(57)【要約】【課題】腐食性流体に対する耐性と、冷却加熱に伴う温度サイクルの繰り返し環境における機械的強度及び耐久性とを有すると共に、熱抵抗が小さく、流体への不純物溶出のない伝熱板を備えた流体温度調節装置を提供する。【解決手段】伝熱室に流体を通過させることによって、該流体の温度を調節する流体温度調節装置であって、伝熱室１０の一部を形成する伝熱板２と、該伝熱板２を介して、伝熱室１０を通過する流体との間で熱交換を行う温度調節手段５０とを備え、伝熱板２は、基板２ｂと、該基板の前記流体と接触する側に接着されたアモルファスカーボンフィルム２ａとを含む。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱室に流体を通過させることによって、該流体の温度を調節する流体温度調節装置であって、
前記伝熱室（１０）の一部を形成する伝熱板（２）と、
該伝熱板（２）を介して、伝熱室（１０）を通過する流体との間で熱交換を行う温度調節手段（５０）と、
を備え、
前記伝熱板（２）は、基板（２ｂ）と、該基板の前記流体と接触する側に接着されたアモルファスカーボンフィルム（２ａ）とを含むことを特徴とする流体温度調節装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体温度調節装置に関し、特には、半導体製造装置等の処理液として使用される腐食性流体の温度を効率良く調節するのに適した流体温度調節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エッチングや洗浄、レジスト剥離等の半導体ウェハの処理作業には、一般的に、腐食性が高く、高純度の薬液が使用される。このような薬液の反応速度は、温度依存性が高い。薬液の反応を正確に制御するためには、薬液の温度を、例えば、１５〜８５℃の範囲で、高精度に制御する必要がある。このような温度制御には、様々な温度調節装置が使用されている。
【０００３】
図６は、従来の流体温度調節装置の伝熱室の構造を模式的に示す平面図である。
この流体温度調節装置１００は、フッ素系樹脂等の耐食性材料からなるブロック内に形成された伝熱室１０１を有している。伝熱室１０１内を通過する流体には、伝熱室１０１を覆うように配置される伝熱板を介して、熱電素子モジュール等の温度調節手段から熱が伝えられる。伝熱室１０１の内部は、３枚の流路形成プレート１０３により、深さ方向に４つの区画１０５に分割されている。流路形成プレート１０３の一端には、開口１０７が形成されている。この開口１０７は、３枚の流路形成プレート１０３の端に交互に配置されている。このような構成により、各分割区画１０５は、開口１０７を介して相互に連通して、伝熱室内を蛇行する流路を形成する。
【０００４】
伝熱室１０１内の最上部及び最下部の２つの区画１０５には、これらの区画１０５に連通するパイプが接続されている。パイプの一方は、流体導入パイプ１０９で、他方は流体導出パイプ１１１である。パイプは、流路形成プレート１０３の開口１０７から遠い位置で各区画に接続されている。流体導入パイプ１０９から伝熱室１０１内に入った流体は、伝熱室内を蛇行する間に、伝熱板を介して温度調節手段から加熱又は冷却を受け、温度調節される。そして温度調節された流体が、流体導出パイプ１１１から導出される。なお、図６に示す流体温度調節装置の詳細については、特許文献１に開示されている。
【０００５】
一般に、伝熱室は、ブロック形状の材料（伝熱ブロック）から伝熱室となる凹部を削り出し、該凹部を高熱伝導性プレート（伝熱板）によって覆うことによって形成される。該プレートには、加熱又は冷却を行うことで温度調節を行う熱電素子モジュール等の温度調節手段が熱的に接触しており、該プレートを介して、伝熱室内の流体と熱電素子モジュール等の温度調節手段との間における熱交換が行われる。伝熱ブロックと伝熱板との接触部分は、Ｏリング等のシール部材によって密着させられ、これにより、両者によって形成された伝熱室から流体が漏れ出すのを防いでいる。
【０００６】
このような流体温度調節装置において用いられる伝熱板には、次のような性能が求められる。即ち、（１）伝熱室を構成することから、十分な機械的強度及び耐久性を有すること、（２）温度調節を行う温度範囲内において十分な耐熱性を有すること、（３）熱伝導性が良いこと、（４）温度調節される流体に直接接触することから、耐食性を有すること、（５）薬液の汚染を防ぐため、接液部から流体に不純物の溶出がないこと等である。
【０００７】
従来、そのような伝熱板（伝熱基板）として、高熱伝導性と耐食性を両立させるために、例えば、熱伝導性の高い特殊用途用ステンレス鋼板（Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｕｓｅ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ：ＳＵＳ）に、耐薬品性のある四フッ化エチレン樹脂（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ：ＰＴＦＥ、フッ素樹脂）を被覆したり、ＰＴＦＥシートやフィルムを接着したものが用いられていた（特許文献２参照）。また、伝熱板（熱交換基板）として、炭化珪素（ＳｉＣ）の基板にフッ素樹脂シートを熱溶着したものを用いることも開示されている（特許文献３参照）。さらに、伝熱板（熱交換基板、熱交換板）として、アモルファスカーボン材基板を用いること（特許文献４参照）や、熱良導体からなる基板にダイヤモンドライクカーボンを蒸着したものを用いること（特許文献５参照）が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−６７７１７号公報
【特許文献２】
特許第３３０８８１６号公報
【特許文献３】
特開平１１−３４０１９０号公報
【特許文献４】
特開平９−２２９５８７号公報
【特許文献５】
特開平９−３１３９２６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術においては、以下に述べるような問題点がある。即ち、ＰＴＦＥシートやフィルムを接着する場合には、ＰＴＦＥに微細な孔があるので、熱伝導性を高めるためにＰＴＦＥ層を薄くすると、薬液から発生するガスがＰＴＦＥを透過してしまう。そのため、ＰＴＦＥの被覆内に気泡が形成されたり、基板であるＳＵＳがガスによって浸食され、溶出した金属イオン等が薬液を汚染してしまう恐れがある。
【００１０】
また、炭化珪素基板にフッ素樹脂シートを熱溶着したものを用いる場合には、炭化珪素に、フッ酸に対する耐性に問題があることが指摘されていると共に、フッ素樹脂で被覆することにより、熱伝導性が低下してしまう。
【００１１】
さらに、アモルファスカーボンの熱伝導率は、上記のＰＴＦＥと比較すると高いが、単独で用いる場合には一般的な金属に及ばない。また、ダイヤモンドライクカーボンは、良好な熱伝導率を有するが、このカーボン層を蒸着等によって基板に形成する場合には、製造工程が複雑なのでコストが上昇してしまうと共に、ピンホールや剥がれを生じることがある。特に、ピンホールが生じると、薬液から発生したガスによって基板が浸食されるおそれがある。
【００１２】
上記の問題点に鑑み、本発明は、腐食性流体に対する耐性と、冷却加熱に伴う温度サイクルの繰り返し環境における機械的強度及び耐久性とを有すると共に、熱抵抗が小さく、流体への不純物溶出のない伝熱板を備えた流体温度調節装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
上記課題を解決するため、本発明の流体温度調節装置は、伝熱室に流体を通過させることによって、該流体の温度を調節する流体温度調節装置であって、伝熱室の一部を形成する伝熱板と、該伝熱板を介して伝熱室を通過する流体との間で熱交換を行う温度調節手段とを備え、上記伝熱板は、基板と、該基板の流体と接触する側に接着されたアモルファスカーボンフィルムとを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、伝熱室を形成する伝熱板として、基板と、該基板に接着されたアモルファスカーボンフィルムとを含む伝熱板を用いる。このような伝熱板において、アモルファスカーボンフィルムは、基板の熱膨張又は熱収縮に追従することが可能なので、冷却加熱に伴う温度サイクルの繰り返し環境においても、両者の熱膨張率の差による伝熱板の変形や破損が生じることが少ない。また、アモルファスカーボンフィルムにより、基板の腐食が防止されるので、基板から流体への不純物の溶出がなくなり、薬液の汚染を防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る流体温度調節装置の構造を示す断面図である。この流体温度調節装置は、伝熱ブロック１と、伝熱ブロック１の両側に配置されている２枚の伝熱板２と、伝熱ブロック１と伝熱板２とを押さえつけることにより接触部分が密着するように両者を保持する保持部６０と、２枚の伝熱板２にそれぞれ接触するように配置されている温度調節部５０とを含んでいる。
【００１６】
伝熱ブロック１と伝熱板２との間には、伝熱室１０が形成されている。伝熱室１０は、流体を加熱又は冷却しながら通過させることにより流体の温度調節を行う領域である。伝熱ブロック１は、耐食性を有する材料のブロックから、伝熱室１０となる領域（凹部５）、孔７及び孔９を削り出すことにより作製される。耐食性を有する材料としては、例えば、テフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂が用いられる。
【００１７】
伝熱ブロック１に形成された凹部５の周囲には、溝２３が形成されており、そこには、Ｏリング等のシール部材２４が嵌め込まれている。このような伝熱ブロック１と伝熱板２とを保持部６０によって押さえつけることにより、伝熱ブロック１及び伝熱板２によって形成される伝熱室１０の液密性が保持される。
【００１８】
保持部６０は、伝熱ブロック１とその両側に配置された伝熱板２とを、それらの接触部分が密着するように保持している。保持部６０は、例えば、２つのフレーム６１ａ及び６１ｂと、ボルト６２と、ナット６３と、コイルバネ６４と、バネ押さえ（カラー）６５とを含んでいる。２つのフレーム６１ａ及び６１ｂは、伝熱ブロック１及びその両側に配置された伝熱板２を挟み込む。ボルト６２は、これらのフレーム６１ａ及び６１ｂを、ナット６３及びコイルバネ６４と共に締結する。コイルバネ６４は、ボルト６２に組み合わされて弾性体として作用する。このように、伝熱ブロック１と伝熱板２とを弾性体を用いて保持することにより、伝熱ブロック１が熱膨張した場合においても、伝熱室１０の液密性を損なったり、伝熱ブロック１を大きく塑性変形させることなく、これらを保持することができる。
【００１９】
２枚の伝熱板２の外側には、温度調節部５０がそれぞれ設けられている。温度調節部５０は、伝熱板２を介して伝熱室１０内部の流体の加熱又は冷却を行い温度調節を行う装置である。温度調節部５０としては、一般的なヒータや、複数の熱電素子を用いた熱電モジュール等、加熱又は冷却量を制御可能な加熱装置又は冷却装置、或いは、両方を行う装置が用いられる。本実施形態において、温度調節部５０は、各々の両端に電極５２が形成された複数の熱電素子５１と、熱交換板５３とを含んでいる。電極５２が形成された複数の熱電素子５１は、絶縁層５５を介して、伝熱板２及び熱交換板５３に熱的に接続しており、これらによって挟み込まれるように保持されている。熱交換板５３は、熱電素子５１の放熱を除去、或いは、給熱をするためのものであり、例えば、水循環式のものが用いられる。複数の熱電素子５１に電流を印加すると、それらの熱電効果により、熱が吸収又は放出される。このような熱電モジュールの詳細については、日本国特許公開平３−２２５９７３号公報及び平１０−１７８２１８号公報を参照されたい。
【００２０】
次に、伝熱ブロック１の構造について、図２及び図３を参照しながら、詳しく説明する。図２は、図１に示す伝熱ブロック１の平面図であり、図３は、図２に示す伝熱ブロック１のＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。
図２及び図３に示すように、凹部５は、フッ素系樹脂等の耐食性材料で作製された直方体状の伝熱ブロック１の表面を掘り込むことにより形成される。伝熱ブロック１の寸法は、一例として、縦１５１ｍｍ、横１８１ｍｍ、厚さ３１ｍｍである。この伝熱ブロック１の上面及び下面の同じ位置に、同じ大きさの凹部５が形成されている。凹部５の平面形状は、伝熱ブロック１の長手方向に延びる長方形である。凹部５の対向する側面５ａと５ｂは平行で、側面５ｃと５ｄも平行であり、底面は平坦である。凹部５の寸法は、一例として、縦１０６ｍｍ、横１４１ｍｍ、深さ４ｍｍである。
【００２１】
伝熱ブロック１の側部には、同ブロック１の長手方向に平行に延びる２つの孔７及び９が開けられている。図３に示すように、これらの孔７及び９の中心線は、伝熱ブロック１の厚さ方向の略中心に位置する。また、孔７の外周と孔９の外周との間の距離は、凹部５の側面５ａ及び５ｂの長さよりも短くなっている。孔７及び９は、伝熱ブロック１の一方の外面から凹部５の側面５ａに達する長さを有する。一例として、孔７及び９の径は１５．８ｍｍ、長さは１６１ｍｍである。ここで、一方の孔７（図の右側）を導入流路、他方の孔９（図の左側）を導出流路とする。導入流路７には、流体源に連通するパイプ１１が接続され、導出流路９には、パイプ１３が接続されている。以下においては、伝熱ブロック１において、パイプ１１及び１３が接続されている側を手前、その反対側を奥とする。
【００２２】
伝熱ブロック１には、凹部５の右側の側面５ｄに沿って、厚さ方向に貫通する複数の流入口１５ａ〜１５ｅが開けられている。また、凹部５の左側の側面５ｃに沿って、厚さ方向に貫通する複数の流出口１７ａ〜１７ｃが開けられている。流入口１５ａ〜１５ｅは、導入流路７と伝熱ブロック１の上面及び下面の凹部５とに通じるとともに、流出口１７ａ〜１７ｃは、導出流路９と凹部５とに通じている。従って、導入流路７は、流入口１５ａ〜１５ｅを介して上面及び下面の凹部５に連通し、導出流路９は、流出口１７ａ〜１７ｃを介して凹部５に連通する。その結果、導入流路７から、流入口１５ａ〜１５ｅ、凹部５、流出口１７ａ〜１７ｃを介して、導出流路９へ達する流路が形成される。
【００２３】
次に、この伝熱ブロック１における流体の流動状態について、図１〜図３を参照しながら説明する。実際に使用される際には、図１に示すように、伝熱ブロック１の上下面にアモルファスカーボンフィルム２ａが接着された伝熱板２が配置され、各凹部５と伝熱板２との間には空間（図１及び図２に示す伝熱室１０）が形成される。この空間が、温度制御される流体の流路となる。図３に示すように、上凹部５に形成される空間を上流路１９、下凹部５に形成される空間を下流路２１とする。
【００２４】
パイプ１１を通って供給される流体が、伝熱ブロック１の導入流路７に導入されると、流体は、導入流路７内を長手方向に流れるとともに、流入口１５ａ〜１５ｅを通って上下方向に分岐する。分岐した流体は、流入口１５ａ〜１５ｅを通って伝熱ブロック１の上面及び下面に達し、上流路１９及び下流路２１内に流れ出す。上流路１９及び下流路２１の各々では、複数の流入口１５ａ〜１５ｅから流れ出した流体が合流し、一つの流れとなる。これらの流路内において、温度調節装置５０（図１）による加熱又は冷却が伝熱板２を介して流体に行われ、流体の温度が調節される。そして、温度調節されながら、流体は、各流路１９、２１を流出口１７ａ〜１７ｃ方向に流れ、流出口１７ａ〜１７ｃに入り、導出流路９で合流する。その後、導出流路９内を手前方向に流れ、パイプ１３を通って導出される。
【００２５】
伝熱板２は、伝熱ブロック１の凹部５を覆うように配置されており、伝熱ブロック１と共に伝熱室１０を形成する。伝熱板２は、アモルファスカーボンフィルム２ａ及び基板２ｂを含んでおり、アモルファスカーボンフィルム２ａ側を伝熱室１０側に向けて配置されている。なお、本実施形態においては、アモルファスカーボンフィルム２ａの厚さを０．５ｍｍとしている。
【００２６】
図４は、図１に示す伝熱板２を拡大して示す断面図である。アモルファスカーボンフィルム２ａと基板２ｂとは、接着材層２ｃによって接着されている。
ここで、伝熱板２には、流体温度調節装置の繰り返し使用に耐えうる機械的強度及び耐久性と、流体の温度調節範囲をカバーする耐熱性と、温度調節部５０からの加熱又は冷却を効率良く流体に伝えるための良好な熱伝導性と、温度調節される流体（薬液）に対する耐食性とを有することが要求される。そのため、本実施形態においては、基板２ｂの材料として、十分な機械的強度及び高熱伝導性を有する材料を用い、これに耐食性を付加するために、アモルファスカーボンフィルム２ａを接着している。基板２ｂの材料としては、アルミニウムやアルミニウム合金を含む金属材料や、炭化珪素（ＳｉＣ）等が挙げられる。
【００２７】
ここで、本実施形態において、伝熱板２に耐食性を付加するために、フィルム状のアモルファスカーボンを用いるのは、次のような理由による。アモルファスカーボンは、耐食性に優れ、不純物の溶出等を引き起こさない材料である。また、その熱伝導率は、６〜７Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、この値は、従来、伝熱板の耐食のために用いられていたＰＴＦＥの熱伝導率（０．３〜０．４Ｗ／ｍ・Ｋ程度）の１０〜２０倍程度と高い。しかしながら、このようなアモルファスカーボンであっても、その熱伝導率は、金属の熱伝導率（例えば、アルミニウム１３０〜２２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）と比較すると非常に低い。従って、できる限り薄くして、熱抵抗を減らすことが望ましいが、アモルファスカーボンは、硬くて脆い性質を有するので、薄くすると機械的強度について不十分となるおそれがある。そのため、伝熱板の材料として、アモルファスカーボンを単独で用いることは困難である。
【００２８】
耐食性を有する伝熱板を作製するためには、例えば、基板に耐食性材料層を蒸着等の方法によって形成したり、アモルファスカーボン等の耐食性基板を金属板等に接着材等で固着して補強する方法が考えられる。しかしながら、前者の方法によると、耐食性材料層にピンホールが形成される可能性は避けられないので、薬液から発生したガスがピンホールを通って基板に達し、基板が腐食されるおそれがある。また、後者の方法によると、耐食性基板の熱膨張率（例えば、アモルファスカーボン２〜４×１０−６／℃）と補強材料の熱膨張率（例えば、アルミニウム２３×１０−６／℃）とは著しく異なるので、温度変化の激しい状態で使用すると伝熱板が変形したり破損するおそれがある。例えば、３ｍｍより厚いアモルファスカーボンをアルミニウム板に固着することにより伝熱板を形成すると、流体の温度調整時における温度変化により、伝熱板が反ったり、割れや剥がれが生じてしまう。また、基板材料とアモルファスカーボンとを固着させないで、グリースを介して密着させることも考えられるが、流体の流路内に負の圧力が発生すると密着が外れるおそれがある。さらに、一般に、グリースは伝熱性が良くないという問題がある。また、基板材料とアモルファスカーボンとを固着させない場合、熱抵抗を下げるためにアモルファスカーボンを薄くしようとしても、強度が不足するので薄くすることができない。
【００２９】
そのため、本実施形態においては、アモルファスカーボンフィルム２ａを用いている。アモルファスカーボンをフィルム状にすることにより、基板２ｂ側の熱膨張や熱収縮に追従できるようになるので、両者を固着しても、反り、割れ、剥がれ等の変形や破損は生じない。また、熱伝導率の高い接着材（例えば、０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上）を選択して用いることができるので、基板の熱伝導効率を大きく妨げることはなくなる。
伝熱板の反りや割れや剥がれ等を防止するためには、アモルファスカーボンフィルムの厚さを１ｍｍ以下にすることが望ましく、そのため、本実施形態においては０．５ｍｍ以下としている。
【００３０】
また、アモルファスカーボンフィルム２ａは、ピンホールが形成されない、緻密な膜なので、薬液や薬液から発生したガスを透過させることはない。従って、基板２ｂの腐食を避けることができる。
【００３１】
以上説明した本実施形態においては、伝熱ブロックの両側に凹部を形成し、それらの凹部を伝熱板によって覆うことにより、伝熱室を形成した。しかしながら、伝熱ブロックの形状はこのようなものに限られない。例えば、片側にのみ凹部が形成された伝熱ブロックを用いても良い。
【００３２】
或いは、伝熱ブロックとして、ブロック材の一部がくり抜かれたものを用いても良い。図５に示すように、伝熱ブロック３には、厚さ方向に貫通する空隙３０が形成されている。その空隙３０を両側から伝熱板２で覆うことにより、伝熱室が形成される。図５においては、空隙３０に連通するパイプ３１及び３２が設けられており、温度調節される流体は、パイプ３１を通って伝熱室に導入され、そこで温度調節された後に、パイプ３２を通って導出される。このような伝熱ブロック３及び伝熱板２を含む温度調節装置においては、熱電モジュール等の温度調節手段を、上側及び下側の伝熱板２の両側に配置しても良く、片側のみに配置しても良い。後者の場合には、温度調節手段が配置される側のみに伝熱板２を配置し、反対側には、流体の漏れを防ぐためのカバーを配置しても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、流体温度調節装置において、腐食性流体に対する耐性、機械的強度及び耐久性、良好な熱伝導性を有する伝熱板を用いるので、流体を不純物溶出によって汚染することもなく、冷却加熱に伴う温度サイクルの繰り返し環境においても壊れることなく長期間安定して使用することができ、加熱又は冷却を効率良く行うことができる流体温度調節装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る流体温度調節装置の構造を示す断面図である。
【図２】図１に示す流体温度調節装置の伝熱室の構造を示す平面図である。
【図３】図２の伝熱室の正面断面図である。
【図４】図１に示す伝熱板を拡大して示す断面図である。
【図５】空隙が形成された伝熱ブロックと伝熱板とによって形成された伝熱室を示す断面図である。
【図６】従来の流体温度調節装置の構造を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
１、３…伝熱ブロック、２、１２３…伝熱板、２ａ…アモルファスカーボンフィルム、２ｂ…基板、２ｃ…接着材層、５…凹部、５ａ〜５ｄ…側面、７…導入流路、９…導出流路、１０、１０１…伝熱室、１１、１３、３１、３２…パイプ、１５ａ〜１５ｅ…流入口、１７ａ〜１７ｂ…流出口、１９…上流路、２１…下流路、２３…溝、２４…シール部材（Ｏリング）、３０…空隙、５０…温度調節部、５１…熱電素子、５２…電極、５３…熱交換板、５５…絶縁層、６０…保持部、６１ａ、６１ｂ…フレーム、６２…ボルト、６３…ナット、６４…コイルバネ、６５…バネ押さえ（カラー）、１００…流体温度調節装置、１０３…流路形成プレート、１０５…区画、１０７…開口、１０９…流体導入パイプ、１１１…流体導出パイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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