JPH0666434A - 超恒温清浄チヤンバー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 清浄空間内において時間的および空間的な温
度の分布幅が±0.01℃以内の超恒温状態を維持する超恒
温清浄チャンバーを提供する。 【構成】 断熱材からなるダクト内に空気冷却器，空気
加熱器および送風機を備えた調和空気送気ダクトをチャ
ンバーの室外に設置し，調和空気送気ダクトから所定温
度に調節された空気をHEPAフイルタを経て該チャンバー
内に吹出すと共にチャンバー内の空気の一部または全部
を調和空気送気ダクトに還気するようにした恒温清浄チ
ャンバーにおいて，送風機とHEPAフイルタとの間の通路
に，通路を流れる離れた位置の気流同士を互いに混合す
る粗混合手段と，通路を流れる気流を細かく乱す細混合
手段とからなり且つ粗混合手段の下流側に細混合手段を
配置してなる通路内気流を混合する手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，清浄空間内において時
間的および空間的な温度の分布幅が±0.01℃以内といっ
た超恒温状態を維持する超恒温清浄チャンバーに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超ＬＳＩの微細加工は，縮小投影露光法
や電子線・Ｘ線露光法等のようにステップ・アンド・リ
ピート方式が主流になっている。これはウエハを多数回
移動させながら露光する方式で，その移動を行なうＸＹ
テーブルには精密位置決め装置がついている。現在，位
置決めのための検出器で最も精度が高いものは，光源に
Ｈe-Ｎeをレーザーを使用したレーザー干渉測長器であ
る。

【０００３】レーザー波長は真空中においてのみ一定と
なり空気中では屈折率の変化に伴って変化する。従っ
て, レーザ測長器の精度を保つためには，空気の屈折率
が変化しないように, つまり温度, 湿度, 圧力を一定に
保つように，その測定環境を制御しなければならない。
例えば16MbitDRAMは最小線巾0.5μmになり，それに伴っ
て位置合わせ精度は0.1μmが要求される。温度について
の制御について見ると,温度と屈折率との関係は， (n_is/n-1)×10⁶＝ ｛0.931＋0.006(σ²−3)−0.003(t−20)｝×(t−20) ただし， n_is：工業標準状態の空気の屈折率 σ：真空波長の逆数(μm)

【０００４】また，測定の前後で屈折率がΔｎだけ変化
したとすると，その誤差Δｄは， Δｄ＝（Δｎ／ｎ）ｄ_o ただし，ｄ_o：変化後の光路長 であり，例えば100cmの長さのものを0.01μm以下の精度
で測定するためには，温度制御は±0.01℃以下でなけれ
ばならない。

【０００５】従来，清浄域空間において，空間的にも時
間的にも設定温度±0.01℃の範囲に収まる超恒温状態を
維持させることは困難であった。例えば, 昭和62年５月
27〜29日の第６回空気清浄とコンタミネーションコント
ロール研究大会において，加嶋正一氏等による「超恒ク
リーンブースの開発」，同報告書81〜84頁が紹介された
が，その成果は設置空間における温度分布を±0.05℃と
するものであった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】恒温清浄チャンバーに
ついては商標名「サーマルチャンバー」の開発成果とと
もに出願人らもその性能向上に努めてきた。しかし，温
度分布を空間的にも時間的にも±0.01℃とするには，例
え空気冷却器および加熱器での熱交換量の制御を正確に
行っても，それだけでは達成できないことがわかった。
すなわち, 冷却温度, 加熱温度, 風量などを一定する技
術, さらには層流方式で整流された空気をチャンバー内
に供給する技術, 断熱技術等はそれなりに達成されてい
るが, 温度分布を±0.01℃とするには，それだけでは十
分ではなく，さらに他の要因が存在することがわかっ
た。

【０００７】したがって，本発明の目的とするところ
は，その他の要因を究明すると共に温度分布±0.01℃を
空間的にも時間的にも達成する超恒温清浄チャンバーを
得ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば，断熱材
からなるダクト内に空気冷却器，空気加熱器および送風
機を備えた調和空気送気ダクトをチャンバーの室外に設
置し，該調和空気送気ダクトから所定温度に調節された
空気をHEPAフイルタを経て該チャンバー内に吹出すと共
に該チャンバー内の空気の一部または全部を該調和空気
送気ダクトに還気するようにした恒温清浄チャンバーに
おいて，該送風機とHEPAフイルタとの間の通路に，通路
を流れる離れた位置の気流同士を互いに混合する粗混合
手段と，通路を流れる気流を細かく乱す細混合手段とか
らなり且つ粗混合手段の下流側に細混合手段を配置して
なる通路内気流を混合する手段を設けたことを特徴とす
る温度分布が±0.01℃以下の超恒温清浄チヤンバーを提
供する。

【０００９】ここで，粗混合手段は各々独立した小通路
を束ねた小通路の積層体であって，該小通路の少なくと
も一部を，その空気取入口と出口の位置が互いに変位す
るように傾斜させて積層したものが好適であり，細混合
手段は空間率の大きな充填物からなるものが好適であ
る。

【００１０】

【作用】前記の課題を解決すべく本発明者らは数多くの
試験研究を重ねた結果, 例え定風量で熱量供給を一定に
する制御を行っても，チャンバー内の温度分布を±0.01
℃にすることには限界があり，これは，熱交換器を通過
した空気流れが±0.01℃を超える気流分布をもつことに
起因することが判明した。HEPAフイルタ背後の給気プレ
ナムに流れる気流自身が空間的にも時間的にも温度分布
をもつのである。これは，熱交換器に通過する空気が熱
交換面で異なる速度分布をもったり，ミクロ的には熱交
換面の各位置で熱交換量が異なることによる温度分布の
発生と, 送風機吐出側で安定した気流の混合ができてい
ないこと等によることがわかった。したがって，送風機
とHEPAフイルタとの間で気流を十分に混合することとが
重要となる。

【００１１】HEPAフイルタ前の通路内気流を混合する手
段として，本発明においては，通路を流れる離れた位置
の気流同士を互いに混合する粗混合手段と，通路を流れ
る気流を細かく乱す細混合手段とを用い，粗混合手段の
下流側に細混合手段を配置する。そのさい粗混合手段と
しては，各々独立した小通路を束ねた小通路の積層体で
あって，該小通路の少なくとも一部を，その空気取入口
と出口の位置が互いに変位するように傾斜させて積層し
たものが好適であり，また細混合手段は空間率の大きな
充填物が好適である。

【００１２】このようにして，送風機の吐出側で通路内
気流を完全に混合することにより，HEPAフイルタを通過
する空気の温度分布を±0.01℃以内にすることができ
る。なお，送風機の吸込側に設置される熱交換器の上流
側に熱交換量調整ユニットを設置すれば送風機吐出側で
の温度分布をさらに低減することができる。この熱交換
量調整ユニットとしては，通路断面を横切る方向に張り
渡されたフレームによって多数の開口を形成し，この開
口に粗さの異なるメッシュ体を取外し自在に設置したも
のが好適である。

【００１３】以下に図面の実施例に従って本発明の内容
を具体的に説明する。

【００１４】

【実施例】図１は，本発明に従う超恒温清浄チャンバー
の実施例を示したものであり，対向する面が互いに平行
な６面によって室空間を形成したチャンバー１内に，１
側面に面状に設置したHEPAフイルタ２を経て温度調整さ
れた清浄空気を吹出し，チャンバー１内の空気はHEPAフ
イルタ２と対向する側面に設けた吸込口３からレタンチ
ャンバー４に取入れることによって，水平層流型気流パ
ターンをもつ恒温清浄室を構成してある。なお，本発明
は垂直層流型気流パターンのものに対しても同様に適用
できるものであるが，図示の例で本発明の内容を説明す
る。

【００１５】レタンチャンバー（排気プレナム）４から
HEPAフイルタ２背後の給気プレナム５に通ずるダクト６
をチャンバー１の室外に設け，このダクト６内に空気冷
却器７，空気加熱器８および送風機９を配置する。ダク
ト６内にはレタンチャンバー４からの還気と共に系外空
気の取入口10から系外空気が必要に応じて取入れられる
ようになっている。ダクト６は断熱材を用いて構成さ
れ，系外空気との間で熱の出入が実質上起こらないよう
にしてある。

【００１６】空気冷却器７はフインチューブ熱交換器で
ありこれに密閉型水冷コンデンシングユニット11から冷
媒を循環供給する。そのさい低圧ゲージ12および高圧ゲ
ージ13によって検出される空気冷却器７前後の冷媒圧が
一定となるように制御され，これによって空気冷却器７
の冷媒温度が一定に維持される。14はこの制御のための
圧力スイッチを示している。

【００１７】空気冷却器７の下流側に設置される空気加
熱器８は電気ヒータであり，その通電量を制御すること
によってここを通過する空気温度を制御する。これは，
チャンバー１のHEPAフイルタの吹出面近傍に置かれた温
度センサー15の検出値を温度コントローラ16が受けてサ
イリスタ17を制御することによって行なう。

【００１８】このようにして空気冷却器７で一たん冷却
された空気を空気加熱器８で再加熱することによって設
定温度に調節するのであるが，空気加熱器８において精
密な温度調整を行なうことによって恒温を得ることがで
きる。ここまでは従来の技術である。しかし，これだけ
ではたとえ空気冷却器７および空気加熱器８の制御を精
密に行ってもチャンバー１内空間の温度分布を±0.01℃
以内とすることは不可能である。

【００１９】その一つは，送風機９から吐出された空気
の流れが温度分布をもつこと，その一つは空気冷却器７
や空気加熱器８での熱交換量がフインの位置によってミ
クロ的に異なることである。前者の要因は，ダクト６内
および給気プレナム５を空気が流れる間の自然な空気の
混合によって或る程度減少するし，後者の要因は空気加
熱器８で再加熱されるさいに或る程度消失する。したが
って，チャンバー１内の空間の温度分布を±0.1℃以内
とすることができる。しかし±0.01℃以内を定常的に達
成することは難しい。本発明によれば，送風機９とHEPA
フイルタ２との間の気流通路に二つの気流混合手段20と
21を配置し，気流混合手段20によって前者の要因を，ま
た気流混合手段21によって後者の要因を除去するように
したものであり，これよりチャンバー１内の温度分布を
±0.01℃以内とすることに成功したものである。

【００２０】図２は，気流混合手段20の例を示した斜視
図である。図示のように，これは各々独立した多数の小
通路を束ねた積層体であって，その小通路の少なくとも
一部を，その空気取入口と出口の位置が互いに変位する
ように傾斜させて積層することによって，通路を流れる
離れた位置の気流同士を互いに混合するようにしたもの
である。

【００２１】すなわち図示の矢印の方向の通路内主気流
に対して，その通路一杯に小通路の積層体を設置し，そ
の小通路の一部を傾斜させることによって，その傾斜し
た小通路を通過した気流が入口の位置とは異なる位置の
出口から流出するようにして通路内での流れ位置を強制
的に変更すると同時に出口側で気流の混合が生ずるよう
にしたものである。

【００２２】図２の例において，小通路の積層体は(a)
，(b) および(c) の三つの単位の組合せからなってい
る。(a) は主気流方向と平行な小通路だけを一列に並べ
た直進部ユニット（図２では小通路の列が縦に並ぶよう
に設置してある，以下(b) ，(c) でも同じ),(b) は小通
路の入口の位置が下方にあり出口の位置が上方となるよ
うに傾斜小通路を縦に一列に並べた上昇部ユニット,
(c) は小通路の入口の位置が上方にあり出口の位置が下
方となるように傾斜小通路を縦に一列に並べた下降部ユ
ニットであり，これらを図３〜図５に側面的に示した。

【００２３】(a) ，(b) ，(c) ともほぼ同じ断面積をも
つ小通路の列からなるが，(b) と(c) は小通路を傾斜さ
せている関係上, その傾斜小通路の数は(a) の約半分で
ある。第２図では(b) と(c) のユニットを適当に配置す
ることによって，通路内の主気流の一部を下から上へ，
上から下へと部分的に強制的に導くことによって気流の
粗混合を行わせるようにしたものであるが，この上下方
向の偏向に変えて左右方向への偏向，或いは上下と左右
の両方向への偏向を行なうこともできる。このように構
成した気流混合手段20によると，送風機９から吐出した
ダクト内気流の温度分布を圧損なく低減することができ
る。

【００２４】この場合，小通路の断面を一層小さくし，
傾斜ユニットを交叉させながら多数配置すれば，それだ
け温度分布を小さくすることが可能であるが，これだけ
ではミクロ断面での温度分布を完全に無くすることには
限界がある。このため，この気流混合手段20の下流側に
細混合手段21を配置する。

【００２５】図６はこの細混合手段21の例を示したもの
であり，これは，通路断面を塞ぐ大きさのフレーム枠25
に枡目の大きな網を張り渡して容器形状のものを作り,
この中に空間率の大きな充填物26を詰めたものである。

【００２６】この充填物26は小断面気流を乱すものであ
ればよいが，本発明者らの実験によると実公昭53-17312
号公報で提案された合成樹脂製籠型充填体 (製造元住友
化学株式会社：商品名サミットリング) が好適であるこ
とがわかった。この充填体は数mm径のポリプロピレン樹
脂の線状体が立体的に入り組みダイヤモンドに似た全体
外形 (外形寸法約７〜８cm) を有する空隙率の大きな充
填物であり，もともと冷却塔等での空気−水の接触状態
を良好にするために開発されたものである。

【００２７】本発明においてはこのような充填物26をダ
クト内に配置することによって, 細断面において気流の
混合が図れることが判明し，先の気流混合手段20でも除
去しきれなかった細断面の気流の温度分布を無くしたも
のである。

【００２８】なお，場合によっては，図７に示すような
熱交換量調整ユニットを空気冷却器７の上流側に設置す
ることも好ましい。これは，粗さの異なるメッシュユニ
ット28を多数準備し, これらをフレーム29の任意の位置
に嵌め込めるようにしたものである。図示の例では９個
の粗さの異なるメッシュユニット28をフレーム29に嵌め
込めるようにした例を示している。このようにして，空
気冷却器７に入る前の空気通路にメッシュ粗さの分布を
適切に調節した熱交換量調整ユニットを配置すると，空
気加熱器８の出口空気の空間的温度分布を減少させるこ
とができる。そのさい，粗さ分布の調節は，チャンバー
１内の温度分布の測定値に応じて現場合わせで行なうの
が実際には都合がよい。

【００２９】以下に本発明者の行った代表的な試験結果
を示す。試験に供したチャンバーは平面寸法1480×1720
mm, 天井高さ1500mm, HEPAフイルタの吹出寸法1620×10
40mmであり，熱源は密閉型水冷コンデンシングユニット
AC200V×3φ×1.1KW(50Hz)および電気ヒータ( ベアＮi-
Ｃr)である。またチャンバーの周囲はビニールカーテン
で囲い, 周囲空気温度は変動させた。

【００３０】〔比較例〕図８〜９は，本発明に従う気流
混合手段20,21を設置しなかった場合の調和空気送気ダ
クト内の各位置でのダクト内空気温度分布および風速分
布を示したものである(HEPAフイルタ面からの吹出風速
＝0.4m/s)。各図表の枠はダクト断面を示し, 測定位置
は図表中の○印の位置であり，〜は温度変動巾, ( )内
数値はその点における平均温度, 〔 〕内数値はその点
における平均風速を示している。

【００３１】図８〜９に見られるように，空気冷却器前
では，これはレタンチャンバーを通過したあとの空気冷
却器入口部の測定値であるが，すでに各点の平均温度の
バラツキΔＴ_MAXが0.12℃になっていることがわかる。
また空気冷却器および電気ヒータで熱の授受があるとΔ
Ｔ_MAXは2.5〜3.0℃程度と増加するが，フアンによる混
合効果によってフアン出口部では0.5℃程度に減少して
いる。また，フアン出口からダクト内への急拡大と距離
による混合効果でダクト中流では0.08℃, 下流では0.04
℃とΔＴ_MAXは減少している。また各点の平均温度の平
均値(Tf_ave) もフアン出口から下流まで0.10→0.08→0.
07℃と減少している。しかし，本発明が意図する温度分
布±0.01℃は, HEPAフイルタ背後でも達成できない。

【００３２】〔本発明例〕図２に示したとおりの気流混
合手段20と図６に示したとおりの気流混合手段21をフア
ン吐出側のダクト内に配置して同じ試験を行った。気流
混合手段21の充填物には本文に説明した商品名サミット
リング (ダイヤモンド型：空隙率94.5%)を使用した。図
１０〜１１に比較例と同様の測定を行った結果を示し
た。

【００３３】この図１０〜１１の結果から，空気冷却器
の前ではΔＴ_MAXは0.07℃となっていることがわかる。
そして空気冷却器および電気ヒータを通過する際に熱の
授受によって空気温度分布は大きいが，フアン出口では
フアンによる混合効果で0.4℃に減少し，フアンからダ
クトへの急拡大と距離による混合効果でダクト中流では
0.06℃に減少し，気流混合手段20と21を通過したあとの
ダクト下流ではΔＴ_MAXは0.01℃まで減少したことがわ
かる。また，平均変動巾 (Tf_ave) もフアン出口から下
流まで0.04→0.03→0.01℃と減少し，比較例のそれらと
比較すると本発明の効果が明らかである。

【００３４】図１２および図１３は，前記の比較例およ
び本発明例の各測定位置におけるΔＴ_MAXとTf_ave値とを
グラフで示したものである。各プロットの横軸の位置は
図の上部に示すダクトの位置 (測定位置) に相当する。
図中の混合セルとは気流混合手段20を, 混合充填物とは
気流混合手段21である。

【００３５】また，比較例および本発明例の場合のチャ
ンバー内における時間的および空間的温度分布を測定し
た結果, 外乱がない状態で設定値23℃において比較例で
はΔＴ_MAXの最大値は0.041℃であり, Tf_ave値は0.032℃
であったが, 本発明例では±0.01℃の温度分布が達成さ
れ且つTf_ave値は0.007 ℃が確認された。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように，本発明によれば空
間的にも時間的にも温度分布±0.01℃を達成する超恒温
清浄チャンバーが提供される。したがって超ＬＳＩの微
細加工等の精密作業に対してその精度向上に大きく貢献
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従う超恒温清浄チャンバーの実施例を
示す略断面図である。

【図２】本発明に従う粗気流混合手段の例を示す全体斜
視図である。

【図３】図２の直進部ユニットの側断面図である。

【図４】図２の上昇部ユニットの側断面図である。

【図５】図２の下降部ユニットの側断面図である。

【図６】本発明に従う細気流混合手段の例を示す斜視図
である。

【図７】熱交換量調整ユニットの例を示す分解斜視図で
ある。

【図８】比較例の恒温清浄チャンバーにおけるダクトの
各位置断面での温度分布および風速分布の実測値を示す
図であり，空気冷却器前，空気冷却器後および電気ヒー
タ後のものを示す。

【図９】比較例の恒温清浄チャンバーにおけるダクトの
各位置断面での温度分布および風速分布の実測値を示す
図であり，フアン出口，ダクト中流，ダクト下流のもの
を示す。

【図１０】本発明の超恒温清浄チャンバーにおけるダク
トの各位置断面での温度分布および風速分布の実測値を
示す図であり，空気冷却器前，空気冷却器後および電気
ヒータ後のものを示す。

【図１１】本発明の超恒温清浄チャンバーにおけるダク
トの各位置断面での温度分布および風速分布の実測値を
示す図であり，フアン出口，ダクト中流，ダクト下流の
ものを示す。

【図１２】比較例のダクトの各位置断面での温度平均値
のバラツキと平均変動巾を示す図である。

【図１３】本発明例のダクトの各位置断面での温度平均
値のバラツキと平均変動巾を示す図である。

【符号の説明】

１ チャンバー， ２ HEPAフイルタ， ３ 吸込口， ４ レタンチャンバー， ５ 給気チャンバー， ６ 調和空気送気ダクト， ７ 空気冷却器， ８ 空気加熱器， ９ 送風機， 10 系外空気取入口, 11 水冷コンデンシングユニット, 15 温度センサ, 20 粗気流混合手段, 21 細気流混合手段, 23 熱交換量調整ユニット, 26 空隙率の大きな充填物。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断熱材からなるダクト内に空気冷却器，
   空気加熱器および送風機を備えた調和空気送気ダクトを
   チャンバーの室外に設置し，該調和空気送気ダクトから
   所定温度に調節された空気をHEPAフイルタを経て該チャ
   ンバー内に吹出すと共に該チャンバー内の空気の一部ま
   たは全部を該調和空気送気ダクトに還気するようにした
   恒温清浄チャンバーにおいて，該送風機とHEPAフイルタ
   との間の通路に，通路を流れる離れた位置の気流同士を
   互いに混合する粗混合手段と，通路を流れる気流を細か
   く乱す細混合手段とからなり且つ粗混合手段の下流側に
   細混合手段を配置してなる通路内気流を混合する手段を
   設けたことを特徴とする温度分布が±0.01℃以下の超恒
   温清浄チヤンバー。
2. 【請求項２】 粗混合手段は，各々独立した小通路を束
   ねた小通路の積層体であって，該小通路の少なくとも一
   部を，その空気取入口と出口の位置が互いに変位するよ
   うに，傾斜させて積層したものである請求項１に記載の
   超恒温清浄チャンバー。
3. 【請求項３】 細混合手段は，空間率の大きな充填物か
   らなる請求項１に記載の超恒温清浄チャンバー。