制冷技术在集成电路制造工艺设备中的应用

摘 要 集成电路制造的刻蚀设备要求宽温区温度控制（-20℃～80℃）、光刻设备要求超精密温度控制（±0.01℃）、薄膜气相沉积设备要求的大功率温度控制。本文分析上述温控特点后，分别选择蒸汽式压缩制冷、热电制冷、水水热交换制冷技术，并介绍基于半导体制冷片的制冷系统设计，提出旁通式压缩机制冷系统、基于流量调节的温度控制系统及相关控制技术。

关键词 制冷技术；集成电路制造；宽温区；大功率；高精度

中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）12-0105-02

集成电路制造工艺复杂性与装备精密性对温度控制技术提出宽温区、大功率、超精密等严格要求。如刻蚀工艺设备中，由于不同刻蚀方法要求反应腔内的温度不同，需要冷却系统输出温度范围在-20℃～80℃、精度优于±0.5℃的循环冷却介质。硅片基底进行薄膜化学气相沉积工艺时，反应腔内温度达到300℃～1000℃，对冷却系统的温控精度要求不高，主要目的是带走内部大量热量，制冷功率达到100 kW、甚至更高。纳米级（100 nm）光刻机要求内部投影镜头和关键区域的温度稳定在±0.01℃，随着光刻工艺特征线宽（CD）的不断减小该指标还需不断提高，为此要求冷却系统输出的冷却介质的温度控制精度在±0.01℃。

冷却系统中制冷技术是最为关键的技术，制冷技术的选择恰当直接决定水冷系统的指标实现、方案复杂性与经济性等。

1 冷却系统介绍与制冷技术分析

上述冷却系统是专用提供温度、压力、流量受控的循环冷却介质的设备。它对内部加热、制冷执行器进行控制，实现内部循环冷却介质的温度控制，并与被控设备进行管路连接后，输送循环冷却介质至被控设备进行热交换，最终实现对被控设备的温度控制、热量转移的功能。如图1所示水冷系统主要由加热器、制冷系统、水泵、水箱、传感器、冷却水进出口组成，包含循环冷却介质回路、冷却水回路。制冷系统的主要作用是将循环冷却介质带出的热量通过热交换转移至工厂冷却水，最终带出设备。

制冷技术主要有三种方法，利用物质相变的吸热效应实现制冷；利用气体膨胀产生的冷效应进行制冷；利用半导体的热电效应实现制冷。其中以物质相变原理的蒸汽压缩式制冷最为常见，具有制冷效率高、冷却温度低的特点。压缩式制冷适合温度达到-20℃的低温冷却场合，并且对冷量控制技术的研究目前也有很大进展，如数码蜗旋式变频压缩机控制技术、PWM电子膨胀阀等，能够实现较高的温控精度。

热电制冷技术是利用直流电经过不同导体时发生热量转移的原理，利用热电制冷原理制造出的制冷元器件称为半导体制冷片，可以通过调节它电流的大小实现冷量的调节，具有调节精度高、制冷功率小的特点。此外，制冷片的冷却效率与它冷、热面的温差有很大关系，为保证一定的冷却效率，冷热面的温差需要控制在一定范围内，这限制了热电制冷的制冷温度。虽然光刻机内部投影镜头和关键区域的温度控制精度要求高，但主要用来平衡环境空气的温度波动及传感器、板卡的热量，冷却功率小，并且温度点在20℃左右。因此，热电制冷技术十分适合于光刻工艺设备的超精密温度控制。

此外转移热量也可以通过冷却水与循环冷却介质直接进行热交换器实现，即通过水、水强制对流的方式。该方式的传热系数达到2000 W/（m2·k）～15000W/（m2·k），在热交换两侧温差较大时可以实现很大的热交换功率。硅片基底进行薄膜化学气相沉积工艺中，对温度点没有严格精度要求，主要作用是带出大量热量、冷却反应腔体的温度，水、水热交换的制冷方式比较适合。

2 蒸汽压缩制冷系统

蒸汽压缩制冷系统如图2所示：制冷系统由压缩机、冷凝器、气液分离器、干燥过滤器、示液镜、膨胀阀和蒸发器组成。冷却水回路包括水力调节阀，循环冷却介质回路包括流量调节阀。压缩机制冷系统中的蒸发温度是较为恒定温度点，循环冷却介质温度为-20℃时蒸发温度一般设置略低-20℃，如果循环冷却介质的温度变为80℃将造成蒸发温度过高引起高低报警。为此，在高温工况下通过循环冷却介质回路的流量调节阀在换热前进行分流，避免了压缩机高低压报警。控制系统设计采用逻辑PID控制，运用PID算法分别对电子膨胀阀、流量调节阀和加热器的输出量进行调节，其中电子膨胀阀PID控制旨在监控压缩机吸气温度，避免吸气温度过高引起高、低压报警；流量调节阀PID控制旨在控制混流完成后循环冷却介质的温度，使它略低于设定工况；最终通过加热PID控制实现出水口优于±0.5℃的温度控制。

3 热电制冷技术

半导体制冷片经过直流电经过后会形成冷、热端，利用它的冷端可以进行制冷。如图3所示，将制冷片的冷、热端分别贴在冷端散热器与热端散热器，循环冷却介质经过冷端散热器被冷却，半导体制冷片将热量转移至热端散热器，最终冷却水经过热端散热器将热量带走。半导体制冷片与金属壁间为热传导，冷却水、循环冷却介质在散热器内为对流换热。

设计冷、热端散热器时需进行对流换热分析、热传导分析，还应考虑制冷片的温差与制冷量的关系、循环水的温控范围、冷却水的温度波动范围，以及目标制冷功率与最大电流等。降低半导体制冷片冷、热端的温差可以提高制冷效率。热端散热器的换热系数应设计大于冷端散热器，因为它除了转移循环冷却介质带出的热量外还要带出半导体制冷片自身发热的热量。通过控制半导体制冷片的供电电流大小来实现制冷量的调节，供电电路包括功率控制器、整流桥、保护元件等，功率控制器根据输入的控制信号调节输出三相电压的大小，整流桥将交流电压转换为直流电，供给制冷片。温度控制器根据实际温度与目标温度的差值，经处理器的算法运算，最终向功率控制器输出模拟量的控制信号。

4 水、水热交换制冷

循环冷却介质通过换热器与厂务供应的冷却水进行热交换来实现制冷。如图4所示，循环水回路包括温度传感器、流量调节阀；冷却水回路包括温度传感器、流量传感器、流量调节阀。循环冷却介质温度的调节是通过调节与冷却水发生热交换的支路流量实现，温度传感器、流量调节阀形成温度反馈控制系统。冷却水的温度与流量会影响制冷功率，因此在冷却水回路中增加温度、流量传感器进行监测。热交换器的设计与对流量调节阀控制是该方案的关键。

根据厂务冷却水的技术参数及使用工况确定热交换器的设计输入的参数：循环冷却介质侧的最低进水温度48℃、出水温度33℃、制冷功率100 kW、流量100 L/min；冷却水进水最高温度18℃、出水温度43℃、流量60 L/min；经分析换热系数为4350 W/（m2*K）、换热面积2.3 m2。选用西门子两通阀对流量进行调节，选型时应考虑最小调节量、响应时间。选用欧姆龙PLC作为控制器，根据循环冷却介质的当前温度与设定温度对两通阀的开度进行调节，实现温度控制，选用科宝公司流量传感器、温度传感器对冷却水流量、温度进行监测。该方案主要换热器与流量调节阀，简单、经济性高。

5 结论

集成电路制造工艺设备的温度控制涉及宽温区、大功率、超精密的复杂要求，制冷技术是温控技术的关键。本文分析上述温控特点与制冷技术，对宽温区（-20℃～80℃）场合提出蒸汽压缩式制冷方式，对大功率换热（100 kW）场合提出水、水热交换的制冷方式，对超精密（±0.01℃）场合提出热电制冷方式并对各方案的原理实现、控制技术进行探讨，提出旁通式蒸汽压缩机制冷技术、基于流量调节的温度反馈控制系统、基于半导体制冷片的制冷系统设计等。

参考文献

[1]机械工程师手册编委会.机械工程师手册[M].机械工程出版社，2007.

[2]姚汉民，胡松，刑延文.光学投影曝光微纳加工技术[M].北京工业大学出版社，2006.

作者简介

余斌（1981-），男，汉族，江西鄱阳人，硕士学位，机械电子工程，上海微电子装备有限公司中级工程师，研究方向：集成电路设备中的温度控制、水冷系统、键合设备。