JP4326461B2

JP4326461B2 - 小流量液体の温調システム

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Publication number: JP4326461B2
Application number: JP2004330796A
Authority: JP
Inventors: 洋康後藤; 昌弘福田; 太郎山本
Original assignee: SMC Corp; Tokyo Electron Ltd
Current assignee: SMC Corp; Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2004-11-15
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2024-11-15
Also published as: WO2006051745A1; TW200619890A; EP1814145A4; JP2006140410A; US20090145489A1; US7896254B2; KR100884292B1; CN101076876A; CN100552880C; EP1814145A1; KR20070090925A; TWI267717B

Description

本発明は、半導体製造関連装置等において用いるのに適した小流量液体の温調システムに関するものであり、特に、高精度に温調された液体を微少流または間欠流として供給する場合の小流量液体の温調システムに関するものである。

従来から、半導体製造関連装置ばかりでなく、各種の技術分野において、高精度に温調された液体を供給する温調技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
これらの技術は、定常的に温調された液体をほぼ一定の流量で定常的に供給することを前提とし、その流量も比較的大きいものである。

しかしながら、例えば、光学系の光路中に屈折率調整用の液体を介在させて屈折率を調整し、その状態で光路を対象物に対して移動させる場合などにおいては、液体を微少流または間欠流としてその光路中に供給し、しかも、その屈折率の変動を抑制するために高精度に温度制御（例えば、±１／１００℃）された状態で供給する必要があり、このような微少流または間欠流の高精度の温度制御には、通常、上述した大きい流量を前提とする温調技術を適用することは困難である。
また、上記温調の対象となる液体は通常高価なものであるため、多量に排出して不要分を廃棄または汚染状態にすることもできず、その液体がたとえ水であったとしても、膜分離技術によって分離した純水あるいは超純水が用いられるので、比較的高価なものとなっていて、それを排出してしまうとコスト高になる。

特開２００３−８６４８６号公報

本発明の技術的課題は、半導体製造関連装置等において用いるのに適した小流量液体を高精度で温調する温調システムを提供することにある。
本発明の更に具体的な技術的課題は、小流量液体を微少流または間欠流として供給する流量条件でありながら、高精度に温調された液体とすることができる温調システムを提供することにある。
本発明の他の具体的な技術的課題は、液体の高精度な温調を行い、しかもその温調を行う間に液体中のパーティクル、溶存する気体、有機物、あるいは金属イオン等を除去できるようにして、混入した不純物を排除できるようにした小流量液体の温調システムを提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の小流量液体の温調システムは、液体の供給源に接続されていて、該供給源から供給された液体を加圧するレギュレータを含む供給路と、該供給路に接続されていて、上記レギュレータで加圧された液体をその加圧状態においてポンプにより循環させる循環路と、上記循環路中に介在していて、該循環路を循環する液体の温調を行う温調器と、上記循環路から分岐されていて、該循環路において温調された液体を少なくとも該循環路における流量の１／２よりも流量が小さい微少連続流または微少間欠流として外部装置に供給する吐出弁を含む吐出路とを備え、上記吐出路を二重管式熱交換器によって形成し、その外管に前記循環路を流れる液体の全部または一部を流すための配管を接続したことを特徴とするものである。

上記小流量液体の温調システムの好ましい実施形態においては、上記供給路を通して供給される液体として、超純水を含む純水または高屈折率液体が用いられる。上記循環路における循環液流量は、吐出路からの吐出液流量の２〜２０倍になるように吐出路の流量を設定しておくのが望ましい。また、上記循環路中に、不純物除去手段として、循環する液体中のパーティクルを除去するフィルタ、液体中の気体を除去する真空脱気装置、有機物の酸化機能を有する紫外線酸化装置、及びイオン化物質を除去するイオン交換装置のいずれか、またはそれらのうちの任意の複数を介在させることができる。

更に、本発明に係る温調システムの好ましい実施形態においては、上記循環路における上記供給路との接続点から上記吐出路との分岐点へと向かう往流路中に、上記温調器を介在させ、また、上記往流路中における上記温調器から上流側に、液量変動、温度変動の外乱を緩和するタンクを介在させることができ、さらに、温調器として、該温調器の下流に設けた温度検出器の出力に基づいて制御されるペルチェ素子により温度制御される熱交換器が用いられる。

上述した本発明の小流量液体の温調システムによれば、レギュレータで加圧された液体を供給路を通じて循環路に導入し、その加圧状態を保ってポンプにより該循環路を循環させている液体が、循環状態においてその循環路中に介在させた温調器において温調され、上記循環路から分岐させた吐出路の吐出弁により、上記循環路における流量よりも流量が小さい微少連続流または微少間欠流に調整されて外部装置に供給される。
したがって、上記循環路において加圧されて温調された液体が絶えず安定して大量に循環することで、液温が正確に保たれ、その液体を微少連続流または微少間欠流にして外部装置に供給するので、可及的に正確な温度に保たれた液体を外部装置に供給することができる。

上述した本発明の小流量液体の温調システムによれば、供給路と吐出路との間に介在させた循環路に、正確に温調された液体を加圧状態で循環させ、その温調された液体を、上記吐出路の吐出弁により、上記循環路における流量よりも流量が小さい微少連続流または微少間欠流として外部装置に供給するようにしたため、循環により高精度に温調された液体を、上記吐出路から半導体製造関連装置等の外部装置に対して供給することが可能となる。

図１に、本発明に係る温調システムの基本形態を有する第１実施例を示す。以下に、その構成と共に、本発明に係る微少量液体の温調方法について説明する。
この温調システムにおいては、温調すべき液体の供給源１に接続された供給路３に、該供給源１から供給された液体を加圧するレギュレータ２が設けられ、この供給路３の下流端には、上記レギュレータ２で加圧された液体をその加圧状態においてポンプ６により循環させる循環路５が接続され、具体的には循環路５中のタンク４が接続されている。このタンク４は、循環路５に作用する後述の種々の外乱を緩和するものである。

上記タンク４を含む液体の循環路５においては、上記供給路３と上記循環路５との接続点であるタンク４から後述の吐出路９との分岐点に向かう往流路中に、循環流を形成させるためのポンプ６と、循環する液体の温度を一定に保つための温調器７と、主として循環路５内で発生した不純物を除去するフィルタ８とを介在させている。そして、この循環路５のフィルタ８の下流側には、循環路５から分岐する吐出路９を設け、この吐出路９には、温調された液体を微少連続流または微少間欠流として液出口１１から外部装置に供給する吐出弁１０を設けている。
そして、上記吐出路９を分岐させた往流路は、それに続く還流路によって上記タンク４に接続され、この往流路及び還流路によって上記循環路５が形成されている。

上記レギュレータ２は、供給路３を通して供給される液体を加圧し、一定の加圧状態で循環路５に供給するもので、循環路５内は閉空間としてそこに充満する液体が加圧状態に保持され、その加圧により液体中の溶存ガスの発泡を防止すると共に、外部装置への供給時の吐出圧力を一定に保持し、間欠的に吐出する場合においても安定した流量を維持できるようにしている。
また、上記タンク４は、往流路中における上記温調器７よりも上流側に位置させ、そこに充満する液体の熱容量により液量変動、温度変動に伴う熱的外乱を緩和するためのもので、循環路５における循環流量との関係で熱的外乱へのフィルタの時定数が決定される。
上記ポンプ６は、液体を循環させると共に、外部への吐出圧力を確保して安定した吐出を行うためのもので、循環させる液体中に不純物を放出させないために、インペラが磁気浮上して無接触回転する発塵の無い特殊ポンプが用いるのが望ましい。

上記温調器７は、図５に基本構成を模式的に示すような構成のものを用いるのが望ましい。この温調器７は、ペルチェ素子を用いて温度調節を行うもので、循環路５に連通する温調液入口７ａと温調液出口７ｂとを備えた熱交換器３０における熱交換面に、複数のペルチェ素子３１の一面を接合すると共に、該ペルチェ素子３１の他面を、放熱水入口３２ａから同出口３２ｂに向けて放熱水が流される放熱用熱交換器３２に接合し、また、上記温調液出口７ｂに温調液体の温度を検出する温度検出器３６を設けて、該検出器３６の出力を温度コントローラ３７に導き、温度コントローラ３７において、上記温度検出器３６の出力に基づいて通電制御装置３５に通電を制御するための信号を出力させるようにしている。循環液体の汚染防止のために、熱交換器３０の内面は、必要に応じて、全てフッ素樹脂で被覆することができる。
そして、この温調器７により、温度検出器３６において検出される循環液体の温度が、温度コントローラ３７に設定されている設定温度に限りなく近づくように調節される。

不純物除去手段を構成する上記フィルタ８は、光透過の障害となる循環液体中のパーティクル等の不純物をろ過して取り除くもので、ここでは限外濾過膜式フィルタを用いるのが望ましい。供給路３を通して供給される超純水等の液体は、通常、上記不純物を含んでいないが、その液体中にパーティクルが含まれていたり、循環路５を循環する間に二次的にパーティクル等が発生したりする場合に、それらを含む不純物を取り除くためにこのフィルタ８は有効なものである。

上記吐出路９に設けた吐出弁１０は、温調された液体を微少連続流または微少間欠流として液出口１１から外部装置に供給するものであるが、この吐出路９から吐出させる温調液体の量は、少なくとも循環路５における流量の１／２よりも流量が小さく設定される。更に具体的には、外部装置において要求される上記吐出弁１０から吐出させるべき流量が決まったとき、上記循環路５の循環液流量は、吐出路９から吐出する吐出液流量の２〜２０倍、好ましくは４〜１０倍に設定される。

いま、図１と実質的に同じ純水温調システムのモデルとして、タンク４に流量Ｇs、温度θsの純水が流入し、吐出路９から流量Ｇｓ、温度θd（一定）で流出し、循環路５を純水が流量Ｇrで循環する場合について考察するに、温調器７を通過した後の温度θdはタンク出口温度θmより変化が少なくなるので、循環系の評価としては、温度θsが変化したときのタンク出口温度θmの挙動に注目すればよい。
上記モデルにおいて、タンク４に流入する純水の温度変化に対するタンク４で混合された純水の温度変化の比は、次式で表される。
｜θm／θs｜＝Ｇｓ／（Ｇr＋Ｇｓ）
ここで、θs≒２℃、θm≒０．１〜０．５℃と設定し、上式から循環流量と吐出流量の比Ｇr／Ｇｓを求めると、
Ｇr／Ｇｓ≒２〜２０
となる。
つまり、上記設定例（好ましい設定例）では、前述したように、循環路５の循環液流量を吐出路９から吐出する吐出液流量の２〜２０倍にすればよいことがわかる。なお、この数値範囲が適切であることは、本発明者の実験によっても確かめている。

上述した循環液流量が吐出液流量の２〜２０倍という数値は、θs≒２℃、θm≒０．１〜０．５℃という条件で求められたものであるが、上記θsは外部装置の仕様により要求される値であり、また、上記θmは温調器７の性能によって決まる値である。従って、それらの値が決まれば、上式に基づいて循環液流量と吐出液流量の比Ｇr／Ｇｓを求めることができる。

上記吐出路９は、循環路５から分岐して設けられ、外部装置の仕様に応じて必要量の超純水を吐出するための流路で、そこに設けた吐出弁１０は、上記吐出液流量を決定するものとなる。そのため、この吐出弁１０は、少なくとも必要な範囲内で流量調整可能な調整弁とし、あるいは、間欠吐出も可能なものとして構成することもできるが、外部装置の仕様に応じて、循環液流量と吐出液流量の比が、例えば２〜２０倍の範囲内になるものとして構成することができる。
また、この吐出路９は、外部装置に液体を供給するために必要な最小限の長さとし、吐出路９内を液体が流れる間に温度変化が生じるのを抑制する必要がある。更に、上記吐出弁１０は、循環路５にできるだけ近い位置に設置し、吐出弁１０の入口まで大流量の循環液が来るようにして、外気温等の影響を排除し、吐出液の温度を安定化するのが望ましい。

上記温調システムにおいて温調する液体としては、ここでは、超純水を含む純水や、光透過性においてすぐれたフッ素油等の高屈折率液体を用いることを前提にしているが、それらの液体に限るものではない。

上記構成を有する第１実施例の温調システムにおいては、液体の供給源１に接続された供給路３に、金属イオン、パーティクルや有機物の除去、及び脱気が行われた超純水等の液体が供給され、それがレギュレータ２により加圧されてタンク４に加圧液体として供給されて循環路５に導入され、温調に際しては温調器７を備えた循環路５においてポンプ６により循環流が形成される。
上記循環流の液温は、温調器７の下流側に設けた温度検出器３６において検出し、その出力に基づいて温度コントローラ３７により通電制御装置３５が制御され、ペルチェ素子３１への適切な通電により設定温度に調整される。

この状態において、吐出弁１０を規定の微少流量の液体が吐出するように調整して開放すると、循環液体は温調器７により正確に温度調整され、しかも、上記循環路５には、吐出液流量に較べて２〜２０倍、好ましくは４〜１０倍という大量の液体が循環しているので、一定温度に調整された微少量の液体が循環路５から吐出路９を通して外部装置に供給される。また、このように循環液流量を吐出液量に較べて大量にすることにより、熱交換率が向上し、温調器７の応答性が良好となり、温調器７の小型化が図られる。
外部装置に超純水等の液体を供給することにより循環路５から排出された循環液体は、供給源１からタンク４への液体の供給により補われる。

また、上記タンク４は、循環路５内を含む液体の保有量に応じた大きな熱容量を持ち、この熱容量の効果で吐出液体の流量変動、温度の変動を短時間に緩和し、すぐれた温調機能を発揮させることができるものである。しかも、循環液体にわずかに温度変動が生じたとしても、タンク４の下流に位置する温調器７の能力を適切に設定することにより、極めて短時間に温度調整することができる。

図２は、上記第１実施例の温調システムにおける還流路に不純物除去手段を構成する紫外線酸化装置１５、イオン交換装置１６、真空脱気装置１７を付設した変形例を示している。この変形例における第１実施例と共通する構成については、第１実施例と共通する符号を付してその説明を省略する。

上記循環路５に設けた紫外線酸化装置１５は、循環液体に紫外線を照射して、供給路３を通して供給される液体に混入しあるいは循環路５中において発生した循環液体中の有機物（微生物等）を酸化分解させるためのものである。これは、有機物の種類によっては、例えば、外部装置におけるレンズを汚し、トランジスタを加工する装置ではトランジスタの特性を劣化させるため、その原因を排除するために設けるものである。
上記イオン交換装置１６は、外部装置に供給される循環液中に含まれていると外部装置での作業に悪影響を及ぼすイオン化物質を吸着ないしは捕捉することにより、除去するものである。
また、真空脱気装置１７は、循環液中に溶存ないしは混入している気体を真空域に導いて脱気することにより除去するもので、外部装置での作業によっては、気泡がその作業に悪影響を及ぼすため、その原因を排除するために設けるものである。

なお、上記紫外線酸化装置１５、イオン交換装置１６及び真空脱気装置１７は、循環路５中にそれらを単独で、あるいは、それらの複数を適宜選択して併設することができ、また、この温調システムにおける上記フィルタ８、それに加えて設けられる上記紫外線酸化装置１５、イオン交換装置１６、真空脱気装置１７等の不純物除去手段は、循環路５における任意位置に、任意順序で設置することができる。

つぎに、図３に示す本発明の第２実施例について説明する。この第２実施例は、上記第１実施例における吐出路を二重管式熱交換器によって形成したものであり、第１実施例と共通する構成については、第１実施例と共通する符号を付して、その説明を省略する。

この第２実施例の温調システムは、温調された循環液の供給先である外部装置が循環路５から離れていて、吐出路９での液温の維持が困難な場合に適するもので、上記吐出路９を二重管式熱交換器２０によって形成し、その内管内を吐出路９にすると共に、内管の周囲を同心状に囲む外管２０ａの両端部を、温調された保温水を供給するための温調水循環装置２１に保温水循環路２２を介して接続している。
温調水循環装置２１は、上記保温水を前記温調器７により温調される循環液と同温度になるように温調し、それをポンプ（図示省略）により保温水循環路２２を通して二重管式熱交換器２０の外管２０ａ内に循環させるもので、必要に応じて、図５により先に説明した温調器７と実質的に同じ構成のものを用いることができる。

図４に示す第３実施例は、上記第２実施例と同様に、温調された循環液の供給先である外部装置が循環路５から離れていて、吐出路９での液温の維持が困難な場合に適するものである。この第３実施例では、第２実施例と同様に、第１実施例における吐出路を二重管式熱交換器によって形成しているが、上記第２実施例では、循環路５の温調器７とは別に二重管式熱交換器２０のための温調水循環装置２１を備えているのに対し、この第３実施例では、循環路５の温調器７を二重管式熱交換器２０にも利用するようにしている。
なお、この第３実施例における第１実施例及び第２実施例と共通する構成については、それらの実施例と共通する符号を付して、その説明を省略する。

この第３実施例の温調システムは、上述したように、二重管式熱交換器２０に上記循環路５の循環液を供給するため、循環路５における還流路から分岐する分岐配管２５を設けて、それを二重管式熱交換器２０の外管２０ａの一端部に連通させ、また、その外管２０ａの他端部を、還流配管２６により、循環路５における上記分岐配管２５の分岐点よりも下流側に連通させている。
そして、上記分岐配管２５の途中に第１のバルブ２７を設け、また、上記循環路５における分岐配管２５の分岐点と還流配管２６の接続点との間に第２のバルブ２８を設けている。
この温調システムでは、吐出路９を保温するための二重管式熱交換器２０の外管２０ａに、循環路５で温調された循環液体を供給するので、二重管式熱交換器２０に供給する液体の温度調整が正確になる。
なお、この第３実施例の場合、温調された循環液体が二重管式熱交換器２０の外管２０ａ内に供給されるので、その流路の内面はフッ素樹脂で被覆しておくことが望ましい。

この温調システムにおいては、上記第１のバルブ２７を開放すると同時に第２のバルブ２８を閉じることにより、循環路５の液体が全て二重管式熱交換器２０の外管２０ａに流入し、逆に、上記第１のバルブ２７を閉じると同時に第２のバルブ２８を開放することにより、循環路５の液体が二重管式熱交換器２０に流れなくなり、また、両バルブ２７，２８を開放するかそれらの流量を調整することにより、二重管式熱交換器２０に流れる循環液の量を調整することができる。

本発明に係る小流量液体の温調システムの第１実施例を示すブロック構成図である。上記第１実施例の変形例を示すブロック構成図である。上記第１実施例における吐出路を二重管式熱交換器によって形成した第２実施例を示すブロック構成図である。上記第１実施例における吐出路を二重管式熱交換器によって形成した、上記第２実施例とは異なる保温方式の第３実施例を示すブロック構成図である。上記各実施例において用いられる温調器の構成例を示すブロック構成図である。

符号の説明

１供給源
２レギュレータ
３供給路
４タンク
５循環路
６ポンプ
７温調器
８フィルタ
９吐出路
１０吐出弁
２０二重管式熱交換器
２０ａ外管
２１温調水循環装置
３０熱交換器
３１ペルチェ素子
３６温度検出器

Claims

液体の供給源に接続されていて、該供給源から供給された液体を加圧するレギュレータを含む供給路と、
該供給路に接続されていて、上記レギュレータで加圧された液体をその加圧状態においてポンプにより循環させる循環路と、
上記循環路中に介在していて、該循環路を循環する液体の温調を行う温調器と、
上記循環路から分岐されていて、該循環路において温調された液体を少なくとも該循環路における流量の１／２よりも流量が小さい微少連続流または微少間欠流として外部装置に供給する吐出弁が設けられた吐出路とを備え、
上記吐出路を二重管式熱交換器によって形成し、その外管に前記循環路を流れる液体の全部または一部を流すための配管を接続した、
ことを特徴とする小流量液体の温調システム。
上記供給路を通して供給される液体が超純水を含む純水または高屈折率液体である、
ことを特徴とする請求項１に記載の小流量液体の温調システム。
上記循環路における循環液流量が、吐出液流量の２〜２０倍になるように吐出路の流量が設定されている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の小流量液体の温調システム。
上記循環路中に、不純物除去手段として、循環する液体中のパーティクルを除去するフィルタ、液体中の気体を除去する真空脱気装置、有機物の酸化機能を有する紫外線酸化装置、及びイオン化物質を除去するイオン交換装置のいずれか、またはそれらのうちの任意の複数を介在させた、
ことを特徴とする請求項１〜３に記載の小流量液体の温調システム。
上記循環路における上記供給路との接続点から上記吐出路との分岐点へと向かう往流路中に、上記温調器を介在させた、
ことを特徴とする請求項１〜４に記載の小流量液体の温調システム。
上記往流路中における上記温調器から上流側に、液量変動、温度変動の外乱を緩和するタンクを介在させた、
ことを特徴とする請求項５に記載の小流量液体の温調システム。
温調器が、該温調器よりも下流側に設けた温度検出器の出力に基づいて制御されるペルチェ素子により温度制御される熱交換器を備えている、
ことを特徴とする請求項１〜６に記載の小流量液体の温調システム。