KR20220140525A - 반도체 웨이퍼 온도 제어 장치 - Google Patents

반도체 웨이퍼 온도 제어 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20220140525A
KR20220140525A KR1020227028127A KR20227028127A KR20220140525A KR 20220140525 A KR20220140525 A KR 20220140525A KR 1020227028127 A KR1020227028127 A KR 1020227028127A KR 20227028127 A KR20227028127 A KR 20227028127A KR 20220140525 A KR20220140525 A KR 20220140525A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
temperature
temperature control
control device
mixed refrigerant
conditioning
Prior art date
Application number
KR1020227028127A
Other languages
English (en)
Inventor
카우스투브 케일
Original Assignee
에드워즈 배큠 엘엘시
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에드워즈 배큠 엘엘시 filed Critical 에드워즈 배큠 엘엘시
Publication of KR20220140525A publication Critical patent/KR20220140525A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/10—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with multi-stage compression
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B5/00—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity
    • F25B5/02—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity arranged in parallel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/006—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant containing more than one component
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67109—Apparatus for thermal treatment mainly by convection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/25—Control of valves
    • F25B2600/2515—Flow valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2700/00—Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2103—Temperatures near a heat exchanger

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Control Of Temperature (AREA)
  • Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)

Abstract

반도체 처리 챔버 내의 적어도 하나의 반도체 웨이퍼의 온도를 제어하기 위해 유체를 공급하기 위한 온도 제어 장치에 있어서, 온도 제어 장치는 혼합 냉매 냉각 시스템을 포함하며, 온도 제어 장치는 반도체 처리 챔버 내의 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 혼합 냉매를 공급하고 적어도 하나의 컨디셔닝 회로로부터 혼합 냉매를 수용하도록 구성된다. 온도 제어 장치는 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 복수의 사전결정된 온도 중 하나로 제어하기 위한 온도 제어 회로를 포함하고, 온도 중 적어도 하나는 -100℃ 미만이고, 온도 제어 회로는 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 공급되는 혼합 냉매의 질량 유량, 조성 또는 온도 중 적어도 하나를 제어함으로써 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 제어하도록 구성된다.

Description

반도체 웨이퍼 온도 제어 장치
본 발명의 분야는 반도체 웨이퍼 온도 제어 장치와 관련된다.
기존의 반도체 처리 방식에서, 반도체 웨이퍼는 열 전달 유체를 사용하여 가열되거나 냉각된다. 이러한 열 전달 유체는 결국 냉각 칠러(refrigeration chiller)를 사용하여 냉각/가열된다. 이것은 몇 가지 이점이 있지만, 낮은 에너지 효율, 다수의 열 전달 단계와 연관된 손실, 장비의 큰 풋프린트(large footprint) 및 관련 자본 및 반복적 비용 측면에서 몇 가지 단점을 갖는다.
또한, 극저온 에칭 및 증착과 같은(그러나 이에 제한되지는 않음) 차세대 반도체 디바이스 제조 프로세스는 현재 경우보다 낮은 온도를 필요로 한다. 이러한 온도는 사용되는 많은 기존의 열 전달 유체의 경우에 문제가 된다. 특히, 유체 온도가 -80℃ 내지 -90℃ 범위에 접근함에 따라 열 전달 유체의 점도, 전도도 및 비열이 열화된다. 차세대 프로세스는 -180℃ 만큼 낮은 척/웨이퍼 온도를 필요로 한다. -110℃ 내지 -115℃ 범위의 온도 아래에서 기능할 수 있는 일부 열 전달 유체가 있지만, 이러한 유체는 인화성이 높다. 인화성 유체의 사용은 안전상의 위험이 있으며, 이러한 위험을 완화하기 위한 추가의 설계 조치를 필요로 하여, 시스템의 전체 비용 및 복잡성을 부가시킨다. 기존 반도체 칠러와 연관된 다른 문제는 이들 칠러에서 냉각을 생성하는 데 사용되는 열역학적 사이클이 일반적으로 약 -90℃ 미만에서 매우 비효율적이라는 사실이다. 심지어 -90℃ 온도를 달성하기 위해서는, 다수의 시스템(각각 1개의 압축기를 가짐)이 직렬로 요구되며(캐스케이드 냉각), 이는 에너지 및 서브 팹(sub-fab) 공간 요구사항 관점에서 비효율적인 배열이다.
실험실에서 사용되는 하나의 잠재적인 해결책은 대부분의 새로운 프로세스 응용에 대해 충분히 저온인 약 -196℃의 비등 온도를 갖는 액체 질소(LN2)를 사용하는 것이다. 그러나, 액체 질소는 실험실에서 사용하기에 편리하지만, 액체 질소의 사용은 반복적 비용이 매우 많이 들기 때문에 모든 종류의 상업적 운영에는 실용적이지 않다.
차세대 처리 장치에서 요구되는 더 낮은 온도로 냉각할 수 있는 비용 효율적인 반도체 웨이퍼 온도 제어 장치를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
제 1 양태는 반도체 처리 챔버 내의 적어도 하나의 반도체 웨이퍼의 온도를 제어하기 위해 유체를 공급하기 위한 온도 제어 장치를 제공하며, 상기 온도 제어 장치는 혼합 냉매 냉각 시스템을 포함하며, 상기 온도 제어 장치는 상기 반도체 처리 챔버 내의 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 혼합 냉매를 공급하고 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로로부터 혼합 냉매를 수용하도록 구성되고, 상기 온도 제어 장치는 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 복수의 사전결정된 온도 중 하나로 제어하기 위한 온도 제어 회로를 포함하고, 상기 온도 중 적어도 하나는 -100℃ 미만이고, 상기 온도 제어 회로는 적어도 하나의 온도 센서로부터 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 나타내는 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호 및 상기 사전결정된 온도에 따라, 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 공급되는 혼합 냉매의 질량 유량, 조성 또는 온도 중 적어도 하나를 제어함으로써 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 제어하도록 구성된다.
본 발명은 반도체 웨이퍼를 냉각하기 위해 2차 컨디셔닝 유체를 사용하기보다는 웨이퍼를 냉각하거나 가온하기 위해 혼합 냉매 냉각 시스템의 혼합 냉매를 컨디셔닝 회로에 공급하는 온도 제어 장치를 제안한다. 이러한 방식으로, 2차 유체의 사용과 연관된 문제가 발생하지 않고, 그러한 2차 시스템에 필요한 에너지 및 효율 손실 및 추가 풋프린트와 연관된 문제도 또한 해결된다.
냉각 시스템은 혼합 냉매, 즉 상이한 비등점을 갖는 상이한 냉매의 혼합물을 갖는 냉매를 사용하는 시스템이다. 이들 냉매 중 적어도 일부는 냉각 시스템의 작동 냉각 온도 및 압력에서 비등점을 갖는다. 이러한 유형의 냉각 시스템을 사용하는 이점은 냉매가 적어도 일부가 2상 평형 상태에 있는 상이한 냉매를 포함하므로, 냉매가 증발 잠열을 사용하여 효과적인 냉각을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 그렇게 하는 동안에 실질적으로 일정한 온도를 유지할 수 있다는 것이다. 일부 실시예에서, 냉각 시스템은 자동 캐스케이드 냉각 사이클에 기초하는 줄-톰슨 냉각 시스템이다. 그러한 냉각 시스템은 우수한 에너지 효율 및 매우 콤팩트한 풋프린트로 -180℃ 만큼 낮은 온도를 달성할 수 있다. 캐스케이드 냉각 칠러와 대조적으로, 이들 냉각 시스템은 매우 낮은 온도를 달성하기 위해 하나의 압축기만을 사용한다. 이들 냉각 시스템은 또한 현저하게 더 적은 수의 전체 구성요소, 특히 가동 부품을 가지며, 이는 풋프린트를 보다 콤팩트하게 하고 펌프 유지보수 사이의 시간을 훨씬 더 길게 한다.
온도 제어 장치는 온도 센서로부터의 신호가 온도의 제어 시에 제어 회로에 의해 사용된다는 점에서 피드백 제어를 가지며, 제어 회로는 감지된 온도가 원하는 사전결정된 온도로부터 벗어난 온도를 나타내는 것에 응답하여 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 공급되는 혼합 냉매의 질량 유량, 조성 또는 온도 중 적어도 하나를 조정한다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 온도 센서는 컨디셔닝 회로 상에 또는 그에 근접하게 위치되고, 온도 제어 장치의 일부가 아니며, 온도 제어 회로는 무선 또는 유선 연결을 통해 센서로부터 신호를 수신한다. 다른 실시예에서, 온도 제어 장치는 상기 적어도 하나의 온도 센서를 포함하며, 상기 온도 제어 회로는 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 공급되는 혼합 냉매의 질량 유량, 조성 또는 온도를 제어함으로써 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 제어하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 온도 제어 회로는 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 150℃ 내지 -180℃의 복수의 사전결정된 온도 중 하나로 제어하도록 구성되고, 상기 사전결정된 온도 중 적어도 하나는 -100℃ 미만이다.
차세대 반도체 프로세스는 150℃ 내지 -180℃일 수 있는 상승된 온도 범위를 필요로 한다. 실시예들은 일 실시예의 온도 제어 장치를 사용하여 그러한 온도 범위 내에서 냉각된 혼합 냉매 형태의 컨디셔닝 유체를 제공할 수 있다. 이와 관련하여, 시스템은 일반적으로 반도체 웨이퍼를 냉각하도록 구성되지만, 일부 실시예에서는 웨이퍼 처리 장치에 가열을 제공하기 위해 가온된 냉매를 출력하도록 또한 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 온도 제어 장치는 복수의 반도체 웨이퍼를 냉각하거나 컨디셔닝하기 위한 복수의 컨디셔닝 회로에 혼합 냉매를 공급하도록 구성되고, 상기 복수의 컨디셔닝 회로는 서로 병렬로 배열되고, 상기 온도 제어 장치는 처리 사이클 동안에 상기 복수의 컨디셔닝 회로 중 선택된 컨디셔닝 회로를 통해 혼합 냉매를 순환시키도록 구성된다.
온도 제어 장치는 하나의 반도체 처리 챔버 내에서 단일 웨이퍼를 냉각하도록 구성될 수 있지만, 일부 실시예에서는 병렬로 배열된 복수의 웨이퍼를 냉각하기 위해 혼합 냉매를 공급하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 온도 제어 장치는 반도체 팹 내의 다수의 반도체 처리 챔버의 온도를 효과적으로 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 컨디셔닝 회로는 혼합 냉매의 공급에 의해 직접 냉각되기 때문에, 공급되는 혼합 냉매의 질량 유량, 온도 또는 조성의 적합한 제어에 의해 단일 냉각 시스템으로부터 상이한 온도가 달성될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 온도 제어 회로는 상기 복수의 컨디셔닝 회로 각각에 공급되는 혼합 냉매의 질량 유량, 온도 또는 조성 중 적어도 하나를 제어함으로써 상기 복수의 컨디셔닝 회로의 온도를 개별적으로 제어하도록 구성된다.
온도 제어 장치는 동일한 냉매를 컨디셔닝 회로 각각에 보낼 수 있지만, 일부 실시예에서는 현재 처리중인 선택된 복수의 컨디셔닝 회로 각각으로 보내는 냉매의 질량 유량, 온도 또는 조성을 개별적으로 제어하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 온도 제어 장치는 처리 사이클 내에서 상이한 단계에 있을 수 있는 다수의 처리 챔버 내의 온도를 독립적으로 제어하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 온도 제어 회로는 복수의 온도 센서로부터 상기 복수의 컨디셔닝 회로 각각의 온도를 나타내는 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호 및 상기 사전결정된 온도에 따라, 상기 복수의 컨디셔닝 회로 각각에 공급되는 혼합 냉매의 질량 유량, 조성 또는 온도 중 적어도 하나를 제어함으로써 상기 복수의 컨디셔닝 회로의 온도를 제어하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 온도 제어 회로는 혼합 냉매 바이패스 채널을 포함하며, 상기 바이패스 채널은 상기 압축기로부터 출력되는 혼합 냉매의 일부를 상기 냉각 시스템의 적어도 일부 주위로 보내서, 상기 바이패스 채널 내의 혼합 냉매가 상기 냉각 시스템에 의해 출력되는 혼합 냉매보다 더 가온되게 하고; 상기 온도 제어 회로는 상기 웨이퍼 컨디셔닝 회로에 공급되는 상기 바이패스 채널로부터의 혼합 냉매 및 상기 냉각 시스템으로부터 출력되는 혼합 냉매의 비율을 제어함으로써 상기 복수의 컨디셔닝 회로 중 상기 선택된 컨디셔닝 회로 각각으로 출력되는 혼합 냉매의 온도를 제어하도록 구성된다.
컨디셔닝 회로 각각으로 보내지는 냉매의 온도를 제어하는 하나의 방식은 압축기로부터 출력되는 혼합 냉매의 일부를 컨디셔닝 회로를 향해 보내서, 가온된 혼합 냉매 또는 냉각 시스템을 통과한 냉각된 혼합 냉매, 또는 이들의 혼합물이 컨디셔닝 회로 각각에 제공될 수 있게 하는 것이다. 이러한 실시예에서 가온된 냉매가 냉각된 냉매와 혼합되어 원하는 온도를 달성할 수 있지만, 다른 실시예에서 가온된 냉매는 원하는 온도의 컨디셔닝 회로에 진입하기 전에 냉각된 냉매를 가온하기 위해 열교환기에서 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 압축기로부터의 혼합 냉매와 냉각 시스템으로부터의 혼합 냉매를 혼합함으로써 제공되는 온도 제어는 총 온도 제어를 제공하는 데 사용될 수 있으며, 혼합 냉매의 질량 유량 제어와 같은 보다 미세한 온도 제어가 다른 온도 제어 메커니즘에 의해 제공된다.
일부 실시예에서, 상기 온도 제어 장치는 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로 내로의 냉매의 유동을 제어하기 위한 적어도 하나의 밸브를 포함한다.
컨디셔닝 회로 내의 온도를 제어하는 하나의 비교적 간단한 방식은 밸브를 사용하여 컨디셔닝 회로 내로의 냉매 유동을 제어하는 것이다.
일부 실시예에서, 상기 적어도 하나의 밸브는 온/오프 밸브 및 비례 제어 밸브 중 적어도 하나를 포함한다.
혼합 냉매의 유동을 제어하는 데 사용되는 밸브는 단순한 온/오프 밸브 및/또는 비례 제어 밸브일 수 있다. 어느 경우에든, 필요한 반응 시간 및 감도를 제공하기 위해 신속한 사이클 또는 빠른 반응 밸브가 사용되는 것이 유리할 수 있다. 온/오프 밸브는 빠른 사이클 솔레노이드 밸브일 수 있다. 비례 제어 밸브는 서보 또는 스테퍼 모터 작동식 밸브일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 온도 제어 장치는 혼합 냉매가 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 진입하기 전에 혼합 냉매의 조성을 변경하기 위한 조성 제어 디바이스를 포함한다.
냉매는 상이한 화합물을 포함하는 혼합 냉매이고, 화합물은 상이 상이하기 때문에, 그러한 혼합 냉매의 온도를 조절하는 하나의 방식은 냉매가 컨디셔닝 회로에 진입할 때 냉매의 조성 및 상을 조절하는 것일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 조성 제어 디바이스는 상 분리기를 포함하며, 상기 혼합 냉매의 조성은 상기 상 분리기를 빠져나가는 액상 냉매의 질량 유량 및 후속 팽창 중 적어도 하나를 제어함으로써 제어된다.
혼합 냉매는 상이한 비등점을 갖는 냉매로 형성되기 때문에, 혼합물로부터 보다 낮은 비등점 냉매의 적어도 일부를 제거하기 위해 상 분리기가 사용될 수 있으며, 이러한 방식으로 혼합 냉매의 조성이 변경된다. 분리되는 보다 낮은 비등점 냉매의 양을 제어함으로써, 혼합 냉매의 조성이 제어될 수 있고, 이에 의해 혼합 냉매에 의해 온도 제어가 제공될 수 있다.
혼합 냉매의 온도 및 냉각 용량은 혼합 냉매 스트림 내의 냉매의 기상 대 액상의 비율에 따라 달라지며, 그에 따라 온도를 제어하는 하나의 방식은 혼합 냉매의 상 구성을 제어하는 것일 수 있다. 이것은 예를 들어 팽창 디바이스를 사용하여 실행될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 온도 제어 장치는 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에서 혼합 냉매의 압력을 제어하기 위한 증발기 압력 조절기를 포함한다.
일부 경우에, 증발기 압력 조절기는 컨디셔닝 회로에서의 혼합 냉매의 압력을 제공하고 이러한 방식으로 혼합 냉매의 온도를 제어하기 위해 팽창 밸브의 형태일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 온도 제어 장치는 상기 혼합 냉매의 적어도 일부가 유동하는 열교환기를 포함하며, 상기 열교환기는 적어도 하나의 보다 가온된 유체의 제어된 유동을 수용하도록 구성된다.
혼합 냉매의 온도를 제어하는 하나의 방식은 열교환기의 사용에 의한 것이다. 열교환기는 냉각 시스템의 다른 부분, 예컨대 압축기, 또는 상 분리기 중 하나로부터의 유체일 수 있는 보다 높은 온도의 유체 유동을 가질 수 있거나, 보다 가온된 온도에 있는 유체 프로세스일 수 있다. 유동 제어 밸브는 두 유체의 유동을 제어하고 그에 따라 냉매의 온도를 제어하는 데 사용될 수 있다. 열교환기는 적어도 하나의 컨디셔닝 회로 이전에 위치될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 온도 제어 장치는 혼합 냉매의 팽창, 및 그에 따라 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로 내의 혼합 냉매의 압력을 제어하기 위한 팽창 디바이스를 포함한다.
혼합 냉매의 온도는 혼합 냉매가 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 진입하기 전에 혼합 냉매의 팽창을 제어하는 팽창 디바이스를 사용하여 제어될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 냉각 시스템은 적어도 하나의 압축기를 포함하며, 상기 온도 제어 회로는 상기 적어도 하나의 압축기의 토출 질량 유량을 제어하기 위한 제어 회로를 포함한다.
대안적으로 및/또는 추가적으로, 온도 제어 회로는 압축기에 의해 압축되어 출력되는 냉매의 양을 제어할 수 있다. 이것은 결국 냉매의 온도를 제어하고, 이러한 제어를 제공하는 에너지 효율적인 방식일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 냉각 시스템은 병렬로 배열된 복수의 압축기를 포함하며, 상기 온도 제어 회로는,
작동중인 상기 복수의 압축기의 수,
상기 복수의 압축기 중 적어도 하나의 제어 속도, 및
상기 복수의 압축기 중 적어도 하나의 언로딩
중 적어도 하나를 제어함으로써 상기 복수의 압축기의 토출 질량 유량을 제어하기 위한 제어 회로를 포함한다.
많은 시스템에서, 냉각 시스템은 다수의 압축기를 가질 수 있으며, 이는 이것이 보다 큰 신뢰성을 제공하고 시스템이 정지될 필요 없이 서비스될 수 있게 하기 때문이다. 이들 압축기는 병렬로 배열될 수 있고, 온도 제어 장치는 이들 압축기 중 하나 이상의 토출 질량 유량을 제어하기 위해 온도 제어 회로를 사용하여 온도를 제어할 수 있다. 이것은 작동중인 압축기의 수 및/또는 압축기 중 적어도 하나의 속도 및/또는 압축기 중 적어도 하나의 적어도 부분적 언로딩을 제어함으로써 실행될 수 있다. 이것도 역시 압축기의 출력을 감소시키는 에너지 효율적인 방식이다.
제 2 양태는 적어도 하나의 컨디셔닝 회로를 포함하는 반도체 처리 챔버와, 제 1 양태에 따른 온도 제어 장치를 포함하는 장치를 제공하며, 상기 온도 제어 장치는 상기 온도 제어 장치로부터의 혼합 냉매가 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 공급되고 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로를 통해 유동하도록 배열된다.
제 3 양태는 반도체 처리 챔버 내의 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 복수의 사전결정된 온도 중 하나로 제어함으로써 상기 반도체 처리 챔버 내의 적어도 하나의 반도체 웨이퍼의 온도를 제어하는 방법을 제공하며, 상기 온도 중 적어도 하나는 -100℃ 미만이고, 상기 방법은, 냉각 시스템으로부터 상기 반도체 처리 챔버 내의 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 혼합 냉매를 공급하는 것과, 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로로부터 혼합 냉매를 수용하는 것과, 적어도 하나의 온도 센서로부터 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 나타내는 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호 및 상기 사전결정된 온도에 따라, 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 공급되는 혼합 냉매의 질량 유량, 조성 또는 온도 중 적어도 하나를 제어함으로써 상기 온도를 제어하는 것을 포함한다.
다른 특정의 바람직한 양태는 첨부된 독립 청구항 및 종속 청구항에 기재되어 있다. 종속 청구항의 특징은 청구범위에 명시적으로 제시된 것 이외의 조합으로 그리고 적절하게 독립 청구항의 특징과 조합될 수 있다.
장치 특징이 기능을 제공하도록 작동 가능한 것으로 설명되는 경우, 이것은 그러한 기능을 제공하거나 그러한 기능을 제공하도록 적합화되거나 구성되는 장치 특징을 포함한다는 것이 이해될 것이다.
이제, 본 발명의 실시예가 첨부 도면을 참조하여 추가로 설명될 것이다:
도 1은 일 실시예에 따른 웨이퍼 온도 제어 장치를 도시하고;
도 2는 일 실시예에 따른 복수의 웨이퍼의 온도를 제어하기 위한 장치를 도시하며;
도 3은 일 실시예에 따른 다수의 반도체 웨이퍼를 상이한 온도에서 컨디셔닝하기 위한 시스템을 도시한다.
실시예들은 보다 상세하게 논의하기 전에, 먼저 개요가 제공될 것이다.
실시예들은 자동 캐스케이드 냉각 사이클(Auto-Cascade refrigeration cycle)에 기초하는 혼합 냉매 줄-톰슨 냉각 시스템(Mixed Refrigerant Joule Thompson refrigeration system)과 같이 혼합 냉매를 사용하는 냉각 시스템을 제안한다. 그러한 냉각 시스템은 우수한 에너지 효율 및 매우 콤팩트한 풋프린트로 -180℃ 만큼 낮은 온도를 달성할 수 있다. 캐스케이드 냉각 칠러와 대조적으로, 냉각 시스템은 매우 낮은 온도를 달성하기 위해 하나의 압축기만을 사용한다. 냉각 시스템은 또한 현저하게 더 적은 수의 전체 구성요소, 특히 가동 부품을 가지며, 이는 풋프린트를 보다 콤팩트하게 하고 펌프 유지보수 사이의 시간을 훨씬 더 길게 한다.
실시예들은, 2차 열 전달 유체(냉각제)에 대한 필요성 없이, 일부 경우에 -180℃ 내지 +150℃의 온도 범위에서 척을 통해 반도체 웨이퍼를 컨디셔닝(가열 및 냉각 모두)하기 위한 장치를 설명한다. 웨이퍼 또는 척은 척 내에 있을 수 있는 컨디셔닝 회로의 컨디셔닝 채널 내로 냉매 혼합물을 도입하는 혼합 냉매 줄-톰슨 냉각 시스템에 웨이퍼 또는 척을 직접 연결함으로써 컨디셔닝된다. 냉매 혼합물은 2개 내지 5개 냉매의 혼합물일 수 있다. 실시예들은 냉매의 온도 제어를 위한 수단을 제공한다.
실시예들은 MRAM 및 3D-NAND와 같은(그러나 이에 제한되지는 않음) HAR 디바이스를 제조하는 데 요구되는 차세대 극저온 에칭 및 증착 프로세스에 적합하다.
도 1은 반도체 진공 처리 챔버 내에서 반도체 웨이퍼 척에 장착된 반도체 웨이퍼를 냉각 또는 가온하기 위한 반도체 웨이퍼 온도 제어 장치를 도시한다.
반도체 웨이퍼 온도 제어 장치는 컨디셔닝 회로(20)에 연결된 일 실시예에 따른 온도 제어 장치(100)를 포함하며, 컨디셔닝 회로(20)는 본 실시예에서는 웨이퍼 척 내의 채널을 포함한다. 온도 제어 장치(100)는 혼합 냉매를 압축하기 위한 압축기(1) 및 선택적인 오일 분리기(2)를 포함하는 매우 낮은 온도의 냉각 시스템을 포함하고, 오일 분리기(2)의 제 1 출구는 응축기(3)에 공급한다. 오일 분리기(2)의 제 2 출구는 오일 복귀 라인(130)을 통해 압축기 흡입 라인(122)에 다시 공급한다. 오일이 없는 압축기가 사용되는 경우 오일 분리기(2)가 필요하지 않다.
냉각 시스템은 자동 냉각 캐스케이드 시스템이며, 열교환기(4), 상 분리기(5), 열교환기(6), 상 분리기(7), 열교환기(8), 및 유량계 디바이스(flow metering device: FMD)(10) 형태의 팽창 디바이스를 더 포함한다. 열교환기는 고압 냉매로부터 저압 냉매로의 열 전달을 제공한다. FMD는 고압 냉매를 저압으로 스로틀링(throttling)하고 스로틀링 프로세스의 결과로서 냉각 효과를 생성한다.
냉각 프로세스를 통한 공급 냉매 유로는 하기와 같다: 열교환기(4)의 공급 입구는 액체 라인(110)에 의해 공급되고, 열교환기(4)의 공급 출구는 상 분리기(5)의 공급 입구에 공급한다. 상 분리기(5)의 공급 출구는 열교환기(6)의 공급 입구에 공급하고, 열교환기(6)의 공급 출구는 상 분리기(7)의 공급 입구에 공급한다. 상 분리기(7)의 공급 출구는 열교환기(8)의 공급 입구에 공급한다. 열교환기(8)의 공급 출구는 웨이퍼 컨디셔닝 회로로의 냉매 공급 라인에 공급한다.
냉각 프로세스를 통한 복귀 냉매 유로는 하기와 같다: 열교환기(8)의 복귀 입구는 웨이퍼 컨디셔닝 회로(20)로부터의 냉매 복귀 라인에 의해 공급되고, 열교환기(8)의 복귀 출구는 열교환기(6)의 복귀 입구에 공급한다. 열교환기(6)의 복귀 출구는 열교환기(4)의 복귀 입구에 공급한다. 열교환기(4)의 복귀 출구는 압축기(1)로의 흡입 라인(122)에 공급한다.
추가적으로, 상 분리기(5)의 제 2 출구는 FMD(12)에 공급하고, FMD(12)는 열교환기(6)와 열교환기(8) 사이의 노드(node)에서 냉매 복귀 경로 내로 공급한다. 상 분리기(7)의 제 2 출구는 FMD(11)에 공급하며, FMD(11)는 열교환기(8)와 웨이퍼 컨디셔닝 회로(20) 복귀 라인 사이의 노드에서 냉매 복귀 경로 내로 공급한다.
각각의 경우에, 상 분리기(7, 8)는 액체 냉매를 증기 냉매로부터 분리하는 역할을 한다. 분리 효율은 40%에서 100%까지 다양하다(즉, 액체의 대략 60% 내지 0%가 제 1 출구를 통해 빠져나갈 수도 있음). 제 1 출구는 우선적으로 증기이다. 복귀 경로로의 제 2 출구는 선택적으로 액체이다. 각각의 상 분리기로부터의 액체는 스로틀링 장치에 의해, 전형적으로 유량계 디바이스(FMD)로서 식별되는 팽창 밸브 또는 모세관에 의해 팽창된다. 따라서, 액체는 상 분리기(5, 7)를 빠져나갈 때 고압이고, 복귀하는 저압 냉매와 혼합될 때 저압이다.
도 1은 또한 반도체 웨이퍼 회로에 공급되는 혼합 냉매의 온도를 제어하도록 구성된 온도 제어 회로(30)를 도시한다. 본 실시예에서, 온도 제어 회로는 온도 센서(32)로부터 신호를 수신하고, 냉각 시스템(100)의 구성요소 중 하나를 제어함으로써 온도를 제어한다.
일 실시예에서, 온도 제어 회로(30)는 컨디셔닝 회로(20)로 보내지는 혼합 냉매의 온도를 제어하도록 압축기(1)를 제어한다. 온도 제어 회로(30)는 하나 이상의 처리 챔버에서 요구되는 온도를 나타내는 신호를 냉각 시스템의 제어기로부터 수신할 수 있다. 본 실시예에서, 압축기(1)는 병렬로 배열된 복수의 압축기이고, 온도 제어 회로(30)는 처리 챔버에 의해 요구되는 온도에 따라 그리고 측정된 온도를 나타내는 신호를 제어 회로(30)로 전송하는 온도 센서(32)에 의해 측정된 온도에 따라 임의의 시간에 작동하는 압축기의 수를 제어한다. 다른 실시예에서, 제어 회로(32)는 압축기(들)(1)의 로딩 또는 속도 중 하나를 제어함으로써 압축기(들)의 유량을 제어할 수 있다.
대안적으로 및/또는 추가적으로, 온도 제어는 상 분리기(5)로부터의 액상 냉매의 유동 및 팽창을 제어하는 유동 제어 밸브(12)의 적합한 제어에 의해 제공될 수 있다. 상 분리기(5)로부터의 액체의 팽창을 제어함으로써, 혼합 냉매의 나머지의 조성 및 상이 제어될 수 있다. 이에 의해, 컨디셔닝 회로(20)로 보내지는 혼합 냉매의 열역학적 특성을 제어하는 능력이 제공된다.
일부 실시예에서, 반도체 웨이퍼 컨디셔닝 회로를 수용하는 반도체 처리 챔버는 냉각 시스템으로부터 멀리 떨어져 있을 수 있고, 그러한 경우에 온도 센서가 컨디셔닝 회로에 공급되는 혼합 냉매의 온도를 모니터링하기보다는, 컨디셔닝 회로의 온도를 나타내는 신호가 웨이퍼의 온도를 모니터링하는 반도체 챔버 제어 회로로부터 수신될 수 있다.
도 2는 냉각 시스템(100)이 복수의 반도체 웨이퍼를 컨디셔닝하기 위한 복수의 컨디셔닝 회로(20)에 공급하는 대안적인 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 온도 제어 회로(30)는 각각의 팽창 디바이스(10a, 10b)를 제어함으로써 각각의 컨디셔닝 회로에 공급되는 냉매의 온도를 제어한다. 본 실시예에서, 팽창 디바이스(10a, 10b)는 전자 팽창 밸브의 형태이며, 그에 따라 냉매의 온도를 제어한다.
도 3은 압축기(1)로부터 출력된 보다 가온된 가스가 선택적인 오일 분리기(2)로 지향되고 이 오일 분리기(2)로부터 3개의 상이한 채널 중 하나 이상으로 지향되는 대안적인 실시예를 도시한다. 하나의 채널은 유체가 냉각되도록 자동 캐스케이드 냉각 시스템을 통해 유동을 지향시키고, 다른 2개의 채널은 2개의 컨디셔닝 회로(20) 각각을 향해 유체를 지향시킨다. 컨디셔닝 회로를 향한 채널은 유동을 제어하는 밸브(26a, 26b)를 포함한다. 이들 채널에서의 유동은 컨디셔닝 회로를 향해 유동하고, 컨디셔닝 회로 내로 유동하기 전에 냉각 시스템으로부터의 냉각된 유체와 합류할 수 있다. 2개의 컨디셔닝 회로가 도시되어 있지만, 임의의 수의 컨디셔닝 회로 및 대응하는 가스 유동 채널이 있을 수 있다는 점에 주목해야 한다.
상기에서 언급된 바와 같이, 냉각 시스템은 도 1에 설명된 바와 같은 자동 캐스케이드 시스템을 사용하여 압축기로부터 출력된 유체를 냉각한다. 냉각된 유체는 각각의 컨디셔닝 회로(20)에 연결된 출력부를 향해 보내진다. 압축기로부터의 보다 가온된 가스도 또한 이들 출력부를 향해 지향된다.
온도 제어는 각각의 챔버, 및 따라서 각각의 컨디셔닝 회로에 필요한 온도를 나타내는 정보를 반도체 처리 제어 회로로부터 수신하는 온도 제어 회로(30)에 의해 제공될 수 있다. 온도 제어 회로(30)는 보다 가온된 유체 및 보다 냉각된 유체의 제어된 유동을 제공하고 컨디셔닝 회로에 필요한 온도를 제공하도록 각각의 가온 가스 라인의 밸브(26a, 26b)와 냉각 라인의 밸브(27a, 27b)를 제어한다. 따라서, 컨디셔닝 회로 중 하나 이상이 가온되어야 하는 경우, 냉각 시스템으로부터의 밸브(27a 또는 27b) 중 하나 또는 둘 모두가 폐쇄되고 밸브(26a 또는 26b) 중 하나 이상이 개방되어, 압축기로부터 각각의 컨디셔닝 회로 내로의 가온 가스가 웨이퍼를 가온시킬 수 있게 한다. 2개의 챔버가 사이클에서의 상이한 지점에 있고, 하나는 가온되지만 다른 하나는 냉각될 수 있으며, 이것은 밸브의 제어에 의해 실행될 수 있다.
특정 양만큼 또는 특정 시간 동안에 밸브(26, 27) 각각을 개방하여 2개의 유동을 혼합함으로써 추가 온도 제어가 제공될 수 있다. 이러한 경우에, 온도 센서(32a, 32b)는 온도 제어 회로에 신호를 제공하여 필요에 따라 온도 제어 회로가 유동을 조정할 수 있게 한다.
다른 실시예에서, 팽창 디바이스의 제어 또는 압축기의 제어, 또는 비례 유동 제어 밸브를 사용하는 유량의 제어와 같은 다른 수단에 의해 보다 다양하거나 정밀한 온도 제어가 제공된다.
전술한 냉각 시스템은 다수의 상이한 냉매를 포함하는 혼합 냉매를 사용한다. 냉매 블렌드(refrigerant blend)는 유기 화합물, 무기 화합물, 불포화 유기 화합물, 비공비 혼합물, 공비 혼합물, 천연 냉매(N2, NH3, 메탄, 에탄, CO2 등), 불활성 가스(아르곤, 네온 등)로 구성되는 범주 중 하나 이상에 속하는 개별 구성요소를 함유할 수 있다.
냉매는 컨디셔닝 유체로서 냉매 블렌드를 사용하여 반도체 웨이퍼 척이 직접 컨디셔닝되도록 컨디셔닝 회로에서 컨디셔닝 유체로서 사용된다. 냉각 시스템의 가장 저온 지점에서의 냉매 블렌드는 전형적으로 2개 내지 5개의 성분으로 구성된다. 냉매 블렌드는 반도체 척 내부와 같은 처리 장치 내부의 컨디셔닝 회로 내로 도입되는 것이 제안된다. 따라서, 척은 냉각 시스템에 직접 결합된다. 이러한 배열은 작동 유체(냉매 혼합물)가 가열 사이클에서 효율적인 방식으로 웨이퍼 척으로부터 열을 흡수하거나 웨이퍼 척에 열을 제공할 수 있게 한다. 이것은 2차 열 전달 유체를 사용하여 얻어진 것보다 적어도 10배 높은 열 전달 효율을 야기한다.
듀티 사이클(작동 모드)에서 웨이퍼로부터 열이 추출되어야 하는 경우, 냉매 혼합물은 열 제거의 잠열 모드(latent mode)뿐만 아니라 현열 모드(sensible mode)를 모두 이용할 수 있다. 유체의 잠열 용량은 현열 용량보다 10배 이상 높다. 그러나, 잠열 용량이 작용하기 위해서는, 작동 유체의 상 변화(액체로부터 증기로의 변화)가 일어날 필요가 있다. 실시예들에서, 다성분 냉매 혼합물은 컨디셔닝 회로에 진입할 때 혼합상(액체-증기 혼합물)이다. 척으로부터의 열에 노출되는 경우, 혼합물의 액상 성분은 증발하여 잠열을 흡수하지만, 증기상 성분은 웨이퍼로부터 현열을 흡수한다. 유체가 일정한 압력에서 상이 변하는 경우, 그 온도가 또한 일정하게 유지된다. 이러한 열역학적 특성은 균일한 온도로 열을 흡수하기 위해 본 발명에서 이용된다. 잠열 용량이 현열 용량보다 훨씬 더 크기 때문에, 열의 대부분은 상 변태를 겪고 있는 성분에 의해 흡수된다. 이것은 결국 컨디셔닝 회로 내부의 온도가 실질적으로 일정하게 유지된다는 것을 의미하며, 이는 임의의 반도체 처리 응용에서 중요한 요건이다.
실시예들의 다른 중요한 이점은 다수의 척 및 일부 실시예에서 웨이퍼 척을 동시에 컨디셔닝할 수 있는 다수의 독립적인 웨이퍼 컨디셔닝 회로를 갖는 능력이다. 이것은 도 2 및 도 3에 도시되어 있다.
웨이퍼 척의 가열: 웨이퍼 척 내로 유동하는 냉매는 전기 히터에 의해, 또는 압축기로부터의 고온 토출물과의 열교환을 통해, 또는 시스템의 중간 부분으로부터의 고온 냉매와의 열교환을 통해 필요한 설정 온도로 가열될 수 있거나, 압축기 토출부에서의 고온 냉매가 반도체 척을 통해 직접 순환될 수 있다. 상기 수단 각각은 필요한 가열 용량 및 온도에 도달하기 위해 독립적으로 또는 협력적으로 사용될 수 있다.
실시예들의 온도 제어 장치는 웨이퍼를 가열하거나 냉각하는 데 사용되는 컨디셔닝 회로로 보내지는 컨디셔닝 유체의 온도를 제어함으로써 온도 제어를 제공한다는 점에 주목해야 한다. 컨디셔닝 회로는 척 또는 냉각판일 수 있는 웨이퍼 지지체에 위치될 수 있다.
온도 제어는 냉각 시스템 내의 구성요소를 제어하는 온도 제어 회로를 사용하여, 냉매의 상 조성, 압력, 질량 유량 또는 온도를 변경함으로써 컨디셔닝 회로로 출력되는 냉매에 의해 제공되는 냉각을 변경함으로써 본 발명의 실시예에 의해 제공된다. 하기 설계들은 독립적으로 또는 협력적으로 사용될 수 있다.
1. 온/오프 밸브에 의해 웨이퍼 척에 진입하는 저온 냉매의 질량 유량을 제어하는 것. 이러한 밸브는 공압식으로 또는 전기적으로 작동될 수 있다. 하나의 예는 빠른 사이클 솔레노이드 밸브일 수 있다.
2. 비례 제어 밸브에 의해 웨이퍼 척에 진입하는 저온 냉매의 질량 유량을 제어하는 것. 하나의 예는 서보 또는 스테퍼 모터 작동식 밸브일 수 있다.
3. 팽창 디바이스에 의해 반도체 웨이퍼 척에 진입하기 전에 포화된 액체 스트림의 팽창을 제어하는 것. 이러한 디바이스는 하나 이상의 모세관, 온도 조절식 팽창 밸브(thermostatic expansion valve), 전자식 팽창 밸브 또는 이들 옵션의 조합일 수 있다.
4. 열교환기에 의해 웨이퍼 척에 진입하기 전에 저온 냉매에 열을 추가하는 것. 이러한 열교환기(단일 패스/다중 패스, 단일 채널/다중 채널)는 저온 냉매와 열교환할 수 있는 (보다 가온된 온도의) 하나 또는 다수의 유체 스트림을 가질 수 있다. 열교환기를 통한 모든 유체의 유량은 온/오프 사이클링 또는 비례 유동 제어 밸브를 사용하여 제어될 수 있다.
5. 열교환기에 의해 웨이퍼 척에 진입하기 전에 저온 냉매에 열을 추가하는 것. 이러한 열교환기(단일 패스/다중 패스, 단일 채널/다중 채널)는 저온 냉매와 열교환할 수 있는 보다 가온된 온도의 물 또는 임의의 다른 이용 가능한 프로세스 유체(극저온 칠러의 일부가 아님)를 가질 수 있다. 열교환기를 통한 모든 유체의 유량은 온/오프 사이클링 또는 비례 유동 제어 밸브를 사용하여 제어될 수 있다.
6. 목표 온도의 혼합물을 얻기 위해 냉각 시스템의 다른 부분으로부터의 제어된 양의 가온 냉매를 저온 냉매 스트림과 혼합하는 것. 유체의 질량 유량은 온/오프 사이클링 또는 비례 유동 제어 밸브를 통해 제어될 수 있다.
7. 웨이퍼 척에 진입하는 혼합 냉매 스트림의 조성을 변경하는 것. 이것은 냉각 시스템의 '스택(stack)'의 작동 파라미터(온도 및 압력)를 변경함으로써 실행될 수 있다. 스택 파라미터는 하나 또는 다수의 상 분리기에서 나오는 액체 냉매의 유량을 제어하는 것에 의해 변경될 수 있다. 이것은 온/오프 밸브, 비례 제어 밸브, 온도 조절식 팽창 밸브, 전자식 팽창 밸브 등과 같은 유동 제어/감압 디바이스(아이템 11, 12)에 의해 실행될 수 있다.
8. 압축기의 토출 질량 유량을 변경하는 것. 이것은 압축기 언로더(compressor unloader), 가변 속도 압축기 등에 의해 실행될 수 있다.
9. 압축기 스키드(compressor skid)(병렬 작동에서의 다수의 압축기)가 사용되는 경우에, 개별 압축기(들)를 온/오프하거나 VFD를 사용하여 개별 압축기(들)를 감속함으로써 또는 필요에 따라 개별 압축기(들)를 언로딩(unloading)함으로써 압축기 스키드의 전체 토출 질량 유량을 변경하는 것.
10. 냉각 시스템의 나머지 부분을 통과하지 않고서 압축기로 다시 재순환되도록 압축기 토출 질량 유동의 일부를 전환하는 것. 본질적으로 냉매 질량 유동의 일부를 차단시키는 것. 이것은 토출 압력 제어 밸브, 고온 가스 바이패스 밸브, 온/오프 솔레노이드/공압식 유동 제어 밸브, 비례 유동 제어 밸브 등을 통해 실행될 수 있다.
11. EPR(Evaporator Pressure Regulator; 증발기 압력 조절기) 밸브를 사용하여 반도체 웨이퍼 척에서의 냉매 혼합물의 포화 압력을 제어하고 이에 의해 온도를 제어하는 것.
실시예들에서, 냉각 시스템은 압력, 온도, 유량, 압축기 전류 등을 모니터링하기 위해 반도체 컨디셔닝/처리 산업에서 널리 사용되는 측정/감지 디바이스(열전쌍, 압력 변환기, 유량계, 전류계)를 포함한다. 이들은 표준형 또는 맞춤형의 측정 디바이스일 수 있다. 이러한 측정 디바이스의 수와 유형은 당업계에서 널리 사용되는 이용 가능한 옵션이 매우 다양하기 때문에 상세하게 언급되지 않을 수 있다.
측정 디바이스로부터의 판독치(온도, 압력, 질량 유량 등)는 극저온 칠러 내부의 하나 이상의 제어기(표준형 또는 맞춤형)에 의해 기록, 저장 및 분석된다. 이들 제어기는, 몇 가지 옵션을 열거하면, 표준형 또는 맞춤형 마이크로 프로세서 기반 제어기, PLC 유형 제어기, PID 유형 제어기일 수 있다. 제어기는 상기에서 나열된(그러나 이에 제한되지는 않음) 여러 유형의 제어기 옵션을 조합할 수 있다. 냉각 시스템은 또한 온도, 압력, 유량, 전류, 전력 소모 등과 같은(그러나 이에 제한되지는 않음) 시스템 및/또는 프로세스 파라미터에 대한 데이터를 저장하는 능력을 갖는다. 냉각 시스템은 원격 오퍼레이터(들) 또는 컴퓨터(들)가 유닛을 제어할 수 있는 원격 작동도 가능하다. 냉각 시스템은 유선 또는 무선 데이터 연결일 수 있는 표준형 또는 맞춤형 프로토콜(몇 가지를 열거하면, 이더넷, 이더넷 IP, USB 등)에 의해 다른 냉각 시스템, 원격 오퍼레이터(인간 또는 컴퓨터)와 통신할 수 있다.
요약하면, 실시예들은 하기의 이점을 제공할 수 있다:
1. -180℃ 내지 +150℃의 큰 설정 온도 엔벨로프(envelope) 가능
2. 높은 냉각 용량(수 kW 범위) 및 높은 에너지 효율로 반도체 웨이퍼 척을 -180℃ 온도에 이르기까지 컨디셔닝하는 능력
3. 현재의 반도체 칠러에 비해 웨이퍼 척에서의 현저하게 높은 열 전달 효율
4. 냉매의 높은 잠열 용량을 활용하여 반도체 웨이퍼 척으로부터 열을 제거하는 능력
5. 현재의 반도체 칠러에 비해 현저하게 높은 전체 에너지 효율(냉각 용량의 kW/kW)
6. -180℃ 내지 +150℃ 범위의 사용자 설정가능 온도에서 반도체 웨이퍼 척의 온도 제어 능력
7. 현재의 반도체 칠러보다 10배 높은 풋프린트 효율(kW 냉각 용량/냉각 시스템의 단위 면적)
8. 2차 열 전달 유체와, 관련 비용, 공간 및 유지보수 요구사항에 대한 필요성 제거
9. 유체 사이의 다수의 열 전달 단계와 연관된 고유한 비효율성 제거
10. 시스템이 작동을 시작하기 전에 다량의 유체를 냉각/가열할 필요가 없기 때문에 훨씬 더 빠른 시동 시간
11. 낮은 열 관성과, 온도 설정치 또는 작동 모드(냉각, 가열)의 변화에 대한 훨씬 더 빠른 응답 시간
12. 다수의 냉각/가열 회로가 이용 가능하기 때문에 다수의 반도체 웨이퍼 척을 동시에 컨디셔닝하는 능력
13. 열 전달 유체의 부존재로 인한 보다 낮은 누출 가능성
요약하면, 실시예들은 자동 캐스케이드 열역학 사이클에서 작동하는 폐쇄 루프 온도 제어 장치를 포함하는 혼합 냉매 냉각 시스템을 포함한다. 이러한 종류의 시스템에서의 작동 유체는 냉매의 혼합물(블렌드)이다. 냉매 혼합물의 각 성분은 포화 온도, 비열, 전도도, 절연 강도, 다른 냉매와의 혼화성 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 특성(열-물리적 및 전기적 특성)에 기초하여 선택된다.
본 발명의 예시적인 실시예가 첨부 도면을 참조하여 상세하게 개시되었지만, 본 발명은 정확한 실시예에 한정되지 않는다는 것과, 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해 규정된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 변경 및 변형이 당업자에 의해 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
1 : 압축기
2 : 오일 분리기
3 : 응축기
4 : 열교환기
5, 7, 25 : 상 분리기
6 : 열교환기
8 : 열교환기
9 : 압력 용기
10, 11, 12 : 팽창 디바이스
20 : 컨디셔닝 회로
26a, 26b, 27a, 27b : 밸브
30 : 온도 제어 회로
32, 32a, 32b : 온도 센서
100 : 온도 제어 장치

Claims (18)

  1. 반도체 처리 챔버 내의 적어도 하나의 반도체 웨이퍼의 온도를 제어하기 위해 유체를 공급하기 위한 온도 제어 장치에 있어서,
    상기 온도 제어 장치는 혼합 냉매 냉각 시스템을 포함하며,
    상기 온도 제어 장치는 상기 반도체 처리 챔버 내의 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 혼합 냉매를 공급하고 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로로부터 혼합 냉매를 수용하도록 구성되고,
    상기 온도 제어 장치는 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 복수의 사전결정된 온도 중 하나로 제어하기 위한 온도 제어 회로를 포함하고, 상기 온도 중 적어도 하나는 -100℃ 미만이고,
    상기 온도 제어 회로는 적어도 하나의 온도 센서로부터 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 나타내는 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호 및 상기 사전결정된 온도에 따라, 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 공급되는 혼합 냉매의 질량 유량, 조성 또는 온도 중 적어도 하나를 제어함으로써 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 제어하도록 구성되는
    온도 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 제어 장치는 상기 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는
    온도 제어 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 온도 제어 장치는 복수의 반도체 웨이퍼를 냉각하거나 컨디셔닝하기 위한 복수의 컨디셔닝 회로에 혼합 냉매를 공급하도록 구성되고, 상기 복수의 컨디셔닝 회로는 서로 병렬로 배열되고, 상기 온도 제어 장치는 처리 사이클 동안에 상기 복수의 컨디셔닝 회로 중 선택된 컨디셔닝 회로를 통한 혼합 냉매의 순환을 제어하도록 구성되는
    온도 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 온도 제어 회로는 상기 복수의 컨디셔닝 회로 각각에 공급되는 혼합 냉매의 질량 유량, 온도 또는 조성 중 적어도 하나를 제어함으로써 상기 복수의 컨디셔닝 회로의 온도를 개별적으로 제어하도록 구성되는
    온도 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 온도 제어 회로는 복수의 온도 센서로부터 상기 복수의 컨디셔닝 회로 각각의 온도를 나타내는 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호 및 상기 사전결정된 온도에 따라, 상기 복수의 컨디셔닝 회로 각각에 공급되는 혼합 냉매의 질량 유량, 조성 또는 온도 중 적어도 하나를 제어함으로써 상기 복수의 컨디셔닝 회로의 온도를 제어하도록 구성되는
    온도 제어 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    혼합 냉매 바이패스 채널을 포함하며, 상기 바이패스 채널은 상기 압축기로부터 출력되는 혼합 냉매의 일부를 상기 냉각 시스템의 적어도 일부 주위로 보내서, 상기 바이패스 채널 내의 혼합 냉매가 상기 냉각 시스템에 의해 출력되는 혼합 냉매보다 더 가온되게 하고,
    상기 온도 제어 회로는 상기 바이패스 채널로부터의 혼합 냉매 및 상기 냉각 시스템으로부터 출력되는 혼합 냉매 중 적어도 하나를 상기 적어도 하나의 웨이퍼 컨디셔닝 회로에 공급하는 것을 제어함으로써 상기 복수의 컨디셔닝 회로 중 상기 선택된 컨디셔닝 회로 각각으로 출력되는 혼합 냉매의 온도를 제어하도록 구성되는
    온도 제어 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 제어 장치는 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로 내로의 냉매의 유동을 제어하기 위한 적어도 하나의 밸브를 포함하는
    온도 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 밸브는 온/오프 밸브 및 비례 유동 제어 밸브 중 적어도 하나를 포함하는
    온도 제어 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 제어 장치는 혼합 냉매가 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 공급되기 전에 혼합 냉매의 조성 및 상을 변경하기 위한 조성 제어 디바이스를 포함하는
    온도 제어 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 조성 제어 디바이스는 상 분리기를 포함하며, 상기 혼합 냉매의 조성은 상기 상 분리기를 빠져나가는 액상 냉매의 질량 유량 및 후속 팽창 중 적어도 하나를 제어함으로써 제어되는
    온도 제어 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 조성 제어 디바이스는 혼합 냉매의 상 조성을 제어하기 위한 디바이스를 포함하는
    온도 제어 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 온도 제어 장치는 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 공급되거나 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로로부터 수용되는 혼합 냉매의 압력을 제어하기 위한 증발기 압력 조절기를 포함하는
    온도 제어 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 제어 장치는 혼합 냉매의 적어도 일부가 유동하는 열교환기를 포함하며, 상기 열교환기는 상기 냉각 시스템의 다른 부분으로부터 적어도 하나의 보다 가온된 유체의 제어된 유동을 수용하도록 구성되는
    온도 제어 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 제어 장치는 혼합 냉매의 팽창, 및 그에 따라 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로 내의 혼합 냉매의 압력 및 온도를 제어하기 위한 팽창 디바이스를 포함하는
    온도 제어 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 적어도 하나의 압축기를 포함하며, 상기 온도 제어 회로는 상기 적어도 하나의 압축기의 토출 질량 유량을 제어하기 위한 제어 회로를 포함하는
    온도 제어 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 병렬로 배열된 복수의 압축기를 포함하며, 상기 온도 제어 회로는,
    작동중인 상기 복수의 압축기의 수,
    상기 복수의 압축기 중 적어도 하나의 제어 속도, 및
    상기 복수의 압축기 중 적어도 하나의 언로딩
    중 적어도 하나를 제어함으로써 상기 복수의 압축기의 토출 질량 유량을 제어하기 위한 제어 회로를 포함하는
    온도 제어 장치.
  17. 적어도 하나의 컨디셔닝 회로를 포함하는 반도체 처리 챔버와, 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 기재된 온도 제어 장치를 포함하는 장치에 있어서,
    상기 온도 제어 장치는 상기 온도 제어 장치로부터의 혼합 냉매가 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 공급되도록 배열되는
    장치.
  18. 반도체 처리 챔버 내의 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 복수의 사전결정된 온도 중 하나로 제어함으로써 상기 반도체 처리 챔버 내의 적어도 하나의 반도체 웨이퍼의 온도를 제어하는 방법으로서, 상기 온도 중 적어도 하나는 -100℃ 미만인, 상기 방법에 있어서,
    냉각 시스템으로부터 상기 반도체 처리 챔버 내의 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 혼합 냉매를 공급하는 것과,
    상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로로부터 혼합 냉매를 수용하는 것과,
    적어도 하나의 온도 센서로부터 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로의 온도를 나타내는 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호 및 상기 사전결정된 온도에 따라, 상기 적어도 하나의 컨디셔닝 회로에 공급되는 혼합 냉매의 질량 유량, 조성 또는 온도 중 적어도 하나를 제어함으로써 상기 온도를 제어하는 것을 포함하는
    방법.
KR1020227028127A 2020-02-12 2021-02-10 반도체 웨이퍼 온도 제어 장치 KR20220140525A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB2001895.8A GB2592189B (en) 2020-02-12 2020-02-12 A semiconductor wafer temperature control apparatus
GB2001895.8 2020-02-12
PCT/IB2021/051070 WO2021161183A1 (en) 2020-02-12 2021-02-10 A semiconductor wafer temperature control apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220140525A true KR20220140525A (ko) 2022-10-18

Family

ID=69897086

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227028127A KR20220140525A (ko) 2020-02-12 2021-02-10 반도체 웨이퍼 온도 제어 장치

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20230056446A1 (ko)
EP (1) EP4103898A1 (ko)
JP (1) JP2023512846A (ko)
KR (1) KR20220140525A (ko)
CN (1) CN115087840A (ko)
GB (1) GB2592189B (ko)
IL (1) IL295094A (ko)
TW (1) TW202146826A (ko)
WO (1) WO2021161183A1 (ko)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69533120D1 (de) * 1994-05-30 2004-07-15 Mitsubishi Electric Corp Kühlmittelumlaufsystem
EP1200780B1 (en) * 2000-05-30 2011-03-30 Brooks Automation, Inc. A low temperature refrigeration system
CN102200356B (zh) * 2001-02-23 2014-03-26 布鲁克斯自动化公司 超低温闭环再循环气体冷却系统
US7478540B2 (en) * 2001-10-26 2009-01-20 Brooks Automation, Inc. Methods of freezeout prevention and temperature control for very low temperature mixed refrigerant systems
CA2462568A1 (en) * 2001-10-26 2003-05-01 Igc-Polycold Systems Inc. Methods of freezeout prevention for very low temperature mixed refrigerant systems
WO2005072404A2 (en) * 2004-01-28 2005-08-11 Brooks Automation, Inc. Refrigeration cycle utilizing a mixed inert component refrigerant
EP1805471B1 (en) * 2004-10-07 2019-03-06 Brooks Automation, Inc. Method for exchanging heat
US20070095097A1 (en) * 2005-11-03 2007-05-03 Cowans Kenneth W Thermal control system and method

Also Published As

Publication number Publication date
EP4103898A1 (en) 2022-12-21
GB2592189B (en) 2022-06-08
IL295094A (en) 2022-09-01
TW202146826A (zh) 2021-12-16
CN115087840A (zh) 2022-09-20
GB202001895D0 (en) 2020-03-25
US20230056446A1 (en) 2023-02-23
GB2592189A (en) 2021-08-25
JP2023512846A (ja) 2023-03-29
WO2021161183A1 (en) 2021-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11215384B2 (en) System and method for cryogenic cooling
US6574978B2 (en) Very low temperature refrigeration system with controlled cool down and warm up rates and long term heating capabilities
EP3306228B1 (en) Environmental testing device
US6843065B2 (en) Very low temperature refrigeration system with controlled cool down and warm up rates and long term heating capabilities
US9736962B2 (en) Efficient temperature forcing of semiconductor devices under test
CN102449411B (zh) 冷冻循环装置、空调装置
JP2013538324A5 (ko)
WO2002001121A1 (en) Mixed refrigerant temperature control using a pressure regulating valve
KR20220140525A (ko) 반도체 웨이퍼 온도 제어 장치
US20210108840A1 (en) Refrigeration apparatus and temperature control apparatus
KR102436005B1 (ko) 하이브리드 스텝 온도제어시스템
KR102488817B1 (ko) 예비 냉각을 포함하는 고효율 초저온 혼합냉매 냉각 장치 및 이를 이용한 냉각 방법
WO2024057506A1 (ja) 冷却加熱装置