JP2015188067A

JP2015188067A - 流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに半導体製造装置

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Publication number: JP2015188067A
Application number: JP2015030730A
Authority: JP
Inventors: 猛宗石; Takeshi Muneishi; 健次郎前田; Kenjiro Maeda
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2015-10-29
Anticipated expiration: 2035-02-19
Also published as: JP6437844B2

Abstract

【課題】熱交換性能の向上した流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに半導体製造装置を提供する。
【解決手段】蓋体部と、底板部と、側壁部と、隔壁部とを有し、各部に囲まれた空間が流体の流路となる流路部材であって、流体の流れの変化領域に障壁部を備えていることにより、熱交換性能の向上した流路部材とすることができる。また、このような流路部材を備えていることにより、熱交換性能の向上した熱交換器ならびに半導体製造装置とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに半導体製造装置に関する。

従来、熱交換を行なうための部材として、内部に流路を有する流路部材が提案されている。このような流路部材は、流路に流体を流すことによって、流路部材と流路部材に接するその他の部材または流路部材の周囲の媒体とにより熱交換が行なわれ、流路部材に接するその他の部材や流路部材の周囲の媒体の温度調節を行なうことができるものである。

そして、このような流路部材として、例えば、特許文献１には、流路を形成する面の一部に流体が流れる方向に沿って延びる凹凸を有する流路部材が開示されている。

特開２０１３−４８２０４号公報

現在、流路部材においては、複雑な流路形状を備えるものや、より大型化したもの等様々な要求があるが、いずれの流路部材においても、熱交換性能の向上が求められている。

それゆえ、本発明は、より簡単な構成で熱交換性能の向上した流路部材およびこれを用いた熱交換器ならびに半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明の流路部材は、セラミックスからなり、蓋体部と、底板部と、側壁部と、隔壁部とを有し、各部に囲まれた空間が流体の流路となる流路部材であって、前記流体の流れの変化領域に障壁部を備えていることを特徴とする。

また、本発明の熱交換器は、上記構成の流路部材の前記蓋体部の表面または内部に金属部材が設けられていることを特徴とする。

さらに、本発明の半導体製造装置は、上記構成の流路部材の前記蓋体部の内部に金属部材が設けられている熱交換器を備えていることを特徴とする。

本発明の流路部材は、熱交換性能の向上した流路部材とすることができる。さらに、この流路部材を備えることで、熱交換性能の向上した熱交換器、半導体製造装置とすることができる。

本実施形態の流路部材の一例を示す（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）で示すＡ−Ａ断面図である。本実施形態の流路部材の他の一例を示す断面図である。本実施形態の熱交換器の一例を示す斜視図である。本実施形態の熱交換器を備える半導体製造装置の全体的なシステム構成の一例を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態の流路部材の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）で示すＡ−Ａ断面図である。なお、以下の説明において同じ構成については、同じ符号を用いて説明する。

図１に示す本実施形態の流路部材１は、セラミックスからなり、蓋体部２と、側壁部３と、底板部４と、隔壁部７とを有し、各部に囲まれた空間が流体の流路となるものである。なお、隔壁部７における上端は蓋体部２に、下端は底板部４に接続されていることが好ましいが、必ずしもその限りではない。

なお、図１（ａ）に示す流路部材１においては、蓋体部２に流体の流入口５と流出口６とが設けられおり、流入口５はコーナー側に設けられている例を示しているが、流入口５および流出口６の場所はこれに限られるものではない。

ここで、図１に示す流路部材１が備える流路は、流入口５側の流路である入口側流路１０と、流出口６側の流路である出口側流路１１と、これらを結び、隔壁部７によって区切られた連結流路９とを備えて構成されている。

そして、図１に示す流路部材１において、流体は、流入口５より供給された後、入口側流路１０を流路部材１の幅方向に広がるように流れる。続いて、入口側流路１０を流れた流体が、隔壁部７によって区切られた各連結流路９を流路部材１の長手方向に沿って流れ、各連結流路９を流れた流体は、出口側流路１１に流れた後、流出口６より外部に放出される。

そして、本実施形態の流路部材１においては、図１（ｂ）に破線で囲んで示すように、流体の流れる方向が変化する変化領域Ｃに障壁部８を備えている。ここで、変化領域Ｃとは、流体の流れ方向において、側壁部３に突き当たって流れ方向が変化する部分のことである。

蓋体部２と、側壁部３と、底板部４と、隔壁部７とを有し、各部に囲まれた空間が流体の流路となる流路部材において、障壁部８を有していない場合、流体が変化領域Ｃにおいて滞留しやすいという問題があるが、図１に示す本実施形態の流路部材１のように、流体の流れる方向が変化する変化領域Ｃに障壁部８を備えていることにより、変化領域Ｃにおける流体の滞留を抑制することができるため、熱交換性能を向上した流路部材１とすることができる。

以下に具体的に記載する。まず、流入口５側においては、図１（ｂ）に示す構成の流路部材１における上部側の偏った位置に流入口５が設けられているため、流入口５から最も遠い位置の変化領域Ｃ１において流体の滞留が生じるおそれがあるが、付属障壁部８ｂを備えていることにより、流体が流れやすくなり、変化領域Ｃ１における滞留を抑制することができる。なお、図１（ｂ）に示す構成の流路部材１において、流入口５より最も遠い位置の隔壁部７の一端が他の隔壁部７の一端よりも入口側流路１０側に突出した例を示しているが、必ずしも突出している必要はなく、全ての隔壁部７の一端の位置が同じ位置となっていてもよい。

また、流出口６側においては、流出口６が流路部材１の幅方向の中央部に設けられているため、出口側流路１１側の両角にあたる変化領域Ｃにおいて流体の滞留が生じるおそれ
があるが、一方の変化領域Ｃ２においては、独立障壁部８ａを備えていることにより、出口側流路１１の変化領域Ｃ２における流体の滞留を抑制することができる。また、他方の変化領域Ｃ３においては、付属障壁部８ｂを備えていることにより、出口側流路１１の変化領域Ｃ３における流体の滞留を抑制することができる。

なお、独立障壁部８ａとは、側壁部３および隔壁部７の近傍に位置しながらも、側壁部３および隔壁部７に接していないものである。また、付属障壁部８ｂとは、隔壁部７の端部に付属するとともに、膨らんでいる部分のことである。さらに、隔壁部７の形状が、図１（ｂ）に示すような直線状のみではなく、変化領域Ｃにおいて屈曲しているときには、その屈曲部は、隔壁部７の端部にあたる。

また、流体を効率よく変化領域Ｃに流すにあたり、蓋体部２の主面に平行な断面視において、障壁部８は曲線部を有していることが好適であり、特に円形状であることが好適である。なお、ここで曲線部とは、障壁部８の側面にあたる部位であり、障壁部８が曲線部を有しているときには、流体が側面に沿って拡がるときのストレスが少なく、変化領域Ｃにおいて流体がより流れやすくなることから、変化領域Ｃにおける流体の滞留をさらに抑制することができる。また、障壁部８が曲線部を有しているときには、流体の圧力（水圧）が高い場合であっても、その圧力を効率よく緩和することができ、障壁部８が破損することを抑制することができる。

また、この破損を抑制する観点で言えば、流入口５近傍における流体の圧力が最も高いことから、流入口５に最も近い位置における隔壁部７の一端に障壁部８を設けることもできる。それにより、最も圧力のかかる隔壁部７の一端において、その圧力を緩和することができることから、信頼性の向上した流路部材１とすることができる。

また、後述するが、この端部に付属障壁部８ｂを備える隔壁部７をセラミックスの積層体で形成する場合においては、各層における接合面積を大きくすることができることから、各層の接合を強固にすることができる。

さらに、流入口５や流出口６を設ける位置に応じて、隔壁部７の間隔を適宜調整することもできる。例えば流入口５および流出口６を流路部材１の幅方向の一端側に設けた場合においては、流入口５側および流出口６側の隔壁部７の間隔を狭くし、流路部材１の幅方向の他端側における隔壁部７の間隔を広くすることもできる。それにより、より滞留が生じやすい流入口５および流出口６から遠い位置における流体の流れる量を多くすることができ、滞留を抑制することができる。

ところで、隔壁部７を複数備える流路部材において、隣接する隔壁部７のそれぞれの一端もしくは他端に障壁部８を設ける場合に、障壁部８間の流路の幅が短くなり、それにより圧損が生じ、流体の流れが悪くなるおそれがある。

それゆえ、複数の隔壁部７を備える流路部材において、隔壁部７に障壁部８を設けるにあたっては、障壁部８を含む隔壁部７の長さが同じであるとき、一端に障壁部８を有する隔壁部７と、他端に障壁部８を有する隔壁部７とを交互に並べる構成とすることができる。また、障壁部８を含む隔壁部７の長さを異ならせ、長いものと短いものとを交互に並べる構成として、障壁部８の位置をずらしてもよい。

なお、障壁部８の設定にあたっては、障壁部８の大きさや形状を考慮して、障壁部８間の流路の幅が短くなることによる圧損の影響を考慮して適宜設定すればよい。

図２は、本実施形態の流路部材の他の一例を示す断面図である。

図２（ａ）に示す流路部材１２および図２（ｂ）に示す流路部材１３においては、流路が折り返し構造となっている点で、図１に示す流路部材１と異なっている。

このような流路が折り返しの流路構造である流路部材１２、１３においては、流路の折り返し部は変化領域にあたり、流体が滞留しやすくなる部分であるが、折り返し部に近接する隔壁部７の端部に付属障壁部８ｂを備えていることにより、流体が流れやすくなり、変化領域における流体の滞留を抑制することができ、熱交換性能を向上することができる。なお、隔壁部７は、図２（ａ）に示すような直線状のものに限らず、図２（ｂ）に示すように湾曲したものであってもよい。

ここまで、図１に示す構成の流路部材１、図２（ａ）に示す構成の流路部材１２、図２（ｂ）に示す構成の流路部材１３を示してきたが、以下においては、簡素化のために「流路部材１」と記載して説明する。

流路部材１を構成するセラミック材料としては、アルミナ、ジルコニア、ムライト、炭化珪素、炭化硼素、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウムやこれらの複合材料でもよい。蓋体部２をセラミック材料にて形成し、蓋体部２の表面に配線導体などの金属部材を形成し、この金属部材上に電子部品を実装することにより、熱交換性能の向上した半導体装置を構成することができる。

以下、本実施形態の流路部材１の製造方法の一例について示す。

まず、流路部材１をアルミナで作製する場合は、平均粒径が１．４〜１．８μｍ程度の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の粉末と、酸化珪素（ＳｉＯ_２）の粉末と、酸化カルシウム（ＣａＯ）の粉末および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉末とを準備する。そして、各粉末を、例えば、酸化アルミニウムの粉末１００質量％に対して、酸化珪素の粉末を０．５質量％以上２．５質量％以下、酸化カルシウムの粉末を０．１質量％以上０．６質量％以下、酸化マグネシウムの粉末を０．５質量％以上１．５質量％以下となるように秤量して混合する。

次に、この混合粉末とともに、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、アクリル樹脂またはブチラール樹脂等のバインダと、水と、分散剤とを、ボールミル、回転ミル、振動ミルまたはビーズミル等に入れて、高純度のアルミナボールで混合してスラリーを得る。ここで、バインダの添加量としては、成形体の強度や可撓性が良好で、また、焼成時にバインダの脱脂が不十分とならないようにすればよい。

また、流路部材１を炭化珪素で作製する場合は、純度が９０％以上であり平均粒径が０．５μｍ以上２μｍ以下である炭化珪素の粉末と、炭化硼素およびカルボン酸塩の粉末とを準備する。そして、各粉末を、例えば、炭化珪素の粉末１００質量％に対して、炭化硼素の粉末を０．１２質量％以上１．４質量％以下、カルボン酸塩の粉末を１質量％以上３．４質量％以下となるように秤量して混合する。

次に、この混合粉末とともに、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、アクリル樹脂またはブチラール樹脂等のバインダと、水と、分散剤とを、ボールミル、回転ミル、振動ミルまたはビーズミル等に入れて混合してスラリーを得る。ここで、バインダの添加量としては、成形体の強度や可撓性が良好で、また、焼成時にバインダの脱脂が不十分とならないようにすればよい。

そして、得られたスラリーを噴霧造粒法（スプレードライ法）により噴霧乾燥して造粒
し、顆粒原料とする。

次に、静水圧プレス成形法（ラバープレス法）によって成形体を得る方法について説明する。噴霧乾燥して造粒した１次原料を所定形状のゴム型内へ投入するが、全ての一次原料を投入する途中で、それぞれの流路部材１に形成される流路の形状をした有機部材を投入し、さらに顆粒原料を投入し、ゴム型を封止する。ここで、有機部材の材質としては、例えば、熱分解性の良いアクリル系、α−メチルスチレン系を用いることができる。そして、静水圧プレス成形法により成形し、その後、ゴム型から取り外し、有機部材を内包した成形体を得る。

なお、静水圧プレス成形法によりバルク形状の成形体を得た後に、側壁部３、底板部４、隔壁部７となるように切削加工を施して所望の形状の成形体と、プレス成形法や静水圧プレス成形法により得られた蓋体部２となる成形体とをスラリー用いて接合しても良い。また、流入口５および流出口６については、ドリルなどを用いて加工すればよい。

そして、得られた成形体を４００℃以上５５０℃以下の温度で熱処理を行ない脱脂することによって脱脂体を得る。ここで、成形体内部に有機部材を内包する場合は、有機部材の熱分解を促すため、有機部材に繋がる孔を形成した後に脱脂を行なうことが好適である。なお、有機部材に繋がる孔は、流入口５および流出口６であってもよい。

その後、例えば、公知のプッシャー方式やローラー方式の連続トンネル炉に脱脂体を入れ、脱脂体の材料がアルミナであれば、酸化雰囲気において約１４１０〜１６５０℃の温度範囲で１〜２０時間焼成し、脱脂体の材料が炭化珪素であれば、不活性ガスの雰囲気中または真空雰囲気中で１８００〜２２００℃の温度範囲で１０分〜１０時間保持し、さらに２２００〜２３５０℃の温度範囲で１０分〜２０時間にて焼成することで、本実施形態の流路部材１を作製することができる。

また、本実施形態の流路部材１を積層体にて作製する場合は、以下の方法を採用することができる。

まず、上述した方法と同じ作製方法により得られたスラリーを用いてセラミックスの一般的な成形法であるドクターブレード法により、グリーンシートを形成する。または、スラリーを噴霧造粒法（スプレードライ法）により噴霧乾燥して造粒した顆粒原料を得た後に、乾式加圧成形法または粉末圧延法などによってグリーンシートを形成する。

そして、得られたグリーンシートにレーザー加工または金型によるプレス加工を施す。なお、グリーンシートにおける加工においては、積層後に所望の流路となるように加工する。また、流入口５や流出口６については、例えば、蓋体部２となるグリーンシートを得る際に、外形に加えて、貫通孔を形成すればよい。そして、必要に応じて各グリーンシートの厚みを変更したり、積層するグリーンシートの枚数を変更したりすることによって、流路や隔壁部７の高さまたは厚み方向での位置を自由に設定することができる。

次に、それぞれのグリーンシートの接合面に、グリーンシートを作製するときに用いたものと同様のスラリーを接合剤として塗布する。そして、それぞれのグリーンシートを積み重ね、平板状の加圧具を介して約０．５ＭＰａ程度の圧力を加え、その後、約５０〜７０℃の室温で約１０〜１５時間乾燥させることによって積層成形体とする。

特に、隔壁部７の端部に付属障壁部８ｂを備えるときには、付属障壁部８ｂを備えている分だけ蓋体部２および底板部４と接触する面積が増えることから、積層時の圧力を伝搬する面積が増えることとなり、各部材同士を強固に接合することができ、信頼性を向上す
ることができる。

なお、側壁部３と繋がる隔壁部７の一端に付属障壁部８ｂを備える場合は、レーザー加工やプレス加工により、側壁部３、隔壁部７、付属障壁部８ｂを残すように加工したグリーンシートを積層すればよいが、独立障壁部８ａを備える場合には、上述した顆粒原料を用いて粉末プレス成形法で独立障壁部８ａとなる成形体を得た後、積層時に所望の位置に配置すればよい。

そして、積層成形体を、上述した通りの焼成条件で焼成することにより、本実施形態の流路部材１を得ることができる。

図３は、本実施形態の熱交換器の一例を示す斜視図である。図３に示す本実施形態の熱交換器１４においては、本実施形態の流路部材１における蓋体部２の表面に金属部材を設けている例を示している。

このように、本実施形態の熱交換器１４は、本実施形態の流路部材１の蓋体部２の表面に金属部材１５を設けていることから、熱交換性能の高い熱交換器１４とすることができる。なお、図示していないが、蓋体部２の内部に金属部材１５を設けることもできる。

ここで、本実施形態の流路部材１の蓋体部２の表面に金属部材１５を形成する方法としては、タングステン、モリブデン、銀、銅やアルミニウムを含むペーストを公知の印刷法により蓋体部２の表面に印刷して熱処理することにより形成したり、上述した金属成分の板状部材を活性金属法やロウ付け法を用いて接合したりすればよい。

また、蓋体部２の内部に金属部材１５を形成する方法としては、蓋体部２の形成にあたり、内部に空間を形成し、形成された空間に、上述した金属成分を含むペーストを充填し、熱処理することにより形成すればよい。

次に、上記構成の本実施形態の熱交換器１４を半導体製造装置１６に用いる場合について、以下に説明するが、例えば、発熱体としてＬＥＤ素子やパワー半導体などの発熱を生じる電子部品を配置し、半導体装置とする場合に特に有効となる。

図４は、本実施形態の熱交換器を用いた半導体製造装置の全体的なシステム構成の一例を示す概略図である。

図４に示す本実施形態の半導体製造装置１６は、本実施形態の流路部材１の蓋体部２に金属部材１５が設けられた熱交換器１４を備えてなり、金属部材１５がウェハ１７を吸着するための電極となっている。なお、図４に示す流路部材１においては、底板部４に流体を流す流入口５および流出口６が設けられている例を示している。そして、高温もしくは低温の気体または液体等の流体を流路部材１に送り込み、排出することによってウェハ１７の加熱または冷却を行なうことができるように、この流入口５および流出口６にそれぞれパイプ１９が接続されている。

この半導体製造装置１６は、ウェハ１７のプラズマ処理装置であり、ウェハ１７が、本実施形態の流路部材１の蓋体部２に金属部材１５が設けられてなる熱交換器１４に載置されている例を示している。

また、ウェハ１７の上方にはプラズマを発生させるための上部電極２０を備えるとともに、金属部材１５をプラズマを発生させるための下部電極として利用することができ、この下部電極である金属部材１５と上部電極２０との間に電圧を印加することにより、下部
電極である金属部材１５と上部電極２０と間に生じさせたプラズマをウェハ１７に当てることができるようになっている。そして、熱交換器１４が本実施形態の流路部材１を備えていることから、プラズマ処理する際に高温となる下部電極としての金属部材１５を安定した温度に維持することができる。また、ウェハ１７の温度も制御されることから、寸法精度の高い加工ができる。

また、図４では金属部材１５をプラズマ発生用の下部電極として用いた例を示したが、金属部材１５に電流を流すことによって加熱すれば、流体の温度調整を行なうこともできる。さらに、蓋体部２を誘電体材料により形成し、金属部材１５を静電吸着用の電極として用い、金属部材１５に電圧を印加すれば、ウェハ１７と誘電体層との間に生じるクローン力やジョンソン・ラーベック力などの静電吸着力によってウェハ１７を吸着・保持することもできる。

なお、本実施形態の半導体製造装置１６は、プラズマ処理装置の他に、スパッタ装置、レジスト塗布装置、ＣＶＤ装置等やエッチング処理装置として用いることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上述の流路部材１において、隔壁部７を流体の流れる方向と垂直な断面（縦断面）で見た場合において、底板部４から蓋体部２にかけて階段状となっている（蓋体部２側が狭い）形状や、底板部４から蓋体部２にかけてテーパー状（蓋体部２側が狭い）とすることもできる。

また、上述の流路部材１においては、隔壁部７を複数有している例を用いて説明したが、隔壁部７の数は特に限定されるものではなく、例えば１つであってもよい。

１、１２、１３：流路部材
２：蓋体部
３：側壁部
４：底板部
７：隔壁部
８：障壁部
８ａ：独立障壁部
８ｂ：付属障壁部
１４：熱交換器
１６：半導体製造装置
Ｃ：変化領域

Claims

セラミックスからなり、蓋体部と、側壁部と、底板部と、隔壁部とを有し、各部に囲まれた空間が流体の流路となる流路部材であって、前記流体の流れの変化領域に障壁部を備えていることを特徴とする流路部材。
前記障壁部が、前記蓋体部の主面に平行な断面視において、曲線部を有していることを特徴とする請求項１に記載の流路部材。
前記隔壁部の一端および他端の少なくとも一方に前記障壁部を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流路部材。
前記流路が折り返しの流路構造であり、折り返し部に近接する前記隔壁部の端部に前記障壁部を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の流路部材。
前記流体の入り口に近接する前記隔壁部の一端に前記障壁部を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の流路部材。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の流路部材の前記蓋体部の表面または内部に金属部材が設けられていることを特徴とする熱交換器。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の流路部材の前記蓋体部に金属部材が設けられた熱交換器を備えていることを特徴とする半導体製造装置。