JP3054034B2 - 接触型熱移動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は接触型熱移動装置に関
し、例えばＩＣ等の半導体デバイスの組立前素子の集合
体であるウェハーのバーンインのための恒温装置として
利用される。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ等の半導体デバイスは、出荷前に潜
在欠陥を除去する手段として、バーンインによるスクリ
ーニングが実施されている。このバーンイン工程は、半
導体生産工程の最終段階であるため、半導体デバイスは
完成品形状まで仕上がっている。この段階で発生する不
良は大きなコストロスを招くので、出来るだけ早い工程
での不良品除去が望まれる。又、半導体デバイスは、完
成品形状に組立てられているため、パッケージやリード
に占有される面積や体積が大きくなり、多数個のデバイ
スを収納するバーンイン恒温槽は大型化することになっ
た。

【０００３】そこで、このような半導体デバイスに組み
立てる前の素子の集合体であるウェハー状態時にバーン
インを実施すべく、ウェハーバーンインの研究、開発が
試みられ、不十分ながら一部で実施されている。

【０００４】ウェハーバーンインには、例えば、熱伝導
率の高い金属で作られた加熱面体内部にシーズヒータを
鋳込み、これにより直接加熱する方法が用いられてい
る。この方式によれば、加熱面の温度制御が容易である
ため装置を小型化できるものの、加熱面の表面温度分布
が不均一になるため、大径のウェハーには適しない。
又、この装置は冷却手段を持っていないため、試験温度
における熱放散による損失量よりもウェハーの自己発熱
量を大きくできないので、小発熱量のウェハーにしか用
いることができない。

【０００５】これに対して、熱媒としてブラインを強制
循環させる方式も用いられている。この方式では、熱伝
導率の高い金属で作られた加熱／冷却面体内部に形成し
たブライン流路に、外部に設けた加熱器と冷却器とを具
備する液槽で一定温度に制御したブラインを送液ポンプ
等で圧送・循環させる。この方式によれば、表面温度の
分布は比較的良好で、大径のウェハーにも対応できる
が、液槽、ポンプ、循環系配管等が必要になるため、装
置が複雑、大型化し、コストも高くなった。又、ブライ
ンを使用するため保守面で不利であった。更に、ウェハ
ーの自己発熱はブラインで吸収（冷却）されるため、発
熱量としては或る程度まで対応できるが、ウェハー自体
に発熱量の分布がある場合には、加熱／冷却体の伝熱能
力が一律で発熱量分布に対応できないため、ウェハーに
発熱量分布に比例した温度分布が発生した。更に、ブラ
インを使用したり装置の大型化により全体の熱容量が大
きくなり、温度の上昇・下降等に対する応答性に欠ける
面があった。

【０００６】上記の他に、加熱及び冷却手段を備えたウ
ェハーバーンインテスト装置としては、例えば、ガスヒ
ータで加熱した窒素ガスでウェハーを加熱すると共に、
液体窒素ガスを供給してウェハーを冷却するようにした
装置が提案されている（実開昭５９ー７４７３０号公報
参照）。しかしながら、この装置では、高温又は低温ガ
スと固体伝熱面との熱交換器になるため熱交換量が小さ
く、上記の装置と同様に、ウェハーに発熱量の分布があ
る場合に均一な加熱又は冷却ができない。更に装置も複
雑になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術に於
ける上記問題を解決し、大サイズや不均一な熱負荷を発
生させる対象物体にも対応でき、熱移動量が大きく、温
度応答性に優れ、更に、構造が簡単でコストの低い接触
型熱移動装置を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、請求項１の発明は、接触型熱移動装置が、
熱移動を受ける物体が接触する接触面と、該接触面の裏
面を含み密閉された空間部と、該空間部に入れられた熱
媒体液及びその飽和気体と、前記熱媒体液を加熱する加
熱手段と、前記飽和気体を冷却する冷却手段と、前記接
触面に導通する仕切られた第２空間部と、該第２空間部
の気体を吸引する吸引手段と、を有することを特徴と
し、請求項２の発明は、上記に加えて、前記接触面が上
下方向の下側を向いていることを特徴とする。

【０００９】

【作用】請求項１の発明によれば、空間部に密閉された
熱媒体液を加熱する加熱手段を作動させると、例えばウ
ェハー等の熱移動を受ける物体（以下では「ウェハー」
の例で作用を説明する）を加熱することができる。即
ち、熱媒体液は、その飽和気体と共に密閉されていて飽
和液になっているので、加熱手段の作動により熱を受け
取ると直ちに飽和気体になって接触面に運ばれ、ウェハ
ーに熱を奪われる接触面に触れて凝縮し、接触面に熱を
放出すると共に、再び接触面から加熱手段まで流動す
る。このようなサイクルが繰り返されることによりウェ
ハーが加熱される。

【００１０】一方、ウェハーを冷却するときには、冷却
手段を作動させる。これにより、熱媒体液の飽和気体
は、冷却手段の作動により熱を奪われると直ちに飽和の
熱媒体液になって接触面に運ばれ、ウェハーの熱を受け
取る接触面に触れて蒸発し、接触面の熱を吸収すると共
に、再び冷却される位置に到達し、このようなサイクル
が繰り返されることによりウェハーが冷却される。

【００１１】以上のような加熱手段又は冷却手段による
加熱又は冷却及び接触面の加熱又は冷却は、熱媒体の液
相−気相間の相変化即ち沸騰蒸発又は凝縮液化により行
われる。従って、熱媒体の単位重量当たりの熱量が非常
に大きい潜熱の授受により熱交換が行われる。又、沸騰
／凝縮現象により熱伝達が行われるので、熱交換中の温
度はほぼ一定であり、且つ、熱交換面に熱負荷のアンバ
ランスがあっても、熱負荷に対応した熱媒体量が瞬時に
連続して熱交換面に供給されるため、熱交換面に不均一
な温度分布が生じないと共に、極めて熱伝達率が良い。
その結果、小型の装置であっても大きな加熱及び冷却能
力を有することになる。又、ウェハーを均一に加熱もし
くは冷却できると共に、ウェハーの発熱量が局部的に不
均一であっても、これを均一な温度に維持することがで
きる。更に、例えば大サイズのウェハーで中心部よりも
周辺部の熱放散が大きくなるような対象物でも、温度差
を生じさせることなく全体的に均一な温度を維持できる
ので、大サイズの対象物の処理にも適する。

【００１２】又、接触面に導通する仕切られた第２空間
部と、第２空間部の気体を吸引する吸引手段とを設ける
ので、吸引手段を作動させることにより、接触面側の空
気を吸引することができる。従って、接触面にウェハー
等の熱移動を受ける物体が接触していると、両者間に負
圧が生じて密着性が良くなる。その結果、両者間の熱移
動が一層効果的に行われる。又、接触面を下向きにして
も、ウェハー等を上向きに押し付けることなく接触面に
吸引して保持できる。

【００１３】請求項２の発明によれば、接触面が下側に
向いているため、空間部を形成する接触面の裏面は上を
向くので、裏面は熱媒体液で濡れた状態になる。その結
果、熱媒体液の沸騰が効率良く行われ、ウェハーが効率
良く冷却される。一方、熱媒体液の飽和気体は、比重が
軽いため上下に関係なく接触面に接触する。そして、接
触して液化すると加熱手段で加熱される位置まで流動す
る。従って、加熱作用が低下することはない。

【００１４】

【実施例】図１乃至図４は、接触型熱移動装置の一例で
ある接触恒温装置の構成を示す。本装置は、熱移動を受
ける物体の一例であるウェハー１が接触する接触面であ
る加熱／冷却面２と、その裏面３を含み密閉された空間
部４と、この中に入れられた図示しない熱媒体液及びそ
の飽和気体である作動液及びその飽和蒸気と、作動液を
加熱する加熱手段としての例えば電熱式の加熱器５と、
飽和蒸気を冷却する冷却手段としての冷却ファン６と、
加熱／冷却面２に導通する仕切られた第２空間部である
バキュームチャンバ７と、この中の空気を吸引口８及び
バルブ８ａを介して吸引する吸引手段としての真空ポン
プ９と、を有する。加熱／冷却面２は下側に向いてい
る。又、冷却ファン６、バルブ８ａ及び真空ポンプ９以
外の部分は、本体部分として一体的に形成されている。

【００１５】本実施例の装置はウェハーのバーンインに
使用されるため、更に、制御駆動系として、ウェハー１
が接触したときに障害にならないように取り付けられた
加熱／冷却面２の温度を検出するセンサ１０、この情報
が入力され加熱出力Ｌ及び冷却出力Ｈを備えた温度調節
器１１、これらの出力が入力され加熱器５及び冷却ファ
ン６へ出力する操作端１２、１３、これらの出力で制御
された電力を加熱器及び冷却ファンに供給する電源装置
１４等が設けられている。

【００１６】ウェハー１は、厚さ０．５ｍｍ程度のシリ
コン基板上に数十〜数千個の集積回路素子が形成され２
〜８インチ程度の直径の円板状物体であるが、生産効率
の面から今後も大径化する傾向にある。ウェハー１上に
は図示しない回路素子が配設されていて、図示しない電
気的接続手段により電源や動作信号が印加されると動作
する状態にある。この状態で、本装置により所定温度に
保持してバーンインを行う。バーンイン中には、個々の
回路素子は動作状態になって自己発熱する。ウェハー全
体の発熱量としては、数ワットから大きなものでは千ワ
ットに達するものもある。バーンイン温度は、一般的に
は１２５°Ｃ〜１５０°Ｃであるが、更に高温化の傾向
にある。

【００１７】加熱／冷却面２は、例えば銅やアルミニュ
ームのような熱伝導率の高い金属でできていて、ウェハ
ー１との密着性を高めるために表面は平滑で鏡面に仕上
げされ、更に耐蝕性及び耐磨耗性向上のために適切な表
面処理をされて保護されている。空間部４は、図２（図
１のＡ−Ａ線断面図）にも示す如く、多種類のウェハー
直径に対応できるように設けられた複層の同心円状部分
４−１と、これらの部分を結合する放射状部分４−２と
で形成されている。空間部４からは、図２及び図３（図
１の上平面図）にも示す如く、放射状部分４−２方向に
端が閉鎖した水平管４−３及びこれから分岐して立ち上
がった垂直管４−４が突出し、これらが加熱部及び冷却
部を形成している。垂直管４−４は、冷却フィン４−４
ａを有し、伝熱面積が拡大されている。

【００１８】加熱／冷却面２には、図４（図１の下平面
図）にも示すように、同心円状に配設された個々のバキ
ュームチャンバ８から空間部を貫通して開口した多数の
小孔２ａ及びこれを中心として同心円状に形成された細
い吸着溝２ｂが形成され、小孔２ａと吸着溝２ｂとはそ
れぞれの吸着溝毎に連通している。バキュームチャンバ
７の小孔２ａの反対側には、その一部分に真空引き用吸
引口８が設けられ、これらがバルブ８ａを介して真空ポ
ンプ９に接続されている。このような接触恒温装置は、
加熱／冷却面２及び垂直管４−４の冷却フィン４−４ａ
の部分を除き、熱放散を防止するために図示しない断熱
材で保温されている。

【００１９】以上のような構成により、本接触恒温装置
は次のように作動される。まず、温度調節器１１にバー
ンインするための目標温度を設定して制御駆動系に電力
を供給する。加熱／冷却面２の温度が設定値より低温で
あれば、温度調節器１１は加熱出力Ｌを出す。これによ
り、操作端１２を通して加熱器５に電力が供給され、加
熱器５が発熱する。加熱器５に囲われた水平管４−３内
の作動液は、熱の供給を受けると直ちに沸騰を始める。
この沸騰により、圧力上昇はほぼ音速で空間部内全域に
広がる。同時に沸騰した蒸気は空間部４内に充満する
が、空間部内は最初の圧力に対応した飽和温度になって
いるので、加熱部以外の空間部内壁面では直ちに蒸気が
凝縮すると共に、極めて迅速な熱移動が行われ、壁面は
放出された潜熱を受けて温度上昇を開始する。凝縮した
作動液は水平管４−３内に戻り、再び加熱されて沸騰す
る。

【００２０】加熱／冷却面２の温度が設定した目標温度
に近づくと、温度調節器１１の制御動作により加熱出力
Ｌが次第に減少し、これにより加熱器５に供給される電
力が減少し、接触恒温装置の熱損失量を補うだけの電力
になって加熱／冷却面２を定温に維持する。この場合、
温度上昇中の作動液の蒸気は、温度の低い部分では温度
の高い部分よりも多量に凝縮してより多くの潜熱を放出
するため、空間部４や加熱／冷却面２の部分的形状等の
ばらつきや熱損失のばらつきに関わりなく、各部が均等
に温度上昇し、短時間に均一な温度分布が得られる。

【００２１】接触恒温装置がこのような状態になると、
バーンイン工程に入る。加熱／冷却面２の直下に配設し
たウェハー１を図示しない押し上げ装置で押し上げる
か、又は接触恒温装置自体を下げ、加熱／冷却面２とウ
ェハー１とを接触させる。この状態で真空ポンプ９を作
動させて加熱／冷却面２の裏面から真空引きし、大気圧
との圧力差によって高い密着度でウェハー１を加熱／冷
却面に吸着・保持する。これにより、両者間の熱伝達が
一層良好になる。

【００２２】次に、図示しない電気的接続手段によりウ
ェハー１に電源や動作信号を与え、素子を動作状態に置
く。これにより、ウェハー１は自己発熱を始め、加熱／
冷却面２に熱を与えて空間部４内の作動液を沸騰させ
る。自己発熱量が小さいときには、温度調節器１１が加
熱器５に供給する電力を自己発熱量相当分だけ減少させ
ることにより、定温即ちバーンイン温度を維持すること
ができる。自己発熱量が大きいときには、加熱器５への
供給電力を零にしてもバーンイン温度を維持できないた
め、積極的な冷却動作が必要になる。このときには、温
度調節器１１は冷却出力Ｈを出し、冷却ファン６を動作
させて垂直管４−４及び冷却フィン４−４ａに送風し、
これらを強制冷却する。

【００２３】送風を受けた垂直管４−４の内壁では、作
動液の蒸気が潜熱を放出して瞬時に連続的に凝縮する。
垂直管４−４内で凝縮して滴下した作動液は、空間部４
内に入って加熱時とは逆方向に送られ、空間部の加熱／
冷却面２に対応する部分に戻る。そしてウェハー１の熱
を吸収してこれを冷却すると共に蒸発し、再び垂直管４
−４内に送られて冷却・凝縮される。上記において、冷
却ファン６は、温度調節器１１の冷却出力Ｈの大きさに
比例して回転数等の送風能力を調節される。このように
して、ウェハー１の自己発熱量を大気に放出し、これを
定温に維持する。以上のような動作は、空間部４から放
射状に延設された全ての水平管４−３及び垂直管４−４
部分の加熱及び冷却部で同時に均等に行われることが望
ましい。

【００２４】冷却部は、加熱中には、大気へ熱を発散し
て自然放熱損失を発生させるが、強制冷却時にウェハー
の最大自己発熱量を熱交換できるように冷却ファンの能
力を適切に選定し、冷却フィンの表面積をできるだけ小
さく設計することにより、無風に近い状態である加熱時
の自然放熱損失を最小にすることができる。計算によれ
ば、この熱損失を、加熱熱量の数十分の１にすることが
できる。又、冷却装置等の定温手段を用いて冷却部を冷
却すれば、常温以下の低温の加熱／冷却面を得ることも
可能である。

【００２５】なお本実施例の如く、同心円状の空間部４
−１と同心円状のウェハー吸着溝２ｂとを交互に配設
し、例えばそのピッチをウェハーの大きさ単位に１イン
チ程度し、真空引き用吸引口８のうち最小ウェハー径に
対応するもの以外の吸引口に対してバルブ８ａを設けれ
ば、ウェハーの直径より外側に位置に対応するバキュー
ムチャンバーのバルブを閉じることにより、直径の異な
る多種類のウェハーを効率良く加熱／冷却することがで
きる。なお、作動液の流動を良くするために、必要によ
り空間部内にウイックを設けるようにしてもよい。

【００２６】図５は他の実施例の接触恒温装置の本体部
分の構造を示す。本実施例の接触恒温装置では、ウェハ
ー等のワークと接触する加熱／冷却面２を上向きに形成
し、空間部４内にウイック１５を設けている。この装置
では、垂直管４−４内で冷却され凝縮した作動液は、空
間部４に広がってウイック１５の毛細管現象により吸い
上げられ、加熱／冷却面２からウェハー等の発熱を吸収
して蒸発し、再び垂直管４−４に戻る。このような装置
によれば、ワークを加熱／冷却面２上に載置できるの
で、ワークの操作性が良くなる。

【００２７】図６は、同心円状空間部４−１又は放射状
空間部４−２におけるウイック１５の装着状態の一例を
示す。同図（ｂ）に示す如く、空間部の断面が長方形で
長い場合には、周囲のウイック部分１５ａの他に、上下
方向ウイック部分１５ｂを中間作動液吸い上げ用として
数カ所に設ける。

【００２８】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、請求項１の
発明においては、空間部内に封入された飽和状態にある
熱媒体液及びその飽和気体の状態変化で熱移動が行われ
るため、熱媒体の単位重量当たりの熱移動量が極めて大
きくなるので、接触型熱移動装置を小型化することがで
きる。その結果、熱移動系の熱容量が小さくなる。そし
て、熱容量が小さいことと、熱移動が音速に近い速度で
起こることから、装置の温度応答性が極めて高くなる。

【００２９】又、熱媒体の液相−気相間の状態変化中に
は温度が不変で且つ安定性が高く、しかも、部分的な放
熱／吸熱により熱負荷が不均一になっても、凝縮量や蒸
発量が変化してこれに対応するので、熱移動を受ける物
体の温度を均一に維持することができる。そして、空間
部内の沸騰／凝縮は、加熱／冷却面の大小にかかわりな
く、授受する熱量の大小に対して比例的に一様に起こる
ため、大径ウェハー等のサイズの大きい物体において
も、安定した温度と均一な温度分布を得ることができ
る。

【００３０】更に、加熱／冷却の熱移動が沸騰／凝縮と
いう自然現象により行われるため、大きな潜熱を利用で
きることと、特別な熱移送手段を必要としないことか
ら、装置を小型簡素化し、安価で故障がなく保守の容易
なものにすることができる。

【００３１】そして更に、接触面に導通する仕切られた
第２空間部と、ここから気体を吸引する吸引手段とを設
けるので、熱移動を受ける物体を接触面に設置すると、
両者間に負圧吸引力を発生させることができる。その結
果、両者間の密着性を向上させ、その間の熱移動性を一
層向上させることができる。

【００３２】請求項２の発明によれば、接触面が下側に
向く構成にするので、空間部における接触面の裏面側が
上を向くため、この面が熱媒体液で濡れた状態になり、
接触面が接触した物体から熱移動を受けるときに、熱媒
体液の沸騰に好都合な条件にすることができる。即ち、
物体の冷却効果を大きくすることができる。

【００３３】又、接触面で物体を高温に加熱もしくは維
持するときには、接触面及び物体並びにこれに近接した
空気は周囲より温度の高い熱気になっているが、接触面
がこの熱気の上方に位置するため、接触面によって自然
対流が阻害され、熱気がそのまま滞留し、空気断熱の効
果を発揮して保温することになるので、熱損失を低減
し、より均一な温度分布を実現することができる。この
場合、熱気の流出防止のため、接触面から少し離れた周
囲に風防を設ければ、熱効率を一層向上させることがで
きる。

【００３４】更に、冷却手段を接触面より上方に配置で
きるため下方に充分なスペースが残されるので、例えば
ウェハーのように印加するための電源や動作信号を発生
する大型な電子機器類を必要とする物体を処理する場合
には、それらの配置を容易化することができる。又、上
記の如く風防程度を設けることによって周囲への熱気の
発散を防止できるため、熱的影響を受けることなくウェ
ハーとその作動装置とを近接配置できるので、電気的接
続長さを短縮することができる。その結果、ウェハーと
作動装置の信号発生器との間を高速で動作信号を伝達す
るのに極めて好都合になる。なお、このような両者の近
接配置により、低温域で使用するときには、電子機器類
が発する熱が風防を加熱し、風防の結露を防止する効果
も得られる。

【００３５】そして更に、本発明の接触型熱移動装置を
ウェハーに用いる場合には、ウェハーの裏面がグランド
極に作られていて、一方、接触面を構成する部分も通常
電気良導体であるため、これを電気的接続手段のグラン
ド極として利用できる。この場合、本発明の装置では熱
移動のための外部機器やこれと接続する配管等を必要と
しないので、装置を完全独立型にすることができ、十分
な電気絶縁を行えば、グランド極として利用してもウェ
ハーや他の機器に影響を与えることがない。又、請求項
２の発明のように接触部とウェハーとの密着性を高めれ
ば、その間の電気接続抵抗が低減され、本装置のグラン
ド極としての利用性が更に良くなる。

【００３６】

【図面の簡単な説明】

【図１】接触型熱移動装置の一例である接触恒温装置の
全体構成を示す説明図で、その中の本体部分は図２及び
図３のＢ−Ｂ´線断面を表す。

【図２】図１のＡ−Ａ´線断面図で、対称な本体部分の
片側を示す。

【図３】図１の本体部分の上面図で、吸引口のある片側
を示す。

【図４】図１の加熱／冷却面部分の下面図で、対称な形
状の片側を示す。

【図５】他の実施例の接触恒温装置の本体部分の構造を
示す説明図である。

【図６】（ａ）及び（ｂ）は、上記装置のウイックの装
着状態の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ ウェハー（熱移動を受ける物体） ２ 加熱／冷却面（接触面） ３ 裏面 ４ 空間部 ５ 加熱器（加熱手段） ６ 冷却ファン（冷却手段） ７ バキュームチャンバ（第２空間部） ９ 真空ポンプ（吸引手段）

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱移動を受ける物体が接触する接触面
   と、該接触面の裏面を含み密閉された空間部と、該空間
   部に入れられた熱媒体液及びその飽和気体と、前記熱媒
   体液を加熱する加熱手段と、前記飽和気体を冷却する冷
   却手段と、前記接触面に導通する仕切られた第２空間部
   と、該第２空間部の気体を吸引する吸引手段と、を有す
   ることを特徴とする接触型熱移動装置。
2. 【請求項２】 前記接触面が上下方向の下側を向いてい
   ることを特徴とする請求項１に記載の接触型熱移動装
   置。