CN112416029B - 用于半导体生产的温控系统及温控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及用于半导体生产的温控系统及温控方法，用于半导体生产的温控系统包括制冷装置和循环装置，制冷装置包括冷凝器、蒸发器和压缩机，冷凝器的放热通路、蒸发器的吸热通路和压缩机依次连通形成制冷剂的制冷回路，冷凝器的放热通路与蒸发器的吸热通路连通的管路上设有第一阀体，制冷装置还包括第一支管路，压缩机的出口与蒸发器的放热通路连通的入口通过第一支管路连通，第一支管路上设有第二阀体；蒸发器的放热通路与循环装置连通形成循环液的循环回路。实现半导体温控设备在稳定控温时蒸发器附着在板片上的冷冻油的自清洗，提高蒸发器的换热能力和制冷系统性能及稳定性。

Description

用于半导体生产的温控系统及温控方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及用于半导体生产的温控系统及温控方法。

背景技术

在半导体生产制造的刻蚀工艺中，需要其附属温控设备给刻蚀温控腔提供一个精确的工作温度，在实际工艺制程中，其温度范围一般在-70℃~100℃，当在低温区时，需要制冷系统在蒸发器提供更低的蒸发温度进行换热。为保证压缩机内各部件的润滑，压缩机内置冷冻油，制冷系统运行时，冷冻油会随着制冷剂在制冷系统管路和器件中循环流动，工作温度越低，冷冻油的粘度越大，流动性能更差，更容易附着在蒸发器的板片上，随着时间的延长，附着在蒸发器板片上的冷冻油越来越多，减少了蒸发器的换热面积，降低制冷系统的换热量。

目前的技术一般分两种，热气旁通和升温：热气旁通因为主路的电子膨胀阀一直在节流制冷，和热气换热后再进入蒸发器，效果不明显，因为半导体空载和负载状态都需要保持恒定稳定的温度，不允许升温，在半导体领域不适用。在工作温度为低温时，因冷冻油不断附着在蒸发器板片上，影响制冷剂和循环介质在蒸发器的换热效果，导致制冷系统性能不断下降，造成制冷系统持续不稳定状态，不易于设备持续稳定的温度控制。

发明内容

本发明提供一种用于半导体生产的温控系统及温控方法，用以解决现有技术中半导体用于半导体生产的温控系统的冷冻油不断附着在蒸发器板片上，影响制冷剂和循环液在蒸发器的换热效果的缺陷，实现半导体温控设备在稳定控温时蒸发器附着在板片上的冷冻油的自清洗，提高蒸发器的换热能力和制冷系统性能及稳定性。

本发明提供一种用于半导体生产的温控系统，包括制冷装置和循环装置，所述制冷装置包括冷凝器、蒸发器和压缩机，所述冷凝器的放热通路、所述蒸发器的吸热通路和所述压缩机依次连通形成制冷剂的制冷回路，所述冷凝器的放热通路与所述蒸发器的吸热通路连通的管路上设有第一阀体，所述制冷装置还包括第一支管路，所述压缩机的出口与所述蒸发器的放热通路连通的入口通过所述第一支管路连通，所述第一支管路上设有第二阀体；所述蒸发器的放热通路与所述循环装置连通形成循环液的循环回路。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述循环装置包括水箱、泵体、负载组件、蓄冷组件和第二支管路，所述蒸发器的放热通路、所述蓄冷组件、所述水箱、所述泵体与所述负载组件依次连通形成所述循环回路，所述蒸发器的放热通路的出口与所述水箱的入口还通过所述第二支管路连通，所述水箱内设有加热器。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述第二支管路上设有第三阀体。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述蓄冷组件的入口与所述蒸发器的放热通路的出口连通的管路上设有第四阀体。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述水箱的入口处设有第一温度传感器。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述泵体的出口处设有第二温度传感器，所述负载组件的出口处设有第三温度传感器。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述制冷装置还包括干燥器，所述冷凝器的放热通路、所述干燥器、所述第一阀体与所述蒸发器的吸热通路依次连通。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述制冷装置还包括视液镜，所述视液镜设置于所述干燥器与所述第一阀体之间的管路上。

本发明还提供一种应用上述用于半导体生产的温控系统的温控方法，包括：

当泵体的出口的循环液温度与负载组件的出口的循环液温度的温度差等于第一预设温度值时，关闭第二支管路，打开蓄冷组件；

当水箱的入口的循环液温度低于第二预设温度值时，打开第一支管路，关闭冷凝器；

当水箱的入口的循环液温度高于第二预设温度值时，关闭第一支管路，打开冷凝器。

本发明提供的用于半导体生产的温控系统，压缩机将制冷剂压缩成高温高压制冷剂送入冷凝器的放热通路，冷凝器的吸热通路连通厂务水系统，高温高压制冷剂在冷凝器的放热通路内与吸热通路的冷却水进行热交换，形成低温低压的制冷剂，并进入蒸发器的吸热管道，循环回路的循环液进入蒸发器的放热管道内与吸热管道的制冷剂进行热交换，从而实现循环液的冷却降温。压缩机的出口排出制冷剂后，制冷剂可分为两路，第一路为经过冷凝器进入蒸发器，第二路为经过第一支管路进入蒸发器的吸热通路。

当通过第一阀体关停第一路制冷剂的输送，通过第二阀体开启第二路制冷剂的输送时，压缩机的出口排出高温高压的制冷剂，通过第一支管路进入蒸发器的吸热通路，制冷剂的热气温度可将蒸发器内板片上的冷冻油融化，并随着制冷剂一同流回压缩机，可以实现半导体温控设备在稳定控温时蒸发器附着在板片上的冷冻油的自清洗，提高蒸发器的换热能力和制冷系统性能及稳定性。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的用于半导体生产的温控系统的结构示意图；

附图标记：

100：制冷装置；110：冷凝器；120：蒸发器；130：压缩机；140：第一支管路；150：第一阀体；160：干燥器；170：视液镜；141：第二阀体；

200：循环装置；210：水箱；220：泵体；230：负载组件；240：蓄冷组件；250：第二支管路；260：第四阀体；270：第一温度传感器；280：第二温度传感器；290：第三温度传感器；211：加热器；251：第三阀体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1所示，本发明实施例提供的用于半导体生产的温控系统，包括制冷装置100和循环装置，制冷装置100包括冷凝器110、蒸发器120和压缩机130，冷凝器110的放热通路、蒸发器120的吸热通路和压缩机130依次连通形成制冷剂的制冷回路，冷凝器110的放热通路与蒸发器120的吸热通路连通的管路上设有第一阀体150，制冷装置100还包括第一支管路140，压缩机130的出口与蒸发器120的放热通路连通的入口通过第一支管路140连通，第一支管路140上设有第二阀体141；蒸发器120的放热通路与循环装置连通形成循环液的循环回路。

本发明实施例的用于半导体生产的温控系统，压缩机130将制冷剂压缩成高温高压制冷剂送入冷凝器110的放热通路，冷凝器110的吸热通路连通厂务水系统，高温高压制冷剂在冷凝器110的放热通路内与吸热通路的冷却水进行热交换，形成低温低压的制冷剂，并进入蒸发器120的吸热管道，循环回路的循环液进入蒸发器120的放热管道内与吸热管道的制冷剂进行热交换，从而实现循环液的冷却降温。压缩机130的出口排出制冷剂后，制冷剂可分为两路，第一路为经过冷凝器110进入蒸发器120，第二路为经过第一支管路140进入蒸发器120的吸热通路。

当通过第一阀体150关停第一路制冷剂的输送，通过第二阀体141开启第二路制冷剂的输送时，压缩机130的出口排出高温高压的制冷剂，通过第一支管路140进入蒸发器120的吸热通路，制冷剂的热气温度可将蒸发器120内板片上的冷冻油融化，并随着制冷剂一同流回压缩机130，可以实现半导体温控设备在稳定控温时蒸发器120附着在板片上的冷冻油的自清洗，提高蒸发器120的换热能力和制冷系统性能及稳定性。

本实施例中，第一阀体150与第二阀体141均采用电子膨胀阀。

根据本发明提供的一个实施例，循环装置包括水箱210、泵体220、负载组件230、蓄冷组件240和第二支管路250，蒸发器120的放热通路、蓄冷组件240、水箱210、泵体220与负载组件230依次连通形成循环回路，蒸发器120的放热通路的出口与水箱210的入口还通过第二支管路250连通，水箱210内设有加热器211。本实施例中，蒸发器120的放热通路中的循环液与吸热通路的制冷剂进行热交换后形成低温循环液流出，流入水箱210后可通过加热器211控制加热温度，使循环液升温，再通过泵体220泵送至负载组件230，对负载组件230内的工艺设备进行降温或控温，由负载组件230流出的高温循环液后重新流回蒸发器120的放热通路进行热交换。由蒸发器120的放热通路的出口排出低温循环液后，循环液可分为两路，第一路为经过蓄冷组件240进入水箱210，第二路为经过第二支管路250进入水箱210。

根据循环液进入负载组件230前后的温度判定负载组件230为负载状态时，关闭制冷回路的第二路和循环回路的第一路，开启制冷回路的第一路和循环回路的第二路，根据水箱210的入口处检测到的循环液温度值与第三预设温度值的偏差，实时调节第一阀体150的开度，根据负载组件230的入口处检测到的循环液温度值与第四预设温度值的偏差，实时调节加热器211的输出百分比，形成闭环调节。第四预设温度值的设定温度即负载组件作为附属温控设备需要冷却的目标的需求温度，可选择-70℃~100℃。

根据循环液进入负载组件230前后的温度判定负载组件230为空载状态时，开启循环回路的第一路和制冷回路的第二路，关闭循环回路的第二路和制冷回路的第一路，进行冷量储存，当水箱210的入口处检测到的循环液温度值小于第二预设温度值时，判定蓄冷组件240储存冷量完成，此时关闭制冷回路的第一路，开启制冷回路的第二路，进行蒸发器120升温，直至水箱210入口处检测到的循环液温度值开始高于第二预设温度值时，蒸发器120升温停止，开启制冷回路的第一路，关闭制冷回路的第二路，至此整个蓄冷/释冷过程完成。

根据本发明提供的一个实施例，第二支管路250上设有第三阀体251。本实施例中，第三阀体251用于控制第二支管路250的开启和关闭，以及可控制第二支管路250开度，从而控制第二支管路250内循环液的流量。第三阀体251可采用电子膨胀阀。

根据本发明提供的一个实施例，蓄冷组件240的入口与蒸发器120的放热通路的出口连通的管路上设有第四阀体260。本实施例中，第四阀体260用于控制蓄冷组件240的开启和关闭，以及可控制蒸发器120的放热通路出口与蓄冷组件240的入口连通的管路的开度，从而控制进入蓄冷组件240的循环液的流量。第四阀体260可采用电子膨胀阀。

根据本发明提供的一个实施例，水箱210的入口处设有第一温度传感器270。本实施例中，第一温度传感器270用于实时检测进入水箱210的循环液的温度，判定负载组件230为负载状态后，根据第一温度传感器270的检测温度与第三预设温度值的偏差，实时调节第一阀体150的开度，判定负载组件230为空载状态后，当第一温度传感器270的检测温度小于第二预设温度值时，判定蓄冷组件240储存冷量完成，关闭第一阀体150，开启第二阀体141进行蒸发器120的吸热通路升温，当第一温度传感器270的检测温度高于第二预设温度值时，蒸发器120升温停止，关闭第二阀体141，释能结束，至此整个蓄冷和释冷过程完成。

根据本发明提供的一个实施例，泵体220的出口处设有第二温度传感器280，负载组件230的出口处设有第三温度传感器290。本实施例中，第二温度传感器280用于实时检测泵体220泵出的循环液的温度，即进入负载组件230前的循环液的温度，第三温度传感器290用于实时检测负载组件230的出口的循环液的温度。当第二温度传感器280和第三温度传感器290检测到的温度差值大于第一预设温度值时，判定负载组件230是负载状态，判定负载组件230为负载状态后，根据第二温度传感器280检测到的循环液温度值与第四预设温度值的偏差，实时调节加热器211的输出百分比，形成闭环调节。当第二温度传感器280和第三温度传感器290检测到的温度差值等于第一预设温度值时，判定负载组件230是空载状态。

根据本发明提供的一个实施例，制冷装置100还包括干燥器160，冷凝器110的放热通路、干燥器160、第一阀体150与蒸发器120的吸热通路依次连通。本实施例中，压缩机130排出的制冷剂通过冷凝器110的冷却降温降压后，经过干燥器160，干燥器160将制冷剂中的水分干燥，减少制冷回路中制冷剂的水分杂质，保持制冷剂的制冷效果。

根据本发明提供的一个实施例，制冷装置100还包括视液镜170，视液镜170设置于干燥器160与第一阀体150之间的管路上。本实施例中，视液镜170可用于观察由冷凝器110流出的制冷剂。

本发明实施例还提供一种应用上述实施例用于半导体生产的温控系统的温控方法，包括：

当泵体220的出口的循环液温度与负载组件230的出口的循环液温度的温度差等于第一预设温度值时，关闭第二支管路250，打开蓄冷组件240；第一预设温度值即负载组件处于空载状态即外界负载为0时，仅仅是外部管路热损导致的温度变化，其取值范围一般是0.5℃~1.5℃；

当水箱210的入口的循环液温度低于第二预设温度值时，打开第一支管路140，关闭冷凝器110；第二预设温度值一般比泵体220的出口温度低0.5℃~2.5℃左右，和循环液流量关系较大，通过水箱210内的加热器211再微调，保证泵体220的出口循环液温度稳定；

当水箱210的入口的循环液温度高于第二预设温度值时，关闭第一支管路140，打开冷凝器110。

控制逻辑采用闭环控制，根据水箱210的入口的循环液温度值和第三预设温度值的偏差实时调节第一阀体150的开度。

当第二温度传感器280和第三温度传感器290检测的温度差值大于第一预设温度值时，判定负载组件230是负载状态，此时关闭第一支管路140的第二阀体141和循环回路的第四阀体260，开启制冷回路的第一阀体150和第二支管路250的第三阀体251，根据水箱210的入口第一温度传感器270检测的循环液温度值和第三预设温度值的偏差，实时调节第一阀体150的开度，根据负载组件230入口的第二温度传感器280检测的循环液温度值和第四预设温度值的偏差，实时调节加热器211的输出百分比，形成闭环调节。第三预设温度值一般比泵体220的出口温度低0.5℃~2.5℃左右，和循环液流量关系较大，通过水箱210内的加热器211再微调，保证泵体220的出口循环液温度稳定。

当第二温度传感器280和第三温度传感器290检测的温度差值等于第一预设温度值时，判定负载组件230为空载状态，此时开启循环回路的第四阀体260，关闭第二支管路250的第三阀体251，进行冷量储存，当第一温度传感器270检测温度值低于第二预设温度值时，判定蓄冷组件240储存冷量完成，此时关闭第一阀体150，开启第二阀体141进行蒸发器120升温，直至水箱210入口的第一温度传感器270检测的循环液温度值开始高于第二预设温度值时，蒸发器120升温停止，开启第一阀体150，关闭第二阀体141，至此整个蓄冷和释冷过程完成。

使用时，不限定上述阀体是截止阀、电动阀、电磁阀或其他形式可通断的阀类。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于半导体生产的温控系统，其特征在于：包括制冷装置和循环装置，所述制冷装置包括冷凝器、蒸发器和压缩机，所述冷凝器的放热通路、所述蒸发器的吸热通路和所述压缩机依次连通形成制冷剂的制冷回路，所述冷凝器的放热通路与所述蒸发器的吸热通路连通的管路上设有第一阀体，所述制冷装置还包括第一支管路，所述压缩机的出口与所述蒸发器的放热通路连通的入口通过所述第一支管路连通，所述第一支管路上设有第二阀体；所述蒸发器的放热通路与所述循环装置连通形成循环液的循环回路；所述循环装置包括水箱、泵体、负载组件、蓄冷组件和第二支管路，所述蒸发器的放热通路、所述蓄冷组件、所述水箱、所述泵体与所述负载组件依次连通形成所述循环回路，所述蒸发器的放热通路的出口与所述水箱的入口还通过所述第二支管路连通，所述水箱内设有加热器；所述第二支管路上设有第三阀体。

2.根据权利要求1所述的用于半导体生产的温控系统，其特征在于：所述蓄冷组件的入口与所述蒸发器的放热通路的出口连通的管路上设有第四阀体。

3.根据权利要求2所述的用于半导体生产的温控系统，其特征在于：所述水箱的入口处设有第一温度传感器。

4.根据权利要求3所述的用于半导体生产的温控系统，其特征在于：所述泵体的出口处设有第二温度传感器，所述负载组件的出口处设有第三温度传感器。

5.根据权利要求4所述的用于半导体生产的温控系统，其特征在于：所述制冷装置还包括干燥器，所述冷凝器的放热通路、所述干燥器、所述第一阀体与所述蒸发器的吸热通路依次连通。

6.根据权利要求5所述的用于半导体生产的温控系统，其特征在于：所述制冷装置还包括视液镜，所述视液镜设置于所述干燥器与所述第一阀体之间的管路上。

7.一种应用权利要求1至6任意一项所述的用于半导体生产的温控系统的温控方法，其特征在于：包括：

当泵体的出口的循环液温度与负载组件的出口的循环液温度的温度差等于第一预设温度值时，关闭第二支管路，打开蓄冷组件；

当水箱的入口的循环液温度低于第二预设温度值时，打开第一支管路，关闭冷凝器；

当水箱的入口的循环液温度高于第二预设温度值时，关闭第一支管路，打开冷凝器。

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