KR20070048946A - 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치 - Google Patents

반도체 공정설비를 위한 칠러 장치 Download PDF

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Abstract

반도체 공정설비, 브라인 인렛, 증발기내 브라인경로, 열교환기, 브라인펌프, 브라인 아웃렛, 및 상기 반도체 공정설비를 순환하는 브라인 경로; 및 압축기, 전자식 팽창밸브, 증발기내 브라인경로와 열교환하는 증발기내 냉매경로 및 압축기를 순환하는 냉매 경로를 포함하며, 전단이 압축기와 연결되고 후단이 증발기의 입력단과 연결되어 전단과 후단의 압력 차이에 의해 작동되어 압축기로부터의 핫가스 냉매를 증발기에 공급하는 핫가스 바이패스 레귤레이터를 포함하는 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치가 개시된다.
브라인, 운전비용, 레이아웃, HBR, 솔레노이드 밸브, 핫가스, 고발열체

Description

반도체 공정설비를 위한 칠러 장치{Chiller apparatus for semiconductor process device}
도 1은 종래의 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치를 나타내는 계통도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 칠러 장치의 계통도이다.
본 발명은 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치에 관한 것이다.
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 CaCl2 와 NaCl의 수용액이 사용된다.
도 1은 종래의 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치를 나타내는 계통도이다.
먼저 냉동사이클로 형성되는 냉매(예를 들어, 프레온 가스)의 순환경로를 보면 다음과 같다.
(1) 압축기(10)에서 압축된 냉매는 응축기(11)에서 응축과정을 수행한 후,
(2) 온도식 팽창밸브(12, TEV)에서 팽창을 수행한 후, 증발기(13)의 냉매경로를 통해서 열교환되며,
(3) 액분리기(15)와 흡입압력 조절기(16)를 거쳐 다시 압축기(10)로 유입되는 과정을 반복하게 된다.
또한, 냉각유체(브라인)의 순환경로를 보면 다음과 같다.
(1) 반도체 공정용설비(20)를 빠져나온 브라인은 브라인 인렛(21)을 통하여 증발기(13)의 브라인 경로로 유입되어 냉매경로와의 열교환을 수행한 후,
(2) 브라인 히터(22)에서 가열되고,
(3) 브라인 펌프(23)와 브라인 아웃렛(24)을 통하여 다시 반도체공정용 설비(20)로 유입되는 경로를 형성한다.
그러나, 이와 같은 종래의 칠러 장치에 의하면 여러 가지의 문제점이 있다.
먼저, 냉동시스템에서 위치 a와 위치 b 사이의 온도차이, 즉 과열도를 감지하여 기계적으로 작동하는 온도식 팽창밸브를 사용함으로써 브라인에 부가되거나 제거되는 부하에 대한 응답성이 느려 온도편차가 발생한다는 문제점이 있다.
또한, 브라인의 온도상승과 유지를 위해서 브라인 히터(22)를 사용함으로써 과도한 운전전류 및 운전비용이 소요된다는 문제점이 있다.
또한, 브라인의 온도 및 부하조건에 따라 다름으로 인해서 증발기 출구단에서 압축기로 유입되는 냉매의 상태를 안정화, 즉 기체상태의 유지와 압력유지를 위하여 액분리기(15)와 흡입압력 조절기(16)를 사용함으로써 소요부품의 수량이 증가되었다.
따라서, 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제시되는 것으로, 본 발명의 목적은 히터를 제거하여 운전비용을 절감할 수 있는 칠러 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 적용되는 소요 부품의 개수를 줄일 수 있는 칠러 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적과 특징 및 이점은 이하에 서술되는 실시예로부터 명확하게 이해될 것이다.
본 발명에 따르면, 반도체 공정설비, 브라인 인렛, 증발기내 브라인경로, 열교환기, 브라인펌프, 브라인 아웃렛, 및 상기 반도체 공정설비를 순환하는 브라인 경로; 및 압축기, 전자식 팽창밸브, 증발기내 브라인경로와 열교환하는 증발기내 냉매경로 및 압축기를 순환하는 냉매 경로를 포함하며, 전단이 압축기와 연결되고 후단이 증발기의 입력단과 연결되어 전단과 후단의 압력 차이에 의해 작동되어 압축기로부터의 핫가스 냉매를 증발기에 공급하는 핫가스 바이패스 레귤레이터를 포 함하는 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치가 개시된다.
바람직하게, 핫가스 바이패스 레귤레이터와 병렬로 연결되어 압축기와 증발기 입구단 사이에 설치되어 제어 프로그램에 의해 브라인의 설정온도를 기준으로 브라인의 현재 온도에 따라 개방되거나 폐쇄되는 솔레노이드 밸브를 더 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게, 솔레노이드 밸브는, 평상시 폐쇄되어 있고, 브라인의 현재 온도가 브라인의 설정온도보다 낮은 경우 개방되며, 시간에 경과에 따라 브라인의 현재 온도가 브라인의 설정온도와 같아지는 경우 폐쇄된다.
또한, 전자식 팽창밸브는 브라인 경로 상의 브라인의 온도를 피드백 받아 브라인의 설정온도와 비교하여 그 개도를 PID 제어에 의해 조정한다.
바람직하게, 전자식 팽창밸브는 디지털화된 전기적 신호를 입력받아 스텝퍼 구동방식으로 0 내지 N 단계로 개도가 변화되는 밸브일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 칠러 장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 칠러 장치의 계통도이다.
브라인 경로
브라인 경로는 반도체 공정설비(200) -> 브라인 인렛(210) -> 증발기(130)내 브라인경로 -> 브라인펌프(220) -> 브라인 아웃렛(230) -> 반도체 공정설비(200)가 순서대로 연결되어 폐회로를 구성한다.
여기서, 반도체 공정설비(200)의 내부 챔버는 브라인에 의해 일정한 온도로 유지되며, 브라인 인렛(210)의 위치 A 또는 브라인 아웃렛(230)의 위치 B 또는 C 중 어느 하나가 온도기준점이 된다.
냉매경로
압축기(100)에서 압축된 냉매는 응축기(110)에서 응축과정을 수행한 후 전자식 팽창밸브(120, EEV)에서 팽창을 수행한 다음, 증발기(130)의 냉매경로를 통해서 브라운경로와 열교환되며, 이후 다시 압축기(100)로 유입되는 과정을 반복하게 된다.
이때, 전자식 팽창밸브(120)는 브라인 경로 상의 특정 위치 A, B 또는 C의 온도를 피드백 받아 PID 제어를 통해 그 개도(Open Degree)를 조절한다.
이러한 구성에 의하면, 전자식 팽창밸브(120)의 원활한 개도 조절기능을 활용함으로써 종래 온도식 팽창밸브를 사용하여 야기되었던 부하응답성이 느리거나 저하되는 것을 개선하여 브라인에 부가되는 부하에 대해 신속하게 대응함으로써 브라인 온도의 안정화를 꾀할 수 있다.
또한, 전자식 팽창밸브의 종래 브라인 온도의 변화나 부하응답에 대응하기 위해 온도식 팽창밸브의 개도를 수동으로 조절하는 번거로움을 개선할 수 있다.
압축기에서 압축된 냉매는 상술한 바와 같이 응축기로 유입되는 하나의 경로 이외에 다른 경로를 통하여 증발기(130)로 유입될 수 있다.
즉, 핫가스 바이패스 레귤레이터(140)(Hot gas Bypass Regulator, 이하 HBR) 를 통하여 증발기(130)의 냉매경로의 입구부로 유입되는 경로를 형성한다. 또한, HBR(140)을 통한 냉매 유입에 보조적으로 솔레노이드 밸브(150)를 통한 냉매 유입이 적용된다.
이러한 구성에 의하면, 종래 브라인의 온도 상승 및 유지를 위하여 필요하였던 히터를 제거할 수 있어 칠러에서의 고온 발열의 위험성을 제거할 수 있고, 칠러의 운전비용을 절감할 수 있다.
증발기(130)의 내부에는 냉매 경로와 브라인 경로가 서로 열교환을 할 수 있는 구조로 형성되어 있다. 이 두 유체경로가 열교환됨으로써 상기한 위치 A, B 또는 C에서 온도가 일정하게 유지된다. 물론 두 유체경로는 경로 간의 열교환이지, 두 유체 자체가 혼합되는 것은 아니다.
이하, 본 발명에 의한 동작에 대해 설명한다.
전자식 팽창밸브(120)의 동작
상기한 바와 같이, 전자식 팽창밸브(120)는 브라인 경로 상의 특정 위치 A, B 또는 C의 온도를 피드백 받아 PID 제어를 통해 그 개도(Open Degree)를 조절한다.
예를 들어, 브라인의 특정 위치 A, B 또는 C의 설정온도를 20℃로 했을 때, 현재의 브라인온도가 설정온도인 20℃보다 높을 경우, 다시 말해 브라인에 열적 부하가 가해질 경우, 전자식 팽창밸브(120)는 이를 피드백 받아 PID 제어에 의해 그 개도를 증가시킴으로써 증발기(130)로 유입되는 저온의 액체냉매량을 늘리게 되어 이와 열교환되는 브라인의 온도를 낮추게 된다.
반대로, 현재의 브라인온도가 설정온도인 20℃보다 낮을 경우, 다시 말해 브라인에 열적 부하가 줄거나 제거된 경우 전자식 팽창밸브(120)는 이를 피드백 받아 PID 제어에 의해 그 개도를 줄이게 되어 증발기(130)로 유입되는 저온의 액체냉매량을 줄임으로써 이와 열교환되는 브라인의 온도를 올리게 된다.
바람직하게, 본 발명에 적용되는 전자식 팽창밸브(120)는 디지털화된 전기적 신호를 입력받아 스텝퍼 구동방식으로 0 내지 N 단계로 개도를 변화시키는 밸브일 수 있다.
HBR (140)의 동작
HBR(140)은 그 전단과 후단의 압력 차이에 의해서 작동되는 밸브이다.
예를 들어, HBR(140)의 설정압력이 3bar이고, 증발기 입구의 압력이 2.5bar인 경우에는 0.5bar의 차압이 발생하며, 이에 해당하는 냉매량이 압축기(100)에서 HBR(140)을 통해서 증발기 입구측으로 유입된다. 또한, HBR의 설정압력이 3bar이고, 증발기 입구의 압력이 0.5bar인 경우에는 2.5bar의 차압이 발생하며 이에 해당하는 냉매량이 압축기(100)에서 HBR(140)을 통해서 증발기 입구측으로 유입된다.
이를 실제 적용한 경우를 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
브라인 경로 상의 특정 위치 A, B 또는 C의 설정온도를 20℃로 했을 때, 현재의 브라인 온도가 설정온도인 20℃보다 높을 경우, 환언하면, 브라인에 열적 부하가 가해질 경우, 브라인과 열교환되는 증발기(130)내 냉매의 증발압력은 상승하게 되며, 이로 인해서 HBR(140)의 설정압력과 증발압력간의 차압이 줄어든다.
이에 대응하여, 압축기(100)에서 압축되어 HBR(100)로 유입되어 증발기(130) 의 입구으로 들어가는 고온의 핫가스의 양이 줄어들며, 이는 브라인을 가열시키는 가열능력이 감소됨을 의미하는 것으로, 브라인의 온도는 낮아지게 된다.
반대로, 현재의 브라인 온도가 설정온도인 20℃보다 낮을 경우, 환언하면, 브라인에 열적 부하가 줄거나 제거된 경우, 브라인과 열교환되는 증발기(130)내 냉매의 증발압력은 하강하게 되며, 이로 인해서 HBR(140)의 설정압력과 증발압력간의 차압이 늘어난다.
이에 대응하여, 압축기(100)에서 압축되어 HBR(140)로 유입되어 증발기(130)의 입구로 들어가는 고온의 핫가스의 양이 늘어나며, 이는 브라인을 가열시키는 가열능력이 증가함을 의미하는 것으로, 브라인의 온도는 높아지게 된다.
이와 같은 전자식 팽창밸브(120)와 HBR(140) 및 선택적으로 솔레노이드 밸브(150)를 이용하여 브라인의 설정온도를 조정하는 방법에 대해 설명한다.
설정온도를 상승하는 경우
설정온도를 상승시킬 때에는 전자식 팽창밸브(120)는 PID 제어에 의해서 그 개도를 0으로 줄이게 되고, 따라서 냉동사이클은 압축기(100) -> HBR(140) -> 증발기(130)내 냉매경로 -> 압축기(100)의 경로로 순환하게 된다.
이때, HBR(140)을 통한 증발기(130)로의 냉매 유동(flow)은 온도 상승 초기에서는 HBR(140) 전후의 차압에 의해서 이루어지게 되지만, 계속적으로 HBR(140)로 냉매가 유입되어 증발기(130) 입구의 압력이 HBR(140)의 설정압력을 넘어서게 되는 경우, HBR(140) 전후단의 차압에 의해서 냉매 유동이 생기는 것이 아니라, 압축기(100)의 흡입측에서 냉매를 흡입하는 과정에서 발생하는 흡입력에 의해서 HBR(140) 의 전단에서 후단으로의 냉매 유동이 생겨 증발기(130)로 유입되며, 브라인은 증발기(130)내에서 이 핫가스와 열교환을 수행하여 온도가 상승하게 된다.
한편, 이러한 방법으로 온도를 상승시키는 경우에는 온도상승이 원활히 수행되나 상승시간이 더디기 때문에 목표로 하는 설정온도로 빠르게 온도를 올리기 위해서는 증발기(130)로 유입되는 핫가스의 양을 더 많이 늘려주어야 할 필요가 있다.
이를 구현하기 위하여 냉동사이클은 압축기(100)와 증발기(130)의 전단을 연결하는 보조라인 상에 설치한 솔레노이드 밸브(150)를 개방하여 압축기(100)에서 토출된 핫가스를 솔레노이드 밸브(150)를 통하여 증발기(130)로 보내줌으로써 증발기(130)에서의 핫가스의 양이 늘어나게 되어 브라인의 온도를 빠르게 상승시킬 수 있다.
솔레노이드 밸브(150)는 평상시에는 닫혀져 있는 상태(Normal Close Type)로, 브라인의 설정온도를 기준으로 개방 여부를 판정하도록 제어 프로그램을 제작할 수 있다.
예를 들어, 브라인 설정온도에 대비하여 현재온도가 10℃ 이상 낮을 경우 개방하도록 하고, 솔레노이드 밸브(150)가 개방된 이후, 브라인 설정온도와 현재온도가 일치될 때 솔레노이드 밸브(150)를 폐쇄하도록 할 수 있다.
이에 따라, 브라인의 설정온도가 40℃이고, 브라인의 현재의 온도가 20℃이면 솔레노이드 밸브(150)의 개방조건을 만족하여 솔레노이드 밸브(150)는 개방되며 이로써 온도는 20℃에서 출발하여 계속 상승을 하여 40℃에 도달하게 되면, 이때 솔레노이드 밸브(150)는 폐쇄조건을 만족하여 닫히게 되며 핫가스는 HBR(140)을 통해서만 증발기(130)로 공급된다.
설정온도를 하강하는 경우
설정온도를 하강시킬 때, 전자식 팽창밸브(120)는 PID 제어에 의해서 그 개도를 늘리게 되고, 냉동사이클은 압축기(100) -> 응축기(110) -> 전자식 팽창밸브(120) -> 증발기(130) -> 압축기(100)로 이루어지는 냉매 경로와, 압축기(100) -> HBR(140) -> 증발기(130) -> 압축기(100)로 이루어지는 냉매 경로가 동시에 형성된다.
그러나, 설정온도를 하강시키는 과정에서는 전자식 팽창밸브(120)가 순간적으로 많이 열려서 증발기(130)로 유입될 때의 냉매의 압력, 즉 증발기(130)에서의 압력은 HBR(140)의 설정압력 이상이 되며, 이러한 상태에서는 압축기(100)에서 HBR(140)을 통해 증발기(130)로 유입되는 핫가스 냉매는 차단되어 브라인의 온도는 계속적으로 하강된다.
이 과정에서 증발기(130) 내의 압력도 서서히 낮아지게 되며, 증발기(130)의 압력이 HBR(140)의 설정압력 이하로 낮아지게 되면 HBR(140)의 설정압력과 증발기(130)의 압력 사이에 차압이 발생하게 되며, 이에 따라 HBR(140)을 통해서 핫가스의 냉매가 서서히 유입됨으로써 브라인의 온도는 목표로 하는 설정온도로 고정된다.
설정온도를 유지하는 경우
상기한 전자식 팽창밸브(120)의 냉각 역할과 HBR(140)의 가열 역할을 적절하 게 제어하고 동작시킴으로써 칠러에서 얻고자 하는 브라인의 설정온도를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 브라인의 설정온도를 특정 온도대역이 아닌 넓은 대역에서까지 온도제어를 수행할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경과 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범주는 상기한 실시예에 한정되어서는 안 되며 이하에 기술되는 청구범위에 의해 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 여러 가지의 효과를 갖는다.
먼저, 브라인 경로 상에 히터를 적용하지 않고도 핫가스 바이패스 레귤레이터를 적용함으로써 브라인의 온도를 고온(80℃ 내지 100℃)으로 상승시킬 수 있고, 고발열체인 히터를 제거함으로써 제품 안정성을 확보할 수 있고, 운전비용을 종래보다 50% 정도 절감할 수 있다.
또한, 온도식 팽창밸브를 전자식 팽창밸브로 대체함으로써, 종래 온도식 팽창밸브를 사용하여 야기되었던 부하응답성이 느리거나 저하되는 것을 개선하여 브라인에 부가되는 부하에 대해 신속하게 대응함으로써 브라인 온도의 안정화를 꾀할 수 있다.
더욱이, 온도식 팽창밸브의 개도를 드라이버나 렌치를 사용하여 수동으로 조절하는 번거로움을 개선함으로써, 사용의 편리성을 증진시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 반도체 공정설비, 브라인 인렛, 증발기내 브라인경로, 열교환기, 브라인펌프, 브라인 아웃렛, 및 상기 반도체 공정설비를 순환하는 브라인 경로; 및
    압축기, 전자식 팽창밸브, 상기 증발기내 브라인경로와 열교환하는 증발기내 냉매경로 및 상기 압축기를 순환하는 냉매 경로를 포함하며,
    전단이 상기 압축기와 연결되고 후단이 상기 증발기의 입력단과 연결되어 상기 전단과 후단의 압력 차이에 의해 작동되어 상기 압축기로부터의 핫가스 냉매를 상기 증발기에 공급하는 핫가스 바이패스 레귤레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 핫가스 바이패스 레귤레이터와 병렬로 연결되어 상기 압축기와 상기 증발기 입구단 사이에 설치되어 제어 프로그램에 의해 상기 브라인의 설정온도를 기준으로 상기 브라인의 현재 온도에 따라 개방되거나 폐쇄되는 솔레노이드 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 솔레노이드 밸브는, 평상시 폐쇄되어 있고, 상기 브라인의 현재 온도가 상기 브라인의 설정온도보다 낮은 경우 개방되며, 시간에 경과에 따라 상기 브라인 의 현재 온도가 상기 브라인의 설정온도와 같아지는 경우 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 전자식 팽창밸브는 상기 브라인 경로 상의 브라인의 온도를 피드백 받아 상기 브라인의 설정온도와 비교하여 그 개도를 PID 제어에 의해 조정하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자식 팽창밸브는 디지털화된 전기적 신호를 입력받아 스텝퍼 구동방식으로 0 내지 N 단계로 개도가 변화되는 밸브인 것을 특징으로 하는 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치.
KR1020050106055A 2005-11-07 2005-11-07 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치 KR100725720B1 (ko)

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