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문제 정의
- 저온에서는 얼음의 융해과정에서의 등온벽을 얻을 수 있으며 섭씨 수백도의 고온에서 등온가열 조건을 얻는 방법으로써 작동유체의 기-액 상변화 과정이 적용된 튜브로가 개발되었으며 높은 등온성을 확인할 수 있었다10). 본 연구에서는 그 동안의 연구 결과를 기초로 기-액 상변화 열전달 과정에서의 등온 성을 갖는 200 mm용 고온 히터 플레이트를 설계, 제작하여 히터 플레이트의 등온성 및 웨이퍼 상에서의 온도 특성에 대하여 실험을 수행하였다. 그리고 기존의 균일 열유속 가열구조의 히터 플레이트를 이용한 웨이퍼상에서 계측된 실험결과와 비교하였다.
- 본 연구에서는 반도체용 웨이퍼의 등온성 향상을 위한 방법으로 기-액 상변화 열전달을 이용하는 히터 플레이트의 등온성 및 웨이퍼 표면에서의 온도 특성에 대하여 실험을 수행하였다. 실험결과는 동일한 지름을 갖는 기존의 균일 열유속 가열 구조의 히터 플레이트의 성능과 비교하였다.
- 본 절에서는 먼저 나트륨을 작동유체로 하는 상변화 열전단식 히터 플레이트의 작동특성과 온도 분포의 특성을 파악하고자 히터 플레이트의 상부 표면에 설치된 열전대로부터 계측된 결과를 고찰하였다. 그림 9는 본 연구에서 제작한 기-액 상변화형 히터 플레이트가 가열될 때 히터 플레이트의 시간에 따른 온도를 측정한 결과를 보여준다.
제안 방법
- 본 연구에서는 그 동안의 연구 결과를 기초로 기-액 상변화 열전달 과정에서의 등온 성을 갖는 200 mm용 고온 히터 플레이트를 설계, 제작하여 히터 플레이트의 등온성 및 웨이퍼 상에서의 온도 특성에 대하여 실험을 수행하였다. 그리고 기존의 균일 열유속 가열구조의 히터 플레이트를 이용한 웨이퍼상에서 계측된 실험결과와 비교하였다. 또한 동일한 원리의 지름이 증가된 300 mm 용 히터 플레이트를 대상으로 등온성에 대한 실험을 수행함으로써 등온 히터 플레이트의 적용성 및 성능에 대하여 고찰하였다.
- 그림 9는 본 연구에서 제작한 기-액 상변화형 히터 플레이트가 가열될 때 히터 플레이트의 시간에 따른 온도를 측정한 결과를 보여준다. 그림과 같이 전기적 부하가 가해짐에 따라 온도 상승과정및 설정된 온도에 이르렀을 때의 온도 분포를 계측하고자 하였으며 그림은 600℃와 820℃에서 일정한 온도를 유지하도록 제어한 경우의 결과이다. 그림에서 온도가 상승하는 동안 모든 측정점의 온도가 매우 안정적으로 일정한 온도를 유지하며 상승하고 있으며 정상상태에 도달함에 따라 등온성은 더욱 향상됨을 확인할 수 있다.
- 실험은 2 30 mm 히터 플레이트를 대상으로 열적 조건에 따른 작동및 성능실험을 먼저 수행하였다. 대기압 상태에서 전기 발열체인 히터플레이트와 웨이퍼의 시간에 대한 천이 특성 및 히터 플레이트 표면 온도분포 특성을 각각 측정하였다. 시간에 따른 천이 열전달 실험을 수행하는 경우에는 슬라이닥스로 일정한 전압을 가한 상태에서 일정한 시간 간격으로 각 측정점의 온도를 측정하였다.
- 그리고 기존의 균일 열유속 가열구조의 히터 플레이트를 이용한 웨이퍼상에서 계측된 실험결과와 비교하였다. 또한 동일한 원리의 지름이 증가된 300 mm 용 히터 플레이트를 대상으로 등온성에 대한 실험을 수행함으로써 등온 히터 플레이트의 적용성 및 성능에 대하여 고찰하였다.
- 실험결과는 동일한 지름을 갖는 기존의 균일 열유속 가열 구조의 히터 플레이트의 성능과 비교하였다. 또한 지름이 증가된 동일한 원리의 히터 플레이트를 대상으로 등온성에 대한 실험을 수행함으로써 면적이 증가되는 경우의 등온 가열 히터 플레이트의 적용성 및 성능에 대하여 고찰하였다. 이러한 연구 결과를 정리하면 아래와 같다.
- 본 연구에서 적용한 등온의 가열조건은 금속 재질의 플레이트 내부의 밀폐된 공간에서 작동유체의 기-액 상변화 과정에서 나타나는 등온성을 이용하였다. 밀폐된 공간내부의 포화상태의 액체가 가열 원으로부터 열을 받아 기화한 증기는 증기압차에의하여 상대적으로 온도가 낮은 피가열물과 접촉한후 벽면에서 응축하며 열을 방출하고 액화된 작동 유체는 가열원으로 귀환하게 된다.
- 대기압 상태에서 전기 발열체인 히터플레이트와 웨이퍼의 시간에 대한 천이 특성 및 히터 플레이트 표면 온도분포 특성을 각각 측정하였다. 시간에 따른 천이 열전달 실험을 수행하는 경우에는 슬라이닥스로 일정한 전압을 가한 상태에서 일정한 시간 간격으로 각 측정점의 온도를 측정하였다. 정상상태에서의 열적 특성을 파악하고자 할 때에는 전력량을 제어하여 일정한 온도가 유지되도록 한 상태에서 모든 측정점의 온도가 정상상태에 이르면 각 측정점에서 20개의 온도값을 기록하고 측정값을 평균 처리하였다.
- 본 연구에서는 반도체용 웨이퍼의 등온성 향상을 위한 방법으로 기-액 상변화 열전달을 이용하는 히터 플레이트의 등온성 및 웨이퍼 표면에서의 온도 특성에 대하여 실험을 수행하였다. 실험결과는 동일한 지름을 갖는 기존의 균일 열유속 가열 구조의 히터 플레이트의 성능과 비교하였다. 또한 지름이 증가된 동일한 원리의 히터 플레이트를 대상으로 등온성에 대한 실험을 수행함으로써 면적이 증가되는 경우의 등온 가열 히터 플레이트의 적용성 및 성능에 대하여 고찰하였다.
- 히터 플레이트 및 웨이퍼의 온도는 데이타로거(DR-230, Yokogawa)로 계측하였다. 실험은 2 30 mm 히터 플레이트를 대상으로 열적 조건에 따른 작동및 성능실험을 먼저 수행하였다. 대기압 상태에서 전기 발열체인 히터플레이트와 웨이퍼의 시간에 대한 천이 특성 및 히터 플레이트 표면 온도분포 특성을 각각 측정하였다.
- 실험은 히터 플레이트와 TC 웨이퍼를 설치한 후 챔버의 상부에 뚜껑을 닫아 밀폐한 후 대기압 상태에서 수행하였다. 그림 5는 실험 장치의 개략도를 보여준다.
- 시간에 따른 천이 열전달 실험을 수행하는 경우에는 슬라이닥스로 일정한 전압을 가한 상태에서 일정한 시간 간격으로 각 측정점의 온도를 측정하였다. 정상상태에서의 열적 특성을 파악하고자 할 때에는 전력량을 제어하여 일정한 온도가 유지되도록 한 상태에서 모든 측정점의 온도가 정상상태에 이르면 각 측정점에서 20개의 온도값을 기록하고 측정값을 평균 처리하였다. 330 mm 히터 플레이트의 경우에도 동일한 방법으로 실험을 수행하였다.
- 제작된 고온 히터플레이트의 작동 웨이퍼의 열전달 특성을 파악하고자 실제 반도체 공정과 유사한 구조의 실험 장치를 제작하였다. 히터 플레이트를 수용하는 스텐레스 재질로 제작하고 히터 플레이트 외부는 고온 단열재로 단열처리 하였다.
- 히터 플레이트를 수용하는 스텐레스 재질로 제작하고 히터 플레이트 외부는 고온 단열재로 단열처리 하였다. 챔버는 직경이 서로 다른 히터플레이트를 모두 수용하도록 제작하였으며 히터 플레이트를 설치한 후 그 상부에는 웨이퍼 표면에 K형 열전대가 부착된 TC 웨이퍼(Prime technology Co.)를 약 2mm 정도 상부에 설치하였다. 그림 3은 챔버 내부의 히터 플레이트와 그 상부에 설치된 TC웨이퍼가 설치된 상태를 보여주고 있다.
- 330 mm 히터 플레이트의 경우에도 동일한 방법으로 실험을 수행하였다. 한편 2 30 mm의 경우에는 기존의 구조인 플레이트 하부에 시스형 히터가 설치된 균일 열유속 조건의 히터 플레이트(월드 이비텍)를 대상으로 동일한 실험을 수행하였다.
- 히터 플레이트에 가해진 열적 부하는 파워메타(WT-210, Yokogawa)로 계측하였으며 공급 전력은 슬라이닥스 및 온도조절장치를 이용하였다. 히터 플레이트 및 웨이퍼의 온도는 데이타로거(DR-230, Yokogawa)로 계측하였다. 실험은 2 30 mm 히터 플레이트를 대상으로 열적 조건에 따른 작동및 성능실험을 먼저 수행하였다.
- 제작된 고온 히터플레이트의 작동 웨이퍼의 열전달 특성을 파악하고자 실제 반도체 공정과 유사한 구조의 실험 장치를 제작하였다. 히터 플레이트를 수용하는 스텐레스 재질로 제작하고 히터 플레이트 외부는 고온 단열재로 단열처리 하였다. 챔버는 직경이 서로 다른 히터플레이트를 모두 수용하도록 제작하였으며 히터 플레이트를 설치한 후 그 상부에는 웨이퍼 표면에 K형 열전대가 부착된 TC 웨이퍼(Prime technology Co.
대상 데이터
- 본 연구에서는 웨이퍼를 약 600~850℃ 범위의 고온까지 가열하는 히터플레이트를 연구 대상으로 하였으며 히터 플레이트의 작동온도는 최고 약 850~900℃의 온도 범위로 설정하였다. 이에 따라 용기 재료와 용기의 구조, 작동유체의 종류, 충전량, 윅 재료선정과 구조설계 및 작동유체의 정제, 고진공 배기, 충전과 마감 등의 제작과정이 요구된다.
- 이에 따라 용기 재료와 용기의 구조, 작동유체의 종류, 충전량, 윅 재료선정과 구조설계 및 작동유체의 정제, 고진공 배기, 충전과 마감 등의 제작과정이 요구된다. 작동 온도 범위를 고려하여 작동유체로 나트륨을 선정하였으며 각 설계와 제작과정은 고온 히트파이프의 설계 및 제작과 관련된 문헌을 참고하였다11). 히터 플레이트는 외경 2 30 mm와 330 mm의 두 가지를 제작하였다.
- 작동 온도 범위를 고려하여 작동유체로 나트륨을 선정하였으며 각 설계와 제작과정은 고온 히트파이프의 설계 및 제작과 관련된 문헌을 참고하였다11). 히터 플레이트는 외경 2 30 mm와 330 mm의 두 가지를 제작하였다. 발열체는 지름 6.
- 그림 5는 실험 장치의 개략도를 보여준다. 히터 플레이트에 가해진 열적 부하는 파워메타(WT-210, Yokogawa)로 계측하였으며 공급 전력은 슬라이닥스 및 온도조절장치를 이용하였다. 히터 플레이트 및 웨이퍼의 온도는 데이타로거(DR-230, Yokogawa)로 계측하였다.
이론/모형
- 또한 히터 플레이트 내부에는 기-액 상태의 공간을 확보하게 함으로써 동일한 부피와 비교하여 질량 감소에 의한 열용량 감소로 가열시간의 단축과 함께 가열과정에서도열확산에 의한 온도 편차가 감소할 것으로 판단하였다. 일반적으로 이러한 기-액 상변화 열전달에 의한 열전달 소자를 히트파이프라 부르며 본 과제에서는 히트파이프의 설계 방법을 적용하였다11).
성능/효과
- 1. 기존의 균일한 열유속 발열 구조의 200 mm용히터 플레이트는 가열과정 및 고온의 일정 온도를 유지하는 경우에 플레이트와 웨이퍼간의 공간에서 자연대류 유동이 발생함에 따라 시간에 따른 온도 진동 및 온도 편차가 발생하였으며 작동 온도 증가에 따라 편차가 증가하여 약 710℃의 온도에서는 최대 30℃ 정도의 편차를 발생하였다.
- 2. 상변화 열전달 구조의 히터 플레이트는 표면 온도 계측결과 약 850℃의 고온에서 최대 약 4℃의 온도 편차를 나타내었으며 690℃의 웨이퍼 표면에서 약 10℃ 정도의 온도 편차를 보임으로써 등온 표면의 가열조건에 의하여 온도 편차가 크게 개선되었다. 또한 천이 가열과정과 일정온도를 유지 하는 경우에도 시간에 따른 온도 진동이나 온도편차도 상대적으로 안정적이었다.
- 3. 직경이 330 mm로 증가된 상변화 열전달식 히터 플레이트를 적용한 경우, 동일한 작동온도범위에서 편차가 약 11℃ 정도로 계측됨으로써 면적이 증가하는 경우에도 매우 높은 등온성을 나타내었다.
- 또한 300 mm로 웨이퍼 면적이증가하였으며 별도로 히터 패턴의 변경이나 영역별로 제어를 하지 않았음에도 불구하고 200 mm의 경우와 유사하게 최대 약 11℃의 등온성을 보이고 있다. 따라서 등온의 가열원을 확보하는 것이 웨이퍼의 등온성 확보의 중요한 방법이며 또한 대면적화 하는 경우에도 이러한 방법이 매우 효과적임을 확인할 수 있다. 한편 그림에서 측정점 3, 6, 14번 위치에서는 그 주변온도에 비하여 다소 낮게 나타나며 이러한 편차의 원인을 파악하고자 수차례의 반복실험과 많은 실험 자료를 기초로 유동 패턴 및 온도 분포의 특성을 이해하고 일반화하고자 하였으나 적절한 모델을 찾기는 어려웠다.
- 본 연구에서 사용한 이러한 구조는 등온의 벽면을 형성할 수 있기 때문에 웨이퍼 가열면에서 고정도의 등온성을 확보할 수 있다. 또한 히터 플레이트 내부에는 기-액 상태의 공간을 확보하게 함으로써 동일한 부피와 비교하여 질량 감소에 의한 열용량 감소로 가열시간의 단축과 함께 가열과정에서도열확산에 의한 온도 편차가 감소할 것으로 판단하였다. 일반적으로 이러한 기-액 상변화 열전달에 의한 열전달 소자를 히트파이프라 부르며 본 과제에서는 히트파이프의 설계 방법을 적용하였다11).
후속연구
- 25%로써 매우 고온임에도 불구하고 높은 등온성을 보여 계측오류를 고려하더라도 고정도의 등온성을 확인할 수 있다. 따라서 이러한 상변화 열전달 히터 플레이트는 등온의 가열 원을 제공하는 장치로 활용될 수 있을 것으로 판단 된다.
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