KR20040041150A - 열 매체 순환 장치 및 이것을 이용한 열처리 장치 - Google Patents

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KR20040041150A
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Abstract

장치 자체가 소형이고, 또한 설치 공간도 그다지 필요하지 않은 열 매체 순환 장치를 제공한다.
열 매체 순환계(78)에, 온도 제어의 대상이 되는 온도 피제어체와, 열 매체와 주요 열교환을 실행하는 주 열교환기(88)와, 순환 펌프(84)를 개재하여 이루어지는 온도 제어용 열 매체 순환 장치에 있어서, 상기 주 열교환기의 하류측의 상기 열 매체 순환계에, 열전 냉각 소자(100)를 사용한 부 열교환기(96)를 개재하여 상기 열 매체의 온도 제어를 실행하도록 구성한다. 이로써, 장치 자체가 소형이고, 또한 설치 공간도 그다지 필요하지 않은 구조로 한다.

Description

열 매체 순환 장치 및 이것을 이용한 열처리 장치{HEATING MEDIUM CIRCULATING DEVICE AND THERMAL TREATMENT EQUIPMENT USING THE DEVICE}
일반적으로, 반도체 디바이스를 제조하기 위해서는, 반도체 웨이퍼에 성막 처리, 패턴 에칭 처리, 산화 확산 처리, 개질 처리 등의 각종 열처리를 반복 실행하여 소망하는 장치를 제조하지만, 웨이퍼 사이즈의 대형화에 따라, 배치식(batch type) 열처리 장치와 비교하여 처리의 면내 균일성을 보다 얻기 쉬운, 소위 낱장식(single type) 열처리 장치가 많이 사용되는 경향이 있다. 이러한 낱장식 열처리 장치는, 예컨대 일본 특허 공개 공보 제 1993-51294 호나 일본 특허 공개 공보 제 1997-219369 호 등에 개시되어 있다.
이러한 종류의 열처리 장치는, 예컨대 진공 흡인 가능하게 된 처리 용기내에, 반도체 웨이퍼를 탑재하는 탑재대를 설치하고, 웨이퍼의 가열 수단으로서 가열 램프나, 저항 가열 히터 등을 갖고 있다. 그리고, 열처리시에는, 처리 용기의 천정부 등에 설치한 샤워 헤드부로부터 소정의 필요한 가스를 처리 용기내로 공급하면서 용기 내부를 소정의 프로세스 압력으로 유지하고, 그와 동시에 웨이퍼를 소정의 프로세스 온도로 가열 유지하여, 성막 처리 등을 실시하게 된다.
이 경우, 샤워 헤드부나 처리 용기의 벽면이 과도하게 가열되면, 예컨대 성막 처리시에는 이 벽면에 불필요한 막이나 반응 부생성물이 부착되거나 하기 때문에, 냉각 기구를 사용하여 이 샤워 헤드부나 처리 용기의 벽면 등을 과도하게 승온되지 않도록 냉각하는 것이 실행되고 있다. 또한, 가열 수단으로서 가열 램프를 사용하고 있는 경우에는, 이 가열 램프를 수용하는 램프실의 구획벽도 과도하게 승온되기 때문에, 이것을 냉각하기 위해서 냉각 기구가 설치된다.
그런데, 상기 냉각 기구로는, 일반적으로는 일정한 온도의 유체를 생성하여 순환시키는 칠러(chiller) 장치가 사용되고 있다. 이 칠러 장치는, 매우 대형인 열교환 시스템을 구비하여 열 매체를 일정한 온도까지 냉각하고, 이것을 냉각할 구조물에 대하여 순환시키도록 되어 있다.
그러나, 이 칠러 장치는, 열 매체의 온도 조절이 용이하다는 이점을 갖지만, 상술한 바와 같이 매우 대형이기 때문에, 설비 비용의 상승을 초래할 뿐만 아니라, 설치 공간(footprint)도 과대하게 된다는 문제가 있었다.
발명의 요약
본 발명은, 이상과 같은 문제점에 착안하여, 이것을 효과적으로 해결하기 위해 창안된 것이다. 본 발명의 목적은, 장치 자체가 소형이고, 또한 설치 공간도 그다지 필요하지 않은 열 매체 순환 장치 및 이것을 사용한 열처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본원의 제 1 발명의 열 매체 순환 장치는, 열 매체 순환계에 열 매체를 흘려 온도 제어를 실행하는 열 매체 순환 장치에 있어서, 상기 열 매체 순환계에는 온도 제어의 대상이 되는 온도 피제어체가 개재되어 있고, 상기 열 매체 순환계에 개재되며, 열 매체와 주요 열교환을 실행하는 주 열교환기와, 상기 열 매체 순환계에 개재된 순환 펌프와, 상기 주 열교환기의 하류측의 상기 열 매체 순환계에 개재되어, 상기 열 매체의 온도 제어를 실행하는 열전 냉각 소자를 사용한 부 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 주 열교환기와 부 열교환기를 사용하여, 주요 열교환은 주 열교환기로 열 매체를 냉각함으로써 실행하고, 그 후 미세한 온도 조정용 열교환은 열전 냉각 소자를 사용한 부 열교환기로 실행하도록 했기 때문에, 송출되는 열 매체의 온도를 적절히 조정할 수 있을 뿐만 아니라, 장치 자체를 소형화할 수 있고, 게다가 그 설치 공간도 대폭 삭감하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 열 매체를 일시적으로 저류하는 저류조(貯留槽)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이와 같이, 온도 제어된 열 매체를 저류조에 일시적으로 저류하도록 했기 때문에, 온도 피제어체의 안정된 온도 제어를 실행할 수 있다.
또한, 상기 부 열교환기의 하류측의 상기 열 매체 순환계에 설치된 온도 검출 센서부와, 상기 온도 검출 센서부의 출력에 기초하여 상기 열전 냉각 소자의 출력을 제어하는 온도 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 부 열교환기는, 상기 저류조의 커버부에 설치되고, 일단부에 열매체 입구를 가지며, 타단부에 열 매체 출구를 갖는 열교환 유로와, 상기 커버부에 그 한쪽 면이 접합된 상기 열전 냉각 소자와, 상기 열전 냉각 소자의 다른쪽 면에 접합된 열 폐기 유닛으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열교환 유로내에는, 이것에 흐르는 상기 열 매체와 접촉하는 복수의 열교환 핀(fin)이 설치되는 것을 특징으로 한다. 이에 의하면, 열교환 핀의 작용에 의해, 부 열교환기에 있어서의 열교환 효율을 보다 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 상기 부 열교환기는, 상기 저류조의 커버부에 설치되고, 하단부가 상기 저류조내에 저류되어 있는 열 매체에 침지된 복수의 히트 파이프와, 상기 커버부에 그 한쪽 면이 접합된 상기 열전 냉각 소자와, 상기 열전 냉각 소자의 다른쪽 면에 접합된 열 폐기 유닛으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주 열교환기 및 상기 부 열교환기에는, 폐기해야 할 열을 배출하기 위한 폐기열용 열 매체가, 우선 상기 주 열교환기에 다음으로 상기 부 열교환기의 순서로 흐르는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주 열교환기에 대하여 상기 열 매체를 우회시키는 바이패스로가 형성되어 있고, 필요시에는 상기 열 매체는 상기 주 열교환기를 우회하여 상기 바이패스로로 흐르는 동시에, 상기 열전 냉각 소자는 상기 열 매체를 가열하도록 동작하는 것을 특징으로 한다. 이로써, 필요시에는 열 매체는, 주 열교환기를 우회하여 부 열교환기로 직접 도입되어 여기서 가열 승온되며, 가열 상태에서 온도 피제어체로 흘러 이것을 가열하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 열전 냉각 소자는 펠티에 소자(Peltier element)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도 피제어체는, 피처리체에 대하여 소정의 처리를 실행하는 열처리 장치에 사용되는 처리 용기와, 필요한 가스를 공급하는 샤워 헤드부와, 가열 램프를 수용하는 램프실의 구획벽 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본원의 제 2 발명의 열처리 장치는, 진공 흡인 가능하게 된 처리 용기와, 피처리체를 탑재하는 탑재대와, 필요한 가스를 상기 처리 용기내로 공급하는 가스 공급 수단과, 상기 피처리체를 가열하는 가열 수단과, 상술한 것중 어느 하나의 열 매체 순환 장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 열 매체 순환 장치 및 반도체 웨이퍼 등에 대하여 성막 처리 등의 각종 열처리를 실행하는 낱장식 열처리 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 열 매체 순환 장치를 사용한 열처리 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 열 매체 순환 장치를 나타내는 구성도,
도 3은 저류조의 커버부를 나타내는 횡단면도,
도 4a 및 도 4b는 열 매체의 흐름을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 변형예의 부 열교환기를 나타내는 횡단면도,
도 6은 도 5 중의 A-A선 단면도,
도 7은 본 발명의 열 순환 장치의 제 2 실시예를 나타내는 구성도.
이하에, 본 발명에 따른 열 매체 순환 장치 및 이것을 사용한 열처리 장치의 일 실시예를 첨부 도면에 기초하여 상술한다.
도 1은 본 발명에 따른 열 매체 순환 장치를 사용한 열처리 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도, 도 2는 본 발명에 따른 열 매체 순환 장치를 나타내는 구성도, 도 3은 저류조의 커버부를 나타내는 횡단면도, 도 4a 및 도 4b는 열 매체의 흐름을 나타내는 도면이다.
본 실시예에서는, 낱장식의 열처리 장치로서 성막 처리를 실행하는 경우를 예로 들어 설명한다. 이 열처리 장치(2)는, 예컨대 알루미늄 등에 의해 내부가 원통 형상 또는 박스 형상으로 형성된 처리 용기(4)를 갖고 있고, 이 처리 용기(4)내에는, 처리 용기(4)의 바닥부(6)로부터 기립된 원통 형상의 탑재대 지지 기대(8)가 설치되어 있다. 또한, 이 지지 기대(8)를 용기 측벽에 의해 지지시킬 수도 있다. 이 탑재대 지지 기대(8)는 예컨대 알루미늄 등의 내부식성 재료에 의해 형성된다. 이 원통 형상의 탑재대 지지 기대(8)의 상부에, 평면 링 형상의 가스류 안정 플랜지부(10)를 설치하고, 또한 이 플랜지부(10)보다 내측 방향으로 조금 돌출시켜서 링 형상으로 지지 선반부(12)가 형성되어 있다. 그리고, 이 지지 선반부(12)상에 원판 형상의 탑재대(14)의 주연부를 접촉시켜 탑재하고 있다. 이 탑재대(14)는, 예컨대 두께가 3㎜ 내지 4㎜ 정도인 SiC에 의해 형성되어 있다. 그리고, 이 탑재대(14)의 직경은, 이 탑재대(14)상에 탑재되어 처리될 반도체 웨이퍼(W)의 사이즈에 따라 다르고, 예컨대 8인치 사이즈의 웨이퍼를 처리하는 경우에는, 탑재대(14)의 직경은 24㎝ 정도로 된다.
그리고, 상기 가스류 안정 플랜지부(10)의 내주부로부터는, 예컨대 알루미늄제의 원통체 형상의 반사판(16)이 하부 방향을 향해 연장되도록 형성되어 있고, 이 내면이 반사면으로 되어 있다. 이 반사판(16)의 하단부는 상기 처리 용기(4)의 바닥부(6)로부터 조금 이격되어 있고, 들뜬 상태로 되어 있다.
그리고, 상기 탑재대 지지 기대(8)의 가스류 안정 플랜지부(10)의 내주부로부터 상기 탑재대(14)의 주연부의 상부측에 원형 링 형상의 실드 링(18)이 설치되어 있다.
또한, 이 탑재대(14)의 하방에는, 복수개, 예컨대 3개의 L자 형상의 리프터 핀(20)(도 1에서는 2개만을 도시함)이 상방으로 기립시켜서 설치되어 있고, 이 각 리프터 핀(20)의 기부를 연결하는 링 형상의 연결 부재(22)를 처리 용기(4)의 바닥부(6)에 관통시켜서 설치된 리프팅 로드(24)에 의해 상하 이동시킴으로써, 상기 리프터 핀(20)을 탑재대(14)에 관통시켜서 설치하거나 커버 핀 구멍(26)에 삽입 통과시켜서 웨이퍼(W)를 들어 올릴 수 있게 되어 있다. 이 리프터 핀(20)은 석영 등의 열선 투과 재료에 의해 형성된다. 또한, 반사판(16)의 일부에는 리프터 핀(20)을 관통하여 이 상하 이동을 허용하는 긴 구멍(도시하지 않음)이 형성되어 있다.
상기 리프팅 로드(24)의 하단부는 처리 용기(4)에 있어서 내부의 기밀 상태를 유지하기 위해서 신축 가능한 벨로즈(28)를 거쳐 액추에이터(30)에 접속되어 있다.
또한, 탑재대(14)의 바로 아래의 용기 바닥부(6)에는, 석영 등의 열선 투과재료로 이루어지는 투과창(32)이 기밀하게 설치되어 있고, 이 하방에는 투과창(32)을 둘러싸도록 박스 형상으로 구획벽(34)을 형성하여 이 내부에 램프실(36)을 구성하고 있다. 이 램프실(36)내에는 가열 수단으로서 복수개의 가열 램프(38)가 반사 거울도 겸하는 회전대(40)에 장착되어 있고, 이 회전대(40)는 회전축(42)을 거쳐 램프실(36)의 바닥부에 설치한 회전 모터(44)에 의해 회전된다. 따라서, 이 가열 램프(38)로부터 방출된 열선은 투과창(32)을 투과하여 탑재대(14)의 하면을 조사하여 이것을 가열할 수 있도록 되어 있다.
또한, 상기 가스류 안정 플랜지부(10)의 외주측에는 다수의 정류 구멍(46)을 갖는다. 예컨대 알루미늄제의 링 형상의 정류판(48)이 처리 용기(4)의 측벽(4A)과의 사이에서 연결되도록 지지시켜 설치되어 있다. 이 정류판(48)의 하방의 바닥부(6)에는 배기구(50)가 설치되고, 이 배기구(50)에는 도시하지 않은 진공 펌프에 접속된 배기로(52)가 접속되어 있으며, 처리 용기(4)내를 소정의 진공도로 진공 흡인할 수 있도록 되어 있다. 또한, 처리 용기(4)의 측벽(4A)에는 웨이퍼를 반출입할 때에 개폐되는 게이트 밸브(54)가 설치된다.
한편, 상기 탑재대(14)와 대향하는 처리 용기(4)의 천정부(56)에는 처리 가스 등을 처리 용기(4)내로 도입하기 위해 가스 공급 수단으로서의 샤워 헤드부(58)가 설치되어 있다. 구체적으로는, 이 샤워 헤드부(58)는, 예컨대 알루미늄 등에 의해 원형 박스 형상으로 형성된 헤드 본체(60)를 갖고, 이 천정부에는 유량 제어된 필요한 처리 가스를 도입하는 가스 도입구(62)가 설치되어 있다.
상기 헤드 본체(60)의 하면인 가스 분사면에는, 헤드 본체(60)내로 공급된가스를 방출하기 위한 다수의 가스 분사 구멍(64)이 면내의 대략 전체에 배치되어 있고, 웨이퍼 표면에 걸쳐 가스를 방출하도록 되어 있다.
또한, 헤드 본체(60)내에는, 다수의 가스 분산 구멍(66)을 갖는 확산판(68)이 설치되어 있고, 웨이퍼면에 보다 균등하게 가스를 공급하도록 되어 있다.
그리고, 여기서는 통상의 열처리시에는, 처리 용기(4), 샤워 헤드부(58) 및 램프실(36)을 구획하는 구획벽(34)은, 이것들이 과도하게 승온되는 것을 방지하기 위해서, 온도 제어의 대상, 즉 온도 피제어체로 된다. 그 때문에, 상기 처리 용기(4)의 측벽(4A), 샤워 헤드부(48)의 헤드 본체(60)의 측벽 및 램프실(36)을 구획하는 구획벽(34)에는 각각 열 매체를 흐르게 하기 위한 열 매체 재킷(70A, 70B, 70C)이 형성되어 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 각 열 매체 재킷(70A, 70B, 70C)에는 열 매체 순환 장치(72)에 의해 온도 제어된 열 매체가 공급되도록 되어 있다. 여기서 열 매체로는 예컨대 물(냉각수, 또는 가열용의 온수를 포함함)이 사용된다.
구체적으로는, 이 열 매체 순환 장치(72)는 열 매체(74)를 일시적으로 저류하기 위한 저류조(76)를 중간에 개재한 열 매체 순환계(78)를 갖고 있다. 이 열 매체 순환계(78)의 중간에는 3개로 분기되어 병렬로 흐르는 분기로(80A, 80B, 80C)가 형성되어 있고, 각 분기로(80A, 80B, 80C)에 상기 각 열 매체 재킷(70A, 70B, 70C)이 각각 개재되어 있다. 그리고, 각 분기로(80A, 80B, 80C)에는, 개폐 밸브(81A, 81B, 81C) 및 유량계(83A, 83B, 83C)가 각각 개재되어 있다.
상기 저류조(76)의 매체 출구(82)에 접속되는 하류측의 열 매체 순환계(78)에는, 열 매체(74)를 순환시키는 순환 펌프(84)가 개재되어 있고, 또한 그 양측에는 개폐 밸브(86A, 86B)가 각각 개재되어 있다.
또한, 이 저수조(76)의 상류측의 열 매체 순환계(78)에는 시스템내를 흐르는 열 매체와 주요 열교환을 실행하기 위한 주 열교환기(88)가 개재되는 동시에, 이 주 열교환기(88)를 필요시에 우회시켜서 열 매체가 흐르게 하도록 주 열교환기(88)에 대하여 병행으로 되도록 바이패스로(90)가 분기되어 형성되어 있다. 그리고, 이 주 열교환기(88)내에는 열 매체가 흐르는 내측 파이프(89)가 설치되어 있고, 이 입구측(88A)에 접속되는 열 매체 순환계(78) 및 상기 바이패스로(90)에는 각각 전환 개폐 밸브(92A, 92B)가 개재되어, 주 열교환기(88)와 바이패스로(90)에 대하여 선택적으로 열 매체가 흐르게 할 수 있도록 되어 있다.
그리고, 상기 저류조(76)의 커버부(94)는, 예컨대 알루미늄, 동 등의 열 전도성이 양호한 재료로 이루어지고, 이 커버부(94)에 부 열교환기(96)를 설치하고 있다. 구체적으로는, 도 3에도 도시한 바와 같이, 이 커버부(94)내에는, 예컨대 사행(蛇行) 형상으로 형성된 열교환 유로(98)가 형성되어 있고, 이 상류측의 일단부인 열 매체 입구(98A)는, 상기 주 열교환기(88)의 내측 파이프(89)의 출구측(88B)에 열 매체 순환계(78)를 거쳐 접속되며, 하류측의 타단부는 저류조(76)내를 향해 개방된 열 매체 출구(98B)로서 형성되어, 부 열교환 후의 열 매체를 저류조(76)내로 아래로 흐르게 하여 일시적으로 저류하도록 되어 있다.
이 커버부(94)의 상면에는, 예컨대 펠티에 소자로 이루어지는 판 형상의 열전 냉각 소자(100)가, 그 한쪽 면을 상기 커버부 상면에 접합시켜서 설치되어 있다. 이로써, 상기 커버부(94)의 열교환 유로(98)내를 흐르는 열 매체를, 예컨대 냉각하면서 온도 조정할 수 있도록 되어 있다. 이 판 형상의 열전 냉각 소자(100)는, 도시한 예에서는 2장 나타내고 있지만, 실제로는 저류조(76) 등의 크기에도 의존하지만, 예컨대 20장 정도 평면적으로 배열하여 설치되게 된다.
그리고, 이 열전 냉각 소자(100)의 타단부(상면)에는, 이 열전 냉각 소자(100)의 다른쪽 면(상면)에서 발생한, 예컨대 온열(溫熱)을 반출하여 폐기시키기 위한 열 폐기 유닛(102)이 장착되어 있다. 이 열 폐기 유닛(102)은, 예컨대 알루미늄, 동 등의 열 전도성이 양호한 재료로 이루어지는 블럭체(104)에 열 폐기용 열 매체를 흘리는 열교환로(106)를 형성하여 구성되어 있다. 그리고, 상기 주 열교환기(88)의 용기내 및 상기 열 폐기 유닛(102)의 열교환로(106)내를 이 순서로 순차적으로, 열 폐기용 열 매체를 흘리도록 열 폐기 유로(108)가 형성되어 있고, 이 유로(108)에도, 개폐 밸브(119) 및 유량계(112)가 그 중간에 개재되어 있다. 여기서, 상기 열 폐기용 열 매체로는 예컨대 상온의 수돗물이 사용된다.
한편, 상기 순환 펌프(84)의 하류측의 열 매체 순환계(78)에는 온도 검출 센서부로서 예컨대 열전쌍(114)이 설치되어 있고, 여기에 흐르는 열 매체의 온도를 검출할 수 있도록 되어 있다. 그리고, 이 열전쌍(114)의 출력은, 예컨대 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지는 온도 제어부(116)로 입력되어 있고, 이 온도 제어부(116)는, 상기 열전쌍(114)의 출력에 기초하여 상기 열전 냉각 소자(100)의 출력을 제어함으로써, 열 매체의 온도를 제어할 수 있도록 되어 있다.
또한, 상기 저류조(76)내에는, 이것에 저류되는 열 매체의 액면을 검지하는레벨 스위치(118)가 설치되어 있고, 열 매체의 부족시에는 열 매체 공급계(120)에 의해 부족한 열 매체를 공급할 수 있도록 되어 있다.
다음에, 이상과 같이 구성된 본 실시예의 동작에 대하여 설명한다.
우선, 웨이퍼 표면에 예컨대 텅스텐막이나 텅스텐 실리사이드 등의 성막 처리를 실시하는 경우에는, 처리 용기(4)의 측벽(4A)에 설치한 게이트 밸브(54)를 개방하여 반송 아암(도시하지 않음)에 의해 처리 용기(4)내에 웨이퍼(W)를 반입하고, 리프터 핀(20)을 밀어 올림으로써 웨이퍼(W)를 리프터 핀(20)측에서 주고받는다. 그리고, 리프터 핀(20)을 리프팅 로드(24)를 내림으로써 강하시켜 웨이퍼(W)를 탑재대(14)상에 탑재한다.
다음에, 도시하지 않은 처리 가스원으로부터 성막 가스 등의 각종의 필요한 가스를 샤워 헤드부(58)로 소정량씩 공급하고, 이것을 헤드 본체(60)의 하면의 가스 분사 구멍(64)으로부터 처리 용기(4)내로 대략 균등하게 공급한다. 이와 동시에, 배기구(50)로부터 내부 분위기를 흡인 배기함으로써 처리 용기(4)내를 소정의 진공도로 유지하고, 또한 램프실(36)내의 가열 램프(38)를 회전시키면서 구동하여 열 에너지를 방사한다.
방사된 열선은, 투과창(32)을 투과한 후, 탑재대(14)의 이면을 조사하여 이것을 가열한다. 이 탑재대(14)는, 상술한 바와 같이 수 ㎜ 정도로 매우 얇기 때문에 신속히 가열되고, 따라서 이 위에 탑재해 둔 웨이퍼(W)를 신속히 소정의 온도까지 가열할 수 있다. 공급된 가스는 소정의 화학 반응을 발생시켜, 예컨대 텅스텐막이 웨이퍼 표면에 퇴적하여 형성되게 된다.
여기서, 성막 처리중에는, 상기 가열 램프(38)로부터의 열선에 의해, 램프실(36)의 구획벽(34), 처리 용기(4)의 측벽(4A) 및 샤워 헤드부(58) 등은 과도하게 고온 상태에 노출될 우려가 생기지만, 본 실시예에서는, 이것들에 설치한 각 열 매체 재킷(70A, 70B, 70C)에, 여기서는 대략 일정한 온도로 유지된 냉각용의 열 매체를 흘려 냉각하고 있기 때문에, 과도하게 고온이 되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 도 2에도 도시하는 바와 같이, 저류조(76)에 저류되어 있는 열 매체는, 여기서는 예컨대 20℃ 내지 25℃ 정도로 유지되어 냉각 매체로서 기능하고, 이것으로부터 열 매체 순환계(78)를 거쳐 송출되며, 각 분기로(80A 내지 80C)를 통과한 후에 각 열 매체 재킷(70A 내지 70C)에 각각 유입되어, 처리 용기(4)의 측벽(4A), 샤워 헤드부(58) 및 램프실(36)의 구획벽(34)을 냉각하게 된다. 각 열 매체 재킷(70A 내지 70C)에서 유출된 열 매체는, 상기 열교환에 의해 예컨대 40℃ 내지 50℃ 정도의 고온 상태로 되어 있고, 이 열 매체는 합류하여 주 열교환기(88) 및 저류조(76)의 커버부(94)에 설치한 부 열교환기(96)내를 순차적으로 흐르며, 이 때 열 폐기용 열 매체인 상온의 수돗물과 순차적으로 열교환되어, 예컨대 20℃ 내지 25℃ 정도까지 냉각되고, 그 후 다시 순환 사용된다.
이 때, 주 열교환기(88)와 부 열교환기(96)내를 흐르는 열 매체는, 도 4a에 도시되어 있고, 백색 화살표(122)가 열 매체의 흐름을 나타낸다. 즉, 온도가 20℃ 정도의 수돗물이, 열 폐기 유로(108)를 거쳐 주 열교환기(88)내 및 열 폐기 유닛(102)내의 열교환로(106)내를, 이 순서로 흐르고 있다. 그 밖에, 여기서는 바이패스로(90)에 개재한 전환 개폐 밸브(92B)는 폐쇄되어 있고, 열 매체 순환계(78)에 개재한 전환 개폐 밸브(92A)는 개방되어 있으며, 따라서 열 매체인 냉각수는 주 열교환기(88)내의 내측 파이프(89) 및 커버부(94)의 열교환 유로(98)내를 순차적으로 흐른다. 이 때, 열전 냉각 소자(100)는, 하면측에 냉열(冷熱)이 발생하고, 상측면에 온열이 발생하도록 동작된다. 따라서, 열처리 장치(2)측으로부터 순환되어 오는 열 매체는 전단에 설치한 주 열교환기(88)로 주요 열교환이 실행되고 그 온도가 상당히 저하되어, 예컨대 27℃ 내지 29℃ 정도까지 냉각된다. 그리고, 다음에 부 열교환기(96)로 조금의 온도, 예컨대 수 ℃ 정도, 더욱 냉각되어 20℃ 내지 25℃ 정도로 된다.
여기서, 순환 펌프(84)의 하류측의 열 매체 순환계(78)에는 열전쌍(114)을 설치하여 여기에 흐르는 열 매체의 온도를 상시 검출하고, 이것을 온도 제어부(116)에 입력하고 있다. 이 온도 제어부(116)는, 상기 열전쌍(114)에서의 온도 검출값이 미리 설정된 값을 유지하도록, 상기 열전 냉각 소자(100)에 투입하는 전력을 제어하고 있다. 이로써, 열 매체 순환계(78)에서 송출되는 열 매체의 온도는 미리 설정된 소정의 값으로 대략 유지되게 된다.
또한, 열 폐기 유로(108)내를 흐르는 수돗물은, 최초로 열 매체끼리의 온도차가 커지도록 주 열교환기(88)내로 흐르고, 다음에 열 매체끼리의 온도차가 작아지도록 부 열교환기(96)의 열 폐기 유닛(102)내로 흐르도록 했기 때문에, 그 만큼 저류조(76)내의 열 매체(74)의 온도 제어를 적정하게 실행하는 것이 가능해진다.
또한, 도시하는 바와 같이, 전체적으로 비교적 구조가 간단하기 때문에, 종래 장치에 사용되고 있는 대형의 칠러 장치와 비교하여, 설비 비용을 삭감할 수 있을 뿐만 아니라, 설치 공간도 대폭 감소시키는 것이 가능해진다.
이에 대하여, 열처리 장치(2)의 유지 보수시 등과 같이, 처리 용기(4)내를 개방하는 경우에는, 개방에 따라 청정 공기가 처리 용기(4)내로 유입되어 이것이 냉각하고 있는 처리 용기(4)의 측벽(4A)이나 냉각하고 있는 샤워 헤드부(58)와 접촉하여 청정 공기 중의 수분이 결로하면 문제를 발생시키기 때문에, 이 경우에는, 상술한 바와는 반대로, 처리 용기(4)의 측벽(4A)이나 샤워 헤드부(58) 등을 가열하여 유지 보수시에 결로가 생기지 않도록 한다. 혹은, 또한 처리 용기(4)를 개방하는 경우에는, 처리 용기(4)의 내벽에 부착된 반응 부생성물이 용이하게 공기중의 수분을 흡착하여 반응하는 경우도 있지만, 상술한 바와 같이 처리 용기(4)의 측벽이나 샤워 헤드부(58)를 가열하여, 이것을 방지하도록 한다.
이 때의 열 매체의 흐름은 도 4b에 도시된다. 즉, 열 폐기 유로(108)내를 흐르는 수돗물은 도 4a에 도시하는 경우와 같이 흐르게 하지만, 열 매체에 관해서는, 주 열교환기(88)내에 이것을 흐르게 하지 않도록 하기 위해서, 내부 파이프(89)의 입구측(188A)의 전환 개폐 밸브(92A)를 폐쇄하고, 대신에 바이패스로(90)의 전환 개폐 밸브(92B)를 개방하여, 이 바이패스로(90)내를 따라 열 매체를 흘린다. 또한, 열 매체를 가열하기 위해서 부 열교환기(96)에 있어서의 열전 냉각 소자(100)에 대한 통전 방향을 상술한 경우와는 역 방향으로 되도록 동작하여 이 하면에 온열을 발생시키고, 상면에 냉열을 발생시킨다.
이로써, 소정의 온도, 예컨대 50℃ 정도로 열 매체가 가열되어 순환된다.
실제로, 본 발명의 장치를 제작하여 그 평가를 실행한 바, 동일한 냉각 능력하에서, 종래의 칠러 장치와 비교하여 점유 공간은 25.5% 내지 35% 정도 삭감할 수 있었다. 또한, 소비 전력에 대해서는, 종래의 칠러 장치가 20KVA인 데 대하여, 본 발명의 장치(20장의 펠티에 소자를 사용)의 경우에는 2KW(킬로와트)이며, 소비 전력을 대폭 감소시킬 수 있었다.
또한, 여기서는 열 매체를 일시적으로 저류하는 저류조(76)를 설치한 경우를 예로 들어 설명했지만, 이 저류조(76)를 설치하지 않도록 하여, 열 매체를 일시적으로 저류하지 않고 열 매체 순환계(78)내에 연속적으로 흘리도록 할 수도 있다.
다음에, 본 발명의 변형예에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 변형예의 부 열교환기를 나타내는 횡단면도, 도 6은 도 5중의 A-A선 단면도이다. 여기서는, 부 열교환기(96)의 열교환 유로(98)내에, 복수의 열교환 핀(124)을 설치하고, 이것에 열 매체를 직접적으로 접촉시키도록 되어 있다. 이 열교환 핀(124)은 열 전도성이 양호한 재료, 예컨대 알루미늄, 동 등으로 이루어지고, 단면이 대략 타원형인 열교환 핀(124)을 상기 열교환 유로(98)내에 기립시켜 설치하고 있다. 이 열교환 핀(124)은 열 매체의 흐름 방향을 따라 소정의 간격으로 다수 설치되어 있다.
이에 의하면, 열교환 핀(124)을 설치한 만큼, 열 매체와의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 열교환 핀을 더 얇게 형성하고, 열 매체의 흐름 방향에 대하여, 소정의 각도, 예컨대 45° 정도만큼 기울여 설치하도록 하며, 열 매체에 대한 유체 저항을 억제하면서, 높은 열교환 효율을 유지하도록 할 수도 있다.
다음에, 본 발명의 제 2 실시예에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 열 순환 장치의 제 2 실시예를 나타내는 구성도이다. 또한, 도 2에 나타내는 구성 부분과 동일 구성 부분에 대해서는 동일 참조 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
이 제 2 실시예에 있어서, 커버부(94)에는 열교환 유로(98)(도 2 참조)를 설치하지 않으며, 이것 대신에, 상단부를 상기 커버부(94)로 지지시키고, 또한 하단부를 저류조(76)내의 열 매체(74)에 침지시킨 복수의 히트 파이프(126)를 설치하고 있다. 이로써, 열 매체(74)의 온열을 열 펌프(126)에 의해 상방까지 퍼 올려서, 이것을 열 폐기 유닛(102)으로 폐기하도록 되어 있다.
이 경우, 저류조(76)에 대한 열 매체 입구(98A)는, 커버부(94)에 설치하는 것이 아니고, 저류조(76)의 상부 측벽에 설치하여, 순환해 돌아와서 주 열교환기(88)로부터 유출된 열 매체를, 상기 열 매체 입구(98A)로부터 직접적으로 저류조(76)내에 도입하도록 되어 있다.
이 제 2 실시예의 경우에도, 이전의 실시예의 경우와 동일한 작용 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 온도 피제어체로서, 처리 용기(4), 샤워 헤드부(58), 램프실(36)의 구획벽(34)을 예로 들어 설명했지만, 이것들은 단지 일례를 나타낸 것에 지나지 않고, 냉각을 필요로 하는 부재에는 모두 본 발명을 적용할 수 있는 것은 물론 이다.
또한, 열처리로서는, 성막 처리에 한정되지 않고, 에칭 처리, 산화 확산 처리, 개질 처리 등의 모든 열처리에 대하여 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 피처리체로는, 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 유리 기판, LCD 기판 등에 대해서도 적용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 열 매체 순환 장치 및 이것을 사용한 열처리 장치에 의하면, 다음과 같이 우수한 작용 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 구성에 의하면, 주 열교환기와 부 열교환기를 사용하여, 주요 열교환은 주 열교환기로 열 매체를 냉각함으로써 실행하고, 그 후 미세한 온도 조정용 열교환은 열전 냉각 소자를 사용한 부 열교환기로 실행하도록 했기 때문에, 송출되는 열 매체의 온도를 적절히 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 장치 자체를 소형화할 수 있고, 게다가 그 설치 공간도 대폭 삭감할 수 있다.
또한, 열교환 핀의 작용에 의해, 부 열교환기에 있어서의 열교환 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 필요시에는 열 매체는, 주 열교환기가 바이패스되어 부 열교환기에 직접 도입되어 여기에서 가열 승온되고, 가열 상태에서 온도 피제어체로 흐르게 하여 이것을 가열할 수 있다.

Claims (11)

  1. 열 매체 순환계에 열 매체를 흘려 온도 제어를 실행하는 열 매체 순환 장치에 있어서,
    상기 열 매체 순환계에는 온도 제어의 대상이 되는 온도 피제어체가 개재되어 있고,
    상기 열 매체 순환계에 개재되어, 열 매체와 주요 열교환을 실행하는 주 열교환기와,
    상기 열 매체 순환계에 개재된 순환 펌프와,
    상기 주 열교환기의 하류측의 상기 열 매체 순환계에 개재되어, 상기 열 매체의 온도 제어를 실행하는 열전 냉각 소자를 사용한 부 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는
    열 매체 순환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 매체를 일시적으로 저류하는 저류조를 구비하는 것을 특징으로 하는
    열 매체 순환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 부 열교환기의 하류측의 상기 열 매체 순환계에 설치된 온도 검출 센서부와,
    상기 온도 검출 센서부의 출력에 기초하여 상기 열전 냉각 소자의 출력을 제어하는 온도 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    열 매체 순환 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 부 열교환기는,
    상기 저류조의 커버부에 설치되어, 일단부에 열 매체 입구를 갖고, 타단부에 열 매체 출구를 갖는 열교환 유로와,
    상기 커버부에 그 한쪽 면이 접합된 상기 열전 냉각 소자와,
    상기 열전 냉각 소자의 다른쪽 면에 접합된 열 폐기 유닛으로 구성되는 특징으로 하는
    열 매체 순환 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열교환 유로내에는, 이것에 흐르는 상기 열 매체와 접촉하는 복수의 열교환 핀이 설치되는 것을 특징으로 하는
    열 매체 순환 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 부 열교환기는,
    상기 저류조의 커버부에 설치되어 하단부가 상기 저류조내에 저류되어 있는 열 매체에 침지된 복수의 히트 파이프와,
    상기 커버부에 그 한쪽 면이 접합된 상기 열전 냉각 소자와,
    상기 열전 냉각 소자의 다른쪽 면에 접합된 열 폐기 유닛으로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    열 매체 순환 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 열교환기 및 상기 부 열교환기에는, 폐기할 열을 배출하기 위한 폐기열용 열 매체가, 우선 상기 주 열교환기에 다음으로 상기 부 열교환기의 순서로 흐르는 것을 특징으로 하는
    열 매체 순환 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 열교환기에 대하여 상기 열 매체를 우회시키는 바이패스로가 형성되어 있고, 필요시에는 상기 열 매체는 상기 주 열교환기를 우회하여 상기 바이패스로로 흐르는 동시에, 상기 열전 냉각 소자는 상기 열 매체를 가열하도록 동작하는 것을 특징으로 하는
    열 매체 순환 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 냉각 소자는 펠티에 소자(Peltier element)인 것을 특징으로 하는
    열 매체 순환 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 피제어체는, 피처리체에 대하여 소정의 처리를 실행하는 열처리 장치에 사용되는 처리 용기와, 필요한 가스를 공급하는 샤워 헤드부와, 가열 램프를 수용하는 램프실의 구획벽 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는
    열 매체 순환 장치.
  11. 흡인 가능하게 된 처리 용기와,
    피처리체를 탑재하는 탑재대와,
    필요한 가스를 상기 처리 용기내로 공급하는 가스 공급 수단과,
    상기 피처리체를 가열하는 가열 수단과,
    제 1 항에 기재된 열 매체 순환 장치를 구비한 것을 특징으로 하는
    열처리 장치.
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