(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハーを吸着保持する吸着板と、内部に形成された伝熱流路を流れる冷却液と熱交換して前記半導体ウエハーを冷却する冷却板とを備えるウエハーチャックにおいて、
前記吸着板と前記冷却板とを互いに重ね合わせ、前記吸着板の少なくとも一部を前記冷却板と共用することによって前記吸着板と前記冷却板とを一体化して吸着冷却板とするとともに、
前記吸着冷却板の下面に接着されたラバーヒーターと、前記吸着冷却板を支持するベースとを有し、該ベースの上面に前記吸着冷却板を支持するための突起を形成することによって前記吸着冷却板と当該ベースとの間に空間を形成し、当該空間内に前記ラバーヒーターを位置させるようにしたことを特徴とするウエハーチャック。
【請求項２】
前記冷却板が、前記伝熱流路を形成する下伝熱板と上伝熱板、及びこれらの間に位置する中間板を有しており、前記吸着板が、前記上伝熱板として用いられていることを特徴とする請求項１のウエハーチャック。
【請求項３】
前記下伝熱板、前記上伝熱板、及び中間板が、アルミ合金製又は銅合金製であって、これらがステンレス鋼製のケースに収められていることを特徴とする請求項２のウエハーチャック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウエハーチャックに関し、特に、その改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子製造の分野では、通常、同一構造の複数の半導体素子（例えば、ＩＣなど）が、一つの半導体ウエハー（例えば、シリコンウエハー）上にまとめて形成される。これら一つのシリコンウエハーに形成された複数の半導体素子は、その後、シリコンウエハーから切り出されるが、その前に、特性測定や良否判定のための最終的な電気的試験（機能試験）を受ける。この電気的試験は、ウエハーの移動及び温度調節（加熱及び／又は冷却）を行うためのウエハープローバと呼ばれる装置と、電気特性を測定するためのウエハーテスターと呼ばれる装置とを用いて行われる。
【０００３】
ウエハープローバは、その内部に、精密な平面内移動を可能にするＸ−Ｙテーブルを有している。そして、このＸ−Ｙテーブルには、半導体素子が形成されたシリコンウエハーを吸着保持するためのウエハーチャックが取り付けられている。このウエハーチャックは、その上面に載置されたシリコンウエハーを吸着保持するとともに、そのシリコンウエハーを加熱／冷却することができる。
【０００４】
従来のウエハーチャックは、図４及び図５に示すように、上から順番にシリコンウエハー４１を吸着保持する吸着板４２、吸着板４２を介してシリコンウエハー４１を加熱するためのヒーター４３、ヒーター４３及び吸着板４２を介してシリコンウエハー４１を冷却するための冷却板４４、及びこれらを支持するためのセラミックベース４５を有している。そして、吸着板４２、ヒーター４３、及び冷却板４４は、互いに積層され、固定ねじ５１を用いて、セラミックベース４５に固定されている。
【０００５】
吸着板４２は、円板状であって、その上面は、載置されたシリコンウエハー４１を確実に吸着固定できるように、また、シリコンウエハー４１に対して局所的な応力を発生させることがないように、ラッピング仕上げ等により精密に平坦化されている。また、吸着板４２は、その上面をＸ−Ｙテーブル（図示せず）の駆動面に対して容易に平行とすることができるように、その上面と下面が高い精度で平行に形成されている。
【０００６】
また、吸着板４２の上面には、複数の同心円状の吸着用溝４２１が設けられるとともに、その内部には、外周面から内部中央付近にまで延びる真空排気穴４２２が設けられている。吸着用溝４２１の各々と真空排気穴４２２とは、連通孔４２３によって互いに連通している。また、吸着板４２の外周面上には、真空排気穴４２２に続く真空引き口４２４が設けられている。
【０００７】
吸着板４２は、大きな熱伝導率を有する材料、例えば、アルミ合金や銅合金を用いて作られる。これは、吸着保持したシリコンウエハー４１に対して一様に熱を伝えるため、その表面温度が一様である必要があるからである。
【０００８】
ウエハーチャックがウエハープローバに組み込まれたとき、吸着板４２の真空引き口４２４には、ウレタンチューブ等の配管（図示せず）を介して真空ポンプ（図示せず）が連結される。真空ポンプをオンするか或いは真空ポンプがオンしている状態で配管途中に設けられた電磁弁等をオンして真空排気穴４２２内を排気すると、連通孔４２３及び吸着用溝４２１の一部を通じて外気が吸引される。このとき、吸着板４２の上面にシリコンウエハー４１が載置されていると、吸着用溝４２１の上面が塞がれるので、吸着用溝４２１の内部が排気される。その結果、吸着板４２の上に載置されたシリコンウエハー４１は、この吸着板４２によって吸着保持される。吸着板４２によって吸着保持されているシリコンウエハー４１は、真空ポンプをオフ、或いは電磁弁をオフすることにより、容易に吸着板４２から取り外すことができる。
【０００９】
ヒーター４３は、セラミックなどからなる円板体の内部にニクロム線などを組み込んだものである。円板体は、吸着板４２との間で高い伝熱効率を実現するように、即ち、吸着板４２に隙間なく密着するように、高い精度で作られている。また、円板体は、吸着板４２の上面をＸ−Ｙテーブルの駆動面と容易に平行にすることができるように、その上面と下面とが高い精度で平行に作られている。
【００１０】
ヒーター４３は、ニクロム線等に接続されている一対の電流リード４３１間に通電を行うことでは発熱し、吸着板４２を介してシリコンウエハー４１を加熱する。ヒーター４３は、シリコンウエハー４１を高温にまで加熱するときのみならず、シリコンウエハー４１を冷却するときにも使用される。つまり、シリコンウエハー４１を冷却する場合、冷却板４４が使用されるが、シリコンウエハー４１の温度を微調整するためにヒーター４３が用いられる。なお、冷却板４４は、シリコンウエハー４１を高温にまで加熱する際には用いられない。
【００１１】
冷却板４４もまた、円板状であって、ヒーター４３との間で高い伝熱効率を実現すると共に、吸着板４２の上面をＸ−Ｙテーブルの駆動面と容易に平行にすることができるように、その上面と下面とが高い精度で平行に作られている。
【００１２】
冷却板４４は、その内部に伝熱流路４４１を有し、これに連続する冷却液入口４４２及び冷却液出口４４３を、その外周面上に有している。図５では、伝熱流路４４１が、冷却板４４の内部を貫く一本の流路として描かれているが、実際には、冷却板全体の温度が均一となるように（伝熱面積が大きくなるように）、複雑な形状の流路としたり、複数の分岐流路を設けたりしてある。また、実際には、冷却液入口４４２及び冷却液出口４４３は、図４に示すように互いに近接して設けられるのが普通である。
【００１３】
なお、図４及び図５には示していないが、冷却板４４は、伝熱流路を構成する本体と、この本体を収容するケースから成る。冷却板４４の本体は、冷却液と効率良く熱交換を行い、また一様な温度分布を実現するため、高い熱伝導率を持つ材料、例えば、アルミ合金や銅合金等で作られる。一方、ケースは、高い熱伝導率と高い剛性とを両立させるために薄いステンレス鋼等で作られる。これら本体及びケースは、それぞれ、複数の部材をろう付け等により接合して構成されている。
【００１４】
ウエハーチャックがウエハープローバに組み込まれたとき、冷却板４４の冷却液入口４４２及び冷却液出口４４３は、図示しない低温冷却液循環装置に接続される。そして、冷却板４４は、低温冷却液循環装置から低温冷却液の供給を受け、その低温冷却液と熱交換を行って冷却される。
【００１５】
吸着板４２、ヒーター４３及び冷却板４４は、互いに熱的にしっかりと接触し、かつ機械的に強固に固定されることが望ましい。これを実現する方法として、接着やろう付けといった方法が考えられるが、吸着板４２、ヒーター４３及び冷却板４４は互いに材料が異なり、その熱膨張率が異なるので、これらの方法を用いると、温度変化に伴ってウエハーチャックに歪みが生じてしまう。そこで、従来のウエハーチャックでは、吸着板４２、ヒーター４３及び冷却板４４を、固定ねじ５１を用いて互いに固定している。
【００１６】
セラミックベース４５は、冷却板４４が取り付けられる上面が高い精度で平坦に形成されている。これは、上述したように、吸着板４２の上面をＸ−Ｙテーブルの駆動面と容易に平行にすることができるようにするためである。セラミックベース４５は、その下側に固定部（図５において下方に突出した部分）を有し、Ｘ−Ｙテーブルに高い剛性を持って取り付けられる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のウエハーチャックでは、吸着板、ヒーター、冷却板、及びセラミックベースのそれぞれを、非常に高い精度で作製しなければならない。それゆえ、ウエハーチャックの製造に手間とコストが掛かるという問題点がある。
【００１８】
また、従来のウエハーチャックは、吸着板、ヒーター、冷却板及びセラミックベースを積層するものであるため、多数の接合面を持ち、高い精度と剛性を得ることが困難であるという問題点もある。
【００１９】
そこで本発明は、部品点数を削減するとともに精度と剛性を高めることができるウエハーチャックの構造を提供し、もって、ウエハーチャックの製造工程における手間を省き、コストを削減することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、半導体ウエハーを吸着保持する吸着板と、内部に形成された伝熱流路を流れる冷却液と熱交換して前記半導体ウエハーを冷却する冷却板とを備えるウエハーチャックにおいて、前記吸着板と前記冷却板とを互いに重ね合わせ、前記吸着板の少なくとも一部を前記冷却板と共用することによって前記吸着板と前記冷却板とを一体化して吸着冷却板とするとともに、前記吸着冷却板の下面に接着されたラバーヒーターと、前記吸着冷却板を支持するベースとを有し、該ベースの上面に前記吸着冷却板を支持するための突起を形成することによって前記吸着冷却板と当該ベースとの間に空間を形成し、当該空間内に前記ラバーヒーターを位置させるようにしたことを特徴とするウエハーチャックが得られる。
【００２１】
より具体的には、前記冷却板が、前記伝熱流路を形成する下伝熱板と上伝熱板、及びこれらの間に位置する中間板を有する場合に、前記吸着板は、前記上伝熱板として利用される。
【００２２】
また、前記下伝熱板、前記上伝熱板、及び中間板は、熱伝導率の高いアルミ合金又は銅合金により作製される。そしてこれらは、ステンレス鋼製のケースに収められる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
図１に、本発明の一実施の形態に係るウエハーチャックの分解斜視図を示す。図１のウエハーチャックは、吸着冷却板１１と、ヒーター１２と、セラミックベース１３とを有している。
【００２６】
吸着冷却板１１は、従来の吸着板及び冷却板の機能を兼ね備えている。これは、従来の吸着板と冷却板とを重ね合わせ、その一部を共用するように一体化したものとみなすこともできる。吸着冷却板１１の上面には、複数の吸着用溝１１１が同心円状に形成されている。また、吸着冷却板１１の外周面上には、吸着用溝１１１に連通する真空排気穴（図２参照）に続く真空排気口１１２と、内部に形成された伝熱流路に続く冷却液入口１１３及び冷却液出口１１４が突設されている。
【００２７】
吸着冷却板１１は、その上面がラッピング処理などによって高い精度で平坦化されている。また、吸着冷却板１１の上面と下面とは、高い精度で平行にしてある。
【００２８】
ヒーター１２は、従来のヒーターとは異なり、シリコンゴム製の環状体にニクロム箔を埋め込んだものである。ヒーター１２の外周縁からは、ニクロム箔に接続されたリード線１２１が引き出されている。このヒーター１２に関しては、従来のように、その上面と下面とを高い精度で平行にする必要はない。
【００２９】
セラミックベース１３は、ヒーター１２の形状に合わせて、その上面に外周縁突起１３１と中央突起１３２とが形成されている。外周縁突起１３１と中央突起１３２とは、高い精度でその高さを等しくしてある。これら外周縁突起１３１と中央突起１３２の高さは、ヒーター１２の厚さより高くしておくことが好ましい。
【００３０】
図２に、図１のウエハーチャックの縦断面図を示す。
【００３１】
図２に示すように、吸着冷却板１１は、下伝熱板２１、中間板２２、従来の吸着板と同じ構造を有する（即ち、吸着板として機能する）上伝熱板２３、下伝熱板２１と中間板２２との間及び中間板２２と上伝熱板２３との間にそれぞれ配置されて放射状の伝熱流路を形成する多数の扇状部材２４、円柱部材２５、及び阻止部材２６を有している。これらの部材は、アルミ合金あるいは銅合金で作られ、ろう付け、接着等により互いに固定され、さらに、ステンレス鋼製のケース２７に収容されて、ろう付けあるいは接着により固定されている。上伝熱板２３が取り外された状態の吸着冷却板１１の平面図を図３に示しておく。
【００３２】
ヒーター１２は、吸着冷却板１１の下面に、熱的にしっかりと固定される。この固定には、例えば、シリコンゴム等を用いた接着が利用される。
【００３３】
ヒータ１２が取り付けられた吸着冷却板１１は、セラミックベース１３に固定ねじ２８を用いて固定されている。
【００３４】
セラミックベース１３は、その外周縁突起１３１及び中央突起１３２により吸着冷却板１１を支持する。外周縁突起１３１及び中央突起１３２の高さをヒーター１２の厚みよりも高くすると、ヒーター１２とセラミックベース１３との間に空間ができ、セラミックベース１３への熱伝達を抑制することができる。
【００３５】
セラミックベース１３は、その下面に設けられている固定部を用いて、ウエハープローバのＸ−Ｙテーブルに対して、高い剛性及び高い精度で取り付けられる。
【００３６】
次に、図１乃至図３を参照して、このウエハーチャックの動作について説明する。
【００３７】
まず、吸着冷却板１１の上面に半導体ウエハー（例えば、シリコンウエハー、図示せず）が載置されると、吸着用溝１１１の上面が塞がれる。この状態で、図示しない真空ポンプを用いて真空排気穴２９の内部を排気すると、吸着用溝１１１の内部も排気され、その結果、シリコンウエハーが吸着冷却板１１に吸着保持される。
【００３８】
シリコンウエハーを冷却する場合、図示しない低温冷却液循環装置から吸着冷却板１１の冷却液入口１１３に冷却液が供給される。この冷却液は、吸着冷却板１１の周囲温度を考慮した上で、吸着冷却板１１の温度が目的温度よりも低くなるように、目的温度よりも数度程低い温度にまで冷却されている。
【００３９】
冷却液入口１１３に供給された冷却液は、図２及び図３に矢印で示すように外周流路３１を流れ、その後、中間板２２と上伝熱板２３のと間で、かつ扇状部材２４同士の間、即ち放射状流路（伝熱流路）３２を外周側から中央に向かって流れる。なお、阻止部材２６は、冷却液入口１１３の近傍において、冷却液が中間板２２と下伝熱板２１との間に進入することがないように、中間板２２に代わって冷却液の流れを阻止する。
【００４０】
中間板２２と上伝熱板２３との間を外周側から中央に向かって流れた冷却液は、円柱部材２５の周囲に形成されている上下流通路３３を通って、中間板２２と下伝熱板２３との間に進入し、今度は、これらの間で放射状流路（伝熱流路）３４を中央から外周に向かって放射状に流れる。そして、外周流路３５を冷却液出口１１４へと向かって流れ、冷却液出口１１４より低温冷却液循環装置へと戻る。なお、阻止部材３６は、冷却液出口１１４の近傍において、冷却液が中間板２２と上伝熱板２３との間に進入することがないように、中間板２２に代わって冷却液の流れを阻止する。
【００４１】
以上のようにして、冷却液は、吸着冷却板１１の内部を流れ、その間に吸着冷却板１１と熱交換を行う。その結果、吸着冷却板１１は、冷却液によって目的温度よりも低い温度に冷却される。なお、吸着冷却板１１は、高い熱伝導率を持つ材料で作られているので、一様な温度分布となる。
【００４２】
目的温度よりも低い温度にまで冷却された吸着冷却板１１の温度を目的温度に保つため、ヒーター１２への通電が行われる。そして、ヒーター１２の発熱量を周囲の温度に応じて調整することにより、吸着冷却板１１の温度（ウエハーチャックの温度、ひいてはシリコンウエハーの温度）を目的温度に保つ。
【００４３】
シリコンウエハーを高温に加熱する場合は、吸着冷却板１１への冷却液の供給を行わず、ヒーター１２への通電のみを行う。
【００４４】
以上のように、本願実施の形態によるウエハーチャックは、従来同様、シリコンウエハーを吸着保持し、冷却し、加熱することが可能であるが、高い精度で作製しなければならない部品は、吸着冷却板１１とセラミックベース１３の２点に減少している。その結果、機械的に高い精度が必要となる組み合わせ面は１つのみとなり、各部品の仕上がり精度が大幅に緩和され、製作コストの低減が実現される。また、ヒーターは、吸着冷却板に対して熱的にしっかりと取り付けられていれば良く、機械的精度を必要としないので、安価なラバーヒーターなどを使用することができる。また、従来に比べ高精度を要する組立て接合面が減少する（３ヶ所が１ヶ所になる）ため、精度並びに剛性が向上する。
【００４５】
なお、上記実施の形態では、ウエハーチャックがウエハープローバに用いられる例について説明したが、本発明のウエハーチャックは、ウエハーエッチング装置やウエハーアッシャー装置など、他の半導体製造装置にも利用できる。また、本発明のウエハーチャックは、半導体ウエハーに拘わらず、他の薄板状物の冷却及び加熱にも利用できる。
【００４６】
また、上記実施の形態では、吸着板全体を冷却板の上伝熱板として利用する例について説明したが、吸着板が複数の部材からなる場合には、その一部（下面に位置する部材）を冷却板の上伝熱板として利用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、吸着板の少なくとも一部を冷却板と共用するようこれらを一体化したことで、機械的に高い精度で製造しなければならない部品の数を減少させることができ、それによって、製造の手間とコストを低減することができる。
【００４８】
また、吸着板と冷却板を一体化した吸着冷却板を支持するベースに突起又は凹所を設けることにより、吸着冷却板とベースとの間に空間を形成し、その空間に吸着冷却板に接着されたラバーヒーターを位置させるようにしたことで、高い精度で製造しなければならない部品を更に減少させ、製造の手間とコストを一層低減することができる。
【００４９】
また、本発明によれば、高い精度を要する組立て接合面とが減少し、精度及び剛性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るウエハーチャックの分解斜視図である。
【図２】図１のウエハーチャックの縦断面図である。
【図３】図１及び図２のウエハーチャックの上伝熱板を取り除いた状態の平面図である。
【図４】従来のウエハーチャックの分解斜視図である。
【図５】図４のウエハーチャックの縦断面図である。
【符号の説明】
１１      吸着冷却板
１１１      吸着用溝
１１２      真空排気口
１１３      冷却液入口
１１４      冷却液出口
１２      ヒーター
１２１      リード線
１３      セラミックベース
１３１      外周縁突起
１３２      中央突起
２１      下伝熱板
２２      中間板
２３      上伝熱板
２４      扇状部材
２５      円柱部材
２６      阻止部材
２７      ケース
２８      固定ねじ
３１      外周流路
３２      放射状流路
３３      上下流通路
３４      放射状流路
３５      外周流路
３６      阻止部材
４１      シリコンウエハー
４２      吸着板
４２１      吸着用溝
４２２      真空排気穴
４２３      連通孔
４２４      真空引き口
４３      ヒーター
４３１      リード線
４４      冷却板
４４１      伝熱流路
４４２      冷却液入口
４４３      冷却液出口
４５      セラミックベース
５１      固定ねじ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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