KR100817419B1 - 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어시스템 - Google Patents

열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템에 관한 것으로서, 반도체 제조설비의 온도를 설정된 온도로 조절하기 위하여 전압공급 여부 및 정역 여부에 대한 제어신호를 인가하는 메인제어부(10)와, 교류전원의 전압을 직류로 변환시켜 상기 메인제어부(10)에서 인가된 제어신호에 따라 전압의 크기를 조절하여 구형파로 변환 및 필터링함과 함께, 전압의 극성을 정 또는 역으로 전환시키는 극성전환부(30)와, 상기 전압제어부(20)로부터 공급되는 전류에 의해 내부에 설치된 다수의 열전모듈(51)로 열교환부(52)에서 냉매를 냉각 또는 가열시키는 열전모듈부(50)와, 상기 냉각 또는 가열된 냉매를 작용부하(4)로부터 회수하는 냉매탱크(60)를 포함하므로, 단일의 열전모듈에 의해 냉각뿐만 아니라 가열도 할 수 있도록 함으로써 열전모듈의 내구성 및 제어정밀도를 향상시키고, 히터가 필요없게 되어 구조를 간단화하면서 경량화와 소형화를 실현할 수 있으며, 제작비용의 감소와 유지보수의 간소화를 이룰 수 있다.
반도체 제조설비, 온도조절, 열전소자, 극성전환, 선형제어

Description

열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템{Temperature Control System for Semiconductor Manufacturing Equipment using Reversal of Polarity of Thermoelectric Element}
도 1은 반도체 제조설비에 이용되는 일반적인 칠러의 기본구조를 개략적으로 분류하여 도시한 블록도이다.
도 2는 종래의 전기식 칠러에 대한 기본구조를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 종래의 전기식 칠러의 메인제어부와 SMPS(Switching Mode Power Supply)에 의해 공급되는 전원의 인가상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템에서 메인제어부와 극성전환부에 의해 공급되는 전원의 인가상태를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 온도제어 시스템에 사용되는 극성전환부의 기본구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템에서 온/오프 방식에 의해 극성전환시킬 때의 전원 인가상태와 히스테리시스를 도시한 도면으로서, 도 7a는 메인제어부와 극성전환부에 의한 전원의 인가상태를 나타내는 도면이고, 도 7b는 극성전환시 발생하는 히스테리시스 영역을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전모듈을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템에서 아날로그 시그널에 의한 선형제어에 의해 극성전환시킬 때의 전원 인가상태와 히스테리시스를 도시한 도면으로서, 도 8a는 메인제어부와 극성전환부에 의한 전원의 인가상태를 나타내는 도면이고, 도 8b는 극성전환시 발생하는 히스테리시스 영역을 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
4:작용부하 10:메인제어부
11:마이크로프로세서 20:전압제어부
30:극성전환부 31:전압인가부
40:DC전원부 50:열전모듈부
51:열전모듈 52:열교환부
60:냉매탱크 310:노이즈필터
311:돌입전류 방지회로 312:입력정류 평활회로
313:DC-DC컨버터 314:출력정류 평활회로
315:궤환제어회로 316:보호회로
본 발명은 열전소자를 이용한 반도체 제조설비의 온도제어시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 제조장비의 온도조절장치인 칠러(chiller)의 내부에 설치되는 열전모듈(Thermoelectric Module)의 극성전환에 의하여 냉매를 냉각 또는 가열상태로 절환시킴으로써 무히터(non-heater) 시스템을 구현하는 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템에 관한 것이다.
반도체 제조설비의 칠러(chiller)에는 냉각용으로 열전모듈(Thermoelectric Module)이 활용되는데, 상기 열전모듈은 열에너지를 전기에너지로 혹은 전기에너지를 열에너지로 직접 변환시킬 수 있는 열전반도체를 이용한 전자부품으로서 펠티어(Peltier) 소자라고도 불리운다.
상기 열전모듈은 상기와 같은 원리에 의하여 열전방향의 역전시킴으로써 냉각 또는 가열로의 기능변환이 가능하여 열을 흡열면으로부터 방열면으로 이동시킬 수 있으며, 작동시스템이 간단하고 진동이나 소음이 없으며 공해를 발생시키지 않으므로, 광학장치, 의료장비, 분석장치, 자동차, 우주개발분야 등 응용분야가 무한하여 현재 적용되고 있거나 적용을 위한 개발이 진행되고 있으며, 특히 반도체 제조설비 분야에서는 냉매의 온도조절을 위한 전기식 칠러(chiller)에 냉각용으로 적용되고 있다.
도 1은 반도체 제조설비에 이용되는 칠러의 기본구조를 개략적으로 분류하여 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하여 반도체 제조설비의 기본적인 칠러 구조를 설명하면, 냉매의 일정온도를 유지하는 열교환부(1)와, 열교환된 냉매를 저장하는 냉매 탱크(2)와, 저장된 냉매를 작용부하(4)로 순환시키는 순환부(3) 등 3가지의 주요 부분으로 구성되어 있다. 이중 가장 중요한 부분은 냉매를 일정온도로 유지하기 위하여 냉각 또는 가열하는 열교환부이며 칠러 제작기술의 대부분이 이 열교환부에 집중되어 있는 실정이다. 상기 열교환부(1)는 냉각부(1a)와 가열부(1b)로 구성되어 있으며 냉매의 온도를 일정하게 유지하기 위해 가열과 냉각을 반복하며 제어한다.
상기 열교환부를 냉각방식에 따라 분류하면, 냉매를 이용하는 냉매식 칠러, 열전소자를 이용하는 전기식 칠러, 냉각수를 이용하는 열교환기 등으로 나눌 수 있으며, 현재 적용되고 있는 대부분의 칠러는 냉각방식과 무관하게 가열부(1b)에는 히터를 적용하고 있다.
전기식 칠러는 냉동기 방식에 비하여 칠러를 경량화시킬 수 있고 열교환부에 냉매를 송출시키기 위한 컴프레셔 등과 같은 동력구동장치가 필요없어서 소음과 진동을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있기 때문에 선호되고 있다.
이러한 전기식 칠러는 열전소자의 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용하여 냉매를 냉각하는 방식으로서, 상기 전기식 칠러의 냉각부에는 열전모듈(TEM)를 사용하여 냉각하지만, 가열부에는 상기와 마찬가지로 히터를 사용하여 가열한다.
도 2는 종래의 전기식 칠러에 대한 기본구조를 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 3은 종래의 전기식 칠러의 메인제어부와 SMPS(Switching Mode Power Supply)에 의해 공급되는 전원의 인가상태를 보여주는 도면이다.
도 2와 도 3을 참조하여 전기식 칠러의 구조를 설명하면, 전기식 칠러는 열 교환부(1)와, 열교환된 냉매를 저장하는 냉매 탱크(2)와, 저장된 냉매를 작용부하(4)로 순환시키는 순환부(3) 등의 기본적인 구조에 있어서는 동일하지만, 상기 열교환부(1)는 히터를 사용한 가열부(1a)와 열전모듈(TEM)을 사용한 냉각부(1b)로 나누어지며, 상기 냉각부(1b)는 열전모듈(5), 흡열부(6) 및 방열부(7)로 이루어진 구조로 구성되어 있다.
이와 같은 종래의 전기식 칠러는, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 가열부(1a)와 냉각부(1b)가 분리되어 별개로 작동하기 때문에 냉매의 온도조절을 위한 제어출력도 두 개로 나뉘어져 있어서 냉매의 온도를 제어하는 제어부(MPU)(8)가 상기 가열부(1a)와 냉각부(1b)를 별도로 제어하도록 되어 있다. 즉, 가열시에는 제어부(8)의 제어신호에 따라 가열부(1a)의 히터가 PWM(Pulse Wide Modulation) 제어를 하며, 냉각시에는 제어부(8)에 의한 제어신호에 따라 SMPS(Switching Mode Power Supply)(9)가 출력량을 제어함으로써 냉매에 대한 냉각량을 제어하는 구조로 이루어져 있다.
즉, 종래의 온도제어 시스템은 열전모듈을 냉각측면에서만 활용하고 가열측면에서는 히터라는 다른 부하를 적용시킴에 따라 온도제어 시스템의 구조가 복잡하고 커지고 제조비용이 증가할 뿐만 아니라 유지보수가 어렵다는 문제점이 있으며, 또한 열전모듈에 대한 전원공급이 도 3의 아래부분에 도시된 그래프에서와 같이 ON/OFF 방식으로 인가됨에 따라 전원 노이즈의 영향에 의한 스트레스가 발생하여 열전모듈의 내구성과 제어정밀도의 불량을 야기시키는 결과가 초래된다는 문제점이 있었다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는 반도체 제조장비의 온도조절장치인 칠러(chiller)의 내부에 설치되는 열전모듈(Thermoelectric Module)의 극성전환에 의하여 냉각 또는 가열모드로 절환될 수 있도록 하여 단일의 열전모듈에 의해 냉각뿐만 아니라 가열도 할 수 있도록 함으로써 열전모듈의 내구성 및 제어정밀도를 향상시키고, 냉매를 가열하기 위한 별도의 히터가 필요없게 되어 온도제어 시스템의 구조를 간단화하면서 경량화와 소형화를 실현할 수 있으며, 제작비용의 감소와 유지보수의 간소화를 이룰 수 있는 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템을 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
열전소자를 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템에 있어서,
마이크로프로세서를 구비하며 반도체 제조설비내의 작용부하의 온도를 설정된 온도로 조절하기 위하여 전압공급여부 및 정역여부에 대한 제어신호를 인가하는 메인제어부;
교류전원의 전압을 직류로 변환시켜 상기 메인제어부에서 인가된 제어신호에 따라 전압의 크기를 조절하여 구형파로 변환 및 필터링함과 함께, 전압의 극성을 정 또는 역으로 전환시키는 극성전환부;
다수의 열전소자가 설치되어 상기 극성전환부로부터 인가된 정 또는 역전압에 따라 양측이 흡열 또는 방열하는 다수의 열전모듈과, 상기 다수의 열전모듈의 양측에 설치되어 일측은 냉매와 열교환하고 타측은 외부기기와 열교환하는 한쌍의 열교환부를 구비하여, 상기 전압제어부로부터 공급되는 전류에 의해 냉매를 냉각 또는 가열시키는 열전모듈부; 및
상기 열전모듈부에서 열교환된 냉매를 작용부하의 온도조절이 수행되도록 송출하는 냉매탱크; 를 포함하는 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템을 제공한다.
상기 극성전환부는 메인제어부에서 인가된 제어신호에 따라 전압의 크기를 조절하여 공급하는 전압제어부와, 상기 메인제어부의 제어신호에 따라 상기 전압제어부로부터 입력된 전압을 구형파로 변환 및 필터링하여 제어된 전압을 출력함과 함께 출력전압의 극성을 정 또는 역으로 전환시키는 전압인가부와, 교류전원으로부터 공급되는 전압을 직류로 변환시켜 상기 전압제어부에 직류전압을 공급하는 DC전원부를 포함할 수 있다.
상기 메인제어부는 PID연산에 의하여 전압 제어량을 계산하여 전압인가부로 송신하고, 이를 수신한 전압인가부는 그 양에 따라서 출력량을 조절할 수 있다.
상기 전압인가부는 교류입력전압의 노이즈를 제거하는 노이즈필터와, 돌입전류 방지회로와, 직류전압을 얻기 위한 입력정류평활회로와, 직류출력전압으로 변환시키는 DC-DC컨버터와, 출력전압을 정류시키는 출력정류평활회로와, 출력전압을 안정화시키기 위한 궤환제어회로와, 과전류를 차단하기 위한 보호회로를 포함할 수 있다.
상기 궤환제어회로는 출력전압의 오차를 증폭시키는 오차증폭기와, 증폭된 오차와 삼각파를 비교하여 구동펄스를 생성하는 비교기와, DC-DC컨버터의 주스위치를 구동하는 구동회로를 포함할 수 있다.
상기 DC-DC컨버터는 주스위치와, 전류방향이 역으로 될 때 역으로 구동시키기 위한 환류다이오드와, 2차 저역통과필터인 LC필터를 포함할 수 있다.
이하에서 첨부된 예시도면에 의거하여 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어시스템을 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템에서 메인제어부와 전압인가부에 의해 공급되는 전원의 인가상태를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템은, 반도체 제조설비의 온도를 설정된 온도로 조절하기 위하여 전압공급 여부 및 정역 여부에 대한 제어신호를 인가하는 메인제어부(10)와, 상기 메인제어부(10)의 제어신호에 따라 공급되는 전류를 변환 및 필터링하고 극성을 정 또는 역으로 전환시켜 열전모듈부(50)로 전류를 공급하는 극성전환부(30)와, 상기 전압제어부(20)로부터 공급되는 전류에 의해 내부에 설치된 다수의 열전모듈(51)로 열교환부(52)에서 냉매를 냉각 또는 가열시키는 열전모듈부(50)와, 상기 냉각 또는 가열된 냉매를 작용부하(4)로부터 회수하는 냉매탱크(60)를 포함한다.
이를 더욱 자세하게 설명하면, 상기 메인제어부(10)는 반도체 제조설비의 온도제어 시스템을 전체적으로 제어하는 부분으로서, 마이크로프로세서(11)를 구비하여 반도체를 제조하는 챔버 등의 작용부하(4)를 설정된 온도로 조절하고 유지한다.
상기 메인제어부(10)는 마이크로프로세서(11)에 의해 작용부하(4)의 온도와 미리 설정된 적정온도를 비교하여 작용부하(4)에 대한 냉각 또는 가열 여부를 판단하고, 그에 따라 전압의 공급 여부 및 전압의 정역 여부에 대한 제어신호를 극성전환부(30)로 인가한다. 온도조절이 필요 없을 경우에는 전압의 공급을 중단시키기 위한 제어신호를 인가하고, 온도조절이 필요할 경우에는 전압을 공급하기 위한 제어신호를 인가한다.
그리고, 상기 극성전환부(30)는 메인제어부(10)에서 인가된 제어신호에 따라, 교류전원의 전압을 직류로 변환시켜 크기를 조절한 다음 구형파로 변환시키고 필터링에 의해 노이즈를 제거함과 동시에, 전압의 극성을 정 또는 역으로 전환시킨다. 상기 극성전환부(30)는 크게 전압제어부(20), 전압인가부(31) 및 DC전원부(40)로 구분할 수 있으며, 이를 더욱 자세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 DC전원부(40)는 교류전원으로부터 공급되는 전압을 직류로 변환시켜 상기 전압제어부(20)에 직류전압을 공급하는 부분이고, 상기 전압제어부(20)는 DC전원부(40)로부터 직류전원을 공급받아 메인제어부(10)로부터 인가된 제어신호에 따라 공급할 전압의 크기를 조절하여 전압인가부(31)로 공급하는 부분이다.
그리고, 상기 전압인가부(31)는 전압제어부(20)로부터 입력되는 전류를 구형파로 변환 및 필터링함과 동시에, 상기 메인제어부(10)의 제어신호에 따라 출력하 는 전압의 극성을 정 또는 역으로 전환시켜 제어된 전류를 출력시킴으로써, 정류된 전압을 열전모듈부(50)에 인가하여 상기 열전모듈부(50)가 냉매를 냉각 또는 가열시키도록 동작시킨다. 메인제어부(10)는 PID연산을 통하여 제어량을 계산한 후 전압인가부(31)로 송신하고, 이를 수신한 전압인가부(31)는 그 양에 따라서 출력량을 조절한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 온도제어 시스템에 사용되는 극성전환부의 기본구성도이다.
극성전환부에는 전압을 인가하는 기능과 인가되는 전압의 정역을 변환하는 기능이 포함되어 있는데, 이는 전력용 트랜지스터 등 반도체 소자를 스위치로 사용하여 직류입력 전압을 구형파 형태의 전압으로 변환시킨 후 필터를 통하여 제어된 직류출력 전압을 얻는 장치이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 극성전환부(30)는 교류입력전원으로부터 전압이 인가되면 노이즈필터(310)에 의해 노이즈가 제거되고 돌입전류 방지회로(311)를 거쳐 입력정류평활회로(312)를 통과함으로써 직류전압이 얻어진다. 그리고, 상기와 같이 얻어진 직류입력전압은 DC-DC컨버터(313)에 의하여 직류출력전압으로 변환된 다음 출력정류평활회로(314)를 거쳐 출력된다. 한편, DC-DC컨버터(313)와 출력단 사이에는 출력전압을 안정화시키기 위한 궤환제어회로(315)와 과전류에 대한 보호회로(316)가 병렬로 연결되어 있다.
상기 궤환제어회로(315)는 출력전압의 오차를 증폭시키는 오차증폭기, 증폭된 오차와 삼각파를 비교하여 구동펄스를 생성하는 비교기, DC-DC컨버터(313)의 주 스위치를 구동하는 구동회로 등으로 구성되어 있고, DC-DC컨버터(313)는 주스위치와, 전류방향이 역으로 될 때 역으로 구동시키기 위한 환류다이오드, 2차의 저역통과필터인 LC필터 등으로 구성되어 있다.
다음으로, 상기 열전모듈부(50)는 다수의 열전모듈(Thermoelectric Module)(51)과 그 양측에 설치된 한쌍의 열교환부(52)로 이루어져 있다.
상기 열전모듈(51)에는 다수의 열전소자가 설치되어 있어서 상기 극성전환부(30)로부터 인가된 정 또는 역전압에 따라 양측면을 통하여 흡열 또는 방열하게 된다. 그리고, 일측의 열교환부(52)에는 냉매와의 열교환을 위한 배관이 설치되어 있고, 타측의 열교환부(52)에는 냉각수(PCW : Process Cooling Water) 등에 의해 외부와 열교환을 하기 위한 배관이 설치되어 있다.
상기 열전모듈(51)은 열에너지를 전기에너지로 혹은 전기에너지를 열에너지로 직접 변환시킬 수 있는 열전반도체를 이용한 전자부품으로서, 열전방향의 역전시킴으로써 냉각 또는 가열로의 기능변환이 가능하여 열을 흡열면으로부터 방열면으로 이동시킬 수 있다. 또한, 공급되는 전압이나 전류를 제어함에 의해 ±0.05℃ 수준의 온도제어도 가능하고, 소자를 가동시키기 위한 구동부분이 없기 때문에 진동 소음이 없으며, 열전반도체의 열전특성을 이용하므로 냉매를 이용한 냉각시스템과 같은 오염이나 공해가 없는 특징이 있다.
상기 열전모듈(51)의 동작을 더욱 자세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 정방향의 전압이 인가되면 일측면이 흡열기능을 수행하여 상기 일측면에 설치된 열교환부(52)내에서 냉매로부터 열을 빼앗아 냉각시키고, 타측면은 방열 기능을 수행하여 상기 타측면에 설치된 열교환부(52)를 통하여 외부로 열을 방출시킨다. 그리고, 역방향의 전압이 인가되면 일측면이 방열기능을 수행하여 상기 일측면에 설치된 열교환부(52)내에서 냉매로 열을 공급하여 가열시키고, 타측면은 흡열기능을 수행하여 상기 타측면에 설치된 열교환부(52)를 통하여 외부로부터 열을 흡수한다.
이와 같이, 열전모듈부(50)는 메인제어부(10)로부터의 제어신호에 따라 동작하는 극성전환부(30)의 전압인가방향에 따라 냉매를 냉각 또는 가열할 수 있다.
다음으로, 상기 냉매탱크(60)는 상기 열전모듈부(50)의 열교환부(52)에서 냉각 또는 가열된 냉매를 회수하여 작용부하(4)가 메인제어부(10)에 설정된 적정한 온도로 유지되도록 온도조절을 수행한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 온도제어 시스템의 열전모듈부(50)에 공급되는 전원의 제어방식에 대하여 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템에서 온/오프 방식에 의해 극성전환시킬 때의 전원 인가상태와 히스테리시스를 도시한 도면으로서, 도 7a는 메인제어부와 극성전환부에 의한 전원의 인가상태를 나타내는 도면이고, 도 7b는 극성전환시 발생하는 히스테리시스 영역을 도시한 도면이다.
도 7a의 하부에 도시된 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 열전모듈부(50)에 공급되는 전원을 온/오프 방식으로 할 경우 전압이 다수의 펄스 형태를 이루며 열전모듈부(50)에 인가됨을 알 수 있다. 전압이 이와 같은 형태로 인가되면 열전모듈(51)이 전원 노이즈와 온/오프 의한 전원공급 스트레스의 영향으로 절연파괴되거 나 특성이 감쇠되는 악영향을 받게 된다.
또한, 도 7b에서 알 수 있는 바와 같이, 열전모듈부(50)를 극성전환하면 냉각과 가열방향이 변경됨에 따라 일정영역 안에 오차가 지속되는 현상이 발생하는데, 이를 공진영역 또는 히스테리시스 영역이라고 한다. 이러한 영역의 존재로 인하여 온도제어에 대한 오차가 발생하게 되고, 그로 인하여 작용부하(4)에 대한 온도제어가 정밀하지 못한 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로서 열전모듈부(50)에 대한 전원공급을 아날로그 시그널에 의한 선형제어방법으로 인가하면 상기와 같은 문제점들이 해소될 수 있다.
온/오프의 펄스신호에 의한 제어를 할 경우에는 제어 조작량이 0%와 100% 값을 가지게 되어 조작량의 변화가 너무 크고 실제 목표값에 대해 지나치게 반복하는 값을 발생시켜 목표값 부근에서 凸凹형태로 반복하는 제어가 된다. 이러한 제어에 따른 전압량을 그래프으로 나타내면 도 7a의 아래 그래프와 같이 된다.
따라서, 이러한 펄스신호를 선형화하기 위한 자동제어 방법으로서 PID 제어방식이 일반적으로 이용되고 있다. 이는 비례(P: Proportinal), 적분(I: Integral) 및 미분(D: Differential)의 3가지를 조합하여 입력에 대한 출력을 제어하는 방법으로서, 제어성능이 우수하고 제어 이득의 조정이 비교적 쉬우며 유연한 제어가 가능하기 때문에 산업현장에서 많이 사용되고 있다. 본 발명에 사용되는 제어방법도 상기의 PID 제어방법을 이용한다. 컴퓨터의 프로그램으로 제어를 실현하는 경우에는 연속적인 입력값이 아니라 샘플링 방식(이산값)에 의한 펄스값이 입력되므로 PID 연산 방식이 그에 적합하다.
상기와 같은 PID 제어방법으로 연산된 값은, 냉각(오프)과 가열(온) 두가지로 구분되는 출력량으로 도출되고, 이 값을 소프트웨어적으로 아날로그 값으로 환산하여 다시 아날로그 회로의 백분율(1 내지 100%)을 적용함으로써, 실제 극성전환부(30)을 제어하기 위한 0 내지 5V의 제어신호를 출력하게 된다. 이 경우 냉각출력의 제어신호는 음의 값을 갖는데 이 음의 값은 전류의 방향을 나타낸다.
다시 말하면 제어신호는 출력방향을 지시하는 하나의 디지털 신호와 출력량을 지시하는 하나의 아날로그 신호로 구현하는데, 전자의 디지털 신호는 온/오프의 값으로 출력방향을 결정하며, 후자의 아날로그 신호는 그 출력량에 따른 절대값을 최종 출력량으로 갖는다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전모듈을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템에서 아날로그 시그널에 의한 선형제어에 의해 극성전환시킬 때의 전원 인가상태와 히스테리시스를 도시한 도면으로서, 도 8a는 메인제어부와 극성전환부에 의한 전원의 인가상태를 나타내는 도면이고, 도 8b는 극성전환시 발생하는 히스테리시스 영역을 도시한 도면이다.
도 8a의 하부에 도시된 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 냉각 또는 가열을 위한 전압출력량의 제어동작을 도 7에서와 같은 온/오프 방식에 의하지 않고 아날로그 시그널에 의한 선형제어에 의하여 열전모듈부(50)에 대한 제어출력량을 가변시킴으로써, 열전모듈(51)의 절연파괴나 특성감쇠를 방지하여 신뢰성 및 내구성을 높일 수 있다.
또한, 상기에서 설명한 선형제어에 의할 경우, 도 8b의 그래프에서와 같이 ΔT [℃] 가 감소되며, 이는 히스테리시스 영역에 있어서 도 7b의 영역과 비교할 때 현저한 차이가 있음을 알 수 있다. 따라서, 감소된 히스테리시스에 따라 온도제어 시스템의 정밀제어가 가능하게 된다.
상기에서 설명한 바와 같은 본 발명의 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템에 의하면, 반도체 제조장비의 온도조절장치인 칠러(chiller)의 내부에 설치되는 열전모듈(Thermoelectric Module)의 극성전환에 의하여 냉각 또는 가열모드로 절환될 수 있도록 하여 단일의 열전모듈에 의해 냉각뿐만 아니라 가열도 할 수 있도록 함으로써 열전모듈의 내구성 및 제어정밀도를 향상시키고, 냉매를 가열하기 위한 별도의 히터가 필요없게 되어 온도조절장치의 구조를 간단화하면서 경량화와 소형화를 실현할 수 있으며, 제작비용의 감소와 유지보수의 간소화를 이룰 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 열전소자를 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템에 있어서,
    마이크로프로세서(11)를 구비하며 반도체 제조설비내의 작용부하(4)의 온도를 설정된 온도로 조절하기 위하여 전압공급 여부 및 정역 여부에 대한 제어신호를 인가하는 메인제어부(10);
    교류전원의 전압을 직류로 변환시켜 상기 메인제어부(10)에서 인가된 제어신호에 따라 전압의 크기를 조절하여 구형파로 변환 및 필터링함과 함께, 전압의 극성을 정 또는 역으로 전환시키는 극성전환부(30);
    다수의 열전소자가 설치되어 상기 극성전환부(30)로부터 인가된 정 또는 역전압에 따라 양측이 흡열 또는 방열하는 다수의 열전모듈(51)과, 상기 다수의 열전모듈(51)의 양측에 설치되어 일측은 냉매와 열교환하고 타측은 외부기기와 열교환하는 한쌍의 열교환부(52)를 구비하여, 상기 전압제어부(20)로부터 공급되는 전류에 의해 냉매를 냉각 또는 가열시키는 열전모듈부(50); 및
    상기 열전모듈부(50)에서 열교환된 냉매를 작용부하(4)의 온도조절이 수행되도록 회수하는 냉매탱크(60); 를 포함하는 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 극성전환부(30)는 메인제어부(10)에서 인가된 제어신호에 따라 전압의 크기를 조절하여 공급하는 전압제어부(20)와, 상기 메인제어 부(10)의 제어신호에 따라 상기 전압제어부(20)로부터 입력된 전압을 구형파로 변환 및 필터링하여 제어된 전압을 출력함과 함께 출력전압의 극성을 정 또는 역으로 전환시키는 전압인가부(31)와, 교류전원으로부터 공급되는 전압을 직류로 변환시켜 상기 전압제어부(20)에 직류전압을 공급하는 DC전원부(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 메인제어부(10)는 PID연산에 의하여 전압량을 선형적으로 제어하여 극성전환부(30)로 송신하는 것을 특징으로 하는 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전압인가부(31)는 교류입력전압의 노이즈를 제거하는 노이즈필터(310)와, 돌입전류 방지회로(311)와, 직류전압을 얻기 위한 입력정류평활회로(312)와, 직류출력전압으로 변환시키는 DC-DC컨버터(313)와, 출력전압을 정류시키는 출력정류평활회로(314)와, 출력전압을 안정화시키기 위한 궤환제어회로(315)와, 과전류를 차단하기 위한 보호회로(316)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 궤환제어회로(315)는 출력전압의 오차를 증폭시키는 오차증폭기와, 증폭된 오차와 삼각파를 비교하여 구동펄스를 생성하는 비교기와, DC-DC컨버터(313)의 주스위치를 구동하는 구동회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 DC-DC컨버터(313)는 주스위치와, 역방향의 전류에 따라 역구동시키기 위한 환류다이오드와, 2차 저역통과필터인 LC필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자의 극성전환을 이용한 반도체 제조설비의 온도제어 시스템.
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