TW202300839A - 多元冷凍循環裝置 - Google Patents

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Abstract

提供一種多元冷凍循環裝置，能夠減小設置在輔助間內的設備的設置面積，並且能夠縮短用於向半導體器件製造裝置移送冷卻介質的配管。多元冷凍循環裝置（2）具備：供第1製冷劑循環的第1冷凍循環（5），該第1製冷劑與用於冷卻半導體器件製造裝置（1）的冷卻介質進行熱交換；和供第2製冷劑循環的第2冷凍循環（6），該第2製冷劑與第1製冷劑進行熱交換，第1冷凍循環（5）的至少一部分配置在設置有半導體器件製造裝置（1）的無塵室內，第2冷凍循環（6）配置在輔助間內。

Description

多元冷凍循環裝置
本發明涉及包含低溫側冷凍循環和高溫側冷凍循環的多元冷凍循環裝置，尤其涉及在蝕刻裝置等半導體器件製造裝置的冷卻中使用的多元冷凍循環裝置。
為了擴大存儲器容量，作為3D-NAND的技術革新，層疊化不斷推進。因層疊化而蝕刻過程所耗費的加工處理時間增加，生產能力（生產率：through-put）的降低成為課題。為了縮短蝕刻加工時間、提高生產率，將蝕刻裝置的處理腔室冷卻到-30℃~-120℃左右的低溫是有效的。
因此，為了實現-30℃~-120℃左右的低溫，自以往起使用二元冷凍循環裝置等冷凍裝置，其已被多家公司產品化。 現有技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2012-193908號公報 專利文獻2：日本特開2013-64559號公報 專利文獻3：國際公開第2012/128229號
但是，在這些二元冷凍循環裝置中，與單級冷凍循環裝置相比設備數量增加，將這些設備連結的配管也變多，因此不可避免地，裝置的整體尺寸變大。作為半導體器件製造裝置的通常的設置狀況，如圖10所示，負責半導體器件加工的製程腔室（例如，蝕刻裝置的處理腔室）設置在無塵室（clean room）內，對製程腔室進行冷卻的二元冷凍循環裝置設置在與無塵室不同的區域、即設置各種周邊設備的輔助生產間（Sub-Fabrication）、通稱輔助間（Sub-Fab）的區域。
無塵室與輔助間的位置關係在大多情況下為樓上與樓下的位置關係，輔助間內的設備的設置面積原則上無法超過樓上的半導體器件製造裝置的設置面積。另外，設置於輔助間的裝置存在多個，因此縮小設置面積是各種裝置的基本課題。然而，半導體器件製造裝置的層疊構造的層數具有增加傾向，與此相隨，預想到二元冷凍循環裝置在今後會變得大型化。
除了上述問題以外，用於移送超低溫的冷卻介質的配管需要由與用於防止結露和進行隔熱相應的厚度的保冷材料覆蓋，施工的勞力和成本上升。而且，不僅需要用於在從輔助間到無塵室的長距離範圍內設置這樣的配管的空間，而且配管越長，周圍環境氣體的溫度越容易傳遞到配管內的冷卻介質（冷卻效果變低）。
另外，半導體器件製造裝置的冷卻中使用的冷卻介質的溫度根據製程而大幅變動，與之相應地冷凍裝置內的冷卻介質的溫度也容易變動。其結果為，存在冷凍裝置的運轉變得不穩定、無法恰當冷卻半導體器件製造裝置的情況。
因此，本發明提供一種多元冷凍循環裝置，能夠減小設置在輔助間內的設備的設置面積、並且能夠縮短用於向半導體器件製造裝置移送冷卻介質的配管。 另外，本發明提供一種能夠實現穩定運轉而恰當冷卻半導體器件製造裝置的多元冷凍循環裝置。
在一個方案中，提供一種多元冷凍循環裝置，用於冷卻半導體器件製造裝置，具備：供第1製冷劑循環的第1冷凍循環，該第1製冷劑與用於冷卻上述半導體器件製造裝置的冷卻介質進行熱交換；和供第2製冷劑循環的第2冷凍循環，該第2製冷劑與上述第1製冷劑進行熱交換，上述第1冷凍循環的至少一部分配置在設置有上述半導體器件製造裝置的無塵室內，上述第2冷凍循環配置在輔助間內。
根據本發明，多元冷凍循環裝置的構成要素分為兩部分且分別配置在無塵室和輔助間中，因此能夠減小設置在輔助間內的設備的設置面積。 另外，由於第1冷凍循環的至少一部分配置在無塵室內，所以能夠縮短用於從第1冷凍循環向半導體器件製造裝置（例如蝕刻裝置的處理腔室）移送超低溫的冷卻介質的冷卻配管。其結果為，能夠減小冷卻配管用的空間，並且冷卻效率提高。
在一個方案中，上述第1冷凍循環整體配置在上述無塵室內。 根據本發明，能夠進一步減小輔助間內的設置面積。
在一個方案中，上述第1冷凍循環包括：第1蒸發器，其構成為在上述冷卻介質與上述第1製冷劑之間進行熱交換，生成氣相的上述第1製冷劑；第1壓縮機，其構成為對上述氣相的第1製冷劑進行壓縮；第1冷凝器，其構成為使壓縮後的上述氣相的第1製冷劑冷凝而生成液相的上述第1製冷劑；和第1膨脹機構，其為了使上述第1製冷劑的壓力和溫度降低而配置在上述第1冷凝器與上述第1蒸發器之間，上述第1蒸發器和上述第1膨脹機構配置在上述無塵室內，上述第1壓縮機及上述第1冷凝器配置在上述輔助間內。 根據本發明，在樓下的輔助間內配置第1壓縮機和第1冷凝器，在樓上的無塵室內配置第1蒸發器和第1膨脹機構，因此，從第1壓縮機漏出到第1製冷劑內的潤滑油不會滯留於第1蒸發器，能夠使潤滑油在其重力作用下返回到第1壓縮機。
在一個方案中，上述多元冷凍循環裝置還具備使中間介質在上述第1冷凍循環與上述第2冷凍循環之間循環的中間介質循環管道，上述中間介質循環管道在上述第1冷凍循環與上述第2冷凍循環之間延伸。 根據本發明，第1冷凍循環的第1製冷劑與第2冷凍循環的第2製冷劑借助中間介質進行熱交換。對於中間介質，只要能夠將第1製冷劑的熱傳遞給第2製冷劑，則能夠使用比第1製冷劑及第2製冷劑更容易處理的流體。因此，對於中間介質循環管道，能夠使用樹脂管(resin tube)等具有柔軟性的配管。其結果為，能夠降低製造成本，而且，第1冷凍循環和第2冷凍循環的配置自由度增大。由於中間介質的溫度（例如，0℃~-80℃）比冷卻介質的溫度（例如，-30℃~-120℃）高，所以與覆蓋冷卻配管的保冷材料相比，覆蓋中間介質循環管道的保冷材料可以更簡易。 另外，中間介質由於具有與其體積相應的熱容量，所以也作為第1製冷劑與第2製冷劑之間的熱學緩衝物而發揮功能。通常，在半導體器件製造裝置的冷卻中使用後的冷卻介質的溫度會發生變動，與之相應地第1製冷劑的溫度也容易變動。中間介質由於能夠吸收這樣的第1製冷劑的溫度變動，所以能夠使多元冷凍循環裝置的運轉穩定。其結果為，多元冷凍循環裝置能夠向半導體器件製造裝置供給穩定溫度的冷卻介質。
在一個方案中，上述多元冷凍循環裝置還具備連接於上述中間介質循環管道的緩衝箱。 根據本發明，能夠增加中間介質的熱容量，能夠使多元冷凍循環裝置的運轉進一步穩定。
在一個方案中，上述中間介質為載冷劑(brine)（防凍液）。 根據本發明，對於中間介質循環管道，能夠使用樹脂管等具有柔軟性的廉價配管。其結果為，能夠降低製造成本，而且第1冷凍循環和第2冷凍循環的配置自由度增大。
在一個方案中，上述多元冷凍循環裝置還具備用於使上述第1製冷劑和上述第2製冷劑進行熱交換的級聯冷凝器(cascade condenser)。 根據本發明，由於級聯冷凝器中第1冷凍循環的冷凝器兼作第2冷凍循環的蒸發器，所以能夠減少熱交換器，能夠減小多元冷凍循環裝置的設置面積。
在一個方案中，上述第1冷凍循環具備：第1蒸發器，其構成為在上述冷卻介質與上述第1製冷劑之間進行熱交換，生成氣相的上述第1製冷劑；第1壓縮機，其構成為對上述氣相的第1製冷劑進行壓縮；第1冷凝器，其構成為使壓縮後的上述氣相的第1製冷劑冷凝而生成液相的上述第1製冷劑；和熱交換器，其配置在上述第1壓縮機與上述第1冷凝器之間，用於冷卻壓縮後的上述氣相的第1製冷劑。
根據本發明，由於上述氣相的第1製冷劑在進入第1冷凝器之前被預先冷卻，所以第1冷凝器中所需的冷卻熱量降低。即，由於使用了中間介質的冷卻熱量降低，所以對第2冷凍循環要求的冷凍容量可以較小。這帶來第2冷凍循環的耗電降低，其結果為能夠提高多元冷凍循環裝置的運轉效率。另外，由於能夠減小第2冷凍循環的冷凍能力，所以其結果為能夠減小設備的設置面積。而且，冷卻中使用後的冷卻水或載冷劑（防凍液）由於在被加熱之後被從熱交換器排出，所以能夠利用於需要加熱的其他用途，也能夠降低用於加熱的耗電。
在一個方案中，提供一種多元冷凍循環裝置，用於冷卻半導體器件製造裝置，具備：供第1製冷劑循環的第1冷凍循環，該第1製冷劑與用於冷卻上述半導體器件製造裝置的冷卻介質進行熱交換；供第2製冷劑循環的第2冷凍循環，該第2製冷劑與上述第1製冷劑進行熱交換；和中間介質循環管道，其用於使中間介質在上述第1冷凍循環與上述第2冷凍循環之間循環。
在一個方案中，上述中間介質循環管道在上述第1冷凍循環的冷凝器與上述第2冷凍循環的蒸發器之間延伸。 在一個方案中，上述多元冷凍循環裝置還具備連接於上述中間介質循環管道的緩衝箱。 在一個方案中，上述中間介質為載冷劑（防凍液）。 [發明效果]
根據本發明，能夠減小設置在輔助間內的設備的設置面積，並且能夠縮短用於向半導體器件製造裝置移送冷卻介質的配管，能夠減小冷卻配管用的空間，並且冷卻效率提高。
根據本發明，中間介質能夠吸收半導體器件製造裝置的冷卻中使用後的冷卻介質的溫度變動，因此能夠使多元冷凍循環裝置的運轉穩定。其結果為，多元冷凍循環裝置能夠向半導體器件製造裝置供給穩定溫度的冷卻介質，將半導體器件製造裝置恰當地冷卻。
以下，參照圖式說明本發明的實施方式。圖1是表示用於冷卻半導體器件製造裝置的多元冷凍循環裝置的一個實施方式的示意圖。在圖1所示的實施方式中，半導體器件製造裝置1是具備處理腔室的蝕刻裝置。半導體器件製造裝置1配置在無塵室內，多元冷凍循環裝置2的一部分配置在存在於無塵室的下方的輔助間內。無塵室處於上樓層，輔助間處於下樓層。
多元冷凍循環裝置2通過冷卻配管3與半導體器件製造裝置1連結。多元冷凍循環裝置2通過冷卻配管3向半導體器件製造裝置1（例如蝕刻裝置的處理腔室）輸送冷卻介質，將半導體器件製造裝置1冷卻。冷卻介質在半導體器件製造裝置1與多元冷凍循環裝置2之間循環。即，由多元冷凍循環裝置2生成的低溫（例如，-30℃~-120℃）的冷卻介質通過冷卻配管3被輸送到半導體器件製造裝置1，在半導體器件製造裝置1的冷卻中使用後的冷卻介質通過冷卻配管3返回到多元冷凍循環裝置2。
多元冷凍循環裝置2具備：供與冷卻介質進行熱交換的第1製冷劑循環的第1冷凍循環5、和供與第1製冷劑進行熱交換的第2製冷劑循環的第2冷凍循環6。因此，本實施方式的多元冷凍循環裝置2是二元冷凍循環裝置。在一個實施方式中，多元冷凍循環裝置2也可以包含三個以上的冷凍循環。
第1冷凍循環5整體配置在無塵室內，第2冷凍循環6整體配置在處於無塵室樓下的輔助間內。在無塵室內配置有格子板（grating）等金屬製的地板7，在地板7的下方存在地板下方空間9。該地板下方空間9是無塵室的一部分。半導體器件製造裝置1設置在地板7之上，第1冷凍循環5設置在半導體器件製造裝置1的周邊空間、地板下方空間9內等。
根據本實施方式，由於作為多元冷凍循環裝置2的構成要素的第1冷凍循環5和第2冷凍循環6分別配置在無塵室和輔助間中，所以能夠減小設置在輔助間內的設備的設置面積。另外，由於第1冷凍循環5配置在無塵室內，所以能夠縮短用於從第1冷凍循環5向半導體器件製造裝置1（例如蝕刻裝置的處理腔室）移送超低溫的冷卻介質的冷卻配管3。其結果為，能夠減小冷卻配管3用的空間，並且冷卻效率提高。
圖2是表示多元冷凍循環裝置2的一個實施方式的詳細構造的示意圖。如圖2所示，第1冷凍循環5具備使液相的第1製冷劑（製冷劑液）蒸發而生成氣相的第1製冷劑（製冷劑氣體）的第1蒸發器11、對氣相的第1製冷劑進行壓縮的第1壓縮機12、和使壓縮後的氣相的第1製冷劑冷凝而生成液相的第1製冷劑的第1冷凝器14。第1蒸發器11、第1壓縮機12及第1冷凝器14由第1製冷劑配管16連結。第1製冷劑通過第1製冷劑配管16而在第1蒸發器11、第1壓縮機12、第1冷凝器14中循環。
第1冷凍循環5還具備位於第1蒸發器11與第1冷凝器14之間的作為第1膨脹機構的第1膨脹閥17。第1膨脹閥17安裝於第1製冷劑配管16的在第1蒸發器11與第1冷凝器14之間延伸的部分。從第1冷凝器14向第1蒸發器11流動的第1製冷劑從第1膨脹閥17通過，從而第1製冷劑的壓力和溫度降低。通過了第1膨脹閥17的第1製冷劑向第1蒸發器11流入。
冷卻配管3與第1蒸發器11連接，在第1蒸發器11內進行冷卻介質與第1製冷劑的熱交換。該熱交換的結果為，冷卻介質被冷卻而成為低溫（例如，-30℃~-120℃），另一方面第1製冷劑被冷卻介質加熱而蒸發，成為製冷劑氣體。冷卻後的冷卻介質通過冷卻配管3而被輸送到半導體器件製造裝置1，製冷劑氣體通過第1製冷劑配管16而被輸送到第1壓縮機12。第1壓縮機12對製冷劑氣體進行壓縮，將壓縮後的製冷劑氣體輸送到第1冷凝器14。在第1冷凝器14中，如後述那樣，製冷劑氣體冷凝而成為製冷劑液。
第2冷凍循環6具備使液相的第2製冷劑（製冷劑液）蒸發而生成氣相的第2製冷劑（製冷劑氣體）的第2蒸發器21、對氣相的第2製冷劑進行壓縮的第2壓縮機22、和使壓縮後的氣相的第2製冷劑冷凝而生成液相的第2製冷劑的第2冷凝器24。第2蒸發器21、第2壓縮機22及第2冷凝器24由第2製冷劑配管26連結。第2製冷劑通過第2製冷劑配管26而在第2蒸發器21、第2壓縮機22、第2冷凝器24中循環。
多元冷凍循環裝置2還具備用於使中間介質在第1冷凍循環5與第2冷凍循環6之間循環的中間介質循環管道31。中間介質循環管道31與第1冷凍循環5和第2冷凍循環6連接。更具體地說，中間介質循環管道31具有用於將中間介質從第2冷凍循環6的第2蒸發器21向第1冷凍循環5的第1冷凝器14輸送的輸送管道31A、和用於使中間介質從第1冷凍循環5的第1冷凝器14返回到第2冷凍循環6的第2蒸發器21的返回管道31B。輸送管道31A的一端與第1冷凝器14連接，輸送管道31A的另一端與第2蒸發器21連接。返回管道31B的一端與第1冷凝器14連接，返回管道31B的另一端與第2蒸發器21連接。
中間介質通過中間介質循環管道31而在第1冷凍循環5的第1冷凝器14與第2冷凍循環6的第2蒸發器21之間循環。氣相的第1製冷劑（製冷劑氣體）與中間介質在第1冷凝器14內進行熱交換。其結果為，氣相的第1製冷劑被中間介質冷卻而成為液相的第1製冷劑（製冷劑液）。中間介質被第1製冷劑加熱而溫度上升。
被第1製冷劑加熱後的中間介質與液相的第2製冷劑（製冷劑液）在第2蒸發器21內進行熱交換。其結果為，液相的第2製冷劑被中間介質加熱而成為氣相的第2製冷劑（製冷劑氣體），另一方面，中間介質被第2製冷劑冷卻而溫度降低。冷卻後的中間介質通過中間介質循環管道31而被輸送到第1冷凍循環5的第1冷凝器14。冷卻後的中間介質與第1製冷劑在第1冷凝器14內進行熱交換。像這樣，中間介質通過中間介質循環管道31在第1冷凍循環5的第1冷凝器14與第2冷凍循環6的第2蒸發器21之間循環。從第2蒸發器21朝向第1冷凝器14流動的中間介質的溫度為例如0℃~-80℃。
在第2蒸發器21中，第2製冷劑被中間介質加熱而蒸發，成為製冷劑氣體。該製冷劑氣體通過第2製冷劑配管26被輸送到第2壓縮機22。第2壓縮機22對製冷劑氣體進行壓縮，將壓縮後的製冷劑氣體輸送到第2冷凝器24。在第2冷凝器24中，進行從未圖示的冷卻水源供給的冷卻水與製冷劑氣體（氣相的第2製冷劑）的熱交換。其結果為，製冷劑氣體冷凝而成為製冷劑液。
如上述那樣，第1冷凍循環5的第1製冷劑和第2冷凍循環6的第2製冷劑借助中間介質進行熱交換。中間介質是與第1製冷劑及第2製冷劑不同種類的液體。更具體地說，中間介質是全氟碳化物（PFC）液或乙二醇液等載冷劑（防凍液）。因此，中間介質保持液相而在中間介質循環管道31中循環。
對於中間介質，只要能夠將第1製冷劑的熱傳遞給第2製冷劑，則能夠使用比第1製冷劑及第2製冷劑更容易處理的載冷劑（防凍液）。因此，對於中間介質循環管道31，能夠使用樹脂管等具有柔軟性的廉價配管。其結果為，能夠降低製造成本，而且第1冷凍循環5和第2冷凍循環6的配置自由度增大。另外，由於中間介質的溫度（例如，0℃~-80℃）比冷卻介質的溫度（例如，-30℃~-120℃）高，所以與覆蓋冷卻配管3的保冷材料相比，覆蓋中間介質循環管道31的保冷材料可以更簡易。
另外，中間介質由於具有與其體積相應的熱容量，所以也作為第1製冷劑與第2製冷劑之間的熱學緩衝物而發揮功能。通常，在半導體器件製造裝置1的冷卻中使用後的冷卻介質的溫度會發生變動，與之相應地第1製冷劑的溫度也容易變動。中間介質由於能夠吸收這樣的第1製冷劑的溫度變動，所以能夠使多元冷凍循環裝置2的運轉穩定。其結果為，多元冷凍循環裝置2能夠向半導體器件製造裝置1供給穩定溫度的冷卻介質。
第2冷凍循環6還具備位於第2蒸發器21與第2冷凝器24之間的作為第2膨脹機構的第2膨脹閥27。第2膨脹閥27安裝於第2製冷劑配管26的在第2蒸發器21與第2冷凝器24之間延伸的部分。從第2冷凝器24向第2蒸發器21流動的第2製冷劑從第2膨脹閥27通過，從而第2製冷劑的壓力和溫度降低。通過了第2膨脹閥27的第2製冷劑向第2蒸發器21流入。
圖3是表示多元冷凍循環裝置2的另一其他實施方式的詳細構造的示意圖。本實施方式的沒有特別說明的結構及動作與參照圖1及圖2說明的實施方式相同，因此省略其重複的說明。在圖3所示的實施方式中，第1冷凍循環5的一部分配置在無塵室內，第1冷凍循環5的其他部分配置在輔助間內。在本實施方式中，第1蒸發器11及第1膨脹閥17配置在無塵室內，第1壓縮機12及第1冷凝器14配置在輔助間內。中間介質循環管道31整體也配置在輔助間。
本實施方式在無塵室的設置面積小的情況下有利。另外，根據本實施方式，在樓下的輔助間內配置第1壓縮機12和第1冷凝器14，在樓上的無塵室內配置第1蒸發器11，因此從第1壓縮機12漏出到第1製冷劑內的潤滑油不會滯留於第1蒸發器11，能夠使潤滑油在其重力作用下返回到第1壓縮機12。另外，在第1冷凍循環5中，通過將作為變得低溫的構成要素的第1蒸發器11、第1膨脹閥17配置在無塵室內，能夠縮短用於從第1冷凍循環5向半導體器件製造裝置1移送冷卻介質的冷卻配管3。
如圖4所示，在一個實施方式中，多元冷凍循環裝置2也可以還具備連接於中間介質循環管道31的緩衝箱32。在圖4所示的實施方式中，緩衝箱32連接於用於使中間介質從第1冷凍循環5的第1冷凝器14返回到第2冷凍循環6的第2蒸發器21的返回管道31B。緩衝箱32配置在設置面積有餘裕的輔助間內。從第1冷凍循環5的第1冷凝器14出來的中間介質暫且蓄留於緩衝箱32內，之後從緩衝箱32返回到第2冷凍循環6的第2蒸發器21。
根據本實施方式，由於能夠與緩衝箱32的容積相應地增加中間介質的體積，所以中間介質的熱容量增加，能夠使多元冷凍循環裝置2的運轉進一步穩定。圖4所示的緩衝箱32也可以組入到圖3的實施方式。
圖5是表示多元冷凍循環裝置2的另一其他實施方式的詳細構造的示意圖。本實施方式的沒有特別說明的結構及動作與參照圖2說明的實施方式相同，因此省略其重複的說明。在圖5所示的實施方式中，第1冷凍循環5的冷凝器和第2冷凍循環6的蒸發器由共同的級聯冷凝器（cascade condenser）40構成。級聯冷凝器40是第1冷凍循環5的冷凝器兼作第2冷凍循環6的蒸發器的熱交換器，配置在輔助間內。在一個實施方式中，在無塵室內的設置面積有餘裕的情況下，第1冷凍循環5的第1蒸發器11、第1壓縮機12、第1膨脹閥17及級聯冷凝器40可以配置在無塵室內。
在本實施方式中，未設置中間介質循環管道31。第1冷凍循環5的第1製冷劑配管16和第2冷凍循環6的第2製冷劑配管26這兩者與級聯冷凝器40連接。在第1冷凍循環5中循環的第1製冷劑及在第2冷凍循環6中循環的第2製冷劑流經級聯冷凝器40，在級聯冷凝器40內進行第1製冷劑與第2製冷劑的熱交換。由於級聯冷凝器40中第1冷凍循環5的冷凝器兼作第2冷凍循環6的蒸發器，所以能夠減少熱交換器，能夠減小多元冷凍循環裝置2的設置面積。
圖6是表示多元冷凍循環裝置2的另一其他實施方式的詳細構造的示意圖。本實施方式的沒有特別說明的結構及動作與參照圖2說明的實施方式相同，因此省略其重複的說明。在本實施方式中，在第1冷凍循環5的第1壓縮機12與第1冷凝器14之間設置有熱交換器50。熱交換器50與第1製冷劑配管16的在第1壓縮機12與第1冷凝器14之間延伸的部分連接。在該熱交換器50中流動著冷卻水或載冷劑（防凍液）等冷卻液、和壓縮後的上述氣相的第1製冷劑，進行冷卻液與氣相的第1製冷劑的熱交換。通過與冷卻液的熱交換而被冷卻的氣相的第1製冷劑被導入第1冷凝器14。
像這樣，由於氣相的第1製冷劑在進入第1冷凝器14之前預先被冷卻，所以第1冷凝器14中的所需的冷卻熱量降低。即，由於使用了中間介質的冷卻熱量降低，所以對第2冷凍循環6要求的冷凍容量可以較小。這帶來第2冷凍循環6的耗電降低，其結果為能夠提高多元冷凍循環裝置2的運轉效率。另外，由於能夠減小第2冷凍循環6的冷凍能力，所以其結果為能夠減少設備的設置面積。而且，在氣相的第1製冷劑的冷卻中使用後的冷卻水或載冷劑（防凍液）等冷卻液在被加熱之後被從熱交換器50排出，因此能夠利用於需要加熱的其他用途，也能夠降低用於加熱的耗電。
熱交換器50也能夠適用於參照圖3至圖5說明的實施方式。例如，熱交換器50也可以配置在圖5所示的第1壓縮機12與級聯冷凝器40之間。
圖7是表示多元冷凍循環裝置102的一個實施方式的詳細構造的示意圖。如圖7所示，多元冷凍循環裝置102通過冷卻配管103與半導體器件製造裝置1連結。多元冷凍循環裝置102通過冷卻配管103向半導體器件製造裝置1（例如蝕刻裝置的處理腔室）輸送冷卻介質，從而冷卻半導體器件製造裝置1。冷卻介質在半導體器件製造裝置1與多元冷凍循環裝置102之間循環。即，由多元冷凍循環裝置102生成的低溫（例如，-30℃~-120℃）的冷卻介質通過冷卻配管103被輸送到半導體器件製造裝置1，在半導體器件製造裝置1的冷卻中使用後的冷卻介質通過冷卻配管103返回到多元冷凍循環裝置102。
多元冷凍循環裝置102具備供與冷卻介質進行熱交換的第1製冷劑循環的第1冷凍循環105、和供借助中間介質與第1製冷劑進行熱交換的第2製冷劑循環的第2冷凍循環106。因此，本實施方式的多元冷凍循環裝置102為二元冷凍循環裝置。在一個實施方式中，多元冷凍循環裝置102也可以包含三個以上的冷凍循環。
第1冷凍循環105具備使液相的第1製冷劑（製冷劑液）蒸發而生成氣相的第1製冷劑（製冷劑氣體）的第1蒸發器111、對氣相的第1製冷劑進行壓縮的第1壓縮機112、和使壓縮後的氣相的第1製冷劑冷凝而生成液相的第1製冷劑的第1冷凝器114。第1蒸發器111、第1壓縮機112及第1冷凝器114由第1製冷劑配管116連結。第1製冷劑通過第1製冷劑配管116而在第1蒸發器111、第1壓縮機112、第1冷凝器114中循環。
第1冷凍循環105還具備位於第1蒸發器111與第1冷凝器114之間的作為第1膨脹機構的第1膨脹閥117。第1膨脹閥117安裝於第1製冷劑配管116的在第1蒸發器111與第1冷凝器114之間延伸的部分。從第1冷凝器114向第1蒸發器111流動的第1製冷劑從第1膨脹閥117通過，從而第1製冷劑的壓力和溫度降低。通過了第1膨脹閥117的第1製冷劑向第1蒸發器111流入。
冷卻配管103與第1蒸發器111連接，在第1蒸發器111內進行冷卻介質與第1製冷劑的熱交換。該熱交換的結果為，冷卻介質被冷卻而成為低溫（例如，-30℃~-120℃），另一方面第1製冷劑被冷卻介質加熱而蒸發，成為製冷劑氣體。冷卻後的冷卻介質通過冷卻配管103被輸送到半導體器件製造裝置1，製冷劑氣體通過第1製冷劑配管116被輸送到第1壓縮機112。第1壓縮機112對製冷劑氣體進行壓縮，將壓縮後的製冷劑氣體輸送到第1冷凝器114。在第1冷凝器114中，如後述那樣，製冷劑氣體冷凝而成為製冷劑液。
第2冷凍循環106具備使液相的第2製冷劑（製冷劑液）蒸發而生成氣相的第2製冷劑（製冷劑氣體）的第2蒸發器121、對氣相的第2製冷劑進行壓縮的第2壓縮機122、和使壓縮後的氣相的第2製冷劑冷凝而生成液相的第2製冷劑的第2冷凝器124。第2蒸發器121、第2壓縮機122及第2冷凝器124由第2製冷劑配管126連結。第2製冷劑通過第2製冷劑配管126而在第2蒸發器121、第2壓縮機122、第2冷凝器124中循環。
多元冷凍循環裝置102還具備用於使中間介質在第1冷凍循環105與第2冷凍循環106之間循環的中間介質循環管道131。中間介質循環管道131與第1冷凍循環105和第2冷凍循環106連接。更具體地說，中間介質循環管道131具有用於將中間介質從第2冷凍循環106的第2蒸發器121向第1冷凍循環105的第1冷凝器114輸送的輸送管道131A、和用於使中間介質從第1冷凍循環105的第1冷凝器114返回到第2冷凍循環106的第2蒸發器121的返回管道131B。輸送管道131A的一端與第1冷凝器114連接，輸送管道131A的另一端與第2蒸發器121連接。返回管道131B的一端與第1冷凝器114連接，返回管道131B的另一端與第2蒸發器121連接。
中間介質通過中間介質循環管道131在第1冷凍循環105的第1冷凝器114與第2冷凍循環106的第2蒸發器121之間循環。氣相的第1製冷劑（製冷劑氣體）與中間介質在第1冷凝器114內進行熱交換。其結果為，氣相的第1製冷劑被中間介質冷卻而成為液相的第1製冷劑（製冷劑液）。中間介質被第1製冷劑加熱而溫度上升。
被第1製冷劑加熱後的中間介質與液相的第2製冷劑（製冷劑液）在第2蒸發器121內進行熱交換。其結果為，液相的第2製冷劑被中間介質加熱而成為氣相的第2製冷劑（製冷劑氣體），另一方面，中間介質被第2製冷劑冷卻而溫度降低。冷卻後的中間介質通過中間介質循環管道131被輸送到第1冷凍循環105的第1冷凝器114。冷卻後的中間介質與第1製冷劑在第1冷凝器114內進行熱交換。像這樣，中間介質通過中間介質循環管道131在第1冷凍循環105的第1冷凝器114與第2冷凍循環106的第2蒸發器121之間循環。從第2蒸發器121朝向第1冷凝器114流動的中間介質的溫度為例如0℃~-80℃。
在第2蒸發器121中，第2製冷劑被中間介質加熱而蒸發，成為製冷劑氣體。該製冷劑氣體通過第2製冷劑配管126被輸送到第2壓縮機122。第2壓縮機122對製冷劑氣體進行壓縮，將壓縮後的製冷劑氣體輸送到第2冷凝器124。在第2冷凝器124中，進行從未圖示的冷卻水源供給的冷卻水與製冷劑氣體（氣相的第2製冷劑）的熱交換。其結果為，製冷劑氣體冷凝而成為製冷劑液。
如上述那樣，第1冷凍循環105的第1製冷劑與第2冷凍循環106的第2製冷劑借助中間介質進行熱交換。中間介質是與第1製冷劑及第2製冷劑不同種類的液體。更具體地說，中間介質是全氟碳化物（PFC）液或乙二醇液等載冷劑（防凍液）。因此，中間介質保持液相而在中間介質循環管道131中循環。
對於中間介質，只要能夠將第1製冷劑的熱傳遞給第2製冷劑，則能夠使用比第1製冷劑及第2製冷劑更容易處理的載冷劑（防凍液）。因此，對於中間介質循環管道131，能夠使用樹脂管等具有柔軟性的廉價配管。其結果為，能夠降低製造成本，而且第1冷凍循環105和第2冷凍循環106的配置自由度增大。另外，由於中間介質的溫度（例如，0℃~-80℃）比冷卻介質的溫度（例如，-30℃~-120℃）高，所以與覆蓋冷卻配管103的保冷材料相比，覆蓋中間介質循環管道131的保冷材料可以更簡易。
另外，中間介質由於具有與其體積相應的熱容量，所以也作為第1製冷劑與第2製冷劑之間的熱學緩衝物而發揮功能。通常，在半導體器件製造裝置1的冷卻中使用後的冷卻介質的溫度會發生變動，與之相應地第1製冷劑的溫度也容易變動。中間介質由於能夠吸收這樣的第1製冷劑的溫度變動，所以能夠使多元冷凍循環裝置102的運轉穩定。其結果為，多元冷凍循環裝置102能夠向半導體器件製造裝置1供給穩定溫度的冷卻介質。
第2冷凍循環106還具備位於第2蒸發器121與第2冷凝器124之間的作為第2膨脹機構的第2膨脹閥127。第2膨脹閥127安裝於第2製冷劑配管126的在第2蒸發器121與第2冷凝器124之間延伸的部分。從第2冷凝器124向第2蒸發器121流動的第2製冷劑從第2膨脹閥127通過，從而第2製冷劑的壓力和溫度降低。通過了第2膨脹閥127的第2製冷劑向第2蒸發器121流入。
如圖8所示，在一個實施方式中，多元冷凍循環裝置102也可以還具備連接於中間介質循環管道131的緩衝箱132。在圖8所示的實施方式中，緩衝箱132與用於使中間介質從第1冷凍循環105的第1冷凝器114返回到第2冷凍循環106的第2蒸發器121的返回管道131B連接。緩衝箱132配置在設置面積有餘裕的、設置各種周邊設備的輔助生產間、通稱為輔助間的區域內。從第1冷凍循環105的第1冷凝器114出來的中間介質暫且蓄留於緩衝箱132內，之後從緩衝箱132返回到第2冷凍循環106的第2蒸發器121。
根據本實施方式，與緩衝箱132的容積相應地中間介質的體積增加，因此中間介質的熱容量增加，能夠使多元冷凍循環裝置102的運轉進一步穩定。
圖9是表示多元冷凍循環裝置的配置的一個實施方式的示意圖。半導體器件製造裝置1（例如蝕刻裝置的處理腔室）配置在無塵室內，多元冷凍循環裝置102的一部分配置在存在於無塵室的下方的輔助間內。通常，無塵室處於上樓層，輔助間處於下樓層。
第1冷凍循環105整體配置在無塵室內，第2冷凍循環106整體配置在處於無塵室樓下的輔助間內。在無塵室內配置有格子板等金屬製的地板7，在地板7的下方存在地板下方空間9。該地板下方空間9為無塵室的一部分。半導體器件製造裝置1設置在地板7之上，第1冷凍循環105設置在半導體器件製造裝置1的周邊空間、地板下方空間9內等。
由於中間介質循環管道131能夠提高第1冷凍循環105和第2冷凍循環106的配置自由度，所以如圖9所示，能夠將作為多元冷凍循環裝置102的構成要素的第1冷凍循環105和第2冷凍循環106分別配置在無塵室和輔助間中。其結果為，能夠減小設置在輔助間內的設備的設置面積。另外，由於第1冷凍循環105配置在無塵室內，所以能夠縮短用於從第1冷凍循環105向半導體器件製造裝置1（例如蝕刻裝置的處理腔室）移送超低溫的冷卻介質的冷卻配管103。其結果為，能夠減小冷卻配管103用的空間，並且冷卻效率提高。
另外，通過具備中間介質循環管道131，能夠針對多個第1冷凍循環連接一個第2冷凍循環。其結果為，能夠減小設置在輔助間內的設備的設置面積，另外，也能夠實現運轉效率的提高。
而且，通過具備中間介質循環管道131，例如即使在開始運用裝置後也能夠比較容易地增設第2冷凍循環，也能夠靈活應對冷卻容量的變更（增大）和冷卻溫度的變更（降低）。
上述實施方式是以本發明所屬技術領域中具有通常知識的人員能夠實施本發明為目的而記載的。上述實施方式的各種變形例對於本領域技術人員來說是理所當然的，本發明的技術思想也能夠適用於其他實施方式。因此，本發明不限定於所記載的實施方式，在按照由申請專利範圍定義的技術思想的最大範圍內解釋。
1:半導體器件製造裝置 2:多元冷凍循環裝置 3:冷卻配管 5:第1冷凍循環 6:第2冷凍循環 7:地板 9:地板下方空間 11:第1蒸發器 12:第1壓縮機 14:第1冷凝器 16:第1製冷劑配管 17:第1膨脹閥 21:第2蒸發器 22:第2壓縮機 24:第2冷凝器 26:第2製冷劑配管 27:第2膨脹閥 31:中間介質循環管道 31A:輸送管道 31B:返回管道 32:緩衝箱 40:級聯冷凝器 50:熱交換器 102:多元冷凍循環裝置 103:冷卻配管 105:第1冷凍循環 106:第2冷凍循環 111:第1蒸發器 112:第1壓縮機 117:第1膨脹閥 114:第1冷凝器 116:第1製冷劑配管 117:第1膨脹閥 121:第2蒸發器 122:第2壓縮機 124:第2冷凝器 126:第2製冷劑配管 127:第2膨脹閥 131:中間介質循環管道 131A:輸送管道 131B:返回管道 132:緩衝箱
圖1是表示用於冷卻半導體器件製造裝置的多元冷凍循環裝置的一個實施方式的示意圖。 圖2是表示多元冷凍循環裝置的一個實施方式的詳細構造的示意圖。 圖3是表示多元冷凍循環裝置的其他實施方式的詳細構造的示意圖。 圖4是表示多元冷凍循環裝置的另一其他實施方式的詳細構造的示意圖。 圖5是表示多元冷凍循環裝置的另一其他實施方式的詳細構造的示意圖。 圖6是表示多元冷凍循環裝置的另一其他實施方式的詳細構造的示意圖。 圖7是表示多元冷凍循環裝置的一個實施方式的詳細構造的示意圖。 圖8是表示多元冷凍循環裝置的其他實施方式的詳細構造的示意圖。 圖9是表示多元冷凍循環裝置的配置的一個實施方式的示意圖。 圖10是用於說明半導體器件製造裝置和多元冷凍循環裝置的習知配置的示意圖。
1:半導體器件製造裝置
2:多元冷凍循環裝置
3:冷卻配管
5:第1冷凍循環
6:第2冷凍循環
7:地板
9:地板下方空間

Claims (12)

  1. 一種多元冷凍循環裝置，用於冷卻半導體器件製造裝置，其具備： 供第1製冷劑循環的第1冷凍循環，該第1製冷劑與用於冷卻所述半導體器件製造裝置的冷卻介質進行熱交換；和 供第2製冷劑循環的第2冷凍循環，該第2製冷劑與所述第1製冷劑進行熱交換， 所述第1冷凍循環的至少一部分配置在設置有所述半導體器件製造裝置的無塵室內， 所述第2冷凍循環配置在輔助間(Sub-Fab)內。
  2. 根據請求項1所述的多元冷凍循環裝置，其中， 所述第1冷凍循環整體配置在所述無塵室內。
  3. 根據請求項1所述的多元冷凍循環裝置，其中， 所述第1冷凍循環包括： 第1蒸發器，其構成為在所述冷卻介質與所述第1製冷劑之間進行熱交換，生成氣相的所述第1製冷劑； 第1壓縮機，其構成為對所述氣相的第1製冷劑進行壓縮； 第1冷凝器，其構成為使壓縮後的所述氣相的第1製冷劑冷凝而生成液相的所述第1製冷劑；和 第1膨脹機構，其為了使所述第1製冷劑的壓力和溫度降低而配置在所述第1冷凝器與所述第1蒸發器之間， 所述第1蒸發器和所述第1膨脹機構配置在所述無塵室內，所述第1壓縮機及所述第1冷凝器配置在所述輔助間內。
  4. 根據請求項1所述的多元冷凍循環裝置，其中， 所述多元冷凍循環裝置還具備用於使中間介質在所述第1冷凍循環與所述第2冷凍循環之間循環的中間介質循環管道， 所述中間介質循環管道在所述第1冷凍循環與所述第2冷凍循環之間延伸。
  5. 根據請求項4所述的多元冷凍循環裝置，其中， 所述多元冷凍循環裝置還具備連接於所述中間介質循環管道的緩衝箱(buffer tank)。
  6. 根據請求項4所述的多元冷凍循環裝置，其中， 所述中間介質為載冷劑(brine)(防凍液)。
  7. 根據請求項1所述的多元冷凍循環裝置，其中， 還具備用於使所述第1製冷劑和所述第2製冷劑進行熱交換的級聯冷凝器(cascade condenser)。
  8. 根據請求項1所述的多元冷凍循環裝置，其中， 所述第1冷凍循環具備： 第1蒸發器，其構成為在所述冷卻介質與所述第1製冷劑之間進行熱交換，生成氣相的所述第1製冷劑； 第1壓縮機，其構成為對所述氣相的第1製冷劑進行壓縮； 第1冷凝器，其構成為使壓縮後的所述氣相的第1製冷劑冷凝而生成液相的所述第1製冷劑；和 熱交換器，其配置在所述第1壓縮機與所述第1冷凝器之間，用於冷卻壓縮後的所述氣相的第1製冷劑。
  9. 一種多元冷凍循環裝置，用於冷卻半導體器件製造裝置，其具備： 供第1製冷劑循環的第1冷凍循環，該第1製冷劑與用於冷卻所述半導體器件製造裝置的冷卻介質進行熱交換； 供第2製冷劑循環的第2冷凍循環，該第2製冷劑與所述第1製冷劑進行熱交換；和 中間介質循環管道，其用於使中間介質在所述第1冷凍循環與所述第2冷凍循環之間循環。
  10. 根據請求項9所述的多元冷凍循環裝置，其中， 所述中間介質循環管道在所述第1冷凍循環的冷凝器與所述第2冷凍循環的蒸發器之間延伸。
  11. 根據請求項9所述的多元冷凍循環裝置，其中， 所述多元冷凍循環裝置還具備連接於所述中間介質循環管道的緩衝箱(buffer tank)。
  12. 根據請求項9所述的多元冷凍循環裝置，其中， 所述中間介質為載冷劑(brine)(防凍液)。
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