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モジュール式設計により、このチラー装置は、各冷凍回路ごとに独立したコンプレッサ単位を用いて閉ループシステムを構築可能であり、中央集約型の単一コンプレッサに依存しません。管理下または予期せぬコンプレッサ停止事象が発生した場合、隣接する周辺回路が負荷を増加させることで、冷却機能を継続的に維持できます。この独自の設計および内蔵システムにより、製造プロセスに対する冗長性（二重化）が確保され、ピーク時や極端な条件下においても、温度変動は実質的にほぼ一定に保たれ、わずか0.5℃程度の変化にとどまります。各個別回路は、最大出力の15％まで低負荷運転が可能に制御できます。これにより、リアルタイムで特定の処理量に応じたエネルギー制御が可能となり、大規模システムを常時オン／オフ切り替えする必要から生じる運用コストの無駄を大幅に削減し、顕著な運用コスト削減を実現します。
ホットスワップ可能なモジュールを採用することで、既存のプロセスを停止することなくクリーンルーム内での保守および拡張作業が可能です。これらのモジュールは、電源、冷却流体、制御接続を提供するユーティリティモジュールとインターフェースを構成しており、クラス100（米国連邦規格209E）に対応したクリーンルーム仕様です。保守期間中、技術スタッフは既存の構造体に冷凍ユニットやポンプモジュールを交換・設置します。これは、ITスタッフがサーバーブレードを交換する際の手法と同様です。前面パネルからのアクセスを実現しているため、技術スタッフは粉塵の多いエリアへの立ち入りを回避でき、クロスコンタミネーションのリスクを低減できます。2023年、『Semiconductor Engineering』誌は、複数のケーススタディを詳細に紹介した記事を掲載しました。こうしたモジュールを導入した施設では、従来の配管接続に溶接を用いた方法と比較して、チラー設備の拡張に要する時間が70％短縮されました。また、すべての作業はISOクラス5（空気清浄度基準）への適合を維持したまま完了しています。
インテリジェントな負荷マッチング：半導体プロセス自動化における可変容量制御の役割
リソグラフィおよびエッチング装置向けのチラー負荷段階制御とインバータ駆動コンプレッサのサイクリング
最新のモジュラー式チラーは、マイクロプロセッサ制御のモジュラー式チラーを採用することで、その時点で必要とされる冷却能力に比例した冷却出力を提供できます。このようなチラーには、個別の冷凍回路が複数組み込まれており、必要な回路のみに冷却を供給するために、各回路を個別にオン／オフ制御することが可能です。さらに、これらのチラーに内蔵された冷却ユニット（コンプレッサー）は単純なオン／オフ式デバイスではなく、冷却出力を10～100％の範囲で連続的に可変（モジュレーション）できるため、半導体製造工程で使用されるリソグラフィースキャナーおよびプラズマエッチ装置の発熱量の変動に伴い生じる冷却負荷の変化に対して、ほぼ即応的な対応が可能です。こうした先進的機能を組み合わせることにより、チラーは無駄のない効率的な運転が可能となり、同時に、半導体製造プロセスにおける各種工程で発生する急激かつ反復的な大きな負荷変動が生じた場合においても、冷却液温度を設定値から±0.5 °C以内で精密に制御し続けることが可能になります。
モジュールごとのモーターおよび流量制御による高精度な熱供給
チラー・モジュールには、下流のツールの状況に応じて冷却液流量を調整する比例式モーターバルブが搭載されています。これにより、各モジュールはそれぞれのプロセスツールに対して最適な冷却を個別に提供でき、レシピ変更時やチャンバー扉開放時に生じる温度急上昇を防止します。本システムでは、各プロセス切替時にリアルタイムで閉ループフィードバックを用いて冷却液流量を調整します。従来の固定式システムと比較して、ウエハーへの熱応力が23％低減することを実証済みです。この低減効果は、厳しい公差管理を要求される半導体メーカーにとって極めて大きな意義を持ちます。
アダプティブ温度制御：TACSがリアルタイムで温度設定値を最適化
TACSはファブレベルのMESと連携し、重要な露光工程において±0.1°Cという高精度な温度安定性を実現
熱自動制御システム（TACS）は、製造施設内の制御システムと統合されており、オペレーターがプロセス中の正確な露光ステップにおいて温度制御の設定値を変更できるようになります。+0.1℃または−0.1℃を超える温度変動は、機械部品の寸法ドリフトおよびオーバーレイに関するドリフトを引き起こす可能性があり、特にEUVリソグラフィでは深刻な問題となることがあります。TACSは、運用中の装置から得られるリアルタイムデータを活用し、各種チャンバー内の圧力、レジストの化学組成、および放射線量を管理することで、冷却液流量の調整を通じて熱変化を予測・抑制します。このシステムは、コンプレッサーへの負荷を軽減しつつ保守的な冷却を実現し、アクティブな露光が行われる際に光化学反応に最適な温度を維持します。
実際の工場プロセスにおける当社の経験に基づき、このような閉ループ制御システムを導入することで、ウエハー収率が向上し、エネルギー費用を15～20％削減できます。これは、冷却が必要な部分のみを冷却するためです。さらに、クリーンルーム環境内のランダムな熱変動を管理することで、ロット間の一貫性が生産全体を通じて確実に維持されます。
予測的適応：データに基づく予測と閉ループ制御を活用したモジュラー半導体チラーの性能最適化
AIを活用した負荷予測：過去のツール出荷データおよびチャンバーサイクルデータに基づく予測
AIは、工具の出庫データから熱蓄積を予測する際に、平均してほぼ94％の効率を達成しており、リソグラフィおよびエッチング工具の熱発生サイクルの30分前までに予測が可能です。これにより、オペレーショナルエンジニアは回路モジュール内の温度変動が発生する前に冷却リソースの配置を再調整できます。機械学習システムは、運用センサーからのデータ収集を最適化し、冷却リソースの予測をリアルタイムで調整します。最適化された冷却により、コンプレッサーシステムの不要な運転時間が22％削減され、設定値に対する温度制御精度は±0.1℃以内を維持しています。
事例研究：300mmファブにおけるアダプティブ設定値チューニングにより、プロセス歩留まりを損なうことなくエネルギー使用量を18％削減
年間約3,200時間のコンプレッサー運転時間の削減という成果をもたらしたこのクローズドループシステムは、年間のコンプレッサー運転時間を3,200時間短縮し、欠陥密度を維持しました。
半導体冷却システムにおいてモジュラー設計が重要な理由は何ですか？
モジュラー設計により冗長性が確保され、個別の回路を低電力で運転できるため、エネルギー消費の削減と生産工程への影響の最小化が実現されます。
サーマルオートメーション制御システム（TACS）はどのように動作しますか？
TACSは、製造実行システム（MES）からのデータを活用し、必要な冷却調整を予測制御（リアルタイムでの先読み）によって事前に判断することで、工程中のプロセス温度の安定性を向上させます。
AIが半導体用チラー・システムに与える影響は何ですか？
AIにより予測制御が可能となり、冷却の最適化が実現され、不要なコンプレッサーのON/OFFサイクルが抑制され、運用効率が向上します。