KR100517418B1 - 냉각 장치를 구비한 노 및 그 노의 냉각 방법 - Google Patents

Abstract

노를 냉각하는 방법으로서, 이 노는 특히 신속하고 효과적으로 냉각시킬 수 있도록 설계되었다. 본 발명에 따르면, 냉각 가스의 유동 방향을 주기적으로 역전시키는 것이 제안되어 있으며, 상기 냉각 가스는 노의 외부 경계부를 따라 이동한다. 또한, 열교환기가 그 내부에 배치되어 있는 폐회로에서 상기 가스에 의해 흡수된 열을 방출하고, 동일한 냉각 가스를 재사용하는 것이 제안되어 있다.

Description

냉각 장치를 구비한 노 및 그 노의 냉각 방법{METHOD FOR COOLING A FURNACE, AND FURNACE PROVIDED WITH A COOLING DEVICE}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 방법에 관한 것이다.

이러한 유형의 방법은 미국 특허 제4,925,388호에 공지되어 있는데, 이 특허에는 냉각을 목적으로 가스가 상측 또는 하측으로부터 노를 통과하게 안내되는 노(爐)가 개시되어 있다. 가스의 유동 방향은 번갈아 전환되며, 이러한 교호(交互) 운동은 복수 개의 밸브에 의해 제어된다. 가스는 가열 요소와 코어 튜브 사이의 공간에서 그리고 가열 요소와 이 가열 요소로부터 소정 거리에 배치된 단열체 사이의 공간에서 이동한다. 냉매로서 사용되는 공기 또는 다른 가스가 팬을 통해 배출된다.

그러한 가스를 비교적 대형 설비의 배출 시스템 내로 배출하게 되면 많은 문제점이 수반된다는 것을 알 수 있는데, 그 이유는 그러한 가스는 당연히 고온이어서 상기 유형의 배출 시스템은, 특히 플라스틱제 부품으로 제조된 경우에는 손상을 받을 수 있기 때문이다. 또한, 유해 물질이 가스 내에 존재할 수 있다.미국 특허 제5,249,960호에는 연속적인 공기의 유동이 라이너와 단열체 사이의 공간 내에 강제 공급되는 노가 개시되어 있다. 이러한 공기는 공통의 덕트를 통해 배출된다. 공기는 배출되기 전에 열교환기를 통해 냉각된다. 미국 특허 제4,504,439호에는 가스가 폐루프(closed loop)를 통해 가스-가스 열교환기의 추가 가스에 의해 냉각되는 가스 냉각식 원자로 설비가 개시되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방법의 원리 및 장치의 개략도이고,

도 2는 종래의 노에 있어서, 다수 개의 웨이퍼의 냉각 중 온도 곡선을 보여주며,

도 3은 본 발명에 따른 노에 있어서, 급속 냉각 중 여러 레벨에서의 온도 곡선을 보여준다.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 회피하며, 한편으로는 신속하고 균일한 냉각을 가능하게 하고, 다른 한편으로는 가스 배출 시스템에 부하가 추가적으로 걸리지 않게 하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1에 기재된 특징부에 의해 달성된다.

원칙적으로, 단지 열교환기를 통해서 가스를 배출하고, 이 가스를 가스 배출 시스템 내로 안내할 수 있으며, 즉 청구항 1에 기술된 방법과는 달리, 폐회로를 사용하지 않고도 가능하다. 그러나, 이것의 결점은 추가 가스를 지속적으로 도입할 필요가 있다는 것이며, 공기의 경우에 이 추가 가스는 일반적으로 클린룸으로부터 나오는, 즉 매우 정화된 것이다. 그 결과, 매우 큰 공기 청정용 설비와, 이와 관련된 모든 비용이 필요하게 된다. 또한, 공기를 주기적으로 클린룸으로부터 인출 또는 클린룸 내로 도입하는 것은 바람직하지 못하다.

본 발명에 따라서, 열교환기를 구비한 폐회로 내로 가스를 안내하면, 공기 등의 신선한 가스를 지속적으로 공급할 필요가 없다. 또한, 그 결과 질소 등의 보다 특정한 특성을 갖는 가스를 사용할 수 있다. 이는 기본적으로 가스의 손실이 없고, 그 결과 질소 또는 그 밖의 가스의 여분 비용이 정당화될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 시간당 웨이퍼 처리수가 많아지게 하며, 각 웨이퍼에 가해지는 열부하도 감소시킨다. 또한, 다양한 웨이퍼의 처리가 더욱 균일해진다.

소정 주기로 냉각 가스의 유동 방향을 번갈아 전환시킴으로써, 노를 가로지르는 온도 구배를 가능한 한 제한할 수 있다는 것을 알았다. 이제는 가장 온도가 높은 부분이 노의 중앙에 위치한다는 것이 이해될 것이다. 또한, 냉각 속도도 종래 기술에 따른 설계에 비해, 상당히 증대될 수 있다는 것을 알았다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가스 유동의 역전(逆轉) 주기는 2 내지 600초이고, 특히 5 내지 60초이다. 역전 주기는 10 내지 20초인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 노를 포함하는 노 조립체에 관한 것으로, 상기 노는 노의 경계벽을 냉각시키기 위해 가스를 사용하는 냉각 장치를 구비하고, 상기 경계벽의 영역에 가스가 존재하도록 냉각 챔버가 마련되며, 이 냉각 챔버의 양 측부는 밸브가 마련된 라인에 대해 개방되며, 상기 밸브는 가스를 상기 경계벽을 따라 일방향으로, 그 다음에는 상기 경계벽을 따라 반대 방향으로 교대로 이동시키기 위하여 전환 밸브를 구비하며, 이 전환 밸브는 액체-가스 열교환기가 배치된 폐회로에 연결된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가스의 공급/배출부는 노 조립체의 외부 케이싱에 배치되고, 즉 가스의 공급/배출은 벽을 통해 이루어지며, 베이스 또는 커버 등의 단부 폐쇄물을 통해서 이루어지지는 않는다. 이로써, 보다 균일한 유동 분포가 얻어지게 된다. 이것은 가열 요소와 코어 튜브 사이의 간극에서 가스의 이동을 제어하기가 매우 어렵기 때문이다. 그러나, 이러한 제어는 충분한 균일성이 보장되는 경우 중요하다. 상기 유동 분포는 노벽의 원주를 따라서 링형 또는 다른 규칙적인 곡선형으로 배치된 다수 개의 개구부를 통해 가스를 도입 및 배출함으로써 더욱 촉진될 수 있다. 이들 개구부는 가스 유동에 대한 제한부를 형성하며, 실제로 국부적으로 가스 유동을 정량화(定量化)한다. 이들 개구부를 벽을 따라 규칙적으로 분포시킴으로써, 가스 유동의 균일한 분포를 보장할 수 있으며, 따라서 열의 소산(消散)까지도 보장할 수 있다.

자연 대류가 배제된다면, 각 전환 밸브를 단일 또는 이중 밸브로서 설계할 수 있다.

본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 이하에 더 상세하게 설명하기로 한다.

전체를 참조 부호 1로 나타낸 본 발명에 따른 처리로(treatment furnace)는 개략적으로 나타낸 처리실 내에 배치되어 있다. 이러한 노는, 예컨대 단열재로 제조되고 가열 요소(9)를 지지하는 외부 케이싱(7)을 구비한다. 개략적으로 나타낸 가열 요소(9)로부터 소정 거리 떨어진 지점에는, 예컨대 석영재(quartz material) 또는 탄화 규소로 제조되어 경계벽(19)을 이루는 코어 튜브(5)가 배치되며, 이 코어 튜브는 웨이퍼(21∼25)가 설치되는 보트(20)(boat)를 수용할 수 있다. 참조 부호 18은 코어 튜브의 상부 커버를 나타낸다. 웨이퍼 랙을 구비한 보트(20)는 커버(15)에 의해 지지되며, 이 커버는 개략적으로 나타낸 방식으로 상하로 이동되어 보트(20)를 코어 튜브(5)로부터 제거할 수 있다. 가열 요소(9)와 코어 튜브(5) 사이에는 간극 형태의 가스 냉각 챔버(6)가 배치되며, 이 간극을 통해 질소 등의 냉각 가스가 이동될 수 있다. 외부 케이싱(7)에는 대략 16개의 개구부(16, 17)가 2열로 각각 배열되어 있다. 이들 개구부에는 밸브(12, 13, 10, 11)에 각각 연결되어 있는 라인(3, 8)이 연결되어 있다. 또한, 이들 밸브는 가스-액체 열교환기(4)와 팬(2)에 연결되어 있다.

전술한 구조는 다음과 같이 작동한다. 처리된 웨이퍼의 냉각 중에, 제1 작동 조건에서, 라인(8)으로부터 나오는 냉각 가스는 개구부(17)를 통해 코어 튜브(5)와 가열 요소(9) 사이의 가스 냉각 챔버(6)로 도입된다. 이러한 가스는 도시된 화살표 방향으로 하향 이동하며, 가열된 상태로 16 위치에서 노로부터 나온 후에 파이프(3)와 밸브(12)를 통해 열교환기(4)로 안내된다. 냉각된 후에 가스는 팬(2)을 통과하여 밸브(11)를 향해 안내된 다음에, 라인(8)으로 되돌아오고, 그 다음에 처리로로 되돌아온다.

소정 시간(통상적으로 20초) 후에, 유동 방향은 밸브를 전환함으로써, 즉 밸브(11, 12)를 폐쇄하고 밸브(10, 13)를 개방함으로써 역전된다. 이것은 냉각 가스가 라인(3)과 개구부(16)로부터 개구부(17)와 라인(8)을 향해 이동하는 것을 의미한다. 라인(8)으로부터 가스는 밸브(10)를 통과하여 열교환기(4)를 향하고, 팬(2)과 밸브(13)를 통해 라인(3)으로 되돌아온다.

밸브(10, 11, 12, 13)가 폐쇄되면, 종래 기술과 같은 설계가 된다. 도 2는 그러한 경우의 웨이퍼(21∼25)에 대한 대표적인 냉각 속도를 나타낸다.

배출 가스는 노의 온도에 따라 고온 또는 저온으로 있게 된다. 예로서, 300 내지 400℃의 배출 가스를 설명한다. 이러한 가스가 종래의 유출 시스템을 통해 배출된다면, 이것은 2가지 문제점을 초래한다. 첫째, 석면과 같은 입자 등의 저레벨의 오염 물질 또는 누설 가스가 존재하게 될 수 있다. 둘째, 온도가 상승하면 대개 배출 시스템에 허용량을 초과하는 부하가 걸리게 된다. 이는, 특히 배출 시스템이 플라스틱 부품 등과 같이 고온에 견딜 수 없는 부품을 포함하는 경우에 그러하다. 그러한 경우에, 이러한 유형의 배출 장치는 냉각을 행하도록 설계되어 있으며, 그 결과 여분의 차가운 공기가 사용된다. 이는 배출 시스템이 이와 같이 노를 급속히 냉각시키기에 충분한 용량을 갖도록 더욱 확대되어야만 한다는 것을 의미한다.

이러한 문제점을 회피하기 위하여, 생산 설비의 액체 냉각 시스템에 연결되어 있는 열교환기(4)를 사용하는 것이 현재 제안되어 있다. 일반적으로, 결과로서 얻어지는 열은 유익한 용도로 사용될 수 있다. 또한, 고가의 가스를 냉각 회로에 사용할 수 있는데, 그 이유는 그러한 가스의 소모가 없기 때문이다.

벽에 개구부(16, 17)를 직렬로 배치하고, 냉각 가스 또는 공기를 이들 개구부를 통해 도입함으로써, 유동 분포를 최적화할 수 있다. 여기에서는 개구부(16, 17)의 직경이 통과 유량을 결정한다고, 즉 가스 냉각 챔버(6)에서의 유동 저항이 이들 개구부(16, 17)를 통과하는 유동 저항보다 더 작다고 추정한다. 종래 기술에 따른 설계에 있어서, 가스는 상측 또는 하측으로부터 단순히 도입되므로, 가스 냉각 챔버(6) 전체에 냉매를 정확히 분포하는 것을 보장하기는 불가능하며, 그 결과 온도 분포가 균일하지 않았다.

도 3은 가스 유동이 본 발명에 따라 20초마다 역전되는 경우의 동일 웨이퍼의 냉각 속도를 보여준다.

도 2와 도 3을 비교하면는, 첫째로 냉각 속도가 수 배 증가되어, 노 내에서의 잔류 시간과 웨이퍼의 온도가 고온하에 있는 시간이 상당히 감소된다는 것을 보여준다. 또한, 웨이퍼(21, 25) 사이의 온도 폭(temperature spread)이 상당히 제한되어, 처리 조건이 보다 일정하게 되는 것을 보장할 수 있음이 명백하다.

비록 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 다양한 변형이 이러한 바람직한 실시예에 대해 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예컨대, 가스 흡입구와 가스 배출구를 노의 높이에 걸쳐 다른 위치에 배치하거나, 또는 상부 커버에 개구가 형성될 수도 있다.

상기 및 상기 설명을 읽고 난 당업자에게 자명한 다른 변형물은 첨부된 청구항의 범위 내에 있다.

Claims (11)

1. 긴 경계벽을 갖는 노와 같은 장치를 냉각하는 방법으로서, 상기 경계벽(19)을 따라 냉각 가스를 안내하는 단계를 포함하고, 상기 가스는 상기 경계벽의 일단부의 영역에서 공급되고 타단부의 영역에서 배출되며, 상기 냉각 가스의 유동 방향은 냉각 중에 주기적으로 역전되고, 냉각 가스는 기본적으로 폐회로를 따라 안내되며, 여기에서 가열된 가스는 액체-가스 열교환기(4)를 통해 냉각되는 것을 특징으로 하는 노의 냉각 방법.
2. 제1항에 있어서, 역전 주기는 2 내지 600초인 노의 냉각 방법.
3. 제2항에 있어서, 역전 주기는 5 내지 60초인 노의 냉각 방법.
4. 제3항에 있어서, 역전 주기는 10 내지 20초인 노의 냉각 방법.
5. 삭제
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스는 정량식으로 상기 경계벽을 통해 공급/배출되는 것인 노의 냉각 방법.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스는 질소를 포함하는 것인 노의 냉각 방법.
8. 노(1)를 포함하는 노 조립체로서, 상기 노는 노의 경계벽(19)을 냉각시키기 위해 가스를 사용하는 냉각 장치를 구비하며, 상기 경계벽(19)의 영역는 가스 냉각 챔버(6)가 있고, 이 냉각 챔버의 양 측부는 밸브(10∼13)가 마련된 라인에 대해 개방되며, 상기 밸브(10∼13)는 가스를 상기 경계벽을 따라 일방향으로, 그 다음에는 상기 경계벽을 따라 반대 방향으로 교대로 이동시키기 위하여 전환 밸브를 구비하며, 상기 전환 밸브는 액체-가스 열교환기(4)가 배치된 폐회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 노 조립체.
9. 제8항에 있어서, 상기 가스의 공급/배출부는 상기 노 조립체의 외부 케이싱(7)에 배치되는 것인 노 조립체.
10. 제9항에 있어서, 상기 공급/배출부는 원주를 따라 배치된 일련의 개구부를 포함하는 것인 노 조립체.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환기(4)의 하류에 팬(2)이 배치되는 것인 노 조립체.