[논문]LTP 퍼니스의 내부 유동 및 온도 균일도 최적화를 위한 실천공학교육적 문제해결

김진우; 윤기만; 조은정

doi:10.14702/jpee.2018.125

초록
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이 논문은 LTP 퍼니스의 최적화 된 내부 유동과 온도의 균일성에 대한 수치 해석에 관한 것이다. 반도체 제조 공정에서 실리콘 웨이퍼를 어닐링하기 위한 기능을 수행한다. 특히 챔버 내부의 최고 온도를 약 $400^{\circ}C$의 고온으로 유지하여 웨이퍼를 보강한다. 공정이 고온에서 완료되면 열 교환기를 통해 온도를 낮추고 이를 수행하기 위한 작업이 반복된다. 이 논문에서 최종적인 목표는 LTPS 퍼니스의 유동 해석을 통해 챔버의 단열 공급과 배기 구조의 최적 설계를 도출하는 것과 교육과정 개발을 위한 사례 발굴에 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is about the numerical analysis on optimized internal flow of LTP furnace and uniformity of temperature. The LTP Furnace is the device that generates heat by electricity. And performs an annealing function for annealing the silicon wafer in the pre-semiconductor manufacturing process. Esp...

This paper is about the numerical analysis on optimized internal flow of LTP furnace and uniformity of temperature. The LTP Furnace is the device that generates heat by electricity. And performs an annealing function for annealing the silicon wafer in the pre-semiconductor manufacturing process. Especially, the maximum temperature inside the chamber is maintained at a high temperature of about $400^{\circ}C$ to strengthen the wafer. When the process is completed at high temperature, the operation is repeated to reduce the temperature through the heat exchanger and carry it out. From this analysis, the ultimate goal is to derive the optimum design of the insulation volume supply/exhaust structure of the chamber through the flow analysis of the LTPS furnace. And to find cases for curriculum development.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. LTP 퍼니스 내부 Fig. 1. Interior of LTP furnace.
그림 그림 2. 퍼니스 기반 Fig. 2. Basement furnace.
그림 그림 3. 베드 격자 생성 Fig. 3. Mesh generation.
그림 그림 4. 베드 경계조건 Fig. 4. Boundary bed.
그림 그림 5. 단면 온도 결과 Fig. 5. Results of plane temperature.
표 표 1. 경계조건 Table 1. Boundary condition
그림 그림 6. 웨이퍼 온도 결과 Fig. 6. Results of wafer temperature.
그림 그림 7. 유동 스트림 라인 Fig. 7. Streamline.
그림 그림 8. 단열재 추가 모델 Fig. 8. Additional insulation model.
그림 그림 9. 단열재 추가 모델 온도 결과 Fig. 9. Result of additional insulation model temperature.
표 표 2. NCS 기준 Table 2. NCS Standard 1501020304_14v2

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 온도가 전체적으로 향상하여 에너지 효율이 감소됨을 확인할 수 있었다. 또한 기류해석을 통하여 와류의 발생도 차단할 수 있다는 점에서 이번 연구는 퍼니스에서의 단열막 설치의 중요성을 밝힌 연구였다고 사려된다. 아울러 재직자 교육과 재학생을 대상으로 반도체 제조공정의 내부 유동과 온도의 균일성에 대한 수치 해석 관련 교육과정 개발 및 적용 시 현장 적용 사례로 활용하기 좋은 사례임을 확인할 수 있었다.
본 논문의 해석 과정과 결과에 따라서 반도체 공정설계 관련 업무를 하고 있는 재직자를 위한 교육과정을 NCS 능력 단위를 바탕으로 개발할 수 있다.
본 연구에서는 수치해석을 통하여 LTPS 퍼니스의 유동을 해석하고 내부 기류의 흐름과 온도 분포를 파악하여, 내부형상 변경을 통하여 퍼니스의 단열체적 급/배기 구조의 최적 설계 도출을 최종 목표로 한다.

가설 설정

단열재는 adiabatic으로 완벽한 단열이 된다는 가정하에 실험을 진행하였으며 기존의 격자생성과 Physics 설정 값은 변함없이 진행하였다.
식 (2)는 유동에 대한 질량 보존 방정식이다. 본 연구에서 S_m은 0으로 가정하였다.

제안 방법

모델링 수정은 Solidworks에서 수행하였고, 기류해석은 Star-CCM+ 11.04에서 직교 격자(Trimmer)로 생성하였다. 다면체 격자로 격자 생성시 1000만개 이상의 격자가 생성되어 해석이 진행되지 않아 직교 격자를 이용하였으며, 격자의 수는 729만개로 생성되었다.
해석 시 모든 기구를 고려하였을 경우 상당한 시간이 소요되기 때문에 유동해석에 큰 영향을 끼치지 않을 것 같은 부분들을 제거하고 간략하게 단순화하여 해석에 적합한 형상으로 수정하였다. 형상에는 큰 변화가 없으나 해석에 적용시키기 어려운 부분, 예를 들어 결과에 큰 영향을 주지 않는 미세한 필렛 등과 형식 변환 시 발생한 에러 정도를 수정하였다.
해석 시 모든 기구를 고려하였을 경우 상당한 시간이 소요되기 때문에 유동해석에 큰 영향을 끼치지 않을 것 같은 부분들을 제거하고 간략하게 단순화하여 해석에 적합한 형상으로 수정하였다. 형상에는 큰 변화가 없으나 해석에 적용시키기 어려운 부분, 예를 들어 결과에 큰 영향을 주지 않는 미세한 필렛 등과 형식 변환 시 발생한 에러 정도를 수정하였다.

대상 데이터

04에서 직교 격자(Trimmer)로 생성하였다. 다면체 격자로 격자 생성시 1000만개 이상의 격자가 생성되어 해석이 진행되지 않아 직교 격자를 이용하였으며, 격자의 수는 729만개로 생성되었다. 최종 생성된 격자형상은 Fig.

성능/효과

본 수치해석을 통하여 퍼니스에서 단열막을 보강하면 대류 현상으로 인한 온도차는 변하지 않았지만 기존의 모델 보다 내부 평균 온도를 균일하게 하고, 보다 높은 온도를 유지하여 열 효율이 뛰어나다는 점을 확인할 수 있었다. 따라서 온도가 전체적으로 향상하여 에너지 효율이 감소됨을 확인할 수 있었다. 또한 기류해석을 통하여 와류의 발생도 차단할 수 있다는 점에서 이번 연구는 퍼니스에서의 단열막 설치의 중요성을 밝힌 연구였다고 사려된다.
본 수치해석을 통하여 퍼니스에서 단열막을 보강하면 대류 현상으로 인한 온도차는 변하지 않았지만 기존의 모델 보다 내부 평균 온도를 균일하게 하고, 보다 높은 온도를 유지하여 열 효율이 뛰어나다는 점을 확인할 수 있었다. 따라서 온도가 전체적으로 향상하여 에너지 효율이 감소됨을 확인할 수 있었다.
또한 기류해석을 통하여 와류의 발생도 차단할 수 있다는 점에서 이번 연구는 퍼니스에서의 단열막 설치의 중요성을 밝힌 연구였다고 사려된다. 아울러 재직자 교육과 재학생을 대상으로 반도체 제조공정의 내부 유동과 온도의 균일성에 대한 수치 해석 관련 교육과정 개발 및 적용 시 현장 적용 사례로 활용하기 좋은 사례임을 확인할 수 있었다.
온도 균일도가 ±10도 내외로 균일 해짐을 확인 할 수 있고, 평균 온도 또한 올라가 에너지 효율 또한 증가됨을 확인할 수 있다.
해석결과 챔버 내부에서 외부로 빠져나가는 부분에서 와류와 백플로우로 인한 열 손실이 발생됨을 발생됨을 확인할 수 있다. 이를 개선 하기 위해 방법으로 열 손실이 발생하는 부분과 주변에 단열막을 설치하면 손실되는 열을 감소시킬 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LTPS란 무엇인가?	이 중 퍼니스는 과거에서부터 대부분 산업분야에 걸쳐서 용도 및 목적에 따라 다양하게 적용되고 있는 반도체 장치이다. LTPS(Low Temperature Polycrystalline Silicon) 퍼니스는 전기를 이용하여 고온에서 열처리를 하는 장치로 반도체 제조 전공정에서 실리콘 웨이퍼를 단련시키는 어닐(anneal) 기능을 수행하는 역할을 한다.
	열손실 부분에 단열막을 설치해야 하는 이유는?	해석결과 챔버 내부에서 외부로 빠져나가는 부분에서 와류와 백플로우로 인한 열 손실이 발생됨을 발생됨을 확인할 수 있다. 이를 개선 하기 위해 방법으로 열 손실이 발생하는 부분과 주변에 단열막을 설치하면 손실되는 열을 감소시킬 수 있다.
	퍼니스를 통한 열처리로 무엇을 할 수 있는가?	퍼니스를 통해 열처리함으로써, 원하지 않는 불순물이나 유기물을 제거할 수도 있고, 원료 시료들간에 상호 확산을 통해 새로운 상(phase)을 가지는 물질을 형성할 수도 있고, 금속의 경우 annealing을 통해 금속내의 결함(defect) 등을 제거할 수도 있다.

참고문헌 (6)

H. Jin and S. Choi, "Numerical analysis of the liquid flow in the lower part of a blast furnace during change of cohesive zone," in Proceeding of the 37th Symposium of the KOSCOS, pp. 80-87, 2008.
A. J. Engel and T. Ceci, "Furnace slide gate system and refractories - electric furnace slag free tapping," in Proceeding of 52nd Electric Furnace Conference, pp. 235-239, 1994.
A. J. Lockwood, CD-adapco Releases STAR-CCM+ v10.02 [Internet]. Available: https://www.digitalengineering247.com/article/cd-adapco-releases-star-ccmv10-02-2/.
Y. J. Jang and S. W. Kim, "An estimation of a billet temperature during reheating furnace operation," International Journal of Control, Automation, and Systems, Vol. 5, No. 1, pp. 43-50, February 2007.

원문보기 상세보기
J. D. Faires and R. L. Burden, "Numerical methods," 3rd ed. INTER VISION, 2003.
K. W. Joo, K. S. Kim, J. Y. Kim, and H. R. Beom, "Numerical analysis on thermal deformation of linear motor in chip mounter," in Proceedings of the ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress & Exposition, Denver, Colorado, pp. 1347-1354, 2011.

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