JP6842225B1 - チャックユニット及びチャックユニットの温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】氷点下から高温まで温度設定可能であり、ペルチェモジュールの劣化を少なくすることができる。【解決手段】半導体１を載置するチャック１０と、チャック１０の裏面をヒータ１２で加熱するヒータ加熱部１１と、接触によりヒータ加熱部１１を冷却し、空冷又は水冷が行われる金属ブロック２１と、金属ブロック２１を加熱冷却するペルチェモジュール３１とを備え、金属ブロック２１とペルチェモジュール３１とが離間しているときに、ヒータ１２が通電し、金属ブロック２１とペルチェモジュール３１とが接触しているときに、ヒータ１２の通電が遮断する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスを載置するチャックユニット及びヒータ通電方法に関し、例えば、氷点下の低温から高温まで温度設定可能なチャックユニットに関する。

半導体デバイスの電気特性の評価は、温度を変化させて、温度特性試験として行われることが多い。特に、車載デバイスは、氷点下の環境から高温の車内で使用されるので、電気特性試験も氷点下の低温状態から常温を超える高温状態で行う必要がある。半導体デバイスを載置固定するチャックを高温にするためには、半導体デバイスを載置・固定するチャックをヒータで加熱する必要がある。

特許文献１には、ヒータと可動式冷却モジュールとを備えた加熱冷却デバイスが開示されている。この可動式冷却モジュールは、加熱時にヒータから離間し、冷却時にヒータに接する金属塊である。

特開2013-123053号公報（図３，段落0041）

特許文献１に記載の加熱冷却デバイスは、アルミニウムや銅の金属塊で冷却しているので、ウェハの温度を室温未満にすることができない。そこで、可動式冷却モジュールをペルチェモジュールに変更して、氷点下まで冷却することが考えられる。しかしながら、ペルチェモジュールは、ヒータに接触させ、高温状態になると、劣化が早まる問題点がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、氷点下から高温まで温度設定可能であり、ペルチェモジュールの劣化を少なくすることができるチャックユニット及びチャックユニットの温度制御方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のチャックユニットは、半導体を載置するチャック（１０）と、前記チャックの裏面を加熱するヒータ加熱部（１１）と、空冷又は水冷により前記ヒータ加熱部を冷却する金属ブロック（２１）と、前記金属ブロックを加熱冷却するペルチェモジュール（３１）とを備え、前記金属ブロックと前記ペルチェモジュールとが離間しているときに、前記ヒータ加熱部のヒータ（１２）への通電が行われ、前記金属ブロックと前記ペルチェモジュールとが接触しているときに、前記ヒータへの通電が遮断することを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。

本発明によれば、氷点下から高温まで温度設定可能であっても、ペルチェモジュールの劣化を少なくすることができる。

本発明の第１実施形態であるチャックユニットの構成図である。 本発明の第１実施形態であるチャックユニットを用いて温度特性試験を行うときのフローチャートである。 ヒータでチャックを加熱している状態を示す図である。 チャックを所定温度まで冷却している状態を示す図である。 チャックをペルチェモジュールで冷却している状態を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本実施形態を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施形態であるチャックユニットの構成図である。
チャックユニット１００は、氷点下の低温（例えば、−６０℃）から高温（ペルチェモジュールの最大温度仕様値よりも高温、例えば、３００℃〜４００℃）まで温度上昇させた状態で、ウェハ１の電気特性（電圧電流特性）を計測するときに使用される。チャックユニット１００は、チャック１０と、加熱部２０と、冷却部としての空冷部３０と、ペルチェユニット４０と、Ｚ軸アクチュエータ６０と、制御装置９０とを備えて構成される。また、プローバ２００は、チャックユニット１００と、チャックユニット１００を移動させる図示しないＸＹＺステージとを備える。

チャック１０は、チャックトップ２と、インシュレータ３と、ガード４と、インシュレータ５とが積層されたものである。チャックトップ２は、ウェハ１やＩＣチップ等の半導体が載置される円形の金属板（例えば、ＯＦＣ（Oxygen-Free Copper））である。チャックトップ２の表面には、半導体を吸着する吸着溝（不図示）や空気を吸入する貫通孔（不図示）が形成されている。インシュレータ３，５は、ガード４を挟むように形成された絶縁セラミック板である。ガード４は、ＳＵＳの薄板であり、接地電位等に維持することにより、ウェハ１の電位を安定にする。

加熱部２０は、加熱ブロック１１と、面状ヒータ１２とが積層されて構成される。加熱ブロック１１は、円形状の金属板（例えば、ＯＦＣ）である。加熱ブロック１１の下面は、面状ヒータ１２に接触している。つまり、加熱ブロック１１は、面状ヒータ１２によって高温に加熱される。加熱ブロック１１には、温度センサ９が埋め込まれている。温度センサ９のデータは制御手段９０に送られ、温度センサ９０で取得された温度データに基づいて面状ヒータ１２の温度が制御される。加熱ブロック１１の上面は、インシュレータ５に接触しているため、加熱ブロック１１によってチャック１０が加熱される。

空冷部３０は、金属製の空冷ブロック２１で構成されている。空冷部３０の内部には、冷却用空気が通流する通流孔２２が形成されている。通流孔２２は、図示しないが平面視で螺旋状に形成されている。通流孔２２の両端部には、空冷エアポート２３が形成されており、不図示の樹脂パイプが挿入される。

ペルチェユニット４０は、ペルチェモジュール３１と、水冷ブロック３２とから構成される。ペルチェモジュール３１は、氷点下（例えば、−６０℃）から最大温度仕様値（例えば、８０℃〜１００℃））まで加熱冷却可能な熱電素子である。言い換えれば、ペルチェモジュール３１は、最大温度仕様値を超える高温になると劣化が早まるという特性を有する。水冷ブロック３２は、ペルチェモジュール３１の裏面に配設され、ペルチェモジュール３１を冷却する役割を果たす。水冷ブロック３２には、冷却水ポート３４が設けられ、不図示の樹脂パイプが挿入される。

Ｚ軸アクチュエータ６０は、ペルチェユニット４０をＺ方向に移動させるものである。つまり、Ｚ軸アクチュエータ６０は、ペルチェモジュール３１の上面と、空冷ブロック２１の下面とを当接させたり、離間させたりする。なお、チャック１０と加熱部２０と空冷部３０とは、一体化されており、これらを固定ユニット５０と称する。

制御装置９０は、ＰＣ（Personal Computer）であり、不図示の制御部が記憶部に格納された制御プログラムを実行することにより、ペルチェモジュール３１、Ｚ軸アクチュエータ６０、不図示の空冷用ポンプ、水冷用ポンプ、計測器等を制御する制御機能を実現する。

図２は、温度特性試験のフローチャートであり、本発明の第１実施形態であるチャックユニット１００の温度制御方法（ヒータ通電方法）を含んでいる。図３〜図５は、ペルチェユニット４０及び冷却部としての空冷部３０の状態を示した図である。

まず、作業者は、ウェハ１をチャック１０に載置する（Ｓ１）。次に、制御装置９０によりＺ軸アクチュエータ６０を制御して、図３で示すように、ペルチェユニット４０を空冷部３０から離間させる（Ｓ２）。そして、ペルチェユニット４０と空冷部３０とが離間した状態で、制御装置９０は、加熱ブロック１１の面状ヒータ１２への通電を実行する制御を行い（Ｓ３）、空冷ブロック２１を所定の高温状態にする。ここで、高温状態とは、ペルチェモジュール３１の最大温度仕様値（例えば８０℃〜１００℃））よりも高い温度（例えば、３００℃〜４００°）を意味する。なお、図３において、加熱部２０及び空冷部３０のハッチングは、高温状態になっていることを示している。ウェハ１の温度が所望の高温状態に至ったら、制御装置９０は、ウェハ１の電圧電流特性を計測する（Ｓ４）。

Ｓ４の計測後、制御装置９０は、図４に示すように、面状ヒータ１２の通電を遮断する制御を実行すると共に、圧縮された冷却エアを供給する制御を実行し、空冷ブロック２１を冷却する（Ｓ５）。そして、制御装置９０は、加熱ブロック２１の温度を測定し、ペルチェモジュール３１が所定の中間温度（例えば、ペルチェモジュール３１の最大温度仕様値（例えば８０℃〜１００℃））以上であったら、処理をＳ５に戻し、空冷ブロック２１の冷却を続ける。一方、ペルチェモジュール３１が所定の中間温度（例えば、最大温度仕様値）未満になったら、制御装置９０は、その温度で、ウェハ１の電圧電流特性を計測する（Ｓ７）。

Ｓ７での計測後、制御装置９０は、Ｚ軸アクチュエータ６０を上昇させる制御を実行して、図５に示すように、ペルチェユニット４０の上面と空冷部３０の下面とを当接させる（Ｓ８）。ペルチェユニット４０と空冷部３０とが当接したら、制御装置９０は、ペルチェユニット４０の温度を下げる制御を実行し、固定ユニット５０を冷却する（Ｓ９）。加熱ブロック２１の温度が所定の冷却温度（例えば、−６０℃の氷点下）になったら、制御装置９０は、ウェハ１の電圧電流の温度特性を計測する（Ｓ１０）。

以上説明したように、本実施形態のチャックユニット１００によれば、面状ヒータ１２を用いて高温状態（例えば、３００℃〜４００°）まで加熱し、ペルチェモジュール３１を用いて−６０℃の低温状態まで冷却することができる。また、ペルチェモジュール３１は、最大温度仕様値（例えば、８０℃〜１００℃）があり、高温状態に維持し続けると、劣化する性質を有する。しかしながら、４００℃の高温状態から中間温度（例えば、最大温度仕様値（例えば、８０℃〜１００℃））まで、ペルチェユニット４０と空冷部３０とを離間させるので、ペルチェモジュール３１の劣化を回避することができる。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が可能である。
（１）前記実施形態では、空冷ブロック２１を用いて、加熱部２０を冷却したが、水冷を用いても構わない。
（２）前記実施形態では、ペルチェユニット４０を上下動させたが、固定ユニット５０を上下動させてもよい。

１ ウェハ
２ チャックトップ
９ 温度センサ
１０ チャック
１１ 加熱ブロック（ヒータ加熱部）
１２ 面状ヒータ
２０ 加熱部
２１ 空冷ブロック（金属ブロック）
３０ 空冷部（冷却部）
３１ ペルチェモジュール（移動ユニット）
３２ 水冷ブロック
４０ ペルチェユニット
６０ Ｚ軸アクチュエータ
９０ 制御装置
１００ チャックユニット
２００ プローバ

Claims (4)

1. 半導体を載置するチャックと、
   前記チャックの裏面を加熱するヒータ加熱部と、
   空冷又は水冷により前記ヒータ加熱部を冷却する金属ブロックと、
   前記金属ブロックを加熱冷却するペルチェモジュールとを備え、
   前記金属ブロックと前記ペルチェモジュールとが離間しているときに、前記ヒータ加熱部のヒータへの通電が行われ、前記金属ブロックと前記ペルチェモジュールとが接触しているときに、前記ヒータへの通電が遮断する
   ことを特徴とするチャックユニット。
2. 請求項１に記載のチャックユニットであって、
   前記ヒータへの通電を遮断するとき、前記金属ブロックを用いて前記チャックを冷却し、冷却後に前記金属ブロックと前記ペルチェモジュールを接触させる制御装置をさらに備える
   ことを特徴とするチャックユニット。
3. 請求項２に記載のチャックユニットであって、
   前記制御装置は、前記金属ブロックを前記ペルチェモジュールの最大温度仕様値未満に冷却する
   ことを特徴とするチャックユニット。
4. 半導体を載置するチャックと、前記チャックの裏面を加熱するヒータ加熱部と、空冷又は水冷により前記ヒータ加熱部を冷却する金属ブロックと、前記金属ブロックを加熱冷却するペルチェモジュールとを備えたチャックユニットの温度制御方法であって、
   前記金属ブロックと前記ペルチェモジュールとが離間しているときに、前記ヒータ加熱部のヒータへの通電を行い、前記金属ブロックと前記ペルチェモジュールとが接触しているときに、前記ヒータへの通電を遮断する
   ことを特徴とするチャックユニットの温度制御方法。

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