KR101575505B1 - 공정온도 조절 장치 - Google Patents

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KR101575505B1 KR1020140091631A KR20140091631A KR101575505B1 KR 101575505 B1 KR101575505 B1 KR 101575505B1 KR 1020140091631 A KR1020140091631 A KR 1020140091631A KR 20140091631 A KR20140091631 A KR 20140091631A KR 101575505 B1 KR101575505 B1 KR 101575505B1
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이찬우
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Abstract

개시된 본 발명은 정전척(10) 내부의 공정온도를 저온의 제1 온도와 고온의 제2 온도로 유지 및 전환시키기 위한 공정온도 조절 장치에 관한 것으로써, 정전척을 순환하는 냉매를 저장하기 위한 저장탱크(110), 저장탱크(110)에서 공급되는 냉매를 가열하기 위한 히터 유닛(150), 저장탱크(110)에서 공급되는 냉매를 냉각하기 위한 열전 유닛(170), 저장탱크(110)의 냉매를 상기 히터 유닛(150) 및 열전 유닛(170)을 거쳐 정전척(10)으로 유입되도록 순환시키는 펌프(130), 히터 유닛(150) 및 열전 유닛(170)의 전단에 설치되어 냉매를 히터 유닛(150) 또는 열전 유닛(170)으로 유량을 조절하여 공급하도록 하는 삼방 밸브(160), 및 히터 유닛(150)과 열전 유닛(170)의 출력을 제어하고 또한 삼방 밸브(160)의 개폐량을 제어하여, 히터 유닛(150)과 열전 유닛(170)을 거쳐 정전척(10)으로 유입되는 냉매의 온도를 조절하는 콘트롤러를 포함한다.

Description

공정온도 조절 장치{Apparatus for controlling process temperature}
본 발명은 반도체 공정에서 정전척(ESC) 내의 공정온도 조절을 위한 장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 정전척 내의 공정온도를 저온에서 고온 또는 고온에서 저온으로 전환 및 유지하도록 하기 위한 공정온도 조절 장치에 관한 것이다.
반도체 공정에서 에칭(Etching) 공정은 산화 공정이나 박막 증착 공정의 결과로 형성된 층을 선택적으로 제거하는 공정이다. 에칭 공정은 상기 층 표면을 이온 충격에 의한 물리적 작용이나, 플라즈마 속에서 발생된 반응물질들의 화학작용 또는 물리-화학적 작용을 이용하는 것으로써, 에칭속도가 웨이퍼 상의 여러 지점에서 얼마나 동일한가(균일도)와 일정시간 동안 상기 층을 얼마만큼 제거할 수 있는지(에칭속도)가 전체적인 수율 향상을 위해 중요하게 여겨진다.
최근 반도체 공정에서는 회로의 고집적화를 위한 선폭이 미세화되고 또한 반도체 웨이퍼(wafer)가 대구경화 되어가는 추세에 따라 보다 많은 공정 변수들의 제어가 필요하게 되어, 이들을 효과적으로 제어하기 위한 많은 노력들이 이루어지고 있다.
정전척(Electrostatic Chuck:ESC)은 반도체 및 LCD 제조설비의 진공 챔버 내부에 기판이 놓이는 곳으로 정전기의 힘을 사용하여, 기판을 하부전극에 고정시켜주는 기능을 하게 되는데, 수율 향상을 위해 정전척 내의 온도를 잘 조절해야 한다. 한편 에칭공정에서 정전척 내의 공정온도를 저온에서 고온으로 또는 고온에서 저온오로 전환하거나, 전환된 상태에서 고온 또는 저온으로 유지하는 과정이 필요할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 반도체 설비의 정전척 내의 공정 온도를 조절하기 위한 온도 조절 장치를 나타낸 것으로써, 도 1은 온도 조절 장치가 적용되는 반도체 설비의 개략 구성도이고, 도 2는 온도 조절 장치의 상세 구성도이다.
도시된 바와 같이 반도체 메인 설비(20)에는 미도시된 챔버가 설치되고 챔버 내부에 정전척(10)이 구비된다. 온도 조절 장치는 에칭 공정에서 정전척(10) 내부의 공정온도를 저온의 제1 온도(예를 들어 대략 20℃)에서 고온의 제2 온도(예를 들어 대략 80℃) 또는 제2 온도에서 제1 온도로 순간 전환 및 유지하게 된다. 온도 조절 장치는 공정온도를 제1 온도로 유지하기 위한 제1 온도조절 유닛(30) 및 이를 제어하기 위한 제1 콘트롤러(39)와, 제2 온도로 유지하기 위한 제2 온도조절 유닛(50) 및 제2 콘트롤러(59)와, 냉매의 유로 경로상에 설치되며 제1 온도조절 유닛(30)과 제2 온도조절 유닛(50)을 거친 냉매의 경로를 조절하여 정전척(10)으로 공급하는 복수의 밸브를 구비하는 온도절환 밸브 유닛(70)을 포함한다.
제1 온도조절 유닛(30)은 냉매가 일시 저장되는 제1 저장탱크(32)와, 냉매를 일정 온도로 냉각시키는 열전모듈(36)과, 냉매를 순환시키는 제1 펌프(34)를 포함한다. 그리고 제2 온도조절 유닛(50)은 냉매가 일시 저장되는 제2 저장탱크(42)와, 냉매를 일정 온도로 가열시키는 히터모듈(46)과, 냉매를 순환시키는 제2 펌프(44)를 포함한다.
정전척 내의 공정온도를 제1 온도 또는 제2 온도로 유지하기 위한 온도절환 밸브 유닛(70)의 각 밸브의 동작상태는 하기 표 1와 같다.
밸브 상태
밸브 No. ① ② ③ ④ ⑤ ⑥
제1 공정온도 닫힘 열림 열림 닫힘 열림 닫힘
제2 공정온도 열림 닫힘 닫힘 열림 닫힘 열림
한편, 공정온도를 제1 온도에서 제2 온도로 전환하거나, 또는 제2 온도에서 제1 온도로 전환하는 경우 각 밸브의 개폐를 적절이 조절하도록 한다.
그런데 이와 같은 반도체 설비의 정전척 내의 공정 온도를 조절하기 위한 종래의 온도 조절 장치는 아래와 같은 문제점이 있다.
첫째, 반도체 메인 설비(20) 내에는 복수의 챔버가 설치되고 이 챔버 각각에 정전척이 설치되므로, 복수의 정전척(10)의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 장치 역시 복수 개가 필요하게 되는데, 이 경우 복수의 제1 온도조절 유닛(30) 및 제2 온도조절 유닛(50)이 설치되기 위해 매우 넓은 설치 면적을 요구하고, 또한 이들 온도조절 유닛과 정전척을 연결하며 냉매 순환 경로를 제공하는 매우 많은 수의 배관이 설치되어 배관 구조가 복잡하고 이 역시 넓은 설치면적을 요구하게 된다. 결국 부피가 커지고 설치비용 및 유지비용이 과다하게 드는 문제점이 있다.
둘째, 제1 온도조절 유닛(30)과 제2 온도조절 유닛(50)의 교차운전으로 냉매가 상대 온도조절 유닛으로 흘러들어감으로써, 냉매가 저장되는 각 저장탱크(32,42)에는 양압과 음압을 받는 구조가 되며 이때의 대략 3초의 절환지연이 발생하게 되는 문제점이 있다. 또한 압력변화에 의한 지속적인 스트레스로 인해 각 저장탱크(32,42)의 용접부위에는 크랙(crack)이 발생하게 되는 문제가 있다.
기존에는 이를 해결하기 위해, 제1, 제2 저장탱크(32,42) 각각의 벤트홀(vent hole)을 서로 연결하거나, 또는 보강재나 용접부의 강도를 증대하는 방식 등으로 제1, 제2 저장탱크(32,52) 간에 압력상쇄 구조를 같게 하였으나, 이와 같은 방식은 일시적인 문제 해결 방편이지 근본적인 문제를 해결하지는 못하게 된다.
셋째, 정전척(10) 내부의 냉매 퍼지(purge)를 위해 메인 설비 측에서 회수밸브를 닫는 조건으로 프로그램되어 있으며, 따라서 정전척(10)에 냉매를 공급하는 제1 온도조절 유닛(30) 및 제2 온도조절 유닛(50)의 공급 순간 압력이 7㎏f/㎠ 이상으로 상승될 수 있다. 순간 압력이 7㎏f/㎠ 이상이 되면 각각의 인버터(38,48)가 펌프(34,44)의 회전력을 낮추면서 순간 유량이 줄어들어 1GPM 이하의 유량이 측정되고, 이때 메인 설비의 콘트롤러는 각 온도조절 유닛(30,50)의 콘트롤러에 동작 중지(DOWN) 명령을 전송하게 되어 결국 각 온도조절 유닛의 동작이 정지하는 문제가 발생할 수 있게 된다.
즉 메인 설비(20) 측의 유량계 표시 값이 순간적으로 1GPM 이하 일 때 각 온도조절 유닛의 DOWN 명령을 전속하게 된다. 밸브 절환 시 고압 압력이 발생하는 것 때문에 현재 압력이 설정압력 이상으로 되는 경우 고가의 인버터를 사용하여 펌프 Hz를 낮추어 유량을 감소시킴으로써 현재 압력을 낮추고, 고압 압력이 해소되는 시간까지 시간지연을 둔 다음 다시 펌프 Hz를 높여 공정에서 사용하고자 하는 정상유량 범위로 복귀시키는 동작을 하게 된다.
기존에는 이를 해결하기 위해 각 인버터의 설정 압력을 15kgf/㎠로 변경하고, 고압 인식 범위가 높아짐에 따라 펌프의 유량 감소 기능을 억제하였으며 문제 없음을 확인하게 된다. 실제 고압 압력 발생시 알람을 인식하기 위해 지연시간을 7초로 설정하여, 밸브 절환시 순간 발생되는 고압 상황을 인식하지 않도록 프로그램을 개선하게 된다. 이렇게 지연시간 7초로 한 이유는 메인 설비(20)의 냉매 퍼지로 인한 회수밸브 닫힘 시간 3~4초에, 유량 1GPM 이하일때 온도 조절 유닛 재가동 지연시간 3초를 더한 것이다. 그러나, 이렇게 되면 DOWN 현상이 발생하지 않겠지만, 온도 조절 유닛의 정상 순환압력이 7kgf/㎠ 이하인데도 불구하고, 고압 15kgf/㎠ 이상 견딜 수 있는 부품을 사용해야 되는 문제점이 있으며, 또한 공정온도 변환으로 인해 부가적인 인버터펌프, 고압압력부품 사용 등 비용 손실이 크게 된다.
결국 기존 공정온도 조절 장치의 경우 부피가 커지고, 설치 및 유지 비용에 많이 들어, 결국 생산성이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로써, 구조를 콤팩트하게 구현할 수 있고 설치 및 유지 비용을 줄일 수 있도록 하는 공정온도 조절 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공정 온도 조절 장치는, 정전척(10) 내부의 공정온도를 제1 온도와 상기 제1온도보다 일정온도 높은 제2 온도로 유지 및 전환시키기 위한 공정온도 조절 장치에 관한 것으로써, 상기 정전척을 순환하는 냉매를 저장하기 위한 저장탱크(110); 상기 저장탱크(110)에서 공급되는 냉매를 가열하기 위한 히터 유닛(150); 상기 저장탱크(110)에서 공급되는 냉매를 냉각하기 위한 열전 유닛(170); 상기 저장탱크(110)의 냉매를 상기 히터 유닛(150) 및 열전 유닛(170)을 거쳐 정전척(10)으로 유입되도록 순환시키는 펌프(130); 상기 히터 유닛(150) 및 열전 유닛(170)의 전단에 설치되어, 냉매를 상기 히터 유닛(150) 또는 열전 유닛(170)으로 유량을 조절하여 공급하도록 하는 삼방 밸브(160); 및, 상기 히터 유닛(150)과 열전 유닛(170)의 출력을 제어하고 또한 상기 삼방 밸브(160)의 개폐량을 제어하여, 히터 유닛(150)과 열전 유닛(170)을 거쳐 상기 정전척(10)으로 유입되는 냉매의 온도를 조절하는 콘트롤러를 포함한다.
상기 정전척(10)을 빠져나와 상기 저장탱크(110)로 유입되는 냉매의 경로와, 상기 히터 유닛(150)과 열전 유닛(170)을 빠져나와 상기 정전척(10)으로 유입되는 냉매의 경로 사이에는, 압력상쇄를 위한 릴리프 밸브(180)가 연결된다.
상기 콘트롤러는 공정온도를 제1 온도에서 제2 온도로 전환하거나 또는 제2 온도에서 제1 온도로 전환하는 경우, 상기 냉매가 상기 히터 유닛(150) 또는 상기 열전 유닛(170)으로 모두 통과하도록 상기 삼방 밸브(160)를 제어하고,
공정온도를 제1 온도 또는 제2 온도로 유지하는 경우, 상기 냉매가 상기 히터 유닛(150)과 상기 열전 유닛(170)으로 일정량 나누어서 통과하도록 상기 삼방 밸브(160)를 제어하게 된다.
상기 히터 유닛(150)은, 상기 냉매가 순환하는 유로를 각각 구비하며, 서로 대면하도록 설치되는 제1 및 제2 열교환 블럭(151,153), 및 상기 제1 및 제2 열교환 블럭(151,153) 사이에 길이방향으로 복수개 배치되며 상기 제1 및 제2 열교환 블럭(151,153) 각각의 일측면과 접촉하도록 배치되는 질화규소 히터(155)를 포함한다.
상기 열전 유닛(170)은, 열전모듈(172)과, 상기 열전모듈(172)의 일측면에 부착되며 내부에 상기 냉매가 순환하는 유로를 구비하는 콜드싱크(174), 및 상기 열전모듈(172)의 타측면에 부착되며 내부에 방열수(PCW)가 순환하는 유로를 구비하는 핫싱크(178)를 포함한다.
본 발명에 의한 공정온도 조절 장치에 의하면, 한 개의 저장탱크, 펌프, 콘트롤러를 사용하고, 히터 유닛을 간접 가열 방식으로 적용하며, 히터 유닛과 열전 유닛에 유입되는 냉매의 유량을 조절함으로써, 정전척 내의 공정온도를 전환 및 유지하기 위해 전체적인 제어속도를 늦추지 않으면서, 구조를 콤팩트하게 구현할 수 있고 설치 및 유지 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 공정온도 조절 장치가 적용되는 반도체 메인 설비의 개략 구성도,
도 2는 도 1의 공정온도 조절 장치의 상세 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공정온도 조절 장치의 구성도,
도 4 및 도 5는 도 3의 공정온도 조절 장치에 적용되는 히터 유닛의 상세 사시도 및 분리 사시도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 공정온도 조절 장치와 종래의 공정온도 조절 장치의 온도 전환시의 도달시간 및 안정화시간을 비교하는 그래프이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다.
'제1', '제2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. '및/또는' 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, '전면', '후면', '상면', '하면' 등과 같은 도면에 보이는 것을 기준으로 기술된 상대적인 용어들은 '제1', '제2' 등과 같은 서수들로 대체될 수 있다. '제1', '제2' 등의 서수들에 있어서 그 순서는 언급된 순서나 임의로 정해진 것으로서, 필요에 따라 임의로 변경될 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 공정온도 조절 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면 공정온도 조절 장치는 정전척(10) 내부의 공정온도를 저온의 제1 온도와 고온의 제2온도로 유지시키고, 또한 제1 온도에서 제2 온도로 또는 제2 온도에서 제1 온도로 전환시키기 위한 것으로써, 저장탱크(110)와 히터 유닛(150)과 열전 유닛(170)과 펌프(130)와 삼방 밸브(160)와 릴리프 밸브(180) 및 콘트롤러를 포함한다.
저장탱크(110)는 정전척(10)을 순환하는 냉매를 저장한다. 그리고, 펌프(130)는 저장탱크(110)의 냉매를 히터 유닛(150) 또는/및 열전 유닛(170)을 거쳐 정전척(10)으로 유입되도록 순환시킨다.
히터 유닛(150)은 저장탱크(110)에서 공급되는 냉매를 가열한다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 히터 유닛(150)은 제1 및 제2 열교환 블럭(151,153)과, 질화규소 히터(155)를 포함한다.
제1 및 제2 열교환 블럭(151,153)은 동일한 구조를 가지며 서로 대면하도록 설치된다. 제1 및 제2 열교환 블럭(151,153)은 내부에 냉매가 순환하는 유로를 각각 구비하며, 일측면에 냉매가 유입되는 유입구(151a, 153a)와, 타측면에 냉매가 유출되는 유출구(미도시)를 구비한다. 그리고 도시되지 않았으나 각 열교환 블럭 내부에는 열교환이 잘되기 위한 열전달부재들이 설치된다. 열전달부재들은 열전달 효율을 높이기 위해 다양한 구성 및 재질을 가질 수 있으며, 본 발명에서는 특정 구성 및 재질을 갖는 열전달부재들에 한정되지 않는다.
질화규소 히터(155)는 제1 및 제2 열교환 블럭(151,153) 사이에 길이방향으로 복수개 배치되며, 제1 및 제2 열교환 블럭(151,153) 각각의 일측면과 접촉하도록 배치된다. 질화규소 히터(155)는 발열원이 발열본체(155a)에 매립되는 구조이고, 발열원 일단에는 전원 투입을 위한 리드선(155b)이 연결된다. 이 리드선(155b)은 브라켓(155c)에 의해 보호되며, 상기 브라켓(155c)은 제1 및 제2 열교환 블럭(151,153)에 형성된 지지홈(151b,153b)에 삽입 및 안착되어 고정되게 된다. 질화규소 히터(155)의 발열원은 보통 텅스텐 필라멘트이고, 발열본체(155a)는 질화규소, 알루미나, 이트리아, 질화 알루미늄 등으로 배합된 재료가 압축 성형되어 이루어진 것으로써, 이러한 질화규소 히터(155)는 고온에서의 기계적 강도가 높고 안정성이 뛰어나며 열팽창 계수가 작아 내열 충격에 강하고, 내산성 및 절연성이 우수한 이점이 있다.
이와 같은 구성을 갖는 히터 유닛(150)의 동작을 살펴보면, 전원 공급에 의해 질화규소 히터(155)는 동작하여 고온의 열을 발생하고, 질화규소 히터(155)와 접촉된 제1 및 제2 열교환 블럭(151,153)을 통해 열이 전달되어 제1 및 제2 열교환 블럭(151,153) 내부를 통과하는 냉매는 가열되게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 히터 유닛(150)에 의하면 냉매를 간접 가열 방식으로 가열하도록 적용함으로써, 전력밀도가 높아지고 구조가 콤팩트 해지며 또한 제어 속도(온도 안정화 속도)가 빨라지는 이점이 있다.
기존의 직접 가열 방식 즉, 냉매에 히터(열원)를 투입하여 가열하는 방식을 적용하는 경우 다음과 같은 문제점이 있다. 즉 투입히터의 성능을 좋게 하기 위해 전력밀도를 높이는 경우 히터모듈을 콤팩트하게 제작하는 것이 불가능하게 된다. 직접 가열 방식에서 투입히터를 콤팩트하게 제작하고 전력밀도를 높이게 되면, 냉매에 히터가 직접 닿게 되어 표면의 고열 발열로 인해 탄화(carbonization) 현상이 발생되고 또한 냉매의 증발이 심하게 되는 문제점이 발생하게 된다. 실험 결과 본 발명에 의한 질화규소 히터가 적용된 간접 가열 방식의 경우 전력밀도가 70~80W/㎠ 이나, 종래의 투입 히터가 적용된 직접 가열 방식이 경우 3~5W/㎠ 이어서 전력밀도의 차이가 크게 된다. 종래 투입 히터의 전력밀도는 10W/㎠ 수준으로 높일 수도 있지만 이 경우 전술한 냉매의 탄화 및 증발 현상으로 인해 반도체 제조 설비 라인에서 환경 오염을 유발시키게 되어 이에 대한 규제로 인해 전력밀도를 제한하고 있는 실정이다.
다시 도 3을 참조하면, 열전 유닛(170)은 저장탱크(110)에서 공급되는 냉매를 냉각한다. 열전 유닛(170)은 공급되는 전원의 공급에 의해 일면이 흡열 또는 발열하는 열전모듈(172)과, 열전모듈(172)의 일측면에 부착되며 내부에 냉매가 순환하는 유로를 구비하는 콜드싱크(174), 및 열전모듈(172)의 타측면에 부착되며 내부에 방열수(PCW)가 순환하는 유로를 구비하는 핫싱크(178)를 포함한다. 전원 공급에 의한 열전모듈(172)의 동작에 의해 일측면이 흡열반응을 하게 되면, 이에 접한 콜드싱크(174) 및 내부를 흐르는 냉매는 냉각되게 된다. 도시되지 않았으나 콜드싱크(174) 역시 냉매가 유출입하기 위한 유출입구가 형성되고, 내부에는 다수의 열전달부재들이 설치된다. 그리고, 열전모듈(172)의 타측면은 발열반응을 하게 되는데, 핫싱크(178) 내부에는 방열수(PCW)가 흘러 방열을 시키게 된다.
삼방 밸브(160)는 냉매의 순환경로 상 히터 유닛(150) 및 열전 유닛(170)의 전단에 설치되어, 냉매를 히터 유닛(150) 또는 열전 유닛(170)으로 선택적으로 공급하거나, 또는 유량을 조절하여 일부 나누어서 공급하도록 한다.
릴리프(Relief) 밸브(180)는 정전척(10)을 빠져나와 저장탱크(110)로 유입되는 냉매의 경로와, 히터 유닛(150)과 열전 유닛(170)을 빠져나와 상기 정전척(10)으로 유입되는 냉매의 경로 사이에 설치되어, 냉매의 순환 라인에서 압력 상승의 문제가 발생하는 경우 압력상쇄의 역할을 하게 된다. 전술한 바와 같이 정전척(10) 내부의 냉매 퍼지(purge)를 위해 메인 설비 측에서 회수밸브를 닫는 조건으로 프로그램되어 있는데, 회수밸브를 닫음으로 인해 발생하는 압력 상승을 대비하여 릴리프 밸브(180)가 설치된다. 한편, 릴리프 밸브(180)는 이 외에 기타 공급 또는 회수 배관에서 막혀 압력이 상승하는 경우 압력 해소의 역할을 하게 된다.
콘트롤러는 히터 유닛(150)과 열전 유닛(170)의 출력을 제어하고 또한 상기 삼방 밸브(160)의 개폐량을 제어하여, 히터 유닛(150)과 열전 유닛(170)을 거쳐 정전척(10)으로 유입되는 냉매를 원하는 온도로 조절함으로써, 정전척(10) 내부의 공정온도를 제1 온도 또는 제2 온도로 유지 및 전환시키도록 한다. 또한 콘트롤러는 공정온도 조절 장치의 다른 구성요소들 즉, 펌프(130)와 릴리프 밸브(180) 등의 전반적인 동작을 제어하게 된다. 도시되지 않았으나 정전척의 유입단 또는 유출단, 히터 모듈, 열전 모듈 등의 필요한 위치에는 적절한 수의 온도센서가 설치되며, 콘트롤러는 이들 온도센서들로부터 온도정보를 받아 냉매를 원하는 온도로 조절하게 된다.
콘트롤러는 공정온도를 제1 온도에서 제2 온도로 전환하거나 또는 제2 온도에서 제1 온도로 절환하는 경우, 냉매가 히터 유닛(150) 또는 열전 유닛(170) 중 어느 하나의 유닛으로 모두 통과하도록 삼방 밸브(160)를 제어한다. 그리고, 공정온도를 제1 온도 또는 제2 온도로 유지하는 경우, 냉매가 히터 유닛(150)과 상기 열전 유닛(170)으로 일정량 나누어서 통과하도록 삼방 밸브(160)를 제어하게 된다.
삼방 밸브(160)의 구체적인 제어 조건 및 본 발명의 실시예에 따른 공정온조 조절 장치의 동작을 아래와 같이 살펴보기로 한다.
먼저 정전척(10) 내의 공정온도를 제1 온도(예를 들면 20℃)에서 제2 온도(예를 들면 80℃)로 전환시키는 경우, 급격하게 냉매의 온도를 올려야 하므로 콘트롤러는 냉매가 모두(100%) 히터 유닛(150)을 통과하도록 삼방 밸브(160)를 제어하게 된다.
다음으로 정전척(10) 내의 공정온도를 제2 온도로 유지하는 경우, 콘트롤러는 냉매의 대부분(예를 들어 90%)은 히터 유닛(150)을 통과하도록 하고 소량의 일부(예를 들어 10%)는 열전 유닛(170)을 통과하도록 삼방 밸브(160)를 제어하게 된다.
다음으로 정전척(10) 내의 공정온도를 제2 온도에서 제1 온도로 전환시키는 경우, 급격하게 냉매의 온도를 내려야 하므로 콘트롤러는 냉매가 모두(100%) 열전 유닛(170)을 통과하도록 삼방 밸브(160)를 제어하게 된다.
마지막으로 정전척(10) 내의 공정온도를 제1 온도로 유지하는 경우, 콘트롤러는 냉매의 대부분(예를 들어 90%)은 열전 유닛(170)을 통과하도록 하고 소량의 일부(예를 들어 10%)는 히터 유닛(150)을 통과하도록 삼방 밸브(160)를 제어하게 된다.
도 6은 위 네 가지 온도 제어조건에서 종래의 온도 조절 장치의 방식과 본 발명의 실시예에 따른 온도 조절 방식의 반응시간을 비교한 그래프를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 제1 온도에서 제2 온도로 전환하거나 반대로 제2 온도에서 제1 온도로 전환하는 경우, 전환하고자 하는 목표 온도로 도달하는 시간은 종래 기술에 의한 방식이 본 발명에 의한 방식보다 더 적게 걸리게 된다. 그러나, 전환하고자 하는 목표 온도로 안정화하는 시간은 종래 기술에 의한 방식이 본 발명에 의한 방식보다 더 걸리게 된다. 따라서 도달 시간 및 안정화 시간을 모두 합친 총 시간은 종래 기술에 의한 방식과 본 발명에 의한 방식이 거의 동일하게 된다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 정전척의 공정온도를 전환 및 유지하기 위해 종래에 두 개의 온도조절 유닛(저장탱크 두 개, 펌프 두 개, 콘트롤러 두 개)을 사용하지 않고, 한 개의 저장탱크, 펌프, 콘트롤러를 사용함으로써 구조가 콤팩트해지고 설치비용을 줄일 수 있는 이점이 있다. 또한 저장탱크를 한 개 사용함으로 인해 저장탱크에 충전된 냉매 충전량이 적으므로 가열시간을 짧게 가져갈수 있고, 펌프를 한 개 사용함으로 인해 소비전력이 줄일 수 있게 된다.
또한, 복수 개의 밸브가 적용되는 온도절환 밸브 유닛(70, 도1 참조)을 생략하게 되어 구조를 콤팩트하게 구현할 수 있고 복잡한 배관라인을 거치지 않으므로 냉매의 열손실이 줄어들지 않게 되며 반응속도가 빨라지게 된다. 또한 압력상승에 대비한 인버터에 의한 펌프 Hz 조절의 필요성이 없어지게 된다. 메인 설비 퍼지시에 회수 밸브 닫힘으로 인한 압력상승은 릴리프 밸브로 대체할 수 있게 된다. 또한, 냉각수(PCW) 라인을 1개로 축소되고, 냉매 순환 라인 역시 1개로 축소되게 된다.
한편, 히터 유닛을 간접 가열 방식으로 적용함으로써, 전력밀도가 높아지고 구조가 콤팩트 해지며 또한 제어 속도(온도 안정화 속도)가 빨라지는 이점이 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면 정전척 내의 공정온도를 전환 및 유지하기 위해 전체적인 제어속도를 늦추지 않으면서, 구조를 콤팩트하게 구현할 수 있고 설치 및 유지 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 이점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10. 정전척 20. 메인 설비
110. 저장탱크 130. 펌프
150. 히터 유닛 151. 제1 열교환 블럭
153. 제2 열교환 블럭 155. 질화규소 히터
160. 삼방 밸브 170. 열전 유닛
172. 열전모듈 174. 콜드싱크
178. 핫싱크 180. 릴리프 밸브

Claims (5)

  1. 정전척(10) 내부의 공정온도를 제1 온도와 상기 제1온도보다 일정온도 높은 제2 온도로 유지 및 전환시키기 위한 공정온도 조절 장치에 관한 것으로써,
    상기 정전척을 순환하는 냉매를 저장하기 위한 저장탱크(110); 상기 저장탱크(110)에서 공급되는 냉매를 가열하기 위한 히터 유닛(150); 상기 저장탱크(110)에서 공급되는 냉매를 냉각하기 위한 열전 유닛(170); 상기 저장탱크(110)의 냉매를 상기 히터 유닛(150) 및 열전 유닛(170)을 거쳐 정전척(10)으로 유입되도록 순환시키는 펌프(130); 상기 히터 유닛(150) 및 열전 유닛(170)의 전단에 설치되어, 냉매를 상기 히터 유닛(150) 또는 열전 유닛(170)으로 유량을 조절하여 공급하도록 하는 삼방 밸브(160); 및 상기 히터 유닛(150)과 열전 유닛(170)의 출력을 제어하고 또한 상기 삼방 밸브(160)의 개폐량을 제어하여, 히터 유닛(150)과 열전 유닛(170)을 거쳐 상기 정전척(10)으로 유입되는 냉매의 온도를 조절하는 콘트롤러를 포함하며,
    상기 히터 유닛(150)은, 상기 냉매가 순환하는 유로를 각각 구비하며, 서로 대면하도록 설치되는 제1 및 제2 열교환 블럭(151,153), 및 상기 제1 및 제2 열교환 블럭(151,153) 사이에 길이방향으로 복수개 배치되며 상기 제1 및 제2 열교환 블럭(151,153) 각각의 일측면과 접촉하도록 배치되는 질화규소 히터(155)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정온도 조절 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정전척(10)을 빠져나와 상기 저장탱크(110)로 유입되는 냉매의 경로와, 상기 히터 유닛(150)과 열전 유닛(170)을 빠져나와 상기 정전척(10)으로 유입되는 냉매의 경로 사이에는, 압력상쇄를 위한 릴리프 밸브(180)가 연결되는 것을 특징으로 하는 공정온도 조절 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 콘트롤러는 공정온도를 제1 온도에서 제2 온도로 전환하거나 또는 제2 온도에서 제1 온도로 전환하는 경우, 상기 냉매가 상기 히터 유닛(150) 또는 상기 열전 유닛(170)으로 모두 통과하도록 상기 삼방 밸브(160)를 제어하고,
    공정온도를 제1 온도 또는 제2 온도로 유지하는 경우, 상기 냉매가 상기 히터 유닛(150)과 상기 열전 유닛(170)으로 일정량 나누어서 통과하도록 상기 삼방 밸브(160)를 제어하는 것을 특징으로 하는 공정온도 조절 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 유닛(170)은,
    열전모듈(172)과, 상기 열전모듈(172)의 일측면에 부착되며 내부에 상기 냉매가 순환하는 유로를 구비하는 콜드싱크(174), 및 상기 열전모듈(172)의 타측면에 부착되며 내부에 방열수(PCW)가 순환하는 유로를 구비하는 핫싱크(178)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정온도 조절 장치.
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