JP2011238705A - 温度調節装置、冷却装置、及び温度調節装置の製造方法 - Google Patents

温度調節装置、冷却装置、及び温度調節装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】所望の熱媒体の流通が可能であり、該熱媒体の熱を効率よく伝達できる温度調節装置等を提供する。
【解決手段】温度調節装置は、所定の熱媒体に対する耐食性を有する金属又は合金によって形成され、上記熱媒体を流通させる流路をなすパイプ20と、アルミニウム(Al)又はアルミニウム合金の粉体をガスと共に加速し、パイプ20に向けて固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより形成され、パイプ20を埋設させたプレート10とを備える。
【選択図】図1B

Description

本発明は、半導体や液晶表示装置や光ディスク等の製造プロセスにおいて、基板等の温度を調節する温度調節装置に関するものであり、特には、基板等を冷却する冷却装置に関するものである。
従来より、半導体や液晶表示装置や光ディスク等の製造における種々の基板プロセスでは、アルミニウム又はアルミニウム合金によって形成されたプレートの内部に、冷却用又は加熱用の熱媒体を流通させる流路を形成した温度調節装置(冷却装置又は加熱装置)が用いられている。このような温度調節装置は、例えば、プレートの上側及び下側となる2つのバルク材を用意し、それぞれの表面に溝切削加工により流路を形成し、上側及び下側のプレートの流路形成面同士を当接させ、両者をろう付等で接合することにより作製されている。アルミニウムは良好な伝熱性を有しているため、熱媒体の熱を流路の壁面及びプレートを介して基板に効率良く伝達し、基板温度を素早く均一に調節することができるというメリットがある。
一方、アルミニウムは非常に腐食し易い金属であるため、アルミニウム製の温度調節装置において使用可能な熱媒体は限定されており、専ら、腐食防止剤を混入した水(PCW:process cooling water)や、有機溶剤や、不活性ガス等が使用されている。しかしながら、産業界には、容易且つ低コストで入手できる市水や、資源が豊富な海水を熱媒体として使用したいという要望がある。
流路に耐食性を持たせるためには、耐食性を有する金属や合金によって流路部分を形成することが考えられる。例えば、特許文献1には、半導体製造装置のサセプター本体内に、熱伝導や耐食性に優れる銅によって形成された冷却パイプを内設することが開示されている。
特開2009−13497号公報
しかしながら、熱媒体を流通させるパイプと基板を載置する伝熱プレートとを、互いに異種の金属によって形成した場合、隙間が生じないように両者を接合させることは非常に困難である。そのため、この場合、パイプとプレートとの間で接触熱抵抗が大きくなり、温度調節装置の冷却効率(又は加熱効率)や均熱性が低下してしまう。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、所望の熱媒体の流通が可能であり、該熱媒体の熱を効率よく伝達できる温度調節装置、冷却装置、及び温度調節装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る温度調節装置は、所定の熱媒体に対する耐食性を有する金属又は合金によって形成され、前記熱媒体を流通させる流路をなすパイプと、アルミニウム(Al)又はアルミニウム合金の粉体をガスと共に加速し、前記パイプに向けて固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより形成され、前記パイプを埋設させたプレートとを備えることを特徴とする。
上記温度調節装置において、前記プレートは、コールドスプレー法により形成されていることを特徴とする。
上記温度調節装置において、前記プレートは、前記パイプに隣接配置されたアルミニウム又はアルミニウム合金のベース板を有することを特徴とする。
上記温度調節装置において、前記プレートは、温度調節対象である基板を載置する基板保持面を有することを特徴とする。
上記温度調節装置において、前記パイプは、銅(Cu)、銅系合金、ステンレス鋼、ニッケル(Ni)、ニッケル系合金、タンタル(Ta)、タンタル系合金、ニオブ(Nb)、ニオブ系合金、チタン、チタン系合金、銅−ニッケル合金のうちのいずれかによって形成されていることを特徴とする。
本発明に係る冷却装置は、上記温度調節装置と、前記パイプに冷却水を導入する導入用配管と、前記パイプから冷却水を排出する排出用配管とを備えることを特徴とする。
本発明に係る温度調節装置の製造方法は、耐食性を有する金属又は合金によって、熱媒体を流通させるパイプを形成するパイプ形成工程と、アルミニウム(Al)又はアルミニウム合金の粉体をガスと共に加速し、前記パイプに向けて固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより、前記パイプを埋設させるプレートを形成するプレート形成工程とを含むことを特徴とする。
上記温度調節装置の製造方法において、前記プレート形成工程は、前記パイプをアルミニウム又はアルミニウム合金のベース板上に載置し、前記粉体を前記ベース板に向けて吹き付けることを特徴とする。
上記温度調節装置の製造方法において、前記プレート形成工程は、コールドスプレー法により行われることを特徴とする。
上記温度調節装置の製造方法は、前記プレートの表面を研磨することにより、温度調節される基板を載置する基板保持面を形成する基板保持面形成工程をさらに含むことを特徴とする。
上記温度調節装置の製造方法において、前記パイプ形成工程は、銅(Cu)、銅系合金、ステンレス鋼、ニッケル(Ni)、ニッケル系合金、タンタル(Ta)、タンタル系合金、ニオブ(Nb)、ニオブ系合金、チタン、チタン系合金、銅−ニッケル合金のうちのいずれかによって前記パイプを形成することを特徴とする。
本発明によれば、所定の熱媒体に対する耐食性を有する金属又は合金によってパイプを形成し、このパイプに向けて、アルミニウム系金属の粉体を吹き付けることによりプレートを形成するので、上記熱媒体を流通させることができると共に、互いに異種金属であるパイプとプレートとを密に接合することができる。従って、パイプとプレートとの界面における伝熱性の低下を抑制し、パイプ内を流通する熱媒体の熱をプレートに効率良く伝達することが可能となる。
図1Aは、本発明の実施の形態に係る温度調節装置の構造示す上面図である。 図1Bは、図1AのA−A断面図である。 図2は、図1に示す温度調節装置の製造方法を説明する図である。 図3は、コールドスプレー法による成膜装置の構成を示す模式図である。 図4Aは、パイプ形状の第1の変形例を示す断面図である。 図4Bは、パイプ形状の第2の変形例を示す断面図である。 図4Cは、パイプ形状の第3の変形例を示す断面図である。 図5は、パイプ形状の第4の変形例を示す斜視図である。 図6Aは、本発明の実施の形態2に係る温度調節装置の構造を示す上面図である。 図6Bは、図6Aに示す温度調節装置を適用した冷却装置を示す側面図である。
以下に、本発明に係る温度調節装置、冷却装置、及び温度調節装置の製造方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1Aは、本発明の実施の形態1に係る温度調節装置の構造を示す上面図である。また、図1Bは、図1AのA−A断面図である。
温度調節装置100は、アルミニウム又はアルミニウム合金(以下、アルミニウム系金属ともいう)によって形成されたプレート10と、該プレート10に埋設されたパイプ20とを備えている。
プレート10は、パイプ20に隣接配置されたアルミニウム系金属のバルク材であるベース板11と、パイプ20の周囲に形成された堆積部12とを有している。ベース板11の主面は、温度調節対象である基板等を載置する基板保持面10aとなっている。一方、堆積部12は、アルミニウム系金属の粉体をベース板11及びパイプ20に吹き付けることによって堆積させる、所謂コールドスプレー法によって形成されている。なお、堆積部12の形成方法及び特性については、後で詳しく説明する。また、プレート10の大きさ及び形状は特に限定されず、温度調整対象である基板等に応じて決定すれば良い。
パイプ20は、冷却用又は加熱用の熱媒体を導入する導入口21と、該熱媒体を導出する導出口22とを有し、熱媒体を流通させる流路23を形成している。パイプ20は、プレート10の概ね全体に渡って2次元的に広がる形状を有しており、両端の導入口21及び導出口22を除いてプレート10内に埋設されている。
また、パイプ20は、使用される熱媒体に対して耐食性を有する金属又は合金によって形成されている。例えば、熱媒体として市水を用いる場合には、パイプ20の材料として、銅(Cu)、銅系合金、ステンレス鋼(SUS)、ニッケル(Ni)、ニッケル系合金(例えば、スペシャルメタル社の商品であるインコネル)、タンタル(Ta)、タンタル系合金、ニオブ(Nb)、ニオブ系合金、チタン、チタン系合金等が用いられる。また、熱媒体として海水を用いる場合には、材料として、タンタル、タンタル系合金、チタン、チタン系合金、キュプロニッケル(銅−ニッケル合金)等が用いられる。なお、熱媒体は、パイプ20内を流通可能な媒体であれば良く、液体だけでなく気体を用いても良い。
次に、温度調節装置100の製造方法を説明する。
まず、使用する熱媒体に応じて耐食性を有する金属又は合金によってパイプ20を作製する。パイプ20は、例えば、溶接管に曲げ加工を施すことによって作製すれば良い。なお、パイプ20の厚さは、後の工程で粉体を吹き付けられることを考慮して、材料の硬度や断面形状に応じた厚さとすることが好ましい。例えば、ステンレス鋼を用い、断面を円形とする場合には、厚さを約100μm以上とすれば良い。
次に、図2の(a)に示すように、作製したパイプ20を、所望の形状に切り出したベース板11上に載置する。そして、図2の(b)に示すように、コールドスプレー法による成膜方法を用いて、ベース板11上に堆積部12を形成する。
図3は、コールドスプレー法による成膜装置の構成を示す模式図である。成膜装置30は、ガス供給源からヘリウム(He)や窒素(N)等の不活性ガスや空気等のガス(作動ガス)を導入するガス導入管31と、原料であるアルミニウム系金属の粉体1を供給する粉体供給部32と、ガス導入管31から導入されたガスを所望の温度まで加熱するヒータ33と、粉体1とガスとを混合して噴射するチャンバ34と、粉体1を噴射するノズル35と、ベース板11を保持するホルダ36とを備えている。
粉体供給部32には、アルミニウム系金属の微小な(例えば、粒径が10μm〜100μm程度)の粉体1が配置されている。この粉体1は、ガス導入管31に設けられたバルブ31aを操作して所望の流量のガスを粉体供給部32に導入することにより、ガスと共に粉体供給管32aを通ってチャンバ34内に供給される。
ヒータ33は、導入されたガスを、例えば、50℃〜700℃程度まで加熱する。この加熱温度の上限は、粉体1を固相状態のままでベース板11に吹き付けるため、原料の融点未満とする。より好ましくは、上限温度を、摂氏で融点の約60%以下に留める。これは、加熱温度が高くなるほど、粉体1が酸化する可能性が高くなるからである。従って、例えば、アルミニウム(融点:約660℃)の膜を形成する場合には、加熱温度を約660℃未満とすれば良く、約396℃以下とすればより好ましい。
ヒータ33において加熱されたガスは、ガス用配管33aを介してチャンバ34に導入される。なお、チャンバ34に導入されるガスの流量は、ガス導入管31に設けられているバルブ31bを操作することにより調節される。
チャンバ34の内部には、ガス用配管33aから導入されたガスにより、ノズル35からベース板11に向けたガスの流れが形成されている。このチャンバ34に粉体供給部32から粉体1を供給すると、粉体1は、ガスの流れに乗って加速されると共に加熱され、ノズル35からベース板11及びパイプ20に向けて吹き付けられる。このときの衝撃により粉体1がベース板11及びパイプ20の表面に食い込み、粉体1が有している運動エネルギー及び熱エネルギーによって粉体1が塑性変形してベース板11及びパイプ20の表面に付着し、堆積部12が形成される。
粉体1を加速する速さ、即ち、ノズル35から噴射される際のガスの流速は、超音速(約340m/s以上)であり、例えば、約400m/s以上とすることが好ましい。この速さは、バルブ31bを操作してチャンバ34に導入されるガスの流量を調節することにより制御することができる。また、成膜装置30のように、基端から先端に向けて口径がテーパ状に広がっていくノズル35を使用することにより、チャンバ34内で形成されたガスの流れをノズル35の導入口で一旦絞って加速することができる。
図3に示すように、ノズル35の口径に対して成膜範囲(ベース板11の面積)が広い場合には、ノズル35をX−Y方向に移動させながら成膜を行う。或いは、ノズル35の位置を固定し、ホルダ36側を移動させても良い。また、図2の(b)に示すように、パイプ20の断面が円形である場合には、ベース板11とパイプ20との隙間14にも十分に粉体1を堆積させるために、ホルダ36をX−Z方向又はY−Z方向に傾け、ベース板11に対して斜め方向から粉体1を吹き付けても良い。
図2の(c)に示すように、十分な厚さ(例えば、パイプ20が十分に埋没する程度)の堆積部12を形成した後で、堆積部12の堆積面15や側面等を研磨し、不要な部分に付着した膜等を除去して表面を平滑にする。それにより、温度調節装置100が完成する。
このような温度調節装置100は、上記のように堆積部12が形成されることから、次の特徴を有している。
コールドスプレー法においては、金属の粉体1が下層(ベース板11及びパイプ20の表面や、それまでに堆積した堆積部12)の表面に高速に衝突して食い込むと共に、自身を変形させて下層に付着するので、下層に強く密着した層が形成される。これは、堆積部12とパイプ20との界面において、堆積部12が相手側に食い込む現象(アンカー効果と呼ばれる)が観察されることからもわかる。即ち、堆積部12は、同種金属であるベース板11とは勿論のこと、異種の金属によって形成されたパイプ20とも、互いの間に隙間を生じさせることなく密に接合されている。このため、堆積部12とパイプ20との界面において、伝熱性が低下することはほとんどない。
また、パイプ20は、周囲に形成された堆積部12により強固に固定されている。そのため、パイプ20内を流通する熱媒体によりパイプ20に温度変化が生じても、パイプ20の膨張又は収縮は抑制される。従って、温度調節装置100の使用中(又は使用の前後)に、堆積部12とパイプ20との間に新たな剥離やクラックが発生する可能性は非常に低く、剥離等に起因する伝熱性の低下も抑えることができる。
さらに、上記のメカニズムにより堆積部12が形成されることから、堆積部12自体も非常に緻密な層となっており、例えば、バルク材に比較して95%以上の密度を有している。それに加えて、コールドスプレー法においては、固相状態を維持できる程度までしか粉体1を加熱しないため、粉体1は酸化し難い。そのため、堆積層12は、上記の密度を維持しつつ、所望の厚さまで形成されている。従って、堆積部12内においても、バルク材の90%以上という良好な伝熱性が維持されている。
以上説明したように、実施の形態1に係る温度調節装置100によれば、パイプ20と堆積部12との界面や、堆積部12の内部における伝熱性の低下を抑制できるので、所望の熱媒体を利用しつつ、アルミニウム系金属の良好な伝熱性を活かして、基板保持面10a上の基板等を効率良く且つ均一に温度調節することが可能になる。
この温度調節装置100は、例えば、CVD法(化学気相成長法)による成膜装置において基板を冷却する冷却装置として適用することができる。この場合には、CVDチャンバ内に温度調節装置100を設置し、導入口21及び導出口22に、熱媒体を導入及び導出するための配管を接続する。そして、基板を基板保持面10a上に載置し、熱媒体としての冷却水を導入口21から導入する。それにより、冷却水が流路23内を流通し、基板保持面10aから伝達した熱を吸収し、導出口22を通って排出される。それにより、基板保持面10a上の基板が均一に冷却される。
次に、温度調節装置100の変形例について説明する。温度調節装置1においては、プレート10に埋設するパイプの形状(断面及び経路)を変更することにより、所望の流路を形成することができる。
図4Aに示すパイプ41は、断面を楕円形とし、楕円の長径が基板保持面10aに平行になるように配置したものである。この場合には、基板保持面10aに向けた熱の伝達量を増加させることができるので、基板保持面10a上の基板等に対する冷却効率又は加熱効率を向上させることができる。
図4Bに示すパイプ42は、断面を長方形とし、長辺が基板保持面10aと平行になるように配置したものである。この場合にも、基板保持面10aに向けた熱伝達量の増加により、冷却効率又は加熱効率を向上させることができる。
図4Cに示すパイプ43は、断面を三角形とし、3辺の内の1辺が基板保持面10aと平行になるように配置したものである。この場合には、冷却効率又は加熱効率の向上に加えて、堆積部12の形成時に、成膜装置30のホルダ36を大きく傾けることなく、他の2辺上に粉体1を堆積させることができる。
また、図5に示すパイプ50のように、熱媒体の導入口51及び導出口52を、プレート10の所望の位置に配置しても良い。それにより、導入口51及び導出口52に接続される配管の自由度を高くすることができる。
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2に係る温度調節装置について説明する。図6Aは実施の形態2に係る温度調節装置の構造を示す上面図である。また、図6Bは、図6Aに示す温度調節装置を適用した冷却装置を示す側面図である。
温度調節装置200は、円盤状のプレート60と、該プレート60に埋設されたパイプ70とを備えている。なお、プレート60及びパイプ70を形成する材料については、実施の形態1で説明したものと同様である。
プレート60は、実施の形態1と同様に、バルク材であるベース板61と、コールドスプレー法によって形成された堆積部62とを有している。また、プレート60の主面は、温度調節対象である基板等を載置する基板保持面60aとなっている。
パイプ70は、渦巻きを往復させた形状を有している。また、熱媒体のパイプ70への導入口71及び導出口72は、基板保持面60aの中心付近に配置されている。パイプ70をこのような形状とすることにより、後述する導入管73及び排出管74を、プレート60を支持する支持柱63内に収容することができる。なお、パイプ70の断面形状については、実施の形態1と同様に、所望の形状としても良い。
このような温度調節装置200は、実施の形態1と同様に、成膜装置30を用い、ベース板61及びパイプ70に粉体1を吹き付けて堆積部62を形成することにより作製される。このとき、粉体1がパイプ70の導入口71及び導出口72に入り込まないように、導入口71及び導出口72を塞いでおくと良い。
温度調節装置200を冷却装置に適用する場合には、例えば、熱媒体としての冷却水をパイプ70に導入する導入用配管73を導入口71に接続し、冷却水をパイプ70から排出する排出用配管74を導出口72に接続して、パイプ70内に冷却水を循環させれば良い。
以上説明した実施の形態1及び2においては、プレート10、60のベース板11、61側を基板保持面10a、60aとしているが、堆積部12、62側を基板保持面としても良い。この場合には、堆積部12、62を形成した後で、研磨により堆積面を平滑にすれば良い。
また、実施の形態1及び2において、堆積部12、62を形成した後で、研磨や切削等によりベース板11、61を除去し、この除去面に、成膜装置30を用いて堆積部12、62と連続するアルミニウム系金属の層を形成しても良い。このようにしても、パイプ20、70の陰になっていた領域(例えば、図2の(b)の隙間14)に、パイプ20、70に密着したアルミニウム系金属の層を堆積させることができる。
本発明は、半導体や液晶表示装置や光ディスク等の製造プロセスにおいて、基板等の温度を調節する温度調節装置、冷却装置、及び温度調節装置の製造方法において利用可能である。
1 粉体
10、60 プレート
10a、60a 基板保持面
11、61 ベース板
12、62 堆積部
14 隙間
15 堆積面
20、41、42、43、50、70 パイプ
21、51、71 導入口
22、52、72 導出口
23 流路
30 成膜装置
31 ガス導入管
31a、31b バルブ
32a 粉体供給管
32 粉体供給部
33a ガス用配管
33 ヒータ
34 チャンバ
35 ノズル
36 ホルダ
63 支柱
73 導入用配管
74 排出用配管
100、200 温度調節装置

Claims (11)

  1. 所定の熱媒体に対する耐食性を有する金属又は合金によって形成され、前記熱媒体を流通させる流路をなすパイプと、
    アルミニウム(Al)又はアルミニウム合金の粉体をガスと共に加速し、前記パイプに向けて固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより形成され、前記パイプを埋設させたプレートと、
    を備えることを特徴とする温度調節装置。
  2. 前記プレートは、コールドスプレー法により形成されていることを特徴とする請求項1に記載の温度調節装置。
  3. 前記プレートは、前記パイプに隣接配置されたアルミニウム又はアルミニウム合金のベース板を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の温度調節装置。
  4. 前記プレートは、温度調節対象である基板を載置する基板保持面を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の温度調節装置。
  5. 前記パイプは、銅(Cu)、銅系合金、ステンレス鋼、ニッケル(Ni)、ニッケル系合金、タンタル(Ta)、タンタル系合金、ニオブ(Nb)、ニオブ系合金、チタン、チタン系合金、銅−ニッケル合金のうちのいずれかによって形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の温度調節装置。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の温度調節装置と、
    前記パイプに冷却水を導入する導入用配管と、
    前記パイプから冷却水を排出する排出用配管と、
    を備えることを特徴とする冷却装置。
  7. 耐食性を有する金属又は合金によって、熱媒体を流通させるパイプを形成するパイプ形成工程と、
    アルミニウム(Al)又はアルミニウム合金の粉体をガスと共に加速し、前記パイプに向けて固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより、前記パイプを埋設させるプレートを形成するプレート形成工程と、
    を含むことを特徴とする温度調節装置の製造方法。
  8. 前記プレート形成工程は、前記パイプをアルミニウム又はアルミニウム合金のベース板上に載置し、前記粉体を前記ベース板に向けて吹き付けることを特徴とする請求項7に記載の温度調節装置の製造方法。
  9. 前記プレート形成工程は、コールドスプレー法により行われることを特徴とする請求項7又は8に記載の温度調節装置の製造方法。
  10. 前記プレートの表面を研磨することにより、温度調節される基板を載置する基板保持面を形成する基板保持面形成工程をさらに含むことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の温度調節装置の製造方法。
  11. 前記パイプ形成工程は、銅(Cu)、銅系合金、ステンレス鋼、ニッケル(Ni)、ニッケル系合金、タンタル(Ta)、タンタル系合金、ニオブ(Nb)、ニオブ系合金、チタン、チタン系合金、銅−ニッケル合金のうちのいずれかによって前記パイプを形成することを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の温度調節装置の製造方法。
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