半导体制造设备的高科技控温装置的制作方法

本发明涉及半导体制造设备的高科技控温装置，尤其是涉及在半导体晶片加工工序中支承晶片并维持温度的静电夹头的高科技控温装置。

背景技术：

随着半导体元件越来越高科技化，制造半导体元件的工序中的要求条件也变得苛刻。特别是，蒸镀及蚀刻工序中的温度控制是最基本的事项，也是最重要的工序变量中的一个。最近，半导体制造工序随着形成多层结构及线宽的微细化，工序变得复杂，为了对应于此，相比任何技术优先需要可以满足快速变化的静电夹头的温度曲线的控制技术。

专利文献001至003涉及现有的用于制造比较单一结构的半导体的半导体静电夹头的控温装置。它们使用热电元件加热或冷却供给到半导体夹头的热介质，供给到半导体夹头的热介质被回收后，重新使用热电元件冷却之后循环到储存库。

在专利文献001，使用单独的三通阀门，分别向混合三通阀供给仅供给各自需要量的加热热介质及冷却热介质，并将剩余的热介质进行分流。上述需要量的热介质在上述混合三通阀混合之后供给到半导体夹头。向半导体夹头供给后回收的热介质按首次供给的比率分配并运送到各自的加热/冷却热介质存储库。但是，发现根据专利文献001的装置不能应对要求2℃/秒的温度变化的最近的半导体制造工序。已知由于反应时间慢而不能应对快速的温度变化，也不能应对比现有技术变宽的工序温度范围。另外，热介质的回收量比率不适当，发生储存库的热介质减少或增加的问题。由于温度控制中的小问题对半导体制造工序中的合格率造成很大影响，因此对其精密的控制尤其重要。

在先技术文献

专利文献001：韩国注册专利第10-1367086号

专利文献002：韩国注册专利第10-0817419号

专利文献003：韩国公开专利第10-2009-0045857号

技术实现要素：

所要解决的技术问题

本发明是为了解决如上所述的问题而提出的，旨在提供一种高科技的控温装置，不仅可以适用于急剧变化的温度曲线，还适用于相比过去变宽的工序温度范围，重复利用所使用的热介质来最小化能耗，在热介质储存库中的热介质水位可维持一定的水平，因此可以稳定地运转。

问题解决方案

本发明的第一方式的半导体制造设备控温装置，通过调节冷却及加热热介质各自的供给量来控制半导体制造设备的温度，所述半导体制造设备控温装置包括：混合部，调节加热热介质及冷却热介质各自的混合比后供给到上述半导体制造设备；第二冷却部，微调供给到上述混合部的上述冷却热介质的温度；流量调节部，位于上述混合部前端部，分别调节上述加热热介质及上述冷却热介质的流量，以使从上述混合部送出的混合的热介质的流量维持一定的值；加热热介质贮存部及冷却热介质贮存部，分别贮存供给到上述流量调节部的上述加热热介质及上述冷却热介质；第一加热部和第一冷却部，分别调节上述加热热介质贮存部及上述冷却热介质贮存部的热介质温度；回收分配部，分开供给从上述半导体制造设备回收的热介质，以使上述加热热介质贮存部及上述冷却热介质贮存部的水位维持一定的值；及第三加热部，将从上述回收分配部供给的热介质中供给到上述加热热介质贮存部的热介质在供给到上述加热热介质供给部之前预先加热。

根据本发明的第二方式的半导体制造设备控温装置，上述混合部由三通阀构成，上述加热及上述冷却热介质的混合比是通过使用比率函数调节上述三通阀的开度来调节；上述流量调节部分别将热介质的一部分分流而分别回收到加热热介质贮存部及冷却热介质贮存部，从而调节流量。

根据本发明的第三方式的半导体制造设备控温装置，上述混合部由单纯混合器构成，上述加热及上述冷却热介质的混合比是通过使用比率函数调节上述流量调节部的二通阀的开度来调节。

根据本发明的第四方式的半导体制造设备控温装置，上述第二冷却部使用热电元件微调上述冷却热介质的温度。

根据本发明的第五方式的半导体制造设备控温装置，上述第一冷却部设置在与上述半导体制造设备充分隔开的距离，以防从上述第一冷却部产生的机械性振动影响上述半导体制造设备。

根据本发明的第六方式的半导体制造设备控温装置，上述第一冷却部利用蒸气压缩式或吸收式冷冻装置冷却热介质。

根据本发明的第七方式的半导体制造设备控温装置，上述回收分配部比较加热热介质贮存部和冷却热介质贮存部的水位，对三通阀的开度进行PID(比例积分微分)，从而调节所回收的热介质的量。

根据本发明的第八方式的半导体制造设备控温装置，上述第一冷却部、上述第二冷却部单独被供给外部的工序冷却水。

根据本发明的第九方式的半导体制造设备控温装置，从上述混合部送出的热介质的流量维持离基准值上下5％以内的变动值。

根据本发明的第十方式的半导体制造设备控温装置，在被供给到上述混合部紧之前，各热介质的温度维持离基准值上下0.2度以内的变动值。

根据本发明的第十一方式，提供一种使用上述的半导体制造设备控温装置控制所述半导体制造设备的温度的方法。

根据本发明的第十二方式的半导体制造设备的控温方法，通过上述第二冷却部优先调节上述冷却热介质的温度，在上述流量调节部调节上述温度被调节的冷却热介质及上述加热热介质的混合比率，在上述混合部混合上述加热热介质及上述冷却热介质之后供给到上述半导体制造设备，从而控制上述半导体制造设备的温度；在超出可通过上述第二冷却部的温度调节或上述流量调节部的混合比率调节的温度偏移量范围的情况下，通过上述第一加热部或上述第一冷却部将被贮存在上述加热热介质贮存部或上述冷却热介质贮存部的上述加热热介质或上述冷却热介质的温度调节为其它设定值。

根据本发明的第十三方式的半导体制造设备的控温方法，通过上述温度控制，上述半导体制造设备的5℃变化在3秒以内实现，50℃变化在15秒以内实现。

发明效果

本发明可以提供高科技的控温装置，该控温装置不仅可以适用于急剧变化的温度曲线，还可以适用于相比过去变宽的工序的温度范围，将使用过的热介质重复利用来最小化能耗，热介质储存库中的热介质水位可以维持一定的水平，能够稳定地运转。具体地，在应用本发明的高科技的控温装置的情况下，不仅可以应对最小0℃到最大100℃，5℃变化可在3秒以内进行控制，50℃变化可在15秒以内进行控制，在固定温度下可以维持上下0.2℃以内的变动值。

附图说明

图1是表示根据本发明的半导体制造设备控温装置的一实施例的示意图。

图2是表示根据本发明的半导体制造设备控温装置的另一实施例的示意图。

图3是表示根据本发明的半导体制造设备控温装置中近程控温装置POU的示意图。

图4是表示根据本发明的半导体制造设备控温装置中远程控温装置RCP的示意图。

图5是应用根据本发明的半导体制造设备控温装置的情况下装置启动时加热热介质及冷却热介质的温度设定后自动设定对于流量调节部的阀开度的比率函数的过程。

图6是应用根据本发明的半导体制造设备控温装置的情况下设定温度从40℃阶跃变化为35℃的情况下，按时间表示基于此的流量调节部冷却热介质二通阀开度、流量调节部加热热介质二通阀开度、供给到半导体制造设备的热介质的温度的图。

图7是应用根据本发明的半导体制造设备控温装置的情况下针对基于温度设定值的实际值的变化的实验结果。

其中，附图标记说明如下：

11 三通阀

12 单纯混合器

2 第二冷却部

31 冷却热介质循环调节部

32 加热热介质循环调节部

33 冷却热介质调节部

23 加热热介质调节部

4 加热热介质贮存部

5 冷却热介质贮存部

6 第一加热部

7 第一冷却部

8 回收分配部

9 第三加热部

RCP：远程控温装置

POU：近程控温装置

ESC：半导体制造设备

EVA：蒸汽机

COND：冷凝机

HEX：热交换机

TEM：热电元件模块

PCW：工序冷却水

Sup T：被供给到半导体制造设备的热介质的温度

Ret T：从半导体制造设备回收的热介质的温度

SV：期望的设定温度

C 2Way MV：流量调节部冷却热介质二通阀开度

H 2Way MV：流量调节部加热热介质二通阀开度

Mix Flow：被供给到半导体制造设备之前在混合部混合的热介质的流量

具体实施方式

下面，通过实施例更详细地说明本发明。但是，这些实施例是用于示例性地说明本发明的，本发明的范围并不限定于这些实施例。

根据本发明的控温装置具有如下的结构。

半导体制造设备控温装置通过调节冷却及加热热介质各自的供给量来控制半导体制造设备的温度，所述半导体制造设备控温装置包括：调节加热热介质及冷却热介质各自的混合比后供给到上述半导体制造设备的混合部；微调供给到上述混合部的上述冷却热介质的温度的第二冷却部2；位于上述混合部12前端部的流量调节部，该流量调节部分别调节上述加热热介质及上述冷却热介质的流量，以使从上述混合部送出的混合的热介质的流量维持一定的值；分别贮存供给到上述流量调节部的上述加热热介质及上述冷却热介质的加热热介质贮存部4及冷却热介质贮存部5；分别调节上述加热热介质贮存部4及上述冷却热介质贮存部5的热介质温度的第一加热部6和第一冷却部7；分开供给从上述半导体制造设备回收的热介质，以使上述加热热介质贮存部4及上述冷却热介质贮存部5的水位维持一定的值的回收分配部8；及将从上述回收分配部8供给的热介质中供给到上述加热热介质贮存部4的热介质在供给到上述加热热介质供给部之前预先加热的第三加热部9。

上述混合部由三通阀11构成。上述加热及上述冷却热介质的混合比是通过使用比率函数调节上述三通阀11的开度来调节。这时，上述流量调节部包括分别将热介质的一部分分流而分别回收到加热热介质贮存部4及冷却热介质贮存部5的加热热介质循环调节部32及冷却热介质循环调节部31(参照图1)。上述三通阀11的开度匹配预先设定的温度曲线以前馈方式控制。

根据本发明的半导体制造设备控温装置的另一实施例中，上述混合部及上述流量调节部构成为不同(参照图2)。上述混合部由单纯混合器12构成，上述加热及上述冷却热介质的混合比是通过使用比率函数调节构成冷却热介质调节部33及加热热介质调节部34的二通阀的开度来调节。

上述第二冷却部2使用热电元件微调上述冷却热介质的温度。上述第二冷却部2由热电元件构成可以冷却及加热，从而测定半导体夹头的温度，维持上述加热热介质及上述冷却热介质的流量一定的同时可以一次性地调节温度。热电元件使用已知的元件，故省略对其详细的说明。

上述第一冷却部7设置在与上述半导体制造设备充分隔开的距离，以防从上述第一冷却部7产生的机械性振动影响上述半导体制造设备。通过上述第一冷却部7冷却的热介质被贮存到上述冷却热介质贮存部5，通过配管供给到上述第二冷却部2。

为了提供充足的冷却容量，上述第一冷却部7利用蒸气压缩式或吸收式冷冻装置。在图1和图2中，作为一实施例，构成了蒸气压缩式冷冻装置。蒸气压缩式冷冻装置是一般的蒸气压缩式冷冻装置，将内部循环的单独的冷媒进行压缩、膨胀来降低上述冷媒的温度，且通过热交换机冷却根据本发明的热介质。另一方面，第一加热部6及第二加热部9只要是可以加热热介质的部件均可，可以使用蒸气、电等一般性的手段。

上述第一加热部6位于上述加热热介质贮存部4内，除上述第一加热部6之外，配置位于加热热介质贮存部4外部的追加的热交换机。追加的热交换机用于应对加热热介质贮存部4的热介质温度上升到设定值以上的情况。

上述回收分配部8通过使用比率函数调节三通阀开度来调节所回收的热介质的量。尤其是，上述回收分配部8不是与供给到半导体制造设备的上述加热及上述冷却热介质的流量成正比地将热介质回收到上述加热热介质贮存部4、上述冷却热介质贮存部5中，而是调节分配比率，以使被贮存在上述加热热介质贮存部4、上述冷却热介质贮存部5的热介质的水位可以维持一定的值。由此，可以稳定地运行装置。

为了提高能效，根据需要向上述第一冷却部7、上述第二冷却部2单独供给外部的工序冷却水。工序冷却水是一般的常温水。

图3及图4分别是表示图2的半导体制造设备控温装置中近程控温装置POU、远程控温装置RCP的图。图1的半导体制造设备控温装置也与此类似地构成近程控温装置、远程控温装置。

根据本发明的半导体制造设备控温装置，包括：与包括半导体夹头的半导体制造设备邻近设置的近程控温装置POU；以及包括第一冷却部7的远程控温装置RCP。如图1及图2所示，混合部、第二冷却部2、流量调节部、回收分配部8包含在近程控温装置POU，加热热介质贮存部4、冷却热介质贮存部5、第一加热部6、第一冷却部7包含在远程控温装置RCP。第三加热部9根据需要可以配置在近程控温装置POU或远程控温装置RCP。

根据本发明的半导体制造设备控温装置如下工作。首先，将在上述远程控温装置RCP中温度被调节的上述冷却热介质及上述加热热介质的混合比率在上述流量调节部进行调节，由上述第二冷却部2微调上述冷却热介质的温度，在上述混合部混合上述加热热介质及上述冷却热介质之后供给到上述半导体制造设备，从而控制上述半导体制造设备的温度。上述流量调节部及上述混合部可以采用基于图1及图2的两种结构。

作为一种调节温度的方法，在上述流量调节部不调节流量，仅通过上述第二冷却部2的温度调节才可以调节温度。作为温度调节的其它方法，不调节上述第二冷却部2的温度，可以在上述流量调节部调节冷却热介质及加热热介质的混合比率来调节温度。作为调节温度的另一种方法，是对上述第二冷却部2的温度及上述流量调节部中的冷却热介质及加热热介质的混合比率全部进行调节的方法。

根据本发明的一实施例，在流量调节部使用二通阀33、34的情况下，使用比例函数调节基于此的二通阀33、34的开度。上述比率函数在本发明的半导体制造设备控温装置启动时比较设定温度、实测温度、热介质流量等来自动设定。反馈或前馈方式的控制中设定控制变量是一般的控制技术，故省略对其的详细说明。

图5表示自动设定比率涵数的过程，该比率涵数是关于本发明的二通阀33、34的开度的比率涵数。这时，可知从混合部排出的混合热介质的流量(绿色)一定。从上述混合部排出的热介质的流量维持离基准值上下5％以内的变动值。

在超出可通过上述第二冷却部2的温度调节或上述流量调节部的混合比率调节的温度偏移量范围的情况下，通过上述第一加热部6或上述第一冷却部7，将被贮存于上述加热热介质贮存部4或上述冷却热介质贮存部5的上述加热热介质或上述冷却热介质的温度调节为其它设定值来应对大幅度的温度设定值变化。

为了分别控制被贮存在上述加热热介质贮存部4或上述冷却热介质贮存部5的热介质的温度，具备有二通阀，以使在上述第一加热部6、第一冷却部7加热或冷却的热介质持续进行内部循环。

本发明的控温装置与现有的装置相比，使用单独的大容量蒸气压缩式或吸收式冷冻装置冷却热介质，以便在温度变化大的情况下也可以应对。

图6表示变动的设定值在偏移量以内时按时间的设定温度、从混合部排出的热介质温度、二通阀33、34的开度。通过上述温度控制，本发明的半导体制造设备的5℃变化在3秒以内实现，50℃变化在15秒以内实现。在现有方式的控制方式下50℃变化则需要80多秒。通过这种现有温度控制，完全不能应对当前高科技的半导体制造，本发明中解决这样的问题，显著地改善了控温性能，以适应于实际工序。图7表示对于持续变动的设定温度的变化，本发明的控温装置非常有效地应对。

本发明控温装置采用维持排出到混合部的热介质的整体流量一定的同时调节冷却热介质及加热热介质的混合比率来调节温度的方式。现有的控温装置则通过混合部及配置在流量调节部的总共3个三通阀进行控制，反而使装置变得复杂，装置费用提高，而由于流量和温度的相关性无法进行精密的温度控制。

根据本发明的控制装置，将装置运行为使得变量之间的相关性成为最小限度，从而可以实现在现有技术中无法实现的半导体夹头的精密的温度控制。本发明尽管减少所使用的阀门数量等，简化了构造，但可以得到现有技术中无法得到的效果。

对本领域普通技术人员来说，针对控制信号和反应信号之间必然发生延迟的温度控制，难以提高该温度控制的精密度是显而易见的。在本发明中，将变量之间的相关性最小化，基于此，在流量中使用反馈方式、在温度中以前馈方式进行控制，从而得到现有技术中无法得到的优异的效果。另外，不仅提供充分的加热及冷却容量，而且为了最小化对半导体制造的影响，导入远程控温装置，不仅可以进行温度控制，还使得对半导体制造工序的干扰也最小化。

本发明的精密的温度控制，对于竞争激烈的高集成度半导体的生产合格率是关键变量，是判断能否应用于实际工序的重要的变量。

另一方面，本发明的半导体制造设备控温装置的能效也出色。分流的各热介质被混合到从上述回收分配部8回收的各热介质(参照图1)中。由此，可以最小化所回收的热介质产生的能源损失。