(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
仕切り壁や垂れ壁のない単一の空間がその内部に形成された空調室と、該空調室の空気の状態を調整する空調機構を備える空調装置において、
前記空調室の１つの壁面に形成された第１の空気導入口と、
前記空調室の、前記第１の空気導入口と対向する位置に形成された第１の空気排出口と、
前記空調室の、前記第１の空気導入口と同一の壁面に形成された、第２の空気導入口と、
前記空調室の、前記第１の空気排出口と同一の壁面の前記第２の空気導入口と対向する位置に形成された第２の空気排出口と、
前記第１の空気導入口に接続され、少なくとも湿度が調整された空気を供給する第１の空調機構と、
前記第２の空気導入口に接続され、前記第１の空調機構とは別の独立した制御系により、少なくとも湿度が調整された空気を供給する第２の空調機構と、
前記第１の空気導入口に設置され吐出空気を層流状態にする層流形成機構と、
前記第２の空気導入口に設置され吐出空気を乱流状態にする乱流形成機構と、
を設けて、前記第１の空調機構の湿度目標値と前記第２の空調機構の湿度目標値とを互いに異なる値に設定したことを特徴とする空調装置。
【請求項２】
請求項１記載の空調装置において、前記第１の空調機構が、前記第１の空気導入口と前記第１の空気排出口に接続され、前記第２の空調機構が、前記第２の空気導入口と前記第２の空気排出口に接続されたことを特徴とする空調装置。
【請求項３】
単一の空間がその内部に形成された空調室と、該空調室の空気の状態を調整する空調機構を備える空調装置において、
前記空調室の１つの壁面に形成された第１の空気導入口と、
該第１の空気導入口に設置され、吐出空気を層流状態にする層流形成機構と、
前記空調室の前記第１の空気導入口と対向する位置に形成された第１の空気排出口と、
前記空調室内に設置され、前記第１の空気導入口から前記第１の空気排出口に至る空気の流路に面する位置に、少なくとも製造物の出入口が配置された半導体製造設備と、
前記空調室の前記第１の空気導入口と同一の壁面に形成された、第２の空気導入口と、
該第２の空気導入口に設置され、吐出空気を乱流状態にする乱流形成機構と、
前記空調室の前記第２の空気導入口と対向する位置に形成された第２の空気排出口と、
前記第１の空気導入口に接続され、少なくとも湿度が調整された空気を供給する第１の空調機構と、
前記第２の空気導入口に接続され、前記第１の空調機構とは別の独立した制御系により、少なくとも湿度が調整された空気を供給する第２の空調機構と、
を設けて、前記第１の空調機構の湿度目標値を前記第２の空調機構の湿度目標値よりも小さな値に設定したことを特徴とする空調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、室内の空気を自動調整する空調技術に関し、例えば、半導体製造などのために用いられる、クリーンルームの空調に利用される。
【０００２】
【従来の技術】
この種の技術は、半導体製造用クリーンルームに関するものが、例えば特公平３−３００６０号公報及び特公平４−６３９７５号公報に開示されている。
特公平３−３００６０号公報は、クリーンルーム内の作業空間が、その空気清浄度などに応じて、複数の空間に区分されるように、様々な隔壁を室内に配置することを主に開示している。
【０００３】
特公平４−６３９７５号公報は、クリーンルーム内に設置された物の帯電電位に応じて湿度を自動調整することを主に開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特公平４−６３９７５号公報にも示されるように、一般に半導体製造用クリーンルーム内の湿度は４０〜４５％の範囲に維持される。この範囲よりも湿度が高くなると、半導体のレジストなどの製造プロセスにおいて、品質が大幅に低下する。
【０００５】
逆に、この範囲よりも湿度が低くなると、様々な部分に高電位の帯電が生じる。塵埃は、帯電した物に吸着し易いので、帯電によって塵埃が局部的に集中し、半導体などの加工物にも多くの塵埃が付着する。また、帯電による高電圧により絶縁破壊が生じ、半導体が破壊される場合もある。
最近の半導体製造技術の高度化に伴い、現在、半導体ウェハー表面の酸化防止が重要な課題になっている。水の分子が半導体ウェハー表面に付着すると、それが酸化の原因になるので、半導体ウェハー表面に触れる空気の湿度は、従来より更に低いのが望ましい。
【０００６】
通常、半導体の製造装置内では、窒素ガスなどの不活性ガスで満たされているので問題ないが、製造装置から半導体ウェハーを出したり入れたりすると、クリーンルームの空気に半導体ウェハーが触れるので、酸化の原因になる。
【０００７】
しかしながら、空気の湿度を低くすると、静電気による塵埃の付着や破壊の問題が生じる。特に、クリーンルーム内の作業者が動き回る空間では、静電気が発生しやすいので、湿度を下げると問題が生じやすい。
また、特公平３−３００６０号公報のように、クリーンルーム内の空間を区分するために間仕切りを設けると、狭いクリーンルーム内が更に狭くなり、十分な作業空間が確保できなくなる。
【０００８】
従って本発明は、間仕切りを設けることなく、１つの室内に比較的湿度の低い領域と比較的湿度の高い領域を設けることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１では、仕切り壁や垂れ壁のない単一の空間がその内部に形成された空調室と、該空調室の空気の状態を調整する空調機構を備える空調装置において、前記空調室の１つの壁面に形成された第１の空気導入口と、前記空調室の、前記第１の空気導入口と対向する位置に形成された第１の空気排出口と、前記空調室の、前記第１の空気導入口と同一の壁面に形成された、第２の空気導入口と、前記空調室の、前記第１の空気排出口と同一の壁面の前記第２の空気導入口と対向する位置に形成された第２の空気排出口と、前記第１の空気導入口に接続され、少なくとも湿度が調整された空気を供給する第１の空調機構と、前記第２の空気導入口に接続され、前記第１の空調機構とは別の独立した制御系により、少なくとも湿度が調整された空気を供給する第２の空調機構と、前記第１の空気導入口に設置され吐出空気を層流状態にする層流形成機構と、前記第２の空気導入口に設置され吐出空気を乱流状態にする乱流形成機構とを設けて、前記第１の空調機構の湿度目標値と前記第２の空調機構の湿度目標値とを互いに異なる値に設定したことを特徴とする。
【００１１】
請求項２では、請求項１記載の空調装置において、前記第１の空調機構が、前記第１の空気導入口と前記第１の空気排出口に接続され、前記第２の空調機構が、前記第２の空気導入口と前記第２の空気排出口に接続されたことを特徴とする。
【００１２】
請求項３では、単一の空間がその内部に形成された空調室と、該空調室の空気の状態を調整する空調機構を備える空調装置において、前記空調室の１つの壁面に形成された第１の空気導入口と、該第１の空気導入口に設置され、吐出空気を層流状態にする層流形成機構と、前記空調室の前記第１の空気導入口と対向する位置に形成された第１の空気排出口と、前記空調室内に設置され、前記第１の空気導入口から前記第１の空気排出口に至る空気の流路に面する位置に、少なくとも製造物の出入口が配置された半導体製造設備と、前記空調室の前記第１の空気導入口と同一の壁面に形成された、第２の空気導入口と、該第２の空気導入口に設置され、吐出空気を乱流状態にする乱流形成機構と、前記空調室の前記第２の空気導入口と対向する位置に形成された第２の空気排出口と、前記第１の空気導入口に接続され、少なくとも湿度が調整された空気を供給する第１の空調機構と、前記第２の空気導入口に接続され、前記第１の空調機構とは別の独立した制御系により、少なくとも湿度が調整された空気を供給する第２の空調機構と、を設けて、前記第１の空調機構の湿度目標値を前記第２の空調機構の湿度目標値よりも小さな値に設定したことを特徴とする。
【００１５】
(作用)
（請求項１）
第１の空気導入口から空調室内に導入された空気は、第１の空気排出口から排出され、第２の空気導入口から空調室内に導入された空気は、第２の空気排出口から排出される。これによって空調室内に、２組の空気の流れが形成される。
【００１６】
第２の空気導入口は第１の空気導入口または第２の空気導入口と同じ壁面に形成され、第２の空気排出口は第１の空気排出口または第２の空気導入口と同じ壁面に形成されているので、２組の空気の流れは並んでいる。
第１の空気導入口に供給される空気及び第２の空気導入口に供給される空気は、それぞれ、第１の空調機構及び第２の空調機構によって、互いに異なる目標湿度に自動調整される。
【００１７】
このようにして空調室内に形成される、互いに湿度の異なる２組の空気の流れは、互いに混じり合うことが少ない。これは、後述するシミュレーションの結果により、明らかになった。この現象は、例えば大気中で、湿度の異なる複数の気団が混じり合うことなく存在し、その結果として気団間の境界に形成された前線が長期間存在し続ける気象現象と良く似ている。
【００１８】
従って、１つの空調室内に、湿度の異なる２つの領域が形成される。間仕切りが不要であるため、空調室内の空間が物理的に分断されることはなく、広い作業空間が空調室内に確保される。
なお、クリーンルームの場合には、塵埃を床面側で捕集するために、天井から床面に向かって空気を流すダウンフロー方式が一般的であるが、例えば環境試験室の空調をする場合などは、逆に床面から天井に向かって空気を流しても良いし、これとダウンフローとを組み合わせた構成にしても良い。
【００１９】
そして、第１の空気導入口から導入された空気と第２の空気導入口から導入された空気とが同じ方向に向かって流れるため、これら２組の空気流は、更に混じり難いと考えられる。
また、第１の空気導入口から導入された空気流と第２の空気導入口から導入された空気流の一方が層流状態になり、他方が乱流状態になるので、これら２組の空気流は、更に混じり難いと考えられる。
（請求項２）
第１の空気導入口から導入された空気は、第１の空気排出口で回収され、第１の空調機構を通って再び第１の空気導入口に向かい、第２の空気導入口から導入された空気は、第２の空気排出口で回収され、第２の空調機構を通って再び第２の空気導入口に向かう。
【００２０】
つまり、２組の空気はそれぞれ循環するので、空調に必要なエネルギーや純水などの消費量の無駄が大幅に減少する。
【００２１】
（請求項３）
第１の空気導入口から空調室内に導入された空気は、第１の空気排出口から排出され、第２の空気導入口から空調室内に導入された空気は、第２の空気排出口から排出される。これによって空調室内に、２組の空気の流れが形成される。
第１の空気導入口から空調室内に導入された空気は層流状態になり、第２の空気導入口から空調室内に導入された空気は乱流状態になる。
【００２２】
また、第２の空気導入口は第１の空気導入口と同じ壁面に形成され、第２の空気排出口は第１の空気排出口と同じ壁面に形成されているので、２組の空気の流れは並んでいる。
第１の空気導入口に供給される空気及び第２の空気導入口に供給される空気は、それぞれ、第１の空調機構及び第２の空調機構によって、互いに異なる目標湿度に自動調整され、前者の湿度が後者の湿度よりも低く調整される。
【００２３】
このようにして空調室内に形成される、互いに湿度の異なる２組の空気の流れは、互いに混じり合うことが少なく、従って、１つの空調室内に、湿度の異なる２つの領域が形成される。間仕切りが不要であるため、空調室内の空間が物理的に分断されることはなく、広い作業空間が空調室内に確保される。
半導体製造設備は、製造物の出入口が、第１の空気導入口から第１の空気排出口に至る空気の流路に面して配置されている。従って、半導体ウェハーなどの製造物を半導体製造設備から出したり入れたりする際に、製造物が触れる空気は、比較的湿度か低く、しかも層流状態である。
【００２４】
つまり、半導体が直接触れる領域では空気の湿度を十分低くして、半導体の酸化を防止でき、作業者が動き回る領域では、空気の湿度を通常レベルに維持することにより、静電気の発生を抑制できる。また、半導体に触れる領域の空気が層流状態であるため、塵埃が半導体に付着しにくい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
１つの実施の形態を図１，図２及び図３に示す。この実施の形態は、全ての請求項に対応する。
半導体製造装置１が内部に設置されたクリーンルーム２の構造を、図１に示す。図１は、クリーンルーム２の縦断面を示している。このクリーンルーム２は、ほぼ箱形に形成されており、６つの壁面を有している。
【００２６】
クリーンルーム２の内空間は、間仕切り３によって、半導体製造装置１の配置された空間２ａと、それ以外の空間２ｂに仕切られている。但し、空間２ｂから作業者が半導体ウェハー４を半導体製造装置１に入れたり出したりできるように、開閉可能な開口部１ａが、空間２ｂに露出している。
空間２ｂに空調用空気を導入し、ダウンフローを形成するために、クリーンルーム２の天井壁２ｃには空気導入口２ｄ，２ｅが設けてある。これらの空気導入口２ｄ及び２ｅと対向する位置の床面２ｆ上には、それぞれ空気排出口２ｇ及び２ｈが設けてある。つまり、空気導入口２ｄから導入された空気は空気排出口２ｇに向かい、空気導入口２ｅから導入された空気は空気排出口２ｈに向かう。
【００２７】
空気導入口２ｄの上方に形成された天井チャンバ５の内部には、送風機と高性能フィルタ（ＨＥＰＡフィルタ）と吹き出し口とで構成されたファンフィルタユニット６が設置されている。同様に、空気導入口２ｅの上方に形成された天井チャンバ７の内部には、送風機と高性能フィルタ（ＨＥＰＡフィルタ）と吹き出し口とで構成されたファンフィルタユニット８が設置されている。
【００２８】
ファンフィルタユニット６の吹き出し口は、ここから吹き出した空気が、空間２ｂ中で層流を形成するような形状に形成され、ファンフィルタユニット８の吹き出し口は、ここから吹き出した空気が、空間２ｂ中で乱流を形成するような形状に形成されている。このため、空間２ｂ中の空気の流れには、層流の領域と乱流の領域とが存在する。
【００２９】
空気排出口２ｇ及び２ｈは、床面２ｆの一部分に形成された格子状床（グレーチング）で構成されている。空気排出口２ｇ及び２ｈの下方には、それぞれ床下チャンバ９及び１０が形成されている。
なお、実際の空気導入口２ｄ及び２ｅは、図３に示すように各々複数で構成されている。同様に、空気導入口２ｄ及び２ｅと対向する位置の空気排出口２ｇ及び２ｈも、各々複数で構成されている。
【００３０】
天井チャンバ５には、低湿系空調機２０からの空気が、ダクト１１を通って供給される。また、床下チャンバ９に排出された空気は、ダクト１２を通って回収され、低湿系空調機２０に戻って循環する。
同様に、天井チャンバ７には、常湿系空調機３０からの空気が、ダクト１３を通って供給される。また、床下チャンバ１０に排出された空気は、ダクト１４を通って回収され、常湿系空調機３０に戻って循環する。
【００３１】
クリーンルーム２内の空間２ｂのうち、層流状態の空気の流路ＦＬ１に面する位置には検出ユニット１５が設置され、乱流状態の空気の流路ＦＬ２に面する位置には検出ユニット１６が設置されている。検出ユニット１５及び１６は、各々温度センサと湿度センサの両方を備えている。
制御装置４０は、検出ユニット１５が出力する検出温度及び検出湿度に応じて、低湿系空調機２０を制御する。制御装置５０は、検出ユニット１６が出力する検出温度及び検出湿度に応じて、常湿系空調機３０を制御する。
【００３２】
つまり、空間２ｂ内の層流状態で空気が流れる領域の温度及び湿度は、制御装置４０により制御され、乱流状態で空気が流れる領域の温度及び湿度は、制御装置５０により制御される。
この例では、制御装置４０に与える目標温度をセ氏２３度に定め、目標湿度を３０％以下に制限してある。また、制御装置５０に与える目標温度をセ氏２３度に定め、目標湿度を４０〜５０％の範囲内に制限してある。
【００３３】
従って、空間２ｂ内の温度は均一に制御されるが、空間２ｂ内の湿度については、層流状態で空気が流れる領域では低く（３０％以下）、乱流状態で空気が流れる領域では高くなる（４０〜５０％）。このように設定したのは、製造物である半導体ウェハー４の品質を高めるためである。
半導体製造装置１の内部は、窒素ガスなどの不活性ガスで満たされているため、その中では半導体ウェハー４は酸化しない。しかし、半導体ウェハー４を半導体製造装置１に入れたり出したりする際に、クリーンルーム２内の空気に触れると、半導体ウェハー４が酸化する可能性がある。
【００３４】
特に、湿度が高いと空気中の水の分子が半導体ウェハー４の表面に付着し、酸化の原因となる。そのため、半導体製造装置１の開口部１ａに面する位置の空気の湿度を下げることが、半導体ウェハー４の酸化防止に非常に役立つ。また、半導体ウェハー４に触れる空気が層流状態であると、空気中の水の分子が半導体ウェハー４の表面に付着し難い。
【００３５】
但し、湿度が低いと、静電気による帯電が生じやすく、それによって半導体ウェハー４に付着する塵埃の量が増える。また帯電による高電圧によって、半導体ウェハー４に絶縁破壊が生じる可能性も高くなる。
図１の例では、湿度が特に低い（３０％以下）のは、半導体ウェハー４を出し入れする一部の領域だけであり、作業者が通常動き回る他の空間については、通常の湿度（４０〜５０％）であるため、静電気が発生しにくい。
【００３６】
図１に示すクリーンルーム２においては、空間２ｂを湿度が低い領域（低湿エリア）と、通常の湿度の領域（常湿エリア）の２つの領域に区分するための間仕切りは存在しない。間仕切りを設けなくても、実質的には空間２ｂが低湿エリアと常湿エリアの２つの領域に区分されるためである。これについて、コンピュータを用いてシミュレーションにより検証した。
【００３７】
図４に示すように、幅が２０００ｍｍ、高さが３０００ｍｍの箱形の空調室を想定し、幅方向の６５０ｍｍの領域ＡＬと残りの１３５０ｍｍの領域ＡＨに、次に示す互いに異なる条件で、天井から床面に向かって空気を流通させた。
領域ＡＬでは、空気の温度Ｔｓ１がセ氏２０度、絶対湿度Ｘｓ１（水分と空気との重量比）が０．０４５、流速Ｖｓ１が０．２５［ｍ／ｓ］の層流とし、領域ＡＨでは、空気の温度Ｔｓ２がセ氏２０度、絶対湿度Ｘｓ２が０．０１、流速Ｖｓ２が０．１［ｍ／ｓ］の乱流となるように条件を定めた。
【００３８】
領域ＡＬとＡＨとの境界に間仕切りが全く存在しない場合と、長さ１０００ｍｍのカーテンを空調室の天井から垂らした場合との２種類について、空調室内の湿度分布状態を求めた。間仕切りが存在しない場合の結果を図５に示し、カーテンが存在する場合の結果を図６に示す。
図５及び図６において、２点鎖線の表示によって区別された各領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７及びＡ８では、絶対湿度（水分と空気との重量比）の範囲が、それぞれ、0.00450以上 0.00519未満，0.00519以上 0.00587未満，0.00587以上 0.00656未満，0.00656以上 0.00725未満，0.00725以上 0.00794未満，0.00794以上 0.00863未満，0.00863以上 0.00931未満及び0.00931以上 0.01000未満である。
【００３９】
図５及び図６を参照すると、空気吹き出し口のある天井から空気排出口のある床面に近づくに従って、低湿度の領域Ａ１と常湿度の領域Ａ８の範囲が狭まり、中間的な湿度の領域Ａ２〜Ａ７の範囲が広がっているのが分かる。しかし、間仕切りが全く存在しない図５の例で、しかも床面位置であっても、低湿度の領域Ａ１と常湿度の領域Ａ８とは完全に分離している。
【００４０】
つまり、間仕切りを設けなくても、１つの室内に湿度の異なる２種類の領域を維持できる。カーテンのような間仕切りがあった方が、中間的な湿度の領域が小さくなり好ましいが、間仕切りがあると、もともと狭いクリーンルーム内の作業空間が更に狭くなるので間仕切りを設けるのは実用的でない。
【００４１】
図１の低湿系空調機２０及び制御装置４０の構成を図２に示す。なお、常湿系空調機３０及び制御装置５０も図２と同様の構成である。
図２を参照すると、低湿系空調機２０には、除湿器２１，加湿器２２，冷却器２３，加熱器２４及び送風機２５が備わっている。加湿器２２には、制御弁６４を介して、超純水供給装置６１から超純水が供給される。冷却器２３には制御弁６５を介して、冷却水供給装置６２から冷却水が供給され、加熱器２４には制御弁６６を介して、温水供給装置６３から温水が供給される。
【００４２】
制御装置４０は、温度制御装置４１と湿度制御装置４２を備えている。温度制御装置４１は、予め定めた温度目標値と検出ユニット１５の温度センサが出力する検出温度との差が無くなるように、制御弁６５，６６をフィードバック制御する。湿度制御装置４２は、予め定めた湿度目標値と検出ユニット１５の湿度センサが出力する検出湿度との差が無くなるように、制御弁６４をフィードバック制御する。
【００４３】
つまり、ダクト１２を通して回収された空気は、除湿器２１で除湿された後、目標湿度に近づくように加湿器２２で加湿され、温度が目標値より高い場合には、冷却器２３内のパイプを通る冷却水によって間接的に冷却され、温度が目標値よりも低い場合には、加熱器２４内のパイプを通る温水によって間接的に加熱され、送風機２５によってダクト１１に送り出される。
【００４４】
なお、この実施の形態では、半導体製造装置用のクリーンルームに発明を適用する場合の例について説明したが、１つの空間内に間仕切りを設けることなく、湿度の異なる複数の領域を形成したい用途であれば、この例と同様に適用しうる。湿度や温度は、必要に応じて変更しうる。
また、この実施の形態では、空調用の空気を循環させる場合について説明したが、排気した空気を回収しない構造に変更しても、本発明は実施しうる。
【００４５】
【発明の効果】
（請求項１）
１つの空調室内に、湿度の異なる２つの独立した領域を形成できる。間仕切りが不要であるため、空調室内の空間が物理的に分断されることはなく、広い作業空間を空調室内に確保でき、極めて実用性が高い。
【００４６】
また、第１の空気導入口から導入された空気と第２の空気導入口から導入された空気とが同じ方向に向かって流れるため、これら２組の空気流は、更に混じり難く、効果的である。
（請求項２）
２組の空気がそれぞれ循環するので、空調に必要なエネルギーや純水などの消費量の無駄が大幅に減少し、非常に実用的である。
【００４７】
（請求項３）
半導体が直接触れる領域では空気の湿度を十分低くして、半導体の酸化を防止でき、作業者が動き回る領域では、空気の湿度を通常レベルに維持することにより、静電気の発生を効果的に抑制しうる。また、半導体に触れる領域の空気が層流状態であるため、塵埃が半導体に付着し難く、半導体の品質向上に極めて効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】クリーンルームの構造を示すブロック図である。
【図２】図１の低湿系空調機２０と制御装置４０の構造を示すブロック図である。
【図３】図１のクリーンルームの空気導入口の配置を示す平面図である。
【図４】シミュレーションの条件を示す空調室の正面図である。
【図５】シミュレーションの結果を空調室内の湿度分布で示す正面図である。
【図６】シミュレーションの結果を空調室内の湿度分布で示す正面図である。
【符号の説明】
１  半導体製造装置
１ａ  開口部
２  クリーンルーム
２ｃ  天井壁
２ｄ，２ｅ  空気導入口
２ｆ  床面
２ｇ，２ｈ  空気排出口
３  間仕切り
４  半導体ウェハー
５  天井チャンバ
６  ファンフィルタユニット
７  天井チャンバ
８  ファンフィルタユニット
９，１０  床下チャンバ
１１，１２，１３，１４  ダクト
１５，１６  検出ユニット
２０  低湿系空調機
２１  除湿器
２２  加湿器
２３  冷却器
２４  加熱器
２５  送風機
３０  常湿系空調機
４０，５０  制御装置
６４，６５，６６  制御弁
ＦＬ１  層流状態の空気の流路
ＦＬ２  乱流状態の空気の流路
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７，Ａ８  領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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