KR20090046776A - 온도 제어 방법 - Google Patents

온도 제어 방법

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KR20090046776A
KR20090046776A KR1020097000407A KR20097000407A KR20090046776A KR 20090046776 A KR20090046776 A KR 20090046776A KR 1020097000407 A KR1020097000407 A KR 1020097000407A KR 20097000407 A KR20097000407 A KR 20097000407A KR 20090046776 A KR20090046776 A KR 20090046776A
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KR1020097000407A
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지밍 탄
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에드워즈 배큠 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 방법은 반도체 공정과 같은 공정에 공급되는 냉매의 온도를 제어하기 위한 방법이다. 상기 방법은 냉매를 미리 정해진 온도로 냉각시키고, 상기 냉매를 미리 정해진 온도로 제어하고, 상기 냉매를 반도체 공정으로 제공한다. 상기 방법은 정상 상태 조건하에서 약 ±0.1℃ 이내로 그리고 최대 열 인가 및 제거 조건하에서 약 ±0.75℃ 이내로 온도를 제어하기 위해 피드백 및 피드-포워드 제어 알고리즘을 포함한다. 본 발명은 어떤 종류의 유체나 구성부품에 대한 온도 제어 용도(예, 반도체, 제약 또는 식품 용도)에 사용될 수 있다.

Description

온도 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING TEMPERATURE}
본 발명은 공정에 공급되는 냉매의 온도를 제어하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 냉매를 미리 정해진 온도로 냉각시키고, 상기 냉매를 미리 정해진 온도로 제어하고, 상기 냉매를 반도체 공정으로 전달하는 방법에 관한 것이다.
공정 유체 및 구성부품의 온도를 제어하기 위해 여러 분야의 산업에 냉각기가 사용된다. 예를 들면, 반도체 산업에서 전형적인 웨이퍼 처리 단계는 일련의 열 인가 및 제거 과정을 포함하며, 정전 척, 석영 창(quartz window) 및 챔버 벽의 온도를 제어하기 위해 냉각기가 사용된다.
반도체 공정에 제공되는 냉매의 온도를 제어하기 위한 공지된 냉각기로는 BOC Edwards사의 TCU 40/80 및 TCU 40/80+가 있다. TCU 40/80 냉각기는 반도체 공정 도구로 공급되는 냉매의 온도를 미리 정해진 설정 온도로 유지하기 위해 피드백 제어를 이용한다. TCU 40/80 냉각기는 공정 도구로부터 열을 제거하기 위한 냉매 루프와, 상기 냉매 루프로부터 열을 제거하기 위한 냉각 루프와, 상기 냉각 루프로부터 열을 제거하기 위한 냉각수 루프를 포함한다. TCU 40/80 냉각기는 상기 공정 도구로 공급되는 냉매의 온도를 측정하고, 측정된 냉매 온도와 미리 정해진 설정 온도 간의 차이를 비교하고, 상기 냉매의 유량을 조정하기 위해 상기 냉각 루프 내의 확장 밸브로 신호를 전송하는 것에 의한 표준 피드백 방법을 사용하여 동작한다.
TCU 40/80 및 TCU 40/80+ 냉각기는 정상 상태하에서 약 ±1℃로까지 그리고 최대 열 인가 및 제거하에서 약 ±1.5℃로까지 냉매 온도를 제어할 수 있지만, 이들 냉각기는 주목할 만한 온도의 초과 제어, 온도 변동, 점진적인 성능 저하, 또는 특히 공정에 의한 동적 열 인가 및 제거 중의 제어 손실 등의 문제를 가진다. 따라서, 공정에 제공되는 냉매의 온도를 제어하고, 상기 공정으로부터 얻어지는 동적 열 인가 및 제거(열 변화)에 신속 반응하는 개선된 방법에 대한 요구가 존재한다.
발명의 요약
본 발명은 공정 온도 제어 방법을 제공하며, 이 방법은, 냉매를 증발기로부터 공정으로 공급하는 단계와, 상기 공정에 공급되는 냉매의 온도를 측정하는 단계와, 냉매 공급 온도와 냉매 공급 온도 설정점 간의 차이를 결정하는 단계와, 상기 증발기를 통해 냉각제를 유동시키는 것에 의해 상기 냉매로부터 열을 제거하는 단계와, 상기 공정으로부터 복귀하는 냉매의 온도를 측정하는 단계와, 측정된 냉매 공급 온도와 측정된 냉매 복귀 온도로부터 지수 가중 이동 평균 차이(differential exponentially weighted moving averaged, DEWMA)를 계산하는 단계와, 상기 DEWMA를 미리 정해진 로직 룰에 비교하는 것에 의해 열 변화 상태를 결정하는 단계와, 상기 열 변화 상태를 기초로 상기 공정으로부터 복귀하는 냉매의 온도를 예측하는 단계와, 상기 예측된 온도를 기초로 냉각제의 유량을 조정하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략적 도면이다.
도 2는 열 인가 및 제거 공정을 도시한다.
도 3은 측정원 신호와 비교한 지수 가중 이동 평균을 도시한다.
도 4는 선형 삽입법을 이용한 확률 함수로서 지수 가중 이동 평균 차이를 도시한다.
도 5는 비선형 삽입법을 이용한 확률 함수로서 지수 가중 이동 평균 차이를 도시한다.
도 6은 본 발명의 성능을 나타내는 실험적 데이터이다.
본 발명은 공정의 온도를 제어하기 위한 방법을 제공한다. 보다 상세하게, 본 발명은 공정 내에서 작동하는 유체 또는 구성부품의 온도를 제어하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 정상 상태 조건하에서 약 ±0.1℃ 이내로 그리고 최대 열 인가 및 제거 조건하에서 약 ±0.75℃ 이내로 온도를 제어하기 위해 피드백 및 피드-포워드 제어 알고리즘을 포함한다. 본 발명은 실질적으로 어떤 종류의 유체나 구성부품에 대한 온도 제어 용도(예, 반도체, 제약 또는 식품 용도)에 사용될 수 있지만, 본 발명은 반도체 제조시 반도체 공정 구성부품의 냉매 온도 제어에 적용되는 것으로서 본 명세서에 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 냉각기(100)의 일 실시예를 개략적으로 나타낸다. 냉각기(100)의 열 압축 사이클은 제어 시스템에 의해 그 동작이 제어되는 3개의 루프, 즉 냉매 루프(102), 냉각제 루프(104) 및 수 냉각 루프(106)를 포함한다. 냉매 루프(102)의 목적은 냉매를 특정 유량(118)과 온도(116)로 공정(108)에 공급하는 것이다. 전형적으로, 냉매 유량(118)은 제어 시스템에 의해 직접 제어되지 않는다. 냉매 공급 온도(116)의 제어는 제어 시스템의 목적이며 본 발명에서 핵심 사항이다.
냉매 루프(102)는 냉매 히터(111)를 갖는 냉매 저장소(110), 펌프(112), 증발기(120)의 고온측(warm side) 및 냉매 복귀 온도(Tcr), 냉매공급 온도(Tcs) 및 냉매 유량(Fc) 각각을 측정하기 위한 센서(114, 116, 118)를 갖는 다수의 태핑 포인트를 포함한다. 냉매 루프(102)는 예컨대 비전도성 과불화탄소와 같은 냉매를 반도체 공정(108)으로 공급하고, 상기 루프(102)는 증발기(120)의 고온측을 통과하면서 상기 반도체 공정(108)으로부터 얻어진 열을 제거한다. 냉매 루프(108)는 상기 공정(108) 내의 구성부품 또는 유체의 온도를 제어하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 냉매 루프(102)는 반도체 장치를 통과하면서 정전 척, 석영 창 또는 챔버 벽의 온도를 유지하거나 조정할 수 있다. 냉매 루프(102)는 폐쇄 루프이므로, 냉매는 증발기(120)의 고온측으로부터 공정(108)으로 연속 유동하고, 공정(122)으로부터 복귀하며, 저장소(110), 히터(111) 및 순환 펌프(112)를 통과한 후 다시 증발기(120)의 고온측으로 유동한다.
냉각제 루프(104)는 냉매로부터 열을 제거하고 냉매로부터의 열 제거 속도를 제어하도록 동작한다. 증발기(120) 이외에, 냉각제 루프(104)는 압축기(124), 응축기(126), 조정 가능한 냉각제 밸브(130)를 갖는 주 냉각제 라인(128), 고온 가스 바이패스 밸브(134)를 갖는 조정 가능한 고온 가스 바이패스 라인(132)을 포함한다. 상기 냉각제 루프(104)는 증발 온도(Tre), 증발 압력(Pre) 및 응축 압력(Prc) 각각을 측정하는 센서(136, 138, 140)를 갖는 태핑 포인트 역시 포함할 수 있다. 상기 센서(136, 138, 140)는 압축기(124)가 적절한 조건하에서 동작하고 있음을 보장하는데 주로 사용된다. 냉매 루프(102)와 마찬가지로, 냉각제 루프는 폐쇄 루프이므로, 냉각제는 압축기(124, 응축기(126)의 고온측, 액체 팽창 밸브(130) 및 증발기(120)의 저온측을 통해 연속 유동한다. 냉각제는 증발기(120)의 저온측을 기체 상태로서 빠져 나간다. 상기 기체는 압축된 후, 압축된 고온 가스로서 고온 가스 바이패스 라인(132)을 통해 증발기(120)로 유동하거나, 응축기(126)를 통해 유동하며, 응축기에서는 응축되어 증발기(120)로 복귀하는 압축된 고온 가스가 수 냉각 루프(106)에 의해 열이 제거된다.
냉각수 루프(106)는 응축기(126)를 통과하는 냉각제의 열을 제거하도록 동작한다. 응축기(126) 이외에, 냉각수 루프(106)는 조정 가능한 냉각수 제어 밸브(142), 냉각수 공급부(148), 냉각수 복귀부(150) 및 냉각수 공급 온도(Tcws)와 냉각수 복귀 온도(Tcwr) 각각을 측정하는 센서(144, 146)를 갖는 태핑 포인트를 포함한다. 작동중, 냉각수는 냉각수 제어 밸브(142)와 압축기(126)의 저온측을 통해 재순환하여 냉각제로부터 열을 제거한다.
전형적인 열 압축 사이클에서, 제1의 낮은 증발 압력(138)과 온도(136)로 증발기(120)를 빠져 나가는 냉각제는 압축기(124)를 통해 유동하여 보다 높은 응축 압력(140)에 도달한다. 고온 기체는 이후 응축기(126)에서 응축되고, 응축기에서는 냉각수 루프(106)에 의해 응축 열이 방산된다. 응축된 냉각제는 응축기(126)의 고온측을 빠져 나가 증발기(120)의 저온측으로 들어가며, 그곳에서 복귀 냉매(122)로부터 열을 흡수하여 증발 압력(138)에 대응하는 온도에서 다시 한번 증발된다. 냉매 복귀 온도(114)에 따라, 냉매의 냉각에 필요한 냉각제의 양은 액체 팽창 밸브(130)와 고온 가스 바이패스 밸브(134)에 의해 제어된다.
본 발명의 방법은 냉매 공급 온도(116)를 사용자가 정한 설정 포인트로 유지하고, 공정(108)으로부터 열 인가 및 제거 발생시 온도를 조정함에 있어서 빠른 응답을 제공하도록 피드백 및 피드-포워드 제어 방법을 포함한다. 제어 시스템의 피드백의 목적은 액체 팽창 밸브(130)와 고온 바이패스 밸브(134)를 일정하게 조정하는 것에 의해 제어되는 일정한 냉매 공급 온도(116)를 유지하는 것이다. 액체 팽창 밸브(130)가 더욱 개방되면(즉, 오리피스 크기가 증가하면), 추가의 냉각제가 증발기(120)의 저온측을 통해 유동하며, 그에 따라 냉매로부터 더 많은 열이 제거된다. 결국, 냉매 공급 온도(116)는 감소한다. 이에 비해, 고온 가스 바이패스 밸브(134)가 더욱 개방되면, 추가의 고온 가스가 증발기(120)의 저온측을 통해 유동하고, 증발기(120)의 냉각 능력은 그에 따라 감소되어 냉매로부터 보다 적은 열이 제거된다. 결국, 냉매 공급 온도(116)는 증가한다. 따라서, 냉매 공급 온도(116)는 액체 팽창 밸브(130)와 고온 가스 바이패스 밸브(134)의 자세(즉, 오리피스의 크기)를 균형잡는 것에 의해 제어된다. 예를 들면, 냉매 공급 온도(116)가 사용자 정의된 설정 포인트(Tsp) 보다 높으면, 제어 시스템은 액체 팽창 밸브(130)를 더 개방시키고 고온 가스 바이패스 밸브(134)를 덜 개방시키는 명령을 한다. 분명하게, 상기 설정 포인트는 인간-기계 간 인터페이스(HMI)를 통해 언제든 사용자에 의해 또는 다른 소정의 전자 입력에 의해 변경될 수 있다.
공정이 불특정 양의 열 이득 또는 열 손실을 수반하는 일련의 열 인가 및 제거 단계를 포함하는 경우, 제어 시스템은 피드-포워드 방법 외에 전술한 피드백 제어 방법을 이용한다. 도 2는 냉매 복귀 온도(114)가 시간의 함수로서 그래프화된 전형적인 열 변화(즉 열 인가 및 제거) 공정을 나타낸다. 냉매 공급 온도(116)는 열 인가 및 제거를 나타내는 좋은 척도가 아닌데, 이는 그 온도가 사용자 정의된 설정 포인트로 제어되기 때문이다. 도 2에 도시된 열 변화 공정은 상태 1, 상태 2, 상태 3로 설명될 수 있다. 상태 1에서, 냉매 복귀 온도(114)는 냉매가 공정(108)으로부터 열 인가 과정을 겪음에 따라 소정 속도(상태 1의 라인의 기울기)로 증가한다. 따라서, 상태 1은 상기 온도(114)가 시간의 함수로서 증가하는 상태를 나타낸다. 열 인가가 계속되는 동안, 냉매 복귀 온도(114)는 결국 상태 2의 시작을 지시하는 정상 상태 값에 도달할 것이다. 따라서, 상태 2는 냉매 복귀 온도(114)의 정상 상태 조건을 나타낸다. 상태 3은 인가된 열이 제거되고 냉매 복귀 온도(114)가 소정 속도(즉, 상태 3의 라인의 기울기)로 감소되는 경우의 공정을 나타낸다. 상태 3은 상기 온도(114)가 시간의 함수로서 감소하는 경우의 상태를 나타낸다. 상태 3은 열 제거 공정이 새로운 정상 상태 온도에 도달하고 상태 2가 재개하는 경우를 종결시킨다. 도 2는 열 인가 및 제거 공정을 단순히 나타낸 것이다. 분명히, 열 인가 및 제거 시퀀스는 공정(108) 또는 사용자의 요구 조건에 따라 변화될 수 있다. 예를 들면, 상기 공정(108)은 상태 1이 재개되도록 상태 2의 말미에 추가적인 열 인가를 적용할 수 있다.
본 발명은 열 인가의 변화를 신속 검출하는 새로운 방법을 더 포함한다. 열 인가 속도에 따라, 제어 시스템은 제어 변수를 조정하고 일정한 냉매 복귀 온도(114)를 획득하는 다양한 기법을 채용한다.
종래 기술의 온도 제어 시스템은 통상 수동적인 피드백 제어를 이용함으로써 냉각제 흐름은 냉매 공급 온도와 냉매 온도 설정 포인트 사이의 에러에 응답하여 조절된다. 그러나, 열 인가 및 제거(증발기 상류에서 발생)로부터 야기되는 냉매 온도의 실제 증가와 측정된 냉매 공급 온도(증발기 하류측에서 측정됨) 사이에 시간 지연(즉, 시간 지체)이 존재하므로, 냉매 공급 온도와 온도 설정 포인트 사이의 에러는 시스템이 냉매 공급 온도의 제어를 느슨하게 하는 경우에만 검출된다. 따라서, 제어 시스템은 냉매 공급 온도의 과도한 초과 제어나 미달 제어를 야기한다. 본 발명은 열 인가 및 제거 상태(즉, 상태 1 및 상태 3)를 신속 정확하게 검출하고, 냉각제 온도와 유량을 제어 손실이 생기기 전의 공정 요구(108)에 맞도록 조정하는 것으로 이들 변화에 응답하는 것에 의해 상기의 문제점을 극복한다.
열 인가 및 제거 상태를 검출하기 위해, 본 발명의 제어 시스템은 소스 온도 신호가 상승, 하강 또는 일정하게 유지되는지 여부를 연속 모니터링한다. 소스 온도 신호는 냉매 복귀 온도(114), 냉매 복귀 온도(114)와 냉매 공급 온도(116) 사이의 차이, 또는 이들 신호 중 어느 것의 변화의 속도일 수 있다. 상기 방법이 효과적이고 정확해지기 위해서는 소스 신호로부터 측정 불확실성 또는 노이즈가 제거되어야 한다.
노이즈 신호에서 측정 불확실성 또는 노이즈를 제거하기 위해, 본 발명의 방법은 지수 가중 이동 평균(exponentially weighted moving average, EWMA)을 이용한다. 신호 S의 경우, 시간 t에서의 EWMA는 시간에 대해 회귀적으로 다음의 수학식을 적용하는 것에 의해 정의된다,
여기서, t0는 신호(S)가 사전 스캔시의 시간이고, w는 가중 인자 또는 0과 1 사이의 필터 상수(포괄적)이다.
상기 EWMA는 필터 상수(즉, 가중 인자 w)에 크게 의존한다. 도 3은 2개의 필터 상수, 큰 필터에 대응하는 느린 추종 EWMA(slow following EWMA, SEWMA), 작은 필터에 대응하는 빠른 추종 EWMA(fast following EWMA, FEWMA)(예시를 목적으로 라인 간 그래프는 과장될 수 있음)를 갖는 2개의 EWMA를 도시한다. FEWMA 라인은 SEWMA 라인보다 원시 신호에 가깝다. 소스 신호가 증가하면(예, 냉매 복귀 온도(114)가 열 인가에 기인하여 증가하면), 빠르고 느린 EWMA 라인은 발산하기 시작하고, 빠른 EWMA 라인은 느린 EWMA 라인 위에 위치한다. 반대로, 소스 신호가 감소하면(즉, 냉매 복귀 온도(114)가 열 제거에 기인하여 감소하면), 빠르고 느린 EWMA 라인은 발산하기 시작하고 FEWMA 라인이 SEWMA 라인보다 아래에 위치한다. 소스 신호가 정상 상태 값에 도달하면, 빠르고 느린 이동 EWMA 라인은 수렴하기 시작한다.
빠른 EWMA를 위한 필터 상수(w)가 0으로 설정될 때, 빠른 EWMA는 소스 신호 자체가 됨에 유의하여야 한다. 따라서, 열 인가 또는 제거는 SEWMA와 신호 자체 만을 사용하여 검출될 수 있다. 열 변화는 개별 EWMA의 기울기(즉, 변화 속도)를 결정하는 것에 의해서 결정될 수도 있다. 예를 들면, 기울기가 양의 값을 가지면, 열은 인가된다. EWMA의 기울기는 신호가 얼마나 빠리 변화되는지를 나타내기도 한다.
EWMA가 소스 신호의 필터링을 위한 바람직한 방법이지만, 당업자들은 소스 신호를 검출하고 이동 성향을 검출하는 다른 방법이 존재함을 이해할 것이다. 예를 들면, 고정 회수의 최근 측정으로부터 평균을 계산하는 단순 이동 평균(simple moving average)을 사용하거나, 최근 측정을 그 "시기(age)"에 따라 선형으로 가중시키는 가중 이동 평균(weighted moving average)을 사용하여 소스 신호를 필터링할 수 있다. 따라서, 적절한 소스 신호에 적절한 필터를 적용하는 것에 의해 열 인가 또는 제거의 의미있는 변화를 검출할 수 있다.
도 3은 빠른 EWMA로부터 느린 EWMA를 감산하는 것에 의해 계산되는 도면의 d아래 부분에 도시된 EWMA 차이(differential EWMA, DEWMA)를 또한 도시한다. EWMA 차이는 소스 신호가 얼마나 빨리 변화하는지를 나타내거나, 또는 본 발명에 사용되는 바와 같이, 열 인가의 강도를 나타낼 수 있다. EWMA 차이는 열 변화 상태에 관련될 수 있다. DEWMA가 양의 값이면, 상태 1을 나타낸다. DEWMA가 음의 값이면, 상태 3을 나타내며, 상태 2는 제로 근처에서 변동하는 DEWMA에 대응한다.
다음의 예는 제어 시스템에 의한 DEWMA의 이용 방법을 나타낸다. 냉매 복귀 온도(114)와 냉매 공급 온도(116) 간의 변화 속도를 원시 소스 신호로 사용하고 빠르고 느린 이동 EWMA를 모두 사용하는 경우, 열 변화 상태의 검출에 소정의 양의 파라미터인 x1과 x2(0<x2<x1)를 적용할 수 있다. x1=0.5, x2=0.2로 가정하면, 표 1은 공정이 속하는 열 변화 상태를 결정하는데 사용될 수 있는 몇 가지 룰을 나타낸다.
열 변화 상태를 결정하기 위한 로직 룰
열 변화 설명 상태 결정 룰
상태 1 열 인가 증가 If DEWMA>0.5
상태 2 열 인가 유지 If -0.2<DEWMA<0.2
상태 3 열 인가 감소 If DEWMA<-0.5
다음의 수학식(수학식 2)은 상기의 3가지 상태를 결정하는데 매우 잘 적용되는 것으로 밝혀졌다,
여기서, 내지 는 상수이고, Tsp는 온도 설정 포인트이다.
표 1에 나타낸 상기 룰과 예에 따르면, 열 변화 상태는 DEWMA가 0.2와 0.5 사이에 또는 -0.5와 -0.2 사이에 있으면 결정되지 않는다. DEWMA가 0.3이면, 인간의 판단은 신호가 상태 1보다는 상태 2에 "보다 유사한 것"으로 간주할 수 있고, DEWMA가 0.4이면, 인간의 판단은 신호가 상태 2보다 상태 1에 "보다 유사한 것" 등으로 간주할 수 있다. 따라서, 상기 방법은 정확할 것 "같은" 상태만을 결정할 수 있다면 실패할 수 있는데, 이는 어떤 출력 함수의 사용을 선택하는 것이 불가능할 수 있기 때문이다. 이 문제점을 해결하는데 퍼지 논리를 사용할 수 있다.
퍼지 논리는 2가지 상태 간의 불확실성 또는 가능성을 단순히 "하나" 또는 "다른 하나"가 되는 것으로 하지 않고 0과 1 사이의 숫자로서 처리한다. 따라서, DEWMA가 0.35이면, 단순한 퍼지 룰은 "상태"가 상태 1에 50%의 가능성과 상태 2에 50%의 가능성으로 존재하는 것으로 결정할 수 있다. 분명한 DEWMA 값을 "퍼지의" 열 변화 상태로 전환하는 이러한 과정은 퍼지화(fuzzification)이다. 이퍼지화 과정은 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서, 실선 아래 영역은 상태 1을 커버하고, 점선 아래는 상태 2를 커버하고, 점 쇄선 아래는 상태 3을 커버한다. 상태 2는 -0.5~-0.2와 0.2~0.5 사이의 DEWMA의 범위 각각에서 상태 1과 상태 3과 중복됨에 유의하여야 한다. DEWMA가 이들 2개의 중복 범위에 속할 때, 상태는 결정적으로 결정될 수 없으므로 퍼지화 룰을 적용하여야 한다. 도 4의 쇄선은 DEWMA=0.35의 경우 50% 이상의 가능성을 결정하는 방법을 그래프로 나타내고 있다.
이상의 확률 값은 제어 출력의 계산도 가능하게 한다. 제어 출력은 포함된 각 상태(즉, 상기 예에서는 상태 1과 상태 2)에 대해 계산될 수 있다. 이후, 최종의 전체 제어 출력은 상태 1로부터의 출력의 50%와 상태 2의 출력의 50%로서 계산된다.
상기 예는 단순한 선형 삽입법을 이용한 퍼지화를 나타낸다. 즉, 퍼지 또는 불확실한 상태는 선형 삽입법(도 4의 직선을 따른)에 의해 결정되고, 최종 출력은 선형 합(summation)에 의해 얻어진다. 본 발명의 다른 실시에에서, 수학식 3에 나타낸 바와 같은 비선형 변환 함수를 삽입법에 사용할 수 있다,
여기서, 아래 첨자 문자는 상수를 지시하고, d는 DEWMA를 지시한다.
도 5는 이러한 비선형 변환 함수의 그래프적 표현이다. 도 2는 평탄화된 코너를 제외하고 도 4와 유사하다. 도 5에서 곡선의 형태는 다른 상수를 적용하는 것에 의해 변형될 수 있음에 유의하여야 한다. 따라서, 이러한 비선형 변환 함수는 보다 유연하여 도 4에 도시된 선형 함수에 비해 제어 출력을 원활하게 연속되도록 한다. 분명하게, 도 4에 도시된 예에서는 열 부하가 3가지 상태로 특성화되며, 검출 변수인 DEWMA는 5개 영역으로 분할되고, 각 상태는 하나의 영역에 할당되고 나머지 2개의 영역은 퍼지화를 통해 상태에 링크된다. 그러나, 도 5에서 3개의 상태는 DEWMA 값의 영역이 아닌 포인트 값으로 할당된다. 상태 1, 2, 3은 +∞, 0, -∞ 각각으로 할당된다. DEWMA의 다른 모든 값은 수학식 3에 나타낸 종류의 연속 함수를 통해 퍼지화에 의해 3개의 상태로 할당된다.
도 6은 주기적으로 열을 인가하고 제거하면서 냉각기를 0℃로 제어하는 경우의 실험 데이터를 제공한다. 이 실험에서, 냉매 유량은 고정되었고, 고온 가스 바이패스 밸브(134), 액체 팽창 밸브(130), 및 냉각수 밸브(142)는 3개의 표준 PID 제어기로 제어되었다. 온도는 열 변화 중에 1℃ 미만으로, 그리고 정상 상태에 도달된 이후에는 0.5℃ 미만으로 제어되었다.
요약하면, 본 발명은 온도 제어 시스템에 관한 것으로, 열 부하는 공정 변수의 값을 기초로 하고 로직 룰 세트에 따라 상태 세트로 특성화된다. 각 상태와 각 제어된 변수 마다, 그 상태의 그 변수의 제어 출력을 예측하도록 된 제어 알고리즘이 존재한다.
작동 중에, 공정 변수는 열 부하 상태를 감지하고, 하나 이상의 제어 변수에 대한 피드 포워드 제어(feed forward control) 출력을 제공하는 데에 사용된다. 공정 변수는 측정된 변수이거나 측정된 변수의 변화 속도일 수 있거나, 하나 이상의 측정된 변수로부터 계산되거나 변환되는 유도 변수이다. 측정된 변수는 냉매 복귀 온도일 수 있다. 유도 변수는 냉매 복귀 온도와 냉매 공급 온도 사이의 차이 또는 그 차이의 변화 속도일 수 있다. 유도 변수는 냉매 복귀 온도와 냉매 설정 포인트 사이의 차이 또는 그 차이의 변화 속도일 수도 있다. 또한, 유도 변수는 공정 변수의 단순 이동 평균 또는 공정 변수의 가중 이동 평균일 수 있다. 유도 변수는 공정 변수의 지수 가중 이동 평균이거나 2개의 다른 가중 인자를 갖는 공정 변수의 2개의 지수 가중 이동 평균 사이의 차이일 수 있다. 상기 평균이 약 5-50의 빈도수에서 평가될 때, 가중 인자중 하나는 0.7과 0.95 사이일 수 있는 반면, 나머지 가중 인자는 보다 큰 값을 갖는다.
유도 변수는 계산적 예상 기법이나 수치적 모델링 방법을 이용하여 공정 변수로부터 예측될 수 있다. 상태 세트는 열 부하 증가, 열 부하 감소 및 열 부하 유지의 3가지 상태를 포함할 수 있다. 공정 변수의 값의 전체 범위는 적어도 3개의 연속 영역으로 분할된다. 공정 변수의 값이 어떤 영역에 속할 때 온도 제어를 목적으로 시스템이 충분히 높은 신뢰도로 그 상태에 있음을 주장할 수 있도록 각 상태는 그 영역에 할당된다. 비할당 영역은 만일 존재한다면 퍼지화를 통해 3개의 상태로 링크된다. 제어된 변수의 제어 출력은 그 제어된 변수와 퍼지화시 포함되는 모든 상태의 출력에 대한 비퍼지화(defuzzification) 룰을 적용하는 것에 의해 얻어진다. 3개의 연속 영역은 5개의 연속 영역으로 분할될 수 있다. 제1, 제2 및 제3의 영역은 열 부하의 증가, 감소 및 유지의 상태가 공정 변수의 값이 제1 영역에 속할 때 충분히 높은 신뢰도로 결정될 수 있도록 각각 결정된다. 제4 및 제5 영역은 제1 및 제2 영역 사이와 제2 및 제3 영역 사이에 각각 존재한다.
전술하고 도시된 본 발명은 공정의 온도를 제어하거나 공정 내의 구성부품 또는 유체의 흐름을 제어하는 정확하고 반응적인 방법을 제공한다. 당업자에게는 전술한 설명 및 예시의 참조를 통해 본 발명의 다른 실시예 및 변형이 가능함이 예상되고, 이러한 실시예 및 변형 등은 후술하는 특허청구범위에 기술된 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된 것이다.

Claims (21)

  1. 공정 온도 제어 방법에 있어서,
    증발기로부터 공정으로 냉매를 공급하는 단계,
    상기 공정에 공급된 상기 냉매의 온도를 측정하는 단계와,
    냉매 공급 온도와 냉매 공급 온도 설정 포인트 사이의 차이를 결정하는 단계와,
    상기 증발기를 통해 냉각제를 유동시키는 것에 의해 상기 냉매로부터 열을 제거하는 단계와,
    상기 공정으로부터 복귀하는 상기 냉매의 온도를 측정하는 단계와,
    상기 측정된 냉매 공급 온도와 측정된 냉매 복귀 온도로부터 지수 가중 이동 평균 차이(DEWMA)를 계산하는 단계와,
    상기 DEWMA를 미리 정해진 로직 룰과 비교하는 것에 의해 열 변화 상태를 결정하는 단계와,
    상기 열 변화 상태를 기초로 상기 공정으로부터 복귀하는 냉매의 온도를 예측하는 단계와,
    상기 예측된 온도를 기초로 냉각제의 유량을 조정하는 단계를 포함하는
    공정 온도 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 변화 상태 결정 단계는 퍼지 로직과 퍼지화 룰을 적용하는 단계를 포함하는
    공정 온도 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각제의 유량 조정 단계는 액체 팽창 밸브를 제어하는 단계를 포함하는
    공정 온도 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    응축기를 통해 상기 냉각제를 유동시키는 것에 의해 상기 냉각제로부터 열을 제거하는 단계를 포함하는
    공정 온도 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 응축기로부터 상류의 고온 가스 바이패스 라인을 통해 증발기 내로 상기 냉각제의 일부를 유동시키는 단계를 포함하는
    공정 온도 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    고온 가스 바이패스 밸브를 제어하는 것에 의해 고온 가스 바이패스 라인에서 냉각제의 유량을 조정하는 단계를 포함하는
    공정 온도 제어 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 변화 상태 결정 단계는 DEWMA를 미리 정해진 로직 룰과 비교하는 단계를 포함하며, 상기 로직 룰은,
    DEWMA > 0.5이면, 상태 1,
    -0.2 < DEWMA <0.2이면, 상태 2,
    DEWMA < -0.5이면, 상태 3
    으로 이루어진
    공정 온도 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 열 변화 상태 결정 단계는 퍼지 로직과 퍼지화 룰을 적용하는 단계를 포함하는
    공정 온도 제어 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정은 반도체 공정인
    공정 온도 제어 방법.
  10. 반도체 공정 장치의 구성부품의 온도 제어 방법에 있어서,
    증발기로부터 구성부품으로 냉매를 공급하는 단계,
    상기 구성부품에 공급된 상기 냉매의 온도를 측정하는 단계와,
    냉매 공급 온도와 냉매 공급 온도 설정 포인트 사이의 차이를 결정하는 단계와,
    상기 증발기를 통해 냉각제를 유동시키는 것에 의해 상기 냉매로부터 열을 제거하는 단계와,
    상기 구성부품으로부터 복귀하는 상기 냉매의 온도를 측정하는 단계와,
    상기 측정된 냉매 복귀 온도 데이터를 필터링하여 불확실성과 노이즈를 제거하는 단계와,
    상기 필터링된 냉매 복귀 온도 데이터를 미리 정해진 로직 룰과 비교하는 것에 의해 열 변화 상태를 결정하는 단계와,
    열 변화 상태를 기초로 상기 구성부품으로부터 복귀하는 냉매의 온도를 예측하는 단계와,
    상기 예측된 온도를 기초로 냉각제의 유량을 조정하는 단계를 포함하는
    반도체 공정 장치의 구성부품 온도 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열 변화 상태 결정 단계는 퍼지 로직과 퍼지화 룰을 적용하는 단계를 포함하는
    반도체 공정 장치의 구성부품 온도 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 냉각제의 유량 조정 단계는 액체 팽창 밸브를 제어하는 단계를 포함하는
    반도체 공정 장치의 구성부품 온도 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    응축기를 통해 상기 냉각제를 유동시키는 것에 의해 상기 냉각제로부터 열을 제거하는 단계를 포함하는
    반도체 공정 장치의 구성부품 온도 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 응축기로부터 상류의 고온 가스 바이패스 라인을 통해 증발기 내로 상기 냉각제의 일부를 유동시키는 단계를 포함하는
    반도체 공정 장치의 구성부품 온도 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    고온 가스 바이패스 밸브를 제어하는 것에 의해 고온 가스 바이패스 라인에서 냉각제의 유량을 조정하는 단계를 포함하는
    반도체 공정 장치의 구성부품 온도 제어 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 열 변화 상태 결정 단계는 DEWMA를 미리 정해진 로직 룰과 비교하는 단계를 포함하며, 상기 로직 룰은,
    DEWMA > 0.5이면, 상태 1,
    -0.2 < DEWMA <0.2이면, 상태 2,
    DEWMA < -0.5이면, 상태 3
    으로 이루어진
    반도체 공정 장치의 구성부품 온도 제어 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 열 변화 상태 결정 단계는 퍼지 로직과 퍼지화 룰을 적용하는 단계를 포함하는
    반도체 공정 장치의 구성부품 온도 제어 방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 구성부품은 정전 척, 석영 창 및 챔버 벽으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는
    반도체 공정 장치의 구성부품 온도 제어 방법.
  19. 제 10 항에 있어서,
    상기 측정된 냉매 복귀 온도 데이터를 필터링하여 불확실성과 노이즈를 제거하는 단계는 느린 이동의 지수 가중 이동 평균과 빠른 이동의 지수 가중 이동 평균 사이의 차이를 계산하여 지수 가중 이동 평균 차이를 결정하는 단계를 포함하는
    반도체 공정 장치의 구성부품 온도 제어 방법.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 측정된 냉매 복귀 온도 데이터를 필터링하여 불확실성과 노이즈를 제거하는 단계는 단순 이동 평균을 계산하는 단계를 포함하는
    반도체 공정 장치의 구성부품 온도 제어 방법.
  21. 제 10 항에 있어서,
    상기 측정된 냉매 복귀 온도 데이터를 필터링하여 불확실성과 노이즈를 제거하는 단계는 가중 이동 평균을 계산하는 단계를 포함하는
    반도체 공정 장치의 구성부품 온도 제어 방법.
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