NL1005541C2 - Werkwijze voor het koelen van een oven alsmede oven voorzien van een koelinrichting. - Google Patents

Description

Werkwijze voor het koelen van een oven alsmede oven voorzien van een koelinrichting.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor 5 het koelen van een inrichting, zoals een oven met langwerpige begren-zingswand, omvattende het langs die begrenzingswand leiden van een koelend gas, waarbij dat gas nabij een uiteinde van die begrenzingswand wordt toegevoerd en nabij het tegenoverliggende uiteinde wordt afgevoerd, waarbij tijdens het koelen de stroomrichting van dat koe-10 lende gas periodiek omgekeerd wordt.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit het Amerikaanse octrooi-schrift 4.925.388. Daarin wordt een oven beschreven waarbij voor het afkoelen een gas hetzij van bovenaf hetzij van onderen af door de oven geleid wordt. De stroomrichting van het gas is wisselend en deze wis-15 selende beweging wordt door een aantal kleppen geregeld. Het gas beweegt in de ruimte tussen het verwarmingselement en de procesbuis en in de ruimte tussen het verwarmigselement en de op afstand daarvan aangebrachte isolatie. De lucht of ander gas, dat als koelmedium ge bruikt wordt, wordt via een ventilator afgevoerd.

20 Gebleken is dat de afvoer van dergelijke gassen in een afvoersys teem van een grotere installatie niet zonder grote bezwaren is. Immers, per definitie zijn deze gassen warm en daardoor kan schade aan een dergelijk afvoersysteem ontstaan, in het bijzonder indien dit opgebouwd is uit kunststofonderdelen. Bovendien kunnen schadelijke 25 stoffen in de gassen aanwezig zijn.

Het doel van de onderhavige uitvinding is dit nadeel te vermijden en in een werkwijze te voorzien waarin enerzijds een snelle en gelijkmatige afkoeling mogelijk is en anderzijds het gasafvoersysteem niet verder belast wordt.

30 Dit doel wordt bij een hierboven beschreven werkwijze verwezen lijkt doordat het koelende gas volgens een in hoofdzaak gesloten kringloop geleid wordt, waarin het verwarmde gas gekoeld wordt met een vloeistof-gaswarmtewisselaar.

In principe zou het mogelijk zijn het gas uitsluitend af te voeren 35 via de warmtewisselaar en in het gasafvoersysteem te leiden. D.w.z. in tegenstelling met hetgeen in conclusie 1 beschreven is, geen gesloten kringloop toe te passen. Het nadeel daarvan is echter dat voortdurend extra gas ingébracht moet worden en in het geval van lucht zal dit in 1005541 2 het algemeen uit de 'clean room' afkomstig zijn, d.w.z. op uitgebreide schaal gezuiverd is. Daardoor is een bijzonder grote reinigingsin-stallatie nodig voor lucht met alle daarmee samenhangende kosten. Bovendien is het onwenselijk periodiek lucht aan een clean room te 5 onttrekken of toe te voegen.

Indien volgens de uitvinding het gas in een gesloten kringloop met warmtewisselaar geleid wordt, is het niet noodzakelijk steeds vers gas zoals lucht toe te voeren. Bovendien is het daardoor mogelijk gebruik te maken van een gas met meer specifieke eigenschappen zoals stikstof. 10 Immers, in principe treedt geen verlies op van gas waardoor de extra kosten voor stikstof of ander gas gerechtvaardigd worden. Met de werkwijze volgens de uitvinding is het mogelijk een groter aantal wafers per uur te behandelen en zal de thermische belasting van elke wafer verminderd worden. Bovendien vindt een meer uniforme behandeling van 15 de wafers onderling plaats. Door de voorgestelde warmtewisselaar kan een zeer compacte constructie verkregen worden, zodat het oppervlak voor de installatie door de aanwezigheid van de warmtewisselaar niet vergroot zal worden.

Gebleken is dat door het met een zekere frequentie wisselen van de 20 stroomrichting van het koelende gas het mogelijk is de temperatuurgra-diënt over de oven zoveel mogelijk te beperken. Begrepen zal worden dat het warmste deel zich thans in het midden van de oven zal bevinden. Bovendien is gebleken dat de afkoelsnelheid in aanzienlijke mate verhoogd kan worden ten opzichte van constructies volgens de stand der 25 techniek.

Volgens een van voordeel zijnde uitvoering van de uitvinding ligt de omkeerfrequentie van de gasstroom tussen 2 en 600 seconden en meer in het bijzonder tussen 5 en 60 seconden. Op van voordeel zijnde wijze ligt de omkeerfrequentie tussen 10 en 20 seconden. Met de hierboven 30 beschreven constructie is het mogelijk een koelsnelheid nabij de wafers van ongeveer 50°C per minuut te bereiken.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een ovensamenstel, omvattende een oven voorzien van een koelinrichting voor het met gas koelen van de begrenzingswand van die oven, waarbij nabij die begren-35 zingswand een koelruimte voor gas aanwezig is, aan beide zijden uitmondend in een van afsluiters voorziene leiding, welke die afsluiters wisselkleppen omvatten, om afwisselend het gas in een richting langs die begrenzingswand en vervolgens in tegenovergestelde richting langs 1005541 3 die begrenzingswand te bewegen, waarbij die wisselkleppen met een gesloten keten verbonden zijn waarin een vloeistof-gas warmtewisselaar is aangebracht.

Volgens een van voordeel zijnde uitvoering van de uitvinding wordt 5 de toevoer/afvoer van gas in de buitenmantel van het ovensamenstel aangebracht, d.w.z. vindt via de wand en niet via de eindafsluitingen, zoals bodem of deksel, plaats. Daardoor kan een meer gelijkmatige stromingsverdeling verwezenlijkt worden. Immers, de beweging van het gas in de spleet tussen verwarmingselement en procesbuis is bijzonder 10 moeilijk regelbaar. Deze regeling is echter wel van belang om voldoende uniformiteit te waarborgen. Deze stromingsverdeling kan verder bevorderd worden door het gas via een aantal volgens een ring of andere regelmatige kromme langs de omtrek van de ovenwand aangebrachte openingen in te brengen resp. af te voeren. Deze openingen vormen een 15 restrictie voor de gasstroming en bepalen in feite de dosering van de gasstroming ter plaatse. Door deze openingen regelmatig over de wand te verdelen, kan een gelijkmatige verdeling van de gasstroming en zo warmteafvoer gewaarborgd worden.

Het is mogelijk elke wisselklep als enkele of als dubbele klep uit 20 te voeren, vooropgesteld dat de natuurlijke convectie wordt geëlimineerd .

De uitvinding zal hieronder nader aan de hand van een in de tekening afgebeeld uitvoeringsvoorbeeld verduidelijkt worden en daarbij toont: 25 Fig. 1 schematisch het principe van de werkwijze en inrichting volgens de uitvinding;

Fig. 2 temperatuurkrommen van een aantal wafers in een conventionele oven tijdens het afkoelen; en

Fig. 3 temperatuurkrommen op verschillende niveaus in een oven 30 volgens de uitvinding bij snel afkoelen.

De behandelingsoven volgens de uitvinding is in het geheel met 1 aangegeven en in een overigens schematisch afgebeelde behandelings-ruimte opgesteld. Deze oven bestaat uit een buitenmantel 7 bijvoorbeeld van isolerend materiaal waartegen een verwarmingselement 9 ligt. 35 Op afstand van dit schematisch getoonde element 9 is een procesbuis 5 van bijvoorbeid kwartsmateriaal of siliciumcarbide aangebracht waarin een boot 20 voorzien van wafers 21-25 opgenomen kan worden. Met 18 is het bovendeksel van de procesbuis aangegeven. Waferrek 20 wordt gedra- 1005541 4 gen door deksel 15 dat schematisch afgebeelde wijze omhoog en naar beneden bewogen kan worden om de boot 20 uit de procesbuis 5 te verwijderen. Tussen verwarmingselement 9 en procesbuis 5 is een spleet 6 aangebracht waardoor koelend gas zoals stikstof bewogen kan worden. In 5 buizenmantel 7 zijn twee reeksen van elk ongeveer zestien openingen 16 en 17 aangebracht. Daarop sluiten leidingen 3 respectievelijk 8 aan, die respectievelijk verbonden zijn met kleppen 12, 13 en 10, 11. Deze kleppen staan op hun beurt in verbinding met een gas-vloeistof warmtewisselaar 4 en een ventilator 2.

10 De hierboven beschreven constructie werkt als volgt. Tijdens het afkoelen van behandelde wafers wordt in een eerste bedrijfstoestand koel gas afkomstig uit leiding 8 door openingen 17 in de spleet 6 tussen procesbuis 5 en verwarmingselement 9 ingébracht. Dit beweegt volgens de ingetekende pijl naar beneden en verlaat verwarmd bij 16 de 15 oven en wordt via buis 3 en klep 12 naar warmtewisselaar 4 geleid. Na afgekoeld te zijn wordt dit door ventilator 2 naar afsluiter 11 geleid en in leiding 8 opnieuw toegevoerd aan de behandelingsoven.

Na enige tijd zoals typisch 20 seconden wordt door het wisselen van de kleppen, d.w.z. het sluiten van de kleppen 11 en 12 en het 20 openen van de kleppen 10 en 13. de stroomrichting omgekeerd. Dat wil zeggen, koelend gas beweegt vanaf leiding 3 en openingen 16 naar openingen 17 en leiding 8. Via leiding 8 gaat het gas door klep 10 naar warmtewisselaar 4 en via ventilator 2 en klep 13 weer naar leiding 3·

Indien de kleppen 10, 11, 12 en 13 gesloten zijn, zou de construc-25 tie volgens de stand der techniek verkregen worden. Voor de wafers 21-25 is een typische afkoelsnelheid in fig. 2 weergegeven voor een dergelijk geval.

Afhankelijk van de temperatuur van de oven zal het uittredende gas een hogere of lagere temperatuur hebben. Als voorbeeld wordt een waar-30 de voor het uittredende gas (lucht) van 300-400°C genoemd. Indien dit gas via een gebruikelijk uitlaatstelsel afgevoerd wordt, ontstaan daardoor twee problemen. Ten eerste kunnen geringe verontreinigingen, zoals asbestachtige deeltjes, of lekgas aanwezig zijn. Ten tweede vormt de verhoging in temperatuur vaak een ontoelaatbare belasting van 35 het afvoersysteem. Dit geldt in het bijzonder indien het afvoersysteem componenten omvat die niet tegen dergelijke hoge temperaturen kunnen, zoals kunststofonderdelen. In een dergelijk geval is een dergelijke afvoerinrichting uitgevoerd om te gaan koelen waardoor extra koude

100554T

5 lucht ingebracht wordt. Dit betekent dat het afvoersysteem verder vergroot dient te worden om voldoende capaciteit te hebben voor een dergelijke snelle afkoeling van een oven.

Om deze problemen te vermijden wordt thans voorgesteld de warm-5 tewisselaar 4 toe te passen. Deze is aangesloten op het vloeistof-koelsysteem van de productiefaciliteit. In het algemeen kan de daardoor gewonnen warmte nuttig hergebruikt worden. Tevens kan een kostbaar gas in de koelkringloop toegepast worden, omdat dit niet verbruikt wordt.

10 Door het in reeksen aanbrengen van de openingen 16 en 17 in de wand en het daardoor inbrengen van het koelende gas resp. lucht, kan een optimale stromingsverdeling verkregen worden. Daarbij wordt aangenomen dat de diameter van de openingen 16,17 de doorstroomde hoeveelheid bepaalt, d.w.z. de stromingsweerstand in spleet 6 veel geringer 15 is dan de stromingsweerstand door die openingen 16,17- Bij constructies volgens de stand der techniek wordt het gas eenvoudigweg van boven of beneden ingébracht en kan daardoor geen goede verdeling van het koelende medium over spleet 6 gewaarborgd worden waardoor de tem-peratuurverdeling niet meer uniform is.

20 In fig. 3 wordt de af koelsnelheid vein dezelfde wafers bij het elke 20 seconden omkeren van de gasstroom volgens de uitvinding getoond.

Vergelijking vein fig. 2 en 3 leert ten eerste dat de koelsnelheid vele malen toegenomen is zodat de verblijftijd in de oven en de tijd gedurende welke de wafers aan verhoogde temperatuur onderworpen zijn 25 aanzienlijk verkort wordt. Bovendien blijkt dat de spreiding van de temperatuur tussen de wafers 21 en 25 aanzienlijk beperkt is, zodat meer constante procesomstandigheden gewaarborgd kunnen worden.

Hoewel de uitvinding hierboven aan de hand van een voorkeursuitvoering beschreven is, dient begrepen te worden dat daaraan talrijke 30 wijzigingen aangebracht kunnen worden. Zo kunnen de gasinlaat- en gasuitlaatopeningen op andere positie in de hoogte van de oven aangebracht zijn of zelfs bij het bovendeksel uitmonden.

Deze en verdere varianten die voor degenen bekwaam in de stand der techniek voor de hand liggend zijn na het lezen van de voorgaande 35 beschrijving liggen binnen het bereik van de bijgevoegde conclusies.

1005541

Claims (10)

1. Werkwijze voor het koelen van een inrichting, zoals een oven met langwerpige begrenzingswand, omvattende het langs die begrenzings-wand (19) leiden van een koelend gas, waarbij dat gas nabij een uit- 5 einde van die begrenzingswand wordt toegevoerd en nabij het tegenoverliggende uiteinde wordt afgevoerd, waarbij tijdens het koelen de stroomrichting van dat koelende gas periodiek omgekeerd wordt, met het kenmerk, dat het koelende gas volgens een in hoofdzaak gesloten kringloop geleid wordt, waarin het verwarmde gas gekoeld wordt met een 10 vloeistof-gaswarmtewisselaar,

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de omkeerfrequentie ligt tussen 2 en 600 seconden,

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij de omkeerfrequentie ligt tussen 5 en 60 seconden.

4. Werkwijze volgens conclusie 3. waarbij die omkeerfrequentie ligt tussen 10 en 20 seconden.

5. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de koelsnelheid ongeveer 50°C/min is.

6. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het 20 gas door die begrenzingswand gedoseerd toegevoerd/afgevoerd wordt.

7. Ovensamenstel, omvattende een oven (1) voorzien van een koelin-richting voor het met gas koelen van de begrenzingswand (19) van die oven, waarbij nabij die begrenzingswand een koelruimte (6) voor gas aanwezig is, aan beide zijden uitmondend in een van afsluiters (10-13) 25 voorziene leiding, welke die afsluiters (10-13) wisselkleppen omvatten, om afwisselend het gas in een richting langs die begrenzingswand en vervolgens in tegenovergestelde richting langs die begrenzingswand te bewegen, met het kenmerk, dat die wisselkleppen met een gesloten keten verbonden zijn waarin een vloeistof-gas warmtewisselaar (4) is 30 aangebracht.

8. Ovensamenstel volgens conclusie 7, waarbij de toevoer/afvoer van gas in de buitenmantel (7) vein dat ovensamenstel aangebracht is.

9· Ovensamenstel volgens conclusie 8, waarbij die toevoer/afvoer een langs de omtrek aangebrachte reeks openingen omvat.

10. Ovensamenstel volgens conclusie 9. waarbij stroomafwaarts van die warmtewisselaar (4) een ventilator (2) is aangebracht. ******** 1005541