KR101501175B1 - 반도체 공정용 칠러의 온도제어 방법 - Google Patents

Abstract

칠러와 공정 챔버를 순환하는 냉매에 의해 상기 공정 챔버와 직접 열 교환이 이루어지고, 전자식 팽창밸브가 고정된 일정량의 개도를 유지하면서 저온 저압의 습증기 냉매를 상기 공정 챔버에 공급하고, 상기 제어밸브가 상기 공급측 온도센서에서 측정한 측정값을 기준으로 제어부에 의해 개도가 조절되는 공급측 온도제어 단계와, 상기 회수측 온도세서에서 측정한 측정값을 상기 제어부에서 설정값과 비교하여 상기 제어밸브의 개도가 조절되는 회수측 온도제어 단계를 포함한다.

Description

반도체 공정용 칠러의 온도제어 방법{Method for controlling temperature in chiller device}

본 발명은 반도체 공정용 칠러의 온도제어 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 공정 챔버의 온도분포도를 균일하게 유지할 수 있도록 하는 기술에 관련한다.

반도체를 제조하는 과정에서 반도체 공정용 설비는 항상 그 챔버 내부의 온도를 일정하게 유지시켜야 하며, 이러한 온도 유지의 역할을 하는 장비가 반도체 고정용 칠러(chiller apparatus)이다.

도 1은 종래의 반도체 공정용 칠러의 냉각 계통도이다.

반도체 제조공정에 사용되는 공정 챔버(20)는 칠러(10)와 항상 연결되어 있어 공정을 진행하는 과정에서 발생하는 열원이 제거됨과 동시에 공정 챔버(20)는 항상 일정한 온도로 유지된다.

반도체 공정 챔버(20)와 칠러(10) 사이에는 냉각유체 공급관(30)과 냉각유체 회수관(40)이 설치되어 있으며, 이들은 폐회로를 이루어 그 내부에 냉각유체(브라인)가 흐른다.

냉각유체 회수관(40)을 통하여 칠러(10)에 유입된 냉각유체는 냉동사이클 모듈(11)이 차가운 냉매(프레온)와 증발기(12)에서 일정한 온도로 맞춰진 후, 냉각유체 펌프(13)에 의해서 펌핑되어 냉각유체 공급관(40)을 통하여 반도체 공정 챔버(20)로 유입된다.

따라서, 칠러(10)의 증발기(12)에서 냉매와 냉각유체는 잠열에 의한 방법으로 열교환이 이루어지고, 반도체 공정 챔버(20)에서 공정부하와 냉각유체는 현열에 의한 방법으로 열교환이 이루어진다.

그러나, 현열에 의한 열교환은 잠열에 의한 열교환에 비해 1/6 정도의 열 흡수능력을 갖지 않기 때문에 공정 챔버의 열을 경제적 그리고 효과적으로 제거할 수 없다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 직접 열교환기 방식이 제안되었는데, 칠러의 냉각유체(냉매)를 반도체 공정 챔버에서 직접 열교환시켜 공정 온도를 유지하도록 하였다.

이를 위해, 냉각유체는 팽창밸브에서 나온 차가운 냉각체와 핫 가스 바이패스 밸브에서 나온 뜨거운 냉각체가 섞여 공급하는 방식으로 건도가 높은 상태(기체 상태)의 냉각유체가 반도체 공정 챔버에 공급된다.

그 결과, 공정 챔버에서 기체의 현열에 의한 열교환이 이루어져 공정 챔버의 입력단과 출력단 사이의 온도차이가 커져서 일정한 온도 분포를 유지할 수 없다는 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명의 목적은 공정 챔버에서의 온도 분포를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 반도체 공정용 칠러의 온도제어 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 공정 챔버에서의 열 제거를 경제적이고 효율적으로 수행할 수 있는 반도체 공정용 칠러의 온도제어 방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적은, 칠러와 공정 챔버를 순환하는 냉매에 의해 상기 공정 챔버와 직접 열 교환이 이루어지고, 압축기를 기준으로 응축기, 수액기, 전자식 팽창밸브, 및 공급측 온도센서가 상기 공정 챔버 전단에 순서대로 배치되고, 상기 공정 챔버 후단에 회수측 온도센서와 제어밸브 및 액 분리기가 순서대로 배치되어 상기 압축기로 연결되는 반도체 공정용 칠러에 적용되며, 상기 전자식 팽창밸브가 고정된 일정량의 개도를 유지하면서 저온 저압의 습증기 냉매를 상기 공정 챔버에 공급하는 단계; 상기 제어밸브가 상기 공급측 온도센서에서 측정한 측정값을 기준으로 제어부에 의해 개도가 조절되는 공급측 온도제어 단계; 및 상기 회수측 온도세서에서 측정한 측정값을 상기 제어부에서 설정값과 비교하여 상기 제어밸브의 개도가 조절되는 회수측 온도제어 단계를 포함하며, 상기 회수측 온도제어에 의해 상기 공정 챔버의 입력단과 출력단의 온도 분포가 일정하도록 제어함과 동시에 상기 온도 분포에 대한 포화압력을 유지함으로써 상기 공정 챔버를 흐르는 냉매를 액상으로만 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러의 온도제어 방법에 의해 달성된다.

바람직하게, 상기 압축기와 상기 응축기 사이에서 분기하여 상기 제어밸브와 상기 액분리기 사이로 연결되는 분기 경로에 핫가스 바이패스 밸브가 배치되어 핫가스가 상기 제어밸브에서 나온 냉매와 혼합되는 단계를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 수액기와 상기 전자식 팽창밸브 사이에서 분기하여 상기 압축기와 상기 액분리기 사이로 연결되는 분기 경로에 흡입온도 제어용 전자식 팽창밸브가 배치되고 상기 압축기의 흡입단에 냉매 흡입온도 감지센서가 설치되어, 상기 냉매 흡입온도 감지센서에서 감지된 온도값에 기초하여 상기 흡입온도 제어용 전자식 팽창밸브로부터 공급되는 액체의 냉매와 상기 액분리기에서 나온 냉매와 혼합되어 상기 압축기로 흡입되는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기의 목적은, 칠러와 공정 챔버를 순환하는 냉매에 의해 상기 공정 챔버와 직접 열 교환이 이루어지고, 압축기를 기준으로 응축기, 수액기, 및 전자식 팽창밸브가 상기 공정 챔버 전단에 순서대로 배치되고, 상기 공정 챔버 후단에 제어밸브 및 액 분리기가 순서대로 배치되어 상기 압축기로 연결되며, 상기 전자식 팽창밸브는 고정된 일정량의 개도를 유지하여 실질적으로 냉매의 온도를 낮추며, 저온 저압의 습증기 냉매를 상기 공정 챔버에 공급하고, 상기 제어밸브는 상기 공정 챔버의 입력단과 출력단에 각각 배치된 공급측 온도센서와 회수측 온도센서의 감지 결과에 따라 제어부의 제어하에 개도가 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러에 의해 달성된다.

바람직하게, 상기 압축기와 상기 응축기 사이에서 분기하여 상기 제어밸브와 상기 액분리기 사이로 연결되는 분기 경로에 핫가스 바이패스 밸브가 더 배치될 수 있다.

바람직하게, 상기 수액기와 상기 전자식 팽창밸브 사이에서 분기하여 상기 압축기와 상기 액분리기 사이로 연결되는 분기 경로에 흡입온도 제어용 전자식 팽창밸브가 더 배치되고 상기 압축기의 흡입단에 냉매 흡입온도 감지센서가 설치될 수 있다.

상기한 구조에 의하면,공정 챔버의 전단과 후단에 각각 설치된 공급측 온도센서와 회수측 공급센서에서 각각 측정한 온도값에 근거하여 제어밸브의 개도를 조절하여 냉매의 흐름량을 제어하기 때문에, 공정 챔버의 입력단과 출력단의 온도 분포가 일정하도록 제어할 수 있고, 포화온도에 대한 포화압력을 유지함으로써 공정 챔버를 흐르는 냉매를 액상으로만 유지할 수 있도록 한다.

또한, 핫가스 바이패스 밸브로부터 바이패스 되는 핫가스를 제어밸브 출구단의 차가운 액냉매와 혼합하여 액 압축을 방지하거나, 압축기로의 최종 흡입 냉매를 과열상태로 유지하는 역할을 수행할 수 있다.

또한, 압축기로의 냉매의 흡입온도가 과열된 상태이면 흡입온도 제어용 전자식 팽창밸브로부터 공급되는 액체의 냉매를 이용하여 적정온도까지 낮출 수 있다.

도 1은 종래의 반도체 공정용 칠러의 냉각 계통도이다.
도 2는 본 발명의 반도체 공정용 칠러의 냉각 계통도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 공정용 칠러의 온도제어 장치와 방법을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 반도체 공정용 칠러의 냉각 계통도이다.

압축기(100)를 기준으로 응축기(110), 수액기(120), 및 전자식 팽창밸브(140)가 공정챔버(200) 전단에 순서대로 배치되고, 공정 챔버(200) 후단에 제어밸브(150) 및 액 분리기(160)가 순서대로 배치되어 압축기(100)로 연결된다.

제어밸브(150)는 공정 챔버(200)의 전단에 배치된 공급측 온도센서(152)와, 공정 챔버(200)의 후단에 배치된 회수측 온도센서(154)의 감지 결과에 따라 제어부(300)의 제어하에 개도가 조절된다.

일 예로, 제어밸브(150)로 전자식 팽창밸브가 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

압축기(100)와 응축기(110) 사이에서 분기되어 제어밸브(150)의 후단에 연결되는 분기 경로에는 핫가스 바이패스 밸브(170)가 설치된다.

핫가스 바이패스 밸브(170)는 병렬로 연결된 고온 핫가스 바이패스 밸브와 저온 핫가스 바이패스 밸브로 구성될 수 있다.

또한, 수액기(120)와 전자식 팽창밸브(140) 사이에서 분기된 분기 경로에는 흡입온도 제어용 전자식 팽창밸브(180)가 액분리기(160)와 압축기(100) 사이에 연결되고, 이것의 제어를 위한 온도값을 제공하는 냉매 흡입온도 감지센서(182)가 액분리기(160)와 압축기(100) 사이에 배치된다.

이하, 상기와 같은 구성을 갖는 칠러의 온도제어 방법에 대해 설명한다.

이하의 실시 예에서 사용되는 냉각유체는 R-404A 냉매이고, 공정 챔버(200)와 직접 열 교환을 하여 공정 챔버(200)의 온도를 유지시키며, 공정 챔버(200)의 공정 온도는 -20℃ ~ 20℃의 범위 내에 있는 것으로 한다.

냉매는 먼저 압축기(100)를 통하여 고온고압 상태로 응축기(110) 내부에 흐르는 냉각수와 열 교환하여 고압의 액체 상태로 수액기(120)에 일부가 저장되고, 일정량의 냉매는 전자식 팽창밸브(140)를 통과한다.

전자식 팽창밸브(140)에서 나온 저온 저압의 습증기 냉매는 공정 챔버(200)에 공급되어 열 교환을 한 후, 제어밸브(150)를 거쳐 액분리기(160)로 흡입된다.

여기서, 전자식 팽창밸브(140)는 고정된 일정량의 개도를 유지하여 실질적으로 냉매의 온도를 낮추는 역할을 하며, 제어밸브(150)를 통하여 공정 챔버(200)를 흐르는 냉매의 온도제어가 이루어진다.

제어밸브(150)를 통한 냉매의 온도제어에 대해서는 이하 설명한다.

공급측 ( supply ) 온도 제어

제어밸브(150)는 공급측 온도센서(152)에 의해 피드백을 받아 제어부(300)에 의한 PID제어를 통해 개도가 조절된다.

다시 말해, 공급측 온도센서(152)에서 측정한 온도값은 제어부(300)에 전달되고, 제어부(300)는 전달받은 측정값을 설정값과 비교하여 제어밸브(150)를 통해 냉매량을 조절하여 온도제어를 한다.

회수측 ( return ) 온도 제어

회수측 온도세서(154)에서 측정한 온도값은 제어부(300)에 전달되고, 제어부(300)는 전달받은 측정값을 설정값과 비교하여 제어밸브(150)를 통해 냉매량을 조절하여 온도를 제어한다.

정리하면, 공정 챔버(200)의 전단과 후단에 각각 설치된 공급측 온도센서(152)와 회수측 공급센서(154)에서 각각 측정한 온도값에 근거하여 제어밸브(150)의 개도를 조절하여 냉매의 흐름량을 제어한다.

그 결과, 공정 챔버(200)의 입력단과 출력단의 온도 분포가 일정하도록 제어할 수 있고, 포화온도에 대한 포화압력을 유지함으로써 공정 챔버(200)를 흐르는 냉매를 액상으로만 유지할 수 있도록 한다.

일 예로, 전자식 팽창밸브(140)로부터 공급되는 냉매의 온도가 공급측 온도센서(152)에 의해 -10℃인 것으로 측정되고, 해당 온도를 포화온도로 한 경우의 포화압력이 3bar라고 가정한다.

공정 챔버(200)에서 프로세스가 진행되고, 그 결과 회수측 온도센서(154)에서 측정된 냉매의 온도가 10℃이고 이를 포화온도로 하는 포화압력이 7.2bar라고 하면, 제어부(300)는 제어밸브(150)의 개도를 제어하여 흐름량을 증가시켜 회수측 온도센서(154)에서 측정된 냉매의 온도를 -10℃가 되도록 한다.

따라서, 공정 챔버(200)의 출구측 냉매의 온도는 -10℃로 유지되어 결과적으로 공정 챔버(200)의 입력단과 출력단의 온도분포를 일정하게 유지할 수 있고, 공정 챔버(200) 내부의 냉매의 온도를 낮추어 공정 챔버(200) 내부의 냉매가 액상으로 유지되도록 하는 포화압력을 유지할 수 있다.

여기서, 공정 챔버(200)를 흐르는 냉매를 액상으로만 유지하는 이유는 다음과 같다. 즉, 냉매가 공급측 온도제어에서 공정 챔버(200)의 부하인가시 냉매가 과열하는 경우, 공급측 온도센서(152)는 설정온도에 안정화되지만 공정 챔버(200)의 온도분포도는 발산하게 된다. 이는 공정 챔버(200) 후단의 과열된 냉매가 후술하는 흡입온도 제어용 전자식 팽창밸브(180)에 의해 적정온도로 과냉되어 안정화 상태로 압축기(100)에 흡입되므로, 공정 챔버(200)의 부하량을 제어밸브(140, 150)가 인식할 수 없으므로 온도분포도는 발산하게 된다.

따라서, 공정 챔버(200)의 온도분포도의 개선방법은 건포화증기가 아닌 냉매액을 이용하는 것이 효과적이며 부하량에 따라 냉매가 과열되지 않고 공정 챔버(200)의 내부를 액으로만 유지하며 제어하는 것이 중요하다.

바람직하게, 회수측 냉매온도는 공급측 냉매온도보다 항상 낮게 측정되어야 공정 챔버(200)의 내부가 항상 냉매액으로 순화되고 있음을 알 수 있다.

한편, 압축기(100)와 응축기(110) 사이에서 분기된 핫가스(hot gas)는 핫가스 바이패스 밸브(170)를 통과하여 제어밸브(150)와 액분리기(160) 사이로 연결되어 액분리기로 흡입되는데, 제어밸브(150)에서 나온 냉매와 혼합된다.

이러한 구조에 의하면 다음과 같은 효과를 갖는다.

제어밸브(150)의 후단에서 부하조건에 따라 냉매 상태가 액이나 과열 증기로 존재하게 되는데, 냉매가 액 상태일 경우 핫가스 바이패스 밸브(170)의 적절한 개도량 설정에 따라 핫가스가 혼합되어 액 압축을 방지할 수 있다.

부하가 감소함에 따라 흡수할 열량이 없기 때문에 공정 챔버(200)를 순환하는 냉매의 흐름이 급격히 감소함과 동시에 압력이 저하됨으로써 온도가 하강하게 된다. 하지만 본 발명에 의하면, 제어밸브(150)가 냉매의 흐름을 제어함으로써 압력 및 온도를 상승하여 부분 부하 시에도 온도를 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 제어밸브(150) 후단의 냉매의 상태는 습증기 상태이므로 핫가스 바이패스 밸브(170)를 통해서 적정 흡입압력에 맞는 개도율을 설정하여 냉매가스를 바이패스시켜 순환하도록 하여 냉매 사이클을 안정적인 상태로 유지할 수 있다.

핫가스 바이패스 밸브(170)로부터 바이패스 되는 핫가스는 제어밸브(150) 출구단의 차가운 액냉매와 혼합됨으로써 최종 흡입 냉매를 과열상태로 유지하는 역할도 수행하게 된다.

핫가스의 바이패스량(흡입 압력)의 적절한 설정은 해당 냉매 사이클 장치도에서 냉매순환량 대비 고압 및 저압의 적절한 상태 또는 부하량(Max. Capa.)에 따라 정해진다. 또한, 제어밸브(150)의 개도율과 핫가스 바이패스 밸브(170)의 개도율과의 적절한 설정이 냉매 사이클의 안정적인 운전상태를 유지하기 위한 필수조건이며 중요 포인트이다

핫가스 바이패스 밸브(170)는 고온용과 저온용으로 구별하여 병렬로 연결하여 설치할 수 있다.

수액기(120)와 전자식 팽창밸브(140) 사이에서 분기된 액체의 냉매는 흡입온도 제어용 전자식 팽창밸브(180)를 거쳐 압축기(100)와 액분리기(160) 사이로 공급되어 액분리기(160)에서 나온 냉매와 혼합되어 압축기(100)로 흡입된다.

이러한 구성에 의하면, 냉매가 고온, 가령 25℃ 이상으로 압축기(100)에 흡입하게 되면 심각한 상황을 초래할 수 있다. 따라서, 냉매의 흡입온도가 과열된 상태이면 압축기(100)의 흡입단에 설치되어 있는 냉매 흡입온도 감지센서(182)의 지령을 받아 흡입온도 제어용 전자식 팽창밸브(180)가 적정온도까지 낮춘다.

이상에서 설명한 것처럼, 본 발명에 따르면 전자식 팽창밸브(140)로부터 공정 챔버(200)에 저온 저압의 습증기 냉매를 공급하고, 공정 챔버(200)의 입력단과 출력단에 각각 온도센서(152, 154)를 설치하고 이에 기초하여 제어되는 제어밸브(150)를 공정 챔버(200)의 후단에 설치하여 제어밸브(150)의 개도 조절에 의한 냉매의 흐름량을 제어함으로써 공정 챔버(200)의 온도제어와 함께 입출력단의 온도분포를 일정하게 하고 공정 챔버(200) 내부의 냉매를 액상으로 유지할 수 있도록 한다.

그 결과 따라서, 공정 챔버에서의 온도 분포를 일정하게 유지할 수 있도록 하고, 공정 챔버에서의 열 제거를 경제적이고 효율적으로 수행할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.

100: 압축기
110: 응축기
120: 수액기
140: 전자식 팽창밸브
150: 제어밸브
152: 공급측 온도센서
154: 회수측 공급센서
156: 증발 압력센서
160: 액분리기
170: 핫가스 바이패스 밸브
180: 흡입온도 제어용 전자식 팽창밸브
182: 냉매 흡입온도 감지센서
200: 공정 챔버

Claims (6)

1. 칠러와 공정 챔버를 순환하는 냉매에 의해 상기 공정 챔버와 직접 열 교환이 이루어지고, 압축기를 기준으로 응축기, 수액기, 전자식 팽창밸브, 및 공급측 온도센서가 상기 공정 챔버 전단에 순서대로 배치되고, 상기 공정 챔버 후단에 회수측 온도센서와 제어밸브 및 액 분리기가 순서대로 배치되어 상기 압축기로 연결되는 반도체 공정용 칠러에 적용되며,
   상기 전자식 팽창밸브가 고정된 일정량의 개도를 유지하면서 습증기 냉매를 상기 공정 챔버에 공급하는 단계;
   상기 제어밸브가 상기 공급측 온도센서에서 측정한 측정값을 기준으로 제어부에 의해 개도가 조절되는 공급측 온도제어 단계; 및
   상기 회수측 온도세서에서 측정한 측정값을 상기 제어부에서 설정값과 비교하여 상기 제어밸브의 개도가 조절되는 회수측 온도제어 단계를 포함하며,
   상기 회수측 온도제어에 의해 상기 공정 챔버의 입력단과 출력단의 온도 분포가 일정하도록 제어함과 동시에 상기 온도 분포에 대한 포화압력을 유지함으로써 상기 공정 챔버를 흐르는 냉매를 액상으로만 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러의 온도제어 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 압축기와 상기 응축기 사이에서 분기하여 상기 제어밸브와 상기 액분리기 사이로 연결되는 분기 경로에 핫가스 바이패스 밸브가 배치되어 핫가스가 상기 제어밸브에서 나온 냉매와 혼합되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러의 온도제어 방법.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 수액기와 상기 전자식 팽창밸브 사이에서 분기하여 상기 압축기와 상기 액분리기 사이로 연결되는 분기 경로에 흡입온도 제어용 전자식 팽창밸브가 배치되고 상기 압축기의 흡입단에 냉매 흡입온도 감지센서가 설치되어,
   상기 냉매 흡입온도 감지센서에서 감지된 온도값에 기초하여 상기 흡입온도 제어용 전자식 팽창밸브로부터 공급되는 액체의 냉매와 상기 액분리기에서 나온 냉매와 혼합되어 상기 압축기로 흡입되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러의 온도제어 방법.
4. 칠러와 공정 챔버를 순환하는 냉매에 의해 상기 공정 챔버와 직접 열 교환이 이루어지고, 압축기를 기준으로 응축기, 수액기, 및 전자식 팽창밸브가 상기 공정 챔버 전단에 순서대로 배치되고, 상기 공정 챔버 후단에 제어밸브 및 액 분리기가 순서대로 배치되어 상기 압축기로 연결되며,
   상기 전자식 팽창밸브는 고정된 일정량의 개도를 유지하여 냉매의 온도를 낮추며 습증기 냉매를 상기 공정 챔버에 공급하고,
   상기 제어밸브는 상기 공정 챔버의 입력단과 출력단에 각각 배치된 공급측 온도센서와 회수측 온도센서의 감지 결과에 따라 제어부의 제어하에 개도가 조절되어 공급측 온도와 회수측 온도를 각각 제어하고,
   상기 회수측 온도제어에 의해 상기 공정 챔버의 입력단과 출력단의 온도 분포가 일정해지고 상기 온도 분포에 대한 포화압력을 유지함으로써 상기 공정 챔버를 흐르는 냉매를 액상으로만 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 압축기와 상기 응축기 사이에서 분기하여 상기 제어밸브와 상기 액분리기 사이로 연결되는 분기 경로에 핫가스 바이패스 밸브가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러.
6. 청구항 4 또는 5에 있어서,
   상기 수액기와 상기 전자식 팽창밸브 사이에서 분기하여 상기 압축기와 상기 액분리기 사이로 연결되는 분기 경로에 흡입온도 제어용 전자식 팽창밸브가 더 배치되고 상기 압축기의 흡입단에 냉매 흡입온도 감지센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러.
   

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