JP4738781B2 - 温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料を加熱体又は冷却体に接触させて温度制御する型の環境試験装置や半導体試験装置等に使用可能な温度制御装置に関するものである。

環境試験装置や、半導体試験装置として利用可能な、試料を載置した試料プレートを加熱及び冷却するための温度調整システム８１が、特許文献１に開示されている。図７は、特許文献１の温度調整システム８１の系統図である。特許文献１の温度調整システム８１は、半導体ウェハＷを加熱又は冷却するための以下のような構成を備えている。

温度調整システム８１には、処理部８２、冷却部８５及び蓄熱タンク８６を備えている。処理部８２は、電気ヒータ８３と温度調整プレート８４とを有している。温度調整プレート８４には冷却部８５から供給される低温の冷却液を通す通路が形成されており、冷却液は、供給管路８７を介してこの通路内に冷却液を供給し、温度調整プレート８４の温度を低下させる。温度調整プレート８４内で昇温した冷却液は、還流管路８８を介して冷却部８５に回収される。還流管路８８と供給管路８７とを接続するように蓄熱タンク８６が設置されているが、この蓄熱タンク８６には、昇温した冷却液を収容することができる。以上のような構成により温度調整システム８１の流体循環回路が構成されている。

温度調整プレート８４を加熱する際には、蓄熱タンク８６内の高温の冷却液を供給することにより、電気ヒータ８３で加熱するのに必要なエネルギ量を少なくする。処理部８２は、電気ヒータ８３で加熱することにより温度上昇させることができ、また、温度調整プレート８４に冷却部８５から供給される冷却液を通すことにより温度低下させることができるようになっている。この処理部８２に、半導体ウェハＷが接触させてある。従って、半導体ウェハＷの温度は、処理部８２からの熱伝達により、調整することができる。
特開２００２−２３８６０公報

ところで、この特許文献１に開示された温度調整システム８１は、温度調整プレート８４に低温の冷却液を供給することにより、温度を低下させるが、温度を低下させるべく冷却液の供給量を増加させても、実際に目標温度に達するまでに時間がかかる。昨今は、半導体ウェハＷに相当する試料を急冷することができる温度制御装置の登場が望まれていた。そこで本発明では、試料を載置した試料プレートを急冷することができる温度制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明では、加熱器を備えたヒートプレートに試料載置部を設け、前記試料載置部を加熱することができる温度制御装置において、前記ヒートプレートを、ヒートプレート本体と受熱部とで構成し、前記ヒートプレート本体は、加熱器と試料載置部とを備えており、前記受熱部は、ヒートプレート本体と熱移動可能に連結されており、前記試料載置部を冷却するコールドプレートと、前記コールドプレートを前記ヒートプレート本体と受熱部の間で往復移動させる駆動手段とを設け、前記駆動手段がコールドプレートを移動させてヒートプレート本体と受熱部のいずれかに接触させるようにした。

請求項２の発明は請求項１の発明において、試料載置部を急冷する際には、前記駆動手段がコールドプレートをヒートプレート本体と接触させて熱交換させ、又、それ以外のときには前記駆動手段がコールドプレートを受熱部と接触させて受熱部を介してヒートプレート本体と熱交換させるようにした。

請求項３の発明は、加熱器を備えたヒートプレートに試料載置部を設け、前記試料載置部を加熱することができる温度制御装置において、前記試料載置部を冷却するコールドプレートと、前記コールドプレートと前記ヒートプレートの間の距離を変更可能にする往復駆動手段を設け、ヒートプレートとコールドプレートの間に弾性変形可能な熱伝導部材を設け、前記往復駆動手段を作動させると、ヒートプレートとコールドプレートに押圧されている熱伝導部材が弾性変形し、ヒートプレートと前記熱伝導部材との接触面積、及び、コールドプレートと熱伝導部材との接触面積を変更できるようにした。

請求項４の発明は請求項１〜３のうちのいずれかの発明において、前記試料載置部を、前記ヒートプレートと別部材で構成した。

請求項１の発明では、駆動手段がコールドプレートを移動させてヒートプレート本体と受熱部のいずれかに接触させるので、試料を急激に温度変化させて、試料の耐久性を図る試験を行うことができる。

請求項２の発明では、コールドプレートをヒートプレート本体に接触させることにより、試料載置部を急冷することができる。

又、コールドプレートを受熱部と接触させて受熱部を介してヒートプレート本体と熱交換させると、加熱器を備えたヒートプレート本体は、試料載置部の温度を適切に調整することができる。

請求項３の発明では、ヒートプレートとコールドプレートの間の距離を変更可能にする往復駆動手段を設け、ヒートプレートとコールドプレートの間に弾性変形可能な熱伝導部材を設けたので、ヒートプレートと熱伝導部材との接触面積、及びコールドプレートと熱伝導部材との接触面積を変更することにより熱交換レベルを変更することができる。

請求項４の発明では、試料載置部をヒートプレートと別部材で構成するようにしたので、試験対象の複数の試料を、予め複数の別部材に別々に載置させておくことができ、これらの別部材を交換することにより、容易且つ迅速に温度制御装置に設置することができるので、試料の試験を速やかに行うことができる。

図１は、本発明を実施した温度制御装置１を備えた冷媒回路２の系統図である。冷媒回路２は、配管４を備えており、配管４上には冷凍機３とコールドプレート９とが設置されている。コールドプレート９には冷媒通路９ａが設けてある。この冷媒通路９ａには、配管４を介して冷凍機３から冷媒７が供給される。この冷媒７によって、コールドプレート９は蓄冷（低温化）される。冷媒７の供給量は、詳しくは後述するコントロールユニット１２から信号線２０ｄを介して冷凍機３へ指令信号を送ることによって調整することができるようになっている。

図６は、コールドプレート９の内部構造を示す斜視図である。図６に示すようにコールドプレート９の内部には、蛇行する冷媒通路９ａが形成されている。冷媒７が、この冷媒通路９ａに供給されると、コールドプレート９全体が略一様に冷却され、蓄冷される。さらに、この冷媒通路９ａと連通しないように、複数の貫通孔１７が設けてある。

図１に示すようにヒートプレート６は、ヒートプレート本体６ａと受熱プレート６ｂとを有しており、両者は連結部材６ｃで連結されている。図示していないが、連結部材６ｃは、例えばねじによりヒートプレート本体６ａ及び受熱プレート６ｂと取り外し可能に固定されている。

図２は、ヒートプレート６にコールドプレート９を設置した状態を示す斜視図である。また、図３は、ヒートプレート６にコールドプレート９を設置した際の、断面略図である。図２及び図３に示すように、コールドプレート９は、貫通孔１７（図３）に連結部材６ｃを貫通させて、ヒートプレート本体６ａと受熱プレート６ｂの間に設置されている。図２（ａ）及び図３（ａ）は、コールドプレート９が受熱プレート６ｂに当接している状態を示しており、図２（ｂ）及び図３（ｂ）は、コールドプレート９がヒートプレート本体６ａに当接している状態を示している。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、コールドプレート９は、連結部材６ｃに沿って円滑にスライドすることができるようになっている。つまり、コールドプレート９は、スライド機構１０（図１）によりヒートプレート本体６ａと受熱プレート６ｂの間を円滑に往復移動することができるようになっている。

図１に示すように、配管４の冷媒通路９ａ付近（入口側及び出口側）には、可撓部５が設けてある。コールドプレート９が、ヒートプレート本体６ａと受熱プレート６ｂの間を往復移動する際、この可撓部５が対応して変形することにより、冷媒回路２は、常時、密閉状態を維持することができるようになっている。

図１〜図３に示すように、ヒートプレート本体６ａには、試料を載置した試料プレート８が密着して設置されている。この試料プレート８には、熱電対１１が設置されている。熱電対１１により検出された試料プレート８の温度検出信号は、信号線２０ａを介してコントロールユニット１２に入力される。このコントロールユニット１２には、ＣＰＵ１２ａとメモリ１２ｂとが設けてある。

試料プレート８を急冷するときには、コントロールユニット１２は、信号線２０ｃを介してスライド機構１０に信号を送り、スライド機構１０を駆動して、コールドプレート９をヒートプレート本体６ａに当接させ、コールドプレート９とヒートプレート本体６ａとの間で熱交換させてヒートプレート本体６ａ及び試料プレート８を急冷する。

それ以外のときには、コントロールユニット１２は、スライド機構１０を駆動して、コールドプレート９を受熱部６ｂに当接させ、受熱部６ｂと連結部６ｃを介してコールドプレート９とヒートプレート本体６ａとの間で熱交換させる。このように、熱交換のモードを切換えるための切換機構３０（切換手段）が、コントロールユニット１２とスライド機構１０とで構成されている。

コールドプレート９が受熱部６ｂと当接している間、コールドプレート９によって試料プレート８は常に冷却されている。試料プレート８の温度調整は、ヒートプレート本体６ａに備えた加熱器１６の加熱量を加減することにより行う。メモリ１２ｂには、試料プレート８の許容温度範囲が記憶されている。

ＣＰＵ１２ａは、熱電対１１が検出した温度値と、この許容温度範囲とを比較し、ヒートプレート６の加熱器１６による加熱量を適宜調整する。つまり、コントロールユニット１２（ＣＰＵ１２ａ）は、試料プレート８の温度がメモリ１２ｂに記憶されている許容温度範囲を外れないように、信号線２０ｂを介して加熱器１６へ信号を送り、加熱器１６の提供熱量を調整する。温度制御装置１は、このようにして、試料プレート８の温度を調整している。

冷凍機３（図１）は、低温の冷媒７をコールドプレート９に供給するが、冷媒７の供給量は、コントロールユニット１２で調整することができる。試料プレート８の温度が所定温度よりも低く成り過ぎる場合には、配管４を介してコールドプレート９に供給する冷媒７の供給量を少なくする。これにより、加熱器１６によるヒートプレート６の加熱量を低減することができる。逆に、試料プレート８の温度が所定温度よりも高い場合には、コントロールユニット１２は、加熱器１６の提供熱量を減少させ、且つ、冷媒７の供給量を増加させる。

図４は、図１〜図３に示す形態とは別の形態の請求項３の発明を実施した温度制御装置のヒートプレート２１とコールドプレート２３の構成を示す断面略図である。図４には示していないが、コールドプレート２３には図６に示すような冷媒通路が設けてあるが、貫通孔は設けていない。ヒートプレート２１は、加熱器２２を備えている点のみが図３に示すヒートプレート６と共通しているが、受熱プレートや連結部材は設けていない。

ヒートプレート２１とコールドプレート２３の間には、熱伝導性の良好な材質で形成された板ばね２４（熱伝導部材）が配置されている。図４（ａ）では、コールドプレート２３とヒートプレート２１は、間隔Ｌだけ離隔された状態で、板ばね２４を介して熱交換される場合を示しており、図４（ｂ）では、板ばね２４を押圧変形させて、板ばね２４との接触面積を最大にした状態を示している。

図５は、本発明に関連する発明を実施した温度制御装置のヒートプレート２６とコールドプレート２８の構成を示す断面略図である。図５（ａ）に示すように、ヒートプレート２６の下面２７には傾斜の緩やかな台形状の凹凸が形成されている。また、コールドプレート２８の上面２９には、ヒートプレート２６の下面２７の形状に対応する台形の凹凸が形成されている。図５（ａ）では、下面２７と上面２９の台形の山同士が当接しており、この場合は、ヒートプレート２６とコールドプレート２８の接触面積が最小となるため、熱交換量は最小となる。

コールドプレート２８とヒートプレート２６（試料プレート８）は、互いに密着するように、例えばコイルばねで付勢されている。さらに図示しないスライド機構により、コールドプレート２８の左右から力を作用させ、左右の力のバランスを調整して、図５（ｂ）に示すように両者の斜面同士が接触するようになると、接触面積は徐々に増加する。このように、両者の接触面積を可変にする可変機構が形成されている。接触面積が増加するほど、熱交換量は増加する。

図５（ｃ）では、下面２７と上面２９が完全に噛み合っており、ヒートプレート２６とコールドプレート２８の接触面積は最大となり、熱交換量は最大となる。図４の例では、ヒートプレート２１とコールドプレート２３の間に、板ばね２４を介していたが、図５の例では、両者の間に介在するものはなく、熱移動は良好に行われる。

上述の例では、ヒートプレート６（図３）、２１（図４）に対して、試料プレート８を別部材として接触させているが、ヒートプレート内に試料を載置する試料載置部を形成するようにしてもよい。

請求項１〜４のうちのいずれかの発明を実施すると、試料載置部を急冷することができるので、急冷により、試料プレート内の試料に温度的なストレスを加えることができ、急冷時における試料の耐久性を試験することができる。

本発明を実施した温度制御装置を備えた冷媒回路の系統図である。 ヒートプレートにコールドプレートを設置した状態を示す斜視図である。（ａ）は、コールドプレートが受熱プレートに当接している状態を示している。（ｂ）は、コールドプレートがヒートプレート本体に当接している状態を示している。 ヒートプレートにコールドプレートを設置した際の、断面略図である。（ａ）は、コールドプレートが受熱プレートに当接している状態を示している。（ｂ）は、コールドプレートがヒートプレート本体に当接している状態を示している。 図１〜図３に示す形態とは別の形態のヒートプレートとコールドプレートの構成を示す断面略図である。（ａ）は、ヒートプレートとコールドプレートの熱交換量が最小となる場合を示している。（ｂ）は、ヒートプレートとコールドプレートの熱交換量が最大となる場合を示している。 本発明に関連する発明のヒートプレートとコールドプレートの構成を示す断面略図である。（ａ）は、ヒートプレートとコールドプレートの熱交換量が最小となる場合を示している。（ｂ）は、ヒートプレートとコールドプレートの熱交換量の、最大値と最小値の間の任意の値を得る場合の状態を示している。（ｃ）は、ヒートプレートとコールドプレートの熱交換量が最大となる場合を示している。 コールドプレート内部の冷媒通路を示す斜視図である。 従来の温度調整システムの系統図である。

１ 温度制御装置
２ 冷媒回路
３ 冷凍機
４ 配管
５ 可撓部
６ ヒートプレート
６ａ ヒートプレート本体
６ｂ 受熱プレート（受熱部）
６ｃ 連結部
７ 冷媒
８ 試料プレート（試料載置部）
９ コールドプレート
９ａ 冷媒通路
１０ スライド機構（駆動手段、往復駆動手段）
１１ 熱電対
１２ コントロールユニット
１６ 加熱器
１７ 貫通孔
２４ 板ばね（熱伝導部材）
３０ 切換機構（切換手段）

Claims (4)

1. 加熱器を備えたヒートプレートに試料載置部を設け、前記試料載置部を加熱することができる温度制御装置において、前記ヒートプレートを、ヒートプレート本体と受熱部とで構成し、前記ヒートプレート本体は、加熱器と試料載置部とを備えており、前記受熱部は、ヒートプレート本体と熱移動可能に連結されており、前記試料載置部を冷却するコールドプレートと、前記コールドプレートを前記ヒートプレート本体と受熱部の間で往復移動させる駆動手段とを設け、前記駆動手段がコールドプレートを移動させてヒートプレート本体と受熱部のいずれかに接触させることを特徴とする温度制御装置。
2. 試料載置部を急冷する際には、前記駆動手段がコールドプレートをヒートプレート本体と接触させて熱交換させ、又、それ以外のときには前記駆動手段がコールドプレートを受熱部と接触させて受熱部を介してヒートプレート本体と熱交換させることを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
3. 加熱器を備えたヒートプレートに試料載置部を設け、前記試料載置部を加熱することができる温度制御装置において、前記試料載置部を冷却するコールドプレートと、前記コールドプレートと前記ヒートプレートの間の距離を変更可能にする往復駆動手段を設け、ヒートプレートとコールドプレートの間に弾性変形可能な熱伝導部材を設け、前記往復駆動手段を作動させると、ヒートプレートとコールドプレートに押圧されている熱伝導部材が弾性変形し、ヒートプレートと前記熱伝導部材との接触面積、及び、コールドプレートと熱伝導部材との接触面積を変更できることを特徴とする温度制御装置。
4. 前記試料載置部を、前記ヒートプレートと別部材で構成したことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載の温度制御装置。

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