JP2006153429A - 恒温流体供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】 温度変動が発生するおそれのある冷却流体を用いながら、恒温流体の温度変動を十分に小さくして温度制御の精度を向上させる。
【解決手段】 恒温流体供給システムにおいて、温度調整されていない冷却流体１０１の供給を受け、温度が安定した第１の恒温流体１０２を供給する第１の恒温流体供給装置１０と、第１の恒温流体供給装置１０からの第１の恒温流体１０２を冷却流体として用い、第１の恒温流体１０２よりも安定した温度の第２の恒温流体１０３を供給する第２の恒温流体供給装置２０とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置等に用いられ、対象機器の温度を高精度に制御するための恒温流体供給システムに関する。

従来、恒温流体供給装置では、冷却流体，恒温流体に水を用いることが多く、このような装置のことをここでは恒温水ユニットと呼ぶ。恒温を保つ必要のある機器は、内部に恒温水の流路を用意し、恒温水ユニットから供給される恒温水を循環させることで機器の恒温状態の維持を実現する。機器と恒温水との間で熱平衡状態になることで機器の温度を安定させることができる。従って、機器の温度を高精度に安定させる場合は、恒温水の温度を高精度に制御する必要がある（例えば、特許文献１参照）。

恒温水の温度を高精度に制御するためには、外乱となる熱の出入りを減らさなければならない。外乱の中で恒温水の温度に影響を与える因子に冷却水の温度変化が挙げられる。冷却水には、通常市水や工場の循環水が用いられている。それらの水は温度管理されていないので温度変化を生じる。この冷却水の温度変動によって、恒温流体供給装置での設定温度が一定でも恒温水の温度が変動する。

このような例は、例えばチラーユニットの冷却水の温度変動などで顕著である。市水や工場の循環水は外気温などに影響されやすく、１日で１０℃程度の温度が変動する場合がある。この影響により恒温水の温度が変化し、対象機器の温度制御の精度が低下する。
実開平５−２５１９０号公報

このように、従来の恒温流体供給装置においては、外部から供給される冷却水の温度変動により恒温流体の温度が変動するという問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、温度変動が発生するおそれのある冷却流体を用いながら、恒温流体の温度変動を十分に小さくして温度制御の精度を向上させることができる恒温流体供給システムを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。

即ち、本発明の一態様は、恒温流体供給システムであって、入力側に温度調整されていない冷却流体が供給され、出力側から温度が安定した第１の恒温流体を供給する第１の恒温流体供給装置と、入力側に前記第１の恒温流体が供給され、出力側から前記第１の恒温流体よりも安定した温度の第２の恒温流体を供給する第２の恒温流体供給装置と、を具備してなることを特徴とする。

また、本発明の別の一態様は、被恒温体の第１の部分と第２の部分をそれぞれ所定の温度に制御するための恒温流体供給システムであって、入力側に温度調整されていない冷却流体が供給され、出力側から温度が安定した第１の恒温流体を供給し、且つ前記第１の恒温流体の一部を前記第１の部分に供給する第１の恒温流体供給装置と、入力側に前記第１の恒温流体の残りの一部が供給され、出力側から前記第１の恒温流体よりも安定した温度の第２の恒温流体を前記第２の部分に供給する第２の恒温流体供給装置と、を具備してなることを特徴とする。

ここで、本発明の望ましい実施態様としては、次のものがあげられる。

(1) 第１の恒温流体供給装置は、蒸発器と凝縮器を持つ冷却機構を用いて構成され、冷却流体と第１の恒温流体との間で熱交換を行うものであり、第１の恒温流体供給装置の入力側としての廃熱側に冷却流体の流路が形成され、第１の恒温流体供給装置の出力側としての冷却側に第１の恒温流体の流路が形成されている。

(2) 第２の恒温流体供給装置はペルチェ素子を用いて構成されたものであり、ペルチェ素子の入力側としての廃熱面側に第１の恒温流体の流路が形成され、ペルチェ素子の出力側としての吸熱面側に第２の恒温流体の流路が形成されている。

(3) ペルチェ素子は複数個設けられ、第２の恒温流体供給装置は温度の異なる第２の恒温流体をそれぞれ供給するものである。

(4) 第１の恒温流体の温度制御精度を設定温度±０．１℃以下とし、第２の恒温流体の温度制御精度を設定温度±０．０１℃以下とした。

(5) 第２の恒温流体は被恒温体に供給され、第２の恒温流体供給装置と被恒温体との間の流路は、断熱材で断熱されている。

また、本発明の別の一態様は、被恒温体の第１の部分と第２の部分をそれぞれ所定の温度に制御するための恒温流体供給システムであって、入力側に温度調整されていない冷却流体が供給され、出力側から温度が安定した第１の恒温流体を供給する第１の恒温流体供給装置と、入力側に前記第１の恒温流体が供給され、出力側から前記第１の部分に、前記第１の恒温流体よりも安定した温度の第２の恒温流体を供給する第２の恒温流体供給装置と、入力側に前記第１の恒温流体が供給され、出力側から前記第２の部分に、前記第１の恒温流体よりも安定した温度の第３の恒温流体を供給する第３の恒温流体供給装置と、を具備してなることを特徴とする。

ここで、本発明の望ましい実施態様としては、次のものがあげられる。

(1) 第２の恒温流体供給装置による第２の恒温流体の温度と、第３の恒温流体供給装置による第３の恒温流体の温度とは異なる値に設定されている。

(2) 第１の恒温流体供給装置は、蒸発器と凝縮器を持つ冷却機構を用いて構成され、冷却流体と第１の恒温流体との間で熱交換を行うものであり、第１の恒温流体供給装置の入力側としての廃熱側に前記冷却流体の流路が形成され、第１の恒温流体供給装置の出力側としての冷却側に第１の恒温流体の流路が形成されている。

(3) 第２の恒温流体供給装置及び第３の恒温流体供給装置はペルチェ素子を用いて構成されたものであり、ペルチェ素子の入力側としての廃熱面側に第１の恒温流体の流路が形成され、ペルチェ素子の出力側としての吸熱面側に第２の恒温流体又は第３の恒温流体の流路が形成されている。

(4) 第１の恒温流体の温度制御精度を設定温度±０．１℃以下とし、第２の恒温流体及び第３の恒温流体の温度制御精度を設定温度±０．０１℃以下とした。

(5) 第２の恒温流体及び第３の恒温流体と被恒温体との間の流路は、断熱材で断熱されている。

本発明によれば、蒸発器と凝縮器を持つ冷却機構等を備えた第１の恒温流体供給装置により、温度変動が発生するおそれのある冷却流体に対し、熱交換を利用して第１の恒温流体の温度変動を小さくすることができる。そして、この第１の恒温流体を冷却流体として用い、ペルチェ素子等を用いた第２の恒温流体供給装置により該装置から外部機器に供給される第２の恒温流体の温度変動を十分に小さくすることができる。従って、外部機器の精度良い恒温化を実現することが可能となる。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる恒温流体供給システムを示す概略構成図である。

図中の１０は第１の恒温流体供給装置であり、この装置１０の入力側には市水や工場の循環水である冷却水（冷却流体）１０１が供給され、出力側からは第１の恒温水（第１の恒温流体）１０２が出力される。図中の２０は第２の恒温流体供給装置であり、この装置２０の入力側には恒温水１０２が冷却水として供給され、出力側からは第２の恒温水（第２の恒温流体）１０３が出力される。そして、恒温水１０３は外部機器（被恒温体）３０に供給されて外部機器３０を恒温化するものとなっている。

ここで、恒温流体供給装置１０，２０は可撓性の接続ホースにより接続され、着脱可能となっている。同様に、恒温流体供給装置２０と外部機器３０とは接続ホースにより接続され、互いに着脱可能となっている。そして、恒温水１０２は第１の恒温流体供給装置１０と第２の恒温流体供給装置２０との間で循環し、恒温水１０３は第２の恒温流体供給装置２０と外部機器３０との間で循環するようになっている。

また、恒温水１０３の流路、即ち第２の高温流体供給装置２０と外部機器３０との間のホースは、外部からの影響を受けないように断熱材でカバーリングされている。さらに、外部機器３０は温度管理された部屋の中に設置されている。

第１の恒温流体供給装置１０は、図２に示すように、蒸発器と凝縮器を有し熱交換を利用することにより恒温化するようになっている。即ち、恒温流体供給装置１０は、凝縮器１１、蒸発器１２、圧縮器１３、電磁弁１４、電磁弁１５、温度計１６、コントローラ１７、ポンプ１８を備えて構成される。

恒温流体供給装置１０に供給される冷却水１０１は、凝縮機１１を冷却するために用いられる。恒温水１０２は蒸発器１２により冷却され温度調整されて、高温流体供給装置２０との間で循環される。蒸発器１２の出力側の恒温水流路には温度計１６が設置されている。コントローラ１７には、恒温水１０２の設定温度が入力されると共に、温度計１６による恒温水１０２の検出温度が入力される。そして、設定温度と検出温度との差に基づいて、コントローラ１７により電磁弁１４，１５の開閉量を制御することによって蒸発器１２の出力を制御する。これにより、恒温水１０２の温度を設定温度に保つようになっている。

第２の恒温流体供給装置２０は、図３に示すように、ペルチェ素子２１を用いてより高精度に恒温化をはかるものである。ペルチェ素子２１の廃熱側（入力側）には恒温水１０２を流すための流路２２が接続され、吸熱側（出力側）には恒温水１０３を流すための流路２３が接続されている。これにより、ペルチェ素子２１は温度が比較的安定した恒温水１０２により冷却されると共に、恒温水１０３はペルチェ素子２１により極めて安定した温度に冷却されるようになっている。

なお、図には示さないが、ペルチェ素子２１は廃熱側の恒温水１０２の温度が安定しているため、通電電流の制御のみで恒温水１０３の恒温化が可能である。但し、より厳密な恒温化を行うためには、流路２３のペルチェ素子２１の下流側に温度センサ２４を設け、この温度センサ２４の出力をペルチェ素子２１の電源２５にフィードバックする。そして、温度センサ２４による検出温度に応じてペルチェ素子２１の通電電流を制御するようにすればよい。

また、上記の温度センサ２４に加え、別の温度センサを外部機器の温度制御すべきポイントに設置し、２つの温度センサの検出温度に応じてペルチェ素子２１の通電電流を制御するようにしても良い。

本実施形態の構成においては、第１の恒温流体供給装置１０では、冷却水１０１として１０℃程度の温度変動のある通常市水や工場の循環水を用いているので、恒温水１０２の温度変動を１／１００℃以下に抑えることはできないが、１／１０℃以下程度に抑えることはできる。そして、第１の恒温流体供給装置１０によりある程度恒温化（１／１０℃以下）された恒温水１０２を第２の恒温流体供給装置２０の冷却水として用いることにより、恒温水１０３の十分な恒温化が可能となる。その結果、恒温水１０３の温度変動を１／１００℃以下に抑えることができる。

具体的には、第１の高温流体供給装置１０の処理能力を４００Ｗ，５ｌ／ｍｉｎとしたところ、恒温水１０２を２５℃±０．１℃に制御できた。さらに、これに加えて第２の高温流体供給装置２０の処理能力を１００Ｗ，５ｌ／ｍｉｎとしたところ、恒温水１０３を２５℃±０．０１℃に制御することができた。

従って、電子ビーム描画装置の真空チャンバなど、高精度の温度制御が要求される外部機器３０に対しても、冷却水１０１の温度変動の影響無しに安定した恒温化をはかることができる。また、第２の恒温流体供給装置２０としてペルチェ素子２１を用いているため、恒温流体供給装置２０の小型化をはかることができると共に、極めて高い精度の恒温化を行うことができる。さらに、ペルチェ素子２１を複数個用いることも可能であり、この場合は外部機器３０の複数箇所を個別に異なる温度に制御することができる。

また、第１及び第２の恒温流体供給装置１０，２０はホースにより接続されているので、一方が故障した際には、故障した装置を取り替えることにより、復旧に要する期間及びコストを低減することができる。また、第１及び第２の恒温流体供給装置１０，２０は、各々同様の機能を有する装置に置き換えることも可能である。

例えば、第１の恒温流体供給装置１０として、図４に示すように、通常の熱交換を利用したものを用いることも可能である。なお、図中の４３は熱交換器、４６は温度計、４７はコントローラ、４８はポンプを示している。この装置の場合、温度計４６による検出温度に応じてコントローラ４７で、例えば冷却水１０１の流量を制御することにより、恒温水１０２の温度を制御することができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係わる恒温流体供給システムを示す概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態は、第１の恒温流体供給装置１０から供給される第１の恒温水１０２の一部を分岐させている。分岐させた恒温水１０２の一方は第２の高温流体供給装置２０に供給され、他方は外部機器３０１に供給される。つまり、分岐させた第１の恒温水１０２の一部が外部機器３０１との間で循環するようになっている。これにより、外部機器３０ほど厳密ではないが、外部機器３０１をある程度恒温化することができる。

なお、第１の温度流体供給装置１０は、冷却能力を大きくすることが比較的容易であるため、恒温水１０２の流路を分割して複数の流路を形成することは十分に可能である。また、外部機器３０，３０１は、例えば電子ビーム露光装置の異なる部分である。一例として外部機器３０は試料チャンバや電子光学鏡筒であり、外部機器３０１は高精度な温度制御は要求されないが発熱量が大きい電源部分である。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係わる恒温流体供給システムを示す概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態は、第２の恒温流体供給装置２０以外に、別の第２の恒温流体供給装置２０１，２０２を設け、３つの恒温流体供給装置２０，２０１，２０２により外部機器３０，３０１，３０２をそれぞれ恒温化するものである。

即ち、第１の恒温水１０２は３つに分岐され、一つは恒温流体供給装置２０に供給され、もう一つは恒温流体供給装置２０１に供給され、残りは恒温流体供給装置２０２に供給されている。恒温流体供給装置２０，２０１，２０２は、第１の実施形態と同様にそれぞれペルチェ素子からなるものである。

高温流体供給装置２０の出力側から出力される第２の恒温水１０３は外部機器３０に供給されて外部機器３０を恒温化し、高温流体供給装置２０１の出力側から出力される第２の恒温水１０４は外部機器３０１に供給されて外部機器３０１を恒温化し、高温流体供給装置２０２の出力側から出力される第２の恒温水１０５は外部機器３０２に供給されて外部機器３０２を恒温化するものとなっている。

図７は、被恒温体としての電子ビーム露光装置を模式的に示す図である。図中の７１は試料チャンバ、７２は電子光学鏡筒、７３は試料面の高さを検出するＺセンサ、７４は電子光学鏡筒７２内の偏向器を駆動するための偏向アンプ、７５は外部電源を示している。前記図５又は図６に示す高温流体供給システムを用いることにより、電子ビーム露光装置の各部分を独立に温度制御することができる。

例えば、試料チャンバ７１には、高温流体供給装置２０から２５℃±０．０１℃に温度制御された恒温水１０３を供給する。電子光学鏡筒７２及びＺセンサ７３には、高温流体供給装置２０１から２４℃±０．０１℃に温度制御された恒温水１０４を供給する。偏向アンプ７４には、高温流体供給装置２０２から２０〜３０℃±０．０１℃に温度制御された恒温水１０５を供給する。そして、電源７５には、高温流体供給装置１０から２０〜３０℃±０．１℃に温度制御された恒温水１０２を供給する。

ここで、試料チャンバ７１に比して電子光学鏡筒７２及びＺセンサ７３への恒温流体の温度が僅かに低いのは、電子光学鏡筒７２及びＺセンサ７３が発熱部を有するためである。また、偏向アンプ７４は厳密な温度制御は必要であるが、設定温度自体は比較的ゆるい。さらに、外部電源７５は厳密な温度制御は必要なく、ある程度冷却されればよいことから、恒温水１０２の供給で十分である。

このように、被恒温体の各部分に対し、各々の発熱量や必要とされる温度制御範囲等に応じて、高温流体供給装置を適宜選択して高温化を図るようにしても良い。この場合、効率的な恒温化が可能となる。

（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係わる恒温流体供給システムを示す概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、第１の恒温流体供給装置１０と第２の恒温流体供給装置２０を直接接続し、一体化したものである。即ち、第１及び第２の恒温流体供給装置１０，２０が同一の架台５０上に固定され、恒温流体供給装置１０の出力側と恒温流体供給装置２０の入力側が連結されている。

このような構成であれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、第１及び第２の恒温流体供給装置１０，２０を一体構成しているので、装置構成の小型化をはかることができる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、第１の恒温流体供給装置として、前記図２に示す蒸発器と凝縮器を持つ冷却機構を用いたもの、或いは前記図４に示す熱交換器を用いたものを利用したが、これらに限らず適宜変更可能である。第１の恒温流体供給装置は、第２の恒温流体供給装置ほどには精度を要求されないので、低コストに実現できるものを用いるのが望ましい。さらに、第２の恒温流体供給装置としてはペルチェ素子を用いたが、これに限らず十分な精度が得られるものであればよい。

また、恒温流体は必ずしも水に限るものではなく、他の液体を用いることもできる。さらに、第１の恒温流体供給装置に使用する冷却水の代わりとして、気体を用いることも可能である。具体的には、第１の恒温流体供給装置の廃熱側を冷却ファンによる空冷にしても良い。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

第１の実施形態に係わる恒温流体供給システムを示す概略構成図。 第１の実施形態の恒温流体供給システムに用いた第１の恒温流体供給装置の具体的構成を示す図。 第１の実施形態の恒温流体供給システムに用いた第２の恒温流体供給装置の具体的構成を示す図。 第１の実施形態の恒温流体供給システムに用いることのできる第１の恒温流体供給装置の他の具体的構成を示す図。 第２の実施形態に係わる恒温流体供給システムを示す概略構成図。 第３の実施形態に係わる恒温流体供給システムを示す概略構成図。 第２及び第３の実施形態における恒温流体供給システムにより高温化される被恒温体の例を示す図。 第４の実施形態に係わる恒温流体供給システムを示す概略構成図。

符号の説明

１０…第１の恒温流体供給装置
２０…第２の恒温流体供給装置
１０１…冷却水
１０２…恒温水（第１の恒温流体）
１０３…恒温水（第２の恒温流体）
１１…凝縮器
１２…蒸発器
１３…圧縮器
１４，１５…電磁弁
１６，４６…温度計
１７，４７…コントローラ
１８，４８…ポンプ
２１…ペルチェ素子
２２，２３…恒温流体流路
４３…熱交換器
５０…架台

Claims (5)

1. 入力側に温度調整されていない冷却流体が供給され、出力側から温度が安定した第１の恒温流体を供給する第１の恒温流体供給装置と、
   入力側に前記第１の恒温流体が供給され、出力側から前記第１の恒温流体よりも安定した温度の第２の恒温流体を供給する第２の恒温流体供給装置と、
   を具備してなることを特徴とする恒温流体供給システム。
2. 被恒温体の第１の部分と第２の部分をそれぞれ所定の温度に制御するための恒温流体供給システムであって、
   入力側に温度調整されていない冷却流体が供給され、出力側から温度が安定した第１の恒温流体を供給し、且つ前記第１の恒温流体の一部を前記第１の部分に供給する第１の恒温流体供給装置と、
   入力側に前記第１の恒温流体の残りの一部が供給され、出力側から前記第１の恒温流体よりも安定した温度の第２の恒温流体を前記第２の部分に供給する第２の恒温流体供給装置と、
   を具備してなることを特徴とする恒温流体供給システム。
3. 前記第１の恒温流体供給装置は、蒸発器と凝縮器を持つ冷却機構を用いて構成され、前記冷却流体と前記第１の恒温流体との間で熱交換を行うものであり、前記第１の恒温流体供給装置の入力側としての廃熱側に前記冷却流体の流路が形成され、前記第１の恒温流体供給装置の出力側としての冷却側に前記第１の恒温流体の流路が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の恒温流体供給システム。
4. 前記第２の恒温流体供給装置はペルチェ素子を用いて構成されたものであり、前記ペルチェ素子の入力側としての廃熱面側に前記第１の恒温流体の流路が形成され、前記ペルチェ素子の出力側としての吸熱面側に前記第２の恒温流体の流路が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の恒温流体供給システム。
5. 被恒温体の第１の部分と第２の部分をそれぞれ所定の温度に制御するための恒温流体供給システムであって、
   入力側に温度調整されていない冷却流体が供給され、出力側から温度が安定した第１の恒温流体を供給する第１の恒温流体供給装置と、
   入力側に前記第１の恒温流体が供給され、出力側から前記第１の部分に、前記第１の恒温流体よりも安定した温度の第２の恒温流体を供給する第２の恒温流体供給装置と、
   入力側に前記第１の恒温流体が供給され、出力側から前記第２の部分に、前記第１の恒温流体よりも安定した温度の第３の恒温流体を供給する第３の恒温流体供給装置と、
   を具備してなることを特徴とする恒温流体供給システム。

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