JP2006519359A - 光学的に検査される集積回路を冷却する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

電子的に活性化された集積回路の試験に使用するのに便利な、冷却プレート及びマイクロスプレー冷却システムの結合体が開示されている。システムは、透明熱拡散体及び熱拡散体近傍に配置されたマイクロスプレーヘッドを含む。スプレーヘッドは、冷却流体を熱拡散体の周辺に噴霧し、チップから熱を除去する。或いは、マイクロスプレーヘッドは冷却プレートの内側に備えられ、ホルダが冷却されるように、ホルダーの内側に冷却液を噴霧する。ホルダーは、熱拡散体と物理的に接触し、これによりホルダーは、スプレーにより冷却され、熱は、熱拡散体から、そしてチップから除去される。

Description

本発明は、検査（プロービング）、診断又は、故障解析を受ける、通電状態にある半導体集積回路の温度管理システム及び方法に関する。

集積回路（ＩＣ）は、周知のパーソナルコンピュータを離れて民生機器にますます多く用いられてきている。例えば、自動車、通信機器、家電製品（食器洗浄機、炊飯ジャー、冷蔵庫など）である。このように広範囲に適用されることによって、ＩＣは、毎年更なる量で量産されている。ＩＣ製品の増加に伴い、ＩＣの故障も増加し、同時に素早く正確なチップの検査、デバック及び故障解析技術が求められている。検査、デバック、及び故障解析システムにおける今日の主要な目的は、評価の下でチップのゲートレベルでの性能を明らかにし、あらゆる操作障害の箇所や原因を特定することにある。

従来では、機械式プローブは、電気的なスイッチング動作を測定するために用いられていた。フリップチップ技術の使用も含め、現在のチップは集積密度、処理速度及び複雑性が高いため、今日、それらを復元不可能に破壊しないでチップを機械的に検査することは物理的に不可能である。そのため、現在では、チップを破壊することなくチップの試験を行う検査技術が必要とされている。このような検査技術には、例えば、シリコン内の電界を計測するレーザーを用いる方法や、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のようなスイッチング素子がスイッチング時に放つ弱いパルス光を検出する光学に基づく方法などが含まれる。このような検査を行う典型的な装置は、例えばＵＳＰ4,680,635； 4,811,090；5,475,316；5,940,545及び“Analysis of product Hot Electron Problems by Gated Emission Microscope ”,Khurana et al.,IEEE/IRPS(1986)に記載されている。

チップの試験中において、一般的にチップは、試験装置又は他の通電している回路によって比較的高速で影響を及ぼされる。このような動作の結果、かなりの発熱を生じる。通常の環境下でデバイスがパッケージされて操作される場合には、様々な冷却装置が備えられている。例えば、金属製のフィンがしばしばＩＣに取り付けられていたり、ＩＣ上の空気の流れを増加させるために冷却ファンが備えられている。しかしながら、検査対象のデバイスは、パッケージされておらず、大抵は試験の目的のためその回路基板は薄くされている。その結果、冷却する手段を利用することができず、検査対象デバイス（ＤＵＴ）が過剰な高温下で試験が行われることになり、適切な試験結果が得られなかったり、最終的には早々にデバイスが壊れてしまう。それゆえ、ＤＵＴに対して効果的な温度管理が求められている。

図１（ａ）に従来のＤＵＴを冷却する装置を示す。この冷却装置１００は、ＤＵＴを光学的に検査可能な窓１３５が備えられた冷却板１１０で構成されている。この窓１３５は、単純な切欠部でもよいし、人工ダイヤモンドのような熱伝導性透明材料で構成してもよい。冷却を促進するために人工ダイヤモンドを利用することは、例えばＵＳＰ5,070,040に記載されている。このような切欠きではない透明窓は、透明熱拡散体と呼ばれている。冷却板１１０には、冷却液が循環する導管１２０が備えられている。或いは、例えばU.S.patent.No.6,140,141に示されているように、この導管を板の一体パーツとして形成してもよい。

図１ａには、窓１３５の直線上に設置された光学検査のために用いられる顕微鏡用対物レンズ１０５が破線で示されている。試験中、この冷却板は、窓１３５が試験領域上にくる状態でＤＵＴ１６０の露出面の上に設置されている。冷却板１１０と透明熱拡散体１３５とを同時に用いる場合には、ＤＵＴ１６０から透明熱拡散体１３５までの光結合を促進するために、オイル層、若しくは、他の高屈折率を有する液体が透明熱拡散体１３５とＤＵＴとの間に時々用いられる。デバイスからの発熱は、冷却板によって導管及び冷却液に伝導される。この冷却液は、冷却装置のような液体温度調整システムを循環しており、これによってデバイスからの発熱を取り除いている。しかしながら、典型的にＤＵＴには、冷却板の可動範囲を制限する補助デバイス１６５が含まれており、それゆえ、検査領域が制限されている。この問題点を解決するために、特定のデバイスのために特別な板を作製すると、コストがかかり試験装置の操作が複雑になる。

従来の冷却板を用いる他の問題点は、ＤＵＴから除去する熱が不十分であり不均一なことである。図１ｂと図１ｃには、図１ａに示された装置よりいくらか変更して設計された、透明冷却体を備えた従来の冷却プレートが図示されている。図１ｂは、平面図であり、図１ｃは、図１ｂのＡ−Ａ線に沿った一部断面図である。透明熱拡散体１１０’は、フレーム１３０に接続部１１５として例えばインジウムからなるハンダを用いハンダ付けされている。図示しないＤＵＴは、透明熱拡散体１１０’を通して観測可能であり、ＤＵＴと透明熱拡散体との間には、オイルやその他の液体が介されていてもよい。このフレーム１３０は、後付け、又は一体形成により金属製の内側ヒートシンク１４０に取り付けられており、更にこの内側ヒートシンク１４０は、金属製の外側ヒートシンク１５０に取り付けられている。通常、金属製の内側ヒートシンク１４０は、金属製の外側ヒートシンク１５０にネジによって取り付けられており、金属製の内側ヒートシンク１４０と金属製の外側ヒートシンク１５０との間には熱伝導体がない。冷却空気は、ポンプによって吸気口１７０を通って流入され、金属製の外側ヒートシンク１５０を循環して、排気口１７５を通って排気される。

理解できるように、熱は、ＤＵＴから透明熱拡散体１１０’、フレーム１３０、金属製の内側ヒートシンク１４０、金属製の外側ヒートシンク１５０、冷気の順に伝達される。しかしながら、様々な要素間の接合部分で熱伝導が阻害され、これによりＤＵＴの冷却効率を低減させてしまう。更に、各要素間の温度勾配は放熱による熱利得を低減させる。実際、研究により、放熱による熱利得のほうが、ＤＵＴの冷却熱より大きくなる可能性があることが示唆されている。この放熱による大きな熱利得に加えて、熱伝導経路の熱抵抗が、透明熱拡散体の冷却を格段に困難にさせ、これによりＤＵＴの冷却を非常に困難にしている。

本発明者らが特に関心を持っているのは、透明熱拡散体の周囲温度である（図１ｂの１〜８）。すなわち、効果的な熱輸送を備えた装置は、透明熱拡散体の周囲温度を低減させ、これにより、透明熱拡散体及びＤＵＴの温度を低減させると発明者らは推測するからである。これを調べるために、図１ｂに示されているような透明熱拡散体によって冷却される標準規格の半導体温度チップの温度分布のシミュレーションを、有限要素モデルによって行った。透明熱拡散体から、インジウムのハンダを介し、金属製のヒートシンク周辺に至るまでの熱伝導のみならず、透明熱拡散体内部の温度分布も有限要素法によりシミュレーションを行った。透明熱拡散体表面からチップへの温度上昇を計算するために１要素の熱伝導解析を用いると、チップの温度分布、及びチップの最高温度が確定される。有限要素法によるシミュレーションの精度は、与えられた境界条件の精度に直接関係する。この場合、重要な境界条件は、金属製のヒートシンク内部の内周における温度、即ちインジウムからなるハンダとの接触部分である。これからわかるように、周囲温度は、全体要素からの熱除去効率によって決まる。

ＤＵＴが最高温度であるときの境界条件の影響は、図２（有限要法を用いて測定した）から求めることができる。図２は、様々な熱負荷を与えたときの境界条件となる透過窓の最高温度をプロットしたものであり、この最高温度がＤＵＴの最高温度を引き起こす。図２からも明らかなように、ヒートシンクの周辺温度が低ければ低いほど、透明熱拡散体の最高温度も低くなっていき、これによりＤＵＴの最高温度も低くなる。即ち、発明者らは、熱伝導手段の境界温度を効果的に下げることができれば、ＤＵＴの温度も効果的に下げることができると推測した。

このモデルの精度を検証するために、図１ｂと同じような冷却プレートを用いて、広範囲におけるテストチップの実験を行った。ＤＵＴは、従来どおり冷却プレートにより冷却されている一方で、様々な熱流速となるように電力が供給された。冷却プレートは、図１ｂの１〜１８に示されている箇所の温度を測定する器具であり、チップに２０Ｗ／ｃｍ^２の電力を供給したときの結果を図３に示す（このデータの縦軸の単位は[℃]である）。この透明熱拡散体の周囲温度の結果は、更に有限要素法の境界条件に用いられる。その最高温度と同様に、モデル化を行い温度分布を予測した。ＤＵＴの最高温度は、油層の厚さの関数として計算され、図４に示されている。油層の厚さが８０μｍでは、図４に示されている結果は、実験により計測されたＤＵＴの温度と一致しており、これによって、このモデルの正確性が立証された。

上記のような議論からも容易にわかるように、試験装置や走査検査にとって、革新的で、安価であり、適応性を備えた効果的な温度管理が必要とされていることが容易にわかる。

本発明では、ＤＵＴの除熱を行う装置を提供し、これにより、通電状態でもデバイスの検査を行うことを可能にする。それゆえ、この装置は、ＤＵＴに対しての光学顕微鏡を用いた検査、診断、及び欠陥解析に特に適している。更に、上述したこの研究の結果は、可能な限り最大範囲まで透明窓の周囲温度を低減することが重要であるということを明らかにする。本発明は、透明窓の周囲から熱を除去する効果的な解決方法を提供し、これにより、ＤＵＴの除熱のための機構を提供すると共に、通電状態のデバイスの試験を可能とする。そのため、この装置は、ＤＵＴの光学顕微鏡を用いた検査、診断、及び欠陥解析に特に適している。

本発明のひとつの視点によれば、ＤＵＴから熱を除去するための噴霧液体スプレーを用いた温度管理システムが提供されている。スプレーヘッドは、対物レンズのハウジング周辺に備えられ、スプレーチャンバーの内部に配置される。スプレーチャンバーは、ＤＵＴが設置されるプレートによって封をされる。噴出される液体が適正に蒸発するようチャンバー内の圧力は制御してもよい。温度管理システムの操作を監視するために、圧力トランスデューサ及び温度センサを圧力チャンバー上に据え付けてもよい。

本発明の他の視点においては、噴霧器の数個の傾斜部（banks）を用いてスプレー冷却が行われる。１つの実施例によれば、全ての噴霧器が共有して１つの流体供給器に接続される。一方、他の実施例によれば、噴霧器の各々又はグループごとに分配される液体が、様々な噴霧器に供給される液体の圧力、タイミング、及び／又は、種類を変化させるように、別々に制御されるようにしてもよい。

本発明の更に他の視点においては、温度管理システムの適切な操作のために、制御器具が備えられている。ＤＵＴの温度は、冷却剤の温度、冷却剤の流量（直接的には冷却剤の供給圧力に関係する）、及び冷却剤の沸点（スプレーチャンバーの圧力及び蒸気温度の関数。冷却剤の飽和温度に言及するならば、液体の飽和温度と（加熱されていない）蒸気の飽和温度は同一である。）によって調整することができる。冷却剤の供給口付近の温度センサは、供給される冷却剤の温度を監視しており、この温度は、温度管理システムのコントローラにフィードバックされる。コントローラは、冷却装置や、その他、冷却剤温度を予め定めた値に調整する装置のような液体温度管理システムを制御する。このようなシステムはいわゆる当業者によって広く知られている。

スプレーチャンバーの圧力は、スプレーチャンバーと連結している圧力トランスデューサによって計測される。（スプレーチャンバーに連結している温度センサによって計測される）蒸気温度、及びスプレーチャンバーの圧力が、冷却剤の沸点を決定し、順次ＤＵＴの温度を制御する手段に影響を与える。冷却剤の沸点に影響を与えるようにスプレーチャンバーの圧力を操作してもよい。スプレーチャンバーの圧力は、例えばスプレーチャンバーに連結した電磁バルブや、元に戻すポンプの速度を調整したり、液体温度管理システムの貯蔵容器内の圧力を調整することによって影響を受ける。機械的な圧力逃がしバルブは、電磁弁の故障時に備えた安全圧力除去を備えている。

本発明の１つの視点においては、ＤＵＴから除熱を行うための熱拡散体と、熱拡散体から除熱を行うための噴霧液体スプレーシステムとを用いる温度管理システムが備えられる。

本発明の他の視点においては、対物レンズハウジングと、透明冷却プレートとがスプレーチャンバー内に設けられる。冷却スプレーの配置は、冷却プレートの上に冷却剤をスプレーするように設けられている。スプレーチャンバーは、ＤＵＴが設置されたプレートまで塞がれている。スプレーされる冷却剤が適切に蒸発するようにチャンバー内の圧力を制御することができる。温度調整システムの操作を監視するために圧力トランスデューサ及び温度センサを圧力チャンバーの上に設けてもよい。

本発明の他の視点においては、透明熱拡散体の周囲を冷却するために、噴霧器の数個の傾斜部（banks）を用いて冷却剤のスプレーが行われる。１つの実施例によれば、すべての噴霧器は、共通して１つの供給手段に接続される。一方、他の実施例によれば、噴霧器の各々又はグループごとに分配される液体が、様々な噴霧器に供給される液体の圧力、タイミング、及び／又は、種類を変化させるように、別々に制御されるようにしてもよい。

本発明の他の特徴として、冷却プレートはホルダ上にハンダ付けされている。このホルダは、ＤＵＴに冷却プレートを押し付けるために用いられる。数個の噴霧器は、冷却プレートの周辺上に冷却剤をスプレーするために設けられている。光学経路を不明瞭にしないよう、冷却プレートの中心部分にスプレーされた流体が届くのを防ぐ役目を更にホルダが果たしてもよい。

更に、本発明の視点においては、冷却プレートはホルダ上にハンダ付けされている。このホルダは、ＤＵＴに冷却プレートを押し付けるために用いられる。このホルダは、噴霧器がその内部の固定される空洞を備えている。噴霧器は、ホルダ内部の上側部分に冷却剤をスプレーし、スプレーされた液体は、ホルダ内の空洞を通って排出される。この方法では、液体は冷却プレートに到達しない。正確にいえば、冷却されたホルダを介して冷却プレートから熱が除去される。

本発明の更なる視点においては、ＤＵＴは、ＰＣボード上に添えられ、冷却プレートは、ＤＵＴを覆うように設置される。金属製の留め金は、冷却プレートと、ＤＵＴとをＰＣボードに保持する。インジウムのガスケットを金属製の留め金と冷却プレートとの間に備えてもよい。そして穴を備えたホルダは、金属製の留め金に押し付けられる。他のインジウムのガスケットを金属製のガスケットとホルダとの間に設置してもよい。中空ホルダには、その内部に噴霧器が備えられている穴状の噴射チャンバーと、スプレーされた液体を収集するための穴状の返還チャンバーが備えられている。噴霧器は冷却剤をホルダ内部の上側部分にスプレーし、そのスプレーされた液体はホルダ内部の穴状の返還チャンバーを通って排出される。この方法では、液体は、冷却プレートに達しない。正確にいえば、冷却されたホルダを介して冷却プレートから熱が除去される。

本発明の他の視点においては、透明熱拡散体がホルダを介して対物レンズ部に移動可能に取り付けられている。ホルダは、スライド可能に、バネ仕掛けで、又は弾性的に対物レンズ部に装着されている。この配置は、一度、熱拡散体がＤＵＴに設置されても、対物レンズ部が適した焦点に届くよう、さらに移動できるようになされている。熱拡散体上、又は、任意でＤＵＴ自体上に冷却スプレーを提供するスプレーヘッドに冷却剤が供給される。

本発明の他の視点においては、透明熱拡散体には、冷却管と冷却スプレーが共に設けられている。

本発明の他の視点においては、温度管理システムの適切な操作のために、制御器具が備えられている。ＤＵＴの温度は、冷却剤の温度、冷却剤の流量（直接的には冷却剤の供給圧力に関係する）、及び冷却剤の沸点（スプレーチャンバーの圧力及び蒸気温度の関数。冷却剤の飽和温度に言及するならば、液体の飽和温度と（加熱されていない）蒸気の飽和温度は同一である。）によって調整することができる。冷却剤の供給口付近の温度センサは、供給される冷却剤の温度を監視しており、この温度は、温度管理システムのコントローラにフィードバックされる。コントローラは、冷却装置や、その他、冷却剤温度を予め定めた値に調整する装置のような液体温度管理システムを制御する。このようなシステムはいわゆる当業者によって広く知られている。

スプレーチャンバーの圧力は、スプレーチャンバーと連結している圧力トランスデューサによって計測される。（スプレーチャンバーに連結している温度センサによって計測される）蒸気温度、及びスプレーチャンバーの圧力が、冷却剤の沸点を決定し、順次ＤＵＴの温度を制御する手段に影響を与える。冷却剤の沸点に影響を与えるようにスプレーチャンバーの圧力を操作してもよい。スプレーチャンバーの圧力は、例えばスプレーチャンバーに連結した電磁バルブや、元に戻すポンプの速度を調整したり、液体温度管理システムの貯蔵容器内の圧力を調整することによって影響を受ける。機械的な圧力逃がしバルブは、電磁弁の故障時に備えた安全圧力除去を備えている。

１つ以上の前述した方法は、冷却剤の流量、及び／又は、冷却剤の沸点を調整するために、個別に又は組み合わせて用いることができる。最終目標としては、ＤＵＴを予め設定された温度に調整するように機器を用いる。ＤＵＴの温度は、熱電対やその他の温度センサに機械的に接触させたり、もしくはサーマルイメージングカメラのような非接触の手段や、正確に所望の安定した温度とするその他の手段によって計測される。明細書中において、説明する目的で示す具体例は、何ら本発明を限定するものではない。

ＤＵＴの温度を監視したり、スプレーに必要な調整を備えるために、コンピュータやその他の電気的もしくは機械的な制御システムを用いてもよい。例えば、もしＤＵＴの温度が上昇すれば、コンピュータは流体の流量を多くすること、及び流体の温度を低くすることの、いずれか一方または両方を行うことができる。

“透明窓”及び“透明熱拡散体”という表現は、本明細書中においていくぶん同義的に用いられている。理解されているように、この要素は、光学システムの窓、及び温度調整システムの熱拡散体として機能している。“透明”という表現も、本明細書中では大まかに用いられている。すなわち、理解されているように、窓はある光波において操作されるシステムに対して透過可能であればよく、他の光波において操作されるシステムに対して不透過であってもよい。例えば、赤外領域において操作されるシステムに対して“透明”な窓は、可視光領域において透過できなくてもよい。それゆえ、ここで“透明”と用いられる場合、“透明”は、関係する波長に対して透過であることを意味する。

本発明は、更に、診断下の集積回路（ＩＣ）の温度を制御するための手法を包含し、この手法は、ソケットにＩＣを取り付けること、ＩＣを覆うように透明熱拡散体を備えること、少なくとも１つのスプレーヘッドから透明熱拡散体上に冷却剤を注入することを含んでいる。

本発明の種々の具体例及び実施例は、通電状態のＩＣを冷却するために、種々のＩＣテスター及びプローブと共に用いることが可能である。例えば、本発明の種々の具体例は、San Jose, CalfolniaのNPTestから入手可能なIDS-PICA及び、Beaverton,OregonのIMSから入手可能なGeminiMSと共に実施することができる。包括的な一実施形態では、プローブヘッドのデータ収集時にＤＵＴを冷却するために、噴霧液体スプレー、若しくは、透明熱拡散体と併設される噴霧液体スプレーが、プローブヘッド周辺に備えられる。例えば、光学光子計数時間分解受光器、光放出型顕微鏡、又はレーザを基礎とした検査ツールという形式であらゆるプローブヘッドが用いられる。本発明の様々な視点及び特徴を更に詳細に説明するために、さらに具体的なＩＣプローブ、即ち光学光子計数時間分解放射プローブを参照して本発明を説明する。しかしながら、このような詳細な説明は一例であり、これに限定するものではない。

図５’は、本発明の一実施形態に係る冷却システムの立体分解図である。この図５’に示されている冷却システムは、ＩＣの検査及び／又は試験に用いられるいかなる形式の顕微鏡でも用いることができる。図５’には、分かりやすくするために、この冷却システムに関連する光学検査／プロービングシステムの対物レンズ部分及びこの冷却システムに関連する部分のみを示してある。図５’に示されているように、保持フレーム５７０’は、ＤＵＴ５６０’をシールプレート５８０’の上で保持している。シールプレートは、負荷ボード（load board）に取り付けられ、この負荷ボードは順次、従来の自動検査装置（ＡＴＥ）の試験ヘッド（図示せず）に接続される。ＡＴＥは、ＤＵＴ５６０’の動作状態をシミュレーションするために、ＤＵＴ５６０’に活性信号を送信する。これは、通常、ＤＵＴに適したソケットを備えた負荷ボードを用いて行われる。

対物レンズのハウジング５０５’は、試験システムの対物レンズを収納している。一般的に、ハウジング５０５’及び対物レンズは、例えばプローブヘッドのようなシステムの受光器を構成している。ハウジング５０５’は、噴霧器５１５’を内蔵したスプレーヘッド５１０’と共に実装されている。この組み立て体全体は、上面にシール部材５３０’が付加されたスプレー槽５２５’の内部に設置されている。シール部材５３０’は、スライド式のものでもよいし、その他でもよい。スプレー槽５２５’は、例えばｘ−ｙ−ｚステージ（図示せず）のような平行移動ステージに取り付けられる。スライド式シール部材を用いた実施例において試験を行うときは、スライド式シール部材５３０’とシールプレート５８０’で密閉状態を作るために、スプレー槽５２５’をシールプレート５８０’に接するようにする。シールは、密閉状態とすることもできるが、必ずしも密閉する必要はない。この方法では、画像化されるＤＵＴの特定領域に対物レンズを位置合わせするように、スプレー槽５２５’をシールプレート５８０’との密閉状態を保持したまま転々と移動させてもよい。

他の実施形態において、ハウジング５２５’は、曲がりやすいベローズ（図示せず）を介してシールプレート５８０’に接続されている。このベローズの材料は、冷却剤の温度と化学的特性に適合するものであるべきである。この材料として使用可能なものには、折りたたまれた薄肉鋼及びゴムが含まれる。

試験中、流体は冷却剤供給多岐管５５５’を経由して噴霧器５１５’に供給される。冷却剤の沸点は、ソレノイド５２０’やその他の手段を用いて、スプレー槽５２５’内の圧力を調整することで制御することができる。本発明の一実施例として、スプレー槽５２５’内の圧力は、圧力トランスデューサ５５０’によって計測され、冷却剤供給の圧力は圧力トランスデューサ５４０’によって計測され、一方、冷却剤体の温度は温度センサ５４１’によって計測され、噴霧の温度は、温度センサ５４５’によって計測される。安全な計測を行うために、機械式の圧力逃がしバルブ５３５’が任意で備えられる。

冷却剤の供給圧力は、冷却剤供給点の付近の圧力トランスデューサ５４０’によって計測される。スプレー槽の圧力も、別の圧力トランスデューサ５５０’によって計測される。冷却剤の温度やスプレー槽の圧力を固定、または変動させるために、計測された冷却剤供給の圧力はコントローラにフィードバックされ、これにより、要求されたＤＵＴ温度のための適切な冷却剤供給圧力が保証される。流速や冷却速度は、冷却剤供給圧力によって調整できる。

図６’は、本発明の一実施形態に係るスプレー冷却システムの断面図である。具体的に、ＤＵＴ６６０’は、ＤＵＴ負荷ボード（図示せず）に取り付けられているシールプレート６７０’に設置されている。上述した組み立て体は、従来方式によって試験アダプタに接続された負荷ボードに取り付けられる。本実施例において、スプレー槽６２５’は、スライド式のシール部材６３０’を用いたシールを構成するように、シールプレート６７０’に押し付けられている。対物レンズハウジング６０５’は、スプレーヘッド６１０’に内蔵され、スプレー槽６２５’内に密閉状態で収容されている。ポンプ６８０’は、冷却装置６５０’のような液体温度調整システムに液体を戻すために用いられており、通常１気圧に設定される槽内部６３５’の圧力も調整することができる。この所望するスプレー槽の内圧は、（与えられた実施例の中で）用いる冷却剤の特性及び望ましい沸点に基づいて計算することができることを理解すべきである。

ポンプ６６５’は、冷却剤を、噴霧器の傾斜部（banks）６１５’を経由し、ＤＵＴに注入するため、供給パイプ６９５’を通って吸い上げるのに用いられる。一つの実施形態では、冷却剤は、通電状態のＤＵＴ６６０’上に噴射される。そうすると、冷却剤は、沸点まで加熱されて蒸発し槽内部６３５’で蒸気が形成される。この蒸気は、スプレー槽６２５’の内壁に凝集して流路６５５’を通って排出し、ポンプ６８０’に戻る。冷却装置の負荷は多くなるが、この蒸気は、冷却装置６５０’に直接送り込まれてもよい。他の実施形態において、冷却剤は気化せずにＤＵＴから熱を単に吸収する。そうすると、気化していない冷却液が液体温度調整システムに戻される。２つの温度管理の概要を提示したが、流体の吸熱及び蒸発による相対的な冷却能力は、例えば、上記したように、異なる流体、ノズルの設計及び数、流量、流体温度並びに槽内圧力を選択することによって調整可能であることは、当事者であれば認識可能である。

流体は、ＤＵＴに噴霧される前に、冷却装置６５０’を通って循環されるようにしてもよい。本実施形態において、冷却剤は例えばハイドロフルオロエーテルやペルフルオロカーボンといった高い蒸気圧を有するものが用いられる。そのため、このような冷却剤は空気に触れると直ちに蒸発する。それゆえ、本実施形態に示すように、冷却システム全体が閉ループシステムとなる。この閉ループシステムは、例えば、付加的な蒸気損失を軽減する還流凝集装置のような蒸気回収システムと連動操作される電磁弁６８５’を介して通気するように構成してもよい。このような目的のために、液体温度調整システム６５０’は、例えば大気圧より大きい１０ｐｓｉ又は−１気圧の完全な真空状態というように、高圧及び低圧のどちらにも操作可能な密閉された冷却剤貯蔵器６９０’を備える。この冷却剤貯蔵器６９０’は、冷却剤から図示しない冷却コイルへの熱伝達を促進するための図示しない流体攪拌システムを含んできてもよい。この例において、冷却装置６５０’及び貯蔵器６９０’は、例えば−８０℃以下の低温で操作することができる。

このシステムを用い、いかなる操作状況下でも試験が行えるよう、ＤＵＴの温度は様々に変化させることができる。例えば、操作者がＤＵＴの試験を行うために一定の操作温度を入力することもできる。一実施形態として、実際のＤＵＴの温度は、当業者に周知であるような方法で、図示しないＡＴＥによって検出することができる。例えば、温度ダイオードは、ＤＵＴに埋め込まれて信号をＡＴＥに送信する。この技術は、例えば、ＤＵＴが加熱され過ぎた場合装置が停止するように、安全上の理由から通常行われている。一方、本実施形態によれば、ＤＵＴの温度は、ＡＴＥからコントローラ６００’に送信される。コントローラ６００’は、実際のＤＵＴの温度を用い、ＤＵＴの温度が操作者によって設定された温度となるように冷却レートを調整する。コントローラ６００’は、冷却レートを調整するために、例えば、冷却剤の流量、冷却剤の温度、又は、冷却液の沸点を変えるための槽内の圧力を調整することができる。

図５’、図６’及び上にも暗に示されているように、本発明の冷却システムの制御を行うために、様々なセンサや器具を用いるように構成してもよい。圧力トランスデューサ６２０’は、ポンプ６６５’の動作速度を調整するために、冷却剤の供給圧力を計測している。更に、圧力トランスデューサ６２２’は、スプレー槽内の適正な冷却剤の沸点を得るための電磁バルブ６２２’を調整するために、スプレー槽内部の圧力を計測している。スプレー槽内の蒸気温度は、温度センサ６４５’で計測する一方、温度センサ６４０’は、供給口の近くの冷却剤の温度を計測するために用いられている。特に、スプレー槽の圧力と蒸気温度（すなわち、冷却剤の飽和温度）から、通電状態のＤＵＴに供給される冷却剤の熱力学的状態を測定できる。機械式な圧力除去バルブ６２６’は、電磁バルブ６８５’が故障したときに、安全に圧力除去を行う。

図５’及び図６’に示される実施形態においては、冷却剤を噴霧したことによる撮像への影響はできるだけ最小限とされることが必要だ。これを実現するための一つの方法は、撮像システムの光軸に噴霧が入らないように、オプションのシールド６０２’を用いることである。この方法によれば、対物レンズハウジングがＤＵＴの特定領域画像上に移動しても、ＤＵＴの特定領域を噴霧から保護するために、シールドをＤＵＴに接触又は近接させることができる。一方、このシールドの使用を避けたいのであれば、スプレーは、使用される光の波長において最適な画像が得られるように調整される必要がある。すなわち、顕微鏡の操作に応じて噴霧の液滴直径を制御する必要がある。例えば、白色光を用いて画像化したり、もしくは、発光を赤外線によって検出することもできる。これらの異なる波長は、噴霧の液滴直径を適切に選択することで、よりよい画像を得ることができる。これは、予め選択しておくこともできるし、試験中に操作者によって選択することもできる。一方、さらなる本発明の側面として、固体液浸レンズ（ＳＩＬ）を対物レンズと共に用いることにより、よりよい画像を得ることができる。このＳＩＬは、用いる冷却剤噴霧の形式及び方法をほとんど考慮しなくても、ＤＵＴと対物レンズの間の光学的エネルギーを伝達することができる。それゆえ、最も効果的に除熱できる噴霧器や流体圧力を選択することができる。

図５は、本発明による冷却システムの他の実施形態の分解斜視図である。この図５に示されている冷却システムも、ＩＣの検査及び／又は試験に用いられるいかなる種類の顕微鏡と共にでも用いることができる。明確にするために、図５には、この冷却システムと関係する部分であり、光学検査／プロービングシステムの一部である対物レンズのみを示してある。対物レンズハウジング５０５は、試験システムの対物レンズを収納している。ハウジング５０５及び対物レンズは、全体で、例えばプローブヘッドのような、システムの受光器を形成している。透明熱拡散体５１０は、ホルダ５５０上に取り付けられており、このホルダは一般的に金属製ホルダである。熱拡散体は、用いる特定の試験装置により観察される放射光の波長を透過する材料によってできている。赤外線、可視光、紫外線には、例えば酸化アルミニウムや酸化シリコンもしくはその混合物などのセラミックによって熱拡散体を形成することができる。一つの実施形態では、透明熱拡散体５１０は、たとえばインジウムからなるハンダを用いてホルダ５５０にハンダ付けされている。

噴霧器５１５は、熱拡散体５１０の周辺上に冷却剤を噴霧するように配されている。図中の噴霧器は、大きさ、数及び配置に関して概要的に示されている。例えば、熱拡散体５１０の２つの対向する側辺に噴霧器の２つの傾斜部（banks）が示されているが、熱拡散体５１０の周辺全体を冷却するように４つの傾斜部が備えられていてもよい。この開示と関連して、本明細書において “流体”の用語は、冷却媒体の液体及び気体形式の両方を表すために用いられている。

組み立て体の全体は、上表面にシール部材５３０が備えられたスプレー槽５２５内部に設置されている。このスプレー槽５２５は、例えばｘ−ｙ−ｚステージのような図示しない平行移動ステージに取り付けられている。スライド式のシール部材を用いた実施形態において試験を行うときは、スライド式シール部材５３０は、シールプレート５８０と共に密閉状態を作るように、スプレー槽５２５は、シールプレート５８０と接するようにする。シールは、密閉状態でもよいが、密閉されなくてもよい。この方法では、画像化されるＤＵＴの特定領域に対物レンズを位置合わせするように、スプレー槽５２５をシールプレート５８０との密閉状態を保持したまま移動させてもよい。あるいは、対物レンズハウジング５０５は、熱拡散体５１０に対して移動可能としてもよい。これにより、一度ＤＵＴに対して熱拡散体５１０を適合させてしまえば、ＤＵＴの異なる位置での試験では移動させる必要くなる。

他の実施形態においてハウジング５２５は、図示しない柔軟性のあるベローズを介してシールプレート５８０に接続される。ベローズの材質は、冷却剤の温度及び化学的特性と相性のよいものとするのが好ましい。用いる可能性のある材料としては、折りたたまれた薄肉鋼及びゴムなどが含まれる。

試験中、流体は、冷却剤供給多岐管５５５を通って噴霧器５１５に供給される。冷却剤の沸点は、ソレノイド５２０もしくは他の手段を用いてスプレー槽５２５内部の圧力を制御することにより調整することができる。本発明の１つの実施形態では、冷却剤の温度は、温度センサ５４１によって計測され、スプレー槽内の蒸気の温度は、温度センサ５４５によって計測される一方、スプレー槽５２５内部の圧力は、圧力トランスデューサ５５２によって計測され、冷却剤の供給圧力は、圧力トランスデューサ５４０によって計測される。安全な計測を行うために、機械式の圧力逃がしバルブ５３５が任意で備えられている。冷却剤の温度やスプレー槽内の圧力を固定又は変化させるために、計測された冷却剤の供給圧力は、要求されたＤＵＴの温度のために適切な冷却剤の供給圧力が保証されるよう、コントローラへフィードバックされる。流量ひいては冷却速度も、冷却剤の供給圧力を調整することにより制御できる。

図６は、本発明の他の実施形態に係る噴霧冷却システムの断面図である。具体的に、ＤＵＴ６６０は、図示しないＤＵＴ用ソケットが装着されたＤＵＴ保持フレーム６７２に保持されている。シールプレート６７０は、従来方式により試験アダプタに接続される図示しないＤＵＴの負荷ボードに備えられている。本実施例において、スライド式のシール部材６３０を用いたシールを形成するように、スプレー槽６２５はシールプレート６７０に押し付けられる。対物レンズハウジング６０５は、スプレーヘッド６１５に備えられている透明熱拡散体６１７の下に設置されている。ポンプ６８０は、流体を、例えば冷却装置６５０のような流体温度制御システムに戻すために用いられており、通常１気圧に設定される槽内部６３５の圧力も調整することができる。この所望するスプレー槽の内圧は、（与えられた実施例の中で）用いる冷却剤の特性及び望ましい沸点に基づいて計算することができることを理解すべきである。

ポンプ６６５は、冷却剤を、スプレーヘッド、すなわち噴霧器の傾斜部６１５を経由して透明熱拡散体に注入するため、供給パイプ６９５を通過させ吸い上げるのに用いられる。一実施形態では、冷却剤は、熱拡散体６１７上に液体状態でスプレーされる。そうすると冷却剤は、沸点まで加熱され、槽内部６３５で蒸発して気体状態になる。この蒸気は、スプレー槽６２５の内壁に凝集して流路６５５を通って排出され、ポンプ６８０に戻ってもよい。冷却装置の負荷は多くなるが、この蒸気は、冷却装置６５０に直接送り込まれてもよい。他の実施形態において、冷却剤は、気化せずに熱拡散体６１７から熱を単純に吸収するようにしてもよい。そうすると、気体状態ではない液体が流体温度調整システムに戻される。２つの温度管理の概要を提示したが、流体の吸熱及び蒸発による相対的な冷却能力は、例えば、上記したように、異なる流体、ノズルの設計及び数、流量、流体温度並びに槽内圧力を選択することによって調整可能であることは、当事者であれば認識可能である。

流体は、熱拡散体６１７に噴射される前に、流体温度調整システム６５０を通って循環するようにしてもよい。本発明の詳細な実施形態として、冷却剤は、例えばハイドロフルオロエーテルやペルフルオロカーボンといった高い蒸気圧を有するものが用いられる。そのため、このような冷却剤は空気に触れると直ちに蒸発する。それゆえ、本実施形態に示すように、冷却システム全体は閉ループシステムとなる。この閉ループシステムは、例えば付加的な蒸気損失を軽減する還流凝集装置のような蒸気回収システムと連動操作される電磁弁６８５を介して通気するように構成してもよい。このよう目的のために、流体温度調整システム６５０は、例えば大気圧より大きい１０ｐｓｉ又は−１気圧の完全な真空状態というように、高圧及び低圧のどちらにも操作可能な密閉された冷却剤貯蔵器６９０を備える。この貯蔵器６９０は、冷却剤から図示しない冷却用コイルへの熱伝達を促進するための図示しない流体攪拌システムを含んでもよい。この例では、冷却装置６５０及び貯蔵手器６９０は、例えば−８０℃以下の低温で操作することができる。

このシステムを用い、いかなる操作状況下でも試験が行えるよう、ＤＵＴの温度は様々に変化させることができる。例えば、操作者がＤＵＴの試験を行うために一定の操作温度を入力することもできる。一実施形態として、実際のＤＵＴの温度は、当業者に周知であるような方法で、図示しないＡＴＥによって検出することができる。例えば、温度ダイオードは、ＤＵＴに埋め込まれて信号をＡＴＥに送信する。この技術は、例えば、ＤＵＴが加熱され過ぎた場合装置が停止するように、安全上の理由から通常行われている。一方、本実施形態によれば、ＤＵＴの温度は、ＡＴＥからコントローラ６００に送信される。コントローラ６００は、実際のＤＵＴの温度を用い、ＤＵＴの温度が操作者によって設定された温度となるように冷却レートを調整する。コントローラ６００は、冷却レートを調整するために、例えば、冷却剤の流量、冷却剤の温度、又は、冷却液の沸点を変えるためにスプレー槽内の圧力を調整することができる。

図５、図６及び上にも暗に示されているように、本発明の冷却システムの制御を行うために、様々なセンサや器具を用いるように構成してもよい。圧力トランスデューサ６２０は、ポンプ６６５の動作速度を調整するために、冷却剤の供給圧力を計測している。更に、圧力トランスデューサ６２２は、スプレー槽内の適正な冷却剤の沸点を得るための電磁バルブ６８５を調整するために、スプレー槽内部の圧力を計測している。状況に応じて、戻ってくる冷却剤の圧力を監視するために別のトランスデューサが備えられる。スプレー槽内の蒸気温度は、温度センサ６４５で計測する一方、温度センサ６４０は、供給口の近くの冷却剤の温度を計測するために用いられている。特に、スプレー槽の圧力と蒸気温度（すなわち、冷却剤の飽和温度）から、通電状態のＤＵＴに供給される冷却剤の熱力学的状態を測定できる。機械式な圧力除去バルブ６２６は、電磁バルブ６８５が故障したときに、安全に圧力除去を行う。

図５及び図６に示される実施形態においては、冷却剤を噴霧したことによる撮像への影響は最小限度とされることが必要だ。これを実現するための一つの方法は、可視化システムの光軸に噴霧が入らないように、シールドとして動作する熱拡散キャリア５５０,６１８を用いることである。この方法において、対物レンズの視野が流体によって遮られることがないように、噴射される流体は、熱拡散体の周辺だけに影響する。けれども、上述したように、効果的に熱拡散体周辺の温度制御を行うことは、効果的にＤＵＴの温度制御を行うことに帰着する。それゆえ、ここに記載されている実施形態は、ＤＵＴの温度制御に非常に効果的である。

上記のように、オイル若しくはその他の高屈折率を有する液体を熱拡散体とＤＵＴの間に配しても良い。加えて、本発明の様々な実施形態において、オイルやその他の高屈折率の液体は、熱拡散体と対物レンズの間に配されていても良い。他の実施形態において、効果的にＤＵＴから集光してその光を対物レンズに誘導するために、固体液浸レンズ（ＳＩＬ）６１９が熱拡散体に接するように備えられている。このＳＩＬは、ＤＵＴと対物レンズの間の光学的エネルギーを伝達することができ、単独で用いても、高屈折率の液体と共に用いてもよい。

固体液浸レンズ（ＳＩＬ）はいわゆる当事者にとって周知であり、例えば、参照によってここに組み込まれるＵＳＰ5,004,307、5,208,648及び5,282,088中に表記されている。図６には、任意のＳＩＬと共に用いられる本発明の冷却システムの実施形態が破線によって示されている。この実施形態では、ＳＩＬ６１９が対物レンズハウジング６０５の先端に取り付けられている。この実施において、エバネッセント波のエネルギーの伝達を許容できるように、ＳＩＬ６１９は熱拡散体６１７に“結合”している。すなわち、臨界角（臨界角は、内部反射の発生の合計による）より広角度における熱拡散体６１７内の光伝播をとらえることができるように、ＳＩＬは熱拡散体に結合している。いわゆる当業者に周知であるように、物理的に撮像される対象物体に接触させたり、対象物に極めて近接させて（２０−２００マイクロメータの間隔で）設置したり、屈折率整合材料又は屈折率整合流体を使用することで、結合を実施することができる。

図５及び図６に示されている実施形態には、噴霧器の２つの傾斜部が示されている。しかしながら、噴霧器の数や、噴霧器の傾斜部の数は、単なる例として設置しただけであり、異なる数や配置にしてもよいと解されるべきである。例えば、直線状よりむしろ噴霧器は対物レンズハウジングの周囲に円を描くように設置してもよい。さらに、様々な注入部を異なる噴霧速度によって操作したり、また様々な注入部を、異なる冷却剤、もしくは同じ冷却剤で異なる流体温度である冷却剤と共に設置するよう構成してもよい。任意により、異なる角度でスプレーを取り付けられるように、異なるスプレーヘッドを適合させるようにしてもよい。

従来型の試験ヘッドの有するアダプタにＤＵＴを取り付ける模範的な配置を図７に示す。ＤＵＴ７６０は、ＤＵＴボード７９０上の図示しないソケットを介して、保持フレーム７７０によって保持されている。ＤＵＴの保持フレーム７７０とＤＵＴキャリア７６５との間にＯリング７１０を介してもよい。更に、Ｏリング７２０をシールプレート７８０と負荷ボード７９０との間に介してもよい。

図８には、工夫された冷却システムの更に他の実施形態が示されている。この実施形態では、透明熱拡散体８６４はＤＵＴ８６０に押し付けられるように設置されており、順に、デバイス運搬手段８６６及びソケット８６２に備え付けられている。熱拡散体８６４は、光学系キャリアによるというよりむしろ、保持フレーム８６１により保持されている。噴霧器の傾斜部８１５は、熱拡散体８６４の周辺に設置されている。この特別な例では、任意であるシール部材８６７が、シールプレート８７０、ソケット８６２及びＤＵＴボード８６３の間に介している。これにより、これらの各部材間の空隙において蒸気が逃げないようにしている。

シール部材８３０とシールプレート８７０とで密閉できるように、スプレー槽８２５は、シールプレート８７０に押し付けられている。スプレー槽内部８３５の状態は、圧力トランスデューサ８２２及び温度センサ８４５を用いてモニタリングされている。スプレー槽内部８３５の圧力は、電磁バルブ８８５を用いて調整される。加えて、機械的な圧力除去バルブ８２６が安全のため備えられている。

冷却剤は、供給ポンプ８６５を用いて噴霧器の傾斜部８１５に供給されている。供給される流体の圧力は、圧力トランスデューサ８２０によって計測されており、その温度は温度センサ８４０によって計測されている。噴霧した後、流体は収集され、冷却剤容器８９０へポンプによって戻されている。冷却装置内部の圧力は圧力トランスデューサ８９１によってモニタリングされている一方で、冷却装置内の液面は、温度管理制御のために追加可能であるレベル検出手段８９６によってモニタリングされている。機械的な圧力除去バルブ８９２は、安全のために設置されている。冷却装置内部の流体温度は、冷却装置用コイル８９３及びヒータ８９４を用いて調整されている。図示されているように、すべてのセンサ、アクチュエータやポンプは、コンピュータ／コントローラ８００に接続されている。

周知のように、ＤＵＴを検査するためにＤＵＴを薄くするのが通例である。その結果、デバイスが発熱してもＤＵＴ全体にわたって熱は十分に拡散せず、局部集中した高温点が生じる。本実施形態において、透明熱拡散体８６４は、局部集中した高温点からの熱拡散を促進するためにＤＵＴ８６４に設置されている。スプレーは、例えばシリコン、サファイア、ダイヤモンド等からなる熱拡散体８６４の周辺に適用される。

図９ａ及び図９ｂは、図８の実施形態において用いられている熱拡散体の保持フレームを有するＤＵＴの保持ホルダの構成を示す断面図である。ＤＵＴ９６０は、保持フレーム９７０によって保持されている透明熱拡散体９７４によってソケット９６５に接触して保持されている。Ｏリング９２０は、ＤＵＴキャリア９６２とソケット９６５との間に設置されている。例えばインジウム、エポキシ系接着剤、シリコンシーリング材もしくはそのようなものを用いて、透明熱拡散体９７４は、保持フレーム９７０へ密閉されるようにしてもよい。熱伝導を促進するためにインジウムからなるハンダを用いてもよい。保持フレーム９７０は、ネジによって取り付けてもよいし、さもなければ（図示しない）試験アダプタに取り付けてもよい。流入口９１５及び排出口９１７は保持フレーム９７０に備えられている。図９ａ及び図９ｂから分かるように、保持フレーム９７０、熱拡散体９７４及びソケット９６５によって隙間９９０を規定している。冷却剤は、図９ａに示すように流入口９１５及び排出口９１７を用いて隙間９９０で循環されている。一方、図９ｂでは、スプレーヘッド９１６を用いて冷却剤が隙間９９０に噴射され、排出口９１７を用いて排出される。特に、いずれかの例においても、冷却剤は対象の光学経路を循環せず、むしろ熱拡散体９７４の周辺及びＤＵＴ９６０のみを冷却する。もし、使用済みの冷却剤を収集することが重要でないならば、例えば、冷却剤が気体状の窒素か液体窒素である場合、排出口９１７は、フレーム９７０とソケット９６５との間を密閉しないように設定されていてもよい。このような場合において、使用済みの冷却剤は、密閉しないように設定された排出口を通って大気中に蒸散させてもよい。

図１０は、ＤＵＴに接触するように保持される透明熱拡散体の配置を示す断面図である。この実施例は、図５及び図６の実施例と共に用いてもよい。換言すれば、この実施例において透明熱拡散体はＤＵＴに押し付けられるように設置されている一方、ＤＵＴは、デバイス用ソケットに取り付けられている。図示されているように、ＤＵＴ１０６０は、ＤＵＴキャリア１０６５に取り付けられている。ＤＵＴキャリア１０６５は、（例えば、コンデンサのような）周辺デバイス１０２０含んでいてもよいし含まなくてもよい。試験の前に、透明熱拡散体１０７４は、中間に屈折率整合流体を介して、又は介さないでＤＵＴ１０６０に押し付けられる。熱拡散体１０７４は、例えばインジウムのハンダ１０１２によってそのホルダ１０７０に取り付けられている。噴霧器が熱拡散体の周辺にスプレーするように、噴霧器１０１５はホルダ１０７０に取り付けられている。図示するように、熱拡散体の中央部に噴霧が届かないように、また、光学経路を塞がないようにするために、ホルダ１０７０は“シールド”として機能している。

図１１は、ＤＵＴに接触するように保持される透明熱拡散体の配置を示す断面図である。この実施例は、図５及び図６の実施例と共に用いてもよい。しかしながらこの実施形態は、図５及び６に示されているような蒸発室を有しない実施形態と共にも用いることができる。特に、この実施形態において、噴射される流体は、熱拡散体ホルダを満たし、温度調整のために冷却装置に循環している。図示するように、ＤＵＴ１１６０は、ＤＵＴキャリア１１６５に取り付けられている。ＤＵＴキャリア１１６５は、例えば、キャパシタのような周辺デバイス１１２０を含んでいてもよいし含んでいなくてもよい。試験の前に、透明熱拡散体１１７４は、中間に屈折率整合流体を介して、又は介さないでＤＵＴ１１６０に押し付けられる。熱拡散体１１７４は、例えばインジウムのハンダ１１１２によってそのホルダ１１７０に取り付けられている。ホルダ１１７０は、例えば金属などの固体部分１１８０と中空部分１１７５とからなる。噴霧器１１１５は、図示するようにホルダ１１７０の中空部分の内部に設けられている。噴霧器は、ホルダ１１７０の固体部分１１８０にスプレーする。流体は、冷却装置に収集され、又は循環するために中空部分１１７５を流れ落ちる。このような構成にすることで、ＤＵＴからの熱は、熱拡散体１１７４、そして固体部分１１８０に伝導され、それから噴霧器からのスプレーにより取り除かれる。このように流体の経路が“閉ループ”であるので、密閉プレートや、もしくはこのような類のものは用いる必要がなく、この構成を様々な試験状況下で容易に用いることができる。

図１２の分解図に、本発明の他の実施形態を示す。この実施形態において、ＤＵＴ及び熱拡散体は、ＰＣボード上に固定したり、ＡＴＥやその他の試験装置の試験作業台上に構成することもできる。この熱拡散体への冷却は、ＤＵＴ−ＰＣボードの配置から分離され且つ隔てられて提供される。ＰＣボード、ＤＵＴ及び熱拡散体が、その他の試験及び冷却システムから分離及び独立して配され、作業台上に容易に組み立てられ、試験システム上に移動又は構成されるので、この実施形態は特に有用である。

ＰＣボード組み立て品は、ソケット１２６５及びＤＵＴ用パッケージ１２８５上に実装された従来型のＰＣボード１２００を備えている。ＤＵＴ１２６０は、従来の方法によってソケット１２６５上に固定されている。透明熱拡散体１２７４は、屈折率整合流体を伴って又は伴わないで、ＤＵＴ１２６０上に設置されている。熱拡散体１２７４は、銅の留め金１２３０やインジウムのガスケット１２２２を用いてＤＵＴ１２６０に押し当てられている。全体の組み立て部品は、ボルト１２５０を通してガイドピン１２５５によって位置合わせした鉄の留め金１２４０によって固定されている。

スプレー冷却組立品は、注入スプレー槽１２４５及び排出スプレー槽１２７５を有する２つの中空スプレー槽を備えたホルダ１２７０を含んでいる。冷却噴霧組立品は、インジウム製ガスケット１２１２を間に備えて、銅製ＤＵＴ用留め金１２３０に対して押し当てられている。インジウムガスケットは、分離又は置換可能としてもよく、もしくはホルダ１２７０にハンダ付けされてもよい。冷却剤は、注入スプレー槽１２４５に注入され、噴射器１２１５によってホルダ１２７０の上部にスプレーされる。そして、噴射された流体は、排出スプレー槽を流れ落ち、温度調整のために冷却器に注入される。

図６及び図８に示す実施形態では、冷却剤が収集され、冷却器システムに戻ることが示されている。しかしながら、これは必ずしも必要ではない。例えば、冷却剤を冷却空気としてもよい。この場合、噴射後の冷却剤の収集を要せず、空気を冷却して加圧下でスプレーヘッドに供給してもよい。そのため、たとえば、ポンプ６８０及び８８０を除去してもよい。一方、一般に、半導体チップを研究している機関では容易に液体窒素を入手できる。それゆえ、本発明の実施形態に液体窒素を用いることができる。

図１３は、液体窒素を冷却剤として用いた実施例が示されている。半導体を取り扱っているほとんどの研究設備及び製造設備は、容易に入手できる“いつでも使える”液体窒素を有している。すなわち、出口バルブ連結部１３８２を通って加圧された液体窒素を供給する設備が備えられている。その結果、冷却剤を供給するこのような設備を用いれば、図６や図８に示されているようなポンプや熱交換器を用いる必要がない。それどころか液体窒素は、スプレーヘッド１３１５に直接供給することができる。

一度、熱拡散体１３１７上に液体窒素が噴霧されると、この液体窒素は収集されてもされなくてもよい。換言すれば、“使用済み”の窒素が排出口１３５５を通って回収できる密閉環境を構成するために、シールリング１３３０及びシールプレート１３７０と共に冷却チャンバー１３２５を用いることもできる。一方、使用済みの窒素は、大気中に排気することもできる。この場合、冷却チャンバー及びスプレーヘッド１３１５を設ける必要はなく、冷却プレート１３１７は環境に対して開放されてもよい。

図５及び図６の具体例のように、本発明の冷却システムの制御を行うために、様々なセンサや器具を用いるように構成してもよい。圧力トランスデューサ１３２０は、バルブ１３８３を調整するために、供給される冷却剤の圧力を計測する。加えて、圧力トランスデューサ１３２２は、電磁弁１３８５を調整するために、スプレーチャンバー内の圧力を計測する。スプレーチャンバー内部の蒸気の温度は、温度センサ１３４５で計測されている一方、温度センサ１３４０は、供給口近くの冷却剤の温度を計測するために用いられている。機械的な圧力除去バルブ１３２６は、電磁バルブ１３８５の故障に備えた、圧力除去を行う安全装置である。容易に分かるように、装置が使用済みの窒素を大気中に放出するように設計されるならば、いくつかの又は全てのこのような様々のセンサやトランスデューサを変更及び除外してもよい。

図１４には、本発明装置の他の実施形態が示されており、この中には、透明熱拡散体１４７４がホルダ１４７０を介して対物レンズ部組立品１４０５に移動可能に取り付けられている。この実施形態において、ホルダ１４７０はハウジング１４７５内を自由にスライドすることができるか、もしくは、バネ仕掛け、又はホルダ１４７０内に柔軟に取り付けられている。この配置は、一度、熱拡散体１４７４が（ソケット１４８５上に取り付けられた）ＤＵＴ１４６０に設置されても、対物レンズ部１４０５が適した焦点に届くよう、さらに移動できるようになされている。ホルダ１４７０がバネ仕掛けである場合、いかなる機械的な動き又は振動を、防止又は減少させるために、透明熱拡散体１４７４はＤＵＴ１４６０に物理的に押し付けることができる。冷却剤は、パイプ又はホース１４８０を通ってスプレーヘッド１４１５に供給される。スプレーヘッド１４１５は、供給される冷却剤を熱拡散体１４７４上に噴射する。任意により、スプレーヘッド１４１５はＤＵＴ自体の上に冷却剤を供給できるようにすることもできる。任意により、ホルダ１４７０を円筒状に形成し、円筒ハウジング１４７５に移動可能に取り付けることができる。このような配置は、円筒ホルダ１４７０が、冷却剤が光学経路に達することを防ぐという点で有利である。図１４に例示されるように、この実施形態の配置は、例えば、図１ａに示すような従来の熱拡散体１１０のような他の透明熱拡散体１４１０と併用して用いることができる。この場合、熱拡散体１４７４は、熱拡散体１４６０に押し付けられる。更に、任意により、例えば、図１ａに示す従来の冷却管１２０のような冷却管が、熱拡散体１４１０の内部に、又は接触して備えられてもよい。

図１５は、本発明の冷却システムの更なる実施形態の概略図であり、ここには、従来の冷却プレート１５４０が用いられている。この従来の冷却プレートは、透明熱拡散体１５１０’、冷却剤の流入口／排出口との接続部１５７０、及び冷却剤管１５３０を含んでいる。熱拡散体１５１０’は、インジウムのハンダを介して冷却プレートに接続してもよい。しかしながら、この実施例によれば、熱拡散体の周囲からの除熱を促進するために、冷却プレート上に冷却スプレーを設けるようスプレーヘッド１５１５は配されている。

以上、特定の実施形態を参照して本発明について説明してきたが、本発明はこのような実施例のみに限定されるものではない。特に、添付した特許請求の範囲によって定義される本発明の精神と範囲から逸脱しない限りにおいて、いわゆる当業者によって様々な変化や変更が実施されてもよい。

図１ａ〜図１ｃは、従来技術における冷却プレートシステムを示したものである。
図２は、有限要素法によって求められた、境界条件としての透明熱拡散体の最高温度を示したグラフである。
図３は、ＤＵＴに２０Ｗ／ｃｍ^２の電力を供給したときの、実験的に計測した温度と従来の透明熱拡散体部の直径とを示したものである。
図４は、ＤＵＴに２０Ｗ／ｃｍ^２の電力を供給したときの油膜厚さの機能に対する最大ダイ温度を示すグラフである。
図５’は、本発明の実施形態に係る冷却装置の分解図であり、図５は、本発明の実施形態に係る冷却プレートを備えた冷却システムの分解図である。
図６’は、本発明の実施形態に係る冷却システムの断面図であり、図６は、本発明の実施形態に係る冷却プレートを備えた冷却システムの断面図である。
図７は、本発明の実施形態に係る他の冷却システムを示す断面図である。
図８は、本発明の実施形態に係る他の冷却システムを示す概略図である。
図９ａ及び図９ｂは、二者択一の本発明の実施形態に係る、冷却プレートホルダが配されたＤＵＴの断面図である。
図１０は、本発明の実施形態に係る、冷却プレートホルダが配されたＤＵＴの断面図である。
図１１は、本発明の実施形態に係る、冷却プレートホルダが配されたＤＵＴの断面図である。
図１２は、本発明の実施形態に係る他の冷却システムを示す概略図である。
図１３は、本発明の実施形態に係る他の冷却システムを示す概略図である。
図１４は、本発明の実施形態に係る他の冷却システムを示す概略図である。
図１５は、更に、本発明の実施形態に係る冷却システムを示す概略図である。

Claims (64)

1. 半導体チップ上に設けられるように構成された透明熱拡散体と、
   前記透明熱拡散体の少なくとも一部分上に冷却剤スプレーを供給するように設けられた少なくとも１つのスプレーヘッドと、
   前記スプレーヘッドに前記冷却剤を供給する冷却剤供給システムと、
   を備えたことを特徴とする半導体チップ温度管理システム。
2. 前記冷却剤は、水、液体窒素、冷却空気、ハイドロフルオロエーテル、ペルフルオロカーボンのうち、いずれか１つ、又はこれらを組み合わせたものを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体チップ温度管理システム。
3. 冷却剤温度調整システムと、
   前記冷却剤を前記温度調整システムから前記スプレーヘッドに供給する冷却剤移動機構と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体チップ温度管理システム。
4. 回収された前記冷却剤を前記冷却剤温度調整システムに供給する冷却剤回収システムを更に備えたことを特徴とする請求項３記載の半導体チップ温度管理システム。
5. 前記スプレーヘッドは、前記透明熱拡散体の周囲にのみ冷却剤スプレーを供給するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体チップ温度管理システム。
6. 前記透明熱拡散体を取り付けるホルダを更に備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体チップ温度管理システム。
7. 前記透明熱拡散体は、インジウムのハンダを介して前記ホルダに取り付けられることを特徴とする請求項６記載の半導体チップ温度管理システム。
8. 前記ホルダは、前記冷却剤スプレーから前記透明熱拡散体の内側部を保護することを特徴とする請求項６記載の半導体チップ温度管理システム。
9. 前記半導体チップに臨む一面を備えた冷却チャンバーと、
   前記冷却チャンバーの前記半導体チップに臨む一面に備えられたシール部材と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体チップ温度管理システム。
10. 前記半導体チップと前記透明熱拡散体との間に透明プレートを更に備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体チップ温度管理システム。
11. ＩＣを活性化させるＩＣテスタと共に用いられるＩＣ温度管理システムであって、
    前記ＩＣ上に設けられた透明熱拡散体と、
    前記熱拡散体に係合可能な上部を備えたホルダと、
    前記熱拡散体から熱を除去するために冷却剤スプレーを提供する少なくとも１つのスプレーヘッドと、
    を備えたことを特徴とする集積回路（ＩＣ）温度管理システム。
12. 前記冷却剤は、水、液体窒素、冷却空気、ハイドロフルオロエーテル、ペルフルオロカーボンのうち、いずれか１つ、又はこれらを組み合わせたものを含むことを特徴とする請求項１１記載の集積回路（ＩＣ）温度管理システム。
13. 冷却剤温度調整システムと、
    流体移動機構と、
    前記冷却剤を前記流体移動機構を介して前記温度調整システムから前記スプレーヘッドに供給する流体配管と、
    を更に備えたことを特徴とする請求項１１記載のＩＣ温度管理システム。
14. 前記ホルダは、前記スプレーヘッドが設置される位置の内側に供給導管穴を備えたことを特徴とする請求項１１記載のＩＣ温度管理御システム。
15. 前記ホルダは、スプレーされた冷却流体が通って回収される戻し導管を更に備えたことを特徴とする請求項１４記載のＩＣ温度管理システム。
16. 前記ホルダと前記熱拡散体との間にインジウムのガスケットを更に備えたことを特徴とする請求項１５記載のＩＣ温度管理システム。
17. 前記熱拡散体の上に金属の留め金を更に備えたことを特徴とする請求項１６記載のＩＣ温度管理システム。
18. 前記金属の留め金と前記熱拡散体との間にインジウムのガスケットを備えたことを特徴とする請求項１７記載のＩＣ管理システム。
19. 前記温度調整システムは、冷却装置であることを特徴とする請求項１３記載の半導体チップ温度管理システム。
20. 前記流体移動機構は、ポンプであることを特徴とする請求項１３記載の半導体チップ温度管理システム。
21. ＩＣの温度制御のための温度管理システムを含む集積回路（ＩＣ）試験用診断機取り付け具であって、
    前記ＩＣを保持及び電気的な接続を提供するボードと、
    前記ＩＣ上に備えられ透明熱拡散体を有する第１の冷却プレートと、
    前記第１の冷却プレートに物理的に接触するプレートホルダと、
    冷却剤スプレーを供給する少なくとも１つのスプレーヘッドと、
    を備えたことを特徴とするＩＣ試験用診断機取り付け具。
22. 前記冷却剤は、液体窒素、冷却空気、ハイドロフルオロエーテル及びペルフルオロカーボンのうちの１つを含むことを特徴とする請求項２１記載の診断機取り付け具。
23. 前記熱拡散体と物理的に接触するホルダを更に備え、前記スプレーヘッドは、前記ホルダに取り付けられていることを特徴とする請求項２１記載の診断機取り付け具。
24. 前記ホルダは、穴であり、前記スプレーヘッドは、前記ホルダの内部に設けられたことを特徴とする請求項２３記載の診断機取り付け具。
25. 前記ホルダは、前記第１の冷却プレートにハンダ付けされたことを特徴とする請求項２３記載の診断機取り付け具。
26. 前記ＩＣと前記第１の冷却プレートとの間に第２の冷却プレートを更に備えたことを特徴とする請求項２１記載の診断機取り付け具。
27. 前記第２の冷却プレートは、冷却剤が循環する冷却剤管を備えたことを特徴とする請求項２６記載の診断機取り付け具。
28. ＩＣを制御する温度管理システムを含む集積回路（ＩＣ）の診断プローブと共に使用するための診断機取り付け具であって、
    前記ＩＣを保持及び電気的な接続を提供するソケットと、
    前記ＩＣ上に設けられた透明冷却プレートと、
    前記冷却プレートと物理的に接触し冷却剤の注入口を有するプレートホルダと、
    を備え、
    前記ソケット、ＩＣ、プレートホルダは、前記冷却剤の注入口より供給される循環冷却剤のための空間を規定し、前記冷却剤は、前記プローブの光学経路に達しないように透過冷却プレート及びＩＣの周囲部分にのみ接触する
    ことを特徴とする診断機取り付け具。
29. 前記冷却剤注入口と結合した少なくとも１つのスプレーヘッドを更に備えたことを特徴とする請求項２８記載の診断機取り付け具。
30. 診断を受ける集積回路（ＩＣ）の温度を制御する方法であって、
    ＩＣをソケットに取り付け、
    前記ＩＣ上に透明熱拡散体を設け、
    少なくとも１つのスプレーヘッドから前記透明熱拡散体上に冷却剤を注入する
    ことを特徴とする温度制御方法。
31. チャンバーと、
    前記チャンバー内に設けられ半導体チップ上に液体スプレーを提供するための少なくとも１つのスプレーヘッドと、
    液体温度調整システムと、
    流体移動機構と、
    前記液体温度調整システムから前記流体移動機構を介して前記スプレーヘッドに冷却液を供給する注入配管と
    を備えたことを特徴とする半導体チップ温度管理システム。
32. 前記冷却チャンバーから前記液体温度調整システムへ回収された冷却液を供給する返還配管を更に備えたことを特徴とする請求項３１記載の半導体チップ温度管理システム。
33. 前記冷却チャンバー上に設けられたシール部材を更に備えたことを特徴とする請求項３１記載の半導体チップ温度管理システム。
34. 前記冷却チャンバー内の圧力を示す圧力センサデバイスを更に備えたことを特徴とする請求項３１の半導体チップ温度管理システム。
35. 前記冷却チャンバー内の温度を示す温度センサを更に備えたことを特徴とする請求項３１記載の半導体チップ温度管理システム。
36. 前記冷却チャンバー内に設けられ上部に前記スプレーヘッドを備えた冷却ヘッドを更に備えたことを特徴とする請求項３１記載の半導体チップ温度管理システム。
37. 少なくとも１つのスプレーヘッドは、前記冷却ヘッド上の少なくとも１つのスプレーヘッドの配列を含むことを特徴とする請求項３６記載の半導体チップ温度管理システム。
38. 冷却チャンバーは、そこに対物レンズハウジングを収容できる手段を有することを特徴とする請求項３１記載の半導体チップ温度管理システム。
39. 前記液体温度調整システムは、冷却装置であることを特徴とする請求項３１記載の半導体チップ温度管理システム。
40. 前記流体移動機構は、機械式ポンプであることを特徴とする請求項３１記載の半導体チップ温度管理システム。
41. ＩＣを活性化するＩＣテスタと共に用いられる集積回路（ＩＣ）温度管理システムであって、
    一方の側が集積回路（ＩＣ）に臨む冷却チャンバーと、
    前記冷却チャンバーのＩＣに臨む側に備えられたシール部材と、
    前記冷却チャンバー内に設けられ前記ＩＣ上に冷却液スプレーを提供する少なくとも１つのスプレーヘッドと、
    液体温度調整システムと、
    流体移動機構と、
    前記温度調整システムから前記流体移動機構を介して前記スプレーヘッドに冷却液を供給する注入配管と、
    回収された冷却液を前記冷却チャンバーから前記液体温度調整システムへ供給する返還配管と、
    を備えたことを特徴とするＩＣ温度管理システム。
42. 圧力信号及び温度信号を受け取り、前記ＩＣの温度制御システムの操作を前記信号に従って制御する制御機器を更に備えたことを特徴とする請求項４１記載のＩＣ温度管理システム。
43. 圧力信号及び温度信号を生成する圧力トランスデューサ及び温度センサを更に備えたことを特徴とする請求項４２記載のＩＣ温度管理システム。
44. 電磁バルブを更に備え、
    前記圧力信号は、冷却スプレー信号及びチャンバー圧力信号を含み、
    前記制御機器は、前記冷却スプレー信号に従って前記ポンプの速度調整を制御し、前記チャンバー圧力信号に従って前記電磁バルブ調整を制御する
    ことを特徴とする請求項４２記載のＩＣ温度管理システム。
45. 前記液体温度調整システムは、冷却装置であることを特徴とする請求項４１記載の半導体チップ温度管理システム。
46. 流体移動機構は、機械ポンプであることを特徴とする請求項４１記載の半導体チップ温度管理システム。
47. 前記ＩＣを支持し、前記シール部材と共にシールを形成するように構成されたシールプレートを更に備えたことを特徴とする請求項４１記載のＩＣ温度管理システム。
48. 前記シールプレートは、前記ＩＣへの冷却流体通路を提供する冷却流体管を更に備えたことを特徴とする請求項４４記載のＩＣ温度管理システム。
49. 受光器を備えたＩＣテスタと共に用いられる集積回路（ＩＣ）温度管理システムであって、
    前記受光器を収容し、前記ＩＣにその一方の側が臨む冷却チャンバーと、
    前記冷却チャンバーのＩＣが臨む側に設けられたシール部材と、
    前記冷却チャンバー内に設けられ前記ＩＣに冷却剤スプレーを提供する少なくとも１つのスプレーヘッドと、
    液体温度調整システムと、
    流体移動機構と、
    前記温度調整システムから前記流体移動機構を介して前記スプレーヘッドに冷却液を供給する注入配管と
    を備えたことを特徴とするＩＣ温度管理システム。
50. 回収された冷却液を前記冷却チャンバーから前記温度調整システムに供給する返還配管を更に備えたことを特徴とする請求項４９記載のＩＣ温度管理システム。
51. 前記受光器の最適操作を液体スプレーが妨害することを防ぐ手段を更に備えたことを特徴とする請求項４９記載のＩＣ温度管理システム。
52. 前記手段は、シールド部材であることを特徴とする請求項５１記載のＩＣ温度管理システム。
53. 前記手段は、固体液浸レンズであることを特徴とする請求項５１記載のＩＣ温度管理システム。
54. 前記受光器は、前記冷却チャンバー内に設けられた対物レンズハウジングであることを特徴とする請求項４９記載のＩＣ温度管理システム。
55. 前記液体温度調整システムは冷却装置であることを特徴とする請求項４９記載の半導体チップ温度管理システム。
56. 前記流体移動機構は、機械式ポンプであることを特徴とする請求項５５記載の半導体チップ温度管理システム。
57. 前記対物レンズハウジングの先端に固体対物レンズを更に備えたことを特徴とする請求項５４記載のＩＣ温度管理システム。
58. 試験されるＩＣの温度操作を制御する方法であって、
    少なくとも１つのスプレーヘッドを備えた冷却チャンバーをＩＣ上に取り付け、
    液体温度調整システムを介して冷却剤を循環させ、
    前記ＩＣ上に液体スプレーを提供するために、前記冷却チャンバーに冷却剤を提供する、
    ことを特徴とする方法。
59. ＩＣ上にスプレーされた冷却液を回収し、回収された冷却剤を前記温度調整システムに供給することを更に備えたことを特徴とする請求項５８記載の方法。
60. 前記冷却チャンバー内の圧力を計測し、計測した前記圧力に従って供給する冷却剤を制御することを更に備えたことを特徴とする請求項５８記載の方法。
61. 前記冷却剤の温度を計測し、計測した前記温度に従って供給する冷却剤を制御することを更に備えたことを特徴とする請求項５８記載の方法。
62. 冷却装置の貯蔵手段内部の流体量を計測し、計測された前記流体量に従って供給する冷却剤を制御することを特徴とする請求項５８記載の方法。
63. 前記冷却装置は、密閉された貯蔵手段を備えたことを特徴とする請求項３９記載の半導体チップ温度管理システム。
64. 半導体チップを覆う透明熱拡散体を更に備えたことを特徴とする請求項３１記載の半導体チップ温度管理システム。

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