用于快速热处理设施的冷却系统
阅读说明：本技术 用于快速热处理设施的冷却系统 (Cooling system for rapid thermal processing facility ) 是由 权钟硕 朴珉锡 尹泰俊 于 2020-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于快速热处理设施的冷却系统,该冷却系统包括：涡流管,该涡流管被构造成将压缩空气分离成高温空气和低温空气并输出高温空气和低温空气；冷却气体供应源,其被构造成从涡流管接收低温空气；以及冷却单元,其被构造成使用来自冷却气体供应源的低温空气来冷却在其中执行快速热处理(RTP)的处理室的内部。(The present invention provides a cooling system for a rapid thermal processing facility, the cooling system comprising: a vortex tube configured to separate compressed air into high temperature air and low temperature air and output the high temperature air and the low temperature air; a cooling gas supply configured to receive cryogenic air from a vortex tube; and a cooling unit configured to cool an interior of a process chamber in which a Rapid Thermal Processing (RTP) is performed using low-temperature air from a cooling gas supply source.)
本申请要求于2019年9月5日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2019-0109885的优先权，其公开内容在此引入作为参考。
技术领域
本公开涉及一种用于快速热处理设施的冷却系统，更具体地，涉及一种用于快速热处理设施的冷却系统，其采用涡流管作为冷却气体供应源，从而通过快速冷却来改善基材的工艺特性。
背景技术
本部分提供与不一定是现有技术的本公开相关的背景信息。
通常，制造半导体元件的工艺包括各种类型的热处理。近来，随着半导体元件逐渐变得高度集成，半导体元件的所需尺寸减小，并且片馈送快速热处理(RTP)设施主要用于减小在制造过程中接收的总热预算。
快速热处理设施不仅可以执行相关技术中在扩散炉中执行的大多数各种工艺，而且可以高速加热和冷却晶片，使得快速热处理设施具有防止适用于超大规模集成(VLSI)的杂质的再扩散和从扩散炉的壁表面发出的污染的优点。
由快速热处理设施执行的快速热处理包括快速热退火(RTA)和薄膜形成工艺，快速热退火通过使用处理室(炉)的高温加热作为半导体衬底的晶片来恢复半导体元件的结晶度并稳定其物理特性，薄膜形成工艺例如是通过根据反应气体的类型在高温下进行热扩散来生长氮化物膜、氧化物膜和硅化物膜等的快速热氮化(RTN)、快速热氧化(RTO)和快速热硅化物(RTS)。
同时，在快速热处理设施中遇到的主要问题涉及要由快速热处理来进行处理的晶片的热处理温度的均匀性。也就是说，为了确保所需的高水平的器件性能、产量和工艺可重复性，需要完全控制晶片的热处理温度。
将简要描述相关技术中的快速热处理设施。快速热处理设施具有处理室，该处理室是快速热处理设施的主体，并且在其一侧具有开口，作为处理对象的晶片通过该开口进入或离开处理室。处理管设置在处理室中，处理管由石英制成，并且限定出在其中执行热处理的空间，并且具有用于支撑晶片的多个支撑销的晶片托盘设置在处理管中。同时，诸如卤钨灯或弧光灯的加热灯设置在处理管的周边，并且加热灯加热处理管以将处理管中的温度调节到热处理所需的预定温度。
此外，处理室设有冷却系统，并且冷却系统将低温空气供应到处理室中，以将如上所述被加热的处理管中的温度保持或调节在预定温度范围内，或者快速冷却处理管。
因为由快速热处理设施执行的热处理需要在相当高的温度下快速执行，所以处理管需要被快速且均匀地加热并且需要在短时间内被均匀地冷却。
然而，在相关技术中的快速热处理设施的情况下，冷却系统不能根据处理期间的状况变化来调节供应到处理室中以保持处理管中的预定温度或冷却处理管的低温空气的供应量。冷却系统被构造成使得供应量仅基于最初为每个预防性维护(PM)设定的量来确定。即，即使低温空气的供应量由于在处理期间引起的设施的误差而不同于初始设置量，也没有能够检查和调节该差距的装置。由于这个原因，存在的问题在于，难以进行均匀加热和冷却晶片所需的完全温度控制，以确保高水平的器件性能、产量、工艺可重复性等。
发明内容
本公开的一个方面提供了一种用于快速热处理设施的冷却系统，其采用涡流管作为冷却气体供应源，从而通过快速冷却来改善基材的工艺特性。
本部分提供了本公开的概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于快速热处理设施的冷却系统，该冷却系统包括：涡流管，该涡流管被构造成将压缩空气分离成高温空气和低温空气并输出高温空气和低温空气；冷却气体供应源，其被构造成从涡流管接收低温空气；以及冷却单元，其被构造成使用来自冷却气体供应源的低温空气来冷却在其中执行快速热处理(RTP)的处理室的内部。
根据本公开该方面的用于快速热处理设施的冷却系统，涡流管可包括：具有压缩空气注入口的壳体；涡流产生器，该涡流产生器设置在壳体中并被构造成将注入的压缩空气转换成主涡流V1；第一管，其在主涡流V1流动的方向上延伸并且在第一管的端部处形成有第一排放口；回流阀，其设置在第一管的端部内，并被构造成将主涡流V1转换成副涡流V2；以及第二管，其沿与第一管相反的方向延伸并且在第二管的端部处形成有第二排放口。
根据本公开内容的该方面的用于快速热处理设施的冷却系统，冷却单元可以包括：冷却气体供应线路，其被构造成将从冷却气体供应源提供的低温空气供应到处理室中；供应量调节阀，其安装在冷却气体供应线路上，并被构造成调节待供应的低温空气的供应量；冷却气体排放线路，其被构造成将已经用于冷却的低温空气排放到处理室的外部；排放量调节阀，其安装在冷却气体排放线路上，并被构造成调节待排放的低温空气的排放量；温度测量器，其安装在冷却气体排放线路上，并被构造成测量排放的低温空气的温度；以及控制器，其被构造成通过控制供应量调节阀和排放量调节阀来调节处理室的内部温度。
根据本公开内容的该方面的用于快速热处理设施的冷却系统，可以通过基于由所述温度测量器测量的低温空气的温度的值在所述控制器的控制下调节低温空气的供应量和排放量来执行所述处理室的内部温度的调节。
根据本公开该方面的用于快速热处理设施的冷却系统，该冷却系统可包括：加热气体供应源，其被构造成从涡流管接收高温空气；以及辅助加热单元，其被构造成通过使用来自加热气体供应源的高温空气来辅助加热处理室的内部。
根据本公开该方面的用于快速热处理设施的冷却系统，控制器可检测高温空气的温度并基于检测到的高温空气的温度来调节压缩空气的压力。
根据本发明的该方面的用于快速热处理设施的冷却系统，该冷却系统可包括压缩调节单元，该压缩调节单元设置在压缩空气注入口中并被构造成通过根据注入到壳体中的压缩空气的压力调节压缩空气注入口的内径来保持压缩空气的恒定压力。
附图说明
通过结合附图的以下详细描述，将更清楚地理解本公开的上述和其它方面、特征和其它优点，其中：
图1是示出根据本公开的用于快速热处理设施的冷却系统的示例性实施方式的配置图；
图2是示出图1所示的处理室的视图；
图3是示出图1所示的涡流管的构造的视图；
图4是用于说明图1所示的调节压缩空气压力的操作的视图；以及
图5是用于说明恒定地调节图1所示的压缩空气的压力的操作的视图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本公开的示例性实施方式。
在下文中，将参照附图详细描述根据本发明的用于快速热处理设施的冷却系统的示例性实施方式。
然而，应当注意的是，本公开的本质上的技术精神不受以下示例性实施方式的限制，并且本领域技术人员可以基于本公开的本质上的技术精神容易地替换或改变以下示例性实施方式。
此外，本文中使用的术语是为了描述的方便而选择的，并且当识别本公开的本质上的技术精神时，本文中使用的术语应当被适当地解释为符合本公开的技术精神的含义，而不限于字典含义。
图1是示出根据本公开的用于快速热处理设施的冷却系统的示例性实施方式的配置图，图2是示出图1所示的处理室的图，图3是示出图1所示的涡流管的配置图。
参照图1至图3，根据本示例性实施方式的用于快速热处理设施的冷却系统100包括处理室110、涡流管120、冷却气体供应源130和冷却单元140。
处理室110是指进行快速热处理(RTP)的空间。
在处理室110中进行的快速热处理包括顺序执行的以下处理：升高用于快速热处理的温度；保持高温状态；以及进行冷却以改善基材的特性。
冷却气体供应到处理室110中用于冷却，并且N2或空气通常用作室温下的冷却气体。然而，在进行快速冷却方面存在限制。
本发明的主要特征是涡流管120用于降低冷却气体的温度，以便能够快速冷却。
涡流管120被构造成将压缩空气分离成高温空气和低温空气并输出高温空气和低温空气。
冷却气体供应源130被构造成与处理室110连通并从涡流管120接收低温空气。
冷却单元140被构造为通过使用来自冷却气体供应源130的低温空气来冷却处理室110的内部。
这样，用于冷却处理室的冷却气体由涡流管产生，使得冷却气体可以根据所需的冷却性能而改变，并且可以大大减小冷却装置的体积。
在这种情况下，涡流管120可以包括壳体121、涡流产生器122、第一管122、第二管123和回流阀124。
壳体121限定涡流管120的外部形状并具有压缩空气注入口121a。
压缩空气可由压缩机101压缩以具有预设压力。
涡流产生器122设置在壳体121中并被构造成将注入的压缩空气转换成主涡流V1。
第一管122在主涡流V1流动的方向上延伸，并且在第一管122的端部形成有第一排放口122a。
回流阀124设置在第一管122的端部内，并被构造成将主涡流V1转换成副涡流V2。
第二管123被构造为在与第一管122相反的方向上延伸，并且在第二管123的端部形成第二排放口123a。
将参照图3描述涡流管120的热分离。当压缩空气通过涡流管120的压缩空气注入口121a注入时，注入的压缩空气在通过涡流产生器122的同时被转换成以百万RPM的超高速(声速)旋转的主涡流V1。
沿着涡流管120输送通过涡流产生器122转换的主涡流V1，主涡流V1的一部分通过设置在涡流管120的一端处的第一排放口122a排放到外部，并且主涡流V1的剩余部分通过回流阀17回流并转换为主涡流V1内的副涡流V2。
此外，副涡流V2沿着涡流管120输送，然后通过在涡流管120的另一端设置的第二排放口123a排放到外部。
在这种情况下，主涡流V1和副涡流V2以相同的方向和相同的角速度旋转，使得位于外侧的主涡流V1的空气粒子以比位于内侧的副涡流V2的空气粒子更高的速度移动，因此以低速移动的副涡流V2的空气粒子的动能被转换成热能。
产生的热能使副涡流V2的温度降低并使主涡流V1的温度升高。结果，通过第一排放口122a排放的压缩空气的温度高，通过第二排放口18排放的压缩空气的温度低。
同时，在本示例性实施方式中，冷却单元140包括冷却气体供应线路141、供应量调节阀142、冷却气体排放线路143、排放量调节阀144、温度测量器145和控制器146。
冷却气体供应线路141被构造为从冷却气体供应源130向处理室110供应低温空气。
供应量调节阀142安装在冷却气体供应线路141上，并且被构造成调节待供应的低温空气的供应量。
冷却气体排放线路143被构造为向处理室110的外部排放已经用于进行冷却的低温空气。
排放量调节阀144安装在冷却气体排放线路143上，并且被构造成调节待排放的低温空气的排放量。
温度测量器145安装在冷却气体排放线路143上，并测量排放的低温空气的温度。
控制器146被构造为通过控制供应量调节阀142和排放量调节阀144来调节处理室110的内部温度。
具体地，通过基于由温度测量器145测量的低温空气的温度值，在控制器146的控制下调节低温空气的供应量和排放量来执行处理室110的内部温度的调节。
同时，根据本示例性实施方式的用于快速热处理设施的冷却系统100可具有加热气体供应源和辅助加热单元，加热气体供应源被构造成从涡流管120接收高温空气，辅助加热单元被构造成通过使用来自加热气体供应源的高温空气来辅助加热处理室110的内部。
因此，从加热气体供应源供应的高温空气对为快速热处理(RTP)供应的加热源进行补偿。
在这种情况下，高温空气通过对处理室110的壁体进行加热而有助于快速热处理(RTP)。
为此，可以设置加热气体管以穿过构成处理室110的壁体的内部。
图4是用于说明调节图1所示的压缩空气的压力的操作的视图。
在本示例性实施方式中，可以提供用于根据冷却处理室110的处理所需的冷却性能来调节冷却气体的温度的结构。
具体地，该结构可以具有压力传感器PS、第一温度传感器TS1和第二温度传感器TS2，压力传感器PS被构造成检测将被引入涡流管120的压缩空气的压力，第一温度传感器TS1被构造成检测将被引入处理室110的冷却气体的温度，第二温度传感器TS2被构造成检测将从处理室110排放的冷却气体的温度，并且该构造可以使控制器146被配置成基于该数据来控制压缩机101。
参照图4，控制器146检测高温空气的温度，并基于检测到的高温空气的温度来调节压缩空气的压力。
因此，可以调节冷却气体的温度。即，可以改变冷却能力。
图5是用于说明恒定地调节图1所示的压缩空气的压力的操作的视图。
当改变要供应的压缩空气的压力(流速)时，涡流管120仅在特定部分具有高能分离效率，而在其它部分，涡流管120具有非常低的效率，因此不适合用作冷却装置。
即，只有当压力(即压缩空气的流速)恒定时，涡流管120才具有高能分离效率(压缩空气的温度差)。
为此，可以设置压缩调节单元，该压缩调节单元设置在涡流管120的壳体121中设置的压缩空气注入口121a中，并且压缩调节单元被构造成通过根据注入到壳体121中的压缩空气的压力调节压缩空气注入口121a的内径而将要被引入到壳体121中的压缩空气的压力保持恒定的压力。
如上所述，根据本公开的示例性实施方式，通过使用涡流管产生用于冷却处理室的冷却气体，使得冷却气体的温度降低以能够快速冷却，结果，改善了基材的工艺特性，并且改善了快速热处理设施的粘性时间(tack time)。
此外，可以根据所需的冷却性能通过涡流管改变冷却气体，并且可以大大减小冷却装置的体积。
根据本公开，存在通过使用在涡流管中产生的加热气体来辅助在处理室中执行的RTP处理的加热的优点。
虽然已经结合示例性实施方式示出和描述了本公开，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以进行修改和变化。
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