국문초록 반도체 공정용 칠러의 모델링과 COP 제어 연구 반도체 공정용 칠러는 반도체 칩 제조 공정 중 발생하는 열을 제거하여 일정한 공정 온도가 유지 되도록 하는 냉각 장치이다. 통상 반도체 칩은 실리콘 웨이퍼에 식각(Etching), ...
국문초록 반도체 공정용 칠러의 모델링과 COP 제어 연구 반도체 공정용 칠러는 반도체 칩 제조 공정 중 발생하는 열을 제거하여 일정한 공정 온도가 유지 되도록 하는 냉각 장치이다. 통상 반도체 칩은 실리콘 웨이퍼에 식각(Etching), 증착(Deposition), 등과 같은 화학공정을 통해 회로 패턴을 형성 시키는 과정을 거치게 되는데, 이러한 화학공정은 온도에 민감하기 때문에 공정 중 발생하는 열을 제거하고, 일정한 공정온도가 유지 되도록 하는 반도체 공정용 칠러는, 반도체 제조 공정의 필수 장비이다. 반도체 공정용 칠러는 한 번 가동을 시작하면 Off 되지 않고 지속적으로 운전되어야 하는 특성이 있다. 때문에 공정 중 발생하는 열 부하가 반도체 공정용 칠러의 냉각용량 보다 작은 경우에도, 냉각기가 Off 되지 않고 지속적으로 운전 되어야 한다. 이러한 상태에서 반도체 공정용 칠러의 냉각용량을 감소시킬 수 없다면, 과 냉 되는 공정기의 공정 온도를 유지하기 위해서는, 히터를 사용하여 냉각된 공정기에 다시 열을 공급하여야 하므로, 냉각기와 히터의 동시 사용에 따라 에너지 비용이 크게 상승하는 문제가 있다. 현재의 반도체 공정용 칠러는, 에너지 효율을 개선하기 위한 지속적인 연구와 노력의 결과로, 반도체 공정중 발생하는 열부하의 상태에 따라 Hot gas bypass 및 압축기의 가변 회전수 제어를 이용하여, 냉각기의 냉각용량을 스스로 변경 제어할 수 있는 구조로 발전하였다. 그런데 이렇게 냉각기의 냉각용량이 가변 제어되는 반도체 공정용 칠러가 일반화된 시기는 아주 근년의 일이다. 때문에 반도체 공정용 칠러의 구조적 발전에 비하여 효율적인 운전과 제어의 기술 측면에서는, 아직 많은 연구와 보완이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 EEV, EHV, 압축기 회전수라는 3개의 제어요소에 의하여 냉각용량이 제어되는 가변 압축기 및 Hot Gas Bypass 방식 반도체 공정용 칠러에 있어서, 먼저 칠러의 열전달 및 열역학적 상태 변화의 모델을 제시하고, 이의 시뮬레이션과 분석 통하여, 이론적으로 존재할 수 있는, EEV와 EHV 및 압축기 회전수의, 가장 효율적인 조합을 찾고, 결과의 이론적 검토를 통하여 효율적인 제어의 방향을 제시하였다.
국문초록 반도체 공정용 칠러의 모델링과 COP 제어 연구 반도체 공정용 칠러는 반도체 칩 제조 공정 중 발생하는 열을 제거하여 일정한 공정 온도가 유지 되도록 하는 냉각 장치이다. 통상 반도체 칩은 실리콘 웨이퍼에 식각(Etching), 증착(Deposition), 등과 같은 화학공정을 통해 회로 패턴을 형성 시키는 과정을 거치게 되는데, 이러한 화학공정은 온도에 민감하기 때문에 공정 중 발생하는 열을 제거하고, 일정한 공정온도가 유지 되도록 하는 반도체 공정용 칠러는, 반도체 제조 공정의 필수 장비이다. 반도체 공정용 칠러는 한 번 가동을 시작하면 Off 되지 않고 지속적으로 운전되어야 하는 특성이 있다. 때문에 공정 중 발생하는 열 부하가 반도체 공정용 칠러의 냉각용량 보다 작은 경우에도, 냉각기가 Off 되지 않고 지속적으로 운전 되어야 한다. 이러한 상태에서 반도체 공정용 칠러의 냉각용량을 감소시킬 수 없다면, 과 냉 되는 공정기의 공정 온도를 유지하기 위해서는, 히터를 사용하여 냉각된 공정기에 다시 열을 공급하여야 하므로, 냉각기와 히터의 동시 사용에 따라 에너지 비용이 크게 상승하는 문제가 있다. 현재의 반도체 공정용 칠러는, 에너지 효율을 개선하기 위한 지속적인 연구와 노력의 결과로, 반도체 공정중 발생하는 열부하의 상태에 따라 Hot gas bypass 및 압축기의 가변 회전수 제어를 이용하여, 냉각기의 냉각용량을 스스로 변경 제어할 수 있는 구조로 발전하였다. 그런데 이렇게 냉각기의 냉각용량이 가변 제어되는 반도체 공정용 칠러가 일반화된 시기는 아주 근년의 일이다. 때문에 반도체 공정용 칠러의 구조적 발전에 비하여 효율적인 운전과 제어의 기술 측면에서는, 아직 많은 연구와 보완이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 EEV, EHV, 압축기 회전수라는 3개의 제어요소에 의하여 냉각용량이 제어되는 가변 압축기 및 Hot Gas Bypass 방식 반도체 공정용 칠러에 있어서, 먼저 칠러의 열전달 및 열역학적 상태 변화의 모델을 제시하고, 이의 시뮬레이션과 분석 통하여, 이론적으로 존재할 수 있는, EEV와 EHV 및 압축기 회전수의, 가장 효율적인 조합을 찾고, 결과의 이론적 검토를 통하여 효율적인 제어의 방향을 제시하였다.
A Study on Modeling and Effective Control for Semiconductor Process Chiller Abstract The semiconductor process chiller is the heat exchange equipment that removes the heat from the semiconductor processing chamber and maintains the temperature of the chamber constant. The semiconductor manufacturing...
A Study on Modeling and Effective Control for Semiconductor Process Chiller Abstract The semiconductor process chiller is the heat exchange equipment that removes the heat from the semiconductor processing chamber and maintains the temperature of the chamber constant. The semiconductor manufacturing process has the several chemical processing steps such as thermal oxidation, etching, doping, etc. Since those chemical processes are very sensitive to the temperature and the quality and the productivity are influenced by the temperature, the chiller is the essential equipment in the semiconductor industries. For the precise and continuous temperature control, the semiconductor process chiller is operated without stopping. Since the heat release of the semiconductor manufacturing equipment varies along the processing time, the refrigeration capacity of the chiller must varies, too. However, It cannot be controlled by turing on/off like the air conditioner, because the process requires the very precise temperature control. Generally, the chiller runs the maximum refrigeration capacity continuously and the heater is operated to cope with the varying thermal load. But, they consume too much energy, because the refrigerator and the heater are used simultaneously. There have been many efforts and researches to improve energy efficiency of the semiconductor process chiller. Recently, the semiconductor process chiller begins to control the refrigeration capacity by introducing the hot gas bypass structure and developing the variable speed compressor. However, those new techniques requires the effective control research to improve their performance significantly. This study aims to identify the operational characteristics of 3 control components in the chiller: the electronic expansion valve, the hot gas bypass, the variable speed compressor. In this study, the thermodynamic modeling, which describes the heat exchange and the energy state transition of the circulated refrigerant along the refrigeration cycle in the semiconductor process chiller, was found. And the most effective way to achieve an optimum control state to save the energy of the semiconductor process chiller, was presented, form the results of simulation and analysis.
A Study on Modeling and Effective Control for Semiconductor Process Chiller Abstract The semiconductor process chiller is the heat exchange equipment that removes the heat from the semiconductor processing chamber and maintains the temperature of the chamber constant. The semiconductor manufacturing process has the several chemical processing steps such as thermal oxidation, etching, doping, etc. Since those chemical processes are very sensitive to the temperature and the quality and the productivity are influenced by the temperature, the chiller is the essential equipment in the semiconductor industries. For the precise and continuous temperature control, the semiconductor process chiller is operated without stopping. Since the heat release of the semiconductor manufacturing equipment varies along the processing time, the refrigeration capacity of the chiller must varies, too. However, It cannot be controlled by turing on/off like the air conditioner, because the process requires the very precise temperature control. Generally, the chiller runs the maximum refrigeration capacity continuously and the heater is operated to cope with the varying thermal load. But, they consume too much energy, because the refrigerator and the heater are used simultaneously. There have been many efforts and researches to improve energy efficiency of the semiconductor process chiller. Recently, the semiconductor process chiller begins to control the refrigeration capacity by introducing the hot gas bypass structure and developing the variable speed compressor. However, those new techniques requires the effective control research to improve their performance significantly. This study aims to identify the operational characteristics of 3 control components in the chiller: the electronic expansion valve, the hot gas bypass, the variable speed compressor. In this study, the thermodynamic modeling, which describes the heat exchange and the energy state transition of the circulated refrigerant along the refrigeration cycle in the semiconductor process chiller, was found. And the most effective way to achieve an optimum control state to save the energy of the semiconductor process chiller, was presented, form the results of simulation and analysis.
주제어
#반도체 반도체 공정 열교환기 칠러 냉각효율 냉각용량 가변 압축기 모델링 제어 최적제어 Chiller Evaporator COP Optimal Control semiconductor Hot Gas Bypass Variable speed compressor
학위논문 정보
저자
정규식
학위수여기관
서울시립대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
기계정보공학과
지도교수
신동헌
발행연도
2015
총페이지
x, 89 p.
키워드
반도체 반도체 공정 열교환기 칠러 냉각효율 냉각용량 가변 압축기 모델링 제어 최적제어 Chiller Evaporator COP Optimal Control semiconductor Hot Gas Bypass Variable speed compressor
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