CN100494821C - 热介质循环装置及使用其的热处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供装置自身小型化，并且设置空间也不象原来那样大的热介质循环装置。在热介质循环系统(78)中设置作为温度控制对象的温度被控制体、与热介质进行主要热交换的主热交换器(88)、循环泵(84)而构成的温度控制用的热介质循环装置，在前述主热交换器的下游侧的前述热介质循环系统中，设置使用热电冷却元件(100)的副热交换器(96)来进行前述热介质的温度控制。由此，装置自身小型化，并且也不需要原来那样大的设置空间。

Description

热介质循环装置及使用其的热处理装置

技术领域

本发明涉及对热介质循环装置及半导体晶片等进行成膜处理等各种热处理的单片式热处理装置。

背景技术

虽然，一般地，在制造半导体设备时，对半导体晶片反复进行成膜处理，图形蚀刻处理，氧化扩散处理，改质处理等的各种热处理来制造所希望的设备，但是随着晶片尺寸的大型化，与间歇式热处理装置相比，处理的平面内均匀性比较容易得到的、所谓的单片式热处理装置有被多采用的倾向。该单片式热处理装置，在例如特开平5-51294号公报和特开平9-219369号公报等中被公开。

这种热处理装置，例如在可抽真空的处理容器内，设置承载半导体晶片的承载台，具有作为晶片的加热装置的加热灯、电阻加热器等。另外，在热处理的时候，边从设置在处理容器的顶棚部等的喷淋头部向处理容器内供给规定的需要的气体边使容器内部维持在规定的处理压力，同时把晶片加热到规定的处理温度，并维持在规定的处理温度，实施成膜处理等。

该情况下，喷淋头部和处理器的壁面如果变得过热，例如因为在成膜处理时不需要的膜或反应副生成物等附着在该壁面上，则用冷却机构将该喷淋头部和处理容器的壁面等进行冷却，使之不过度升温。另外，作为加热装置在使用加热灯的时候，因收容该加热灯的灯室的区隔壁也过度升温，所以为了冷却它而设置有冷却机构。

另外，作为上述冷却机构，一般地使用生成一定温度的流体并使之循环的冷却装置。该冷却装置具有非常大型的热交换系统并把热介质冷却到一定的温度，并使其相对应当冷却的构造物循环而构成。

但是，该冷却装置虽有所谓热介质的温度控制容易的优点，但是因为如上所述非常大型，不仅招来设备成本的暴涨，还有设置空间(占地面积)也过大的问题。

发明内容

本发明着眼于以上的问题点，在于有效地解决这个问题。本发明的目的在于，提供一种装置自身小型化，并且设置空间也不象原来那样大的热介质循环装置及使用其的热处理装置。

本申请的第1发明的热介质循环装置，是在热介质循环系统中使热介质流动并进行温度控制的热介质循环装置，其特征在于，具有：在热介质循环装置中，设置有成为温度控制对象的温度被控制体，具有设置在前述热介质循环系统中，与热介质进行主要热交换的主热交换器，设置在前述热介质循环系统中的循环泵，设置在前述主热交换器的下流侧的前述热介质循环系统中、且使用进行前述热介质的温度控制的热电冷却元件的副热交换器。

这样，使用主热交换器和副热交换器，主要热交换通过在主热交换器中冷却热介质来实行，之后，用于对温度进行微调的热交换在使用热电冷却元件的副热交换器中来实行，不仅可适宜地控制送出的热介质的温度，还可使装置自身小型化，并且其设置空间也可大幅削减。

另外，其特征在于，具有暂时储存前述热介质的储存槽。这样，因把进行了温度控制的热介质暂时储存在储存槽中，故可进行温度被控制体的稳定的温度控制。

另外，其特征在于，具有设置在前述副热交换器的下游侧的前述热介质循环系统中的温度检测传感部，以及基于该温度检测传感部的输出控制前述热电冷却元件的输出的温度控制部。

另外，其特征在于，前述副热交换器设置在前述储存槽的盖部，由在一端具有热介质入口，在另一端具有热介质出口的热交换流路、一面与前述盖部接合的前述热电冷却元件、以及与前述热电冷却元件的另一面接合的热废弃单元构成。

另外，其特征在于，在前述热交换流路内，设置了与在其中流动的前述热介质接触的多个热交换片。由此，通过热交换片的作用，可使副热交换器中的热交换效率大大上升。

另外，其特征在于，前述副热交换器，由设置在前述储存槽的盖部、下端浸渍在储存于前述储存槽内的热介质中的多个热管、一面与前述盖部接合的前述热电冷却元件、以及与前述热电冷却元件的另一面接合的热废弃单元构成。

另外，其特征在于，在前述主热交换器和前述副热交换器中，用于排出应当废弃的热的废弃热用热介质，以先从前述主热交换器再从前述副热交换器的顺序流出。

另外，其特征在于，形成了使前述热介质相对于前述主热交换器迂回的旁通路，必要时前述热介质迂回于前述主热交换器，在前述旁通路中流动，同时，前述热电冷却元件工作，加热前述热介质。由此，必要时热介质可迂回于主热交换器而直接导入副热交换器，并在此被加热升温，以加热的状态流入温度被控制体并加热它。

另外，其特征在于，前述热电冷却元件为珀耳帖元件。

另外，其特征在于，前述温度被控制体为对被处理体进行规定处理的热处理装置中所使用的处理容器、供给需要的气体的喷淋头部、以及收容加热灯的灯室的区隔壁中的至少任何一个。

本申请的第2发明的热处理装置，其特征在于，具有：可抽真空的处理容器、承载被处理体的承载台、向前述处理容器内供给需要的气体的供给装置、加热前述被处理体的加热装置、以及上述任何的热介质循环装置。

附图说明

图1是使用本发明的热介质循环装置的热处理装置的一个实施例的截面图。

图2是表示本发明所述的热介质循环装置的构成图。

图3是表示储存槽的盖部的横截面图。

图4是表示热介质的流动的图。

图5是表示本发明的变形例的副热交换器的横截面图。

图6是从图5中的A-A线箭头方向看去的截面图。

图7是表示本发明的热循环装置的第2个实施例的构成图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的热介质循环装置及使用其的热处理装置的一个实施例。

图1是表示使用本发明所述的热介质循环装置的热处理装置的一个实施例的截面图，图2是表示本发明所述的热介质循环装置的构成图，图3是表示储存槽的盖部的横截面图，图4是表示热介质的流动的图。

本实施例中，以作为单片式热处理装置进行成膜处理的情况为例进行说明。该热处理装置2，具有例如用铝等将内部成型为圆筒状或箱状的处理容器4，该处理容器4中，设置有从处理容器4的底部6立起的圆筒状的承载台支持基台8。另外，该支持基台8也可由容器侧壁支持。该承载台支持基台8由例如铝等耐腐蚀性材料形成。该圆筒状的承载台支持基台8的上部，设置了平面环形的气流稳定凸缘部10，另外，环形的支持隔板部12从该凸缘部10向内侧方向仅突出一点地形成。另外，使圆板状的承载台14的周边部靠接并承载在该支持隔板部12上。该承载台14，由例如厚度为3～4mm左右的SiC形成。另外，该承载台14的直径，根据承载在该承载台14上应被处理的半导体晶片W的尺寸而不同，例如处理8英寸大小的晶片的时候，承载台14的直径为24cm左右。

另外，从上述气流稳定凸缘部10的内周部，例如铝制的圆筒状反射板16向下延伸形成，该内面成为反射面。该反射板16的下端从上述处理容器4的底部6仅离开一点，呈悬浮状。

另外，从上述承载台支持基台8的气流稳定凸缘部10的内周部向上述承载台14的周边部的上方，设置有圆形环状的封闭环18。

另外，在该承载台14的下方，向上方立起地设置多根例如3根L字形的提升杆20(图1中只示出2根)，通过贯通设置在处理容器4的底部6的推上杆24使连结该各提升杆20的基部的环形连结部件22上下移动，使上述提升杆20插通在贯通设置在承载台14的提升杆孔26中，可抬起晶片W。该提升杆20由石英等的热线透过材料形成。另外，反射板16的一部分中，形成贯通提升杆20并容许其上下动的长孔(图中未示出)。

上述推上杆24的下端，为了保持在处理容器4中的内部气闭状态，通过可伸缩的波纹管28连接在往复运动的促动器30上。

另外，由石英等通热材料制成的透射窗32气密地设置在承载台14的正下方的容器底部6上，在其下方，形成围着透射窗32的箱形的区隔壁34，在其内部构成灯室36。在该灯室36内，作为加热装置的多个加热灯38设置在兼做反射镜的旋转台40上，该旋转台40借助旋转轴42通过设置在灯室36的底部的旋转马达44而旋转。结果，由该加热灯38放出的热线，透过透射窗32照射承载台14的下面使得能够加热它。

另外，在上述气流稳定凸缘部10的外周边，具有多个整流孔46，例如铝制成的环形整流板48，设置为与处理容器4的侧壁4A之间连结而支持。排气口50设置在该整流板48的下方的底部6上，与图中未示出的真空泵连接的排气路52连接在该排气口50上，可把处理容器4内抽到规定的真空度。另外，搬出搬进晶片时开闭的闸阀54设置在处理容器4的侧壁4A上。

一方面，为了向处理容器4内导入处理气体等，作为供给装置的喷淋头部58设置在与上述承载台14相对的处理容器4的顶棚部56上。具体地说，该喷淋头部58，具有例如由铝等形成的圆形箱状的头本体60，导入控制流量所需要的处理气体的气体导入口62设置在该顶棚部上。

在作为上述头本体60的下面的气体喷射面上，用于释放出向头本体60内供给的气体的多个气体喷射孔64配置在大致整个面内，可持续地向晶片表面释放气体。

另外，具有多个气体分散孔66的扩散板68配置在头本体60内，可更均匀地向晶片面供给气体。

另外，在此，在通常热处理时，为了防止处理容器4、喷淋头部58及区隔灯室36的区隔壁34过度地升温，它们成为温度控制的对象，即温度被控制体。因此，在上述处理容器4的侧壁4A、喷淋头部58的头本体60的侧壁及区隔灯室36的区隔壁34上，形成了用于使各热介质流动的热介质套层70A，70B，70C。

如图2所示，在各热介质套层70A，70B，70C中，通过热介质循环装置72供给被控制温度的热介质。在此作为热介质，可用例如水(包括冷却水，或加热用的温水)。

具体地说，该热介质循环装置72，具有在中途设置用于暂时储存热介质74的储存槽76的热介质循环系统78。该热介质循环系统78的中途，形成分支成三条并列流动的分支路80A，80B，80C，上述各热介质套层70A，70B，70C分别设置在各分支路上。另外，开闭阀81A，81B，81C及流量计83A，83B，83C分别设置在各分支路80A，80B，80C上。

使热介质循环的循环泵84设置在与上述储存槽76的介质出口82连接的下游侧的热介质循环系统78上，而且，开闭阀86A，86B分别设置在其两侧。

另外，用于和流过系统内的热介质进行主要热交换的主热交换器88设置在该储存槽76上游侧的热介质循环系统78中，与此同时，为了必要时迂回该主热交换器88而使热介质流动，相对主热交换器88并行分支形成了旁通路90。另外，使热介质流动的内侧管89设置在该主热交换器88内，切换开闭阀92A，92B分别设置在与该入口侧88A连接的热介质循环系统78及上述旁通路90中，可使热介质选择性地流过主热交换器88和旁通路90。

另外，上述储存槽76的盖部94，由例如铝、铜等热传导性良好的材料制成，在该盖部94上设置副热交换器96。具体的说，也如图3所示，呈蛇行状形成的热交换流路98形成在该盖部94内，该上游侧的一端的热介质入口98A，通过热介质循环系统78连接在上述主热交换器88的内侧管89的出口侧88B上，下游侧的另一端由向着储存槽76内开放的热介质出口98B形成，使副热交换后的热介质流到储存槽76内并可暂时储存。

在该盖部94的上面，由例如珀耳帖元件制成的板状的热电冷却元件100的一面设置成接合在上述盖部上面。由此，流过上述盖部94的热交换流路98内的热介质，可例如一边冷却一边进行温度调整。该板形的热电冷却元件100，虽在图示例中示出2个，实际上根据储存槽76的大小而确定，例如20个左右平面地配列地设置。

另外，用于把在该热电冷却元件100的另一面(上面)产生的、例如温热散出并废弃的热废弃单元102安装在该热电冷却元件100的另一端(上面)上。该热废弃单元102，在由例如铝、铜等热传导性良好的材料制成的块体104上形成使热废弃用热介质流动的热交换流路106而构成。另外，使热废弃用热介质从上述主热交换器88的容器内及上述热废弃单元102的热交换流路106内按顺序流过，从而形成热废弃流路108，还在该流路108的途中，设置开闭阀119及流量计112。在此，作为上述热废弃用热介质，可用例如常温的都市水(自来水)。

一方面，上述循环泵84的下游侧的热介质循环系统78中，作为温度检测传感部设置了例如热电偶114，可检测出在这里流动的热介质的温度。另外，该热电偶114的输出，向例如由微型计算机等构成的温度控制部116输入，该温度控制部116，通过在上述热电偶114的输出的基础上控制上述热电冷却元件100的输出，可控制热介质的温度。

另外，在上述储存槽76内，设置了检测被储存在此的热介质的液面的电平开关118，热介质不足的时候，通过热介质供给系统120，能够供给不足的热介质。

接下来，根据如上述那样构成的本实施例的动作来说明。

首先，在晶片表面实施例如钨膜或钨的硅化物等的成膜处理的时候，打开设置在处理容器4的侧壁4A的闸阀54通过搬送臂(图中未示出)向处理容器4内搬送晶片W，通过推上提升杆20把晶片W交接到提升杆20一侧。另外，通过降低推上杆24使提升杆20下降，使晶片W承载在承载台14上。

接下来，从图中未示出的处理气体源将成膜气体等种种需要的气体分别向喷淋头部58供给规定量，把气体从头本体60下面的气体喷射孔64向处理容器4内大致均匀地供给。与此同时，通过从排气口50吸入排出内部环境气体使处理容器4内维持在规定的真空度，并且驱动灯室36内的加热灯38旋转，放射热能。

被放射的热线，透过透射窗32后，照射承载台14的背面并加热它。该承载台14因如前述那样为数mm左右非常薄所以迅速地被加热，结果可把承载在其上面的晶片W迅速地加热到规定的温度。被供给的气体发生规定的化学反应，例如钨膜在晶片表面堆积，形成。

在此，在成膜处理中，虽然通过上述加热灯发出的热线，灯室36的区隔壁34、处理容器4的侧壁4A及喷淋头部58等有被过度曝晒在高温状态的危险，但在本实施例中，因使维持在大约一定温度的冷却用热介质流过设置于这些上的各热介质套层70A，70B，70C，进行冷却，故可防止温度过高。

即，也如图2所示，储存在储存槽76的热介质，在此维持在例如20～25℃左右作为冷却热介质发挥作用，由此通过热介质循环系统78被送出，通过各分支路80A～80C之后分别流入各热介质套层70A～70C中，冷却处理容器4的侧壁4A、喷淋头部58及灯室36的区隔壁34。从各热介质套层70A～70C流出的热介质，通过上述热交换例如达到40～50℃左右的高温状态，该热介质合流之后从主热交换器88及设置在储存槽76的盖部94的副热交换器96内顺次通过，这时，和热废弃用热介质的常温的都市水顺次热交换，被冷却到20～25℃左右，然后，被再度循环使用。

这时，流过主热交换器88和副热交换器96内的热介质，如在图4(A)中所示，空白箭头122表示热介质的流动。即，温度20℃左右的都市水，通过热废弃流路108按主热交换器88内及热废弃单元102内的热交换流路106内的顺序流过。另一方面，在此，设置在旁通路90中的切换开闭阀92B设置为闭，设置在热介质循环系统78中的切换开闭阀92A设置为开，由此，作为热介质的冷却水顺次流过主热交换器88内的内侧管子89及盖部94的热交换流路98的内部。这时，热电冷却元件100工作，在下面产生冷热，在上面产生温热。结果，从热处理装置2一侧循环出来的热介质通过设置在前段的主热交换器88进行主要热交换，其温度大大下降，冷却到例如27～29℃左右。接下来通过副热交换器96再冷却例如几度，达到20～25℃左右。

因此，在循环泵84的下游侧的热介质循环系统78中设置了热电偶114时常检测从这里流动的热介质的温度，并将其向温度控制部116输出。该温度控制部116控制投入到上述热电冷却元件100的电力，从而把上述热电偶114检测出的温度检测值维持在预先设定的值。由此，从热介质循环系统78送出的热介质的温度可大致维持在预先设定的规定的值。

另外，流过热废弃流路108内的都市水，因为最初热介质之间的温度差很大地在主热交换器88内流动，接着热介质之间温度差很小地在副热交换器96的热废弃单元102内流动，结果，可适宜地进行储存槽76内的热介质74的温度控制。

另外，如图所示，因为整体构造比较简单，与现有装置用的大型冷却装置比较，不仅可削减设备成本，也可使设置空间大幅减少。

对此，在将热处理装置2进行维护而打开处理容器4内的时候，随着打开而清净空气流入处理容器4内，与冷的处理容器4的侧壁4A或冷的喷淋头部58接触后，会出现清净空气中的水分结露的问题，在这种情况下，与前述相反，加热处理容器4的侧壁4A和喷淋头部58等使在维护时不发生结露。或者，虽然在打开处理容器4的时候，附着在处理容器4的内壁的反应副生成物容易吸收空气中的水分而反应，但如上述那样加热处理容器4的侧壁和喷淋头部58则可防止反应。

这时的热介质的流动如图4(B)所示。即，热废弃流路108内流动的都市水虽和图4(A)所示的情况一样地流动，但是关于热介质，为了使其不在主热交换器88内流动，关闭内部管子89的入口侧88A的切换开闭阀92A，而打开旁通路90的切换开闭阀92B，使热介质沿着该旁通路90内流动。另外，为了加热热介质，使对于副热交换器96中的热电冷却元件100的通电方向与前述情况反方向地工作，则其下面产生温热，上面产生冷热。

由此，将热介质加热至规定的温度，例如50℃左右并使之循环。

实际上，制成本发明装置并进行评价的时候，在同样的冷却能力的基础上，和现有冷却装置比较占有空间可削减25.5～35％左右。另外，关于消耗的电力，相对于现有冷却装置20KVA，用本发明装置(使用20片珀耳帖元件)时为2KW(瓦特)，可使消耗电力大幅减少。

另外，在此虽以例子来说明设置了暂时储存热介质的储存槽76的情况，如果不设置储存槽76，可不暂时储存热介质使热介质在热循环系统78内连续地流动。

接下来，根据本发明的变形例来说明。

图5是表示本发明的变形例的副热交换器的横截面图，图6是从图5中A-A线箭头方向看去的截面图。其中，副热交换器96的热交换流路98内，设置了多个热交换片124，使热介质直接与其接触。该热交换片124，由热传导性良好的材料，例如铝，铜等制成，使截面为大概椭圆形的热交换片124在上述热交换流路98内设置为立起来。该热交换片124沿热介质的流动方向以规定的间隔设置设置多个。

由此，因为设置了热交换片124，可提高与热介质的热交换效率。

这种情况下，可形成更薄的热交换片，对于热介质流动的方向，设置规定的角度，例如只倾斜45度左右，抑制对于热介质的流体阻抗，并维持高热交换效率。

接下来，根据本发明的第2个实施例来说明。

图7是表示本发明的热循环装置的第2个实施例的构成图。另外，对于与图2所示相同的构成部分使用同一参照符号并省略说明。

该第2个实施例中，没有在盖部94设置热交换流路98(参照图2)，取而代之，设置了通过上述盖部94支持上端，并且使下端浸渍在储存槽76内的热介质74中的多个热管126。由此，通过热管126把热介质74的温热汲取到上方，通过热废弃单元102使之废弃。

该情况下，对于储存槽76的热介质入口98A，没设置在盖部94，而设置在储存槽76的上部侧壁，循环回来从主热交换器88流出的热介质，从上述热介质入口98A直接导入储存槽76内。

该第2个实施例的情况下，也可发挥和先前的实施例同样的作用效果。

另外，在上述实施例中作为温度被控制体，以处理容器4、喷淋头部58、灯室36的区隔壁34为例子来说明，这些只不过展示一个例子，当然在需要冷却的部件中都可使用本发明的部件。

另外，作为热处理，不限于成膜处理，对于蚀刻处理、氧化扩散处理、改质处理等所有的热处理都可适用于本发明。另外，作为被处理体，不限于半导体晶片，玻璃基板、LCD基板等也可适用。

如以上说明的那样，根据本发明的热介质循环装置及使用其的热处理装置，可发挥以下那样优异的作用效果。

根据本发明的构成，通过使用主热交换器和副热交换器，主要的热交换通过在主热交换器中冷却热介质来实行，之后，用于对温度进行微调的热交换在使用热电冷却元件的副热交换器中进行，故不仅可适宜地控制送出的热介质的温度，可使装置自身小型化，并且其设置空间也可大幅削减。

另外，通过热交换片的作用，可使副热交换器中的热交换效率大大上升。

另外，必要时热介质可迂回过主热交换器直接被导入副热交换器并在此被加热升温，以加热的状态流入温度被控制体并加热它。

Claims (11)

1.一种热介质循环装置，其在热介质循环系统中使热介质流动从而进行温度控制，其特征在于，

在所述热介质循环系统中设置成为温度控制对象的温度被控制体，该热介质循环装置具有：

设置在所述热介质循环系统中、与热介质进行主要热交换的主热交换器；

设置在所述热介质循环系统中的循环泵；

设置在所述主热交换器的下流侧的所述热介质循环系统中、使用进行所述热介质的温度控制的热电冷却元件的副热交换器；和

使所述热介质相对于所述主热交换器迂回的旁通路。

2.如权利要求1所述的热介质循环装置，其特征在于，具有暂时储存所述热介质的储存槽。

3.如权利要求1所述的热介质循环装置，其特征在于，具有：

设置在所述副热交换器的下游侧的所述热介质循环系统中的温度检测传感部；以及

基于该温度检测传感部的输出而控制所述热电冷却元件的输出的温度控制部。

4.如权利要求2所述的热介质循环装置，其特征在于，所述副热交换器由：

设置在所述储存槽的盖部、且在一端具有热介质入口、在另一端具有热介质出口的热交换流路；

其一面与所述盖部接合的所述热电冷却元件；以及

与所述热电冷却元件的另一面接合的热废弃单元构成。

5.如权利要求4所述的热介质循环装置，其特征在于，在所述热交换流路内设置了与在所述热交换流路内流动的所述热介质接触的多个热交换片。

6.如权利要求2所述的热介质循环装置，其特征在于，所述副热交换器由：

设置在所述储存槽的盖部、且下端被浸渍在储存于所述储存槽内的热介质中的多个热管；

其一面与所述盖部接合的所述热电冷却元件；以及

与所述热电冷却元件的另一面接合的热废弃单元构成。

7.如权利要求1所述的热介质循环装置，其特征在于，在所述主热交换器和所述副热交换器中，用于排出应当废弃的热的废弃热用热介质，按照从所述主热交换器到所述副热交换器的顺序流出。

8.如权利要求1所述的热介质循环装置，其特征在于，所述热介质迂回过所述主热交换器在所述旁通路中流动，同时，所述热电冷却元件工作，加热所述热介质。

9.如权利要求1所述的热介质循环装置，其特征在于，所述热电冷却元件为珀耳帖元件。

10.如权利要求1所述的热介质循环装置，其特征在于，所述温度被控制体为：

在对被处理体进行规定处理的热处理装置中使用的处理容器；

供给需要的气体的喷淋头部；以及

收容加热灯的灯室的区隔壁中的至少任何一个。

11.一种热处理装置，其特征在于，具有：

可抽真空的处理容器；

承载被处理体的承载台；

向所述处理容器内供给需要的气体的气体供给装置；

加热所述被处理体的加热装置；以及

权利要求1所述的热介质循环装置，

所述热介质循环装置向所述处理容器、所述气体供给装置和所述加热装置中的至少任一个供给热介质。

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