JPH08193766A

JPH08193766A - 薬液温度調節用熱交換器

Info

Publication number: JPH08193766A
Application number: JP2097495A
Authority: JP
Inventors: Hiraki Tsuboi; 開坪井; Ryoji Kobayashi; 良二小林
Original assignee: Orion Machinery Co Ltd
Current assignee: Orion Machinery Co Ltd
Priority date: 1995-01-13
Filing date: 1995-01-13
Publication date: 1996-07-30

Abstract

(57)【要約】【目的】侵食性薬液に対する耐性を有し、構成が単純
で、精度の高い温度制御ができ、小型軽量で、維持管理
が容易な薬液温度調節装置を提供する。【構成】熱電変換素子２を挟んで、その両側に、熱良導
性素材から成る伝熱ブロック体３ａ〜ｃと放熱体６とを
配設し、伝熱ブロック体には、フッ素樹脂製薬液導管５
を貫通して設けて、その一側端部５ａを、温度調節すべ
き薬液の流入口８ａを持つ分流室８に連通させると共
に、他側端部５ｂを、薬液の流出口９ａをもつ合流室９
に連通させ、放熱体には、冷却水流路７ａ，ｂを設けた
ことを特徴とする薬液温度調節用熱交換器１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、化学的な侵食作用の強
い薬液の温度調節装置に関するものであり、特に、優れ
た耐腐食性を備えた熱交換器に関するものである。

【０００２】

【従来技術】例えば、半導体素子の製造におけるフォト
・エッチング工程では、現像液やエッチング溶液の高精
度の温度制御と、弗化水素酸など侵食性の強い薬液を含
むエッチング溶液に対する耐性を備えていることとが、
要求される。従来、この種の用途に用いられている薬液
温度調節装置としては、図４に示すように、水位計１０
５を装置した恒温槽１００に、水温調節器１１０を付設
し、恒温槽１００中の水を所定の温度に保ち、この恒温
槽１００中に、図示を省略したエッチング装置に送液パ
イプ１３１を介して連結する、フッ素樹脂製熱交換チュ
ーブ１３０を、コイル状にして収納して水中に浸漬し、
恒温槽中の水と熱交換することにより、チューブ１３０
中を流れるエッチング液を所定の温度に調節するように
したものが用いられている。

【０００３】水温調節器１１０としては、熱電変換素子
（ペルチェ素子）１１１を、カーボングラファイトと
か、アルミニウムや銅或いはこれらの合金などの熱良導
性素材から成る伝熱ブロック体１１２と、同様の素材か
ら成る放熱体１１３とによって挟圧する構成により、熱
電変換素子１１１と伝熱ブロック体及び放熱体との間
で、熱授受がなされるようにした、熱電冷凍サイクルが
用いられている。１１４は、伝熱ブロック体を貫通して
設けられた水の流路であり、１１５は、放熱器の冷却水
の流路である。又、１１６は、恒温槽１００から温度調
節器１１０に流入する水温を検知する温度検出器であ
り、１１７は、その検出信号に基づいて温度調節された
水を、恒温槽１１に圧送する循環ポンプである。

【０００４】

【問題点】上記薬液温度調節装置は、熱電冷凍サイクル
により恒温槽の水温を精密に保持し、温度調節すべき対
象となる薬液は、その恒温槽中を通過させて、水と熱交
換することにより温度調節される方式をとっているの
で、熱電冷凍サイクルから目的とする薬液への熱の移動
距離が長く、温度変化に対する調節作用の発現にタイム
ラグが生じて、温度調節の精度が低下し、半導体素子製
造の用途において要求される、温度制御誤差が±０.０
１℃以内を実現することは難しいこと、恒温槽１００と
熱交換チューブ１３０とから成る熱交換器と、水温調節
器１１０との、二つの熱交換器から構成されているの
で、広い設置スペースが必要となる上に、両熱交換器の
接続配管や、循環ポンプ１１７などの接続が必要で、装
置の運搬や設置、及び、維持管理などに手間がかかる欠
点がある。又、恒温槽や配管系から周囲雰囲気への熱損
失や、反対に、これらへの環境からの外乱の影響も無視
できない。

【０００５】

【発明の目的】本発明の第１の目的は、侵食性薬液に対
する耐性を有し、構成が単純で、精度の高い温度制御が
でき、小型軽量で、維持管理が容易な薬液温度調節装置
を提供することにある。本発明の第２の目的は、製作が
容易で安価な薬液温度調節装置を提供することにある。

【０００６】

【発明の構成】本発明の第一の要旨は、熱電変換素子を
挟んで、その両側に、熱良導性素材から成る伝熱ブロッ
ク体と放熱体とを、前記熱電変換素子と熱授受可能に配
設し、前記伝熱ブロック体には、複数のフッ素樹脂製薬
液導管を該伝熱ブロック体と熱授受可能に貫通して設け
て、該薬液導管の一側開口を、温度調節すべき薬液の流
入口を持つ薬液分流室に連通させると共に、前記薬液導
管の他側開口を、薬液の流出口を備えた薬液合流室に連
通させ、前記放熱体には、冷却液流路を設けたことを特
徴とする薬液温度調節用熱交換器にある。

【０００７】上記において、フッ素樹脂製薬液導管とし
ては、侵食性の強い弗化アンモニウムや弗化水素酸など
を含む薬液を流しても、薬液導管が侵食されることな
く、該薬液導管を構成する素材から、不純物の溶出が実
質的に生じない高純度のもので、かつ、薬液の圧送圧に
耐える厚みをもつチューブであることが要求され、この
ような条件を満たすものとして、例えば、高純度のポリ
テトラフルオロエチレン製のチューブがある。又、伝熱
ブロック体及び放熱体を構成する熱良導性素材として
は、カーボングラファイト、アルミニウム及びその合
金、銅及びその合金、炭化硅素など、熱伝導率が、８０
〜９０Ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃以上の素材であることが望
ましい。

【０００８】尚、フッ素樹脂自体は、熱良導性素材では
ない。したがって、フッ素樹脂製チューブは、伝熱ブロ
ック体に囲まれることにより、耐圧性を必要としない伝
熱ブロック体の中にある部分は、耐薬品性さえ満たせば
よいので、チューブの厚みを薄くすることも可能であ
る。

【０００９】上記第一要旨に係る熱交換器は、温度調節
すべき薬液の圧送管の一端を薬液分流室の流入口に接続
し、薬液戻り管の一端を薬液合流室の流出口に接続すれ
ば、薬液は、伝熱ブロック体中を貫通する薬液導管を流
れる際に、所定の温度に調節される。適宜な場所、例え
ば、薬液合流室若しくは分流室に温度検出器を設けて、
その検出信号により、熱電変換素子への電流を制御すれ
ば、その結果は直ちに、伝熱ブロック体を通して、薬液
温度に反映されるので、応答性に優れ、薬液温度は、高
い精度で一定に保持される。

【００１０】本願発明の第二の要旨は、前記第一要旨に
おいて規定される熱交換器において、伝熱ブロック体が
熱良導性素材から成る複数のプレートを重接したものに
よって構成されており、該プレートの重接面の対向位置
に刻設された溝から成る貫通孔中にフッ素樹脂製薬液導
管が収納されていることを特徴とする薬液温度調節用熱
交換器にある。

【００１１】伝熱ブロック体に薬液流路を形成するに当
たって、一個の伝熱ブロック素材に、直接貫通孔を設け
ることもできるが、その場合、素材の性質に応じて、切
削工具による穴開け加工や型成形などにより行われる
が、伝熱性をよくするため平滑面を必要とする貫通孔の
表面処理加工が制限され面倒になる。それに対して、複
数のプレートの重接面の対向位置に、横断面が半円形の
溝を形成しておき、これを重接することにより、円形貫
通孔が形成されるようにすれば、この貫通孔に収納する
フッ素樹脂製薬液導管と貫通孔表面との密着性を図るた
めの表面加工処理や組み立てが容易となる。

【００１２】本発明の第三の要旨は、熱電変換素子を挟
んで、その両側に、熱良導性素材から成る伝熱容器と放
熱体とを、前記熱電変換素子と熱授受可能に配設し、前
記伝熱容器内には、不定形性伝熱媒体を充填すると共
に、該不定形性伝熱媒体中をフッ素樹脂製薬液導管を通
過させ、前記放熱体には、冷却液流路を設けたことを特
徴とする薬液温度調節用熱交換器にある。

【００１３】上記において、不定形性伝熱媒体として
は、伝熱性に優れた不凍液や、液状シリコン或いは、熱
良導性金属等の微粉末を充填剤として含む伝熱性シリコ
ングリースなどのゾル状のもの、或いは、熱良導性素材
を含むシリコンゴムなどが用いられる。この熱良導性シ
リコンゴムは、流動性を保持する状態において薬液導管
を収納した伝熱容器に充填して、該容器内で三次元化し
てゲル状にする。熱交換器をこのような構成とすること
により、伝熱ブロック体の場合における貫通孔を設ける
必要がなく、伝熱容器内に適宜に、螺旋状或いは蛇行屈
曲させながら収納してから、不定形性伝熱媒体を充填す
れば熱交換器が出来上がるので、製造が容易になり、大
幅なコストダウンを実現できる。

【００１４】

【実施例１】図１〜２は、本発明の第１実施例を示すも
のである。半導体素子製造のフォト・エッチング工程で
用いるエッチング溶液を所定の温度に調節するための装
置として最適である。薬液温度調節用熱交換器１の基本
的な原理は、従来技術において記載した水温調節器１１
０と同じで、熱電冷凍サイクルから成る。図２におい
て、互いに重ね合わせることができる同形の３枚の黒鉛
プレート３ａ、３ｂ、３ｃのうち、中央の黒鉛プレート
３ａの左右両面に、横断面が半円形をなす溝４ａ、４
ａ、…が作られており、このプレート３ａの左右両側か
ら重接する（重なり接する）黒鉛プレート３ｂ及び３ｃ
の対向位置にも、同様の溝４ｂ、４ｂ、…、及び、４
ｃ、４ｃ、…が形成されている。

【００１５】伝熱ブロック体３は、これらの黒鉛プレー
ト３ａ〜ｃを重接させて、互いに向かい合う半円形溝に
より、貫通孔４、４、…を形成したものから構成されて
いる。黒鉛プレートの重接面と溝の内周面には、伝熱性
シリコングリス（例えば、信越化学工業株式会社製Ｇ７
４７）を塗布するか、若しくはごく薄い熱伝導性シリコ
ンフィルムを介在させることにより、重接面どうしの密
着性と伝熱性、並びに、後記する薬液導管と溝内周面と
の密着性及び伝熱性をよくする。更に、必要に応じて、
これらプレート重接面及び溝内周面を予めＣＶＤ法など
により、フッ素樹脂を蒸着せしめて、黒鉛の微細な気孔
を充填処理して熱伝導性や耐食性を改善してもよい。こ
の表面処理は、伝熱ブロック体として、黒鉛以外の素
材、例えばアルミニウムプレートなどを採用した場合で
も、望ましい処理である。

【００１６】このような処理を施した黒鉛プレートの対
向する溝間に、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレ
ン）製の可撓性チューブから成る、複数の（実施例では
８本）薬液導管５、５、…を収納し、該薬液導管が、伝
熱ブロック体の一側の突出部においてＵターンすると共
に、伝熱ブロック体の他側において、薬液導管の端部５
ａ、…，５ｂ、…が、伝熱ブロック体から突出するよう
に、貫通孔４に薬液導管５を通す。かくして、薬液導管
の夫々は、対向する一対の溝によって形成された貫通孔
４の内周面に密着した状態で、伝熱ブロック体を貫通し
ている。フッ素樹脂製チューブは、内径が２〜１２ミリ
程度のものが適当で、それ以上太いと、熱交換効率が低
下し、また細すぎると流下抵抗が増大する。熱交換効率
を上げるには、伝熱ブロック体中を並行して通過する本
数を増やせばよい。

【００１７】この伝熱ブロック体の両側に、モジュール
化された熱電変換素子２、２、…が、熱良導性シリコン
グリスの薄層を介して同様に重接している。これらの熱
電変換素子２、２、…の外側に、前記黒鉛プレート３ａ
〜ｃと同形の黒鉛プレートから成る放熱体６が重接し、
更に、放熱体６、６の外側から、固定板１０、１０を当
接して、締付ボルト１１で、固定板どうしを締め付ける
ことにより、伝熱ブロック体３、熱電変換素子２、…及
び放熱体６、６が、相互に圧接固定されている。放熱体
中には、冷却水流路７が設けられており、冷却水は、入
口管７ａから入り、放熱体を冷却しながら放熱体中を流
れて、出口管７ｂに流出する。

【００１８】一方、薬液導管５、５、…の一端５ａ、５
ａ、…は、下端に薬液流入口８ａが開口する天井部が閉
塞された筒状の分流室に接続しており、溝４ａ、４ｂに
より構成される貫通孔群側から突出した薬液導管の他端
５ｂ、…は、すべて、下端に薬液流出口を備えた合流室
９に接続して連通している。１２は、合流室９内の薬液
温度を検出して、熱電変換素子の制御器（図示せず）
に、検出信号を送る、温度検出器である。分流室や合流
室も、薬液導管と同一のフッ素樹脂製若しくは少なくと
も、内面は、フッ素樹脂コートがほどこされている。。

【００１９】

【作用】上記のような構成から成る本願薬液温度調節用
熱交換器の第１実施例は、フォト・エッチング装置から
エッチング液を圧送する薬液圧送管の一端を、分流室８
の薬液流入口８ａに連結し、合流室９の薬液流出口９ａ
に、フォト・エッチング装置への戻り管の一端を接続す
る。分流室８に入った薬液は、ここから薬液導管５、…
に分流し、伝熱ブロック体３内を通過する過程で、所定
の温度に調整されて、合流室に入り、流出口９ａから、
フォト・エッチング装置に戻る。放熱体６、６には、冷
却水が通過することにより、熱電変換素子が汲み上げた
熱を外部に放出する。

【００２０】

【効果】上記第１実施例に係る装置は、従来装置と異な
り、恒温槽を介することなく、薬液を直接冷却して温度
調節することができ、薬液温度の変動に対して、素早く
応答して、温度調節する事ができると共に装置が大幅に
簡素化され、設置スペースも少なくてすむ。また、伝熱
ブロック体が複数のプレートから構成されているので、
貫通孔の製作や加工が容易で、分解、組み立ても簡単で
ある。薬液導管は、薬液の性状に応じた素材から成る管
体を適宜選択できるので、様々な薬液の温度調節に対応
して、製品仕様を容易に変更できる。

【００２１】上記実施例において、合流室９及び分流室
８には、薬液導管５が、１本毎に、個別に接続連通する
状態で示したが、これは、フッ素樹脂製チューブの弾性
と可撓性とを利用して、複数の薬液導管の端部を揃えて
束になるように集合させ、その集束にバンドやリングを
かけて回りから加圧して、各チューブ間に透き間が生じ
ないようにし、断面がハニカム状をなすように固定すれ
ば、多数のチューブを、１本のチューブと同様に扱うこ
とができ、分流室や合流室への接続構造が簡素化でき
る。また、温度検出器の設置場所は、分流室や合流室以
外では、伝熱ブロック体に小孔を穿設してこれに装着し
てもよい。

【００２２】

【実施例２】図３は、本願熱交換器の第２実施例を示す
ものである。熱交換器２１は、アルミニウム製の伝熱容
器２３の上面開口を、同一素材から成る蓋２３ａで液密
に閉塞し、この中に、不定形性熱媒体として不凍液２４
を満たす。伝熱容器２３の一側側壁を貫通して、第１実
施例の場合と同一のフッ素樹脂製チューブから成る薬液
導管２５が、容器内に入り込み、不凍液２４中を蛇行或
いは螺旋状に旋回した後再び容器２３外に、容器壁面を
貫通して、突出させてある。２６は、蓋２３ａに取り付
けたベローズで、不凍液の温度による体積変化を緩衝し
て、容器内圧力を一定に保つ。

【００２３】このような伝熱容器の外面に、モジュール
化した熱電変換素子２２、２２、…の一側を伝熱性シリ
コングリスや伝熱性シリコンフィルムを介して密接し、
熱電変換素子の他側には、アルミニウム製の放熱板２７
を同様に密接する。放熱板２７中には、冷却水流路２８
が、貫通して設けられている。２９は、不凍液の温度を
検出する温度検出器で、その検出信号は、図示しない熱
電変換素子の制御器に送られる。

【００２４】上記熱交換器２１は、薬液導管２５の伝熱
容器外の端部に、例えば、エッチング液の圧送管と戻り
管とを接続する。熱電変換素子は、伝熱容器２３を通し
て、不凍液を冷却し、該不凍液と薬液導管中のエッチン
グ液との間で熱交換が行われる。放熱板２７の作用は、
第１実施例と同じである。

【００２５】

【効果】上記第２実施例では、伝熱容器を偏平形状にし
て、容器内容積を小さくし、伝熱距離を縮めることによ
り、より正確な温度制御が可能になる。この装置は、第
１実施例の場合のような貫通孔の形成が不要なので、製
作が容易で、生産コストの低減が図れる。不定形性の熱
媒体としては、熱良導性充填剤を混練したシリコングリ
ス（例えば、信越化学工業株式会社製製品番号Ｇ７４
７）のようなゾル状の物質や熱良導性充填剤を含むシリ
コンゴム（例えば同社製製品番号ＫＥ１２２３）などの
ようなゲル状素材でもよく、或いは、熱伝導の高い素材
から成る微粉末でもよい。これらの場合は、不凍液の場
合と異なり、温度による体積変化が無視できるので、ベ
ローズの付設は、必ずしも必要ではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の第１実施例を示す説明図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面説明図である。

【図３】本願発明の第２実施例を示す断面説明図であ
る。

【図４】従来技術の一例を示す説明図である。

【図５】図４のＢ−Ｂ断面説明図である。

【符号の説明】

１熱交換器２熱電変換素子３伝熱ブロック体４ａ〜ｃ溝４貫通孔５薬液流路６放熱体７冷却水流路８分流室９合流室１０固定板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱電変換素子を挟んで、その両側に、熱良
導性素材から成る伝熱ブロック体と放熱体とを、前記熱
電変換素子と熱授受可能に配設し、前記伝熱ブロック体
には、複数のフッ素樹脂製薬液導管を該伝熱ブロック体
と熱授受可能に貫通して設けて、該薬液導管の一側開口
を、温度調節すべき薬液の流入口を持つ薬液分流室に連
通させると共に、前記薬液導管の他側開口を、薬液の流
出口を備えた薬液合流室に連通させ、前記放熱体には、
冷却液流路を設けたことを特徴とする薬液温度調節用熱
交換器。
【請求項２】伝熱ブロック体が熱良導性素材から成る複
数のプレートを重接したものによって構成されており、
該プレートの重接面の対向位置に刻設された溝から成る
貫通孔中にフッ素樹脂製薬液導管が収納されている請求
項１の熱交換器。
【請求項３】熱電変換素子を挟んで、その両側に、熱良
導性素材から成る伝熱容器と放熱体とを、前記熱電変換
素子と熱授受可能に配設し、前記伝熱容器内には、不定
形性伝熱媒体を充填すると共に、前記伝熱容器中をフッ
素樹脂製薬液導管を通過させ、前記放熱体には、冷却液
流路を設けたことを特徴とする薬液温度調節用熱交換
器。
【請求項４】不定形性伝熱媒体が、液状シリコン又は熱
良導性充填剤を含むシリコングリースである請求項３の
熱交換器。