JP2004127994A

JP2004127994A - 冷却器付加熱装置

Info

Publication number: JP2004127994A
Application number: JP2002286206A
Authority: JP
Inventors: Yuji Abe; 阿部　勇治; Makoto Asaha; 浅葉　信; Kuniaki Miura; 三浦　邦明
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP4022459B2

Abstract

【課題】冷却の不均一を生じさせず、且つ冷却配管の急激な熱衝撃による破損等を防止する。
【解決手段】冷却器付加熱装置は、被加熱板５を加熱するヒータ２ａ、２ｂと、被加熱板５を冷却する冷却器とを備えたものである。被加熱板５を載せてその被加熱板５を加熱冷却する加熱冷却板１にヒータ２ａ、２ｂと冷却配管３を埋設し、この冷却配管３に冷却液を供給する冷却液供給源Ｗと、この冷却液供給源Ｗから供給される冷却液を微細な冷却ミストとし、この冷却ミストをキャリアガスと共に前記冷却配管３に供給するミスト発生器１２とを備える。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハやガラス板等の被加熱板表面への薄膜の形成や熱処理等の工程において、被加熱板を加熱し、冷却するための冷却器付加熱装置に関し、特に冷却において、冷却液とミストとを併用し、ミストの使用時にはミストが配管内で凝集して付着しにくいように、微細化して供給するようにした冷却器付加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハやガラス板等の被加熱板を加熱し、冷却する冷却器付加熱装置では、マイクロヒータ（シーズヒータ）と冷却配管の双方を備えている。具体的には、熱を均等に伝達するための熱伝導率良好な加熱冷却板に螺旋状に掘られた溝の中にヒータが埋め込まれ、このヒータがロウ付け等の手段で固定されている。冷却配管もまた、螺旋状に曲げられると共に、加熱冷却板の中に埋め込まれ、ロウ付けすることにより固定されている。
【０００３】
このような冷却器付加熱装置において、加熱冷却板の温度が高い時に、冷却配管に冷却用媒体として水を通して冷却することは、水蒸気爆発の危険性がある。そのため、比較的低温の熱処理装置等特殊な装置以外には水は冷却用媒体として使用されず、高温で低蒸気圧であり、且つ高温耐熱性のある他の液体が冷却用媒体として使用される。最も代表的な冷却用媒体は、高温耐熱性の熱媒体用鉱油である。
【０００４】
しかし、この熱媒体用鉱油は、熱安定性、酸化安定性の面から、４５０℃程度までの使用に限られ、それ以上の温度領域で使用するのは難しい。また、粘度も温度４０℃で５００ｍＰａ・ｓと高く、低温で繰り返し使用するためには、循環ポンプや配管等に前記の粘度に耐える特殊な機器が使用される。従って、設備も大掛かりとなり、熱媒体の酸化劣化やメンテナンス等の維持費も嵩む。また、熱媒体用鉱油の引火点は２００℃〜３００℃、発火点は４００℃〜５００℃であり、高温下での漏洩は非常に危険である。
【０００５】
そこで、水等の冷却液をミスト化し、これを空気や不活性ガス等の気体と共に冷却配管に送り込んで冷却する形式のものが使用されている。
図３は、ミスト化した冷却液を気体に混合したものをスプレーノズルにより冷却配管へ送る冷却器付加熱装置である。加熱冷却板１にヒータ２と冷却配管３を埋め込み、水と空気をミスト発生装置４に入れ、ミスト化した水と空気と混合して冷却配管３に送り出し、被加熱板５を冷却するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、このような冷却器付加熱装置では、発生したミストが加熱冷却板１に埋設した高温の冷却配管３の内面に付着し、数ｍｍ程度の水滴となって冷却配管３内で滴下する。また、冷却配管３が溶接等によって接続した個所等のように、幾何学的に不連続な個所があると、水滴がその部分に付着し、そこで小さな水蒸気爆発が生じ、冷却配管３で急激で且つ不規則な内圧上昇が起こる。また、高温部の配管３の内表面は、水膜の沸騰状態になり、伝熱による冷却能力を低下させる。このような不均一な冷却により、温度差や急冷却による被加熱板５の熱変形が生じ、場合によっては、冷却配管３が繰返し熱衝撃により疲労亀裂し、最終的には加熱冷却板１まで破損することがある。
【０００７】
本発明は、前記従来の冷却器付加熱装置における前述のような課題に鑑み、冷却する時の温度に応じて冷却液とそのミストとを使い分け、効率的な冷却を可能にすると共に、ミスト使用時の冷却配管内での水滴の発生を抑えることが出来るようにすることを目的とする。これにより冷却の不均一を生じさせず、且つ冷却配管の急激な熱衝撃による破損等を防止するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明では、比較的温度が低い時は、加熱冷却板１に埋設された冷却配管３に冷却液を液体の状態で直接供給することが出来ると共に、比較的温度が高い時は、冷却液を微細な冷却ミストとし、この冷却ミストをキャリアガスと共に冷却配管３に供給出来るようにした。さらに、ミスト発生器１２には、ミストを微細化出来るように超音波振動子６ａを使用し、この冷却ミストを冷却配管３に供給する供給配管１５にも冷却ミストを再微細化する超音波振動子６ｂを備えた。
【０００９】
すなわち、本発明による冷却器付加熱装置は、被加熱板５を加熱するヒータ２ａ、２ｂと、被加熱板５を冷却する冷却器とを備えたものであって、被加熱板５を載せてその被加熱板５を加熱冷却する加熱冷却板１にヒータ２ａ、２ｂと冷却配管３を埋設し、この冷却配管３に冷却液を供給する冷却液供給源Ｗと、この冷却液供給源Ｗから供給される冷却液を微細な冷却ミストとし、この冷却ミストをキャリアガスと共に前記冷却配管３に供給するミスト発生器１２とを備える。
【００１０】
このような本発明による冷却器付加熱装置では、被加熱板５や加熱冷却板１が１００℃以上の比較的高温の時は、冷却液を微細な冷却ミストとし、この冷却ミストをキャリアガスと共に冷却配管３に供給することにより、高温領域での冷却を可能とする。この冷却により、被加熱板５や加熱冷却板１が１００℃以下程度の比較的低温に冷却された時は、加熱冷却板１に埋設された冷却配管３に冷却液を液体の状態で直接供給することにより、高い冷却効果と安定した冷却を可能とする。
【００１１】
ミスト発生器１２が微細な冷却ミストを発生させる超音波振動子６ａを有すると共に、この冷却ミストを冷却配管３に供給する供給配管１５を超音波振動させて冷却ミストを再微細化すると共に、冷却ミストが配管内面に付着しないようにするための超音波振動子６ｂを備える。これにより、冷却配管３には極めて微細な冷却ミストを供給出来るので、その冷却ミストが冷却配管３の内面に付着しにくく、水滴の発生を極力抑えることが出来る。これにより、冷却の不均一性、冷却配管３の内圧の急激な変動を抑え、安定した冷却が可能となる。
【００１２】
なお、供給配管１５が超音波振動子６ｂにより超音波振動されるので、これが加熱冷却板１や被加熱板５に伝達し、それらの機械的な悪影響を与えるおそれがある。そこで、供給配管１５の振動を吸収または免震する防振継手７を介して加熱冷却板１の冷却配管３に接続する。こうすることにより、超音波振動子６ｂによる超音波振動で加熱冷却板１や被加熱板５が繰り返し振動を受け、疲労破壊を起こすことが無くなる。
【００１３】
冷却配管３の末端には、その冷却配管３から冷却液または冷却ミストを排出する排出配管１６に接続され、この排出配管１６に冷却ミストを液化する復水器１１を設けている。さらに、排出配管１６に冷却配管３内の圧力を減圧する減圧器１３を設けるのが好ましい。これらにより、冷却配管３から水蒸気が高温高圧で排出配管１６側に吹き出すのを防止することが出来ると共に、冷却配管３内の気圧を低く維持することが出来るの。これにより、冷却ミストの気化効率を上げることが出来、冷却ミストの気化熱により、効率的な冷却が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１は、本発明による冷却器付加熱装置の一実施形態を示す概略縦断側面図である。
【００１５】
円盤状の加熱冷却板１が支持パイプ１４の上端に固定され、図示してはいないが、支持パイプ１４の下端には真空チャンバの接続用のフランジが外周からその外方向に延設されている。加熱冷却板１を真空チャンバの中に導入設置するため、加熱冷却板１を真空チャンバの下方に開口したポートから真空チャンバ内に挿入し、前記フランジを真空チャンバのポートのフランジに固定することにより、加熱冷却板１が真空チャンバ内に気密に設置される。
【００１６】
加熱冷却板１には、１本又は、複数本のヒータ２ａ、２ｂがロウ付け等の手段で埋め込まれ、固定されている。図示の例では、２本のヒータ２ａ、２ｂが埋め込まれている。また、この加熱冷却板１には、螺旋状の冷却配管３が埋め込まれ、ロウ付け等の手段で固定されている。この冷却配管３の始端は冷却媒体の供給口となっており、その終端は冷却媒体の排出口となっている。加熱冷却板１の上面は平坦であり、この上に加熱される半導体ウエハ等の被加熱物５が搭載される。
【００１７】
図２は冷却配管３の配置を示している。冷却性能を高めるため螺旋状の冷却配管３がロウ付け等の手段で加熱冷却板１に固定されている。この冷却配管３の冷却媒体の供給口３ａ側と冷却媒体の排出口３ｂ側とが並設して配置されている。このうち、冷却配管３の供給口３ａ側には、供給配管１５を介してミスト発生器１２が接続されている。また、冷却配管３の排出口３ｂ側には、排出配管１６を介して復水器１１が接続され、さらに減圧器１３が接続している。
【００１８】
図１に示すように、前記ミスト発生器１２はタンク１０を備え、このタンク１０にバルブ９ａを介して冷却液供給源Ｗが接続され、この冷却液供給源Ｗからタンク１０に冷却液が供給され、貯留される。また、このタンク１０にバルブ９ｂを介してガス供給源Ａが接続されている。タンク１０の底部には超音波振動子６ａが設けられ、この超音波振動子６ａの動作によりタンク１０内の冷却液が励起され、冷却液がミスト化され、冷却ミストが発生する。この冷却ミストは、ガス供給源Ａから搬送されてくるキャリアガスにより供給配管１５側へ送り出される。
また、超音波振動子６ａを作動させず、冷却液供給源Ｗからタンク１０を経て供給配管１５へ冷却液を液体の状態で直接送ることも出来る。
【００１９】
さらに、この供給配管１５の途中にも超音波振動子６ｂが設けられ、この超音波振動子６ｂの動作により供給配管１５が超音波振動され、それを通過する冷却ミストが再ミスト化される。供給配管１５は、その超音波振動が加熱冷却板１側に伝達しないように防振継手７を介して加熱冷却板１に埋設された冷却配管３の供給口３ａ（図２参照）に接続されている。
なお、この冷却器付加熱装置において、冷却液供給源Ｗから供給される冷却液として水が使用され、ガス供給源Ａから供給されるキャリアガスとして空気を使用することが出来る。
【００２０】
前記の加熱冷却板１には、その温度を測定する測温素子として熱電対８ａ、８ｂが配置されている。図示の実施形態では、熱電対８ａ、８ｂが２つ配置されている。第一の熱電対８ａは、ヒータ２ａが配置された加熱冷却板１の内周側に配置され、第二の熱電対８ｂは、第二のヒータ２ｂが配置された加熱冷却板１の外周側に配置されている。これら熱電対８ａ、８ｂは、加熱冷却板１上に載せた被加熱物５を加熱、冷却するときに、その加熱、冷却温度を制御するために使用する。
【００２１】
このような冷却器付加熱装置において、ヒータ２ａ、２ｂを発熱させ、加熱冷却板１の上に載せた半導体ウエハやガラス基板等の被加熱板５を加熱する。所定の加熱処理が終了後、冷却へ移行する。
このとき加熱冷却板１内の冷却配管３の温度が１００℃以上と高いときは、まずガス用バルブ９ｂを開き、ガス供給源Ａからキャリアガスである空気をタンク１０内に送り出す。この空気は供給配管１５を通って冷却配管３へ流入し始める。これと同時に冷却液供給源Ｗ側のバルブ９ａを開き、冷却液としての水をタンク１０に流入させる。この水は超音波振動子６ａの動作により微細化した冷却ミストとなり、これがキャリアガスにより、供給配管１５を通って冷却配管３に供給される。このとき、供給配管１５の途中の超音波振動子６ｂにより供給配管１５が超音波振動されるため、水滴となって凝集しようとする冷却ミストが再ミスト化され、冷却配管３には微細な冷却ミストが供給される。このときの供給配管１５の振動が加熱冷却板５側に伝わらぬ様、防振継手７が振動を吸収する。
【００２２】
前述の熱処理により高温化した加熱冷却板１の熱を吸収して気化した冷却ミストは、空気と共に冷却配管３の排出口３ｂ側から、排出配管１６に排出され、復水器１１で冷却され、水蒸気が液化して水に戻る。この水は空気と共に減圧器１３側から外部に放出される。また、この減圧器１３にはガス供給源Ａが接続され、空気を供給しながら、排出配管１６を介して冷却配管３内を減圧するため、内圧が低下し、気化効率を上げることができる。これにより、加熱板１の上に載せた被加熱物５を迅速且つ確実に冷却することが可能となる。
【００２３】
次に、前記の冷却により、加熱冷却板１内の冷却配管３の温度が１００℃以下と低くなったときは、超音波振動子６ａ、６ｂを停止し、冷却液供給源Ｗから冷却液として水のみを供給配管１５を通して加熱冷却板１内の冷却配管３に送り、冷却する。冷却配管３の温度が１００℃以下と低い時は冷却液として水を使用しても、被加熱板５に過大な熱衝撃を与えることはなく、均一な冷却も可能である。また、加熱冷却板１内の冷却配管３の温度が１００℃以下の場合に、冷却配管３に冷却ミストを送ると、冷却ミストが気化しにくいので、水に熱を直接吸収させる冷却法の方が冷却効率は格段に高くなる。
【００２４】
本発明は、前述した実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基ついて種々の変形が可能である。例えば超微粒化した水と空気との混合物の代わりに、気化潜熱が大きい他の適宜の液体と気体とを冷媒として使用することもできる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明による冷却器付加熱装置では、冷却配管３の温度が１００℃以上と高いときは、液体をミスト化した冷却ミストと気体とを混合して冷却配管３に送るので、冷却ミストの気化熱により冷却が速やかに進行する。その結果、例えば熱処理にあっては、熱処理時間が短縮され、被冷却物５の被加熱板面内温度差を極力小さくし、製品のばらつきや熱変形を極力防止して、生産性が向上させることが出来る。
【００２６】
また、冷却配管３の中の液体は気体中でミストになっているので、液体の気化に伴う冷却配管３の熱膨張が急激には起こらず、爆発のようなトラブルを起こすことがなく、メンテナンス上の面倒がない。
また、加熱冷却板１内の冷却配管３の温度が１００℃以下と低くなったときは、加熱冷却板１内の冷却配管３に冷却液を液体の状態で送り、冷却液に熱を直接吸収させることにより、高い冷却効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による冷却器付加熱装置の一実施形態を示す概略縦断側面図と配管図との組み合わせ図である。
【図２】同冷却器付加熱装置の一実施形態における加熱冷却板内の冷却配管の配置例を示す平面図である。
【図３】冷却器付加熱装置の従来例を示す概略縦断側面図と配管図との組み合わせ図である。
【符号の説明】
１　　加熱冷却板
２ａ　ヒータ
２ｂ　ヒータ
３　　冷却配管
５　　被加熱板
６ａ　超音波振動子
６ｂ　超音波振動子
７　　防振継手
１１　復水器
１２　ミスト発生器
１３　減圧器
１５　供給配管
１６　排出配管１６
Ｗ　　冷却液供給源
Ａ　　ガス供給源

Claims

被加熱板（５）を加熱するヒータ（２ａ）、（２ｂ）と、被加熱板（５）を冷却する冷却器とを備えた冷却器付加熱装置において、被加熱板（５）を載せてその被加熱板（５）を加熱冷却する加熱冷却板（１）にヒータ（２ａ）、（２ｂ）と冷却配管（３）を埋設し、この冷却配管（３）に冷却液を供給する冷却液供給源（Ｗ）と、この冷却液供給源（Ｗ）から供給される冷却液を微細な冷却ミストとし、この冷却ミストをキャリアガスと共に前記冷却配管（３）に供給するミスト発生器（１２）とを備えることを特徴とする冷却器付加熱装置。
ミスト発生器（１２）は微細な冷却ミストを発生させる超音波振動子（６ａ）を有すると共に、この冷却ミストを冷却配管（３）に供給する供給配管（１５）に冷却ミストを再微細化する超音波振動子（６ｂ）を備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却器付加熱装置。
供給配管（１５）が超音波振動子（６ｂ）による供給配管（１５）の振動を吸収する防振継手（７）を介して加熱冷却板（１）の冷却配管（３）に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の冷却器付加熱装置。
冷却配管（３）の末端は、その冷却配管（３）から冷却液または冷却ミストを排出する排出配管（１６）に接続され、この排出配管（１６）に冷却ミストを液化する復水器（１１）を接続したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の冷却器付加熱装置。
排出配管（１６）に冷却配管（３）内の圧力を減圧する減圧器（１３）を設けたことを特徴とする請求項４に記載の冷却器付加熱装置。