JP3729722B2 - ウエハーチャック用冷却又は加熱板及びウエハーチャック - Google Patents
ウエハーチャック用冷却又は加熱板及びウエハーチャック Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウエハーチャック用冷却又は加熱板及びこれを備えたウエハーチャックに関する。
【0002】
【従来の技術】
ICなど、ほとんどの半導体素子はシリコンウエハー上に作られている。1つの機能を持った半導体素子は、シリコンウエハーから切り出される前に、最終的な電気試験(機能試験)が行われ、その特性が測定され、良否の判定が行われる。試験ではウエハープローバ(ウエハーの移動と加熱または冷却の温度調節を行う装置)及びウエハーテスター(電気特性測定装置)と呼ばれる装置が使われている。
【0003】
ウエハープローバ内部には平面内に精密に移動可能なテーブル(X−Yテーブルと呼ばれる)があり、テストするウエハーを搭載及び保持するウエハーチャックは、このテーブルに取り付けられている。
【0004】
上記の試験は、ウエハーをウエハーチャックに保持させ、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。
【0005】
高温、低温のいずれの試験にも対応できるように本発明者により提案(特願2000年第154533号)されているウエハーチャック用冷却又は加熱(以下では、冷却/加熱と略記することがある)板の分解斜視図を図3に示す。
【0006】
図3において、ウエハーチャック用冷却/加熱板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(例えば冷却の場合、通常は冷却液であるが、低温のガスや空気の場合もある)との熱交換を行なう、ほぼ同一構造の下伝熱板14、上伝熱板15を有している。
【0007】
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、ケース内に熱媒体を導入し、また排出するための、熱媒体出入口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。
【0008】
下伝熱板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成り、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、下伝熱板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14b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。
【0009】
上伝熱板15は、ほぼ下伝熱板14と同じ構成であるが、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、上伝熱板15は、厚さ2mm程度のドーナツ盤状の板状部材15aの上面に、下伝熱板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(0.5〜1mm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。
【0010】
なお、下伝熱板14、上伝熱板15は、それぞれ1つの厚みがある金属円板を切削加工して一体的に作られることもある。
【0011】
下伝熱板14、上伝熱板15は、それら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、ろう付けまたは接着にて固定される。
【0012】
図4に、下伝熱板14、上伝熱板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4に示すように、上伝熱板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。更に、扇形部材15b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、下伝熱板14に関しても、上伝熱板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(上伝熱板15側の上下連絡流路23と一体)が形成される。
【0013】
図5に、図3に示すウエハーチャック用冷却/加熱板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、ウエハーチャック用冷却/加熱板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3のものとは異なっている。
【0014】
図5のウエハーチャックは、ウエハーチャック用冷却/加熱板10を用いた点以外は、従来のウエハーチャックと同じである。即ち、上面に複数の同心円状溝65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63の下面側に密着するよう取り付けられたウエハーチャック用冷却/加熱板10とを備えている。なお、ウエハーチャック用冷却/加熱板10には加熱用の熱媒体(液体や気体)を導入することもできるので、この場合には電気ヒーター63は省略されても良い。
【0015】
次に、このウエハーチャックの動作について、図5に加え、図3及び図4をも参照して説明する。
【0016】
熱媒体出入口16の一方からウエハーチャック用冷却/加熱板10に流入した加圧熱媒体は、下伝熱板14の(供給側)外周流路31に流れ込む。低温の熱媒体は、液体の場合粘度が大きいので、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、ウエハーチャック用冷却/加熱板10に流入した熱媒体は、まず下伝熱板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は、下伝熱板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、熱媒体は、上下連絡流路23から、上伝熱板15の放射状流路22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は、図4に矢印で示すように、他方の熱媒体出入口16へと向かい、そこから排出される。
【0017】
以上のように、このウエハーチャック用冷却/加熱板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、32の各々の幅を1mmとすると、従来のものに比べ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。
【0018】
また、このウエハーチャック用冷却/加熱板10では、下伝熱板14、上伝熱板15を上下に重ね、これらの下伝熱板14、上伝熱板15(特に、その放射状流路22、32)に流れる熱媒体の流動方向を互いに逆方向としたことで、ウエハーチャック用冷却/加熱板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。
【0019】
なお、上記の例では、熱媒体が下伝熱板14から上伝熱板15へと流れるようにしているが、上伝熱板から下伝熱板14へと流れるようにされる場合もあり得る。
【0020】
次に、図6を参照して、本発明者により提案されているウエハーチャック用冷却/加熱板の別の例について説明する。
【0021】
図6に示すように、本例によるウエハーチャック用冷却/加熱板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出入口51が設けられている。これに伴い、このウエハーチャック用冷却/加熱板50では、図3のウエハーチャック用冷却/加熱板10とは異なる点がいくつかある。
【0022】
まず、下伝熱板は、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、このウエハーチャック用冷却/加熱板50の中央部には、上下連絡通路23が存在しない。
【0023】
そして、上伝熱板の板状部材は、更に、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。
【0024】
図6のウエハーチャック用冷却/加熱板50において、熱媒体出入口51の一方から上伝熱板の中央部に流れ込んだ熱媒体は、上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から下伝熱板の外周流路31へと流れ込む。下伝熱板の外周流路31へと流れ込んだ熱媒体は、下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、他方の熱媒体出入口51から排出される。
【0025】
なお、この例では、熱媒体が上伝熱板から下伝熱板へと流れる場合について説明したが、下伝熱板から上伝熱板へと流れるようにされる場合もある。この場合、熱媒体の流れは図6とは逆向きになる。
【0026】
本例においても、図3の例と同様、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/加熱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。
【0027】
なお、上記のいずれの例でもX−Yテーブルは図示を省略しているが、X−Yテーブルは、通常、ウエハーチャック用冷却/加熱板の下側に組み合わされる。
【0028】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体素子やICが作られている半導体ウエハーは測定のためウエハーチャック上に載せられ、測定が終わると、次の半導体ウエハーと交換される。このとき、半導体ウエハーを取り扱うのにハンドリング装置が使われる。半導体素子は、半導体ウエハー表面に形成されているため、いわゆる吸着パッドで取り扱うことができない。半導体ウエハーは表面に傷を付けないようにその外周部をハンドリングアームで保持するが、このとき、半導体ウエハーをつかむため、半導体ウエハーをウエハーチャックより数mm持ち上げなければならない。半導体ウエハーは最外周近くまで半導体素子が作られており、ウエハーチャックは半導体ウエハーより大きく作られている。このため、半導体ウエハーを持ち上げるには、ウエハーチャックを貫通したリフ卜機構のピンが最低3本(120度の角度間隔をおいて)必要となる。
【0029】
図7にリフト機構のピンがウエハーチャック用冷却/加熱板を貫通している様子を示している。なお、図7では図5あるいは図6に示したチャック機構部分は図示を省略している。リフト機構のピン81の貫通穴には、ここから熱媒体が漏れ出ないように、筒状部材85が必要である。
【0030】
図8にピン81用の貫通穴を持ったウエハーチャック用冷却/加熱板の平面図を示す。ここでも、図4と同様、上板が外された状態で示している。図8に示すように、貫通穴を形成するための筒状部材85の径はある程度の大きさが必要で、この部分にかかる数本の放射状流路を塞いでしまう。このため、貫通穴のある部分の放射状流路は、中央部側は勿論のこと、外周側についても熱媒体が流れないため、塞がれている数本の放射状流路で規定される扇形の領域は冷却あるいは加熱が行われない。これはウエハーの冷却あるいは加熱能力の低下や温度分布の一様性の悪化をもたらす。
【0031】
そこで、本発明の課題は、リフト機構のピンを貫通させるための貫通穴に起因する冷却あるいは加熱性能の悪化や温度分布の悪化を防ぐことのできるウエハーチャック用冷却又は加熱板及びこれを備えたウエハーチャックを提供することにある。
【0032】
【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共に、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の上下連絡流路あるいは前記外周側の上下連絡流路で互いに連通させ、前記中央部側で連通させた場合に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熱媒体が、前記中央部側の上下連絡流路を経由して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、前記外周側で連通させた場合に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が、前記外周側の上下連絡流路を経由して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ウエハーチャック用冷却又は加熱板であって、該ウエハーチャック用冷却又は加熱板にはウエハーリフト機構が組み合わされ、該ウエハーリフト機構は該ウエハーチャック用冷却又は加熱板を貫通して上下動可能にされたウエハー支持用の複数のピンを含み、前記ウエハーチャック用冷却又は加熱板における前記各ピンの貫通穴は、数本の前記流路にわたる径を持つ筒状部材により形成されており、前記一方及び他方の伝熱板における前記筒状部材の外周側には、該筒状部材による熱媒体遮断域を迂回させて前記数本の流路を連通状態にする迂回流路を設けたことを特徴とするウエハーチャック用冷却又は加熱板が提供される。
【0033】
本発明によればまた、上記のウエハーチャック用冷却又は加熱板を備えたウエハーチャックが提供される。
【0034】
【発明の実施の形態】
図1、図2を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図1、図2において、図3、図5と同じ部分には同一番号を付している。図2でも、便宜上、下伝熱板、上伝熱板が単一部材からなるように描かれており、2つの熱媒体出入口16が上下に並んで配置されているように描かれている。また、下伝熱板の下面側、上伝熱板の上面側にそれぞれ、ステンレス鋼による板部材91が設けられている。なお、上伝熱板側に設けられるチャック機構部分も図示を省略している。
【0035】
前に述べたように、チャック機構部分にはその上面に置く半導体ウエハーの取り扱い(半導体ウエハーを載せたり、測定の終わった半導体ウエハーを取り出す)をするための、ウエハーリフト機構が設けられている。ウエハーリフト機構のピン81は半導体ウエハーの下面の3点を支持できるように、ウエハーチャックを貫通するように配置されている。このため、ウエハーチャック用冷却又は加熱(以下では、冷却/加熱と略記する)板10にはピン81の通る貫通穴があけられている。ウエハーチャック用冷却/加熱板10における各ピン81の貫通穴は、数本の放射状流路にわたる径を持つ筒状部材85により形成されている。
【0036】
本形態では、ウエハーチャック用冷却/加熱板10の冷却/加熱性能を落とすことなく、ピン81の通る貫通穴を形成するために、下伝熱板及び上伝熱板における筒状部材85の外周側に、この筒状部材85による熱媒体遮断域を迂回させて前記数本の放射状流路を連通状態にする迂回流路95を設けている。迂回流路95は、ここでは円環状に形成され、これに接する放射状流路はすべてこの円環状の迂回流路95に連通するようになっている。
【0037】
このように、ウエハーリフト機構のピン81が貫通する貫通穴の領域には熱媒体の迂回流路95が設けられているので、熱媒体は、この迂回流路95を通って流れることが可能となる。
【0038】
なお、上記の例では、熱媒体出入口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、熱媒体入口及び熱冷媒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。
【0039】
図2では、熱媒体が下伝熱板から上伝熱板へと流れる場合について説明したが、上伝熱板から下伝熱板へと流れるようにされる場合もある。この場合には、図6で説明したような構造を採用しても良い。勿論、図6でも説明したように、図6とは逆向きの熱媒体の流れによるウエハーチャック用冷却/加熱板であっても良い。
【0040】
更に、上記の形態では、放射状流路32を上側に向けた下伝熱板14の上に、放射状流路22を上側に向けた上伝熱板15を重ねるようにしている。この場合、図1、図2で言えば上伝熱板15の板状部材15aが放射状流路32と放射状流路22との間を仕切る仕切り板部材として機能することは明らかである。これとは別に、放射状流路32を上側に向けた下伝熱板14の上に、放射状流路22を下側に向けた上伝熱板15を重ねるようにしても良い。この場合には、放射状流路32と放射状流路22との間にこれらを仕切る仕切り板部材を設ければ良い。この場合の仕切り板部材は、板状部材15aと同様に、中央部に上下連絡流路23を形成するための貫通穴を持つ板が使用される。
【0041】
【発明の効果】
本発明によれば、ウエハーチャック用冷却/加熱板にウエハーリフト機構のピンが貫通する貫通穴が設けられている場合であっても、熱媒体は迂回流路を通って流れることが可能となり、放射状に切られた下伝熱板、上伝熱板の放射状流路はすべて有効に機能する。これにより、冷却/加熱性能の悪化や温度分布の悪化を招くことを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるウエハーチャック用冷却又は加熱板を上板を外した状態で上から見た図である。
【図2】 図1のウエハーチャック用冷却又は加熱板の断面構成図である。
【図3】 本発明が適用されるウエハーチャック用冷却又は加熱板の分解斜視図である。
【図4】 図3のウエハーチャック用冷却又は加熱板を上板を外した状態で上から見た図である。
【図5】 図3のウエハーチャック用冷却又は加熱板を用いたウエハーチャックの断面構成図である。
【図6】 本発明が適用されるウエハーチャック用冷却又は加熱板の別の例を示した断面構成図である。
【図7】 図3に示したウエハーチャック用冷却又は加熱板にリフト機構を組み合わせた断面構成図である。
【図8】 図7のウエハーチャック用冷却又は加熱板を上板を外した状態で上から見た図である。
【符号の説明】
10、50 ウエハーチャック用冷却又は加熱板
11 下板
12 側壁板
13 上板
14 下伝熱板
14a、15a 板状部材
14b、15b 扇形部材
14c 円柱部材
15 上伝熱板
16、51 熱媒体出入口
21 外周流路
22、32 放射状流路
23 上下連絡流路
31 (供給側)外周流路
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
81 ピン
85 筒状部材
95 迂回流路
Claims (2)
- 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共に、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の上下連絡流路あるいは前記外周側の上下連絡流路で互いに連通させ、前記中央部側で連通させた場合に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熱媒体が、前記中央部側の上下連絡流路を経由して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、前記外周側で連通させた場合に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が、前記外周側の上下連絡流路を経由して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ウエハーチャック用冷却又は加熱板であって、
該ウエハーチャック用冷却又は加熱板にはウエハーリフト機構が組み合わされ、該ウエハーリフト機構は該ウエハーチャック用冷却又は加熱板を貫通して上下動可能にされたウエハー支持用の複数のピンを含み、
前記ウエハーチャック用冷却又は加熱板における前記各ピンの貫通穴は、数本の前記流路にわたる径を持つ筒状部材により形成されており、
前記一方及び他方の伝熱板における前記筒状部材の外周側には、該筒状部材による熱媒体遮断域を迂回させて前記数本の流路を連通状態にする迂回流路を設けたことを特徴とするウエハーチャック用冷却又は加熱板。 - 請求項1記載のウエハーチャック用冷却又は加熱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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