(57)【要約】【課題】  発熱抵抗体層が薄く、厚さのバラツキの小さいヒーター基板およびそれを用いたヒーター装置並びにその製造方法を提供する。【解決手段】  Ｔｉ−Ａｇ−Ｃｕ系活性金属ペーストを塗布、焼成した後、エッチングすることにより、窒化チタン層を主成分とする発熱抵抗体層を具備したヒーター基板を得ることができる。これらヒーター基板は発熱抵抗体層は厚さ１０μｍ以下の活性金属窒化物層であり、厚さのバラツキが２０％以下と平坦性が優れている。これらのヒーター基板はガラス基板と密着するヒーター装置に好適である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系セラミックス基板上に発熱抵抗体層を具備するヒーター基板において、前記発熱抵抗体層は厚さ１０μｍ以下の活性金属窒化物層であり、厚さのバラツキが２０％以下であることを特徴とするヒーター基板。
【請求項２】
前記活性金属窒化物は窒化チタン、窒化ハフニウム、窒化ジルコニウム、窒化ニオブの少なくとも一種を主成分とすることを特徴とする請求項１記載のヒーター基板。
【請求項３】
前記発熱抵抗体層の厚さが５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のヒーター基板。
【請求項４】
前記発熱抵抗体層の平坦度が２μｍ／５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のヒーター基板。
【請求項５】
前記窒化物系セラミックス基板厚が１ｍｍ以下の窒化珪素基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のヒーター基板。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のヒーター基板を用いたヒーター装置において、前記発熱抵抗体層にガラス基板を密着させて用いることを特徴とするヒーター装置。
【請求項７】
窒化物系セラミックス基板上に発熱抵抗体層を具備するヒーター基板の製造方法において、
（ａ）Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂの少なくとも１種とＡｇおよびＣｕを有する活性金属ペーストを窒化物系セラミックス基板上に塗布する工程、
（ｂ）前記活性金属ペーストを焼成することにより金属窒化物層を形成する工程、
（ｃ）エッチングにより、金属窒化物層上のＡｇおよびＣｕを主成分とする層を除去する工程、
を有することを特徴とするヒーター基板の製造方法。
【請求項８】
前記活性金属ペーストの塗布厚が５〜４０μｍであることを特徴とする請求項７記載のヒーター基板の製造方法。
【請求項９】
前記活性金属ペーストは、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂの少なくとも１種を０．５〜１０重量部、Ａｇ６０〜８０重量部およびＣｕ１５〜３５重量部含有することを特徴とする請求項７または請求項８のいずれか１項に記載のヒーター基板の製造方法。
【請求項１０】
前記活性金属ペーストは、ＳｎまたはＩｎの少なくとも１種を５〜２０重量部含有することを特徴とする請求項９記載のヒーター基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱抵抗体層の薄型化が可能なヒーター基板に関する。また、サーマルヘッド、半導体製造装置など各種装置に適用できるヒータ装置に関する。また、ヒーター基板の歩留まり良い製造方法も提供する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、窒化アルミニウム基板や窒化珪素基板等の窒化物系セラミックス基板上に金属、金属酸化物等の発熱抵抗体を設けたヒーター基板が用いられている。これらヒーター基板は、サーマルヘッド、半導体製造装置などの面状ヒーターに用いられている。
例えば、特許第３２０４６４０号公報（特許文献１）には、サーマルヘッド用ヒーター基板が開示されている。また、特開２００４−３５６６３８号公報（特許文献２）では半導体製造装置または検査装置用のヒーター基板が開示されている。これらヒーター基板の発熱抵抗体層としては、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ−ＳｉＯ２などの材料が用いられている。
発熱抵抗体層の形成方法としては、目的とする材料の板材を接合する方法や目的とする材料のペーストを焼成する方法などが用いられている。発熱抵抗体層は発熱面積を稼ぐためにスパイラル形状（渦巻き形状）、波形状、ミアンダ形状などの複雑形状に形成されている。ペーストを塗布して焼成する方法であれば、複雑形状に合わせてペーストを塗布すれば良いので様々な形状に対応できる。
【０００３】
【特許文献１】特許第３２０４６４０号公報
【特許文献２】特開２００４−３５６６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ペーストを焼成する方法では窒化物系セラミックス基板との濡れ性の悪い材料では十分な接合強度が得られなかった。窒化物系セラミックスと濡れ性のよい材料としてＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等の活性金属が挙げられる。金属成分として活性金属のみのペーストを用いると活性金属と窒化物系セラミックスが反応しＴｉＮ等の活性金属窒化物層が形成される。
しかしながら、金属成分として活性金属のみのペーストでは反応が均一に進まないため活性金属窒化物層の厚さにバラツキができてしまう。特に発熱抵抗体層を薄くしようとすると厚さのバラツキは４０％以上と大きくなっていた。そのため、ヒーター基板として用いると、金属基板やガラス基板等の被発熱部材に均一に接触できないため発熱ムラができてしまうと言った問題が生じていた。
また、発熱抵抗体層の厚さのバラツキを小さくしようとすると、一度、発熱抵抗体層を厚く形成した後、研磨等により厚さを調整せねばならず作業が煩雑であった。
【０００５】
本発明は以上のような問題に鑑み、発熱抵抗体層の厚みを薄くでき、かつ厚さのバラツキが２０％以下と小さいヒーター基板を提供する。また、それを用いたヒーター装置は被発熱部材との接触ムラが生じ難いので発熱ムラを抑制できる。また、本発明のヒーター基板の製造方法は、上記ヒーター基板を再現性よく得るための製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のヒーター基板は、窒化物系セラミックス基板上に発熱抵抗体層を具備するヒーター基板において、前記発熱抵抗体層は厚さ１０μｍ以下の活性金属窒化物層であり、厚さのバラツキが２０％以下であることを特徴とするものである。
また、前記活性金属窒化物は窒化チタン、窒化ハフニウム、窒化ジルコニウム、窒化ニオブの少なくとも一種を主成分とすることが好ましい。また、前記発熱抵抗体層の厚さが５μｍ以下であることが好ましい。
このような発熱抵抗体層であれば、前記発熱抵抗体層の平坦度が２μｍ／５０μｍ以下とすることができる。また、前記窒化物系セラミックス基板が１ｍｍ以下の窒化珪素基板であることが好ましい。
また、本発明のヒーター基板は前記発熱抵抗体層にガラス基板を密着させて用いるヒーター装置に好適である。
【０００７】
また、本発明のヒーター基板の製造方法は、窒化物系セラミックス基板上に発熱抵抗体層を具備するヒーター基板の製造方法において、
（ａ）Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂの少なくとも１種とＡｇおよびＣｕを有する活性金属ペーストを窒化物系セラミックス基板上に塗布する工程、
（ｂ）前記活性金属ペーストを焼成することにより金属窒化物層を形成する工程、
（ｃ）エッチングにより、金属窒化物層上のＡｇおよびＣｕを主成分とする層を除去する工程、
を有することを特徴とするものである。
また、前記活性金属ペーストの塗布厚が５〜４０μｍであることが好ましい。また、前記活性金属ペーストは、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂの少なくとも１種を０．５〜１０重量部、Ａｇ６０〜８０重量部およびＣｕ１５〜３５重量部含有することが好ましい。また、前記活性金属ペーストは、ＳｎまたはＩｎの少なくとも１種を５〜２０重量部含有することが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明した本発明のヒーター基板は、発熱抵抗体層の厚さを１０μｍ以下と薄くしたにも関わらず、その厚さバラツキを２０％以下と小さくすることができる。そのため、被発熱部材との接触ムラが生じないので発熱ムラの生じ難いヒーター装置を提供することができる。また、本発明のヒーター基板の製造方法は再現性よく本発明のヒーター基板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のヒーター基板は、窒化物系セラミックス基板上に発熱抵抗体層を具備するヒーター基板において、前記発熱抵抗体層は厚さ１０μｍ以下の活性金属窒化物層であり、厚さのバラツキが２０％以下であることを特徴とするものである。
窒化物系セラミックス基板としては、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板等が挙げられる。窒化アルミニウム基板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高熱伝導性に優れているが強度は４００ＭＰａ前後である。そのため、窒化アルミニウム基板の厚さを１ｍｍ以下と薄くすると強度が不十分になるおそれもある。一方、窒化珪素基板は熱伝導率は低いものの強度は７００ＭＰａ以上と優れている。特に近年は、特許文献１に記載したように熱伝導率６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、三点曲げ強度８００ＭＰａ以上の高熱伝導・高強度窒化珪素基板が開発されている。このような基板であれば基板厚さを１ｍｍ以下、さらには０．７ｍｍ、０．５ｍｍ以下と薄くしたとしても強度が十分であるので好ましい。基板厚さが薄いとヒーター基板を薄型化できるので、それを用いたヒーター装置の薄型化も可能とする。なお、強度の信頼性の観点からは基板の厚さの下限は０．２ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１０】
また、発熱抵抗体層に用いる金属窒化物は窒化チタン、窒化ハフニウム、窒化ジルコニウム、窒化ニオブの少なくとも一種を主成分とすることが好ましい。これら窒化物はいずれも活性金属窒化物であり、後述する活性金属ペーストを焼成した際に、活性金属と窒化物系セラミックス基板との反応により形成することができる。本発明では、直接、窒化チタン等の活性金属窒化物層を形成してもよいが、活性金属と窒化物系セラミックス基板との反応により形成する方法であれば、再現性良く、厚さを１０μｍ以下、さらには５μｍ以下とすることができる。なお、この発熱抵抗体層の厚さは、絶対値であり、基板表面から突出した分の厚さを測定するものとする。そのため、本発明のヒーター基板においては、発熱抵抗体層の厚さは、どこを測定しても１０μｍ以下となる。
【００１１】
また、本発明のヒーター基板において発熱抵抗体層の厚さは１０μｍ以下と薄く、その厚さのバラツキは２０％以下、さらに好ましくは１０％以下と非常に小さい。また、前記発熱抵抗体層の平坦度が２μｍ／５０μｍ以下であることが好ましい。
発熱抵抗体層の配線形状は、スパイラル型、波型、ミアンダ型など特に限定されるものではない。いずれの形状であったとしても発熱抵抗体層は、金属基板やガラス基板等の被発熱部材と接触させて用いることになる。このとき、発熱抵抗体層の厚さのバラツキが大きいと被発熱部材との接触が均一に保てなくなる。例えば、被発熱部材が１０ｃｍ×１０ｃｍ程度の中型で金属基板のように熱伝導性の良いものであれば発熱抵抗体層との接触にバラツキがあっても熱が均一に伝わる可能性が高いが、ガラス基板のように熱伝導率が低い材料であると熱が均一に伝わらないおそれがある。そのため、発熱抵抗体層の厚さのバラツキを２０％以下とし、さらには平坦度が２μｍ／５０μｍ以下であると被発熱部材との接触が均一に保てるので発熱ムラが生じ難い。このため、本発明のヒーター基板は、特に１０ｃｍ×１０ｃｍ以上の中型以上のサイズに効果的である。また、前述のようにガラス基板のような熱伝導率の低い材料と密着させて用いるものに好適である。
【００１２】
以上のような本発明のヒーター基板は各種ヒーター装置に好適である。ヒーター装置としてはサーマルプリントヘッドを用いたプリンタやコピー機などのＯＡ機器、半導体製造装置や半導体検査装置等の半導体関連装置などが挙げられる。
【００１３】
次に、本発明のヒーター基板の製造方法について説明する。本発明のヒーター基板の製造方法は特に限定されるものではないが、再現性良く得るための方法として以下の方法が挙げられる。
本発明のヒーター基板の製造方法は、窒化物系セラミックス基板上に発熱抵抗体層を具備するヒーター基板の製造方法において、
（ａ）Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂの少なくとも１種とＡｇおよびＣｕを有する活性金属ペーストを窒化物系セラミックス基板上に塗布する工程、
（ｂ）前記活性金属ペーストを焼成することにより金属窒化物層を形成する工程、
（ｃ）エッチングにより、金属窒化物層上のＡｇおよびＣｕリッチ層を除去する工程、
を有することを特徴とするものである。
【００１４】
まず、工程（ａ）において、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂの少なくとも１種とＡｇおよびＣｕを有する活性金属ペーストを調整する。前記活性金属ペーストは、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂの少なくとも１種を０．５〜１０重量部、Ａｇ６０〜８０重量部およびＣｕ１５〜３５重量部含有することが好ましい。活性金属の割合が０．５重量部未満であると活性金属窒化物層が均一に形成されない。また、１０重量部を超えると含有させた活性金属をすべて活性金属窒化物層に反応させるのに時間がかかり製造コストの増加を招く。また、ＡｇとＣｕの重量部比は共晶組成（Ａｇを７２重量部、Ｃｕを２８重量部）となるよう配分されることが好ましい。活性金属の他にＡｇとＣｕの両方を具備することにより、窒化物系セラミックス基板との反応をより均一にすることができ、厚さ１０μｍ以下の活性金属窒化物層を再現性良く得ることができる。
また、前記活性金属ペーストは、さらにＳｎまたはＩｎの少なくとも１種を５〜２０重量部含有させてもよい。ＳｎまたはＩｎを含有させると焼成温度を下げることができるので製造設備に対する負荷を低減させることができる。また、焼成温度が下がれば活性金属窒化物層形成後の残留応力を低減することができる。また、ＳｎおよびＩｎの両方を含有させても良いものとする。
以上のような活性金属、ＡｇおよびＣｕ、必要に応じＳｎまたはＩｎを所定量で混合し、有機溶媒中に添加して活性金属ペーストを調整する。調整された活性金属ペーストは目的とする発熱抵抗体層の形状に合わせて塗布される。塗布方法は特に限定されるものではないが、スクリーン印刷法を用いれば量産性が良い。
また、活性金属ペーストの塗布厚は５〜４０μｍであることが好ましい。ペーストの塗布厚が５μｍ未満では焼成後に均一な活性金属窒化物層を形成し難い。一方、４０μｍを越えると反応バラツキが生じ、活性金属窒化物層の厚さのバラツキが２０％を越え易くなる。
【００１５】
次に工程（ｂ）で窒化物系セラミックス基板上に塗布された活性金属ペーストを焼成する。焼成温度は８００〜９２０℃が好ましい。また、焼成時間は５〜３０分保持、雰囲気は１０−４Ｔｏｒｒ以下の真空中であることが好ましい。また、ＳｎまたはＩｎを含有させた場合は焼成温度を７００〜８００℃に下げることができる。例えば、ＡｇとＣｕを共晶組成にした場合、活性金属ペーストの融点は約７８０℃、さらにＳｎまたはＩｎを含有させると融点は約６８０℃まで下がるので焼成温度を下げることが可能となる。特に窒化物系セラミックス基板の厚さが０．５ｍｍ以下と薄い場合に残留応力を低減させるためにＳｎまたはＩｎを含有させることは効果的である。
焼成後の活性金属ペースト層は、窒化物系セラミックス基板上にＴｉＮ等の活性金属窒化物を主成分とする層とその上にＡｇおよびＣｕ（さらにはＳｎまたはＩｎ）を主成分とする２層構造が形成される。また、活性金属窒化物を主成分とする層中にはペーストに用いたＡｇ、ＣｕさらにはＳｎまたはＩｎが含有されていても良い。ただし、活性金属窒化物層は発熱抵抗体層として用いるので電気抵抗の低いＡｇ，ＣｕさらにはＳｎまたはＩｎがあまり多く含有されているのは好ましくなく（例えば、ＴｉＮはＡｇの１００倍程度抵抗値が高い）、その含有量は合計で１重量％以下であることが好ましい。言い換えれば活性金属窒化物の割合は９９重量％以上１００重量％以下が好ましい範囲となる。
【００１６】
次に工程（ｃ）で焼成後の活性金属ペースト層にエッチング処理を行いＡｇおよびＣｕを主成分とする層を除去する。エッチング溶液としては塩化鉄（ＦｅＣｌ３）溶液や硝酸（ＨＮＯ３）が挙げられる。上記エッチング液はＡｇやＣｕを効率よく除去できるので、エッチング後は活性金属窒化物層のみが残存することになる。
これを乾燥することにより、ヒーター基板が完成する。なお、必要に応じ、配線、電極等の発熱抵抗体層以外の構成を追加して良いものとする。
以上のような製造方法であれば、本発明のヒーター基板を再現性良く得ることができる。
【００１７】
（実施例）
（実施例１〜５、比較例１〜２）
実施例として、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの窒化珪素基板（熱伝導率７０Ｗ／ｍ・Ｋ、三点曲げ強度８２０ＭＰａ）を用意した。次に、Ｔｉを２重量部、Ａｇを７８重量部、Ｃｕを３２重量部含有した活性金属ペーストを厚さ１０〜２０μｍで塗布し、１０−４Ｔｏｒｒ以下の真空中において８００〜８８０℃×１０〜２０分で焼成し、その後、塩化鉄溶液でエッチングすることにより、表１に示すヒーター基板を調整した。なお、発熱抵抗体層の形状は図１に示した渦巻き型とした。
比較のためにＴｉのみの活性金属ペーストを厚さ２０μｍで塗布したものを比較例１、厚さ２０μｍのＴｉ板を用いたものを比較例２とした。
実施例および比較例にかかるヒーター基板に対し、活性金属窒化物層の厚さ、厚さのバラツキ、平坦度を測定した。活性金属窒化物層の厚さは窒化珪素基板から突出した厚さを任意の５箇所測定しその中で最も大きな数字を採用した。厚さのバラツキは、測定した任意の５箇所の厚さを用いて、［（最大値−最小値）／（５箇所の平均値）］×１００（％）＝厚さのバラツキ（％）により算出した。平坦度は発熱抵抗体層から任意の５０μｍを抽出し、その断面における発熱抵抗体層（活性金属窒化物層）厚さの変化量を測定する。これを任意の３箇所行い平均値を取り平坦度とした。
その結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
表１から分かる通り、本実施例にかかるヒーター基板は活性金属窒化物層の厚さが１０μｍ以下、厚さのバラツキ２０％以下、さらには平坦度２μｍ／５０μｍ以下のものが得られた。
また、本実施例の活性金属窒化物層にＥＰＭＡ測定を行ったところＡｇおよびＣｕが少量観測されたが、いずれもＴｉＮ９９％以上であった。
（実施例１Ｂ〜５Ｂ、比較例１Ｂ〜２Ｂ）
実施例１〜５および比較例１〜２のヒーター基板に、板厚１ｍｍのガラス基板を密着させ通電した際の温度ムラを測定した。温度ムラの測定は中心部を１箇所、外周部として中心から３ｃｍ離れた箇所と５ｍｍ離れた箇所を任意抽出し、通電時間３分後の温度を測定した。
その結果を表２に示す。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
表２から分かる通り、本実施例にかかるヒーター基板は温度ムラが少ないことが分かる。このため各種ヒーター装置に好適である。
（実施例６〜１０）
次に活性金属ペーストの組成を表３に示すように変えたものを用意した。各ヒーター基板に対し、活性金属窒化物層の厚さ、厚さのバラツキ、平坦度を測定した。なお、焼成条件については真空度１０−４Ｔｏｒｒ以下、焼成時間１０〜３０分の間とした。その結果を表４に示す。
【００２２】
【表３】
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【００２３】
【表４】
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【００２４】
表３および表４から分かる通り、本実施例にかかるヒーター基板は各パラメータが良好な結果が得られた。実施例６〜１０にかかるヒーター基板の発熱抵抗体層にガラス基板を密着させて実施例１Bと同様に発熱ムラを測定したところ、いずれも温度差は１℃以下であった。
（実施例１１〜１３）
次に窒化珪素基板のサイズを表５のように変えた以外は実施例１と同じヒーター基板を用意した。各ヒーター基板に対し実施例１Ｂと同様の発熱ムラを測定した。なお、実施例１１は中心部、外周部１として中心部から２ｃｍ離れた点、外周部２として中心部から４ｃｍ離れた点を測定した。実施例１２と実施例１３は中心部、外周部１として中心から５ｃｍ離れた点、外周部２として８ｃｍ離れた点を測定した。測定の結果、中心部と外周部１または外周部２の温度差を求め大きい方の温度差を発熱ムラ（℃）として記載した。その結果を表５に示す。
【００２５】
【表５】
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【００２６】
表５に示したように、基板サイズが大きくなったとしても本実施例は優れた特性を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のヒーター基板の配線構造の一例を示す図である。
【図２】本発明のヒーター基板の配線構造の他の一例を示す図である。
【図３】本発明のヒーター基板の配線構造の他の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…ヒーター基板
２…窒化物系セラミックス基板
３…発熱抵抗体層
４…電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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