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KR102720292B1 - 반도체 공정챔버용 냉각 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

반도체 공정챔버용 냉각 시스템 및 이의 제어 방법 Download PDF

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KR102720292B1
KR102720292B1 KR1020240085245A KR20240085245A KR102720292B1 KR 102720292 B1 KR102720292 B1 KR 102720292B1 KR 1020240085245 A KR1020240085245 A KR 1020240085245A KR 20240085245 A KR20240085245 A KR 20240085245A KR 102720292 B1 KR102720292 B1 KR 102720292B1
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KR
South Korea
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coolant
process chamber
semiconductor process
cooling system
gas
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이춘식
염충섭
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고등기술연구원연구조합
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Abstract

반도체 공정챔버용 냉각 시스템이 개시된다.
상기 반도체 공정챔버용 냉각 시스템은, 웨이퍼 척과의 전도에 의해 반도체 공정챔버가 냉각되고, 상기 웨이퍼 척을 냉각시키는 냉각제가 순환하는 메인 사이클; 및 상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제를 냉각시키는 유체가 순환하는 제1 사이클;을 포함하고, 상기 메인 사이클은 기액분리기를 포함하고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 냉각제가 상기 웨이퍼 척으로 공급되고, 상기 웨이퍼 척으로 공급된 액체 냉각제는 상기 웨이퍼 척을 냉각시키며 기체로 상이 변화하고, 상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제는 지구온난화지수가 5.0 이하인 성분만을 포함한다.

Description

반도체 공정챔버용 냉각 시스템 및 이의 제어 방법{Cooling System for Semiconductor Process Chamber and Method of Controlling the Same}
본 발명은 반도체 공정챔버에 적용되는 초저온 냉각 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
반도체 제조공정은 주원료인 웨이퍼 가공으로부터 시작해서 다양한 후공정을 거치게 된다. 그 중 나노 공정은 웨이퍼 위에 식각한 전류가 흐르는 회로의 선폭을 100nm 이하로 생산하는 반도체 공정을 의미하는데, 10nm급 이하의 나노 공정에서는 소자 간 간격이 좁아지면서 발열이 많이 발생한다.
이를 해결하기 위해, 저온을 넘어 초저온의 반도체 공정챔버용 냉각 기술이 필요하며, 냉각 기술이 발달할수록 웨이퍼 가공 시 정밀한 냉각이 가능하여 웨이퍼의 파손을 막고 수율을 높일 수 있다.
한편, 기존 냉동산업의 HCFC 냉매는 2030년 전폐가 예정되어 있고, HFC 냉매도 지구온난화계수(GWP: Global Warming Potential)가 1500 ~ 3800에 달해 중장기적으로는 사용이 불가하다. 이에 따라 지구온난화계수(GWP)가 낮은 친환경적인 냉매를 활용한 초저온 냉각시스템이 활발히 연구되고 있다.
선행기술문헌인 등록특허 10-1576063에는, 증발기 대신에 설비 내의 열교환기로 냉동사이클의 공급라인을 연결하고, 회수라인을 압축기에 연결하여 직접 냉각 방식의 칠러장치로서, 상기 압축기에서 출력되는 핫가스를 분기시켜 회수라인의 압력과 밸브의 스프링 압력과의 균압을 맞추기 위해 핫가스 공급량이 조절되는 외부 균압 방식의 핫가스 공급수단을 통해 상기 전자 팽창밸브의 출력단에 연결한 핫가스 혼합라인을 더 포함시키고, 전자 팽창밸브 출력단에 전자 팽창밸브의 출력과 상기 핫가스 공급수단을 통해 공급되는 핫가스를 혼합하기 위한 핫가스 혼합기를 더 포함시켜 구성함으로써, 가스 혼합기를 통해 빠르고 균일한 가스 혼합이 이루어져 온도조절 반응속도를 향상시킴과 아울러 정밀한 온도제어가 가능해지도록 한 반도체 공정용 설비의 칠러 장치가 개시되어 있다.
등록특허 10-1576063
본 발명은, 지속가능하고 친환경적인 냉매 및 냉각제를 사용하는 반도체 공정챔버용 냉각 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 웨이퍼 척과의 전도에 의해 반도체 공정챔버가 냉각되고, 상기 웨이퍼 척을 냉각시키는 냉각제가 순환하는 메인 사이클; 및 상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제를 냉각시키는 유체가 순환하는 제1 사이클;을 포함하고, 상기 메인 사이클은 기액분리기를 포함하고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 냉각제가 상기 웨이퍼 척으로 공급되고, 상기 웨이퍼 척으로 공급된 액체 냉각제는 상기 웨이퍼 척을 냉각시키며 기체로 상이 변화하고, 상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제는 지구온난화지수가 5.0 이하인 성분만을 포함하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템이 제공된다.
상기 메인 사이클은, 상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 냉각제와, 상기 웨이퍼 척을 냉각시킨 후 배출된 기체 냉각제를 혼합하는 혼합기를 더 포함할 수 있다.
상기 메인 사이클은, 상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 냉각제를 팽창기시키는 팽창기를 더 포함할 수 있고, 상기 팽창기의 출구 압력은, 상기 웨이퍼 척을 냉각시킨 후 배출되어 상기 혼합기로 보내지는 기체 냉각제의 압력과 동일하게 제어될 수 있다.
상기 메인 사이클은, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 냉각제가 상기 웨이퍼 척으로 공급되는 유로에 설치되어, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 냉각제의 온도를 제어하는 제2 가열기를 더 포함할 수 있다.
상기 메인 사이클은, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 냉각제가 상기 웨이퍼 척으로 공급되는 유로에 설치되어, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 냉각제의 유량을 조절하는 제8 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 반도체 공정챔버용 냉각 시스템은, 상기 제1 사이클을 순환하는 유체를 냉매로, 상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제를 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 사이클은 상기 제1 열교환기의 저온유로를 포함하고, 상기 메인 사이클은 상기 제1 열교환기의 고온유로를 포함할 수 있으며, 상기 제1 열교환기의 고온유로는 상기 기액분리기 상류에 위치할 수 있다.
상기 메인 사이클은, 상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제를 냉매로, 상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제를 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 열교환기의 고온유로는 상기 기액분리기 상류에 위치하고, 상기 제2 열교환기의 저온유로는 상기 혼합기 하류에 위치할 수 있다.
상기 메인 사이클은, 상기 기액분리기 상류에 설치되어 상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제를 압축시키는 압축기를 더 포함할 수 있고, 상기 팽창기와 상기 압축기는 별도로 설치되거나 컴팬더를 구성할 수 있다.
상기 메인 사이클은, 상기 압축기 상류에 설치되는 석션드럼을 더 포함할 수 있고, 상기 압축기의 입구 압력은 상기 석션드럼의 내부 압력에 의해 결정될 수 있다.
상기 메인 사이클은, 상기 석션드럼 상류에 설치되어, 상기 석션드럼으로 공급되는 냉각제의 온도를 제어하는 제1 가열기를 더 포함할 수 있다.
상기 메인 사이클은, 상기 석션드럼 상류에 설치되어, 상기 석션드럼으로 공급되는 냉각제의 압력을 조절하는 제9 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 메인 사이클은, 상기 석션드럼에 냉각제를 공급하거나, 상기 석션드럼으로부터 냉각제를 배출시키는 제3 라인; 및 상기 제3 라인에 설치되어 냉각제의 유량을 조절하는 제7 밸브;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 사이클은, 상기 제1 열교환기의 저온유로 하류에 설치되어, 상기 제1 열교환기의 저온유로를 통과하며 온도가 높아진 유체를 저장하는 저장탱크; 상기 저장탱크로부터 외부 사용처로 온도가 높아진 유체를 공급하는 제2 라인; 및 상기 제2 라인에 설치되어, 상기 외부 사용처로 공급되는 유체의 유량을 제어하는 제6 밸브;를 더 포함할 수 있다.
상기 반도체 공정챔버용 냉각 시스템은, 절대압 기준 5 bar 이하의 압력에서도 상기 기액분리기의 입구 조건이 액체와 기체 혼합의 2상 조건이 되도록 설계될 수 있다.
상기 메인사이클을 순환하는 냉각제는, 초저온 가스와 저온 가스를 혼합한 것일 수 있다.
상기 초저온 가스는 질소, 산소, 및 아르곤 중 하나이고, 상기 저온 가스는 이산화탄소일 수 있다.
상기 초저온 가스는 몰분율 기준 0.65 이상이고, 상기 저온 가스는 몰분율 기준 0.35 이상일 수 있다.
상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 냉각제의 질소 비율은 몰분율 기준 0.8 이상이고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 냉각제의 질소 비율은 몰분율 기준 0.05 이하일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 웨이퍼 척으로 공급되는 냉각제의 온도와, 상기 웨이퍼 척을 냉각시킨 후 배출되는 냉각제의 온도 차이에 의해, 상기 제8 밸브의 개폐 및 개도를 조절할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 석션드럼의 내부 압력에 의해 상기 제9 밸브의 개폐 및 개도를 조절할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 석션드럼의 내부 압력에 의해 상기 제7 밸브의 개폐 및 개도를 조절할 수 있다.
본 발명에 의하면, 냉매 또는 냉각제로 지구온난화지수(GWP)가 5.0 이하인 물질을 사용함으로써 친환경적이고 지속가능성이 높다는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 두 개의 사이클만으로 반도체 공정챔버용 냉각 시스템을 구성함으로써, 세 개의 사이클을 포함하는 경우에 비해 구성이 간단하고, 부피가 적으며, 비용이 절감된다는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 두 개의 사이클만으로 반도체 공정챔버용 냉각 시스템을 구성함으로써, 에너지 효율이 향상된다는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 액체 냉각제가 웨이퍼 척을 냉각시킨 후 기체로 상변화가 일어나도록 구성함으로써, 잠열 활용에 따른 에너지 효율이 증대된다는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 고온의 냉각수를 저장탱크에 저장한 후 외부 사용처로 공급함으로써, 냉각제가 압축되면서 발생하는 열을 활용할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 반도체 공정챔버용 냉각 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 반도체 공정챔버용 냉각 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 제2 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템의 메인 사이클을 개략적으로 도시한 것이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 반도체 공정 분야 및 냉각 시스템 분야에 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 반도체 공정챔버용 냉각 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템은, 세 개의 사이클(C1, C2, C3)을 포함한다. 제3 사이클(C3)에서는 반도체 공정챔버(PC)를 냉각시키기 위한 냉각제(Coolant)가 순환되고, 제2 사이클(C2)에서는 제3 사이클(C3)을 순환하는 냉각제를 냉각시키기 위한 냉매(Refrigerant)가 순환되고, 제1 사이클(C1)에서는 제2 사이클(C2)을 순환하는 냉매를 냉각시키기 위한 냉각수가 순환될 수 있다. 다만, 제1 사이클(C1)을 순환하는 물질은 물로 한정되는 것은 아니며, 제2 사이클(C2)을 냉각시키기에 적합한 다른 유체가 제1 사이클(C1)을 순환할 수 있다.
제1 사이클(C1)은, 제1 펌프(P1), 제1 열교환기(110)의 저온유로, 및 냉각탑(330)를 포함할 수 있다.
제1 라인(L1)을 통해 제1 사이클(C1)로 공급된 물은, 제1 펌프(P1)에 의해 압축되고, 제1 열교환기(110)의 저온유로를 통과하며 제2 사이클(C2)을 순환하는 냉매와 열교환되어 온도가 높아지고(즉, 제2 사이클(C2)을 순환하는 냉매를 냉각시키고), 냉각탑(330)에 의해 냉각된 후 다시 제1 펌프(P1)로 공급되어 순환될 수 있다.
제1 사이클(C1)로 물을 공급하는 제1 라인(L1) 상에는 제1 사이클(C1)로 공급되는 물의 유량을 제어하는 제1 밸브(V1)가 설치될 수 있고, 제1 펌프(P1)와 제1 열교환기(110)의 저온유로 사이에는 제1 열교환기(110)로 공급되는 냉각수의 유량을 제어하는 제2 밸브(V2)가 설치될 수 있다.
제2 사이클(C2)은, 압축기(410), 제1 열교환기(110)의 고온유로, 제2 열교환기(120)의 고온유로, 팽창기(420), 제3 열교환기(130)의 저온유로, 및 제2 열교환기(120)의 저온유로를 포함할 수 있다.
압축기(410)에 의해 압축된 냉매는, 제1 열교환기(110)의 고온유로를 통과하며 제1 사이클(C1)을 순환하는 냉각수와 열교환되어 냉각될 수 있다. 압축기(410)에 의해 압축된 냉매의 온도는 대략 100℃ 이상일 수 있고, 제1 열교환기(110)의 고온유로를 통과하며 냉각된 냉매의 온도는 대략 상온일 수 있다.
압축기(410)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)의 고온유로를 통과하며 냉각된 냉매는, 제2 열교환기(120)의 고온유로를 통과하며 온도가 더 낮아진 후, 팽창기(420)에 의해 팽창되어 압력 및 온도가 낮아질 수 있다. 팽창기(420)에 의해 팽창된 냉매의 온도는 대략 -100℃ 이하일 수 있다.
팽창기(420)와 압축기(410)는 별도로 설치될 수도 있고 컴팬더를 구성할 수도 있다. 팽창기(420)와 압축기(410)가 컴팬더를 구성하는 경우, 팽창기(420)와 압축기(410)를 연결하는 축에는 모터(430)가 설치될 수 있다.
압축기(410)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)의 고온유로, 제2 열교환기(120)의 고온유로, 및 팽창기(420)를 통과하며 온도가 낮아진 냉매는, 제3 열교환기(130)의 저온유로를 통과하며 제3 사이클(C3)을 순환하는 냉각제와 열교환되어 온도가 높아진 후(즉, 제3 사이클(C3)을 순환하는 냉각제를 냉각시킨 후), 제2 열교환기(120)의 저온유로로 공급될 수 있다.
제2 열교환기(120)에서는 자가열교환(Self-Heat Exchange)이 일어나며, 제2 열교환기(120)의 저온유로를 통과하는 냉매가 제2 열교환기(120)의 고온유로를 통과하는 냉매를 냉각시킬 수 있다.
제2 사이클(C2)을 순환하는 냉매는 지구온난화지수(GWP)가 5.0 이하인 물질일 수 있으며, 일례로 공기일 수 있다. 제2 사이클(C2)을 순환하는 냉매는 기체 상태일 수 있고, 제2 사이클(C2)은 상 변화가 없는 기체 사이클인 역 브레이튼 사이클(Reverse Brayton Cycle)일 수 있다.
종래에는 제2 사이클(C2)을 순환하는 냉매로 지구온난화지수(GWP)가 높은 물질이 사용되었으나, 본 실시예에 의하면 제2 사이클(C2)을 순환하는 냉매로 지구온난화지수(GWP)가 5.0 이하인 공기 등의 자연 냉매를 사용함으로써 보다 친환경적이라는 장점이 있다.
한편, 기체 상태의 냉매를 직접 웨이퍼 척(W)을 냉각시키는데 사용하면, 기체 상태에서는 열전달 속도가 낮아, 빠른 속도로 균일하게 웨이퍼 척(W)을 냉각시키기가 어렵다. 따라서, 본 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템은, 웨이퍼 척(W)을 직접 냉각시키는 제3 사이클(C3)을 순환하는 냉각제는 초저온 상태(대략 -100℃)로 냉각되어도 액체 상태로 존재하는 물질로 구성하고, 제3 사이클(C3)을 순환하는 냉각제를 냉각시키기 위한 제2 사이클(C2)을 순환하는 냉매는, 제3 사이클(C3)을 순환하는 냉각제를 초저온 상태로 냉각시킬 수 있으며, 가스의 압축, 팽창 과정에 의한 대용량 냉각이 가능하도록 기체 상태의 물질로 구성할 수 있다.
제2 열교환기(120)의 저온유로를 통과한 냉매는, 다시 압축기(410)로 공급되어 순환될 수 있다. 제2 열교환기(120)의 저온유로와 압축기(410) 사이에는 압축기(410)로 공급되는 냉매의 압력을 제어하는 제3 밸브(V3)가 설치될 수 있다.
제3 사이클(C3)은, 제3 열교환기(130)의 고온유로, 웨이퍼 척(W), 및 제2 펌프(P2)를 포함할 수 있다. 제3 사이클(C3)은 브라인 사이클(Brine Cycle)로 구성될 수 있다.
브라인 사이클은 제2 사이클(C2)로부터 간접 열교환 방식에 의해 냉각되어 해당 온도에서 액체 상태인 냉각제를 작동 유체로 순환시키기 위한 펌프(P2) 및 제4 밸브(V4)를 포함할 수 있다. 냉각제는 액체 상태로 순환하면서 웨이퍼 척(W)을 균일하게 냉각한 후 온도가 상승되어도 기화되지 않으며, 다시 제2 사이클(C2)에 의해 냉각되는 순환 과정을 거친다. 냉각제가 액체 상태로 존재하는 것의 이점은 반도체 공정챔버(PC)에 직접 냉각제가 접촉할 수 없는 상태에서 웨이퍼 척(W)을 통한 전도 열전달을 극대화할 수 있는데 있다.
제3 열교환기(130)의 고온유로를 통과하며 제2 사이클(C2)을 순환하는 냉매와 열교환되어 온도가 낮아진 냉각제는, 웨이퍼 척(W)을 냉각시키고 제2 펌프(P2)에 의해 압축된 후, 다시 제3 열교환기(130)의 고온유로로 공급되어 순환될 수 있다.
제3 열교환기(130)의 고온유로를 통과한 후 웨이퍼 척(W)으로 공급되는 냉각제는, 액체 상태일 수 있다. 즉, 제3 사이클(C3)을 순환하는 냉각제는 웨이퍼 척(W)을 냉각시키기 위한 초저온(대략 -100℃) 상태에서도 액체 상태로 존재하는 물질일 수 있다. 표면적이 넓은 웨이퍼 척(W)에서의 차압 크고 균일한 열전달이 가능하다는 점에서, 기체 상태의 냉각제보다는 액체 상태의 냉각제가 유리하기 때문이다. 웨이퍼 척(W)을 냉각시킨 후 웨이퍼 척(W)으로부터 배출되는 냉각제도 액체 상태일 수 있다.
제3 사이클(C3)을 순환하는 냉각제는, 수소화불화에테르(HFE, Hydro-Fluoro Ether) 계열의 물질, 갈덴(Galden) 등일 수 있다. 다만, 수소화불화에테르(HFE) 계열의 냉각제나 갈덴(Galden)은, 지구온난화지수(GWP)가 50 이상인데, 2030년 이후 선진국에서는 지구온난화지수(GWP)가 5.0 이하인 성분만을 사용할 수 있다는 문제가 있다. 그러나, 본 실시예와 같이 제1 내지 제3 사이클(C1, C2, C3)을 구성하여 반도체 공정챔버(PC)를 냉각시키기 위해서는, 제3 사이클(C3)을 순환하는 냉각제로 지구온난화지수(GWP)가 5.0 이하인 물질을 사용하기 어렵다.
제3 사이클(C3)을 순환하는 냉각제로 지구온난화지수(GWP)가 5.0 이하인 성분만을 포함하는 냉각제를 사용하려면(일례로, 제2 실시예의 메인 사이클(C4)을 순환하는 냉각제), 압축기가 추가적으로 필요하여 설비 투자비가 증가하고 운영 효율이 감소할 수 있다. 따라서, 압축기를 한 대만 사용하면서 제2 사이클(C2)과 제3 사이클(C3)을 모두 커버하는 기술이 요구된다.
제3 열교환기(130)의 고온유로를 통과하며 온도가 낮아진 냉각제에 의해 냉각된 웨이퍼 척(W)이, 전도에 의해 반도체 공정챔버(PC)를 냉각시킬 수 있도록, 웨이퍼 척(W)과 반도체 공정챔버(PC)를 서로 접하게 설치할 수 있다. 효율적인 냉각을 위해 웨이퍼 척(W)은 표면적이 넓게 형성될 수 있고, 웨이퍼 척(W)의 넓은 표면적에 반도체 공정챔버(PC)가 접하도록 설치될 수 있다. 제3 사이클(C3)을 순환하는 냉각제로 직접 반도체 공정챔버(PC)를 직접 냉각시키지 않는 이유는, 냉각제 성분이 반도체 공정챔버(PC)의 전자부품에 접촉하는 것을 방지하기 위해서이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 반도체 공정챔버용 냉각 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 도 2에 도시된 제2 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템과, 도 1에 도시된 제1 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템의 주된 차이점은 다음과 같다.
1) 제1 실시예의 제2 사이클(C2)과 제3 사이클(C3)을 통합하여 메인 사이클(C4)로 구성함.
2) 제3 열교환기(130)를 삭제하고 기액분리기(230)를 추가함.
3) 메인 사이클(C4)을 순환하는 냉각제가, 제1 실시예의 제2 사이클(C2)을 순환하는 냉매나 제3 사이클(C3)을 순환하는 냉각제와 다른 물질임.
이하, 본 발명의 제2 실시예의 냉각시스템을 자세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 제2 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템은, 두 개의 사이클(C1, C4)을 포함한다. 메인 사이클(C4)에서는 반도체 공정챔버(PC)를 냉각시키기 위한 냉각제(Coolant)가 순환되고, 제1 사이클(C1)에서는 메인 사이클(C4)을 순환하는 냉각제를 냉각시키기 위한 냉각수가 순환될 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 제1 실시예와 같이 웨이퍼 척(W)을 간접 냉각시키는 것이 아니라 직접 냉각시키며, 본 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템은, 별도의 브라인 사이클(제3 사이클(C3))을 필요로 하지 않는 단일 루프 냉각 시스템일 수 있다. 다만, 제1 사이클(C1)을 순환하는 물질은 물로 한정되는 것은 아니며, 제2 사이클(C2)을 냉각시키기에 적합한 다른 유체가 제1 사이클(C1)을 순환할 수 있다.
제1 사이클(C1)은, 제1 펌프(P1), 제1 열교환기(110)의 저온유로, 및 냉각탑(330)를 포함할 수 있다.
제1 라인(L1)을 통해 제1 사이클(C1)로 공급된 물은, 제1 펌프(P1)에 의해 압축되고, 제1 열교환기(110)의 저온유로를 통과하며 메인 사이클(C4)을 순환하는 냉각제와 열교환되어 온도가 높아지고(즉, 메인 사이클(C4)을 순환하는 냉각제를 냉각시키고), 냉각탑(330)에 의해 냉각된 후 다시 제1 펌프(P1)로 공급되어 순환될 수 있다.
제1 사이클(C1)로 냉각수를 공급하는 제1 라인(L1) 상에는 제1 사이클(C1)로 공급되는 물의 유량을 제어하는 제1 밸브(V1)가 설치될 수 있고, 제1 펌프(P1)와 제1 열교환기(110)의 저온유로 사이에는 제1 열교환기(110)로 공급되는 냉각수의 유량을 제어하는 제2 밸브(V2)가 설치될 수 있다. 또한, 제1 열교환기(110)의 저온유로와 냉각탑(330) 사이에는 냉각탑(330)으로 공급되는 냉각수의 압력을 제어하는 제5 밸브(V5)가 설치될 수 있다.
제1 열교환기(110)의 저온유로와 냉각탑(330) 사이에, 제1 사이클(C1)이 제5 밸브(V5)를 포함하는 경우에는 제1 열교환기(110)의 저온유로와 제5 밸브(V5) 사이에, 제1 열교환기(110)의 저온유로를 통과하며 온도가 올라간 냉각수를 저장하는 저장탱크(210)가 설치될 수 있다.
저장탱크(210)에 저장된 온수(온도가 높아진 냉각수, 이하 동일)의 일부 또는 전부는, 제2 라인(L2)을 통해 외부 사용처로 공급되어 직접 사용되거나 폐열이 활용될 수 있다. 저장탱크(210)에 저장된 온수가 공급되는 외부 사용처는, 일례로 반도체 팹(FAB) 등의 냉각시스템을 구비한 공장일 수 있다.
또한, 제1 온도 트랜스미터(TT1)가 제2 라인(L2)을 따라 저장탱크(210)로부터 외부 사용처로 배출되는 온수의 온도를 측정할 수 있고, 저장탱크(210)로부터 온수를 공급받는 외부 사용처에서 요구하는 온수의 온도를 맞추기 위하여, 제1 밸브(V1)는, 제1 온도 트랜스미터(TT1)로부터 신호를 받는 제1 온도 제어기(TIC1)에 의해, 개폐 및 개도가 조절될 수 있다.
저장탱크(210)로부터 배출되어 제2 라인(L2)을 따라 외부 사용처로 공급되는 온수의 온도(즉, 제1 온도 트랜스미터(TT1)에서 측정된 온수의 온도)가 외부 사용처의 요구 온도보다 높거나 낮지 않도록 하기 위해서, 제1 밸브(V1)의 개도 변화가 제1 온도 트랜스미터(TT1)에서 측정된 온도 변화에 반비례하도록 온도 Input 기반 밸브 개도 PID 제어를 할 수 있다.
제2 라인(L2)에는 외부 사용처로 공급되는 온수의 유량을 제어하는 제6 밸브(V6)가 설치될 수 있다. 저장탱크(210)에 저장된 온수 중 제2 라인(L2)을 통해 외부 사용처로 공급되지 않고 남은 온수는 냉각탑(330)로 보내질 수 있다.
본 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템에 의하면, 제1 열교환기(110)에서 메인 사이클(C4)을 순환하는 냉각제를 냉각시키며 온도가 높아진 냉각수를 저장탱크(210)에 저장한 후, 저장탱크(210)에 저장된 온수를 활용함으로써, 제1 사이클(C1)에서 순환하는 냉각수의 열을 활용할 수 있다.
메인 사이클(C4)은, 압축기(410), 제1 열교환기(110)의 고온유로, 제2 열교환기(120)의 고온유로, 기액분리기(230), 팽창기(420), 혼합기(500), 및 제2 열교환기(120)의 저온유로를 포함할 수 있다.
압축기(410)에 의해 압축된 냉각제는, 제1 열교환기(110)의 고온유로를 통과하며 제1 사이클(C1)을 순환하는 냉각수와 열교환되어 온도가 낮아지고, 제2 열교환기(120)의 고온유로를 통과하며 온도가 더 낮아진 후, 기액분리기(230)로 보내질 수 있다.
본 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템은, 절대압 기준 5 bar 이하의 압력에서도 기액분리기(230)의 입구 조건이 액체와 기체 혼합의 2상(Phase) 조건이 되도록 설계될 수 있다.
기액분리기(230)에 의해 분리된 기체 냉각제는 팽창기(420)에 의해 팽창되어 압력 및 온도가 낮아진 후 혼합기(500)로 보내질 수 있다. 팽창기(420)와 압축기(410)는 별도로 설치될 수도 있고 컴팬더를 구성할 수도 있다. 팽창기(420)와 압축기(410)가 컴팬더를 구성하는 경우, 팽창기(420)와 압축기(410)를 연결하는 축에는 모터(430)가 설치될 수 있다.
기액분리기(230)에 의해 분리된 액체 냉각제는 웨이퍼 척(W)을 냉각시킨 후 기체로 상변화할 수 있고, 웨이퍼 척(W)을 냉각시킨 후 배출된 기체 냉각제는 혼합기(500)로 보내질 수 있다.
본 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템은, 웨이퍼 척(W)으로 공급되는 액체 냉각제가 웨이퍼 척(W)을 냉각시킨 후 기체로 상변화되어, 웨이퍼 척(W)을 냉각시킨 후에 배출되는 냉각제가 기체 상태일 수 있다는 점에서, 웨이퍼 척(W)으로 공급되는 냉각제와 웨이퍼 척을 냉각시킨 후에 배출되는 냉각제가 모두 액체 상태인 제1 실시예와 차이가 있다.
팽창기(420)의 출구 압력은, 웨이퍼 척(W)을 냉각시킨 후 배출되어 혼합기(500)로 보내지는 냉각제의 압력과 동일(일정 범위 오차 포함)하게 제어될 수 있다.
기액분리기(230)에 의해 분리된 액체 냉각제에 의해 냉각된 웨이퍼 척(W)이, 전도에 의해 반도체 공정챔버(PC)를 냉각시킬 수 있도록, 웨이퍼 척(W)과 반도체 공정챔버(PC)를 서로 접하게 설치할 수 있다. 효율적인 냉각을 위해 웨이퍼 척(W)은 표면적이 넓게 형성될 수 있고, 웨이퍼 척(W)의 넓은 표면적에 반도체 공정챔버(PC)가 접하도록 설치될 수 있다. 제3 사이클(C3)을 순환하는 냉각제로 직접 반도체 공정챔버(PC)를 직접 냉각시키지 않는 이유는, 냉각제 성분이 반도체 공정챔버(PC)의 전자부품에 접촉하는 것을 방지하기 위해서이다.
기액분리기(230)에 의해 분리된 액체 냉각제가 웨이퍼 척(W)으로 공급되는 유로에는 제2 가열기(320)가 설치될 수 있다. 반도체 공정챔버(PC)를 요구되는 온도로 제어하기 위해, 웨이퍼 척(W)을 필요 온도로 냉각시킬 수 있도록, 기액분리기(230)에 의해 분리된 액체 냉각제의 온도를 제2 가열기(320)에 의해 정밀하게 제어할 수 있다.
기액분리기(230)에 의해 분리된 액체 냉각제가 웨이퍼 척(W)으로 공급되는 유로에는, 기액분리기(230)에 의해 분리된 액체 냉각제의 유량을 조절하는 제8 밸브(V8)가 설치될 수 있다. 본 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템이 제2 가열기(320)를 포함하는 경우, 제8 밸브(V8)는 기액분리기(230)와 제2 가열기(320) 사이에 설치될 수 있다.
제8 밸브(V8)는, 웨이퍼 척(W)으로 공급되는 냉각제의 온도와, 웨이퍼 척(W)을 냉각시킨 후 배출되는 냉각제의 온도 차이에 의해, 개폐 및 개도가 조절될 수 있다. 구체적으로, 웨이퍼 척(W)으로 공급되는 냉각제의 온도를 제2 온도 트랜스미터(TT2)에 의해 측정하고, 웨이퍼 척(W)을 냉각시키고 난 후 배출되는 냉각제의 온도를 제3 온도 트랜스미터(TT3)에 의해 측정하고, 제2 온도 트랜스미터(TT2)에 의해 측정한 온도값과 제3 온도 트랜스미터(TT3)에 의해 측정한 온도값의 차이를 온도차 분석기(DT)에 의해 계산한 후, 온도차 분석기(DT)로부터 신호를 받아 온도차 제어기(TDC)가 제8 밸브(V8)의 개폐 및 개도를 조절할 수 있다.
온도차 분석기(DT)가 계산한 온도 차이가 제1 설정값 이상이 되면, 반도체 공정챔버(PC)에서의 냉각 부하가 크다는 의미이므로 제8 밸브(V8)의 개도를 높여 냉각제를 더 많이 공급하고, 반대로 온도차 분석기(DT)가 계산한 온도 차이가 제1 설정값 미만이 되면, 반도체 공정챔버(PC)의 냉각 부하가 적다는 의미이므로 제8 밸브(V8)의 개도를 줄여 냉각제 유량을 줄일 수 있다.
혼합기(500)에서 혼합된 유체는, 제2 열교환기(120)의 저온유로로 공급되어, 제2 열교환기(120)의 고온유로를 통과하는 냉각제를 냉각시킬 수 있다. 즉, 제2 열교환기(120)에서는 자가열교환(self-heat exchange)이 일어날 수 있다. 혼합기(500)에서 배출된 유체의 온도는 대략 -100℃일 수 있다.
제2 열교환기(120)의 저온유로를 통과한 냉각제는 석션드럼(220)으로 공급되고, 석션드럼(220)으로부터 배출된 냉각제가 다시 압축기(410)로 보내져 순환될 수 있다. 압축기(410)의 입구 압력은, 석션드럼(220)의 내부 압력에 의해 결정될 수 있다.
제2 열교환기(120)의 저온유로를 통과한 냉각제를 바로 압축기(410)로 공급하지 않고, 석션드럼(220)에 일정량을 모았다가 압축기(410)로 공급함으로써, 석션드럼(220)은 버퍼(Buffer) 역할을 할 수 있다.
제2 열교환기(120)의 저온유로와 석션드럼(220) 사이에는, 석션드럼(220)으로 공급되는 냉각제를 가열하여 냉각제의 온도를 정밀하게 제어하는 제1 가열기(310)가 설치될 수 있다.
석션드럼(220)에는, 냉각제를 석션드럼(220)으로 공급하거나 냉각제를 석션드럼(220)으로부터 배출시키는 제3 라인(L3)이 설치되어, 석션드럼(220) 내부의 냉각제가 과도하게 많은 경우에 제3 라인(L3)을 통해 냉각제를 배출시키고, 석션드럼(220) 내부의 냉각제가 과도하게 적은 경우에 제3 라인(L3)을 통해 석션드럼(220)에 냉각제를 충진할 수 있다.
제3 라인(L3) 상에는 석션드럼(220)으로부터 배출되거나 석션드럼(220)으로 공급되는 냉각제의 유량을 조절하는 제7 밸브(V7)가 설치될 수 있다.
제7 밸브(V7)는 석션드럼(220)의 내부 압력에 의해 개폐 및 개도가 조절될 수 있다. 구체적으로, 제7 밸브(V7)는, 석션드럼(220)에 설치되어 석션드럼(220)의 내부 압력을 측정하는 제1 압력 트랜스미터(PT1)으로부터 신호를 받는 제1 압력 제어기(PIC1)에 의해, 개폐 및 개도가 조절될 수 있다.
제1 압력 트랜스미터(PT1)가 측정한 압력값이 제2 설정값 미만이 되면, 석션드럼(220) 내의 냉각제의 양이 과도하게 적거나 없다는 의미이므로, 제7 밸브(V7)를 열어 냉각제를 석션드럼(220)으로 공급하고, 제1 압력 트랜스미터(PT1)가 측정한 압력값이 제2 설정값 이상이 되면, 석션드럼(220) 내의 냉각제의 양이 적정하다는 의미이므로, 제7 밸브(V7)를 닫아 냉각제를 석션드럼(220)으로 공급하지 않을 수 있다. 제1 압력 트랜스미터(PT1)가 측정한 압력값이 작을수록 제7 밸브(V7)의 개도를 증가시켜 석션드럼(220)으로 공급되는 냉각제의 양을 늘릴 수 있고, 제1 압력 트랜스미터(PT1)가 측정한 압력값이 커질수록 제7 밸브(V7)의 개도를 감소시켜 석션드럼(220)으로 공급되는 냉각제의 양을 줄일 수 있다.
제1 압력 트랜스미터(PT1)가 측정한 압력값이 제3 설정값 초과가 되면, 석션드럼(220) 내부의 냉각제의 양이 과도하게 많다는 의미이므로, 제7 밸브(V7)를 열어 석션드럼(220) 내부의 냉각제를 배출시키고, 제1 압력 트랜스미터(PT1)가 측정한 압력값이 제3 설정값 이하가 되면, 석션드럼(220) 내의 냉각제의 양이 적정하다는 의미이므로, 제7 밸브(V7)를 닫아 석션드럼(220) 내부의 냉각제를 배출시키지 않을 수 있다. 제1 압력 트랜스미터(PT1)가 측정한 압력값이 클수록 제7 밸브(V7)의 개도를 증가시켜 석션드럼(220)으로부터 배출되는 냉각제의 양을 늘릴 수 있고, 제1 압력 트랜스미터(PT1)가 측정한 압력값이 작아질수록 제7 밸브(V7)의 개도를 감소시켜 석션드럼(220)으로부터 배출되는 냉각제의 양을 줄일 수 있다.
제2 열교환기(120)의 저온유로와 석션드럼(220) 사이에는, 석션드럼(220)으로 공급되는 냉각제의 압력을 조절하는 제9 밸브(V9)가 설치될 수 있다. 본 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템이 제1 가열기(310)를 포함하는 경우, 제9 밸브(V9)는 제2 열교환기(120)의 저온유로와 제1 가열기(310) 사이에 설치될 수 있다.
제9 밸브(V9)는, 제7 밸브(V7)에 의해 석션드럼(220) 내부 압력이 인위적으로 조정되는 것을 예방하기 위해 사용된다. 구체적으로, 제9 밸브(V9)는, 열교환기(120) 후단 배관에 설치되어 석션드럼(220)으로 향하는 가스 압력을 1차적으로 조정하는 역할을 한다. 즉, 제9 밸브(V9)를 통한 적절한 압력 조절은 제7 밸브(V7)의 역할을 축소시킬 수 있다. 다만, 제9 밸브(V9)를 통한 압력 조절의 한계가 있으므로, 냉매의 누수 등에 의한 절대적 냉매량이 부족할 경우, 제7 밸브(V7)에 의한 석션드럼(220) 내부 압력 조정이 필요하다.
제9 밸브(V9)의 개도는, 제9 밸브(V9)의 출구 압력이 제1 압력 트랜스미터(PT1)가 측정한 압력값과 동일해지도록 제2 압력 제어기(PIC)2에 의해 제어되는 방식이 기본이며, 석션드럼(220)의 압력이 적을 경우 제9 밸브(V9)의 출구 압력을 제1 압력 트랜스미터(PT1)가 측정한 압력값보다 높도록 제어하여, 제7 밸브(V7)의 개방을 통한 석션드럼(220) 압력 조정을 하지 않거나, 그 시기를 늦출 수 있도록 한다.
본 발명의 발명자들은, 본 실시예와 같이 구성된 메인 사이클(C4)에 적합하며, 지구온난화지수(GWP)가 5.0 이하인 성분만을 포함하는 새로운 냉각제를 개발하였다.
구체적으로, 본 실시예의 메인 사이클(C4)을 순환하는 냉각제는, 상압에서의 액화 온도 기준 대략 -200℃ ~ -100℃ 범위의 초저온 가스와, 상압에서의 액화 온도 기준 대략 -100℃ ~ -30℃ 범위의 저온 가스를 혼합한 것일 수 있다. 이 때, 초저온 가스는, 질소, 산소, 및 아르곤 중 하나일 수 있고, 저온 가스는 이산화탄소일 수 있으며, 초저온 가스는 몰분율 기준 0.65 이상, 저온 가스는 몰분율 기준 0.35 이상일 수 있다.
본 실시예의 메인 사이클(C4)을 순환하는 냉각제는, 일례로, 몰분율 기준 0.65 ~ 1의 초저온 질소와 0 ~ 0.35의 저온 이산화탄소를 혼합한 것일 수 있다.
또한, 기액분리기(230)에 의해 분리된 기체 냉각제의 질소 비율이 몰분율 기준 0.8 이상, 기액분리기(230)에 의해 분리된 액체 냉각제의 질소 비율이 몰분율 기준 0.05 이하가 되도록, 기액분리기(230)의 조건을 설계할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 제2 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템의 메인 사이클(C4)을 개략적으로 도시한 것이고, 아래 표 1은 도 3의 R1 내지 R5에서의 냉각제의 온도(degC), 압력(bar Abs), 질량 유량(g/s), N2 및 CO2의 조성(몰분율)의 일례를 나타낸 것이고, 아래 표 2는 도 3의 R6 내지 R10에서의 냉각제의 온도(degC), 압력(bar Abs), 질량 유량(g/s), N2 및 CO2의 조성(몰분율)의 일례를 나타낸 것이며, 아래 표 3은 압축기(410)의 단열 효율, 팽창기(420)의 등엔트로피 효율, 및 웨이퍼 척(W)의 입구 온도의 가정 조건에 따른 계산 결과를 나타낸 것이다.
R1 R2 R3 R4 R5
온도(degC) 25.000 140.913 25.000 -101.000 -101.000
압력(bar Abs) 1.013 2.800 2.800 2.750 2.750
질량 유량(g/s) 183.000 183.000 183.000 183.000 169.685
조성
(몰분율) 		N 2 0.65 ~ 1 0.65 ~ 1 0.65 ~ 1 0.65 ~ 1 0.8 ~ 1
CO 2 0 ~ 0.35 0 ~ 0.35 0 ~ 0.35 0 ~ 0.35 0 ~ 0.2
R6 R7 R8 R9 R10
온도(degC) -115.175 -101.000 -50.000 -111.530 22.766
압력(bar Abs) 1.063 2.750 1.063 1.063 1.013
질량 유량(g/s) 169.685 13.315 13.315 183.000 183.000
조성
(몰분율) 		N 2 0.8 ~ 1 0 ~ 0.05 0 ~ 0.05 0.65 ~ 1 0.65 ~ 1
CO 2 0 ~ 0.2 0.95 ~ 1 0.95 ~ 1 0 ~ 0.35 0 ~ 0.35
가정 조건 계산 결과
압축기(410) 단열 효율 80% 압축 일(kW) 21.226

팽창기(420)
등엔트로피 효율
90%		 출력(kW) 6.283
순 출력(kW) 14.943
웨이퍼 척(W) 입구 온도 -100℃ 이하 냉각 열(kW) 5.993
성적계수(COP) 0.401
제1 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템의 성적계수(COP, Coefficient of Performance)는 대략 0.3 정도인 반면, 제2 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템의 성적계수(COP)는 대략 0.4로 제2 실시예가 제1 실시예에 비해 에너지 효율이 상승되었음을 확인할 수 있다.
본 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템은, 제1 실시예의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템에 비해 다음과 같은 장점이 있다.
1) 두 개의 사이클(C1, C4)만을 포함하므로, 세 개의 사이클(C1, C2, C3)을 포함하는 제1 실시예에 비해 구성이 간단하고, 부피가 적으며, 비용이 절감됨.
2) 제1 실시예의 제2 사이클(C2)과 제3 사이클(C3)을 통합하여 메인 사이클(C4)로 구성함으로써 에너지 효율이 향상됨.
3) 제1 실시예에서는 웨이퍼 척(W)을 냉각시킨 후에 배출되는 냉각제가 웨이퍼 척(W)으로 공급되는 냉각제와 마찬가지로 액체상인 반면, 본 실시예에서는 웨이퍼 척(W)으로 공급되는 액체 냉각제가 웨이퍼 척(W)을 냉각시키며 기체로 상이 변화하므로, 잠열을 활용할 수 있어 에너지 효율이 증대됨.
4) 제1 실시예와 같이 세 개의 사이클(C1, C2, C3)로 구성하는 경우, 제2 사이클(C2)을 순환하는 냉매는 지구온난화지수(GWP) 5.0 이하의 물질로 구성할 수 있으나, 제3 사이클(C3)을 순환하는 냉매는 지구온난화지수(GWP) 5.0을 초과하는 물질로 구성할 수밖에 없어 지속 가능성이 떨어지나, 본 실시예는 전체 냉각 시스템에서 지구온난화지수(GWP)가 5.0을 초과하는 물질을 전혀 사용하지 않으므로, 지속 가능성이 높음.
5) 제1 사이클(C1)에 냉각수를 저장하는 저장탱크(210)를 설치하고, 저장탱크(210)에 저장된 고온의 냉각수를 외부 사용처로 공급함으로써, 메인 사이클(C4)을 순환하는 냉각제를 압축기(410)에 의해 압축시키면서 발생하는 열을 활용할 수 있음.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
C1 ~ C3: 제1 ~ 제3 사이클 C4: 메인 사이클
PC: 반도체 공정챔버 W: 웨이퍼 척
V1 ~ V9: 제1 ~ 제9 밸브 L1, L2, L3: 제1 ~ 제3 라인
P1, P2: 제1, 제2 펌프
TT1, TT2, TT3: 제1, 제2, 제3 온도 트랜스미터
TIC1: 제1 온도 제어기 PT1: 제1 압력 트랜스미터
PIC1, PIC2: 제1, 제2 압력 제어기 DT: 온도차 분석기
TDC: 온도차 제어기
110, 120, 130: 제1, 제2, 제3 열교환기
210: 저장탱크 220: 석션드럼
230: 기액분리기 310, 320: 제1, 제2 가열기
330: 냉각탑 410: 압축기
420: 팽창기 430: 모터
500: 혼합기

Claims (21)

  1. 웨이퍼 척과의 전도에 의해 반도체 공정챔버가 냉각되고,
    상기 웨이퍼 척을 냉각시키는 냉각제가 순환하는 메인 사이클; 및
    상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제를 냉각시키는 유체가 순환하는 제1 사이클;을 포함하고,
    상기 메인 사이클은 기액분리기를 포함하고,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 냉각제가 상기 웨이퍼 척으로 공급되고,
    상기 웨이퍼 척으로 공급된 액체 냉각제는 상기 웨이퍼 척을 냉각시키며 기체로 상이 변화하고,
    상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제는 지구온난화지수가 5.0 이하인 성분만을 포함하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 사이클은,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 냉각제와, 상기 웨이퍼 척을 냉각시킨 후 배출된 기체 냉각제를 혼합하는 혼합기를 더 포함하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 메인 사이클은,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 냉각제를 팽창시키는 팽창기를 더 포함하고,
    상기 팽창기의 출구 압력은, 상기 웨이퍼 척을 냉각시킨 후 배출되어 상기 혼합기로 보내지는 기체 냉각제의 압력과 동일하게 제어되는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 사이클은,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 냉각제가 상기 웨이퍼 척으로 공급되는 유로에 설치되어, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 냉각제의 온도를 제어하는 제2 가열기를 더 포함하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 사이클은,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 냉각제가 상기 웨이퍼 척으로 공급되는 유로에 설치되어, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 냉각제의 유량을 조절하는 제8 밸브를 더 포함하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 사이클을 순환하는 유체를 냉매로, 상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제를 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기를 더 포함하고,
    상기 제1 사이클은 상기 제1 열교환기의 저온유로를 포함하고,
    상기 메인 사이클은 상기 제1 열교환기의 고온유로를 포함하며,
    상기 제1 열교환기의 고온유로는 상기 기액분리기 상류에 위치하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 메인 사이클은,
    상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제를 냉매로, 상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제를 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기를 더 포함하고,
    상기 제2 열교환기의 고온유로는 상기 기액분리기 상류에 위치하고, 상기 제2 열교환기의 저온유로는 상기 혼합기 하류에 위치하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 메인 사이클은,
    상기 기액분리기 상류에 설치되어 상기 메인 사이클을 순환하는 냉각제를 압축시키는 압축기를 더 포함하고,
    상기 팽창기와 상기 압축기는 별도로 설치되거나 컴팬더를 구성하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 메인 사이클은,
    상기 압축기 상류에 설치되는 석션드럼을 더 포함하고,
    상기 압축기의 입구 압력은 상기 석션드럼의 내부 압력에 의해 결정되는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 메인 사이클은,
    상기 석션드럼 상류에 설치되어, 상기 석션드럼으로 공급되는 냉각제의 온도를 제어하는 제1 가열기를 더 포함하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 메인 사이클은,
    상기 석션드럼 상류에 설치되어, 상기 석션드럼으로 공급되는 냉각제의 압력을 조절하는 제9 밸브를 더 포함하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 메인 사이클은,
    상기 석션드럼에 냉각제를 공급하거나, 상기 석션드럼으로부터 냉각제를 배출시키는 제3 라인; 및
    상기 제3 라인에 설치되어 냉각제의 유량을 조절하는 제7 밸브;
    를 더 포함하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  13. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 사이클은,
    상기 제1 열교환기의 저온유로 하류에 설치되어, 상기 제1 열교환기의 저온유로를 통과하며 온도가 높아진 유체를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크로부터 외부 사용처로 온도가 높아진 유체를 공급하는 제2 라인; 및
    상기 제2 라인에 설치되어, 상기 외부 사용처로 공급되는 유체의 유량을 제어하는 제6 밸브;
    를 더 포함하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    절대압 기준 5 bar 이하의 압력에서도 상기 기액분리기의 입구 조건이 액체와 기체 혼합의 2상 조건이 되도록 설계되는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  15. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인사이클을 순환하는 냉각제는, 초저온 가스와 저온 가스를 혼합한 것인, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 초저온 가스는 질소, 산소, 및 아르곤 중 하나이고,
    상기 저온 가스는 이산화탄소인, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 초저온 가스는 몰분율 기준 0.65 이상이고,
    상기 저온 가스는 몰분율 기준 0.35 이상인, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  18. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 냉각제의 질소 비율은 몰분율 기준 0.8 이상이고,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 액체 냉각제의 질소 비율은 몰분율 기준 0.05 이하인, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템.
  19. 청구항 5의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 웨이퍼 척으로 공급되는 냉각제의 온도와, 상기 웨이퍼 척을 냉각시킨 후 배출되는 냉각제의 온도 차이에 의해, 상기 제8 밸브의 개폐 및 개도를 조절하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템의 제어 방법.
  20. 청구항 11의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 석션드럼의 내부 압력에 의해 상기 제9 밸브의 개폐 및 개도를 조절하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템의 제어 방법.
  21. 청구항 12의 반도체 공정챔버용 냉각 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 석션드럼의 내부 압력에 의해 상기 제7 밸브의 개폐 및 개도를 조절하는, 반도체 공정챔버용 냉각 시스템의 제어 방법.
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