KR101598298B1 - 저항 측정방식에 근거한 히터 모니터링 장치 및 그에 따른 히터 모니터링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저항 측정방식에 근거한 히터 모니터링 장치 및 그에 따른 히터 모니터링 방법을 개시하고 있다. 본 발명에 따른 히터 모니터링 장치는, 히터에 인가되는 교류 전원의 전압 및 전류를 검출하는 제1 감지부와, 상기 제1 감지부로부터 제공되는 전압 및 전류를 동일한 시간 영역 및 동일한 위상 영역에서 측정하여 순시 전압 및 순시 전류를 검출하는 제2 감지부를 구비한다. 또한, 히터 모니터링 장치는 제2 감지부로부터 검출된 순시 전압을 순시 전류로 나누어 상기 히터의 저항값을 구한 후 이를 저장하고 현재보다 이전에 저장된 저항값들과 비교함에 의해 상기 히터의 동작상태를 모니터링 하는 제어기를 포함한다.

Description

저항 측정방식에 근거한 히터 모니터링 장치 및 그에 따른 히터 모니터링 방법{heater monitoring apparatus based on resistor measuring technique and therefore method}

본 발명은 전력 사용 발열체의 모니터링에 관한 것으로, 특히 히터의 동작 상태를 모니터링하여 고장을 진단하고 히터의 수명연한을 예측할 수 있는 히터 모니터링 장치 및 그에 따른 히터 모니터링 방법에 관한 것이다.

반도체 제조 공정 및 일반 산업 제조설비에 널리 이용되는 히터는 전기 에너지를 열 에너지로 변환하는 소자이다. 그러한 히터의 동작 상태를 정확히 모니터링 하여 히터의 고장을 진단하거나 히터의 수명을 예측하는 것이 반도체 제조 공정 및 일반 산업 전반에서 요구된다.

종래에는 히터의 동작 상태를 전력량 기반으로 모니터링을 행하였기 때문에 측정 부정확에 기인하여 히터의 고장 진단이 신뢰성을 갖기 어려웠다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 히터의 동작 상태를 모니터링하여 고장을 진단하고 히터의 수명연한도 예측할 수 있는 히터 모니터링 장치 및 그에 따른 히터 모니터링 방법을 제공함에 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예적 일 양상에 따라, 히터 모니터링 장치는,

히터에 인가되는 교류 전원의 전압 및 전류를 검출하는 제1 감지부;

상기 제1 감지부로부터 제공되는 전압 및 전류를 동일한 시간 영역 및 동일한 위상 영역에서 측정하여 순시 전압 및 순시 전류를 검출하는 제2 감지부; 및

상기 제2 감지부로부터 검출된 순시 전압을 순시 전류로 나누어 상기 히터의 저항값을 구한 후 이를 저장하고 현재보다 이전에 저장된 저항값들과 비교함에 의해 상기 히터의 동작상태를 모니터링 하는 제어기를 포함한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 순시 전압 및 순시 전류의 검출은 영전위 이상의 레벨에서 수행되고, 상기 교류 전원의 반주기 내에서 수행될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제어기는 상기 히터의 동작상태를 모니터링 할 때 상기 저항값들의 변화에 근거하여 상기 히터의 수명을 예측하는 정보를 생성할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시 예적 양상에 따라, 히터 모니터링 장치는,

히터에 인가되는 교류 전원의 전압 및 전류를 검출하는 전압 및 전류 센서;

상기 전압 및 전류 센서로부터 제공되는 전압 및 전류를 동일한 시간 영역 및 동일한 위상 영역에서 측정하여 순시 전압 및 순시 전류를 검출하는 순시 감지부; 및

상기 순시 감지부로부터 검출된 순시 전압을 순시 전류로 나누어 상기 히터의 저항값을 구한 후 이를 저장하고 현재보다 이전에 저장된 저항값들과 비교함에 의해 상기 히터의 동작상태를 모니터링 한 히터 고장 진단 정보와, 상기 저항값들의 변화 패턴을 수명 기준 데이터와 비교한 히터 수명 예측 정보를 생성하는 제어기를 포함할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 실시 예적 양상에 따라, 히터 모니터링 방법은,

히터에 인가되는 교류 전원의 전압 및 전류를 검출하는 전압 및 전류 센서를 제공하는 단계;

상기 전압 및 전류를 동일한 시간 영역 및 동일한 위상 영역에서 측정하여 순시 전압 및 순시 전류를 검출하는 단계;

상기 검출된 순시 전압을 순시 전류로 나누어 상기 히터의 저항값을 구하는 단계;

상기 구해진 저항값을 저장하고 현재보다 이전에 저장된 저항값들과 비교하여 상기 히터의 동작상태를 나타내는 히터 고장 진단 정보를 생성하는 단계; 및

상기 저항값들의 변화 패턴을 수명 기준 데이터와 비교하여 히터 수명 예측 정보를 생성하는 단계를 포함한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 히터 모니터링 장치 및 그에 따른 히터 모니터링 방법에 따르면, 히터의 동작 상태를 모니터링하여 고장 유무, 온도 관리 및 상태변화를 신뢰성 있게 진단하고 히터의 수명연한을 예측할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 일반적인 히터 제어에서의 전력량 모니터링을 보여주는 개요도이다.
도 2는 일반적인 히터 제어에서의 전력량 모니터링을 보여주는 다른 개요도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 히터 상태 불량 판정을 보여주는 개요도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 히터 모니터링 장치의 전체 블록도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 히터 모니터링 장치의 전체 블록도이다.
도 6은 도 4 또는 도 5에 따라 저항 측정방식에 근거한 히터 모니터링의 동작 타이밍도이다.
도 7는 본 발명의 실시 예에 따른 히터 장치 모니터링 방법의 플로우챠트이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 히터 수명 예측에 이용되는 예시적 활용 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 히터 수명 예측에 이용되는 다른 예시적 활용 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 히터 수명 예측의 플로우챠트이다.

위와 같은 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은, 이해의 편의를 제공할 의도 이외에는 다른 의도 없이, 개시된 내용이 보다 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 소자 또는 라인들이 대상 소자 블록에 연결된다 라고 언급된 경우에 그것은 직접적인 연결뿐만 아니라 어떤 다른 소자를 통해 대상 소자 블록에 간접적으로 연결된 의미까지도 포함한다.

또한, 각 도면에서 제시된 동일 또는 유사한 참조 부호는 동일 또는 유사한 구성 요소를 가급적 나타내고 있다. 일부 도면들에 있어서, 소자 및 라인들의 연결관계는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 나타나 있을 뿐, 타의 소자나 기능블록들이 더 구비될 수 있다.

여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함될 수 있으며, 반도체 제조 설비 등에 장착되는 히터 장치 제어의 기본적 동작과 내부의 메카니즘 세부는 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 하기 위해 상세히 설명되지 않음을 유의(note)하라.

반도체 제조 및 각종 산업 현장에서는 히터 시스템을 이용해서 제조 설비 내의 온도를 증가시키고 있다. 온도를 증가시켜 반도체 웨이퍼 및 기타 제품들의 표면에 가스의 반응 속도와 반응 량을 조절할 경우에 반도체 웨이퍼 및 기타 제품들의 표면 두께가 조절될 수 있다.

반도체 소자의 제조 시 가장 중요한 인자들의 온도, 압력, 가스 량, 시간과 같이 이 네 가지의 핵심 요소로 구성이 되는데 압력, 가스 량, 시간과 같은 인자들은 정확하게 감지하고 측정할 수 있는 측정 시스템이 일반적으로 구비되어 있다. 따라서 압력, 가스 량, 시간은 비교적 일정하게 관리될 수 있다.

온도 관리에 있어서도 온도 제어기를 통해서 목표를 일정한 온도로 유지할 수 있는 시스템이 구비되어 있다. 하지만 온도 관리의 경우 중요한 것은 히터에서 발생하는 열에너지이며 열에너지의 양은 히터의 상태에 따라 변화하게 된다.

일반적인 기술에서는 온도 제어기를 통한 온도 관리의 경우에 정확하고 실질적인 방법으로 히터의 상태 판단이나 온도를 제어하는 것이 아니라 전력량 등의 변화를 측정하여 수행하였기 때문에 발열 원 자체의 측정이나 모니터링이 어렵고 부정확하였다.

도 1은 일반적인 히터 제어에서의 전력량 모니터링을 보여주는 개요도이다.

도 1에서 가로축은 시간을 세로축은 진폭을 각기 나타낸다.

파형 TCD는 온도 제어기의 제어 구간을 나타내고, 파형 V/I 는 전압과 전류를 가리킨다. 또한 파형 RMS 는 RMS 측정값을 보여준다.

도 1은 전압, 전류를 이용한 전형적인 전력량 모니터링 방법으로서, 전력량을 측정하고 전력량의 변화를 감지함에 의해 간접적으로 히터의 불량 상태도 판단되어지게 된다.

도 1과 같은 제어 방식은 히터에 인가되는 전압(G10) 및 전류(G12)를 주기별(T1,T2,T3,T4)로 측정하여 주기별 RMS 값을 얻은 후, 이 전력량에 근거하여 온도 제어기를 제어하는 방식을 취하고 있다. 즉, 온도 제어기의 제어 및 PID 제어로 인한 전류 량이 감소하게 되면 전력량 또한 감소하거나 증가하는 패턴으로 변화가 일어나게 된다. 변화되는 전력량을 감시하여 히터에 연결된 온도 제어기의 제어 및 PID 제어가 수행되는 것이다.

그러나 이러한 온도 제어의 경우에 변화된 전력량이 히터의 저항값의 변화라고는 할 수 없다. 결국, 도 1과 같은 제어 방법은 항상 일정한 전압과 일정한 전류가 지속적으로 공급되고 있는 상태를 전제하면 비례 제어와 같은 ON/OFF 제어에서도 가능하다. 그러나, 온도를 정밀하게 제어하는 반도체 생산 장비와 같은 곳에서는 전류나 전압 공급이 가변적이므로 도 1의 제어 방법은 그러한 곳에서의 히터 모니터링 방식으로서 적용되기 어렵다.

도 2는 일반적인 히터 제어에서의 전력량 모니터링을 보여주는 다른 개요도이다.

도 2에서도 가로축은 시간을 세로축은 진폭을 각기 나타낸다.

파형 TCD는 온도 제어기의 제어 구간을 나타내고, 파형 V/I 는 전압과 전류를 가리킨다. 또한 파형 AVG 는 AVG(평균) 측정값을 보여준다.

도 2와 같은 제어 방식은 히터에 인가되는 전압(G11) 및 전류(G13)를 주기별(T1,T2,T3,T4)로 측정하여 주기별 AVG 값을 얻은 후, 이 전력량에 근거하여 온도 제어기를 제어하는 방식을 취하고 있다. 즉, 온도 제어기의 제어 및 PID 제어로 인한 전류 량이 감소하게 되면 전력량 또한 감소하거나 증가하는 패턴으로 변화가 일어나게 된다. 변화되는 전력량을 감시하여 히터에 연결된 온도 제어기의 제어 및 PID 제어가 수행되는 것이다.

그러나 이러한 온도 제어의 경우에 변화된 평균 전력량이 히터의 저항값의 변화라고는 할 수 없다. 결국, 도 2와 같은 제어 방법도 항상 일정한 전압과 일정한 전류가 지속적으로 공급되고 있는 것을 전제로 하면 비례 제어와 같은 ON/OFF 제어에서는 가능하다. 그러나, 온도를 정밀하게 제어하는 반도체 생산 장비와 같은 곳에서는 히터 모니터링 방식으로서 적용되기 어렵다.

도 3은 종래 기술에 따른 히터 상태 불량 판정을 보여주는 개요도이다.

도 1과 유사하게, 파형 TCD는 온도 제어기의 제어 구간을 나타내고, 파형 V/I 는 전압과 전류를 가리킨다. 또한 파형 RMS 는 RMS 측정값을 보여준다.

히터에 인가되는 전압(G10) 및 전류(G12)를 주기별(T1,T2,T3,T4)로 측정하여 주기별 RMS 값을 얻으며, 주기(T1)이외의 구간에는 히터를 비정상 상태인 것으로 판정한다.

결국, 도 3과 같은 히터 불량 판정은 전력량에 기반으로 하여 특정 온도 구간을 제어하는 영역에서 전력량이 정상적으로 측정되는 지의 여부를 판단함에 의해, 히터의 불량 및 정상을 판단하게 되는 단순하고 부정확한 방법인 것이다.

전압과 전류의 2가지 인자에 의해 결정되는 전력량은 어느 하나의 인자가 변화하더라도 전력량이 변화된다. 따라서, 이러한 전력량의 측정은 히터의 정확한 상태를 판단하기에 한계가 있다. 또한 온도 제어기와 같이 제어를 목적으로 하는 부품들은 P.PI, 또는 PID 등과 같은 다양한 제어 방법을 사용한다. 이들 제어방식에 의해서 항상 일정한 전압 전류가 공급되지 않고 가변적인 전력량이 공급되게 된다.

이와 같이 전력량을 통해서 히터의 상태를 감지하는 종래의 방법에서는 히터의 상태를 정확히 확인하기 어렵다. 즉, 온도 제어기의 제어 특성으로 인해 일정치 않은 전력량을 단위 시간마다 비교하는 단위시간 평균 모니터링 방법이 적용되고 있기 때문이다.

본 발명의 실시 예에서는 위와 같은 전력량 모니터링 방식에 의한 히터 상태 모니터링을 탈피하여 보다 더 정확히 히터 상태를 판정할 수 있는 개선된 방식이 마련된다.

본 발명의 실시 예에 따른 히터 모니터링 방법은,

히터에 인가되는 교류 전원의 전압 및 전류를 검출하는 전압 및 전류 센서를 제공하는 단계; 상기 전압 및 전류를 동일한 시간 영역 및 동일한 위상 영역에서 측정하여 순시 전압 및 순시 전류를 검출하는 단계; 상기 검출된 순시 전압을 순시 전류로 나누어 상기 히터의 저항값을 구하는 단계; 상기 구해진 저항값을 저장하고 현재보다 이전에 저장된 저항값들과 비교하여 상기 히터의 동작상태를 나타내는 히터 고장 진단 정보를 생성하는 단계; 및 상기 저항값들의 변화 패턴을 수명 기준 데이터와 비교하여 히터 수명 예측 정보를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 히터 모니터링 장치의 전체 블록도이다.

도 4를 참조하면, 히터 모니터링 장치는 제어기(100), 전압센서(102), 영 전압 감지기(104), 전류센서(106), 영 전류 감지기(108), 전력공급 상태 감지기(110), 구동상태 감지기(112), 온도정보 변환기(114), 모니터(116), 저장부(118), 키보드(120), 통신부(122), 전원공급부(124), 히터(202), VT(204), CT(206), 전력 제어기(208), 온도센서(210), 및 온도 제어기(214)를 포함할 수 있다.

히터(201)는 전력을 받아 열을 발생하는 열 발생 소자이며, 특히 반도체 제조 공정에서 사용될 경우에 웨이퍼의 특정 가공에 필요한 온도를 발생시키기 위한 열 발생원으로서 역할을 한다.

전력 제어기(208)는 실리콘 제어 정류 소자 등으로 구성되어 히터(208)에 인가되는 전원을 제어한다.

온도 센서(210)는 히터(202)의 주변에 설치되어 온도를 감지한다. 감지된 온도는 온도 제어기의 목표 값 제어를 위해 필요한 온도 정보가 된다.

온도 제어기(214)는 반도체 제조 공정에서 일정한 온도를 유지하기 위하여 상기 온도 센서(210)로부터 감지된 온도 정보를 받아 온도를 제어한다. 감지된 온도가 목표 온도에 미달되는 경우에 상기 온도 제어기(214)는 온도 상승을 지시하는 신호를 전력 제어기(208)로 인가한다. 한편, 감지된 온도가 목표 온도 이상인 경우에 상기 온도 제어기(214)는 온도 하강을 지시하는 신호를 전력 제어기(208)로 인가한다. 상기 전력 제어기(208)는 온도 상승을 지시하는 신호를 수신 시에 히터(202)로 전원이 공급되도록 하고 온도 하강을 지시하는 신호를 수신 시에 히터(202)로 전원이 차단되거나 최소 유지 전원이 공급되도록 한다.

온도 정보 변환기(114)는 온도 제어기(214)와 제어기(100) 간을 인터페이싱 한다. 이에 따라 온도 제어기(214)로부터 제공되는 아나로그 온도 정보는 제어기(100)에서 인식될 수 있도록 디지털 데이터로 변환된다. 제어기(100)로부터 인가되는 제어 정보는 온도 정보 변환기(114)를 통해 설정된 통신 포맷으로 변환되어 상기 온도 제어기(214)로 제공된다.

구동 상태 감지기(112)는 온도 제어기(214)가 전력 제어기(208)를 제어할 때 상기 온도 제어기(214)의 실제 구동에 대한 제어 영역의 신호를 감지한다.

전력 공급 상태 감지기(110)는 히터(202)에 전력이 실제로 공급되는 지를 판단하기 위해 전력 제어기(208)와 연결되며, 전력이 실제로 공급되고 있거나 있지 않을 시에 제어기(100)로 전력 공급 상태 신호를 인가한다. 구동 상태 감지기(112)를 통해서 온도 제어기(214)가 전력 제어기(208)를 제어하는 것이 인식되지만, 상기 전력 공급 상태 감지기(110)를 설치하는 것에 의해 히터(202)에 전력이 실제로 공급되는 지의 유무가 판단될 수 있다.

전압 센서(102)는 VT(204)와 연결되어 히터(202)에 공급되는 전압을 측정하는 장치로서 히터 양단에 공급되는 전압을 전류 값으로 환원시켜 측정할 수 있다.

전류 센서(106)는 변류기(CT,206)와 연결되어 히터(202)에 공급되는 전류를 측정할 수 있다. 상기 전압 센서(102)와 상기 전류 센서(106)은 제1 감지부로서 칭해질 수 있다.

“0”전압 감지기(104)는 교류 전압 (SINE Wave)의 위상 변화 시점을 감지하여 전류 값과 동 위상여부를 판단하는 전압 원 위상 판별 소자이다.

“0”전류 감지기(108)는 교류 전류의 실제 “0”값 이상의 전류가 공급되는 영역을 구분하고 전압과의 동 위상 여부를 판단하는 판별 소자이다.

상기 “0”전압 감지기(104) 및 “0”전류 감지기(108)는 순시 감지부로서 기능하며, 제2 감지부로서 칭해질 수 있다. 상기 순시 감지부는 제1 감지부(전압 센서 및 전류 센서)로부터 제공되는 전압 및 전류를 동일한 시간 영역 및 동일한 위상 영역에서 측정하여 순시 전압 및 순시 전류를 검출한다.

제어기(100)는 각 구성부의 신호들을 종합하여 “R”(저항)값을 측정 및 히터의 상태를 예측 및 진단하는 소자이다. 제어기(100)는 각종 정보를 저장 사용자에게 전달할 수 있도록 모니터(116)를 제어하고 원거리 사용자에게 정보를 제공하기 위해 통신부(122)를 제어하는 주 제어 장치로서 역할을 한다.

상기 제어기(100)는 상기 순시 감지부로부터 검출된 순시 전압을 순시 전류로 나누어 상기 히터의 저항값을 구한 후 이를 저장하고 현재보다 이전에 저장된 저항값들과 비교함에 의해 상기 히터의 동작상태를 모니터링 한 히터 고장 진단 정보를 생성한다. 또한, 상기 제어기(100)는 상기 저항값들의 변화 패턴을 수명 기준 데이터와 비교한 히터 수명 예측 정보를 생성한다.

저장부(118)는 계측된 정보를 저장하여 사용자가 과거 정보를 확인할 수 있도록 한다. 상기 저장부(118)는 DRAM 등과 같은 휘발성 메모리 또는 플래시 메모리 등과 같은 불휘발성 메모리로 구성될 수 있다.

모니터(116)는 측정된 값들을 사용자에게 전달하는 디스플레이 소자이다. 상기 모니터(116)에는 사용자 터치 입력을 수신하는 터치부가 연결될 수 있다. 상기 터치부는 감압식 또는 정전식으로 사용자 입력을 감지할 수 있다.

통신부(122)는 원거리의 사용자 및 모니터링 장치에 정보를 제공하기 위한 데이터 전송 소자이다. 상기 통신부(122)는 상기 제어기(100)와 외부 간의 통신이 수행되도록 하기 위해 마련되며, 상기 외부에는 호스트나 서버가 위치될 수 있다.

전원 공급부(124)는 시스템 전체에 필요한 각종 전압을 생성하고 공급하는 회로 장치이다. 상기 전원공급부(124)는 교류전원 혹은 직류전원을 입력단으로 수신한다. 상기 입력단에 교류전원이 수신되는 경우에 상기 전원공급부(124)는 교류전원을 직류전원으로 변환하고 변환된 출력 전압을 일정한 전압으로 레귤레이팅하는 동작을 수행할 수 있다. 상기 입력단에 직류전원이 수신되는 경우에 상기 전원공급부(124)는 수신된 직류 전압을 내부의 필요한 전압레벨로 컨버팅하는 동작을 수행할 수 있다.

도 4의 히터 모니터링 장치는, 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위해 전압 및 전류를 동일한 시간 영역 및 동일한 위상 영역에서 측정하여 히터의 저항을 모니터링하는 동시간/동위상 저항 검사 방법이 히터 모니터링의 신뢰서을 높이기 위해 사용된다. 여기서, 히터의 온도를 감지한 온도 정보도 추가적으로 참조될 수 있다. 전압 및 전류를 동일한 시간 영역 및 동일한 위상 영역에서 측정하여 순시 전압 및 순시 전류를 검출하면 저항을 측정할 수 있다.

이와 같은 히터 상태 모니터링 기법은 종래의 불확실한 검사방법에서 진보하여 그 측정 대상의 핵심적인 요소를 도출해 낼 수 있도록 하는 신뢰성 높은 방법이다. 또한, 이 방법을 사용하면 히터가 구동 중이고 전력이 공급되고 있는 상태에서도 실시간으로 그 핵심 요소가 측정될 수 있다.

결국, 종래와는 달리, 전력량에 근거한 불확실한 데이터를 사용함이 없이, 히터 모니터링의 핵심 요소인 ”R”(저항값)값이 정확하게 측정될 수 있다.

이러한 방법은 전력량을 이용한 종래의 판단 방법에서의 문제점을 보완할 수 있다. 또한, 상시 동일한 시간영역에서의 정보를 활용하여 정보를 처리할 수 있어 보다 효과적인 검출 방법으로도 사용될 수 있을 것이다.

전압 및 전류를 감지하는 것을 기본으로 하고, 또 다른 정보(히터 전력 공급 시간, 히터 전압 및 전류 공급 주기, 전압 및 전류의 “0”영역, 온도 제어기의 제어 실행 명령 등)를 생성 및 활용하여 동시간 동위상에서의 순시 전압 및 순시 전류를 생성함에 의해 히터의 저항값은 보다 정확하고 신뢰성 있게 검출될 수 있다.

전압 = 전류 * 저항이라는 공식을 이용하여 본 발명에서 측정하고자 하는 “저항 = 전압/전류”가 도출될 수 있다. 본 발명에서는 동시간 / 동 위상에서 측정된 순시 전압 및 순시 전류가 저항의 도출에 이용되므로 고속의 계측 회로로서 영 전압/전류 감지기가 활용될 수 있다. 결국, 전압과 전류의 동시간 및 동위상에서 순시 해당 값을 검출하여 히터의 저항값을 얻는다. 결국, 본 발명에서는 단순히 시간 영역 안에서 전압과 전류의 RMS 및 AVG값을 사용하지 않는 것이다.

결국, 본 발명에 따라 히터 저항값을 측정하기 위해서는 실제 전류가 공급된 시간 영역을 도출해 내야 하고 또한 위상 차를 정확하게 판단할 수 있어야 한다.또한 온도 제어기(214)가 실제 제어 범위 내에서 동작하고 있는 지에 대한 부가적 정보도 판단에 참조되어야 한다. 결국, 이들 정보를 종합적으로 판단하여 연산이 되어야 하는 것이다.

상기 순시 감지부가 순시 전압 및 순시 전류를 검출할 경우에 상기 제어기(100)는 상기 부가적 정보를 참조하여 저항값으 구하여 히터의 동작 상태를 모니터링한다. 여기서, 전압과 전류의 값이 변경되었다고 하더라도 항상 전류와 전압의 동위상, 동시간 대의 순시 값이 측정에 이용되므로 저항값이 항상 신뢰성 있게 얻어질 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 히터 모니터링 장치의 전체 블록도이다.

도 5를 참조하면, 히터 모니터링 장치는 제어기(100), 전압센서(102), 영 전압 감지기(104), 전류센서(106), 영 전류 감지기(108), 전력공급 상태 감지기(110), 구동상태 감지기(112), 온도정보 변환기(114), 모니터(116), 저장부(118), 키보드(120), 통신부(122), 전원공급부(124), 및 기존 반도체 생산 설비(200)를 포함할 수 있다.

여기서, 기존 반도체 생산 설비(200)는 히터(202), VT(204), CT(206), 전력 제어기(208), 온도센서(210), 및 온도 제어기(214)를 포함할 수 있다.

도 5의 경우에는 기존 반도체 생산 설비(200)에 상기 히터(202), VT(204), CT(206), 전력 제어기(208), 온도센서(210), 및 온도 제어기(214)가 이미 설치된 경우이므로, 이를 제외한 나머지의 구성 요소들만 히터 모니터링 장치에 설치하고 배선 연결을 도모할 수 있는 것이다.

도 4의 구성 및 동작과 마찬가지로, 도 5의 제어기(100)는 입력단들(S1-S7)을 통해 영 전압, 전압, 영 전류, 전류, 전력 공급 상태신호, 구동 상태신호, 및 온도정보신호를 각기 차례로 수신한다.

도 5의 각 구성 요소들의 기능 및 동작은 전술한 도 4의 대응되는 구성 요소들의 기능 및 동작과 동일 또는 유사할 수 있다.

도 6은 도 4 또는 도 5에 따라 저항 측정방식에 근거한 히터 모니터링의 동작 타이밍도이다.

도 6을 참조하면, 가로축은 시간을 나타내고 세로축은 각 신호들의 진폭을 각기 나타낸다. 파형 TCD는 온도 제어기의 제어 구간을 나타내고, 파형 V/I 는 전압과 전류를 가리킨다. 또한 파형 VS 및 ILS는 전압 '0'신호와 전류 레벨 신호를 각기 가리키고, 파형 RMSP는 RMS 전력을 나타낸다. 파형 R은 순시 전압을 순시 전류로 나누어 얻은 히터의 저항값을 가리킨다.

도 6에서와 같이 영 전위 보다 높은 전압의 위치, 영 전위 보다 높은 전류의 위치가 존재하는 영역에서 ①,②,③,④ 와 같이 전압과 전류의 동위상 및 동시간 영역에서 두 값을 측정하고 그 측정된 값을 이용하여 저항 값(저항=전압/전류)을 계산하게 된다.

도 6에서 보여지는 바와 같이 동위상 및 동시간영역에 측정하게 되면, 전력량은 일정하지 않고 실시간으로 변화하게 된다 .

도 6과 같은 측정 방식을 통해서 실시간 측정한 값을 저장 및 관리하면 히터 저항의 변화량을 알 수 있다. 예를 들어, 시점 t9에서의 ⑤번과 같이 전류량이 갑자기 변화되면 저항값의 변화가 발생된 것이므로, 현재 이전에 저장된 저항값과 비교를 행하여 히터의 고장 상태를 정확하게 판단할 수 있는 것이다.

결국, 히터의 경우에 일정한 저항값을 가지고 있기 때문에 그 히터의 상태가 변화되지 않을 경우 온도 제어기의 제어 방식으로 제어되어도 전류량은 전압의 크기에 의해서 항상 저항값과 비례적으로 증가하거나 감소하게 된다. 온도 제어기는 전압과 전류의 한 주기 별로 전력량을 제어하는 것이지만, 전압과 전류의 파형에서 보다 세밀하게 분석해보면 전압과 전류의 한 주기(60Hz = 16.7mS)중 전류가 공급되는 시간을 제어하고 있는 것이다.

결국, 이는 전력량이 히터 불량 진단의 판단 근거가 되어서는 안되는 것을 의미한다. 도 6의 원리에 따른 히터 불량 진단은 전압과 전류의 한 주기 동안이라고 하더라도 그 보다 더 짧은 영역에서 전압과 전류가 영 전위 이상 발생한 영역 그리고 온도 제어기가 전력을 실제 제어하는 영역을 기준으로 전압과 전류의 동 위상, 동시간 영역에서 저항값을 측정하는 것을 보여준다. 검출된 저항값들의 패턴을 비교하는 것에 의해 히터의 불량 유무를 판단하거나 수명 연한을 예측할 수도 있다.

또한, 부가적인 정보를 참조함에 의해 히터의 단선으로 인해 전력이 공급되지 않는 것인지 온도 제어기가 비정상적으로 전력을 제어하는지의 여부도 판단할 수 있다. 그리고, 전력 제어소자의 파손이나 결함 여부도 진단할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 히터 장치 모니터링 방법의 플로우챠트이다.

도 7을 참조하면, 입력 전압의 이상(S726), 전력 제어기의 불량(S728), 히터 코일의 단선(S730), 및 히터 코일의 단락(S732)가 히터 장치 진단의 부가적 예시로서 도시된다.

상기 입력 전압의 이상(S726)은 시스템 초기값이 확인(S712)되고 나서 입력 전압이 정상임을 체크하는 단계(S714)에서 이상이 감지된 경우에 발생한다.

상기 전력 제어기의 불량(S728)은 전력 제어기가 온(S718)되어 있고 전력량이 증가하지 않는 경우(S720)에 발생된다.

상기 히터 코일의 단선(S730)은 전류량이 증가하지 않는 경우(S722)에 발생된다.

상기 히터 코일의 단락(S732)은 전력량이 임계값을 초과한 경우(S724)에 발생된다.

도 7과 같은 히터 장치의 진단 기능은 히터의 단선체크만을 감지할 수 있는 일반적인 시스템의 진단 한계에서 개선되고 진보된 것이다. 즉, 온도 제어에 사용되어지는 반도체 소자, 히터, 제어기 등과 같은 제반 구성품의 불량 원인을 판단할 수 있는 진단 기능을 더 구비함에 의해 불량 원인의 분석 및 유지 보수가 편리 하도록 구성한 것이다.

히터 장치는 제어기, 온도센서, 전력 제어소자, 각종 센서등 다양한 요소들에 의해서 제어되는 복합 시스템이다.

도 7에서는 별도의 센서를 추가함이 없이도 전력이 공급되는 시점, 실제 온도 제어기가 제어 목표값으로 제어하는 동작 상태, 전력제어기의 동작 신호등을 함께 판단한다. 제어기의 문제점인지 아님 전력제어기의 문제점인지, 또는 공급 전압원에 문제가 발생하였는지를 정확하게 판단하여 사용자에게 전달함에 의해 보다 신속한 유지 보수 및 비용이 절감될 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 히터 수명 예측에 이용되는 예시적 활용 도면이다. 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 히터 수명 예측에 이용되는 다른 예시적 활용 도면이다. 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 히터 수명 예측의 플로우챠트이다.

이하에서는 도 8 내지 도 10을 참조로 히터의 저항값을 측정하는 것과, 히터 수명 예측에 관한 예가 설명될 것이다.

본 발명의 실시 예에서는 정밀하고 세밀한 저항값의 변화량을 기준으로 현재까지 사용된 시간 값과 현재까지 변화된 값을 이용하여 히터의 수명 연한을 판단할 수 있다.

히터를 시간 영역에서 주기적인 on/off방식으로 제어하는 시스템의 경우에 현재 가동 상태에 대한 정보와 이전 가동 상태의 정보를 상호 비교 분석은 특정 온도 제어구간의 전력량 및 각종 신호 정보의 현상을 직관적으로 비교 분석할 수 있도록 해준다.

예를 들어 첫 번째 가동되었을 상태의 온도 증가 테이블에 따른 전력량 증가, 저항값의 변화, 증가 시간, 전력 공급 시간 등 일반적으로 사용자가 판단하기 쉽지 않은 정보를 주기별로 저장하여 두고, 두 번째 가동되었을 상태의 정보와 시간영역을 통해서 서로 비교 분석할 수 있다.

도 10에서, 시스템 초기값을 확인(S812) 후 히터가 구동되고(S814) 전압/전류가 0 전위 이상인 상태(S816)에서 전압 전류가 서로 같은 위상이면(S818) 데이터 샘플링 및 저장이 S820 단계에서 실행된다. 데이터 샘플링은 전압과 전류의 동위상 동시간 영역에서 측정한 값을 이용하여 히터의 저항값을 얻는 것을 의미한다.

이러한 데이터 샘플링 동작은 S822 단계에서의 타임 딜레이 후 S832 단계에서 반복된다. 또한, S830 단계에서의 타임 딜레이 후 S828 단계에서 1분이 경과된 경우이며 S834 단계에서 데이터 샘플링 정보에 대한 평균값이 연산된다.

예를 들어, 시스템 설치 및 초기에 히터의 표준 상태를 확인하기 위하여 1시간 단위로 그 값을 평균하여 표준 저항 값을 생성할 수도 있다. 즉, 표준 저항 값은 시스템의 설치 및 초기에 현재 히터의 상태를 판단할 수 있는 기준 저항 값으로서 전류와 전압의 동 위상동 시간 영역에서 측정된 값을 일정 시간 단위로 평균해서 생성한 히터의 저항 값이다. 얻어진 표준 저항 값은 도 4의 저장부(118)에 저장된다.

S834 단계에서 시스템이 구동되고 현재까지 진행된 시간 정보를 저장한 후, S838 내지 S848 단계를 통해 히터 수명 예측 기능이 달성된다.

예측 알고리즘에서 수명 연한의 정확한 판단을 위해서 히터가 어느 정도의 변화 량이 감지 되었을 때 이 히터의 수명이 완료되었다고 판단할 것인 지에 대한 정보는 사용자에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어 표준 저항 값에서 히터의 측정 저항값이 1%가 변했을 때 히터 수명 완료를 설정할 수 있는 것이다. 이러한 예측 방법은 도 8 및 도 9를 참조로 보다 상세히 설명될 것이다.

도 8에서와 같이 시스템이 시작되고 첫 번째 가동 영역에서 표준 저항 값 100 오옴을 측정하였고 이는 저장부에 저장되어 예측 알고리즘의 표준 저항값(REF)으로 사용된다

이후 시스템 시작 후 2시간 뒤 히터의 가동이 다시금 시작되고 이때 측정된 저항 값이 표준 저항 값과 비교해서 0.2%가 변했다라고 한다면(사용자에 의해서 결정된 수명연한의 기준 값이 표준 저항 값에서 1%가 변한 시점이라고 한다면)히터가 구동되고 2시간 동안 0.2%가 변하였고 이 변화 량은 시간당 0.1%로 변화됨을 알 수 있고 이는 10시간 뒤 히터의 수명이 완료됨을 의미하는 것이다.

도 9에서의 그래프는 도 8의 경우에 대응되는 저항 패턴 변화를 나타낸 것이다.

도면들에서와 같이 예시된 정보는 일정한 시간을 기준으로 작성되었지만 실제 시스템의 구동에서 정확한 시간마다 진행되는 것이 아니므로 실제 가동 상태로 전환되기까지의 시간이 현재까지의 가동 시간으로 된다.

본 발명의 히터 모니터링은 히터를 사용하는 모든 산업 및 가정용 온도 제어 및 발열 장치에 모두 적용될 수 있다. 예를 들어, 반도체, 디스플레이, 태양광 등과 같은 반도체 웨이퍼 생산 공정, 상 하수도의 동파 방지를 위한 열선, 일반 산업 현장에서의 온도 관리용 히터 시스템 등 모든 분야에 적용 가능할 것이다.

이상에서와 같이 도면과 명세서를 통해 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 사안이 다른 경우에 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이, 히터 장치의 내부 구성이나 세부적 구조 및 형태를 다양하게 변경 및 변형할 수 있을 것이다.

100: 제어기
104: 영 전압 감지기
106: 영 전류 감지기
202: 히터
208: 전력 제어기
210: 온도 센서

Claims (16)

1. 히터에 인가되는 교류 전원의 전압 및 전류를 검출하는 제1 감지부;
   상기 제1 감지부로부터 제공되는 전압 및 전류를 동일한 시간 영역 및 동일한 위상 영역에서 측정하여 순시 전압 및 순시 전류를 검출하는 제2 감지부; 및
   상기 제2 감지부로부터 검출된 순시 전압을 순시 전류로 나누어 상기 히터의 저항값을 구한 후 이를 저장하고 현재보다 이전에 저장된 저항값들과 비교함에 의해 상기 히터의 동작상태를 모니터링 하는 제어기를 포함하며,
   상기 순시 전압 및 순시 전류의 검출은 영전위 이상의 레벨에서 수행되고,
   상기 제어기는 상기 히터의 동작상태를 모니터링 할 때 상기 저항값들의 변화에 근거하여 상기 히터의 수명을 예측하는 정보를 생성하는 히터 모니터링 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 히터의 동작상태를 모니터링 한 결과로서 얻어진 히터 고장 진단 정보 및 수명 예측 정보를 외부로 전송하는 통신부를 더 구비하는 히터 모니터링 장치.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 저항값을 구할 시 온도 제어기의 제어 실행 명령도 함께 참조하는 히터 모니터링 장치.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 히터에 인가되는 교류 전원의 전압 및 전류를 검출하는 전압 및 전류 센서;
   상기 전압 및 전류 센서로부터 제공되는 전압 및 전류를 동일한 시간 영역 및 동일한 위상 영역에서 측정하여 순시 전압 및 순시 전류를 검출하는 순시 감지부; 및
   상기 순시 감지부로부터 검출된 순시 전압을 순시 전류로 나누어 상기 히터의 저항값을 구한 후 이를 저장하고 현재보다 이전에 저장된 저항값들과 비교함에 의해 상기 히터의 동작상태를 모니터링 한 히터 고장 진단 정보와, 상기 저항값들의 변화 패턴을 수명 기준 데이터와 비교한 히터 수명 예측 정보를 생성하는 제어기를 포함하는 히터 모니터링 장치.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 순시 전압 및 순시 전류의 검출은 영전위 이상의 레벨에서 수행되며, 상기 교류 전원의 반주기 내에서 복수 회로 수행되는 히터 모니터링 장치.
    
11. 제9항에 있어서, 상기 히터 고장 진단 정보 및 히터 수명 예측 정보를 외부로 전송하는 통신부를 더 구비하는 히터 모니터링 장치.
    
12. 제9항에 있어서, 상기 순시 감지부는 영 전압 감지기 및 영 전류 감지기를 포함하는 히터 모니터링 장치.
    
13. 제9항에 있어서, 상기 히터는 산업용 장비에 적용되는 히터 모니터링 장치.
    
14. 히터에 인가되는 교류 전원의 전압 및 전류를 검출하는 전압 및 전류 센서를 제공하는 단계;
    상기 전압 및 전류를 동일한 시간 영역 및 동일한 위상 영역에서 측정하여 순시 전압 및 순시 전류를 검출하는 단계;
    상기 검출된 순시 전압을 순시 전류로 나누어 상기 히터의 저항값을 구하는 단계;
    상기 구해진 저항값을 저장하고 현재보다 이전에 저장된 저항값들과 비교하여 상기 히터의 동작상태를 나타내는 히터 고장 진단 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 저항값들의 변화 패턴을 수명 기준 데이터와 비교하여 히터 수명 예측 정보를 생성하는 단계를 포함하는 히터 모니터링 방법.
    
15. 제14항에 있어서, 상기 순시 전압 및 순시 전류의 검출은 영전위 이상의 레벨에서 수행되며, 상기 교류 전원의 반주기 내에서 복수 회로 수행되는 히터 모니터링 방법.
    
16. 제14항에 있어서, 상기 히터 고장 진단 정보 및 히터 수명 예측 정보를 통신부를 통해 외부로 전송하는 단계를 더 구비하는 히터 모니터링 방법.
    

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