(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハを加熱処理する加熱炉が冷却される熱処理装置と熱交換器からなる加熱装置にて加熱された超純水により半導体ウェハを洗浄処理する洗浄装置とがクリーンルーム内に隣接して配置され、前記熱処理装置から排出される温冷却水が前記熱交換器に供給される半導体処理装置において、
前記熱処理装置と前記洗浄装置の台数が、前記熱処理装置から排出される熱量と前記洗浄装置により使用される熱量とをバランスさせて組み合わせて設置されていることを特徴とする半導体処理装置。
【請求項２】
前記熱処理装置から排出される温冷却水は、その温度が前記洗浄装置の洗浄効果を増す超純水の温度となるように流量制御されて前記熱交換器に供給されることを特徴とする請求項１に記載された半導体処理装置。
【請求項３】
前記熱処理装置から排出される温冷却水は、冷却水再利用ラインを通じて前記熱交換器に供給され、前記冷却水再利用ラインの途中には、温冷却水を一時的に貯蔵する温冷却水タンクが設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかに記載された半導体処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体製造装置の排熱利用技術に係わり、特に半導体製造装置から排出される冷却水の熱を他の半導体製造装置の加熱源として再利用する排熱利用システム及び排熱利用方法、及びそのような排熱利用システムに使用される熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造設備には、半導体製造工程で使用する種々の半導体製造装置が設置されている。半導体製造装置は一般にクリーンルーム内に設置されるため、半導体製造装置から熱が周囲に放出されるとクリーンルーム内の温度が上昇してしまう。したがって、各半導体製造装置には冷却水が供給され、クリーンルーム内雰囲気への放熱を防止している。
【０００３】
半導体製造装置のなかで熱処理装置は、半導体ウェハを高温（約１０００℃）で処理する加熱炉を有している。加熱炉からは周囲に多量の熱が放出されるため、加熱炉の周囲を冷却するための冷却水は多量の熱を吸収する必要がある。したがって、加熱炉を含む熱処理装置には多量の冷却水（例えば２３℃）が供給され、排出される冷却水の温度が３０℃程度となるように制御されている。
【０００４】
一方、半導体製造装置の中には、加熱処理を行うための加熱源を有する装置がある。例えば、ウェハ洗浄装置は、６０〜８０℃に加熱された超純水（ＤＩＷ：Deionized Water）によりウェハを洗浄するための装置であり、超純水を加熱するための加熱源を有している。すなわち、ウェハ洗浄装置に供給される室温（例えば２３℃）の超純水は、電気ヒータ等により加熱されて６０〜８０℃の温度とされ、ウェハの洗浄に使用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、熱処理装置からは冷却水を介して多量の熱が半導体製造設備外へ廃棄される。熱処理装置に冷却水を供給するには、冷却水を循環させるための動力及び温められた冷却水を再び低温の冷却水に戻すために冷却水を冷却するためのエネルギが必要となる。
【０００６】
一方、ウェハ洗浄装置は、超純水の加熱のために多量の熱を必要とする。超純水の加熱は電気ヒータにより行うため、ウェハ洗浄装置には多量の電力を供給する必要がある。
【０００７】
したがって、半導体製造設備全体からみると、熱処理装置では冷却のために多量のエネルギを消費し、ウェハ洗浄装置では加熱のために多量のエネルギを消費するということとなる。すなわち、省エネルギ化の観点からすると、冷却と加熱のために個別にエネルギを消費するといった無駄が生じていることとなる。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、半導体製造装置から排出された冷却水を他の半導体製造装置の加熱源として使用することにより、半導体製造設備全体としてのエネルギ消費量を低減することのできる排熱利用システム及び排熱利用方法、及びそのような排熱利用システムに使用される熱交換器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項１に係る発明は、半導体ウェハを加熱処理する加熱炉が冷却される熱処理装置と熱交換器からなる加熱装置にて加熱された超純水により半導体ウェハを洗浄処理する洗浄装置とがクリーンルーム内に隣接して配置され、前記熱処理装置から排出される温冷却水が前記熱交換器に供給される半導体処理装置において、前記熱処理装置と前記洗浄装置の台数が、前記熱処理装置から排出される熱量と前記洗浄装置により使用される熱量とをバランスさせて組み合わせて設置されていることを特徴とするものである。
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の半導体処理装置であって、熱処理装置から排出される温冷却水は、その温度が前記洗浄装置の洗浄効果を増す超純水の温度となるように流量制御されて前記熱交換器に供給されることを特徴とするものである。
さらに、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２記載の半導体処理装置であって、熱処理装置から排出される温冷却水は、冷却水再利用ラインを通じて熱交換器に供給され、冷却水再利用ラインの途中には、温冷却水を一時的に貯蔵する温冷却水タンクが設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
この発明は、冷却水により冷却される熱処理装置と、加熱された超純水を用いて洗浄処理を行う洗浄装置と、前記洗浄装置で使用される超純水を加熱する超純水加熱装置と、前記熱処理装置に冷却水を供給する冷却水供給ラインと、前記熱処理装置から排出された冷却水を前記超純水加熱装置に供給する冷却水再利用ラインと、前記超純水加熱装置から排出された冷却水を回収する冷却水回収ラインと、前記冷却水供給ラインと前記冷却水回収ラインとの間を接続する冷却水循環ラインと、を有し、前記超純水加熱装置は、前記冷却水再利用ラインから供給された冷却水との熱交換により超純水を加熱する。
【００１２】
この発明は、前記冷却水回収ラインを流れる冷却水の温度が所定の温度より高くなったときに、前記冷却水循環ラインへの冷却水の流れを止める循環停止手段を更に有する。
【００１３】
この発明は、前記循環停止手段は、前記冷却水回収ラインに設けられた第１の開閉弁と、前記冷却水循環ラインに設けられた第２の開閉弁と、前記冷却水供給ライン内の冷却水の温度を検知する温度センサとを有し、前記温度センサの検出する冷却水の温度が前記所定の温度より高くなったときに、前記第２の開閉弁を閉止すると共に前記第１２開閉弁を開放する。
【００１４】
この発明は、前記超純水加熱装置は、超純水に接する部分が石英ガラス又はフッ素樹脂よりなる。
【００１５】
この発明は、前記熱処理装置を冷却して排出される冷却水を超純水加熱装置へ供給し、前記超純水加熱装置に超純水を供給し、超純水を冷却水との熱交換により加熱して前記洗浄装置に供給し、前記超純水加熱装置から排出された冷却水を回収する各工程を有する。
【００１６】
この発明は、前記超純水加熱装置から排出された冷却水をそのまま前記熱処理装置に供給する工程を更に有する。
【００１７】
この発明は、前記超純水加熱装置から排出される冷却水の温度が所定の温度より高くなったときに、前記超純水加熱装置から排出された冷却水の前記熱処理装置への供給を停止する工程を更に有する。
【００１８】
上述の発明によれば、熱処理装置により温められて排出された冷却水（温冷却水）は超純水加熱装置に供給される。超純水加熱装置は熱交換器であり、低温（室温）の超純水を熱処理装置から排出された温冷却水と熱交換することにより加熱して洗浄装置に供給する。したがって、従来電気ヒータ等により加熱していた超純水を温冷却水の熱により加熱することができ、従来冷却水を介して廃棄されていた熱処理装置からの熱を超純水の加熱源として再利用することができる。
【００１９】
また、この発明は、半導体製造装置に供給される超純水を加熱するために用いられる熱交換器であって、温められた冷却水である温冷却水が供給される冷却水流路と、石英ガラス又はフッ素樹脂よりなり、超純水が供給される超純水流路とを有し、前記冷却水流路を流れる温冷却水と前記超純水流路を流れる超純水との間で熱交換するように構成されている。
【００２０】
まず、本発明の実施の形態による排熱利用システムにおいて用いられる半導体製造装置について説明する。本発明の実施の形態による排熱利用システムでは、半導体製造装置から排出される温められた冷却水（温冷却水）の熱を他の半導体製造装置の加熱源として利用する。再利用する温冷却水を排出する半導体製造装置として縦型熱処理装置を用い、冷却水が再利用される半導体製造装置として超純水加熱装置が設けられた洗浄装置を用いる。
【００２１】
図１は縦型熱処理装置の斜視図である。図１に示す縦型熱処理装置１０は、半導体ウェハを約１０００℃で加熱処理する加熱炉１２と、加熱炉１２に半導体ウェハを出し入れするための搬送機構１４とを有している。加熱炉１２及び搬送機構１４は筐体１６内に収容され、熱処理装置として機能する。
【００２２】
図２は（ａ）は図１に示す縦型熱処理装置１０の加熱炉１２の簡略断面図であり、図２（ｂ）は加熱炉の周囲における冷却水の流れを示す模式図である。図２（ａ）に示すように、加熱炉１２の内部にはは半導体ウェハが収容されるウェハ収容体２０が設けられ、その回りに電気ヒータ２２が配置されている。電気ヒータ２２の周囲には断熱体２４が設けられ、電気ヒータ２２が発生する熱が外部に放出されないように断熱している。しかし、電気ヒータ２２の加熱温度は１０００℃程度になるので、断熱体２４だけでは完全に断熱することはできない。そこで、断熱体２４の周囲に冷却パイプ２６が設けられ、冷却パイプ２６に冷却水を流すことによって、断熱体２４から外部に放出される熱を吸収している。
【００２３】
冷却パイプ２６は図２（ｂ）に示すように断熱体２４の外周全体をカバーするように配置されている。電気ヒータによる加熱温度は１０００℃程度と非常に高温であるため、冷却水パイプ２６が設けられる断熱体２４の外周においても８０℃以上の温度となる。したがって、加熱炉１２を冷却して排出される冷却水は、６０℃〜８０℃の温度とすることができる。本実施の形態では、このように熱処理装置１０から排出される冷却水の温度を従来よりも高温とすることにより、冷却水の熱を他の半導体装置で利用可能にしている。
【００２４】
本実施の形態では、熱処理装置１０から排出される高温の冷却水を再利用する半導体製造装置としてウェハ洗浄装置を用いる。ウェハ洗浄装置は洗浄槽を有しており、ウェハを洗浄槽に入れて超純水により洗浄する装置である。超純水は、洗浄効果を増すために６０℃〜８０℃に加熱される。したがって、ウェハ洗浄装置には、超純水を生成する超純水生成装置及び、室温（例えば２３℃）の超純水を６０℃〜８０℃に加熱する超純水加熱装置が設けられる。超純水加熱装置は、電気ヒータ等を加熱源として使用してもよいが、超純水の加熱温度が６０℃〜８０℃と比較的低温であり、この程度の温度であれば、熱交換器による加熱により十分超純水を加熱することができる。したがって、超純水加熱装置を熱交換器により構成し、縦型熱処理装置から排出される冷却水との熱交換により超純水を加熱することができる。
【００２５】
本実施の形態による排熱利用システムは、以上のような条件を考慮して熱処理装置１０から廃棄される熱を超純水加熱装置の加熱源として利用するものである。すなわち、従来３０℃程度に制御されていた熱処理装置からの温冷却水を６０℃〜８０℃となるように制御し、この冷却水を超純水加熱装置に供給して超純水を６０℃〜８０℃に加熱するものである。
【００２６】
また、一般に、ウェハ洗浄装置は熱処理装置に隣接して配置されるものであり、この点からも、熱処理装置と洗浄装置との組み合わせは排熱利用システムを構築するのに最適な組み合わせである。
【００２７】
図３は本実施の形態による排熱利用システムの全体構成図である。上述のように、本実施の形態による排熱利用システム４０は、半導体製造装置として縦型熱処理装置１０（以下熱処理装置単に熱処理装置と称する）とウェハ洗浄装置３０（以下単に洗浄装置と称する）とを含む。
【００２８】
図３に示すように、熱処理装置１０の加熱炉１２の周囲には室温（例えば２３℃）の冷却水が冷却水供給ライン４２を通じて供給される。冷却水は加熱炉１２から周囲に放出される熱を吸収して加熱炉１２の周囲を冷却する。その結果、冷却水の温度は上昇するが、本実施の形態では、冷却水の温度が８０℃になるように冷却水の流量が制御される。すなわち、熱処理装置１０から排出される冷却水の温度は８０℃である。
【００２９】
熱処理装置１０から排出された８０℃の温冷却水は、冷却水再利用ライン４４を通じて洗浄装置３０に設けられた超純水加熱装置３２に供給される。冷却水再利用ライン４４の途中には、８０℃の温冷却水を一時的に貯蔵する温冷却水タンク４６及び、温冷却水タンク４６内の温冷却水を洗浄装置に供給するためのポンプ４８が設けられてもよい。温冷却水タンク４６は、洗浄装置３０が運転されていない場合に、洗浄装置３０が運転されるまで８０℃の温冷却水を一時的に貯蔵しておくために設けられる。
【００３０】
一方、洗浄装置３０の超純水加熱装置３２には、室温（例えば２３℃）の超純水が超純水供給ライン５０を通じて供給される。超純水加熱装置３２は熱交換器であり、８０℃の温冷却水と２３℃の超純水との間で熱交換を行う。熱交換の結果、２３℃の超純水の温度は６０℃まで上昇し、温純水供給ライン５２を通じて洗浄装置３０の洗浄槽３４に供給される。
【００３１】
一方、超純水加熱装置（熱交換機）３２に供給された８０℃の温冷却水は、熱交換により超純水に対し熱を放出して、その温度は３０℃となる。３０℃になった温冷却水は、冷却水回収ライン５４を介して洗浄装置３０から回収される。
【００３２】
冷却水回収ライン５４で回収された３０℃の冷却水は半導体製造設備の主冷却水回収ラインに送られて低温（例えば２３℃）の冷却水とされるが、熱処理装置１０が運転されているときは、熱処理装置１０の加熱炉１２の冷却用としてそのまま加熱炉１２に戻される。すなわち、冷却水供給ライン４２と冷却水回収ライン５４との間には、冷却水循環ライン５６が設けられており、冷却水回収ライン５４を流れる３０℃の温冷却水は冷却水循環ライン５６を通って冷却水供給ライン４２へと戻される。
【００３３】
冷却水回収ライン５４の冷却水循環ライン５６より下流側には第１の開閉弁５８が設けられ、冷却水循環ライン５６には第２の開閉弁６０が設けられる。温冷却水を熱処理装置１０へと戻して再度加熱炉１２の冷却に用いる場合は、冷却水回収ライン５２に設けられた第１の開閉弁５８は閉止され、冷却水循環ライン５６に設けられた第２の開閉弁６０は開放される。これにより、冷却水回収ライン５４を流れる３０℃の冷却水は、冷却水循環ライン５６を介して冷却水供給ラインへと戻され、再び熱処理装置１０の加熱炉１２の冷却に使用される。
【００３４】
冷却水回収ライン５４を流れる冷却水の温度は、温度センサ６２により検知され、温度センサ６２により検知された温度に基づいて第１及び第２の開閉弁５８，６０の開閉が制御される。
【００３５】
洗浄装置３０が運転されている場合、すなわち、超純水加熱装置３２が運転されている場合は、熱処理装置１０から排出される高温（８０℃）の冷却水は、超純水加熱装置３２により熱交換されて３０℃の冷却水となり、冷却水回収ライン５４に回収される。したがって、冷却水回収ラインを流れる３０℃の冷却水を再び加熱炉１２の冷却に使用することができる。
【００３６】
一方、超純水加熱装置３２が運転されている場合は、熱処理装置１０から排出される高温の冷却水は、超純水加熱装置３２に供給されるがそのままの温度で超純水過熱装置３２から排出され、冷却水回収ライン５４に回収される。この場合、冷却水回収ラインを流れる冷却水は８０℃であり、加熱炉１２の冷却に使用することはできない。したがって、冷却水回収ライン５４に設けられた温度センサの検出温度が３０℃より高い所定の温度〈例えば４０℃）となると、第２の開閉弁６０は閉止され、第１の開閉弁５８は開放される。これにより、冷却水回収ラインを流れる８０℃の冷却水は、冷却水循環ライン５６へと流れることはなく、半導体製造設備の主冷却水回収ラインへと送られることとなる。
【００３７】
なお、図３に示す排熱利用システムは、一台の熱処理装置１０と一台の洗浄装置により構成されているが、複数台の熱処理装置を複数台の洗浄装置とを組み合わせて排熱利用システムを構築してもよい。例えば、本発明者等が熱収支計算の基としたシステムでは、縦型熱処理装置５台に対して洗浄装置を１台組み合わせることが、熱処理装置から排出される熱量と洗浄装置により使用される熱量とをうまくバランスさせることが可能であった。そこで、縦型熱処理装置を６０台と、洗浄装置１２台とを有する半導体製造設備に、本発明による排熱利用システムを適用して熱収支計算を試みた結果、２５０万ＫＷｈ／ｙの熱量を低減することができることがわかった。
【００３８】
すなわち、従来の電気ヒータに代えて熱交換により超純水を加熱することで１５５万ＫＷｈ／ｙの熱量が低減され、超純水加熱装置からの冷却水を加熱炉に再び戻すことにより９５万ＫＷｈ／ｙの熱量が低減される。したがって、本発明による排熱利用システムにより低減されるエネルギ消費量は（１５５＋９５＝２５０万ＫＷｈ／ｙとなる。
【００３９】
以上のように、本実施の形態による排熱利用システムによれば、熱処理装置１０により温められて排出された冷却水（温冷却水）は超純水加熱装置３２に供給される。超純水加熱装置３２は熱交換器であり、低温（室温）の超純水を熱処理装置１０から排出された温冷却水と熱交換することにより加熱して洗浄槽３４に供給する。したがって、従来電気ヒータ等により加熱していた超純水を温冷却水の熱により加熱することができ、従来冷却水を介して廃棄されていた熱処理装置１０からの熱を超純水の加熱源として再利用することができる。
【００４０】
また、熱処理装置１０の加熱炉１２を冷却する冷却水は、２３℃で供給され８０℃で排出される。すなわち、冷却水の温度差は（８０−２３＝５７℃）であり、従来の温度差（３０−２３＝７℃）に比較してはるかに大きい。これにより、冷却水による加熱炉１２の冷却効率を改善することができ、加熱炉１２に供給する冷却水の流量をさらに低減することができる。
【００４１】
次に、本実施の形態において使用される超純水加熱装置３２の構成について説明する。なお、図３において、超純水加熱装置３２は洗浄装置３０の内部に設けられているが、洗浄装置３０の外部に隣接して設けられてもよい。
【００４２】
図４は超純水加熱装置３２の一例の断面図であり、図５は図４におけるＶ−Ｖ線に沿った断面図である。超純水加熱装置３２は熱交換器であり、一般的な熱交換器の構成を採用することができるが、特別な材料を使用する必要がある。すなわち、超純水に接する部分には、超純水を汚染しないような材料を用いる必要がある。超純水を汚染しないような材料としては、石英ガラス及びＰＦＡ又はＰＴＦＡのような高純度フッ素樹脂が好適である。
【００４３】
すなわち、図４に示す超純水加熱装置は、石英ガラス又は高純度フッ素樹脂により形成された本体３２ａと、本体３２ａ内に設けられた２枚の隔壁３２ｂと、隔壁３２ｂの間に設けられた複数の熱交換パイプ３２ｃとを有する。２枚の隔壁３２ｂ及び熱交換パイプ３２ｃも石英ガラス又は高純度フッ素樹脂により形成されている。
【００４４】
室温（２３℃）の超純水（ＤＩＷ）は、本体３２ａの供給口から本体３２ａ内に供給され、本体３２ａの内壁と隔壁２３ｂにより画成された空間３２ｄに入り、複数の熱交換パイプ３２ｃを通過して、本体３２ａの内壁と隔壁２３ｂにより画成された空間３２ｅに至り、本体３２ａの排出口から排出される。一方、高温（８０℃）の冷却水は、本体３２ａの冷却水供給口から、本体３２ａの内壁と２枚の隔壁３２ｂとの間に画成された空間３２ｆに入り、本体３２ａの冷却水排出口から排出される。
【００４５】
以上の構成において、２３℃の超純水は、熱交換パイプ３２ｃを流れる間にその周囲を流れる８０℃の冷却水との間で熱交換され、６０℃の超純水となって排出される。一方、８０℃の冷却水は、超純水に熱を与えることにより３０℃の冷却水となって排出される。超純水に接する本体３２ａ、隔壁３２ｂ及び熱交換パイプ３２ｃは全て石英ガラス又は高純度フッ素樹脂により形成されているので、超純水は汚染されることはない。
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、熱処理装置から排出された冷却水を洗浄装置において超純水の加熱源として再利用することにより、半導体製造設備全体としてのエネルギ消費量を低減することのできる排熱利用システム及び排熱利用方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】縦型熱処理装置の斜視図である。
【図２】（ａ）は図１に示す縦型熱処理装置の加熱炉簡略断面図であり、（ｂ）は加熱炉の周囲における冷却水の流れを示す模式図である。
【図３】本実施の形態による排熱利用システムの全体構成図である。
【図４】超純水加熱装置の一例の断面図である。
【図５】図４におけるＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
１０  縦型熱処理装置
１２  加熱炉
１４  搬送機構
１６  筐体
２０  収容体
２２  電気ヒータ
２４  断熱体
２６  冷却水パイプ
３０  ウェハ洗浄装置
３２  超純水加熱装置
３４  洗浄槽
４０  排熱利用システム
４２  冷却水供給ライン
４４  冷却水再利用ライン
４６  温冷却水タンク
４８  ポンプ
５０  超純水供給ライン
５２  温純水供給ライン
５４  冷却水回収ライン
５６  冷却水循環ライン
５８  第１の開閉弁
６０  第２の開閉弁
６２  温度センサ
【図１】
0004601029.tif 000002
【図２】
0004601029.tif 000003
【図３】
0004601029.tif 000004
【図４】
0004601029.tif 000005
【図５】
0004601029.tif 000006