KR20210083217A - 급속 열처리 설비의 냉각시스템 - Google Patents

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권종석
박민석
윤태준
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(주)뉴영시스템
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Abstract

개시되는 급속 열처리 설비의 냉각시스템는, 압축공기를 고온의 공기와 저온의 공기로 분리하여 출력하는 보텍스 튜브(Vortex Tube); 상기 보텍스 튜브로부터 저온의 공기를 공급받아 수용하는 냉각가스 공급원; 및 상기 냉각가스 공급원으로부터 상기 저온의 공기를 이용하여 급속 열처리 공정(RTP; Rapid Thermal Processing)이 수행되는 프로세스 챔버 내부를 냉각시키는 냉각 유닛;을 포함한다.

Description

급속 열처리 설비의 냉각시스템{Cooling system for Rapid Thermal Processing}
본 발명(Disclosure)은, 급속 열처리 설비의 냉각시스템에 관한 것으로서, 구체적으로 보텍스 튜브(vortex tube)를 냉각가스 공급원으로 채용하여 빠른 냉각을 통한 모재의 공정특성을 향상시킬 수 있는 급속 열처리 설비의 냉각시스템에 관한 것이다.
여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
일반적으로 반도체 소자의 제조를 위한 공정에는 여러 가지 열처리 공정이 포함된다. 최근 반도체 소자가 점점 고집적화됨에 따라 요구되는 소자의 크기가 작아지게 되어 제조 공정에서 받는 전체 열다발(thermal budget)을 줄이기 위해 매엽식 급속 열처리(RTP; Rapid Thermal Processing) 설비가 주로 이용되고 있다.
이러한 급속 열처리 설비는 기존의 확산로에서 수행하던 다양한 공정을 대부분 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼에 대한 가열과 냉각이 고속으로 이루어지므로 초고집적 회로(VLSI) 공정에 적합한 불순물 재확산과 확산로 벽면으로부터 방출되는 오염 등을 방지할 수 있는 장점이 있다.
상기한 급속 열처리 설비를 통해 수행되는 급속 열처리 공정은 프로세스 챔버(Furnace)의 고온을 이용하여 반도체 기판인 웨이퍼를 가열함으로써 반도체 소자의 결정성 회복 및 물성 안정화 등의 목적을 달성할 수 있는 RTA(Rapid Thermal Annealing)공정과, 반응가스의 종류에 따라 나이트라이드막, 산화막 및 실리사이드막 등을 고온 상태에서 열확산에 의해서 성장시키는 RTN(Rapid Thermal Nitridation), RTO(Rapid Thermal Oxidation) 및 RTS(Rapid Thermal Silicide) 등의 박막(薄膜) 형성공정을 포함한다.
한편, 이와 같은 급속 열처리 설비에서 접하게 되는 주된 문제점은 급속 열처리 공정을 통해 처리되는 웨이퍼에 대한 열처리 온도의 균일성이다. 즉, 요구되는 높은 레벨의 디바이스 성능, 수율, 및 처리 반복성 등을 위해서는 웨이퍼의 열처리 온도에 대한 완전한 제어가 이루어져야 한다.
종래의 급속 열처리 설비에 대해 간략히 살펴보면, 상기 급속 열처리 설비는 그 몸체에 해당하며, 일측에 공정 대상체인 웨이퍼가 유출입되는 개방부가 형성된 프로세스 챔버를 구비한다. 상기 프로세스 챔버의 내부에는 열처리 공정이 수행되는 공간을 형성하는 석영 재질의 공정 튜브가 배치되고, 상기 공정 튜브의 내부에는 상기 웨이퍼를 지지하기 위한 복수개의 지지핀을 구비한 웨이퍼 트레이가 배치된다. 한편, 상기 공정 튜브의 주변에는 상기 공정 튜브를 가열함으로써 그 내부의 온도를 상기한 바와 같은 각각의 열처리 공정에 필요한 소정 온도로 형성시키기 위한 텅스텐-할로겐 램프나 아크 램프 등과 같은 가열 램프가 배치된다.
또한, 상기 프로세스 챔버에는 그 내부로 저온의 공기를 공급하여 상기한 바와 같이 가열되는 공정 튜브의 내부를 일정 온도 범위 내로 유지시키거나, 급속 냉각시키기 위한 냉각 시스템이 구비된다.
상기한 바와 같은 급속 열처리 설비를 통해 수행되는 열처리 공정은 상당한 고온에서 급속하게 이루어져야 하기 때문에 상기 공정 튜브의 온도를 급속하게 그리고 균일하게 가열해야 할 뿐만 아니라, 빠른 시간 내에 그리고 균일하게 냉각시켜야 한다.
그런데 종래의 급속 열처리 설비에 있어서, 상기 냉각 시스템의 경우 상기 공정 튜브를 일정 온도로 유지시키거나 냉각시키도록 상기 프로세스 챔버 내부로 공급시키는 저온의 공기의 공급량을 공정 진행 중 그 상황 변화에 따라 조정할 수 없고, 그 공급량은 오직 PM(Preventive Maintenance)시 마다 초기 셋업(Setup)된 양에 의해 결정되도록 구성되어 있다. 즉, 공정 진행중 발생하는 설비 에러에 의해 상기 저온의 공기의 공급 량이 상기 초기 셋업(Setup)된 양과 차이가 생기더라도 이를 확인 및 조정할 수 있는 수단이 마련되어 있지 않다. 때문에 높은 레벨의 디바이스 성능, 수율, 및 처리 반복성 등을 위해 요구되는 웨이퍼의 균일한 가열 및 냉각에 필요한 완전한 온도 제어가 이루어지기 어려운 문제점이 있다.
1. 한국공개특허공보 제10-1995-034449호
본 발명(Disclosure)은, 보텍스 튜브(vortex tube)를 냉각가스 공급원으로 채용하여 빠른 냉각을 통한 모재의 공정특성을 향상시킬 수 있는 급속 열처리 설비의 냉각시스템의 제공을 일 목적으로 한다.
여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
상기한 과제의 해결을 위해, 본 발명을 기술하는 여러 관점들 중 어느 일 관점(aspect)에 따른 급속 열처리 설비의 냉각시스템은, 압축공기를 고온의 공기와 저온의 공기로 분리하여 출력하는 보텍스 튜브(Vortex Tube); 상기 보텍스 튜브로부터 저온의 공기를 공급받아 수용하는 냉각가스 공급원; 및 상기 냉각가스 공급원으로부터 상기 저온의 공기를 이용하여 급속 열처리 공정(RTP; Rapid Thermal Processing)이 수행되는 프로세스 챔버 내부를 냉각시키는 냉각 유닛;을 포함한다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 급속 열처리 설비의 냉각시스템에서, 상기 보텍스 튜브는, 상기 압축공기 주입구가 형성되는 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 마련되어 주입된 상기 압축공기를 1차 보텍스(V1)로 변환시키는 보텍스 제너레이터; 상기 1차 보텍스(V1)의 진행방향으로 길게 연장되고 선단에 제1 토출구가 형성되는 제1 튜브; 상기 제1 튜브의 선단 내측에 마련되어 상기 1차 보텍스(V1)를 2차 보텍스(V2)로 변환시키는 회송밸브; 및 상기 제1 튜브의 반대방향으로 연장되고 선단에 제2 토출구가 형성되는 제2 튜브;를 가진다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 급속 열처리 설비의 냉각시스템에서, 상기 냉각 유닛은, 상기 냉각가스 공급원으로부터 제공되는 저온의 공기를 프로세스 챔버 내부로 공급하는 냉각가스 공급라인; 상기 냉각가스 공급라인 상에 설치되어 공급되는 상기 저온의 공기의 공급량을 조절하는 공급량 조절밸브; 냉각에 사용된 상기 저온의 공기를 상기 프로세스 챔버의 외부로 배출하기 위한 냉각가스 배출라인; 상기 냉각가스 배출라인 상에 설치되어 배출되는 상기 저온의 공기의 배출량을 조절하는 배출량 조절밸브; 상기 냉각가스 배출라인 상에 설치되어 배출되는 상기 저온의 공기의 온도를 측정하는 온도 측정기; 및 상기 공급량 조절밸브 및 상기 배출량 조절밸브를 제어하여 상기 프로세스 챔버의 내부 온도를 조절하는 컨트롤러;를 포함한다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 급속 열처리 설비의 냉각시스템에서, 상기 프로세스 챔버의 내부 온도 조절은 상기 온도 측정기를 통해 측정된 상기 저온의 공기의 온도값을 기초로 상기 컨트롤러의 제어를 통한 상기 저온의 공기의 공급량 및 배출량 조절을 통해 이루어진다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 급속 열처리 설비의 냉각시스템에서, 상기 보텍스 튜브로부터 상기 고온의 공기를 공급받아 수용하는 가열가스 공급원; 및 상기 가열가스 공급원으로부터 상기 고온의 공기를 이용하여 상기 프로세스 챔버 내부의 가열을 보조하는 보조 가열 유닛;을 가진다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 급속 열처리 설비의 냉각시스템에서, 상기 컨트롤러는, 상기 고온의 공기의 온도를 감지하고, 감지된 고온의 공기 온도를 기준으로 상기 압축공기의 압력을 조절한다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 급속 열처리 설비의 냉각시스템에서, 상기 압축공기 주입구에 구비되며, 상기 케이싱으로 주입되는 압축공기의 압력에 따라 상기 압축공기 주입구의 내경을 조절하여 상기 압축공기의 압력을 일정하게 유지시키는 압축조절부;를 가진다.
본 발명에 따르면, 프로세스 챔버의 냉각을 위한 냉각가스를 보텍스 튜브를 이용하여 생성하므로, 냉각가스의 온도가 낮아져 빠른 냉각이 가능하게 되고, 그에 의해 모재의 공정특성이 향상되고, 급속 열처리 공정장비의 Tack time이 향상된다.
또한, 보텍스 튜브에 의해 요구되는 냉각성능에 따라 가변이 가능하고, 냉각장치의 부피를 크게 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 보텍스 튜브에서 생성되는 가열가스를 이용하여 프로세스 챔버에서 이루어지는 RTP 공정의 가열을 보조할 수 있는 이점을 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 급속 열처리 설비의 냉각시스템의 일 실시형태를 보인 구성도.
도 2는 도 1에서 프로세스 챔버를 보인 도면.
도 3은 도 1에서 보텍스 튜브의 구성으로 보인 도면.
도 4는 도 1에서 압축공기의 압력조절동작을 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 1에서 압축공기의 압력을 일정하게 조절하는 동작을 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명에 따른 급속 열처리 설비의 냉각시스템을 구현한 실시형태를 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
다만, 본 발명의 본질적인(intrinsic) 기술적 사상은 이하에서 설명되는 실시형태에 의해 그 실시 가능 형태가 제한된다고 할 수는 없고, 본 발명의 본질적인(intrinsic) 기술적 사상에 기초하여 통상의 기술자에 의해 이하에서 설명되는 실시형태를 치환 또는 변경의 방법으로 용이하게 제안될 수 있는 범위를 포섭함을 밝힌다.
또한, 이하에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 것이므로, 본 발명의 본질적인(intrinsic) 기술적 사상을 파악하는 데 있어서, 사전적 의미에 제한되지 않고 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 급속 열처리 설비의 냉각시스템의 일 실시형태를 보인 구성도, 도 2는 도 1에서 프로세스 챔버를 보인 도면, 도 3은 도 1에서 보텍스 튜브의 구성으로 보인 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시형태에 따른 급속 열처리 설비의 냉각시스템(100)은, 프로세스 챔버(110), 보텍스 튜브(120), 냉각가스 공급원(130), 냉각 유닛(140)을 포함한다.
프로세스 챔버(110)는, 급속 열처리 공정(RTP; Rapid Thermal Processing)이 수행되는 공간을 의미한다.
프로세스 챔버(110) 내부에서의 급속 열처리 공정은, 급속 열처리를 위한 승온, 고온 상태의 유지 및 모재 특성의 향상을 위한 냉각이 순차로 진행된다.
냉각을 위해 프로세스 챔버(110) 내부로 냉각가스를 공급하는데, 일반적으로 사용되는 냉각가스는 상온의 N2 또는 공기가 사용된다. 그러나 이 경우 빠른 냉각에 한계를 가진다.
본 발명은, 보텍스 튜브(120)를 채용하여 냉각가스의 온도를 낮춤으로써 빠른 냉각이 가능하게 한 것을 주된 특징으로 한다.
보텍스 튜브(120)는, 압축공기를 고온의 공기와 저온의 공기로 분리하여 출력하는 구성이다.
냉각가스 공급원(130)은 프로세스 챔버(110)와 연통되며, 보텍스 튜브(120)로부터 저온의 공기를 공급받아 수용하는 구성이다.
냉각 유닛(140)은, 냉각가스 공급원(130)으로부터 저온의 공기를 이용하여 프로세스 챔버(110) 내부를 냉각시키는 구성이다.
이에 의해, 프로세스 챔버의 냉각을 위한 냉각가스를 보텍스 튜브를 이용하여 생성하므로, 요구되는 냉각성능에 따라 가변이 가능하고, 냉각장치의 부피를 크게 감소시킬 수 있다.
여기서, 보텍스 튜브(120)는, 케이싱(121), 보텍스 제너레이터(122), 제1 튜브(122), 제2 튜브(123), 회송밸브(124)를 포함하여 구성될 수 있다.
케이싱(121)은, 보텍스 튜브(120)의 외형을 구성하며, 압축공기 주입구(121a)가 형성된다.
압축공기는 압축기(101)에 의해 설정된 압력을 가지도록 압축될 수 있다.
보텍스 제너레이터(122)는, 케이싱(121)의 내부에 마련되어 주입된 압축공기를 1차 보텍스(V1)로 변환시키는 구성이다.
제1 튜브(122)는, 1차 보텍스(V1)의 진행방향으로 길게 연장되고 선단에 제1 토출구(122a)가 형성된다.
회송밸브(124)는, 제1 튜브(122)의 선단 내측에 마련되어 1차 보텍스(V1)를 2차 보텍스(V2)로 변환시키는 구성이다.
제2 튜브(123)는, 제1 튜브(122)의 반대방향으로 연장되고 선단에 제2 토출구(123a)가 형성되는 구성이다.
도 3을 참조하여, 보텍스 튜브(120)에 의한 열 분리 현상을 설명하면, 보텍스 튜브(120)의 압축공기 주입구(121a)를 통해 압축공기가 주입되면, 주입된 압축공기는 보텍스 제너레이터(122)를 통과하며 수백만 RPM의 초고속(음속)으로 회전하는 1차 보텍스(V1)로 변환된다.
보텍스 제너레이터(122)를 거쳐 변환된 1차 보텍스(V1)는 보텍스 튜브(120)를 따라 이송되다가 그 일단에 마련된 제1 토출구(122a)를 통해 일부는 외부로 배출되고, 나머지는 회송밸브(17)에 의해 회송되어 1차 보텍스(V1) 안쪽에서 2차 보텍스(V2)로 변환된다.
그리고 2차 보텍스(V2)는 보텍스 튜브(120)를 따라 이송되다가 그 타단에 마련된 제2 토출구(123a)를 통해 외부로 배출된다.
이때, 1,2차 보텍스(V2)는 서로 동일한 방향 및 동일한 각속도로 회전되는 바, 외측에 위치된 1차 보텍스(V1)의 공기입자가 내측에 위치된 2차 보텍스(V2)의 공기입자에 비하여 더 빠른 속도로 운동하게 되고, 그에 따라 운동 속도가 느린 2차 보텍스(V2)의 공기입자가 가진 운동에너지는 열에너지로 변환된다.
이렇게 생성된 열에너지는 2차 보텍스(V2)의 온도를 저하시키고 1차 보텍스(V1)의 온도를 상승시킨다. 그 결과로 제1 토출구(122a)를 통해 배출되는 압축공기는 온도가 높고, 제2 토출구(18)를 통해 배출되는 압축공기는 온도가 낮다.
한편, 본 실시형태에서 냉각 유닛(140)은, 냉각가스 공급라인(141), 공급량 조절밸브(142), 냉각가스 배출라인(143), 배출량 조절밸브(144), 온도 측정기(145), 컨트롤러(146)를 포함하여 구성된다.
냉각가스 공급라인(141)은, 냉각가스 공급원(130)으로부터 제공되는 저온의 공기를 프로세스 챔버(110) 내부로 공급하는 구성이다.
공급량 조절밸브(142)는, 냉각가스 공급라인(141) 상에 설치되어 공급되는 저온의 공기의 공급량을 조절하는 구성이다.
냉각가스 배출라인(143)은, 냉각에 사용된 저온의 공기를 프로세스 챔버(110)의 외부로 배출하기 위한 구성이다.
배출량 조절밸브(144)는, 냉각가스 배출라인(143) 상에 설치되어 배출되는 저온의 공기의 배출량을 조절하는 구성이다.
온도 측정기(145)는, 냉각가스 배출라인(143) 상에 설치되어 배출되는 저온의 공기의 온도를 측정한다.
컨트롤러(146)는, 공급량 조절밸브(142) 및 배출량 조절밸브(144)를 제어하여 프로세스 챔버(110)의 내부 온도를 조절하는 구성이다.
구체적으로, 프로세스 챔버(110)의 내부 온도 조절은 온도 측정기(145)를 통해 측정된 저온의 공기의 온도값을 기초로 컨트롤러(146)의 제어를 통한 저온의 공기의 공급량 및 배출량 조절을 통해 이루어진다.
한편, 본 실시형태에 따른 급속 열처리 설비의 냉각시스템(100)은, 보텍스 튜브(120)로부터 고온의 공기를 공급받아 수용하는 가열가스 공급원과, 가열가스 공급원으로부터 고온의 공기를 이용하여 프로세스 챔버(110) 내부의 가열을 보조하는 보조 가열 유닛을 가지는 것이 바람직하다.
이에 의해, 가열가스 공급원으로부터 공급되는 고온의 공기는 급속 열처리 공정(RTP; Rapid Thermal Processing)을 위해 공급되는 열원을 보충하게 된다.
이때, 고온의 공기에 의한 급속 열처리 공정(RTP; Rapid Thermal Processing) 보조는 프로세스 챔버(110)의 벽체를 가열하는 것으로 이루어진다.
이를 위해, 프로세스 챔버(110)를 구성하는 벽체의 내부를 지나도록 형성된 가열가스관로가 구비될 수 있다.
도 4는 도 1에서 압축공기의 압력조절동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시형태에서, 프로세스 챔버(110)의 냉각 공정에서 필요한 냉각성능에 맞추어, 냉각가스의 온도를 조절하는 구성을 가지는 것이 바람직하다.
구체적으로, 보텍스 튜브(120)에 유입되는 압축공기의 압력을 감지하는 압력센서(PS), 프로세스 챔버(110)로 유입되는 냉각가스의 온도를 감지하는 제1 온도센서(TS1)와 프로세스 챔버(110)에서 배출되는 냉각가스의 온도를 감지하는 제2 온도센서(TS2)를 가지며, 이들 데이터를 바탕으로 압축기(101)를 제어하는 컨트롤러(146)를 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 컨트롤러(146)는, 고온의 공기의 온도를 감지하고, 감지된 고온의 공기 온도를 기준으로 압축공기의 압력을 조절하도록 구비된다.
이에 의해, 냉각가스의 온도를 조절할 수 있다.즉 냉각용량 가변할 수 있다.
도 5는 도 1에서 압축공기의 압력을 일정하게 조절하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
보텍스 튜브(120)는, 공급되는 압축공기의 압력(유량)이 변할 경우, 특정 구간에서만 에너지 분리효율이 높으며, 그 외의 구간에서는 효율이 매우 낮아 냉각수단으로의 사용이 적합하지 못하다.
즉, 보텍스 튜브(120)는 공급되는 압축공기의 압력, 즉 유량이 일정한 경우에만 높은 에너지 분리효율(배출되는 압축공기의 온도차)을 나타낸다.
이를 위해, 보텍스 튜브(120)의 케이싱(121)에 구비되는 압축공기 주입구(121a)에 구비되며, 케이싱(121)으로 주입되는 압축공기의 압력에 따라 압축공기 주입구(121a)의 내경을 조절하여 케이싱(121) 내부로 유입되는 압축공기의 압력을 일정하게 유지시키는 압축조절부를 가지는 것이 바람직하다.

Claims (1)

  1. 압축공기를 고온의 공기와 저온의 공기로 분리하여 출력하는 보텍스 튜브(Vortex Tube);
    상기 보텍스 튜브로부터 저온의 공기를 공급받아 수용하는 냉각가스 공급원; 및
    상기 냉각가스 공급원으로부터 상기 저온의 공기를 이용하여 급속 열처리 공정(RTP; Rapid Thermal Processing)이 수행되는 프로세스 챔버 내부를 냉각시키는 냉각 유닛;을 포함하는 급속 열처리 설비의 냉각시스템.








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