JP2831936B2 - 半導体ウエハ冷却装置及び該装置を用いた半導体ウエハ冷却方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体ウエハ冷却装置及
び該装置を用いた半導体ウエハ冷却方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の低温における電気的特性を
試験する装置として、従来、所定の真空度に保持される
チャンバーと、該チャンバー内に冷却ヘッドが臨むよう
に配設されたヘリウムを冷媒とする極低温冷凍機と、チ
ャンバー内に配設され、極低温冷凍機の冷却ヘッドから
の伝熱により冷却されるウエハホルダーと、チャンバー
内に配設されたプローバと、を有するものが知られてい
る。そして、ウエハホルダーに試験対象となる半導体ウ
エハをセットし、プローバにより種々の電機的特性を試
験している。

【０００３】また、例えば、特開平４−１３７５４７号
公報に開示されているように、試験対象となる半導体ウ
エハを取り替える度に、チャンバー（測定室）内を冷却
・昇温するいわゆるバッチ式ではなく、ゲートバルブを
介してチャンバーに隣接して予備室を設け、チャンバー
内の圧力、温度を一定としたまま、連続的に試験するこ
とができる連続式の半導体ウエハ冷却装置も知れらてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、試験対象で
ある半導体ウエハは、ホルダーの熱が伝達されて冷却さ
れるわけであるが、半導体ウエハとホルダーとの温度差
は上記特開平４−１３７５４７号公報に開示された装置
で測定してみると、平均で約１５Ｋ以上である。つま
り、冷凍機の熱が半導体ウエハにはあまり効率的には伝
達されないという問題がある。また、バッチ式から連続
式の装置とすることにより、複数の半導体ウエハを冷却
し、試験する場合、全体の冷却、試験時間を短縮できる
ことは確かであるが、これはあくまでチャンバー内の冷
却・昇温時間を短縮できるために効率的になるもので、
半導体ウエハそれ自身の冷却時間はそれほど短縮される
ものではない。

【０００５】本発明は上記課題を解消するためになされ
たものであり、バッチ式、連続式のいずれでも適用で
き、半導体ウエハ自体を効率よく冷却することができる
半導体ウエハ冷却装置及び該装置を用いた半導体ウエハ
冷却方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
達成するため鋭意検討した結果、冷凍機と試験対象とな
る半導体ウエハとの間に熱媒としてヘリウムガスを供給
することにより、より効率的に半導体ウエハを冷却でき
ることを見出し、本発明を完成するに至った。

【０００７】すなわち、本発明にかかる半導体ウエハ冷
却装置は、チャンバー内に試験対象となる半導体ウエハ
を支持するホルダーを有すると共に、該チャンバー内に
冷却ヘッドが臨むように配設されると共に、該ホルダー
と伝熱体を介して接続され、半導体ウエハを冷却する冷
凍機を有する半導体ウエハ冷却装置において、該ホルダ
ーが、適宜形状の中空体に形成され、適宜位置に中空部
と連通するヘリウムガス導入孔が開設されていると共
に、中空部から上面に貫通するヘリウムガス導出孔が設
けられ、上面に半導体ウエハを載置可能なウエハ保持台
を有し、かつ、該ウエハ保持台のヘリウムガス導入孔を
介して中空部内へ所定流量のヘリウムガスを導入可能な
ヘリウムガス導入手段を有していることを特徴とする。

【０００８】また、本発明にかかる該半導体ウエハ冷却
装置を用いた半導体ウエハ冷却方法は、チャンバー内に
配設されたホルダーに試験対象となる半導体ウエハを支
持させて、該チャンバー内に冷却ヘッドが臨むと共に、
該ホルダーと伝熱体を介して接続された冷凍機により、
該ホルダーを介して半導体ウエハを冷却する半導体ウエ
ハ冷却方法において、該ホルダーとして、適宜形状の中
空体に形成され、適宜位置に中空部と連通するヘリウム
ガス導入孔が開設されていると共に、中空部から上面に
貫通するヘリウムガス導出孔が設けられ、上面に半導体
ウエハを載置可能なウエハ保持台を有して構成されるも
のを用い、該ウエハ保持台のヘリウムガス導入孔を介し
て中空部内へ所定流量のヘリウムガスを導入しながら半
導体ウエハの冷却を行うことを特徴とする。

【０００９】

【作用】ホルダーのウエハ保持台上面に試験対象となる
半導体ウエハを載置する。冷凍機を始動させると、冷却
ヘッドに接続されたホルダーが冷却される。ヘリウムガ
ス導入手段により、ウエハ保持台の中空部内に所定流量
のヘリウムガスを導入する。その結果、ヘリウムガスが
熱媒となり、冷却ヘッドの熱が効率よく半導体ウエハに
伝達される。

【００１０】

【実施例】以下、図面に示した実施例に基づき本発明を
さらに詳細に説明する。図において１は本実施例の半導
体ウエハ冷却装置を示し、チャンバー２、冷凍機３、ホ
ルダー４、ヘリウムガス導入手段５等を有して構成され
ている。

【００１１】チャンバー２は、略箱状で気密に形成さ
れ、適宜位置に半導体ウエハを出し入れするための開閉
可能な開口部（図示せず）が設けられている。なお、連
続式の装置とする場合には、「従来の技術」の項で説明
した特開平４−１３７５４７号公報に開示されているよ
うに、該チャンバー２に隣接してゲートバルブ（図示せ
ず）を介して予備室（図示せず）を設け、該予備室に設
けた開口部から半導体ウエハを出し入れする構成とする
ことができる。連続式の装置することにより、開口部を
開けて予備室内に配設された搬送手段に半導体ウエハを
載置してから該開口部を閉め、予備室内をチャンバー２
内の圧力と同じにしてから、ゲートバルブを開け、搬送
手段によりチャンバー２内へ搬送することにより、半導
体ウエハの交換の度にチャンバー２内を昇温・昇圧及び
冷却・減圧操作しなくて済むことは上記「従来の技術」
の項で説明したとおりである。

【００１２】冷凍機３は、チャンバー２内を極低温状態
に冷却できる従来公知のものでよく、例えば、ヘリウム
を冷媒とする冷凍機等を用いることができる。この冷凍
機３は、冷却ヘッド３１がチャンバー２内に突出するよ
うに配設されている。なお、冷却ヘッド３１を挿入配設
するために設けたチャンバー２の挿入孔と冷却ヘッド３
１の外周囲との間には隙間が生じないよう、気密となる
ように設けることはもちろんである。また、この際、冷
凍機３の振動がチャンバー２へ伝わることを防ぐため、
冷凍機３とチャンバー２とはベローズ２１を介して接続
されている。

【００１３】ホルダー４は、中空で適宜形状、例えば、
直方体状に形成されるウエハ保持台４１を有して構成さ
れる。ウエハ保持台４１は、適宜位置に、本実施例では
側面に、中空部４１ａと連通するヘリウムガス導入孔４
１ｂが形成されていると共に、中空部４１ａから上面４
１ｃに貫通するヘリウムガス導出孔４１ｄが形成されて
いる。このウエハ保持台４１は、さらに、冷凍機３の冷
却ヘッド３１と伝熱体を介して、例えば、銅線４３（銅
線を複数本撚って形成したいわゆる「銅編み線」も含
む）又は銅線から形成した網部材（銅網）等を介して接
続されており、冷却ヘッド３１の熱が伝達される。な
お、これらの銅線４３等は冷凍機３の振動吸収作用も営
む。

【００１４】本実施例のホルダー４は、さらに、ウエハ
保持台４１に載置される半導体ウエハ６をその上面から
押え、該半導体ウエハ６の位置を固定するウエハ押え部
４２を有して構成されている。このウエハ押え部４２
は、図２に示すように、ウエハ保持台４１と同様に平面
略方形の板状体からなると共に、半導体ウエハの外径よ
りも小さい径で形成された孔部４２ａが設けられてい
る。なお、この孔部４２ａは、ウエハ押え部４２の上方
付近に配設され、水平方向と上下方向に移動可能に設け
られたプローバ（図示せず）を進入させて半導体ウエハ
６に当接させるために設けられている。ウエハ押え部４
２は、冷凍機３に上下動可能に立設されたロッド３２に
連結され、ウエハ保持台４１の上面４１ｃに半導体ウエ
ハ６を載置後下降し、該半導体ウエハ６の上面に当接
し、半導体ウエハ６の位置を固定することができる。ま
た、本実施例のようにウエハ押え部４２を設ける場合
は、ウエハ保持台４１とウエハ押え部４２とを伝熱体
で、例えば銅線４４で接続しておくことが好ましい。

【００１５】さらに、本実施例では、ホルダー４を構成
するウエハ保持台４１の上面に、インジウムシート４５
が敷設されている。このインジウムシート４５はウエハ
保持台４１からの伝熱効果をより向上させる機能を果た
す。なお、ウエハ保持台４１のヘリウムガス導出孔４１
ｄに対応する部位にはヘリウムガスを放出できるように
貫通孔４５ａが形成されている。

【００１６】ヘリウムガス導入手段５は、上記したホル
ダー４を構成するウエハ保持台４１の中空部４１ａ内に
ヘリウムガスを導入できるものであればどのような構成
であってもよいが、本実施例ではウエハ保持台４１のヘ
リウムガス導入孔４１ｂに一端が接続される銅製のパイ
プ５１から供給する構成を採用している。このパイプ５
１の他端は、チャンバー２の外部に配設されたヘリウム
ガス供給源（図示せず）に接続されており、その間に
は、流量計５２、流量調節用のニードル弁５３、ガス供
給路となるパイプ５１を開閉するバルブ５４が配設され
ている。

【００１７】ここで、図１において、符号７は、チャン
バー２に接続されて配設され、チャンバー２内を所定の
圧力（真空度）にするためのポンプであり、ターボポン
プ７１とロータリーポンプ７２とから構成される。符号
８は圧力計である。

【００１８】本実施例の半導体ウエハ冷却装置１は次の
ように使用される。まず、冷凍機３とポンプ７を起動
し、チャンバー２内を所定の温度及び圧力にする。次
に、ホルダー４のウエハ保持台４１の上面４１ｃに敷設
されたインジウムシート４５上に試験すべき半導体ウエ
ハ６を載置する。ヘリウムガス導入手段５のバルブ５４
を開放して、ニードル弁５３により流量を調節しなが
ら、パイプ５１からヘリウムガスをヘリウムガス導入孔
４１ｂを介してウエハ保持台４１の中空部４１ａ内に導
入する。導入されたヘリウムガスは、ウエハ保持台４１
のヘリウムガス導出孔４１ｄから放出されて半導体ウエ
ハ６に接触する。

【００１９】したがって、冷凍機３の熱は、銅線４３、
ウエハ保持台４１、インジウムシート４５、銅線４４及
びウエハ押え板４２を介して伝達されるだけでなく、ヘ
リウムガスを熱媒としても半導体ウエハ６に伝わるたこ
とになるため、半導体ウエハ６は効率よく冷却される。

【００２０】（試験例）チャンバー２として、直径約２
０インチ、高さ約２０インチの円筒形のものを用い、冷
凍機３として、ダイキン工業製のＵＶ１０８Ｃ５Ｌを用
いた。冷凍機３を始動させると共に、圧力計８を見なが
ら、ターボポンプ７１及びロータリーポンプ７２により
チャンバー２内を真空度２×１０^-7torrとした。尚、本
試験例で用いた冷却装置１は、従来の技術の項で説明し
た特開平４−１３７５４７号公報で開示された、ゲート
バルブ（図示せず）を介してチャンバー２に隣接した予
備室（図示せず）を有する連続式の半導体ウエハ冷却装
置である。

【００２１】次に、予備室内の搬送手段（図示せず）に
試験対象となる半導体ウエハ６をセットし、予備室内を
チャンバー２内と同じ真空度にしてからゲートバルブを
開け、搬送手段によりチャンバー２のウエハ保持台４１
の上面４１ｃまで搬送して載置し、ウエハ押え板４２に
より該半導体ウエハ６の上面を押さえて位置を固定す
る。搬送手段を元位置に復帰させ、ゲートバルブを閉め
る。

【００２２】半導体ウエハ６はこのようにして冷却した
が、ホルダー４内に導入したヘリウムガスの流量を０〜
２００ＳｃｃＭ（標準ｃｃ／ｍｉｎ）まで変化させ、適
正ガス流量の試験を行った。その結果を表１に示す。

【００２３】

【表１】 ガス流量(SccM) ウエハ温度（Ｋ） ホルダー温度（Ｋ） ΔＴ（Ｋ） ０ ６１．３ ４２．９ １８．４ ５０ ５１．７ ４４．１ ７．６ １００ ５３．２ ４７．０ ６．２ １５０ ５８．８ ５２．８ ６．０ ２００ ６７．２ ６１．３ ５．９

【００２４】表１から、ヘリウムガスを全く流さない場
合、すなわちガス流量０ＳｃｃＭの場合は試験対象であ
る半導体ウエハの温度とホルダー温度との差（ΔＴ）が
１８．４Ｋあり、ウエハに対して冷凍機の温度が十分に
は伝達されてないことがわかる。これに対し、ヘリウム
ガスを５０ＳｃｃＭ以上供給した場合にはΔＴが小さく
なり、冷凍機の温度が半導体ウエハに十分伝達されるこ
とがわかる。但し、ヘリウムガス流量が１５０ＳｃｃＭ
以上になると、真空度が１０mtorrより大きくなり、こ
れが熱負荷となってホルダー温度及びウエハ温度とも上
昇するため、ヘリウムガス流量は約５０〜約１００Ｓｃ
ｃＭの範囲が好ましい。

【００２５】なお、インジウムシートを設けなかったこ
とを除いて同様の条件でウエハ温度とホルダー温度との
温度差を比較したところ、いずれのガス流量でも約１か
ら３Ｋ程度温度差が拡大しており、インジウムシートを
設けた方が熱伝導効率がよいことがわかった。

【００２６】次に、試験対象である直径５インチの半導
体ウエハの表面中央部に超音波半田を使用して第１の温
度センサを取り付けて温度を測定し（ウエハ温度１）、
第１の温度センサから約４ｃｍ離れた該半導体ウエハの
端部に第２の温度センサを超音波半田により取り付けて
温度を測定し（ウエハ温度２）、半導体ウエハの表面温
度分布を確認した。その結果を表２に示す。

【００２７】

【表２】 ガス流量(SccM) ウエハ温度１（Ｋ） ウエハ温度２（Ｋ） ΔＴ（Ｋ） ０ ６１．３ ６２．８ １．５ １００ ５３．２ ５４．１ ０．９ ２００ ６７．２ ６８．１ ０．９

【００２８】表２から、ヘリウムガスを所定量流した場
合には、いっさい流さない場合と比較して均一な温度分
布が得られることがわかる。但し、ガス流量が２００Ｓ
ｃｃＭの場合は、ウエハ自体の温度が高くなりすぎ好ま
しくないことは上記したとおりである。

【００２９】ここで、上記各試験例において、試験対象
である半導体ウエハをホルダーに載置してからウエハ温
度が上記表１及び表２に示した所定温度になるまでの時
間を、ガス流量０ＳｃｃＭ，６０ＳｃｃＭ，１００Ｓｃ
ｃＭの場合につき、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）にそれぞれ
示す。図において、Ａ点は、半導体ウエハとホルダー
（本試験例ではインジウムシート）とが接触した時であ
り、ガス流量０ＳｃｃＭの場合は、所定温度になるまで
約１分３０秒かかっているが、６０ＳｃｃＭ，１００Ｓ
ｃｃＭの場合には、約３０秒から５０秒であり、所定流
量のヘリウムガスを流した方が冷却時間も早いことがわ
かる。

【００３０】

【発明の効果】本発明の半導体ウエハ冷却装置及び該装
置を用いた半導体ウエハ冷却方法によれば、所定流量の
ヘリウムガスを熱媒として流す構成であるため、冷凍機
の熱が効率的に伝達される。しかも、冷却時間が早く、
半導体ウエハを均一に冷却でき、試験対象となる半導体
ウエハの冷却効率がよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる半導体ウエハ冷却装置の一実施
例を示す概略構成図である。

【図２】同実施例で用いたホルダーを示す外観斜視図で
ある。

【図３】同実施例の半導体冷却装置のホルダーに載置し
てからウエハ温度が表１及び表２に示した所定温度に冷
却されるまでの時間を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 半導体ウエハ冷却装置 ２ チャンバー ３ 冷凍機 ４ ホルダー ４１ ウエハ保持台 ４２ ウエハ押え部 ４５ インジウムシート ５ ヘリウムガス導入手段 ６ 半導体ウエハ

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャンバー内に試験対象となる半導体ウ
   エハを支持するホルダーを有すると共に、該チャンバー
   内に冷却ヘッドが臨むように配設されると共に、該ホル
   ダーと伝熱体を介して接続され、半導体ウエハを冷却す
   る冷凍機を有する半導体ウエハ冷却装置において、 該ホルダーが、適宜形状の中空体に形成され、適宜位置
   に中空部と連通するヘリウムガス導入孔が開設されてい
   ると共に、中空部から上面に貫通するヘリウムガス導出
   孔が設けられ、上面に半導体ウエハを載置可能なウエハ
   保持台を有し、かつ、該ウエハ保持台のヘリウムガス導
   入孔を介して中空部内へ所定流量のヘリウムガスを導入
   可能なヘリウムガス導入手段を有していることを特徴と
   する半導体ウエハ冷却装置。
2. 【請求項２】 ウエハ保持台の上面に、ヘリウムガス導
   出孔を除いてインジウムシートが敷設され、該インジウ
   ムシート上に半導体ウエハを載置可能な請求項１記載の
   半導体ウエハ冷却装置。
3. 【請求項３】 ホルダーが、ウエハ保持台の上面に載置
   された半導体ウエハを、その上方から押えて位置を固定
   することができるウエハ押え部を有してなる請求項１又
   は２記載の半導体ウエハ冷却装置。
4. 【請求項４】 ホルダーと冷凍機の冷却ヘッドとが銅線
   又は銅網により接続されている請求項１〜３いずれか１
   に記載の半導体ウエハ冷却装置。
5. 【請求項５】 ヘリウムガス導入手段からウエハ保持台
   の中空部内へ導入されるヘリウムガスの流量が、約５０
   〜約１００ＳｃｃＭである請求項１〜４いずれか１に記
   載の半導体ウエハ冷却装置。
6. 【請求項６】 チャンバー内に配設されたホルダーに試
   験対象となる半導体ウエハを支持させて、該チャンバー
   内に冷却ヘッドが臨むと共に、該ホルダーと伝熱体を介
   して接続された冷凍機により、該ホルダーを介して半導
   体ウエハを冷却する半導体ウエハ冷却方法において、 該ホルダーとして、適宜形状の中空体に形成され、適宜
   位置に中空部と連通するヘリウムガス導入孔が開設され
   ていると共に、中空部から上面に貫通するヘリウムガス
   導出孔が設けられ、上面に半導体ウエハを載置可能なウ
   エハ保持台を有して構成されるものを用い、該ウエハ保
   持台のヘリウムガス導入孔を介して中空部内へ所定流量
   のヘリウムガスを導入しながら半導体ウエハの冷却を行
   うことを特徴とする半導体ウエハ冷却方法。
7. 【請求項７】 ヘリウムガス導入手段からウエハ保持台
   の中空部内へ導入されるヘリウムガスの流量が、約５０
   〜約１００ＳｃｃＭである請求項６記載の半導体ウエハ
   冷却方法。