JP2000172347A

JP2000172347A - ヒートパイプを利用した温度制御装置

Info

Publication number: JP2000172347A
Application number: JP10344104A
Authority: JP
Inventors: Tadayuki Hanamoto; 忠幸花本; Hironaga Akiba; 浩永秋葉; Kanichi Kadotani; ▲かん▼一門谷
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2000-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化を図ることが可能で、且つ、均熱性と
熱応答性の双方の向上を図ることが可能な温度制御装置
を提供する。【解決手段】ヒートプレート１には、円形プレート型
のヒートパイプが用いられる。その複数箇所には、ピン
９が夫々プレート１を貫通した状態で上下方向に移動可
能に設けられる。各ピン９の先端部に半導体ウエハ２７
を載置する。ベ一キングやクーリングのプロセスでは、
各ピン９の先端部は、プレート１の上面から僅かに突出
した位置に位置決めされて駆動機構により保持される。
ウエハ２７の保持される高さ位置は、プレート１の上面
から微小なエアギャップを隔てたプレート１の直上方の
位置になる。基本的な構成は、所定の作動液を封じ込め
た空間を内部に有したプレートであり、極めて高い熱伝
導性と小さい熱容量とを有する。プレート１の下面に接
触する複数の熱電モジュール３との間の熱交換を、ウエ
ハ２７の全面に亘って略均一に、効率良く行えるように
する必要があるので、厚みが薄く、且つ、ピンフィン構
造を内蔵するものが用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、例えば半導体ウェハのよ
うな温度制御対象の温度を、ヒートパイプを利用して制
御するための温度制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、温度制御対象を加熱／冷却するた
めの手段として熱電モジュールを備えた温度制御装置が
知られている。この装置は、温度制御対象を載置するた
めのプレートと熱交換用のプレート（即ち、冷却用プレ
ート）との双方が、熱電モジュールを挟んで互いに対向
した状態で取付固定された構成となっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記構成の
装置において、載置用プレートの上に温度制御対象とし
て載置される基板の熱は、熱電モジュールでのペルチェ
効果により上記熱電モジュールの載置用プレートとの接
触面で吸熱される。一方、その吸熱と並行して上記熱電
モジュールの冷却用プレートとの接触面に発生する熱
は、上記ペルチェ効果により冷却用プレート内の流体通
路を流れる冷却水により吸収される。このように、熱電
モジュールの冷却用プレートとの接触面に発生する熱
が、上記冷却水により継続的に吸収されることで、上記
熱電モジュールのペルチェ効果は良好な状態に保たれ
る。

【０００４】しかし、上記装置では、上記基板を温度制
御対象とした場合、基板を加熱又は冷却するときの基板
に対する均熱性（つまり、基板の温度分布の均一化を図
ること）の要求度合いは極めて高い。例えば基板が半導
体ウエハの場合には、目標温度から摂氏±０．１度以下
の温度範囲内に上記半導体ウエハ全体の温度を均一化し
なければ、製品としての信頼性が損なわれる。そのた
め、上記装置では、均熱性を保つ方法の１つとして、載
置用プレート及び冷却用プレートの双方に、熱容量の大
きい部材が用いられている。しかし、載置用プレート及
び冷却用プレートは、一定の均熱性を確保する必要上
(つまり、一定の熱容量を確保する必要上）、或る程度
以上の厚みを持たざるを得ないため、その結果として上
記装置の大型化を招来するという問題が生じる。

【０００５】また、上記装置では、基板に対する加熱又
は冷却を効率良く行うため、一定の熱応答性を確保する
必要もあるので、載置用プレート及び冷却用プレートの
熱伝導性を高めることが望ましいが、均熱性と熱応答性
の双方を共に良好な状態に保つことは困難であった。

【０００６】従って、本発明の目的は、小型化を図るこ
とができ、且つ、均熱性と熱応答性の双方の向上を図る
ことができる温度制御装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の側面に従
う温度制御装置は、発熱又は吸熱を選択的に行う熱交換
デバイスと、各々が対向した状態で前記熱交換デバイス
を挟持するように配置されるプレート型ヒートパイプ、
及び冷却機構とを備え、ヒートパイプは、作動液の封入
された多数のパイプを有し、それら多数のパイプは連通
してパイプ網を形成し、且つ、ヒートパイプの略全面に
亘って実質的に均一な密度で配置されている。

【０００８】上記構成によれば、ヒートパイプは、作動
液の封入された多数のパイプを有し、それら多数のパイ
プは連通してパイプ網を形成し、且つ、ヒートパイプの
略全面に亘って実質的に均一な密度で配置することとし
たので、装置の小型化を図ることができ、且つ、均熱性
と熱応答性の双方の向上を図ることができる。

【０００９】本発明の第１の側面に係る好適な実施形態
では、多数のパイプの各々は、正多角形又は円形を呈す
るように構成されている。上述したパイプ網の網目はパ
イプ網の略全域に亘って実質的に均一の密度で配置され
ている。また、ヒートパイプにおける熱交換デバイスと
の接触面に対向する面は、平坦面に形成されている。熱
交換デバイスは、複数の熱電素子と、熱電素子の各々を
直列接続する電極と、熱電素子及び電極を挟む一対の絶
縁部材とを含んでいる。ヒートパイプと熱交換デバイ
ス、及び冷却機構と熱交換デバイスは、共に接着剤によ
って接着される。接着剤としては、例えばポリイミド樹
脂が用いられる。

【００１０】本発明の第２の側面に従う温度制御装置
は、発熱又は吸熱を選択的に行う熱交換デバイスと、各
々が対向した状態で熱交換デバイスを挟持するように配
置されるプレート型ヒートパイプ、及び冷却機構とを備
え、ヒートパイプが複数の柱状放熱部材を有し、それら
の放熱部材がヒートパイプの略全面に亘って実質的に均
一な密度で配置されている。

【００１１】本発明の第２の側面に係る好適な実施形態
では、ヒートパイプにおける熱交換デバイスとの接触面
に対向する面は、平坦面に形成される。熱交換デバイス
は、複数の熱電素子と、熱電素子の各々を直列接続する
電極と、熱電素子及び電極を挟む一対の絶縁部材とを含
んでいる。ヒートパイプと熱交換デバイス、及び冷却機
構と熱交換デバイスは、共に接着剤によって接着され
る。接着剤としては、例えばポリイミド樹脂が用いられ
る。また、複数の柱状放熱部材は、ヒートパイプ内部の
上下面に接している。

【００１２】本発明の第３の側面に従う温度制御装置
は、発熱又は吸熱を選択的に行う熱交換デバイスと、各
々が対向した状態で熱交換デバイスを挟持するように配
置されるプレート型ヒートパイプ、及び冷却機構とを備
え、ヒートパイプは複数の薄肉の板状放熱部材を有し、
それらの放熱部材はヒートパイプの略全面に亘って実質
的に均一な密度で配置されている。

【００１３】本発明の第３の側面に係る好適な実施形態
では、ヒートパイプにおける熱交換デバイスとの接触面
に対向する面は、平坦面に形成される。熱交換デバイス
は、複数の熱電素子と、熱電素子の各々を直列接続する
電極と、熱電素子及び電極を挟む一対の絶縁部材とを含
んでいる。ヒートパイプと熱交換デバイス、及び冷却機
構と熱交換デバイスは、共に接着剤によって接着され
る。接着剤としては、例えばポリイミド樹脂が用いられ
る。また、複数の薄肉の板状放熱部材は、ヒートパイプ
内部の上下面に接している。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、半導体製造工程での半導体
ウエハの温度制御に本発明を適用した実施形態を説明す
る。

【００１５】半導体製造工程において、例えばレジスト
膜は、通常次のようなプロセスを経てウエハ表面に形成
される。

【００１６】（1）ウエハ洗浄（2）レジストコーティング（3）プリベーク＋クーリング（4）露光（5）現像（6）リンス（7）ポストベーク＋クーリング（8）エッチングここで、プリベークでは、べ一キング温度は摂氏９０〜
２００度に設定され（プロセスによって異なる）、この
プリベークに後続するクーリングではその目標温度は摂
氏２０度程度の室温に設定される。また、ポストベーク
では、ベーキング温度は摂氏１００〜２５０度に設定さ
れ（プロセスによって異なる）、このポストベークに後
続するクーリングではその目標温度は摂氏２０度程度の
室温に設定される。プリベーク＋クーリング工程の次工
程は露光であり、またポストベーク＋クーリング工程の
次工程はエッチングである。これら次工程にすぐに移行
できるよう、ウエハの温度分布にかなり厳しい条件が要
求される。

【００１７】以下に示す実施形態は、プリベーク＋クー
リング工程またはポストベーク＋クーリング工程に用い
られるもので、最初にウエハを高温に加熱し（ベ一キン
グ）、その後このウエハを室温程度まで冷却する（クー
リング）というサイクルをウエハ単位に数10秒間隔で繰
り返す。従って、加熱の目標温度と冷却の目標という２
つの目標温度をもって、加熱と冷却を交互に繰り返す。

【００１８】図１は、本発明の上述した実施形態に係る
温度制御装置の全体構成を示すブロック図である。

【００１９】上記装置は、全体として略円筒形状を呈し
ている。上記装置は、図１に示すように、ヒートパイプ
（ヒートプレート）１と、複数の熱電モジュール３と、
冷却板５と、冷却水循環用配管系統（循環用配管系統）
７と、複数本の比較的細いピン９と、温度センサ１１
と、チラー１５と、ポンプ１７と、バルブ機構１９とを
備える。

【００２０】ヒートプレート１は、全体として略円筒形
状を呈するよう、例えば円形プレート型のヒートパイプ
が採用されている。ヒートプレート１の複数箇所には、
上述したピン９が夫々ヒートプレート１を貫通した状態
で、図示しない駆動機構により上下方向に移動可能に設
けられる。上記複数本のピン９の先端部に、温度制御対
象である半導体ウエハ２７を載置する。上述したベ一キ
ングやクーリングのプロセスにおいては、各ピン９の先
端部は、ヒートプレート１の上面から僅かに突出した位
置に位置決めされて上記駆動機構（図示しない）により
保持される。そのため、ウエハ２７の保持される高さ位
置は、ヒートプレート１の上面から微小なエアギャップ
を隔てたヒートプレート１の直上方の位置になる。

【００２１】ヒートプレート１の適宜箇所には、ヒート
プレート１の温度を検出するために上述した温度センサ
１１が取付けられる。温度センサ１１からの電気信号
は、温度検出信号として信号線(図示しない)を通じて熱
電モジュールコントローラ(図示しない)に出力される。

【００２２】ここで、ヒートプレート１の基本的な構成
は、所定の作動液を封じ込めた空間を内部に有したプレ
ートであり、極めて高い熱伝導性と小さい熱容量とを有
する。ヒートプレート１は、その下面に接触する複数の
熱電モジュール３との間の熱交換を、ウエハ２７の全面
に亘って略均一に、且つ、効率良く行えるようにする必
要がある。そのため、本実施形態では、ヒートプレート
１には厚みが薄く、且つ、ピンフィン構造を内蔵するも
のが用いられる。

【００２３】冷却板５も、ヒートプレート１と同様に、
全体として略円筒形状を呈しており、冷却板５の内部に
は、図示のように、冷却水を収容するため略円柱状の空
間（冷却水収容室）２９が形成されている。この冷却水
収容室２９は、略円形状を呈する底板の中心部と、それ
を中心として底板上に描いた同一円周上の略等間隔の複
数の位置とに、夫々形成された複数の開口を有する。図
１では、図示と説明の都合上、底板の中心に位置する開
口は、符号２９ｂで表し、円周上に位置する各々の開口
は、符号２９ａ、２９ｃで代表させることとした。収容
室２９は、上記開口２９ａ〜２９ｃを通じて循環用配管
系統７に連通している。上記各開口の設置個数及び設置
箇所は、収容室２９と循環用配管系統７との間を流れる
冷却水により熱電モジュール３からの熱を効率良く吸収
できるよう、選定されるものとする。

【００２４】循環用配管系統７は、一端側が上記各開口
に夫々連通するよう図１の縦方向に延びる複数本の配管
と、これらの配管のうち、上述した中心部の開口に連通
する配管（中心配管）の他端側と、残り全部の配管の他
端側とを連通させるための図１の横方向に延びる複数本
の放射状配管とで構成される。

【００２５】図１では、図示と説明の都合上、上記開口
２９ａ〜２９ｃに一端側が夫々接続する配管、つまり、
図１の縦方向に延びる複数の配管として、配管７ａ〜７
ｃを記載する。また、中心配管である配管７ｂの他端側
と、配管７ａ、７ｃの他端側とを夫々接続する複数の放
射状配管として、配管７ｄを記載する。

【００２６】中心配管７ｂには、冷却機能を有するチラ
ー１５、圧送機能を有するポンプ１７、及び流量調整機
能と配管開閉機能とを有するバルブ機構１９が夫々配置
される。各熱電モジュール３からの熱により暖められた
収容室２９内の水は、ポンプ１７の駆動により開口２９
ｂから中心配管７ｂに導入され、チラー１５により所定
値以下の水温にまで冷却された後、バルブ１９及び放射
状配管７ｄを通じて配管７ａ、７ｃに流入し、開口２９
ａ、２９ｃを通じて収容室２９に供給される。

【００２７】各熱電モジュール３は、ヒートプレート１
の下面と冷却板５の上面との対向間隙に介設されるもの
で、複数対の接着剤シート２２と、複数対の電極部材２
３と、複数個のＰ型熱電半導体素子及び複数個のＮ型熱
電半導体素子（共に熱電半導体素子として示す）２５と
で構成される。

【００２８】各接着剤シート２２には、例えば銅電極箔
を電極部材２３として担持したものが用いられ、冷却板
５の上面側に貼付される１又は複数枚の接着剤シート２
２と、ヒートプレート１の下面側に貼付される１又は複
数枚の接着剤シート２２とで夫々対を構成する。冷却板
５側の各接着剤シート２２は、銅電極箔２３側を上面に
した状態で、冷却板５の上面に接着される。銅電極箔２
３の上面には、上記各熱電半導体素子２５の一方の端面
が、夫々極めて薄い半田層（図示しない）により溶着さ
れて固定される。一方、ヒートプレート１側の各接着剤
シート２２は、銅電極箔２３側を下面にした状態で、ヒ
ートプレート１の下面に接着される。銅電極箔２３の下
面には、上記各熱電半導体素子２５の他方の端面が、夫
々極めて薄い半田層（図示しない）により溶着されて固
定される。各熱電半導体素子２５と、各銅電極箔２３と
でペルチェ効果による発熱又は吸熱を起こすためのπ型
直列回路を構成する。π型直列回路には、給電線（図示
しない）を通じて上述した熱電モジュールコントローラ
(図示しない)から、上記温度検出信号に基づいて制御さ
れた電流が供給される。

【００２９】本実施形態において、各接着剤シート２２
には、例えばポリイミド樹脂のような電気的絶縁性と耐
熱性とを有する接着剤を、薄膜状に形成したものが採用
される。各接着剤シート２２は、摂氏２００〜３００度
程度の熱が供給されることにより、接触した物体に溶着
する性質を有する。また、上述した銅電極箔２３は、各
接着剤シート２２の表面に、略全面に亘って溶着した銅
箔に対しエッチングを施すことにより形成した配線パタ
ーンである。各接着剤シート２２と、それに溶着される
銅電極箔２３との厚みの合計値は、２５μｍ〜１０００
μｍ程度と薄く設定されている。

【００３０】なお、本実施形態では、ヒートプレート１
を可能な限り均等に加熱／冷却するために、ヒートプレ
ート１と冷却板５との対向間隙において、上述した開口
２９ｂを始めとする複数の開口２９ａ、２９ｃの設置位
置に対応するように、上記各々の熱電モジュール３が夫
々配置される。

【００３１】図２は、図１に記載した冷却板５のＡ―Ａ
線での断面図である。

【００３２】図２に示すように、冷却板５の底板５ａに
は、中心部に開口２９ｂが形成されており、それを中心
とする同一円周上の略等間隔の複数の位置には、複数の
開口２９ａ、２９ｃが形成されている。そして、夫々
破線で示すように複数の熱電モジュール３がヒートプレ
ート１と冷却板５との対向間隙に配置されている。

【００３３】次に、ヒートプレート１が、例えば図１に
示した構成をとる場合の上記装置の動作を以下に説明す
る。

【００３４】ウエハ２７の温度を例えば摂氏１５０度に
して行うベーキングと、ウエハ２７の温度を例えば摂氏
２０度まで冷却するクーリングとが交互に実行される。
まず、レジストが塗布されたウエハ２７がピン９上にヒ
ートプレート１上面から微小ギャップを介して載置さ
れ、ペルチェ効果により熱電モジュール３の上面が加熱
されてベーキングが開始される。熱電モジュール３上面
から発生する熱はヒートプレート１の下面に吸収され、
ヒートプレート１のフィン内を下面から上面へ高速に運
ばれ、ヒートプレート１の上面からウエハ２７に伝達さ
れる。温度センサ１１によってヒートプレート１の温度
が検出されており、その検出温度に基づいて各熱電半導
体素子２５を流れる電流が調節されてウエハ２７の温度
が目標温度の摂氏１５０度に制御される。

【００３５】べ一キングが終了すると、次にクーリング
に入る。即ち、各熱電半導体素子２５に、ベーキング時
とは逆方向に電流が流されるとともに、バルブ機構１９
が開かれ、ポンプ１７が始動して、チラー１５から摂氏
２０度近傍の温度の液体が開口２９ａ、２９ｃを通じて
収容室２９に供給される。ヒートプレート１のフィンで
は上面から下面へ高速に熱が伝達され、ウエハ２７の熱
がヒートプレート１に奪われる。ヒートプレート１に奪
われた熱は、熱電モジュール３上面の冷却作用により吸
収され、その際、熱電モジュール３下面に発生する熱
は、冷却板５内の収容室２９を流れる液体により吸収さ
れる。冷却用の液体は熱電モジュール３下面の熱を吸収
しながら収容室２９内を循環し、開口２９ｂから配管７
ｂに流入する。以上のように熱電モジュール３下面に発
生する熱が冷却水により継続的に吸収されるため、π型
直列回路におけるペルチェ効果は良好な状態に維持され
る。更に、温度センサ１１の検出温度に基づいて、π型
直列回路を流れる電流及び冷却用液体の温度が調節され
てウエハ２７の温度が目標温度の摂氏２０度に制御され
る。

【００３６】クーリングが終了したウエハ２７はヒート
プレート１上から取り去られ、次のレジストが塗布され
たウエハ２７が同様にヒートプレート１上に置かれて、
ベーキングとクーリングの処理を受ける。

【００３７】上述した一実施形態では、冷却板５として
内部に冷却水収容室２９を有するものを用いることとし
たが、水冷式に限らず、空冷式の冷却板を用いることと
しても差支えない。また、冷却水収容室２９及び循環配
管系統７内を流れる冷却用の液体としては水に限らず、
例えばエチレングリコールなどの要求される温度条件を
満足するものを用いても良い。また、ヒートプレート１
と各熱電モジュール３との間、及び各熱電モジュール３
と冷却板５との間を、上述した接着剤シート２２と同様
の構成の接着剤シート（但し、銅電極箔２３を担持して
いないもの）によって接着されるようにしても良い。

【００３８】上述したヒートプレート１には、種々の構
成のものが採用し得る。以下に、その好適な構成例を説
明する。

【００３９】図３は第１の構成例に係るヒートプレート
１の下面側から視た平面図、図４は図３のＡ−Ａ線での
同ヒートプレート１の断面図である。

【００４０】ヒートプレート１の外殻体は、概略的に、
例えば、熱伝導性の高いアルミニウムや銅などの材料の
２枚の薄板３１、３２を重ね合せ、両板間の所定の領域
に作動液の封入される空間（つまり、パイプ）３３を形
成し、そのパイプ３３以外の領域にて両板３１、３２を
接合したものである。図３では、ハッチングを付した領
域が接合された部分であり、ハッチングを付してない領
域がパイプ３３の部分である。また、パイプ３３は図４
Ａに示すようにヒートプレートの片面側へ、又は図４Ｂ
に示すように両面側へ膨出しているが、その膨出したパ
イプ３３の尾根を図３では一点鎖線で示している。パイ
プ３３内には、所定の作動液が適当量だけ封入され、パ
イプの内壁には作動液を毛細管現象を利用して運ぶウィ
ック３６が設けられている。

【００４１】図３に示すように、ヒートプレート１の平
面視外形状は半導体ウエハのそれに合せて円形である
が、必ずしも円形である必要はなく、後述する他の構成
例がそうであるように、例えば正方形でもよい。要する
に、ヒートプレート１の平面外形は設計・製造に都合が
良く、且つ、ウエハ全体を均熱化するのに適したもので
あれば良い。

【００４２】ヒートプレート１のパイプ３３は、一点鎖
線で示した尾根の形状から分る通り、ハニカム断面のよ
うに小さい多数の正六角形パイプを繋いだ形のパイプ網
３５を構成しており、ヒートプレート１の略全面に亘り
一定の密度で配置されている。なお、パイプ網３５の目
（正六角形の接合部分）３４は図３では一部しか図示し
てないが、実際には尾根に囲まれた全ての正六角形領域
の中心位置に存在する。目３４は、ヒートプレート１の
機械的強度を高めるので、必要な機械的強度を維持しつ
つ板３１、３２を薄くしてヒートプレート１の熱容量を
小さくし、もって伝熱速度や均熱効果を高めるのに貢献
する。

【００４３】図４Ａに示すようにパイプ３３が片面のみ
に膨出しているタイプのヒートプレートも、同図Ｂに示
すように両面に膨出しているタイプのヒートプレートも
採用できるが、望ましいのは図４Ａに示す片面膨出タイ
プである。片面膨出タイプの方が機械的強度に優れると
共に、次の理由から均熱度も優れるからである。すなわ
ち、本実施形態では、片面膨出タイプのヒートプレート
１を、その平坦面を上面（ウエハ２７が載置される
面）、パイプ膨出面を下面（熱電モジュール３と当たる
面）にして使用する。すると、ヒートプレート１の上面
とウエハ２７との距離が一定であり、且つ、ヒートプレ
ート１の上面に沿った熱拡散性も方向や場所に左右され
ずに均一であるから、ヒートプレート１とウエハ２７と
の間の熱交換が均一になり易い。また、ヒートプレート
１の高い強度も、ヒートプレート１の熱変形を抑制して
ウエハ２７との距離を一定に保つのに貢献する。

【００４４】ところで、ヒートプレート１のパイプ網３
５の目３４の形状は必ずしも図示のように正六角形であ
る必要はなく、正方形や正三角形や円形などでもよい。
但し、高い均熱効果を得るには、パイプ３３及び目３４
の密度が方向や場所に左右されずにパイプ網３５の全域
に亘って一定であることが望ましい。また、個々のヒー
トパイプが独立しているのではなく、パイプ網３５内で
個々の場所のパイプ３３は周囲の場所のパイプに連通し
ていることが望ましい。

【００４５】図５は、第２の構成例に係るヒートプレー
ト１の下面側から視た平面図、図６は図５のＡ−Ａ線で
の断面図である。

【００４６】このヒートプレート１は、アルミニウム製
や銅製の２枚の板５１、５２を重ね合わせ、板５１、５
２の周縁部を封止部材５３で封止し、全面に亘って一定
ピッチで配列した多数の小さい点（スポット）５４にて
両板５１、５２を接合したものである。上板５１は下板
５２より厚い平板であり、下板５２は図６に示すように
スポット５４の箇所だけ突出した形状に予め成形されて
いる。従って、両板５１、５２を接合すると、その略全
面に亘って、小さいスポット５４を目とした均一密度の
木目細かいパイプ５６の網が形成される。パイプ５６内
にはウィック５７が設けられ、作動液が封入されてい
る。スポット５４はヒートプレート１の機械的強度を高
める役割を持つ。パイプ網の網目であるスポット５４の
面積が小さいので、パイプ５６の面積比が大きく、よっ
て熱拡散が速く優れた均熱効果が発揮できる。

【００４７】図７は、第３の構成例に係るヒートプレー
ト１の平面図、図８は、図７のＡ−Ａ線での断面図であ
る。

【００４８】このヒートプレート１は、細管ヒートパイ
プと呼ばれるタイプの応用であり、ウィックは不要であ
る。図示のように、アルミニウム製や銅製の２枚の板６
１、６２が間に薄い隔壁板６３を挟んで接合されてい
る。２枚の板６１、６２の各々の接合面には、同面の略
全面に亘って一定の小さいピッチで互いに平行に走る多
数本の極めて細い溝６４、６５が削り込まれている。板
６１の多数本の溝６４は、隣接するもの同士が順次に異
なる側の端部で連結されて、全体として一本の蛇行した
溝６８を形成している。板６２の多数本の溝６５も、同
様に連結されて全体として一本の蛇行溝６９を形成して
いる。２枚の板６１と６２は、蛇行溝６８と６９が直交
する方向で接合されている。蛇行溝６８と６９は、隔壁
板６３によってその開口が覆われるので、夫々極細の蛇
行パイプを形成する。この２本の蛇行パイプ６８、６９
はその両端部６６、６７において隔壁板６３を貫通して
互いに連結され、全体として閉ループ状の蛇行パイプを
構成している。この直交し且つ連通した蛇行パイプ６
８、６９も、一種のパイプ網ということができ、図７か
ら分るように、パネル面全体に亘って均一な密度でパイ
プが配置されている。

【００４９】蛇行パイプ６８、６９内には作動液が封入
されている。蛇行パイプ６８、６９（溝６４、６５）の
内径は、作動液がその表面張力でその液層と蒸気泡とが
プラグのように蛇行パイプ６８、６９を塞ぐことができ
る程度の細さ（０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度）である。

【００５０】上記タイプのヒートプレート１は、図３〜
図６に示したタイプのヒートプレートとは異なる原理、
つまり、作動液とその蒸気泡の蛇行パイプ内での循環も
しくは軸方向振動によって熱を高速に輸送する。

【００５１】図７、８に示したヒートプレートでは、配
列ピッチの小さい２つの蛇行パイプ６８、６９が互いに
直交するように重ね合わされて、パイプがパネル面全体
に亘って均一密度で木目細かく配置されたパイプ網を形
成しており、しかも、熱輸送を直交する両方向で行える
ので、優れた均熱効果が発揮できる。

【００５２】図９は、ヒートプレート１の内部に設けら
れる種々のフィン構造を示す斜視図である。

【００５３】図９（Ａ）の実施例は、アルミニウム製や
銅製の薄板９０が、断面四角形の波型に折り曲げられた
波型フィンである。この波型により形成される四角柱の
空間９２には作動液が封入されている。波型の山９３と
谷９５とはヒートプレート１の外殻体の上下の内面に接
しており、薄板９０がヒートプレート１を内部から支持
しているような構造になるので、ヒートプレート１の強
度が増すとともに、薄板９０がヒートプレート１内面の
上下間で熱を伝える効果もあるので、ヒートプレート１
の熱伝導性が向上する。

【００５４】図９（Ｂ）の実施例は、アルミニウム製や
銅製の薄板９０が、断面三角形の波型に折り曲げられた
波型フィンである。この実施例においても、同図（Ａ）
と同様に、波型の山９６と谷９７はヒートプレート１の
外殻体の上下の内面に接しており、その場合の効果は同
図(Ａ)の説明で述べた効果と同様である。

【００５５】なお、薄板９０により形成される波型フィ
ンの断面は、同図(Ａ)のような四角形や、同図(B)のよ
うな三角形に限らず、種々の多角形や、曲線で囲まれる
図形等、様々なバリエーションが考えられる（これは以
下の実施例、同図（C）〜（F）においても同様であ
る）。

【００５６】図９(Ｃ)の実施例は、アルミニウム製や銅
製の薄板９０が波型に折り曲げられ、更に、最初に折り
曲げられた波型とは違う方向に波型に折り曲げられた波
型フィンである。この実施例においても、波型フィンの
最も高い山９１と最も低い谷９４はヒートプレート１の
外殻体の上下の内面に接しており、その場合の効果は同
図(Ａ)の説明で述べた効果と同様である。

【００５７】図９(Ｄ)の実施例は、アルミニウム製や銅
製の薄板９０を用いて波型に折り曲げられた、複数のベ
ルト状の波型フィンが、波型の山が互いにずれるように
配置されたものである。この実施例においても、同図
（Ａ）と同様に、波型フィンの山９３と谷９５はヒート
プレート１の外殻体の内面に接しており、その場合の効
果は同図(Ａ)の説明で述べた効果と同様である。

【００５８】なお、図９(Ｃ)及び(Ｄ)の実施例では、作
動液は、波型の方向に拘らず、水平方向に自由に拡散す
ることが可能である。従って、より一層の均熱効果が期
待できる。

【００５９】（Ｅ）の実施例は、波型を形成する薄板９
０に多数の微小の凹部９８（または微小の突起または極
小の穴）が形成された波型フィンである。このような形
状とすることにより、熱伝導性及び均熱性が向上する。
この実施例は同図(Ａ)〜（Ｄ）の実施例と併用されても
よい。

【００６０】（Ｆ）の実施例は、波型を形成する薄板９
０にルーバ様の切れ込み９９が形成された波形フィンで
ある。作動液は、この切れ込み９９を通過してヒートプ
レート１内を自由に拡散することができる。この実施例
は同図(Ａ)〜（Ｄ）の実施例と併用されてもよい。

【００６１】図９(Ａ)〜（Ｆ)の実施例の波型フィン
は、ヒートプレート１内にできるだけ均等に配置される
ことが望ましい。例えば、図１０のように、薄板９０が
形成する波型の尾根線が一定の方向に向くように配置さ
れてもよいし、また、図１１のように、薄板９０が形成
する波型の尾根線がヒートプレート１の中心からヒート
プレート１の外縁に向かっており、更に波型の山と山と
の間隔が広がるように配置されてもよい。ヒートプレー
ト１が四角形であれば図１０のような配置が適している
であろうし、ヒートプレート１が円形であれば図１１の
ような配置が適しているであろう。すなわち、ヒートプ
レート１の形状に都合が良く、且つ、ウエハ全体を均熱
化するのに適した配置であれば良い。なお、図９(Ａ)〜
（Ｆ）のような波型フィンは、それ自体の製造やヒート
プレート１への取付が比較的容易であるという利点があ
る。

【００６２】図９(Ｇ)では、柱状放熱部材の好適な一
例であるアルミニウム製や銅製の多数のピン１００が、
ヒートプレート１内に均等に配置されたものである。多
数のピン１００とピン１００の間は作動液で満たされ、
自由に拡散することができる。各ピン１００の上端部１
０１と下端部１０２は外殻体の上下の内面に接してお
り、多数のピン１００がヒートプレート１を内部から支
持しているような構造になるので、ヒートプレート１の
強度が増すとともに、多数のピン１００がヒートプレー
ト１の上下間で熱を伝える効果もあるので、ヒートプレ
ート１の熱伝導性が向上する。また、作動液はヒートプ
レート１内の空間を自由に拡散するため、ヒートプレー
ト１の上面に沿った熱拡散性も方向や場所に左右されず
に均一となり、その結果ヒートプレート１のとウエハ２
７間の熱交換が均一になり易い。なお、図９(Ａ)〜
（Ｇ）の実施例においては、ウィックが設けられていて
も、設けられなくてもどちらでもよい。なお、図９〜図
１１で示した各フィンは、ヒートプレート１内のみなら
ず、冷却板５内にも配置される。

【００６３】以上のように、ヒートプレート１は、薄型
で、且つ、図３〜図９のような構造をとるため、熱応答
性及び均熱性がともに良好となる。

【００６４】図１２は、図１１に記載した形状の薄板９
０を、ヒートプレート内に備える温度制御装置の全体構
成を示す部分破断斜視図である。

【００６５】上記温度制御装置では、図１２に示すよう
に、ヒートプレート１の内部に波型の尾根線を形成した
薄板９０を、ヒートプレート１の中心からヒートプレー
ト１の外縁に向かうように、更に波型の山と山との間隔
が広がるように（即ち、放射状に）配置される。一方、
熱電モジュール３を挟んで冷却板５の内部にも、波型の
尾根線を形成した薄板９０を、冷却板５の中心から冷却
板５の外縁に向かうように、更に波型の山と山との間隔
が広がるように（即ち、放射状に）配置される。その
他、熱電モジュール３及び循環用配管系統７の構成につ
いては、図１に示したものと同様であるので、説明を省
略する。

【００６６】以上、本発明の好適な実施形態を説明した
が、本発明は上記の実施形態のみに限らず、他の種々の
形態でも実施することができるものである。例えば、こ
の温度制御装置は、上述の実施形態のような半導体ウェ
ハの処理装置だけでなく、その他各種の基板の処理装置
や、壁面やテーブル面の温度制御装置にも本発明を適用
することができる。

【００６７】なお、図１に記載したヒートプレート１の
下面と冷却板５の上面との対向間隙において、冷却板５
の上面側に複数枚のセラミック板を載置し、それらの上
面に複数の熱電モジュール３を固定し、各熱電モジュー
ル３とヒートプレート１の下面との間に複数枚のセラミ
ック板を介在させる構成とすることもできる。

【００６８】上記構成では、ヒートプレート１の下面及
び冷却板５の上面には、夫々グリースのような熱伝導性
の高い物質が略全面に亘って塗布され、且つ、複数本の
ボルトによる締付けによって、複数の熱電モジュール及
び複数枚のセラミック板を挟み込んだヒートプレート１
及び冷却板５が、圧接状態で固定される。このように、
複数本のボルトの締付けによって、ヒートプレート１、
各熱電モジュール３及び冷却板５が外部からかなり大き
な力を受けるため、これら各部には、ボルトの締付けに
耐え得る程度の強度を有するものを使用する必要があ
る。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
小型化を図ることが可能き、且つ、均熱性と熱応答性の
双方の向上を図ることが可能な温度制御装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る温度制御装置の全体
構成を示すブロック図。

【図２】図１の冷却板のＡ―Ａ線での断面図。

【図３】第１の構成例に係るヒートプレートの下面側か
ら視た平面図。

【図４】図３のＡ−Ａ線でのヒートプレートの断面図。

【図５】第２の構成例に係るヒートプレートの下面側か
ら視た平面図。

【図６】図５のＡ−Ａ線での断面図。

【図７】第３の構成例に係るヒートプレートの平面図。

【図８】図７のＡ−Ａ線での断面図。

【図９】ヒートプレート内に設けられる種々のフィン構
造を示す斜視図。

【図１０】波型フィンの形状の一例を示す斜視図。

【図１１】波型フィンの形状の一例を示す斜視図。

【図１２】図１１に記載の薄板を、ヒートプレート内に
備える温度制御装置の全体構成を示す部分破断斜視図。

【符号の説明】

１ヒートパイプ（ヒートプレート）３熱電モジュール５冷却板７冷却水循環用配管系統（循環用配管系統）９ピン１１温度センサ１３ボルト１５チラー１７ポンプ１９バルブ２１セラミック板２２接着剤シート２３銅電極箔２５熱電半導体素子（Ｐ型、Ｎ型の双方の熱電半導体
素子を含む）２７半導体ウエハ２９冷却水収容室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者門谷 ▲かん▼一神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所研究所内Ｆターム(参考） 5F046 KA04 5H323 AA05 BB04 BB11 CA06 CB12 CB22 CB29 CB32 CB33 CB40 CB44 DA03 DB13 DB15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発熱又は吸熱を選択的に行う熱交換デバ
イスと、各々が対向した状態で前記熱交換デバイスを挟持するよ
うに配置されるプレート型ヒートパイプ、及び冷却機構
とを備え、前記ヒートパイプが、作動液の封入された多数のパイプ
を有し、それら多数のパイプは連通してパイプ網を形成
し、且つ、前記ヒートパイプの略全面に亘って実質的に
均一な密度で配置されている温度制御装置。
【請求項２】請求項１記載のものにおいて、前記多数のパイプの各々が、正多角形又は円形である温
度制御装置。
【請求項３】請求項１記載のものにおいて、前記パイプ網の網目が前記パイプ網の略全域に亘って実
質的に均一の密度で配置されている温度制御装置。
【請求項４】請求項１記載のものにおいて、前記ヒートパイプにおける前記熱交換デバイスとの接触
面に対向する面が、平坦面である温度制御装置。
【請求項５】請求項１記載のものにおいて、前記熱交換デバイスが、複数の熱電素子と、前記熱電素
子の各々を直列接続する電極と、前記熱電素子及び前記
電極を挟む一対の絶縁部材とを含む温度制御装置。
【請求項６】請求項１記載のものにおいて、前記ヒートパイプと前記熱交換デバイス、及び前記冷却
機構と前記熱交換デバイスが、共に接着剤によって接着
される温度制御装置。
【請求項７】請求項６記載のものにおいて、前記接着剤が、ポリイミド樹脂である温度制御装置。
【請求項８】発熱又は吸熱を選択的に行う熱交換機構
と、各々が対向した状態で前記熱交換デバイスを挟持するよ
うに配置されるプレート型ヒートパイプ、及び冷却機構
とを備え、前記ヒートパイプが複数の柱状放熱部材を有し、それら
の放熱部材が前記ヒートパイプの略全面に亘って実質的
に均一な密度で配置されている温度制御装置。
【請求項９】請求項８記載のものにおいて、前記ヒートパイプにおける前記熱交換デバイスとの接触
面に対向する面が、平坦面である温度制御装置。
【請求項１０】請求項８記載のものにおいて、前記熱交換デバイスが、複数の熱電素子と、前記熱電素
子の各々を直列接続する電極と、前記熱電素子及び前記
電極を挟む一対の絶縁部材とを含む温度制御装置。
【請求項１１】請求項８記載のものにおいて、前記ヒートパイプと前記熱交換デバイス、及び前記冷却
機構と前記熱交換デバイスが、共に接着剤によって接着
される温度制御装置。
【請求項１２】請求項１１記載のものにおいて、前記接着剤が、ポリイミド樹脂である温度制御装置。
【請求項１３】請求項８記載のものにおいて、前記複数の柱状放熱部材が、前記ヒートパイプ内部の上
下面に接している温度制御装置。
【請求項１４】発熱又は吸熱を選択的に行う熱交換デ
バイスと、各々が対向した状態で前記熱交換デバイスを挟持するよ
うに配置されるプレート型ヒートパイプ、及び冷却機構
とを備え、前記ヒートパイプが複数の薄肉の板状放熱部材を有し、
それらの放熱部材が前記ヒートパイプの略全面に亘って
実質的に均一な密度で配置されている温度制御装置。
【請求項１５】請求項１４記載のものにおいて、前記ヒートパイプにおける前記熱交換デバイスとの接触
面に対向する面が、平坦面である温度制御装置。
【請求項１６】請求項１４記載のものにおいて、前記熱交換デバイスが、複数の熱電素子と、前記熱電素
子の各々を直列接続する電極と、前記熱電素子及び前記
電極を挟む一対の絶縁部材とを含む温度制御装置。
【請求項１７】請求項１４記載のものにおいて、前記ヒートパイプと前記熱交換デバイス、及び前記冷却
機構と前記熱交換デバイスが、共に接着剤によって接着
される温度制御装置。
【請求項１８】請求項１７記載のものにおいて、前記接着剤が、ポリイミド樹脂である温度制御装置。
【請求項１９】請求項１４記載のものにおいて、前記複数の薄肉の板状放熱部材が、前記ヒートパイプ内
部の上下面に接している温度制御装置。