WO2019130970A1 - 冷却装置、半導体製造装置および半導体製造方法 - Google Patents

冷却装置、半導体製造装置および半導体製造方法 Download PDF

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    • H10P72/04—Apparatus for manufacture or treatment
    • H10P72/0431—Apparatus for thermal treatment
    • H10P72/0434—Apparatus for thermal treatment mainly by convection

Definitions

  • the present invention relates to a cooling device, a semiconductor manufacturing apparatus, and a semiconductor manufacturing method.
  • a semiconductor manufacturing apparatus such as a pattern forming apparatus such as an exposure apparatus, an imprint apparatus, or an electron beam drawing apparatus, or a plasma processing apparatus such as a CVD apparatus, an etching apparatus, or a sputtering apparatus is heated by a drive mechanism or plasma. It may have a heat generating part such as a member.
  • the semiconductor manufacturing apparatus may be equipped with a cooling device to cool such a heat generating part. The cooling device takes heat from the heat generating part and cools the heat generating part by transferring the heat.
  • Japanese Patent No. 5313384 describes a cooling system comprising an evaporator for extracting heat from parts, a condenser, a pump, an accumulator, a heat exchanger, and a temperature sensor.
  • a circuit is formed in which the fluid exiting the pump returns to the pump via the evaporator and the condenser, and the accumulator is in fluid communication with the circuit.
  • the heat exchanger transfers heat from the fluid in the accumulator and transfers heat to the fluid in the accumulator. This amount is controlled based on the output of the temperature sensor.
  • the heat generating part In the heat generating part, vaporization cooling is not performed until the temperature rises to the boiling point under the fluid pressure of the heat generating part, so the temperature fluctuation of the heat generating part is allowed during this time, and the members around the heat generating part are thermally expanded. It can be deformed. Therefore, in order to suppress temperature fluctuations, the gas-liquid balance of the fluid is changed by controlling the amount of heat to the accumulator so that the temperature downstream of the heat generating part reaches a predetermined temperature using the gas-liquid two-phase accumulator, the pressure of the entire system The boiling point is controlled by changing.
  • One aspect of the present invention provides a cooling device having a simple configuration.
  • One aspect of the present invention relates to a cooling device, wherein the cooling device circulates a liquid phase refrigerant such that the liquid phase refrigerant is extracted from the tank, cooled, and returned to the tank.
  • a heater configured to heat the refrigerant in the liquid phase supplied from the first path; and a second path branched from the first path, the second path being heated by the heater
  • a throttling for reducing the pressure of the refrigerant, and a vaporizer for vaporizing at least a part of the refrigerant having passed the throttling by heat from the object to be cooled, the refrigerant having passed the vaporizer is returned to the tank.
  • the structure of the cooling device 1 of 1st Embodiment of this invention is shown by FIG.
  • the object to be cooled by the cooling device 1 is not limited to a particular object, but may be, for example, a semiconductor manufacturing apparatus, in particular, a heat generating portion of the semiconductor manufacturing apparatus.
  • the semiconductor manufacturing apparatus may be, for example, a pattern forming apparatus such as an exposure apparatus, an imprint apparatus, or a charged particle beam drawing apparatus, or a plasma processing apparatus such as a CVD apparatus, an etching apparatus, or a sputtering apparatus.
  • the pattern forming apparatus has a drive mechanism that moves parts such as a substrate and / or an original plate at high speed, and the drive mechanism generates heat as the article is driven, and can become a heat generating portion.
  • parts such as electrodes are heated by plasma, and the parts can be heat generating parts.
  • the cooling device 1 can be configured to cool an object to be cooled 80 such as a heat generating portion.
  • the cooling device 1 includes a tank 10 and a first path 20 for circulating the liquid phase refrigerant 12 by the pump 22 so as to take out the liquid phase refrigerant 12 from the tank 10, cool it with the heat exchanger 26, and return it to the tank 10. And a second path 30 branched from the first path 20.
  • a branch point P1 of the second path 30 from the first path 20 may be disposed between the pump 22 and the heat exchanger 26.
  • the first passage 20 may have a first throttle 24 disposed between the heat exchanger 26 and the tank 10.
  • the first throttle 24 can lower the pressure of the liquid phase refrigerant 12.
  • the first throttle 24 may be disposed between the heat exchanger 26 and the branch point P1 of the second path 30 from the first path 20.
  • the refrigerant 12 may be circulated in the liquid phase. Therefore, it is not necessary to consider that the pump is damaged by cavitation as in a system in which liquid and gas phases are mixed. Therefore, according to the first embodiment, there is no need to provide a condenser for changing the gas phase refrigerant 12 to the liquid phase in the first path 20, and the cooling device 1 having a simple configuration can be realized. However, in the design of the first path 20, the specifications and the like of the pump 22 may be determined such that the occurrence of cavitation in the transfer of the liquid phase refrigerant 12 is prevented.
  • the pressure of the refrigerant 12 is the sum of the saturated vapor pressure at the temperature of the suction portion of the refrigerant 12 and NPSH (abbreviation of Net Positive Suction Head) specific to the pump 22.
  • NPSH abbreviation of Net Positive Suction Head
  • the second path 30 may include, for example, a heater 32, a throttle (second throttle) 34, and a vaporizer 36, and may be configured to return the refrigerant that has passed through the vaporizer 36 to the tank 10.
  • the heater 32 heats the liquid phase refrigerant 12 supplied from the first path 20 to a predetermined temperature.
  • the throttling 32 lowers the pressure of the refrigerant 12 heated to a predetermined temperature by the heater 32 to near the saturated vapor pressure at the predetermined temperature, and makes the refrigerant 12 easily boil.
  • the vaporizer 36 boils and vaporizes at least a part of the refrigerant 12 which has passed through the throttle 34 by the heat from the object to be cooled 80.
  • the refrigerant 12 in the gas-liquid two-phase mixed state that has passed through the vaporizer 36 is returned to the tank 10, is cooled by mixing with the refrigerant 12 in the liquid phase cooled in the first passage 20, and changes from gas phase to liquid phase It can (ie, condense).
  • the cooling device 1 can further include a temperature detector 42 that detects the temperature of the refrigerant 12 that has passed through the throttle 34, and a temperature controller 44 that controls the heater 32 based on the output of the temperature detector 42.
  • the refrigerant 12 set to the target temperature can be supplied to the vaporizer 36.
  • the phase change of the refrigerant 12 is limited to two places of the vaporizer 36 and the tank 10, and further, the refrigerant 12 of the liquid phase is condensed by the mixture of the refrigerants 12 having different temperature differences.
  • the means for discharging the heat recovered by the cooling device 1 out of the system may be one of the heat exchangers 26.
  • the cooling device 1 with a simple configuration can be realized.
  • the cooling device 1 of 2nd Embodiment is an improvement of the cooling device 1 of the first embodiment, and matters not mentioned as the second embodiment can follow the first embodiment.
  • the cooling device 1 according to the second embodiment includes a detection unit 52 that detects the amount of vaporized refrigerant 12 in the tank 10, and a controller 54 that controls (heat exchange with) the heat exchanger 26 based on the output of the detection unit 52. And can be additionally provided.
  • the amount of vaporized refrigerant 12 in the tank 10 depends on the pressure in the tank 10. Therefore, the detection unit 52 can detect the amount of the vaporized refrigerant 12 in the tank 10 by detecting the pressure in the tank 10.
  • the amount of vaporized refrigerant 12 in the tank 10 (in other words, the pressure in the tank 10) also depends on the temperature of the liquid phase refrigerant 12 in the tank 10. Therefore, the temperature of the liquid phase refrigerant 12 circulating in the first path 20 can be controlled by the controller 54 controlling (the heat exchange in) the heat exchanger 26 based on the output of the detection unit 52, Furthermore, the amount of condensation of the vaporized refrigerant 12 can be controlled.
  • the gas phase refrigerant 12 In order to control the amount of condensation of the refrigerant 12, the gas phase refrigerant 12 must always be present inside the tank 10. In order to achieve this, the tank 10 can be filled with a gas 72 that does not condense under the temperature of the tank 10.
  • the gas 72 is a gas that does not react with the refrigerant 12.
  • FIG. 3 is a phase diagram of the refrigerant 12 in the cooling device 1.
  • a saturated vapor pressure line and a thermal cycle are exemplified.
  • the refrigerant 12 is in the liquid phase above the saturated vapor pressure line, and the refrigerant 12 is in the vapor phase below the saturated vapor pressure line.
  • the liquid phase refrigerant 12 is sucked from the tank 10 by the pump 22 and pressurized to be in the state S2, cooled by the heat exchanger 26 to be in the state S5, and further decompressed by the throttle 24 It is returned to the tank 10 in the state S6.
  • the refrigerant 12 in the state S2 is heated by the heater 32 to be in the state S3, and then decompressed by the throttle 34 to be in the state S4 and returned to the tank 10 through the vaporizer 36.
  • the gas 72 is a partial pressure ("gas partial pressure") corresponding to the difference between the vapor pressure of the refrigerant 12 returned to the tank 10 and the vapor pressure of the liquid phase refrigerant 12 (temperature controlled) in the tank 10 A predetermined amount is enclosed in the tank 10 to give.
  • the refrigerant 12 returned to the tank 10 through the second path 30 can exist as a gas having a saturated vapor pressure at the temperature of the state S1.
  • the refrigerant 12 will be in the state above the saturated vapor pressure line in the state S1, that is, in the liquid phase.
  • Making the partial pressure of the gas 72 equal to or higher than NPSH of the pump 22 is equivalent to preventing cavitation. Therefore, the partial pressure of the gas 72 may be equal to or higher than NPSH of the pump 22.
  • the refrigerant 12 When the object to be cooled 80 generates heat, the refrigerant 12 is vaporized in the vaporizer 36 of the second path 30 to absorb heat as latent heat and is returned to the tank 10, and the pressure in the tank 10 rises.
  • the amount of the increase is detected by the detector 52, and the controller 54 controls the pressure of the refrigerant 12 in the first path 20 so that the pressure of the tank 10 always becomes the saturation vapor pressure of the refrigerant 12 at the predetermined pressure, ie, the temperature of state S4. Control to lower the temperature.
  • the refrigerant 12 Conversely, when the heat generation of the object to be cooled 80 is eliminated, the refrigerant 12 is not vaporized in the vaporizer 36 of the second path 30, and the pressure in the tank 10 drops.
  • the controller 54 controls the temperature of the refrigerant 12 in the first path 20 so that the amount of increase is detected by the detector 52 and the pressure of the tank 10 always becomes the saturation vapor pressure of the refrigerant 12 at the predetermined pressure, ie, the temperature of state S4. Control to raise.
  • heat can be recovered from the object to be cooled 80 by the latent heat of vaporization of the refrigerant 12 at a constant temperature of state S4 and discharged outside the system by the heat exchanger 26.
  • the pipe between the vaporizer 26 and the tank 10 where the refrigerant 12 in the second path is a gas-liquid two-phase flow increases the pipe diameter and minimizes the pressure loss so that the vaporizer 26 and the tank 10 It is preferable to reduce the differential pressure. Thereby, the temperature fluctuation due to the calorific value change of the object to be cooled 80 can be suppressed.
  • the structure of the cooling device 1 of 3rd Embodiment is shown by FIG.
  • the cooling device 1 according to the third embodiment is an improvement of the cooling device 1 according to the second embodiment, and matters not mentioned as the third embodiment can follow the first and second embodiments.
  • the tank 10 has a member 14 having a cross-sectional area larger than the horizontal cross-sectional area in the tank 10.
  • the member 14 may be arranged to contact the liquid phase refrigerant 12 in the tank 10 and the refrigerant 12 returned from the second path 30.
  • the member 14 may be, for example, a member having irregularities on the surface, a mesh-like member, a member having a plurality of holes, or a porous member.
  • the liquid-phase refrigerant 12 returned from the first path 20 to the tank 10 may be returned to the tank 10 so as to drop from above the member 14.
  • the liquid phase refrigerant 12 returned to the tank 10 from the first path 20 may be in the form of a shower or a mist, and may be dropped or sprayed from the top of the tank 10.
  • the contact area between the low-temperature liquid-phase refrigerant 12 cooled by the heat exchanger 26 in the first path 20 and the high-temperature refrigerant 12 returning from the second path 30 increases, and from the second path 30
  • the efficiency of condensing the returning high temperature refrigerant 12 can be improved.
  • the structure of the cooling device 1 of 4th Embodiment is shown by FIG.
  • the cooling device 1 of the fourth embodiment is an improvement of the cooling device 1 of the first to third embodiments, and items not mentioned as the fourth embodiment can be according to the first to third embodiments.
  • the cooling device 1 of the fourth embodiment may further include a heat pump 92 for transferring the heat discharged by the heat exchanger 26 provided in the first path 20 to the heater 32 provided in the second path 30.
  • the heater 32 may be configured to use the heat provided from the heat pump 92 to heat the liquid phase refrigerant 12 of the second path 30 branched and supplied from the first path 20.
  • the heat pump 92 can be controlled based on, for example, the output of the temperature detector 42. Alternatively, the heat pump 92 may be controlled based on the output of the temperature detector 42 and the output of the detection unit 52.
  • energy consumption can be reduced by the heater 32 of the second path 30 heating the refrigerant 12 using the heat discharged by the heat exchanger 26 of the first path 20.
  • the structure of the cooling device 1 of 5th Embodiment is shown by FIG.
  • the cooling device 1 of the fifth embodiment is an improvement of the cooling device 1 of the first to fourth embodiments, and matters not mentioned as the fifth embodiment can be according to the first to fourth embodiments.
  • the cooling device 1 of the fifth embodiment further includes a second heat exchanger 96 that performs heat exchange between the refrigerant 12 heated by the heater 32 and the second object to be cooled 82.
  • the refrigerant 12 that has passed through the second heat exchanger 96 can be returned to the tank 10.
  • a throttle 98 may be arranged in the path between the second heat exchanger 96 and the tank 10. Preferably, no throttle is disposed between the heater 32 and the second object to be cooled 82.
  • the cooling device 1 has, for example, a relatively large heat generation amount, such as a cooling target (first cooling target) 80 having a relatively large calorific value and a relatively high tolerance to vibration. It is useful for cooling the second object to be cooled 82 having a relatively low tolerance to vibration.
  • the positioning apparatus stage apparatus
  • the coarse movement mechanism may be configured to roughly drive the fine movement mechanism
  • the fine movement mechanism may be configured to finely drive the positioning target (for example, the substrate or the substrate stage).
  • the actuator of the coarse drive mechanism may be the first object to be cooled 80.
  • the actuator of the fine movement mechanism may be the second object to be cooled 82.
  • FIG. 7 schematically shows the configuration of a semiconductor manufacturing apparatus, and more specifically, the configuration of an exposure apparatus 100 as an example of a pattern forming apparatus.
  • the exposure apparatus 100 can be configured to transfer the pattern of the original plate 101 to the photosensitive material layer of the substrate 102 having the photosensitive material layer by the projection optical system 140.
  • the exposure apparatus 100 can include an illumination optical system 150 for illuminating the original 101, a projection optical system 140, and a substrate positioning mechanism SPM.
  • the exposure apparatus 100 can also include an original positioning mechanism (not shown) for positioning the original 101.
  • the substrate positioning mechanism SPM may include a substrate stage 110 having a substrate chuck for holding the substrate 102, a drive mechanism 120 for driving the substrate stage 110, and a base member 130 for supporting the drive mechanism 120.
  • the drive mechanism 120 can have an actuator that includes a mover 122 that moves with the substrate stage 110 and a stator 124 fixed to the base member 130.
  • the stator 124 can include a coil array as the object to be cooled 80.
  • the cooling device 1 can be configured to cool a coil array as the object to be cooled 80.
  • FIG. 8 schematically shows the configuration of a semiconductor manufacturing apparatus, and more specifically, the configuration of an imprint apparatus 200 as an example of a pattern forming apparatus.
  • the imprint apparatus 200 can be configured to transfer the pattern of the original plate 101 onto the imprint material on the substrate 102.
  • the imprint apparatus 200 can include an original plate drive mechanism 160 for driving the original plate 101, a substrate drive mechanism SPM for driving the substrate 102, and a curing unit 170 for curing the imprint material disposed on the substrate 102.
  • Alignment between the shot area of the substrate 102 and the pattern area of the original 101 can be performed by at least one of the original drive mechanism 160 and the substrate drive mechanism SPM.
  • the imprint material disposed on the substrate 102 is in contact with the pattern area of the original plate 101
  • the imprint material is cured by the curing unit 170.
  • the hardened imprint material and the pattern area of the original plate 101 are separated.
  • a pattern made of a cured product of the imprint material is formed on the substrate 102. That is, the pattern area of the original plate 101 is transferred to the imprint material on the substrate 102.
  • the substrate positioning mechanism SPM may include a substrate stage 110 having a substrate chuck for holding the substrate 102, a drive mechanism 120 for driving the substrate stage 110, and a base member 130 for supporting the drive mechanism 120.
  • the drive mechanism 120 can have an actuator that includes a mover 122 that moves with the substrate stage 110 and a stator 124 fixed to the base member 130.
  • the stator 124 can include a coil array as the object to be cooled 80.
  • the cooling device 1 can be configured to cool a coil array as the object to be cooled 80.
  • FIG. 9 schematically shows the configuration of a plasma processing apparatus 300 as an example of a semiconductor manufacturing apparatus.
  • the plasma processing apparatus 300 may be, for example, a CVD apparatus, an etching apparatus or a sputtering apparatus.
  • the plasma processing apparatus 300 may include a chamber 330 and an electrode structure as one or more cooling objects 80 a and 80 b disposed in the chamber 330.
  • the substrate 302 can be supported by the object to be cooled 80a.
  • a gas for generating a plasma can be supplied.
  • a gas for film formation may be supplied into the chamber 330.
  • a chamber 330 may be supplied with a gas for etching.
  • a gas for generating plasma may be supplied in the chamber 330, and a target may be attached to the electrode structure as the object to be cooled 80b.
  • the cooling device 1 can be configured to cool the objects to be cooled 80a, 80b.
  • a semiconductor manufacturing method includes the steps of processing a substrate by a semiconductor manufacturing apparatus represented by the above-described exposure apparatus 100, imprint apparatus 200 and plasma processing apparatus 300, and a substrate processed by the process. And b.
  • the step of processing the substrate by the semiconductor manufacturing apparatus may be, for example, a step of forming a pattern on the substrate, a step of forming a film on the substrate, or a step of etching the substrate or a film formed thereon.
  • the step of processing the substrate may be, for example, a step of forming a pattern on the substrate, a step of forming a film on the substrate, or a step of etching the substrate or a film formed thereon.
  • the step of processing the substrate may be a step of dividing (dicing) the substrate or a step of sealing the substrate.

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Abstract

冷却装置は、タンクと、前記タンクから液相の冷媒を取り出して冷却し前記タンクに戻すように液相の冷媒をポンプによって循環させる第１経路と、前記第１経路から分岐した第２経路とを備える。前記第２経路は、前記第１経路から供給される液相の冷媒を加熱する加熱器と、前記加熱器によって加熱された冷媒の圧力を降下させる絞りと、前記絞りを通過した冷媒の少なくとも一部を冷却対象物からの熱によって気化させる気化器とを含み、前記気化器を通過した冷媒を前記タンクに戻す。

Description

冷却装置、半導体製造装置および半導体製造方法
　本発明は、冷却装置、半導体製造装置および半導体製造方法に関する。
　露光装置、インプリント装置、電子線描画装置等のパターン形成装置、または、ＣＶＤ装置、エッチング装置、スパッタリング装置等のプラズマ処理装置等のような半導体製造装置は、駆動機構、あるいはプラズマによって加熱される部材等の発熱部を有しうる。このような発熱部を冷却するために、半導体製造装置には冷却装置が備えられうる。冷却装置は、発熱部から熱を奪い、その熱を移動させることによって発熱部を冷却する。
　特許第５３１３３８４号公報には、部品から熱を抽出する蒸発器と、凝縮器と、ポンプと、アキュムレータと、熱交換器と、温度センサを備える冷却システムが記載されている。ここで、ポンプから出た流体が蒸発器、凝縮器を介してポンプに戻る回路が構成され、アキュミュレータは、回路と流体連通している。熱交換器は、アキュムレータ内の流体からの熱の伝達およびアキュムレータ内の流体への熱の伝達を行う。この量は、温度センサの出力に基づいて制御される。
　特許第５３１３３８４号公報に記載された冷却システムでは、ポンプから出た流体が蒸発器、凝縮器を介してポンプに戻る回路が構成され、流体を安定して循環させるためにポンプ吸い込み部でキャビテーションを回避する必要がある。このために、凝縮器、又はその下流もしくは上流に冷却器を追加し、ポンプの吸い込み部の流体温度を下げるか圧力を上げなければならない。ポンプの出口では、流体は加圧されるため、流体は気化しにくい状態で発熱部に送られる。発熱部では、流体が発熱部の流体圧力下の沸点まで温度上昇するまでは気化冷却は行われないため、この間で発熱部の温度変動を許すことになり、発熱部周辺の部材が熱膨張により変形しうる。そこで、温度変動を抑えるために、流体の気液２相のアキュムレータを用いて発熱部の下流が所定温度になる様にアキュムレータへの熱量制御で流体の気液バランスを変化させ、系全体の圧力を変えることで沸点が制御される。また、発熱時は、アキュムレータから熱を回収し凝縮させ循環系の圧力を降下させるが、ポンプ吸い込み部の圧力も下がりキャビテーションのリスクが発生する。逆に発熱しない場合は、アキュムレータに熱を供給して気化させ、循環系を昇圧させることで沸点を上げる。しかし、循環系の熱収支を合わせるためには凝縮器あるいは冷却器による流体の冷却熱量制御、あるいは加熱手段を別途設けて発熱量制御を行う必要が生じ、構成並びに制御方法が複雑化しうる。
　本発明の１つの側面は、簡易な構成を有する冷却装置を提供する。
　本発明の１つの側面は、冷却装置に係り、前記冷却装置は、タンクと、前記タンクから液相の冷媒を取り出して冷却し前記タンクに戻すように液相の冷媒をポンプによって循環させる第１経路と、前記第１経路から分岐した第２経路と、を備え、前記第２経路は、前記第１経路から供給される液相の冷媒を加熱する加熱器と、前記加熱器によって加熱された冷媒の圧力を降下させる絞りと、前記絞りを通過した冷媒の少なくとも一部を冷却対象物からの熱によって気化させる気化器とを含み、前記気化器を通過した冷媒を前記タンクに戻す。
本発明の第１実施形態の冷却装置の構成を示す図。 本発明の第２実施形態の冷却装置の構成を示す図。 本発明の第２実施形態の冷却装置における冷媒の熱サイクルを例示する図。 本発明の第３実施形態の冷却装置の構成を示す図。 本発明の第４実施形態の冷却装置の構成を示す図。 本発明の第５実施形態の冷却装置の構成を示す図。 本発明の１つの実施形態の半導体製造装置の構成を示す図。 本発明の１つの実施形態の半導体製造装置の構成を示す図。 本発明の１つの実施形態の半導体製造装置の構成を示す図。
　以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明する。
　図１には、本発明の第１実施形態の冷却装置１の構成が示されている。冷却装置１による冷却対象は、特別な対象に限定されるものではないが、例えば、半導体製造装置、特に半導体製造装置の発熱部でありうる。半導体製造装置は、例えば、露光装置、インプリント装置、荷電粒子線描画装置等のパターン形成装置、あるいは、ＣＶＤ装置、エッチング装置、スパッタリング装置等のプラズマ処理装置でありうる。パターン形成装置は、基板および／または原版等の部品を高速で移動させる駆動機構を有し、該駆動機構は、物品の駆動に伴って発熱し、発熱部となりうる。プラズマ処理装置では、プラズマによって電極等の部品が加熱され、該部品が発熱部となりうる。
　冷却装置１は、発熱部等の冷却対象物８０を冷却するように構成されうる。冷却装置１は、タンク１０と、タンク１０から液相の冷媒１２を取り出して熱交換器２６で冷却しタンク１０に戻すように液相の冷媒１２をポンプ２２によって循環させる第１経路２０と、第１経路２０から分岐した第２経路３０とを備えうる。
　第１経路２０からの第２経路３０の分岐点Ｐ１は、ポンプ２２と熱交換器２６との間に配置されうる。第１経路２０は、熱交換器２６とタンク１０との間に配置された第１絞り２４を有しうる。第１絞り２４は、液相の冷媒１２の圧力を降下させうる。第１絞り２４は、第１経路２０からの第２経路３０の分岐点Ｐ１と熱交換器２６の間に配置されてもよい。
　第１経路２０では、冷媒１２が液相の状態で循環されうる。よって、液相と気相とが混在する系におけるようなキャビテーションによってポンプがダメージを受けることを考慮する必要がない。そのため、第１実施形態によれば、第１経路２０に気相の冷媒１２を液相に変化させるための凝縮器を設ける必要がなく、簡易な構成の冷却装置１が実現されうる。ただし、第１経路２０の設計においては、液相の冷媒１２の移送におけるキャビテーションの発生が防止されるようにポンプ２２の仕様等が決定されうる。例えば、最もキャビテーションが発生しやすいポンプ２２の吸い込み部において、冷媒１２の圧力が冷媒１２の吸い込み部の温度における飽和蒸気圧とポンプ２２固有のＮＰＳＨ（Ｎｅｔ　Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｓｕｃｔｉｏｎ　Ｈｅａｄの略。）との合算値より大きくなる様にポンプ２２の選定並びに循環系路の流量と圧損を決定すればよい。
　第２経路３０は、例えば、加熱器３２と、絞り（第２絞り）３４と、気化器３６とを含み、気化器３６を通過した冷媒をタンク１０に戻すように構成されうる。加熱器３２は、第１経路２０から供給される液相の冷媒１２を所定の温度に加熱する。絞り３２は、加熱器３２によって所定の温度に加熱された冷媒１２の圧力を所定の温度下における飽和蒸気圧近傍まで降下させ、冷媒１２を沸騰しやすい状態にする。気化器３６は、絞り３４を通過した冷媒１２の少なくとも一部を冷却対象物８０からの熱によって沸騰気化させる。気化器３６を通過した気液２相混合状態の冷媒１２は、タンク１０に戻され、第１経路２０で冷却された液相の冷媒１２との混合によって冷却され、気相から液相に変化しうる（即ち、凝縮しうる）。冷却装置１は、絞り３４を通過した冷媒１２の温度を検出する温度検出器４２と、温度検出器４２の出力に基づいて加熱器３２を制御する温度制御器４４とを更に備えうる。これにより、目標温度に設定された冷媒１２が気化器３６に供給されうる。
　第１実施形態によれば、冷却装置１は、冷媒１２の相変化が気化器３６とタンク１０の２箇所に限定され、更に、温度差が異なる冷媒１２の混合によって液相の冷媒１２を凝縮させる。よって、冷却装置１で回収された熱を系外に排出する手段は熱交換器２６の一つでよい。これによって、簡易な構成の冷却装置１が実現されうる。
　図２には、第２実施形態の冷却装置１の構成が示されている。第２実施形態の冷却装置１は、第１実施形態の冷却装置１の改良型であり、第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。第２実施形態の冷却装置１は、タンク１０における気化した冷媒１２の量を検出する検出部５２と、検出部５２の出力に基づいて熱交換器２６（における熱交換）を制御する制御器５４とを追加的に備えうる。タンク１０における気化した冷媒１２の量は、タンク１０の中の圧力に依存する。したがって、検出部５２は、タンク１０の中の圧力を検出することによって、タンク１０における気化した冷媒１２の量を検出することができる。タンク１０における気化した冷媒１２の量（換言すると、タンク１０の中の圧力）は、タンク１０の中の液相の冷媒１２の温度にも依存する。したがって、検出部５２の出力に基づいて制御器５４が熱交換器２６（における熱交換）を制御することによって、第１経路２０を循環する液相の冷媒１２の温度を制御することができ、更には、気化した冷媒１２の凝縮量を制御することができる。
　冷媒１２の凝縮量を制御するには、タンク１０の内部で常に気相の冷媒１２が存在しなければならない。これを実現するために、タンク１０には、タンク１０の温度下で凝縮しないガス７２が封入されうる。ガス７２は、冷媒１２と反応しないガスである。
　図３は、冷却装置１における冷媒１２の相図である。図３には、飽和蒸気圧線と熱サイクルが例示され、飽和蒸気圧線より上側では冷媒１２は液相であり、飽和蒸気圧線より下側では冷媒１２が気相である。第１経路２０では、液相の冷媒１２はポンプ２２によってタンク１０から吸い出されて加圧されて状態Ｓ２となり、熱交換器２６で冷却されて状態Ｓ５になり、更に絞り２４で減圧されて状態Ｓ６となってタンク１０に戻される。
　第２経路３０では、状態Ｓ２における冷媒１２は、加熱器３２によって加熱されて状態Ｓ３になり、その後、絞り３４で減圧されて状態Ｓ４となり、気化器３６を通してタンク１０に戻される。ガス７２は、タンク１０に戻される冷媒１２の蒸気圧と、タンク１０の中の（温度が制御された）液相の冷媒１２の蒸気圧との差に相当する分圧（「ガス分圧」）を与えるようにタンク１０内に所定量封入されている。これにより、第２経路３０を通してタンク１０に戻った冷媒１２は、状態Ｓ１の温度下における飽和蒸気圧分の気体として存在することができる。ここで、ガス７２による分圧がないと、冷媒１２は、状態Ｓ１において飽和蒸気圧線の上側の状態、即ち液相状態となってしまう。ガス７２の分圧をポンプ２２のＮＰＳＨ以上にすることは、キャビテーションの発生を防ぐことと等価である。よって、ガス７２の分圧は、ポンプ２２のＮＰＳＨ以上とされうる。
　冷却対象物８０が発熱すると、第２経路３０の気化器３６で冷媒１２が気化して潜熱として熱を吸収しタンク１０に戻され、タンク１０内の圧力が上昇する。その上昇分が検出器５２で検出され、常にタンク１０の圧力が所定の圧力、即ち状態Ｓ４の温度における冷媒１２の飽和蒸気圧になる様に、制御器５４が第１経路２０の冷媒１２の温度を下げる方向に制御する。逆に、冷却対象物８０の発熱がなくなると、第２経路３０の気化器３６で冷媒１２が気化しなくなり、タンク１０内の圧力が降下する。その上昇分が検出器５２で検出され、常にタンク１０の圧力が所定圧力、即ち状態Ｓ４の温度における冷媒１２の飽和蒸気圧になる様に、制御器５４が第１経路２０の冷媒１２の温度を上げる方向に制御する。
　これにより、冷却対象物８０の発熱状態に追従して、冷却対象物８０を状態Ｓ４の一定温度で冷媒１２の気化潜熱で熱を回収し熱交換器２６で系外部へ排出することができる。ここで、第２経路の冷媒１２が気液２相流となる気化器２６とタンク１０との間の管は、管径を大きくし、圧力損出を極力小さくし気化器２６とタンク１０の差圧を小さくすることが好ましい。これにより、冷却対象物８０の発熱量変化による温度変動を抑えることができる。
　図４には、第３実施形態の冷却装置１の構成が示されている。第３実施形態の冷却装置１は、第２実施形態の冷却装置１の改良型であり、第３実施形態として言及しない事項は、第１、第２実施形態に従いうる。第３実施形態の冷却装置１では、タンク１０は、タンク１０の中の水平断面積よりも大きい断面積を有する部材１４を有する。部材１４は、タンク１０の中の液相の冷媒１２および第２経路３０から戻される冷媒１２に接触するように配置されうる。部材１４は、例えば、表面に凹凸を有する部材、メッシュ状の部材、複数の孔を有する部材、または、多孔質部材でありうる。第１経路２０からタンク１０に戻される液相の冷媒１２は、部材１４の上方から落下するようにタンク１０に戻されうる。あるいは、第１経路２０からタンク１０に戻される液相の冷媒１２をシャワー状またはミスト状にしてタンク１０の上部から滴下または噴霧させてもよい。
　これにより、第１経路２０において熱交換器２６によって冷却された低温の液相の冷媒１２と、第２経路３０から戻ってくる高温の冷媒１２との接触面積が増加し、第２経路３０から戻ってくる高温の冷媒１２を凝縮させる効率が改善しうる。
　図５には、第４実施形態の冷却装置１の構成が示されている。第４実施形態の冷却装置１は、第１乃至第３実施形態の冷却装置１の改良型であり、第４実施形態として言及しない事項は、第１乃至第３実施形態に従いうる。
　第４実施形態の冷却装置１は、第１経路２０に設けられた熱交換器２６が排出した熱を第２経路３０に設けられた加熱器３２に移動させるヒートポンプ９２を更に備えうる。加熱器３２は、ヒートポンプ９２から提供される熱を利用して、第１経路２０から分岐して供給される第２経路３０の液相の冷媒１２を加熱するように構成されうる。ヒートポンプ９２は、例えば、温度検出器４２の出力に基づいて制御されうる。あるいは、ヒートポンプ９２は、温度検出器４２の出力および検出部５２の出力に基づいて制御されうる。
　第４実施形態によれば、第１経路２０の熱交換器２６が排出した熱を利用して第２経路３０の加熱器３２が冷媒１２を加熱することによってエネルギー消費を低減することができる。
　図６には、第５実施形態の冷却装置１の構成が示されている。第５実施形態の冷却装置１は、第１乃至第４実施形態の冷却装置１の改良型であり、第５実施形態として言及しない事項は、第１乃至第４実施形態に従いうる。第５実施形態の冷却装置１は、加熱器３２によって加熱された冷媒１２と第２冷却対象物８２との間で熱交換を行う第２熱交換器９６を更に備える。第２熱交換器９６を通過した冷媒１２は、タンク１０に戻されうる。第２熱交換器９６とタンク１０との間の経路には、絞り９８が配置されうる。加熱器３２と第２冷却対象物８２との間には、絞りが配置されないことが好ましい。これは、冷媒１２の圧力が高い状態で第２冷却対象物８２へ供給することにより冷媒１２の相変化をさせずに第２冷却対象物８２の熱回収を行うことができるためである。これにより、冷媒１２の相変化時に発生する微振動が第２冷却対象物８２に伝達しなくなる。
　第５実施形態の冷却装置１は、例えば、発熱量が相対的に大きく、振動に対する許容度が相対的に高い冷却対象物（第１冷却対象物）８０と、発熱量が相対的に小さく、振動に対する許容度が相対的に小さい第２冷却対象物８２とを冷却するために有用である。そのような第１冷却対象物８０および第２冷却対象物８２を有する装置としては、例えば、粗動機構おおよび微動機構を備える位置決め装置（ステージ装置）を挙げることができる。ここで、粗動機構は、微動機構を粗駆動し、微動機構は、位置決め対象物（例えば、基板、または、基板ステージ）を微駆動するように構成されうる。粗駆動機構のアクチュエータは、第１冷却対象物８０でありうる。微動機構のアクチュエータは、第２冷却対象物８２でありうる。
　以下、図７、図８および図９を参照しながら上記の冷却装置１が適用された半導体製造装置について例示的に説明する。図７には、半導体製造装置、より詳しくはパターン形成装置の一例としての露光装置１００の構成が模式的に示されている。露光装置１００は、原版１０１のパターンを、感光材層を有する基板１０２の該感光材層に対して投影光学系１４０によって転写するように構成されうる。露光装置１００は、原版１０１を照明する照明光学系１５０と、投影光学系１４０と、基板位置決め機構ＳＰＭとを備えうる。また、露光装置１００は、原版１０１を位置決めする原版位置決め機構（不図示）を備えうる。基板位置決め機構ＳＰＭは、基板１０２を保持する基板チャックを有する基板ステージ１１０と、基板ステージ１１０を駆動する駆動機構１２０と、駆動機構１２０を支持するベース部材１３０とを含みうる。駆動機構１２０は、基板ステージ１１０とともに移動する可動子１２２と、ベース部材１３０に固定された固定子１２４とを含むアクチュエータを有しうる。固定子１２４は、冷却対象物８０としてのコイル列を含みうる。冷却装置１は、冷却対象物８０としてのコイル列を冷却するように構成されうる。
　図８には、半導体製造装置、より詳しくはパターン形成装置の一例としてのインプリント装置２００の構成が模式的に示されている。インプリント装置２００は、基板１０２の上のインプリント材に原版１０１のパターンを転写するように構成されうる。インプリント装置２００は、原版１０１を駆動する原版駆動機構１６０と、基板１０２を駆動する基板駆動機構ＳＰＭと、基板１０２の上に配置されたインプリント材を硬化させる硬化部１７０とを備えうる。
　原版駆動機構１６０および基板駆動機構ＳＰＭの少なくとも一方によって基板１０２のショット領域と原版１０１のパターン領域とのアライメントを行うことができる。原版駆動機構１６０および基板駆動機構ＳＰＭの少なくとも一方によって、基板１０２の上に配置されたインプリント材と原版１０１のパターン領域との接触、および、インプリント材とパターン領域との分離を行うことができる。基板１０２の上に配置されたインプリント材と原版１０１のパターン領域とを接触させた状態で、硬化部１７０によってインプリント材が硬化される。その後、硬化したインプリント材と原版１０１のパターン領域とが分離される。これにより、基板１０２の上にインプリント材の硬化物からなるパターンが形成される。つまり、基板１０２の上のインプリント材には、原版１０１のパターン領域が転写される。
　基板位置決め機構ＳＰＭは、基板１０２を保持する基板チャックを有する基板ステージ１１０と、基板ステージ１１０を駆動する駆動機構１２０と、駆動機構１２０を支持するベース部材１３０とを含みうる。駆動機構１２０は、基板ステージ１１０とともに移動する可動子１２２と、ベース部材１３０に固定された固定子１２４とを含むアクチュエータを有しうる。固定子１２４は、冷却対象物８０としてのコイル列を含みうる。冷却装置１は、冷却対象物８０としてのコイル列を冷却するように構成されうる。
　図９には、半導体製造装置の一例としてのプラズマ処理装置３００の構成が模式的に示されている。プラズマ処理装置３００は、例えば、ＣＶＤ装置、エッチング装置またはスパッタリング装置でありうる。プラズマ処理装置３００は、チャンバ３３０と、チャンバ３３０の中に配置された１または複数の冷却対象物８０ａ、８０ｂとしての電極構造を備えうる。図９の例では、基板３０２は、冷却対象物８０ａによって支持されうる。チャンバ３３０の中には、プラズマを発生させるためのガスが供給されうる。プラズマ処理装置３００がＣＶＤ装置として構成される場合、チャンバ３３０の中には、成膜用のガスが供給されうる。プラズマ処理装置３００がエッチング装置として構成される場合、チャンバ３３０の中には、エッチング用のガスが供給されうる。プラズマ処理装置３００がスパッタリング装置として構成される場合、チャンバ３３０の中には、プラズマを発生させるためのガスが供給され、また、冷却対象物８０ｂとしての電極構造には、ターゲットが取り付けられうる。冷却装置１は、冷却対象物８０ａ、８０ｂを冷却するように構成されうる。
　本発明の１つの側面としての半導体製造方法は、上記の露光装置１００、インプリント装置２００およびプラズマ処理装置３００に代表される半導体製造装置によって基板を処理する工程と、該工程によって処理された基板を加工する工程と、を含みうる。半導体製造装置によって基板を処理する工程は、例えば、基板にパターンを形成する工程、基板に膜を形成する工程、または、基板またはその上に形成された膜をエッチングする工程でありうる。基板を加工する工程は、例えば、基板にパターンを形成する工程、基板に膜を形成する工程、または、基板またはその上に形成された膜をエッチングする工程でありうる。あるいは、基板を加工する工程は、基板を分割（ダイシング）する工程、または、基板を封止する工程でありうる。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
　本願は、２０１７年１２月２６日提出の日本国特許出願特願２０１７－２５０１０７号を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

Claims (21)

  1. 　タンクと、
    　前記タンクから液相の冷媒を取り出して冷却し前記タンクに戻すように液相の冷媒をポンプによって循環させる第１経路と、
    　前記第１経路から分岐した第２経路と、を備え、
    　前記第２経路は、前記第１経路から供給される液相の冷媒を加熱する加熱器と、前記加熱器によって加熱された冷媒の圧力を降下させる絞りと、前記絞りを通過した冷媒の少なくとも一部を冷却対象物からの熱によって気化させる気化器とを含み、前記気化器を通過した冷媒を前記タンクに戻す、
    　ことを特徴とする冷却装置。
  2. 　前記絞りを通過した冷媒の温度を検出する温度検出器と、
    　前記温度検出器の出力に基づいて前記加熱器を制御する温度制御器と、
    　を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  3. 　前記第１経路は、熱交換器を含み、前記タンクから前記ポンプによって吸い出された冷媒が前記熱交換器を通して前記タンクに戻される、
    　ことを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
  4. 　前記第１経路からの前記第２経路の分岐点は、前記ポンプと前記熱交換器との間に配置されている、
    　ことを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
  5. 　前記第１経路は、前記第２経路の前記分岐点と前記タンクとの間に配置された第１絞りを更に備える、
    　ことを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
  6. 　前記タンクにおける気化した冷媒の量を検出する検出部と、
    　前記検出部の出力に基づいて前記熱交換器を制御する制御器と、
    　を更に備えることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の冷却装置。
  7. 　前記タンクには、前記タンクの中で気化しないガスが封入されている、
    　ことを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
  8. 　前記ガスは、前記第２経路から前記タンクに戻される冷媒の蒸気圧と前記タンクの中の冷媒の蒸気圧との差に相当する分圧を発生する、
    　ことを特徴とする請求項７に記載の冷却装置。
  9. 　前記ガスの分圧は、前記ポンプのＮＰＳＨ（Ｎｅｔ　Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｓｕｃｔｉｏｎ　Ｈｅａｄ）以上である、
    　ことを特徴とする請求項７に記載の冷却装置。
  10. 　前記熱交換器が排出した熱を前記加熱器に移動させるヒートポンプを更に備え、
    　前記加熱器は、前記ヒートポンプから提供される熱を利用して、前記第１経路から供給される液相の冷媒を加熱するように構成されている、
    　ことを特徴とする請求項３乃至９のいずれか１項に記載の冷却装置。
  11. 　前記ヒートポンプは、前記温度検出器の出力に基づいて制御される、
    　ことを特徴とする請求項１０に記載の冷却装置。
  12. 　前記熱交換器が排出した熱を前記加熱器に移動させるヒートポンプを更に備え、
    　前記加熱器は、前記ヒートポンプから提供される熱を利用して、前記第１経路から供給される液相の冷媒を加熱するように構成され、
    　前記ヒートポンプは、前記温度検出器の出力および前記検出部の出力に基づいて制御される、
    　ことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の冷却装置。
  13. 　前記タンクは、前記タンクの中の水平断面積よりも大きい断面積を有する部材を有し、
    　前記部材は、前記タンクの中の液相の冷媒および前記第２経路から戻される冷媒に接触するように配置されている、
    　ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の冷却装置。
  14. 　前記第１経路から前記タンクに戻される冷媒は、前記部材の上方から落下するように前記タンクに戻される、
    　ことを特徴とする請求項１３に記載の冷却装置。
  15. 　前記第１経路から前記タンクに戻される冷媒は、前記タンクの上方からシャワー状またはミスト状にして滴下または噴霧される、
    　ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の冷却装置。
  16. 　前記加熱器によって加熱された冷媒と第２冷却対象物との間で熱交換を行う第２熱交換器を更に備える、
    　ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の冷却装置。
  17. 　前記第２熱交換器を通過した冷媒が前記タンクに戻される、
    　ことを特徴とする請求項１６に記載の冷却装置。
  18. 　前記第２熱交換器と前記タンクとの間の経路に配置された絞りを更に備える、
    　ことを特徴とする請求項１７に記載の冷却装置。
  19. 　発熱部を有する半導体製造装置であって、
    　請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の冷却装置を備え、
    　前記冷却装置は、前記冷却対象物としての前記発熱部を冷却するように構成されている、
    　ことを特徴とする半導体製造装置。
  20. 　パターンを形成するパターン形成装置として構成されている、
    　ことを特徴とする請求項１９に記載の半導体製造装置。
  21. 　請求項１９又は２０に記載の半導体製造装置によって基板を処理する工程と、
    　前記工程で処理された基板を加工する工程と、
    　を含むことを特徴とする半導体製造方法。
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