KR100378624B1 - 마이크로파를 이용한 초순수 가열장치 - Google Patents

마이크로파를 이용한 초순수 가열장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로파를 발생시켜 초순수에 조사하여 마이크로파에 의해 초순수의 물분자가 회전 및 수축진동에 의해 가열되게 하여 손실에너지를 극소화하고 박테리아를 멸균 및 번식을 억제하는 마이크로파를 이용한 초순수 가열장치에 관한 것으로, 마이크로파를 발생시키는 1쌍의 마그네트론(11a)(11b)과; 초순수(30)가 유입되어 가열되는 동안 저장되고 배출되는 물탱크(20)와; 상기 물탱크(20)를 사이에 두고 서로 반대편에 설치되고, 상기 1쌍의 마그네트론(11a)(11b)에서 발생된 마이크로파를 전파시키는 1쌍의 도파관(13a)(13b)과; 상기 물탱크(20)를 종방향으로 관통하여 설치되며 그 양단부가 1쌍의 도파관(13a)(13b)에 돌출되고, 상기 물탱크 (20)를 관통하는 부분은 석영으로 싸여 있고, 상기 1쌍의 도파관(13a)(13b)에 돌출되어 있는 양단부는 나선상태인 가열 안테나(21);로 구성되어 반도체의 세정에 사용되는 초순수를 원하는 온도로 가열할 수 있으며, 마이크로파에 의해 초순수 내부의 박테리아를 멸균 및 번식을 억제할 수 있고, 다수의 가열장치를 직렬 또는 병렬로 연결함으로써 가열되는 초순수의 온도 또는 양을 조절할 수 있다.

Description

마이크로파를 이용한 초순수 가열장치{A Microwave Deionized Water Heating Device}
본 발명은 마이크로파를 이용한 초순수 가열장치에 관한 것으로, 특히 마이크로파를 발생시켜 초순수에 조사하여 마이크로파에 의해 초순수의 물분자가 회전 및 수축진동에 의해 가열되게 하여 손실에너지를 극소화하고 박테리아를 멸균 및 번식을 억제하는 마이크로파를 이용한 초순수 가열장치에 관한 것이다.
반도체 제조공정중 습식공정(wet processing)의 산처리 후에 반도체 웨이퍼에 부착되어진 불순물을 세척하기 위한 세척공정을 거치게 되는데, 반도체 웨이퍼를 세척함에 있어, 세척시 사용되는 초순수는 그 수온에 따라 세척시간이 크게 차이가 나는데, 예를 들면 90℃의 초순수는 상온의 순수보다 세정시간(rinse time)이 무려 10배나 줄어든다.
이에 따라 세척시 사용되는 초순수는 소정의 세정조건(일반적으로 16㏁의 저항값)에 적합한 온도로 가열되어진 초순수를 사용하여야만 한다.
그런데, 반도체 제조공정에서 청정실 내의 공기중 입자 뿐만 아니라, 습식공정에서 액체 속의 입자, 즉 초순수 속에 존재하는 박테리아와 포자도 입자와 마찬가지로 리소그래피의 패턴을 망가뜨리는 원인이 된다.
특히, 순수 속의 박테리아는 적당한 온도조건에서 급속히 번식하며, 48시간만에 10만배로 늘어나는 종류도 있어 이와 같은 박테리아의 번식은 중요한 문제가 되므로, 반도체 소자의 집적도 향상에 따라 습식공정 중에 액체 속의 입자나 박테리아의 수를 더욱 엄격히 제한하고 있다.
따라서, 웨이퍼를 세정할 때 사용하는 초순수는 항상 신선한 것을 공급하고, 조(bath) 또는 순수 공급 시스템 속에 머물지 않도록 설계하고 있다. 초순수의 가열은 조에 공급 직전에 실시하고 있다.
종래의 전기히타에 의한 초순수 가열방식이 도1에 도시된다.
다수의 물탱크(1)들에 유입구(2)를 통해 물을 공급하고, 상기 각 물탱크(1)들 내부에 전기히타(3)를 각각 설치하여 상온의 물을 필요로 하는 적정한 수온(통상 90℃)으로 급가열시키고, 상기 적정한 수온으로 가열된 물은 토출구(4)를 통해 배출한다.
상기와 같은 형태의 가열장치는 순간적으로 다량의 물을 가열하기 위해 대규모의 전열장치가 소요되고, 그 전열장치를 작동시키기 위해서는 전기를 공급해야 하므로 과다한 전기소모(40 lpm의 유량을 90℃로 데우는데 150㎾가 소요)가 발생될 뿐만 아니라, 전열장치의 가열선이 끊어질 경우, 그 수리에 따라 전체의 공정이 정지되는 문제점들을 갖고 있다.
또다른 종래의 방식으로 적외선에 의한 초순수 가열장치가 도2에 도시된다.
이 적외선 가열장치에서는 물을 데우기 위하여 가열소자(5), 예를 들어, 할로겐 램프가 물탱크(1)의 표면(또는 벽면)을 가열하고, 그 벽면이 1차로 데워져서 열의 전도에 의해 내부로 열이 전달되어 물탱크(1) 내부에 수용되어 있는 물을 가열시키는 형태이다.
가열시킬 물체의 내부는 표면보다 온도가 낮으므로 최근에 그 개선책으로 적외선을 사용하는 적외선 가열방식을 사용하나, 그것도 물체의 표면에서 적외선 흡수가 더 많이 일어나서 표면의 온도가 더 높다.
이와 같은 적외선 가열방식도 물의 표면이 더 많이 가열되어 물의 내부의 온도는 표면온도보다 낮다. 그에 따라, 박테리아를 살균할 정도의 표면가열이 이루어지더라도 내부에서는 박테리아가 번식 가능한 환경을 제공하게 되는 문제점을 갖고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 반도체 웨이퍼의 세척에 사용되는 초순수를 세척에 적합한 온도로 가열시켜 주는 마이크로파를 이용한 초순수 가열장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 초순수를 가열함과 동시에 내부에 있는 박테리아의 멸균과 번식을 억제시켜 주는 마이크로파를 이용한 초순수 가열장치를 제공하는데 있다.
도1은 종래의 전기히타 방식의 가열장치에 대한 도면
도2는 종래의 적외선 방식의 가열장치에 대한 도면
도3은 본 발명에 따른 초순수 가열장치의 측면도
도4a는 마그네트론이 설치된 도파관 부근의 일부 측단면 확대도
도4b는 도4a의 정단면 확대도
도5a는 도파관과 가열 안테나가 결합되는 부분의 일부 측단면 확대도
도5b는 도5a의 정단면 확대도
도6은 본 발명에 의한 가열장치를 4개 직렬로 연결한 4중 가열장치이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11a,11b:마그네트론 12:마그네트론 안테나 13a,13b:도파관
14,15:전도성 수직벽 20:물탱크 21:가열 안테나
22:석영관 23:금속실린더 24:유입구
25:토출구 30:초순수 40a,40b,40c,40d:가열장치
41:초순수 유입구 42:순환/유입 선택밸브 43:순환관
44:순환/토출 선택밸브 45:초순수 토출구
위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 가열장치는 마이크로파를 발생시키는 1쌍의 마그네트론(11a)(11b)과; 초순수(30)가 유입되어 가열되는 동안 저장되고 배출되는 물탱크(20)와; 상기 물탱크(20)를 사이에 두고 서로 반대편에 설치되고, 상기 1쌍의 마그네트론(11a)(11b)에서 발생된 마이크로파를 전파시키는 1쌍의 도파관(13a)(13b)과; 상기 물탱크(20)를 종방향으로 관통하여 설치되며 그 양단부가 1쌍의 도파관(13a)(13b)에 돌출되고, 상기 물탱크(20)를 관통하는 부분은 석영으로 싸여 있고, 상기 1쌍의 도파관(13a)(13b)에 돌출되어 있는 양단부는 나선상태인 가열 안테나(21);로 구성된다.
상기 가열 안테나(21)는 석영관(22)의 내벽으로 둘러싸여 상기 물탱크 내의 초순수(30)와 가열 안테나(21) 사이의 접촉을 차단시켜서 마이크로파에 의해 물탱크(20)에 담겨있는 초순수(30)를 가열하는데, 이 마이크로파의 에너지가 물분자의 회전 및 수축 진동 에너지로 변환됨으로써 신속하고 고르게 가열시킨다.
이에 따라 가열물체의 내부에서 에너지의 흡수가 일어나며, 가열하려는 물체를 담은 용기 외벽과 접촉부위의 온도가 수온보다 낮게 된다.
금속에 부딪히면 반사하는 마이크로파의 성질을 이용하여 물탱크의 외벽을 금속으로 구성하여 주변으로 손실되는 에너지가 극소화되고 동시에 마이크로파의 조사는 박테리아의 멸균 및 번식 억제 효과가 있다.
박테리아의 멸균은 박테리아 시체의 잔류 때문에 순수 속의 입자 감소효과는 없으나, 박테리아의 번식억제는 입자수의 최소화에 크게 기여한다.
또한, 순환 중의 순수에서 박테리아 번식이 크게 억제되는 현상을 이용하여 물을 순환시키면서 가열하여 박테리아 수를 최소화한다.
이하, 본발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참고로 구체적으로 설명한다.
도3에 본 발명에 의한 초순수 가열장치의 측면도가 도시된다.
물탱크(20)의 상부와 하부에 1쌍의 마그네트론(11a)(11b)이 각각 설치되어 마그네트론 안테나(12)를 통하여 마이크로파를 발생시킨다. 상기 1쌍의 마그네트론(11a)(11b)에 1쌍의 도파관(13a)(13b)이 결합되어 발생된 마이크로파를 가열 안테나(21)로 전파시킨다.
물탱크(20)에는 초순수(30)가 유입구(24)에서 유입되어 토출구(25)로 배출된다. 가열 안테나(21)의 상부와 하부는 상기 도파관(13a)(13b)에 결합되고, 그 결합부분에서 마이크로파를 전달받아 상기 물탱크(20)의 내부로 방출한다. 상기 가열 안테나(21)를 석영관(22)의 내벽으로 둘러싸서 상기 물탱크(20)내의 초순수(30)와 가열 안테나(21)사이의 접촉을 차단한다.
상기 마그네트론(11a)(11b)은 상하부에 각각 1쌍이 설치되어 2.45㎓의 마이크로파를 발생시켜 마그네트론 안테나(12)를 통하여 도파관(13a)(13b)의 내부로 방사시킨다. 상기 마그네트론(11a)(11b)의 마그네트론 안테나(12)에서 방사된 마이크로파는 도파관(13a)(13b)을 따라 전파된다.
상기 마그네트론(11a)(11b)에서 발생되는 마이크로파는 저항에 의한 열손실 때문에 일반 동선이나 동축 케이블을 통해서는 가열 안테나(21)까지 전달되지 못한다. 따라서, 도파관(13a)(13b)을 사용하여 마그네트론(11a)(11b)에서 발생된 마이크로파를 가열 안테나(21)까지 전송한다.
도4a에 마그네트론(11a)이 설치된 도파관(13a) 부근의 측단면도를 확대하여 그린 확대도가 도시되고, 도4b에 정단면도가 도시된다. 도4a 및 도4b에서는 상부에 설치된 마그네트론(11a)과 도파관(13a)에 대해 설명하고 있지만, 이 설명은 하부에 설치된 마그네트론(11b)과 도파관(13b)에도 적용된다.
도파관(13a)(13b)은 도시된 바와 같이, 전도성 수직벽을 갖는 TE10모드의 사각도파관(13a)(13b)을 사용한다. 예를 들어, 2.45㎓의 마이크로파를 사용하기 위해 도파관(13a)(13b)은 가로 a(=90㎜), 세로 b(=40㎜)인 TE10모드 사각도파관(13a) (13b)(여기서, a>b)의 a/2 선상에 수직벽으로부터 λg/4 지점에 마그네트론 안테나(12)가 도파관(13a)(13b) 속으로 들어오도록 설치한다.
여기서 λg[]는 대략 16㎝로서, 도파관(13a)(13b) 내의 진행파장이고, λ는 진공 속에서의 마이크로파의 파장이며, λc는 도파관(13a)(13b) 내의 차단파장이다.
마그네트론(11a)(11b)의 마그네트론 안테나(12)에서 방출된 마이크로파의 일부는 도4a의 오른쪽 방향, 나머지는 왼쪽방향으로 동시에 진행한다. 왼쪽으로 진행하던 마이크로파는 도4a의 도시와 같이 도파관(13a)(13b)의 전도성 수직벽(14)에 반사되어 오른쪽으로 향하게 된다.
반사되어 오른쪽으로 향하는 마이크로파와 마그네트론(11a)(11b)의 마그네트론 안테나(12)에서 방출되는 마이크로파 사이에 위상차가 발생하지 않도록 마그네트론 안테나(12)와 전도성 수직벽(14) 사이의 거리를 (4n+1)*(λg/4)이 되도록 조정한다. 여기서, n은 0 또는 자연수이다.
마그네트론(11a)(11b)의 마그네트론 안테나(12)에서 발생되는 마이크로파는 사각도파관 내에서 대략 16㎝의 파장으로 수직방향의 파면(波面)을 따라 가열 안테나(21) 쪽으로 진행하게 된다.
도5a에 도파관(13a)(13b)과 가열 안테나(21)가 결합되는 부분의 측단면을 나타내는 확대도가 도시되고, 도5b에 그 정단면 확대도가 도시된다.
도파관(13a)(13b)과 가열 안테나(21)가 결합되는 부분의 구조도 마그네트론 (11a)(11b)과 도파관(13a)(13b)이 결합하는 구조와 유사한 구조를 갖게 된다. 가열 안테나(21)는 동축 케이블과 TE10모드의 사각도파관(13a)(13b)의 결합에서 동축 케이블의 내선에 해당하게 된다.
가열 안테나(21)의 일부는 도파관(13a)의 가로길이 a의 1/2이 되는 위치에서 내부로 연장되어 있으며, 가열 안테나(21)와 도파관(13a)의 전도성 수직벽(15) 사이의 거리는 (4n+1)*(λg/4)(n은 0 또는 자연수)가 되게 하여 전도성 수직벽(15)에서 반사된 마이크로파가 가열 안테나(21)로 되돌아 왔을 때 위상차가 발생하지 않게 하여 가열 안테나(21) 주변의 마이크로파와 서로 상쇄되지 않게 한다.
이렇게 마그네트론(11a)(11b)의 마그네트론 안테나(12)에서 발생된 마이크로파는 도파관(13a)(13b)을 따라 가열 안테나(21)에 전달된다. 가열 안테나(21)는도체로 되어 있으며, 대표적으로 구리·은·알루미늄 등의 저항이 적은 도체를 사용할 수 있다.
또한, 가열 안테나(21)는 일정한 직경, 예를 들면, 10㎜를 갖는 도체이고, 상기 물탱크(20)의 축을 따라 상부에서 하부까지 연장되어 있고, 그 길이는 1,000㎜가 되게 하고, 상부와 하부에 도파관(13a)(13b)이 결합된다.
가열 안테나(21)를 따라 전송되는 마이크로파는 도체의 표피효과에 의해 도체의 표면을 따라 전송된다. 가열 안테나(21)의 표면에서 마이크로파가 방사되어 그 주위의 초순수(30)를 가열하게 된다.
가열 안테나(21)의 상부와 하부에 결합된 1쌍의 도파관(13a)(13b)에서 마이크로파가 서로 반대방향으로 전달되지만, 길이가 500㎜이상인 경우 반대편 끝으로 전달되는 마이크로파의 세기는 - 50㏈이하이므로 양쪽에서 전달되는 마이크로파는 서로에게 거의 영향을 주지 못하고, 초순수의 가열에만 사용된다.
가열 안테나(21)의 주변을 석영관(22)의 내벽으로 둘러싸서 가열 안테나(21)가 초순수(30)에 직접 접촉하지 않도록 하여 오염을 방지한다.
마이크로파 가열이 일어나는 동안에 초순수(30)는 물탱크(20)의 유입구(24)에서 주입되고, 가열된 초순수(30)는 사이폰의 원리에 의하여 물탱크(20)를 따라 상승하여 토출구(25)로 배출된다. 하나의 가열장치에서 토출된 초순수는 직렬 연결된 다음 가열장치 모듈의 유입구로 주입되어 연속적으로 마이크로파에 의해 가열된다.
물탱크(20)는 석영관(22)의 외벽을 금속실린더(23)로 둘러싸는 2중구조로 되어 있어서 내부의 석영관(22)이 금속실린더(23)에 의해 보호된다. 이 금속 실린더 (23)는 동축케이블의 외부 실린더 역할을 하여 가열 안테나(21)에서 방출된 마이크로파가 외부로 방출되는 것을 막아주며, 그 내부의 석영관(22)이 깨질 경우 유리 파편의 흩어짐을 방지하고 누수를 막아준다.
이렇게 구성된 물탱크(20)내의 초순수, 즉 가열 안테나(21)를 감싸는 석영관 (22)의 내벽과 금속실린더(23)로 둘러싸는 석영관(22)의 외벽사이에 들어있는 초순수(30)는 동축 케이블의 내선과 외부 실린더 사이의 유전체에 해당한다.
도6에 본 발명에 의한 가열장치 4개가 직렬로 연결된 4중 가열장치(40a, 40b, 40c, 40d)가 도시된다.
4개의 가열장치(40a, 40b, 40c, 40d)들은 1차 가열장치(40a)의 토출구(25a)와 2차 가열장치(40b)의 유입구(24b)가 연결되어 있어서 1차 가열장치(40a)에서 1차로 가열된 초순수가 토출구(25a)에서 토출되어 2차 가열장치(40b)의 유입구(24b)로 유입된다.
2차 가열장치(40b)에 유입된 초순수는 2차 가열되고, 2차 가열장치(40b)의 토출구(25b)와 3차 가열장치(40c)의 유입구(24c)를 통해 3차 가열장치(40c)에 유입된다.
이하 마찬가지로 3차 가열장치(40c)를 거쳐 4차 가열장치(40d)에 초순수가 유입되어 4차 가열된다. 4차 가열된 초순수는 4차 가열장치(40d)의 토출구(25d)로 토출되어 순환/토출 선택밸브(44)의 상태에 따라 순환 또는 토출된다.
순환/토출 선택밸브(44)가 순환상태로 되어 있으면 4차 가열장치(40d)의 토출구(25d)와 순환관(43)이 연결되어 토출구(25d)에서 토출된 초순수는 순환관(43)을 따라 순환/유입 선택밸브(42)로 송출된다. 순환/유입 선택밸브(42)가 순환상태로 되어 있으면 순환관(43)과 1차 가열장치(40a)의 유입구(24a)가 연결된다.
따라서, 4차 가열장치(40d)의 토출구(25d)에서 토출된 초순수는 순환관(43)을 따라 1차 가열장치(40a)의 유입구(24a)로 유입되어 순환하게 된다. 이와 같이 초순수 유입구(41)로부터 유입된 초순수(30)는 4개의 가열장치에 의해 연속적인 가열이 이루어져서 초순수 토출구(45)로 토출되어진다.
한편, 상기 다수의 가열장치는 직렬로 연결되어서, 초순수가 그 가열장치들을 순차적으로 통과하면서 다단계로 가열됨으로써 가열온도를 조절할 수 있으며, 또한 병렬로 연결되어서, 초순수가 그 가열장치들에 각각 유입되어서 가열되고, 1개의 토출구로 모여 토출되도록 함으로써 초순수의 양을 조절할 수 있음을 밝혀 두며, 도시하지는 않았으나 강제순환모터를 순환관(43)의 중간에 장착시켜 강제 순환시킴으로써 초순수의 순환속도를 조절할 수도 있음을 밝혀 둔다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 반도체의 세정에 사용되는 초순수를 원하는 온도로 가열할 수 있으며, 마이크로파에 의해 초순수 내부의 박테리아를 멸균 및 번식을 억제할 수 있고, 다수의 가열장치를 직렬 또는 병렬로 연결함으로써 가열되는 초순수의 가열온도 또는 양을 조절할 수 있다.

Claims (10)

  1. 마이크로파를 발생시키는 1쌍의 마그네트론(11a)(11b)과; 초순수(30)가 유입되어 가열되는 동안 저장되고 배출되는 물탱크(20)와; 상기 물탱크(20)를 사이에 두고 서로 반대편에 설치되고, 상기 1쌍의 마그네트론(11a)(11b)에서 발생된 마이크로파를 전파시키는 1쌍의 도파관(13a)(13b)과; 상기 물탱크(20)를 종방향으로 관통하여 설치되며 그 양단부가 1쌍의 도파관(13a)(13b)에 돌출되고, 상기 물탱크 (20)를 관통하는 부분은 석영으로 싸여 있고, 상기 1쌍의 도파관(13a)(13b)에 돌출되어 있는 양단부는 나선상태인 가열 안테나(21);로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 초순수 가열장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 마이크로파를 발생시키는 1쌍의 마그네트론(11a)(11b)과; 초순수(30)가 유입되어 가열되는 동안 저장되고 배출되는 물탱크(20)와; 상기 물탱크(20)를 사이에 두고 서로 반대편에 설치되고, 상기 1쌍의 마그네트론(11a)(11b)에서 발생된 마이크로파를 전파시키는 1쌍의 도파관(13a)(13b)과; 상기 물탱크(20)를 종방향으로 관통하여 설치되며 그 양단부가 1쌍의 도파관(13a)(13b)에 돌출되고, 상기 물탱크 (20)를 관통하는 부분은 석영으로 싸여 있고, 상기 1쌍의 도파관(13a)(13b)에 돌출되어 있는 양단부는 나선상태인 가열 안테나(21);로 각각 구성되는 다수의 가열장치가 앞단의 가열장치의 토출구와 다음단 가열장치의 유입구가 연결되어 있어서 앞단의 가열장치에서 가열된 초순수가 토출되어 다음단 가열장치의 유입구로 유입되어 다수의 단계로 가열되고,
    상기 다수의 가열장치 중 마지막 단 가열장치의 토출구(25d)에 설치되는 순환/토출 선택밸브(44)와;
    상기 순환/토출 선택밸브(44)와 상기 다수의 가열장치 중 첫째 단 가열장치의 유입구(24a)를 연결하는 순환관(43)과;
    상기 순환관(43)과 상기 첫째 가열장치의 유입구 사이에 설치되는 순환/유입 선택밸브(42)로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 초순수 가열장치.
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