(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水を貯留する密閉された液体貯留槽と、
該液体貯留槽を貯留部３０１と貯留部３０２に仕切る仕切り部と、
該仕切り部の両側にベローズ状に形成され、該仕切り部をそれぞれの一方の閉塞部として配された一対のベローズ部と、
該一対のベローズ部の各一方の閉塞部に対して反対側となる各ベローズ部を閉塞する一対の他方の閉塞部と、
前記仕切り部に設けられた貫通孔を往復動自在に挿通し、前記他方の閉塞部同士を連結する連結部と、
前記仕切り部に設けられ、前記ベローズ部の内部に連通し、液体を流入させる流入通路、及び液体を流出させる流出通路と、
前記仕切り部に対し、前記連結部を介して連結された一対の前記他方の閉塞部をベローズ部の伸縮方向へ移動させ、一方のベロース部が伸長する際には他方のベローズ部を収縮させる往復駆動装置と、
貯留部３０１への冷却水の流入は阻止し、流出を許容する逆止弁６０３、および貯留部３０２への冷却水の流入を許容し、流出を阻止する逆止弁６０２が配設され、貯留部３０１および貯留部３０２を連通する管路と、
貯留部３０２への冷却水の流入は阻止し、流出を許容する逆止弁６０４、および貯留部３０１への冷却水の流入を許容し、流出を阻止する逆止弁６０１が配設され、貯留部３０２および貯留部３０１を連通する管路と、
これら管路に配設され、冷却水を冷却する冷却装置とを具備し、
前記往復駆動装置により、前記連結部を介して連結された一対の前記他方の閉塞部をベローズ部の伸縮方向へ移動させ、一方のベローズ部が伸長する際には他方のベローズ部を収縮させて、一方のベローズ部が伸長することで前記流入通路を介して一方のベローズ部内部へ液体を導入し、他方のベローズ部が収縮することで内部から前記流出通路を介して液体を吐出させると共に、ベローズ部内部の液体と前記液体貯留槽に貯留されている冷却水との間で熱交換を行わせる一方、前記両ベローズが伸縮することによるポンプ作用により、冷却水を貯留部３０１、３０２間で移動させることを特徴とする熱交換器兼用ポンプ装置。
【請求項２】
研磨装置に供給される研磨液を循環させるポンプ装置であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器兼用ポンプ装置。
【請求項３】
前記ベローズ部は膜状部材で形成され、該膜状部材の少なくとも内表面部が樹脂材で形成されていることを特徴とする請求項１または２いずれか１項記載の熱交換器兼用ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器兼用ポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液体（薬液、純水等）を所定の温度に調整して供給或いは循環し、その液体を所望の目的に利用する場合、液体の温度を調整する熱交換器と、液体を供給或いは循環させるポンプ装置は別々に設けられていた。
例えば、半導体チップの原料となるシリコンウェーハを研磨する際、アルカリ性の薬液に微細砥粒が分散されて成る液状の研磨剤（以下、「スラリー」という）を供給するスラリーの供給装置においても、図６に示すように、冷却用の熱交換器７０と、スラリーを循環（矢印Ａ）して研磨装置７２に供給するポンプ装置７１とは別々に設けられていた。なお、このスラリーの供給装置において、スラリーを冷却する熱交換器７０を通して研磨装置７２に供給するのは、研磨条件を同一に保つように、スラリーの温度を一定に保つためである。スラリーを好適に冷却して温度管理することは、半導体ＶＬＳＩデバイスの高集積化及び微細化に伴って、非常に高い研磨精度が要求されるため、重要な技術事項になってきている。特に、スラリーは、微細砥粒の研磨作用を利用すると共に、化学成分による腐食作用も利用する研磨剤であり、化学作用は温度条件によって敏感に変化するため、その温度管理が重要になるのである。
【０００３】
また、シリコンウェーハを研磨する工程、或いは半導体チップを製造する際のウェーハの表面上に形成された膜層の表面を平坦化（プラナリゼーション）する工程では、金属による汚染（コンタミネーション）が問題になっている。このため、スラリーを冷却する熱交換器７０としては、金属製ではなく、樹脂製のものを用いている。図６に示す熱交換器７０では、熱交換をするひだ状管７３が、樹脂製の膜状部材（例えばフッ素樹脂の薄膜体）によって形成されている。そのひだ状管７３が、冷却液が流通（矢印Ｂ）するように形成された筒状の管路７４の中に配設されている。また、ポンプ装置７１としては、従来、スラリーが流れる部分を樹脂で形成した渦巻きポンプが用いられてきた。なお、７５は冷却液供給用のポンプであり、７６は循環する冷却液を冷やす冷却装置である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のスラリーの供給装置のような液体の供給装置にあっては、熱交換器とポンプ装置とを別々に設けており、装置が複雑化し、広い設置スペースが必要であるという課題があった。
また、前記ひだ状管７３のように、熱交換をする部分をひだ状にしてその表面積を広くしても、ひだの谷の部分では、管内部でのスラリーの流れ及び管外部での冷却液の流れが悪く、伝熱効率が低下するという課題があった。
また、従来の樹脂製の熱交換器は、その材質の熱伝導性が悪いため伝熱効率が低く、液体と直に接触する表面積を広くしないと所定の熱交換性能を得ることができない。このため、熱交換器が大型化してしまい、広い設置スペースが必要であるという課題があった。例えば、図６のようなひだ状管７３を多数本必要としていた。また、樹脂製の熱交換器において、金属製の熱交換器のようにフィンを形成しても、その熱伝導性が悪いため、冷却液の流通を阻害する等のデメリットを勘案すると効果的ではなく、伝熱効率を向上できない。
さらに、ポンプ装置として渦巻きポンプを用いた場合、高速度で回転する部分等がスラリーによって磨耗され易く、その部分を頻繁に交換するなど保守管理を合理化できないという課題があった。なお、渦巻きポンプは、それ自体が発熱し易いという性質があり、スラリーの供給装置のように冷却を要する分野では問題があった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、伝熱効率を向上させ、構成を簡略化でき、小型化ができる熱交換器兼用ポンプ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために次の構成を備える。
すなわち、本発明に係る熱交換器兼用ポンプ装置は、冷却水を貯留する密閉された液体貯留槽と、該液体貯留槽を貯留部３０１と貯留部３０２に仕切る仕切り部と、該仕切り部の両側にベローズ状に形成され、該仕切り部をそれぞれの一方の閉塞部として配された一対のベローズ部と、該一対のベローズ部の各一方の閉塞部に対して反対側となる各ベローズ部を閉塞する一対の他方の閉塞部と、前記仕切り部に設けられた貫通孔を往復動自在に挿通し、前記他方の閉塞部同士を連結する連結部と、前記仕切り部に設けられ、前記ベローズ部の内部に連通し、液体を流入させる流入通路、及び液体を流出させる流出通路と、前記仕切り部に対し、前記連結部を介して連結された一対の前記他方の閉塞部をベローズ部の伸縮方向へ移動させ、一方のベロース部が伸長する際には他方のベローズ部を収縮させる往復駆動装置と、貯留部３０１への冷却水の流入は阻止し、流出を許容する逆止弁６０３、および貯留部３０２への冷却水の流入を許容し、流出を阻止する逆止弁６０２が配設され、貯留部３０１および貯留部３０２を連通する管路と、貯留部３０２への冷却水の流入は阻止し、流出を許容する逆止弁６０４、および貯留部３０１への冷却水の流入を許容し、流出を阻止する逆止弁６０１が配設され、貯留部３０２および貯留部３０１を連通する管路と、これら管路に配設され、冷却水を冷却する冷却装置とを具備し、前記往復駆動装置により、前記連結部を介して連結された一対の前記他方の閉塞部をベローズ部の伸縮方向へ移動させ、一方のベローズ部が伸長する際には他方のベローズ部を収縮させて、一方のベローズ部が伸長することで前記流入通路を介して一方のベローズ部内部へ液体を導入し、他方のベローズ部が収縮することで内部から前記流出通路を介して液体を吐出させると共に、ベローズ部内部の液体と前記液体貯留槽に貯留されている冷却水との間で熱交換を行わせる一方、前記両ベローズが伸縮することによるポンプ作用により、冷却水を貯留部３０１、３０２間で移動させることを特徴としている。
【０００７】
また、研磨装置に供給される研磨液を循環させるポンプ装置であることを特徴とする。
また、前記ベローズ部は膜状部材で形成され、該膜状部材の少なくとも内表面部が樹脂材で形成されていることを特徴とする。これにより、半導体デバイスの製造工程のように、金属の汚染が問題となる場合でも、所望の液体を所望の温度に調整して好適に供給することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる好適な実施の形態を添付図面と共に詳細に説明する。
図１は熱交換器兼用ポンプ装置の基本構成を示す斜視図であり、図２は図１の実施例の平面図である。図３は図１のポンプ装置の作動原理を説明する断面図である。ここでは、本実施例をシリコンウェーハの研磨装置におけるスラリーの供給装置として利用した場合について説明する。
１０、２０はベローズ部であり、ベローズ状に形成され、伸長することで内部１０ａ、２０ａへ液体を導入し、収縮することで内部１０ａ、２０ａから液体を吐出する。その液体としては、薬液、或いは純水、油等、液状で流動性のあるものであればよく、本実施例では前述したスラリーである。
３０は液体貯留槽であり、一対のベローズ部１０、２０が収納され、その一対のベローズ部１０、２０が温度調整用の液体（冷却水４０）中に浸漬されるように冷却水４０を貯留できるように形成されている。
【０００９】
１５は仕切り部であり、この仕切り部１５には、ベローズ部１０、２０の内部１０ａ、２０ａに連通し、スラリーを流入させる流入通路１１、２１、及びスラリーを流出させる流出通路１２、２２を設けたことで、容易に配管することができる。
本実施例では、この仕切り部１５の両側に、一対のベローズ部１０、２０が、仕切り部１５をそれぞれの一方の閉塞部１３、２３として、その仕切り部１５を挟む方向に伸縮するように配されている。
また、この仕切り部１５は、基体に固定された状態に据え付けられており、図２に示すように、固定棒１６によって特にベローズ部１０、２０の伸縮方向に移動することのないように固定されている。
【００１０】
１４は他方の閉塞部であり、右側のベローズ部１０において、前記一方の閉塞部１３に対して反対側に設けられている。また、２４も他方の閉塞部であり、左側のベローズ部２０において、前記一方の閉塞部２３に対して反対側に設けられている。
２５はロッドであり、一対のベローズ部１０、２０の他方の閉塞部１４、２４同士を連結する連結部を構成している。本実施例では、４本のロッド２５で構成されている。ロッド２５は、仕切り部１５に設けられた貫通孔１５ａに、軸線方向に往復動自在に挿通されている。従って、この連結部である４本のロッド２５によって、一対の他方の閉塞部１４、２４同士は一体化しており、一体的に移動できる。
【００１１】
また、５０はシリンダ装置であり、ロッド５２が伸縮し、仕切り部１５に対し、前記連結部を介して連結された一対の他方の閉塞部１４、２４を、ベローズ部１０、２０の伸縮方向へ相対的に移動させ、一方のベロース部１０又は２０が伸長する際には他方のベローズ部２０又は１０を収縮させる往復駆動装置として作動する。このシリンダ装置５０のシリンダ本体５４は、液体貯留槽３０の外側に設けられており、容易に着脱可能であり、保守管理が行い易い。
なお、往復駆動装置としてはシリンダ装置に限らず、電動モータの動力を往復運動に変換する駆動機構等を用いることができるのは勿論であある。
【００１２】
また、本実施例の液体貯留槽３０は、温度調整用の液体として冷却水４０を貯留するものであり、一対のベローズ部１０、２０が収納されて冷却水４０に浸漬されるように水槽を形成していると共に、図２に示すように、冷却水４０の供給口４１と排出口４２を備えている。従って、冷却水４０を、例えば矢印方向へ流通させることができ、図６の従来技術と同様に管路を介してポンプ装置によって循環させ、温度調整装置（冷却装置）によって冷却することができる。また、４３は連通路であり、仕切り部１５によって左右に２分された液体貯留槽３０同士を連通し、冷却水４０が流通（矢印方向）するように形成されている。これにより、研磨工程の摩擦熱で温度上昇する研磨液であるスラリーを、好適に冷却することができる。
【００１３】
また、本実施例のベローズ部１０、２０を形成する膜状部材は、少なくとも内表面部が樹脂材で形成されている。樹脂材としては、例えばフッ素樹脂を用いることができる。この樹脂製のベローズ部は、半導体デバイスの製造工程のように、金属の汚染が問題となる場合に好適に用いることができる。また、フッ素樹脂は、剥離性が良好であり、スラリーの微細砥粒が付着して堆積することを防止でき、ポンプ効率を好適に維持できる。
なお、金属による汚染が問題とならない用途では、金属製のベローズ部としてもよいのは勿論である。金属製にすれば、熱伝導性が良いため、伝熱効率を向上できる利点がある。
【００１４】
次に図３に基づいて、本実施例のポンプ装置（ベローズポンプ）の作動原理について説明する。なお、図１及び図２で説明した構成については、同一の符号を付して説明を省く。
６０Ａ、６０Ｂは流入用の逆止弁であり、スラリーを流入させる流入通路１１、２１のそれぞれに配されており、スラリーを供給する管路６１に接続されている。各ベローズ部１０、２０が伸長する際、すなわちその内容積を拡張する際に開く。そして、各ベローズ部１０、２０が収縮する際、すなわちその内容積を縮小する際に閉じる。
また、６２Ａ、６２Ｂは流出用の逆止弁であり、スラリーを流出させる流出通路１２、２２のそれぞれに配されており、スラリーを排出する管路６３に接続されている。各ベローズ部１０、２０が収縮する際、すなわちその内容積を縮小する際に開く。そして、各ベローズ部１０、２０が伸長する際、すなわちその内容積を拡張する際に閉じる。
【００１５】
このベローズポンプは、以上のように構成されるため、連結部によって一体化した一対の他方の閉塞部１４、２４が、例えば往復駆動装置によって矢印Ｆ方向に移動する場合、スラリーは矢印Ｌの方向に流れる。すなわち、スラリーが管路６１から、流入用の逆止弁６０Ａ、流入通路１１を通過してベローズ部１０の内部１０ａに流入する。そして、ベローズ部２０の内部２０ａのスラリーが、流出通路２２、流出用の逆止弁６２Ｂを通過して管路６３へ排出される。矢印Ｆと反対方向に駆動されるときは、それぞれ別の逆止弁６０Ｂ、６２Ａが開き、スラリーが管路６１から供給されて管路６３へ排出されることになる。
【００１６】
次に以上のように構成された本実施例の作用効果について説明する。
ベローズ部１０、２０が冷却水４０中に没した状態となっており、そのベローズ部１０、２０は蛇腹状に形成されているため熱交換（放熱）用の表面積を広くとれる。これにより、ベローズ部の内部１０ａ、２０ａに流入されたスラリーの熱を効率よく放熱することができ、スラリーを好適に冷却できる。
このようにスラリーを好適に冷却する機能を、スラリーを研磨装置に供給するベローズポンプに、簡単な構成で好適に付加することができる。すなわち、熱交換器とポンプ装置を一体化できるため、スラリーの供給装置としての構成を簡略化でき、その装置を全体的に小型化できる。
【００１７】
また、ベローズ部１０、２０は、ポンプ装置の構成部材として伸縮する。この際に、ベローズ部の内部１０ａ、１０ｂに流入されたスラリーを強く攪拌することになる。この攪拌効果は、渦巻きポンプを作動した場合のような発熱を伴うものではなく、非常に効率的であり、静止した管路内を通過させる場合に管の内壁面近傍に形成されるような境界層を剥離させ、伝熱効率を大幅に向上させる。このことは、液体貯留槽３０に貯留された冷却水４０についても同様に作用する。すなわち、ベローズ部１０、２０のひだが、その外面側で冷却水４０を攪拌し、その攪拌効果は、前述したような境界槽を破壊し、常に新鮮な冷却水４０をベローズ部１０、２０の外表面に供給することになり、伝熱効率を大幅に向上できる。従って、たとえベローズ部１０、２０が熱伝導性の悪い樹脂によって形成されていても、冷却水４０によってベローズ部の内部１０ａ、１０ｂのスラリーを好適に冷却できる。
【００１８】
以上の実施例の説明では、上面が開放した液体貯留槽３０を図に示したが、図４に示すように、液体貯留槽３０Ａの上面が閉じられたタンク状に形成されていてもよい。これによれば、ベローズ部１０、２０の作動速度が速くなって大きな波が発生する場合にも、冷却水４０が溢れ出る心配がない。また、図４に示すように、仕切り部１５Ａの上方で、冷却水４０が液体貯留槽３０Ａの両側間を流通できるようにすれば、冷却水４０を液体貯留槽３０Ａ内で好適に流通できると共に、ベローズ部１０、２０にかかる冷却水４０による作動抵抗も軽減できる。
【００１９】
図５は、本発明にしたがって構成した熱交換器兼用ポンプ装置の説明図であり、図５に示すように、液体貯留槽３０Ｂを、仕切り部１５Ｂによってベローズ部１０側の一方の貯留部３０１と、ベローズ部２０側の他方の貯留部３０２とに完全に分割し、それぞれの貯留部３０１、３０２を冷却水を給排するポンプ部として利用している。すなわち、図のように各貯留部３０１、３０２が密閉されたタンク状に形成され、流入用の逆止弁６０１、６０２と流出用の逆止弁６０３、６０４とがそれぞれ貯留部３０１、３０２に連結され、その両者の間に冷却装置７６を連結した構成になっている。これによれば、各ベローズ部１０、２０が各貯留部３０１、３０２内においてその容積を変化できるため、図３で説明したポンプ装置の作動原理と同一の原理によって、冷却水４０を好適に給排及び循環（図面上の矢印方向）させることができる。これにより、図６に示したような冷却液供給用のポンプ７５を別に設けることなく、冷却水４０を給排・循環させることができ、前述したような冷却機能を有するスラリーの供給装置等の構成を、さらに簡略化できる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明にかかる熱交換器兼用ポンプ装置によれば、ベローズ状に形成され、伸長することで内部へ液体を導入し、収縮することで内部から液体を吐出するベローズ部を、液体貯留槽に収納し、温度調整用の液体中に浸漬することで、熱交換器としての機能とポンプ装置の機能とを一つの装置で得ることができる。また、ベローズ部の駆動によって、そのベローズ部の内外の液体を好適に攪拌できるため、伝熱効率を向上できる。また、液体貯留槽を、仕切り部によって一方の貯留部３０１と、他方の貯留部３０２とに完全に分割し、それぞれの貯留部３０１、３０２を冷却水を給排するポンプ部として利用しているので、冷却液供給用のポンプを別に設けることなく、冷却水を給排・循環させることができ、従って、構成を簡略化でき、小型化ができるという著効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  熱交換器兼用ポンプ装置の基本構成を示す斜視図である。
【図２】  図１の実施例の平面図である。
【図３】  図１の実施例のポンプの作動原理を説明する断面図である。
【図４】  他の実施例を模式的に説明する側断面図である。
【図５】  本発明にしたがって構成した熱交換器兼用ポンプ装置を模式的に説明する説明図である。
【図６】  従来技術を説明する原理図である。
【符号の説明】
１０  ベローズ部
１０ａ  内部
１１  流入通路
１２  流出通路
１３  一方の閉塞部
１４  他方の閉塞部
１５  仕切り部
１６  固定棒
２０  ベローズ部
２０ａ  内部
２１  流入通路
２２  流出通路
２３  一方の閉塞部
２４  他方の閉塞部
２５  ロッド
３０  液体貯留槽
４０  冷却水
５０  シリンダ装置
【図１】
0003955125.tif 000002
【図２】
0003955125.tif 000003
【図３】
0003955125.tif 000004
【図４】
0003955125.tif 000005
【図５】
0003955125.tif 000006
【図６】
0003955125.tif 000007