JP4553777B2 - 均熱装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば合成樹脂成形品、半導体ウエハなどの被加工物を定盤上で加工や成形処理などを行う際に被加工物を均一に加熱あるいは冷却することができる均熱装置に関するものである。

従来の均熱装置としては、例えば被加工物である被成形製品が載置され、流通路が形成された定盤と、定盤に形成された流通路を覆うように定盤に接合された板状部材と、板状部材の一部を外方に突出させて形成され、流通路内と連通して作動液を貯溜する液溜め体と、液溜め体を貫通して上記作動液中に浸漬され内部に熱源が収納される収納体と、収納体の外周部に配置された沸騰促進体とを設けたものがある（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−２４９８６３号公報（第４頁、図１）

上記のように構成された従来の均熱装置においては、液溜め体が板状部材を介して定盤に接合されているため、温度が高い熱源からの熱が液溜め体の壁面を通して定盤に流れるため、定盤の均熱度を所定値以上に高めることが困難であった。さらに、作動液体中に空気などの非凝縮性ガスがある場合は凝縮が阻害されるため、定盤の均熱度が低下するという課題があった。そのため、定盤の面内均熱度として例えば±０．１Ｋ程度までしか達成できなかった。また、ヒータなどの熱源の加熱を停止しても、一旦温度が高くなった定盤は、定盤から外気への自然放熱による温度低下のみに依存していたため、定盤の温度の低下に要する時間が長く、定盤上の被加工物の冷却後に行う製品交換時間が長くなるという問題があった。

この発明は、上記のような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、均熱度が向上された均熱装置を得ることを目的としている。また、非凝縮性ガスが混入されても凝縮の阻害がなく、さらに被加工物の冷却も可能にした均熱装置を得ることを目的としている。

この発明に係る均熱装置は、加熱源と、作動流体が収容され該作動流体を上記加熱源により気化させる蒸発器と、上記蒸発器に対して熱的に離間して設けられ気化した作動流体を受入れて凝縮させ、かつ外表面上部に均熱領域を有する凝縮器と、この凝縮器内部における上記均熱領域に対応する位置に上下方向に天井面及び底面相互に跨るように所定の間隔で設けられた複数の柱体と、上記蒸発器及び凝縮器をループ状に連通して作動流体を循環する蒸気通路及び液通路とを備え、上記凝縮器は、上記複数の柱体の設置領域の外側に出口ヘッダ部に連通された非凝縮性ガスを溜めるガス溜部が設けられてなるものである。

この発明によれば、加熱源と凝縮器とが熱的に離間して設けられていることにより、加熱源によって凝縮器が直接加熱されることがなく、また均熱領域に対応する凝縮器内部に所定の間隔で複数の柱体を設けたことにより、該柱体を伝って凝縮液が下方向に流れやすくなるので、作動流体の循環が促進され均熱領域の均熱度が向上するとともに、上記複数の柱体の設置領域の外側に出口ヘッダ部に連通された非凝縮性ガスを溜めるガス溜部が凝縮器に設けられることにより、非凝縮ガスが蒸気の凝縮を阻害することがなく凝縮熱伝達が向上して均熱領域の均熱度を向上できる。

実施の形態１．
図１及び図２はこの発明の実施の形態１による均熱装置を概念的に説明するもので、図１（ａ）は平面断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の略Ｉｂ−Ｉｂ線における矢視断面図、図２は図１に示す均熱装置の凝縮器容器内に形成される液膜の状況を概念的に拡大して示す断面図である。なお、図１（ａ）は図１（ｂ）の略Ｉａ−Ｉａ線における矢視断面図に相当する。図において、均熱装置１は、例えば電気ヒータなどの加熱源２が底部に取付けられ例えば水などの作動流体７を気化させる蒸発器３と、この蒸発器３の上方部に熱的に離間して配設され、上部表面が平滑で定盤を構成するこの例では略正方形状の凝縮器４と、これら蒸発器３と凝縮器４をループ状に連通させる蒸気通路としての蒸気管５及び液通路をとしての液管６によって構成されており、これら蒸発器３、凝縮器４、蒸気管５及び液管６によって密閉容器が形成されている。

上記凝縮器４は、上下に対向して配置され周囲部が密封されて凝縮器容器４０を形成している略正方形状の２枚の板状部材４１、４２と、該２枚の板状部材４１、４２相互の間の中央部に互いに所定の間隔をあけて設けられたこの実施の形態１では四角柱状の複数の柱体４３とを備えて構成され、さらに上記板状部材４１の外表面部における上記複数の柱体４３に略対応する破線で示す略円形の領域が例えばウエハなどの被加工物８を載置する均熱領域１１として用いる定盤となっている。上記柱体４３は、上下の板状部材４１、４２の少なくとも一方に固定され、板状部材４１、４２相互の間隔を保持する役割も兼ねている。また、柱体４３の設置領域は均熱領域１１に略対応している。なお、図１（ｂ）では、柱体４３については、太線で示し、また切断面に掛からず一列に等間隔で存在しているものとみなして図示している。

また、凝縮器４の対向する２組の角部の内、図１（ａ）の左上と右下の角部の一方（図１（ａ）の左上）には蒸気管５に連通する作動流体の流入部４ａと、流入した蒸気が一時的に溜まる入口ヘッダ部４４と、凝縮した作動流体７を中央部の複数の柱体４３の設置領域に留めるための高さが２枚の板状部材４１、４２の間隔の例えば略半分程度に形成された板状の堰４４ａとを備え、対向する角部の他方（図１（ａ）の右下）には液管６に連通する作動流体の流出部４ｂと、流出する作動流体を集合させる出口ヘッダ部４５と、凝縮した作動流体７を中央部に配設された複数の柱体４３の設置領域に形成される液溜まり７３に溜める堰４５ａとを備えている。なお、上記入口ヘッダ部４４、及び出口ヘッダ部４５は、この例では対向する角部にそれぞれ斜めに設けられた堰４４ａ、堰４５ａと側壁４０ａにより三角形に形成されている。

そして、凝縮器４の対向する２組の角部の内、図１（ａ）の左下と右上の角部には、それぞれ該角部を中心に隣接する２つの辺部にまたがる略Ｌ字状のガス溜部４６が、仕切り部材４７によって中央部に設けられた柱体４３の設置領域の外側に区分されて線対称的に２箇所設けられている。該ガス溜部４６は２箇所共、出口ヘッダ部４５に連通されており、作動流体に混入した非凝縮性ガス１０（図１（ａ）に細かいドットで示す）が溜められる。また、作動流体７は堰４４ａ、４５ａの高さまで凝縮器容器４０内の液溜まり７３に溜まる。なお、７１は天井面４１ａに凝縮した凝縮液、７２は凝縮液の液膜、Ｒａは凝縮器容器４０の天井面４１ａと隣接する２つの柱体４３の間に凝縮した凝縮液７１の形成する液面の見かけ上の曲率半径である。

一方、上記蒸発器３は中空の蒸発器容器３０からなり、内部に水などの作動流体７が封入され、蒸発器容器３０の左側方上部に蒸気管５の一端部が、反対側の右側方下部に液管６の一端部がそれぞれ連結されている。さらに、蒸発器容器３０の底面部に電気ヒータなどの加熱源２が装着され、上面部には冷却器９が装着されている。また、蒸発器容器３０の内部底面部には例えば焼結金属やメッシュの細かい金網などの多孔質材料３１が内張りされている。なお、図１中に示す点線矢印Ａは蒸気の流れを、実線矢印Ｂは凝縮液の流れを、２点鎖線の矢印Ｃは非凝縮性ガスの流れをそれぞれ示している。また、各図を通じて同一符号は同一もしくは相当部分を示すものとする。

次に、上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。蒸発器３の加熱源２により加熱されて蒸発した作動流体７の蒸気は蒸発器容器３０の図の左部上方に連通した蒸気管５から排出され、蒸気管５を通って凝縮器４の流入部４ａから入口ヘッダ部４４に流入する。入口ヘッダ部４４に流入した蒸気は堰４４ａの上方を通って凝縮器容器４０の柱体４３の設置領域に流入し、凝縮器容器４０を構成する上方の板状部材４１の天井面４１ａに一様に凝縮することにより凝縮潜熱を板状部材４１に放出して該板状部材４１の上面の均熱領域１１を均一に加熱し、上面に搭載されたウエハなどの被加工物８を均一に加熱する。

作動流体７の凝縮液７１は図２に示すように、凝縮器容器４０の天井面４１ａから柱体４３の表面に沿って液膜７２となって流れ落ちて凝縮器容器４０の底部に流れこみ、その後、堰４５ａをあふれ出て出口ヘッダ部４５に流入し、流出部４ｂから排出され液管６に流入する。液管６に流入した作動流体７は重力の作用で、蒸発器容器３０の底部に流入する。以上のような作動流体７の蒸発、凝縮を伴う循環により加熱源２からの熱が、凝縮器容器４０の天井面４１ａ上の均熱領域１１に伝えられ、均熱領域１１に載置された被加工物８を均一に加熱する。

また、蒸発器容器３０内の底部には焼結金属やメッシュなどの多孔質材料３１が内張りされているが、多孔質材料３１が加熱源２によって作動流体７が加熱された時に生じる沸騰気泡の生成核となるため、沸騰が生じやすくなり、その結果沸騰気泡の大きさが小さくなる。そのため、沸騰気泡の上昇速度が小さくなり、沸騰気泡の上昇とともに引きずられて生じる蒸気管５への温度の高い液体の流入が防止できる。その結果、温度の高い液体が凝縮器容器４０の内部に流入することがないため、凝縮器容器４０の上面の均熱領域１１の温度均一性が向上する。

次に、加熱源２の加熱を停止し、冷却器９による冷却を開始した場合の動作について説明する。冷却器９による冷却を開始すると、蒸発器容器３０内部の蒸気が冷却されて蒸発器容器３０内上面に凝縮する結果、蒸発器容器３０内部の蒸気の圧力が低下し、凝縮器容器４０内の蒸気圧も低下してくる。その結果、凝縮器容器４０内の堰４４ａの中に溜まっていた作動流体７の液溜まりが過熱状態となり、凝縮器容器４０の壁面から熱を奪って蒸発する。蒸発した蒸気は凝縮器容器４０内部から入口ヘッダ部４４の流入部４ａ、さらに蒸気管５を通って蒸発器容器３０内部に流れこみ、蒸発器容器３０内上面に凝縮する。以上のような動作は凝縮器容器４０内の堰４４ａの中に溜まっていた作動流体７が無くなるまで継続され、その間、凝縮器容器４０の壁面は熱を奪われ続けるため、急激に温度が低下することになる。その結果、均熱領域１１の迅速な冷却、従って均熱領域１１に載置された被加工物８の迅速な冷却が可能となる。

上記のようにこの実施の形態１によれば、蒸発器容器３０と凝縮器容器４０は互いに離間して設けられ、蒸気管５、液管６を介してループ状に接続され、加熱源２とは直接、接触していないため、従来装置のように加熱源２からの熱が凝縮器容器４０に熱伝導で直接的に伝達されることがなく、従って凝縮器容器４０が加熱源２により直接加熱されず、凝縮器容器４０上面の均熱領域１１の温度均一性が向上するという効果が得られる。

さらに、凝縮器容器４０への蒸気の流入は、入口ヘッダ部４４に一旦流入した後、堰４４ａの上部から柱体４３の設置領域に流入するため、被加工物８が搭載された凝縮器容器４０の天井面４１ａに直接ぶつかるように流入することがなく、蒸気から凝縮器容器４０の天井面４１ａへの熱伝達が大きな噴流蒸気による加熱が防止できる。その結果、凝縮器容器４０の上面の均熱領域１１の温度均一性が向上するという効果が得られる。

また、凝縮器容器４０の天井面４１ａに凝縮した凝縮液７１は、凝縮器容器４０の天井面４１ａから柱体４３の側面部を伝わって容器底部に流れこむため、凝縮器容器４０の天井面４１ａに厚い凝縮液膜が形成されず、その結果凝縮熱伝達が向上し、凝縮器容器４０上面の均熱領域１１の温度均一性が向上するという効果が得られる。

さらに、凝縮器容器４０の内部に製造時に混入した空気などの非凝縮性ガスが存在した場合においても、非凝縮性ガスは蒸気流とともに流れるため、２点鎖線矢印Ｃで示すように、最終的には堰４５ａから出口ヘッダ部４５に流出し、その後ガス溜部４６の入口からガス溜部４６内部に流入し非凝縮性ガス１０として溜まりこむことになる。その結果、非凝縮性ガスが蒸気の凝縮を阻害することがなく、凝縮熱伝達が向上する。このため、上記構成で凝縮器容器４０上面の均熱領域１１の温度均一性を面内均熱度として±０．０５Ｋ以下を達成することができた。

また、入口ヘッダ部４４及び出口ヘッダ部４５にそれぞれ堰４４ａ及び堰４５ａを設けると共に、蒸発器３に冷却器９を設けたことにより、冷却時には、堰４４ａ、４５ａの間の液溜まり７３に溜まった作動流体７の蒸発、および冷却器９下面での蒸発器容器３０内部での凝縮現象により、均熱領域１１の迅速な冷却が可能となる。更に、蒸発器容器３０の底部に多孔質材料３１を内張りしたことにより、温度の高い液体が凝縮器容器４０の内部に流入することがないため、凝縮器容器４０の上面の均熱領域１１の温度均一性が向上するという効果が得られる。なお、入口ヘッダ部４４側の堰４４ａの高さを上記出口ヘッダ部４５側の堰４５ａよりも若干高くすることにより、凝縮して液溜まり７３に溜まった作動流体を流出部４ｂの方向に流れやすくしてもよい。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２による均熱装置の要部を拡大して概念的に示す断面図である。図において、４３Ａは四角錐の頂部を切取った形状の柱体であり、実施の形態１に示す四角柱状の柱体４３を四角錐状にし、四角錐の断面積の大きい底部が上方の板状部材４１に固定され、断面積が小さい頂部側が下方の板状部材４２に当接するように設けられている。Ｒｂは凝縮液７１の見かけ上の曲率半径である。その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成された実施の形態２においては、均熱動作は実施の形態１と同様であるが、図３に示すように、四角錐状の柱体４３Ａの側面部と凝縮器容器４０の天井面４１ａとの間に形成される凝縮液７１の曲率半径Ｒｂが、実施の形態１の図２に示す柱体４３を用いた場合の曲率半径Ｒａにくらべて大きくなり、その結果凝縮液７１、液膜７２の厚みが更に薄くなるため、凝縮熱伝達が向上し、凝縮器容器４０の天井面４１ａを形成する板状部材４１の温度均一性が一層向上するという効果が得られる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３による均熱装置の要部を拡大して概念的に示す断面図である。図において、４１ｂは板状部材４１の天井面４１ａに断面円弧状に形成された凹部であり、実施の形態２と同様に形成された四角錐状の柱体４３Ａの側面上端部と板状部材４１の天井面４１ａとの交点Ｄ１部分から、隣接する柱体４３Ａの側面上端部と板状部材４１の天井面４１ａとの交点Ｄ２部分にわたって滑らかに凹むように形成されている。該凹部４１ｂの曲率半径Ｒｃは、上記実施の形態１、２に示す凝縮器容器４０の天井面４１ａに形成される凝縮液７１の曲率半径ＲａやＲｂと同じかそれに近い曲率が好ましい。そして、上記凹部４１ｂはマトリックス状に多数設けられた各柱体４３Ａ相互の間にそれぞれ設けられている。なお、図４では簡素化のため凹部４１ｂを１箇所のみ示し、他は図示を省略している。その他の構成は上記実施の形態２と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成された実施の形態３においては、液膜７２が断面円弧状の凹部４１ｂに沿って形成されることにより、四角錐状の柱体４３Ａと凝縮器容器４０の天井面４１ａとの間に形成される凝縮液７１またはその液膜７２の厚みが実施の形態２の場合よりも更に薄くなるため、凝縮熱伝達が更に向上し、凝縮器容器４０上面に設けられた均熱領域１１の温度均一性が一層向上するという効果が得られる。

実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４による均熱装置の要部を概念的に示す断面図であり、図５（ａ）は平面断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の略矢視Ｖｂ−Ｖｂ線における側面断面図である。なお、図５（ａ）は図５（ｂ）の略Ｖａ−Ｖａ線における矢視断面図に相当する。図において、４３Ｂは円柱状の柱体であり、図１に示す実施の形態１の四角柱状の柱体４３を、円柱状の柱体に代えたものである。その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成された実施の形態４においては、入口ヘッダ部４４に流入した蒸気は堰４４ａの上方を通って凝縮器容器４０の内部に流入し、柱体４３の設置領域の天井面４１ａに一様に凝縮することにより板状部材４１に凝縮潜熱を放出して、均熱領域１１の上面に搭載された被加工物８を均一に加熱する動作は実施の形態１と同様である。凝縮器容器４０の内部に流入した作動流体の蒸気が出口ヘッダ部４５に向かって流れるとき、流れを阻害するものがあると、蒸気の流れ方向に圧力が低下し、蒸気温度が低下するが、この実施の形態４では、実施の形態１に示す四角柱状の柱体４３にくらべ、蒸気が流れやすい円柱状の柱体４３Ｂとしていることにより、蒸気の流れが阻害されにくく、従って蒸気の温度低下を小さくできるため、凝縮器容器４０の上面の均熱領域１１の温度均一性が向上するという効果が得られる。

実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５による均熱装置の要部を概念的に示す縦断面図である。この実施の形態５は、図に示すように実施の形態１に示す堰４４ａ、４５ａの代わりに、蒸気管５、液管６にそれぞれ突出部としての蒸気管突出部５１と液管突出部６１を設けたものである。その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成されたこの実施の形態５においては、凝縮器容器４０内に蒸気通路の突出部として設けられた蒸気管突出部５１と、液通路の突出部として設けられた液管突出部６１が実施の形態１の堰４４ａと堰４５ａの役割を果している。従って、先ず加熱動作においては実施の形態１と同様に動作して被加工物８を均一に加熱し、液溜まり７３には上記蒸気管突出部５１と液管突出部６１の上面まで作動流体７の凝縮液が溜まる。そして、冷却時には、液溜まり７３に、上記蒸気管突出部５１と液管突出部６１の上面まで溜まった作動流体７が冷却器９の冷却によって蒸発して凝縮器容器４０を冷却し、被加工物８を迅速に冷却することができる。このため、板状の堰を設ける場合に比べて部品数を少なくすることができ加工も容易であるという更なる効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態の説明では、柱体として、四角柱状の柱体４３、四角錐状の柱体４３Ａ、及び円柱状の柱体４３Ｂを用いた例について説明したが、柱体の形状はこれらに限定されるものではなく、例えば、３角柱や５角柱などの多角柱状、あるいは多角錘状、円錐状などの錘状のものであっても同様の効果が期待できる。また、凝縮器４を略正方形状として略円形の均熱領域１１を設けたが、凝縮器４や均熱領域１１の形状は勿論限定されるものではなく、例えば被加工物８の形状や載置個数など用途に応じて適宜所望の形状、大きさにできることは言うまでもない。また、作動流体も水に限定されず、密閉容器内で気化、凝縮を行なうものであれば、用途や必要加熱温度などに応じて適宜に選択して用いることができる。また、強制的な冷却を必要としない場合には、冷却器９及び堰４４ａ、４５ａを省いても差し支えない。

この発明の実施の形態１による均熱装置を概念的に示す平面断面図。 図１に示す均熱装置の凝縮器容器内に形成される液膜の状況を拡大して概念的に示す断面図。 この発明の実施の形態２による均熱装置の要部を拡大して概念的に示す断面図。 この発明の実施の形態３による均熱装置の要部を拡大して概念的に示す断面図。 この発明の実施の形態４による均熱装置の要部を概念的に示す断面図。 この発明の実施の形態５による均熱装置の要部を概念的に示す断面図。

符号の説明

１ 均熱装置（定盤）、 ２ 加熱源、 ３ 蒸発器、 ３０ 蒸発器容器、 ３１ 多孔質材料、 ４ 凝縮器、 ４ａ 流入部、 ４ｂ 流出部、 ４０ 凝縮器容器、 ４０ａ 側壁、 ４１、４２ 板状部材、 ４１ａ 天井面、 ４１ｂ 凹部、 ４３、４３Ａ、４３Ｂ 柱体、 ４４ 入口ヘッダ部、 ４４ａ 堰、 ４５ 出口ヘッダ部、 ４５ａ 堰、 ４６ ガス溜部、 ４７ 仕切り部材、 ５ （蒸気通路）蒸気管、 ５１ （蒸気管）突出部、 ６ （液通路）液管、 ６１ （液管）突出部、 ７ 作動流体、 ７１ 凝縮液、 ７２ 液膜、 ７３ 液溜まり ８ 被加工物（ウエハ）、 ９ 冷却器、 １０ 非凝縮性ガス、 １１ 均熱領域。

Claims (8)

1. 加熱源と、作動流体が収容され該作動流体を上記加熱源により気化させる蒸発器と、上記蒸発器に対して熱的に離間して設けられ気化した作動流体を受入れて凝縮させ、かつ外表面上部に均熱領域を有する凝縮器と、この凝縮器内部における上記均熱領域に対応する位置に上下方向に天井面及び底面相互に跨るように所定の間隔で設けられた複数の柱体と、上記蒸発器及び凝縮器をループ状に連通して作動流体を循環する蒸気通路及び液通路とを備え、上記凝縮器は、上記複数の柱体の設置領域の外側に出口ヘッダ部に連通された非凝縮性ガスを溜めるガス溜部が設けられてなることを特徴とする均熱装置。
2. 加熱源と、作動流体が収容され該作動流体を上記加熱源により気化させる蒸発器と、上記蒸発器に対して熱的に離間して設けられ気化した作動流体を受入れて凝縮させ、かつ外表面上部に均熱領域を有する凝縮器と、この凝縮器内部における上記均熱領域に対応する位置に上下方向に天井面及び底面相互に跨るように所定の間隔で設けられた複数の柱体と、上記蒸発器及び凝縮器をループ状に連通して作動流体を循環する蒸気通路及び液通路とを備え、上記凝縮器は、上記複数の柱体の設置領域の側方部に入口ヘッダ部と出口ヘッダ部が互いに離間して設けられてなり、上記蒸気通路を上記入口ヘッダ部に連通し、上記液通路を上記出口ヘッダ部に連通してなるとともに、上記複数の柱体の設置領域の外側に上記出口ヘッダ部に連通された非凝縮性ガスを溜めるガス溜部が設けられてなることを特徴とする均熱装置。
3. 上記蒸発器に収容された作動流体を冷却する冷却器を備え、かつ上記凝縮器における上記複数の柱体の設置領域と上記入口ヘッダ部の間、及び上記凝縮器における上記複数の柱体の設置領域と上記出口ヘッダ部の間に堰をそれぞれ設けてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の均熱装置。
4. 上記堰は、板状体からなることを特徴とする請求項３に記載の均熱装置。
5. 上記蒸気通路及び液通路は管によって形成されてなり、かつ上記堰は、上記管を上記凝縮器を構成する板状部材を貫通させて上記密閉容器内に突設させた突出部によって形成されてなることを特徴とする請求項３に記載の均熱装置。
6. 上記蒸発器の内部底部に多孔質材料を内張りしたことを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載の均熱装置。
7. 上記柱体は、錐体状であり、該錘体の底部を上方に向けて設けてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れかに記載の均熱装置。
8. 上記柱体は、円柱状であることを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れかに記載の均熱装置。

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