KR101123839B1 - 반도체 공정용 칠러에 적용되는 전자식 팽창밸브의 제어방법 - Google Patents

반도체 공정용 칠러에 적용되는 전자식 팽창밸브의 제어방법 Download PDF

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Abstract

냉매 사이클과 브라인 사이클이 증발기를 개재하여 열 교환이 이루어지는 반도체 공정용 칠러에 적용되며, 상기 냉매 사이클의 과열도의 현재 값을 획득하는 단계; 상기 획득한 과열도 현재 값을 사전에 설정된 과열도 설정 값과 비교하는 단계; 및 상기 과열도 현재 값이 상기 과열도 설정 값보다 작은 경우, 제 2 설정시간 동안 전자식 팽창밸브를 사전에 설정된 개도로 유지하는 단계를 포함하는 전자식 팽창밸브의 제어방법이 개시된다.

Description

반도체 공정용 칠러에 적용되는 전자식 팽창밸브의 제어방법{Method of controlling electronic expansion valve used in chiller apparatus for semiconductor process}
본 발명은 반도체 공정용 칠러에 적용되는 전자식 팽창밸브의 제어방법에 관한 것으로, 특히 반도체 공정용 칠러에서 액압축에 의한 압축기 흡입단의 결빙 현상을 방지할 수 있는 전자식 팽창밸브의 제어방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 증기압축식 냉동사이클의 안정적인 운전을 보장하고 부하대응 능력을 향상시킬 수 있는 전자식 팽창밸브의 제어방법에 관련한다.
칠러는 반도체 소자의 제조공정에서 안정적인 공정제어를 위한 온도조절장치이다. 특히 칠러는 여러 공정 중 식각 및 노광공정에서 주로 사용하는데 공정 중 과도한 열이 발생하는 전극판 및 챔버(chamber)의 온도를 일정하게 유지시켜 줌으로써 고온으로 인한 웨이퍼의 파손 및 생산성의 저하를 막아준다.
이러한 기능을 수행하는 칠러의 냉동사이클은 도 1에 도시된 바와 같이 냉매 경로와 브라인 경로가 일부분에서 중첩되어 열교환이 이루어진다.
여기서, 브라인(brine)은 낮은 동결점을 가진 용액 또는 액체로, 보통 CaCl2와 NaCl의 수용액이 사용된다.
상기한 냉동사이클을 구체적으로 설명하면, 먼저 냉매는 압축기(300) -> 응축기(310) -> 전자식 팽창밸브(320) -> 증발기(330) -> 압축기(300)의 경로로 순환되고, 브라인은 반도체 공정설비(400) -> 브라인 인렛(410) -> 증발기(330) -> 브라인가열용 히터(420) -> 브라인 펌프(430) -> 브라인 아웃렛(440) -> 반도체 공정설비(400)의 경로로 순환된다.
여기서, 냉매와 브라인은 증발기(330) 내에서 냉매 경로와 브라인 경로가 서로 중첩되어 열 교환을 수행한다. 여기서, 두 개의 유체, 즉 냉매와 브라인 자체가 혼합되는 것은 아니고, 이들의 경로 간에 열 교환이 이루어진다. 이와 같이 두 유체 간에 열 교환이 이루어짐에 따라 브라인의 특정위치, 즉 도 1의 A와 B 위치에서의 온도가 일정하게 유지된다.
이러한 과정에서 브라인히터(420)는 브라인 경로의 특정위치, 즉 A 또는 B 위치의 온도를 맞추기 위하여 PID 제어에 의해서 그 출력량을 변경하여 가열의 정도를 조절하게 되며, 냉동사이클의 일부인 전자식 팽창밸브도 그 개도를 조정하여 냉매량을 조절함으로써 냉각의 정도를 조절하게 된다.
그러나, 이와 같이 냉매의 과열도(super heating)를 피드백 받지 않고 브라인의 온도만을 피드백 받아 이를 가지고 제어부에서 연산된 PID 출력에 의해 전자식 팽창밸브를 제어했던 종래기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저, 공정을 위해 반도체 공정설비로부터 열적 부하가 인가되어 설정온도보다 높아진 특정위치(가령, A 또는 B)의 온도를 내리기 위해 전자식 팽창밸브에 출력되는 냉각 제어신호가 100%일 경우, 종래에는 냉매의 상태량에 관한 피드백 신호가 없었기 때문에 전자식 팽창밸브는 냉각 출력 100%에 해당하는 밸브의 개도(Valve Lift)를 유지하게 된다. 이에 따라, 증발기로 과도한 액냉매가 유입되어 증발기에서 수행하는 증발의 과정을 원활히 수행할 수 없어, 100% 또는 과열증기 상태로 압축기에 유입되어야 할 냉매가 액상상태로 유입되기 때문에 압축기 흡입단에 결빙현상이 발생한다는 문제점이 있다.
또한. 액압축 및 결빙현상으로 인해 반도체 공정용 칠러의 부하대응 능력이 떨어지게 되어 설정온도까지 떨어뜨려야 할 현재 브라인의 온도가 내려오지 못하고 계속 상승하게 된다. 반면, 현재 적용되는 전자식 팽창밸브의 제어 프로그램상 브라인 온도가 설정온도에 도달하지 못하면 PID 연산에 의해 냉각 출력은 계속 100%를 유지하게 되며, 이에 따라 액압축이 지속되고 결국 증기압축식 냉동사이클의 고장을 유발하게 되는 문제점이 있다.
더욱이, 상기와 같은 액냉매의 유입을 통해 압축기의 압축부에서 지속적으로 비압축성 유체인 냉매의 액압축을 수행하면 압축기의 운전 전류와 토출 및 모터의 권선 온도가 높아지게 되어 압축기의 고장을 야기하게 된다.
결국, 이러한 문제점들에 의해, 반도체 공정설비에서의 원활한 웨이퍼 공정을 수행할 수 없게 되어 생산성 저하를 유발하여 막대한 가격 손실을 유발하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 반도체 공정용 칠러에서 액압축에 의한 압축기 흡입단의 결빙 현상을 방지할 수 있는 전자식 팽창밸브의 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 증기압축식 냉동사이클의 안정적인 운전을 보장하고 부하대응 능력을 향상시킬 수 있는 전자식 팽창밸브의 제어방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적은, 냉매 사이클과 브라인 사이클이 증발기를 개재하여 열 교환이 이루어지는 반도체 공정용 칠러에 적용되며, 상기 냉매 사이클의 과열도의 현재 값을 획득하는 단계; 상기 획득한 과열도 현재 값을 사전에 설정된 과열도 설정 값과 비교하는 단계; 및 상기 과열도 현재 값이 상기 과열도 설정 값보다 작은 경우, 제 2 설정시간 동안 전자식 팽창밸브를 사전에 설정된 개도로 유지하는 단계를 포함하는 전자식 팽창밸브의 제어방법에 의해 달성된다.
바람직하게, 상기 비교 단계 직후, 상기 과열도 현재 값이 상기 과열도 설정 값보다 작은 경우, 이 상태가 제 1 설정시간 동안 유지되는지 판정하고, 상기 제 1 설정시간 동안 유지되는 경우, 사전에 설정된 개도로 제 2 설정시간 동안 전자식 팽창밸브를 유지하도록 할 수 있다.
바람직하게, 상기 과열도 현재 값은, 상기 증발기 출구에 설치된 냉매 온도센서를 통한 온도 값에서 증발기 출구에 위치한 냉매 압력센서를 통해 출력된 냉매의 압력을 포화 기체온도로 환산한 온도 값의 차이일 수 있다.
상기의 구조에 의하면, 기존 전자식팽창밸브 제어법을 사용하여 야기되었던 열적 부하 대응 능력을 개선할 수 있어 압축기 흡입단 표면에 발생했던 결빙현상을 해결할 수 있다.
또한, 비압축성 유체로 대변되는 냉매가 압축기의 압축과정을 수행하는 부분에 유입되어 발생할 수 있는 압축기 고장을 개선할 수 있다.
더욱이, 증기압축식 냉동사이클의 핵심이라 할 수 있는 원활한 압축과정을 통하여 액압축 현상으로 인해 야기되었던 운전전류의 상승 및 압축기의 과열운전을 개선할 수 있다.
도 1은 종래의 반도체 공정용 칠러의 사이클 계통도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 반도체 공정용 칠러의 사이클 계통도를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 전자식 팽창밸브의 제어 과정을 나타내는 플로차트이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 반도체 공정용 칠러의 사이클 계통도를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 냉매는 압축기(100) -> 응축기(110) -> 전자식 팽창밸브(EEV; 120) -> 증발기(130) -> 압축기(100)의 경로로 순환되고, 브라인은 반도체 공정설비(200) -> 브라인 인렛(210) -> 증발기(130) -> 브라인가열용 히터(220) -> 브라인 펌프(230) -> 브라인 아웃렛(240) -> 반도체 공정설비(200)의 경로로 순환된다.
여기서, 냉매와 브라인은 증발기(130) 내에서 냉매 경로와 브라인 경로가 서로 중첩되어 열 교환을 수행한다. 여기서, 두 개의 유체, 즉 냉매와 브라인 자체가 혼합되는 것은 아니고, 이들의 경로 간에 열 교환이 이루어진다. 이와 같이 두 유체 간에 열 교환이 이루어짐에 따라 브라인의 특정위치, 즉 도 1의 A와 B 위치에서의 온도가 일정하게 유지된다.
이러한 과정에서 브라인히터와 전자식 팽창밸브는 브라인 경로의 특정위치, 즉 A 또는 B 위치의 온도를 맞추기 위하여 PID 제어에 의해서 그 출력량을 변경하여 가열의 정도를 조절한다.
예를 들어, 가) 브라인의 특정위치(가령, A 또는 B)의 온도상태를 피드백 신호로 받아들여 그 온도에 따라 전자식 팽창밸브는 PID 제어에 의해서 그 개도를 조정할 수도 있으며, 나) 브라인의 특정위치(가령, A 또는 B)의 온도상태를 브라인 히터에서 피드백 받아서 브라인 히터가 그 출력량을 조절하게 되며, 잔여량(100% - 브라인 히터의 출력량)을 전자식 팽창밸브의 신호로 인식하여 개도를 조정하는 방법 등이 있을 수 있다. 상기한 가)와 나)의 방법 이외에 다양한 방법으로 전자식 팽창밸브의 개도를 조절할 수 있으며, 브라인 히터가 적용되지 않을 수도 있다.
이와 같은 온도 제어에 의한 전자식 팽창밸브의 제어에 본 발명에 의한 과열도 제어에 의한 전자식 팽창밸브의 제어가 추가된다.
도 3은 본 발명에 따른 전자식 팽창밸브의 제어 과정을 나타내는 플로차트이다.
도시된 바와 같이, 반도체 공정용 칠러의 제어부(미도시)에서는 단위 시간마다 과열도의 현재 값(PV)을 취합한다(단계 S31). 여기서, 과열도의 설정 값(SV)은 기준 값으로 미리 설정하여 저장해둘 수 있다.
과열도(Super Heating)의 현재 값은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 증발기(130) 출구에 설치된 냉매 온도센서(150)를 통한 온도 값에서 증발기 출구에 위치한 냉매 압력센서(140)를 통해 출력된 냉매의 압력을 포화 기체온도로 환산한 온도 값의 차이를 의미하며, 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
과열도 = 증발기 출구 냉매온도 - 증발기 출구 냉매의 포화 기체온도
일반적으로 액압축은 과열도의 현재 값(PV)이 0보다 작은 경우에 발생하는 것으로 알려져 있다.
이어, 과열도의 현재 값(PV)이 설정 값보다 작은지를 판정한다(단계 S32).
판정 결과, 현재 값이 설정 값보다 크면, 별도의 처리 없이 단계 S31로 복귀한다. 다시 말해, 설정 값 이상으로 현재 충분히 과열되고 있기 때문에 별도의 처리를 필요로 하지 않는다.
반면, 판정 결과, 현재 값이 설정 값보다 작은 경우, 단계 S33으로 진행하여 현재 값(PV)이 설정 값(SV)보다 작은 상태를 제 1 설정시간 동안 유지하는지를 판정한다.
통상, 증기압축식 냉동사이클은 외란에 의해 냉매의 상태량이 쉽게 변할 수 있으며, 이러한 외란 등에 의해 현재 값이 설정 값보다 작은 상태가 순간적으로 유지됨으로써 이에 응답하여 곧바로 전자식 팽창밸브를 제어하게 된다면, 시스템이 오히려 불안해 질 수 있기 때문에 제 1 설정시간 동안 유지되는지를 판정하도록 함으로써 순간적인 외란에는 대응하지 않게 한다.
판정 결과, 제 1 설정시간 동안 유지되지 않으면, 단순히 외란에 의한 상태 변경으로 처리하여 단계 S31로 복귀하고, 제 1 설정시간 동안 유지되면 단계 S34로 진행하여 전자식 팽창밸브를 제어한다. 이 단계는 선택적으로 수행될 수 있다.
단계 S34에서, 칠러의 제어부는 사전에 입력된 전자식 팽창밸브의 개도(Valve Lift)로 제 2 설정시간 동안 유지할 수 있도록 출력신호를 발생한다.
전자식 팽창밸브의 개도 설정 값은 전자식 팽창밸브를 얼마나 개폐할 지에 관한 설정 값을 말한다. 일반적으로 액압축이라 함은 주변 환경에 비해 팽창밸브의 개도가 과도하게 열려있어 그 과열도가 0 이하로 떨어져 생기는 것으로 밸브를 닫아주면 과열도가 상승하여 액압축 현상이 사라지게 된다.
이와 같이 증발기 후단에 설치된 냉매 압력센서와 냉매 온도센서를 이용하여 프로그램상으로 과열도를 계산하고 그 결과에 따라 전자식 팽창밸브의 개도를 제어함으로써, 액압축을 방지하여 압축기 흡입단의 결빙현상을 미연에 방지하고 부하대응 능력을 개선하며, 증기압축식 냉동사이클 전체의 운전상태를 안정적으로 개선할 수 있다.
이하에서는 과열도 제어에 의한 전자식 팽창밸브의 제어방법의 실 예를 설명한다.
과열도의 설정 값(SV), 제 1 설정시간, 사전에 입력된 전자식 팽창밸브의 개도 및 제 2 설정시간을 각각 가령 2℃, 30sec, 20% 및 20sec로 설정하였다.
여기서, 냉매 압력센서(140)와 냉매 온도센서(150)에 의해 계산되는 과열도의 현재 값(PV)은 1sec 단위로 센서(140, 150)의 샘플링을 통하여 계산된다.
칠러의 설정온도는 -10℃이며 현재 온도는 -10.1℃로 안정적인 상태로 운전되어 있으며, 전자식 팽창밸브(120)의 출력은 30 ~ 32% 범위의 값을 유지하며, 이때 압축기(100)로 향하는 냉매의 상태를 대변하는 과열도는 10℃로 안정적인 냉매의 상태를 유지하며 압축기(100)로 흡입된다.
반도체 공정용 설비(200)로의 열적 부하(Thermal Load)의 인가로 인하여 현재온도가 -10.1℃에서 -8.0℃로 상승한다면, 정상적인 제어부는 설정온도(-10℃)를 상향하는 현재온도(-8.0℃)를 하강시키기 위해 전자식 팽창밸브(120)의 출력을 30 ~ 32%에서 100%로 증가시키고, 그 결과 반도체 공정용 설비(200)로 향하는 2상(2-Phase, 액체+기체) 냉매의 유량이 증가하게 된다. 따라서, 과열도는 정상의 상태인 10℃에서 점차로 작아지게 되며, 계속해서 전자식 팽창밸브(120)의 출력을 줄이지 않고 100%로 유지하게 되면 과열도는 결국 음(-)의 영역으로 전환되어 액압축의 과정을 수행하게 된다.
이때, 본 발명에 의하면, 과열도 현재 값(PV)이 과열도 설정 값(SV)(2℃) 이하로 되는 순간부터 경과시간이 타이머를 통하여 카운트되는데, 제 1 설정시간인 30초 동안 과열도 현재 값(PV)이 과열도 설정 값(SV) 이하인 상태를 유지하면, 제 2 설정시간인 20초 동안 전자식 팽창밸브(120)의 출력은 강제적으로 사전에 설정된 전자식 팽창밸브의 개도 20%를 유지한 후 초기화된다.
이와 같은 과정을 반복함으로써, 안정적인 냉매 상태량이 유지된 증기압축식 냉동사이클의 운전이 수행되어 더욱 신뢰성 높은 반도체 공정용 칠러의 운전이 가능하게 된다.
이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경과 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기한 실시 예에 한정되어서는 안 되며 이하에 기술되는 청구범위에 의해 해석되어야 할 것이다.
100: 압축기
110: 응축기
120: 전자식 팽창밸브(EEV)
130: 증발기
140: 냉매 압력센서
150: 냉매 온도센서
200: 반도체 공정용 설비
210: 브라인 인렛
220: 브라인 히터
230: 브라인 펌프
240: 브라인 아웃렛

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 냉매 사이클과 브라인 사이클이 증발기를 개재하여 열 교환이 이루어지는 반도체 공정용 칠러에 적용되며,
    상기 냉매 사이클의 과열도의 현재 값을 획득하는 단계;
    상기 획득한 과열도 현재 값을 사전에 설정된 과열도 설정 값과 비교하는 단계;
    상기 과열도 현재 값이 상기 과열도 설정 값보다 작은 경우, 단순히 외란에 의한 상태 변경인지를 체크하기 위해 이 상태가 제 1 설정시간 동안 유지되는지 판정하는 단계; 및
    상기 제 1 설정시간 동안 유지되지 않으면 상기 현재 값을 획득하는 단게로 복귀하고, 상기 제 1 설정시간 동안 유지되는 경우, 제 2 설정시간 동안 전자식 팽창밸브를 사전에 설정된 개도로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러에 적용되는 전자식 팽창밸브의 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 과열도 현재 값은, 상기 증발기 출구에 설치된 냉매 온도센서를 통한 온도 값에서 증발기 출구에 위치한 냉매 압력센서를 통해 출력된 냉매의 압력을 포화 기체온도로 환산한 온도 값의 차이인 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러에 적용되는 전자식 팽창밸브의 제어방법.
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