JP2005019660A

JP2005019660A - チャック装置

Info

Publication number: JP2005019660A
Application number: JP2003182061A
Authority: JP
Inventors: Naoto Akeboshi; 直人明星
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】ペルチェ素子にかかる応力を簡易な構造で抑制することができるチャック装置を提供する。
【解決手段】チャック部２と、複数のペルチェ素子３と、冷却ジャケット６とによって少なくとも構成されるチャック装置１００において、前記冷却ジャケット６は、前記複数のペルチェ素子３の配置場所に対応して開口する複数の開口部７と、該開口部７の周縁に形成されるシール部材装着溝１１と、前記開口部７を連通する冷却媒体通路８とを具備し、前記複数のペルチェ素子３の各々は、前記シール部材装着溝１１に装着された弾性部材からなるシール部材４を介して、前記ペルチェ素子３の他面が前記開口部７に露出するように前記チャック部２と前記冷却ジャケット６の間に挟持固定される共に、前記チャック部２及び前記冷却ジャケット６の間には、所定の高さの複数の支柱５が配される。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、半導体ウェハ等の平坦なワークピースを保持すると共に、ペルチェ素子を熱源、冷却源として、前記ワークピースを所望の温度に設定するチャック装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１に開示されるワークピースのチャックは、半導体ウェハのようなワークピースをその上に取付ける上アセンブリと、チャックを支持するベースに設けられる下アセンブリと、上アセンブリを下アセンブリに対して保持すると共に、下アセンブリをベースに足して保持する非拘束アタッチメント手段とを具備し、底部アセンブリに設けられたヒータ及びヒートシンクによってウェハの温度サイクルテストを可能にするものである。また、特許文献１は、前記非拘束手段によって、温度影響による膨張や、機械的応力を吸収することができることを開示する。
【０００３】
例えば、上記特許文献１及び特許文献２で開示されるような半導体テスト用プローバーにおけるステージ用の温度可変ウェハチャックにおいて、前記プローバーは、ＩＣ、ＬＳＩ、ＣＣＤ等の半導体デバイス開発、又は製造工程において、ウェハ上に形成された半導体チップ回路のテストを行うためにテスターに接続されたプローブを備えている。このプローブは、チップ回路の入出力点に対して、所定の電気信号を与えて、その信号に対する回路の応答を検出する。このテストの際に、ウェハはステージと呼ばれる移動台の上にあるチャックによって真空引きされることにより固定される。また、ある種の半導体については、上述したテストを所定の温度範囲内における様々な温度環境において実施することが要求される。このため、ウェハの温度を制御するために、加熱手段及び冷却手段を有する温度調整手段、例えばペルチェ素子を用いることが望ましく、またペルチェ素子自身を冷却する冷却ジャケットを備えたチェックを用いることが望ましい。この加熱手段及び冷却手段を具備するものとして、特許文献３に開示されるホットチャック温度制御装置がある。
【０００４】
【特許文献１】
特表２００２−５００４３８号公報
【特許文献２】
特表２００３−５０８８９３号公報
【特許文献３】
特開平１０−４１３７５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示されるチャックは、温度影響による膨張力のもとで、複数のチャックレイヤーが相対的に移動できるように非拘束手段によって一体保持するようにしているため、各レイヤー間の拘束力に限界が生じると共に、底部アセンブリに設けられるヒータ及びヒートシンクとの接触状態が不安定となるため、ワークピースへの伝熱能力が低下するという不具合が想定される。
【０００６】
特許文献２に開示されるチャックは、上アセンブリを下アセンブリに、非制約的取付手段によって保持し、また上アセンブリを下アセンブリに対して支持する支持部材を設けると共に、支持部材の端部を傾斜構造とすることによって熱膨張等による高さの変動を吸収するようにしたものであるが、上述した特許文献１と同様の不具合が想定されると共に、さらに複雑な構造が必要とするものである。
【０００７】
さらに、特許文献３で開示されるように、半導体ウェハのテストを効率よく行うために、半導体ウェハを所定の温度にいち早く設定可能とするために、加熱手段と冷却手段を効率よく使用することが望まれ、そのために近年では、加熱及び冷却手段としてペルチェ素子を用いることが一般的となっている。
【０００８】
このため、従来のウェハチャックは、ウェハを固定する真空チャック部と冷却ジャケット部の間に、例えばペルチェ素子を挟み込む形で設置し、真空チャック部と冷却ジャケット部とをネジ等で固定し、これにより、チャック部とペルチェ素子吸熱面との間、冷却ジャケットとペルチェ素子発熱面との間を密着させて効率よく伝熱を行うようにしたものであるが、この場合には、ネジ等の圧縮固定による偏荷重や、熱収縮／熱膨張によりペルチェ素子に応力が生じ、さらに振動などの外的荷重が直接ペルチェ素子にかかることが考えられる。
【０００９】
このため、この発明は、ペルチェ素子による半導体ウェハの熱管理を十分に行える構造を有すると共に、ペルチェ素子にかかる応力を簡易な構造で抑制することができるチャック装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
したがって、この発明は、ワークピースを保持する保持手段を有するチャック部と、該チャック部の下面に接触する一面を有する複数のペルチェ素子と、該複数のペルチェ素子の他面を冷却する冷却ジャケットとによって少なくとも構成されるチャック装置において、前記冷却ジャケットは、前記複数のペルチェ素子の配置場所に対応して開口する複数の開口部と、該開口部の周縁に形成されるシール部材装着溝と、前記開口部を連通する冷却媒体通路とを具備し、前記複数のペルチェ素子の各々は、前記シール部材装着溝に装着された弾性部材からなるシール部材を介して、前記ペルチェ素子の他面が前記開口部に露出するように前記チャック部と前記冷却ジャケットの間に挟持固定される共に、前記チャック部及び前記冷却ジャケットの間には、所定の高さの複数の支柱が配されることにある。
【００１１】
また、前記支柱は、セラミック等の熱伝導率の低い部材によって形成されることが望ましい。
【００１２】
さらに、前記冷却媒体通路は、前記冷却ジャケットの側部に形成された冷却媒体出入り口と連通するものであってもよく、前記冷却ジャケットの下面略中央部に形成された冷却媒体出入り口と連通するものであっても良い。また、冷却ジャケットの下面略中央部に形成された冷却媒体出入り口は、スイベル継ぎ手により外部冷却媒体通路と連通され、前記冷却ジャケットが所定範囲で回動可能であることが望ましい。
【００１３】
さらにまた、前記冷却媒体通路の前記開口部部分には、所定の大きさの冷却用空間が形成されることが望ましく、この冷却用空間内には、冷却媒体の流れ方向に対して略垂直に邪魔壁部が形成されることが望ましい。
【００１４】
また、前記冷却媒体は、前記ペルチェ素子の他面が放熱面となる時に、供給されることが望ましい。尚、冷却媒体としては、冷却水であることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面により説明する。
【００１６】
図１で示すように、本願発明に係るチャック装置１００は、ウェハ１のテストを行う試験装置１１０、ウェハ１の温度制御を行う温度コントローラ１２０及び冷却水を供給するためのチラー１３０と共にウェハプロービングシステムを構成するもので、ＩＣ、ＬＳＩ、ＣＣＤ等の半導体デバイス開発、製造工程において、ウェハ上に形成された半導体チップ回路のテストを行うためのものである。
【００１７】
本願発明に係るチャック装置１００は、図２で示すように、ウェハ１を真空引きによって吸着するチャック部２と、このチャック部２が所定の温度となるように加熱又は冷却するペルチェ素子３と、このペルチェ素子３を冷却する冷却ジャケット６とによって少なくとも構成される。また、前記チャック部２には、前記温度コントローラ１２０に接続される温度センサ２０が配され、その上面には前記ウェハ１を吸着するための複数の孔２１が開口する。
【００１８】
また、前記冷却ジャケット６には、複数の開口部７が開口し、その開口部７の周縁にはシール部材としてのＯリング４が装着されるシール部材装着溝１１が形成される。また、前記開口部７は、それぞれ冷却媒体通路８によって連通され、この冷却媒体通路８は、入口パイプ９及び出口パイプ１０を介して前記チラー１３０に接続される。
【００１９】
前記ペルチェ素子３は、図３及び図４に示すように、一方の面３１が前記チャック部２の下端面に直接又は間接的に接触し、他方の面３２が前記開口部７に露出するように配されると共に、前記シール部材装着溝１１に嵌着されたＯリング４に当接する。これによって、ペルチェ素子３の他方の面３２には、冷却媒体通路８を流れる冷却媒体（この実施の形態では、冷却水）が直接接触して他方の面３２を冷却すると共に、開口部７の周囲はＯリング４によって密閉されるようになっているものである。
【００２０】
さらに、前記チャック部２と前記冷却ジャケット６との間には、複数の支柱５が配され、この支柱６によって、前記チャック部２と冷却ジャケット６との間の間隔を所定の間隔に維持しながら、前記チャック部２を支持するものである。つまり、ペルチェ素子３が、前記チャック部２と前記冷却ジャケット６との間に、ネジ止め等の簡単な固定手段によって挟持固定されるが、ペルチェ素子３の一方の面３１がＯリング４の反発力によって前記チャック部２の下端に所定の押圧力で接触することができ、且つペルチェ素子３がＯリング４を完全につぶすことなく前記冷却ジャケット６の上面に非接触である程度に、前記間隔を前記支柱５の高さによって管理するものである。
【００２１】
図３は、以上の構成のチャック装置１００がプローバーステージ３０上に設置された状態を示した説明断面図である。この構成により、ペルチェ素子３に電流を流し、ペルチェ素子３の一方の面３１を放熱面とし、他方の面３２を吸熱面として、前記チャック部２を加熱することができる。また、チャック部２を冷却する場合には、電流を逆方向に流して、一方の面３１を吸熱面とし、他方の面３２を放熱面とする。このとき、他方の面３２を冷却水と接触させて、放熱面を冷却することによって一方の面３１の吸熱効果を向上させることができるため、冷却速度を上げることが可能となる。
【００２２】
また、ペルチェ素子３の加熱／冷却によるチャック部３の熱膨張／熱収縮によるペルチェ素子３への荷重変化を、弾性部材からなる前記Ｏリング４によって吸収できるので、ペルチェ素子３の破損を防止でき、またペルチェ素子３の寿命を延ばすことができる。また、前記Ｏリング４は、チャック装置１００の移動等によって発生する振動が、ペルチェ素子３に与える影響を抑制できる。
【００２３】
以下、本発明の別の構成を有する実施の形態について説明するが、同一の箇所又は同様の効果を奏する箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２４】
図５で示す実施の形態は、冷却媒体通路８の出入口を冷却ジャケット６の下面略中央部に設け、その出入口と接続する端子をスイベル継手１２としたものを示す。このスイベル継手１２には、それぞれ冷却媒体入口パイプ１３、冷却媒体出口パイプ１４が接続される。そして、このスイベル継手１２を保護するために、ステージ固定ユニット１５が設けられ、支持ロッド１６によって冷却ジャケット６を所定の間隔で固定ユニット１５上に保持するものである。
【００２５】
図６では、さらに詳細な構造が開示される。前記チャック部２は、チャックプレート２３と、このチャックプレート２３と前記ペルチェ素子３の間に配置された複数の絶縁プレート層２５，２７と、この絶縁プレート２５，２７間に配置され、ウェハ測定時の電気ノイズを低減させるための導体プレート２６と、前記チャックプレート２３、絶縁プレート層２５，２７及び導体プレート２６をその周縁部で挟持固定する断熱カバー部２２，２４とによって構成される。この断熱カバー部２２，２４は、コの字状に前記チャックプレート２４、導体プレート２６及び絶縁プレート層２５，２７を挟持するが、前記チャックプレート２４、導体プレート２６及び絶縁プレート層２５，２７の径方向外方に所定の空間２８を有しており、前記前記チャックプレート２４、導体プレート２６及び絶縁プレート層２５，２７の径方向への膨張／収縮を吸収する構造となっている。
【００２６】
また、図６に示す実施の形態では、ウェハ１を吸引固定するために、バキューム溝２１’を形成した例を開示する。さらに、この実施の形態では、図７で示すように、開口部７の開口部分に、冷却用空間４０が形成されると共に、この冷却用空間４０内には、冷却水が流れる方向に対して略垂直に立設する邪魔壁部４１が形成される。これによって、冷却水は、邪魔壁部４１に衝突して上昇するため、開口部７に露出するペルチェ素子３の他方の面３２をなめるように移動するため、他方の面（放熱面）を効率よく冷却することが可能となるものである。
【００２７】
図７で示す実施の形態の場合、ペルチェ素子３が９個配設される。そして、冷却媒体通路８は、スイベル継手１２の一方と接続される冷却媒体入口４２から、この冷却媒体入口４２に隣接して設けられた冷却媒体出口４３へ、それぞれの冷却用空間４０を順次接続して冷却媒体を流すものである。また、この実施の形態では、前記冷却ジャケット６を、冷却媒体通路８、冷却用空間４０及び邪魔壁部４１が形成された下ジャケット部６２と、前記開口部７及びシール部材装着溝１１が形成された上ジャケット部６１とによって構成されるものである。
【００２８】
図８及び図９で示す実施の形態では、冷却媒体通路８と、冷却用空間４０の構造が上記図６及び図７で示される実施の形態と異なるものである。この実施の形態では、ある冷却用空間４０では、冷却用空間４０に流入した冷却水は、略垂直にその流れ方向が変更され、前記邪魔壁部４１を越えてペルチェ素子３の他方の面３２をなめるように移動し、さらに流れ方向を略垂直に変更して、冷却用空間４０から流出して次なる冷却用空間４０に流れ込むようになっている。また、この冷却用空間４０では、前記邪魔壁部４１は、冷却媒体の流入方向に沿って形成されるが、冷却用空間４０内においては冷却媒体の流れ方向に対して垂直に延出する。
【００２９】
また、別の冷却用空間４０では、前記邪魔壁部４１は、冷却媒体の流入方向に対して垂直に形成されているが、冷媒媒体の流出方向に沿って形成されている。このように、各冷却用空間４０において、冷却媒体のいろいろな流れが形成されることから、冷却効率を向上させることができるものである。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、チャック装置を構成するチャック部及び冷却ジャケットをネジ止め等の簡易な固定手段によって固定することが可能であると共に、ペルチェ素子にかかる荷重を弾性部材からなるシール部材によって吸収することができるため、ペルチェ素子の寿命を延ばすことができると共に、大幅なコストダウンを達成できるものである。
【００３１】
また、ペルチェ素子の放熱面を直接冷却媒体で冷却することができるので、チャック部の冷却速度を向上させることができるため、所定の温度への移行時間を大幅に短縮することができるものである。また、これによって、テスト時間を短縮できるので、時間当たりの処理能力を向上させることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウェハプロービングシステムの概略構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係るチャック装置の分解構成図である。
【図３】第１の実施の形態に係るチャック装置の構成断面図である。
【図４】第１の実施の形態に係るチャック装置の一部拡大断面図である。
【図５】第２の実施の形態に係るチャック装置の分解構成図である。
【図６】第３の実施の形態に係るチャック装置の断面図である。
【図７】第３の実施の形態に係る冷却ジャケット部の分解構成図である。
【図８】第４の実施の形態に係る冷却ジャケット部の平面図である。
【図９】第４の実施の形態に係る冷却ジャケット部の断面説明図である。
【符号の説明】
１ウェハ
２チャック部
３ペルチェ素子
４Ｏリング
５支柱
６冷却ジャケット
７開口部
８冷却媒体通路
１１シール部材装着溝
４０冷却用空間
４１邪魔壁部
１００チャック装置
１１０試験装置
１２０温度コントローラ
１３０チラー

Claims

ワークピースを保持する保持手段を有するチャック部と、該チャック部の下面に接触する一面を有する複数のペルチェ素子と、該複数のペルチェ素子の他面を冷却する冷却ジャケットとによって少なくとも構成されるチャック装置において、
前記冷却ジャケットは、前記複数のペルチェ素子の配置場所に対応して開口する複数の開口部と、該開口部の周縁に形成されるシール部材装着溝と、前記開口部を連通する冷却媒体通路とを具備し、
前記複数のペルチェ素子の各々は、前記シール部材装着溝に装着された弾性部材からなるシール部材を介して、前記ペルチェ素子の他面が前記開口部に露出するように前記チャック部と前記冷却ジャケットの間に挟持固定される共に、
前記チャック部及び前記冷却ジャケットの間には、所定の高さの複数の支柱が配されることを特徴とするチャック装置。
前記支柱は、熱伝導率の低い部材によって形成されることを特徴とする請求項１記載のチャック装置。
前記冷却媒体通路は、前記冷却ジャケットの側部に形成された冷却媒体出入り口と連通することを特徴とする請求項１又は２記載のチャック装置。
前記冷却媒体通路は、前記冷却ジャケットの下面略中央部に形成された冷却媒体出入り口と連通することを特徴とする請求項１又は２記載のチャック装置。
前記冷却媒体出入り口は、スイベル継ぎ手により外部冷却媒体通路と連通され、前記冷却ジャケットが所定範囲で回動可能であることを特徴とする請求項４記載のチャック装置。
前記冷却媒体通路の前記開口部部分には、所定の大きさの冷却用空間が形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のチャック装置。
前記冷却用空間内には、冷却媒体の流れ方向に対して略垂直に邪魔壁部が形成されることを特徴とする請求項６記載のチャック装置。
前記冷却媒体は、前記ペルチェ素子の他面が放熱面となる時に、供給されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のチャック装置。