JP3448737B2 - ウエハーチャック用冷却板及びウエハーチャック - Google Patents

ウエハーチャック用冷却板及びウエハーチャック

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    • F28D9/0012—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the apparatus having an annular form
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/102—Particular pattern of flow of the heat exchange media with change of flow direction

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ウエハーチャック
に関し、特に、その冷却板に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体製造技術の分野では、半導体ウエ
ハー（シリコンウエハー）上に半導体素子（ＩＣ等）を
製造した後、その半導体素子が、正常に動作するかどう
かを調べるために、電気的試験が行なわれる。
【０００３】通常、この種の試験は、半導体ウエハーを
ウエハー（吸着）チャックと呼ばれる保持器に保持さ
せ、半導体素子が置かれることになるであろう使用環境
を模擬した状態（動作環境温度）を作り出して行なわれ
る。このような試験は、以前は、高温（室温から１５０
℃程度まで）で行なわれることが多かったが、最近で
は、低温（−１０℃〜−５０℃）で行なわれることも多
くなってきている。
【０００４】高温での試験にも低温での試験にも対応で
きる、従来のウエハーチャックの分解斜視図を図６に示
す。また、そのようなウエハーチャックの断面構造図を
図７に示す。
【０００５】図６に示すように、従来のウエハーチャッ
クは、半導体ウエハー６１を吸着保持するための吸着板
６２と、吸着板６２を介して半導体ウエハー６１を加熱
する電気ヒーター６３と、電気ヒーター６３及び吸着板
６２を介して半導体ウエハー６１を冷却する冷却板６４
を有している。
【０００６】吸着板６２は、例えば厚さ１２ｍｍ程度の
アルミニウム製円盤であって、その上面には、同心円状
の複数の溝６５が形成されている。また、その内部に
は、図７に示すように、少なくとも１つの真空排気通路
７１が形成されている。そして、この真空排気通路７１
は、溝６５の各々に連通している。この吸着板６２の上
に半導体ウエハー６１を載置し、真空排気通路７１に続
く真空引き口６６に接続された図示しない排気ポンプを
駆動して真空排気通路７１内を排気すると、半導体ウエ
ハー６１によってその上面を塞がれた溝６５内の空気等
も排気され、その結果、半導体ウエハー６１は、吸着板
６２によって吸引保持される。なお、この吸着板６２に
よる吸引は、例えば、−０．０５ＭＰａ程度の吸引力
（圧力）で行なわれる。
【０００７】電気ヒーター６３は、厚み４ｍｍ程度の薄
い円盤状のヒーターであって、そのリード線６７に電流
を流すことによって発熱し、吸着板６２を加熱する。半
導体ウエハー６１は薄く、熱容量が小さいので、その温
度は、吸着板６２の温度が変化すると、直ちに吸着板６
２の温度にほぼ等しくなる。この電気ヒーター６３は、
高温で試験を行なう場合に使用されるだけでなく、低温
で試験を行なう場合にもその温度を調節するために使用
される。
【０００８】冷却板６４は、図７に示すように、内部に
熱媒体液（冷却液）を流すための流路７２（例えば、幅
５ｍｍ程度の溝あるいは直径５ｍｍ程度のきり穴）が形
成されており、図示ない冷凍機により冷却された熱媒体
液（例えば、アウジモント社製のガルデンや、３Ｍ社製
のフロリナート等）を流すことにより、ヒーター６３を
介して吸着板６２を冷却する。上述のように、半導体ウ
エハー６１は、熱容量が小さいので、吸着板６２の温度
が低下すると、その温度は、直ちに吸着板６２とほぼ同
じ温度にまで下がる。この冷却板６４は、低温で試験を
行なう場合に使用されるだけでなく、半導体素子を動作
させたときに大きな発熱があるような場合に、半導体素
子の過熱を防ぐ目的にも使用される。なお、図７では、
冷却板６４の流路７２が図の左側から右側に向かって真
っ直ぐに設けられているように描いているが、これは実
際のもの（及び図６のもの）とは異なる。実際には、冷
却板６４の流路７２は、例えば、図８乃至１０に示すよ
うに、星型や、２重渦巻状、或いは蛇行状に形成され
る。
【０００９】なお、上記ウエハーチャックは、吸着板６
２と冷却板６４とを別体で備えているが、吸着板６２内
部に熱媒体液を流すための流路を設け、吸着板６２に冷
却板としての機能を備えさせたものある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来のウエハーチャッ
ク用冷却板は、１本（多くても数本）の流路に熱媒体液
を流すように構成されているため、伝熱面積が小さく、
熱媒体液から冷却板への熱伝達率も小さいという問題点
がある。
【００１１】ここで、熱媒体液は、低温では粘性が大き
くなり、その流れが層流になる。このとき、熱媒体液か
ら冷却板への熱伝達率は、流路の直径（等価直径：溝の
幅と深さにより決まる）に反比例する。つまり、流路の
直径が大きい程、熱伝達率は小さくなる。また、流路の
直径が大きいと流路の全長を長くすることができないの
で、結果的に伝熱面積が小さくなる。従って、熱媒体液
の流量が一定であるとの前提で、より大きな熱伝達率を
達成するためには、流路の直径を小さくして熱媒体液の
流速を高め、熱媒体液から流路壁までの熱伝達距離を小
さくするとともに、流路の全長を長くして、伝熱面積を
大きくする必要がある。しかしながら、流路の直径を小
さくし、その全長を長くすると、熱媒体液の流量を一定
にするために、非常に大きな圧力を熱媒体液に加えなけ
ればならず（つまり、圧力損失が大きい）、耐圧の問題
等、別の問題が生じる。
【００１２】また、従来のウエハーチャック用冷却板で
は、その表面（電気ヒーターに接する面）の温度分布が
均一にならないという問題点もある。
【００１３】本発明は、伝熱面積が大きく、熱媒体液と
の間の熱伝達率も大きく、その表面の温度分布を均一に
できるウエハーチャック用冷却板を提供することを目的
とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、中央部
側から外周側にかけて放射状に形成された複数の流路を
それぞれ備えた２つの伝熱板を互いに重ね合わせるとと
もに、一方の伝熱板の前記複数の流路と他方の伝熱板の
前記複数の流路とを前記中央部側または前記外周側で互
いに連通させ、前記一方の伝熱板の前記複数の流路と前
記他方の伝熱板の前記複数の流路とを前記中央部側で互
いに連通させたときは、前記一方の伝熱板の前記複数の
流路を前記外周側から前記中央部側へと流れた前記熱媒
体液が前記他方の伝熱板の前記複数の流路を前記中央部
側から前記外周側へと連続的に流れるようにし、前記一
方の伝熱板の前記複数の流路と前記他方の伝熱板の前記
複数の流路とを前記外周側で互いに連通させたときは、
前記一方の伝熱板の前記複数の流路を前記中央部側から
前記外周側へと流れた熱媒体液が前記他方の伝熱板の前
記複数の流路を前記外周側から前記中央部側へと連続的
に流れるようにしたことを特徴とするウエハーチャック
用冷却板が得られる。
【００１５】ここで、前記２つの伝熱板は、前記放射状
に形成された複数の流路の各々よりも大きな断面積を持
つよう当該伝熱板の外周側に周方向に沿って形成された
外周流路を有している。
【００１６】また、前記２つの伝熱板は、銅、銅合金、
アルミニウム、またはアルミ合金のうちの何れかからな
る単数または複数の部材によって構成されている。
【００１７】さらに、前記２つの伝熱板は、銅よりも機
械的強度が強い、例えばステンレス製のケースに収めら
れている。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。
【００１９】図１に、本発明の第１の実施の形態による
ウエハーチャック用冷却板の分解斜視図を示す。この冷
却板１０は、ケースを構成する下板１１、側壁板１２、
及び上板１３と、このケース内に上下に重ねて収容さ
れ、熱媒体液（冷却液）との熱交換を行なう、ほぼ同一
構造の２つの伝熱板１４，１５を有している。
【００２０】下板１１、側壁板１２、及び上板１３は、
金属製で、各々２ｍｍ程度の厚みを有している。また、
側壁板１２の外周面には、ケース内に熱媒体液を導入
し、また排出するための、熱媒体液出入口１６が取り付
けられている。これら下板１１、側壁板１２、及び上板
１３は、銅製でもよいが、それより機械的強度が強い
（熱に強い）ステンレスや、チタン等の方が望ましい。
【００２１】伝熱板１４は、熱伝導率の大きな金属材
料、例えば銅、銅合金、アルミニウム、あるいはアルミ
ニウム合金等からなる板状部材１４ａ、多数の略扇形の
扇形部材１４ｂ、及び円柱部材１４ｃを有している。詳
述すると、伝熱板１４は、厚さ２ｍｍ程度の薄い金属円
板である板状部材１４ａの上面に、同じく厚さ２ｍｍ程
度の多数の扇形部材１４ｂを、互いに僅な距離（０．５
〜１ｍｍ程度）を置いて円環状に並べ、そこにろう付け
または接着してある。ここで、扇形部材１４ｂが形成す
る円環の外径は、板状部材１４ａの直径を２００ｍｍよ
り若干大きいものとすると（８インチ半導体ウエハーに
対応するものとすると）、それより２４ｍｍ程度小さ
い。また、板状部材１４ａの中央部には、扇形部材１４
ｂが形成する円環の内径が２８ｍｍ程度であるとして、
厚み６ｍｍ程度、外径１８ｍｍ程度の円柱部材１４ｃ
が、ろう付けまたは接着されている。
【００２２】伝熱板１５は、ほぼ伝熱板１４同じ構成で
あるが、その中央に内径２８ｍｍ程度の円孔を有し、円
柱部材を持たない点で異なっている。詳述すると、伝熱
板１５は、厚さ２ｍｍ程度のドーナツ盤状の板状部材１
５ａの上面に、伝熱板１４と同様、厚さ２ｍｍ程度の多
数の扇形部材１５ｂを、互いに僅な距離（０．５〜１ｍ
ｍ程度）を置いて円環状となるように並べ、そこにろう
付けまたは接着してある。
【００２３】なお、伝熱板１４，１５は、それぞれ１つ
の厚みがある金属円盤を削るなどしても作製可能であ
る。
【００２４】伝熱板１４，１５は、その中心軸が一致す
るように互いに重ねられ、ろう付けあるいは接着され、
上板１１、側壁板１２、及び上板１３からなるケース内
に収容され、おきろう（金ろう）にて固定される。
【００２５】図２に、伝熱板１４，１５をケースに収容
した状態（上板１３を外した状態）を示す。図２に示す
ように、伝熱板１５の扇形部材１５ｂが形成する円環の
外周面と側壁板１２の内周面との間には、比較的幅の広
いリング状の空間が形成される。この空間は、熱媒体液
が流れる（排出側）外周流路２１となる。また、隣り合
う扇形部材１５ｂの間に形成される幅０．５〜１ｍｍの
空間は、放射状流路２２となる。さらに、扇形部材１５
ｂが形成する円環の内周面と円柱部材１４ｃとの間に形
成される空間は、上下連絡流路２３となる。なお、伝熱
板１４に関しても、伝熱板１５と重ねられてケース内に
収容されることで、（供給側）外周流路、放射状流路、
及び上下連絡流路（伝熱板１５側の上下連絡流路２３と
一体）が形成される。
【００２６】図３に、図１に示す冷却板１０を用いたウ
エハーチャックの断面図を示す。なお、ここでは、冷却
板１０が単一部材からなるように描かれており、また、
２つの熱媒体液出入口１６が上下に並んで配置されてい
るように描かれている点で、図１及び図２のものとは異
なっている。
【００２７】図３のウエハーチャックは、冷却板１０を
用いた点以外は、従来のウエハーチャック（図６及び７
参照）と同じである。即ち、上面に複数の同心円状溝６
５が形成され、これらの溝６５に連通する真空排気通路
７１が形成された、半導体ウエハー６１を吸着保持する
ための吸着板６２と、吸着板６２の下面側に密着するよ
う取り付けられた電気ヒーター６３と、電気ヒーター６
３の下面側に密着するよう取り付けられた冷却板１０と
を備えている。
【００２８】次に、このウエハーチャックの動作につい
て、図３に加え、図１及び図２をも参照して説明する。
【００２９】熱媒体液出入口１６の一方から冷却板１０
に流入した熱媒体液は、下側の伝熱板１４の（供給側）
外周流路３１に流れ込む。低温の熱媒体液は粘度が大き
いので、幅の狭い放射状流路３２に流れ込むよりも、比
較的幅の広い供給側外周流路３１内を流れ易い。従っ
て、冷却板１０に流入した熱媒体液は、まず伝熱板１４
の供給側外周流路３１内を満たし、その後、全ての放射
状流路３２へと均等に流れ込む。放射状流路３２に流れ
込んだ熱媒体液は、伝熱板１４の中心部へと向かい、上
下連絡流路２３へと流れ込む。さらに、熱媒体液は、上
下連絡流路２３から、上側の伝熱板１５の放射状流路２
２へと流れ込み、外周側へと流れ、排出側外周流路２１
へと流れ込む。排出側外周流路２１へと流れ込んだ熱媒
体液は、図２に矢印で示すように、他方の熱媒体液出入
口１６へと向かい、そこから排出される。
【００３０】以上のように、本実施の形態による冷却板
１０では、多数の幅の狭い（等価直径の小さい）放射状
流路２２，３２を、熱媒体液が流れるようにしたので、
熱伝達率の向上、伝熱面積の向上、及び圧力損失の低下
を実現できる。例えば、放射状流路２２，２３の各々の
幅を１ｍｍとすると、従来の５ｍｍ幅のもの（図８、図
９、または図１０のもの）に比べ５倍程度の熱伝達率を
実現でき、また、伝熱面積も５倍程度を実現できる。そ
の結果、熱伝達能力は従来に比べ２５倍に改善できる。
しかも、各放射状流路の長さが短いので、圧力損失は小
さい。
【００３１】また、本実施の形態では、２枚の伝熱板１
４，１５を上下に重ね、これらの伝熱板１４，１５（特
に、その放射状流路２２，３２）に流れる熱媒体液の流
動方向を互いに逆方向としたことで、冷却板１０表面温
度をその中心部側と外周側とでほぼ等しくすることがで
きる。
【００３２】図４に、上下の伝熱板１４，１５の各々に
ついて１本の放射状流路に着目し、そこを流れる熱媒体
液の温度及び冷却板１０表面の温度と、冷却板１０の中
心からの距離との関係を示す。図４に示すように、熱媒
体液は、供給側外周流路３１で最も温度が低く、この供
給側外周流路３１から上下連絡流路２３へ向かって、放
射状流路３２を流れるに従い、その温度は上昇する。ま
た、熱媒体液は、上下連絡流路２３から排出側外周流路
２１へ向かって放射状流路２２を流れるに従い、その温
度が上昇する。熱媒体液から冷却板１０の表面への熱伝
達量は、その温度差が大きいほど大きい（つまり、熱媒
体液の温度が低い方が大きい）が、冷却板１０の表面温
度は、熱媒体液が供給側外周流路３１から上下連絡流路
２３へ向かうときの冷却能力と、上下連絡流路２３から
排出側外周流路２１へ向かうときの冷却能力との合計に
よって決まるので、図４に示すように半径方向に関して
ほぼ等しくなる。
【００３３】なお、上記実施の形態では、熱媒体液出入
口１６として、入口と出口を１つずつ設けた例について
説明したが、熱媒体液入口及び熱冷媒液出口をそれぞれ
複数設けるようにしてもよい。この場合、複数の入口及
び出口は、ケースの側壁板１２に、周方向に沿って均等
に配置することが望ましい。
【００３４】また、上記実施の形態では、熱媒体液が下
側の伝熱板１４から上側の伝熱板１５へと流れるように
したが、上側の伝熱板から下側の伝熱板１４へと流れる
ようにしてもよい。
【００３５】次に、図５を参照して、本発明の第２の実
施の形態によるウエハーチャック用冷却板について説明
する。
【００３６】図５に示すように、本実施の形態による冷
却板５０では、ケースを構成する下板の下面の中央部で
あって、少しばかり偏心した位置に熱媒体液出入口５１
が設けられている。これに伴い、この冷却板５０では、
図１の冷却板１０とは異なる点がいくつかある。
【００３７】まず、下側の伝熱板は、その中心部に円柱
部材が取り付けられておらず、板状部材の中心部には、
熱媒体液出入口５１に繋がる２つの開口５２が形成され
ている。また、上側の伝熱板の板状部材には、その中心
部に円孔が形成されておらず、熱媒体液出入口５１の一
方に連通する連通管５３が取り付けられている。この結
果、この冷却板５０の中央部には、上下連絡通路２３が
存在しない。
【００３８】そして、上側の伝熱板の板状部材は、さら
に、その外周を扇形部材が形成する円環の外周と一致さ
せてある。この結果、上側の伝熱板の外周流路２１と下
側の外周流路３１とが連続する空間となり、これが上下
連絡通路となる。
【００３９】図５の冷却板において、熱媒体液出入口５
１の一方から上側の伝熱板の中央部に流れ込んだ熱媒体
液は、上側の伝熱板の放射状流路２２を外周へ向かって
流れ、外周流路２１から下側の伝熱板の外周流路３１へ
と流れ込む。下側の伝熱板の外周流路３１へと流れ込ん
だ熱媒体液は、下側の伝熱板の放射状流路３２へと流れ
込みその中央部へと向かって流れ、他方の熱媒体液出入
口５１から排出される。
【００４０】なお、本実施の形態では、熱媒体液が上側
の伝熱板から下側の伝熱板へと流れる場合について説明
したが、下側の伝熱板から上側の伝熱板へと流れるよう
にしてもよい。
【００４１】本実施の形態においても、第１の実施の形
態と同様、熱伝達率の向上、伝熱面積の向上、及び圧力
損失の低下を実現できる。また、冷却板の表面温度をそ
の中心側と外周側とでほぼ等しくすることができる。
【００４２】
【発明の効果】本発明によれば、熱媒体液が、幅の狭い
多数の放射状流路を流れるようにしたことで、熱伝達率
の向上、伝熱面積の向上、及び圧力損失の低下を実現す
ることができる。
【００４３】また、本発明によれば、２枚の伝熱板を上
下に重ねて熱媒体液が流れる方向を互いに逆方向とした
ことで、冷却板の表面温度をその中心側と外周側とでほ
ぼ等しくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のよるウエハーチャ
ック用冷却板の分解斜視図である。
【図２】図１のウエハーチャック用冷却板を上板を外し
た状態で上から見た図である。
【図３】図１の冷却板を用いたウエハーチャックの断面
構成図である。
【図４】図１の冷却板における、熱媒体液の温度及び冷
却板表面の温度と、冷却板の中心からの距離との関係を
示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施の形態によるウエハーチャ
ックの断面構造図である。
【図６】従来のウエハーチャックの構成を示すための分
解斜視図である。
【図７】従来のウエハーチャックの断面構造図である。
【図８】従来のウエハーチャックに使用される冷却板の
流路形状の一例を示す断面図である。
【図９】従来のウエハーチャックに使用される冷却板の
流路形状の他の例を示す断面図である。
【図１０】従来のウエハーチャックに使用される冷却板
の流路形状のさらに別の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１ 下板 １２ 側壁板 １３ 上板 １４ 伝熱板 １４ａ 板状部材 １４ｂ 扇形部材 １４ｃ 円柱部材 １５ 伝熱板 １５ａ 板状部材 １５ｂ 扇形部材 １６ 熱媒体液出入口 ２１ 外周流路 ２２ 放射状流路 ２３ 上下連絡流路 ３１ （供給側）外周流路 ３２ 放射状流路 ５０ 冷却板 ５１ 熱媒体液出入口 ５２ 開口 ５３ 連通管 ６１ 半導体ウエハー ６２ 吸着板 ６３ 電気ヒーター ６４ 冷却板 ６５ 溝 ６６ 真空引き口 ６７ リード線 ７１ 真空排気通路 ７２ 流路
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/68 F25D 1/02 F25D 9/00 H01L 21/66

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 中央部側から外周側にかけて放射状に形
    成された複数の流路をそれぞれ備えた２つの伝熱板を互
    いに重ね合わせるとともに、一方の伝熱板の前記複数の
    流路と他方の伝熱板の前記複数の流路とを前記中央部側
    または前記外周側で互いに連通させ、前記一方の伝熱板
    の前記複数の流路と前記他方の伝熱板の前記複数の流路
    とを前記中央部側で互いに連通させたときは、前記一方
    の伝熱板の前記複数の流路を前記外周側から前記中央部
    側へと流れた前記熱媒体液が前記他方の伝熱板の前記複
    数の流路を前記中央部側から前記外周側へと連続的に流
    れるようにし、前記一方の伝熱板の前記複数の流路と前
    記他方の伝熱板の前記複数の流路とを前記外周側で互い
    に連通させたときは、前記一方の伝熱板の前記複数の流
    路を前記中央部側から前記外周側へと流れた熱媒体液が
    前記他方の伝熱板の前記複数の流路を前記外周側から前
    記中央部側へと連続的に流れるようにしたことを特徴と
    するウエハーチャック用冷却板。
  2. 【請求項２】 前記２つの伝熱板が、それぞれ、前記放
    射状に形成された複数の流路の各々よりも大きな断面積
    を持つよう当該伝熱板の外周側に周方向に沿って形成さ
    れた外周流路を有していることを特徴とする請求項１の
    ウエハーチャック用冷却板。
  3. 【請求項３】 前記２つの伝熱板が、銅、銅合金、アル
    ミニウム、またはアルミ合金のうちの何れかからなる単
    数または複数の部材によって構成されていることを特徴
    とする請求項１または２のウエハーチャック用冷却板。
  4. 【請求項４】 前記２つの伝熱板が、銅より機械的強度
    が強い金属製のケースに収められていることを特徴とす
    る請求項１，２、または３のウエハーチャック用冷却
    板。
  5. 【請求項５】 請求項１，２，３、または４のウエハー
    チャック用冷却板を備えたことを特徴とするウエハーチ
    ャック。
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