KR101923433B1

KR101923433B1 - 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템

Info

Publication number: KR101923433B1
Application number: KR1020180112128A
Authority: KR
Inventors: 이홍우; 김도형
Original assignee: (주)본씨앤아이
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2018-11-29

Abstract

반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템이 개시된다. 본 발명의 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템은, 반도체 부품을 냉각시키되 상대적인 저온, 고온 범위를 가변적으로 선택하여 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템으로서, 제1 압축기, 제1 응축기, 제1 팽창밸브 및 제1 증발기를 포함하는 1차 냉동장치; 제2 압축기 및 제2 증발기를 포함하는 2차 냉동장치; 제1 팽창밸브와 제1 증발기 사이를 연결하는 주 배관으로부터 분기된 분기배관 상에 마련되며, 제2 압축기를 거쳐 제2 증발기로 유동하는 냉매와의 사이에 상호 열교환을 선택적으로 가능하게 하는 제1 열교환기; 상기 주 배관과 상기 분기배관에 각각 마련되어 냉매의 순환경로를 조절 가능한 제1 및 제2 냉매경로조절밸브; 제1 열교환기와 제2 증발기를 연결하는 배관 상에 마련되며, 제2 증발기를 거쳐 제2 압축기 측으로 유동하는 냉매와의 사이에 상호 열교환이 이루어져서 제1 열교환기를 거쳐 제2 증발기 측으로 유동하는 냉매를 더욱 응축시키는 제2 열교환기; 제2 열교환기와 제2 증발기 사이를 연결하는 배관에 마련되는 제2 팽창밸브; 제1 및 제2 증발기와 열교환이 이루어지면서 반도체 부품으로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급장치; 및 반도체 부품의 냉각 요구 온도에 따라 제1 및 제2 냉매경로조절밸브의 개방을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 하나의 2원 냉각 시스템을 적용하여 웨이퍼 등과 같은 반도체 부품의 가공 공정시 요구되는 냉각수 온도요구 조건에 유연하게 대응하여 상대적인 고온, 저온의 냉각수 공급 변동을 신속하면서도 효율적으로 수행할 수 있도록 함으로써 웨이퍼 가공 공정 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템{Dual cooling system for semiconductor parts cooling}

본 발명은 웨이퍼 등과 같은 반도체 부품의 가공 공정시 요구되는 냉각수 공급 요구온도 조건에 유연하게 대응하여 상대적인 고온, 저온의 냉각수 공급 변동을 신속하면서도 효율적으로 수행할 수 있는 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템에 관한 것이다.

종래부터 공지된 2원 냉동 사이클 장치는 고온측 냉동 사이클과 저온측 냉동 사이클을 구비하고, 고온측 냉동 사이클과 저온측 냉동 사이클이 1개의 캐스케이드 열교환기(중간 열교환기)를 공용하고, 고온측 냉동 사이클을 순환하는 냉매와 저온측 냉동 사이클을 순환하는 냉매를 캐스케이드 열교환기에서 열교환시키고, 고온측 냉동 사이클을 순환하는 고온측 냉매에 의해 물 또는 온수를 가열하여 온수를 생성하고 있다.

한편, 반도체 부품, 예를 들면 웨이퍼의 가공 공정상에는 다양한 가공공정에 따라 요구되는 온도조건이 상이하며 이에 따라 이러한 가공 공정의 변화에 따라 적절하게 반도체 부품 측으로 저온 또는 고온의 냉각수를 공급해줘야 한다.

그러나 2원 냉동 사이클 장치는 현재 저온, 초저온의 온도조건을 선택하여 사용하는 냉동고에 주로 적용되고 있으며, 반도체 부품 냉각을 위한 시스템에는 적용되어 사용되고 있지 않다.

구체적으로 반도체 장치는 사진식각기술을 이용하여 웨이퍼 표면에 도전층과 절연층의 패터닝 작업에 의해 전자회로소자를 구현함으로써 얻어진다. 웨이퍼 표면에 도전층과 절연층은 증착 및 식각공정을 통하여 패터닝된다.

증착 및 식각공정은 공정챔버 내에서 진행되는 바, 공정이 진행되는 동안에 웨이퍼는 정전척에 의해 고정되게 된다. 최근에 증착 및 식각공정은 챔버 내의 플라즈마 분위기에서 진행하는 플라즈마 식각장비나 증착장비가 널리 사용되고 있다.

플라즈마 공정장비에서는 플라즈마 분위기를 형성하기 위하여 정전척을 하나의 전극으로 사용하고 있다. 따라서, 플라즈마 공정이 진행되면, 플라즈마 히팅에 의해 정전척은 온도가 상승하게 되므로, 정전척 위에 지지되는 웨이퍼에 열적 영향을 주게 된다.

이와 같은 열적환경의 변동은 동일 웨이퍼 내에서 한계 치수(CD : CRITICAL DIMENSION)의 산포를 유발할 뿐만 아니라 웨이퍼들 사이의 한계 치수 변동을 유발시킨다. 그러므로, 이와 같은 열적 영향을 최소화시키기 위하여 통상적으로 정전척은 챔버 외부에 설치된 냉각시스템에 의해 냉각되도록 구성된다.

기존의 정전척 냉각시스템은 챔버 외부에 냉각장치(chiller)를 설치하고 챔버 내의 정전척에 형성된 열교환부에 냉각수(coolant)를 순환시킴으로써 정전척과 냉각수 사이의 열교환에 의해 정전척을 냉각시킨다. 칠러는 정전척으로부터 회수된 냉각수를 냉각시키고, 냉각된 냉각수를 다시 정전척에 공급하는 과정을 반복함으로써 정전척의 온도를 일정 온도로 냉각 유지한다.

현재 반도체 냉각 시스템에는 저온의 냉각수 공급을 위한 제1 냉각수 공급 시스템과 고온의 냉각수 공급을 위한 제2 냉각수 공급 시스템이 별도로 분리되어 적용되고 있으며, 이러한 분리 공급 구조에 따라 전체 냉각수 공급 시스템이 차지하는 부피의 증가, 냉각수 공급 시스템의 구동 에너지 증가가 발생하는 단점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1673105호(2016.10.31. 등록) 대한민국 등록특허 제10-0397047호(2003.08.23. 등록)

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 하나의 냉각 시스템을 통해 웨이퍼 등과 같은 반도체 부품의 가공 공정시 요구되는 냉각수 온도요구 조건에 유연하게 대응하여 상대적인 고온, 저온의 냉각수 공급 변동을 신속하면서도 효율적으로 수행할 수 있는 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 냉각수 공급 요구온도 조건의 변동에 따라 증발기에 형성되는 온도를 전체적으로 넓은 냉각수 온도설정 범위 내에서 원하는 냉각수 온도로 세밀하게 조절할 수 있는 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 반도체 부품을 냉각시키되 상대적인 저온, 고온 범위를 가변적으로 선택하여 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템으로서, 제1 압축기, 제1 응축기, 제1 팽창밸브 및 제1 증발기를 포함하는 1차 냉동장치; 제2 압축기 및 제2 증발기를 포함하는 2차 냉동장치; 제1 팽창밸브와 제1 증발기 사이를 연결하는 주 배관으로부터 분기된 분기배관 상에 마련되며, 제2 압축기를 거쳐 제2 증발기로 유동하는 냉매와의 사이에 상호 열교환을 선택적으로 가능하게 하는 제1 열교환기; 상기 주 배관과 상기 분기배관에 각각 마련되어 냉매의 순환경로를 조절 가능한 제1 및 제2 냉매경로조절밸브; 제1 열교환기와 제2 증발기를 연결하는 배관 상에 마련되며, 제2 증발기를 거쳐 제2 압축기 측으로 유동하는 냉매와의 사이에 상호 열교환이 이루어져서 제1 열교환기를 거쳐 제2 증발기 측으로 유동하는 냉매를 더욱 응축시키는 제2 열교환기; 제2 열교환기와 제2 증발기 사이를 연결하는 배관에 마련되는 제2 팽창밸브; 제1 및 제2 증발기와 열교환이 이루어지면서 반도체 부품으로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급장치; 및 반도체 부품의 냉각 요구 온도에 따라 제1 및 제2 냉매경로조절밸브의 개방을 제어하는 제어부를 포함하는 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템이 제공된다.

상기 반도체 부품을 상대적으로 저온 냉각시킬 경우 상기 제어부는, 제1 냉매경로조절밸브를 폐쇄시키고 제2 냉매경로조절밸브를 개방시켜 제1 팽창밸브를 통과한 저온의 냉매가 제1 열교환기 측으로 유도되도록 하여 제2 압축기를 통과한 냉매를 1차 응축시키고, 상기 1차 응축된 냉매가 제2 열교환기를 통과하면서 2차 응축되도록 할 수 있다.

제1 압축기와 제1 팽창밸브 사이에 마련되어 냉매에 포함된 오일을 냉각하고 오일을 분리하여 제1 압축기로 재공급하는 제1 오일 재공급기; 및 제2 압축기와 제1 열교환기 사이에 마련되어 냉매에 포함된 오일을 냉각하고 오일을 분리하여 제2 압축기로 재공급하는 제2 오일 재공급기를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 오일 재공급기와 상기 제2 오일 재공급기는 각각, 외부로부터 오일 냉각을 위한 냉각수가 공급되어 오일을 설정 온도범위로 응축하는 제1 및 제2 오일 쿨러; 및 냉매의 이동 경로상 오일 쿨러의 후방에 마련되어 응축된 오일을 분리하는 제1 및 제2 오일 분리기를 포함할 수 있다.

제1 증발기와 제2 증발기는 반도체 부품 냉각용 냉각수가 내부 순환하도록 배관을 통해 서로 연결되며, 냉각수 온도범위를 조절하기 위한 냉각수 온도조절부를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각수 온도조절부는, 제1 오일 분리기를 통과한 냉매가 제1 팽창밸브와 제1 증발기 사이의 배관으로 공급되도록 연결되는 제1 온도조절배관; 제1 온도조절배관 상에 마련되는 제1 핫가스밸브; 제2 오일 분리기를 통과한 냉매가 제2 팽창밸브와 제2 증발기 사이의 배관으로 공급되도록 연결되는 제2 온도조절배관; 및 제2 온도조절배관 상에 마련되는 제2 핫가스밸브를 포함할 수 있다.

상기 냉각수 공급장치는, 냉각수가 저장되는 냉각수 저장탱크와, 냉각수 저장탱크에 저장된 냉각수를 제1 증발기, 제2 증발기, 반도체 부품을 지지하는 반도체 지지부로 순환 공급하는 순환펌프와, 냉각수 저장탱크의 냉각수를 가열하는 냉각수 히터를 포함하고, 상기 냉각수 온도조절부는, 상기 냉각수 히터를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 팽창밸브는, 제2 열교환기 측에 연결되는 배관으로부터 복수로 분기되는 복수의 팽창분기배관; 복수의 팽창분기배관 상에 각각 마련되는 복수의 모세관; 및 복수의 모세관 측으로의 냉매 유입을 각각 조절하도록 복수의 팽창분기배관에 각각 마련되는 복수의 팽창조절밸브를 포함하며, 상기 냉각수 온도조절부는, 상기 복수의 팽창조절밸브를 더 포함할 수 있다.

상기에서 설명한 본 발명의 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템에 의하면, 하나의 2원 냉각 시스템을 적용하여 웨이퍼 등과 같은 반도체 부품의 가공 공정시 요구되는 냉각수 온도요구 조건에 유연하게 대응하여 상대적인 고온, 저온의 냉각수 공급 변동을 신속하면서도 효율적으로 수행할 수 있도록 함으로써 웨이퍼 가공 공정 효율을 향상시킬 수 있다.

또한 압축기로부터 토출된 냉매 속에 포함된 오일을 먼저 일정 이상 응축시킴으로써 오일 분리기에서의 오일 분리를 더욱 촉진하고 분리 효율을 향상시킬 수 있다.

또한 압축기로부터 토출된 냉매 속에 포함된 오일을 먼저 일정 이상 응축시키는 과정에서 전체적으로 토출 냉매의 온도를 하강시킴으로써 1차 냉동장치의 제1 응축기에서 응축을 위한 필요 열량을 한층 감소시켜 응축기로의 냉각수 공급량을 감소하여 에너지를 절감할 수 있다.

또한 2원 냉각을 통해 냉각수 공급 요구온도 조건의 변동에 따라 증발기에 형성되는 온도를 전체적으로 넓은 냉각수 온도설정 범위로 적용할 수 있으며, 제1 핫가스밸브, 제2 핫가스밸브, 냉각수 히터 및 팽창조절밸브를 조절하여 냉각수 온도를 좀 더 세밀하게 조절할 수 있다.

또한 제2 열교환기를 추가하여 2차 냉동장치에서 제1 열교환기를 통과한 냉매를 더욱 응축시킬 수 있으므로 제2 증발기에서의 증발 효율을 향상시켜 한층 저온의 냉각수를 공급할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 도 1에서 고온의 냉각수 공급을 위해 1차 냉동장치만을 사용할 경우의 냉매와 냉각수 흐름을 표현한 도면,
도 3은 도 1에서 저온의 냉각수 공급을 위해 1차, 2차 냉동장치를 모두 사용할 경우의 냉매와 냉각수 흐름을 표현한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템은 반도체 부품(예를 들면 반도체 웨이퍼, 이하 웨이퍼)의 냉각 온도 제어를 보다 폭 넓은 온도범위에서 실시하도록 할 수 있을 뿐만 아니라 상대적인 고온 냉각, 상대적인 저온 냉각을 가변적으로 신속하게 변경하여 조절할 수 있도록 이루어진다.

부연하자면, 반도체 웨이퍼를 별도의 진공 척을 통해 지지하고 있는 상태에서 웨이퍼의 작업 공정에 따라 진공 척으로 상대적인 고온 또는 저온의 냉각수를 공급할 수 있도록 하며, 공급 냉각수의 변경이 필요한 경우 신속하게 대응하여 변경할 수 있다. 구체적으로, 반도체 웨이퍼 에칭 공정을 진행하는 동안 진공 척 측으로 고온의 냉각수 또는 저온의 냉각수를 공급하여 에칭 공정 진행에 따라 웨이퍼를 적절하게 냉각시켜야 할 필요성이 요구된다.

이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템(이하, 냉각 시스템)은 웨이퍼를 성형하는 다양한 공정에서 요구되는 웨이퍼 냉각을 가변적으로 신속하면서 효율적으로 실시할 수 있는 것으로서, 구체적으로 상대적인 저온 범위를 선택하여 웨이퍼를 지지하는 진공 척 부분에 냉각수를 순환시켜 웨이퍼를 저온 냉각할 수 있을 뿐만 아니라 필요시 상대적인 고온 범위를 선택하여 웨이퍼를 지지하는 진공 척 부분에 냉각수를 순환시켜 웨이퍼를 고온 냉각할 수 있다.

본 발명의 실시예에서 저온 냉각 범위는 대략 -100도 ~ -20도로 적용 가능하고, 고온 냉각 범위는 대략 -20도 ~ 80도로 적용 가능하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 반도체 공정시 필요 냉각온도에 따라 변경 가능하다. 또한 예를 들어 상기 저온 냉각 범위 내에서의 세부 온도 조절은 아래에서 다시 설명하겠지만 반도체 진공척으로 냉각수를 공급하는 구성에 마련된 히터의 발열량 조절, 팽창밸브의 개도 조절, 핫 가스 공급 등을 통해 세부적으로 조절할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 냉각 시스템은 웨이퍼를 상대적인 저온, 고온 범위를 가변적으로 선택하여 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템으로서, 웨이퍼에 상대적인 고온의 냉각수를 공급 가능한 1차 냉동 사이클과 상대적인 저온의 냉각수를 공급 가능한 2차 냉동 사이클을 포함하는 2원 냉동 사이클 구조를 포함한다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 냉각 시스템은 1차 냉동장치(100), 2차 냉동장치(200), 제1 열교환기(300), 제1 냉매경로조절밸브(330), 제2 냉매경로조절밸브(340), 제2 열교환기(400), 제2 팽창밸브(500), 냉각수 공급장치(600), 제어부(700)를 포함한다.

먼저 1차 냉동장치(100)는 제1 압축기(110), 제1 응축기(120), 제1 팽창밸브(130) 및 제1 증발기(140)를 포함하며, 제1 팽창밸브(130)는 전자식 팽창밸브(EV)로 적용된다. 1차 냉동장치(100)는 전술한 상대적인 고온의 냉각수를 웨이퍼 측으로 공급하도록 마련되는 것으로 후술하는 냉각수 공급장치(600)는 제1 증발기(140)와 열교환하면서 고온의 냉각수를 웨이퍼로 순환 공급하게 된다. 본 발명에서 1차 냉동장치(100)의 배관을 따라 유동하는 냉매는 R290, R404A, R407C, R410A, R507, R600A 중 택일하여 사용 가능하다.

다음 2차 냉동장치(200)는 제2 압축기(210), 제2 팽창밸브(500), 제2 증발기(240)를 포함하고, 전술한 상대적인 저온의 냉각수를 웨이퍼 측으로 공급하도록 마련되는 것으로 마찬가지로 후술하는 냉각수 공급장치(600)는 제2 증발기(240)와 열교환하면서 저온의 냉각수를 순환 공급한다. 여기서 제1 및 제2 증발기( )는 상호 간에 배관을 통해 연결되어 냉각수 공급장치의 냉각수가 제1 증발기와 제2 증발기를 모두 통과하도록 마련된다. 본 발명에서 2차 냉동장치(200)의 배관을 따라 유동하는 냉매는 R23, R116, R170, R1150 중 택일하여 사용 가능하다.

다음, 제1 열교환기(300)는 제1 팽창밸브(130)와 제1 증발기(140) 사이를 연결하는 주 배관(301)으로부터 분기된 분기배관(302) 상에 마련된다.

본 발명에서 2차 냉동장치(200)를 사용하지 않을 경우, 즉 웨이퍼에 상대적인 고온의 냉각수를 공급할 경우 제1 팽창밸브(130)를 통과한 냉매가 제1 열교환기(300) 측으로 진입하지 않도록 함과 동시에 바로 제1 증발기(140) 측으로 이동하도록 냉매 경로를 설정한다.

이와 달리 2차 냉동장치(200)를 추가 사용하여 웨이퍼에 상대적인 저온의 냉각수를 공급하고자 할 경우 제1 팽창밸브(130)를 통과한 냉매가 제1 증발기(140) 측으로 이동하지 않고 제1 열교환기(300) 측으로 이동한 후 제1 압축기(110)로 유입되도록 냉매 경로를 설정한다. 이때 제1 열교환기(300)로 유입된 저온의 냉매는 2차 냉동장치(200)에서 제2 압축기(210)로부터 토출된 고온의 냉매와 상호 열교환하게 되며 상기 2차측 고온의 냉매는 1차측 저온의 냉매에 의해 일정 이상 응축이 되며, 이에 따라 제1 열교환기(300)는 2차 냉동장치(200)에 있어서는 압축기를 통과한 냉매를 1차 응축시키는 응축기로서의 기능을 수행하게 된다.

다음, 제1 냉매경로조절밸브(330)는 제1 팽창밸브(130)와 제1 증발기(140) 사이를 연결하는 주 배관(301)에 마련되고, 제2 냉매경로조절밸브(340)는 주 배관(301)으로부터 분기되어 제1 열교환기(300)와 연결되는 분기배관(302) 상에 마련된다.

제1 냉매경로조절밸브(330)와 제2 냉매경로조절밸브(340)는 각각 냉매의 유동을 전자식으로 허용 또는 차단하도록 솔레노이드밸브로 적용 가능하며, 제어부(700)는 사용자의 제어 신호(즉 웨이퍼의 고온 냉각 또는 저온 냉각 동작신호)를 인가받아 제1 냉매경로조절밸브(330)와 제2 냉매경로조절밸브(340)의 개방을 제어한다.

구체적으로, 도 2에 도시한 바와 같이 1차 냉동장치(100)만 사용하고자 할 경우 제어부(700)는 제1 냉매경로조절밸브(330)만 개방시키고 제2 냉매경로조절밸브(340)는 차단하며, 이와 달리 2차 냉동장치(200)도 사용하고자 할 경우 제어부(700)는 제1 냉매경로조절밸브(330)는 차단시키고 제2 냉매경로조절밸브(340)는 개방시킨다. 한편 1차 냉동장치(100)만 사용하고자 할 경우, 제어부(700)는 전자식 제1 팽창밸브(130)의 개도를 조절하여 제1 증발기(140)에 형성되는 온도 범위를 조절 가능하다.

다음, 제2 열교환기(400)는 제1 열교환기(300)와 제2 증발기(240)를 연결하는 배관 상에 마련된다.

제2 열교환기(400)는 제1 열교환기(300)를 통과한 냉매와 제2 증발기(240)를 거친 후 제2 압축기(210) 측으로 유동하는 냉매와의 사이에 상호 열교환이 이루어지도록 하는 것으로서, 결국 제1 열교환기(300)를 거쳐 제2 증발기(240) 측으로 유동하는 냉매를 더욱 응축시키는 기능을 하게 된다.

덧붙이자면, 제2 증발기(240)에서 냉각수 공급장치(600)의 냉각수를 저온 냉각시킨 후 남은 냉매의 남은 냉각열을 통해 제1 열교환기(300)를 거쳐 제2 열교환기(400)로 유입된 냉매를 2차 냉각하여 응축시키게 된다.

이에 따라 제2 열교환기(400)는 제1 열교환기(300)에서 1차 응축된 2차 냉동장치(200)의 냉매를 2차로 더욱 응축하여 과냉각도를 증가시킴으로써 결국 제2 증발기(240)의 증발 효율을 향상시킬 수 있다.

다음, 제2 팽창밸브(500)는 제2 열교환기(400)와 제2 증발기(240) 사이를 연결하는 배관에 마련되어 제2 압축기(210) -> 제1 열교환기(300) -> 제2 열교환기(400)를 순차적으로 거친 냉매를 상변화시킨다.

본 발명의 실시예에서, 도 1에 도시한 바와 같이 제2 팽창밸브(500)는 하나로 구성되는 제1 팽창밸브(130)와 다르게 복수로 이루어진다.

구체적으로, 제2 팽창밸브(500)는 제2 열교환기(400) 측에 연결되는 배관으로부터 복수로 분기되는 복수의 팽창분기배관(510), 복수의 팽창분기배관(510) 상에 각각 마련되는 복수의 모세관(520), 복수의 모세관(520) 측으로의 냉매 유입을 각각 조절하도록 복수의 팽창분기배관(510)에 각각 마련되는 복수의 팽창조절밸브(530)를 포함한다. 여기서 팽창조절밸브(530)는 제어부(700)의 신호에 의해 작동 가능한 솔레노이드밸브로 적용 가능하다.

후술하겠지만 복수의 팽창조절밸브(530)는 냉각수 공급장치(600)의 냉각수 온도범위를 조절 가능한 냉각수 온도조절부의 하나로서, 제어부(700)는 냉각수 요구온도 제어신호를 인가받아 요구되는 냉각수 온도에 따라 적절하게 복수의 팽창조절밸브(530) 중 선택하여 개방하거나 그 개방도를 조절하게 된다. 즉 냉동기 구동시 필요한 냉각량에 따라 복수 팽창조절밸브(530)를 선택적으로 또는 전부 오픈/폐쇄하거나 각각의 개방도를 조절하여 웨이퍼 냉각수의 온도를 제어할 수 있다.

한편, 본 발명은 제2 팽창밸브(500)를 제1 팽창밸브(130)와 같이 하나로 구성하지 않고 복수로 마련함으로써, 제2 증발기(240) 측에 형성되는 온도 범위 조절 범위를 더욱 광범위하게 늘릴수 있게 되며 이에 따라 후술하는 냉각수 공급장치(600)의 냉각수 히터(630)의 히터용량(발열 용량)을 한층 감소시켜 전체 시스템 구동을 위한 전력 소모를 저감시킬 수 있다.

다음, 냉각수 공급장치(600)는 웨이퍼(미도시)를 진공 흡착하고 있는 진공 척(미도시) 등으로 냉각수를 공급하여 결국 웨이퍼를 공정에 따라 필요한 적정 온도로 냉각하도록 마련된다.

냉각수 공급장치(600)는 제1 증발기(140), 제2 증발기(240)와 열교환이 이루어지면서 웨이퍼로 냉각수를 공급하는 것으로서, 냉각수 저장탱크(610), 순환펌프(620) 및 냉각수 히터(630)와 이를 연결하는 배관을 포함한다.

냉각수 저장탱크(610)에는 웨이퍼를 냉각하기 위한 냉각수(쿨런트)가 저장되며, 순환펌프(620)는 냉각수 저장탱크(610)에 저장된 냉각수를 제1 증발기(140), 제2 증발기(240), 반도체 부품을 지지하는 반도체 지지부(웨이퍼 진공 흡착 척 등)로 순환 공급하도록 냉각수 순환을 위한 동력을 제공하며, 냉각수 히터(630)는 냉각수 저장탱크(610)에 저장된 냉각수를 일정 이상 가열하도록 마련된다. 본 발명에서 제1 증발기(140)와 제2 증발기(240)는 배관을 통해 서로 연결되어 냉각수가 제1 증발기(140)와 제2 증발기(240)를 모두 통과하면서 순환하도록 이루어진다.

이하, 냉각수 순환에 따른 웨이퍼로의 상대적인 저온, 고온 냉각수 공급 루트와 이를 위한 냉각장치의 냉매 순환 과정을 간략하게 설명한다.

먼저 대략 -20도 ~ 80도의 온도를 갖는 상대적인 고온 냉각수를 공급하고자 할 경우, 도 2에 도시한 바와 같이 제어부(700)는 제1 냉매경로조절밸브(330)는 개방하고 제2 냉매경로조절밸브(340)는 폐쇄시킴며 2차 냉동장치(200)의 작동은 오프시킨다.

이때 냉각수 저장탱크(610)의 냉각수는 순환펌프(620) 작동에 의해 제2 증발기(240), 제1 증발기(140)를 거쳐 웨이퍼 측으로 이동하여 냉각시키고 다시 냉각수 저장탱크로 유입되며 이러한 냉각수 순환이 반복적으로 이루어진다.

다음, 대략 -100도 ~ -20도의 온도를 갖는 상대적인 저온 냉각수를 공급하고자 할 경우, 도 3에 도시한 바와 같이 제어부(700)는 제1 냉매경로조절밸브(330)는 폐쇄하고 제2 냉매경로조절밸브(340)는 개방시키며 2차 냉동장치(200), 즉 제2 압축기(210)의 구동을 온시킨다. 이러한 밸브의 개방 조절에 의해 제1 증발기(140) 측으로의 냉매 유입은 제한된다.

여기서, 제1 압축기(110)를 통과한 냉매는 제1 열교환기(300), 제2 열교환기(400), 제2 팽창밸브(500)를 거쳐 제2 증발기(240) 측으로 유입되고 제2 증발기(240)를 거친 냉매는 다시 제2 열교환기(400) 측으로 유입된다. 즉 이러한 냉매 유동 사이클이 반복적으로 이루어지는 동안, 제2 압축기(210)를 통과한 냉매는 제1 열교환기(300), 제2 열교환기(400)를 거치면서 2번의 응축 과정을 거쳐 과냉각 상태까지 이르게 된다.

이때 냉각수 저장탱크(610)의 냉각수는 순환펌프(620) 작동에 의해 마찬가지로 제2 증발기(240), 제1 증발기(140)를 거쳐 웨이퍼 측으로 이동하여 냉각시키고 다시 냉각수 저장탱크로 유입되며 이러한 냉각수 순환이 반복적으로 이루어진다. 여기서 제2 증발기(240)에 형성되는 냉기의 온도는 2차 냉동장치(200)의 냉매가 2차 응축과정을 거쳐 과냉각도가 증가한 상태로 유입됨으로써 1차 냉동장치(100)만 구동시켰을 경우 제1 증발기(140)에 형성되는 냉기에 비해서 상당히 저온이 형성된다.

본 발명의 실시예에서, 제어부(700)는 웨이퍼의 냉각 요구 온도에 따라 제1 및 제2 냉매경로조절밸브(330,340)의 개방을 제어함과 더불어 제1 증발기(140), 제2 증발기(240)의 냉각 용량 조절을 위해 후술하는 바와 같이 냉각수 온도조절부(750)의 구동을 제어하며 이에 대해서는 후술한다.

본 발명은 압축기로부터 토출된 냉매 속에 포함되어 있는 오일을 한층 효과적으로 분리하기 위한 구조를 채용하고 있다.

구체적으로, 도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 냉각 시스템은 제1 오일 재공급기(710), 제2 오일 재공급기(720)를 포함한다.

제1 오일 재공급기(710)는 제1 압축기(110)와 제1 팽창밸브(130) 사이에 마련되어 제1 압축기(110)로부터 토출된 냉매에 포함된 오일을 냉각하고 오일을 분리하여 제1 압축기(110)로 재공급한다. 마찬가지로 제2 오일 재공급기(720)는 제2 압축기(210)와 제1 열교환기(300) 사이에 마련되어 제2 압축기로부터 토출된 냉매에 포함된 오일을 냉각하고 오일을 분리하여 제2 압축기(210)로 재공급한다.

제1 오일 재공급기(710)와 제2 오일 재공급기(720)는 각각, 외부로부터 오일 냉각을 위한 냉각수가 공급되어 오일을 설정 온도범위로 응축하는 제1 및 제2 오일 쿨러(711,721)와, 냉매의 이동 경로상 제1 및 제2 오일 쿨러(711,721)의 후방에 마련되어 응축된 오일을 분리하는 제1 및 제2 오일 분리기(712,722)를 포함한다.

제1 및 제2 오일 쿨러(711,721)에서의 오일 응축을 위해 별도의 냉각수 공급 및 회수배관(713)이 마련되어 있으며, 오일 냉각용 냉각수는 냉각수 공급 및 회수배관(713)을 통해 제1 및 제2 오일 쿨러(711,721)측으로 유동한다. 한편 냉각수 공급 및 회수배관(713)을 따라 유동하는 냉각수는 제1 응축기(120) 측으로도 유동되어 제1 압축기(110), 제1 오일 쿨러(711) 및 제1 오일 분리기(712)를 거쳐 제1 응축기(120)로 유입된 냉매를 응축시키게 된다.

부연하자면, 제1 및 제2 오일 쿨러(711,721)에서는 오일이 함유된 고온의 냉매(대략 80~90도)와 냉각수 사이의 열교환이 이루어져서 냉매의 온도를 대략 50도 정도로 하강시키게 되며, 이때 냉각수에 의해 냉매 속의 오일이 응축되어 오일 분리기에서의 오일 분리 효율을 상승(촉진)시킬 수 있다.

또한 본 발명은 압축기로부터 토출된 냉매 속에 포함된 오일을 먼저 일정 이상 응축시키는 과정에서 전체적으로 토출 냉매의 온도를 하강시킴으로써 1차 냉동장치(100)의 제1 응축기(120)에서 응축을 위한 필요 열량을 한층 감소시켜 응축기로의 냉각수 공급량을 감소하여 에너지를 절감할 수 있다.

본 발명은 웨이퍼의 냉각 온도, 즉 웨이퍼 냉각을 위한 냉각수 온도범위를 사용자의 요구에 따라 가변적으로 더욱 효율적으로 조절하기 위한 냉각수 온도조절부(750)를 포함한다.

본 발명의 실시예에서 냉각수 온도조절부(750)는 크게 3가지 루트(유닛)를 포함할 수 있으며 각각은 제어부(700)에 의해 제어된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 냉각수 온도조절부(750)의 첫번째 적용구조는 제1 온도조절배관(751), 제1 핫가스밸브(752), 제2 온도조절배관(753) 및 제2 핫가스밸브(754)를 포함한다.

제1 온도조절배관(751)은 제1 오일 분리기(712)를 통과한 냉매가 제1 팽창밸브(130)와 제1 증발기(140) 사이의 배관으로 공급되도록 연결되며, 제1 핫가스밸브(752)는 제1 온도조절배관(751) 상에 마련된다. 제1 온도조절배관(751)과 제1 핫가스밸브(752)는 제1 압축기(110)로부터 토출되고 제1 응축기(120)를 통과하기 전 고온/고압의 냉매를 제1 증발기(140) 측으로 공급하는 것으로서 제어부(700)는 반도체 부품 냉각을 위한 냉각수 온도 요구 조건에 따라 적절하게 제1 핫가스밸브(752)를 오픈/폐쇄하거나 개도를 조절하게 된다.

제2 온도조절배관(753)은 제2 오일 분리기(722)를 통과한 냉매가 제2 팽창밸브(500)와 제2 증발기(240) 사이의 배관으로 공급되도록 연결되며, 제2 핫가스밸브(754)는 제2 온도조절배관(753) 상에 마련된다. 마찬가지로 제2 온도조절배관(753)과 제2 핫가스밸브(754)는 제2 압축기(210)로부터 토출되고 제1 열교환기(300)를 통과하기 전 고온/고압의 냉매를 제2 증발기(240) 측으로 공급하는 것으로서 제어부(700)는 반도체 부품 냉각을 위한 냉각수 온도 요구 조건에 따라 적절하게 제2 핫가스밸브(754)를 오픈/폐쇄하거나 개도를 조절하게 된다. 여기서 제1 핫가스밸브(752)와 제2 핫가스밸브(754)는 제어부(700)의 제어 신호에 의해 개도 조절이 용이한 솔레노이드밸브로 적용될 수 있다.

즉 제1 온도조절배관(751), 제1 핫가스밸브(752), 제2 온도조절배관(753) 및 제2 핫가스밸브(754)는 칠러 시스템에 폐열을 활용하여 핫 소스를 공급하는 기능으로 반도체 부품 냉각을 위한 냉각수 제어 온도에 맞춰 고온 냉매를 조절하여 주입하게 된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 냉각수 온도조절부(750)의 두번째 적용구조는 냉각수 공급장치(600)의 냉각수 히터(630)를 더 포함한다. 또한, 냉각수 온도조절부(750)의 세번째 적용 구조는 제2 팽창밸브(500)의 복수의 팽창조절밸브(530)를 더 포함한다.

냉각수 공급장치(600)는 웨이퍼 측으로의 냉각수 공급라인 상에 설치되는 제1 온도센서(650)와 웨이퍼를 냉각한 후 다시 피드백되는 냉각수 회수라인 상에 설치되는 제2 온도센서(660)를 더 포함하며, 제어부(700)는 제1 온도센서(650)의 감지값을 전달받아 웨이퍼 냉각을 위한 냉각수 온도조건과 비교한 후 제1 핫가스밸브(752), 제2 핫가스밸브(754)의 개방 또는 폐쇄하거나 개도를 조절한다. 1차 냉동장치만을 사용할 경우 제2 핫가스밸브(754)의 개방은 필요없다.

또한 제어부(700)는 제1 온도센서(650)의 감지값을 전달받아 웨이퍼 냉각을 위한 냉각수 온도조건과 비교한 후 냉각수 히터(630)의 발열량을 조절할 수 있고 복수의 팽창조절밸브(530)를 모두 또는 선택적으로 오픈하거나 개도를 조절하여 제1 증발기(140), 제2 증발기(240)에 형성되는 온도를 조절함으로써 냉각수 온도를 제어하게 된다.

여기서, 제어부(700)는 제1 핫가스밸브(752), 제2 핫가스밸브(754), 냉각수 히터(630) 및 팽창조절밸브(530)를 복합적으로 제어하여 냉각수 온도를 조절할 수 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

100: 1차 냉동장치 200: 2차 냉동장치
300: 제1 열교환기 330: 제1 냉매경로조절밸브
340: 제2 냉매경로조절밸브 400: 제2 열교환기
500: 제2 팽창밸브 510: 팽창분기배관
520: 모세관 530: 팽창조절밸브
600: 냉각수 공급장치 700: 제어부
710: 제1 오일 재공급기 720: 제2 오일 재공급기
750: 냉각수 온도조절부

Claims

반도체 부품을 냉각시키되 상대적인 저온, 고온 범위를 가변적으로 선택하여 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템으로서,
제1 압축기(110), 제1 응축기(120), 제1 팽창밸브(130) 및 제1 증발기(140)를 포함하는 1차 냉동장치(100);
제2 압축기(210) 및 제2 증발기(240)를 포함하는 2차 냉동장치(200);
제1 팽창밸브(130)와 제1 증발기 사이를 연결하는 주 배관(301)으로부터 분기된 분기배관(302) 상에 마련되며, 제2 압축기를 거쳐 제2 증발기(240)로 유동하는 냉매와의 사이에 상호 열교환을 선택적으로 가능하게 하는 제1 열교환기(300);
상기 주 배관과 상기 분기배관에 각각 마련되어 냉매의 순환경로를 조절 가능한 제1 및 제2 냉매경로조절밸브(330,340);
제1 열교환기(300)와 제2 증발기를 연결하는 배관 상에 마련되며, 제2 증발기(240)를 거쳐 제2 압축기(210) 측으로 유동하는 냉매와의 사이에 상호 열교환이 이루어져서 제1 열교환기(300)를 거쳐 제2 증발기)( 측으로 유동하는 냉매를 더욱 응축시키는 제2 열교환기(400);
제2 열교환기(400)와 제2 증발기(240) 사이를 연결하는 배관에 마련되는 제2 팽창밸브(500);
제1 및 제2 증발기와 열교환이 이루어지면서 반도체 부품으로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급장치(600); 및
반도체 부품의 냉각 요구 온도에 따라 제1 및 제2 냉매경로조절밸브의 개방을 제어하는 제어부(700)를 포함하는 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 반도체 부품을 상대적으로 저온 냉각시킬 경우 상기 제어부(700)는,
제1 냉매경로조절밸브(330)를 폐쇄시키고 제2 냉매경로조절밸브(340)를 개방시켜 제1 팽창밸브(130)를 통과한 저온의 냉매가 제1 열교환기 측으로 유도되도록 하여 제2 압축기를 통과한 냉매를 1차 응축시키고,
상기 1차 응축된 냉매가 제2 열교환기(400)를 통과하면서 2차 응축되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
제1 압축기(110)와 제1 팽창밸브(130) 사이에 마련되어 냉매에 포함된 오일을 냉각하고 오일을 분리하여 제1 압축기(110)로 재공급하는 제1 오일 재공급기(710); 및
제2 압축기(210)와 제1 열교환기(300) 사이에 마련되어 냉매에 포함된 오일을 냉각하고 오일을 분리하여 제2 압축기로 재공급하는 제2 오일 재공급기(720)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제1 오일 재공급기(710)와 상기 제2 오일 재공급기(720)는 각각,
외부로부터 오일 냉각을 위한 냉각수가 공급되어 오일을 설정 온도범위로 응축하는 제1 및 제2 오일 쿨러(711,721); 및
냉매의 이동 경로상 오일 쿨러의 후방에 마련되어 응축된 오일을 분리하는 제1 및 제2 오일 분리기(712,722)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템.
제4항에 있어서,
제1 증발기(140)와 제2 증발기(240)는 반도체 부품 냉각용 냉각수가 내부 순환하도록 배관을 통해 서로 연결되며,
냉각수 온도범위를 조절하기 위한 냉각수 온도조절부(750)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템.
제5항에 있어서,
상기 냉각수 온도조절부(750)는,
제1 오일 분리기를 통과한 냉매가 제1 팽창밸브와 제1 증발기 사이의 배관으로 공급되도록 연결되는 제1 온도조절배관(751);
제1 온도조절배관(751) 상에 마련되는 제1 핫가스밸브(752);
제2 오일 분리기(722)를 통과한 냉매가 제2 팽창밸브와 제2 증발기 사이의 배관으로 공급되도록 연결되는 제2 온도조절배관(753); 및
제2 온도조절배관(753) 상에 마련되는 제2 핫가스밸브(754)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템.
제6항에 있어서,
상기 냉각수 공급장치(600)는, 냉각수가 저장되는 냉각수 저장탱크(610)와, 냉각수 저장탱크(610)에 저장된 냉각수를 제1 증발기(140), 제2 증발기(240), 반도체 부품을 지지하는 반도체 지지부로 순환 공급하는 순환펌프(620)와, 냉각수 저장탱크(610)의 냉각수를 가열하는 냉각수 히터(630)를 포함하고,
상기 냉각수 온도조절부(750)는, 상기 냉각수 히터(630)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제2 팽창밸브(500)는,
제2 열교환기 측에 연결되는 배관으로부터 복수로 분기되는 복수의 팽창분기배관(510);
복수의 팽창분기배관(510) 상에 각각 마련되는 복수의 모세관(520); 및
복수의 모세관(520) 측으로의 냉매 유입을 각각 조절하도록 복수의 팽창분기배관(510)에 각각 마련되는 복수의 팽창조절밸브(530)를 포함하며,
상기 냉각수 온도조절부(750)는, 상기 복수의 팽창조절밸브(530)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 부품 냉각용 2원 냉각 시스템.