KR100875838B1 - Apparatus for controlling the temperature of test jig - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 제조공정에서의 온도조절 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 제조공정에서 대상물의 온도 테스트를 위한 테스트 지그를 급속으로 냉각 또는 가열시키기 위한 테스트 지그 온도조절 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature control apparatus in a semiconductor manufacturing process, and more particularly, to a test jig temperature control apparatus for rapidly cooling or heating a test jig for testing a temperature of an object in a semiconductor manufacturing process.
일반적으로 반도체 소자 또는 칩들을 생산하기 위해서는 다양한 공정들이 단계적으로 반복 수행되는데, 이러한 여러 반도체 공정들에서 반도체 소자 또는 칩들이 다양한 온도 조건하에서 정상 구동 되는지 여부를 테스트하게 된다. 테스트를 수행하기 위해서는 반도체 소자 또는 칩들이 형성된 웨이퍼를 밀폐된 테스트 지그(test jig)에 안착시킨 상태에서 온도 변화를 주어서 테스트를 수행하게 되는데, 대표적인 공정이 EDS 공정이다. 반도체 칩들은 증착 공정, 사진 공정, 식각 공정 및 이온주입 공정 등을 거쳐 웨이퍼 상에 복수개 형성된다. 이와 같은 웨이퍼 상에 복수개의 반도체 칩들이 형성되면, 각 반도체 칩의 전기적 특성검사를 실시하여 정상적으로 동작하는 반도체 칩들과 불량이 발생된 반도체 칩들을 선별하는 EDS 공정이 수행된다. 이러한 EDS 공정은 불량이 발생된 반도체 칩에 대해서 리페어하고, 리페어 불가능한 반도체 칩들은 조기에 폐기 처분함으로써 후에 수행되는 패키지 공정 및 패키기 검사에 소요되는 시간 및 원가를 절감시키게 된다. 또한 반도체 칩의 초기 불량을 분석하여 전체적인 반도체 소자의 제조 공정을 안정화시키기 위함이다.In general, in order to produce semiconductor devices or chips, various processes are repeatedly performed step by step. In the various semiconductor processes, the semiconductor devices or chips are tested whether they are normally operated under various temperature conditions. In order to perform the test, a test is performed by applying a temperature change while a wafer on which a semiconductor device or chips are formed is placed on a sealed test jig, and a representative process is an EDS process. A plurality of semiconductor chips are formed on the wafer through a deposition process, a photo process, an etching process, and an ion implantation process. When a plurality of semiconductor chips are formed on such a wafer, an EDS process is performed to select electrically operated semiconductor chips and defective semiconductor chips by performing electrical property inspection of each semiconductor chip. The EDS process repairs a defective semiconductor chip, and the non-repairable semiconductor chips are disposed of at an early stage, thereby reducing the time and cost for a later package process and package inspection. In addition, to analyze the initial failure of the semiconductor chip to stabilize the overall manufacturing process of the semiconductor device.
상기 반도체 칩이 형성된 웨이퍼는 프로브척(prober chuck, 테스트 지그) 내에 일정 온도조건 하에서 테스트가 수행되는데, 상기 척이 100 내지 150℃ 정도에서 고온 테스트를, 25 내지 35℃ 정도에서 상온 테스트를, -40℃ 정도에서 저온 테스트를 수행하여 신뢰성을 측정하게 된다.The wafer on which the semiconductor chip is formed is tested under a constant temperature condition in a probe chuck (test jig), wherein the chuck is subjected to a high temperature test at about 100 to 150 ° C., a room temperature test at about 25 to 35 ° C., Reliability is measured by performing a low temperature test at about 40 ° C.
도 1은 종래의 EDS 온도조절 장치의 일 예를 예시한 것이다.Figure 1 illustrates an example of a conventional EDS thermostat device.
도시된 바와 같이 프로브척(10) 내부에는 시험대상인 웨이퍼가 상부에 안착되는 알루미늄 플레이트(12)가 설치되고, 그 하부에 SUS 플레이트(13)와 상기 알루미늄 플레이트로 열을 공급하기 위한 히터(14)가 베이스(15) 상부에 설치된다. 한편, 알루미늄 플레이트(12) 내부에는 냉매가 순환하는 냉각유로(11)가 형성된다. 따라서, 고온 테스트 시에는 히터(14)를 작동시켜 알루미늄 플레이트(12)를 가열하게 되고, 저온 테스트 시에는 저온 냉각기(1)를 가동하여 프로브척(10) 내부로 냉각된 냉매를 공급시키고 이 냉각된 냉매가 상기 냉각유로(11)를 지나면서 알루미늄 플레이트(12)를 냉각시키게 된다.As shown in the
한편 저온 냉각기(1)는 저온 냉각장치(2)와, 저온액 순환장치(3) 및 수분 제거장치(4)를 구비한다. 저온 냉각장치(2)는 기체상태의 냉매를 고온 고압으로 압축시키는 압축기(Compressor)와, 상기 고온고압의 기체 냉매로부터 열을 방출시켜 중 온 고압의 냉매로 액화시키는 응축기(Consenser)와, 상기 액체 냉매의 기화를 용이하게 하기 위하여 분무형태로 변환시키면서 압력을 낮추는 팽창밸브(Expansion Device)와, 상기 분무형태의 액체 냉매가 주위의 열을 흡수하면서 기체 냉매로 기화시키는 증발기(Evaporator)를 구비하는 것이 보통이다. 그리고, 저온액 순환장치(3)는 냉각된 저온액(부동액)을 일시 보관하는 저장고(Reservoir)와, 저장고에 보관된 저온액을 상기 프로브척(10)으로 공급시키기 위한 펌프(Pump)를 포함한다. Meanwhile, the
한편, 산업상 냉각온도가 -30℃ 이하의 매우 낮은 저온 구현이 요구될 때 일반적인 압축식 냉동사이클을 이용하여 냉각시스템을 구성할 경우 상온과 냉각온도 사이의 넓은 온도범위로 인하여 압력범위 또한 매우 넓어지게 되어 압축기에 의하여 수행되어야 할 압력비가 매우 커지며, 그에 따라 냉각시스템의 성능이 매우 낮아지는 문제가 발생한다.On the other hand, when the industrial cooling temperature is required to achieve a very low temperature of less than -30 ℃, when the cooling system is configured using a general compression refrigeration cycle, the pressure range is also very wide due to the wide temperature range between the room temperature and the cooling temperature As a result, the pressure ratio to be performed by the compressor becomes very large, and thus, the performance of the cooling system becomes very low.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 연속적으로 작동하는 2개 이상의 냉동사이클을 조합한 냉각시스템을 이용하는 것이 일반적이며, 이러한 방법으로 구현된 냉동시스템으로는 다단 압축식 냉동시스템, 케스케이드(cascade) 냉동시스템 등이 있다.In order to solve this problem, it is common to use a cooling system that combines two or more refrigeration cycles operating continuously, and the refrigeration system implemented in this way is a multi-stage compressed refrigeration system, cascade refrigeration system, etc. There is this.
도 2와 같이 케스케이드 냉동시스템은 두 개의 냉동사이클 사이에 열교환기를 설치한 형태로서, 상기 열교환기(Cascade Condenser)는 오른쪽의 상부사이클에 대하여 증발기의 역할을 하고 왼쪽의 하부사이클에 대하여 응축기의 역할을 한다. 즉, 냉동기를 저온용과 고온용으로 나누고 저온용 냉동기의 응축기가 고온용 냉동기의 증발기 역할을 하도록 만든 것으로서, 두 사이클의 냉매는 서로 대향하여 열 교환기 내를 흐르도록 되어 있다. As shown in FIG. 2, the cascade refrigeration system has a heat exchanger installed between two refrigeration cycles, and the cascade condenser serves as an evaporator for an upper cycle on the right side and a condenser for a lower cycle on the left side. do. That is, the refrigerator is divided into a low temperature and a high temperature, and the condenser of the low temperature freezer is configured to serve as an evaporator of the high temperature freezer. The two cycles of refrigerants flow in the heat exchanger facing each other.
한편, 도 3과 같이 다단 압축식 냉동시스템은 케스케이드 냉동시스템에 쓰이는 작동유체들이 동일한 유체일 경우 각 간 사이에 설치되는 열교환기를 혼합실(Cascade condenser1,2)로 대체하고 기체만 상부사이클로 유입시키도록 기액분리기를 설치한 것이다.On the other hand, multi-stage compression refrigeration system as shown in FIG. 3 is to replace the heat exchanger installed between the chambers (Cascade
상기와 같이 다단의 냉동사이클을 이용한 극저온의 냉동장치가 필요한 것은 반도체 제조공정상의 생산효율을 위해서 프로브척의 온도변화를 고온에서 저온, 또는 저온에서 고온으로 빠르게 변화시키기 위해서이며, 더 빠르게 냉각하기 위해서 요구되는 온도보다 더 낮은 온도의 냉매(저온액)을 순환시켜야 하기 때문이다. As described above, the cryogenic refrigeration apparatus using the multi-stage refrigeration cycle is required to rapidly change the temperature of the probe chuck from high temperature to low temperature or from low temperature to high temperature for production efficiency in the semiconductor manufacturing process, and to cool more quickly. This is because it is necessary to circulate a refrigerant (low temperature liquid) at a temperature lower than the temperature at which the temperature becomes.
상기와 같은 압축식 냉동사이클은 냉각효율이 높다는 장점이 있으나, 압축기, 증발기, 열교환기, 응축기 등의 각종 장치들을 여러대 설치해야 하므로 설치공간 및 장치의 크기가 커지고 소음진동이 크며, 또한 정교한 온도조절이 어려울 뿐만 아니라 유지 및 보수에 많은 비용이 소요되는 문제점이 있다. 또한, 프로브척 내부의 알루미늄 플레이트의 냉각을 위한 냉각유로 구조, 가열을 위한 히터 구조가 프로브척의 표면온도 균일성(uniformity)을 유지하는데 용이하지 않은 문제점이 있으며, 냉각장치 및 히터가 별도의 제어장치에 의해 제어되므로 정밀한 온도 제어에 어려움이 있었다. The compression refrigeration cycle as described above has the advantage of high cooling efficiency, but it is necessary to install various devices such as a compressor, an evaporator, a heat exchanger, a condenser, and thus the installation space and the size of the device are large, the noise vibration is large, and the precise temperature is also high. Not only is it difficult to adjust, but there is a problem that costs a lot of maintenance and repair. In addition, there is a problem that the cooling flow path structure for cooling the aluminum plate inside the probe chuck, the heater structure for heating is not easy to maintain the surface temperature uniformity (uniformity) of the probe chuck, the cooling device and the heater is a separate control device Since it is controlled by, there was a difficulty in precise temperature control.
한편, 압축식 냉동사이클과 달리 냉매를 사용하지 않는 냉각시스템으로 열전모듈을 이용한 냉각시스템이 있다. 열전모듈을 이용한 냉각시스템은 펠티어 효과(Peltier effect)에 의해 나타나는 냉각효과를 이용한 고체식 열펌프를 말하는 데, 두 개의 세라믹 절연체판 사이에 n형 및 p형 열전반도체를 연결한 형태를 가진 열전모듈(thermoelectric module)에 전류를 인가하면 열전모듈의 양면 사이에 온도차이가 발생하는 열전효과를 이용한다. 즉, n형과 p형의 열전반도체에 전류를 인가하면 음의 접점에서는 주위로부터 열에너지를 흡수한 전자가 열전반도체 내부로 이동함에 따라 흡열현상이 일어나며, 양의 접점에서는 전자의 열에너지 방출에 의해서 발열현상이 일어나는데, 따라서 열전모듈은 냉각시스템 또는 열펌프로서의 기능을 수행할 수 있게 된다.On the other hand, unlike a compression refrigeration cycle there is a cooling system using a thermoelectric module as a cooling system that does not use a refrigerant. The cooling system using the thermoelectric module refers to a solid heat pump using the cooling effect exhibited by the Peltier effect. A thermoelectric module having an n-type and p-type thermoelectric semiconductor connected between two ceramic insulator plates is used. The application of a current to a thermoelectric module takes advantage of the thermoelectric effect of temperature differences between the two sides of a thermoelectric module. That is, when current is applied to n-type and p-type thermoconductors, the endothermic phenomenon occurs as electrons absorbing thermal energy from the surroundings move to the inside of the thermoconductor at the negative contact, and at the positive contact, heat is generated by the release of the heat energy of the electron. The phenomenon occurs, so that the thermoelectric module can function as a cooling system or a heat pump.
상기와 같은 열전모듈을 이용한 냉각시스템은 소형으로 구현하는 것이 가능하고 소음진동이 없으며 미세한 온도조절이 용이할 뿐만 아니라 유지보수 비용이 적은 장점이 있지만, 열전모듈만으로 구성된 냉각시스템으로는 다단식 압축식 냉각시스템에 비하여 상대적으로 냉각효율이 낮고 상온과 온도차이가 매우 커서 단독구성으로 극저온을 구현하는데 어려운 문제점이 있다. Cooling system using the thermoelectric module as described above can be implemented in a small size, there is no noise and vibration, easy to fine temperature control and low maintenance costs, but the cooling system consisting of thermoelectric modules only multi-stage compression type cooling Compared to the system, the cooling efficiency is relatively low, and the temperature difference between the room temperature is very large, so it is difficult to implement the cryogenic temperature in a single configuration.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 테스트 지그를 냉각 또는 가열함에 있어서 구조가 간단하고 크기가 소형인 테스트 지그 온도조절 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명은 테스트 지그를 요구되는 온도로 냉각 또는 가열을 신속하게 하고 동시에 정밀하게 제어하는 테스트 지그 온도조절 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a test jig temperature control device having a simple structure and a small size in cooling or heating a test jig. It is another object of the present invention to provide a test jig thermostat for quickly and precisely controlling the cooling or heating of the test jig to the required temperature.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 테스트 지그 온도조절 장치는, 반도체 웨이퍼가 상부에 안착되는 안착부를 구비하는 테스트 지그; 상기 테스트 지그에 냉매를 공급 및 회수하는 연결관들과 연결되어 상기 테스트 지그를 1차로 냉각시키기 위한 압축식 냉각장치; 상기 안착부의 하부에 접촉하도록 상기 테스트 지그 내부에 설치되며, 상기 연결관들과 연결되어 상기 압축식 냉각장치로부터 공급된 냉매를 이용하여 상기 테스트 지그의 안착부를 2차로 냉각시키며 또한 상기 테스트 지그의 안착부를 가열시키는 열교환장치; 및, 상기 압축식 냉각장치와 상기 열교환장치와 전기적으로 연결되어 상기 프로브의 안착부를 요구되는 온도로 유지시키도록 하는 제어부;를 포함한다.The test jig temperature control apparatus according to the present invention for achieving the above object, the test jig having a seating portion on which the semiconductor wafer is seated; A compression cooling device connected to the connection pipes for supplying and recovering the refrigerant to the test jig to cool the test jig firstly; It is installed inside the test jig to contact the lower part of the seating portion, and is connected to the connecting pipes to cool the seating portion of the test jig by using the refrigerant supplied from the compressed cooling device to secondary and also to seat the test jig. A heat exchanger for heating the unit; And a controller electrically connected to the compressed cooling device and the heat exchanger to maintain the seating portion of the probe at a required temperature.
상기 열교환장치는, 상기 안착부의 하면에 일측이 접촉하도록 설치되며 다수의 열전소자를 포함하는 열전모듈부; 및, 상기 열전모듈부의 타측에 접촉하도록 설치되며, 상기 압축식 냉각장치와 제1연결관 및 제2연결관에 의해 연결되어 냉매를 주고받으며, 상기 압축식 냉각장치로부터 공급된 냉매와 상기 열전모듈부를 직접적으로 열교환시키는 열교환부;를 포함한다.The heat exchange device, the thermoelectric module unit is installed so that one side is in contact with the lower surface of the seating portion and includes a plurality of thermoelectric elements; And installed in contact with the other side of the thermoelectric module unit, connected by the compression cooling device, the first connection pipe, and the second connection pipe to exchange refrigerant, and the refrigerant supplied from the compression cooling device and the thermoelectric module. And a heat exchanger for directly exchanging heat.
상기 압축식 냉각장치는, 기체상태의 냉매를 고온 고압으로 압축시키는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 고온 고압의 기체 냉매로부터 열을 방출시켜 중온 고압의 액체 냉매로 액화시키는 응축기; 상기 제1연결관과 연결되며, 상기 응축기에 의해 응축된 액체 냉매의 기화를 용이하게 하기 위하여 분무형태로 변환시키면서 압력을 낮추는 팽창밸브; 및, 상기 제2연결관과 연결되며, 상기 열교환부에서 기화되지 않은 액체 냉매를 분리하여 기체 냉매만 상기 압축기로 유입시키는 액분리기;를 포함한다.The compression type cooling apparatus includes a compressor for compressing a gaseous refrigerant at a high temperature and high pressure; A condenser releasing heat from the high temperature and high pressure gas refrigerant compressed by the compressor to liquefy it into a medium temperature and high pressure liquid refrigerant; An expansion valve connected to the first connection pipe and configured to lower the pressure while converting it into a spray form to facilitate vaporization of the liquid refrigerant condensed by the condenser; And a liquid separator connected to the second connecting pipe and separating the gaseous liquid refrigerant from the heat exchanger so that only the gas refrigerant flows into the compressor.
상기 열교환부는, 제1연결관이 연결되어 냉매가 유입되는 유입구 및 제2연결관과 연결되어 냉매가 유출되는 유출구를 가지는 폐쇄구조의 몸체; 및, 상기 몸체 내부면에 접합하도록 설치되어 몸체 내부를 통과하는 냉매와의 열교환 표면적을 극대화하는 박판 형태의 다수의 알루미늄 박판;을 포함하며, 상기 팽창밸브를 거쳐 제1연결관을 통해 몸체 내부로 유입된 냉매는, 상기 몸체 내부에서 주위의 열을 흡수하면서 기체 냉매로 기화되고, 이 기체 냉매는 상기 알루미늄 박판에 의해 열교환되어 상기 열교환부의 외부표면을 거쳐 상기 열전모듈부의 타측으로 전달된다.The heat exchange unit may include a body having a closed structure having an inlet through which a first connector is connected to the refrigerant and an outlet through which the refrigerant is discharged by being connected with the second connector; And a plurality of aluminum thin plates in the form of a plate that are installed to be bonded to the inner surface of the body to maximize a heat exchange surface area with the refrigerant passing through the body, and through the expansion valve into the body through the first connection pipe. The introduced refrigerant is vaporized into a gas refrigerant while absorbing ambient heat inside the body, and the gas refrigerant is heat-exchanged by the aluminum thin plate and is transferred to the other side of the thermoelectric module part through an outer surface of the heat exchange part.
한편, 상기 안착부 및 상기 열교환부에는 상기 제어부와 전기적으로 연결되는 온도센서가 각각 설치되고, 상기 제어부는 상기 온도센서에서 수신된 온도정보를 이용하여 상기 열전소자에 적정한 전류를 인가하도록 제어한다.On the other hand, the seating unit and the heat exchanger are each provided with a temperature sensor electrically connected to the control unit, the control unit controls to apply an appropriate current to the thermoelectric element by using the temperature information received from the temperature sensor.
본 발명에 의하면, 반도체 EDS 공정에서 압축식 냉각장치와 열전모듈을 포함한 열교환 장치를 결합하여 2차로 냉각시킴으로써, -40℃ 이하의 극저온을 신속하게 실현시키는 효과가 있다. 또한, 기존의 냉각시스템에 비해 저온액(부동액) 순환장치를 사용하지 않고 소용량의 압축장치만을 사용하므로, 냉각시스템 구조의 간단화 및 소형화를 구현시키는 동시에 유지보수 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다. 그리고, 종래의 부동액을 포함한 열교환매체를 삭제하여 냉각 및 가열의 반응속도를 향상시키며, 손실되는 열량을 줄일 수 있는 장점을 갖는다. According to the present invention, in the semiconductor EDS process, by combining the compression type cooling device and the heat exchanger including the thermoelectric module to cool the secondary, there is an effect of rapidly realizing a cryogenic temperature of -40 ° C or lower. In addition, since only a small capacity compression device is used without using a low temperature liquid (antifreeze) circulator as compared to the existing cooling system, it is possible to reduce the maintenance cost while simplifying and miniaturizing the structure of the cooling system. And, by eliminating the heat exchange medium containing a conventional antifreeze to improve the reaction rate of cooling and heating, it has the advantage of reducing the amount of heat lost.
또한, 냉각 또는 가열의 대상인 안착부에 열전모듈을 포함하는 열교환장치를 직접 접촉하도록 설치하여 냉각 또는 가열시킴으로써, 온도 일정성(uniformity)을 유지할 수 있게 된다. 또한, 열전모듈을 히터로써 사용할 수 있고 하나의 제어장치로 냉각 및 가열을 제어할 수 있으므로, 제어의 용이 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 열전모듈 특성상 미세한 온도조절이 가능하고, 열교환부와 반도체 웨이퍼가 안착되는 안착부에 온도센서를 설치하고 이를 이용하여 안착부의 온도를 정확하게 제어할 수 있는 효과가 있다.In addition, by installing the heat exchanger including the thermoelectric module in direct contact with the mounting portion to be cooled or heated to cool or heat, it is possible to maintain the temperature uniformity. In addition, since the thermoelectric module can be used as a heater and cooling and heating can be controlled by one control device, the control and reliability can be improved. In addition, fine temperature control is possible due to the characteristics of the thermoelectric module, and a temperature sensor is installed in the seating portion where the heat exchanger and the semiconductor wafer are seated, and thus, the temperature of the mounting portion can be accurately controlled.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 테스트 지그 온도조절 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 실시예에서는 테스트 지그의 일 예로 반도체 EDS 공정에서의 프로브척을 예시로 하나, 본 발명의 범위는 반드시 이에 한정되는 것은 아 니다.The above objects, features and other advantages of the present invention will become more apparent by describing the preferred embodiments of the present invention in detail with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, a test jig temperature control apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this embodiment, an example of a test jig is an example of a probe chuck in a semiconductor EDS process, but the scope of the present invention is not necessarily limited thereto.
도 4를 참조하면, 온도조절 장치는 프로브척(30) 내부에 설치되는 열교환장치(40), 압축식 냉각장치(20) 및 제어부(70)를 포함한다.Referring to FIG. 4, the temperature control device includes a
프로브척(30) 내부에는 시험대상인 반도체 웨이퍼가 상부에 안착되는 안착부(32)가 구비된다. 전술한 바와 같이 EDS 공정시 반도체 웨이퍼가 안착부(32)에 안착된 상태에서 고온, 상온 및 저온 테스트가 수행되게 된다. 안착부(32)의 재질 및 형상은 열전도 효율이 좋은 알루미늄 재질의 플레이트 형상을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시예에서 상기 안착부는 알루미늄 플레이트로 예시하여 설명하기로 한다.The
압축식 냉각장치(20)는 냉매를 공급 및 회수하는 제1연결관(26) 및 제2연결관(28)에 의해 프로브척(30)과 연결되어, 상기 프로브척(30) 내부를 1차로 냉각시키기는 역할을 한다. 도시된 바와 같이 압축식 냉각장치(20)는, 기체상태의 냉매를 고온 고압으로 압축시키는 압축기(21)와, 상기 압축된 고온 고압의 기체 냉매로부터 열을 방출시켜 중온 고압의 액체 냉매로 액화시키는 응축기(22)와, 상기 응축된 액체 냉매의 기화를 용이하게 하기 위하여 분무형태로 변환시키면서 압력을 낮추는 팽창밸브(23)를 포함한다. 팽창밸브(23)는 제1연결관(26)과 연결되어, 팽창밸브(23)를 거친 냉매는 제1연결관(26)을 통해 프로브척(30) 내부의 열교환ㅈ장치(40)로 유입된다. 한편, 압축기(21) 전단에는 제2연결관(28)과 연결된 액분리기(24, Accumulator)가 설치되어, 열교환장치(40)에서 기화되지 않은 액체 냉매를 분리하여 기체 냉매만 압축기(21)로 유입시키도록 한다.The compression
열교환장치(40)는 알루미늄 플레이트(32)의 하부에 접촉하도록 상기 프로브척 내부에 설치된다. 열교환장치(40)는 압축식 냉각장치(20)와 제1연결관(26) 및 제2연결관(28)에 의해 연결되어, 압축식 냉각장치(20)로부터 공급된 냉매를 이용하여 상기 프로브척(30)의 알루미늄 플레이트(32)를 2차로 냉각시키는 역할을 한다. 또한, 열교환장치(40)는 알루미늄 플레이트(32)를 냉각시키는 것 뿐만 아니라 알루미늄 플레이트(32)를 가열시키는 히터의 역할도 한다. 열교환장치(40)는 일측이 알루미늄 플레이트(32)의 하부에 접촉하도록 설치되는 열전모듈부(60)와, 열전모듈부(60)의 타측에 접촉하도록 설치되는 열교환부(50)를 포함한다.The
열전모듈부(60)에는 다수의 열전소자가 설치되어 있어서 제어부(70)의 제어에 의해 전원공급부(80)로부터 공급된 전원의 극성 전환에 의해 양측면을 통하여 흡열 또는 방열하게 된다. 열전모듈은 열에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 열에너지로 직접 변환시킬 수 있는 전자부품으로서, 공급되는 전원의 극성을 제어함에 따라 열전방향을 역전시킴으로써 냉각 또는 가열로의 기능변환이 가능하여 열을 흡열면에서 방열면으로 이동시킬 수 있다. 또한, 공급되는 전압이나 전류를 제어함에 따라 0.05℃ 수준의 정밀한 온도제어도 가능하고, 소자를 가동시키기 위한 구동부분이 없기 때문에 진동 소음이 없으며, 열전반도체의 열전특성으로 이용하므로 냉매를 이용한 냉각시스템과 같은 오염이나 공해가 없는 특징이 있다. 또한, 열전모듈은 공급되는 전원에 따라 양측면 사이에 상당한 온도편차를 형성하는 특성을 가진다.The
도 5를 참조하면, 열전모듈부(60)는 병렬로 배치된 다수의 열전소자(61)와, 상기 열전소자(61)들의 양단부에 다수의 도체(62)를 개재하여 각각 설치된 한 쌍의 세라믹 기판(63, 64)을 포함한다. 도면을 참조하여 열전모듈부(60)의 원리를 간단히 설명하면, 열전모듈부(60)는 다수의 N형 열전소자(61a)와 P형 열전소자(61b)를 결합한 구조로서, 전원공급부(80)에 의해 공급되는 DC전원을 인가하면 도체(62)를 통해 전류가 흐르게 되고 이 전류의 흐름에 따라 상,하측의 세라믹 기판(63,64 ,절연성 열전도체)에서는 흡열 및 발열 현상을 발생하는 펠티에 효과가 일어나게 된다. 따라서, 상부측 세라믹 기판(64)은 위에 적재된 알루미늄 플레이트(32)로부터 열을 흡수하여 하부측 세라믹 기판(63)으로 전달하게 됨으로써, 알루미늄 플레이트(32)를 냉각시킬 수 있게 된다. 열전달 되는 양은 인가되는 상기 DC전원을 조절함으로써 상기 알루미늄 플레이트(32)의 냉각온도를 조절할 수 있다. 한편, DC 전원의 극성을 반대로 하면 흡열 및 발열 방향이 반대가 된다.Referring to FIG. 5, the
이와 같이, DC전원이 인가됨과 동시에 순간적인 온도편차가 발생하는 열전모듈부(60)의 특성을 이용하고, 공급되는 DC전원에 의한 미세한 제어를 통하여, 본 발명의 프로브척 온도조절 장치는 급속한 냉각이 가능할 뿐만 아니라 냉각 또는 가열시키고자 하는 직접적인 목적물인 알루미늄 플레이트(32)에 대한 정밀한 제어가 가능하다.As described above, the probe chuck temperature control device of the present invention rapidly cools by using the characteristics of the
열교환부(50)는 상기 열전모듈부(60)와 접촉하도록 형성되며, 제1연결관(26) 및 제2연결관(28)에 의해 상기 압축식 냉각장치(20)와 직접적으로 연결된다. 도 6을 참조하면, 열교환부(50)는 제1연결관(26)이 연결되어 냉매가 유입되는 유입구(55) 및 제2연결관(28)과 연결되어 냉매가 유출되는 유출구(56)를 가지는 폐쇄구 조의 몸체(52)와, 몸체(52) 내부면에 접하도록 설치되 알루미늄 박판(54)을 포함한다. The
몸체(52)는 대략 육면체 형상을 가지며, 몸체(52)의 외부표면 중 적어도 어느 하나의 면에는 상기 열전모듈부(60) 중 하부의 세라믹 기판(63)이 접합하도록 조립된다. 몸체(52)는 열교환능력에 따라 크기를 조절하여 제작할 수 있으며, 열전달 능력이 우수한 알루미늄 합금으로 제조되는 것이 바람직하다. 열전소자(61)는 조립면인 세라믹 기판(63,64)과의 접촉면을 통하여 열의 이동경로를 형성하므로, 다수의 열전소자를 배열할 경우 상기 세라믹 기판(63,64)은 기구적으로 평탄도가 정밀하게 유지되어야 하며, 만약 평단도가 불량할 경우 열교환 효율이 저하되고 접합면의 일부분에 조립하중이 집중되어 열전소자의 균열 또는 전단응력이 집중되어 세라믹 기판(63,64)의 파괴가 일어나게 된다. 따라서, 이러한 평탄한 세라믹 기판(63,64)과의 접합을 위해서는 상기 몸체(52)의 외부표면 역시 평탄한 면으로 형성되어야 하며, 바람직하게는 표면 거칠기 범위가 25㎛ 이하인 것이 좋다.The
열교환부(50)는 몸체(52) 내부로 흐르는 냉매와 열전모듈부(60)와의 열전달 효율을 높이는 것이 중요하므로, 단위면적당 열교환 속도가 빨라야 한다. 따라서, 상기 알루미늄 박판(54)은 몸체(52) 내부를 통과하는 냉매와의 열교환 표면적을 극대화하는 박판 형태로 몸체 내부에 조밀하게 형성되는 것이 바람직하다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 상기 알루미늄 박판(54)은 골과 마루가 규칙적으로 형성되는 주름진 플레이트 형상을 가지며, 상기 골과 마루는 상기 몸체(52)의 내부 표면에 브래이징(Brazing) 접합공정에 의해 접합된다. 이에 따라 알루미늄 박판(54)은 조립 압력 및 내부 순환유체(냉매)의 압력에 견딜 수 있으며, 열교환 효율의 극대화를 이룰 수 있게 된다.Since the
열교환장치(40)의 동작을 도 4 및 도 5를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The operation of the
먼저, 반도체 웨이퍼가 알루미늄 플레이트(32)에 안착된 후 저온 테스트를 수행하게 되면 압축식 냉각장치(20)가 구동된다. 즉, 압축기(21)에 의해 압축된 냉매는 응축기(22)에 의해 액체상태로 응축되고, 상기 응축된 냉매는 팽창밸브(23)에 의해 분무상태로 변환된다. 이렇게 분무상태로 변환된 냉매는 제1연결관(26)을 통해 열교환장치(40)의 열교환부(50)로 유입된다. 열교환부(50)는 증발기 기능을 수행하게 되므로, 열교환부(50)로 유입된 냉매는 몸체(52) 내부에서 주위의 열을 흡수하면서 기체 냉매로 기화되어 몸체 내부를 냉각시키고, 알루미늄 박판(54) 등에 의해 열전달되어 몸체 열교환부(50) 전체 및 이와 접촉된 열전모듈부(60)를 냉각시킨다. 한편, 이 때 열전모듈부(60)는 알루미늄 플레이트(32)와 접촉된 상부측 세라믹 기판(64)이 흡열기능을 하게 되어 냉각되고, 이와 접촉된 알루미늄 플레이트(32)는 냉각되게 된다. 이와 같이 알루미늄 플레이트(32)는 압축식 냉각장치(20) 및 열교환장치(40)에 의해 신속하게 저온상태를 유지할 수 있게 된다.First, when the low temperature test is performed after the semiconductor wafer is seated on the
한편, 고온 테스트를 수행하는 경우, 압축식 냉각장치(20)는 구동되지 않는다. 그리고, 이 때 열전모듈부(60)는 저온 테스트일 때와 반대로 극성 전환되어 알루미늄 플레이트(32)와 접촉된 일측면이 발열기능을 하게 되어 가열되고, 이와 접촉된 알루미늄 플레이트(32)는 가열되게 된다.On the other hand, when performing a high temperature test, the compression
제어부(70)는 압축식 냉각장치(20) 및 열전모듈을 포함한 열교환장치(40)와 전기적으로 연결되어 상기 프로브척(30)의 알루미늄 플레이트(32)를 요구되는 온도로 유지시키도록 제어한다. 즉, 제어부(70)는 압축식 냉각장치(20)와 열교환장치(40)에 전원을 공급하는 전원공급부(80)와 전기적으로 연결되고 이를 제어하게 된다. 또한, 제어부(70)는 상기 열전모듈부(60)의 극성전환을 이용하여 흡열 또는 발열 기능을 제어하게 된다. 이러한 제어부(70)의 극성전환을 이용한 열전모듈부(60)의 온도제어는 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 한국등록특허 제817419호에 개시되어 있으며 상세한 설명은 생략하기로 한다. 한편, 프로브척(30) 내부의 정확한 온도제어를 위해 알루미늄 플레이트(32)와 열교환부(50)에 설치된 각각의 온도센서(34,57)와 연결되어, 제어부(70)는 온도센서(34,57)에서 수신된 온도정보를 이용하여 열전모듈부(60)에 적정한 전원을 인가하도록 제어한다. The
이와 같이 본 발명에 의하면, 기존의 냉각 시스템 중 저온액 순환장치(펌프, 저장고)를 사용하지 않고 냉각장치와 프로브척을 직접 연결시키므로 장치를 단순화 및 소형화시킬 수 있고 또한, 비용절감에 매우 큰 효과가 있다. 또한, 프로브척 내부에 열전모듈을 포함하도록 구성된 열교환장치 설치하여 자체적으로 냉각능력을 가지고 있어서, 압축식 냉각장치의 냉동능력을 상당부분 감소시킬 수 있으므로, 종래보다 작은 규모의 압축기 사용이 가능한 이점이 있다. As described above, according to the present invention, since the cooling device and the probe chuck are directly connected without using the low temperature liquid circulation device (pump or reservoir) of the existing cooling system, the device can be simplified and downsized, and the cost reduction is very effective. There is. In addition, by installing a heat exchanger configured to include a thermoelectric module inside the probe chuck has its own cooling capacity, can significantly reduce the refrigeration capacity of the compression type cooling device, it is possible to use a smaller compressor than the conventional have.
또한, 열교환장치가 히터기능을 수행하고 있어 제어부가 냉각 및 가열을 모두 제어할 수 있게 된다. 또한, 열교환장치의 열교환부 및 알루미늄 플레이트에 온도센서가 부착되어 있고, 열전모듈의 특성상 정밀한 온도 제어가 가능하므로, 결국 저온 및 고온 테스트에서의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, since the heat exchanger performs a heater function, the control unit can control both cooling and heating. In addition, since a temperature sensor is attached to the heat exchanger and the aluminum plate of the heat exchanger, and precise temperature control is possible due to the characteristics of the thermoelectric module, there is an effect of improving reliability in low and high temperature tests.
< 실시예 ><Example>
먼저, 저온(극저온) 상태에서 반도체 웨이퍼의 신뢰성 테스트를 위해 프로브척(30) 내부의 알루미늄 플레이트(32)를 저온(극저온) 상태로 유지하고자 할 때, 제어부(70)는 압축식 냉각장치(20)를 이용하여 1차적인 냉각을 수행하고, 열전모듈부(60)를 포함하는 열교환장치(40)를 이용하여 2차적인 냉각을 수행한다. 예를 들어 알루미늄 플레이트(32)를 -50℃ 정도로 만들고 싶을 때, 압축식 냉각장치(20)에 의해 열교환부(50)가 1차 냉각된 온도를 -20℃로 유지시키고, 열전모듈부(60)의 냉각능력이 -50℃가 되도록 2차로 냉각시키도록 한다(여기서는 연결관 및 열교환부에서 어느 정도의 열손실이 발생하게 되나. 전술한 바와 같이 열교환부 및 알루미늄 플레이트에는 온도센서가 각각 설치되므로, 정밀한 온도제어가 가능하다.) 따라서, 알루미늄 플레이트(32)는 상기 압축식 냉각장치(20) 및 열전모듈부(60)를 포함하는 열교환부(50)에 의해 -50℃ 정도로 냉각되게 된다. 도 8은 본 발명에 의한 온도조절 장치의 냉각효과를 도시한 그래프이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 압축식 냉각장치(20)에 의해 1차 냉각된 온도는 -20℃ 정도를 유지하고 있고, 냉각능력이 -50℃ 정도로 조절된 열전모듈부(60)에 의해 2차로 냉각된 상태에서 알루미늄 플레이트(32)의 온도는 -50℃ 내외를 유지하고 있다. 상기 열전모듈부(60)의 냉각량은 -50℃로 조절되어 있으나, 이는 열전모듈에 가해지는 전류의 양을 조절함으로써 그 이하 또는 그 이상의 냉각량으로 설정할 수 있다.First, in order to maintain the
설정된 온도의 안정화가 요구될 때, 제어부(70)는 압축식 냉각장치(20)를 구동시킨 상태에서 열전모듈부(60)에 공급되는 전류를 제어하여 알루미늄 플레이트(32)의 온도 안정화를 구현시키도록 한다.When stabilization of the set temperature is required, the
한편, 상온 테스트를 위해 알루미늄 플레이트(32)를 상온 상태(25 내지 35℃)로 전환하고자 할 때, 제어부(70)는 압축식 냉각장치(20)의 구동을 정지시키고, 열전모듈부(60)에 공급되는 전원을 제어하여 알루미늄 플레이트(32)와 접촉된 측면이 흡열 또는 방열하도록 미세하게 조절한다.Meanwhile, when the
한편, 고온 테스트를 위해 알루미늄 플레이트(32)를 저온에서 고온(100 내지 150℃)으로 전환하거나 또는 상온에서 고온으로 전환할 때, 제어부(70)는 압축식 냉각장치(20)의 구동을 정지시키고 열전모듈부(60)의 극성을 전환하도록, 즉 알루미늄 플레이트(32)와 접촉된 측면이 발열하여 알루미늄 플레이트(32)를 가열하도록 제어한다.On the other hand, when the
이와 반대로, 알루미늄 플레이트(32)를 고온에서 저온으로 전환할 때, 제어부(70)는 압축식 냉각장치(20)를 구동시키고 열전모듈부(60)의 극성을 전환하도록, 즉 알루미늄 플레이트(32)와 접촉된 측면이 흡열하여 알루미늄 플레이트(32)를 냉각시키도록 제어한다.On the contrary, when the
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described specific embodiments. That is, those skilled in the art to which the present invention pertains can make many changes and modifications to the present invention without departing from the spirit and scope of the appended claims, and all such appropriate changes and modifications are possible. Equivalents should be considered to be within the scope of the present invention.
도 1 내지 도 3은 종래의 EDS 온도조절 장치의 예들의 구성도,1 to 3 is a configuration diagram of examples of a conventional EDS thermostat,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 테스트 지그(프로브척) 온도조절 장치의 구성도,4 is a configuration of a test jig (probe chuck) temperature control apparatus according to an embodiment of the present invention,
도 5는 도 4의 열전모듈부의 상세도,5 is a detailed view of the thermoelectric module unit of FIG. 4;
도 6은 도 4의 열교환부의 상세도,6 is a detailed view of the heat exchanger of FIG. 4;
도 7a는 도 6의 알루미늄 박판의 사시도,7A is a perspective view of the aluminum sheet of FIG. 6,
도 7b는 도 6의 개략 단면도,7B is a schematic cross-sectional view of FIG. 6;
도 8은 본 실시예에 의한 온도조절 장치의 냉각효과를 도시한 그래프이다.8 is a graph showing the cooling effect of the temperature control device according to the present embodiment.
< 도면의 주요 부호에 대한 설명 ><Description of Major Symbols in Drawing>
20. 압축식 냉각장치 30. 프로브척(테스트 지그)20.
32, 안착부(알루미늄 플레이트) 40. 열교환장치32, seat (aluminum plate) 40. Heat exchanger
50. 열교환부 52. 몸체50.
54. 알루미늄 박판 60. 열전모듈부54.
70. 제어부 34,57. 온도센서70.
Claims (8)
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