JPH05109847A - 発熱体の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体ウエハに形成された多数の集積回路の
特性評価テスト時、給電されて温度上昇する発熱体であ
る半導体ウエハを速やかに所定温度に冷却する。 【構成】 発熱体１と面接触する冷却ブロック４の接触
面側に、高熱伝導性流体（流体と言う）を供給する供給
口７ａと、供給口７ａから送りこまれ接触面間に形成さ
れた微小間隙に充満する流体を回収する回収口１０ａと
を設け、供給口７ａを介して接触面間に流体を供給する
タンク８と、回収口１０ａを介して流体を吸引して回収
する回収装置１１とを設けた。発熱体の熱は、発熱体と
冷却体の固体接触面及び間隙に充満する高熱伝導の流体
を介して伝導する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発熱体を冷却して所定
温度に高精度で保持する発熱体の冷却装置に関し、特に
半導体ウエハ上に形成された集積回路の電気特性を検査
する際、給電されて発熱する半導体ウエハなどの発熱体
を冷却するに好適な発熱体の冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の半導体ウエハの冷却装置
においては、図７に示すように冷凍機５から供給される
低温の冷却流体が循環する冷却パイプ６を内蔵した冷却
ブロック４上に、発熱体である半導体ウエハ１を載置
し、この半導体ウエハ１の中央部を、冷却ブロック４に
設けられた真空排気口１５を介して真空ポンプ８によっ
て真空チャックし、冷却ブロック４との接触伝導によっ
て半導体ウエハ１の冷却を行っていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】半導体ウエハと接触す
る冷却体の接触面の面精度を高精度に仕上げ、表面粗さ
及び反りを数μｍ程度にしても、半導体ウエハと冷却体
の接触面間には相互の接触面の凹凸や反りのために固体
接触する部分と微小な間隙とが存在する。なお図７にお
いては、半導体１と冷却ブロック４との間に間隙がある
ように図示しているが、実際にはミクロ的に接触する部
分と間隙部分とが存在し、これらを図示するのが難しい
ため、模擬的に等価間隙を設けて図示している。以後同
様の図示方法を用いる。

【０００４】上記従来技術を用いて発熱体である半導体
ウエハの冷却を行う場合、接触面間の真空チャック部近
傍の微小間隙では真空になって流体が介在せず、また真
空チャック部の外周のでは空気が介在してしまう。流体
が介在しない部分では、熱の伝導が極端に悪くなり、一
方、空気が介在する部分は、真空ほど悪くはないが固体
の接触による熱抵抗は、空気の熱伝導率が小さいために
大きくなる。また、接触面間に数μｍ程度のゴミが付着
したとすると接触熱抵抗は大きくなってしまう。このた
め、高発熱する半導体ウエハの温度を高精度に保ちなが
ら冷却することは難しかった。

【０００５】この接触熱抵抗を小さく安定にする方法の
一つとして、日経エレクトロニクス１９８５年６−１７
（ＮＯ．３７１）に半導体パッケージと熱伝導体との接
触面にサーマル・コンパウンドと称する高熱伝導性グリ
ースを塗布する方法が論じられている。

【０００６】この高熱伝導性グリースを塗布して冷却す
る方法を半導体ウエハの冷却に用いた場合、頻繁に着脱
を繰り返す半導体ウエハを高精度に温度コントロールす
るには塗布するグリースの量を正確に一定に保たねばな
らない。つまり、半導体ウエハと冷却ブロックとの接触
面間に介在するグリースの厚さが接触熱抵抗を支配する
ため、グリースの厚さを一定に保つことは不可欠とな
る。しかし、短時間に多量の半導体ウエハに対してグリ
ースの厚さを一定値にすることは難しい。また、半導体
ウエハの冷却後は接触面に塗布したグリースを洗浄しな
くてはならないため工程上の手間が増えてしまう。ま
た、洗浄が不完全だと、それが後工程例えば接着する際
に悪影響を及ぼすなどの問題があった。

【０００７】その他、接触熱抵抗を安定にする方法とし
て、半導体ＣＶＤ装置において半導体ウエハと冷却体の
接触面間に高熱伝導性のヘリウムガスを供給する方法が
知られている。しかし、ヘリウムガスを噴射させるのみ
では、半導体ウエハが供給圧力によって若干量押し上げ
られ、本発明で必要とする冷却体への吸着作用が得られ
ない。そして、伝熱に寄与した後のヘリウムガスは周囲
に拡散し、その周囲での工程に影響を及ぼす等の問題が
あった。

【０００８】本発明の目的は、発熱体の温度を所定温度
に、また発熱体表面の平坦度を、高精度に保ちながら、
発熱体を効果的に冷却する発熱体の冷却装置を提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の発熱体の冷却装置は、発熱体を載置しその
発熱体との接触面を介して冷却する冷却体を備えた発熱
体の冷却装置において、冷却体の接触面に高熱伝導性流
体を供給する供給口と、その供給口から、発熱体及び冷
却体それぞれの接触面の凹凸により形成された微小間隙
を通じて流れる高熱伝導性流体を回収する回収口とを設
け、さらに供給口に冷却体内に形成した流路を介して高
熱伝導性流体を供給する流体供給手段と、回収口から前
記冷却体内に形成した別の流路を介して高熱伝導性流体
を吸引する流体回収手段とを設けたことを特徴としてい
る。

【００１０】そして本発明の発熱体の冷却装置には、供
給口への高熱伝導性流体の供給圧力を発熱体の周囲圧力
よりも低く設定する圧力調整手段を設けておくのがよ
い。

【００１１】冷却体の接触面に設けた高熱伝導性流体の
供給口及び回収口の配置について、供給口は発熱体の中
心部にあたる位置に設け、回収口は複数個を発熱体の周
縁部に当たる位置に供給口を囲むように設けるのがよ
い。また高熱伝導性流体の流通をよくするため、冷却体
の接触面に供給口から回収口をつなぐ溝を設けるのが好
ましい。または冷却体の接触面に隣合う回収口をつなぐ
円周溝を設けてもよい。

【００１２】大型の発熱体の冷却には、冷却体の供給口
は発熱体に対し一様に分布させて複数設け、吸収口は供
給口それぞれを囲むように複数個づつ設けたものが有効
である。あるいは冷却体の供給口を発熱体の周縁部に当
たる位置に設け、回収口は発熱体の中心に関して供給口
と対象の位置に設け記供給口及び回収口それぞれから冷
却体の接触面に多岐の溝を設け、供給口から溝と回収口
からの溝を互いに入り組ませたものとしてもよい。

【００１３】なお、上記本発明の発熱体の冷却装置は発
熱体なる半導体ウエハの冷却に好適である。

【００１４】

【作用】本発明の発熱体の冷却装置において、発熱体の
発生する熱は、発熱体と面接触する冷却体によって除去
される。この冷却の際に、流体供給手段が高熱伝導性流
体を、冷却体内の流路を通じて供給口から発熱体と冷却
体の接触面間に供給すると同時に、流体回収手段が冷却
体内の別の流路内に存在する空気を吸引し、それに伴い
それまで接触面間に介在していた空気は接触面間の微小
な間隙を流れ、回収口から別の流路を通じて排出され、
この微小な間隙は高熱伝導性流体で満たされる。発熱体
の発生する熱は、発熱体と冷却体とが固体接触する経路
と、発熱体から高熱伝導性流体を介する冷却体への経路
との両経路を通じて伝導して、発熱体は冷却される。そ
して微小な間隙に満たされた高熱伝導性流体は、その間
隙が微小であるため空気と接触する面積が小さくなり、
空気中に拡散しにくくなる。

【００１５】上記のごとく、微小な間隙に高熱伝導性流
体を満たすと、この間隙に熱伝導性の低い空気が介在す
る場合に比べて、発熱体から冷却体への熱伝導の効率を
向上させることができる。

【００１６】また、圧力調整手段により高熱伝導性流体
の供給圧力を発熱体の周囲圧力よりも低くして供給口に
供給し、その供給圧力よりもさらに回収圧力を低く設定
することにより圧力差が生じ、冷却体表面に発熱体が吸
着し、発熱体表面は冷却体の基準表面に沿って平坦度が
保たれる。発熱体に給電し発熱させると同時に流体の供
給量を微小に保つことにより、接触面間は常に高熱伝導
性流体で満たされる。また、流体の噴出によって発熱体
の裏面に付着したゴミを除去することができる。このよ
うに、高熱伝導性流体を噴出させると発熱体を短時間に
冷却できる。

【００１７】冷却体表面に形成された供給口と回収口と
をつなぐ溝、回収口をつなぐ円周溝、あるいは供給口及
び回収口それぞれからの分岐溝は、微小間隙での高熱伝
導性流体の流通をよくして熱伝導の向上に寄与するが、
一方発熱体と冷却体との固体接触面積を減少させて熱伝
導を低下させるので、各種溝の幅は狭くするのがよい。

【００１８】さらに、供給された高熱伝導性流体は接触
面間の微小な間隙から開口面積の比較的大きな回収口へ
導かれ、そこで回収口付近で急激な圧力降下が生じ、高
熱伝導性流体が気体の場合には断熱膨張により流体が低
温になるために、また高熱伝導性流体が液体の場合には
液体が蒸発する際の気化熱による冷却効果により、発熱
体の冷却が促進される。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図１は本発明の第１実施例になる発熱体の冷却装置
の縦断面図である。図２はその冷却装置の構成要素であ
る冷却ブロック平面図である。

【００２０】図１において、半導体ウエハ１は電気特性
の評価対象になるもので、特にシリコンウエハである。
半導体ウエハ１は、その上面に多数形成された集積回路
を逐一評価テストする際に、その都度給電されて発熱体
となる。そして集積回路の電気特性を評価するには一定
温度の下で給電するため、半導体ウエハ１は冷却する必
要がある。

【００２１】半導体ウエハ１上には、半導体ウエハ１に
形成された集積回路に給電及びテスト信号の取り出しを
行うコンタクトプローブピン２と、プローブピン２を保
持するプローブカード３が設置されており、そして半導
体ウエハ１は、冷却ブロック４の上面と面接触して載置
されている。なお、図１中で、冷却ブロック４と半導体
ウエハ１との接触状況を，模擬的に等価間隙を介して接
触しあっているように図示しているが、冷却ブロック４
と半導体ウエハ１は、互いに表面粗さと反りが数μｍ程
度存在するので、実際互いに接触し合うと、ミクロ的に
は表面の凸部が互いにぶつかり合い、凹部では微小な間
隙が存在する。この様なミクロ的な状況を図示しにくい
ため、この凹部での微小な間隙の存在を表すため、上記
の様に模擬的な等価間隙で図示した。

【００２２】さて、この実施例の発熱体の冷却装置は、
概して半導体ウエハ１を載置する冷却ブロック４と、そ
の冷却ブロック４中に設置された冷却パイプ６を通じ
て、冷却ブロック４に冷却水を供給する冷凍機５と、冷
却ブロック４に設けた往きの流路７通じて供給口７ａか
ら、半導体ウエハ１と冷却ブロック４との接触面間に高
熱伝導性流体としてヘリウムガスを供給するタンク８
と、高熱伝導性流体を冷却ブロック４に設けた回収口１
０ａから戻りの流路１０を通じて回収する回収装置１１
とから構成されている。

【００２３】さらに詳しく説明すると、冷却ブロック４
は、冷凍機５から送給された冷却液により、内蔵する冷
却パイプ６を通じて冷却され、そして冷却水は再び冷凍
機５に戻されて循環する。また冷却ブロック４には、半
導体ウエハ１の中央部に対面して開口する供給口７ａが
設けられ、この供給口７ａにはタンク８から流量を一定
に制御する流量制御弁９を介して高熱伝導性流体が供給
される。さらに、冷却ブロック４には、半導体ウエハ１
の中央部より外の部分である周縁部７に対面して開口す
る複数の回収孔１０ａが設けられ、供給孔７から流出し
た高熱伝導性流体はこれらの回収孔１０を介して回収装
置１１により回収される。

【００２４】次に熱の伝導経路について説明する。半導
体ウエハ１に形成された電源回路、信号回路への給電に
よって発生した熱は、冷却ブロック４との間に介在する
高熱伝導性流体層１２を介して冷却ブロック４に伝わ
り、その内部に設けた冷却パイプ６中を流れる冷却液に
より外部に逃される。なお、ここで高熱伝導性流体層と
称している層は、半導体ウエハと冷却ブロックとの接触
面には数μm程度の表面粗さと反りのために微小な凹凸
があるため、この接触面間で固体接触する部分と高熱伝
導性流体が存在する微小な間隙とを含めたものである。

【００２５】高熱伝導性流体は、タンク８より流量制御
弁９を介し、冷却ブロック４内に設けた往きの流路７を
通り供給口７ａから半導体ウエハ１と冷却ブロック４と
の接触面間隙に供給される。接触面間隙に供給された高
熱伝導性流体は、供給孔７から接触面間隙を通じて半径
方向に広がって流れ、半導体ウエハ１の周縁部に設けら
れた回収口１０ａからブロック４内部の戻りの流路１０
を通って、回収装置１１に流れる。高熱伝導性流体は、
微小な間隙から開口面積の比較的大きい回収口に導びか
れた時に、気体の場合は断熱膨張し、もしくは液体の場
合は蒸発して、冷却体の冷却を助長する。なお、発熱体
の冷却温度レベルは高熱伝導性流体の種類を変えること
により制御するもできる。

【００２６】図２は、図１に示す冷却ブロック４の接触
面の表面図である。中心に高熱伝導性流体を送給する供
給口７ａを設け、周縁部に上記高熱伝導性流体を回収す
る複数の回収穴１０ａを、供給口７ａを取り囲むように
設けている。これは、回収口１０ａを中心にして、その
周辺に複数の供給口７ａを配置するようにした場合にお
いても成り立ち、高熱伝導性流体の供給による半導体ウ
エハの中心付近の反りを防止できる。

【００２７】図３は本発明の第２実施例に係る冷却ブロ
ックを示し、図２に示す冷却ブロック４の接触面に、加
えて中心の供給口７ａから外周に位置する回収口１０ａ
に向かって流体が流れる微小な溝１３を設けたものであ
る。この溝１３は、高熱伝導性流体を接触面に一様に供
給するためのものである。この溝１３は、半導体ウエハ
１と冷却ブロック４とが固体接触する伝熱面積を大きく
とるために溝幅、溝深さともに数μｍ程度が望ましい。

【００２８】図４は本発明の第３実施例を示す図であ
り、冷却ブロック４は図２に示す接触面に設けた隣あう
高熱伝導性流体の回収口１０ａを円周溝１４でつないだ
ものである。これは、円周の溝１４を設けることによ
り、高熱伝導性流体を回収する回収口１０ａ付近の流体
圧力を円周方向に均一化するものである。

【００２９】図５は本発明の第４の実施例であり、これ
は多数の供給口７ａを接触面表面に一様に分布させて設
け、それぞれの供給口７ａを取り巻くように複数の回収
口１０ａを配置した冷却ブロック４であり、このように
供給口７ａと回収口１０ａを配置した冷却ブロック４
は、半導体ウエハが大型化した際に有効であり、半導体
ウエハを反らせることなくほぼ均一に冷却することがで
きる。

【００３０】図６は本発明の第５実施例を示す。この冷
却ブロック４は、接触面に高熱伝導性流体の供給口７ａ
から多岐にわたる供給溝１５を設け、また回収口１０ａ
から多岐にわたる回収溝１６を設け、かつ供給溝１５と
回収溝１６が互いに入り組むように配置したもので、こ
れも半導体ウエハが大型化した際に、半導体ウエハを反
らせることなくほぼ均一に冷却することができる。

【００３１】なお、高熱伝導性流体として上記実施例で
はヘリウムを用いたが、ヘリウムに限らず、高熱伝導で
微小間隙を流通可能な流体であれば、その流体を用いる
ことができる。

【００３２】また、本発明はそれを逸脱しない範囲にお
いて、ウエハのプロービング試験装置や半導体ＣＶＤ装
置、エッチング装置等に適用できる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、発熱体の冷却装置を；
発熱体を面接触させて載置する冷却体で、その接触面側
に高熱伝導性流体を供給する供給口と、該供給口から供
給され発熱体と冷却体との接触面間に形成された微小な
間隙に充満する高熱伝導性流体を回収する回収口とを設
けた冷却体と；供給口へ高熱伝導性流体を供給する流体
供給手段と；回収口から高熱伝導性流体を吸引して回収
する流体回収手段と；から構成したので、発熱体を冷却
体に密着させながら、発熱体の発生熱を発熱体から冷却
体へ両者の固体接触面とを介して伝導させると共に両者
の接触面間に形成された微小な間隙に充満する高熱伝導
性流体を介して伝導させることができ、従来のように微
小な間隙に熱伝導率の悪い空気が介在する場合より、発
熱体の冷却効率を向上させることができる。

【００３４】さらに、従来のように接触面に高熱伝導性
グリースを塗布したことによる冷却能力の不安定性もな
く、発熱体を汚染することなく短時間に冷却できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例になる半導体ウエハの冷却装置
の縦断面図である。

【図２】供給口の周りに複数の回収口を設けた冷却ブロ
ックの平面図である。

【図３】供給口とその周りの回収口をつなぐ溝を設けた
冷却ブロックの平面図である。

【図４】供給口の周りの複数の回収口をつなぐ円周溝を
設けた冷却ブロックの平面図である。

【図５】供給口と回収口の組合わせを多数設けた冷却ブ
ロックの平面図である。

【図６】接触面に供給口及び回収口それぞれからの多岐
溝を設けた冷却ブロックの平面図である。

【図７】従来の半導体ウエハの冷却装置の縦断面図であ
る。。

【符号の説明】

１ 発熱体となる半導体ウエハ ２ コンタクトプローブピン ３ プローブカード ４ 冷却ブロック ７，１０ 流路 ７ａ 供給口 ８ タンク １０ 回収口 １２ 高熱伝導性流体層 １３ 溝 １４ 円周溝 １５、１６ 多岐溝

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱体を載置し該発熱体との接触面を介
   して冷却する冷却体を備えた発熱体の冷却装置におい
   て、前記冷却体の接触面に高熱伝導性流体を供給する供
   給口と、該供給口から、前記発熱体及び前記冷却体それ
   ぞれの接触面の凹凸により形成された微小間隙を通じて
   流れる高熱伝導性流体を回収する回収口とを設け、前記
   供給口に前記冷却体内に形成した流路を介して高熱伝導
   性流体を供給する流体供給手段と、前記回収口から前記
   冷却体内に形成した別の流路を介して高熱伝導性流体を
   吸引する流体回収手段とを設けたことを特徴とする発熱
   体の冷却装置。
2. 【請求項２】 前記供給口への高熱伝導性流体の供給圧
   力を、前記発熱体の周囲圧力よりも低く設定する圧力調
   整手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の発熱体
   の冷却装置。
3. 【請求項３】 前記冷却体の供給口は前記発熱体の中心
   部にあたる位置に設け、前記冷却体の回収口は複数個前
   記発熱体の周縁部に当たる位置に前記供給口を囲むよう
   にして設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の
   発熱体の冷却装置。
4. 【請求項４】 前記冷却体の接触面に前記供給口から前
   記回収口をつなぐ溝を設けたことを特徴とする請求項３
   記載の発熱体の冷却装置。
5. 【請求項５】 前記冷却体の接触面に隣合う前記回収口
   をつなぐ円周溝を設けたことを特徴とする請求項３記載
   の発熱体の冷却装置。
6. 【請求項６】 前記冷却体の供給口は前記発熱体に対し
   一様に分布させて設け、前記吸収口は前記供給口それぞ
   れを囲むように複数個づつ設けたことを特徴とする請求
   項１又は２に記載の発熱体の冷却装置。
7. 【請求項７】 前記冷却体の供給口を前記発熱体の周縁
   部に当たる位置に設け、前記回収口は前記発熱体の中心
   に関して前記供給口と対象の位置に設け、前記供給口及
   び前記回収口それぞれから前記冷却体の接触面に多岐の
   溝を設け、前記供給口からの多岐溝と前記回収口からの
   多岐溝を互いに入り組ませることを特徴とする請求項１
   記載の発熱体の冷却装置。
8. 【請求項８】 前記発熱体は半導体ウエハなることを特
   徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の発熱体の冷却
   装置。