KR100461046B1 - 미세관을 이용한 반도체 웨이퍼 냉각방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼의 냉각 방법 및 이를 진행하는 냉각장치에 관한 것으로 냉각을 위한 금속 재질의 상판(도1)에 다수의 채널(도3)을 만들어서 적당한 작동유체를 선택하여 유입 압력만을 제어해 줌으로써 주울-톰슨 효과를 이용하여 저온을 가지는 유체를 만들어 흘려주어서 상판(도1)을 빠른 시간 안에 일정한 온도로 균일하게 냉각하는 장치이다.

Description

미세관을 이용한 반도체 웨이퍼 냉각방법 및 이를 위한 장치{Cooling method and device of semi-conductive wafer using micro-channel}

본 발명은 냉각 시 빠른 시간 내에 반도체 웨이퍼의 온도 균일성이 유지되도록 냉각하여 반도체 소자의 수율을 높일 수 있는 반도체 웨이퍼의 냉각 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자는 이온 주입공정, 막 증착공정, 확산공정, 사진공정, 식각공정 등과 같은 다수의 공정들을 거쳐 제조된다. 이러한 공정들 중에서 원하는 패턴을 형성하기 위한 사진공정은 반도체 소자 제조에 필수적이다.

사진공정은 식각이나 이온 주입이 될 부위와 보호될 부위를 선택적으로 정의하기 위해 마스크나 레티클의 패턴을 웨이퍼 위에 만드는 것으로 크게, 웨이퍼 상에 포토레지스트를 떨어뜨린 후 고속으로 회전시켜 웨이퍼 위에 원하는 두께로 입히는 도포공정, 포토레지스트가 도포된 웨이퍼와 정해진 마스크를 서로 정렬시킨 후 자외선과 같은 빛이 상기 마스크를 통하여 웨이퍼 상의 포토레지스트에 조사되도록 하여 마스크 또는 레티클의 패턴을 웨이퍼에 옮기는 노광공정 및 상기 노광공정이 완료된 웨이퍼의 포토레지스트를 현상하여 원하는 포토레지스트 패턴을 형성하는 현상공정으로 이루어진다. 이와 같은 많은 반도체 공정에서 웨이퍼를 급속히 냉각시키는 것이 필요하며, 이러한 냉각공정은 웨이퍼 및 상판의 온도 균일도를 유지하면서 빠른 시간 내에 원하는 온도로 냉각시키는 것이다.

현재 사용되는 제1 종래의 냉각 장치(cooling system)로서 서모 모듈(thermo-module)과 물 재킷(water jacket)을 사용하여 수행하는 장치의 경우, 유한한 개수를 사용하는 서모 모듈의 패턴에 따라서 냉각 시 온도분포의 균일도가 낮고 냉각시간도 길다. 또한 서모 모듈의 전원공급장치, 물 재킷 및 항온조 등 많은 부대장치가 필요하다.

다른 한편, 제2 종래의 냉각 장치인 보텍스 튜브(vortex tube)를 사용하는공기유로 냉각방법은, 냉각성능이 낮기 때문에 냉각시간이 매우 길다.

따라서 반도체 소자의 수율을 높이기 위하여 높은 상판 및 웨이퍼의 온도 균일도를 가지면서 빠른 시간 내에 원하는 온도로 냉각시킬 수 있는 장치가 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 도출된 것으로서 웨이퍼의 냉각 시 냉각시간이 기존 방식보다 짧고, 균일한 온도를 가지면서 진행되도록 하는 장치를 제공하는 점에 그 목적이 있다.

본 발명의 추가의 목적이나 효과는, 첨부한 도면을 참고하여 기술한 이하의 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 관한 웨이퍼 냉각장치를 설명하기 위한 도면이고,

도 2a 내지 도 2c는 냉각을 위한 상판 및 덮개판의 구성을 보여주는 도면이고,

도 3은 상판에 위치한 미세관의 형상 및 패턴을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1... 냉각판 4... 압력 조절장치

1a... 미세 냉각유로를 가지는 상판 5... 작동유체 저장탱크

1b... 냉각유로를 덮어주는 덮개판 W... 웨이퍼

2... 작동유체 공급관 P... 지지핀

3... 작동유체 배출관

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 웨이퍼 냉각장치는, 냉각을 위한 작동유체를 공급하는 작동유체 공급관(2), 작동유체가 배출되는 작동유체 배출관(3) 및 냉각판(1)을 포함하며, 상기 냉각판(1)은, 냉각을 위한 작동유체가 지나는 미세유로를 포함하는 상판(1a) 및 작동유체가 누설이 없도록 상기 상판을 덮어주고 상기 공급관(2) 및 배출관(3)이 연결되는 홀을 갖는 덮개판(1b)으로 이루어지며, 상기 미세유로 및 덮개판으로 이루어지는 미세관을 흐르는 작동유체에 의해 상기 냉각판을 냉각하여 이루어지되, 상기 미세관은 1 mm 이하의 직경이고 상기 냉각을 위한 작동유체가 지나며 주울-톰슨 효과를 일으키는 다수의 미세관으로 구성되며, 상기 작동유체가 상기 미세관을 흐름에 의해 주울-톰슨 효과에 의해 상기 냉각판을 냉각하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 다른 실시예의 반도체 웨이퍼 냉각장치는, 냉각을 위한 작동유체를 공급하는 작동유체 공급관(2); 작동유체가 배출되는 작동유체 배출관(3);및 상기 작동유체 공급관(2) 및 작동유체 배출관(3)과 연결되며, 냉각을 위한 작동유체가 지나며 주울-톰슨 효과를 일으키는 다수의 미세관을 내부에 갖는 냉각판(1)을 포함하며, 상기 작동유체가 미세관을 흐름에 의해 주울-톰슨 효과에 의해 상기 냉각판을 냉각하여 이루어진다.

바람직하게, 상기 미세관은 1 mm 이하의 다수의 미세관으로 구성되는 것이 좋다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 반도체 웨이퍼 냉각방법은, 냉각을 위한 작동유체를 공급하는 작동유체 공급관(2), 작동유체가 배출되는 작동유체 배출관(3) 및 냉각판(1)을 포함하며, 고압의 작동유체를 상기 공급관(2)을 통해 공급하고 1차 단열팽창시켜서 온도를 낮추는 작동유체 주입단계: 주입된 작동유체를 단열팽창시켜서 상기 미세관을 순환하도록 하여 단시간 안에 상기 냉각판(1)을 저온으로 강하시키는 팽창단계: 및 냉각에 사용된 작동유체를 상기 배출관(3)을 통해 외부로 배출 및 회수하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 최적 실시예에 관한 미세관을 이용한 반도체 웨이퍼 냉각방법 및 이를 위한 장치를 상세히 설명한다.

본 발명에 관한 장치는, 도 1에서 보는 바와 같이, 작동유체 저장탱크(5), 작동유체 압력조절장치(4), 작동유체 공급관(2), 작동유체 배출관(3), 냉각판(1)으로 구성된다. 냉각판(1)은 지지핀(P)에 의해 웨이퍼(W)에 지지된다.

냉각판(1)은, 도 2a 내지 도 2c에서 보듯이, 냉각을 위한 작동유체가 지나는 미세유로(도3 참조)를 포함하는 상판(1a), 작동유체가 누설이 없도록 상판을 덮어주고 작동유체가 공급되는 공급관(2)이 연결되는 중앙홀과 작동유체가 배출되는 배출관(3)이 연결되는 다수의 주변홀을 갖는 덮개판(1b)으로 이루어진다. 도 2a 내지 도 2c에서, 화살표 방향으로 유체가 공급 및 배출된다.

또한, 상판(1a)의 미세유로는 여러 가지 다양한 형상 및 모양으로 구성될 수 있는 바, 도 3에는 상판의 저면도의 실시예가 도시되어 있다. 역시 화살표 방향으로 작동유체가 흐르게 되면서, 상판을 골고루 냉각시키게 된다.

도 3의 (b) 및 (c)에서는 상판(1a)의 바깥쪽으로 갈수록 채널의 폭이 일정하게 점점 좁아지도록 구성되어, 균일성을 더욱 높이게 된다.

여기서 압력조절장치(4)는 온도조절을 위하여 작동유체를 팽창시키는 압력을 일정한 고압으로 유지시키는 것이 중요한 바, 압력조절장치(4)가 구비되는 것이 더욱 바람직하다.

또한 고압에서 작동하기 때문에 작동유체가 상판(1a)과 덮개판(1b)사이에서 유출되는 것을 막기 위한 정밀한 가공 및 용접(brazing)이 필요하고, 상판의 채널 내에 적당한 다단의 팽창 단계를 구성하여 상판이 적정의 온도 균일도로 냉각 될 수 있도록 하는 것이 더욱 바람직하다.

작동유체의 분출 압력은 냉각온도 및 냉각시간을 고려하여 압력 조절장치(4)를 제어하여 작동유체 저장탱크로부터 공급받게 된다.

저장탱크에서 나오는 작동유체는 압력 레귤레이터(4)에 의해 제어되고 유체공급관(2)을 통해 냉각판(1)으로 공급되며, 이후에 상판(1a) 내부에 있는 미세유로 및 덮개판(1b)으로 이루어지는 미세관 내에서 팽창되어 상판(1a)을 냉각시키고 사용된(가열된) 유체는 배출관(3)을 통해 배출된다. 상기 미세관은 주울-톰슨 효과를 일으킬 수 있도록 1 mm 이하인 것이 좋다.

팽창과정에서 작동유체의 온도강하는 단시간에 저온의 일정한 온도에 도달하고 일정한 압력차에서 이 온도를 유지하기 때문에 상판(1a)을 원하는 온도로 냉각시킬 수 있으며, 작동유체를 팽창시키는 정도에 따라서 높은 온도 균일도를 유지하면서 일정한 온도로 만들어 줄 수 있다.

본 발명의 냉각장치의 가장 큰 장점이고 할 수 있는 것은, 서모 모듈과 같은 전자장치나 물 재킷의 물 순환 시 발생하는 기계적 소음이나 진동이 적고 따라서 반영구적이며 일정한 온도로 빠르게 냉각할 수 있다는 점이다.

또한 작동이 간단하기 때문에 기존에 서모 모듈과 물 재킷을 이용해 왔던 복잡한 제어가 필요 없고 단지 압력차 제어를 통한 유량만을 조절해 주면 된다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 미세관을 이용한 반도체 웨이퍼 냉각방법은, 이상의 냉각을 위한 고압의 작동유체를 상기 공급관(2)을 통해 냉각판(1)으로 공급하고 1차 단열팽창시켜서 온도를 낮추는 작동유체 주입단계와, 주입된 작동유체를 단열팽창시켜서 상기 미세관을 순환하도록 하여 단시간 안에 상기 냉각판(1)을 저온으로 강하시키는 팽창단계, 및 냉각에 사용된 작동유체를 상기 배출관(3)을 통해 외부로 배출 및 회수하는 단계로 이루어진다.

이상 본 발명을 첨부도면에 도시된 실시예들을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 당업자가 용이하게 생각해 낼 수 있는 범위내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 한계는 다음의 특허청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.

이전의 서모 모듈과 물 재킷을 이용한 웨이퍼 냉각장치는 상판에 부착하여 설치되는 여러 개의 서모 모듈을 균일한 온도분포를 얻기 위하여 각각을 제어하여 냉각하는 방식이었고, 따라서 이를 위한 제어 또한 복잡하였고 각각의 서모 모듈의 성능 및 유한한 배열분포에 따라서 온도가 불균일 해지고 수명 또한 중요한 변수가 되었다.

이를 보완하기 위해서 간단하며 반영구적이고 아주 높은 온도 균일도를 가지고 빠르게 냉각시킬 수 있는 냉각 장치를 구성했다. 또한 작동이 단순하기 때문에 제어장치는 압력만을 제어하여 주면 되어서 기존의 방식보다 훨씬 용이하다.

이상에서의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 미세관을 이용한 반도체 웨이퍼의 냉각 방법 및 이를 위한 냉각장치는 기존에 사용해 왔던 서모 모듈과 물 재킷보다 더 빠르고 간단하게 웨이퍼를 냉각하고, 높은 온도균일성이 유지되도록 하여 반도체 소자의 수율을 높일 수 있는 점에 그 장점이 있다.

Claims (4)

1. 반도체 웨이퍼 냉각장치에 있어서,

   냉각을 위한 작동유체를 공급하는 작동유체 공급관(2), 작동유체가 배출되는 작동유체 배출관(3) 및 냉각판(1)을 포함하며,

   상기 냉각판(1)은, 냉각을 위한 작동유체가 지나는 미세유로를 포함하는 상판(1a) 및 작동유체가 누설이 없도록 상기 상판을 덮어주고 상기 공급관(2) 및 배출관(3)이 연결되는 홀을 갖는 덮개판(1b)으로 이루어지며,

   상기 미세유로 및 덮개판으로 이루어지는 미세관을 흐르는 작동유체에 의해 상기 냉각판을 냉각하여 이루어지되,

   상기 미세관은 1 mm 이하의 직경이고 상기 냉각을 위한 작동유체가 지나며 주울-톰슨 효과를 일으키는 다수의 미세관으로 구성되며,

   상기 작동유체가 상기 미세관을 흐름에 의해 주울-톰슨 효과에 의해 상기 냉각판을 냉각하여 이루어지는 미세관을 이용한 반도체 웨이퍼 냉각장치.
2. 반도체 웨이퍼 냉각장치에 있어서,

   냉각을 위한 작동유체를 공급하는 작동유체 공급관(2);

   작동유체가 배출되는 작동유체 배출관(3); 및

   상기 작동유체 공급관(2) 및 작동유체 배출관(3)과 연결되며,

   냉각을 위한 작동유체가 지나며 주울-톰슨 효과를 일으키는 다수의 미세관을 내부에 갖는 냉각판(1)을 포함하며,

   상기 작동유체가 미세관을 흐름에 의해 주울-톰슨 효과에 의해 상기 냉각판을 냉각하여 이루어지는 미세관을 이용한 반도체 웨이퍼 냉각장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 미세관은 1 mm 이하의 직경의 다수의 미세관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 냉각을 위한 작동유체를 공급하는 작동유체 공급관(2), 작동유체가 배출되는 작동유체 배출관(3) 및 냉각판(1)을 포함하는 미세관을 이용한 반도체 웨이퍼 냉각방법으로서,

   고압의 작동유체를 상기 공급관(2)을 통해 공급하고 1차 단열팽창시켜서 온도를 낮추는 작동유체 주입단계:

   주입된 작동유체를 단열팽창시켜서 상기 미세관을 순환하도록 하여 단시간 안에 상기 냉각판(1)을 저온으로 강하시키는 팽창단계: 및

   냉각에 사용된 작동유체를 상기 배출관(3)을 통해 외부로 배출 및 회수하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세관을 이용한 반도체 웨이퍼 냉각방법.