JP2001110702A - 流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 設定温度の変更時、出力流体が該変更後の設
定温度まで到達する時間を極力短縮する。 【解決手段】 加熱前の流体の一部を流入管Ｐ１よりバ
イパス管Ｐ３に分流し、流出管Ｐ２１から送られてく
る、加熱部１０による加熱後の流体と混合し、出力流体
として送出する可変弁５０を設ける。制御部６０は、温
度センサ４０−３で検出される上記出力流体の温度が設
定温度となるべく可変弁５０による加熱前流体と加熱後
流体の混合比を可変制御する。具体的には、温度センサ
４０−１，４０−１、流量計３０−１，３０−２の検出
結果から把握される、加熱前流体の温度及び流量と、加
熱後流体の温度及び流量とに基づき上記設定温度を満足
する混合比を決定し、該混合比を満足するように可変弁
５０の弁の開度を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造プロセ
ス等で使用される純水や薬液等の流体を設定温度まで加
熱して該当プロセスに供給する流体加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体製造プロセスの中には、
半導体ウェーハを薬液を用いて処理するプロセスや、こ
の薬液処理後に半導体ウェーハに付着している薬液を洗
浄するプロセス等がある。

【０００３】このうち、洗浄プロセスでは、薬液の洗浄
能力を高めるべく、例えば超純水を８５℃まで加熱して
温純水を生成し、この温純水を用いて半導体ウェーハの
洗浄を行っている。

【０００４】図４は、上記洗浄プロセスに用いる温純水
を生成するための流体加熱装置の従来一般的な構成を示
す図である。

【０００５】この流体加熱装置１００では、図示しない
供給源から供給される超純水（入力流体）を入口弁２０
から取り込んで加熱部１０に供給する。

【０００６】加熱部１０はそれぞれヒータが付設された
加熱容器１１ａ，１１ｂ，１１１ｃを具備して構成さ
れ、流入する超純水をこれら各加熱容器１１ａ，１１
ｂ，１１ｃを順次通過させていきながらそれぞれのヒー
タで加熱することにより例えば８５℃の温純水を生成
し、出力流体として上記洗浄プロセスへ供給する。

【０００７】ここで、出力流体の加熱目標温度（８５
℃）は予め設定されており、図示しない制御部では、加
熱部１０の流体出口近傍に設けた温度センサ４０による
検出温度が上記設定温度と一致するように各加熱容器１
１ａ，１１ｂ，１１ｃのヒータを発熱駆動（例えば、Ｐ
ＩＤ制御）する。その際、制御部は、流量計３０により
検出される流入流体の流量を上記ＰＩＤ制御に反映させ
る。

【０００８】なお、上記ヒータの発熱駆動に関しては、
ＰＩＤ制御に限らず、ＯＮＮ−ＯＦＦ制御との組み合わ
せも可能である。

【０００９】設定温度が変更されると、再度、この変更
後の設定温度と温度センサ４０による検出温度とを比較
し、その差が無くなるように、各加熱容器１１ａ，１１
ｂ，１１ｃのヒータの発熱駆動の制御を行う。

【００１０】なお、図４では超純水を加熱する流体加熱
装置１００の構成を示したが、上述した半導体製造プロ
セスにおける薬液を加熱する薬液加熱装置についても基
本的には図４と同様の構成により実現できる。

【００１１】すなわち、この種の従来の流体加熱装置
は、流入する流体を加熱部１０の加熱容器内のヒータの
発熱量を制御するだけで設定温度に調整するのが一般的
であった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の流
体加熱装置では、加熱部の加熱容器内のヒータの発熱量
制御のみによって流体温度を設定温度に調整していたた
め、設定温度変更時には、加熱容器内の流体の温度変化
を待つ必要があり、出力流体が設定温度に到達するまで
に長時間を要するという問題点があった。

【００１３】本発明は上述の問題点を解消し、設定温度
の変更時、出力流体が該変更後の設定温度まで到達する
時間を極力短縮できる流体加熱装置を提供することを目
的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、流入経路から流入する流体をヒ
ータにより加熱し、流出経路に流出する加熱手段と、前
記加熱手段による加熱前の流体の一部を前記流入経路よ
り分流し、前記流出経路中で前記加熱手段による加熱後
の流体に混合して出力流体として送出する流体混合手段
と、前記出力流体の温度が予め設定された設定温度とな
るように前記流体混合手段による前記加熱前の流体と前
記加熱後の流体の混合比を可変制御する混合比可変制御
手段とを具備することを特徴とする。

【００１５】また、請求項２の発明は、上記請求項１の
発明において、前記ヒータを発熱駆動する加熱制御手段
を具備し、該加熱制御手段は、前記加熱手段に流入する
流体が該加熱手段による最大加熱温度となるべく前記ヒ
ータを発熱駆動することを特徴とする。

【００１６】また、請求項３の発明は、上記請求項１の
発明において、前記加熱前の流体の温度を検出する第１
の温度検出手段と、前記加熱手段による加熱後の流体の
温度を検出する第２の温度検出手段と、前記加熱手段へ
流入する流体の流量を検出する第１の流量検出手段と、
前記流入経路より分流される流体の流量を検出する第２
の流量検出手段とを具備し、前記混合比可変制御手段
は、前記各検出手段の検出結果から把握される、加熱前
流体の温度及び流量と、加熱後流体の温度及び流量とに
基づき前記設定温度を満足する混合比を決定することを
特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照して詳細に説明する。

【００１８】図１は、本発明に係わる流体加熱装置の第
１の実施形態を示す図である。本実施形態に係わる流体
加熱装置１００Ａは、例えば、半導体製造時の半導体ウ
ェーハ洗浄プロセスに用いる超純水を加熱する超純水加
熱装置として用いられるものであり、流体（超純水）の
加熱源として従来装置（図４参照）と同様の加熱部１０
を具備している。

【００１９】また、この流体加熱装置１００Ａの配管構
造としては、加熱部１０に流体（超純水）を流入させる
ための流入管Ｐ１、加熱部１０から加熱後の流体を流出
させるための流出管Ｐ２（Ｐ２１とＰ２２とで構成され
る）、流入管Ｐ１を流れる加熱前の流体の一部を流出管
Ｐ２にパイバスするバイパス管Ｐ３が備わる。

【００２０】流入管Ｐ１に付随する構成要素として、流
体供給源から加熱部１０方向に向けて順に、入口弁２
０、温度センサ４０−１、流量計３０−１，３０−２が
備わる。また、流出管Ｐ２に付随する構成要素として、
加熱部１０から流体供給先に向けて順に、温度センサ４
０−２、可変弁５０、温度センサ４０−３が備わる。

【００２１】ここで、可変弁５０は内部に例えば三方弁
（図２参照）を持ち、加熱部１０から流出管Ｐ２１を通
って送られてくる加熱後の流体と、バイパス管Ｐ３から
送られてくる加熱前の流体とを混合し、流出管Ｐ２２を
経て流体供給先方向へ送り出すと共に、上記三方弁の開
度を可変制御することで上記加熱前流体と加熱後流体の
混合比を適宜調整できるように構成されている。

【００２２】更に、この流体加熱装置１００Ａには、上
記各流量計３０−１，３０−２、上記各温度センサ４０
−１，４０−２，４０−３の検出結果に基づき上記加熱
部１０の加熱制御及び可変弁５０の開度制御を行う制御
部６０が設けられる。

【００２３】次に、この流体加熱装置１００Ａの動作に
ついて説明する。

【００２４】この流体加熱装置１００Ａにおいて、加熱
対象の流体（超純水）は、図示しない供給源から入口弁
２０を介して入力流体として流入管Ｐ１内に取り込まれ
る。この時、入口弁２０の弁の開度は制御部６０により
制御されており、該入力弁２０の弁開度に応じた量の超
純水が取り込まれる。

【００２５】入口弁２０を介して取り込まれた超純水
は、流入管Ｐ１を通って加熱部１０に流入される。この
時、流入管Ｐ１を通る超純水の一部（可変弁５０の弁開
度に応じた量）が流入管Ｐ１よりバイパス管Ｐ３にバイ
パスされ、残りの超純水が加熱部１０に流入する。

【００２６】加熱部１０は、超純水を通過させるための
配管と該配管の周囲に配置されたハロゲンランプ等の加
熱源（ヒータ）を内部に持つ例えば３つの加熱容器１１
ａ，１１ｂ，１１ｃを備えて構成される。

【００２７】流入管Ｐ１より加熱部１０に流入した超純
水は、加熱容器１１ａ，１１ｂ，１１内の配管を順次通
過しながら該当する各ヒータより与えれる熱エネルギー
により段階的に例えば８５℃まで加熱される。

【００２８】この加熱部１０による加熱後の超純水は、
流出管Ｐ２１を通って可変弁５０に送られ、該可変弁５
０により、バイパス管Ｐ３から流入する加熱前の超純水
と混合された後、流出管Ｐ２２を経て出力流体として加
熱流体供給先へ送出される。

【００２９】上述した一連のプロセスにおいて、流量計
３０−１は本装置１００Ａに流入する超純水の全流量を
検出し、流量計３０−２は上記全流量のうちのバイパス
管Ｐ３へバイパスされずに加熱部１０に流入される超純
水の流量を検出する。これら流量計３０−１，３０−２
の検出信号はそれぞれ制御部６０に入力される。

【００３０】また、温度センサ４０−１は加熱前の超純
水の温度を検出し、この検出信号を制御部６０に入力す
る。加熱部１０の流体出口近傍では、温度センサ４０−
２が加熱後の超純水の温度を検出し、この検出信号を制
御部６０に入力する。更に、可変弁５０の下流側では、
温度センサ４０−３が加熱後の超純水と加熱前の超純水
を混合して得られた超純水の温度を検出し、この検出信
号を制御部６０に入力する。

【００３１】制御部６０は、上記各入力信号に基づき、
以下の手順に従って、加熱部１０の加熱制御及び可変弁
５０の開度制御を実施する。

【００３２】まず、加熱制御に関して、制御部６０は、
流量計３０−２による検出流量を把握すると共に、該流
量の超純水を例えば最大加熱温度（最大設定温度）に加
熱するために必要な加熱エネルギーを算出し、この加熱
エネルギーに相当する制御信号により加熱部１０内の各
加熱容器１１ａ，１１ｂ，１１ｃのヒータを発熱駆動す
る。

【００３３】つまり、本実施形態では、流体加熱装置１
００Ａにおいて、加熱部１０は、流入管Ｐ１より流入す
る超純水を常に最大加熱温度となるように加熱制御す
る。

【００３４】加熱部１０での加熱制御により最大加熱温
度まで加熱された超純水は、流出管Ｐ２１に送出され、
可変弁５０に到達する。一方、流入管Ｐ１を流れる加熱
前の超純水の一部は、可変弁５０の開度に応じて当該流
入管Ｐ１からバイパス管Ｐ３を通って可変弁５０に流入
する。

【００３５】可変弁５０では、加熱部１０より流出管Ｐ
２１を通って流入する加熱後の超純水と、バイパス管Ｐ
３を通って流入する加熱前の超純水とが混合される。こ
の混合された超純水は、可変弁５０の下流側の流出管Ｐ
２２に送り出され、出力流体として流体供給先（洗浄プ
ロセス）へと供給される。

【００３６】可変弁５０により混合された超純水が洗浄
プロセスへと供給される過程で、当該超純水の温度が温
度センサ４０−３により検出され、その検出信号が制御
部６０に入力される。

【００３７】制御部６０は、温度センサ４０−３による
検出温度と、予め設定されている目標温度（設定温度）
とを比較し、その差に応じて可変弁５０の弁の開度を制
御する。

【００３８】具体的な制御手順として、制御部６０は、
まず、バイパス管Ｐ３に流れる超純水の流量（バイパス
流量）を求める。このバイパス流量は、流量計３０−１
により検出される流量（装置１００Ａに流入する超純水
の全流量）から流量計３０−２により検出される流量
（加熱部１０に流入される超純水の流量）を減算するこ
とにより算出できる。

【００３９】次いで、制御部６０は、温度センサ４０−
３による検出温度と上記設定温度との差を求め、更に、
この差を解消するために必要とされる、加熱後の超純水
に対する加熱前の超純水の混合比を現在の加熱後超純水
と加熱前超純水の流量から求める。そして、この混合比
を満足するような弁制御信号を生成し、該弁制御信号を
用いて可変弁５０の弁の開度を制御する。

【００４０】これにより、可変弁５０では、加熱後の超
純水に対して、該可変弁５０の弁の開度に応じた量の加
熱前の超純水が混合され、該混合後の超純水（出力流
体）の温度が上記設定温度に追従するように制御され
る。

【００４１】その後、上記設定温度が変更された場合、
制御部６０では、それまでの設定温度と変更後の設定温
度との差に応じて、再度、上述した手順に従って可変弁
５０の弁の開度を可変制御する。

【００４２】これにより、可変弁５０では、流出管Ｐ２
１から流入する加熱前の超純水とバイパス管Ｐ３から流
入する加熱後の超純水とが、設定温度変更前とは異なる
新たな混合比で混合され、該混合後の超純水（出力流
体）の温度が上記変更後の設定温度に制御される。

【００４３】上記設定温度の変更に伴う可変弁５０の弁
調整により加熱部１０の加熱容器１１ａ，１１ｂ，１１
ｃに流れる超純水の流量が設定温度の変更前と異なった
値となるが、このような流量の変化に対しても、制御部
６０は、加熱容器１１ａ，１１ｂ，１１ｃ内の超純水を
最大加熱温度になるようにヒータの加熱量を調整する。

【００４４】更に、制御部６０は、設定温度との誤差を
少なくするように、可変弁５０の弁の開度の調整、加熱
部１０のヒータの加熱量の微調整の制御を行う。

【００４５】このように、本発明では、加熱部１０によ
る加熱後の流体と加熱部１０の手前でバイパスされた加
熱前の流体を混合する可変弁５０を設け、この可変弁５
０による混合後の流体温度が設定温度に一致するよう
に、当該可変弁５０の弁開度を制御して、加熱後の流体
と加熱前の流体の混合比を調整するようにしている。

【００４６】この構成によれば、設定温度が変更された
場合、可変弁５０の弁開度の可変制御によって、加熱前
流体と加熱後流体が変更前と異なる混合比で混合される
結果、上記変更後直ちに、可変弁５０の下流側の混合後
の流体（出力流体）に変更後の設定温度に追従した温度
変化がもたらされる。これにより、従来装置のように、
加熱容器内の温度変化を待つ必要が無く、出力流体が変
更後の設定温度に到達する時間を短縮できるようにな
る。

【００４７】但し、加熱部１０の加熱容器１１ａ，１１
ｂ，１１ｃの内部が冷えている状態からの設定温度への
到達時間は従来装置と同様に時間がかかってしまうた
め、加熱容器内部が最大加熱温度まで暖められたことを
確認してから上記流体混合を行うようにすることが望ま
しい。

【００４８】また、上記構成によれば、加熱部１０にお
いて、流入する流体を最大加熱温度まで加熱するだけで
良く、これによって、加熱制御を単純化でき、併せて加
熱制御手段の構成を簡略化できる。

【００４９】なお、上記実施形態では、加熱部１０にお
いて流体を最大加熱温度まで加熱するようにしたが、必
ずしも、最大加熱温度での加熱制御に限るものではな
く、適宜な温度を設定して該設定温度まで加熱するよう
にしても良い。

【００５０】次に、可変弁５０の具体的な実施例につい
て述べる。

【００５１】図２は第１の実施形態に係わる流体加熱装
置１００Ａにおける可変弁５０の一実施例を示す概念断
面構成図である。この可変弁５０は、共有内室５００を
介して相互につながる内室５０１，５０２，５０３と、
細軸の両端に太軸が形成され、両端の太軸がそれぞれ内
室５０１と５０２内を移動可能に上記共有内室５００内
に細軸を嵌装して成るロッド５０４と、ロッド５０４を
一方向に付勢するスプリング５０５と、ロッド５０４を
挟んでスプリング５０５の反対側に設けられ、エア供給
源５２から延びる配管に連結されるダイアフラム５０６
を内設して構成される。

【００５２】内室５０１と内室５０２は、それぞれ、図
１におけるバイパス管Ｐ３と流出管Ｐ２１に連結され
る。また、内室５０３は図１における流出管Ｐ２２に連
結される。

【００５３】この可変弁５０を制御するには、制御部６
０から所定の制御指令（上述した弁制御信号に相当）を
与え、エアレギュレータ５１のエア供給量を変化させ
る。エアレギュレータ５１のエア供給量が変化すると、
ダイアフラム５０６が変形し、この変形に伴ってロッド
５０４が図２に矢印で示すように移動（図２では上下
動）する。

【００５４】このロッド５０４の移動量に応じて、該ロ
ッド５０４の太軸と共有内室５００との間の隙間（最小
値は隙間無し）が増減され、この隙間の大きさに見合っ
た量の非加熱流体（加熱前超純水）と加熱流体（加熱後
純水）がそれぞれ内室５０１と内室５０２から流入して
共通内室５００内で混合され、混合流体として流出管Ｐ
２２に流出される。

【００５５】なお、本発明に係わる可変弁５０の構成は
図２に示す構成に限るものではなく、その配置位置も、
図１に示すように、本体装置内部に限らず、本体装置の
外部であっても良い。

【００５６】また、流体加熱装置自体の構成も図１に示
す構成に限るものではなく、上述した主旨を逸脱しない
範囲内で様々な変形及び応用が可能である。

【００５７】第３図は本発明に係わる流体加熱装置の第
２の実施形態を示すものである。この第２の実施形態に
係わる流体加熱装置１００Ｂは、図１における流体加熱
装置１００Ａにおいて、加熱前の流体の温度を検出する
ための温度センサ４０−１を省いたものである。

【００５８】この流体加熱装置１００Ｂでは、上記温度
センサ４０−１による、加熱前の流体の温度を検出する
機能を例えば以下の２つの方法で補うことができる。

【００５９】第１の方法：本装置１００Ｂの運用開始
時、バイパス管Ｐ３側に対して弁を閉じるように可変弁
５０の弁を制御しかつ加熱部１０を加熱駆動しない状態
で、入力弁２０より入力流体を取り込み、その全量を、
流入管Ｐ１、加熱部１０、流出管Ｐ２１、可変弁５０、
流出管Ｐ２２を経て出力流体として送り出す。

【００６０】この時、温度センサ４０−２により加熱部
１０の下流側の流体の温度を検出し、この検出温度を加
熱前の流体の温度として制御部６０に保持しておく。そ
の後、入力流体を通流させたまま加熱部１０の発熱駆動
を開始した時には、温度センサ４０−２による検出温度
を本来の加熱後流体温度として扱うようにする。

【００６１】第２の方法：本装置１００Ｂの運用開始
時、流出管Ｐ２１側に対して弁を閉じるように可変弁５
０の弁を制御しかつ加熱部１０を加熱駆動しない状態
で、入力弁２０より入力流体を取り込み、その全量を、
バイパス管Ｐ３、可変弁５０、流出管Ｐ２２を経て出力
流体として送り出す。

【００６２】この時、温度センサ４０−３により流出管
Ｐ２２を通流する流体の温度を検出し、この検出温度を
加熱前の流体の温度として制御部６０に保持しておく。
その後、入力流体を通流させたまま加熱部１０の発熱駆
動を開始した時には、温度センサ４０−３による検出温
度を本来の出力流体温度として扱うようにする。

【００６３】なお、上記各実施形態はいずれも超純水加
熱装置への適用例を前提としているが、本発明に係わる
流体加熱装置は、半導体製造プロセスで用いる処理薬液
や、半導体製造プロセス以外のプロセスで用いる種々の
流体を加熱する装置全般に適用可能である。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
加熱手段による加熱前の流体の一部を加熱手段による加
熱後の流体に混合し出力流体として送出する流体混合手
段を設け、出力流体の温度が予め設定された設定温度と
なるように流体混合手段による加熱前流体と加熱後流体
の混合比を可変制御するようにしたため、設定温度が変
更された場合、その後直ちに、加熱前流体と加熱後流体
が変更前と異なる混合比で混合されて混合後の流体（出
力流体）に変更後の設定温度に追従した温度変化がもた
らされるようになり、従来装置のように、加熱容器内の
温度変化を待つ必要が無く、出力流体が変更後の設定温
度に到達する時間を大幅に短縮できる。

【００６５】併せて、本発明によれば、加熱手段に流入
する流体を該加熱手段による最大加熱温度に加熱するよ
うにしたため、加熱制御を単純にでき、これに伴い加熱
制御手段の構成も簡略化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる流体加熱装置の第１の実施形態
を示す図。

【図２】図１における可変弁の実施例を示す概念図。

【図３】本発明に係わる流体加熱装置の第２の実施形態
を示す図。

【図４】従来の流体加熱装置の概略構成を示す図。

【符号の説明】

１００，１００Ａ 流体加熱装置 １０ 加熱部 １１ａ，１１ｂ，１１ｃ 加熱容器 ２０ 入口弁 ３０，３０−１，３０−２ 流量計 ４０，４０−１，４０−２，４０−３ 温度センサ ５０ 可変弁 ５００ 共有内室 ５０１，５０２，５０３ 内室 ５０４ ロッド ５０５ スプリング ５０６ ダイアフラム ５１ エアレギュレータ ５２ エア供給源 ６０ 制御部 Ｐ１ 流入管 Ｐ２，Ｐ２１，Ｐ２２ 流出管 Ｐ３ バイパス管

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流入経路から流入する流体をヒータによ
   り加熱し、流出経路に流出する加熱手段と、 前記加熱手段による加熱前の流体の一部を前記流入経路
   より分流し、前記流出経路中で前記加熱手段による加熱
   後の流体に混合して出力流体として送出する流体混合手
   段と、 前記出力流体の温度が予め設定された設定温度となるよ
   うに前記流体混合手段による前記加熱前の流体と前記加
   熱後の流体の混合比を可変制御する混合比可変制御手段
   とを具備することを特徴とする流体加熱装置。
2. 【請求項２】 前記ヒータを発熱駆動する加熱制御手段
   を具備し、該加熱制御手段は、前記加熱手段に流入する
   流体が該加熱手段による最大加熱温度となるべく前記ヒ
   ータを発熱駆動することを特徴とする請求項１記載の流
   体加熱装置。
3. 【請求項３】 前記加熱前の流体の温度を検出する第１
   の温度検出手段と、 前記加熱手段による加熱後の流体の温度を検出する第２
   の温度検出手段と、 前記加熱手段へ流入する流体の流量を検出する第１の流
   量検出手段と、 前記流入経路より分流される流体の流量を検出する第２
   の流量検出手段とを具備し、前記混合比可変制御手段
   は、前記各検出手段の検出結果から把握される、加熱前
   流体の温度及び流量と、加熱後流体の温度及び流量とに
   基づき前記設定温度を満足する混合比を決定することを
   特徴とする請求項１記載の流体加熱装置。