KR101937417B1 - 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치 - Google Patents

다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치는 반도체 제조 설비가 설치되는 팹의 하측에 형성된 서브 팹의 상부공간 내에 수용되며, 상기 서브 팹 상에 설치 고정되는 제1 유닛하우징, 상기 제1 유닛하우징 내에 수용되며 상기 반도체 제조 설비로부터 회수된 쿨런트를 저장하는 저장탱크, 상기 제1 유닛하우징 내에 수용되며 상기 저장탱크에 저장된 쿨런트를 상기 반도체 제조 설비로 공급하도록 순환시키는 순환펌프와, 상기 순환펌프에 의해 상기 반도체 제조 설비로 공급되는 쿨런트를 제1 설정온도로 1차 냉각시키는 제1 쿨런트 냉각부를 포함하는 하부 유닛과, 상기 반도체 제조 설비가 설치되는 팹의 상부공간 내에서 수용되며, 상기 팹 상에 설치 고정되는 제2 유닛하우징, 상기 제2 유닛하우징 내에 수용되며 상기 제1 쿨런트 냉각부를 거쳐 1차 냉각된 쿨런트를 상대적으로 좁은 온도 범위 내에서 전기적으로 정밀 냉각하여 제2 설정온도로 2차 냉각시키는 제2 쿨런트 냉각부를 포함하는 상부 유닛을 포함하며, 상기 제1 쿨런트 냉각부는 압축, 응축, 팽창, 증발 단계를 포함하는 냉동사이클을 통해 냉각 및 순환되는 냉매를 이용하여 쿨런트를 1차 냉각시키도록 구성되고, 상기 제2 쿨런트 냉각부는 1차 냉각된 쿨런트를 전기적으로 2차 냉각시키는 열전소자블록을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치{MULTI―STAGE COOLING CONTROLLED TEMPERATURE CONTROL APPARATUS FOR SEMICONDUCTOR MANUFACTURING FACILITY}
본 발명의 실시예들은 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치에 관한 것이다.
반도체 소자 기술이 점차 고도화되면서 반도체 제조 설비에 적용되는 장비의 제어 정밀도 역시 중요해지고 있다.
반도체 제조 설비용 온도제어장치는 반도체 제조 설비의 온도를 제어하는 장치로서, 칠러(chiller)라는 명칭으로 사용되고 있다. 칠러는 열매체의 온도를 제어하도록 다양한 히터와 냉각 수단을 포함하여 구성되는데, 최근에는 열전소자를 이용하는 방식이 소개되고 있다.
열전소자는 열에너지를 전기에너지로 변환하거나 전기에너지를 열에너지로 직접 변환할 수 있는데, 비교적 구성이 간단하면서도 냉각 효과가 뛰어난 장점이 있으며, 펠티에(Peltier) 소자가 이에 해당된다.
최근 들어, 반도체 제조 공정의 고밀도 고집적화로 인한 생산 기술적 요구사항인 Low Temp high Power에 대응하여, 저온대의 정밀도 높은 설비 일체형의 컴팩트한 소형 칠러에 대한 개발이 필요하게 되었다.
그런데, 고정밀도의 온도 제어 특성을 가지는 열전소자를 활용한 냉각제어의 경우, 실 영역이 -10℃ ~ 80 ℃ 범위로 대응하였으나 최근의 반도체 제조 공정의 추이는 초저온 영역으로 사용 온도 범위가 확대되고 있다.
그리고 초저온 영역에서는 종래의 냉동식 칠러가 적합하나, 냉동 특성상 압축, 응축, 팽창, 증발의 4단계의 냉매 상태 변화 사이클을 통한 열교환 방식으로 온도 냉각 속도 및 정밀도 특성이 저하되어, 보다 정밀하고 신속하게 제어 가능한 열전소자를 활용한 전기식 칠러에 비해 성능이 낮게 평가되는 문제가 있다.
하지만, -15℃ 이하의 온도 대에 사용하는 전기식 칠러는 그 출력량이 85% 이상에 육박하여 장기적 사용시 열전소자의 수명저하에 악영향을 끼치는 문제가 있다.
관련된 선행기술로서 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0026949호(2014.03.06, 공개일)가 있으며, 상기 선행문헌에는 반도체 제조설비의 온도제어 장치 및 그 제어방법이 개시되어 있다. 다만, 이에 개시된 선행문헌의 경우 저온 영역에서 높은 정밀도로 쿨런트의 온도를 제어하는 내용에 관하여는 전혀 언급하고 있지 않다.
본 발명은 반도체 제조 공정의 요구사항인 Low Temp high Power에 대응하여 저온대 운전이 가능하며 고정밀성을 갖는 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 냉동식 칠러의 장점과 전기식 칠러의 장점을 융합하여 저온영역의 운전 및 고정밀성을 구현하여 반도체 제조 공정의 냉각제어 시 에너지 효율을 높일 수 있는 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 반도체 제조 설비 내의 협소한 공간을 활용하여 본체를 상, 하부 유닛으로 분리시키며, 쿨런트를 공급하는 순환펌프 및 쿨런트 저장소는 하부 유닛에만 설치함으로써 상부 유닛의 컴팩트 구조를 구현해 낼 수 있는 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치는 반도체 제조 설비가 설치되는 팹의 하측에 형성된 서브 팹의 상부공간 내에 수용되며, 상기 서브 팹 상에 설치 고정되는 제1 유닛하우징, 상기 제1 유닛하우징 내에 수용되며 상기 반도체 제조 설비로부터 회수된 쿨런트를 저장하는 저장탱크, 상기 제1 유닛하우징 내에 수용되며 상기 저장탱크에 저장된 쿨런트를 상기 설비로 공급하도록 순환시키는 순환펌프와, 상기 순환펌프에 의해 상기 반도체 제조 설비로 공급되는 쿨런트를 제1 설정온도로 1차 냉각시키는 제1 쿨런트 냉각부를 포함하는 하부 유닛과, 상기 반도체 제조 설비가 설치되는 팹의 상부공간 내에서 수용되며, 상기 팹 상에 설치 고정되는 제2 유닛하우징, 상기 제2 유닛하우징 내에 수용되며 상기 제1 쿨런트 냉각부를 거쳐 1차 냉각된 쿨런트를 상대적으로 좁은 온도 범위 내에서 전기적으로 정밀 냉각하여 제2 설정온도로 2차 냉각시키는 제2 쿨런트 냉각부를 포함하는 상부 유닛을 포함하며, 상기 제1 쿨런트 냉각부는 압축, 응축, 팽창, 증발 단계를 포함하는 냉동사이클을 통해 냉각 및 순환되는 냉매를 이용하여 쿨런트를 1차 냉각시키도록 구성되고, 상기 제2 쿨런트 냉각부는 1차 냉각된 쿨런트를 전기적으로 2차 냉각시키는 열전소자블록을 포함한다.
상기 상부 유닛은, 상기 열전소자블록을 포함하는 제2 쿨런트 냉각부와, 상기 열전소자블록을 거쳐 제2 설정온도로 2차 냉각된 쿨런트를 공급받는 상기 반도체 제조 설비만을 수용하고, 상기 쿨런트를 저장하는 저장탱크와 상기 쿨런트를 순환시키는 상기 순환펌프의 설치가 삭제된 구조를 가짐에 따라, 상기 상부 유닛의 컴팩트한 구성이 가능하고, 상기 상부 유닛의 여유 공간 확보로 인해 상기 반도체 제조 설비의 필요 용량에 따라 상기 열전소자블록의 가감이 가능하게 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 쿨런트 냉각부는, 냉매를 압축하는 압축기; 상기 압축된 냉매를 외부의 냉각수를 이용하여 응축시키는 응축기; 상기 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브; 및 상기 팽창된 냉매를 증발시키며 상기 순환펌프를 통해 공급된 쿨런트를 제1 설정온도로 1차 냉각시키는 증발기;를 포함한다.
또한, 상기 제1 유닛하우징의 외측에는 제1 밸브가 구비되며, 상기 제1 밸브는, 상기 제1 유닛하우징 내에서 상기 제1 쿨런트 냉각부에 의해 제1 설정온도로 1차 냉각된 쿨런트가 상기 제1 유닛하우징의 외부로 공급되는 것을 개폐 조절할 수 있다.
또한, 상기 제2 유닛하우징은 상기 반도체 제조 설비로부터 일측으로 이격하여 상기 팹 상에 설치 고정되고, 상기 제2 유닛하우징의 외부 일측에는 제2 밸브가 구비되며, 상기 제2 밸브는, 상기 제1 밸브의 개방 시 상기 제1 쿨런트 냉각부에 의해 제1 설정온도로 1차 냉각된 쿨런트가 상기 팹을 관통하여 상기 제2 유닛하우징의 내부로 도입되는 것을 개폐 조절하여, 상기 열전소자블록을 향해 1차 냉각된 쿨런트의 공급을 조절할 수 있다.
또한, 상기 제2 유닛하우징의 외부 타측에는 제3 밸브가 구비되며, 상기 제3 밸브는, 상기 제2 유닛하우징 내에서 상기 열전소자블록에 의해 제2 설정온도로 2차 냉각된 쿨런트가 상기 제2 유닛하우징의 외부로 공급되는 것을 개폐 조절하여, 상기 반도체 제조 설비를 향한 쿨런트의 공급을 조절할 수 있다.
또한, 상기 반도체 제조 설비에서 냉각에 사용된 후 상기 저장탱크로 순환 공급되는 쿨런트의 온도를 측정하는 제1 온도센서와, 상기 제1 쿨런트 냉각부를 거쳐 1차 냉각된 쿨런트의 온도를 측정하는 제2 온도센서와, 상기 제1 온도센서와 상기 저장탱크 사이에 설치되어 상기 저장탱크로 공급되는 쿨런트의 유량을 계측하는 유량계와, 상기 제1 쿨런트 냉각부와 상기 제2 온도센서 사이에 설치되어 상기 쿨런트 냉각부를 거쳐 1차 냉각된 쿨런트의 압력을 계측하는 압력계를 더 포함하며, 상기 제1 온도센서, 상기 제2 온도센서, 상기 유량계, 및 상기 압력계는, 상기 제1 유닛하우징 내부에 수용되어 상기 하부 유닛에 포함될 수 있다.
또한, 상기 열전소자블록의 입구 측에 설치되어 상기 열전소자블록으로 공급되는 2차 냉각 이전의 쿨런트의 온도를 측정하는 제3 온도센서와, 상기 열전소자블록의 출구 측에 설치되어 상기 열전소자블록을 통해 2차 냉각된 후 상기 반도체 제조 설비로 공급되는 쿨런트의 온도를 측정하는 제4 온도센서를 포함하며, 상기 제3 온도센서와 상기 제4 온도센서는, 상기 제2 유닛하우징 내에 수용되어 상기 상부 유닛에 포함될 수 있다.
또한, 상기 반도체 제조 설비에서 냉각에 사용된 후 상기 저장탱크 및 상기 순환펌프를 거쳐 상기 제1 쿨런트 냉각부에 공급되는 쿨런트의 온도는, -25 내지 -26℃이며, 상기 제1 쿨런트 냉각부를 거쳐 1차 냉각되는 쿨런트의 제1 설정온도는, -29 내지 -31℃이며, 상기 제2 쿨런트 냉각부를 거쳐 2차 냉각되는 쿨런트의 제2 설정온도는, -29.9 내지 -30.1℃일 수 있다. 예를 들면, 제1 쿨런트 냉각부를 이용하여 -25 내지 -26℃의 쿨런트를 -29 내지 -31℃까지 큰 폭의 온도로 냉각시킬 수 있으며, 이렇게 1차 냉각된 쿨런트를 전기식 열전소자블록을 이용한 제2 쿨런트 냉각부를 이용하여 -30±0.1℃의 온도까지 정밀 제어하여 반도체 제조 설비에 필요한 저온 영역대의 정밀한 온도제어가 구현될 수 있다.
본 발명에 의하면, 반도체 제조 공정의 요구사항인 Low Temp high Power에 대응하여 저온대 운전이 가능하며 고정밀성을 가지면서 반도체 제조 설비의 냉각 제어를 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 냉동식 칠러의 장점과 전기식 칠러의 장점을 융합하여 저온영역의 운전 및 고정밀성을 구현하여 반도체 제조 공정의 냉각제어 시 에너지 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 예컨대, 공정 설비에서 회수된 쿨런트는 하부 유닛의 냉동식 냉각장치에서 제1 설정온도를 갖도록 상대적으로 큰 폭의 온도로 1차 냉각되고, 상기 1차 냉각된 쿨런트는 상부 유닛의 전기식 냉각장치, 즉 열전소자블록의 온도 제어에 의해 제2 설정온도를 갖도록 상대적으로 낮은 폭의 온도로 정밀하게 2차 냉각된 후 반도체 설비에 쿨런트를 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 본체를 상, 하부 유닛으로 분리시키며, 쿨런트를 공급하는 순환펌프 및 쿨런트 저장소는 하부 유닛에만 설치함으로써 상부 유닛의 컴팩트 구조를 구현해 낼 수 있다. 이로써, 반도체 제조 설비 내의 협소한 공간을 적극적으로 활용하여 공간 활용성이 높은 장점이 있다. 그리고 본체의 상부에 열전소자블록만을 배치할 수 있어 상부 유닛 내의 공간 활용이 가능하여 필요한 용량에 맞게 열전소자블록의 가감 적용이 가능한 장점이 있다.
나아가, 반도체 제조 설비 내의 협소한 공간을 적극 활용하여 소형화 및 배관 길이의 단축을 도모할 수 있는 장점이 있다. 특히, 반도체 제조 설비의 협소한 공간을 이용하거나 설비 유지보수를 위한 공간을 이용할 수 있어 전체적인 사이즈가 기존에 비해 대폭 줄어들 수 있으며, 메인 설비가 구비된 본체의 내부에 온도제어장치가 함께 설치됨으로써 쿨런트 순환 배관의 길이를 줄일 수 있으며, 이 같은 구조적인 특징에 따라 반도체 제조 공정의 공정 온도에 대한 정밀도 및 공정 부하 변화에 대한 대응 속도를 대폭 향상시킬 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치를 이용한 쿨런트 냉각 작용을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 냉동식 온도제어장치와 전기식 온도제어장치 간의 냉각 용량을 비교 도시한 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 발명을 구현함에 있어서 설명의 편의를 위하여 구성요소를 세분화하여 설명할 수 있으나, 이들 구성요소가 하나의 장치 또는 모듈 내에 구현될 수도 있고, 혹은 하나의 구성요소가 다수의 장치 또는 모듈들에 나뉘어져서 구현될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이며, 도 2는 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치를 이용한 쿨런트 냉각 작용을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치(1000)는 하부 유닛(110)과 상부 유닛(120)을 포함하는 본체(100)를 포함하여 구성된다.
하부 유닛(110)은 반도체 제조 설비(10)가 설치되는 팹(121)의 하측에 형성된 서브 팹(111)의 상부공간(113) 내에 수용된다. 하부 유닛(110)은 상기 서브 팹(111) 상에 설치 고정되는 제1 유닛하우징(205)를 포함한다.
구체적으로 설명하면, 하부 유닛(110)은 저장탱크(210), 순환펌프(220), 그리고 제1 쿨런트 냉각부(300)를 포함한다.
저장탱크(210)는 제1 유닛하우징(205) 내에 수용되며 상기 반도체 제조 설비(10)로부터 회수된 쿨런트를 저장한다.
순환펌프(220)는 저장탱크(210)와 마찬가지로 제1 유닛하우징(205) 내에 수용된다.
순환펌프(220)는 저장탱크(210)에 저장된 쿨런트를 상기 반도체 제조 설비(10)로 공급하도록 순환시킨다.
제1 쿨런트 냉각부(300)는 순환펌프(220)에 의해 상기 반도체 제조 설비(10)로 공급되는 쿨런트를 제1 설정온도로 1차 냉각시킨다.
예를 들어, 제1 쿨런트 냉각부(220)는 압축, 응축, 팽창, 증발 단계를 포함하는 냉동사이클을 통해 냉각 및 순환되는 냉매(즉, 냉매가스)를 이용하여 쿨런트를 1차 냉각시키도록 구성될 수 있다.
상부 유닛(120)은 상기 반도체 제조 설비(10)가 설치되는 팹(121)의 상부공간 내에서 수용된다. 상부 유닛(120)은 상기 팹(121) 상에 설치 고정되는 제2 유닛하우징(505)을 포함한다.
구체적으로 설명하면, 상부 유닛(120)은 제2 쿨런트 냉각부(500)를 포함한다. 제2 쿨런트 냉각부(500)는 제2 유닛하우징(505) 내에 수용되는데, 상기 제1 쿨런트 냉각부(300)를 거쳐 1차 냉각된 쿨런트를 상대적으로 좁은 온도 범위 내에서 전기적으로 정밀 냉각하여 제2 설정온도로 2차 냉각시킨다.
제2 쿨런트 냉각부(500)는 1차 냉각된 쿨런트를 전기적으로 2차 냉각시키는 장치로서, 이하에서는 제2 쿨런트 냉각부(500)는 열전소자블록을 의미한다.
열전소자블록(500)은 냉동사이클을 이용한 제1 쿨런트 냉각부(300)에 비해 쿨런트를 보다 정밀하게 냉각 제어할 수 있는 구성으로서, 내측에 배치된 쿨런트 블록(501)을 통해 제1 설정온도로 1차 냉각된 쿨런트가 도입된 후 제2 설정온도로 2차 냉각되어 배출될 수 있다. 쿨런트 블록(501)의 상, 하로 냉각수 블록(502, 503)이 배치되어 유동하는 쿨런트의 온도를 보다 정밀하게 제어한다. 여기서, 냉각수라 함은 PCW(Process Cooling Water)를 의미한다. 냉각수(PCW)는 제2 냉각수 공급부를 통해 열전소자블록(500)으로 공급되고, 제2 냉각수 배출부(520)를 통해 사용된 냉각수가 배출될 수 있다.
이러한 열전소자블록(500)은 열에너지를 전기에너지로 변환하거나 전기에너지를 열에너지로 직접 변환할 수 있는 열전소자(즉, 펠티에 소자)를 이용한 것으로 비교적 구성이 간단하면서도 정밀한 냉각온도의 제어가 가능한 장점이 있다.
이와 같이 구성됨에 따라, 상부 유닛(120)은 열전소자블록(500)을 포함하는 제2 쿨런트 냉각부와, 상기 열전소자블록(500)을 거쳐 제2 설정온도로 2차 냉각된 쿨런트를 공급받는 설비 부하, 즉 반도체 제조 설비만을 수용할 수 있다.
다시 말해, 본 발명에 따르면, 팹(121)의 상부공간(123)을 통해 형성되는 상부 유닛(120)의 내부에 별도로 쿨런트를 저장하기 위한 저장탱크 또는 쿨런트를 순환시키기 위한 순환펌프의 설치가 종래와 달리 삭제됨으로써, 팹(121) 상부공간(123)의 공간적 제약성이 줄어드는 장점이 있다. 즉, 상부 유닛(120)의 컴팩트한 구성이 가능하고, 상부 유닛(120)의 여유 공간 확보로 인해 반도체 제조 설비(10)의 필요 용량이 커질 경우 열전소자블록(500)을 증가시키거나 또는 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 제1 쿨런트 냉각부(300)는 냉각가스의 압축, 응축, 팽창, 증발을 통해 쿨런트를 1차적으로 냉각시키는 냉동사이클을 이용한 냉각시스템을 말한다.
구체적으로는, 제1 쿨런트 냉각부(300)는 냉매(즉, 냉매가스)를 압축하는 압축기(310), 압축된 냉매를 외부의 냉각수(PCW)를 이용하여 응축시키는 응축기(320), 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(330), 팽창된 냉매를 증발시키는 증발기(340)를 포함한다. 이로써, 제1 쿨런트 냉각부(300)는 순환펌프(220)를 통해 공급된 쿨런트를 제1 설정온도로 1차 냉각시킬 수 있다.
한편, 제1 유닛하우징(205)의 외측에는 제1 밸브(270)가 구비될 수 있다. 제1 밸브(270)는 제1 유닛하우징(205) 내에서 제1 쿨런트 냉각부(300)에 의해 제1 설정온도로 1차 냉각된 쿨런트가 제1 유닛하우징(205)의 외부, 즉 팹(121)의 상부공간(123)에 배치된 상부 유닛(120)의 제2 유닛하우징(505)으로 공급되는 것을 개폐 조절할 수 있다. 만일, 하부 유닛(110) 또는 상부 유닛(120)에 대한 유지 보수가 필요할 경우 제1 밸브(270)를 차단하여 하부 유닛(110)으로부터 쿨런트가 공급되는 것을 일시적으로 단속할 수 있으며 필요에 따라 공급되는 쿨런트의 유량을 조절하는 역할을 담당할 수 있다.
그리고 제2 유닛하우징(505)은 상기 반도체 제조 설비(10)로부터 일측으로 이격하여 팹(121) 상에 설치 고정될 수 있는데, 이러한 제2 유닛하우징(505)의 외부 일측에는 제2 밸브(530)가 구비될 수 있다. 제2 밸브(550)는 제1 밸브(270)의 개방 시 제1 쿨런트 냉각부(300)에 의해 제1 설정온도로 1차 냉각된 쿨런트가 팹(121)을 관통하여 제2 유닛하우징(505)의 내부로 도입되는 것을 개폐 조절할 수 있다. 이로써, 상부 유닛(120), 구체적으로는 열전소자블록(500)을 향해 공급되는 1차 냉각된 쿨런트의 유량을 조절할 수 있다.
나아가, 제2 유닛하우징(505)의 외부 타측에는 제3 밸브(560)가 구비될 수 있다. 제3 밸브(560)는 제2 유닛하우징(505) 내에서 열전소자블록(500)에 의해 제2 설정온도로 2차 냉각된 쿨런트가 제2 유닛하우징(505)의 외부로 공급되는 것을 개폐 조절할 수 있다. 이로써, 반도체 제조 설비를 향해 2차 냉각을 마친 쿨런트의 공급이 제어될 수 있다. 또한, 열전소자블록(500)의 유지 보수 또는 가감 변경 시에 제2, 3 밸브(550, 560)을 모두 차단시켜 쿨런트의 유동을 막을 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르는 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치(1000)는 반도체 제조 설비(10)에서 냉각에 사용된 후 저장탱크(210)로 순환 공급되는 쿨런트의 온도를 측정하는 제1 온도센서(230)와, 제1 쿨런트 냉각부(300)를 거쳐 1차 냉각된 쿨런트의 온도를 측정하는 제2 온도센서(240)을 더 포함할 수 있다. 제1 온도센서(230)와 제2 온도센서(240) 각각으로부터 측정된 쿨런트의 온도정보를 이용하여 제1 쿨런트 냉각부(300)의 냉각온도를 제어할 수 있다.
이에 더하여, 제1 온도센서(230)와 저장탱크 사이에 설치되어 저장탱크(210)로 공급되는 쿨런트의 유량을 계측하는 유량계(250)와, 제1 쿨런트 냉각부(300)와 제2 온도센서(240) 사이에 설치되어 제1 쿨런트 냉각부(300)를 거쳐 1차 냉각되어 상부 유닛(120), 즉 열전소자블록(500)으로 2차 냉각되기 위해 공급되는 쿨런트의 압력을 계측하는 압력계(260)를 더 포함할 수 있다.
이때, 제1 온도센서(230), 제2 온도센서(240), 유량계(250), 및 압력계(260)는 모두 제1 유닛하우징(205) 내부에 수용되어 하부 유닛(110)에 포함될 수 있다. 이와 같이, 다수의 온도센서 및 유량계, 압력계까지 하부 유닛(110)에 구성함으로써, 상부 유닛(120)의 컴팩트한 구조를 구현해낼 수 있으며, 팹(121)의 상부공간(123)에 대한 공간 확보가 가능해질 수 있는 장점이 있다.
한편, 열전소자블록(500)의 입구 측에는 열전소자블록(500)의 정밀한 냉각 제어에 필수적인 제3 온도센서(530)만이 설치될 수 있다. 제3 온도센서(530)는 열전소자블록(500)으로 공급되는 2차 냉각 이전의 쿨런트의 온도를 측정한다.
또한, 열전소자블록(500)의 출구 측에도 열전소자블록(500)의 정밀한 냉각 제어에 필수적인 제4 온도센서(540)만이 설치될 수 있다. 제4 온도센서(540)는 열전소자블록(500)을 통해 2차 냉각된 쿨런트의 온도를 측정하는데, 그 결과 반도체 제조 설비(10)로 공급되는 쿨런트의 최종 온도를 실시간으로 계측해 낼 수 있다.
그리고 제3 온도센서(530)와 제4 온도센서(540) 각각으로부터 측정된 쿨런트의 온도정보를 이용하여 열전소자블록(500)의 정밀한 냉각제어가 가능해 질 수 있다. 이들 제3, 4 온도센서(530)는 제2 유닛하우징(505) 내에 수용되어 보다 정밀한 온도 측정이 가능하도록 구성될 수 있다.
한편, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치의 냉각 작용에 관하여 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 제조 설비(10)에서 냉각에 사용된 후 재순환 되는 쿨런트의 온도는 -25~-26℃ 일 수 있다. 이러한 온도를 갖는 쿨런트는 저장탱크(210)에 저장되며, 순환펌프(220)에 의해 제1 쿨런트 냉각부(300)로 공급된다.
제1 쿨런트 냉각부(300)는 압축기(310)에서 냉매를 압축시키고, 응축기(320)에서 압축된 냉매를 냉각수(PCW)를 이용하여 응축시킨다. 여기서, 냉각수(PCW)는 제1 냉각수 공급부(410)와 제1 냉각수 배출부(420)를 갖는 냉각수 순환부(400)를 통해 공급 및 배출시키도록 구성될 수 있다. 그리고 팽창밸브(330)에서 응축된 냉매를 팽창 시키고, 증발기(340)에서 팽창된 냉매를 증발시켜 순환펌프(220)로부터 공급된 -25~-26℃의 쿨런트를 제1 설정온도(즉, -30±1℃)까지 큰 온도 폭으로 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
한편, 제1 쿨런트 냉각부(300)에서 제1 설정온도(즉, -30±1℃)로 1차 냉각된 쿨런트는 제2 쿨런트 냉각부, 즉 열전소자블록(500)으로 도입될 수 있다. 이때 열전소자블록(500)으로 도입되는 쿨런트의 온도는 제1 설정온도(즉, -30±1℃)로 유지될 수 있는데, 이를 위해 서로 간의 배관 길이를 최대한 줄이도록 구성되는 것이 좋다. 예를 들어, 제1 쿨런트 냉각부(300)를 통해 1차 냉각된 쿨런트가 열전소자블록(500)까지 공급되기 위해 제공되는 배관은 팹(121)을 관통하여 상하로 수직을 이루도록 형성될 수 있다.
한편, 제2 쿨런트 냉각부, 즉 열전소자블록(500)을 거쳐 2차 냉각된 쿨런트는 제2 설정온도(즉, -30±0.1℃)로 높은 정밀도로 냉각될 수 있으며, 그 결과 반도체 제조 설비(10)에서 요구하는 저온 영역에서 높은 정밀도로 냉각온도를 제어하는 온도제어장치를 구성할 수 있다.
도 3은 냉동식 온도제어장치와 전기식 온도제어장치 간의 냉각 용량을 비교 도시한 그래프이다.
도 3의 그래프 상에서 Q1은 제1 쿨런트 냉각부(300, 도 1 참조)를 구성하는 냉동사이클을 이용한 냉각부의 냉각 용량을 나타낸 것이며, Q2는 제2 쿨런트 냉각부(즉, 열전소자블록(500), 도 1 참조)의 냉각 용량을 나타낸 것이다. 모든 방식의 냉각부의 Cooling Capacity 특성은 온도와 반비례하며, 도 3에 도시된 그래프 상에서 파악할 수 있듯이 Q2의 제2 쿨런트 냉각부의 경우 1,000W 이상 부하 작용 시 냉각이 불가능한 단점이 있다. 따라서, 제1 쿨런트 냉각부(300, 도 1 참조)에서 큰 부하를 1차 냉각한 후 연속적으로 열전소자블록(500, 도 1 참조)을 이용하여 쿨런트의 온도를 전기적으로 정밀하게 제어하는 하이브리드 형태의 온도제어장치를 제공하여 반도체 제조 설비에 보다 정밀한 온도로 냉각 제어된 쿨런트를 공급할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 반도체 제조 공정의 요구사항인 Low Temp high Power에 대응하여 저온대 운전이 가능하며 고정밀성을 가지면서 반도체 제조 설비의 냉각 제어를 수행할 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다.
나아가, 냉동식 칠러의 장점과 전기식 칠러의 장점을 융합하여 저온영역의 운전 및 고정밀성을 구현하여 반도체 제조 공정의 냉각제어 시 에너지 효율을 높일 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다.
예컨대, 공정 설비에서 회수된 쿨런트는 하부 유닛의 냉동식 냉각장치에서 제1 설정온도를 갖도록 상대적으로 큰 폭의 온도로 1차 냉각되고, 상기 1차 냉각된 쿨런트는 상부 유닛의 전기식 냉각장치, 즉 열전소자블록의 온도 제어에 의해 제2 설정온도를 갖도록 상대적으로 낮은 폭의 온도로 정밀하게 2차 냉각된 후 반도체 설비에 쿨런트를 공급할 수 있다.
더 나아가, 본체를 상, 하부 유닛으로 분리시키며, 쿨런트를 공급하는 순환펌프 및 쿨런트 저장소는 하부 유닛에만 설치함으로써 상부 유닛의 컴팩트 구조를 구현해 낼 수 있다. 이로써, 반도체 제조 설비 내의 협소한 공간을 적극적으로 활용하여 공간 활용성이 높은 장점이 있다. 그리고 본체의 상부에 열전소자블록만을 배치할 수 있어 상부 유닛 내의 공간 활용이 가능하여 필요한 용량에 맞게 열전소자블록의 가감할 수 있는 특유의 효과를 갖는다.
더 나아가, 반도체 제조 설비 내의 협소한 공간을 적극 활용하여 소형화 및 배관 길이의 단축을 도모할 수 있다.
특히, 반도체 제조 설비의 협소한 공간을 이용하거나 설비 유지보수를 위한 공간을 이용할 수 있어 전체적인 사이즈가 기존에 비해 대폭 줄어들 수 있으며, 메인 설비가 구비된 본체의 내부에 온도제어장치가 함께 설치됨으로써 쿨런트 순환 배관의 길이를 줄일 수 있으며, 이 같은 구조적인 특징에 따라 반도체 제조 공정의 공정 온도에 대한 정밀도 및 공정 부하 변화에 대한 대응 속도를 대폭 향상시킬 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다.
전술된 실시예들는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 이 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 반도체 제조 설비
100: 반도체 제조 설비의 본체
110: 하부 유닛
111: 서브 팹
113: 서브 팹 상부공간
120: 상부 유닛
121: 팹
123: 팹 상부공간
205: 제1 유닛하우징
210: 저장탱크
220: 순환펌프
230: 제1 온도센서
240: 제2 온도센서
250: 유량계
260: 압력계
270: 제1 밸브
300: 제1 쿨런트 냉각부
310: 압축기
320: 응축기
330: 팽창밸브
340: 증발기
400: 냉각수 순환부
410: 제1 냉각수 공급부
420: 제1 냉각수 배출부
500: 제2 쿨런트 냉각부(또는 열전소자블록)
505: 제2 유닛하우징
501: 쿨런트 블록
502, 503: 냉각수 블록
510: 제2 냉각수 공급부
520: 제2 냉각수 배출부
530: 제3 온도센서
540: 제4 온도센서
550: 제2 밸브
560: 제3 밸브
600: 컨트롤러
1000: 다단 냉각제어 방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치

Claims (9)

  1. 반도체 제조 설비가 설치되는 팹의 하측에 형성된 서브 팹의 상부공간 내에 수용되며, 상기 서브 팹 상에 설치 고정되는 제1 유닛하우징, 상기 제1 유닛하우징 내에 수용되며 상기 반도체 제조 설비로부터 회수된 쿨런트를 저장하는 저장탱크, 상기 제1 유닛하우징 내에 수용되며 상기 저장탱크에 저장된 쿨런트를 상기 반도체 제조 설비로 공급하도록 순환시키는 순환펌프와, 상기 순환펌프에 의해 상기 반도체 제조 설비로 공급되는 쿨런트를 제1 설정온도로 1차 냉각시키는 제1 쿨런트 냉각부를 포함하는 하부 유닛과,
    상기 반도체 제조 설비가 설치되는 팹의 상부공간 내에서 수용되며, 상기 팹 상에 설치 고정되는 제2 유닛하우징, 상기 제2 유닛하우징 내에 수용되며 상기 제1 쿨런트 냉각부를 거쳐 1차 냉각된 쿨런트를 상대적으로 좁은 온도 범위 내에서 전기적으로 정밀 냉각하여 제2 설정온도로 2차 냉각시키는 제2 쿨런트 냉각부를 포함하는 상부 유닛을 포함하며,
    상기 제1 쿨런트 냉각부는 압축, 응축, 팽창, 증발 단계를 포함하는 냉동사이클을 통해 냉각 및 순환되는 냉매를 이용하여 쿨런트를 1차 냉각시키도록 구성되고, 상기 제2 쿨런트 냉각부는 1차 냉각된 쿨런트를 전기적으로 2차 냉각시키는 열전소자블록을 포함하고,
    상기 제1 유닛하우징의 외측에는 제1 밸브가 구비되며, 상기 제1 밸브는 상기 제1 유닛하우징 내에서 상기 제1 쿨런트 냉각부에 의해 제1 설정온도로 1차 냉각된 쿨런트가 상기 제1 유닛하우징의 외부로 공급되는 것을 개폐 조절하며,
    상기 제2 유닛하우징의 외부 일측에는 제2 밸브가 구비되며, 상기 제2 밸브는 상기 제1 밸브의 개방 시 상기 제1 쿨런트 냉각부에 의해 제1 설정온도로 1차 냉각된 쿨런트가 상기 팹을 관통하여 상기 제2 유닛하우징의 내부로 도입되는 것을 개폐 조절하여, 상기 열전소자블록을 향해 1차 냉각된 쿨런트의 공급을 조절하고,
    상기 제2 유닛하우징의 외부 타측에는 제3 밸브가 구비되며, 상기 제3 밸브는 상기 제2 유닛하우징 내에서 상기 열전소자블록에 의해 제2 설정온도로 2차 냉각된 쿨런트가 상기 제2 유닛하우징의 외부로 공급되는 것을 개폐 조절하여, 상기 반도체 제조 설비를 향한 쿨런트의 공급을 조절하며,
    상기 반도체 제조 설비에서 냉각에 사용된 후 상기 저장탱크로 순환 공급되는 쿨런트의 온도를 측정하는 제1 온도센서와, 상기 제1 쿨런트 냉각부를 거쳐 1차 냉각된 쿨런트의 온도를 측정하는 제2 온도센서와, 상기 제1 온도센서와 상기 저장탱크 사이에 설치되어 상기 저장탱크로 공급되는 쿨런트의 유량을 계측하는 유량계와, 상기 제1 쿨런트 냉각부와 상기 제2 온도센서 사이에 설치되어 상기 제1 쿨런트 냉각부를 거쳐 1차 냉각된 쿨런트의 압력을 계측하는 압력계와, 상기 열전소자블록의 입구 측에 설치되어 상기 열전소자블록으로 공급되는 2차 냉각 이전의 쿨런트의 온도를 측정하는 제3 온도센서와, 상기 열전소자블록의 출구 측에 설치되어 상기 열전소자블록을 통해 2차 냉각된 후 상기 반도체 제조 설비로 공급되는 쿨런트의 온도를 측정하는 제4 온도센서를 더 포함하는
    다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 유닛은,
    상기 열전소자블록을 포함하는 제2 쿨런트 냉각부와, 상기 열전소자블록을 거쳐 제2 설정온도로 2차 냉각된 쿨런트를 공급받는 상기 반도체 제조 설비만을 수용하고, 상기 쿨런트를 저장하는 저장탱크와 상기 쿨런트를 순환시키는 상기 순환펌프의 설치가 삭제된 구조를 가짐에 따라, 상기 상부 유닛의 컴팩트한 구성이 가능하고, 상기 상부 유닛의 여유 공간 확보로 인해 상기 반도체 제조 설비의 필요 용량에 따라 상기 열전소자블록의 가감이 가능한 것을 특징으로 하는
    다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 쿨런트 냉각부는,
    냉매를 압축하는 압축기;
    상기 압축된 냉매를 외부의 냉각수를 이용하여 응축시키는 응축기;
    상기 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브; 및
    상기 팽창된 냉매를 증발시키며 상기 순환펌프를 통해 공급된 쿨런트를 제1 설정온도로 1차 냉각시키는 증발기;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유닛하우징은 상기 반도체 제조 설비로부터 일측으로 이격하여 상기 팹 상에 설치 고정되는 것을 특징으로 하는
    다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 제조 설비에서 냉각에 사용된 후 상기 저장탱크 및 상기 순환펌프를 거쳐 상기 제1 쿨런트 냉각부에 공급되는 쿨런트의 온도는,
    -25 내지 -26℃이며,
    상기 제1 쿨런트 냉각부를 거쳐 1차 냉각되는 쿨런트의 제1 설정온도는,
    -30±1.0℃이며,
    상기 제2 쿨런트 냉각부를 거쳐 2차 냉각되는 쿨런트의 제2 설정온도는,
    -30±0.1℃인 것을 특징으로 하는
    다단 냉각제어방식 반도체 제조 설비용 온도제어장치.
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