분산형의 멀티온도 제어시스템 및 동시스템에 적용할 수 있는 유체온도 제어장치

분산형의 멀티온도 제어시스템 및 동시시스템에 적용할 수 있는 유체온도 제어장치

종래의 반도체 처리장치는 예컨데 제1도와 같이 구성되어 있다. 즉, 트랜스퍼 챔버(transfer chamber)(1)의 주위에 여러 개의 프로세스 챔버(process chamber)(2a, 2b, 2c)가 배설되어 있다. 트랜스퍼 챔버(1)내에 설치된 반송로봇(도해없음)에 의하여, 처리대상의 웨이퍼(wafer)(도해 없음)가, 트랜스퍼 챔버(1)를 경유하여 어떤 프로세스 챔버에서 다른 프로세스 챔버에로 반송된다. 각 프로세스 챔버(2a, 2b, 2c)에서는 각각에 고유의 반응처리를 웨이퍼에 대하여 실행한다.

제2도는 하나의 프로세스 챔버의 구성을 도시하고 있다. 프로세스 챔버는 챔버벽(3), 양극으로서 기능하는 챔버커버(4), 및 음극으로서 기능하는 웨이퍼 지지대(6)를 구비하고 있다. 챔버벽(3), 챔버커버(4) 및 웨이퍼 지지대(6)의 각각은 온도제어용의 작동유체가 흐르는 관로(7a, 7b, 7c)를 구비하고 있다. 그리고, 각 관로(7a, 7b, 7c)를 흐르는 유체에 의하여 챔버벽(3), 챔버커버(4) 및 웨이퍼 지지대(6) 각각의 온도가 각각에 고유한 목표온도(T1, T2, T3)에서 제어한다.

이 반도체 처리장치에 적용되는 온도제어시스템은 제1도에 도시한 바와 같이, 3대의 온도제어기(8a, 8b, 8c)를 구비하고, 각 온도제어기(8a, 8b, 8c)에 각 목표온도(T1, T2, T3)가 설정되어 있다. 온도제어기(8a, 8b, 8c)의 각각은 반도체 처리장치내의 모든 프로세서 챔버(2a, 2b, 2c)에 대하여, 온도제어된 작동유체를 공급한다. 예컨데 제1온도 제어기(8a)는 모든 프로세스 챔버(2a, 2b, 2c)의 챔버벽(3)에 대하여, 순환유로(9a, 9b, 9a, 9b, 9a, 9b)를 통하여 작동유체를 공급한다. 마찬가지로, 제2온도제어기(8b)는 모든 프로세스 챔버(2a, 2b, 2c)의 챔버커버(4)에 대하여, 또 제3온도제어기(8c)는 모든 프로세서 챔버(2a, 2b, 2c)의 웨이퍼 지지대(6)에 대하여 각기 작동유체를 공급한다.

각 온도제어기는 예컨대 제3도에 도시한 바와 같이, 작동유체를 냉각하기 위한 열교환기(11)와, 가열하기 위한 가열장치(13)와, 이것들에 의하여 온도제어된 작동유체를 순환유로(9a, 9b)에 순환시키는 펌프(14)등을 구비하고 있다. 열교환기(11)는 냉각수관(10)을 흐르는 냉각수에 의하여 작동유체를 냉각한다. 가열장치(13)는 탱크(13a)내에 작동유체를 저장하고, 탱크(13a)내의 전열히이터(12)를 사용하여 작동유체를 가열한다.

상술한 바와 같이, 종래의 반도체 처리장치용의 온도제어시스템에서는 1대의 온도제어기가 여러 개의 프로세스 챔버에 대하여 공통으로 설치되어 있어, 그 1대의 온도제어기가 여러 개의 프로세스 챔버의 특정부분의 온도를 집중 제어한다.

그 때문에, 그 공통으로 온도제어되는 부분의 목표온도를 낱낱이 프로세스 챔버마다 차이지게 하는 것은, 원칙적으로 할 수 없다. 또 반대로, 모든 프로세스 챔버의 그것들 부분의 온도를 전혀 동일하게, 또는 정확하게 제어하는 것도 어렵다. 왜냐하면, 챔버의 형상이나 작동상태 및 각 순환유로의 길이나 압력손실 등이 각 챔버마다 다소 다르기 때문에, 챔버마다 작동유체의 온도가 미묘하게 서로 달라져 버리기 때문이다.

가령 상기의 사실을 실현하려 한다면 작동유체의 유속을 각 챔버마다 제어하는 방법을 생각할 수 있으나, 그래 가지고서는 구성이 상당히 복잡하게 됨과 동시에, 챔버사이에서의 유속제어의 간섭도 발생할 법도 하기 때문에, 역시 정확한 온도제어는 어렵다.

또, 종래 시스템에서는 집중제어를 하기 위하여 필연적으로 온도제어기의 배치장소는 제1도에 도시한 바와 같이 반도체 처리장치에서 적당히 떨어진 장소로 된다. 결과적으로 순환유로가 길어지고, 작동유체의 사용량이 많아진다. 작동유체에는 가르덴(등록상표)이나 플로리나이트(등록상표)와 같은 비활성의 액체를 사용하는 것이 바람직하나 이것들은 상당히 고가이기 때문에 대량 사용에는 적합하지 않다. 그 때문에, 종래 시스템에서는 특별한 사정이 없는 한, 에틸렌 글리코올이나 물과 같은 값이 싼 액체를 사용하고 있다. 그러나, 이것들 값이 싼 액체는 프로세스 챔버내의 플라즈마(plasma)의 영향 등에 의하여 부식의 원인으로 되는 이온을 발생하기 때문에, 탈이온장치를 별도 설치할 필요가 생긴다. 이 탈이온장치는 상당히 대형이고, 또한 코스트로 소요된다.

종래 시스템에서는 유체의 순환유로가 길기 때문에, 순환유로에서의 열손실이 크다. 따라서, 낱낱의 온도제어기의 열용량도 어느 정도 클 필요가 있다. 이러한 것이거나, 전술한 배치장소 등의 사정으로부터 온도제어시스템은 상당히 대형으로 된다.

그런데, 상술한 반도체 처리장치의 챔버의 온도의 제어나, 향온실로 공급되는 공기의 온도제어 등과 같은 여러 가지 대상의 온도제어에, 작동유체가 즐겨 사용되고 있다. 그것들 작동유체의 온도는 각기 대상에 따라서, 목표온도로 제어할 필요가 있다. 이런 종류의 유체의 온도제어장치의 종래 예가 일본국 특개 소58-219374호, 특개 소7-280470호 및 특개 평5-231712호에 게재되어 있다.

특개 소58-219374의 장치는 물이 나선형으로 흐르도록 가늘게 분할된, 전체로서 원통형의 물의 유로를 구비하고 있다. 이 원통형 물유로의 중심에는 가늘고 긴 전기히이터가 삽입되어 있다. 또한, 이 원통형 물통로의 외주면은 응축냉매가 나선형으로 흐르도록 분할된, 역시 전체로서 원통형의 냉매통로에 의하여 가려져 있다. 전기히이터와 응축냉매 등에 의하여 물유로를 흐르는 물이 가열된다.

일본국 특개 평7-280470호의 장치에서는 작동유체의 흐르는 파이프의 중심에 전기히이터가 삽입되었고, 또한 그 파이프의 외주에 냉각수가 흐르는 큰 파이프가 덮여있다. 전기히이터와 냉각수 등에 의하여, 파이프내의 작동유체의 온도가 제어된다.

특개 평 5-231712호의 장치에서는, 작동유체의 흐르는 원통형의 용기의 중심에 석영유리제의 속이빈 관이 배치되었고, 그 속이 빈 관의 내부에 적외선 램프가 삽입되어 있다. 램프로부터의 방시열에 의하여 용기내의 유체가 가열된다.

특개 평7-280470호의 장치에서는 히이터나 냉각수로부터의 열전도를 이용하고 있기 때문에, 열원으로부터의 거리에 따른 작동유체의 온도변덕이 존재한다. 예컨대, 히이터에 가까운 장소에서는 온도가 높고, 히이터로부터 먼 장소에서는 온도가 낮다.

특개 소58-219374호에 게재된 장치는 열전도를 이용하고 있으나, 작동유체가 나선형으로 흘러서 교반되기 때문에, 온도변덕의 문제는 실질적으로 없을 것이다. 그러나, 나선형의 유로는 구조적으로 복잡하기 때문에, 그 제조 및 관리가 귀찮다.

또한, 열전도를 이용하였을 경우, 히이터의 근방은 국소적으로 고온으로 된다. 그 때문에, 히이터의 근방을 통하는 작동유체가 비등하지 않도록, 또한 히이터나 그 근방부분의 재료의 내열한계를 초과하지 않도록, 히이터의 온도를 억제할 필요가 있다. 그 결과, 다량의 열을 작동유체에 공급하는 일이 어렵고 유체의 목표온도를 너무 높게 하는 것도 어렵다.

특개 평5-231712호의 장치는 열전도가 아니라 열방사(즉, 전자파, 주로 적외선에 의한 열공급)를 이용하고 있다. 적외선에 의한, 방사열은 유체내의 각 장소에 평등하게 고루 미치기 때문에, 온도변덕의 문제는 거의 없다. 또, 방사열량을 증대시켜도, 광원의 가까이 만이 국소적으로 고온으로 된다고 하는 일은 없기 때문에, 다량의 열을 공급할 수 있고, 또한 목표온도를 용이하게 높일 수 있다. 그러나, 작동유체가 광흡수율의 극히 낮은 물질일 경우에는, 방사열에 의한 가열은 어렵다.

본 발명의 목적은, 여러 장소의 온도를 작동유체의 순환에 의하여 제어하는 멀티온도 제어시스템에 있어서, 각 장소의 온도가 정확하게 제어할 수 있고, 또한 소형이고 작동유체의 사용량도 적어도 만족할 수 있는 것을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 그와 같은 소형의 멀티온도 제어시스템에 있어서 작동유체의 온도제어에 가장 적합한 유체온도 제어장치를 제공함에 있다.

본 발명 또 다른 목적은 구조적으로 간소하고 유체의 온도변덕이 적고, 또한 빛 흡수율의 적은 유체라도 가열할 수 있는 유체온도 제어장치를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명의 제1측면에 따른 멀티온도 제어시스템은 여러장소의 온도를 작동유체의 순환에 의하여 제어하는 것으로서, 그것들 장소에 개별로 배당된 여러 개의 온도제어기를 구비하고 있다. 각 장소용의 온도제어기가 각 장소에 전용의 작동유체의 순환유로를 구비하여, 이 전용의 순환유로내의 작동유체의 온도를 개별로 제어한다.

이 분산형 또는 비집중형의 온도제어시스템에 의하면, 온도제어를 하여야 할 각 장소의 부근에, 그 장소전용의 작동유체를 순환시키는 온도제어기를 배치할 수 있다.

필연적으로 작동유체의 순환유로는 짧아서도 끝날 수 있게 되어, 작동유체의 사용량은 적게 할 수 있다. 따라서 가르덴이나 플로리나이트와 같이, 고가이기는 하나 탈이온장치가 불필요하고 성능이 좋은 작동유체를 사용할 수 있다.

또, 각 온도제어기가 각 장소전용의 작동유체를 개별로 제어하며, 또한 그 작동유체의 순환유로는 짧아서 열손실이 작고, 온도제어의 반응도 빠르기 때문에, 정확한 온도제어가 가능하다.

또한, 낱낱의 온도제어기는, 그 열적인 용량이 작아도 되고, 순환을 위한 동력도 작아도 되며, 소비전력도 작게 할 수 있으므로, 소형으로 제작할 수 있다. 그리고, 그 소형의 온도제어기가 여러 개의 장소에 분산 배치할 수 있어, 낱낱의 순환유로를 짧게 할 수 있으며, 나아가서는 탈이온장치를 불필요로 하는 것도 용이하므로, 시스템의 전체 사이즈도 용이하게 작게 할 수 있다.

온도제어기가 작동 유체를 냉각하기 위하여 냉각액을 사용하는 경우에는 여러개의 온도제어기가 같은 냉각액원을 함께 사용하도록 할 수 있다. 그와 같이 하면, 냉각액 계통의 구성이 간단하게 된다.

온도제어기의 바람직한 구성에는, 작동유체를 흐르게 하기 위한 안쪽공간을 갖는 안쪽용기와, 그 안쪽공간 내에 배치된 히이터와, 안쪽용기를 둘러싸서 안쪽용기의 바깥쪽에 냉각수를 흘리기 위한 바깥쪽공간을 형성한 바깥쪽용기 등을 구비한 것이다. 이와 같은 온도제어기는 작동유체의 가열과 냉각 등을 함께 하나의 용기의 내부에서 할 수 있으므로 비교적 소형이다. 더욱 바람직하기는, 히이터에 적외선 램프를 사용하는 일이다. 적외선 램프를 이용하면, 소형이라도 다량의 가열량을 얻을 수 있기 때문에, 온도제어기를 한층 소형으로 하기 쉽다. 온도제어기가 소형이면, 각 온도제어기를 각각에 배당된 장소에 분산배치함에 가장 편리하다.

본 발명의 분산형의 멀티온도 제어시스템은, 반도체 처리장치와 같이 여러개의 프로세스 챔버를 갖는 반응처리장치에 적용할 수 있다. 그 경우, 각 프로세스 챔버의 부근에, 그 챔버에 전용의 온도제어기를 배치할 수 있다. 하나의 프로세스 챔버가 여러 개의 온도 제어하여야 할 부분을 구비하였을 경우, 그 하나의 프로세스 챔버의 부근에, 그 여러 개의 부분에 각기 전용의 여러 개의 온도제어기를 배치할 수도 있다. 그 경우, 각 부분에 전용의 각 온도제어기가, 각 부분에 근접한 위치에 각기 배치되어도 좋다.

본 발명의 제2측면에 따른 유체온도제어장치는 투명통과 이 투명통내에 배치된 적외선을 방사하기 위한 램프와, 투명통을 둘러싸고, 투명통과의 사이에 안쪽 공간을 구비한 통형의 용기와, 안쪽공간에 유체를 유입시키기 위한 유체입구와, 안쪽 공간으로부터 유체를 유출시키기 위한 유체출구와, 상기 용기의 내주면에 접촉하여, 내측공간내에 배치된 내측핀 등을 구비하고 있다.

이 유체온도 제어장치는 내측공간을 흐르는 유체를 램프로부터의 방사열로 가열할 수 있다. 방사열을 이용하기 때문에 온도변덕은 작다. 안쪽공간에 핀(fin)이 있기 때문에, 유체가 빛 흡수율이 극히 낮은 물질이였어도, 핀이 방사열을 받아서 유체에 전달하기 때문에, 이와 같은 유체도 가열할 수 있다.

가열효율을 높이고 또한 온도변덕을 한층 없애기 위해서는, 핀이 안쪽공간의 대략 전체영역에 걸쳐서 분산되어서 배치되어 있음이 바람직하며, 또한 핀이 안쪽공간의 대략 전체 영역에 걸쳐서 실질적으로 똑같은 밀도로 배치되어 있다면 한층 바람직하다.

또, 유체가 빛 흡수율이 어느 정도 양호한 물질일 경우에는, 핀이 램프로부터의 적외선의 방사방향에 대략 잇따라서 있음이 바람직하다. 그에 따라서, 적외선이 핀(fin)에 방해되지 않고 유체의 전체에 고루 미치므로, 유체전체를 똑같이 가열할 수 있다.

또, 핀의 유체에 미치는 압력손실을 작게 하기 위해서는, 핀이 유체가 흐르는 방향으로 대략 잇따라서 뻗어 있음이 바람직하다.

본 발명의 유체온도 제어장치는 상기 구성에 더하여 또한, 상기 용기를 둘러싸고 용기와의 사이에 바깥쪽 공간을 구비한 외통(外筒)과, 바깥쪽 공간에 냉각액을 유입시키기 위한 냉각액 입구와, 바깥쪽 공간으로부터 냉각액을 유출시키기 위한 냉각액 출구 등을 더욱 구비할 수 있다. 이에 따라, 유체의 가열뿐 아니라 냉각도 할 수 있다.

그 경우, 냉각의 효율을 높이고 또한 냉각시의 온도변덕을 작게 하기 위하여, 상기 용기의 외주면에 접촉하여 바깥쪽 공간내에 배치된 바깥쪽 핀을 다시금 구비하는 것이 바람직하다. 이 바깥쪽 핀은, 바깥쪽 공간의 대략 전체 영역에 걸쳐서 분산되고 또한 실질적으로 똑같은 밀도로 배치되어 있다면 한층 바람직하다.

본 발명의 유체온도 제어장치는, 상술한 본 발명의 분산형의 멀티온도 제어시스템에 가장 적합할 뿐 아니라, 별도의 여러 가지 온도제어의 용도에도 널리 이용할 수 있다.

본 발명 그 밖의 특징과 목적은 다음의 실시형태의 설명 중에서 명백히 할 것이다.

본 발명은 여러 장소의 온도를 작동유체의 순환에 의하여 제어하는 멀티온도 제어시스템, 및 동시스템에 적용할 수 있는 유체온도 제어장치에 관한 것이다.

본 발명은의 멀티온도 제어시스템은, 예컨대, 반도체 처리장치에 있어서의 여러 개의 프로세스 챔버(반응처리실)내의 제부분의 온도를 제어하는 용도로 가장 적합하다. 그러나, 반도체 처리장치에만 한정하지 않고, 다른 여러 가지의 반응 처리장치에도 적용할 수 있다.

본 발명의 유체 온도제어장치는 본 발명의 멀티온도 제어시스템뿐 아니라, 다른 종류의 온도제어 시스템에도 적용할 수 있다

제1도는 종래의 온도제어 시스템을 사용한 반도체 처리장치용의 도시한 평면도.

제2도는 프로세스 챔버의 개략 구성을 도시한 단면도.

제3도는 종래의 온도제어기의 회로도.

제4도는 본 발명의 한 실시형태에 관한 온도제어 시스템을 사용한 반도체 처리장치용을 도시한 평면도.

제5도는 동실시형태에서 사용하는 온도제어기의 회로도.

제6도는 동실시형태에 있어서의 온도제어기의 부착형태를 도시한 사시도

제7도는 온도제어기의 다른 부착형태를 도시한 사시도.

제8도는 제5도에서 도시한 유체온도 제어장치의 한 실시형태를 도시한 총단면도.

제9도는 제8도의 AA선에 잇따른 단면 화살표도.

제10도는 유체온도 제어장치의 램프를 지지하는 부분의 변형예를 도시한 부분 단면도,

제11도는 유체온도 제어장치의 다른 실시형태를 도시한 종단면도.

제12도는 (A)∼(G)는 핀(fin)형태의 변이를 도시한 사시도.

제13도는 유체온도 제어장치를 사용한 온도제어시스템의 회로도.

제4도는 반도체 처리장치에 적용된 본 발명의 한 실시형태에 관한 멀티온도제어시스템의 전체구성을 도시한 것이다. 여기에서 반도체 처리장치 그 자체는 제1도 및 제2도에 도시한 종래의 그것과 실질적으로 같은 구성이기 때문에, 그 종래장치와 동일한 요소에는 동일한 참조부호를 붙여서, 중복한 설명은 생략하였다.

제4도에 도시한 바와 같이, 반도체 처리장치의 프로세스 챔버(process chamber)(2a, 2b, 2c)의 하나하나에 대하여, 3대의 소형의 온도제어기(15a, 15b, 15c)가 설치되어 있다. 즉 제1프로세스 챔버(2a)에 대하여 3대의 온도제어기(15a, 15b, 15c)가 설치되었고, 제2프로세스 챔버(2b)에 대하여도 다른 3대의 온도제어기(15a, 15b, 15c)가, 또 제3프로세스 챔버(2c)에도 또한 다른 3대의 온도제어기(15a, 15b, 15c)가 설치되어 있다.

각 온도제어기(15a, 15b, 15c)는 다른 온도제어기로부터 독립한 고유의 순환유로(제4도에서는 도시되어 있지 않다)를 구비하여, 플로리나이트와 같은 작동유체를 각 프로세스 챔버(2a, 2b, 2c)에 독립하여 공급한다. 각 온도 제어기(15a, 15b, 15c)는 그것이 설치된 프로세스 챔버만 작동유체를 공급하고, 다른 프로세스 챔버에는 공급하지 않는다. 그리고, 하나의 챔버에 설치된 3대의 온도제어기(15a, 15b, 15c)중에서, 1대째(15a)는 제2도에 도시한 챔버벽(3)의 관로(7a)에 2대째(15b)는 챔버커버(4)의 관로(7b)에, 또 3대째는 웨이퍼 지지대(6)의 관로(7c)에, 각기 작동유체를 공급한다. 요컨데, 반도체 처리장치내의 각 온도제어 대상부분에 대하여 각기 1대의 온도제어기가 전용으로 배당되어 있다.

이것을 온도제어기(15a, 15b, 15c)는 프로세스 챔버의 예컨대 외벽면에 부착되지만, 반드시 외벽면일 필요는 없고, 요컨대 프로세스 챔버에 근접하여 순환유로가 충분히 짧게 되도록 한 위치에 배치되어 있음이 바람직하다. 같은 관점에서 낱낱의 온도제어기(15a, 15b, 15c)는 각기 배당된 부분의 관로(7a, 7b, 7c)에 가급적 가까이에서 접속할 수 있는 장소에 배치되는 것이 바람직하다.

이것들 9대의 온도제어기(15a, 15b, 15c)는 개별의 냉각액 순환유로(10, 10)를 개재하여 공통의 냉각액원(30)에 접속되어 있다. 냉각액에는 예컨데, 물이 사용되지만, 물론 그 이외의 물질이였어도 좋다.

모든 온도제어기(15a, 15b, 15c)는 실질적으로 같은 구성을 구비하고 있다. 낱낱의 온도제어기는 도 5에 도시한 바와 같이, 작동유체의 가열 및 냉각을 하기 위한 유체온도 제어장치(16)와, 작동유체를 순환유로(9a, 9b)에 순환시키는 펌프(14)등을 구비하고 있다. 유체온도 제어장치(16)는, 냉각수로 작동유체를 냉각하는 냉각부(16a)와, 작동유체를 가열하는 가열부(16b)등을 구비하고 있다. 작동유체에 에틸렌 글리코올이나 물을 사용하는 경우에는, 순환유로의 공급관(9a)과 귀환관(9b)사이에 탈이온장치(17)가 접속된다. 그러나, 플로리나이트와 같은 비활성물질의 작동유체에 사용하는 경우에는, 탈이온장치(17)는 불필요하다.

제6도는 각 온도제어기(15a, 15b, 15c)를 각 프로세스 챔버(2a, 2b, 2c)에 부착하는 경우의 한의 형태를 도시한 것이다.

도시한 바와 같이, 각 온도제어기(15a, 15b, 15c)가 프로세스 챔버의 측벽의 바깥면에 고정되어 있으며, 각 온도제어기(15a, 15b, 15c)에서 나온 유체의 순환유로(9a, 9b)가 프로세스 챔버의 측벽내에 안내되어, 도 2에 도시한 관로(7a, 7b, 7c)에 접속되어 있다.

또, 각 온도제어기(15a, 15b, 15c)로부터 한 쌍의 냉각액의 순환유로(10)가 나와 있으며, 이것들 온도제어기로부터의 냉각액 순환유로(10)는 도 4에 도시한 바와 같이 각 챔버마다 한 쌍의 냉각액 순환유로(10)에 통합되고 나서, 공통의 냉각액원(30)에 접속된다. 더욱이 각 온도제어기마다의 냉각약 순환유로(10)를 직접으로 공통의 냉각액원(30)에 접속하여도 좋다. 혹은, 예컨대 프로세스 챔버(2a)에 있어서, 3개의 온도제어기(15a, 15b, 15c)의 목표온도가 다를 경우, 냉각액원(30)으로부터의 냉각수를 최초에 최저의 목표온도를 지닌 온도제어기에 흘리고, 이어서 이것을 통과한 냉각수를 중간의 목표온도를 지닌 온도제어기에 흘리고 최후에, 이것을 통과한 냉각수를 최고의 목표온도를 지닌 온도제어기에 주어서 냉각수원으로 복귀한다고 하는 바와 같이, 온도제어기(15a, 15b, 15c)의 냉각액순환(10)을 직렬로 접속하여 냉각액을 순번으로 주위를 둘러싸게 하는 방법도 가능하다.

이와 같이, 냉각액을 여러 개의 온도제어기(15a, 15b, 15c)로 함께 사용하였다 하여도, 냉각액의 유속이 너무 느리지 않는 한, 냉각약의 온도변화는 작으며, 또한 냉각액의 온도가 다소 변동하여도, 그에 따라서 각 온도제어기(15a, 15b, 15c)가 낱낱이 가장 적합한 제어를 하기 때문에, 각 작동유체의 온도는 정확하게 제어할 수 있다.

더욱이, 온도제어기(15a, 15b, 15c)의 부착장소는 프로세스 챔버의 측벽에만 한정하지 않고, 저벽하에서 천장벽상에서도 가까운 마루 위에서도, 요컨대 유체순환 유로가 충분히 짧아지도록 한 챔버근방의 적당한 장소라면 좋다. 예컨대 제7도7에 도시한 실시형태에서는 여러개의 프로세스 챔버(2a, 2b, 2c)를 수용한 반도체 처리장치의 하우징셀(17)의 외측면에 선반(18)이 설치되어 있으며, 이 선반(18)의 위에 여러개의 온도제어기(15a, 15b, 15c)가 나란하게 부착되어 있다. 온도제어기(15a, 15b, 15c)로부터 나온 유체의 순환유로(9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f)의 각 쌍(pair)이 하우징셀(17)내에 도입되어, 프로세스 챔버(2a, 2b, 2c)의 제2도에 도시한 관로(7a, 7b, 7c)의 각각에 접속되어 있다. 이 실시형태에서는 반도체 처리장치의 근방에 온도제어기(15a, 15b, 15c)가 배치되어 있으므로, 순환유로(9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f)는 충분히 짧아서 그것들 유로 내의 작동유체의 온도는 정확하게 제어할 수 있다.

상술한 실시형태에서는 1대의 온도제어기가 하나의 프로세스 챔버의 하나의 장소의 온도를 제어하지만 반드시 그렇게 할 필요는 없다. 1대의 온도제어기가 반도체 처리장치내의 여러 장소의 온도를 제어하는 것도 가능하다. 또, 상술한 실시형태에서는 모든 프로세스 챔버의 모든 부분의 온도를 작동유체의 순환에 의하여 제어하고 있으나, 반드시 그렇게 할 필요는 없고, 부분적으로 작동유체를 사용하지않는 별도의 원리에 의한 온도제어를 실시할 수도 있다. 예컨대 10℃이상과 같은 고온으로 제어하는 챔버 또는 부분이 있을 경우에, 그 챔버 또는 부분에는 상기 온도제어기에 대신하여 적외선 램프를 설치하고, 이 적외선 램프에 의하여 그 챔버 또는 부분을 직접 가열하도록 하여도 좋다.

제9도 및 제9도는 제5도에 도시한 유체온도 제어장치(16)의 한 실시형태를 뜻한다. 제8도는 유체온도 제어장치의 종단면도이며, 제9도는 제8도의 AA선에 횡단면도이다.

이것들 도면에 도시한 바와 같이, 유체온도 제어장치는 같은 축에 배치된 대소 2개의 원통형의 용기(20, 20)를 구비하고 있다. 안쪽의 용기(20)는 안쪽에 공간(21)을 구비하였고, 또한 닫힌 양단면을 구비하고 있다. 바깥쪽의 용기(22)도 닫힌 양단면을 구비하였고, 또한 안쪽용기(20)를 둘러싸서 안쪽용기(20)의 바깥쪽에 공간(23)을 구비하고 있다. 안쪽용기(20)는, 그 주벽의 일단에 가까운 개소에, 작동유체의 입구(20a)를 갖고 있으며, 또한 주벽의 타단에 가까운 개소로서 입구(20a)와는 중심축에 대하여 대칭인 개소에, 작동유체의 출구(20b)를 갖고 있다. 또, 바깥쪽용기(22)는 그 주벽에 가까운 개소에 냉각액의 입구(22a)를 구비하였고, 또한 주벽의 타단에 가까운 개소로서 입구(22a)와는 중심축에 대하여 대칭인 개소에, 냉각액의 출구(22b)를 구비하고 있다.

안쪽용기(20)는 열전도성, 내식성 및 성형성의 양호한 재료, 예컨대 알루미늄, 구리, 스테인레스강 등으로 만들어져 있다. 바깥쪽용기(22)도 마찬가지 재료로 만들어져서 좋으며, 혹은 내식성 및 성형성은 양호하지만 열전도성이 좋지 않은 다른 재료, 예컨대 플라스틱이나 염화비닐이나 세라믹 등으로 만들 수도 있다. 안쪽용기(20)와 바깥쪽용기(22)와의 접합부는 용접이나 납때이나 그 밖의 적당한 방법에 의하여 액체를 누설하지 않도록 밀봉한다.

안쪽용기(20)의 안쪽공간(21)내에는 중심축에 잇따라서 투명통(24)이 배치되었고, 이 투명통(24)은 안쪽용기(20)의 양단의 벽(26, 26)을 관통하고 있다. 이 투명통(24)내에, 난방램프(25)가 삽입되어 있다. 투명통(24)은, 석영유리와 같은 광투과성의 극히 뛰어난 내열성의 재료로 만들어져 있다. 난방램프(25)에는 적외선을 많이 내는 것이 바람직하며, 예컨대 히이터용의 할로겐 램프가 사용된다. 이 램프(25)는 부시(bush)(29)에 의하여 투명통(24)에 접촉하지 않도록, 투명통(24)내의 중심축위치에 지지되어 있다.

안쪽용기(20)의 양단벽(25, 26)은 경질고무나 플라스틱이라거나 금속과 같이 적당한 정도의 탄성이나 충분한 내열성 등을 지닌 재료로 만들어져 있다. 단벽(端壁)(26, 26)과 안쪽용기(20) 및 투명통(24)과의 사이의 극간을 밀봉하기 위하여, 단벽(26, 26)의 외주면과 내주면에는 각기 0링과 같은 밀폐링(27)을 메워 넣고 있다.

안쪽용기(20)의 내주면에는 다수개의 안쪽 핀(28a)이 고정되어 있으며, 외주면에도 다수개의 바깥쪽 핀(28b)이 고정되어 있다. 안쪽 핀(28a)과 작동유체 사이의 열교환 및 바깥쪽 핀(28b)과 냉각수 사이의 열교환의 효율이 양호한 바와 같이, 안쪽 및 바깥쪽 핀(28a, 28b)은 각기 작동유체 및 냉각액의 흐름의 방향(개략적으로, 용기(20)의 중심축에 평행)에 대하여 적당한 각도를 갖고 교차하는 방향에 잇따라서 뻗어 있다. 안쪽 핀(28a)은 안쪽공간(21)의 반지름의 방향으로 즉, 램프(25)로부터의 적외선의 방사방향으로 잇따라서 곧게 서있다. 그러나, 낮은 광흡수율을 갖는 작동유체를 사용하는 경우에는, 안쪽 핀(28a)은 적외선의 방사방향과 교차하는 방향으로 잇따라서 세워있어도 좋다. 바깥쪽 핀(28b)도 마찬가지로, 반지름의 방향으로 방사형으로 직립하고 있으나, 이것도 반드시 그래야 할 필요는 없다. 안쪽핀(28a)도 바깥쪽 핀(28b)도 안쪽공간(21) 및 바깥쪽 공간(23)의 대략 전체영역에 걸쳐서 분산되어 배치되어 있으며, 또한 그 전체영역에 걸쳐서 실질적으로 같은 밀도(즉, 개략적으로 같은 간격)로 배치되어 있다. 이것들의 핀(28a, 28b)은 열전도율이 높고, 내식성 및 성형성도 양호한, 예컨대 알루미늄, 구리, 스테인레스강과 같은 재료로 만들 수 있다. 또한, 적외선의 흡수율도 좋은 재료임이 바람직하다.

안쪽 핀(28a)의 선단과 투명통(24)의 외주면과의 사이에는 약간의 틈이 있다. 바깥쪽 핀(28b)의 선단과 바깥쪽용기(22)의 내주면과의 사이에도 약간의 틈이 있다.

이와 같이 구성된 유체온도 제어장치에 있어서, 작동유체는 입구(20a)에서 안쪽공간(21)으로 유입하고 안쪽공간(21)을 통하여 출구(20b)에서 유출한다. 또, 냉각액은 입구(22a)에서 바깥쪽 공간(23)으로 유입하고 바깥쪽 공간(23)을 통하여 출구(22b)에서 유출한다.

작동유체의 입구(20a)에서의 온도(예컨대 23℃)보다 목표온도가 높을(예컨대 100℃)의 경우, 램프(25)가 점등된다. 이 경우, 냉각액의 흐름은 원칙적으로 정지된다. 램프(25)에서 방사된 적외선은 투명통(24)을 통과하여 안쪽공간(21)으로 입사한다. 만일, 작동유체가 빛 흡수성의 극히 낮은 물질(예컨대 플로리나아트)이라면 적외선의 대부분은 핀(28a)에 흡수되어, 거기에서 발생한 방사열이 핀(28a)에서 유체에로 전달되어서, 작동유체가 가열된다. 만일 작동유체가 빛 흡수성을 적당한 정도로 갖는 물질(예컨대, 에틸렌 글리코올 등)이라면 적외선은 핀(28a)뿐 아니라 자체에도 직접 흡수되어, 그 방사열로 유체의 온도가 상승한다.

가열량의 제어는, 출구(20b)에 배치한 온도센서와 제어기(어느 것도 도해 없음)등에 의하여, 램프(25)의 점등시간의 충격비나 발광량을 조절함에 따라 할 수 있다. 예컨대 출구온도가 목표온도에 일치하도록, 램프(25)에의 공급전력을 되먹임 제어한다. 지나친 가열이나 외적인 원인 등에 의하여 유체의 출구온도가 목표온도를 초과하여 버렸을 경우 램프(25)는 소등된다. 또, 램프 소등만으로는 충분치 않을 경우, 냉각액이 흐르게 된다.

또, 작동유체의 입구온도(예컨대 80℃)보다 목표온도가 낮을(예컨대 30℃)경우에는 냉각액이 흐르게 되어, 램프(25)는 통상은 소등된다. 작동유체가 보유하는 열이 안쪽 핀(28a), 안쪽(20) 및 바깥쪽 핀(28b)을 통하여 냉각액에 전달되어, 유체가 냉각된다. 상술한 제어기가, 냉각액의 유량의 조절을 하여, 유체의 출구온도를 목표온도로 일치시킨다. 지나친 냉각에 의하여 유체의 출구온도가 목표온도를 밑돌았을 경우에는 램프(25)가 점등된다거나, 냉각액의 유량이 수축 된다거나 한다. 이와 같이, 제어기가 램프(25)의 점등과 냉각액의 유량과를 제어하여, 가열과 냉각을 가려쓴다거나 병용한다거나 함에 따라, 작동유체의 온도를 목표온도로 제어한다.

위 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 가열은 주로 적외선의 방사열에 의하여 하게 된다. 방사열은 그 본 내의 성질 때문에, 램프(25)로부터의 거리에 관계없이 안쪽공간(21)내의 어느 장소에 있는 빛 흡수물질에도 평등하게 공급된다. 그에 더하여, 안쪽공간(21)내에서 핀(28a)이 램프(25)로부터의 적외선의 방사방향ㅇ,로 향하여 서있기 때문에, 적외선은 핀(28a)에 에워싸게 되지 않고, 안쪽공간(21)의 모든 장소에 평등하게 입사할 수 있다. 그 결과, 만일 유체가 물과 같이 빛을 적당한 정도로 흡수하는 물질이라면, 안쪽공간(21)내의 모든 장소에서 그 유체는 실질적으로 평등하게 방사열을 받아서 한결같이 온도가 상승한다.

또, 액체가 플로리나이트와 같이 빛을 거의 흡수하지 않는 물질일 경우에는, 안쪽공간(21)의 전체영역에 거의 같은 밀도로 존재하는 다수의 핀(28a)이 그 모든 개소에서 평등하게 방사열을 받아서 이것을 유체에 전달하므로, 역시 유체는 한결같이 가까운 형태로 가열된다.

상기와 같이 램프(25)의 출력의 대부분은 방사열로서 안쪽공간(21)내의 작동 유체 전체에 대략 평등하게 공급되므로, 열이 특정한 국소에 집중하는 일이 없다. 또, 램프(25)와 투명통(24)과의 사이에는 간격이 비어있기 때문에, 열전도에 의하여 투명통(24)이나 그 근방을 통하는 유체만이 특별히 고온으로 되는 일도 없다. 이러한 사실들로부터 램프(25)의 출력열량을 상당히 증대시키는 것이 가능하고, 결과적으로 사이즈는 소형이라도 커다란 가열능력을 발휘할 수 있다.

또, 바깥쪽 핀(28b)과 바깥쪽용기(22)와의 사이에 틈이 있기 때문에, 가열의 경우에 안쪽용기(20)내의 방사열이 바깥쪽 핀(28b)에서 직접으로 바깥쪽용기(22)에 탈출하는 일은 없다. 이러한 사실은 가열효율의 관점에서 바람직하다. 같은 관점에서, 바깥쪽용기(22)를 세라믹스나 플라스틱과 같은 열전도성이 불량한 재료로 만드는 것도 바람직하다. 단, 가열효율에 특히 문제가 없다면, 바깥쪽 핀(28b)과 바깥쪽용기(22)가 접촉하고 있어도, 혹은 바깥쪽용기(22)가 열전도성이 뛰어난 재료(예컨대 안쪽용기(20)와 같은 재료)로 만들어져 있어도 상관없다.

냉각은 핀(28a, 28b)을 통한 열전도를 이용하여 하게 된다. 핀(28a, 28b)이 안쪽 및 바깥쪽 공간(21, 23)의 전체영역에 걸쳐서 개략 똑같은 밀도로 분산 배치되어 있기 때문에, 냉각효율이 양호함과 동시에, 열전도를 이용하기 때문에 온도변덕도 작다. 바깥쪽 핀(28b)과 바깥쪽용기(22)와의 사이에 틈이 있다는 것은 바깥쪽 핀(28b)이 외기 온도의 영향을 받기 어려우므로, 냉각효율의 관점으로부터도 바람직하다.

이 유체온도 제어장치(16)의 조립시에는 투명통(24)이 안쪽공간(21)내에 삽입된다. 또, 정비시에도 투명통(24)이 안쪽공간(21)으로부터 끌려나온다거나 다시 삽입된다거나 한다. 이러한 삽입·인출작업에서는 투명통(24)과 안쪽 핀(28a)과 사이의 틈이 깨끗이 청소되어서, 이 작업을 원활하게 할 수 있게 한다. 물론, 작업함에 지장이 없다면, 안쪽 핀(28a)과 투명통(24)이 접촉하고 있어도 관계 없다.

이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 유체 온도 제어장치(16)는 사이즈에 비하여 큰 가열 및 냉각능력을 발휘할 수 있다. 또, 작동유체를 온도 변덕없이 한결같이 목표온도로 할 수 있기 때문에 온도제어의 정밀도도 뛰어나다. 그 결과, 각 온도제어기(15a, 15b, 15c)도 상당히 소형으로 되고, 또한 그 온도제어기의 정밀도는 뛰어나다. 이와 같은 소형의 온도제어기(15a, 15b, 15c)는 제4도에 도시한 바와 같이 낱낱의 프로세스 챔버(2a, 2b, 2c)에 개별로 부착한다거나, 혹은 제7도에 도시한 바와 같이 반도체 처리장치의 하우징셀에 종합하여 부착한다거나 하는 것이 용이하다.

유체온도 제어장치(16)의 구체적 구성에는 상기 이외의 여러 가지 변이를 채용할 수 있다. 예컨대 제10도에 도시한 바와 같이 투명통(24)의 바깥쪽에 설치한 브래킷(30)으로 난방램프(25)를 지지하여도 좋다. 브래킷(30)은 바깥쪽용기(22)와 같은 본 장치의 적당한 부분에 부착하여도 좋고, 본 장치이외의 고정물에 부착되어도 좋다.

또, 제11도에 도시한 유체온도 제어장치의 다른 실시형태에서는 원통형의 바깥쪽용기(22)내에 원통형의 안쪽용기(20)가 같은 축의 배치로 삽입되었고, 또한 바깥쪽용기(22)의 양단에 도넛(doughnut)형이 부시(31)가 채워들어있다. 그것들 부시(41)는 그 측면에서 바깥쪽 공간(23)을 폐쇄함과 동시에, 내주면에서 투명통(24)을 지지하고 있다. 부시(41)와 투명통(24)과의 접합부는 O링(42)에 의하여 밀봉되어 있다. 또한, 바깥쪽용기(22)의 양단의 부시(41)의 더욱 바깥쪽으로, 중심에 둥근 구멍을 지닌 원판형의 부시(43)가 나사로 고정되어 있다. 이 바깥쪽의 부시(43)는 측면에서 투명통(24)의 양단면과 맞닿고, 또한 내주면에서 난방램프(29)를 지지하고 있다.

투명통(24)과 램프(25)와의 사이에는 충분한 간격이 있으며, 그 때문에 투명통(24)이 램프(25)로부터의 전도열로 국소적으로 고온이 될 염려가 없다.

작동유체의 입구(20a)와 냉각액의 입구(22a)와는 장치의 반대측의 단부에 설치되어 있다. 따라서, 작동유체와 냉각액은 서로 반대의 방향으로 흐른다. 이러한 편이 동일방향으로 흐르는 경우보다 일반적으로 냉각효율이 좋다.

제11도에서는 신호표지(symbol mark)로 간략하게 적고 있으나, 안쪽용기(20)의 내주면과 외주면에는 각각의 전체면에 걸쳐서, 안쪽 핀(44a)과 바깥쪽 핀(44b)등이 고정되어 있다. 안쪽 핀(44a)의 선단과 투명통(24)과의 사이, 및 바깥쪽핀(44b)의 선단과 바깥쪽용기(22)와의 사이에는 각기 약간의 틈이 있다. 그 이유는 앞에서의 실시형태에 관하여 이미 설명한 바와 같다.

이것들 핀(44a, 44b)에는 제12a도∼제12g도에 도시한 바와 같은 여러 가지 형태의 것을 채용할 수 있다. 제12a도는 박판을 단면이 4각형인 파형으로 접어굽으린 것이며, 제12b도는 단면 3각형인 파형으로 접어굽으린 것, 제12c도는 파형의 각 능선을 더욱 파형으로 꾸불거리게 한 것, 제12d도는 파형으로 접어굽으린 벨트형의 박판을 여러 개, 파동의 위치를 서로 어긋나게 나란히 한 것이다. 제12e도는 파형의 박판의 표면에 다수의 작은 오목부 또는 돌기를 형성한 것, 제12f도는 파형의 박판의 표면에 루우버(louver)모양의 노치를 형성한 것이다. 또, 제12g도는 핀(pin)형의 핀(fin)이다. 제12도중의 화살표는 안쪽용기(20)의 중심축에 평행한 방향, 즉 유체 또는 냉각액의 흐르는 방향을 뜻한다. 흐름의 방향에 대하여 도시한 자세로 핀을 배치하는 것은 핀이 냉각액이나 유체의 흐름을 방해하지 않도록 하기 위하여 중요하다.

안쪽 핀(44a) 및 바깥쪽 핀(44b)은 안쪽공간(21) 및 바깥쪽 공간(23)의 전체영역에 걸쳐서, 실질적으로 같은 밀도로 분산되어서 배치되어 있다. 따라서, 그것들의 핀(44a, 44b)은 공간(21, 23)내의 모든 장소의 유체 및 냉각액에 한결같이 작용한다. 따라서, 가열 및 냉각이 효율이 좋고 또한 실질적으로 온도 변덕없이 이루어지게 된다. 이러한 관점으로부터 핀(44a, 44b)의 배치밀도는 핀이 흐름에 미치는 압력손실이 문제로 되지 않는 범위 내에서, 가급적 치밀함이 바람직하다.

안쪽 핀(44a)에 관하여는, 제12도에 도시한 어느 핀 형태도, 핀 자체가 적외선을 흡수하여 방사열을 좋은 효율로 받음에 적합하다. 작동유체가 빛 흡수율이 극히 작은 물질일 경우, 램프로부터의 적외선은 핀의 여기 저기에 입사하여 일부는 흡수되고 일부는 반사되어, … 라고 하는 과정을 반복하여, 최종적으로 많은 적외선이 핀에 흡수되어서 열이 된다. 결국, 작동유체는 효율이 좋고 또한 한결같이 가열된다.

한편, 작동유체가 물과 같이 빛을 상당히 흡수하는 물질인 경우, 제12g도의 핀형 핀(fin)에서는 적외선은 작동유체의 전체에 고루 미치므로 문제는 없으나, 제12a도∼제12f도의 핀(fin)을 사용하면 핀의 안쪽을 통하는 유체에만 적외선이 닿아서, 핀의 바깥쪽을 통하는 유체에는 적외선이 닿지 않기 때문에, 가열효율이 저하할 염려가 있다. 따라서, 빛 흡수율이 어느 정도 좋은 작동유체를 사용하는 장치에서는 제12g도나 제8도, 제9도의 핀(fin)과 같이, 램프로부터의 빛이 유제전체에 골고루 미치는 형태의 핀을 채용하는 것이 바람직하다. 한편, 빛 흡수율이 극히 낮은 유체만을 사용하는 장치에서도 제12a도∼제12g도의 핀 및 제8도, 제9도와 같은 핀 중의 어느 것도 채용할 수 있다.

그런데 제12a도∼제12f도와 같은 파형의 핀은 그 자체의 제조나 안쪽용기에의 부착이 비교적 용이하다고 하는 이점이 있다.

상술한 본 발명에 관한 유체온도 제어장치는 제4도에 도시한 바와 같이, 분산형 멀티온도 제어시스템뿐 아니라, 제1도에 도시한 바와 같은 집중형 멀티온도 제어 시스템이나, 향온조의 온도제어 시스템과 같은 다른 여러 가지의 온도제어 용도에도 널리 이용할 수 있다.

제13도는 본 발명의 유체온도 제어장치(100)를 사용한 온도제어 시스템예의 회로를 도시한 것이다.

유체온도 제어장치(100)의 냉각액 입구(22a)에 개폐밸브(51)를 개재하여 냉각액 공급관(2)이 접속되었고, 냉각액 출구(22b)에 냉각액 배출관(53)이 접속되어 있다. 냉각액 배출관(53)은 바이패스 밸브(54)를 구비하고 있다. 냉각액 공급관(52)에도, 개폐밸브(51)의 앞 또는 뒤의 위치에 바이패스밸브를 설치하여 좋다.

장치(100)의 유체입구(20a)에는 온도제어대상(55)으로부터 작동유체가 복귀하기 위한 유체귀환 파이프(56)가 접속되었고, 유체출구(20b)에는 온도제어대상 (55)에 유체를 공급하기 위한 유제공급관(57)이 접속되어 있다. 온도제어대상(55)은 항온조나 플라즈마 CVD장치의 챔버 등과 같은 온도제어가 필요한 설비로서, 여기서는 유체공급관(57)으로부터 공급된 작동유체에 의하여 온도제어를 하게 된다.

유체귀환 파이프(56)와 유체공급관(57)에는 각기 개폐밸브(58a, 58b)와, 작동유체온도를 측정하는 온도센서(59a, 59b)등이 설치되어 있다. 또, 유체공급관(57)에는 작동유체로부터 이온을 제거하기 위한 탈이온장치(60)가 설치되어 있다. 또한, 유체를 순환시키기 위한 펌프(61)가 유체공급관(57)과 유체귀환 파이프(56)의 어느 한편에 설치되어 있다

이 회로에 있어서, 개폐밸브(58a, 58b)가 열려서 펌프(61)가 운전되면, 작동 유체가 온도제어장치(100)와 온도제어대상(55)과의 사이를 순환한다.유체의 입구온도와 출구온도가 온도센서(59a)와 (59b)등에 의하여 검출되어, 도해 없는 제어기에 보내진다. 제어기는 전술한 바와 같이, 출구온도가 목표온도에 일치하도록, 램프의 점등시간 또는 전력, 및 냉각액의 유량 등을 제어한다. 이상의 실시형태의 설명은 본 발명의 이해를 위한 것으로서, 그것들 실시형태에만 본 발명의 범위를 한정하는 취지에서가 아니라, 본 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 범위내에서, 상기 실시형태로 변경, 수정, 개량 등을 가한 다음 여러 가지 형태에 있어서도 실시할 수 있다.