[논문]반도체 공정용 칠러의 채널별 제어특성에 관한 실험적 연구

김현중; 권오경; 차동안; 김용찬

doi:10.3795/ksme-b.2011.35.12.1285

반도체 공정용 칠러의 채널별 제어특성에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Control Characteristics of Each Channel in a Semiconductor Chiller 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.12 = no.315, 2011년, pp.1285 - 1292

김현중 (고려대학교 기계공학과) , 권오경 (한국생산기술연구원 에너지시스템연구그룹) , 차동안 (한국생산기술연구원 에너지시스템연구그룹) , 김용찬 (고려대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 전자식 팽창밸브를 적용한 반도체 공정용 칠러에 관한 실험적 연구를 통해 시스템 특성을 파악하였다. 또한 온도 변화에 따른 신속한 대응을 할 수 있도록 온도상승 및 하강실험, 부하변화에 따른 온도영역별 제어정밀도 실험을 함으로써 각 제어 방식에 따른 운전 특성을 파악하였다. 온도상승 시 소비전력은 8.9 kW로 측정되었으며 CH1이 37.5분, CH2가 39.5분이 소요되었으며, 온도하강에는 총 26.5분이 소요되었다. 부분부하가 적용되는 경우 전부하가 적용되는 경우에 비해 제어정밀도의 변화폭이 큰 것으로 나타났으며 스텝모터 구동방식을 적용한 CH2의 제어정밀도가 상대적으로 우수한 것으로 나타났다. 냉각수를 이용한 냉각사이클 영역에서 소비전력은 1.8 kW로 냉동사이클을 적용한 방식에 비해 절반가량으로 감소된 것으로 나타났다. 본 연구는 실험결과를 바탕으로 반도체 공정용 칠러의 최적제어방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristics of a semiconductor chiller system with EEV have been experimentally studied. Three experiments on temperature changes (increase and decrease), load variation, and control precision were conducted to investigate the operating characteristics of the semiconductor chiller. The power consumption was 8.9 kW during increase in temperature. The required time was 37.5 min for CH1 and 39.5 min for CH2. Moreover, the time required for falling temperature was 26.5 min. The control precision for partial load operation was relatively low compared to that of a full load operation. In addition, the CH2 equipped with a step motor showed better control precision. The power consumed by the chiller for process cooling water was 1.8 kW, which was one-half of that consumed during the refrigeration cycle. The objective of this study is to provide an optimal control guideline for the semiconductor chiller design.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현재 반도체 공정용 칠러의 성능평가실험에 대한 별도의 기준이 정립되어 있지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 현재 출시되고 있는 반도체 공정용 칠러 중 제어정밀도와 안정성이 가장 우수하다고 평가되고 있는 일본 SMC사 칠러의 성능평가실험 조건을 반영하였다.
또한 실제 공정에서 설정온도 변화에 따른 신속한 대응을 할 수 있도록 온도상승 및 하강실험, 부하변화에 따른 온도영역별 제어정밀도 실험을 함으로써 각 제어 방식에 따른 운전 특성을 파악하고 실험결과를 바탕으로 반도체 공정용 칠러의 최적 제어방안을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 국내에서 제작된 모델로 채널별로 각기 다른 종류의 전자식 팽창밸브(EEV, Electric Expansion Valve)를 적용한 반도체 공정용 칠러에 관한 실험적 연구를 통해 시스템 특성을 파악하였다.
제어정밀도 실험은 반도체 공정에서 주로 사용되는 온도영역인 0℃와 60℃ 상태에서 가열히터에 의한 부하조건 2 kW가 운전 중 지속되는 전부하(full load)와 2분 인가, 30초 차단을 반복하는 경우인 부분부하(partial load)에 대해 각각 수행하였다. 실험을 통해 설정된 목표온도에서 채널별 급수온도의 제어정밀도 및 소비전력을 측정하여 부하 공급방식에 따른 칠러의 제어정밀도를 비교, 검토하고자 하였다.
5℃ 범위에서 안정이 되면 가열히터에 의한 부하조건이 없는 상태에서 목표온도를 80℃와 0℃로 설정하여 운전을 하였다. 이때 목표온도까지 도달하는 시간 및 소비전력을 측정하여 최적의 운전조건을 도출하고자 하였다.

제안 방법

Table 3은 반도체 공정용 칠러의 실험조건을 나타내고 있으며 실험은 각 채널의 온도영역별 냉각능력 실험, 무부하 운전 시의 온도상승 및 하강실험, 사용 빈도가 높은 온도영역에서 부하방식에 따른 제어정밀도 실험 순으로 하였다. 실험은 먼저 항온조에서 냉각수를 일정한 유량과 압력 조건으로 유입시키고 목표온도를 설정한 후 칠러를 가동하여 냉수(coolant)의 급수(supply), 환수(return)의 온도변화 폭이 ±0.
28℃ 미만인 지점에서는 냉동사이클이 작동하게 되며 각 채널은 병렬로 연결된 3HP급 압축기(compressor), 응축기(condenser), 팽창장치(expension device), 증발기(evaporator), 열교환기(heat exchanger)로 구성된 동일한 냉동사이클이다. 각 채널은 PID제어를 통한 냉매제어방식과 핫가스 바이패스제어방식을 적용하였다. 채널별로 증발기 출구와 냉수 입구·출구에 각각 온도센서를 설치하여 냉수(coolant)의 온도를 측정하고 이를 통해 냉각 제어온도를 산출하였다.
공정에 따라 생산 장비에서 요구하는 온도는 상이하지만 20℃로 공급되어 25℃로 배출되는 것이 일반적이다. 공정 내부 냉각수의 온도분포와 측정 오차범위 등을 고려하여 28℃를 운전모드 변환점으로 설정하였으며 현재온도(PV, present vlue)가 28℃이상인 영역에서 냉각수를 이용한 냉각방식이 적용되도록 하였다. 냉각수는 감압밸브(pressure reducing valve)를 통해 일정한 압력으로 유입되며 각 채널별로 PID제어방식의 솔레노이드 밸브(solenoid valve)를 이용한 냉각수 유량제어 방식을 적용하였다.
냉각능력 실험은 냉수 급수온도가 ±0.5℃ 범위를 유지하는 정상상태에서 가열히터에 의한 부하조건을 변경하며 실험을 진행하였다.
공정 내부 냉각수의 온도분포와 측정 오차범위 등을 고려하여 28℃를 운전모드 변환점으로 설정하였으며 현재온도(PV, present vlue)가 28℃이상인 영역에서 냉각수를 이용한 냉각방식이 적용되도록 하였다. 냉각수는 감압밸브(pressure reducing valve)를 통해 일정한 압력으로 유입되며 각 채널별로 PID제어방식의 솔레노이드 밸브(solenoid valve)를 이용한 냉각수 유량제어 방식을 적용하였다.
3은 채널별로 적용된 전자식 팽창밸브와 냉수의 흐름을 나타낸 것이다. 냉각수를 이용한 냉각사이클에서는 동일한 솔레노이드밸브를 이용해 유량제어를 하는 반면 냉동사이클 영역에서는 CH1은 펄스폭 변조방식, CH2는 스텝모터 구동방식을 각각 적용하였다.
Table 4는 본 연구에 사용된 전자식 팽창밸브의 제어영역을 나타낸 것으로 CH1의 펄스폭 변조방식은 0 ~ 6 (sec), CH2의 스탭모터 구동방식은 48 ~ 448 (step)으로 개별적인 PID제어를 통해 동일한 개도를 설정하였다. 모든 실험은 CH1과 CH2가 채널별로 개별적인 운전을 하는 경우에 대해 진행하였다.
Table 2는 본 실험에 사용된 반도체 칠러의 상세 사양을 나타낸 것이다. 병렬로 연결된 압축기는 3HP의 왕복동식 압축기를 사용하였으며 대수 제어를 통해 부하변동에 따른 제어가 가능하도록 하였다. 냉수펌프(coolant pump)는 2HP magnetic type, 응축기 및 증발기는 대향류 판형열교환기를 사용하였다.
채널별로 증발기 출구와 냉수 입구·출구에 각각 온도센서를 설치하여 냉수(coolant)의 온도를 측정하고 이를 통해 냉각 제어온도를 산출하였다. 산출된 제어값은 컨트롤러를 통해 전자팽창밸브와 핫가스 바이패스밸브로 전송되고 설정된 온도제어구간별 PID제어값에 따라 온도를 제어하였다.
시스템 각 부분에 설치된 고·저압 압력계와 T-type 열전대를 통해 압력과 온도 측정을 하였으며 측정된 데이터는 다채널 데이터 수집장치(DA100, 40CH)와 RS-232C케이블을 이용해 PC로 전송하여 처리하였다.
실험은 먼저 항온조에서 냉각수를 일정한 유량과 압력 조건으로 유입시키고 목표온도를 설정한 후 칠러를 가동하여 냉수(coolant)의 급수(supply), 환수(return)의 온도변화 폭이 ±0.5℃, 압력은 ±5 kPa 범위에 있을 때 정상상태에 도달하였다고 판단하고 실험을 진행하였다.
압축기 구동에 필요한 전력을 측정하기 위해 전력계를 설치하였으며 열전대와 유량계(유량범위 : 2 m3/h)를 이용해 냉각수 입·출구의 온도와 유량을 측정하였다.
온도상승 및 하강실험은 냉수의 급수온도가 ±0.5℃ 범위에서 안정이 되면 가열히터에 의한 부하조건이 없는 상태에서 목표온도를 80℃와 0℃로 설정하여 운전을 하였다.
변경된 부하조건에서 시스템이 일정시간(약 10min) 이내에정상상태로 안정되면 해당 부하조건에 대한 온도 제어가 가능하다고 판단하였다. 유입되는 냉수의 압력은 감압밸브(pressure reducing valve)를 이용하여 600 kPa로 일정하게 유지하였으며, 부하조건 변화에 따른 시스템의 온도, 압력 및 소비전력 등을 측정하였다.
2는 본 연구의 실험대상인 반도체 공정용 칠러의 시스템 개략도이다. 장치는 2개의 개별적인 채널(Channel)로 구성되며 온도영역에 따라 냉매를 이용한 냉동사이클과 냉각수(PCW, Process Cooling Water)를 이용한 냉각사이클을 적용한 하이브리드 방식으로 구성하였다.
채널별로 3/4″배관을 25m 길이로 설치하였으며 배관에 삽입된 7 kW의 히터를 통해 실제 반도체 공정과 동일하게 채널별로 일정한 부하를 유지하도록 하였다. 전압조정기를 통해 연결된 히터는 전류, 전압 변성기를 이용해 출력을 측정하였다.
제어정밀도 실험은 반도체 공정에서 주로 사용되는 온도영역인 0℃와 60℃ 상태에서 가열히터에 의한 부하조건 2 kW가 운전 중 지속되는 전부하(full load)와 2분 인가, 30초 차단을 반복하는 경우인 부분부하(partial load)에 대해 각각 수행하였다. 실험을 통해 설정된 목표온도에서 채널별 급수온도의 제어정밀도 및 소비전력을 측정하여 부하 공급방식에 따른 칠러의 제어정밀도를 비교, 검토하고자 하였다.
채널별로 3/4″배관을 25m 길이로 설치하였으며 배관에 삽입된 7 kW의 히터를 통해 실제 반도체 공정과 동일하게 채널별로 일정한 부하를 유지하도록 하였다.
채널별로 증발기 출구와 냉수 입구·출구에 각각 온도센서를 설치하여 냉수(coolant)의 온도를 측정하고 이를 통해 냉각 제어온도를 산출하였다.

대상 데이터

병렬로 연결된 압축기는 3HP의 왕복동식 압축기를 사용하였으며 대수 제어를 통해 부하변동에 따른 제어가 가능하도록 하였다. 냉수펌프(coolant pump)는 2HP magnetic type, 응축기 및 증발기는 대향류 판형열교환기를 사용하였다. 냉수탱크 내부에 4 kW의 히터를 삽입하여 탱크 내부의 온도를 제어하였다.
6은 무부하 상태에서 냉수의 급수온도가 정상상태인 0℃에서 목표온도 설정치인 80℃까지 상승하는데 소요되는 시간 및 시스템 소비전력을 나타낸 것이다. 본 연구에서 사용된 반도체 공정용 칠러는 온도상승 시 냉수탱크 내부의 히터와 핫가스(hot gas)를 동시에 사용하였다.

이론/모형

28℃ 이상의 온도영역에서는 반도체 공정에서 항상 일정하게 유입되는 냉각수를 활용한 냉각방식을 사용하였다. 냉각수는 반도체 생산공정을 지속적으로 순환하며 장비에서 발생하는 열을 제거하기 위한 용도로 사용된다.

성능/효과

(1) 온도별 냉각능력 및 에너지 소비효율은 온도상승에 따라 냉각능력도 상승되는 경향을 보인다. 냉각수를 활용하는 경우 냉각수 자체의 열량으로 인해 냉각능력이 상승하는 것을 확인할 수 있으며 에너지 소비효율 역시 크게 개선되는 것으로 나타났다.
(2) 본 연구에서 사용된 반도체 공정용 칠러는 온도상승 시 소비전력이 8.9 kW로 측정되었으며 CH1은 37.5분, CH2는 39.5분이 소요되었다. 온도하강 시 냉각수 냉각사이클 영역에서는 3.
(3) 0℃에서 제어정밀도는 부분부하의 경우 CH1이 ±0.35℃, CH2가 ±0.25℃, 전부하는 CH1이 ±0.3℃, CH2가 ±0.2℃로 부분부하가 적용되는 경우가 제어정밀도의 변화폭이 큰 것으로 나타났다.
(4) 60℃ 영역의 제어정밀도는 부분부하·전부하에서 각각 ±0.25℃, ±0.2℃로 냉동사이클 영역보다 안정적으로 온도를 제어하는 것으로 나타났으며 입력 부하방식에 따른 영향은 미비한 것으로 나타났다.
11은 설정온도가 60℃인 경우 부분부하와 전부하에 대한 제어정밀도 실험 결과이다. 0℃의 경우 작동방식이 각기 다른 전자팽창밸브가 적용되어 채널별로 제어정밀도가 상이하게 나타났지만 냉각수를 활용하는 60℃의 경우 두 채널 모두 솔레노이드 밸브를 통한 냉각수의 유량제어 방식을 취하고 있기 때문에 두 채널의 온도 변화 폭이 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 냉수 급수온도는 부분부하의 경우 ±0.
(1) 온도별 냉각능력 및 에너지 소비효율은 온도상승에 따라 냉각능력도 상승되는 경향을 보인다. 냉각수를 활용하는 경우 냉각수 자체의 열량으로 인해 냉각능력이 상승하는 것을 확인할 수 있으며 에너지 소비효율 역시 크게 개선되는 것으로 나타났다. 따라서 반도체 공정용 칠러에 온도영역별 운전모드 전환방식 적용시키는 경우 부하변동에 따른 응답성과 시스템 전체의 에너지 소비효율 향상이 가능하다고 판단된다.
냉수 급수온도는 부분부하의 경우 ±0.25℃, 전부하에서는 ±0.2℃ 범위에서 온도가 안정되는 것으로 나타났다.
냉수 급수온도는 부분부하의 경우 CH1이 ±0.35℃, CH2가 ±0.25℃ 를 유지하며 전부하의 경우에는 CH1이 ±0.3℃, CH2가 ±0.2℃의 범위에서 안정화되고 있는 것으로 나타났다.
5℃ 범위를 유지하는 정상상태에서 가열히터에 의한 부하조건을 변경하며 실험을 진행하였다. 변경된 부하조건에서 시스템이 일정시간(약 10min) 이내에정상상태로 안정되면 해당 부하조건에 대한 온도 제어가 가능하다고 판단하였다. 유입되는 냉수의 압력은 감압밸브(pressure reducing valve)를 이용하여 600 kPa로 일정하게 유지하였으며, 부하조건 변화에 따른 시스템의 온도, 압력 및 소비전력 등을 측정하였다.
소비전력은 냉각수 적용영역에서 3.4 kW로 일정한 경향을 보이고 CH1과 CH2의 냉동사이클이 적용되는 지점에서 소비전력이 6.2 kW, 9.2 kW로 각각 2.8 kW, 3.0 kW 씩 증가하는 것으로 확인됐다. CH1의 경우 시스템 설정온도인 28℃에 접근함과 동시에 냉동사이클로 신속한 전환을 한다.
소비전력은 냉동사이클이 구동되는 경우에 비해 절반가량 줄어든 1.8 kW에 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었으며 이는 압축기에 의한 전력소비가 없기 때문인 것으로 판단된다.
소비전력은 온도상승 전 구간에 걸쳐 8.9 kW로 일정하게 나타나며 칠러 구동 초기에 비해 목표온도에 근접 할수록 근소하게 소비전력이 감소하는 경향을 나타내었다.
실험결과 CH1(펄스폭 변조방식)이 37.5분, CH2(스텝모터 구동방식)가 39.5분이 소요되었으며 CH1이 2분가량 빠르게 목표온도에 도달함을 알 수 있다. 이는 초기 구동 시 CH1의 온도가 미세하게 높았던 것이 온도상승 전 구간에 걸쳐 반영됨과 동시에 채널별 히터의 PID 제어값의 차이와 핫가스의 불균일한 분배가 주된 요인으로 작용한 것이라 판단된다.
온도상승 시 냉수탱크 내부 히터에 의한 가열로 온도를 상승시키는데 CH1의 냉수 급수온도가 목표온도에 도달함과 동시에 히터 작동이 중단되면서 소비전력은 8.9 kW에서 6.2 kW로 2.7 kW가량 감소되고 이어서 CH2의 히터 작동이 중단되는 지점에서 소비전력은 3.4 kW로 2.8 kW가량 추가적으로 감소됨을 알 수 있다.
5분이 소요되었다. 온도하강 시 냉각수 냉각사이클 영역에서는 3.4 kW의 전력 소모를 보이며 온도가 급격하게 떨어지는 경향을 보이다 냉동사이클 구간에서 채널별로 2.8 kW, 3.0 kW씩 소비전력이 증가하며 온도하강 시간이 미세하게 지연되는 경향을 보였다.
2℃로 부분부하가 적용되는 경우가 제어정밀도의 변화폭이 큰 것으로 나타났다. 이를 통해서 냉동사이클을 이용하는 0℃ 구간은 CH1(펄스폭 변조방식)에 비해 CH2(스텝모터 구동방식)을 적용하는 경우 보다 정밀한 제어가 이뤄지며 부하변동에 의한 응답성이 우수함을 알 수 있었다.
칠러 초기 구동 시에는 냉각수를 이용하는 냉각사이클이 적용되며 냉수의 급수온도는 급격하게 감소되다 점차 완만해지는 경향을 보인다. 이후 CH1이 11.7분 지점, CH2가 15.7분 지점에서 냉각수를 이용한 냉각사이클에서 냉동사이클로 전환되면서 다시 빠른 속도로 냉수 급수온도가 하강하는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체 공정용 칠러란?	반도체 공정용 칠러(chiller)는 웨이퍼(wafer)의 표면을 화학적 또는 물리적으로 반응시키는 과정에서 발생하는 챔버 및 웨이퍼 척의 온도 상승을 제어하여 안정된 공정 진행을 통한 양질의 웨이퍼를 생산하기 위한 장비이다.(2)
	반도체 공정용 칠러는 일반적으로 어떤 방법들로 온도를 제어하는가?	일반적으로 반도체 공정용 칠러는 압축, 응축, 팽창, 증발의 과정을 거치는 냉동사이클, 오토캐 스케이드 방식을 이용한 냉동사이클 그리고 냉각수를 활용한 냉각사이클을 이용하며 Fig. 1에서와 같이 챔버 벽면(chamber wall)을 30 ~ 80℃, 바닥면(chamber bottom)을 -10 ~ 40℃의 범위에서 개별적으로 채널(channel)의 온도를 정밀하게 제어한다. 반도체 공정용 칠러는 일반적인 산업용 칠러와는 달리 24시간 년중 지속적인 운전이 이루어지기 때문에 소비전력량이 매우 큰 특징을 가지며 이로 인해 최적 운전제어를 통한 저소비 전력 칠러의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
	반도체 공정용 칠러의 채널별 제어특성에 관한 실험적 연구를 통해 어떤 결론을 얻었는가?	(1) 온도별 냉각능력 및 에너지 소비효율은 온도상승에 따라 냉각능력도 상승되는 경향을 보인다. 냉각수를 활용하는 경우 냉각수 자체의 열량으로 인해 냉각능력이 상승하는 것을 확인할 수 있으며 에너지 소비효율 역시 크게 개선되는 것으로 나타났다. 따라서 반도체 공정용 칠러에 온도영역별 운전모드 전환방식 적용시키는 경우 부하변동에 따른 응답성과 시스템 전체의 에너지 소비효율 향상이 가능하다고 판단된다. (2) 본 연구에서 사용된 반도체 공정용 칠러는 온도상승 시 소비전력이 8.9 kW로 측정되었으며 CH1은 37.5분, CH2는 39.5분이 소요되었다. 온도하강 시 냉각수 냉각사이클 영역에서는 3.4 kW의 전력 소모를 보이며 온도가 급격하게 떨어지는 경향을 보이다 냉동사이클 구간에서 채널별로 2.8 kW, 3.0 kW씩 소비전력이 증가하며 온도하강 시간이 미세하게 지연되는 경향을 보였다. CH2의 경우 냉동사이클로 전환이 원활하게 이루어지지 못해 소비전력량이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었으며 PID제어 변경을 통한 보완이 이루어져야 함을 알 수 있었다. (3) 0℃에서 제어정밀도는 부분부하의 경우 CH1이 ±0.35℃, CH2가 ±0.25℃, 전부하는 CH1이 ±0.3℃, CH2가 ±0.2℃로 부분부하가 적용되는 경우가 제어정밀도의 변화폭이 큰 것으로 나타났다. 이를 통해서 냉동사이클을 이용하는 0℃ 구간은 CH1(펄스폭 변조방식)에 비해 CH2(스텝모터 구동방식)을 적용하는 경우 보다 정밀한 제어가 이뤄지며 부하변동에 의한 응답성이 우수함을 알 수 있었다. (4) 60℃ 영역의 제어정밀도는 부분부하·전부하에서 각각 ±0.25℃, ±0.2℃로 냉동사이클 영역보다 안정적으로 온도를 제어하는 것으로 나타났으며 입력 부하방식에 따른 영향은 미비한 것으로 나타났다. 냉각수를 이용하는 경우 압축기가 적용되지 않기 때문에 소비전력은 1.8 kW로 냉동 사이클을 적용한 경우에 비해 소비전력이 절반가량으로 감소된 것으로 나타났다.

참고문헌 (6)

KISTI, 2009, "State of Art Technology in Semiconductor Equipment," pp. 1-36
Cha, D. A., Kwon, O. K., Yun, J. H. and Kim, D. Y., 2010, "An Experimental Study on Semi-conductor Process Chiller for Energy Saving," Proceeding of the KSME Spring Annual Conference, pp. 371-376.
Cha, D. A. and Kwon, O. K., 2010, "An Study on Semiconductor Process Chiller with Variation of Control Methods," Proceeding of the KSME Autumn Annual Conference, pp. 2632-2637.
Cha, D. A. and Kwon, O. K., 2010, "An Experimental Study on Semiconductor Process Chiller for Dual Channel," Trans. of the SAREK Vol. 22, No. 11, pp. 760-766.
Cha, D. A., Kwon, O. K. and Oh, M. D., 2010, "An Experimental Study on Process Chiller for Semiconductor Temperature Control," Trans. of the KSME (B) Vol. 35, No. 5, pp. 459-465.

원문보기 상세보기
Holman, J.P., 2000, "Experimental Method for Engineer," 7th ed., McGraw-Hill, pp. 51-60.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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