JPH05231712A

JPH05231712A - 流体加熱器

Info

Publication number: JPH05231712A
Application number: JP3168738A
Authority: JP
Inventors: Kanichi Kadotani; 皖一門谷
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1991-06-13
Publication date: 1993-09-07
Anticipated expiration: 2012-02-19
Also published as: WO1992014102A1; CA2101439A1; EP0570586A1; US5559924A; KR930703575A; JP2583159B2; EP0570586A4; KR0182345B1

Abstract

(57)【要約】【目的】輻射光によって被加熱流体を共振加熱する流
体加熱器であって、半導体デバイスの製造工程における
シリコン等のウエハーの洗浄液、エッチング液、レジス
ト剥離液の加熱および温度制御並びにフライヤーでの食
品用油の加熱及び温度制御等、被加熱流体を流しなが
ら、その加熱及び温度制御を好適に行える流体加熱器を
提供すること。【構成】管壁に流体の流入部及び流出部を有し、両端
が開放された第１の中空管内部に、両端が開放された透
明な第２の中空管を、前記第１の中空管の内壁との間に
空間を有して配し、前記第２の中空管内部に、その内壁
との間に空間を有して光源を配し、支持部材によって該
光源の両端部を前記第２の中空管内部に支持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、輻射熱によって被加熱
流体を共振加熱する流体加熱器に関わり、殊に半導体デ
バイスの製造工程におけるシリコン等のウエハーの洗浄
後、エッチング液、レジスト剥離液の加熱及び温度制御
並びに食品用油の加熱及び温度制御等、被加熱流体を流
しながら、その加熱及び温度制御を好適に行える流体加
熱器に関する。

【０００２】

【従来の技術】先ず、この種の流体加熱器の好適な用途
を、図１０の半導体ウエハー処理液の温度制御装置を参
照して説明する。同図において、処理槽１００内には処
理液２００が入っており、ポンプ３００によってテフロ
ン配管４００内を流れ、流体加熱器５００において加熱
され、フィルタ６００によって処理液中に混入している
異物が除去されて処理槽１００内へ戻る。また、処理槽
１００の処理液２００の温度はセンサー７００によって
検出され、検出された温度が設定温度に近づくようにコ
ントローラ８００が、流体加熱器５００を制御する。同
図中、符号５１０は流体加熱器５００を内蔵するボック
スである。また符号９００は半導体ウエハーである。図
１１は従来の上記流体加熱器５００についての例であ
る。

【０００３】即ち、流体加熱管１の外周に電気ヒータ２
を配設し、導入管３１から導入した流体Ｃを加熱し、導
出管３２から排出する構成となっている。本例では内側
から順に、流体加熱管１、空隙７、ニクロム線やカンタ
ル線等でなる８本の平行電気ヒータ２及び断熱材４で構
成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかるに上記従来の流
体加熱器には次の不都合がある。流体加熱器は輻射熱を
利用して流体を加熱するが、輻射熱による被加熱物の温
度の上昇速度は、輻射面積が一定であれば、被加熱物の
吸収波長帯のエネルギー密度（単位面積かつ単位時間に
おける透過エネルギー）に比例し、またエネルギー密度
が一定であれば、輻射面積に比例する。つまり、加熱速
度を早めるにはエネルギー密度を高めるか又は輻射面積
を増加させる必要がある。

【０００５】ところでエネルギー密度を高めるには、
「エネルギー密度は輻射を発する物体の温度の４乗に比
例する（ステファン・ボルツマンの法則）」により、該
電気ヒータ２を高温にすればする程よいが、仮に電気ヒ
ータ２だけを高温にしても、エネルギーが流体加熱管１
に吸収されなければ、電気ヒータ２の温度だけが上昇し
て溶損してしまう。また仮に電気ヒータ２の数を増やし
て輻射面積を増加しても、電気ヒータ２が短絡して溶損
してしまう。さらに電気ヒータ２の外周側からの輻射熱
の一部は断熱材４方向へ放射されて該断熱材に吸収され
てしまい、流体加熱に寄与しない。

【０００６】他方加熱速度を早めるには、輻射面積を増
加させればさせる程よいが、流体加熱管１が大きくな
り、該流体加熱器が大型化する不都合がある。また、流
体加熱管１内の流体において、その中心部を流れる流体
には熱が伝導し難く、結果として加熱速度向上に至らな
い。

【０００７】殊に、半導体ウエハー製造時は、洗浄用、
エッチング用、レジスト用等としてアンモニア過水、硫
酸、塩酸、フッ酸等の薬液を該流体加熱器で５０〜１５
０°Ｃ程度まで加熱させて使用するが、該流体加熱器の
耐腐食性や加熱薬液の低汚染性等についての技術が不明
瞭である。

【０００８】例えば、上記従来技術と異なる流体加熱器
として特開昭６１年第１１６２４６号に記載の実施例が
ある。これは、図示しないが、電気ヒータの外周に流体
加熱管を配設した構成となっている。即ち、該流体加熱
器は、赤外線放射体なる電気ヒータと、流体加熱管の内
管を構成する石英ガラスとが一体構成となっている。か
かる構成では、赤外線放射体を交換する場合、新規部品
に付着している物質が流路内に持ち込まれてしまう。新
規部品を洗浄するにしても、交換時には流路を外界にさ
らすため、外界から流路内へ異物が侵入する可能性もあ
る。半導体デバイス製造工程におけるシリコン等のウエ
ハー処理液では、液中の異物濾過をクリーンルーム並み
に行なう必要があるため、流路への異物持ち込みを伴う
作業は避けなければならない。さらに該脱着時には必ず
該薬液が漏洩し、他の部材や身体に付着して腐食や健康
阻害の基となる。即ち、流体加熱管から薬液を予め除去
しておく必要があり、煩わしい作業となる。また、半導
体デバイス洗浄用のエッチング用やレジスト用液体は繰
り返し使用すると、該デバイスの汚れが該処理液を汚染
するので、定期的に処理液を抜いて新たな処理液を入れ
なければならない。この場合、加熱前の低温液体と、高
温になっている流体加熱管内筒とが直接接触し、該石英
製内筒への熱衝撃が大きく、その寿命を著しく縮める要
因となる。図１１に示した構成ではこの傾向がさらに大
きくなる。即ち、断熱材４で囲まれた電気ヒータ２は、
電流供給を止められた後でも長時間高温を保っている。
ここで流体Ｃを入れ換えた後、加熱前の流体Ｃが加熱管
１内に流入すると、加熱管１表面で沸騰して大量の蒸気
を発生し、沸騰の熱衝撃と蒸気圧とで流体加熱管１を破
壊してしまうことが発明者により確認されている。

【０００９】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、
高エネルギー密度構造かつ受輻射面積増加なる流体加熱
器を提供することを第１目的とする。加えて保守容易か
つ汚染源進入防止に優れる流体加熱器を提供することを
第２目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記第１目的を達成する
ため、本発明に係わる流体加熱器は、図１に示すよう
に、電気ヒータ２の外周に流体加熱管１を配設し、さら
にこの流体加熱管１の外周に内向き反射部材５を配設
し、前記流体加熱管１は透明部材である構成とした（請
求項１）。

【００１１】さらに、図２に示すように、電気ヒータ２
の外周に流体加熱管１を配設し、前記流体加熱管１は、
前記電気ヒータ側１１は透明部材であり、外側は内向き
反射部材１２ｂである構成としてもよい（請求項２）。

【００１２】同じく図２に示すように、電気ヒータ２の
外周に流体加熱管１を配設し、前記流体加熱管１は、前
記電気ヒータ側１１は透明部材であり、外側は輻射熱吸
収部材１２ｃである構成としてもよい（請求項３）。

【００１３】また上記第２目的を達成するため、本発明
に係わる流体加熱器は、図４に示すように、電気ヒータ
２は石英ガラス管式赤外線ヒータであり、流体加熱管１
は、電気ヒータ側の透明部材１１である石英ガラス管
と、外側の輻射熱吸収部材１２ｃであるフッ素樹脂管
と、シール機構６とにおいて、石英ガラス管１１がフッ
素樹脂管１２ｃの両端閉塞壁に設けらた孔にシール部材
６を介して嵌装されたものである構成でもよい（請求項
４）。

【００１４】請求項１又は請求項２記載の流体加熱器
は、反射部材５又は１２ｂの反射面を金、アルミニウ
ム、酸化すず、インジウム、クロム等の光反射膜とする
のがよい（請求項５）。

【００１５】請求項３の流体加熱器は、外側の輻射熱吸
収部材１２ｃの外周にさらに内向き反射面１２ｄを備
え、該反射面１２ｄを金、アルミニウム、酸化すず、イ
ンジウム、クロム等の光反射膜とするのがよい（請求項
６）。

【００１６】請求項３又は請求項４の流体加熱器は、図
７に示すように、該流体加熱器自体を別途用意した筐体
８（例えば図１０におけるボックス５１０）内に納め、
該筐体８は金、アルミニウム、酸化すず、インジウム、
クロム等の光反射膜が内向きに被覆された反射面を備え
るのがよい（請求項７）。

【００１７】また第２の目的を達成するために、流体加
熱器は、管壁に流体の流入部及び流出部を有し、両端が
開放された第１の中空管内部に、両端が開放された透明
な第２の中空管を、前記第１の中空管の内壁との間に空
間を有して配し、該両中空管の両端同志をシール接続
し、前記第２の中空管内部に、その内壁との間に空間を
有して電気ヒータを配し、支持部材によって該電気ヒー
タの両端部を前記第２の中空管内部に支持した構成とし
てもよい（請求項８）。

【００１８】

【作用】上記流体加熱器によれば、電気ヒータ２からの
輻射熱は基本的には総て流体加熱管１に放射され、流体
を加熱する。そして、初めの流体加熱に寄与しなかった
流体透過輻射熱は、次のとおり作用する。

【００１９】請求項１によれば、流体透過輻射熱は、一
旦流体加熱管１の外側１２ａを透過するが、さらに外環
された内向き反射部材５で反射し、再度流体加熱管１の
外側１２ａを透過して流体内に再放射され、流体を再加
熱する。

【００２０】請求項２によれば、流体透過輻射熱は、流
体加熱管１の外側１２ｂ自体が内向き反射部材であるた
め、この外側１２ａを透過することなく、流体内に再反
射し、流体を再加熱する。

【００２１】請求項３によれば、流体透過輻射熱は、流
体加熱管１の外側１２ｃで吸収され、後は伝導熱となっ
て流体を再加熱する。

【００２２】請求項４及び請求項５は流体加熱熱管１の
耐腐食性や加熱流体の低汚染性等に格別の配慮を施して
いる。

【００２３】即ち、請求項４によれば、流体加熱管１は
石英ガラス製の管１１と、フッ素樹脂製の管１２ｃとい
う耐腐食性材料で構成する。尚、請求項４は、電気ヒー
タ２を石英ガラス管式赤外線ヒータとしたので、高温化
及び保守性向上化が促進される。

【００２４】請求項５〜請求項７は、請求項１及び請求
項２の反射部材１２ａの具体例並びに請求項３の輻射熱
吸収部材１２ｃへの追設反射面の具体例であって、金、
アルミニウム、酸化すず、インジウム、クロム等の光反
射膜とすることにより、透過輻射熱の洩れを防止すると
共に、流体に再輻射させ、流体加熱に再寄与させること
とした。

【００２５】請求項８によれば、電気ヒータだけを脱着
できるように構成されている。

【００２６】

【実施例】図１は、請求項１の実施例であって、電気ヒ
ータ２の外周に流体加熱管１を配設し、さらにこの流体
加熱管１の外周に内向き反射部材５を配設したものであ
る。この流体加熱管１は石英ガラス管でなる内外筒で大
略構成される。詳しくは、図示左右に流体の導入管３１
と導出管３２とを備え、内筒１１内に空間部７１を有し
て中心軸に沿って電気ヒータ２を備えた構成となってい
る。尚、該空間部７１内には空気が存在しているが、空
気による光吸収はほとんどなく、電気ヒータ２からの輻
射熱は大部分が流体加熱管１内へ入り、流体加熱に寄与
することが発明者による実験で確認されている。

【００２７】図２は、請求項２の実施例であって、電気
ヒータ２の外周に流体加熱管１を配設した構成であり、
上記実施例のように、該流体加熱管１の外周にさらに内
向き反射部材５を配設する構成とはなっていない。その
代わり、該流体加熱管１の外側１２ｂは内向き反射部材
となっている。

【００２８】尚、同図（図２）は請求項３の発明の実施
例でもある。即ち、上記請求項２の実施例において、流
体加熱管１の外側が内向き反射部材１２ｂであるのを、
流体加熱管１の外側が輻射熱吸収部材１２ｃである構成
とした。本例では黒色部材としてある。

【００２９】他の実施例として、図３のものがある。こ
の流体加熱管１は半球形であり、流体加熱管１の電気ヒ
ータ側１１を透明部材とし、外側を反射部材でコーティ
ング１２ｂするか（請求項２の第２実施例）又は黒色１
２ｃとした（請求項３の第２実施例）ものである。電気
ヒータ２は流体加熱管１の凹部内に収められ、反射板５
でカバーされている。

【００３０】請求項４の第１実施例は図４に示す。電気
ヒータ２は石英ガラス管式赤外線ヒータである。流体加
熱管１は、石英ガラス管式赤外線ヒータ２を内装してい
る。流体加熱管１は、電気ヒータ側の石英ガラス管１１
と、外側のフッ素樹脂管１２ｃと、シール部材６とを備
え、石英ガラス管１１がフッ素樹脂管１２ｃの両端閉塞
壁の孔にシール部材６を介して嵌装されたものとなって
構成される。

【００３１】図５は、第２実施例であるが、該流体加熱
器自体の設置安定性を向上させるため、流体加熱管１の
外側１２を、上記第１実施例では円筒形１２ｃとしたも
のを角柱１２ｄとしたものである（形状態様にはその他
無数に考えられる）。

【００３２】尚、流路に凹凸が存在すると、汚染源の付
着や自植林や増加が生ずるため、フッ素樹脂製管１２ｃ
の表面は平坦でなければならない。通常は切削加工によ
り製作するため、加工面に凹凸が現れるが、旭硝子
（株）からサイトップという商品名で発売されているフ
ッ素樹脂を用いれば、ピンホールのない、平坦度の高い
射出成型品として管１２ｃを得ることができる。また、
被加熱流体がフッ酸系の試薬の場合には流路をすべてフ
ッ素樹脂製としなければならないが、前記サイトップは
石英ガラス表面にコーティングすることも可能であるか
ら、石英ガラス管１１の流路側表面にサイトップをコー
ティングすればよい。尚、サイトップは可視領域から赤
外領域まで光透過率が９５〜９６％であるため、数百オ
ングストロームから数十ミクロンという薄膜コーティン
グが可能であることと合わせて、石英ガラス管１１の流
路側表面にサイトップをコーティングしても光透過の妨
げとなることはない。

【００３３】また請求項１及び請求項２の実施例の反射
部材１２ｂの反射面には金を被覆してある（請求項５の
実施例）。金の外にアルミニウム、酸化すず、インジウ
ム、、クロム、その他の光反射材料を被膜してもよい
（請求項５の他の実施例）。

【００３４】また請求項３の実施例では、外側の輻射熱
吸収部材１２ｃの外周にさらに内向き反射面１２ｄを備
え、該反射面に金を被覆した（請求項６の実施例）。こ
れも上記同様、金以外のアルミニウム、酸化すず、イン
ジウム、クロム、その他の光反射材料で被膜してもよい
（請求項６の他の実施例）。

【００３５】請求項７の実施例は、第１実施例である図
６並びに他の実施例である図７に示すように、請求項
３、請求項４の実施例である流体加熱器自体を、金、ア
ルミニウム、酸化すず、インジウム、クロム等の光反射
材が内向きに被覆されている筐体８内に配置したもので
ある。該筐体８は部分筐体でもよいし（図６）又は完全
筐体でもよい（図７）。尚、内向きとは、該被膜は該筐
体の外面であっても、内面であっても又は内外面であっ
てもよいが、その反射面側が流体加熱器を設置してある
内側方向であるという意味である。

【００３６】次に実施例の効果を述べる。上記実施例
は、電気ヒータ２の内周に流体加熱管１を配設する従来
の流体加熱器と異なり、電気ヒータ２の外周に流体加熱
管１を配設し、流体加熱管１内の流体を加熱することを
基礎としている。従来の流体加熱器は、電気ヒータ２の
外周側からの輻射熱分は流体加熱管１に放射されず、断
熱材４に放射されるだけであり、この輻射熱分は、流体
加熱に寄与し難い。これに対し、実施例は、基本的に総
ての輻射熱を流体加熱管１に放射するので高速加熱とな
る。

【００３７】また実施例は従来の流体加熱器に不可欠の
断熱材を省いているため、実施例の場積は小さくなる。
別言すれば、同じ加熱量ならば、高エネルギー密度構
造、受輻射面積増加にすることができる。

【００３８】また流体加熱熱管１を石英ガラスやフッ素
樹脂で構成するので、流体加熱管１の耐腐食性を向上す
ることができる。またフッ素樹脂管を射出成形品とする
ので、表面を平滑に製造でき、流体の付着を防ぐことが
できるので加熱流体の低汚染化を図ることができる。

【００３９】また電気ヒータ２は石英ガラス管式赤外線
ヒータ、例えばハロゲンランプとするので、フィラメン
ト温度を２０００Ｋ〜３０００Ｋと、１０００Ｋ程度が
限界のニクロム線と比べて２〜３倍程度の高温で使用で
き、放射光エネルギーは１６〜８１倍程度にまで向上す
る。また、既存の反射面や別途追設した反射面に金、ア
ルミニウム、酸化すず、インジウム、クロム等を被覆し
て光反射膜とし、輻射熱が外部へ透過するのを防止する
ことができる。

【００４０】尚、上記図１〜図７の実施例では、電気ヒ
ータ２と流体加熱管１の内側透明部材１１とは間隙７１
を以て対峙する構成となっている。この構成に加え、電
気ヒータ２の両端が支持部材によって流体加熱管１に脱
着自在に遊嵌されてた構成となっている。具体的には図
８及び図９のとおりである（即ち、以下は請求項８の実
施例である）。

【００４１】図８で示せば、この場合の電気ヒータ２は
ハロゲンランプである。先ずこのハロゲンランプ２につ
いて説明する。同図において、両端２２を溶融し平たく
冷却成形された石英ガラス管２１にはハロゲン元素及び
不活性ガス２３と、アンカー２４で支持されたタングス
テン製フィラメントコイル２５とが密封されている。こ
の両端２２の内部にはモリブデン箔２６が封入されてお
り、このモリブデン箔２６に前記フィラメントコイル２
５と外部からのリード２７とが接続されている。かかる
ハロゲンランプ２と、流体加熱管１である内管１１と、
外管１２との結合関係は次のとおりである。先ず電気ヒ
ータ２と内管１１との結合関係を示す。内管１１は中央
から順にハロゲンランプ２、セラミックリング９１、９
２を内蔵し、両端をシリコンンゴム製ブッシュ９３でキ
ャップされる。このハロゲンランプ２はその両端２２が
セラミックリング９１の凹内９１１に安置され（同図
（ｂ）、（ｅ１）、（ｅ２）参照）、そのリード２７が
セラミックリング９２の凹内９２１及びブッシュ９３の
貫通孔９３１を経て外部電源に接続される（同図（ｄ
１）、（ｄ２）、（ｃ１）、（ｃ２）参照）。セラミッ
クリング９１、９２はハロゲンランプ２が内管１１内に
納められた状態で該内管１１の長手方向に幾らか間隙を
備え、かつ、半径方向にも幾らか間隙を備えている。こ
のため、セラミックリング９１、９２は内管１１内に遊
嵌された構成となっている（同図（ａ）参照）。ハロゲ
ンランプ２と内管１１との熱膨張差は上記間隙で吸収さ
れる。次に内外管１１、１２の結合関係を示す。中心部
に内管１１が貫通する孔を備えた部材９４と、内外管１
１、１２間のフエルール９５とを準備する。部材９４の
一端にはめねじが、また外管１２の両端にはおねじが刻
まれている。そこでフエルール９５を外管１２に溝内に
納め、部材９４と外管１２とを螺合することにより、内
管１１及びハロゲンランプ２を外管１１に固設するよう
になっている。フエルール９５は耐熱性のフッ素樹脂製
であり、被加熱流体を封止する外、内外管１１、１２の
熱膨張差を吸収している。即ち、ハロゲンランプ２は内
管１１に対し脱着自在に遊嵌された構成となっている。
即ち、流体加熱管から流体（薬液）を予め除去する必要
がなく、このため、保守が容易となり、かつ、流路内へ
の汚染源の混入も防止できる。しかも、被加熱流体と高
温なるハロゲンランプとが非接触であるため、ハロゲン
ランプへの熱衝撃が少なく、その長寿命化を図ることが
できる（請求項８の第１実施例）。尚、ハロゲンランプ
寿命はフィラメント温度に関係し、仕様値は２８００Ｋ
で３０００時間、３０００Ｋで１５００時間となってお
り、ハロゲンランプ交換頻度に換算すると、およそ１回
／半年〜１年であって、ハロゲンランプのばらつき、使
い方により異なるが、複数本使うことが多く、交換頻度
はさらに大きくなる。

【００４２】尚、図３の実施例の場合は、図９のよう
に、該流体加熱器はケース８内に納められ、Ｕ形電気ヒ
ータ２は反射板５の貫通孔、キャップ９４の貫通孔９４
１とを通して、ゴムリング９１の溝９１１に嵌められ、
該リング９１はボルト９３１によりキャップ９４に取り
つけられている。この場合、脱着容易であるばかりか、
電気ヒータ２はゴムリング９１の弾性により遊嵌された
状態であるため、この場合、電気ヒータ２の熱膨張は余
り問題とはならない。本例は飲料水洋のポットに適用で
きる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる流
体加熱器によれば、電気ヒータの外周に流体加熱管を配
設し、さらにこの流体加熱管の外周に内向き反射部材を
配設し、流体加熱管は透明部材である構成とし（請求項
１）、又は電気ヒータの外周に流体加熱管を配設し、流
体加熱管は、電気ヒータ側は透明部材であり、外側は内
向き反射部材である構成とし（請求項２）、又は電気ヒ
ータの外周に流体加熱管を配設し、流体加熱管は、電気
ヒータ側は透明部材であり、外側は輻射熱吸収部材であ
る構成としたので（請求項３）、従来の流体加熱器と比
較し、高エネルギー密度構造、受輻射面積増加とするこ
とができ、また、断熱材がないこともあり、小型化し易
くなる。

【００４４】さらに流体加熱熱管を石英ガラスやフッ素
樹脂で構成したので（請求項４）、流体加熱熱管の耐腐
食性を向上することができる。電気ヒータを石英ガラス
管式赤外線ヒータとした場合、反射面に金、アルミニウ
ム、酸化すず、インジウム、クロム等を被覆したので
（請求項５〜請求項７）、輻射熱の外部への透過を防止
することができる。

【００４５】さらに請求項８の構成によれば、電気ヒー
タだけを脱着できるため、流体加熱管から流体（薬液）
を予め除去する必要がなく、このため、保守が容易とな
り、かつ、流路内の汚染源の混入も防止できる。しか
も、被加熱流体と高温なる電気ヒータとが非接触である
ため、電気ヒータへの熱衝撃が小さく、電気ヒータの長
寿命化を図ることができる。また電気ヒータの熱膨張
は、その支持構造により吸収されるため、熱膨張による
極所的負荷で損傷を起こすこともない。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の第１実施例なる流体加熱器であって
（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

【図２】請求項２及び請求項３の第１実施例なる流体加
熱器であって（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

【図３】請求項２及び請求項３の第２実施例なる流体加
熱器であって（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

【図４】請求項４の第１実施例なる流体加熱器であって
（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

【図５】請求項４の第２実施例なる流体加熱器であって
（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

【図６】請求項８の第１実施例なる流体加熱器であって
（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

【図７】請求項７の第２実施例なる流体加熱器の斜視図
である。

【図８】請求項８の第１実施例なる流体加熱器であって
（ａ）は断面図、（ｂ）は電気ヒータ端の正面図、（ｃ
１）はキャップの正面図、（ｃ２）はその側面図、（ｄ
１）は第２リングの正面図、（ｅ２）はその側面図、
（ｅ１）は第２リングの正面図、（ｄ２）はその側面図
である。

【図９】請求項８の第２実施例なる流体加熱器であって
（ａ）は断面図、（ｂ）はキャップの正面図、（ｃ１）
はリングの正面図、（ｃ２）はその側面図である。

【図１０】流体加熱器の好適な使用例を示す図である。

【図１１】従来例なる流体加熱器例であって（ａ）は斜
視図、（ｂ）は断面図である。

【符号の説明】

１流体加熱管１１流体加熱管の電気ヒータ側部材の透明部材１２ａ流体加熱管の外側の透明部材１２ｂ流体加熱管の外側の内向き反射部材１２ｃ流体加熱管の外側の輻射熱吸収部材１２ｄ筐体の内向き反射面２電気ヒータ２７リード５内向き反射部材６シール部材８筐体９１、９２リング９３、９４キャップ９５フエルール

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【手続補正書】

【提出日】平成４年４月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】流体加熱器

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、輻射光によって被加熱
流体を共振加熱する流体加熱器に関わり、殊に半導体デ
バイスの製造工程におけるシリコン等のウエハーの洗浄
液、エッチング液、レジスト剥離液の加熱および温度制
御並びにフライヤーでの食品用油の加熱及び温度制御
等、被加熱流体を流しながら、その加熱及び温度制御を
好適に行える流体加熱器に関する。

【０００２】

【従来の技術】先ず、この種の流体加熱器の好適な用途
を、図４の半導体ウエハー処理装置を用いて説明する。
同図において、処理槽１００内には処理液２００が入っ
ており、ポンプ３００によってテフロン配管４００内を
流れ、流体加熱器５００において加熱され、フィルタ６
００によって処理液中に混入している異物が除去されて
処理槽１００内へ戻る。また、処理槽１００中の処理液
２００の温度はセンサー７００によって検出され、検出
された温度が設定温度に近づくようにコントローラ８０
０が、流体加熱器５００を制御する。同図中、符号５１
０は流体加熱器５００を内蔵するボックスである。ま
た、符号９００は半導体ウエハーである。

【０００３】図５は上記流体加熱器の従来例である。図
５では、流体加熱管５０の外周に電気ヒータ５１を配設
し、導入管５２から導入した流体Ｃを加熱し、導出管５
５から排出する構成となっている。本例では内側から順
に流体加熱管５０、空隙５４、ニクロム線やカンタル線
等でなる８本の平行配置電気ヒータ５１及び断熱材５６
で構成される。

【０００４】また、半導体ウエハー処理装置において処
理槽中の処理液を加熱する全く別の装置が特開平２年２
１０８２９号、特開平２年５２４３７号に記載されてい
る。いずれも、図４の装置からポンプ３００、配管４０
０、流体加熱器５００、フィルタ６００を取り払って、
処理槽１００内にヒータを装着してある。更に、フライ
ヤー等に用いる流体加熱器として特開昭６１年１１６２
４６号が存在する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかるに上記従来例に
は次の問題点がある。図５の流体加熱器では、電気ヒー
タ５１の外周側からの輻射赤外線は断熱材５６方向へ輻
射されて該断熱材５６に吸収されてしまい、被加熱流体
Ｃの加熱には寄与し難い。また、輻射光による被加熱物
の温度上昇速度は、輻射面積が一定であれば、被加熱物
の吸収波長帯のエネルギー密度（単位面積を単位時間に
透過するエネルギー）に比例し、またエネルギー密度が
一定であれば、輻射面積に比例する。つまり、加熱速度
を早めるにはエネルギー密度を高めるかまたは輻射面積
を増加させる必要がある。

【０００６】ところでエネルギー密度を高めるには、
「エネルギー密度は輻射を発する物体の温度の４乗に比
例する（シュテファン・ボルツマンの法則）」により、
該電気ヒータ５１を高温にすればよいが、ニクロム線等
では１０００Ｋが上限である。電気ヒータ５１の本数を
増やして輻射面積を増加すると、ヒータ支持が難しく、
ヒータ短絡溶損の危険性が出てしまう。ここで流体加熱
管５０を大型にすると、流体加熱管５０の中心部を流れ
る流体には熱が伝導し難く、結果として加熱速度向上に
は至らない。また、半導体ウエハー処理を行うクリーン
ルーム内では、装置を設置するに要する面積を可能な限
り少なくしたいという要望が強く、流体加熱器を大型に
することは好ましくない。

【０００７】他の問題は、繰り返し使用によって汚染さ
れた液体の入れ替え直後の再加熱時に起こる。断熱材５
６で囲まれた電気ヒータ５１は、電流供給を止められた
後でも長時間高温を保っており、低温液体が流体加熱器
内に流入すると、加熱管５０表面で沸騰して大量の蒸気
を発生し、沸騰の熱衝撃と蒸気圧とで流体加熱管５０を
破壊してしまうことが本願発明者により確認されてい
る。

【０００８】特開平２年２１０８２９号、特開平２年５
２４３７号に記載されているヒータと処理槽とを一体に
した加熱装置では下記の問題がある。（１）槽内にヒータがあるとウエハー没入の障害にな
り、ウエハーがヒータに衝突しないための構造が必要で
ある。（２）ヒータを槽内に収容する分だけ処理槽が大型化
し、その結果処理液も余分に必要となり、処理液を少な
くしたいという製造者の要望に反することになる。（３）処理槽の定期的または随時の掃除のときにヒータ
を破壊する危険性がある。また、ヒータの裏側、上記
（１）記載の、ウエハーがヒータに衝突しないための構
造等、掃除しにくい部分がある。（４）特開平２年２１０８２９号にも指摘されている通
り、処理液が処理槽からこぼれてヒータにかかることが
ある。硝酸など処理液の種類によってはヒータやヒータ
支持部材を腐食する上、表面が８００℃近い高温になっ
ている電気ヒータに５０〜１５０℃程度の処理液をかけ
てしまい、熱衝撃でヒータを損傷することにもなる。

【０００９】特開昭６１年１１６２４６号の流体加熱器
では、赤外線輻射体を封入する石英管と被加熱流体とが
直接接触している。この構成は下記の問題を有してい
る。（１）流体加熱器内に流入してくる低温被加熱流体と、
赤外線輻射体を封入するため高温になっている石英管と
が直接接触するため、該石英管への熱衝撃が大きく、そ
の寿命を著しく縮める要因となる。特に、加熱開始時、
液体入れ替え直後の再加熱時にはその危険性が大きいこ
とは、図５の加熱器と同様である。（２）赤外線輻射部には寿命があるため、交換すること
がある。そのときには流体加熱器内の液体を除去しなけ
ればならない。特に半導体デバイス製造工程におけるシ
リコン等のウエハーの洗浄液、エッチング液、レジスト
剥離液の加熱および温度制御に用いる場合は、被加熱液
体がアンモニア水、硫酸、塩酸、フッ酸等であるため、
流体加熱器器内の液体除去にあたっては、人体への付着
防止、周辺装置への付着防止に注意しなければならず、
作業が煩わしい。（３）同様に、赤外線輻射部交換時に、赤外線輻射体を
封入する石英管と被加熱流体とが直接接触している構造
であるため、新品の赤外線輻射体を封入する石英管表面
に付着している異物が流体流路に持ち込まれる可能性が
ある。ここで石英管表面を洗浄しても、交換時には流路
を外界にさらすため、外界から流体流路へ異物が侵入す
る可能性を残している。半導体デバイス製造工程におけ
るシリコン等のウエハーの処理では処理液中の異物濾過
をクリーンルーム並みに行う必要があるため、流体流路
への異物持ち込みを伴う作業は好ましくない。フライヤ
ー等、食品油の加熱、温度制御に用いる場合にも流体流
路への異物持ち込みを伴う作業は衛生上好ましくない。

【００１０】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、
半導体ウエハーの処理槽には加熱装置を設けず、高密度
の輻射光エネルギーを有し、輻射される光がすべて被加
熱流体方向に向かう構造であって、しかも流路を構成す
る石英管への熱衝撃が極めて少なく、赤外線輻射体劣化
時等の交換時に液体除去を不要にして保守を容易にし、
汚染源侵入防止に優れる流体加熱器を提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】図４の構成において用い
る流体加熱器（５００）において、管壁に流体の流入部
及び流出部とを有し、且つ、両端の開放された第１の中
空管内部に、両端が開放された透明な第２の中空管を、
前記第１の中空管内壁との間に空間を有して配して該空
間を流体流路とし、前記第２の中空管内部に、その内壁
との間に空間を有して光源を配し、支持部材によって該
光源の両端部を前記第２の中空管内部に支持する構成と
する。

【００１２】

【作用】前記光源により輻射される光は前記第２の中空
管内壁との間の空間を経て前記流体流路へ入り、赤外領
域の光によって液体が共振加熱される。ここでは、前記
光源と前記第２の中空管内壁との間の空間に存在する空
気と透明な第２の中空管によってわずかに吸収される分
を除いて輻射光は必ず流体を通過する。従って、輻射さ
れた赤外線はほとんどが流体加熱に消費される。また、
光源と石英管とが直接には接触しないため、光源の石英
管への熱衝撃が大幅に緩和される。光源の交換はその支
持部材を外すのみで済み、流体加熱器内から液体を除く
必要が無く、流路内に異物を持ち込むこともない。

【００１３】

【実施例】図１（ａ）は第１実施例の断面図である。同
図の構成に組み上げる手順は、先ず両端開放の中空外管
１内に両端開放の中空内管２を通し、中空内管２の外周
に両側からフェルール１６を取付け、更に中空内管２が
貫通する孔を中心部に有するナット１７によって両中空
管を接続する。また、中空外管１は両端部にねじ切り部
を有してナット１７と嵌合し、ねじを閉める方向にナッ
ト１７を進行させるに伴って、フェルール１６がナット
１７と上記両中空管１及び２との間に楔を挿入する効果
を奏して中空外管１内に中空内管２を固定し、且つ両中
空管の接触部の気密を得ることができる。

【００１４】尚、１１は被加熱流体流入口、１２は被加
熱流体流出口、４は流路となる。また、半導体ウエハー
処理液を扱う場合は、耐薬品性の点でナット１７、フェ
ルール１６、中空外管１をフッ素樹脂製とし、中空内管
２として石英管を用いれば、赤外領域に高透過率を有
し、強度、耐薬品性、耐熱性の点でも優れた透明中空内
管となる。

【００１５】次いで、内径が光源５の最大直径よりも大
きい中空内管２内に光源５を挿入し、両側からセラミッ
クリング１３を中空内管２内に入れ、溶解されて平坦に
加工された光源の端部９をセラミックリング１３の溝１
３１内に隙間を有した状態で支持する。次いでセラミッ
クリング１４を中空内管２内に入れ、電極リード１８を
溝１４１に通し、さらにシリコンゴム製ブッシュ１５を
光源５及びリング１３、１４のストッパーとして中空内
管２の両端に取付ける。ブッシュ１５の小径部の直径が
中空内管２の内径よりも大きいことはストッパーとして
機能するための要件である。電極リード１８はブッシュ
１５の貫通孔１５１を通して外部に出す。この構成によ
ると、光源５と中空内管２の内壁との間には空間３が必
ず存在する。ここでリング１３、１４がセラミック製、
ブッシュ１５がシリコンゴム製であるため、光源５の発
熱に耐えることができる。また、流体加熱器使用中は光
源５の外管が他の部分に比べて高温になり、例えばハロ
ゲンランプの場合、その石英管は８００℃にも達する。
従って、光源５は他の部分よりも熱膨張が著しい。しか
し、光源５の端部９はリング１３の１３１内に隙間を有
して乗っているのみであるから、光源５の熱膨張は膨張
方向に拘わらず、該溝１３１内の隙間や、空間３に吸収
され、熱膨張が流体加熱器に部分的負荷をかけて損傷を
起こすことはない。

【００１６】光源５の交換時にはブッシュ１５、リング
１３、１４を外すのみで取り外すことができ、流体加熱
器内の液体の存在は光源交換作業には無関係である。ま
た、ニクロム線等の電気ヒータの温度は１０００Ｋ程度
が限界であるが、ハロゲンランプでは、フィラメント温
度を２０００〜３０００Ｋと、ニクロム線の２〜３倍の
高温で連続使用でき、輻射光エネルギー１６〜８１倍に
まで向上する。従って、ニクロム線等により加熱する従
来例のように、加熱源を増やして装置を大型化すること
もない。光源５の例として図１に示したハロゲンランプ
５について説明すると、両端９を溶融し平坦に冷却成型
された石英ガラス管内８にはハロゲン元素及び不活性ガ
スと、アンカー７で支持されたタングステン製フィラメ
ントコイル６とが密封されている。この両端９の内部に
はモリブデン箔１０が封入されており、このモリブデン
箔１０に前記フィラメントコイル６と外部からのリード
１８とが接続されている。

【００１７】図２には本発明の第２実施例を示し、図１
と同一部には同一の番号を付与してある。本例では図
（ｃ）の石英硝子製中空外管１と図（ｅ）の、両端が開
放されて、且つ、全長が中空外管１の側壁間距離よりも
長い石英硝子製中空内管２とを用意し、中空外管１の両
側壁中心部を円形切断して孔２４を開け、該孔２４に石
英硝子製中空内管２を通す。図（ｄ）は図（ｃ）の右側
面図である。両管１、２の間の空間が流路４となり、中
空外管１は流体流入口１１及び流体流出口１２とを有す
る。次いで図（ａ）において、両中空管１、２の接触部
２３を溶着し、流路４中の液体が漏れないようにする。
また、光源５の端部はプラグ２１を有したセラミック２
２としてある。中空内管２の内径は光源５の最大直径よ
りも大きくとってあるため、両者２、５の間には空間３
が必ず存在し、図（ｂ１）、（ｂ２）の光源５のプラグ
２１を挿入するための貫通孔２０を有したセラミックソ
ケット１９のみで光源５の取付け、取り外しを行うこと
ができる。また、光源によって加熱される光源支持部が
中空外管１の外側にあるため、外部空気の対流による光
源支持部の冷却効果を得ることができる。

【００１８】図３には本発明の第３実施例を示し、図１
及び図２と同一部には同一の番号を付与してある。本例
と第２実施例との違いは中空内管２の全長が中空外管１
の側壁間距離とほぼ同等であることのみである。従っ
て、光源５の支持部が中空外間１の内側にあるため、流
体による該光源支持部の冷却効果を得ることができる。
流体は、加熱されているとは言うものの、光源５により
加熱される光源支持部の温度よりはかなり低い温度にな
っている。

【００１９】尚、光源として適切なハロゲンランプの寿
命はフィラメント温度に関係し、仕様値は２８００Ｋで
３０００時間、３０００Ｋで１５００時間となってお
り、ハロゲンランプ交換頻度に換算すると、およそ１回
／半年〜１年であって、ハロゲンランプのばらつき、使
い方により異なるが、複数本使うことが多く、交換頻度
は更に大きくなる。

【００２０】以下に、光源から輻射される光エネルギー
利用効率を向上するための実施例について説明する。

【００２１】上記いずれの実施例においても、光源５か
ら輻射される光は、空間３内の空気及び透明中空管２に
わずかに吸収される分以外はすべて流路４内に輻射状且
つ一様に伝搬し、主に赤外光が流路中の液体に吸収さ
れ、液体は共振加熱される。光源がハロゲンランプの場
合、図２及び図３のように中空外管１を石英管製とし
て、液体に吸収されなかった光を外部に輻射させてしま
っても、８５〜８８％の加熱効率があることが本願発明
者により確認された。

【００２２】しかし、中空外管１の外周に金属コーティ
ングを施せば、被加熱流体を通過してしまった光を反射
して流体内に戻し、加熱に寄与させ得る。コーティング
に用いる金属としては、クロム、アルミニウム、金、酸
化錫、インジウム等があり、いずれも赤外領域に高い反
射効率を有している。図１で中空外管１の材質によって
は、金属コーティングは困難であるが、金属箔を外周に
巻いても同様の効果を得られる。

【００２３】また、中空外管１を光吸収部材とした場合
には被加熱流体を通過してしまった光によって該管が加
熱され、その熱を被加熱流体に直接伝導するという作用
が得られるので、光エネルギー利用効率向上という目的
が達成される。光吸収部材としては、耐薬品性を合わせ
持つという点である程度の厚みをもったフッ素樹脂が有
効で、加熱効率が９０％以上になることが本願発明者に
より確認された。

【００２４】また図示しないが、流体加熱器を光反射の
効果を有する金属製筐体内に入れてしまってもよい。

【００２５】尚、被加熱流体がフッ酸系の試薬の場合に
は流路をすべてフッ素樹脂製としなければならないこと
がよく知られている。フッ素樹脂を用いて中空外管１を
製作するときには切削加工を行い、その結果、加工面に
凹凸が現れ、この凹凸に被加熱液体内の成分が残留し
て、後から流す液体を汚染する可能性がある。既に述べ
た通り、半導体ウエハー処理に用いる場合には処理液に
もクリーンルーム並みの清浄さが求められているため、
フッ素樹脂加工面の凹凸を無くす必要がある。

【００２６】この課題は旭硝子（株）からサイトップと
いう商品名で発売されているフッ素樹脂を用いることに
よって解決される。サイトップは石英ガラス表面等にコ
ーティングしたり、射出成型によって成型品を得たりす
ることが可能であり、ピンホールの無い極めて平坦度の
高い表面を得ることができ、耐熱性、耐薬品性は従来の
フッ素樹脂と同等である。石英ガラス性中空管１、２の
流路側にサイトップをコーティングすれば、流路内に物
質の残留が無く、しかもフッ素系の試薬を含めたあらゆ
る液体に対応可能な流体加熱器をつくることができる。
また、サイトップは可視領域から赤外領域まで光透過率
が９５〜９６％であるため、数百オングストロームから
数十ミクロンという薄膜コーティングが可能であること
と合わせて、中空管２にコーティングしても光透過の妨
げとなることはない。中空管１、２をサイトップの射出
成型品としても同様の効果を得ることができる。

【００２７】

【発明の効果】被加熱流体を流しながら処理槽外部で加
熱する構成としたので、（１）処理槽からこぼれる薬液によってヒータが腐食し
たり、処理槽内の低温液体が高温ヒータやその支持部に
かかって熱衝撃を与えたりすることが無い。

【００２８】（２）処理槽内にヒータが存在しないの
で、ウエハー没入時の障害となったり、処理槽内掃除時
の障害となったり、掃除のときにヒータを破壊したりす
ることが無い。

【００２９】（３）ヒータ収容のための空間を処理槽に
設ける必要が無いため処理槽を小型化でき、その結果処
理液を少なくすることができる。

【００３０】また、本発明の流体加熱器では、（４）流体加熱器内で、光源と被加熱流体流路との間に
空間部が設けてあるため、高温になっている光源と低温
被加熱流体とが直接接触しない。その結果、光源の寿命
を縮める要因である光源に対する熱衝撃を大幅に緩和で
きる。被加熱流体変更により、空になった加熱器内に流
体を流し始める場合、特に効果が大きい。

【００３１】（５）流体加熱器内で、光源と被加熱流体
流路とが独立し、光源を容易に装着、取り外しできる構
成としたため、光源交換時に流路内から液体を除去する
手間がなく、流路内液体が危険な試薬であってもその取
り扱いに注意を払う必要がない。従って、装置稼働中で
あっても装置を止めることなく素早く光源交換を行なえ
る。

【００３２】（６）光源が被加熱液体に直接接触しない
構成であるため、その交換時に光源表面に付着している
汚染源を流路内に持ち込むことがなく、また流路を外気
にさらさないため外部の汚染源を流路内に持ち込むこと
もなく、半導体ウエハー処理に用いる場合に特に有効で
ある。食品油の加熱に用いる場合にも衛生上有効であ
る。

【００３３】（７）光源は被加熱流体流路の更に内側に
てクリアランスを持った部品で支持されているだけであ
るため、光源の熱膨張は該クリアランスで吸収されてし
まい、熱膨張が他の部分に負荷をかけて損傷を引き起こ
すことがない。

【００３４】（８）光源を内装する中空管は両端が開い
ており、いずれの方向からも交換できる構成としたた
め、設置状況により一方からの交換が不可能になっても
他方から交換可能であり、光源交換のためだけの余分な
設置空間を必要としない。このことは設備の設置空間の
限られているクリーンルーム内では特に重要である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例なる流体加熱器であって、
（ａ）はその断面図、（ｂ）は光源の左右側面図、（ｃ
１）はブッシュの側面図、（ｃ２）はその正面図、（ｄ
１）は一方のセラミックリングの側面図、（ｄ２）はそ
の正面図、（ｅ１）は他方のセラミックリングの側面
図、（ｅ２）はその正面図である。

【図２】本発明の第２実施例なる流体加熱器であって、
（ａ）はその断面図、（ｂ１）はソケットの正面図、
（ｂ２）はその側面図、（ｃ）は中空外管の正面断面
図、（ｄ）はその右側面図、（ｅ）は透明中空内管の正
面図である。

【図３】本発明の第３実施例なる流体加熱器であって、
（ａ）はその断面図、（ｂ１）はキャップの両側面図、
（ｂ２）はその正面図である。

【図４】流体加熱器の好適な使用例を示す図である。

【図５】従来技術例の流体加熱器であって（ａ）は外観
斜視図、（ｂ）はその断面図である。

【符号の説明】１第１の中空管１１被加熱流体流入部１２被加熱流体流出部１３、１４、１５支持部材２第２の中空管３、４空間５光源

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図５】

【図４】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気ヒータ２の外周に流体加熱管１を配
設し、さらにこの流体加熱管１の外周に内向き反射部材
５を配設し、前記流体加熱管１は透明部材である構成を
特徴とする流体加熱器。
【請求項２】電気ヒータ２の外周に流体加熱管１を配
設し、前記流体加熱管１は、電気ヒータ側は透明部材１
１であり、外側は内向き反射部材１２ｂである構成を特
徴とする流体加熱器。
【請求項３】電気ヒータ２の外周に流体加熱管１を配
設し、前記流体加熱管１は、電気ヒータ側は透明部材１
１であり、外側は輻射熱吸収部材１２ｃである構成を特
徴とする流体加熱器。
【請求項４】電気ヒータ２は石英ガラス管式赤外線ヒ
ータであり、流体加熱管１は、電気ヒータ側の透明部材
１１である石英ガラス管と、外側の輻射熱吸収部材１２
ｃであるフッ素樹脂管と、シール機構６とにおいて、石
英ガラス管１１がフッ素樹脂管１２ｃの両端閉塞壁に設
けられた孔にシール部材６を介して嵌装されたものであ
る構成を特徴とする請求項３記載の流体加熱器。
【請求項５】反射部材５又は１２ｂの反射面は金、ア
ルミニウム、酸化すず、インジウム、クロム等の光反射
膜である請求項１又は請求項２記載の流体加熱器。
【請求項６】外側の輻射熱吸収部材１２ｃの外周にさ
らに内向き反射面１２ｄを備え、該反射面１２ｄは金、
アルミニウム、酸化すず、インジウム、クロム等の光反
射膜である請求項３の流体加熱器。
【請求項７】流体加熱器は筐体８内に配置され、該筐
体は金、アルミニウム、酸化すず、インジウム、クロム
等の光反射膜が内向きに被覆された請求項３又は請求項
４記載の流体加熱器。
【請求項８】管壁に流体の流入部及び流出部を有し、
両端が開放された第１の中空管内部に、両端が開放され
た透明な第２の中空管を、前記第１の中空管の内壁との
間に空間を有して配し、該両中空管の両端同志をシール
接続し、前記第２の中空管内部に、その内壁との間に空
間を有して電気ヒータを配し、支持部材によって該電気
ヒータの両端部を前記第２の中空管内部に支持したこと
を特徴とする流体加熱器。