JP2583159B2

JP2583159B2 - 流体加熱器

Info

Publication number: JP2583159B2
Application number: JP3168738A
Authority: JP
Inventors: 皖一門谷
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1991-06-13
Publication date: 1997-02-19
Anticipated expiration: 2012-02-19
Also published as: EP0570586A4; CA2101439A1; KR930703575A; JPH05231712A; EP0570586A1; US5559924A; WO1992014102A1; KR0182345B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、輻射光によって被加熱
流体を共振加熱する流体加熱器に関わり、殊に半導体デ
バイスの製造工程におけるシリコン等のウエハーの洗浄
後、エッチング液、レジスト剥離液の加熱および温度制
御並びにフライヤーでの食品用油の加熱及び温度制御
等、被加熱流体を流しながら、その加熱及び温度制御を
好適に行える流体加熱器に関する。

【０００２】

【従来の技術】先ず、この種の流体加熱器の好適な用途
を、図４の半導体ウエハー処理装置を用いて説明する。
同図において、処理槽１００内には処理液２００が入っ
ており、ポンプ３００によってテフロン配管４００内を
流れ、流体加熱器５００において加熱され、フィルタ６
００によって処理液中に混入している異物が除去されて
処理槽１００内へ戻る。また、処理槽１００中の処理液
２００の温度はセンサー７００によって検出され、検出
された温度が設定温度に近づくようにコントローラ８０
０が、流体加熱器５００を制御する。同図中、符号５１
０は流体加熱器５００を内蔵するボックスである。ま
た、符号９００は半導体ウエハーである。

【０００３】図５は上記流体加熱器の従来例である。図
５では、流体加熱管５０の外周に電気ヒータ５１を配設
し、導入管５２から導入した流体Ｃを加熱し、導出管５
５から排出する構成となっている。本例では内側から順
に流体加熱管５０、空隙５４、ニクロム線やカンタル線
等でなる８本の平行配置電気ヒータ５１及び断熱材５６
で構成される。

【０００４】また、半導体ウエハー処理装置において処
理槽中の処理液を加熱する全く別の装置が特開平２年２
１０８２９号、特開平２年５２４３７号に記載されてい
る。いずれも、図４の装置からポンプ３００、配管４０
０、流体加熱器５００、フィルタ６００を取り払って、
処理槽１００内にヒータを装着している。更に、フライ
ヤー等に用いる流体加熱器として特開昭６１年１１６２
４６号が存在する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかるに上記従来例に
は次の問題点がある。図５の流体加熱器では、電気ヒー
タ５１の外周側からの輻射赤外線は断熱材５６方向へ輻
射されて該断熱材５６に吸収されてしまい、被加熱流体
Ｃの加熱には寄与し難い。また、輻射光による被加熱物
の温度上昇速度は、輻射面積が一定であれば、被加熱物
の吸収波長帯のエネルギー密度（単位面積を単位時間に
透過するエネルギー）に比例し、またエネルギー密度が
一定であれば、輻射面積に比例する。つまり、加熱速度
を早めるにはエネルギー密度を高めるかまたは輻射面積
を増加させる必要がある。

【０００６】ところでエネルギー密度を高めるには、
「エネルギー密度は輻射を発する物体の温度の４乗に比
例する（シュテファン・ボルツマンの法則）」により、
該電気ヒータ５１を高温にすればよいが、ニクロム線等
では１０００Ｋが上限である。電気ヒータ５１の本数を
増やして輻射面積を増加すると、ヒータ支持が難しく、
ヒータ短絡溶損の危険性が出てしまう。ここで流体加熱
管５０を大型にすると、流体加熱管５０の中心部を流れ
る流体には熱が伝導し難く、結果として加熱速度向上に
は至らない。また、半導体ウエハー処理を行うクリーン
ルーム内では、装置を設置するに要する面積を可能な限
り少なくしたいという要望が強く、流体加熱器を大型に
することは好ましくない。

【０００７】他の問題は、繰り返し使用によって汚染さ
れた液体の入れ替え直後の再加熱時に起こる。断熱材５
６で囲まれた電気ヒータ５１は、電流供給を止められた
後でも長時間高温を保っており、低温液体が流体加熱器
内に流入すると、加熱管５０表面で沸騰して大量の蒸気
を発生し、沸騰の熱衝撃と蒸気圧とで流体加熱管５０を
破壊してしまうことが本願発明者により確認されてい
る。

【０００８】特開平２年２１０８２９号、特開平２年５
２４３７号に記載されているヒータと処理槽とを一体に
した加熱装置では下記の問題がある。（１）槽内にヒータがあるとウエハー没入の障害にな
り、ウエハーがヒータに衝突しないための構造が必要と
なる。（２）ヒータを槽内に収容する分だけ処理槽が大型化
し、その結果処理液も余分に必要となり、処理液を少な
くしたいという製造者の要望に反することになる。（３）処理槽の定期的または随時の掃除のときにヒータ
を破壊する危険性がある。また、ヒータの裏側、上記
（１）記載の、ウエハーがヒータに衝突しないための構
造等、掃除しにくい部分がある。（４）特開平２年２１０８２９号にも指摘されている通
り、処理液が処理槽からこぼれてヒータにかかることが
ある。硝酸など処理液の種類によってはヒータやヒータ
支持部材を腐食する上、表面が８００°Ｃ近い高温にな
っている電気ヒータに５０〜１５０°Ｃ程度の処理液を
かけてしまい、熱衝撃でヒータを損傷することにもな
る。

【０００９】特開昭６１年１１６２４６号の流体加熱器
では、赤外線輻射体を封入する石英管と被加熱流体とが
直接接触している。この構成は下記の問題を有してい
る。（１）流体加熱器内に流入してくる低温被加熱流体と、
赤外線輻射体を封入するため高温になっている石英管と
が直接接触するため、該石英管への熱衝撃が大きく、そ
の寿命を著しく縮める要因となる。特に、加熱開始時、
液体入れ替え直後の再加熱時にはその危険性が大きいこ
とは、図５の加熱器と同様である。（２）赤外線輻射部には寿命があるため、交換すること
がある。そのときには流体加熱器内の液体を除去しなけ
ればならない。特に半導体デバイス製造工程におけるシ
リコン等のウエハーの洗浄後、エッチング液、レジスト
剥離液の加熱および温度制御に用いる場合は、被加熱液
体がアンモニア水、硫酸、塩酸、フッ酸等であるため、
流体加熱器内の液体除去にあたっては、人体への付着防
止、周辺装置への付着防止に注意しなければならず、作
業が煩わしい。（３）同様に、赤外線輻射部交換時に、赤外線輻射体を
封入する石英管と被加熱流体とが直接接触している構造
であるため、新品の赤外線輻射体を封入する石英管表面
に付着している異物が流体流路に持ち込まれる可能性が
ある。ここで石英管表面を洗浄しても、交換時には流路
を外界にさらすため、外界から流体流路へ異物が侵入す
る可能性を残している。半導体デバイス製造工程におけ
るシリコン等のウエハーの処理では処理液中の異物濾過
をクリーンルーム並みに行う必要があるため、流体流路
への異物持ち込みを伴う作業は好ましくない。フライヤ
ー等、食品油の加熱、温度制御に用いる場合にも流体流
路への異物持ち込みを伴う作業は衛生上好ましくない。

【００１０】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、
半導体ウエハーの処理槽には加熱装置を設けず、高密度
の輻射光エネルギーを有し、輻射される光がすべて被加
熱流体方向に向かう構造であって、しかも流路を構成す
る石英管への熱衝撃が極めて少なく、赤外線輻射体劣化
時等の交換時に液体除去を不要にして保守を容易にし、
汚染源進入防止に優れる流体加熱器を提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】図４の構成において用い
る流体加熱器（５００）において、管壁に流体の流入部
及び流出部を有する第１の中空管の内部に、両端が開放
された透明な第２の中空管を、前記第１の中空管の内壁
との間に空間を有して配し、前記第２の中空管内部に、
発熱体が内部に封入された透明な管からなる光源を前記
第２の中空管の内壁との間に空間を有して配し、支持部
材によって該光源を前記第２の中空管内部に支持する構
成とする。

【００１２】

【作用】前記光源により輻射される光は前記第２の中空
管内壁との間の空間を経て前記流体流路へ入り、赤外領
域の光によって液体が共振加熱される。ここでは、前記
光源と前記第２の中空管内壁との間の空間に存在する空
気と透明な第２の中空管によってわずかに吸収される分
を除いて輻射光は必ず流体を通過する。従って、輻射さ
れた赤外線はほとんどが流体加熱に消費される。また、
光源と石英管とが直接には接触しないため、光源の石英
管への熱衝撃が大幅に緩和される。光源の交換はその支
持部材を外すのみで済み、流体加熱器内から液体を除く
必要がなく、流路内に異物を持ち込むこともない。光源
だけを容易に装着、取り外し等の交換作業が出来、光源
交換時に流路内から流体を除去する必要がない。また光
源を構成する透明な管の表面の付着源を流路内に持ち込
むことがない。

【００１３】

【実施例】図１（ａ）は第１実施例の断面図である。同
図の構成に組み上げる手順は、先ず両端開放の中空外管
１内に両端開放の中空内管２を通し、中空内管２の外周
に両側からフェルール１６を取付け、更に中空内管２が
貫通する孔を中心部に有するナット１７によって両中空
管を接続する。また、中空外管１は両端部にねじ切り部
を有してナット１７と嵌合し、ねじを締める方向にナッ
ト１７を進行させるに伴って、フェルール１６がナット
１７と上記両中空管１及び２との間に楔を挿入する効果
を奏して中空外管１内に中空内管２を固定し、且つ両中
空管の接触部の気密を得ることができる。

【００１４】尚、１１は被加熱流体流入口、１２は被加
熱流体流出口、４は流路となる。また、半導体ウエハー
処理液を扱う場合は、耐薬品性の点でナット１７、フェ
ルール１６、中空外管１をフッ素樹脂製とし、中空内管
２として石英管を用いれば、赤外領域に高透過率を有
し、強度、耐薬品性、耐熱性の点でも優れた透明中空内
管となる。

【００１５】次いで、内径が光源５の最大直径よりも大
きい中空内管２内に光源５を挿入し、両側からセラミッ
クリング１３を中空内管２内に入れ、溶解されて平坦に
加工された光源の端部９をセラミックリング１３の溝１
３１内に隙間を有した状態で支持する。次いでセラミッ
クリング１４を中空内管２内に入れ、電極リード１８を
溝１４１に通し、さらにシリコンゴム製ブッシュ１５を
光源５及びリング１３、１４のストッパーとして中空内
管２の両端に取付ける。ブッシュ１５の小径部の直径が
中空内管２の内径よりも大きいことはストッパーとして
機能するための要件である。電極リード１８はブッシュ
１５の貫通孔１５１を通して外部に出す。この構成によ
ると、光源５と中空内管２の内壁との間には空間３が必
ず存在する。ここでリング１３、１４がセラミック製、
ブッシュ１５がシリコンゴム製であるため、光源５の発
熱に耐えることができる。また、流体加熱器使用中は光
源５の外管が他の部分に比べて高温になり、例えばハロ
ゲンランプの場合、その石英管は８００°Ｃにも達す
る。従って、光源５は他の部分よりも熱膨張が著しい。
しかし、光源５の端部９はリング１３の溝１３１内に隙
間を有して乗っているのみであるから、光源５の熱膨張
は膨張方向に拘わらず、該溝１３１内の隙間や、空間３
に吸収され、熱膨張が流体加熱器に部分的負荷をかけて
損傷を起こすことはない。

【００１６】光源５の交換時にはブッシュ１５、リング
１３、１４を外すのみで取り外すことができ、流体加熱
器内の液体の存在は光源交換作業には無関係である。ま
た、ニクロム線等の電気ヒータの温度は１０００Ｋ程度
が限界であるが、ハロゲンランプでは、フィラメント温
度を２０００〜３０００Ｋと、ニクロム線の２〜３倍の
高温で連続使用でき、輻射光エネルギー１６〜８１倍に
まで向上する。従って、ニクロム線等により加熱する従
来例のように、加熱源を増やして装置を大型化すること
もない。光源５の例として図１に示したハロゲンランプ
５について説明すると、両端９を溶解し平坦に冷却成型
された石英ガラス管内８にはハロゲン元素及び不活性ガ
スと、アンカー７で支持されたタングステン製フィラメ
ントコイル６とが密封されている。この両端９の内部に
はモリブデン箔１０が密封されており、このモリブデン
箔１０に前記フィラメントコイル６と外部からのリード
１８とが接続されている。

【００１７】図２には本発明の第２実施例を示し、図１
と同一部には同一の番号を付与してある。本例では図
（ｃ）の石英硝子製中空外管１と図（ｅ）の、両端が開
放されて、且つ、全長が中空外管１の側壁間距離よりも
長い石英硝子製中空内管２とを用意し、中空外管１の両
側壁中心部を円形切断して孔２４を開け、該孔２４に石
英硝子製中空内管２を通す。図（ｄ）は図（ｃ）の右側
面図である。両管１、２の間の空間が流路４となり、中
空外管１は流体流入口１１及び流体流出口１２とを有す
る。次いで図（ａ）において、両中空管１、２の接触部
２３を溶着し、流路４中の液体が漏れないようにする。
また、光源５の端部はプラグ２１を有したセラミック２
２としてある。中空内管２の内径は光源５の最大直径よ
りも大きくとってあるため、両者２、５の間には空間３
が必ず存在し、図（ｂ１）、（ｂ２）の光源５のプラグ
２１を挿入するための貫通孔２０を有したセラミックソ
ケット１９のみで光源５の取付け、取り外しを行うこと
ができる。また、光源によって加熱される光源支持部が
中空外管１の外側にあるため、外部空気の対流による光
源支持部の冷却効果を得ることができる。

【００１８】図３には本発明の第３実施例を示し、図１
及び図２と同一部には同一の番号を付与してある。本例
と第２実施例との違いは中空内管２の全長が中空外管１
の側壁間距離とほぼ同等であることのみである。従っ
て、光源５の支持部が中空外管１の内側にあるため、流
体による該光源支持部の冷却効果を得ることができる。
流体は、加熱されているとは言うものの、光源５により
加熱される光源支持部の温度よりはかなり低い温度にな
っている。

【００１９】尚、光源として適切なハロゲンランプの寿
命はフィラメント温度に関係し、仕様値は２８００Ｋで
３０００時間、３０００Ｋで１５００時間となってお
り、ハロゲンランプ交換頻度に換算すると、およそ一回
／半年〜１年であって、ハロゲンランプのばらつき、使
い方により異なるが、複数本使うことが多く、交換頻度
は更に大きくなる。

【００２０】以下に、光源から輻射される光エネルギー
利用効率を向上するための実施例について説明する。

【００２１】上記いずれの実施例においても、光源５か
ら輻射される光は、空間３内の空気及び透明中空管２に
わずかに吸収される分以外はすべて流路４内に輻射状且
つ一様に伝搬し、主に赤外光が流路中の液体に吸収さ
れ、液体は共振加熱される。光源がハロゲンランプの場
合、図２及び図３のように中空外管１を石英管製とし
て、液体に吸収されなかった光を外部に輻射させてしま
っても、８５〜８８％の加熱効率があることが本願発明
者により確認された。

【００２２】しかし、中空外管１の外周に金属コーティ
ングを施せば、被加熱流体を通過してしまった光を反射
して流体内に戻し、加熱に寄与させ得る。コーティング
に用いる金属としては、クロム、アルミニウム、金、酸
化錫、インジウム等があり、いずれも赤外領域に高い反
射効率を有している。図１で中空外管１の材質によって
は、金属コーティングは困難であるが、金属箔を外周に
巻いても同様の効果を得られる。

【００２３】また、中空外管１を光吸収部材とした場合
には被加熱流体を通過してしまった光によって該管が加
熱され、その熱を被加熱流体に直接伝導するという作用
が得られるので、光エネルギー利用効率向上という目的
が達成される。光吸収部材としては、耐薬品性を合わせ
持つという点である程度の厚みをもったフッ素樹脂が有
効で、加熱効率が９０％以上になることが本願発明者に
より確認された。

【００２４】また図示しないが、流体加熱器を光反射の
効果を有する金属製筐体内に入れてしまってもよい。

【００２５】尚、被加熱流体がフッ酸系の試薬の場合に
は流路をすべてフッ素樹脂製としなければならないこと
がよく知られている。フッ素樹脂を用いて中空外管１を
製作するときには切削加工を行い、その結果、加工面に
凹凸が現れ、この凹凸に被加熱液体内の成分が残留し
て、後から流す液体を汚染する可能性がある。既に述べ
た通り、半導体ウエハー処理に用いる場合には処理液に
もクリーンルーム並みの清浄さが求められているため、
フッ素樹脂加工面の凹凸を無くす必要がある。

【００２６】この課題は旭硝子（株）からサントップと
いう商品名で発売されているフッ素樹脂を用いることに
よって解決される。サントップは石英ガラス表面等にコ
ーティングしたり、射出成型によって成型品を得たりす
ることが可能であり、ピンホールの無い極めて平坦度の
高い表面を得ることができ、耐熱性、耐薬品性は従来の
フッ素樹脂と同等である。石英ガラス性中空管１、２の
流路側にサントップをコーティングすれば、流路内に物
質の残留が無く、しかもフッ素系の試薬を含めたあらゆ
る液体に対応可能な流体加熱器をつくることができる。
また、サントップは可視領域から赤外領域まで光透過率
が９５〜９６％であるため、数百オングストロームから
数十ミクロンという薄膜コーティングが可能であること
と合わせて、中空管２にコーティングしても光透過の妨
げとなることはない。中空管１、２をサントップの射出
成型品としても同様の効果を得ることができる。

【００２７】

【発明の効果】被加熱流体を流しながら処理槽外部で加
熱する構成としたので、（１）処理槽からこぼれる薬液によってヒータが腐食し
たり、処理槽内の低温液体が高温ヒータやその支持部に
かかって熱衝撃を与えたりすることが無い。

【００２８】（２）処理槽内にヒータが存在しないの
で、ウエハー没入時に障害となったり、処理槽内掃除時
の障害となったり、掃除のときにヒータを破壊したりす
ることが無い。

【００２９】（３）ヒータ収容のための空間を処理槽に
設ける必要が無いため処理槽を小型化でき、その結果処
理液を少なくすることができる。

【００３０】また、本発明の流体加熱器では、（４）流
体加熱器内で、加熱源と被加熱流体流路との間に空間部
が設けてあるため、高温になっている加熱源と低温被加
熱流体とが直接接触しない。その結果、加熱源の寿命を
縮める要因である加熱源に対する熱衝撃を大幅に緩和で
きる。被加熱流体変更により、空になった加熱器内に流
体を流し始める場合、特に効果が大きい。

【００３１】（５）流体加熱器内で、加熱源と被加熱流
体流路とが独立し、加熱源を容易に装着、取り外しでき
る構成としたため、加熱源交換時に流路内から液体を除
去する手間がなく、流路内液体が危険な試薬であっても
その取り扱いに注意を払う必要がない。従って、装置稼
働中であっても装置を止めることなく素早く加熱源交換
を行なえる。

【００３２】（６）加熱源が被加熱液体に直接接触しな
い構成であるため、その交換時に加熱源の表面に付着し
ている汚染源を流路内に持ち込むことがなく、また流路
を外気にさらさないため外部の汚染源を流路内に持ち込
むこともなく、半導体ウエハー処理に用いる場合に特に
有効である。食品油の加熱に用いる場合にも衛生上有効
である。

【００３３】（７）加熱源は被加熱流体流路の更に内側
にてクリアランスを持った部品で支持されているだけで
あるため、加熱源の熱膨張は該クリアランスで吸収され
てしまい、熱膨張が他の部分に負荷をかけて損傷を引き
起こすことがない。

【００３４】（８）加熱源を内装する中空管は両端が開
いており、いずれの方向からも交換できる構成としたた
め、設置状況により一方からの交換が不可能になっても
他方から交換可能であり、加熱源の交換のためだけの余
分な設置空間を必要としない。このことは設備の設置空
間の限られているクリーンルーム内では特に重要であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例なる流体加熱器であって、
（ａ）はその断面図、（ｂ）は光源の左右側面図、（ｃ
１）はブッシュの側面図、（ｃ２）はその正面図、（ｄ
１）は一方のセラミックリングの側面図、（ｄ２）はそ
の正面図、（ｅ１）は他方のセラミックリングの側面
図、（ｅ２）はその正面図である。

【図２】本発明の第２実施例なる流体加熱器であって、
（ａ）はその断面図、（ｂ１）はソケットの正面図、
（ｂ２）はその側面図、（ｃ）は中空外管の正面断面
図、（ｄ）はその右側面図、（ｅ）は透明中空内管の正
面図である。

【図３】本発明の第３実施例なる流体加熱器であって、
（ａ）はその断面図、（ｂ１）はキャップの両側面図、
（ｂ２）はその正面図である。

【図４】流体加熱器の好適な使用例を示す図である。

【図５】従来技術例の流体加熱器であって（ａ）は外観
斜視図、（ｂ）はその断面図である。

【符号の説明】

１第１の中空管１１被加熱流体流入部１２被加熱流体流出部１２、１４、１５支持部材２第２の中空管３、４空間５光源

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】管壁に流体の流入部及び流出部を有する
第１の中空管の内部に、両端が開放された透明な第２の
中空管を、前記第１の中空管の内壁との間に空間を有し
て配し、前記第２の中空管内部に、発熱体が内部に封入
された透明な管からなる光源を前記第２の中空管の内壁
との間に空間を有して配し、支持部材によって該光源を
前記第２の中空管内部に支持したことを特徴とする流体
加熱器。
【請求項２】第１の中空管を、光反射部材製筐体内に
配置したことを特徴とする請求項１記載の流体加熱器。
【請求項３】第１の中空管の外周に金属薄膜を設けた
ことを特徴とする請求項１記載の流体加熱器。
【請求項４】金属は金、アルミニウム、酸化錫、イン
ジウム、クロムであることを特徴とする請求項３記載の
流体加熱器。
【請求項５】第１の中空管が光吸収部材であることを
特徴とする請求項１記載の流体加熱器。