JP3228924B2 - 半導体製造・検査装置用セラミックヒータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に、ホットプレ
ート（セラミックヒータ）、静電チャック、ウエハプロ
ーバなど、半導体の製造用や検査用の装置として用いら
れる半導体製造・検査装置用セラミックヒータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】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。しか
しながら、金属製のヒータでは温度制御特性が悪く、ま
た厚みも厚くなるため重く嵩張るという問題があり、腐
食性ガスに対する耐蝕性も悪いという問題を抱えてい
た。

【０００３】このような問題を解決するため、金属製の
ものに代えて、窒化アルミニウムなどのセラミックを使
用したヒータが開発されてきた。このようなセラミック
ヒータでは、セラミック基板自体の剛性が高いため、そ
の厚さを余り厚くしなくても、基板の反り等を防止する
ことができるという利点を有している。

【０００４】このような技術としては、特開平１１−４
０３３０号公報では、窒化物セラミックの表面に発熱体
を設けたヒータを開示する。また、特開平９−４８６６
８号公報では、黒色化した窒化アルミニウムを使用した
ヒータを開示する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の窒化アルミニウムは、本発明者らの試験では温度の上
昇に伴い、ヤング率が低下することが判った。特に６０
０℃まで昇温するとヤング率は２８０ＧＰａ程度まで低
下することが判った。ヤング率が低下すると高温で反り
が発生しやすくなり、ウエハを均一に加熱することがで
きない。このような傾向は、直径が２００ｍｍ以上で、
厚さが２５ｍｍ以下の大きな直径を持ち、薄いセラミッ
ク基板で顕著である。本発明は、熱伝導率などの諸特性
を低下させることなく、高温でのヤング率の低下を抑制
することを目的とする。

【０００６】本発明は、セラミック基板の内部または表
面に導体層を有する半導体製造・検査装置用セラミック
ヒータであって、前記セラミック基板は、直径が２００
ｍｍ以上で、厚さが２５ｍｍ以下であり、かつ、窒化物
セラミックからなり、その窒化物セラミック中には、
０．１〜５重量％の酸素および０．５〜５０ｐｐｍのＳ
ｉを含有し、２００℃以上で使用することを特徴とする
半導体製造・検査装置用セラミックヒータである。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の窒化物セラミック中には
酸素とＳｉを含有し、Ｓｉの含有量が０．１〜５０ｐｐ
ｍである。本発明では、窒化物セラミックの粒界にＳｉ
−窒化物構成元素（窒化アルミニウムならばＡｌ）−Ｏ
−Ｎの複雑な化合物が形成されると推定され、セラミッ
クの高温でのヤング率の低下を抑制できると考えられ
る。

【０００８】また、本発明では、Ｓｉの含有量が５０ｐ
ｐｍ以下であるため、粒界での熱伝達の障壁が小さく、
Ｓｉ添加による熱伝導率の低下は見られない。このよう
に、本発明では高温でのヤング率の低下を抑制し、かつ
熱伝導率を低下させない。なお、特開平９−４８６６８
号公報には、Ｓｉの含有量が１００ｐｐｍ以下の窒化ア
ルミニウム（Ａｌ−Ｏ−Ｎを含む）を用いた半導体製造
用装置を開示しているが、Ｓｉが５０ｐｐｍ以下に調整
された場合の効果については記載示唆ともしておらず、
この公報の存在を理由に本発明の新規性、進歩性が阻却
されることはない。

【０００９】前記Ｓｉの含有量は、いわゆるグロー放電
−マススペクトル法（ＧＤ−ＭＳ法）による測定で、
０．１〜５０ｐｐｍ（重量、以下すべて重量）が望まし
い。０．１ｐｐｍ未満では、ヤング率低下の抑制効果が
なく、５０ｐｐｍを越えると逆にセラミック粒子境界の
Ｓｉの酸化物によって高温でのヤング率が低下してしま
うからである。つまり、０．１〜５０ｐｐｍで効果が発
揮される特有の範囲であると言える。

【００１０】特にＳｉ量は１〜３０ｐｐｍが好適であ
る。焼結性を低下させずに熱伝導率を確保できる範囲だ
からである。Ｓｉは、Ｓｉ原子、Ｓｉイオン、あるいは
Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎのような化合物で存在していてもよ
いと考えられる。

【００１１】酸素含有量は、０．１〜５重量％であるこ
とが望ましい。酸素含有量が０．１重量％未満では焼結
性が悪くなって熱伝導率が低下し、また、本発明の課題
そのものが発生しにくく、５重量％を越えると酸素が障
壁となって熱伝導率が低下するからである。酸素量は、
原料粉末を空気、酸素中で加熱するか、酸化物焼結助剤
を添加して調整する。本発明のセラミック基板、窒化ア
ルミニウム焼結体は半導体製造・検査装置用セラミック
基板として使用される。

【００１２】本発明のセラミック基板、窒化アルミニウ
ム焼結体は、その厚さは、２５ｍｍ以下が望ましい。セ
ラミック基板の厚さが２５ｍｍ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。また、本発明が解決する反りの
問題は、厚さが２５ｍｍを越えるような厚いセラミック
基板では発生しにくいからである。特に５ｍｍ以上が最
適である。なお、厚みは、１ｍｍ以上が望ましい。

【００１３】なお、本発明の半導体装置用セラミック基
板では、半導体ウエハをセラミック基板のウエハ載置面
に接触させた状態で載置するほか、半導体ウエハを支持
ピンなどで支持し、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。

【００１４】本発明のセラミック基板の直径は２００ｍ
ｍ以上が望ましい。特に１２インチ（３００ｍｍ）以上
であることが望ましい。次世代の半導体ウエハの主流と
なるからである。また、本発明が解決する反りの問題
は、直径が２００ｍｍ以下のセラミック基板では発生し
にくいからである。

【００１５】前記セラミック基板の気孔率は、０または
５％以下であることが望ましい。気孔率が５％を越える
と熱伝導率が低下したり、高温で反りが発生するからで
ある。気孔率は、アルキメデス法により測定することが
望ましい。焼結体を粉砕して比重を求め、真比重と見か
けの比重から気孔率を計算する。

【００１６】本発明の半導体装置用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、窒化ケイ素、窒化ホウ
素、窒化チタン等が挙げられる。

【００１７】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。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ＣａＯ、Ｙ₂ Ｏ₃、Ｎａ₂ Ｏ、Ｌｉ₂ Ｏ、Ｒ
ｂ₂ Ｏ₃ 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。

【００１８】本発明では、セラミック基板中に５０〜５
０００ｐｐｍ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、２００
〜２０００ｐｐｍがより好ましい。

【００１９】セラミック基板にカーボンを含有させる場
合には、その明度がＪＩＳ Ｚ ８７２１の規定に基づ
く値でＮ４以下となるようにカーボンを含有させること
が望ましい。この程度の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。

【００２０】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。実際の明度の測定は、Ｎ０〜Ｎ１
０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。

【００２１】本発明の半導体装置用セラミック基板は、
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
れるセラミック基板であり、具体的な装置としては、例
えば、静電チャック、ウエハプローバ、ホットプレー
ト、サセプタ等が挙げられる。また、本発明の半導体装
置用セラミック基板は、１５０℃以上、望ましくは２０
０℃以上で使用されることが最適である。

【００２２】図１は、本発明の半導体装置用セラミック
基板の一実施形態である静電チャックの一例を模式的に
示した縦断面図であり、図２は、図１に示した静電チャ
ックにおけるＡ−Ａ線断面図であり、図３は、図１に示
した静電チャックにおけるＢ−Ｂ線断面図である。

【００２３】この静電チャック１０１では、平面視円形
状のセラミック基板１の内部に、チャック正極静電層２
とチャック負極静電層３とからなる静電電極層が埋設さ
れている。また、静電チャック１０１上には、シリコン
ウエハ９が載置され、接地されている。

【００２４】この静電電極層上に、該静電電極層を被覆
するように形成されたセラミック層は、シリコンウエハ
を吸着するための誘電体膜として機能するので、以下に
おいては、セラミック誘電体膜４ということとする。

【００２５】図２に示したように、チャック正極静電層
２は、半円弧状部２ａと櫛歯部２ｂとからなり、チャッ
ク負極静電層３も、同じく半円弧状部３ａと櫛歯部３ｂ
とからなり、これらのチャック正極静電層２とチャック
負極静電層３とは、櫛歯部２ｂ、３ｂを交差するように
対向して配置されており、このチャック正極静電層２お
よびチャック負極静電層３には、それぞれ直流電源の＋
側と−側とが接続され、直流電圧Ｖ₂ が印加されるよう
になっている。

【００２６】また、セラミック基板１の内部には、シリ
コンウエハ９の温度をコントロールするために、図３に
示したような平面視同心円形状の抵抗発熱体５が設けら
れており、抵抗発熱体５の両端には、外部端子ピン６が
接続、固定され、電圧Ｖ₁ が印加されるようになってい
る。図１、２には示していないが、このセラミック基板
１には、図３に示したように、測温素子を挿入するため
の有底孔１１とシリコンウエハ９を支持して上下させる
支持ピン（図示せず）を挿通するための貫通孔１２が形
成されている。なお、抵抗発熱体５は、セラミック基板
の底面に形成されていてもよい。また、セラミック基板
１には、必要に応じてＲＦ電極が埋設されていてもよ
い。

【００２７】この静電チャック１０１を機能させる際に
は、チャック正極静電層２とチャック負極静電層３とに
直流電圧Ｖ₂ を印加する。これにより、シリコンウエハ
９は、チャック正極静電層２とチャック負極静電層３と
の静電的な作用によりこれらの電極にセラミック誘電体
膜４を介して吸着され、固定されることとなる。このよ
うにしてシリコンウエハ９を静電チャック１０１上に固
定させた後、このシリコンウエハ９に、ＣＶＤ等の種々
の処理を施す。

【００２８】上記静電チャックは、静電電極層と抵抗発
熱体とを備えており、例えば、図１〜３に示したような
構成を有するものである。以下においては、上記静電チ
ャックを構成する各部材で、上記半導体装置用セラミッ
ク基板の説明で記載していないものについて、説明して
いくことにする。

【００２９】上記静電電極上のセラミック誘電体膜４
は、セラミック基板のほかの部分と同じ材料からなるこ
とが望ましい。同じ工程でグリーンシート等を作製する
ことができ、これらを積層した後、一度の焼成でセラミ
ック基板を製造することができるからである。

【００３０】上記セラミック誘電体膜は、セラミック基
板のほかの部分と同様に、カーボンを含有していること
が望ましい。静電電極を隠蔽することができ、輻射熱を
利用することができるからである。また、上記セラミッ
ク誘電体膜は、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属
酸化物、希土類酸化物を含んでいることが望ましい。こ
れらは、焼結助剤等の働きをし、高密度の誘電体膜を形
成することができるからである。

【００３１】上記セラミック誘電体膜の厚さは、５０〜
１５００μｍであることが望ましい。上記セラミック誘
電体膜の厚さが５０μｍ未満であると、膜厚が薄すぎる
ために充分な耐電圧が得られず、シリコンウエハを載置
し、吸着した際にセラミック誘電体膜が絶縁破壊する場
合があり、一方、上記セラミック誘電体膜の厚さが１５
００μｍを超えると、シリコンウエハと静電電極との距
離が遠くなるため、シリコンウエハを吸着する能力が低
くなってしまうからである。セラミック誘電体膜の厚さ
は、５〜１５００μｍがより好ましい。

【００３２】セラミック基板内に形成される静電電極と
しては、例えば、金属または導電性セラミックの焼結
体、金属箔等が挙げられる。金属焼結体としては、タン
グステン、モリブデンから選ばれる少なくとも１種から
なるものが好ましい。金属箔も、金属焼結体と同じ材質
からなることが望ましい。これらの金属は比較的酸化し
にくく、電極として充分な導電性を有するからである。
また、導電性セラミックとしては、タングステン、モリ
ブデンの炭化物から選ばれる少なくとも１種を使用する
ことができる。

【００３３】図４および図５は、他の静電チャックにお
ける静電電極を模式的に示した水平断面図であり、図４
に示す静電チャック２０では、セラミック基板１の内部
に半円形状のチャック正極静電層２２とチャック負極静
電層２３が形成されており、図５に示す静電チャックで
は、セラミック基板１の内部に円を４分割した形状のチ
ャック正極静電層３２ａ、３２ｂとチャック負極静電層
３３ａ、３３ｂが形成されている。

【００３４】また、２枚の正極静電層２２ａ、２２ｂお
よび２枚のチャック負極静電層３３ａ、３３ｂは、それ
ぞれ交差するように形成されている。なお、円形等の電
極が分割された形態の電極を形成する場合、その分割数
は特に限定されず、５分割以上であってもよく、その形
状も扇形に限定されない。

【００３５】抵抗発熱体は、図１に示したように、セラ
ミック基板の内部に設けてもよく、セラミック基板の底
面に設けてもよい。抵抗発熱体を設ける場合は、静電チ
ャックを嵌め込む支持容器に、冷却手段としてエアー等
の冷媒の吹きつけ口などを設けてもよい。

【００３６】抵抗発熱体としては、例えば、金属または
導電性セラミックの焼結体、金属箔、金属線等が挙げら
れる。金属焼結体としては、タングステン、モリブデン
から選ばれる少なくとも１種が好ましい。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。

【００３７】また、導電性セラミックとしては、タング
ステン、モリブデンの炭化物から選ばれる少なくとも１
種を使用することができる。さらに、セラミック基板の
底面に抵抗発熱体を形成する場合には、金属焼結体とし
ては、貴金属（金、銀、パラジウム、白金）、ニッケル
を使用することが望ましい。具体的には銀、銀−パラジ
ウムなどを使用することができる。上記金属焼結体に使
用される金属粒子は、球状、リン片状、もしくは球状と
リン片状の混合物を使用することができる。

【００３８】金属焼結体中には、金属酸化物を添加して
もよい。上記金属酸化物を使用するのは、セラミック基
板と金属粒子を密着させるためである。上記金属酸化物
により、セラミック基板と金属粒子との密着性が改善さ
れる理由は明確ではないが、金属粒子の表面はわずかに
酸化膜が形成されており、セラミック基板は、酸化物の
場合は勿論、非酸化物セラミックである場合にも、その
表面には酸化膜が形成されている。従って、この酸化膜
が金属酸化物を介してセラミック基板表面で焼結して一
体化し、金属粒子とセラミック基板とが密着するのでは
ないかと考えられる。

【００３９】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（Ｂ₂ Ｏ₃ ）、アル
ミナ、イットリア、チタニア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、抵抗発熱体の抵抗値
を大きくすることなく、金属粒子とセラミック基板との
密着性を改善できるからである。

【００４０】上記金属酸化物は、金属粒子１００重量部
に対して０．１重量部以上１０重量部未満であることが
望ましい。この範囲で金属酸化物を用いることにより、
抵抗値が大きくなりすぎず、金属粒子とセラミック基板
との密着性を改善することができるからである。

【００４１】また、酸化鉛、酸化亜鉛、シリカ、酸化ホ
ウ素（Ｂ₂ Ｏ₃ ）、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
に、酸化鉛が１〜１０重量部、シリカが１〜３０重量
部、酸化ホウ素が５〜５０重量部、酸化亜鉛が２０〜７
０重量部、アルミナが１〜１０重量部、イットリアが１
〜５０重量部、チタニアが１〜５０主部が好ましい。但
し、これらの合計が１００重量部を超えない範囲で調整
されることが望ましい。これらの範囲が特にセラミック
基板との密着性を改善できる範囲だからである。

【００４２】抵抗発熱体をセラミック基板の底面に設け
る場合は、抵抗発熱体の表面は、金属層で被覆されてい
ることが望ましい。抵抗発熱体は、金属粒子の焼結体で
あり、露出していると酸化しやすく、この酸化により抵
抗値が変化してしまう。そこで、表面を金属層で被覆す
ることにより、酸化を防止することができるのである。

【００４３】金属層の厚さは、０．１〜１０μｍが望ま
しい。抵抗発熱体の抵抗値を変化させることなく、抵抗
発熱体の酸化を防止することができる範囲だからであ
る。被覆に使用される金属は、非酸化性の金属であれば
よい。具体的には、金、銀、パラジウム、白金、ニッケ
ルから選ばれる少なくとも１種以上が好ましい。なかで
もニッケルがさらに好ましい。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。接続端子しては、コバール製
の端子ピンを使用することができる。

【００４４】なお、抵抗発熱体をヒータ板内部に形成す
る場合は、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。抵抗発熱体をヒータ板内部に形
成する場合、抵抗発熱体の表面の一部が露出していても
よい。

【００４５】抵抗発熱体として使用する金属箔として
は、ニッケル箔、ステンレス箔をエッチング等でパター
ン形成して抵抗発熱体としたものが望ましい。パターン
化した金属箔は、樹脂フィルム等ではり合わせてもよ
い。金属線としては、例えば、タングステン線、モリブ
デン線等が挙げられる。

【００４６】本発明の半導体装置用セラミック基板の表
面および内部に導電体が配設され、上記内部の導電体
が、ガード電極またはグランド電極のいずれか少なくと
も一方である場合には、上記セラミック基板は、ウエハ
プローバとして機能する。

【００４７】図６は、本発明のウエハプローバの一実施
形態を模式的に示した断面図であり、図７は、図６に示
したウエハプローバにおけるＡ−Ａ線断面図である。こ
のウエハプローバ２０１では、平面視円形状のセラミッ
ク基板４３の表面に平面視同心円形状の溝４７が形成さ
れるとともに、溝４７の一部にシリコンウエハを吸引す
るための複数の吸引孔４８が設けられており、溝４７を
含むセラミック基板４３の大部分にシリコンウエハの電
極と接続するためのチャックトップ導体層４２が円形状
に形成されている。

【００４８】一方、セラミック基板４３の底面には、シ
リコンウエハの温度をコントロールするために、図３に
示したような平面視同心円形状の発熱体４９が設けられ
ており、発熱体４９の両端には、外部端子ピン（図示せ
ず）が接続、固定されている。また、セラミック基板４
３の内部には、ストレイキャパシタやノイズを除去する
ために平面視格子形状のガード電極４５とグランド電極
４６（図７参照）とが設けられている。ガード電極４５
とグランド電極４６の材質は、静電電極と同様のもので
よい。

【００４９】上記チャックトップ導体層４２の厚さは、
１〜２０μｍが望ましい。１μｍ未満では抵抗値が高く
なりすぎて電極として働かず、一方、２０μｍを超える
と導体の持つ応力によって剥離しやすくなってしまうか
らである。

【００５０】チャックトップ導体層４２としては、例え
ば、銅、チタン、クロム、ニッケル、貴金属（金、銀、
白金等）、タングステン、モリブデンなどの高融点金属
から選ばれる少なくとも１種の金属を使用することがで
きる。

【００５１】このような構成のウエハプローバでは、そ
の上に集積回路が形成されたシリコンウエハを載置した
後、このシリコンウエハにテスタピンを持つプローブカ
ードを押しつけ、加熱、冷却しながら電圧を印加して導
通テストを行うことができる。

【００５２】次に、本発明の半導体装置用セラミック基
板の製造方法に関し、静電チャックの製造方法を一例と
して、図８に示した断面図に基づき説明する。

【００５３】（１）まず、窒化物セラミック粉体、ホウ
素化合物をバインダおよび溶剤と混合して混合組成物を
調製した後、成形を行うことにより、グリーンシート５
０を作製する。カーボンを含有させる場合には、目的と
する特性に応じて、上記結晶質カーボンまたは非晶質カ
ーボンを使用し、その量を調節する。前記ホウ素化合物
としては、窒化ホウ素、炭化ホウ素、ホウ酸などを使用
することができる。また、窒化ホウ素板を焼結体に接触
させて１５００〜１９００℃で加熱して熱拡散させる方
法も採用できる。

【００５４】上述したセラミック粉体としては、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、前述したイットリアなどの焼結助剤などを加
えてもよい。

【００５５】後述する静電電極層印刷体５１が形成され
たグリーンシートの上に積層する数枚または１枚のグリ
ーンシート５５は、セラミック誘電体膜となる層である
ので、目的等により、その組成をセラミック基板と異な
る組成としてもよい。また、まず先にセラミック基板を
製造しておき、その上に静電電極層を形成し、さらにそ
の上にセラミック誘電体膜を形成することもできる。

【００５６】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
ルアルコールから選ばれる少なくとも１種が望ましい。
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。

【００５７】グリーンシート５０に、必要に応じてシリ
コンウエハの支持ピンを挿入する貫通孔や熱電対を埋め
込む凹部を設けておくことができる。貫通孔や凹部は、
パンチングなどで形成することができる。グリーンシー
ト５０の厚さは、０．１〜５ｍｍ程度が好ましい。

【００５８】（２）次に、グリーンシート５０に静電電
極層や抵抗発熱体となる導体ペーストを印刷する。印刷
は、グリーンシート５０の収縮率を考慮して所望のアス
ペクト比が得られるように行い、これにより静電電極層
印刷体５１、抵抗発熱体層印刷体５２を得る。印刷体
は、導電性セラミック、金属粒子などを含む導電性ペー
ストを印刷することにより形成する。

【００５９】これらの導電性ペースト中に含まれる導電
性セラミック粒子としては、タングステンまたはモリブ
デンの炭化物が最適である。酸化しにくく、熱伝導率が
低下しにくいからである。また、金属粒子としては、例
えば、タングステン、モリブデン、白金、ニッケルなど
を使用することができる。

【００６０】導電性セラミック粒子、金属粒子の平均粒
子径は０．１〜５μｍが好ましい。これらの粒子は、大
きすぎても小さすぎても導体用ペーストを印刷しにくい
からである。

【００６１】このようなペーストとしては、金属粒子ま
たは導電性セラミック粒子８５〜９７重量部、アクリル
系、エチルセルロース、ブチルセロソルブおよびポリビ
ニルアルコ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、α−テルピネオール、グリコー
ル、エチルアルコールおよびブタノールから選ばれる少
なくとも１種の溶媒を１．５〜１０重量部混合して調製
した導体用ぺーストが最適である。さらに、パンチング
等で形成した孔に、導体用ペーストを充填してスルーホ
ール印刷体５３、５４を得る。

【００６２】（３）次に、図８（ａ）に示すように、印
刷体５１、５２、５３、５４を有するグリーンシート５
０と、印刷体を有さないグリーンシート５０とを積層す
る。静電電極層印刷体５１が形成されたグリーンシート
上には、数枚または１枚のグリーンシート５５を積層す
る。抵抗発熱体形成側に印刷体を有さないグリーンシー
ト５０を積層するのは、スルーホールの端面が露出し
て、抵抗発熱体形成の焼成の際に酸化してしまうことを
防止するためである。もしスルーホールの端面が露出し
たまま、抵抗発熱体形成の焼成を行うのであれば、ニッ
ケルなどの酸化しにくい金属をスパッタリングする必要
があり、さらに好ましくは、Ａｕ−Ｎｉの金ろうで被覆
してもよい。

【００６３】（４）次に、図８（ｂ）に示すように、積
層体の加熱および加圧を行い、グリーンシートおよび導
電ペーストを焼結させる。加熱温度は、１０００〜２０
００℃、加圧は１００〜２００ｋｇ／ｃｍ² が好まし
く、これらの加熱および加圧は、不活性ガス雰囲気下で
行う。不活性ガスとしては、アルゴン、窒素などを使用
することができる。この工程で、スルーホール１６、１
７、チャック正極静電層２、チャック負極静電層３、抵
抗発熱体５等が形成される。

【００６４】（５）次に、図８（ｃ）に示すように、外
部端子接続のための袋孔１３、１４を設ける。袋孔１
３、１４の内壁は、その少なくともその一部が導電化さ
れ、導電化された内壁は、チャック正極静電層２、チャ
ック負極静電層３、抵抗発熱体５等と接続されているこ
とが望ましい。

【００６５】（６）最後に、図８（ｄ）に示すように、
袋孔１３、１４に金ろうを介して外部端子６、１８を設
ける。さらに、必要に応じて、有底孔１２を設け、その
内部に熱電対を埋め込むことができる。

【００６６】半田は銀−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が望ましい。半田による接続を
確保するに充分な範囲だからである。

【００６７】なお、上記説明では静電チャック１０１
（図１参照）を例にしたが、ウエハプローバを製造する
場合には、例えば、静電チャックの場合と同様に、初め
に抵抗発熱体が埋設されたセラミック基板を製造し、そ
の後、セラミック基板の表面に溝を形成し、続いて、溝
が形成された表面部分にスパッタリングおよびめっき等
を施して、金属層を形成すればよい。

【００６８】以上、本発明のセラミック基板、窒化アル
ミニウム焼結体は、半導体製造・検査用のホットプレー
ト（ヒータ）、静電チャック、ウエハプローバ、サセプ
ターなどに応用できる。以下、実施例に則して説明する
が、実施例に拘泥されないことは言うまでもない。

【００６９】

【実施例】（実施例１） （１）窒化アルミニウム粉末（平均粒径：１．１μｍ
トクヤマ製）１０００重量部、イットリア（平均粒径：
０．４μｍ）をそれぞれ４重量部、１０重量部、２０重
量部、３０重量部、４０重量部、４０重量部、４０重量
部、ＳｉＯ₂ をそれぞれ１．２×１０^-3重量部、４．８
×１０^-3重量部、０．０１２重量部、０．０２７重量
部、０．０３７重量部、０．０５０重量部、０．０７４
重量部、アクリルバインダ１２０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、７種類の顆
粒状の粉末を作製した。

【００７０】（２）次に、この顆粒状の粉末を金型に入
れ、平板状に成形して生成形体（グリーン）を得た。こ
の生成形体にドリル加工を施し、半導体ウエハの支持ピ
ンを挿入する貫通孔９５となる部分、熱電対を埋め込む
ための有底孔となる部分（直径：１．１ｍｍ、深さ：２
ｍｍ）９４を形成した。

【００７１】（３）加工処理の終った生成形体を１８０
０℃、圧力：２００ｋｇ／ｃｍ² でホットプレスし、厚
さが５ｍｍ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（ヒータ板）９１とした。

【００７２】（４）上記（３）で得たヒータ板に、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、同心円状のパターンとした。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１
００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。

【００７３】（５）次に、導体ペーストを印刷したヒー
タ板を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ヒータ板１１に焼き付け、
発熱体１２を形成した。銀−鉛の発熱体は、厚さが５μ
ｍ、幅２．４ｍｍ、面積抵抗率が７．７ｍΩ／□であっ
た。

【００７４】（６）硫酸ニッケル８０ｇ／ｌ、次亜リン
酸ナトリウム２４ｇ／ｌ、酢酸ナトリウム１２ｇ／ｌ、
ほう酸８ｇ／ｌ、塩化アンモニウム６ｇ／ｌの濃度の水
溶液からなる無電解ニッケルめっき浴に上記（５）で作
製したヒータ板１１を浸漬し、銀−鉛の発熱体１２の表
面に厚さ１μｍの金属被覆層（ニッケル層）９２ａを析
出させた。

【００７５】（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、Ｎｉ−Ａ
ｕろう剤を印刷して形成した。ついで、この上にコバー
ル製の外部端子９３を載置し、温度制御のための熱電対
を挿入後、８１．７Ａｕ−１８．３Ｎｉの金ローで接続
し、（１０３０℃で加熱して融着）、図９のセラミック
ヒータを得た。

【００７６】（比較例１）基本的には実施例１と同様で
あるが、表１に示すように、イットリア量とＳｉ量を調
整した。この実施例１と比較例のヒータを６００℃まで
昇温し、昇温時間、ヤング率、そり量を測定した。ま
た、酸素含有量、Ｓｉ含有量も測定した。結果を表１に
示す。 （比較例２）基本的には実施例１（イットリア４重量部
Ｓｉ１１重量部）と同様であるが、厚さを３０ｍｍと
した。後述の方法で反りを測定したところ１μｍであっ
た。 （比較例３）基本的には実施例１（イットリア４重量部
Ｓｉ１１重量部）と同様であるが、直径を１５０ｍｍ
とした。後述の方法で反りを測定したところ１μｍであ
った。

【００７７】評価方法 １．酸素含有量 実施例にかかる焼結体と同条件で焼結させた試料をタン
グステン乳鉢で粉砕し、これの０．０１ｇを採取して試
料加熱温度２２００℃、加熱時間３０秒の条件で酸素・
窒化同時分析装置（ＬＥＣＯ社製 ＴＣ−１３６型）で
測定した。

【００７８】２．ホウ素量 グロー放電−マススペクトル法（ＧＤ−ＭＳ法）を使用
した。なお、分析は米国の「ＳＨＩＶＡ ＴＥＣＨＮＯ
ＬＯＧＩＥＳ，ＩＮＣ」（電話：３１５−６９９−５３
３２、ＦＡＸ：３１５−６９９−０３４９）に依頼し
た。

【００７９】３．ヤング率 曲げ共振法ヤング率測定装置を使用した。試験片は、長
さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ２ｍｍの形状に切り出
したものを使用した。

【００８０】具体的な測定方法は、以下のとおりであ
る。即ち、試験片の両端から０．２２４Ｌ近傍を支点と
し、アルミナ繊維を用いて電気炉中に試験片を吊り下
げ、共振点の測定は、測定温度に達した辞典より１０分
間温度を保持してから開始した。曲げの一次共振点の探
索は、まず、簡易発振器の周波数を手動で走査し、オシ
ロスコープ管面上のリサージュ図形の変化から周波数の
一次測定を行い、ついでファンクションジョエネレータ
の出力周波数を計算機より制御して二次測定を行って、
共振周波数を求めた。以上により得た一次曲げモードの
共振周波数から、以下の式（１）を用いてヤング率を測
定した。

【００８１】 Ｅ＝０．９４６５×（（ｍ・ｆ² ）／ｗ）×（Ｌ／ｔ）³ ×（１＋６．５９×（ ｔ／Ｌ）² ）・・・（１）

【００８２】但し、Ｅ：ヤング率（Ｐａ）、ｆ：共振周
波数（Ｈｚ）、Ｌ：試験片の長さ（ｍ）、ｗ：試験片の
幅、ｔ：試験片の厚さ（ｍ）、ｍ：試験片の質量（ｋ
ｇ）である。

【００８３】４．そり量４００℃まで昇温して１０分間
保持し、１５０ｋｇ／ｃｍ² の圧力をかけた後、形状測
定機（京セラ製 ナノウエイ）により反り量を測定し
た。

【００８４】

【表１】

【００８５】表１からＳｉ量が多すぎても少なすぎても
反り量が大きくなることが判る。Ｓｉ量が少なすぎると
高温でのヤング率低下を抑制する効果がなく、逆に多す
ぎると粒界に酸化物を形成してこれがヤング率を低下さ
せるものと推定される。

【００８６】また、酸素量が多すぎても少なすぎても高
温でのヤング率低下を抑制する効果がなく、また昇温時
間が長くなり、半導体ウエハを製造するためのスループ
ットに時間がかかる。また、本発明は、直径が２００ｍ
ｍ以上、厚さが２５ｍｍ以下のセラミック基板において
主として発生する問題を解決できる。

【００８７】（実施例２）静電チャック（図１〜３）の
製造 （１）次に、窒化アルミニウム粉末（トクヤマ社製、平
均粒径１．１μｍ）１０００重量部、イットリア（平均
粒径：０．４μｍ）４０重量部、ＳｉＯ₂ ０．０２７重
量部、アクリルバインダ１１５重量部、分散剤５重量
部、アクリル系バインダ０．９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５３０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０．４７ｍｍのグリーンシート５０を
得た。

【００８８】（２）次に、これらのグリーンシート５０
を８０℃で５時間乾燥させた後、加工が必要なグリーン
シートに対し、パンチングにより直径１．８ｍｍ、３．
０ｍｍ、５．０ｍｍの半導体ウエハ支持ピンを挿入する
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。

【００８９】（３）平均粒子径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。平均粒子径３μｍのタングステン粒子１００重量
部、アクリル系バインダ１．９重量部、α−テルピネオ
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。この導電性ペーストＡ
をグリーンシート５０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、同心円パター
ンとした。また、他のグリーンシート５０に図２に示し
た形状の静電電極パターンからなる導体ペースト層を形
成した。

【００９０】（４）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。
抵抗発熱体のパターンが形成されたグリーンシート５０
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５０′を上側（加熱面）に３４枚、下側に１３
枚積層し、そ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５０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５０′を２枚積層し、これらを１３０℃、８０
ｋｇ／ｃｍ² の圧力で圧着して積層体を形成した（図８
（ａ））。

【００９１】（５）次に、得られた積層体を窒素ガス
中、６００℃で５時間脱脂し、１８９０℃、圧力１５０
ｋｇ／ｃｍ² で３時間ホットプレスし、厚さ３ｍｍの窒
化アルミニウム板状体を得た。これを直径３００ｍｍの
円板状に切り出し、内部に厚さ６μｍ、幅１０ｍｍの抵
抗発熱体５および厚さ１０μｍのチャック正極静電層
２、チャック負極静電層３を有する窒化アルミニウム製
の板状体とした（図８（ｂ））。

【００９２】（６）次に、（３）で得られた板状体を、
ダイヤモンド砥石で研磨した後、マスクを載置し、Ｓｉ
Ｃ等によるブラスト処理で表面に熱電対のための有底孔
（直径：１．２０ｍ、深さ：２．０ｍｍ）を設けた。

【００９３】（７）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１３、１４とし（図８
（ｃ））、この袋孔１３、１４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
外部端子６、１８を接続させた（図８（ｄ））。

【００９４】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。

【００９５】（８）次に、温度制御のための複数の熱電
対を有底孔に埋め込み、抵抗発熱体を有する静電チャッ
クの製造を完了した。４００℃に上げて動作させたが、
反りも１μｍ程度であり、また４００℃までの昇温時間
も５０秒であった。

【００９６】（実施例３）ウエハプローバ２０１（図６
参照）の製造 （１）窒化アルミニウム粉末（トクヤマ社製、平均粒径
１．１μｍ）１０００重量部、イットリア（平均粒径
０．４μｍ）４０重量部および、ＳｉＯ₂ ０．０２７重
量部、１−ブタノールおよびエタノールからなるアルコ
ール５３０重量部を混合して得た混合組成物を、ドクタ
ーブレード法を用いて成形し、厚さ０．４７ｍｍのグリ
ーンシートを得た。

【００９７】（２）次に、このグリーンシートを８０℃
で５時間乾燥させた後、パンチングにて発熱体と外部端
子ピンと接続するためのスルーホール用の貫通孔を設け
た。

【００９８】（３）平均粒子径１μｍのタングステンカ
ーバイド粒子１００重量部、アクリル系バインダ３．０
重量部、α−テルピネオール溶媒３．５重量および分散
剤０．３重量部を混合して導電性ペーストＡとした。ま
た、平均粒子径３μｍのタングステン粒子１００重量
部、アクリル系バインダ１．９重量部、α−テルピネオ
ール溶媒を３．７重量部、分散剤０．２重量部を混合し
て導電性ペーストＢとした。

【００９９】次に、グリーンシートに、この導電性ペー
ストＡを用いたスクリーン印刷で、格子状のガード電極
用印刷体、グランド電極用印刷体を印刷した。また、端
子ピンと接続するためのスルーホール用の貫通孔に導電
性ペーストＢを充填した。

【０１００】さらに、印刷されたグリーンシートおよび
印刷がされていないグリーンシートを５０枚積層して１
３０℃、８０ｋｇ／ｃｍ² の圧力で一体化することによ
り積層体を作製した。

【０１０１】（４）次に、この積層体を窒素ガス中で６
００℃で５時間脱脂し、１８９０℃、圧力１５０ｋｇ／
ｃｍ² で３時間ホットプレスし、厚さ３ｍｍの窒化アル
ミニウム板状体を得た。得られた板状体を、直径３００
ｍｍの円形状に切り出してセラミック製の板状体とし
た。スルーホール１６の大きさは、直径０．２ｍｍ、深
さ０．２ｍｍであった。

【０１０２】また、ガード電極４５、グランド電極４６
の厚さは１０μｍ、ガード電極４５の形成位置は、ウエ
ハ載置面から１ｍｍ、グランド電極４６の形成位置は、
ウエハ載置面から１．２ｍｍであった。また、ガード電
極４５およびグランド電極４６の導体非形成領域４６ａ
の１辺の大きさは、０．５ｍｍであった。

【０１０３】（５）上記（４）で得た板状体を、ダイア
モンド砥石で研磨した後、マスクを載置し、ＳｉＣ等に
よるブラスト処理で表面に熱電対のための凹部およびウ
エハ吸着用の溝４７（幅０．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍ）
を設けた。

【０１０４】（６）さらに、ウエハ載置面に対向する面
に発熱体４９を形成するための層を印刷した。印刷は導
電ペーストを用いた。導電ペーストは、プリント配線板
のスルーホール形成に使用されている徳力化学研究所製
のソルベストＰＳ６０３Ｄを使用した。この導電ペース
トは、銀／鉛ペーストであり、酸化鉛、酸化亜鉛、シリ
カ、酸化ホウ素、アルミナからなる金属酸化物（それぞ
れの重量比率は、５／５５／１０／２５／５）を銀１０
０重量部に対して７．５重量部含むものであった。ま
た、銀の形状は平均粒径４．５μｍでリン片状のもので
あった。

【０１０５】（７）導電ペーストを印刷したヒータ板を
７８０℃で加熱焼成して、導電ペースト中の銀、鉛を焼
結させるとともにセラミック基板４３に焼き付けた。さ
らに硫酸ニッケル３０ｇ／ｌ、ほう酸３０ｇ／ｌ、塩化
アンモニウム３０ｇ／ｌおよびロッシェル塩６０ｇ／ｌ
を含む水溶液からなる無電解ニッケルめっき浴にヒータ
板を浸漬して、銀の焼結体４９の表面に厚さ１μｍ、ホ
ウ素の含有量が１重量％以下のニッケル層（図示せず）
を析出させた。この後、ヒータ板は、１２０℃で３時間
アニーリング処理を施した。銀の焼結体からなる発熱体
は、厚さが５μｍ、幅２．４ｍｍであり、面積抵抗率が
７．７ｍΩ／□であった。

【０１０６】（８）溝４７が形成された面に、スパッタ
リング法により、順次、チタン層、モリブデン層、ニッ
ケル層を形成した。スパッタリングのための装置は、日
本真空技術株式会社製のＳＶ−４５４０を使用した。ス
パッタリングの条件は気圧０．６Ｐａ、温度１００℃、
電力２００Ｗであり、スパッタリング時間は、３０秒か
ら１分の範囲内で、各金属によって調整した。得られた
膜の厚さは、蛍光Ｘ線分析計の画像から、チタン層は
０．３μｍ、モリブデン層は２μｍ、ニッケル層は１μ
ｍであった。

【０１０７】（９）硫酸ニッケル３０ｇ／ｌ、ほう酸３
０ｇ／ｌ、塩化アンモニウム３０ｇ／ｌおよびロッシェ
ル塩６０ｇ／ｌを含む水溶液からなる無電解ニッケルめ
っき浴に、上記（８）で得られたセラミック板を浸漬
し、スパッタリングにより形成された金属層の表面に厚
さ７μｍ、ホウ素の含有量が１重量％以下のニッケル層
を析出させ、１２０℃で３時間アニーリングした。発熱
体表面は、電流を流さず、電解ニッケルめっきで被覆さ
れない。

【０１０８】さらに、表面にシアン化金カリウム２ｇ／
ｌ、塩化アンモニウム７５ｇ／ｌ、クエン酸ナトリウム
５０ｇ／ｌおよび次亜リン酸ナトリウム１０ｇ／ｌを含
む無電解金めっき液に、９３℃の条件で１分間浸漬し、
ニッケルめっき層上に厚さ１μｍの金めっき層を形成し
た。

【０１０９】（１０）溝４７から裏面に抜ける空気吸引
孔４８をドリル加工により形成し、さらにスルーホール
１６を露出させるための袋孔（図示せず）を設けた。こ
の袋孔にＮｉ−Ａｕ合金（Ａｕ８１．５重量％、Ｎｉ１
８．４重量％、不純物０．１重量％）からなる金ろうを
用い、９７０℃で加熱リフローしてコバール製の外部端
子ピンを接続させた。また、発熱体に半田（スズ９０重
量％／鉛１０重量％）を介してコバール製の外部端子ピ
ンを形成した。

【０１１０】（１１）次に、温度制御のための複数熱電
対を凹部に埋め込み、ウエハプローバヒータ２０１を得
た。

【０１１１】セラミック基板の温度を２００℃に上げた
が、反りは１μｍ程度であり、さらに、昇温時間も３０
秒と非常に短くなる。

【０１１２】以上説明のように、本発明の半導体製造・
検査装置用セラミックヒータでは、上記Ｓｉによって熱
伝導率を低下させず（即ち、昇温降温性能を低下させ
ず）、高温でのヤング率の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体製造・検査装置用セラミック基
板の一実施形態である静電チャックを模式的に示す縦断
面図である。

【図２】図１に示した静電チャックのＡ−Ａ線断面図で
ある。

【図３】図１に示した静電チャックのＢ−Ｂ線断面図で
ある。

【図４】静電チャックの静電電極の一例を模式的に示す
断面図である。

【図５】静電チャックの静電電極の一例を模式的に示す
断面図である。

【図６】本発明の半導体装置用セラミック基板の一実施
形態であるウエハプローバを模式的に示す断面図であ
る。

【図７】図６に示したウエハプローバにおけるＡ−Ａ線
断面図である。

【図８】（ａ）〜（ｄ）は、静電チャックの製造工程の
一部を模式的に示す断面図である。

【図９】本発明の半導体装置用セラミックをヒータとし
た場合の断面図である。

【符号の説明】

１０１ 静電チャック １、４３ セラミック基板 ２、２２、３２ａ、３２ｂ チャック正極静電層 ３、２３、３３ａ、３３ｂ チャック負極静電層 ２ａ、３ａ 半円弧状部 ２ｂ、３ｂ 櫛歯部 ４ セラミック誘電体膜 ５、４９ 抵抗発熱体 ６、１８ 外部端子ピン ９ ９０ シリコンウエハ １１ 有底孔 １２ 貫通孔 １６ スルーホール ４２ チャックトップ導体層 ４５ ガード電極 ４６ グランド電極 ４７ 溝 ４８ 吸引孔 ９１ セラミック基板 ９２ 発熱体 ９３ 端子 ９２ａ 金属被覆層 ９６ 支持ピン

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック基板の内部または表面に導体
   層を有する半導体製造・検査装置用セラミックヒータで
   あって、 前記セラミック基板は、直径が２００ｍｍ以上で、厚さ
   が２５ｍｍ以下であり、かつ、窒化物セラミックからな
   り、 その窒化物セラミック中には、０．１〜５重量％の酸素
   および０．５〜５０ｐｐｍのＳｉを含有し、２００℃以
   上で使用することを特徴とする半導体製造・検査装置用
   セラミックヒータ。