DD220509A1 - DEVICE FOR HEATING AND COOLING DISK MOLDED OBJECTS - Google Patents

DEVICE FOR HEATING AND COOLING DISK MOLDED OBJECTS Download PDF

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DD220509A1
DD220509A1 DD25806583A DD25806583A DD220509A1 DD 220509 A1 DD220509 A1 DD 220509A1 DD 25806583 A DD25806583 A DD 25806583A DD 25806583 A DD25806583 A DD 25806583A DD 220509 A1 DD220509 A1 DD 220509A1
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Karl-Heinz Freywald
Hans-Christoph Moeslein
Edmund Ritter
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Erfurt Mikroelektronik
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine zur Temperaturregelung geeignete Vorrichtung zum Heizen und Kuehlen von scheibenfoermigen Objekten, insbesondere zur hochempfindlichen elektrischen Parametermessung an Halbleiterbauelementen im Scheibenverband, in einem Temperaturbereich von etwa 77 K bis etwa 650 K. Ziel ist eine Verbesserung der Vorrichtung dahingehend, dass der Aufwand fuer das Temperaturregelsystem verringert wird und Messungen mit hoeheren Empfindlichkeiten moeglich sind. Aufgabe ist es, die thermischen Eigenschaften fuer die Temperaturregelung zu verbessern und die Stoereinfluesse aus dem Heizerstromkreis auf das Messobjekt zu verringern. Die erfindungsgemaesse Vorrichtung besteht aus einer metallischen Scheibenauflage innerhalb einer Messkammer, wobei unterhalb der Scheibenauflage ein Temperaturstrahler angeordnet ist und sich unmittelbar in der Scheibenauflage Kuehlkanaele befinden. Die Scheibenauflage ist elektrisch und thermisch von der Messkammer und einem Kuehlmitteldurchlaufsystem isoliert. Die Isolierung von der Messkammer erfolgt durch drei radial-symmetrisch angeordnete Keramikelemente, die Isolierung vom Kuehlmitteldurchlaufsystem durch isolierende Schlauchstuecke, die zur Verhinderung der Eisbildung in von den Kuehlmitteldaempfen durchstroemten koaxialen Rohren angeordnet sind.The invention relates to a suitable temperature control device for heating and cooling of scheibenfoermigen objects, in particular for highly sensitive electrical parameter measurement of semiconductor devices in the disk assembly, in a temperature range of about 77 K to about 650 K. The aim is to improve the device to the effect that the effort the temperature control system is reduced and measurements with higher sensitivities are possible. The task is to improve the thermal properties for the temperature control and to reduce the interference from the heater circuit to the DUT. The inventive device consists of a metallic disc support within a measuring chamber, wherein below the disc support a temperature radiator is arranged and located directly in the disc support cooling ducts. The disc support is electrically and thermally isolated from the metering chamber and a coolant passage system. The isolation from the measuring chamber is effected by three radially-symmetrically arranged ceramic elements, the isolation of the Kühlmitteldurchlaufsystem by insulating Schlauchstuecke, which are arranged to prevent the formation of ice in the coughing through the Küeldmitteldaempfen coaxial pipes.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine für Temperaturregelung geeignete Vorrichtung zum Heizen und Kühlen von scheibenförmigen Objekten zur hochempfindlichen elektrischen Parametermessung an Halbleitern und Bauelementen, vorzugsweise mittels Tastsonden kontaktierten Halbleiterstrukturen im Scheibenverband, in einem Temperaturbereich von ca. 77 K bis ca. 650K mit elektrisch isolierter Objektauf jage in trockener Atmosphäre.The invention relates to a device suitable for temperature control device for heating and cooling of disc-shaped objects for highly sensitive electrical parameter measurement of semiconductors and devices, preferably contacted by Tastsonden semiconductor structures in the disc group, in a temperature range of about 77 K to 650K with electrically isolated Objektauf hunting in dry atmosphere.

Charakterisierung der bekannten technischen Lösungen -Characterization of the known technical solutions -

Es ist bekannt, daß scheibenförmige Objekte durch thermische Berührung mit einer ebenen Objektauflage temperiert werden {Koyama, R. Y.; Buehler, M. G.; „Novel variable-temperature chuck for use in the detection of deep levels in processed semiconductor wafers"; Reviewof scientific Instruments Vol.50 (8) August1979, pp.983-987).It is known that disk-shaped objects are tempered by thermal contact with a flat object support {Koyama, R. Y .; Buehler, M.G .; Review of Scientific Instruments Vol.50 (8) August 1979, pp. 983-987).

Die Objektauflage wird über eine elektrisch isolierende Zwischenlage von einem Heiz- und Kühlsystem durch Wärmeleitung erwärmt bzw. gekühlt, wobei die Erwärmung durch isoliert angebrachte elektrische Heizer bzw. Kühlung mittels durch Hohlräume geleitetes Kühlmittel erfolgt.The object support is heated or cooled by an electrically insulating intermediate layer of a heating and cooling system by heat conduction, wherein the heating is done by isolated mounted electric heater or cooling by means of cavities directed coolant.

Es ist weiter bekannt, daß die Temperaturregelung der Objektaufnahme mittels eines elektronischen Regelsystems mit zwei Temperaturfühlern erfolgt. Diese sind an der Objektauflage und im Heiz- und Kühlsystem angeordnet. Nachteilig bei der bekannten Lösung ist das ökonomisch aufwendige Regelsystem mit zwei Istwertgebern, um die Regeleigenschaften infolge der verzögerten Wärmeübertragung zwischen dem Heiz- und Kühlsystem und der Objektauflage über die isolierende Zwischenlage zu verbessern. Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösung ist die kapazitive elektrische Verkopplung zwischen elektrischem Heizer und Scheibenauflage. Störende elektrische Einflüsse aus dem Heizerstromkreis auf das Meßobjekt schränken die Meßempfindlichkeit ein.It is also known that the temperature control of the object recording by means of an electronic control system with two temperature sensors. These are arranged on the object support and in the heating and cooling system. A disadvantage of the known solution is the economically complex control system with two feedback devices to improve the control properties due to the delayed heat transfer between the heating and cooling system and the object overlay on the insulating liner. Another disadvantage of the known solution is the capacitive electrical coupling between the electric heater and disc support. Disturbing electrical influences from the heater circuit on the DUT limit the measuring sensitivity.

Ztai der ErfindungZtai of the invention

Es ist Ziel der Erfindung, die Vorrichtung so zu verbessern, daß es für ein mit geringem Aufwand realisierbares Temperaturregelsystem geeignet ist und daß Messungen mit höheren Empfindlichkeiten möglich sind.It is an object of the invention to improve the device so that it is suitable for a low-cost realizable temperature control system and that measurements with higher sensitivities are possible.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung zum Heizen und Kühlen so zu gestalten, daß sowohl die thermischen Eigenschaften für die Temperaturregelung verbessert als auch die Störeinflüsse aus dem Heizerstromkreis auf das MeßobjektThe invention has for its object to make the device for heating and cooling so that both the thermal properties for the temperature control improved as well as the interference from the heater circuit to the DUT

verringert werden. . . be reduced. , ,

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Heizen und Kühlen von scheibenförmigen Objekten mit einer metallischen Scheibenauflage innerhalb einer Meßkammer zu schaffen, dadurch gelöst, daß unterhalb der Scheibenauflage ein Temperaturstrahler angeordnet ist, daß unmittelbar in der Scheibenauflage elektrisch und thermisch von der Meßkammer und einem Kühlmitteldurchlaufsystem isoliert ist.According to the invention, the object to provide a device for heating and cooling of disc-shaped objects with a metallic disc support within a measuring chamber, achieved in that below the disc support a temperature radiator is arranged that directly in the disc support electrically and thermally from the measuring chamber and a coolant passage system is isolated.

Es ist zweckmäßig, daß die Scheibenauflage mit drei radialsymmetrisch angeordneten Keramikelementen elektrisch und ,thermisch isoliert an der Meßkammer befestigt ist, daß die Kühlkanäle der Scheibenauflage über elektrisch isolierende Schlaudhstücke an einem Kühlmittelzulauf angeschlossen sind und daß mit den Kühlkanälen verbundene Ablaufrohre für das Kühlmittel koaxial durch Isolierbuchsen in Auffanggefäße führen.It is expedient that the disc support with three radially symmetrically arranged ceramic elements is electrically and thermally insulated attached to the measuring chamber, that the cooling channels of the disc support are connected via electrically insulating Schlaudhstücke to a coolant inlet and connected to the cooling channels drain pipes for the coolant coaxially by Isolierbuchsen into collecting containers.

Es ist weiterhin zweckmäßig, daß die isolierenden Schlauchstücke durch koaxial angeordnete und über Steigrohre mit den Auffanggefäßen verbundene Spülrohre führen und daß zwischen den Ablauf röhren und den Isolierbuchsen jeweils ein ringförmiger Spalt vorhanden ist. Durch diese Anordnungen spült das aus den Auffanggefäßen aufsteigende verdampfte Kühlmittel sowohl die Schlauchstücke als auch die Isolierbuchsen trocken, so daß diese eisfrei bleiben.It is also appropriate that the insulating tube pieces lead through coaxially arranged and riser pipes connected to the collecting rinses and that pipe between the drain and the insulating bushes each have an annular gap is present. As a result of these arrangements, the vaporized coolant rising from the collecting vessels flushes both the pieces of hose and the insulating bushes dry, so that they remain free of ice.

Gegenüber den bekannten Lösungen sind bei der erfindungsgemäßen Lösung die elektrischen und zugleich thermischen Isolierelemente der Scheibenauflage außerhalb des die Regeleigenschaften beeinflussenden Wärmeübertragungsweges zwischen der Heiz- und Kühlquelle und der Scheibenauflage angeordnet. Dadurch vereinfacht sich der technische und ökonomische Aufwand, insbesondere für das elektronische Regelsystem mit nur einem Temperaturfühler. Durch die erfinderische Lösung sind Messungen mit hohen Empfindlichkeiten möglich, da die Heizung der Scheibenauflage durchCompared with the known solutions, the electrical and at the same time thermal insulating elements of the disc support outside of the control properties affecting heat transfer path between the heating and cooling source and the disc support are arranged in the inventive solution. This simplifies the technical and economic effort, especially for the electronic control system with only one temperature sensor. The inventive solution measurements with high sensitivity are possible because the heating of the disc support by

Wärmestrahlung erfolgt und damit Störeinwirkungen aus dem Stromkreis der elektrisch gespeisen Strahlungsquelle vsmachlässigbar gering sind.Heat radiation occurs and thus interference from the circuit of the electrically powered radiation source are negligibly low.

Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die Befestigung der Scheibenauflage mit den drei koaxial angeordneten Körarnikelementen, womit die Auswirkungen auf die mechanische Stabilität durch große Temperaturbelastungen minimiertAn advantage of the solution according to the invention is the attachment of the disc support with the three coaxial Körarnikelementen, whereby the impact on the mechanical stability minimized by high temperature loads

.Werden.- ... . -: '-... . · ; .' . . . '.,. ' Λ ;..Become.- ... . - : '-.... · ; . ' , , , '.,. 'Λ;

-2- 258 065-2- 258 065

Ausführungsbeispielembodiment Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The accompanying drawings show Fig. 1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Vorderansicht (Schnitt)1 shows a device according to the invention in the front view (section) Fig. 2: eine erfindungsgemäße Scheibenauflage und ein Kühlmitteldurchlaufsystem in der Draufsicht.Fig. 2: a disc support according to the invention and a coolant passage system in plan view. Die Vorrichtung besteht aus einer Scheibenauflage 1, einem elektrisch gespeisten Temperaturstrahler 2, einemThe device consists of a disc support 1, an electrically powered temperature radiator 2, a Kühlmitteldurchlaufsystem 3 und einer Meßkammer 4.Coolant passage system 3 and a measuring chamber. 4 Die Scheibenauflage 1 ist mittels drei radial-symmetrisch angeordneten Keramikelementen 5; 6 und 7 elektrisch und thermischThe disc support 1 is by means of three radially symmetrically arranged ceramic elements 5; 6 and 7 electric and thermal

isoliert an der Meßkammer 4 befestigt. Unterhalb der Scheibenauflage 1 ist in einem Strahlerabschirmgehäuse 8 derattached to the measuring chamber 4 isolated. Below the disc support 1 is in a Strahlerabschirmgehäuse 8 of

Temperaturstrahler 2 angeordnet. · ,Temperature radiator 2 is arranged. ·, Zwei gleichartige, unmittelbar durch die Scheibenauflage 1 führende Kühlkanäle 9 und 10 sind mit demTwo similar, directly through the disc support 1 leading cooling channels 9 and 10 are connected to the Kühlmitteldurchlaufsystem 3 verbunden. Letzteres besteht eingangsseitig aus einem Kühlmittelzulauf 11, einemCoolant passage system 3 connected. The latter consists on the input side of a coolant inlet 11, a Verteilerstück 12, zwei elektrisch isolierenden Schlauchstücken 13 und 14 und zwei Zuführrohren 15 und 16 sowieManifold 12, two electrically insulating tube pieces 13 and 14 and two feed tubes 15 and 16 and

ausgangsseitig aus zwei Ablaufrohren 17 und 18 und zwei Auffanggefäßen 19 und 20.on the output side of two drain pipes 17 and 18 and two collecting vessels 19 and 20.

Jedes Ablaufrohr 17 bzw. 18 führt koaxial durch eine Isolierbuchse 21 bzw. 22 in das Auffanggefäß 19 bzw. 20. ZwischenEach drain pipe 17 and 18 leads coaxially through an insulating bushing 21 and 22 into the collecting vessel 19 and 20. Zwischen Ablaufrohr 17 bzw. 18 und Isolierbuchse 21 bzw. 22 besteht ein ringförmiger Spalt. Die Auffanggefäße 19 und 20 besitzen jeDrain pipe 17 and 18 and insulating bushing 21 and 22 is an annular gap. The collecting vessels 19 and 20 each have

ein durch ein Steigrohr 23 bzw. 24 verbundenes Spülrohr 25 bzw. 26, das das Schlauchstück 13 bzw. 14 koaxial umschließt.a connected by a riser 23 and 24, flushing pipe 25 and 26, which surrounds the hose piece 13 and 14 coaxially.

Die mit einem abnehmbaren Deckel 27 verschlossene Meßkammer 4 hat einen Spülanschluß 28 für Trockengas zur BildungThe sealed with a removable lid 27 measuring chamber 4 has a flushing connection 28 for drying gas to form

einer trockenen Atmosphäre in der Meßkammer 4. In der Scheibenauflage 1 ist ein an eine geeignete elektronischea dry atmosphere in the measuring chamber 4. In the disc support 1 is a to a suitable electronic

Temperaturregelung angeschlossener Temperaturfühler 29 angebracht.Temperature control connected temperature sensor 29 attached. Zum Halten des Meßobjektes 30 besitzt die Scheibenauflage 1 einen Anschluß 31 für Vakuum. Die Meßkammer 4 hat um dieTo hold the test object 30, the disc support 1 has a terminal 31 for vacuum. The measuring chamber 4 has around the

gesamte Scheibenauflage 1 eine ringförmige Aufstellfläche für eine geeignete Anzahl Tastsonden 32 zur Kontaktierung desentire disc support 1 an annular footprint for a suitable number Tastsonden 32 for contacting the

Meßobjektes 30.DUT 30.

Claims (5)

-1- 258 065 4-1- 258 065 4 Erfindungsansprüche:Invention claims: 1. Vorrichtung zum Heizen und Kühlen von scheibenförmigen Objekten zur elektrischen Parametermessung mit einer metallischen Scheibenauflage innerhalb einer Meßkammer, gekennzeichnet dadurch, daß unterhalb der Scheibenauflage (1) ein Temperaturstrahier (2) angeordnet ist, daß unmittelbar in der Scheibenauflage (1) sich Kühlkanäle (9; 10) befinden und daß die Scheibenauflage (1) elektrisch und thermisch von der Meßkammer (4) und einem Kühlmitteldurchlaufsystem (3) isoliert ist.1. A device for heating and cooling of disc-shaped objects for electrical parameter measurement with a metallic disc support within a measuring chamber, characterized in that below the disc support (1) a Temperaturstrahier (2) is arranged, that directly in the disc support (1) cooling channels ( 9, 10) and that the disc support (1) is electrically and thermally isolated from the measuring chamber (4) and a coolant passage system (3). 2. Vorrichtung nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß die Scheibenauflage (1) mit drei radial-symmetrisch angeordneten Keramikelementen (5; 6; 7) elektrisch und thermisch isoliert an der Meßkammer (4) befestigt ist.2. Device according to item!, Characterized in that the disc support (1) with three radially-symmetrically arranged ceramic elements (5; 6; 7) is electrically and thermally isolated on the measuring chamber (4). 3. Vorrichtung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Kühlkanäle (9; 10) der Scheibenauflage (Düber elektrisch isolierende Schlauchstücke (13; 14) an einem Kühlmittelzulauf (11) angeschlossen sind.3. Device according to item 1 and 2, characterized in that the cooling channels (9; 10) of the disc support (D over electrically insulating hose pieces (13; 14) are connected to a coolant inlet (11). 4. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß mit den Kühlkanälen (9; 10) verbundene Ablaufrohre (17; 18) für das Kühlmittel koaxial durch Isolierbuchsen (21; 22) in Auffanggefäße (19; 20) führen.4. Device according to items 1 to 3, characterized in that with the cooling channels (9; 10) connected to the drain pipes (17; 18) for the coolant coaxially through insulating bushings (21; 22) in collecting vessels (19; 20) lead. 5.. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Schlauchstücke (13; 14) durch koaxial angeordnete und über Steigrohre (23; 24) mit den Auffanggefäßen (19; 20) verbundene Spülrohre (25; 26) führen.5. Apparatus according to items 1 to 4, characterized in that the hose pieces (13; 14) lead through coaxially arranged and via riser pipes (23; 24) with the collecting vessels (19; 20) connected rinsing pipes (25; 26). Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings
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