JP2002124560A - ウエハーチャック用冷却／加熱板及びウエハーチャック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却又は加熱特性や剛性に必要な最小限の厚
さを確保しつつ、必要とされる熱媒体流量を確保するこ
とのできる熱媒体出入口を持つウエハーチャック用冷却
／加熱板を提供する。 【解決手段】 中央部側から外周側にかけて放射状に形
成された複数の流路をそれぞれ備えた２つの伝熱板を互
いに重ね合わせたウエハーチャック用冷却／加熱板であ
って、側壁板１２には上側伝熱板の外周流路２１、下側
伝熱板の外周流路とそれぞれ連通するように上側用及び
下側用の熱媒体出入口１６ｂ、１６ａが並設され、上側
及び下側の両外周流路を仕切っている仕切り板部材８０
における上側用の熱媒体出入口に対応する領域及び下側
用の熱媒体出入口に対応する領域にそれぞれ切り欠き８
０ｂ、８０ａを設け、切り欠き８０ａの縁部には上側の
外周流路２１と仕切るための上側仕切り壁８１ｂを設
け、切り欠き８０ｂの縁部には下側の外周流路と仕切る
ための下側仕切り壁８１ａを設けることにより、上側用
及び下側用の熱媒体出入口の直径を伝熱板の厚さで決ま
る寸法よりも大きくできるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウエハーチャック
用冷却／加熱板及びこれを備えたウエハーチャックに関
する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣなど、ほとんどの半導体素子はシリ
コンウエハー上に作られている。１つの機能を持った半
導体素子は、シリコンウエハーから切り出される前に、
最終的な電気試験（機能試験）が行われ、その特性が測
定され、良否の判定が行われる。試験ではウエハープロ
ーバ（ウエハーの移動と加熱または冷却の温度調節を行
う装置）及びウエハーテスター（電気特性測定装置）と
呼ばれる装置が使われている。

【０００３】ウエハープローバ内部には平面内に精密に
移動可能なテーブル（Ｘ−Ｙテーブルと呼ばれる）があ
り、テストするウエハーを搭載及び保持するウエハーチ
ャックは、このテーブルに取り付けられている。

【０００４】上記の試験は、ウエハーをウエハーチャッ
クに保持させ、半導体素子が置かれることになるであろ
う使用環境を模擬した状態（動作環境温度）を作り出し
て行なわれる。このような試験は、以前は、高温（室温
から１５０℃程度まで）で行なわれることが多かった
が、最近では、低温（−１０℃〜−５０℃）で行なわれ
ることも多くなってきている。

【０００５】高温、低温のいずれの試験にも対応できる
ように本発明者により提案（特願２０００年第１５４５
３３号）されているウエハーチャック用冷却／加熱板の
分解斜視図を図４に示す。

【０００６】図４において、ウエハーチャック用冷却／
加熱板１０は、ケースを構成する下板１１、側壁板１
２、及び上板１３と、このケース内に上下に重ねて収容
され、熱媒体（例えば冷却の場合、通常は冷却液である
が、低温のガスや空気の場合もある）との熱交換を行な
う、ほぼ同一構造の下伝熱板１４、上伝熱板１５を有し
ている。

【０００７】下板１１、側壁板１２、及び上板１３は、
金属製で、各々２ｍｍ程度の厚みを有している。また、
側壁板１２の外周面には、ケース内に熱媒体を導入し、
また排出するための、２つの熱媒体出入口１６が上下に
位置を変えて取り付けられている。これら下板１１、側
壁板１２、及び上板１３は、銅製でもよいが、それより
機械的強度が強い（熱に強い）ステンレスや、チタン等
の方が望ましい。

【０００８】下伝熱板１４は熱伝導率の大きな金属材
料、例えば銅、銅合金、アルミニウム、あるいはアルミ
ニウム合金等から成り、板状部材１４ａ、多数の略扇形
の扇形部材１４ｂ、及び円柱部材１４ｃを有している。
詳述すると、下伝熱板１４は、厚さ２ｍｍ程度の薄い金
属円板である板状部材１４ａの上面に、同じく厚さ２ｍ
ｍ程度の多数の扇形部材１４ｂを、互いに僅な距離
（０．５〜１ｍｍ程度）を置いて円環状に並べ、そこに
ろう付けまたは接着してある。ここで、扇形部材１４ｂ
が形成する円環の外径は、板状部材１４ａの直径を２０
０ｍｍより若干大きいものとすると（８インチ半導体ウ
エハーに対応するものとすると）、それより２４ｍｍ程
度小さい。また、板状部材１４ａの中央部には、扇形部
材１４ｂが形成する円環の内径が２８ｍｍ程度であると
して、厚み６ｍｍ程度、外径１８ｍｍ程度の円柱部材１
４ｃが、ろう付けまたは接着されている。

【０００９】上伝熱板１５は、ほぼ下伝熱板１４と同じ
構成であるが、その中央に内径２８ｍｍ程度の円孔を有
し、円柱部材を持たない点で異なっている。詳述する
と、上伝熱板１５は、厚さ２ｍｍ程度のドーナツ盤状の
板状部材１５ａの上面に、下伝熱板１４と同様、厚さ２
ｍｍ程度の多数の扇形部材１５ｂを、互いに僅な距離
（０．５〜１ｍｍ程度）を置いて円環状となるように並
べ、そこにろう付けまたは接着してある。

【００１０】なお、下伝熱板１４、上伝熱板１５は、そ
れぞれ１つの厚みがある金属円板を切削加工して一体的
に作られることもある。

【００１１】下伝熱板１４、上伝熱板１５は、それらの
中心軸が一致するように互いに重ねられ、ろう付けある
いは接着され、上板１１、側壁板１２、及び上板１３か
らなるケース内に収容され、ろう付けあるいは接着にて
固定される。

【００１２】図５に、下伝熱板１４、上伝熱板１５をケ
ースに収容した状態（上板１３を外した状態）を示す。
図５に示すように、上伝熱板１５の扇形部材１５ｂが形
成する円環の外周面と側壁板１２の内周面との間には、
比較的幅の広いリング状の空間が形成される。この空間
は、熱媒体が流れる（排出側）外周流路２１となる。ま
た、隣り合う扇形部材１５ｂの間に形成される幅０．５
〜１ｍｍの空間は、放射状流路２２となる。更に、扇形
部材１５ｂが形成する円環の内周面と円柱部材１４ｃと
の間に形成される空間は、上下連絡流路２３となる。な
お、下伝熱板１４に関しても、上伝熱板１５と重ねられ
てケース内に収容されることで、（供給側）外周流路、
放射状流路、及び上下連絡流路（上伝熱板１５側の上下
連絡流路２３と一体）が形成される。

【００１３】図６に、図４に示すウエハーチャック用冷
却／加熱板１０を用いたウエハーチャックの断面図を示
す。なお、ここでは、ウエハーチャック用冷却／加熱板
１０が単一部材からなるように描かれているが、上側の
放射状流路２２と下側の放射状流路３２との間にある中
間板部材は、図４に示された板状部材１５ａにより実現
されていると考えて良い。

【００１４】図６のウエハーチャックは、ウエハーチャ
ック用冷却／加熱板１０を用いた点以外は、従来のウエ
ハーチャックと同じである。即ち、上面に複数の同心円
状溝６５が形成され、これらの溝６５に連通する真空排
気通路７１が形成された、半導体ウエハー６１を吸着保
持するための吸着板６２と、吸着板６２の下面側に密着
するよう取り付けられた電気ヒーター６３と、電気ヒー
ター６３の下面側に密着するよう取り付けられたウエハ
ーチャック用冷却／加熱板１０とを備えている。ウエハ
ーチャック用冷却／加熱板１０には加熱用の熱媒体（液
体や気体）を導入することもできるので、この場合には
電気ヒーター６３は省略されても良い。

【００１５】次に、このウエハーチャックの動作につい
て、図６に加え、図４及び図５をも参照して説明する。

【００１６】熱媒体出入口１６の一方からウエハーチャ
ック用冷却／加熱板１０に流入した加圧熱媒体は、下伝
熱板１４の（供給側）外周流路３１に流れ込む。低温の
熱媒体は、液体の場合粘度が大きいので、幅の狭い放射
状流路３２に流れ込むよりも、比較的幅の広い供給側外
周流路３１内を流れ易い。従って、ウエハーチャック用
冷却／加熱板１０に流入した熱媒体は、まず下伝熱板１
４の供給側外周流路３１内を満たし、その後、全ての放
射状流路３２へと均等に流れ込む。放射状流路３２に流
れ込んだ熱媒体は、下伝熱板１４の中心部へと向かい、
上下連絡流路２３へと流れ込む。さらに、熱媒体は、上
下連絡流路２３から、上伝熱板１５の放射状流路２２へ
と流れ込み、外周側へと流れ、排出側外周流路２１へと
流れ込む。排出側外周流路２１へと流れ込んだ熱媒体
は、図５に矢印で示すように、他方の熱媒体出入口１６
へと向かい、そこから排出される。

【００１７】以上のように、このウエハーチャック用冷
却／加熱板１０では、多数の幅の狭い（等価直径の小さ
い）放射状流路２２、３２を、熱媒体が流れるようにし
たので、熱伝達率の向上、伝熱面積の向上、及び圧力損
失の低下を実現できる。例えば、放射状流路２２、３２
の各々の幅を１ｍｍとすると、従来のものに比べ５倍程
度の熱伝達率を実現でき、また、伝熱面積も５倍程度を
実現できる。その結果、熱伝達能力は従来に比べ２５倍
に改善できる。しかも、各放射状流路の長さが短いの
で、圧力損失は小さい。

【００１８】また、このウエハーチャック用冷却／加熱
板１０では、下伝熱板１４、上伝熱板１５を上下に重
ね、これらの下伝熱板１４、上伝熱板１５（特に、その
放射状流路２２、３２）に流れる熱媒体の流動方向を互
いに逆方向としたことで、ウエハーチャック用冷却／加
熱板１０表面温度をその中心部側と外周側とでほぼ等し
くすることができる。

【００１９】なお、上記の例では、熱媒体が下伝熱板１
４から上伝熱板１５へと流れるようにしているが、上伝
熱板１５から下伝熱板１４へと流れるようにされる場合
もあり得る。また、Ｘ−Ｙテーブルは図示を省略してい
るが、Ｘ−Ｙテーブルは、通常、ウエハーチャック用冷
却／加熱板の下側に組み合わされる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ウエハーチ
ャックを冷却又は加熱する熱媒体を導入あるいは排出す
るための熱媒体出入口１６は、必要流量を流すことがで
きる直径を持つ配管にする必要がある。一方、ウエハー
チャックは、冷却又は加熱に要する時間の短縮や、Ｘ−
Ｙテーブルにおける移動のための駆動力を低減するた
め、小さな質量であることが望ましい。

【００２１】しかるに、図６に示すように、ウエハーチ
ャックへの熱媒体の出入口配管の径はそれぞれの流路の
大きさ（伝熱板の厚さ）に制限されており、必要とされ
る熱媒体流量を確保するのに必要な直径の配管にする
と、その分だけウエハーチャックは厚くする必要があ
る。これは、ウエハーチャックの質量も増加することを
意味する。これに反して、ウエハーチャックを薄くする
と、熱媒体出入口１６の配管径も小さくなり、必要な流
量を流せないと言う問題がある。

【００２２】そこで、本発明の課題は、冷却又は加熱特
性や剛性に必要な最小限の厚さを確保しつつ、必要とさ
れる熱媒体流量を確保することのできる熱媒体出入口を
持つウエハーチャック用冷却／加熱板及びこれを備えた
ウエハーチャックを提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、中央部
側から外周側にかけて放射状に形成された複数の流路を
それぞれ備えた２つの伝熱板を互いに重ね合わせると共
に、上側の伝熱板の前記複数の流路と下側の伝熱板の前
記複数の流路とを前記中央部側で互いに連通させ、前記
下側の伝熱板の前記複数の流路を前記外周側から前記中
央部側へと流れた熱媒体が、前記上側の伝熱板の前記中
央部側から前記外周側へと連続的に流れ、又は前記上側
の伝熱板の前記複数の流路を前記外周側から前記中央部
側へと流れた熱媒体が、前記下側の伝熱板の前記中央部
側から前記外周側へと連続的に流れるようにしたウエハ
ーチャック用冷却／加熱板であって、各伝熱板は、板部
材上であって該板部材より小さめの領域に前記複数の流
路が放射状に形成され、しかも重ね合わされた２つの伝
熱板の周囲に側壁板が設けられていることにより、上側
及び下側の各伝熱板の外周側にはそれぞれ前記複数の流
路と連通する環状の上側外周流路、下側外周流路が形成
されており、前記側壁板には各伝熱板の前記上側外周流
路、下側外周流路とそれぞれ連通するように上側用及び
下側用の熱媒体の出入口配管が並設され、上側用及び下
側用の各出入口配管の直径を上側及び下側の両外周流路
にかかる大きさにすると共に、上側及び下側の両外周流
路を仕切っている仕切り板部材における上側用の出入口
配管に対応する領域及び下側用の出入口配管に対応する
領域にそれぞれ切り欠きを設け、上側用の出入口配管に
対応する領域の切り欠きの縁部には下側の外周流路と仕
切るための下側仕切り壁を設け、下側用の出入口配管に
対応する領域の切り欠きの縁部には上側の外周流路と仕
切るための上側仕切り壁を設けることにより、上側用及
び下側用の各出入口配管の直径を伝熱板の厚さで決まる
寸法よりも大きくできるようにしたことを特徴とするウ
エハーチャック用冷却／加熱板が提供される。

【００２４】本ウエハーチャック用冷却／加熱板におい
ては、前記下側の伝熱板における前記複数の流路のうち
前記下側仕切り壁に隣接する外周部分を削除し、前記上
側の伝熱板における前記複数の流路のうち前記上側仕切
り壁に隣接する外周部分を削除することが望ましい。

【００２５】本発明によればまた、上記記載のウエハー
チャック用冷却／加熱板を備えたウエハーチャックが提
供される。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１〜図３を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。図１〜図３において、図
４〜図６と同じ部分には同一番号を付している。なお、
図４〜図６に示されたウエハーチャック用冷却／加熱板
は、図４から明らかなように、複数の放射状流路３２を
上側に向けた下伝熱板１４の上に、複数の放射状流路２
２を上側に向けた上伝熱板１５を重ねるようにしてい
る。この場合、上伝熱板１５の板状部材１５ａが、複数
の放射状流路３２と２２との間を仕切る仕切り板部材と
して機能する。本形態でもこのような構造の場合につい
て説明する。以下では、図４の板状部材１５ａに対応す
る部材を仕切り板部材８０として説明する。

【００２７】下伝熱板１４の下面側、上伝熱板１５の上
面側にはそれぞれ、ステンレス鋼による板部材８５が設
けられている。なお、図４において下伝熱板１４の下面
側の板部材１１は省略され、上伝熱板１５側に設けられ
るチャック機構部分は図示を省略している。

【００２８】図１において、側壁板１２には、下伝熱板
１４の外周流路３１、上伝熱板１５の外周流路２１とそ
れぞれ連通するように下側用の熱媒体出入口１６ａ、上
側用の熱媒体出入口１６ｂが並設されている。特に、下
側用及び上側用の熱媒体出入口１６ａ、１６ｂの直径を
上側及び下側の外周流路２１、３１にかかる大きさにす
ると共に、上側及び下側の外周流路２１、３１を仕切っ
ている仕切り板部材８０における下側用の熱媒体出入口
１６ａに対応する領域及び上側用の熱媒体出入口１６ｂ
に対応する領域にそれぞれ切り欠き８０ａ、８０ｂを設
けている。

【００２９】また、上側用の熱媒体出入口１６ｂに対応
する領域の切り欠き８０ｂの縁部には下側の外周流路３
１と仕切るための下側仕切り壁８１ａを設け、下側用の
熱媒体出入口１６ａに対応する領域の切り欠き８０ａの
縁部には上側の外周流路２１と仕切るための上側仕切り
壁８１ｂを設けている。これにより、上側用及び下側用
の熱媒体出入口１６ａ、１６ｂの直径を伝熱板の厚さで
決まる寸法よりも大きくできるようにしている。

【００３０】本形態では更に、下伝熱板１４における複
数の放射状流路３２のうち下側仕切り壁８１ａに隣接す
る外周部分を８２ａで示すように削除し、上伝熱板１５
における複数の放射状流路２２のうち上側仕切り壁８１
ｂに隣接する外周部分を８２ｂで示すように削除してい
る。これは、下側仕切り壁８１ａ、上側仕切り壁８１ｂ
がある部分では、外周流路の熱媒体の流れが阻害される
可能性があるからであり、上記のような削除部分を設け
ることで熱媒体の十分な流通を確保することができる。

【００３１】図２は、ウエハーチャック用冷却／加熱板
１０における熱媒体出入口１６ａ近傍の断面図を示す。
熱媒体出入口１６ａはウエハーチャック用冷却／加熱板
１０の厚さ方向の中央部に設けている。

【００３２】図３は、ウエハーチャック用冷却／加熱板
１０における熱媒体出入口１６ｂ近傍の断面図を示す。
熱媒体出入口１６ｂもウエハーチャック用冷却／加熱板
１０の厚さ方向の中央部に設けている。

【００３３】熱媒体出入口１６ａでは、図２に示すよう
に、熱媒体出入口１６ａより流入した熱媒体は、上側仕
切り壁８１ｂにより上側伝熱板１５の外周流路２１へ流
れるのを阻止されて、すべて下側伝熱板１４の外周流路
３１へと流れる。一方、図３に示すように、上側伝熱板
１５の放射状流路２２を流れてきた熱媒体は、下伝熱板
１４に設けた下側仕切り壁８１ａにより下伝熱板１４の
放射状流路３２へ流出するのを阻止されて、すべて熱媒
体出入口１６ｂへ流れる。

【００３４】なお、上記の形態では、熱媒体が下伝熱板
１４から上伝熱板１５へと流れる場合について説明した
が、上伝熱板１５から下伝熱板１４へと流れるようにさ
れる場合もある。また、熱媒体出入口を入り口用、出口
用としてそれぞれを１つずつ設けた例について説明した
が、入り口用及び出口用をそれぞれ複数設けるようにし
てもよい。この場合、複数の入口及び出口は、ケースの
側壁板１２に、周方向に沿って均等に配置することが望
ましい。

【００３５】更に、上記の形態では、放射状流路３２を
上側に向けた下伝熱板１４の上に、放射状流路２２を上
側に向けた上伝熱板１５を重ねるようにしている。この
場合、前に述べたように、上伝熱板１５の板状部材１５
ａが放射状流路３２と放射状流路２２との間を仕切る仕
切り板部材８０として機能している。これとは別に、放
射状流路３２を上側に向けた下伝熱板１４の上に、放射
状流路２２を下側に向けた上伝熱板１５を重ねるように
しても良い。この場合には、放射状流路３２と放射状流
路２２との間にこれらを仕切る仕切り板部材を設ければ
良い。この場合の仕切り板部材は、仕切り板部材８０
（板状部材１５ａ）と同様に、中央部に上下連絡流路２
３を形成するための貫通穴を持つ板が使用される。そし
て、この仕切り板部材に前に述べた切り欠きや下側仕切
り壁、上側仕切り壁が設けられることになる。

【００３６】本発明によるウエハーチャック用冷却／加
熱板及びウエハーチャックは、シリコンまたは他の半導
体ウエハーの冷却またを加熱装置の他、ウエハーエッチ
ング装置、ウエハーアッシャー装置、薄板状物体の冷却
又は加熱装置への適用が可能である。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、熱媒体の入り口と出口
をそれぞれ、ウエハーチャック用冷却／加熱板の厚さ方
向の中央部に設けることができ、下伝熱板、上伝熱板の
それぞれに対応させて設ける必要が無いため、熱媒体の
入り口と出口の直径は、ウエハーチャック用冷却／加熱
板の厚さ程度まで大きくすることが可能となる。これに
より、ウエハーチャックは、冷却あるいは加熱に必要な
伝熱面積を確保できる最小厚さ、及び剛性が確保できる
最小厚さまで薄くしても、熱媒体の入り口、出口の配管
の直径はウエハーチャック用冷却／加熱板の厚さ程度ま
で大きくすることが可能となり、ウエハーチャックの質
量を小さくできるうえに熱媒体を必要流量だけ流すこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるウエハーチャック用冷却／加熱板
を上板を外した状態で上から見た図である。

【図２】図１のウエハーチャック用冷却／加熱板におけ
る一方の熱媒体出入口近傍の断面図を示す。

【図３】図１のウエハーチャック用冷却／加熱板におけ
る他方の熱媒体出入口近傍の断面図を示す。

【図４】本発明が適用されるウエハーチャック用冷却／
加熱板の分解斜視図である。

【図５】図４のウエハーチャック用冷却／加熱板を上板
を外した状態で上から見た図である。

【図６】図４のウエハーチャック用冷却／加熱板を用い
たウエハーチャックの断面構成図である。

【符号の説明】

１０ ウエハーチャック用冷却／加熱板 １１ 下板 １２ 側壁板 １３ 上板 １４ 下伝熱板 １４ａ、１５ａ 板状部材 １４ｂ、１５ｂ 扇形部材 １４ｃ 円柱部材 １５ 上伝熱板 １６、１６ａ、１６ｂ 熱媒体出入口 ２１、３１ 外周流路 ２２、３２ 放射状流路 ２３ 上下連絡流路 ６１ 半導体ウエハー ６２ 吸着板 ６３ 電気ヒーター

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中央部側から外周側にかけて放射状に形
   成された複数の流路をそれぞれ備えた２つの伝熱板を互
   いに重ね合わせると共に、上側の伝熱板の前記複数の流
   路と下側の伝熱板の前記複数の流路とを前記中央部側で
   互いに連通させ、前記下側の伝熱板の前記複数の流路を
   前記外周側から前記中央部側へと流れた熱媒体が、前記
   上側の伝熱板の前記中央部側から前記外周側へと連続的
   に流れ、又は前記上側の伝熱板の前記複数の流路を前記
   外周側から前記中央部側へと流れた熱媒体が、前記下側
   の伝熱板の前記中央部側から前記外周側へと連続的に流
   れるようにしたウエハーチャック用冷却／加熱板であっ
   て、 各伝熱板は、板部材上であって該板部材より小さめの領
   域に前記複数の流路が放射状に形成され、しかも重ね合
   わされた２つの伝熱板の周囲に側壁板が設けられている
   ことにより、上側及び下側の各伝熱板の外周側にはそれ
   ぞれ前記複数の流路と連通する環状の上側外周流路、下
   側外周流路が形成されており、 前記側壁板には各伝熱板の前記上側外周流路、下側外周
   流路とそれぞれ連通するように上側用及び下側用の熱媒
   体の出入口配管が並設され、 上側用及び下側用の各出入口配管の直径を上側及び下側
   の両外周流路にかかる大きさにすると共に、上側及び下
   側の両外周流路を仕切っている仕切り板部材における上
   側用の出入口配管に対応する領域及び下側用の出入口配
   管に対応する領域にそれぞれ切り欠きを設け、 上側用の出入口配管に対応する領域の切り欠きの縁部に
   は前記下側外周流路と仕切るための下側仕切り壁を設
   け、下側用の出入口配管に対応する領域の切り欠きの縁
   部には前記上側外周流路と仕切るための上側仕切り壁を
   設けることにより、上側用及び下側用の各出入口配管の
   直径を伝熱板の厚さで決まる寸法よりも大きくできるよ
   うにしたことを特徴とするウエハーチャック用冷却／加
   熱板。
2. 【請求項２】 請求項１記載のウエハーチャック用冷却
   ／加熱板において、前記下側の伝熱板における前記複数
   の流路のうち前記下側仕切り壁に隣接する外周部分を削
   除し、前記上側の伝熱板における前記複数の流路のうち
   前記上側仕切り壁に隣接する外周部分を削除したことを
   特徴とするウエハーチャック用冷却／加熱板。
3. 【請求項３】 請求項１あるいは２記載のウエハーチャ
   ック用冷却／加熱板を備えたことを特徴とするウエハー
   チャック。