JP2022174870A - 多元冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した運転を達成し、半導体デバイス製造装置を適切に冷却することができる多元冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】多元冷凍サイクル装置２は、半導体デバイス製造装置１を冷却するための冷却媒体と熱交換を行う第１冷媒が循環する第１冷凍サイクル５と、第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒が循環する第２冷凍サイクル６と、第１冷凍サイクル５と第２冷凍サイクル６との間で中間媒体を循環させるための中間媒体循環ライン３１を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温側冷凍サイクルと高温側冷凍サイクルを含む多元冷凍サイクル装置に関し、特に、エッチング装置などの半導体デバイス製造装置の冷却に使用される多元冷凍サイクル装置に関する。

メモリ容量拡大のため、3D-NANDの技術革新として積層化が進んでいる。積層化によりエッチングプロセスにかかる加工処理時間が増加しており、生産能力(スループット)の低下が課題となっている。エッチング加工時間を短縮し、スループットを向上させるためには、エッチング装置の処理チャンバを－３０℃～－１２０℃程度の低温に冷却することが効果的である。

そこで、－３０℃～－１２０℃程度の低温を達成するために、二元冷凍サイクル装置などの冷凍装置が従来から使用されており（例えば、特許文献１－３参照）、複数社によって製品化されている。

特開２０１２－１９３９０８号公報 特開２０１３－６４５５９号公報 国際公開第２０１２／１２８２２９号

しかしながら、半導体デバイス製造装置の冷却に使用された冷却媒体の温度は、プロセスに従って大きく変動し、これに応じて冷凍装置内の冷媒の温度も変動しやすい。結果として、冷凍装置の運転が不安定となり、半導体デバイス製造装置を適切に冷却できないことがあった。

そこで、本発明は、安定した運転を達成し、半導体デバイス製造装置を適切に冷却することができる多元冷凍サイクル装置を提供する。

一態様では、半導体デバイス製造装置を冷却するための多元冷凍サイクル装置であって、前記半導体デバイス製造装置を冷却するための冷却媒体と熱交換を行う第１冷媒が循環する第１冷凍サイクルと、前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒が循環する第２冷凍サイクルと、前記第１冷凍サイクルと前記第２冷凍サイクルとの間で中間媒体を循環させるための中間媒体循環ラインを備えている、多元冷凍サイクル装置が提供される。

一態様では、前記中間媒体循環ラインは、前記第１冷凍サイクルの凝縮器と前記第２冷凍サイクルの蒸発器との間を延びている。
一態様では、前記多元冷凍サイクル装置は、前記中間媒体循環ラインに接続されたバッファタンクをさらに備えている。
一態様では、前記中間媒体は、ブライン（不凍液）である。

本発明によれば、中間媒体は、半導体デバイス製造装置の冷却に使用された冷却媒体の温度の変動を吸収することができるので、多元冷凍サイクル装置の運転を安定させることができる。結果として、多元冷凍サイクル装置は、安定した温度の冷却媒体を半導体デバイス製造装置に供給し、半導体デバイス製造装置を適切に冷却することができる。

多元冷凍サイクル装置の一実施形態の詳細構造を示す模式図である。 多元冷凍サイクル装置の他の実施形態の詳細構造を示す模式図である。 多元冷凍サイクル装置の配置の一実施形態を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、多元冷凍サイクル装置２の一実施形態の詳細構造を示す模式図である。図１に示すように、多元冷凍サイクル装置２は、半導体デバイス製造装置１に冷却配管３により連結されている。多元冷凍サイクル装置２は、冷却配管３を通じて冷却媒体を半導体デバイス製造装置１（例えばエッチング装置の処理チャンバ）に送り、半導体デバイス製造装置１を冷却する。冷却媒体は、半導体デバイス製造装置１と多元冷凍サイクル装置２との間を循環する。すなわち、多元冷凍サイクル装置２により生成された低温（例えば、－３０℃～－１２０℃）の冷却媒体は、冷却配管３を通って半導体デバイス製造装置１に送られ、半導体デバイス製造装置１の冷却に使用された冷却媒体は冷却配管３を通って多元冷凍サイクル装置２に戻される。

多元冷凍サイクル装置２は、冷却媒体と熱交換を行う第１冷媒が循環する第１冷凍サイクル５と、中間媒体を介して第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒が循環する第２冷凍サイクル６を備えている。したがって、本実施形態の多元冷凍サイクル装置２は、二元冷凍サイクル装置である。一実施形態では、多元冷凍サイクル装置２は、３つ以上の冷凍サイクルを含んでもよい。

第１冷凍サイクル５は、液相の第１冷媒（冷媒液）を蒸発させて気相の第１冷媒（冷媒ガス）を生成する第１蒸発器１１と、気相の第１冷媒を圧縮する第１圧縮機１２と、圧縮された気相の第１冷媒を凝縮させて液相の第１冷媒を生成する第１凝縮器１４を備えている。第１蒸発器１１、第１圧縮機１２、および第１凝縮器１４は、第１冷媒配管１６によって連結されている。第１冷媒は、第１冷媒配管１６を通って第１蒸発器１１、第１圧縮機１２、第１凝縮器１４を循環する。

第１冷凍サイクル５は、第１蒸発器１１と第１凝縮器１４との間に位置する第１膨張機構としての第１膨張弁１７をさらに備えている。第１膨張弁１７は、第１蒸発器１１と第１凝縮器１４との間を延びる第１冷媒配管１６の部分に取り付けられている。第１凝縮器１４から第１蒸発器１１に流れる第１冷媒は第１膨張弁１７を通過することで、第１冷媒の圧力と温度が低下する。第１膨張弁１７を通過した第１冷媒は、第１蒸発器１１に流入する。

冷却配管３は、第１蒸発器１１に接続されており、第１蒸発器１１内で冷却媒体と第１冷媒との熱交換が行われる。この熱交換の結果、冷却媒体は冷却されて低温（例えば、－３０℃～－１２０℃）となり、その一方で第１冷媒は冷却媒体により加熱されて蒸発し、冷媒ガスとなる。冷却された冷却媒体は、冷却配管３を通って半導体デバイス製造装置１に送られ、冷媒ガスは、第１冷媒配管１６を通って第１圧縮機１２に送られる。第１圧縮機１２は、冷媒ガスを圧縮し、圧縮された冷媒ガスを第１凝縮器１４に送る。第１凝縮器１４では、後述するように、冷媒ガスは、凝縮されて冷媒液となる。

第２冷凍サイクル６は、液相の第２冷媒（冷媒液）を蒸発させて気相の第２冷媒（冷媒ガス）を生成する第２蒸発器２１と、気相の第２冷媒を圧縮する第２圧縮機２２と、圧縮された気相の第２冷媒を凝縮させて液相の第２冷媒を生成する第２凝縮器２４を備えている。第２蒸発器２１、第２圧縮機２２、および第２凝縮器２４は、第２冷媒配管２６によって連結されている。第２冷媒は、第２冷媒配管２６を通って第２蒸発器２１、第２圧縮機２２、第２凝縮器２４を循環する。

多元冷凍サイクル装置２は、第１冷凍サイクル５と第２冷凍サイクル６との間で中間媒体を循環させるための中間媒体循環ライン３１をさらに備えている。中間媒体循環ライン３１は、第１冷凍サイクル５と第２冷凍サイクル６とに接続されている。より具体的には、中間媒体循環ライン３１は、中間媒体を第２冷凍サイクル６の第２蒸発器２１から第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４に送るための送りライン３１Ａと、中間媒体を第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４から第２冷凍サイクル６の第２蒸発器２１に戻すための戻りライン３１Ｂを有している。送りライン３１Ａの一端は第１凝縮器１４に接続され、送りライン３１Ａの他端は第２蒸発器２１に接続されている。戻りライン３１Ｂの一端は第１凝縮器１４に接続され、戻りライン３１Ｂの他端は第２蒸発器２１に接続されている。

中間媒体は、中間媒体循環ライン３１を通って第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４と第２冷凍サイクル６の第２蒸発器２１との間を循環する。気相の第１冷媒（冷媒ガス）と中間媒体は、第１凝縮器１４内で熱交換を行う。その結果、気相の第１冷媒は、中間媒体に冷却されて液相の第１冷媒（冷媒液）となる。中間媒体は、第１冷媒に加熱されて温度が上昇する。

第１冷媒に加熱された中間媒体と、液相の第２冷媒（冷媒液）は、第２蒸発器２１内で熱交換を行う。その結果、液相の第２冷媒は、中間媒体に加熱されて気相の第２冷媒（冷媒ガス）となり、その一方で、中間媒体は、第２冷媒に冷却されて温度が低下する。冷却された中間媒体は、中間媒体循環ライン３１を通って第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４に送られる。冷却された中間媒体と第１冷媒は、第１凝縮器１４内で熱交換を行う。このようにして、中間媒体は、中間媒体循環ライン３１を通って第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４と第２冷凍サイクル６の第２蒸発器２１との間を循環する。第２蒸発器２１から第１凝縮器１４に向かって流れる中間媒体の温度は、例えば、０℃～－８０℃である。

第２蒸発器２１では、第２冷媒は中間媒体により加熱されて蒸発し、冷媒ガスとなる。この冷媒ガスは、第２冷媒配管２６を通って第２圧縮機２２に送られる。第２圧縮機２２は、冷媒ガスを圧縮し、圧縮された冷媒ガスを第２凝縮器２４に送る。第２凝縮器２４では、図示しない冷却水源から供給される冷却水と、冷媒ガス（気相の第２冷媒）と熱交換が行われる。その結果、冷媒ガスは、凝縮されて冷媒液となる。

上述したように、第１冷凍サイクル５の第１冷媒と第２冷凍サイクル６の第２冷媒は、中間媒体を介して熱交換する。中間媒体は、第１冷媒および第２冷媒とは異なる種類の液体である。より具体的には、中間媒体は、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）液、またはエチレングリコール液などのブライン（不凍液）である。したがって、中間媒体は、液相のまま中間媒体循環ライン３１を循環する。

中間媒体には、第１冷媒の熱を第２冷媒に伝達することができる限りにおいて、第１冷媒および第２冷媒よりも取り扱いが容易なブライン（不凍液）を使用することができる。したがって、中間媒体循環ライン３１には、樹脂チューブなどの柔軟性のある安価な配管を使用することができる。結果として、製造コストを下げることができ、さらには第１冷凍サイクル５と第２冷凍サイクル６の配置の自由度が増す。また、中間媒体の温度（例えば、０℃～－８０℃）は、冷却媒体の温度（例えば、－３０℃～－１２０℃）よりも高いので、冷却配管３を覆う保冷材に比べて、中間媒体循環ライン３１を覆う保冷材は簡易なものでよい。

また、中間媒体は、その体積に応じた熱的容量を有するので、第１冷媒と第２冷媒との間の熱的バッファとしても機能する。一般に、半導体デバイス製造装置１の冷却に使用された冷却媒体の温度は変動し、これに応じて第１冷媒の温度も変動しやすい。中間媒体は、このような第１冷媒の温度の変動を吸収することができるので、多元冷凍サイクル装置２の運転を安定させることができる。結果として、多元冷凍サイクル装置２は、安定した温度の冷却媒体を半導体デバイス製造装置１に供給することができる。

第２冷凍サイクル６は、第２蒸発器２１と第２凝縮器２４との間に位置する第２膨張機構としての第２膨張弁２７をさらに備えている。第２膨張弁２７は、第２蒸発器２１と第２凝縮器２４との間を延びる第２冷媒配管２６の部分に取り付けられている。第２凝縮器２４から第２蒸発器２１に流れる第２冷媒は第２膨張弁２７を通過することで、第２冷媒の圧力と温度が低下する。第２膨張弁２７を通過した第２冷媒は、第２蒸発器２１に流入する。

図２に示すように、一実施形態では、多元冷凍サイクル装置２は、中間媒体循環ライン３１に接続されたバッファタンク３２をさらに備えてもよい。図２に示す実施形態では、バッファタンク３２は、中間媒体を第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４から第２冷凍サイクル６の第２蒸発器２１に戻すための戻りライン３１Ｂに接続されている。バッファタンク３２は、設置面積に余裕がある、各種周辺機器が設置されるサブファブリケーション通称サブファブと呼ばれるエリア内に配置されている。第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４を出た中間媒体は、一旦バッファタンク３２内に貯留され、その後バッファタンク３２から第２冷凍サイクル６の第２蒸発器２１に戻される。

本実施形態によれば、バッファタンク３２の容積分だけ中間媒体の体積が増えるので、中間媒体の熱的容量が増加し、多元冷凍サイクル装置２の運転をさらに安定させることができる。

図３は、多元冷凍サイクル装置の配置の一実施形態を示す模式図である。半導体デバイス製造装置１（例えばエッチング装置の処理チャンバ）は、クリーンルーム内に配置されており、多元冷凍サイクル装置２の一部は、クリーンルームの下に存在するサブファブ内に配置されている。一般的に、クリーンルームは上層階にあり、サブファブは下層階にある。

第１冷凍サイクル５の全体はクリーンルーム内に配置されており、第２冷凍サイクル６の全体は、クリーンルームの階下にあるサブファブ内に配置されている。クリーンルーム内には、グレーチングなどの金属製の床７が配置されており、床７の下には床下スペース９がある。この床下スペース９は、クリーンルームの一部である。半導体デバイス製造装置１は床７の上に設置され、第１冷凍サイクル５は半導体デバイス製造装置１の周辺のスペースや床下スペース９内などに設置されている。

中間媒体循環ライン３１は、第１冷凍サイクル５と第２冷凍サイクル６の配置の自由度を高めることができるので、図３に示すように、多元冷凍サイクル装置２の構成要素である第１冷凍サイクル５と第２冷凍サイクル６を、クリーンルームとサブファブとにそれぞれ配置することができる。結果として、サブファブ内に設置される機器の設置面積を小さくすることができる。また、第１冷凍サイクル５はクリーンルーム内に配置されるので、第１冷凍サイクル５から半導体デバイス製造装置１（例えばエッチング装置の処理チャンバ）に超低温の冷却媒体を移送するための冷却配管３を短くできる。結果として、冷却配管３用のスペースが小さくでき、かつ冷却効率が向上する。

また、中間媒体循環ライン３１を備えることにより、複数の第１冷凍サイクルに対して１つの第２冷凍サイクルを接続することが可能となる。結果として、サブファブ内に設置される機器の設置面積を小さくすることができ、また、運転効率の向上も可能となる。

さらに、中間媒体循環ライン３１を備えることで、例えば装置運用開始後にも比較的容易に第２冷凍サイクルを増設することが可能となり、冷却容量の変更（増大）や冷却温度の変更（低下）にもフレキシブルに対応可能となる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 半導体デバイス製造装置
２ 多元冷凍サイクル装置
３ 冷却配管
５ 第１冷凍サイクル
６ 第２冷凍サイクル
７ 床
９ 床下スペース
１１ 第１蒸発器
１２ 第１圧縮機
１４ 第１凝縮器
１６ 第１冷媒配管
１７ 第１膨張弁
２１ 第２蒸発器
２２ 第２圧縮機
２４ 第２凝縮器
２６ 第２冷媒配管
２７ 第２膨張弁
３１ 中間媒体循環ライン
３１Ａ 送りライン
３１Ｂ 戻りライン
３２ バッファタンク

Claims (4)

1. 半導体デバイス製造装置を冷却するための多元冷凍サイクル装置であって、
   前記半導体デバイス製造装置を冷却するための冷却媒体と熱交換を行う第１冷媒が循環する第１冷凍サイクルと、
   前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒が循環する第２冷凍サイクルと、
   前記第１冷凍サイクルと前記第２冷凍サイクルとの間で中間媒体を循環させるための中間媒体循環ラインを備えている、多元冷凍サイクル装置。
2. 前記中間媒体循環ラインは、前記第１冷凍サイクルの凝縮器と前記第２冷凍サイクルの蒸発器との間を延びている、請求項１に記載の多元冷凍サイクル装置。
3. 前記多元冷凍サイクル装置は、前記中間媒体循環ラインに接続されたバッファタンクをさらに備えている、請求項１または２に記載の多元冷凍サイクル装置。
4. 前記中間媒体は、ブライン（不凍液）である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の多元冷凍サイクル装置。

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