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반도체 표면처리공정용 대면적 히터 플레이트의 열전달 특성에 관한 연구
A Study on the Heat Transfer Characteristics of the Large Dimension Heater Plate for a Semiconductor Process 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.43 no.6, 2010년, pp.309 - 314  

이윤용 (대림대학 기계과) ,  강환국 (동은에이티에스) ,  문석환 (한국전자통신연구원)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The numerical study for the effect of various factors that affect the temperature distribution of the process glass installed above the large rectangular heater plate was carried out. For the calculation, heat flux, distance between heat source and process glass plate, effect of vacuum condition and...

주제어

#Heater plate   #Process glass   #Heat flux   #Isothermal heating wall  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 대면적 히터 플레이트 상부에 설치되는 피가열물을 대상으로 피가열물의 등온성에 미치는 관련 인자의 영향을 파악하고자 열유속, 가열원과 피가열물과의 거리, 대류의 영향 및 열원의 열적 조건의 영향을 수치해석적으로 검토하였다. 연구 결과 챔버 내부 피가열면의 끝단에서는 형상계수의 변화에 의하여 온도 강하가 크게 나타났으며 피가열물과의 거리 증가와 압력증가에 따라 대류열 전달의 증가로 인하여 냉각 효과가 증대되었다.
  • 본 연구에서는 대형 사각 히터 플레이트 상부에 설치되는 사각 유리를 피가열물로 하는 구조를 대상으로 피가열물의 온도 분포에 미치는 여러 관련 인자의 영향을 수치해석적으로 파악하고자 하였다. 이를 위하여 히트 플레이트의 열적 조건으로써 균일 열유속 조건에서의 열유속 변화 및 등온 조건과 히터 및 피가열물을 포함하는 챔버의 내부 조건으로써 진공 및 대기압 조건, 그리고 가열원과 피가 열원과의 설치 거리의 변화 등을 관련 변수로 정상 상태 열전달 과정에서의 열전달 및 피가열물의 온도분포의 특성을 파악하였다.
  • 이를 위하여 히트 플레이트의 열적 조건으로써 균일 열유속 조건에서의 열유속 변화 및 등온 조건과 히터 및 피가열물을 포함하는 챔버의 내부 조건으로써 진공 및 대기압 조건, 그리고 가열원과 피가 열원과의 설치 거리의 변화 등을 관련 변수로 정상 상태 열전달 과정에서의 열전달 및 피가열물의 온도분포의 특성을 파악하였다. 이러한 결과를 기초로 여러 관련 변수에 의한 열전달 및 온도분포 특성과 피가열물의 등온성 확보를 위한 방안에 대하여 고찰하였다.
  • 챔버 내부는 대기압상태 및 10−4 Pa의 진공압 상태로 가정하고 챔버 내부의 대류 유동에 따른 유리표면의 온도분포의 영향을 파악하고자 하였다.

가설 설정

  • . 반응기 내의 기체는 이상기체와 진공의 희박기체 거동으로 가정하였다.
  • 실리콘 히터 표면과 유리는 일정한 거리를 유지하고 있으며 본 연구 에서는 5, 25 mm 두 가지 경우에 대하여 해석을 수행하였다. 히터 플레이트 주변으로는 스테인리스(SUS304) 재질의 높이 220 mm인 직육면체 챔버가 외부를 감싸고 있으며 표면 온도는 100℃로 일정하게 유지되는 것으로 가정하였다. 챔버 내부는 대기압상태 및 10−4 Pa의 진공압 상태로 가정하고 챔버 내부의 대류 유동에 따른 유리표면의 온도분포의 영향을 파악하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
챔버 내부의 온도 분포를 확인한 결과, 대칭성이나 일정 온도구배가 확인되기 어려운 이유는? 또한 챔버 내부의 온도 분포도 진공상태인 앞 절의 결과와 다르게 대칭성이나 일정 온도구배는 확인하기 어렵다. 이러한 결과는 대기압 조건에 의한 챔버 내부공기의 강한 대류 유동에 의한 것으로 파악된다. 이 결과 앞 절의 진공상태와는 다르게 대류 열전달에 의한 냉각효과의 증대로 피가열물의 온도는 약 350°C 정도로써 상대적으로 낮은 온도를 보이고 있으며 관련 연구 8,9) 에서 유사한 결과를 확인할 수 있다.
태양전지 흡수층 제조 공정에서 생산수율의 증대를 위해 필수적인 것은? 특히 솔라셀 제조 공정에서는 웨이퍼의 공정온도를 일정 상태로 유지시켜야 할 뿐만 아니라, 웨이퍼 상의 온도구배를 최소화시킴으 로써 화합물 반도체 상변이를 웨이퍼(기판)의 전면에 균일하게 만들어 줌으로써 솔라셀의 변환효율의 증대를 얻고자 하고 있다. 태양전지 흡수층 제조 공정에서 생산수율의 증대를 위해서는 대면적화가 필수적이며 이를 위해 웨이퍼나 유리의 중심과 가장 자리 간의 온도편차를 최소화하는 것은 해결하여야할 매우 중요한 과제가 된다. 그동안 박막 제조 공정에서 열 및 유동을 고려한 연구들이 수행되어 필름 증착율이나 성장해석의 수학적 모델 2,3) , 반응기의 온도와 대류 열전달 계수 및 열복사의 영향에 관한 연구 4-6) , 반도체용 히터 플레이트의 열전달 해석, 챔버 내부 자연대류의 온도균일도에 미치는 영향 및 서셉터(susceptor) 설계와 관련한 연구 7-9) 등많은 관련 연구가 수행되었다.
반도체 공정에 사용되는 CVD, PVD 및 스퍼터 공정 장비에서 온도를 일정한 상태로 유지시킬 필요성이 자주 발생하는 이유는 무엇인가? 반도체 공정(process)을 통해 각종 소재(material) 를 웨이퍼(wafer) 상에 증착(deposition)하기 위해 많이 이용되고 있는 CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition) 공정 및 스퍼터 (sputter) 공정 장비에서는 솔라셀(solar cell)을 포함해 각종 전자소자 제작용 웨이퍼의 온도를 일정한 상태로 유지시킬 필요성이 자주 발생한다. 이는 증발되는 소재와 웨이퍼 또는 이미 증착된 소재와의 완전 결합을 위한 최적의 증착조건을 달성하는 데필요하기 때문이다. 예를 들어 CuInGaSe2 및 CdTe 등 다원소 화합물 흡수체를 이용한 솔라셀(solar cell)의 경우, 셀의 변환효율을 향상시키기 위해 흡수층이 증착되는 웨이퍼(기판)의 공정온도 조절이 필요하게 된다 1) .
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참고문헌 (10)

  1. Y. D. Chung, D. H. Cho, N. M. Park, W. S. Han, S. B. Bae, K. S. Lee, J. Kim, S. Y. Oh, 6th ICAMD, (2009). 

  2. T. J. Mountziaris, K. F. Jenson, J. Eletrochemical Soc., 138 (1991) 2426. 

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  3. R. Mucciato, N. J. Lovergine, J. of Crystal Growth, 221 (2000) 758. 

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  4. T. Bergunde, M. Dauelsberg, L. Kadinski, Yu. N. Makarov, V. S. Yuferev, D. Schmiz, G. Strauch, J. of Crystal Growth, 180 (1997) 660. 

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  5. F. Durst, L. Kadinski, Yu. N. Makarov, M. Schfer, M. G. Vasieliev, V. S. Yuferev, J. Crystal Growth, 172 (1997) 389. 

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  6. L. Kadinski, Yu, N. Makarov, M. Schfer, M. G. Vasieliev, V. S. Yuferev, J. Crystal Growth, 146 (1995) 209. 

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  7. J. H. Lee, J. B. Yoo, S. I. Bae, J. Kor. Crystal Growth and Crystal Tech., 15 (2005) 135. 

  8. J. S. Park, H. G. Kwon, H. H. Cho, Proc. KSME, (2007) 3165. 

  9. S. Y. Lee, H. H. Cho, Y. W. Lee, Proc. KSME, (2000) 261. 

  10. F. P. Incorpera, D. P. DeWitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer 5th Ed. (2001) John Wiley & Sons Inc. 

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