KR102147181B1 - 온도조절장치 및 이를 포함하는 반도체 처리장치 - Google Patents

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Abstract

실시예는 기판이 안착되는 지지플레이트; 상기 지지플레이트 아래에 배치되는 온도조절부; 및 상기 온도조절부 아래에 배치되는 열교환부;를 포함하고, 상기 온도조절부는 상기 지지플레이트의 영역을 분할하며 접촉하는 복수의 열전모듈을 포함하고, 각각의 상기 열전모듈은, 상기 열교환부와 접촉하는 제1단 열전모듈; 및 상기 지지플레이트와 상기 제1단 열전모듈 사이에 배치되며, 상기 제1 열전모듈과 층상구조를 이루는 제2단 열전모듈을 포함하는 온도조절장치를 제공한다. 상기 제1단 및 제2단 열전모듈은 상부 기판; 상기 상부 기판과 대응하는 하부 기판; 및 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 배치되는 복수의 n형 반도체소자 및 p형 반도체소자;를 포함할 수 있다. 따라서, 기판이 안착되는 지지플레이트 아래에 온도조절부로서 다단 열전모듈이 배치되어 온도조절부를 통해 지지플레이트를 냉각 또는 가열시킴으로써, 단층 열전모듈보다 더 낮은 저온 또는 초저온 영역까지 동작 온도를 확장할 수 있어 온도 제어 범위가 확대된다.

Description

온도조절장치 및 이를 포함하는 반도체 처리장치{Temperature controlling device and Processing apparatus of semiconductor including the same}
실시예는 온도조절장치 및 이를 포함하는 반도체 처리장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자는 다양한 종류의 반도체 처리장치를 거쳐 제조될 수 있다. 이러한 반도체 처리장치로서, 기판 상에 반도체 물질이 증착되도록 하는 증착 장치, 식각을 위한 식각 장치, 세정을 위한 세정 장치나 기판의 이상 유무를 검사하기 위한 검사 장치 등이 있다.
다양한 공정 조건에 부합하도록 반도체 공정을 수행하기 위해 기판, 즉 반도체 소자에 요구되는 온도가 다양할 수 있다. 때로는 기판의 온도가 높아 냉각이 되어야 하고, 때로는 기판의 온도가 낮아 가열되어야 한다.
종래에는 척 베이스에 냉매를 흘려 척의 온도를 낮춘 후, 히터를 이용해 온도를 조절하고 또한 헬륨(He)가스를 기판에 분사하여 냉각을 하였다.
하지만, 히터에 의한 기판의 온도 증가나 헬륨(He) 가스를 이용한 냉각은 가혹한 플라즈마 공정조건 하에 온도조절의 한계에 부딪혀 정밀 온도제어의 어려움이 있다.
본 발명은 반도체 처리장치에서, 특히, 프로브척에서 개선된 온도제어부가 적용된 반도체 처리장치를 제공한다.
또한, 온도제어부로 다단 열전모듈을 적용하여 온도 제어 범위가 확장된 반도체 처리장치를 제공한다.
실시예는 기판이 안착되는 지지플레이트; 상기 지지플레이트 아래에 배치되는 온도조절부; 및 상기 온도조절부 아래에 배치되는 열교환부;를 포함하고, 상기 온도조절부는 상기 지지플레이트의 영역을 분할하며 접촉하는 복수의 열전모듈을 포함하고, 각각의 상기 열전모듈은, 상기 열교환부와 접촉하는 제1단 열전모듈; 및 상기 지지플레이트와 상기 제1단 열전모듈 사이에 배치되며, 상기 제1 열전모듈과 층상구조를 이루는 제2단 열전모듈을 포함하는 온도조절장치를 제공한다.
상기 제1단 및 제2단 열전모듈은 상부 기판; 상기 상부 기판과 대응하는 하부 기판; 및 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 배치되는 복수의 n형 반도체소자 및 p형 반도체소자;를 포함할 수 있다.
상기 제1단 열전모듈은 상기 제2단 열전모듈보다 열전 효율이 더 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 제1단 열전모듈과 제2단 열전모듈이 같은 재료를 사용하는 경우 상기 제1단 열전모듈의 복수의 n형 반도체소자 및 p형 반도체소자의 단면적은 상기 제2단 열전모듈의 복수의 n형 반도체소자 및 p형 반도체소자의 단면적보다 클 수 있다. 한편, 제1단 열전모듈과 제2단 열전모듈이 서로 다른 재료를 사용하는 경우, 예를 들어 제1단 열전모듈에서 더 높은 열전 효율이 갖는 물질을 사용하는 경우, 상기 제1단 열전모듈의 복수의 n형 반도체소자 및 p형 반도체소자의 단면적은 상기 제2단 열전모듈의 복수의 n형 반도체소자 및 p형 반도체소자의 단면적과 같을 수도 있다.
상기 제2단 열전모듈의 상부기판은 이웃한 상기 제2단 열전모듈의 상부기판 사이의 영역으로 확장되는 확장부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 확장부는 상기 제2단 열전모듈의 상부기판을 둘러싸며 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 확장부는 상기 제2단 열전모듈의 상부기판과 동일한 소재 내에 복수의 열전도입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제2단 열전모듈의 하부기판과 상기 제1단 열전모듈의 상부기판이 일체화되어 공통기판을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 실시예는 기판이 안착되는 프로브척플레이트; 상기 프로브척플레이트 아래에 배치되는 온도조절부; 및 상기 온도조절부 아래에 배치되는 열교환부;를 포함하고, 상기 온도조절부는 상기 지지플레이트의 영역을 분할하며 접촉하는 복수의 열전모듈을 포함하고, 각각의 상기 열전모듈은, 상기 열교환부와 접촉하는 제1단 열전모듈; 및 상기 지지플레이트와 상기 제1단 열전모듈 사이에 배치되며, 상기 제1 열전모듈과 층상구조를 이루는 제2단 열전모듈을 포함하는 반도체 처리장치를 제공한다. 실시예의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 실시예의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
상기 제1단 및 제2단 열전모듈은 상부 기판; 상기 상부 기판과 대응하는 하부 기판; 및 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 배치되는 복수의 n형 반도체소자 및 p형 반도체소자;를 포함하며,
상기 제2단 열전모듈의 상부기판과 이웃한 상기 제2단 열전모듈의 상부기판은 서로 이격되며,
상기 제2단 열전모듈의 상부기판은 상기 이웃한 상기 제2단 열전모듈의 상부기판 사이의 영역으로 확장되는 확장부를 포함하고,
상기 제2단 열전모듈의 상부기판과 이웃한 상기 제2단 열전모듈의 상부기판의 사이에 상기 프로브척 플레이트가 노출되며, 상기 확장부에는 열전도성 입자가 분산된 것을 특징한다.
실시예는 기판이 안착되는 지지플레이트 아래에 온도조절부로서 다단 열전모듈이 배치되어 온도조절부를 통해 지지플레이트를 냉각 또는 가열시킴으로써, 기판이 원하는 온도로 신속히 냉각 또는 가열시켜 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 실시예는 다단 열전모듈을 배치하여 단층 열전모듈보다 더 낮은 저온 또는 초저온 영역까지 동작 온도를 확장할 수 있어 온도 제어 범위가 확대된다.
또한, 실시예는 다단 열전모듈에서 상층부의 공차 부분을 보완함으로써 기판 전체에 균일하게 온도 조절을 수행할 수 있어 신뢰성이 확보된다.
도 1은 실시예에 따른 반도체 처리장치의 프로브척의 개략도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 반도체 처리장치의 프로브척의 온도조절장치의 상세 구성도를 도시한다.
도 3은 제2 실시예에 따른 반도체 처리장치의 프로브척의 온도조절장치의 상세 구성도를 도시한다.
도 4는 제3 실시예에 따른 반도체 처리장치의 프로브척의 온도조절장치의 상세 구성도를 도시한다.
도 5는 제4 실시예에 따른 반도체 처리장치의 프로브척의 온도조절장치의 상세 구성도를 도시한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 반도체 처리장치의 프로브척의 온도조절장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 반도체 처리장치의 프로브척의 온도조절장치는 지지플레이트(100), 온도조절부(200) 및 열교환부(300)를 포함할 수 있다.
지지플레이트(100)는 다양한 공정을 수행하기 위한 기판(10)이 안착되거나 지지되도록 할 수 있다. 지지플레이트(100) 상에 기판(10)이 안착된 후, 검사 장비를 이용하여 기판(10)의 이상 유무가 체크될 수 있다.
지지플레이트(100)는 프로브척 플레이트(probe chuck plate)를 포함할 수 있다. 프로브척 플레이트는 기판(10)이 안착되어 검사가 수행되도록 하는 플레이트일 수 있다.
온도조절부(200)는 지지플레이트(100)의 아래에 배치될 수 있다. 온도조절부(200)는 열교환부(300) 위에 배치될 수 있다. 다시 말해, 온도조절부(200)는 지지플레이트(100)와 열교환부(300) 사이에 배치될 수 있다.
열교환부(300)의 사이즈는 온도조절부(200)의 사이즈 및/또는 지지플레이트(100)의 사이즈와 같거나 클 수 있다.
온도조절부(200)의 상측은 지지플레이트(100)의 하측에 접촉될 수 있다. 온도조절부(200)의 하측은 열교환부(300)의 상측에 접촉될 수 있다.
일 예로서, 제1 접착제(미도시)를 이용하여 온도조절부(200)의 상측은 지지플레이트(100)의 하측에 부착될 수 있다. 제2 접착제(미도시)를 이용하여 온도조절부(200)의 하측은 열교환부(300)의 상측에 부착될 수 있다. 제1 및 제2 접착제는 열전도성, 절연성 및 부착력이 우수한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 접착제는 열전도성 그리스(Thermal grease), 열전도성 본드(Thermal bond), 연전도성 패드(Thermal pad) 등을 채용할 수 있다.
다른 예로서, 온도조절부(200)는 볼트나 클램프를 이용하여 지지플레이트(100) 및/또는 열교환부(300)에 체결될 수 있다.
온도조절부(200)는 지지플레이트(100)의 온도를 조절하여 궁극적으로 지지플레이트(100) 상에 안착되는 기판(10)의 온도를 조절할 수 있다.
온도조절부(200)는 지지플레이트(100)를 냉각시킬 수 있다. 또는 온도조절부(200)는 지지플레이트(100)를 가열시킬 수 있다.
실시예에서 온도조절부(200)는 열전모듈을 포함할 수 있으며, 상기 열전모듈의 냉각 또는 가열 성능은 인가되는 전력이나 이후에 설명될 열교환부(300)에서 순환되는 냉매 또는 냉각수(cooling water)의 온도나 종류에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, 열전모듈에 인가되는 전력의 크기가 클수록 및/또는 열교환부(300)에서 순환되는 냉매 또는 냉각수의 온도가 낮을수록 지지플레이트(100)의 온도가 보다 신속하게 원하는 온도로 냉각될 수 있다.
실시예에서 냉매란 넓은 의미에서 냉각작용을 일으키는 모든 물질을 가리키며, 주로 냉동장치, 열펌프, 공기조화장치 및 소온도차 열에너지 이용기관 등의 사이클 내부를 순환하면서 저온부(증발기)에서 증발함으로써 주위로부터 열을 흡수하여 고온부(응축기)에서 열을 방출시키는 작동유체를 가리킬 수 있다. 예를 들어 실시예에서 냉매로는 암모니아, 프레온(염화플루오린화탄소(ClFC, chloro-fluoro-carbon)), 수소염화플루오린화탄소(HCFC, hydro-chloro-fluoro-carbon), 수소플루오린화탄소(HFC, hydro-fluoro-carbon), 수소플루오린화올레핀(HFO, hydro-fluoro-olefin), 메틸클로라이드 등이 채용가능하며 초저온으로 내리기 위해서는 액체헬륨, 액체 수소를 사용될 수 있다.
냉각수는 열교환을 통해 온도 조절이 가능한 물(water)를 의미할 수 있다.
냉매 또는 냉각수는 도시되지 않은 공급부로부터 공급될 수 있다. 공급부에서 공급되는 냉매나 냉각수는 열교환부(300)를 통해 순환된 후 다시 공급부로 제공될 수 있다. 공급부로 제공된 냉매나 냉각수는 다시 냉각된 후 열교환부(300)로 공급될 수 있다.
실시예에서 온도조절부(200)는 지지플레이트(100)의 전 영역에 균일한 온도가 유지되도록 서로 분리되어 있는 복수의 열전모듈부(200A)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 열전모듈부(200A)는 서로 이격된 제1 열전모듈부 내지 제3 열전모듈부(200A1,200A2,200A3)를 포함할 수 있다.
복수의 열전모듈부(200A)는 전력이 다르게 제어될 수 있다. 예를 들어, 실시예에서 온도조절부(200)에서 제1 열전모듈부(200A1)보다는 제2 열전모듈부(200A2)에 보다 큰 전력(제2 전력)이 인가되고, 온도조절부(200)의 제2 열전모듈부(200A2)는 제3 열전모듈부(200A3)에 보다 큰 전력(제3 전력)이 인가될 수 있다. 예컨대, 온도조절부(200)의 제1 내지 제3 열전모듈부(200A1,200A2,200A3) 각각에 대한 온도 제어가 수행되지 않는 경우에, 공정 진행 중, 온도조절부(200)의 제1 열전모듈부(200A1)에 대응되는 지지플레이트(100)의 제1 영역의 온도는 약 40℃이고, 온도조절부(200)의 제2 열전모듈부(200A2)에 대응되는 지지플레이트(100)의 제2 영역의 온도는 약 46℃이며, 온도조절부(200)의 제3 열전모듈부(200A3)에 대응되는 지지플레이트(100)의 제3 영역의 온도가 약 54℃일 수 있다.
이때 공정 진행 중, 지지플레이트(100)의 전 영역의 온도가 10℃로 유지되어야 하는 경우, 온도조절부(200)의 제1 열전모듈부(200A1)에는 제1 전력이 인가되어 지지플레이트(100)의 제1 영역의 온도가 40℃에서 10℃로 낮아질 수 있다. 온도조절부(200)의 제2 열전모듈부(200A2)에는 제2 전력이 인가되어 지지플레이트(100)의 제2 영역의 온도가 46℃에서 10℃로 낮아질 수 있다. 온도조절부(200)의 제3 열전모듈부(200A3)에는 제3 전력이 인가되어 지지플레이트(100)의 제3 영역의 온도가 54℃에서 10℃로 낮아질 수 있다. 제2 전력은 제1 전력보다 크고, 제3 전력은 제2 전력보다 클 수 있다.
이를 통해, 실시예에 의하면 지지플레이트(100)의 전 영역에 균일한 온도가 유지될 수 있다. 실시예에 따른 열전모듈은 전력에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상인 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용하여 냉각 또는 가열이 가능하다. 펠티에 효과는 2종류의 금속 끝을 접속시켜, 여기에 전류를 흘려 보내면, 전류 방향에 따라 한쪽 기판은 흡열하고, 다른쪽 기판은 발열을 일으키는 현상이다. 2종류의 금속 대신 전기전도 방식이 다른 비스무트·텔루륨 등 반도체를 사용하면, 효율성 높은 흡열 및 발열 작용을 하는 펠티에 소자를 얻을 수 있다. 이러한 펠티에 소자는 전류 방향에 따라 흡열 및 발열의 전환이 가능하고, 전류량에 따라 흡열 및 발열량이 조절될 수 있다.
실시예에서 온도조절부(200)는 인가되는 전압의 극성에 따라 지지플레이트(100)를 냉각시키거나 가열시킬 수 있다. 전압은 예컨대, 직류(DC) 전압일 수 있다.
예컨대, 온도조절부(200)의 열전모듈부(200A)로 정극성(+)의 전압이 인가되는 경우, 지지플레이트(100)가 냉각될 수 있다. 구체적으로, 열전모듈로 정극성(+)의 전압이 인가되는 경우, 열전모듈부(200A)의 일측, 예컨대 지지플레이트(100)와 접하는 영역은 흡열되고, 열전모듈부(200A)의 타측, 예컨대 열교환부(300)와 접하는 영역은 발열될 수 있다. 이러한 경우, 흡열되는 열전모듈부(200A)의 일측에 접하는 지지플레이트(100)는 냉각되고, 발열되는 열전모듈부(200A)의 타측에 접하는 열교환부(300)는 가열될 수 있다. 즉, 열전모듈부(200A)의 일측에서 획득된 흡열은 열전모듈부(200A)의 타측에서 발열로 전환될 수 있다.
한편, 열전모듈부(200A)로 부극성(-)의 전압이 인가되는 경우, 지지 플레이트(100)가 가열될 수 있다. 구체적으로, 열전모듈부(200A)로 부극성(-)의 전압이 인가되는 경우, 발열되는 열전모듈부(200A)의 일측에 접하는 지지플레이트(100)는 가열되고, 흡열되는 열전모듈부(200A)의 타측에 접하는 열교환부(300)는 냉각될 수 있다. 즉, 열전모듈부(200A)의 타측에서 획득된 흡열은 열전모듈부(200A)의 일측에서 발열로 전환될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 열교환부(300)는 온도조절부(200)의 아래에 배치될 수 있다. 구체적으로, 열교환부(300)의 상측은 온도조절부(200)의 하측에 접촉될 수 있다.
열교환부(300)는 지지플레이트(100) 및/또는 온도조절부(200)와 동일한 사이즈를 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
열교환부(300)는 온도조절부(200)를 방열시킬 수 있다, 즉, 열교환부(300)는 온도조절부(200)에서 생성된 열을 신속히 외부로 방출시켜 줄 수 있다. 따라서, 열교환부(300)는 냉각 부재, 냉각플레이트, 방열 부재, 방열플레이트 등으로 지칭될 수 있다.
열교환부(300)의 내부에는 도 2와 같이 냉매 또는 냉각수가 흐를 수 있는 유로(Flow path)(310)가 배치될 수 있다. 이러한 유로는 다양한 형태로 배치될 수 있다. 유로(310)는 예컨대 나선형 유로를 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 유로(310)는 열교환부(300)와 별개로 형성되어 열교환부(300)에 설치되거나 열교환부(300)를 제조할 때 성형 공정에 의해 일괄적으로 형성될 수도 있다.
열교환부(300)는 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 열교환부(300)는 열 방출 성능이 우수한 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 열교환부(300)는 알루미늄과 같은 금속 물질이나 알루미늄합금과 같은 합금 물질로 이루어질 수 있다.
실시예에 따른 온도조절장치는 기판(10)이 안착되는 지지플레이트(100) 아래에 온도조절부(200)로서 열전모듈이 배치되어 온도조절부(200)를 통해 지지플레이트(100)를 냉각 또는 가열시킴으로써, 기판(10)이 원하는 온도로 신속히 냉각 또는 가열시켜 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
실시예에 따른 온도조절장치는 공정 진행 중 온도조절부(200)의 제어를 통해 지지플레이트(100)를 수시로 냉각 또는 가열시켜 기판(10)이 원하는 온도를 일정하게 유지시킴으로써, 반도체소자의 전기적 및 광학적 특성을 정밀하게 측정할 수 있다. 예컨대, 기판(10)의 현재 온도가 공정 온도보다 높은 경우, 온도조절부(200)에 인가되는 정극성의 전압에 의해 지지플레이트(100)를 냉각시킬 수 있다.
실시예에 따른 온도조절장치는 온도조절부(200)를 다단 열전모듈로 구현함으로써 지지플레이트(100)의 온도를 보다 더 낮은 초저온까지 제어 가능하여 온도 제어 범위를 확장시킬 수 있다.
또한, 온도 제어 범위 확장에 따른 지지플레이트(100) 전체 면적에서의 온도 불균일을 보상하기 위해 온도조절부(200)에 확장부를 부가함으로써 제품에 대한 신뢰성이 향상될 수 있다.
이하에서 실시예에 따른 온도조절장치를 보다 상세히 설명한다. 도 2 내지 도 5에 도시된 온도조절장치는 도 1에 도시된 온도조절장치의 일부분을 상세히 나타내는 도면이다.
<제1 실시예>
도 2는 제1 실시예에 따른 반도체 처리장치의 프로브척의 온도조절장치의 상세 구성도를 도시한다.
도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 온도조절장치는 기판(10)이 안착되는 지지플레이트(100), 지지플레이트(100) 아래에 온도조절부(200), 및 온도조절부(200) 아래에 배치되는 열교환부(300)를 포함할 수 있다.
즉, 제1 실시예의 온도조절장치가 반도체 처리 장치의 프로브척에 설치되는 경우, 검사용 기판(10)을 장착 및 이동시키기 위해, 스테이지로서 기능하는 척(chuck)을 포함하며, 이러한 척, 즉, 프로브척 플레이트로서 지지플레이트(100)가 기능할 수 있다.
지지플레이트(100)는 스테이지 상부에 위치하여 검사용 기판(10)이 설치 고정된다.
기판(10)이 위치하는 지지플레이트(100)는 일반적으로 알루미늄 재질로 구성되어 기판(10)을 진공 흡착하여 고정하며 기판(10)에 대한 각종 검사를 수행하게 된다.
기판(10)은 반도체칩 등이 조립 또는 패키징되기 전 기판(10)의 정상 동작 여부를 전기적으로 검사하며 고온 또는 저온의 다양한 온도구역에서 검사가 이루어지게 된다. 이때 기판(10)의 고온 검사를 위하여 지지플레이트(100)에 전기 히터 등을 별도로 설치할 수 있으며, 저온 또는 초저온에서의 검사를 위해 하부에 온도조절부(200)를 포함한다.
온도조절부(200)는 지지플레이트(100) 아래에 배치될 수 있다. 온도조절부(200)는 지지플레이트(100)와 접촉될 수 있다.
실시예에서 온도조절부(200)는 복수의 열전모듈부(200A)를 포함할 수 있다. 복수의 열전모듈부(200A)는 지지플레이트(100) 하부를 복수의 영역으로 분할하며, 각각의 열전모듈부(200A)가 접촉하는 영역을 흡열하거나 방열하여 냉각하거나 가열할 수 있다.
각각의 열전모듈부(200A)는 다단의 열전모듈로 구성될 수 있다.
도 2를 참고하면, 각각의 열전모듈부(200A)는 제1단의 열전모듈(220) 및 제1단의 열전모듈(220) 위에 제2단의 열전모듈(210)이 배치되어 있다.
제1단의 열전모듈(220) 및 제2단의 열전모듈(210)은 기본적인 구성이 동일할 수 있다.
제1 실시예에 따른 열전모듈부(200A)에서, 다단의 열전모듈(210, 220) 각각의 제1 기판(221, 211)과 제2 기판(227, 217)은 지지플레이트(100)의 하면 및/또는 열교환부(300)의 상면에 평행하게 배치될 수 있다. 따라서, 열전모듈(210, 220)은 수평형(parallel type) 열전모듈로 정의될 수 있다.
먼저, 제1단의 열전모듈(220)은 열교환부(300)위에 배치되며, 제1 기판(221) 및 제2 기판(227) 사이에 복수의 n형 반도체소자(223) 및 p형 반도체소자(225)를 포함할 수 있다.
제1 기판(221) 및 제2 기판(227)은 열전도율이 우수한 열전달층일 수 있다. 제1 기판(221) 및 제2 기판(227)은 절연기판일 수 있으며, 예컨대, Al2O3일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제1 기판(221)은 다수의 전극(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 또한 제2 기판(227)은 다수의 전극을 포함할 수 있다. 전극은 전기 전도도가 우수한 금속 물질로 형성될 수 있다. 전극은 구리(Cu)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
n형 반도체소자(223)는 n형 도펀트를 포함하는 반도체물질로 형성되고, p형 반도체소자(225)는 p형 도펀트를 포함하는 반도체물질로 형성될 수 있다. n형 반도체소자(223)는 제1 기판(221)의 전극과 제2 기판(227)의 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. p형 반도체소자(225)는 제1 기판(221)의 전극과 제2 기판(227)의 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 기판(221)과 제2 기판(227) 사이에 복수개로 배치되어 있는 복수의 n형 반도체소자(223) 및 p형 반도체소자(225)는 제1 기판(221)과 제2 기판(227)에 형성되어 있는 전극의 구성에 의해 이웃한 n형 반도체소자(223) 또는 p형 반도체소자(225)와 직렬 연결되어 있을 수 있다.
제1 기판(221)의 전극 및 제2 기판(227)의 전극에 전원이 인가될 수 있다. 이때, 제1 기판(221)와 제2 기판(227) 사이에 배치되는 n형 반도체소자(223)와 p형 반도체소자(225)에 의한 펠티에 효과로 인해 제1 기판(221) 및 제2 기판(227) 중 하나의 기판은 흡열되고, 다른 기판은 발열될 수 있다.
한편, 제1단의 열전모듈(220) 상부에 배치되는 제2단의 열전모듈(210)은 제1단의 열전모듈(220)과 같이 제1 기판(211) 및 제2 기판(217) 사이에 복수의 n형 반도체소자(213) 및 p형 반도체소자(215)를 포함할 수 있다. 제1 기판(211) 및 제2 기판(217) 사이에 복수의 n형 반도체소자(213) 및 p형 반도체소자(215)의 구성은 제1단의 열전모듈(220)과 동일할 수 있다.
다만, 도 2와 같이 제1단의 열전모듈(220)과 제2단의 열전모듈(210)이 같은 자료를 사용한 경우에 제2단의 열전모듈(210)은 제1단의 열전모듈(220)보다 작은 면적을 가질 수 있다.
예를 들어, 제2단의 열전모듈(210)은 제1단의 열전모듈(220) 중심 영역에 형성되며, 제1단의 열전모듈(220)보다 작은 면적을 가지므로, 제2단의 열전모듈(210)의 바깥으로 제1단의 열전모듈(220)의 제1 기판(221)이 노출될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 다단으로 열전모듈이 형성되는 경우, 상부의 지지플레이트(100)로부터 제2단의 열전모듈(210), 제1단의 열전모듈(220) 및 열교환부(300)로의 열 흐름이 원활하게 발생할 수 있다.
즉, 지지플레이트(100)를 냉각하는 경우, 제2단 열전모듈(210)의 제1 기판(211)에서 흡열이 진행되고, 제2 기판(217)에서는 발열이 진행된다. 한편, 제2 단의 열전모듈(210)의 제2 기판(217)과 접하는 제1단의 열전모듈(220)의 제1 기판(221)에서는 다시 흡열이 발생하고, 제1단의 열전모듈(220)의 제2 기판(227)에서 발열이 진행되어 하부의 열교환부(300)로 지지플레이트(100)의 열을 방출하는 열 흐름을 갖는다.
따라서, 제2단의 열전모듈(210)의 열용량을 제1단의 열전모듈(220)에서 모두 흡수 또는 방출할 수 있어야 하므로 같은 자료를 사용한 경우, 제1단의 열전모듈(220)의 면적(W2)이 제2단의 열전모듈(210) 면적(W1)보다 더 클 것이 요구된다.
이때, 제1단, 제2단 열전모듈(220, 210)이 같은 재료를 사용한 경우, 열용량은 제1 기판(221) 및 제2 기판(227) 사이에 복수의 n형 반도체소자(223) 및 p형 반도체소자(225)의 단면적에 비례하므로 제1단의 열전모듈(220)의 면적이 제2단의 열전모듈(210)의 면적보다 크다는 것은 제1단의 복수의 n형 반도체소자(223) 및 p형 반도체소자(225)의 단면적의 합이 제2단의 n형 반도체소자(213) 및 p형 반도체소자(215)의 단면적의 합보다 크다는 것을 의미할 수 있다.
이와 같이 다단의 열전모듈이 형성되어 지지플레이트(100)의 냉각 시에 더 낮은 영역의 동작 온도를 구현할 수 있으며, 이에 따라 프로브척의 온도 제어범위가 확대된다.
열교환부(300) 내부에 유로(310)가 배치되어 냉매나 냉각수가 유로를 통해 흐르는 경우, 열 방출 성능이 더욱 향상될 수 있다.
<제2 실시예>
도 3은 제2 실시예에 따른 온도조절장치를 도시한다.
도 3을 참조하면, 제2 실시예에 따른 온도조절장치는 기판(10)이 안착되는 지지플레이트(100)가 제공될 수 있다. 지지플레이트(100) 아래에 온도조절부(200)가 배치될 수 있다. 온도조절부(200) 아래에 열교환부(300)가 배치될 수 있다.
제2 실시예에서 온도조절부(200)는 복수의 열전모듈부(200B)를 포함할 수 있다. 각각의 열전모듈부(200B)는 다단의 열전모듈로 구성될 수 있다.
서로 같은 재료를 사용한 경우, 제2단의 열전모듈(230)의 크기는 제1단 열전모듈(240)의 크기보다 작을 수 있다.
제1 실시예와 달리, 제2 실시예에서 열전모듈부(200B)는 제2단의 열전모듈(230)과 제1단 열전모듈(240) 사이에 공통기판(239)을 가질 수 있다. 즉, 제1단 열전모듈(240)은 하부 기판(249), 공통기판(239)과 이들 사이에 배치되는 n형 반도체소자(243) 및 p형 반도체소자(245)를 포함할 수 있다. n형 반도체소자(243)는 하부 기판(249)의 전극과 공통기판(239)의 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. p형 반도체소자(245)는 하부 기판(249)의 전극과 공통기판(239)의 전극에 전기적으로 연결될 수 있다.
제2단의 열전모듈(230)은 공통기판(239), 상부 기판(231) 및 이들 사이에 배치되는 n형 반도체소자(233) 및 p형 반도체소자(235)를 포함할 수 있다. n형 반도체소자(233)는 공통기판(239)의 전극과 상부 기판(231)의 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. p형 반도체소자(235)는 공통기판(239)의 전극과 상부 기판(231)의 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 공통기판(239)은 제1단의 열전모듈(240)의 상부 기판으로 사용되는 동시에 제2단의 열전모듈(240)의 하부 기판으로 사용될 수 있다.
이와 같이 다단 구조로 복수개의 열전모듈이 적층되는 경우, 맞닿는 기판을 하나의 공통 기판(239)으로 치환함으로써 비용을 절감하는 한편, 일체화되어 있는 다단구조의 열전소자를 직접 이용할 수 있어 제조가 간소화된다.
<제3 실시예>
도 4는 제3 실시예에 따른 온도조절장치를 도시한다.
도 4를 참조하면, 제3 실시예에 따른 온도조절장치는 기판(10)이 안착되는 지지플레이트(100)가 제공될 수 있다. 지지플레이트(100) 아래에 온도조절부(200)가 배치될 수 있다. 온도조절부(200) 아래에 열교환부(300)가 배치될 수 있다.
온도조절부의 복수의 열전모듈부(200C)는 제1단의 열전모듈(260) 및 제2단의 열전모듈(250)을 포함하는 다단 열전모듈을 구성할 수 있다.
제1단의 열전모듈(260)은 제1 기판(261) 및 제2 기판(267) 사이에 복수의 n형 반도체소자(263) 및 p형 반도체소자(265)를 포함할 수 있고, 제2단의 열전모듈(250)은 제1 기판(251) 및 제2 기판(257) 사이에 복수의 n형 반도체소자(253) 및 p형 반도체소자(255)를 포함할 수 있다.
제1단의 열전모듈(260)과 제2단의 열전모듈(250)의 구성은 제1 실시예와 동일하다.
다만, 제3 실시예에 따른 온도조절장치는 제1단의 열전모듈(250)과 이웃한 제1단의 열전모듈(250) 사이에 발생하는 공차(t1), 즉 제1단의 열전모듈(250)의 제1 기판(251) 사이에 지지플레이트(100)가 노출되는 영역으로 확장되는 확장부(259)를 더 포함한다.
상기 확장부(259)는 제1 기판(251)을 둘러싸면서 형성될 수 있으며 제1 기판(251)과 일체화되어 형성될 수 있다.
즉, 제1 기판(251)의 확장부(259)는 아래로 n형 반도체소자(253) 또는 p형 반도체소자(255)가 형성되지 않는 영역으로서, 실질적인 흡열 또는 방열이 발생하지 않는다.
다만, 제1 기판(251)이 n형 반도체소자(253) 및 p형 반도체소자(255)와 연결되는 제1 기판(251)을 공차(t1)부분까지 확장되는 경우, 지지플레이트(100)에서 공차(t1)부분에 의한 열 불균일을 보상할 수도 있다.
즉, 다단 열전모듈의 구성에 의해 제2단의 열전모듈(250)이 제1단 열전모듈(260)보다 작아 지지플레이트(100)에서의 열전모듈과 접촉하지 않는 공차(t1)부분이 확대됨으로써 발생하는 열불균일을 축소할 수 있다.
제1 기판(251) 및 확장부(259)는 Al2O3일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
<제4 실시예>
도 5는 제4 실시예에 따른 온도조절장치를 도시한다.
도 5를 참조하면, 제4 실시예에 따른 온도조절장치는 지지플레이트(100) 아래에 온도조절부(200)가 배치되고, 온도조절부(200) 아래에 열교환부(300)가 배치될 수 있다.
온도조절부(200)의 열전모듈부(200D)는 제1단의 열전모듈(280) 및 제2단의 열전모듈(270)을 포함하는 다단 열전모듈로 구성될 수 있다.
제1단의 열전모듈(280)은 하부 기판(289) 및 공통 기판(279) 사이에 복수의 n형 반도체소자(283) 및 p형 반도체소자(285)를 포함할 수 있고, 제2단의 열전모듈(270)은 상부 기판(271) 및 공통 기판(279) 사이에 복수의 n형 반도체소자(273) 및 p형 반도체소자(275)를 포함할 수 있다.
제1단의 열전모듈(280)과 제2단의 열전모듈(270)의 구성은 제2 실시예와 동일할 수 있다.
다만, 제4 실시예에 따른 온도조절장치(200)는 제2단의 열전모듈(270)과 이웃한 제2단의 열전모듈(270) 사이에 발생하는 공차(t1), 즉 제2단의 열전모듈(270)의 상부 기판(271) 사이에 지지플레이트(100)가 노출되는 영역으로 확장되는 확장부(277)를 더 포함한다.
상기 확장부(277)는 상부 기판(271)을 둘러싸면서 형성될 수 있으며 상부 기판(271)과 일체화되어 형성될 수 있다.
상부 기판(271)의 확장부(277)는 아래로 n형 반도체소자(273) 또는 p형 반도체소자(275)가 형성되지 않는 영역으로서, 실질적인 흡열 또는 방열이 발생하지 않는다.
다만, 상부 기판(271)이 지지플레이트(100)보다 열전도율이 우수하도록 형성될 수 있으며, 특히, 확장부(277)에 열전도율을 향상시킬 수 있는 열전도성 입자(P)가 분산되어 있을 수 있다.
일예로, 상부 기판(271)이 수지기판인 경우, Al2O3 입자가 확장부(277)에 분산되어 있을 수 있다. 또는, 상부 기판(271)이 Al2O3로 형성되는 경우, 확장부(277)에만 열전도성을 향상시키기 위한 나노 입자가 분산되어 있을 수 있다.
이와 같이, n형 반도체소자(273) 및 p형 반도체소자(275)와 연결되는 상부 기판(271)을 공차(t1) 부분까지 확장하여 지지플레이트(100)에서 공차(t1) 부분에 의한 열 불균일을 보상할 수 있다.
즉, 다단 열전모듈의 구성에 의해 제2단의 열전모듈(270)이 제1단 열전모듈(280)보다 작아 지지플레이트(100)에서의 열전모듈과 접촉하지 않는 공차(t1) 부분이 확대됨으로써 발생하는 열불균일을 축소할 수 있다.
이상에서 설명된 온도조절장치는 반도체 처리장치에 적용될 수 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 안되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 실시예의 범위에 포함된다.

Claims (6)

  1. 기판이 안착되는 지지플레이트;
    상기 지지플레이트 아래에 배치되는 온도조절부; 및
    상기 온도조절부 아래에 배치되는 열교환부;를 포함하고,
    상기 온도조절부는 상기 지지플레이트의 영역을 분할하며 접촉하는 복수의 열전모듈을 포함하고,
    각각의 상기 열전모듈은,
    상기 열교환부와 접촉하는 제1단 열전모듈; 및
    상기 지지플레이트와 상기 제1단 열전모듈 사이에 배치되며, 상기 제1단 열전모듈과 층상구조를 이루며 상기 지지플레이트와 접촉하여 배치되는 제2단 열전모듈;을 포함하며,
    상기 제1단 열전모듈과 상기 제2단 열전모듈은 같은 재질로 형성되며,
    상기 제2단 열전모듈의 면적이 상기 제1단 열전모듈의 면적보다 작은 것을 특징으로 하며,
    상기 제1단 및 제2단 열전모듈은
    상부 기판;
    상기 상부 기판과 대응하는 하부 기판; 및
    상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 배치되는 복수의 n형 반도체소자 및 p형 반도체소자;를 포함하며,
    상기 제2단 열전모듈의 상부기판과 이웃한 상기 제2단 열전모듈의 상부기판은 서로 이격되며,
    상기 제2단 열전모듈의 상부기판은 상기 이웃한 상기 제2단 열전모듈의 상부기판 사이의 영역으로 확장되는 확장부를 포함하고,
    상기 제2단 열전모듈의 상부기판과 상기 이웃한 상기 제2단 열전모듈의 상부기판 사이에 상기 지지플레이트가 노출되며,
    상기 확장부에는 열전도성 입자가 분산된 것을 특징으로 하는 온도조절장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2단 열전모듈의 하부 기판과 상기 제1단 열전모듈의 상부 기판이 일체화되어 공통 기판을 형성하는 것을 특징으로 하는 온도조절장치.
  6. 기판이 안착되는 프로브척 플레이트;
    상기 프로브척 플레이트 아래에 배치되는 온도조절부; 및
    상기 온도조절부 아래에 배치되는 열교환부;를 포함하고,
    상기 온도조절부는 상기 프로브척 플레이트의 영역을 분할하며 접촉하는 복수의 열전모듈을 포함하고,
    각각의 상기 열전모듈은,
    상기 열교환부와 접촉하는 제1단 열전모듈; 및
    상기 프로브척 플레이트와 상기 제1단 열전모듈 사이에 배치되며, 상기 제1단 열전모듈과 층상구조를 이루며 상기 프로브척 플레이트와 접촉하여 배치되는 제2단 열전모듈;을 포함하며,
    상기 제1단 열전모듈과 상기 제2단 열전모듈은 같은 재질로 형성되며,
    상기 제2단 열전모듈의 면적이 상기 제1단 열전모듈의 면적보다 작은 것을 특징으로 하며,
    상기 제1단 및 제2단 열전모듈은
    상부 기판;
    상기 상부 기판과 대응하는 하부 기판; 및
    상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 배치되는 복수의 n형 반도체소자 및 p형 반도체소자;를 포함하며,
    상기 제2단 열전모듈의 상부기판과 이웃한 상기 제2단 열전모듈의 상부기판은 서로 이격되며,
    상기 제2단 열전모듈의 상부기판은 상기 이웃한 상기 제2단 열전모듈의 상부기판 사이의 영역으로 확장되는 확장부를 포함하고,
    상기 제2단 열전모듈의 상부기판과 이웃한 상기 제2단 열전모듈의 상부기판의 사이에 상기 프로브척 플레이트가 노출되며,
    상기 확장부에는 열전도성 입자가 분산된 것을 특징으로 하는 반도체 처리장치.
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