(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体製造機器の発熱部を冷却するための冷却設備であって、
前記冷却設備は、冷却装置と冷却水供給設備とから構成され、
前記冷却装置は、前記半導体製造機器の発熱部の外周部を囲むように形成され、垂直方向下部に冷却水の入口を備えた内側流路と、
前記内側流路の外周部を囲むように形成され、垂直方向上部または下部に冷却水の出口を備えた外側流路と、
前記内側流路と前記外側流路とを接続する連通路と、
前記外側流路の出口から流出した冷却水を冷却して前記内側流路の入口に供給する冷却水供給設備と、を備え、
前記冷却水供給設備は、
前記内側流路の入口に供給される冷却水の流量を制御する流量制御部と、
前記外側流路の出口の冷却水の温度を検出する温度検出部と、
該温度検出部にて検出された温度検出値に基づいて前記外側流路の出口の冷却水の温度が設定温度となるように前記流量制御部を介して冷却水の送水量を制御する制御部と
を備え、
前記冷却装置の外側流路の出口から流出した冷却水を、流路を前記半導体製造機器が置かれている環境に位置させたとき結露する温度よりも低い温度にして、外側流路と発熱部との間に位置する前記内側流路の入口に供給することにより、冷却装置の結露を防止した冷却設備。
【請求項２】
請求項１に記載された冷却設備の冷却水供給設備は、
前記冷却装置の外側流路の出口から流出した冷却水を蓄える水槽と、
該水槽から冷凍機に前記冷却水を送るポンプと、
前記冷却水を半導体製造機器が置かれている環境に位置させたとき結露する温度よりも低い温度の冷却水にする冷凍機と、
前記温度の冷却水を蓄える水槽と、
該水槽から前記温度の冷却水を前記冷却装置に送る送水ポンプとからなり、
前記外側流路の出口から流出した冷却水を半導体製造機器が置かれている環境に位置させたとき結露する温度よりも低い温度の冷却水にして、前記冷却装置に供給することを特徴とする、冷却設備。
【請求項３】
半導体製造機器の発熱部を冷却するための冷却設備であって、
前記冷却設備は、冷却装置と冷却水供給設備とから構成され、
前記冷却装置は、前記半導体製造機器の発熱部の外周部を囲むように形成され、垂直方向下部に冷却水の入口を備えた内側流路と、
前記内側流路の外周部を囲むように形成され、垂直方向上部または下部に冷却水の出口を備えた外側流路と、
前記内側流路と前記外側流路とを接続する連通路と、
前記外側流路の出口から流出した冷却水を冷却して前記内側流路の入口に供給する冷却水供給設備と、を備え、
前記冷却水供給設備は、
前記外側流路の出口と冷凍機と送水ポンプと前記内側流路の入口との間を結ぶ流路と、
前記冷凍機と前記送水ポンプの流路と、前記外側流路の出口と前記冷凍機の流路との間を結ぶバイパス流路と、
該バイパス流路に設けられた流量制御部と、
前記外側流路の出口の冷却水の温度を検出する温度検出部と、
該温度検出部にて検出された温度検出値に基づいて、前記外側流路の出口の冷却水の温度が設定温度となるように前記流量制御部を介して冷却水の送水量を制御する制御部と
を備え、
前記冷却装置の外側流路の出口から流出した冷却水を、流路を前記半導体製造機器が置かれている環境に位置させたとき結露する温度よりも低い温度にして、外側流路と発熱部との間に位置する前記内側流路の入口に供給することにより、冷却装置の結露を防止した冷却設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造設備、半導体製造装置及び半導体製造方法に係わり、特に、クリーンルームに設置される半導体製造機器から放出される熱を回収する半導体製造設備、そのような半導体製造設備に用いられる半導体製造装置及びそのような半導体製造設備により行われる半導体製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造機器の中には発熱源を備えたものがある。例えば、半導体ウエハを保持具に棚状に保持して熱処理を行う縦型熱処理装置には縦型の加熱炉が設けられている。このような加熱炉の外側は数百度の高温となり、加熱炉をむき出しのままにしておくと、加熱炉から周囲に熱が放出され、周囲の装置に悪影響を及ぼすおそれがある。また、作業者が誤って加熱炉に触れた場合に、火傷を被るおそれもある。
【０００３】
このため、発熱源である加熱炉の外側を冷却する必要がある。図１Ａは発熱源である加熱炉を冷却するために従来用いられているコイル式冷却管１０の斜視図であり、図１Ｂはコイル式冷却管１０の正面図である。冷却管１０は加熱炉の外周にコイル状に巻かれ、下部の冷却水入口１１に冷却水が供給され、上部の冷却水出口１２から冷却水が流出する。この冷却水によって発熱源の熱を吸収することにより、外部（クリーンルーム内）への放熱を抑えている。
【０００４】
冷却水入口１１に供給される冷却水の温度は結露を生じないようにクリーンルームの設定温度である２３℃付近に維持される。冷却水出口１２から流出する冷却水の温度は、運転条件によって変化するが、通常２５℃〜２８℃程度である。即ち、入口１１と出口１２との温度差は５℃程度である。その理由は、この温度差が大きいと温度差が加熱炉内の熱処理雰囲気の温度分布に影響を及ぼし、プロセスの性能が低下するからである。また、ハード面においても装置の劣化が早くなる懸念がある。更に、クリーンルーム内に大きな温度分布ができてしまいこの点からも好ましくない。
【０００５】
図２はコイル式冷却管１０に供給される冷却水の供給、冷却系を示す構成図である。冷凍機１０１で冷却され、冷水槽１０２に蓄えられた６℃の冷水は、熱交換器１０３に送られてコイル式冷却管１０用の冷却水を冷却し、冷水槽１０２に戻される。一方、バッファタンク１０４に蓄えられている２３℃よりも高い温度の冷却水は、送水ポンプ１０５により熱交換器１０３に送られ、６℃の冷水との熱交換により２３℃に冷却される。この冷却水はコイル式冷却管１０の入口１１から冷却管１０内を通過し、出口１２から流出したバッファタンク１０４に戻る。なお、図２中１０６は冷却塔、１０７は温度センサー、１０８〜１１０は送水ポンプである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の冷却装置では、コイル式冷却管１０に供給する冷却水の温度をクリーンルームの設定温度である２３℃程度にしなければならない。このため、冷凍機１０１で製造した６℃程度の冷水を用いて熱交換器１０３にて熱交換することにより別系統の冷却水を２３℃程度に制御することが必要となる。従って、冷凍機１０１と熱交換器１０３とが必要となるので熱的エネルギーのロスが大きい。また、冷却水の搬送ラインが２系統存在するので夫々のラインに個別の送水ポンプを設置しなければならない。この結果、設備のエリアが拡大し、設備機器のコストが増大するという問題がある。
【０００７】
上述の冷却系統において、冷却水が発熱源から吸収する熱量Ｑは冷却水量をＷ、重量比熱をＣｗ、入口温度をＴｉ、出口温度をＴ０、入口と出口との温度差を△Ｔとすると（１）式で表される。
【０００８】
Ｑ ＝ Ｗ・Ｃｗ・（Ｔ０−Ｔｉ） ＝ Ｗ・Ｃｗ・△Ｔ …（１）
（１）式において重量比熱Ｃｗは一定であるから、温度差△Ｔを５℃程度と小さくするためには冷却水量Ｗを大きくする必要がある。このため大量の冷却水を必要とし、ポンプ動力コストが増大するという問題がある。また、大量の冷却水を冷却管に流すことによって、必然的に送水メイン管における冷却水量も増大するため微振動が発生する。発生した微振動は、送水メイン管の支持体であるクリーンルーム躯体（構造体）に伝播し、ひいては振動に敏感な機器である露光機や走査型電子顕微鏡などが設置されているエリアに伝播してそれらの機器に悪影響を及ぼすおそれもある。
【０００９】
更に、冷却水コイル１０の入口１１に一定量の冷却水を供給するため、半導体製造装置の熱負荷が大きい。発熱源の温度が上昇したときには出口１２側の温度が上昇し、逆に前記熱負荷が小さいときには無用な冷却を行っている。そのため、送水ポンプの動力及び無用な冷却水の製造に要する熱負荷が消費され、有効に使用されないエネルギーのロスが大きい。
【００１０】
こうした問題に加え、冷却水が流れる冷却管、配管ポンプ、熱交換器などにおいて錆や腐食の発生があり、これらの発生を防止することも課題の一つとなっている。
【００１１】
本発明は、上述の問題を解決した改良された有用な半導体製造設備を提供することを目的とする。
【００１２】
本発明のより具体的な目的は、小規模な設備でかつ冷却水水量を低減できる冷却装置を備えた半導体製造設備及び半導体製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するために、本発明の一つの面によれば、
半導体製造機器の発熱部を冷却するための冷却設備であって、
冷却設備は、冷却装置と冷却水供給設備とから構成され、
冷却装置は、半導体製造機器の発熱部の外周部を囲むように形成され、垂直方向下部に冷却水の入口を備えた内側流路と、
内側流路の外周部を囲むように形成され、垂直方向上部または下部に冷却水の出口を備えた外側流路と、
内側流路と外側流路とを接続する連通路と、
外側流路の出口から流出した冷却水を冷却して内側流路の入口に供給する冷却水供給設備と、を備え、
冷却水供給設備は、
内側流路の入口に供給される冷却水の流量を制御する流量制御部と、
外側流路の出口の冷却水の温度を検出する温度検出部と、
温度検出部にて検出された温度検出値に基づいて外側流路の出口の冷却水の温度が設定温度となるように流量制御部を介して冷却水の送水量を制御する制御部と
を備え、
冷却装置の外側流路の出口から流出した冷却水を、流路を半導体製造機器が置かれている環境に位置させたとき結露する温度よりも低い温度にして、外側流路と発熱部との間に位置する内側流路の入口に供給することにより、冷却装置の結露を防止した冷却設備が提供される。
また、本発明の他の面によれば、
半導体製造機器の発熱部を冷却するための冷却設備であって、
冷却設備は、冷却装置と冷却水供給設備とから構成され、
冷却装置は、半導体製造機器の発熱部の外周部を囲むように形成され、垂直方向下部に冷却水の入口を備えた内側流路と、
内側流路の外周部を囲むように形成され、垂直方向上部または下部に冷却水の出口を備えた外側流路と、
内側流路と外側流路とを接続する連通路と、
外側流路の出口から流出した冷却水を冷却して内側流路の入口に供給する冷却水供給設備と、を備え、
冷却水供給設備は、
外側流路の出口と冷凍機と送水ポンプと内側流路の入口との間を結ぶ流路と、
冷凍機と送水ポンプの流路と、外側流路の出口と冷凍機の流路との間を結ぶバイパス流路と、
バイパス流路に設けられた流量制御部と、
外側流路の出口の冷却水の温度を検出する温度検出部と、
温度検出部にて検出された温度検出値に基づいて、外側流路の出口の冷却水の温度が設定温度となるように流量制御部を介して冷却水の送水量を制御する制御部と
を備え、
冷却装置の外側流路の出口から流出した冷却水を、流路を半導体製造機器が置かれている環境に位置させたとき結露する温度よりも低い温度にして、外側流路と発熱部との間に位置する内側流路の入口に供給することにより、冷却装置の結露を防止した冷却設備が提供される。
【００１４】
また、本発明の他の面によれば、
使用時に発熱を伴う半導体製造機器と、半導体製造機器の発熱部を冷却する冷却装置とを備えた半導体製造設備であって、
冷却装置は、
発熱部の外周部を囲むように形成され、垂直方向下部に冷却水の入口を備えた内側流路と
内側流路と連通し、内側流路の外周部を囲むようにかつ内側流路の冷却水との間で熱交換できるように形成され、垂直方向上部に冷却水の出口を備えた外側流路と、
内側流路の垂直方向上部と外側通路の垂直方向下部とを接続する連通路と、
外側流路の出口から流出した冷却水を冷却して内側流路の入口に供給する冷却水供給設備と
を備えたことを特徴とする半導体製造設備が提供される。
【００１５】
また、本発明の他の面によれば、使用時に発熱を伴う半導体製造機器と、半導体製造機器の発熱部を冷却する冷却装置とを備えた半導体製造装置であって、
冷却装置は、
発熱部の外周部を囲むように形成され、垂直方向下部に冷却水の入口を備えた内側流路と
内側流路と連通し、内側流路の外周部を囲むようにかつ内側流路の冷却水との間で熱交換できるように形成され、垂直方向下部に冷却水の出口を備えた外側流路と、
内側流路の垂直方向上部と外側通路の垂直方向上部とを接続する連通路と、
外側流路の出口から流出した冷却水を冷却して内側流路の入口に供給する冷却水供給設備と
を備えたことを特徴とする半導体製造設備が提供される。
【００１６】
具体的な運転例としては、内側流路の入口側の冷却水の温度を半導体製造機器周辺の空気の温度よりも低い温度とし、外側流路の出口側の冷却水の温度を半導体製造機器が置かれている環境と同じ温度とするように冷却水量を調整する。
【００１７】
上述の発明によれば、内側流路は外側流路と発熱部との間に位置するので、入口側の冷却水の温度を半導体製造機器が置かれている環境温度よりもかなり低い温度に設定しても結露のおそれがない。また、入口側の冷却水と出口側の冷却水との温度差を大きく取っても内側流路と外側流路とに分担されるので、結果として発熱部を囲む内側流路の一端と他端との温度差はそれほど大きくない。このように、供給される冷却水の温度と排出される冷却水の温度との温度差を大きく取れるので、冷却面積を減少して冷却設備の簡素化を図ることができると共に冷却水量を低減することができる。更に、配管系や内側流路及び外側流路の微振動を抑えることができ、半導体製造機器の処理に対する悪影響を防止することができる。
【００１８】
本発明において、冷却水供給設備は冷凍機を含み、内側流路の入口に供給される冷却水は冷凍機により作られる冷水をそのまま用いるようにしてもよい。また冷却水供給設備は冷凍機及び熱交換器を含み、内側流路の入口に供給される冷却水は冷凍機により作られる冷水を熱交換器で熱交換されたものとしてもよい。
【００２０】
本発明では、内側流路の入口に供給する冷却水中の溶存酸素を除去するための脱酸素手段と、冷却水に還元性物質を溶解するための還元性物質溶解手段と、を備えた構成とすることが好ましい。これにより、冷却水の通る流路を構成する金属が酸化されず、また、冷却水が還元作用を有するので腐食によるピンホールの形成などを防止できる。この場合、例えば脱酸素手段及び還元牲物質溶解手段は、脱酸素用ガス及び還元性ガスの混合ガスを冷却水内にバブリングにより供給する手段とすることができる。また、冷却水は密閉されたタンク内に貯蔵され、脱酸素手段はこのタンク内の気相部を減圧するための減圧手段であり、還元性物質溶解手段は還元性ガスを減圧された気相部に供給するものとしてもよい。還元性物質を水素とし、冷却水中に溶解した水素は０．４ｐｐｍ以上でかつ使用温度で飽和溶解度以下の濃度であることが好ましい。また冷却水が流れる流路部の外面に、ガス状汚染物質の発生しない断熱材が設けられていることが好ましい。
【００２１】
なお、本発明の他の面によれば、上述の冷却装置を備えた半導体製造装置が提供される。また、本発明の更に別の面によれば、上述の冷却装置を備えた半導体製造設備において実行される半導体製造方法が提供される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の第１実施例による半導体製造設備について説明する。
【００２３】
図３Ａは本発明の第１実施例による半導体製造設備に用いられる冷却装置としての二重水路冷却ユニットの概念図であり、図３Ｂは二重水路冷却ユニットの簡略斜視図である。図３Ａ及び３Ｂに示す二重水路冷却ユニット２は、縦型熱処理装置の加熱炉からなる発熱部１（図９参照）の外周部を囲むように形成された内側流路２１と、内側流路２１の外周部を囲むように形成された外側流路２２とを有している。内側流路２１及び外側流路２１は発熱部１に対応する高さをもつほぼリング状の流路として形成されている。二重冷却水路ユニットは、銅製の空洞のリング状部材の中に内側流路２１と外側流路２２との間を仕切る仕切り部２３を形成して構成される。すなわち、本実施例による二重冷却水路ユニット２は垂直方向に延在する環状の流路として形成される。
【００２４】
内側流路２１の垂直方向下部には冷却水の入口３１が形成されている。この入口３１から見て内側流路２１における最も遠い位置において、内側流路２１と外側流路２２とを接続する連通部２４が設けられている。即ち、本実施例では内側流路２１は入口３１が形成されている位置を始点とすると、ここから発熱部１の外周に沿って図３Ａ中時計まわりにほぼ一周に亘って形成され、前記始点に戻る直前で外側流路２２に連通している。外側流路２２はこの連通部２４を始点として図３Ａ中反時計まわりにほぼ一周に亘って形成され、終点位置の垂直方向上部に冷却水の出口３２が形成されている。なお入口３１及び出口３２は、実際には夫々内側流路２１及び外側流路２２の側面の開口部であるが、図の便宜上外側に延出した部位として示している。
【００２５】
上述のような二重水路冷却ユニット２において、冷却水は入口３１から内側流路２１に流入し、内側流路２１内を上方に向かって流れて連通部２４に達する。冷却水は内側流路２１を流れる間に内側流路２１に接している発熱部１の熱を吸熱して温められる。そして、内側流路２１を通過した冷却水は、連通部２４を通って外側流路２２に流れ込む。内側流路２１では入口３１から遠ざかる程冷却水の温度が高くなる傾向にあるが、一時的に温度が高い部位と低い部位とが生じると考えられる。
【００２６】
本実施例において、連通部２４は内側流路２１の上部と外側流路２２の下部とを連通する流路である。したがって、冷却水は外側流路２２の下部から流入して、上部に設けられている出口３２に向かって流れる。連通部２４から外側流路２２に流れ込んだ冷却水は既に内側流路２１を通過することにより温められているが、外側流路２２に接する内側流路２１の冷却水の温度分布の影響を受けて一時的に温度が高い部位と低い部位とが生じると考えられる。内側流路２１及び外側流路２２は互に接しているのでこれらの間で熱交換が行われため、内側流路２１の温度のばらつきが外側流路２２によってならされ、また外側流路２２の温度の高低が内側流路２１によってならされる。結果として、例えば入口３１の連通部の温度が６℃であるとすると出口３２の温度は２３℃となる。即ちこれらの温度差に対応する分だけ冷却水が発熱部１から熱を吸収している。なお、出口３２の温度は冷却水量を調節することによってコントロールできる。上述の（１）式にて示したように、入口３１及び出口３２の温度差△Ｔが例えば１７℃程度と大きいので冷却水の水量Ｗは小さくてよい。
【００２７】
従来の単管コイルの場合には、△Ｔを１７℃程度と大きくすると発熱部１の上部と下部との間の温度差（垂直方向の温度差）が大きくなり、発熱部１の温度が不均一となる。また、クリーンルーム内に設定温度よりも高い部位が生じてしまい好ましくない。しかし、本実施例では発熱部１に接しているのは内側流路２１であり、内側流路２１の上と下との温度差、すなわち本実施例では入口２１と連通部２４との温度差は△Ｔよりも小さいため、発熱部１の温度の均一性はそれ程悪くならない。また、内側流路２１とクリーンルームの雰囲気との間には外側流路２２が介在するため、内側流路２１に流入する冷却水の温度（入口温度）を例えば６℃もの低い温度にしても、クリーンルーム内の水分が結露して発熱部１の周囲を濡らすといったおそれがない。従って、このように低い温度の冷却水を二重水路冷却ユニット２に供給しているので、△Ｔを大きく取りながら出口温度をクリーンルームの設定温度に近い温度とすることができる。
【００２８】
上述の二重水路冷却ユニット２を具体化した例を図４及び図５に示す。この例では内側流路２１及び外側流路２２が空洞のリング状部材であることは、図３Ａ，３Ｂの例と同じであるが、入口３１が内側流路２１の底面に、出口３２が外側流路２２の上面に夫々形成されている。連通部２４は入口３１に対して周方向に１８０度ずれた位置において内側流路２１の上面から外側流路２２の底面付近に冷却水を送るための連通管として設けられている。また出口３２は、連通部２４に対して周方向に１８０度ずれた位置に設けられている。従って入口３１に流入した冷却水は内側流路３１の全体に亘ってほぼ均一に流れ、連通部２４に入り込み、連通部２４から流入した冷却水は外側流路２２の全体に亘ってほぼ均一に流れる。
【００２９】
連通部２４は図３Ａ〜図５の例のように局所的に設けることが好ましい。すなわち、内側流路２１に流れ込んだ冷却水が一旦全体に広がり、その後狭い連通部２４の入口に集中しようとする流れができるので、冷均水は内側流路２１の中を広い範囲で動きまわりながら移動し、それにより内側流路２１中の温度均一性が高くなる。また、外側流路２２においても連通部２４の狭い出口から勢い良く流出して外側流路２２の中に広がるので、同様に温度均一性が高くなる。
【００３０】
図６は二重水路冷却ユニット２の更に他の例を示す図である。この例では、内側流路２１は発熱部１の外周面に沿って下端部の入口３１から上へ向かってコイル状に形成されている。外側流路２２は内側流路２１の上端部に連続してこの上端部から内側流路２１の外側を下へ向かってコイル状に形成されており、下端部が冷却水の出口３２となっている。なお、この例では内側流路２１の上端部から外側流路２２に移行する部位が連通部２４に相当する。
【００３１】
ここで、発熱部１である加熱炉を含む縦型熱処理装置の概観図を図７に示す。縦型熱処理装置は、半導体ウエハＷをウエハボートと呼ばれる保持具２０１に複数枚棚状に保持し、ボートエレベータ２０２により保持具２０１を上昇させて加熱炉２０３の中に搬入して所定の熱処理を行うものである。加熱炉２０３は、縦型の反応管のまわりにヒータ及び断熱体を配置し、その外側を筒状の外装体２０４で覆って構成されている。図中２０５，２０６は夫々処理ガス供給管及び排気管である。
【００３２】
上述の二重水路冷却ユニット２は、加熱炉２０３の外装体２０４の外側に設けられているが、図８に示すように外装体２０４の内側に設けられて、加熱炉２０３と一体化されることとしてもよい。図８の例では断熱体２０７の外周面を囲むように二重水路冷却ユニット２が設けられ、二重水路冷却ユニット２の外側に外装体２０４が設けられている。
【００３３】
次に、本発明の第１実施例による半導体製造設備の全体構成について図９を参照しながら説明する。図９に示す冷却装置は、二重水路冷却ユニット２に供給される冷却水の冷却、供給系を含んでいる。図９中、冷凍機４１の一次側には冷却塔４２からの冷水が送水ポンプ４３により供給される。冷凍機４１の二次側には、水槽４４内の冷却水が送水ポンプ４５により供給される。冷凍機４１、冷却塔４２及び送水ポンプ４３は、冷熱源システムをなすものである。
【００３４】
水槽４４は仕切り壁によって第１の槽４４ａと第２の槽４４ｂとに分割されている。仕切り壁には互の水面レベルを合わせるための通水口４Ｃが形成されている。冷凍機１からの冷却水は低温冷水として第１の槽４４ａに送られ、ここから送水ポンプ４６により二重水路冷却ユニット２の入口３１に供給される。この送水ポンプ４６は例えばポンプを駆動するモータに、回転数が制御可能なインバータを取り付け、流量が調整できるように構成される。第１の槽４４ａ内の水温は温度検出部４７により検出され、冷凍機４１は温度検出部４７からの温度検出信号に基づいて二次側に流れる冷却水の温度が例えば８℃となるようにコントロールされる。
【００３５】
従って、二重水路冷却ユニット２の入口３１に供給される冷却水の温度は８℃であり、この冷却水は二重水路冷却ユニット２内の内側流路２１及び外側流路２２を通過する間に発熱部１からの熱を吸収して昇温し、出口３２から流出して水槽４４の第２の槽４４ｂに送られる。出口３２側の冷却水の温度は温度検出部４８により検出され、この温度検出値は制御部４９に入力される。温度検出部４７，４８としては熱電対や抵抗式センサーなどが用いられる。
【００３６】
制御部４９は、この温度検出値と予め設定された温度例えばクリーンルーム内の設定温度である２３℃に対応する設定値とに基づき、例えば両信号差がゼロになるようにつまり出口３２側の温度が２３℃になるように、送水ポンプ４６の送水量（送水流量）をコントロールする。即ち、温度検出部４８による温度検出値が２３℃よりも高い場合には、インバータによりモータの回転数を増大して送水ポンプ４６の送水量を増加し、出口３２側の温度を低減する。一方、対して前記温度検出値が２３℃よりも低い場合には、モータの回転数を低減して送水ポンプ４６の送水量を減少し、出口３２側の温度が上昇する。このように、出口３２側の冷却水の温度が２３℃となるようにコントロールされる。第２の槽４４ｂに送られた冷却水は、送水ポンプ４５により冷凍機４１に送られて例えば８℃に冷却された後、第１の槽４４ａに戻る。インバータ付きモータの代わりに、直流モータを使用して流量制御を行うこととしてもよい。なお、送水流量を制御するポンプは出口３２側に設けられていてもよい。また、送水ポンプ４６は、流量制御部をなすものであるが、流量制御部としては、一定流量のポンプを用い、これに流量調整弁を並列に接続して制御部４９からの制御信号に基づいて流量調整弁の開度を調整するようにしてもよい。
【００３７】
以上の説明において、本実施例では、冷熱源システム、送水ポンプ４５，４６及び水槽４４が冷却水の供給設備に相当する。
【００３８】
先の二重水路冷却ユニット２の説明において、入口３１及び出口３２の温度差△Ｔを大きくすることのできる構成について説明したが、これによって得られる効果を冷却水の供給、冷却系に関連して説明する。先ず△Ｔを大きくとることができること、そしてクリーンルームの設定温度より低温の冷却水を供給しても、その低温の冷却水は内例流路２側を流れるので発熱部１の結露のおそれがないことから、例えば８℃もの低い温度の冷却水を用いることができる。従って従来のように単管コイルから流出した例えば２９℃の水を熱交換器１０３にて、冷凍機からの冷水との間で熱交換して２０℃に下げなくとも、冷凍機４１からの冷水をそのまま二重水路冷却ユニット２に供給することができる。熱交換器１０３を用いると送水ラインが２系統必要であることから設備が拡大するという不利益があったが、本実施例では、図２に示す従来構成における熱交換器１０３、バッファタンク１０４、送水ポンプ１０５が不要なので、設備機器の数を削減して構成を簡素化することができる。
【００３９】
また、△Ｔが大きいので冷却水量を低減することができ、送水ポンプの動力を低減することができる。そして、冷却水量が少ないことから配管の微振動が低減され、このため配管から発熱部１を介して処理部に伝播する微振動を低減することができる。
【００４０】
更に、半導体製造機器の運転時の熱負荷が急増して出口３２の温度が急上昇するような場合、出口３２側の温度がフィードバックされて送水ポンプ４６の送水量が大きくなるようにコントロールされるので、出口３２側の温度が急上昇するおそれがない。一方、装置の熱負荷が少ない場合には、それに見合うように冷却水量が絞られるのでエネルギーロスが小さい。
【００４１】
以上において、本発明は上述のような冷却装置を備えた半導体製造装置をも包含するものである。
【００４２】
図１０は、図９に示す本発明の第１実施例による半導体製造設備（実施例）と図２に示す従来の半導体製造設備（比較例）とを比較した結果を示す。必要な冷却水の平均流量については、実施例では比較例に比べて１／３以下であった。電力消費量については、実施例は比較例に比べて１／３強であった。なお，配管系の微振動については、実施例では比較例の６５％に低減された。
【００４３】
クリーンルームの空気に接する低温側冷却水ラインには、ガス状有機物の発生しない断熱材を取り付けその上から保護テープを巻いた。この断熱材およびテープの選定は、次のような方法によっておこなった。一般にパージ＆トラップーガスクロマトグラフ／マススペクトル（以下Ｐ＆Ｔ−ＧＣ／ＭＳと略す）と呼ばれている方法である。まず、数〜数１０ｍｇの試料を試料管に充填し、ヘリウムを流しながら１００℃で３０分間加熱し、発生する有機成分を−１３０℃に冷却されたトラップ管でトラップした。試料加熱終了後、トラップした有機成分をヘリウム気流下で３００℃に急速加熱し、ＧＣ／ＭＳ装置に導入して分析した。ＧＣ装置は、ヒューレットーパッカード社（以下ＨＰと略す）ＨＰ−５８９０Ａ型ＧＣ装置で、また、ＭＳ装置には同社のＨＰ−５９７０Ｂ型の質量分析器を使用した。ＧＣ装置のカラムは、ＨＰ−ウルトラ２（ＯＶ−５系）であり、内径は０．２ｍｍ、長さは２５ｍ、膜厚は０．３３μｍであった。その測定温度条件は、次の通りであった。
【００４４】
初期温度４０℃→昇温（１０℃／分）→最終温度３００℃（１５分保持）
キャリアガスはヘリウムで、注入方式はスプリット法を用いた。スプリット比は１／２００であった。ＭＳのイオン化法は電子衝撃法で、検出範囲はｍ／ｚで２５〜１０００であった。
【００４５】
単体で使用できる有機系断熱材のガス状有機物の発生量の好ましい限界は、５０μｇ／ｇ−試料以下である。本発明者らのこれまでに研究によれば、ガス状有機物の発生量がこの値以下であれば、クリーンルーム空気を汚染することはない。さらに、使用する保護テープの有機物発生量についても同様である。本実施例では、厚さ２０ｍｍのポリエチレン発泡体（分析値２７μｇ／ｇ−試料）を使用し、この表面にポリエチレンテープ（１．３μｇ／ｇ−試料）を巻き付けた。
【００４６】
図９は本発明の第２実施例による冷却装置の全体構成を示す図である。本実施例では、図９に示す冷却装置で用いた水槽４４の代りに、仕切り壁を備えていないが撹幹機５２を備えている水槽５１が設けられている。本実施例では、二重水路冷却ユニット２からの戻りの冷却水（約２３℃）と冷凍機４１からの冷水（約６℃）とを撹幹機５２により攪拌することにより約８℃の冷却水を得て、これを送水ポンプ４６によって二重水路冷却ユニット２の入口３１に送るようにしたものである。図９に示す冷却装置により発熱部１の冷却を行ったところ、図に示す実施例と同様に冷却水量を低減することができた。また、半導体製造機器の熱負荷の変動に対して二重水路冷却ユニット２の出口３２側の冷却水の温度をほぼ一定に維持することができた。更に、微振動についても低減することができた。
【００４７】
図１２は本発明の第３実施例による半導体製造設備の全体構成を示す図である。本実施例では、冷凍機４１からの冷水を水槽５１に直接供給する代りに、熱交換用のコイル５３を水槽５１内に設けている。そして、コイル５３に冷水を送って冷却水を送って冷却し、冷却水の温度を例えば８℃となるようにしたものである。本実施例によっても、図９に示す第１実施例と同様な効果を得ることができる。
【００４８】
図１３は本発明の第４実施例による半導体製造設備の全体構成を示す図である。本実施例では、上述の第３実施例における水槽５１に入れた撹捧機５２及び熱交換用のコイル５３を取り除き、代りに外部に熱交換器５４を設置したものである。すなわち、バッファタンクである水槽５０に蓄えられて温められた冷却水を、熱交換器５４で冷水と熱交換して冷却水の温度を約８℃にし、送水ポンプ４６により二重水路冷却ユニット２に送るようにしたものである。
【００４９】
更に、本実施例では、脱酸素用ガス例えば窒素ガス（Ｎ２ガス）と還元性ガス例えば水素ガス（Ｈ２ガス）とを９９：１の体積比で混合した混合ガスをガス供給源６１からガス吹き込みノズル６２を通じて、密閉された水槽５０の冷却水内に吹き込むことができるように構成されている。冷却水中に吹き込まれて水面上に達したガスは放出弁６３を通って排気される。
【００５０】
混合ガスを吹き込むと冷却水中の溶存酸素が除去（脱酸素）され、更に水素が冷却水に溶解する。なお、ガス供給源６１及びノズル６２は、本実施例では脱酸素手段及び還元性物質溶解手段を兼用している。本実施例においても図９に示す第１実施例と同様な効果を得ることができる。
【００５１】
本実施例による冷却装置を用いて、長時間（約１２ヶ月程度）に亘って冷却を行い、１日２回３０分間づつ前記混合ガスを水槽５１内の冷却水に吹き込み、冷却水系の鋼管（配管）二重水路冷却ユニット２内の錆の発生を点検したが錆の発生は認められなかった。
【００５２】
脱酸素され、０．４ｐｐｍ以上で、かつ、使用温度で飽和溶解度以下の濃度の水素が溶存された冷却水を使用すると、冷却水が流れる配管系、熱交換器５４、送水ポンプ４６、二重冷却ユニット２などの内面に錆が発生しない。従って、腐食によるピンホールや腐食孔の発生を防止することができる。本実施例における冷却水が半導体製造機器用冷却設備の水に接する金属の腐食を抑制することができる機構は完全に明らかではないが、溶存水素が還元作用を有することがその理由の一つとして挙げられる。
【００５３】
本発明の冷却水が半導体製造機器用冷却設備の水に接する金属の腐食を抑える機構は、冷却水中に溶存酸素がなく、かつ、溶存酸素が存在すると酸化還元電位が水素電位に対しマイナス（−）３００ｍＶとなり、還元性の水となるためである。このため、本発明の脱酸素され、０．４ｐｐｍ以上でかつ使用温度で飽和溶解度の濃度の水素が溶存された冷却水を使用すると、冷却水が流れる配管系、熱交換器、送水ポンプ、冷却管などの内面において金属の酸化による錆の発生を防止することができる。従って、腐食によるピンホールや腐食孔を発生させることがない。本実施例における冷却水は、通常使用される金属系の配管に適用できる。特に、鋼鉄製や銅製の冷却系配管に対する防食と錆防止の効果は大きい。
【００５４】
これに対し、冷却水中には、空気が溶解しており、そのために酸素が存在する。この場合の酸化還元電位は、プラス（＋）数１００ｍＶであり、極めて酸化性の強い水である。本発明者らの実験によれば、酸素が溶存している水を鋼鉄製や銅製の冷却管や熱交換器に流すと、この酸素によって鉄や銅が酸化され、錆が発生する。錆が冷却管や熱交換器の内部に発生して付着すると、熱伝達率が低減し、熱交換の効率が低下してしまう。さらに、長時間に亘って冷却管や熱交換器に使用していると、溶存酸素による酸化によって次第に腐食が発生して、配管内の送水断面積の低下による送水ポンプへの負担が増大し、送水ポンプの消費電力が増大してしまう。さらに、冷却管や熱交換器の内面にピンホールや腐食孔が生じてしまう。このピンホールの発生は、漏水事故を引き起こすおそれがあるので、半導体製造工場では確実に防止する必要がある。
【００５５】
このため、従来は、冷却水のｐＨを調整したり、酸化防止剤を加えたりして腐食の低減を図っていた。熱伝導性の優れている銅製の熱交換器や冷却管は、容易に腐食するために使用できなかった。したがって、より腐食性の少ないステンレススチールやチタン合金などの材料を使用する必要があった。
【００５６】
しかし、本実施例では、上述のように冷却水の脱酸素を行い、冷却管や熱交換器の腐食を防止している。脱酸素を行う方法としては、図１３に示すようにタンク（水槽）５０内の冷却水に低酸素濃度の高純度ガス及び水素ガスの混合ガスをバブリングして、エアレーションによって溶解酸素を取り除くと共に水素ガスを溶解させる方法がある。また、まず低酸素濃度の高純度ガスを吹き込こんでエアレーションを行い次いで水素ガスを吹き込んで水素を溶解させる方法もある。図１３に示す方法によれば脱酸素と水素の溶解とが同時に達成されるので、操作上簡単であり、特に好ましい。
【００５７】
タンク５０は、高純度ガスを定常的に流す場合には、気密にする必要はない。ただし、高純度ガスを初めにだけ導入し、脱酸素のためのエアレーションを間欠的に行う場含には、密閉タンクの方が適している。低酸素濃度の高純度ガスとしては、通常、酸素濃度が０．１容積％以下の窒素（Ｎ２）ガスがある。高純度窒素（９９．９９９％以上）を使用してもよい。他にヘリウム（Ｈｅ）ガスなどの希ガスも使用することができる。これらのガスをタンク内の冷却水に吹き込むことにより、水中に溶解している酸素を高純度ガスの気泡中に追い出すことにより、脱酸素が行われる。高純度二酸化炭素（ＣＯ２）が水に溶解すると、水を酸性にするので、苛性ソーダ等のアルカリ性物質で中和して使用する。
【００５８】
水素を水の中に供給する手法としては、水中に差し込まれたパイプから脱酸素水にバブリングしてもよいし、あるいは、タンク上部の水のない空間に水素を供給しておくだけでもよい。水素ガス単体では引火等の爆発の危険があるので、爆発限界内の濃度に窒素などで希釈した混合水素を使用することが特に好ましい。
【００５９】
更に、水を減圧して溶存酸素を除き、その後水素を溶解させるようにしてもよい。この場合、通常、水を入れた容器を数１０ｍＴｏｒｒ以下に減圧することによって達成される。この方法を実施するための設備としては、水を入れて密閉可能な容器に脱酸素用減圧ラインおよび水素供給ラインを設ける必要がある。タンクは、減圧に耐える密閉容器であり、水を入れた状態で、脱酸素する脱酸素用減圧ライン、および、脱酸素した冷却水に水素を１．５ｐｐｍ以上溶解するための水素供給ラインが設けられる。なお、還元性物質は、水に溶解し、配管の酸化を防止することのできる物質である。通常は、無機物としては、水素、チオ硫酸ソーダ、金属等がある。また、有機物では、シュウ酸ソーダ、アスコルビン酸ソーダ、イソプロピルアルコールなどが使用できる。これらの化合物は、水の酸化還元電圧をマイナス（−）にして、金属の酸化を防止する機能を持つものである。
【００６０】
図１４は本発明の第５実施例による半導体製造設備の全体構成を示す図である。本実施例では、冷凍機４１からの冷水を一旦水槽５０に入れ、ここから送水ポンプ４６により冷水を冷却水として二重水路冷却ユニット２に送るよう構成している。したがって、上述の各実施例よりも更に設備が簡素化されている。即ち、冷却水のポンプと冷却系のポンプとを一台で兼用し、熱交換器も冷水製造用の冷凍機との熱交換器をそのまま使用している。また、水槽５０には第４実施例と同様に窒素９９と水素１の混合ガスが吹き込めるように水素ガス供給手段を設けている。本実施例においても図９に示す第１実施例と同様な効果を得ることができる。
【００６１】
長時間（約約１２ヶ月程度）に亘って本実施例による冷却装置により冷却を行い、１日２回３０分間づつ混合ガスを水槽５０内の冷却水に吹き込んだ結果、冷却水系の鋼管内及び二重水路冷却ユニット内の錆の発生を点検したが錆の発生は認められなかった。
【００６２】
図１５は本発明の第６実施例による半導体製造設備の全体構成を示す図である。本実施例では、熱交換器として冷水製造用の冷凍機の熱交換器をそのまま使用すると共に、送水ポンプ４６の入口３１側と二重水路冷却ユニット２の出口３２側との間にバイパス流路７を設けている。バイパス流路７には流量制御部をなす流量調整弁７１が設けられている。そして、温度検出部４８からの温度検出値と温度設定値（例えば２３℃）とを制御部４９に入力し、その偏差に応じた信号を制御信号として流量調整弁７１を調整している。これにより二重水路冷却ユニット２の出口３２側の温度を例えば２３℃となるように制御している。即ち、出口３２側の温度が高い場合には、流量調整弁７１を絞って送水ポンプ４６から二重水路冷却ユニット２に送られる冷却水を増やして出口３２側の温度を下げている。また、出口３２側の温度が低い場合には流量調整弁７１を開いて送水ポンプ４６から二重水路冷却ユニットに送られる冷却水を減らして出口３２側の温度を上げている。なお、温度検出部４８は出口３２側の温度を検出するものであるが、出口側の温度を検出するとは、出口３２側のラインとバイパス碓路７との接続点よりも下流側を検出する場合も含む。
【００６３】
冷凍機４１と二重水路冷却ユニット２との間で冷却水を循環する循環路４０における送水ポンプ４５の入口側には、開閉弁６０を介して密閉された冷却水補給タンク７２が接続されている。冷却水はこのタンク７２内で脱酸素、水素溶解処理される。タンク７２には真空ポンプ６４が接続されると共に、一端にガス供給源６１が設けられたガス供給管６５が接続されている。この例では真空ポンプ６４は脱酸素手段をなし、ガス供給管６５は還元性物質溶解手段をなしている。冷却水を処理するにあたっては、先ず真空ポンプ６４によりタンク７２内を例えば２０ｍＴｏｒｒまで減圧して３０分間維持して脱酸素を行う。続いて、ガス供給源６１から上述の混合ガス（水素ガス＋窒素ガス）をタンク７２内に内圧が常圧になるまで供給し、そのまま２時間放置して水素を冷却水に溶解する。この場合、窒素ガスはキャリアガスである。
【００６４】
その後、開閉弁６０を開き、送水ポンプ４５によりタンク７２内の冷却水を冷凍機４１に送って冷却し、送水ポンプ４６により二重水路冷却ユニット２に流す。そして、冷却水量が十分な量になったときに前記開閉弁６０を閉め、その後の冷却水の補給は上記の方法を繰り返すことにより達成する。本実施例においても冷却水の低減、半導体製造装置の負荷変動に対する温度安定性及び微振動の低減について図９に示す第１実施例と同様な効果が得られた。また、長時間（約１２ヶ月程度）に亘って冷却を行ったところ、冷却系の鋼管、二重水路冷却ユニット２内の錆の発生は認められなかった。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、二重水路冷却ユニットを用いて半導体製造装置の発熱部を冷却しているため、上述のように二重水路冷却ユニットの入口側の冷却水の温度をクリーンルームの設定温度よりもかなり低くでき、冷却設備の簡素化を図ることがきる。そして冷却水の入口側、出口側の温度差を大きくすることができるので、冷却水量を低減することができ、消費動力が少なく、微振動も抑えられる。また冷却水を脱酸素して還元性物資を溶解しているので冷却ラインの錆の発生を防止できる。更に冷却水がクリーンルームの空気に触れる部分をガス状有機物が出ない断熱材で断熱することにより、断熱保冷が達成されて結露の発生を防止できると共に、クリーンルーム内の空気の汚染も防止することができる。
【００６６】
本発明は具体的に開示された実施例に限られることなく、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形例及び改良例がなされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】半導体製造機器の従来の冷却装置に用いられていたコイル状冷却管の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示すコイル状冷却管の正面図である。
【図２】従来の冷却装置の全体構成を示す構成図である。
【図３Ａ】本発明の第１実施例による半導体製造設備に用いられる二重水路冷却ユニットを示す概念図である。
【図３Ｂ】二重冷却水ユニットの斜視図である。
【図４】二重冷却水ユニットの内部を示す斜視図である。
【図５】二重水路冷却ユニットの断面図である。
【図６】二重水路冷却ユニットの具体例を示す簡略図である。
【図７】本発明による半導体製造設備に用いられる冷却装置により冷却される縦型熱処理装置を示す斜視図である。
【図８】二重水路冷却ユニットの他の例を示す斜視図である
【図９】本発明の第１実施例による半導体製造設備の全体構成を示す構成図である。
【図１０】本発明の実施例と比較例とを比較した結果を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施例による半導体製造設備の全体構成を示す構成図である。
【図１２】本発明の第３実施例による半導体製造設備の全体構成を示す構成図である。
【図１３】本発明の第４実施例による半導体製造設備の全体構成を示す構成図である。
【図１４】本発明の第５実施例による半導体製造設備の全体構成を示す構成図である。
【図１５】本発明の第６実施例による半導体製造設備の全体構成を示す構成図である。
【図Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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