(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体製造機器と、
該半導体製造機器の外周部を囲むように形成され、前記半導体製造機器を冷却水により冷却する冷却水路ユニットと、
該冷却水路ユニットを通過して前記半導体製造機器から放出された熱を吸収した冷却水である温排水から熱を回収する熱回収部と、
前記冷却水路ユニットで熱を吸収した前記温排水を前記熱回収部に供給する出口配管と、
前記熱回収部で熱を回収した温排水を前記冷却水路ユニットに供給する供給配管と、
を備え、
前記温排水を冷却するための冷凍機を含まない前記熱回収部は、前記冷却水路ユニットの入口側の冷却水温度を半導体製造環境の空気において結露が生じない温度まで熱を回収するものであり、
前記熱回収部で回収した熱を半導体製造工場内で使用する熱源として利用することを特徴とする半導体製造設備。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体製造設備であって、
前記冷却水路ユニットの冷却水出口の温度を検出する温度検出部と、該温度検出部による温度検出値が設定温度となるように前記冷却水路ユニットを流れる冷却水の流量を制御する流量制御部と、
を備えたことを特徴とする半導体製造設備。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体製造設備であって、
前記出口配管と前記供給配管との間を接続して、出口配管から入口配管に向かって前記熱回収部を迂回して温排水を流すためのバイパス路と、
該バイパス路に設けられ、該バイパス路の温排水の流量を制御する流量制御部と、
を備えたことを特徴とする半導体製造設備。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体製造設備であって、
前記半導体製造設備の前記冷却水路ユニットの入口側と出口側との温度差を検出する検出手段を有し、該検出手段により検出された温度差に応じて、前記バイパス路に設けられた前記流量制御部を介して、前記バイパス路を流れる温排水の流量を制御することを特徴とする半導体製造設備。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の半導体製造設備であって、
前記冷却水路ユニットに供給される冷却水の温度は１０℃以上４５℃未満であり、前記冷却水路ユニットから流出する温排水の温度は９８℃未満であり、前記冷却水路ユニットに対して供給される冷却水と前記冷却水路ユニットから流出する温排水との温度差を３５℃以上に設定したことを特徴とする半導体製造設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造設備に係わり、特に半導体製造機器から発生する熱を回収する熱回収装置を有する半導体製造設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工場には、ボイラーや冷凍機が設置され、冷暖房用の冷熱源として使用されている。半導体製造工場の省エネルギー化を図るには、ボイラーや冷凍機の運転負荷を低減する必要がある。例えば、クリーンルームに供給する空気量を低減する、あるいはクリーンルーム内の循環空気量を低減して、この空気を冷却するためのドライコイルで除去する熱量を下げ、このドライコイルへ冷媒を供給している冷凍機の負荷を下げることにより冷凍機により消費される電力を節約する方法が考えられる。しかし、この方法は、半導体製造機器から発生する熱によってクリーンルーム内の温度が上昇する場合には、クリーンルームの温度を調節できないと言う問題を有する。
【０００３】
現状のクラス１０（塵挨粒子径０．１μｍ）のクリーンルームでは、クリーンルーム内の空気の循環回数は、１時間に数１００回である。このように循環回数が多いのは、塵挨を除去するためばかりではなく、クリーンルームの温度を２３℃に維持するためでもある。すなわち、ドライコイルでの熱交換による除熱上必要なためである。換気回数を減らした場合、半導体製造装置の運転状況によっては、クリーンルームの温度変動を制御できなくなる。その結果、装置の性質上温度制御が必要な半導体製造機器の温度変化による加工寸法ばらつきが大きくなってしまい、製品の歩留まりが悪くなってしまうという問題も発生する。
【０００４】
したがって、半導体工場の空調エネルギーを節減するという点からいえば、現状の設備では、クリーンルームの設定温度をなるべく高くすることが好ましい。しかし、クリーンルーム内でクリーン服を着衣している作業者にとっては、２３℃以上の温度環境は暑さを感じる不快な作業環境である。さらに、作業者の発汗によってナトリウムやアンモニア等が発生し、作業環境を悪化させることもある。従って、作業環境の点からは、クリーンルームの設定温度を２３℃以上に上げることは好ましくない。
【０００５】
以上のことから、例えばクリーンルームの換気回数を低減するとか、あるいは、クリーンルームの空気の設定温度を上げるといった方法は、省エネルギーの決定的な解決策ではないと言える。
【０００６】
次に、半導体製造機器を冷却するための従来の装置について説明する。図１Ａは半導体製造機器の加熱炉（詳しくはその発熱部分）を冷却するために従来用いられている単管コイル状の冷却管１０の斜視図である。図１Ｂは冷却管１０の正面図である。冷却管１０は半体製造機器の外周にコイル状に巻かれ、下部の冷却水入口１１から冷却水が供給される。冷却水はコイル状の部分を流れ、上部の冷却水出口１２から流出する。この冷却水によって半導体製造機器の熱を回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。
【０００７】
冷却水入口１１に供給される冷却水の温度は、結露を起こさ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動するが、通常２５℃〜２８℃程度である。すなわち冷却水入口１１と出口１２との温度差は５℃程度である。
【０００８】
次に、冷却管１０に供給される冷却水の冷却系について、図２を参照しながら説明する。冷凍機１０１で６℃程度に冷却された冷水は、冷水槽１０２に一時的に蓄えられた後、熱交換器１０３に送られる。熱交換器１０３に供給された冷水は、コイル式冷却管１０に供給される冷却水を冷却し、その後冷水槽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、上記６℃の冷水との熱交換によって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から当該冷却管１０を通り、出口１２に出てバッファタンク１０４に戻される。なお、図２において、１０６は冷却塔、１０７は温度センサー、１０８〜１１０は送水ポンプである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述の冷却装置では、冷却管１０の出口温度が３０℃以下と低いため、熱交換する空気や水との温度差が小さい。このために熱交換効率が悪く、冷却水を熱回収に使用することができなかった。また冷却管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℃程度にしているため、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く、また、冷却水の搬送ラインが２系統必要な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、設備の面積が増大し、設備機器のコストが増大するという問題があった。
【００１０】
一方、上述の冷却系統において冷却水が発熱源（半導体製造装置１）から吸収する吸熱量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。
【００１１】
Ｑ ＝ Ｗ・Ｃｗ・（Ｔ０−Ｔｉ）＝ Ｗ・Ｃｗ・△Ｔ  （１）
重量比熱Ｃｗは一定であり、温度差△Ｔが５℃程度と小さいため、吸熱量Ｑを増大するためには冷却水量Ｗを大きくする必要がある。このため多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、定常時でもポンプをフル稼動にして冷却水を冷却水コイル１０に供給していたため、装置運転時の負荷の急増による出口１２温度の急上昇に対しては冷却が不十分となっていた。
【００１２】
また、多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、送水メイン管に微振動が発生してしまう。その微振動が送水メイン管の支持体であるクリーンルーム構造体に伝播すると、プロセス領域における振動に敏感な機器である露光機や走査型電子頭微鏡などに悪影響を及ぼす懸念もある。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が発生するという問題もあった。
【００１３】
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。
【００１４】
本発明のより具体的な目的は、半導体製造機器から発生する熱を半導体製造工場の冷暖房や使用原料の加温などに有効利用することによって、半導体製造工場全体としてのエネルギー消費量を低減することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、半導体製造機器に使用する冷却水量を低減し、ポンプ動力などの省エネルギー化を図ることである。
【００１６】
本発明発明の更に他の目的は、半導体製造機器に使用する冷却水の冷却設備を簡素化することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成すために、本発明によれば、
半導体製造機器と、
半導体製造機器の外周部を囲むように形成され、半導体製造機器を冷却水により冷却する冷却水路ユニットと、
冷却水路ユニットを通過して半導体製造機器から放出された熱を吸収した冷却水である温排水から熱を回収する熱回収部と、
冷却水路ユニットで熱を吸収した温排水を熱回収部に供給する出口配管と、
熱回収部で熱を回収した温排水を前記冷却水路ユニットに供給する供給配管と
を備え、温排水を冷却するための冷凍機を含まない熱回収部は、冷却水路ユニットの入口側の冷却水温度を半導体製造環境の空気において結露が生じない温度まで熱を回収するものであり、
熱回収部で回収した熱を半導体製造工場内で使用する熱源として利用することを特徴とする半導体製造設備が提供される。
【００１８】
本発明によれば、半導体製造機器で発生した熱を冷却水を媒体として半導体製造工場内で使用する熱源として利用するため、半導体製造工場で消費されるエネルギーの節約を図ることができる。本発明においては、冷却水路ユニットの出口側の温度を検出する温度検出部と、この温度検出部による温度検出値が設定温度となるように冷却水路ユニットを流れる冷却水の流量を制御する流量制御部と、を備える構成とすることが好ましい。また、冷却水路ユニットの入口側と出口側との間を結び、出口側から入口側に向かって熱回収部を迂回して冷却水を流すためのバイパス路と、バイパス路に設けられ、冷却水の流量を制御する流量制御部と、を備えた構成としてもよい。更には、冷却水路ユニットの入口側と出口側との温度差を検出する手段と、この手段により検出された温度差に応じて、バイパス路に設けられた流量制御部を介して、冷却水路ユニットを流れる冷却水の流量を制御する構成を採用してもよい。このようにバイパス路を設ける構成は、冷却水路ユニットを単管状のコイルとする場合に特に有効である。また供給配管を流れる温排水を冷却して冷却水とするための熱交換器を備え、この熱交換器から出た冷却水を冷却水路ユニットに供給するようにしてもよい。
【００１９】
そして、冷却水路ユニットは、半導体製造機器の発熱部分を囲むように形成されると共に冷却水の出口を備えた内側流路と、冷却水の入口を備えると共に前記内側流路と連通し、内側流路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た外側流路と、を有するいわば二重水路を備えた構成とすることが好ましい。このようにすれば、外側流路の冷却水は内側流路の冷却水により温められるので、半導体製造機器側の温度差を小さく抑えながら、冷却水路ユニットの入口、出口の温度差を大きくとることができ、冷却水量を低減することができる。
【００２０】
具体的には、冷却水路ユニットに供給される冷却水の温度は、例えば１０℃以上で４５℃未満であり、冷却水路ユニットから取り出される冷却水の温度は９８℃未満であり、冷却水路ユニットに対して供給される冷却水と排出される冷却水との温度差は３５℃以上である。なお、冷却水路ユニットに供給する冷却水は、脱酸素され且つ還元性物質が溶解されていることが好ましい。このようにすれば、配管などの金属部分の腐食を抑えることができる。例えば、還元性物質として水素が用いられる。水素の冷却水に対する溶解量は０．４ｐｐｍ以上が好ましい。また、冷却水路ユニット及び少なくとも冷却水路ユニットの出口からクリーンルームの空気に触れる範囲の出口配管の表面は、ガス状汚染物質の発生しない断熱材により覆われていることが好ましい。
【００２１】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより一層明瞭となるであろう。
【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。図３は、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図である。
【００２３】
図３に示す半導体製造設備では、半導体製造機器１（１Ａ，１Ｂ）に対してポンプＰ１，Ｐ２により夫々供給配管３（３Ａ，３Ｂ）を介して冷却水を供給している。半導体製造機器１（１Ａ，１Ｂ）で暖められた冷却水（温排水）は、出口配管４を介して熱回収部２（２Ａ〜２Ｃ）に供給され、温排水から熱が回収される。
【００２４】
本実施例における半導体製造機器１とは、半導体基板（例えばシリコンウェハ）上に半導体回路を形成するためのプロセスを行うときに発熱を伴う機器である。例えば、半導体基板をバッチで熱処理する縦型熱処理装置や、半導体基板を１枚ずつ熱処理する枚葉式熱処理装置などのプロセス装置である。その他、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプや稼動時に発熱を伴う用力機器なども含まれる。
【００２５】
熱回収部２は、半導体製造工場内における熱源に利用する熱を温排水から回収する手段である。熱回収部２が回収する熱源として、例えば事務所の暖房のための温水（ボイラー水）配管中を流れる温水に対して熱交換を行う熱交換器、温水そのものつまり温水の流れる流路部分、外部からクリーンルーム内に空気を取り入れる際に温湿度調整するための空調機の予熱部、空調機の加熱部（外部の空気を冷却して水分を除去した後、湿度調整された空気を加熱する部分）、純水を温調する温調部、クリーンルームの循環空気の空調のための熱源、低圧蒸気ガスの保温部などが相当する。
【００２６】
なお、半導体製造工場とは、半導体装置を製造するために必要なクリーンルームを含む工場、その用役を供給するための設備や事務所、倉庫などを意味する。
【００２７】
上述の例では、熱回収部２で熱回収が行われた後の温排水は、例えば３０℃〜４０℃の温度になっている。温排水は水槽２０に一旦貯水された後、半導体製造機器１に送られる。半導体製造機器１Ａが縦型熱処理装置（更に詳しくいえば縦型熱処理装置で用いられる加熱炉）である場合には、加熱炉内のプロセス領域の加熱温度への影響を考慮して、ある程度目標温度、例えば２５℃に調整された冷却水を供給する必要がある。このため、水槽２０内の冷却水を熱交換器２０ａを通すことによりその温度を調整している。この熱交換器２０ａの一次側には例えば冷凍機で冷却された冷水が供給される。
【００２８】
一方、半導体製造装置１Ｂがターボ分子ポンプである場合、その冷却はラフでよいため、水槽２１内の冷却水を熱交換器２２を通さずに直接半導体製造機器１Ｂに供給している。半導体製造機器１には、図３には示していないが、例えば後述する冷却水路ユニットが設けられており、このユニット内を冷却水が流れることによって半導体製造機器１の熱が冷却水に回収され、出口側の冷却水つまり温排水の温度は例えば８５℃になる。
【００２９】
図４は本実施例による半導体製造設備の構成を詳細に示した図である。図４に示す３個の半導体製造機器１の各々は縦型熱処理装置である。この半導体製造機器１には、半導体製造機器１（詳しくいえばその発熱部分）を冷却するための冷却水路ユニット５が設けられている。以下にこの冷却水路ユニット５の好ましい構成例について図５Ａ〜図８を参照しながら説明する。
【００３０】
図５Ａに示す冷却水路ユニットは、半導体製造機器１である縦型熱処理装置の加熱炉１００の外周部を囲むように形成された内側流路５１と、内側流路５１の外周部を囲むように形成された外側流路５２とを有している。内側流路５１及び外側流路５２は、加熱炉１００に対応する高さを有するリング状の流路であり、銅製の空洞のリング状部材を用い、この中に内側流路５１と外側流路５２との間を仕切る仕切り部５３を形成して構成される。
【００３１】
外側流路５２の下部側には冷却水の入口６１が形成されており、この入口６１から見て外側流路５２における最も遠いところにて外側流路５２と内側流路５１との連通部５４が設けられている。即ち、この例では外側流路５２は入口６１が形成されている位置を始点とすると、ここから加熱炉１００の外周に沿って図５Ａ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内側流路５１に連通している。内側流路５１はこの連通部５４を始点として図５Ａ中反時計まわりにほぼ一周に亘って形成され、終点位置の上部に冷却水の出口６２が形成されている。なお、入口６１及び出口６２は、実際には夫々外側流路５２及び内側流路５１の側面の開口部であるが、図の便宜上少し外側に延出した部位として示してある。
【００３２】
上述のような構成の冷却水路ユニット５によれば、冷却水が外側流路５２から内側流路５１に流れ、加熱炉１００の熱は内側流路５１から仕切り部５３を介して外側流路５２へと移動する。従って、外側流路５２を流れる温度の低い冷却水は、内側流路５１を流れる温度の高い冷却水により温められるので、内側流路５１に入る冷却水と内側流路５１から出る冷却水との温度差は小さくなる。即ち、冷却水路ユニット５が図２に示すような単管コイルであれば、入口６１と出口６２との温度差がそのまま加熱炉１００の外面の温度差に反映されるが、図５Ａ及び５Ｂに示すような二重水路を構成すれば、加熱炉１００の外面に反映される温度差が、外側流路５２の冷却水が温められた分だけ緩和されることになる。
【００３３】
冷却水路ユニット５の入口６１側の冷却水の温度は、半導体製造環境の空気において結露が生じない温度に設定する。その理由は、過度に冷たい冷却水を流して冷却水路ユニット５に結露が生じると、結露による水分が周辺を濡らしたり、あるいは、発熱している炉を損傷するおそれがあり、これを防止するためである。
【００３４】
そして冷却水路ユニット５の温度を半導体製造機器内部の運転に必要な温度条件を乱さないような温度に維持するとともに、冷却水路ユニット５を出た冷却水の温度が効率よく熱回収できるような設定温度となるように自動調整する機構が必要である。半導体製造機器内部の運転に必要な温度条件を乱さないような温度とは、冷却水を流すことにより必要以上に半導体製造機器内部が冷却されることなく、所望の処理工程作業が円滑に行われるような温度である。そのような温度としては、半導体製造機器内部の温度に対する差が小さい方がよい。しかも、より高温にすることにより、この温められた冷却水を熱回収しやすくなる。しかし、冷却水路ユニット５の外側は冷却の目的が達成できるように冷却されている状態とする必要があり、両方を満足するような温度を設定する必要がある。冷却水路ユニット５に供給される冷却水の温度は、具体的には１０℃以上４５℃未満であることが好ましい。
【００３５】
１０℃未満の冷却水を配管や冷却管に流すと、通常のクリーンルームの空気は室温２３℃で相対湿度４０％にされているので、クリーンルーム内の冷却管に結露が発生する。結露発生を防止するには、配管や冷却管に１０℃以上の冷却水を流す必要がある。一方、冷却水の温度を４５℃以上にすると、作業者が配管や冷却管に触れた場合に火傷をするおそれがある。また、周辺の機器に対する熱からの保護が不十分になる。したがって、冷却水の温度は１０℃以上４５℃未満とすることが好ましい。
【００３６】
本発明においては、従来の冷却水のように冷凍機を使用して２３℃前後の温度に制御する必要はない。また、冷却水として純水製造装置で浄化した純水を使用しても良いが、工業用水を使用することもできる。更に、本発明の冷却水は、温排水を熱回収して４５℃未満の温度になったら、そのままでも使用できる。あるいは、クーリングタワーで温度をさらに下げて使用することもできる。
【００３７】
本発明では、熱回収を容易にするために冷却水出口温度は、４５℃以上にすることが好ましい。ここで、冷却水出口温度が４５℃未満では、熱交換による熱回収効率が悪くなってしまう。また、９８℃以上にすると、冷却管内が不安定になり、微振動が発生する。また、冷却管出口以降に配置された流量制御ポンプや制御弁においてキャビテーションが発生して泡が発生し、流量制御が困難になるおそれがある。
【００３８】
また、冷却水路ユニット５の入口側と出口側との温度差は、冷却水量を少なくする点などから３５℃以上であることが好ましい。
【００３９】
以上の条件を考慮すると、半導体製造機器の動作温度が数１００℃である場合には、冷却水温度を５０℃から８０℃程度にすることが好ましい。また、半導体製造機器の動作温度が１０００℃近い温度である場合には、冷却水温度を７０℃から９５℃に設定することが好ましい。
【００４０】
これに対して、２３℃前後の水を供給する従来の冷却方法では、冷却水側の温度が低いので、不必要に過度に冷却されていることが多かったといえる。
【００４１】
上述の冷却水路ユニット５の他の例を図６及び図７に示す。この例では内側流路５１及び外側流路５２が空洞のリング状部材であることは、図５Ａ及び５Ｂに示す例と同じであるが、入口６１が外側流路５２の側面下部に、出口６２が内側流路５１の上面に形成されている。なお、冷却水路ユニット５は二重の筒状であるが図４では模式的に描いてある。連通部５４は入口６１に対して周方向に１８０度ずれた位置において、外側流路５２の上面から内側流路５１の底面付近に冷却水を送るための連通管として構成されている。また、出口６２は連通部５４に対して周方向に１８０度ずれて位置している。従って、入口６１から流入した冷却水は外側流路５２の全体に亘ってほぼ均一に流れ、連通部５４に流入する。連通部５４を通過した冷却水は内側流路５１の全体に亘ってほぼ均一に流れる。連通部５４は図５Ａ〜図８のように局所的に設けることが好ましい。その理由は、外側流路５２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５４の入口に集中する流れができるからである。すなわち、ある瞬間に入った冷却水についてみると、冷却水は外側流路５２の中を広範囲に動きまわりながら移動するので、外側流路５２の中の温度均一性が高くなるのである。また、内側流路５１においても、冷却水は連通部５４の狭い出口から勢いよく流出して内側流路５１の中に広がるので、同様に温度均一性が高くなる。
【００４２】
図８は冷却水路ユニット５の更に他の例を示す図である。この例では外側流路５２は加熱炉１００の外周面に沿って下端部の入口６１から上へ向かってコイル状に形成されている。内側流路５１の下端部は外側流路５２の上端部に接続され、下端部から外側流路５２の内側を上へ向かってコイル状に形成され、上端部が冷却水の出口６２となっている。なお、この例では外側流路５２の上端部から内側流路５１に移行する垂直部位が連通部５４に相当する。
【００４３】
加熱炉１００を含む縦型熱処理装置の概観図を図７に示す。縦型熱処理装置において、半導体ウェハＷはウェハボートと呼ばれる保持具２０１に複数枚棚状に保持される。そして、半導体ウェハＷはボートエレベータ２０２により保持具２０１を上昇させて加熱炉２０３の中に搬入され、半導体ウェハＷに所定の熱処理が施される。加熱炉２０３は、縦型の反応管の周囲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で覆われて構成される。図中、２０５，２０６は夫々処理ガス供給管及び排気管である。
【００４４】
上述の冷却水路ユニット５は加熱炉２０３の外装体２０４の外側に設けられているが、図１０に示すように外装体２０４の内側に設け、加熱炉２０３（他の図で「１００」で示している）と一体化してもよい。図１０の例では断熱体２０７の外周面を囲むように冷却水路ユニット５を設け、冷却水路ユニット５の外側に外装体２０４を設けている。
【００４５】
次に、図４に示す実施例の全体構成の説明に戻る。本実施例による熱回収装置は、冷却水タンク３１と、冷却水タンク３１内の冷却水を複数の冷却水路ユニット５（この例では便宜上３個の冷却水路ユニット５）に供給するための供給配管３と、各冷却水路ユニット５から出る冷却水（温排水）の流路下ある出口配管４と、前記温排水を一旦貯めるための温排水タンク４１と、冷却水路ユニット内を流れる冷却水の流量を制御するための流量制御部である流量制御ポンプ４２と、各冷却水路ユニット５の出口側の冷却水（温排水）の温度を検出する温度検出部４３と、この温度検出部４３の温度検出値に基づいて流量制御ポンプ４２を介して冷却水の流量を制御する制御部４４とを備えている。
【００４６】
更に、この実施例は熱回収部２を備えており、温排水タンク４１内の温排水はポンプ３１により熱回収部２に送られる。熱回収部２は、半導体製造工場で使用される液体２２、例えばボイラー水を加熱するための熱交換器として構成される。熱回収部２（熱交換器）で熱交換されて冷却された使用後の温排水は、戻り配管２３を介して冷却水タンク３１に戻される。なお、外気温が高い時期には、使用後の温排水を、図４の点線により流路（戻り配管２３ａ）を示すように、クーリングタワー２４にて更に冷却してから冷却水タンク３１に戻してもよい。
【００４７】
また、この例では、窒素ガスで希釈された水素ガスをボンベ３２から冷却水タンク３１内の冷却水に導入することができるようになっている。水素ガスを冷却水に導入すると、バブリングによって冷却水中の酸素が除去され（脱酸素）、同時に水素が冷却水に溶解する。このように冷却水に対して脱酸素を行い、水素のような還元性物質を冷却水に溶解させると、配管を構成する金属の腐食が抑えられる。
【００４８】
還元性物質は水素に限られない。この発明において、還元性物質とは、水に溶解し配管の酸化を防ぐ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される。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。
【００４９】
還元性物質が溶解した冷却水が冷却水に接する金属の腐食を抑える理由は、冷却水中に溶存酸素がなく、かつ、溶存水素が存在して還元性の水となるためである。すなわち、溶存水素が存在した冷却水では、酸化還元電圧が水素電極に対してマイナス（−）３００ｍＶとなり、還元性の水となるためである。このため、本実施例のように脱酸素され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し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金属の酸化による錆が発生しない。従って、腐食によるピンホールや腐食孔が発生しない。本実施例による冷却水は、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。
【００５０】
冷却水路ユニット５及び出口配管４におけるクリーンルームの空気に触れる個所の表面は、ガス状汚染物質が発生しない断熱材により被覆されている。断熱材としては、後述の試験方法により断熱材を分析して特にガス状有機物が発生しないものを用いる必要がある。
【００５１】
次に、図４に示す実施例の全体の作用について説明する。冷却水タンク３１内の冷却水は１０℃以上４５℃未満の温度で、半導体製造機器１に設けられている加熱炉の外周に設けられている冷却水路ユニット５内に入る。冷却水は、半導体製造機器１から放出される熱を奪って７０℃〜９５℃の温度に加熱され、出口配管４に流出する。このとき各制御部４４は、対応する温度検出部４３の温度検出値と予め設定された設定温度とに基づき、両信号差がゼロになるように流量制御ポンプ４２の送水流量をコントロールする。すなわち、各冷却水路ユニット５の出口側の冷却水温度が設定温度となるように流量制御ポンプ４２の送水流量をコントロールする。検出部４３による温度検出値が設定温度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高くする。これにより、ポンプ４２の送水量が増大し、冷却水路ユニット５の出口側の温度が下がる。一方、温度検出値が設定温度よりも低い場合には、モータの回転数を下げる。これにより、ポンプ４２の送水量が減少し、出口側の温度が上昇する。こうして出口側の冷却水の温度が設定度となるようにコントロールされる。
【００５２】
なお、ポンプ４２としては、インバータ付きの交流モータや直流モータを駆動源として電力を調整してモータ出力を変えるタイプのものを使用できる。発塵防止対策が施されたものであれば、ギヤ変換機やプーリ変換機によりモータ回転数を変えるようにしてもよい。本発明ではポンプ４２を供給配管３に設けてもよいし、流量が可変でないポンプを用いてもよい。この場合、ポンプと並列に流量調節弁を設けてこの流量調節弁により流量をコントロールしてもよい。
【００５３】
上述のように、本実施例では半導体製造機器１を冷却する冷却水路ユニット５は内、外の二重水路を備えているため、入口及び出口の冷却水の温度差を３５℃以上と大きくしても、その温度差が半導体製造機器１の温度差に反映される程度が少ない。このように入口及び出口の冷却水の温度差を大きくすることにより、冷却水量が低減されるので省エネルギー化を達成することができる。そして、半導体製造機器１により温められた冷却水の熱を熱回収部２にて回収し、回収した熱を半導体製造工場内で利用することにより、例えば工場内の暖房等における加熱に使用するネルギーを低減することができる。また、熱回収によって温排水が冷却されるので、冷却水用の冷却設備を簡素化することができる。
【００５４】
次に、図４に示す熱回収装置を実際に運転した場合について説明する。
【００５５】
［冷却水の設定温度］
冷却水路ユニット５の出口側の冷却水（温排水）の温度が８５℃になるように冷却水の流量をコントロールした。
【００５６】
［冷却水］
冷却水として純水を使用した。また、冷却水の腐食性を低減するために、純水に０．４％以上でかつ使用温度で飽和溶解度となる量の水素を溶解させて水素溶解水とした。水素溶解水は、図４の冷却水タンク３１を使用して製造した。冷却水タンク３１内の冷却水に、窒素で希釈した希釈水素の入ったボンベ３２から希釈水素を吹き込み、バブリングによって脱酸素と同時に水素の溶解を行った。
【００５７】
［熱回収］
温排水タンク４１に蓄えられた温排水から熱回収するために、クリーンルームの採り入れ外気を温めるために使用した。すなわち、温排水を利用する熱交換器２を空気加熱装置として使用した。熱交換器２に温排水タンク４１から温水を温排水ポンプ２１により流し、加熱される流体２２としてクリーンルーム用採り入れ外気（５℃）を流した。外気は温水の熱で暖められて２４℃となり、この２４℃の空気をクリーンルームに送りこんだ。熱回収後の水は、図４の温排水の戻り配管２３及び２３ａを通して冷却水タンク３１に戻した。外気が５℃であったため、クーリングタワー２４はバイパスした。クーリングタワー２４は、夏期などの高温多湿の際に使用した。
【００５８】
［断熱材の使用］
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、クリニンルーム空気を汚染することははないことが確認された。使用する保護テープ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−資料）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。
【００５９】
［断熱材から発生するガス状有機物の分析方法］
クリーンルームの空気に接する温排水ラインには、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、一般にパージ＆トラップ−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を用いて行った。
【００６０】
まず、数１０ｍｇの資料を試料管に充填し、ヘリウムを流しながら１００℃で３０分間加熱した。発生した有機成分を１３０℃に冷却し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装置として、ヒューレットパッカード（以下ＨＰと略す）社ＨＰ−５８９０Ａ型ＧＣ装置を使用した。また、ＭＳ装置としてＨＰ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）を用いた。カラムの内径は０．２ｍｍ、長さは２５ｍ、膜厚は０．３３μｍであった。測定温度条件は、次の通りであった。
【００６１】
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とし、注入方式はスプリット法で、スプリット比は１／２００とした。ＭＳイオン化法は電子衝撃法で、検出範囲はｍ／ｚで２５・１０００とした。
【００６２】
［クリーンルームの有機物汚染を測定する方法］
クリーンルームの有機物汚染測定に際して、酸化膜を付けたシリコンウェハをクリーンルーム内に２４時間暴露した。暴露後のウェハを上記のパージ＆トラップの代わりに、ウェハ昇温脱離装置（ジーエルサイエンス社製、シリコンウェハアナライザー）に入れ、吸着した有機物を昇温脱離した後、上記のＧＣ／ＭＳ法で分析測定した。
【００６３】
［本実施例の効果］
（１）半導体製造機器の冷却効果
冷却の本来の目的である半導体製造機器の表面を常温に保つという目的では、従来のコイル式冷却管と同様の冷却効果を達成できた。すなわち、二重管式の冷却水路ユニット５の使用によって、冷却水路ユニット５の外側流路５２の温度が常温となったため、作業者が冷却水路ユニット５に触れて火傷をしたり、他の装置や設備を熱的に劣化させることはなかった。
【００６４】
（２）装置の削減効果
本実施例では、図２に示す従来の冷却設備に設けられていた冷凍機が設置されていないのが最大の特徴である。また、冷凍機に付随して必要であったポンプ、熱交換器、配管等も不要になり、省資源を図ることができた。
【００６５】
（３）電力消費量
冷凍機が不要になることによって、電力消費量は従来の１／１０以下となった。更に、式（１）の入口温度Ｔｉと出口温度Ｔ０との温度差△Ｔを３０℃以上に設定できたので、冷却水量Ｗは、従来の１／１０以下にすることが可能であった。これにより、送水ポンプ１／１０以下の動力で運転することができた。また、冷却水配管類の口径を１／３以下にすることができ、これによる配管重量も低減できた。このように、本発明による熱回収装置による冷却方法は、省電源と省エネルギーの点で大きな効果があった。
【００６６】
（４）微振動の制御
送水ポンプ・配管系の冷却水の流れによる微振動を約半分以下に低減できた。本実験では、従来の配管微振動の２０％に低減することができた。
【００６７】
（５）熱回収による省エネルギー
温排水タンクに蓄えられた温排水を、クリーンルームの採り入れ外気を温めるために使用して、熱回収することができた。これによって、特に、外気温の低い時期の暖房費を低減することができた。
【００６８】
（６）冷却水による腐食防止効果
冷却水に水素を０．４ｐｐｍ以上かつ使用温度での飽和溶解度以下の濃度に溶解した。半年後に冷却水ラインの点検をしたが、腐食や錆の発生は認められなかった。
【００６９】
（７）断熱材のアウトガス対策
断熱材を使用した周辺のクリーンルームにウェハを暴露して、上記ウェハ昇温脱離ＧＣ／ＭＳ法で分析したが、有機物の増加は認められなかった。
【００７０】
上述の実施例において、冷却水路ユニットとして二重水路式のものを用いる代りに、従来用いられていた図１Ａ及び１Ｂに示すような単管コイル状の冷却管を用いてもよい。しかし、通常の冷却管では、常温の入口温度に対して出口温度を熱回収可能な温度にすると、両者の温度差が大きくなり、半導体製造機器の内部温度が不均一になることや、冷却管自体の温度歪み量が大きくなるという問題が発生する。このため、入口温度と出口温度との温度差を少なくする必要がある。
【００７１】
そこで、以下に説明する実施例では、冷却水の一部をバイパス管によって入口に戻して、冷却管の温度差を小さくしている。
【００７２】
図１１は本発明の第２実施例による半導体製造設備の一部の構成を示す図である。図１１において、冷却水路ユニットとして単管コイル状の冷却水路ユニット７が使用されている。供給配管３には、流量制御部をなすポンプ７１が設けられ、このポンプ７１の出口側と出口配管との間には、冷却水路ユニット７から流出した冷却水の一部を冷却水路ユニット７の入口側に戻すためのバイパス路であるバイパス管７２が設けられている。バイパス管７２には流量制御部をなすポンプ７３が設けられている。ポンプ７３の出口側には、ポンプ７１からの冷却水がバイパス管７２内に流入しないように逆流防止弁（供給配管３から出口配管４に向かう流れを防止する弁）７４が設けられている。ポンプ７１，７３は流量可変なポンプ例えばインバータ付き交流モータにより駆動されるポンプが用いられる。
【００７３】
また、本実施例では、出口配管４におけるバイパス管７２の分岐点の下流側の冷却水の温度を検出する温度検出部Ｔ１、冷却水路ユニット７の入口付近（入口側）及び出口付近（出口側）の冷劫水の温度を夫々検出する温度検出部Ｔ２，Ｔ３を備えている。なお、以下では説明を簡略化するために、Ｔ１〜Ｔ３が温度検出部の符号を意味すると共にこれら温度検出部での温度検出値としての意味を持つものとする。ポンプ７１はＴ１と設定温度とに基づいてＴ１が設定温度となるように送水流量が制御される。またポンプ７３はＴ２とＴ３との温度差が設定値（例えば温度差４０℃）となるように送水流量が制御される。図ではＴ１，Ｔ２，Ｔ３とポンプ７１，７３との間を点線の信号ラインで結んであるが、実際には途中に図示しない制御部が介在している。
【００７４】
本実施例ではＴ１が高くなるとポンプ７１の出力が大きくなって冷却水量が増加し、冷却水路ユニット７の出口側の温度が下がるように作用する。また、Ｔ１が低くなると、ポンプ７１の出力が小さくなって冷却水量が減少し、冷却水路ユニット７の出口側の温度が高くなる。
【００７５】
更に、Ｔ２，Ｔ３の温度差が大きくなるとバイパス管７２のポンプ７３の出力が大きくなって、冷却水路ユニット７の出口側の冷却水の戻り量を多くし、温度差を小さくする。逆に、Ｔ２，Ｔ３の温度差が小さくなるとポンプ７３が絞られ、戻り量が少なくなる。このようにして温排水の温度と冷却水路ユニット７の入口、出口の温度差を所定値に制御することができる。この結果、熱回収に適した温排水を得ることができると共に冷却水路ユニット７の上下の温度差を小さくすることができる。これによって冷却水路ユニット内温度差による半導体製造機器内温度への影響を抑制することができる。また、冷却水管内の温度差によって生じる冷却管の伸縮による歪み量も抑えることができ、冷却管の構造を不要に頑丈にする必要もなくなる。
【００７６】
図１２は本発明の第３実施例による半導体製造設備の構成を示す図である。図１２に示す熱回収装置では、出口配管４におけるバイパス管７２の上流側に、Ｔ１に基づいて流量が制御される流量可変なポンプ７５を設けると共に、出口配管４におけるバイパス管７２の接続点の下流側とバイパス管７２とに夫々流量調節弁８１，８２を設け、Ｔ２とＴ３との温度差に基づいて流量調節弁８１，８２の開度を調整して流量を制御している。この場合、Ｔ１が設定温度よりも高くなるとポンプ７５の送水流量が多くなって冷却水路ユニット７の出口温度が低くなる。Ｔ１が設定温度よりも低くなるとポンプ７５の送水流量が少なくなって冷却水路ユニット７の出口温度が高くなる。また、Ｔ２，Ｔ３の温度差が小さくなれば流量調節弁８２が絞られ、バイパス管７２を流れる冷却水量が少なくなる。温度差が大きくなれば流量調節弁８２が開かれてバイパス管７２を流れる冷却水量が多くなる。
【００７７】
出口配管４に設けられた流量調節弁８１については、流量調節弁８２が絞られるときには僅かに開度が大きくなり、流量調節弁８２が開かれるときには僅かに絞られるように制御される。本実施例においても温排水の温度と前記温度差とを所定値に制御することができる。
【００７８】
図１３は本発明の第４実施例による半導体製造設備の一部の構成を示す。図１３に示す熱回収装置では、上述の実施例において用いた流量可変なポンプ７５の代りに流量を変えられないポンプ７６を使用し、ポンプ７６の上流側と出口配管４におけるバイパス管７２の接続点の下流側との間にポンプ７６をバイパスするバイパス管７７を設けて、バイパス管７７に流量調節弁８３を設けた構成である。なお、ポンプ７６から温排水タンクまでの配管が短い場合には、図１２の実施例のように出口配管４に流量調節弁８１を設けることが好ましい。
【００７９】
本実施例では、Ｔ１により流量調節弁８３の流量が調整される。即ち、Ｔ１が設定温度よりも高くなると流量調節弁８３の開度が大きくなって冷却水路ユニット７を流れる冷却水量が多くなり、冷却水路ユニット７の出口温度が低くなる。Ｔ１が設定温度よりも低くなると流量調節弁８３が絞られて冷却水量が少なくなり、出口温度が高くなる。本実施例においても、温排水の温度と冷却水路ユニットプの入口、出口の温度差とを所定値に制御することができる。
【００８０】
なお、二重水路を有する冷却水路ユニット５を用いた場合においても図１１〜図１３に示す構成を採用してもよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、半導体製造機器で発熱した熱を回収して半導体製造工場にて使用する熱エネルギーに当てているので、半導体製造工場において省エネルギー化を達成することができる。
【００８２】
本発明は具体的に開示された上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱すること無く様々な改良例及び変形例がなされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】単管コイル状の冷却水路ユニットの斜視図である。
【図１Ｂ】単管コイル状の冷却水路ユニットの正面図である。
【図２】半導体製造機器を冷却する従来の冷却設備の構成図である。
【図３】本発明の第１実施例による半導体製造設備の構成図である。
【図４】本発明の第１実施例による半導体製造設備の詳細を示す構成図である。
【図５Ａ】図４に示す冷却水路ユニットの一例を示す説明図である。
【図５Ｂ】図４に示す冷却水路ユニットの一例を示す説明図である。
【図６】図４に示す冷却水路ユニットの他の例を示す説明図である。
【図７】図６に示す冷却水路ユニットの断面図である。
【図８】冷却水路ユニットの更に他の例を示す説明図である。
【図９】本発明の第１実施例による半導体製造設備に設けられた縦型熱処理装置の斜視図である。
【図１０】冷却水路ユニットの更にまた他の例の斜視図である。
【図１１】本発明の第２実施例による半導体製造設備の一部の構成を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施例による半導体製造設備の一部の構成を示す図である。
【図１３】本発明の第４実施例による半導体製造設備の一部の構成を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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