JP5153201B2

JP5153201B2 - 均熱装置

Info

Publication number: JP5153201B2
Application number: JP2007121005A
Authority: JP
Inventors: 哲朗大串; 久明山蔭
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2007-05-01
Filing date: 2007-05-01
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2027-05-01
Also published as: JP2008277620A

Description

本発明は、均熱装置に関し、特に、合成樹脂成形品や半導体ウエハなどを定盤上で均一に加熱する均熱装置に関する。

図１１は、全体が５００で表される、従来の均熱装置の上面図であり、図１２は、図１１をＸＩＩ−ＸＩＩ方向に見た場合の断面図である。理解を助けるために、図１１の右半分には、第１板状部材１を除去した内部構造を示している。

図１１、１２に示すように、均熱装置５００は、第１板状部材１と、第２板状部材２と、その周囲に設けられた側壁部５とを含む。第１板状部材１、第２板状部材２は、表面が平坦な略円板状の部材からなり、第１板状部材１は、加熱対象物（図示せず）が上面に載置される定盤となっている。
第１板状部材１と第２板状部材２との間には支柱部７が形成され、その間が流路３となっている。流路３は略同心円状に形成されると共に、それぞれの流路３を接続するように、半径方向にも流路３０が形成されている。流路３、３０は、外気に対して密閉状態であり、排気された後に所定量の作動液４が入れられている。

第２板状部材２の流路３の下部には、流路３に沿って略同心円状の発熱体６が設けられている。発熱体６には、例えばシーズヒータやバンドヒータが使用される。発熱体６から供給された熱は、第２板状部材２を介して作動液４に伝えられる。加熱された作動液４は、蒸気となって流路３内に拡散し、流路３内の温度が最も低い上面（第１板状部材１の裏面）で凝縮潜熱として熱を放出し液化する。かかる工程により、第１板状部材１が加熱され、その上に載置された加熱対象物が加熱される。
特開２０００−２３６０１３号公報

しかしながら、均熱装置５００では、発熱体６から第２板状部材２に供給された熱が、作動液４以外に、支持体７を介して第１板状部材１に伝えられる。このため、第１板状部材１の表面温度が十分に均一とはならず、対象物の温度が場所によりばらつくという問題があった。

そこで、本発明は、定盤上の対象物を均一に加熱することができる均熱装置の提供を目的とする。

本発明は、対象物を載置する上面を有する第１板状部材と、第１板状部材に平行に配置された第２板状部材と、第１板状部材と第２板状部材との間に形成された流路と、流路内に設けられた作動液と、流路に沿って、第２板状部材の下面に設けられた発熱体とを含み、発熱体により加熱された作動液が蒸発し、第１板状部材の裏面で液化することにより、第１板状部材を加熱する均熱装置であって、流路内の、第２板状部材の上に、第２板状部材に焼結した銅粒子の焼結体からなる多孔質部材からなる沸騰伝熱促進体が設けられたことを特徴とする均熱装置である。

また、本発明は、対象物を載置する上面を有する第１板状部材と、第１板状部材に平行に配置された第２板状部材と、第１板状部材と第２板状部材との間に形成された流路と、流路内に設けられた作動液と、流路に沿って、第２板状部材の下面に設けられた発熱体とを含み、発熱体により加熱された作動液が蒸発し、第１板状部材の裏面で液化することにより、第１板状部材を加熱する均熱装置であって、第２板状部材の裏面に、流路に沿って溝部を有し、溝部内に発熱体が設けられるとともに、溝部上の第２板状部材を薄肉部とし、溝部の発熱体の周囲に補強部材が設けられたことを特徴とする均熱装置でもある。

このように、本発明にかかる均熱装置では、薄肉部上の作動液を介して定盤に熱が伝えされ、定盤上の対象物を均一に加熱することができる。

以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、本発明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる均熱装置の上面図であり、図２は、裏面図である。図１では、理解を容易にするために、第１板状部材１を除去した状態を示している。また、図３、４は、それぞれ、図１を、ＩＩＩ−ＩＩＩ方向、ＩＶ−ＩＶ方向に見た場合の断面図である。更に、図５は、図３において点線で囲まれたＡの部分の拡大図である。図１〜５において、図１１、１２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

均熱装置１００は、略平行に設けられた第１板状部材１および第２板状部材２と、その周囲に設けられた側壁部５とを含む。第１板状部材１、第２板状部材２は、表面が平坦な略円板状の部材からなり、第１板状部材１は、上面に加熱対象物（図示せず）が載置される定盤となっている。第１板状部材１、第２板状部材２の材料には、例えば銅やアルミニウムが用いられる。

第１板状部材１と第２板状部材２との間には支柱部７が略同心円状に形成され、その間が流路３となっている。また、それぞれの流路３を接続するように、半径方向にも流路３０が形成されている。流路３、３０は、外気に対して密閉状態であり、排気された後に所定量の作動液４が入れられている。

また、図５に詳しく示したように、流路３の下部の第２板状部材２には、略同心円状の溝部２１が、流路３に沿って設けられている。溝部２１上に残された第２板状部材２は、薄肉部４１となっている。溝部２１の中央には、溝部２１に沿って、略同心円状に発熱体６が設けられている。発熱体６には、例えばシーズヒータやバンドヒータが使用される。

薄肉部４１を補強するために、発熱体６の両側の溝部２１内には、補強部材４２が埋め込まれている。補強部材４２には、耐熱性が高く熱伝度率の小さい材料を用いることが好ましく、例えばステンレス鋼が用いられる。

更に、溝部２１上の第２板状部材２の表面には、流路３に沿って、同心円状に多孔質部材５１が設けられている。多孔質部材５１は、例えば、金属粒子の焼結体や発泡金属からなり、材料には、銅等が用いられる。多孔質部材５１の孔径は、作動液４が沸騰する時の沸騰熱伝達率ｈが大きくなるように、作動液４の種類や発熱体６の加熱温度に応じて調整される。例えば、作動液４に水を用い、加熱温度を６０℃〜１２０℃程度とした場合、孔径は約数百μｍであることが好ましく、加熱温度を２０℃〜６０℃程度とした場合、孔径は約１ｍｍであることが好ましい。多孔質部材５１は、金属粒子を第２板状部材２の上面に、メッキ法あるいは焼結法などにより形成される。

流路３、３０には所定量の作動液４が入れられている。作動液４には、上述のように例えば水が用いられる。特に、第１板状部材１、第２板状部材２、多孔質部材５１に銅を用いた場合、作動液４として水を使用することが好ましい。

次に、本実施の形態１にかかる均熱装置１００の加熱動作について説明する。加熱される対象物は、第１板状部材１の上（定盤）に載置される。
発熱体６から供給された熱は、薄肉部４１を介して多孔質材料５１に伝えられる。続いて、多孔質材料５１に接した作動液４が加熱され、蒸気となって流路３内の空間に拡散する（図４中に、矢印で記載）。この蒸気は流路３内の温度の低い上面（第１板状部材１の裏面）で凝縮して熱を放出し、液化する。液化した作動液４は、流路３の内部で下方に落下して還流する。
かかる動作が繰り返されることにより、流路３内では、場所による温度差がなくなる。また、発熱体６から第１板状部材１に熱が輸送され、第１板状部材１の表面が均一な温度に加熱される。

特に、均熱装置１００では、発熱体６から供給された熱は、まず、第２板状部材２の薄肉部４１に伝えられる。薄肉部４１は膜厚が薄いため、熱は、平面方向（横方向）に殆ど拡散することなく、直上の多孔質部材５１に伝えられる。多孔質部材５１の気孔内部で作動液４が加熱され、沸騰気泡を生成する。多孔質部材５１の孔は、伝熱表面積を大きくする作用のほかに、沸騰気泡核を多数持つという作用も有する。これらの多孔質部材５１の作用により、効果的に沸騰伝熱が生じることとなる。

このような構造を有することにより、均熱装置１００では、発熱体６と作動液４との温度差が１〜２Ｋという非常に小さな温度差で、作動液４が沸騰する。このため、薄肉部４１の温度上昇は小さくなり、支柱部７への熱の流れも殆ど発生しない。この結果、従来のように支柱７部を介して第１板状部材１に熱が伝わることがなく、第１板状部材１の表面温度が均一化される。

かかる第１板状部材１の表面温度の均一化について、図６、７を参照しながら、更に詳しく説明する。例えば、図６に示すように、発熱体６と支柱部７との間の距離Ｌを１０ｍｍとする。また、薄肉部４１は銅からなるものとし、薄肉部４１の板厚をｔｍｍとする。

図７は、作動液４の沸騰熱伝達率（ｈ）を１０００、５０００、１００００Ｗ／ｍ^２Ｋの３種類とした場合の、薄肉部４１の板厚（ｔ）と、端面温度上昇との関係である。

ここで、端面温度は、薄肉部４１と支柱部７との接点、即ち、発熱体６から距離Ｌ（＝１０ｍｍ）だけ離れた位置での、薄肉部４１の表面温度として測定される。
また、沸騰熱伝達率（ｈ）は、多孔質部材５１の孔径等で調整できる。例えば、多孔質部材５１を用いないときの沸騰熱伝達（ｈ）は１０００Ｗ／ｍ^２Ｋであり、孔径を調整することにより、沸騰熱伝達（ｈ）を５０００および１００００Ｗ／ｍ^２Ｋとする。

図７に示すように、沸騰熱伝達率（ｈ）が大きいほど、また薄肉部４１の板厚（ｔ）が薄いほど、端面での温度上昇は小さくなることが分かる。端面での温度上昇を抑えることにより、支柱部７を通る熱の移動が抑制され、第１板状部材１の温度は、作動液４の蒸気による熱伝達により制御されることとなる。この結果、第１板状部材１の温度の均一性が向上する。

例えば、上述のように多孔質部材５１を用いない時の沸騰熱伝達（ｈ）は１０００Ｗ／ｍ^２Ｋ程度であり、この場合は、薄肉部４１の板厚（ｔ）を０．１ｍｍと薄くしても、端面の温度上昇は０．１Ｋ以下とはならない。
これに対し、多孔質部材５１を用いて沸騰熱伝達（ｈ）を１００００Ｗ／ｍ^２Ｋとすると、薄肉部４１の板厚（ｔ）は０．６ｍｍであっても、端面の温度上昇を０．１Ｋとすることができる。

このように、本実施の形態１にかかる均熱装置１００では、薄肉部４１と多孔質部材５１を設けることにより、第１板状部材１の温度の均一性が向上する。なお、均熱装置１００では、薄肉部４１と多孔質部材５１の双方を設けたが、いずれか一方のみを設けてもかまわない。この場合にも第１板状部材１の温度の均一性が向上する。

また、本実施の形態１にかかる均熱装置１００では、補強部材４２を設けることにより、薄肉部４１の強度を向上させ、均熱装置１００の持ち運びや設置時の取り扱いが容易となる。

実施の形態２．
図８は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかる均熱装置の断面図であり、図３のＡの部分に相当する。図８中、図１〜３と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

均熱装置２００では、均熱装置１００の多孔質部材５１に代えて、薄肉部４１の上に、沸騰熱伝達促進体６１が設けられている。沸騰熱伝達促進体６１は、複数の溝部を表面に設けて表面積を大きくした板状体からなる。溝部の底角は、１５°〜４５°程度が好ましく、好適には略３０°である。また、材料には例えば銅が使用される。他の構造は、上述の均熱装置１００と同じである。

このように、多孔質部材５１に代えて沸騰熱伝達促進体６１を用いることにより、作動液３と沸騰熱伝達促進体６１との接触面積が大きくなる。また、溝部の底部（底角近傍）が沸騰気泡核を多数有するため、沸騰効率が向上する。この結果、沸騰熱伝達率ｈが大きくなる。

このように、多孔質部材５１に代えて沸騰熱伝達促進体６１を用いることによっても、沸騰熱伝達率（ｈ）を増大させることができ、端面温度の上昇を抑制できる。この結果、第１板状部材１の温度の均一性が向上する。

なお、ここでは、沸騰熱伝達促進体６１として、複数の溝部を表面に形成した板状体を用いたが、例えば底角が１５°〜４５°程度の凹部を設けても構わない。

実施の形態３．
図９は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態３にかかる均熱装置の断面図であり、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た場合の断面に相当する。図９中、図１〜３と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

本実施の形態にかかる均熱装置３００は、発熱体６を有する均熱装置１００に、更に冷却器７１を設けた構造となっている。均熱装置３００では、第１板状部材１（定盤）を加熱して第１板状部材１上の対象物を加熱し、所定の処理を行った後に、冷却器７１を用いて対象物を急速に冷却することができる。

均熱装置３００では、薄肉部４１が形成されない、例えば第２板状部材２の中央部分の下部に冷却器７１が設けられている。冷却器７１には、例えばペルチェ素子や冷却水を用いた水冷装置が使用される。
また、冷却器７１の上方の流路３内には、作動液４と第１板状部材１の裏面との中間位置に隔壁板７２が設けられている。隔壁板７２には、例えば、傘状や半球状の金属板が用いられる。他の構造は、上述の均熱装置１００と同じである。

かかる均熱装置３００では、第１板状部材１（定盤）上の対象物を加熱した後、冷却器７１により、第１板状部材１が支柱部７を介して効果的に冷却される。この結果、第１板状部材１上の対象物の迅速な冷却が可能となる。

冷却器７１が作動している場合、流路３内では、発熱体６の上方から蒸発した作動液４が、流路３内を冷却器７１の方に移動して冷却器７１の上方で冷却、凝集される。
一方、流路３内には、残留空気や発生した水素などの非凝縮性ガス７３も存在するが、これらの非凝縮性ガス７３は、作動液４の移動に伴って流路３内を冷却器７１の方に移動する。均熱装置３００では、冷却器７１の上方に隔壁板７２が設けられ、隔壁板７２の内部に、非凝縮性ガス７３が流れ込み、滞留する。この結果、第１板状部材１の裏面で、非凝縮性ガス７３が、気体状の作動液４の凝縮を妨げるのを防止でき、第１板状部材１の温度が均一化される。

なお、本実施の形態３にかかる冷却器７１は、均熱装置２００や、後述の均熱装置４００にも適用することができる。

実施の形態４．
図１０は、全体が４００で表される、本発明の実施の形態４にかかる均熱装置の断面図であり、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た場合の断面に相当する。図１０中、図１〜３と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

図１０に示すように、均熱装置４００では、流路３に沿って第２板状部材２が内側に折り曲げられ、折り曲げられた薄肉部４１の下方には、薄肉部４１に接するように発熱体６が設けられている。発熱体６は、少なくとも一部が、第２板状部材２の上面より流路３側に配置されている。

かかる構造では、発熱体６から支柱部７までの距離が長くなるため、発熱体６と支柱部７との間の熱抵抗が大きくなる。この結果、支柱部７に流れ、支柱部７を介しての第１板状部材１に伝達される熱量が低減され、第１板状部材１の温度が均一化される。また、発熱体６の熱が外気に触れる面積が小さくなるため、発熱体６から外気に逃げる熱量が小さくなり、加熱効率が向上する。

本発明の実施の形態１にかかる均熱装置の上面図である。本発明の実施の形態１にかかる均熱装置の裏面図である。本発明の実施の形態１にかかる均熱装置の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる均熱装置の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる均熱装置の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる均熱装置の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる均熱装置の、薄肉部の板厚（ｔ）と端面温度上昇との関係である。本発明の実施の形態２にかかる均熱装置の断面図である。本発明の実施の形態３にかかる均熱装置の断面図である。本発明の実施の形態４にかかる均熱装置の断面図である。従来の均熱装置の上面図である。従来の均熱装置の断面図である。

符号の説明

１第１板状部材（定盤）、２第２板状部材、３流路、４作動液、５側壁部、６発熱体、７支柱部、２１溝部、３０流路、４１薄肉部、４２補強部材、５１多孔質部材、１００均熱装置。

Claims

対象物を載置する上面を有する第１板状部材と、
該第１板状部材に平行に配置された第２板状部材と、
該第１板状部材と該第２板状部材との間に形成された流路と、
該流路内に設けられた作動液と、
該流路に沿って、該第２板状部材の下面に設けられた発熱体とを含み、
該発熱体により加熱された作動液が蒸発し、該第１板状部材の裏面で液化することにより、該第１板状部材を加熱する均熱装置であって、
該流路内の、該第２板状部材の上に、該第２板状部材に焼結した銅粒子の焼結体からなる多孔質部材からなる沸騰伝熱促進体が設けられたことを特徴とする均熱装置。
対象物を載置する上面を有する第１板状部材と、
該第１板状部材に平行に配置された第２板状部材と、
該第１板状部材と該第２板状部材との間に形成された流路と、
該流路内に設けられた作動液と、
該流路に沿って、該第２板状部材の下面に設けられた発熱体とを含み、
該発熱体により加熱された作動液が蒸発し、該第１板状部材の裏面で液化することにより、該第１板状部材を加熱する均熱装置であって、
該第２板状部材の裏面に、該流路に沿って溝部を有し、該溝部内に発熱体が設けられるとともに、該溝部上の該第２板状部材を薄肉部とし、該溝部の該発熱体の周囲に補強部材が設けられたことを特徴とする均熱装置。
上記第１板状部材と上記第２板状部材が、円板状の部材であり、上記流路と上記発熱体が、同心円状に配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の均熱装置。
上記薄肉部が、上記流路内に湾曲し、その中に上記発熱体が設けられたことを特徴とする請求項２または３に記載の均熱装置。
上記第２板状部材の裏面に、冷却器が設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の均熱装置。
上記冷却器の上方の、上記第１板状基板と上記作動液との間の上記流路内に、隔壁板が設けられたことを特徴とする請求項５に記載の均熱装置。