JP6991870B2

JP6991870B2 - フレキシブル配管および温度制御システム

Info

Publication number: JP6991870B2
Application number: JP2018012696A
Authority: JP
Inventors: 興平大槻; 章祥三ツ森; 紘司鎌田
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2038-01-29
Also published as: JP2019132296A; US11566728B2; TW201940816A; CN110094582A; US20190234534A1; KR102665726B1; TWI793253B; KR20190092294A

Description

本開示の種々の側面および実施形態は、フレキシブル配管および温度制御システムに関する。

所定の処理を行う処理装置の外部の温度制御ユニットから当該処理装置の内部へ温度制御された流体を循環させることにより、処理装置の内部の温度を制御するシステムが知られている。処理装置と温度制御ユニットとは、クリーンルーム等の限られた設置場所に効率よく配置するために、配置の自由度が高い方が好ましい。そのため、これら２つの装置間に流体を循環させる配管には、一部に、曲げ伸ばしが比較的容易なフレキシブル配管が用いられる。フレキシブル配管には、金属製のベローズ管が用いられることが多い。

しかし、ベローズ管の内側には、流体の流れ方向に凹凸があるため、ベローズ管内を流体が流れることによりベローズ管に微小な振動が発生する場合がある。そのため、精密な処理や測定が要求される装置に用いられる場合、ベローズ管から発生する振動によって、装置によって行われる処理や測定の精度が低くなる場合がある。

これを回避するために、ベローズ管の内側に管状の編組体を配置し、編組体内を流体が流れるように構成された振動抑制構造付きフレキシブルチューブが知られている（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開２０１３－１２４７４８号公報

ところで、配管とその中を流れる流体との間の摩擦が大きくなると、流体の圧力損失が大きくなる。そのため、温度制御ユニットのポンプは、処理装置内部に十分な流量の流体を循環させるために、圧力損失を考慮した吐出圧力で流体を流す必要がある。そのため、温度制御ユニットの消費エネルギーは大きくなる。さらに、処理装置と温度制御ユニットとが離れた場所に設置されたり、処理装置が設置されたフロアとは異なるフロアに温度制御ユニットが設置される場合には、さらに消費エネルギーは大きくなる。

本開示の一側面は、フレキシブル配管であって、金属製のベローズ管と、可撓性チューブとを備える。可撓性チューブは、ベローズ管の内側に配置され、流体が流れる内側の表面が滑らかである。

本開示の種々の側面および実施形態によれば、温度制御ユニットの消費エネルギーを小さくすることができる。

図１は、処理システムの概略の一例を示す図である。図２は、実施例１におけるフレキシブル配管の一例を示す断面図である。図３は、編組体の表面の一例を示す図である。図４は、実施例２におけるフレキシブル配管の一例を示す拡大断面図である。図５は、実施例３におけるフレキシブル配管の一例を示す拡大断面図である。図６は、実施例４におけるフレキシブル配管の一例を示す拡大断面図である。図７は、内管の外周面のコーティングの範囲の一例を示す図である。

以下に、開示するフレキシブル配管および温度制御システムの実施例について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例により、開示されるフレキシブル配管および温度制御システムが限定されるものではない。

［処理システム１００の構成］
図１は、処理システム１００の概略の一例を示す図である。処理システム１００は、気密に構成された処理チャンバ１０と、温度制御システム１６とを備える。温度制御システム１６は、ステージ１１と、配管１４と、チラーユニット１５とを有する。チラーユニット１５は、温度制御ユニットの一例である。

ステージ１１は、処理チャンバ１０の内部の空間に設けられ、温度制御対象物の一例である半導体ウエハＷを載置する。ステージ１１の内部には、流体である冷媒を流通させるための流路が形成されている。ステージ１１内部の流路には、チラーユニット１５によって温度制御された冷媒が、配管１４を介して循環供給される。これにより、ステージ１１上に載置された半導体ウエハＷの温度が所定の温度に調整される。ステージ１１は、熱交換部材の一例である。チラーユニット１５は、温度制御された流体を供給する供給装置の一例である。

配管１４には、リジット配管１２およびフレキシブル配管１３が含まれる。図１の例では、それぞれの配管１４には、２本のリジット配管１２と１本のフレキシブル配管１３とが含まれるが、それぞれの配管１４に含まれるリジット配管１２およびフレキシブル配管１３の数はこれに限られない。

処理チャンバ１０には、例えば、図示しないガス供給装置、排気装置、および高周波電力供給装置等が接続されている。ガス供給装置によって処理チャンバ１０の内部の空間に処理ガスが供給され、排気装置によって処理チャンバ１０の内部の空間内の圧力が所定の圧力に調整される。そして、高周波電力供給装置から、所定の周波数および電力の高周波が例えばステージ１１に印加される。これにより、処理チャンバ１０の内部の空間に処理ガスのプラズマが生成され、プラズマに含まれる活性種等により、ステージ１１に載置された半導体ウエハＷにエッチング等の所定の処理が施される。

［フレキシブル配管１３の構造］
図２は、実施例１におけるフレキシブル配管１３の一例を示す断面図である。本実施例におけるフレキシブル配管１３は、例えば図２に示されるように、ベローズ管１３０、内管１３１、および口金１３３を有する。

ベローズ管１３０は、例えばステンレス等の金属により形成され、内部に流体が流れる。ベローズ管１３０内を流れる流体には、例えばフロン等の絶縁性の流体も含まれる。ベローズ管１３０の両端には、例えばステンレス等の金属によって形成され、外形が略円筒状の口金１３３が、例えば溶接等により固定されている。ベローズ管１３０は、口金１３３を介して接地されている。ベローズ管１３０の内径をｄ₀と定義する。

ベローズ管１３０の内部には、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）またはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素系の樹脂により構成された円筒状の内管１３１が配置されている。内管１３１内には、流体が流される。内管１３１は、フッ素系の樹脂で構成されているため、ベローズ管１３０が屈曲した場合に、ベローズ管１３０に追従して屈曲する。内管１３１は、可撓性チューブの一例である。内管１３１の内径をｄ_iと定義する。

内管１３１の内部を流れる流体の流れ方向（即ち、内管１３１の長手方向）に交差する方向の断面において、内管１３１の外径は、ベローズ管１３０の内径ｄ₀よりも小さい。そのため、内管１３１を、ベローズ管１３０内に挿入することができる。また、内管１３１の長手方向の長さＬ_iは、例えば図２に示されるように、ベローズ管１３０の長手方向の長さＬ₀よりも短い。そのため、ベローズ管１３０の両端に接続された口金１３３と内管１３１と間には、隙間が存在する。

そして、フレキシブル配管１３内に流体が流された場合、流体の一部は、口金１３３と内管１３１と間の隙間を通って、ベローズ管１３０と内管１３１との間に進入する。従って、内管１３１の内側にかかる流体の圧力と内管１３１の外側にかかる流体の圧力との差は小さい。そのため、内管１３１は、流体の圧力によって変形しにくく、内管１３１には、機械強度がそれほど高くない材料を用いることができる。フレキシブル配管１３内を流れる流体の気密性および液密性は、ベローズ管１３０および口金１３３によって確保される。

流体が流れる内管１３１の内側の面１３２は、編組体２０で構成されたチューブの表面よりも滑らかである。具体的には、内管１３１の内側の面１３２の表面粗さＲａは、０．０４５ｍｍ以下である。ここで、編組体２０とは、例えば図３に示されるように、複数の素線２１が交互に編み込まれたものである。素線２１は例えば炭素、金属、またはアルミナ等で構成され、素線２１の直径は例えば数百μｍである。

ここで、配管に所定の圧力で流体を流す場合の流体の圧力損失ΔＰは、例えば以下の式（１）ように表される。
ΔＰ＝λ・（Ｌ／ｄ）・（ρ・ｖ²）／２・・・（１）

式（１）において、λは流体と流体に接する配管の表面との間の管摩擦係数を表し、Ｌは配管の長さを表し、ｄは配管の内径を表し、ρは配管を流れる流体の密度を表し、ｖは流体の流速を表す。圧力損失ΔＰを考慮した吐出圧力で流体を流す必要があるため、流体の圧力損失ΔＰが大きくなると、チラーユニット１５の消費エネルギーが大きくなる。チラーユニット１５の消費エネルギーを小さくするためには、流体の圧力損失ΔＰを小さくする必要がある。

配管が設置される場合、使用可能な配管の内径ｄの最大値は限定される。また、チラーユニット１５による冷却能力を維持するためには、流体の流速ｖを下げることが難しい。また、処理チャンバ１０の設置場所とチラーユニット１５の設置場所が決まると、配管の長さＬを短くすることにも限界がある。そのため、流体の圧力損失ΔＰを下げるには、流体と流体に接する配管の表面との間の管摩擦係数λを如何に下げるかが重要である。

本実施例において、流体が流れる内管１３１の内側の面１３２は、編組体２０で構成されたチューブの表面よりも滑らかである。そのため、本実施例のフレキシブル配管１３は、ベローズ管１３０の内側に編組体２０によって構成されたチューブが配置された従来の配管に比べて、流体と流体に接する内管１３１の面１３２との間の管摩擦係数λを小さくすることができる。これにより、本実施例のフレキシブル配管１３は、流体による圧力損失ΔＰを低く抑えることができる。そのため、チラーユニット１５の消費エネルギーを小さくできる。

また、前述の式（１）において、流体の流速ｖは、流体の流量Ｕと配管の断面積Ａとを用いて、以下の式（２）のように表される。
ｖ＝Ｕ／Ａ＝（４Ｕ）／（πｄ²）・・・（２）
式（２）において、ｄは配管の直径を表す。

式（２）を式（１）に代入すると、流体の圧力損失ΔＰは、例えば以下の式（３）ように表される。
ΔＰ＝（８λＬρＵ²）／（π²ｄ⁵）・・・（３）

式（３）から、ベローズ管１３０の内径ｄ₀と、ベローズ管１３０の管摩擦係数λ₀と、内管１３１の内径ｄ_iと、内管１３１の管摩擦係数λ_iとが、以下の式（４）に示される関係を満たす場合に、流体の圧力損失ΔＰを低減することができる。
（λ₀／λ_i）＞（ｄ₀／ｄ_i）⁵ ・・・（４）

本実施例の内管１３１では、内側の面１３２の表面粗さＲａが例えば０．０４５ｍｍ以下の滑らかさとなるように形成される。そのため、上記の式（４）を満たすことが可能となり、流体の圧力損失ΔＰを低減することができる。

実施例１において、内管１３１は、ＰＦＡまたはＰＴＦＥ等の絶縁性の材料により構成され、内管１３１内部を流れる流体は、フロン等の絶縁性の流体である。そのため、流体と内管１３１の内側の面１３２との間の摩擦により発生した静電気が、内管１３１に帯電する。そして、内管１３１に帯電した静電気の電圧が一定値を超えると、放電が起り、内管１３１が損傷する場合がある。

これを回避するため、本実施例では、ＰＦＡまたはＰＴＦＥ等の絶縁性の材料に、導電性の材料が添加されたものを用いて、内管１３１が形成される。ＰＦＡまたはＰＴＦＥ等の絶縁性の材料に添加される導電性の材料は、例えば、炭素または金属である。そのため、本実施例の内管１３１は、導電性を有する。

また、本実施例において、内管１３１の外径は、例えば図２において説明された実施例１の内管１３１と同様に、ベローズ管１３０の内径ｄ₀よりも小さい。また、内管１３１の長手方向の長さＬ_iは、例えば図２において説明された実施例１の内管１３１と同様に、ベローズ管１３０の長手方向の長さＬ₀よりも短い。また、内管１３１は、ベローズ管１３０および口金１３３に対して固定されていない。そのため、内管１３１は、ベローズ管１３０の内部を、ベローズ管１３０の長手方向および長手方向に交差する方向に移動することができる。

そのため、内管１３１の外周面の少なくとも一部は、例えば図４に示されるように、ベローズ管１３０に接触し、電気的にベローズ管１３０と導通する。図４は、実施例２におけるフレキシブル配管１３の一例を示す拡大断面図である。これにより、流体と内管１３１の内側の面１３２との間の摩擦により発生した静電気は、内管１３１内を流れ、ベローズ管１３０と接触している内管１３１の外周面からベローズ管１３０へ流れる。ベローズ管１３０は、口金１３３を介して接地されているため、内管１３１からベローズ管１３０へ流れた静電気は、グランドへ流れる。

これにより、本実施例のフレキシブル配管１３は、内管１３１に帯電する静電気の電圧の上昇を抑えることができ、放電による内管１３１の損傷を抑えることができる。

実施例２では、導電性を有する材料により内管１３１全体が形成されたが、本実施例では、流体が流れる内管１３１の内側が、導電性を有する材料によってコーティングされる点が異なる。

図５は、実施例３におけるフレキシブル配管１３の一例を示す拡大断面図である。本実施例において、内管１３１の内側は、例えば図５に示されるように、導電性の材料を含む塗膜１３５によってコーティングされる。内管１３１内を流れる流体に接する塗膜１３５の面は、編組体２０で構成されたチューブの表面よりも滑らかである。具体的には、内管１３１内を流れる流体に接する塗膜１３５の表面粗さＲａは、０．０４５ｍｍ以下である。

また、内管１３１の内側をコーティングする塗膜１３５は、配線１３６によってベローズ管１３０に接続される。これにより、流体と塗膜１３５との間の摩擦により発生した静電気は、塗膜１３５内を流れ、配線１３６を介してベローズ管１３０へ流れる。ベローズ管１３０は、口金１３３を介して接地されているため、ベローズ管１３０へ流れた静電気は、グランドへ流れる。なお、内管１３１の内側をコーティングする塗膜１３５は、配線１３６によって口金１３３に接続されてもよい。

これにより、本実施例のフレキシブル配管１３は、内管１３１内を流れる流体により内管１３１に帯電する静電気の電圧の上昇を抑えることができ、放電による内管１３１の損傷を抑えることができる。

実施例３では、内管１３１の内側をコーティングする塗膜１３５が、配線１３６によりベローズ管１３０に接続されたが、本実施例では、例えば図６に示されるように、内管１３１の内側をコーティングする塗膜１３５が、配線１３８により、内管１３１の外側をコーティングする塗膜１３７に接続される。図６は、実施例４におけるフレキシブル配管１３の一例を示す拡大断面図である。そして、塗膜１３７が、ベローズ管１３０に接触することにより、ベローズ管１３０と導通する。

これにより、内管１３１がベローズ管１３０内を移動した場合でも、配線１３８が内管１３１と一体となってベローズ管１３０内を移動するため、配線１３８が断線し難い。従って、流体と塗膜１３５との間の摩擦により発生した静電気を、ベローズ管１３０を介してより確実にグランドへ逃がすことができる。

なお、内管１３１の内側をコーティングする塗膜１３５と、内管１３１の外側をコーティングする塗膜１３７とは、内管１３１の端面に設けられた配線１３８によって接続される他に、例えば図６に示されるように、内管１３１を厚さ方向に貫通する配線１３９によって接続されてもよい。これにより、内管１３１の端面と口金１３３とが擦れても、塗膜１３５と塗膜１３７とを接続する配線が剥がれることがなく、塗膜１３５と塗膜１３７とをより確実に接続することができる。

また、塗膜１３７は、内管１３１の外周面の全面に設けられてもよく、例えば図７に示されるように、長手方向の内管１３１の少なくとも一部に設けられてもよい。図７の例では、長手方向の内管１３１の少なくとも一部に、内管１３１の外周面の全周をコーティングするように塗膜１３７が設けられている。これにより、内管１３１の外側に設けられる塗膜１３７の量を削減することができる。なお、図７の例では、塗膜１３５と塗膜１３７とを接続する配線１３８は、内管１３１の端面に１つ設けられているが、他の例として、塗膜１３５と塗膜１３７とを接続する配線１３８は、内管１３１の端面に複数設けられていてもよい。

以上、本発明を実施例を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施例に記載の範囲には限定されない。上記実施例に多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者には明らかである。また、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

Ｗ半導体ウエハ
１００処理システム
１０処理チャンバ
１１ステージ
１２リジット配管
１３フレキシブル配管
１３０ベローズ管
１３１内管
１３２面
１３３口金
１３５塗膜
１３６配線
１３７塗膜
１３８配線
１３９配線
１４配管
１５チラーユニット
１６温度制御システム
２０編組体
２１素線

Claims

金属製のベローズ管と、
前記ベローズ管の内側に配置され、流体が流れる内側の表面が滑らかである可撓性チューブと
を備え、
前記可撓性チューブの内側の少なくとも一部は、導電性を有する材料によりコーティングされており、
前記可撓性チューブの内側コーティングは、前記ベローズ管に導通していることを特徴とするフレキシブル配管。
前記可撓性チューブの外側の少なくとも一部は、導電性を有する材料によりコーティングされており、
前記可撓性チューブの外側のコーティングは、前記可撓性チューブの内側のコーティングに接続されており、
前記可撓性チューブの外周のコーティングの少なくとも一部は、前記ベローズ管と導通していることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル配管。
前記導電性を有する材料は、炭素または金属の粉末が添加された塗膜であることを特徴とする請求項１または２に記載のフレキシブル配管。
前記可撓性チューブは、
ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）またはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）により構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のフレキシブル配管。
金属製のベローズ管と、
前記ベローズ管の内側に配置され、流体が流れる内側の表面が滑らかである可撓性チューブと
を備え、
前記可撓性チューブは、導電性を有する材料により構成されており、
前記可撓性チューブの外周の少なくとも一部は、前記ベローズ管と導通していることを特徴とするフレキシブル配管。
前記可撓性チューブは、
炭素または金属の粉末が添加されたＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）またはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を含む材料により構成されることを特徴とする請求項５に記載のフレキシブル配管。
流体が流れる前記可撓性チューブの内側の面は、編組体の表面よりも滑らかであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のフレキシブル配管。
前記可撓性チューブの内側の表面粗さＲａは、０．０４５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のフレキシブル配管。
前記ベローズ管の内径ｄ₀、前記ベローズ管の管摩擦係数λ₀、前記可撓性チューブの内径ｄ_i、前記可撓性チューブの管摩擦係数λ_iとは、以下の関係を満たすことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のフレキシブル配管。
（λ₀／λ_i）＞（ｄ₀／ｄ_i）⁵
前記可撓性チューブの外径は、前記ベローズ管の内径よりも短く、
前記可撓性チューブの長手方向の長さは、前記ベローズ管の長手方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のフレキシブル配管。
前記フレキシブル配管は、前記ベローズ管の両端に固定される金属の口金を備え、
前記口金は接地されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のフレキシブル配管。
基板処理装置内に設けられ、前記基板処理装置内の温度制御対象物と熱交換を行う熱交換部材と、
前記熱交換部材に、温度制御された流体を供給する供給装置と、
前記熱交換部材と前記供給装置との間の前記流体の流路の少なくとも一部を構成するフレキシブル配管と
を備え、
前記フレキシブル配管は、
金属製のベローズ管と、
前記ベローズ管の内側に配置され、前記流体が流れる内側の表面が滑らかである可撓性チューブと
を有し、
前記可撓性チューブの内側の少なくとも一部は、導電性を有する材料によりコーティングされており、
前記可撓性チューブの内側コーティングは、前記ベローズ管に導通していることを特徴とする温度制御システム。
基板処理装置内に設けられ、前記基板処理装置内の温度制御対象物と熱交換を行う熱交換部材と、
前記熱交換部材に、温度制御された流体を供給する供給装置と、
前記熱交換部材と前記供給装置との間の前記流体の流路の少なくとも一部を構成するフレキシブル配管と
を備え、
前記フレキシブル配管は、
金属製のベローズ管と、
前記ベローズ管の内側に配置され、前記流体が流れる内側の表面が滑らかである可撓性チューブと
を有し、
前記可撓性チューブは、導電性を有する材料により構成されており、
前記可撓性チューブの外周の少なくとも一部は、前記ベローズ管と導通していることを特徴とする温度制御システム。