KR100609845B1 - 반도체 공정설비용 칠러장치 - Google Patents

반도체 공정설비용 칠러장치 Download PDF

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윤현진
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Abstract

압축기, 응축기를 포함하며 증발기와 열교환유닛이 내부에 구비된 냉각유체탱크로 이루어져 반도체 공정설비에 공급되는 냉각유체의 온도를 상승, 하강 또는 일정하게 유지하는 반도체 공정설비용 칠러장치가 개시된다. 종래의 칠러장치와 달리 냉각유체히터를 구비하지 않으며, 이에 따라 칠러장치의 운전비용을 절감할 수 있고, 전장부의 발열을 감소시켜 시스템의 안정화를 이룰 수 있다.
칠러, Chiller, 히터, 냉각유체, 액분리기, 과냉각

Description

반도체 공정설비용 칠러장치{Chiller for semiconductor process apparatus}
도 1은 종래의 반도체 공정설비용 칠러장치의 냉각계통도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정설비용 칠러장치의 냉각계통도이다.
도 3은 도 2의 냉각계통도에 있어서 냉각유체의 온도를 상승하는 경우의 냉매 흐름을 보여준다.
도 4는 도 2의 냉각계통도에 있어서 냉각유체의 온도를 하강하는 경우의 냉매 흐름을 보여준다.
도 5는 도 2의 냉각계통도에 있어서 냉각유체의 온도를 설정온도로 유지하는 경우의 냉매 흐름을 보여준다.
본 발명은 반도체 공정설비용 칠러(chiller)장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반도체 공정설비에 공급하는 냉각유체의 온도를 상승하거나 일정하게 유지하는데 필요한 히터를 제거한 반도체 공정설비용 칠러장치에 관한 것이다.
반도체 공정설비에 있어서 챔버의 온도를 균일하게 유지하는 방법은 여러 가지가 있으나 냉동사이클을 이용하는 방식이 가장 널리 이용된다.
도 1은 종래의 반도체 공정설비의 칠러장치의 냉각계통도를 보여준다.
도시된 바와 같이, 냉동사이클을 수행하기 위해서는 기본적으로 압축기(10), 응축기(20), 팽창밸브(25) 및 증발기(31)가 필요하다.
반도체 공정설비(40)의 챔버에 일정 온도의 냉각유체를 공급하기 위해서는, 도 1에서 도시된 바와 같이, 냉각유체가 증발기(31) 및 냉각유체히터(33)와의 열교환을 통해서 냉각유체를 일정한 온도로 유지할 필요가 있다.
이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
증발기(31)에는 한 쌍의 냉매입구와 출구, 다른 한 쌍의 냉각유체 입구와 출구가 있어 냉매와 냉각유체가 상호 열교환될 수 있는 구조로 되어 있으며, 냉각유체탱크(30)내에는 증발기(31)와 냉각유체히터(33)가 탱크내부격리판(32)에 의해서 분리되어 있다.
반도체 공정설비(40)로부터 냉각유체 유입관(42)으로 유입된 냉각유체는 증발기(31)로 들어가서 냉매관과 열교환을 통해서 설정된 냉각유체온도 이하의 온도로 된후 냉각유체탱크(30) 내로 배출된다.
설정온도 이하로 냉각된 냉각유체는 탱크내부격리판(32)의 하부에 있는 냉각유체히터(33)와 열교환을 하여 설정온도로 맞추어진 후, 냉각유체 유출관(41)을 통해서 반도체 공정설비(40)로 유입된다.
이때 냉각유체온도를 설정온도의 편차 범위내에서 일정하게 유지하기 위해서 는 냉각유체히터(33)를 PID(비례, 적분, 미분)제어에 의해서 온/오프한다.
상기의 과정은 냉각유체의 온도를 일정하게 유지하기 위한 과정이었으며, 냉각유체의 설정온도를 기존의 설정온도 편차범위를 벗어나는 고온으로 올릴 경우에는, 냉동사이클을 수행하지 않고 냉각유체히터(33)만 계속 가동시켜 변경된 설정온도까지 끌어올리며, 냉각유체의 설정온도를 기존의 설정온도 편차범위를 벗어나는 저온으로 내릴 경우에는, 냉각유체히터(33)의 가동없이 냉동사이클만 수행하여 변경된 설정온도까지 끌어내린다.
이와 같이, 종래의 기술에 의하면, 온도를 유지하거나 온도를 상승시키는 경우에는 항상 냉각유체히터(33)를 사용해야 하기 때문에 여러 가지의 문제점이 발생한다.
먼저, 칠러장치에서 소모되는 소비전력량이 높아지며, 이는 장치의 운전비용을 지나치게 증대시키게 된다.
또한, 냉각유체히터를 구동시키기 위해 SSR(Solid State Relay)을 적용해야 하며, 이에 따른 전장부의 열발생으로 인하여 발화의 가능성 및 오동작의 우려가 있다.
또한, 냉각유체히터를 사용함으로써 운전전류치를 증가시켜 메인 브레이커(Main Breaker)의 용량이 커지고, 더욱이 전력공급용 배관의 관경이나 사이즈가 커져서 칠러장치의 크기도 증가된다.
따라서, 본 고안의 목적은 반도체 공정설비에 공급되는 냉각유체의 온도를 일정하게 유지하거나 상승하기 위하여 사용되었던 냉각유체히터를 제거한 칠러장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적과 특징 및 이점은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 보다 명확하게 이해될 것이다.
본 발명에 따르면, 압축기, 응축기 및 증발기가 내부에 구비된 냉각유체탱크로 이루어져 반도체 공정설비에 공급되는 냉각유체의 온도를 상승, 하강 또는 일정하게 유지하는 반도체 공정용 칠러장치에 있어서, 압축기의 출구로부터의 제 1 라인은 제 1 밸브를 경유하여 응축기의 입구에 연통되고, 압축기의 입구는 어큐머레이터의 출구와 연통되고, 응축기의 출구로부터의 제 2 라인은 제 2 밸브와 팽창밸브를 경유하여 냉각유체탱크 내의 증발기의 입구에 연통되고, 증발기의 출구에 연통된 제 3 라인은 제 3 밸브를 경유하여 어큐머레이터의 입구에 연통되고, 제 1 밸브의 전단에서 분기된 제 4 라인은 제 4 밸브를 경유하여 냉각유체탱크내 열교환유닛의 입구에 연통되고, 열교환유닛의 출구에 연통되는 제 5 라인은 제 3 밸브와 어큐머레이터 사이의 상기 제 3 라인에 연통되고, 증발기의 출구에 연통된 제 6 라인은 제 6 밸브를 경유하여 제 1 라인의 제 1 밸브 후단에 연통되고, 제 2 밸브와 팽창밸브 사이에서 분기된 제 7 라인은 제 7 밸브를 경유하여 제 3 밸브와 어큐머레이터 사이의 제 3 라인에 연통되고, 팽창밸브의 후단과 제 4 밸브의 전단은 제 5 밸브를 경유하여 연통되는 반도체 공정용 칠러장치가 개시된다.
바람직하게, 응축기의 출구에 연통되는 제 8 라인은 제 8 밸브를 경유하여 과냉각유닛의 입구에 연결되고, 과냉각유닛의 출구에 연통된 제 9 라인은 제 2 밸브와 팽창밸브 사이의 제 2 라인에 연통되며, 과냉각유닛은 어큐머레이트와 열교환이 이루어질 수 있다.
선택적으로, 제 4 라인의 제 4 밸브 전단에는 냉매량을 조절할 수 있는 핫 가스용 밸브가 더 설치될 수 있다.
또한, 일 예로, 제 1 내지 제 8 밸브는 개도율이 조절되지 않는 전자식 밸브이고, 팽창밸브 또는 핫 가스 밸브는 개도율이 조절되는 전자식 밸브일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 칠러장치를 적용한 반도체 공정설비의 냉각계통도를 보여준다.
본 발명의 칠러장치는 압축기(100), 응축기(112) 및 증발기(310)와 열교환유닛(330)이 내부에 구비된 냉각유체탱크(300)로 이루어져 반도체 공정설비(400)에 공급되는 냉각유체의 온도를 상승, 하강 또는 일정하게 유지한다.
즉, 종래의 칠러장치와 달리 냉각유체히터를 구비하지 않으며, 이에 따라 칠러장치의 운전비용을 절감할 수 있고, 전장부의 발열을 감소시켜 시스템의 안정화를 이룰 수 있다.
다음에서 본 발명의 칠러장치를 보다 구체적으로 설명한다.
압축기(100)의 출구로부터의 제 1 라인(131)은 제 1 밸브(121)를 경유하여 응축기(200)의 입구에 연통되고, 압축기(100)의 입구는 어큐머레이터(accumulator; 500)의 출구와 연통된다.
응축기(200)의 출구로부터의 제 2 라인(132)은 제 2 밸브(132)와 팽창밸브(140)를 경유하여 냉각유체탱크(300) 내의 증발기(310)의 입구에 연통된다.
또한, 증발기(310)의 출구에 연통된 제 3 라인(133)은 제 3 밸브(123)를 경유하여 어큐머레이터(500)의 입구에 연통된다.
제 1 밸브(121)의 전단에서 분기된 제 4 라인(134)은 제 4 밸브(124)를 경유하여 냉각유체탱크내 열교환유닛(330)의 입구에 연통되고, 열교환유닛(330)의 출구에 연통되는 제 5 라인(135)은 제 3 밸브(123)와 어큐머레이터(500) 사이의 제 3 라인(133)에 연통된다.
바람직하게, 제 4 라인(134)에는 제 4 밸브(124)의 전단에 핫 가스용 전자밸브(150)를 설치하여 유체 흐름량을 조절할 수 있다.
증발기(310)의 출구에 연통된 제 6 라인(136)은 제 6 밸브(126)를 경유하여 제 1 라인(131)의 제 1 밸브(121) 후단에 연통된다.
제 2 밸브(122)와 팽창밸브(140) 사이에서 분기된 제 7 라인(137)은 제 7 밸브(127)를 경유하여 제 3 밸브(123)와 어큐머레이터(500) 사이의 제 3 라인(133)에 연통된다.
또한, 상기한 바와 같이, 팽창밸브(140)의 후단과 제 4 밸브(124)의 전단은 제 5 밸브(125)를 경유하여 연통된다.
선택적으로, 응축기(200)의 출구에 연통되는 제 8 라인(138)은 제 8 밸브(128)를 경유하여 과냉각유닛(510)의 입구에 연결되고, 과냉각유닛(510)의 출구에 연통된 제 9 라인(139)은 제 2 밸브(122)와 팽창밸브(140) 사이의 제 2 라인(132)에 연통된다.
과냉각유닛(510)은 어큐머레이터(500) 내부를 통과하면서 응축과정을 수행한다.
다음, 이와 같은 구조를 갖는 칠러장치의 동작에 대해 설명한다.
(1) 냉각유체 온도를 상승하는 경우
도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 반도체 공정설비의 설정온도가 10℃로 유지되어 있는 상태에서 설정온도를 80℃의 고온으로 변경하는 경우 공급되는 냉각유체의 온도를 상승하는 과정은 다음과 같다.
제 1 밸브(121)를 차단한 상태에서, 압축기(100)에서 토출된 고온의 냉매는 제 4 라인(134)을 통하여 핫 가스용 전자밸브(150)와 제 5 밸브(124)를 경유하여 냉각유체탱크(300)의 내부에 있는 증발기(310) 입구로 유입된다. 이때, 상기한 바와 같이, 핫 가스용 전자밸브(150)의 개도율을 조정하여 공급되는 냉매의 양을 조절할 수 있다.
유입된 냉매는 증발기(310)내에서 반도체 공정설비(400)로부터 유입관(410)을 통해 유입되는 냉각유체와 열교환되어 냉각유체의 온도를 상승시키며, 온도가 상승된 냉각유체는 냉각유체탱크(300) 내부로 배출된 후, 내부격리판(320)의 하부에 있는 유출관(420)을 통하여 반도체 공정설비(400)에 제공된다.
냉각유체와 열교환된 냉매는 증발기(310) 출구에서 제 6 라인(136)을 통하여 제 3 밸브(126)를 경유하여 응축기(200)로 유입되어 응축기(200)에서 응축과정을 수행한다.
응축과정을 거친 냉매는 제 2 라인(132)을 통해 제 2 밸브(122)를 경유하고, 제 2 라인(132)에서 분기된 제 7 라인(137)을 통해 제 7 밸브(127)를 경유하여 모세관 유닛(160)을 통과하면서 팽창과정을 수행하여 저온 저압화 된 후 어큐머레이터(500)을 거쳐 액분리가 된 후 압축기(100)로 유입된다.
선택적으로, 응축과정을 거친 냉매는 제 8 라인(128)을 통해 제 8 밸브(138)을 경유하여 과냉각유닛(510)으로 유입되어 추가적인 응축과정을 거친 후, 상기한 제 2 라인(132)으로 유입될 수 있다.
이와 같이, 응축기(200)에서 응축된 냉매의 상태가 종래의 냉동사이클의 응축기에서의 냉매의 상태와는 달리 상대적으로 고온상태이므로 이에 대한 추가적인 응축의 필요성과, 모세관 유닛(160)을 통하여 팽창과정을 거친 냉매에 대한 원활한 증발의 필요성은 어큐머레이터(500)와 과냉각유닛(510) 사이의 열교환이 이루어지도록 하는 구성을 적용함으로써 해결될 수 있다.
(2) 냉각유체 온도를 하강하는 경우
본 발명에 있어서 반도체 공정설비의 챔버온도를 하강시키기 위하여 냉각유체의 온도를 하강하는 과정에 대해 도 4를 참조하여 이하 기술한다.
압축기(100)에서 토출된 냉매는 제 1 라인(131)을 통해 제 1 전자밸브(121)을 거쳐 응축기(200)로 유입되어 응축과정을 수행한 후, 제 2 라인(132)을 통해 제 2 밸브(122)를 거쳐 팽창밸브(140)에서 팽창과정을 수행하며, 팽창된 냉매는 증발기(310)로 유입되어 반도체 공정설비(400)에 제공되는 냉각유체와 열교환하여 증발 과정을 수행한다.
이어 제 3 라인(133)을 통해 제 3 밸브(123)을 거쳐 어큐머레이터(500)로 유입되며, 유입된 냉매중 액냉매가 있는 경우에는 어큐머레이터(500)에 고이게 되며 기체상태의 냉매만 압축기(100)로 유입된다.
이 경우에도 선택적으로 응축역할을 증대하고, 액냉매의 압축기(100)로의 유입을 방지하기 위해서 응축기(200)로부터의 냉매를 과냉각유닛(510)을 경유하여 제 2 라인(132)에 유입함으로써 냉동사이클의 시스템 안정화를 이룰 수 있다.
(3) 냉각유체 온도를 설정한 온도로 유지하는 경우
도 5를 참조하면, 압축기(100)에서 토출된 냉매는 제 1 라인(131)을 통해 제 1 전자밸브(121)을 거쳐 응축기(200)로 유입되어 응축과정을 수행한 후, 제 2 라인(132)을 통해 제 2 밸브(122)를 거쳐 팽창밸브(140)에서 팽창과정을 수행하며, 팽창된 냉매는 증발기(310)로 유입되어 반도체 공정설비(400)에 제공되는 냉각유체와 열교환하여 증발과정을 수행한다.
이어 제 3 라인(133)을 통해 제 3 밸브(123)을 거쳐 어큐머레이터(500)로 유입되며, 유입된 냉매중 액냉매가 있는 경우에는 어큐머레이터(500)에 고이게 되며 기체상태의 냉매만 압축기(100)로 유입된다.
한편, 증발기(310)에서 열교환되어 온도가 하강된 냉각유체의 온도를 설정온도로 맞추기 위한 과정은 다음과 같다.
압축기(100)에서 토출된 냉매는 제 4 라인(134)을 통해 핫 가스용 전자밸브(150)와 제 4 밸브(124)를 거쳐 냉각유체탱크(300)의 열교환유닛(330)으로 유입되 며 증발기(310)에서 냉매와 열교환하여 온도가 하강된 냉각유체는 열교환유닛(330)과 다시 열교환을 수행하여 설정온도로 유지하게 된다.
열교환유닛(330)을 통과한 냉매는 어큐머레이터(500) 입구측과 연결된 제 5 라인(135)을 통하여 어큐머레이터(500)로 유입되어 액냉매의 분리가 이루어진 후 압축기(100)로 유입된다.
이 경우에도, 상기한 바와 같이, 선택적으로 응축역할을 증대하고, 액냉매의 압축기(100)로의 유입을 방지하기 위해서 응축기(200)로부터의 냉매를 과냉각유닛(510)을 경유하여 제 2 라인(132)에 유입함으로써 냉동사이클의 시스템 안정화를 이룰 수 있다.
본 발명에서 제 1 내지 8 밸브(121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128)에는 개도율이 조정되지 않는 전자식 밸브를 적용할 수 있으며, 팽창밸브(140)와 핫 가스용 밸브(150)도 개도율이 조정되는 전자식 밸브를 적용할 수 있다. 특히, 팽창밸브(140)와 핫 가스용 밸브(150)는 냉매의 개도율(Open Degree)을 140% 내지 150%까지 완벽하게 조절함으로서 온도상승, 온도하강 및 설정온도유지의 과정을 원활하게 수행할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시예에 한정되어 해석되어서는 안되며, 이하에 기재된 청구범위를 중심으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 냉각유체히터를 제거함으로써, 칠러장치에서 소모되는 소비전력량을 대폭적으로 낮출 수 있고 이에 따라 장치의 운전비용을 크게 줄일 수 있다.
또한, 냉각유체히터를 구동시키기 위한 SSR(Solid State Relay)이 필요 없으므로 이에 따른 전장부의 열발생이 방지된다.
또한, 메인 브레이커(Main Breaker)의 용량이 작고, 전력공급용 배관의 관경이나 사이즈가 작아져서 칠러장치의 크기를 컴팩트하게 할 수 있다.

Claims (4)

  1. 압축기, 응축기 및 증발기가 내부에 구비된 냉각유체탱크로 이루어져 반도체 공정설비에 공급되는 냉각유체의 온도를 상승, 하강 또는 일정하게 유지하는 반도체 공정용 칠러장치에 있어서,
    상기 압축기의 출구로부터의 제 1 라인은 제 1 밸브를 경유하여 상기 응축기의 입구에 연통되고, 상기 압축기의 입구는 어큐머레이터의 출구와 연통되고,
    상기 응축기의 출구로부터의 제 2 라인은 제 2 밸브와 팽창밸브를 경유하여 상기 냉각유체탱크 내의 증발기의 입구에 연통되고,
    상기 증발기의 출구에 연통된 제 3 라인은 제 3 밸브를 경유하여 상기 어큐머레이터의 입구에 연통되고,
    상기 제 1 밸브의 전단에서 분기된 제 4 라인은 제 4 밸브를 경유하여 상기 냉각유체탱크내 열교환유닛의 입구에 연통되고, 상기 열교환유닛의 출구에 연통되는 제 5 라인은 상기 제 3 밸브와 어큐머레이터 사이의 상기 제 3 라인에 연통되고,
    상기 증발기의 출구에 연통된 제 6 라인은 제 6 밸브를 경유하여 상기 제 1 라인의 상기 제 1 밸브 후단에 연통되고,
    상기 제 2 밸브와 팽창밸브 사이에서 분기된 제 7 라인은 제 7 밸브를 경유하여 상기 제 3 밸브와 어큐머레이터 사이의 상기 제 3 라인에 연통되고,
    상기 팽창밸브의 후단과 상기 제 4 밸브의 전단은 제 5 밸브를 경유하여 연 통되는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축기의 출구에 연통되는 제 8 라인은 제 8 밸브를 경유하여 과냉각유닛의 입구에 연결되고, 상기 과냉각유닛의 출구에 연통된 제 9 라인은 상기 제 2 밸브와 팽창밸브 사이의 상기 제 2 라인에 연통되며, 상기 과냉각유닛은 상기 어큐머레이트와 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 4 라인의 상기 제 4 밸브 전단에는 냉매량을 조절할 수 있는 핫 가스용 밸브가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 내지 제 8 밸브는 개도율이 조절되지 않는 전자식 밸브이고, 상기 팽창밸브 또는 핫 가스 밸브는 개도율이 조절되는 전자식 밸브인 것을 특징으로 하는 반도체 공정용 칠러장치.
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