΩ/。
如果面積電阻率超過45mΩ/，就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于所加電壓過多的熱量，使得加熱元件12是在加熱器表面上的情形下，幾乎不能控制熱量。如果所述金屬氧化物的加入量不低于10％(重量)，面積電阻率就會(huì)超過50mΩ/，而產(chǎn)生的過大的熱量會(huì)使溫度控制變得困難，并破壞溫度分布的均勻性。
當(dāng)加熱元件12形成于加熱器板11的表面上時(shí)，加熱元件12的表面優(yōu)選裝有金屬覆蓋層12a，以阻止燒結(jié)的金屬的氧化和隨之的電阻變化。這樣形成的金屬覆蓋層12a的厚度優(yōu)選為0.1-10微米。
用于形成所述金屬覆蓋層12a的金屬?zèng)]有特別限制，只要它是不可氧化的金屬就行，可以例如是金、銀、鈀、鉑或鎳。這些金屬可以單獨(dú)使用或兩種或多種組合使用。在上述金屬中，尤其優(yōu)選鎳。
當(dāng)然，加熱元件12必須備有接頭，用來連接到電源。這些接頭通過焊劑附著于加熱元件12上，則加熱元件上的金屬覆蓋層用鎳就能夠抑制焊劑的熱擴(kuò)散。作為連接接頭的方式，可以采用例如Koval的外接頭13。
當(dāng)加熱元件12形成于加熱器板11的內(nèi)部時(shí)，加熱表面不會(huì)氧化，因此不需覆蓋。當(dāng)加熱元件12形成于加熱器板11的內(nèi)部時(shí)，加熱元件可部分露出，并具有鍍了金屬的通孔，以便安裝所述外接頭并將其固定在位。
作為用于連接外接頭13的焊劑，可以使用各種合金例如銀-鉛合金、鉛-錫合金、鉍-錫合金等。焊劑層的優(yōu)選厚度是0.1-50微米。在該范圍內(nèi)，就能夠獲得牢固的焊劑連接。
另外，如圖2所示，加熱器板11可以具有通孔15，用來將支撐銷(未示出)塞入通孔15內(nèi)，就可以將半導(dǎo)體晶片送入傳送機(jī)(未示出)，或從該機(jī)器送出。
下面描述本發(fā)明陶瓷加熱器的制造方法。
首先描述制造包括形成于加熱器板11(圖1和2)的底面上的加熱元件的陶瓷加熱器的方法。在下面的描述中，將氮化物陶瓷作為一個(gè)例子，但是該描述也適用于碳化物陶瓷或氧化物陶瓷。
(1)加熱器板的制造用任選的燒結(jié)助劑例如氧化釔(Y2O3)、氧化鈣(CaO)、氧化鋰(Li2O)、氧化銣(Rb2O)等，Y、Na、B、Li、Rb和Ca的化合物，粘合劑和其他元素與上述氮化物陶瓷粉，例如氮化鋁陶瓷粉，配制成漿料。該漿料進(jìn)行噴霧干燥，制成小粒，接著放入金屬模具等內(nèi)，壓成生板。
然后，在生板中還可以形成通孔和盲孔，通孔用來裝入支撐半導(dǎo)體晶片的支撐銷，盲孔內(nèi)嵌入測(cè)溫傳感器例如熱電偶。
接著，對(duì)生板加熱燒結(jié)，制成陶瓷板。然后，對(duì)該陶瓷板進(jìn)行機(jī)械加工，制成加熱器板11。作為一種替換方法，板可以直接成形制成特定尺寸，使它可以直接用作加熱器板11。在壓力下實(shí)施燒結(jié)操作，就能夠制成無孔洞的加熱器板11。加熱溫度可以是不低于燒結(jié)點(diǎn)的任意溫度，但是在氮化物陶瓷的情形下，采用1000-2500℃范圍內(nèi)的溫度。之后，通過例如噴砂至少使加熱晶片的表面粗糙化。如果要求，可以對(duì)兩面相都進(jìn)行粗糙化處理。
(2)用導(dǎo)電膏印刷加熱器板導(dǎo)電膏通常是含有金屬粉、樹脂和溶劑的高粘度液體。采用例如絲網(wǎng)印刷技術(shù)用所述導(dǎo)電膏按與加熱元件對(duì)應(yīng)的圖案對(duì)板進(jìn)行印刷，形成導(dǎo)電膏層。由于要求加熱元件在整個(gè)表面上均勻地使加熱器板加熱，所以優(yōu)選按圖1所示的同心圓圖案進(jìn)行印刷。
優(yōu)選的是，導(dǎo)電膏層應(yīng)以這樣的方式形成，使燒結(jié)后的加熱元件12顯示出長方形截面和平整的表面。
(3)烘烤導(dǎo)電膏接著，加熱形成于加熱器板11底面上的導(dǎo)電膏層，脫除樹脂和溶劑，并烘烤加熱器板11底面上的金屬粉，制成加熱元件12。加熱溫度優(yōu)選500-1000℃。
當(dāng)導(dǎo)電膏內(nèi)加有所述金屬氧化物時(shí)，金屬粉、加熱器板和金屬氧化物燒結(jié)成一體，就改進(jìn)了加熱元件與加熱器板之間的粘合。
(4)金屬覆蓋層的形成加熱元件12的表面優(yōu)選具有金屬覆蓋層12a。金屬覆蓋層12a能夠由例如電解電鍍、化學(xué)鍍或?yàn)R鍍形成，但是為了大規(guī)模生產(chǎn)，化學(xué)鍍最合適。
(5)接頭等的連接在加熱元件12的每個(gè)電路的末端，通過焊接接上用來連接電源的接頭(外接頭13)。另外，用銀或金的釬焊材料將熱電偶塞入并固定在盲孔 14內(nèi)，并用耐熱樹脂例如聚酰亞胺樹脂密封，這樣就結(jié)束了陶瓷加熱器的制造。
下面描述制造含有形成于加熱器板11內(nèi)部的加熱元件12的陶瓷加熱器的方法。
(1)制造加熱器板首先，氮化物陶瓷粉與粘合劑、溶劑等混合，制成漿料，然后使用該漿料成形為生片。
上述氮化物陶瓷粉包括氮化鋁粉，必要時(shí)，也可以加入燒結(jié)助劑例如氧化釔和Na與Ca的化合物。
粘合劑優(yōu)選是至少一種選自丙烯酸類粘合劑、乙基纖維素、丁基溶纖劑和聚乙烯醇的組分。
溶劑優(yōu)選是至少一種選自α-萜品醇和二醇的組分。
混合這些組分所獲得的漿料用刮片方法成形，獲得所述生片。
生片的優(yōu)選厚度是0.1-5毫米。
接著，必要時(shí)，生片可制成具有用作安放支撐半導(dǎo)體晶片的支撐銷的通孔15，具有用作內(nèi)部嵌入測(cè)溫傳感器例如熱電偶的盲孔，具有用作將加熱元件連接到外引線尾銷的通孔18(以后要電鍍)。也可以在制成下述生片疊層物之后或疊層物燒結(jié)之后，進(jìn)行形成上述各孔的步驟。
(2)用導(dǎo)電膏印刷生片在生片上，印刷含有金屬或?qū)щ娞沾煞鄣膶?dǎo)電膏，以便形成加熱元件。
導(dǎo)電膏含有金屬或?qū)щ娞沾煞邸?br> 鎢或鉬粉的平均粒徑優(yōu)選0.1-5微米。如果平均粒徑小于0.1微米或大于5微米，那么導(dǎo)電膏的印刷就很難進(jìn)行。
導(dǎo)電膏可以例如是這樣一種組合物，它含有85-87份(重量)金屬或?qū)щ娞沾煞郏?.5-10份(重量)至少一種選自丙烯酸類粘合劑、乙基纖維素、丁基溶纖劑和聚乙烯醇的粘合劑，1.5-10份(重量)至少一種選自α-萜品醇和二醇的溶劑。
(3)將生片疊壓起來將沒有用導(dǎo)電膏印刷的生片疊壓到已用導(dǎo)電膏印刷的生片的兩面上。
在該步驟中，這樣安排使疊壓到頂面上的生片數(shù)目比疊壓到底面上的生片數(shù)目多，使加熱元件與制成的加熱板的底面距離較近。
具體地說，疊壓到頂面的生片的優(yōu)選數(shù)目是20-50片，疊壓到底面的是5-20片。
(4)將生片疊層物燒結(jié)對(duì)生片疊層物熱壓，使疊層物內(nèi)的生片和導(dǎo)電膏燒結(jié)。加熱溫度優(yōu)選1000-2000℃，施加的壓力優(yōu)選100-200千克/厘米2。加熱在惰性氣體氣氛下進(jìn)行。惰性氣體可以例如是氬氣或氮?dú)狻?br> 接著，磨光至少一個(gè)加熱表面，實(shí)施粗糙化處理，必要時(shí)，再實(shí)施噴砂等操作。該粗糙化處理可以在兩面上實(shí)施。
接受測(cè)溫傳感器的盲孔可以在燒結(jié)操作之后形成。盲孔可以在對(duì)表面研磨之后例如通過噴砂形成。另外，將外接頭13連接到鍍上金屬的通孔，供加熱元件通電之用，然后加熱進(jìn)行軟熔。加熱溫度優(yōu)選200-500℃。
接著，借助于銀或金釬焊材料將作為測(cè)溫傳感器的熱電偶嵌入，并用耐熱樹脂例如聚酰亞胺樹脂密封，這就完成了陶瓷加熱器的制造。
本發(fā)明加熱器的工作溫度范圍是150-800℃。關(guān)于工作氣氛，該加熱器可以在大氣壓或負(fù)壓下使用。在這些條件下，本發(fā)明表現(xiàn)出尤其顯著的效果。
本發(fā)明的陶瓷加熱器可以裝上作為靜電卡盤使用時(shí)需要的靜電極，或裝上作為晶片校準(zhǔn)儀使用時(shí)需的卡盤頂表面導(dǎo)體層。
下面簡要說明所述靜電卡盤的構(gòu)造。
圖3是顯示靜電卡盤的縱向剖面示意圖，圖4是沿圖3的A-A線剖開的靜電卡盤的剖面圖。
在該靜電卡盤101中，卡盤正極層和負(fù)極層20和30形成于氮化鋁板100內(nèi)，而且還形成陶瓷電介質(zhì)膜40。另外，電阻加熱元件50也形成于氮化鋁板100內(nèi)，使硅晶片90能夠得到加熱。必要時(shí)，氮化鋁板100可以具有嵌入的RF電極。
如圖4所示，靜電卡盤101通常成形為平面視圖上的圓形，在氮化鋁板100內(nèi)部，包括半圓形段20a和梳子形狀段20b的卡盤正極靜電層20和相似地包括半圓形段30a和梳子形狀段30b的卡盤負(fù)極靜電層30面對(duì)面地排列，使得兩個(gè)梳子形狀段20b和30b呈交錯(cuò)排列。
操作該靜電卡盤時(shí)，卡盤的正極和負(fù)極靜電層20和30分別連接到DC電源的+和-端，施加DC電壓。結(jié)果設(shè)置在靜電卡盤上的半導(dǎo)體晶片就會(huì)被牢固地吸住。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式下面進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。
實(shí)施例1(1)將含有100份(重量)氮化鋁粉(Tokuyama Co.制造，平均粒徑1.1微米)、4份(重量)氧化釔(平均粒徑0.4微米)和12份(重量)丙烯酸類粘合劑和其余為醇的組合物噴霧干燥，制成顆粒粉，所述氮化鋁粉含有濃度分別為0.1ppm和0.8ppm的Na和B。
(2)將上述顆粒粉裝入金屬模具內(nèi)，成形成為生板。將該生板鉆孔，形成與裝入半導(dǎo)體晶片支撐銷的通孔15對(duì)應(yīng)的孔以及與嵌入熱電偶(直徑1.1毫米×2毫米深)的盲孔14對(duì)應(yīng)的孔。
(3)接著，在1800℃和200千克/厘米2下對(duì)成形獲得的生板進(jìn)行熱壓，形成3毫米厚的氮化鋁板。
從該板上，切出直徑為210毫米的盤，提供一個(gè)陶瓷盤(加熱器板11)。
用平均粒徑為5微米的氧化鋁粉對(duì)該加熱器板11的兩面進(jìn)行噴砂，形成對(duì)應(yīng)于JIS B 0601 Rmax＝6微米的表面不平整度。
(4)在上述(3)中加工成的加熱器板11上，絲網(wǎng)印刷施加上導(dǎo)電膏。印刷圖案是同心圓，如圖1所示。
所用的導(dǎo)電膏是購自Tokuriki Kagaku Kenkyusho的Solbest PS603D，它經(jīng)常用來形成印刷電路板內(nèi)的鍍以金屬的通孔。
該導(dǎo)電膏是銀-鉛膏，含有7.5份(重量)金屬氧化物，以100份(重量)銀為基準(zhǔn)，所述金屬氧化物含有氧化鉛(5％(重量))、氧化鋅(55％(重量))、氧化硅(10％(重量))、氧化硼(25％(重量))和氧化鋁(5％(重量))。銀粉是平均粒徑為4.5微米的片狀粒子。
(5)接著，將如上所述印上導(dǎo)電膏的加熱器板11在780℃加熱，對(duì)導(dǎo)電膏中的銀和鉛進(jìn)行燒結(jié)，并將它們烘烤在加熱器板11上，形成加熱元件12。由銀和鉛構(gòu)成的加熱元件是5微米厚×2.4毫米寬，具有7.7mΩ/的面積電阻率。
(6)將在上述(5)中制成的加熱器板11浸入由80克/升硫酸鎳、24克/升次磷酸鈉、12克/升乙酸鈉、8克/升硼酸和6克/升氯化銨的水溶液構(gòu)成的化學(xué)鍍鎳鍍?cè)≈?，在銀-鉛加熱元件12的表面上沉積1微米厚的金屬覆蓋層(鎳層)12a。
(7)采用由絲網(wǎng)印刷技術(shù)用銀-鉛焊膏(Tanaka Noble Metals制造)印上供外接頭13附著其上以連接到電源的部分，形成焊膏層。
在焊膏層上，放置Koval的外接頭13，接著420℃加熱進(jìn)行軟熔。以這種方式，就可將外接頭13固著到加熱元件12的表面上。
(8)用81.7Au-18.3Ni的金釬焊材料將控制溫度用的熱電偶固定在其位置上(1030℃加熱熔化)，這樣就制成了陶瓷加熱器10。
對(duì)比例1(1)除了制成的加熱器板不是進(jìn)行噴砂使兩面粗糙化以外，重復(fù)實(shí)施例1的其他步驟，制成陶瓷加熱器。因?yàn)闆]有進(jìn)行粗糙化處理，所以表面粗糙度是JISB 0601 Rmax＝0.1微米。
對(duì)比例2(1)除了在制造加熱器板過程中，沒有加入氧化釔，而且Mitsui Toatsu′sMAN-5(Na和B的濃度低于0.1ppm)用作氮化鋁粉以外，重復(fù)實(shí)施例1的其他步驟，制成陶瓷加熱器。
對(duì)比例3(1)制成加熱器板之后，板的兩面用氧化鋁(平均粒徑250微米)噴砂，粗糙化處理至JIS B 0601 Rmax＝210微米。
實(shí)施例2將含有100份(重量)氮化鋁粉(Tokuyama Co.制造，平均粒徑1.1微米)、5份(重量)氧化鈣(平均粒徑0.3微米)和12份(重量)丙烯酸類粘合劑和其余為醇的組合物噴霧干燥制成顆粒粉，所述氮化鋁粉含有濃度分別為0.1ppm和0.8ppm的Na和B。完全重復(fù)實(shí)施例1的其他步驟，制成陶瓷加熱器。
實(shí)施例3將含有100份(重量)氮化鋁粉(Tokuyama Co.制造，平均粒徑1.1微米)、3份(重量)Li2O(平均粒徑0.3微米)、2份(重量)Pb2O(平均粒徑0.3微米)和12份(重量)丙烯酸類粘合劑和其余為醇的組合物噴霧干燥制成顆粒粉，所述氮化鋁粉含有濃度分別為0.1ppm和0.8ppm的Na和B。完全重復(fù)實(shí)施例1的其他步驟，制成陶瓷加熱器。
接著，用0.5微米的金剛石膏將該加熱器板11的表面磨光至Rmax＝0.8微米，之后，如實(shí)施例1所述制成陶瓷加熱器。
實(shí)施例4基本重復(fù)實(shí)施例1的步驟。但是采用會(huì)在1030℃軟熔的Ni-Au釬焊材料接上外接頭。另外，用氧化鋯(平均粒徑為3微米)噴砂，對(duì)表面粗糙化處理至JISB 0601 Rmax＝4微米。
此外，用支撐銷將硅片支撐到距氮化鋁陶瓷板表面100微米，在減壓條件下加熱至高達(dá)500℃。
實(shí)施例5基本重復(fù)實(shí)施例1的步驟。但是采用會(huì)在1030℃軟熔的Ni-Au釬焊材料接上外接頭。另外，用氧化鋯(平均粒徑為15微米)噴砂，對(duì)表面粗糙化處理至JISB 0601 Rmax＝18微米。
此外，用支撐銷將晶片支撐到距氮化鋁陶瓷板表面100微米，在減壓條件下加熱至高達(dá)500℃。
實(shí)施例6基本重復(fù)實(shí)施例1的步驟。但是采用會(huì)在1030℃軟熔的Ni-Au釬焊材料接上外接頭。另外，用氧化鋯(平均粒徑為200微米)噴砂，對(duì)表面粗糙化處理至JIS B 0601 Rmax＝180微米。
此外，用支撐銷將晶片支撐到距氮化鋁陶瓷板表面100微米，在減壓條件下加熱至高達(dá)500℃。
對(duì)比例4基本重復(fù)實(shí)施例1的步驟。但是采用會(huì)在1030℃軟熔的Ni-Au釬焊材料接上外接頭。沒有進(jìn)行噴砂。因此表面粗糙度是Rmax＝0.1微米。
接著，用支撐銷將晶片支撐到距氮化鋁板表面100微米，在減壓條件下加熱至高達(dá)500℃。
對(duì)比例5基本重復(fù)實(shí)施例1的步驟。但是采用會(huì)在1030℃軟熔的Ni-Au釬焊材料接上外接頭。另外，用氧化鋯(平均粒徑為250微米)噴砂，對(duì)表面粗糙化處理至JIS B 0601 Rmax＝210微米。
接著，用支撐銷將晶片支撐到距氮化鋁板表面100微米，在減壓條件下加熱至高達(dá)500℃。
采用上述在實(shí)施例1-6和對(duì)比例1-5中獲得的陶瓷加熱器，用熒光X-射線分析測(cè)量Y、Na、Ca、Rb、B和Li含量，用激光沖擊方法測(cè)量每個(gè)加熱器板的導(dǎo)熱率。另外，將一個(gè)半導(dǎo)體晶片設(shè)置到每個(gè)加熱器板上，加熱至500℃，由熒光X-射線分析測(cè)量Y、Na、Ca、Rb、B和Li對(duì)晶片的擴(kuò)散。此外，用熱電偶測(cè)量晶片表面與對(duì)晶片加熱的表面之間的溫度差。
結(jié)果如表1所示。
表1

從表1中的數(shù)據(jù)顯而易見，雖然對(duì)于實(shí)施例1-3的陶瓷加熱器而言，加熱器板的導(dǎo)熱率高，而且沒有發(fā)現(xiàn)Y和其他雜質(zhì)擴(kuò)散，但是在對(duì)比例1中，由于陶瓷加熱器的對(duì)晶片加熱的表面平整，發(fā)生了Y和其他雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入晶片內(nèi)的現(xiàn)象，而且在沒有加入Y的對(duì)比例2中，陶瓷加熱器的加熱器板的導(dǎo)熱率低。此外，在對(duì)比例3中，晶片不能充分加熱。
在實(shí)施例4-6中，半導(dǎo)體晶片沒有直接設(shè)置在加熱表面上，而是被支撐銷懸起，然后加熱的，沒有觀察到Y(jié)和其他雜質(zhì)擴(kuò)散。相反，在對(duì)比例4和5中，觀察到了Y、Na或B對(duì)晶片的污染。懷疑該污染是由Y和其他雜質(zhì)的蒸發(fā)而引起的。
實(shí)施例7靜電卡盤的制造(1)采用將100份(重量)氮化鋁粉(Tokuyama Co.制造，平均粒徑1.1微米)、4份(重量)氧化釔(平均粒徑0.4微米)和11.5份(重量)丙烯酸類粘合劑、0.5份(重量)分散劑和53份(重量)由1-丁醇和乙醇構(gòu)成的醇進(jìn)行混合制成漿液，用刮片方法成形出0.47毫米厚的生片，所述氮化鋁粉含有濃度分別為0.1ppm和0.8ppm的Na和B。
(2)該生片在80℃干燥5小時(shí)，用沖孔方法形成以后用作與外接頭連接的鍍上金屬的通孔。
(3)將100份(重量)碳化鎢粉(平均粒徑1微米)、3.0份(重量)丙烯酸類粘合劑、3.5份(重量)溶劑α-萜品醇和0.3份(重量)分散劑混合，制成導(dǎo)電膏A。
將100份(重量)鎢粉(平均粒徑3微米)、1.9份(重量)丙烯酸類粘合劑、3.7份(重量)溶劑α-萜品醇和0.2份(重量)分散劑混合，制成導(dǎo)電膏B。
采用該導(dǎo)電膏A，絲網(wǎng)印刷在生片上形成導(dǎo)電膏層。印上的圖案是同心圓。在另一個(gè)生片上，根據(jù)圖4所示的靜電極圖案形成導(dǎo)電膏層。
另外，用導(dǎo)電膏B填塞用作與外接頭連接的鍍上金屬的通孔的通孔。靜電極圖案包括梳子形狀的電極30(20b，30b)，20b、30b分別與20a、30a相連。
對(duì)經(jīng)過上述加工工序的生片500的頂面和底面，分別疊壓上34片和13片來印刷鎢膏的生片500′，再在其上進(jìn)一步疊壓按靜電極圖案印上導(dǎo)電膏的生片500。另外，再疊壓上兩片沒有印上鎢膏的生片500′。疊壓溫度和壓力是1 30℃和80千克/厘米2(圖5(a))。
(4)將上述疊壓物在氮?dú)庵?00℃脫脂5小時(shí)，并在1 890℃和150千克/厘米2下熱壓3小時(shí)，形成3毫米厚的氮化鋁板。從該板上，切出直徑為230毫米的盤，制成一個(gè)氮化鋁盤，它內(nèi)部具有6微米厚×10毫米寬的電阻加熱元件50和卡盤正極靜電極層20和卡盤負(fù)極靜電極層30，兩者的厚度為6微米(圖5(b))。
(5)然后，用金剛石砂輪研磨在(4)中獲得的盤，并用一掩模置于其上的一定位置，用氧化鋯(平均粒徑1微米)噴砂，在其表層上形成接受熱電偶的盲孔(直徑1.2毫米，深度2.0毫米)。
噴砂后的表面粗糙度是Rmax＝2微米。
(6)接著，對(duì)鉆孔形成孔洞130、140(圖5(c))作為以后鍍以金屬的通孔，將Koval的外接頭60、180用Ni-Au釬焊材料700℃加熱軟熔連接固定在孔洞130、140內(nèi)(圖5(d))。
外接頭的連接優(yōu)選是連接可靠度高的3點(diǎn)鎢支撐系統(tǒng)。
(7)接著，將許多控制溫度的熱電偶嵌入盲孔內(nèi)，就完成了帶有如圖3所示的電阻加熱元件的靜電卡盤的制造。
將硅晶片置于靜電卡盤中的位置，對(duì)電極施加1千伏，就吸引住日片，晶片300℃加熱。
在實(shí)施例7中，通過提供靜電極，制造出裝有靜電卡盤的加熱器。沒有觀察到Y(jié)與其他雜質(zhì)對(duì)晶片的污染。
實(shí)施例8 SiC陶瓷加熱器的制造(1)將含有100份(重量)SiC粉(平均粒徑0.3微米)、0.5份(重量)燒結(jié)助劑B4C、12份(重量)丙烯酸類粘合劑和其余為醇的組合物噴霧干燥，制成顆粒。
(2)將該顆粒放入金屬模具內(nèi)，成形為平板形式，形成生板。
(3)接著，將該生板在2100℃和180千克/厘米2條件下熱壓，制成3毫米厚的SiC板。
從該板表面上，切出直徑為210毫米的盤，用作陶瓷基材。用粒徑為0.05微米的金剛石膏(Maruto)磨光該陶瓷基材的表面，制成粗糙度Rmax＝0.08微米的加熱表面。
用玻璃膏(Showei Kagaku Kogyo；G-5232N)涂布該SiC陶瓷基材，再在1000℃燒結(jié)1小時(shí)，在表面上形成2微米厚的二氧化硅膜。
對(duì)該基材鉆孔，形成接受硅晶片升降銷的通孔15和埋嵌熱電偶(直徑1.1毫米×深2毫米)的盲孔14。
(4)采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)用導(dǎo)電膏印刷上述(3)步驟中獲得的陶瓷基材。所用導(dǎo)電膏的配方是90份(重量)銀(Showei Kagaku Kogyo；Ag-540)、10份(重量)鉑針(Showei Kagaku Kogyo；Pt-401)、7.5份(重量)氧化硅、1.5份(重量)氧化硼、6份(重量)氧化鋅、30份(重量)有機(jī)載體乙酸纖維素酯。
(5)接著，將以上述方式印上導(dǎo)電膏的陶瓷基材780℃加熱，對(duì)導(dǎo)電膏中的銀和鉑進(jìn)行燒結(jié)，并將它們烘烤在陶瓷基材上，形成加熱元件。該加熱元件是5微米厚×10毫米寬，具有0.13Ω/的面積電阻率。
(6)用玻璃膏(Showei Kagaku Kogyo；G-5177)涂布加熱表面，并1000℃加熱形成覆蓋層。
(7)向加熱元件上有待接上連接電源的接頭的表面上，絲網(wǎng)印上銀釬焊材料，形成焊劑層。
然后，在焊劑層上，放置Koval的外接頭13，接著780℃加熱，使焊劑軟熔。由此，將外接頭13牢固地固定到加熱元件12的表面上。還將半導(dǎo)體支撐銷插入固定在位。
(8)將控制溫度的熱電偶裝入盲孔14，并用陶瓷粘合劑(Toa Gosei；AronCeramic)牢牢地固定，就完成了一個(gè)陶瓷加熱器10。
實(shí)施例9重復(fù)實(shí)施例8的步驟，不同的是在用粒徑為0.05微米的金剛石膏(Maruto)磨光之后，用平均粒徑為5微米的SiC粉對(duì)基材表面進(jìn)行噴砂，形成Rmax＝6微米的表面粗糙度。
實(shí)施例10重復(fù)實(shí)施例8的步驟，不同的是在用粒徑為0.05微米的金剛石膏(Maruto)磨光之后，用平均粒徑為180微米的SiC粉對(duì)基材表面進(jìn)行噴砂，形成Rmax＝200微米的表面粗糙度。
對(duì)比例6重復(fù)實(shí)施例8的步驟，不同的是用粒徑為0.01微米的金剛石膏(Maruto)磨光基材表面，形成Rmax＝0.03微米的表面粗糙度。
對(duì)比例7重復(fù)實(shí)施例8的步驟，除了用粒徑為0.05微米(Maruto)的金剛石膏磨光之后，用平均粒徑為250微米的SiC粉對(duì)基材表面進(jìn)行噴砂，形成Rmax＝210微米的表面粗糙度。
實(shí)施例11氮化鋁陶瓷加熱器的制造(1)將含有100份(重量)氮化鋁粉(平均粒徑0.6微米)、4份(重量)氧化釔(平均粒徑為0.4微米)、12份(重量)丙烯酸類粘合劑和其余為醇的組合物噴霧干燥，制成顆粒。
(2)將該顆粒放入金屬模具內(nèi)，成形為平板形式，形成生板。
(3)接著，將該生板在1800℃和200千克/厘米2條件下熱壓，制成3毫米厚的氮化鋁板。
從該板表面上，切出直徑為210毫米的盤，用作陶瓷基材11。將與實(shí)施例8中所用相同的玻璃膏涂布到上述基材表面上，干燥并燒結(jié)，形成2微米厚的二氧化硅膜。接著，用粒徑為0.05微米的金剛石膏(Maruto)磨光該陶瓷基材的表面，制成粗糙度Rmax＝0.08微米的加熱表面。
對(duì)該基材鉆孔，形成裝入硅晶片升降銷的通孔35和埋嵌熱電偶(直徑1.1毫米×深2毫米)的盲孔14。
(4)在上述步驟(3)中獲得的陶瓷基材11上，絲網(wǎng)印上導(dǎo)電膏。所用導(dǎo)電膏的配方是50份(重量)銀片(Showei Kagaku Kogyo；Ag-540)、50份(重量)鈀球(Showei Kagaku Kogyo；Pd-225)、10份(重量)氧化鋅、8份(重量)氧化硅、2份(重量)氧化硼和30份(重量)有機(jī)載體乙酸纖維素酯。
(5)接著，將以上述方式印上導(dǎo)電膏的陶瓷基材11于780℃加熱，燒結(jié)導(dǎo)電膏中的銀和鈀，并將它們烘烤在陶瓷基材11上，形成加熱元件12。該銀-鈀加熱元件12是5微米厚×15毫米寬，具有5.09Ω/的面積電阻率。
(6)用玻璃膏(Showei Kagaku Kogyo；G-5177)涂布加熱元件12的表面，并1000℃加熱形成覆蓋層。
(7)向加熱元件上有待接上連接電源的接頭的表面上，絲網(wǎng)印上銀-鉛焊膏，形成焊劑層。
然后，在焊劑層上，放置Koval的外接頭13，接著780℃加熱，使焊劑軟熔。由此，將外接頭13牢固地固定到加熱元件12的表面上。還將半導(dǎo)體支撐銷插入固定在位。
(8)將控制溫度的熱電偶裝入盲孔14，并用陶瓷粘合劑(Toa Gosei；AronCeramic)牢牢地固定，就完成一個(gè)陶瓷加熱器。
實(shí)施例12重復(fù)實(shí)施例11的步驟，不同的是在用粒徑為0.05微米(Maruto)的金剛石膏磨光之后，用平均粒徑為5微米的SiC粉對(duì)基材表面進(jìn)行噴砂，形成Rmax＝6微米的表面粗糙度。
實(shí)施例13重復(fù)實(shí)施例11的步驟，不同的是用粒徑為0.05微米的金剛石膏(Maruto)磨光之后，用平均粒徑為180微米的SiC粉對(duì)基材表面進(jìn)行噴砂，形成Rmax＝200微米的表面粗糙度。
對(duì)比例8重復(fù)實(shí)施例11的步驟，不同的是用平均粒徑為0.01微米的金剛石膏(Maruto)磨光基材表面，形成Rmax＝0.03微米的表面粗糙度。
對(duì)比例9重復(fù)實(shí)施例11的步驟，不同的是在用平均粒徑為0.05微米的金剛石膏磨光表面之后，用平均粒徑為250微米的氧化鋯粉對(duì)基材進(jìn)行噴砂，形成Rmax＝210微米的表面粗糙度。
在實(shí)施例8-13和對(duì)比例6-9中的每個(gè)實(shí)施例中，硅片都加熱至400℃，陶瓷加熱器的加熱表面與硅晶片之間的距離保持在100微米，硅片的最高與最低溫度差ΔT采用儀器Thermoviewer(Japan Datum，IR-16-2012-0012)測(cè)量。
結(jié)果如下表2所示。
表2

從上表2中顯而易見，當(dāng)表面粗糙度Rmax大于200微米或小于0.05微米時(shí)，溫度差較大。這大概是因?yàn)楫?dāng)表面粗糙度過大或過小時(shí)，加熱表面的溫度分布反映到了硅片內(nèi)。
附帶指出，因?yàn)镾iC具有較高的導(dǎo)熱率(270W/m.K)，所以加熱表面上的溫度差較小。
實(shí)用性本發(fā)明的陶瓷加熱器，在上面已經(jīng)描述了其構(gòu)成，其加熱元件含有至少一種選自Y和其他的元素，由此具有高導(dǎo)熱性，使加熱器板的表面溫度可迅速跟上加熱元件的溫度變化，從而能高效率地控制對(duì)晶片加熱的表面的溫度。
另外，因?yàn)閷?duì)晶片加熱的表面經(jīng)過粗糙化處理，其與半導(dǎo)體晶片的接觸形式是點(diǎn)接觸，因而能夠成功地阻止雜質(zhì)從陶瓷加熱器熱擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體晶片，而且也可阻止由于雜質(zhì)蒸發(fā)而污染半導(dǎo)體晶片等。
該加熱器能夠應(yīng)用到靜電卡盤和晶片校準(zhǔn)儀上。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷加熱器，它包括陶瓷基材和位于該基材表面上或其內(nèi)部的加熱元件；其中加熱表面具有JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.05-200微米。
2.一種陶瓷加熱器，它包括陶瓷基材和位于該基材表面上或其內(nèi)部的加熱元件；其中所述的陶瓷基材含有其主要組成元素以外的元素，加熱器的加熱表面具有JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.2-200微米。
3.如權(quán)利要求1或2所述的陶瓷加熱器，其中所述的陶瓷基材是選自氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和氧化物陶瓷中的至少一種。
4.一種陶瓷加熱器，它包括氮化物陶瓷基材和位于該基材表面上或其內(nèi)部的加熱元件；其中所述的氮化物陶瓷基材含有其主要組成元素以外的元素，加熱器的加熱表面具有JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.2-200微米。
5.一種陶瓷加熱器，它包括氮化物陶瓷基材和位于該基材表面上或其內(nèi)部的加熱元件；其中所述的氮化物陶瓷板含有至少一種選自Na、B、Y、Li、Rb和Ca的元素，加熱表面具有JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.2-200微米。
6.如權(quán)利要求4或5所述的陶瓷加熱器，其中所述的氮化物陶瓷板呈直徑大于150毫米的盤形式。
7.如權(quán)利要求4所述的陶瓷加熱器，其中所述的至少一種選自Y、Li、Rb和Ca的元素的含量不低于0.1重量％。
8.如權(quán)利要求4所述的陶瓷加熱器，其中所述的至少一種選自Na和B的元素的含量不低于0.05ppm。
9.如權(quán)利要求5所述的陶瓷加熱器，其中所述的至少一種選自Y、Li、Rb和Ca的元素的含量不低于0.1重量％。
10.如權(quán)利要求5所述的陶瓷加熱器，其中所述的至少一種選自Na和B的元素的含量不低于0.05ppm。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供這樣的陶瓷加熱器，它具有高導(dǎo)熱性，能使加熱器板的表面溫度迅速跟上加熱元件的溫度變化，從而高效率地控制對(duì)晶片加熱的表面的溫度，而且能夠成功地阻止雜質(zhì)從陶瓷加熱器熱擴(kuò)散進(jìn)入晶片。本發(fā)明提供這樣的陶瓷加熱器，它包括氮化物陶瓷基材和位于該基材表面上或其內(nèi)部的加熱元件；其中所述的氮化物陶瓷板含有氮化物陶瓷的組成元素以外的元素，其對(duì)工作加熱的表面具有JIS B 0601表面粗糙度Rmax＝0.2－200微米。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1516524SQ20031012254
公開日2004年7月28日 申請(qǐng)日期2000年5月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月9日
發(fā)明者伊藤康隆, 平松靖二, 二 申請(qǐng)人:Ibiden股份有限公司