혼합냉매를 이용한 반도체제조공정용 초저온 냉각장치의 냉각특성 평가

Abstract

최근 반도체 제조 식각공정에서는 공정의 미세화로 인하여 다양한 공정기술개발이 이루어지고 있으며 Electrostatic chuck을 냉각하는 냉각장치 또한 저온(-20℃이하)을 넘어 초저온영역(-60℃이하)의 냉각장치를 요구하고 있다. 초저온영역의 냉각장치를 구현하기 위한방법으로는 다원냉동사이클을 이용하는 방법이 있으나 냉각장치의 크기가 저온공정에서 사용되는 역카르노 냉동 사이클에 비해서 크기가 커져 이는 반도체 제조공정에서 공정시간 증대에 따른 제조설비를 늘려야 하는데 제품의 크기로 많은 설비 투입에 어려움이 발생된다. 제한된 공간문제로 구조가 단순한 방법으로 냉동 시스템을 구성하려면 사용되어지는 냉매도 혼합을 하여 냉동사이클에 맞게 조성비를 구성해야 되지만 냉매의 조성비는 고유기술, 특허문제 및 냉동사이클에 최적화 구성되는바 일반적으로 비율에 맞게 구성하여 초저온냉동 사이클 구현에 어려움이 있다 또한 반도체 제조공정의 중요도로 볼 때 가연성 냉매의 사용은 엄격히 제한되기 때문에 비가연성 냉매로의 혼합냉매를 구성하고 냉동사이클이 단순한 방식의 냉각장치가 최근 반도체 제조공정에서 필요한 냉각장치의 요구조건이 되고 있어, 본 논문에서는 비가연성 냉매로 혼합냉매를 조성, 목표온도에 요구되어지는 냉각능력은 증발잠열로 냉매의선정과 필요한 질량유량을 구하고 그에 따른 조성비를 구하는 것이다. 냉동사이클은 비교적 사이클이 단순한 줄-톰슨 사이클로 -60℃이하의 초저온 냉동기로써 향후 공정발달에 따른 –80℃급의 냉각성능을 갖춘 초저온 줄-톰슨 사이클의 냉각장치의 설계를 하고 실험을 하였으며 그에 따른 증발잠열로 혼합냉매의 조성비와, 필요한 질량유량으로 초저온 영역에 운전이 가능한지를 확인하였다.