KR102070455B1

KR102070455B1 - 반도체 공정용 칠러 장치 및 그 온도제어 방법

Info

Publication number: KR102070455B1
Application number: KR1020180094016A
Authority: KR
Inventors: 지옥규; 오치훈
Original assignee: (주)피티씨
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2020-01-28

Abstract

냉매 직접 냉각 방식에서 열전 블록을 적용함으로써 공정 온도에 따라 저온과 상온의 온도영역을 대비할 수 있도록 하는 칠러 장치가 개시된다. 응축기와 열전 블록 사이에 경로를 두 개로 분기하여 각각 3방 밸브와 전자식 팽창밸브를 직렬 연결하고, 열전 블록과 공정 챔버 사이에 경로를 두 개로 분기하여 각각 3방 밸브와 전자식 팽창밸브를 직렬 연결한 후 다시 합류하여 하나의 온도영역으로 운전하면서 다른 온도영역의 운전을 대비할 수 있다.

Description

반도체 공정용 칠러 장치 및 그 온도제어 방법{Chiller apparatus for semiconductor process and Method for controlling temperature thereof}

본 발명은 반도체 공정용 칠러 장치에 관한 것으로, 특히 냉매 직접 냉각 방식에서 열전 블록을 적용함으로써 공정 온도에 따라 저온과 상온의 온도영역을 대비할 수 있도록 하는 기술에 관련한다.

반도체를 제조하는 과정에서 반도체 공정용 설비는 항상 그 챔버 내부의 온도를 일정하게 유지시켜야 하며, 이러한 온도 유지의 역할을 하는 장비가 반도체용 칠러(chiller)이다.

종래의 열교환식 칠러 장치는, 냉동사이클을 수행하기 위해서 기본적으로 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기가 필요하며, 반도체 공정설비의 챔버에 일정 온도의 냉각유체를 공급하기 위해서 냉각유체가 증발기 및 냉각유체 히터와의 열 교환을 통해서 냉각유체를 일정한 온도로 유지할 필요가 있다.

이를 위해, 증발기에는 한 쌍의 냉매입구와 출구, 다른 한 쌍의 냉각유체 입구와 출구가 있어 냉매와 냉각유체가 상호 열 교환될 수 있는 구조로 되어 있다.

이러한 종래의 열교환식 칠러 장치에 의하면, 냉각유체로 사용되는 부동액 계열의 브라인(brine)이 주기적으로 공급되어야 하는데, 브라인의 가격이 비싸기 때문에 관리비용이 증가한다. 또한, 경우에 따라서는 냉각유체를 가열하기 위한 냉각유체 히터를 사용하기 때문에 전력소모가 크다. 특히, 냉각유체를 순환시키기 위해 순환펌프를 사용하는데, 낮은 온도와 순환 압력의 상승으로 순환펌프의 고장이 빈번하고, 순환펌프의 구동에 의해 전력소모가 크다.

이를 해결하기 위해, 냉매 직접 냉각 방식을 적용하는데, 냉매직접 냉각 방식의 칠러 장치는 챔버 내의 척(chuck)을 증발기로 적용하여 냉동 사이클에서 순환하는 냉매를 운영하며 종전의 칠러 방식 대비 간소화된 시스템으로 운영이 가능하며 부품의 고장 및 비용 절감에 효과가 크다.

한편, 최근의 3D 낸드 플래시의 폭발적인 확대에 따라 3D 공정에서는 더 많은 레이어 설치를 위해 반도체 생산 설비에서 기존보다 더 빠르고 많은 공정을 진행하게 되었으며, 그 결과 공정의 온도변화에 빠르게 대응할 수 있는 칠러 장치를 요구하고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 공정 온도 변화에 빠르게 대응할 수 있는 칠러 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 아이들 운전 대기상태에서 원하는 온도를 빠르게 공급받을 수 있도록 하는 칠러 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 칠러 장치와 공정 챔버를 냉매가 순환하는 냉매 경로를 포함하고, 상기 냉매 경로 상에는 압축기로부터 시작하여 응축기, 및 열전 블록이 순차적으로 설치되고, 냉매의 흐름을 기준으로 상기 응축기와 상기 열전 블록 사이는 제1 및 제2분기경로로 분기되고, 상기 제1분기경로에 3방 밸브와 상온측 전자식 팽창밸브가 직렬 연결되고 상기 제2분기경로에 3방 밸브와 저온측 전자식 팽창밸브가 직렬 연결되며, 상기 제 및 제2분기경로의 3방 밸브의 다른 출력은 상기 각 전자식 팽창밸브의 후단에서 직접 상기 제1 및 제2분기경로에 연결되고, 상기 열전 블록의 출력은 제3 및 제4분기경로로 분기되어 상기 공정 챔버에서 합류되고, 상기 제3분기경로에 3방 밸브와 저온측 전자식 팽창밸브가 직렬 연결되고 상기 제4분기경로에 3방 밸브와 상온측 전자식 팽창밸브가 직렬 연결되며, 상기 제1 및 제2분기경로의 3방 밸브의 다른 출력은 합류하여 상기 압축기의 전단에 연결되며, 상기 열전 블록은 2개의 온도영역 구간을 구비하고, 상기 제1분기경로와 제4분기경로는 상기 열전 블록의 하나의 온도영역 구간을 통하여 연결되고, 상기 제2분기경로와 제3분기경로는 상기 열전 블록의 다른 온도영역 구간을 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러 장치가 제공된다.

바람직하게, 상기 열전 블록은, 열전소자와, 상기 열전소자의 양측에 구비된 COLD 구간 또는 HOT 구간의 온도영역 구간으로 이루어지고, 상기 각 온도영역 구간은 상기 열전소자에 대한 전원 인가방식을 제어하여 서로 전환될 수 있다.

바람직하게, 상기 냉매는, 상기 제2분기경로에서 상기 저온측 전자식 팽창밸브를 바이패스하여 상기 열전 블록의 COLD 구간을 통과하면서 냉각되어 출력되고, 상기 제3분기경로에서 상기 저온측 전자식 팽창밸브를 통과하여 상기 공정 챔버에 공급되어 저온 제어가 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 냉매는, 상기 제1분기경로에서 상기 상온측 전자식 팽창밸브를 바이패스하여 상기 열전 블록의 COLD 구간을 통과하면서 냉각되어 출력되고, 상기 제4분기경로에서 상기 상온측 전자식 팽창밸브를 통과하여 상기 공정 챔버에 공급되어 상온 제어가 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 칠러 장치와 공정 챔버를 냉매가 순환하는 냉매 경로를 포함하고, 상기 냉매 경로 상에는 압축기로부터 시작하여 응축기, 및 열전 블록이 순차적으로 설치되고, 상기 열전 블록은, 열전소자와, 상기 열전소자의 양측에 구비된 COLD 구간 또는 HOT 구간의 온도영역 구간으로 이루어지는 반도체 공정용 칠러장치에 적용되며, 저온 제어에서, 상기 응축기로부터의 냉매는, 전자식 팽창밸브에서 팽창하여 상기 열전블록의 HOT 구간을 통하여 증발되어 상기 압축기로 회수되는 경로를 따르고, 이와 동시에 상기 열전블록의 COLD 구간을 통하여 보조 냉각되어 상기 공정 챔버에 공급되는 경로를 따르며, 상온 제어에서, 상기 응축기로부터의 냉매는, 상기 열전블록의 COLD 구간을 통하여 보조 냉각되어 상기 공정 챔버에 공급되는 제2분기경로를 따르고, 이와 동시에 전자식 팽창밸브에서 팽창하여 상기 열전블록의 HOT 구간을 증발되어 통하여 상기 압축기로 회수되는 경로를 따르는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러 장치의 온도제어방법이 제공된다.

상기의 구조에 의하면, 열전 블록의 대향하는 COLD 구간과 HOT 구간을 이용하여 공정 온도에 따라 저온과 상온의 온도영역을 대비할 수 있고, 그에 맞게 시스템 전환을 통해 COLD 구간을 통한 보조 냉각(Sub Cooling) 기능과 HOT 구간을 통한 증발 기능이 가능하다.

그 결과, 기존 방식과 대비하여 저온 공정에서는 보조 냉각을 이용함으로써 안정적이고 높은 효율의 냉동 능력 구현이 가능하고, 동시에 HOT 구간을 통해 증발기의 대체가 가능하기 때문에, 두 개의 공정 온도의 대기 운전이 가능하여 온도 변화에 빠른 대응이 가능함으로써 인터벌 시간의 단축이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 칠러 장치의 계통도를 나타낸다.
도 2(a)와 2(b)는 각각 저온 제어와 상온 제어시의 냉매 흐름을 나타낸다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 칠러 장치의 냉각 계통도를 나타낸다.

칠러 장치(100)와 공정 챔버(200)를 냉매가 순환하는 냉매 경로 상에는 압축기(110)로부터 시작하여 응축기(120), 및 열전 블록(150)이 순차적으로 설치된다.

냉매의 흐름을 기준으로 응축기(120)와 열전 블록(150) 사이의 경로는 분리되어 분기경로(102, 103)를 형성하는데, 분기경로(102)에 3방 밸브(130)와 상온측 전자식 팽창밸브(140)가 직렬 연결되고 분기경로(103)에 3방 밸브(132)와 저온측 전자식 팽창밸브(142)가 직렬 연결되며, 각 3방 밸브(130, 132)의 다른 출력은 각 전자식 팽창밸브(140, 142)의 후단에서 직접 분기경로(102, 103)에 연결된다.

또한, 열전 블록(150)과 공정 챔버(200) 사이의 경로는 분리되어 분기경로(102, 103)와 같이 분기경로(104, 105)를 형성하는데, 분기경로(104)에 3방 밸브(134)와 저온측 전자식 팽창밸브(144)가 직렬 연결되고 분기경로(105)에 3방 밸브(136)와 상온측 전자식 팽창밸브(146)가 직렬 연결된다. 각 3방 밸브(134, 136)의 다른 출력은 합류하여 압축기(110)의 전단에 연결된다.

열전 블록(150)은 열전소자(151)와 양측에 구비된 온도영역 구간(151, 152)으로 이루어지는데, 잘 알려진 것처럼 열전소자(151)의 특성을 이용하여 COLD와 HOT의 두 개의 온도 영역 구간을 생성할 수 있다.

다시 말해, 열전 소자(151)에 전원을 인가하면, 전원 인가 방향에 따라 한 쪽에 냉각을 위한 COLD 구간이 생성될 때, 반대쪽에 방열을 위한 HOT 구간이 생성된다. 따라서, COLD 구간을 통하여 냉매를 보조 냉각(2차 응축) 하여 냉동효율의 증대시킴과 동시에 HOT 구간을 통하여 냉매의 증발 기능을 대체함으로써 하나의 냉동기로 2개의 각기 다른 온도 제어를 실현할 수 있게 된다.

상기한 것처럼, 열전소자(151)에 대한 전원 인가방향을 제어하여 각 온도영역 구간(151, 152)을 COLD 구간 또는 HOT 구간으로 전환할 수 있다.

이러한 구조를 갖는 칠러 장치의 동작에 대해 설명한다.

도 2(a)와 2(b)는 각각 저온 제어와 상온 제어시의 냉매 흐름을 나타내는데, 점선으로 표시한 부분은 냉매가 흐르지 않는 구간을 나타낸다.

공정 챔버(200)의 온도를 유지시키는 냉매는 압축기(110)를 통하여 고온고압상태로 응축기(120) 내부에 흐르는 냉각수와 열 교환하여 고압의 액체상태로 각 분기경로(102, 103)의 3방 밸브(130, 132)를 통과한다.

먼저, 칠러 장치(100)의 저온 제어에 대해 설명한다.

도 2(a)를 보면, 분기경로(102)에서 3방 밸브(130)에 의해 냉매는 상온측 전자식 팽창밸브(140)를 통과하여 저온저압의 액체로 열전 블록(150)의 HOT 구간(152)을 통과하면서 증발되어 저온저압의 기체로 출력되며, 3방 밸브(136)에 의해 열전 블록(150)을 출력한 냉매는 압축기(110)로 유입된다.

한편, 분기경로(103)에서 3방 밸브(132)에 의해 냉매는 저온측 전자식 팽창밸브(142)를 바이패스하여 고온고압의 액체로 열전 블록(150)의 COLD 구간(153)을 통과하면서 냉각되어 중온고압의 액체로 출력되며, 3방 밸브(134)에 의해 저온측 전자식 팽창밸브(144)를 통과하면서 저온저압, 가령 -20℃ 정도의 온도를 갖는 액체로 공정 챔버(200)의 척(210, 증발기)에 공급된다.

이와 같이, 분기경로(103)를 흘러 공정 챔버(200)의 반도체 척(210)으로 공급되는 냉매를 열전 블록(150)의 COLD 구간(153)에서 저온 제어를 함으로써 기존대비 더 낮은 온도 구간에서도 높은 냉동 능력을 확보할 수 있다.

이와 동시에, 분기경로(102)를 흐르는 냉매는 열전 블록(150)의 반대구간인 HOT 구간(152)에서 증발이 이루어지면서 시스템 바이패스를 진행하여 압축기(110)로 유입되어 다른 온도의 공정온도, 가령 상온 제어에 대비하며 운전된다.

다음, 칠러 장치(100)의 상온 제어에 대해 설명한다.

여기서, 저온 제어에서 상온 제어를 위해 미리 열전 블록(150)에 인가되는 전원의 전압을 바꾸어 COLD 구간과 HOT 구간을 전환한다.

도 2(b)를 보면, 분기경로(102)에서 3방 밸브(130)에 의해 냉매는 상온측 전자식 팽창밸브(140)를 바이패스하여 고온고압의 액체로 열전 블록(150)의 COLD 구간(152)을 통과하면서 냉각되어 중온고압의 액체로 출력되며, 3방 밸브(136)에 의해 상온측 전자식 팽창밸브(146)를 통과하면서 상온저압, 가령 20℃ 정도의 온도를 갖는 액체로 공정 챔버(200)의 척(210)에 공급된다.

또한, 분기경로(103)에서 3방 밸브(132)에 의해 냉매는 저온측 전자식 팽창밸브(142)를 통과하면서 저온저압의 액체로 열전 블록(150)의 HOT 구간(153)에 흡입되고 증발되어 저온저압의 기체로 출력되며, 3방 밸브(134)에 의해 열전 블록(150)을 출력한 냉매는 압축기(110)로 유입된다.

상기에서 설명한 것처럼, 본 발명에 의하면, 열전 블록에서 COLD 구간과 HOT 구간을 이용하여 공정 온도에 따라 저온과 상온의 온도영역을 대비할 수 있고, 그에 맞게 시스템 전환을 통해 COLD 구간을 통한 보조 냉각 기능과 HOT 구간을 통한 증발 기능이 가능하다. 그 결과, 기존 방식과 대비하여 저온 공정에서는 보조 냉각을 이용함으로써 안정적이고 높은 효율의 냉동 능력 구현이 가능하고, 동시에 HOT 구간을 통해 증발기의 대체가 가능하기 때문에, 두 개의 공정 온도의 대기 운전이 가능하여 온도 변화에 빠른 대응이 가능함으로써 인터벌 시간의 단축이 가능하다.

이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.

100: 칠러 장치
102, 103, 104, 105: 분기경로
110: 압축기
120: 응축기
130, 132, 134, 136: 3방 밸브
140, 142, 144, 146: 전자식 팽창밸브
200: 공정 챔버
210: 증발기(척)

Claims

칠러 장치와 공정 챔버를 냉매가 순환하는 냉매 경로를 포함하고,
상기 냉매 경로 상에는 압축기로부터 시작하여 응축기, 및 열전 블록이 순차적으로 설치되고,
냉매의 흐름을 기준으로 상기 응축기와 상기 열전 블록 사이는 제1 및 제2분기경로로 분기되고, 상기 제1분기경로에 3방 밸브와 상온측 전자식 팽창밸브가 직렬 연결되고 상기 제2분기경로에 3방 밸브와 저온측 전자식 팽창밸브가 직렬 연결되며, 상기 제 및 제2분기경로의 3방 밸브의 다른 출력은 상기 각 전자식 팽창밸브의 후단에서 직접 상기 제1 및 제2분기경로에 연결되고,
상기 열전 블록의 출력은 제3 및 제4분기경로로 분기되어 상기 공정 챔버에서 합류되고, 상기 제3분기경로에 3방 밸브와 저온측 전자식 팽창밸브가 직렬 연결되고 상기 제4분기경로에 3방 밸브와 상온측 전자식 팽창밸브가 직렬 연결되며, 상기 제1 및 제2분기경로의 3방 밸브의 다른 출력은 합류하여 상기 압축기의 전단에 연결되며,
상기 열전 블록은 2개의 온도영역 구간을 구비하고,
상기 제1분기경로와 제4분기경로는 상기 열전 블록의 하나의 온도영역 구간을 통하여 연결되고, 상기 제2분기경로와 제3분기경로는 상기 열전 블록의 다른 온도영역 구간을 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러 장치.
청구항 1에서,
상기 열전 블록은, 열전소자와, 상기 열전소자의 양측에 구비된 COLD 구간 또는 HOT 구간의 온도영역 구간으로 이루어지고,
상기 각 온도영역 구간은 상기 열전소자에 대한 전원 인가방식을 제어하여 서로 전환되는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러 장치.
청구항 1에서,
상기 냉매는, 상기 제2분기경로에서 상기 저온측 전자식 팽창밸브를 바이패스하여 상기 열전 블록의 COLD 구간을 통과하면서 냉각되어 출력되고, 상기 제3분기경로에서 상기 저온측 전자식 팽창밸브를 통과하여 상기 공정 챔버에 공급되어 저온 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러 장치.
청구항 1에서,
상기 냉매는, 상기 제1분기경로에서 상기 상온측 전자식 팽창밸브를 바이패스하여 상기 열전 블록의 COLD 구간을 통과하면서 냉각되어 출력되고, 상기 제4분기경로에서 상기 상온측 전자식 팽창밸브를 통과하여 상기 공정 챔버에 공급되어 상온 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러 장치.
칠러 장치와 공정 챔버를 냉매가 순환하는 냉매 경로를 포함하고, 상기 냉매 경로 상에는 압축기로부터 시작하여 응축기, 및 열전 블록이 순차적으로 설치되고, 상기 열전 블록은, 열전소자와, 상기 열전소자의 양측에 구비된 COLD 구간 또는 HOT 구간의 온도영역 구간으로 이루어지는 반도체 공정용 칠러장치에 적용되며,
저온 제어에서,
상기 응축기로부터의 냉매는, 전자식 팽창밸브에서 팽창하여 상기 열전블록의 HOT 구간을 통하여 증발되어 상기 압축기로 회수되는 경로를 따르고, 이와 동시에 상기 열전블록의 COLD 구간을 통하여 보조 냉각되어 상기 공정 챔버에 공급되는 경로를 따르며,
상온 제어에서,
상기 응축기로부터의 냉매는, 상기 열전블록의 COLD 구간을 통하여 보조 냉각되어 상기 공정 챔버에 공급되는 제2분기경로를 따르고, 이와 동시에 전자식 팽창밸브에서 팽창하여 상기 열전블록의 HOT 구간을 증발되어 통하여 상기 압축기로 회수되는 경로를 따르는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러 장치의 온도제어방법.