JP3727049B2

JP3727049B2 - ウエハーチャック用冷却又は加熱板及びウエハーチャック

Info

Publication number: JP3727049B2
Application number: JP2000315420A
Authority: JP
Inventors: 俊治山田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2020-10-16
Also published as: JP2002124558A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウエハーチャック用冷却又は加熱板及びこれを備えたウエハーチャックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣなど、ほとんどの半導体素子はシリコンウエハー上に作られている。１つの機能を持った半導体素子は、シリコンウエハーから切り出される前に、最終的な電気試験（機能試験）が行われ、その特性が測定され、良否の判定が行われる。試験ではウエハープローバ（ウエハーの移動と加熱または冷却の温度調節を行う装置）及びウエハーテスター（電気特性測定装置）と呼ばれる装置が使われている。
【０００３】
ウエハープローバ内部には平面内に精密に移動可能なテーブル（Ｘ−Ｙテーブルと呼ばれる）があり、テストするウエハーを搭載及び保持するウエハーチャックは、このテーブルに取り付けられている。
【０００４】
上記の試験は、ウエハーをウエハーチャックに保持させ、半導体素子が置かれることになるであろう使用環境を模擬した状態（動作環境温度）を作り出して行なわれる。このような試験は、以前は、高温（室温から１５０℃程度まで）で行なわれることが多かったが、最近では、低温（−１０℃〜−５０℃）で行なわれることも多くなってきている。
【０００５】
高温、低温のいずれの試験にも対応できるように本発明者により提案（特願２０００年第１５４５３３号）されているウエハーチャック用冷却又は加熱（以下では、冷却／加熱と略記することがある）板の分解斜視図を図５に示す。
【０００６】
図５において、ウエハーチャック用冷却／加熱板１０は、ケースを構成する下板１１、側壁板１２、及び上板１３と、このケース内に上下に重ねて収容され、熱媒体（例えば冷却の場合、通常は冷却液であるが、低温のガスや空気の場合もある）との熱交換を行なう、ほぼ同一構造の下伝熱板１４、上伝熱板１５を有している。
【０００７】
下板１１、側壁板１２、及び上板１３は、金属製で、各々２ｍｍ程度の厚みを有している。また、側壁板１２の外周面には、ケース内に熱媒体を導入し、また排出するための、熱媒体出入口１６が取り付けられている。これら下板１１、側壁板１２、及び上板１３は、銅製でもよいが、それより機械的強度が強い（熱に強い）ステンレスや、チタン等の方が望ましい。
【０００８】
下伝熱板１４は熱伝導率の大きな金属材料、例えば銅、銅合金、アルミニウム、あるいはアルミニウム合金等から成り、板状部材１４ａ、多数の略扇形の扇形部材１４ｂ、及び円柱部材１４ｃを有している。詳述すると、下伝熱板１４は、厚さ２ｍｍ程度の薄い金属円板である板状部材１４ａの上面に、同じく厚さ２ｍｍ程度の多数の扇形部材１４ｂを、互いに僅な距離（０．５〜１ｍｍ程度）を置いて円環状に並べ、そこにろう付けまたは接着してある。ここで、扇形部材１４ｂが形成する円環の外径は、板状部材１４ａの直径を２００ｍｍより若干大きいものとすると（８インチ半導体ウエハーに対応するものとすると）、それより２４ｍｍ程度小さい。また、板状部材１４ａの中央部には、扇形部材１４ｂが形成する円環の内径が２８ｍｍ程度であるとして、厚み６ｍｍ程度、外径１８ｍｍ程度の円柱部材１４ｃが、ろう付けまたは接着されている。
【０００９】
上伝熱板１５は、ほぼ下伝熱板１４と同じ構成であるが、その中央に内径２８ｍｍ程度の円孔を有し、円柱部材を持たない点で異なっている。詳述すると、上伝熱板１５は、厚さ２ｍｍ程度のドーナツ盤状の板状部材１５ａの上面に、下伝熱板１４と同様、厚さ２ｍｍ程度の多数の扇形部材１５ｂを、互いに僅な距離（０．５〜１ｍｍ程度）を置いて円環状となるように並べ、そこにろう付けまたは接着してある。
【００１０】
なお、下伝熱板１４、上伝熱板１５は、それぞれ１つの厚みがある金属円板を切削加工して一体的に作られることもある。
【００１１】
下伝熱板１４、上伝熱板１５は、それらの中心軸が一致するように互いに重ねられ、ろう付けあるいは接着され、上板１１、側壁板１２、及び上板１３からなるケース内に収容され、ろう付けあるいは接着にて固定される。
【００１２】
図６に、下伝熱板１４、上伝熱板１５をケースに収容した状態（上板１３を外した状態）を示す。図６に示すように、上伝熱板１５の扇形部材１５ｂが形成する円環の外周面と側壁板１２の内周面との間には、比較的幅の広いリング状の空間が形成される。この空間は、熱媒体が流れる（排出側）外周流路２１となる。また、隣り合う扇形部材１５ｂの間に形成される幅０．５〜１ｍｍの空間は、放射状流路２２となる。更に、扇形部材１５ｂが形成する円環の内周面と円柱部材１４ｃとの間に形成される空間は、上下連絡流路２３となる。なお、下伝熱板１４に関しても、上伝熱板１５と重ねられてケース内に収容されることで、（供給側）外周流路、放射状流路、及び上下連絡流路（上伝熱板１５側の上下連絡流路２３と一体）が形成される。
【００１３】
図７に、図５に示すウエハーチャック用冷却／加熱板１０を用いたウエハーチャックの断面図を示す。なお、ここでは、ウエハーチャック用冷却／加熱板１０が単一部材からなるように描かれており、また、２つの熱媒体出入口１６が上下に並んで配置されているように描かれている点で、図５のものとは異なっている。
【００１４】
図７のウエハーチャックは、ウエハーチャック用冷却／加熱板１０を用いた点以外は、従来のウエハーチャックと同じである。即ち、上面に複数の同心円状溝６５が形成され、これらの溝６５に連通する真空排気通路７１が形成された、半導体ウエハー６１を吸着保持するための吸着板６２と、吸着板６２の下面側に密着するよう取り付けられた電気ヒーター６３と、電気ヒーター６３の下面側に密着するよう取り付けられたウエハーチャック用冷却／加熱板１０とを備えている。なお、ウエハーチャック用冷却／加熱板１０には加熱用の熱媒体（液体や気体）を導入することもできるので、この場合には電気ヒーター６３は省略されても良い。
【００１５】
次に、このウエハーチャックの動作について、図７に加え、図５及び図６をも参照して説明する。
【００１６】
熱媒体出入口１６の一方からウエハーチャック用冷却／加熱板１０に流入した加圧熱媒体は、下伝熱板１４の（供給側）外周流路３１に流れ込む。低温の熱媒体は、液体の場合粘度が大きいので、幅の狭い放射状流路３２に流れ込むよりも、比較的幅の広い供給側外周流路３１内を流れ易い。従って、ウエハーチャック用冷却／加熱板１０に流入した熱媒体は、まず下伝熱板１４の供給側外周流路３１内を満たし、その後、全ての放射状流路３２へと均等に流れ込む。放射状流路３２に流れ込んだ熱媒体は、下伝熱板１４の中心部へと向かい、上下連絡流路２３へと流れ込む。さらに、熱媒体は、上下連絡流路２３から、上伝熱板１５の放射状流路２２へと流れ込み、外周側へと流れ、排出側外周流路２１へと流れ込む。排出側外周流路２１へと流れ込んだ熱媒体は、図６に矢印で示すように、他方の熱媒体出入口１６へと向かい、そこから排出される。
【００１７】
以上のように、このウエハーチャック用冷却／加熱板１０では、多数の幅の狭い（等価直径の小さい）放射状流路２２、３２を、熱媒体が流れるようにしたので、熱伝達率の向上、伝熱面積の向上、及び圧力損失の低下を実現できる。例えば、放射状流路２２、３２の各々の幅を１ｍｍとすると、従来のものに比べ５倍程度の熱伝達率を実現でき、また、伝熱面積も５倍程度を実現できる。その結果、熱伝達能力は従来に比べ２５倍に改善できる。しかも、各放射状流路の長さが短いので、圧力損失は小さい。
【００１８】
なお、上記の例では、熱媒体が下伝熱板１４から上伝熱板１５へと流れるようにしているが、上伝熱板から下伝熱板１４へと流れるようにされる場合もあり得る。
【００１９】
次に、図８を参照して、本発明者により提案されているウエハーチャック用冷却／加熱板の別の例について説明する。
【００２０】
図８に示すように、本例によるウエハーチャック用冷却／加熱板５０では、ケースを構成する下板の下面の中央部であって、少しばかり偏心した位置に熱媒体出入口５１が設けられている。これに伴い、このウエハーチャック用冷却／加熱板５０では、図７のウエハーチャック用冷却／加熱板１０とは異なる点がいくつかある。
【００２１】
まず、下伝熱板は、その中心部に円柱部材が取り付けられておらず、板状部材の中心部には、熱媒体出入口５１に繋がる２つの開口５２が形成されている。また、上伝熱板の板状部材には、その中心部に円孔が形成されておらず、熱媒体出入口５１の一方に連通する連通管５３が取り付けられている。この結果、このウエハーチャック用冷却／加熱板５０の中央部には、上下連絡通路２３が存在しない。
【００２２】
そして、上伝熱板の板状部材は、更に、その外周を扇形部材が形成する円環の外周と一致させてある。この結果、上伝熱板の外周流路２１と下側の外周流路３１とが連続する空間となり、これが上下連絡通路となる。
【００２３】
図８のウエハーチャック用冷却／加熱板５０において、熱媒体出入口５１の一方から上伝熱板の中央部に流れ込んだ熱媒体は、上伝熱板の放射状流路２２を外周へ向かって流れ、外周流路２１から下伝熱板の外周流路３１へと流れ込む。下伝熱板の外周流路３１へと流れ込んだ熱媒体は、下伝熱板の放射状流路３２へと流れ込みその中央部へと向かって流れ、他方の熱媒体出入口５１から排出される。
【００２４】
なお、この例では、熱媒体が上伝熱板から下伝熱板へと流れる場合について説明したが、下伝熱板から上伝熱板へと流れるようにされる場合もある。この場合、熱媒体の流れは図８とは逆向きになる。
【００２５】
本例においても、図７の例と同様、熱伝達率の向上、伝熱面積の向上、及び圧力損失の低下を実現できる。
【００２６】
なお、上記のいずれの例でもＸ−Ｙテーブルは図示を省略しているが、Ｘ−Ｙテーブルは、通常、ウエハーチャック用冷却／加熱板の下側に組み合わされる。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ウエハーチャックには設定した温度に対する一様性が要求されている。冷却あるいは加熱負荷が大きくなったり、ウエハーチャックの寸法が拡大（半導体ウエハーが大きくなる）したとき、これらの性能の低下を防止し、より性能を向上させなければならない。
【００２８】
しかるに、図６から明らかなように、本発明者の提案によるウエハーチャック用冷却／加熱板では各伝熱板の放射状流路の数は、伝熱板の内周側と外周側で同じである。つまり、ウエハーチャックの単位面積当たりの冷却流路面積は外周側にいくほど小さくなっており、冷却能力は低下する。このため、ウエハーチャックは半径方向に差を持つ温度分布を持つこととなる。また、熱媒体とウエハーチャックの温度差も大きくなる。つまり、ウエハーチャックの温度が高くなる。
【００２９】
図９は、冷却の場合の冷却液とウエハーチャックの半径方向の温度分布の一例を示す。この図９からも上記の問題点が明らかである。
【００３０】
そこで、本発明の課題は、内周側と外周側の温度差をできるだけ小さくできるウエハーチャック用冷却又は加熱板及びこれを備えたウエハーチャックを提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、中央部側から外周側にかけて放射状に形成された複数の流路をそれぞれ備えた２つの伝熱板を互いに重ね合わせると共に、一方の伝熱板の前記複数の流路と他方の伝熱板の前記複数の流路とを前記中央部側の上下連絡流路あるいは前記外周側の上下連絡流路で互いに連通させ、前記中央部側で連通させた場合には前記一方の伝熱板の前記複数の流路を前記外周側から前記中央部側へと流れた熱媒体が、前記中央部側の上下連絡流路を経由して前記他方の伝熱板の前記複数の流路を前記中央部側から前記外周側へと連続的に流れるようにし、前記外周側で連通させた場合には前記一方の伝熱板の前記複数の流路を前記中央部側から前記外周側へと流れた熱媒体が、前記外周側の上下連絡流路を経由して前記他方の伝熱板の前記複数の流路を前記外周側から前記中央部側へと連続的に流れるようにしたウエハーチャック用冷却又は加熱板であって、前記２つの伝熱板における複数の流路をそれぞれ、ある半径の円周を境にして外周側の本数を内周側の本数よりも多くし、前記境となる円周上の位置には、外周側の流路と内周側の流路とを連絡するための溝を周方向に設けることにより合流部を形成したことを特徴とするウエハーチャック用冷却又は加熱板が提供される。
【００３２】
なお、各伝熱板における複数の流路は、伝熱板の半径方向全長にわたる放射状流路と、前記ある半径の円周より外側において前記放射状流路の間に設けられた流路とから成るように作られる。この場合、前記半径方向全長にわたる放射状流路の幅と前記放射状流路の間に設けられた流路の幅を異なるようにしても良い。
【００３３】
また、本ウエハーチャック用冷却又は加熱板において、前記合流部を少なくとも２つの異なる半径の円周上の位置に設け、最外周側の流路の本数が最も多く、内周側へ向かうにつれて流路の本数が少なくなるようにしても良い。
【００３４】
本発明によればまた、上記いずれかに記載のウエハーチャック用冷却又は加熱板を備えたウエハーチャックが提供される。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図１〜図３を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１〜図３において、図５、図７と同じ部分には同一番号を付している。ここでは、便宜上、下伝熱板、上伝熱板が単一部材からなるように描かれており、２つの熱媒体出入口１６が上下に並んで配置されているように描かれている。また、下伝熱板の下面側、上伝熱板の上面側にそれぞれ、ステンレス鋼による板部材９１が設けられている。なお、上伝熱板側に設けられるチャック機構部分も図示を省略している。
【００３６】
本形態では、各伝熱板においては、その外周側に近付くにつれて放射状流路間の間隔が大きくなることに着目し、各伝熱板における複数の放射状流路をそれぞれ、ある半径の円周を境にして外周側の本数を内周側の本数よりも多くし、境となる円周上の位置には、外周側の流路と内周側の流路とを連絡するための溝を周方向に設けることにより合流部を形成したことを特徴とする。
【００３７】
すなわち、図１の平面図に示すように、半径方向の適当な位置から外側で、熱媒体の流路の本数を変えている。具体的には、半径方向の適当な位置から外側では、図６に示した放射状流路２２の間に更に付加流路２２−１を形成している。その結果、図１の場合、外周側の流路数が内周側の流路数の２倍になる。そして、上記の半径方向の適当な位置に、円周方向に沿って浅い連絡溝２５を彫り、半径方向の全長にわたっているもともとの放射状流路２２と外周側だけにある付加流路２２−１とを連絡できるようにしている。
【００３８】
図２は上伝熱板１５の斜視図、図３はウエハーチャック用冷却又は加熱板１０の断面図をそれぞれ示し、連絡溝２５により外周側の流路と内周側の流路とが連絡されることが容易に理解できよう。勿論、下伝熱板１４も同様の構造にされる。
【００３９】
このようにすることにより、下伝熱板１４の場合、外周から各流路へ流入した熱媒体は、円周方向に彫られた連絡溝２５を通って、中央部まで彫られた流路へ流れる。同様に、上伝熱板では、ちょうど、その逆の流れが生ずる。
【００４０】
本形態では、連絡溝２５の外側では伝熱板の流路本数が２倍となっており、伝熱面積も２倍となる。これにより、図６の例に比べ、外周側ではウエハーチャックの単位面積当たりの冷却面積は２倍となっている。このため外周側は冷却能力が大きくなる。
【００４１】
図４に、冷却の場合の冷却液とウエハーチャックの半径方向の温度分布の一例を示す。図９と比べてわかるように、冷却液の温度が変わらない（負荷は同じ）にもかかわらず、ウエハーチャックの温度は低下している。すなわち、冷却能力が向上している。また、半径方向の温度の一様性も大きく向上している。連絡溝２５の位置は温度分布が最適となるように決めることができる。
【００４２】
なお、本形態では、連絡溝２５が１条の場合を示しているが、複数条彫って合流部を複数とすることで更に最適化を図ることができる。この場合、合流部を少なくとも２つの異なる半径の円周上の位置に設け、最外周側の流路の本数が最も多く、内周側へ向かうにつれて流路の本数が少なくなるようにされる。また、半径方向全長にわたる放射状流路２２と、外周側に作る付加流路２２−１の寸法（幅）を変えて、最適化を図ることもできる。
【００４３】
なお、上記の例では、熱媒体出入口１６として、入口と出口を１つずつ設けた例について説明したが、熱媒体入口及び熱冷媒出口をそれぞれ複数設けるようにしてもよい。この場合、複数の入口及び出口は、ケースの側壁板１２に、周方向に沿って均等に配置することが望ましい。
【００４４】
図３では、熱媒体が下伝熱板から上伝熱板へと流れる場合について示しているが、上伝熱板から下伝熱板へと流れるようにされる場合もある。この場合には、図８で説明したような構造を採用しても良い。勿論、図８でも説明したように、図８とは逆向きの熱媒体の流れによるウエハーチャック用冷却／加熱板であっても良い。
【００４５】
更に、上記の形態では、放射状流路３２を上側に向けた下伝熱板１４の上に、放射状流路２２を上側に向けた上伝熱板１５を重ねるようにしている。この場合、図１、図３で言えば上伝熱板１５の板状部材１５ａ（図５参照）が放射状流路３２と放射状流路２２との間を仕切る仕切り板部材として機能することは明らかである。これとは別に、放射状流路３２を上側に向けた下伝熱板１４の上に、放射状流路２２を下側に向けた上伝熱板１５を重ねるようにしても良い。この場合には、放射状流路３２と放射状流路２２との間にこれらを仕切る仕切り板部材を設ければ良い。この場合の仕切り板部材は、板状部材１５ａと同様に、中央部に上下連絡流路２３を形成するための貫通穴を持つ板が使用される。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、ウエハーチャック用冷却／加熱板の半径方向に形成される熱媒体流路の数を増やすことができるようにしたことにより、ウエハーチャック用冷却／加熱板に組み合わされるチャック機構部分の温度を低下させることができ、冷却能力を向上させることができる。また、半径方向の温度の一様性も大きく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるウエハーチャック用冷却又は加熱板を上板を外した状態で上から見た図である。
【図２】図１の上伝熱板の斜視図である。
【図３】図１のウエハーチャック用冷却又は加熱板の断面構成図である。
【図４】図３のウエハーチャックの温度分布とウエハーチャック用冷却又は加熱板内の半径方向における冷却液の温度を計測した特性図である。
【図５】本発明が適用されるウエハーチャック用冷却又は加熱板の分解斜視図である。
【図６】図５のウエハーチャック用冷却又は加熱板を上板を外した状態で上から見た図である。
【図７】図５のウエハーチャック用冷却又は加熱板を用いたウエハーチャックの断面構成図である。
【図８】本発明が適用されるウエハーチャック用冷却又は加熱板の別の例を示した断面構成図である。
【図９】図７のウエハーチャックの温度分布とウエハーチャック用冷却又は加熱板内の半径方向における冷却液の温度を計測した特性図である。
【符号の説明】
１０、５０ウエハーチャック用冷却又は加熱板
１１下板
１２側壁板
１３上板
１４下伝熱板
１４ａ、１５ａ板状部材
１４ｂ、１５ｂ扇形部材
１４ｃ円柱部材
１５上伝熱板
１６、５１熱媒体出入口
２１外周流路
２２、３２放射状流路
２３上下連絡流路
２５連絡溝
３１（供給側）外周流路
５２開口
５３連通管
６１半導体ウエハー
６２吸着板
６３電気ヒーター

Claims

中央部側から外周側にかけて放射状に形成された複数の流路をそれぞれ備えた２つの伝熱板を互いに重ね合わせると共に、一方の伝熱板の前記複数の流路と他方の伝熱板の前記複数の流路とを前記中央部側の上下連絡流路あるいは前記外周側の上下連絡流路で互いに連通させ、前記中央部側で連通させた場合には前記一方の伝熱板の前記複数の流路を前記外周側から前記中央部側へと流れた熱媒体が、前記中央部側の上下連絡流路を経由して前記他方の伝熱板の前記複数の流路を前記中央部側から前記外周側へと連続的に流れるようにし、前記外周側で連通させた場合には前記一方の伝熱板の前記複数の流路を前記中央部側から前記外周側へと流れた熱媒体が、前記外周側の上下連絡流路を経由して前記他方の伝熱板の前記複数の流路を前記外周側から前記中央部側へと連続的に流れるようにしたウエハーチャック用冷却又は加熱板であって、
前記２つの伝熱板における複数の流路をそれぞれ、ある半径の円周を境にして外周側の本数を内周側の本数よりも多くし、前記境となる円周上の位置には、外周側の流路と内周側の流路とを連絡するための溝を周方向に設けることにより合流部を形成したことを特徴とするウエハーチャック用冷却又は加熱板。
請求項１記載のウエハーチャック用冷却又は加熱板において、各伝熱板における複数の流路は、伝熱板の半径方向全長にわたる放射状流路と、前記ある半径の円周より外側において前記放射状流路の間に設けられた流路とから成ることを特徴とするウエハーチャック用冷却又は加熱板。
請求項２記載のウエハーチャック用冷却又は加熱板において、前記半径方向全長にわたる放射状流路の幅と前記放射状流路の間に設けられた流路の幅が異なることを特徴とするウエハーチャック用冷却又は加熱板。
請求項１記載のウエハーチャック用冷却又は加熱板において、前記合流部を少なくとも２つの異なる半径の円周上の位置に設け、最外周側の流路の本数が最も多く、内周側へ向かうにつれて流路の本数が少なくなるようにしたことを特徴とするウエハーチャック用冷却又は加熱板。
請求項１〜４のいずれかに記載のウエハーチャック用冷却又は加熱板を備えたことを特徴とするウエハーチャック。