KR20210154286A - A heat transfer structure having a flow path consist of cell structures, a wafer chuck including the same, manufacturing methods of the same, and optimal design methods of the same - Google Patents

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Abstract

According to an embodiment of the present invention, a heat transfer structure has advantages that temperature deviation of first and second parts is small and the temperature of the first and second parts can be quickly adjusted because a flow path has a cell structure, heat exchange by conduction is made between a frame and the first and second parts constituting the cell structure, and turbulence of fluid passing through the cell structure increases. In addition, the present invention also provides a wafer chuck comprising such a heat transfer structure, a method for manufacturing the heat transfer structure, and an optimal heat transfer structure design method using an equivalent heat flow circuit (ETFC).

Description

셀 구조로 이루어진 유로를 갖는 열전달 구조와, 이 열전달 구조를 포함하는 웨이퍼 척과, 이 열전달 구조의 제조 방법, 및 최적 설계 방법 {A heat transfer structure having a flow path consist of cell structures, a wafer chuck including the same, manufacturing methods of the same, and optimal design methods of the same}A heat transfer structure having a flow path composed of a cell structure, a wafer chuck including the heat transfer structure, a manufacturing method of the heat transfer structure, and an optimal design method {A heat transfer structure having a flow path consist of cell structures, a wafer chuck including the same, manufacturing methods of the same, and optimal design methods of the same}

본 발명은 열전달 구조에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는 유체의 유로가 셀 구조로 이루어지고 이 셀 구조를 이루는 프레임과 제1,2 부분 사이에 열전도에 의한 열교환이 이루어지며 셀 구조를 통과하는 유체의 난류가 증가하기 때문에 제1,2 부분의 온도 편차가 작아지고 제1,2 부분의 온도를 신속하게 조절할 수 있는 열전달 구조에 대한 것이다. The present invention relates to a heat transfer structure, and more specifically, a flow path of a fluid has a cell structure, and heat exchange by heat conduction is made between the frame and the first and second parts constituting the cell structure, and the fluid passing through the cell structure The present invention relates to a heat transfer structure in which the temperature deviation of the first and second parts is reduced because turbulence increases and the temperature of the first and second parts can be quickly adjusted.

아울러, 본 발명은 이러한 열전달 구조를 포함하는 웨이퍼 척과, 이 열전달 구조를 제조하는 방법 및, 등가의 열 유동 회로(ETFC)를 이용하여 열전달 구조를 최적으로 설계하는 방법도 포함한다. In addition, the present invention includes a wafer chuck including such a heat transfer structure, a method for manufacturing the heat transfer structure, and a method for optimally designing a heat transfer structure using an equivalent heat flow circuit (ETFC).

일반적으로, 반도체 소자나 LCD 등을 제조하기 위한 식각 공정, CVD, PVD 공정 등에서는 웨이퍼를 챔버 내의 척에 위치시켜서 고정한다. 식각 공정 등에서 웨이퍼의 표면 온도가 불균일해지면 단위 시간당 식각률이 변하게 되어 반도체 칩의 수율이 크게 저하된다. 따라서, 식각 공정 등에서는 웨이퍼의 온도 균일성이 매우 중요하다.In general, in an etching process, CVD, PVD process, etc. for manufacturing a semiconductor device or LCD, a wafer is fixed by positioning it on a chuck in a chamber. When the surface temperature of the wafer becomes non-uniform in an etching process, etc., the etch rate per unit time changes and the yield of the semiconductor chip is greatly reduced. Therefore, temperature uniformity of the wafer is very important in an etching process or the like.

또한, 식각되는 막의 종류에 따라 웨이퍼의 온도가 각각 달라지므로 여러 온도로 쉽고 빠르게 조절(온도 응답성) 가능해야 한다.In addition, since the temperature of the wafer varies depending on the type of film to be etched, it should be possible to easily and quickly control (temperature responsiveness) to various temperatures.

이러한 기능을 구현하기 위해, 척 내부에는 유로가 형성되고, 유로에는 냉매가 이동하면서 척의 온도를 조절한다.In order to implement this function, a flow path is formed inside the chuck, and a coolant moves through the flow path to control the temperature of the chuck.

그러나, 도 1a에 나타난 바와 같이 유입구 부근의 냉매와 유출구 부근의 냉매는 그 온도가 서로 다르다는 문제점이 있고, 이에 따라 도 1b에 나타난 바와 같이 웨이퍼 척 표면에서의 온도가 균일하지 못하다는 문제점이 있다. 참고로, 도 1a~1b는 '웨이퍼 프로버 척의 저온 온도균일도 향상에 관한 연구'(주영철, 신휘철, 강명구, 한국산학기술학회논문지 Vol. 10, No. 10, pp. 2572-2576, 2009)에서 발췌한 것이다. However, as shown in FIG. 1A , there is a problem that the temperature of the refrigerant near the inlet and the refrigerant near the outlet are different from each other, and accordingly, there is a problem that the temperature on the surface of the wafer chuck is not uniform as shown in FIG. 1B . For reference, FIGS. 1a to 1b are from 'A Study on the Improvement of Low-Temperature Uniformity of Wafer Prover Chuck' (Young-Chul Joo, Hwi-Cheol Shin, Myeong-Gu Kang, Journal of the Korean Society of Industrial-Academic Technology, Vol. 10, No. 10, pp. 2572-2576, 2009). it is excerpted.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 다양한 열전달 구조가 제안된 바 있다. ㈜램리써치코포레이션은, WO 2010/055441 A를 통해서, 척 내부의 유로를 다수 개의 격벽으로 구획하고 구획된 각각의 유로마다 유입구를 통해 냉매를 공급하는 방안을 제안한 바 있다. 이 방안은 각각의 유로마다 별도로 냉매를 공급하는데, 이 냉매의 온도를 조절함으로써 척 표면의 온도 편차를 줄일 수 있으나, 온도 응답성이 여전히 느리다는 문제점이 있다. In order to solve this problem, various heat transfer structures have been proposed. Lam Research Corporation, through WO 2010/055441 A, has proposed a method of dividing the flow path inside the chuck into a plurality of partition walls and supplying the refrigerant through an inlet for each partitioned flow path. In this method, a refrigerant is separately supplied to each flow path, and the temperature deviation of the chuck surface can be reduced by controlling the temperature of the refrigerant, but there is a problem in that the temperature response is still slow.

한편, 상술한 문제점은 웨이퍼 척 뿐만 아니라 유체와 유체 사이의 비혼합 열교환시 또는 유체와 고체 사이의 열교환시에도 일반적으로 발생하는 문제이다. On the other hand, the above-mentioned problem is a problem that generally occurs not only in the wafer chuck, but also in the non-mixed heat exchange between the fluid and the fluid or the heat exchange between the fluid and the solid.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 유로(50)를 통해 이동하는 유체와 제1,2 부분(10, 20, 예를 들어 웨이퍼 척) 사이의 열교환이 균일하고 신속하게 이루어지고 이에 따라 제1,2 부분(10)(20)의 온도 편차가 작아지고 온도 응답성이 향상된 열전달 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다. 구체적으로, 유로(50)가 셀 구조로 이루어지고 이 셀 구조를 이루는 프레임(33)과 제1,2 부분(10)(20) 사이에 전도에 의한 열교환이 이루어지고 셀 구조를 통과하는 유체의 난류가 증가하기 때문에 제1,2 부분(10)(20)의 온도 편차가 작고 제1,2 부분(10)(20)의 온도를 신속하게 조절할 수 있는 열전달 구조를 제공하고자 하는 목적을 갖고 있다. The present invention has been proposed to solve the above problems, and heat exchange between the fluid moving through the flow path 50 and the first and second parts 10 and 20 (eg, wafer chuck) is uniformly and quickly made, and thus Accordingly, an object of the present invention is to provide a heat transfer structure in which the temperature deviation of the first and second portions 10 and 20 is reduced and the temperature responsiveness is improved. Specifically, the flow path 50 has a cell structure, and heat exchange by conduction is made between the frame 33 and the first and second parts 10 and 20 constituting the cell structure, and The purpose of this is to provide a heat transfer structure in which the temperature deviation of the first and second parts 10 and 20 is small and the temperature of the first and second parts 10 and 20 can be quickly adjusted because the turbulence increases. .

아울러, 본 발명은 이러한 열전달 구조를 포함하는 웨이퍼 척과, 이 열전달 구조를 제조하는 방법 및, 등가의 열 유동 회로(ETFC)를 이용하여 열전달 구조를 최적으로 설계하는 방법을 제공하고자 하는 목적도 갖고 있다. In addition, the present invention also has an object to provide a wafer chuck including such a heat transfer structure, a method for manufacturing the heat transfer structure, and a method for optimally designing a heat transfer structure using an equivalent heat flow circuit (ETFC). .

본 발명에 따른 열전달 구조는 유체와 고체 사이의 열교환시 또는 유체와 유체 사이의 비혼합 열교환시에 열전달 효율을 높이기 위한 것이다. The heat transfer structure according to the present invention is to increase heat transfer efficiency during heat exchange between a fluid and a solid or during non-mixed heat exchange between a fluid and a fluid.

상기 열전달 구조는, 열전달이 가능하도록 일정한 면적을 가진 제1 부분(10); 제1 부분(10)과 소정 간격으로 이격된 곳에 설치되고, 열전달이 가능하도록 일정한 면적을 가진 제2 부분(20); 및, 제1 부분(10)과 제2 부분(20)의 사이에 형성되고, 유체가 이동하는 통로가 되며, 셀 구조로 이루어진 유로(50);를 포함한다. The heat transfer structure may include: a first portion 10 having a constant area to allow heat transfer; a second part 20 which is installed at a place spaced apart from the first part 10 by a predetermined distance and has a constant area to allow heat transfer; and a flow path 50 formed between the first portion 10 and the second portion 20 , as a passage through which a fluid moves, and having a cell structure.

상기 셀 구조는 제1,2 부분(10)(20) 사이에서 유체가 이동되도록 다수 개의 단위 셀(cell, 30, 130, 230, 330)이 x, y, z 방향으로 각각 반복적으로 연결되어 이루어지되 셀 구조의 상단과 하단은 제1,2 부분(10)(20)과 연결되어 열전도가 이루어지며, x 방향은 유로(50)의 방향이고 y 방향은 유로(50)의 폭 방향이며 z 방향은 유로(50)의 높이 방향이고, x, y, z 방향은 서로에 대해 수직을 이룬다. 그리고, 유체가 셀 구조를 통해 이동하면 난류가 증가된다. The cell structure is formed by repeatedly connecting a plurality of unit cells (cells, 30, 130, 230, 330) in the x, y, and z directions so that the fluid moves between the first and second parts 10 and 20. The upper and lower ends of the supporting cell structure are connected to the first and second parts 10 and 20 to conduct heat, and the x direction is the direction of the flow path 50 , the y direction is the width direction of the flow path 50 , and the z direction is the height direction of the flow path 50 , and the x, y, and z directions are perpendicular to each other. And, as the fluid moves through the cell structure, turbulence increases.

상기 단위 셀(30)(130)(230)(330)은, 유체가 이동하는 부분인 유로부(31); 및, 유로부(31)를 형성하고, 이웃하는 단위 셀과 연결되는 프레임(33);을 포함할 수 있다.The unit cells 30 , 130 , 230 , 330 may include a passage part 31 in which a fluid moves; and a frame 33 that forms the flow path part 31 and is connected to a neighboring unit cell.

이웃하는 단위 셀(30)(130)(230)(330)의 유로부(31)가 연결되어 통하도록 이웃하는 단위 셀(30)(130)(230)(330)의 프레임(33)이 연결된다. 그리고, 프레임(33)과 제1,2 부분(10)(20)은 열전도율이 높은 소재로 이루어진다. The frames 33 of the neighboring unit cells 30, 130, 230, and 330 are connected so that the flow passages 31 of the neighboring unit cells 30, 130, 230 and 330 are connected and communicated. do. In addition, the frame 33 and the first and second parts 10 and 20 are made of a material having high thermal conductivity.

제1,2 부분(10)(20)과 프레임(33) 사이에 열이 전도되는 것과 난류가 증가되는 것에 의해 제1,2 부분(10)(20)의 온도 편차가 작아지고 온도 조절이 신속하게 이루어진다.By heat conduction between the first and second parts 10 and 20 and the frame 33 and increasing turbulence, the temperature deviation between the first and second parts 10 and 20 is reduced and temperature control is quick it is done

상기 셀 구조는 격자(lattice) 구조 또는 트러스(truss) 구조일 수 있다. The cell structure may be a lattice structure or a truss structure.

상기 단위 셀(30)(130)은 정육면체 또는 직육면체일 수 있다. 이 경우, 프레임(33)은 정육면체 또는 직육면체의 모서리를 이루며, 유로부(31)는 상기 모서리의 내부 부분이다. The unit cells 30 and 130 may be cubes or cuboids. In this case, the frame 33 forms a corner of a cube or a rectangular parallelepiped, and the flow path part 31 is an inner part of the corner.

상기 단위 셀(130)은 연결봉(34)을 더 포함할 수 있다. 연결봉(34)은 대각선 방향으로 서로 마주보는 꼭지점을 서로 연결할 수 있다. The unit cell 130 may further include a connecting rod 34 . The connecting rod 34 may connect vertices facing each other in a diagonal direction.

상기 단위 셀(230)은 정팔면체일 수 있다. 이 경우, 프레임(33)은 정팔면체의 모서리 중 수평방향 모서리를 제외한 모서리를 이루며, 유로부(31)는 상기 모서리 내부 부분이다. The unit cell 230 may be an octahedron. In this case, the frame 33 forms a corner except for the horizontal corner among the corners of the regular octahedron, and the flow path part 31 is an inner part of the corner.

상기 단위 셀(330)은 트러스 구조의 프레임(33)을 가질 수 있다. 트러스 구조는 두 개의 정사면체가 결합되되 정사면체의 모서리의 중앙점이 다른 정사면체의 모서리의 중앙점에 서로 연결되고 상기 중앙점을 서로 연결하는 작은 삼각형(35)을 이룰 수 있다. The unit cell 330 may have a frame 33 having a truss structure. The truss structure may form a small triangle 35 in which two tetrahedrons are combined, the center point of the corner of the tetrahedron is connected to the center point of the corner of the other tetrahedron, and the center points are connected to each other.

상기 셀 구조는 메탈 폼(metal foam) 구조 또는 허니콤(honeycombs) 구조일 수도 있다. The cell structure may be a metal foam structure or a honeycomb structure.

상기 단위 셀(30)(130)(230)(330)에서, 유로부(31)의 체적(FV)과 단위 셀의 체적(CV)은 아래 식 1을 만족하는 것이 바람직하고, 단위 셀(30)(130)(230)(330)의 폭(W)과 높이(H)는 아래 식 2를 만족하는 것이 바람직하다. In the unit cells 30, 130, 230, and 330, the volume F V of the flow passage 31 and the volume C V of the unit cell preferably satisfy Equation 1 below, and the unit cell (30), (130), (230), (330), the width (W) and height (H) preferably satisfy the following equation (2).

[식 1][Equation 1]

0.3 ≤ FV/CV ≤ 0.70.3 ≤ F V /C V ≤ 0.7

[식 2][Equation 2]

1mm ≤ W ≤ 7mm1mm ≤ W ≤ 7mm

1mm ≤ H ≤ 7mm1mm ≤ H ≤ 7mm

상기 셀 구조는 열전도율이 높은 소재를 3D 프린팅으로 적층하여 제조될 수 있다. The cell structure may be manufactured by laminating a material having high thermal conductivity by 3D printing.

한편, 웨이퍼 척이 상술한 열전달 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 제1,2 부분(10)(20)은 서로 평행하게 설치된 평판이고, 냉매(유체)는 제1,2 부분(10)(20) 사이를 통해서 이동하면서 제1 부분(10)의 열을 전달받거나 제1 부분(10)으로 열을 전달하고, 제1 부분(10)과 프레임(33) 사이에 열전도가 이루어지는 것에 의해 제1 부분(10)의 온도 편차가 작아지고 온도가 신속하게 조절될 수 있다.Meanwhile, the wafer chuck may have the above-described heat transfer structure. In this case, the first and second parts 10 and 20 are flat plates installed parallel to each other, and the refrigerant (fluid) moves through between the first and second parts 10 and 20 of the first part 10 . By receiving heat or transferring heat to the first part 10 , and heat conduction is made between the first part 10 and the frame 33 , the temperature deviation of the first part 10 is small and the temperature is rapidly increased can be adjusted.

본 발명의 또 다른 측면인 열교환기 최적 설계 방법은, 유동장 내 유로의 특성을 등가의 열 유동 회로(ETFC, Equivalent Thermal Flow Circuit)로 나타내어 최적 설계를 수행한다. 구체적으로, 상기 설계 방법은, (a) 상기 셀 구조를 나타내는 단위 모듈 시험기를 도출하는 단계; (b) 상기 단위 모듈 시험기를 단위 ETFC로 나타내는 단계; 및, (c) 단위 ETFC를 직,병렬로 연결하여 전체 열교환기의 등가 회로를 구성하는 단계;를 포함할 수 있다. Another aspect of the present invention, the heat exchanger optimal design method, performs the optimal design by expressing the characteristics of the flow path in the flow field as an equivalent thermal flow circuit (ETFC). Specifically, the design method includes the steps of: (a) deriving a unit module tester representing the cell structure; (b) representing the unit module tester as a unit ETFC; and, (c) connecting the unit ETFCs in series and in parallel to configure an equivalent circuit of the entire heat exchanger.

본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.The present invention has the following effects.

첫째, 유로를 통해 이동하는 유체와 제1,2 부분(10, 20, 예를 들어 웨이퍼 척) 사이의 열교환이 균일하고 신속하게 이루어지며, 이에 따라 제1,2 부분(10)(20)의 온도 편차가 작아지고 온도 응답성이 향상된 열전달 구조를 제공한다. 구체적으로, 유로가 셀 구조로 이루어지되 셀 구조를 이루는 프레임(33)과 제1,2 부분(10)(20) 사이에 전도에 의한 열교환이 이루어지고 난류가 증가하기 때문에 제1,2 부분(10)(20)의 온도 편차가 작아지고 제1,2 부분(10)(20)의 온도를 신속하게 조절할 수 있다. First, heat exchange between the fluid moving through the flow path and the first and second parts (10, 20, for example, the wafer chuck) is uniformly and rapidly performed, and accordingly, the first and second parts (10, 20) of A heat transfer structure with reduced temperature variation and improved temperature responsiveness is provided. Specifically, since the flow path has a cell structure, heat exchange by conduction is made between the frame 33 and the first and second parts 10 and 20 constituting the cell structure and turbulence increases, so the first and second parts ( 10) The temperature deviation of 20 is small, and the temperature of the first and second parts 10 and 20 can be quickly adjusted.

둘째, 이러한 열전달 구조를 포함하는 웨이퍼 척과, 이 열전달 구조를 제조하는 방법 및, 등가의 열 유동 회로(ETFC)를 이용하여 열교환 구조를 최적으로 설계하는 방법을 제공한다. Second, a wafer chuck including such a heat transfer structure, a method for manufacturing the heat transfer structure, and a method for optimally designing a heat exchange structure using an equivalent heat flow circuit (ETFC) are provided.

도 1a는 종래 기술에 따른 웨이퍼 척의 내부 유로를 통해 이동하는 냉매의 온도를 보여주는 도면.
도 1b는 도 1a의 웨이퍼 척의 표면 온도를 보여주는 도면.
도 2는 웨이퍼 척의 유로의 일 예를 보여주는 평면도.
도 3은 도 2의 A-A' 단면도로서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전달 구조가 유로에 적용된 것을 보여주는 도면.
도 4a는 도 3의 열전달 구조를 보여주는 사시도.
도 4b는 도 3의 열전달 구조를 이루는 제1 단위셀을 보여주는 사시도.
도 4c는 도 3의 열전달 구조의 변형예를 보여주는 사시도.
도 5는 제1 단위셀의 폭(W)과 높이(H)를 보여주는 도면.
도 6a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전달 구조를 보여주는 사시도.
도 6b는 도 6a의 열전달 구조를 이루는 제2 단위셀을 보여주는 사시도.
도 7a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전달 구조를 보여주는 사시도.
도 7b는 도 7a의 열전달 구조를 이루는 제3 단위셀을 보여주는 사시도.
도 8a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 열전달 구조를 보여주는 사시도.
도 8b는 도 8a의 열전달 구조를 이루는 제4 단위셀을 보여주는 사시도.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 열전달 구조에 이용되는 메탈 폼(metal foam)을 보여주는 도면.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 열전달 구조(허니콤을 이용한 열전달 구조)를 보여주는 정면도.
도 11은 도 2의 빗금부분(S)의 유로를 모델링한 것을 보여주는 도면.
도 12는 도 11의 유로를 등가 열 유동 회로(ETFC, Equivalent Thermal Flow Circuit)로 나타낸 도면.
도 13은 도 11의 단품 등가 열유동 회로를 이용하여 도 2의 전체 유로를 등가 열 유동 회로로 나타낸 도면. 1A is a view showing a temperature of a refrigerant moving through an internal flow path of a wafer chuck according to the related art;
Fig. 1B is a diagram showing the surface temperature of the wafer chuck of Fig. 1A;
2 is a plan view illustrating an example of a flow path of a wafer chuck;
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA′ of FIG. 2 , showing that the heat transfer structure according to the first embodiment of the present invention is applied to a flow path.
4A is a perspective view showing the heat transfer structure of FIG. 3 ;
4B is a perspective view illustrating a first unit cell constituting the heat transfer structure of FIG. 3 ;
Figure 4c is a perspective view showing a modified example of the heat transfer structure of Figure 3;
5 is a view showing the width (W) and the height (H) of the first unit cell.
6A is a perspective view showing a heat transfer structure according to a second embodiment of the present invention;
6B is a perspective view showing a second unit cell constituting the heat transfer structure of FIG. 6A;
7A is a perspective view showing a heat transfer structure according to a third embodiment of the present invention;
7B is a perspective view showing a third unit cell constituting the heat transfer structure of FIG. 7A;
8A is a perspective view showing a heat transfer structure according to a fourth embodiment of the present invention;
8B is a perspective view illustrating a fourth unit cell forming the heat transfer structure of FIG. 8A;
9 is a view showing a metal foam used in a heat transfer structure according to a fifth embodiment of the present invention.
10 is a front view showing a heat transfer structure (a heat transfer structure using a honeycomb) according to a sixth embodiment of the present invention.
11 is a view showing a modeling of the flow path of the hatched portion (S) of FIG.
12 is a view showing the flow path of FIG. 11 as an Equivalent Thermal Flow Circuit (ETFC);
13 is a view showing the entire flow path of FIG. 2 as an equivalent thermal fluid circuit using the single unit equivalent thermal fluid circuit of FIG. 11 .

이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to conventional or dictionary meanings, and the inventor should properly understand the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Accordingly, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely embodiments of the present invention and do not represent all the technical spirit of the present invention, so various equivalents that can be substituted for them at the time of the present application It should be understood that there may be variations and examples.

[제1 실시예][First embodiment]

도 2는 웨이퍼 척의 유로의 일 예를 보여주는 평면도이고, 도 3은 도 2의 A-A' 단면도로서 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전달 구조가 유로에 적용된 것을 보여주는 도면이다. 그리고, 도 4a는 상기 열전달 구조를 보여주는 사시도이다. 2 is a plan view showing an example of a flow path of the wafer chuck, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. 2 , showing that the heat transfer structure according to the first embodiment of the present invention is applied to the flow path. And, FIG. 4A is a perspective view showing the heat transfer structure.

[발명의 배경이 되는 기술]에서 설명한 바와 같이, 식각 공정, CVD 공정, PVD 공정 등에서 웨이퍼가 척에 놓이고 냉매가 유입구(inlet)를 통해 유로에 유입된 후 이동하면서 척과 열교환을 한 다음 외부로 배출되는데, 이러한 구성은 이미 공지된 것이다. 본 발명에 따른 열전달 구조는 도 2의 유로 뿐만 아니라 다양한 유로에 적용될 수 있다. 그리고, 웨이퍼의 열교환 뿐만 아니라 유체와 고체 사이의 열교환시 또는 유체와 유체 사이의 비혼합 열교환시에 열전달 효율과 온도 응답성을 높이기 위해서 이용될 수 있다. 하지만 아래에서는 설명의 편의를 위해 열전달 구조가 도 2의 유로에 적용된 경우를 예로 들어서 설명하기로 한다. As described in [Technology behind the invention], a wafer is placed on a chuck in an etching process, a CVD process, a PVD process, etc., and the refrigerant flows into the flow path through the inlet and then exchanges heat with the chuck while moving exhaust, such a configuration is already known. The heat transfer structure according to the present invention may be applied not only to the flow path of FIG. 2 but also to various flow paths. In addition, it may be used to increase heat transfer efficiency and temperature responsiveness during heat exchange between a fluid and a solid or a non-mixed heat exchange between a fluid and a fluid as well as heat exchange of the wafer. However, for convenience of explanation, a case in which the heat transfer structure is applied to the flow path of FIG. 2 will be described as an example.

상기 열전달 구조(1)는 제1 부분(10)과, 제1 부분(10)과 소정 간격으로 이격된 제2 부분(20) 및, 제1,2 부분(10)(20) 사이에 형성된 유로(50)를 포함한다. The heat transfer structure 1 includes a first portion 10 , a second portion 20 spaced apart from the first portion 10 by a predetermined distance, and a flow path formed between the first and second portions 10 and 20 . (50).

제1 부분(10)은 유로(50)의 상단에 형성되고 제2 부분(20)은 유로(50)의 하단에 형성된 것으로서, 제1 부분(10)은 웨이퍼를 고정하는 척일 수 있고 제2 부분(20)은 유로(20)를 지지하는 베이스 부재일 수 있다. 따라서, 열전달 구조(1)가 척에 적용되는 경우, 제1 부분(10)이 고온이고 제2 부분(20)이 저온일 수 있으며 제1 부분(10)의 열이 냉매와 셀 구조를 통해 제2 부분(20)으로 전달될 수 있다. 즉, 유로 내부를 흐르는 냉매가 셀 구조에 의해 수력저항을 일으켜 내부 유동의 누셀트수가 증가됨으로써 난류 유동이 활발하게 되어 대류에 의한 열전달 효율이 증가되며, 이와 동시에 셀 구조 자체의 열전도를 통해 제1 부분(10)의 열이 제2 부분(20)으로 전달되므로, 유로 내부가 비어 있는 기존의 열전달 구조에 비해 빠른 열전달(높은 온도 응답성)이 가능하고 척(제1 부분(10))의 온도 편차를 줄일 수 있다.The first part 10 is formed at the upper end of the flow path 50 and the second part 20 is formed at the lower end of the flow path 50 . The first part 10 may be a chuck for fixing a wafer and the second part Reference numeral 20 may be a base member supporting the flow path 20 . Therefore, when the heat transfer structure 1 is applied to the chuck, the first portion 10 may be high temperature and the second portion 20 may be low temperature, and the heat of the first portion 10 is dissipated through the refrigerant and the cell structure. It can be delivered in two parts 20 . That is, the refrigerant flowing inside the flow path causes hydraulic resistance due to the cell structure, so that the Nusselt number of the inner flow is increased, thereby activating the turbulent flow and increasing the heat transfer efficiency by convection. Since the heat of the part 10 is transferred to the second part 20, faster heat transfer (high temperature responsiveness) is possible compared to the conventional heat transfer structure in which the flow path is empty, and the temperature of the chuck (first part 10) deviation can be reduced.

열전달 구조(1)가 웨이퍼 척에 적용되는 경우 제1,2 부분(10)(20)은 평판일 수 있다. 하지만, 제1,2 부분(10)(20)은 적용되는 상황에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다. 그리고, 제1 부분(10)과 제2 부분(20)은 그 형상이 서로 동일할 수 있으나 다를 수도 있다. When the heat transfer structure 1 is applied to a wafer chuck, the first and second portions 10 and 20 may be flat plates. However, the first and second parts 10 and 20 may have various shapes depending on the situation to which they are applied. Also, the shape of the first portion 10 and the second portion 20 may be the same or different from each other.

제1,2 부분(10)(20)은 열전도율이 높은 소재, 예를 들어 열전도율이 높은 금속으로 만들어질 수 있다. 제1 부분(10)은 셀 구조의 상단과 열전도가 가능하도록 접촉되어 설치되고 제2 부분(20)은 셀 구조의 하단과 열전도가 가능하도록 접촉되어 설치되므로, 셀 구조와 전도에 의한 열교환이 이루어질 수 있고 이에 따라 열교환 효율이 높아지고 온도 응답성이 높아진다. The first and second portions 10 and 20 may be made of a material having high thermal conductivity, for example, a metal having high thermal conductivity. The first part 10 is installed in contact with the upper end of the cell structure to allow heat conduction, and the second portion 20 is installed to be in contact with the lower end of the cell structure to enable heat conduction, so that heat exchange by conduction with the cell structure can be performed. Therefore, the heat exchange efficiency is increased and the temperature responsiveness is increased.

유로(50)는 유입구를 통해 유입된 냉매(유체)가 이동하는 통로이다. 본 발명에서 유로(50)는 셀 구조로 이루어지고, 셀 구조는 다수 개의 단위셀(30)이 x, y, z 방향으로 반복적으로 연결(형성)되어 이루어진다. 즉, 도 4a~4b에 나타난 바와 같이, 셀 구조는 x 방향(냉매가 이동하는 방향)으로 다수 개의 제1 단위셀(30)이 연속적으로 형성(연결)되고, y 방향(x방향에 수직되는 방향으로서 유로의 폭방향)으로 다수 개의 제1 단위셀(30)이 연속적으로 형성(연결)되며, z 방향(x, y 방향에 수직되는 방향으로서 유로의 높이방향)으로 다수 개의 제1 단위셀(30)이 연속적으로 형성(연결)되어 이루어진다. 이러한 셀 구조는 난류를 증가시키므로 대류에 의한 열교환을 증가시킨다. The flow path 50 is a passage through which the refrigerant (fluid) introduced through the inlet moves. In the present invention, the flow path 50 has a cell structure, and the cell structure is formed by repeatedly connecting (forming) a plurality of unit cells 30 in the x, y, and z directions. That is, as shown in FIGS. 4A to 4B, the cell structure is that a plurality of first unit cells 30 are continuously formed (connected) in the x-direction (the direction in which the refrigerant moves), and the y-direction (vertical to the x-direction) is A plurality of first unit cells 30 are continuously formed (connected) in the width direction of the flow path as a direction, and a plurality of first unit cells 30 are formed in a z direction (a direction perpendicular to the x and y directions and in the height direction of the flow path). (30) is formed (connected) continuously. This cell structure increases turbulence and thus increases heat exchange by convection.

한편, 상기 셀 구조에 대한 대안으로서, 다수 개의 제1 단위셀(30)이 x, z 방향으로 연속적으로 형성되고 y 방향으로는 하나의 제1 단위셀(30)만 형성되거나, 다수 개의 제1 단위셀(30)이 x, y 방향으로 연속적으로 형성되고 z 방향으로는 하나의 제1 단위셀(30)만 형성될 수도 있다.On the other hand, as an alternative to the cell structure, a plurality of first unit cells 30 are continuously formed in the x and z directions and only one first unit cell 30 is formed in the y direction, or a plurality of first unit cells 30 are formed. The unit cells 30 may be continuously formed in the x and y directions and only one first unit cell 30 may be formed in the z direction.

셀 구조는 3D 프린팅으로 제조될 수 있다. 알려진 바와 같이, 3D 프린팅은 소재를 다수 개의 층으로 정밀하게 적층하여 제품을 만들 수 있으므로, 열전도율이 높은 소재를 다수 개의 층으로 적층하여 열전달 구조를 만들기에 적합하다. Cell structures can be fabricated by 3D printing. As is known, 3D printing is suitable for making a heat transfer structure by laminating a material with high thermal conductivity in multiple layers because it can make a product by precisely laminating a material in multiple layers.

제1 단위셀(30)은 프레임(33)과 유로부(31)를 갖는다. 프레임(33)은 육면체 형상을 갖고 바람직하게는 직육면체 형상을 가지며 더욱 바람직하게는 정육면체 형상을 갖는다. 프레임(33)은 정육면체의 모서리 부분을 이루고, 유로부(31)는 모서리 내측의 빈 공간을 나타낸다. The first unit cell 30 has a frame 33 and a flow path 31 . The frame 33 has a hexahedral shape, preferably a rectangular parallelepiped shape, and more preferably a cube shape. The frame 33 forms a corner portion of the cube, and the flow path 31 represents an empty space inside the corner.

프레임(33)은 열전도율이 높은 소재, 예를 들어 열전도율이 높은 알루미늄 합금, 구리 등으로 이루어질 수 있다. 셀 구조 상단의 프레임(33)은 제1 부분(10)에 접촉되고 셀 구조 하단의 프레임(33)은 제2 부분(20)에 접촉되므로, 프레임(33)이 열전도율이 높은 소재로 이루어지는 것이 열교환에 유리하다. The frame 33 may be made of a material having high thermal conductivity, for example, an aluminum alloy having high thermal conductivity, copper, or the like. Since the frame 33 at the top of the cell structure is in contact with the first part 10 and the frame 33 at the bottom of the cell structure is in contact with the second part 20, the frame 33 is made of a material with high thermal conductivity. advantageous to

프레임(33)은 원기둥의 1/4에 해당하는 단면을 가질 수 있다. 제1 단위셀(30)이 반복적으로 적층되면 프레임(33)이 이웃하는 제1 단위셀(30)의 프레임(33)과 함께 원형 단면을 이룬다. 이 원형 단면은 냉매의 이동 속도 저하를 줄이면서도 냉매와 프레임(33) 사이의 전도 열교환과 난류 발생을 증가시킬 수 있다.The frame 33 may have a cross section corresponding to 1/4 of a cylinder. When the first unit cells 30 are repeatedly stacked, the frame 33 forms a circular cross section together with the frames 33 of the first unit cells 30 adjacent thereto. This circular cross-section can increase conduction heat exchange between the refrigerant and the frame 33 and the generation of turbulence while reducing a decrease in the movement speed of the refrigerant.

도 4c는 열전달 구조(1)의 변형예를 보여주는 사시도로서, 제1 단위셀(30)이 45°로 회전된 상태로 적층된 것을 보여준다. 4C is a perspective view showing a modified example of the heat transfer structure 1, showing that the first unit cells 30 are stacked in a state rotated by 45°.

한편, 유로부(50)는 아래의 식을 만족하는 것이 바람직하다. On the other hand, the flow passage 50 preferably satisfies the following equation.

[식 1][Equation 1]

0.3 ≤ FV/CV ≤ 0.70.3 ≤ F V /C V ≤ 0.7

1mm ≤ W ≤ 7mm1mm ≤ W ≤ 7mm

1mm ≤ H ≤ 7mm1mm ≤ H ≤ 7mm

위 식에서, In the above formula,

CV : 제1 단위셀의 체적C V : volume of the first unit cell

FV : 유로부의 체적. 즉, 제1 단위셀(30)의 체적(CV)에서 프레임(33)을 제외한 부분의 체적F V : The volume of the flow passage. That is, the volume of the portion excluding the frame 33 in the volume C V of the first unit cell 30 .

W : 제1 단위셀의 폭W: width of the first unit cell

H : 제1 단위셀의 높이H: height of the first unit cell

FV/CV 의 값이 0.3 미만인 경우에는 냉매의 이동 속도가 느려서 온도 응답성과 열교환 효율이 낮아지는 문제점이 있고 FV/CV 의 값이 0.7 초과인 경우에는 전도에 의한 열전달이 낮아지기 때문에 열교환 효율과 온도 응답성이 낮아지는 문제점이 생긴다. If F V / if C is less than the value of V is 0.3, the problem that the moving speed of the refrigerant is temperature response and heat exchange efficiency decrease and slow, and the value of the F V / C V 0.7 exceeded, the heat exchange due to lowered heat transfer by conduction There is a problem in that efficiency and temperature responsiveness are lowered.

그리고, 제1 단위셀의 폭(W)이 1mm 보다 작으면 냉매의 이동속도가 느려서 온도 응답성과 열교환 효율이 낮아지는 문제점이 있고 제1 단위셀의 폭(W)이 7mm 보다 크면 열전도가 작아지므로 열교환 효율과 온도 응답성이 낮아지는 문제점이 생긴다. In addition, when the width (W) of the first unit cell is smaller than 1 mm, there is a problem in that the temperature responsiveness and heat exchange efficiency are lowered because the moving speed of the refrigerant is slow. There is a problem in that heat exchange efficiency and temperature responsiveness are lowered.

더욱 바람직하게, W와 H는 아래 식을 만족할 수 있다. More preferably, W and H may satisfy the following expression.

2mm ≤ W ≤ 6mm2mm ≤ W ≤ 6mm

2mm ≤ H ≤ 6mm2mm ≤ H ≤ 6mm

[제2~6 실시예][Examples 2-6]

도 6a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전달 구조를 보여주는 사시도이고, 도 6b는 상기 열전달 구조를 이루는 제2 단위셀을 보여주는 사시도이다.6A is a perspective view showing a heat transfer structure according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a perspective view showing a second unit cell constituting the heat transfer structure.

도면에 나타난 바와 같이, 상기 열전달 구조(100)는 제1 부분(10)과, 제1 부분(10)과 소정 간격으로 이격된 제2 부분(20) 및, 제1,2 부분(10)(20) 사이에 형성된 유로(50)를 포함한다. 이 구성요소들 중에서 제1,2 부분(10)(20)은 제1 실시예의 제1,2 부분(10)(20)과 동일하므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다.As shown in the drawing, the heat transfer structure 100 includes a first portion 10, a second portion 20 spaced apart from the first portion 10 by a predetermined interval, and first and second portions 10 ( 20) and a flow path 50 formed between them. Among these components, the first and second parts 10 and 20 are the same as the first and second parts 10 and 20 of the first embodiment, and thus a description thereof will be omitted.

유로(50)는 셀 구조로 이루어지고, 셀 구조는 제2 단위셀(130)이 x, y, z 방향으로 반복적으로 연결(형성)되어 이루어진다. 즉, 상기 셀 구조는 x 방향(냉매가 이동하는 방향)으로 다수 개의 제2 단위셀(130)이 연속적으로 형성(연결)되고, y 방향(x방향에 수직되는 방향으로서 유로의 폭 방향)으로 다수 개의 제2 단위셀(130)이 연속적으로 형성(연결)되며, z 방향(x, y 방향에 수직되는 방향으로서 유로의 높이 방향)으로 다수 개의 제2 단위셀(130)이 연속적으로 형성(연결)되어 이루어진다. The flow path 50 has a cell structure, and the cell structure is formed by repeatedly connecting (forming) the second unit cells 130 in the x, y, and z directions. That is, in the cell structure, a plurality of second unit cells 130 are continuously formed (connected) in the x-direction (the direction in which the refrigerant moves), and in the y-direction (the direction perpendicular to the x-direction and the width direction of the flow path). A plurality of second unit cells 130 are continuously formed (connected), and a plurality of second unit cells 130 are continuously formed ( connected) is made.

한편, 상기 셀 구조에 대한 대안으로서, 다수 개의 제2 단위셀(130)이 x, z 방향으로 연속적으로 형성되고 y 방향으로는 하나의 제2 단위셀(130)만 형성되거나, 다수 개의 제2 단위셀(130)이 x, y 방향으로 연속적으로 형성되고 z 방향으로는 하나의 제2 단위셀(130)만 형성될 수도 있다.Meanwhile, as an alternative to the cell structure, a plurality of second unit cells 130 are continuously formed in the x and z directions and only one second unit cell 130 is formed in the y direction, or a plurality of second unit cells 130 are formed. The unit cells 130 may be continuously formed in the x and y directions, and only one second unit cell 130 may be formed in the z direction.

제2 단위셀(130)은 프레임(33)과 유로부(31)를 갖는다. 프레임(33)은 육면체 형상의 모서리 부분과, 상기 육면체의 꼭지점을 대각선 방향으로 연결하는 연결봉(34)을 포함한다. 제2 단위셀(130)은 위에서 설명한 식 1을 만족하는 것이 바람직하다. The second unit cell 130 has a frame 33 and a flow path 31 . The frame 33 includes a hexahedron-shaped corner portion and a connecting rod 34 connecting the vertices of the hexahedron in a diagonal direction. The second unit cell 130 preferably satisfies Equation 1 described above.

도 7a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전달 구조를 보여주는 사시도이고, 도 7b는 상기 열전달 구조를 이루는 제3 단위셀을 보여주는 사시도이다.7A is a perspective view showing a heat transfer structure according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a perspective view showing a third unit cell constituting the heat transfer structure.

도면에 나타난 바와 같이, 상기 열전달 구조(200)는 제1 부분(10)과, 제1 부분(10)과 소정 간격으로 이격된 제2 부분(20) 및, 제1,2 부분(10)(20) 사이에 형성된 유로(50)를 포함한다. 이 구성요소들 중에서 제1,2 부분(10)(20)은 제1,2 실시예의 제1,2 부분(10)(20)과 동일하다.As shown in the drawing, the heat transfer structure 200 includes a first portion 10, a second portion 20 spaced apart from the first portion 10 by a predetermined distance, and first and second portions 10 ( 20) and a flow path 50 formed between them. Among these components, the first and second parts 10 and 20 are the same as the first and second parts 10 and 20 of the first and second embodiments.

상기 유로(50)는 셀 구조로 이루어진다. 상기 셀 구조는 다수 개의 제3 단위셀(230)이 x, y, z 방향으로 반복적으로 연결(형성)되어 이루어지거나, 다수 개의 제3 단위셀(230)이 x, z 방향으로 연속적으로 형성되고 y 방향으로는 하나의 제3 단위셀(230)만 형성되어 이루어지거나, 다수 개의 제3 단위셀(230)이 x, y 방향으로 연속적으로 형성되고 z 방향으로는 하나의 제3 단위셀(230)만 형성되어 이루어질 수 있다. The flow path 50 has a cell structure. In the cell structure, a plurality of third unit cells 230 are repeatedly connected (formed) in the x, y, and z directions, or a plurality of third unit cells 230 are continuously formed in the x, z directions, and Only one third unit cell 230 is formed in the y direction, or a plurality of third unit cells 230 are continuously formed in the x and y directions and one third unit cell 230 is formed in the z direction. ) can be formed.

제3 단위셀(230)은 정팔면체 형태를 갖고, 프레임(33)과 유로부(31)를 포함한다. 프레임(33)은 정팔면체의 모서리 부분을 이루되, 제1,2 부분(10)(20)과 평행한 방향의 모서리는 갖지 않는다. The third unit cell 230 has a regular octahedral shape and includes a frame 33 and a flow path part 31 . The frame 33 forms a corner portion of the octahedron, but does not have corners in a direction parallel to the first and second portions 10 and 20 .

상기 모서리는 원형 단면을 갖는 것이 바람직하고, 정팔면체의 꼭지점은 이웃하는 제3 단위셀(230)과의 결합을 위해 평면으로 형성되는 것이 바람직하다. The corners preferably have a circular cross section, and the vertices of the regular octahedron are preferably formed in a flat plane for bonding with the neighboring third unit cell 230 .

그리고, 제3 단위셀(230)은 위에서 설명한 식 1을 만족하는 것이 바람직하다. And, the third unit cell 230 preferably satisfies Equation 1 described above.

도 8a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 열전달 구조를 보여주는 사시도이고, 도 8b는 상기 열전달 구조를 이루는 제4 단위셀을 보여주는 사시도이다.8A is a perspective view illustrating a heat transfer structure according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a perspective view illustrating a fourth unit cell constituting the heat transfer structure.

도면에 나타난 바와 같이, 상기 열전달 구조(300)는 제1 부분(10)과, 제1 부분(10)과 소정 간격으로 이격된 제2 부분(20) 및, 제1,2 부분(10)(20) 사이에 형성된 유로(50)를 포함한다. 이 구성요소들 중에서 제1,2 부분(10)(20)은 제1,2 실시예의 제1,2 부분(10)(20)과 동일하다.As shown in the drawing, the heat transfer structure 300 includes a first portion 10, a second portion 20 spaced apart from the first portion 10 by a predetermined interval, and first and second portions 10 ( 20) and a flow path 50 formed between them. Among these components, the first and second parts 10 and 20 are the same as the first and second parts 10 and 20 of the first and second embodiments.

상기 유로(50)는 셀 구조로 이루어진다. 상기 셀 구조는 다수 개의 제4 단위셀(330)이 x, y, z 방향으로 반복적으로 연결(형성)되어 이루어지거나, 다수 개의 제4 단위셀(330)이 x, z 방향으로 연속적으로 형성되고 y 방향으로는 하나의 제4 단위셀(330)만 형성되어 이루어지거나, 다수 개의 제4 단위셀(330)이 x, y 방향으로 연속적으로 형성되고 z 방향으로는 하나의 제4 단위셀(330)만 형성되어 이루어질 수 있다.The flow path 50 has a cell structure. In the cell structure, a plurality of fourth unit cells 330 are repeatedly connected (formed) in the x, y, and z directions, or a plurality of fourth unit cells 330 are continuously formed in the x and z directions, and Only one fourth unit cell 330 is formed in the y direction, or a plurality of fourth unit cells 330 are continuously formed in the x and y directions and one fourth unit cell 330 is formed in the z direction. ) can be formed.

제4 단위셀(330)은 트러스 구조를 갖는다. 구체적으로 두 개의 정사면체가 결합되되 정사면체의 모서리의 중앙점이 다른 정사면체의 모서리의 중앙점에 서로 연결되고 상기 중앙점을 서로 연결하는 작은 삼각형(35)이 형성되어 이루어진다. The fourth unit cell 330 has a truss structure. Specifically, two tetrahedrons are combined, and the central point of the corner of the tetrahedron is connected to the central point of the corner of the other tetrahedron, and a small triangle 35 connecting the central points is formed.

상기 정사면체의 모서리는 원형의 1/2에 해당하는 단면을 갖고, 이 단면은 이웃하는 제4 단위셀(330)의 모서리와 함께 원형 단면을 이룬다. 그리고, 상기 작은 삼각형(35)은 원형 단면을 갖는다. 이와 같이, 셀 구조의 프레임(33)이 원형단면을 이루는 것은 냉매의 흐름 저항을 줄이면서도 난류를 증가시키는 장점을 갖는다. The edge of the tetrahedron has a cross-section corresponding to 1/2 of a circle, and this cross-section forms a circular cross-section together with the edge of the fourth unit cell 330 adjacent thereto. And, the small triangle 35 has a circular cross section. As described above, the fact that the frame 33 of the cell structure has a circular cross-section has the advantage of increasing the turbulence while reducing the flow resistance of the refrigerant.

아울러, 제4 단위셀(330)은 위에서 설명한 식 1을 만족하는 것이 바람직하다. In addition, the fourth unit cell 330 preferably satisfies Equation 1 described above.

도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 열전달 구조에 이용되는 메탈 폼(metal foam)을 보여주는 도면이다. 9 is a view showing a metal foam used in a heat transfer structure according to a fifth embodiment of the present invention.

상기 열전달 구조는 제1,2 부분(도면에 미도시)과, 제1,2 부분 사이에 형성된 유로를 포함한다. 이 구성요소들 중에서 제1,2 부분은 상술한 실시예의 제1,2 부분(10)(20)과 동일하다.The heat transfer structure includes first and second portions (not shown in the drawing) and a flow path formed between the first and second portions. Among these components, the first and second parts are the same as the first and second parts 10 and 20 of the above-described embodiment.

상기 유로는 셀 구조는 갖고, 상기 셀 구조는 다수 개의 폼(foam, 공극)이 서로 연결되도록 형성되어 이루어진다. 냉매(유체)가 서로 연결된 폼을 통해 이동하면 난류가 증가되고 폼을 이루는 금속(프레임)과 열교환을 한다. 그리고, 셀 구조의 최상단과 최하단은 제1,2 부분과 접촉되므로 전도를 통해서 열교환이 이루어진다. 상기 메탈 폼은 위에서 설명한 식 1을 만족하는 것이 바람직하다. The flow path has a cell structure, and the cell structure is formed so that a plurality of foams (voids) are connected to each other. When the refrigerant (fluid) moves through the interconnected foam, turbulence increases and heat exchanges with the metal (frame) constituting the foam. And, since the uppermost and lowermost ends of the cell structure are in contact with the first and second parts, heat exchange is performed through conduction. The metal foam preferably satisfies Equation 1 described above.

도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 열전달 구조를 보여주는 정면도이다. 에 이용되는 허니콤 구조를 보여주는 정면도이다.10 is a front view showing a heat transfer structure according to a sixth embodiment of the present invention. It is a front view showing the honeycomb structure used for

상기 열전달 구조(500)는 제1,2 부분(10)(20)과, 제1,2 부분(10)(20) 사이에 형성된 유로(50)를 포함한다. 이 구성요소들 중에서 제1,2 부분(10)(20)은 상술한 실시예의 제1,2 부분(10)(20)과 동일하다.The heat transfer structure 500 includes first and second parts 10 and 20 and a flow path 50 formed between the first and second parts 10 and 20 . Among these components, the first and second parts 10 and 20 are the same as the first and second parts 10 and 20 of the above-described embodiment.

상기 유로는 셀 구조로 이루어진다. 상기 셀 구조는 다수 개의 허니콤(honeycomb)이 서로 연결되도록 적층되어 이루어질 수 있는데, 이 연결 적층 방법은 상술한 실시예들의 연결 적층방법과 동일하다. The flow path has a cell structure. The cell structure may be formed by stacking a plurality of honeycombs to be connected to each other, and this connection stacking method is the same as the connection stacking method of the above-described embodiments.

냉매(유체)는 허니콤을 통해 이동하면서 난류가 증가되고 허니콤을 이루는 금속(프레임)과 열교환을 한다. 그리고, 셀 구조의 최상단과 최하단은 제1,2 부분(10)(20)과 접촉되므로 전도를 통해서 열교환이 이루어진다. As the refrigerant (fluid) moves through the honeycomb, turbulence increases and heat exchanges with the metal (frame) constituting the honeycomb. And, since the uppermost and lowermost ends of the cell structure are in contact with the first and second parts 10 and 20, heat exchange is performed through conduction.

아울러, 상기 허니콤 구조는 위에서 설명한 식 1을 만족하는 것이 바람직하다. In addition, the honeycomb structure preferably satisfies Equation 1 described above.

[등가 열유동 회로를 이용하여 열전달 구조를 최적으로 설계하는 방법][How to optimally design a heat transfer structure using an equivalent heat flow circuit]

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열전달 구조는 유로 내부를 흐르는 냉매가 셀 구조에 의해 수력저항을 일으켜 내부 유동의 누셀트수가 증가되므로 난류 유동이 활발하게 되어 대류에 의한 열전달 효율이 증가되며 이와 함께 셀 구조 자체의 열전도를 통해 제1 부분(10)의 열이 제2 부분(20)으로 전달되므로, 유로 내부가 비어 있는 기존의 열전달 구조에 비해 빠른 열전달(높은 온도 응답성)이 가능하고 온도 편차를 줄일 수 있다.As described above, in the heat transfer structure according to the present invention, the refrigerant flowing inside the flow path causes hydraulic resistance due to the cell structure to increase the number of Nusselts in the inner flow. Since the heat of the first part 10 is transferred to the second part 20 through the heat conduction of the cell structure itself, faster heat transfer (high temperature responsiveness) is possible compared to the conventional heat transfer structure in which the flow path is empty, and the temperature deviation can reduce

유로 내부의 셀 구조에서 프레임(33)의 체적분율(Volume fraction)이 증가할수록 대류 열전달 효과는 낮아지지만 셀 구조 자체의 열전도 효과는 커진다. 따라서, 열전달 구조를 그 목적에 따라 최적으로 설계하는 것이 필요하지만 이를 예측하기는 매우 어렵다.As the volume fraction of the frame 33 increases in the cell structure inside the flow path, the convective heat transfer effect decreases, but the heat conduction effect of the cell structure itself increases. Therefore, it is necessary to optimally design a heat transfer structure according to its purpose, but it is very difficult to predict it.

본 출원인은 이를 해결하기 위해, 유동장 내 유로의 특성을 등가의 열, 유동 회로(ETFC, Equivalent Thermal Flow Circuit)로 치환하여 최적 설계를 수행하였는데, 이를 구체적으로 설명하면 아래와 같다.In order to solve this problem, the applicant of the present application performed an optimal design by substituting an equivalent thermal flow circuit (ETFC) for the characteristics of the flow path in the flow field, which will be described in detail as follows.

먼저, 도 2의 유로 중에서 빗금친 부분(S)을 나타내는 단위 모듈 형태의 시험기를 제작한다. 상기 시험기는 도 11에 나타난 바와 같이, 유입구(inlet)와 유출구(outlet) 및, 제1,2 부분을 포함한다. First, a unit module type tester indicating the hatched portion S in the flow path of FIG. 2 is manufactured. As shown in FIG. 11 , the tester includes an inlet and an outlet, and first and second parts.

제1 부분에는 에칭 등의 공정에서 발생하는 열을 나타내기 위해 열전소자가 배치되었고, 제2 부분에서는 온도를 측정한다. 유입구(inlet)에는 압력(Pi), 온도(Ti), 부피(Vi)의 냉매가 유입되고, 이 냉매는 셀 구조를 경유하여 이동한 후 유출구(outlet)를 통해 배출된다. 배출시 냉매의 압력은 Po이고 온도는 To 이며, 부피는 Vo 이다.A thermoelectric element is disposed in the first part to indicate heat generated in a process such as etching, and the temperature is measured in the second part. A refrigerant of pressure (P i ), temperature (T i ), and volume (V i ) is introduced into the inlet, and the refrigerant is discharged through the outlet after moving through the cell structure. When discharged, the pressure of the refrigerant is P o , the temperature is T o , and the volume is V o .

이어서, 상기 단위 모듈을 등가의 단품 ETFC로 나타낸다. 도 12는 이러한 등가의 단품 ETFC를 보여준다. ETFC는 다차원 열전달 및 열유동 특성을 열원에 의한 열의 흐름을 열-전기 상사원리를 이용하여 열적 네트워크를 구성한 것을 의미하며, 각 부분을 설명하면, 도 12에서 Ri는 상기 단위 모듈의 열전달 저항을 의미하며, 유로 내 장착된 허니콤 구조, 래티스 구조에 의해 열이 전달되는 전도 및 대류 열저항특성을 상사한 값이다. 그리고 Ci는 열 용량을 의미하며, 열 소스와 열저항에 의해 온도의 변화를 억제하고 열 에너지를 저장하는 역할을 한다. 이러한 열소스(전류원), 열저항, 열 용량으로 열교환기의 열적 네트워크를 구성하면 직렬, 병렬 연결된 열유동 회로의 열전달 특성을 쉽게 예측가능하다. 도 12에서 R1, R2, R3는 유로의 벽면에서 형성되는 전도 열저항을 의미하며, R4는 반경반향으로 구성된 래티스 구조의 전도 열저항을 의미한다. 그리고 R5와 R6는 축방향으로 유체가 흐를 때 래티스 구조에 의해 발생하는 대류 및 전도 열저항을 의미한다. 그러므로 도 12는 상부에서 발생한 열원이 벽면의 전도, 유로 내부에 형성된 래티스 구조의 전도 및 냉매의 전도와 대류 특성에 따라 전달되는 현상을 열적 네트워크로 단순화한 구성이며 이러한 유로가 직렬 연결되면 도 12의 단품 ETFC가 직렬연결되고, 병렬 연결되면 분기가 나타나는 도 12의 단품 ETFC가 병렬연결로 점진적 구성이 되어 도 13과 같이 구성 가능하다. Then, the unit module is denoted as an equivalent unit ETFC. 12 shows such an equivalent single-unit ETFC. ETFC is multi-dimensional heat transfer and heat the flow of heat by the heat source heat flow properties - the heat transfer resistance of the means that is configured to thermally network using an electrical firm principles will be described for each part, R i in Figure 12 is the unit modules Meaning, it is a value similar to the conduction and convective heat resistance characteristics through which heat is transferred by the honeycomb structure and the lattice structure installed in the flow path. And C i means heat capacity, and serves to suppress the change in temperature by the heat source and heat resistance and to store heat energy. If the thermal network of the heat exchanger is configured with such a heat source (current source), heat resistance, and heat capacity, the heat transfer characteristics of heat flow circuits connected in series and parallel can be easily predicted. In FIG. 12 , R 1 , R 2 , and R 3 denote conductive thermal resistance formed on the wall surface of the flow path, and R 4 denotes conductive thermal resistance of a lattice structure configured in a radial direction. And R 5 and R 6 mean the convection and conduction thermal resistance generated by the lattice structure when the fluid flows in the axial direction. Therefore, FIG. 12 is a simplified configuration of a thermal network in which the heat source generated from the upper part is transmitted according to the conduction of the wall surface, the conduction of the lattice structure formed inside the flow path, and the conduction and convection characteristics of the refrigerant. The individual ETFCs of FIG. 12 are connected in series and branched when they are connected in parallel, and the individual ETFCs of FIG. 12 are gradually configured in parallel connection, so that they can be configured as shown in FIG. 13 .

다음으로, 도 13에 나타난 바와 같이, 상기 등가의 단품 ETFC를 직,병렬로 서로 연결하여 전체 열교환기의 등가 회로를 구성한다. 그리고, 이 등가 회로를 이용하여 프레임(33)의 체적분율(Volume fraction)과 단위셀의 구조 등을 최적으로 설계한다. Next, as shown in FIG. 13 , the equivalent single ETFCs are connected to each other in series and parallel to form an equivalent circuit of the entire heat exchanger. Then, the volume fraction of the frame 33 and the structure of the unit cell are optimally designed using this equivalent circuit.

1, 100, 200, 300, 500 : 열전달 구조
10 : 제1 부분 20 : 제2 부분
30 : 제1 단위셀 31 : 유로부
33 : 프레임 34 : 연결봉
35 : 작은 삼각형 50 : 유로
130 : 제2 단위셀 230 : 제3 단위셀
330 : 제4 단위셀1, 100, 200, 300, 500: heat transfer structure
10: first part 20: second part
30: first unit cell 31: flow path part
33: frame 34: connecting rod
35: small triangle 50: euro
130: second unit cell 230: third unit cell
330: fourth unit cell

Claims (13)

유체와 고체 사이의 열교환시 또는 유체와 유체 사이의 비혼합 열교환시에 열전달 효율을 높이기 위한 구조로서,
상기 구조는,
열전달이 가능하도록 일정한 면적을 가진 제1 부분(10);
제1 부분(10)과 소정 간격으로 이격된 곳에 설치되고, 열전달이 가능하도록 일정한 면적을 가진 제2 부분(20); 및,
제1 부분(10)과 제2 부분(20)의 사이에 형성되고, 유체가 이동하는 통로가 되며, 셀 구조로 이루어진 유로(50);를 포함하고,
셀 구조는 제1,2 부분(10)(20) 사이에서 유체가 이동되도록 다수 개의 단위 셀(cell)이 반복적으로 형성되어 이루어지고, 셀 구조의 상단과 하단은 제1,2 부분(10)(20)과 연결되어 열전도가 이루어지며, 유체가 셀 구조를 통해 이동하면 난류가 증가되고,
단위 셀은,
유체가 이동하는 부분인 유로부(31); 및,
유로부(31)를 형성하고, 이웃하는 단위 셀과 연결되는 프레임(33);을 포함하고,
이웃하는 단위 셀의 유로부(31)가 연결되어 통하도록 이웃하는 단위 셀의 프레임(33)이 연결되고, 프레임(33)과 제1,2 부분(10)(20)은 열전도율이 높은 소재로 이루어지며,
제1,2 부분(10)(20)과 프레임(33) 사이에 열이 전도되는 것과 난류가 증가되는 것에 의해 제1,2 부분(10)(20)의 온도 편차가 작아지고 온도 조절이 신속하게 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전달 구조.A structure for increasing heat transfer efficiency during heat exchange between fluid and solid or non-mixed heat exchange between fluid and fluid,
The structure is
a first portion 10 having a constant area to allow heat transfer;
a second part 20 which is installed at a place spaced apart from the first part 10 by a predetermined distance and has a constant area to allow heat transfer; and,
It is formed between the first part 10 and the second part 20, and is a passage for the fluid to move, and a flow path 50 made of a cell structure;
The cell structure is formed by repeatedly forming a plurality of unit cells so that the fluid moves between the first and second parts 10 and 20, and the upper and lower ends of the cell structure are the first and second parts 10 (20) is connected to heat conduction, and as the fluid moves through the cell structure, turbulence increases,
The unit cell is
a flow path part 31 through which the fluid moves; and,
and a frame 33 that forms a flow path part 31 and is connected to a neighboring unit cell;
The frame 33 of the neighboring unit cell is connected so that the flow path part 31 of the neighboring unit cell is connected and communicated, and the frame 33 and the first and second parts 10 and 20 are made of a material having high thermal conductivity. is made,
By heat conduction between the first and second parts 10 and 20 and the frame 33 and increasing turbulence, the temperature deviation between the first and second parts 10 and 20 is reduced and temperature control is quick A heat transfer structure, characterized in that it is made. 제1항에 있어서,
상기 셀 구조는 단위 셀이 x, y, z 방향으로 각각 반복적으로 연결되어 이루어지거나, 단위 셀이 x, z 방향으로 반복적으로 연결되고 y 방향으로는 하나의 단위 셀만 형성되어 이루어지거나, 단위 셀이 x, y 방향으로 반복적으로 연결되고 z 방향으로는 하나의 단위 셀만 형성되어 이루어지고,
x 방향은 유로(50)의 방향이고 y 방향은 유로(50)의 폭 방향이며 z 방향은 유로(50)의 높이 방향이고, x, y, z 방향은 서로에 대해 수직을 이루는 것을 특징으로 하는 열전달 구조.According to claim 1,
In the cell structure, the unit cells are repeatedly connected in the x, y, and z directions, respectively, or the unit cells are repeatedly connected in the x and z directions and only one unit cell is formed in the y direction, or the unit cells are It is repeatedly connected in the x and y directions and only one unit cell is formed in the z direction,
The x direction is the direction of the flow path 50, the y direction is the width direction of the flow path 50, the z direction is the height direction of the flow path 50, and the x, y, and z directions are perpendicular to each other. heat transfer structure. 제2항에 있어서,
상기 셀 구조는 격자(lattice) 구조 또는 트러스(truss) 구조인 것을 특징으로 하는 열전달 구조. 3. The method of claim 2,
The heat transfer structure, characterized in that the cell structure is a lattice structure or a truss structure. 제3항에 있어서,
상기 단위 셀은 정육면체 또는 직육면체이고,
프레임(33)은 정육면체 또는 직육면체의 모서리를 이루며, 유로부(31)는 상기 모서리의 내부 부분인 것을 특징으로 하는 열전달 구조. 4. The method of claim 3,
The unit cell is a cube or a cuboid,
The frame (33) forms a corner of a cube or a rectangular parallelepiped, and the flow path part (31) is an inner part of the corner. 제4항에 있어서,
상기 단위 셀은 연결봉(34)을 더 포함하고,
상기 연결봉(34)은 대각선 방향으로 서로 마주보는 꼭지점을 서로 연결하는 것을 특징으로 하는 열전달 구조. 5. The method of claim 4,
The unit cell further comprises a connecting rod (34),
The connecting rod (34) is a heat transfer structure, characterized in that the vertices facing each other in a diagonal direction are connected to each other. 제3항에 있어서,
상기 단위 셀은 정팔면체이고,
프레임(33)은 정팔면체의 모서리 중 적어도 일부를 이루며, 유로부(31)는 상기 모서리 내부 부분인 것을 특징으로 하는 열전달 구조. 4. The method of claim 3,
The unit cell is an octahedron,
The frame (33) forms at least a portion of the corners of the octahedron, and the flow path portion (31) is an inner portion of the corner. 제3항에 있어서,
상기 단위 셀은 트러스 구조의 프레임(33)을 갖고,
트러스 구조는 두 개의 정사면체가 결합되되 정사면체의 모서리의 중앙점이 다른 정사면체의 모서리의 중앙점에 서로 연결되고 상기 중앙점을 서로 연결하는 연결봉이 형성되어 작은 삼각형을 이루는 것을 특징으로 하는 열전달 구조. 4. The method of claim 3,
The unit cell has a frame 33 of a truss structure,
The truss structure is a heat transfer structure characterized in that two tetrahedrons are combined, the center point of the corner of the tetrahedron is connected to the center point of the corner of the other tetrahedron, and a connecting rod connecting the center points is formed to form a small triangle. 제1항에 있어서,
상기 셀 구조는 메탈 폼(metal foam) 구조 또는 허니콤(honeycombs) 구조인 것을 특징으로 하는 열전달 구조. According to claim 1,
The cell structure is a heat transfer structure, characterized in that a metal foam structure or a honeycomb structure. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
유로부(31)의 체적(FV)과 단위 셀의 체적(CV)은 아래 식 1을 만족하고 단위 셀의 폭(W)과 높이(H)는 아래 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 열전달 구조.
[식 1]
0.3 ≤ FV/CV ≤ 0.7
[식 2]
1mm ≤ W ≤ 7mm
1mm ≤ H ≤ 7mm9. The method according to any one of claims 1 to 8,
The volume (F V ) of the flow path part 31 and the volume (C V ) of the unit cell satisfy Equation 1 below, and the width (W) and height (H) of the unit cell satisfy Equation 2 below, characterized in that heat transfer structure.
[Equation 1]
0.3 ≤ F V /C V ≤ 0.7
[Equation 2]
1mm ≤ W ≤ 7mm
1mm ≤ H ≤ 7mm 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 열전달 구조를 제조하는 방법으로서,
상기 셀 구조를 3D 프린팅으로 열전도율이 높은 소재를 적층하여 제조하는 것을 특징으로 하는 열전달 구조 제조방법. 9. A method of making the heat transfer structure of any one of claims 1 to 8, comprising:
A method for manufacturing a heat transfer structure, characterized in that the cell structure is manufactured by stacking a material having high thermal conductivity by 3D printing. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 열전달 구조를 포함하는 웨이퍼 척으로서,
제1,2 부분(10)(20)은 서로 평행하게 설치된 평판이고, 상기 유체는 제1,2 부분(10)(20) 사이를 통해서 이동하면서 제1 부분(10)의 열을 전달받거나 제1 부분(10)으로 열을 전달하되, 제1 부분(10)과 프레임(33) 사이에 전도 열교환이 이루어지고 셀 구조를 통과하면서 유체의 난류가 증가하는 것에 의해 제1 부분(10)의 온도 편차가 작아지고 온도가 신속하게 조절되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 척.A wafer chuck comprising the heat transfer structure of any one of claims 1 to 8, comprising:
The first and second parts 10 and 20 are flat plates installed parallel to each other, and the fluid receives heat from the first part 10 or receives the heat from the first part 10 while moving between the first and second parts 10 and 20. Heat is transferred to the first part 10, but conduction heat exchange is made between the first part 10 and the frame 33 and the turbulence of the fluid increases while passing through the cell structure, thereby increasing the temperature of the first part 10 Wafer chuck characterized in that the deviation is small and the temperature is controlled quickly. 제11항에 있어서,
유로부(31)의 체적(FV)과 단위 셀의 체적(CV)은 아래 식 3을 만족하고 단위 셀의 폭(W)과 높이(H)는 아래 식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는 열전달 구조.
[식 3]
0.3 ≤ FV/CV ≤ 0.7
[식 4]
1mm ≤ W ≤ 7mm
1mm ≤ H ≤ 7mm12. The method of claim 11,
The volume (F V ) of the flow path part 31 and the volume (C V ) of the unit cell satisfy Equation 3 below, and the width (W) and height (H) of the unit cell satisfy Equation 4 below, characterized in that heat transfer structure.
[Equation 3]
0.3 ≤ F V /C V ≤ 0.7
[Equation 4]
1mm ≤ W ≤ 7mm
1mm ≤ H ≤ 7mm 유동장 내 유로의 특성을 등가의 열 유동 회로(ETFC, Equivalent Thermal Flow Circuit)로 나타내어 최적 설계를 수행하는 방법이고, 상기 유로는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 셀 구조로 이루어지며,
(a) 상기 셀 구조를 나타내는 단위 모듈 시험기를 도출하는 단계;
(b) 상기 단위 모듈 시험기를 단위 ETFC로 나타내는 단계; 및,
(c) 단위 ETFC를 직,병렬로 연결하여 전체 열교환기의 등가 회로를 구성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 설계 방법. It is a method of performing an optimal design by expressing the characteristics of the flow path in the flow field as an equivalent thermal flow circuit (ETFC), wherein the flow path consists of the cell structure of any one of claims 1 to 8,
(a) deriving a unit module tester representing the cell structure;
(b) representing the unit module tester as a unit ETFC; and,
(c) constructing an equivalent circuit of the entire heat exchanger by connecting unit ETFCs in series and in parallel;
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