반도체 공정용 칠러의 설계 및 운전 특성에 관한 연구 :A Study on Design and Operation Characteristics for Semiconductor Process Chiller

차동안

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자료유형: 학위논문

저자정보: 차동안 (서울시립대학교, 서울시립대학교 일반대학원)

지도교수: 오명도

발행연도: 2014

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이용수27

이 논문의 연구 히스토리 (6)

2014

반도체 공정용 칠러의 설계 및 운전 특성에 관한 연구

차동안 기계정보공 2014.01 학위논문

2011

반도체 공정 온도제어용 칠러의 실험적 연구

차동안 , 권오경 , 오명도 대한기계학회 논문집 B권 2011.05 학술저널

2010

제어방식에 따른 반도체 공정용 칠러에 관한 연구

차동안 , 권오경 대한기계학회 춘추학술대회 2010.11 학술대회자료

듀얼채널을 적용한 반도체공정용 칠러의 실험적 연구

차동안 , 권오경 설비공학논문집 2010.11 학술저널

듀얼채널을 적용한 반도체공정용 칠러의 실험적 연구

차동안 , 권오경 , 윤재호 대한설비공학회 학술발표대회논문집 2010.06 학술대회자료

에너지절감형 반도체 공정용 칠러에 관한 실험적 연구

차동안 , 권오경 , 윤재호 외 1명 대한기계학회 춘추학술대회 2010.05 학술대회자료

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반도체 공정용 칠러란 반도체의 제조공정 중 챔버 내에서 발생하게 되는 열을 제거하는 냉동기에 대한 포괄적인 개념이다.
현재 유수의 반도체 칩(Chip) 제조업체들은 매출액의 약 20% 정도를 반도체 장비구입에 쓰고 있다. 우리나라의 경우 세계 반도체 칩 제조 산업에 있어서는 중요한 위치를 차지하고 있지만, 반도체 장비 산업은 상대적으로 낙후된 상황이며, 국내 반도체 칩 제조 산업에 쓰이는 대부분의 반도체 칠러들은 미국이나 일본, 유럽 업체들로부터 수입하고 있는 실정이다.
일반적으로 반도체는 실리콘 등으로 이루어진 웨이퍼(Wafer)라는 얇은 원판에 식각, 증착과 같은 화학적 공정을 통해 회로패턴을 형성시키는 과정을 거치게 된다. 이러한 화학반응 과정은 많은 열을 발생시키며 발생된 열을 칠러를 통해 효과적으로 제거함으로써 안정적인 반도체 웨이퍼 생산이 가능하게 된다.
식각 및 증착과정을 거친 웨이퍼는 EDS(Electrical Die Sorting)라고 하는 웨이퍼 자동 선별공정을 거치는데 웨이퍼에 형성된 회로패턴의 전기적 동작 상태를 판별하는 과정이다. 이 과정은 챔버 벽면(Chamber wall)이 30~80℃, 바닥면(Chamber bottom)이 -10~40℃의 온도범위에서 수행되는데 칠러를 통해 일정 수준으로 온도를 유지시켜주는 것이 중요하다. 이와 같이 반도체 공정 전반에 쓰이는 반도체 공정용 칠러는 일반적인 산업용 칠러와 달리 24시간 연중 지속적인 운전이 요구된다. 따라서 운영상에 안정성 문제가 가장 중요한 요인으로 작용하며 이와 더불어 지속적인 운전에 따른 막대한 소비전력에 대한 경제성 문제도 수반된다.
반도체 공정용 칠러는 지속적인 운전을 함으로 인해 소비전력이 매우 큰 특징을 갖는다. 유가상승 및 에너지 고갈문제로 인해 고효율 에너지 절약형 대체장비의 필요성이 부각되고 있으며 반도체 산업에서도 다양한 연구개발이 진행되고 있다.
현재 국내에서 생산되고 있는 반도체 공정용 칠러는 히터의 on/off 출력제어를 통해 온도조절을 하고 있어 소비전력이 매우 크며 에너지효율이 낮은 실정이다. 최근 국내에서도 전자식 팽창밸브(EEV)를 적용하여 냉각효율을 향상시키고 있지만 운전소비전력은 크게 개선되지 않고 있다. 이로 인해 수입 장비의 성능에 비해 열세를 보이고 있으며 제품경쟁력 확보가 시급한 실정이다.
본 연구에서는 현재 상용화된 히터단독 개별 압축방식 모델과 동일용량의 압축기를 듀얼로 연결한 방식, 디지털스크롤 압축기를 적용한 반도체 공정용 칠러에 관한 실험적 연구를 통해 시스템 특성을 파악하고 실제 공정에서 설정온도 변화에 따른 신속한 대응을 할 수 있도록 온도상승 및 하강실험, 부하변화에 따른 온도영역별 제어정밀도 실험을 진행하였다. 그리고 압축방식 변화에 따른 운전 특성을 파악하고, 실험결과를 바탕으로 반도체 공정용 칠러의 최적 제어방안 및 에너지 절감 방안을 제시하였다.

The semiconductor process chiller is a comprehensive concept of a refrigerator that removes the heat generated in a chamber under the semiconductor process.
Currently, leading semiconductor chip makers are investing about 20% of their sales in purchasing semiconductor equipment. Korea takes the first place in the global semiconductor chip manufacturing industry. But, Korea lags relatively in the semiconductor equipment industry and most semiconductor chillers used by the domestic semiconductor chip industry are imported from the US, Japanese and European companies.
In general, the semiconductor goes through a process where the circuit pattern is configured through chemical processes, such as etching and evaporation on a thin disc of semiconductor silicon-made wafer. It has become possible to produce a semiconductor wafer in a stable manner by effectively removing a lot of heat generated through the chemical reaction process.
After the etching and evaporation processes, the wafer goes through an automatic wafer sorting process called Electrical Die Sorting (EDS) where the electrical dynamic state of circuit pattern formed by the wafer is examined. As this process starts with the chamber wall’s temperature ranging from 30 to 80℃ and the chamber bottom’s temperature ranging from -10 to 40℃. This shows the importance of keeping the temperature at a constant degree by the chiller. Heater independent compression chiller of the chamber wall and the bottom of the temperature control consists of the individual channel. The semiconductor process chiller currently being produced domestically by using the individual channel. Unlike the normal industrial chiller, the chiller for the overall semiconductor process is required to be run for 24 hours a day. Therefore, for the semiconductor process chiller, operational safety has become the most critical factor, which involves an economic feasibility issue about a great amount of power consumed from continuous operation.
The semiconductor process chiller has characteristics of being operated continuously, and this leads to lots of power consumption. As a result, the necessity of an alternative device with high energy efficiency arises and a variety of relevant research and developments are being conducted in the semi-conductor industry.
The semiconductor process chiller currently being produced domestically adjusts temperature by the heaters ON/OFF power control of heater, and results in a huge amount of power consumption and a low level of energy efficiency. Recently, there have been efforts to improve cooling efficiency with the introduction of Electronic Expansion Valve (EEV) in Korea, but the operational power consumption has not improved significantly. Consequently, it has become urgent to secure the competitiveness of domestic products due to the inferiority of performance to imported devices.
This study carried out the experiments on the semiconductor process chiller by using the digital scroll compressor and dual channel compressor and the commercialized individual refrigeration cycle system with the same capacity. Based on the experiments, the characteristics of the system were examined, and additionally, a temperature rise and fall experiment and a control precision experiment per temperature range depending on load change were implemented so as to respond promptly to change in the set temperature in the actual process. This study intended to identify the operational characteristics of each control method and offers a way to achieve an optimum control method and to save the energy of the semiconductor process chiller based on the results of the experiments.

제1장 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.2 반도체 제조 공정의 특징 3
1.3 반도체 공정용 칠러의 특징 9
1.4 연구동향 14
1.4.1 국내 연구동향 14
1.4.2 해외 연구동향 17
1.5 연구목적 18
1.6 연구내용 19
제2장 히터단독 개별 압축방식 21
2.1 히터단독 개별 압축방식 개요 21
2.2 실험장치 설계 및 제작 21
2.3 실험방법 30
2.4 실험결과 및 고찰 32
2.4.1 실험결과 처리 32
2.4.2 온도별 냉각능력 실험 33
2.4.3 온도상승 및 하강실험 34
2.4.4 온도영역 제어정밀도 실험 37
제3장 듀얼채널 압축방식 41
3.1 듀얼채널 압축방식 개요 41
3.2 실험장치 설계 및 부품선정 42
3.2.1 압축기 선정 42
3.2.2 팽창밸브 선정 47
3.3 실험장치 제작 53
3.4 실험방법 60
3.5 실험결과 및 고찰 62
3.5.1 실험결과 처리 62
3.5.2 냉매 충전량 실험 63
3.5.3 온도별 냉각능력 및 성능변화 실험 64
3.5.4 온도상승 및 하강실험 66
3.5.5 온도영역 제어정밀도 실험 68
제4장 디지털스크롤 압축방식 72
4.1 디지털스크롤 압축방식의 개요 72
4.2 실험장치 설계 및 디지털스크롤 압축기선정 73
4.3 실험장치 제작 79
4.4 실험방법 88
4.5 실험결과 및 고찰 91
4.5.1 실험결과 처리 91
4.5.2 온도별 냉각능력 및 성능변화 실험 92
4.5.3 온도상승 및 하강실험 95
4.5.4 바이패스 비율에 따른 제어정밀도 실험 98
4.5.5 온도영역 제어정밀도 실험 101
제5장 결론 104
참고문헌 107
부록 111
Abstract 119

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