JP2016192485A - ウエハ搭載台の温度制御装置及び温度制御方法並びにプローバ - Google Patents

Abstract

【課題】インラインヒータを使用せずに高精度で、且つ応答性能を速くするウエハ搭載台の温度制御装置及び温度制御方法並びにプローバを提供する。【解決手段】冷却機構２２は、ウエハ搭載台１２に冷却液を循環させる搭載台冷却ライン２４と、ヒートポンプ型冷凍機の冷媒と搭載台冷却ライン２４の冷却液とを熱交換する冷凍機ライン３４と、冷凍機ライン３４の凝縮器５６で冷媒を液化する際に発生する凝縮熱によりウエハ搭載台１２の出口側から分流した冷却液を加熱してウエハ搭載台１２の入口側に合流させる加熱ライン３６と、搭載台冷却ライン２４を循環させる冷却液と加熱ライン３６からウエハ搭載台の入口側に合流させる加熱液との混合比を調整する混合比調整手段３８と、ウエハ搭載台１２入口の冷却液温度を検出する温度検出手段４６と、温度検出手段４６の測定結果に基づいて混合比調整手段３８を制御する冷却液温度調節手段４０と、を備えた。【選択図】図２

Description

本発明はウエハ搭載台の温度制御装置及び温度制御方法並びにプローバに係り、特にウエハ搭載台の温度を常温よりも低い温度に制御する技術に関する。

半導体製造工程では、薄い円板状の半導体ウエハに各種の処理を施して、半導体装置（デバイス）をそれぞれ有する複数のチップ（ダイ）を形成する。各チップは電気的特性が検査され、その後ダイサー等で切り離なされた後、リードフレームなどに固定されて組み立てられる。

上記の電気的特性の検査は、プローバとテスタで構成されるウエハテストシステムにより行われる。プローバは、半導体ウエハをウエハ搭載台に固定し、各チップの電極パッドにプローブを接触させる。テスタは、プローブに接続される端子から、電源および各種の試験信号を供給し、チップの電極に出力される信号をテスタで解析して正常に動作するかを確認する。

しかし、半導体装置は広い用途に使用されており、−６０°Ｃのような低温環境や、２００°Ｃのような高温環境でも使用される半導体装置もあり、プローバにはこのような環境での検査が行えることが要求される。

そこで、プローバにおいて半導体ウエハを保持するウエハ搭載台の載置面の下に、例えば、加熱機構（ヒータ）、冷却機構（チラー機構）などのウエハ搭載台の載置面の温度を変えるウエハ温度調整装置を設けて、ウエハ搭載台の上に保持されたウエハを加熱又は冷却することが行われる。

一般的に、ウエハ搭載台を冷却する冷却機構としては、ウエハ搭載台に冷却液を循環させるラインと、冷媒が循環するヒートポンプ型の冷凍機を有し、冷媒と搭載台冷却ラインの冷却液とを熱交換することで冷却液を冷却するラインと、を備え、ウエハ搭載台に供給される冷却液の温度が目標冷却温度になるように冷凍機を制御する。

しかし、ヒートポンプ型の冷凍機は、省エネに優れているが、凝縮器の凝縮状態が変化し易く冷媒温度が変動し易いために高精度な制御を行えないとともに、冷媒の温度を変化させるのに時間を要し応答性能（レスポンス）が遅いという問題がある。

プローバによって半導体装置を、高温又は低温で検査を行う場合、ウエハ搭載台の部分のみが高温又は低温に保持されるので、周囲との温度差のためにウエハ搭載台の温度が変化する。また、上記のように検査に伴うチップの発熱のためにウエハ搭載台の温度が変化する。そこで、ウエハ搭載台に流す冷却液の測定温度に基づいて冷却機構や加熱機構を制御するが、正確な温度制御を行うにはそれらの応答性能（レスポンス）が問題になる。

例えば、測定温度が目標冷却温度からのずれを検出して直ぐに温度ずれを補正するように冷却機構や加熱機構を制御しても、レスポンスが遅いと、補正されるまでには長い時間を要するために、その間に温度ずれが大きくなり目標冷却温度に正確に制御することができないという問題を生じる。

一方、電流を増加させると直ぐに発熱するヒータは比較的応答性能が速い。

そこで、特許文献１では、ウエハ搭載台の冷却機構として、搭載台を冷却するラインにインラインヒータを設けることを提案している。即ち、冷凍機の冷媒との熱交換によって
ウエハ搭載台内を流れる冷却液の温度が目標冷却温度より低温度になるように調整しておき、低温度の冷却液をインラインヒータで目標冷却温度まで加熱することによって応答性能が速くなるようにしている。

特開２００８−３１１４９２号公報

しかしながら、インラインヒータは消費電力が大きく、省エネの点で問題がある。特に、省エネに優れたヒートポンプ型の冷凍機を用いた冷却機構に消費電力の大きなインラインヒータを用いることは、省エネの趣旨にそぐわない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、インラインヒータを使用せずに高精度で且つ応答性能を速くすることができるので、従来よりも省エネに優れたウエハ搭載台の温度制御装置及び温度制御方法並びにプローバを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、半導体ウエハを搭載するウエハ搭載台を目標冷却温度に冷却する冷却機構を備えたウエハ搭載台の温度制御装置において、前記冷却機構は、前記ウエハ搭載台に冷却液を循環させる搭載台冷却ラインと、冷媒が循環するヒートポンプ型の冷凍機を有し、前記冷媒と前記搭載台冷却ラインの冷却液とを熱交換することで前記冷却液を前記目標冷却温度よりも低い温度に冷却する冷凍機ラインと、前記冷凍機ラインの凝縮器で前記冷媒を液化する際に発生する凝縮熱により前記ウエハ搭載台の出口側から分流した冷却液を加熱した加熱液を前記ウエハ搭載台の入口側に合流させる加熱ラインと、前記搭載台冷却ラインを循環させる冷却液と前記加熱ラインから前記ウエハ搭載台の入口側に合流させる加熱液との混合比を調整する混合比調整手段と、前記ウエハ搭載台の入口側の冷却液温度を検出する冷却液温度検出手段と、前記温度検出手段の測定結果に基づいて前記目標冷却温度になるように前記混合比調整手段を制御する冷却液温度調節手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明のウエハ搭載台の温度制御装置によれば、目標冷却温度よりも低い温度に調整した冷却液に、従来排熱していた冷凍機ラインの凝縮熱で加熱した加熱液を混合して目標冷却温度に制御するようにしたので、従来に比べてインラインヒータ使用分の消費電力を削減することができる。

また、混合比調整手段によって冷却液と加熱液とを直接混合することにより目標冷却温度に制御する制御応答性が良い。

これにより、インラインヒータを使用せずに高精度で且つ応答性能を速くすることができるので、従来よりも省エネに優れたウエハ搭載台の温度制御装置を提供することができる。

本発明のウエハ搭載台の温度制御装置の態様として、前記搭載台冷却ラインの冷却液と前記加熱ラインの加熱液とを１台の送液ポンプで送液するとともに、前記搭載台冷却ラインの冷却液に前記加熱ラインの加熱液が合流する合流点の上流側に定圧弁を設け、前記送液ポンプの吐出圧力を前記定圧弁の設定圧力よりも大きくすることが好ましい。

これにより、搭載台冷却ラインを流れる冷却液と加熱ラインを流れる加熱液の圧力変動が小さくなり流れが安定するので、冷却液と加熱液との混合比を高精度に制御できる。

本発明のウエハ搭載台の温度制御装置の態様として、前記冷凍機ラインは熱交換器を介して低温側回路と高温側回路との２台の冷凍機を組み合わせた２元冷凍回路であることが好ましい。

これにより、冷凍機ラインでの冷媒の温度変動を小さくできるので、搭載台冷却ラインの冷却液温度を高精度に制御することができる。したがって、冷却液と加熱液との混合比を一層高精度に制御できる。

上記目的を達成するために、本発明は、半導体ウエハを搭載するウエハ搭載台を目標冷却温度に冷却するウエハ搭載台の温度制御方法において、前記ウエハ搭載台に循環させる冷却液と、冷媒が循環するヒートポンプ型の冷凍機で冷却された冷媒とを熱交換させて前記冷却液を前記目標冷却温度よりも低温度の低温冷却液を形成する低温冷却液形成工程と、前記冷凍機の凝縮器で前記冷媒を液化する際に発生する凝縮熱により前記ウエハ搭載台の出口側から分流した冷却液を加熱して前記目標冷却温度よりも高温度な加熱液を形成する加熱液形成工程と、前記ウエハ搭載台の入口側の冷却液温度を検出する温度検出工程と、前記温度検出手段の測定結果に基づいて前記ウエハ搭載台の入口側の冷却液温度が前記目標冷却温度になるように前記低温冷却液と前記加熱液とを混合する混合工程と、を備えたことを特徴とする。

これにより、インラインヒータを使用せずに高精度で且つ応答性能を速くすることができるので、従来よりも省エネに優れたウエハ搭載台の温度制御方法を提供することができる。

上記目的を達成するために、本発明は、ウエハ搭載台に搭載された半導体ウエハ上に形成されたえ複数の半導体装置をテスタで検査するために、前記テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバ装置において、前記ウエハ搭載台に上記記載の温度制御装置を備えたことを特徴とする。

これにより、インラインヒータを使用せずに高精度で且つ応答性能を速くすることができるので、従来よりも省エネに優れたプローバを提供することができる。

本発明のウエハ搭載台の温度制御装置及び温度制御方法並びにプローバによれば、インラインヒータを使用せずに高精度で且つ応答性能を速くすることができるので、従来よりも省エネに優れたウエハ搭載台の温度制御装置及び温度制御方法並びにプローバを提供することができる。

ウエハ搭載台を加熱する加熱機構と冷却する冷却機構とで構成された温度制御装置を備えたプローバの概略構成図 冷却機構の全体構成図 ウエハ搭載台の冷却制御方法において比例２方弁の弁開度をＰＩＤ制御する制御フロー図

以下、添付図面に従って本発明のウエハ搭載台の温度制御装置及び温度制御方法並びにプローバに関する実施の形態について説明する。

［プローバ］
図１は、ウエハ搭載台を加熱する加熱機構を構成するヒータと、ウエハ搭載台を冷却する冷却機構とで構成された温度制御装置を備えたプローバの概略構成図である。

図１に示すように、プローバ１０は、主として、半導体ウエハＷを保持するウエハ搭載台１２(「ウエハチャック」ともいう)と、半導体ウエハＷ上に形成された半導体装置（デバイス）をそれぞれ有する複数のチップの電極配置に合わせて作られたプローブ１４を有するプローブカード１６と、温度制御装置１８とで構成される。また、温度制御装置１８は、加熱機構を構成するヒータ２０と、構成の詳細を後記する冷却機構２２とで構成される。

ウエハ搭載台１２内には、ヒータ２０と、冷却機構２２の構成部分である搭載台冷却ライン２４とが設けられる。ヒータ２０は発熱して半導体ウエハＷを保持するウエハ搭載台１２の表面を加熱する。また、搭載台冷却ライン２４には冷却液が流れ、半導体ウエハＷを保持するウエハ搭載台１２の表面を冷却する。

図１では、ウエハ搭載台１２の表面に近い側にヒータ２０を設け、その下に搭載台冷却ライン２４を設ける例を示したが、搭載台冷却ライン２４を上にその下にヒータ２０を設けてもよい。

ウエハ搭載台１２内には、他にも半導体ウエハＷを真空吸着するための真空経路(図示せず)などが設けられ、ウエハ搭載台１２内における搭載台冷却ライン２４、ヒータ２０及び真空経路の配置については各種の変形例がある。

そして、半導体ウエハＷを所定温度にして検査を行う場合、半導体ウエハＷをウエハ搭載台１２に保持した状態で、制御装置２６はウエハ搭載台１２の温度を検出する搭載台温度検出手段２８の検出した温度に基づいてウエハ搭載台１２のヒータ２０及び冷却機構２２を制御し、ウエハ搭載台１２が所定の温度になるようにする。ウエハ搭載台１２は、アルミニューム、銅などの金属や、熱伝導性の良好なセラミックなどの材料で作られている。

テスタは、主として、テスタ本体３０と、テスタ本体３０の端子とプローブカード１６の端子を電気的に接続するコネクション部３２と、で構成される。コネクション部３２は、バネを使用した接続端子機構、いわゆるスプリングピン構造を有する。プローバ１０は、半導体ウエハＷの検査においてテスタと連携して測定を行うが、その電源系や機構部分はテスタ本体及びテストヘッドとは独立した装置である。

また、プローバ１０は、上記した構成の他に、ウエハ搭載台１２を水平面上のＸ方向とＹ方向に移動させるＸ−Ｙ移動部、垂直面上のＺ方向に移動させるＺ移動部、及び回転方向の移動を行わせる回転移動部、半導体ウエハ上に形成されたチップの配列方向を検出するアライメント用カメラ、プローブの位置を検出する針位置検出カメラ等が設けられる。しかし、このようなプローバ１０の構成要素は、特開２００７−３２４１８９等に記載されるように公知であるとともに、本発明に直接関係しないので、ここでは図示を省略している。

[冷却機構]
次に、図２を用いて冷却機構２２の構成を説明する。

図２に示すように、冷却機構２２は、主として、上記した搭載台冷却ライン２４と、冷凍機ライン３４と、加熱ライン３６と、混合比調整手段３８と、冷却液温度調節手段４０とで構成される。なお、冷却液温度調節手段４０はウエハ搭載台１２の温度を制御する図１の制御装置２６で兼用してもよい。

搭載台冷却ライン２４は、ウエハ搭載台１２内に冷却液を循環させるラインであり、図２の矢印Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄで示す循環ラインを形成する。また、搭載台冷却ライン２４には、ウエハ搭載台１２の出口側から順に、送液ポンプ４２、冷却コイル４４、冷却液温度検出手段４６が設けられる。冷却液温度検出手段４６は、ウエハ搭載台１２の入口温度を検出する。また、冷却液としては、例えば水やフッ素系液体（例えば３Ｍ（商標登録）ジャパン（株）のNovec（商標登録）シリーズ、あるいはソルベイススペシャルティポリマーズジャパン（株）のガルデン（商標登録）シリーズ）を好適に用いることができる。

冷凍機ライン３４は、冷媒が循環するヒートポンプ型の冷凍機を有し、冷媒と搭載台冷却ライン２４の冷却液とを熱交換することで冷却液をウエハ搭載台１２の目標冷却温度よりも低い温度に冷却するラインである。図２では、冷却機構２２における冷凍機ライン３４の部分を二点鎖線で囲った。

なお、本実施の形態では、冷凍機ライン３４は、第１熱交換器４８を介して高温側回路５０と低温側回路５２との２台の冷凍機を組み合わせた２元冷凍回路の場合で説明するが、本発明は１元冷凍回路にも適用できる。

高温側回路５０は、図２の矢印Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈで示す循環ラインを形成し、循環ラインにはヒートポンプを構成する第１圧縮器（コンプレッサ）５４、第１凝縮器５６、第１膨張弁５８、第１蒸発器６０が配設される。そして、循環ラインには冷媒(例えば代替フロン)が循環される。第１凝縮器５６は、凝縮コイル５６Ａと冷却ファン７２とで構成され、凝縮コイル５６Ａを流れる冷媒を冷却ファン７２で冷却する。

これにより、高温側回路５０では、第１凝縮器５６で液化した液体冷媒は第１膨張弁５８を経て第１蒸発器６０に流れ、第１蒸発器６０で気化してガス状冷媒となり、第１圧縮機５４で圧縮された後に再び第１凝縮器５６に戻る循環流を形成する。そして、第１凝縮器５６においてガス状冷媒が凝縮して液状冷媒になる際に凝縮熱（温熱）を放熱するとともに、第１蒸発器６０で液状冷媒が気化してガス状冷媒になるときに気化熱（冷熱）を放出する。

低温側回路５２は、図２の矢印Ｉ→Ｊ→Ｋ→Ｌで示す循環ラインを形成し、循環ラインにはヒートポンプを構成する第２圧縮器（コンプレッサ）６２、第２凝縮器６４、第２膨張弁６６、第２蒸発器６８が配設される。そして、循環ラインには冷媒(例えば代替フロン)が循環される。

これにより、低温側回路５２では、第２凝縮器６４で液化した液体冷媒は第２膨張弁６６を経て第２蒸発器６８に流れ、第２蒸発器６８で気化してガス状冷媒となり、第２圧縮器６２で圧縮された後に再び第２凝縮器６４に戻る循環ラインを形成する。

また、低温側回路５２も高温側回路５０と同様に、第２凝縮器６４においてガス状冷媒が凝縮して液状冷媒になる際に凝縮熱（温熱）を放熱するとともに、第２蒸発器６８で液状冷媒が気化してガス状冷媒になるときに気化熱（冷熱）を放出する。

そして、高温側回路５０の第１蒸発器６０と低温側回路５２の第２凝縮器６４とで上記した第１熱交換器４８を構成する。即ち、高温側回路５０の第１蒸発器６０で発生する気化熱を低温側回路５２の第２凝縮器６４を冷却するための冷熱として利用する。

また、低温側回路５２の第２蒸発器６８と、搭載台冷却ライン２４の上記した冷却コイル４４とで第２熱交換器７０を構成する。即ち、低温側回路５２の第２蒸発器６８で発生する気化熱で冷却コイル４４を流れる冷却液を冷却する。

なお、図２では、高温側回路５０の第１凝縮器５６として冷却ファン７２により第１凝縮コイル５６Ａを流れる冷媒を空冷する空冷型の場合で示したが、水冷型を採用することもできる。また。第１膨張弁５８及び第２膨張弁６６としてキャピラリ（毛細管）チューブを採用することもできる。

このように、冷凍機ライン３４を２元冷凍回路で構成することによって、１元冷凍回路に比べて温度変動を小さくすることができる。

加熱ライン３６は、冷凍機ライン３４における高温側回路５０の第１凝縮器５６で冷媒を液化する際に発生する凝縮熱（温熱）により、ウエハ搭載台１２の出口側の冷却液の一部を加熱してウエハ搭載台１２の入口側に戻るラインであり、図２の矢印Ｍ→Ｎ→Ｐで示すラインを形成する。

そして、冷凍機ライン３４の高温側回路５０における第１凝縮器５６の一次側（冷媒の流れ方向上流側）に、冷凍機ライン３４を流れる冷媒と加熱ライン３６を流れる冷却液とが熱交換する第３熱交換器７４が設けられる。第３熱交換器７４は、第１凝縮器５６の一次側に設けられた熱交換コイル７４Ａと、加熱ライン３６に設けられた加熱コイル７４Ｂとで構成される。

即ち、加熱ライン３６は、搭載台冷却ライン２４の送液ポンプ４２と冷却コイル４４との間の分岐点Ｒからウエハ搭載台１２の出口側の冷却液の一部が分流して第３熱交換器７４の加熱コイル７４Ｂへ至る往路７８と、加熱コイル７４Ｂから搭載台冷却ライン２４の冷却コイル４４と冷却液温度検出手段４６との間の合流点Ｓにおいて搭載台冷却ライン２４の冷却液に合流する復路８０とで構成される。

上記の如く構成された第３熱交換器７４によって、高温側回路５０の第１蒸発器６０で温まったガス状冷媒は、第１凝縮器５６の冷却ファン７２により凝縮熱（温熱）が排気（排熱）されて温度が低下する前に冷却液と熱交換し、冷却液を加熱する。これにより、第３熱交換器７４では、多くの温熱の授受が可能となり、加熱ライン３６を流れる冷却液を効果的に加熱することができる。

なお、上記搭載台冷却ライン２４と加熱ライン３６との流路から分かるように、加熱ライン３６には、搭載台冷却ライン２４を流れる冷却液(例えば水や上記のフッ素系液体)と同じ液体が流れる。しかし、説明の便宜上、搭載台冷却ライン２４を流れる液体を冷却液と言い、加熱ライン３６を流れる液体を加熱液と言うことにする。

そして、復路ライン８０の合流点Ｓの直前に混合比調整手段３８が設けられる。

混合比調整手段３８は、搭載台冷却ライン２４を循環させる冷却液の循環量と、加熱ライン３６からウエハ搭載台１２の入口側に戻す加熱液の戻し量との混合比を調整するためのものである。混合比調整手段３８としては、例えば、電動弁であって、弁開度に対して流量がリニアに変化する比例２方弁３８Ａを好適に用いることができ、以下は比例２方弁３８Ａで説明する。

冷却液温度調節手段４０は、冷却液温度検出手段４６の測定結果に基づいてウエハ搭載台１２の温度が目標冷却温度になるように冷凍機ライン３４を制御するとともに、比例２方弁３８Ａの弁開度をＰＩＤ制御（Proportional Integral Derivative Controller）する。

即ち、冷却液温度調節手段４０と冷凍機ライン３４とは、信号ケーブル(又は無線)で接続される。また、冷却液温度調節手段４０と冷却液温度検出手段４６とは信号ケーブル(又は無線)によって接続されるとともに、冷却液温度検出手段４６と比例２方弁３８Ａとが信号ケーブル(又は無線)によって接続される。

また、図２から分かるように、搭載台冷却ライン２４の冷却液を循環させる動力と、加熱ライン３６の加熱液を送液する動力とは、搭載台冷却ライン２４に配置された１台の送液ポンプ４２で行う。これにより、送液ポンプ４２によって液体を流す配管長が加熱ライン３６の分だけ長くなるので、搭載台冷却ライン２４だけの場合よりも圧力損失が大きくなる。

したがって、搭載台冷却ライン２４の冷却液に加熱ライン３６の加熱液が合流する合流点Ｓの上流側に定圧弁８２を設け、送液ポンプ４２の吐出圧力を定圧弁８２の設定圧力よりも大きくすることが好ましい。これにより、搭載台冷却ライン２４を流れる冷却液と、加熱ライン３６を流れる加熱液の流れが安定するので、加熱液と冷却液とを精度良く混合することができる。

また、搭載台冷却ライン２４よりも高い位置に、冷却液補給ライン８４を介して冷却液を貯留するリザーブタンク８６が設けられ、リザーブタンク８６内の冷却液が位置エネルギーによって搭載台冷却ライン２４に自然落下する。これにより、搭載台冷却ライン２４を流れる冷却液及び加熱ラインを流れる加熱液の膨張又は収縮による液の体積変化があっても配管内の圧力を一定に保つことができる。さらには、搭載台冷却ライン２４の配管、及び加熱ライン３６の配管の膨張又は収縮による配管容積変化があっても、配管内の圧力を一定に保つことができる。

したがって、搭載台冷却ライン２４を流れる冷却液と、加熱ライン３６を流れる加熱液の流れが安定するので、加熱液と冷却液とを精度良く混合することができる。

[ウエハ搭載台の冷却制御方法]
次に、上記の如く構成された冷却機構２２を用いて、ウエハ搭載台１２を目標冷却温度Ｔ１に冷却する冷却制御方法を説明する。本実施の形態では、目標冷却温度Ｔ１を−４７℃に設定するとともに、加熱液を混合しない状態での冷却液の温度Ｔ２を目標冷却温度Ｔ１よりも５℃低い−５２℃の場合で説明する。なお、混合比調整手段３８は比例２方弁３８Ａの例で説明する。

冷却液温度調節手段４０は、冷凍機ライン３４の冷媒温度を制御する。

そして、第２熱交換器７０により、搭載台冷却ライン２４を流れる冷却液と、冷凍機ライン３４を流れる冷媒とを熱交換させて冷却液を目標冷却温度Ｔ１よりも低温度の低温冷却液（−５２℃）を形成する（低温冷却液形成工程）。

また、第３熱交換器７４により、ウエハ搭載台１２の出口側の冷却液の一部、即ち分岐点Ｒにおいて搭載台冷却ライン２４から分岐して加熱ライン３６を流れる冷却液を、冷凍機ライン３４の第１凝縮器５６で冷媒を液化する際に発生する凝縮熱で加熱する。これにより、目標冷却温度Ｔ１よりも高温度の加熱液を形成し、ウエハ搭載台１２の入口、即ち搭載台冷却ライン２４と加熱ライン３６とが合流する合流点Ｓに戻す（加熱液形成工程）。

次に、冷却液温度調節手段４０は、比例２方弁３８Ａの弁開度をＰＩＤ制御して、搭載台冷却ライン２４の冷却液と、加熱ライン３６から合流点Ｓに合流する加熱液とを混合する混合比を調整ことにより、ウエハ搭載台入口の冷却液温度が目標冷却温度Ｔ１になるようにする。

図３は、比例２方弁３８Ａの弁開度をＰＩＤ制御する制御フロー図である。

冷却液温度調節手段４０は、搭載台冷却ライン２４を流れる冷却液に、冷凍機ライン３４を流れる加熱液を混合する比例２方弁３８Ａの開度を例えば５０％に設定する。制御スタート時点での比例２方弁３８Ａの開度は特に重要ではなく、どのような開度に設定してもよい。

冷却液温度調節手段４０は、ステップ１において、冷却液温度検出手段４６から入力される測定温度Ｔ２と予め入力されている目標冷却温度Ｔ１とを比較し、Ｔ２＞Ｔ１かを判断する。ＹＥＳの場合には、測定温度Ｔ２が目標冷却温度Ｔ１よりも高く、冷却液に混合する加熱液の混合比を小さくする必要があるのでステップ２に進む。ＮＯの場合には、加熱液の混合比を大きくする必要があるのでステップ３に進む。

ステップ２において、冷却液温度調節手段４０は、比例２方弁３８Ａの開度が小さくなるように制御して冷却液に混合する加熱液の混合比を小さくし、ステップ４に進む。

ステップ４において、冷却液温度調節手段４０は、測定温度Ｔ２と目標冷却温度Ｔ１とを比較し、Ｔ２＝Ｔ１かを判断する。そして、ＹＥＳの場合にはウエハ搭載台１２入口の冷却液の温度が目標冷却温度Ｔ１になったことを意味するので、比例２方弁３８Ａの弁開度にそのまま維持して終了する。また、ＮＯの場合にはステップ５に進む。

ステップ５において、冷却液温度調節手段４０は、測定温度Ｔ２と目標冷却温度Ｔ１とを比較し、Ｔ２＞Ｔ１かを判断する。ＹＥＳの場合には、冷却液に混合する加熱液の混合比が未だ多すぎることを意味するのでステップ２に戻り、比例２方弁３８Ａの開度が更に小さくなるように制御する。ＮＯの場合には、冷却液に混合する加熱液の混合比が多くなり過ぎたことを意味するのでステップ１の制御スタートに戻り、Ｔ２＝Ｔ１になるまでステップ１〜ステップ５を繰り返す。

一方、ステップ３において、冷却液温度調節手段４０は、Ｔ２＜Ｔ１かを判断する。ＹＥＳの場合には、測定温度Ｔ２が目標冷却温度Ｔ１よりも低く、加熱液の混合比を大きくする必要があるのでステップ６に進む。ＮＯの場合には、加熱液の混合比を小さくする必要があるのでステップ１の制御スタートに戻る。

ステップ６において、冷却液温度調節手段４０は、比例２方弁３８Ａの開度が大きくなるように制御して冷却液に混合する加熱液の混合比を大きくし、ステップ７に進む。

ステップ７において、冷却液温度調節手段４０は、測定温度Ｔ２と目標冷却温度Ｔ１とを比較し、Ｔ２＝Ｔ１かを判断する。そして、ＹＥＳの場合にはＴ２＝Ｔ１となる比例２方弁３８Ａの弁開度に維持して終了する。また、ＮＯの場合にはステップ８に進む。

ステップ８において、冷却液温度調節手段４０は、測定温度Ｔ２と目標冷却温度Ｔ１とを比較し、Ｔ２＜Ｔ１かを判断する。ＹＥＳの場合には、冷却液に混合する加熱液の混合比が未だ少な過ぎることを意味するのでステップ６に戻り、比例２方弁３８Ａの開度が更に大きくなるように制御する。ＮＯの場合には、冷却液に混合する加熱液の混合比が小さくなり過ぎたことを意味するのでステップ１の制御スタートに戻る。

これにより、ウエハ搭載台１２が目標冷却温度Ｔ１に冷却される。ちなみに、目標冷却温度Ｔ１を−４７℃、加熱液を混合しない状態での冷却液温度Ｔ２を−５２℃に設定した場合、本発明は従来のインラインヒータを用いた場合に比べて消費電力が４００Ｗの省エネ効果を得ることができた。

以上説明した本発明のウエハ搭載台の冷却制御装置及び冷却制御方法によれば、以下の効果を奏することができる。

（１）本発明では、目標冷却温度よりも低い温度に調整した冷却液に、従来排熱していた冷凍機ライン３４の凝縮熱で加熱した加熱液を混合することにより、目標冷却温度に制御するようにした。これにより、本発明は、従来に比べてインラインヒータ使用分の消費電力を削減することができる。

（２）また、本発明は、混合比調整手段３８(例えば比例２方弁３８Ａ)によって同じ熱媒体(例えば水)である冷却液と加熱液とを直接混合するので、目標冷却温度に制御する制御応答性が良い。例えば、上記した測定温度Ｔ２と目標冷却温度Ｔ１との偏差が大きい場合でも比例２方弁３８Ａの弁開度を制御（例えば全開）して冷却液と加熱液との混合比を変えるだけで目標冷却温度にすることができる。

（３）また、本発明は、搭載台冷却ライン２４の冷却液と加熱ライン３６の加熱液とを１台の送液ポンプ４２で送液するとともに、搭載台冷却ライン２４と加熱ライン３６との間に定圧弁８２を設け、送液ポンプ４２の吐出圧力を定圧弁８２の設定圧力よりも大きくする構成とした。これにより、搭載台冷却ライン２４を流れる冷却液と加熱ライン３６を流れる加熱液の圧力変動が小さくなり流れが安定するので、冷却液と加熱液との混合比を高精度に制御できる。

（４）また、本発明は、冷凍機ライン３４は第１熱交換器４８を介して高温側回路５０と低温側回路５２との２台の冷凍機を組み合わせた２元冷凍回路であるように構成した。これにより、冷凍機ライン３４での冷媒の温度変動を小さくできるので、搭載台冷却ライン２４の冷却液温度を高精度に制御することができる。したがって、冷却液と加熱液との混合比を高精度に制御できる。

（５）これにより、インラインヒータを使用せずに高精度で且つ応答性能を速くすることができるので、従来よりも省エネに優れたウエハ搭載台の温度制御装置及び温度制御方法並びにプローバを提供することができる。

１０…プロ―バ、１２…ウエハ搭載台、１４…プローブ、１６…プローブカード、１８…温度制御装置、２０…ヒータ、２２…冷却機構、２４…搭載台冷却ライン、２６…制御部、２８…搭載台温度検出手段、３０…テスタ本体、３２…コネクション部、３４…冷凍機ライン、３６…加熱ライン、３８…混合比調整手段、３８A…比例２方弁、４０…冷却液温度調節手段、４２…送液ポンプ、４４…冷却コイル、４６…冷却液温度検出手段、４８…第１熱交換器、５０…低温側回路、５２…高温側回路、５４…第１圧縮器、５６…第１凝縮器、５８…第１膨張弁、６０…第１蒸発器、６２…第２圧縮器、６４…第２凝縮器、６６…第２膨張弁、６８…第２蒸発器、７０…第２熱交換器、７２…冷却ファン、７４…第３熱交換器、７４Ａ…熱交換コイル、７４Ｂ…加熱コイル、７８…加熱ラインの往路、８０…加熱ラインの復路、Ｒ…分岐点、Ｓ…合流点

Claims (5)

1. 半導体ウエハを搭載するウエハ搭載台を目標冷却温度に冷却する冷却機構を備えたウエハ搭載台の温度制御装置において、
   前記冷却機構は、
   前記ウエハ搭載台に冷却液を循環させる搭載台冷却ラインと、
   冷媒が循環するヒートポンプ型の冷凍機を有し、前記冷媒と前記搭載台冷却ラインの冷却液とを熱交換することで前記冷却液を前記目標冷却温度よりも低い温度に冷却する冷凍機ラインと、
   前記冷凍機ラインの凝縮器で前記冷媒を液化する際に発生する凝縮熱により前記ウエハ搭載台の出口側から分流した冷却液を加熱した加熱液を前記ウエハ搭載台の入口側に合流させる加熱ラインと、
   前記搭載台冷却ラインを循環させる冷却液と前記加熱ラインから前記ウエハ搭載台の入口側に合流させる加熱液との混合比を調整する混合比調整手段と、
   前記ウエハ搭載台の入口側の冷却液温度を検出する冷却液温度検出手段と、
   前記温度検出手段の測定結果に基づいて前記目標冷却温度になるように前記混合比調整手段を制御する冷却液温度調節手段と、を備えたことを特徴とするウエハ搭載台の温度制御装置。
2. 前記搭載台冷却ラインの前記冷却液と前記加熱ラインの前記加熱液とを１台の送液ポンプで送液するとともに、前記搭載台冷却ラインの冷却液に前記加熱ラインの加熱液が合流する合流点の上流側に定圧弁を設け、
   前記送液ポンプの吐出圧力を前記定圧弁の設定圧力よりも大きくした請求項１に記載のウエハ搭載台の温度制御装置。
3. 前記冷凍機ラインは熱交換器を介して低温側回路と高温側回路との２台の冷凍機を組み合わせた２元冷凍回路である請求項１又は２に記載のウエハ搭載台の温度制御装置。
4. 半導体ウエハを搭載するウエハ搭載台を目標冷却温度に冷却するウエハ搭載台の温度制御方法において、
   前記ウエハ搭載台に循環させる冷却液と、冷媒が循環するヒートポンプ型の冷凍機で冷却された冷媒とを熱交換させて前記冷却液を前記目標冷却温度よりも低温度の低温冷却液を形成する低温冷却液形成工程と、
   前記冷凍機の凝縮器で前記冷媒を液化する際に発生する凝縮熱により前記ウエハ搭載台の出口側から分流した冷却液を加熱して前記目標冷却温度よりも高温度な加熱液を形成する加熱液形成工程と、
   前記ウエハ搭載台の入口側の冷却液温度を検出する温度検出工程と、
   前記温度検出手段の測定結果に基づいて前記ウエハ搭載台の入口側の冷却液温度が前記目標冷却温度になるように前記低温冷却液と前記加熱液とを混合する混合工程と、を備えたことを特徴とするウエハ搭載台の温度制御方法。
5. ウエハ搭載台に搭載された半導体ウエハ上に形成されたえ複数の半導体装置をテスタで検査するために、前記テスタの各端子を前記半導体装置の電極に接続するプローバにおいて、
   前記ウエハ搭載台に請求項１〜３の何れか１に記載の温度制御装置を備えたことを特徴とするプローバ。

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