Liquid heater and liquid heating method |
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申请号 | JP2008223396 | 申请日 | 2008-09-01 | 公开(公告)号 | JP2010060147A | 公开(公告)日 | 2010-03-18 |
申请人 | Himeji Rika Kk; Kurita Water Ind Ltd; ヒメジ理化株式会社; 栗田工業株式会社; | 发明人 | UCHIDA MINORU; MARUYAMA TAKESHI; | ||||
摘要 | PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid heater capable of quickly heating a fluid such as a sulfuric peroxide solution to high temperatures. SOLUTION: The liquid heater includes a flow channel member composed of a material transmitting near infrared rays and forming a flow channel 4 of a thickness of 10 mm or less through which a liquid flows, and near-infrared heaters 7, 8 disposed outside of at least one of the opposing flow channel faces of the flow channel and heating the liquid inside of the flow channel. The liquid flowing through the flow channel is instantly and uniformly heated by means of the near-infrared rays. A spacer 6 for restricting a capacity of the flow channel is preferably disposed inside of the flow channel 4. By reducing a volume of the flow channel inside of the heater and by increasing a flow velocity in the heater, a retention time inside of the heater can be reduced while keeping a heat transfer area as much as possible, thus the heated liquid can be heated to high temperatures in a short time even when a set temperature of a heat transfer face is low. COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT |
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权利要求 | 液体を通液する流路厚み10mm以下の流路を形成する、近赤外線を透過する材料からなる流路部材と、該流路の相対する流路面の少なくとも一方の外側に配置して前記流路内の前記液体を加熱する近赤外線ヒーターとを備えることを特徴とする液体加熱器。 前記近赤外線ヒーターが前記流路面の両外側に配置されていることを特徴とする請求項1記載の液体加熱器。 前記流路が環状流路であることを特徴とする請求項1または2に記載の液体加熱器。 前記流路部材のうち、少なくとも前記近赤外線ヒーターを配置している側の流路面を形成する流路部材が石英製であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液体加熱器。 前記流路の内部に設置又は封入され、前記流路の容量を減ずるためのスペーサをさらに備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の液体加熱器。 前記スペーサが複数個であることを特徴とする請求項5記載の液体加熱器。 前記スペーサが粒状体であり、前記流路内に充填されていることを特徴とする請求項6記載の液体加熱器。 前記スペーサが棒状体であり、前記流路内に通液方向に沿って並列に配置されていることを特徴とする請求項6記載の液体加熱器。 前記スペーサが石英製であることを特徴とする請求項5〜8のいずれかに記載の液体加熱器。 前記流路の液体入口部分および/または液体出口部分に、前記液体の均一分配を促進するように流路面積を拡張したオリフィスおよび/またはヘッダーを形成していることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の液体加熱器。 前記液体は濃度65〜96質量%の硫酸溶液であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の液体加熱器。 請求項1〜11のいずれかの液体加熱器を用い、該液体加熱器内における前記液体の滞留時間を0.5〜5秒にしつつ該液体を加熱することを特徴とする液体加熱方法。 前記液体加熱器の流路における液体入口部分と液体出口部分の液温の差が50℃以上であることを特徴とする請求項12記載の液体加熱方法。 前記液体入口部分の液温が60〜80℃であり、前記液体出口部分の液温が120〜190℃であることを特徴とする請求項13記載の液体加熱方法。 |
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说明书全文 | 本発明は、液体を高効率かつ短時間で加温することができる液体加熱器に関するものであり、特に半導体製造工程の一つであるレジスト剥離工程における洗浄液の急速加熱に好適に用いることができる液体加熱器および液体加熱方法に関するものである。 半導体製造におけるレジスト剥離工程において、硫酸溶液を電気分解して過硫酸(ペルオキソ二硫酸;分子状過硫酸およびイオン状過硫酸)を生成し、過硫酸溶液を洗浄液として洗浄を行う硫酸電解法が知られている。 レジスト剥離工程では洗浄液が高温(120〜190℃程度)であるほどレジスト剥離が効率的に進行する。 これは硫酸電解法によって製造した洗浄液が所定の高温になると洗浄液中の過硫酸が自己分解して極めて酸化力の強い硫酸ラジカルを生成して洗浄に寄与するためであると考えられる。 以上のことから洗浄液の昇温は洗浄直前にごく短時間(数秒程度)で行う必要がある。 例えば、前記した流体加熱器50のように、熱媒油などの高温流体を加熱源とすると、油→石英壁→溶液という順序で伝導伝熱および強制対流伝熱により熱が伝わる。 この伝熱方式で短時間に大量の熱を伝えるためには熱媒油をできるだけ高温(例えば1000℃以上)にすることが望ましいが、工業的に用いられる熱媒油の最高使用温度は350℃〜400℃程度である。 熱媒油などを使う方法では加熱源の熱容量が大きいので急速加熱の開始・停止を瞬時に行うことが難しい。 しかし、例えば、前記した流体加熱器40では、超純水や化学薬品溶液を数L/minの速度で加熱する。 この場合、ランプ出力とその寸法から石英槽の容量は数Lになり、液の滞留時間は1〜2分と長時間になってしまう。 化学薬品に過硫酸を用いると過硫酸の自己分解が進み過流酸の浪費につながる。 以上のことから本発明では、伝熱面を高温に設定することなく低温の被加熱液体を短時間で高温まで加熱することが可能な液体加熱器および液体加熱方法を提供することを目的とする。 すなわち、本発明の液体加熱器のうち、第1の本発明は、液体を通液する流路厚み10mm以下の流路を形成する、近赤外線を透過する材料からなる流路部材と、該流路の相対する流路面の少なくとも一方の外側に配置して前記流路内の前記液体を加熱する近赤外線ヒーターとを備えることを特徴とする。 第2の本発明の液体加熱器は、前記第1の本発明において、前記近赤外線ヒーターが前記流路面の両外側に配置されていることを特徴とする。 第3の本発明の液体加熱器は、前記第1または第2の本発明において、前記流路が環状流路であることを特徴とする。 第4の本発明の液体加熱器は、前記第1〜第3の本発明のいずれかにおいて、前記流路部材のうち、少なくとも前記近赤外線ヒーターを配置している側の流路面を形成する流路部材が石英製であることを特徴とする。 第5の本発明の液体加熱器は、前記第1〜第4の本発明のいずれかにおいて、前記流路の内部に設置又は封入され、前記流路の容量を減ずるためのスペーサをさらに備えることを特徴とする。 第6の本発明の液体加熱器は、前記第5の本発明において、前記スペーサが複数個であることを特徴とする。 第7の本発明の液体加熱器は、前記第6の本発明において、前記スペーサが粒状体であり、前記流路内に充填されていることを特徴とする。 第8の本発明の液体加熱器は、前記第6の本発明において、前記スペーサが棒状体であり、前記流路内に通液方向に沿って並列に配置されていることを特徴とする。 第9の本発明の液体加熱器は、前記第5〜第8の本発明のいずれかにおいて、前記スペーサが石英製であることを特徴とする。 第10の本発明の液体加熱器は、前記第1〜第9の本発明のいずれかにおいて、前記流路の液体入口部分および/または液体出口部分に、前記液体の均一分配を促進するように流路面積を拡張したオリフィスおよび/またはヘッダーを形成していることを特徴とする。 第11の本発明の液体加熱器は、前記第1〜第10の本発明のいずれかにおいて、前記液体は濃度65〜96質量%の硫酸溶液であることを特徴とする。 第12の本発明の液体加熱方法は、前記第1〜第11の本発明のいずれかに記載の液体加熱器を用い、該液体加熱器内における前記液体の滞留時間を0.5〜5秒にしつつ該液体を加熱することを特徴とする。 第13の本発明の液体加熱方法は、前記第12の本発明において、前記液体加熱器の流路における液体入口部分と液体出口部分の液温の差が50℃以上であることを特徴とする。 第14の本発明の液体加熱方法は、前記第13の本発明において、前記液体入口部分の液温が60〜80℃であり、前記液体出口部分の液温が120〜190℃であることを特徴とする。 すなわち、本発明の液体加熱器によれば、液体を通液する流路厚み10mm以下の流路を形成する、近赤外線を透過する材料からなる流路部材と、流路の相対する流路面の少なくとも一方の外側に配置して前記流路内の前記液体を加熱する近赤外線ヒーターとを備えるので、液体を瞬時に均一に加熱することができる。 また、近赤外線は石英を透過するので、流路部材やスペーサを石英製にすれば伝熱の妨げにならず、効率的に伝熱することができる。 また、石英は細かい加工が難しいので流路が小容量となるほどの狭い流路面積の流路を形成することは難しかったが、スペーサを用いる本発明では、既製の石英管の流路内にスペーサを導入するという、簡易な作業により適切に狭い流路面積の流路を形成することができる。 本発明としてはスペーサの形状が特に限定されるものではないが、例えば、棒状体や粒状体により構成することができる。 これら棒状体や粒状体では、その径を流路厚みより多少小さくすることで流路とスペーサとの間に小隙間を形成して液体の通液が速やかになされる。 さらに、本発明において、液体入口部分にヘッダーを設けたり、ヘッダーと加熱する流路との間にオリフィス等小孔を設けて圧力損失を持たせることにより、狭い流路、例えばスペーサを多く挿入した場合においても、流路内の流量分布を均一にすることができる。 なお液体出口部分のヘッダーは、容積を小さくすることにより高温液体の滞留時間を短くすることができる。 また、本発明の液体加熱方法によれば、本発明の液体加熱器を用いて該液体加熱器内における前記液体の滞留時間を0.5〜5秒にしつつ該液体を加熱するので、液体の組成変化などを招くことなく液体を瞬時に加熱することができる。 液体加熱器における液体の滞留時間(通液時間)は、瞬時の加熱を満たすため、5秒以下が望ましく、さらに、2秒以下が一層望ましい。 一方、滞留時間が0.5秒未満では流路厚みを1mm以下とするか、ヒーターの熱流速(heat flux)を30〜50W/cm 2以上としなければならず、構造上の困難が生じるので、0.5秒以上が望ましい。 同様の理由で1秒以上が望ましい。 (実施形態1) さらに、環状流路4では、流路厚みよりも小さな径を有する棒状スペーサ6が流路の内側に固定されずに全周に亘って並列配置されている。 該棒状スペーサ6は、環状流路4の流入口に近い高さの流路厚みを棒状スペーサ6の径より狭くすることで、該棒状スペーサ6は落下せず環状流路4内に留まることができる。 そして、これよりも上方では、棒状スペーサ6と環状流路4の内側内周面と外側内周面との間には小隙間が形成されている。 棒状スペーサ6、6間には隙間を有していてもよく、また互いに接するほどに多数の棒状スペーサ6…6を環状流路4内に配置してもよい。 さらに環状流路4の外周側には外部ヒーター7が配置され、環状流路4の内周側には内部ヒーター8が配置されており、上記構成によって本発明の液体加熱器1が構成されている。 なお、ヒーターは、環状流路4の外周面または/および内周面を一様に加熱するものが望ましい。 なお液体加熱器1を構成する各部品は、図2に示す配置になるように固定されれば、特にその方法は限定されない。 最も簡易な方法としては、別途用意した支持柱に取り付けたクランプなどで環状流路4における石英管本体の下部および上部流出口5を有する上部ノズルを保持することなどが考えられる。 外部ヒーター7がスパイラル形状の場合はいくつかに分割されているので、それぞれをクランプなどで保持する。 ただしハロゲンヒーターの外表面には反射性の物質が塗布してあるので、擦れてこれが脱落しないように、固定時に注意が必要である。 同様に内部ヒーターについても下から支持する。 本発明の実施形態における液体加熱器1によれば、液体の滞留時間を0.5〜5秒にして通液しつつ確実に加熱することができる。 例えば60℃の溶液2L/minを150℃まで加熱するのに要する液滞留時間は1.5秒である。 これは、環状流路4の中に多数の棒状スペーサ6を設置してあり、流路面積を小さくするとともに、ヒーターに面した加熱面に接して流れるようにしてあるためである。 また、接液加熱表面の温度が200℃以下なので、被加熱液体として硫酸溶液を使用する場合、硫酸溶液が沸騰したり、過硫酸(ペルオキソ二硫酸)が急速に自己分解することを避けることができる。 本発明の液体加熱器をレジスト剥離用途に用いる場合は、例えば図3のような枚葉式レジスト剥離システムに組み込むことで使用することができる。 本発明の液体加熱器を用いて図3に示すシステムのように過硫酸溶液による枚様式洗浄をする場合、液体加熱器1によって過硫酸を含む硫酸水溶液を瞬時に150℃程度にまで加熱しなければならない。 従って、前段において適切な液温を保持しておくことが必要である。 そこで図3に示すシステムのように、システムにおいて液体加熱器1の前段に貯留槽10を設けて槽内温度が60〜80℃に保持されるようにすることが好ましい。 槽内温度が60℃未満では本発明の液体加熱器1への負荷が大きくなりすぎ、逆に80℃を超過すると過硫酸の自己分解速度が大きすぎるため貯留槽10の過硫酸濃度を高い状態で維持できないからである。 (図4[過硫酸溶液温度vs過硫酸自己分解]のグラフを参照)。 液体加熱器1では、上記のように60〜80℃の硫酸溶液を好適には、120〜190℃、より好適には140〜160℃に加熱する。 該温度の過硫酸を含む硫酸溶液は、過硫酸による酸化力によって優れた洗浄力を発揮する。 また、高温の過硫酸は、前記したように自己分解が速いので、該液体加熱器での滞留時間を5秒以下(望ましくは2秒以下)にすることで、過硫酸の自己分解が進む前に洗浄に供することが可能になる。 (実施形態2) この実施形態の液体加熱器20は、石英の二重管からなる環状流路21を有しており、該環状流路21の流路厚みは10mm以下になっている。 環状流路21の両端部には、流路厚みを部分的に大きくした筒状のヘッダー22、23が前記環状流路21に連続するように設けられている。 一端側のヘッダー22は、液体入口部分に設けられており、該ヘッダー22に環状流路21の長手方向に沿った流入管24が接続されている。 一方、他端側のヘッダー23は、液体出口部分に設けられており、該ヘッダー23に環状流路21の径方向に沿った流出管25が接続されている。 また、環状流路21には、該環状流路21の長手方向に沿った棒状の多数のスペーサ26が全周に亘って並列されている。 該スペーサ26は、石英からなり、環状流路21の内周面と僅かに隙間が確保される径(流路厚みよりも小さい径)で構成されている。 なお、図示されていないが、環状流路21の内部を通液方向に貫通するように近赤外線ヒーター複数本を配置し、環状流路の外部を覆うように近赤外線ヒーターを配置する。 上記液体加熱器20では、流入管24から導入される液体は、ヘッダー22を介して環状流路21に均一に分配され、液体は環状流路21の長手方向に通液される。 環状流路21では、流路がスペーサ26で制限されており、ヒーターに面した加熱面に接して液体が円滑に流れ、近赤外線ヒーターによって均一かつ瞬時に加熱される。 加熱された液体は、ヘッダー23を介して流出管25によって液体加熱器20外に流出する。 この実施形態の液体加熱器20も、前記システムに液体加熱器1と同様に適用することができる。 (実施形態3) 環状流路31の内周側外部には、4本の棒状の近赤外線ヒーター37が環状流路31の長手方向に沿って配置されている。 一方、環状流路31の外周側外部には近赤外線ヒーターを配置する替わりに、外周側外面を金またはアルミなどの反射材38で覆っている。 これにより環状流路31の外周側外部に近赤外線ヒーターを配置しなくても、近赤外線ヒーター37から放射された近赤外線が反射材38によって外周面で反射され、この反射熱によって内外周から液体を均一に加熱することが可能になる。 なお、本発明としては、環状流路31の外周側外部に近赤外線ヒーターを配置して、環状流路31の内周側外面を反射材で覆うようにしてもよいが、内周側外部に近赤外線ヒーターを配置する方が効果的に被加熱液体を加熱することができる。 以上、本発明の液体加熱器について上記実施形態のように製造が容易であるという理由から二重管型環状流路を例に挙げて説明をしたが、本発明は、上記実施形態の内容に限定されるものではなく、例えば、相対する流路面が共に平面又は曲面を成す帯状流路を構成するものであってもよい。 [実施例1] 液温度65℃、硫酸濃度85質量%、過硫酸濃度=20g/Lの硫酸溶液2L/minを液体加熱器1に流し加熱した。 加熱部および出口側チューブ内(図2の5の部分の出口側接続管)の滞留時間は3.5秒であった。 このとき、液体は150度まで昇温し、出口での過硫酸濃度=16.2g/Lであった。 1 液体加熱器 3 ヘッダー 4 環状流路 6 棒状スペーサ 7 外部ヒーター 8 内部ヒーター20 液体加熱器21 環状流路22 ヘッダー23 ヘッダー26 棒状スペーサ30 液体加熱器31 環状流路32 ヘッダー33 ヘッダー36 棒状スペーサ37 近赤外線ヒーター38 反射材 |