KR102425290B1 - 다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템 - Google Patents

다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환기를 2-플로우가 아닌 3-플로우 형태로 구현하여 다원 냉동사이클의 각 냉동사이클마다 쿨런트를 추출할 수 있도록 하여 목표로 하는 온도에 가장 가까운 저온 소스를 추출하고 이를 고온 소스와 혼합함으로써 빠른 응답속도를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 전력낭비와 시간지연을 막아 생산성 향상 및 칠러의 고효율화를 달성할 수 있도록 개선된 다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템에 관한 것이다.

Description

다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템{Wide-range rapid temperature control system using multi-stage cascade refrigeration cycle}
본 발명은 다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다원 냉동사이클의 각 단계에서 응축기 또는 증발기 역할을 하는 열교환기를 2-플로우(flow)가 아닌 3-플로우 형태로 구현하여 다원 냉동사이클의 각 냉동사이클마다 쿨런트를 추출할 수 있도록 하여 목표로 하는 온도에 가장 가까운 저온 소스를 추출하고 이를 고온 소스와 혼합함으로써 빠른 응답속도를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 전력낭비와 시간지연을 막아 생산성 향상 및 칠러의 고효율화를 달성할 수 있도록 개선된 다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템에 관한 것이다.
반도체 및 디스플레이 제조 공정, 특히 식각공정의 경우 웨이퍼의 온도를 상온 이하의 저온으로 유지하는 경우가 많다.
또한, 반도체의 지속적인 집적도 증가로 인해 웨이퍼의 온도조건이 -80℃ 이하 또는 심한 경우 -100℃ 이하를 요구하는 경우도 발생하고 있다.
특히, 위에서 언급한 식각 공정의 경우 여러 단계를 거쳐 수행되는데, 각 단계별로 요구되는 온도 조건이 다르다.
예컨대, 반도체 식각 공정에서 온도변화가 총 5단계로 이루어진다고 할 때, 제1단계는 20℃, 60초; → 제2단계는 -30℃, 120초; → 제3단계는 -70℃, 120초; → 제4단계는 -110℃, 240초; → 제5단계는 10℃, 120초; 등과 같이 진행된다고 가정하면 제1-5단계 동안 실질적인 식각공정에 필요한 시간은 11분이 소요된다.
그러나 위와 같이 각 공정에서의 온도가 극심하게 다르기 때문에 각 단계마다 온도가 변경되고 안정되는 시간이 필요하며, 이 시간이 길어질수록 생산성은 떨어지게 된다.
이에, 종래에는 한개의 칠러 내에 냉동사이클을 사용한 상온 이하의 저온 소스와 히터를 사용한 상온 이상의 고온 소스를 같이 내장하고, 적절한 비율로 혼합하여 온도를 조절하는 방법을 사용하였다.
하지만, 이러한 방법은 요구 온도 도달에 필요한 시간이나 소비전력이 증대되는 단점이 있다.
이를 테면, 도 1의 예시와 같이, 저온 소스를 구현하기 위해 공지된 다원 냉동사이클을 활용하고 있는데, 각 단계에서 서로 다른 냉매를 사용하여 순차 냉각온도를 낮춰 최종단에서는 가장 낮은 온도의 쿨런트를 생성하고, 이 쿨런트가 저온 소스를 구성하도록 하고 있다.
즉, 예를 들어 제1단계의 열교환을 통해 -20℃의 쿨런트 온도가 얻어진다고 하고, 제2단계의 열교환을 통해 -80℃의 쿨런트 온도가 얻어진다고 하며, 제3단계를 통해 -120℃의 쿨런트 온도가 얻어진다.
예를 들어 반도체 식각 공정장치에서 필요한 온도가 -30℃라고 할 때, 전력을 크게 소비하여 얻어진 -120℃의 쿨런트를 가열하여 고온으로 유지시켜 놓은 쿨런트와 혼합하여 -30℃를 만들게 된다. 이 과정에서 이중으로 에너지가 소비되고 공정 시간 또한 늘어나게 된다.
이것은 저온 소스의 쿨런트는 항상 최종 추출단을 통해서만 추출될 수 밖에 없기 때문에 최종 추출단에서 추출되는 저온 쿨런트는 항상 -120℃이므로 여기에 고온 소스(쿨런트)를 혼합하여 온도를 조절한다는 것은 매우 비효율적이고, 많은 전력소모로 소비전력의 낭비를 초래한다.
국내 등록특허 제10-1109730호(2012.01.18.), 반도체 공정용 칠러 장치 및 이의 온도제어 방법 국내 등록특허 제10-1739369호(2017.05.18.), 반도체 공정 설비용 온도 제어시스템
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 다원 냉동사이클의 각 단계에서 응축기 또는 증발기 역할을 하는 열교환기를 2-플로우(flow)가 아닌 3-플로우 형태로 구현하여 다원 냉동사이클의 각 냉동사이클마다 쿨런트를 추출할 수 있도록 하여 목표로 하는 온도에 가장 가까운 저온 소스를 추출하고 이를 고온 소스와 혼합함으로써 빠른 응답속도를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 전력낭비와 시간지연을 막아 생산성 향상 및 칠러의 고효율화를 달성할 수 있도록 개선된 다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 고온 소스와 혼합될 저온 소스를 만드는 다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템에 있어서; 물이 순환되는 물순환회로와 열교환하는 제1열교환기(102)와, 다원 냉동사이클에 의해 서로 열교환하여 -40℃ ~ -120℃의 냉각온도를 생산하는 제2,3,4열교환기(104,106,108)를 포함하고; 상기 제2,3,4열교환기(104,106,108)는 각각 3개의 유체가 흐를 수 있는 3-플로우 형태이며; 상기 제2,3,4열교환기(104,106,108) 각각에서 선택적으로 인출된 냉각 쿨런트를 직접 저온 소스로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템을 제공한다.
이때, 상기 제2열교환기(104)는 다원 냉동사이클중 하나인 제1냉동사이클(C1)과 제2냉동사이클(C2)이 공유되어 제1냉각온도를 생산하도록 구성되고; 상기 제3열교환기(106)는 다원 냉동사이클중 하나인 제2냉동사이클(C2)과 제3냉동사이클(C3)이 공유되어 제2냉각온도를 생산하도록 구성되며; 상기 제4열교환기(108)는 다원 냉동사이클중 하나인 제3냉동사이클(C3)를 거쳐 제3냉각온도를 생산하도록 구성되고; 상기 제1,2,3냉각온도는 0℃ 보다 낮고, 제1냉각온도＞제2냉각온도＞제3냉각온도의 관계를 갖는 것에도 그 특징이 있다.
또한, 반도체 장비로 보내진 후 회수되어 오는 쿨런트의 아웃렛라인(OUT)은 쿨런트이송펌프(110)를 거쳐 제2,3,4열교환기(104,106,108)의 각 취입단(124,126,128)에 연결되고; 상기 저온 소스의 인렛라인(IN)은 제2,3,4열교환기(104,106,108)의 각 취출단(134,136,138)에 연결되며; 상기 제2열교환기(104)의 취출단(134)에서 인출되어 인렛라인(IN)과 연결되는 제2취출라인(L2)에는 제2조절밸브(V2)가 설치되어 유량의 개도를 조절하도록 구성되고; 상기 제3열교환기(106)의 취출단(136)에서 인출되어 인렛라인(IN)과 연결되는 제3취출라인(L3)에는 제3조절밸브(V3)가 설치되어 유량의 개도를 조절하도록 구성되며; 상기 제4열교환기(108)의 취출단(138)에서 인출되어 인렛라인(IN)과 연결되는 제4취출라인(L4)에는 제4조절밸브(V4)가 설치되어 유량의 개도를 조절하도록 구성된 것에도 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 열교환기를 2-플로우가 아닌 3-플로우 형태로 구현하여 다원 냉동사이클의 각 냉동사이클마다 쿨런트를 추출할 수 있어 효율적인 제어가 가능하다.
둘째, 목표로 하는 온도에 가장 가까운 저온 소스를 추출하고 이를 고온 소스와 혼합함으로써 빠른 응답속도를 구현할 수 있다.
셋째, 전력낭비와 목표온도 도달에 필요한 시간지연을 막을 수 있다.
넷째, 공정 시간(Cycle time)을 절감하여 생산성 향상을 달성할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 장비의 온도 조절 구현 예를 보인 다원 냉동시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 장비의 온도 조절 구현 예를 보인 다원 냉동시스템 구성도이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명은 반도체 생산 공정에서 사용되는 칠러 시스템의 저온 소스를 구현하는데 있다.
특히, 본 발명은 열교환기를 2-플로우가 아닌 3-플로우 형태로 구현하여 다원 냉동사이클의 각 냉동사이클마다 쿨런트를 추출할 수 있어 목표로 하는 온도에 가장 근접한 냉각된 쿨런트를 추출한 후 고온 소스와 혼합하기 때문에 신속하게 목표 온도에 도달하는 특징이 있다.
즉, 매우 빠른 응답 특성을 갖춘 것이 특징이자 효과이다.
보다 구체적으로, 도 2의 예시와 같이, 본 발명에 따른 다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템은 고온 소스와 혼합될 저온 소스를 만드는 시스템에 관한 것이다.
이러한 시스템은 공지된 다원 냉각사이클을 활용하되, 열교환기가 3-플로우(Flow), 즉 3개의 쿨런트가 흐르면서 상호 열교환할 수 있도록 구성된다.
이를 위해, 본 발명은 4개의 열교환기, 즉 제1,2,3,4열교환기(102,104,106,108)를 포함한다.
이때, 제1열교환기(102)는 물이 순환하는 물순환회로와 열교환하도록 구성되는데, 이는 시스템에서 발생된 열을 외부로 방출하기 위함이다.
그리고, 제2열교환기(104)는 다원 냉동사이클중 하나인 제1냉동사이클(C1)과 제2냉동사이클(C2)이 공유된다.
또한, 제3열교환기(106)는 다원 냉동사이클중 하나인 제2냉동사이클(C2)과 제3냉동사이클(C3)이 공유된다.
여기에서, 제1,2,3냉동사이클(C1,C2,C3)는 서로 다른 냉매를 사용하여 열교환시 얻을 수 있는 냉각온도 범위가 서로 다르게 나타나는데, 이를 테면 제2열교환기(104)에서는 -40℃, 제3열교환기(106)에서는 -80℃, 제4열교환기(108)에서는 -120℃의 온도를 얻을 수 있다.
이 상태에서, 반도체 장비로 보내진 후 회수되어 오는 쿨런트의 아웃렛라인(OUT)은 쿨런트이송펌프(110)를 거쳐 제2,3,4열교환기(104,106,108)의 각 취입단(124,126,128)에 연결된다.
그리고, 저온 소스의 인렛라인(IN)은 제2,3,4열교환기(104,106,108)의 각 취출단(134,136,138)에 연결된다.
이 경우, 상기 취입단(124,126,128)과 취출단(134,136,138)은 제2,3,4열교환기(104,106,108)에 형성된 제3-플로우의 양단에 해당한다.
아울러, 제2열교환기(104)의 취출단(134)에서 인출되어 인렛라인(IN)과 연결되는 제2취출라인(L2)에는 제2조절밸브(V2)가 설치되어 유량의 개도를 조절하도록 구성된다.
또한, 제3열교환기(106)의 취출단(136)에서 인출되어 인렛라인(IN)과 연결되는 제3취출라인(L3)에는 제3조절밸브(V3)가 설치되어 유량의 개도를 조절하도록 구성된다.
뿐만 아니라, 제4열교환기(108)의 취출단(138)에서 인출되어 인렛라인(IN)과 연결되는 제4취출라인(L4)에는 제4조절밸브(V4)가 설치되어 유량의 개도를 조절하도록 구성된다.
이렇게 구성하게 되면, 만약 10℃의 온도를 필요로 할 경우, 기존처럼 -120℃의 저온 소스(쿨런트)를 취출한 후 고온 소스와 혼합하여 10℃로 맞추려면 엄청난 전력 낭비가 될 뿐만 아니라, 목표 온도에 도달하는 시간도 오래걸려 응답속도가 낮았지만, 본 발명에서는 10℃에 가장 근접한 -40℃의 저온 소스를 취출하여 고온 소스와 혼합하게 되면 아주 짧은 시간내에 목표 온도를 맞출 수 있게 된다.
이때, 취출하고자 하는 열교환기를 제외한 나머지 열교환기에 연결된 포트의 밸브들은 모두 잠긴다.
예컨대, 상기 예를 가지고 이어 설명한다면, -40℃가 취출되는 제2열교환기(104)의 제2취출밸브(V2)만 개방되고, 나머지 취출밸브, 즉 제3,4취출밸브(V3,V4)는 모두 폐쇄된다.
그러면, -40℃의 저온 소스만 취출하여 공급할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명은 다원 냉동사이클에 의해 만들어지는 3개의 열교환기를 통과한 저온 소스를 원하는 온도범위별, 예를 들자면 -40℃ ~ -120℃ 사이의 필요한 온도를 직접 뽑아 쓸 수 있어 고온 소스와의 혼합에 의한 목표 온도 도달시간을 최소화시키고, 전력 효율도 높이는 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 특정온도로 한정하여 바람직한 실시예로 설명하였지만, 예컨대 경우에 따라서는 고온소스없이도 제2,3,4밸브(V2,V3,V4)의 개폐 조합만으로도 목표온도를 만들어낼 수 있다.
예컨대, 적용범위를 확장한다면, 상기 제2열교환기(104)는 다원 냉동사이클중 하나인 제1냉동사이클(C1)과 제2냉동사이클(C2)이 공유되어 제1냉각온도(Tc1)를 생산하도록 구성되고; 상기 제3열교환기(106)는 다원 냉동사이클중 하나인 제2냉동사이클(C2)과 제3냉동사이클(C3)이 공유되어 제2냉각온도(Tc2)를 생산하도록 구성되며; 상기 제4열교환기(108)는 다원 냉동사이클중 하나인 제3냉동사이클(C3)를 거쳐 제3냉각온도(Tc3)를 생산하도록 구성되고; 상기 제1,2,3냉각온도(Tc1,Tc2,Tc3)는 0℃보다 작고, 제1냉각온도(Tc1)＞제2냉각온도(Tc2)＞제3냉각온도(Tc3)의 관계를 갖는다.
102: 제1열교환기 104: 제2열교환기
106: 제3열교환기 108: 제4열교환기
110: 쿨런트이송펌프

Claims (3)

  1. 고온 소스와 혼합될 저온 소스를 만드는 다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템에 있어서;
    물이 순환되는 물순환회로와 열교환하는 제1열교환기(102)와, 다원 냉동사이클에 의해 서로 열교환하여 -40℃ ~ -120℃의 냉각온도를 생산하는 제2,3,4열교환기(104,106,108)를 포함하고;
    상기 제2,3,4열교환기(104,106,108)는 각각 3개의 유체가 흐를 수 있는 3-플로우형태이며;
    상기 제2,3,4열교환기(104,106,108) 각각에서 선택적으로 인출된 냉각 쿨런트를 직접 저온 소스로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2열교환기(104)는 다원 냉동사이클중 하나인 제1냉동사이클(C1)과 제2냉동사이클(C2)이 공유되어 제1냉각온도를 생산하도록 구성되고;
    상기 제3열교환기(106)는 다원 냉동사이클중 하나인 제2냉동사이클(C2)과 제3냉동사이클(C3)이 공유되어 제2냉각온도를 생산하도록 구성되며;
    상기 제4열교환기(108)는 다원 냉동사이클중 하나인 제3냉동사이클(C3)를 거쳐 제3냉각온도를 생산하도록 구성되고;
    상기 제1,2,3냉각온도는 0℃ 보다 낮고, 제1냉각온도＞제2냉각온도＞제3냉각온도의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    반도체 장비로 보내진 후 회수되어 오는 쿨런트의 아웃렛라인(OUT)은 쿨런트이송펌프(110)를 거쳐 제2,3,4열교환기(104,106,108)의 각 취입단(124,126,128)에 연결되고;
    상기 저온 소스의 인렛라인(IN)은 제2,3,4열교환기(104,106,108)의 각 취출단(134,136,138)에 연결되며;
    상기 제2열교환기(104)의 취출단(134)에서 인출되어 인렛라인(IN)과 연결되는 제2취출라인(L2)에는 제2조절밸브(V2)가 설치되어 유량의 개도를 조절하도록 구성되고;
    상기 제3열교환기(106)의 취출단(136)에서 인출되어 인렛라인(IN)과 연결되는 제3취출라인(L3)에는 제3조절밸브(V3)가 설치되어 유량의 개도를 조절하도록 구성되며;
    상기 제4열교환기(108)의 취출단(138)에서 인출되어 인렛라인(IN)과 연결되는 제4취출라인(L4)에는 제4조절밸브(V4)가 설치되어 유량의 개도를 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 다원 냉동사이클을 이용한 광범위 급속 온도제어 시스템.
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Citations (6)

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