JP2000138482A - 温度調節用ステージ及びそれに備えられる熱電変換モジュール - Google Patents

温度調節用ステージ及びそれに備えられる熱電変換モジュール

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JP2000138482A
JP2000138482A JP10313045A JP31304598A JP2000138482A JP 2000138482 A JP2000138482 A JP 2000138482A JP 10313045 A JP10313045 A JP 10313045A JP 31304598 A JP31304598 A JP 31304598A JP 2000138482 A JP2000138482 A JP 2000138482A
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heat exchange
thermoelectric conversion
plate
exchange plate
conversion circuit
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Hironaga Akiba
浩永 秋葉
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Komatsu Ltd
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Komatsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱交換用プレートの設計・製造が簡単で、コ
ストが安い温度調節用ステージを提供する。また、熱交
換効率に優れた温度調節用ステージを提供する。 【解決手段】 載置用プレート1の下面に接合された熱
電モジュール21A、21B、21C、…は、熱交換用
プレート7A、7B、7C、…を備える。熱交換用プレ
ート7A、7B、7C、…は、流体の流入口19と、流
出口27と、内部にその流体を通すための流体通路29
を備える。熱交換用プレート7A、7B、7C、…は、
流体通路29に温度調整された流体が流れることによ
り、熱電変換回路5A、5B、5C、…と熱交換を行な
う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の技術分野】本発明は、載置される基板を加熱し
たり冷却したりするための、基板の温度調節用ステージ
に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体ウエハや液晶基板などの基板を加
熱・冷却するための手段として、熱電変換モジュール
(以下、熱電モジュール)を備えた温度調節用ステージが
知られている。この温度調節用ステージは、一般に、基
板を載置し、それを加熱・冷却するためのプレート(載
置用プレート)と、熱電モジュールからの熱を吸収又は
熱電モジュールを加熱するための下側のプレート(熱交
換用プレート)との双方が、複数の熱電モジュールを間
に挟んで接合された構成となっている。熱交換用プレー
トは、内部に温度調節された水が通るための通路(流体
通路)を備えている。熱電モジュールは、多数のP型半
導体チップとN型半導体チップとを交互に二次元に配列
し、且つそれらを電気的に直列に接続したものであり、
これに電流を流すことにより、載置用プレートから熱を
吸収し熱交換用プレートへ放熱する又はその逆の作用を
行う。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述した温度調節用ス
テージの構成によれば、熱交換用プレートの表面は、そ
こに接合される熱電モジュールとの熱交換性を良くする
必要から、熱電モジュールとの接触面積を最大限にし且
つ接触熱抵抗を最小限にするために高い平面度を必要と
する。更に、複数の熱電モジュールを均等に加熱・冷却
する必要があるため、流体通路の構成を工夫する必要も
ある。これらのことにより、熱交換用プレートの設計・
製造は、大変難しく、よってコスト高である。一方、熱
電モジュールは、2次元配列し、その上面と下面を電極
で接合した多数の半導体チップを、2枚の耐熱性絶縁板
の間に挟んで固定したものである。そして、耐熱性絶縁
板としては、セラミックス板が最も普通に用いられてい
る。そのため、熱交換用プレートは、熱伝導性の悪いセ
ラミックス板を介して、熱電モジュールと熱交換するの
で、熱交換効率が優れないという問題もある。
【0004】従って、本発明の目的は、熱交換用プレー
トの設計・製造が簡単で、コストが安い温度調節用ステ
ージを提供することにある。
【0005】また、本発明の別の目的は、熱交換効率に
優れた温度調節用ステージを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の温度調節用ステ
ージは、温度制御対象が載置される載置用プレートと、
載置用プレートに結合された少なくとも1つの熱電変換
モジュールとを備える。熱電変換モジュールは、少なく
とも1枚の平板状部材と、平板状部材に固定された複数
の半導体チップを持つ熱電変換回路とを備える。平板状
部材は、自ら加熱又は吸熱を行う熱交換プレートとして
構成され且つ熱電変換回路と電気的に絶縁されている。
【0007】好適な実施形態では、熱交換用プレート
は、内部に流体が流れるための流体通路を備える。
【0008】好適な実施形態では、熱電変換回路を両側
から固定する2枚の平板状部材を備え、それら平板状部
材の双方又は載置用プレートから遠い側の1枚が、熱交
換用プレートとして構成されている。
【0009】好適な実施形態では、流体を供給する流体
ソースと、複数の熱交換用プレートとを備え、それら複
数の熱交換用プレートが流体ソースに並列に接続されて
いる。
【0010】好適な実施形態では、熱交換プレートは、
金属製であり、熱交換プレートと熱電変換回路が絶縁性
の接着剤で接着されている。
【0011】好適な実施形態では、熱交換プレートは、
絶縁材料で構成されている。
【0012】好適な実施形態では、載置用プレートは、
熱電変換回路と絶縁性の接着剤で接着されている。
【0013】好適な実施形態では、熱交換プレートは、
セラミックス製であり、熱交換プレートの内部の通路の
内面が、防水処理されている。
【0014】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の一実施形態に係
る基板の温度調節用ステージの構成を示す。
【0015】この温度調節用ステージは、基板載置用プ
レート1と、この基板載置用プレート1の下面に接合さ
れた複数の熱電モジュール21A、21B、21C、…
と、各熱電モジュール21A、21B、21C、…に温
度調節された流体を供給する流体管23A、23B、2
3C、…とを備える。各熱電モジュール21A、21
B、21C、…は、図2に示すように、載置用プレート
1表面の温度分布にむらが生じないよう載置用プレート
1の全体にわたって均等に配置される。
【0016】載置用プレート1は、例えばアルミニウム
のような熱伝導性の良い金属材料で構成され、単純な1
枚の金属板でもよいし、パネル型ヒートパイプのような
ものでもよい。そして、載置用プレート1の上面には、
半導体ウエハ等の温度制御対象となる基板が載置され
る。載置用プレート1の下面には、各熱電モジュール2
1A、21B、21C、…が、例えば熱伝導性グリスの
ような熱伝導性の良い接着剤(図示せず)で接着されてい
る。
【0017】各熱電モジュール21A、21B、21
C、…は、耐熱性絶縁材料製、典型的にはセラミックス
製の上板(以下、セラミックス板)3A、3B、3C、…
と、下側の熱交換用プレート7A、7B、7C、…と、
それらの間に挟み込まれた熱電変換回路5A、5B、5
C、…とを備える。この熱電モジュール21の詳細な構
成を、図3を参照して説明する。
【0018】図3に示す通り、上側のセラミックス板3
は、中実の1枚板であり、その上面が載置用プレート1
の下面に接着され、その下面は接着剤(図示せず)などに
より熱電変換回路5に接着する。
【0019】熱電変換回路5は、多数のP型半導体チッ
プ9A、9B、…と、N型半導体チップ11A、11
B、…を交互に2次元平面に配列し、それらの上面と下
面を、電極板17A、17B、…で直列に接続してなる
π型直列回路である。熱電変換回路5は、その上部の電
極板17A、…の上面が、セラミックス板3の下面に接
着され、その下部の電極板17B、…の下面が熱交換用
プレート7の上面に接着されている。この熱電変換回路
5は、直流電流が流れるとペルチェ効果を発生し、電流
の向きに応じて、その上面で加熱し、下面で吸熱を起こ
すか、またはその逆の作用をする。
【0020】熱交換用プレート7は、温度調節された流
体の流入口19と、流出口27と、内部にその流体を通
すための流体通路29を備える。この流体通路29を流
れる流体によって、熱電変換回路5の下面を加熱・冷却
する機能を持つ。これに加え、この熱交換用プレート7
は、従来の熱電モジュールの下側のセラミックス板と同
様に、熱電変換回路5の各半導体チップに固定する機能
も併せ持つ。流体には、水、エチレングリコール、フロ
リナート(登録商標)などが用いられる。この熱交換用プ
レート7の製造方法としては、例えば図4に示すよう
に、それぞれ容器の上半分と下半分の形状で、両端部に
流体の流入口19と流出口27を有し、間に流体通路2
9ができるような形状に成形した2枚の薄板部材31、
33を貼り合わせる方法が採用できる。このように、薄
板部材31、33を採用することで、熱交換の妨げとな
る熱抵抗を低減することができる。
【0021】この熱交換用プレート7は、熱伝導性の良
い金属で作ことができるが、その場合、熱電変換回路5
の下部の電極板17B、…に流れる電流と絶縁されるこ
とが必要である。そのため、金属製の熱交換用プレート
7と熱電変換回路5との間に、ポリイミド樹脂等の耐熱
性絶縁体の接着シート(図示せず)を介在させて、両者を
接着する。一方、この熱交換用プレート7は、セラミッ
クスのような耐熱性絶縁体で作こともできる。その場
合、内部に水が流れるので、セラミックス製の熱交換用
プレート7の内面を防水性とするために、その内面に、
ビニール樹脂等でコーティングする等の防水処理を施
す。
【0022】以上が、図1に示した熱電モジュール21
A、21B、21C、…の構成である。この熱電モジュ
ール21A、21B、21C、…が備える各熱交換用プ
レート7A、7B、7C、…の各流入口19A、19
B、19C、…及び流出口27A、27B、27C、…
には、流体管23A、23B、23C、…がそれぞれ接
続される。
【0023】流体管23A、23B、23C、…は、例
えばゴムのような弾性体で構成され、内部に温度調整さ
れた流体が流れる。この実施形態では、熱交換用プレー
ト7A、7B、7C、…は、例えば図1に示すように、
流体ソース30に並列に接続されている。このように、
それらを並列に接続することで、常に所望の温度の水
を、各熱交換用プレート7A、7B、7C、…に流入さ
せることができるので、各熱電変換回路5A、5B、5
C、…を均等に加熱・冷却することができ、各熱電変換
回路の能力も均等になり、載置用プレート1の温度分布
のばらつきを小さくすることができる。
【0024】尚、上述した実施形態の変形例としては、
熱電モジュール5A、5B、5C、…の上側のセラミッ
クス板3A、3B、3C、…も、下側のそれと同様な、
熱交換用プレートに代えることもできる。このような構
成にすれば、基板載置用プレート1の温度を、より迅速
に所望の温度にすることができる。また、熱交換用プレ
ートは、熱交換効率を向上させるために、流路やフィン
を備えたり、複数の流入口又は流出口を備えたりするこ
ともできる。また、熱電変換回路5の上側のセラミック
板3を省略し、載置用プレート1に熱電変換回路5を直
接、ポリイミド樹脂等の絶縁性の接着剤で固定してもよ
い。
【0025】以上、本発明の好適な実施形態を説明した
が、これは本発明の説明のための例示であって、本発明
の範囲をこの実施例にのみ限定する趣旨ではない。本発
明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る温度調節用ステージ
の構成を示す図。
【図2】複数の熱電変換モジュールが載置用プレートの
下面に接続されている様子を示す図。
【図3】熱電モジュールの構成を示す図。
【図4】熱交換用プレートの構成を示す図。
【符号の説明】
1 載置用プレート 3 セラミックス板 5 熱電変換回路 7 熱交換用プレート 9A、9B P型半導体チップ 11A、11B N型半導体チップ 17 電極板 19 流入口 21 熱電変換モジュール 23 冷却水管 27 流出口 29 流体通路 30 流体ソース

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 温度制御対象が載置される載置用プレー
    トと、 前記載置用プレートに結合された少なくとも1つの熱電
    変換モジュールとを備え、 前記熱電変換モジュールは、少なくとも1枚の平板状部
    材と、前記平板状部材に固定された複数の半導体チップ
    を持つ熱電変換回路とを備え、前記平板状部材が自ら加
    熱又は吸熱を行う熱交換プレートとして構成され且つ前
    記熱電変換回路から電気的に絶縁されている温度調節用
    ステージ。
  2. 【請求項2】 前記熱交換用プレートは、内部に流体が
    流れるための流体通路を備える請求項1記載の温度調節
    用ステージ。
  3. 【請求項3】 前記熱電変換回路を両側から固定する2
    枚の平板状部材を備え、それら平板状部材の双方又は前
    記載置用プレートから遠い側の1枚が、前記熱交換用プ
    レートとして構成されている請求項1記載の温度調節用
    ステージ。
  4. 【請求項4】 前記流体を供給する流体ソースと、複数
    の前記熱交換用プレートとを備え、それら複数の熱交換
    用プレートが流体ソースに並列に接続されている請求項
    2乃至3記載の温度調節用ステージ。
  5. 【請求項5】 前記熱交換プレートは、金属製であり、
    前記熱交換プレートと前記熱電変換回路が絶縁性の接着
    剤で接着されている請求項1記載の温度調節用ステー
    ジ。
  6. 【請求項6】 前記熱交換プレートは、絶縁材料で構成
    されている請求項1記載の温度調節用ステージ。
  7. 【請求項7】 前記載置用プレートは、前記熱電変換回
    路と絶縁性の接着剤で接着されている請求項1記載の温
    度調節用ステージ。
  8. 【請求項8】 前記熱交換プレートは、セラミックス製
    であり、前記熱交換プレートの内部の通路の内面が、防
    水処理されている請求項1記載の温度調節用ステージ。
  9. 【請求項9】 自ら加熱又は吸熱を行う熱交換プレート
    として構成されている、少なくとも1枚の平板状部材
    と、 複数の半導体チップが平板状に配列され、それらが電気
    的に直列に接続された熱電変換回路とを備え、前記平板
    状部材が前記熱電変換回路から電気的に絶縁されている
    熱電変換モジュール。
  10. 【請求項10】 前記熱交換用プレートは、内部に流体
    が流れるための流体通路を備える請求項9記載の熱電変
    換モジュール。
  11. 【請求項11】 前記熱電変換回路を両側から固定する
    2枚の平板状部材を備え、それら平板状部材の少なくと
    も一方が、前記熱交換プレートとして構成されている請
    求項9記載の熱電変換モジュール。
  12. 【請求項12】 前記熱交換プレートは、金属製であ
    り、前記熱交換プレートと前記熱電変換回路が絶縁性の
    接着剤で接着されている請求項9記載の熱電変換モジュ
    ール。
  13. 【請求項13】 前記熱交換プレートは、絶縁材料で構
    成されている請求項9記載の熱電変換モジュール。
  14. 【請求項14】 前記熱交換プレートは、セラミックス
    製であり、前記熱交換プレートの内部の通路の内面が、
    防水処理されている請求項9記載の熱電変換モジュー
    ル。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012504501A (ja) * 2008-09-30 2012-02-23 フォースト・フィジックス・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー 流体温度およびフローの制御のための方法および装置
KR20190119943A (ko) * 2018-04-13 2019-10-23 국방과학연구소 Aesa 레이더 냉각 장치 및 이를 포함하는 aesa 레이더

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