DE102021005229B4

DE102021005229B4 - Aufnahmeeinheit und Verfahren zur Temperaturkontrolle der Aufnahmeeinheit

Info

Publication number: DE102021005229B4
Application number: DE102021005229.3A
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Yanai
Original assignee: Hisol Inc
Current assignee: Hisol Inc
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2022-12-29
Anticipated expiration: 2041-10-21
Also published as: JP6842225B1; US11486895B2; JP2022077543A; TWI768984B; US20220146550A1; TW202219525A; DE102021005229A1

Abstract

Aufnahmeeinheit (100) aufweisend:eine Ansaugvorrichtung (10), auf der ein Halbleiter (1) montiert ist;ein Heizteil (20), das ein Heizelement (12) enthält und so konfiguriert ist, dass es eine rückseitige Oberfläche der Ansaugvorrichtung (10) erhitzt;einen Kühlmetallblock (21), der so konfiguriert ist, dass er das Heizteil (20) unter Verwendung von Luftkühlung oder von Wasserkühlung kühlt;ein Peltier-Modul (31), das konfiguriert ist, den Kühlmetallblock (21) zu erhitzen und zu kühlen; undein Steuergerät (90), das so konfiguriert ist, dass das Heizelement (12) mit Energie versorgt wird, während der Kühlmetallblock (21) und das Peltier-Modul (31) voneinander beabstandet sind, und wobei das Steuergerät (90) so konfiguriert ist, dass es das Heizelement (12) von der Energiezufuhr trennt, bevor sich der Kühlmetallblock (21) und das Peltier-Modul (31) einander berühren.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Aufnahmeeinheit, auf der ein Halbleiter montiert ist, und ein Verfahren zum Versorgen einer Heizung mit Energie, zum Beispiel eine Aufnahmeeinheit, die sich in einem Bereich von einer niedrigen Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts bis zu einer hohen Temperatur einstellen lässt.
Die meisten Messungen der elektrischen Eigenschaften eines Halbleiterbauelements werden mit einer Temperatureigenschaftsprüfung durchgeführt, während eine Temperatur variiert wird. Insbesondere wird ein Gerät für Fahrzeuge von einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts in einer Umgebung bis zu einer hohen Temperatur in einem Fahrzeug verwendet. Daher ist auch ein elektrischer Test erforderlich, der in einem Bereich von einer niedrigen Temperatur unter dem Gefrierpunkt bis zu einer hohen Temperatur über der Raumtemperatur durchgeführt wird. Das Halbleiterbauelement wird mit Hilfe einer Ansaugvorrichtung montiert und befestigt. Um die Ansaugvorrichtung auf eine hohe Temperatur zu bringen, muss die Ansaugvorrichtung mit einem Heizelement erhitzt werden.
Die japanische Patentanmeldung JP 2013- 123 053 A (3. Absatz [0041]) offenbart eine Heiz- und Kühlvorrichtung mit einem Heizelement und einem beweglichen Kühlmodul. Das bewegliche Kühlmodul ist ein Metallblock, der sich während dem Heizen von dem Heizelement entfernt und während dem Kühlen das Heizelement berührt.
Da die Heiz- und Kühlvorrichtung gemäß der oben genannten japanischen Patentanmeldung unter Verwendung eines Metallblocks aus Aluminium oder Kupfer kühlt, kann die Temperatur eines Wafers nicht unterhalb einer Raumtemperatur sinken. Daher wird erwogen, das bewegliche Kühlmodul durch ein Peltier-Modul zu ersetzen, um den Wafer unter eine Raumtemperatur zu kühlen. Das Peltier-Modul hat jedoch den folgenden Nachteil. Wenn das Peltier-Modul mit dem Heizelement in Berührung kommt und eine hohe Temperatur besitzt, verschlechtert sich dieses rasch.
Aus der US 2013 / 0 087 309 A1 ist eine Haltestruktur für Substrate mit integrierter Temperaturkontrolle bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung beruht auf dem obigen Problem und stellt eine Aufnahmeeinheit und ein Verfahren zur Temperaturkontrolle der Aufnahmeeinheit zur Verfügung, die in einem Bereich von einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts bis zu einer hohen Temperatur eingestellt werden kann und die Verschlechterung eines Peltier-Moduls reduziert.
Die Erfindung stellt demzufolge eine entsprechende Aufnahmeeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Steuerung der Temperatur einer solchen Aufnahmeeinheit mit den Merkmalen nach Anspruch 4 zur Verfügung.
Um die obige Vorrichtung und das obige Verfahren bereitzustellen, umfasst die Aufnahmeeinheit der vorliegenden Offenbarung eine Ansaugvorrichtung, auf der ein Halbleiter montiert ist, ein Heizteil, das ein Heizelement enthält und so konfiguriert ist, dass es die Ansaugvorrichtung erwärmt, einen Kühlblock, der so konfiguriert ist, dass er das Heizteil unter Verwendung von Fluidkühlung kühlt, und ein Peltier-Modul, das so konfiguriert ist, dass es den Kühlblock kühlt. Das Heizelement ist so konfiguriert, dass es mit Energie versorgt wird, während der Kühlblock und das Peltier-Modul voneinander beabstandet sind. Das Heizelement ist so konfiguriert, dass es von der Stromversorgung getrennt wird, während der Kühlblock und das Peltier-Modul einander berühren. Es ist zu beachten, dass die Bezugsnummern und -zeichen für Ausführungsformen beschrieben werden und nicht auf die vorliegende Offenbarung beschränkt sind.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Aufnahmeeinheit zur Verfügung, die in einem Bereich von einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes (z.B. Null Grad Celsius) bis zu einer hohen Temperatur eingestellt werden kann und währenddessen eine Verschlechterung des Peltier-Moduls reduziert.
Figurenliste

1 ist eine Konstruktionsansicht, die eine Aufnahmeeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Test der Temperatureigenschaften unter Verwendung der Aufnahmeeinheit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
3 ist eine Ansicht, die eine Aufnahmeeinheit zeigt, in der eine Ansaugvorrichtung mit einem Heizelement erhitzt wird.
4 ist eine Ansicht, die eine Aufnahmeeinheit zeigt, in der die Ansaugvorrichtung auf eine vorgeschriebene Temperatur abgekühlt wird.
5 ist eine Ansicht, die eine Aufnahmeeinheit zeigt, in der die Ansaugvorrichtung mit einem Peltier-Modul gekühlt wird.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung (im Folgenden als die Ausführungsform bezeichnet) unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist zu beachten, dass jede Zeichnung die Ausführungsformen nur schematisch wiedergibt, um die Ausführungsformen vollständig zu begreifen. Darüber hinaus werden in jeder Zeichnung dieselben Bezugszeichen für ein gemeinsames Bauteil oder ein ähnliches Bauteil verwendet, und seine doppelte Beschreibung wird weggelassen.
1 ist eine Konstruktionsansicht, die eine Aufnahmeeinheit 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die Aufnahmeeinheit 100 wird zur Messung der elektrischen Eigenschaften (Spannungs-Strom-Kennlinien) eines Wafers 1 verwendet, während eine Temperatur von einer niedrigen Temperatur (z.B. -60 Grad Celsius) unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser (z.B. null Grad Celsius) auf eine hohe Temperatur (eine Temperatur, die über der maximalen Spezifikationstemperatur eines Peltier-Moduls liegt, z.B. 300 bis 400 Grad Celsius) ansteigt. Die Aufnahmeeinheit 100 umfasst eine Ansaugvorrichtung 10, ein Heizteil 20, ein Luftkühlungsteil 30 als ein Kühlungsteil, eine Peltier-Einheit 40, einen Z-Achsen-Aktuator 60 und ein Steuergerät 90. Ferner umfasst eine Prüfvorrichtung 200 die Aufnahmeeinheit 100 und einen XYZ-Tisch (nicht dargestellt), der die Aufnahmeeinheit 100 bewegen kann.
Die Aufnahmeeinheit 100 besteht aus einem Ansaugoberteil 2, einem ersten Isolator 3, einer Schutzvorrichtung 4 und einem zweiten Isolator 5. Das Ansaugoberteil 2 ist eine kreisförmige Metallplatte (z.B. sauerstofffreies Kupfer oder OFC), auf der ein Wafer 1 oder ein Halbleiter wie ein IC-Chip montiert ist. Das Ansaugoberteil 2 hat eine vordere Oberfläche, die eine Ansaugrille (nicht dargestellt) zum Ansaugen eines Halbleiters und ein Durchgangsloch (nicht dargestellt) zum Absaugen von Luft definiert. Der erste und der zweite Isolator 3, 5 sind isolierte Keramikplatten, die so geformt sind, dass die Schutzvorrichtung 4 dazwischen liegt. Die Schutzvorrichtung 4 ist eine dünne SUS-Platte zur Stabilisierung des elektrischen Potentials des Wafers 1, indem die Schutzvorrichtung 4 z.B. auf einem Massepotential gehalten wird.
Das Heizteil 20 wird durch Aufeinanderstapeln eines Heizblocks 11 und eines ebenen Heizelements 12 gebildet. Der Heizblock 11 ist eine runde Metallplatte (z.B. OFC). Der Heizblock 11 hat eine untere Fläche, die mit dem ebenen Heizelement 12 in Kontakt steht. Das heißt, der Heizblock 11 wird mit dem ebenen Heizelement 12 auf eine hohe Temperatur erhitzt. In den Heizblock 11 ist ein Temperatursensor 9 eingebaut. Der Temperatursensor 9 erfasst Temperaturdaten, die an das Steuergerät 90 gesendet werden. Das Steuergerät 90 kontrolliert die Temperatur des ebenen Heizelements 12 auf der Grundlage der Temperaturdaten. Der Heizblock 11 hat eine obere Fläche, die den zweiten Isolator 5 berührt, und die Ansaugvorrichtung 10 erhitzt.
Das Luftkühlungsteil 30 umfasst einen Luftkühlungsblock 21 aus Metall (einen Metallblock) . Das Luftkühlungsteil 30 besitzt einen Innenraum, der ein Luftstromloch 22 definiert, durch das Luft zur Kühlung strömt. Das Luftstromloch 22 ist in der Draufsicht spiralförmig (nicht dargestellt). Das Luftstromloch 22 weist an beiden Enden Luftkühlungsanschlüsse (nicht dargestellt) auf, in die jeweils Kunststoffrohre (nicht dargestellt) eingesetzt sind.
Die Peltier-Einheit 40 umfasst ein Peltier-Modul 31 und einen Wasserkühlungsblock 32. Das Peltier-Modul 31 ist ein thermoelektrisches Element, das in der Lage ist, von einer Temperatur (z.B. -60 Grad Celsius) unterhalb des Gefrierpunkts (z.B. null Grad Celsius) bis zu einer maximalen Spezifikationstemperatur (z.B. 80 bis 100 Grad Celsius) zu heizen und zu kühlen. Mit anderen Worten: das Peltier-Modul 31 neigt dazu, sich bei Überschreitung seiner maximalen Spezifikationstemperatur schneller zu verschlechtern. Der Wasserkühlungsblock 32 ist an der rückseitigen Oberfläche des Peltier-Moduls 31 angeordnet und dient zur Kühlung des Peltier-Moduls 31. Der Wasserkühlungsblock 32 ist mit einer Wasserkühlungsöffnung 34 versehen, in die ein Kunststoffrohr (nicht abgebildet) eingeführt wird.
Der Z-Achsen-Aktuator 60 kann die Peltier-Einheit 40 in einer Z-Richtung bewegen. Das heißt, der Z-Achsen-Aktuator bringt eine obere Fläche des Peltier-Moduls 31 in Kontakt mit einer unteren Fläche des Luftkühlungsblocks 21 oder trennt die obere Fläche des Peltier-Moduls 31 von der unteren Fläche des Luftkühlungsblocks 21. Die Ansaugvorrichtung 10, das Heizteil 20 und das Luftkühlungsteil 30 sind miteinander integral ausgebildet und diese Konfiguration wird als feststehende Einheit 50 bezeichnet.
Das Steuergerät 90 ist ein Personal Computer oder PC mit einem Steuerteil (nicht dargestellt; z.B. Prozessor). Das Steuerteil führt ein in einem Speicher gespeichertes Steuerprogramm aus, das eine Steuerfunktion ausführt, um beispielsweise das Peltier-Modul 31, den Z-Achsen-Aktuator 60, eine Luftkühlungspumpe (nicht gezeigt), eine Wasserkühlungspumpe (nicht gezeigt) und eine Messeinrichtung (nicht gezeigt) zu steuern.
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Test der Temperatureigenschaften illustriert, der ein Verfahren zur Temperaturkontrolle (ein Verfahren zur Energieversorgung einer Heizung) der Aufnahmeeinheit 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst. 3 bis 5 sind Ansichten, die den Betrieb der Peltier-Einheit 40 und des Luftkühlungsteils 30 als ein Kühlungsteil illustrieren.
Zunächst legt ein Bediener den Wafer 1 auf die Ansaugvorrichtung 10 (Schritt S1) . Als nächstes steuert das Steuergerät 90 den Z-Achsen-Aktuator 60, um die Peltier-Einheit 40 vom Luftkühlungsteil 30 zu trennen, wie in 3 gezeigt (Schritt S2). Während die Peltier-Einheit 40 und das Luftkühlungsteil 30 voneinander beabstandet sind, führt das Steuergerät 90 einen Prozess zur Erregung des ebenen Heizelements 12 des Heizblocks 11 (Schritt S3) aus, wodurch der Luftkühlungsblock 21 in einen vorgeschriebenen Hochtemperaturzustand versetzt wird. Der Hochtemperaturzustand bedeutet hier eine Temperatur (z.B. 300 bis 400 Grad Celsius), die höher ist als die maximale Spezifikationstemperatur (z.B. 80 bis 100 Grad Celsius) des Peltier-Moduls 31. In 3 gibt ein gestrichelter Bereich des Heizteils 20 und des Luftkühlungsteils 30 einen Abschnitt in einem Hochtemperaturzustand wieder. Wenn die Temperatur des Wafers 1 eine vorgeschriebene hohe Temperatur erreicht, führt das Steuergerät 90 einen Prozess zur Messung der Spannungs-Strom-Kennlinien des Wafers 1 aus (Schritt S4).
Nach der Messung in Schritt S4 führt das Steuergerät 90, wie in 4 gezeigt, einen Prozess zum Trennen des ebenen Heizelements 12 von der Energiezufuhr aus und führt in der Zwischenzeit einen Prozess zum Kühlen des Luftkühlungsblocks 21 durch Zuführen komprimierter und gekühlter Luft zum Luftkühlungsblock 21 aus (Schritt S5). Als nächstes steuert das Steuergerät 90 den Temperatursensor 9, um die Temperatur des Heizblocks 11 zu messen. Wenn die Temperatur des Peltier-Moduls 31 eine vorgeschriebene Zwischentemperatur (z.B. die maximale Spezifikationstemperatur des Peltier-Moduls 31, die z.B. 80 bis 100 Grad Celsius beträgt) oder mehr erreicht, kehrt das Verfahren zum Schritt S5 zurück, und das Steuergerät 90 steuert das Peltier-Modul 31, um den Luftkühlungsblock 21 kontinuierlich zu kühlen. Andererseits, wenn die Temperatur des Peltier-Moduls 31 weniger als eine vorgeschriebene Zwischentemperatur (z.B. die maximale Spezifikationstemperatur des Peltier-Moduls 31) erreicht, führt das Steuergerät 90 einen Prozess der Messung der Spannungs-Strom-Kennlinien des Wafers 1 bei der Temperatur aus (Schritt S7).
Nach der Messung von Schritt S7 steuert das Steuergerät 90 den Z-Achsen-Aktuator 60 so, dass er sich nach oben bewegt, so dass, wie in 5 gezeigt, die obere Fläche der Peltier-Einheit 40 mit der unteren Fläche des Luftkühlungsteils 30 in Kontakt kommt (Schritt S8). Wenn die Peltier-Einheit 40 das Luftkühlungsteil 30 berührt, führt das Steuergerät 90 einen Prozess zur Senkung der Temperatur der Peltier-Einheit 40 aus und kühlt dadurch die feststehende Einheit 50 (Schritt S9). Wenn die Temperatur des Heizblocks 11 eine vorgeschriebene Temperatur erreicht (z.B. -60 Grad Celsius unter dem Gefrierpunkt), führt das Steuergerät 90 einen Prozess zur Messung der Temperatureigenschaften in Bezug auf Spannung und Strom des Wafers 1 aus (Schritt S10).
Wie oben beschrieben, ist die Aufnahmeeinheit 100 der vorliegenden Ausführungsform in der Lage, den Wafer 1 auf eine hohe Temperatur (z.B. 300 bis 400 Grad Celsius) unter Verwendung des ebenen Heizelements 12 zu erhitzen und den Wafer 1 auf eine niedrige Temperatur von -60 Grad Celsius unter Verwendung des Peltier-Moduls 31 zu kühlen. Darüber hinaus hat das Peltier-Modul 31 mit der maximalen Spezifikationstemperatur (z.B. 80 bis 100 Grad Celsius) die Eigenschaft, sich zu verschlechtern, während es auf einer hohen Temperatur gehalten wird. In der Zwischenzeit ist die Peltier-Einheit 40 von dem Luftkühlungsteil 30 getrennt, während sich die Aufnahmeeinheit 100 in einem Bereich zwischen einer hohen Temperatur von 400 Grad Celsius und einer mittleren Temperatur (z.B. der maximalen Spezifikationstemperatur von 80 bis 100 Grad Celsius) befindet. Dadurch wird das Peltier-Modul 31 in die Lage versetzt, die Verschlechterung zu vermeiden.
Modifikation
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und die folgenden Änderungen sind möglich.

1. In der ersten Ausführungsform wird der Luftkühlungsblock 21 zur Kühlung des Heizteils 20 verwendet. Anstelle der Luftkühlung kann jedoch auch eine Wasserkühlung verwendet werden. Die Fluidkühlung umfasst die Luftkühlung und die Wasserkühlung.
2. In der ersten Ausführungsform bewegt sich die Peltier-Einheit 40 auf und ab, während sich stattdessen die feststehende Einheit 50 auf und ab bewegen kann.

Claims

Aufnahmeeinheit (100) aufweisend: eine Ansaugvorrichtung (10), auf der ein Halbleiter (1) montiert ist; ein Heizteil (20), das ein Heizelement (12) enthält und so konfiguriert ist, dass es eine rückseitige Oberfläche der Ansaugvorrichtung (10) erhitzt; einen Kühlmetallblock (21), der so konfiguriert ist, dass er das Heizteil (20) unter Verwendung von Luftkühlung oder von Wasserkühlung kühlt; ein Peltier-Modul (31), das konfiguriert ist, den Kühlmetallblock (21) zu erhitzen und zu kühlen; und ein Steuergerät (90), das so konfiguriert ist, dass das Heizelement (12) mit Energie versorgt wird, während der Kühlmetallblock (21) und das Peltier-Modul (31) voneinander beabstandet sind, und wobei das Steuergerät (90) so konfiguriert ist, dass es das Heizelement (12) von der Energiezufuhr trennt, bevor sich der Kühlmetallblock (21) und das Peltier-Modul (31) einander berühren.
Aufnahmeeinheit (100) nach Anspruch 1, bei der das Steuergerät (90) so konfiguriert ist, dass es einen Prozess der Kühlung der Ansaugvorrichtung (10) durch den Kühlmetallblock (21) ausführt, während das Heizelement (12) von der Energiezufuhr getrennt ist, und, nachdem die Ansaugvorrichtung (10) gekühlt ist, den Kühlmetallblock (21) in Kontakt mit dem Peltier-Modul (31) bringt.
Aufnahmeeinheit (100) nach Anspruch 2, bei der das Steuergerät (90) so konfiguriert ist, dass es das Peltier-Modul (31) steuert, um den Kühlmetallblock (21) unterhalb einer maximalen Spezifikationstemperatur des Peltier-Moduls (31) zu kühlen.
Verfahren zur Steuerung der Temperatur einer Aufnahmeeinheit (100), wobei die Aufnahmeeinheit (100) aufweist: eine Ansaugvorrichtung (10), auf der ein Halbleiter (1) montiert ist; ein Heizteil (20), das ein Heizelement (12) enthält und so konfiguriert ist, dass es eine rückseitige Oberfläche der Ansaugvorrichtung (10) erhitzt; einen Kühlmetallblock (21), der so konfiguriert ist, dass er das Heizteil (20) unter Verwendung von Luftkühlung oder von Wasserkühlung kühlt; und ein Peltier-Modul (31), das konfiguriert ist, den Kühlmetallblock (21) zu erhitzen und zu kühlen; wobei das Verfahren aufweist: Versorgen des Heizelements (12) mit Energie, während der Kühlmetallblock (21) und das Peltier-Modul (31) voneinander beabstandet sind, und Trennen des Heizelements (12) von der Energiezufuhr, bevor sich der Kühlmetallblock (21) und das Peltier-Modul (31) einander berühren.