KR102386541B1 - 반도체 제조공정에 사용된 화학물질 냉각장치 - Google Patents

반도체 제조공정에 사용된 화학물질 냉각장치 Download PDF

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    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes

Abstract

반도체 공정에서 사용된 화학물질을 수용하여 냉각하기 위한 냉각탱크와, 냉각탱크 내부에 수용된 화학물질을 열교환을 통해 냉각시키기 위한 열교환매체를 냉각탱크 내부로 공급하기 위한 열교환매체 공급부 및 열교환매체 공급부를 통해 공급될 열교환매체를 냉각시키는 냉각유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정에 사용된 화학물질 냉각장치가 개시된다.

Description

반도체 제조공정에 사용된 화학물질 냉각장치{AN APPARATUS FOR COOLING WASTE CHEMICAL SUBSTANCE USED IN SEMICONDUCTOR MANUFACTURING PROCESS}
본 발명은 화학물질 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 제조공정에 사용된 고온의 폐 화학물질을 안전하게 급속 냉각시킬 수 있는 반도체 제조공정에 사용된 화학물질 냉각장치에 관한 것이다.
집적회로의 성능과 신뢰성 및 생산수율은 제작시 사용된 웨이퍼나 제작 후 소자 표면에 존재하는 불필요한 물리적·화학적 불순물들에 의하여 많은 제한을 받는다. 웨이퍼 표면에 존재하는 불순물들은 필름, 개별 입자 혹은 입자 덩어리, 흡착된 가스 등으로 이루어져 있으며, 이들은 원자, 이온, 분자 등과 같은 물질 특성을 갖고 있다. 소자의 최소 선폭이 점점 작아져 서브마이크론 영역에 이르게 되면, 산화(oxidation)와 패터닝(patterning) 등의 전에 웨이퍼 표면을 청결하게 세정하는 기술에 대한 중요성은 더욱 커진다. 반도체 웨이퍼 표면을 세정하는 기술은 크게 습식화학방법, 건식방법, 증기(vapor phase)방법 등으로 나눌 수 있다.
세정은 단순한 물리적 분리를 통해서나 화학 반응을 통해서 일어나게 되는데, 이 중에서 화학 반응을 통해서 어떤 용매에 녹을 수 있는 물질로 변화시킴으로써 세정하는 과정을 습식화학방법이라고 한다.
한편, 세정에서 사용되는 세정액의 온도 변화는 여러 가지 중요한 효과들을 일으킨다. 온도가 증가되면 화학물질들의 반응률이 증가하여, 온도가 10℃ 증가할 때마다 약 2배 정도의 반응률 상승이 나타난다. 뿐만 아니라 온도 증가는 일반적으로 오염물질들의 물에 녹는 용해도를 증가시켜 세정이 빨리 이루어지게 한다. 예를 들어 세정액이 황산인 경우 통상 120 내지 150℃의 고온을 유지한다.
이처럼 습식세정장비에서는 웨이퍼를 세정하고 오염된 고온의 폐황산액을 배출하기 위해서는 소정 온도(예를 들어, 60℃) 이하까지 냉각시킨 후에, 옥외에 설치된 폐액탱크로 배출해야 한다. 그러나 많은 양의 폐황산을 배출하면서 냉각시키기에는 시간이 많이 소요되므로, 설정된 시간 내에 충분히 냉각시키지 못하거나 배출하지 못하였다.
또한, 폐황산은 부식성이 강한 성질을 가지므로, 냉각 및 배출과정에서의 안전성을 확보하면서도 신속하게 냉각하여 처리해야 하는 것으로서, 이에 대한 연구개발이 절실히 필요하다.
또한, 상기와 같은 폐황산 이외에도 반도체 제조공정에서 사용되는 다양한 종류의 화확물질은 고온의 상태로 처리 및 배출하기 전에 소정온도 이하까지 냉각시켜야 하는데, 냉각처리 속도와 효율에 따라서 반도체 제조의 생산성이 좌우되므로 안전하면서도 빠르게 냉각처리할 수 있는 냉각장치의 개발이 지속적으로 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1572914호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 창안된 것으로서, 반도체 공정에 사용된 폐황산을 신속하고 안전하게 냉각시킬 수 있는 반도체 제조공정에 사용된 폐황산 냉각탱크를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 제조공정에 사용된 화학물질 냉각장치는, 반도체 공정에서 사용된 화학물질을 수용하여 냉각하기 위한 냉각탱크; 상기 냉각탱크 내부에 수용된 화학물질을 열교환을 통해 냉각시키기 위한 열교환매체를 상기 냉각탱크 내부로 공급하기 위한 열교환매체 공급부; 및 상기 열교환매체 공급부를 통해 공급될 열교환매체를 냉각시키는 냉각유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 반도체 제조공정에 사용되고 나오는 고온의 화학물질을 급속냉각시켜 처리할 수 있다.
여기서, 상기 열교환매체 공급부는, 상기 냉각유닛에 연결되며, 내부로 유입된 열교환매체를 냉각시키는 열교환매체 냉각챔버; 상기 열교환매체 냉각챔버에서 냉각된 열교환매체를 상기 냉각탱크로 공급하기 위한 열교환매체 공급라인; 상기 열교환매체 공급라인에 연결되어 상기 냉각탱크 내부에 수용된 화학물질 내부로 열교환매체를 분사하는 열교환매체 분사부재; 및 상기 냉각탱크 내부로 분사되어 상기 화학물질과 열교환된 열교환매체를 회수하는 열교환매체 회수라인;을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열교환매체 분사부재는, 상기 냉각탱크에 마련되는 열교환매체 공급구에 연결되도록 상기 냉각탱크 내부에 설치되는 열교환매체 공급파이프; 및 상기 열교환매체 공급파이프의 단부에 연결되며, 상기 냉각탱크의 바닥에 배치되어 열교환매체를 분사하는 분사부재;를 포함하는 것이 좋다.
이로써, 냉각탱크 내부에 채워진 화학물질로 차가운 열교환매체를 직접 분사하여 열교환시킴으로써 고온의 화학물질을 신속하게 급냉시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 분사부재는, 중심부에 상기 열교환매체 공급파이프가 연결되며, 서로 나란한 한 쌍의 장변측 분사파이프; 및 상기 한 쌍의 장변측 분사파이프를 연결하며, 서로 이격되어 나란한 복수의 단변측 분사파이프;를 포함하고, 상기 장변측 분사파이프 및 단변측 분사파이프 각각에는 열교환매체를 분사하기 위한 다수의 분사노즐이 형성되는 것이 좋다.
이로써, 냉각탱크 내부의 바닥에서 전체적으로 열교환매체를 균일하게 분사혀여 화학물질과의 열교환면적을 증대시켜서 냉각시간을 효과적으로 단축할 수 있다.
또한, 상기 냉각탱크와 상기 열교환매체 분사부재는 테프론재질로 형성된 것이 좋다.
이로써, 강산성의 폐황산 등과 같이 특별한 관리가 필요한 화학물질을 안전하게 냉각처리할 수 있다.
또한, 상기 냉각탱크는, 상부벽과 하부벽과 전면벽과 후면벽 및 좌우 측면벽을 가지고, 상기 상부벽에는 상기 열교환매체 공급라인이 연결되는 열교환매체 공급구와, 상기 냉각탱크 내부에서 분사된 열교환매체가 배출되는 열교환매체 배출구와, 상기 화학물질이 주입되는 화학물질 주입구가 형성되며, 상기 냉각탱크의 하부에는 상기 화학물질이 배출되는 화학물질 배출구가 형성되는 것이 좋다.
이로써, 고온의 화학물질을 안전하게 수용한 상태로 급속냉각시킬 수 있다.
또한, 상기 냉각유닛은, 상기 냉각챔버의 상부에 설치되는 라디에이터; 냉매를 상기 라디에이터와 상기 냉각챔버 사이를 순환하도록 설치되는 히트파이프; 및 상기 라이데이터에 설치되는 냉각팬;을 포함하는 것이 좋다.
이로써, 열교환매체를 급속냉각시켜서 냉각탱크로 효과적으로 연속 공급할 수 있다.
본 발명의 반도체 제조공정에 사용된 화학물질 냉각장치는, 반도체 공정에 사용된 고온의 화학물질을 테프론 재질로 제작된 냉각탱크를 이용하여 효과적으로 빠르게 냉각시킬 수 있다.
이로써, 위험물질인 폐황산을 포함하여 다양한 종류의 화학물질을 안전하면서도 급속으로 냉각하여 처리할 수 있으므로, 반도체 제조공정에서의 멈춤시간을 단축하여 반도체의 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조공정에 사용된 화학물질 냉각장치를 나타내 보인 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 열교환매체 분사부재를 나타내 보인 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 냉각장치의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 냉각장치의 정면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조공정에 사용된 화학물질 냉각장치를 자세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조공정에 사용된 화학물질 냉각장치는, 반도체 공정에서 사용된 화학물질을 수용하여 냉각하기 위한 냉각탱크(100)와, 상기 냉각탱크(100) 내부에 수용된 화학물질을 열교환을 통해 냉각시키기 위한 열교환매체를 상기 냉각탱크(100) 내부로 공급하기 위한 열교환매체 공급부(200) 및 상기 열교환매체 공급부(200)를 통해 공급될 열교환매체를 냉각시키는 냉각유닛(300)을 구비한다.
상기 냉각탱크(100)는 대략 직육면체의 형상을 가지며, 상부벽(110)과 하부벽(120)과 전면벽(130)과 후면벽(140)과 좌우 측면벽(150)을 가지며, 내부에 냉각시킬 화학물질이 공급되어 수용된다. 이러한 구성의 냉각탱크(100)는 폐황산에 대해서 내화학성을 가지고, 안정성을 가지는 테프론(Teflon) 재질로 형성된다. 따라서, 강산성의 폐황산을 포함하여, 다양한 종류의 화학물질을 안전하게 수용하여 냉각처리할 수 있다.
상기 상부벽(110)에는 폐황산을 포함하여 반도체 제조공정에 사용된 고온의 화학물질을 냉각탱크(100)로 주입하기 위한 화학물질 주입구(111)가 설치되고, 하부벽(120)에는 냉각탱크(110)에서 냉각된 화학물질을 배출라인으로 배출하는 폐황산 배출구(121)가 설치된다.
또한, 상부벽(110)에는 냉각탱크(100) 내부로 열교환매체를 주입하기 위한 열교환매체 주입구(113)가 복수 설치되고, 냉각탱크(100) 내부에서 화학물질의 냉각에 사용된 열교환매체가 배출되는 열교환매체 배출구(115)가 설치된다.
상기 열교환매체 공급부(200)는, 상기 냉각유닛(300)에 연결되며 내부로 유입된 열교환매체를 냉각시키는 열교환매체 냉각챔버(210)와, 상기 열교환매체 냉각챔버(210)에서 냉각된 열교환매체를 냉각탱크(100)로 공급하기 위한 열교환매체 공급라인(220)과, 상기 열교환매체 공급라인(220)에 연결되어 냉각탱크(100) 내부에 수용된 화학물질 내부로 열교환매체를 분사하는 열교환매체 분사부재(230) 및 상기 냉각탱크(100) 내부로 분사되어 상기 화학물질과 열교환된 열교환매체를 회수하는 열교환매체 회수라인(240)을 구비한다.
열교환매체 냉각챔버(210)는 내부에 열교환매체가 수용되는 공간을 가지며, 열교환매체 유입구(211)와 열교환매체 유출구(213)가 마련된다. 열교환매체 유입구(211)에는 열교환매체로 사용되는 특정 기체 예를 들어, 질소가스(N2) 등을 별도의 열교환매체 공급탱크(250)로부터 공급받기 위한 공급라인(251)이 연결된다.
열교환매체 유입구(211)를 통해 유입된 열교환매체는 냉각유닛(300)에 의해서 저온으로 냉각된 후, 열교환매체 유출구(213)를 통해 열교환매체 공급라인(220)으로 공급된다.
열교환매체 공급라인(220)은 열교환매체 유출구(213)와 냉각탱크(100)의 열교환매체 공급구(113)에 연결된다. 열교환매체 공급구(113)가 복수 마련되어 있으므로, 열교환매체 공급라인(220)은 분기되어 복수의 열교환매체 공급구(113)에 연결되어 복수 지점으로 열교환매체를 주입공급할 수 있다.
상기 열교환매체 공급라인(220)에는 열교환매체 공급펌프(221)가 설치될 수 있다. 물론, 열교환매체 공급펌프(221)는 후술할 공급라인(251)에 설치될 수도 있다.
상기 열교환매체 분사부재(230)는 열교환매체 공급파이프(231)와, 열교환매체 공급파이프(231)에 연결되며 냉각탱크(100)의 내부 바닥에 배치되는 분사부재(233)를 구비한다. 열교환매체 공급파이프(231)는 열교환매체 공급구(113)에 연결되도록 상기 냉각탱크(100) 내부에 설치되며, 한 쌍이 나란하게 이격되에 배치된다. 분사부재(233)는 상기 열교환매체 공급파이프(231)의 단부에 연결되며 냉각탱크(100)의 바닥에 배치되어 화학물질에 잠긴 상태에서 열교환매체를 화학물질로 직접 분사한다.
상기 분사부재(233)는 중심부에 열교환매체 공급파이프(231)가 연결되며 서로 나란한 한 쌍의 장변측 분사파이프(233a)와, 한 쌍의 장변측 분사파이프(233a)를 연결하며 서로 이격되어 나란한 복수의 단변측 분사파이프(233b)를 구비한다. 상기 장변측 분사파이프(233a) 및 단변측 분사파이프(233b) 각각에는 열교환매체를 분사하기 위한 다수의 분사노즐(h1,h2)이 각각 형성된다. 상기 단변측 분사파이프(233b)는 복수가 소정 간격으로 이격되도록 배치되며, 냉각탱크(100)의 내부바닥의 면적와 크기에 대응하여 설치수가 적절하게 설계되어 배치될 수 있다.
이로써, 냉각탱크(100)의 내부 바닥에 분사부재(233)가 격자구조나 틀 구조로 배치되어, 복수 지점에서 열교환매체를 분사하여 화학물질과 직접 접촉되어 냉각시킬 수 있게 된다. 특히, 상기 분사노즐(h1,h2)은 복수가 복수 지점에 형성되어 상부로 열교환매체를 분사함으로써, 기체 상태의 열교환매체는 미세한 버블형태로 공급되어 냉각탱크(100) 내의 화학물질과의 열교환을 위한 접촉면적을 획기적으로 확대시킬 수 있다. 따라서 고온의 화학물질을 급속냉각시킬 수 있게 된다.
이러한 구성의 열교환매체 분사부재(230)도 냉각탱크(100)와 동일하게 테프론 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서 냉각시킬 화학물질의 종류에 상관없이 안전하게 오랜 시간 사용이 가능하다.
열교환매체 회수라인(240)은 분사노즐(h1,h2)을 통해 냉각탱크(100) 내부의 화학물질 내부로 버블형태로 분사되어 화학물질을 냉각시킨 후 냉각탱크(100) 내부의 상부 공간으로 이동된 열교환매체를 냉각탱크(100)의 외부로 빼내어 별도의 처리부(260)로 회수하기 위한 것이다. 이러한 열교환매체 회수라인(240)은 냉각탱크(100)의 열교환매체 배출구(115)와 처리부(260)를 연결하도록 설치된다. 상기 처리부(260)는 반도체 제조공정에서 사용된 각종 가스나 에어 등을 처리하기 위한 구성으로서, 본 발명을 한정하는 것은 아니고 공지의 구성을 통해 쉽게 이해할 수 있는 것이므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 냉각유닛(300)은 상기 냉각챔버(210)의 상부에 설치되는 라디에이터(310)와, 냉매를 상기 라디에이터(310)와 냉각챔버(210) 사이에서 순환하도록 하여 열전달 하는 히트파이프(320) 및 상기 라디에이터(310)에 설치되는 냉각팬(330)을 구비한다.
상기 히트파이프(320)는 복수가 라디에이터(310)와 냉각챔버(210)에 걸쳐서 설치됨으로써, 냉각챔버(210)로 유입된 열교환매체와는 열교환을 통해 열을 흡수하여 냉각시키고, 열을 흡수하여 승온된 히트파이프(320) 내의 냉매를 상변화하여 라디에이터(310)의 상부로 이동하여 다시 열교환에 의해 열을 빼앗겨서 냉각되어 냉각챔버(210) 쪽으로 다시 이동된다. 그리고 라디에이터(310)는 냉각팬(330)과 방열판 등에 의해서 외부로 열을 방출함으로써, 히트파이프(320) 내부의 냉매의 상변화가 효과적으로 이루어지면서, 열교환매체의 냉각작용이 이루어지도록 한다. 이러한 구성의 냉각유닛(300)은 이외에도 다양한 공지의 구성이 적용될 수 있으며, 구체적인 냉각유닛(300)의 구성이 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 도시하지는 않았으나, 냉각탱크(100)에는 화학물질의 수위를 측정하기 위한 레벨센서와, 온도를 측정하기 위한 온도센서가 설치될 수 있다. 상기 레벨센서와 온도센서에서 측정된 데이터를 근거로 하여 상기 열교환매체의 공급량과 공급속도 및 공급 여부 등을 제어할 수 있다. 또한, 레벨센서에서의 측정레벨에 따라서 냉각시킬 화학물질의 공급량을 제어하여, 냉각탱크(100) 내부의 상부 공간에 일정공간이 확보되도록 하여 냉각에 사용된 열교환매체가 냉각탱크(100) 내부의 상부 공간에 모여서 기체상태의 열교환매체만 열교환매체 회수라인(240)으로 안정적으로 배출되도록 할 수 있다.
상기 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 공정에 사용된 화학물질 냉각장치는 냉각탱크(100)를 테프론 재질로 형성하고, 그 내부에 설치되는 열교환매체 분사부재(230)도 테프론 재질로 형성함으로써, 안정성을 확보화면서도 고온의 폐황산은 물론, 다양한 종류의 화학물질을 안전하게 급속 냉각시켜서 처리할 수 있다.
특히, 열교환매체 분사부재(230)를 냉각탱크(100) 내부의 바닥에 배치한 상태에서, 버블형태로 열교환매체를 공급함으로써, 화학물질과의 열교환면적을 확대시켜 냉각효율을 높일 수 있어, 급속 냉각이 가능한 이점이 있다.
이로써, 위험물질은 폐황산은 물론, 사용한 화학물질을 안전하고 신속하게 급속냉각하여 처리할 수 있게 되어 반도체 생산공정의 멈춤 구간을 줄여서 생산성을 높일 수 있게 된다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100..냉각 탱크 200..열교환매체 공급부
210..냉각챔버 220..열교환매체 공급라인
230..열교환매체 분사부재 240..열교환매체 회수부
300..냉각유닛 310..라디에이터
320..히트파이프 330..냉각팬

Claims (7)

  1. 반도체 공정에서 사용된 화학물질을 수용하여 냉각하기 위한 냉각탱크;
    상기 냉각탱크 내부에 수용된 화학물질을 열교환을 통해 냉각시키기 위한 열교환매체를 상기 냉각탱크 내부로 공급하기 위한 열교환매체 공급부; 및
    상기 열교환매체 공급부를 통해 공급될 열교환매체를 냉각시키는 냉각유닛;을 포함하며,
    상기 열교환매체 공급부는, 상기 냉각유닛에 연결되며, 내부로 유입된 열교환매체를 냉각시키는 열교환매체 냉각챔버; 상기 열교환매체 냉각챔버에서 냉각된 열교환매체를 상기 냉각탱크로 공급하기 위한 열교환매체 공급라인; 상기 열교환매체 공급라인에 연결되어 상기 냉각탱크 내부에 수용된 화학물질 내부로 열교환매체를 분사하는 열교환매체 분사부재; 및 상기 냉각탱크 내부로 분사되어 상기 화학물질과 열교환된 열교환매체를 회수하는 열교환매체 회수라인;을 포함하고,
    상기 열교환매체 분사부재는, 상기 냉각탱크에 마련되는 열교환매체 공급구에 연결되도록 상기 냉각탱크 내부에 설치되는 열교환매체 공급파이프; 및 상기 열교환매체 공급파이프의 단부에 연결되며, 상기 냉각탱크의 바닥에 배치되어 열교환매체를 분사하는 분사부재;를 포함하고,
    상기 분사부재는, 중심부에 상기 열교환매체 공급파이프가 연결되며, 서로 나란한 한 쌍의 장변측 분사파이프; 및 상기 한 쌍의 장변측 분사파이프를 연결하며, 서로 이격되어 나란한 복수의 단변측 분사파이프;를 포함하고,
    상기 장변측 분사파이프 및 단변측 분사파이프 각각에는 열교환매체를 분사하기 위한 다수의 분사노즐이 형성되고,
    상기 냉각유닛은, 상기 열교환매체 냉각챔버의 상부에 설치되는 라디에이터; 냉매를 상기 라디에이터와 상기 냉각챔버 사이를 순환하도록 설치되는 히트파이프; 및 상기 라디에이터에 설치되는 냉각팬;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정에 사용된 화학물질 냉각장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각탱크와 상기 열교환매체 분사부재는 테프론재질로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 공정에 사용된 화학물질 냉각장치.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 냉각탱크는,
    상부벽과 하부벽과 전면벽과 후면벽 및 좌우 측면벽을 가지고,
    상기 상부벽에는 상기 열교환매체 공급라인이 연결되는 열교환매체 공급구와, 상기 냉각탱크 내부에서 분사된 열교환매체가 배출되는 열교환매체 배출구와, 상기 화학물질이 주입되는 화학물질 주입구가 형성되며,
    상기 냉각탱크의 하부에는 상기 화학물질이 배출되는 화학물질 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 공정에 사용된 화학물질 냉각장치.
  7. 삭제
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