(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーハを収容して所定の加工工程を反復遂行することが可能なチャンバーが備えられた半導体製造工程設備において、
電流の流れによって吸熱及び発熱現象を発生するペルチエ効果を利用した一つ以上の熱電冷却素子によって前記半導体製造工程設備内のウェーハの積載部を一定の温度に持続させることが可能なように熱交換する熱交換機の構成を含めてなり、
前記熱交換機は、
前記半導体製造工程設備のウェーハが積載されるペデスタル下部の電極内部に設置された熱電冷却素子と、
前記熱電冷却素子に電力を供給するための電源と、
前記電源を前記熱電冷却素子に与えることが可能なように前記熱電冷却素子の両接点部と前記電源の間を連結する電源供給ケーブルと、
前記電源に連結されて前記熱電冷却素子に与えられる電力量を調節することで熱電冷却素子による熱交換性能を制御するための制御部と、
を含めてなり、
前記熱電冷却素子は、
一定の間隔を置いて互いに平行に配置されてペアをなすＰ型半導体及びＮ型半導体と、
ペアをなす前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体の各一端に付着されてこれらを電気的に連結する導体と、
ペアをなす前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体の各他端にそれぞれ分離された状態で付着されるマイナス電極及びプラス電極用導体と、
前記導体と前記マイナス電極及びプラス電極用導体とにそれぞれ付着されて電気的に絶縁された状態を維持する板形状の絶縁性熱伝導体と、
を含めてなり、
多数のペアの前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体を縦横に連続的に配列してなる同一構造の層が前記絶縁性熱伝導体を介して上下に多数積層され、前記各層において、ペアをなす前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体の前記各他端が、隣接した他のペアをなす前記Ｐ型半導体又は前記Ｎ型半導体の前記他端に前記マイナス電極及びプラス電極用導体により連結されて、多数のペアの前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体が電気的に連続されており、前記各層の前記マイナス電極及びプラス電極用導体の自由端をそれぞれ並列連結した状態で所定の電源が与えられ、前記各層間に介在された前記絶縁性熱伝導体が冷接面及び温接面の機能を同時に遂行しながら一方向への熱伝達性能を発揮することが可能なように構成されたことを特徴とする半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置。
【請求項２】
前記熱交換機は、外部への熱交換性能を促進させるための放熱活性化手段が含まれて構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置。
【請求項３】
前記放熱活性化手段は、前記電極の外側面に付着される放熱板で構成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置。
【請求項４】
前記放熱活性化手段は、
前記熱電冷却素子の一側面に密接に設置されてその内部で循環する冷却水の流動作用によって前記熱電冷却素子の熱交換性能を促進する冷却水循環管と、
前記冷却水循環管を通して冷却水が円滑に循環可能なように前記制御部の制御によって循環動力を発生するポンプと、
で構成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置。
【請求項５】
前記熱電冷却素子は、電源を与えることによる起電力の発生時、冷接面をなすマイナス側絶縁性熱伝導体の外部には熱交換をなす熱源対象物が積載され、これに対応して温接面をなす他側絶縁性熱伝導体の外部には熱放出を活性化するための放熱板が付着されることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置。
【請求項６】
ウェーハを収容して所定の加工工程を反復遂行することが可能なチャンバーが備えられた半導体製造工程設備において、
電流の流れによって吸熱及び発熱現象を発生するペルチエ効果を利用した一つ以上の熱電冷却素子によって前記半導体製造工程設備内のウェーハの積載部を一定の温度に持続させることが可能なように熱交換する熱交換機の構成を含めてなり、
前記熱交換機は、
前記半導体製造工程設備のウェーハが積載されるペデスタル下部の電極から分離されて前記熱電冷却素子が配置され、前記電極及び熱電冷却素子の間に冷却水循環による水冷式熱交換が可能であるように連結された放熱活性化手段と、
前記熱電冷却素子に電力を供給し、前記電力量を調節して熱交換性能を制御することが可能なように前記チャンバーの外部に設置された着脱可能な熱電冷却制御ユニットと、
を含めてなり、
前記熱電冷却制御ユニットは、
前記熱電冷却素子と、
前記熱電冷却素子に電力を供給するための電源と、
前記電源を前記熱電冷却素子に与えることが可能なように前記熱電冷却素子の両接点部と前記電源との間を連結する電源供給ケーブルと、
前記電源に連結されて熱電冷却素子に与えられる電力量及び冷却水の循環速度を調節することで前記熱電冷却素子による熱交換性能を制御するための制御部と、
を含めてなり、
前記熱電冷却素子は、
一定の間隔を置いて互いに平行に配置されてペアをなすＰ型半導体及びＮ型半導体と、
ペアをなす前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体の各一端に付着されてこれらを電気的に連結する導体と、
ペアをなす前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体の各他端にそれぞれ分離された状態で付着されるマイナス電極及びプラス電極用導体と、
前記導体と前記マイナス電極及びプラス電極用導体とにそれぞれ付着されて電気的に絶縁された状態を維持する板形状の絶縁性熱伝導体と、
を含めてなり、
多数のペアの前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体を縦横に連続的に配列してなる同一構造の層が前記絶縁性熱伝導体を介して上下に多数積層され、前記各層において、ペアをなす前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体の前記各他端が、隣接した他のペアをなす前記Ｐ型半導体又は前記Ｎ型半導体の前記他端に前記マイナス電極及びプラス電極用導体により連結されて、多数のペアの前記Ｐ型半導体及び前記Ｎ型半導体が電気的に連続されており、前記各層の前記マイナス電極及びプラス電極用導体の自由端をそれぞれ並列連結した状態で所定の電源が与えられ、前記各層間に介在された前記絶縁性熱伝導体が冷接面及び温接面の機能を同時に遂行しながら一方向への熱伝達性能を発揮することが可能なように構成されたことを特徴とする半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置。
【請求項７】
前記放熱活性化手段は、
前記熱電冷却素子のマイナス側に外周面の一部が密着され、前記電極の内部を貫通するように設置されてその内部で循環する冷却水が流動しながら前記熱電冷却素子によって熱交換性能を発揮することが可能になる冷却水循環管と、
前記冷却水循環管を通じて冷却水が円滑に循環可能なように循環動力を発生するポンプと、
で構成されることを特徴とする請求項６に記載の半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置。
【請求項８】
前記ポンプは、前記熱電冷却制御ユニットに備えられた制御部によって冷却水循環速度が制御されることを特徴とする請求項７に記載の半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置。
【請求項９】
前記熱電冷却素子は、電源を与えることによる起電力の発生時、冷接面をなすマイナス側絶縁性熱伝導体の外部には熱交換をなす熱源対象物が積載され、これに対応して温接面をなす他側絶縁性熱伝導体の外部には熱放出を活性化するための放熱板が付着されることを特徴とする請求項６に記載の半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置。
【請求項１０】
前記熱交換機は、ウェーハ表面の薄膜部分の所定領域を選択的に除去するためのエッチング工程用設備内に適用されることを特徴とする請求項１又は６に記載の半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置。
【請求項１１】
前記熱交換機は、チャンバー内のウェーハ上に薄膜を形成するための化学気相蒸着工程用設備内に適用されることを特徴とする請求項１又は６に記載の半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置。
【請求項１２】
前記熱交換機は、前記半導体製造工程設備のウェーハが積載されるいずれかの電極に設置されることを特徴とする請求項１又は６に記載の半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造工程設備内の温度を一定に維持するための自動温度調節装置に関するもので、特に半導体製造工程設備の内部に簡単に設置しクリーンルームの規模を最小化できるようにすることで、クリーンルームの建設に所要される費用を顕著に節減し、加工ウェーハの温度を安定的に維持して工程不良の要因を制御するとともに生産性及び歩留まりを向上させることを可能にした半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、一つの完成された半導体素子を製造することにおいては、多様な工程が段階的に反復遂行されるが、このような各工程を正確で円滑に遂行するためにはそれぞれの工程が進行される各工程設備の工程条件を適合な状態に維持することができなければならない。
【０００３】
この際、前記の工程条件は主に工程チャンバーの内部又は工程進行中ウェーハの工程環境を意味し、即ち温度、真空圧力の大きさ、高周波電源（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｐｏｗｅｒ）、ガス流動率（Ｇａｓ  Ｆｌｏｗ  Ｒａｔｅ）等がその主な工程条件に該当する。
【０００４】
前記のそれぞれの因子の中で一つでもその該当工程内で安定的に維持されないのであれば生産性に深刻な影響を与えるようになり、結局歩留まり、エッチング率、均一度等の生産指標を低下させる要因として作用するようになる。
【０００５】
最近には半導体素子の高集積化及び生産性向上のためのウェーハの大口径化（３００ｍｍ以上）の趨勢によってこれに対応することができる各工程設備の開発だけではなく、それぞれの工程設備に適合する工程条件を安定的に提供するための付帯設備の開発も必然的に伴ってくる。
【０００６】
特に、前記の半導体製造工程の中には工程チャンバー内で所定のガスをイオン化されたプラズマ状態に活性化させてウェーハを加工する乾式エッチング工程（Ｄｒｙ  Ｅｔｃｈ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）等が含まれるが、前記の乾式エッチング工程はフォトレジスト（感光液）現像後ウェーハ表面の感光液の下に成長、沈積及び蒸着された薄膜の部分の所定の領域をイオン状態のプラズマ反応ガスを利用して選択的に除去することで高容量化及び高集積化された半導体素子を制作するための主な段階で、ケミカルを利用した湿式エッチング工程（Ｗｅｔ  Ｅｔｃｈ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）と対比できる技術であり、工程を進行するためのプラズマはＣＣＰ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）と、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）の形態で分類できる。
【０００７】
ここで、ＣＣＰタイプは工程チャンバーの内部に設置された多数の電極に選択的に高周波電源を与えた時発生する電場によってプラズマを形成する方式で、ＩＣＰタイプは工程チャンバーの外部に巻かれたコイルと工程チャンバーの内部に設置された多数の電極に選択的に高周波電源を与えた時発生する磁場及び電場によってプラズマを形成する方式である。
【０００８】
また、プラズマは前記のような乾式エッチング工程の他に、工程チャンバー内のウェーハ上に良質の薄膜を形成するための化学気相蒸着工程を遂行する場合にも幅広く用いられている。
【０００９】
このように多様な半導体製造工程設備において、プラズマを形成させるためには必ず二つ以上の電極が備えられなければならないし、この中のいずれかの電極上にウェーハを置くようになり、この際ウェーハは半導体素子としての固有の性質を有するように該当工程の特性に合う条件、即ち適正温度を維持することが大事である。  従って、各工程の進行時、化学的又は物理的に発生する熱エネルギーからウェーハの温度を一定で安定的に維持するために各半導体製造工程設備の外部には自動温度調節のための熱交換機（Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）に該当する別のチラー（Ｃｈｉｌｌｅｒ）が備えられている。
【００１０】
さらに、前記の乾式エッチング工程の設備において、チラーの機能は非常に重要に作用することでチラーはエッチング工程の進行時、非常に多くの熱が発生する電極（陰極（Ｃａｔｈｏｄｅ）及び陽極（Ａｎｏｄｅ））とチャンバーの内部の温度を好ましい帯域で一定に留まるようにすることで温度変化による工程の異常及び生産性の低下を予防することができるようにするのである。
【００１１】
図７はプラズマ方式による半導体製造工程設備（乾式エッチング工程設備）に適用された一般的な熱交換機（チラー）の概略の構成を示したもので、図面を参照に詳しく説明すると次のようである。
【００１２】
一般的にプラズマ方式による半導体製造工程設備Ｆはチャンバー１３０の下部に電極Ｂ１３２が設置され、電極Ｂ１３２の上部には電極Ｂ１３２と同一電位を有する電極で、その内部に静電チャック（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｈｕｃｋ）（図示しない）が装着されてウェーハ２を安着させることができるようにしたペデスタル（Ｐｅｄｅｓｔａｌ）１３４が積層設置された状態をなし、電極Ｂ１３２及びペデスタル１３４の外部に所定の大きさの密閉空間を形成することができるように電極Ａ１３１が囲んでおり、電極Ｂ１３２及びペデスタル１３４の側面の周りには電極Ａ１３１と電極Ｂ１３２の間の電気的な絶縁が可能になるように絶縁体１３３が介在された構造をなしている。
【００１３】
また、電極Ａ１３１の一側には密閉空間を真空状態に維持することができるように選択的に開閉される真空ポート１３５が形成されており、チャンバー１３０の内部を真空化することができるように真空ポート１３５と連結される真空ポンプ（図示しない）が備えられており、チャンバー１３０の一側にはガス供給ライン（図示しない）を形成し、密閉空間内に工程ガスを充填することができるようになっており、電極Ｂ１３２の底面側には高周波電源ＲＦが連結され、電極Ａ１３１は接地されている。
【００１４】
真空ポンプの稼動によって高真空状態をなすチャンバー１３０の密閉空間内部に工程ガスが充填され、工程ガスは電極Ｂ１３２に高周波電源を与える時発生する電場によってプラズマＧ状態に存在しながらウェーハ加工工程を進行するようになる。
【００１５】
この際、ウェーハ２の温度を直接的に調節するためにウェーハ２が置かれる電極Ｂ１３２又はステージの内側にはチラー１００から冷却（又は加熱）供給される冷媒（Ｃｏｏｌａｎｔ）が一定の流圧及び流量を有して循環することができるように冷媒循環管１０２が貫通設置され、冷媒としては超純水、一定の比率で希釈された不凍液又は無色無臭のフッ化炭素溶液からなるフルオリナト（Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ）系列の不活性溶液が主に使用される。
【００１６】
従来のチラー１００は具体的には図示しなかったが、一般的な冷凍サイクル装置の構成によるもので、低温低圧の気体冷媒を高温高圧の気体冷媒に変化させる圧縮機と、この圧縮機で変化された高温高圧の気体冷媒を常温高圧の液体冷媒に変化させる凝縮機と常温高圧の液体冷媒を低温低圧の液体冷媒に変化させる膨張機と、この膨張機で変化された低温低圧の液体冷媒を気体状態に変化させながら外部の熱を吸収する蒸発機で構成されるし、凝縮機が稼動されることによって放熱及び吸熱が連続的に行われる凝縮過程及び蒸発過程を通じて冷却作用をするようになり、このような過程で冷却（又は加熱）された冷媒が冷媒循環管１０２を通じて電極Ｂ１３２の内部を通過しながら熱交換を行うようになる。
【００１７】
このように半導体製造工程設備Ｆにはウェーハ２を加工するための設備の他にその外部に別の温度調節装置（チラー）が必要になり、前記の従来のチラー１００は温度損失を最小化するために半導体製造工程設備の近接位置に装着するようになることでクリーンルーム（Ｃｌｅａｎ  Ｒｏｏｍ）内で多くの空間を占めるようになり、これによってクリーンルームの建設費用及び管理維持費用が上昇するという問題点を招来し、冷媒循環管１０２を経由して冷媒が循環されるのでその循環過程での温度損失による冷却効率性が低下される短所がある。
【００１８】
特に、生産性向上のためのウェーハの大口径化が実現することによりチラー１００もこれに適合な容量を維持することができるように大型化にならなければならないし、チラー１００がクリーンルーム内でさらに大きな空間を占めるようになるのでその規模も増大されてクリーンルームを建設するための費用が過重という問題点があった。
【００１９】
また、このような従来のチラー１００の問題点はウェーハ２の温度不安定の要因として作用し、ウェーハ２の工程不良を誘発するだけではなく、冷媒の漏出等によってウェーハのチップに悪影響を与えるようになるので不良率が増加し歩留まりを低下させ、クリーンルームの環境を汚染させるようになる結果を招いた。
【００２０】
また、従来のチラー１００は圧縮機、凝縮機、膨張機及び蒸発機等の消耗性部品で構成されているので管理維持上の過多費用発生は勿論騒音がひどく発生して作業環境を妨げ、作業者の作業集中力を取り乱すという問題点があった。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような従来の問題点を解決するために案出されたもので、本発明の根本的な目的は半導体製造工程設備の内部に設置可能にすることでクリーンルームの規模を最小化してクリーンルームの建設に所要される費用を顕著に節減する半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置を提供することにある。
【００２２】
また、本発明の他の目的は工程進行時、ウェーハの温度を安定的に維持して工程不良要因を制御することで生産性及び歩留まりを向上させる半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置を提供することにある。
【００２３】
また、本発明のまた他の目的は既存の圧縮冷却方式を代替することができる手段を適用することで小型で軽量化された簡単な構造で、故障発生の心配がなく長期間連続使用が可能なのは勿論、管理維持が容易で、外部の温度損失がないので冷却効率性が優秀で安定的な半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置を提供することにある。
【００２４】
また、本発明のまた他の目的は冷媒を使用しない冷却方式を適用することで、冷媒の漏出によるウェーハのチップの汚染を防止し、またクリーンルームの環境汚染を抑制する半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置を提供することにある。
【００２５】
また、本発明のまた他の目的は、消耗性部品の使用を排除して管理維持上の所要費用を節減することができる半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置を提供することにある。
【００２６】
また、本発明のまた他の目的は、作動中騒音が発生しない構造を適用して作業環境を最適化することで作業者の作業集中力を向上させる半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置を提供することにある。
【００２７】
また、本発明のまた他の目的は、工程チャンバー内のいずれか一つの電極に一体に設置することが可能な半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置を提供することにある。
【００２８】
また、本発明のまた他の目的は、大容量の工程設備に適合し、補修及び交替時容易に作業することができるように着脱が容易である半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するための本発明による半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置は、ウェーハを収容して所定の加工工程を反復遂行することができるチャンバーが備えられた半導体製造工程設備において、電流の流れによって吸熱及び発熱現象を発生するペルチエ効果を利用した一つ以上の熱電冷却素子によって半導体製造工程設備内のウェーハの積載部を一定の温度に持続させることが可能なように熱交換する熱交換機の構成を含めてなることを特徴とする。
【００３０】
特に、熱交換機はウェーハの表面薄膜部分の所定の領域を選択的に除去するためのエッチング工程用設備内に適用するか、又はチャンバー内のウェーハ上に薄膜を形成するための化学気相蒸着工程用設備内に適用することができ、その他にも多様な半導体製造工程設備内への適用が可能である。
【００３１】
本発明による半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置に適用された熱交換機は半導体製造工程設備のウェーハが積載されるペデスタル下部の電極内部に設置された半導体を利用して熱電冷却素子と、熱電冷却素子に電力を供給するための電源と、電源を熱電冷却素子に与えることができるように熱電冷却素子の両接点部と電源の間を連結する電源供給ケーブルと、電源に連結されて熱電冷却素子に与えられる電力量を調節することで熱電冷却素子による熱交換性能を制御するための制御部を含めてなる。
この際、熱交換機には外部への熱交換性能を促進させるための放熱板又は冷却水循環管等の放熱活性化手段が含まれてなる。
【００３２】
また、本発明による半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置に適用された熱交換機には、半導体製造工程設備のウェーハが積載されるペデスタル下部の電極から分離されて熱電冷却素子が配置され、電極及び熱電冷却素子の間に冷却水循環による水冷式熱交換が可能であるように連結された放熱活性化手段と、熱電冷却素子に電力を供給して電力量を調節して熱交換性能を制御することができるようにチャンバーの外部に設置された着脱可能な熱電冷却制御ユニットを含めてなることも可能である。
【００３３】
この際、熱電冷却制御ユニットは半導体熱電冷却素子と、熱電冷却素子に電力を供給するための電源と、電源を熱電冷却素子に与えることができるように熱電冷却素子の両接点部と電源の間を連結する電源供給ケーブルと電源に連結されて熱電冷却素子に与えられる電力量及び冷却水循環速度を調節することで熱電冷却素子による熱交換性能を制御するための制御部を含む構成である。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な一実施例を、添付した図面を参照して詳しく説明する。
本発明による半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置を説明する前に、本発明の冷却の原理を説明すると次のようである。
【００３５】
一般的に、二種類の導体（二重金属）を互いに両端で接合してその接合部を通じて電流を流すと、その電流の方向によって一つの接点では吸熱現象が発生し、他の接点では発熱現象が発生するが、このような現象をペルチエ効果（Ｐｅｌｔｉｅｒ  Ｅｆｆｅｃｔ）とし、前記のペルチエ効果を利用して特定対象物の熱を吸収する冷却方法を熱電冷却（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｏｌｉｎｇ）としてその熱量は電流、絶対温度及び導体によって決められる熱起電能に比例して出る。
【００３６】
これとは反対に、二種類の導体（二重金属）の両端をそれぞれ接合してその接合部に相違な温度を加えると一定の方向に起電力が発生してその起電力に２接点（冷接点及び温接点）間の温度の差が分かるようになるが、このような現象をゼーベック効果（Ｓｅｅｂｅｃｋ  Ｅｆｆｅｃｔ）とし、前記のゼベック効果による熱電気現象を利用して高熱炉等のような対象物の温度を測定する代表的は装置としては熱電対（Ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ）がある。
【００３７】
また、前記の熱電冷却に使用される電子熱ポンプとして熱と電気が互いに変換される現象を利用した素子を総称して熱電冷却素子（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｏｋｉｎｇ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）とし、このような熱電冷却素子としては温度変化を利用したサミスター（Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）、温度差によって起電力が発生するゼーベック効果を利用したゼーベック素子、電流のながれによって吸熱及び発熱現象を発生するペルチエ効果を利用したペルチエ素子等がある。
【００３８】
サミスターは電気抵抗が温度によって大きく変化する一種の半導体素子で、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）等の酸化物成分の複数配合及びこれの焼結によって制作され、回路の安定化と熱、電力、光等の検出に使用されるし、従来には電気抵抗が温度の上昇によって減少する陰温度係数型サミスター（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）が広く使われているが、最近には温度上昇によって電気抵抗が増加する陽温度係数型サミスター（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）が主に使われる趨勢にあるし、また前記の陰温度係数を有し特定の温度で急に電気抵抗が変化するクリテジスター（ＣＲＴ；Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｒｅｓｉｓｔｏｒ）等が実用化されている。
【００３９】
一方、前記のペルチエ効果は二種類の金属導体の代りに電気伝導度が異なるビスマス（Ｂｉ；Ｂｉｓｍｕｔｈ）、テルル（Ｔｅ；Ｔｅｌｌｕｒｉｕｍ）等の半導体を使用するとより高い吸熱及び発熱効率を得ることができるが、これは電流の方向による吸熱／発熱接点の転換と、電流量による吸熱／発熱量の調節が可能であるので応答が速い小容量の冷凍装置や常温の付近での精密性を有するサーモスタット（Ｔｈｅｒｍｏｓｔａｔ）等に応用されている。
【００４０】
このように前記の半導体を使用した熱交換機の構成において、ペルチエ効果を極大化するためにはＰ型半導体とＮ型半導体を使用することが好ましい。  即ち、半導体を使用した電極の間の配列、例えば「プラス（＋）電極−Ｎ型半導体−中間電極−Ｐ型半導体−マイナス（−）電極」の配列で構成して両側の電極を通じて通電させることで各電極を発熱源、中間電極を吸熱源とする熱ポンプを制作することができるのである。
【００４１】
図１及び図２は本発明による半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置に適用される熱電冷却素子１０の構造及び熱交換の原理を示すもので、図１は単一熱電冷却素子１０の単層構造を図示した概略断面図で、図２はこのような熱電冷却素子１０の連続的は単層結合構造を一部切開して示した斜視図である。
【００４２】
図面に示されたように、単一熱電冷却素子１０は一定の間隔をおいて互いに平行に配置されたＰ型半導体１１及びＮ型半導体１２と、Ｐ型半導体１１及びＮ型半導体１２の各一端にそれぞれ分離された状態で付着されて（−）電極及び（＋）電極をなす導体１３とＰ型半導体１１及びＮ型半導体１２の他の一端に付着されてこれらを電気的に連結する導体１３と、各導体１３の外側にそれぞれ付着されて電気的に絶縁状態を維持するための絶縁性熱伝導体１４と、（−）電極及び（＋）電極をなす導体１３の間を連結して閉回路を構成し、これらを通じて所定の電力を与えるための電源Ｖで構成されている。
【００４３】
Ｐ型半導体１１及びＮ型半導体１２の下端にそれぞれ付着された電極用導体１３の間に電源Ｖが連結されている時、熱電冷却素子１０はＮ型半導体１２側の電極用導体１３を通じて電流が流入されて、Ｎ型半導体１２、Ｐ型半導体１１とＮ型半導体の上端を電気的に連結する導体１３、Ｐ型半導体１１、Ｐ型半導体１１側の電極用導体１３の方向に順次的な流れを有するようになり、このような電流の流れによって両接点部に該当する上下側の絶縁性熱伝導体１４では吸熱及び発熱現象を発生するペルチエ効果、即ち上側絶縁性熱伝導体１４が冷接面１５を形成し、下側絶縁性熱伝導体１４が温接面１６を形成することである。
【００４４】
この際、電子が足りない状態で存在するＰ型半導体１１は低いエネルギー水準を維持し、電子が過度な状態で存在するＮ型半導体１２は高いエネルギー水準を維持するのでその内部に存在する電子、即ち熱電キャリア（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃａｒｒｉｅｒ）の移動によって熱エネルギーが吸収されるし、冷接面１５に該当する上側絶縁性熱伝導体１４の上側に熱交換をなす熱源対象物１を積載すると、熱源対象物１から発生する熱を吸収して下端部の絶縁性熱伝導体１４の方に伝達するようになって熱源対象物１の温度を調節することができるし、温接面１６に該当する下側絶縁性熱伝導体１４の外部表面に熱放出を活性化するための放熱板２１を付着すると熱交換性能をさらに向上させることができる。
【００４５】
図２は半導体熱電冷却素子１０による熱交換性能及び容量を向上させるために、単一熱電冷却素子１０を単層状態に連続結合した実施例を示したもので、熱電冷却素子１０はＰ型半導体１１及びＮ型半導体１２が多数のペアをなし、縦横に連続配列され、ペアになるＰ型半導体１１及びＮ型半導体１２の各一端をそれぞれ導体１３に連結するとともにその他端とこれに隣接した他のペアの他端をそれぞれ導体１３に連結して多数のＰ型半導体１１及びＮ型半導体１２が電気的に連続されるし、このように連結された導体１３の両側の自由端をそれぞれ（−）電極及び（＋）電極にしてこれらの間に所定の電源Ｖが与えられ、各導体１３の外側には電気的に絶縁された状態を維持する板形状の絶縁性熱伝導体１４がそれぞれ付着された構成をなしている。この時、導体１３は伝導性が優秀な金属板又はワイヤを使用することができる。
【００４６】
また、図３は本発明に適用できる熱電冷却素子１０の他の実施例で、前記の単層型熱電冷却素子１０を上下に連続するように積層させて各層間を電気的に並列に連結した後、電源Ｖを供給する複層構造を示したもので、熱交換性能及び容量をさらに極大化した形態に該当する。即ち、複層型の熱電冷却素子１０は絶縁性熱伝導体１４の外側に同一構造をなす多数のペアのＰ型半導体１１及びＮ型半導体１２が上下に多数積層され、これらを電気的に連結する導体１３の自由端をそれぞれ並列連結した状態で所定の電源Ｖが与えられ、各層間に介在された絶縁性熱伝導体１４が冷接面１５及び温接面１６の機能を同時に遂行しながら一方向への熱伝達性能を発揮することができるように構成されたものである。
【００４７】
本発明は前述のような半導体素子による半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置、即ち熱電冷却素子１０を利用した熱交換機（チラー）の構成を意味するもので、本発明による半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置の多様な実施例を図４乃至図６によって詳しく説明する。
【００４８】
図４及び図５は本発明による熱電冷却素子１０の熱交換の原理を利用した中小型半導体製造工程設備Ｆ用熱電冷却温度調節装置の好ましい実施例を示したもので、図４は空冷式の放熱活性化手段２０が適用されて一側電極３２内に熱電冷却素子１０が装着される内装型構造を提示した概略図で、図５は水冷式の放熱活性化手段２０が適用されて一側電極３２内に熱電冷却素子１０が装着される内装型構造を提示した概略図で、図６は本発明による熱電冷却素子１０の熱交換原理を利用した大型半導体製造工程設備Ｆ用熱電冷却温度調節装置の他の実施例を示したもので、水冷式の放熱活性化手段２０が適用されて一側電極３２の外部の冷却水循環管２２上に熱電冷却素子１０が付着される外装型構造を提示した概略図である。
【００４９】
図面に示したように、本発明による熱電冷却温度調節装置はウェーハ２を収容して所定の加工工程を反復遂行することができるチャンバー３０が備えられた半導体製造工程設備Ｆにおいて、電流の流れによって吸熱及び発熱現象を発生するペルチエ効果を利用した一つ以上の熱電冷却素子１０によって半導体製造工程設備Ｆ内のウェーハの積載部を一定の温度に持続させることができるように熱交換できる熱交換機を含む構成からなる。
【００５０】
熱交換機はウェーハ２の表面の薄膜部分の所定の領域を選択的に除去するためのエッチング工程用設備Ｆ内に適用するか、又はチャンバー３０内のウェーハ２上に薄膜を形成するための化学気相蒸着工程用設備Ｆ内に適用することができるし、その外にも多様な半導体製造工程設備内に適用することができるし、このような熱交換機は半導体製造工程設備Ｆのウェーハ２が積載される電極Ｂ３２に隣接して設置されることが基本構成である。
【００５１】
一方、プラズマ方式による半導体製造工程設備Ｆはチャンバー３０の下部に電極Ｂ３２が設置され、電極Ｂ３２の上部には電極Ｂ３２と同一電位を有する電極としてその内部に静電チャック（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｈｕｃｋ）（図示しない）が装着されてウェーハ２を安着させることができるようにしたペデスタル（Ｐｅｄｅｓｔａｌ）３４が積層設置された状態をなし、電極Ｂ３２及びペデスタル３４の外部に所定の大きさの密閉空間を形成することができるように電極Ａ３１が囲まれており、電極Ｂ３２及びペデスタル３４の側面の周りには電極Ａ３１と電極Ｂ３２の間の電気的な絶縁が可能であるように絶縁体３３が介在された構造をなしている。
【００５２】
また、電極Ａ３１の一側には密閉空間を真空状態に維持することができるように選択的に開閉される真空ポット３５が形成されており、チャンバー３０の内部を真空化することができるように真空ポット３５と連結される真空ポンプ（図示しない）が備えられており、チャンバー３０の一側にはガス供給ライン（図示しない）を形成して密閉空間内に工程ガスを充填することができるようになっており、電極Ｂ３２の底面側には高周波電源ＲＦが連結されるし、電極Ａ３１は接地されている。
【００５３】
真空ポンプの稼動によって高真空状態をなすチャンバー３０の密閉空間の内部に工程ガスが充填され、工程ガスは電極Ｂ３２に高周波電源を与える時発生する電場によってプラズマＧの状態として存在しながらウェーハ２の加工工程を進行するようになる。
【００５４】
前記で言及した本発明の実施例の中で図４に示された熱交換機は、半導体製造工程設備Ｆのウェーハ２が積載されるペデスタル３４の下部の電極Ｂ３２の内部に設置された熱電冷却素子１０と、熱電冷却素子１０に電力を供給するための電源Ｖと、電源Ｖを熱電冷却素子１０に与えることができるように熱電冷却素子１０の両接点部と電源Ｖの間を連結する電源供給ケーブル３６と、電源Ｖに連結されて熱電冷却素子１０に与えられる電力量を調節することで熱電冷却素子１０による熱交換性能を制御するための制御部Ｃで構成されている。
【００５５】
熱電冷却素子１０は電極Ｂ３２及びペデスタル３４とは電気的に絶縁された状態を維持し、プラズマＧを発生させることができるように真空密閉（Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｅａｌｉｎｇ）になっている。
【００５６】
熱交換機には外部への熱交換性能を促進させるための放熱活性化手段２０が含まれて構成されるし、放熱活性化手段２０は図４及び図５にそれぞれ示されたように電極Ｂ３２の外側面に付着される放熱板２１、又は電極Ｂ３２の内部を貫通して熱電冷却素子１０の一側面に密接設置され、その内部で冷却水が循環することで熱電冷却素子１０の熱交換性能を促進させる冷却水循環管２２等の形態で構成されており、冷却水循環管２２の一部区間には冷却水が冷却水循環管２２を通じて円滑に循環できるように制御部Ｃの制御によって循環動力を発生するポンプＰが装着するのである。
【００５７】
この際、冷却水循環管２２は冷却水がウェーハ２との十分な熱交換作用をなすことができるように停滞できる構造に折曲っており、冷却水は漏出時にも半導体製造工程設備Ｆを汚染させないように純水を使用することが好ましいが、場合によっては既存の液状冷媒又は冷媒ガスを使用することも可能である。
【００５８】
前記の実施例では熱電冷却素子１０がチャンバー３０の内部、即ち電極Ｂ３２内に設置されるもので、チャンバー３０の外部に設置されてマイクロプロセスで制御される制御部Ｃによって熱電冷却素子１０の電源供給状態及び強制循環用ポンプＰの稼動率を相互有機的に調節することで工程環境に合う適正温度へのより迅速な熱交換が行われる。
【００５９】
一方、本発明による熱電冷却温度調節装置は、以上で説明したようなチャンバー３０の内部への設置構造の他にも、図６に示されたような他の実施例の構成も可能であるので、本実施例による熱交換機は、半導体製造工程設備Ｆのウェーハ２が積載されるペデスタル３４の下部の電極Ｂ３２から分離されて熱電冷却素子１０が配置され、電極Ｂ３２及び熱電冷却素子１０の間に冷却水循環による水冷式熱交換が可能であるように連結された放熱活性化手段２０と、熱電冷却素子１０に電力を供給し電力量を調節して熱交換性能を制御することができるようにチャンバー３０の外部に設置された着脱可能な熱電冷却制御ユニットＴで構成されている。
【００６０】
放熱活性化手段２０は熱電冷却素子１０の一側に外周面の一部が密着され、電極Ｂ３２の内部を貫通するように設置されてその内部で循環する冷却水が流動しながら熱電冷却素子１０によって熱交換性能を発揮することができるようになった冷却水循環管２２と、冷却水循環管２２を通じて冷却水が円滑に循環できるように循環動力を発生するポンプＰで構成されており、ポンプＰは熱電冷却制御ユニットＴに備えられた制御部Ｃによって冷却水の循環速度が制御できるようになっている。
【００６１】
また、熱電冷却制御ユニットＴは熱電冷却素子１０の絶縁のための絶縁膜と絶縁層（図示しない）でその外部を保護することができるようにしたモジュール（Ｍｏｄｕｌｅ）の形態をなすもので、熱電冷却素子１０と、熱電冷却素子１０に電力を供給するための電源Ｖと、電源Ｖを熱電冷却素子１０に与えることができるように熱電冷却素子１０の両接点部と電源Ｖの間を連結する電源供給ケーブル３６と、電源Ｖに連結されて熱電冷却素子１０に与えられる電力量及び冷却水の循環速度を調節することで熱電冷却素子１０による熱交換性能を制御するための制御部Ｃから構成されている。
【００６２】
前記の実施例では先の実施例とは異なって熱電冷却素子１０と制御部Ｃがチャンバー３０の外部で一体化されたモジュールの形態に設置されるとともに冷却水循環管２２を媒介にして電極Ｂ３２に連結されたものであるが、このような構造的な差を除外しては、熱電冷却制御ユニットＴの内部に備えられてマイクロプロセスで制御される制御部Ｃによって熱電冷却素子１０の電源供給状態及び強制循環用ポンプＰの稼動率を相互有機的に調節することで工程環境に合う適正温度へのより迅速な熱交換になる作動上の基本原理は同一なもので、本実施例は設置空間の制約が少なく熱電冷却素子１０の容量を容易に拡張することができるので大容量の設備に適合である。
【００６３】
また、これに適用される熱電冷却素子１０は前述したように多様に構成できるし、冷却水循環管２２に注入される冷却水も先の実施例の場合と同一に純水を使用することが好ましい。
【００６４】
【発明の効果】
以上、記述したような本発明による半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置によると、半導体製造工程設備の内部に設置可能であるようにすることでクリーンルームの規模を最小化してクリーンルームの建設に所要される費用を顕著に節減することができ、工程進行時、ウェーハの温度を安定的に維持して工程不良要因を除去することで生産性及び歩留まりを向上させることができるし、既存の圧縮冷却方式を代替する熱電冷却方式を適用することで小型で軽量化された簡単な構造であり、故障の発生がないので長時間連続使用が可能であるのは勿論、管理維持が容易で、外部の温度損失がないので冷却効率性が顕著に向上し、安定的なシステムを維持することができる効果がある。
【００６５】
また、本発明は冷媒を使用しない冷却方式を適用することで冷媒の漏出によるウェーハチップの汚染を防止することができると同時に、クリーンルームの環境汚染を抑制し、消耗性部品の使用を排除して管理維持上の所要費用を節減するし、作動中騒音が発生しない構造を適用して作業環境を最適化させることで作業者の作業集中力を向上させるだけではなく、大容量の工程設備に適合で、補修及び交替時、容易に作業ができるように着脱ができるということが良い点である。
【００６６】
以上、本発明は記載された具体例についてのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想範囲内で多様な変形および修正が可能であることは当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が添付された特許請求範囲に属するのは当然である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置に適用される単層的構造の熱電冷却素子による熱交換の原理を示す概略断面図である。
【図２】本発明の装置に適用される熱電冷却素子の単層的結合構造を一部切開して示す斜視図である。
【図３】本発明の装置に適用される多層的積層構造の熱電冷却素子による熱交換原理を示す概略断面図である。
【図４】本発明による熱電冷却素子の熱交換原理を利用した中小型半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置の好ましい実施例であり、空冷式の放熱活性化手段が適用されて一側電極内に熱電冷却素子が装着される内装型構造を示す概略図である。
【図５】本発明による熱電冷却素子の熱交換原理を利用した中小型半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置の好ましい実施例であり、水冷式の放熱活性化手段が適用されて一側電極内に熱電冷却素子が装着される内装型構造を示す概略図である。
【図６】本発明による熱電冷却素子の熱交換原理を利用した大型半導体製造工程設備用熱電冷却温度調節装置の他の実施例であり、水冷式の放熱活性化手段が適用されて一側電極外部の冷却水循環管上に熱電冷却素子が付着される外装型構造を示す概略図である。
【図７】従来技術による半導体製造工程設備用熱交換機を示す概略図である。
【符号の説明】
Ｃ  制御部
Ｆ  半導体製造工程設備
Ｇ  プラズマ
Ｐ  ポンプ
ＲＦ  高周波電源
Ｔ  熱電冷却制御ユニット
Ｖ  電源
１  熱源対象物
２  ウェーハ
１０  熱電冷却素子
１１  Ｐ型半導体
１２  Ｎ型半導体
１３  導体
１４  絶縁性熱伝導体
１５  冷接面
１６  温接面
２０  放熱活性化手段
２１  放熱板
２２  冷却水循環管
３０  チャンバー
３１  電極Ａ
３２  電極Ｂ
３３  絶縁体
３４  ペデスタル
３５  真空ポット
３６  電源供給ケーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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