專利名稱：陶瓷加熱器、晶片加熱裝置以及半導(dǎo)體基板的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由導(dǎo)電物質(zhì)制成的電阻發(fā)熱體或構(gòu)成該電阻發(fā)熱體的導(dǎo)電糊，例如，涉及利用該電阻發(fā)熱體的陶瓷加熱器或加熱晶片時(shí)采用的電阻發(fā)熱體，以及晶片加熱裝置，該裝置適用于在半導(dǎo)體晶片或在液晶裝置或電路基板等晶片上形成薄膜或用于煅燒上述涂布于晶片上的抗蝕液而形成抗蝕膜工序中。
背景技術(shù)：
通常，在半導(dǎo)體制造設(shè)備的生產(chǎn)工藝中，即半導(dǎo)體薄膜成膜、蝕刻、抗蝕膜煅燒處理等過(guò)程中，需要加熱器來(lái)加熱半導(dǎo)體晶片(以下簡(jiǎn)稱晶片)。
隨應(yīng)半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中提出良好的溫控性、半導(dǎo)體元件布線微細(xì)化、晶片熱處理溫度的精確等要求，陶瓷加熱器的應(yīng)用受到廣泛的認(rèn)可。
這種陶瓷加熱器，大多采用由金屬粒子和玻璃材料混合組成的導(dǎo)電體做為電阻發(fā)熱體。例如，專利文件1或?qū)＠募?中已記載介紹了一種包含圖11所示的電阻發(fā)熱體結(jié)構(gòu)的陶瓷加熱器71。
這種電阻發(fā)熱體，由鱗片狀貴金屬粒子或球形貴金屬粒子和玻璃熔塊混合后，制作成糊狀，再將經(jīng)過(guò)印刷處理、煅燒處理而制備完成。
以電阻發(fā)熱體作為導(dǎo)電體的陶瓷加熱器71，主要組成有陶瓷體72和外殼79。這種陶瓷加熱器71的結(jié)構(gòu)如下，板狀陶瓷加熱器72介由樹(shù)脂材料隔熱粘合劑74隔熱后，利用螺栓80固定在外殼的開(kāi)口部79，該陶瓷體選用氮化物陶瓷或碳化物陶瓷材料，有底狀的外殼材料選自鋁制金屬。其中，陶瓷體72上面作為加載晶片W的晶片加熱面73，在板狀陶瓷體72的下面排列如圖12所示的呈同心圓形狀的電阻發(fā)熱體75。
同時(shí)，電阻發(fā)熱體75的端子部焊接供電端子77，供電端子77與穿過(guò)位于盒子79底部79a引線孔76的引線78電連接。
由噴嘴82向陶瓷體72和盒子79組成的空間噴出冷媒，冷媒經(jīng)循環(huán)經(jīng)由排出口83排出，從而對(duì)陶瓷基板72進(jìn)行冷卻。
但是，在這種陶瓷加熱器71中，為使整個(gè)晶片W表面形成均勻的均質(zhì)膜或?yàn)榱吮ＷC使蝕刻膜的加熱反應(yīng)狀態(tài)更加均勻，重要是降低晶片面內(nèi)溫度差使溫度分布均勻。目前為止，通常采用通過(guò)調(diào)整帶狀電阻發(fā)熱體75的電阻、或是分別控制帶狀電阻發(fā)熱體75溫度、或是采用易受熱的結(jié)構(gòu)來(lái)增加周圍散熱量的方式來(lái)降低晶片的熱量分布。
另外，在加熱·冷卻晶片時(shí)，要求過(guò)渡時(shí)間短，且過(guò)渡時(shí)溫度要均勻。還有，為了改變加熱溫度有必要改變陶瓷加熱器71的設(shè)置溫度，這就需要陶瓷加熱器71的升降溫的時(shí)間要盡可能縮短。
專利文獻(xiàn)3中載有，在板狀陶瓷體上采用氮化鋁燒結(jié)體，通過(guò)玻璃層形成電阻發(fā)熱體的陶瓷加熱器的技術(shù)方案。
但是，如果將電阻發(fā)熱體作為導(dǎo)電體，向電阻發(fā)熱體通電，快速升溫或反復(fù)升降陶瓷加熱器的溫度時(shí)，電阻發(fā)熱體就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象，這樣有可能影響其正常的功能。
專利文獻(xiàn)1日本專利公開(kāi)公報(bào)第2003-249332號(hào)專利文獻(xiàn)2日本專利公開(kāi)公報(bào)第2002-75598號(hào)專利文獻(xiàn)3日本專利公開(kāi)公報(bào)第2002-260832號(hào)專利文獻(xiàn)4日本專利公開(kāi)公報(bào)第2001-313249號(hào)以往，陶瓷加熱器或晶片加熱裝置71，即，用于烘干涂布在半導(dǎo)體晶片W上的光敏樹(shù)脂時(shí)，須將陶瓷加熱器71的溫度升至200～300℃，如果處理一個(gè)晶片所需時(shí)間等于陶瓷加熱器71升溫至冷卻的時(shí)間，那么，升溫時(shí)就需通入強(qiáng)大的電流快速升溫，冷卻時(shí)通入空氣強(qiáng)制冷卻，而在如此嚴(yán)酷的條件下反復(fù)進(jìn)行熱循環(huán)時(shí)，熱應(yīng)力將主要集中在陶瓷加熱器71中的陶瓷體72和電阻發(fā)熱體75之間，從而導(dǎo)致細(xì)微的剝離現(xiàn)象，如果進(jìn)一步惡化，就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象，因未剝離的部分和出現(xiàn)剝離的部分的導(dǎo)熱性能發(fā)生變化，將阻礙晶片加熱面73均勻受熱效果，結(jié)果加熱晶片W時(shí)過(guò)熱或晶片W面內(nèi)溫度差過(guò)大，出現(xiàn)光敏樹(shù)脂薄膜厚度不均的現(xiàn)象。如果繼續(xù)發(fā)生裂紋，如果陶瓷體為氮化鋁材料時(shí)，氮化鋁燒結(jié)體就與空氣中的水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氨氣或胺類氣體，這種氣體對(duì)光敏樹(shù)脂具有極其惡劣的影響。
即構(gòu)成陶瓷體72的氮化鋁燒結(jié)體的熱膨脹系數(shù)為4.7×10-6/℃左右，而其表面的電阻發(fā)熱體75的熱膨脹系數(shù)為7.3×10-6/℃左右，兩者之間產(chǎn)生較大的熱膨脹系數(shù)差，使陶瓷加熱器71在重復(fù)加熱和冷卻的熱循環(huán)時(shí)，較大的應(yīng)力作用于陶瓷體72和電阻發(fā)熱體75之間，進(jìn)而在陶瓷基板72和電阻發(fā)熱體75之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，使電阻發(fā)熱體75錯(cuò)位剝離或產(chǎn)生開(kāi)裂。
此外，采用更高溫度進(jìn)行成膜或蝕刻處理時(shí)，陶瓷加熱器71同樣會(huì)因熱應(yīng)力出現(xiàn)陶瓷加熱器71的特性劣化。

發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，本發(fā)明第一個(gè)目的是利用電阻發(fā)熱體結(jié)構(gòu)提高晶片加熱面的耐久性，保證晶片加熱面能夠均勻受熱。
另一方面，陶瓷加熱器內(nèi)置的每個(gè)電阻發(fā)熱體帶之間會(huì)產(chǎn)生一定空隙，因此存在不能調(diào)節(jié)每個(gè)電阻發(fā)熱器的溫度差的問(wèn)題，進(jìn)而很難將晶片W面內(nèi)溫度差控制在0.5℃以內(nèi)。
因此，本發(fā)明的第二個(gè)目的是通過(guò)改變電阻發(fā)熱體的排列圖形，使晶片加熱面能夠均勻受熱。
本發(fā)明的第一目可通過(guò)如下陶瓷加熱器來(lái)達(dá)到，該陶瓷加熱器，以板狀陶瓷體的一側(cè)主面作為加熱面，在該板狀陶瓷體的內(nèi)部或另一側(cè)主面上配置帶狀電阻發(fā)熱體，其特征在于該電阻發(fā)熱體由導(dǎo)電粒子與絕緣性組合物構(gòu)成，且具有被多個(gè)上述導(dǎo)電粒子所包圍的塊狀絕緣性組合物。
即，根據(jù)上述發(fā)明，具有由多數(shù)上述導(dǎo)電粒子所圍繞的塊狀絕緣性組合物，即使一邊給電阻發(fā)熱體通電一邊反復(fù)快速升溫及冷卻也不會(huì)發(fā)生板狀陶瓷體和電阻發(fā)熱體之間的開(kāi)裂現(xiàn)象，又不會(huì)導(dǎo)致電阻發(fā)熱體的線路斷落現(xiàn)象，從而，可提高晶片加熱裝置的耐久性。
本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特片在于塊狀絕緣性組合物的平均粒徑為上述導(dǎo)電粒子平均粒徑的3倍以上。就因?yàn)椴捎昧诉@種結(jié)構(gòu)特征，才能有效阻止因應(yīng)力而產(chǎn)生的開(kāi)裂延伸。
本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，上述導(dǎo)電粒子的平均粒徑為0.1～5μm，上述塊狀絕緣性組合物的平均粒徑為3～100μm。若該導(dǎo)電粒子的平均粒徑小于0.1μm，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電粒子與絕緣性組合物之間的充分混合，另外，如果該導(dǎo)電粒子的平均粒徑大于3μm，則導(dǎo)電粒子的熱膨脹系數(shù)大于絕緣性組合物，所以，界面熱應(yīng)力過(guò)大而可能導(dǎo)致電阻發(fā)熱體受熱應(yīng)力而被破壞，另外，如果上述絕緣性組合物的平均粒徑為3μm，則熱應(yīng)力將不影響導(dǎo)電體和5板狀陶瓷體2的耐久性，而且，小于100μm，則當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)電體5時(shí)，不出現(xiàn)局部增大發(fā)熱量的弊端。
另外，本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，上述塊狀絕緣性組合物中內(nèi)置有熱膨脹系數(shù)比絕緣性組合物大的粒子。這樣在塊狀絕緣性組合物之內(nèi)含有粒子時(shí)，因塊狀體界面之間產(chǎn)生向拉伸應(yīng)力而提高塊狀體的強(qiáng)度。
本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，上述熱膨脹系數(shù)大的粒子是與上述導(dǎo)電粒子相同的組合物。同時(shí)混合由玻璃等絕緣性組合物所構(gòu)成的粉末和導(dǎo)電粒子，將其制備成糊狀，經(jīng)印刷法形成板狀陶瓷體，再經(jīng)過(guò)煅燒等工序即可制造電阻發(fā)熱體。
本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，在剖面上，包含在塊狀絕緣性組合物內(nèi)的粒子所占的面積率為10％以下。這是因?yàn)?，如果面積率超過(guò)10％，則粒子對(duì)熱應(yīng)力的緩沖效果降低，從而有可能不會(huì)增大塊的強(qiáng)度。
本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，以板狀陶瓷體的一側(cè)主面作為加熱面，在該板狀陶瓷體的內(nèi)部或另一側(cè)主面配置帶狀電阻發(fā)熱體，其特征在于，沿著上述板狀陶瓷體和上述電阻發(fā)熱體的界面，在上述電阻加熱體中設(shè)置空孔。
另外，該陶瓷加熱器，以板狀陶瓷體的一側(cè)主面作為加熱面，在該板狀陶瓷體的另一側(cè)主面介由絕緣層配置帶狀電阻發(fā)熱體，其特征在于，
沿著上述板狀陶瓷體和上述絕緣層的界面，在上述絕緣層中設(shè)置空孔。
沿著上述盤(pán)狀陶瓷體和上述電阻發(fā)熱體的界面在上述絕緣層內(nèi)形成空孔、或沿著上述板狀陶瓷體和上述絕緣層的界面在上述絕緣層中形成空孔，能夠提供一種即使反復(fù)快速升溫、快速冷卻的嚴(yán)酷條件，也不會(huì)導(dǎo)致板狀陶瓷體與電阻發(fā)熱體之間發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，從而有效防止氣體發(fā)生，晶片內(nèi)的溫度差小，耐久性優(yōu)越的陶瓷加熱器。
本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，上述空孔大小為0.05～50μm。如果，該空孔的大小為0.05～50μm，則無(wú)需擔(dān)憂因熱應(yīng)力而導(dǎo)致接合界面發(fā)生開(kāi)裂的現(xiàn)象。
本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，在上述板狀陶瓷體的垂直于主面的剖面上，上述空孔的線密度為1000～500000個(gè)/m。如果空孔的線密度小于1000個(gè)/m，則防止接合界面發(fā)生微細(xì)開(kāi)裂延伸效果小，另外，空孔的線密度超過(guò)500000個(gè)/m，則空孔的密度過(guò)大而導(dǎo)致接合界面的熱傳導(dǎo)率下降，同時(shí)降低接合界面的強(qiáng)度，難以實(shí)現(xiàn)加熱面受熱均勻，而且，若發(fā)生細(xì)小裂縫，則開(kāi)裂馬上延伸到整個(gè)接合界面，而不好。
本發(fā)明的第二目的可通過(guò)如下陶瓷加熱器來(lái)達(dá)成，該陶瓷加熱器，以板狀陶瓷體的一側(cè)主面作為加熱面，陶瓷的內(nèi)部或另一側(cè)主面配置帶狀電阻發(fā)熱體，其特征在于，上述電阻發(fā)熱體由導(dǎo)電粒子和絕緣性組合物構(gòu)成，使具有大致相同寬度的圓弧帶與折回圓弧帶相連續(xù)配置成大致同心圓狀，位于同一圓周上的一對(duì)折回圓弧帶之間的距離比沿半徑方向相鄰的圓弧帶之間的距離小。
即，本發(fā)明中，使具有大致相同寬度的圓弧帶與折回圓弧帶相連續(xù)配置成大致同心圓狀，使位于同一圓周上的一對(duì)折回圓弧帶之間的距離小于沿半徑方向相鄰的圓弧帶之間的距離，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)晶片面內(nèi)溫度差小、且溫度響應(yīng)特性優(yōu)越的陶瓷加熱器。
本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，優(yōu)選，位于上述同一圓周上的一對(duì)折回圓弧帶之間的距離為沿半徑方向相鄰的圓弧帶之間距離的30％～80％。這樣，可有效提高陶瓷加熱器加熱面的受熱均勻性能。
本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，設(shè)置能夠獨(dú)立加熱的多個(gè)帶狀電阻發(fā)熱體，至少一個(gè)上述電阻發(fā)熱體的、位于同一圓周上的一對(duì)折回圓弧帶之間的距離小于沿半徑方向相鄰的圓弧帶之間的距離。通過(guò)這種方式形成的電阻發(fā)熱體，容易補(bǔ)充從板狀陶瓷體的外周部散出的大量熱，而可防止晶片W面的周邊的溫度下降。
此外，本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，上述電阻發(fā)熱體由位于中心部的圓形的電阻發(fā)熱體帶和其外側(cè)的同心圓的3個(gè)圓環(huán)狀電阻發(fā)熱體帶構(gòu)成。
另外，在發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，上述中心部的電阻發(fā)熱體帶的外徑D1為最外周的電阻發(fā)熱體帶外徑D的20～40％，位于其外側(cè)的電阻發(fā)熱體帶的外徑D2為外徑D的40～55％，位于其外側(cè)的電阻發(fā)熱體帶的內(nèi)徑D3為最外周的電阻發(fā)熱體帶外徑D的55～85％。
將中心部的電阻發(fā)熱體帶的外徑D1設(shè)成其最外周的電阻發(fā)熱體帶外徑D的20～40％，將其外側(cè)的電阻發(fā)熱體帶的外徑D2設(shè)成外徑D的40～55％，將最外周的電阻發(fā)熱體帶的內(nèi)徑D3設(shè)成最外周的電阻發(fā)熱體帶外徑D的55～85％。以此，可得到晶片面內(nèi)的溫度差小且溫度響應(yīng)特性優(yōu)越的晶片保持部件。
本發(fā)明涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，在上述3個(gè)圓環(huán)狀電阻發(fā)熱體帶中的最內(nèi)側(cè)的電阻發(fā)熱體帶為一個(gè)獨(dú)立的電阻發(fā)熱體，在其外側(cè)具有圓環(huán)的電阻發(fā)熱體，其外側(cè)的電阻發(fā)熱體帶是將圓環(huán)沿圓周方向2等分得到的2個(gè)扇形，其外側(cè)的電阻發(fā)熱體帶是將圓環(huán)沿圓周方向4等分得到的4個(gè)扇形。
具有中心部的圓形電阻發(fā)熱體帶和其外側(cè)的并聯(lián)或串聯(lián)圓環(huán)所成的電阻發(fā)熱體帶，由在其外側(cè)圓環(huán)內(nèi)的各個(gè)對(duì)應(yīng)位置上將其圓環(huán)按圓周方向2等分而得的2個(gè)扇形電阻發(fā)熱體帶構(gòu)成，將其圓環(huán)按圓周方向4等分而得的4個(gè)扇形電阻發(fā)熱體帶，從而實(shí)現(xiàn)晶片面內(nèi)溫度差小，受熱均勻性較高的晶片加熱裝置。
本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，上述中心部的電阻發(fā)熱體帶和其外側(cè)的環(huán)狀電阻發(fā)熱體之間具有貫通上述板狀陶瓷體的通孔。
并且，本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，上述最外周的電阻發(fā)熱體帶的帶寬小于其內(nèi)側(cè)的其他電阻發(fā)熱體帶的帶寬。
另外，本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，相對(duì)于包圍該電阻發(fā)熱體帶的外切圓的面積，電阻發(fā)熱體在該外切圓內(nèi)所占面積的比率為5～30％。
此外，本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器，其特征在于，將上述陶瓷加熱器的板狀陶瓷體的一側(cè)主面作為加載晶片的晶片加熱面。
另外，本發(fā)明所涉及的一種半導(dǎo)體晶片制造方法，其特征在于，將半導(dǎo)體晶片與上述發(fā)明所述的晶片加熱裝置的晶片加熱面相對(duì)向配置，利用上述晶片加熱裝置來(lái)加熱上述半導(dǎo)體晶片，并且進(jìn)行半導(dǎo)體薄膜的成膜處理、蝕刻處理、抗蝕膜形成。通過(guò)利用上述晶片加熱裝置，由于晶片加熱面具有均熱性能，所以能夠制作良好的半導(dǎo)體晶片。


圖1是本發(fā)明中陶瓷加熱器中一個(gè)例子的剖面圖；圖2是圖1的電阻發(fā)熱體與板狀陶瓷體之間的放大圖；圖3是圖2電阻發(fā)熱體的放大圖；圖4是圖1的電阻發(fā)熱體與板狀陶瓷體之間的放大圖；圖5是本發(fā)明的另一種陶瓷加熱器的電阻發(fā)熱體與板狀陶瓷體之間的放大圖；圖6是本發(fā)明的另一種陶瓷加熱器的放大圖；圖7是本發(fā)明的陶瓷加熱器的電阻發(fā)熱體的圖；圖8是本發(fā)明的陶瓷加熱器的另一種電阻發(fā)熱體的圖；圖9是本發(fā)明的陶瓷加熱器的接觸部材周邊的剖面圖；圖10是本發(fā)明的陶瓷加熱器的另一種接觸部材周邊的剖面圖；圖11是過(guò)去陶瓷加熱器剖面圖；圖12是過(guò)去陶瓷加熱器的電阻發(fā)熱體的圖；圖13是圖(a)為本發(fā)明的陶瓷加熱器的剖面圖，圖(b)為圖(a)的電阻發(fā)熱體與板狀陶瓷體之間的放大圖；
圖14是圖(a)為過(guò)去陶瓷加熱器的剖面圖，圖(b)為圖(a)的電阻發(fā)熱體與板狀陶瓷體之間的放大圖；圖15是本發(fā)明的另一種陶瓷加熱器的電阻發(fā)熱體與板狀陶瓷體之間的放大圖；圖16是本發(fā)明的電阻發(fā)熱體結(jié)構(gòu)概略圖；圖17是(a)(b)為本發(fā)明的電阻發(fā)熱體帶的結(jié)構(gòu)概略圖；圖18是本發(fā)明是顯示本發(fā)明的電阻發(fā)熱體結(jié)構(gòu)的概略圖；圖19是過(guò)去電阻發(fā)熱體形狀概略圖；圖20是過(guò)去另一種電阻發(fā)熱體形狀概略圖；圖21是過(guò)去另一種電阻發(fā)熱體形狀概略圖。
具體實(shí)施例方式
下面，具體介紹本發(fā)明的實(shí)施方式。
圖1為顯示本發(fā)明陶瓷加熱器1的一個(gè)實(shí)施例剖面圖，以碳化硅或氮化鋁為主要成份的陶瓷材料所構(gòu)成的板狀陶瓷體2的一側(cè)主面作為加載晶片W的晶片加熱面3，在另一側(cè)主面上形成電阻發(fā)熱體5，在其電阻發(fā)熱體上設(shè)置電連接用的供電部6，在供電部6連接有供電端子11，圍繞這些供電部6的金屬外殼19通過(guò)接觸部材17固定到板狀陶瓷體2的另一側(cè)主面的周邊部。
另外，晶片升降銷2通過(guò)貫通板狀陶瓷體2的孔，上下移動(dòng)晶片，以此，將晶片W加載或拆卸到晶片加熱面3上，另外，供電部6設(shè)有供電端子11，可以從外界接通電源，并可利用測(cè)溫元件27來(lái)測(cè)量板狀陶瓷體2的溫度，同時(shí)可進(jìn)行晶片加熱。
另外，晶片W通過(guò)晶片支承銷8浮在晶片加熱面3上，防止因晶片W一端相接觸而帶來(lái)的溫度不勻現(xiàn)象。另外，將電阻發(fā)熱體5分割為多個(gè)區(qū)帶，可分別控制各個(gè)區(qū)帶的溫度，向各個(gè)供電部6的供電端子11接通電源，調(diào)節(jié)通過(guò)供電端子11的電流，保證各個(gè)測(cè)溫元件27的溫度達(dá)到設(shè)定值，并且，保證加載到各個(gè)晶片加熱面3上的晶片W的表面溫度保持均勻。
電阻發(fā)熱體5具有由金、銀、鈀、鉑金等材質(zhì)構(gòu)成的供電部6，且將供電端子11連接到供電部6上，確保導(dǎo)通。供電端子11和供電部6是輸導(dǎo)途徑，采用軟焊及硬焊亦可。
(電阻發(fā)熱體中摻合由導(dǎo)電粒子所圍繞的塊狀絕緣性組合物)。
本發(fā)明涉及的陶瓷加熱器1中，在電阻發(fā)熱體內(nèi)可添加由導(dǎo)電粒子所圍繞的塊狀絕緣性組合物。
下面，就摻合由導(dǎo)電粒子所圍繞的塊狀絕緣性組合物而構(gòu)成的電阻發(fā)熱體，簡(jiǎn)單介紹其具體實(shí)施方式
。
如圖2、圖3所示，在上述電阻發(fā)熱體5的內(nèi)部包含塊狀絕緣性組合物5a，因而，杜絕順沿板狀陶瓷體2和上述電阻發(fā)熱體5界面所發(fā)生的剝離現(xiàn)象，另外，還可以杜絕電阻發(fā)熱體5的線路斷落現(xiàn)象，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，包含到上述電阻發(fā)熱體5之內(nèi)的塊狀絕緣性組合物5a，可通過(guò)加大電阻發(fā)熱體5的強(qiáng)度來(lái)抵制從板狀陶瓷體2和上述電阻發(fā)熱體5的熱膨脹系數(shù)的微秒差異而導(dǎo)致板狀陶瓷體2和電阻發(fā)熱體5之間的連接界面上發(fā)生的熱應(yīng)力影響。
在此，作為導(dǎo)電體的電阻發(fā)熱體5由導(dǎo)電粒子5a分散到絕緣性組合物而成，其中，包含多數(shù)由上述導(dǎo)電粒子5a所包繞的塊狀絕緣性組合物5a，所謂塊狀絕緣性組合物5a是由導(dǎo)電粒子5a所包繞的絕緣性組合物，經(jīng)電阻發(fā)熱體5剖面鏡面加工后，攝取SEM照片，照片中，從由導(dǎo)電粒子5a所包繞的范圍5a中，能以內(nèi)切于導(dǎo)電粒子5a的多邊形來(lái)表示之。
并且，將與該多邊形面積相同的圓的直徑為塊狀絕緣性組合物5a的粒徑，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其平均粒徑為導(dǎo)電粒子平均粒徑的3倍以上，最好為6倍以上時(shí)，發(fā)生有效抑制因應(yīng)力而發(fā)生的開(kāi)裂的延伸。另外，多數(shù)導(dǎo)電粒子5b指導(dǎo)電粒子5b的數(shù)量為5個(gè)以上，通常，由導(dǎo)電粒子5b所包繞的塊狀物5a，是由導(dǎo)電粒子5b的最大直徑的3倍以下的長(zhǎng)度間隔所相聯(lián)的導(dǎo)電粒子5b所包繞的塊狀體5a。
另外，導(dǎo)電粒子5b可選自金、鉑金、鈀、銥、銠或銀、銅、鎳等金屬元素，并且，這種導(dǎo)電粒子5b宜為球狀。因?yàn)?，球狀?dǎo)電離子與玻璃粉末的混合效果較佳。作為絕緣性組合物的材料宜選用結(jié)晶玻璃，其中至少一部分含有包括Zn、B、Si中至少一種元素的結(jié)晶狀物質(zhì)，生成或分散到玻璃中的上述結(jié)晶狀物質(zhì)的種類有Zn2SiO4、Zn3B2O6、Zn3(BO3)2、Zn(BO2)2、SiO2等化合物。
并且，電阻發(fā)熱體5的導(dǎo)電粒子5b的平均粒徑最好在0.1～5μm范圍之內(nèi)，當(dāng)該平均粒徑小于0.1μm，則因?qū)щ娏Ｗ拥牧竭^(guò)小而導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電粒子與絕緣性組合物之間的充分混合。另外，平均粒徑超過(guò)3μm，則導(dǎo)電粒子的熱膨脹系數(shù)大于絕緣性組合物的熱膨脹系數(shù)，故界面的熱應(yīng)力過(guò)大而有可能電阻發(fā)熱體5因受熱應(yīng)力而遭破壞。
另外，導(dǎo)電粒子5b的平均粒徑的計(jì)算方法如下，采用反射電子顯微鏡拍攝1500倍的SEM照片，然后，劃出2條長(zhǎng)達(dá)30μm的直線，并用橫跨數(shù)量來(lái)除該直線所橫跨的導(dǎo)電粒子的長(zhǎng)度。
另外，由絕緣性組合物所構(gòu)成的塊狀物5a的平均粒徑最好在3～100μm范圍之內(nèi)。若小于3μm，則可能出現(xiàn)電阻發(fā)熱體5和板狀陶瓷體2對(duì)熱應(yīng)力的耐久性受到不良影響。而且，若大于100μm，則塊狀物5a體積過(guò)大，局部性增加電阻發(fā)熱體5的電阻值，因而，向電阻發(fā)熱體5通過(guò)電流時(shí)，可出現(xiàn)局部散熱量過(guò)大的弊端。
另外，關(guān)于由絕緣性組合物所構(gòu)成的塊狀物5a的平均直徑，從反射電子顯微鏡照片中選擇由導(dǎo)電粒子5b所包繞的區(qū)域，但是，認(rèn)定最小直徑為導(dǎo)電粒子5b直徑的3倍以上的區(qū)域?yàn)榻^緣性組合物的塊狀體5a，但1500倍反射電子顯微鏡照片中，劃出一條70μm的直線，再用橫跨數(shù)量除該直線橫跨塊狀體5a的長(zhǎng)度，亦可求得其平均粒徑。
另外，塊狀絕緣性組合物5a的內(nèi)部最好排列熱膨脹系數(shù)大于絕緣性組合物的粒子5c，其主要考慮是，在塊狀體5a之內(nèi)包含粒子5c，則因與塊狀體5a之間的界面上存在向內(nèi)拉的應(yīng)力作用，從而增加塊狀體5a強(qiáng)度。而且，當(dāng)該粒子5c的粒徑約為塊狀體5a的粒徑的0.1倍以下，則增強(qiáng)塊狀體5a強(qiáng)度的效果更顯著、可靠。
另外，粒子5c亦可為與上述導(dǎo)電粒子5b相同的組合物，若導(dǎo)電粒子5b與粒子5c為相同組合物，則同時(shí)混合由玻璃等絕緣性組合物構(gòu)成的粉末和導(dǎo)電粒子，然后，制作成糊狀，再采用印制法，排列到板狀陶瓷體2上，經(jīng)過(guò)煅燒過(guò)程，很方便得到電阻發(fā)熱體5。
本發(fā)明所涉及的電阻發(fā)熱體5，包含到塊狀絕緣性組合物5a內(nèi)的、熱膨脹系數(shù)大于該絕緣性組合物的粒子5c數(shù)量宜在50個(gè)以下。
在電阻發(fā)熱體5的剖面SEM照片中，若包含到塊狀絕緣性組合物5a之內(nèi)的粒子5c數(shù)量宜在50個(gè)以下，則粒子5a內(nèi)塊狀體5a的強(qiáng)度增強(qiáng)效果顯著。若其數(shù)量大于50個(gè)，則粒子5c的熱應(yīng)力過(guò)大，可減弱塊狀5a強(qiáng)度。優(yōu)選粒子數(shù)量為20個(gè)，更優(yōu)選為10個(gè)以下。
另外，排列到塊狀體5a的粒子5c截面積最好占全體塊狀體5a的截面積的10％以下，若超過(guò)10％，則減弱粒子5c對(duì)熱應(yīng)力的緩沖效果，從而，可影響增強(qiáng)塊狀體5a的強(qiáng)度效果，宜在5％以下，但最好在3％以下。另外，為0.1％以上均可產(chǎn)生效果。
考慮一種這樣陶瓷加熱器1，在板狀陶瓷體2形成玻璃層等絕緣層4，然后，在其上再形成電阻發(fā)熱體5，如圖4所示，熱應(yīng)力通過(guò)板狀陶瓷體2和電阻發(fā)熱體5之間的絕緣層4發(fā)生作用，為此，在電阻發(fā)熱體5上排列上述塊狀絕緣性組合物5a，防止出現(xiàn)電阻發(fā)熱體5和絕緣層4或板狀陶瓷體2之間發(fā)生裂紋或剝離。據(jù)我們考慮這是由于塊狀絕緣性組合物5a的存在，能夠吸收和緩沖板狀陶瓷體2和電阻發(fā)熱體5之間的熱膨脹系數(shù)之差而產(chǎn)生熱應(yīng)力所致。
下面，介紹本發(fā)明特征之一的有關(guān)塊狀絕緣性組合物5a的制造方法。
本發(fā)明所涉及的電阻發(fā)熱體5，由絕緣性組合物和導(dǎo)電粒子5b相混合而成，做為絕緣性組合物采用玻璃或陶瓷，另外，做為填充導(dǎo)電粒子周圍或?qū)щ娏Ｗ又g的絕緣性組合物宜選用小粒徑材料，在塊狀絕緣性組合物5a中的絕緣組合成份宜選用玻璃粉末或陶瓷粉末等粒徑較大的粒子為佳。這樣，通過(guò)混合玻璃或陶瓷粉末等不同粒徑的、至少2個(gè)以上粒子組成的絕緣性組合物粉末和導(dǎo)電粒子來(lái)構(gòu)成電阻發(fā)熱體5。
另外，構(gòu)成絕緣性組合物粉末的粒度分布宜采用2個(gè)以下的上限值，且該2個(gè)上限值的粒徑中，大粒徑上限值宜為小粒徑上限值的2倍以上，最好在5倍以上。
本發(fā)明所涉及的導(dǎo)電糊，其特征在于，由絕緣性組合物和導(dǎo)電粒子以及有機(jī)結(jié)合材料所構(gòu)成，且上述由絕緣性組合物和導(dǎo)電粒子所組成的粒子在粒徑分布上呈現(xiàn)2個(gè)以上粒徑上限值。上述上限值可利用粒度測(cè)量?jī)x，從頻率一粒徑曲線中讀取，另外，做為上述有機(jī)結(jié)合材料，可選自各種有機(jī)粘合劑或可塑劑、分散劑、有機(jī)溶劑等。
為了均勻混合由這種絕緣性組合物構(gòu)成的粉末和導(dǎo)電粒子，上述塊狀絕緣性組合物5a的平均粒徑宜為導(dǎo)電粒子平均粒徑的1～30倍，若絕緣性組合物的平均粒徑小于1倍，為了均勻混合直徑2μ以下的微細(xì)導(dǎo)電粒子和由絕緣性組合物構(gòu)成的粒子為糊，則所需溶劑的量多、為30重量％以上，從而，降低糊的密度，加大煅燒時(shí)的收縮比率，故為不可取處之一。另外，上述絕緣性組合物和導(dǎo)電粒子的相分離，難以實(shí)現(xiàn)均勻混合之目的，宜在2～10倍，最好在3～5倍。導(dǎo)電粒子可選自Au、Pd、Pt、Rh、Ir等貴金屬元素，形狀宜為近似球形的微粒(粉末)。
本發(fā)明的陶瓷加熱器1，雖然，反復(fù)快速加熱和快速冷卻的熱循環(huán)，即接通較大電流，或者迅速加熱到所需溫度或需冷卻時(shí)在陶瓷加熱器1的加熱面3的相反面上噴氣體，以此完成強(qiáng)制冷卻，但如圖5所示，由絕緣層4的一個(gè)組份的包含Al的氧化物膜4a所覆蓋的氮化鋁燒結(jié)體構(gòu)成的板狀陶瓷體2和電阻發(fā)熱體之間，插設(shè)具有與上述氮化鋁燒結(jié)體相近似的熱膨狀系數(shù)的玻璃層4b，并將熱膨脹系數(shù)相差較大的氧化膜4a插設(shè)到熱膨脹系數(shù)相近的氮化鋁燒結(jié)體和玻璃層4b之間。從而，即可以實(shí)現(xiàn)如不具備玻璃層4b的陶瓷加熱器那樣的緩沖氧化物膜4a的應(yīng)力效果，還可以達(dá)到氧化物膜4a與玻璃層4b之間的堅(jiān)固密著。所以，即使進(jìn)行上述熱循環(huán)過(guò)程，也能有效防止氧化物膜4a與玻璃層4b的界面及玻璃層4b與電阻發(fā)熱體界面上出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，從而，實(shí)現(xiàn)陶瓷加熱器的耐久性。
但是，為了達(dá)到上述目的，玻璃層4b材料選自與形成加熱部30的氮化鋁燒結(jié)體之間的熱膨脹系統(tǒng)之差在-3.0～3.0×10-6/℃范圍之內(nèi)的玻璃，且玻璃層4b的厚度T宜在2～300μm之間。
因?yàn)椋Ａ?b的熱膨脹系數(shù)小于氮化鋁燒結(jié)體的熱膨脹系數(shù)，并兩者之間差異大于3.0×10-6/℃，則將減弱通過(guò)插設(shè)具有不同熱膨脹系數(shù)的氧化物膜4a于熱膨脹系數(shù)相近似的材料之間來(lái)緩沖作用于氧化物膜4a上應(yīng)力的效果，另外，與氧化物膜4a之間的熱膨脹差異過(guò)大，容易導(dǎo)致氧化物4a的破損，容易受反復(fù)的熱循環(huán)而導(dǎo)致氧化物膜4a的剝離。相反，若玻璃層4b的熱膨脹系數(shù)大于氮化鋁燒結(jié)體的熱膨脹系數(shù)，且其差異大于3.0×10-6/℃，則應(yīng)力緩沖效果將減弱，另外，利用空氣強(qiáng)制冷卻電阻發(fā)熱體5的表面時(shí)，容易導(dǎo)致電阻發(fā)熱體5的外周部發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。
另外，玻璃層4b的厚度T為2～300μm，是因?yàn)椴Ａ?b的厚度T小于2μm，則無(wú)法在加熱部30形成均勻厚度的玻璃層4b，所以，玻璃層4b的厚度T超過(guò)300μm，則內(nèi)部產(chǎn)生彎曲加熱部30的應(yīng)力，導(dǎo)致玻璃層4b在使用過(guò)程中被剝離。
另外，組成電阻發(fā)熱體5的玻璃層4b表面平坦度宜為300μm以下，如果，平坦度超過(guò)300μm，則很難制造出均一厚度的電阻發(fā)熱體5，故可能導(dǎo)致電阻發(fā)熱體5的電阻阻抗值分布不均勻。
另外，在玻璃層4b上形成的電阻發(fā)熱體5，由選自Au、Ag、Pd、Pt、Rh、Ir中至少一種金屬或由多種的合金及Zn、B、Si中至少一種元素的玻璃所構(gòu)成，電阻發(fā)熱體5的熱膨脹系數(shù)宜選用小于氮化鋁燒結(jié)體的熱膨脹系數(shù)-0.5～3.0×10-6/者為佳。盡可能調(diào)節(jié)上述兩者之間的熱膨脹系數(shù)在上述范圍之內(nèi)，降低制造或使用陶瓷加熱器1時(shí)可能發(fā)生的開(kāi)裂現(xiàn)象，進(jìn)一步提高使用壽命。
另外，構(gòu)成上述絕緣層4的玻璃特點(diǎn)有，可選用結(jié)晶狀或非晶狀材料，耐熱溫度為200℃以上，并且在0℃～200℃的溫度范圍條件下，其熱膨脹系數(shù)相對(duì)構(gòu)成板狀陶瓷體2的陶瓷的熱膨脹系數(shù)為1×10-6/℃為佳，最好在-5×10-7/℃～+5×10-7/℃范圍之內(nèi)。即，如果選用熱膨脹系數(shù)超出上述范圍的玻璃，則加大與組成板狀陶瓷體2的陶瓷之間的熱膨脹系數(shù)的差距，完成玻璃煅燒后進(jìn)行冷卻時(shí)，易發(fā)生開(kāi)裂或剝離等敞端。
此時(shí)，包含在電阻發(fā)熱體5內(nèi)的玻璃，宜選用其軟化點(diǎn)低于組成玻璃層4b玻璃的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度者為宜，這樣，可克服將在后面介紹的，由電阻發(fā)熱體5的煅燒時(shí)的熱滯性而導(dǎo)致的玻璃層4b的軟化變形，以及影響電阻發(fā)熱體5的阻抗值的分布等弊端。
另外，作為組成電阻發(fā)熱體5的玻璃，宜選用含有Zn2SiO4、Zn3B2O6、Zn3(BO3)2、Zn(BO2)2、SiO2中至少一種結(jié)晶的玻璃材料。這些結(jié)晶因熱膨脹系數(shù)小，具有降低電阻發(fā)熱體5的熱膨脹系數(shù)的效果同時(shí)，即使玻璃出現(xiàn)裂紋，亦可通過(guò)上述結(jié)晶的特點(diǎn)來(lái)抑制裂紋延伸，所以，過(guò)去經(jīng)過(guò)50℃～350℃熱循環(huán)試驗(yàn)，最多反復(fù)10,000次循環(huán)壽命延長(zhǎng)到20,000次，從而，可提供高壽命電阻發(fā)熱體5的陶瓷加熱器1。
尤其，采用針狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)，則細(xì)而長(zhǎng)的結(jié)晶分散到玻璃中，所以，可進(jìn)一步提高電阻發(fā)熱體5的強(qiáng)度。
電阻發(fā)熱體5的玻璃中含有Zn2SiO4、Zn3B2O6、Zn3(BO3)2、Zn(BO2)2、SiO2中至少一種結(jié)晶的方法，宜采用結(jié)晶或分散到玻璃中方式。
例如，采用結(jié)晶方式，則高溫熔化含有上述結(jié)晶成份。如Zn、B、Si中至少一種的玻璃，將所熔化玻璃在生成結(jié)晶核溫度范圍下保持1小時(shí)左右，待充分生成結(jié)晶核之后，再升溫到結(jié)晶生長(zhǎng)溫度，生成結(jié)晶化玻璃為佳。
除上述結(jié)晶方式之外，還可以利用分散法，即玻璃粉末與含有Zn2SiO4、Zn3B2O6、Zn3(BO3)2、Zn(BO2)2、SiO2中至少一種粉末物的混合物糊，加以煅燒，分散到玻璃中亦可。
另外，有關(guān)電阻發(fā)熱體5的玻璃中所含有的結(jié)晶的鑒定可采用X線衍射儀，另外，有關(guān)玻璃層4b的轉(zhuǎn)化溫度及電阻發(fā)熱體5中的玻璃軟化點(diǎn)的測(cè)量采用差動(dòng)熱分析儀，一邊上升溫度一邊測(cè)量熱量得失情況，然后，取基線的最初吸熱轉(zhuǎn)移部分與漸近線的交叉點(diǎn)為玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，其后出現(xiàn)的較緩慢的發(fā)熱峰的兩側(cè)漸近線的交叉點(diǎn)作為玻璃的軟化點(diǎn)為佳。
另外，形成電阻發(fā)熱體5的金屬可選自Au、Ag、Pd、Pt、Rh、Ir等元素，其中，Pt、Au或它們的合金很難產(chǎn)生轉(zhuǎn)移(migration)，故可防止電阻發(fā)熱體5的裂化同時(shí)，因Pt、Au等具有卓越的抗氧化性能，故可將50℃～350℃的熱循環(huán)試驗(yàn)的壽命次數(shù)延長(zhǎng)至25,000次。
形成電阻發(fā)熱體5的玻璃和金屬的理想混合比例是，按重量比在40∶60～80∶20之間。因?yàn)?，玻璃和金屬混合比例小?0∶60時(shí)，玻璃量太少，電阻發(fā)熱體5容易產(chǎn)生剝離現(xiàn)象。相反，玻璃和金屬的混合比例大于80∶20時(shí)，金屬含量太少，在體積固有的電阻值發(fā)生局部不均衡，無(wú)法均勻加熱加熱器30的加熱面3，或者電阻發(fā)熱體5容易發(fā)生線路斷落。
另外，組成加熱器30的氮化鋁質(zhì)燒結(jié)體最好使用高熱傳導(dǎo)性的材質(zhì)。例如，氮化鋁為主要成份的燒結(jié)助劑，如果采用Y2O3或Er2O3、Ce2O3、Yb2O3等1～9重量％范圍的稀土元素化合物時(shí)，可以得到100W/(m·K)或150W/(m·K)以上熱傳導(dǎo)率，是非常合適的加熱部30材料。
還有，形成加熱部30的燒結(jié)氮化鋁材料的表面形成含Al氧化物膜4a的方法有，將燒結(jié)氮化鋁材料放在850～1200℃的氧化環(huán)境中，維持1～10小時(shí)左右，進(jìn)行熱處理。在這種條件下氧化，就可以生成氧化鋁組成的氧化物膜4a。
在此，規(guī)定的熱處理溫度為850～1200℃，這是因?yàn)槌^(guò)1200℃時(shí)，氧化膜的生成速度過(guò)快，容易在氧化物膜4a表面發(fā)生裂紋，相反，低于850℃時(shí)，不利于生成氧化物膜4a，并且無(wú)法用氧化物膜4a來(lái)覆蓋燒結(jié)氮化鋁材料的全部表面。
形成在燒結(jié)氮化鋁材料表面的氧化物膜4a最佳厚度T為0.05～5μm。如果氧化物膜4a的膜厚度T不到0.05μm時(shí)，無(wú)法通過(guò)氧化作用完全覆蓋燒結(jié)氮化鋁材料的全部表面，所以燒結(jié)氮化鋁材料與空氣中的水份發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所釋放的氨氣或胺系氣體，退化在晶片W上形成的感光性樹(shù)脂的性質(zhì)。相反，如果氧化物膜4a的厚度T超過(guò)5μm，在形成氧化物膜4a后的冷卻過(guò)程中，表面氧化物膜4a的收縮程度大于形成加熱部30的燒結(jié)氮化鋁材料的收縮程度(燒結(jié)氮化鋁材料的熱膨脹系數(shù)4.7×10-6/(20～400℃)，氧化鋁為主要成份的氧化物膜4a的熱膨脹系數(shù)7.3×10-6/(20～400℃))，因此氧化物膜4a上一直存在拉伸應(yīng)力。在這種狀態(tài)下，施加電阻發(fā)熱體5的升溫以及強(qiáng)制空氣冷卻導(dǎo)致的熱沖擊時(shí)，電阻發(fā)熱體5上必然會(huì)產(chǎn)生裂紋。
對(duì)于含Al氧化物膜4a的形成方法來(lái)說(shuō)，除了燒結(jié)氮化鋁材料表面的氧化方法之外，也可以使用氧化鋁或釔、鋁、石榴石(YAG)等氧化物膜4a的濺射法、CVD法、PCD法等粘附在上面，至少保證燒結(jié)氮化鋁材料的表面不外露即可。
還有，作為板狀陶瓷體2舉例介紹了氮化鋁，但是作為板狀陶瓷體利用碳化硅，利用含Si氧化物膜4a，也可以得到與氮化鋁相同的效果。
并且，本發(fā)明中的陶瓷加熱器1為了支撐板狀陶瓷體2周圍的底部，接觸部材17采用環(huán)狀連接，并且外殼19直徑和板狀陶瓷體2的直徑DP可以設(shè)置成一樣長(zhǎng)，所以可以加長(zhǎng)板狀陶瓷體2的直徑。所以即使將低溫晶片W加載到高溫晶片加熱面上，也不會(huì)降低晶片W周圍的溫度，因此可以通過(guò)板狀陶瓷體2周圍的非發(fā)熱區(qū)域中所儲(chǔ)蓄的熱量來(lái)加熱晶片W周圍。
如圖6所示，本發(fā)明的陶瓷加熱器1為了包住板狀陶瓷體2周圍的截面，上述接觸部材17以環(huán)狀連接，防止板狀陶瓷體2周圍部分的熱損失，降低晶片W面內(nèi)的溫差。尤其是，板狀陶瓷體2周圍的截面接觸到接觸部材17，減少了板狀陶瓷體2的直徑，將電阻發(fā)熱體5的熱量有效地供應(yīng)給晶片W。并且，將低溫晶片W加載到高溫晶片上時(shí)，可以向晶片W周圍部分供應(yīng)較多的熱量，所以有必要在板狀陶瓷體2的周圍儲(chǔ)備大量的熱量。作為該熱量的儲(chǔ)備區(qū)域，板狀陶瓷體2的周圍需要有不存在電阻發(fā)熱體5的非發(fā)熱區(qū)域。
如果要降低正常狀態(tài)下晶片W的面內(nèi)溫差，電阻發(fā)熱體5外切圓的直徑需要比晶片W的直徑大3～5％左右。所以，板狀陶瓷體2直徑DP要比晶片W直徑大4～17％左右為佳。并且，通過(guò)維持板狀陶瓷體2周圍的截面，可以降低板狀陶瓷體2的非發(fā)熱區(qū)域。另一方面，為了增加非發(fā)熱區(qū)域的儲(chǔ)熱量，能以加大非發(fā)熱區(qū)域的板狀陶瓷體2厚度的方法，調(diào)整非發(fā)熱區(qū)域的熱容量。
還有，板狀陶瓷體2外切圓直徑D達(dá)到板狀陶瓷體2直徑DP的90～99％為佳。
如果電阻發(fā)熱體5的外切圓C直徑D小于板狀陶瓷體2的直徑DP的90％時(shí)，非發(fā)熱區(qū)域過(guò)大，晶片的快速升溫或降溫時(shí)間變長(zhǎng)，晶片W的溫度響應(yīng)特性變差。而且，板狀陶瓷體2的直徑DP變長(zhǎng)，可均勻加熱的晶片W尺寸比板狀陶瓷體2的直徑DP小，對(duì)晶片W的加熱電力來(lái)說(shuō)，晶片的加熱效率會(huì)受到影響。并且，板狀陶瓷體2會(huì)變大，增加了晶片制造裝置的安裝面積。需要利用最小的安裝面積，實(shí)現(xiàn)最大生產(chǎn)能力的半導(dǎo)體制造裝置的安裝來(lái)說(shuō)，降低了對(duì)安裝面積的運(yùn)用率，所以不可取。
如果電阻發(fā)熱體5的外切圓C直徑D大于板狀陶瓷體2直徑DP的99％時(shí)，非發(fā)熱區(qū)域過(guò)小，此時(shí)，將低溫晶片W加載到高溫晶片加熱面3時(shí)，會(huì)降低晶片W的周圍溫度。所以擔(dān)心晶片W面內(nèi)溫差較小的狀態(tài)下可能無(wú)法提高晶片W溫度，而且接觸部材17和電阻發(fā)熱體5外圍之間的間隔小，電阻發(fā)熱體5外圍部的熱量不均勻地流向接觸部材17。尤其是，外圍部電阻發(fā)熱體5的對(duì)稱性被破壞，熱量通過(guò)有泄漏的微小部分損失掉，降低溫度，有可能加大晶片W在正常時(shí)的面內(nèi)溫差。
更好是，電阻發(fā)熱體5外切圓C的直徑D為板狀陶瓷體2直徑DP的92～97％。
尤其是，板狀陶瓷體2和外殼19的外形大致相同，外殼19從底部支撐板狀陶瓷體2的如圖1所示的陶瓷加熱器1時(shí)，要降低晶片W的面內(nèi)溫差，電阻發(fā)熱體5的外切圓C直徑D要達(dá)到板狀陶瓷體2直徑DP的92～95％，最好是能達(dá)到93～95％。
另外，外殼19包住板狀陶瓷體2周圍端面的、圖6所示的陶瓷加熱器時(shí)，電阻發(fā)熱體5的外切圓C直徑D達(dá)到板狀陶瓷體2直徑DP的95～98％為佳，最好能達(dá)到96～97％。
如上所述，不僅可以通過(guò)非加熱區(qū)域的寬度來(lái)調(diào)整熱容量，另一方面，為了增加非發(fā)熱區(qū)域的儲(chǔ)熱量，還可以通過(guò)加大非發(fā)熱區(qū)域板狀陶瓷體2厚度的方法，增加非發(fā)熱區(qū)域的熱容量，防止晶片W周圍的降溫。
本發(fā)明的陶瓷加熱器1，只介紹了板狀陶瓷體2周圍的底部連接外殼19、或者板狀陶瓷體2周圍的截面上通過(guò)外殼連接的例子。同時(shí)，理所當(dāng)然地包括了周圍底部和周圍截面兩側(cè)同時(shí)連接外殼19的、不脫離上述主旨之范圍內(nèi)的陶瓷加熱器1。
并且，如果要更好地實(shí)現(xiàn)這種效果，帶狀電阻發(fā)熱體5膜的理想厚度為5～70μm。
如果帶狀電阻發(fā)熱體5的膜厚度低于5μm，那么利用絲網(wǎng)印刷方法印制帶狀電阻發(fā)熱體5時(shí)，很難控制膜厚度的均勻性。而且，帶狀電阻發(fā)熱體5的厚度超過(guò)70μm時(shí)，就算對(duì)于外切圓C的帶狀電阻發(fā)熱體5所占的面積比率為50％以下，帶狀電阻發(fā)熱體5的厚度加大，電阻發(fā)熱體5的硬度變大，隨著板狀陶瓷體5的溫度變化，帶狀發(fā)熱體5的伸縮有可能造成板狀陶瓷體2出現(xiàn)變形，或者通過(guò)網(wǎng)印無(wú)法印制均勻的厚度，而且晶片W表面的溫差有可能變大。并且，理想的帶狀電阻發(fā)熱體5厚度為10～30μm。
以下介紹本發(fā)明陶瓷加熱器1的其他結(jié)構(gòu)。外殼19有冷卻上述板狀陶瓷體2的噴嘴24。上述外殼19的特點(diǎn)是，熱容量為上述板狀陶瓷體2熱容量的0.5～3.0倍。
如果外殼19的熱容量低于板狀陶瓷體2熱容量的0.5倍時(shí)，噴嘴24所噴射出的冷卻氣體碰到板狀陶瓷體2，奪走板狀陶瓷體2的熱量，加熱冷卻氣體的熱量保存到外殼19中的量過(guò)少，無(wú)法適當(dāng)儲(chǔ)備板狀陶瓷體2的熱量，所以對(duì)板狀陶瓷體2的降溫效果會(huì)很小。
如果外殼19的熱容量超過(guò)板狀陶瓷體2熱容量的3.0倍，則外殼19的熱容量過(guò)大，所以盡管將板狀陶瓷體2的熱量通過(guò)冷卻氣體，儲(chǔ)存到外殼19中，但是加熱板狀陶瓷體2時(shí)，板狀陶瓷體2的輻射熱量過(guò)量傳遞到外殼19，所以就算加熱板狀陶瓷體2，升溫速度有可能會(huì)變慢。外殼19的理想熱容量是板狀陶瓷體2熱容量的0.7～1.2倍，最好是0.9～1.2倍。熱容量控制在這樣的范圍內(nèi)，所以板狀陶瓷體2的熱量通過(guò)噴嘴24所噴射出的冷卻氣體，傳遞到外殼19的同時(shí)，有效地排到外部。尤其，金屬外殼的熱容量接近板狀陶瓷體2的熱容量時(shí)，大約一半左右的板狀陶瓷體2熱量傳遞到金屬外殼，通過(guò)金屬外殼表面釋放到外部，因此板狀陶瓷體2的溫度很容易降低。并且，可以有效去除加熱板狀陶瓷體2的熱量，所以能快速降低板狀陶瓷體2溫度的同時(shí)，將板狀陶瓷體2加熱成電阻發(fā)熱體5時(shí)，可以有效地快速提高溫度。
如果要變更對(duì)外殼19熱容量的板狀陶瓷體2熱容量比率的話，變更外殼19熱容量的方法來(lái)調(diào)整比較好。因?yàn)椋瑢?duì)氮化硅或氮化鋁制的大小相同的板狀陶瓷體2來(lái)說(shuō)，氮化鋁的熱容量比碳化硅的熱容量大幾％到10％左右，但是本發(fā)明中板狀陶瓷體2的外形或厚度大致相同，所以大幅度變更板狀陶瓷體2的熱容量是較困難的。但是，通過(guò)調(diào)整外殼19的金屬板厚度或外殼19深度，或者更換材質(zhì)的方法，就可以將外殼19的熱容量調(diào)整到適當(dāng)?shù)某潭取?br> 還有，如果要縮短陶瓷加熱器1的溫度上升時(shí)間或冷卻時(shí)間，則上述外殼19的表面積S(cm2)和上述外殼19體積(V)(cm3)之間的比率(S/V)為5～50(1/cm)時(shí)，更有效地加熱或冷卻板狀陶瓷體2，所以被證明為理想的方法。
如果比率(S/V)小于5(1/cm)時(shí)，對(duì)外殼19體積(V)的表面積S比率小，所以通過(guò)外殼19表面吸收到的熱量，釋放到外殼19外部的效率低，并且熱量很容易殘留在外殼19。因?yàn)楫?dāng)加熱板狀陶瓷體2時(shí)，放射熱很容易被外殼19吸收，所以很難快速提高板狀陶瓷體2的溫度。
如果比率S/V超過(guò)50(1/cm)的話，被噴嘴24所噴射，碰到板狀陶瓷體2奪取熱量的冷卻氣體，不會(huì)被外殼19有效地冷卻掉，而且冷卻氣體的熱量會(huì)傳遞到外殼19，快速提高外殼19溫度，所以無(wú)法有效冷卻板狀陶瓷體2，因此要達(dá)到整個(gè)板狀陶瓷體2的降溫，所需的冷卻時(shí)間可能要長(zhǎng)。
比率S/V在11～20(1/cm)之間為佳，最好是在13～15(1/cm)之內(nèi)。
以下介紹將比率S/V調(diào)整為上述范圍內(nèi)的具體方法。一般來(lái)說(shuō)，增加外殼19的金屬板厚度，S/V就會(huì)變小。所以外殼19側(cè)壁的厚度為0.5～3mm，底板的厚度為1～5mm為佳。最好側(cè)壁的厚度為0.5～2mm，底板的厚度為1～3mm。還有，使外殼19的外圍成凹凸?fàn)畹脑?，可以增加外?9的表面積，可以將比率(S/V)調(diào)整為上述的適當(dāng)范圍。
這里所指的外殼19是，組成陶瓷加熱器1外表面的部件中的、除了板狀陶瓷體2和接觸部材17之外的、外表面由金屬制成的金屬部件。
另一方面，噴嘴24所噴射出的冷卻氣體，碰到板狀陶瓷體2的下面后，隨著板狀陶瓷體2的底部放射狀散開(kāi)，當(dāng)撞到外殼19或安裝在外殼19上的部件和材料時(shí)，改變前進(jìn)方向，通過(guò)外殼19底部21的排放孔23，排放到陶瓷加熱器1的外部。還有，上述的冷卻氣體奪走板狀陶瓷體2的熱量，將一部分熱量傳遞給外殼19，然后冷卻氣體被排放掉。傳遞到外殼19的板狀陶瓷體2中的一部分熱量，通過(guò)外殼19的外側(cè)被有效地釋放掉。通過(guò)噴嘴24噴射出地冷卻氣體，強(qiáng)烈碰撞到板狀陶瓷體2的底部，所以能有效奪走板狀陶瓷體2的熱量。加熱的冷卻氣體向外殼19傳遞熱量的過(guò)程中被排放掉，但是如果要增加噴嘴24所噴射出的冷卻氣體的流速，提高排放效率的話，針對(duì)多個(gè)噴嘴24開(kāi)口部24a的總面積S1，安裝1000～3200倍面積S的排放口23為佳。
對(duì)于噴嘴24開(kāi)口部24a的總面積S1，S2的面積為1000倍以下時(shí)，排氣孔23太小，降低噴嘴24所噴射出的冷卻氣體碰撞量，隨之降低了板狀陶瓷體2的冷卻效率，所以不可取。
對(duì)于噴嘴24開(kāi)口部24a的總面積S1，S2的面積超過(guò)3200倍時(shí)，將會(huì)減少被板狀陶瓷體2加熱的冷卻氣體傳遞到外殼19的熱量，所以對(duì)板狀陶瓷體2的冷卻效果會(huì)受到影響。
因此，對(duì)于噴嘴24開(kāi)口部24a的總面積S1來(lái)說(shuō)，如果是面積S2達(dá)到1000～3200倍的排氣孔23的話，冷卻氣體有效碰撞到板狀陶瓷體2，促進(jìn)被板狀陶瓷體2和外殼19所圍繞著的冷卻氣體循環(huán)，然后通過(guò)排氣孔23排放。面積S2達(dá)到S1的1500～2500倍為佳。最好是能達(dá)到1700～2300倍。
按上述的方法排放冷卻氣體時(shí)，被外殼19和板狀陶瓷體2所圍繞的空間與外部空間之間的壓力差P達(dá)到50～13kPa，所以具有優(yōu)越的冷卻特性。
壓力差P為50Pa以下時(shí)，冷卻氣體的流量少，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)冷卻板狀陶瓷體2。
如果壓力差P超過(guò)13kPa的話，內(nèi)部壓力增加，用板狀陶瓷體2和金屬外殼所圍繞的空間擴(kuò)大，容積變大，導(dǎo)致板狀陶瓷體和外殼19位置錯(cuò)位，加載到板狀陶瓷體2的晶片溫度分布有可能會(huì)發(fā)生變化。
壓力差P在100Pa～1kPa范圍為佳，更好是在200Pa～500Pa范圍內(nèi)。
設(shè)計(jì)時(shí)，需要將電阻發(fā)熱體5安裝在離晶片加熱面3一定的距離，使電阻發(fā)熱體5的對(duì)向間隔S成為板狀陶瓷體2板厚度T的5倍以下。
安裝成能將直徑超過(guò)200mm的大型晶片W均勻加熱、或者加熱到高溫的話，對(duì)向間隔S設(shè)置成0.5mm以上為佳。
這里所指的對(duì)向間隔S是，如圖7、8所示，從電阻發(fā)熱體5的外切圓中，與電阻發(fā)熱體5的帶相切的最大圓的直徑來(lái)表示。
因?yàn)槿绻鲜鲩g隔S超過(guò)板狀陶瓷體2板壓T的5倍時(shí)，間隔S中心附近的溫度降低，板狀陶瓷體2的晶片加熱面3上加載的晶片W上有可能發(fā)生冷卻點(diǎn)(cool spot)。如果間隔S小于0.5mm時(shí)，用絲網(wǎng)印刷方法印刷電阻發(fā)熱體5的話，受滲墨等影響，電阻發(fā)熱體5的帶和帶之間有可能發(fā)生短路(short circuit)，所以無(wú)法降低晶片W的面內(nèi)溫差。
然后向供電部6通電，使電阻發(fā)熱體5發(fā)熱，然后將板狀陶瓷體2置于中間，加熱晶片加熱面3上的晶片W。根據(jù)本發(fā)明，陶瓷加熱器1上介入支撐板狀陶瓷體2的接觸部材17，與有底板的外殼19連接，所以通過(guò)連接在板狀陶瓷體2上的接觸部材17，能防止板狀陶瓷體2的不必要的熱量損失，因此在短時(shí)間內(nèi)有效實(shí)現(xiàn)板狀陶瓷體2的裂紋，可以均勻加熱晶片W的溫度。
并且，因?yàn)橥ㄟ^(guò)碳化硅或燒結(jié)氮化鋁來(lái)形成板狀陶瓷體2，所以就算加熱到楊氏模量(Young′s modulus)為200Gpa以上，變形也很小，而且可以維持薄的板厚度。并且可以縮短加熱到規(guī)定處理溫度為止的升溫時(shí)間以及從規(guī)定的處理溫度開(kāi)始冷卻到室溫為止的冷卻時(shí)間，能提高生產(chǎn)性的同時(shí)，板狀陶瓷體2具有60W/(m·K)以上的熱傳導(dǎo)率，所以即使通過(guò)薄厚度板，也可以快速傳遞電阻發(fā)熱體5的焦耳熱(Joule heat)。
如上所述，如果要減少板狀陶瓷體2的熱容量的話，有底板的外殼19造成拉引應(yīng)力，所以會(huì)影響到板狀陶瓷體2的溫度分布。因此，采用有底板的外殼19從外圍部支撐板狀陶瓷體2的結(jié)構(gòu)。
(帶空孔的電阻發(fā)熱體)根據(jù)本發(fā)明的陶瓷加熱器來(lái)說(shuō)，可以配合以下將要介紹的空孔。
以下，要介紹本發(fā)明相關(guān)的、與空孔配合的電阻發(fā)熱體的實(shí)施方式。
給本發(fā)明的陶瓷加熱器1施加大額電壓，快速加熱到規(guī)定溫度，然后在冷卻時(shí)，通過(guò)向陶瓷加熱器1加熱面3的相反側(cè)表面噴氣，進(jìn)行強(qiáng)制性冷卻，形成熱循環(huán)。但是，根據(jù)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的陶瓷加熱器1沿著板狀陶瓷體2和上述電阻發(fā)熱體5之間的界面，在上述電阻發(fā)熱體5上配備空孔7，以此來(lái)緩解板狀陶瓷體2和上述電阻發(fā)熱體5熱膨脹系數(shù)之間的微妙差異所產(chǎn)生的板狀陶瓷體2和電阻發(fā)熱體5之間的接合界面熱應(yīng)力的效果。
圖13b為圖13a的電阻發(fā)熱體5和板狀陶瓷體2之間接合界面的放大圖。如果沒(méi)有圖13b所示的空孔7的話，反復(fù)快速加熱和冷卻陶瓷加熱器1時(shí)，在上述接合界面反復(fù)發(fā)生熱應(yīng)力，所以導(dǎo)致裂紋，加大置于陶瓷加熱器1加熱面3的晶片W的面內(nèi)溫差，或者電阻發(fā)熱體5被剝離，有可能失去陶瓷加熱器1功能。
還有，對(duì)在如圖14a所示的板狀陶瓷體2上形成玻璃層等絕緣層4、再在其上形成電阻發(fā)熱體5的陶瓷加熱器1來(lái)說(shuō)，如圖14b所示沿著板狀陶瓷體2和絕緣層4之間的界面在上述絕緣層中配備空孔7，因此消除了在絕緣層4和板狀陶瓷體2之間產(chǎn)生裂紋或剝離的隱患。這可能是因?yàn)?，空?存在于接合界面，緩解了板狀陶瓷體2和絕緣層4之間熱膨脹系數(shù)的差異所帶來(lái)的熱應(yīng)力。
利用與空孔7在截面中所占的面積相同之圓的直徑，可以求上述空孔7的大小。而且，空孔7的大小為0.05～50μm時(shí)，就算上述熱應(yīng)力反復(fù)作用于接合界面，也不會(huì)在接合界面發(fā)生裂紋。如果空孔7的大小小于0.05μm的話，被作用于接合界面的反復(fù)熱應(yīng)力，接合界面有可能會(huì)發(fā)生裂紋。如果空孔7大小超過(guò)50μm的話，空孔7本身就成為裂紋的發(fā)生原因，所以抑制接合界面發(fā)生裂紋的效果會(huì)更小。上述空孔7大小在3～20μm范圍為佳，最好在5～15μm范圍之內(nèi)。在這里，空孔7的大小是，通過(guò)垂直于板狀陶瓷體2的主面，研磨加工板狀陶瓷體2和絕緣層4或者電阻發(fā)熱體5之間的截面，從截面200、500、1000、5000、10000、100000倍率的8×10cm大小的SEM照片的各1張中，取全部0.5mm以上的空孔，利用各空孔7所占面積相當(dāng)?shù)膱A的直徑來(lái)讀取。
上述空孔7大小的平均值在1～30μm范圍為佳?？湛?大小的平均值是，與絕緣層4大致形成直角的截面中，從截面200、500、1000、5000、10000、100000倍率的8×10cm大小的SEM照片各一張中，取全部0.5mm以上的空孔，求相當(dāng)于實(shí)際大小為0.05μm以上的空孔7所占之面積的圓的直徑Di，再?gòu)腄i的平均值利用圖像處理裝置來(lái)求出空孔大小平均值。如果空孔7大小的平均值低于1μm的話，給陶瓷加熱器1反復(fù)施加快速升溫和降溫的熱循環(huán)時(shí)，緩解熱應(yīng)力的效果下降，發(fā)生裂紋，容易擴(kuò)大，耐久性下降。而且，平均值超過(guò)30μm的話，所發(fā)生的裂紋會(huì)快速擴(kuò)大，當(dāng)發(fā)生細(xì)微裂紋時(shí)，接合界面有可能馬上被剝離或脫落。
上述空孔7在上述的截面SEM照片中呈現(xiàn)圓形為佳。因?yàn)榭湛?的截面為圓形時(shí)，就算發(fā)生裂紋，當(dāng)裂紋橫穿空孔7時(shí)，空孔7的內(nèi)部發(fā)生防止裂紋擴(kuò)大的力量，可以起到防止裂紋擴(kuò)大的作用。
并且，像本發(fā)明那樣在板狀陶瓷體2上形成電阻發(fā)熱體5或絕緣層4時(shí)，上述的空孔7沿著接合界面，大致呈直線形分布。分布在直線上的空孔7線密度在1000～500000個(gè)/m范圍之內(nèi)為佳。
這里所說(shuō)的線密度是，板狀陶瓷體2和電阻發(fā)熱體5之間的接合界面或絕緣層4之間接合界面的截面SEM照片按200倍率、500倍率、1000倍率、5000倍率、10000倍率各拍三張，各張照片中接合界面上的長(zhǎng)度10cm的帶狀區(qū)域中，各照片上0.5mm以上的空孔7數(shù)除相當(dāng)于10cm的實(shí)際大小，求出的值中，取最大值作為線密度。
如果空孔7的線密度低于1000個(gè)/m的話，接合界面上所產(chǎn)生之細(xì)微裂紋的防擴(kuò)大效果不明顯，所以不能低于1000個(gè)/m。另一方面，如果空孔7的線密度超過(guò)500000個(gè)/m的話，空孔7密度過(guò)大，降低接合界面的熱傳導(dǎo)率，同時(shí)接合界面的強(qiáng)度下降，很難均勻加熱加熱面3的同時(shí)，當(dāng)發(fā)生細(xì)微裂紋時(shí)，裂紋馬上擴(kuò)散到整個(gè)接合界面，所以不能超過(guò)500000個(gè)/m。
并且，如果要將本發(fā)明的空孔7沿著板狀陶瓷體2和絕緣層4或者電阻發(fā)熱體5之間的界面排列的話，要在低于大氣壓的氧化分壓環(huán)境或低溫下形成由氮化物或碳化物形成的板狀陶瓷體2的表面氧化膜，或者在板狀陶瓷體2的主面涂布微粒的Si3N4等發(fā)泡劑，形成絕緣層4或電阻發(fā)熱體5，就可以形成所需的空孔7。
將上述導(dǎo)電粒子所圍繞的絕緣性組成物塊以及/或配合空孔的電阻發(fā)熱體，如圖19～21所示，按傳統(tǒng)的布線圖形裝到陶瓷加熱器也行。但是按照如下所示的布線圖形(例如圖16或18所示的布線圖形)安裝到陶瓷加熱器的話，還可以額外提高陶瓷加熱器的均熱性。
(電阻發(fā)熱體的布線圖形)本發(fā)明的陶瓷加熱器1中，板狀陶瓷體2的內(nèi)部或主面形成的帶狀電阻發(fā)熱氣5的形態(tài)為，如圖16所示，連接具有幾乎同樣線寬的圓弧帶5i～5p和折回小圓弧帶5q～5v，大致呈同心圓。也就是說(shuō)，電阻發(fā)熱體5是由連接幾乎等距離大致形成同心圓的半徑配置的、其他圓弧帶5i～5p和沿半徑方向相鄰的圓弧帶5i～5p之間而形成串聯(lián)電路的折回圓弧帶5q～5v構(gòu)成，且圓弧帶5i、5j的端部成為供電部6。所以，圓弧帶5i和圓弧帶5j、圓弧帶5k和圓弧帶5m、圓弧帶5n和圓弧帶5o、以及圓弧帶5p分別形成圓，并且各個(gè)圓都按同心圓狀分布，所以如果發(fā)熱電阻發(fā)熱體5，則晶片加熱面3的溫度可以由中心向周圍邊緣呈同心圓狀分布。
沿半徑方向相鄰的圓弧帶5i、5j和圓弧帶5k、5m，圓弧帶5k、5m和圓弧帶5n、5o，圓弧帶5n、5o和圓弧帶5p之間的距離L4、L5、L6都按等距離排列，可以保證各圓弧帶5i～5p的單位體積發(fā)熱量相同，可以能抑制晶片加熱面3上半徑方向的發(fā)熱斑點(diǎn)。
另一方面，置于相同圓周上的一對(duì)折回小圓弧帶5q和折回小圓弧帶5r、折回圓弧帶5s和折回小圓弧帶5t、折回小圓弧帶5u和折回小圓弧帶5v之間的各個(gè)距離L1、L2、L3相應(yīng)地小于沿半徑方向相鄰的圓弧帶圖形5i～5p之間的各個(gè)距離L4、L5、L6很重要。
也就是說(shuō)，為了提高晶片加熱面3的均熱性，不僅是圓弧帶5i～5p，折回小圓弧帶5q～5v也有必要使單位體積的發(fā)熱量相同。在通常的設(shè)計(jì)上，位于同一個(gè)圓周上的一對(duì)折回小圓弧帶5q～5v之間的距離L1、L2、L3和，沿半徑方向相鄰的圓弧帶5i～5p之間的距離L4、L5、L6是相同的。在這樣的圖形下，圓弧帶5i～5p和折回小圓弧帶5q～5v之間的折回部P5周圍的發(fā)熱密度會(huì)變小，因此折回部P5的外側(cè)溫度降低，加大晶片W的面內(nèi)溫差，破壞均熱性。對(duì)此，本發(fā)明是位于同一個(gè)圓周上的一對(duì)折回小圓弧帶5q～5v之間的距離L1、L2、L3小于沿半徑方向相鄰的圓弧帶5i～5p之間的各個(gè)對(duì)應(yīng)距離L4、L5、L6，所以折回部P5的發(fā)熱量，通過(guò)相對(duì)的折回小圓弧帶5q～5v的發(fā)熱所補(bǔ)充，因此可以抑制在折回部P5中的降溫。所以能減少裝在晶片加熱面3的晶片W的面內(nèi)溫差，提高均熱性。
尤其，位于圓周上的一對(duì)折回小圓弧帶5q～5v之間的距離L1、L2、L3設(shè)為沿半徑方向相鄰的圓弧帶5i～5p之間各個(gè)對(duì)應(yīng)距離L4、L5、L6的30％～80％時(shí)，晶片加熱面3的均熱性可以提高到最大。更好是L1、L2、L3的各個(gè)距離對(duì)應(yīng)成為L(zhǎng)4、L5、L6距離的40～60％。
并且，本發(fā)明的電阻發(fā)熱體5，由圓弧帶5i～5p和折回小圓弧帶5q～5v組成，所以與傳統(tǒng)的長(zhǎng)方形折回電阻發(fā)熱體相比，不會(huì)給邊緣部施加過(guò)多的應(yīng)力，就算快速提高或降低陶瓷加熱器1的溫度，造成板狀陶瓷體2或電阻發(fā)熱體5損傷的可能性也變小，能提供高可靠性的陶瓷加熱器1。
上述的電阻發(fā)熱體5埋設(shè)在板狀陶瓷體中時(shí)效果明顯，同時(shí)將帶狀電阻發(fā)熱體5排列在板狀陶瓷體2的另一側(cè)主面時(shí)也有同樣的效果。尤其是，另一側(cè)的主面上形成帶狀電阻發(fā)熱體5的情況下，其電阻發(fā)熱體5上形成表面涂層的絕緣層時(shí)，提高了板狀陶瓷體2或電阻發(fā)熱體5的防破損效果，所以是可取的方式之一。
另一方面，上述電阻發(fā)熱體，以同心圓狀可獨(dú)立加熱的多個(gè)發(fā)熱體組成。其特點(diǎn)是同心圓狀最外周的電阻發(fā)熱體帶和其內(nèi)側(cè)帶之間的間隔小于除上述最外周獨(dú)立電阻發(fā)熱體之外的電阻發(fā)熱體的同心圓狀帶的間隔。通過(guò)形成這樣的電阻發(fā)熱體5，容易補(bǔ)充板狀陶瓷體2的外圍部所釋放的熱量，防止晶片W面周圍的溫度下降，所以是可取的方式之一。
本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器1，宜分成3個(gè)與晶片W的晶片加熱面3對(duì)應(yīng)的同心圓環(huán)狀的電阻發(fā)熱體帶(zone)4。因?yàn)?，若要均勻加熱板狀晶片W的表面，會(huì)受晶片W周圍氛圍或面向晶片W的壁面或氣流影響，為了消除板狀晶片W的表面溫度分布不均勻，本發(fā)明中把晶片W周圍或面向晶片W的上部壁面或氣流設(shè)計(jì)成以晶片W為中心形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)。若要均勻加熱晶片W，需要以晶片W為中心保持對(duì)稱，且符合上述環(huán)境要求的陶瓷加熱器1，為此，將晶片加熱面3按中心對(duì)稱方向分隔形成了多個(gè)電阻發(fā)熱體帶4。
特別是，若要保證300mm以上的晶片W的表面溫度分布均勻，宜分成3個(gè)同心的圓環(huán)狀電阻發(fā)熱體帶。
圖17(a)是本發(fā)明所涉及的電阻發(fā)熱體帶4示意圖。在板狀陶瓷體2的一側(cè)主面上具有多個(gè)電阻發(fā)熱體帶4，在中心部具有圓形的電阻發(fā)熱體帶4a，在其外側(cè)具有同心的3個(gè)圓環(huán)狀電阻發(fā)熱體帶4b、4cd和電阻發(fā)熱體帶4eh。為了改善晶片W的受熱均勻性，與4個(gè)電阻發(fā)熱體帶對(duì)應(yīng)分割電阻發(fā)熱體5。
本發(fā)明所涉及的上述陶瓷加熱器1，中心部電阻發(fā)熱體帶4a的外徑D1宜為外周部電阻發(fā)熱體帶4eh外徑D的20～40％，其外周部電阻發(fā)熱體帶4bc外徑D2宜為外周部電阻發(fā)熱體帶外徑D的40～55％，最外周電阻發(fā)熱體帶內(nèi)徑D3宜為最外周電阻發(fā)熱體帶外徑D的55～85％，這樣可使晶片W表面溫差減小。
外周部電阻發(fā)熱體帶4eh外徑D是指，在與板狀陶瓷體2另一側(cè)主面平行的投影面上，組成上述電阻發(fā)熱體帶4eh的電阻發(fā)熱體5eh的外切圓的直徑。電阻發(fā)熱體帶4b的外徑D2是指，組成上述電阻發(fā)熱體帶4b的電阻發(fā)熱體5b的外切圓的直徑。內(nèi)徑D3是電阻發(fā)熱體5cd內(nèi)切圓的直徑。除了與供電部連接的電阻發(fā)熱體突出部之外，外切圓直徑可通過(guò)同心圓弧求出。
若外徑D1小于外徑D的20％，因中心部電阻發(fā)熱體帶4a的外徑過(guò)小，即使增大電阻發(fā)熱體帶4a的發(fā)熱量，電阻發(fā)熱體帶4a中心部的溫度也不上升，可能導(dǎo)致中心部溫度下降。另外，若外徑D1大于40％，因中心部電阻發(fā)熱體帶4a的外徑過(guò)大，在提高中心部的溫度時(shí)，電阻發(fā)熱體帶4a周邊部的溫度也會(huì)上升，可能導(dǎo)致電阻發(fā)熱體帶4a周邊部的溫度過(guò)高。外徑D1宜為外徑D的20～30％，最好在外徑D1為外徑D的23～27％范圍，這樣可進(jìn)一步縮小晶片W的表面溫差。
若外徑D2小于外徑D的40％，因陶瓷加熱器1周邊部容易冷卻，在為抑制晶片W周圍的溫度下降而提高電阻發(fā)熱體帶4cd的發(fā)熱量時(shí)，靠近晶片W中心的電阻發(fā)熱體帶4cd內(nèi)側(cè)溫度升高，可能導(dǎo)致晶片W的表面溫差升高。相反，若外徑D2大于外徑D的55％，在為了抑制晶片W周圍溫度下降而增加電阻發(fā)熱體帶4cd的發(fā)熱量時(shí)，雖然電阻發(fā)熱體帶4cd的溫度上升，但晶片W周圍溫度的下降影響到電阻發(fā)熱體帶4b，可能導(dǎo)致電阻發(fā)熱體帶4b外側(cè)溫度下降。外徑D2宜為外徑D的41％～53％，最好在43～49％范圍，這樣可進(jìn)一步縮小晶片W的表面溫差。
若外徑D3小于外徑D的55％，陶瓷加熱器1周邊部容易冷卻，在為了抑制晶片W周圍溫度下降而提高電阻發(fā)熱體帶4eh發(fā)熱量時(shí)，靠近晶片W中心的電阻發(fā)熱體帶4eh內(nèi)側(cè)溫度升高，可能導(dǎo)致晶片W的表面溫差升高。若外徑D3大于外徑D的85％，在為抑制晶片W周圍溫度下降而增加電阻發(fā)熱體帶4eh發(fā)熱量時(shí)，雖然電阻發(fā)熱體帶4eh的溫度上升但晶片W周圍溫度的下降影響到電阻發(fā)熱體帶4cd，可能導(dǎo)致電阻發(fā)熱體帶4cd外側(cè)降溫。外徑D3宜為外徑D的65％～85％，最好在67～70％的范圍，這樣可進(jìn)一步縮小晶片W的表面溫差。
已發(fā)現(xiàn)，如上所述由多個(gè)電阻發(fā)熱體5組成的陶瓷加熱器1，可補(bǔ)償周圍環(huán)境引起的細(xì)微的左右或前后非對(duì)稱，或?qū)ΨQ發(fā)熱體厚度的不均勻，同時(shí)可進(jìn)一步縮小晶片W的表面溫差。
圖17(b)顯示本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器1的電阻發(fā)熱體帶4的一例。3個(gè)圓環(huán)狀電阻發(fā)熱體帶4b、4cd、4eh中，最內(nèi)側(cè)電阻發(fā)熱體帶4b為圓環(huán)電阻發(fā)熱體帶4b；其外側(cè)電阻發(fā)熱體帶4cd，宜由圓環(huán)徑向平分所得2個(gè)扇形電阻發(fā)熱體帶4c、4d組成；再外側(cè)電阻發(fā)熱體帶4eh，宜由圓環(huán)徑向4等分的4個(gè)扇形電阻發(fā)熱體帶4e、4f、4g、4h組成，這樣可使晶片W的表面溫度分布均勻。
若上述的陶瓷加熱器1各電阻發(fā)熱體帶4a～4g可獨(dú)立發(fā)熱，與各電阻發(fā)熱體帶4a～4g對(duì)應(yīng)具有電阻發(fā)熱體5a～5g，其效果更佳。
但是，在作為陶瓷加熱器1外部環(huán)境之一的安裝環(huán)境不頻繁變更時(shí)，可把帶4a和帶4b并聯(lián)或串聯(lián)成一個(gè)電路后加以控制。這樣組成時(shí)，帶4a和4b間可設(shè)置一定的間隔，因此可制成安裝升降銷用通孔，升降銷用于舉起晶片W。
圓環(huán)狀電阻發(fā)熱體帶4cd、4eh雖然分別按徑向2分或4分，但不限于此。
圖17(b)的電阻發(fā)熱體帶4c、4d的界線為直線，但不限于此，也可以是波浪線，電阻發(fā)熱體帶4c、4d宜以同心發(fā)熱體帶為中心形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
同樣，電阻發(fā)熱體帶的4e和4f、4f和4g、4g和4h、4h和4e間的界線也不一定是直線，也可以是波浪線，宜以同心發(fā)熱體帶為中心形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
上述的各電阻發(fā)熱體5用印刷法等制作，電阻發(fā)熱體5帶寬度宜為1～5mm，厚度宜為5～50μm。若一次印刷的印刷面過(guò)大，因印刷面左右或前后的刮板(squeegee)和絲網(wǎng)間存在壓力差，可能導(dǎo)致印刷厚度不均勻。特別是若電阻發(fā)熱體5過(guò)大，因電阻發(fā)熱體5的左右前后的厚度不同，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)的發(fā)熱量不均勻。發(fā)熱量不均勻時(shí)，晶片W的表面溫差會(huì)加大，因此不可取。已發(fā)現(xiàn)，若要抑制電阻發(fā)熱體厚度不均勻?qū)е碌臏囟炔痪鶆?，把組成單個(gè)電阻發(fā)熱體的外徑大的各個(gè)電阻發(fā)熱體5進(jìn)行分割是行之有效的方法。
因此，除晶片加熱面3中心部以外的同心圓環(huán)狀電阻發(fā)熱體帶4cd左右分割，并把大圓環(huán)狀電阻發(fā)熱體帶4eh進(jìn)一步分成4份，可把位于電阻發(fā)熱體帶4的電阻發(fā)熱體5的印刷大小減小，從而使電阻發(fā)熱體5各部分的厚度均勻，同時(shí)補(bǔ)償晶片W前后左右的細(xì)微的溫差，使晶片W表面溫度分布均勻。進(jìn)一步，若要微調(diào)各電阻發(fā)熱體5帶的電阻值，可通過(guò)沿電阻發(fā)熱體用激光等刻出長(zhǎng)槽調(diào)整電阻值。
圖18所示電阻發(fā)熱體5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h的圖形分別是折回圖形。
本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器1是，在板狀陶瓷體2一側(cè)主面具有發(fā)熱體5的陶瓷加熱器1。如圖18所示，位于板狀陶瓷體2外周部的上述電阻發(fā)熱體5e、5f、5g、5h，其遠(yuǎn)離板狀陶瓷體2中心的部位，宜由同心的圓弧帶51和與這些連接的連結(jié)圖形即小圓弧帶52組成。由給上述電阻發(fā)熱體5供電的供電部6和包覆此供電部6的金屬外殼19組成，在上述板狀陶瓷體2另一側(cè)主面具有晶片加熱面，從平行于一側(cè)主面的投影面來(lái)看，上述電阻發(fā)熱體5外切圓C的直徑D宜為上述板狀陶瓷體2直徑DP的90～97％。
電阻發(fā)熱體5的外切圓C的直徑D不宜小于板狀陶瓷體2直徑DP的90％。因?yàn)檫@時(shí)迅速升或降晶片溫度所需時(shí)間變長(zhǎng)，而晶片W的溫度響應(yīng)特性降低。并且，若要均勻加熱晶片W的表面以抑制晶片W周邊部降溫，電阻發(fā)熱體5的外切圓C的直徑D宜為晶片W直徑的1.02倍左右，所以相對(duì)于晶片W的大小，板狀陶瓷體2的直徑DP過(guò)大，能夠均勻加熱的晶片W大小相對(duì)于板狀陶瓷體2直徑DP過(guò)小，加熱晶片W所施加的晶片W加熱效果相對(duì)降低。并且，因板狀陶瓷體2變大，晶片制作設(shè)備的安裝面積也要變大，降低了需要以最小的安裝面積進(jìn)行最大生產(chǎn)的半導(dǎo)體制作設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率/安裝面積比。
若電阻發(fā)熱體5外切圓C的直徑D大于板狀陶瓷體2直徑DP的97％，接觸部材17和電阻發(fā)熱體5外周的間隔小，熱從電阻發(fā)熱體5外周部不均勻地流入接觸部材17，特別是，熱還會(huì)從與外周部外切圓C相鄰的不存在圓弧狀圖形51部分流入，外周部的圓弧狀圖形51向板狀陶瓷體2的中心部彎曲，所以在沿著電阻發(fā)熱體5外切圓C的沒(méi)有圓弧狀圖形51P部分的溫度降低，可能導(dǎo)致晶片W的表面溫差加大。電阻發(fā)熱體5的外切圓C的直徑D最好在板狀陶瓷體2直徑DP的92～95％范圍。
如圖1所示，板狀陶瓷體2與金屬外殼19的外徑大致相等，若要在金屬外殼19從下面支撐板狀陶瓷體2情形下，減小晶片W表面的溫差，電阻發(fā)熱體5外切圓C直徑D宜為板狀陶瓷體2直徑DP的91～95％，最好在92～94％范圍。
本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器1，比如圖18所示，宜具有與電阻發(fā)熱體5的外切圓C相接的圓弧狀圖形51和、與此圓弧帶51連續(xù)連接的連結(jié)圖形即小圓弧帶52，在部分上述外切圓C上沒(méi)有上述圓弧狀圖形的空白帶P的間隔L1宜小于上述板狀陶瓷體直徑DP和上述外切圓C直徑D的差值以下稱LL)。間隔L1大于LL時(shí)，空白帶P的熱流入板狀陶瓷體的周邊部，可能導(dǎo)致空白帶P的溫度下降。因此間隔L1宜小于LL，這時(shí)空白帶P溫度不易下降，放置于板狀陶瓷體2晶片加熱面3的晶片W周邊部部分溫度不會(huì)下降，晶片W表面溫差減小。
為了抑制上述空白帶P的溫度下降，需提高空白帶的溫度，宜通過(guò)把加熱空白帶連結(jié)圖形52的電阻調(diào)成一樣或稍大來(lái)增大發(fā)熱量，這樣可減小空白帶P溫度下降的可能，使晶片W面內(nèi)溫度分布均勻。用印刷法等制作的電阻發(fā)熱體5為面狀時(shí)，減小連結(jié)圖形即小圓弧帶52的線寬Ws使其較圓弧狀圖形51的線寬度Wp小1～5％，可使連結(jié)圖形52的電阻增大，連結(jié)圖形即小圓弧帶52的溫度高于圓弧狀圖形51的溫度，從而可使晶片W表面溫度分布均勻。
板厚度為1～7mm的板狀陶瓷體2，一側(cè)主面為放置晶片的晶片加熱面3，板狀陶瓷體2下面具有電阻發(fā)熱體5。上述電阻發(fā)熱體5的厚度宜為5～50μm；在與上述板狀陶瓷體2主面平行的投影面上，相對(duì)上述電阻發(fā)熱體5外切圓C面積，上述電阻發(fā)熱體5的面積宜為外切圓C面積的5～30％。
即，相對(duì)電阻發(fā)熱體5外切圓C面積，若電阻發(fā)熱體5面積小于外切圓C面積的5％，電阻發(fā)熱體5相對(duì)向的對(duì)向域L1，L2，...過(guò)大，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)于沒(méi)有電阻發(fā)熱體5的間隔L1晶片加熱面3的表面溫度較其他部分低，難以使晶片加熱面3的溫度分布均勻；相反，若電阻發(fā)熱體5面積大于電阻發(fā)熱體5外切圓C的30％，即使已把板狀陶瓷體2和電阻發(fā)熱體5的熱膨脹差調(diào)低為2.0×10-6/℃以下，因兩者間熱應(yīng)力還是過(guò)大，再有板狀陶瓷體2由不易變形的陶瓷燒結(jié)物形成，其板厚度T薄，為1mm～7mm，所以可能導(dǎo)致電阻發(fā)熱體5加熱時(shí)晶片加熱面3一側(cè)凹陷，板狀陶瓷體2彎曲。其結(jié)果可能導(dǎo)致晶片W中心部溫度較周邊低，溫度分布不均勻性加大。
相對(duì)電阻發(fā)熱體5外切圓C面積，電阻發(fā)熱體5面積宜為外切圓C面積的7％～20％，最好在8％～15％的范圍。
更具體地講，電阻發(fā)熱體5在外周部具有相互對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)帶，上述對(duì)應(yīng)帶間隔L1宜為0.5mm以上、上述板狀陶瓷體2板厚度的3倍以下。若上述對(duì)應(yīng)帶間隔L1為0.5mm以下，在印刷制作電阻發(fā)熱體5時(shí)，電阻發(fā)熱體5的對(duì)應(yīng)帶會(huì)產(chǎn)生須狀突起，有可能導(dǎo)致短路。相反，若上述對(duì)應(yīng)帶間隔L1大于板狀陶瓷體2厚度的3倍時(shí)，對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)帶L1的晶片W表面形成冷卻帶(coolzone)，有可能導(dǎo)致晶片W表面溫差加大。
若要有效體現(xiàn)這些效果，電阻發(fā)熱體5的膜厚度宜為5～50μm。
若電阻發(fā)熱體5的膜厚度小于5μm，用絲網(wǎng)印刷方法印刷時(shí)，難以使電阻發(fā)熱體5膜厚度均勻。相反，若電阻發(fā)熱體5厚度大于50μm時(shí)，即使是相對(duì)于外切圓C的電阻發(fā)熱體5所占面積比率為30％以下時(shí)，因電阻發(fā)熱體5厚度大，電阻發(fā)熱體5硬度變大，板狀陶瓷體5溫度變化引起的電阻發(fā)熱體5伸縮，可能導(dǎo)致板狀陶瓷體2變形。并且在絲網(wǎng)方法印刷中，難以使厚度均勻，可能導(dǎo)致晶片W表面溫差加大。電阻發(fā)熱體5的厚度最好在10～30μm范圍。
下面對(duì)結(jié)構(gòu)作詳細(xì)說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器的一例的剖面圖，板厚度t為1～7mm，在100～200℃的楊氏模量(Young′smodulus)為200～450Mpa的板狀陶瓷體2，其一側(cè)主面作為放置晶片W的晶片加熱面3；另一側(cè)主面形成電阻發(fā)熱體5，具有與此電阻發(fā)熱體5電連接的供電部6。
作為100～200℃的楊氏模量為200～450Mpa的板狀陶瓷體2的材質(zhì)，有氧化鋁、氮化硅、鋁硅氧氮耐熱陶瓷、氮化鋁，特別是其中的氮化鋁具有50W/(m·K)以上、甚至100W/(m·K)以上的高傳熱率，同時(shí)還具有優(yōu)越的耐氟類、氯類等腐蝕性氣體或耐等離子的特性，適合用作板狀陶瓷體2的材質(zhì)。
板狀陶瓷體2厚度宜為2～5mm。若板狀陶瓷體2厚度小于2mm，板狀陶瓷體2沒(méi)有硬度，當(dāng)噴氣孔24等在電阻發(fā)熱體5正在發(fā)熱時(shí)噴冷卻氣體時(shí)，可能導(dǎo)致板狀陶瓷體2不耐冷卻熱應(yīng)力發(fā)生裂開(kāi)。另外，若板狀陶瓷體2厚度大于5mm，板狀陶瓷體2的熱容量增大，可能導(dǎo)致加熱或冷卻時(shí)的溫度穩(wěn)定所需時(shí)間變長(zhǎng)。
本發(fā)明所涉及板狀陶瓷體2，是利用螺栓貫通固定到有底的金屬外殼19的周邊部，以此避免板狀陶瓷體2和有底金屬外殼之間的直接接觸，然后，在板狀陶瓷體2部插設(shè)環(huán)狀接觸部材17，而在有底的金屬外殼端插設(shè)彈性體18，再用螺母20旋緊固定，賦予彈性，增強(qiáng)穩(wěn)固性，通過(guò)此種連接，在板狀陶瓷體2的溫度變化時(shí)即使有底的金屬外殼19變形，也被上述彈性體18吸收，從而抑制板狀陶瓷體2彎曲，防止在晶片表面出現(xiàn)因板狀陶瓷體2彎曲引起的溫度分布不均勻。
如圖9、10所示，環(huán)狀接觸部材17的截面無(wú)特殊限制，多邊形或圓形皆可，但當(dāng)板狀陶瓷體2和接觸部材17以平面接觸時(shí)，若板狀陶瓷體2和接觸部材17接觸的接觸部的寬度為0.1mm～13mm，則板狀陶瓷體2的熱被接觸部材17隔開(kāi)，減小向有底金屬外殼19的流量，并可均勻加熱晶片W使晶片W表面溫差減小。最好在0.1～8mm范圍。若接觸部材17接觸部的寬度為0.1mm以下，可能導(dǎo)致接觸固定板狀陶瓷體2時(shí)接觸部變形，接觸部材損壞。相反，若接觸部材17接觸部的寬度大于13mm，則板狀陶瓷體2的熱流入接觸部材，導(dǎo)致板狀陶瓷體2周邊部的溫度降低，難以均勻加熱晶片W。接觸部材17和板狀陶瓷體2接觸部的寬度宜為0.1mm～8mm，最好在0.1～2mm范圍。
接觸部材17傳熱率宜小于板狀陶瓷體2的傳熱率。若接觸部材17的傳熱率小于板狀陶瓷體2的傳熱率，則可均勻加熱放置在板狀陶瓷體2上的晶片W表面，同時(shí)降低或升高板狀陶瓷體2溫度時(shí)，與接觸部材17的傳熱量小，與有底的金屬外殼19間的熱影響小，容易迅速變更溫度。
若陶瓷加熱器1的接觸部材17傳熱率小于板狀陶瓷體2傳熱率的10％，則板狀陶瓷體2的熱難以流入有底的金屬外殼19，板狀陶瓷體2通過(guò)環(huán)境氣體(在此為空氣)給有底的金屬外殼19傳熱或增加輻射熱，效果反而減小。
若接觸部材17的傳熱率大于板狀陶瓷體2的傳熱率，板狀陶瓷體2周邊部的熱被接觸部材17隔開(kāi)流入有底的金屬外殼19，加熱有底的金屬外殼19的同時(shí)板狀陶瓷體2周邊部的溫度降低、晶片W表面溫差加大，因此不可取。并且，因加熱有底的金屬外殼19時(shí)噴氣孔24會(huì)噴氣，想要冷卻板狀陶瓷體2時(shí)因有底的金屬外殼19的溫度高，可能導(dǎo)致冷卻或加熱到一定溫度的時(shí)間變長(zhǎng)。
構(gòu)成上述接觸部材17的材質(zhì)，若要保證小面積接觸部，接觸部材楊氏模量宜為1Gpa以上，最好在10Gpa以上。這樣的楊氏模量，可使接觸部的寬度小到0.1mm～8mm，即使在板狀陶瓷體2和有底的金屬外殼19間以接觸部材17分隔后，再用螺栓16固定時(shí)，接觸部材17也不會(huì)變形，不會(huì)出現(xiàn)板狀陶瓷體2的錯(cuò)位或平行度變化，可保持較好的精密度。
并且可達(dá)到如專利文獻(xiàn)4所記述的用添加氟類樹(shù)脂或玻璃纖維的樹(shù)脂所制造的接觸部材無(wú)法達(dá)到的精度。
上述接觸部材17的材質(zhì)宜為由鐵和碳制成的碳素鋼或添加鎳、錳、鉻的特種鋼等金屬楊氏模量大的材質(zhì)。傳熱率小的材質(zhì)宜為不銹鋼或Fe-Ni-Co類所謂科瓦鐵鎳鈷合金，接觸部材17材質(zhì)宜選用傳熱率較板狀陶瓷體2的傳熱率小的材質(zhì)。
因?yàn)榭蓽p小接觸部材17和板狀陶瓷體2的接觸部，并且即使接觸部減小，因接觸部缺損引發(fā)粒子的可能也很小，維持穩(wěn)定的接觸部，沿著垂直于板狀陶瓷體2的面截?cái)嗟慕佑|部材17截面宜為圓形而非多邊形，用截面直徑為1mm以下的圓形金屬絲作為接觸部材17時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)有底的金屬外殼19相對(duì)于板狀陶瓷體2發(fā)生位置變化的情形，可均勻加熱晶片W表面，并可迅速升降溫。
此外，有底的金屬外殼19具有側(cè)壁部22和底面21，以板狀陶瓷體2在可遮蓋有底的金屬外殼19的開(kāi)口部的方式設(shè)置。有底的金屬外殼19具有用于排出氣體的孔23，和與用于給板狀陶瓷體2的電阻發(fā)熱體5供電的供電部6導(dǎo)通的供電端子11，用于冷卻板狀陶瓷體2的噴氣孔24，用于測(cè)量板狀陶瓷體2溫度的熱電偶27。
有底的金屬外殼19的深度宜為10～50mm，底面21和板狀陶瓷體2的間隔宜為10～50mm，最好在20～30mm范圍。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)板狀陶瓷體2和有底的金屬外殼19相互熱輻射，容易使晶片加熱面3的溫度分布均勻，還有與外部隔熱的效果，從而縮短晶片加熱面3溫度均勻分布所需的時(shí)間。
通過(guò)設(shè)置在有底的金屬外殼19內(nèi)可自由升降的升降銷25，可以把晶片W放置在晶片加熱面3上或從晶片加熱面3舉起。并且通過(guò)晶片支撐銷8，可以使晶片W和晶片加熱面3保持分開(kāi)狀態(tài)，防止因一側(cè)接觸等導(dǎo)致的溫度不均勻。
若要通過(guò)陶瓷加熱器1加熱晶片W，需用輸送臂(未作圖示)把晶片W放置到位于晶片加熱面3上的升降銷25上，降低升降銷25把晶片W放置在晶片加熱面3上。
此外，若把陶瓷加熱器1用于制作抗蝕膜的情況，在板狀陶瓷體2的主成份為碳化硅時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)與空氣中的水分等反應(yīng)而釋放氣體的現(xiàn)象，所以即使用于晶片W制作抗蝕膜，也不會(huì)有負(fù)面影響，反而可形成高密度、細(xì)密的排列。此時(shí)燒結(jié)助劑需未含可能與水反應(yīng)生成氨或胺的氮化物。
另外，構(gòu)成板狀陶瓷體2的碳化硅燒結(jié)體，是在主要成分碳化硅中加入硼(B)和碳素(C)等燒結(jié)助劑或氧化鋁和氧化釔等金屬氧化物充分混合加工成平板形態(tài)，經(jīng)1900～2100℃溫度下煅燒而成。而碳化硅的主體可以是α型也可以是β型。
另一方面，利用碳化硅燒結(jié)體制作板狀陶瓷體2時(shí)，具有半導(dǎo)電性的板狀陶瓷體2與發(fā)熱電阻5之間的用于確保絕緣效果的絕緣層可以使用玻璃或樹(shù)脂材質(zhì)。但如果使用玻璃時(shí)，其厚度若小于100μm，那么耐電壓也低于1.5kV，故很難發(fā)揮理想的絕緣效果；反之，如果厚度超過(guò)400μm，那么將會(huì)因構(gòu)成板狀陶瓷體2的碳化硅基質(zhì)燒結(jié)體或氮化鋁燒結(jié)體發(fā)生高度熱膨脹而引起開(kāi)裂現(xiàn)象。因此，上述兩種情況均不適宜做絕緣層。所以，使用玻璃時(shí)須維持絕緣層4厚度在100～400μm之間，最適宜為200μm～350μm。
另外，板狀陶瓷體2的晶片加熱面3及其相反側(cè)的主面，從與由玻璃或樹(shù)脂組成的絕緣層4間的良好密著性考慮，理想平面度應(yīng)在20μm以下，面粗糙度則應(yīng)以中心線平均粗糙度(Ra)為準(zhǔn)研磨為0.1μm～0.5μm。
另外，利用以氮化鋁為主的燒結(jié)體制作板狀陶瓷體2時(shí)，在主要成分氮化鋁中，添加燒結(jié)助劑Y2O3或Yb2O3等稀土類元素氧化物，并根據(jù)需要添加氧化鈣(CaO)等堿性金屬氧化物，充分混合制成平板形狀，再經(jīng)含有氮?dú)獾?900～2100℃高溫煅燒而成即可。另外，為提高電阻發(fā)熱體5對(duì)板狀陶瓷體2的密著性，有時(shí)也可選用玻璃制作絕緣層。但如果通過(guò)向電阻發(fā)熱體5添加充足的玻璃，實(shí)現(xiàn)理想密著效果時(shí)，也可以省略上述程序。
構(gòu)成絕緣層的玻璃可為晶體也可為非晶體，但宜選用耐熱溫度為200℃以上且在0℃～200℃之間時(shí)，其熱膨脹系數(shù)在組成板狀陶瓷體2的陶瓷的熱膨脹系數(shù)的-5～+5×10-7/℃的范圍內(nèi)的玻璃。即，如果使用熱膨脹系數(shù)超過(guò)上述范圍的玻璃，會(huì)因與構(gòu)成板狀陶瓷體2的陶瓷的熱膨脹造成較大差異，導(dǎo)致玻璃在燒結(jié)后冷卻時(shí)出現(xiàn)龜裂或剝離等不良現(xiàn)象。
另外，將由玻璃基材形成的絕緣層粘貼于板狀陶瓷體2時(shí)，可以采用將上述玻璃糊(glass paste)適量滴在板狀陶瓷體2中央后，用旋轉(zhuǎn)涂覆法延伸后均勻涂布，或者利用絲網(wǎng)印刷法、浸液法和噴涂法等實(shí)現(xiàn)均勻涂覆后，將玻璃糊在600℃以上高溫下煅燒而成的方法。另外，利用玻璃基材制作絕緣層時(shí)，須先將由碳化硅基質(zhì)燒結(jié)體或氮化鋁基質(zhì)燒結(jié)體形成的板狀陶瓷體2在850～1300℃高溫下加熱，并對(duì)絕緣層被覆面作氧化處理，以提高與玻璃基質(zhì)絕緣層間的密著性。
本發(fā)明中電阻發(fā)熱體5排列圖形，如圖17或圖18所示，分割成多個(gè)模塊，而每個(gè)模塊都以圓弧狀圖形或直線狀圖形，構(gòu)成漩渦形狀或彎曲回旋形狀。因此，本發(fā)明中陶瓷加熱器1得要是對(duì)晶片W作均勻加熱處理，因此，要求帶狀電阻發(fā)熱體5的各部分密度必須均勻。但如圖19所示，從板狀陶瓷體22的中央向徑向望去，可以發(fā)現(xiàn)電阻發(fā)熱體25之間有稠密部分和稀疏部分且二者相互交替。而在這種排列圖形中，對(duì)應(yīng)稀疏部分的晶片的表面溫度較低，對(duì)應(yīng)稠密部分的晶片的溫度較高，因此，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面均勻加熱，故并非一種理想設(shè)計(jì)圖形。
另外，將電阻發(fā)熱體分割成多個(gè)模塊形式時(shí)，應(yīng)通過(guò)獨(dú)立控制各個(gè)模塊的溫度，對(duì)晶片加熱面3上的晶片W作均勻加熱處理。
電阻發(fā)熱體5是將具有導(dǎo)電性的金屬粒子及含有玻璃熔塊(glassfrit)或金屬氧化物的電極糊，利用印刷法，印刷燒結(jié)在板狀陶瓷體2上而形成。其中，金屬粒子至少應(yīng)選自Au、Ag、Cu、Pd、Pt、Rh中的一種元素，而玻璃熔塊需由包含B、Si、Zn的氧化物構(gòu)成，另外，還需選用小于板狀陶瓷體2的熱膨脹系數(shù)的4.5×10-6/℃以下的低膨脹系數(shù)的玻璃。而金屬氧化物須至少一種選自氧化硅、氧化棚、氧化鋁、二氧化鈦等氧化物等其中。
構(gòu)成電阻發(fā)熱體的金屬粒子至少一種應(yīng)選自Au、Ag、Cu、Pd、Pt、Rh中的元素，這是因?yàn)殡娮栎^小的緣故。
由于構(gòu)成電阻發(fā)熱體5的玻璃熔塊是由包含B、Si、Zn的氧化物制成，且構(gòu)成電阻發(fā)熱體5的金屬粒子的熱膨脹系數(shù)又大于板狀陶瓷體2的熱膨脹系數(shù)，因此，若要使電阻發(fā)熱體5的熱膨脹系數(shù)接近于板狀陶瓷體2的熱膨脹系數(shù)，須選用小于板狀陶瓷體2的熱膨脹系數(shù)的4.5×10-6/℃以下的低膨脹系數(shù)的玻璃。
另外，組成電阻發(fā)熱體5的金屬氧化物至少應(yīng)選自氧化硅、氧化硼、氧化鋁、氧化鈦中的一種，那是因?yàn)檫@些氧化物與電阻發(fā)熱體5中的金屬粒子之間有著良好的密著性，且熱膨脹系數(shù)又接近于板狀陶瓷體2的熱膨脹系數(shù)，并且與板狀陶瓷體2之間的密著性也很優(yōu)越。
但，如果電阻發(fā)熱體5中的金屬氧化物含量超過(guò)80％，則與板狀陶瓷體2間的密著性雖然會(huì)增強(qiáng)，但電阻發(fā)熱體5的歐姆值會(huì)增大，因此是不可取的。所以，氧化物含量適宜為60％以下。
另外，由導(dǎo)電性的金屬粒子和玻璃熔塊形成的電阻發(fā)熱體5，優(yōu)選使用與板狀陶瓷體2的熱膨脹系數(shù)之差為3.0×10-6/℃以下的材質(zhì)。
即，制造過(guò)程中，很難使電阻發(fā)熱體5與板狀陶瓷體2間的熱膨脹系數(shù)之差達(dá)到0.1×10-6/℃，反之，使電阻發(fā)熱體5與板狀陶瓷體2間的熱膨脹系數(shù)之差超過(guò)3.0×10-6/℃時(shí)，有可能在使電阻發(fā)熱體發(fā)熱時(shí)，會(huì)因受到作用于與板狀陶瓷體2之間的熱應(yīng)力，晶片加熱面3一側(cè)呈凹狀翹曲。
另外，覆蓋在絕緣層上的電阻發(fā)熱體5材料，可以將金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鈀(Pd)等金屬單質(zhì)選用沉積法(蒸鍍法)或鍍金法直接進(jìn)行排列，或者通過(guò)將上述金屬單質(zhì)、氧化錸(Re2O3)、氧化鑭錳(LaMnO3)等導(dǎo)電性金屬氧化物或上述金屬材料分散于軟樹(shù)脂或玻璃漿料所得的漿糊，以規(guī)定形狀采用絲網(wǎng)印刷法印刷燒制后，再將上述導(dǎo)電材質(zhì)與由樹(shù)脂或玻璃形成的矩陣結(jié)合。以矩陣形式利用玻璃時(shí)，可以自由選用晶體玻璃或非晶體玻璃，但為防止受熱循環(huán)影響歐姆值發(fā)生變化，建議使用晶體玻璃。
在電阻發(fā)熱體5材料中選用銀(Ag)或銅(Cu)時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)遷移(migration)現(xiàn)象，因此為能夠蓋住電阻發(fā)熱體5，優(yōu)選設(shè)置與絕緣層相同材質(zhì)的厚度為40～400μm左右的涂覆層。
另外，在為電阻發(fā)熱體5供電時(shí)，需通過(guò)彈簧推壓法使設(shè)置在有底的金屬外殼19的供電端子11與板狀陶瓷體2表面的供電部6接觸，從而確保供電。那是因?yàn)槿绻诤穸冗_(dá)2～5mm的板狀陶瓷體2內(nèi)埋設(shè)由金屬構(gòu)成的端子部，會(huì)受該端子部熱容量影響，均熱性降低。因此，如本發(fā)明中通過(guò)彈簧推壓供電端子11確保電的接觸，可用板狀陶瓷體2緩和有底的金屬外殼19之間產(chǎn)生形成的溫差造成的熱應(yīng)力，并以高可靠度實(shí)現(xiàn)通電。另外，也可為防止接點(diǎn)變成點(diǎn)接觸，將彈性導(dǎo)體從中間層插入。但只有插入薄片才可以發(fā)揮效果。另外，優(yōu)選將供電端子11的供電部6直徑設(shè)為1.5～5mm之間。
另外，板狀陶瓷體2的溫度通過(guò)頂端埋入板狀陶瓷體2中的熱電偶27測(cè)量。從熱電偶27的響應(yīng)性和維持工作性能考慮，優(yōu)選使用外徑為0.8mm以下的順式熱電偶27。那是因?yàn)樵摕犭娕?7的頂端部分，在板狀陶瓷體2中設(shè)有孔，而內(nèi)置孔內(nèi)的固定材可向孔內(nèi)壁推壓固定，這樣，可以提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。同理也可以通過(guò)插入金屬絲(wire)的熱電偶或Pt等測(cè)溫電阻體來(lái)測(cè)溫。
另外，在板狀陶瓷體2的一側(cè)主面，如圖1所示，也可以通過(guò)設(shè)置多個(gè)支撐銷8，實(shí)現(xiàn)與板狀陶瓷體2一側(cè)主面相隔一定距離保持晶片W。
另外，圖1中雖表示了只在板狀陶瓷體2另一側(cè)的主面3設(shè)有電阻發(fā)熱體5的陶瓷加熱器1。但本發(fā)明中，主面3和電阻發(fā)熱體5之間當(dāng)然可以設(shè)立用于靜電吸附或等離子體發(fā)生的電極。
另外，在上述陶瓷加熱器1中，可通過(guò)將板狀陶瓷體2一側(cè)的主面當(dāng)做加載晶片的晶片加熱面，將上述陶瓷加熱器用作晶片加熱裝置。
(實(shí)施例1)
在這里，通過(guò)對(duì)本發(fā)明中的陶瓷加熱器和原來(lái)的陶瓷加熱器實(shí)施熱循環(huán)試驗(yàn)，各自觀察了導(dǎo)電體，即，電阻發(fā)熱體的電阻變化率和有無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象以及晶片表面內(nèi)溫差情況。
在上述實(shí)驗(yàn)中，構(gòu)成加熱部的板狀陶瓷體制作過(guò)程如下，首先在氮化鋁粉末中添加5重量％的氧化釔(Y2O3)粉末，再添加適量粘合劑和溶劑混合，經(jīng)煉制、干燥制備造粒粉，再將其粉加入模具內(nèi)，施加100MPa的成型壓，最后采用熱壓法進(jìn)行煅燒，即，在1800～1900℃高溫下煅燒而成。另外，其過(guò)程中還利用了熱傳導(dǎo)率達(dá)120W/(m·K)的板狀氮化鋁燒結(jié)體。然后，利用#250金剛石研磨石對(duì)電阻發(fā)熱體的主面進(jìn)行粗加工，最后，利用#400以上的金剛石研磨石作精研磨加工，然后，將此燒結(jié)體制作成多個(gè)厚3.0mm，直徑為315mm～345mm的圓板狀陶瓷體，另外在距中心約60mm處的同心圓狀體上均勻設(shè)置3個(gè)通孔，該通孔孔徑為4mm，并且在1000℃×3小時(shí)條件下進(jìn)行熱處理，最后，在其表面被覆厚0.5μm的氧化鋁氧化物膜。
其次，在制作本發(fā)明中的陶瓷加熱過(guò)程中，通過(guò)在加熱板一側(cè)的主面印制玻璃糊并在900℃高溫下煅燒形成玻璃層。另外，將玻璃熱膨脹率設(shè)置為4.8×10-6/℃。
構(gòu)成陶瓷加熱器的電阻發(fā)熱體采用包括Au(30重量％)和Pt(10重量％)的金屬粉末和60重量％玻璃的電阻發(fā)熱體糊，其中該玻璃中包含有Zn2SiO4、、Zn3B2O6、Zn3(BO3)2、Zn(BO2)2、SiO2的晶體。本發(fā)明中，在制作陶瓷加熱器時(shí)，采用在玻璃層上印制上述電阻發(fā)熱體糊并在600～700℃高溫下煅燒法，而以往的陶瓷加熱器則只是在加熱板上直接印制上述電阻發(fā)熱體糊并在600～700℃高溫下煅燒而成另外，對(duì)混合的玻璃采取二等分粉碎使用，對(duì)粒度分布不同的，則采取制成多個(gè)種類并等量混合后再使用。
為了在板狀陶瓷體上排列電阻發(fā)熱體，需將導(dǎo)電材Au粉末及Pd粉末與添加粘合劑的玻璃糊一同混合煉制形成含導(dǎo)電體糊，接著便采用絲網(wǎng)印刷法進(jìn)行印刷，之后在150℃下加熱干燥有機(jī)溶劑，其次還需在550℃下經(jīng)30分鐘的脫脂處理，最后再經(jīng)700～900℃下煅燒形成厚50μm的電阻發(fā)熱體。電阻發(fā)熱體的排列圖形為自中心徑向分離為幾個(gè)圓和圓環(huán)形狀，中心部形成一個(gè)圓形圖形，其外側(cè)的圓環(huán)狀也形成2個(gè)圖形，另外再加上最外側(cè)的4個(gè)圖形共形成7個(gè)圖形。而最外側(cè)的4個(gè)圖形的外切圓C的直徑應(yīng)設(shè)為310mm。最后，硬釬焊固定電阻發(fā)熱體的供電部，板狀陶瓷體就完成了。
另外，有底的外殼是利用Fe-Cr-Ni系列的合金制作而成，其底面由厚2.0mm的金屬板和構(gòu)成側(cè)壁部的厚1.0mm的金屬板組成。而且在底面規(guī)定位置設(shè)置了噴氣孔、熱電偶、導(dǎo)通端子。另外，將底面至板狀陶瓷體距離設(shè)置為20mm。
接著，在上述有底的外殼開(kāi)口部重疊板狀陶瓷體，并在其外周部分利用螺栓連接，另外，為防止板狀陶瓷體和有底的外殼直接接觸，使環(huán)狀接觸部材介入在內(nèi)，并從接觸部材一側(cè)介入彈性體，將螺母擰緊使其依靠彈性固定，最終形成陶瓷加熱器。
其次，使所得的各陶瓷體的電阻發(fā)熱體通電，再進(jìn)行以下熱循環(huán)試驗(yàn)10000次，即，使加載于加熱面上的晶片的溫度在60秒內(nèi)上升至300℃，再通過(guò)強(qiáng)制空氣的冷卻使在240秒內(nèi)下降至40℃以下的熱循環(huán)試驗(yàn)，然后觀察熱循環(huán)前后的電阻發(fā)熱體的電阻變化情況。另外，晶片溫度利用設(shè)置于晶片上的電阻測(cè)溫元件測(cè)量。
其后是測(cè)溫電阻體利用埋設(shè)于29處的直徑達(dá)300mm的測(cè)溫用晶片進(jìn)行測(cè)溫。首先為各個(gè)陶瓷加熱器接通電源，再為晶片加溫，使其在5分鐘內(nèi)溫度由25℃升至200℃。因此，需將晶片溫度設(shè)為200℃后，對(duì)其加熱至平均溫度達(dá)200℃±0.5℃為止，并使維持該溫度10分鐘，測(cè)量此時(shí)晶片內(nèi)的最高溫差，設(shè)為正常狀態(tài)下的晶片的溫差。另外，再利用升降銷舉起加熱狀態(tài)下的陶瓷加熱器晶片后，使其溫度降至室內(nèi)溫度的25℃，并在晶片加熱面上加載晶片后，觀察晶片平均溫度升至200℃的過(guò)程中晶片各部分的溫度，并計(jì)算出該時(shí)基下晶片面內(nèi)最高溫度與最低溫度之差，設(shè)為過(guò)渡時(shí)晶片內(nèi)的最高溫差。
另外再對(duì)晶片加熱裝置實(shí)施以下熱循環(huán)試驗(yàn)，即，在2分鐘內(nèi)使溫度升至300℃并維持1分鐘后，再進(jìn)行4分鐘的強(qiáng)制空氣冷卻的試驗(yàn)。通過(guò)這樣反復(fù)10000次的試驗(yàn)，測(cè)出晶片的溫度分布，最終計(jì)算出晶片內(nèi)的最高溫差。
結(jié)果如圖1所示。
表1

*表示不屬于在本發(fā)明范圍之內(nèi)從表1中，可以看出，如試樣No.101并未產(chǎn)生塊狀絕緣性組合物的以往的晶片加熱裝置，在經(jīng)過(guò)10000次熱循環(huán)試驗(yàn)后，測(cè)得正常狀態(tài)下及過(guò)渡時(shí)的溫差均較大分別為3.56℃和14.8℃。因此，此種晶片不適宜用作需反復(fù)急劇升降溫度的晶片加熱裝置。
另一方面，試樣No.102～110，電阻發(fā)熱體上均產(chǎn)生塊狀絕緣物，且在反復(fù)進(jìn)行的20000次的熱循環(huán)嘗試后，測(cè)得正常狀態(tài)下晶片溫差及過(guò)渡時(shí)晶片面內(nèi)的最高溫度均較小分別只有1℃以下和8.4℃以下，因此，是理想的試樣。
另外，可以從表中看出塊狀絕緣物的平均粒徑達(dá)3～100μm，導(dǎo)電粒子的平均粒徑為0.1～5μm的試樣No.105～108，在正常狀態(tài)下晶片內(nèi)的溫差及過(guò)渡時(shí)晶片面內(nèi)的最高溫差分別只有0.57℃以下和5.8℃以下，因此，更是一種理想的試樣。那是因?yàn)閷?dǎo)電粒子的平均粒徑及塊狀絕緣物的平均粒徑的上升會(huì)增強(qiáng)電阻發(fā)熱體的耐久性。
(實(shí)施例2)如實(shí)施例1，首先制作板狀陶瓷體，然后再通過(guò)混合各種金屬和玻璃成分以及金屬氧化物制成糊形態(tài)，并利用絲網(wǎng)印刷法制作成為電阻發(fā)熱體的晶片加熱裝置。
將晶片加載于晶片加熱裝置上，并為電阻發(fā)熱體接通電源后，如實(shí)施例1作了相同的評(píng)價(jià)，其結(jié)果如表2所示。
表2

從表中可知，試樣No.121的試驗(yàn)過(guò)程中，塊狀絕緣物內(nèi)并未形成粒子，故經(jīng)20000次的反復(fù)熱循環(huán)，電阻變化率較大為1.63％，而且正常狀態(tài)下的晶片溫差及過(guò)渡時(shí)晶片面內(nèi)的最高溫度均較大分別為0.77℃和6.4℃。這是由于導(dǎo)電體電阻發(fā)熱體受反復(fù)熱循環(huán)影響發(fā)生移動(dòng)造成微小部分出現(xiàn)剝離現(xiàn)象所致。
反之，塊狀絕緣物內(nèi)形成粒子的試樣No.122～129，即使經(jīng)過(guò)反復(fù)熱循環(huán)40000次，電阻變化率仍很低，只有1.21％以下，而且正常狀態(tài)下的晶片的溫差達(dá)0.61℃以下，因此是理想的試樣。
另外，塊狀絕緣物內(nèi)存在粒子且其面積比率為10％以下的試樣No.122～128，正常狀態(tài)下晶片溫差較小為0.49℃以下，過(guò)渡時(shí)晶片面內(nèi)溫差也只有4.7℃以下，因此是理想的試樣。
(實(shí)施例3)在這里，通過(guò)對(duì)本發(fā)明中的陶瓷加熱器和原來(lái)的陶瓷加熱器實(shí)施熱循環(huán)試驗(yàn)，各自觀察了導(dǎo)電體電阻發(fā)熱體的電阻變化率和氧化物膜有無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象。
在上述實(shí)驗(yàn)中，構(gòu)成加熱部的板狀陶瓷體制作過(guò)程如下，首先在氮化鋁粉末中添加5重量％的氧化釔(Y2O3)粉末，再添加適量粘合劑和溶劑混合，經(jīng)煉制、干燥制備造粒粉，再將其粉加入模具內(nèi)，施加100MPa的成型壓，最后采用熱壓法進(jìn)行煅燒，即，在1800～1900℃高溫下煅燒而成。另外，其過(guò)程中還利用了熱傳導(dǎo)率達(dá)120W/(m·K)的板狀氮化鋁燒結(jié)體。然后，利用#250金剛石研磨石對(duì)電阻發(fā)熱體的主面進(jìn)行粗加工，最后，利用#400以上的金剛石研磨石作精研磨加工，然后，將此燒結(jié)體制作成多個(gè)厚3.0mm、直徑為315mm～345mm的圓板狀陶瓷體，另外在距中心約60mm處的同心圓狀體上均勻設(shè)置3個(gè)通孔，該通孔孔徑為4mm，并且在1000℃×3小時(shí)條件下進(jìn)行熱處理，最后，在其表面被覆厚0.5μm的氧化鋁氧化物膜。另外，在經(jīng)#400以上金剛石研磨石摩擦，且在鑄物板上經(jīng)過(guò)研磨加工，并在表面細(xì)微凹凸部利用發(fā)泡劑Si3N4填平后形成的其上的絕緣層或電阻發(fā)熱體，沿著界面的絕緣層或電阻發(fā)熱體上產(chǎn)生有空孔。另外，研磨加工用砂粒(拋光粉)由主成分氧化鋁及包括Si3N4或AlN的微量粉末0.001～0.1質(zhì)量％以下構(gòu)成，并且可控制空孔的大小及數(shù)量。
其次，在制作本發(fā)明中的陶瓷加熱過(guò)程中，通過(guò)在加熱板一側(cè)的主面印制玻璃糊并在900℃高溫下煅燒形成玻璃層。另外，將玻璃熱膨脹率設(shè)置為了4.8×10-6/℃。
構(gòu)成陶瓷加熱器的電阻發(fā)熱體采用包括Au(30重量％)和Pt(10重量％)的金屬粉末和60重量％的玻璃的電阻發(fā)熱體糊，其中，該玻璃包含有Zn2SiO4、、Zn3B2O6、Zn3(BO3)2、Zn(BO2)2、SiO2的晶體。本發(fā)明中，在制作陶瓷加熱器時(shí)，采用在玻璃層上印制上述電阻發(fā)熱體糊并在600～700℃下煅燒法，而以往的陶瓷加熱器則只是在加熱板上直接印制上述電阻發(fā)熱體糊并在600～700℃高溫下煅燒而成。
為在板狀陶瓷體上排列電阻發(fā)熱體，需將導(dǎo)電材Au粉末及Pd粉末與添加粘合劑的玻璃糊一同混合煉制形成含導(dǎo)電體糊，接著便采用絲網(wǎng)印刷法進(jìn)行印刷，之后在150℃下加熱干燥有機(jī)溶劑，其次還需在550℃下經(jīng)30分鐘的脫脂處理，最后再經(jīng)700～900℃高溫下煅燒形成厚50μm的電阻發(fā)熱體。電阻發(fā)熱體的排列圖形為自中心徑向分離為幾個(gè)圓和圓環(huán)形狀，中心部形成一個(gè)圓形圖形，其外側(cè)的環(huán)狀也形成2個(gè)圖形，另外再加上其最外側(cè)的4個(gè)圖形共形成7個(gè)圖形。而最外側(cè)的4個(gè)圖形的外切圓C的直徑應(yīng)設(shè)置為310mm。最后，硬釬焊固定電阻發(fā)熱體的供電部，板狀陶瓷體就完成了。
另外，有底的外殼是利用Fe-Cr-Ni系列的合金制作而成，其底面由厚2.0mm的金屬板和構(gòu)成側(cè)壁部分的厚1.0mm的金屬板組成。而且在底面規(guī)定位置設(shè)置了噴氣孔、熱電偶、導(dǎo)通端子。另外，將底面至板狀陶瓷體距離設(shè)置為20mm。
接著在上述有底的外殼開(kāi)口部重疊板狀陶瓷體，并在其外周部分利用螺栓連接，另外，為了防止板狀陶瓷體和有底的外殼直接接觸，使環(huán)狀接觸部材介入在內(nèi)，并從接觸部材一側(cè)介入彈性體，將螺母拴緊使其依靠彈性固定，最終形成陶瓷加熱器。
其次，使所得的各陶瓷體的電阻發(fā)熱體通電，再進(jìn)行以下熱循環(huán)試驗(yàn)10000次，即，使加載于加熱面上的晶片的溫度在60秒內(nèi)上升至300℃，再通過(guò)強(qiáng)制空氣的冷卻使在240秒內(nèi)下降至40℃以下的熱循環(huán)試驗(yàn)，然后觀察熱循環(huán)前后的電阻發(fā)熱體的電阻變化情況。另外，晶片溫度可利用設(shè)在晶片上的電阻測(cè)溫元件測(cè)量。
下面利用直徑為300mm、29處埋設(shè)測(cè)溫元件的測(cè)溫用晶片，評(píng)價(jià)制造的陶瓷加熱器。向各陶瓷加熱器的電阻發(fā)熱體通電后開(kāi)始加熱晶片W，5分鐘內(nèi)將溫度由25℃升至200℃，當(dāng)晶片W溫度升至200℃時(shí)繼續(xù)加熱，直至將其平均溫度控制在200℃±0.5℃左右，并將這一溫度維持10分鐘左右，再將此時(shí)的晶片最大和最小溫度差作為晶片W在正常狀態(tài)下的溫度差。然后，在加熱陶瓷加熱器的狀態(tài)下，用升降銷舉起晶片W，放置冷卻至常溫的25℃，然后將晶片W放到晶片加熱面加熱，直至晶片W表面平均溫度達(dá)到200℃，并測(cè)量晶片W各部位的溫度。最后對(duì)時(shí)間段求出晶片W表面最大溫度和最小溫度之差，以此作為過(guò)渡時(shí)的晶片W表面的最大溫度差。
將上述板狀陶瓷體部分切割后，在電子顯微鏡下觀察，確認(rèn)絕緣層或電阻發(fā)熱體是否產(chǎn)生裂紋的同時(shí)，測(cè)量剖面空孔的大小和分布。
求線密度的方法如下以200倍、500倍、1000倍、5000倍、10000倍、100000倍每種各拍攝三張的板狀陶瓷體和電阻發(fā)熱體之間的接合界面或絕緣層之間的接合界面的剖面SEM照片。然后，在照片確定接合界面中出現(xiàn)10cm帶狀的部分，并用照片上0.5mm以上的空孔7之?dāng)?shù)除10cm(相當(dāng)于實(shí)際大小)后，以所求得的數(shù)據(jù)中最大值為線密度。
結(jié)果如表3。
表3

*表示不屬于本發(fā)明范圍。
如表3所示的試樣No.201，以往無(wú)空孔的陶瓷加熱器在進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)后，絕緣層出現(xiàn)了裂紋，且電阻發(fā)熱體的電阻值變化也較大。
相反，如試樣No.202所示，本發(fā)明中帶空孔的陶瓷加熱器，電阻發(fā)熱體未出現(xiàn)裂紋，達(dá)到了預(yù)期效果。
如試樣No.203～213所示，帶絕緣層和空孔的陶瓷加熱器，電阻發(fā)熱體未出現(xiàn)裂紋，顯示優(yōu)越性能。
如試樣No.202～212所示，空孔尺寸為0.05～50μm的陶瓷加熱器，經(jīng)過(guò)所述熱循環(huán)后，電阻發(fā)熱體的電阻值變化率為0.3％以下，顯示優(yōu)越性能。
如試樣No.204～211所示，空孔尺寸的平均值為1～30μm，正常狀態(tài)下晶片溫度差為0.29℃以下，可見(jiàn)，性能優(yōu)越。
如試樣No.205～210所示，空孔的線密度為1000～500000個(gè)/m，過(guò)渡時(shí)的晶片表面最大溫度差為4.7℃以下，可見(jiàn)，具有非常優(yōu)越的性能。
(實(shí)施例4)如實(shí)施例3所示，先制造板狀陶瓷體，然后制造電阻發(fā)熱體，也就是將各種金屬和玻璃成分或金屬氧化物混合后制成糊，再通過(guò)絲網(wǎng)印刷方式制成晶片加熱裝置。
將晶片放到晶片加熱裝置后，向電阻發(fā)熱體通電，再按實(shí)施例3的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果如表4所示。
表4

如試樣No.251～258所示，燒結(jié)的電阻發(fā)熱體熱膨脹系數(shù)和板狀陶瓷體之間的熱膨脹系數(shù)之差小為3×10-6/℃以下，故正常狀態(tài)下的晶片溫度差小為0.19℃以下，達(dá)到預(yù)期效果。
但是，如試樣No.250、259所示，電阻發(fā)熱體的熱膨脹系數(shù)超過(guò)了3×10-6/℃，故正常狀態(tài)下的溫度差也升高至0.48℃、0.47℃。
如試樣No.255～257所示，燒結(jié)的電阻發(fā)熱體熱膨脹系數(shù)和板狀陶瓷體之間的熱膨脹系數(shù)之差小為0.1×10-6/℃以下，故正常狀態(tài)下的晶片溫度差小為0.14℃以下，其效果更佳。
(實(shí)施例5)如實(shí)施例3，制作陶瓷加熱器。有底的金屬外殼選自鋁制金屬，其中，底面厚度為2.0mm、側(cè)壁厚度為1.0mm，且噴氣孔、熱電偶、導(dǎo)通端子設(shè)置在底面的指定位置，而底面與板狀陶瓷體之間的距離保持20mm。
陶瓷加熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下，支承結(jié)構(gòu)A用于支承板狀陶瓷體的周圍下面，支承結(jié)構(gòu)B用于支承板狀陶瓷體的外圍剖面，且在支承結(jié)構(gòu)A中，板狀陶瓷體的直徑和金屬外殼的外觀直徑相同。
接觸部材特點(diǎn)如下接觸部材的剖面為圓形，呈環(huán)狀。圓形剖面直徑為1mm，且接觸部材材質(zhì)優(yōu)選SUS304、碳素鋼，并將制造的各種陶瓷加熱器作為試樣No.261～273。
下面利用直徑為300mm、29處設(shè)有測(cè)溫電阻的測(cè)溫用晶片，評(píng)價(jià)制作的陶瓷加熱器。向各陶瓷加熱器的電阻發(fā)熱體通電，并在60秒內(nèi)將加熱表面上的晶片溫度升至300℃，再用300秒將其溫度強(qiáng)制降至40℃以下，持續(xù)熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)10000次。然后，5分鐘內(nèi)將晶片W溫度由25℃升至200℃，當(dāng)晶片W溫度升至200℃時(shí)繼續(xù)加熱，直至將其平均溫度控制在200℃±0.5℃范圍左右，并將這一溫度維持10分鐘左右。再將此時(shí)的晶片最大和最小溫度差作為晶片W在正常狀態(tài)下的溫度差。然后，在加熱陶瓷加熱器的狀態(tài)下，用升降銷提起晶片W，放在常溫下冷卻至25℃，然后將晶片W放到晶片加熱面加熱，直至晶片W表面平均溫度達(dá)到200℃，并測(cè)量晶片W各部分的溫度。最后對(duì)時(shí)間段求出晶片W表面的最大溫度和最小溫度之差，作為過(guò)渡時(shí)的晶片W表面的最大溫度差。
結(jié)果如表5。
表5

A通過(guò)在金屬外殼上夾入接觸部材的方式，固定板狀陶瓷體。
B通過(guò)夾入接觸部材的方式將板狀陶瓷體外圍固定在金屬外殼。
如表5中試樣No.261所示，板狀陶瓷體直徑與電阻發(fā)熱體外切圓直徑之比為85％較小，而正常狀態(tài)下的晶片溫度差為0.54℃稍大。
如試樣No.273所示，板狀陶瓷體直徑與電阻發(fā)熱體外切圓直徑之比為99.5％較大，正常狀態(tài)下的晶片溫度差為0.52℃稍大，而過(guò)渡時(shí)晶片表面的最大溫度差為8.73℃稍大。
相反，如試樣No.262～272所示，正常狀態(tài)下的晶片溫度差為0.46℃以下，且過(guò)渡時(shí)晶片表面的最大溫度差為6.52℃以下，板狀陶瓷體直徑與電阻發(fā)熱體外切圓直徑之比為90～99％，因此可判斷出它是一個(gè)性能優(yōu)良的陶瓷加熱器。
如試樣No.263～271所示，板狀陶瓷體直徑與電阻發(fā)熱體外切圓直徑之比為92～98％，且正常狀態(tài)下的晶片溫度差為0.24℃以下，故可判斷出它是一個(gè)性能更優(yōu)良的陶瓷加熱器。
(實(shí)施例6)按實(shí)施例3的方式制作板狀陶瓷體。
但是，板狀陶瓷體的厚度為0.5～10mm，電阻發(fā)熱體的厚度為1～100μm。
按實(shí)施例3的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果如表6。
表6

結(jié)果，如試樣No.285所示，板狀陶瓷體的厚度較小為0.5mm的陶瓷加熱器，其正常狀態(tài)下的晶片溫度差稍大為0.54℃。再者，如試樣No.297所示，板狀陶瓷體的厚度較大為10mm的陶瓷加熱器，其正常狀態(tài)下的晶片溫度差稍大為0.48℃。
如試樣No.288所示，電阻發(fā)熱體的厚度較小為1μm的陶瓷加熱器，其過(guò)渡時(shí)晶片表面的最大溫度差稍大為6.51℃。
如試樣No.294所示，電阻發(fā)熱體的厚度為100μm的較厚的陶瓷加熱器，其過(guò)渡時(shí)晶片表面的最大溫度差稍大為6.52℃。
相反，如試樣No.286、287、289～293、295、296所示，板狀陶瓷體的厚度為1～7mm、電阻發(fā)熱體的厚度為5～70μm的陶瓷加熱器，其正常狀態(tài)下的晶片溫度差小為0.30℃以內(nèi)、升溫時(shí)晶片的溫度差也小為4.21℃以下，可見(jiàn)，其性能優(yōu)越。
如試樣No.287、289～293、295所示，板狀陶瓷體的厚度為2～5mm、電阻發(fā)熱體的厚度為5～70μm的陶瓷加熱器，其正常狀態(tài)下的晶片溫度差小為0.22℃以內(nèi)、過(guò)渡時(shí)晶片的溫度差也小為4.19℃以下，可見(jiàn)，其性能優(yōu)越。
(實(shí)施例7)首先，向氮化鋁粉末中添加1.0重量％的氧化釔，再用球磨機(jī)把異丙醇和聚氨酯球混煉48小時(shí)，生成氮化鋁漿料。
將氮化鋁漿料通入200Mesh過(guò)濾網(wǎng)，除去聚氨酯球或球磨機(jī)壁的碎渣后，將其放入120℃防爆干燥機(jī)干燥24小時(shí)。
然后，在生成的氮化鋁粉末中摻入壓克力系粘合劑和溶劑制成氮化鋁SLIP后，依據(jù)刮膠板法(doctor blade)制作多個(gè)氮化鋁膜片(Green Sheet)。
將生成的多個(gè)氮化鋁膜片(Green Sheet)經(jīng)過(guò)復(fù)合熱壓縮制成層疊體。
然后，將層疊體置于非氧化性氣流中，在500℃溫度下脫脂5個(gè)小時(shí)，再將其置于非氧化環(huán)境中，在1900℃溫度下燒結(jié)5小時(shí)，最終形成具有各種熱傳導(dǎo)率的板狀陶瓷體。
研磨加工氮化鋁燒結(jié)體后，制作多個(gè)厚度為3mm、直徑為330mm的圓盤(pán)狀的板狀陶瓷體，并在距離中心60mm的同心圓上均等地生成通孔孔徑為4mm的3個(gè)通孔。
接著，為了在板狀陶瓷體上粘附電阻發(fā)熱體，將導(dǎo)電材料Au粉末、Pd粉末、以及添加由上述成分構(gòu)成的粘合劑的玻璃糊混煉制成導(dǎo)電體糊，再用絲網(wǎng)印刷將含導(dǎo)電體糊印刷成指定圖形后，加熱至150℃干燥有機(jī)溶劑，并在550℃下進(jìn)行30分鐘脫脂處理后，在700～900℃下燒結(jié)，最終制成厚度為50μm的電阻發(fā)熱體5。
電阻發(fā)熱體帶的排列方式中心部分有一個(gè)直徑為25％板狀陶瓷體直徑D的圓圈和電阻發(fā)熱體帶，其外側(cè)為圓環(huán)狀電阻發(fā)熱體帶，其外側(cè)的外徑為45％D的圓環(huán)被2個(gè)電阻發(fā)熱體帶隔開(kāi)，最外圍內(nèi)徑為70％D的圓環(huán)被4個(gè)電阻發(fā)熱體隔開(kāi)，共計(jì)有8個(gè)電阻發(fā)熱體帶。然后，將最外圍的4個(gè)電阻發(fā)熱體帶外切圓C的直徑設(shè)定為310mm制作試樣。之后，在電阻發(fā)熱體5硬釬焊固定供電部6。此外，在本實(shí)施例中，位于中心的電阻發(fā)熱體和其外側(cè)環(huán)狀的發(fā)熱體呈并聯(lián)連接，以便同時(shí)控制加熱溫度。
將圓弧帶之間的距離設(shè)定為L(zhǎng)1，在半徑方向相鄰的圓弧狀圖形之間的距離設(shè)定為L(zhǎng)2，其比例為L(zhǎng)1/L2×100％，根據(jù)不同的比例制作晶片加熱裝置。
有底的金屬外殼選自鋁制金屬，其中，底面厚度為2.0mm、側(cè)壁厚度為1.0mm，且噴氣孔、熱電偶、導(dǎo)通端子設(shè)置在底面的指定位置，而底面與板狀陶瓷體之間的距離保持20mm。
然后，在上述有底的金屬外殼開(kāi)口部重疊板狀陶瓷體。為了避免板狀陶瓷體和有底的金屬外殼直接接觸，其外圍穿入螺栓后夾上環(huán)狀接觸部材，但是，可優(yōu)選夾入彈性體，然后擰上螺母彈性固定。
接觸部材特點(diǎn)如下接觸部材17的剖面為L(zhǎng)字型，呈圓環(huán)狀。L字型截表面與板狀陶瓷體的下面相接觸，呈圓環(huán)狀，且與板狀陶瓷體的接觸面寬度為3mm，接觸部材材質(zhì)優(yōu)選耐熱樹(shù)脂。最后將制造的各種陶瓷加熱器作為試樣No.301～309。
下面利用直徑為300mm、29處設(shè)有測(cè)溫電阻的測(cè)溫用晶片，評(píng)價(jià)制作的陶瓷加熱器。向各陶瓷加熱器的電阻發(fā)熱體通電，然后，5分鐘內(nèi)將晶片W溫度由25℃升至200℃，當(dāng)晶片W溫度達(dá)到200℃時(shí)取下晶片W，再將常溫下的測(cè)溫晶片W放到晶片加熱表面加熱，并在晶片W平均溫度達(dá)到200℃±0.5℃范圍時(shí)測(cè)量溫度。然后，5分鐘內(nèi)將溫度由30℃升至200℃，并將這一溫度維持5分鐘，5分鐘后再用30分鐘冷卻，如此反復(fù)熱循環(huán)1000次。最后，將常溫下的溫度設(shè)置為200℃，并將10分鐘后晶片溫度的最大值和最小值之差作為晶片W的溫度差進(jìn)行測(cè)量。
結(jié)果如表7。
表7

***表示本發(fā)明以外的實(shí)施例。
如試樣No.301所示，L1/L2之比為20％過(guò)小，故晶片溫度差增至1.2℃。
如試樣No.309所示，L1/L2之比為120％過(guò)大，故晶片溫度差增至2.6℃。
另一方面，在試樣No.302～308中，位于同一圓周上的一對(duì)折回圓弧帶之間的距離小于在半徑方向相鄰的圓弧狀圖形之間的距離，且晶片溫度差小為0.5℃以下，可見(jiàn)，其性能優(yōu)越。
如試樣No.303～305所示，L1/L2之比為40～60％，且晶片溫度差小為0.39℃以下，可見(jiàn)，具有更加優(yōu)越的性能。
(實(shí)施例8)按實(shí)施例7的方式制作板狀陶瓷體。
研磨加工氮化鋁燒結(jié)體后，制作多個(gè)厚度為3mm、呈直徑為315mm～330mm的圓盤(pán)狀的板狀陶瓷體2，并在距離中心60mm的同心圓上均等地生成通孔孔徑為4mm的3個(gè)通孔。
接著，為了在板狀陶瓷體2上粘附電阻發(fā)熱體5，將導(dǎo)電材料Au粉末、Pd粉末、以及添加由上述成分構(gòu)成的粘合劑的玻璃糊混煉制成導(dǎo)電體糊，再用絲網(wǎng)印刷將含導(dǎo)電體糊印刷成指定圖形后，加熱至150℃干燥有機(jī)溶劑，并在550℃下進(jìn)行30分鐘脫脂處理后，在700～900℃下燒結(jié)，最終制成厚度為50μm的電阻發(fā)熱體5。
電阻發(fā)熱體帶4的排列方式中心部分有一個(gè)直徑為D1(mm)的圓形的電阻發(fā)熱體帶，其外側(cè)為圓環(huán)狀電阻發(fā)熱體帶，其外側(cè)的外徑為D2(mm)的圓環(huán)被隔開(kāi)成2個(gè)電阻發(fā)熱體帶，最外圍內(nèi)徑為D3的圓環(huán)被隔開(kāi)成4個(gè)電阻發(fā)熱體，共計(jì)有8個(gè)電阻發(fā)熱體帶。然后，將最外圍的4個(gè)電阻發(fā)熱體帶外切圓C的直徑設(shè)定為310mm，并變更D1、D2、D3的比例制作試樣。之后，在電阻發(fā)熱體5硬釬焊固定供電部6。此外，在本實(shí)施例中，位于中心的電阻發(fā)熱體和其外側(cè)環(huán)狀的發(fā)熱體呈并列連接，以便同時(shí)控制加熱溫度。
下面制作幾個(gè)不同的陶瓷發(fā)熱器，用來(lái)比較。按照?qǐng)D21所示電阻發(fā)熱體帶結(jié)構(gòu)，制作矩形發(fā)熱體帶尺寸為212×53mm，具有8個(gè)矩形發(fā)熱體帶的陶瓷加熱器，作為試樣No.336。同樣，按照?qǐng)D20所示電阻發(fā)熱體結(jié)構(gòu)，制作D1r為150mm、D2r為310mm的陶瓷加熱器，作為試樣No.337。按照?qǐng)D19所示電阻發(fā)熱體帶結(jié)構(gòu)制作陶瓷加熱器，作為試樣No.338。試樣No.339結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為，電阻發(fā)熱體帶為圓形，并由一個(gè)電阻發(fā)熱體構(gòu)成。
有底的金屬外殼選自鋁制金屬，其中，底面厚度為2.0mm、側(cè)壁厚度為1.0mm，且噴氣孔、熱電偶、導(dǎo)通端子設(shè)置在底面的指定位置，而底面與板狀陶瓷體之間的距離保持20mm。
然后，在上述有底的金屬外殼開(kāi)口部重疊板狀陶瓷體。為避免板狀陶瓷體和有底的金屬外殼直接接觸，其外圍穿入螺栓后夾上環(huán)狀接觸部材，但是，可優(yōu)選夾入彈性體，然后擰上螺母彈性固定。
接觸部材特點(diǎn)如下接觸部材17的剖面為L(zhǎng)字型，呈環(huán)狀。L字型剖面與板狀陶瓷體的接觸面寬度為3mm，接觸部材材質(zhì)優(yōu)選耐熱樹(shù)脂。最后將制造的各種陶瓷加熱器作為試樣No.311～339。
下面利用直徑為300mm、29處設(shè)有測(cè)溫電阻的測(cè)溫用晶片，評(píng)價(jià)制作的陶瓷加熱器。向各陶瓷加熱器的電阻發(fā)熱體通電，然后，5分鐘內(nèi)將晶片W溫度由25℃升至200℃，當(dāng)晶片W溫度達(dá)到200℃時(shí)取下晶片W，再將常溫下的測(cè)溫晶片W放到晶片加熱表面加熱，并在晶片W平均溫度達(dá)到200℃±0.5℃范圍時(shí)測(cè)量溫度。然后，5分鐘內(nèi)將溫度由30℃升至200℃，并將這一溫度維持5分鐘，5分鐘后再用30分鐘冷卻，如此反復(fù)熱循環(huán)1000次。最后，將常溫下的溫度設(shè)置為200℃，并將10分鐘后晶片溫度的最大值和最小值之差作為晶片W的溫度差進(jìn)行測(cè)量。
結(jié)果如表8。
表8

本發(fā)明所涉及的陶瓷加熱器1中，選取中心部位排列圓形電阻發(fā)熱體帶，且其外側(cè)的同心圓的3個(gè)圓環(huán)內(nèi)設(shè)有電阻發(fā)熱體帶的試樣No.311～335陶瓷加熱器，其晶片W溫度差小于0.5℃，且響應(yīng)時(shí)間也未為48秒以下，因此是非常優(yōu)異的設(shè)計(jì)圖形。還有，表8中所列的試樣如試樣No.312～317，319～325，328～334所示的陶瓷加熱器，位于中心部位的電阻發(fā)熱體帶外徑D1是該最外周的電阻發(fā)熱體帶外徑D的20～40％，外徑D2是外徑D的40～55％，外徑D3是外徑D的55～85％，晶片W的溫度差為0.43℃以下，響應(yīng)時(shí)間為39秒以下，顯示出了優(yōu)越的性能。
另外，如試樣No.312～315所示的陶瓷加熱器，位于中心部位的電阻發(fā)熱體帶的外徑D1為電阻發(fā)熱體外切圓D的20～30％，而晶片溫度差為0.39℃以下，響應(yīng)時(shí)間小為35秒以下，由此可見(jiàn)，該試樣表現(xiàn)出來(lái)的性能優(yōu)異。如試樣No.313、314所示的陶瓷加熱器，外徑D1是D的23～27％，晶片溫度差為0.28℃以下，響應(yīng)時(shí)間為28秒以下，可見(jiàn)，其性能更優(yōu)。
另外，如試樣No.320～324所示的陶瓷加熱器，外徑D2是D的41～53％，而晶片溫度差為0.39℃以下，響應(yīng)時(shí)間也為34秒以下，由此可見(jiàn)，該試樣表現(xiàn)出來(lái)的性能優(yōu)異。如試樣No.321～323所示的陶瓷加熱器，外徑D2是D的43～49％，而晶片溫度差小為0.29℃以下，響應(yīng)時(shí)間也小為28秒以下，可見(jiàn)，其性能更優(yōu)。
另外，如試樣No.328～334所示的陶瓷加熱器，外徑D3是D的55～85％，而晶片溫度差小為0.42℃以下，響應(yīng)時(shí)間也小為39秒以下，由此可見(jiàn)，該試樣表現(xiàn)出來(lái)的性能優(yōu)異。如試樣No.330～334所示的陶瓷加熱器，外徑D3是D的65～85％，晶片溫度差小為0.38℃以下，而響應(yīng)時(shí)間小為34秒以下，故其效果更佳。此外，如試樣No.331、332所示的陶瓷加熱器，外徑D3是D的67～70％，晶片溫度差也小為0.23℃以下，且響應(yīng)時(shí)間小為28秒以下，可見(jiàn)，其性能更優(yōu)。
由此可見(jiàn)，不屬于本發(fā)明范圍的試樣No.336～339所顯示，晶片溫度差大為1.8℃以上，且響應(yīng)時(shí)間也大為55秒，可見(jiàn)，性能較差。
(實(shí)施例9)如實(shí)施例8的制造方式制造了板狀陶瓷體。
然后，將此氮化鋁燒結(jié)體經(jīng)過(guò)磨削加工，制作成多個(gè)厚3.0mm，呈直徑3 15mm～345mm的圓盤(pán)狀的板狀陶瓷體，另外在距中心約60mm處的同心圓狀體上均等設(shè)置3個(gè)通孔，該通孔孔徑為4mm。
然后，為了將電阻發(fā)熱體5粘附到板狀陶瓷體2上，將Au粉末、Pd粉末等導(dǎo)電材料、上述成分構(gòu)成的添加粘合劑的玻璃糊徑混煉制成導(dǎo)電體糊，再用絲網(wǎng)印刷將導(dǎo)電體糊印刷成規(guī)定形狀后，加熱至150℃，烘干有機(jī)溶劑，并在550℃條件下進(jìn)行30分鐘脫脂處理后，在700～900℃下進(jìn)行燒結(jié)，最終制造成厚為50μm的電阻發(fā)熱體5。
電阻發(fā)熱體5的排列圖形如下，從中心部位，按圓以及圓環(huán)狀放射形分割，在中心部位形成圓形排列，在其外側(cè)形成圓環(huán)狀電阻發(fā)熱體排列，再其外側(cè)形成兩個(gè)電阻發(fā)熱體排列，最外周排列4個(gè)排列圖形，總共為8個(gè)排列圖形。而且，最外周的4個(gè)電阻發(fā)熱體的外切圓C直徑為310mm，以替換板狀陶瓷體的直徑。然后，供電部6硬釬焊固定到電阻發(fā)熱體5上即可。
有底的金屬外殼構(gòu)成如下，底面由厚為2.0mm鋁基材構(gòu)成，側(cè)壁則由厚為1.0mm鋁基材構(gòu)成。另外，在底面相應(yīng)位置設(shè)置了噴氣孔、熱電偶、導(dǎo)通端子等。另外，使底面與板狀陶瓷體間相距20mm。
然后，在上述有底的金屬外殼開(kāi)口部重疊板狀陶瓷體。為了避免板狀陶瓷體和有底的金屬外殼直接接觸，其外圍穿入如試樣No.301的螺栓后插設(shè)環(huán)狀接觸部材，在外殼側(cè)插設(shè)彈性材，然后擰上螺母，賦予彈性，提高穩(wěn)固性。
如實(shí)施例7，對(duì)所制造的陶瓷加熱器進(jìn)行評(píng)價(jià)如下。
各項(xiàng)結(jié)果如表9所示表9

○○○○○○○表示性能優(yōu)越。
表9中，如試樣No.345所顯示，電阻發(fā)熱體外切圓的直徑與板狀陶瓷體比率顯得較小僅為85％，且晶片面內(nèi)溫度差也較大達(dá)到0.48℃，尤其響應(yīng)時(shí)間較大達(dá)到35秒。
如試樣No.352所顯示，電阻發(fā)熱體外切圓的直徑與板狀陶瓷體比率較大達(dá)到99％，且晶片面內(nèi)溫度差也稍大，達(dá)到0.42℃，而響應(yīng)時(shí)間為也稍大，為32秒。
與此相比，如試樣No.346～351所示的陶瓷加熱器，晶片面內(nèi)溫度差小為0.28℃以下，且響應(yīng)時(shí)間也較小為29秒以下，而電阻發(fā)熱體外切圓的直徑與板狀陶瓷體直徑的比率達(dá)到90～97％，可見(jiàn)，其性能非常優(yōu)越。
(實(shí)施例10)如實(shí)施例7制造板狀陶瓷體。
只是，改變糊印刷厚度為20μm，且更改了相對(duì)圍繞電阻發(fā)熱體的外切圓的電阻發(fā)熱體所占的面積比率。
以下按實(shí)施例7的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果如表10。
表10

○◎☆☆◎○如同試樣No.360所示，相對(duì)于圍繞該帶狀電阻發(fā)熱體的外切圓C該電阻發(fā)熱體面積所占比率小于5％的試樣，其晶片面內(nèi)溫度差達(dá)到0.35℃，略顯大。另外，如同試樣No.367所示，如果相對(duì)圍繞該帶狀電阻發(fā)熱體的外切圓C該電阻發(fā)熱體所占面積的比率超過(guò)30％，便會(huì)出現(xiàn)晶片局部高溫現(xiàn)象，故晶片面內(nèi)溫度差將達(dá)0.34℃，略顯大。
如試樣No.361～366所示，相對(duì)于電阻發(fā)熱體的外切圓C，該電阻發(fā)熱體面積所占比率達(dá)5～30％的試樣，其晶片面內(nèi)溫度差小為0.24℃以下，因此性能非常優(yōu)越。
如同試樣No.362～365所示，通過(guò)相對(duì)電阻發(fā)熱體的外切圓C，將該電阻發(fā)熱體所占面積的比率設(shè)置為10～25％，可使晶片面內(nèi)溫度差為0.19℃以內(nèi)；如同試樣No.363、364所示，也可以通過(guò)相對(duì)于電阻發(fā)熱體的外切圓C將該電阻發(fā)熱體面積所占比率設(shè)置為15～20％，可以使晶片面內(nèi)溫度差能減小到0.13℃以內(nèi)，故性能極佳。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷加熱器，以板狀陶瓷體的一側(cè)主面作為加熱面，在該板狀陶瓷體的內(nèi)部或另一側(cè)主面上配置帶狀電阻發(fā)熱體，其特征在于上述電阻發(fā)熱體由導(dǎo)電粒子與絕緣性組合物構(gòu)成，并且具有被多個(gè)上述導(dǎo)電粒子所包圍的塊狀絕緣性組合物。
2.如權(quán)利要求1所述的陶瓷加熱器，其特征在于，塊狀絕緣性組合物的平均粒徑為上述導(dǎo)電粒子平均粒徑的3倍以上。
3.如權(quán)利要求1所述的陶瓷加熱器，其特征在于，上述導(dǎo)電粒子的平均粒徑為0.1～5μm，上述塊狀絕緣性組合物的平均粒徑為3～100，。
4.如權(quán)利要求1所述的陶瓷加熱器，其特征在于，上述塊狀絕緣性組合物中內(nèi)置有熱膨脹系數(shù)比絕緣性組合物大的粒子。
5.如權(quán)利要求4所述的陶瓷加熱器，其特征在于，上述熱膨脹系數(shù)大的粒子是與上述導(dǎo)電粒子相同的組合物。
6.如權(quán)利要求4所述的陶瓷加熱器，其特征在于，在剖面上，包含在上述塊狀絕緣性組合物內(nèi)的粒子所占的面積率為10％以下。
7.一種陶瓷加熱器，以板狀陶瓷體的一側(cè)主面作為加熱面，在該板狀陶瓷體的內(nèi)部或另一側(cè)主面配置帶狀電阻發(fā)熱體，其特征在于，沿著上述板狀陶瓷體和上述電阻發(fā)熱體的界面，在上述電阻加熱體中設(shè)置空孔。
8.一種陶瓷加熱器，以板狀陶瓷體的一側(cè)主面作為加熱面，在該板狀陶瓷體的另一側(cè)主面介由絕緣層配置帶狀電阻發(fā)熱體，其特征在于，沿著上述板狀陶瓷體和上述絕緣層的界面，在上述絕緣層中設(shè)置空孔。
9.如權(quán)利要求7或8所述的陶瓷加熱器，其特征在于，上述空孔的大小為0.05～50μm。
10.如權(quán)利要求7或8所述的陶瓷加熱器，其特征在于，在上述板狀陶瓷體的垂直于主面的剖面上，上述空孔的線密度為1000～500000個(gè)/m。
11.一種陶瓷加熱器，以板狀陶瓷體的一側(cè)主面作為加熱面，在該板狀陶瓷體的內(nèi)部或另一側(cè)主面配置帶狀電阻發(fā)熱體，其特征在于，上述電阻發(fā)熱體由導(dǎo)電粒子和絕緣性組合物構(gòu)成，使具有大致相同寬度的圓弧帶與折回圓弧帶相連續(xù)配置成大致同心圓狀，位于同一圓周上的一對(duì)折回圓弧帶之間的距離比沿半徑方向相鄰的圓弧帶之間的距離小。
12.如權(quán)利要求11所述的陶瓷加熱器，其特征在于，位于上述同一圓周上的一對(duì)折回圓弧帶之間的距離為沿半徑方向相鄰的圓弧帶之間距離的30％～80％。
13.如權(quán)利要求11所述的陶瓷加熱器，其特征在于，設(shè)置能夠獨(dú)立加熱的多個(gè)帶狀電阻發(fā)熱體，至少一個(gè)上述電阻發(fā)熱體的、位于同一圓周上的一對(duì)折回圓弧帶之間的距離小于沿半徑方向相鄰的圓弧帶之間的距離。
14.如權(quán)利要求11所述的陶瓷加熱器，其特征在于，上述電阻發(fā)熱體由位于中心部的圓形的電阻發(fā)熱體帶和其外側(cè)的同心圓的3個(gè)圓環(huán)狀電阻發(fā)熱體帶構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求14所述的陶瓷加熱器，其特征在于，上述中心部的電阻發(fā)熱體帶的外徑D1為最外周的電阻發(fā)熱體帶外徑D的20～40％，其外側(cè)的電阻發(fā)熱體帶的外徑D2為外徑D的40～55％，其外側(cè)的電阻發(fā)熱體帶的內(nèi)徑D3為最外周的電阻發(fā)熱體帶外徑D的55～85％。
16.如權(quán)利要求14所述的陶瓷加熱器，其特征在于，在上述3個(gè)圓環(huán)狀電阻發(fā)熱體帶中的最內(nèi)側(cè)的電阻發(fā)熱體帶為一個(gè)獨(dú)立的電阻發(fā)熱體，在其外側(cè)具有圓環(huán)的電阻發(fā)熱體，其外側(cè)的電阻發(fā)熱體帶是將圓環(huán)沿圓周方向2等分得到的2個(gè)扇形，其外側(cè)的電阻發(fā)熱體帶是將圓環(huán)沿圓周方向4等分得到的4個(gè)扇形。
17.如權(quán)利要求14所述的陶瓷加熱器，其特征在于，上述中心部的電阻發(fā)熱體帶和其外側(cè)的環(huán)狀電阻發(fā)熱體之間具有貫通上述板狀陶瓷體的通孔。
18.如權(quán)利要求11所述的陶瓷加熱器，其特征在于，上述最外周的電阻發(fā)熱體帶的帶寬小于其內(nèi)側(cè)的其他電阻發(fā)熱體帶的帶寬。
19.如權(quán)利要求11所述的陶瓷加熱器，其特征在于，相對(duì)于包圍上述電阻發(fā)熱體帶的外切圓的面積，電阻發(fā)熱體在該外切圓內(nèi)所占面積的比率為5～30％。
20.一種晶片加熱裝置，其特征在于，將權(quán)利要求1所述的陶瓷加熱器的板狀陶瓷體的一側(cè)主面作為加載晶片的晶片加熱面。
21.一種晶片加熱裝置，其特征在于，將權(quán)利要求7所述的陶瓷加熱器的板狀陶瓷體的一側(cè)主面作為加載晶片的晶片加熱面。
22.一種晶片加熱裝置，其特征在于，將權(quán)利要求8所述的陶瓷加熱器的板狀陶瓷體的一側(cè)主面作為加載晶片的晶片加熱面。
23.一種晶片加熱裝置，其特征在于，將權(quán)利要求11所述的陶瓷加熱器的板狀陶瓷體的一側(cè)主面作為加載晶片的晶片加熱面。
24.一種半導(dǎo)體晶片的制造方法，其特征在于，將半導(dǎo)體晶片與權(quán)利要求20所述的晶片加熱裝置的晶片加熱面相對(duì)向配置，利用上述晶片加熱裝置來(lái)加熱上述半導(dǎo)體晶片，并且進(jìn)行半導(dǎo)體薄膜的成膜處理、蝕刻處理、抗蝕膜形成。
25.一種半導(dǎo)體晶片的制造方法，其特征在于，將半導(dǎo)體晶片與權(quán)利要求21所述的晶片加熱裝置的晶片加熱面相對(duì)向配置，利用上述晶片加熱裝置來(lái)加熱上述半導(dǎo)體晶片，并且進(jìn)行半導(dǎo)體薄膜的成膜處理、蝕刻處理、抗蝕膜形成。
26.一種半導(dǎo)體晶片的制造方法，其特征在于，將半導(dǎo)體晶片與權(quán)利要求22所述的晶片加熱裝置的晶片加熱面相對(duì)向配置，利用上述晶片加熱裝置來(lái)加熱上述半導(dǎo)體晶片，并且進(jìn)行半導(dǎo)體薄膜的成膜處理、蝕刻處理、抗蝕膜形成。
27.一種半導(dǎo)體晶片的制造方法，其特征在于，將半導(dǎo)體晶片與權(quán)利要求23所述的晶片加熱裝置的晶片加熱面相對(duì)向配置，利用上述晶片加熱裝置來(lái)加熱上述半導(dǎo)體晶片，并且進(jìn)行半導(dǎo)體薄膜的成膜處理、蝕刻處理、抗蝕膜形成。
全文摘要
一種陶瓷加熱器、晶片加熱裝置以及半導(dǎo)體基板的制造方法，在以板狀陶瓷體的一主面作為加熱面且在其板狀陶瓷體的內(nèi)部或另一側(cè)主面配置電阻發(fā)熱體的陶瓷加熱器中，若反復(fù)快速升溫或降溫，板狀陶瓷體和電阻發(fā)熱體之間將出現(xiàn)裂紋，無(wú)法均勻加熱晶片，或因電阻發(fā)熱體斷線導(dǎo)致無(wú)法加熱陶瓷加熱器。為此，電阻發(fā)熱體由導(dǎo)電粒子和絕緣性組合物構(gòu)成，設(shè)有被多個(gè)上述導(dǎo)電粒子包圍的塊狀絕緣性組合物、或者沿著上述板狀陶瓷體和上述電阻發(fā)熱體的界面在上述電阻發(fā)熱體中設(shè)置空孔。在電阻發(fā)熱體的圖形上，使具有大致相同寬度的圓弧帶與折回圓弧帶連續(xù)配置成大致同心圓狀，位于同一圓周上的一對(duì)折回圓弧帶之間的距離比沿半徑方向相鄰的圓弧帶之間的距離小。
文檔編號(hào)H05B3/22GK1662105SQ20051000656
公開(kāi)日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2005年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月23日
發(fā)明者中村恒彥 申請(qǐng)人:京瓷株式會(huì)社