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発明の名称 半導体製造・検査装置用セラミック基板
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−135714(P2001−135714A)
公開日 平成13年5月18日(2001.5.18)
出願番号 特願2000−240813(P2000−240813)
出願日 平成12年8月9日(2000.8.9)
代理人 【識別番号】100086586
【弁理士】
【氏名又は名称】安富 康男 (外2名)
発明者 伊藤 康隆
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 セラミック基板の内部に、導電体と外部端子との電気的接続を確保するためのスルーホールが形成された半導体製造・検査装置用セラミック基板において、前記スルーホールの少なくとも一部が導電性セラミックからなることを特徴とする半導体製造・検査装置用セラミック基板。
【請求項2】 前記スルーホールの外周表面は、導電性セラミックからなる請求項1に記載の半導体製造・検査装置用セラミック基板。
【請求項3】 前記スルーホールの全部が、導電性セラミックからなる請求項1または2に記載の半導体製造・検査装置用セラミック基板。
【請求項4】 前記スルーホールのうち、前記導電体と接続する側が、導電性セラミックからなる請求項1〜3のつずれか1に記載の半導体製造・検査装置用セラミック基板。
【請求項5】 前記導電体は、発熱体である請求項1〜4のいずれか1に記載の半導体製造・検査装置用セラミック基板。
【請求項6】 前記導電体は、発熱体であり、セラミックヒータとして機能する請求項1〜5のいずれか1に記載の半導体製造・検査装置用セラミック基板。
【請求項7】 前記導電体は、ガード電極またはグランド電極であり、ウエハプローバとして機能する請求項1〜6のいずれか1に記載の半導体製造・検査装置用セラミック基板。
【請求項8】 前記導電体は、静電電極であり、静電チャックとして機能する請求項1〜7のいずれか1に記載の半導体製造・検査装置用セラミック基板。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、主に半導体産業において使用される乾燥用、スパッタリング用等の半導体製造・検査装置用セラミック基板に関し、特には、温度制御しやすく、外部端子の接続信頼性に優れる半導体製造・検査装置用セラミック基板に関する。
〔発明の詳細な説明〕
【0002】
【従来の技術】半導体製品は、シリコンウエハ上に感光性樹脂をエッチングレジストとして形成し、シリコンウエハのエッチングを行う工程等を経て製造される。この感光性樹脂は液状であり、スピンコーターなどを用いてシリコンウエハ表面に塗布されるのであるが、塗布後に溶剤等を飛散させるため乾燥させなければならず、塗布したシリコンウエハをヒータ上に載置して加熱することになる。従来、このような用途に使用される金属製のヒータとしては、アルミニウム板の裏面に発熱体を配置したものが採用されている。
【0003】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、かさばってしまうという問題があった。
【0004】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。
【0005】そこで、特開平4−324276号公報では、基板として、熱伝導率が高く、強度も大きい非酸化物セラミックであるAlNを使用し、このAlN基板中に発熱体が形成され、この発熱体にタングステンからなるスルーホールが接続されたセラミックヒータが提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このようなタングステンからなるスルーホールを有するセラミックヒータに通電し、長時間使用していると、タングステンとAlN基板との熱膨張率の相違に起因して、このスルーホールを起点としたクラックが発生してしまうという問題が発生した。また、発熱体をタングステンの炭化物で構成した場合、タングステンの炭化物とタングステンが反応してタングステンスルーホールが炭化し抵抗値が変動してしまうため、正確な温度制御ができなくなってウエハ加熱面の温度が不均一になるという問題が生じた。このような問題は、セラミックヒータに限らず、ウエハプローバ、静電チャックでも同様であった。
【0007】本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたもので、スルーホール部分の外部端子との接続信頼性に優れた半導体製造・検査装置用セラミック基板を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の半導体製造・検査装置用セラミック基板は、セラミック基板の内部に、導電体と外部端子との電気的接続を確保するためのスルーホールが形成された半導体製造・検査装置用セラミック基板において、前記スルーホールの少なくとも一部が導電性セラミックからなることを特徴とする。
【0009】上記半導体製造・検査装置用セラミック基板において、上記スルーホールの外周表面が導電性セラミックからなるものであってもよく、上記スルーホールの全部が導電性セラミックであってもよい。また、上記スルーホールのうち、導電体と接続する側が、導電性セラミックからなっていてもよい。なお、本発明の外部端子とは、電源や制御系との電気的接続を得るためのものであり、ピンやリード線等を含むものである。上記半導体製造・検査装置用セラミック基板において、上記導電体は、発熱体であってもよい。また、上記導電体が発熱体であり、上記半導体製造・検査装置用セラミック基板は、セラミックヒータとして機能するものであってもよい。さらに、上記導電体は、ガード電極またはグランド電極であり、上記半導体製造・検査装置用セラミック基板は、ウエハプローバとして機能するものであってもよく、上記導電体は、静電電極であり、上記半導体製造・検査装置用セラミック基板は、静電チャックとして機能するものであってもよい。
【0010】
【発明の実施の形態】まず、本発明の半導体製造・検査装置用セラミック基板が、セラミックヒータである場合を例にとって説明する。本発明に係るセラミックヒータは、セラミック基板の内部に、上記発熱体と外部端子との電気的接続を確保するためのスルーホールが形成されたセラミックヒータにおいて、上記スルーホールの少なくとも一部が導電性セラミックからなることを特徴とする。
【0011】本発明に係るセラミックヒータによれば、上記スルーホールの少なくとも一部が導電性セラミックからなり、該導電性セラミックは、セラミック基板と同じセラミックにより形成されており、熱膨張係数等も余り変わらない。そのため、スルーホールとセラミック基板とは一体化され、その結果、スルーホールを起点としたクラックが発生することはない。
【0012】上記スルーホールを構成する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、タンタル、チタンの炭化物あるいは窒化物が挙げられる。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。上記スルーホールは、上記発熱体と他の素子、他の電気部品もしくは電源との電気的接続を確保するために形成されている。従って、上記スルーホールは、他の発熱体のほか、RF電極、静電電極などと接続されていてもよく、外部端子と接続されていてもよい。
【0013】また、上記スルーホールは、外周表面が上記導電性セラミックからなるものであってもよく、全部が導電性セラミックからなるものであってもよい。外周表面が導電性セラミックからなる場合、外周表面を含む外周部分の厚さは、0.1〜100μmが望ましい。外周部分が導電性セラミックから構成される場合には、その内部は金属から構成されるために電気抵抗も低く、外部端子などとの接続に有利である。本発明に係るセラミックヒータは、グリーンシートの積層体を焼成することにより製造するが、上記導電性セラミックからなるスルーホールをセラミックヒータ中に形成する際には、導電性セラミック粉末を原料として使用し、焼成により導電性セラミックからなるスルーホールを形成してもよく、タングステン等の金属とカーボンとの混合粉末を原料として使用し、焼成中にタングステンとカーボンとを反応させることにより導電性セラミックからなるスルーホールをセラミック中に形成してもよい。さらに、グリーンシート中にカーボンを混入し、焼成中にスルーホールとグリーンシートとの界面でタングステン等の金属とカーボンとを反応させ、スルーホールの外周部分の近傍に導電性セラミックを製造してもよい。また、グリーンシートに導電性セラミックを充填し、その後、タングステン、モリブデン、ニッケル、白金、タンタル、チタンなどの高融点金属(融点1050℃以上)を充填してもよい。
【0014】図1は、本発明に係る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、上記セラミックヒータの一部分を示す断面図である。ヒータ板11は、円板状に形成されており、発熱体12は、ヒータ板11の内部に同心円状のパターンに形成されている。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19を支持する支持ピン16を挿入するための貫通孔15が形成され、さらに、熱電対等の測温素子を挿入するための有底孔14が形成されている。
【0015】図3(a)は、本発明に係るセラミックヒータにおけるスルーホール近傍を模式的に示す部分拡大断面図であり、(b)は、その底面図である。本発明では、ヒータ板11の内部に発熱体12が形成されているため、外部の端子と接続するためのスルーホールが必要となり、図2および図3に示したように、ヒータ板11の底面11bに袋孔17が形成され、袋孔17の底部には一定の厚さで上記した構成のスルーホール18が形成され、外部端子13は、袋孔17内部に充填された金ろう21およびスルーホール18を介して発熱体12と接続されている。
【0016】また、図3に示したように、袋孔17の表面に近い壁面の周囲には、平面視円形の3個の金属層20が形成され、外部端子13を3つの方向から支持するようになっている。本発明では、図4のようにスルーホールのうち発熱体に接続する部分18bを導電性セラミックとし、外部端子13が接続する部分18aを高融点金属で構成してもよい。
【0017】スルーホール18の直径は、0.1〜10mmが望ましい。断線を防止しつつ、クラックや歪みを防止できるからである。金ろう21としては、タングステンとの密着性に優れるAu−Ni合金が望ましい。Au/Niの比率は、〔81.5〜82.5(重量%)〕/〔18.5〜17.5(重量%)〕が望ましく、Au−Ni層の厚さは、0.1〜50μmが望ましい。接続を確保するに充分な範囲だからである。10-6〜10-5Paの高真空下、500〜1000℃の高温で使用するとAu−Cu合金では劣化するが、Au−Ni合金ではこのような経時的な劣化がなく有利である。また、Au−Ni合金中の不純物元素量は全量を100重量部とした場合に1重量部未満であることが望ましい。
【0018】このセラミックヒータ10において、ヒータ板11の厚さは、0.5〜5mmが好ましい。0.5mmより薄いと、強度が低下するため破損しやすくなり、一方、5mmより厚くなると、熱が伝搬しにくくなり、加熱の効率が悪くなる。
【0019】セラミックヒータ10を構成するセラミックは、窒化物セラミックまたは炭化物セラミックであることが望ましい。熱膨張係数が金属より小さく、薄くしても、加熱により反ったり、歪んだりしないため、ヒータ板11を薄くて軽いものとすることができるからである。また、ヒータ板11の熱伝導率が高く、ヒータ板11自体薄いため、ヒータ板11の表面温度が、発熱体12の温度変化に迅速に追従する。すなわち、電圧、電流量を変えて発熱体12の温度を変化させることにより、ヒータ板12の表面温度を良好に制御することができるのである。
【0020】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。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。
【0021】また、炭化物セラミックとしては、例えば、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステン等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
【0022】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。
【0023】本発明において、発熱体12は、タングステン、モリブデン等の金属、または、タングステン、モリブデンの炭化物等の導電性セラミックからなるものであることが望ましい。抵抗値を高くすることが可能となり、断線等を防止する目的で厚み自体を厚くすることができるとともに、酸化しにくく、熱伝導率が低下しにくいからである。
【0024】また、発熱体12は、ヒーター板11全体の温度を均一にする必要があることから、図1に示すような同心円状のパターンが好ましい。また、発熱体12の厚さは、1〜50μmが望ましく、その幅は、5〜20mmが好ましい。
【0025】発熱体12の厚さや幅を変化させることにより、その抵抗値を変化させることができるが、この範囲が最も実用的だからである。発熱体12の抵抗値は、薄く、また細くなるほど大きくなる。
【0026】なお、発熱体12を内部に設けると、加熱面11aと発熱体12との距離が近くなり、表面の温度均一性が低下するため、発熱体12自体の幅を広げる必要がある。また、ヒータ板11の内部に発熱体12を設けるため、窒化物セラミック等との密着性を考慮する必要性がなくなる。
【0027】発熱体12は、断面が方形、楕円形、紡錘形、蒲鉾形状のいずれでもよいが、偏平なもの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11aへの熱伝搬量を多くすることができ、加熱面の温度分布ができにくいからである。なお、発熱体12は螺旋形状でもよい。
【0028】本発明者らの研究では、アスペクト比(発熱体12の厚さに対する幅の値)が10未満の場合には、ヒータ板11の側面方向への熱の放射が相対的に大きくなり、発熱体12に相似した温度分布が発生し、逆にアスペクト比が5000を超えても、発熱体中心直上に熱が蓄積して結局温度分布が生じてしまう。すなわち、いずれにしても温度の均一性を確保できない。
【0029】従って、前記アスペクト比は、10〜5000が望ましく、要求される耐衝撃温度(水中投下でクラックや剥離が発生する温度)ΔTが150℃以上の範囲では、100〜3000がより望ましい。
【0030】上記アスペクト比が100未満では、発熱体がクラックの起点となりやすく、3000を超えると製造時のグリーンシート間の焼結を阻害してグリーンシート間に界面ができ、これが起点となってクラックが生じやすくなる。
【0031】本発明では、発熱体12は、図2に示したように、板状体の中心から板状体の厚さ方向に偏芯させて形成させ、発熱体12から遠い方の面を加熱面11aとすることが望ましい。熱が伝搬中にヒータ板11全般に拡散するため、加熱面11aに発熱体12のパターンに相似した温度分布が発生することを抑制することができ、加熱温度分布を均一なものとすることが可能であるからである。
【0032】発熱体12をヒータ板11の内部に偏芯して形成する場合の位置は、ヒータ板11の加熱面11aから50%を越える底面11bに近い位置で、99%までの位置とすることが望ましい。50%以下であると、加熱面11aに近すぎて温度分布が発生してしまい、逆に、99%を越えるとヒータ板11自体に反りが発生して、シリコンウエハを破損しやすくなるからである。
【0033】また、本発明に係るセラミックヒータ10においては、発熱体12の層を複数設けてもよい。この場合、各層の発熱体12のパターンは相互に補完するように形成され、平面視すると、どこかの層に発熱体12のパターンが形成された状態が望ましい。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。
【0034】なお、発熱体12をヒータ板11の内部に設け、かつ、その発熱体を外部に一部露出させてもよい。また、本発明では、発熱体12をヒータ板11の内部に形成しているので、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。
【0035】本発明では、図2に示したヒータ板11の有底孔14等に、必要に応じて熱電対を埋め込んでおくことができる。熱電対によりヒータ板の温度を測定し、そのデータをもとに電圧、電流量を変えて、ヒータ板の温度を制御することができるからである。
【0036】ヒータ板11に貫通孔15を複数設けてその貫通孔15に支持ピン16を挿入し、これらの支持ピン16上にシリコンウエハ19を載置することができる。また、支持ピン16を上下させてシリコンウエハ19を図示しない搬送機に渡したり、搬送機からシリコンウエハ19を受け取ったりすることができる。
【0037】次に、本発明に係るセラミックヒータの製造方法について説明する。
(1) ヒータ板の作製工程まず、窒化物セラミックまたは炭化物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。すなわち、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を作製する。グリーンシートの厚さは、0.1〜5mmが好ましい。
【0038】上述したセラミック粉末としては、窒化アルミニウム、炭化ケイ素などを使用することができる。必要に応じて、イットリア等の焼結助剤を加えてもよい。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、ポリビニルアルコールから選ばれる少なくとも1種が望ましい。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。
【0039】なお、上記ペースト中にカーボンを加えておいてもよい。グリーンシート中のカーボンは、スルーホール中に充填されたタングステンやモリブデンと反応し、これらの炭化物が形成されるからである。
【0040】次に、得られたグリーンシートに、必要に応じて、シリコンウエハを支持するための支持ピンを挿入する貫通孔15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14となる部分、発熱体12を外部端子13等と接続するためのスルーホール18となる部分等をパンチング等により形成する(図1〜2参照)。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。
【0041】(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上に、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する。印刷は、グリーンシート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印刷する。導体ペースト層の厚さは5〜40μmが好ましく、その幅は、0.2〜12mmが好ましい。これらの導体ペースト中には、タングステン、モリブデン等の金属粒子またはタングステン、モリブデンの炭化物等の導電性セラミック粒子が含まれている。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。
【0042】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。
【0043】導体ペーストは、導電性を確保するための上記金属粒子または上記導電性セラミックの他、樹脂、溶剤、増粘剤などを含むものが一般的である。導体ペーストに使用される樹脂としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などが好ましい。また、溶剤としては、グリコール、イソプロピルアルコールなどが使用される。増粘剤としては、セルロースなどが挙げられる。
【0044】具体的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85〜97重量部;アクリル系、エチルセルロース、ブチルセロソルブ、ポリビニ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;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。
【0045】また、上記(1) の工程において、グリーンシートのスルーホール18となる部分等にタングステン、モリブデン等の高融点金属粒子またはタングステン、モリブデンの炭化物等の導電性セラミック粒子を含有する導体ペーストを充填する。
【0046】(3) グリーンシートの積層工程上記(1) の工程で作製した導体ペーストを印刷していないグリーンシートを、上記(2) の工程で作製した導体ペーストを印刷したグリーンシートの上下に積層して、グリーンシート積層体を形成する。
【0047】このとき、上側に積層するグリーンシートの数を下側に積層するグリーンシートの数よりも多くして、発熱体の形成位置を底面の方向に偏芯させる。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。
【0048】(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および加圧を行い、グリーンシートおよび内部の導体ペーストを焼結させる。加熱温度は、1000〜2000℃が好ましく、加圧の圧力は、100〜200kg/cm2 が好ましい。また、加熱時間は、2〜10時間程度が好ましい。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。
【0049】(5) 外部接続端子の接合焼成後、スルーホールが形成されている部分で、3個の円からなる金属層20の中心部分に袋孔17を形成し、この袋孔17に外部端子13を入れ、金ろう付けを行う。加熱温度は、900〜1050℃が好適である。なお、焼成を行った後に、測温素子を挿入するための有底孔を設けてもよい。有底孔14は、表面研磨後に、サンドブラストなど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。さらに、必要により、測温素子としての熱電対などを銀ろう、金ろうなどで取り付け、ポリイミドなどの耐熱性樹脂で封止し、セラミックヒータの製造を終了する。以上、セラミックヒータを例にとって説明してきたが、本発明の半導体製造・検査装置用セラミック基板においては、静電電極を設けて静電チャックとしてもよく、表面にチャップトップ電極を設けてウエハプローバとしてもよい。
【0050】図5は、本発明に係る静電チャックの一実施形態を模式的に示した断面図である。この静電チャック101は、セラミック基板100とセラミック誘電体膜400との間にチャック正極静電層200とチャック負極静電層300とが設けられ、セラミック基板100の内部には抵抗発熱体500が設けられた構造をしている。
【0051】この静電チャック101では、上記のように、セラミック基板100とセラミック誘電体膜400との間にチャック正極静電層200とチャック負極静電層300とが設けられ、セラミック基板100の内部に抵抗発熱体500が形成されているため、これらと外部端子とを接続するための接続部(スルーホール)160が必要となる。スルーホール160は、タングステンペースト、モリブデンペーストなどの高融点金属からなり、その外周部分がカーバイト化して導電性セラミックとなっているか、または、タングステンカーバイト、モリブデンカーバイトなどの導電性セラミックを充填することにより形成される。
【0052】また、接続部(スルーホール)160の直径は、0.1〜10mmが望ましい。断線を防止しつつ、クラックや歪みを防止することができるからである。
【0053】このスルーホール160を接続パットとして外部端子ピンを接続する。接続は、半田、ろう材により行う。上記ろう材としては、例えば、銀ろう、パラジウムろう、アルミニウムろう、金ろうを使用することができる。
【0054】上記金ろうとしては、Au−Ni合金が望ましい。Au−Ni合金は、導電性セラミックとの密着性に優れるからである。Au/Niの比率は、〔81.5〜82.5(重量%)〕/〔18.5〜17.5(重量%)〕が望ましい。Au−Ni層の厚さは、0.1〜50μmが望ましい。接続を確保するのに充分な範囲だからである。また、10-6〜10-5Paの高真空で500〜1000℃の高温で使用するとAu−Cu合金では劣化するが、Au−Ni合金ではこのような劣化がなく有利である。また、Au−Ni合金中の不純物元素量は、全量を100重量部とした場合に1重量部未満であることが望ましい。
【0055】図6は、本発明に係るウエハプローバ(ウエハプローバ用のステージ基板)の一実施形態を模式的に示した断面図であり、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着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。
【0056】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43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ととグランド電極46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。
【0057】チャックトップ導体層42の厚さは、1〜20μmが望ましい。1μm未満であると、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。
【0058】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。
【0059】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。なお、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メッキ等を施して、金属層を形成すればよい。
【0060】
【実施例】以下、本発明をさらに詳細に説明する。
(実施例1)
(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、カーボン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、ドクターブレート法により成形を行って、厚さ0.47mmのグリーンシートを作製した。
【0061】(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および5.0mmの貫通孔をそれぞれ形成した。これらの貫通孔は、シリコンウエハを支持する支持ピンを挿入するための貫通孔15となる部分、スルーホール18となる部分等である。
【0062】(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。
【0063】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。この導体ペーストAをグリーンシート上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、導体ペースト層の幅を10mm、その厚さを12μmとした。また、スルーホールとなる貫通孔部分に導体ペーストBを充填し、表面層となるグリーンシートの金属層20を形成する部分には、図3に示した3個の円形の貫通孔をお互いが接するように形成し、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、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℃、80kg/cm2 の圧力で積層した。
【0064】(4) 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150kg/cm2 で10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230mmの円板状に切り出し、内部に厚さ6μm、幅10mm(アスペクト比:1666)の発熱体12を有するセラミックヒータとした。なお、スルーホール18の大きさは、直径0.2mm、深さ0.2mmであり、表面の10μmがグリーンシート内に添加させたカーボンとスルーホール内に充填されたタングステンとの反応により炭化していた。また、3個の金属層20の直径は、2.5mmであった。
【0065】(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有底孔14を設けた。
【0066】(6) さらに、図3に示した円形の金属層20が3個集合した部分の中央をドリルでえぐり取って直径5mm、深さ0.5mmの袋孔17とし、この袋孔17にNi−Au合金(Au:81.5重量%、Ni:18.4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を接続した。なお、外部端子は、タングステンからなる3個の金属層20により支持、接続される構造となっている。
(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み、セラミックヒータの製造を完了した。
【0067】(実施例2)カーボンを含有しないほかは同じ組成のグリーンシート用ペーストを調製し、また、タングステン粉末の代わりにタングステンカーバイト粉末を含有するほかは同じ組成のスルーホール用ペーストを調製したほかは、実施例1の場合と同様にして、セラミックヒータを製造した。
【0068】(実施例3)基本的には、実施例1と同様であるが、スルーホールとなる貫通孔部分のうち、発熱体側に導体ペーストAを孔深さの1/2程度充填し、残りの空隙に導電ペーストBを充填した。
【0069】(実施例4)
(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重量部を配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のグリーンシートを得た。
【0070】(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の半導体ウエハ支持ピンを挿通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。
【0071】(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。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、同心円パターンとした。また、他のグリーンシートに半円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。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Aを充填した。
【0072】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を2枚積層し、これらを130℃、8MPa(80kg/cm2 )の圧力で圧着して積層体を形成した。
【0073】(4) 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15MPa(150kg/cm2 )で3時間ホットプレスし、厚さ3mmの窒化アルミニウム板状体を得た。これを230mmの円板状に切り出し、図5に示したような、内部に厚さ6μm、幅10mmの抵抗発熱体500および厚さ10μmのチャック正極静電層200、チャック負極静電層300を有する窒化アルミニウム製の板状体とした。
【0074】(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有底孔(直径:1.2mm、深さ:2.0mm)を設けた。
【0075】(6) さらに、スルーホール160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。
【0076】(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み、抵抗発熱体を有する静電チャックの製造を完了した。
【0077】(実施例5)
(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、SiC10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。
【0078】(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を接続するためのスルーホール用の貫通孔を設けた。
【0079】(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とした。
【0080】次に、グリーンシートに、この導体ペースト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体ペーストAを充填した。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50枚積層した130℃、8MPa(80kg/cm2 )の圧力で一体化することにより積層体を作製した。
【0081】(4) 次に、この積層体を窒素ガス中で600℃で5時間脱脂し、1890℃、15MPa(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300mm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460の大きさは、直径0.2mm、深さ0.2mmであった。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の導体非形成領域の1辺の大きさは、0.5mmであった。
【0082】(5) 上記(4) で得た板状体を、ダイヤモンド砥石で研磨した後、マスクを載置し、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。
【0083】(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、導体ペーストを用いた。導体ペーストは、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。この導体ペーストは、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100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。
【0084】(7) 導体ペーストを印刷したセラミック基板を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メッキ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。
【0085】(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、各金属によって調製した。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1μmであった。
【0086】(9) 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メッキ浴に、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、ホウ酸の含有量が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、電界ニッケルメッキで被覆されない。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を含む無電解金メッキ液に、93℃の条件で1分間浸漬し、ニッケルメッキ層上に厚さ1μmの金メッキ層を形成した。
【0087】(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460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%、Ni18.4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。
【0088】(11)次に、温度制御のための熱電対を複数凹部に埋め込み、ウエハプローバヒータ201を得た。
【0089】(比較例1)カーボンを含有しないほかは同じ組成のグリーンシート用ペーストを調製したほかは、実施例1の場合と同様にして、セラミックヒータを製造した。
【0090】上記実施例1〜5および比較例1で得られたセラミックヒータ、静電チャックおよびウエハプローバについて、400℃で1000時間放置し、スルーホール部分のクラックの発生具合を顕微鏡により観察した。また、加熱前後のスルーホール部分の体積抵抗率を測定し、その結果を表1に示した。
【0091】
【表1】

【0092】その結果、実施例1〜5のセラミックヒータ、静電チャックおよびウエハプローバにおいては、スルーホール部分にクラックは全く観察されなかったのに対し、比較例1のセラミックヒータにおいては、スルーホール部分にクラックが観察された。また、表1より明らかなように、実施例ではスルーホール部分の体積抵抗率が加熱前後では変化しないのに対し、比較例1では、加熱後のスルーホール部分の体積抵抗率が極端に高くなってしまった。これは、W2 Cが発熱体とスルーホールの界面に生成したためであると考えられる。
【0093】
【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体製造・検査装置用セラミック基板によれば、スルーホール部分の外部端子との接続信頼性に優れた半導体製造・検査装置用セラミック基板を提供することができる。




 

 


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