CN112684828B - 一种用于半导体生产的温控系统及温控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种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，循环装置包括水箱，制冷装置包括制冷组件和蒸发器，制冷组件与蒸发器的吸热通路形成制冷回路，水箱的内部自上而下分为第一储液区和第二储液区，第一储液区与第二储液区连通，水箱对应第一储液区设置第一进液口，水箱对应第二储液区设置第二进液口和出液口，第一进液口和第二进液口均与被控设备的出口连通，出液口与蒸发器的放热通路和被控设备依次连通形成循环液回路。在不增加压缩机匹数和加热器功率的情况下，平衡瞬间大负载的影响，削峰平谷，降低系统能耗，并提高温控精度的效果。

Description

一种用于半导体生产的温控系统及温控方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于半导体生产的温控系统及温控方法。

背景技术

目前，半导体工艺制程中，需要对被控设备进行快速温度切换，一般采用低温和高温两个通道切换或者混合来实现快速升降温。在这个过程中，有一部分温度很高的循环液被打入低温通道，有一部分温度很低的循环液被打入高温通道，这对温控装置是很大的负载。现有技术中，负载大小可以用入口温度，即流出被控设备流入循环装置的循环液温度与设定温度的差值的绝对值表示，差值越大，说明负载越大。例如，一个温控周期为26分钟左右，负载差值大于15℃的时间段只有48秒，其余大部分时间的负载差值小于10℃。

在常规循环装置的水箱设计中，如果制冷装置的压缩机的最大制冷能力只能降温10℃，当负载差值大于15℃的48秒时间里，这部分液体的温度无法维持设定值，会造成出口温度升高，无法满足工艺要求。为了满足工艺要求，只能加大压缩机的匹数，制冷能力提高到可以降温20℃。为了平衡瞬间大负载的影响，低温通道通过增加压缩机的匹数来提高制冷能力，高温通道通过增加加热器的功率来提高制热能力，增加压缩机的匹数和加热器的功率，会导致能耗的增加，不利于装置的小型化。

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为满足温控需要温控系统需增加压缩机的匹数和加热器的功率，导致能耗的增加，不利于装置的小型化的缺陷，实现在不增加压缩机匹数和加热器功率的情况下，平衡瞬间大负载的影响，削峰平谷，降低系统能耗，并提高温控精度的效果。

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，所述循环装置包括水箱，所述制冷装置包括制冷组件和蒸发器，所述制冷组件与所述蒸发器的吸热通路形成制冷回路，所述水箱的内部自上而下分为第一储液区和第二储液区，所述第一储液区与所述第二储液区连通，所述水箱对应所述第一储液区设置第一进液口，所述水箱对应所述第二储液区设置第二进液口和出液口，所述第一进液口和所述第二进液口均与被控设备的出口连通，所述出液口与所述蒸发器的放热通路和所述被控设备依次连通形成循环液回路。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述水箱包括箱体和隔板，所述隔板设置于所述箱体的内部，并将所述箱体的内部分隔为所述第一储液区和所述第二储液区，所述隔板上设有连通所述第一储液区和所述第二储液区的通孔。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述第一进液口与所述被控设备的出口连通的管路上设有第一阀体，所述第二进液口与所述被控设备出口连通的管路上设有第二阀体。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述水箱内设有用于检测所述水箱内液面高度的液位开关。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述循环装置还包括泵体，所述泵体设置于所述蒸发器的放热通路与所述被控设备连通的管路上。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述循环装置还包括加热器，所述加热器设置于所述蒸发器的放热通路与所述泵体连通的管路上。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述被控设备的出口与所述水箱连通的管路包括主管路和与所述主管路连通的两条支管路，所述主管路上设有第一温度传感器，两条所述支管路上分别与所述第一进液口和所述第二进液口连通。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述蒸发器的放热通路的出口设有第二温度传感器。

根据本发明提供的一种用于半导体生产的温控系统，所述泵体的出口设有第三温度传感器。

本发明还提供一种应用如上所述用于半导体生产的温控系统进行的温控方法，包括：

获得被控设备的出口的循环液温度与第一预设温度的温度差值；

判断温度差值是否大于第二预设温度，或是否小于第三预设温度，

若是，判断水箱内的循环液液面高度是否达到报警位置，若是则停止向第一储液区输送循环液，开始向第二储液区输送循环液，若否则开始向第一储液区输送循环液，停止向第二储液区输送循环液；

若否，停止向第一储液区输送循环液，开始向第二储液区输送循环液。

本发明提供的用于半导体生产的温控系统，制冷组件与蒸发器的吸热通路连通，形成的制冷回路内流通制冷剂，由循环液在被控设备内进行热交换升温后，流入水箱中，水箱中的循环液流出后经过蒸发器的放热通路，与吸热通路内的制冷剂进行热交换降温，再次回到被控设备中作用，以此形成循环液回路。水箱内部分为相连通的上层的第一储液区和下层的第二储液区，当流出被控设备的循环液温度与第一预设温度偏差较小时，循环液流入水箱的第二储液区；当流出被控设备的循环液温度与第一预设温度偏差较大时，循环液先流入水箱的第一储液区，高温液体被限制在水箱上层的第一储液区，再缓缓流入第二储液区，流入蒸发器的循环液大部分是第二储液区内原来的低温循环液，温差不会很大，制冷组件的压缩机可以承受这部分被控设备的负载。而后，被控设备的出口处循环液温度下降，循环液直接流入水箱下层的第二储液区，第一储液区的高温循环液极少量流入第二储液区，流入蒸发器的循环液温度不会很高，直至第一储液区的循环液全部流入第二储液区。

本发明的用于半导体生产的温控系统将短时间的高温负载与低温负载分离，在后续循环液冷却过程中再缓慢与低温负载混合，将热量逐渐分摊同时延长冷却时间，由此制冷装置的压缩机的匹数可以不变，系统可以小型化，更节能。而且，在不增加压缩机匹数和加热器功率的情况下，平衡瞬间大负载的影响，削峰平谷，降低系统能耗，并提高温控精度。

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；

图2是本发明提供的用于半导体生产的温控方法的流程示意图；

附图标记：

100：制冷装置；110：制冷组件；120：蒸发器；

200：循环装置；210：水箱；220：第一阀体；230：第二阀体；240：泵体；250：加热器；260：第一温度传感器；270：第二温度传感器；280：第三温度传感器；211：第一储液区；212：第二储液区；213：箱体；214：隔板；215：通孔；216：液位开关；

300：被控设备。

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200，循环装置200包括水箱210，制冷装置100包括制冷组件110和蒸发器120，制冷组件110与蒸发器120的吸热通路形成制冷回路，水箱210的内部自上而下分为第一储液区211和第二储液区212，第一储液区211与第二储液区212连通，水箱210对应第一储液区211设置第一进液口，水箱210对应第二储液区212设置第二进液口和出液口，第一进液口和第二进液口均与被控设备300的出口连通，出液口与蒸发器120的放热通路和被控设备300依次连通形成循环液回路。

本发明实施例的用于半导体生产的温控系统，制冷组件110与蒸发器120的吸热通路连通，形成的制冷回路内流通制冷剂，由循环液在被控设备300内进行热交换升温后，流入水箱210中，水箱210中的循环液流出后经过蒸发器120的放热通路，与吸热通路内的制冷剂进行热交换降温，再次回到被控设备300中作用，以此形成循环液回路。水箱210内部分为相连通的上层的第一储液区211和下层的第二储液区212，当流出被控设备300的循环液温度与第一预设温度偏差较小时，循环液流入水箱210的第二储液区212；当流出被控设备300的循环液温度与第一预设温度偏差较大时，循环液先流入水箱210的第一储液区211，高温液体被限制在水箱210上层的第一储液区211，再缓缓流入第二储液区212，流入蒸发器120的循环液大部分是第二储液区212内原来的低温循环液，温差不会很大，制冷组件110的压缩机可以承受这部分被控设备的负载。而后，被控设备300的出口处循环液温度下降，循环液直接流入水箱210下层的第二储液区212，第一储液区211的高温循环液极少量流入第二储液区212，流入蒸发器120的循环液温度不会很高，直至第一储液区211的循环液全部流入第二储液区212。

本发明的用于半导体生产的温控系统将短时间的高温负载与低温负载分离，在后续循环液冷却过程中再缓慢与低温负载混合，将热量逐渐分摊同时延长冷却时间，由此制冷装置100的压缩机的匹数可以不变，系统可以小型化，更节能。而且，在不增加压缩机匹数和加热器250功率的情况下，平衡瞬间大负载的影响，削峰平谷，降低系统能耗，并提高温控精度。

本实施例中，制冷组件110主要包含压缩机、冷凝单元、膨胀阀以及制冷装置100相互连接的管路，与蒸发器120的吸热通路连通后，通过制冷剂的流通形成制冷回路，对循环回路中的循环液进行冷却控温。负载可为工艺设备。

根据本发明提供的一个实施例，水箱210包括箱体213和隔板214，隔板214设置于箱体213的内部，并将箱体213的内部分隔为第一储液区211和第二储液区212，隔板214上设有连通第一储液区211和第二储液区212的通孔215。本实施例中，箱体213内部中空，隔板214水平设置在箱体213的内部，将箱体213内部分为上下两层，即第一储液区211和第二储液区212，隔板214上设置多个圆形通孔215，通孔215的大小要保证循环液的流速在一个设定范围内，在其它实施例中，水箱210的分层还可采用其它结构形式，保证第一储液区211的循环液能够保持一定速度缓慢进入第二储液区212即可。

根据本发明提供的一个实施例，第一进液口与被控设备300的出口连通的管路上设有第一阀体220，第二进液口与被控设备300出口连通的管路上设有第二阀体230。本实施例中，与被控设备300进行热交换升温的循环液由被控设备300的出口流出，通过第一阀体220与第二阀体230的控制，可定向进入第一储液区211和第二储液区212。当循环液的温度与第一预设温度偏差较小时，第二阀体230打开，循环液流入第二储液区212；当循环液的温度与第一预设温度偏差较大时，第一阀体220打开，循环液流入第一储液区211，再通过隔板214的通孔215缓缓流入第二储液区212。

当负载较小时第二阀体230打开；在负载差值大于15℃的48秒时间里，第一阀体220打开，循环液先流入第一储液区211，隔板214的通孔215较小，限制循环液流入第二储液区212的流量，可以设计第一储液区211内循环液的液体量在10分钟缓缓流入第二储液区212。在48秒时间里，高温循环液被限制在第一储液区211，极少量流入第二储液区212，流入蒸发器120的循环液大部分是第一储液区211原来的低温循环液，温差不会很大，压缩机的能力可以承受这部分负载。超过48秒后，由被控设备300流出的循环液温度下降，第二阀体230打开，循环液直接进入第二储液区212，第一储液区211内高温循环液极少量流入第二储液区212，流入蒸发器120的循环液温度不会很高。超过10分钟后，第一储液区211内的循环液全部流入第二储液区212。

根据本发明提供的一个实施例，水箱210内设有用于检测水箱210内液面高度的液位开关216。本实施例中，水箱210内设置液位开关216，可探测水箱210的最低液位，当低液位的信号触发时，液位开关216强制打开第二阀体230，使水箱210内位于下层的第二储液区212流入循环液，保证水箱210内循环液能够不断的进入蒸发器120换热，确保循环液回路中循环液始终循环流通。

根据本发明提供的一个实施例，循环装置200还包括泵体240，泵体240设置于蒸发器120的放热通路与被控设备300连通的管路上。本实施例中，泵体240为循环液回路提供循环液流通动力，在蒸发器120的放热通路进行热交换降温后的循环液，经过泵体240进入被控设备300，对被控设备300进行冷却温控。本实施例中泵体240可选择循环泵、水泵等。

根据本发明提供的一个实施例，循环装置200还包括加热器250，加热器250设置于蒸发器120的放热通路与泵体240连通的管路上。本实施例中，在蒸发器120的放热通路进行热交换降温后的循环液，由蒸发器120流出后可先经过加热器250，加热器250根据被控设备300的实际冷却需要可对循环液进行温度调整，使循环液升温，再经过泵体240进入被控设备300，对被控设备300进行温控。

根据本发明提供的一个实施例，被控设备300的出口与水箱210连通的管路包括主管路和与主管路连通的两条支管路，主管路上设有第一温度传感器260，两条支管路上分别与第一进液口和第二进液口连通。本实施例中，被控设备300的出口连接主管路的一端，主管路的另一端连接两条支管路的一端，两条支管路的另一端分别与第一进液口和第二进液口连通，第一阀体220与第二阀体230分别设置于对应连接第一进液口和第二进液口的支管路上，主管路上设置第一温度传感器260，用于检测流出被控设备300的循环液的温度，以判断应将循环液输入第一储液区211或第二储液区212，从而相应控制第一阀体220或第二阀体230开闭情况。

根据本发明提供的一个实施例，蒸发器120的放热通路的出口设有第二温度传感器270。本实施例中，第二温度传感器270可实时检测流出蒸发器120的循环液的温度，从而结合被控设备300所需的冷却温度，控制后方加热器250的工作情况，以对进入被控设备300前的循环液进行温度调控。

根据本发明提供的一个实施例，泵体240的出口设有第三温度传感器280。本实施例中，第三温度传感器280可实时检测泵体240泵出的循环液温度，从而获取加热器250的加热情况，根据被控设备300所需的冷却温度对加热器250的加热升温进行反馈调整，从而提高循环液回路对被控设备300的温控效果。

如图2所示，本发明实施例还提供一种应用如上述实施例的用于半导体生产的温控系统进行的温控方法，包括：

获得被控设备300的出口的循环液温度与第一预设温度的温度差值；

判断温度差值是否大于第二预设温度，或是否小于第三预设温度，

若是，判断水箱210内的循环液液面高度是否达到报警位置，若是则停止向第一储液区211输送循环液，开始向第二储液区212输送循环液，若否则开始向第一储液区211输送循环液，停止向第二储液区212输送循环液；

若否，停止向第一储液区211输送循环液，开始向第二储液区212输送循环液。

本发明实施例的温控方法，采用控制器或工控机等后台设备程序读取第一预设温度以及第一温度传感器260检测的循环液温度，并计算处温度差值，首先判断该温度差值是否大于第二预设温度，或者是否小于第三预设温度，若是，则再判断液位开关216是否处于报警状态，若否，则关闭第一阀体220，打开第二阀体230，即循环液流入第二储液区212。若液位开关216处于报警状态，则关闭第一阀体220，打开第二阀体230，即循环液流入第二储液区212，若液位开关216未处于报警状态，则关闭第二阀体230，打开第一阀体220，即循环液流入第一储液区211。

本实施例中，第一预设温度为被控设备要求的温度值，可为-100~150℃，第二预设温度一般为正值，可为5~15℃，优选为10℃，第二预设温度一般为负值，可为-15~-5℃，优选为-10℃。

使用时，不限定上述阀门是截止阀、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 (9)

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，所述循环装置包括水箱，所述制冷装置包括制冷组件和蒸发器，所述制冷组件与所述蒸发器的吸热通路形成制冷回路，所述水箱的内部自上而下分为第一储液区和第二储液区，所述第一储液区与所述第二储液区连通，所述水箱对应所述第一储液区设置第一进液口，所述水箱对应所述第二储液区设置第二进液口和出液口，所述第一进液口和所述第二进液口均与被控设备的出口连通，所述出液口与所述蒸发器的放热通路和所述被控设备依次连通形成循环液回路；所述水箱包括箱体和隔板，所述隔板设置于所述箱体的内部，并将所述箱体的内部分隔为所述第一储液区和所述第二储液区，所述隔板上设有连通所述第一储液区和所述第二储液区的通孔。

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：所述第一进液口与所述被控设备的出口连通的管路上设有第一阀体，所述第二进液口与所述被控设备出口连通的管路上设有第二阀体。

3.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：所述水箱内设有用于检测所述水箱内液面高度的液位开关。

4.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：所述循环装置还包括泵体，所述泵体设置于所述蒸发器的放热通路与所述被控设备连通的管路上。

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：所述循环装置还包括加热器，所述加热器设置于所述蒸发器的放热通路与所述泵体连通的管路上。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的用于半导体生产的温控系统，其特征在于：所述被控设备的出口与所述水箱连通的管路包括主管路和与所述主管路连通的两条支管路，所述主管路上设有第一温度传感器，两条所述支管路上分别与所述第一进液口和所述第二进液口连通。

7.根据权利要求6所述的用于半导体生产的温控系统，其特征在于：所述蒸发器的放热通路的出口设有第二温度传感器。

8.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：所述泵体的出口设有第三温度传感器。

9.一种应用如权利要求1至8任意一项所述用于半导体生产的温控系统进行的温控方法，其特征在于：包括：

获得被控设备的出口的循环液温度与第一预设温度的温度差值；

判断温度差值是否大于第二预设温度，或是否小于第三预设温度，

若是，判断水箱内的循环液液面高度是否达到报警位置，若是则停止向第一储液区输送循环液，开始向第二储液区输送循环液，若否则开始向第一储液区输送循环液，停止向第二储液区输送循环液；

若否，停止向第一储液区输送循环液，开始向第二储液区输送循环液。

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