(57)【要約】【課題】            半導体チップを搭載し、加熱するヒータの発熱量を大きくすることができ、かつ短時間で加熱、冷却しても破損しない加熱冷却モジュールを提供する。【解決手段】        本発明の加熱冷却モジュールは、被処理物を搭載し加熱するためのセラミックスヒータと、該セラミックスヒータを冷却するための冷却機構と、前記セラミックスヒータと冷却機構との間に支持体を有する加熱冷却モジュールにおいて、前記セラミックスヒータが、内部に１層以上の発熱体層を有する窒化アルミニウムヒータであることを特徴とする。セラミックスヒータと支持体との間に介在層を有することが望ましい。また、支持体と冷却機構との間に介在層を有することが望ましい。【選択図】          図２
2007248317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物を搭載し加熱するためのセラミックスヒータと、該セラミックスヒータを冷却するための冷却機構と、前記セラミックスヒータと冷却機構との間に支持体を有する加熱冷却モジュールにおいて、前記セラミックスヒータが、内部に１層以上の発熱体層を有する窒化アルミニウムヒータであることを特徴とする加熱冷却モジュール。
【請求項２】
前記セラミックスヒータと支持体との間に介在層を有することを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却モジュール。
【請求項３】
前記支持体と冷却機構との間に介在層を有することを特徴とする請求項１または２に記載の加熱冷却モジュール。
【請求項４】
前記セラミックスヒータが、内部に２層以上の発熱体層を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加熱冷却モジュール。
【請求項５】
前記支持体の熱伝導率が、１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の加熱冷却モジュール。
【請求項６】
前記セラミックスヒータと支持体と冷却機構が、機械的に固定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の加熱冷却モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理物を加熱、冷却し、検査するための装置に関し、特に半導体チップを検査するためのテスタに用いられる加熱冷却モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体チップを加熱し、冷却するための装置として、各種のものが提案されている。特に近年では半導体チップの大容量化、高機能化、高速化に従って、動作時の発熱量が益々大きくなる傾向にある。またスループットの向上も求められており、半導体チップの検査装置、テスタとしては、できるだけ短時間に半導体チップを加熱し、電気的な試験を実施した後、急速に冷却する必要がある。例えばバーンイン装置などでは特許文献１に記載されているように、各種の構造が提案されている。
【０００３】
しかし、半導体チップを急速に加熱するために、加熱冷却装置の発熱体に大きな電力を投入すると、加熱冷却装置が破損する等の問題があった。また、急速に冷却しようとしても冷却機構と半導体チップとの間の構造上の制約があり、冷却速度に限界があった。
【特許文献１】特開平２００５−２６５６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、半導体チップを搭載し、加熱するヒータの発熱量を大きくすることができ、かつ短時間で加熱、冷却しても破損しない加熱冷却モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の加熱冷却モジュールは、被処理物を搭載し加熱するためのセラミックスヒータと、該セラミックスヒータを冷却するための冷却機構と、前記セラミックスヒータと冷却機構との間に支持体を有する加熱冷却モジュールにおいて、前記セラミックスヒータが、内部に１層以上の発熱体層を有する窒化アルミニウムヒータであることを特徴とする。窒化アルミニウムの内部に、１層以上の発熱体層を形成することによって、急速な昇温が可能となる。
【０００６】
セラミックスヒータと支持体との間に介在層を有することが望ましい。また、支持体と冷却機構との間に介在層を有することが望ましい。軟質の介在層を有することにより、急速な冷却も可能となる。
【０００７】
また、窒化アルミニウムヒータの内部に２層以上の発熱体層を有することにより、発熱体層に、より多くの電力を投入することができるので、より急速な昇温が可能となる。
【０００８】
支持体の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫ以上であることが望ましい。１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する材料を支持体にすることによって、急速な冷却が可能となる。
【０００９】
以上のような窒化アルミニウムヒータと支持体と冷却機構が、機械的に固定されていることが望ましい。機械的に固定することによって、熱膨張係数の差による加熱冷却時のヒータの破損を防止することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、昇降温特性に優れた半導体チップテスタに好適な加熱冷却モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の加熱冷却モジュール１は、図１に示すように、窒化アルミニウムヒータ２の下面に支持体３を有し、更にその下部に冷却機構４を有する。このような構成の加熱冷却モジュールの窒化アルミニウムヒータに半導体チップを搭載し、加熱する。そして所定の温度まで加熱した後、所定の検査を行った後、ヒータの出力を低下させる、もしくはゼロにすることで、ヒータは支持体を通じて冷却機構によって冷却され、半導体チップを冷却することができる。
【００１２】
本発明の分野である半導体チップの検査においては、ヒータの温度の上げ下げが短時間のうちに繰り返され、熱的なストレスが加わるので、アルミナ等の熱伝導率の低いセラミックスでヒータを形成すると、熱衝撃等の影響によって、セラミックスにクラックが生じ、破損してしまうことがある。窒化アルミニウムは、一般に７０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有し、アルミナ等に比べて熱衝撃に強いので好適である。
【００１３】
また、窒化アルミニウムの内部に半導体チップを加熱するための発熱体を少なくとも１層以上有することが好ましい。発熱体は、窒化アルミニウム基板の表面に形成することも可能ではあるが、内部に埋設したほうが支持体や冷却モジュールとの絶縁を確保する必要がないため好ましい。この窒化アルミニウムヒータについては、発熱体層を複数形成することが好ましい。
【００１４】
例えば２層の発熱体層を有すると、１層の場合に比較して、発熱体回路に２倍の電力を投入することができる。このため、より昇温速度を速くすることができ、スループットを向上することができる。すなわち、発熱体層を増やせば増やすほど窒化アルミニウムヒータに加える電力量は大きくすることができるため好ましい。具体的に投入する電力量としては、通常数十Ｗから２００Ｗ程度であるが、本願発明の構造では、最大１ｋＷ程度まで投入することができる。
【００１５】
また、通常半導体チップの加熱用に使用するヒータの大きさは、例えば２０〜２５ｍｍ角程度である。この程度の大きさのヒータに上記のような大電力を流す回路を形成するには、上記のように複層に発熱体層を形成することで容易に対応できる。
【００１６】
また本発明で使用する窒化アルミニウムヒータの厚みは０．３ｍｍ以上であることが好ましい。厚みがこれよりも薄い場合は、機械的な衝撃で破損することがあるため好ましくない。また厚みは５ｍｍ以下が好ましい。これ以上の厚みになると窒化アルミニウムヒータの熱容量が大きくなるため、冷却に時間が掛かってしまうため好ましくない。最も好ましい窒化アルミニウムヒータの厚みとしては、０．５〜２ｍｍである。この範囲の厚みであれば、比較的熱容量が小さいため冷却速度も速く、また機械的な衝撃に対しても破損することがないため好ましい。
【００１７】
本発明の加熱冷却モジュールは、上記のような窒化アルミニウムヒータの下面に支持体を有し、更にその下部に冷却機構を有する。このような構成の加熱冷却モジュールの窒化アルミニウムヒータに半導体チップを搭載し、加熱する。そして所定の温度まで加熱した後、所定の検査を行った後、ヒータの出力を低下させる、もしくはゼロにすることで、ヒータは支持体を通じて冷却機構によって冷却され、半導体チップを冷却することができる。このようにすることで、半導体チップを加熱、冷却することができる。
【００１８】
このような加熱冷却の過程において、窒化アルミニウムヒータと支持体との間、支持体と冷却機構との間には加熱、冷却に伴う熱のやり取りがある。このため、図２に示すようにこれらの界面に、熱伝導率の高い介在層５を挿入することが好ましい。介在層は、図２に示すように、窒化アルミニウムヒータと支持体との間、ならびに支持体と冷却機構との間の両方に挿入してもよいし、どちらかだけでもよい。
【００１９】
この介在層は窒化アルミニウムヒータ、支持体、冷却機構のそれぞれに密着できるようにするため、軟質材である必要がある。すなわち、窒化アルミニウムヒータ、支持体、冷却機構は、いずれも硬質の材料であるため、面同士をつき合わせた状態で接触させた場合、どうしてもそれぞれの間に隙間が生じる。隙間には空気が存在するため、熱の伝達は大幅に妨げられてしまう。このためこの隙間を埋めるために、それぞれのつき合わせる面の形状に追従できるような軟質の材料を挿入することで熱の伝達のムラをなくし、均一に、しかもスムースに熱伝達ができるようにすることができる。
【００２０】
このような軟質材料は、使用温度範囲での耐熱性を有していれば特に問題はなく、例えば耐熱性の樹脂や、軟質の金属、グラファイトなどを選択することができる。耐熱性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂、シリコン樹脂、フェノール樹脂を選択することができる。本発明に使用する窒化アルミニウムヒータの最高温度は３００℃程度であるため、上記の樹脂を使用することができる。また介在層の熱伝導率は高いほうが好ましいため、上記樹脂にアルミナやシリカ、ＡｌＮ、ＢＮや金属粉末を添加することで、熱伝導率を高めることができる。
【００２１】
また軟質の金属としては、インジウムや銅、アルミニウムなどの金属や合金を使用することもできる。またグラファイトなどの炭素材料や、発泡金属などを使用することもできる。これらの材料はいずれも変形能を有する軟質材料であるため、各部材間に挿入することによって熱の伝達をスムースにすることができる。
【００２２】
窒化アルミニウムヒータと冷却機構との間に存在する支持体の熱伝導率は１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。支持体は、窒化アルミニウムヒータを支持するとともに、冷却機構の温度を窒化アルミニウムヒータに伝えて、窒化アルミニウムヒータの熱を急速に奪う役割がある。このため支持体の熱伝導率は高いほうが好ましく、特に１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好適である。具体的な材料としては、銅や、その合金、例えばＣｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏを挙げることができる。また、アルミニウム、およびその合金、あるいは銀、金なども用いることができる。更には窒化アルミニウムや炭化珪素などのセラミックスやＡｌ−ＳｉＣやＳｉ−ＳｉＣ、Ａｌ−ＡｌＮなどの複合体を使用することができる。またこれらの材料は高温にさらされるため、耐熱性の膜を表面に形成しても良い。耐熱性の膜としてはニッケルや銀、金、白金などが上げられ、これらをスパッタや蒸着などの手法や、メッキなどの手法で形成することができる。
【００２３】
また冷却機構については特に制約はないが、例えば図３に示すように、金属板４１に冷媒が通過する流路４３を形成し、金属板４２でふたをする構造とすることができる。冷却機構の材質については特に制約はないが、熱伝導率の高い材料が好ましい。例えば、上記支持体と同様の材料が挙げられる。更にステンレスなどの金属材料を挙げることができる。
【００２４】
流路の形成方法についても特に制約はなく、プレートの支持体を搭載する面とは反対側に金属製のパイプを取り付け、そのパイプの内部を冷媒が流れるようにすれば良い。また金属パイプの断面形状については特に制約はなく、円形、４角形など各種形状を使用することができる。更に冷媒が通るパイプにおいては、プレートと密着する必要があるため、金属パイプをプレートにネジ止めしたり、金属パイプの断面形状に略等しい形状にプレートに座繰り加工を施すことで、パイプとプレートの間の密着性を確保することができる。また更には、金属パイプとプレートの間に、上記に述べたような軟質材を挿入することで、効果的な冷却を実現することができる。
【００２５】
また、１個の冷却機構に１個の支持体と1個の窒化アルミニウムヒータが搭載されるように構成してもよいし、例えば１個の冷却機構に４個、８個、１６個、あるいはそれ以上の支持体と窒化アルミニウムヒータを搭載できるようにしてもよい。
【００２６】
上記金属パイプに流す冷媒には特に制約はなく、水や空気、フロリナートなどの化合物など使用温度に応じて使い分ければよい。
【００２７】
窒化アルミニウムヒータ、支持体、冷却機構の接続に関してはロウ付けなどの手法も使用することができるが、ネジ止めなどの機械的な手法を採用することが好ましい。その理由は、窒化アルミニウムヒータと冷却機構との間の温度差が大きい場合と小さい場合とでは、温度による熱膨張量が大きく異なるため、冷却機構と窒化アルミニウムヒータとの間で熱応力が発生しやすくなり、反りが発生したり、最悪窒化アルミニウムヒータが破損するなどの恐れがあるためである。ネジ止めにした場合、支持体や窒化アルミニウムにネジの径よりも大きな貫通孔を形成し、その中にネジを挿通し、冷却機構に形成した雌ネジにねじ込むことができる。ネジの径よりも大きな貫通孔を形成したのは、これらの部材がヒータによって温度上昇し、熱膨張しても、破損や変形を引き起こさないようにするためである。ここで使用するネジの材質については特に制約はないが、ステンレスやコバールなどを使用することができる。
【００２８】
上記のように構成した加熱、冷却モジュールは、半導体チップの検査に使用した場合、短いサイクルでヒータを昇降温することができるため、スループットに優れた装置を提供することができる。
【００２９】
本発明の窒化アルミニウムヒータの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の原料粉末は、比表面積が２．０〜５．０ｍ２／ｇのものが好ましい。比表面積が２．０ｍ２／ｇ未満の場合は、窒化アルミニウムの焼結性が低下する。また、５．０ｍ２／ｇを超えると、粉末の凝集が非常に強くなるので取扱いが困難になる。更に、原料粉末に含まれる酸素量は、２ｗｔ％以下が好ましい。酸素量が２ｗｔ％を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。また、原料粉末に含まれるアルミニウム以外の金属不純物量は、２０００ｐｐｍ以下が好ましい。金属不純物量がこの範囲を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。特に、金属不純物として、ＳｉなどのＩＶ族元素や、Ｆｅなどの鉄族元素は、焼結体の熱伝導率を低下させる作用が高いので、含有量は、それぞれ５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
ＡｌＮは難焼結性材料であるので、ＡｌＮ原料粉末に焼結助剤を添加することが好ましい。添加する焼結助剤は、希土類元素化合物が好ましい。希土類元素化合物は、焼結中に窒化アルミニウム粉末粒子の表面に存在するアルミニウム酸化物あるいはアルミニウム酸窒化物と反応して、窒化アルミニウムの緻密化を促進するとともに、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を低下させる原因となる酸素を除去する働きもあるので、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を向上させることができる。
【００３１】
希土類元素化合物は、特に酸素を除去する働きが顕著であるイットリウム化合物が好ましい。添加量は、０．０１〜５ｗｔ％が好ましい。０．０１ｗｔ％未満であると、緻密な焼結体を得ることが困難であるとともに、焼結体の熱伝導率が低下する。また、５ｗｔ％を超えると、窒化アルミニウム焼結体の粒界に焼結助剤が存在することになるので、腐食性雰囲気で使用する場合、この粒界に存在する焼結助剤がエッチングされ、脱粒やパーティクルの原因となる。更に、好ましくは焼結助剤の添加量は、１ｗｔ％以下である。１ｗｔ％以下であれば、粒界の３重点にも焼結助剤が存在しなくなるので、耐食性が向上する。
【００３２】
また、希土類元素化合物は、酸化物、窒化物、フッ化物、ステアリン酸化合物などが使用できる。この中で、酸化物は安価で入手が容易であり好ましい。また、ステアリン酸化合物は、有機溶剤との親和性が高いので、窒化アルミニウム原料粉末と焼結助剤などを有機溶剤で混合する場合には、混合性が高くなるので特に好適である。
【００３３】
次に、これら窒化アルミニウム原料粉末や焼結助剤粉末に、所定量の溶剤、バインダー、更には必要に応じて分散剤や邂逅剤を添加し、混合する。混合方法は、ボールミル混合や超音波による混合等が可能である。このような混合によって、原料スラリーを得ることができる。
【００３４】
得られたスラリーを成形し、焼結することによって窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。その方法には、コファイアー法とポストメタライズ法の２種類の方法が可能である。
【００３５】
まず、ポストメタライズ法について説明する。前記スラリーをスプレードライアー等の手法によって、顆粒を作製する。この顆粒を所定の金型に挿入し、プレス成形を施す。この時、プレス圧力は、９．８ＭＰａ以上であることが望ましい。９．８ＭＰａ未満の圧力では、成形体の強度が充分に得られないことが多く、ハンドリングなどで破損し易くなる。
【００３６】
成形体の密度は、バインダーの含有量や焼結助剤の添加量によって異なるが、１．５ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。１．５ｇ／ｃｍ３未満であると、原料粉末粒子間の距離が相対的に大きくなるので、焼結が進行しにくくなる。また、成形体密度は、２．５ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。２．５ｇ／ｃｍ３を超えると、次工程の脱脂処理で成形体内のバインダーを充分除去することが困難となる。このため、前述のように緻密な焼結体を得ることが困難となる。
【００３７】
次に、前記成形体を非酸化性雰囲気中で加熱し、脱脂処理を行う。大気等の酸化性雰囲気で脱脂処理を行うと、ＡｌＮ粉末の表面が酸化されるので、焼結体の熱伝導率が低下する。非酸化性雰囲気ガスとしては、窒素やアルゴンが好ましい。脱脂処理の加熱温度は、５００℃以上、１０００℃以下が好ましい。５００℃未満の温度では、バインダーを充分除去することができないので、脱脂処理後の積層体中にカーボンが過剰に残存するので、その後の焼結工程での焼結を阻害する。また、１０００℃を超える温度では、残存するカーボンの量が少なくなり過ぎるので、ＡｌＮ粉末表面に存在する酸化被膜の酸素を除去する能力が低下し、焼結体の熱伝導率が低下する。
【００３８】
また、脱脂処理後の成形体中に残存する炭素量は、１．０ｗｔ％以下であることが好ましい。１．０ｗｔ％を超える炭素が残存していると、焼結を阻害するので、緻密な焼結体を得ることができない。
【００３９】
次いで、焼結を行う。焼結は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１７００〜２０００℃の温度で行う。この時、使用する窒素などの雰囲気ガスに含有する水分は、露点で−３０℃以下であることが好ましい。これ以上の水分を含有する場合、焼結時にＡｌＮが雰囲気ガス中の水分と反応して酸窒化物が形成されるので、熱伝導率が低下する可能性がある。また、雰囲気ガス中の酸素量は、０．００１ｖｏｌ％以下であることが好ましい。酸素量が多いと、ＡｌＮの表面が酸化して、熱伝導率が低下する可能性がある。
【００４０】
更に、焼結時に使用する治具は、窒化ホウ素（ＢＮ）成形体が好適である。このＢＮ成形体は、前記焼結温度に対し充分な耐熱性を有するとともに、その表面に固体潤滑性があるので、焼結時に積層体が収縮する際の治具と積層体との間の摩擦を小さくすることができるので、歪みの少ない焼結体を得ることができる。
【００４１】
得られた焼結体は、必要に応じて加工を施す。次工程の導電ペーストをスクリーン印刷する場合、焼結体の表面粗さは、Ｒａで５μｍ以下であることが好ましい。５μｍを超えるとスクリーン印刷により回路形成した際に、パターンのにじみやピンホールなどの欠陥が発生しやすくなる。表面粗さはＲａで１μｍ以下であればさらに好適である。
【００４２】
上記表面粗さを研磨加工する際には、焼結体の両面にスクリーン印刷する場合は当然であるが、片面のみにスクリーン印刷を施す場合でも、スクリーン印刷する面と反対側の面も研磨加工を施す方がよい。スクリーン印刷する面のみを研磨加工した場合、スクリーン印刷時には、研磨加工していない面で焼結体を支持することになる。その時、研磨加工していない面には突起や異物が存在することがあるので、焼結体の固定が不安定になり、スクリーン印刷で回路パターンがうまく描けないことがあるからである。
【００４３】
また、この時、両加工面の平行度は０．５ｍｍ以下であることが好ましい。平行度が０．５ｍｍを超えるとスクリーン印刷時に導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平行度は０．１ｍｍ以下であれば特に好適である。さらに、スクリーン印刷する面の平面度は、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。０．５ｍｍを超える平面度の場合にも、導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平面度も０．１ｍｍ以下であれば特に好適である。
【００４４】
研磨加工を施した焼結体に、スクリーン印刷により導電ペーストを塗布し、電気回路の形成を行う。導電ペーストは、金属粉末と必要に応じて酸化物粉末と、バインダーと溶剤を混合することにより得ることができる。金属粉末は、セラミックスとの熱膨張係数のマッチングから、タングステンやモリブデンあるいはタンタルが好ましい。
【００４５】
また、ＡｌＮとの密着強度を高めるために、酸化物粉末を添加することもできる。酸化物粉末は、ＩＩａ族元素やＩＩＩａ族元素の酸化物やＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などが好ましい。特に、酸化イットリウムはＡｌＮに対する濡れ性が非常に良好であるので、好ましい。これらの酸化物の添加量は、０．１〜３０ｗｔ％が好ましい。０．１ｗｔ％未満の場合、形成した電気回路である金属層とＡｌＮとの密着強度が低下する。また３０ｗｔ％を超えると、電気回路である金属層の電気抵抗値が高くなる。
【００４６】
導電ペーストの厚みは、乾燥後の厚みで、５μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。厚みが５μｍ未満の場合は、電気抵抗値が高くなりすぎるとともに、密着強度も低下する。また、１００μｍを超える場合も、密着強度が低下する。
【００４７】
また、形成する回路パターンが、ヒータ回路（発熱体回路）の場合は、パターンの間隔は０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。０．１ｍｍ未満の間隔では、発熱体に電流を流したときに、印加電圧及び温度によっては漏れ電流が発生し、ショートする。特に、２００℃以上の温度で使用する場合には、パターン間隔は１ｍｍ以上とすることが好ましく、２ｍｍ以上であれば更に好ましい。また本発明においては、発熱体層を複数形成することもできるため、上記と同様の手法で複数の基板を準備し、それぞれに発熱体を形成する。
【００４８】
次に、導電ペーストを脱脂した後、焼成する。脱脂は、窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中で行う。脱脂温度は５００℃以上が好ましい。５００℃未満では、導電ペースト中のバインダーの除去が不十分で金属層内にカーボンが残留し、焼成したときに金属の炭化物を形成するので、金属層の電気抵抗値が高くなる。
【００４９】
焼成は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１５００℃以上の温度で行うのが好適である。１５００℃未満の温度では、導電ペースト中の金属粉末の粒成長が進行しないので、焼成後の金属層の電気抵抗値が高くなり過ぎる。また、焼成温度はセラミックスの焼結温度を超えない方がよい。セラミックスの焼結温度を超える温度で導電ペーストを焼成すると、セラミックス中の含有する焼結助剤などが揮散しはじめ、更には導電ペースト中の金属粉末の粒成長が促進されてセラミックスと金属層との密着強度が低下する。
【００５０】
次に、形成した金属層の絶縁性を確保するために、金属層の上に絶縁性コートを形成することができる。絶縁性コートの材質は、金属層が形成されているセラミックスと同じ材質であることが好ましい。該セラミックスと絶縁性コートの材質が大幅に異なると、熱膨張係数の差から焼結後に反りが発生するなどの問題が生じる。例えば、ＡｌＮの場合、ＡｌＮ粉末に焼結助剤として所定量のＩＩａ族元素あるいはＩＩＩａ族元素の酸化物や炭酸化物を加え、混合し、これにバインダーや溶剤を加え、ペーストとして、該ペーストをスクリーン印刷により、前記金属層の上に塗布することができる。
【００５１】
この時、添加する焼結助剤量は、０．０１ｗｔ％以上であることが好ましい。０．０１ｗｔ％未満では、絶縁性コートが緻密化せず、金属層の絶縁性を確保することが困難となる。また、焼結助剤量は２０ｗｔ％を超えないことが好ましい。２０ｗｔ％を超えると、過剰の焼結助剤が金属層中に浸透するので、金属層の電気抵抗値が変化してしまうことがある。塗布する厚みに特に制限はないが、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満では、絶縁性を確保することが困難となるからである。
【００５２】
次に、セラミックス基板を積層することができる。積層は、接合剤を介して行うのが良い。接合剤は、酸化アルミニウム粉末や窒化アルミニウム粉末に、ＩＩａ族元素化合物やＩＩＩａ族元素化合物とバインダーや溶剤を加え、ペースト化したものを接合面にスクリーン印刷等の手法で塗布する。塗布する接合剤の厚みに特に制約はないが、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満の厚みでは、接合層にピンホールや接合ムラ等の接合欠陥が生じやすくなる。
【００５３】
接合剤を塗布したセラミックス基板を、非酸化性雰囲気中、５００℃以上の温度で脱脂する。その後、積層するセラミックス基板を重ね合わせ、所定の荷重を加え、非酸化性雰囲気中で加熱することにより、セラミックス基板同士を接合する。荷重は、５ｋＰａ以上であることが好ましい。５ｋＰａ未満の荷重では、充分な接合強度が得られないか、もしくは前記接合欠陥が生じやすい。
【００５４】
接合するための加熱温度は、セラミックス基板同士が接合層を介して十分密着する温度であれば、特に制約はないが、１５００℃以上であることが好ましい。１５００℃未満では、十分な接合強度が得られにくく、接合欠陥を生じやすい。前記脱脂ならびに接合時の非酸化性雰囲気は、窒素やアルゴンなどを用いることが好ましい。以上のようにして、窒化アルミニウムヒータを得ることができる。
【００５５】
次に、コファイアー法について説明する。前述した原料スラリーをドクターブレード法によりシート成形する。シート成形に関して特に制約はないが、シートの厚みは、乾燥後で３ｍｍ以下が好ましい。シートの厚みが３ｍｍを超えると、スラリーの乾燥収縮量が大きくなるので、シートに亀裂が発生する確率が高くなる。
【００５６】
上述したシート上に所定形状の電気回路となる金属層を、導体ペーストをスクリーン印刷などの手法により塗布することにより形成する。導電ペーストは、ポストメタライズ法で説明したものと同じものを用いることができる。ただし、コファイアー法では、導電ペーストに酸化物粉末を添加しなくても支障はない。
【００５７】
次に、回路形成を行ったシート及び回路形成をしていないシートを積層する。回路形成を行ったシートを複数積層することもできる。積層の方法は、各シートを所定の位置にセットし、重ね合わせる。この時、必要に応じて各シート間に溶剤を塗布しておく。重ね合わせた状態で、必要に応じて加熱する。加熱する場合、加熱温度は、１５０℃以下であることが好ましい。これを超える温度に加熱すると、積層したシートが大きく変形する。そして、重ね合わせたシートに圧力を加えて一体化する。加える圧力は、１〜１００ＭＰａの範囲が好ましい。１ＭＰａ未満の圧力では、シートが充分に一体化せず、その後の工程中に剥離することがある。また、１００ＭＰａを超える圧力を加えると、シートの変形量が大きくなりすぎる。
【００５８】
この積層体を、前述のポストメタライズ法と同様に、脱脂処理並びに焼結を行う。脱脂処理や焼結の温度や、炭素量等はポストメタライズ法と同じである。前述した、導電ペーストをシートに印刷する際に、複数もしくは１枚のシートにそれぞれヒータ回路を印刷し、それらを積層することで、１層もしくは複数の発熱体回路を有する窒化アルミニウムヒータを作製することも可能である。
【００５９】
得られた窒化アルミニウムヒータは、必要に応じて加工を施す。通常、焼結した状態では、要求される精度に入らないことが多い。加工精度は、例えば、被処理物搭載面の平面度は０．１ｍｍ以下が好ましく、さらには０．０５ｍｍ以下が特に好ましい。平面度が０．５ｍｍを超えると、被処理物（半導体チップ）と窒化アルミニウムヒータとの間に隙間が生じやすくなり、窒化アルミニウムヒータの熱が半導体チップに均一に伝わらなくなり、半導体チップの温度ムラが発生しやすくなる。
【００６０】
また、窒化アルミニウムヒータの被処理物搭載面の面粗さは、Ｒａで５μｍ以下が好ましい。Ｒａで５μｍを超えると、窒化アルミニウムヒータと半導体チップとの摩擦によって、ＡｌＮの脱粒が多くなることがある。さらに、表面粗さは、Ｒａで１μｍ以下であれば、好適である。
【実施例１】
【００６１】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末９５重量部に、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を、５重量部添加し、アクリルバインダー、有機溶剤を加え、ボールミルにて２４時間混合して、ＡｌＮスラリーを作製した。このスラリーを用いて、ドクターブレード法によりＡｌＮシートを作製した。なお、各窒化アルミニウム粉末は、平均粒径０．６μｍ、比表面積３．４ｍ２／ｇのものを使用した。
【００６２】
抵抗発熱体として、平均粒径が２．０μｍのＷ粉末に、Ｙ２Ｏ３を０．５重量％加え、更にバインダーと、溶剤を加えＷペーストを作製した。混合にはポットミルと三本ロールを用いた。このＷペーストをスクリーン印刷で、前記ＡｌＮシート上に、ヒータ回路パターンを形成した。
【００６３】
ヒータ回路を印刷したＡｌＮシートとヒータ回路を印刷していないシートを積層し、熱圧着し、シート成形体を作製した。このシート成形体を窒素雰囲気中８００℃で脱脂した後、窒素雰囲気中１８５０℃で焼結し、大きさ２０ｍｍ角の窒化アルミニウムヒータを作製した。ヒータ回路を印刷したＡｌＮシートとヒータ回路を印刷していないＡｌＮシートの積層枚数を変えることにより、表１に示す種類のＡｌＮヒータを作製した。
【００６４】
【表１】
2007248317.tif 000003
【００６５】
支持体として、表２に示す材料を準備した。大きさは、すべて２０×２０×１０ｍｍ（厚み）である。
【００６６】
【表２】
2007248317.tif 000004
【００６７】
冷却機構として、厚み２ｍｍ、大きさ８０ｍｍ角の銅プレートと、厚み４ｍｍ、大きさ８０ｍｍ角の銅プレートを準備し、厚み４ｍｍのどうプレートに、冷却用冷媒を流す流路を座グリ加工により形成した。これらの銅プレートの表面に、ニッケルメッキを施した後、厚み２ｍｍの銅プレートと厚み４ｍｍの銅プレートを銀ロウによってロウ接し、冷却機構とした。
【００６８】
次に、これらのＡｌＮヒータ、支持体、冷却機構をネジ止めして、加熱冷却モジュールを完成させた。なお、ＡｌＮヒータと支持体の間、あるいは支持体と冷却機構との間、あるいはその両方に表３に示すように、介在層を挿入した加熱冷却モジュールも作製した。介在層の厚みは０．１ｍｍである。
【００６９】
これらの加熱冷却モジュールに、半導体チップを搭載し、常温（２５℃）から２００℃まで昇温、半導体チップの特性を評価した後、チップを除去してから、常温まで冷却した。なお、冷却機構には、冷媒としてフロリナートを流し、−６０℃になるように温度設定をした。加熱冷却モジュールの構成と、常温から２００℃までの昇温時間および２００℃から常温までの冷却時間を表３に示す。
【００７０】
【表３】
2007248317.tif 000005
【００７１】
表３から判るように、ＡｌＮヒータと支持体間、支持体と冷却機構間に介在層を挿入すれば、特に冷却時間を短縮することができる。また、すべてのＡｌＮヒータは、ヒートサイクルによる破損はなかったが、厚みが０．２５ｍｍのＮｏ．７のＡｌＮヒータは、すべての試験を終了後、支持体から取り外すときに破損した。
【００７２】
また、上記各加熱冷却モジュールを３００℃まで昇温した。Ｎｏ．１のＡｌＮヒータを用いた加熱冷却モジュールは、昇温時間５分であったが、Ｎｏ．１以外のＡｌＮヒータは、すべて３分以内に昇温することができた。
【比較例】
【００７３】
窒化アルミニウムヒータに代えて、アルミナ製のヒータ（厚み２ｍｍ）を用いて、上記と同じ構成の加熱冷却モジュールを作製し、実施例と同様に加熱、冷却したところ、加熱時にアルミナヒータが破損した。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明によれば、昇降温特性に優れた半導体チップテスタに好適な加熱冷却モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の加熱冷却モジュールの断面構造の一例を示す。
【図２】本発明の加熱冷却モジュールの断面構造の他の一例を示す。
【図３】本発明の冷却機構の断面構造の一例を示す。
【符号の説明】
【００７６】
１    加熱冷却モジュール
２    ＡｌＮヒータ
３    支持体
４    冷却機構
５    介在層
【図１】
2007248317.tif 000006
【図２】
2007248317.tif 000007
【図３】
2007248317.tif 000008