KR100339875B1 - 판형 히팅 장치 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술

판형 히트 파이프

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 요지

본 발명은 가공용 웨이퍼와 히터판 사이에 냉각모듈을 장착하여 상기 히터판에서 제공되는 열원을 전면에 걸쳐 균일하게 분포시켜 소자에 전달할 수 있도록 한 판형 히트파이프를 제공함에 그 목적이 있다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 가공용 웨이퍼에 균일한 열원이 제공되도록 하기 위한 판형 히팅장치에 있어서, 소정 깊이로 함몰된 수용홈이 형성되고, 상기 수용홈의 면에서 소정높이만큼 직립된 돌기가 설치되어 상기 수용홈내에 유동 통로를 형성하며, 측면에는 주입구가 형성되며, 일면 상부에 상기 가공용 웨이퍼가 놓여지도록 하기 위한 본체판; 상기 본체판의 타면 하부에 장착되며, 그 내부에 히팅라인이 설치되어 소정온도의 열원을 제공하는 열원제공수단; 상기 본체판의 주입구를 통하여 수용홈에 채워지며 상기 열원제공수단에서 제공되는 열원이 상기 본체판의 수용홈에 형성된 유동 통로에서 자유롭게 이동하여 증발과 응축을 반복하면서 상변화를 이루어 상기 가공용 웨이퍼가 놓여지는 본체판의 일면에 등온의 열원을 제공하는 작동유체; 및 상기 본체판과 열원제공수단을 결합하는 결합수단을 포함하는 판형 히팅장치를 제공한다.

4. 발명의 중요한 용도

가공용 웨이퍼에 잔재하는 응력을 제거할 수 있도록 열원을 가공용 웨이퍼 전면에 걸쳐 균일하게 전달될 수 있도록 한 것임.

Description

판형 히트장치

본 발명은 가공용 반도체 웨이퍼가 등온을 유지하도록 열을 전달하는 판형 히팅장치에 관한 것으로, 특히 반도체 웨이퍼와 히터판 사이의 밀폐된 독립공간에 작동유체를 주입시켜 반도체 웨이퍼의 전체면이 등온으로 유지되도록 한 판형 히팅장치에 관한 것이다.

가공용 반도체 웨이퍼에 열원을 제공하는 히팅장치에 있어서, 종래에는 도8에 도시한 바와 같이 하부에 히팅라인(101a)이 구비된 히터판(101)과, 체결구를 매개로 상기 히터판(101)의 상부에 결합되며 그 상부에 가공용 웨이퍼(103)가 놓여지는 금속재질의 본체판(102)으로 구성되어 있다. 상기와 같이 구성된 종래의 판형 히팅장치는 도9에 도시한 바와 같이 히터판(101)에서 제공되는 열원이 금속재질의 본체판(102)을 통하여 가공용 웨이퍼(103)에 급속하게 전달된다. 여기서, 상기 히터판(101)은 동심원 형태로 배열된 입,출구 히팅라인(101a)이 내장된 구조로 되어 있어, 상기 열원이 동심원 배열의 히팅라인(101a)을 통하여 흐르면서 반도체 웨이퍼를 소정 온도로 가열하는 것이다.

상기와 같은 반도체 웨이퍼에 장착된 종래의 히팅장치는 반도체 웨이퍼를 가열할 때, 일정 열부하의 열이 전도를 통하여 균일한 열유속으로 웨이퍼의 전면을가열하기 때문에, 웨이퍼와 가열장치 사이의 대류 유동이 발생할 경우 웨이퍼 중심과 바깥면 사이에서 국부적인 대류 열전달량의 차이가 발생하고 이로 인하여 웨이퍼 원주방향으로 중심부의 온도가 상대적으로 바깥면 보다 높아지는 불균일한 온도분포를 나타냄으로써 상기 반도체 웨이퍼에 온도분포가 불균일하게 이루어지고 있다. 그리고, 상기 가공용 웨이퍼의 온도가 불균일하게 됨으로써 생산된 반도체의 불량율이 증대하고, 웨이퍼 온도분포의 불균일도가 심한 면에서의 제조가 불가능하기 때문에, 생산 수율이 감소하는 문제를 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 가공용 웨이퍼와 히터판 사이에 가열모듈을 장착하여 상기 히터판에서 제공되는 열원을 가열모듈의 전면에 걸쳐 등온이 유지되도록 한 상태에서 상기 웨이퍼를 가열하여 그의 온도가 등온이 유지될 수 있도록 한 판형 히팅장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 응축액막 및 액체 상태의 작동유체가 전면에 균일하게 분포하도록 하기 위해 작동유체의 유동 통로를 국부적으로 제한하되, 다수의 돌기에 의해 이루어진 밀폐된 공간내의 좁은 유동통로내에서 작동유체가 포화압력하에서 히터판으로부터 제공되는 열원을 증발(비등)에 의하여 증기로 상변화한 후, 본체판 상부에서 응축하는 상변화로 열전달을 이루어 본체판의 상면을 등온으로 유지하도록 함으로서 상기 본체판의 상부에 위치하는 웨이퍼를 등온으로 가열할 수 있도록 한 판형 히팅장치를 제공함에 다른 목적이 있다.

도1a 및 도1b는 본 발명에 의한 판형 히트장치의 일실시예 구성을 나타낸 평면도 및 좌측면도.

도2a 및 도2b는 본 발명의 요부인 본체판의 구성을 나타낸 평면도 및 측면도.

도3는 도2b의 A-A'단면도.

도4는 본 발명의 요부인 메쉬판의 구성도.

도5는 본 발명의 요부인 히터판의 구성도.

도6은 본 발명에 의한 판형 히팅장치의 결합상태를 나타낸 단면도.

도7은 본 발명에 의한 판형 히팅장치의 작용상태를 나타낸 개략도.

도8은 종래기술에 따른 판형 히팅장치의 구성도.

도9는 종래기술에 따른 판형 히팅장치의 작용상태를 나타낸 개략도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 본체판 1a : 냉매수용홈

2 : 돌기 3 : 히팅라인

4 : 히터판 5 : 가공용 웨이퍼

6 : 메쉬판 7 : 체결부재

7a : 암나사홈 8 : 브레이징 필러

9 : 필튜브 10 : 냉매

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 가공용 웨이퍼가 등온을 유지하도록 열원을 제공하는 판형 히팅장치에 있어서, 그 일면에 소정 깊이로 함몰된 수용홈과, 상기 수용홈의 면에서 소정높이만큼 직립되어 상기 수용홈내에 유동통로를 형성하기 위한 돌기가 구비되며, 타면에 상기 가공용 웨이퍼가 놓여지도록 하기 위한 본체판; 상기 본체판의 하부에 장착되며, 그 내부에 히팅라인이 설치되어 소정온도의 열원을 상기 본체판에 제공하는 열원제공수단; 상기 본체판과 열원제공수단 사이에 장착되어 상기 본체판의 수용홈을 차폐하여 밀폐된 공간을 이루도록 하며, 상기 본체판과 열원제공수단을 결합하는 결합수단; 및 상기 본체판의 밀폐된 수용홈에 채워지며 상기 열원제공수단에서 제공되는 열원이 상기 본체판의 수용홈에 형성된 유동 통로에서 자유롭게 이동하여 포화상태에서 증발과 응축을 반복하면서 상변화를 이루어 상기 가공용 웨이퍼가 놓여지는 본체판의 일면에 등온의 열원을 제공하는 작동유체를 포함하는 판형 히팅장치를 제공한다.

이하, 첨부된 도1 내지 도7의 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 판형 히팅장치는 히터에서 인가되는 열을 가공용 웨이퍼에 균일하게 전달할 수 있도록 구현한 것이다. 즉, 일반적인 히트파이프 어셈블리는 각종 트랜지스터나 인쇄회로기판과 같은 소형전자부품의 전기적인 기능에 의해 발생되는 열을 냉각하는 히트싱크나, 철도차량용 인버터나, 브레이크 시스템과 같은 대용량의 발열소자에 주로 채용되어 상기 소자에서 발생된 열을 냉각시켜줌으로써전자부품의 효율향상 및 열에 의한 기능저하를 방지하는 주된 기능을 가지고 있지만, 본 발명은 소정 온도의 열을 제공하여 응력을 제거하기 위한 가공용 반도체 웨이퍼 전면에 걸쳐 히터에서 제공되는 열이 균일하게 분포되도록 구현한 것이다.

본 발명은 일반적으로 작동유체의 비등 또는 증발과 압축이 연속적으로 발생하여 열을 수송하는 상변화 열전달장치인 히트파이프를 이용한 것이다. 이러한 히트파이프의 구조는 비등 또는 증발이 일어나는 증발부와, 이송된 증기가 응축하며 잠열을 방출하는 응축부로 구성되며, 이때 작동유체의 순환이 증기압과 중력, 즉 액체의 체적력에 의하여 이루어지기 때문에 액체의 순환에 따른 펌핑력을 필요로 하지 않는다. 그리고, 잠열에 의하여 열전달을 이루기 때문에 대량의 열을 작은 온도차에서도 전달할 수 있다.

한편, 히트파이프의 구조는 밀폐용기와 작동유체로 구성되며, 적용분야에 따라 용기의 구조 및 작동유체는 매우 다양하다. 일반적으로, 작동유체의 귀환 메카니즘에 있어서 히트파이프는 응축 액체의 귀환이 윅의 모세관력으로 이루어지지만, 중력을 이용하는 열사이펀(thermosyphon)방식이나, 회전 히트파이프(rotating heat pipe)등으로 구분되기도 하며, 통칭하여 히트파이프로 불려진다.

상기와 같은 개념과 방식을 통하여 구현되는 본 발명은 도1 내지 도6에 도시한 바와 같이, 그 일면에 소정 깊이로 함몰된 냉매수용홈(1a)이 형성되고, 측면에 냉매주입구가 형성된 본체판(1)과, 상기 본체판(1)의 냉매수용홈(1a)의 면에서 소정 길이만큼 하측방향으로 직립되게 설치된 다수의 돌기(2)가 일체로 구비된다. 이에 따라, 상기 돌기(2)에 의하여 상기 냉매수용홈(1a)은 유동통로를 형성하게 된다. 이러한 유동통로를 공급하는 목적은 상기 유동통로의 상면에서 응축한 응축액이 액막을 이루며 중력에 의하여 유동통로의 하부로 귀환할 때, 원주방향을 따라 흐르는 경우 원주 바깥면에서는 응축 액막이 두꺼워져 액막을 통한 전도 저항의 차이로 원주면을 따라 바깥면의 온도가 상대적으로 낮아지거나 응축액이 액적(Droplet)상태로 상부면에서 중력에 의하여 낙하함에 따라 액막의 불균일에 의한 온도차를 방지하기 위함이다.

상기 돌기(2)는 도2a에 도시한 바와 같이 본체판(1)의 중심에서 방사방향으로 소정 간격을 두고 배열되는 구조로 설치됨으로서 유동통로가 동심원 형태를 가지도록 하여 상기 유동통로를 통하여 작동유체가 자유롭게 이동할 수 있도록 되어 있다.

상기 본체판(1)의 냉매수용홈(1a)에는 후술할 히터판에서 제공되는 열원이 상기 본체판(1)의 냉매수용홈(1a)에서 자유롭게 이동하여 증발과 응축을 반복하면서 상변화를 이루어 상기 본체판(1)의 상면에 등온의 열원을 제공하기 위한 작동유체가 채워진다. 본 실시예에서의 작동유체는 냉매(10)로 이루어져 있으며, 이때 상기 냉매(10)는 냉매수용홈(1a)에 소정부분만큼만 채워져 있다.

상기 냉매수용홈(1a)에 대향하는 위치의 본체판(1) 저면에는 히터판(4)이 설치되며, 상기 본체판(1)의 상면에는 가공용 웨이퍼(5)가 소정간격을 두고 놓이게 된다.

여기서, 상기 히터판(4)은 도5에 도시한 바와 같이 소정 온도의 열원을 제공하도록 그의 내부에 히팅라인(3)이 동심원 형태로 배열된 구조로 되어 있다. 또한도3에 도시한 바와 같이 상기 본체판(1)의 가장자리 높이가 돌기(2)의 높이보다 소정 간격(t)만큼 높게 형성되어 상기 히터판(4)과 후술할 메쉬판의 직접적인 접촉을 방지할 수 있도록 한다.

상기 돌기(2)의 끝단면에는 냉매를 고르게 분산시켜 히터판(4)에서 발생되는 열원이 냉매수용홈(1a)에 채워진 냉매 전체에 결쳐 균일하게 접촉하여 증발될 수 있도록 하는 메쉬판(6)이 놓여져 결합된다.

도2a에 도시한 바와 같이 상기 본체판(1)의 중앙부 및 방사상 돌기(2) 사이의 소정위치에는 내부에 암나사홈(7a)이 형성된 체결부재(7)가 구비된다. 도4에 도시한 바와 같이 상기 체결부재(7)에 대응하는 메쉬판(6)에는 상기 체결부재(7)가 간섭을 받지 않도록 하기 위한 관통홀(6a)이 형성되어 상기 볼트를 매개로 본체판(1)과 메쉬판(6)이 결합된다. 이때, 상기 본체판(1)의 중앙부에 설치된 체결부재(7)와 주변의 체결부재(7)는 메쉬판(6)의 처짐을 방지할 수 있도록 지지기능을 겸비한다.

본 실시예에서의 메쉬판(6)은 #200의 입도를 가지는 스테인레스 재질로 이루어지며, 상기 간격(t)에 의해 히터판(4)과 비접촉된 상태로 되어 있다.

따라서, 이송된 증기는 동굴형 상부면에서 상부면과 미소한 온도차로 응축하며, 상부벽면의 온도를 일정하게 유지한다. 그리고, 그 상부벽 위에 매우 좁은 간격을 유지하면서, 놓여있는 웨이퍼에 공기의 전도나 대류로 가열하게 된다.

한편, 상기 본체판(1)의 하부 전면을 커버하도록 브레이징 필러(brazing filler)(8)가 설치되는데, 상기 브레이징 필러(8)는 상기 히터판(4)을 통하여 제공되는 열원에 의해 용융되어 본체판(1)과 히터판(4) 및 상기 히터판(4)과 메쉬판(6)을 접착하게 되므로써 상기 본체판(1)의 냉각수용홈(1a)은 밀폐된다.

또한, 상기 본체판(1)의 냉매주입구에는 필 튜브(fill tube)(9)가 설치되어 냉매의 주입경로를 제공한다. 이에 따라, 상기 필튜브(9)를 통하여 상기 수용홈을 진공시킬 수 있도록 하고 외부의 냉매공급장치로부터 필 튜브(9)를 통하여 냉매를 주입한 후, 상기 냉매주입이 완료되면, 용접등의 접합방법으로 밀폐한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동작상태를 도7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도7은 본 발명의 동작상태를 나타낸 개략도로서, 작동유체인 냉매가 비등 및 응축을 반복하는 상태를 보여주고 있다.

먼저, 상기 필튜브(9)를 통하여 냉매를 냉매수용홈(1a)에 주입한 다음, 상기 냉매수용홈(1a)에 냉매가 소정양만큼 채워지게 되면, 외부의 진공장치를 통하여 냉매수용홈(1a)을 진공상태로 하고 난 후 필 튜브(9)를 밀봉시킨다.

다음에, 상기 히터판(4)의 히팅라인(3)을 통하여 열원을 제공하면, 상기 열원은 메쉬판(6)을 통하여 본체판(1)의 냉매수용홈(1a)에 내재된 냉매에 전달되어 열교환을 하게 된다.

상기 열원이 메쉬판(6)을 통하여 냉매수용홈(1a)으로 전달될 때, 상기 냉매수용홈(1a)의 하부측은 증발부가 되며, 상기 증발부를 통하여 증발된 냉매는 돌기(2)에 의하여 본체판(1)의 냉매수용홈(1a)에 형성된 유동통로를 통하여 냉매수용홈(1a)의 상부측으로 확산된다. 여기서, 상기 냉매수용홈(1a)의 상부측은 증발부를 통하여 이송된 냉매의 응축부가 되며, 상기 응축부는 등온을 유지한 상태에서 응축하며 이 응축 잠열에 의하여 열을 공급한다. 즉, 상기 돌기(2)에 의해 형성된 유동통로에 히터판(4)에서 제공된 열이 냉매를 가열하여 증기로 상변화시킨 후, 상기 냉매수용홈(1a)의 상부측으로 이동하게 된다. 그리고, 이동된 증기는 응축하여 열을 내놓기 때문에 각 국부공간을 개별적으로 가열하고, 또한 상기 증기가 내부수용홈(1a)의 전체공간내에서 일정한 포화압력하에서 작동하여 동일한 온도를 유지하기 때문에, 본체판(1)의 상면 전체의 온도를 균일하게 분포시키게 되며, 각 냉매 수용홈은 독립된 상변화 열전달 공간을 이룸으로써 응축 액막 두께에 의해 온도가 불균일하게 나타나는 현상을 방지한다.

상기와 같이 상기 히터판(4)에서 제공된 열원은 응축부에 도입되어 상기 돌기(2) 사이의 냉매유동 통로에 채워진 작동유체가 증발(또는 비등) 및 응축을 반복하여 열원을 본체판(1)의 상면 전체를 등온으로 유지시킴으로서 상기 본체판(1)의 상면에 위치한 웨이퍼에 등온을 유지한 상태에서 열을 전달하는 것이며, 이에 따라 상기 가공용 웨이퍼(5)의 끝단에서 끝단까지의 거리편차 또는 가공용 웨이퍼(5)의 끝단에서 중심부까지 거리편차에 상관없이 등온을 유지하여 상기 가공용 웨이퍼(5)의 온도차에 의한 불량 원인을 제거하게 되는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 히터판을 통하여 제공된 열원이 작동유체인 냉매를 통하여 외부로 발산되어 냉각기능을 하는 것이 아니라, 밀폐공간에서 비등 및 응축을 반복하면서 본체판의 상면에 등온의 열원이 균일하게 분포되고, 이 열원은 가공용 웨이퍼 전면이 등온을 유지하도록 전달하므로써 가공되는 반도체의 온도차에 의한 불량 원인을 제거할 수 있는 효과를 가진다.

또한, 고장난 히터판만을 간단히 교체할 수 있어 기존의 구조에서 생길 수 있는 히터판의 기능저하 또는 이상 발생시 전체제품을 교체해야 하는 문제점을 개선하고 경비절감을 꾀할 수 있다. 그리고, 히터판을 어느 한 부분에 부분적으로 적용해도 기능은 동일하며, 온도전달방법에도 수직이동뿐만 아니라, 수평이동형태를 취할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (5)

1. 가공용 웨이퍼가 등온을 유지하도록 열원을 제공하는 판형 히팅장치에 있어서,

   그 일면에 소정 깊이로 함몰된 수용홈과, 상기 수용홈의 면에서 소정높이만큼 직립되어 상기 수용홈내에 유동통로를 형성하기 위한 돌기가 구비되며, 타면에 상기 가공용 웨이퍼가 놓여지도록 하기 위한 본체판;

   상기 본체판의 하부에 장착되며, 그 내부에 히팅라인이 설치되어 소정온도의 열원을 상기 본체판에 제공하는 열원제공수단;

   상기 본체판과 열원제공수단 사이에 장착되어 상기 본체판의 수용홈을 차폐하여 밀폐된 공간을 이루도록 하며, 상기 본체판과 열원제공수단을 결합하는 결합수단;

   상기 본체판의 밀폐된 수용홈에 채워지며 상기 열원제공수단에서 제공되는 열원이 상기 본체판의 수용홈에 형성된 유동 통로에서 자유롭게 이동하여 포화상태에서 비등과 응축을 반복하면서 상변화를 이루어 상기 가공용 웨이퍼가 놓여지는 본체판의 일면에 등온의 열원을 제공하는 작동유체; 및

   상기 열원제공수단과 소정간격을 두고 상기 돌기의 끝단면 상에 장착되며, 상기 본체판의 수용홈에 채워진 작동유체를 고르게 분산시켜 열원제공수단의 열원이 일시에 냉매에 접촉하여 증발될 수 있도록 하는 메쉬판

   을 포함하는 판형 히팅장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 메쉬판의 크기가 #200의 입도를 가지는 것을 특징으로 하는 판형 히팅장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 돌기가 본체판의 중심에서 방사방향으로 소정 간격을 두고 설치되어 상기 유동 통로가 동심원 형태를 가지도록 한 것을 특징으로 하는 판형 히팅장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 메쉬판과 열원제공수단의 접촉을 방지하기 위하여 상기 본체판의 가장자리면의 높이가 돌기의 높이보다 소정 간격만큼 높게 형성된 것을 특징으로 하는 판형 히팅장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 메쉬판을 관통하여 상기 본체판의 돌기에 고정되는 체결부재를 더 포함하며,

   상기 결합수단은 열원제공수단에서 발생된 열원에 의해 용융되어 상기 본체판과 열원제공수단을 접합하는 브레이징 필러로 이루어진 것을 특징으로 하는 판형 히팅장치.