DE19882929B4

DE19882929B4 - Temperaturkontrollsystem für eine Werkstückhalterung

Info

Publication number: DE19882929B4
Application number: DE19882929T
Authority: DE
Inventors: Paul A. Placerville Getchel; Kenneth M. Holliston Cole; Henry A. Wellesley Lyden
Original assignee: Temptronic Corp
Current assignee: Temptronic Corp
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1998-11-09
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2018-11-10
Also published as: JP2002500432A; US6505478B1; US20020062954A1; DE19882929T1; US6415858B1; WO1999034159A1; US6802368B2

Abstract

Temperaturkontrollsystem (100, 400) für eine Werkstückhalterung (10), wobei die Werkstückhalterung (10) einen oberen Bereich aufweist, auf dem ein Werkstück montiert werden kann, und wobei der obere Bereich über einem Basiselement (48) zwischen dem oberen Bereich und einem übergeordneten Gerät montierbar ist, wobei das Temperaturkontrollsystem umfasst:
eine Pumpe (120) zum Zirkulieren eines Fluids;
eine erste Fluidträgereinrichtung (114), die mit der Pumpe zum Zirkulieren des Fluids durch das Basiselement verbunden ist, um die Temperatur des Basiselementes zur Beeinflussung eines Wärmeflusses zwischen der Werkstückhalterung und dem übergeordneten Gerät zu steuern; und
eine zweite Fluidträgereinrichtung (112), die mit der Pumpe zum Zirkulieren eines Teils des Fluids durch den oberen Bereich der Werkstückhalterung (10) zur Steuerung der Temperatur des Werkstücks verbunden ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Leistungs- und Steuersysteme und betrifft insbesondere Leistungs- und Steuersysteme, die zur Steuerung der Temperatur eines Werkstückes, etwa eines Halbleiterwafers, und/oder der Kontrolle der Temperatur der Werkstückhalterung, auf dem das Werkstück gehaltert wird, verwendet werden.
Hintergrund der Erfindung
Im Industriebereich für integrierte Halbleiterschaltungen sinken die Kosten eines einzelnen integrierten Halbleiterchips im Vergleich zu den IC-Gehäusekosten ständig. Folglich wird es zunehmend wichtig, viele IC-Prozessschritte auszuführen, wenn sich die Einzelschaltung noch auf dem Wafer befindet, anstatt nach der Ausführung der relativ teuren Gehäuseformungsschritte.
Typischerweise werden im IC-Verarbeitungsprozess Halbleiterwafer einer Reihe von Test- und Überprüfungsschritten unterzogen. Für jeden Schritt wird der Wafer in einer stationären Position an einer Prozessstation, an der der Prozess durchgeführt wird, gehalten. Beispielsweise wird eine Schaltungsüberprüfung mit Sonden zunehmend über einen weiten Temperaturbereich ausgeführt, um die ICs vor ihrem Einbau in ein Gehäuse temperaturmäßig zu vermessen. Der Wafer wird typischerweise relativ zu einer Vakuumhalterungsoberfläche einer Sondenmaschine, die die Schaltungen auf dem Wafer elektrisch testet, stationär gehalten. Die Sondenmaschine enthält eine Gruppe elektrischer Sonden, die zusammen mit einem Testgerät vorbestimmte elektrische Anregungen auf verschiedene vorbestimmte Bereiche der Schaltung auf dem Wafer anlegen, und die die Antworten der Schaltungen auf die Anregungen erfassen.
In einem typischen Sondensystem wird der Wafer auf der oberen Oberfläche einer Waferhalterung befestigt, die mit ihrer unteren Oberfläche an einer Befestigungsstruktur des Probensystems gehaltert ist. Typischerweise ist ein Vakuumsystem mit der Halterung verbunden. Eine Reihe von Kanälen oder vertieften Bereichen, die mit der oberen Oberfläche der Halterung in Verbindung stehen, leiten das Vakuum zu dem Wafer, um diesen auf der oberen Oberfläche der Halterung festzuhalten. Der Befestigungsaufbau des Sondensystems über der Halterung wird dann dazu verwendet, den Wafer unter den Sonden anzuordnen, wie es zur Durchführung des elektrischen Prüfens der Waferschaltungen notwendig ist.
Die Halterung kann ebenfalls ein Temperaturkontrollsystem umfassen, das die Temperatur der Halterungsoberfläche und des Wafers anhebt oder absenkt, wie dies zur Durchführung der gewünschten Temperaturvermessung des Wafers notwendig ist. Für die Genauigkeit einer derartigen Überprüfung ist es wichtig, dass die Temperatur des Wafers und daher die Temperatur der Halterungsoberfläche so genau und präzise wie möglich gesteuert wird.
Es wurde diverse Lösungsansätze zur Steuerung der Wafertemperatur verwendet. In einem bekannten System umfasst die Halterung ein Zirkulationssystem, durch das ein Kühlfluid geführt wird. Das Kühlfluid wird auf einer konstanten kalten Temperatur gehalten und zirkuliert durch die Halterung. Eine Temperatursteuerung wird verwirklicht, indem ein Heizer aktiviert wird, der ebenfalls in der Halterung angeordnet ist. Der Heizer wird zyklisch ein- und ausgeschaltet, wie dies zur Erwärmung der Halterung und des Werkstücks auf die benötigte Temperatur. notwendig ist.
Dieser Lösungsansatz besitzt gewisse Nachteile. Es tritt eine große Zeitverzögerung auf, wenn die Halterung erwärmt wird, da das zirkulierende Fluid ständig auf einer tiefen Temperatur gehalten wird und ständig durch die Halterung zirkuliert. Folglich kann eine lange Zeit notwendig sein, um die Halterung und das Werkstück auf eine hohe Temperatur zu erwärmen. Ferner kann das System uneffizient sein, da ein Großteil der dem Heizer zugeführten Energie durch das Vorhandensein des zirkulierenden kalten Fluids verschwendet wird. Ferner wird zur Kühlung des Fluids verwendete Energie verschwendet, wenn die Halterung und das Werkstück erwärmt werden.
In einem weiteren bekannten System werden sowohl ein temperaturgesteuertes Fluid als auch eine Halterungsheizung verwendet, um die Temperatur des Werkstücks zu steuern. In diesem System wird das Fluid dazu verwendet, das Werkstück in einen gewissen Toleranzbereich der gewünschten festgelegten Temperatur zu bringen. Die Heizung wird dann so nach Bedarf zyklisch aus- und eingeschaltet, um die Temperatur dem festgelegten Punkt anzupassen. Dieses System hat ebenfalls den Nachteil großer Zeitverzögerungen und eines schlechten Wirkungsgrads.
In einem noch weiteren bekannten System wird eine Temperatursteuerung implementiert, indem lediglich ein passiver Wärmeübertrag zu und von einem durch die Halterung zirkulierenden Fluid verwendet wird. In diesem System sind auf der Halterung eine Reihe interner Kanäle vorgesehen, durch die das temperaturgesteuerte Fluid zirkuliert. Die Halterungstemperatur wird durch Steuerung der Temperatur des Fluids gesteuert. Dieses System besitzt ebenfalls nachteiligerweise lange Zeitverzögerungen und einen relativ geringen Wirkungsgrad.
Das Dokument US 5,435,379 betrifft ein Kühlsystem, das einen Behälter mit Kühlmittel aufweist. Eine Leitung führt durch den Behälter und das Kühlmittel zu einem Gehäuse. Das in der Leitung fließende Fluid wird gekühlt und fließt in das Gehäuse, um das Gehäuse kühlen. Dadurch wird auch das mit dem Gehäuse in Verbindung stehende Halbleitersubstrat gekühlt.
Das Dokument US 5,567,267 betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Temperatur eines Suszeptors zum Halten eines zu bearbeitenden Substrats in einer Prozesskammer einer Bearbeitungsvorrichtung, die einen ersten und einen zweiten Block, eine Zufuhrvorrichtung, und eine Ablassvorrichtung umfasst.
In manchen Anwendungen, beispielsweise dort, wo ein Wafer auf einer Schaltungssonde getestet wird, ist es wichtig, das in das System eingeführte elektrische Rauschen zu verringern, da ein derartiges Rauschen die von der Sonde durchgeführten Messungen nachteilig beeinflussen kann. Das Einführen von Rauschen in die Messung ist ein allgemeines Problem beim Ausführen von Temperaturtestmessungen auf dem Wafer an dem Sondengerät. Leistungs- und Steuersignale, die Elementen, wie etwa Widerstandheizelementen der Halterung, zugeführt werden, sind typischerweise in unmittelbarer Nähe des Wafers und können daher wesentliche Quellen des Rauschens sein.
Daher ist es wichtig, dass Leistungsversorgungseinheiten, die Heizelementen Leistung zuführen, soweit als möglich ohne Rauschen sind. Als Folge davon umfassen bekannte Leistungssysteme für Heizhalterungen lineare Leistungsversorgungseinheiten, um Leistung an Heizelement zu liefern. Lineare Stromversorgungen neigen jedoch dazu, sehr ineffizient zu sein. Tatsächlich hängt ihre Verlustleistung stark von der Eingangsspannung ab. Daher kann unter Bedingungen, in denen die zugeführte Eingangsleistung variieren kann, eine beträchtlich Ineffizienz entstehen. Ferner, da die übliche europäische Leitungsspannung höher ist als die in den USA verwendete Spannung, würde die Verlustleistung eines linearen Netzteils in Europa höher sein als in den USA, und damit eine unterschiedliche Netzteil- und Systemgestaltung oder eine Toleranz hinsichtlich einer beträchtlichen Schwankung in der Verlustleistung erfordern. Ferner sind lineare Netzteile nicht in der Lage, den Leistungsfaktor zu korrigieren. Nach neuen europäischen Standards, die bald zu Anwendung kommen, müssen Hochleistungsnetzteile hinsichtlich des Leistungsfaktors korrigiert sein. Lineare Netzteile können diese neuen Standards unter gewissen Umständen nicht erfüllen. Es ist daher wünschenswert, eine Werkstückhalterung zu haben, die von Leistungssignalen ohne Rauschen gespeist wird, aber nicht von linearen Leistungsnetzteilen zur Versorgung abhängt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Temperaturkontrollsystem bereitzustellen, das eine effiziente Steuerung der Temperatur ohne Zeitverzögerung, eine effiziente Temperaturkontrolle der Werkstückhalterung, und einen hohen Wirkungsgrad gewährleistet.
Überblick über die Erfindung
Gemäß einem Aspekt zielt die vorliegende Erfindung auf ein Temperaturkontrollsystem und ein Verfahren zur Temperatursteuerung eines Werkstücks, etwa eines Halbleiterwafers, der auf einer Werkstückhalterung montiert ist, die eine erhöhte Temperatursteuergenauigkeit und einen verbesserten Wirkungsgrad liefert, ab. Die Werkstückhalterung besitzt einen oberen Bereich, auf dem ein Werkstück montiert werden kann. Der obere Bereich ist über einer Zwischenschicht, etwa einem Basiselement, montiert, die zwischen dem oberen Bereich der Halterung und dem übergeordneten Gerät, an dem die Halterung verwendet wird, etwa einer Wafersondenmaschine, angeordnet. Das Temperaturkontrollsystem umfasst eine Einrichtung zum Steuern einer Temperatur des oberen Bereichs der Halterung um die Temperatur des Werkstücks zu steuern, und eine Einrichtung zum Steuern einer Temperatur des Basiselement um den Wärmefluss zwischen der Halterung und dem übergeordneten Gerät zu beeinflussen. In einer Ausführungsform wird die Temperatur des Basiselements gesteu ert, indem ein Fluid durch das Basiselement zirkuliert. Ein Teil des Fluids kann ebenfalls durch den oberen Bereich der Halterung zirkuliert bzw. zirkulierend geleitet werden, um die Temperatur des oberen Bereichs der Halterung zu steuern. In einer Ausfühnungsform ist der Wärmefluss zwischen der Halterung und dem übergeordneten Gerät reduziert.
In einer Ausführungsform umfasst das Temperaturkontrollsystem der Erfindung eine Pumpe zum Zirkulieren des Fluids durch die Werkstückhalterung. Das System umfasst ebenfalls eine Einrichtung zum Übertragen eines Teils des Fluids zum oberen Bereich der Halterung, um die Temperatur des Werkstücks zu steuern, und eine Einrichtung zum Übertragen eines weiteren Teil des Fluids zur Basiszwischenschicht, so dass ein Wärmefluss zwischen der Halterung und dem übergeordneten Gerät beeinflusst werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst das Temperaturkontrollsystem ein System zur Steuerung der Temperatur des Fluids. Dieses Fluidtemperaturkontrollsystem kann ein Kühlsystem umfassen, durch das das Fluid fließt, um das Fluid zu kühlen, bevor dieses in die Halterung gepumpt wird. Das Fluidkontrollsystem kann ebenfalls ein oder mehrere Heizelemente umfassen, um das Fluid bei Bedarf zu erwärmen. Das Fluidkontrollsystem kann ebenfalls ein oder mehrere Ventile oder Schalter umfassen, um diverse Funktionen zum Umleiten des Fluids zu steuern. Wenn es beispielsweise notwendig ist, das Fluid zu erwärmen, können ein oder mehrere Ventil gesteuert werden, um zu bewirken, dass das Fluid das Kühlsystem umgeht und/oder durch einen oder mehrere der Fluidheizelemente fließt. Dies kann eine beträchtliche Leistungseinsparung zur Folge haben, indem unnötige Belastungen für das Kühlsystem verringert werden. Unter anderen Umständen kann es wünschenswert sein, das Fluid zu kühlen. In diesem Falle können ein oder mehrere Ventile gesteuert werden, um das Fluid durch das Kühlsystem zu lenken.
Die Ventile können ebenfalls verwendet werden, um zu steuern, ob das Fluid durch den oberen Bereich der Halterung zur Temperatursteuerung des Werkstücks geleitet wird, oder ob es durch das Basiselement gelenkt wird, um die Wärmeflussbarriere zwischen der Halterung und dem übergeordneten Gerät zu etablieren. In einer Ausführungsform werden zwei individuell steuerbare Durchflusspfade eingerichtet. Unter gewissen Bedingungen werden die Ventile so gesteuert, um einen Teil des Fluids zum oberen Bereich der Halterung zur Steuerung der Werkstückstemperatur zu lenken. Gleichzeitig kann ein zweiter Teil des Fluids durch die Basiselement gelenkt werden, um das Basiselement auf oder in der Nähe der Umgebungstemperatur zu halten und um damit einen Wärmefluss von und zu dem übergeordneten Gerät zu verhindern. Unter anderen Bedingungen können die Ventile so gesteuert werden, um das gesamte Fluid zum Basiselement zu lenken.
In einer Ausführungsform sind Fluidheizelemente in beiden Fluidpfaden vorgesehen. Die Fluidheizelemente sind einzeln steuerbar, so dass die Temperaturen beider Teile des Fluids individuell steuerbar sind.
Die Ventile können ebenfalls verwendet werden, um die Menge des durch das System zirkulierenden Fluids zu steuern. Die Pumpe kann mittels einem steuerbaren Ventil umgangen werden, das im aktivierten Zustand einen vorbestimmten Teil des Fluids am Ausgang der Pumpe zurück zu deren Eingang rezirkuliert, um die Fluidmenge zu reduzieren, die die Halterung erreicht. Somit kann die Menge des zirkulierenden Fluids verringert werden, wenn die Halterung beispielsweise erwärmt wird.
Das Temperaturkontrollsystem der Erfindung kann ebenfalls ein oder mehrere Heizelemente in der Halterung umfassen. Die Heizelemente können zyklisch ein- und ausgeschaltet werden, um nach Bedarf Wärme an die Halterung und das Werkstück zu liefern. In einer Ausführungsform umfassen die Halterungsheizelemente Widerstandselemente, die von einer DC-Versorgung gespeist werden. In einer speziellen Ausführungsform werden zwei oder mehr individuell steuerbare Widerstandsheizelemente verwendet, um eine effiziente Mehrstufen-, beispielsweise Zweistufen-, Halterungsheizprozedur zu erleichtern, wie im folgenden beschrieben wird.
In einer Ausführungsform wird der Wirkungsgrad des Systems der Erfindung verbessert, indem der Betriebstemperaturbereich des Systems in viele Unterbereiche in effizienter Weise aufgeteilt wird. Der Betrieb des System in einem speziellen Unterbereich definiert einen Satz von Betriebsparametem, die zur Steuerung des Systems verwendet werden. Beispielsweise wird in einer Ausführungsform der Betriebstemperaturbereich in zwei Unterbereiche aufgeteilt, einem oberen Unterbereich und einem unteren Unterbereich. Das Auswählen eines festen Punktes in einem der Unterbereiche definiert einen bestimmten Satz an Bedingungen. Das erfindungsgemäße System verwendet diese Bedingungen, um einen Satz an Systembetriebsparametern zu definieren und die diversen Komponenten des Systems zu steuern, um diese Parameter zu verwirklichen. Beispielsweise wird in einer Ausführungsform, in der ein Betrieb im oberen Unterbereich gewünscht ist, ein Halterungsheizelement verwendet, um die Halterung zu erwärmen, und das gesamte Fluid fließt in der Nähe des Basiselements, um diese auf der Umgebungstemperatur zu halten. Um diese Betriebskonfiguration zu erreichen, werden die Ventile so betrieben, um das Fluid zum Basiselement zu lenken und das Heizelement wird zyklisch nach Bedarf aus- und eingeschaltet.
Das erfindungsgemäße Temperaturkontrollsystem umfasst ebenfalls mehrere Temperatursensoren, die eine Temperaturrückkopplung an diversen Positionen über das gesamte System liefern. In einer Ausführungsform ist zumindest ein Temperatursensor im Fluidpfad vorgesehen, um die Temperatur des Fluids zu überwachen. Es können Temperatursensor am Fluidpfad im oberen Bereich der Halterung im Pfad zum Basiselement vorgesehen sein, um ein unabhängiges Temperaturüberwachen beider Pfade zu liefern. Im oberen Bereich der Halterung kann ebenfalls ein Sensor vorgesehen sein, um die Temperatur des Werkstücks zu überwachen. Durch Überwachung sowohl der Fluidtemperatur als auch der Werkstücktemperatur wird eine Form einer Doppel-Regelschleife für die Steuerung der Werkstückstemperatur bereitgestellt. Dies erlaubt eine genauere Temperatursteuerung. Es kann ebenfalls ein Sensor in dem Basiselement und der näheren Umgebung vorgesehen sein. Zusammen mit dem Fluidsensor erlauben diese Sensoren eine Doppel-Regelschleife für die Basiselementtemperatur, um einen Wärmefluss zwischen der Halterung und dem übergeordneten Gerät zu vermeiden.
Gemäß einem weiteren Aspekt zielt die Erfindung auf das Leistungs- und Kontrollsystem und Verfahren ab, das die Leistung und die Steuerung, die zum Betrieb des Temperaturkontrollsystems der Erfindung notwendig sind, bereitstellen. Insbesondere richtet sich dieser Aspekt der Erfindung an ein Leistungs- und Kontrollsystem und Verfahren, die die Leistung zum Betrieb der Systemheizungen und der zum Betrieb der diversen Ventile und Fluidheizelementen im erfindungsgemäßen Temperaturkontrollsystem notwendig ist, bereitstellen. Das erfindungsgemäße Leistungssystem ist auf eine Werkstückhalterung anwendbar, die zumindest ein Heizelement zum Erwärmen des auf der Werkstückhalterung montierten Werkstücks umfasst. Das Leistungssystem umfasst eine Schnittstelle, über die Leistung zwischen dem Leistungssystem und dem Heizelement der Werkstückhalterung übertragen wird. Das System umfasst ebenfalls ein Schaltnetzteil zum Erzeugen eines Ausgangsleistungssignals, das über die Schnittstelle zur Speisung des Halterungsheizelements an das Halterungsheizelement gekoppelt wird.
In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Leistungssystem ebenfalls einen Filter, der das Ausgangsleistungssignal vom Schaltnetzteil empfängt. Der Filter filtert das Signal, um aus dem Signal Rauschen vom Schaltnetzteil zu entfernen. Folglich koppelt das dem Halterungsheizelement zugeführte Leistungssignal kein Rauschen auf das Werkstück ein und erlaubt somit sehr genaue Messungen am Werkstück.
In einer Ausführungsform ist das Ausgangsleistungssignal aus dem Schaltnetzteil so steuerbar, dass dieses zwischen einem EIN-Zustand und einem AUS-Zustand hin- und hergeschaltet werden kann. Im EIN-Zustand wird das Leistungssignal dem Heizelement zugeführt. Im AUS-Zustand wird dem Heizelement keine Leistung zugeführt, so dass das Heizelement ausgeschaltet ist. Das Ausgangsleistungssignal von dem Schaltnetzteil kann ebenfalls an einen Verstärker gekoppelt sein, der so steuerbar ist, dass der Ausgangsleistungssignalpegel variierbar ist. Folglich kann Leistung, die dem Heizelement zugeführt wird und damit Wärme, die von dem Heizelement geliefert wird, variiert werden.
Wie zuvor erwähnt wurde, kann in einer Ausführungsform die Halterung tatsächlich zwei oder mehr Widerstandsheizelemente, die zur Wärmezufuhr an das Werkstück verwendet werden, umfassen, und das Schaltnetzteil kann zwei oder mehr Ausgangsleistungssignale bereitstellen, wobei jedes mit dessen eigenen entsprechenden Heizelement verbunden ist. Die Ausgangsleistungssignale können separat steuerbar sein, so dass die den Heizelementen zugeführte Leistung separat steuerbar ist. In dieser Ausführungsform können die Heizelemente und die Ausgangssignale so gestaltet sein, um wirkungsvoll ein Ändern der Temperatur des Werkstücks zu steuern, indem ein Mehrstufen-, beispielsweise ein Zweistufen-, Heizverfahren implementiert wird. Beispielsweise können in einer Zwei-Heizelement-Anordnung, wenn es wünschenswert ist, die Temperatur des Werkstücks um einen deutlichen Betrag schnell zu erhöhen, beide Leistungsausgänge und damit beide Heizelemente gleichzeitig aktiviert werden. Wenn die Temperatur des Werkstücks eine erste Zielschwellwerttemperatur übersteigt, kann eines der Heizelemente ausgeschaltet werden, während das andere weiter verwendet wird, um die Temperatur des Werkstücks auf eine gewünschte endgültige Zieltemperatur einzustellen.
Um dieses Zweistufen-Verfahren zu verwirklichen, ist einer Ausführungsform das erste Ausgangsleistungssignal zwischen EIN- und AUS-Zuständen schaltbar, und das andere wird einem steuerbaren Verstärker zugeführt, so dass dessen Pegel variiert werden kann. Während die Temperatur auf die erste Zieltemperatur erhöht wird, sind beide Heizelemente eingeschaltet. Wenn die Zielschwellwerttemperatur erreicht ist, kann das erste Heizelement ausgeschaltet werden, während das zweite regelbare Heizelement eingeschaltet bleibt. Sodann kann der Verstärker so gesteuert werden, um den Pegel des Ausgangsleistungssignals, das dem regelbaren Heizelement zugeführt wird, so eingestellt wird, um das Werkstück genau und präzise auf die endgültige Zieltemperatur zu erwärmen und diese Temperatur zu halten. In einer weiteren Ausführungsform können beide Heizelemente eingeschaltet bleiben, selbst, wenn das Werkstück seine endgültige Temperatur erreicht hat, insbesondere, wenn es erforderlich ist, das Werkstück auf einer hohen Temperatur zu halten. In noch einer weiteren Ausführungsform können drei Heizelemente verwendet werden, um einen Zweistufen-Heizprozess zu implementieren; zwei der Heizelemente können schaltbar sein und das dritte kann variabel sein. Bei der endgültigen Temperatur kann eines der schaltbaren Heizelemente ausgeschaltet und das andere schaltbare Heizelement und das variable Heizelement können eingeschaltet bleiben, um das Werkstück auf der endgültigen Temperatur zu halten.
Das erfindungsgemäße Leistungs- und Kontrollsystem kann ebenfalls Treibersignale liefern, um die Ventile und Fluidheizelemente, die im erfindungsgemäßen Temperaturkontrollsystem verwendet werden, anzusteuern, um die Temperatur der Halterung und des Werkstücks zu steuern. In einer Ausführungsform sind die Kontrollsignale Relais-Treibersignale, die Relais ansteuern, die wiederum den Betrieb der Ventile und der Fluidheizelemente steuern. Das Kontrollsystem kann Eingangssignale aus den Temperatursensoren, einem Taupunktalarmsensorschalter und einem Fluidpegelschalter empfangen und kann diese Eingangssignale verwenden, um zur Steuerung der Systemkomponenten erforderliche Steuersignale zu erzeugen, um das System nach Erfordernis zu betreiben.
Die Temperatursteuerung der Erfindung liefert eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bekannten Systemen. Da beispielsweise das Leistungssystem der Erfindung Schaltnetzteile verwendet, ist das System wesentlich energieeffizienter als Systeme, die lineare Netzteile verwenden. Da ferner das Schaltnetzteil im Leistungsfaktor korrigiert ist, befindet es sich in Übereinstimmung mit den neuen europäischen Leistungsstandards. Durch die einzigartige Filterung der Erfindung sind die Leistungsversorgungsausgänge mit minimalem Rauschen verwirklicht. Das Temperaturkontrollsystem selbst liefert ebenfalls Vorteile gegenüber bekannten Temperaturkontrollsystemen. Da die Temperatur des Basiselements zwischen dem oberen Bereich der Halterung und dem übergeordneten Gerät beispielsweise auf Umgebungstemperatur gehalten wird, kann ein Wärmefluss zwischen der Halterung und dem übergeordneten Gerät im wesentlichen verhindert werden. Ferner sorgt die Anwendung mehrerer Unterbereiche, die den gesamten Temperaturbereich des System unterteilen, für einen verbesserten Systemwirkungsgrad. Durch Unterteilen des Temperaturbereichs des Systems in kleinere Unterbereiche, können unterschiedliche Steuerungsfestlegungen, die mit Bedacht auf kleinere Temperaturunterbereiche zugeschnitten sind, verwendet werden. Dies resultiert wiederum in einem höheren Systemwirkungsgrad.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorhergehenden und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, deutlich. Die Zeichnung ist nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, statt dessen ist das Darstellen der Grundgedanken der Erfindung betont.
1 ist ein schematisches detailliertes Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperaturkontrollsystems;
2 ist ein schematisches detailliertes Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperaturkontrollsystems;
3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform der Leistungs- und Kontrollschaltung der Erfindung;
4 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Filters für elektrisches Rauschen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Temperaturkontrollsystems 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, das in Verbindung mit einer Werkstückhalterung 10 verwendet wird. Die Halterung 10 kann verwendet werden, um an ihrer oberen Oberfläche 12 ein flaches Werkstück, etwa einen Halbleiterwafer, während des Verarbeitens zu halten, und kann eine Form aufweisen, die in einer anhängigen Patentanmeldung mit dem Titel "Werkstückhalterung", die am gleichen Datum eingereicht ist und den gleichen Anmelder als die vorliegende Erfindung aufweist, und hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit eingeschlossen ist, beschrieben wird.
Die an dem Werkstück ausgeführte Bearbeitung kann ein Testen einer elektrischen Schaltung auf einem Wafer über einen vorbestimmten Temperaturbereich unter Verwendung eines übergeordneten Geräts, etwa einer Sondenmaschine, einschließen. Um ein zyklisches Durchlaufen der Wafertemperatur zu implementieren, umfasst die Halterung 10 eine Wärmesenke 14, durch die ein Fluid zirkuliert werden kann, und einen elektrischen Heizer 16, der zur Heizung des Wafers verwendet werden kann. Das Temperaturkontrollsystem 100 der Erfindung wird zur Steuerung des Heizers 16 und der Temperatur und des Durchflusses des Fluids durch die Wärmesenke 14 verwendet, um die Temperatur der Halterung und damit die Temperatur des Wafers, der getestet wird, zu steuern. Wie detailliert im folgenden beschrieben wird, kann in einer Ausführungsform der Heizer 16, der hierin ebenfalls als H3 bezeichnet wird, tatsächlich zwei Widerstandsheizelemente 16a und 16b umfassen, wobei jedes durch sein individuell steuerbares Leistungssignal, das von dem Leistungs- und Kontrollsystem der Erfindung geliefert wird, gespeist wird. Die Heizelemente 16a und 16b sind individuell steuerbar, um ein Implementieren eines Mehrstufen-, beispielsweise Zweistufen-, Werkstückheizverfahrens zu erlauben, das detailliert im folgenden beschrieben wird.
Es ist anzumerken, dass in 1 gebrochene oder gestrichelte Linien elektrischen Verbindung und durchgezogene Linien mit Pfeilköpfen Leitungen zum Implementieren einer Strömung bzw. eines Flusses eines thermodynamischen Mediums, etwa dem Fluid, dass zur Steuerung der Temperaturhalterung verwendet wird, oder das zum Kühlen des Fluids verwendete Kühlmittel, andeutet.
Das erfindungsgemäße Systems 100 kann ebenfalls verwendet werden, um einen unteren Bereich der Halterung 10 auf Umgebungstemperatur zu halten, um einen Wärmefluss zwi schen der Halterung 10 und dem übergeordneten Gerät zu verhindern. Zu diesem Zweck umfasst die Halterung 10 eine untere Befestigung oder Platte 22, die eine keramische, thermisch und elektrisch isolierende Platte sein kann, die auf einem Basiselement 48 befestigt ist. In einer Ausführungsform ist das Basiselement 48 ein Teil dem übergeordneten Gerät, auf der die Halterung 10 befestigt ist. In einer weiteren Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, ist das Basiselement 48 ein Teil der Halterung. Im weiteren wird das Basiselement als ein Teil der Halterung 10 betrachtet, aber es ist selbstverständlich, dass diese ebenfalls ein Teil des übergeordneten Geräts sein kann. In jedem Falle wird die Temperatur des Basiselements 48 so gesteuert, um den Wärmefluss zwischen der Halterung 10 und dem übergeordneten Gerät zu steuern. Das Fluid kann durch das Basiselement 48 zirkuliert werden, um das Basiselement auf Umgebungstemperatur zu halten. Dies etabliert eine Wärmeflussbarriere zwischen der Halterung und dem übergeordneten Gerät.
Das erfindungsgemäße Temperaturkontrollsystem 100 umfasst ein Fluidtemperaturkontrollmodul 110, das die Temperatur und den Fluss des Fluids zu und von der Halterung 10 steuert. Das Fluid wird in die Wärmesenke 14 über eine Einlassleitung 112 und aus der Wärmesenke 14 über eine Rückführleitung 113 geführt. Das Fluid kann ebenfalls in das Basiselement 48 über eine weitere Einlassleitung 114 und aus der Grundplatt 48 über eine weitere Rückführleitung 115 geführt werden. Die zwei Rückführleitungen 113 und 115 sind gemeinsam zu einer einzigen Rückführleitung 116 zusammengefasst, die das Fluid zum Fluidkontrollmodul 110 zurückführt.
Das erfindungsgemäße System 100 umfasst ebenfalls ein Leistungs- und Kontrollsystem, das eine elektrische Steuerung 50 und eine Leistungsversorgung 60 umfassen kann. Wie im folgenden im Detail beschrieben wird, empfängt die Steuerung 50 elektrische Eingangssignale aus verschiedenen Komponenten des Systems 100 und übermittelt elektrische Steuersignale zu Systemkomponenten entsprechend der Notwendigkeit, die benötigten Temperatursteuerfunktionen des Systems 110 auszuführen. Die Leistungsversorgung 60 liefert nach Bedarf Leistung an die diversen Systemkomponenten und die Steuerung 50.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Temperaturrückkopplung zu der Steuerung 50 durch eine Reihe von Temperatursensoren, die an diversen Positionen in der Halterung 10 und dem Temperaturkontrollmodul 110 angeordnet sind, bereitgestellt. In der in 1 gezeigten Ausführungsform werden sechs Temperatursensoren, die mit T1 bis T6 bezeichnet sind, verwendet. Es ist anzumerken, dass die Referenzzeichen T1 bis T6, die hierin verwendet sind, entweder den Sensor selbst oder den Temperaturwert, den dieser anzeigt, betreffen. Es wird aus dem Zusammenhang deutlich, was beabsichtigt ist. Sensor T1 ist der Temperatursensor der oberen Halterungsoberfläche, der die Halterungstemperatur an oder in der Nähe der Wärmesenke 14 anzeigt. In einer weiteren Ausführungsform wird vor dem Temperaturtest ein Kalibriervorgang durchgeführt, indem die Differenz zwischen der Temperatur am Sensor T1 und der tatsächlichen Temperatur am Wafer bestimmt wird. Während der Kalibrierung kann die Temperatur des Wafers an der oberen Oberfläche durch ein oberflächenmontiertes Thermoelement oder einen anderen Temperatursensor, oder durch Verwendung einer kalibrierten Diode auf dem Wafer, oder durch ein anderes Verfahren bestimmt werden; es wird ein Korrekturfaktor erzeugt, der die Temperaturdifferenz zwischen dem Sensor T1 und der Waferoberfläche bezeichnet. Dieser Korrekturfaktor wird als Justierung während des anschließenden Temperaturkontrollprozesses verwendet, um den Wafer auf der gewünschten Temperatur zu halten. Alternativ kann ein Kontakt- oder kontaktloser Temperatursensor an der Waferoberfläche verwendet werden, um die T1-Temperaturmessung zu ermöglichen. Dies macht eine Kalibrierung unnötig. Dieser Temperatursensor kann eine kalibrierte Diode, ein Thermoelement oder ein beliebig anderer Kontaktsensor oder berührungsloser Sensor sein.
Sensor T2 ist der Basiselementtemperatursensor. Er erfasst die Temperatur an dem Basiselement 48. Diese Temperatur wird auf oder in der Nähe der Umgebungstemperatur (Sensor T3) gehalten, um einen Wärmefluss zwischen der Halterung 10 und dem übergeordneten Gerät zu verhindern. Sensor T3 ist der Umgebungsluft/Umgebungstemperatursensor. Dieser erfasst die Umgebungstemperatur, die die Halterung und das übergeordnete Gerät umgibt. Idealerweise wird durch Zirkulieren des Fluids durch das Basiselement 48 T2 so nahe wie möglich an T3 gehalten, um einen Wärmefluss zwischen der Halterung und dem übergeordneten Gerät zu vermeiden.
Sensor T4 ist ein Fluidtemperatursensor. Dieser erfasst die Temperatur des Fluids, wenn dieses aus dem Fluidheizelemente H1 herausfließt und bevor dieses entweder zu der Wärmesenke 14 über die Leitung 112 oder das Basiselement 48 über das Fluidheizelemente H2 Leitung 114 fließt, abhängig vom Zustand des Ventils SV4. Es wird die Temperatur bei T4 überwacht, um eine Steuerung der Fluidtemperatur zu ermöglichen, wenn dieses in die Wärmesenke 14 oder das Basiselement 48 eindringt.
Sensor T5 ist der Basiselementfluidtemperatursensor. Dieser erfasst die Temperatur des Fluids, wenn dieses aus dem Temperaturfluidkontrollmodul 110 in Richtung zur Halterung 10 entlang der Leitung 114 fließt. Die Temperatur bei T5 wird überwacht, um die Fluidtemperatur zu steuern, wenn dieses in das Basiselement 48 eindringt, so dass die Basiselementtemperatur (T2) in der Nähe der Umgebungstemperatur (T3) gehalten werden kann.
Sensor T6 ist der Rückleitungsfluidtemperatursensor. Dieser erfasst die Temperatur des Fluids, wenn dieses von der Halterung 10 entlang der Rückführleitung 116 zurückfließt. Dieser verwendet, um zu bestimmen, ob ein thermodynamischer Prozess etwa ein vorheriges Abkühlen des Fluids durchgeführt werden soll, bevor dieses zur Halterung 10 zurückgeführt wird.
Es ist anzumerken, dass andere Temperatursensoranordnungen verwendet werden können, um die Erfindung auszuführen. Beispielsweise können Sensoren T1 und T2 in Rückführröhren 113 und 115 angeordnet sein, oder zusätzliche Sensoren können zu jeweils einer oder beiden Röhren 113 und 115 hinzugefügt werden.
Das Temperaturkontrollsystem 110 umfasst ebenfalls das Paar Fluidheizelemente H1 und H2 zum Erwärmen, nach Bedarf, des zirkulierenden Fluids. Das Heizelement H2, der Basiselementfluidtemperaturkontrollheizer, erwärmt das Fluid, das durch das Basiselement 48 gelenkt wird. Das Heizelement H1, der Halterungs/Basiselementfluidtemperaturkontrollheizer, erwärmt das Fluid, das entweder durch die Wärmesenke 14 oder das Basiselement 48, anhängig vom Zustand des SV4 zirkuliert werden kann. Wie zuvor erwähnt wurde, umfasst das System 110 ebenfalls den Halterungskontrollheizer 16 (H3), der in der Halterung 10 angeordnet ist, um Wärme direkt zur Halterung 10 zu liefern, um das Werkstück zu erwärmen, und der tatsächlich mehrere individuell steuerbare Heizelemente 16a und 16b umfassen kann.
Der Fluss des Fluids durch das System 100 wird durch die Steuerung 50 durch eine Pumpe 120 und eine Reihe von Ventilen gesteuert. Die Pumpe empfängt das Fluid aus dem Verdampfer 134 und/oder seiner Umgehungsleitung und Akkumulator 154 und pumpt das Fluid in Richtung der Fluidheizelemente H1 und H2 und anschließend zur Wärmesenke 14 und/oder Basiselement 48.
Der Kondensierer 130, der Verdampfer 134, das thermische Expansionsventil 136, der Kompressor 140 und der Druckregulierer 138 werden verwendet, um einen mengengesteuerten Kühlzyklus, der das Fluid nach Bedarf kühlt, zu implementieren. Unter gewissen vorbestimmten Umständen, die im folgenden beschrieben sind, werden Spulenventile SV2 und SV3 verwendet, um das Fluid durch das Kühlsystem so lenken, wie es zur Ableitung von Wärme aus dem Fluid notwendig ist. Unter anderen Umständen werden SV2 und SV3 verwendet, um das Fluid so zu lenken, dass dieses einen oder mehrere Bereiche des Kühlkreislauf umgeht. Das Umgebungsvorkühlauswahlspulenventil SV2 wird verwendet, um das Fluid durch den Umgebungsvorkühlwärmetauscher 135 zu leiten. Wenn eine Umgebungsvorkühlung gewünscht wird, wird SV2 in seinen EIN-Zustand geschaltet, um das Fluid durch den Vorkühlwärmetauscher 135 zu lenken. Wenn SV2 auf AUS ist, wie in 1 gezeigt, umgeht das Fluid die Umgebungsvorkühlung.
Wenn ein weiteres kühlendes Fluid gewünscht wird, kann das Fluid durch den Verdampfer 134 geleitet werden. Das Verdampferumgehungsauswahlspulenventil SV3 und das Verdampferumgehungskühlfluidmessventil M2 werden verwendet, um den Fluss des Fluids durch den Verdampfer 134 zu steuern. Das Messventil M2 erlaubt, dass ständig ein vorbestimmter Prozentsatz des Fluids in der Leitung 142 das Spulenventil SV3 umgeht, und in den Verdampfer 134 zum Kühlen fließt. In einer Ausführungsform ist dieser Prozentsatz auf ungefähr 15% festgelegt. Wenn SV3 in seinem AUS-Zustand ist, wie dies in 1 gezeigt ist, wird das gesamte Fluid in der Leitung 142 durch den Verdampfer zum Kühlen geleitet. Wenn SV3 auf EIN ist, fließt der vorbestimmte Prozentsatz (15%) des Fluids in den Verdampfer 134, und das verbleibende Fluid umgeht den Verdampfer 134 und fließt in Richtung der Pumpe 120.
Eine vorbestimmte Menge des Fluids am Auslass der Pumpe 120, das in der Leitung 144 fließt, gelangt in das Heizelement H1. Diese Menge wird durch das Basiselementzuführ fluidumessventil M3 festgelegt. In einer Ausführungsform ist M3 so festgelegt, um zu bewirken, dass 5% des Fluids in der Leitung 144 H1 umgehen und in Richtung H2 in der Leitung 145 fließen, und dass die verbleibenden 95% durch H1 fließen. Somit fließt in dieser Ausführungsform ein Teil des Fluids immer durch das Basiselement 48 und die Temperatur dieses Teils ist steuerbar.
Unter gewissen Bedingungen wird, beispielsweise, wenn die Halterung durch die Halterungsheizelemente (N) 16 (H3) erwärmt wird, das Fluid aus dem Heizelement H1 durch Halterungswärmesenkumgehungsauswahlspulenventil SV4 zur Leitung 147 gelenkt, um durch das Heizelement H2 und das Basiselement 48, anstatt durch die Wärmesenke 14 zu fließen. Wenn SV4 EIN ist, fließt das gesamte Fluid aus H1 und H2 durch Basiselement 48. Wenn SV4, wie gezeigt, AUS ist, wird das Fluid aus dem Heizelement H1 durch die Wärmesenke 14 geleitet.
Das erfindungsgemäße System 100 enthält ebenfalls einen Taupunktsensor 150 und eine Taupunktanzeige 152. Der Taupunktsensor 150 erfaßt den Taupunkt in der Umgebung um die Halterung 10 und erzeugt und übermittelt ein elektrisches Signal, das den erfassten Taupunkt anzeigt, zu der Taupunktanzeige 152. Die Taupunktanzeige 152 kann ein Taupunktalarmsignal zur Steuerung 50 senden, indem ein Schalter geschossen wird, wenn der Taupunkt über einen gewissen Wert ansteigt. Korrekturaktionen, etwa das Erwärmen der Halterung auf Umgebungstemperatur und Abschalten des Systems, können vorgenommen werden, um einen Schaden am Werkstück aufgrund von Umgebungsfaktoren, wie etwa Frostbildung, zu vermeiden.
Der Akkumulator 154 dient als ein Reservoir für das durch die Halterung 10 zirkulierte Fluid. Der Akkumulator enthält ausreichend Fluid, um ein Ausdehnen und Zusammenziehen des Fluids über einen weiten Betriebstemperaturbereich des Systems aufzunehmen. Ein einen niedrigen Fluidpegel anzeigendes Signal wird von dem Akkumulator 154 erzeugt und der Steuerung 50 auf einer Leitung 149 übermittelt.
Die Steuerung 50 kann ebenfalls Eingangssignale aus dem übergeordneten Gerät, beispielsweise einer Sondenmaschine, über eine RS-232-Schnittstelle 237 empfangen. Die RS-232-Schnittstelle erlaubt es dem übergeordneten Gerät, der Halterung Informationen, wie etwa neue festgelegte Halterungstemperaturen, zu übermitteln.
Es soll nun detailliert die von dem erfindungsgemäßen Temperaturkontrollsystem 100 verwendete Steuerungslogik beschrieben werden. Es werden gewissen Variablen in Verbindung mit dem Betrieb des System 100 definiert. T_c wird als der Temperaturpunkt für die Halterung 10 definiert. Dies ist die gegenwärtig gewünschte Temperatur, auf der die Halterung gebracht werden soll. T_eb ist die Verdampfungsumgehungsschalttemperatur. Es ist eine konstant positive Zahl, mit der die Temperatur T_c unter gleichen Bedingungen verglichen wird. T_s ist der Befestigungsplatten- oder Basiselementtemperaturfestpunkt und ist typischerweise näherungsweise gleich T3, also die Umgebungsluft/Umgebungstemperatur. DT_c ist die Halterungstemperaturabweichung, die ein Maß des Unterschieds zwischen der Halterungstemperatur T1 und des Halterungstemperaturfestpunkts T_c ist, d.h. DT_c = T1 – T_c.
DT_s ist der maximale Wert der Halterungstemperaturabweichung, für die definiert ist, dass die Halterung in einem Gleichgewichtszustand ist, und ist typischerweise gleich einer konstanten positiven Zahl zwischen 1 und 5°C. Die Halterungstemperatur wird als im Gleichgewicht betrachtet, wenn die Größe des Unterschieds zwischen der tatsächlichen Temperatur und des Festpunkts (DT_c) klein ist, d.h., wenn die tatsächliche Temperatur sich lediglich leicht von der gewünschten Temperatur unterscheidet. Insbesondere wird die Halterung als im Gleichgewicht befindlich betrachtet, wenn –DT_s < DT_c < DT_s ist.
Das erfindungsgemäße System steuert die Temperatur der Halterung und des Werkstücks über einen weiten Temperaturbereich. In einer Ausführungsform ist der Temperaturbereich effizient in einen unteren Unterbereich und einer oberen Unterbereich aufgeteilt. Im unteren Unterbereich wird die Temperatur der Halterung 10 und des Werkstücks nur durch den Fluidfluss durch die Halterung 10 gesteuert; das Halterungsheizelement 16 (H3) ist nicht aktiviert. Dies gilt sogar dann, wenn der Temperaturfestpunkt über der Umgebungstemperatur liegt. In diesem Falle liefert das Fluid das erforderliche Erwärmen. Im oberen Unterbereich wird das Halterungsheizelement 16 verwendet, um die Halterung 10 und das Werkstück zu heizen. Die Temperatur an der Grenze zwischen dem unteren Unterbereich und dem oberen Unterbereich wird hierin als T_b bezeichnet. In einer Ausführungsform ist T_b = + 40°C. Wenn daher der gesamte Temperaturbereich beispielsweise –10°C bis + 200°C beträgt, kann der untere Unterbereich sich von –10°C bis + 39,9°C und der obere Unterbereich von + 40°C bis + 200°C erstrecken. Es können ebenfalls andere Temperaturunterbereiche gewählt werden.
Um den logischen Ablauf des Systems 100 zu beschreiben, werden Festlegungen der diversen Komponenten des Systems 100 zusammen mit den physikalischen Systembedingungen, unter denen die Festlegungen gemacht werden, beschrieben. Wie zuvor erwähnt wurde, sind der Kompressor 140 und der Kondensierer 130 ein Teil eines Kühlsystems, das steuerbar ist, um die Temperatur des erfindungsgemäß durch die Halterung 10 zirkulieren den Fluids zu steuern. Die Lüfter des Kompressors 140 und des Kondensierens sind EIN, wenn das System in Betrieb ist, und ansonsten AUS. Die zum Zirkulieren des Fluids durch die Halterung 10 verwendete Pumpe 120 ist ebenfalls auf EIN, wenn das System 100 in Betrieb ist, und ist ansonsten auf AUS.
Das Ventil SV2 wird eingeschaltet, um das Umgebungsvorkühlen durch Durchleiten des Fluids durch den Vorkühlwärmetauscher 135 zu implementieren, wenn gewünscht wird, die Halterung auf einen Temperaturfestpunkt zu kühlen, der weit genug unter der augenblicklichen tatsächlichen Halterungstemperatur T₁ ist, um das System aus einem Gleichgewichtszustand zu bringen, d.h., DT_c > DT_s, und die Temperatur T₁ größer als T_b ist. Anderenfalls wird SV2 ausgeschaltet, um das Umgebungsvorkühlen zu umgehen.
Wie zuvor beschrieben wurde, wird das Fluid, wenn Spulenventil SV3 auf AUS ist, wie in 1 gezeigt, durch den Verdampfer 134 geleitet, um das Fluid zu kühlen. Wenn SV3 EIN ist, wird der Hauptanteil des Fluids durch das Heizelement H1 gelenkt, um das Fluid zu heizen. SV3 wird ausgeschaltet bei jeweils zwei Sätzen von Bedingungen. Es ist auf EIN, wenn gewünscht wird, die Halterung auf eine Temperatur aufzuheizen, die genügend weit über der augenblicklichen tatsächlichen Halterungstemperatur liegt, um das System aus einem Gleichgewichtsgewichtszustand herauszuführen, d.h. DT_c < –DT_s. Alternativ ist SV3 EIN, wenn sich das System im Gleichgewichtszustand befindet, d.h., –DT_s < DT_c < DT_s, und wenn gewünscht wird, dass System im oberen Temperaturunterbereich zu betreiben, d.h., T_c ≥ T_b. Anderenfalls wird SV3 ausgeschaltet, um das Fluid zu kühlen.
Wie zuvor beschrieben wurde, steuert das Spulenventil SV4, ob das Fluid aus dem Heizelement H1 durch die Wärmesenke 14 oder das Basiselement 48 geleitet wird. Wenn SV4 EIN ist, wird das Fluid durch das Basiselement 48 geleitet; wenn SV4 AUS ist, wird das Fluid durch die Wärmesenke geleitet. SV4 wird eingeschaltet, wenn es gewünscht wird, das System im oberen Temperaturunterbereich zu betreiben, d.h., wenn T_c > T_b ist, ausgenommen, wenn es gewünscht wird, die Halterung auf einen Temperaturfestpunkt zu kühlen, der weit genug unterhalb der aktuellen tatsächlichen Halterungstemperatur liegt, um das System aus dem Gleichgewichtszustand zu bringen, d.h., wenn DT_c > DT_s ist. Anderenfalls wird SV4 auf EIN sein.
Die Heizelemente H1, H2 und H3 können durch Proportional-Integral-Differential-(PID)-Regelschleifen, die in der Steuerung 50 implementiert sind, gesteuert werden. Die diversen Temperatursensoren T1 bis T6 liefern die benötigte Temperaturrückkopplung, die es der Steuerung 50 ermöglicht, die Heizelemente zu steuern. Die Steuerung 50 liefert pulsbreitenmodulierte Signale, um die Heizelemente zyklisch nach Bedarf ein- und auszuschalten.
Das Element H1 wird über die PID-Steuerung auf EIN geschaltet, um die Halterungstemperatur T1 gleich zur festgelegten Temperatur T_c zu halten, wenn gewünscht wird, das System im unteren Temperaturunterbereich zu betreiben, d.h., wenn T_c < T_b ist, ausgenommen, wenn gewünscht wird, die Halterung auf eine Temperatur zu kühlen, die weit genug unterhalb der aktuellen tatsächlichen Halterungstemperatur liegt, um das System aus dem Gleichgewichtszustand zu bringen, d.h., wenn DT_c > DT_s ist. Heizelement H1 wird ebenfalls auf EIN geschaltet, um die Befestigungsplattentemperatur T2 gleich zur Umgebungsluft/Umgebungstemperatur T3 zu halten, wenn gewünscht wird, das System im oberen Temperaturunterbereich zu betreiben, d.h., wenn T_c ≥ T_b ist, ausgenommen, wenn gewünscht wird, die Halterung auf eine Temperatur zu kühlen, die weit genug unter der aktuellen tatsächlichen Halterungstemperatur liegt, um das System aus dem Gleichgewichtszustand zu bringen, d.h., wenn DT_c > DT_s ist. Unter anderen Bedingungen ist das Heizelement H1 auf AUS.
Heizelement H2 wird mittels der PID-Steuerung auf EIN geschaltet, um die Basiselementtemperatur T2 gleich zur Umgebungsluft/Umgebungstemperatur T3 zu halten, ausgenommen, wenn S4 eingeschaltet ist, um zu bewirken, dass das Fluid aus dem Heizelement H1 durch das Basiselement 48 strömt. In diesem Falle übernimmt das Heizelement H1 den Großteil der Heizbelastung für das Fluid. Unter anderen Umständen ist das Heizelement H2 auf AUS.
Das Halterungsheizelement H3 wird mittels der PID-Steuerung eingeschaltet, um die Temperatur der Halterung T1 gleich zur festgelegten Temperatur T_c zu halten, wenn gewünscht wird, das System im oberen Temperaturunterbereich zu betreiben, d.h., wenn T_c ≥ T_b ist, ausgenommen, wenn gewünscht wird, die Halterung auf eine Temperatur abzukühlen, die weit genug unterhalb der aktuellen tatsächlichen Halterungstemperatur liegt, um das System aus dem Gleichgewichtszustand zu bringen, d.h., wenn DT_c > DT_s ist. Unter anderen Bedingungen ist das Heizelement H3 auf AUS.
2 ist ein schematisches detailliertes Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform 400 des erfindungsgemäßen Temperaturkontrollsystems. Die oben in Verbindung mit 1 beschriebenen Komponenten und Steuerungsabläufe sind die gleichen, wie die in 2 mit einigen Ausnahmen, die im weitern beschrieben werden. Die Ausführungsform 400 aus 2 verwendet ein anderes Fluidtemperaturkontrollsystem 410, als die Ausführungsform 100, die in Verbindung mit 1 beschrieben wurde. Das Fluidkühlsystem aus 2 umfasst einen Kondensierer 130 und einen Verdampfer 434. Das zur Kühlung des Zirkulationsfluida verwendete Kühlmittel verlässt den Kondensierer 130 entlang der Leitung der 453 und gelangt in ein Erweiterungsventil 438, indem dieses gedrosselt wird, bevor es in den Verdampfer 434 gelangt. Das Spulenventil SV2 kann verwendet werden, um den Umgebungsvorkühlwärmetauscher 435 zu umgehen, wenn ein weiteres Kühlen des Halterungstemperatursteuerungsfluids nicht gewünscht ist. Das Spulenventil SV3 der Ausführungsform aus 1, das zur Umgehung des Verdampfers verwendet wird, wenn ein weiteres Kühlen nicht erforderlich ist, ist jedoch in dem Fluidtemperaturkontrollsystem 410 der Ausführungsform 400 der 2 nicht enthalten. Statt dessen wird, wenn weiteres Kühlen des Fluids nicht gewünscht wird, das normalerweise geschlossene Spulenventil SV6 geschlossen gehalten, um kaltes Kühlmittel vom Verdampfer abzuhalten, und es wird ein heißes Gas aus dem Kompressor entlang der Leitung 451 in den Verdampfer 434 eingespeist, um ein Erwärmen des Fluids vorzusehen. In einer Ausführungsform wird, wenn dieses zusätzliche Heizen gewünscht wird, das optionale Heißgas-Umgehungsbetätigungsspulenventil SV5 geöffnet, um es zu ermöglichen, dass heißes Gas aus dem Kompressor 140 in den Verdampfer 434 übertragen wird. Ein Heißgasdruckregulator 436 wird verwendet, um die Menge heißen Gases, das in den Verdampfer 434 eingeführt wird, gemäß dem benötigten Grad an Heizung zu steuern.
Somit wird SV6 beim Steuern der Fluidtemperatur verwendet, indem die Kühlmittelkapazität am Verdampferwärmetauscher 434 verändert wird. SV6 kann durch eine PID-Regelschleife gesteuert werden, um die Fluidtemperatur so genau als nötig beizubehalten.
In einer Ausführungsform ist ein weiteres optionales Ventil SV7 zwischen dem Kondensierer 120 und dem Verdampfer 434 enthalten. Das Ventil SV7 speist ein Anzeigegerät mit schnellem Antwortverhalten, das in einer Ausführungsform eine Kapillarröhre 439 sein kann. SV7 kann ebenfalls durch eine PID-Regelschleife gesteuert sein. Es unterscheidet sich jedoch von SV6 dadurch, dass es ein Anzeigegerät mit geringerer Kapazität und schnellerer Ansprechgeschwindigkeit (Kapillarröhre 439) steuert. Wenn diese Anordnung verwendet wird kann SV6 beispielsweise bei Übergängen für eine maximale Kapazität angesteuert werden. SV7 kann dann verwendet werden, um den Festpunkt nach dem Übergang genau zu halten, während SV6 geschaltet wird.
Ferner wird der Temperatursensor T6 aus 1 aus der Ausführungsform aus 2 entfernt, und ein weiterer Temperatursensor T7 ist hinzugefügt. Sensor T7 ist der Verdampferfluidauslasstemperatursensor. Dieser erfaßt die Temperatur des Fluids, wenn dieses den Verdampferwärmetauscher 434 verlässt. Die von T7 erfasste Temperatur wird verwendet, um die Kühlmittelkapazität des Fluidkühlsubsystems, das den Kondensierer 130, den Kompressor 140 und den Verdampfer 434 umfasst, einzustellen.
3 enthält ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform des Leistungs- und Kontrollsystems 300 der Erfindung. Das System 300 umfasst die Stromversorgung 60 und die Steuerung 50, auf die vorher Bezug genommen wurde. Diese erzeugt Leistungssignale, die erforderlich sind, um das Halterungsheizelement 16 (H3) mit den Widerstandsheizelementen 16a und 16b zu betreiben, und die Steuersignale, die verwendet werden, um die zuvor beschriebenen Spulenventile und Fluidheizelemente Heizelemente H1 und H2 zu betreiben.
Der Stromversorgungsbereich 60 des Leistungs- und Kontrollsystems 200 kann drei Stromversorgungsmodule 200, 202 und 204 umfassen, die die AC-Leitungseingangsleistung aufnehmen. In der vorliegenden Erfindung kann die Eingangsleistung standardmäßig 115 Volt AC, 60 Hz sein oder kann den europäischen Standards entsprechen. Das Schaltnetzteilmodul 200 liefert die Hauptleistungssignale, die verwendet werden, um das Halterungsheizelement H3 anzusteuern. Wie zuvor beschrieben wurde, ist in einer Ausführungsform das Halterungsheizelement H3 tatsächlich aus zwei Widerstandsheizelementen 16a und 16b aufgebaut, die jeweils durch ihre eigenen separat steuerbaren Leistungssignale angesteuert werden. Um die Anwendung der zwei Heizelemente 16a und 16b zu berücksichtigen, erzeugt das Schaltnetzteilmodul 200 zwei Sätze an DC-Ausgangssignalen auf Leitungen 208 und 210, um die Heizelemente 16a und 16b in H3 zu treiben. Ein Satz an Ausgangsleitungen 208 liefert ein Ausgangsleistungssignal von ± 36 Volt DC und Ausgangsleitungen 210 liefern ein Ausgangsleistungssignal von ± 48 Volt DC.
Die restliche Netzteilmodule 202 und 204 können ebenfalls Schaltnetzteile sein. Eines der Module 202 kann + 5 Volt DC liefern, um eine Logik im restlichen System zu speisen. Das Modul 202 kann ebenfalls ± 15 Volt DC bereitstellen, um Verstärker-, Filter- und andere Schaltungen im Kontrollsystem 50 zu speisen. Die ± 15 Volt DC wird einem Filter 201 zugeführt und wird anschließend von einem Regler 203 auf eine Spannung von ± 12 Volt DC geregelt, bevor diese dem linearen rauscharmen Verstärker 216 und dem Tiefpassfilter (LPF) 218 der Kontrollschaltung 50 zugeführt wird. Der lineare rauscharme Verstärker 216 umfasst eine zusätzliche Filterschaltung 217 zum Filter des +/-12-Volt-DC-Signals. Der LPF 218 umfasst ebenfalls ein weiteres Filternetzwerk für die ± 12 Volt DC. Das gesamte Regeln und Filtern wird verwendet, um eine rauschfreie DC-Leistung zu dem Verstärker und LPF zu liefern, so das rauscharme Leistungssignale den Heizelementen 16a und 16b zugeführt werden können. Das andere Netzteilmodul 204 kann verwendet werden, um ein +/-24-Volt-DC-Signal zu erzeugen, das verwendet werden kann, um einen Systemlüfter zur Bereitstellung von Kühlung anzutreiben.
Die +/-36-Volt-DC- und +/-48-Volt-DC-Signale werden einer Filterschaltung der Steuerung 50 zugeführt, um aus den Signalen ein Rauschen zu entfernen, das durch das Schaltnetzteil 200 oder durch andere Rauschquellen eingeführt wurde. Wie zuvor beschrieben wurde, sind Heizelemente 16a und 16b in H3, die von den Netzteilausgängen 200 getrieben werden, vorzugsweise in der Werkstückhalterung angeordnet, die auf einer Schaltungssondenmaschine angeordnet und zum Halten eines Wafers, während ein Schaltungstest durchgeführt wird, verwendet werden kann.
In dieser Anordnung ist es wichtig, dass das in das System eingekoppelte Rauschen minimiert ist, da jedes Rauschen das von der Sondenmaschine durchgeführte Testen stören und damit ungenaue Ergebnisse liefern könnte. Die Filterschaltung 206 ist daher zur Verbesserung der Genauigkeit der Schaltungsmessungen, die von der Sondenmaschine ausgeführt werden, wichtig.
Gefilterte Netzteilausgänge werden an den Filtern 206 auf den Leitungen 212 und 214 bereitgestellt. In einer Ausführungsform wird eine +/-36 Volt DC auf Leitung 212 direkt an ein erstes Heizelement 16a des Heizelementes H3 in der Werkstückhalterung geliefert. Zusätzlich wird eine +/-58 Volt DC auf Leitung 214 an einen linearen rauscharmen Verstärker 216 geliefert, der den Pegel der im zweiten Widerstandsheizelement 16b in der Heizung H3 zugeführte Spannung steuert. In einer Ausführungsform wird eine bipolare oder zweifache DC-Spannung am Ausgang des linearen rauscharmen Verstärkers 216 auf Leitungen 207 bereitgestellt. Der am Ausgang des Verstärkers 216 bereitgestellte Spannungspegel ist zwischen 0 Volt DC und +/-42 Volt DC variabel. Durch Variieren des dem zweiten Widerstandselement 16b zugeführten Spannungspegels kann die von dem Heizelement bereitgestellte Wärmemenge variiert werden. Somit kann durch Steuerung der Ausgangsspannung des Verstärkers 216 die Temperatur des Werkstückes gesteuert werden.
Der Ausgangspegel auf den Leitungen 207 von dem linearen rauscharmen Verstärker 216 wird durch ein analoges Eingangssignal gesteuert, das von einem Digital-zu-analog-(D/A)-Wandler 220, dessen Ausgang durch Daten aus einer zentralen Recheneinheit (CPU) 226 gesteuert wird, bereitgestellt wird. Das Analogsignal von dem D/A 220 wird von einem Tiefpassfilter 218 gefiltert, um ein Schaltrauschen des D/A aus dem Signal zu entfernen, das während einer aktiven Regelschleife beträchtlich sein kann. Das Signal wird dann an den linearen rauscharmen Verstärker 216 weitergeleitet, um genau den Pegel des Signals zu steuern, das dem zweiten Heizelement 16b im Heizer H3 zugeführt wird. Der Tiefpassfilter 218 und der rauscharme Verstärker 216 entfernen praktisch das gesamte restliche Rauschen aus dem Signal und zwar ein digitales Schaltrauschen, das von dem D/A 220 oder der CPU 226 eingeführt wurde, so dass ein sauberes, relativ rauschfreies Signal dem Heizer H3 zugeführt wird. In einer Ausführungsform wird ein Signal mit weniger als 250 μV Spitzenrauschen erhalten.
Das erfindungsgemäße Leistungssystem umfasst ebenfalls eine steuerbare Vorlast 222, die an die vom Filter 206 ausgegebene +/-48 Volt DC angelegt wird. Die CPU 226 steuert das Anlegen der Vorlast 222 über Steuerleitung 224. Die Vorlast 222 wird in Situationen angelegt, in denen der Ausgang aus dem linearen rauscharmen Verstärker 216 auf einen relativ geringen Pegel festgelegt ist. Unter dieser Bedingung würde ohne Vorlast das Schaltnetzteil 200 mit einer relativ geringen Belastung arbeiten und würde dazu neigen, ein starkes Rauschen zu erzeugen. Durch Anlegen der Vorlast 222 wird das Schaltnetzteil 200 belastet und der Betrag an Rauschen, den es erzeugt, wird verringert.
Die CPU 226 liefert ebenfalls Steuersignale auf Leitungen 227 zu Relaistreibern 244. Die Relaistreiber 244 stellen geeignete Signale für Relais bereit, die den Betrieb der Spulen ventile und der Heizelemente H1 und H2 im erfindungsgemäßen Temperaturkontrollsystem 100 steuern. Die Relais können beispielsweise Halbleiterrelais sein. Die CPU kann ebenfalls eine IEEE 488-Schnittstelle 236, sowie eine RS-232-Schnittstelle 237 umfassen, über die die CPU 226 mit dem übergeordneten Gerät, beispielsweise einer Schaltungssondenmaschine, kommunizieren kann. Die CPU kann von dem übergeordneten Gerät über die RS-232-Schnittstelle 237 Eingangssignale empfangen, etwa festgelegte Punkte für die Werkstücktemperatur. Die CPU 226 umfasst ebenfalls einen damit verknüpften Speicher 242, der ein ROM und ein RAM umfassen kann, in der Daten und Befehle, die zur Durchführung der Funktionen der Erfindung notwendig sind, gespeichert sind. Die CPU umfasst ferner eine Anwenderschnittstelle, die eine Tastatur 238 und eine Anzeige 240 umfassen kann.
Die CPU 226 stellt ebenfalls Steuerleitungen 230 zum Schaltnetzteil 200 sowie Steuerleitungen 228 zum Filter 206 bereit. Die Steuerleitungen 230 werden verwendet, um selektiv die +/-36 und +/-48 Volt DC Ausgangsleistungssignale ein- oder auszuschalten. Eines oder beide der Leistungssignale können ausgeschaltet werden, wenn sie nicht in Verwendung sind, um die Leistungsaufnahme des Systems und den Anteil an Rauschen, der durch das Schaltnetzteil 200 eingeführt wird, zu reduzieren.
In einer Ausführungsform können die Steuerleitungen 230 verwendet werden, um zumindest eines der Ausgangsleistungssignale, vorzugsweise das +/-36 Volt DC-Signal ein- und auszuschalten. Die Steuersignale 230 werden verwendet, um ein oder mehrere Relais zwischen einem geöffneten und geschlossenen Zustand umzuschalten. Wenn die Relais geöffnet werden, ist das entsprechende Ausgangsleistungssignal ausgeschaltet. Wenn das Relais geschlossen wird, ist das Ausgangssignal eingeschaltet. In einer Ausführungsform können Steuerleitungen 228 zu dem Filter 206 verwendet werden, um Ausgangsleistungssignale auf Leitungen 212 und 214 zwischen Ein- und Augzuständen umzuschalten, indem Relais in der Filterschaltung 206 gesteuert werden.
Die CPU 226 empfängt Systemeingangssignale aus den Temperatursensoren T1 bis T6, dem Taupunktsensoralarmschalter 152 und dem Akkumulator-Fluidtiefpegelschalter. Die Ausgangssignale dieser Sensoren und Schalter werden von der Steuerung 50 über die Leitungen 234 empfangen, die die Sensorausgangssignale dem A/D-Wandler 232 zuführen. Der A/D-Wandler 232 wandelt die Signale in digitale Signale um, die über die Leitun gen 235 zur CPU 226 übermittelt werden. Die CPU 226, die unter der Kontrolle von im Speicher 242 gespeicherten Befehlen betrieben wird, verarbeitet diese diversen Eingangssignale sowie jegliche Information aus dem übergeordneten Gerät oder dem Anwender, etwa einen Temperaturfestpunkt, und erzeugt entsprechende Steuersignale in Übereinstimmung mit der zuvor beschriebenen Systemlogik, um die Temperatur des Werkstückes nach Bedarf zu steuern. Die von der CPU 226 erzeugten Steuersignale umfassen die Signale auf den Leitungen 228 und 230, um Heizerleistungssignale ein- und auszuschalten, Signale zum DIA-Wandler 220 zur Steuerung des Pegels des von dem linearen rauscharmen Verstärker 216 ausgegebenen Signals, das Vorlaststeuersignal auf Leitung 224 und Relaissteuerleitungen 227.
In einer Ausführungsform empfängt eines der Heizelemente 16a in H3 das +/-36 Volt DC-Ausgangssignal aus dem Filter 206 auf Leitungen 212. In dieser Ausführungsform empfängt das zweite Widerstandsheizelement 16b das steuerbare +/-42 Volt DC-Signal aus dem linearen rauscharmen Verstärker 216. Das +/-36 Volt DC-Signal kann über Steuerleitungen 230 und/oder 228 ein- und ausgeschaltet werden, so dass das erste Widerstandsheizelement 16a ein- und ausgeschaltet werden kann. Wie zuvor beschrieben wurde, kann der Spannungspegel auf den Leitungen 207 zu dem zweiten Widerstandsheizelement 16b über die CPU 226, den D/A-Wandler 220 und den Verstärker 216 gesteuert werden. Durch Variieren des Spannungssignals auf den Leitungen 207 kann die von dem zweiten Widerstandsheizelement 16b bereitgestellte Wärme ebenfalls variiert werden. In einer Ausführungsform erlaubt diese Anordnung einen 2-stufen-Halterungsheizprozess, der das erfindungsgemäße System wesentlich effizienter als bekannte Systeme macht, die einen Einstufenheizprozess einschließen, insbesondere, wenn gewünscht wird, das Arbeitsstück auf eine Temperatur zu erwärmen, die wesentlich höher als dessen augenblickliche Temperatur ist. Dies gilt beispielsweise, wenn der Temperaturfestpunkt während des Temperaturdurchlaufs auf eine Temperatur verändert wird, die wesentlich höher als die augenblickliche Temperatur des Werkstückes ist.
Unter diesen Bedingungen werden im ersten Schritt des Zweistufenverfahrens beide Widerstandsheizelemente 16a und 16b im Heizer H3 eingeschaltet, und der auf den Leitungen 207 dem zweiten Widerstandsheizelement 16b zugeführte Spannungspegel wird auf seinen maximalen Wert eingestellt. Während die Temperatur des Werkstückes eine erste festgelegte Zielschwellwerttemperatur erreicht, kann das erste Widerstandsheizelement 16a durch Ausschalten des +/-36 Volt DC-Signals auf den Leitungen 212 ausgeschaltet werden. Dies kann durch die Steuerleitungen 230 und/oder Steuerleitungen 228 erreicht werden. Anschließend wird der dem zweiten Widerstandsheizelement 16b auf Leitungen 207 zugeführte Spannungspegel so gesteuert, um die Temperatur des Werkstückes auf die gewünschte endgültige festgelegte Zieltemperatur zu bringen. Dieses Steuern wird erreicht, indem die CPU 226 Eingangssignale auf Leitungen 235 empfängt und die geeigneten Signale dem Verstärker 216 zuführt, um das Werkstück auf die Zieltemperatur zu bringen. In einer alternativen Ausführungsform können beide Heizelemente 16a und 16b eingeschaltet bleiben, nachdem das Werkstück die endgültige Temperatur erreicht hat, wenn eine relativ große Menge an Wärme benötigt wird, beispielsweise, wenn das Werkstück auf einer hohen Temperatur gehalten wird.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die Halterungsheizung 16 (H3) drei Widerstandsheizelemente umfassen, einschließlich zweier schaltbarer Elemente und einem variablen Element. Wenn das Werkstück beheizt wird, können alle drei Heizelemente eingeschaltet werden. Wenn die endgültige Temperatur erreicht ist, kann einer der schaltbaren Heizer ausgeschaltet werden, während der andere schaltbare Heizer und der variable Heizer eingeschaltet bleiben, um das Werkstück auf der endgültigen Temperatur zu halten.
4 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform des Filters 206 der Erfindung. Wie in 4 gezeigt ist, empfängt der Filter 206 die +/-36 Volt-DC Eingangssignale auf den Leitungen 208; insbesondere wird +36 Volt DC auf Leitung 208a und –36 Volt DC auf Leitung 208b empfangen. Ferner werden die +/-48 Volt DC-Signale auf Leitung 210 empfangen; insbesondere wird +48 Volt DC auf Leitung 210a und –48 Volt DC auf Leitung 210b empfangen.
Um das Schaltteilrauschen zu entfernen, wird hier das Ausgangssignal einer Reihe von Filtern zugeführt. In der in 4 gezeigten Ausführungsform wird jedes Signal zunächst einem passiven Filternetzwerk 302 und anschließend einer aktiven Filterstufe 300 zugeführt. Anschließend empfängt eine zweite passive Filterstufe 304 die Signale und leitet die resultierenden gefilterten DC-Signale zu einem Relais 306 um. Die Relais 306a bis 306d sind durch Steuerleitungen 228a bis 228d von der CPU 226 steuerbar. Jedes Ausgangsleistungssignal wird aus dem Filter 206 herausgeführt, wenn sein entsprechendes Relais 306 über eine Steuerleitung 228 geschlossen ist. Die +/-36 Volt DC-Signale werden über Leitungen 212 dem ersten Heizelement des Heizer H3 zugeführt; insbesondere wird +36 Volt DC über Leitung 212a und –36 Volt DC über Leitung 212b geführt. Die +/-48 Volt DC-Signale werden zum linearen rauscharmen Verstärker 216 über Leitungen 214 geführt; insbesondere wird +48 Volt DC zum Verstärker 216 über Leitung 214a und –48 Volt DC zum Verstärker 216 über Leitung 214b geführt.
Die Reihe von Filtern 302, 300 und 304 entfernt ein Schaltrauschen von den Ausgangssignalen vom Schaltnetzteil 200. Folglich können die Signale aus den Filtern 206 den Heizern in der Werkstückhalterung zugeführt werden, ohne ein Schaltnetzteilrauschen im Werkstück und der Maschine, die das Testen des Werkstücks durchführt, einzukoppeln.
Obwohl diese Erfindung mit Bezug zu den bevorzugten Ausführungsformen besonders dargestellt und beschrieben wurde, ist es selbstverständlich für den Fachmann auf diesem Gebiet, dass diverse Änderungen hinsichtlich Form und Detail ausgeführt werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung, wie sie in den folgenden Patentansprüchen definiert ist, abzuweichen.

1

10: Werkstückshalertung
12: obere Oberfläche
14: Wärmesenke
16: Heizung
16A: Heizelement
16B: Heizelement
22: Platte
48: Basiselement
50: Steuerung
60: Netzteil
100: Temperaturkontrollsystem
110: Fluidtemperaturkontrollmodul
112, 114: Einlassleitung
113, 115, 116: Rückführleitung
120: Pumpe
124: Verdampfer
130: Kondensierer
134: Verdampfer
135: Umgebungsvorkühlwärmetauscher
136, TEV: thermisches Expansionsventil
138: Druckregulierer
140: Kompressor
142, 144, 145, 147, 149: Leitung
150: Taupunktsensor
152: Taupunktanzeige
154: Akkumulator
434: zweite Wärmetauscher
435: erste Wärmetauscher
H1, H2: Fluidheizung
T1-T6: Temperatursensor
M2, M3: Fluidmessventil
SV1-SV4: Spulenventil
1: Sonden RS-232-Schnittstelle

2

10: Werkstückshalertung
12: obere Oberfläche
14: Wärmesenke
16: Heizung
16A: Heizelement
16B: Heizelement
22: Platte
48: Basiselement
50: Steuerung
60: Netzteil
112, 114: Einlassleitung
113, 115, 116: Rückführleitung
120: Pumpe
124V: erdampfer
130: Kondensierer
134: Verdampfer
135: Umgebungsvorkühlwärmetauscher
136, TEV: thermisches Expansionsventil
138: Druckregulierer
140: Kompressor
142, 144, 145, 147, 149: Leitung
150: Taupunktsensor
152: Taupunktanzeige
154: Akkumulator
400: Temperaturkontrollsystem
410: Fluidtemperaturkontrollmodul
434: zweite Wärmetauscher
435: erste Wärmetauscher
436: Heißgasdruckregulator
438: Erweiterungsventil
439: Kapillarröhre
451, 453: Leitung
SV5-SV7: Spulenventil
237: Sonden RS-232-Schrittstelle

3

1: AC-Eingangsleitung
2: vom Regler 203
3: zu Ventil- und Fluidheizungsrelais
4: übergeordnetes Gerät (Sondenmaschine)
200: Schaltnetzteil
201: Filter
202: Netzteil
203: Regulierer
204: Netzteil
206: Filter
207: +/-42 V DC zu H3
208, 210: Ausgangsleitung
212, 214, 227, 235: Leitung
216: linearer rauscharmer Verstärker
217: Filterschaltung
218: Tiefpassfilter
220: DIA Wandler
222: Vorlast
224, 228, 230: Steuerleitung
226: CPU
232: A/D Wandler
234: Schalter für Temperatursensoren, Taupunkt, Fluidpegel
236: IEEE 488-Schnittstelle
237: RS-232 Schnittstelle
238: Tastatur
242: Speicher
240: Anzeige
244: Relaistreiber
300: Kontrollsystem

4

1: vom Schaltnetzteil 200
2: zum Heizer H3
3: zum Verstärker 216
4: von der CPU 226
208A, 208B: Leitung
210A, 210B: Leitung
212A, 212B: Leitung
214A, 214B: Leitung
228A-228D: Steuerleitung
300A-300D: aktiver Filter
302A-320D: passiver Filter
304A-304D: passiver filter
306A-306D: Relais

Claims

Temperaturkontrollsystem (100, 400) für eine Werkstückhalterung (10), wobei die Werkstückhalterung (10) einen oberen Bereich aufweist, auf dem ein Werkstück montiert werden kann, und wobei der obere Bereich über einem Basiselement (48) zwischen dem oberen Bereich und einem übergeordneten Gerät montierbar ist, wobei das Temperaturkontrollsystem umfasst: eine Pumpe (120) zum Zirkulieren eines Fluids; eine erste Fluidträgereinrichtung (114), die mit der Pumpe zum Zirkulieren des Fluids durch das Basiselement verbunden ist, um die Temperatur des Basiselementes zur Beeinflussung eines Wärmeflusses zwischen der Werkstückhalterung und dem übergeordneten Gerät zu steuern; und eine zweite Fluidträgereinrichtung (112), die mit der Pumpe zum Zirkulieren eines Teils des Fluids durch den oberen Bereich der Werkstückhalterung (10) zur Steuerung der Temperatur des Werkstücks verbunden ist.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 1, wobei das Basiselement ein Teil der Werkstückhalterung (10) ist.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 1, wobei das Basiselement ein Teil des übergeordneten Gerätes ist.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 1, das weiterhin eine Heizung (16) in der Werkstückhalterung (10) zum Heizen des oberen Bereichs der Werkstückhalterung (10) umfasst.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 1, das weiterhin eine Einrichtung zum Steuern der Temperatur des Fluids umfasst.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung zum Steuern der Temperatur des Fluids ein mit dem Fluid gekoppeltes Kühlsystem (110, 410) umfasst.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 6, das weiterhin eine Einrichtung zum Umschalten (SV2, SV3) umfasst, so dass das Fluid zumindest teilweise das Kühlsystem (110, 410) umgeht.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 6, wobei das Kühlsystem (110, 410) eine Einrichtung zum Koppeln eines heißen Gases aus einem ersten Wärmetauscher (435) zu einem zweiten Wärmetauscher (434) zur Heizung des Fluids umfasst.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung zum Steuern der Temperatur des Fluids eine Fluidheizung (H1, H2) zum Heizen des Fluids umfasst.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 9, das weiterhin eine Einrichtung zum Umschalten (M3) umfasst, so dass das Fluid zumindest teilweise die Fluidheizung (H1, H2) umgeht.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung zum Steuern der Temperatur des Fluids eine zweite Fluidheizung (H2) zum Heizen des Fluids umfasst.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 10, wobei die erste Fluidheizung (H1) das Fluid heizt, das durch den oberen Bereich der Werkstückhalterung (10) zirkuliert.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 10, wobei zumindest die erste (H1) oder die zweite (H2) Fluidheizung Fluid heizt, das durch das Basiselement (48) zirkuliert.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 10, wobei die erste (H1) und die zweite (H2) Fluidheizung das Fluid heizen, das durch das Basiselement zirkuliert.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 1, das weiterhin eine Einrichtung (SV4) umfasst, um das Fluid zwischen der ersten Fluidträgereinrichtung (114) und der zweiten Fluidträgereinrichtung (112) umzulenken.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 1, das weiterhin einen ersten Temperatursensor (T4, T5) zum Erfassen der Temperatur des Fluids und einen zweiten Temperatursensor (T1) zum Erfassen der Temperatur der Werkstückhalterung (10) umfasst, wobei der erste und der zweite Temperatursensor zur Steuerung der Temperatur der Werkstückhalterung (10) verwendet sind.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: einen ersten Temperatursensor (T4, T5) zum Erfassen der Temperatur des Fluids; einen zweiten Temperatursensor (T1) zum Erfassen der Temperatur des oberen Bereichs der Werkstückhalterung (10), wobei die ersten und zweiten Temperatursensoren verwendet werden, um die Temperatur des oberen Bereichs der Werkstückhalterung (10) zu steuern; und einen dritten Temperatursensor (T2) zum Erfassen der Temperatur des Basiselementes, wobei der erste und der dritte Temperatursensor zur Steuerung der Temperatur des Basiselementes verwendbar sind.
Temperaturkontrollsystem (100, 400) für eine Werkstückhalterung (10), wobei die Werkstückhalterung (10) einen oberen Bereich, auf dem ein Werkstück montierbar ist, und eine Zwischenschicht (48), die unter dem oberen Bereich angebracht ist, aufweist, wobei das Temperaturkontrollsystem umfasst: eine Einrichtung zum Steuern einer Temperatur des oberen Bereichs der Werkstückhalterung (10) zur Kontrolle der Temperatur des Werkstücks; und eine Einrichtung zum Steuern einer Temperatur der Zwischenschicht, um einen Wärmefluss zwischen der Werkstückhalterung (10) und eines übergeordneten Geräts, auf die die Werkstückhalterung (10) montierbar ist, zu beeinflussen.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 18, wobei die Zwischenschicht (48) ein Basiselement der Werkstückhalterung (10) ist, mit dem die Werkstückhalterung (10) an dem übergeordneten Gerät montierbar ist.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 18, wobei die Einrichtung zum Steuern einer Temperatur der Zwischenschicht umfasst: eine Pumpe (120) zum Pumpen eines Fluids; und eine mit der Pumpe verbundene Fluidträgereinrichtung (114) zum Zirkulieren zumindest eines Teils des Fluids durch die Zwischenschicht.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 20, wobei die Einrichtung zum Steuern der Temperatur der Zwischenschicht eine Einrichtung zum Steuern der Temperatur des Fluids umfasst.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 21, wobei die Einrichtung zum Steuern der Temperatur des Fluids ein mit dem Fluid gekoppeltes Kühlsystem (110, 410) umfasst.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 22, das ferner eine Einrichtung zum Schalten umfasst, so dass das Fluid zumindest teilweise das Kühlsystem (110, 410) umgehen kann.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 22, wobei das Kühlsystem (110, 410) eine Einrichtung zur Kopplung heißen Gases von einem ersten Wärmetauscher (435) zu einem zweiten Wärmetauscher (434) zur Heizung des Fluids umfasst.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 21, wobei die Einrichtung zum Steuern der Temperatur des Fluids eine Fluidheizung (H1, H2) zum Heizen des Fluids umfasst.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 25, das ferner eine Einrichtung zum Schalten umfasst, so dass das Fluid zumindest teilweise die Fluidheizung (H1, H2) umgeht.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 20, wobei die Einrichtung zum Steuern der Temperatur des oberen Bereichs der Werkstückshalterung (10) umfasst: eine mit der Pumpe verbundene zweite Fluidträgereinrichtung (H2) zum Zirkulieren zumindest eines zweiten Teils des Fluids durch den oberen Bereich der Werkstückshalterung (10); und eine Einrichtung zum Steuern der Temperatur des Fluids.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 27, wobei die Einrichtung zum Steuern der Temperatur des Fluids ein mit dem Fluid gekoppeltes Kühlsystem (110, 410) umfasst.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 28, das ferner eine Einrichtung zum Umschalten umfasst, so dass das Fluid zumindest teilweise das Kühlsystem (110, 410) umgeht.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 27, wobei das Kühlsystem (110, 410) eine Einrichtung zum Koppeln heißen Gases von einem ersten Wärmetauscher (435) zu einem zweiten Wärmetauscher (434) zur Heizung des Fluids umfasst.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 27, wobei die Einrichtung zum Steuern der Temperatur des Fluids eine Fluidheizung (H1, H2) zum Heizen des Fluids umfasst.
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 18, wobei die Einrichtung zum Steuern der Temperatur des oberen Bereichs der Werkstückhalterung (10) umfasst: eine Pumpe (120) zum Pumpen eines Fluids; und eine mit der Pumpe verbundene Fluidträgereinrichtung (112) zum Zirkulieren eines Teils des Fluids durch den oberen Bereich der Werkstückhalterung (10).
Das Temperaturkontrollsystem nach Anspruch 18, wobei die Einrichtung zum Steuern einer Temperatur des oberen Bereichs der Werkstückhalterung (10) eine Heizung (16) im oberen Bereich der Werkstückshalterung (10) umfasst.
Verfahren zur Temperatursteuerung in einer Werkstückshalterung (10), wobei die Werkstückshalterung (10) einen oberen Bereich, auf dem ein Werkstück montierbar ist, aufweist, und wobei der obere Bereich über einem Basiselement (48) zwischen dem oberen Bereich und einem übergeordneten Gerätmontierbar ist, wobei das Verfahren umfasst: Zirkulieren eines Fluids durch das Basiselement (48) zur Steuerung der Temperatur des Basiselementes (48), um einen Wärmefluss zwischen der Werkstückshalterung (10) und dem übergeordneten Gerät zu beeinflussen; und Zirkulieren eines Teils des Fluids durch den oberen Bereich der Werkstückshalterung (10) zur Steuerung einer Temperatur des oberen Bereichs der Werkstückshalterung (10).
Das Verfahren nach Anspruch 34, das weiterhin das Steuern einer Temperatur des Fluids umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Steuern einer Temperatur des Fluids, das Bereitstellen eines Kühlsystems (110, 410) zum Kühlen des Fluids umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 36, das ferner das Umlenken des Fluids umfasst, um zumindest teilweise das Kühlsystem (110, 410) zu umgehen.
Das Verfahren nach Anspruch 36, das ferner Koppeln heißen Gases von einem ersten Wärmetauscher (435) des Kühlsystems (110, 410) zu einem zweiten Wärmetauscher (434) des Kühlsystems (110, 410) zur Heizung des Fluids umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Steuern der Temperatur des Fluids das Bereitstellen zumindest einer Fluidheizung (H1, H2)) zum Heizen des Fluids umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 39, das weiterhin das Umlenken des Fluids umfasst, um zumindest teilweise die zumindest eine Fluidheizung (H1, H2)) zu umgehen.
Das Verfahren nach Anspruch 39, wobei zumindest eine erste Fluidheizung (H1) oder eine zweite Fluidheizung (H2) das durch das Basiselement (48) zirkulierende Fluid heizt.
Das Verfahren nach Anspruch 39, wobei eine erste Fluidheizung (H1) und eine zweite Fluidheizung (H2) durch das Basiselement (48) zirkulierendes Fluid heizen.
Das Verfahren nach Anspruch 34, was weiterhin das Umlenken des Fluids zwischen dem oberen Bereich der Werkstückshalterung (10) und des Basiselementes (48) umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 34, das weiterhin umfasst: Erfassen einer Temperatur des Fluids; Erfassen einer Temperatur der Werkstückshalterung (10); und Verwenden der erfassten Temperatur des Fluids und der erfassten Temperatur der Werkstückshalterung (10), um die Temperatur des Werkstücks zu steuern.
Das Verfahren nach Anspruch 34, das weiterhin umfasst: Erfassen einer Temperatur des Fluids; Erfassen einer Temperatur des oberen Bereichs der Werkstückshalterung (10); Erfassen einer Temperatur des Basiselementes; Verwenden der erfassten Temperatur des Fluids und der erfassten Temperatur des oberen Bereichs der Werkstückshalterung (10), um die Temperatur des oberen Bereichs der Werkstückshalterung (10) zu steuern; und Verwenden der erfassten Temperatur des Fluids und der erfassten Temperatur des Basiselementes, um die Temperatur des Basiselementes zu steuern.
Das Verfahren nach Anspruch 34, das weiterhin ein Bereitstellen einer Heizung (16) in der Werkstückshalterung (10) zur Heizung des oberen Bereichs der Werkstückshalterung (10) umfasst.
Verfahren zur Temperatursteuerung in einer Werkstückshalterung, wobei die Werkstückshalterung (10) einen oberen Bereich, auf dem ein Werkstück montierbar ist, und eine Zwischenschicht (48), die unter dem oberen Bereich angebracht ist, aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Steuern einer Temperatur des oberen Bereichs der Werkstückshalterung (10), um die Temperatur des Werkstücks zu steuern; und Steuern einer Temperatur der Zwischenschicht, um einen Wärmefluss zwischen der Werkstückshalterung (10) und der übergeordneten Vorrichtung zu beeinflussen.
Das Verfahren nach Anspruch 47, wobei die Zwischenschicht (48) ein Basiselement der Werkstückshalterung (10) ist, mit dem die Werkstückshalterung (10) auf dem übergeordneten Gerät montierbar ist.
Das Verfahren nach Anspruch 47, das weiterhin ein Bereitstellen einer Heizung (16) in der Werkstückshalterung (10) zum Heizen des oberen Bereichs der Werkstückshalterung (10) umfasst.