CN113804046B - 一种低成本的主动控温喷淋头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本的主动控温喷淋头，该喷淋头通过在冷却环和喷淋顶板之间增设隔热层，以将冷却环和喷淋顶板进行阻隔，增大二者之间的热阻，降低导热率，即使喷淋顶板的温度超过100℃，由于冷却环和喷淋顶板之间有隔热层进行阻隔，能够避免喷淋顶板将大量的热量传递到冷却环中，防止冷却环中的冷却液温度骤升沸腾，以及防止气液混合状态的产生，进而确保冷却环的冷却系统持续有效。通过上述主动控温喷淋头的结构设计，可将冷却液水的控温由100℃以下，扩充到250℃以下，即实现高温的控温，进而降低控温成本，提高安全性；该喷淋头具有结构简单，设计合理、成本低、安全性高等优点。

Description

一种低成本的主动控温喷淋头
技术领域
本发明公开涉及半导体镀膜用设备技术领域，尤其涉及一种低成本的主动控温喷淋头。
背景技术
为了提高镀膜的效果，现有的镀膜设备中大多采用主动控温喷淋头，即通过对喷淋头的主动温度控制，实现镀膜效果的控制与改善。
现有的主动控温喷淋头主要包括：喷淋顶板、喷淋面板、冷却环、电加热环以及温度传感器，其中，喷淋面板固定安装在喷淋顶板的下端端面，冷却环、电加热环以及温度传感器均直接安装在喷淋顶板上。主动温控喷淋头工作时，喷淋面板会吸收加热盘的辐射热量以及RF产生的热量，喷淋面板吸收的热量流向会从中心向四周边缘扩散，并传向喷淋顶板，通过位于喷淋顶板的冷却环吸收热量。当RF射频不工作时，主要是通过电加热环给整个系统提供热量，维持喷淋面板的温度平衡，一旦RF工作，电加热环通过温度传感器对喷淋面板温度的检测，会适当的降低功率，维持喷淋面板温度的稳定。
目前，上述的主动控温喷淋头对于100℃以下的控温需求，在冷却环中均采用水作为冷却液进行控温，将水作为冷却液不仅成本低，而且安全性高；而当对于100℃以上的控温需求时，由于采用水作为冷却液时，喷淋顶板中的热量会直接快速传递到冷却环中，导致冷却环中的冷却液温度快速上升沸腾，变成气液混合状态，导致冷却环的控温系统失效，因此，对于100℃以上的高温控温需求时，需要将冷却液由水替换为专用的高沸点冷却液，通常为氟化油类，随着冷却液的替换，水用循环泵也需要更换为氟化油类用耐高温的循环泵，流量表等元器件都需更换为耐高温的流量表等元器件，此时不仅成本提高，而且危险系数也有所提升。
因此，如何降低高温冷却时的成本以及危险系数，成为人们亟待解决的问题。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种低成本的主动控温喷淋头，以至少解决以往对于高温冷却时，存在的成本高、危险系数大等问题。
本发明提供的技术方案，具体为，一种低成本的主动控温喷淋头，包括：喷淋顶板、喷淋面板、冷却环、电加热环以及温度传感器；
所述喷淋顶板的上表面中央设置有向下凹陷的安装槽；
所述喷淋面板固定安装在所述喷淋顶板的下端端面；
所述冷却环安装在所述喷淋顶板中的安装槽内，且在所述冷却环中设置有用于对流冷却流体流动的通路；
所述电加热环物理附接在所述喷淋顶板中的安装槽内，且套装在所述冷却环的外部；
所述温度传感器安装在所述喷淋顶板上；
其特征在于，所述主动控温喷淋头还包括：隔热层；
所述隔热层位于所述冷却环的下方，将所述冷却环与所述喷淋顶板阻隔。
优选，所述隔热层为环形隔热层。
进一步优选，所述隔热层是由热导率<5w/m*k的高热阻材料制成。
进一步优选，所述隔热层是由聚四氟乙烯或聚酰亚胺制成。
进一步优选，所述隔热层为具有高热阻性能的结构。
进一步优选，所述隔热层的厚度为0.5～10mm。
进一步优选，所述冷却环和所述隔热层均通过螺栓固定安装在所述喷淋顶板上。
进一步优选，所述温度传感器为光纤温度传感器。
本发明提供的低成本的主动控温喷淋头，通过在冷却环和喷淋顶板之间增设隔热层，以将冷却环和喷淋顶板进行阻隔，增大二者之间的热阻，降低导热率，即使喷淋顶板的温度超过100℃，由于冷却环和喷淋顶板之间有隔热层进行阻隔，能够避免喷淋顶板将大量的热量传递到冷却环中，防止冷却环中的冷却液温度骤升沸腾，以及防止气液混合状态的产生，进而确保冷却环的冷却系统持续有效。通过上述主动控温喷淋头的结构设计，可将冷却液水的控温由100℃以下，扩充到250℃以下，即实现高温的控温，进而降低控温成本，提高安全性。
本发明提供的低成本的主动控温喷淋头，具有以下优点：
1)兼容性好，通过冷却液体(水)可以实现控制温度50-250℃；
2)成本低，冷却系统采用的是低温低沸点冷却液(水或者乙二醇)，因此整个冷却系统设计制造成本低，运行成本低；
3)安全性好，实现用低温冷却系统来控制高温的SHD，低温冷却系统发生烫伤风险的较高温冷却系统低，且采用冷却液为水，无毒。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开实施例提供的一种低成本的主动控温喷淋头的结构示意图；
图2为本发明公开实施例提供的一种低成本的主动控温喷淋头中喷淋面板的热力学仿真温度分布图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
现有的主动控温喷淋头在对于100℃以下的控温需求，均是采用水作为冷却液进行控温，具有成本低、安全性高等优点，但对于100℃以上的高温控温需求时，需要将冷却液由水替换为专用的高沸点冷却液，通常为有机溶剂，此时不仅成本提高，而且危险系数也有所提升，因此，如何解决对于100℃以上的高温控温，存在成本高、安全性低的问题，成为困扰本领域技术人员的问题。
本实施方案首次提出通过对主动控温喷淋头进行结构改进，以扩充水的控温范围的方式，实现现有高温控温存在的成本高、安全性低的问题。
在研究中发现：现有主动控温喷淋头中，冷却液水无法实现高温控温，主要因为：当喷淋顶板的温度超过100℃，例如200℃的高温时，由于冷却水与喷淋顶板之间是通过冷却环接触的，而冷却环均为金属制成，例如Al合金等，由于金属的导热率较大，此时冷却水与喷淋顶板之间的热阻就较小，当喷淋顶板处于高温状态时，由于冷却水与喷淋顶板之间存在的温差较大，而他们之间的热阻又较小，因此，冷却水会快速吸收大量的热量，致使温度骤升沸腾，处于气液混合状态，导致冷却环的控温系统失效，无法实现高温控温。
鉴于此，本实施方案提供了一种低成本的主动控温喷淋头，参见图1，该主动控温喷淋头主要由喷淋顶板1、喷淋面板2、冷却环3、电加热环4、温度传感器5以及隔热层构成，其中，喷淋顶板1的上表面中央设置有向下凹陷的安装槽11，喷淋面板2固定安装在喷淋顶板1的下端端面，冷却环3安装在喷淋顶板1中的安装槽11内，且在冷却环3中设置有用于对流冷却流体流动的通路，电加热环4物理附接在喷淋顶板1中的安装槽11内，且套装在冷却环3的外部，温度传感器5安装在喷淋顶板1上，隔热层6位于冷却环3的下方，将冷却环3与喷淋顶板1阻隔。
上述实施方案中提供的主动控温喷淋头，在喷淋顶板1和冷却环3之间增设了隔热层6，通过隔热层6的设置，可增大冷却环3中冷却液水与喷淋顶板1之间的热阻，此时，即使喷淋顶板1达到200℃的高温，在冷却液水与喷淋顶板1之间存在很大的温差，但由于二者之间的热阻较大，冷却液水仍是无法从喷淋顶板1处快速吸收大量的热量，避免冷却液水瞬间沸腾，导致冷却环的冷却系统失效。实验证明，通过上述的结构改进，可将冷却水的控温由于100℃以下，扩充为250℃以下，进而替代高沸点冷却液，有效解决以往采用高沸点冷却液存在的成本高、危险性高的问题。
通过上述实施方案中对于主动控温喷淋头的结构设计，在250℃以下的温控需求时，均可采用水作为冷却液，以替代以往高沸点的氟化油的使用，使控温价格大幅度降低，通常单价氟化油会比去离子贵百倍左右，而且也不用进行循环泵的替换，以往氟化油用的耐高温循环泵的价格也比去离子水循环泵的价格要高1倍多。此外，由于在高温控温时，去离子水的温度要远低于氟化油的温度，会降低对于油温机的功耗消耗，可降低运行成本，而且在对于保温和安全设计上，采用去离子水也要比氟化油的成本大幅度降低。
上述实施方案中，冷却环3和隔热层6均通过螺栓固定安装在喷淋顶板1上，即为分体结构，当控温在250℃以上时，喷淋顶板由于热辐射和热对流等热损失较大，因此，可根据实际情况，选择性拆卸冷却环的冷却液循环系统。
上述的隔热层6可以设计为环形隔热层，则形状与冷却环3的端面形状相同，在实际的研发生产中，该隔热层6可以采用单独的结构，即如上述与冷却环3和喷淋顶板1为分体结构，通过螺栓进行安装连接，也可以是将冷却环3的底面设计有隔热层6，即与冷却环3为一体式结构，还可以是将隔热层6设计在喷淋顶板1的安装槽底面上，即与喷淋顶板1以一体式结构，具体的结构形式，可以根据实际的生产需求进行设计。
上述隔热层6的主要目的在于实现冷却环3与喷淋顶板1之间的热传导，降低喷淋顶板1与冷却环3中冷却液之间的热量传递，因此，上述的隔热层6可以选用热导率<5w/m*k的高热阻材料制成，或者采用具有高热阻性能的结构。
对于高热阻材料可以选用，例如，聚四氟乙烯或聚酰亚胺等，其中，隔热层6的厚度对于热阻的效果存在较大的影响，因此，可以根据具体的使用环境、冷却功率或者工况进行厚度的设计，但通常而言，采用厚度为0.5～10mm的隔热层6即可。
为了提高对于温度检测的精准性，将上述的温度传感器5采用光纤温度传感器。
上述实施方案提供的主动控温喷淋头，可适用于各类热壁型生产设备，尤其是半导体设备。
下面以上述实施方案提供的主动控温喷淋头进行温控实验，在300℃的镀膜工作状态时，喷淋头的喷淋面板温度为200℃，加热源的功率为350W，喷淋面板的温度范围是197.036～203.678℃，而此时冷却环中冷却水的温度仅为75℃，参见图2为喷淋面板的热力学仿真温度分布图。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种低成本的主动控温喷淋头，包括：喷淋顶板(1)、喷淋面板(2)、冷却环(3)、电加热环(4)以及温度传感器(5)；
所述喷淋顶板(1)的上表面中央设置有向下凹陷的安装槽(11)；
所述喷淋面板(2)固定安装在所述喷淋顶板(1)的下端端面；
所述冷却环(3)安装在所述喷淋顶板(1)中的安装槽(11)内，且在所述冷却环(3)中设置有用于对流冷却流体流动的通路；
所述电加热环(4)物理附接在所述喷淋顶板(1)中的安装槽(11)内，且套装在所述冷却环(3)的外部；
所述温度传感器(5)安装在所述喷淋顶板(1)上；
其特征在于，所述主动控温喷淋头还包括：隔热层(6)；
所述隔热层(6)位于所述冷却环(3)的下方，将所述冷却环(3)与所述喷淋顶板(1)阻隔。
2.根据权利要求1所述低成本的主动控温喷淋头,其特征在于，所述隔热层(6)为环形隔热层。
3.根据权利要求1所述低成本的主动控温喷淋头,其特征在于，所述隔热层(6)是由热导率<5w/m*k的高热阻材料制成。
4.根据权利要求1所述低成本的主动控温喷淋头,其特征在于，所述隔热层(6)是由聚四氟乙烯或聚酰亚胺制成。
5.根据权利要求1所述低成本的主动控温喷淋头,其特征在于，所述隔热层(6)为具有高热阻性能的结构。
6.根据权利要求1所述低成本的主动控温喷淋头,其特征在于，所述隔热层(6)的厚度为0.5～10mm。
7.根据权利要求1所述低成本的主动控温喷淋头,其特征在于，所述冷却环(3)和所述隔热层(6)均通过螺栓固定安装在所述喷淋顶板(1)上。
8.根据权利要求1所述低成本的主动控温喷淋头,其特征在于，所述温度传感器(5)为光纤温度传感器。
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