JP3129417B2 - 加熱冷却装置及び電気特性評価装置 - Google Patents

加熱冷却装置及び電気特性評価装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子、導体
や絶縁体等の試料を低温から高温まで精度良く温度制御
する加熱冷却装置及び電気特性評価装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体素子や導体、絶縁体等の電気特性
を測定するとき、試料温度を変化させて測定することが
多く、その温度領域に合わせた様々な加熱・冷却装置が
知られている。
【0003】例えば低温領域においては、図8のような
冷却装置が知られている。試料台81に設置された試料
7にプローブ移動機構62によってプローブ61を接触
させる。そして、試料台81に液体窒素や液体ヘリウム
等の冷媒82を試料7が浸かるように導入して試料7の
冷却を行い、電気信号の測定を行っている。この時の試
料7の温度は、液体窒素を用いた場合で約−195℃で
ある。
【0004】また、低温領域から室温領域までを連続的
に温度を変化させる方法として、例えば図9のような装
置が知られている。冷媒容器91の中に冷媒82を導入
し、ボンディングにより試料配線92を取り付けられた
試料7をヒータが埋め込まれた試料台81に取り付け、
銅等で作られたブロック93の内部に設置し、そのブロ
ック93を冷媒82の中に設置する。試料台81から取
り出したヒータ配線94に電流を流すことによって、温
度制御を可能としている。この時の可変可能な温度範囲
は冷媒82に液体窒素を用いたときで、−195℃〜+
150℃程度である。
【0005】また、室温から+500℃程度の高温領域
においては、試料7をヒータ等の上に設置することによ
り試料7の加熱を行う方法等が知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来の電気測定に用い
る試料の加熱冷却装置には、以下のような問題があっ
た。図8の装置の場合、試料温度が冷媒82の温度だけ
で決まり、試料7を加熱することはできない。図9の装
置の場合、ブロック93が冷媒82で覆われているた
め、試料7を加熱するには限界がある。また、小型・低
コストな加熱冷却装置で、試料7を低温から高温まで連
続的に変化させることができない。
【0007】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的とするところは、試料を低温から高
温まで連続的に変化させることができる加熱冷却装置を
提供することにある。
【0008】また、本発明の別の目的は、上記加熱冷却
装置を備えた電気特性評価装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に係る
加熱冷却装置は、試料を加熱するヒータと、前記試料の
冷却を行う冷媒を流す冷媒配管とこの冷媒配管を流れる
冷媒の流量を制御する冷媒制御手段とを備え、前記ヒー
タと一体的に形成された冷却機構とを具備してなり、前
記ヒータは線状のヒータ線から構成され、該ヒータ線と
前記冷媒配管は交互に折れ曲がった形で同一平面上に配
置されてなることを特徴とする。
【0010】ここで、ヒータと冷却機構が一体的に形成
されるとは、ヒータと冷却機構が接触配置して形成され
ること、又は緩衝部材を介して形成されることをいう。
【0011】本発明の望ましい形態を以下に示す。
【0012】(1)ヒータは線状のヒータ線から構成さ
れ、該ヒータ線と冷媒配管は同一平面上に配置されてな
る。
【0013】(2)試料、ヒータ及び冷媒配管は真空容
器内に設置されてなる。
【0014】(3)試料は平面状であって、ヒータと冷
却機構は、試料の一方の表面から熱伝導により試料を加
熱及び冷却する。
【0015】また、本発明の請求項3に係る電気特性評
価装置は、上記加熱冷却装置と、試料表面に接触させる
ことにより該試料に電流又は電圧を供給し、該試料の電
気特性の測定を行うプローブとを具備してなることを特
徴とする。
【0016】本発明の望ましい形態を以下に示す。
【0017】(1)プローブは真空用同軸型プローブで
ある。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。
【0019】(第1実施形態)図1は本発明の第1実施
形態に係る加熱冷却装置の全体構成を示す断面図であ
る。図1に示すように、冷却部1内には冷媒配管2が設
けられている。冷却部1上にはヒータ3が配置される。
このヒータ3上には絶縁板4を介してサセプタ5が設け
られる。このサセプタ5の端部には試料電極6が設けら
れ、サセプタ5上に載置された試料7にサセプタ5を介
して電流・電圧を与えることができる。試料7はサセプ
タ5と接触するように固定され、試料7への熱伝導効率
と電気伝導効率を高くする。試料7は、半導体素子、導
体や絶縁体等である。
【0020】サセプタ5は金をコーティングしたステン
レス等の熱伝導度と電気伝導度が高く、かつ融点の高い
材料が望ましい。絶縁板4はサファイヤやダイヤモンド
等の熱伝導度の高い絶縁体材料が望ましい。ヒータ3は
SiCヒータやPBNヒータ等の薄型のものが望まし
い。
【0021】図2は冷却部1の詳細な構成を示す平面図
である。図2に示すように、冷却措置1は大別して本体
部と冷媒配管2から構成される。本体部は銅等の熱伝導
度の高い材料を用いるのが望ましい。冷媒配管2は本体
部内で折れ曲がった形で構成されており、本体部から外
部に導かれ、図示しない冷媒制御手段に接続される。冷
媒制御手段はポンプ等が用いられ、試料7に与える温度
に応じて冷媒配管2に導入する冷媒の流量を制御するこ
とができる。冷媒配管2内に冷媒制御手段により冷媒を
流すことで冷却部1全体を冷却する構造となっている。
試料温度計測センサ8は試料7に接触して取り付けられ
るもので、高温から低温まで計測可能な熱電対や白金抵
抗体等が用いられる。
【0022】本実施形態に係る加熱冷却装置の動作を以
下説明する。
【0023】まず、試料温度計測センサ8により試料7
の温度を計測する。そして、計測値が目標とする温度よ
りも高い場合には、図示しない冷媒制御手段により冷媒
配管2内に冷媒を導入する。これにより、冷却部1の温
度が下がり、熱伝導により試料7は冷却され、試料7を
低温に保持することができる。このとき、ヒータ3には
電力を供給しないのが望ましいが、冷却部1による試料
7の冷却を緩やかに行う場合には、ヒータ3にも電力を
供給することもできる。
【0024】一方、試料7の温度計測値が目標とする温
度よりも低い場合には、冷媒制御手段により冷媒配管2
内に流れる冷媒の導入を止め、ヒータ3に電力を供給す
る。この場合も、熱伝導により試料7の温度を上げるこ
とができる。
【0025】この加熱冷却の際、冷却部1とヒータ3は
接触配置して形成され、かつ冷媒制御手段により冷媒流
量を制御することができるため、試料7を高温から低温
まで連続的に制御することが可能となる。また、従来の
ように冷媒が試料7をブロックを介して覆う構成をとら
ず、試料7の一面から冷却するため、試料7の充分な加
熱が可能となる。
【0026】このように本実施形態では、加熱機構と冷
却機構を一体化した装置で、温度制御された本装置に試
料を接触させることにより、2インチ程度の試料の加熱
冷却が可能となる。
【0027】なお、本実施形態では冷却機構と加熱機構
が接触配置して形成されている場合を示したが、両者が
一体的に形成されていれば、例えば緩衝部材を介して形
成される場合であっても本発明を適用できる。
【0028】(第2実施形態)図3は本発明の第2実施
形態に係る加熱冷却装置の全体構成を示す図であり、図
4はその加熱冷却部を詳細に示した図である。第1実施
形態と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明
は省略する。
【0029】図3に示すように、本実施形態に係る加熱
冷却装置は、第1実施形態に係る加熱冷却装置のヒータ
3を加熱冷却部41内に内蔵した構成となる。
【0030】図4に示すように、加熱冷却部41は大別
して本体部、冷媒配管2及びヒータ線42から構成され
る。冷媒配管2とヒータ線42が交互に折れ曲がった形
で本体部内に同一平面上に収められている。
【0031】液体窒素等の冷媒を冷媒配管2に流すこと
で本体部を冷却し、ヒータ線42に電力を供給すること
で本体部を加熱することができる。試料7を本体に取り
付けることにより、熱伝導で試料7の温度制御を行う点
は第1実施形態と同様である。ヒータ線42は、表面に
セラミック等で絶縁コーティングしたものを用いるのが
望ましく、本体部は銅等の熱伝導度の高い材料を用いる
のが望ましい。
【0032】このように、冷媒配管2とヒータ線42が
同一平面上に収められていることで、試料7へ温度制御
を敏速に行うことが可能となり、装置全体の大きさもコ
ンパクトとなる。
【0033】(第3実施形態)図5は本発明の第3実施
形態に係る加熱冷却装置の全体構成を示す図である。第
1実施形態と共通する部分には同一の符号を付し、詳細
な説明は省略する。
【0034】図5に示すように、本実施形態の加熱冷却
装置は、第1実施形態に示した加熱冷却機構51上に試
料7が接触配置される。加熱冷却機構51は、図1に示
す冷却部1,ヒータ3,絶縁板4,サセプタ5及び試料
電極6からなる。この加熱冷却機構51内の冷却部1か
ら取り出された冷媒配管2には冷媒容器52が接続さ
れ、この冷媒容器52から冷媒配管2を介して加熱冷却
機構51に冷媒が導入される。また、加熱冷却機構51
のヒータ3には配線53を介してヒータ電源54が取り
付けられる。ヒータ電源54により配線53を介してヒ
ータ3に電力が供給され、ヒータ3は加熱される。この
加熱冷却機構51は、真空容器55内に設置される。こ
の真空容器55には真空ポンプ56が取り付けられる。
この真空ポンプ56を用いて真空容器55内を排気する
ことにより真空容器55内を真空に保持することができ
る。
【0035】本実施形態では、真空容器55内に設置し
た加熱冷却機構51上に試料7を接触させ、真空容器5
5を真空ポンプ56で真空状態にする。その後、ヒータ
電源54によるヒータ3への電力供給、冷媒配管2への
冷媒導入により、試料7の加熱冷却を行う。
【0036】このように、本実施形態では真空容器55
内に加熱冷却機構51を設置して真空状態にすることに
より、加熱時の試料7の酸化、冷却時の試料7の霜付き
を防止することができ、試料7の損傷を無くし、正確な
測定が可能となる。
【0037】なお、本実施形態では加熱冷却機構51と
して図1に示す構成を用いる場合を示したが、第2実施
形態の図3に示した構成で置換することも勿論可能であ
る。
【0038】(第4実施形態)図6は本発明の第4実施
形態に係る電気特性評価装置の全体構成を示す図であ
る。第3実施形態と共通する部分には同一の符号を付
し、詳細な説明は省略する。
【0039】本実施形態では第3実施形態の加熱冷却機
構51にプローブ61及びプローブ移動機構62が設置
された構成となっており、他の構成は第3実施形態と同
様である。プローブ61はプローブ移動機構62によ
り、試料7表面のいかなる位置にも自由に接触させるこ
とが可能となる。また、プローブ61は真空容器55外
部に電流計、電圧計及び電源等の電気測定機器(図示せ
ず)が接続されている。
【0040】このように、本実施形態ではプローブ6
1,プローブ移動機構62を用いることにより、試料7
への電流と電圧の供給及び測定ができるようになり、試
料7の電流−電圧特性、容量−電圧特性等の電気特性を
温度可変した状態で測定することが可能となる。
【0041】(第5実施形態)図7は本発明の第5実施
形態に係る電気特性評価装置に用いられるプローブの全
体構成を示す図である。本実施形態の電気特性評価装置
の基本構成は図6と同様であるので説明は省略する。
【0042】図7に示すように、本実施形態では図6の
電気特性評価装置のプローブ61の部分に真空用同軸型
プローブ71を用いたものである。真空用同軸型プロー
ブ71は、タングステンやモリブデン等の高伝導度・高
融点材料のプローブ針74の周囲に、アルミナ等の真空
用のセラミックス72がコーティングされ、さらにその
周囲にステンレス等の高融点金属73がコーティングさ
れたものである。但し、プローブ先端部分は試料7に接
触しやすいように、プローブ針74のみが飛び出した構
造になっている。同軸プローブの根元、すなわちプロー
ブ針74と反対側の先端部分には高周波用や高電力用の
同軸コネクタ75が取り付けてある。
【0043】このように、真空用同軸型プローブ71を
用いることによって、真空中で高温かつ非常に微弱な信
号を測定する場合に、精度良く電気特性測定を行うこと
ができる。
【0044】
【発明の効果】以上詳述したように本発明の加熱冷却装
置によれば、試料を加熱するヒータに試料の冷却を行う
冷媒を収容する冷媒配管を接触配置し、このヒータと冷
媒配管を一体的に形成することにより、小型・低コスト
な加熱冷却装置で、試料を低温から高温まで連続的に変
化させることができる。
【0045】また、本発明の電気特性評価装置によれ
ば、試料と加熱冷却装置をプローブを取り付けた真空容
器内に設置し、真空容器内を真空状態にすることによ
り、容易にかつ正確に電気特性の温度依存性測定を実現
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る加熱冷却装置の全
体構成を示す図。
【図2】同実施形態に係る冷却部の詳細な構成を示す
図。
【図3】本発明の第2実施形態に係る加熱冷却装置の全
体構成を示す図。
【図4】同実施形態に係る加熱冷却装置の詳細な構成を
示す図。
【図5】本発明の第3実施形態に係る加熱冷却装置の全
体構成を示す図。
【図6】本発明の第4実施形態に係る電気特性評価装置
の全体構成を示す図。
【図7】本発明の第5実施形態に係る真空用同軸型プロ
ーブの全体構成を示す図。
【図8】従来の電気特性評価装置の概略構成を示す図。
【図9】従来の電気特性評価装置の概略構成を示す図。
【符号の説明】
1…冷却装置 2…冷媒配管 3…ヒータ 4…絶縁板 5…サセプタ 6…試料電極 7…試料 8…試料温度計測センサ 41…本体 42…ヒータ線 51…加熱冷却機構 52…冷媒容器 53…配線 54…ヒータ電源 55…真空容器 56…真空ポンプ 61…プローブ 62…プローブ移動機構 71…真空用同軸型プローブ 72…真空用セラミックス 73…高融点金属 74…プローブ針 75…同軸コネクタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂本 仁志 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目8番地 1 三菱重工業株式会社基盤技術研究所 内 (72)発明者 吉村 俊秋 埼玉県入間市大字中神1063−1 サイエ ンステクノロジー株式会社内 (56)参考文献 特開 平7−66252(JP,A) 特開 平6−51019(JP,A) 特開 昭63−260146(JP,A) 特開 昭61−107168(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 31/26 G01R 31/28 G01R 1/06 - 1/073 H01L 21/66

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料を加熱するヒータと、 前記試料の冷却を行う冷媒を流す冷媒配管とこの冷媒配
    管を流れる冷媒の流量を制御する冷媒制御手段とを備
    え、前記ヒータと一体的に形成された冷却機構とを具備
    してなり、 前記ヒータは線状のヒータ線から構成され、該ヒータ線
    と前記冷媒配管は交互に折れ曲がった形で同一平面上に
    配置されてなることを特徴とする加熱冷却装置。
  2. 【請求項2】 前記試料、前記ヒータ及び前記冷媒配管
    は真空容器内に設置されてなることを特徴とする請求項
    1に記載の加熱冷却装置。
  3. 【請求項3】 前記請求項1又は2に記載の加熱冷却装
    置と、前記試料表面に接触させることにより該試料に電
    流又は電圧を供給し、該試料の電気特性の測定を行うプ
    ローブとを具備してなることを特徴とする電気特性評価
    装置。
  4. 【請求項4】 前記プローブは真空用同軸型プローブで
    あることを特徴とする請求項3に記載の電気特性評価装
    置。
  5. 【請求項5】 前記真空用同軸型プローブは、プローブ
    針と、このプローブ針の周囲を覆うセラミックスと、こ
    のセラミックスの周囲を覆う金属からなり、 前記プロー
    ブ針の先端部分は前記試料に接触可能に前記セラミック
    ス及び前記金属から露出してなることを特徴とする請求
    項4に記載の電気特性評価装置。
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