초록 ▼

I. 제 목
열전소자를 이용한 반도체장비용 전자냉각 Chiller개발
II. 연구개발의 목적 및 필요성
정보·통신산업의 급격한 발전에 따른 부품의 소형화·경량화 추세에 따라 세계적으로 고집적화 된 반도체의 개발에 총력을 기울이고 있다. 반도체가 고집적화될수록 제조공정에서의 요구조건은 더욱 엄격해지고 있는데, 그 중에서 대표적인 공정이 고정밀도가 요구되는 노광공정과 식각공정이다. 특히 건식식각공정에서는 wafer와 chamber의 온도가 식각공정의 주요지표인 etching 속도와 균일성에 큰 영향을 미치므로

I. 제 목
열전소자를 이용한 반도체장비용 전자냉각 Chiller개발
II. 연구개발의 목적 및 필요성
정보·통신산업의 급격한 발전에 따른 부품의 소형화·경량화 추세에 따라 세계적으로 고집적화 된 반도체의 개발에 총력을 기울이고 있다. 반도체가 고집적화될수록 제조공정에서의 요구조건은 더욱 엄격해지고 있는데, 그 중에서 대표적인 공정이 고정밀도가 요구되는 노광공정과 식각공정이다. 특히 건식식각공정에서는 wafer와 chamber의 온도가 식각공정의 주요지표인 etching 속도와 균일성에 큰 영향을 미치므로 wafer와 chamber의 온도를 균일하고 정밀하게 제어하는 것은 전체 공정의 안정화와 더불어 생산성과 직결되고 있다. 반도체 제조공정에서 wafer와 chamber의 온도제어는 주로 냉매를 사용하는 가스압축방식의 chiller가 주종을 이루어 왔으나, 최근 들어 정밀온도제어와 안정성이 우수하고 소형화가 가능한 전자냉각방식의 chiller가 반도체제조공정에서 점차 각광을 받고 있다.
전자냉각방식이란 전자냉각소자의 양단간에 직류전류를 흘려줄 때 열전변환반도체의 Peltier 효과에 의해서 한쪽 단에서 열을 흡수하고, 흡수된 열이 다른 쪽으로 이동되는 solid-state 방식의 heat pump 이다. 이와 같은 전자냉각은 고체회로방식으로서 compressor 등의 기계적 구동부품이 없으므로 소음과 진동이 없고, 인가된 전류량에 따라서 흡열량이 변하므로 응답속도가 빨라 정밀한 온도제어가 가능하며, system의 구성이 단순하고, 소형·경량화가 가능한 장점이 있다. 즉 전자냉각방식의 chiller는 중량과 크기가 냉매압축방식의 1/5에 불과하지만 온도안정성이 ±0.1℃로 정밀하고 가격이 저렴하다. 현재 전자냉각방식의 chiller는 미국의 Noah Precision Co.와 일본의 Komatsu Electronics Co. 에서만 생산되고 있는데, 이는 전자냉각모듈을 이용한 냉각 unit의 설계가 상당한 know-how를 요구하기 때문이다. 즉 전자냉각방식은 전자냉각모듈의 냉각특성을 제대로 파악하지 못하면 전자냉각방식이 가지고 있는 많은 장점을 효율적으로 이용하지 못하게 된다
따라서 본 연구에서는 한국과학기술연구원이 보유하고 있는 전자냉각모듈의 특성평가방법, 전자냉각모듈을 사용한 냉각 unit의 구성방법 및 수냉 block의 설계와 흡열량 측정방법 등을 (주)코삼에 이전하여 -30℃에서 500 watt의 흡열량을 갖는 전자냉각방식의 chiller를 생산하는 것을 최종목표로 하고 있다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
-30℃에서 500 watt의 흡열량을 갖는 수냉식 전자냉각 unit를 개발하기 위해서 1단 전자냉각모듈과 2단 적층형 energetical cascade 전자냉각모듈의 냉각특성을 측정하였고, 냉각 unit에서의 heat balance equation을 도출하였으며, heat balance equation을 이용하여 냉각 unit의 특성을 simulation 하였고, 1단 전자냉각모듈과 2단 적층형 energetical cascade 전자냉각모듈을 사용하여 냉각 unit를 조립한 후에 냉각특성을 평가하였다.
IV. 연구개발결과
본 연구의 결과에 의하면 2단 적층형 energetical cascade 전자냉각모듈 24개로 구성된 전자냉각 unit을 8 unit, 즉 2단 적층형 energetical cascade 전자냉각모듈을 192개 사용함으로써 -30℃에서 500 watt의 흡열량을 갖는 전자냉각방식의 chiller를 제조하는 것이 가능하였다. 그러나 이 경우에는 2단 적층형 energetical cascade 전자냉각모듈의 구입가격이 약 500만원 정도이고, 20 kW 용량의 DC power supplier가 필요하며, 방열측 water jacket에 약 80 lpm의 냉각수가 공급되어야 하므로 실용제품으로의 생산에는 무리가 있는 것으로 판단된다.
V. 연구개발결과 및 활용계획
Heat balance equation을 이용하여 simulation한 결과에 의하면 전자냉각방식 chiller용 냉각 unit의 흡열량과 냉각효율은 흡열측과 방열측 water jacket의 열전달면적, 열전달계수 및 유체의 mass flow rate에는거의 영향을 받지 않으며, 유입되는 유체의 온도에 의해 크게 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 이 중에서도 특히 흡열측 water jacket에 유입되는 brine의 온도가 전자냉각 unit의 흡열량과 냉각효율에 가장 크게 영향을 미치는데, chiller로 냉각하고자 하는 온도가 설정되어 흡열측으로 유입되는 brine의 온도가 고정된 경우에는 방열측으로 유입되는 냉각수의 온도를 가급적 저하시키는 것이 전자냉각 unit의 흡열량과 냉각효율을 향상시키는 유일한 방법임을 알 수 있었다.
한편 전자냉각 unit의 흡열량 측정결과에 의하면 방열측 water jacket으로 유입되는 냉각수의 온도가 20℃로 일정할 때 brine의 온도를 -7℃ 이상으로 냉각하고자 하는 경우에는 1단 전자냉각모듈을 사용하여 냉각 unit를 제작하는 것이 흡열량과 냉각효율면에서 유리하며, brine의 온도를 -7℃ 이하로 냉각하고자 하는 경우에는 2단 적층형 energetical cascade 전자냉각모듈을 사용하여 냉각 unit를 제작하는 것이 유리함을 알 수 있었다. 또한 1단 전자냉각모듈을 사용한 냉각 unit는 방열측과 흡열측 유체의 온도차를 48℃ 이상으로 유지시키는 것이 불가능하므로 -30℃에서 500 watt의 흡열량을 갖는 전자냉각방식의 chiller를 제작하기 위해서는 2단 적층형 energetical cascade 전자냉각모듈을 사용하는 것이 필연적임을 알 수 있었다.

Abstract ▼

1.SUBJECT
Thermoelectric chiller for semiconductor equipment with using Thermoelectric Module.
2.Purpose and Necessity of R&D
Parts miniaturization and weight lightenization following rapid growth of information and telecommunication industry has world industry devote all his energy to d

1.SUBJECT
Thermoelectric chiller for semiconductor equipment with using Thermoelectric Module.
2.Purpose and Necessity of R&D
Parts miniaturization and weight lightenization following rapid growth of information and telecommunication industry has world industry devote all his energy to develop highly integrated semiconductor. The higher integrated semiconductor is the stricter desired conditions of manufacturing process become, the representative process out of them are lithography and etching process which demand high preciseness. Especially in dry etching process temperature of wafer and chamber has a big influence on the speed and the uniformity of etching, so controling temperature of wafer and chamber equally and precisely is directly related to the whole process stablization and the productivty. In controlling temperature of wafer and chamber semiconductor manufacturing process vapor compression type chiller has mainly been used, but recently thermoelectric type chiller which is precise temperature controllable and superior stableness and miniaturizationable is getting into the spotlight.
Thermoelectric Chilling type is a solid-state type heat pump that when dc current is sent into either end of thermoelectric device, one end absorb heat and absorbed heat is transmitted into the other end, which is called peltier effect of thermoelectronic transmission semiconductor. Thermoelectric cooling type has many advantages, firstly it doesn't producenoise and vibration for its solid-state circuit type has no machanical operation parts like compressor, secondly fast response speed enable to control temperature precisely for its heat absorbing amount changes along with variable current amount, and its system structure is simple and miniaturizationble and weight lightenizationable. That is to say, thermoelectric cooling type chiller's weight and size is no more than a fifth of those of vapor compression type chiller, but its temperature stableness is precise ± 0.1℃ and its price is cheap. Now, thermoelectric cooling type chiller is produced only by Noah precision Co. in U.S.A. and Komatsu Electronics Co. in JAPAN because designning cooling unit T.E.M. demands a considerable Know-how.
In thermoelectric cooling type,exact understanding characteristric of thermo electric effectively.
Therefore this research has ultimate object to trasfer T.E.M. characteristic evaluation method, cooling unit construction method T.E.M., water cooling block design and absorbed heat amount measurement method which belong to KAIST to COSAM CO. And to COSAM CO. To produce thermoeletric cooling type chiller with 500watt capacity.
3. Content and Scope of R&D
( The present state of home and foreign R&D)
To develop an water thermoelectric cooling unit with 500watt heat absorbed capacity in the state of -30℃, we measured cooling characteristic one floor T.E.M. and 2 floor multilayer type energetical cascade T.E.M and drew heat balance from cooling unit and did simulation cooling unit characteristic with one floor T.E.M. and 2 floor multi-layer type energetical cascade T.E.M. and evaluate cooling characteristic of them
4. Result and Utilization Plan of R&D
According to the result of simulation with heat balance equation. We could know endothermic amount and cooling efficient rate of cooling unit for thermoelectric cooing type chiller is rarely in fluenced by heat transmission area, heat transmission coefficiency, and heat absorbed and heat rejected fluid mass flow rate of but is influenced a lot by inflowed fluid temperature.
Among them, especially brine temperature which is in flowed into heat absorbed ater jacket exert the most influence an endothermic amount and cooling efficiency.
When cooling temperature is set and brine temperature in flowing into heat absorbed part is set lowering cooling water temperature which is in flowing into heat rejected part as low as possible was proven to be the only way in improving endothermic amount and cooling efficicncy of electronic cooling unit.
According to endothermic amount measurement result of thermoelectric cooling unit, when cooling water in flowing into radiator water jacket is set 20℃ , in case you want cool brine temperature higher than -7℃ , manufacturing cooling unit with using 1 floor T.E.M. is profitable in aspect of endothermic amount and cooling efficiency in case you want cool brine temperature lower than -7℃, manufacturing cooling unit with using 2 floor multilayer type energetical cascade T.E.M. is profitable, And cooling unit with floor T.E.M. is unable to maintain fluid temperature gap between heat absorbed and heat rejected part higher than 48℃, therefore to manufacture thermoelectric cooling type chiller with 500 watt heat absorbed capacity in the condition -30℃, using 2 floor multilayer type energetical cascade T.E.M. is inevitable.
This research result showed that we could manufacture thermoelectric cooling type chiller with 500 watt endothermic amount in the condition -30℃, through using 8 thermoelectric cooling unit made up of 2 floor multilayer energetical cascade T.E.M., that is to say using 2 floor multilayer type energetical cascade T.E.M.192 articles.But the price of 2 floor multilayer type energetical cascade T.E.M. is about 5,000,000 won, and it needs 20 kW DC power supply and about 80lpm cooling water must be supplied to heat rejected water jacket.Therefore producing it as practical products is thought to be unreasonable.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론
  제 1 절 반도체 제조공정용 chiller
  제 2 절 전자냉각의 이론적 배경
  제 2 장 기술개발의 내용 및 범위
  제 1 절 전자냉각모듈의 냉각특성 측정
  제 2 절 2단 적층형 전자냉각모듈의 냉각특성
  제 3 절 전자냉각방식 chiller용 냉각
  3-1. 1단 전자냉각모듈을 사용한 냉각 unit에서의 Heat Balance Equation
  3-2. 2단 적층형 energetical cascade 전자냉각모듈을 사용한 냉각 unit 에서의 Heat Balance Equation
  제 4 절 1단 전자냉각모듈과 2단 적층형 전자냉각모듈을 사용한 전자냉각방식 chiller용냉각 unit의 수치해석
  4-1. C1 값이 냉각특성에 미치는 영향
  4-2. C2 값이 냉각특성에 미치는 영향
  4-3. H1 값이 냉각특성에 미치는 영향
  4-4. H2 값이 냉각특성에 미치는 영향
  4-5.