JP4977912B2 - 流体温調装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体温調装置に関し、特に半導体装置の製造プロセスにおける処理液の温度管理に適用して好適な流体温調装置の構成に関する。

例えば、半導体装置の製造分野においては、様々な製造プロセスにおける処理液の温度管理に、例えば熱電モジュールを用いて処理液を加熱／冷却する流体温調装置や、ヒータを用いて処理液を加熱する流体温調装置が採用されている。

また、処理液の温度を広範囲に亘って調節する場合や、処理液の迅速な加熱を要する場合、上述した熱電モジュールにヒータを組合わせて成る流体温調装置が提供されている(例えば、特許文献１参照)。

図４は、処理液に半導体ウェハやガラス基板等の基板を浸漬させて、洗浄やエッチング等の処理を行う為の基板処理システムを示しており、この基板処理システムＡは、処理液を貯留する処理槽Ｔと、該処理槽Ｔの外槽Ｔｏと内槽Ｔｉとを繋ぐ配管Ｓとを具備し、上記配管Ｓには外槽Ｔｏから排出された処理液を内槽Ｔｉに環流させる為のポンプＰと、流体温調装置ＢおよびフィルタＦとが介装されている。

上記流体温調装置Ｂは、熱電モジュールを用いた電子冷熱ユニットＵとヒータＨとを直列に接続して構成されており、上記ポンプＰの稼働によって処理槽Ｔの外槽Ｔｏから矢印ａ、ｂ、ｃの如く流体温調装置Ｂに送られた処理液(被温調流体)Ｌは、電子冷熱ユニットＵにおいて加熱／冷却され、次いで矢印ｄの如くヒータＨに送られて加熱され、電子冷熱ユニットＵとヒータＨとの動作によって所望の温度に調節された処理液Ｌは、流体温調装置ＢからフィルタＦを介して処理槽Ｔの内槽Ｔｉに環流される。
特開２００６−２６９６１７号公報

ところで、上述した基板処理システムＡにおける流体温調装置Ｂは、互いに分離独立した電子冷熱ユニットＵとヒータＨとを、配管で接続することによって構成されているため、処理液(液被温調流体)に対する温度調節を迅速かつ精密に実施することが難しく、さらに全体形状の大型化に伴って設置スペースが嵩張ることから、基板処理システムＡの大型化をも招いてしまう問題があった。

本発明の目的は上記実状に鑑みて、被温調流体に対する温度調節を迅速かつ精密に実施することができ、併せて装置の可及的なコンパクト化をも達成し得る流体温調装置を提供することにある。

上記目的を達成するべく、本願発明に関わる流体温調装置は、流路溝を形成した本体ブロックと、この本体ブロックの表面に設置されて被温調流体の通過する流路を形成する伝熱板と、この伝熱板を介在して流路を通過する被温調流体を加熱するヒータと、上記伝熱板を介在して流路を通過する被温調流体を加熱および冷却する熱電モジュールとを具備して成り、ヒータを伝熱板の内部に設置するとともに、内部にヒータを設置した上記伝熱板の外面に熱電モジュールを設置したことを特徴としている。

また、請求項２の発明に関わる流体温調装置は、請求項１の発明に関わる流体温調装置において、ヒータにおける被温調流体への加熱能力を、熱電モジュールにおける被温調流体への加熱能力よりも大きく設定したことを特徴としている。

請求項１の発明に関わる流体温調装置によれば、伝熱板を介してヒータにより被温調流体を加熱し、また上記伝熱板を介して熱電モジュールにより被温調流体を加熱／冷却していることで、電子冷熱ユニットで加熱／冷却された被温調流体をヒータに送って加熱している従来の流体温調装置に比べ、被温調流体に対して迅速かつ精密に温度調節することが可能となる。

さらに、本体ブロックの表面に設置された伝熱板を介して被温調流体を加熱するヒータ、および伝熱板を介して被温調流体を加熱／冷却する熱電モジュールは、上記伝熱板に対して内蔵もしくは接触して設けられるために、本体ブロック、電熱板、ヒータおよび熱電モジュールが極く近接して配設されることとなり、もって流体温調装置の可及的なコンパクト化を達成することが可能となる。

また、請求項１の発明に関わる流体温調装置によれば、伝熱板の内部にヒータを設置するとともに、内部にヒータを設置した上記伝熱板の外面に熱電モジュールを設置したことにより、上記ヒータによって流路の被温調流体を加熱する場合、上記熱電モジュールによって伝熱板の外面を加熱することで、上記ヒータの熱が伝熱板の外面から熱電モジュールを介して逃げることを抑えられ、もって流路の被温調流体を効率良く加熱することが可能となる。

また、請求項２の発明に関わる流体温調装置によれば、ヒータにおける被温調流体への加熱能力を、熱電モジュールにおける被温調流体への加熱能力よりも大きく設定したことで、上記ヒータと上記熱電モジュールとによって被温調流体を加熱する際、上記熱電モジュールにおける加熱側の温度を低く抑えることができ、もってジャンクション温度に起因する上記熱電モジュールの寿命低下を未然に防止することが可能となる。

以下、実施例を示す図面に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に関わる流体温調装置を、半導体装置の製造プロセスにおいて使用される薬液(被温調流体)、具体的にはアンモニア過水や塩酸過水等、ウェットプロセス(ＲＣＡ洗浄)やウェットエッチング等に使用される酸系の薬液を対象とし、これらの薬液を約１０℃〜約８０℃の範囲に亘って温度調節を行なうための流体温調装置に適用した例を示している。

上記流体温調装置１は、薬液の流入／排出される本体ブロック２と、この本体ブロック２の表面２ａに設置された伝熱板３とを具備し、さらに上記伝熱板３の内部にはヒータ４が設置されているとともに、上記伝熱板３の外面にはペルチェモジュール(熱電モジュール)５が取付けられ、上記ペルチェモジュール５の外側には、該ペルチェモジュール５の放熱除去／給熱を行うウォータジャケット６が取付けられている。

上記本体ブロック２と伝熱板３との間には流路２Ｐが形成されており、この流路２Ｐを通過する薬液が伝熱板３と接触することにより、該伝熱板３を介してヒータ４およびペルチェモジュール５と薬液との間で熱交換が行われ、上記薬液に対する温度の調節が為されることとなる。

上記本体ブロック２は、薬液に対する耐蝕性を備えたテフロン(登録商標)等の樹脂材料から形成され、左右の各表面２ａ、２ａには、それぞれ流路溝２ｇ、２ｇが形成されており、さらに上記本体ブロック２には、上記流路溝２ｇ、２ｇに連通する導入パイプ２Ｉと排出パイプ２Ｏとが取付けられている。

一方、上記本体ブロック２の表面２ａに取付けられる伝熱板３は、熱伝導性の良好なアルミニウム等の金属材料から形成された平板状のブロックであり、本体ブロック２と対向する面には、上記流路溝２ｇの全域に対応した耐蝕プレート３Ｐが固設されている。
因みに、上記耐蝕プレート３Ｐは、酸性の薬液に対する耐蝕性とともに良好な熱伝導性を備えたアモルファスカーボンから形成されている。

上記伝熱板３は、本体ブロック２における左右の表面２ａ、２ａに各々取付けられており、これら一対の伝熱板３、３は、図示していないボルト・ナットおよびスプリング等を用いて互いに締結することにより、本体ブロック２を左右から挟み付ける態様で、上記本体ブロック２の所定位置に固定設置されている。

上述の如く、本体ブロック２の表面２ａに伝熱板３を設置して、本体ブロック２の流路溝２ｇを伝熱板３(耐蝕プレート３Ｐ)によって覆うことで、上記本体ブロック２と伝熱板３との間に流路２Ｐが形成されることとなる。

上記伝熱板３の内部には、３本のヒータ４が設置されている一方、上記伝熱板３の外面には、上述した如くペルチェモジュール５が、ウォータジャケット６によって挟み込まれるように保持されており、上記ペルチェモジュール５は、絶縁層(図示せず)を介して伝熱板３およびウォータジャケット６と熱的に接続されている。

ここで、伝熱板３の内部に３本のヒータ４を設置することで、伝熱板３における温度分布の均一化が図られており、また上記伝熱板３に内蔵されたヒータ４の発熱量(加熱能力)、詳しくは３本のヒータ４による総発熱量は、上記伝熱板３に接触しているペルチェモジュール５の発熱量(加熱能力)よりも大きく設定されている。

上述した構成の流体温調装置１において、矢印ｉの如く導入パイプ２Ｉに導入されて流路２Ｐに流入した薬液は、伝熱板３(耐蝕プレート３Ｐ)と接触しつつ流路２Ｐを通過することで、ヒータ４による加熱およびペルチェモジュール５による加熱／冷却によって温調された伝熱板３からの熱伝達により温度の調節が為され、こののち流路２Ｐから排出パイプ２Ｏを通って、矢印ｏで示す如く装置の外部へ排出されて行く。

ここで、上記流体温調装置１によって薬液の温度を上昇させる場合には、ヒータ４に通電して伝熱板３を加熱するとともに、ペルチェモジュール５の伝熱板３と接している側が放熱し、かつウォータジャケット６に接している側が吸熱するよう通電して伝熱板３を加熱する。

一方、上記流体温調装置１によって薬液の温度を下降させる場合には、ヒータ４には通電せず、上記ヒータ４による伝熱板３への加熱を停止するとともに、ペルチェモジュール５の伝熱板３と接している側が吸熱し、かつウォータジャケット６に接している側が放熱するよう通電して伝熱板３を冷却する。

因みに、薬液の温度はセンサ(図示せず)によって計測され、その温度が所望する設定温度となるよう、図示していないコントローラによって、上記ヒータ４およびペルチェモジュール５の動作が制御されることは言うまでもない。

また、上記ペルチェモジュール５は、特定の温度以上で寿命が縮む特性があるため、伝熱板３の外面(ペルチェモジュール５が接している面)の温度をセンサ(図示せず)によって計測し、その温度がペルチェモジュール５に影響することのない温度以下となるよう、上記ヒータ４およびペルチェモジュール５の動作を制御することが有効である。

上記構成の流体温調装置１によれば、流路２Ｐに臨む伝熱板３を介してヒータ４により薬液を加熱し、また上記伝熱板３を介してペルチェモジュール４により薬液を加熱／冷却しているので、電子冷熱ユニットで加熱／冷却された被温調流体をヒータに送って加熱している従来の流体温調装置(図４参照)に比べ、薬液に対する迅速かつ精密な温度調節を行うことが可能となる。

また、上記構成の流体温調装置１によれば、本体ブロック２の表面２ａに設置された伝熱板３を介して薬液を加熱するヒータ４が伝熱板３の内部に設置され、伝熱板３を介して薬液を加熱／冷却するペルチェモジュール５が伝熱板３に対して接触して設けられているため、上記本体ブロック２、電熱板３、ヒータ４およびペルチェモジュール５が極く近接して配設され、もって流体温調装置１の可及的なコンパクト化が達成されることとなる。

また、上記構成の流体温調装置１においては、流路２Ｐに臨む伝熱板３の内部にヒータ４を設置し、伝熱板３の外面にペルチェモジュール５を設置したことで、上記流路２Ｐを通過する薬液を加熱する場合、上述の如くヒータ４とペルチェモジュール５とで伝熱板３を加熱することにより、本体ブロック２、伝熱板３、ペルチェモジュール５間の温度勾配は、図２中に実線で示す如きものとなる。

すなわち、伝熱板３とペルチェモジュール５との境界面が最高温度点ｔａとなり、ヒータ４の熱量がペルチェモジュール５を介してウォータジャケット５内の冷却水に吸収されることがないので、ヒータ４からの熱量によって流路２Ｐの薬液Ｌが伝熱板３を介して効率良く加熱されることとなる。

また、上記構成の流体温調装置１においては、ヒータ４による薬液への加熱能力を、ペルチェモジュール５による薬液への加熱能力よりも大きく設定したことで、ヒータ４とペルチェモジュール５とによって薬液を加熱する際、上記ペルチェモジュール５における加熱側の温度を低く抑えることができる。

例えば、ヒータ４とペルチェモジュール５とによる総発熱量が同じ２kwであっても、ヒータ４の加熱能力を１kw、ペルチェモジュール５の加熱能力を１kwに設定した場合、ペルチェモジュール５の加熱側の温度が１１０℃まで上昇するのに対し、ヒータ４の加熱能力を１．２kw、ペルチェモジュール５の加熱能力を０．８kwに設定すると、ペルチェモジュール５の加熱側の温度は１００℃に抑えられる。

このように、ヒータ４の加熱能力をペルチェモジュール５の加熱能力よりも大きく設定したことで、上記ペルチェモジュール５における加熱側の温度が低く抑えられ、もってジャンクション温度が不用意に上昇することに起因する、上記熱電モジュールの寿命低下を未然に防止することができる。

ところで、上記流体温調装置１において、薬液の温度を上昇させる場合には、上述の如く伝熱板３をヒータ４とペルチェモジュール５とで加熱しているが、薬液が所望の温度に到達した後は、ヒータ４への通電をｏｆｆして、ペルチェモジュール５のみで薬液の温調を実施する。

ここで、外乱によって薬液の温度低下があった場合、その変化量が１℃未満であればペルチェモジュール５のみによって温調を行い、１℃以上〜１０℃以下の変化量であれば、ペルチェモジュール５と併せてヒータ４によって温調を行うことが好ましい。

なお、上述した流体温調装置１は、本体ブロック２の左右に、それぞれ伝熱板３(ヒータ４)、ペルチェモジュール５およびウォータジャケットを設置しているが、上記本体ブロック２の一方の表面２ａに流路溝２ｇを形成し、上記一方の表面２ａのみに伝熱板３(ヒータ４)、ペルチェモジュール５およびウォータジャケットを設置して、流体温調装置を構成し得ることは言うまでもない。

図３は、本発明に関連する流体温調装置の参考例を示しており、この流体温調装置１０は、薬液の流入／排出される本体ブロック１２と、この本体ブロック１２の一方の表面１２ａに設置された伝熱板１３Ａと、上記本体ブロック１２の他方の表面１２ａに設置された伝熱板１３Ｂとを具備している。

また、伝熱板１３Ａの内部には３本のヒータ１４が設置されている一方、伝熱板１３Ｂの外面にはペルチェモジュール(熱電モジュール)１５が取付けられ、上記ペルチェモジュール１５の外側には、該ペルチェモジュール１５の放熱除去／給熱を行うウォータジャケット１６が取付けられている。

上記本体ブロック１２と伝熱板１３Ａ、１３Ｂとの間には、それぞれ流路１２Ｐが形成されており、この流路１２Ｐを通過する薬液が伝熱板１３Ａ、１３Ｂと接触することにより、該伝熱板１３Ａ、１３Ｂを介してヒータ１４およびペルチェモジュール１５と薬液との間で熱交換が行われ、上記薬液に対する温度の調節が為されることとなる。

上記流体温調装置１０の構成は、本体ブロック１２の一方の表面１２ａに、ヒータ１４を内蔵した伝熱板１３Ａを設置し、本体ブロック１２の他方の表面１２ａに、ペルチェモジュール１５およびウォータジャケット１６を取付けた伝熱板１３Ｂを設置した以外、図１に示した流体温調装置１と基本的に変わるところはないので、上記流体温調装置１０の構成要素において、流体温調装置１の構成要素と同一の作用を成すものには、図１と同一の符号に１０を加算した(１０番台の)符号を附して詳細な説明は省略する。

上記構成の流体温調装置１０によれば、一方の流路１２Ｐに臨む伝熱板１３Ａを介してヒータ１４により薬液を加熱し、また他方の流路１２Ｐに臨む伝熱板１３Ｂを介してペルチェモジュール１４により薬液を加熱／冷却しているので、電子冷熱ユニットで加熱／冷却された被温調流体をヒータに送って加熱している従来の流体温調装置(図４参照)に比べ、薬液に対する迅速かつ精密な温度調節を行うことが可能となる。

また、上記構成の流体温調装置１０によれば、本体ブロック１２の表面１２ａに設置された伝熱板１３Ａを介して薬液を加熱するヒータ１４が伝熱板１３Ａの内部に設置され、伝熱板１３Ｂを介して薬液を加熱／冷却するペルチェモジュール１５が伝熱板１３Ｂに対して接触して設けられているため、上記本体ブロック１２、電熱板１３Ａ、１３Ｂ、ヒータ１４およびペルチェモジュール１５が極く近接して配設され、もって流体温調装置１０の可及的なコンパクト化が達成されることとなる。

ここで、上述した流体温調装置１０は、本体ブロック１２の一方の表面１２ａに、ヒータ１４を内蔵した伝熱板１３Ａを設置し、本体ブロック１２の他方の表面１２ａに、ペルチェモジュール１５およびウォータジャケット１６を取付けた伝熱板１３Ｂを設置しているが、上記伝熱板１３Ａを挟んで本体ブロック１２、伝熱板１３Ｂ、ペルチェモジュール１５およびウォータジャケット１６を、左右対称に設置して流体温調装置を構成することも可能である。

上記構成の流体温調装置によれば、ヒータ１４の発熱によって伝熱板１３Ａを挟んだ左右の流路１２Ｐ、１２Ｐの薬液を効率良く加熱することができ、また伝熱板１３Ａの一方側(図中の右方側)にヒータ１４の発熱が放出されず、断熱処置を講じる必要がないために構造が簡易なものとなる。

なお、上述した実施例においては、半導体装置の製造に関わるウェットプロセス(ＲＣＡ洗浄)やウェットエッチング等に使用される薬液の温度調節に、本発明の流体温調装置を適用した例を示したが、様々な製造プロセスにおける薬液の温度管理にも、本発明の流体温調装置を有効に適用し得ることは勿論である。

さらに、上述した実施例においては、半導体装置の製造分野に本発明を適用した例を示したが、精密な温度調節を必要とする様々な産業分野における諸設備に対しても、本発明の流体温調装置を有効に適用し得ることは言うまでもない。

本発明に関わる流体温調装置の実施例を示す概念的な全体平面図。 図１の流体温調装置における流路ブロック、伝熱板、熱電変換モジュールおよび冷却板における温度勾配を示す概念図。 本発明に関連する流体温調装置の参考例を示す概念的な全体平面図。 従来の流体温調装置を示す概念図。

符号の説明

１…流体温調装置、
２…流路ブロック、
２ａ…表面、
２ｇ…流路溝、
２Ｐ…流路、
３…伝熱板、
３Ｐ…耐食プレート、
４…ヒータ、
５…ペルチェモジュール(熱電モジュール)、
６…ウォータジャケット。

Claims (2)

1. 流路溝を形成した本体ブロックと、
   前記本体ブロックの表面に設置されて被温調流体の通過する流路を形成する伝熱板と、
   前記伝熱板を介在して前記流路を通過する被温調流体を加熱するヒータと、
   前記伝熱板を介在して前記流路を通過する被温調流体を加熱および冷却する熱電モジュールとを具備して成り、
   前記ヒータを前記伝熱板の内部に設置するとともに、内部にヒータを設置した前記伝熱板の外面に前記熱電モジュールを設置したことを特徴とする流体温調装置。
2. 前記ヒータにおける被温調流体への加熱能力を、前記熱電モジュールにおける被温調流体への加熱能力よりも大きく設定したことを特徴とする請求項１記載の流体温調装置。

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