JP3308816B2 - 耐薬品性熱交換器 - Google Patents

耐薬品性熱交換器

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、熱交換器若しくは液体温度調節
器に関するものであり、特に、その耐薬品性シートに関
するものである。
【0002】
【従来の技術】薬液の反応速度はほとんどの場合温度に
依存する。したがって、反応性が高い薬液の反応を正確
に制御するには、特に精密な液温制御を必要とし、その
ため熱交換器の伝熱基板の熱伝導率の高いことが要求さ
れる。これらの薬液は、腐食性が極めて高い場合が多
く、また半導体ウェーハの処理液として使用する場合
は、ごく微量の金属イオンもウェーハ表面を汚染するこ
とになるため、特に不純物溶出が非常に少ない事が要求
される。この種の薬液の温度調節器としては、例えば図
3に示すようなものが用いられている。(特開平4−3
56695号公報参照)。
【0003】この温度調節器100は、熱良導性素材か
らなる一対の伝熱基板101、101を所定の間隔を隔
てて対面状態で配接し、この一対の伝熱基板間に、耐薬
品性素材、例えばフッ素樹脂により形成した側壁体10
3を介装して、一対の伝熱基板101、101により挟
まれた空間を液密に囲んで、熱交換室104を形成す
る。
【0004】側壁体103には、薬液の入口105と出
口106が設けられる。伝熱基板101の外面には、熱
伝変換素子107、…の一側を熱授受可能に密接し、該
素子107、…の他側には、熱良導性素材からなる板状
ブロック中に冷却水が通過する流路109を備える放熱
体108が熱授受可能に密接状態で設けられている。熱
交換室104には、薬液、例えば、半導体のエッチング
液などが入口105から導入され、所定温度に調節され
て出口106から薬液槽へと送られる。
【0005】このような熱交換室104は、耐薬品性を
高めるためと、薬液中に不純物の溶出を防ぐために、接
液部には全てフッ素樹脂を用いている。伝熱基板10
1、101は熱良導性と対薬品性を両立するためにアル
ミニウムやステンレススチール、アルミナ或いはグラフ
ァイトなどのような熱良導性素材ので構成され、対向面
102、102に、フッ素樹脂で対薬品性被覆をして伝
熱基板が侵食されるのを防ぐとともに薬液中に不純物が
溶出するのを防いでいる。
【0006】この伝熱基板に求められる基本的条件であ
るところの熱交換効率を高めるためには、フッ素樹脂の
被覆は出来得る限り薄い方が良い。しかしながら、フッ
素樹脂も他のプラスチックと同様にガスの透過があり、
被覆と伝熱基板との間に気泡を発生し隙間を生じさせ
て、かえって熱伝導の妨げになったり、伝熱基板を腐食
するため、熱交換効率と耐透過性の妥協する被覆厚さを
選定していた。
【0007】そして、このような対薬品性被覆として
は、ETFE(四フッ化エチレン・エチレン共重合樹
脂)やPFA(四フッ化エチレン・パーフルオロアルコ
キシエチレン共重合樹脂)等のフッ素樹脂をシート状に
加工して用いている。
【0008】ETFEは図4(a)に示す様な分子構造
になっており、分子構造内には炭素原子(C)、フッ素
原子(F)、水素原子(H)しか存在しないが、実際上
は製造工程上分子内部に微量の金属イオンが存在する。
炭素の鎖に結合しておおっているF原子の代わりにH原
子がCに結合している部分が存在するが、このC−H結
合のエネルギは、C−F結合に比べて弱く、薬液に接す
ると分子状態が不安定となり、このとき製造工程上分子
内に含まれる微量の金属イオンが接液面より溶出しやす
くなる。
【0009】またPFAの場合には、同様に、炭素の鎖
に結合しておおっているF原子の代わりにO原子が結合
し、ここにパーフルオロアルキル基が結合しておりこの
部分が不純物と結合してしまう場合もあり、薬液と接す
る部分では不安定状態となり製造工程上分子内にある微
量の金属イオンが溶出し易くなる。
【0010】
【解決すべき課題】本発明の目的は、薬液中に不純物溶
出が少なく、かつ熱交換効率および熱交換器の耐食性が
よい耐薬品性熱交換器を開示することにある。
【0011】
【課題の解決手段】本発明の第一要旨は、熱良導性素材
から成り所定の間隔を隔てて対向して配設された一対の
伝熱基板と、耐薬品性素材から成り前記一対の伝熱基板
間に介在して該伝熱基板と共に熱交換室を液密に囲む側
壁体と、該熱交換室を外部に開放する薬液出入口とを備
えた熱交換器において、前記一対の伝熱基板の接液部を
PTFEで被覆すると共に、伝熱基板の厚さ方向にPT
FEの被覆の接着面側と非対向面側との間を貫通する小
孔を設けたことを特徴とする耐薬品性熱交換器にある。
【0012】熱良導性素材としては、銅、アルミニウム
或いはこれらの合金、ステンレススチール、アルミナな
どの金属酸化物、グラファイトなどの非金属素材など、
成形が容易なものが好ましく、表面をPTFEシート
(フィルム)により被覆して用いるか、表面にPTFE
皮膜を形成して用い、必要な剛性を備えていれば、自由
に選択できる。
【0013】側壁体を構成する素材としては、その外面
をPTFE素材で被覆したものでも良いが、製造の容易
性及び信頼性の点で、それ自体がPTFEであることが
望ましい。
【0014】PTFEは図2に示すように、炭素原子
(C)とフッ素原子(F)とから成り、重合度が1万〜
10万と非常に長い直鎖状高分子である。C−F結合は
有機結合の中で最も強く、結合エネルギは110〜11
6kcal/molであり、C−C結合も強い結合であ
る。そしてフッ素原子が炭素鎖を緊密に覆ってC−C結
合を保護しており、分子内の原子の配列が緊密で対称的
であるため電荷の分極が極めて小さい。このため、実質
的にすべての工業用薬品に対して不活性である。
【0015】上記第一要旨にかかる熱交換器は、熱良導
性素材から成り所定の間隔を隔てて対向して配設された
一対の伝熱基板の対向面に、PTFE製シートで被覆、
又はPTFE皮膜を形成し、該伝熱基板と共に、少なく
とも表面がPTFEで形成された側壁体とで液密に囲む
ことによって熱交換室を形成する。従って、薬液が接す
る部分はすべてPTFEで覆われることとなり、極めて
高度な対薬品性が獲得できると共に、長期の使用にわた
って高い熱交換効率を維持でき、また薬液中への金属イ
オン溶出を殆ど無くすことが出来る。
【0016】本発明第二の要旨は、上記第一要旨におい
て規定される熱交換器において、前記伝熱基板を被覆す
るPTFEの比重が2.18以上であることを特徴とす
る耐薬品性熱交換器にある。これまで用いられていたP
TFEの比重は2.15〜2.17であった。これをP
TFEの比重の理論値である2.14〜2.20の上限
に近づけた、2.18以上の高密度PTFEとし、PT
FEの鎖状分子の体積密度を高めてボイドを極力減らす
ことにより、ガスの透過を極めて少なくすることができ
る。薬液ガスの透過を極力少なくすることによって、伝
熱基板の腐食を防ぐと共に、更にPTFE被覆を薄くし
て熱交換効率を向上することができる。
【0017】
【発明の実施形態】図1は本発明の実施形態を示すもの
で、半導体製造用薬液温度調節器を示すものである。薬
液温度調節器Yは、耐薬品性熱交換器1と、熱電変換素
子(ペルチェ素子)を用いた電子式冷凍器3、3と、放
熱ブロック6、6とにより構成されている。熱交換器1
は、アルミニウムやグラファイトなどのような熱良導体
に高密度PTFEシート4によって被覆を施した一対の
伝熱基板2、2と、該伝熱基板2、2間に介装されて共
に熱交換室Rを液密に構成するPTFE製の側壁体5を
有している。
【0018】PTFEシート4は出来得る限り高密度
で、強度と薬液ガスに対する耐透過性を考慮した上で、
でき得る限り薄いものが熱交換効率を高める上で好まし
い。伝熱基板の対向面とPTFEシートとの接合は熱良
導性の接着剤によって接着されている。また、長期にわ
たる使用において、ごく微量の薬液ガスがPTFEシー
ト4を透過することがあっても、伝熱基板の厚さ方向に
PTFEシートの接着面側と非対向面側との間を貫通す
る小孔21、…を設けることによって、耐薬品性をより
万全のものとすることができる。
【0019】伝熱基板2、2の外面(非対向面)には、
電子式冷凍機3、3の一側(主として冷却面として作用
する)が熱授受可能に圧接しており、該電子式冷凍機の
他側には、同様に熱良導性素材からなる放熱ブロック
6、6が熱授受可能に接触している。該放熱ブロック
6、6には、夫々一対の冷却水導管6a、6aが接続さ
れており、該放熱ブロック中を冷却水を通過させること
により、放熱ブロックを冷却する。また熱交換室Rも、
側壁体を貫通する一対の薬液導管に接続する薬液の出入
口5a、5bが設けられており、熱交換室R内はPTF
Eからなる仕切板7によって区画されて熱交換流路r
1、r2、r3を形成している。
【0020】熱交換流路r1、r2、r3を流れる半導
体処理薬液は伝熱基板2、2と熱交換し、伝熱基板の外
側にそれぞれ接合させた電子式冷凍機3、3によって冷
却または加熱せしめられ、放熱ブロック6、6に、冷却
パイプを介して導入される冷却水に熱交換せしめられて
いる。半導体処理薬液は、薬液入口5aから上記熱交換
流路r1内に導入されると、薬液入口からの流れによる
攪拌作用を受けて伝熱基板と熱交換されながら仕切板に
より蛇行して伝熱基板との接触性を良好なものとしてい
る。そして、薬液は熱交換流路r1,r2,r3におい
て順次、同様に熱交換されながら流れ、最後に薬液出口
5bから流出して半導体の処理に供せられる。
【0021】
【効果】本願熱交換器は上記実施形態で例示したよう
に、伝熱基板の対向面に、PTFE製シートで被覆、又
はPTFE皮膜を形成したことによって、極めて高度な
耐薬品性が獲得でき、長期の使用にわたって高い熱交換
効率を維持できると共に、薬液中への金属イオン溶出を
殆ど無くすことが出来る。
【0022】更にPTFEの比重の理論値である2.1
4〜2.20の上限に近づけた、2.18以上の高密度
PTFEとし、PTFEの鎖状分子の体積密度を高めて
ボイドを極力減らすことにより、薬液ガスの透過を極力
少なくして、伝熱基板の腐食を防ぐと共に、更にPTF
E被覆を薄くでき熱交換効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる熱交換器を組み込んだ薬液温度
調節器を示す断面図である。
【図2】本発明のに用いるPTFEの分子構造図であ
る。
【図3】従来の薬液温度調節器を示す図である。
【図4】従来の伝熱基板の被覆に用いるフッ素樹脂の分
子構造図である。
【符号の説明】
Y 薬液温度調節器 1 耐薬品性熱交換器 2、2 伝熱基板 3、3 電子式冷凍機 4、4 PTFEシート 5 側壁体 5a 薬液入口 5b 薬液出口 6、6 放熱ブロック 6a、6a 冷却水導管 7 仕切板 R 熱交換室 r1、r2、r3 熱交換流路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F28F 19/00 - 19/06 H01L 21/306 - 21/308 H01L 21/465 - 21/467

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 熱良導性素材から成り所定の間隔を隔て
    て対向して配設された一対の伝熱基板と、耐薬品性素材
    から成り前記一対の伝熱基板間に介在して該伝熱基板と
    共に熱交換室を液密に囲む側壁体と、該熱交換室を外部
    に開放する薬液出入口とを備えた熱交換器において、前
    記一対の伝熱基板の接液部をPTFEで被覆すると共
    に、伝熱基板の厚さ方向にPTFEの被覆の接着面側と
    非対向面側との間を貫通する小孔を設けたことを特徴と
    する耐薬品性熱交換器。
  2. 【請求項2】 前記PTFEの比重が2.18以上であ
    ることを特徴とする請求項1記載の耐薬品性熱交換器。
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