Design of a -120℃ Mixed Refrigerant Refrigerator System for Cryogenic Semiconductor Etching Process

반도체 제조 공정에서 최근 요구되는 미세화 및 고단화 패턴 형성에 대응하기 위해, 극저온 냉각시스템이 필수적인 기술 개발 요소로 요구되고 있다. 본 연구에서는 극저온 식각 공정을 위한 냉각시스템 개발의 일환으로, 반도체 식각 공정에 적용할 수 있는 -120℃급 단일 극저온 혼합냉매 줄-톰슨 냉동기를 설계하였다. 냉매는 가연성(R50, R1150, R290, R600a) 및 비가연성(Ar, R14, R23, R218)으로 구분하여 각각 4종의 냉매를 혼합한 조성으로 구성하였으며, 조성의 몰분율에 따라 극저온 냉각시스템의 성능과 복열식 열교환기의 열교환량을 정량적으로 분석하였다. 그 결과, 냉동시스템 COP 기준으로 비가연성 혼합냉매는 0.120, 가연성 혼합냉매는 0.206 수준으로 설계되었으며, 부피 유량 및 열교환량 또한 두 혼합냉매 조건 사이에서 약 2배의 차이가 발생함을 확인하였다.