JP4956672B2 - 半導体製造装置の温度調節システム - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置に関するものであって、ウエハエッチング装置などのような半導体製造装置に用いられる工程チェンバーの温度を適宜に冷却する半導体製造装置の温度調節システムに関する。

半導体素子又は半導体チップなどは、通常、シリコンからなるウエハを半導体装置を利用して処理することによって製造される。即ち、ウエハは、通常、リソグラフィー、化学、又は物理的蒸着及びプラズマエッチングなどのような一連の半導体工程を経て半導体素子又は半導体チップに製造される。

前記のように製造される半導体素子又は半導体チップの品質は、ウエハの品質又はウエハが処理される方式などのような変化要因により異なる。半導体素子の製造において、主な変化要因の一つは、ウエハ表面の温度といえる。即ち、ウエハの表面温度が異なって形成される場合、ウエハ表面の食刻率などが異なって現われるので、ウエハ表面の温度を均一に制御すればするほど、よりハイクオリティーの半導体素子が得られる。

通常、ウエハの表面温度の調節は、ウエハが装着されるウエハチャックの温度を調節することにより行われるが、通常、チラー（ｃｈｉｌｌｅｒ）や熱交換器などにより作られる一定温度の流体をウエハチャック内に流入させることによって、ウエハチャックの温度を調節できる。

図１には、一般の半導体製造装置の温度調節システムが示されている。図１の如く、一般の半導体製造装置の温度調節システムは、ラインＬ_１及びＬ_２内を流動する冷却水又は冷媒が持つ低温の熱エネルギーを、熱交換器１を通じて貯蔵タンク２内の冷媒に伝達し、それを冷却させるとともに、冷却された前記貯蔵タンク２内の冷媒をポンプ３でポンピングをし、ラインＬ_３及びＬ_４を介して前記貯蔵タンク２に繋がっている工程設備４、つまりウエハチャックに供給することによって、ウエハチャックの温度を下げる。

しかし、前記した構造からなる、一般の半導体製造装置の温度調節システムは、工程温度をコントロールするために多量の電気を必要とするので、エネルギー消費量があまりにも大き過ぎて熱効率が劣化してしまう。

しかも、一般の半導体製造装置の温度調節システムは、多量の流体を制御するため、希望温度に達する時間が多くかかり、負荷に対する対応速度が遅い。

ひいては、一般の半導体製造装置の場合、各工程設備の温度を制御するため、該当工程設備の一つに温度調節システム(図１参照)をそれぞれ備えなければならないので、温度調節システムの設備コスト及び設備規模が大きくなる懸念がある。

本発明に係る、半導体製造装置の温度調節システムは、省エネルギー化が図れるように半導体製造装置の温度調節システムの構造を大幅に改善することにその目的がある。

また、他の目的は、工程設備の工程チェンバーに供給するための熱伝達流体を、 希望温度に迅速に制御することができるように半導体製造装置の温度調節システムの構造を改善することにある。

さらに、他の目的は、一つの温度調節システムで、複数の工程設備の温度を制御し得る半導体製造装置の温度調節システムの構造を改善することにある。

本発明に係る、半導体製造装置の温度調節システムは、熱交換器と熱交換を行い、その内部に収容されている熱伝達流体を冷却し、熱エネルギーを貯蔵する蓄熱槽と、蓄熱槽内の熱伝達流体を、ヒーターを経由させ、適宜な温度に制御した後、工程設備に供給するための供給ラインと、工程設備を経由した熱伝達流体を蓄熱槽に送るための回収ラインと、回収ラインを通る熱伝達流体の一部をヒーターを経由させて供給ラインに送るためのバイパスとを含む。

また、本発明に係る、半導体装置の温度調節システムは、熱交換器と熱交換を行うべく接続され、その内部に収容されている熱伝達流体を冷却し、熱エネルギーを貯蔵する蓄熱槽と、蓄熱槽に接続され、蓄熱槽から受け取る熱伝達流体の温度を制御するヒーターと、ヒーターから、工程設備を経由し、再びヒーターに戻る熱伝達流体の閉じた流路を構成する循環ラインと、工程設備を経由し、再びヒーターに戻るまでの循環ラインにおいて、熱伝達流体を分岐する分岐点が設けられ、分岐点で分岐され蓄熱槽に接続される分岐ラインとを備え、循環ラインを循環する熱伝達流体の一部が、ヒーターに戻り、残りが分岐ラインを通じて蓄熱槽に流入し、蓄熱槽は内部に収容されている熱伝達流体の一部をヒーターを介して循環ラインに供給する。

本発明に係る、半導体装置の温度調節システムは、分岐ラインにおいて、分岐点から蓄熱槽までの間に設けられた比例制御弁をさらに備え、比例制御弁は、工程設備を経由した後、蓄熱槽に流入される熱伝達流体の流量と、蓄熱槽から排出される熱伝達流体の流量とが実質的に一致するように制御する。

蓄熱槽は、潜熱材を利用して蓄熱エネルギーを貯蔵する潜熱材パイプを含んで製作されてもよい。

半導体製造装置の温度調節システムは、循環ラインにおいてヒーターを経由し工程設備までの間と、工程設備を経由しヒーターまでの間とに接続され、熱伝達流体の一部をヒーターに再び供給する補助バイパスをさらに備える。

半導体製造装置の温度調節システムは、工程設備が複数設けられており、各々の工程設備は、並列に、蓄熱槽と接続され、熱伝達流体は、蓄熱槽から各々の工程設備に供給される。

本発明によれば、蓄熱槽が、蓄熱と潜熱を用いて、工程設備に供給されるべき熱伝達流体を冷却し、且つ、ヒーターが、供給ラインを流動する少量の熱伝達流体を加熱して工程温度に制御し、工程設備を経由して蓄熱槽に回収される熱伝達流体の熱を、工程設備に供給される熱伝達流体の温度を制御する際に活用する。そのことから、本発明に係る半導体製造装置の温度調節システムは、一般の温度制御システムより高い熱効率を発揮できる効果がある。

また、本発明によれば、少量の熱伝達流体の温度を制御するので、要求される負荷に対して迅速に対応することができる。

さらに、本発明によれば、一つの蓄熱槽に複数の工程設備を連結できる。それにより、一つの蓄熱槽に貯蔵されている熱伝達流体を利用し、複数の工程設備の温度を制御することができ、設備コスト及び設備規模を大幅に低減できる。

一般の半導体製造装置の温度調節システムの概略を示す図面である。 本発明の第１実施例による半導体製造装置の温度調節システムの概略を示す図面である。 本発明の第２実施例による半導体製造装置の温度調節システムの概略を示す図面である。 本発明の第３実施例による半導体製造装置の温度調節システムの概略を示す図面である。 本発明の第４実施例による半導体製造装置の温度調節システムの概略を示す図面である。

以下、前記した目的等が具体的に実現されることができる本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。本実施例を説明するにあたって、同じ構成要素に対しては同じ名称及び符号を付すると共に、それによる付加的説明は省略する。

図２は、本発明の一実施例による半導体製造装置の温度調節システムを示しており、この図を参照し、本発明の一実施例による半導体製造装置の温度調節システムについて説明する。

図２に示されているように、蓄熱槽１００は、熱交換器１０と熱交換を行い、その内部に収容されている熱伝達流体を冷却すると共に、前記蓄熱槽１００は、熱交換された熱エネルギーをその内部に貯蔵する。そのために、前記蓄熱槽１００内には、熱交換されたエネルギーが貯蔵される、相変化物質（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍｅｔｅｒｉａｌ、ＰＣＭと称する）の備えられた潜熱材パイプ１１０が設けられている。前記した相変化物質を用いた蓄熱技術それ自体は、既知の技術なので、これに関する詳しい説明は省略する。

本発明の一実施例による、半導体製造装置の温度調節システムにおいて、前記蓄熱槽１００と熱交換を行う前記熱交換器１０は、図２の如く、冷却サイクルの蒸発機から成されていてもよい。前記熱交換器１０、即ち、前記蒸発機には、圧縮機２０と凝縮器３０及び膨張装置４０が順番に連結されており、前記熱交換器１０の冷媒は、前記圧縮機２０と前記凝縮器３０及び前記膨張装置４０を次々と経由してから、再び前記熱交換器１０、つまり前記蒸発機へ流入されることになる。

前記圧縮機２０は、気相の低圧冷媒を高温高圧の気相冷媒になるように圧縮し、且つ、前記凝縮器３０は、圧縮された高温高圧の気相冷媒を外部と熱交換を行わせ、低温の液状冷媒にする。前記凝縮器３０内の冷媒を冷却させるべく、前記凝縮器３０には冷却水が供給される。凝縮器３０で凝縮された液状の冷媒は、前記膨張装置４０で膨張された後、前記熱交換器１０、即ち、前記蒸発機で気化される。前記冷媒は、前記熱交換器１０内で気化する時、前記熱交換器１０の周りの熱を吸収するので、前記熱交換器１０の周辺は急激に冷却される。したがって、前記蓄熱槽１００は、前記熱交換器１０と熱交換を行うことによって、その内部に収容されている熱伝達流体を冷却させ、前記潜熱材パイプ１１０を用いてその内部に冷気を貯蔵することになる。

前記蓄熱槽１００に収容されている熱伝達流体は、半導体製造装置の工程設備５１０、例えば、ウエハチャックに供給され、ウエハの温度を適宜に維持させる。下記では、これに対し、図２を参照しながら詳細に説明する。

前記蓄熱槽１００と前記工程設備５１０は、供給ライン２００と回収ライン３００により連結されている。前記供給ライン２００は、前記蓄熱槽１００内の熱伝達流体を前記工程設備５１０に供給し、前記回収ライン３００は、前記工程設備５１０でウエハの温度を制御するために使われた熱伝達流体を回収し、前記蓄熱槽１００に送る。前記供給ライン２００には、図２の如く、熱伝達流体をポンピングし、前記工程設備５１０に伝送するポンプ２２０が設けられていてもよい。

前記供給ライン２００には、前記供給ライン２００を介して前記工程設備５１０に供給される熱伝達流体の圧力を測定するための圧力ゲージ２３０が設けられており、前記回収ライン３００には前記回収ライン３００内を流動する熱伝達流体の流量を測定するための流量計３２０が設けられていてもよい。前記圧力ゲージ２３０及び前記流量計３２０により測定されたデータに基づいて、前記供給ライン２００に備えられたバルブを通じて前記工程設備５１０に供給される熱伝達流体の量を制御することができる。

前記供給ライン２００には、図２の如く、ヒーター２１０が設けられる。前記ヒーター２１０は、前記工程設備５１０へ送られる熱伝達流体と熱交換を行い、前記工程設備５１０に供給されるべき熱伝達流体を適宜な温度に維持させると共に、工程温度をコントロールする機能を奏する。そこで、前記工程設備に供給される熱伝達流体の工程温度は、工程の種類の特性に応じて大略−３０℃乃至１８０℃程度である。

前記ヒーター２１０は、熱伝達流体を前記工程設備５１０に供給するための適宜な温度、即ち、工程温度になるようにコントロールするために、前記蓄熱槽１００内に蓄えられている全ての熱伝達流体を貯蔵するのではなく、前記供給ライン２００を流動する、相対的に少量の熱伝達流体のみを加熱する。したがって、本発明によれば、エネルギーの効率を大きく向上させることができる。

一方、前記工程設備５１０を経て前記回収ライン３００に流入された熱伝達流体は、全量が、前記蓄熱槽１００に回収されるわけではなく、その一部だけが、前記蓄熱槽１００を迂回し、前記供給ライン２００の上に設けられた前記ヒーター２１０に送られる。そのため、バイパス４１０を、前記供給ライン２００と前記回収ライン３００とに連結する。

前記バイパス４１０は、図２に示されているように、前記蓄熱槽１００にパラレルに接続しており、前記回収ライン３００を通じて前記蓄熱槽１００に送られる熱伝達流体の一部を、前記蓄熱槽１００を迂回し、前記供給ライン２００に送る。したがって、前記バイパス４１０と前記供給ライン２００及び前記回収ライン３００は、一つの循環ラインを形成することになり、このように形成された循環ラインに沿って、前記熱伝達流体が循環をしながら前記工程設備５１０に供給された後、また回収されることになる。

前記バイパス４１０の方に流れていない熱伝達流体の残量は、前記回収ライン３００を通じて蓄熱槽１００に回収される。そして、前記蓄熱槽１００に回収された熱伝達流体の量に相応する量の冷たい熱伝達流体が前記供給ライン２００に補充される。前記バイパス４１０を介して前記供給ライン２００に流入された熱伝達流体と、前記蓄熱槽１００から供給ライン２００に補充された熱伝達流体とは、前記ヒーター２１０により加熱され、前記工程温度に制御された後、次いで前記工程設備５１０に送られる。

前記バイパス４１０と前記蓄熱槽１００との間の前記回収ライン３００の上には、図２に示されているように、比例制御弁３１０が設けられていてもよい。前記比例制御弁３１０は、実質的なコントロールバルブとしての機能をする。正常に循環をしている熱伝達流体の所定量を前記蓄熱槽１００に送ると、送られる量だけの低温の熱伝達流体が、前記蓄熱槽１００で循環される熱伝達流体として流入され、所望の温度に下げるのが可能となるが、前記比例制御弁３１０が、循環する熱伝達流体の回収量及び新規供給量を調節することによって、熱伝達流体を用いた工程設備５１０内のウエハの温度制御を導く役割を奏する。

前記比例制御弁３１０は、前記工程設備５１０を通過した後、前記蓄熱槽１００に流入される熱伝達流体の流量と、前記蓄熱槽１００から前記工程設備５１０に供給されるために排出される熱伝達流体の流量とが、実質的に一致するように制御する。したがって、前記蓄熱槽１００は、前記比例制御弁３１０の制御により前記回収ライン３００を通じて受けられる回収量だけ熱伝達流体を前記循環ラインに供給することになる。

前記供給ライン２００と前記バイパス４１０には、図２の如く、補助バイパス４２０を連結することができる。前記補助バイパス４２０は、前記ヒーター２１０により温度が上昇し、工程温度に制御された後、前記工程設備５１０に供給される熱伝達流体の一部を前記バイパス４１０に流入させる。前記補助バイパス４２０は、前記ポンプ２２０によりポンピングされた後、前記工程設備５１０に送られる熱伝達流体の圧力と流量を容易に制御し得るようにするので、高度のメンテナンスを可能とさせる。

次いで、本発明の一実施例による半導体製造装置の温度制御システムの作動に関して説明する。

前記圧縮機２０が駆動すると、前記熱交換器１０が前記蓄熱槽１００と熱交換をすることになる。前記温度制御システムの作動初期には、前記圧縮機２０が高出力に作動し、それにより前記蓄熱槽１００内の熱伝達流体が迅速に冷却され、前記潜熱材パイプ１１０は、冷気を蓄熱する。所定時間が経過すると、前記圧縮機２０の出力を低くしても前記潜熱材パイプ１１０に蓄積された熱エネルギーが前記蓄熱槽１００内の熱伝達流体を冷却する。したがって、本発明による温度制御システムは、一般の温度制御システムより高効率を有することになる。

前記蓄熱槽１００内の熱伝達流体は、前記供給ライン２００に供給された後、前記ヒーター２１０により正確に工程温度にコントロールされてから、前記工程設備５１０に送られる。前記工程設備５１０でウエハの温度を制御する際に使われ、温度が上昇した熱伝達流体は、前記回収ライン３００に流入される。前記回収ライン３００に流入された熱伝達流体の一部は、前記バイパス４１０を通じて前記ヒーター２１０に移動し、残量は、前記蓄熱槽に回収される。前記蓄熱槽１００は、前記比例制御弁３１０の制御により回収された熱伝達流体量だけ冷たい熱伝達流体を前記ヒーター２１０に送る。

前記バイパス４１０から吐き出される相対的に高温の熱伝達流体と、前記蓄熱槽１００から吐き出される相対的に低温の熱伝達流体とが混合し、該混合された熱伝達流体を、前記ヒーター２１０が加熱をし、正確な工程温度になるようにコントロールする。それにより、本発明による温度制御システムは、高効率を有することができる。

前記した実施形態では、本発明に係る温度制御システムを、一つの工程設備５１０に適用した例を説明した。しかし、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、様々な変形利用が可能である。即ち、本発明による温度制御システムは、図３に示されているように、複数の工程設備５１０に適用されることも可能である。図３は、本発明の第２実施例による温度制御システムを示している。

図３を参照するに、第２実施例による温度制御システムでは、一つの蓄熱槽１００が、工程設備５１０、５２０にそれぞれ連結され、工程設備５１０、５２０にそれぞれ熱伝達流体を供給する。即ち、工程設備５１０、５２０が並列に前記蓄熱槽１００にそれぞれ連結され、一つの蓄熱槽１００から熱伝達流体を供給されるわけである。そこで、工程設備５１０、５２０は、図２と同じ構造の蓄熱槽１００に連結されており、各工程設備５１０、５２０につなげられているラインにおける熱伝達流体の循環構造も、図２の説明と同様である。したがって、それに係る説明は、省略する。

一方、図２及び図３には、前記蓄熱槽１００と熱交換を行う熱交換器１０が冷却サイクルの蒸発機から成されている例が示されている。しかし、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、様々な変形利用が可能である。本発明による温度制御システムの熱交換器は、図４及び図５に示されているように、別途の冷却水を供給され、前記蓄熱槽と熱交換を行うように構成することも可能である。

そこで、前記熱交換器１０を冷却する方法、即ち、冷却サイクルを用いて冷却したり、冷却水を用いて冷却する方法は、前記熱伝達流体の工程温度に応じて適宜に選択することができる。例えば、熱伝達流体の温度を３０℃から２０℃に低くしたい場合は、冷却水を利用することより冷却サイクルを用いて前記熱交換器１０を冷却することが好ましい。また、熱伝達流体の温度を零下以下に下げたい場合も、冷却サイクルを利用して前記熱交換器１０を冷却することがよい。しかし、前記熱伝達流体の温度を、例えば、１００℃から４０℃に下げたい場合には、常温の水を利用すれば充分なので、前記熱交換器１０を冷却水で冷却してもよい。

本発明の第３及び第４の実施例による温度制御システムをそれぞれ示している図４及び図５において、前記蓄熱槽１００と熱交換を行う熱交換器１０ａ及び前記熱交換器１０ａに連結された冷却装置の構造を除いては、図２及び図３を参照して説明している構成とそれぞれ同様である。したがって、図４及び図５に示している実施例の構成及び作用に係る説明は、省略する。

前記した幾つかの実施例は、本発明の望ましい実施例の一例であり、本発明の実施例等は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨及び範疇を逸脱しない範囲において様々変形して実施することが可能となる。

したがって、前記した実施例等は、制限的なものでない、例示的なものと認められるべきであって、添付された請求項及び同等範囲内での諸実施例は、本発明の範疇内に含まれる。

１０ 熱交換器
２０ 圧縮機
３０ 凝縮器
４０ 膨張装置
１００ 蓄熱槽
１１０ 潜熱材パイプ
２００ 供給ライン
２１０ ヒーター
２２０ ポンプ
３００ 回収ライン
３１０ 比例制御弁
４１０ バイパス
４２０ 補助バイパス
５１０、５２０ 工程設備

Claims (6)

1. 熱交換器と熱交換を行い、その内部に収容されている熱伝達流体を冷却し、熱エネルギーを貯蔵する蓄熱槽と、
   前記蓄熱槽内の熱伝達流体を、ヒーターを経由させ、適宜な温度に制御した後、工程設備に供給するための供給ラインと、
   前記工程設備を経由した熱伝達流体を前記蓄熱槽に送るための回収ラインと、
   前記回収ラインを通る熱伝達流体の一部を前記ヒーターを経由させて前記供給ラインに送るためのバイパスと
   を含んで構成される半導体製造装置の温度調節システム。
2. 熱交換器と熱交換を行うべく接続され、その内部に収容されている熱伝達流体を冷却し、熱エネルギーを貯蔵する蓄熱槽と、
   前記蓄熱槽に接続され、前記蓄熱槽から受け取る熱伝達流体の温度を制御するヒーターと、
   前記ヒーターから、工程設備を経由し、再び前記ヒーターに戻る熱伝達流体の閉じた流路を構成する循環ラインと、
   前記工程設備を経由し、再び前記ヒーターに戻るまでの前記循環ラインにおいて、前記熱伝達流体を分岐する分岐点が設けられ、前記分岐点で分岐され前記蓄熱槽に接続される分岐ラインと、
   を備え、
   前記循環ラインを循環する前記熱伝達流体の一部が、前記ヒーターに戻り、残りが前記分岐ラインを通じて前記蓄熱槽に流入し、
   前記蓄熱槽は内部に収容されている熱伝達流体の一部を前記ヒーターを介して前記循環ラインに供給する
   半導体製造装置の温度調節システム。
3. 前記分岐ラインにおいて、前記分岐点から前記蓄熱槽までの間に設けられた比例制御弁をさらに備え、
   前記比例制御弁は、前記工程設備を経由した後、前記蓄熱槽に流入される熱伝達流体の流量と、前記蓄熱槽から排出される熱伝達流体の流量とが実質的に一致するように制御する
   請求項２に記載の半導体製造装置の温度調節システム。
4. 前記蓄熱槽は、潜熱材を利用して蓄熱エネルギーを貯蔵する潜熱材パイプを含む
   請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体製造装置の温度調節システム。
5. 前記循環ラインにおいて前記ヒーターを経由し前記工程設備までの間と、前記工程設備を経由し前記ヒーターまでの間とに接続され、熱伝達流体の一部を前記ヒーターに再び供給する補助バイパスをさらに備える
   請求項２に記載の半導体製造装置の温度調節システム。
6. 前記工程設備が複数設けられており、各々の工程設備は、並列に、前記蓄熱槽と接続され、前記熱伝達流体は、前記蓄熱槽から各々の工程設備に供給される
   請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体製造装置の温度調節システム。

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