JP2009094163A - 温度制御装置、露光装置およびデバイス製造方法 - Google Patents

温度制御装置、露光装置およびデバイス製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】負荷の変動、媒体の流量、温度の変動などに対して鈍感で、温度制御対象を安定して温度制御できる温度制御装置を提供する。
【解決手段】熱交換器の一次側出口から出た第１媒体の温度を検出する第１温度センサと、熱交換器の一次側入口に入る第１媒体の温度を検出する第２温度センサと、熱交換器の二次側入口に入る第２媒体の温度を検出する第３温度センサと、熱交換器の二次側出口から出た第２媒体の温度を検出する第４温度センサと、一次側出口から出た第１媒体の温度が目標温度となるよう流量制御信号を生成する制御演算部と、流量制御信号に基づいて第２媒体の流量を調整する制御弁と、第１〜第４温度センサによって検出された温度に基づいて、ａ）熱交換器における熱交換量、熱交換器における対数平均温度差または平均温度、および、第２媒体の流量を算出し、熱交換量の変化に基づいて制御演算部のゲインを補正する補正演算部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器によって第１媒体と第２媒体との間で熱交換を行って第１媒体の温度を制御する温度制御装置、該温度制御装置を備える露光装置、および、該露光装置を使ってデバイスを製造するデバイス製造方法に関する。
近年、半導体デバイス等のデバイスを製造するための露光装置には、高い生産性が要求され、これに伴って消費電力が増加する傾向にある。その一方で、形成すべきデバイスパターンは、益々微細化され、露光装置内の環境をより安定に維持する必要性が生じている。特に、消費電力の増加に伴って、効率が良くかつ極めて高い温度安定性を有する温度制御装置が必要とされている。
熱を発生する負荷を有する装置の温度を冷媒によって制御するシステムにおいて、工場冷却水と冷媒との間で熱交換を行うための熱交換器への工場冷却水の流量を制御して冷媒の温度を目標温度に制御する方式がある。この方式では、工場冷却水の温度の変動が問題となることがある。特許文献１には、このような問題の影響を緩和させる技術が記載されている。特許文献２には、工場冷却水の温度変動の他に冷却水の流量の変動による熱交換器の熱通過率の変化を考慮した技術が記載されている。
特開平３−１０２１５３号公報 特開２００６−０３１１１３号公報
特許文献１には、冷媒の目標温度と熱交換器出口における冷媒の温度との差、並びに、熱交換器出口における冷媒の温度と熱交換器入口における冷却水の温度との差に基づいて冷却水の流量を制御する制御弁の開度を変更することが記載されている。しかしながら、特許文献１には、制御弁の開度を決定するための具体的な方法については何ら記載されていない。
特許文献２には、冷媒の目標温度、熱交換器入口における冷媒の温度、熱交換器入口における冷却水の温度および熱交換器の熱通過率に基づいて熱交換に必要な冷却水の流量を算出し、これに基づいて制御弁を調節して冷媒の温度を制御する方法が記載されている。この方法では、冷却水の流量に応じて熱交換器の熱通過率が変化するので、予め測定または計算された冷却水流量に対する熱通過率特性をもっておき、冷却水流量に応じて補正を行う。しかしながら、熱通過率は、熱交換器内部の汚れ等によっても変化し、長時間の使用によりその値が変化してしまう可能性がある。
本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、負荷の変動、媒体の流量または温度の変動などに対して鈍感で、温度制御対象を安定して温度制御することができる温度制御装置およびその応用例を提供することを例示的な目的とする。
本発明の１つの側面は、熱交換器によって第１媒体と第２媒体との間で熱交換を行って前記第１媒体の温度を制御する温度制御装置に係り、前記温度制御装置は、前記熱交換器の一次側出口から出た前記第１媒体の温度を検出する第１温度センサと、前記熱交換器の一次側入口に入る前記第１媒体の温度を検出する第２温度センサと、前記熱交換器の二次側入口に入る前記第２媒体の温度を検出する第３温度センサと、前記熱交換器の二次側出口から出た前記第２媒体の温度を検出する第４温度センサと、前記一次側出口から出た前記第１媒体の温度が目標温度となるよう流量制御信号を生成する制御演算部と、前記流量制御信号に基づいて前記第２媒体の流量を調整する制御弁と、前記第１、第２、第３および第４温度センサによって検出された温度に基づいて、ａ）前記熱交換器における熱交換量、前記熱交換器における対数平均温度差または平均温度、および、前記第２媒体の流量を算出し、ｂ）前記熱交換量、前記対数平均温度差または前記平均温度、および、前記第２媒体の流量に基づいて前記熱交換器の熱通過率を算出し、更に、ｃ）前記熱交換器に供給される前記第２媒体の流量の変化に対する前記熱交換量の変化に基づいて前記制御演算部のゲインを補正する補正演算部とを備える。
本発明によれば、例えば、負荷の変動、媒体の流量または温度の変動などに対して鈍感で、温度制御対象を安定して温度制御することができる温度制御装置およびその応用例が提供される。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の好適な実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。光源（不図示）から提供される露光光は、照明光学系１６０により、レチクルステージ１２０によって保持されたレチクル（原版）１１０を照明する。レチクル１１０を透過した露光光は、投影光学系１３０によって、ウエハステージ１４０に載置されたウエハ（基板）１５０に入射し、レチクル１１０のパターンの像をウエハ１５０に形成する。これにより、ウエハ１５０が露光される。光源としては、例えば、ＫｒＦレーザ、ＡｒＦレーザ等が使用されうる。
ステッパーと呼ばれる露光装置では、レチクルステージ１２０は静止し、ウエハステージ１４０は露光中においては静止し、露光が終了すると次ショットの露光のためにステップ駆動される。一方、スキャニングステッパーと呼ばれる露光装置では、レチクルステージ１２０とウエハステージ１４０が同期して互いに逆方向に走査駆動される。そして、同期走査中にウエハが露光され、露光が終了すると次ショットの露光のためにウエハステージ１４０がステップ駆動される。
スキャニングステッパーでは、より生産性を向上させるために、レチクルステージ１２０及びウエハステージ１４０は、より大きい加速度で加速され、より速い速度でウエハの走査露光がなされる。一般に、投影光学系１３０の縮小率が４：１であるとすると、レチクルステージ１２０とウエハステージ１４０の加速度及び速度の比率も４：１となり、レチクルステージ１２０の方がウエハステージ１４０より加速度、速度ともに４倍高速となる。
生産性向上のため、各ステージの加速度及び加速度は益々増加し、例えば、ウエハステージ１４０の加速度は１Ｇ〜１．５Ｇ、速度は３００ｍｍ／ｓ〜５００ｍｍ／ｓ程度まで引き上げられている。
このように、レチクルステージ１２０及びウエハステージ１４０の各ステージは、生産性向上のために極めて高速に駆動され、かつ形成するパターンの微細化のために極めて精密に位置または速度が制御される。
一般に、ステージは、エアーまたは磁力等により浮上された上でローレンツ力を用いたリニアモータや、場合によっては平面モータ等のアクチュエータにより走査駆動またはステップ駆動が行われることが多い。この場合、水平方向の摩擦力は極めて小さいため、同期走査またはステップ駆動の際に必要なアクチュエータの発生推力は、ステージの加速度と質量に比例する。
例えば、リニアモータの発生推力は駆動電流に比例し、リニアモータにおける発熱は、モータ巻き線抵抗値と駆動電流の２乗の積に等しい。したがって、リニアモータにおける発熱は、発生推力、即ち、ステージの加速度に対し２乗に比例して増大する。つまり、加速度が２倍になるとリニアモータにおける発熱は４倍となる。
レチクルステージ１２０、ウエハステージ１４０の各位置をナノメーターオーダで精密に制御するため、一般にレーザ干渉計によりレチクルステージ１２０、ウエハステージ１４０の各位置が常に監視され、フィードバック制御される。しかしながら、ステージ１２０、１４０の駆動による発熱が大きいと、その熱によりレーザ干渉計の光路が擾乱され、その結果、光路中の空気の屈折率が揺らいでステージ１２０、１４０の位置計測に大きな誤差が発生してしまう。そのため、ナノメーターオーダでステージ１２０、１４０を制御するには、レーザ干渉計の光路の温度揺らぎは０．０１℃以下である必要がある。
したがって、生産性が高くかつ超微細化露光を行うためには、大きな熱を発生する部材をより確実に冷却する温度制御装置（冷却装置）が必要となってきている。
レチクルステージ１２０及びウエハステージ１４０の駆動機構は、露光中は極めて大きな熱を発生するが、ウエハ１５０やレチクル１１０を交換する際は停止するため、発熱は殆どゼロとなる。つまり、温度制御装置（冷却装置）にとって、負荷変動の幅が非常に大きく、かつ急激に変動することになる。
また、ステージ１２０、１４０の駆動機構の他にも、露光装置１００には、多数の精密計測系が配置されていて、超微細パターンでウエハを露光するためには、より高い精度で精密計測系を冷却する温度制御装置（冷却装置）が必要となっている。
一方、半導体製造のための工場の冷却水は、工場の稼動状態や工場の外気温等の影響により、その温度が数℃変動する場合がある。
また、露光装置に供給される冷却水の水質は、設備配管内の水垢や汚れ等により経時的に劣化する場合がある。
したがって、負荷の変動、冷却水の温度変動、および冷却水の水質や設備配管内の水垢や汚れの経時変化に対して、常に安定な温度制御が可能な温度制御装置を備える露光装置が要求されている。
図２は、本発明の第１実施形態の露光装置における温度制御装置の構成を示す図である。温度制御装置２００は、露光装置１００における温度制御対象である負荷２２の温度を制御する。負荷２２は、例えば、発熱部（例えば、ステージの駆動部を含むステージ機構）、発熱部を含む機構または構造、発熱部が発した熱の影響を受ける機構（例えば、レーザ干渉計）、構造または空間（例えば、レーザ干渉計の光路）等でありうる。
温度制御装置２００は、熱交換器４０、熱交換器４０の一次側に配置された一次側構成１０、熱交換器４０の２次側に配置された二次側構成３０、制御部５０を備える。ここで、この明細書では、熱交換器４０から見て温度制御対象としての負荷２２が存在する側を一次側、その反対側を二次側と呼ぶ。
一次側構成１０は、第１媒体（典型的には、冷媒と呼ばれる）を流す一次側回路１２を有する。一次側回路１２は、露光装置１００における第１媒体によって温度が制御される部分または空間である負荷２２を通る。第１媒体は、負荷２２を通ることにより負荷２２が有する熱を回収する。第１媒体が回収した熱は、第１媒体が熱交換器４０を通して流れる間に、第２媒体（典型的には、冷媒と呼ばれる）によって回収される。二次側構成３０は、第２媒体を流す二次側回路３２を有する。
一次側回路１２には、熱交換器４０の一次側出口４３から出た第１媒体の温度を検出する第１温度センサ１６と、熱交換器４０の一次側入口４１に入る第１媒体の温度を検出する第２温度センサ１４とが設けられている。一次側回路１２には、第１媒体を循環させるためのポンプ２０が設けられている。ポンプ２０は、熱交換器４０の一次側出口４３と負荷２２との間に設けられてもよいし、熱交換器４０の一次側入口４１と負荷２２との間に設けられてもよいし、双方に設けられてもよい。その他、一次側回路１２には、タンク１８が設けられてもよい。タンク１８もまた、熱交換器４０の一次側出口４３と負荷２２との間に設けられてもよいし、熱交換器４０の一次側入口４１と負荷２２との間に設けられてもよいし、双方に設けられてもよい。
一次側回路１２には、第１媒体の流量を検出する流量センサ２４が設けられてもよい。通常は、第１媒体の流量が目標流量になるように一次側回路１２における圧損及びポンプ２０の能力（回転数）を調整するため、流量センサ２４は不要であるかもしれない。一次側回路１２に流量センサ２４を設ける場合、その位置に特別な制限はない。
第１媒体は、流体であればよく、液体または気体でもよい。液体として、純水やブライン等、冷媒として一般的に用いられているものを適用可能である。なお、気体を用いる場合は、ポンプ２０としてファンが使用されうる。
二次側回路３２を流れる第２媒体は、典型的には、工場から供給される工場冷却水３９であり、一般的には、水または純水であることが多い。工場冷却水は、制御弁３４により、主回路３１と分岐回路３７とに分岐される。分岐回路３７は、熱交換器４０をバイパスする回路である。二次側回路３２の主回路３１には、熱交換器４０の二次側入口４５に入る第２媒体の温度を検出する第３温度センサ３６と、熱交換器４０の二次側出口４７から出た第２媒体の温度を検出する第４温度センサ３８とが設けられている。
温度センサ１４、１６、３６、３８としては、例えば、熱電対や白金抵抗体のような温度センサを使うことができ、要求される温度精度に応じた温度センサが採用される。制御弁３４は、比例制御が可能なものが好ましく、例えば、比例三方弁を用いてもよいし、２つの比例ニ方弁を主回路３１と分岐回路３７とに配置してプッシュ／プル駆動により操作してもよい。
流量センサ２４としては、例えば、カルマン渦式センサ、電磁式センサ、羽車式センサ等が好適である。なお、第１媒体が気体である場合には、流量センサ２４として、マスフローセンサ等が用いられる。
熱交換器４０としては、例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器やブレージング式熱交換器等が用いられうる。なお、第１媒体が気体である場合には、クーリングコイル等が用いられうる。第１実施形態では、第１媒体の入出力と第２媒体の入出力は、対向するように接続されている。一般に、熱交換器としては、対向流による熱交換が最も効率が良いため対向流方式が多用されるが、第１媒体と第２媒体の入出力が並行する並行流方式を採用してもよい。
制御部５０は、制御演算部５６と、補正演算部６０とを含んで構成される。温度センサ１４、１６、３６、３８および流量センサ２４の出力信号は、補正演算部６０に提供される。なお、第１媒体の流量が目標流量に調整され、流量センサ２４が取り付けられていない場合は、その流量情報は、補正演算部６０に保持されうる。
図３は、本発明の第１実施形態の温度制御装置２００における熱交換器４０の温度特性を示す図である。図４は、本発明の第１実施形態の温度制御装置２００における補正演算部６０の演算フローを示す図である。
図３には、熱交換器４０を流れる第１媒体と第２媒体が対向流をなす構成における熱交換器４０の温度特性が示されている。熱交換器４０の一次側入口４１における第１媒体の温度をＴ１１とする。横軸は、熱交換器４０内における位置を示し、一次側出口４３では第２媒体により熱回収された結果、第１媒体の温度はＴ１２となる。一方、二次側入口４５における第２媒体の温度はＴ２１で、二次側出口４７では第１媒体の熱を回収した結果、第２媒体の温度はＴ２２となる。
次に、図４を参照しながら補正演算部６０における演算フローを説明する。この演算フローは、対向流方式の熱交換器についてのものである。
ｓｔｅｐ１では、補正演算部６０は、第１温度センサ１６、第２温度センサ１４および流量センサ２４（或いは予め保持された流量情報）の出力に基づいて、（１）、（２）式に従って、熱交換器４０において第２媒体が第１媒体から回収した熱量Ｑ１を算出する。
また、補正演算部６０は、第３温度センサ３６、第４温度センサ３８の出力に基づいて、（３）式に従って、熱交換器４０に流れている第２媒体の流量Ｆ２を算出する。
Ｑ１＝Ｆ１＊（Ｔ１１−Ｔ１２）＊Ｇ１ ・・・（１）
Ｇ１＝ρ１＊ｃｐ１・・・（２）
Ｆ２＝Ｑ１／｛（Ｔ２２−Ｔ２１）＊Ｇ２｝ ・・・（３）
ここで、
熱量［Ｗ］：Ｑ１、Ｑ２
流量［ｍ３／ｓ］：Ｆ１、Ｆ２
密度［ｋｇ／ｍ３］：ρ１、ρ２
比熱［ｋＪ／ｋｇ℃］：ｃｐ１、ｃｐ２
である。添え字１、２は、それぞれ第１媒体、第２媒体を示し、Ｗ＝［Ｊ／ｓ］である。
ｓｔｅｐ２では、補正演算部６０は、温度センサ１４、１６、３６、３８の出力に基づいて、対数平均温度差ΔＴｍ、または、平均温度Ｔａｖｅを算出する。ここで、対数平均温度差ΔＴｍは（４）〜（６）式に従って算出され、平均温度Ｔａｖｅは（７）式に従って算出される。
Δθ２＝Ｔ１２−Ｔ２１ ・・・（４）
Δθ１＝Ｔ１１−Ｔ２２ ・・・（５）
ΔＴｍ＝（Δθ１−Δθ２）／ｌｎ（Δθ１／Δθ２） ・・・（６）
Ｔａｖｅ＝（Δθ１＋Δθ２）／２ ・・・（７）
以下では、ｓｔｅｐ２において対数平均温度差および平均温度のうち対数平均温度差を算出し、それを以降の計算において使用する例を説明するが、対数平気温度差に代えて平均温度を使用してもよい。この場合は、以下において、対数平均温度差ΔＴｍを平均温度Ｔａｖｅで置き換えればよい。
ｓｔｅｐ３では、補正演算部６０は、ｓｔｅｐ１とｓｔｅｐ２で算出した値（Ｑ１、ΔＴｍ）に基づいて、（８）式に従って、熱交換器４０の熱通過率Ｋを算出する。
Ｋ＝Ｑ１／Ａ／ΔＴｍ ・・・（８）
ここで、
熱通過率［Ｗ／ｍ２℃］：Ｋ
伝熱面積［ｍ２］：Ａ
である。熱通過率Ｋは、流量や熱交換器４０の内部の汚れ等により値が変動する。Ａは、熱交換器４０の伝熱面積であり、熱交換器４０の構造によって決まる固定の値である。
ｓｔｅｐ４では、補正演算部６０は、ｓｔｅｐ１で算出した流量Ｆ２において熱交換器４０の二次側出口４７から出た第２媒体の温度Ｔ２２を（９）〜（１２）式にしたがって算出する。なお、Ｔ２２は温度センサ３８により測定しているため、ｓｔｅｐ４の演算を省略し、Ｔ２２の測定値を使用してもよい。
Ｒ＝（Ｆ２＊Ｇ２）／（Ｆ１＊Ｇ１） ・・・（９）
ψ＝Ｋ＊Ａ／（Ｆ２＊Ｇ２） ・・・（１０）
ε＝［１−ｅｘｐ｛−（１−Ｒ）＊ψ｝］／［１−Ｒ＊ｅｘｐ｛−（１−Ｒ）＊ψ｝］ ・・・（１１）
Ｔ２２＝ε＊（Ｔ１１−Ｔ２１）＋Ｔ２１ ・・・（１２）
ｓｔｅｐ５では、補正演算部６０は、ｓｔｅｐ１で算出した第２媒体の流量Ｆ２から流量がΔＦ２だけずれた場合において熱交換器４０の二次側出口４７から出た第２媒体の温度Ｔ’２２を（１３）〜（１７）式に従って算出する。
Ｆ２＝Ｆ２＋ΔＦ２ ・・・（１３）
Ｒ’＝（Ｆ２＊Ｇ２）／（Ｆ１＊Ｇ１） ・・・（１４）
ψ’＝Ｋ＊Ａ／（Ｆ２＊Ｇ２） ・・・（１５）
ε’＝［１−ｅｘｐ｛−（１−Ｒ’）＊ψ’｝］／［１−Ｒ’＊ｅｘｐ｛−（１−Ｒ’）＊ψ’｝］ ・・・（１６）
Ｔ’２２＝ε’＊（Ｔ１１−Ｔ２１）＋Ｔ２１ ・・・（１７）
ｓｔｅｐ６では、補正演算部６０は、第２媒体の流量Ｆ２から流量がΔＦ２だけずれた場合における熱交換器４０の熱交換量Ｑ’２を（１８）式にしたがって算出する。
Ｑ’２＝Ｆ２＊（Ｔ２１−Ｔ’２２）＊Ｇ２ ・・・（１８）
ｓｔｅｐ７では、補正演算部６０は、第２媒体の流量変化ΔＦ２に対する熱交換器４０の熱交換量の変化、即ち、温度制御装置２００のゲインの変化ΔＧを（１９）式にしたがって算出する。
ΔＧ＝（Ｑ２−Ｑ’２）／ΔＦ２ ・・・（１９）
ここで、図５を参照して温度制御装置２００のゲインについて説明する。図５は、第２媒体の温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ（Ｔａ＜Ｔｂ＜Ｔｃ）をパラメータとして、熱交換器４０に流す第２媒体の流量に対する冷却能力、即ち、第２媒体と第１媒体との熱交換量を示した特性図である。温度制御装置２００のゲインは、特性図の傾き（＝Δ熱交換量／Δ流量）で表され、温度制御装置２００のゲインは、第２媒体の温度と流量に依存して変化し、温度が低いほど、また、流量が少ないほど大きくなる。
その他、第１媒体によって温度制御される負荷２２の変動や第２媒体の水質や、設備配管等の水垢や汚れ等によっても熱交換効率が変化し、これによって温度制御装置２００のゲインが変化する。
したがって、ｓｔｅｐ７で算出されたゲインの変化ΔＧに基づいて、第１媒体によって温度制御される負荷２２の変動や第２媒体の温度と流量に依存して変化する温度制御装置２００のゲインを正確に検知することが可能である。また、ｓｔｅｐ７で算出されたゲインの変化ΔＧに基づいて、第２媒体の水質や設備配管等の水垢や汚れ等により経時的に変化する温度制御装置２００のゲインを正確に検知することが可能である。
図６は、制御部５０の構成例を示す図である。目標温度５２と熱交換器４０の一次側出口４３から出た第１媒体の温度（第の温度センサ１６の出力）とが演算器（減算器）５２に提供される。演算器５４は、目標温度５２と熱交換器４０の一次側出口４３から出た第１媒体の温度（フィードバック信号）との差分（偏差信号）を演算して、その差分を補償器９０（より詳しくは、補償器９０のゲイン補正部７８）に提供する。補償器９０は、その差分を補償器９０のゲインで増幅して流量制御信号を発生する。
補正演算部６０で生成されたゲインの変化ΔＧを示す信号は、好ましくは遅れ補償器８０を介して、補償器９０（より詳しくは、補償器９０のゲイン補正部７８）に提供される。この信号に従ってゲイン補正部のゲインが変更される。遅れ補償器８０は、熱交換器４０や制御弁３４の遅れ特性を考慮して、むだ時間、または、１次遅れ系、または、高次遅れ系、または、むだ時間と１次遅れ系、または、むだ時間と高次遅れ系によって、遅れ補償を行う。熱交換器４０や制御弁３４の応答の遅れが無視可能な場合には、遅れ補償を行わなくてもよい（即ち、遅れ補償器８０を設けなくてもよい）。
補償器９０は、ゲイン補正部７８のほか、比例要素（Ｐ）７０、積分要素（Ｉ）７２、微分要素（Ｄ）７４、および、加算器７６を含んで構成されうる。
ゲイン補正部７８は、温度制御装置２００のゲインの変化ΔＧに基づいて制御演算部５６（より詳しくは、補償器９０）のゲインを補正する。ゲイン補正部７８による制御演算部５６のゲインの補正は、例えば、温度制御装置２００のゲインの変化ΔＧの逆数（１／ΔＧ）を偏差信号に乗算することによってなされることが好ましい。これによって、制御演算部５６（後述の補償器９０）のゲインの変動が抑制される。ゲイン補正部７８の出力は、比例要素（Ｐ）７０、積分要素（Ｉ）７２、微分要素（Ｄ）７４に提供される。加算器７６は、比例要素（Ｐ）７０、積分要素（Ｉ）７２、微分要素（Ｄ）７４の出力を加算して制御弁３４を制御するための流量制御信号（制御弁３４の操作量）を生成する。比例要素（Ｐ）７０、積分要素（Ｉ）７２、微分要素（Ｄ）７４の出力を加算して得られる流量制御信号によって制御弁３４を制御する方法は、ＰＩＤ制御と呼ばれ、ＰＩＤ制御のための補償器９０は、ＰＩＤ補償器と呼ばれうる。
制御弁３４は、提供された流量制御信号（操作量）に応じて主回路３１に流れる第２媒体の流量を制御し、熱交換器４０の一次側出口４３から出た第１媒体の温度を目標温度５２と等しくする。
第１実施形態によれば、第１媒体によって制御される負荷の変動や、第２媒体の温度と流量に依存して変化する熱交換器ゲインおよび第２媒体の水質や設備配管等の水垢や汚れ等により経時的に変化する温度制御装置のゲインを正確に算出することができる。そして、制御演算部のゲインを制御することによって当該ゲインの変化を補正するができる。これにより、負荷２２を常に安定して温度制御することができる。
（第２実施形態）
第２実施形態は、制御部５０、特にその中の制御演算部５６の構成が第１実施形態と異なる。具体的には、第２実施形態は、図６に示す制御部５０を図７に示す制御部５０ａで置き代えた構成を有する。ここで、制御部５０と制御部５０ａとは、制御演算部５６（補償器９０）が制御演算部５６ａ（補償器９０ａ）で置き換えられている点で異なる。なお、ここで言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。
第２実施形態では、遅れ補償器８０とゲイン補正部７８は、加算器７６の後段に配置されている。遅れ補償器８０における演算やゲイン補正部７８における演算は、制御演算部５６と同一にしうる。
第２実施形態によれば、第１媒体によって制御される負荷の変動や、第２媒体の温度と流量に依存して変化する熱交換器ゲインおよび第２媒体の水質や設備配管等の水垢や汚れ等により経時的に変化する温度制御装置のゲインを正確に算出することができる。そして、制御演算部のゲインを制御することによって当該ゲインの変化を補正するができる。これにより、負荷２２を常に安定して温度制御することができる。
（第３実施形態）
図８は、制御弁３４の入出力特性、即ち、制御弁３４の操作量と流量との関係を示す図である。一般に制御弁の入出力特性は線形ではなく、非線型特性を有する場合が多い。制御弁の非線形特性により（Δ流量）／（Δ操作量）で表されるゲインが変化するため、制御弁のゲイン変動を補正せずに温度制御を行うと温度安定性を損なう要因となる。
第３実施形態は、制御部の構成が第１実施形態と異なる。具体的には、第３実施形態は、図６に示す制御部５０を図９に示す制御部５０ｂで置き代えた構成を有する。ここで、制御部５０と制御部５０ｂとは、制御演算部５６、補正演算部６０が制御演算部５６ｂ、補正演算部６０ｂでそれぞれ置き換えられている点で異なる。なお、ここで言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。
補正演算部６０ｂは、第１演算部６０’と第２演算部６２とを含む。第１演算部６０’は、第１実施形態における補正演算部６０と同様の構成を有しうる。
第２演算部６２は、制御弁３４の入出力特性（ゲイン変化）を示す情報を保持している。第２演算部６２は、この情報と加算器７６から出力される流量制御信号（制御弁３４の操作量）とに基づいて、制御弁３４のゲインの変化ΔＧ２を算出して、好ましくは遅れ補償器８０ｂを介して、ゲイン補正部７８に提供する。遅れ補償器８０ｂは、第１演算部６０’（第１実施形態における補正演算部６０に相当する。）から提供されるゲインの変化ΔＧと、第２演算部６２から提供される制御弁３４のゲインの変化ΔＧ２とに基づいて、熱交換器４０や制御弁３４の遅れ特性を考慮して、遅れ補償を行う。この遅れ補償は、例えば、むだ時間、または、１次遅れ系、または、高次遅れ系、または、むだ時間と１次遅れ系、または、むだ時間と高次遅れ系によって行われうる。熱交換器４０や制御弁３４の応答の遅れが無視可能な場合には、遅れ補償を行わなくてもよい（即ち、遅れ補償器８０を設けなくてもよい）。
ゲイン補正部７８ｂは、温度制御装置２００のゲインの変化ΔＧおよび制御弁３４のゲインの変化ΔＧ２に基づいて制御演算部５６のゲインを補正する。ゲイン補正部７８ｂによる制御演算部５６のゲインの補正は、例えば、温度制御装置２００のゲインの変化ΔＧの逆数（１／ΔＧ）および制御弁３４のゲインの変化ΔＧ２の逆数（１／ΔＧ２）を偏差信号に乗算することによってなされることが好ましい。
第３実施形態によれば、第１実施形態における効果に加えて、第２媒体の流量を制御する制御弁のゲインを算出して当該制御弁のゲインの変化を補正することにより、負荷２２を更に安定して温度制御することができる。
（第４実施形態）
図１０は、本発明の第４実施形態の温度制御装置２００における熱交換器の温度特性を示す図である。図１１は、本発明の第４実施形態の温度制御装置２００における補正演算部６０の演算フローを示す図である。
図１０には、熱交換器４０を流れる第１媒体と第２媒体が並行流をなす構成における熱交換器４０の温度特性が示されている。熱交換器４０の一次側入口４１における第１媒体の温度をＴ１１とする。横軸は、熱交換器４０ないにおける通過位置を示し、一次側出口４３では第２媒体により熱回収された結果、第１媒体の温度はＴ１２となる。一方、二次側入口４５における第２媒体の温度はＴ２１で、二次側出口４７では第１媒体の熱回収をした結果、第２媒体の温度はＴ２２となる。一般に、並行流方式は、図３に示した対向流方式に比べて熱交換効率が劣る。
次に、図１１を参照しながら補正演算部６０における演算フローを説明する。この演算フローは、並行流方式の熱交換器についてのものである。
ｓｔｅｐ１では、補正演算部６０は、第１温度センサ１６、第２温度センサ１４、および、流量センサ２４からの信号に基づいて、（２１）、（２２）式に従って、熱交換器４０において第１の媒体から回収された熱量Ｑ１を算出する。
また、温度センサ３６、３８からの信号により、熱交換器４０に流れている第２媒体の流量Ｆ２を算出する。
Ｑ１＝Ｆ１＊（Ｔ１１−Ｔ１２）＊Ｇ１ ・・・（２０）
Ｇ１＝ρ１＊ｃｐ１ ・・・（２１）
Ｆ２＝Ｑ１／｛（Ｔ２２−Ｔ２１）＊Ｇ２｝ ・・・（２２）
ここで、
熱量［Ｗ］：Ｑ１、Ｑ２
流量［ｍ３／ｓ］：Ｆ１、Ｆ２
密度［ｋｇ／ｍ３］：ρ１、ρ２
比熱［ｋＪ／ｋｇ℃］：ｃｐ１、ｃｐ２
である。添え字１、２は、それぞれ第１媒体、第２媒体を示し、Ｗ＝Ｊ／ｓである。
ｓｔｅｐ２では、補正演算部６０は、温度センサ１４、１６、３６、３８の出力に基づいて、対数平均温度差ΔＴｍ、または、平均温度Ｔａｖｅを算出する。ここで、対数平均温度差ΔＴｍは（２３）〜（２５）式に従って算出され、平均温度Ｔａｖｅは（２６）式に従って算出される。
Δθ２＝Ｔ１２−Ｔ２２ ・・・（２３）
Δθ１＝Ｔ１１−Ｔ２１ ・・・（２４）
ΔＴｍ＝（Δθ１−Δθ２）／ｌｎ（Δθ１／Δθ２） ・・・（２５）
Ｔａｖｅ＝（Δθ１＋Δθ２）／２ ・・・（２６）
以下では、ｓｔｅｐ２において対数平均温度差および平均温度のうち対数平均温度差を算出し、それを以降の計算において使用する例を説明するが、対数平気温度差に代えて平均温度を使用してもよい。この場合は、以下において、対数平均温度差ΔＴｍを平均温度Ｔａｖｅで置き換えればよい。
ｓｔｅｐ３では、補正演算部６０は、ｓｔｅｐ１とｓｔｅｐ２で算出した値（Ｑ１、ΔＴｍ）に基づいて、（２７）式に従って、熱交換器４０の熱通過率を算出する。
Ｋ＝Ｑ１／Ａ／ΔＴｍ ・・・（２７）
熱通過率［Ｗ／ｍ２℃］：Ｋ
伝熱面積［ｍ２］：Ａ
である。熱通過率Ｋは、流量や熱交換器４０の内部の汚れ等により値が変動する。Ａは、熱交換器４０の伝熱面積であり、熱交換器４０の構造によって決まる固定の値である。
ｓｔｅｐ４では、補正演算部６０は、ｓｔｅｐ１で算出した流量Ｆ２における熱交換器４０の二次側出口４７から出た第２媒体の温度Ｔ２２を（２８）〜（３１）式に従って算出する。なお、Ｔ２２は温度センサ３８により測定しているため、ｓｔｅｐ４の演算を省略し、Ｔ２２の測定値を使用してもよい。
Ｒ＝（Ｆ２＊Ｇ２）／（Ｆ１＊Ｇ１） ・・・（２８）
ψ＝Ｋ＊Ａ／（Ｆ２＊Ｇ２） ・・・（２９）
ε＝［１−ｅｘｐ｛−（１＋Ｒ）＊ψ｝］／（１＋Ｒ） ・・・（３０）
Ｔ２２＝ε＊（Ｔ１１−Ｔ２１）＋Ｔ２１ ・・・（３１）
ｓｔｅｐ５では、補正演算部６０は、ｓｔｅｐ１で算出した第２媒体の流量Ｆ２より流量がΔＦだけずれた場合において熱交換器４０の二次側出口４７から出た第２媒体の温度Ｔ’２２を（３２）〜（３６）式に従って算出する。
Ｆ２＝Ｆ２＋ΔＦ２ ・・・（３２）
Ｒ’＝（Ｆ２＊Ｇ２）／（Ｆ１＊Ｇ１） ・・・（３３）
ψ’＝Ｋ＊Ａ／（Ｆ２＊Ｇ２） ・・・（３４）
ε’＝［１−ｅｘｐ｛−（１＋Ｒ’）＊ψ’｝］／（１＋Ｒ） ・・・（３５）
Ｔ’２２＝ε’＊（Ｔ１１−Ｔ２１）＋Ｔ２１ ・・・（３６）
ｓｔｅｐ６では、補正演算部６０は、第２媒体の流量Ｆ２から流量がΔＦだけずれた場合における熱交換器４０の熱交換量Ｑ’２を（３７）式に従って算出する。
Ｑ’２＝Ｆ２＊（Ｔ２１−Ｔ’２２）＊Ｇ２ ・・・（３７）
ｓｔｅｐ７では、補正演算部６０は、第２媒体の流量変化ΔＦ２に対する熱交換器４０の熱交換量の変化を算出して、熱交換器ゲインΔＧを算出する。
ΔＧ＝（Ｑ２−Ｑ’２）／ΔＦ２ ・・・（３８）
したがって、ｓｔｅｐ７で算出されたゲインの変化ΔＧに基づいて、第１媒体によって温度制御される負荷２２の変動や第２媒体の温度と流量に依存して変化する温度制御装置２００のゲインを正確に検知することが可能である。また、ｓｔｅｐ７で算出されたゲインの変化ΔＧに基づいて、第２媒体の水質や設備配管等の水垢や汚れ等により経時的に変化する温度制御装置２００のゲインを正確に検知することが可能である。制御演算部の構成については、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態に従いうる。
第４実施形態によれば、第１媒体によって制御される負荷の変動や第２媒体の温度と流量に依存して変化する熱交換器ゲイン、および、第２媒体の水質や設備配管等の水垢や汚れ等により経時的に変化する温度制御装置のゲインを正確に算出することができる。そして、制御演算部のゲインを制御することによって当該ゲインの変化を補正するができる。これにより、負荷２２を常に安定して温度制御することができる。
（第５実施形態）
第５実施形態では、補正演算部６０は、図４の演算フロー図または図１１の演算フロー図に従って算出される熱交換器の熱通過率Ｋの許容値を保持している。補正演算部６０は、Ｋ値と該許容値とを比較し、Ｋ値が許容値を外れた場合に、そのことを温度制御装置２００に備えられた不図示の警報部に対して通知する。該警報部は、その通知に基づいて警報を発する。該警報部により第２媒体の水質や設備配管等の水垢や汚れ等により経時的に変化する温度制御装置のゲインの低下を警告し、熱交換器内部の洗浄、または熱交換器の交換等により熱交換器の熱通過率Ｋを所定値に戻し、安定な温度制御を行うことを可能にする。上記の予め許容される下限値は、第１〜第４実施形態におけるゲインの補正によって安定な温度制御を行うことが困難となる値でもよいし、ゲインの補正が可能な範囲でもよい。或いは、緊急性は低いが第２媒体の水質や設備配管等の水垢や汚れ等により熱交換器ゲインが低下していることを警告し、工場の設備点検等の際に水質や配管の汚れの見直しを行うよう運用してもよい。
（補足）
この明細書および特許請求の範囲において、Ａに基づいてＢを算出し、Ｂに基づいてＣを算出するという表現が採用されている部分において、Ｃをｆ１（ｆ２（Ａ））に従って算出することを含むものとする。ここで、ｆ２はＡの関数であり、ｆ１はｆ２の関数であるとともにＢを含む項を有するものとする。
（応用例）
次に上記の露光装置を利用したデバイス製造方法を説明する。図１２は、半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（レチクル作製）では設計した回路パターンに基づいてレチクル（原版またはマスクともいう）を作製する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハ（基板ともいう）を製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記のレチクルとウエハを用いて、リソグラフィー技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組み立て工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これを出荷（ステップ７）する。
図１３は、上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す図である。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を成膜する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（ＣＭＰ）ではＣＭＰ工程によって絶縁膜を平坦化する。ステップ１６（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１７（露光）では上記の露光装置を用いて、回路パターンが形成されたマスクを介し感光剤が塗布されたウエハを露光してレジストに潜像パターンを形成する。ステップ１８（現像）ではウエハ上のレジストに形成された潜像パターンを現像してレジストパターンを形成する。ステップ１９（エッチング）ではレジストパターンが開口した部分を通してレジストパターンの下にある層又は基板をエッチングする。ステップ２０（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。
本発明の好適な実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。 本発明の第１実施形態の露光装置における温度制御装置の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態の温度制御装置における熱交換器の温度特性を示す図である。 本発明の第１実施形態の温度制御装置における補正演算部の演算フローを示す図である。 熱交換器に流す第２媒体の流量に対する冷却能力（即ち、第２媒体と第１媒体との熱交換量を示した特性図である。 本発明の第１実施形態の制御部の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態の制御部の構成例を示す図である。 本発明の第３実施形態の制御弁の流量特性の一例を示す図である。 本発明の第３実施形態の制御部の構成例を示す図である。 本発明の第４実施形態の温度制御装置における熱交換器の温度特性を示す図である。 本発明の第４実施形態の温度制御装置における補正演算部の演算フローを示す図である。 デバイス製造方法を示す図である。 デバイス製造方法を示す図である。
符号の説明
１４ 第２温度センサ
１６ 第１温度センサ
３６ 第３温度センサ
３８ 第４温度センサ
４１ 一次側入口
４３ 一次側出口
４５ 二次側入口
４７ 二次側出口
１００ 露光装置
２００ 温度制御装置

Claims (10)

  1. 熱交換器によって第１媒体と第２媒体との間で熱交換を行って前記第１媒体の温度を制御する温度制御装置であって、
    前記熱交換器の一次側出口から出た前記第１媒体の温度を検出する第１温度センサと、
    前記熱交換器の一次側入口に入る前記第１媒体の温度を検出する第２温度センサと、
    前記熱交換器の二次側入口に入る前記第２媒体の温度を検出する第３温度センサと、
    前記熱交換器の二次側出口から出た前記第２媒体の温度を検出する第４温度センサと、
    前記一次側出口から出た前記第１媒体の温度が目標温度となるように流量制御信号を生成する制御演算部と、
    前記流量制御信号に基づいて前記第２媒体の流量を調整する制御弁と、
    前記第１、第２、第３および第４温度センサによって検出された温度に基づいて、ａ）前記熱交換器における熱交換量、前記熱交換器における対数平均温度差または平均温度、および、前記第２媒体の流量を算出し、ｂ）前記熱交換量、前記対数平均温度差または前記平均温度、および、前記第２媒体の流量に基づいて前記熱交換器の熱通過率を算出し、更に、ｃ）前記熱交換器に供給される前記第２媒体の流量の変化に対する前記熱交換量の変化に基づいて前記制御演算部のゲインを補正する補正演算部と、
    を備えることを特徴とする温度制御装置。
  2. 前記制御演算部は、目標温度と前記一次側出口における前記第１媒体の温度との差分を増幅して前記流量制御信号を生成する補償器を有し、前記補償器のゲインが補正される、ことを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
  3. 前記制御演算部は、前記補償器のゲインの変動を抑制するように該ゲインが補正される、ことを特徴とする請求項２に記載の温度制御装置。
  4. 前記補償器は、ＰＩＤ補償器を含む、ことを特徴とする請求項２または３に記載の温度制御装置。
  5. 前記補償器は、ゲイン補正部を含み、前記ゲイン補正部のゲインが前記補正演算部によって変更されることによって前記補償器のゲインが補正される、ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の温度制御装置。
  6. 前記補償器は、遅れ補償器を更に含み、前記補正演算部からの信号が前記遅れ補償器を介して前記ゲイン補正部に提供される、ことを特徴とする請求項５に記載の温度制御装置。
  7. 前記補正演算部は、算出した前記熱通過率が許容値を外れたときに警報を発する警報部を含む、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の温度制御装置。
  8. 原版のパターンを基板に投影して該基板を露光する露光装置であって、
    請求項１乃至６のいずれか１項に記載の温度制御装置と、
    前記温度制御装置から提供される第１媒体によって温度が制御される部分または空間と、
    を備えることを特徴とする露光装置。
  9. 前記部分は、ステージ機構を含む、ことを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
  10. デバイス製造方法であって、
    請求項８または９に記載の露光装置によって基板を露光する工程と、
    前記基板を現像する工程と、
    を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
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