JP5050241B2

JP5050241B2 - 流体温調装置

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Publication number: JP5050241B2
Application number: JP2007017815A
Authority: JP
Inventors: 典夫高橋
Original assignee: Kelk Ltd
Current assignee: Kelk Ltd
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-01-29
Also published as: JP2008186913A; US7938577B2; US20080212642A1

Description

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

例えば、半導体製造分野においては、様々な製造プロセスにおける薬液の温度管理に、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、上述した流体温調装置の一態様として、流路を形成した本体ブロックと、この本体ブロックに設置されて流路に臨む伝熱板と、この伝熱板を加熱／冷却する温調手段とを具備し、上記伝熱板を介して温調手段と流路を通過する処理液との間で熱交換を行う構造が提供されている(例えば、特許文献１参照)。

図１１に示す流体温調装置Ａは、上記構造における一具体例であって、樹脂から成る本体ブロックＢには、後述する流路Ｐ(図１２、図１３)が形成されており、上記本体ブロックＢにおける左右の表面Ｂａ、Ｂａには、それぞれ流路Ｐに臨む態様で金属の伝熱板Ｅ、Ｅが取付けられている。

また、各々の伝熱板Ｅの外面には、温調手段としてのペルチェモジュール(熱電モジュール)Ｍが取付けられ、さらに上記ペルチェモジュールＭの外側には、該ペルチェモジュールＭの放熱／吸熱を行うウォータジャケットＣが取付けられている。

図１２は、本体ブロックＢにおける流路Ｐの一例を示しており、上記本体ブロックＢに貫通形成された開口Ｂｏの内部に、複数の隔壁Ｂｂ、Ｂｂ、Ｂｂを千鳥状に固定設置することで流路Ｐが構成されている。

上記構成において、矢印ｉの如く導入パイプＩに導入され、導入通路Ｉｐを介して流路Ｐに導入された処理液は、矢印ａ、矢印ｂおよび矢印ｃで示す如く、１８０°の方向転換を繰返しながら、伝熱板Ｅと接触しつつ流路Ｐを通過することで、伝熱板Ｅからの熱伝達によって加熱／冷却が為され、流路Ｐを通過した処理液は、排出通路Ｏｐを介して排出パイプＯから矢印ｏの如く排出されて行く。

図１３は、本体ブロックＢにおける流路Ｐの他の例を示しており、上記本体ブロックＢの表面Ｂａにおける略全域に陥没形成された凹部Ｂｒによって流路Ｐが構成されている。

上記構成において、矢印ｉの如く導入パイプＩに導入され、導入通路Ｉｐの導入口Ｉｏ、Ｉｏ、Ｉｏから流路Ｐに導入された処理液は、矢印ａ、ａ、ａで示す如く、流路Ｐを縦方向に横切りながら、伝熱板Ｅと接触しつつ通過することで、伝熱板Ｅからの熱伝達によって加熱／冷却が為され、矢印ｂ、ｂ、ｂで示す如く、流路Ｐから排出口Ｏｏ、Ｏｏ、Ｏｏに流入した処理液は、排出通路Ｏｐを介して排出パイプＯから矢印ｏの如く排出されて行く。
特開２００３−３３８４８９号公報

ところで、上述した従来の流体温調装置Ｂにおいて、図１２に示した構成の流路Ｐを採用した場合、処理液は開口Ｂｏの内面に当たって１８０°反転したり、開口Ｂｏと隔壁Ｂｂとの間を通過したりするため、大きな圧力損失によって流速が低下し、熱伝達率の悪化によって熱抵抗が大きくなり、加熱／冷却能力の低下を招く不都合があった。

また、図１２に示した構成の流路Ｐにおいては、その全長に亘って流路断面積が大きく変化するために、処理液における流速の早い部分と遅い部分との差が大きく、伝熱板Ｅ(図１１)との間における熱伝達にムラができることで、温調手段としてペルチェモジュールを採用している場合、部分的にジャンクション温度が上昇することで、上記ペルチェモジュールの寿命を縮めてしまう問題があった。

一方、図１３に示した構成の流路Ｐを採用した場合、流路Ｐが本体ブロックＢの表面Ｂａに広く形成されているため処理液の流速が極めて遅く、熱伝達率の悪化によって熱抵抗が大きくなり、加熱／冷却能力の低下を招く不都合があった。

また、図１３に示した構成の流路Ｐにおいては、広く形成された流路Ｐの全範囲において処理液の流速が一定とならず、伝熱板Ｅ(図１１)との間における熱伝達にムラができることで、温調手段としてペルチェモジュールを採用している場合、部分的にジャンクション温度が上昇することで、上記ペルチェモジュールの寿命を縮め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整能力(加熱／冷却能力)の向上を達成でき、かつ温度ムラに起因するペルチェモジュールにおける機械寿命の低下を抑制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、請求項１に関わる流体温調装置は、表面に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流路溝を覆う伝熱板と、この伝熱板で本体プロックの流路溝を覆うことにより形成される流路と、伝熱板を介在して流路を通過する被温調流体との間で熱交換を行うペルチェモジュールとを具備して成る流体温調装置であって、上記伝熱板に臨む流路が、本体ブロックに形成された流体入口と流体出口とを繋ぎ、且つ全長に亘って略一定の流路断面積を有する１本の渦巻き形状を呈して成る流路である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、本体ブロックの内部に導入通路が形成され、該導入通路は流体入口を介して流路と連通されることを特徴としている。

また、請求項３の発明に関わる流体温調装置は、請求項１または請求項２の発明に関わる流体温調装置において、本体ブロックにおける隣合う流路溝の間の隔壁に、隣合う流路を互いに連通するドレン通路を形成して成る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、伝熱板に臨む流路が、本体ブロックに形成された流体入口と流体出口とを繋ぎ、且つ全長に亘って略一定の流路断面積を有する１本の渦巻き形状を呈して成る流路であり、この流路の流路断面積が全長に亘って略一定であることから、上記流路における全範囲に亘って被温調流体の流速が均一なものとなり、伝熱板との間における熱伝達に部分的なムラが生じることを防止できる。

もって、伝熱板における局部的な温度の不均一がないため、ペルチェモジュールにおける部分的なジャンクション温度の上昇を防止でき、上記ペルチェモジュール等、構成部品の機械寿命を不用意に縮めることがない。

さらに、請求項１の発明に関わる流体温調装置によれば、伝熱板に臨む上記流路を渦巻き形状としたことにより、流路の流路断面積が全長に亘って略一定であることと相俟って、流路を通過する被温調流体の圧力損失が少なくて流速が大きなものとなり、伝熱板と被温調流体との間において効率良く熱伝達が行われ、もって被温調流体に対する温度調整能力(加熱／冷却能力)の向上を達成することが可能となる。

また、請求項３の発明に関わる流体温調装置によれば、流路溝の隔壁に隣合う流路を互いに連通するドレン通路を形成したことにより、装置の停止時において流路に残留した被温調流体を、上記ドレン通路を介して装置外へ排出させ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〜図３は、本発明に関わる流体温調装置を、半導体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、上記伝熱板３の外面には温調手段としてのペルチェモジュール(熱電モジュール)４が取付けられ、さらに上記ペルチェモジュール４の外側には、該ペルチェモジュール４の放熱／吸熱を行うウォータジャケット５が取付けられている。

また、上記本体ブロック２と伝熱板３との間には、後に詳述する流路１０が形成されており、この流路１０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を介してペルチェモジュール４と薬液との間で熱交換が行われ、もって上記薬液の加熱／冷却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ており、左右の各表面２ａ、２ａには、それぞれ後述する形態の流路溝２ｇ、２ｇが形成されている。

上記本体ブロック２には、導入パイプ２Ｉと排出パイプ２Ｏとが取付けられており、上記導入パイプ２Ｉは、本体ブロック２の内部に形成された導入通路２ｘを介して、上記本体ブロック２の左右の表面２ａ、２ａに開口する流体入口２ｉ、２ｉに連通しており、また上記排出パイプ２Ｏは、本体ブロック２の内部に形成された排出通路２ｙ、２ｚを介して、上記本体ブロック２の左右の表面２ａ、２ａに開口する流体出口２ｏ、２ｏに連通している。

上記本体ブロック２の表面２ａに形成された流路溝２ｇは、上記流体入口２ｉと流体出口２ｏとを繋ぐ一本の溝であり、円形の範囲内において、外周側に位置する流体入口２ｉから、中心側に位置する流体出口２ｏに向けて、反時計回り方向に巻回する渦巻き形状を呈しており、上記流路溝２ｇの幅寸法ｗおよび深さ寸法ｄが、上記流路溝２ｇの全長に亘って略一定となるよう形成されている。

また、上記流路溝２ｇが渦巻き形状を呈していることにより、隣合う流路溝２ｇ、２ｇの間に形成される隔壁２ｗには、隣合う流路溝２ｇ、２ｇを互いに連通させる切欠きから成るドレン通路２ｄが形成されており、図２に示す如く上記ドレン通路２ｄは、流体出口２ｏよりも下方に位置する全ての隔壁２ｗ、２ｗ…に形成されている。

さらに、上記本体ブロック２の表面２ａには、上記流路２ｇを取り囲む円形のシール溝２ｒが形成され、このシール溝２ｒにはＯリングが嵌合している。
なお、図中の符号２Ｐは、排出通路２ｙの端部開口を閉止するべく、本体ブロック２に固設されたプラグである。

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、円盤状の耐蝕プレート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１０が形成されることとなる。

なお、本体ブロック２の表面２ａに伝熱板３を設置した状態において、図３に示す如く、本体ブロック２のシール溝２ｒに嵌合しているＯリング６が、伝熱板３(耐蝕プレート３Ｐ)と圧接することによって、上記流路１０の封止が為されている。

ここで、本体ブロック２における流路溝２ｇの幅寸法ｗおよび深さ寸法ｄが、上述した如く流路溝２ｇの全長に亘って略一定となるよう形成されていることから、本体ブロック２と伝熱板３との間に形成された流路１０は、本体ブロック２の流体入口２ｉと流体出口２ｏとを繋ぎ、且つ全長に亘って略一定の流路断面積を備えた１本の流路を構成することとなる。

上記伝熱板３の外面には、上述した如く温調手段としてのペルチェモジュール４が、ウォータジャケット５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４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５と熱的に接続されている。

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、導入通路２ｘを介して流体入口２ｉから流路１０に導入された薬液は、図２中の矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉで示す如く、伝熱板３(耐蝕プレート３Ｐ)と接触しつつ流路１０を通過することで、ペルチェモジュール４により加熱／冷却された伝熱板３からの熱伝達によって温度の調節が為される。

上記通路１０を通過することによって温度の調節が為された薬液は、流体出口２ｏから排出通路２ｙおよび排出通路２ｚを介して、矢印ｏの如く排出パイプ２Ｏを通って装置の外部へ排出されて行く。

ここで、上述した如く流体温調装置１における流路１０が、本体ブロック２の流体入口２ｉと流体出口２ｏとを繋ぎ、且つ全長に亘って略一定の流路断面積を備えた１本の流路であることから、上記流路１０における全範囲に亘って薬液の流速が均一なものとなり、伝熱板３との間における熱伝達に部分的なムラが生じることを防止できる。

したがって、伝熱板３における局部的な温度の不均一がないため、ペルチェモジュール４におけるジャンクション温度が部分的に上昇することを防止でき、上記ペルチェモジュールの機械寿命を不用意に縮めることがない。

さらに、流体温調装置１における流路１０が、一方向に巻回する渦巻き形状を呈していること、言い換えればスムーズな曲線を描いて形成されていることにより、上述の如く流路１０の流路断面積が全長に亘って略一定であることと相俟って、流路１０を通過する薬液の圧力損失が少なくて流速が大きなものとなる。

これにより、伝熱板３と薬液との間における熱伝達が極めて効率良く行われ、もって薬液に対する温度調整能力(加熱／冷却能力)の大幅な向上が達成されることとなる。

また、上記流体温調装置１においては、本体ブロック２の隔壁２ｗ、２ｗ…に、隣合う流路溝２ｇ、２ｇを互いに連通するドレン通路２ｄを形成したことで、装置の停止時、上記ドレン通路２ｄを介して流路１０に残留した薬液を装置外へ排出させることができ、メンテナンス等において本体ブロック２と伝熱板３とを分解した際、通路１０に残留していた薬液が周囲に飛散する不都合を未然に防止することができる。

図４および図５に示す流体温調装置１′は、本体ブロック２′における左右の表面２ａ′、２ａ′に、それぞれ２つの流路溝２ｇ′、２ｇ′が並置して形成されており、これら２つの流路溝２ｇ′、２ｇ′は、導入通路２ｘ′および排出通路２ｚ′を介して互いに連通されている。

また、それぞれの伝熱板３′、３′には、並置された流路溝２ｇ′、２ｇ′に対応する２つの耐蝕プレート３Ｐ′、３Ｐ′が固定され、さらに伝熱板５′、５′の外面には、並置された流路溝２ｇ′、２ｇ′に対応する２つのペルチェモジュール４′、４′が並置して取付けられている。

上記流体温調装置１′の構成は、本体ブロック２′の表面２ａ′に２つの流路溝２ｇ′が併設され、これに対応して耐蝕プレート３Ｐ′およびペルチェモジュール４′が、２つ並置して取付けられている以外、図１〜図３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１′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〜図３と同一の符号に′(ダッシュ)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１′によれば、本体ブロック２′の表面２ａ′に多数(実施例では４箇所)の流路溝２ｇ′を形成したことで、各流路１０′、１０′…を通過する薬液と伝熱板３′、３′との接触面積が拡大することとなり、もって薬液に対する温度調整能力(加熱／冷却能力)の更なる向上を達成し得る。

図６に示す流体温調装置１００は、薬液(被温調流体)に対する温調が加熱のみで良い場合の参考例であり、本体ブロック１０２と該本体ブロック１０２を挟んで設置された左右の伝熱板１０３、１０３との間には、それぞれ流路１１０、１１０が形成されているとともに、左右の伝熱板１０３、１０３の内部には、それぞれ温調手段としてのヒータ１０４、１０４が設置されている。

上記流体温調装置１００の構成は、ペルチェモジュールおよび水冷板に換えて、本体ブロック１０３の内部にヒータ１０４を設置した以外、図１〜図３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１００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〜図３と同一の符号に１００を加算した符号を附して、詳細な説明は省略する。

上記構成の流体温調装置１００によれば、図１〜図３に示した流体温調装置１と同様に、矢印ｉの如く導入パイプ１０２Ｉに導入され、流路１１０に導入された薬液は、伝熱板１０３(耐蝕プレート１０３Ｐ)と接触しつつ流路１１０を通過することで、ヒータ１０４により加熱された伝熱板Ｅからの熱伝達によって加熱され、こののち排出パイプＯから矢印ｏの如く排出されて行く。

ここで、上記流体温調装置１００においても、図１〜図３に示した流体温調装置１と同様にして、薬液に対する温度調整能力(加熱能力)の向上が為されることは勿論である。

ところで、流体温調装置の流路を構成する流路溝の形状は、例えば図１〜図３の流体温調装置１における流路溝(流路)の如き、略円形の渦巻き形状に限定されるものではなく、流体温調装置の仕様に基づいて様々な形状を採用し得ることは言うまでもない。

図７に示した本体ブロック１２の表面１２ａに形成された流路溝１２ｇは、流体入口１２ｉから中央の流体出口１２ｏへ向けて巻回する略矩形の渦巻き形状を呈しており、矢印ｉの如く導入パイプ１２Ｉに導入され、導入通路１２ｘを介して流路１０Ｐに流入した薬液は、矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇで示す如く反時計回りに通過したのち、排出通路１２ｚを介して排出パイプ１２Ｏから矢印ｏの如く排出される。

図８に示した本体ブロック２２の表面２２ａに形成された流路溝２２ｇは、流体入口２２ｉから中央の流体出口２２ｏへ向けて巻回する略三角形の渦巻き形状を呈しており、矢印ｉの如く導入パイプ２２Ｉに導入され、導入通路２２ｘを介して流路２０Ｐに流入した薬液は、矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅで示す如く反時計回りに通過したのち、排出通路２２ｚを介して排出パイプ２２Ｏから矢印ｏの如く排出される。

図９に示した本体ブロック３２の表面３２ａに形成された流路溝３２ｇは、流体入口３２ｉから中央へ向けて反時計回りに巻回したのち、反転して中央から流体出口３２ｉへ向けて時計回りに巻回した形状を呈しており、矢印ｉの如く導入パイプ３２Ｉに導入され、導入通路３２ｘを介して流路３０Ｐに流入した薬液は、矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉで示す如く通過したのち、排出通路３２ｚを介して排出パイプ３２Ｏから矢印ｏの如く排出される。

図１０に示した本体ブロック４２の表面４２ａに形成された流路溝４２ｇは、流体入口４２ｉから中央の流体出口４２ｏへ向けて巻回する略楕円形の渦巻き形状を呈しており、矢印ｉの如く導入パイプ４２Ｉに導入され、導入通路４２ｘを介して流路４０Ｐに流入した薬液は、矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇで示す如く反時計回りに通過したのち、排出通路４２ｚを介して排出パイプ４２Ｏから矢印ｏの如く排出される。

ここで、図７〜図１０に示した何れの流路１０Ｐ、２０Ｐ、３０Ｐ、４０Ｐも、全長に亘って略一定の流路断面積を有するよう構成されているため、流路を通過する薬液の圧力損失が少なくて流速が大きなものとなり、伝熱板と薬液との間において効率良く熱伝達が行われ、もって薬液に対する温度調整能力(加熱／冷却能力)の向上が為されることは勿論である。

また、図７〜図１０に示した何れの本体ブロック１２、２２、３２、４２においても、隣合う流路溝の間の隔壁１２ｗ、２２ｗ、３２ｗ、４２ｗに、隣合う流路溝を互いに連通するドレン通路(図示せず)を形成することが、装置の停止時において流路(１０Ｐ、２０Ｐ、３０Ｐ、４０Ｐ)に残留した薬液を、上記ドレン通路を介して装置外へ排出させる為に有効であることは言うまでもない。

なお、上述した各実施例においては、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一実施例を示す概念的な全体平面図。 (ａ)は図１に示した流体温調装置における本体ブロックの全体側面図、(ｂ)は(ａ)中の II−II 線断面図。図１の流体温調装置における要部断面を示す図１中の III−III 線断面図。本発明に関わる流体温調装置の他の実施例を示す概念的な全体平面図。図４に示した流体温調装置における本体ブロックの全体側面図。本発明に関わる流体温調装置に近似した参考例を示す概念的な全体平面図。本発明に関わる流体温調装置の本体ブロックにおける流路溝の変形例を示す概念図。本発明に関わる流体温調装置の本体ブロックにおける流路溝の変形例を示す概念図。本発明に関わる流体温調装置の本体ブロックにおける流路溝の変形例を示す概念図。本発明に関わる流体温調装置の本体ブロックにおける流路溝の変形例を示す概念図。従来の流体温調装置を示す概念的な全体平面図。従来の流体温調装置における本体ブロックの流路を示す概念的な側面図。従来の流体温調装置における本体ブロックの流路を示す概念的な側面図。

符号の説明

１、１′…流体温調装置、
２、２′…本体ブロック、
２ａ、２ａ′…表面、
２ｉ、２ｉ′…流体入口、
２ｏ、２ｏ′…流体出口、
２ｇ、２ｇ′…流路溝、
２ｗ、２ｗ′…隔壁、
２ｄ、２ｄ′…ドレン通路、
２Ｉ、２Ｉ′…導入パイプ、
２Ｏ、２Ｏ′…排出パイプ、
３、３′…伝熱板、
３Ｐ、３Ｐ′…耐蝕プレート、
４、４′…ペルチェモジュール(温調手段)、
５、５′…ウォータジャケット、
１０、１０′…流路。

Claims

表面に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前記流路溝を覆う伝熱板と、前記伝熱板で前記本体プロックの前記流路溝を覆うことにより形成される流路と、前記伝熱板を介在して前記流路を通過する被温調流体との間で熱交換を行うペルチェモジュールとを具備して成る流体温調装置であって、
前記伝熱板に臨む前記流路が、前記本体ブロックに形成された流体入口と流体出口とを繋ぎ、かつ全長に亘って略一定の流路断面積を有する１本の渦巻き形状を呈して成る流路であることを特徴とする流体温調装置。
前記本体ブロックの内部に導入通路が形成され、該導入通路は前記流体入口を介して前記流路と連通されることを特徴とする請求項１記載の流体温調装置。
前記本体ブロックにおける隣合う前記流路溝の間の隔壁に、隣合う前記流路を互いに連通するドレン通路を形成して成ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の流体温調装置。