JPH07319559A

JPH07319559A - 恒温槽

Info

Publication number: JPH07319559A
Application number: JP11065194A
Authority: JP
Inventors: Kenji Suzuki; 賢次鈴木
Original assignee: NEC Yamagata Ltd
Current assignee: NEC Yamagata Ltd
Priority date: 1994-05-25
Filing date: 1994-05-25
Publication date: 1995-12-08

Abstract

(57)【要約】【目的】不純物の拡散源である薬液８を一定の温度に保
持する恒温槽において、不安定な温度変化をもたらすこ
と無くより短時間で設定温度に到達することができると
ともに取扱いし易くする。【構成】槽本体２の底面部と側面部の両方に加熱・冷却
源であるサーモモジュール３と、サーモモジュール３と
薬液ボトル５の側面のすき間に粒状金属片を充填して構
成される金属片構成体４とを設け、サーモモジュール３
からの熱伝導度を高めてＰＩＤ温度制御系の遅れを小さ
くしている。また、金属片構成体４を構成する金属片を
粒状にし粉塵にならないような大きさにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板に不純物を
拡散する熱拡散炉におけるソース源である薬液を一定の
温度にする恒温槽に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３および図４は従来の恒温槽の例を示
す模式断面図である。従来、この種の恒温槽は、図３，
図４に示すように、オキシ塩化リンあるいは純水などの
薬液８が充填された薬液ボトル５を入れる槽本体２と、
槽本体２の底面部または側面部に配置されたサーモモジ
ュール３と、薬液ボトル５内の温度を測定する温度検出
器６と、槽本体２の開口を蓋をするプレート７と、温度
検出器６の温度信号を入力しサーモモジュール３の出力
をＰＩＤ制御を行うコントローラ１を有している。ま
た、薬液ボトル５の側面とサーモモジュール３との間に
は、熱を伝達する空気媒体８あるいは液体媒体１０が介
在している。

【０００３】なお、温度検出器６は精密に測定できるよ
うに白金抵抗体温度測定素子が使用されている。また、
熱媒体として液媒体１０や空気媒体９が使用されている
理由は、外形寸法が変った薬液ボトル５が容易に槽本体
２に挿入または取出しができるように図ったものであ
る。そして、その多くは伝熱媒体として液媒体１０を使
用するが、液漏れ等による危険を防止するためにしばし
ば空気媒体９を使用していた。

【０００４】この恒温槽の温度制御は、温度検出器６の
温度が設定温度を保つようにコントローラ１によりＰＩ
Ｄ制御で行うことである。このコントローラ１は、ＰＩ
Ｄ制御値において、Ｐ（比例帯）が最大２桁（０〜２０
℃），Ｉ（積分時間）が最大３桁（０〜９９９秒），Ｄ
（微分時間）が最大３桁（０〜９９９秒）で任意設定出
来る汎用型のＰＩＤ温度調節器である。

【０００５】まず、このＰＩＤ温度制御は、Ｐ，Ｉ，Ｄ
を設定しコントローラ１を動作させる。このことによ
り、図５に示すように、サーモモジュール３の直接加熱
あるいは熱媒体を介して薬液ボトル５の薬液８が加熱さ
れ昇温する。そして、温度が比例帯（Ｐ）に突入しＰＩ
Ｄ動作にて制御しながら設定温度に収斂させる。

【０００６】このように温度設定領域（比例帯Ｐ）に至
ると、この安定領域でのオフセットをなくす積分動作の
積分時間（Ｉ）と温度上昇と下降の繰返し振動を減衰さ
せる微分動作の微分時間（Ｄ）とを設定し薬液８の温度
が設定温度に収斂するように制御し一定の温度に保つよ
うに図っていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図５（ａ）および
（ｂ）は図３および図４の恒温槽の問題点を説明するた
めの恒温槽の薬液の温度変化を示すグラフである。しか
しながら、上述の恒温槽では、熱伝導度の低い液媒体や
空気媒体が介在するので、図５（ａ）に示すように、設
定温度に到達するまでの時間が長くなる欠点がある。例
えば、５００ｃｃの薬液を５℃変化させ設定温度に到達
させ安定するまで、約２．５時間を要していた。特に、
熱伝導度の低い空気媒体の場合はさらに長く、到達安定
までの時間は約６時間を要するといった問題がある。

【０００８】また、この到達時間を短縮するために、比
例帯を小さくしたりあるいは積分時間設定を短くする
と、図５（ｂ）に示すように、比例帯に突入てからも応
答遅れ等で温度が安定して制御されずオーバーシュート
やハンチングを起す。他方、液媒体の場合は長時間の温
度制御中に蒸発し減ってくることや、薬液ボトルの交換
時に、薬液ボトルの外壁に液媒体が付着し安全上好まし
くないといった取扱い上の問題がある。

【０００９】従って、本発明の目的は、ハンチングやオ
ーバーシュートなどの不安定な温度変化をもたらすこと
無くより短時間で設定温度に到達することができるとと
もに取扱いし易い恒温槽を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、薬液を
溜める薬液ボトルと、この薬液ボトルの側面および底部
を包むように配置され該薬液を加熱あるいは冷却する複
数の半導体素子で構成されるサーモモジュールと、前記
薬液の温度を測定する温度検出器と、この温度検出器の
測定温度を入力するとともに前記薬液の温度が設定温度
領域に達した後の温度変化曲線における該設定温度を基
準に比例動作の制御範囲である比例帯と安定領域でのオ
フセットをなくす積分動作の積分時間および該安定領域
突入時の温度上昇と下降の繰返し振動を減衰させる微分
動作の微分時間を設定して前記薬液の温度を前記設定温
度に保つように制御するＰＩＤ温度制御装置とを備える
恒温槽において、前記薬液ボトルの側面と前記サーモモ
ジュールとの間に粒状金属片を詰め込み構成される伝熱
媒体と、該薬液ボトルの底部と前記サーモモジュールと
の間に挿入される第１の熱伝導板部材とを備える恒温槽
である。また、前記サーモモジュールと前記伝熱媒体と
の間に挿入される第２の熱伝導板部材を備えることが望
ましい。

【００１１】さらに、前記薬液ボトルの側面からの伝熱
と底部からの伝熱を効率よく前記薬液に伝えるのに、必
要に応じて前記第１の熱伝導板の厚さを変えるかあるい
は複数の穴を設けることである。

【００１２】一方、ＰＩＤ温度制御においては、前記積
分時間は前記熱伝導度に対応し長めに設定することが望
ましい。

【００１３】

【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１４】図１は本発明の一実施例を示す恒温槽の模
式断面図である。この恒温槽は、図１に示すように、薬
液ボトル５の側面および底部に配置され薬液８を加熱あ
るいは冷却するサーモモジュール３と、薬液ボトル５の
側面とサーモモジュール３との間に粒状金属片を詰め込
み構成される金属片構成体４と、薬液ボトル５の底部と
サーモモジュール３との間に挿入される第１の伝熱板２
ａとを設けたことである。それ以外は従来例と同じであ
る。

【００１５】また、サーモモジュール３と金属片構成体
４との間に第２の伝熱板２ｂを挿入することが望まし
い。この第２の伝熱板２ｂを設けることは、個々に取付
けられたサーモモジュール３の伝熱が一様に薬液ボトル
５の側面に伝えるためと、粒状の金属片の詰め換えが円
滑に出来るようにするためである。そのために伝熱板２
ｂの表面は研磨された面をもつことが望ましい。そし
て、その材質も錆難く熱伝導度の良い銅，アルミニュー
ム，ステンレス鋼などを用いることが望ましい。勿論、
第１の伝熱板２ａも第２の伝熱板２ｂと同一材料にす
る。

【００１６】なお、第１の伝熱板２ａと第２の伝熱板２
ｂとは分離されているが一体構造にしても差支えない。
ただ、この分離することによって伝熱板２ａと伝熱板２
ｂを独立して交換できることである。例えば、薬液ボト
ル５の側面からの熱伝導度と底部からの熱伝導度とのマ
ッチングするために、伝熱板２ａの厚さを厚くしたりあ
るいは多数の穴を開けたりして伝熱板２ａの熱伝導度を
低くしたものにし、側面からの熱伝導度と底部からの熱
伝導度とを一致させＰＩＤ温度制御が安定し易くした
り、薬液８の設定温度が高い場合で、効率良く設定温度
に到達するために、熱伝導度を高めるために伝熱板２ａ
を薄くしたものに交換したりすることが安価にできる。

【００１７】一方、金属片構成体４を構成する金属片の
形状は、製作し易いビーズのように丸い球状あるいは円
筒状の形状であって、薬液ボトル５を出し入れする際
に、これらの金属片を槽から外にこぼしたり入れるとき
に粉塵とならない程度の大きさと重量をもつ必要があ
る。また、接触度を良くするために槽本体２内に緻密に
詰められる寸法にすることが望ましい。例えば、金属片
の外形寸法を０．５乃至２ｍｍ程度とにし、材質を、錆
の発生し難くく熱伝導度の良い、例えば、銅，アルミニ
ューム，ステンレス鋼などを用いると良い。

【００１８】図２は図１の恒温槽のＰＩＤ温度制御を説
明するための薬液の温度変化を示すグラフである。本発
明の恒温槽におけるＰＩＤ温度制御について説明する。
コントローラ１のＰＩＤ制御値により温度調節を行うも
のである。一般に、この種の温度制御系には、系に介入
する熱媒体の熱伝導度の違いにより遅れ時間が異なる。
この遅れ時間がむだ時間として系に含まれ制御を難かし
くしている。

【００１９】そこで、上述したように、熱伝導度が高く
することができ外気による外乱に影響されない金属片に
よる伝熱媒体を設け、設定温度まで達する時間ｔに比べ
Δｔをはるかに小さくしたことである。このことにより
よりＰＩＤ温度制御がより制御し易くしたことである。

【００２０】まず、比例帯幅であるＰを設定する。これ
には、Δｔの遅れにより比例帯を超えてオーバシュート
しないように遅れ時間を加味してＰを設定し、温度の立
ち上り時間ｔが図２のようにする。次に、制御対象物で
ある薬液８の応答時間（振動周期）の長さを想定し適切
な積分時間と微分時間を設定する。このことにより温度
変化曲線は、図２に示すように、Δｔだけ遅れて立ち上
がり、比例帯に突入すると、設定された微分動作の補正
作用により安定領域突入時の振動を減衰させると同時積
分動作によりハンチングがなくなる。すなわち、積分時
間は遅れを考慮しより長く設定することである。

【００２１】このようにむだ時間（遅れの時間）が含ま
れるＰＩＤ制御系でも、特別にむだ時間を削除する補償
回路を必要とせず、汎用型のＰＩＤ調節器を用いて単に
積分時間の設定調整するだけで十分使用できるという利
点がある。ちなみに、オキシ塩化リン液で従来と同じ条
件で行なったところ、比例帯の幅５℃としたとき、到達
安定まで１時間以内という好結果が得られた。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、槽の底面
部と側面部の両方に加熱・冷却源であるサーモモジュー
ルと、サーモモジュールと薬液ボトルの側面のすき間に
粒状金属片を充填して構成される金属伝熱媒体とを設け
ることによって、熱伝導度を高めることができ、その結
果、熱伝導の遅れによるＰＩＤ温度制御の不安定な状態
を解消し設定温度に到達し安定する時間を短縮すること
ができるという効果がある。また、粉塵とならない大き
さと重量を金属片であるので室内を汚染したり、人体に
付着することが無くなるので、取扱いが容易であるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す恒温槽の模式断面図で
ある。

【図２】図１の恒温槽のＰＩＤ温度制御を説明するため
の薬液の温度変化を示すグラフである。

【図３】従来の恒温槽の一例を示す模式断面図である。

【図４】従来の恒温槽の他の例を示す模式断面図であ
る。

【図５】図３および図４の恒温槽の問題点を説明するた
めの恒温槽の薬液の温度変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１コントローラ２槽本体２ａ，２ｂ伝熱板３サーモモジュール４金属片構成体５薬液ボトル６温度検出器７プレート８薬液９空気媒体１０液媒体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薬液を溜める薬液ボトルと、この薬液ボ
トルの側面および底部を包むように配置され該薬液を加
熱あるいは冷却する複数の半導体素子で構成されるサー
モモジュールと、前記薬液の温度を測定する温度検出器
と、この温度検出器の測定温度を入力するとともに前記
薬液の温度が設定温度領域に達した後の温度変化曲線に
おける該設定温度を基準に比例動作の制御範囲である比
例帯と安定領域でのオフセットをなくす積分動作の積分
時間および該安定領域突入時の温度上昇と下降の繰返し
振動を減衰させる微分動作の微分時間を設定して前記薬
液の温度を前記設定温度に保つように制御するＰＩＤ温
度制御装置とを備える恒温槽において、前記薬液ボトル
の側面と前記サーモモジュールとの間に粒状金属片を詰
め込み構成される伝熱媒体と、該薬液ボトルの底部と前
記サーモモジュールとの間に挿入される第１の熱伝導板
部材とを備えることを特徴とする恒温槽。
【請求項２】前記サーモモジュールと前記伝熱媒体と
の間に挿入される第２の熱伝導板部材を備えることを特
徴とする請求項１記載の恒温槽。
【請求項３】前記第１の熱伝導板の熱伝導度を変える
ために該第１の熱伝導板の厚さを変えることを特徴とす
る請求項１または請求項２記載の恒温槽。
【請求項４】前記第１の熱伝導板の熱伝導度を変える
ために該第１の熱伝導板に複数の穴を設けることを特徴
とする請求項１または請求項２記載の恒温槽。
【請求項５】前記積分時間は前記熱伝導度に対応し長
めに設定することを特徴とする請求項１記載の恒温槽。