KR20060033278A - 반도체 제조용 냉각 장치 - Google Patents

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KR20060033278A
KR20060033278A KR1020040082288A KR20040082288A KR20060033278A KR 20060033278 A KR20060033278 A KR 20060033278A KR 1020040082288 A KR1020040082288 A KR 1020040082288A KR 20040082288 A KR20040082288 A KR 20040082288A KR 20060033278 A KR20060033278 A KR 20060033278A
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cooling device
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김영재
황재성
송종희
이재현
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삼성전자주식회사
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Abstract

냉매를 사용하여 반도체 장치 제조 공정에서 요구하는 온도를 조절하기 위한 냉각 장치에서, 압축기는 기상의 제1 냉매를 압축하고, 응축기는 상기 압축기에 의해 압축된 제1 냉매를 액화시킨다. 적어도 두개의 열교환기는 상기 압축기와 응축기 사이에서 병렬로 연결되며, 상기 응축기에 의해 액화된 제1 냉매를 기화시킴으로서 상기 제1 냉매 주변의 온도를 하강시키고, 상기 기화된 제1 냉매를 다시 상기 압축기로 제공한다. 따라서, 상기 냉각 장치 내부에 여러 개의 열교환기들을 설치하는 경우 상기 열교환기들이 압축기와 응축기를 공유하도록 설계함으로서, 냉각 장치의 제조 단가를 현저히 낮출 수 있고, 냉각 장치의 부피를 감소시켜 반도체 클린룸 공간 사용 효율을 증가시킨다.

Description

반도체 제조용 냉각 장치{Cooling system used in a semiconductor manufacturing process}
도 1은 종래의 반도체 제조용 냉각 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조용 냉각 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조용 냉각 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 도 2에 도시된 반도체 제조용 냉각 장치를 포함하는 냉각 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 냉각 장치 200 : 압축기
300 : 응축기 202, 302 : 제1 냉매 제공 라인
204, 206 : 제1 분기 라인 304, 306 : 제2 분기 라인
208 : 제1 분기점 308 : 제2 분기점
400a : 제1 열교환기 400b : 제2 열교환기
402a : 제1 증발기 402b : 제2 증발기
404a : 제1 팽창밸브 404b : 제2 팽창밸브
406a : 제1 히터 406b : 제2 히터
408a : 제1 저장 탱크 408b : 제2 저장 탱크
410a : 제1 펌프 410b : 제2 펌프
412a, 412b : 제2 냉매 제공 라인
900 : 플라즈마 건식 식각 설비
902 : 상부 전극 904 : 하부 전극
본 발명은 반도체 장치 제조용 냉각 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 냉매를 사용하여 반도체 장치 제조 공정에서 요구하는 온도를 조절하기 위한 냉각 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 장치를 제조하기 위해서 사용되는 반도체 설비들은 해당 공정을 수행할 수 있도록 독자적인 구성을 갖고 있으며, 상기 설비들은 설정된 공정 환경이 정확히 유지되도록 정밀하게 설계되어야 한다.
예를 들면, 플라즈마를 이용한 건식 식각 설비에 전원이 인가되면 공정 챔버와 상기 챔버 내의 웨이퍼 온도가 상승하게 된다. 상기 챔버와 웨이퍼의 온도는 해당 공정의 반응율을 결정짓는 요인이므로 상기 온도를 일정하게 유지시키는 냉각 장치가 설치된다.
상기 냉각 장치는 냉매를 반도체 장치 제조 설비 내부로 순환시켜 척(chuck) 내지 챔버 월(wall) 등을 일정한 온도로 유지시키기 위한 장치이다. 구체적으로, 통상 프레온(Freon)으로 명명되는 클로로플루오르카본(chloroflourocarbons, CFCs) 등의 제1 냉매가 압축기, 응축기 그리고 증발기를 순차적으로 순환하는 과정에서 상기 제1 냉매가 기화됨에 따라 상기 증발기 주변부의 온도를 흡수한다. 따라서, 상기 증발기 주변부에 위치하는 제2 냉매가 냉각되고, 상기 제2 냉매가 공정 챔버의 소정 부위를 순환함에 따라 상기 부위의 온도가 설정된 온도 이상으로 증가되지 않게 된다.
그런데, 상기 플라즈마 건식 식각 설비는 척, 챔버 월 등의 여러 부위의 온도를 서로 다른 온도로 유지시킬 필요가 있다. 이 경우, 냉각 장치는 각각의 부위를 순환하는 냉매의 온도를 조절하는 여러 개의 온도 조절부를 구비함으로서 상기 각 부위의 온도를 독립적으로 제어할 수 있다.
도 1은 종래의 반도체 제조용 냉각 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 건식 식각 설비(90)는 챔버 내에 RF 전력이 인가되는 상부 전극(92)과 하부 전극(94)을 구비한다. 식각 공정이 진행됨에 따라 상기 전극들(92, 94)의 온도가 크게 상승하므로, 상기 전극들(92, 94)을 냉각시켜 상기 식각 공정에 필요한 온도 이상으로 상승하는 것을 방지해야 한다.
반도체 웨이퍼(도시되지 않음)는 상기 하부 전극(94) 상에 위치하므로, 하부 전극(94)의 온도를 상부 전극(92)의 온도보다 낮게 설정한다. 따라서, 상기 전극들(92, 94)을 냉각시키기 위한 냉각 장치(10)는 내부에 두개의 온도 조절부(12, 14)들이 설치되어, 상기 전극들(92, 94)이 서로 다른 온도 범위에서 유지되도록 설계 된다.
구체적으로, 상기 냉각 장치(10)는 상부 전극(92)의 온도를 조절하기 위한 제1 온도 조절부(12)와 하부 전극(94)의 온도를 조절하기 위한 제2 온도 조절부(14)로 구성된다. 제1 온도 조절부(12)는 제1 냉매 공급 라인(22), 압축기(20), 응축기(30) 그리고 열교환기(40)를 포함하고, 상기 열교환기(40)는 증발기(42), 팽창밸브(44), 저장 탱크(48), 히터(46) 그리고 제2 냉매 공급 라인(52)을 포함한다. 상기 저장 탱크(48) 내부에 저장되는 제2 냉매는 상기 증발기(42)를 순환하는 제1 냉매에 의해 냉각된 후 펌프(50)에 의해 상기 설비(90)로 펌핑되어 순환하므로 상기 상부 전극(92)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다.
상기 제2 온도 조절부(14)는 상기 제1 온도 조절부(12)와 동일하게 구성되며 동일한 기능을 가진다.
한편, 저장 탱크(48)에 저장된 상기 제2 냉매와 접하는 히터(46)의 출력을 조절하고, 상기 제1 냉매의 유량을 조절하는 팽창밸브(44)를 제어함으로서 상기 제2 냉매의 온도를 조절할 수 있으므로, 상기 전극들(92, 94)의 온도를 다르게 설정할 수 있다.
따라서, 종래의 냉각 장치는 두 개 이상의 온도 조절부를 가지는 경우, 각 온도 조절부마다 고가의 압축기와 응축기를 따로 설치해야 하므로 냉각 장치의 제조 단가가 높아진다. 또한, 냉각 장치의 부피, 무게, 냉각 장치가 차지하는 클린룸(clean room) 바닥의 면적이 증가하게 되어, 반도체 제조 라인 내의 공간 확보에 관련된 유연한 대응이 어려워지는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 두 개 이상의 온도 조절부를 가지는 냉각 장치의 구조를 효율적으로 설계하여, 제조 단가가 낮고, 차지하는 공간이 작은 반도체 제조용 냉각 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 제조용 온도 조절 장치는, 기상의 제1 냉매를 압축시키기 위한 압축기와, 상기 압축기와 연결되며, 상기 압축된 제1 냉매를 액화시키기 위한 응축기와, 상기 응축기와 상기 압축기 사이에서 병렬로 연결되며, 상기 액화된 상기 제1 냉매를 기화시킴으로서 상기 제1 냉매 주변의 온도를 하강시키고, 상기 기화된 제1 냉매를 다시 상기 압축기로 제공하기 위한 적어도 두 개의 열교환기들을 포함한다.
상기 각각의 열교환기는, 반도체 제조 장치의 소정 부위를 순환하는 제2 냉매를 저장하는 저장 탱크와, 상기 응축기에 의해 액화된 제1 냉매를 기화시켜 상기 제2 냉매의 온도를 조절하기 위한 증발기와, 상기 응축기에 의해 액화된 상기 제1 냉매를 팽창시켜 상기 제1 냉매의 압력을 낮추고, 상기 증발기로 유입되는 상기 제1 냉매의 유량을 조절하는 팽창밸브와, 상기 제2 냉매의 온도를 조절하기 위한 히터를 더 포함한다.
따라서, 하나의 압축기와 응축기만을 이용하여 적어도 두 개의 온도 조절부를 갖는 냉각 장치를 제조함으로서, 상기 냉각 장치의 제조 단가를 용이하게 낮출 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조용 냉각 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 날개차나 로터의 회전 운동 또는 피스톤의 왕복 운동에 의해서 저압 기체 상태의 제1 냉매를 압축하여 고압 기체 상태로 변환시키는 압축기와 상기 제1 냉매를 액화시키는 응축기가 냉매 공급 라인으로 연결되어 있다.
상기 응축기와 상기 압축기 사이에는, 증발 코일이 내재되어 있어 상기 액화된 제1 냉매를 기화시켜 주변부를 냉각시키는 증발기를 포함하는 제1 열교환기 및 제2 열교환기가 병렬로 연결된다.
따라서, 상기 냉각 장치를 이용하면 하나의 압축기와 응축기를 이용한 간단한 구조로서 두 개의 냉매 순환 채널(channel)을 구성할 수 있다. 각각의 냉매 순환 채널은 상기 설비의 한 부위의 온도 조절을 담당한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조용 냉각 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 3이상인 N개의 열교환기들을 사용하는 경우, 상기 열교환기들을 모두 병렬로 연결하여 냉각 장치를 구성할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 냉매가 압축기, 응축기 그리고 상기 각각의 열교환기를 순환하는 N개의 냉매 순환 채널을 구성할 수 있다. 이에 따라, 하나의 압축기와 응축기를 공유하는 세 개 이상의 냉각 채널을 구성하는 냉각 장치를 용이하게 구성할 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 반도체 제조용 냉각 장치를 포함하는 냉각 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
반도체 장치를 제조하기 위한 공정들 중 플라즈마 건식 식각 방법은 저압의 반응성 가스를 고주파 전력(RF power)으로 여기시키고, 상기 여기된 반응성 가스에 의해 소정 패턴이 형성된 웨이퍼의 일부분이 식각된다.
플라즈마 건식 식각 설비(900)는 일정한 압력을 유지하면서 공정을 진행할 수 있는 챔버(도시되지 않음)와 진공 시스템(도시되지 않음), RF 전력이 인가되는 상부 전극(top electrode, 902)과 하부 전극(bottom electrode, 904)을 구비한다. 상부 전극(902)은 양극(anode), 하부 전극(904)은 음극(cathode)의 전극판이다. 상기 챔버 내로 반응성 가스가 유입되고, 상기 RF 전력이 인가됨에 따라 상기 전극들(902, 904) 사이에서 플라즈마와 양이온들이 생성된다. 상기 이온들은 상기 전극들(902, 904) 사이에 형성된 전자기적인 힘에 의해 상기 소정의 패턴이 형성된 웨이퍼 상에 빠른 속도로 도달하여 상기 웨이퍼를 식각하게 된다.
상기 전극들(902, 904)은 공정이 진행됨에 따라 온도가 크게 상승하게 되므로 상기 전극들(902, 904)을 냉각시켜 일정한 온도를 유지시킬 필요가 있다. 특히, 상기 하부 전극(904) 상에 식각 공정이 진행될 웨이퍼가 로드(load)되기 때문에, 하부 전극(904)의 온도는 상기 상부 전극(902)의 온도 보다 낮게 유지되는 것이 바람직하다.
반도체 웨이퍼의 온도는 공정 진행되는 과정 내지 공정이 완료된 후 동작 테스트 단계에서 매우 중요하게 취급된다. 상기 웨이퍼의 온도는, 반도체 설비 내에 웨이퍼가 놓여지는 웨이퍼 하부 전극(904)의 온도를 일정하게 유지시키고, 상기 하부 전극(904)과 상기 하부 전극(904)과 접하는 상기 웨이퍼 사이의 열교환을 이용함으로서 조절할 수 있다.
따라서, 상기 설비(900)에 적용되는 냉각 시스템은 제2 냉매의 온도를 조절하는 냉각 장치(100) 및 상기 냉각 장치(100)와 상기 전극들(902, 904)을 순환하는 제2 냉매 제공 라인들(412a, 412b)을 구비한다.
구체적으로, 상기 냉각 장치(100)는 두 개의 열교환기들(400a, 400b)을 포함한다. 상기 제1 열교환기(400a)는, 제1 냉매를 기화시킴으로서 제2 냉매를 냉각시키기 위한 제1 증발기(402a), 상기 제1 증발기(402a)로 유입되는 상기 제1 냉매를 팽창시키기 위한 제1 팽창밸브(404a), 제2 냉매를 저장하기 위한 제1 저장 탱크(408a) 그리고 상기 제2 냉매의 온도를 증가시키기 위한 제1 히터(406a)를 포함한다.
상기 제1 열교환기(400a)는 제1 냉매를 이송하는 제1 냉매를 이송하는 제1 냉매 제공 라인의 제1 분기 라인(204) 및 제2 냉매를 이송하는 상기 제2 냉매 제공 라인(412a)과 연결된다. 상기 제1 냉매는 압축기(200), 응축기(300), 팽창밸브(404a) 그리고 증발기(402a)를 순환하며 상기 증발기(402a)의 주변의 열을 흡수해 인접한 제1 저장 탱크(408a)에 저장되는 제2 냉매를 냉각시킨다. 또한, 상기 제1 냉매에 의해 냉각된 제2 냉매는 상기 설비(900) 내의 상부 전극(902)과 제1 저장 탱크(408a)를 순환하면서 상부 전극(902)의 온도를 일정하게 유지시킨다.
상기 제1 열교환기(400a)와 연결되는 제2 냉매 제공 라인(412a) 상에는 상기 제2 냉매를 상기 제1 저장 탱크(408a)로부터 상기 상부 전극(902)으로 펌핑하기 위한 제1 펌프(410a)가 연결되어 있다.
제2 열교환기(400b)는 상기 제1 열교환기(400a)와 동일한 구성과 연결 구조를 가진다.
이어서, 상기 하나의 냉각 장치(100) 내에서 두 개의 열교환기(400a, 400b)가 병렬로 연결되는 구성은 다음과 같다. 상기 각각의 열교환기들(400a, 400b)로부터 토출된 기체 상태의 제1 냉매는 각각의 제1 분기 라인(204, 206)을 통해 제1 분기점(208)에서 합류된다. 상기 합류된 제1 냉매는 제1 냉매 제공 라인(202)을 통해 상기 압축기(200)로 제공되어 고압 상태의 기체로 변환된다. 상기 압축된 제1 냉매는 응축기(300)를 거치면서 액화되고, 상기 액화된 제1 냉매는 제2 분기점(308)에서 다시 분기되어 제2 분기 라인(304, 306)을 통해 제1 팽창밸브(404a)와 제2 팽창밸브(404b)로 각각 제공된다.
여기서, 각각의 팽창밸브(404a, 404b)는 열교환기(400a, 400b) 내의 저장 탱크(408a, 408b)에 저장된 제2 냉매의 온도 상태에 따라 증발기(402a, 402b)로 유입되는 제1 냉매의 유량을 조절하는 기능을 갖는다. 예를 들면, 하부 전극(904)의 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우, 제2 팽창밸브(404b)는 상기 하부 전극(904)과 제2 열교환기(400b)를 순환하는 제2 냉매의 온도를 더욱 하강시키기 위하여 제2 증발기(402b)로 유입되는 제1 냉매의 유량을 증가시킨다.
다른 예를 들면, 상부 전극(902)의 온도가 기 설정된 온도보다 낮을 경우, 제1 팽창밸브(404a)는 제1 증발기(402a)로 유입되는 제1 냉매의 유량을 감소시키게 된다. 상기 탱크(408a, 408b) 내에 설치된 상기 히터(406a, 406b)는 제2 냉매의 온도를 상승시킴으로써 전극들(902, 904)의 온도를 조절하는 기능을 한다.
이어서, 각각의 열교환기(400a, 400b) 내부에서 제2 냉매를 냉각한 기체 상태의 제1 냉매는 상기 제1 분기점(208)에서 수렴되어 다시 압축기(200)로 제공됨으로서, 도 2의 상기 냉각 장치와 같이 두 개의 냉각 채널들을 순환하게 된다.
즉, 제1 열교환기(400a)에서의 제1 냉매가 순환하는 냉각 채널은 상기 제1 증발기(402a), 제1 분기 라인(204), 제1 냉매 제공 라인(204), 압축기(200), 응축기(300), 제1 냉매 제공 라인(202), 제2 분기 라인(304)으로 이루어진다. 마찬가지로, 제2 열교환기(400b)에서 제2 냉매가 순환하는 냉각 채널은 상기 제2 증발기(402b), 제1 분기 라인(206), 제1 냉매 제공 라인(302), 압축기(200), 응축기(300), 제1 냉매 제공 라인(302), 제2 분기 라인(306)으로 구성된다.
세 개 이상의 열교환기가 구비되는 냉각 장치는 도 3 및 도 4를 참조하여 기 설명된 부분들과 동일한 방법으로 형성할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 병렬로 연결된 두 개 이상의 열교환기가 하나의 압축기와 응축기를 공유하는 다채널(multi channel)로 이루어진 냉각 장치를 제작할 수 있다. 상기 다채널 냉각 장치를 고가의 압축기와 응축기를 하나씩만 이용하여 제작함으로서, 냉각 장치의 제조 단가를 현저히 낮출 수 있다는 장점을 가진다.
한편, 반도체 제조 웨이퍼가 12인치로 전환됨에 따라, 기존의 클린룸에 대형화된 12인치 웨이퍼 제조 설비를 설치하기 위해 클린룸 공간을 효율적으로 사용하기 위한 방안이 제조 현장에서 중요한 이슈로 부각되고 있다.
이에 따라, 상기 냉각 장치는 종래의 냉각 장치보다 구조가 단순화되고 장치의 부피, 무게, 장치가 차지하는 면적이 감소되어 클린룸 공간 사용 효율을 증대시킬 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 기상의 제1 냉매를 압축시키기 위한 압축기;
    상기 압축기와 연결되며, 상기 압축된 제1 냉매를 액화시키기 위한 응축기; 및
    상기 응축기와 상기 압축기 사이에서 병렬로 연결되며, 상기 액화된 상기 제1 냉매를 기화시킴으로서 상기 제1 냉매 주변의 온도를 하강시키고, 상기 기화된 제1 냉매를 다시 상기 압축기로 제공하기 위한 적어도 두 개의 열교환기들을 포함하는 반도체 제조용 냉각 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 각각의 열교환기는,
    반도체 제조 장치의 소정 부위를 순환하는 제2 냉매를 저장하는 저장 탱크; 및
    상기 저장 탱크 내에 배치되며, 상기 응축기에 의해 액화된 제1 냉매를 기화시켜 상기 제2 냉매의 온도를 조절하기 위한 증발기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 냉각 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 각각의 열교환기는, 상기 응축기와 상기 증발기 사이에 설치되며, 상기 응축기에 의해 액화된 상기 제1 냉매를 팽창시켜 상기 제1 냉매의 압력을 낮추고, 상기 증발기로 유입되는 상기 제1 냉매의 유량을 조절하는 팽창 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 냉각 장치.
  4. 제2 항에 있어서, 상기 각각의 열교환기는, 상기 저장 탱크와 연결되며, 상기 제2 냉매의 온도를 조절하기 위한 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 냉각 장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 히터는 상기 저장 탱크 내부에 배치되어 상기 저장 탱크 내에 저장된 제2 냉매와 접하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 냉각 장치.
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