JP2005088141A - 温度制御方法および温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換用媒体を用いた温度制御方法、特に、加熱・加温（冷却）→定温維持→冷却（加熱・加温）というサイクルを必要とする温度制御方法において、操作が簡便で、かつ制御精度が十分実用に耐える方法を提供する。
【解決手段】 送液本管１３および排液本管１４と連通し、ポンプおよび自動バルブが付設された送液支管１３ａ，１３ｂと、自動バルブを有する排液支管１４ａ，１４ｂをそれぞれ備えた二つの貯液槽１１，１２に、組成が同一で、それぞれ一定の温度に維持した冷媒および熱媒を個別に貯蔵する。そして冷却、加熱もしくは加温又は定温維持工程における設定温度、および設定温度と実測温度との温度差に応じて、前記送液支管１３ａ，１３ｂおよび排液支管１４ａ，１４ｂに付設された自動バルブを開閉し、冷媒および熱媒を単独で、又は混合して、送液本管１３及び排液本管１４を経由して循環させて各工程における温度を制御する。
【選択図】 図３

Description

この発明は、温度制御方法および温度制御装置、特に冷凍チャック装置における温度制御方法と、その温度制御装置に関するものである。

各種製造装置、加工装置および測定装置などにおいて、製造条件、加工条件、測定条件などにおける温度を特定の状態に維持するために、温度制御は不可欠の要素であり、種々の方法で温度の制御が行なわれている。

例えば、光ディスク、磁気ディスク等に使用される円盤状の硝子板や感光ドラム等に使用される円筒体は、要求される形状精度および表面精度を満たすために、研削、研摩、切削等の精密加工が施されるが、その際に、それら加工物は、加工機器の加工床面の所定位置に、水などの媒体を凍結・凝固させて固定する冷凍チャック方法が採用されている。

その冷凍チャック方法において、固定媒体の凍結・凝固、加工後の融解・液化に際して、温度制御された冷却用の冷媒や、加熱用のヒータが用いられている（特許文献１および２参照）。

また、半導体製造分野においては、ウエハ上に形成される素子が高度に微細化しているので、ドライエッチングやプラズマＣＶＤ等による微細加工では、ウエハの温度がエッチング速度や堆積速度を決める重要な因子になっているため、特許文献３においては、ウエハの温度を温度調節用媒体で制御することが示され、同特許文献においては、その際に、コイルやニクロム線などの抵抗加熱体も併用することが提案されている。
特開平 ６−２４６５６７号公報（特許請求の範囲請求項４、図１） 特開２０００−１７６７７２号公報（明細書０００２の段落） 特開平 ８−４５９０９号公報（特許請求の範囲請求項３、４、図２）

発明者らは、従来から広く各種技術分野で採用されている、熱交換用媒体を用いた温度制御方法、特に、加熱・加温（冷却）→定温維持→冷却（加熱・加温）というサイクルを必要とする温度制御方法について、操作が簡便で効率的でありながら、制御精度が十分実用に耐える方法を開発すべく検討を行なったのである。

例えば、前記した、冷凍チャック方法では、
−固定媒体の凍結・凝固による加工物の加工床面への固定
−加工時の定温維持による固定維持
−加工後の固定媒体の融解・液化による加工物の取り外し
という工程が頻繁に繰り返されるのであるが、常温（２０℃）から、固定媒体の凍結・凝固のために、温度−１５℃までに冷却する時間はおよそ９分を要し、加工後に冷凍チャックを解凍するのにおよそ１分を必要としている。すなわち、加工に要する時間が１分であっても、冷凍に関する時間がおよそ１０分もかかるので、加工能率が著しく悪い（特許文献２「段落番号０００３」参照）。

発明者らは、効率的な温度制御方法、特に冷凍チャック方法における温度制御方法について検討を行なった結果、同一組成の熱交換用媒体を、それぞれを一定の温度、すなわち低温と高温に維持して冷媒および熱媒として用い、それらを単独で、また混合して用いることにより、上記課題を解決し得ることを見出し、この発明を完成したのである。

すなわち、この発明の請求項１に記載の発明は、
同一組成の熱交換用媒体を冷媒および熱媒とし、冷媒は目的の温度より低く、温媒は目的の温度より高い範囲内で一定温度に維持し、それぞれを単独で、又は混合して循環させながら、目的物の冷却、加熱もしくは加温、さらには目的物の温度を所望状態に維持すること
を特徴とする温度制御方法である。

また、この発明の請求項２に記載の発明は、
送液本管および排液本管と連通し、ポンプおよび自動バルブが付設された送液支管と自動バルブを有する排液支管をそれぞれ備えた二つの貯液槽に、組成が同一で、それぞれ一定の温度に維持した冷媒および熱媒を個別に貯蔵し、
冷却、加熱もしくは加温又は定温維持工程における設定温度、および設定温度と実測温度との温度差に応じて、前記送液支管および排液支管に付設された自動バルブを開閉し、冷媒および熱媒を単独で、又は混合して、送液本管および排液本管を経由して循環させることにより、各工程における温度を制御すること
を特徴とする温度制御方法である。

また、この発明の請求項３に記載の発明は、
請求項１又は２に記載の温度制御方法において、
冷却、加熱もしくは加温、および定温維持工程が、
冷凍チャック装置における操作工程の一部であること
を特徴とするものである。

また、この発明の請求項４に記載の発明は、
請求項３に記載の温度制御方法において、
前記冷媒および熱媒が、
冷凍チャック装置の固定液の凝固点以下で固定液を速やかに凍結し得る温度および凝固点以上で凍結している固定液を速やかに解凍し得る温度範囲内の一定温度に、それぞれ維持されているものであること
を特徴とするものである。

また、この発明の請求項５に記載の発明は、
請求項４に記載の温度制御方法において、
前記固定液は、水であって、前記冷媒が温度−２０℃±５℃、熱媒が温度２０℃±５℃の範囲内の一定温度に、それぞれ維持されているものであること
を特徴とするものである。

また、この発明の請求項６に記載の発明は、
請求項１〜５のいずれかに記載の温度制御方法において、
前記冷媒および熱媒は、ギ酸アルカリ系の熱交換用媒体であること
を特徴とするものである。

さらに、この発明の請求項７に記載の発明は、
同一組成からなる熱交換用媒体を、それぞれ一定の温度に維持して貯蔵することが可能な冷媒槽と熱媒槽を有し、
前記冷媒槽と熱媒槽のそれぞれが、送液支管および排液支管を有するとともに、
それらの送液支管は、ポンプと自動バルブを経て結合して送液本管を形成し、
前記排液支管は、自動バルブを経て結合して排液本管を形成し、
冷媒槽と熱媒槽のそれぞれに配置された送液支管と排液支管は、自動バルブを介して結合していること
を特徴とする温度制御装置である。

また、この発明の請求項８に記載の発明は、
請求項７に記載の温度制御装置において、
前記冷媒槽には、測温体、温度調節器と連通した熱交換機が付設され、前記熱媒槽には、測温体、温度調節器と連通したヒータが付設されていること
を特徴とするものである。

また、この発明の請求項９に記載の発明は、
請求項７又は８に記載の温度制御装置において、
前記複数の自動バルブは、設定温度、実測温度、冷媒および熱媒温度に応じて、それぞれの開閉が自動的に行なわれるものであること
を特徴とするものである。

この発明の温度制御方法によれば、同一組成の熱交換用媒体をそれぞれ一定の温度、冷媒用としては低温に、熱媒用としては高温に維持してあるので、冷却の際には低温に維持された冷媒を、加熱の際には高温に維持された熱媒を、直ちに循環使用して冷却や加温を行なうことができるため、熱交換用媒体を時に応じて冷却・加熱しながら冷却や加温を行なう従来の方法に比し、素早い対応が可能である。

また、維持すべきあるいは目標とする設定温度まで冷却や加熱するに際し、発生するおそれのある過冷却や過熱の予防が、冷媒も熱媒も同一組成のものであるため、冷却においては冷媒に熱媒を、加熱においては熱媒に冷媒を混合して循環使用する、あるいは冷媒や熱媒を断続的に循環させ、循環時間や循環量を調整するという簡単な操作により、確実に防止できるという優れた効果が奏されるのである。

また、過冷却や過熱の予防のための冷媒と熱媒の混合も、設定値と実測値との差異を測定し、それに応じて、冷媒槽と熱媒槽のそれぞれに付帯する送液支管および排液支管に付設された自動バルブを開閉することにより、容易に遂行し得るものである
さらに、この発明の温度制御装置によれば、上記のような簡単な操作で、設定温度に対して±１℃以内の精度で温度を一定に制御することができる。

以下、この発明の温度制御方法および温度制御装置を、具体的に冷凍チャック装置に適用した具体例に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明の温度制御方法および温度制御装置を適用した冷凍チャック装置の断面図、図２はその平面図である。

冷凍チャック装置１は、光ディスク、磁気ディスク等に使用される円盤状の硝子板や感光ドラム等に使用される円筒体に研削、研摩、切削等の加工を施す際に、それら被加工物を水などの凝固性液体を介して固定する表面３と、水などの凝固性液体を冷却して凍結・凝固させ、被加工物を表面３に安定的に固定して加工を行ない易くし、加工終了後は凝固性液体を加温して融解・液化させ、被加工物を取り外せるように、内部に熱交換用媒体循環通路４を有するプレート２から構成されたものである。

前記プレート２の裏面には、熱交換用の媒体循環通路４に媒体を導入する導入孔５と、排出する排出孔６がそれぞれ配設されるとともに、外部環境の影響を避けるために、セラミックなどを材質とする断熱材７や発泡ウレタンなどからなる結露防止材８が設けられているもので、表面３には、図２で明らかなように、被加工物や治具の取付け固定や取り外しを容易にするために、加工中は負圧にして吸着、加工後は正圧にして取り外しを容易にする溝９が設けられている。

図３は、この発明の温度制御装置１０と冷凍チャック装置１に渡って配置される熱交換用媒体のための配管を示す配管図で、図に示されるように、冷凍チャック装置１のプレート２と冷媒槽１１および熱媒槽１２は、導入孔５に結合する送液本管１３およびその支管１３ａ，１３ｂで、また、排出孔６に結合する排液本管１４およびその支管１４ａ，１４ｂでそれぞれ連通されている。さらに、前記冷媒槽１１に結合する送液支管１３ａと排液支管１４ａ同士は、連通管１５ａで相互に連通するとともに、熱媒槽１２に結合する送液支管１３ｂと排液支管１４ｂ同士は、連通管１５ｂで連通されている。

また、それぞれの配管には、自動バルブおよび送液用のポンプが、以下のように配置されている。

すなわち、送液支管１３ａには、連通管１５ａを境に、冷媒槽１１側にポンプＰ１、冷凍チャック装置１側に自動バルブＳＶ４が、同様に、送液支管１３ｂには、熱媒槽１２側にポンプＰ２、冷凍チャック装置１側に自動バルブＳＶ６が、排液支管１４ａの冷媒槽１１側に自動バルブＳＶ３が、排液支管１４ｂの熱媒槽１２側に自動バルブＳＶ５が、連通管１５ａには自動バルブＳＶ１が、そして連通管１５ｂには自動バルブＳＶ２が配置されている。

以上のように構成された温度制御装置１０と冷凍チャック装置１により、被加工物を、水を用いて冷凍チャックし加工する際の温度制御は、以下に示される方法で行われる。

まず、水の凝固温度（氷点）は温度０℃であるため、水の凝固を利用して被加工物を安定的に固定した状態で加工するためには、プレート２の表面３は、通常、温度−１５℃程度に維持される必要があるので、冷媒槽１１には温度−２０℃程度の温度に維持された冷媒を用意する。

また、解凍のために、熱媒槽１２に温度２０℃程度の温度に維持された熱媒が用意されるが、水以外の熱交換媒体を使用する場合には、その特性に応じて維持温度が設定され、冷媒および温媒の温度もそれに応じて決定されるものである。

なお、水を使用する場合、プレート２の表面３を温度−１５℃よりも低めに設定することは、被加工物の固定化をより確実なものにする可能性があるが、凍結および解凍に伴うエネルギの損失が大きいため望ましい方法ではない。

また、冷媒の温度を温度−２０℃以下に、あるいは熱媒を温度２０℃以上にすることは、単純に冷却、加熱の面のみをみれば効率的であるが、過冷却や加熱の問題、一定温度に維持操作の面からは望ましくないので、通常、プレート２の表面３の設定温度に応じて、例えば、たとえば温度−２０℃±５℃、温度２０℃±５℃の範囲内で一定温度に維持するのが望ましい。

熱媒および冷媒は、前記のように配管が相互に連通し、混合されるものであるから、混合により組成が変化しないように同一組成のものが用いられる。

それらの媒体としては、公知のもの（ブライン）、たとえば、塩化カルシウム系、グリコール系、アルコール系、ギ酸塩系等のものが用いられるが、冷凍チャックに用いるには、ギ酸ナトリウムなどの水溶液に防食剤の添加されたギ酸塩系の媒体が好ましい。

冷凍チャック方法は、前記したように、プレート２の表面３と被加工物の間に介在する固定媒体（水）の凍結・凝固によって、被加工物の加工床面であるプレート２の表面３へ被加工物を固定し、一定温度のもとで加工する方法であるので、その工程では、第一にプレート２の表面３の温度が、水が凍結凝固し、被加工物を安定に固定し、加工が問題なく出来る温度（温度−１５℃）になるまで、冷媒槽１１に貯蔵され、温度−２０℃に維持された冷媒により急速に冷却される。

すなわち、冷媒は、ポンプＰ１により送り出され、開放された自動バルブＳＶ４を通り、送液支管１３ａ→送液本管１３を経由し、導入孔５からプレート２内部の熱交換用の媒体循環通路４に導入され、プレート２の表面３を冷却する。

なお、連通管１５ａと自動バルブＳＶ１は、溢流のための逃がし弁である。

熱交換用の媒体循環通路４を循環した冷媒は、排出孔６→排液本管１４→排液支管１４ａ→自動バルブＳＶ３を経由して冷媒槽１１に戻される。その際、冷媒温度が上昇しているときには、熱交換器（図示せず）を経由して冷却して戻すことが好ましい。

プレート２の表面３が冷媒により冷却され、その温度が設定温度−１５℃に接近してきたならば、プレート２の表面３の過冷却を防止するために、プレート２の表面３に設けられた温度センサー（図示せず）で測定される実測温度との差異に応じて、冷媒の循環を断続的とし、冷媒の循環している時間や循環量を、ポンプの作動や自動バルブＳＶ４の開度により行なうか、熱媒槽１２に結合している送液支管１３ｂ設けられたポンプＰ２を作動させ、自動バルブＳＶ６を開くことによって、熱媒を冷媒中に混合し、冷媒温度を調節して冷却循環して調整する。

その際、必要によって冷媒送液量を減少させるために、自動バルブＳＶ４の開度を小さくする。

なお、連通管１５ｂと自動バルブＳＶ２は溢流のための逃がし弁である。

プレート２の表面３が設定温度−１５℃になり、水が凍結凝固し、被加工物がプレート２の表面３へ固定されると、研削、研摩、切削等任意の加工が被加工物に施されるが、その間、固定状態を一定に保ち加工の均一性を保つために、プレート２の表面３は設定温度−１５℃に維持されることが望ましく、そのために、温度を維持する間、冷媒と熱媒の混合比率を調整することが行なわれる。

すなわち、温度が上昇傾向にあるときは、混合する熱媒の量を少なくし、下降状態にあるときは、熱媒の量を多くすることにより設定温度が一定に保たれる。それらの調整は、温度センサーによる実測温度に応じて、コンピュータ制御により自動バルブＳＶ６およびＳＶ４の開度を調節することにより行なわれる。

また、冷媒と熱媒の混合によらない場合は、冷媒の循環を断続的に行ない、冷媒の循環している時間と循環量を調節することにより行なうこともできる。

冷媒と熱媒との混合媒体は、通常、熱交換用の媒体循環通路４を循環したのち、排出孔６→排液本管１４を経由し、その一部は排液支管１４ａ→自動バルブＳＶ３を経由して冷媒槽１１に戻され、残部は排液支管１４ｂ→自動バルブＳＶ５を経由して熱媒槽１２に戻されるが、状況に応じては、その全てを熱交換器（図示せず）を経由し冷却して冷媒槽１１に戻すことも行なわれる。

加工が施された被加工物は、固定されているプレート２の表面３から取外されるが、そのためには、固定のために使用されている凍結凝固している水を融解液化することが必要となるので、ポンプＰ１を停止し、自動バルブＳＶ４を閉じて、プレート２内部の熱交換用の媒体循環通路４での冷媒の循環を止め、熱媒のみを循環するようにして、プレート２の表面３を加熱する。

すなわち、熱媒は、ポンプＰ２により、開放された自動バルブＳＶ６→送液支管１３ｂ→送液本管１３を経由し、導入孔５からプレート２内部の熱交換用の媒体循環通路４に導入され、プレート２の表面３を加熱するもので、熱交換用の媒体循環通路４を循環した熱媒は、排出孔６→排液本管１４→排液支管１４ｂ→自動バルブＳＶ５を経由して熱媒槽１２に戻される。

上記の冷凍チャック方法における温度制御は、同一組成の熱交換用媒体をそれぞれ一定の温度、冷媒用としては低温に、熱媒用としては高温に維持した状態で行なうもので、熱交換用媒体を一定の温度に維持する方法は公知の手段で行なえばよく、例えば、冷媒層１１に貯蔵された冷媒は、その温度が測定され、必要により、槽外などに設けた熱交換器との間を循環させることによりを一定温度に保つことができ、熱媒槽１２に貯蔵された熱媒は、その温度に応じて、熱媒槽１２に内蔵されたヒータに通電することにより一定温度に維持される。

この発明の温度制御方法および温度制御装置は、冷凍チャック方法における温度制御に有効なもので、半導体製造分野を始め、電子機器部品製造などにおいて幅広く利用されるものであるが、それらの産業に限定されず、温度制御を必要とする、電気、機械、化学などの産業分野で利用される可能性の高いものである。

特に、冷凍チャック方法においては、冷却→定温維持→加熱というサイクルにおける制御であるが、加熱→定温維持→冷却というサイクルで制御される系においても、この発明は有効なもので、種々の分野で利用される可能性の高いものである。

この発明を適用した冷凍チャック装置の断面図である。 図１の冷凍チャック装置の平面図である。 冷凍チャック装置と結合された熱交換用媒体の配管図である。

符号の説明

１ 冷凍チャック装置
２ プレート
３ プレート表面
４ 熱交換用の媒体循環通路
５ 導入孔
６ 排出孔
７ 断熱材
８ 結露防止材
９ 負圧・正圧溝
１０ 温度制御装置（配管）
１１ 冷媒槽
１２ 熱媒槽
１３ 送液本管
１３ａ，１３ｂ 送液支管
１４ 排液本管
１４ａ，１４ｂ 排液支管
１５ａ，１５ｂ 連通管
ＳＶ１〜ＳＶ６ 自動バルブ
Ｐ１〜Ｐ２ ポンプ

Claims (9)

1. 同一組成の熱交換用媒体を冷媒および熱媒とし、冷媒は目的の温度より低く、温媒は目的の温度より高い範囲内で一定温度に維持し、それぞれを単独で、又は混合して循環させながら、目的物の冷却、加熱もしくは加温、さらには目的物の温度を所望状態に維持すること
   を特徴とする温度制御方法。
2. 送液本管および排液本管と連通し、ポンプおよび自動バルブが付設された送液支管と自動バルブを有する排液支管をそれぞれ備えた二つの貯液槽に、組成が同一で、それぞれ一定の温度に維持した冷媒および熱媒を個別に貯蔵し、
   冷却、加熱もしくは加温又は定温維持工程における設定温度、および設定温度と実測温度との温度差に応じて、前記送液支管および排液支管に付設された自動バルブを開閉し、冷媒および熱媒を単独で、又は混合して、送液本管及び排液本管を経由して循環させることにより、各工程における温度を制御すること
   を特徴とする温度制御方法。
3. 前記冷却、加熱もしくは加温、および定温維持工程が、
   冷凍チャック装置における操作工程の一部であること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の温度制御方法。
4. 前記冷媒および熱媒が、
   冷凍チャック装置の固定液の凝固点以下で固定液を速やかに凍結し得る温度および凝固点以上で凍結している固定液を速やかに解凍し得る温度範囲内の一定温度に、それぞれ維持されているものであること
   を特徴とする請求項３に記載の温度制御方法。
5. 前記固定液は、水であって、前記冷媒が温度−２０℃±５℃、熱媒が温度２０℃±５℃の範囲内の一定温度に、それぞれ維持されているものであること
   を特徴とする請求項４に記載の温度制御方法。
6. 前記冷媒および熱媒は、
   ギ酸アルカリ系の熱交換用媒体であること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の温度制御方法。
7. 同一組成からなる熱交換用媒体を、それぞれ一定の温度に維持して貯蔵することが可能な冷媒槽と熱媒槽を有し、
   前記冷媒槽と熱媒槽のそれぞれが、送液支管及び排液支管を有するとともに、
   それらの送液支管は、ポンプと自動バルブを経て結合して送液本管を形成し、
   前記排液支管は、自動バルブを経て結合して排液本管を形成し、
   冷媒槽と熱媒槽のそれぞれに配置された送液支管と排液支管は、自動バルブを介して結合していること
   を特徴とする温度制御装置。
8. 前記冷媒槽には、測温体、温度調節器と連通した熱交換機が付設され、
   前記熱媒槽には、測温体、温度調節器と連通したヒータが付設されていること
   を特徴とする請求項７に記載の温度制御装置。
9. 前記複数の自動バルブは、
   設定温度、実測温度、冷媒及び熱媒温度に応じて、それぞれの開閉が自動的に行なわれるものであること
   を特徴とする請求項７又は８に記載の温度制御装置。

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