CN116336285A - 一种管线化学加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管线化学加热器，包括红外线加热器，所述红外线加热器外的液体化学管道，所述液体化学管道内设置与红外线加热器外壁对应的石英管道，所述石英管道壁与红外线加热器之间设置间隔，所述间隔内填充有相变材料，所述红外线加热器的数量为多个，所述液体化学管道内设置数个石英翅片；本发明在红外线加热器与液体化学管道之间增加能够捕捉吸收大范围红外光谱内能量的媒介材料，避免这部分能量将浪费；通过专用媒介材料，与化学物腔体直接传导热量，热传导相比热辐射的速率更高；本发明利用材料的相变性质来维持恒温，不受工艺波动影响，且能防止磷酸被局部过度加热导致的腐蚀速率增加。

Description

一种管线化学加热器
技术领域
本发明涉及加热器领域，具体是指一种管线化学加热器。
背景技术
半导体工业依赖于由很多被精心控制的工序组成的工艺来生产高精度的硅金属结构，通常被人们称为集成电路或芯片。制造工艺的每个工序都需要先进的设备来监测硅晶圆和众多工艺气液体的状态。为达到理想的制造结果，这些工艺流体通常需要处于指定温度下，温度不能过高或过低。有时这些流体具有毒性或腐蚀性，比如硫酸、磷酸、盐酸、氨水合物，为了保护操作工和设备，其加热过程需要在安全环境下进行控制。此外半导体工业会消耗大量能量，这其中加热冷却系统的耗能最多。为了世界范围内节能减排的需求，这些需要提高这些加工过程的效率。
半导体工业在过去的数十年间已历过众多的加热腐蚀性化学物方法发展和进步。早年使用不锈钢或塑料容器，但是由于化学物本身的腐蚀性和高温，导致其系统寿命较短。其后人们设计了一种用玻璃或石英制作的容器，这些材料更加耐腐蚀，而且石英即使在高温下也具有较好的强度。然而就连石英也会被高温(150℃以上)的磷酸腐蚀或毁坏，通常在半导体工业流程中这种磷酸还需要保持在160-170℃之间。目前最新的设计使用红外(IR)加热系统，通过热辐射将热量传递到两层石英璧外的液体内，而腐蚀性液体无需与加热器相接触。加热器的保护石英套外壁和化学物腔体石英璧中有层空气间隙，这使得任何化学物容器中的泄露在不会损坏加热器的前提下触发泄露探测器。然而IR加热系统的效率很低，因此需要一个功率极高的加热器，有时功率会达到加热液体必要功率的三倍。大量的红外能量被石英和空气夹层所吸收，局部温度有时会达到180℃以上。在加热磷酸时，这就导致了石英的被腐蚀速度指数型增长。考虑这样一个案例，磷酸被用在晶圆制造的蚀刻工艺中，蚀刻容器和管线加热器之间循环的磷酸需要保持在指定的165℃。当温度控制器能够尽量精确地维持化学物的温度时，将一盒低温晶圆放入蚀刻容器后将使得磷酸温度大幅降低。此时温度控制器会提高加热功率,而石英璧吸收大量红外辐射，其温度将大幅超过180℃，石英璧附近的磷酸局部温度也将超过180℃。这就导致此时石英的被腐蚀速率超过初始设计时估算。不仅大量热量被浪费，还降低了化学物腔体容器的寿命。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种管线化学加热器，包括红外线加热器，所述红外线加热器外的液体化学管道，所述液体化学管道内设置与红外线加热器外壁对应的石英管道，所述石英管道壁与红外线加热器之间设置间隔，所述间隔内填充有相变材料，所述红外线加热器的数量为多个，所述液体化学管道内设置数个石英翅片。
进一步地，所述相变材料的相变点在160-175℃之间。
进一步地，所述红外线加热器的数量为五个，其均匀分布于液体化学管道内。
进一步地，所述石英翅片包括设置于红外线加热器外的横向加热翅片以及设置于液体化学管道四角处的斜向加热翅片。
进一步地，所述液体化学管道一端设置进液管，另一端设置出液管。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明在红外线加热器与液体化学管道之间增加能够捕捉吸收大范围红外光谱内能量的媒介材料，避免这部分能量将浪费。
(2)本发明通过专用媒介材料，与化学物腔体直接传导热量，热传导相比热辐射的速率更高。
(3)本发明中选择的相变材料，相变点在160-175℃之间，以应对半导体蚀刻工艺中磷酸的使用目标温度。
(4)本发明利用材料的相变性质来维持恒温，不受工艺波动影响，且能防止磷酸被局部过度加热导致的腐蚀速率增加。
(5)当加热其他相比磷酸温度更低的化学物时，相变媒介保持固态并传导热量，相比通过空气夹层的传热速率更高。
(6)石英化学物腔体内部结构通过设置石英翅片优化为增强湍流效果而增强对流传热，通过平衡、优化热传导、热对流、热辐射三种传热方法，来最大化热交换总量，最小化能量浪费且增加传热效率。
附图说明
图1是本发明一种管线化学加热器的内部结构示意图。
图2是本发明一种管线化学加热器的内部结构示意图。
图3是本发明一种管线化学加热器的截面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：
结合附图1-3，一种管线化学加热器，包括红外线加热器1，红外线加热器1外的液体化学管道2，液体化学管道2内设置与红外线加热器1外壁对应的石英管道3，石英管道3壁与红外线加热器1之间设置间隔4，间隔4内填充有相变材料，相变材料的相变点在160-175℃之间，红外线加热器1的数量为多个，本实施例中红外线加热器1的数量为五个，其均匀分布于液体化学管道2内；液体化学管道2内设置数个石英翅片5，石英翅片5包括设置于红外线加热器1外的横向加热翅片501以及设置于液体化学管道1四角处的斜向加热翅片502；液体化学管道2一端设置进液管6，另一端设置出液管7。
本实施例从一个新角度考虑系统设计，而非寻求最高功率的加热器。为了将能够被加热的化学物量最大化，本实施例的目标是优化热交换过程。若更高比例的热量能够被有效地传递，更少的能量以热的形式被浪费，则加热器的尺寸也将变小，并且这对节约成本和环境保护也具有积极作用。尽管红外加热有使化学物不直接接触加热器而加热的优势，但是化学物可能仅从红外光谱中吸收了小部分能量。石英也会从光谱的不同区间吸收红外辐射，但红外光谱主要区间内的能量并未被石英直接吸收，导致这部分红外能量将被浪费。本设计在红外线加热器和液体化学管道之间的石英外壁空气夹层中添加了一种媒介。
此相变媒介材料对光谱红外区透明，使得部分区间的红外能量能透过它被化学物吸收，但是此材料能够吸收原本被浪费的、红外光谱其他区间的能量。其后此材料能够通过石英璧将热量传导至化学物内。此外本专用材料拥有160-175℃的相变点，将由固态(160℃以下)融化为液态(170℃以上)；将材料温度维持在其相变点附近，可以不通过直接调节化学物温度而更简单地控制调节系统温度；若将此材料应用于前述场景，磷酸在加工晶圆的蚀刻容器和加热器中循坏，保持170-175℃的温度；一盒低温硅晶圆被放入到蚀刻容器中后，磷酸温度降低；但此时专用相变材料开始凝固并将热量传导至化学物而不改变温度，当其完全固化后温度降低时触发温度控制器来增加加热功率；这部分增加的红外能量会有部分传递到酸液中，但是大部分将被相变材料吸收；随后相变材料融化，温度升高至175℃时，温度控制器减小加热功率；在整个过程中，磷酸从来没有超过180℃，因此石英的腐蚀速率能够被更精确地控制，更少的热量被浪费，加热器的寿命也将更长。对于那些处于更低温度的化学物，热量更是可以直接通过固态媒介材料传导至本身，效率相对空气夹层设计更高。
为进一步提高换热效率，液体化学管道的内部设置石英翅片，可以被优化为使内部流体湍流，湍流增强了混合效果，并使热交换的速率更高；容器内部石英结构设计为多通道流动，为使整个系统内热量分布均与还增加了数根热管；尽管系统主要被设计为用来尽可能地减少磷酸腐蚀，石英结构和红外加热器皆为可独立替换，这能减少数年内维护系统的总成本。通过优化三种热传递的方式，热辐射，热传导和热对流，系统的总体能耗更低。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种管线化学加热器，其特征在于，包括红外线加热器，所述红外线加热器外的液体化学管道，所述液体化学管道内设置与红外线加热器外壁对应的石英管道，所述石英管道壁与红外线加热器之间设置间隔，所述间隔内填充有相变材料，所述红外线加热器的数量为多个，所述液体化学管道内设置数个石英翅片。
2.根据权利要求1所述的一种管线化学加热器，其特征在于，所述相变材料的相变点在160-175℃之间。
3.根据权利要求1所述的一种管线化学加热器，其特征在于，所述红外线加热器的数量为五个，其均匀分布于液体化学管道内。
4.根据权利要求1所述的一种管线化学加热器，其特征在于，所述石英翅片包括设置于红外线加热器外的横向加热翅片以及设置于液体化学管道四角处的斜向加热翅片。
5.根据权利要求1所述的一种管线化学加热器，其特征在于，所述液体化学管道一端设置进液管，另一端设置出液管。
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