CN113294945A - 半导体工艺用冷却装置 - Google Patents
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Abstract
公开一种半导体工艺用冷却装置,所述冷却装置能够通过单一制冷来扩展低温区域。主线从所述冷凝器输入到所述蒸汽注入热交换器并从所述蒸汽注入热交换器输出,并且从所述主线的输出端分支的第一分支线输入到所述蒸汽注入热交换器并从所述蒸汽注入热交换器输出,所述主线和所述第一分支线在所述蒸汽注入热交换器内进行热交换,在第一分支线的输入端设置有第二膨胀阀,在第一分支线的输出端设置有电磁阀。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体工艺用冷却装置,尤其涉及一种能够通过单一制冷来扩展低温区域的技术。
并且,本发明涉及一种在按各个通道而控制箱的液位平衡时也能够最小化温度控制的影响的技术。
背景技术
正在积极进行半导体市场的3D存储器相关技术的开发。3D存储器技术是一种由于在现有的2D存储器制造中的微处理技术的局限性而将半导体元件在垂直方向上堆叠多层的元件的方法。
这种3D存储器工艺是要求大容量和高速处理的第四工业时代必要的技术,并且其市场规模正在快速增长。为了在执行3D存储器工艺时确保高生产率和效率,需要具有比现有工艺更宽的温度范围和更快的响应性。
半导体用冷却装置是用于维持静电吸盘(ESC CHUCK)的精确温度控制的装置,所述静电吸盘控制进行如上所述的工艺的腔室的内部温度和晶圆表面的温度。
例如,由本申请人提交的韩国授权专利第2070455号公开了“半导体工艺用冷却装置及其温度控制方法”。
然而,即使在这种技术中,低温区域通常为-20℃,而将其扩展到更低的温度(例如-45℃)的问题仍未得到解决。与此同时,具有因蒸发器内的流速降低而发生油吸附,从而效率下降的问题。
另外,为了对以往的在工艺温度范围(例如,-20℃~90℃)下根据所需的设定值来提高或降低系统的温度时消耗较多时间的工艺进行改善,利用热区(hot zone)和冷区(cold zone)的两个通道进行混合或切换而进行快速温度响应的工艺逐渐增加。
但是,在进行混合或切换工艺时,两个温度区域混合而温度波动的部分成为问题,并且,由于在进行混合或切换工艺时所产生的箱之间的制冷剂的偏移,即,制冷剂流量的不均衡,对冷却装置的温度控制性造成不良影响。
发明内容
因此,本发明的目的在于提供一种能够快速响应工艺温度变化的冷却装置。
本发明的另一目的在于提供一种能够通过单一制冷剂和单一制冷循环来扩展低温区域的冷却装置。
本发明的另一目的在于提供一种能够通过预先防止低温区域中的流速的降低来防止因蒸发器内的油吸附而导致的效率降低。
本发明的另一目的在于提供一种按各个通道而控制箱的液位平衡时也能够最小化温度控制的影响的冷却装置。
本发明的另一目的在于提供一种能够通过瞬间加热来提高温度响应性的冷却装置。
上述的目的借由如下的半导体工艺用冷却装置而达成,其特征在于,配备有在制冷剂路径上依次布置有压缩机、冷凝器、蒸汽注入热交换器模块、第一膨胀阀及蒸发器而制冷剂反复循环的制冷循环,所述蒸汽注入热交换器模块包括蒸汽注入热交换器和第二膨胀阀,主线从所述冷凝器输入到所述蒸汽注入热交换器并从所述蒸汽注入热交换器输出,并且从所述主线的输出端分支的第一分支线输入到所述蒸汽注入热交换器并从所述蒸汽注入热交换器输出,所述主线和所述第一分支线在所述蒸汽注入热交换器内进行热交换,所述主线和所述第一分支线在所述蒸汽注入热交换器内进行热交换,在所述第一分支线的输入端设置有所述第二膨胀阀,在所述第一分支线的输出端设置有电磁阀。
优选地,所述半导体工艺用冷却装置还可以配备有油吸附防止模块,所述油吸附防止模块可以包括:第一膨胀阀,设置于所述主线;以及第一热气旁通阀,设置于在所述压缩机后端连接第一膨胀阀的后端的第二分支线。
优选地,在连接所述第二分支线与所述蒸发器后端的主线的第三分支线设置有过热度控制用热气旁通阀。
优选地,供应到所述冷凝器的冷却水(PCW)的流量可以通过应用设置于冷却水线的流量自动控制阀来根据温度及负载而控制。
优选地,所述半导体工艺用冷却装置还配备有设置于所述制冷循环与工艺腔室之间的温度控制模块,所述温度控制模块构成为与连接于所述工艺腔室的热区(hot zone)和冷区(cold zone)的两个通道相对应,在连接于所述冷区的第一通道中,设置成从回收线到供应线依次布置有箱、循环泵、所述蒸发器以及线加热器,在连接于所述热区的第二通道中,设置成从回收线到供应线依次布置有箱、循环泵、所述冷却水热交换器以及线加热器,流过各个通道的制冷剂在所述蒸发器和所述冷却水热交换器中被冷却控制,并且在所述第一通道及所述第二通道的线加热器中被加热控制。
优选地,在各个通道的线加热器的后端可以设置有进一步连接于各个通道的回收线的三通阀,以调节各个通道的供应线的流量。
优选地,所述冷区和热区执行通过三通阀的轨道调节的混合(mixing)控制或者通过双向电磁阀的开/关控制的切换(switching)控制。
根据本发明,由于将来自冷凝器的中温高压的制冷剂液通过蒸汽注入热交换器进行追加冷却而进一步降低温度并输送到蒸发器,因此增加了冷却效果,并且可以通过单一循环和单一制冷剂来将最大运行范围扩展到例如-45℃。
并且,来自冷凝器的中温高压的制冷剂液相变为低温制冷剂气体而注入到压缩机的注入端口(injection port),从而防止液体状态的制冷剂流入压缩机而防止压缩机的损坏。
并且,由于在循环过程中在各个通道的箱的后端控制温度,因此在控制箱之间的液位平衡时也可以最小化温度控制的影响,并且会提高控制响应性。
其结果,在循环过程中,通过制冷剂的温度控制(即,冷却控制和加热控制),冷却装置内的热区和冷区能够始终维持恒定的温度,并且当由于发生外部的流量分配问题而控制冷却装置的箱之间的液位平衡时,也不会对温度控制造成影响。
并且,通过在循环过程中在排管内应用线加热器而不在箱内执行加热器加热,可以瞬间加热更小的体积,因此其温度响应性也优异。
附图说明
图1示出根据本发明的实施例的冷却装置的系统图。
图2放大示出由图1的A表示的蒸汽注入热交换器模块。
图3放大示出由图1的B表示的油吸附防止模块。
图4示出温度控制模块的构成。
附图标记说明:
100:制冷循环
110:压缩机
120:油分离器
130:冷凝器
140:蒸汽注入热交换器
150、154:热气旁通阀
142、152:电子膨胀阀
160:蒸发器
170:冷却水热交换器
200:温度控制模块
210、220:回收线
211、221:供应线
212、222:箱
213、223:循环泵
214、224:线加热器(line heater)
215、225:三通阀
具体实施方式
本发明中使用的技术性术语仅是用于说明特定实施例而使用的,并不旨在限定本发明。并且,只要没有在本发明中特别定义为其他含义,本发明中使用的技术性术语应当被解释为本领域技术人员通常理解的含义,不应被解释为过度概括的含义或者过度局限的含义。并且,当本发明中使用的技术性术语是不能准确表达本发明的思想的错误的技术性术语时,应该由本领域技术人员能够准确理解的技术性术语代替并理解。并且,本发明中使用的通用术语应该根据词典中所定义的内容或者根据上下文来解释,而不是以过度局限的含义解释。
以下,参照附图对本发明进行详细说明。
图1示出根据本发明的实施例的冷却装置的系统图。
冷却装置包括制冷循环100和温度控制模块200,并且向工艺腔室(未图示)供应温度得到控制的预定流量的制冷剂。
如下所述,温度控制模块200构成为与连接于工艺腔室的静电吸盘的热区(hotzone)和冷区(cold zone)的两个通道相对应,各个通道采用通过三通阀的轨道调节的混合控制或通过双向电磁阀的开/关控制的切换控制。
<制冷循环100>
制冷循环100构成为在制冷剂路径上依次布置有压缩机110、冷凝器130、蒸汽注入热交换器140、膨胀阀152及蒸发器160。
因此,制冷剂的流动以压缩机110→冷凝器130→蒸汽注入热交换器140→膨胀阀152→蒸发器160→压缩机110的顺序反复循环。
在压缩机110与冷凝器130之间设置有将从压缩机110排出的高温高压的制冷剂气体和油的混合物分离为制冷剂气体和油的油分离器120,从而油被输送到压缩机110,并且制冷剂气体被输送到冷凝器130。
图2放大示出由图1的A表示的蒸汽注入热交换器模块。
蒸汽注入(Vapor Injection)热交换器模块包括蒸汽注入热交换器140和电子膨胀阀142,蒸汽注入热交换器140配备两对输入输出端口140a、140b,并且主线10通过一对输入输出端口140a连接,分支线12通过另一对输入输出端口140b连接,从而在热交换器140内实现流过主线10的制冷剂和流过分支线12的制冷剂之间的热交换。
分支线12的输入端可以从主线10的输出端分支并设置有电子膨胀阀142,在分支线12的输出端可以设置有电磁阀144。
对蒸汽注入热交换器模块的操作进行说明,通过控制设置于压缩机110后端的温度传感器来管理从压缩机110排出的制冷剂气体,当由温度传感器感测到的温度高于设定温度时,电磁阀144b被控制部(未图示)而打开,并且电子膨胀阀142被启动。
其结果,从冷凝器130排出的中温高压的制冷剂液在通过蒸汽注入热交换器140的过程中分流到从主线10的输出端分支的分支线12,并且在电子膨胀阀142中膨胀成低温制冷剂液,并流入蒸汽注入热交换器140。
流过分支线12的低温制冷剂液在蒸汽注入热交换器140内与流流过主线10的中温高压的制冷剂液进行热交换,从而相变为低温制冷剂气体,并通过电磁阀144排出,同时,流过主线10的中温高压的制冷剂液被追加冷却(sub cooling),从而温度进一步降低。
因此,根据上述的构成,中温高压的制冷剂液相变为低温制冷剂气体并注入到压缩机110的注入端口(injection port),从而防止液体状态的制冷剂流入压缩机。
其结果,提高了压缩机效率并增加了冷凝器侧的制冷剂流量,从而增加了冷凝器容量并进一步确保了冷凝器排出侧的制冷剂的过冷度,从而增加了制冷容量。
并且,通过控制最佳的过冷度和过热度,可以使应用的制冷剂发挥最佳的性能。
并且,由于通过追加冷却而进一步降低温度的制冷剂液被输送到蒸发器160,因此增加了冷却效果,从而可以通过单一循环和单一制冷剂来将最大运行范围扩展到例如-45℃。
在该实施例中,说明了配备有注入端口的涡旋式(scroll)压缩机用作压缩机110的情形,但由于将分支线12连接于主线10,因此可以使用一般的压缩机。
图3放大示出由图1的B表示的油吸附防止模块。
油吸附防止模块包括设置于主线10的电子膨胀阀152和设置于在压缩机110的后端连接电子膨胀阀152的后端的分支线11的热气旁通阀154,并且电子膨胀阀152和热气旁通阀154并列布置。
根据上述的构成,为了实现根据半导体工艺的瞬间负荷的快速的温度响应性,可以通过针对使制冷剂的流量实时地快速变动的电子膨胀阀152和热气旁通阀154的反比例控制来预先防止低温区域中的流速的降低,从而可以防止因蒸发器160内的油吸附而导致的效率降低。
并且,即使在负载运行和运行温度变化的情况下,也始终实现最佳的制冷剂循环量,从而有助于制冷系统的稳定化和COP的提高。
另外,在连接分支线11和蒸发器160后端的主线10的分支线13设置有用于保护压缩机及系统稳定化的过热度控制用热气旁通阀150。
通常,过热度的控制以蒸发器160的出入口温度为基准而利用膨胀阀152来进行,但在本发明中,膨胀阀152和蒸发器160确保系统的最大制冷能力,之后在蒸发器160的出口端利用热气旁通阀150来控制最佳的过热度,从而可以确保制冷机的最大性能。
对过热度控制进行具体说明,在半导体工艺特性上,当存在急剧变化的负载变动时,通过蒸发器的制冷剂也可能存在少量的液体状态,在该液体状态的制冷剂混入压缩机的情况下,存在压缩机被烧损的忧虑。
为了防止这种情况,在通过蒸发器160的制冷剂流向压缩机110的过程中,通过热气旁通阀150混入来自压缩机110的高温高压制冷剂气体,使温度上升约5℃~10℃左右,从而完全去除液体制冷剂。
再次参照图1,对供应到冷凝器130的冷却水PCW的流量而言,可以通过应用流量自动控制阀132来控制适合于温度及负载的最佳的冷却水供应和压缩比,从而对COP的提高做出贡献。
<温度控制模块200>
如上所述,温度控制模块200构成为与连接于工艺腔室的静电吸盘的热区(hotzone)和冷区(cold zone)的两个通道相对应。
换言之,对半导体工艺用冷却装置而言,为了缩短工艺温度变换时冷却装置内的温度上升及下降的时间和稳定化后到工艺开始进行为止所需的时间,引入了通过调节三通阀的轨道的混合控制或通过双向电磁阀的开/关控制的切换控制。
与此对应地,本发明的温度控制模块200始终准备控制例如-40℃的冷区和+90℃的热区的各个通道,并通过预定的流量控制来供应各自的温度,如果这样,则能够在工艺腔室中将工艺所需的温度调节在-30℃至+80℃之间。
参照图1,连接到工艺腔室的冷区的第一通道包括回收线210和供应线211而构成循环线,连接到热区的第二通道包括回收线220和供应线221而构成循环线。
在第一通道中,设置成依次布置有箱212、循环泵213、蒸发器160及线加热器214,并且第一通道构成制冷循环而在蒸发器160中被冷却控制,并在线加热器214中被加热控制。
在第二通道中,设置成依次布置有箱222、循环泵223、冷却水热交换器170及线加热器224,并且第二通道构成冷却水冷却循环而在冷却水热交换器170中被冷却控制,并在线加热器224中被加热控制。
因此,制冷剂的流动以工艺腔室的吸盘→第一通道箱212→第一通道循环泵213→蒸发器160→第一通道线加热器214→吸盘→第二通道箱222→第二通道循环泵223→冷却水热交换器170→第二通道线加热器214的顺序进行。
在此过程中,制冷剂在第一通道的蒸发器160和第二通道的冷却水热交换器170中被冷却控制,在第一通道的线加热器214和第二通道的线加热器224中被加热控制。
通常,由于按各个通道而供应到吸盘的制冷剂的流量根据温度而不同,因此最终从吸盘回收的制冷剂的流量也只能会不同,其结果,各个通道的箱212、222的水位变得不同。为了防止这种情况,通过箱212、222之间的连接阀230来调节水位,此时,各个通道的以不同温度控制中的制冷剂相混合而发生温度控制波动。
然而,如本发明,由于在各个通道的箱212、222的后端控制循环过程中的温度,因此在控制箱之间的平衡时也能够最小化温度控制的影响,并且可以提高控制响应性。
如上所述,在循环过程中,通过制冷剂的温度控制(即,冷却控制和加热控制),冷却装置内的热区和冷区能够始终维持恒定的温度,并且当由于发生外部的流量分配问题而进行冷却装置的箱之间的平衡的控制时,也不会对温度控制产生影响。
并且,在循环过程中在排管内应用线加热器214、215,而不是在箱内执行加热器加热,从而可以瞬间加热更小的体积,因此其温度响应性也优异。
参照图4,设置有连接到每个通道的回收线210、220和箱212、222的缓冲箱240,在排放到排管内时可以用于收集水。
并且,在各个通道的线加热器214、224的后端设置有进一步连接于回收线210、220的三通阀215、225,从而可以控制供应线211、221的流量。
虽然以上以本发明的实施例为中心进行了说明,但是显然可以在本领域技术人员的水准上进行多样的变更。因此,本发明的权利范围不应局限于所述实施例而被解释,应当根据权利要求书的范围而被解释。
Claims (7)
1.一种半导体工艺用冷却装置,其特征在于,
配备有在制冷剂路径上依次布置有压缩机、冷凝器、蒸汽注入热交换器模块、第一膨胀阀及蒸发器而制冷剂反复循环的制冷循环,
所述蒸汽注入热交换器模块包括蒸汽注入热交换器和第二膨胀阀,主线从所述冷凝器输入到所述蒸汽注入热交换器并从所述蒸汽注入热交换器输出,并且从所述主线的输出端分支的第一分支线输入到所述蒸汽注入热交换器并从所述蒸汽注入热交换器输出,所述主线和所述第一分支线在所述蒸汽注入热交换器内进行热交换,
在所述第一分支线的输入端设置有所述第二膨胀阀,在所述第一分支线的输出端设置有电磁阀。
2.根据权利要求1所述的半导体工艺用冷却装置,其特征在于,
还配备有油吸附防止模块,所述油吸附防止模块包括:第一膨胀阀,设置于所述主线;以及第一热气旁通阀,设置于在所述压缩机后端连接第一膨胀阀的后端的第二分支线。
3.根据权利要求2所述的半导体工艺用冷却装置,其特征在于,
在连接所述第二分支线与所述蒸发器后端的主线的第三分支线设置有过热度控制用热气旁通阀。
4.根据权利要求1所述的半导体工艺用冷却装置,其特征在于,
供应到所述冷凝器的冷却水的流量通过应用设置于冷却水线的流量自动控制阀来根据温度及负载而控制。
5.根据权利要求1所述的半导体工艺用冷却装置,其特征在于,
还配备有设置于所述制冷循环与工艺腔室之间的温度控制模块,
所述温度控制模块构成为与连接于所述工艺腔室的热区和冷区的两个通道相对应,
在连接于所述冷区的第一通道中,设置成从回收线到供应线依次布置有箱、循环泵、所述蒸发器以及线加热器,
在连接于所述热区的第二通道中,设置成从回收线到供应线依次布置有箱、循环泵、所述冷却水热交换器以及线加热器,
流过各个通道的制冷剂在所述蒸发器和所述冷却水热交换器中被冷却控制,并且在所述第一通道及所述第二通道的线加热器中被加热控制。
6.根据权利要求5所述的半导体工艺用冷却装置,其特征在于,
在各个通道的线加热器的后端设置有进一步连接于各个通道的回收线的三通阀,以调节各个通道的供应线的流量。
7.根据权利要求5所述的半导体工艺用冷却装置,其特征在于,
所述冷区和热区执行通过三通阀的轨道调节的混合控制或者通过双向电磁阀的开/关控制的切换控制。
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