JP2001196650A - 熱電変換素子モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被温度制御体を均一に温度制御可能であり、
かつ、所望の温度分布を得ることが可能な熱電変換素子
モジュールを提供する。 【解決手段】 複数の熱電変換素子６，７と、これらを
互いに接続する電極８とを備え、被温度制御体１２に接
触又は近接させて被温度制御体１２を温度制御する熱電
変換素子モジュール４において、熱電変換素子６，７の
断面積Ａと高さＬとの比Ａ／Ｌを各部位で、又は同心状
に相違させることにより、被温度制御体１２に所望の温
度分布を与えて温度制御することを特徴とする熱電変換
素子モジュール。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電変換素子モジ
ュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】以下、温度調整プレートを例にとって、
従来技術を説明する。半導体ウェハの製造工程は、半導
体ウェハ等の基板を加熱するベーキング処理工程や、加
熱した基板を室温レベルにまで冷却するクーリング処理
工程等の温度制御工程を含んでいる。これらのベーキン
グ処理やクーリング処理は、温度調整プレート上に基板
を載せて行なわれる。このとき、温度調整プレート上の
基板は、半導体素子の製造を良好に行なうために、なる
べく基板の全面にわたって均一な温度で加熱又は冷却さ
れることが望ましい。図８、図９に、従来技術に係る温
度調整プレートの側面断面図及びそのＡ−Ａ視平面図を
示す。同図において、温度調整プレート１は、基板１２
を載置する載置プレート２と、冷却水を流す冷却プレー
ト３とを備えており、これらのプレート２，３の間に、
複数個の熱電変換素子モジュール４を介装している。

【０００３】熱電変換素子モジュール４は、一定の断面
積及び高さを有する複数のｐ型熱電変換素子６とｎ型熱
電変換素子７とを交互に配置し、この上部同士及び下部
同士を電極８，８で互いに接続することにより構成され
ている。電極８，８とプレート２，３との間は、電気的
に絶縁で、かつ高熱伝導率を有する接着剤９，９によっ
て接着固定されている。そして、熱電変換素子モジュー
ル４に図示しない制御回路から電流を流すことによって
上下の電極８，８間に温度差を生じさせ、載置プレート
２上の突起１１に載置された基板１２を冷却又は加熱し
て温度制御を行なう。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来技術には、次に述べるような問題がある。即ち従来技
術によれば、断面積及び高さの等しいｐ，ｎ型の熱電変
換素子６，７からなる熱電変換素子モジュール４を、プ
レート２，３間に略均一な分布で並べている。従って、
載置プレート２の表面は、略均一に加熱又は冷却され
る。ところが、このとき載置プレート２は、載置される
基板１２に対して一回り大きく形成されるのが一般的で
ある。そのため、載置プレート２に載置された基板１２
の外周部が、基板１２よりも外周側にある載置プレート
２の外周部によって余剰に加熱又は冷却され、基板１２
上の温度分布が不均一なものになるという問題がある。
また、載置プレート２と基板１２との大きさを揃えたと
しても、載置プレート２の下部に設置された熱電変換素
子モジュール４の配置や空気の温度条件等によっては、
基板１２に同心状の不均一な温度分布が生じることもあ
る。また、このような温度調整プレート１を利用して基
板以外の被温度制御体を加熱又は冷却する際に、例えば
中央部をより強く冷却して同心状の温度勾配を設けたい
といった要求が生じる場合がある。しかしながら、従来
技術の温度調整プレート１を用いては、常に被温度制御
体の中央部が一定熱量だけ余剰に加熱又は冷却された温
度分布となり、所望の温度分布を得ることは困難であ
る。さらに、同心状だけでなく、任意の温度分布を得る
ことは、より困難である。

【０００５】本発明は、上記の問題に着目してなされた
ものであり、被温度制御体を均一に温度制御可能で、か
つ、所望の温度分布を得ることが可能な熱電変換素子モ
ジュールを提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】上記の目
的を達成するために、第１発明は、複数の熱電変換素子
と、これらを互いに接続させる電極とを備え、被温度制
御体に接触又は近接させて被温度制御体を温度制御する
熱電変換素子モジュールにおいて、熱電変換素子の断面
積と高さとの比を各部位で相違させている。

【０００７】第１発明によれば、熱電変換素子の断面積
と高さとの比を各部位ごとに相違させて配置している。
熱電変換素子の熱交換能力は、この比に略比例するの
で、熱電変換素子モジュールにおいて、熱交換能力の異
なる熱電変換素子が各部位ごとに配置されることにな
る。これにより、各部位ごとに熱の交換量を制御し、任
意の温度分布を形成することが可能となる。従って、被
温度制御体の各部位に対して、細かい温度制御が可能で
ある。特に、被温度制御体の外周部は、周囲の影響を受
けやすく、また、温度分布が不均一になりやすい。従っ
て、このような外周部近傍に、断面積と高さとの比を変
えた熱電変換素子を配置することにより、被温度制御体
の温度を精密に制御することができる。

【０００８】また、第２発明は、複数の熱電変換素子
と、これらを互いに接続させる電極とを備え、被温度制
御体に接触又は近接させて被温度制御体を温度制御する
熱電変換素子モジュールにおいて、熱電変換素子の断面
積と高さとの比を同心的に相違させている。

【０００９】第２発明によれば、熱電変換素子モジュー
ルの熱電変換素子における断面積と高さとの比を同心的
に相違させている。熱電変換素子の熱交換能力は、この
比に略比例するので、熱電変換素子モジュールにおい
て、熱交換能力の異なる熱電変換素子が同心的に並ぶこ
とになる。従って、この熱電変換素子モジュールを近づ
けた被温度制御体に対して任意の同心的な温度分布を得
ることが可能となる。例えばウェハなどの略円形の被温
度制御体は、同心的な温度勾配が生じやすい。従って、
これを温度制御する場合には、熱電変換素子を同心的に
並べることにより、温度勾配を打ち消すことが可能であ
り、これによって均一な温度制御が可能となる。即ち、
熱電変換素子モジュールが被温度制御体の外縁よりも外
周にまで配設されているような場合には、中央部近傍に
比が大きい熱電変換素子を、外周部に比が小さい熱電変
換素子をそれぞれ配置することにより、被温度制御体を
均一に加熱又は冷却することが可能である。また、熱電
変換素子モジュールの配設されている範囲が被温度制御
体の外縁よりも内周に留まっているような場合には、中
央部近傍に比が小さい熱電変換素子を、外周部に比が大
きい熱電変換素子をそれぞれ配置することにより、被温
度制御体を均一に加熱又は冷却することが可能である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図を参照しながら、本発明
による実施形態を詳細に説明する。尚、各実施形態にお
いて、前記従来技術の説明に使用した図、及びその実施
形態よりも前出の実施形態の説明に使用した図と同一の
要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。

【００１１】まず、第１実施形態を説明する。図１は、
本実施形態による温度調整プレート１の断面図、図２は
そのＡ−Ａ視平面図、そして図３は図２のＳ部詳細図を
示している。尚、以下の各実施形態においては、基板を
冷却する場合について説明するが、加熱する場合も全く
同様である。同図において、温度調整プレート１は、基
板１２を載置する円板状の載置プレート２を備え、この
載置プレート２に対向して冷却水を流す冷却プレート３
を略平行に配置している。載置プレート２と冷却プレー
ト３とは、冷却する基板１２の直径よりも一回り大きな
直径を有している。冷却プレート３は、内部に冷却水路
１３を有しており、この冷却水路１３に冷却水を流し
て、基板１２を冷却した際に生じる熱を放熱する。

【００１２】載置プレート２の上面部には、基板１２を
位置決めする突起１１が屹立しており、その上に基板１
２が載置プレート２に略平行に載置されている。温度調
整プレート１は、載置プレート２と略同心の略円形の中
央領域１４と、その外周の外周領域１５とに分かれてい
る。そして、中央領域１４においては、載置プレート２
の厚さを冷却プレート３側に厚みｔだけ厚くした肉厚部
１０を設けている。これに伴い、中央領域１４における
載置プレート２と冷却プレート３との間隔は、外周領域
１５における両者の間隔に比較して、厚みｔの分だけ狭
くなっている。

【００１３】載置プレート２と冷却プレート３との間に
は、複数個の熱電変換素子モジュール１８，１９が介装
されている。このような熱電変換素子モジュール１８，
１９は、複数個のｐ型熱電変換素子６とｎ型熱電変換素
子７とを交互に配置すると共に、隣接するｐ型熱電変換
素子６とｎ型熱電変換素子７との一端同士及び他端同士
を、それぞれ電極８，８で接続することにより構成され
ている。以下、熱電変換素子６，７という場合には、ｐ
型熱電変換素子６とｎ型熱電変換素子７からなるペアを
指すものとする。これらの電極８，８と載置プレート２
の下面及び冷却プレート３の上面との間は、それぞれ電
気的に絶縁で、かつ高熱伝導率を有する接着剤（図示せ
ず）によって接着固定されている。

【００１４】熱電変換素子モジュール１８，１９は、載
置プレート２の肉厚部１０の下方（即ち温度調整プレー
ト１の中央領域１４）に配置された第１の熱電変換素子
モジュール１８と、温度調整プレート１の外周領域１５
に配置された第２の熱電変換素子モジュール１９とに分
かれている。このとき、中央領域１４に配置された第１
の熱電変換素子モジュール１８の熱電変換素子の高さＬ
１は、外周領域１５に配置された第２の熱電変換素子モ
ジュール１９の熱電変換素子の高さＬ２よりも厚みｔの
分だけ低くなって、Ｌ１＝Ｌ２−ｔとなっている。

【００１５】図４に、熱電変換素子モジュール１８，１
９の斜視図を示す。同図において、熱電変換素子モジュ
ール１８，１９のｐ型及びｎ型熱電変換素子６，７のそ
れぞれの断面積の合計をＡ、高さをＬとする。このと
き、熱電変換素子６，７の熱交換能力Ｑは、断面積Ａと
高さＬとの比Ａ／Ｌに比例する。即ち、断面積Ａが大き
いほど熱交換能力Ｑが大きく、高さＬが低いほどやはり
熱交換能力Ｑが大きくなる。

【００１６】従って、載置プレート２の中心近傍の中央
領域１４においては、熱電変換素子６，７の高さＬ１が
外周領域１５における熱電変換素子６，７の高さＬ２よ
りも低いために、第１の熱電変換素子モジュール１８
は、第２の熱電変換素子モジュール１９よりも熱交換能
力Ｑが大きくなっている。即ち、中央領域１４において
は、外周領域１５よりも熱交換能力Ｑが大きいので、載
置プレート２をより低い温度に冷却することが可能であ
る。

【００１７】以上説明したように本実施形態によれば、
温度調整プレート１に配置した熱電変換素子モジュール
１８，１９の熱電変換素子６，７の高さＬ１，Ｌ２を、
中央領域１４と外周領域１５とで同心円状に変化させて
いる。これにより、温度調整プレート１の中央領域１４
とその外周の外周領域１５とでは、熱電変換素子モジュ
ール４の高さＬ１，Ｌ２が異なるため、熱交換能力Ｑが
同心的に異なって設定される。従って、温度調整プレー
ト１に載置した基板１２等の被温度制御体に対して同心
的な温度分布を任意に設定可能である。

【００１８】また、中央領域１４においては熱電変換素
子６，７の高さＬ１を低くし、外周領域１５においては
熱電変換素子６，７の高さＬ２を高くしている。上述し
たように、従来技術に係る温度調整プレート１は、すべ
ての熱電変換素子６，７の高さＬが均一であるため、載
置プレート２が均一に冷却される。そのため、これを用
いて一回り小さな基板１２を冷却した場合には、基板１
２の外周部がより強く冷却され、温度分布に不均一が生
じる。これに対し、本実施形態に係る温度調整プレート
１は、中央領域１４における第１の熱電変換素子モジュ
ール１８の熱電変換素子６，７の高さＬ１が、外周領域
１５における第２の熱電変換素子モジュール１９の熱電
変換素子６，７の高さＬ２よりも低い。従って、載置プ
レート２の中央領域１４をより強く冷却可能であり、そ
の結果、載置プレート２に載置された基板１２を略均一
に冷却することが可能となる。勿論、このことは加熱に
関しても同様である。尚、上記の説明では載置プレート
２に肉厚部１０を設けるようにしたが、これは冷却プレ
ート３に設けてもよい。

【００１９】次に、第２実施形態を説明する。図５、図
６は、第２実施形態に係る温度調整プレートのそれぞれ
側面断面図及びＡ−Ａ視平面図である。同図において、
載置プレート２の下部及び冷却プレート３の上部には、
セラミック材等からなる上下の伝熱板１７，１７が、そ
れぞれ高熱伝導率の接着剤を介して接着されている。こ
れらの伝熱板１７，１７の間には、熱電変換素子モジュ
ール２０，２１が介装され、電極８，８と伝熱板１７，
１７との間は、やはり同様の接着剤を介して接着されて
いる。温度調整プレート１は、中心近傍の中央領域１４
とその外周部の外周領域１５とを有しており、本実施形
態ではその厚みは一定である。そして、中央領域１４に
は、断面積Ａの大きな熱電変換素子６，７を用いた第３
の熱電変換素子モジュール２０が、外周領域１５には、
断面積Ａの小さな熱電変換素子６，７を用いた第４の熱
電変換素子モジュール２１が、それぞれ配置されてい
る。

【００２０】上述したように、熱電変換素子モジュール
２０，２１は、熱電変換素子の断面積Ａが大きいほど熱
交換能力Ｑが大きくなる。従って、従来技術に係る、同
じ断面積Ａの熱電変換素子を並べた温度調整プレート１
と比較すると、本実施形態の温度調整プレート１は、載
置プレート２の中央領域１４をより強く冷却することが
可能である。即ち、このような温度調整プレート１を用
いて基板１２を冷却することにより、温度分布を均一に
基板１２を冷却することができる。

【００２１】尚、上記第１、第２実施形態においては、
第１実施形態については熱電変換素子６，７の高さＬ
１，Ｌ２を、第２実施形態についてはその断面積Ａを、
それぞれ独立して同心円状に変化させるように説明した
が、どちらを変化させてもよく、さらには両方を変化さ
せてもよい。即ち、中央領域１４と外周領域１５とで、
比Ａ／Ｌを変化させるようにすればよく、これらを適宜
組み合わせて選択することにより、構成の幅が広がるこ
とになる。例えば中央領域１４には断面積Ａが大きく、
かつ高さＬの低い熱電変換素子モジュールを、外周領域
１５には断面積Ａが小さく、かつ高さＬが高い熱電変換
素子を用いた熱電変換素子モジュールを配置してもよ
い。

【００２２】また、上記各実施形態においては、中央領
域１４と外周領域１５とにおいてそれぞれ１個ずつの熱
電変換素子モジュール１８，１９，２０，２１を設ける
ようにしたが、これに限られるものではなく、例えば、
複数個の熱電変換素子モジュール２０，２１から構成さ
れるようにしてもよい。図７にその配置の一例を示す。
同図は、図６と同様の視点から見た温度調整プレート１
の平面図である。同図において、中央領域１４には断面
積Ａの大きな第３の熱電変換素子モジュール２０を配置
し、外周領域１５には断面積Ａの小さな第４の熱電変換
素子モジュール２１を、放射状に複数個配置している。
熱電変換素子モジュール２０，２１は、このように長方
形等の形状で予めモジュール化されて市販されているこ
とが多く、このようにすれば、市販の熱電変換素子モジ
ュール２０，２１を並べることにより、基板１２を均一
な温度で冷却することが可能となる。

【００２３】或いは、熱電変換素子６，７を互いにすべ
て直列させて、１個の熱電変換素子モジュールを形成す
るようにしてもよく、この場合には１個の熱電変換素子
モジュールの中で、場所によって熱電変換素子６，７の
高さＬが異なることになる。

【００２４】尚、上記各実施形態で、温度調整プレート
１を中央領域１４と外周領域１５との２個の領域に分
け、熱電変換素子６，７の断面積Ａと高さＬとの比Ａ／
Ｌを２段階に分けるようにしているが、これに限られる
ものではない。即ち、温度調整プレート１をさらに多く
の領域に分け、比Ａ／Ｌを、中央部から外周部に向かっ
て同心円状に、段階的に変化させるようにすれば、より
細かな温度制御が可能となる。また、中央領域１４と外
周領域１５とは、互いに同心的に区別されていればよ
く、中央領域１４の形状は円形に限定されることはな
い。例えば、中央領域１４を六角形等の多角形状として
もよい。

【００２５】また、各実施形態では基板１２を冷却又は
加熱する場合のみについて説明し、基板１２の温度が略
均一になるように中央領域１４における熱電変換素子
６，７の高さＬを低くしたり、断面積Ａを大きくしたり
したが、このような温度調整プレート１の応用範囲はそ
れだけに限られるものではない。即ち、断面積Ａと高さ
Ｌとの比Ａ／Ｌを大きくするほど熱交換能力Ｑを大きく
できるので、同心的な温度分布を任意に形成することが
可能となる。例えば、半導体製造装置のプロセスチャン
バ等において、プロセスチャンバの壁面にこのような温
度調整プレート１を当接して冷却するような場合にも、
使用可能である。このときは、温度調整プレート１より
も壁面のほうが大きいため、均一な断面積Ａと高さＬと
の比Ａ／Ｌを有する熱電変換素子モジュールを並べて
は、中央部においてより強く冷却されるようになる。従
って、例えば外周部における熱電変換素子６，７の比Ａ
／Ｌを大きくするようにすれば、壁面を均一に冷却可能
である。或いは、例えば壁面の中央をさらに強く冷却し
たいような場合には、中央部における比Ａ／Ｌを大きく
するようにすればよい。

【００２６】また、上記の各実施形態は、温度調整モジ
ュール１についてのみ説明したが、単体の熱電変換素子
モジュールを直接被温度制御体に接触又は当接させる場
合の、熱電変換素子６，７の配置に対して応用してもよ
い。即ち、熱電変換素子モジュールを単体で被温度制御
体に接触又は近接させて温度制御を行なうような場合
に、その中央部と外周部とで熱電変換素子の断面積Ａと
高さＬとの比Ａ／Ｌを変化させるようにすればよい。こ
の際、中央部における比Ａ／Ｌを、外周部よりも大きく
するようにすれば、均一な温度分布で被温度制御体を加
熱又は冷却することが可能となる。

【００２７】さらには、複数個の熱電変換素子モジュー
ル群を被温度制御体に接触又は近接して並べて温度制御
を行なう際にも応用可能である。即ち、中央部に配置さ
れる熱電変換素子モジュールと外周部に配置される熱電
変換素子モジュールとで、その中に含まれる熱電変換素
子の断面積Ａと高さＬとの比Ａ／Ｌを変化させればよ
い。例えば、図７に示したように比Ａ／Ｌの大きな熱電
変換素子モジュールを中央部に、比Ａ／Ｌの小さな熱電
変換素子モジュールを外周部に配置し、その電極に被温
度制御体を接触又は近接させれば、被温度制御体を均一
に冷却又は加熱することが可能である。このような熱電
変換素子又は熱電変換素子モジュールの配置により、被
温度制御体を所望の温度分布で加熱又は冷却することが
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係る温度調整プレートの側面断
面図。

【図２】図１のＡ−Ａ視平面図。

【図３】図２のＳ部詳細図。

【図４】熱電変換素子モジュールの斜視図。

【図５】第２実施形態に係る温度調整プレートの側面断
面図。

【図６】図５のＡ−Ａ視平面図。

【図７】温度調整プレートの平面図。

【図８】従来技術に係る温度調整プレートの断面図。

【図９】図８のＡ−Ａ視平面図。

【符号の説明】

１：温度調整プレート、２：載置プレート、３：冷却プ
レート、４：熱電変換素子モジュール、６：ｐ型熱電変
換素子、７：ｎ型熱電変換素子、８：電極、９：接着
剤、１０：肉厚部、１１：突起、１２：基板、１３：冷
却水路、１４：中央領域、１５：外周領域、１７：伝熱
板、１８：第１の熱電変換素子モジュール、１９：第２
の熱電変換素子モジュール、２０：第３の熱電変換素子
モジュール、２１：第４の熱電変換素子モジュール。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の熱電変換素子(6,7)と、 これらを互いに接続する電極(8)とを備え、 被温度制御体(12)に接触又は近接させて被温度制御体(1
   2)を温度制御する熱電変換素子モジュールにおいて、 熱電変換素子(6,7)の断面積(A)と高さ(L)との比(A/L)を
   各部位で相違させたことを特徴とする熱電変換素子モジ
   ュール。
2. 【請求項２】 複数の熱電変換素子(6,7)と、 これらを互いに接続する電極(8)とを備え、 被温度制御体(12)に接触又は近接させて被温度制御体(1
   2)を温度制御する熱電変換素子モジュールにおいて、 熱電変換素子(6,7)の断面積(A)と高さ(L)との比(A/L)を
   同心的に相違させたことを特徴とする熱電変換素子モジ
   ュール。