열전달 유체로서의 하이드로플루오로에테르 document_id A220623042454

현재까지 다양한 유체가 열전달을 위해 사용되었다. 열전달 유체의 적합성은 적용 방법에 의존한다. 예를 들어, 일부 전기 분야는 불활성이고, 높은 유전 강도, 낮은 독성, 우수한 환경적 특성, 및 넓은 온도 범위에 걸친 우수한 열전달 특성을 갖는 열전달 유체를 필요로 한다. 다른 분야에서는 정확한 온도 조절을 필요로 하고, 따라서 열전달 유체는 전체 공정의 온도 범위에 걸쳐 단일상일 필요가 있으며, 열전달 유체 특성이 예측가능한 것일 필요가 있다. 즉, 조성물이 비교적 일정하게 유지되어 점도, 끓는점 등이 예측될 수 있어서, 정확한 온도가 유지될 수 있고, 장비가 적절하게 디자인될 수 있어야 한다. 반도체 산업에서, 선택된 특성을 갖는 열전달 유체를 필요로 하는 수많은 디바이스 또는 공정이 있다. 열전달 유체는 열을 제거하거나, 열을 추가하거나, 또는 온도를 유지하는데 사용될 수 있다. 이하에 기술되는 반도체 공정 각각은 이로부터 제거된 열을 또는 이에 추가된 열을 갖는 디바이스 또는 공작물(work-piece)을 포함한다. 열 제거 또는 추가와 관련한 열전달은 넓은 온도 범위에 걸쳐 일어날 수 있다. 따라서, 각각의 경우에서, 열전달 유체로는 "오퍼레이터 친화적"인 다른 특성을 갖는 것이 바람직하게 사용된다. 열전달 유체가 "오퍼레이터 친화적"으로 여겨지기 위해서는, 열전달 유체는 바람직하게는 낮은 독성 및 낮은 인화성을 나타낸다. 자동화 시험 장비(automated test equipment; ATE)에서, 장비는 반도체 다이(die)의 성능을 테스트하는데 사용된다. 다이는 반도체 기판의 웨이퍼를 절단한 개별 "칩(chip)"이다. 다이는 반도체 파운드리(foundry)로부터 생기며, 이것이 기능성 필요조건 및 프로세서 속도 필요조건을 충족하는지를 보증하도록 확인해야 한다. 시험은 성능 필요조건을 충족하지 않는 다이로부터 "알려진 우수한 다이"(known good die; KGD)를 분류하기 위해 사용된다. 이 시험은 일반적으로 -80 ℃ 내지 약 100 ℃ 범위의 온도에서 수행된다. 일부 경우에서, 다이는 하나씩 시험되고, 개별 다이가 척(chuck) 내에 유지된다. 이 척은, 이의 구조 중 일부로서, 다이를 냉각하기 위한 설비를 제공한다. 다른 경우에서, 몇몇 다이는 척 내에 유지되고, 순차적으로 또는 동시에 시험된다. 이러한 경우, 척은 시험 과정 동안 일부 다이에 대한 냉각을 제공한다. 또한, 상승된 온도 조건 하에서 다이의 성능 특성을 측정하기 위해 상승된 온도에서 다이를 시험하는 것이 유리할 수 있다. 이 경우, 상온보다 고온에서 우수한 열전달 특성을 갖는 냉각제가 유리하다. 일부 경우에서, 다이는 매우 저온에서 시험된다. 예를 들어, 상보적 금속 산화물 반도체(Complementary Metal-Oxide Semiconductor; "CMOS") 디바이스는 특히 더 저온에서 더 빠르게 작동한다. ATE 장비 일부가 COMS 디바이스를 이의 영구적인 논리 하드웨어의 일부로서 "기판 상"에 사용하는 경우, 저온에서 논리 하드웨어를 유지하는 것이 유리하다. 따라서, ATE에 최대의 다용도성을 제공하기 위해, 바람직하게는 열전달 유체가 저온과 고온 모두에서 잘 작동하고(즉, 바람직하게는 넓은 온도 범위에 걸쳐 우수한 열전달 특성을 가짐), 불활성이고(즉, 난연성이고 독성이 낮고 화학적으로 비반응성임), 높은 유전 강도를 갖고, 낮은 환경적 영향을 가지며, 전체 작동 온도 범위에 걸쳐 예측가능한 열전달 특성을 갖는다. 에칭제는 약 70 ℃ 내지 약 150 ℃ 범위의 온도에 걸쳐 작동한다. 이 공정에서, 반응성 플라즈마가 웨이퍼 내의 구조물을 이방성 에칭을 하는데 사용된다. 따라서, 열전달 유체는 바람직하게는 전체 온도 범위에 걸쳐 단일상이다. 또한, 열전달 유체는 바람직하게는 전체 범위에 걸쳐 예측가능한 성능을 가져서 온도가 정확하게 유지될 수 있다. 애셔(asher)는 약 40 ℃ 내지 약 150 ℃ 범위의 온도에 걸쳐 작동한다. 이는 광감응성 유기 "마스크"를 제거하는 공정이다. 스테퍼(stepper)는 약 40 ℃ 내지 약 80 ℃ 범위의 온도에 걸쳐 작동한다. 이는 제조에 필요한 레티큘(reticule)이 제조되는 반도체 제조 중의 공정 단계이다. 레티큘은 광감응성 마스크를 노출시키는데 필요한 빛과 그림자 패턴을 생성하기 위해 사용된다. 스테퍼에서 사용되는 필름은 전형적으로 완성된 레티큘의 우수한 성능을 유지하기 위해 +/- 0.2 ℃의 온도 범위 내에서 유지된다. PECVD (플라즈마 강화 화학 기상 증착) 챔버는 약 50 ℃ 내지 약 150 ℃ 범위의 온도에 걸쳐 작동한다. 이 공정에서, 규소 산화물, 규소 질화물 및 규소 탄화물의 필름은 규소, 및 1) 산소; 2) 질소; 또는 3) 탄소를 함유하는 반응성 기체 혼합물 중에서 개시된 화학 반응에 의해 웨이퍼 상에서 성장한다. 웨이퍼가 있는 척은 각각의 선택된 온도에서 균일하고 일정한 온도로 유지된다. 이들 반도체 분야에서 현재 사용되는 열전달 유체는 퍼플루오로탄소(PFC), 퍼플루오로폴리에테르(PFPE), 퍼플루오로아민(PFA), 퍼플루오로에테르(PFE), 물/글리콜 혼합물, 탈이온수, 실리콘 오일 및 탄화수소 오일을 포함한다. 그러나, 이들 열전달 유체 각각은 몇가지 단점이 있다. PFC, PFPE, PFA 및 PFE는 500년 이상 5000년 이하의 대기잔류시간을 나타낼 수 있다. 또한, 이들 물질들은 높은 지구 온난화 지수(global warming potential; "GWP")를 나타낼 수 있다. GWP는 특정의 적분 시간 범위에 걸친 1 kg의 CO2로 인한 온난화에 대한 샘플 화합물 1 kg의 방출로 인한 적분된 온난화 지수이다. 물/글리콜 혼합물은 온도 제한적이며, 즉 이러한 혼합물의 전형적인 저온 제한은 -40 ℃이다. 저온에서 물/글리콜 혼합물은 또한 상대적으로 높은 점도를 나타낸다. 저온에서의 높은 점도는 높은 펌핑능을 야기한다. 탈이온수는 0 ℃의 저온 제한을 갖는다. 실리콘 오일 및 탄화수소 오일은 전형적으로 가연성이다. 전기 디바이스로부터 열을 제거하는 것은 프로세서 성능을 더 향상시키는데 가장 중요한 장애물 중 하나가 되었다. 이들 디바이스가 더욱 강력해지면, 시간당 발생되는 열의 양은 증가한다. 따라서, 열전달 메카니즘이 프로세서 성능에서 중요한 역할을 한다. 열전달 유체는 바람직하게는 우수한 열전달 성능, 우수한 전기 적합성 (냉각판을 사용하는 것과 같은 "간접 접촉" 적용에서 사용되는 경우라 하여도) 뿐만 아니라 낮은 독성, 낮은 가연성 (또는 난연성) 및 낮은 환경적 영향을 갖는다. 우수한 전기 적합성은 열전달 유체 대상이 높은 유전 강도, 높은 부피 저항 및 낮은 극성 물질에 대한 용해성을 나타낼 필요가 있다. 게다가, 열전달 유체 대상이 우수한 기계적 적합성을 나타내어야 하며, 즉 이는 반대로 전형적인 구성 재료에 영향을 미치지 않아야 한다. 이러한 분야에서, 열전달 유체 대상은 이들의 물리적 특성이 시간에 걸쳐 안정적이지 않는다면 부적합하다. 전자 또는 전기 장비를 냉각시키기 위한 열전달 유체로서 현재 사용되는 물질들로는 PFC, PFPE, 실리콘 오일 및 탄화수소 오일을 포함한다. 이들 열전달 유체 각각은 몇가지 단점이 있다. PFC 및 PFPE는 환경적으로 영속적일 수 있다. 실리콘 오일 및 탄화수소 오일은 전형적으로 가연성이다. 열 충격 시험은 일반적으로 약 -65 ℃ 내지 약 150 ℃ 범위의 온도에서 수행된다. 부품 또는 디바이스 내에서 온도의 빠른 순환은, 예를 들어 미사일 발사에 의해 발생되는 열적 변화의 모의 실험을 하는데 필요할 수 있다. 열 충격 시험은 무엇보다도 군사용 미사일에 사용되는 전자장치를 위해 필요하다. 많은 전자부품 및 조립체의 열 충격 시험과 관련된 몇가지 군사용 명세사항이 있다. 이 시험은 부품 또는 전자장치 내에서의 급격하게 변화하는 온도를 부여하는 다양한 수단을 사용한다. 이러한 디바이스 중 하나는 부품들이 시험 부품에 열 충격을 유도하는데 사용되는 극단적인 온도에서 유지되는 별개의 저장기에 담긴 액체 열전달 유체(들)을 사용한다. 전형적으로, 오퍼레이터는 열 충격 장비로 또는 이로부터 부품 또는 조립체에 하중을 가하고 제거한다. 따라서, 열전달 유체는 낮은 독성, 낮은 가연성 및 낮은 환경적 영향에서 사용되는 것이 중요하다. 넓은 온도 범위에 걸쳐 액체이면서 낮은 독성, 낮은 가연성 및 낮은 환경적 영향을 갖는 열전달 유체가 열 충격 시험에 이상적이다. 액체/액체 열 충격 시험 배쓰에서 열전달 유체로서 현재 사용되는 물질로는 질소, PFC 및 PFPE를 포함한다. 이들 열전달 유체 각각은 몇가지 단점을 갖는다. 액체 질소계는 저온 종단에서 제한된 온도 선택성을 제공한다. PFC 및 PFPE는 환경적으로 영속적일 수 있다. 일정한 온도의 배쓰가 전형적으로 광범위한 온도 범위에 걸쳐 작동된다. 따라서, 바람직한 열전달 유체는 바람직하게는 넓은 액체 범위 및 우수한 저온 열전달 특성을 갖는다. 이러한 특성을 갖는 열전달 유체는 일정한 온도의 배쓰에서 매우 넓은 작동 범위를 갖게 된다. 전형적으로, 대부분의 시험 유체는 넓은 온도 극단에서 유체의 비변화를 필요로 한다. 또한, 우수한 온도 조절은 열전달 유체의 물리적 특성을 정확히 예측하는데 필수적이다. 이러한 분야에서 현재 사용되는 열전달 유체로는, 퍼플루오로탄소(PFC), 퍼플루오로폴리에테르(PFPE), 물/글리콜 혼합물, 탈이온수, 실리콘 오일, 탄화수소 오일 및 탄화수소 알코올을 포함한다. 이들 열전달 유체 각각은 몇가지 단점을 갖는다. PFC 및 PFPE는 환경적으로 영속적일 수 있다. 물/글리콜 혼합물은 온도 제한적이며, 즉 이러한 혼합물의 전형적인 저온 제한은 -40 ℃이다. 저온에서 물/글리콜 혼합물은 또한 상대적으로 높은 점도를 나타낸다. 탈이온수는 0 ℃의 저온 제한을 갖는다. 실리콘 오일, 탄화수소 오일 및 탄화수소 알코올은 전형적으로 가연성이다. 불활성 유체를 필요로 하는 열전달 공정에서, 종종 플루오르화 물질이 사용된다. 플루오르화 물질은 전형적으로 낮은 독성을 갖고, 피부에 필수적으로 비자극성이고, 화학적으로 비반응성이고, 난연성이며, 높은 유전 강도를 갖는다. 퍼플루오로탄소, 퍼플루오로폴리에테르 및 하이드로플루오로에테르와 같은 플루오르화 물질은 성층권 내의 오존층을 감소시키지 않는 추가적인 장점을 제공한다. 위에서 논의한 바와 같이, 퍼플루오로탄소, 퍼플루오로폴리에테르 및 몇가지 하이드로플루오로에테르가 열전달에 사용되었다. 퍼플루오로탄소(PFC)는 위에서 논의한 분야에서 유리한 몇가지 특성을 나타낸다. PFC는 높은 유전 강도 및 높은 부피 저항을 갖는다. PFC는 난연성이고 일반적으로 제한된 용해성을 나타내는 구성 재료에 기계적 적합성을 갖는다. 게다가, PFC는 일반적으로 낮은 독성 및 우수한 오퍼레이터 친화성을 나타낸다. PFC는 좁은 분자량 분포를 갖는 제품을 수득하는 방식으로 제조된다. 그러나, 이는 한가지 중요한 단점을 나타내는데, 이것은 오랜 환경적 영속성이다. 퍼플루오로폴리에테르(PFPE)는 PFC에 대해 기술한 것과 동일한 많은 유리한 특성을 나타낸다. 또한, 이는 동일한 중요한 단점, 즉 오랜 환경적 영속성을 갖는다. 게다가, 이들 물질들을 제조하는데 개발된 방법들은 분자량이 일정치 않고 따라서 성능 가변성이 있는 제품을 산출한다. 하이드로플루오로에테르(HFE)의 한 종류인 하이드로플루오로폴리에테르(HFPE)는 PFC와 동일한 유리한 특성 일부를 나타내지만, 2 부분에서 크게 상이하다. 이들의 장점은 매우 낮은 환경적 영속성을 나타내어 천년보다는 10년의 대기잔류시간을 가능케 한다. 그러나, 열전달 유체로서 교시된 HFPE 중 일부는 매우 상이한 분자량을 갖는 성분의 혼합물이다. 따라서, 이들의 물리적 특성은 시간에 따라 변화할 수 있어 성능을 예측하기가 곤란하게 한다. 일부 하이드로플루오로에테르는 열전달 유체로서 개시되어 있다. 그러나, 열전달 유체가 불활성이고, 높은 유전 강도, 낮은 전기 전도성, 화학적 불활성, 열적 안정성 및 효과적인 열전달성을 갖고, 넓은 온도 범위에 걸쳐 액체이고, 게다가 짧은 대기잔류시간을 가져서, 존재하는 열전달 유체보다 더 낮은 지구 온난화 지수를 가져야 할 필요가 있다.