DE10392912B4

DE10392912B4 - Werkstück-Einspannvorrichtung mit Temperatursteuerbaueinheit mit Abstandshaltern zwischen Schichten, die einen Zwischenraum für thermoelektrische Module schaffen und Verfahren zum Halten eines Werkstücks

Info

Publication number: DE10392912B4
Application number: DE10392912.6T
Authority: DE
Inventors: Douglas E. Hudson; Dana G. Butcher; Richard B. Gates; James Pelrin
Original assignee: Temptronic Corp
Current assignee: Temptronic Corp
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2015-09-17
Anticipated expiration: 2023-07-11
Also published as: TW200405505A; US6886347B2; US20040107704A1; WO2004008503A1; DE10397020A5; JP2005533377A; AU2003248918A1; DE10397020B4; DE10392912T5; JP4403073B2; WO2004008503A9; TWI260725B

Abstract

Werkstück-Einspannvorrichtung (10, 100, 300, 400) zum Halten eines Werkstücks, die umfasst: eine obere Oberfläche, auf der das Werkstück angebracht werden kann; und eine Temperatursteuerbaueinheit, die mit der oberen Oberfläche in thermischer Verbindung steht, um die Temperatur des Werkstücks zu steuern, wobei die Temperatursteuerbaueinheit umfasst: eine obere Schicht (12), eine untere Schicht (14), wenigstens ein thermoelektrisches Modul (24), das zwischen der oberen Schicht (12) und der unteren Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit angeordnet ist; und wenigstens einen Abstandshalter (28, 128) zwischen der oberen Schicht (12) und der unteren Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit, wobei der wenigstens eine Abstandshalter (28, 128) die obere Schicht (12) und die untere Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit vertikal so beabstandet, dass das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24) in einem Raum zwischen der oberen Schicht (12) und der unteren Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit in einer unstarren Art und Weise eingefasst ist und eine vertikale Ausdehnung des Raumes, in dem das thermoelektrische Modul (24) eingefasst ist, durch eine vertikale Größe des Abstandshalters (28, 128) vorgegeben ist.

Description

Verwandte Anmeldung
Hintergrund der Erfindung
Bei der Verarbeitung von Halbleiterwafern ist es häufig erforderlich, einen Wafer in Abhängigkeit von der Temperatur zu bearbeiten und/oder zu prüfen. Temperaturgesteuerte Wafer-Einspannvorrichtungen sind entwickelt worden, die einen Wafer tragen und den Wafer während der Prüfung und/oder der Bearbeitung temperaturabhangig zyklisch bearbeiten. Bei einer typischen temperaturgesteuerten Wafer-Einspannvorrichtung ist ein Temperatursteuermodul, wie etwa eine Heiz- und Wärmeableitungsbaueinheit, in der Einspannvorrichtung als eine Schicht vorgesehen. Eine obere Oberflache, an der der Wafer angebracht ist, ist an der Oberseite der Heiz- und Wärmeableitungsbaueinheit vorgesehen und eine Basis, durch die die Einspannvorrichtung an dem Grundgerät befestigt ist, z. B. ein Wafertester ist unter der Heiz- und Warmeableitungsbaueinheit vorgesehen. Bei einigen Heiz- und Warmeableitungsbaueinheiten werden thermoelektrische Module, die auch als Peltier-Vorrichtungen bekannt sind, verwendet, um die Temperatursteuerung zu realisieren. Peltier-Vorrichtungen sind kleine Festkörpervorrichtungen, die als Wärmepumpen arbeiten. Die typische Vorrichtung ist eine Verbundeinrichtung, die aus zwei Keramikplatten gebildet ist, zwischen denen sich eine Anordnung aus kleinen Wismuttellurid-(Bi₂Te₃)Wurfeln befindet. Wenn ein Gleichstrom angelegt wird, wird Wärme von einer Seite der Vorrichtung zur anderen Seite bewegt, von der sie mit einem Kühlkörper abgeführt wird. Die kalte Seite der Vorrichtung wird gewöhnlich verwendet, um einen Wafer zu kühlen. Wenn der Strom umgekehrt wird, kann die Vorrichtung als eine Heizeinrichtung verwendet werden, wobei die Wärme in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird.
Ein Nachteil von Peltier-Vorrichtungen besteht darin, dass sie mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Diese Belastungen können aus verschiedenen Quellen kommen. In einem Fall können Belastungen, die durch die Ausdehnung und die Kontraktion der Einspannvorrichtungsschichten mit der Temperatur induziert werden, bewirken, dass die Vorrichtungen unzuverlässig werden und schließlich ausfallen. Das gilt insbesondere für Wafer-Einspannvorrichtungen, bei denen die Peltier-Vorrichtungen an einer Schicht oder an beiden Schichten der oberen und der unteren Schicht der Heiz/Wärmeableitungsbaueinheit starr befestigt sind. Wenn sich die Baueinheit ausdehnt oder zusammenzieht, fallen die Peltier-Vorrichtungen infolge der mechanischen Belastungen, die durch thermische Effekt eingefuhrt werden, aus.
In einem weiteren Fall können die mechanischen Belastungen, die durch die unterschiedliche Expansion der oberen und der unteren Keramikschicht der Vorrichtung eingeführt werden, bewirken, dass die Vorrichtung unzuverlässig wird und ausfällt. Das gilt insbesondere für Peltier-Module, die groß sind. Die größeren Vorrichtungen erzeugen eine größere unterschiedliche Ausdehnung und entwickeln deswegen eine größere mechanische Belastung.
Aus der US 6 347 521 B1 ist eine Vorrichtung mit den zuvor beschriebenen Nachteilen bekannt.
Weiterer Stand der Technik wird in den Druckschriften US 2001/0 003 901 A1 , US 5 465 578 A , EP 0 762 480 A1 und US 5 802 856 A offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
Die technischen Nachteile werden durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 24 gelöst. Die vorliegende Erfindung betrifft demnach eine Werkstück-Einspannvorrichtung und ein Verfahren zum Halten eines Werkstücks wie etwa eines Halbleiterwafers. Die Einspannvorrichtung enthält eine obere Schicht, an der ein Werkstück angebracht werden kann, und eine Temperatursteuerbaueinheit, die mit der oberen Schicht in thermischer Verbindung steht, um die Temperatur des Werkstücks zu steuern. Die Temperatursteuerbaueinheit enthält eine obere Schicht und eine untere Schicht. Zwischen der oberen und der unteren Schicht ist wenigstens ein thermoelektrisches Modul angeordnet und zwischen der oberen und der unteren Schicht ist wenigstens ein Abstandshalter vorgesehen. Der Abstandshalter ist so bemessen, dass er die obere und die untere Schicht so beabstandet, dass das thermoelektrische Modul in einem Raum zwischen der oberen und der unteren Schicht vertikal schwebt. Das heißt, das thermoelektrische Modul ist in der Temperatursteuerbaueinheit nicht mechanisch oder starr eingezwängt. In einer Ausführungsform werden die kleinsten Module, die bei dem Aufbau der Einspannvorrichtung verwendet werden können, verwendet, um die unterschiedliche Ausdehnung in den eigentlichen Modulen zu verringern. Folglich werden mechanische Belastungen infolge von thermischen Effekten im Wesentlichen verringert oder eliminiert.
In einer Ausführungsform ist ein thermisch leitfähiges Medium in dem Raum zwischen der oberen und der unteren Schicht der Temperatursteuerbaueinheit vorgesehen. Das thermisch leitfähige Medium koppelt ein oder mehrere thermoelektrische Module thermisch mit der oberen und/oder unteren Schicht der Temperatursteuerbaueinheit. In einer Ausführungsform enthält das wärmeleitende Medium ein Wärmeableitungsschmiermittel. In einer weiteren Ausführungsform enthält das thermisch leitfähige Medium eine Metallfolie. In einer weiteren Ausfuhrungsform enthält das thermisch leitfähige Medium ein thermisch leitendes Kissen. In allen diesen Ausführungsformen ist das thermisch leitfähige Medium elastisch und bleibt im gesamten Betriebstemperaturbereich der Einspannvorrichtung elastisch, so dass das thermoelektrische Modul mit der oberen und/oder unteren Schicht thermisch gekoppelt ist, wahrend es zwischen der oberen und der unteren Schicht nicht physikalisch eingezwängt ist.
In einer Ausführungsform ist das thermoelektrische Modul eine Peltier-Vorrichtung. Das thermoelektrische Modul kann Wismuttellurid enthalten und besitzt eine in Segmente unterteilte Oberfläche, um die effektive Größe des Moduls zu verringern.
Die obere und die untere Schicht der Temperatursteuerbaueinheit können durch eine oder mehrere Schrauben aneinander befestigt sein. In einer Ausführungsform enthält der Abstandshalter tatsächlich mehrere Unterlegscheiben oder Abstandshalter des Buchsentyps, die Löcher mit Spielraum enthalten, durch die die Schrauben verlaufen. Wenn die Schrauben angezogen werden, um die obere und die untere Schicht zu befestigen, klemmen sie die Abstandshalter zwischen den Schichten fest, wodurch ein ausreichender Raum geschaffen wird, um zu verhindern, dass die thermoelektrischen Module vertikal eingezwängt werden. In einer weiteren Ausführungsform ist der Abstandshalter an Stelle einer Unterlegscheibe und einer Vorrichtung des Buchsentyps wie in der oben erwahnten Ausführungsform eine unitäre Vorrichtung. Die unitare Vorrichtung kann in einer Sternform hergestellt sein, wobei sich mehrere Abstandsarme von der Mitte der Temperatursteuerbaueinheit radial nach außen erstrecken.
Die vorliegende Erfindung schafft zahlreiche Vorteile gegenüber früheren Konfigurationen. Durch das Schaffen eines ausreichenden Raums zwischen den Schichten der Temperatursteuerbaueinheit sind die thermoelektrischen Module keinen mechanischen Belastungen infolge von Effekten der Wärmeausdehnung und Kontraktion ausgesetzt. Außerdem verringert die Verwendung von kleinen Modulen die unterschiedliche Ausdehnung der keramischen Oberflächen der Module. Folglich werden die Beschädigung und der Ausfall der Vorrichtungen wesentlich verringt. Außerdem erzeugen die Abstandshalter eine zusätzliche Starrheit und Unterstützung in der Wafer-Einspannvorrichtung, was eine bessere Flachheit der oberen Oberfläche der Einspannvorrichtung zur Folge hat, die wiederum bessere Ergebnisse bei der Waferbearbeitung und/oder Waferprufung zur Folge hat.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die vorhergehenden sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden genaueren Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung deutlich, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, in denen in allen unterschiedlichen Ansichten gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, vielmehr wurde der Schwerpunkt auf die Darstellung der Prinzipien der Erfindung gelegt.
1 ist eine schematische Schnittansicht einer Werkstück-Einspannvorrichtung gemaß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Explosionsansicht eines Abschnitts der Werkstück-Einspannvorrichtung von 1;
3 ist eine schematische genaue Schnittansicht eines Abschnitts der Werkstück-Einspannvorrichtung von den 1 und 2;
4 ist eine schematische Schnittansicht einer Werkstück-Einspannvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine schematische Explosionsansicht eines Abschnitts der Werkstuck-Einspannvorrichtung von 4;
6 ist eine schematische Draufsicht einer Anordnung aus thermoelektrischen Modulen in der Werkstück-Einspannvorrichtung von den 4 und 5;
7 ist eine schematische Schnittansicht einer Werkstuck-Einspannvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine schematische Explosionsansicht eines Abschnitts der Werkstück-Einspannvorrichtung von 7;
9 ist eine schematische Schnittansicht einer Werkstück-Einspannvorrichtung gemaß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine schematische Explosionsansicht eines Abschnitts der Werkstück-Einspannvorrichtung von 9;
11 ist eine schematische Draufsicht einer Anordnung aus thermoelektrischen Modulen in der Werkstuck-Einspannvorrichtung von den 9 und 10;
12 ist eine schematische genaue Ansicht von zwei Ausführungsformen der thermoelektrischen Module, die in den Werkstück-Einspannvorrichtungen der 6 bis 11 verwendet werden;
13 enthält schematische Schnittansichten der Ausführungsformen des thermoelektrischen Moduls, die in 12 dargestellt sind;
14A–14E sind Detailzeichnungen, die elektrische Verbindungen einer Ausführungsform eines in Segmente unterteilten thermoelektrischen Moduls gemäß der Erfindung darstellen; und
15 enthält eine schematische genaue Schnittansicht eines in Segmente unterteilten thermoelektrischen Moduls gemäß der Erfindung.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 ist eine schematische Schnittansicht einer Werkstück-Einspannvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 2 ist eine schematische Explosionsansicht der Einspannvorrichtung 10, die in 1 gezeigt ist. 3 ist eine schematische genaue Schnittansicht eines Abschnitts der Werkstück-Einspannvorrichtung 10, die in den 1 und 2 gezeigt ist. In den 1 bis 3 enthält die Einspannvorrichtung 10 eine obere Oberfläche oder Unterdruckplatte 12, auf der ein Werkstück, wie etwa ein Halbleiterwafer, während der Bearbeitung angeordnet werden kann. Die obere Unterdruckplatte 12 enthält konzentrische Kanäle zum Verteilen des Unterdrucks auf der oberen Oberfläche, um den Wafer auf der oberen Oberfläche zu halten. Die Einspannvorrichtung 10 enthält außerdem eine Wärmeableitungs- oder Temperatursteuereinrichtung 14, die unter der oberen Unterdruckplatte 12 durch einen oder mehrere Befestigungsblöcke, die Schrauben 26 enthalten, befestigt ist. Einlass- und Auslassdüsen 16 für Luft/Fluidkühlmittel sind vorgesehen, damit ein Kühlmittelfluid durch die Temperatursteuereinrichtung 14 zirkulieren kann. Ein Unterdruckeinlass 18 ist vorgesehen, um einen Unterdruck an die Einspannvorrichtung 10 zu liefern, um den Wafer auf der oberen Oberfläche 12 zu halten. Eine Anbringungsbasis 20 kann verwendet werden, um die Einspannvorrichtung 10 an der Grundmaschine anzubringen, die die Waferbearbeitung ausführt, wie z. B. eine Waferprüfeinrichtung.
Eine Anordnung aus thermoelektrischen oder Peltier-Modulen 24 ist in dem Raum zwischen der oberen Platte 12 und der Temperatursteuereinrichtung 14 vorgesehen. Die Peltier-Module 24 können von dem Typ sein, der von der Firma Melcor, Trenton, New Jersey vertrieben wird. Die Module 24 sind mit einer gedruckten Leiterplatte 25 elektrisch verbunden, die zwischen der oberen Unterdruckplatte 12 und der Temperatursteuereinrichtung 14 angeordnet ist. Der vertikale Abstand zwischen der oberen Platte 12 und der Temperatursteuereinrichtung 14 wird durch die Größe der Abstandshalter 28 gesteuert Die Abstandshalter 28 sind aus einem keramischen oder einem ähnlichen nicht leitenden Material mit geringer Wärmeausdehnung gebildet. Die vertikale Abmessung der Abstandshalter 28 ist so gewählt, dass dann, wenn die obere Platte 12 und die Temperatursteuereinrichtung 14 durch Schrauben 26 aneinander befestigt sind, der Raum zwischen der oberen Platte 12 und der Temperatursteuereinrichtung 14 so ist, dass sich die Peltier-Module 24 seitlich frei bewegen können. Das heißt, die obere Platte 12 und die Temperatursteuereinrichtung 14 klemmen die Peltier-Module 24 in der vertikalen Richtung nicht ein und stellen keine mechanische Einschränkung dar. Das heißt, die gesteuerte Abmessung ist derart, dass die Peltier-Anordnung während Temperaturschwankungen schweben kann, wodurch mechanische Belastungen an der Peltier-Struktur wirkungsvoll beschränkt werden. Diese Lösung verlängert die Lebenserwartung der Peltier-Module 24 drastisch. Ein Leistungs/Sensorkabel 22 liefert elektrische Leistung an die Peltier-Module 24 und die Temperaturerfassungs- und weitere Erfassungseinrichtungen in der Einspannvorrichtung 10.
Die Anordnung aus Peltier-Modulen 24 ist über ein wärmeleitfähiges Medium auf den Moduloberflächen mit der obere Unterdruckplatte 12 und der Temperatursteuereinrichtung 14 thermisch gekoppelt. Das wärmeleitende Übertragungsmedium 27 ist in dem Raum zwischen der oberen und der unteren Oberfläche der Peltier-Module 24 und der oberen Platte 12 bzw. der Temperatursteuereinrichtung 14 eingebracht. Das Medium kann ein elektrisch nicht leitendes Wärmeableitungsschmiermittel sein, wie etwa Premium Ceramic Polysynthetic Thermal Compound, das von Arctic Silver, Inc., Vistalia, Californien vertrieben wird, eine Metallfolie, ein leitendes Kissen oder ein ähnliches Medium sein. Das Medium ist mechanisch elastisch, so dass auf die Peltier-Module 24 bei Effekten der Wärmeausdehnung und -kontraktion infolge von Temperaturschwankungen keine Belastungen wirken.
Außer den Vorteilen, die erzielt werden, indem ein Schweben der Peltier-Module 24 in dem Raum zwischen der oberen Platte 12 und der Temperatursteuereinrichtung 14 ermöglicht wird, erzeugt die Konfiguration der Abstandshalter eine thermisch stabile Struktur der Einspannvorrichtung. Die Änderung der Flachheit der oberen Oberfläche bei einem typischen Prüftemperaturbereich ist auf die ursprüngliche Flachheit der Umgebung beschränkt. Die Starrheit verringert außerdem die Durchbiegung, die während des Prüfkontakts durch große Kräfte bei der Waferabtastung bewirkt wird.
In 3 werden die obere Unterdruckplatte 12 und die Temperatursteuereinrichtung 14 durch Gewindeschrauben 26 zusammengehalten. Die Schrauben sind in Gewindelöcher 31 in der oberen Unterdruckplatte 12 geschraubt. Eine Mutter oder ein Schraubenkopf halt Unterlegscheiben 29 in einer Aussparung oder in einer Gegenbohrung, die in der Unterseite der Temperatursteuereinrichtung 14 ausgebildet ist. Es sollte angemerkt werden, dass die Einzelheiten von 3 bei allen hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden können.
4 ist eine schematische Schnittansicht einer Werkstück-Einspannvorrichtung 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 ist eine schematische Explosionsansicht der Einspannvorrichtung von 4. 6 ist eine schematische Draufsicht, die eine Konfiguration aus einer Anordnung von Peltier-Modulen und Abstandshaltern darstellt, die in der Einspannvorrichtung der 4 und 5 verwendet wird. Die Beschreibung der Elemente, die gleich den Elementen der ersten Ausführungsform sind, wird weggelassen. In den 4 bis 6 sind die obere Unterdruckplatte 12 und die Temperatursteuereinrichtung 14 an Stelle der mehreren Abstandshalter, die in der oben beschriebenen Ausführungsform verwendet werden, durch einen unitären Abstandshalter 128 getrennt. Der unitäre ”sternförmige” Abstandshalter 128 ist aus einem keramischen oder einem ähnlichen nicht leitenden Material mit geringer Wärmeausdehnung hergestellt. Der unitäre Abstandshalter 128 enthält mehrere radiale Arme, die sich zwischen den Peltier-Modulen 24 von der Mitte des Abstandshalters 128 zu den Kanten der Einspannvorrichtung 100 erstrecken. Wie bei der vorherigen Ausführungsform definert wiederum die Dicke des Abstandshalters den Raum zwischen der oberen Oberflächenplatte 12 und der Temperatursteuereinrichtung 14. Die Dicke ist so gewählt, dass die Peltier-Module 24 während Temperaturschwankungen schweben können, um die mechanische Belastung zu verringern, wodurch die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der Module 24 verbessert werden. Der einteilige unitäre Abstandhalter 128 besitzt einen dünnen vertikalen Querschnitt und weist Ausschnitte auf, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen der oberen Unterdruckplatte 12 und der Temperatursteuereinrichtung 14 minimal zu machen und schafft außerdem einen Freiraum für die elektrischen Verbindungen. Die Konfiguration enthält außerdem Stifteinsätze 102 an der Temperatursteuereinrichtung 14, um eine übermäßige Positionsverschiebung der Module 24 während Temperaturschwankungen zu verhindern.
In einer Ausführungsform ist die Größe der Peltier-Module effektiv verringert. In einer Ausführungsform sind die Module so klein, wie das physikalisch möglich ist. Die Module besitzen eine verringerte Große. Die Verwendung von kleinen und/oder von in Segmente unterteilten Modulen verringert effektiv die Größe der Module, ermöglicht jedoch eine bequeme elektrische Verbindung. In einer speziellen Ausführungsform, die hier dargestellt ist, sind die Module zu vier kleineren Modulen in Segmente unterteilt, indem die Moduloberfläche eingeschnitten ist. Die Segmentbildung kann so erfolgen, dass viele weitere diskrete Module erzeugt werden. Die Großenverringerung der Module verkleinert die mechanische Belastung in dem Modul, indem die unterschiedliche Ausdehnung zwischen der oberen und der unteren Keramikschicht der Module verringert wird.
7 enthält eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Werkstück-Einspannvorrichtung 300. 8 enthält eine schematische Explosionsansicht der Einspannvorrichtung 300 von 7. In der Einspannvorrichtung 300 der 7 und 8 sind die meisten Elemente gleich den Elementen von den Ausführungsformen der Einspannvorrichtung, die oben in Verbindung mit den 1 bis 3 beschrieben wurden. Deswegen wird die Beschreibung dieser Elemente nicht wiederholt. In der Einspannvorrichtung 300 besitzen die thermoelektrischen Module 324 die effektiv verringerte Größe. In der Einspannvorrichtung 300 sind die thermoelektrischen Module im Einzelnen in Segmente unterteilt, wie etwa durch das Bilden von Einschnitten in der Keramik entweder an der Oberseite oder an der Unterseite der Module 324. Alternativ können an Stelle der in Segmente unterteilten Module oder zusätzlich zu diesen mehrere kleinere Module verwendet werden.
9 enthält eine schematische Schnittansicht einer Werkstück-Einspannvorrichtung 400 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10 ist eine schematische Explosionsansicht der Einspannvorrichtung 400 von 9. 11 ist eine schematische Draufsicht, die eine Konfiguration aus einer Anordnung aus Peltier-Modulen und Abstandshalter darstellt, die in der Einspannvorrichtung 400 der 9 und 10 verwendet wird. In der Einspannvorrichtung 400 der 9 bis 11 sind die meisten Elemente gleich den Elementen in den Ausführungsformen der Einspannvorrichtung, die oben in Verbindung mit den 4 bis 6 beschrieben wurden. Deswegen wird die Beschreibung dieser Elemente nicht wiederholt. In der Einspannvorrichtung 400 besitzen die thermoelektrischen Module 324 die effektiv verringerte Größe. Im Einzelnen sind die thermoelektrischen Module in der Einspannvorrichtung 400 in Segmente unterteilt, wie etwa durch das Bilden von Einschnitten in der Keramik entweder an der Oberseite oder an der Unterseite der Module 324. Alternativ können an Stelle der in Segmente unterteilten Module oder zusatzlich zu diesen mehrere kleinere Module verwendet werden.
12 enthält eine schematische genaue Ansicht von zwei Ausführungsformen 324a und 324b der thermoelektrischen Module 423, die in den Werkstück-Einspannvorrichtungen der 6 bis 11 verwendet werden. Die Ausführungsform 423a ist ein in Segmente unterteiltes thermoelektrisches Modul und die Ausführungsform 324b enthält mehrere kleine thermoelektrische Module. Bei der Ausführungsform 324a enthält ein einzelnes mit einem Siliconelastomer abgedichtetes thermoelektrisches Modul lediglich eine in Segmente unterteilte heiße Seite, die eine Relativbewegung der Segmente der heißen Seite wahrend Temperaturschwankungen zulässt, was ein kleineres Risiko des Ausfalls der Vorrichtung und eine bessere Zuverlässigkeit zur Folge hat. Bei der Ausführungsform 324b werden mehrere mit einem Siliconelastomer abgedichtete thermoelektrische Module verwendet, was zur Folge hat, dass eine Relativbewegung der Module während Temperaturschwankungen moglich ist.
13 enthält schematische Schnittansichten der Ausführungsformen des thermoelektrischen Moduls, die in 12 dargestellt sind. Wie in 13 gezeigt ist, enthalt das in Segmente unterteilte Modul eine heiße Keramikseite 151 und eine kalte Keramikseite 154, wobei die Peltier-Elemente 153 zwischen den Keramikschichten eingeschoben sind. Die heiße Seite der Keramikschicht 151 enthält Freischnitte 155, die das Modul 324a in mehrere kleinere Segmente unterteilt. Die Modulausfuhrungsform 324b enthält mehrere kleinere Module 324b(1), 324b(2) usw. Die Module 324 sind sandwichartig zwischen der oberen Oberfläche 12 und dem Kühlkörper 14 der Einspannvorrichtung angeordnet.
Die 14A bis 14E sind Detailzeichnungen, die elektrische Verbindungen von einer Ausfuhrungsform eines in Segmente unterteilten thermoelektrischen Moduls 324a gemäß der Erfindung darstellen. Die 14B und 14E sind schematische Schnittansichten des Moduls 324a und 14D ist eine vergroßerte Ansicht der 14B und 14E. 14A ist eine Draufsicht der kalten Seite der Keramikschicht 154 langs der Linie B-B von 14B. Die kalte Seite der Keramikschicht 154 enthält ein Muster aus leitenden Kissen 152, die verwendet werden, um elektrische Verbindungen mit den Peltier-Elementen 153 herzustellen. 14C ist eine Draufsicht der heißen Seite der Keramikschicht 151 längs der Linie A-A von 14E. Wie in 14C gezeigt ist, enthält die heiße Seite der Keramikschicht 151 ebenfalls ein Muster aus leitenden Kissen 152, die verwendet werden, um die elektrischen Verbindungen mit den Peltier-Elementen 153 herzustellen. Wenn die kalten und die heißen Schichtseiten zusammen gebracht und auf die zwischen ihnen eingeschobenen Elemente 153 ausgerichtet werden, werden die Elemente 153 in einer elektrischen Reihenschaltungskonfiguration verbunden, wie in 14D deutlicher gezeigt ist. Leitungen 156 dienen fur einen äußeren elektrischen Anschluss der Module 324a. Die heiße Seite der Keramikschicht 151 enthalt ebenfalls Freischnitte 155, die die heiße Seite der Keramikschicht mechanisch in mehrere Segmente unterteilen, während die leitenden Kissen intakt bleiben, so dass die elektrische Reihenschaltung der Peltier-Elemente nicht unterbrochen wird. Folglich erreicht die Konfiguration die mechanischen Vorteile der effektiv kleineren Peltier-Module, die oben beschrieben wurden, wobei trotzdem die gleiche elektrische Schnittstelle wie bei dem größeren, einzelnen, nicht in Segmente unterteilten Modul erforderlich ist.
15 enthält eine schematische genaue Schnittansicht eines in Segmente unterteilten thermoelektrischen Moduls 324a gemäß der Erfindung. Die Einzelheit von 15 veranschaulicht den Freischnitt 155 in der heißen Seite der Keramikschicht 151. Sie veranschaulicht außerdem die Peltier-Elemente 153, die zwischen der heißen Seite der Keramikschicht 151 und der kalten Schichtseite 154 eingeschoben sind. Die in elektrischer Reihenschaltung befindlichen Kissen 152 sind außerdem gezeigt, die die Keramikschichten und die Peltier-Elemente 153 kontaktieren, so dass die Elemente in der Konfiguration einer elektrischen Reihenschaltung geschaltet sind.

Claims

Werkstück-Einspannvorrichtung (10, 100, 300, 400) zum Halten eines Werkstücks, die umfasst: eine obere Oberfläche, auf der das Werkstück angebracht werden kann; und eine Temperatursteuerbaueinheit, die mit der oberen Oberfläche in thermischer Verbindung steht, um die Temperatur des Werkstücks zu steuern, wobei die Temperatursteuerbaueinheit umfasst: eine obere Schicht (12), eine untere Schicht (14), wenigstens ein thermoelektrisches Modul (24), das zwischen der oberen Schicht (12) und der unteren Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit angeordnet ist; und wenigstens einen Abstandshalter (28, 128) zwischen der oberen Schicht (12) und der unteren Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit, wobei der wenigstens eine Abstandshalter (28, 128) die obere Schicht (12) und die untere Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit vertikal so beabstandet, dass das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24) in einem Raum zwischen der oberen Schicht (12) und der unteren Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit in einer unstarren Art und Weise eingefasst ist und eine vertikale Ausdehnung des Raumes, in dem das thermoelektrische Modul (24) eingefasst ist, durch eine vertikale Größe des Abstandshalters (28, 128) vorgegeben ist.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein wärmeleitendes Medium (27) in dem Raum, um das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24) mit der oberen Schicht (12) und der unteren Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit thermisch zu koppeln.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 2, bei der das wärmeleitende Medium (27) ein thermisches Schmiermittel enthält.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 2, bei der das wärmeleitende Medium (27) eine Metallfolie enthält.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 2, bei der das wärmeleitende Medium (27) ein wärmeleitendes Kissen enthält.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24) Wismuttellurid enthält.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24) eine Peltier-Vorrichtung enthält.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die obere Schicht (12) und die untere Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit durch mehrere Schrauben (26) aneinander befestigt sind.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 8, bei der der wenigstens eine Abstandshalter (28, 128) ein Spielloch enthält, durch das eine der Schrauben (26) verläuft.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 8, bei der der wenigstens eine Abstandshalter (28, 128) mehrere Arme enthält, die sich zwischen der Mitte und den Kanten der Temperatursteuerbaueinheit radial erstrecken.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Werkstück ein Halbleiterwafer ist.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24, 324a) in mehrere Segmente unterteilt ist.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Segmente untereinander elektrisch verbunden sind.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Segmente untereinander elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 12, bei der das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24) eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist, wobei die obere und/oder die untere Oberfläche in Segmente unterteilt sind.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Segmente durch einen auf der oberen und/oder der unteren Oberfläche befindlichen Leiter untereinander elektrisch verbunden sind.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Segmente durch einen auf der oberen und/oder der unteren Oberfläche befindlichen Leiter untereinander elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das wenigstens eine thermoelektrische Modul mehrere thermoelektrische Teilmodule enthält.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Teilmodule untereinander elektrisch verbunden sind.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Teilmodule untereinander elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 18, bei der jedes der Teilmodule eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Teilmodule durch einen auf der oberen und/oder der unteren Oberfläche befindlichen Leiter untereinander elektrisch verbunden sind.
Werkstück-Einspannvorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Teilmodule durch einen auf der oberen und/oder der unteren Oberfläche befindlichen Leiter untereinander elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Verfahren zum Halten eines Werkstücks mit einer Werkstück-Einspannvorrichtung, das umfasst: Vorsehen einer oberen Oberfläche der Werkstück-Einspannvorrichtung, an der das Werkstück angebracht werden kann; und Vorsehen einer Temperatursteuerbaueinheit, die mit der oberen Oberfläche in thermischer Verbindung steht, um die Temperatur des Werkstücks zu steuern, wobei die Temperatursteuerbaueinheit umfasst: eine obere Schicht (12), eine untere Schicht (14), wenigstens ein thermoelektrisches Modul (24), das zwischen der oberen Schicht (12) und der unteren Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit angeordnet ist; und wenigstens einen Abstandshalter (28, 128) zwischen der oberen Schicht (12) und der unteren Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit, wobei der wenigstens eine Abstandshalter (28, 128) die obere Schicht (12) und die untere Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit vertikal so beabstandet, dass das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24) in einem Raum zwischen der oberen Schicht (12) und der unteren Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit in einer unstarren Art und Weise eingefasst ist und eine vertikale Ausdehnung des Raumes, in dem das thermoelektrische Modul (24) eingefasst ist, durch eine vertikale Größe des Abstandshalters (28, 128) vorgegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 24, das ferner das Vorsehen eines wärmeleitenden Mediums (27) in dem Raum umfasst, um das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24) mit der oberen Schicht und der unteren Schicht der Temperatursteuerbaueinheit thermisch zu koppeln.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem das wärmeleitende Medium (27) ein thermisches Schmiermittel enthält.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem das wärmeleitende Medium (27) eine Metallfolie enthält.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem das wärmeleitende Medium (27) ein wärmeleitendes Kissen enthält.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24) Wismuttellurid enthält.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24) eine Peltier-Vorrichtung enthält.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem die obere Schicht (12) und die untere Schicht (14) der Temperatursteuerbaueinheit durch mehrere Schrauben (26) aneinander befestigt sind.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem der wenigstens eine Abstandshalter (28, 128) ein Spielloch enthält, durch das eine der Schrauben (26) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem der wenigstens eine Abstandshalter (28, 128) mehrere Arme enthält, die sich zwischen der Mitte und den Kanten der Temperatursteuerbaueinheit radial erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das Werkstück ein Halbleiterwafer ist.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24) in mehrere Segmente unterteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem die Segmente untereinander elektrisch verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem die Segmente untereinander elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24) eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist, wobei die obere und/oder die untere Oberfläche in Segmente unterteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 38, bei dem die Segmente durch einen auf der oberen und/oder der unteren Oberfläche befindlichen Leiter untereinander elektrisch verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 38, bei dem die Segmente durch einen auf der oberen und/oder der unteren Oberfläche befindlichen Leiter untereinander elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das wenigstens eine thermoelektrische Modul (24) mehrere thermoelektrische Teilmodule enthält.
Verfahren nach Anspruch 41, bei dem die Teilmodule untereinander elektrisch verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 41, bei dem die Teilmodule untereinander elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Verfahren nach Anspruch 41, bei dem jedes der Teilmodule eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 44, bei dem die Teilmodule durch einen auf der oberen und/oder der unteren Oberfläche befindlichen Leiter untereinander elektrisch verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 44, bei dem die Teilmodule durch einen auf der oberen und/oder der unteren Oberfläche befindlichen Leiter untereinander elektrisch in Reihe geschaltet sind.