KR101757439B1 - 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예는 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 전기식 칠러와 냉동기 칠러를 조합하여 더 낮은 온도 및 더 높은 온도에서 제어되도록 함으로써, 넓은 온도 제어폭을 갖고 또한 향상된 전기적 냉각 블록의 내구성을 갖는 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 공정 냉각수를 공급하는 냉동기 칠러; 반도체 공정 장비에 열매체를 공급하고, 상기 열매체와 열교환하는 열전 소자를 가지며, 상기 열전 소자는 상기 공정 냉각수에 의해 열교환되도록 하는 전기식 칠러; 및 상기 열매체의 온도에 따라 상기 공정 냉각수의 온도가 변동되어 결정되도록, 상기 냉동기 칠러를 제어하는 제어부를 포함하는 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러를 개시한다.

Description

반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러{Hybrid Chiller for semiconductor manufacturing equipment}
본 발명의 다양한 실시예는 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러에 관한 것이다.
반도체 소자 기술이 점차 고도화되면서 반도체 제조 설비에 적용되는 장비의 제어 정밀도 역시 중요해지고 있다. 여기서, 반도체 제조 설비의 온도를 제어하는 장치를, 예를 들면, 칠러(chiller)라 한다. 이러한 칠러는 냉매의 온도를 제어하도록 다양한 히터와 냉각 수단을 포함하는데 최근에는 열전 소자를 이용하는 전기식 칠러 방식이 소개되고 있다. 열전 소자는 전기 에너지를 열에너지로 직접 변환하거나 또는 열에너지를 전기에너지로 변환하거나 직접 변환할 수 있어, 비교적 간단한 구성으로도 냉각 효과가 우수한 소자를 말하며, 펠티에(Peltier) 소자가 이에 해당될 수 있다.
이러한 현재의 전기식 칠러는 종래의 냉동기 칠러보다 작고 온도 제어 능력이 매우 뛰어나며, 소형화가 가능하여 메인 설비에 근접하여 설치가 가능하여 기존의 반도체 칠러 시장을 빠르게 잠식하고 있다.
그러나 전기식 칠러는 상술한 열전 소자의 한계로 인하여 폭 넓은 온도 제어 폭을 가지지 못하는 문제가 있었다. 그런데 반도체 공정이 미세화될 수록 공정 온도는 점점 낮은 온도를 요구하고 있는 상황이다.
따라서, 현재의 전기식 방식에 열전 소자를 추가하여 용량을 증가시키고 있으나 궁극적인 냉각부와 방열부의 온도차로 인하여 그 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있었다.
또한 열전 소자가 단일 소자로 구성되어 있는 것이 아니라 고객이 요구하는 냉각 열량을 발휘하기 위하여 직렬 또는 병렬 등 여러 가지 형태로 구성되어 있다.
따라서 조립 상태와, 열전 소자, 각 냉각부 및 방열부의 온도차가 많이 벌어질 경우, 열팽창 계수차에 의해 열전 소자가 파손될 위험이 커지는 문제가 있었다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 전기식 칠러와 냉동기 칠러를 조합하여 더 낮은 온도 및 더 높은 온도에서 제어되도록 함으로써, 넓은 온도 제어폭을 갖고 또한 향상된 전기적 냉각 블록의 내구성을 갖는 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러를 제공하는데 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러는 공정 냉각수를 공급하는 냉동기 칠러; 반도체 공정 장비에 열매체를 공급하고, 상기 열매체와 열교환하는 열전 소자를 가지며, 상기 열전 소자는 상기 공정 냉각수에 의해 열교환되도록 하는 전기식 칠러; 및 상기 열매체의 온도에 따라 상기 공정 냉각수의 온도가 변동되어 결정되도록, 상기 냉동기 칠러를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 공정 냉각수의 온도를 상기 열매체의 온도와 같거나 또는 상기 열매체의 온도에 가장 근접한 값을 갖도록 상기 냉동기 칠러를 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 반도체 공정 장비의 냉각 부하에 대응하되, 상기 공정 냉각수와 상기 열매체와의 온도 차이가 가장 작은 동시에 가장 작은 공정 냉각수의 방열 열량을 미리 저장된 제1룩업 테이블로부터 선택하고, 상기 열매체의 온도에 대응하는 상기 냉동기 칠러의 냉각 열량을 미리 저장된 제2룩업 테이블로부터 선택하며, 상기 제1룩업 테이블로부터 선택된 공정 냉각수의 방열 열량이 상기 제2룩업 테이블로부터 선택된 상기 냉동기 칠러의 냉각 열량의 범위 내에 있을 경우, 상기 열매체의 온도와 상기 공정 냉각수의 온도가 동일하도록 또는 가장 근접하도록 상기 냉동기 칠러를 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 열매체의 공급 시 온도 및 회수 시 온도와 상기 열매체의 유량을 이용하여 상기 냉각 부하를 계산할 수 있다.
상기 냉동기 칠러는 인버터 방식으로 동작할 수 있다.
상기 전기식 칠러는 상기 열매체가 통과하여 지나가며 열교환되도록 하는 냉각 블록; 및 상기 냉각 블록의 외측에 설치되며 상기 공정 냉각수가 통과하여 지나가며 열교환되도록 하는 방열 블록을 포함할 수 있고, 상기 열전 소자는 상기 냉각 블록과 상기 방열 블록 사이에 배치될 수 있다.
상기 냉동기 칠러에 의해 공급되는 공정 냉각수의 온도는 -30℃ 내지 40℃이고, 상기 전기식 칠러에 의해 공급되는 열매체의 온도는 -30℃ 내지 90℃일 수 있다.
본 발명의 실시예는 전기식 칠러와 냉동기 칠러를 조합하여 더 낮은 온도 범위 및 더 높은 온도 범위에서 제어되도록 함으로써, 넓은 온도 제어폭을 갖고 또한 향상된 전기적 냉각 블록의 내구성을 갖는 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러를 제공한다.
즉, 본 발명의 실시예는 제어부와 냉동기 칠러를 일체형으로 제작하여 냉동기 칠러에서 대략 -30℃ 내지 대략 40℃의 온도를 갖는 공정 냉각수(Processing Cooling Water)를 전기식 칠러에 공급하고, 전기식 칠러에 의한 열매체(Coolant)의 제어 온도를 대략 -30℃ 내지 대략 90℃까지 제어하도록 하며, 또한 공정 냉각수와 열매체 사이의 온도 차가 최적 효율을 갖도록 열매체의 설정 온도 대비 공정 냉각수를 공급하는 냉동기 칠러의 온도를 제어함으로써, 전기식 방열 블록의 가변 온도 제어가 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예는 전기식 칠러의 냉각 블록과 방열 불럭의 온도차를 일정하게 유지하도록 함으로써, 전기식 칠러의 열전 소자 표면에 대한 열 충격을 최소화하도록 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 전기식 칠러와 냉각기 칠러 사이의 냉각 용량에 기초하여 전력 소비가 최소화되는 지점에서 냉각기 칠러가 동작하도록 하여 전력 소모량을 최소화하도록 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러의 구성을 도시한 구성도 및 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러 중에서 냉각 블록/방열 블록의 구성과 열전 소자의 구성을 각각 도시한 도면이다.
도 3은 온도차에 따른 열전 소자의 예시적 성능 곡선을 도시한 그래프이다.
도 4는 냉동기 칠러의 예시적 냉각 열량 곡선을 도시한 그래프이다.
도 5는 열매체의 냉각 부하 시 예시적 공정 냉각수의 필요 냉각 열량 곡선을 도시한 그래프이다.
도 6은 동일 부하에 따른 열전 소자의 예시적 성능 곡선(3kW 부하 기준)을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러의 제어부 동작을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러(100)의 구성을 도시한 구성도 및 블록도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러(100)는 반도체 공정 장비(101)로부터 상대적으로 이격되어 서브 팹 시설에 설치된 냉동기 칠러(110)와, 반도체 공정 장비(101)에 인접하여 팹 시설에 설치된 전기식 칠러(120)를 포함한다. 여기서, 냉동기 칠러(110)와 전기식 칠러(120)를 제어하는 제어부(130, 도 1b 참조)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 냉동기 칠러(110)에 일체로 설치될 수 있다.
냉동기 칠러(110)는 공정 냉각수(PCW: Processing Cooling Water)를 전기식 칠러(120)에 공급함으로써, 전기식 칠러(120)의 내부에 설치된 열전 소자(123, 도 1b 참조)와 열교환이 이루어지도록 한다. 냉동기 칠러(110)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 대략 -30℃ 내지 대략 40℃의 공정 냉각수를 전기식 칠러(120)의 열전 소자(123)에 공급할 수 있다. 공정 냉각수의 공급 및 회수를 위해, 냉동기 칠러(110)와 전기식 칠러(120)의 사이에는 공정 냉각수 공급관(111) 및 공정 냉각수 회수관(112)이 연결되어 있다. 여기서, 냉동기 칠러(110)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 저전력으로 온도 조절이 가능한 인버터형 냉동기일 수 있다. 또한, 도면에서 점선은 제어선을 의미한다.
전기식 칠러(120)는 반도체 공정 장비(101)에 열매체(Coolant)를 공급하고, 상술한 바와 같이 열매체와 열교환하는 열전 소자(123)를 가지며, 또한 열전 소자(123)가 상술한 바와 같이 공정 냉각수에 의해 열교환되도록 한다. 전기식 칠러(120)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 대략 -30℃ 내지 대략 90℃의 열매체를 반도체 공정 장비(101)에 공급할 수 있다. 열매체의 공급 및 회수를 위해, 전기식 칠러(120)와 반도체 공정 장비(101)의 사이에는 열매체 공급관(121) 및 열매체 회수관(122)이 연결되어 있다.
한편, 제어부(130)는 열매체의 설정 또는 공급 온도에 따라 공정 냉각수의 온도가 결정되도록, 냉동기 칠러(110) 및/또는 전기식 칠러(120)를 제어하는 역할을 한다. 이러한 제어부(130)의 역할이나 기능을 아래에서 다시 설명하기로 한다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 냉동기 칠러(110)는 공정 냉각수 공급관(111) 및 공정 냉각수 회수관(112)을 통해 전기식 칠러(120)에 연결되어 있으며, 전기식 칠러(120)는 열매체 공급관(121)이 지나가는 냉각 블록(124)과, 공정 냉각수 공급관(111)이 지나가는 방열 블록(125)을 포함하며, 또한 냉각 블록(124)과 방열 블록(125) 사이에는 상술한 열전 소자(123)가 배열되어 있다.
더불어, 전기식 칠러(120)와 반도체 공정 장비(101)를 연결하는 열매체 공급관(121)에 제1온도 센서(126)가 연결되고, 반도체 공정 장비(101)와 열매체 탱크(129a)를 연결하는 열매체 회수관(122)에 제2온도 센서(127) 및 유량 센서(128) 연결된다. 더불어, 열매체 탱크(129a)와 냉각 블록(124) 사이에 열매체 펌프(129b)가 설치됨으로써, 열매체가 냉각 블록(124), 반도체 공정 장비(101) 및 열매체 탱크(129a)를 통해 연속적으로 순환할 수 있도록 되어 있다.
또한, 공정 냉각수 공급관(111)에 제3온도 센서(113)가 연결되고, 공정 냉각수 회수관(112)에 제4온도 센서(114)가 연결된다.
한편, 제어부(130)는 냉동기 칠러(110) 및/또는 전기식 칠러(120)를 제어하며, 특히 상술한 제1온도 센서(126), 제2온도 센서(127) 및 유량 센서(128)로부터의 정보를 입력받아서, 미리 정해진 알고리즘/프로그램/소프트웨어에 따라 냉동기 칠러(110)를 제어할 수 있다.
예를 들면, 제어부(130)는 열매체의 공급 또는 설정 온도에 따라 공정 냉각수의 온도가 결정되도록, 인버터형 냉동기 칠러(110)를 제어한다. 다르게 설명하면, 제어부(130)는 공정 냉각수의 온도를 열매체의 온도와 같거나 또는 가장 근접한 값을 갖도록(즉, 열매체 온도와 공정 냉각수 온도 사이에 차이가 최소화되도록) 냉동기 칠러(110)를 제어함으로써, 전기식 칠러(120)에 내장된 열전 소자(123)의 냉각 효율 및/또는 성능이 최대가 되도록 한다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러(100)는 냉동기 칠러(110)와 전기식 칠러(120)를 조합하여, 더 낮은 온도 범위 및 더 높은 온도 범위에서 제어되도록 함으로써, 넓은 온도 제어폭을 갖고 또한 향상된 전기적 냉각 블록(124)/방열 블록(125)의 내구성을 제공한다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러(100)는 제어부(130)와 냉동기 칠러(110)를 일체형으로 제작하여 냉동기 칠러(110)에서 대략 -30℃ 내지 대략 40℃의 온도를 갖는 공정 냉각수를 전기식 칠러(120)에 공급하고, 이에 따라 전기식 칠러(120)에 의한 열매체의 제어 온도를 대략 -30℃ 내지 대략 90℃까지 제어할 수 있도록 하며, 또한 공정 냉각수와 열매체 사이의 온도 차이가 최적 효율을 갖도록 열매체의 설정 온도 대비 공정 냉각수를 공급하는 냉동기 칠러(110)의 온도를 제어함으로써, 전기식 방열 블록(125)의 가변 온도 제어가 가능하게 된다. 참고로, 기존에는 방열 블록에 고정된 온도의 공정 냉각수가 공급되었었다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러(100)는 전기식 칠러(120)의 냉각 블록(124)과 방열 블록(12)의 온도 차이를 일정하게 유지하도록 함으로써, 전기식 칠러(120)의 열전 소자(123)에 대한 열 충격이 최소화되도록 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러(100) 중에서 냉각 블록(124)/방열 블록(125)의 구성과 열전 소자(123)의 구성을 각각 도시한 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 전기식 칠러(120)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 중앙에 열매체가 통과하면서 열전 소자(123)와 열교환 동작이 이루어지도록 하는 냉각 블록(124)과, 냉각 블록(124)의 외주연에 설치되어 공정 냉각수가 통과하면서 열전 소자(123)와 열교환 동작이 이루어지도록 하는 방열 블록(125)과, 냉각 블록(124)과 방열 블록(125) 사이에 설치된 다수의 열전 소자(123)를 포함할 수 있다.
한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, 열전 소자(123)는 냉각 블록(124)과 방열 블록(125) 사이에 설치되는데, 이는 상,하부에 설치된 전기 전도판(123a)과, 전기 전도판(123a) 사이에 설치된 N형 반도체 및 P형 반도체(123b,123c)를 포함할 수 있다. 여기서, 냉각 블록(124) 및 방열 블록(125)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 알루미나와 같은 세라믹 플레이트 또는 알루미늄 플레이트일 수 있다.
도 3은 온도차에 따른 열전 소자(123)의 예시적 성능 곡선을 도시한 그래프이다. 도 3에서 X축은 냉각에 소요되는 전류(I)를 나타내고, Y축은 냉각 성능(Qc)(W)을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일반적으로 열전 소자(123)는 냉각 블록(124)의 냉각 온도와 방열 블록(125)의 방열 온도 사이에 온도 차이가 크면 클수록 냉각 성능이 현저히 저하된다. 예를 들어, 온도 차이가 0℃일 때에는 9A에서 대략 150W의 냉각 성능을 갖지만, 온도 차이가 60℃일 때에는 9A에서 대략 15W의 냉각 성능을 갖는다.
다르게 설명하면, 열매체의 온도와 공정 냉각수의 온도 사이에 온도 차이가 커지면 커질수록 전기식 칠러(120)를 구성하는 열전 소자(123)의 냉각 성능이 현저히 저하되고, 반대로 열매체의 온도와 공정 냉각수의 온도 사이에 온도 차이가 작으면 작을수록 전기식 칠러(120)를 구성하는 열전 소자(123)의 냉각 성능이 현저히 향상된다.
따라서, 전기식 칠러(120)에 있어서 최소의 전력으로 최대의 냉각 성능을 얻기 위해서 열매체의 온도와 공정 냉각수의 온도를 동일하게 하거나, 또는 적어도 열매체의 온도에 근접한 공정 냉각수의 온도가 필요하다. 즉, 전기식 칠러(120)에 있어서 최소의 전력으로 최대의 냉각 성능을 얻기 위해서 열매체의 온도와 공정 냉각수의 온도 사이에 온도 차이가 작아야 한다.
상술한 바와 같이, 방열 블록(125)을 통과하는 공정 냉각수의 온도를 대략 -30℃ 내지 40℃로 제어하면, 냉각 블록(124)을 통과하는 열매체의 온도를 대략 -30℃ 내지 90℃로 폭 넓게 제어할 수 있다. 즉, 방열 블록(125)과 냉각 블록(124)의 온도 차이를 최소화함으로써, 온도 제어 폭이 넓은 전기식 칠러(120)를 구현할 수 있다. 참고로, 종래 기술에서 공정 냉각수의 온도는 대략 20℃로 고정되어 관리되고 있었다.
즉, 본 발명의 실시예에서 제어부(130)는 공정 냉각수의 온도와 열매체의 온도 사이에 온도 차이가 항상 최적 효율을 나타낼 수 있도록 열매체의 설정 온도 대비 공정 냉각수의 온도를 제어한다.
더욱이, 열매체의 온도와 공정 냉각수의 온도 차이가 크지 않을 경우, 열전 소자(123)를 구성하고 있는 냉각 블록(124)과 방열 블록(125)의 열팽창 계수 차에 의한 열전 소자(123)의 손상 현상도 방지될 수 있다.
다르게 설명하면, 냉각 블록(124)과 방열 블록(125)의 온도 차이를 일정하게 유지함으로써, 열전 소자(123)의 표면 열 충격이 최소화되도록 한다. 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 열전 소자(123) 1개당 온도 차이는 대략 최대 △70℃일 수 있다. 그러나 이것을 여러 형태로 조합 시 실제 온도 차이는 대략 △50℃를 넘지 않는다. 이에 따라 일정하게 온도 차이를 유지함으로써, 열전 소자(123)의 내구성을 확보할 수 있다.
참고로, 열전 소자(123)를 이루는 열팽창 계수는 아래와 같다.
알루미늄: 2.38 X 10-6/K
세라믹: 6.8 X 10-6/K
전극: 16.6 X 10-6/K
도 4는 냉동기 칠러(110)의 예시적 냉각 열량 곡선을 도시한 그래프이다. 도 4에서 X축은 온도(℃)이고, Y축은 냉각 열량(kW)이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 냉동기 칠러(110)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 온도가 높으면 높을수록 냉각 열랑이 크고, 온도가 낮으면 낮을수록 냉각 열량이 작다. 특히, 냉동기 칠러(110)는 온도가 높으면 높을 수록 기하 급수적으로 냉각 열량이 큰 경향을 갖는다.
도 5는 열매체의 냉각 부하 시 예시적 공정 냉각수의 필요 냉각 열량 곡선을 도시한 그래프이다. 도 5에서 X축은 온도(℃)이고, Y축은 필요 냉각 열량(kW)이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 일반적으로 열매체의 냉각 부하 대비 공정 냉각수의 냉각 부가가 대략 1.5배 내지 2.5배 정도의 열량이 더 필요하다. 또한, 열매체의 냉각 열량은 온도에 대략 비례하지만, 공정 냉각수의 냉각 용량은 온도에 기하 급수적으로 비례한다. 따라서, 공정 냉각수를 공급하는 냉동기 칠러(110)를 적정 구간에서 동작시켜야 소비 전력을 최소화시킴을 알 수 있다.
이와 같이, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 냉동기 칠러(110)를 통해 공급되는 공정 냉각수의 냉각 열량이 전기식 칠러(120)를 통해 공급되는 열매체의 냉각 열량보다 상대적으로 높다. 따라서, 전기식 칠러(120)를 통해 공급되는 열매체의 냉각 부하에 대하여 냉동기 칠러(110)를 통한 공정 냉각수의 필요 열량을 확인하여, 최소 전력하에서 냉동기 칠러(110)의 동작이 가능한지 불가능한지 판단할 필요가 있다.
도 6은 동일 부하에 따른 열전 소자(123)의 예시적 성능 곡선(3kW 부하 기준)을 도시한 그래프이다. 도 6에서 X축은 온도(℃)이고, 좌측 Y축은 냉각 용량(부하)(kW)이며, 우축 Y축은 전력 소모량(kW)이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전기식 칠러(120)의 방열 블록(125)(20℃ 기준)으로 냉각 블록(124)(열매체)이 동일 부하(예를 들면, 3kW)로 처리될 때, 냉각 블록(124)의 제어 온도에 따라 실제 소비 전력과 방열 블록(125)의 열량 차이가 많이 발생됨을 볼 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 냉동기 칠러(110)의 제어 온도에 따라 열량 차이와 소비 전력의 차이가 많이 발생됨을 볼 수 있다.
따라서, 상술한 도 6의 그래프를 제1룩업 테이블 형태로, 도 4의 그래프를 제2룩업 테이블의 형태로 메모리에 저장 및 제어 프로그램화하여 냉각 블록(124)의 온도 기준으로 방열 블록(125)과의 온도 차이를 제어하여 최적 상태로 제어함으로써, 소비 전력 및 냉각 블록(124)의 부하 처리를 최적화 할 수 있다. 예를 들면, 냉각 블록(124), 방열 블록(125) 및 냉동기 칠러(110)의 온도와 유량 센서(128) 등을 이용하여 데이터를 취합하여 PLC 프로그램에서 최적화 제어를 구현할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러(100)는 냉동기 칠러(110)와 전기식 칠러(120) 사이의 냉각 용량에 기초하여 전력 소비가 최소화되는 지점에서 냉동기 칠러(110)가 동작하도록 하여 전력 소모량을 최소화하도록 한다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러(100)의 제어부(130) 동작을 도시한 순서도이다. 여기서, 도 1a, 1b, 도 4 및 도 6을 함께 참조하여, 냉동기 칠러(110)와 일체로 형성된 제어부(130)의 동작을 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러(100)의 제어부(130)는 먼저 반도체 공정 장비(101)의 냉각 부하를 계산한다(S1). 즉, 제어부(130)는 유량 센서(128)로부터 얻은 열매체의 유량, 열매체의 고유 비열, 제1온도 센서(126)로부터 얻은 반도체 공정 장비(101)에 공급되는 열매체의 온도 및 제2온도 센서(127)로부터 얻은 반도체 공정 장비(101)로부터 회수되는 열매체의 온도, 그리고 아래의 수학식을 이용하여 반도체 공정 장비(101)의 냉각 부하를 계산한다. 여기서, 반도체 공정 장비(101)의 냉각 부하는 지속적으로 변동될 수 있다.
[수학식 ]
Q(냉각 부하) = G(유량 센서(128)의 유량값) * Cp(열매체의 비열) * (제2온도 센서(127)에 의한 온도와 제1온도 센서(126)의 온도 차이)
이어서, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러(100)의 제어부(130)는 상술한 반도체 공정 장비(101)의 냉각 부하에 대응하는 공정 냉각수의 방열 열량을 미리 저장된 제1룩업 테이블(예를 들면, 도 6과 같은 그래프)로부터 로딩하여 확인한다(S2). 이때, 공정 냉각수의 방열 열량은 열매체의 온도와 공정 냉각수의 온도 사이에 차이가 가장 작은 동시에, 공정 냉각수의 방열 열량 자체도 가장 작은 값(즉, 최소 소비 전력)을 갖는 영역(즉, 공정 냉각수의 방열 열량)이 선택된다.
예를 들어, 제어부(130)는 제1온도 센서(126)에 의한 온도가 -20℃이고, 냉각 부하가 3kW일 때, 도 6의 그래프(제1룩업 테이블)를 참조하면, 공정 냉각수가 동일한 온도 기준(예를 들면, 열매체 및 공정 냉각수가 모두 20℃)일 때, 대략 5.1kW의 방열 열량이 필요함을 확인할 수 있다. 즉, 열매체와 공정 냉각수의 온도 차이가 가장 작고, 방열 열량이 가장 작은 영역(최소 소비 전력)은 20℃일 때 5.1kW의 방열 열량을 갖는 영역이다.
여기서, 상술한 제1룩업 테이블에는 열매체의 냉각 부하별 필요로 되는 공정 냉각수의 방열 열량 및 소비되는 전력량 등이 미리 저장되어 구비됨은 당연하다.
이어서, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러(100)의 제어부(130)는 제1온도 센서(126)로부터 획득된 또는 결정된 열매체의 온도에 대응하는 냉동기 칠러(110)의 냉각 열량을 미리 저장된 제2룩업 테이블로부터 로딩하여 확인한다(S3).
예를 들어, 제어부(130)는 제2룩업 테이블과 대응되는 도 5의 그래프를 참조하여, 냉동기 칠러(110)가 -20℃일 때 5.9kW로 동작할 수 있음을 확인하고, 이에 따라 제어부(130)는 공정 냉각수의 설정 온도를 -20℃로 하여 냉동기 칠러(110)를 동작시킨다.
즉, 제어부(130)는 상술한 제1룩업 테이블로부터 로딩된 공정 냉각수의 방열 열량이 제2룩업 테이블로부터 로딩된 실제 냉동기 칠러(110)의 냉각 열량의 범위 내에 있는 것으로 판단될 경우, 냉동기 칠러(110)를 동작시킨다.
이와 같이 하여, 결국 제1온도 센서(126)에 의한 온도 또는 열매체의 설정/공급 온도에 따라, 제3온도 센서(113)에 의한 온도 또는 공정 냉각수의 설정 온도가 결정된다. 다르게 설명하면, 열매체의 공급 온도와 공정 냉각수의 공급 온도가 동일해지도록 제어되거나, 또는 적어도 열매체의 공급 온도에 공정 냉각수의 공급 온도가 근접하도록 제어된다. 따라서, 열전 소자(123)의 냉각 블록과 방열 블록 사이의 온도 차이가 최소화되고, 이에 따라 열전 소자(123)는 최소의 전력으로 최대의 효율을 가지며 동작한다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 전기식 칠러(120)와 냉동기 칠러(110) 사이의 냉각 용량에 기초하여 전력 소비가 최소화되는 지점에서 냉동기 칠러(110)가 동작하도록 하여 전력 소모량을 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 전기식 칠러(120)의 냉각 블록(124)과 방열 블록(125)의 온도차를 최소화하도록 함으로써, 전기식 칠러(120)의 열전 소자(123)에 대한 열 충격이 최소화되도록 한다.
요약하면, 전기식 칠러(120)와 냉동기 칠러(110)를 조합하여 반도체 공정 장비/챔버의 저온에 대응하는 것이 어떻게 보면 이중 투자가 될 수도 있는 것처럼 보인다. 그러나 전기식 칠러(120)의 열전 소자(123)에 대한 신속하고 정확한 제어 능력은 현재 반도체 공정이 미세화될수록 점점 그 필요성이 증대되고 있다. 일례로, 현장에서 냉동기 칠러(110)가 급격히 쇠퇴하고 전기식 칠러(120)로 빠르게 교체되는 것만으로도 그 사실이 증명된다. 그러나, 전기식 칠러(120)의 최대 단점인 온도 제어 폭의 한계를, 본 발명의 실시예에서와 같이 인버터 방식의 냉동기 칠러(110)를 조합함으로써, 획기적으로 개선할 수 있으며, 더욱이, 이에 따라 내구성, 온도 제어 폭, 에너지 효율까지 향상되는 하이브리드 칠러(100)를 제공하게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러
101; 반도체 공정 장비 110; 냉동기 칠러
111; 공정 냉각수 공급관 112; 공정 냉각수 회수관
113; 제3온도 센서 114; 제4온도 센서
120; 전기식 칠러 121; 열매체 공급관
122; 열매체 회수관 123; 열전 소자
124; 냉각 블록 125; 방열 블록
126; 제1온도 센서 127; 제2온도 센서
128; 유량 센서 129a; 열매체 탱크
129b; 열매체 펌프 130; 제어부

Claims (7)

  1. 공정 냉각수를 공급하는 냉동기 칠러;
    반도체 공정 장비에 열매체를 공급하고, 상기 열매체와 열교환하는 열전 소자를 가지며, 상기 열전 소자는 상기 공정 냉각수에 의해 열교환되도록 하는 전기식 칠러; 및
    상기 열매체의 설정 또는 공급온도에 따라 상기 공정 냉각수의 온도가 변동되어 결정되도록, 상기 냉동기 칠러를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 반도체 공정 장비의 냉각 부하에 대응하되, 상기 공정 냉각수와 상기 열매체와의 온도 차이가 가장 작은 공정 냉각수의 방열 열량을 미리 저장된 제1룩업 테이블로부터 선택하고, 상기 열매체의 온도에 대응하는 상기 냉동기 칠러의 냉각 열량을 미리 저장된 제2룩업 테이블로부터 선택한 후, 상기 제1룩업 테이블로부터 선택된 공정 냉각수의 방열 열량이 상기 제2룩업 테이블로부터 선택된 상기 냉동기 칠러의 냉각 열량의 범위 내에 있을 경우, 상기 열매체의 온도와 상기 공정 냉각수의 온도가 동일하도록 또는 가장 근접하도록 상기 냉동기 칠러를 제어하고,
    상기 전기식 칠러에 의해 공급되는 상기 열매체의 온도가 -30℃ 내지 90℃ 이면, 상기 냉동기 칠러에 공급된 공정 냉각수의 온도가 -30℃ 내지 40℃의 온도 중 상기 열매체와의 온도 차이가 가장 작고, 최소 소비 전력에 해당하는 온도가 되도록 상기 냉동기 칠러를 제어하는 것 을 특징으로 하는 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 공정 냉각수의 온도를 상기 열매체의 온도와 같거나 또는 상기 열매체의 온도에 가장 근접한 값을 갖도록 상기 냉동기 칠러를 제어함을 특징으로 하는 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 열매체의 공급 시 온도 및 회수 시 온도와 상기 열매체의 유량을 이용하여 상기 냉각 부하를 계산함을 특징으로 하는 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉동기 칠러는 인버터 방식으로 동작함을 특징으로 하는 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기식 칠러는
    상기 열매체가 통과하여 지나가며 열교환되도록 하는 냉각 블록; 및
    상기 냉각 블록의 외측에 설치되며 상기 공정 냉각수가 통과하여 지나가며 열교환되도록 하는 방열 블록을 포함하고,
    상기 열전 소자는 상기 냉각 블록과 상기 방열 블록 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 제조 설비용 하이브리드 칠러.
  7. 삭제
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