JP6063895B2

JP6063895B2 - 半導体製造設備のための温度制御システム

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Publication number: JP6063895B2
Application number: JP2014088719A
Authority: JP
Inventors: ジンハン、ミン; ゴンキム、ジェ
Original assignee: テキストカンパニーリミテッド
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-04-23
Also published as: US10163665B2; US9520308B2; US10163666B2; KR101367086B1; JP2015079930A; US20160172219A1; US20160169563A1; US20150107268A1

Description

本発明は、半導体製造設備のための温度制御システムに関し、特に、半導体ウェーハ加工工程が実施されるチャンバでウェーハを支持し、温度を維持する静電チャック（ＥｌｅｃｔｒｏｓｔｓｔｉｃＣｈｕｃｋ：ＥＳＣ）に工程レシピによる温度で熱媒体（ｃｏｏｌａｎｔ）を供給するために低温熱媒体と高温熱媒体を混合する温度制御システムに関する。

半導体素子技術が次第に高度化されるに伴い、半導体製造設備に適用される装備の制御精密が重要になっている。特に、シリコンウェーハのような半導体基板材料に対する各種蒸着及びエッチング工程が行われる真空チャンバは、各工程レシピによる精密な温度制御を要求している。

最近、半導体製造設備は、所望の温度では安定的な温度を維持することを要求しながらも、工程レシピ上の温度変化時に迅速な温度変化を同時に要求している。特に、最近には、工程レシピの単位区間（ＳＴＥＰ）内でも温度変化を要求していて、外部温度制御設備の対応が難しい実情である。

図１は、チャンバ２０内の静電チャック２２の温度をチラー１０を通じて一定に維持する従来の構成を示すものである。

図示の構成は、チャンバ２０内の静電チャック２２にチラー１０を通じて一定の温度に冷却した熱媒体（ｃｏｏｌａｎｔ）を提供し、工程レシピ上の所定温度区間に対応する方式であり、最近の微細化多層構造製造のための工程では、特定単位区間内でも温度を可変することができなければならない。

このために、最近の静電チャック２２には、チューナブルヒーターをさらに構成し、特定単位区間内で温度をチャンバが自ら制御することができるようにしている。

図２は、チューナブルヒーター２３が構成された静電チャック２２を示すものであって、例えば、チラー１０で特定単位区間の目標温度に設定された２０℃の熱媒体を持続的に供給するとき、当該単位区間内で２５℃の温度が必要になれば、チューナブルヒーター２３を動作させて、静電チャック２２の温度を２５℃に合わせるようになる。

つまり、このような構成は、温度変化に対応するために比較的長い時間が要求される外部温度制御装置を利用しにくいため、チューナブルヒーターを通じて急激な温度変化を強制するものであるが、電力面で効率は非常に悪くなる。さらに、図１に示されたように、チャンバ２０内の上部電極あるいはシャワーヘッド２１に加えられるＲＦ電力に対する撹乱の問題があるので、静電チャック２２内にヒーターを設けることは好ましくない。

したがって、異なる温度を有する熱媒体を適切に混合し、迅速に所望の目標温度を合わせる方式の温度制御システムが登場した。

静電チャックの場合、相当な熱容量を有するので、温度制御時に不安定な状態が非常に長く持続するので、温度制御のために十分な流量の熱媒体が要求される。したがって、最近、冷却熱媒体と加熱熱媒体を混合し、静電チャックに提供する方式や回収される熱媒体に別に冷却あるいは加熱した熱媒体を適切に混合して供給する方式などが提案されている。

しかし、大部分の場合、静電チャックから回収される熱媒体を冷却手段と加熱手段の熱媒体タンク（Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）に同一に供給するので、回収された熱媒体の温度を各冷却手段及び加熱手段の設定温度に合わせるための電力無駄遣いが多くて、負荷で要求する温度変化によって回収される熱媒体温度と制御しなければならない温度との差が急激に大きくなる場合、相当な熱衝撃が発生するので、一般的な制御方式（例えば、ＰＩＤ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−ｉｎｔｅｇｒａｌ−ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御）で対応する場合、オーバースーツやアンダースーツが頻繁に発生し、制御が困難になる問題がある。

つまり、所望の設定温度の熱媒体を十分な流量で提供しながらも、熱衝撃を低減し、回収される熱媒体を冷却あるいは加熱するための熱量を最小化する新しい方式の温度制御システムが要求されている。

韓国特許登録第１０−０８１７４１９号公報韓国特許登録第１０−１０２０３５７号公報

前述した問題点を改善するために、本発明の実施例の目的は、熱電素子を通じて冷却した熱媒体及びヒーターを通じて加熱した熱媒体を所望の目標温度になるように第１比率及び第２比率に合わせて混合して負荷に提供し、負荷から回収される熱媒体を混合時の比率である第１比率及び第２比率で熱電素子及びヒーターに分散提供することによって、冷却や加熱のために消耗する電力を最小化することができるようにした半導体製造設備のための温度制御システムを提供する。

本発明の他の実施例の目的は、チラー部及びヒーター部にそれぞれ構成された熱媒体タンク（Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）の温度が異なる設定温度に維持されるように、設定温度の熱媒体を混合器に特定の比率で提供すると共に、提供されない残りの比率の熱媒体は、さらに、チラー部及びヒーター部にそれぞれバイパスされながら循環されるようにして、持続循環を通じて各熱媒体タンクの温度を所望の設定温度に維持あるいは可変することができ、負荷に供給する目標温度変化時にも高速対応が可能な半導体製造設備のための温度制御システムを提供する。

本発明のさらに他の実施例の目的は、チラー部及びヒーター部の熱電素子ブロックとヒーターを二重で構成し、回収及びバイパスされる熱媒体の温度を一次的に設定温度に近接するように冷却あるいは加熱した状態で熱媒体タンクに回収し、供給時に二次的に目標温度に合わせて熱媒体を冷却あるいは加熱するようにして、急激な温度変化に対しても熱衝撃を最小化し、アンダースーツやオーバースーツの発生を低減することができるようにした半導体製造設備のための温度制御システムを提供する。

本発明のさらに他の実施例の目的は、チラー部の冷却手段として熱電素子ブロックを利用し、当該熱電素子ブロックの冷却動作によって発生する熱を冷却させるために構成した冷却水流路を活用することができるようにヒーター部に熱交換器をさらに構成し、ヒーター側回収熱媒体やバイパス熱媒体の温度が前記冷却水の残熱より低い場合、これをさらに活用し、廃棄される残熱を回収することができるようにするか、またはヒーターによって加熱した熱媒体を冷却させるために活用することができるようにした半導体製造設備のための温度制御システムを提供する。

前記目的を達成するために、本発明の一実施例による半導体製造設備のための温度制御システムは、半導体製造設備の負荷から回収される熱媒体（Ｃｏｏｌａｎｔ）を冷温制御し、目標温度で供給する温度制御システムであって、低温熱媒体と高温熱媒体を混合し、負荷に供給する混合器と；低温熱媒体を貯蔵する第１の熱媒体タンクと；第１の熱媒体タンクの熱媒体を冷却させて提供する第１の熱電素子ブロックと；回収熱媒体を冷却させて前記第１の熱媒体タンクに提供する第２の熱電素子ブロックと；前記第１の熱電素子ブロックを通じて提供される冷却した第１の熱媒体タンクの熱媒体を第１比率で前記混合器に提供し、前記第１の比率で提供した以外の熱媒体を前記第２の熱電素子ブロックにバイパスさせて、第１の熱媒体タンクが回収するようにする第１の３方向スイッチング弁と；高温熱媒体を貯蔵する第２の熱媒体タンクと；第２の熱媒体タンクの熱媒体を加熱する第１のヒーターと；回収熱媒体を加熱し、前記第２の熱媒体タンクに提供する第２のヒーターと；前記第１のヒーターを通じて加熱した第２の熱媒体タンクの熱媒体を第２比率で前記混合器に提供し、前記第２の比率で提供した以外の熱媒体を前記第２のヒーターにバイパスさせて、第２の熱媒体タンクが回収するようにする第２の３方向スイッチング弁と；負荷から回収される熱媒体を前記第１比率で前記第２の熱電素子ブロックに提供し、前記第２比率で前記第２のヒーターに提供する第３の３方向スイッチング弁と；を含む。

ここで、前記第１及び第２の熱電素子ブロックの冷却のために前記熱電素子ブロックを経由する冷却水（ＰｒｏｃｅｓｓＣｏｏｌｉｎｇＷａｔｅｒ）流路をさらに含む。

なお、回収熱媒体が前記第２のヒーターに入る前または後の位置にさらに構成され、前記熱電素子ブロックを経由する冷却水流路と連結され、冷却水温度が回収熱媒体の温度を所望の温度で加熱または冷却することができる温度範囲であるときに動作する熱交換器をさらに含むことができる。

前記第２の熱電素子ブロックは、回収熱媒体の温度を回収熱媒体温度と冷却設定温度との間の既定の温度で冷却し、前記第１の熱電素子ブロックは、前記第２の熱電素子ブロックによって既定の温度で冷却した熱媒体を冷却設定温度で冷却させて、前記第１及び第２の熱電素子ブロックに対する熱衝撃を低減することができる。

前記第２のヒーターは、回収熱媒体の温度を回収熱媒体温度と加熱設定温度との間の既定の温度で加熱し、前記第１のヒーターは、前記第２のヒーターによって既定の温度で加熱した熱媒体を加熱設定温度で加熱させて、前記第１及び第２のヒーターに対する熱衝撃を低減することができる。

前記第１、第２及び第３の３方向スイッチング弁の制御は、前記混合器で前記高温熱媒体と前記低温熱媒体が混合した熱媒体温度が負荷に供給する目標設定温度になるように、第１の３方向スイッチング弁と第２の３方向スイッチング弁とが流量を調節すると共に、負荷から回収される熱媒体を混合器に供給するために設定された流量の比率によって分散させるように、第３の３方向スイッチング弁が流量を調節することができる。
本発明の他の実施例による半導体製造設備のための温度制御システムは、半導体製造設備の負荷から回収される熱媒体を冷温制御し、目標温度で供給する温度制御システムであって、低温熱媒体と高温熱媒体を混合し、負荷に供給する混合器と；低温熱媒体を貯蔵する第１の熱媒体タンクと；第１の熱媒体タンクに熱媒体を冷却させて提供する熱電素子ブロックと；前記冷却した第１の熱媒体タンクの熱媒体を第１比率で前記混合器に提供し、前記第１の比率で提供した以外の熱媒体を前記熱電素子ブロックを通じて前記第１の熱媒体タンクが回収するようにバイパスさせる第１の３方向スイッチング弁と；高温熱媒体を貯蔵する第２の熱媒体タンクと；第２の熱媒体タンクに熱媒体を加熱して提供するヒーターと；前記加熱した第２の熱媒体タンクの熱媒体を第２比率で前記混合器に提供し、前記第２の比率で提供した以外の熱媒体を前記ヒーターを通じて前記第２の熱媒体タンクが回収するようにバイパスさせる第２の３方向スイッチング弁と；負荷から回収される熱媒体を前記第１比率で前記熱電素子ブロックのバイパスラインに提供し、前記第２比率で前記ヒーターのバイパスラインに提供する第３の３方向スイッチング弁と；を含む。

本発明の他の実施例による半導体製造設備のための温度制御システムは、低温熱媒体と高温熱媒体を混合し、半導体製造設備の負荷に供給する混合器と；低温熱媒体を貯蔵する第１の熱媒体タンクと；第１の熱媒体タンクに熱媒体を冷却させて提供する熱電素子ブロックと；前記冷却した第１の熱媒体タンクの熱媒体を第１比率で前記混合器に提供し、前記第１の比率で提供した以外の熱媒体を前記熱電素子ブロックを通じて前記第１の熱媒体タンクが回収するようにバイパスさせる第１の３方向スイッチング弁と；高温熱媒体を貯蔵する第２の熱媒体タンクと；第２の熱媒体タンクに熱媒体を加熱して提供するヒーターと；前記加熱した第２の熱媒体タンクの熱媒体を第２比率で前記混合器に提供し、前記第２の比率で提供した以外の熱媒体を前記ヒーターを通じて前記第２の熱媒体タンクが回収するようにバイパスさせる第２の３方向スイッチング弁と；負荷から回収される熱媒体を前記熱電素子ブロック及び前記ヒーターに分散提供する第３の３方向スイッチング弁と；前記熱電素子ブロックによって冷却される熱媒体の温度と前記ヒーターによって加熱される熱媒体の温度を測定し、前記第１、第２及び第３の３方向スイッチング弁の動作による各弁の連結部の流量を測定するセンサー部と；前記熱電素子ブロックの冷却温度とヒーターの加熱温度及び負荷に供給する混合熱媒体の温度に対する設定値を受信し、前記センサー部の各部の温度を基準として前記熱電素子ブロックとヒーターの動作を制御する温度制御部と；前記センサー部が提供する各部の流量と冷却及び加熱した熱媒体の温度を基準として前記第１及び第２の３方向スイッチング弁を第１及び第２比率で制御し、回収熱媒体を前記熱電素子ブロック及びヒーターに分散提供する前記第３の３方向スイッチング弁の動作の比率を供給時の比率を反映して制御する弁制御部と；を含む。

本発明の実施例による半導体製造設備のための温度制御システムは、熱電素子を通じて冷却した熱媒体とヒーターを通じて加熱した熱媒体を所望の目標温度になるように第１比率及び第２比率に合わせて混合して負荷に提供し、負荷から回収される熱媒体を混合時の比率である第１比率及び第２比率で熱電素子及びヒーターに分散提供することによって、冷却や加熱のために消耗する電力を最適化することができる効果がある。

本発明の実施例による半導体製造設備のための温度制御システムは、チラー部及びヒーター部にそれぞれ構成された熱媒体タンクの温度が異なる設定温度に維持されるように設定温度の熱媒体を混合器に特定の比率で提供すると共に、提供されない残りの比率の熱媒体は、さらにチラー部及びヒーター部にそれぞれバイパスされながら循環されるようにして、持続循環を通じて各熱媒体タンクの温度を所望の設定温度に維持あるいは可変することができ、負荷に供給する目標温度変化時にも高速対応が可能であるという効果がある。

本発明の実施例による半導体製造設備のための温度制御システムは、チラー部及びヒーター部の熱電素子ブロックとヒーターを二重で構成し、回収及びバイパスされる熱媒体の温度を一次的に設定温度に近接するように冷却あるいは加熱した状態で熱媒体タンクに回収し、供給時に二次的に目標温度に合わせて熱媒体を冷却あるいは加熱することによって、急激な温度変化に対しても熱衝撃を最小化し、アンダースーツやオーバースーツの発生を低減することができるという効果がある。

本発明の実施例による半導体製造設備のための温度制御システムは、チラー部のチラー手段として熱電素子ブロックを利用し、当該熱電素子ブロックの冷却動作によって発生する熱を冷却させるために構成した冷却水流路を活用することができるようにヒーター部に熱交換器をさらに構成し、ヒーター側回収熱媒体やバイパス熱媒体の温度が前記冷却水の残熱より低い場合、これをさらに活用し、廃棄される残熱を回収することができるようにし、必要な場合、ヒーターによって加熱した熱媒体の温度を下げることができるようにして、エネルギー効率を最適化する効果がある。

図１は、従来チャンバの静電チャックの温度制御のためのシステム構成の例である。図２は、従来チューナブルヒーターを具備した静電チャックの温度制御システムの構成例である。図３は、本発明の実施例による温度制御システムの簡略な構成図である。図４は、本発明の実施例による温度制御システムのより具体的な構成を示す構成図である。図５は、本発明の実施例による温度制御方式を説明するための制御部の構成図である。図６は、本発明の実施例による温度制御システムの動作例を示す例示図である。

前述したような本発明を添付の図面と実施例を通じて詳しく説明する。
まず、図３は、本発明の実施例による半導体製造設備のための温度制御システム１００の構成を示すものであり、図示のように、上端には、チラー部１１０〜１５０が構成され、下端には、ヒーター部２１０〜２５０が構成され、負荷３０と連結される右側には、混合器３１０と３方向スイッチング弁（３−ｗａｙｓｗｉｔｃｈｉｎｇｖａｌｖｅ）が構成される。

温度制御システム１００は、熱電素子ブロック１３０、１４０を通じて冷却した熱媒体とヒーター２３０、２４０を通じて加熱した熱媒体を所望の目標温度に合わせて混合器３１０で混合し、負荷（例えば、静電チャック）３０に提供し、負荷３０から回収される熱媒体をさらに熱電素子ブロック及びヒーターに分散循環させる温度制御システムである。

チラー部は、第１の熱媒体タンク１１０と、第１の熱媒体タンク１１０の熱媒体を目標温度で冷却させる供給経路熱電素子１３０と、回収熱媒体を冷却させて、第１の熱媒体タンク１１０に伝達する回収経路熱電素子１４０と、供給経路熱電素子１３０が提供する熱媒体の一定比率を混合器３１０に提供し、その他の熱媒体を回収経路熱電素子１４０にバイパスさせる第１の３方向スイッチング弁１５０とを含む。

ヒーター部は、第２の熱媒体タンク２１０と、第２の熱媒体タンク２１０の熱媒体を目標温度で加熱させる供給経路ヒーター２３０と、回収熱媒体を加熱させて、熱媒体タンクに伝達する回収経路ヒーター２４０と、供給経路ヒーター２３０によって目標温度に加熱した熱媒体の一定の比率を混合器３１０に提供し、その他の熱媒体を回収経路ヒーター２４０にバイパスさせる第２の３方向スイッチング弁２５０とを含む。

混合及び回収熱媒体分散循環のために、第１及び第２の３方向スイッチング弁１５０、２５０を通じて提供される熱媒体を混合し、制御温度で負荷に提供する混合器３１０と、負荷から回収される熱媒体を混合器３１０に熱媒体を提供した比率によって分散させて、回収経路熱電素子１４０及び回収経路ヒーター２４０に提供する第３の３方向スイッチング弁が構成される。

このような構成において、混合器３１０を通じて目標温度で混合するために、第１及び第２の３方向スイッチング弁１５０、２５０の供給流量の比率が第１比率：第２比率（第１比率と第２比率の和は、１００％になることが好ましい）であるとき、回収される熱媒体は、第３の３方向スイッチング弁３２０によってチラー側及びヒーター側に第１比率：第２比率で分散供給される。

例えば、チラー側で供給する熱媒体の温度が０℃であり、ヒーター側で供給する熱媒体の温度が６０℃であり、負荷に供給する目標設定温度が１０℃なら、チラー側熱媒体の供給比率がヒーター側熱媒体の供給比率よりさらに大きくなる。この場合、回収される熱媒体の温度は、目標温度（１０℃）に隣接する所定の温度になる。したがって、このような回収熱媒体は、チラー側の設定温度にさらに近接するので、従来のように、同一の比率でチラー側及びヒーター側に供給される場合、ヒーター側では、１０℃近くの熱媒体を設定温度である６０℃に上昇させなければならないので、ヒーター側で消耗する熱量が過度になる。

しかし、図示した本発明の実施例による実施例では、混合時の比率によって回収熱媒体を分散させるので、１０℃近くの回収熱媒体をチラーにさらに多く分散させるようになる。

すなわち、目標温度がヒーターの熱媒体温度に近接する場合、チラー側では、少しの熱媒体だけを混合器に提供し、大部分の熱媒体は、バイパスを通じて循環するようにし、ヒーター側では、大部分の熱媒体を混合器に提供し、少しの熱媒体だけをバイパスを通じて循環するようにする。この場合、回収冷媒は、ヒーターの熱媒体温度に近接した目標設定温度の近くになるので、大部分の回収熱媒体は、ヒーター部に提供され、一部の熱媒体だけがチラー側に提供される。したがって、ヒーター側が回収した熱媒体の温度を高めるか、またはチラー側が回収した熱媒体の温度を下げるときに必要な熱量が最適化される。

特に、図示した実施例を通じて分かるように、冷却した熱媒体と加熱した熱媒体のうち必要な流量の熱媒体だけを混合器３１０に単純提供するものではなく、混合器に提供されない熱媒体は、それぞれさらに回収経路熱電素子１４０及び回収経路ヒーター２４０にバイパスされるので、回収熱媒体とともに各回収経路熱電素子１４０及びヒーター２４０に供給される。したがって、このようなバイパスされた熱媒体によって、回収熱媒体の温度差が希釈され、回収経路熱電素子１３０やヒーター２４０の熱衝撃を低減しながら、各熱媒体タンク１１０、２１０の熱媒体温度をそれぞれあらかじめ設定された温度に維持することができる。すなわち、チラー部及びヒーター部の熱媒体は、持続的に循環されるので、熱電素子やヒーターの持続的で且つ安定的な運転状態を保障することができる。

さらに、負荷に供給する目標温度が変化する場合にも、単純に混合器３１０に供給する加熱熱媒体と冷却熱媒体の比率だけを変更すれば良いので、容易に変化した温度の熱媒体を十分な流量で直ちに提供することができる。特に目標温度が急激に変化し、チラー部やヒーター部のうち１つが１００％熱媒体を供給する必要があっても、複数の冷却／加熱手段を利用して対応するので、熱衝撃を最小化することができ、迅速な制御が可能である。

図４は、本発明の実施例の原理を簡略に説明した図３の具体的な実施構成を示すものであって、冷却のための熱電素子１３０、１４０と加熱のためのヒーター２３０、２４０、熱媒体管理のための熱媒体タンク１１０、２３０、このような熱媒体タンク内の熱媒体を適切な流量で供給するためのポンプ１２０、２２０、３個の３方向スイッチング弁１５０、２５０、３２０及び混合器３１０の構成と配置及び動作原理は、図３と同一である。

しかし、図４では、図３の概念的構成が動作するために必要なセンサーと熱電素子の熱媒体冷却時に発生する発熱を処理するための冷却水線路を示し、さらに明確に本発明の実施例を理解することができるようにしたものである。

図示のように、各熱電素子１３０、１４０とヒーター２３０、２４０の前後及び混合器３１０によって混合した熱媒体を供給する流路上には、温度を測定するための温度センサーが適用され、例えば、測定温度範囲が広い測温−抵抗センサー（ＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＴｅｍｐａｒａｔｕｒｅＤｅｖｉｃｅ：ＲＴＤ）が適用されることができる。

また、第１及び第２の３方向スイッチング弁１５０、２５０によって混合器３１０に供給される流路及びバイパスされる流路、混合器によって混合した熱媒体が負荷に供給される流路、そして第３の３方向スイッチング弁３２０によって分散提供される流路にそれぞれ流量センサー（Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ）が構成される。実質的に、このような流量は、混合器３１０に混合される熱媒体の混合比率と第３の３方向スイッチング弁３２０による回収熱媒体の分散比率を制御するのに基準になることができる。

一方、ポンプ１２０、２２０によって熱媒体を混合器に供給する流路の圧力を測定するための圧力計（ＰｒｅｓｓｕｒｅＧａｕｇｅ）を第１及び第２の３方向スイッチング弁の前端にそれぞれ構成し、混合器３１０が混合熱媒体を負荷に供給する流路に供給熱媒体の圧力を測定するための圧力計を構成する。

このように、温度センサー、流量センサー及び圧力センサーを必要な流路に形成し、各熱電素子及びヒーターの温度を制御し、３方向スイッチング弁を制御する。

なお、図示のように、熱電素子１３０、１４０には、熱媒体を冷却させながら発生する反対面の熱を冷却させるための冷却水（ＰｒｏｃｅｓｓＣｏｏｌｉｎｇＷａｔｅｒ：ＰＣＷ）流路が構成される。このようなＰＣＷ流路は、単純に熱電素子１３０、１４０の安定的動作のために熱電素子専用で構成されることもできるが、図示の構成では、これをヒーター部でも使用するようにする。すなわち、回収経路ヒーター２４０と熱媒体タンク２１０との間にこのような冷却水が通る熱交換器２６０をさらに構成し、前記熱交換器２６０の使用を決定するために冷却水を当該熱交換器２６０に供給すべきか、バイパスさせるべきかを決定する第４の３方向スイッチング弁３３０を構成する。このように、ＰＣＷが選択的に供給される熱交換器２６０は、冷却時に付随的に発生する熱電素子の発熱によって加熱した冷却水の廃熱を利用してヒーター部の熱媒体温度を上げるか、またはヒーター部の熱媒体の温度を下げなければならない場合に活用されることができる。

例えば、熱電素子の冷却動作に発生する熱によって冷却水の温度が高くなることができ、もし冷却水の温度が６５℃になり、回収経路ヒーター２４０によって加熱される回収及びバイパス熱媒体の温度が５５℃なら、第４の３方向スイッチング弁３３０を動作させて、冷却水が熱交換器２６０に供給されるようにして、当該冷却水の廃熱をヒーターの機能を補助するために活用することができる。これを利用する場合、回収経路ヒーター２４０は、節約運転されることができる。

他の例として、ヒーター部の設定温度が下向き調節される場合、ヒーター２３０、２４０が動作しないとしても、温度下降速度が遅いので、第４の３方向スイッチング弁３３０を動作させて、温度の低い冷却水が熱交換器２６０に供給されるようにして、ヒーター部の熱媒体温度を効果的に下げることができる。

なお、チラー部の場合、熱電素子１３０、１４０が供給電力の極性によって冷却と加熱が可変されることができるので、必要な場合、別途の構成なしに迅速に温度を上向き調節することができる。

図示した場合、前記熱交換器２６０は、ヒーター２３０、２４０の間に構成されるが、他の位置に構成されてもよい。

図５は、前述した図４の構成を実質的に制御するための制御部４００の構成を示すものであって、図示のように、センサー部４３０、温度制御部４１０及び弁制御部４２０よりなる。

前記センサー部４３０は、温度センサー、流量センサー及び圧力センサーを含み、測定された値を温度制御部４１０及び弁制御部４２０に提供する。前記センサー以外にも、必要な場合、追加的なセンサーをさらに含むことができる。

前記温度制御部４１０は、内部にチラー温度制御部４１１とヒーター温度制御部４１２を含み、負荷に供給する目標温度に対する設定値(ＳｅｔＶａｌｕｅ：ＳＶ)情報を入力されて、適切な冷却温度と加熱温度で各熱媒体タンクの温度及び供給温度を制御する。

チラー温度制御部４１１は、供給経路熱電素子の駆動を制御するＴＥＭ１駆動部と、回収経路熱電素子の駆動を制御するＴＥＭ２駆動部とを含み、このような各駆動部を実質的に順次制御する２つのＰＩＤ制御部よりなる第１のＰＩＤ制御部を含む。前記第１のＰＩＤ制御部は、回収経路熱電素子に対してセンサー部４３０を通じて提供される実際冷却前後温度と内部設定された温度を基準としてＰＩＤ制御を実施し、混合器に供給する熱媒体の設定温度より少し高い１次的な設定温度で回収及びバイパス熱媒体の温度を冷却させて、熱媒体タンクに供給するようにし、供給熱電素子に対してセンサー部４３０を通じて提供される実際冷却前後温度と冷却設定温度を基準として２次的なＰＩＤ制御を実施し、混合器に供給する熱媒体を冷却設定温度で合わせる。このように、順次的なカスケード形態のＰＩＤ制御方式を利用する場合、熱衝撃を最小化することができると共に、目標温度に対する制御性能を向上させることができる。

同様に、ヒーター温度制御部４１２は、供給経路ヒーターの駆動を制御する第１のヒーター駆動部と、回収経路ヒーターの駆動を制御する第２のヒーター駆動部とを含み、このような各駆動部を順次制御する２つのＰＩＤ制御部よりなる第２のＰＩＤ制御部を含む。前記第２のＰＩＤ制御部は、回収経路ヒーターに対してセンサー部４３０を通じて提供される実際加熱前後温度と内部設定された温度を基準としてＰＩＤ制御を実施し、混合器に供給する熱媒体の設定温度より少し低い１次的な設定温度で回収及びバイパス熱媒体の温度を加熱し、熱媒体タンクに供給するようにして、供給ヒーターに対してセンサー部４３０を通じて提供される実際加熱前後温度と加熱設定温度を基準として２次的なＰＩＤ制御を実施し、混合器に供給する熱媒体を加熱設定温度に合わせる。このように、順次的なカスケード形態のＰＩＤ制御方式を利用する場合、熱衝撃を最小化することができると共に、設定温度に対する制御性能を向上させることができる。

前記弁制御部４２０は、センサー部４３０を通じて３方向スイッチング弁の動作による流路の流量に対する測定値を提供され、混合器で加熱熱媒体と冷却熱媒体が混合した熱媒体温度が負荷に供給する目標設定温度になるように、第１の３方向スイッチング弁と第２の３方向スイッチング弁を制御する供給３方向スイッチング弁制御部４２１と、負荷から回収される熱媒体を混合器に供給するために設定された流量の比率によって分散させるように、第３の３方向スイッチング弁を制御するリターン３方向スイッチング弁制御部４２２とを含む。

もちろん、必要な場合、前記弁制御部は、熱電素子を冷却するための冷却水をヒーター側に構成された熱交換器に供給すべきかを選択する第４の３方向スイッチング弁を制御する弁制御部をさらに含むことができる。

図６は、本発明の実施例による温度制御方式を説明するための例示的な制御過程を示すものであり、図示した例は、説明の便宜のために温度変化を単純化して説明したものであって、これは、本発明の温度制御の動作原理を理解するための用途に過ぎず、具体的な個別素子の構成や容量、熱媒体の種類、流路の長さと形態、負荷の種類などによって具体的な温度は変わることができることに注意する。

図示した例で、チラー部が混合器３１０に提供する冷却熱媒体の設定温度は、０℃であり、ヒーター部が混合器３１０に提供する加熱熱媒体の設定温度は、６０℃であり、負荷３０で要求する温度は、４０℃であると仮定する。

このように負荷で要求する目標温度が４０℃であり、冷却熱媒体が０℃であり、加熱熱媒体が６０℃であるので、目標温度は、加熱熱媒体の温度に近い。したがって、混合器３１０に混合する比率は、加熱熱媒体８０％、冷却熱媒体２０％に設定されることができる。

チラー部の動作を見れば、まず、熱媒体タンク１１０の冷媒は、設定温度である０℃より少し高い２．５℃程度を維持する。このような温度の熱媒体は、ポンプ１２０を通じて供給経路熱電素子１３０に提供され、ポンプ１２０を経由しながら熱媒体の温度は、少し上昇し、３．０℃になることができる。前記供給経路熱電素子１３０は、熱媒体を設定温度である０℃に冷却し、第１の３方向スイッチング弁１５０に供給する。

前記供給経路熱電素子１３０は、１次的に冷却され、熱媒体タンク１１０に保管された熱媒体を設定温度で冷却させるので、ＰＩＤ制御によって正確な温度を容易に維持することができる。

前記第１の３方向スイッチング弁１５０は、供給される冷却熱媒体のうち流量基準２０％を混合器３１０に提供し、８０％をバイパス経路を通じて回収経路熱電素子１４０に提供する。

前記回収経路熱電素子１４０は、バイパスされた冷却熱媒体と４０℃に供給されてから負荷を経て回収される４２℃の熱媒体とが混合した熱媒体を、１次的な冷却温度である２℃に冷却させて、熱媒体タンク１１０に提供する。前記回収経路熱電素子１４０に供給される熱媒体は、バイパスされた０℃熱媒体８０％と回収される４２℃の熱媒体２０％よりなるので、これらが混合され、１０℃程度に温度が低くなった状態で提供されるので、冷却のための負荷が減少する。

以下、ヒーター部の動作を見れば、ヒーター部熱媒体タンク２１０の熱媒体は、供給経路ヒーター２３０によって設定温度である６０℃を維持する。このような温度の熱媒体は、ポンプ２２０を通じて第２の３方向スイッチング弁２５０に供給される。

前記供給経路ヒーター２３０は、１次的に加熱され、熱媒体タンク２１０に提供される熱媒体を設定温度で加熱するので、ＰＩＤ制御によって正確な温度を容易に維持することができる。

前記第２の３方向スイッチング弁２５０は、供給される加熱熱媒体のうち流量基準８０％を混合器３１０に提供し、２０％をバイパス経路を通じて回収経路ヒーター２４０に提供する。

前記回収経路ヒーター２４０は、バイパスされた加熱熱媒体と負荷を経て４０℃に供給されてから少し上昇して回収される４２℃の熱媒体が混合した熱媒体を１次的な加熱温度である５５℃に加熱し、熱媒体タンク２１０に提供する。前記回収経路ヒーター２４０に供給される熱媒体は、バイパスされた６０℃熱媒体２０％と回収される４２℃の熱媒体８０％よりなるので、これらが混合され、４９℃程度に温度が高くなった状態で提供されるので、加熱のための負荷が減少する。

混合器３１０は、０℃熱媒体２０％と６０℃熱媒体８０％が混合した４０℃熱媒体を負荷３０に供給し、負荷で温度が４２℃に高くなった熱媒体が第３の３方向スイッチング弁３２０に回収される。このように回収された熱媒体は、供給時の比率によってチラー側回収経路に２０％、ヒーター側回収経路に８０％分散提供される。

したがって、このような構成及び制御方式を通じて所望の目標温度の熱媒体を十分な流量で提供しながらも、熱衝撃を低減し、回収される熱媒体を冷却あるいは加熱するための熱量を最小化することができる。

以上では、本発明による好ましい実施例について図示し、説明した。しかし、本発明は、前述した実施例に限定されず、特許請求の範囲で添付する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明が属する技術分野における通常の知識を有するなら誰でも多様な変形実施が可能である。

１００温度制御システム
１１０、２１０熱媒体タンク
１２０、２２０ポンプ
１３０供給経路熱電素子
１４０回収経路熱電素子
１５０第１の３方向スイッチング弁
２３０供給経路ヒーター
２４０回収経路ヒーター
２５０第２の３方向スイッチング弁
２６０熱交換器
３１０混合器
３２０第３の３方向スイッチング弁
３３０第４の３方向スイッチング弁
４００制御部
４１０温度制御部
４２０弁制御部
４３０センサー部

Claims

半導体製造設備の負荷から回収される熱媒体（Ｃｏｏｌａｎｔ）を冷温制御し、目標温度で供給する温度制御システムであって、
低温熱媒体と高温熱媒体を混合し、負荷に供給する混合器と；
低温熱媒体を貯蔵する第１の熱媒体タンクと；
第１の熱媒体タンクの熱媒体を冷却させて提供する第１の熱電素子ブロックと；
回収熱媒体を冷却させて、前記第１の熱媒体タンクに提供する第２の熱電素子ブロックと；
前記第１の熱電素子ブロックを通じて提供される冷却した第１の熱媒体タンクの熱媒体を第１比率で前記混合器に提供し、前記第１の比率で提供した以外の熱媒体を前記第２の熱電素子ブロックにバイパスさせて、第１の熱媒体タンクが回収するようにする第１の３方向スイッチング弁と；
高温熱媒体を貯蔵する第２の熱媒体タンクと；
第２の熱媒体タンクの熱媒体を加熱する第１のヒーターと；
回収熱媒体を加熱し、前記第２の熱媒体タンクに提供する第２のヒーターと；
前記第１のヒーターを通じて加熱した第２の熱媒体タンクの熱媒体を第２比率で前記混合器に提供し、前記第２の比率で提供した以外の熱媒体を前記第２のヒーターにバイパスさせて、第２の熱媒体タンクが回収するようにする第２の３方向スイッチング弁と；
負荷から回収される熱媒体を前記第１比率で前記第２の熱電素子ブロックに提供し、前記第２比率で前記第２のヒーターに提供する第３の３方向スイッチング弁と；を含むことを特徴とする半導体製造設備のための温度制御システム。
前記第１及び第２の熱電素子ブロックの冷却のために前記熱電素子ブロックを経由する冷却水（ＰｒｏｃｅｓｓＣｏｏｌｉｎｇＷａｔｅｒ）流路をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。
回収熱媒体が前記第２のヒーターに入る前または後の位置にさらに構成され、前記熱電素子ブロックを経由する冷却水流路と連結され、冷却水温度が回収熱媒体の温度を所望の温度で加熱または冷却することができる温度範囲であるときに動作する熱交換器をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。
前記第２の熱電素子ブロックは、回収熱媒体の温度を回収熱媒体温度と冷却設定温度との間の既定の温度に冷却し、前記第１の熱電素子ブロックは、前記第２の熱電素子ブロックによって既定の温度で冷却した熱媒体を冷却設定温度で冷却させて、前記第１及び第２の熱電素子ブロックに対する熱衝撃を低減することを特徴とする請求項１に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。
前記第２のヒーターは、回収熱媒体の温度を回収熱媒体温度と加熱設定温度との間の既定の温度で加熱し、前記第１のヒーターは、前記第２のヒーターによって既定の温度に加熱した熱媒体を加熱設定温度で加熱させて、前記第１及び第２のヒーターに対する熱衝撃を低減することを特徴とする請求項１に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。
前記第１、第２及び第３の３方向スイッチング弁の制御は、
前記混合器で前記高温熱媒体と前記低温熱媒体が混合した熱媒体温度が負荷に供給する目標設定温度になるように、第１の３方向スイッチング弁と第２の３方向スイッチング弁とが流量を調節すると共に、負荷から回収される熱媒体を混合器に供給するために設定された流量の比率によって分散させるように、第３の３方向スイッチング弁が流量を調節する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。
半導体製造設備の負荷から回収される熱媒体を冷温制御し、目標温度で供給する温度制御システムであって、
低温熱媒体と高温熱媒体を混合し、負荷に供給する混合器と；
低温熱媒体を貯蔵する第１の熱媒体タンクと；
第１の熱媒体タンクに熱媒体を冷却させて提供する熱電素子ブロックと；
前記冷却した第１の熱媒体タンクの熱媒体を第１比率で前記混合器に提供し、前記第１の比率で提供した以外の熱媒体を前記熱電素子ブロックを通じて前記第１の熱媒体タンクが回収するようにバイパスさせる第１の３方向スイッチング弁と；
高温熱媒体を貯蔵する第２の熱媒体タンクと；
第２の熱媒体タンクに熱媒体を加熱して提供するヒーターと；
前記加熱した第２の熱媒体タンクの熱媒体を第２比率で前記混合器に提供し、前記第２の比率で提供した以外の熱媒体を前記ヒーターを通じて前記第２の熱媒体タンクが回収するようにバイパスさせる第２の３方向スイッチング弁と；
負荷から回収される熱媒体を前記第１比率で前記熱電素子ブロックに提供し、前記第２比率で前記ヒーターに提供する第３の３方向スイッチング弁と;を含むことを特徴とする半導体製造設備のための温度制御システム。
前記熱電素子ブロックは、前記第１の熱媒体タンクを基準としてタンク内の熱媒体を混合器に提供する温度で冷却させる第１の熱電素子ブロックと、前記回収熱媒体と前記バイパスされる熱媒体を冷却させて、前記第１の熱媒体タンクに提供する第２の熱電素子ブロックと、を含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。
前記ヒーターは、前記第２の熱媒体タンクの熱媒体温度を混合器に提供する温度で加熱させる第１のヒーターと、前記回収熱媒体と前記バイパスされる熱媒体を加熱し、前記第２の熱媒体タンクに提供する第２のヒーターとを含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。
前記熱電素子ブロックの冷却のために前記熱電素子ブロックを経由する冷却水流路をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。
前記ヒーターに提供される回収熱媒体と前記バイパスされる熱媒体の温度と前記熱電素子ブロックを通る冷却水の温度を比較し、前記冷却水の温度が、前記ヒーターに提供される回収熱媒体とバイパス熱媒体の温度を所望の温度で加熱または冷却することができる範囲であるときに動作する熱交換器をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。
前記第１、第２及び第３の３方向スイッチング弁の制御は流量を基準とすることを特徴とする請求項７に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。
低温熱媒体と高温熱媒体を混合し、半導体製造設備の負荷に供給する混合器と；
低温熱媒体を貯蔵する第１の熱媒体タンクと；
第１の熱媒体タンクに熱媒体を冷却させて提供する熱電素子ブロックと；
前記冷却した第１の熱媒体タンクの熱媒体を第１比率で前記混合器に提供し、前記第１の比率で提供した以外の熱媒体を前記熱電素子ブロックを通じて前記第１の熱媒体タンクが回収するようにバイパスさせる第１の３方向スイッチング弁と；
高温熱媒体を貯蔵する第２の熱媒体タンクと；
第２の熱媒体タンクに熱媒体を加熱して提供するヒーターと；
前記加熱した第２の熱媒体タンクの熱媒体を第２比率で前記混合器に提供し、前記第２の比率で提供した以外の熱媒体を前記ヒーターを通じて前記第２の熱媒体タンクが回収するようにバイパスさせる第２の３方向スイッチング弁と；
負荷から回収される熱媒体を前記熱電素子ブロック及び前記ヒーターに分散提供する第３の３方向スイッチング弁と；
前記熱電素子ブロックによって冷却する熱媒体の温度と前記ヒーターによって加熱される熱媒体の温度を測定し、前記第１、第２及び第３の３方向スイッチング弁の動作による各弁の連結部流量を測定するセンサー部と；
前記熱電素子ブロックの冷却温度とヒーターの加熱温度及び負荷に供給する混合熱媒体の温度に対する設定値を受信し、前記センサー部の各部の温度を基準として前記熱電素子ブロックとヒーターの動作を制御する温度制御部と；
前記センサー部が提供する各部の流量と冷却及び加熱した熱媒体の温度を基準として前記第１及び第２の３方向スイッチング弁を第１及び第２比率で制御し、回収熱媒体を前記熱電素子ブロック及びヒーターに分散提供する前記第３の３方向スイッチング弁の動作の比率を供給時の比率を反映して制御する弁制御部と；を含むことを特徴とする半導体製造設備のための温度制御システム。
前記熱電素子ブロックは、前記第１の熱媒体タンクを基準としてタンク内の熱媒体を混合器に提供する温度で冷却させる第１の熱電素子ブロックと、前記回収熱媒体と前記バイパスされる熱媒体を冷却させて、前記第１の熱媒体タンクに提供する第２の熱電素子ブロックと、を含み、
前記温度制御部は、前記第１の熱電素子ブロックと第２の熱電素子ブロックの冷却温度を相異に制御し、前記第１及び第２の熱電素子ブロックに対する熱衝撃を低減することを特徴とする請求項１３に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。
前記ヒーターは、前記第２の熱媒体タンクの熱媒体温度を混合器に提供する温度で加熱させる第１のヒーターと、前記回収熱媒体と前記バイパスされる熱媒体を加熱し、前記第２の熱媒体タンクに提供する第２のヒーターと、を含み、
前記温度制御部は、前記第１のヒーターと第２のヒーターの加熱温度を相異に制御し、前記第１及び第２のヒーターに対する熱衝撃を低減することを特徴とする請求項１３に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。
前記熱電素子ブロックの冷却のために前記熱電素子ブロックを経由する冷却水流路をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。
前記熱電素子ブロックを経由する冷却水流路と連結され、熱交換弁によって前記ヒーターに提供される回収熱媒体及び前記バイパスされる熱媒体と選択的に熱交換を実施する熱交換器をさらに含み、
前記センサー部は、前記熱交換器に提供される冷却水の温度と前記ヒーターに提供される回収熱媒体とバイパス熱媒体の温度をさらに測定し、
前記弁制御部は、前記熱交換器に提供される冷却水の温度が前記ヒーターに提供される回収熱媒体及びバイパス熱媒体が混合した熱媒体の温度を所望の温度で加熱または冷却させることができる範囲であるときに熱交換弁を制御し、熱交換を実施するようにすることを特徴とする請求項１３に記載の半導体製造設備のための温度制御システム。