一种用于半导体温控系统及方法与流程

文档序号:25541754发布日期:2021-06-18 20:38来源:国知局
一种用于半导体温控系统及方法与流程
本发明涉及半导体制造设备领域,尤其涉及一种用于半导体温控系统及方法。
背景技术
:半导体温控装置作为半导体集成电路ic制造过程中的重要设备,在集成电路ic制造的刻蚀工艺中要求保持恒定的温度输出用于控制刻蚀设备工艺腔,温度控制精度要求高。半导体温控装置在实际使用中通过制冷、加热环节对温度进行精确控制。目前的半导体温控装置采用传统pid控制算法实现控制目标温度和给定温度一致,在刻蚀工艺设备负载剧烈波动时半导体温控装置的温控精度难以保证。技术实现要素:本发明提供一种用于半导体温控系统及方法,用以解决现有技术中的温控装置存在温控精度低,制冷系统无回热器对温控系统及压缩机的影响。温控装置在半导体芯片制程中需长期稳定不停机运行,运行温度为宽温度区间,运行温度随制程工艺而改变。本发明提供一种用于半导体温控系统,包括:循环冷却水系统,包括循环水管路和设置于循环水管路上的冷凝器;制冷系统,包括压缩机、储液罐、主回路电子膨胀阀、冷旁通电子膨胀阀、热气电子膨胀阀、蒸发器和气液热交换器,所述压缩机的出口分别与所述冷凝器的入口、所述热气电子膨胀阀的第一接口连通,所述冷凝器的出口与所述储液罐的入口连通,所述储液罐的出口分别与所述冷旁通电子膨胀阀的第一接口、所述气液热交换器的第一接口连通,所述气液热交换器的第二接口与所述压缩机的入口连通,所述气液热交换器的第三接口与所述冷旁通电子膨胀阀的第二接口共同连接所述蒸发器的第一接口,所述气液热交换器的第四接口与所述主回路电子膨胀阀的第一接口连通,所述主回路电子膨胀阀的第二接口与所述热气电子膨胀阀的第二接口共同连接所述蒸发器的第二接口;循环液系统,包括加热器、循环液箱和循环泵,所述加热器设置于所述循环液箱内,所述循环液箱的入口与所述蒸发器的第三接口连通,所述循环液箱的出口与所述循环泵的入口连通,所述循环泵的出口与负载设备的入口连通,所述负载设备的出口与所述蒸发器的第四接口连通。根据本发明提供一种的用于半导体温控系统,所述循环液系统还包括第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器,所述第一温度传感器设置于所述循环泵的出口,所述第二温度传感器设置于所述负载设备的出口,所述第三温度传感器设置于所述蒸发器的第三接口。根据本发明提供一种的用于半导体温控系统,所述循环液系统还包括流量传感器和压力传感器,所述流量传感器设置于所述蒸发器的第三接口,所述压力传感器设置于所述循环泵的出口。根据本发明提供一种的用于半导体温控系统,所述制冷系统还包括第四温度传感器和第五温度传感器,所述第四温度传感器设置于所述压缩机的出口,所述第五温度传感器设置于所述压缩机的入口。根据本发明提供一种的用于半导体温控系统,所述制冷系统还包括第六温度传感器,所述第六温度传感器设置于所述蒸发器的第一接口。根据本发明提供一种的用于半导体温控系统,所述制冷系统还包括蒸发器出口压力传感器,所述蒸发器出口压力传感器设置于所述蒸发器的第一接口。根据本发明提供一种的用于半导体温控系统,所述制冷系统还包括干燥器,所述干燥器设置于述储液罐的出口。根据本发明提供一种的用于半导体温控系统,所述制冷系统还包括视液镜,所述视液镜设置于述储液罐的出口。本发明还提供一种用于半导体温控方法,所述温控方法包括以下步骤:步骤a10,获取温度参数和流量参数;步骤a20,将负载设备的入口的液体实际温度与第一目标温度进行比较,得到第一温度差值pid1;将循环液箱的入口的液体实际温度与第二目标温度进行比较,得到第二温度差值pid2;将循环液箱的入口的液体实际流量与目标流量值进行比较,得到流量差值pid3;步骤a30,根据所述第一温度差值pid1控制加热器的加热量,根据所述第二温度差值pid2控制主回路电子膨胀阀的开度,根据所述流量差值pid3控制循环泵的频率,以使所述负载设备的入口的液体实际温度值控制在目标范围内。根据本发明提供一种的用于半导体温控方法,在执行所述步骤a20之前还执行以下步骤:判断温度开关、液位传感器及断路器是否正常,若正常则开启循环泵和压缩机,若不正常,则循环泵和压缩机不开启。本发明提供的用于半导体温控系统,通过在压缩机的吸气管路上设置气液热交换器,使得冷凝器冷凝后的制冷剂液体先通过气液热交换器再经过主回路电子膨胀阀;蒸发器吸热气化的制冷剂蒸汽先通过气液热交换器再回到压缩机,将气液热交换器设置在这两条管路,达到过冷过热的目的,使蒸发器中的液体制冷剂与吸气管路中的制冷剂蒸汽进行热交换,这样既可减少吸气管路中的有害过热,同时又能达到主回路电子膨胀阀前液态制冷剂过冷的目的。同时还改善了制冷剂的循环特性,提高制冷循环的制冷系数,增加节流前高压液体制冷剂的过冷度,提高压缩机吸气过热度,防止压缩机产生液击。附图说明为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明提供的用于半导体温控系统的结构示意图;图2是本发明提供的用于半导体温控方法的流程图;图3是本发明提供的温控效果示意图;图4是本发明提供的电子膨胀阀与系统控制器的连接示意图。附图标记:101、压缩机;102、冷凝器;103、储液罐;104、主回路电子膨胀阀;105、冷旁通电子膨胀阀;106、热气电子膨胀阀;107、蒸发器;108、气液热交换器;109、蒸发器出口压力传感器;110、第四温度传感器;111、第五温度传感器;112、第六温度传感器;113、第一温度传感器;114、第二温度传感器;115、第三温度传感器;116、流量传感器;117、压力传感器;118、加热器;119、循环液箱;120、循环泵;121、干燥器;122、视液镜。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不能用来限制本发明的范围。在本发明实施例的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明实施例的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。在本发明实施例中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。下面结合图1-图2描述本发明的用于半导体温控系统及方法。图1示例了一种用于半导体温控系统的结构示意图,如图1所示,用于半导体温控系统包括循环冷却水系统、制冷系统和循环液系统。循环冷却水系统包括循环水管路和设置于循环水管路上的冷凝器102。制冷系统包括压缩机101、储液罐103、主回路电子膨胀阀104、冷旁通电子膨胀阀105、热气电子膨胀阀106、蒸发器107和气液热交换器108。压缩机101的出口分别与冷凝器102的入口、热气电子膨胀阀106的第一接口连通,冷凝器102的出口与储液罐103的入口连通,储液罐103的出口分别与冷旁通电子膨胀阀105的第一接口、气液热交换器108的第一接口连通。气液热交换器108的第二接口与压缩机101的入口连通,气液热交换器108的第三接口与冷旁通电子膨胀阀105的第二接口共同连接蒸发器107的第一接口,气液热交换器108的第四接口与主回路电子膨胀阀104的第一接口连通,主回路电子膨胀阀104的第二接口与热气电子膨胀阀106的第二接口共同连接蒸发器107的第二接口。如图4所示,系统控制器分别与主回路电子膨胀阀104、冷旁通电子膨胀阀105、热气电子膨胀阀106电连接。循环液系统包括加热器118、循环液箱119和循环泵120,加热器118设置于循环液箱119内,循环液箱119的入口与蒸发器107的第三接口连通,循环液箱119的出口与循环泵120的入口连通,循环泵120的出口与负载设备的入口连通,负载设备的出口与蒸发器107的第四接口连通。本发明提供的用于半导体温控系统,通过在压缩机101的吸气管路上设置气液热交换器108,使得冷凝器102冷凝后的制冷剂液体先通过气液热交换器108再经过主回路电子膨胀阀104;蒸发器107吸热气化的制冷剂蒸汽先通过气液热交换器108再回到压缩机101,将气液热交换器108设置在这两条管路,达到过冷过热的目的,使蒸发器107中的液体制冷剂与吸气管路中的制冷剂蒸汽进行热交换,这样既可减少吸气管路中的有害过热,又能达到主回路电子膨胀阀104前液态制冷剂过冷的目的。同时还改善了制冷剂的循环特性,提高制冷循环的制冷系数,增加节流前高压液体制冷剂的过冷度,提高压缩机101吸气过热度,防止压缩机101产生液击。这里需要说明的是,压缩机101的变频器inv1的控制:通过循环液箱119出口的温度变化,输出pid(0-100),其中0-50对应39hz,50-100对应39-60hz。加热器118加热量控制:第一温度传感器113与ts1sv目标温度比较输出pid1控制加热器118加热量。根据本发明的实施例,循环液系统还包括第一温度传感器113、第二温度传感器114和第三温度传感器115,第一温度传感器113设置于循环泵120的出口,第一温度传感器113用于检测循环泵120的出口的液体制冷剂的温度值。第二温度传感器114设置于负载设备的出口,第二温度传感器114用于检测负载设备的出口的液体制冷剂的温度值。第三温度传感器115设置于蒸发器107的第三接口,第三温度传感器115用于检测蒸发器107的第三接口的液体制冷剂的温度值。这里需要说明的是,循环液箱119出口温度的控制:ts1sv目标温度值与第一温度传感器113的实测值的差值pid输出pid1。循环液箱119入口第三温度传感器115的控制:目标温度值ts3sv与第三温度传感器115的实测值的差值pid输出pid2。精确控制循环液箱119出口温度具体控制逻辑:目标温度ts3sv与第三温度传感器115实测值的差值pid(0-100)控制主回路电子膨胀阀104,以及压缩机101变频器inv1的频率控制;目标温度ts1sv与第一温度传感器113的实测值的差值pid(0-100)控制加热器118加热量,目标流量值fs1sv与流量传感器116的实测值的差值pid(0-100)控制循环泵120的变频器inv2。根据本发明的实施例,循环液系统还包括流量传感器116和压力传感器117,流量传感器116设置于蒸发器107的第三接口,流量传感器116用于检测蒸发器107的第三接口的液体制冷剂的流量。压力传感器117设置于循环泵120的出口,压力传感器117用于检测循环泵120的出口的液体制冷剂的压力。循环液箱119出口的流量控制:目标流量值fs1sv与流量传感器116的实测值的差值pid输出pid3,流量传感器116实际流量pv与目标流量值比较输出控制循环泵120的inv2频率,循环泵120的变频器inv2的控制:pid(0-100)对应35-50hz。根据本发明的实施例,制冷系统还包括第四温度传感器110、第五温度传感器111和第六温度传感器112,第四温度传感器110设置于压缩机101的出口,第四温度传感器110用于检测压缩机101的出口的制冷剂的温度值。第五温度传感器111设置于压缩机101的入口,第五温度传感器111用于检测压缩机101的入口的制冷剂的温度值。第六温度传感器112设置于蒸发器107的第一接口,第六温度传感器112用于检测蒸发器107的第一接口的制冷剂的温度值。根据本发明的实施例,制冷系统还包括蒸发器出口压力传感器109、干燥器121和视液镜122,蒸发器出口压力传感器109设置于蒸发器107的第一接口,蒸发器出口压力传感器109用于检测蒸发器107的第一接口的制冷剂的压力值。干燥器121设置于述储液罐103的出口,视液镜122设置于述储液罐103的出口。用于半导体温控系统的制冷剂的流向有以下三条流向:1、压缩机101出口-冷凝器102-储液罐103-干燥器121-视液镜122-气液热交换器108-主回路电子膨胀阀104-蒸发器107-气液热交换器108-压缩机101入口;2、压缩机101出口-冷凝器102-储液罐103-干燥器121-视液镜122-冷旁通电子膨胀阀105-气液热交换器108-压缩机101入口;3、压缩机101出口-热气电子膨胀阀106-蒸发器107-气液热交换器108-压缩机101入口。如图3所示,通过合理控制主回路电子膨胀阀104、热气电子膨胀阀106和冷旁通电子膨胀阀105的开度,并且控制压缩机101的运行频率、加热器118的加热量、循环泵120的运行频率以及系统回热器(气液热交换器108),可满足制冷系统的有效控制。最后通过平衡相关变量,综合控制,自我平衡,实现精确控制循环液出口温度和流量,经过实际检验温控精度可达+/-0.1℃。通过对压缩机101和循环泵120进行变频控制,可达到节能的效果。通过采用两级闭环控制,提高动态控制性能,满足先进制程需求,高效控制,减少能耗,采用回热器技术;通过增加过冷度和增加过热度,减少压缩机101回液,提高压缩机101可靠性。采用专用电子热气旁通设计有效利用压缩机101的热量,提高加热功率降低加热器118的功率,减少能耗。回热器技术:在配合气液热交换器108的制冷系统中,在保证无液体进入压缩机101的前提下,通过降低气液热交换器108的出口过热度,可降低蒸发器107的出口焓,使制冷工质处于蒸干区或两相流区而不是过热区,而具有更高的换热能力,从而减小了蒸发器107的尺寸。图2示例了一种用于半导体温控方法的流程图,如图2所示,本发明还提供一种用于半导体温控方法,温控方法包括以下步骤:步骤a10,获取温度参数和流量参数;这里需要说明的是温度参数包括第一温度传感器113的温度值、第二温度传感器114的温度值、第三温度传感器115的温度值、第四温度传感器110的温度值、第五温度传感器111的温度值和第六温度传感器112的温度值;流量参数包括流量传感器116的流量值。步骤a20,将负载设备的入口的液体实际温度与第一目标温度进行比较,得到第一温度差值pid1;将循环液箱119的入口的液体实际温度与第二目标温度进行比较,得到第二温度差值pid2;将循环液箱119的入口的液体实际流量与目标流量值进行比较,得到流量差值pid3;步骤a30,根据第一温度差值pid1控制加热器118的加热量,根据第二温度差值pid2控制主回路电子膨胀阀104的开度,根据流量差值pid3控制循环泵120的频率,以使负载设备的入口的液体实际温度值控制在目标范围内。通过根据第二温度差值pid2控制主回路电子膨胀阀104的开度,使其满足高低温区间的运行。同时还能够满足高低温区间对于回口负载输出不同制冷量的运行需求。此外,通过对主回路电子膨胀阀104的控制还能够实现对吸气温度和排气温度控制,并使其处于合适的范围内,保证系统可靠运行。主回路电子膨胀阀104控制:根据实际温度值和被控对象的目标温度值确定制冷量(主回路电子膨胀阀104)输出百分比,pid(0-100)对应exp-lo到exp-hi(表1为exp-lo和exp-hi对应温度表),能够实现自动控制主回路电子膨胀阀104的开度,使其满足高低温区间的运行。同时还能够满足高低温区间对于回口负载设备输出不同制冷量的运行需求。此外,通过对主回路电子膨胀阀104的控制还能够实现对吸气温度和排气温度控制,并使其处于合适的范围内,保证系统可靠运行。tempexp-hiexp-lotempexp-hiexp-lo-20.000.000.0040.000.000.00-15.000.000.0045.000.000.00-10.000.000.0050.000.000.00-5.000.000.0055.000.000.000.000.000.0060.000.000.005.000.000.0065.000.000.0010.000.000.0070.000.000.0015.000.000.0075.000.000.0020.000.000.0080.000.000.0030.000.000.0090.000.000.0035.000.000.00100.000.000.00表1热气电子膨胀阀106控制(bygasmax):根据实际温度值和被控对象的目标温度值确定热气电子膨胀阀106输出百分比,pid(0-100)对应expby-hi到l0(表2为expby-hi对应温度表),能够实现自动控制电子膨胀阀的开度。冷旁通电子膨胀阀105控制(inj-exp):通过温度基础值+调整量进行调节,如表2所示。tempdiffinj-expbygasmaxtempdiffinj-expbygasmax-20.000.000.000.0040.000.000.000.00-15.000.000.000.0045.000.000.000.00-10.000.000.000.0050.000.000.000.00-5.000.000.000.0055.000.000.000.000.000.000.000.0060.000.000.000.005.000.000.000.0065.000.000.000.0010.000.000.000.0070.000.000.000.0015.000.000.000.0075.000.000.000.0020.000.000.000.0080.000.000.000.0030.000.000.000.0090.000.000.000.0035.000.000.000.00100.000.000.000.00表2根据本发明的实施例,在执行步骤a20之前还执行以下步骤:判断温度开关、液位传感器及断路器是否正常,若正常则开启循环泵120和压缩机101,若不正常,则循环泵120和压缩机101不开启。最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页12
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