CN1987285A - 液态化学品的加热方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态化学品的加热方法，所述液态化学品需要通过加热以降低粘度来进行传输，所述加热方法通过液体传热介质对所述液态化学品进行加热。本发明还提供了一种液态化学品的加热装置，包括：加热器，用于加热液体传热介质；换热器，用于将所述液体传热介质的热量传递至所述液态化学品；所述液态化学品需要通过加热以降低粘度来进行传输。本发明尤其适用于常温下粘度大，而随着温度升高粘度迅速下降的液态化学品，例如铜腐蚀液ST250。本发明可以满足大流量加热的需求；可以实现精确加热，避免液态化学品温度超出范围，从而提高液态化学品的使用寿命；避免电加热器件直接接触易燃易爆的溶剂类化学品，从而大大提高加热过程的安全性。

Description

液态化学品的加热方法和装置

技术领域

本发明涉及一种液态化学品的加热方法和装置，特别是涉及半导体企业常用的需要通过加热以减低粘度来进行传输或使用的化学溶液的加热方法和装置。

背景技术

半导体企业在生产过程中需要使用到很多的液态化学品，其中有些液态化学品在常温下的粘度非常大，但是随着温度的升高其粘度会迅速的下降，所以这些液态化学品需要通过加热以降低粘度来进行传输或使用。当然，不同的液态化学品需要的传输温度也是不相同的，这需要根据每种液态化学品的理化特性进行选择。一般采用的电加热方式不能满足液态化学品大流量加热传输的需求。

例如半导体企业中常用的一种铜腐蚀液ST250(L121 ST250)就是这样一种溶液。常温下该溶液的粘度较大(参照图1)，在20℃时的粘度为34厘斯(CS，centistokes)，在40℃时的粘度为17厘斯(CS，centistokes)，所以一般情况下，12英寸芯片半导体企业制程在传输和使用铜腐蚀液ST250时，需要将该溶液加热至40℃。半导体企业中对铜腐蚀液ST250的加热一般直接采用电加热的方式，通过温控器控制电加热器时断时续的加热，从而控制溶液的温度。参照图2，所述铜腐蚀液ST250在换热槽11中从下而上的流动，电加热棒12插入换热槽11中，通过电加热棒12的传热表面对铜腐蚀液ST250进行加热。温度传感器13和控制器14共同作用控制铜腐蚀液ST250的加热温度和电加热棒12的加热功率或者效率。然而，由于电加热器是通过较高的传热温度，较小的传热面积来实现液体温度的提高的，传热效率低下，所以无法在短时间内实现将铜腐蚀液ST250加热并不超过40℃，从而不能满足铜腐蚀液ST250的大流量加热传输的需求。一般电加热器在同样的技术要求下(从20℃加热到40℃)的流量不会超过2LPM(升/分)；而作为大量供给多个用户的中央供给系统要求20-25LPM(升/分)。

所述的需要通过加热以降低粘度来进行传输的液态化学品中，大部分对温度的变化非常敏感，温度的变化超出范围会导致所述液态化学品的不稳定、降低活性，甚至导致溶液成分发生变化，从而减少溶液的使用寿命。因此，在加热传输的过程中必须考虑对这些液态化学品的精确加热，保证温度的变化范围。而一般采用的电加热方式由于传热表面温度较高会导致部分液态化学品的温度超出范围，从而减少溶液的使用寿命，造成资源浪费。

例如前述的铜腐蚀液ST250在传输和使用中需要加热至40℃，除了粘度的考虑外，还兼顾了溶液活性的考虑。因为所述的铜腐蚀液ST250对温度的变化非常敏感，如果溶液的温度高于40℃，则溶液中的组分水就会比较容易挥发而造成溶液中水分的快速丧失，从而导致溶液成分发生变化，达到一定程度时该溶液就无法使用，必须废弃，否则会产生不合格产品。

而如前所述，半导体企业中对铜腐蚀液ST250的加热一般直接采用电加热的方式。但是由于溶液直接接触电加热器的表面，而电加热器的加热方式是时断时续的，加热表面的温度有时会高于40℃，所以会造成铜腐蚀液ST250中的一部分溶液温度高于40℃，从而破坏溶液的特性以及产品质量。实际生产中采用上述电加热方式下的一批铜腐蚀液ST250只能使用48小时，而48小时内处理的产品数量还远远没有达到该批铜腐蚀液ST250的最大腐蚀容量，但是为了保证产品的质量而不得不废弃该批溶液，所以会造成资源浪费以及加速环境污染。

另外，由于对所述液态化学品采用直接电加热的方式，而所述液态化学品大部分都是易燃、易爆或者腐蚀性的液体，这些液体直接接触电加热器件的加热表面非常危险，会带来很大的不安全因素。出于安全的考虑，整个电加热装置必须全部设置在防爆房间内，从而增加了企业的成本负担。

发明内容

鉴于上述问题，本发明所解决的技术问题是提供一种液态化学品的加热方法和装置，特别是涉及半导体企业常用的需要通过加热以降低粘度来进行传输的化学溶液的加热方法和装置，可以实现对液态化学品的安全加热，实现对液态化学品的精确加热，实现长时间连续加热，满足大流量加热的需求。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明公开了一种液态化学品的加热方法，所述液态化学品需要通过加热以降低粘度来进行传输，所述加热方法需要通过液体传热介质对所述液态化学品进行加热。

优选的，所述的液体传热介质可以为去离子水。

优选的，所述液体传热介质在传热管外流动，所述液态化学品在传热管内流动。

优选的，所述液体传热介质和所述液态化学品的流动方向相同，即进行顺流换热。

优选的，所述液态化学品可以为铜腐蚀液ST250。

本发明还提供了一种液态化学品的加热装置，所述液态化学品需要通过加热以降低粘度来进行传输，所述加热装置包括：加热器，用于加热液体传热介质；换热器，用于将所述液体传热介质的热量传递至所述液态化学品。

优选的，所述的加热装置还包括控制加热过程的控制器、测量所述液体传热介质温度的温度传感器、测量所述液态化学品温度的温度传感器、测量所述液态化学品流量的流量计；所述控制器与所述加热器、所述温度传感器以及所述流量计相连。

优选的，所述换热器的换热管为螺纹蛇管。

优选的，所述液体传热介质和所述液态化学品同向进入所述换热器。

优选的，所述的换热器设置在防爆房间内。

本发明和现有技术相比，具有以下优点：

本发明由于采用了液体传热介质对所述液态化学品进行加热，所以可以通过较小的温差获得较好的传热效果。优选的，选择比热大的水作为传热介质，则可以通过更小的温差获得更好的传热效果。由于液体传热介质和所述液态化学品之间的温差较小，可以确保对所述液态化学品的平稳和长时间加热，而不会使接触换热表面的液态化学品的温度超过范围，即可以实现对所述液态化学品的精确加热，所以可以保证所述液态化学品的溶液质量，从而提高所述液态化学品的使用寿命。

本发明由于采用了液体传热介质对所述液态化学品进行加热，并采用较大的换热表面，可以提高换热效率。并且本发明采用液体传热介质和液态化学品同方向流入换热器，可以快速的提高所述液态化学品的温度，从而尽快降低所述所述液态化学品的粘度，减少流动阻力，使得所述液态化学品在管道中流动时的压降达到最小，所以可以满足所述液态化学品大流量加热的需求，可以达到20-25LPM(升/分)。

本发明通过液体传热介质进行传热，而避免了表面温度高的电加热器件直接接触所述液态化学品，避免了电加热可能产生的不安全因素，从而相比于传统的直接电加热方式而言，大大提高了加热过程的安全度。

本发明所述的加热装置还可以包括控制器，所述控制器与温度传感器、流量计、加热器等相连，根据获取的温度和流量参数可以非常方便的调节和管理整个加热过程，例如：调节加热器的加热功率或者效率、调节液体传热介质的流量和温度等，从而达到最佳的加热效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是所述铜腐蚀液ST250的粘度随温度变化的示意图；

图2是现有的电加热装置结构示意图；

图3是本发明所述加热装置的整体结构示意图；

图4是图3所示加热装置的详细结构图；

图5是图3所示加热装置的换热器的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于通过液体传热介质对所述液态化学品进行加热，从而利用较大的传热面积实现对液态化学品的精确加热，并保证对液态化学品的安全加热，以及满足液态化学品大流量加热的需求。

参照图3，是本发明所述加热装置的整体结构示意图。本发明所述加热装置包括加热器31和换热器32，所述加热器31用于加热液体传热介质，所述换热器32用于将所述液体传热介质的热量传递至所述液态化学品。所述加热器31可以采用本领域技术人员熟知的加热方式，例如电加热方式等。所述换热器32可以采用现有的各种适合液体传热的换热器，例如管壳式换热器或者板式换热器等。

所述的液态化学品可以是半导体企业在生产过程中经常使用的一些液态化学品，它们所具有的共同特性为：在常温下的粘度非常大，但是随着温度的升高其粘度会迅速的下降，所以这些液态化学品需要通过加热以降低粘度来进行传输，以保证传输的效率。所述传输包括从厂务到生产车间的远距离传输，也可以包括在生产车间内的局部传输。

所述的液态化学品可以为混合溶液，例如半导体企业常用的铜腐蚀液ST250(L121 ST250)，可以通过美国ATMI半导体材料公司获得。所述的液态化学品也可以是纯净物，例如N-甲基-2-砒咯酮(NMP)，可以通过台湾伊默克化学科技股份有限公司获得。当然，本发明并不限制所述的液态化学品的具体成分或者具体厂商，只要所述液态化学品需要通过加热以降低粘度来进行传输即可。

所述液体传热介质为了保证传热效率，一般需要选用比热较大的液体。优选的，所述液体传热介质可以为去离子水。因为水的比热在所有液态和固态物质中最大，为4.1868×10³J·kg^-1·℃^-1；并且去离子水不会产生水垢等影响传热的物质；而且在工业上的水是非常容易获得的。当然本发明并不限制所述液体传热介质的具体构成。

当本发明所述加热装置对所述液态化学品进行加热时，首先在加热器31中通过电加热方式将所述液体传热介质加热至指定的温度，然后通过管道将加热后的所述液体传热介质传送至换热器32中，在换热器32中所述液体传热介质将自身携带的热量传递给所述液态化学品，使其达到指定的温度，换热后的所述液体传热介质再回到加热器31中，从而完成对所述液态化学品的加热过程。加热之后，所述液态化学品的温度提高了，粘度下降了，即提高了所述液态化学品传输速度。

参照图4，是图3所示加热装置的详细结构图。图4所示的加热装置包括加热器31、换热器32、控制器43、流量计47、温度传感器45、温度传感器46、控制阀49、泵48、电加热棒44以及传输管道等。图4所示的优选的加热装置中，所述液态化学品为铜腐蚀液ST250，所述的液体传热介质为去离子水。

去离子水在加热器31中由电加热棒44进行加热，加热器31上设置有温度传感器45，所述电加热棒44、温度传感器45都通过信号线和所述控制器43相连，所述控制器43根据获取的温度参数控制所述电加热的功率或者效率。所述去离子水的加热温度需要考虑铜腐蚀液ST250要求的温度以及去离子水传输管道的距离。去离子水经过加热后通过泵48传送至换热器32中。

所述换热器32可以在去离子水的入口管道处设置控制阀门49，用以控制去离子水的流量，所述的控制阀49还可以通过信号线和所述的控制器43相连，以实现远程控制。根据本发明前述的理由，得知铜腐蚀液ST250的需要温度为40℃，所以可以设定铜腐蚀液ST250出口温度稍低于40℃。对铜腐蚀液ST250出口温度的控制可以通过以下方式实现：在铜腐蚀液ST250出口处设置流量计47和温度传感器46，并分别连接信号线至所述控制器43，所述控制器43通过设定方式对流量或者加热效率进行控制，从而达到保证铜腐蚀液ST250出口温度的目的。

所述去离子水在换热器32中可以从上方流入，从下方流出。优选的，所述的铜腐蚀液ST250采用和去离子水相同的流动方向。固然，在换热器32中逆向流动可以提高换热效率，但是本换热器的主要目的在于精确换热和尽快提高铜腐蚀液ST250的温度，降低铜腐蚀液ST250的粘度，所以采用同向流动。由于铜腐蚀液ST250在入口时的粘度较大，出口时的粘度较小，所以会产生较大的压降，影响液体传输。但是采用同向换热方式可以实现铜腐蚀液ST250入口时的快速加热，使得该液体传输中的压降达到最小，从而可以满足大流量加热的需求，所述铜腐蚀液ST250的流量可以通过流量计显示得到。铜腐蚀液ST250经过加热后达到了所需的温度，故可以进行传输或者使用。去离子水经过换热后温度降低，回到加热器31中重新进行加热，开始下一个加热流程。

所述控制器43通过信号线与泵48、电加热棒44、温度传感器45、温度传感器46、流量计47、控制阀49相连接，通过设定的控制程序对整个加热过程进行远程自动控制，降低员工的劳动强度。当然所述控制器43仅仅控制上述器件中的一个或者几个，也可以实现对铜腐蚀液ST250出口温度的控制；图4所示的控制方式是为了达到最佳的温度控制效果而采用的。泵48可以设置在所述加热器31的出口管道上，其作用就是使得去离子水在加热器31和换热器32之间循环流动，所述控制器43可以控制所述泵48的开启和关闭状态从而控制去离子水的流动。所述控制器43和电加热棒44、温度传感器45相连，可以控制电加热棒44的开启、关闭或者加热功率，从而控制去离子水的温度。所述控制阀49可以设置在换热器32去离子水的入口管道上，所述控制器43和所述控制阀49相连，可以对所述控制阀49的开启程度进行管理，从而达到调节最为传热介质的去离子水的流量。

所述控制器43还可以包括显示单元，可以在显示单元上显示各种加热温度、流量等，方便技术人员了解整个加热过程。当然所述控制器43可以包括管理芯片，所述管理芯片可以按照设定的程序自动对加热过程进行调节和管理。所述控制器43可以设置在远离加热系统的其他地方，以便实现远程管理。

由于图4所述的加热装置避免了电加热表面直接接触易燃易爆的铜腐蚀液ST250，所以提高了本发明所述加热装置的安全程度。则在满足铜腐蚀液ST250大流量加热的需求下，可以仅仅将本加热装置的换热器部分设置在防爆房间内，从而降低设备的成本，所述防爆房间是为了保证安全而特别设置的。

参照图5，是图3所示加热装置的换热器32的结构示意图。所述换热器32可以采用现有的各种形式的换热器，例如，螺纹管换热器、浮动盘管换热器或者板式换热器等，所需要的换热技术都是本领域技术人员熟知的。图5所示的是一种蛇管换热器，采用蛇管是为了增加换热面积。至于所述换热器32外壳的尺寸、蛇管的弯折次数、蛇管的数量以及蛇管的直径等都是需要根据所述铜腐蚀液ST250加热后温度以及流量的大小通过计算得到的，当然所述的计算过程为本领域技术人员所熟知，在此就不再赘述。所述蛇管的表面还可以增加螺纹或者翅片，以增加铜腐蚀液ST250在换热器中流动时的阻力和换热面积，从而提高换热效率。由于换热管内流动的为化学品，为了防止腐蚀，可以采用聚四氟乙烯(PFA)、聚丙烯(PP)等耐腐蚀材料。当然，由于所加热的液态化学品的易燃、易爆、腐蚀性带来的换热器材料或者设计上的其他需要，对本领域技术人员来说是熟知的，在此不再赘述。

考虑到所述铜腐蚀液ST250的粘度以及腐蚀性等特性，图5所示的换热器32中铜腐蚀液ST250设置在蛇管内流动，加热后的去离子水在换热管外流动，对蛇管进行充分的加热。由于换热管外的空间充满了大量的热水，所以所述铜腐蚀液ST250可以很快达到需要的温度；由于加热速度的提高，从而可以满足铜腐蚀液ST250大流量加热的需求。

在铜腐蚀液ST250出口管道处设置了流量计47和温度传感器46，并通过信号线和所述控制器43相连，实现远程和自动控制，确保铜腐蚀液ST250的换热后温度达到预定的温度。

由于水的比热在所有液态和固态物质中最大，所以相同情况下其携带的热量也是最大的，从而可以得到稳定温度的去离子水，提高铜腐蚀液ST250换热的精确度。正是由于水的比热非常大，所以可以通过较小的换热温差就可以达到极佳的换热效果，例如，要求铜腐蚀液ST250换热后温度为38℃时，作为换热介质的去离子水的温度可以稳定在38±0.5℃，甚至38±0.2℃，就可以满足换热需要。这样稳定温度的传热介质既可以满足对铜腐蚀液ST250加热至38℃的需要，又不会导致铜腐蚀液ST250中的部分溶液温度高于40℃，从而影响该溶液的使用寿命，可以提高资源的利用效率。

去离子水与铜腐蚀液ST250在换热器32中都采用从上至下的流动方向，可以使得铜腐蚀液ST250尽快的提高液体温度，尽快的降低液体粘度，从而使得当铜腐蚀液ST250在换热器32中传输时的压降最小，从而可以满足大流量加热的需求。

半导体企业一般需要在传输端对所述液态化学品的进行加热，当传输至使用端时需要补充加热，以弥补在传输途中损失的热量。半导体企业对所述液态化学品的加热可以在传输端使用本发明所述加热装置，而在使用端仍然使用电加热方式的加热系统。所述的传输端一般位于厂务所在的位置，所述使用端一般位于生产车间内。

在传输端使用本发明所述加热装置，可以满足大流量加热的需要以及提高化学品的使用寿命。但是考虑到在使用端进行设备改造的难度以及在使用端仅仅对所述的液态化学品进行补充加热(例如，从36℃加热至40℃)，电加热方式完全可以满足，而且不会对液态化学品的使用寿命产生较大的影响。所以综合考虑下，一般可以采用组合加热方式，当然如果条件允许，在厂务传输端和生产车间的使用端都采用本发明所述的加热方法和装置，可以达到最佳的加热效果。

本发明还提供了一种液态化学品的加热方法，所以液态化学品需要通过加热以降低粘度来进行传输，其核心思想在于通过液体传热介质对所述液态化学品进行加热，从而达到安全加热、精确加热以及快速加热提高液态化学品流量的目的。所述的液体传热介质可以为去离子水，所述液态化学品可以为铜腐蚀液ST250。在换热器中，去离子水在传热管外流动，铜腐蚀液ST250在传热管内流动，所述去离子水与铜腐蚀液ST250的流动方向相同。本发明所述加热方法未尽之信息，可以参见前述加热装置的描述。

以上对本发明所提供的一种液态化学品的加热方法和装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1、一种液态化学品的加热方法，所述液态化学品需要通过加热以降低粘度来进行传输，其特征在于，通过液体传热介质对所述液态化学品进行加热。

2、如权利要求1所述的液态化学品的加热方法，其特征在于，所述的液体传热媒介物包括水。

3、如权利要求1或2所述的液态化学品的加热方法，其特征在于，所述液体传热介质在传热管外流动，所述液态化学品在传热管内流动。

4、如权利要求3所述的液态化学品的加热方法，其特征在于，所述液体传热介质和所述液态化学品之间通过顺流方式换热。

5、如权利要求1或2所述的液态化学品的加热方法，其特征在于，所述液态化学品为铜腐蚀液ST250。

6、一种液态化学品的加热装置，所述液态化学品需要通过加热以降低粘度来进行传输，其特征在于，包括：

加热器，用于加热液体传热介质；

换热器，用于将所述液体传热介质的热量传递至所述液态化学品。

7、如权利要求6所述的液态化学品的加热装置，其特征在于，还包括控制加热过程的控制器、测量所述液体传热介质温度的温度传感器、测量所述液态化学品温度的温度传感器、测量所述液态化学品流量的流量计；所述控制器与所述加热器、所述温度传感器以及所述流量计相连。

8、如权利要求6或7所述的液态化学品的加热装置，其特征在于，所述换热器的换热管为螺纹蛇管。

9、如权利要求8所述的液态化学品的加热装置，其特征在于，所述液体传热介质和所述液态化学品顺流进入所述换热器。

10、如权利要求9所述的液态化学品的加热装置，其特征在于，所述的换热器设置在防爆房间内。

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