CN102138045B - 液体加热器和液体加热方法 - Google Patents

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Abstract

一种在短时间内将过硫酸溶液等流体加热至高温的液体加热器。所述液体加热器包括：流道构件，该流道构件由能被近红外线穿过的材料构成，并形成能流过液体的流道厚度在10mm以下的流道(4)；以及近红外线加热器(7、8)，该近红外线加热器(7、8)配置在该流道的相对的流道面中至少一方的外侧以对所述流道内的所述液体进行加热。利用近红外线将流过所述流道的液体瞬间均匀地加热。作为优选在流道(4)内部还包括限制流道容量的隔板(6)。通过减小加热器内的流道容积且增大加热器内的流速，从而缩短加热器内的滞留时间，并尽可能较大地维持传热面积，即使传热面温度的设定温度较低也能将被加热液体在很短的时间内升温至高温。

Description

液体加热器和液体加热方法
技术领域
本发明涉及一种能高效且短时间加热液体的液体加热器，尤其涉及适用于半导体制造工序之一的抗蚀剂剥离工序中的清洗液的急速加热的液体加热器和液体加热方法。
背景技术
在半导体制造的抗蚀剂剥离工序中，已知有一种硫酸电解法，该方法通过电分解硫酸溶液而生成过硫酸(过二硫酸、分子状过硫酸及离子状过硫酸)，将过硫酸溶液作为清洗液进行清洗。在抗蚀剂剥离工序中，清洗液越是高温(120～190℃左右)抗蚀剂剥离能越高效地进行。这是由于通过硫酸电解法制造而成的清洗液在达到规定的高温时清洗液中的过硫酸会自我分解生成氧化能力极强的硫酸自由基而有助于清洗。
由于自由基的寿命较短，若清洗液在较早的阶段升温的话，清洗液中含有的过硫酸过早自我分解而无益于清洗便被消耗掉。当过硫酸溶液高温化后过硫酸自我分解而生成硫酸自由基，从而使硫酸自由基浓度上升，同时生成的硫酸自由基分解而导致硫酸自由基浓度下降。根据不同液温，硫酸自由基的浓度会在过硫酸溶液高温化开始的0.数秒～数秒后达到峰值。因此，将高温化的时间点选择在硫酸自由基浓度达到峰值时正好有助于清洗的时间，此时的效率最佳，因此需要恰当地设定最佳的时间点。
此外，在花费较长时间(例如数分钟程度)缓慢加热清洗液的情况下，会存在以下的问题：在高温化的过程中，进行过硫酸的自我分解和随之而来的硫酸自由基的分解，当达到高温化的时候过硫酸浓度变得较低。按照反应速度理论和阿累尼乌斯的公式进行理论计算得到图7所示的结果，可以发现当在高温下过硫酸的寿命极短。
以上可知，清洗液的升温需要在清洗之前的极短时间(数秒程度)内进行。
另一方面，越是低温硫酸溶液的电解效率越高，越是低温过硫酸的自我分解速度越小，因此在低温(20～60℃左右)下对硫酸溶液进行电解较为理想。为了将在低温下电解后的硫酸溶液用作抗蚀剂剥离工序中的清洗液，需要在清洗之前瞬间从低温升温至高温。
为此提出了各种对流体进行加热的加热器。
例如，在半导体制造中对纯水等的加热工序中，以往使用图8所示的流体加热器40。该流体加热器40在形成为筒状的密闭型石英槽41的侧壁上错开位置地设有液体进口41a和液体出口41b，内部设有红外线加热器42，经由液体进口41a流入密闭型石英槽41内的纯水等与红外线加热器42的外周部接触而一边升温一边从液体出口41b排出。
此外，已知有图9所示的结构，利用双重管构成流体加热器50，被加热流体经由设于内管51的被加热液体进口51a和被加热液体出口51b流动，而热介质油经由设于外管52的热介质油进口52a和热介质油出口52b在内管51与外管52之间流动，并在这些流体之间通过内管51的壁部进行换热，由此对被加热液体进行加热。
还提出有在筒状陶瓷加热器的内外周设置被加热流体的流道以提高加热效率的流体加热器(参照专利文献1)。
专利文献1：日本专利特开平5-79695号公报
发明的公开
发明所要解决的技术问题
例如，上述流体加热器50那样，将热介质油等高温流体作为加热源，则热量按照油→石英壁→溶液的顺序通过传导传热和强制对流传热进行传递。为了以此传热方式在短时间内传递大量的热需要将热介质油尽量加热至高温(例如1000℃以上)，但工业上使用的热介质油的最高使用温度为350℃～400℃左右。因此，在使用热介质油等的方法中，会因加热源的热容量较大而难以瞬间进行急速加热的开始、停止。
相比之下，在使用卤素灯管加热器那样的发出近红外线的近红外线加热器的情况下，热能通过光的辐射热直接传递给流体。波长为0.8μm～数μm的近红外线具有穿过石英而被数mm～数10mm厚的水层吸收99％以上的性质。而且灯管加热器能通过开关的开闭瞬间开始、停止加热，还可利用灯管的输出自由地调节加热温度。因此，在对高浓度硫酸水溶液的加热中，一直以来均使用近红外线灯管加热器。
但是，例如，上述流体加热器40中，以数L/min的速度加热超纯水或化学药品溶液。此时，根据灯管的输出功率和其尺寸，石英槽的容量为数L，液体的滞留时间为1～2分钟这样较长的时间。当化学药品使用过硫酸时，因过硫酸的自我分解而导致过硫酸的浪费。
因此，在使用上述流体加热器40时，需要将传热面温度设定在非常高的高温(因组成构件的耐热性不同而为300～500℃左右)。但是，一旦将传热面设定为非常高的高温后，在传热面上局部的过硫酸的自我分解速度显著增大导致过硫酸的浪费，因而成为升温后过硫酸浓度下降的原因。为此，需要通过不将传热面设定成高温，在尽可能抑制加热器内的过硫酸的自我分解的情况下升温硫酸溶液，在硫酸溶液的温度成为高温后使过硫酸的自我分解活性化。
然而，即使用上述公知的各加热器进行加热也难以在维持过硫酸浓度的情况下短时间将硫酸溶液加热至高温。也就是说，当液体流道的流道厚度过大时，使用热介质当然会使液体整体无法均等地升温，即使将灯管用作加热器时光的热辐射也无法传递至里侧的液体，从而导致液体整体无法均等地升温。
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种不用将传热面设定为高温就可将低温的被加热液体在短时间内加热至高温的液体加热器和液体加热方法。
解决技术问题所采用的技术方案
即，本发明的液体加热器中，第一发明的特征在于，包括：流道构件，该流道构件由能被近红外线穿过的材料构成，并形成能流过液体的流道厚度在10mm以下的流道；以及近红外线加热器，该近红外线加热器配置在该流道的相对的流道面中至少一方的外侧以对上述流道内的上述液体进行加热。
第二发明的液体加热器，其特征在于，在上述第一发明的基础上，上述近红外线加热器配置在上述流道面的两个外侧。
第三发明的液体加热器，其特征在于，在上述第一或第二发明的基础上，上述流道为环状流道。
第四发明的液体加热器，其特征在于，在上述第一至第三发明中任一项发明的基础上，上述流道构件中、至少形成配置有上述近红外线加热器一侧的流道面的流道构件是由石英制成的。
第五发明的液体加热器，其特征在于，在上述第一至第四发明中任一项发明的基础上，还具有设于上述流道内部或封入上述流道内部、用于减小上述流道容量的隔板。
第六发明的液体加热器，其特征在于，在上述第五发明的基础上，上述隔板有多个。
第七发明的液体加热器，其特征在于，在上述第六发明的基础上，上述隔板为颗粒状，并被填充在上述流道内。
第八发明的液体加热器，其特征在于，在上述第六发明的基础上，上述隔板为棒状，在上述流道内沿液体流过方向并排配置。
第九发明的液体加热器，其特征在于，在上述第五至第八发明中任一项发明的基础上，上述隔板是由石英制成的。
第十发明的液体加热器，其特征在于，在上述第一至第九发明中任一项发明的基础上，上述流道的液体进口部分和/或液体出口部分形成有扩大流道面积以促进上述液体的均匀分配的节流孔和/或集流座。
第十一发明的液体加热器，其特征在于，在上述第一至第十发明中任一项发明的基础上，上述液体是浓度为65～96质量％的硫酸溶液。
第十二发明的液体加热方法，其特征在于，使用上述第一至第十一发明中任一项发明的液体加热器，将该液体加热器内的上述液体的滞留时间控制在0.5～5秒的情况下加热该液体。
第十三发明的液体加热方法，其特征在于，在上述第十二发明的基础上，上述液体加热器的流道中液体进口部分与液体出口部分的液温之差在50℃以上。
第十四发明的液体加热方法，其特征在于，在上述第十三发明的基础上，上述液体进口部分的液温为60～80℃，上述液体出口部分的液温为120～190℃。
发明效果
即、根据本发明的液体加热器，由于包括：流道构件，该流道构件由能被近红外线穿过的材料构成，并形成能流过液体的流道厚度在10mm以下的流道；以及近红外线加热器，该近红外线加热器配置在该流道的相对的流道面中至少一方的外侧以对上述流道内的上述液体进行加热，因此能瞬间均匀地加热液体。
出于将液体瞬间均匀加热的观点，更为优选的是将流道厚度设定在5mm以下。在确保足够的液体流过的前提下，流道厚度优选为1mm以上，更优选2mm以上。为了使液体在流道内均匀地流动，优选流道厚度基本恒定。
由于近红外线能穿过石英，因此流道构件和隔板用石英制成不会妨碍传热，因而能高效地传热。
石英难以进行细微的加工，因此难以形成能使流道容量变小的流道面积较小的流道，但在使用隔板的本发明中，通过将隔板导入已经制成的石英管的流道内这样简单的作业就可恰当地形成流道面积较小的流道。
作为本发明，隔板的形状没有特别的限定，例如可由棒状或颗粒状构成。将这些棒状或颗粒状的直径做成稍小于流道厚度，在流道与隔板之间形成小的间隙，使液体的流动加快。
此外，在本发明中，在液体进口部分设有集流座，或在集流座与进行加热的流道之间设置节流孔等小孔而形成压力损失，这样即使在狭窄的流道中例如插入较多隔板的情况下，也能使流道内的流量分布均匀。液体出口部分的集流座由于减小了容积，因而能缩短高温液体的滞留时间。
根据本发明的液体加热方法，使用本发明的液体加热器，能在该液体加热器内的上述液体的滞留时间控制在0.5～5秒的情况下加热液体，能在不会导致液体的组成改变等的情况下瞬间加热液体。
为了满足瞬间加热，液体加热器中液体的滞留时间(通液时间)优选在5秒以下，更优选在2秒以下。若滞留时间不到0.5秒时，必须将流道厚度控制在1mm以下或将加热器的热流速(heatflux)设定在30～50W/cm2以上，结构上发生困难，因此优选0.5秒以上。同样的理由，作为优选为1秒以上。
附图说明
图1a是本发明一实施方式的液体加热器的长度方向示意剖视图，图1b是图1a的b-b线剖视图。
图2a是上述长度方向示意剖视图，图2b是图2a的b-b线剖视图。
图3是表示应用了上述实施方式的液体加热器的单片式(日文：枚葉式)抗蚀剂剥离系统的图。
图4是表示过硫酸溶液的温度(60～110℃)与过硫酸减半期的关系的图。
图5a是本发明其他实施方式的液体加热器的长度方向示意剖视图，图5b是图5a的b-b线剖视图。
图6a是本发明又一实施方式的液体加热器的长度方向示意剖视图，图6b是图6a的b-b线剖视图。
图7是表示过硫酸溶液的温度(120～170℃)与寿命的关系的图。
图8是表示现有的流体加热器的例子的示意图。
图9是表示现有的流体加热器的其他例子的示意图。
具体实施方式
(实施方式一)
以下说明本发明一实施方式的液体加热器。
图1示意表示该液体加热器1。
如图1所示，环状流道4由直径相近的双重管结构形成，在内管壁与外管壁之间确保环状流道4，该流道厚度为10mm以下。作为优选，环状流道4为纵向设置，在该设置状态下作为下方(液体流入侧)的一侧与大容积的筒状集流座(日文：筒状ヘツダ)3连通。在集流座3上设有下部流入口2，被加热液体从该下部流入口2流入，经由集流座3在环状流道4中产生沿环状流道4的轴向的向上流动。环状流道4在上部侧直径逐渐减小而向中央汇集，而与朝上方的上部流出口5连通。在环状流道4中流动的被加热液体从上部流出口5流出。环状流道4和集流座3使用低溶出、耐氧化性、耐热性的石英，该石英的导热系数为1.0W/m/k，具有良好的传热性。
此外，环状流道4中，具有比流道厚度小的直径的棒状隔板6以不固定在流道内侧的状态在整个圆周上并排配置。通过将靠近环状流道4的流入口的高度的流道厚度做成比棒状隔板6的直径小，该棒状隔板6就不会掉落而保持在环状流道4内。在其上方，棒状隔板6与环状流道4的内侧内周面和外侧内周面之间形成小的间隙。棒状隔板6、6之间既可具有间隙，也可将许多棒状隔板6…6以彼此接触的形态配置在环状流道4内。
在本实施方式中作为隔板采用了棒状隔板6，但本发明并不局限于此，只要是具有能减小环状流道的流道(截面积)、实现规定的加热器内滞留时间的功能，没有特别的限定。例如，也可是球状的隔板或弧面状的隔板。作为隔板的材料使用与流道构件相同的低溶出、低氧化性、耐热性的石英。不过，棒状隔板6还具有将被加热液体沿环状流道4的轴向引导从而使被加热液体平滑地流动的作用，因而更为理想。
此外，在环状流道4的外周侧配置有外部加热器7，在环状流道4的内周侧配置有内部加热器8，通过上述结构来构成本发明的液体加热器1。加热器最好是将环状流道4的外周面和/或内周面均匀地加热。
图2更具体且详细地表示上述液体加热器1。
图2中，将两根作为内部加热器8的直管型的卤素加热管以插入环状流道4的内周侧中央部的状态配置。此外在环状流道4的外周侧配置有作为外部加热器7的卤素加热器。热源可根据目的适当地选择。可配置卷绕在流道构件上的螺旋形状的加热器作为外部加热器。上述内部加热器8和外部加热器7相当于本发明的近红外线加热器，因为由卤素加热器构成，因而能发射出近红外线(波长为0.8～2.5μm)。
若构成液体加热器1的各零部件被固定成图2所示的配置，则其方法不受特别的限定。作为最简易的方法，可以考虑利用安装在另外准备好的支撑柱上的夹具等将环状流道4的石英管主体的下部及具有上部流出口5的上部喷嘴予以保持等。由于外部加热器7为螺旋形状时被分割成多个，因此需利用夹具等分别予以保持。由于卤素加热器的外表面涂布有反射性的物质，因此在固定时要注意不要摩擦而使其脱落。同样，对内部加热器也从下方予以支撑。
在固定液体加热器1时的重要事项是垂直设置以使液体朝上方流动。由此能避免沸腾等产生的气泡滞留在流道内部引起传热效率下降等的问题。还可期待液体的均匀流动。
根据本发明的实施方式的液体加热器1，能以使液体的滞留时间为0.5～5秒地一边使液体流过一边可靠地加热。例如，将2L/min的60℃的溶液加热至150℃所需的液体滞留时间为1.5秒。这是由于在环状流道4中设置有许多棒状隔板6，不仅减小了流道面积还与面向加热器的加热面接触地流动的缘故。与液体接触的加热表面的温度为200℃以下，因此在使用硫酸溶液作为被加热液体时，能避免硫酸溶液沸腾或过硫酸(过二硫酸)急速自我分解。
在将本发明的液体加热器用于抗蚀剂剥离用途时，例如可将其装入图3那样的单片式抗蚀剂剥离系统中加以使用。
该系统包括：对含有过硫酸(过二硫酸)的硫酸溶液(以下称为过硫酸溶液)的盛放槽10、对硫酸离子进行电解以生成过硫酸离子的电解装置13和清洗装置15。盛放槽10的过硫酸溶液被保持在60～80℃，一边由泵11送液一边由热交换器12冷却至适合电解的液温(40～60℃)，然后供给电解装置13。电解装置13中，硫酸离子在电解的作用下生成过硫酸离子，并以例如5～10L/min的流量在电解装置13与盛放槽10之间循环。盛放槽10内的过硫酸溶液通过泵14以例如1～2L/min的流量抽取，并由上述液体加热器1在短时间内加热至高温(例如120～190℃，优选140～160℃)，朝收放在清洗装置15中的被清洗体(例如半导体晶片)流下以对被清洗体进行清洗。此时，过硫酸溶液被液体加热器1快速加热至高温，能在过硫酸不过度地自我分解并维持高清洗能力的情况下供给清洗装置15。被清洗装置15使用过的溶液被泵16抽出并被热交换器17冷却后送回盛放槽10。
使用本发明的液体加热器，像图3所示的系统那样利用过硫酸溶液进行单片式清洗时，必须利用液体加热器1将含有过硫酸的硫酸水溶液瞬间加热至150℃左右。因此，在前面的阶段需要事先保持合适的液温。为此，如图3所示的系统那样，优选在系统中在液体加热器1的前阶段设置盛放槽10并将槽内温度保持在60～80℃。若槽内温度不到60℃则对本发明的液体加热器1的负载过大，相反若超过80℃则过硫酸的自我分解速度过大而难以将盛放槽10的过硫酸浓度维持在较高的状态。(参照图4的“过硫酸溶液温度与过硫酸自我分解”的曲线图)。
在此，图3所示的系统中，将从盛放槽10抽出的硫酸溶液冷却电解后送回盛放槽10。适合电解的温度为40～60℃，电解后温度上升20℃左右而成为60～80℃，若在电解前将硫酸溶液冷却至40～60℃，则不需要另行条件盛放槽10内的硫酸溶液的温度，从而成为上述结构。
尤其是，在本系统中，作为优选，供电解的硫酸溶液为75～96质量％。抗蚀剂剥离同时需要向抗蚀剂与硅基板之间渗透的力(渗透力)和将抗蚀剂氧化的力(氧化力)。硫酸浓度越低，则具有氧化力的过硫酸的生成效率越高，而硫酸浓度越高，则渗透力越强。因此，根据抗蚀剂的种类和硅基板上形成的图案形状等在上述范围内选择最佳的硫酸浓度。
液体加热器1中，如上所述，将60～80℃的硫酸溶液加热至120～190℃较为合适，优选加热至140～160℃。该温度的含有过硫酸的硫酸溶液利用过硫酸的氧化力能发挥良好的清洗力。此外，如上所述，高温的过硫酸的自我分解较快，通过使在该液体加热器中的滞留时间设定在5秒以下(优选为2秒以下)，能在过硫酸自我分解进展之前供于清洗。
(实施方式二)
上述实施方式一的液体加热器1中，环状流道4具有在上部侧直径逐渐减小而汇集的形状，但环状流道4也可不是在端部汇集以将液体集中的结构，流道也可是维持环状延伸的结构。以下根据图5对本发明的液体加热器的其他实施方式进行说明。
本实施方式的溶液加热器20具有由石英的双重管构成的环状流道21，该环状流道21的流道厚度在10mm以下。在环状流道21的两端部以与上述环状流道21连续的方式设有将流道厚度局部增大的筒状的集流座22、23。一端侧的集流座22设置在液体进口部分，该集流座22上连接有沿环状流道21的长度方向的流入管24。而另一端侧的集流座23设置在液体出口部分，该集流座23上连接有沿环状流道21的径向的流出管25。此外，在环状流道21中，有许多沿该环状流道21的长度方向的棒状的隔板26在整个圆周上排列。该隔板26由石英构成，并形成为与环状流道21的内周面确保微小间隙的直径(比流道厚度小的直径)。尽管未图示，将多根近红外线加热器以沿通液方向穿过环状流道21内部的形态配置，并将近红外线加热器配置成覆盖环状流道的外部。
上述液体加热器20中，从流入管24导入的液体经由集流座22均匀地分配至环状流道21，液体沿环状流道21的长度方向流过。环状流道21中，流道受到隔板26限制，液体与面向加热器的加热面接触而平滑地流动，被近红外线加热器均匀地瞬间加热。加热后的液体经由集流座23通过流出管25朝液体加热器20外流出。本实施方式的液体加热器20与液体加热器1一样适用于上述系统。
(实施方式三)
上述实施方式二中，在环状流道的内外周侧分别配置了近红外线加热器，但本发明中，也可仅在流道的相对的流道面的一方的外侧配置近红外线加热器。
图6所示的液体加热器30由石英构成，具有流道厚度为10mm以下的环状流道31，该环状流道31的两端部与将流道厚度增大而成的筒状的集流座32、33连续。一端侧的集流座32设置在液体进口部分，该集流座32上连接有流入管34。而另一端侧的集流座33设置在液体出口部分，该集流座33上连接有流出管35。此外，在环状流道31中，有许多沿该流道的长度方向的棒状的隔板36在整个圆周上排列。该隔板36由石英构成，并形成为与环状流道31确保微小间隙的直径。
在环状流道31的内周侧外部，四根棒状的近红外线加热器37沿环状流道31的长度方向配置。而在环状流道31的外周侧外部没有配置近红外线加热器，而是用金或铝等的反射件38覆盖外周侧外表面。这样，即使在环状流道31的外周侧外部没有配置近红外线加热器，从近红外线加热器37发射出的近红外线在外周面被反射件38反射，能利用该反射热从内外周均匀地加热液体。作为本发明，也可在环状流道31的外周侧外部配置近红外线加热器，利用反射件覆盖环状流道31的内周侧外表面，但将近红外线加热器配置在内周侧外部能更有效地加热被加热液体。
以上，对于本发明的液体加热器，以如上述实施方式那样容易制造为由例举双重管环状流道进行了说明，但本发明并不局限于上述实施方式的内容，例如，也可是相对的流道面都呈平面或曲面的带状流道。
实施例
(实施例一)
使用具有图2所示的环状流道的液体加热器对硫酸溶液进行加热。
液体加热器的规格如下。
将2L/min的液体温度为65℃、硫酸浓度为85质量％、过硫酸浓度＝20g/L的硫酸溶液流入液体加热器1进行加热。在加热部和出口侧管道内(图2的符号5的部分的出口侧连接管)的滞留时间为3.5秒。此时，将液体升温至150度，出口处的过硫酸浓度＝16.2g/L。
(比较例1)
使用图8所示的密闭容器型液体加热器40对硫酸溶液进行加热。
即，利用液体加热器40将2L/min的液体温度为65℃、过硫酸浓度＝20g/L的溶液升温至150℃时，出口处的过硫酸浓度＝0.5g/L。
(符号说明)
1液体加热器
3集流座
4环状流道
6棒状隔板
7外部加热器
8内部加热器
20液体加热器
21环状流道
22集流座
23集流座
26棒状隔板
30液体加热器
31环状流道
32集流座
33集流座
36棒状隔板
37近红外线加热器
38反射件

Claims (9)

1.一种液体加热器，其特征在于，包括：流道构件，该流道构件由作为能被近红外线穿过的材料、即石英构成，并形成能流过含过硫酸且浓度为65～96质量％的硫酸溶液的液体的、流道厚度在10mm以下的流道；棒状的隔板，该隔板由作为能被所述近红外线穿过的材料、即石英构成，并设于所述流道内部或封入所述流道内部，在所述流道内沿着液体流过方向配置，用于减小所述流道容量；以及近红外线加热器，该近红外线加热器配置在该流道的相对的流道面中至少一方的外侧以对所述流道内的所述液体进行加热。
2.如权利要求1所述的液体加热器，其特征在于，所述近红外线加热器配置在所述流道面的两个外侧。
3.如权利要求1或2所述的液体加热器，其特征在于，所述流道为环状流道。
4.如权利要求3所述的液体加热器，其特征在于，所述隔板有多个。
5.如权利要求1、2或4所述的液体加热器，其特征在于，所述隔板为棒状，在所述流道内沿液体流过方向并排配置。
6.如权利要求1、2或4所述的液体加热器，其特征在于，在所述流道的液体进口部分或是液体进入部分和液体出口部分，形成有扩大流道面积以促进所述液体的均匀分配的节流孔和/或集流座。
7.一种液体加热方法，其特征在于，使用权利要求1至6中任一项所述的液体加热器，将该液体加热器内的所述液体的滞留时间控制在0.5～5秒的情况下加热该液体。
8.如权利要求7所述的液体加热方法，其特征在于，所述液体加热器的流道的液体进口部分与液体出口部分的液温之差在50℃以上。
9.如权利要求8所述的液体加热方法，其特征在于，所述液体进口部分的液温为60～80℃，所述液体出口部分的液温为120～190℃。
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