JP2007240035A

JP2007240035A - 冷却加熱装置及び載置装置

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Publication number: JP2007240035A
Application number: JP2006060361A
Authority: JP
Inventors: Masataka Hatta; 政隆八田
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2007-09-20
Also published as: KR20070091558A; KR100841122B1; US7610756B2; TW200741157A; CN101033896A; CN100473919C; TWI393849B; US20070204610A1

Abstract

【課題】加熱、冷却の双方の機能を備えたシステムを簡素化し、故障を格段に抑制すると共に消費電力を低減することができる冷却加熱装置及び載置装置を提供する。
【解決手段】本発明の載置装置１０は、ウエハチャック１１及び冷却加熱装置１２を備えており、冷却加熱装置１２は、第２の冷却液循環路１７の冷却液を冷却、加熱するスターリング熱機関２０を備え、スターリング熱機関２０は、第１、第２のシリンダ室２１Ａ、２２Ａ内でそれぞれ略９０°の位相差をもって往復移動して作動ガスを膨張、圧縮させる第１、第２のピストン２３、２４と、第１、第２のピストン２３、２４を正逆方向に駆動できる駆動機構２５と、を有し、第１、第２のピストン２３の正方向の駆動で作動ガスが第１のシリンダ室２１Ａ内で膨張して冷却液を冷却し、また、第１、第２のピストン２３，２４の逆方向の駆動で作動ガスが第１のシリンダ室２１Ａ内で圧縮されて冷却液を加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体を処理する際に、被処理体を所定の処理温度に調節する冷却加熱装置及び載置装置に関し、更に詳しくは、システムを簡素化して故障が少なく、消費電力を低減することができる冷却加熱装置及び載置装置に関するものである。

従来の冷却加熱装置及び載置装置は、半導体製造分野では種々の処理装置に用いられている。ここでは半導体ウエハの電気的特性検査を行う検査装置に用いられる冷却加熱装置及び載置装置を例に挙げてついて説明する。

従来の検査装置Ｅは、例えば図４に示すように、ウエハＷを搬送するローダ室Ｌと、ローダ室Ｌから搬送されたウエハＷの電気的特性検査を行うプローバ室Ｐと、制御装置（図示せず）を備え、制御装置の制御下で、ウエハＷをローダ室Ｌからプローバ室Ｐへ搬送し、プローバ室Ｐ内でウエハＷの電気的特性検査を行った後、ウエハＷを元に戻すように構成されている。

プローバ室Ｐは、図４に示すように、ウエハＷを載置し且つ温度調節可能なウエハチャック１と、ウエハチャック１をＸ、Ｙ方向に移動させるＸＹテーブル２と、このＸＹテーブル２を介して移動するウエハチャック１の上方に配置されたプローブカード３と、プローブカード３の複数のプローブ３Ａとウエハチャック１上のウエハＷの複数の電極パッドを正確に位置合わせする位置合わせ機構４とを備えている。

また、図４に示すようにプローバ室Ｐのヘッドプレート５にはテスタのテストヘッドＴが旋回可能に配設され、テストヘッドＴとプローブカード３はパフォーマンスボード（図示せず）を介して電気的に接続されている。そして、ウエハチャック１上のウエハＷを例えば低温領域から高温領域の間でウエハＷの検査温度を設定し、テスタから検査用信号をテストヘッドＴ及びパフォーマンスボードを介してプローブ３Ａへ送信し、ウエハＷの電気的特性検査を行う。

而して、従来のウエハチャック１は、例えば図５に示すように温度調節を行うための冷却加熱装置６を備えている。この冷却加熱装置６は、例えば図５に示すように、ウエハチャック１と冷却液タンク６１との間で循環する第１の冷却液循環路６２と、冷却液タンク６１内の冷却液を冷却加熱するために循環させる第２の冷却液循環路６３と、冷却液タンク６１内の冷却液の温度を検出する温度センサ６４と、温度センサ６４の検出値に基づいて作動する温度調節器６５と、温度調節器６５の制御下で駆動して第２の冷却液循環路６３を循環する冷却液を冷却、加熱する温度調節機構６６と、第２の冷却液循環路６３に配置されたヒータ６７と、を備えている。第１、第２の冷却液循環路６２、６３には冷却液を循環させる第１、第２のポンプ６２Ａ、６３Ａがそれぞれ取り付けられている。

温度調節機構６６は、図５に示すように、圧縮機６６Ａと、熱交換器６６Ｂと、圧縮機６６Ａと熱交換器６６Ｂとの間で冷媒ガスが循環する冷媒循環路６６Ｃと、を備えている。冷媒循環路６６Ｃは、冷媒ガスが圧縮機６６Ａから熱交換器６６Ｂに向かう第１、第２の分岐路６６Ｄ、６６Ｅからなる往路と、冷媒ガスが熱交換器６６Ｂから圧縮機６６Ａへ戻る帰路とから構成されている。

第１の分岐路６６Ｄには冷却ファン６６Ｆが付設され凝縮器６６Ｇが配置され、この下流側に第１の電磁弁６６Ｈ及び膨張弁６６Ｉが順次取り付けられている。第１の電磁弁６６Ｈは温度調節器６５の制御下で駆動する。そして、圧縮機６６Ａで高圧化した冷媒ガスは、冷却ファン６６Ｆの働きで凝縮器６６Ｇにおいて冷却、凝縮されて冷却用の冷媒液となる。この冷媒液は開放された第１の電磁弁６６Ｈから膨張弁６６Ｉを経由して熱交換器６６Ｂに達する。冷媒液は、熱交換器６６Ｂにおいて蒸発し第２の冷却液循環路６３の冷却液を冷却した後、圧縮機６６Ａへ戻る。

また、第２の分岐路６６Ｅには上流側から下流側に向けて減圧弁６６Ｊ及び第２の電磁弁６６Ｋが順次取り付けられている。第２の電磁弁６６Ｋ及びヒータ６７は温度調節器６５の制御下で駆動する。そして、圧縮機６６Ａで高温、高圧化した冷媒ガスは、減圧弁６６Ｊにおいて減圧され、第２の電磁弁６６Ｋを経由して熱交換器６６Ｂに達する。高温の冷媒ガスは、熱交換器６６Ｂにおいて第２の冷却液循環路６３の冷却液を加熱した後、圧縮機６６Ａへ戻る。熱交換器６６Ｂでの加熱が不足する場合には、ヒータ６７が作動して熱交換器６６Ｂの不足熱量を補う。このように冷却加熱装置６を用いて冷却液タンク６１の冷却液を所定の温度に調節している。

また、特許文献１にはウエハチャックの冷却装置として利用可能なスターリング冷熱供給システムが記載されている。このスターリング冷熱供給システムは、スターリング冷凍機によって２次冷媒を冷却し、この２次冷媒を冷熱利用機器（例えば、ウエハチャック）に循環させることによって、ウエハチャックを冷却することができる。
特開２００４−０７６９８２

しかしながら、図５に示すウエハチャック１の冷却加熱装置６の場合には、温度調節機構６６の配管構造が複雑であり、しかも冷媒循環路６６Ｃには複数種の弁類が取り付けられているため、これらの弁類が故障し易いという問題がある。更に、温度調節機構６６による加熱が十分でない場合には温度調節機構６６に加えてヒータ６７を使うため、消費電力が増大するという問題もあった。

また、特許文献１に記載のスターリング冷熱供給システムの場合には、スターリング冷凍機を用いているため、スターリング冷凍機は配管構造が簡単で電磁弁がなく、電磁弁の故障などの問題はなくなる。しかし、スターリング冷凍機はあくまでも冷凍機であるため、冷熱供給システムとして適用することができるに過ぎず、図５に示すシステムのように冷却、加熱の双方の機能が求められるシステムには適用することができない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、加熱、冷却の双方の機能を備えたシステムを簡素化し、故障を格段に抑制すると共に消費電力を低減することができる冷却加熱装置及び載置装置を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に記載の冷却加熱装置は、熱媒体を循環させる熱媒体循環路と、この熱媒体循環路を循環する上記熱媒体を冷却、加熱するスターリング熱機関と、を備え、冷却後または加熱後の上記熱媒体を負荷側に循環させて上記負荷を冷却または加熱する冷却加熱装置であって、上記スターリング熱機関は、第１のシリンダ室と、第１のシリンダ室に連通する第２のシリンダ室と、第１、第２のシリンダ室内でそれぞれ所定の位相差をもって往復移動して第１、第２のシリンダ室内の作動ガスを膨張、圧縮させる第１、第２のピストンと、第１、第２のピストンを正逆方向に駆動できる駆動機構と、を有し、上記第１、第２のピストンが正方向に駆動する時には上記作動ガスが上記第１のシリンダ室内で膨張して低温化することにより上記熱媒体を冷却し、また、上記第１、第２のピストンが逆方向に駆動する時には上記作動ガスが上記第１のシリンダ室内で圧縮されて高温化することにより上記熱媒体を加熱することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載の冷却加熱装置は、請求項１に記載の発明において、上記駆動機構を駆動制御するインバータを設けたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載の冷却加熱装置は、請求項２に記載の発明において、上記インバータは、周波数可変に構成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載の冷却加熱装置は、請求項２または請求項３に記載の発明において、上記インバータは、上記熱媒体の温度に基づいて作動することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載の載置装置は、被処理体を載置する載置台と、この載置台に熱媒体を循環させて上記被処理体を冷却、加熱する冷却加熱装置と、を備えた載置装置において、上記冷却加熱装置は、熱媒体を循環させる熱媒体循環路と、この熱媒体循環路を循環する上記熱媒体を冷却、加熱するスターリング熱機関と、を備えており、上記スターリング熱機関は、第１のシリンダ室と、第１のシリンダ室に連通する第２のシリンダ室と、第１、第２のシリンダ室内でそれぞれ所定の位相差をもって往復移動して第１、第２のシリンダ室内の作動ガスを膨張、圧縮させる第１、第２のピストンと、第１、第２のピストンを正逆方向に駆動できる駆動機構と、を有し、上記第１、第２のピストンが正方向に駆動する時には上記作動ガスが上記第１のシリンダ室内で膨張して低温化することにより上記熱媒体を冷却し、また、上記第１、第２のピストンが逆方向に駆動する時には上記作動ガスが上記第１のシリンダ室内で圧縮されて高温化することにより上記熱媒体を加熱することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６に記載の載置装置は、請求項５に記載の発明において、上記駆動機構を駆動制御するインバータを設けたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項７に記載の載置装置は、請求項６に記載の発明において、上記インバータは、周波数可変に構成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項８に記載の載置装置は、請求項６または請求項７に記載の発明において、上記インバータは、上記熱媒体の温度に基づいて作動することを特徴とするものである。

本発明の請求項１〜請求項８に記載の発明によれば、加熱、冷却の双方の機能を備えたシステムを簡素化し、故障を格段に抑制すると共に消費電力を低減することができる冷却加熱装置及び載置装置を提供することができる。

以下、図１〜図３に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。尚、図１は本発明の冷却加熱装置の一実施形態を適用した載置装置の要部を示すブロック図、図２は図１に示す載置装置に用いられたスターリング熱機関を示す断面図、図３の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１に示す冷却加熱装置による冷却加熱作用を示すグラフである。

本実施形態の載置装置１０は、例えば図１に示すように、検査装置のプローバ室内にＸ、Ｙ、Ｚ及びθ方向に移動可能に配置され且つ被処理体（例えば、ウエハ）（図示せず）を載置する載置台（ウエハチャック）１１と、このウエハチャック１１を冷却または加熱する冷却加熱装置１２と、を備え、ウエハチャック１１上のウエハを冷却または加熱して、ウエハチャック１１を介してウエハを所定の検査温度に調節するように構成されている。

冷却加熱装置１２は、図１に示すように、ウエハチャック１１と冷却液タンク１３との間で冷却液が第１のポンプ１４を介して循環する第１の冷却液循環路１５と、冷却液タンク１３の冷却液が第２のポンプ１６を介して循環する第２の冷却液循環路１７と、冷却液タンク１３内の冷却液の温度を検出する温度センサ１３Ａと、温度センサ１３Ａの検出値に基づいて作動する温度調節器１８と、温度調節器１８からの信号に基づいて作動する熱機関駆動用インバータ（以下、単に「インバータ」と称す。）１９と、インバータ１９からの信号に基づいて駆動するスターリング熱機関２０（図２参照）と、を備え、スターリング熱機関２０によって第２の冷却液循環路１７を通る冷却液を加熱または冷却するように構成されている。

而して、スターリング熱機関２０は、例えば図２に示すように、第１のシリンダ部２１と、第１のシリンダ部２１の下部で隣接し且つ第１のシリンダ部２１と連通する第２のシリンダ部２２と、第１、第２のシリンダ部２１、２２のシリンダ室２１Ａ、２２Ａ内でそれぞれ上下に往復移動して内部に圧入されたヘリウム等からなる作動ガスを膨張、圧縮させる第１、第２のピストン２３、２４と、第１、第２のピストン２３、２４をインバータ１９からの指令信号に基づいて駆動させる駆動機構２５と、駆動機構２５が収納されたハウジング２６と、を備えている。第１、第２のピストン２３、２４は、略９０°の位相差をもって上下に往復移動し、第１のシリンダ室２１Ａ内で膨張しあるいは圧縮した作動ガスによって第２の冷却液循環路１７を流れる冷却液を冷却または加熱する。

第１、第２のシリンダ部２１、２２は例えば従来公知の鋳物等によって形成されている。また、第１、第２のピストン２３、２４は、いずれも高圧下の高温、低温の両環境下で駆動するため、高剛性で自己潤滑性があり、熱膨張率が極力小さい樹脂、例えばポリイミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のエンジニアリングプラスチックによって形成されていることが好ましい。即ち、第１、第２のピストン２３、２４は、第１、第２のシリンダ室２１Ａ、２２Ａ内で作動ガスを圧縮すると例えば＋１５０℃以上に達し、作動ガスを膨張させると例えば−１００℃以下の低温に達するため、第１、第２のピストン２３、２４はそれぞれこの温度範囲で耐え得る材料で形成する必要がある。また、第１、第２のピストン２３、２４に潤滑油を使用すると、低温下で潤滑油が固まるため、その機能を果たさなくなる。また、潤滑油が作動ガスに混入すると後述の再生器に付着し、再生器の機能を阻害することになる。これらの理由から第１、第２のシリンダ室２１Ａ、２２Ａ内では潤滑油を使用でいないため、第１、第２のピストン２３、２４は、耐熱性、耐寒性は勿論のこと、自己潤滑性を有する上記のエンジニアリングプラスチックによって形成されていることが好ましい。

第１、第２のシリンダ部２１、２２は、それぞれハウジング２６の左方上壁に配置されている。第１のシリンダ部２１の下端にはマニホールド２７が配置され、マニホールド２７の上には第１の放熱器２８、再生器２９及び熱交換器３０が第１のシリンダ室２１Ａを囲むように順次配置されている。そして、第１のシリンダ室２１Ａと第２のシリンダ室２２Ａは、マニホールド２７、第１の放熱器２８、再生器２９及び熱交換器３０を介して連通している。第１の放熱器２８、再生器２９及び熱交換器３０としては、例えば従来公知のものが用いられる。尚、図２において２２Ｂは、第２のシリンダ室２２Ａとマニホールド２７とを連通する連通孔である。

また、第１の放熱器２８は、冷却加熱装置１２が冷却動作をする時に高温になり、冷却加熱装置１２が加熱動作をする時に低温になる。この第１の放熱器２８には、図１に示すように例えば冷却水が循環する循環路２８Ａを介して第２の放熱器２８Ｂが接続され、ポンプ２８Ｃの働きで第１の放熱器２８と第２の放熱器２８Ｂとの間を冷却水が循環する。第２の放熱器２８Ｂには冷却ファン２８Ｄが付設され、冷却ファン２８Ｄによって第２の放熱器２８Ｂを循環する冷却水を冷却または加熱する。この冷却水は、第１の放熱器２８を通る作動ガスに対する放熱作用または吸熱作用を有する。

次いで、第１、第２のピストン２３、２４の駆動機構２５について説明する。この駆動機構２５は、図２に示すように駆動源であるモータ２５Ａと、モータ２５Ａに連結されたクランクシャフト２５Ｂと、を有している。第１のピストン２３は、第１のピストンロッド２３Ａ、第１のクロスヘッド２３Ｂ及び第１のコネクティングロッド２３Ｃを介してクランクシャフト２５Ｂの第１のクランク部２５Ｃに連結されている。第２のピストン２４は、第２のピストンロッド２４Ａ、第２のクロスヘッド２４Ｂ及び第２のコネクティングロッド２４Ｃを介してクランクシャフト２５Ｂの第２のクランク部２５Ｄに連結されている。このクランクシャフト２５Ｂは、モータ２５Ａの回転運動を第１、第２のピストン２３、２４の上下の往復運動に変換する。尚、図２において、２３Ｄ、２４Ｄは、シール機構である。

また、第１のクランク部２５Ｃと第２のクランク部２５Ｄは、クランクシャフト２７において周方向に互いに略９０°ずらして形成され、クランクシャフト２５Ｂの回転によって略９０°の位相差をもって回転し、第１、第２のピストン２３、２４を略１／４周期の差をもってそれぞれのシリンダ室２１Ａ、２２Ａ内で上死点と下死点の間を往復移動させるようにしてある。モータ２５Ａが正方向に回転する時には第１のピストン２３が第２のピストン２４より略１／４周期先行して往復移動し、モータ２５Ａが逆方向に回転する時には第１のピストン２３が第２のピストン２４より略１／４周期遅れて往復移動する。そして、第１、第２のピストンは、上死点及び下死点で反転する時に一旦停止し、上死点及び下死点に近づくほど遅く移動して作動ガスの変化容量が小さく、上死点と下死点の中間点で最も速く移動して変化容量が最大になる。

而して、駆動機構２５のモータ２５Ａが正方向に回転して第１、第２のピストン２３、２４を往復移動する時には、第１、第２のピストン２３、２４は、以下の動作を一周期として駆動して熱交換器３０において第２の冷却液循環路１７を流れる冷却液を冷却するようにしてある。

即ち、モータ２５Ａを介してクランクシャフト２５Ｂが正方向に回転すると、第１のシリンダ室２１Ａ内では第１ピストン２３が中間点から上死点へ上昇する間に第２のシリンダ室２２Ａ内では第２のピストン２４が下死点から中間点近傍へ上昇し、更に、第１のピストン２３が上死点近傍で反転する間に第２のピストン２４が中間点から上死点に向けて上昇する。この時、作動ガスは第２のシリンダ室２２Ａ内で圧縮されて高温化する。つまり、第２のシリンダ室２２Ａが高温室となる。

引き続き、第１のピストン２３が上死点で反転して中間点に向けて下降する間に、第２のピストン２４が中間点を通過して上死点へ上昇し、第２のシリンダ室２１Ａ内の高温作動ガスが第１のシリンダ室２１Ａ内へ移動する。この時、高温作動ガスは、第２のシリンダ室２２Ａの連通孔２２Ｂから流出し、マニホールド２７を通り、第１の放熱器２８を通る間に放熱し、更に再生器２９で吸熱されて降温して降温作動ガスになる。降温作動ガスは熱交換器３０を経由して第１のシリンダ室２１Ａ内に流入する。

第１のシリンダ室２１Ａでは第１のピストン２１が中間点を通過して下死点に向けて下降する間に、第２のシリンダ室２２Ａでは第２のピストン２４が上死点から中間点に向けて下降して、降温作動ガスが急激に膨張して冷却用の低温作動ガスになる。つまり、第１のシリンダ室２１Ａが低温室になる。この低温作動ガスは、熱交換器３０において第２の冷却液循環路１７を流れる冷却液を冷却する。低温作動ガスは、この時の吸熱により昇温して昇温作動ガスになる。

然る後、第１のシリンダ室２１Ａでは第１のピストン２３が下死点で反転して中間点に向けて上昇する間に、第２のシリンダ室２２Ａ内では第２のピストン２４が中間点から下死点へ下降し、昇温作動ガスが第１のシリンダ室２１Ａから第２のシリンダ室内２２Ａへ移動する。ここで、昇温作動ガスは、蓄熱された再生器２９を通る間に吸熱して昇温し、更に第１の放熱器２８を通る間に温度調整を受けて元の温度に戻った後、マニホールド２７及び連通孔２２Ｂを通り、第２のシリンダ室２１Ａ内に流入する。第１、第２のピストン２３、２４がそれぞれのシリンダ室２１Ａ、２２Ａ内で上述した一連の往復運動を繰り返し、第１のシリンダ室２１Ａ内の低温作動ガスによって熱交換器３０を通る第２の冷却液循環路１７の冷却液を冷却する。

駆動機構２５のモータ２５Ａが逆方向に回転する時には、第１のピストン２３が第２のピストン２４より１／４周期遅れて往復移動し、第１のシリンダ室２１Ａが低温室から高温室に変わり、第２のシリンダ室２２Ａが高温室から低温室に変わり、第１のシリンダ室２１Ａの高温室に装着された熱交換器３０を介して第２の冷却液循環路１７を流れる冷却液を加熱することになる。

次に、載置装置１０の動作について説明する。ウエハの低温検査を行う場合には、冷却加熱装置１２が駆動してウエハチャック１１を冷却する。そして、検査時にウエハで発熱すると、冷却加熱装置１２の働きでウエハを冷却し、ウエハを所定の検査温度に保持する。

即ち、冷却加熱装置１２では、冷却液タンク１３内の冷却液が第１のポンプ１４の働きで第１の冷却液循環路１５とウエハチャック１１の間を循環してウエハチャック１１を冷却する。ウエハからの吸熱によりウエハチャック１１から冷却水タンク１３に戻った冷却液の温度が上昇する。この温度を温度センサ１３Ａが検出し、検出信号を温度調節器１８に送信する。温度調節器１８では予め設定された設定温度と検出温度とを比較し、その温度差に基づいてインバータ１９を駆動させる。インバータ１９は、温度調節器１８からの指令信号に基づいて所定の周波数でスターリング熱機関２０を駆動する。スターリング熱機関２０は、第２のポンプ１６の働きで第２の冷却液循環路１７を循環する冷却液を熱交換器３０において冷却する。

スターリング熱機関２０では、インバータ１９からの指令信号に基づいて駆動機構２５が駆動する。駆動機構２５が駆動してモータ２５Ａが正方向に回転し、クランクシャフト２５Ｂを回転させる。クランクシャフト２５Ｂは、正方向の回転運動を、第１、第２のクランク部２５Ｃ、２５Ｄにそれぞれ連結された第１、第２のピストン２３、２４の上下運動に変換する。これにより第１のピストン２３は第２のピストン２４に対して略１／４周期だけ先行して上下に往復移動する。

即ち、第１のシリンダ室２１Ａ内では第１ピストン２３が中間点から上死点へ上昇し、上死点近傍で反転する間に、第２のシリンダ室２２Ａ内では第２のピストン２４が下死点から中間点を通過して上昇する。この間に、第２のシリンダ室２２Ａ内で作動ガスが圧縮されて高温化する。引き続き、第１のピストン２３が上死点で反転して中間点に向けて下降する間に、第２のピストン２４が中間点を通過して上死点へ上昇し、第２のシリンダ室２１Ａ内の高温作動ガスが第１のシリンダ室２１Ａ内へ移動する。この際、高温作動ガスは、連通孔２２Ｂ、マニホールド２７を通り、第１の放熱器２８及び再生器２９を通る間に吸熱されて降温作動ガスとして第１のシリンダ室２１Ａ内に流入する。

次いで、第１のシリンダ室２１Ａでは第１のピストン２３が中間点を通過して下死点に向けて下降する間に、第２のシリンダ室２２Ａでは第２のピストン２４が上死点から中間点に向けて下降し、降温作動ガスが急激に膨張して低温化して冷却用の低温作動ガスになる。第１のシリンダ室２１Ａ内の低温作動ガスは、熱交換器３０を流れる冷却液を冷却し、この冷却液を冷却液タンク１３へ戻す。この低温作動ガスは、熱交換器３０における吸熱により昇温する。

その後、第１のシリンダ室２１Ａでは第１のピストン２３が下死点で反転して中間点に向けて上昇する間に、第２のシリンダ室２２Ａ内では第２のピストン２４が中間点から下死点へ下降し、熱交換器３０において昇温した低温作動ガスが第１のシリンダ室２１Ａから第２のシリンダ室内２２Ａへ移動する。この低温作動ガスは、既に蓄熱されている再生器２９を通る間に吸熱して昇温し、第１の放熱器２８を通る間に更に温度調整を受けて、マニホールド２７及び連通孔２２Ｂを経由して第２のシリンダ室２１Ａ内に流入する。第２のシリンダ室２２Ａに戻った作動ガスは、元の温度に戻る。第１、第２のピストン２３、２４は、以上の動作を繰り返し、第１のシリンダ室２１Ａ内の低温作動ガスの働きで熱交換器３０を通る冷却液を冷却する。冷却された冷却液は、第２のポンプ１６の働きで第２の冷却液循環路１７を介して冷却液タンク１３に戻り、冷却液タンク１３内の冷却液を常に一定の温度に保持する。この冷却加熱装置１２を用いてウエハチャック１１を冷却する場合の冷却時間とウエハチャック１１の温度との関係の一例を示したグラフが図３の（ａ）である。

ここで、スターリング熱機関２０の冷却能力が不足する場合には、温度センサ１３Ａ、温度調節器１８からの信号に基づいてインバータ１９の周波数を上げて駆動機構２５の回転数を上げ、冷却能力を高める。逆に、スターリング熱機関２０の冷却能力が過大である場合には、インバータ１９の周波数を下げて駆動機構２５の回転数を下げ、冷却能力を低くする。

また、低温検査から常温検査に切り換える場合には、低温の検査温度から常温の検査温度までウエハチャック１１を加熱する。この場合にはスターリング熱機関２０のモータ２５Ａを正方向から逆方向の回転に切り換えてクランクシャフト２５Ｂを逆回転させる。これにより、第１のピストン２３が第２のピストン２４に対して略１／４周期だけ遅れて上下に往復移動し、第１のシリンダ室２１Ａが冷却液を加熱する高温室として機能する。

即ち、モータ２５Ａによってクランクシャフト２５Ｂが逆回転すると、第２のシリンダ室２２Ａ内では第２のピストン２４が中間点から上死点へ上昇し、上死点近傍で反転する間に、第１のシリンダ室２１Ａ内では第１のピストン２３が下死点から上死点に向けて上昇し、第１のシリンダ室２１Ａ内で作動ガスが圧縮されて高温化して高温作動ガスになる。この高温作動ガスが熱交換器３０において第２の冷却液循環路１７を流れる冷却液を加熱する。これにより高温作動ガスは放熱して降温し、降温作動ガスになる。

引き続き、第２のピストン２４が上死点で反転して中間点に向けて下降する間に、第１のピストン２３が中間点を通過して上死点へ上昇し、第１のシリンダ室２１Ａ内の降温作動ガスが第２のシリンダ室２２Ａ内へ移動する。降温作動ガスは、再生器２９を通る間に放熱して温度が下降し、第１の放熱器２８を通る間に更に冷却されて、温度低下した状態でマニホールド２７及び連通孔２２Ｂを通り、第２のシリンダ室２１Ａ内に流入する。

第２のシリンダ室２１Ａでは第２のピストン２４が中間点を通過して下死点に向けて下降する間に、第１のシリンダ室２１Ａでは第１のピストン２３が上死点から中間点に向けて下降して、作動ガスが急激に膨張して低温化する。これにより降温作動ガスは低温作動ガスになる。引き続き、第２のシリンダ室２２Ａでは第２のピストン２４が下死点で反転して中間点に向けて上昇する間に、第１のシリンダ室２１Ａ内では第１のピストン２３が中間点から下死点へ下降し、低温作動ガスが第２のシリンダ室２２Ａから第１のシリンダ室内２１Ａへ移動する。低温作動ガスは、連通孔２２Ｂ、マニホールド２７を通り、第１の放熱器２８及び再生器２９を通る間に吸熱して昇温し、元の温度に戻って第１のシリンダ室２１Ａ内に流入する。第１、第２のピストン２３、２４は、以上の動作を繰り返し、第１のシリンダ室２１Ａ内の高温作動ガスの働きで熱交換器３０を通る冷却液を加熱する。加熱された冷却液は、第２のポンプ１６の働きで第２の冷却液循環路１７を介して冷却液タンク１３に戻り、冷却液タンク１３内の冷却液が常温になるまで加熱する。この冷却加熱装置１２を用いてウエハチャック１１を加熱する場合の加熱時間とウエハチャック１１の温度との関係の一例を示したグラフが図３の（ｂ）である。

ここで、スターリング熱機関２０の加熱能力が不足する場合には、温度センサ１３Ａ、温度調節器１８からの信号に基づいてインバータ１９の周波数を上げて駆動機構２５の回転数を上げ、加熱能力を高める。逆に、スターリング熱機関２０の加熱能力が過大である場合には、インバータ１９の周波数を下げて駆動機構２５の回転数を下げ、加熱能力を低くする。

以上説明したように本実施形態によれば、冷却加熱装置１２にスターリング熱機関２０を冷却、加熱用として用いているため、載置装置１０の冷却加熱装置１２のシステムを簡素化し、弁類を削除することができ、もって故障を抑制することができると共に消費電力を低減することができる。特に、冷却加熱装置２０に電磁弁を使用しないため、格段に故障を抑制することができる。また、インバータ１９を用いて駆動機構２５のモータ２５Ａの回転数を制御することにより、冷却能力及び加熱能力を変えることができる。

また、本実施形態によれば、スターリング熱機関２０の駆動機構２５、即ちモータ２５Ａを駆動制御するインバータ１９を設けたため、温度調節機器１８からの信号に基づいてモータ２５Ａを駆動制御して冷却液を冷却、加熱することができる。また、インバータ１９は周波数可変に構成されているため、温度調節器１８からの信号に基づいて周波数を自動的に変更してモータ２５Ａの回転数を増減し、冷却液の冷却、加熱能力を制御することができる。

尚、本発明は上記実施形態に何等制限されるものではなく、必要に応じて適宜設計変更することができる。要は、スターリング熱機関を冷却用及び加熱用として用いる冷却加熱装置及載置装置であれば、本発明に包含される。従って、スターリング熱機関の構成は上記実施形態に制限されない。

本発明は、半導体製造分野に限らず、種々の工業分野で使用される冷却加熱装置及び載置装置として好適に利用することができる。

本発明の冷却加熱装置の一実施形態を適用した載置装置の要部を示すブロック図である。図１に示す載置装置に用いられたスターリング熱機関を示す概念図である。（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１に示す冷却加熱装置による冷却加熱作用を示すグラフである。従来の検査装置の一例を示す断面図である。図４に示す検査装置に用いられた載置装置の一例を示す構成図である。

符号の説明

１０載置装置
１１ウエハチャック（載置台）
１２冷却加熱装置
１７第２の冷却液循環路（熱媒体循環路）
１９インバータ
２０スターリング熱機関
２１Ａ第１のシリンダ室
２２Ａ第２のシリンダ室
２３第１のピストン
２４第２のピストン
２５駆動機構
２８第１の放熱器
３０熱交換器

Claims

熱媒体を循環させる熱媒体循環路と、この熱媒体循環路を循環する上記熱媒体を冷却、加熱するスターリング熱機関と、を備え、冷却後または加熱後の上記熱媒体を負荷側に循環させて上記負荷を冷却または加熱する冷却加熱装置であって、上記スターリング熱機関は、第１のシリンダ室と、第１のシリンダ室に連通する第２のシリンダ室と、第１、第２のシリンダ室内でそれぞれ所定の位相差をもって往復移動して第１、第２のシリンダ室内の作動ガスを膨張、圧縮させる第１、第２のピストンと、第１、第２のピストンを正逆方向に駆動できる駆動機構と、を有し、上記第１、第２のピストンが正方向に駆動する時には上記作動ガスが上記第１のシリンダ室内で膨張して低温化することにより上記熱媒体を冷却し、また、上記第１、第２のピストンが逆方向に駆動する時には上記作動ガスが上記第１のシリンダ室内で圧縮されて高温化することにより上記熱媒体を加熱することを特徴とする冷却加熱装置。
上記駆動機構を駆動制御するインバータを設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷却加熱装置。
上記インバータは、周波数可変に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の冷却加熱装置。
上記インバータは、上記熱媒体の温度に基づいて作動することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の冷却加熱装置。
被処理体を載置する載置台と、この載置台に熱媒体を循環させて上記被処理体を冷却、加熱する冷却加熱装置と、を備えた載置装置において、上記冷却加熱装置は、熱媒体を循環させる熱媒体循環路と、この熱媒体循環路を循環する上記熱媒体を冷却、加熱するスターリング熱機関と、を備えており、上記スターリング熱機関は、第１のシリンダ室と、第１のシリンダ室に連通する第２のシリンダ室と、第１、第２のシリンダ室内でそれぞれ所定の位相差をもって往復移動して第１、第２のシリンダ室内の作動ガスを膨張、圧縮させる第１、第２のピストンと、第１、第２のピストンを正逆方向に駆動できる駆動機構と、を有し、上記第１、第２のピストンが正方向に駆動する時には上記作動ガスが上記第１のシリンダ室内で膨張して低温化することにより上記熱媒体を冷却し、また、上記第１、第２のピストンが逆方向に駆動する時には上記作動ガスが上記第１のシリンダ室内で圧縮されて高温化することにより上記熱媒体を加熱することを特徴とする載置装置。
上記駆動機構を駆動制御するインバータを設けたことを特徴とする請求項５に記載の載置装置。
上記インバータは、周波数可変に構成されていることを特徴とする請求項６に記載の載置装置。
上記インバータは、上記熱媒体の温度に基づいて作動することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の冷却加熱装置。