KR100317829B1 - 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치 - Google Patents

반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 제조 공정설비 내의 온도를 일정하게 유지하기 위한 자동 온도조절장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치는 웨이퍼를 수용하여 소정의 가공 공정을 반복 수행할 수 있는 챔버가 구비된 반도체 제조 공정설비에 있어서, 전류의 흐름에 따라 흡열 및 발열 현상을 발생하는 펠티에 효과를 이용한 하나 이상의 열전냉각소자에 의해 상기 반도체 제조 공정설비 내의 웨이퍼 적재부를 일정 온도로 지속시킬 수 있도록 열교환되는 열교환기의 구성을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
따라서, 반도체 제조 공정설비의 내부에 간단히 설치하여 클린룸의 규모를 최소화할 수 있도록 함으로써 상기 클린룸의 건설에 소요되는 비용을 현저히 절감하고, 가공 웨이퍼의 온도를 안정적으로 유지하여 공정불량 요인을 제거함과 아울러 생산성 및 수율을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는 것이다.

Description

반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치 {Thermoelectric-cooling temperature control apparatus for semiconductor manufacturing process facilities}
본 발명은 반도체 제조 공정설비 내의 온도를 일정하게 유지하기 위한 자동 온도조절장치에 관한 것으로, 특히, 반도체 제조 공정설비의 내부에 간단히 설치하여 클린룸의 규모를 최소화할 수 있도록 함으로써 상기 클린룸의 건설에 소요되는 비용을 현저히 절감하고, 가공 웨이퍼의 온도를 안정적으로 유지하여 공정불량 요인을 제거함과 아울러 생산성 및 수율을 향상시킬 수 있게 한 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치에 관한 것이다.
일반적으로, 하나의 완성된 반도체 소자를 제조함에 있어서는 다양한 공정들이 단계적으로 반복 수행되는데, 이러한 각 공정들을 정확하고도 원활하게 수행하기 위해서는 각각의 공정들이 진행되는 각 공정설비의 공정조건을 적합한 상태로 유지할 수 있어야 한다.
이때, 상기의 공정조건은 주로 공정챔버 내부 또는 공정 진행중 웨이퍼의 공정환경을 의미하며, 즉, 온도, 진공압력의 크기, 고주파전원(Radio Frequency Power), 가스유동률(Gas Flow Rate) 등이 그 주요 공정조건에 해당된다. 상기한 각각의 인자들중 어느 하나라도 그 해당 공정 내에서 안정적으로 유지되지 못한다면 생산성에 심각한 영향을 미치게 되고, 결국 수율(Yield), 식각율(Etch Rate), 균일도(Uniformity) 등의 생산지표를 저하시키는 요인으로 작용하게 되는 것이다.
최근에는 반도체 소자의 고집적화 및 생산성 향상을 위한 웨이퍼의 대구경화(300mm 이상) 추세에 따라 이에 대응할 수 있는 각 공정설비의 개발뿐만 아니라, 각각의 공정설비에 적합한 공정조건들을 안정적으로 제공하기 위한 부대설비들의 개발도 필연적으로 수반되고 있다.
특히, 상기의 반도체 제조공정 중에는 공정챔버 내에서 소정의 가스를 이온화된 플라즈마(Plasma) 상태로 활성화시켜 웨이퍼를 가공하는 건식 식각공정(Dry Etch Process) 등이 포함되는데, 상기의 건식 식각공정은 포토레지스트(Photo-resist ; 감광액) 현상 후 웨이퍼 표면의 감광액 밑에 성장, 침적 및 증착된 박막 부분의 소정영역을 이온 상태의 플라즈마 반응가스를 이용하여 선택적으로 제거함으로써 고용량화 및 고집적화된 반도체 소자를 제작하기 위한 주요 단계로서, 화공약품(Chemical)을 이용한 습식 식각공정(Wet Etch Process)과 대비될 수 있는 기술이며, 상기 공정을 진행하기 위한 플라즈마는 씨씨피(C.C.P. ; Capacitive Coupled Plasma)와, 아이씨피(I.C.P. ; Inductive Coupled Plasma)의 형태로 분류할 수 있다.
여기서, 상기 씨씨피 타입은 공정챔버 내부에 설치된 다수의 전극(Electrode)에 선택적으로 고주파전원을 인가하였을 때 발생하는 전기장에 의하여 플라즈마를 형성하는 방식이고, 상기 아이씨피 타입은 공정챔버 외부에 감겨진 코일과 상기 공정챔버 내부에 설치된 다수의 전극에 선택적으로 고주파전원을 인가하였을 때 발생하는 자기장 및 전기장에 의하여플라즈마를 형성하는 방식이다.
또한, 상기 플라즈마는 상기한 바와 같은 건식 식각공정 이외에, 공정챔버 내의 웨이퍼 상에 양질의 박막을 형성하기 위한 화학기상증착공정
(Chemical Vapor Deposition Process)을 수행하는 경우에도 폭넓게 사용되고 있다.
이와 같은 다양한 반도체 제조 공정설비에 있어서 플라즈마를 형성시키기 위해서는 반드시 두 개 이상의 전극이 구비되어야 하고, 이 중 어느 하나의 전극 상에 웨이퍼를 올려 놓게 되며, 이때, 상기 웨이퍼는 반도체 소자로서의 고유 성질을 가질 수 있도록 해당 공정의 특성에 맞는 조건, 즉, 적정온도를 유지하는 것이 중요하다. 따라서, 각 공정 진행시 화학적 또는 물리적으로 발생하는 열에너지로부터 웨이퍼의 온도를 일정하고도 안정적으로 유지하기 위하여 각 반도체 제조 공정설비의 외부에는 자동 온도조절을 위한 열교환기(Heat Exchanger)에 해당하는 별도의 칠러(Chiller)가 구비되어 있다.
더욱이, 상기의 건식 식각공정설비에 있어서 상기 칠러의 기능은 매우 중요하게 작용하는 것으로, 상기 칠러는 식각공정의 진행시 과도한 열이 발생하는 전극(음극(Cathode) 및 양극(Anode))과 챔버 내부의 온도를 원하는 대역에서 일정하게 머물 수 있게 함으로써 온도 변화로 인한 공정 이상 및 생산성 저하를 예방할 수 있도록 하는 것이다.
도6은 플라즈마 방식에 의한 반도체 제조 공정설비(건식 식각공정설비)에적용된 일반적인 열교환기(칠러)의 개략 구성을 나타낸 것으로, 상기 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
일반적으로, 플라즈마 방식에 의한 상기 반도체 제조 공정설비(F)는 챔버(130) 하부에 전극B(132)가 설치되고, 상기 전극B(132)의 상부에는 상기 전극B(132)와 동일 전위를 갖는 전극으로서 그 내부에 정전척(Electric State Chuck)(미도시)이 장착되어 웨이퍼(2)를 안착시킬 수 있게 한 페디스털(Pedestal) (134)이 적층 설치된 상태를 이루며, 상기 전극B(132) 및 페디스털(134)의 외부에 소정 크기의 밀폐공간을 형성할 수 있도록 전극A(131)가 둘러싸고 있고, 상기 전극B(132) 및 페디스털(134)의 측면 둘레에는 상기 전극A(131)와 전극B(132) 간의 전기적인 절연이 가능하도록 절연체(133)가 개재된 구조를 이루고 있다.
또한, 상기 전극A(131)의 일측에는 상기 밀폐공간을 진공 상태로 유지할 수 있도록 선택적으로 개폐되는 진공포트(135)가 형성되어 있고, 챔버(130)의 내부를 진공화할 수 있도록 상기 진공포트(135)와 연결되는 진공펌프(미도시)가 구비되어 있으며, 상기 챔버(130)의 일측에는 가스공급라인(미도시)을 형성하여 상기 밀폐공간 내에 공정가스를 충전할 수 있도록 되어 있고, 상기 전극B(132)의 저면측에는 고주파전원(RF)이 연결되며, 상기 전극A(131)는 접지되어 있다.
상기 진공펌프의 가동에 의해 고진공 상태를 이루는 챔버(130)의 밀폐공간 내부로 공정가스가 충전되고, 상기 공정가스는 상기 전극B(132)에 고주파전원을 인가하였을 때 발생하는 전기장에 의하여 플라즈마(G) 상태로 존재하면서 웨이퍼 가공공정을 진행하게 된다.
이때, 웨이퍼(2)의 온도를 직접적으로 조절하기 위하여 상기 웨이퍼(2)가 놓이게 되는 전극B(132) 또는 스테이지(Stage)의 내측에는 상기 칠러(100)로부터 냉각(또는 가열) 공급되는 냉매(Coolant)가 일정 유압 및 유량을 가지고 순환할 수 있도록 냉매 순환관(102)이 관통 설치되며, 상기 냉매로는 초순수, 일정 비율로 희석된 부동액 또는 무색무취의 불화탄소용액으로 이루어진 플루오리너트(Fluorinert) 계열의 불활성용액이 주로 사용된다.
종래의 상기 칠러(100)는 구체적으로 도시하지는 않았으나 일반적인 냉동사이클장치의 구성에 따른 것으로, 저온저압의 기체냉매를 고온고압의 기체냉매로 변화시키는 압축기와, 이 압축기에서 변화된 고온고압의 기체냉매를 상온고압의 액체냉매로 변화시키는 응축기와, 상온고압의 액체냉매를 저온저압의 액체냉매로 변화시키는 팽창기와, 이 팽창기에서 변화된 저온저압의 액체냉매를 기체상태로 변화시키면서 외부의 열을 흡수하는 증발기로 구성되고, 상기 압축기가 가동됨에 따라 방열 및 흡열이 연속적으로 이루어지는 응축과정 및 증발과정을 통해 냉각작용을 하게 되며, 이러한 과정에서 냉각(또는 가열)된 냉매가 상기 냉매 순환관(102)을 통해 전극B(132)의 내부를 통과하면서 열교환을 이루게 된다.
이와 같이 반도체 제조 공정설비(F)에는 웨이퍼(2)를 가공하기 위한 설비외에도 그 외부에 별도의 온도조절장치(칠러)가 필요하게 되고, 상기한 종래의 칠러(100)는 온도손실을 최소화하기 위하여 반도체 제조 공정설비의 근접 위치에 장착하게 됨으로써 클린룸(Clean Room) 내에서 많은 공간을 차지하게 될 뿐만 아니라, 이로 인하여 클린룸 건설비용 및 관리 유지비용이 상승하게 되는 문제점을 초래하고, 상기 냉매 순환관(102)를 경유하여 냉매가 순환되므로 그 순환과정에서의 온도손실로 인한 냉각 효율성이 저하되는 단점을 갖는 것이다. 특히, 생산성 향상을 위한 웨이퍼의 대구경화가 실현됨에 따라 상기 칠러(100)도 이에 적합한 용량을 유지할 수 있도록 대형화되어야 하고, 상기 칠러(100)가 클린룸 내에서 더욱 큰 공간을 차지하게 됨으로써 그 규모도 증대되어 상기 클린룸을 건설하기 위한 비용이 가중되는 문제점이 있었다.
또한, 이러한 종래 칠러(100)의 문제점들은 웨이퍼(2)의 온도 불안정 요인으로 작용하여 상기 웨이퍼(2)의 공정불량을 유발할 뿐만 아니라 냉매의 누출 등으로 인하여 웨이퍼 칩들에 악영향을 미치게 되므로 불량률이 증가하여 수율을 저하시키고, 클린룸 환경을 오염시키게 되는 결과를 초래하였다.
또한, 종래의 칠러(100)는 압축기, 응축기, 팽창기 및 증발기 등의 소모성 부품들로 구성되어 있으므로 관리 유지상의 과다비용 발생은 물론, 소음이 심하게 발생하여 작업 환경을 저해하고 근로자의 작업 집중력을 흐트러뜨리는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 근본 목적은 반도체 제조 공정설비의 내부에 설치 가능하도록 함으로써 클린룸의 규모를 최소화하여 클린룸의 건설에 소요되는 비용을 현저히 절감할 수 있는 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 공정진행시 웨이퍼의 온도를 안정적으로 유지하여 공정불량 요인을 제거함으로써 생산성 및 수율을 향상시킬 수 있는 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 기존의 압축냉각 방식을 대체할 수 있는 수단을 적용함으로써 소형 경량화된 간단한 구조를 이루고, 고장 발생의 염려가 없어 장기간 연속 사용이 가능함은 물론, 관리 유지가 간편하며, 외부 온도손실이 없으므로 냉각 효율성이 우수하고 안정적인 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 냉매를 사용하지 않는 냉각 방식을 적용함으로써 상기 냉매의 누출에 의한 웨이퍼 칩들의 오염을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 클린룸의 환경오염을 억제할 수 있는 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 소모성 부품의 사용을 배제하여 관리 유지상의 소요비용을 절감할 수 있는 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 작동중 소음이 발생하지 않는 구조를 적용하여 작업 환경을 최적화함으로써 근로자의 작업 집중력을 향상시킬 수 있는 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 공정챔버 내의 어느 한 전극에 일체로 설치될 수 있는 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 대용량의 공정설비에 적합하고, 보수 및 교체시 간편하게 작업할 수 있도록 착탈이 용이한 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도1은 본 발명에 따른 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치에 적용되는 단층적 구조의 열전냉각소자에 의한 열교환 원리를 도시한 개략 단면도이다.
도2는 본 발명의 장치에 적용되는 열전냉각소자의 단층적 결합구조를 일부 절개하여 도시한 사시도이다.
도3은 본 발명의 장치에 적용되는 다층적 적층구조의 열전냉각소자에 의한 열교환 원리를 도시한 개략 단면도이다.
도4a 및 도4b는 본 발명에 따른 열전냉각소자의 열교환 원리를 이용한 중소형 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치의 바람직한 실시예들을 도시한 것으로,
도4a는 공냉식의 방열 활성화수단이 적용되고 일측 전극 내에 열전냉각소자가 장착되는 내장형 구조를 제시한 개략도이고,
도4b는 수냉식의 방열 활성화수단이 적용되고 일측 전극 내에 열전냉각소자가 장착되는 내장형 구조를 제시한 개략도이다.
도5는 본 발명에 따른 열전냉각소자의 열교환 원리를 이용한 대형 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치의 다른 실시예를 도시한 것으로, 수냉식의 방열 활성화수단이 적용되고 일측 전극 외부의 냉각수 순환관 상에 열전냉각소자가 부착되는 외장형 구조를 제시한 개략도이다.
도6은 종래 기술에 따른 반도체 제조 공정설비용 열교환기(Chiller)의 개략도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
C ; 제어부 F ; 반도체 제조 공정설비
G ; 플라즈마 P ; 펌프
RF ; 고주파전원 T ; 열전냉각 제어유닛
V ; 전원 1 ; 열원 대상물
2 ; 웨이퍼 10 ; 열전냉각소자
11 ; P형 반도체 12 ; N형 반도체
13 ; 도체 14 ; 절연성 열전도체
15 ; 냉접면 16 ; 온접면
20 ; 방열 활성화수단 21 ; 방열판
22 ; 냉각수 순환관 30 ; 챔버
31 ; 전극A 32 ; 전극B
33 ; 절연체 34 ; 페디스털
35 ; 진공포트 36 ; 전원공급 케이블
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치는 웨이퍼를 수용하여 소정의 가공 공정을 반복 수행할 수 있는 챔버가 구비된 반도체 제조 공정설비에 있어서, 전류의 흐름에 따라 흡열 및 발열 현상을 발생하는 펠티에 효과를 이용한 하나 이상의 열전냉각소자에 의해 상기 반도체 제조 공정설비 내의 웨이퍼 적재부를 일정 온도로 지속시킬 수 있도록 열교환되는 열교환기의 구성을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
특히, 상기 열교환기는 웨이퍼 표면 박막 부분의 소정영역을 선택적으로 제거하기 위한 식각공정용 설비 내에 적용하거나, 또는 상기 챔버 내의웨이퍼 상에 박막을 형성하기 위한 화학기상증착공정용 설비 내에 적용할 수 있으며, 그 이외에도 다양한 반도체 제조 공정설비 내에 적용이 가능하다.
본 발명에 따른 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치에 적용된 상기 열교환기는 상기 반도체 제조 공정설비의 웨이퍼가 적재되는 페디스털 하부의 전극 내부에 설치된 반도체를 이용한 열전냉각소자와, 상기 열전냉각소자에 전력을 공급하기 위한 전원과, 상기 전원을 상기 열전냉각소자에 인가할 수 있도록 상기 열전냉각소자의 양 접점부와 상기 전원 간을 연결하는 전원공급 케이블과, 상기 전원에 연결되어 상기 열전냉각소자에 인가되는 전력량을 조절함으로써 상기 열전냉각소자에 의한 열교환 성능을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성할 수 있다.
이때, 상기 열교환기에는 외부로의 열교환 성능을 촉진시키기 위한 방열판 또는 냉각수 순환관 등의 방열 활성화수단이 포함되어 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치에 적용된 상기 열교환기는 상기 반도체 제조 공정설비의 웨이퍼가 적재되는 페디스털 하부의 전극으로부터 분리되어 상기 열전냉각소자가 배치되고 상기 전극 및 열전냉각소자 간에 냉각수 순환에 의한 수냉식 열교환이 가능하도록 연결된 방열 활성화수단과, 상기 열전냉각소자에 전력을 공급하고 상기 전력량을 조절하여 열교환 성능을 제어할 수 있도록 상기 챔버의 외부에 설치된 착탈 가능한 열전냉각 제어유닛을 포함하여 구성할 수도있다.
이때, 상기 열전냉각 제어유닛은 상기 반도체 열전냉각소자와, 상기 열전냉각소자에 전력을 공급하기 위한 전원과, 상기 전원을 상기 열전냉각소자에 인가할 수 있도록 상기 열전냉각소자의 양 접점부와 상기 전원 간을 연결하는 전원공급 케이블과, 상기 전원에 연결되어 상기 열전냉각소자에 인가되는 전력량 및 냉각수 순환 속도를 조절함으로써 상기 열전냉각소자에 의한 열교환 성능을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 구성이다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치를 설명하기에 앞서, 본 발명의 냉각 원리를 설명하면 다음과 같다.
일반적으로, 두 종류의 도체(이종금속)를 서로 양단에서 접합하여 그 접합부를 통해 전류를 흘리면 그 전류의 방향에 따라 한쪽 접점에서는 흡열 현상이 발생하고 다른쪽 접점에서는 발열 현상이 발생하게 되는데, 이러한 현상을 펠티에 효과(Peltier Effect)라고 하고, 상기의 펠티에 효과를 이용하여 특정 대상물의 열을 흡수하는 냉각방법을 열전냉각(Thermoelectric Cooling)이라 하며, 그 열량은 전류, 절대온도 및 도체에 의해서 정해지는 열기전능(熱起電能)에 비례하여 나타나게 된다.
이와는 반대로, 두 종류의 도체(이종금속) 양단을 각각 접합하여 그 접합부에 상이한 온도를 가하면 일정 방향으로 기전력이 발생하여 그 기전력으로 2접점(냉접점 및 온접점) 간의 온도차를 알 수 있게 되는데, 이러한 현상을 제벡 효과(Seebeck Effect)라고 하고, 상기의 제벡 효과에 따른 열전기 현상을 이용하여 고열로 등과 같은 대상물의 온도를 측정하는 대표적인 장치로는 열전대(Thermocouple)를 들 수 있다.
또한, 상기의 열전냉각에 사용되는 전자열펌프로서 열과 전기가 서로 변환되는 현상을 이용한 소자를 총칭하여 열전냉각소자(Thermoelectric Cooling Element)라고 하며, 이러한 상기 열전냉각소자로는 온도 변화를 이용한 서미스터(Thermistor), 온도차에 의해 기전력이 발생하는 상기 제벡 효과를 이용한 제벡 소자(Seebeck Element), 전류의 흐름에 따라 흡열 및 발열 현상을 발생하는 상기 펠티에 효과를 이용한 펠티에 소자(Peltier Element) 등이 있다.
상기 서미스터는 전기저항이 온도에 따라 크게 변화하는 일종의 반도체 소자로서, 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 등 산화물 성분의 복수 배합 및 이것의 소결에 의해 제작되고, 회로의 안정화와 열, 전력, 빛 등의 검출에 사용되며, 종전에는 전기저향이 온도 상승에 따라 감소하는 음온도 계수형 서미스터(Negative Temperature Coefficient Thermistor)가 널리 사용되었으나, 최근에는 온도 상승에 따라 전기저항이 증가하는 양온도 계수형 서미스터(Positive Temperature Coefficient Thermistor)가 주로 사용되는 추세에 있으며, 또한 상기의 음온도 계수를 가지며 특정 온도에서 갑자기 전기저항이 변화하는 크리테지스터(CRT ; CriticalTemperature Resistor) 등이 실용화되고 있다.
한편, 상기의 펠티에 효과는 두 종류의 금속도체 대신에 전기전도도가 다른 비스무트(Bi ; Bismuth), 텔루르(Te ; Tellurium) 등의 반도체를 사용하면 보다 높은 흡열 및 발열 효율을 얻을 수 있는데, 이것은 전류의 방향에 따른 흡열/발열 접점의 전환과, 전류량에 따른 흡열/발열량의 조절이 가능하므로 응답이 빠른 소용량의 냉동장치나 상온 부근에서의 정밀성을 갖는 항온기(Thermostat) 등으로 응용되고 있다.
이와 같이 상기의 반도체를 사용한 열교환기의 구성에 있어서 상기 펠티에 효과를 극대화하기 위해서는 P형 반도체와 N형 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 반도체를 사용한 전극 간의 배열, 예컨대 '(+)전극 - N형 반도체 - 중간전극 - P형 반도체 - (-)전극'의 배열로 구성하여 상기 양쪽 전극을 통해 통전(通電)시킴으로써 상기 각 전극을 발열원, 중간전극을 흡열원으로 하는 열펌프를 제작할 수 있는 것이다.
도1 및 도2는 본 발명에 따른 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치에 적용되는 열전냉각소자(10)의 구조 및 열교환 원리를 나타낸 것으로서, 도1은 단일 열전냉각소자(10)의 단층구조를 도시한 개략 단면도이고, 도2는 이러한 상기 열전냉각소자(10)의 연속적인 단층 결합구조를 일부 절개하여 도시한 사시도이다.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 상기 단일 열전냉각소자(10)는 일정 간격을 두고 서로 평행하게 배치된 P형 반도체(11) 및 N형 반도체(12)와, 상기 P형 반도체(11) 및 N형 반도체(12)의 각 일단에 각각 분리된 상태로 부착되어 (-)전극 및 (+)전극을 이루는 도체(13)와, 상기 P형 반도체(11) 및 N형 반도체(12)의 다른 일단에 부착되어 이들을 전기적으로 연결하는 도체(13)와, 상기 각 도체(13)의 외측에 각각 부착되어 전기적으로 절연된 상태를 유지하기 위한 절연성 열전도체(14)와, (-)전극 및 (+)전극을 이루는 상기 도체(13) 간을 연결하여 폐회로를 구성하고 이들을 통해 소정의 전력을 인가하기 위한 전원(V)으로 구성되어 있다.
상기 P형 반도체(11) 및 N형 반도체(12)의 하단에 각각 부착된 전극용 도체(13) 간에 전원(V)이 연결되어 있을 때, 상기 열전냉각소자(10)는 N형 반도체(12) 측의 전극용 도체(13)를 통해 전류가 유입되어, 상기 N형 반도체(12), 상기 P형 반도체(11)와 N형 반도체(12)의 상단을 전기적으로 연결하는 도체(13), 상기 P형 반도체(11), 상기 P형 반도체(11) 측의 전극용 도체(13)의 방향으로 순차적인 흐름을 갖게 되고, 이러한 전류의 흐름에 따라 양 접점부에 해당하는 상, 하측의 절연성 열전도체(14)에서는 흡열 및 발열 현상을 발생하는 펠티에 효과, 즉, 상측 절연성 열전도체(14)가 냉접면(15)을 형성하고 하측 절연성 열전도체(14)가 온접면(16)을 형성하게 되는 것이다.
이때, 전자가 부족한 상태로 존재하는 상기 P형 반도체(11)는 낮은 에너지 수준을 유지하고 전자가 과도한 상태로 존재하는 상기 N형 반도체(12)는 높은 에너지 수준을 유지하므로, 그 내부에 존재하는 상기전자들(Electrons), 즉, 열전 캐리어(Thermoelectric Carrier)의 이동에 의해 열에너지가 흡수되며, 냉접면(15)에 해당하는 상측 절연성 열전도체(14)의 상면에 열교환을 이룰 열원 대상물(1)을 적재하면, 상기 열원 대상물(1)로부터 발생하는 열을 흡수하여 하단부의 절연성 열전도체(14) 쪽으로 전달하게 됨으로써 상기 열원 대상물(1)의 온도를 조절할 수 있게 되고, 온접면(16)에 해당하는 하측 절연성 열전도체(14)의 외부 표면에 열방출을 활성화하기 위한 방열판(21)을 부착하면 열교환 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도2는 반도체 열전냉각소자(10)에 의한 열교환 성능 및 용량을 향상시키기 위하여 상기 단일 열전냉각소자(10)를 단층 상태로 연속 결합한 실시예를 도시한 것으로, 상기 열전냉각소자(10)는 상기 P형 반도체(11) 및 N형 반도체(12)가 다수의 쌍을 이루며 종횡으로 연속 배열되고, 한 쌍을 이루는 상기 P형 반도체(11) 및 N형 반도체(12)의 각 일단을 각각 도체(13)로 연결함과 아울러 그 타단과 이에 인접한 다른 쌍의 타단을 각각 도체(13)로 연결하여 다수의 상기 P형 반도체(11) 및 N형 반도체(12)가 전기적으로 연속되며, 이와 같이 연결된 상기 도체(13)의 양쪽 자유단을 각각 (-)전극 및 (+)전극으로 하여 이들 간에 소정의 전원(V)이 인가되고, 상기 각 도체(13)의 외측에는 전기적으로 절연된 상태를 유지하는 판형상의 절연성 열전도체(14)가 각각 부착된 구성을 이루고 있다. 이때, 상기 도체(13)는 전도성이 우수한 금속판 또는 와이어를 사용할 수 있다.
또한, 도3은 본 발명에 적용될 수 있는 상기 열전냉각소자(10)의 다른 실시예로서, 상기의 단층형 열전냉각소자(10)를 상하로 연속되게 적층시켜 각 층간을 전기적으로 병렬 연결한 후 전원(V)을 공급하는 복층 구조를 도시한 것이며, 열교환 성능 및 용량을 더욱 극대화한 형태에 해당한다. 즉, 복층형의 상기 열전냉각소자(10)는 상기 절연성 열전도체(14)의 외측에 동일 구조를 이루는 다수 쌍의 P형 반도체(11) 및 N형 반도체(12)가 상하로 다수 적층되고, 이들을 전기적으로 연결하는 상기 도체(13)의 자유단을 각각 병렬 연결한 상태에서 소정의 전원(V)이 인가되어, 상기 각 층간에 개재된 상기 절연성 열전도체(14)가 냉접면(15) 및 온접면(16)의 기능을 동시에 수행하면서 일방향으로의 열전달 성능을 발휘할 수 있도록 구성된 것이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 반도체 소자에 의한 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치, 즉, 열전냉각소자(10)를 이용한 열교환기(칠러)의 구성을 의미하는 것으로서, 본 발명에 따른 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치의 다양한 실시예들을 도4a 내지 도5에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.
도4a 및 도4b는 본 발명에 따른 열전냉각소자(10)의 열교환 원리를 이용한 중소형 반도체 제조 공정설비(F)용 열전냉각 온도조절장치의 바람직한 실시예들을 도시한 것으로, 도4a는 공냉식의 방열 활성화수단(20)이 적용되고 일측 전극(32) 내에 열전냉각소자(10)가 장착되는 내장형 구조를 제시한 개략도이고, 도4b는 수냉식의 방열 활성화수단(20)이 적용되고 일측 전극(32) 내에 열전냉각소자(10)가 장착되는 내장형 구조를 제시한 개략도이며, 도5는 본 발명에 따른 열전냉각소자(10)의 열교환 원리를 이용한 대형 반도체 제조 공정설비(F)용 열전냉각 온도조절장치의 다른 실시예를 도시한 것으로, 수냉식의 방열 활성화수단(20)이 적용되고 일측 전극(32) 외부의 냉각수 순환관(22) 상에 열전냉각소자(10)가 부착되는 외장형 구조를 제시한 개략도이다.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열전냉각 온도조절장치는 웨이퍼(2)를 수용하여 소정의 가공 공정을 반복 수행할 수 있는 챔버(30)가 구비된 반도체 제조 공정설비(F)에 있어서, 전류의 흐름에 따라 흡열 및 발열 현상을 발생하는 펠티에 효과를 이용한 하나 이상의 열전냉각소자(10)에 의해 상기 반도체 제조 공정설비(F) 내의 웨이퍼 적재부를 일정 온도로 지속시킬 수 있도록 열교환되는 열교환기를 포함하는 구성으로 이루어져 있다.
상기 열교환기는 웨이퍼(2)의 표면 박막 부분의 소정영역을 선택적으로 제거하기 위한 식각공정용 설비(F) 내에 적용하거나, 또는 상기 챔버(30) 내의 웨이퍼(2) 상에 박막을 형성하기 위한 화학기상증착공정(Chemical Vapor Deposition Process)용 설비(F) 내에 적용할 수 있고, 그 이외에도 다양한 반도체 제조 공정설비 내에 적용할 수 있으며, 이러한 열교환기는 상기 반도체 제조 공정설비(F)의 웨이퍼(2)가 적재되는 전극B(32)에 인접하여 설치되는 것을 기본 구성으로 한다.
한편, 플라즈마 방식에 의한 상기 반도체 제조 공정설비(F)는 챔버(30) 하부에 전극B(32)가 설치되고, 상기 전극B(32)의 상부에는 상기 전극B(32)와 동일 전위를 갖는 전극으로서 그 내부에 정전척(Electric State Chuck)(미도시)이 장착되어 웨이퍼(2)를 안착시킬 수 있게 한 페디스털(Pedestal) (34)이 적층 설치된 상태를 이루며, 상기 전극B(32) 및 페디스털(34)의 외부에 소정 크기의 밀폐공간을 형성할 수 있도록 전극A(31)가 둘러싸고 있고, 상기 전극B(32) 및 페디스털(34)의 측면 둘레에는 상기 전극A(31)와 전극B(32) 간의 전기적인 절연이 가능하도록 절연체(33)가 개재된 구조를 이루고 있다. 또한, 상기 전극A(31)의 일측에는 상기 밀폐공간을 진공 상태로 유지할 수 있도록 선택적으로 개폐되는 진공포트(35)가 형성되어 있고, 챔버(30)의 내부를 진공화할 수 있도록 상기 진공포트(35)와 연결되는 진공펌프(미도시)가 구비되어 있으며, 상기 챔버(30)의 일측에는 가스공급라인(미도시)을 형성하여 상기 밀폐공간 내에 공정가스를 충전할 수 있도록 되어 있고, 상기 전극B(32)의 저면측에는 고주파전원(RF)이 연결되며, 상기 전극A(31)는 접지되어 있다.
상기 진공펌프의 가동에 의해 고진공 상태를 이루는 챔버(30)의 밀폐공간 내부로 공정가스가 충전되고, 상기 공정가스는 상기 전극B(32)에 고주파전원을 인가하였을 때 발생하는 전기장에 의하여 플라즈마(G) 상태로 존재하면서 웨이퍼(2)의 가공공정을 진행하게 된다.
상기에서 언급한 본 발명의 실시예들 중에서 도4a에 도시된 상기 열교환기는, 상기 반도체 제조 공정설비(F)의 웨이퍼(2)가 적재되는 페디스털(34) 하부의 전극B(32) 내부에 설치된 상기 열전냉각소자(10)와, 상기 열전냉각소자(10)에 전력을 공급하기 위한 전원(V)과, 상기 전원(V)을 상기 열전냉각소자(10)에 인가할 수 있도록 상기 열전냉각소자(10)의 양 접점부와 상기 전원(V) 간을 연결하는 전원공급 케이블(36)과, 상기 전원(V)에 연결되어 상기 열전냉각소자(10)에 인가되는 전력량을 조절함으로써 상기 열전냉각소자(10)에 의한 열교환 성능을 제어하기 위한 제어부(C)로 구성되어 있다.
상기 열전냉각소자(10)는 상기 전극B(32) 및 페디스털(34)과는 전기적으로 절연된 상태를 유지하고, 플라즈마(G)를 발생시킬 수 있도록 진공 밀폐(Vacuum Sealing)되어 있다.
상기 열교환기에는 외부로의 열교환 성능을 촉진시키기 위한 방열 활성화수단(20)이 포함되어 구성되고, 상기 방열 활성화수단(20)은 도4a 및 도4b에 각각 나타낸 바와 같이 상기 전극B(32)의 외측면에 부착되는 방열판(21), 또는 상기 전극B(32)의 내부를 관통하여 상기 열전냉각소자(10)의 일측면에 밀접 설치되고 그 내부에서 냉각수가 순환함으로써 상기 열전냉각소자(10)의 열교환 성능을 촉진시켜주는 냉각수 순환관(22) 등의 형태로 구성할 수 있으며, 상기 냉각수 순환관(22)의 일부 구간에는 냉각수가 상기 냉각수 순환관(22)을 따라 원활히 순환될 수 있도록 상기제어부(C)의 제어에 의해 순환 동력을 발생하는 펌프(P)가 장착된 것이다.
이때, 상기 냉각수 순환관(22)은 냉각수가 웨이퍼(2)와의 충분한 열교환 작용을 이룰 수 있도록 정체할 수 있는 구조로 절곡되어 있으며, 상기 냉각수는 누출시에도 반도체 제조 공정설비(F)를 오염시키지 않도록 순수를 사용하는 것이 바람직하나, 경우에 따라서는 기존의 액상 냉매 또는 냉매가스 등을 사용할 수도 있다.
상기의 실시예에서는 열전냉각소자(10)가 챔버(30)의 내부, 즉, 전극B(32) 내에 설치되는 것으로, 상기 챔버(30)의 외부에 설치되어 마이크로프로세스로 제어되는 제어부(C)에 의해 상기 열전냉각소자(10)의 전원공급 상태 및 강제순환용 펌프(P)의 가동률을 상호 유기적으로 조절함으로써 공정환경에 맞는 적정온도로의 보다 신속한 열교환을 이루게 된다.
한편, 본 발명에 따른 열전냉각 온도조절장치는, 이상에서 설명한 바와 같은 챔버(30) 내부로의 설치 구조 이외에도, 도5에 도시된 바와 같은 다른 실시예의 구성도 가능한 바, 본 실시예에 따른 상기 열교환기는, 상기 반도체 제조 공정설비(F)의 웨이퍼(2)가 적재되는 페디스털(34) 하부의 전극B(32)으로부터 분리되어 상기 열전냉각소자(10)가 배치되고 상기 전극B(32) 및 열전냉각소자(10) 간에 냉각수 순환에 의한 수냉식 열교환이 가능하도록 연결된 방열 활성화수단(20)과, 상기 열전냉각소자(10)에 전력을 공급하고 상기 전력량을 조절하여 열교환 성능을 제어할 수 있도록 상기 챔버(30)의 외부에 설치된 착탈 가능한 열전냉각 제어유닛(T)으로 구성된것이다.
상기 방열 활성화수단(20)은 상기 열전냉각소자(10)의 일측에 외주면 일부가 밀착되고 상기 전극B(32)의 내부를 관통하도록 설치되어 그 내부에서 순환하는 냉각수가 유동하면서 상기 열전냉각소자(10)에 의해 열교환 성능을 발휘할 수 있도록 된 냉각수 순환관(22)과, 상기 냉각수 순환관(22)을 따라 냉각수가 원활히 순환될 수 있도록 순환 동력을 발생하는 펌프(P)로 구성되어 있으며, 상기 펌프(P)는 상기 열전냉각 제어유닛(T)에 구비된 제어부(C)에 의해 냉각수 순환속도가 제어되도록 되어 있다.
또한, 상기 열전냉각 제어유닛(T)은 상기 열전냉각소자(10)의 절연을 위한 절연막과 절연층(미도시)으로 그 외부를 보호할 수 있게 한 모듈(Module)의 형태를 이루는 것으로서, 상기 열전냉각소자(10)와, 상기 열전냉각소자
(10)에 전력을 공급하기 위한 전원(V)과, 상기 전원(V)을 상기 열전냉각소자(10)에 인가할 수 있도록 상기 열전냉각소자(10)의 양 접점부와 상기 전원(V) 간을 연결하는 전원공급 케이블(36)과, 상기 전원(V)에 연결되어 상기 열전냉각소자(10)에 인가되는 전력량 및 냉각수 순환속도를 조절함으로써 상기 열전냉각소자(10)에 의한 열교환 성능을 제어하기 위한 제어부(C)로 구성되어 있다.
상기의 실시예에서는 선 실시예와는 달리 상기 열전냉각소자(10)와 제어부(C)가 챔버(30) 외부에서 일체화된 모듈의 형태로 설치됨과 아울러 상기 냉각수 순환관(22)을 매개로 하여 전극B(32)에 연결된 것이나, 이러한 구조적 차이를 제외하고는, 상기 열전냉각 제어유닛(T)의 내부에 구비되어 마이크로프로세스로 제어되는 상기 제어부(C)에 의해 열전냉각소자(10)의 전원공급 상태 및 강제순환용 펌프(P)의 가동률을 상호 유기적으로 조절함으로써 공정환경에 맞는 적정온도로의 보다 신속한 열교환을 이루게 되는 작동상의 기본원리는 동일한 것이며, 본 실시예는 설치공간의 제약이 적어 상기 열전냉각소자(10)의 용량을 용이하게 확장할 수 있으므로 대용량의 설비에 적합하다.
또한, 이에 적용되는 상기 열전냉각소자(10)는 전술한 바와 같이 다양하게 구성할 수 있으며, 상기 냉각수 순환관(22)에 주입되는 냉각수도 선 실시예의 경우와 동일하게 순수를 사용하는 것이 바람직하다 할 것이다.
이상에서 기술한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치에 의하면, 반도체 제조 공정설비의 내부에 설치 가능하도록 함으로써 클린룸의 규모를 최소화하여 클린룸의 건설에 소요되는 비용을 현저히 절감할 수 있고, 공정진행시 웨이퍼의 온도를 안정적으로 유지하여 공정불량 요인을 제거함으로써 생산성 및 수율을 향상시킬 수 있으며, 기존의 압축냉각 방식을 대체할 수 있는 열전냉각 방식을 적용함으로써 소형 경량화된 간단한 구조를 이루고, 고장 발생의 염려가 없어 장기간 연속 사용이 가능함은 물론, 관리 유지가 간편하며, 외부 온도손실이 없으므로 냉각 효율성이 현저히 향상되고 안정적인 시스템을 유지할수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 냉매를 사용하지 않는 냉각 방식을 적용함으로써 상기 냉매의 누출에 의한 웨이퍼 칩들의 오염을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 클린룸의 환경오염을 억제할 수 있고, 소모성 부품의 사용을 배제하여 관리 유지상의 소요비용을 절감할 수 있으며, 작동중 소음이 발생하지 않는 구조를 적용하여 작업 환경을 최적화함으로써 근로자의 작업 집중력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 대용량의 공정설비에 적합하고, 보수 및 교체시 간편하게 작업할 수 있도록 착탈이 용이하다는 장점이 있다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명은 하나의 바람직한 구체예에 대해서만 기술하였으나, 상기의 구체예를 바탕으로 한 본 발명의 기술사상 범위 내에서의 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 또한, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (2)

  1. 웨이퍼를 수용하여 소정의 가공 공정을 반복 수행할 수 있는 챔버가 구비된 반도체 제조 공정설비에 있어서,
    상기 공정 설비 내에 웨이퍼가 적재되는 페디스털 하부의 전극 내부에 적어도 하나가 설치되고, 전류의 흐름에 따라 흡열 및 발열 현상을 발생하는 펠티에 효과를 이용하는 열전냉각소자; 및
    상기 열전냉각소자에 전력을 공급하기 위한 전원과, 상기 전원을 상기 열전냉각소자에 인가할 수 있도록 상기 열전냉각소자의 양 접점부와 상기 전원 간을 연결하는 케이블과, 상기 전원에 연결되어 상기 열전냉각소자에 인가되는 전력량을 조절함으로서 상기 열전냉각소자에 의한 열교환 성능을 제어하기 위한 제어부와, 상기 열전냉각소자의 일측면에 밀접 설치되어 그 내부에서 순환하는 냉각수의 유동 작용에 의해 상기 열전냉각소자의 열교환 성능을 촉진시켜주는 냉각수 순환관 및 상기 냉각수 순환관을 따라 냉각수가 원할히 순환될 수 있도록 상기 제어부의 제어에 의해 순환 동력을 발생하는 펌프를 포함하여 상기 공정설비 내의 웨이퍼 적재부를 일정 온도로 지속시킬 수 있도록 열교환되는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열전냉각소자는,
    일정 간격을 두고 서로 평행하게 배치된 P형 반도체 및 N형 반도체;
    상기 P형 반도체 및 N형 반도체의 각 일단에 각각 분리된 상태로 부착되어 소정의 전원을 인가하기 위한 (-)전극 및 (+)전극용 도체;
    상기 P형 반도체 및 N형 반도체의 다른 일단에 부착되어 이들을 전기적으로 연결하는 도체; 및
    상기 각 도체의 외측에 각각 부착되어 전기적으로 절연된 상태를 유지하기 위한 절연성 열도전체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 공정설비용 열전냉각 온도조절장치.
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