(57)【要約】【課題】  半導体チップを搭載して加熱するためヒータの発熱量を大きくすることができ、しかも短時間で加熱あるいは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】  被処理物を搭載し加熱するためのセラミックスヒータ１と、セラミックスヒータ１を冷却するための冷却機構３と、セラミックスヒータ１と冷却機構３の間に配置した支持体２とを有する加熱冷却モジュールであって、支持体２が材質の異なるヒータ側支持体２ａと冷却機構側支持体２ｂとを組み合わせた構造を有している。また、ヒータ側支持体２ａと冷却機構側支持体２ｂの間、冷却機構側支持体２ｂと冷却機構３の間には、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上の軟質材からなる介在層４、４を備えることが好ましい。【選択図】      図２
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【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、セラミックスヒータを冷却するための冷却機構と、セラミックスヒータと冷却機構の間に配置した支持体とを有する加熱冷却モジュールにおいて、該支持体が材質の異なるヒータ側支持体と冷却機構側支持体とを組み合わせた構造を持つことを特徴とする加熱冷却モジュール。
【請求項２】
前記ヒータ側支持体と冷却機構側支持体の間に、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上の軟質材からなる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】
前記冷却機構側支持体と冷却機構との間に、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上の軟質材からなる介在層を有することを特徴とする、請求項１又は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層以上の抵抗発熱体層を有し、１０Ｗ／ｃｍ２以上の加熱能力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以上であり、且つヒータ側支持体とセラミックスヒータとの熱膨張係数の差が２×１０−６／℃以下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ヒータ側支持体とがロウ付け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。
【請求項７】
前記ヒータ側支持体と冷却機構側支持体とが機械的に固定されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の加熱冷却モジュール。
【請求項８】
前記セラミックスヒータが１０Ｗ／ｃｍ２以上の加熱能力を有する窒化アルミニウムヒータであり、前記支持体の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上及び前記介在層の熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする、請求項１〜７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、被処理物を加熱又は冷却し、検査するための装置、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、高速化に伴って、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、例えばテスタとしては、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。
【０００３】
このような半導体チップの加熱冷却装置として、特開２００５−２６５６６５号公報に記載のバーンイン装置など、各種の構造が提案されている。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るため、得られる冷却速度に限界があった。
【特許文献１】特開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、上記した従来の事情に鑑み、半導体チップ等の被処理物を搭載して加熱するためヒータの発熱量を大きくすることができ、しかも短時間で加熱あるいは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】
上記目的を達成するため、本発明が提供する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、セラミックスヒータを冷却するための冷却機構と、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であって、支持体として異なる２種以上の材質をヒータ側と冷却機構側に好適に選定することによって、急速な昇温と冷却が可能となる。
【０００６】
一般的に、急速な昇温あるいは冷却を行うためには、セラミックスヒータと支持体を接合することが望ましい。しかし、セラミックスヒータと支持体の熱膨脹係数が大きく異なる場合には、接合時に支持体あるいはセラミックスヒータに割れが発生しやすく、割れが発生せずに接合できたとしても、使用時に割れ等が発生して装置としては短寿命となる不具合がある。
【０００７】
そこで、本発明の加熱冷却モジュールにおいては、少なくともヒータ側支持体と、冷却機構側支持体の材質を異なるものとする。具体的には、ヒータ側支持体の材質は、セラミックスヒータの熱膨張係数と２×１０−６／℃以内の熱膨張係数差の材質とすることが望ましい。また、冷却機構側支持体の材質は、冷却モジュールの熱膨張係数と１０×１０−６／℃以内の熱膨張係数差の材質とすることが望ましい。尚、支持体（ヒータ側支持体と冷却機構側支持体）の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫ以上であることが望ましい。支持体が１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することによって、急速な昇温と冷却が可能となる。
【０００８】
セラミックスヒータとヒータ側支持体の接合は、ロウ付けであることが望ましい。使用するロウ材は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｓｉ、Ｓｎ等の比較的熱伝導率の高い材料を用いることができる。これらのロウ材は比較的熱伝導率が高く、またロウ材の厚みを数十μｍ以下とすれば、セラミックスヒータと支持体の間の熱抵抗を小さくでき、セラミックスヒータで発生した熱をスムースに支持体に伝えることができるので、セラミックスヒータを効率的に且つ急速に冷却することが可能となる。
【０００９】
また、ヒータ側支持体と冷却機構側支持体の間には、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上で且つ変形が容易で充填性に優れた軟質材の介在層を有することが好ましい。冷却機構側支持体と冷却モジュールとの間にも、同様の介在層を有することが好ましい。介在層を有することにより、支持体同士あるいは支持体と冷却モジュールの界面の熱伝達が向上し、急速な昇温あるいは冷却が可能となる。
【００１０】
また、セラミックスヒータをヒータ側支持体にロウ付けする場合、ヒータ側支持体の材質としては、セラミックスヒータと熱膨張係数が近く、且つ両者の熱伝導率が高いことが好ましく、例えばＡｌＮヒータを使用する場合には、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ等が好適であり、熱膨張係数が一致するＷが特に好ましい。併せて、ヒータ側支持体は、過渡的な熱交換を促進させ、熱容量を大きくするため１ｍｍ以上の厚みを持ち、ＡｌＮヒータより外形が大きいことが望ましい。また、ヒータ側支持体と冷却機構側支持体の間には、介在層を有することが望ましい。また、冷却機構側支持体と冷却機構との間にも、介在層を有することが望ましい。介在層としては、熱伝達が良好で軟質の材料を選定することにより、急速な昇温と冷却が可能となる。
【００１１】
ヒータ側支持体の熱膨張係数はセラミックスヒータと同程度であることが好ましく、セラミックスヒータにＡｌＮ（熱膨張係数４×１０−６／℃）を選定した際には、支持体として熱膨張係数が２〜６×１０−６／℃の範囲の材料を選定することが望ましい。また、冷却機構側支持体の熱膨張係数は、ヒータ側支持体の熱膨張係数と冷却機構に使用される材料（例えばＣｕ）の熱膨張係数の中間的な値（４〜１７×１０−６／℃）を持つ材料が望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ヒータの発熱量を大きくすることができると共に、昇降温特性に優れ、短時間で加熱あるいは冷却しても破損することがない、半導体チップの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】
【００１３】
従来一般的な加熱冷却モジュールは、図１に示すように、窒化アルミニウム等のセラミックスヒータ１の下面に支持体２を有し、その支持体２の下部に冷却機構３を備えている。このような構成の加熱冷却モジュールにより、セラミックスヒータ上に半導体チップを搭載し、所定の温度まで加熱して、必要な検査を行う。その後、セラミックスヒータの出力を低下させ若しくはゼロにし、冷却機構により支持体を通じてセラミックスヒータを冷却することで、半導体チップを冷却することができる。
【００１４】
これに対し、本発明の加熱冷却モジュールは、図２に示すように、セラミックスヒータ１と冷却機構３の間に配置した支持体２が、材質の異なるヒータ側支持体２ａと冷却機構側支持体２ｂを組み合わせた構造となっている。ヒータ側支持体２ａの材質は、セラミックスヒータ１の熱膨張係数と２×１０−６／℃以内の熱膨張係数差の材質とすることが望ましい。また、冷却機構側支持体２ｂの材質としては、冷却モジュール３の熱膨張係数と１０×１０−６／℃以内の熱膨張係数差の材質とすることが望ましい。
【００１５】
このように支持体２として、セラミックスヒータ１と同程度の熱膨張係数であるヒータ側支持体２ａと、冷却機構３と同程度の熱膨張係数の冷却機構側支持体２ｂとを用いることにより、熱伝導率に優れると共に、熱応力の伝達を小さくすることができる。即ち、図１に示すような通常の構造では、熱伝導率を上げて急速に昇降温させると大きな熱応力が生じ、セラミックスヒータが割れる恐れがあるが、本発明の構成によって熱応力の伝達を小さくし、ヒータの割れを防ぐことができる。
【００１６】
この構造を有する加熱冷却モジュールは、上記した加熱冷却の過程において、セラミックスヒータと支持体との間、及び支持体と冷却機構との間に、加熱と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４を挿入することが好ましい。介在層４は、図２に示すように、ヒータ側支持体２ａと冷却機構側支持体２ｂの間、あるいは冷却機構側支持体２ｂと冷却機構３との間、若しくはその両方に挿入することができる。
【００１７】
上記介在層は、セラミックスヒータ、支持体、冷却機構のそれぞれに密着できるように、柔軟で変形が容易であり、充填性に優れている、軟質材であることが必要である。即ち、セラミックスヒータ、支持体、冷却機構はいずれも硬質の材料であるため、面同士を突合せた状態で接触させた場合、それぞれの間に隙間が生じる。この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る。この隙間を埋めるために、それぞれの突合せ面の形状に追従できるような軟質材の介在層を挿入することで、熱の伝達のムラをなくし、均一で且つスムースな熱伝達が可能となる。
【００１８】
このような介在層の材料としては、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、耐熱性樹脂、軟質の金属、グラファイト等を選択することができる。耐熱性樹脂としては、ヒータの最高温度は３００℃程度であるため、エポキシ樹脂、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。軟質の金属としては、インジウム、銅、アルミニウム等の金属やその合金を使用することができる。また、グラファイト等の炭素材料や、発泡金属等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。
【００１９】
また、介在層の熱伝導率は高い方が好ましく、具体的には熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上であることが特に好ましい。介在層として上記耐熱性樹脂を用いる場合、ＢＮ、アルミナ、シリカ、ＡｌＮ、金属粉末などを添加することで、熱伝導率を高めることができる。このように熱伝導率の高い介在層を設けることにより、急速な昇降温時に発生する熱応力を介在層へ逃がすことができるため、より確実にセラミックスヒータの割れを防ぐことができる。
【００２０】
しかも、上記したように２層以上の支持体からなる構成をとることにより、セラミックスヒータと冷却機構の間の温度差による寸法変動に伴う熱応力をヒータ側支持体と冷却機構側支持体の間に絞り込み、更に変形能を有する軟質材料からなる介在層によって緩和させることができる。これにより、セラミックスヒータの反りの発生や、破損を避けることができる。
【００２１】
セラミックスヒータの材質としては、窒化アルミニウムが好ましい。半導体チップの検査においては、セラミックス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ヒータにクラックが生じ、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、セラミックスヒータの材質として好適である。
【００２２】
また、セラミックスヒータは、半導体チップを加熱するため、少なくとも１層の抵抗発熱体を備えている。抵抗発熱体は、セラミックス基板の表面に形成することも可能であるが、内部に埋設した方が支持体や冷却機構との絶縁を確保する必要がないため好ましい。セラミックスヒータの加熱能力は、１０Ｗ／ｃｍ２以上であることが好ましい。
【００２３】
上記抵抗発熱体層は複数形成することが好ましい。例えば２層の抵抗発熱体を有すると、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。また、セラミックスヒータの大きさは２０〜２５ｍｍ角程度であり、この程度の大きさのヒータに大電力を流すためには、複層の発熱体層を形成することで容易に対応できる。即ち、抵抗発熱体層を増やせば増やすほど、ヒータに加える電力量を大きくすることができる。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、本発明の構造を有する加熱冷却モジュールでは、最大１ｋＷ程度まで投入することができる。
【００２４】
また、セラミックスヒータの厚みは、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、厚みが５ｍｍを越えると、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特に好ましい。
【００２５】
セラミックスヒータと冷却機構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。支持体はヒータを支持すると共に、冷却機構の温度をヒータに伝えて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。
【００２６】
また、ヒータ側支持体は、熱膨張係数がセラミックスヒータの材料、例えば窒化アルミニウムと同程度（２〜６×１０−６／℃）であることが好ましく、特に両者の熱膨張係数の差が２×１０−６／℃以下であることが好ましい。好適な具体的材料としては、タングステンやその合金を挙げることができる。
【００２７】
冷却機構側支持体は、熱膨張係数が冷却機構に使用される材料と上記ヒータ側支持体の中間的な値（４〜１７×１０−６）程度であることが好ましい。具体的な材料としては、銅及びその合金、例えばＣｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏを挙げることができる。また、アルミニウム及びその合金、あるいは銀、金等も用いることができる。更に、窒化アルミニウムや炭化珪素等のセラミックス、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｓｉ−ＳｉＣ、Ａｌ−ＡｌＮ等の複合体を使用することもできる。これらの材料は高温にさらされるため、その表面に耐熱性の膜を形成しても良い。耐熱性の膜としては、ニッケル、銀、金、白金等が挙げられ、これらをスパッタや蒸着等の手法や、メッキ等の手法で形成することができる。
【００２８】
冷却機構については、特に制約はないが、金属板に冷媒が通過する流路を形成し、別の金属板で蓋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を用いることができ、更にステンレス等の金属材料を使用することもできる。また、流路に流す冷媒は、特に制約はなく、水や空気、フロリナート等の化合物などを、使用温度に応じて使い分ければよい。
【００２９】
流路の形成方法についても特に制約はなく、例えば、金属板の支持体を搭載する面と反対側の面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、四角形等の各種形状とすることができる。冷媒が通るパイプは金属板と密着する必要があるため、パイプを金属板にネジ止め等の手法で固定するが、金属板にパイプ断面形状にほぼ等しい形状の座グリ加工を施すことで密着性を確保することができる。更には、パイプと金属板の間に、上記した軟質材を挿入充填することで効果的な冷却を実現することができる。
【００３０】
本発明の加熱冷却モジュールにおいて、セラミックスヒータと支持体と冷却機構の数は、通常は１個の冷却機構に対して、１個の支持体と１個のセラミックスヒータが搭載されるように構成することが好ましい。しかし、その他の構成も可能であり、例えば１個の冷却機構に対して、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することもできる。
【００３１】
また、セラミックスヒータと支持体と冷却機構の接続に関しては、相互の熱伝達を妨げない手法が好ましい。例えば、セラミックスヒータと支持体の接続は、熱膨張係数を好適に選定することによって、熱伝達を良くするためロウ付け等の手法も使用することができる。また、ヒータ側支持体と冷却機構側支持体の接続及び冷却機構側支持体と冷却機構の接続は、ネジ止め等の機械的手法により固定することができる。
【００３２】
上記ネジ止めによる接続の場合、支持体やセラミックスヒータ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の加熱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等を使用することができる。
【００３３】
次に、セラミックスヒータの製造方法を、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の場合を例に説明する。使用する窒化アルミニウム（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、比表面積が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。
【００３４】
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２０００ｐｐｍ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等の４族元素やＦｅ等の鉄族元素は、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。
【００３５】
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共に、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があるため、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。
【００３６】
焼結助剤としての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等が使用できる。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等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。また、希土類元素化合物の中では、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く、酸化イットリウムが特に好ましい。
【００３７】
焼結助剤の添加量は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共に、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。更に好ましい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。
【００３８】
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。混合方法としては、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。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。
【００３９】
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。この時のプレス圧力は、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、ハンドリング等で破損し易くなる。
【００４０】
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、１.５〜２.５ｇ／ｃｍ３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、成形体密度が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、緻密な焼結体を得ることが困難となる。
【００４１】
次に、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ずにカーボンが過剰に残存するため、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ため、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。尚、脱脂処理後の成形体中に残存するカーボン量は、１.０ｗｔ％以下であることが好ましい。１.０ｗｔ％を超えるカーボンが残存していると、焼結が阻害され、緻密な焼結体を得ることができない。
【００４２】
次いで、脱脂処理後の成形体を焼結する。焼結は、窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中において、１７００〜２０００℃の温度で行う。この時使用する窒素等の雰囲気ガスが含有する水分は、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。
【００４３】
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共に、その表面に固体潤滑性があるので、焼結時に成形体が収縮する際に治具との間の摩擦を小さくすることができ、歪みの少ない焼結体を得ることができる。
【００４４】
得られたＡｌＮ焼結体は、必要に応じて加工を施す。例えば、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ため、焼結体表面が上記表面粗さとなるように研磨加工を施す。焼結体の表面粗さがＲａで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等の欠陥が発生しやすくなる。表面粗さは、Ｒａで１μｍ以下あれば更に好適である。
【００４５】
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だけでなく、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。
【００４６】
また、焼結体の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。更に、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は、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。
【００４７】
研磨加工を施した焼結体には、スクリーン印刷により導電ペーストを塗布し、抵抗発熱体等の回路の形成を行う。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。
【００４８】
また、ＡｌＮ焼結体との密着強度を高めるため、導電ペーストに酸化物粉末を添加することもできる。酸化物粉末としては、２Ａ族元素や３Ａ族元素の酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２等が好ましい。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ため好ましい。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。
【００４９】
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共に、密着強度も低下する。また、厚みが１００μｍを超える場合には、密着強度が低下するため好ましくない。
【００５０】
また、形成する回路パターンがヒータ回路（抵抗発熱体回路）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。間隔が０.１ｍｍ未満では、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てショートする。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、抵抗発熱体層を複数形成する場合には、上記と同様の手法で複数の基板を準備し、それぞれに発熱体回路を形成する。
【００５１】
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℃未満の脱脂温度では、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が形成されるため、得られる金属層の電気抵抗値が高くなる。
【００５２】
導電ペーストの焼成は、窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中にて、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ことが好ましい。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、セラミックス中に含有される焼結助剤等が揮散しはじめ、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。
【００５３】
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。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等の問題が生じる。例えば、ＡｌＮの場合、ＡｌＮ粉末に焼結助剤として所定量の２Ａ族元素あるいは３Ａ族元素の酸化物や炭酸化物を加えて混合し、これにバインダーや溶剤を加え、ペーストとした後、このペーストをスクリーン印刷により金属層上に塗布することができる。
【００５４】
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。焼結助剤量が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。
【００５５】
次に、回路形成した焼結体基板に、その回路を挟んで別の焼結体基板を積層する。積層は接合剤を介して行うのが好ましい。使用する接合剤は、酸化アルミニウム粉末や窒化アルミニウム粉末に、２Ａ族元素化合物や３Ａ族元素化合物及びバインダーや溶剤を加え、ペースト化したものを用い、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。
【００５６】
接合剤を塗布した基板を、非酸化性雰囲気中にて５００℃以上の温度で脱脂する。その後、積層する基板を重ね合わせ、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、基板同士を接合する。加える荷重は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、若しくは接合欠陥が生じやすい。
【００５７】
接合するための加熱温度は、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。上記した脱脂並びに接合時の非酸化性雰囲気は、窒素やアルゴン等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。
【００５８】
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ため、シートに亀裂が発生する確率が高くなる。
【００５９】
上記シート上に導体ペーストをスクリーン印刷等の手法により塗布することにより、所定形状の電気回路となる金属層を形成する。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。
【００６０】
次に、回路形成を行ったシートと、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。シートを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ため好ましくない。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。
【００６１】
得られた積層体を、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。脱脂処理及び焼結の温度や残存カーボン量等は、ポストメタライズ法と同じである。尚、上記した導電ペーストをシートに印刷する際に、１枚若しくは複数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層若しくは複数層の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。
【００６２】
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。通常の場合、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。加工精度としては、例えば被処理物搭載面の平面度は０.１ｍｍ以下が好ましく、更には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。
【００６３】
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。特に、表面粗さはＲａで１μｍ以下であれば更に好適である。
【実施例】
【００６４】
［実施例１］
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と有機溶剤を加え、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。尚、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。
【００６５】
抵抗発熱体形成用として、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、混合して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することにより、上記ＡｌＮシート上にヒータ回路パターンを形成した。
【００６６】
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、熱圧着して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にて８００℃で脱脂した後、窒素雰囲気中にて１８５０℃で焼結し、大きさ２０ｍｍ角のＡｌＮヒータを作製した。また、ヒータ出力を大きくするために、ヒータ積層数を３、厚みを２ｍｍとした。尚、ヒータ積層数が１の場合には、ヒータ出力が２００Ｗ程度までしか大きくできず、ヒータ積層数が３の場合に比して３倍以上の昇温時間が必要である。
【００６７】
また、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た。厚み４ｍｍの銅プレートには、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、内部に流路を有する冷却機構とした。
【００６８】
次に、支持体（ヒータ側支持体及び冷却機構側支持体）として、下記表１に示すＡ〜Ｉの９種類の材料を準備した。支持体の大きさは、全て縦２０×横２０×厚み５ｍｍである。
【００６９】
【表１】
2009031117.tif 000003
【００７０】
上記ＡｌＮヒータとヒータ側支持体をロウ付けし、更に、そのヒータ側支持体と冷却機構側支持体と冷却機構をネジ止めして、下記表２に示す加熱冷却モジュールを完成させた。その際、介在層としてシリコン樹脂（Ｓｉ樹脂）又はアルミナを添加したＳｉ樹脂を用い、ヒータ側支持体と冷却機構側支持体の間及び冷却機構側支持体と冷却機構の間の両方に、下記表２に示す介在層を挿入した加熱冷却モジュールも作製した。尚、介在層の厚みは、全て０.１ｍｍである。
【００７１】
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℃まで昇温して、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。尚、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。常温から２００℃までの昇温時間及び２００℃から常温までの冷却時間を測定し、その結果を加熱冷却モジュールの構成と共に、下記表２に示した。また、ロウ付けされたＡｌＮヒータの昇温時の割れ状況についても、下記表２に併せて示した。
【００７２】
【表２】
2009031117.tif 000004
【００７３】
表２から分るように、ヒータ側支持体と冷却機構側支持体の間、及び冷却機構側支持体と冷却機構の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、熱膨張係数の大きなヒータ側支持体を組み合わせた場合には、昇温時にロウ付けされたＡｌＮヒータに割れが生じ、昇温できなかった。
【００７４】
比較例として、上記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、上記と同じ構成の加熱冷却モジュールを作製し、同様に加熱及び冷却したところ、加熱時にアルミナヒータが破損した。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】従来一般的な加熱冷却モジュールを示す概略の断面図である。
【図２】本発明による加熱冷却モジュールを示す概略の断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１      セラミックスヒータ
２      支持体
２ａ    ヒータ側支持体
２ｂ    冷却機構側支持体
３      冷却機構
４      介在層
【図１】
2009031117.tif 000005
【図２】
2009031117.tif 000006