JP6306356B2

JP6306356B2 - 回転流発生装置、それを備える配管システム、半導体製造装置及び熱交換器

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Publication number: JP6306356B2
Application number: JP2014012461A
Authority: JP
Inventors: 進藤　豊彦; 豊彦進藤
Original assignee: 有限会社コンタミネーション・コントロール・サービス
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2034-01-27
Also published as: US20150219105A1; JP2015140816A

Description

本発明は、回転流発生装置、それを備える配管システム、半導体製造装置及び熱交換器に関するものである。

例えば、反応ガスを用いる処理を行う半導体製造装置の排気管は、反応副生成物等が排気ガスに含まれるため、詰まり易い。その詰まりを防止するため、排気管の外部に面状ヒータを巻きつけて加熱し、生成物を付着しにくくする方法がある（特許文献１参照）。
また、排気管の内部に高温希釈ガスを流し、生成物を分解して希釈ガスとともに流出す方法もある（特許文献２参照）。
さらに、側面に吹出口が形成されるとともに頭部が閉塞された筒状ノズルを排気管内に取り付け、その筒状ノズルに流体を流すことによってサイクロン流を発生させ、このサイクロン流によって詰まりを防止するものもある（特許文献３参照）。

特開２００７−２５０６９６号公報特開２００４−１６５５８４号公報特開２０１１−１４１０２４号公報

特許文献１に記載の従来技術によると、原理的には、高温にすれば管壁への付着はなくなる。しかし、実際には種々の部品があるために管壁への付着を防止できるほどの高温にはできず、詰まりが発生してしまう。
また、特許文献２に記載の従来技術によると、管壁での流速が非常に遅くなるため、管壁においては温度が下がり、詰まりが発生してしまう。
さらに、特許文献３に記載の従来技術によると、吹出口が狭いため、圧力損失が大きい。

本発明の課題は、配管内の詰まりをより良好に防止可能な回転流発生装置、それを備える配管システム、半導体製造装置及び熱交換器を提供することである。

上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、軸部（２２）と、前記軸部（２２）に固定された案内羽根（２３）と、前記案内羽根（２３）の外周側に配置され、前記案内羽根（２３）の少なくとも一部分から連続して外周側に延びるフランジ部と、を備え、前記フランジ部の外周面は、湾曲したＯリング受け面となっていること、を特徴とする回転流発生装置（２０，２０’）である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転流発生装置（２０’）であって、前記案内羽根（２３）の外周に、円筒部（２１）が設けられ、前記フランジ部は前記円筒部（２１）の一端から外周側に延びていること、を特徴とする回転流発生装置（２０’）である。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の回転流発生装置（２０’）であって、前記円筒部（２１）は、内部に前記案内羽根（２３）が設けられている第１部分と、該第１部分から延びる第２部分と、を備えること、を特徴とする回転流発生装置（２０’）である。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の回転流発生装置（２０，２０’）であって、前記案内羽根（２３）は、複数枚設けられ、案内羽根（２３）は、前記軸部（２２）と直交する面と前記案内羽根（２３）の外周を通る円筒部（２１）との交線に対する、前記案内羽根（２３）と前記円筒部（２１）との連結部の角度が異なるものを有すること、を特徴とする回転流発生装置（２０，２０’）である。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の回転流発生装置（２０，２０’）であって、前記軸部（２２）は、円柱部（２２ａ）と、該円柱部（２２ａ）の両端に設けられた円錐部（２２Ｆ，２２Ｒ）と、を備え、一方の前記円錐部（２２Ｆ）の頂角は１２０度であること、を特徴とする回転流発生装置（２０，２０’）である。
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の回転流発生装置（２０，２０’）が、配管（１０）の内部に取り付けられていること、を特徴とする配管システムである。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の配管システムにおいて、前記配管（１０）を流れる流体の状態を検出するセンサ（５１）が取り付けられていること、を特徴とする配管システムである。
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の配管システムにおいて、前記センサ（５１）は前記配管（１０）を流れる流体の音を検出するものであること、を特徴とする配管システムである。
請求項９に記載の発明は、請求項６から８のいずれか１項に記載の配管システムを備える半導体製造装置（１）である。
請求項１０に記載の発明は、請求項６から８のいずれか１項に記載の配管システムを備える熱交換器である。
なお、上記構成は、適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成物に代替してもよい。

本発明によれば、配管内の詰まりを良好に防止可能な回転流発生装置、それを備える配管システム、半導体製造装置及び熱交換器を提供することができる。

本発明に係る回転流発生装置の一実施形態を適用した半導体製造装置の概念構成図である。回転流発生装置の外観斜視図である。（ａ）は回転流発生装置を上流側から見た正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。回転流発生装置のガス排出管への装着構造および生成する回転流を説明する図である。第２実施形態に係る回転流発生装置のガス排出管への装着構造および生成される回転流を説明する図である。変形形態に係る回転流発生装置の外観斜視図である。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る回転流発生装置の一実施形態を適用した半導体製造装置１の概念構成図である。

図１に示す半導体製造装置１は、基板処理室２にガス供給管３とガス排出管１０とが接続されて構成されている。
基板処理室２は、詳細な説明は省略するが、石英等によって形成され、下部にフランジによって開閉可能な開口部を備えている。基板処理室２には、開口部を介して処理される基板４が出し入れされる。

ガス供給管３は、基板処理室２の一方側（図１中右側）の下部に接続されている。ガス供給管３は、基板処理室２に基板処理ガスを供給する。
ガス排出管１０は、基板処理室２の他方側（図１中左側）の下部に接続されている。ガス排出管１０は、その下流側において真空ポンプ５に接続されている。また、ガス排出管１０には、排気トラップ１１が設けられ、その上下流それぞれにバルブ１２，１３が配置されている。

真空ポンプ５は、その駆動によって基板処理室２での反応によって生成された基板処理済みガス等を、ガス排出管１０を介して排気する。
排気トラップ１１は、基板処理室２から排出されてガス排出管１０を流れる基板処理済みガスから、反応副生成物等を冷却・析出させて除去する。排気トラップ１１は、その上下流に設けられたバルブ１２，１３を閉じて交換することができ、これによって捕集した反応副生成物等を回収できるようになっている。

上記構成の半導体製造装置１は、下記のような作用によって基板に成膜処理を行う。
すなわち、基板処理室２内に基板４を載置して、基板処理室２内の温度、圧力が調節し、ガス供給管３を介して基板処理室２に基板処理ガスを供給する。
これにより、基板処理室２に供給された基板処理ガスが、加熱により反応して成膜成分を生成し、基板４の表面に堆積させる。たとえば、基板処理ガスとしてＳｉＨ_２ＣＬ_２とＮＨ_３との混合ガスを用い、反応生成した成膜成分であるＳｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）を基板４の表面に堆積させる。

基板処理室２で反応した後の基板処理済みガスは、真空ポンプ５の駆動によってガス排出管１０を介して吸引し、排出する。その際、基板処理済みガスに含まれる反応副生成物等は、途中で排気トラップ１１によって捕集して回収する。
前述の反応ではＨＣＬが発生し、発生したＨＣＬは、二次反応によって、ＮＨ_３（アンモニウム）と結合してＮＨ_４ＣＬ（塩化アンモニウム）となり、これが他の反応成分と共に反応副生成物等となる。

なお、ガス排出管１０の外部には、当該ガス排出管１０を流れる基板処理済みガスの詰まり状況を検知するセンサ５１が設けられており、その検出情報は当該半導体製造装置１を統括制御する制御部５０に入力されるようになっている。

本実施形態でセンサ５１はガス排出管１０から発生する音を検知する音センサである。センサ５１は、経時的に音を測定しており、音の変化に応じて、詰まりを検出する。
ただし、これに限定されず、センサ５１をガス排出管１０の上流側と下流側とに設け、両者の音に差が生じてきた場合に、詰まりを検出するものであってもよい。
このように、音を検出するセンサ５１は、ガス排出管１０の外側に取り付け詰まりを検出することができるので、設置が容易で、またガス排出管１０の流れを妨げることがない。
さらに、音センサに限定されず振動を検出するものでもよく、ガス排出管１０内の圧力、温度を検出するものであってもよい。
制御部５０は、センサ５１からの入力情報に基づいて、反応副生成物等によるガス排出管１０の閉塞（または排気トラップ１１の交換時期）を予測し、半導体製造装置１を制御する。

（第１実施形態）
ここで、ガス排出管１０の基板処理室２との接続部、すなわちガス排出管１０の入口部位には、本発明の一実施形態である回転流発生装置２０が設けられている。

つぎに、この回転流発生装置２０について、前述した図１に加えて図２〜図４を参照して説明する。
図２は、回転流発生装置２０の外観斜視図である。図３（ａ）は回転流発生装置２０を上流側から見た正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図４は、回転流発生装置２０のガス排出管１０への装着構造および生成する回転流を説明する図である。

回転流発生装置２０は、図２および図３に示すように、円筒部２１と、その一端に形成されたフランジ部２４と、円筒部２１の中心部に位置する軸部２２と、円筒部２１と軸部２２との間に設けられた４枚の案内羽根２３と、を備えている。なお、回転流発生装置２０は、図２および図３（ｂ）中右側を上流側（基板処理室２側）として配置される。

円筒部２１は、肉薄の短筒状であり、その外径は後述するガス排出管１０の内側に隙間なく挿入可能な大きさに形成されている。
軸部２２は、所定径の円柱状であって、後述する案内羽根２３が一体に接合する円柱部２２ａの前後両端に、それぞれ円錐部（先端円錐部２２Ｆ，後端円錐部２２Ｒ）を備えている。
なお、本実施形態の回転流発生装置２０は、このように円筒部２１を有しているが、これに限定されず、羽根２３の外周部に円筒部２１を有さないものであってもよい。

上流側に向かう先端円錐部２２Ｆの頂角は１２０°、下流側に向かう後端円錐部２２Ｒの頂角は９０°に設定されている。
上流側に向かう先端円錐部２２Ｆの頂角を１２０°とすることで、乱流等形成することなく、流体の流れを滑らかに案内羽根２３に導入することができる。
また、下流側に向かう後端円錐部２２Ｒの頂角を９０°とすることで、案内羽根２３によって形成された回転流を、乱流等形成することなく、滑らかに管の内壁に案内することができる。

案内羽根２３は、薄板状で、円筒部２１の内壁と軸部２２の外周面との間に、周方向に等間隔で（すなわち９０°間隔で）４枚設けられている。そして、案内羽根２３は、軸部２２の外周面と円筒部２１の内周面とを連結するように設けられ、換言すると、４枚の案内羽根２３で、円筒部２１の中央に軸部２２を支持している。

円筒部２１の軸線ＣＬと直交する面と円筒部２１との交線Ｌ１に対する、案内羽根２３と円筒部２１との連結部Ｌ２の角度は図２に示すように、角度θ（たとえば、θ＝２０°）で傾斜している。本実施形態では、角度θは、４枚全ての案内羽根２３において同一に設定されている。

円筒部２１の一端側から外径側に向かって延びるフランジ部２４は、該フランジ部２４の外周面２４ａ（外方を向く面）が、図３に示すように湾曲している。この外周面２４ａにＯリング１４が配置されて保持される。すなわち、フランジ部２４は、Ｏリング１４の位置決めを行うインナーリングの機能を有している。
フランジ部２４の厚みｔは、図３に示すように、Ｏリング１４の厚みＲより小さい。なお、Ｏリング１４の厚みとは、図３に示すように、Ｏリング１４を構成する部材の断面の直径である。

また、Ｏリング１４の外周側には、図４に示すようにアウターリング２５が配置される。アウターリング２５は、断面Ｔ字形状の円環部材で、外環部２５ａと、その外環部２５ａの内側中央部より内径側に延びる内環部２５ｂとを有する。内環部２５ｂの厚みは、フランジ部２４の厚みと同じ、Ｏリング１４の厚みＲより小さい厚みｔである。
また、内環部２５ｂの端面２５ｃは、フランジ部２４の外周面２４ａと同様に湾曲し、フランジ部２４の外周面２４ａとアウターリング２５の端面２５ｃとで、Ｏリング１４を挟み込む。

回転流発生装置２０は、図１および図４に示すように、ガス排出管１０の入口（ガス排出管１０の基板処理室２との接続部：基板処理室２から基板処理済みガスが流入する部位）配置される。
このとき、回転流発生装置２０の円筒部２１は、ガス排出管１０の内側に挿入されるが、フランジ部２４はガス排出管１０の内径よりも大きいので、内部に挿入されない。したがって、回転流発生装置２０全体がガス排出管１０内へ深く進入して取り外しが困難になることが防止される。

そして、図４に示すように、ガス排出管１０の先端部の外周に設けられた連結フランジ１０Ｆと、基板処理室２の排出口に設けられた固定フランジ２Ｆとは、間にフランジ部２４と、Ｏリング１４と、アウターリング２５の内環部２５ｂとを介して対向して配置され、外周側からクランプ１５で締め付けられる。

連結フランジ１０Ｆと、固定フランジ２Ｆとは外周側に向かって厚みが薄くなるように、互いが対向する側と反対側の斜面にテーパが設けられている。
一方、クランプ１５は、外周側から内周側に向かって厚みが薄くなるように内面側にテーパが設けられている。
したがって、クランプ１５を内径側に向かって締め付けると連結フランジ１０Ｆと、固定フランジ２Ｆとが互いに近づくように押圧される。

このとき、Ｏリング１４の厚みＲは、アウターリング２５の内環部２５ｂの厚みｔ及びフランジ部２４の厚みｔよりも大きい。このため、クランプ１５を内径側に向かって締め付けて連結フランジ１０Ｆと、固定フランジ２Ｆとが互いに近づくように押圧されることによってＯリング１４が変形する。
この際、Ｏリング１４はフランジ部２４によって位置が固定されているので締め付けの際にずれることなく、Ｏリング１４の側面は連結フランジ１０Ｆと固定フランジ２Ｆとに押し付けられて、ガス排出管１０と基板処理室２とが気密的に接続される。

このようにガス排出管１０の入口に取り付けられた回転流発生装置２０は、以下のように作用する。
回転流発生装置２０は、上流側から流入する基板処理済みガスの気流を、軸部２２の先端円錐部２２Ｆが周囲に向かって（ガス排出管１０の内壁面に衝突する方向に）放射状に偏向させ、さらに、案内羽根２３がその形成形状に沿って周方向斜めに偏向させる。

すなわち、案内羽根２３は、基板処理済みガスの気流を、軸線ＣＬと直交する面内においては軸線ＣＬを中心とする円の接線方向に、且つ、軸線ＣＬと平行する方向においては案内羽根２３の角度に偏向させる。軸部２２の後端円錐部２２Ｒは、偏向した気流を軸部２２の下流側において円滑に合流させる。

これにより、回転流発生装置２０の下流側においてガス排出管１０を流れる基板処理済みガスは、ガス排出管１０の内壁面に衝突して方向を規制され、図４に示すように内壁面に沿って所定のピッチで旋回する回転流Ｓを形成する。案内羽根２３は周方向に９０°間隔で４枚設けられているため、回転流は、同一ピッチで９０°位相が異なる４条ネジのように４本形成され、これらが合流して流れる。

ガス排出管１０を回転流となって流れる基板処理済みガスは、ガス排出管１０の内壁面に衝突してその表面に形成される境界層を破壊する（または境界層の形成を防ぐ）。このため、境界層による流速および温度の低下に起因して生ずる、基板処理済みガスに含まれる塩化アンモニウム等の反応副生成物の析出を抑制することができる。また、内壁面に付着した反応副生成物等を気流で除去することができる。
その結果、反応副生成物等の内壁面への付着に起因するガス排出管１０の詰まりを抑制することができ、メンテナンスの頻度およびそのための休止時間を少なくでき、半導体製造装置１の稼働効率を向上させることが可能となる。

さらに、回転流発生装置２０は、フランジ部２４を備え、フランジ部２４がインナーリングの機能を有しているので、別部材としてインナーリングを用いることなく、Ｏリング１４を保持することができる。
そして、フランジ部２４の厚みｔはＯリング１４の厚みＲより小さいので、クランプで締め付けたときにＯリング１４が圧縮変形することができ、ガス排出管１０と基板処理室２とを、気密的に接続することができる。

（第２実施形態）
つぎに、本発明にかかる回転流発生装置の第２実施形態について説明する。
図５は、第２実施形態に係る回転流発生装置２０’の外観斜視図である。
なお、本第２実施形態における回転流発生装置２０’の基本構成および装着構造は前述した第１実施形態と同様であり、同機能の構成要素については同符号を付して説明を省略する。

第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、羽根２３が設けられている部分よりも円筒部２１’が長い点である。
第１実施形態によると、ガスに含まれる反応副生成物等の、ガス排気管１０内での析出および内壁面への付着を抑制することが可能であるが、ガス排気管１０の内壁面にわずかに反応副生成物が付着する可能性もある。

しかし、本実施形態によると、回転流発生装置２０’の円筒部２１’が長い。
メンテナンス時においては、クランプ１５を取り外し、ガス排出管１０の先端部の外周に設けられた連結フランジ１０Ｆと、基板処理室２の排出口に設けられた固定フランジ２Ｆとガス排気管１０と接続部を離間させる。
この際に、回転流発生装置２０’を筒から抜き出し、回転流発生装置２０’のみ洗浄することで、延びた円筒部２１に付着した反応副生成物を除去することができる。
これにより、ガス排気管１０の内壁に付着する反応性生物の除去が容易となる。

（変形形態）
以上、説明した実施形態に限定されることなく、以下に示すような種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の範囲内である。

（１）上述の実施形態では、円筒部２１の内壁と軸部２２の外周面との間に設けられた４枚の案内羽根２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄの、軸線ＣＬと直交する面と円筒部２１との交線Ｌ１に対する、案内羽根２３と円筒部２１との連結部Ｌ２の角度θは全て同じであったが、これに限定されない。図６に示すように、例えば、案内羽根２３と円筒部２１との連結部Ｌ２の角度θａ，θｂ，θｃ，θｄを、全て異ならせてもよく（図６においてはθａ＜θｂ＜θｃ＜θｄとして示す）。また、角度θａ，θｂ，θｃ，θｄのうちのいずれか１つ又は２つを異ならせてもよい。

これによると、各案内羽根２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄは、それぞれピッチの異なる基板処理済みガスの回転流Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄを生成する。この基板処理済みガスの回転流Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄのピッチを適宜設定することで、回転流をガス排出管１０の内壁面に効率よく衝突させることもできる。
なお、各羽根の間には、隙間が設けられないようにするの好ましいが、この場合、羽根の角度は、円筒部の内径や長さによって定まる。

（２）本実施形態では、回転流発生装置２０は４枚の案内羽根を備えている。しかし、案内羽根の数はこれに限らず、それ以下またはそれ以上であっても良い。たとえば、１〜１６枚(好ましくは２〜８枚)の案内羽根を備える構成としても良い。

（３）本実施形態では、回転流発生装置２０をガス排出管１０の入口部位に１カ所設けた。しかし、回転流発生装置２０の配置位置および数はこれに限らず、たとえば、管路の入口と中間の２カ所に配置する等、適宜設定可能である。
（４）本実施形態は、回転流発生装置２０をガス排出管１０に設けた例であるが、回転流発生装置２０を、反応ガスを供給するガス供給管３に設けても良い。

（５）本実施形態は、回転流発生装置２０によって生成する回転流によって、管路（ガス排出管１０）の内壁への、輸送ガス（基板処理済みガス）の成分（反応副生成物等）の付着を抑制するものである。しかし、本発明の回転流発生装置は、熱交換器における熱媒体の管路に適用しても良い。これによれば、回転流によって管路内壁面の境界層を破壊することで、熱交換効率を向上させることができる。
（６）さらに、上述の実施形態では、流体としてガスを流す場合について説明したがこれに限定されない。例えば、液体、粉体等の流動性の固体であってもよい。
なお、実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した実施形態によって限定されることはない。

１：半導体製造装置、２：基板処理室、２Ｆ：固定フランジ、３：ガス供給管、４：基板、１０：排気管、１０Ｆ：連結フランジ、１４：Ｏリング、１５：クランプ、２０：回転流発生装置、２１：円筒部、２１：円筒部、２２：軸部、２２ａ：円柱部、２２Ｆ：先端円錐部、２２Ｒ：後端円錐部、２３：案内羽根、２３：羽根、２４：フランジ部、２４ａ：外周面、２５：アウターリング、２５ａ：外環部、２５ｂ：内環部、２５ｃ：端面、５１：センサ

Claims

軸部と、
前記軸部に固定された案内羽根と、
前記案内羽根の外周側に配置され、前記案内羽根の少なくとも一部分から連続して外周側に延びるフランジ部と、を備え、
前記フランジ部の外周面は、湾曲したＯリング受け面となっていること、
を特徴とする回転流発生装置。
請求項１に記載の回転流発生装置であって、
前記案内羽根の外周に、円筒部が設けられ、前記フランジ部は前記円筒部の一端から外周側に延びていること、
を特徴とする回転流発生装置。
請求項２に記載の回転流発生装置であって、
前記円筒部は、内部に前記案内羽根が設けられている第１部分と、該第１部分から延びる第２部分と、を備えること、
を特徴とする回転流発生装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の回転流発生装置であって、
前記案内羽根は、複数枚設けられ、
案内羽根は、前記軸部と直交する面と前記案内羽根の外周を通る円筒部との交線に対する、前記案内羽根と前記円筒部との連結部の角度が異なるものを有すること、
を特徴とする回転流発生装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の回転流発生装置であって、
前記軸部は、円柱部と、該円柱部の両端に設けられた円錐部と、を備え、
一方の前記円錐部の頂角は１２０度であること、
を特徴とする回転流発生装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の回転流発生装置が、配管の内部に取り付けられていること、を特徴とする配管システム。
請求項６に記載の配管システムにおいて、
前記配管を流れる流体の状態を検出するセンサが取り付けられていること、
を特徴とする配管システム。
請求項７に記載の配管システムにおいて、
前記センサは前記配管を流れる流体の音を検出するものであること、を特徴とする配管システム。
請求項６から８のいずれか１項に記載の配管システムを備える半導体製造装置。
請求項６から８のいずれか１項に記載の配管システムを備える熱交換器。