JP2006159003A - 超純水の加熱冷却方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体製造ライン等の末端装置に超純水を適温で供給するため加熱又は冷却する際に、金属イオンの溶出による超純水の比抵抗の低下を防止するとともに、超純水の流路を構成するチューブの切断等による超純水へのブラインの混入を未然に防ぐ。
【解決手段】 ブラインクーラ２９によって加熱又は冷却されたブラインと第１の超純水との熱交換を閉回路からなる第２の超純水の循環管路３６を介して間接的に行ない、循環管路３６に電気伝導率センサ３７を設け、第２の超純水の電気伝導率を監視しながら、同電気伝導率が設定値を超えたときに熱交換を停止して同循環管路内の第２の超純水を第１の超純水と入れ替えるメンテナンス機構を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体ウェハーやチップの洗浄用水等に使用される超純水の加熱冷却方法及び同方法を実施するための装置に関し、装置の稼働中に超純水の電気伝導率を低下させることなく、また熱交換器等を構成するチューブ等の破損等によっても超純水にブラインが混入することを防止できるようにしたものである。

近年ＬＳＩや超ＬＳＩを生産する電子工業における半導体ウェハー又はチップの洗浄用水として、微粒子、コロイダル物質、高分子有機物、発熱性物質を可及的に除去した超純水が用いられている。
洗浄に用いられる超純水は、脱イオン化した高比抵抗のもので、かつ水に溶解しない微粒子をフィルタで除去するとともに、バクテリアの除去も必要である。

超純水による洗浄は、例えば超純水の流れの中に被洗浄物を置き、常に新しい超純水に触れるように設計された水洗槽中で行う必要がある。超純水による必要な洗浄時間は水温、流量等により異なるが、水洗槽内の超純水の比抵抗が超純水本来の比抵抗値近くに回復する時間を目安とするのがよい。

特許文献１（特開昭６１−１０３５９２号公報）には、超純水の製造装置が開示されている。この装置を図３に基づいて説明する。図３において、タンク０１内の超純水はポンプ０２により高温殺菌用熱交換器０３、フィルタ０４及び冷却用熱交換器０６を経てタンク０１に戻る循環系を循環している。通常の超純水使用時には高温殺菌用熱交換器０３及び冷却用熱交換器０６で熱交換は行なわず、フィルタ０４及び冷却用熱交換器０６を通過した超純水はバルブ０７ａ，０７ｂ，０７ｃを介して末端装置０８ａ，０８ｂ，０８ｃへ送られ、使用後の排水が排水ライン０９へ流される。そして未使用の超純水はタンク０１に戻される。

またタンク０１には一段前の超純水製造装置からバルブ０１０を介装した供給管０１１を経て、末端装置０８ａ，０８ｂ，０８ｃで使用された超純水量に相当する原水が供給される。一方前記循環系を流れる超純水の生菌の数が一定限度を超えた場合には、通常の運転と同様にポンプ０２により超純水を循環しながら、高温殺菌用熱交換器０３により超純水を循環し、高温殺菌用熱交換器０３により超純水を６０〜９０℃に昇温して殺菌を行い、フィルタ０４を通過した超純水をバルブ０５を介して冷却用熱交換器０６により冷却して通常使用されている超純水の温度に調整した後、バルブ０７ａ，０７ｂ，０７ｃを介して超純水を末端装置０８ａ，０８ｂ，０８ｃ（例えば半導体製造ライン）に供給する。

このように高温殺菌用熱交換器０３で高温となった超純水を冷却用熱交換器０６によって末端装置に供給可能な温度、例えば１０℃以下に冷却することによって、超純水の高温殺菌作業中でも末端装置の稼動をストップすることなく、通常の温度の超純水を供給することができる。このことは、半導体製造ラインのように連続した工程となっており、しかもほとんどの工程で超純水を必要とする製造ラインでは極めて重要である。

しかしながら超純水は、前述のように、脱イオン化された高比抵抗の性質を保つ必要があり、具体的には電気伝導率を１８ＭΩ以上に保持する必要がある。しかしながら超純水を熱交換器にて加熱又は冷却を行う場合、熱交換器部での熱媒体、例えばブラインなどから金属イオンの透過により熱交換器出口側で金属イオンの流出があり、これによって電気伝導率が次第に低下してくるという問題がある。運転後１ヶ月で０．７ＭΩ低下した事例もあった。
超純水の電気伝導率が低下してしまうと、半導体等の製造ラインをストップせざるを得ない事態となってしまう。
また従来の超純水の加熱又は冷却に用いられる熱交換器は、一般に公知のシェルアンドチューブ式等の熱交換器が使用されているが、熱交換器の溶着部から超純水を加熱又は冷却するブラインが混入するおそれがあり、そのため超純水として使用できなくなるという問題があった。

そこでこのような問題点に対処するために本発明者等が考えた、本発明の中間ステップとしての比較技術である超純水の冷却システムを図４に基づいて説明する（係る技術は新規である）。
図４において、０６は冷却用熱交換器であり、例えばシェルアンドチューブ型又はハニカム型が採用され、耐化学薬品性、耐熱性及び耐汚れ性等の優れた高純度フッ素樹脂製からなり、超純水への金属溶出を最小限に抑えるようにしている。

冷却用熱交換器０６には超純水が流入する入口ライン０２１及び冷却された超純水が図示しない製造ラインに送られる出口ライン０２２が接続されているとともに、ブライン流入ライン０２３及びブライン戻りライン０２４が接続されている。０２５は三方弁であり、出口ライン０２２を流れる超純水の温度を検知する温度センサ０２７からの温度検出信号を得て、冷却用熱交換器０６へのブライン流入量とバイパスライン０２６へのブライン量とを調整可能な電動弁となっている。

０２８は、ブラインタンクであり、貯留部０２８ａに貯留された温度０℃のブラインがポンプ０２９によって流入ライン０２３から冷却用熱交換器０６に供給される。冷却用熱交換器０６で超純水を冷却して温度が５℃になったブラインが戻りライン０２４から貯留部０２８ｂに戻される。貯留部０２８ｂに貯留された５℃のブラインはポンプ０３０によってブラインクーラ０２９に送られ０℃に冷却されて貯留部０２８ａに貯留される。

かかる超純水冷却装置において、超純水製造装置から入口ライン０２１に送られてきた高温の超純水は、冷却用熱交換器０６で流入ライン０２３から供給される０℃のブラインと熱交換して、例えば１０℃以下に冷却されて出口ライン０２２を経て図示しない製造ラインへ送られる。この場合出口ライン０２２の温度を温度センサ０２７で検知し、その検出値に基づいて三方弁０２５がバイパスライン０２６のブライン流量を調節することにより、出口ライン０２２を流れる超純水の温度を所望の温度に調節することができる。

特開昭６１−１０３５９２号公報

図４の冷却システムにおいて、冷却用熱交換器０６は、超純水への金属イオンの溶出を押え、かつ溶着部でのブラインの漏れに起因する超純水へのブラインの混入を防止する目的で、耐化学薬品性、耐熱性及び耐汚れ性等の優れたフッ素樹脂製からなるシェルアンドチューブ式又はハニカム構造の熱交換器を採用したが、この場合超純水が静電気を帯びて帯電した静電気は放電し、フッ素樹脂に微細ピンホールをつくり、場合によっては超純水の流路を構成するチューブを切断するに至るおそれが多分にあった。

チューブが切断した場合、超純水側にブラインが混入してしまい、半導体ラインを補修洗浄のため、１〜２ヶ月停止させなければならないという事態が起こる。
また前述のように、熱交換器からの金属イオンの流出により、熱交換器出口側における超純水の電気伝導率が次第に低下してくるという問題が依然として解決できない問題点として存在している。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、例えば半導体製造ライン等の末端装置に超純水を供給する際に、超純水の比抵抗の低下を防止するとともに、超純水の流路を構成するチューブの切断等による超純水へのブラインの混入を未然に防ぐことを目的とする。

本発明の超純水の加熱冷却方法は、かかる目的を達成するもので、ヒートポンプによって加熱又は冷却されたブラインと第１の超純水とを熱交換して同第１の超純水を加熱又は冷却する超純水の加熱冷却方法において、前記ブラインと前記第１の超純水との熱交換を閉回路からなる第２の超純水の循環管路を介して間接的に行なうことを特徴とする。
本発明方法においては、前記ブラインと半導体製造ライン等の末端装置に供給される第１の超純水とを熱交換するに際し、まずブラインと第２の超純水との熱交換を行なった後、第２の超純水と第１の超純水との熱交換を行なう。

本発明方法において、好ましくは、前記循環管路内を流れる第２の超純水の電気伝導率を監視しながら前記ブラインと前記第１の超純水との熱交換を行い、同電気伝導率が設定値を超えたときに熱交換を停止して同循環管路内の第２の超純水を新規な超純水と入れ替える。

また本発明の超純水の加熱冷却装置は、ブラインを加熱又は冷却するヒートポンプと、同ブラインと第１の超純水とを熱交換する熱交換器とを備えた超純水の加熱冷却装置において、前記ブラインと前記第１の超純水との間に閉回路からなる第２の超純水の循環管路を介在させ、前記ブラインと前記第２の超純水との熱交換を行なう第１の熱交換器と、前記第１の超純水と前記第２の超純水との熱交換を行なう第２の熱交換器とを設けたことを特徴とする。

本発明装置において、好ましくは、前記第２の超純水の循環管路に電気伝導率センサを設けるとともに、同循環管路に第２の超純水の排出口及び新規な超純水を供給する補給経路を設ける。この場合、第２の超純水の電気伝導率がある設定値、例えば１８ＭΩを下回ったら、前記排出口から第１の超純水を排出するとともに、前記補給経路から１８ＭΩを保持している第１の超純水を供給することによって、第２の超純水の入れ替えを行う。
さらに好ましくは、前記構成において、超純水の補助タンクを前記循環管路に接続するとともに、第１の超純水を前記第２の熱交換器に供給する経路から分岐し第１の超純水を前記補助タンクに供給する補給経路を設ける。この構成の場合は、新規な超純水として、第１の超純水を用いる。

また本発明装置において、好ましくは、前記第１の超純水を末端装置に供給する経路に前記第２の熱交換器を設け、同第２の熱交換器の出口側の前記経路に温度センサを設け、さらに前記ブラインを前記第１の熱交換器に供給する経路の途中で同第１の熱交換器からブラインを戻す戻り経路に接続するバイパス経路を分岐させ、同分岐部に前記温度センサの検出値に基づいて前記バイパス経路を流れる前記ブラインの流量を調節可能な三方弁を設ける。

この構成では、第２の熱交換器の出口側経路に設けた温度センサにより第１の超純水の温度を測定し、その測定値に基づき、前記三方弁によって前記バイパス経路を流れるブラインの流量を調整することにより、第１の超純水と熱交換を行う第２の超純水の温度を調整し、それによって末端装置に供給される第１の超純水の温度を制御する。

本発明方法によれば、ブラインと第１の超純水との熱交換を閉回路からなる第２の超純水の循環管路を介して間接的に行なうことにより、ブラインが半導体製造ライン等の末端装置に供給される第１の超純水に混入することがなくなる。

本発明方法において、好ましくは、循環管路内を流れる第２の超純水の電気伝導率を監視しながら前記ブラインと前記第１の超純水との熱交換を行い、同電気伝導率が設定値を超えたときに熱交換を停止して同循環管路内の第２の超純水を第１の超純水と入れ替えることにより、第２の超純水の電気伝導率を許容値の範囲内に維持することができ、そのため第１の超純水の電気伝導率を常に許容値の範囲内に維持することができる。

また本発明装置によれば、ブラインと前記第１の超純水との間に閉回路からなる第２の超純水の循環管路を介在させ、前記ブラインと前記第２の超純水との熱交換を行なう第１の熱交換器と、前記第１の超純水と前記第２の超純水との熱交換を行なう第２の熱交換器とを設けたことにより、ブラインと第１の超純水とを直接熱交換させずに、その間に第２の超純水を介在させるため、第１の超純水にブラインが混入することがない。

また本発明装置において、好ましくは、第２の超純水の循環管路に電気伝導率センサを設けるとともに、同循環管路に第２の超純水の排出口及び新規な第１の超純水を供給する補給経路を設けることにより、第２の超純水の電気伝導率が許容値を逸脱したら、速やかに第２の超純水を前記循環管から排出し、新規な超純水と入れ替えることができ、従って第２の超純水と熱交換を行う第１の超純水の電気伝導率を常に許容値の範囲内に維持することができる。
さらに前記構成において、超純水の補助タンクを前記循環管路に接続するとともに、第１の超純水を前記第２の熱交換器に供給する経路から分岐し第１の超純水を前記補助タンクに供給する補給経路を設けたことにより、新規な超純水として前記第２の熱交換器に流入する第１の超純水を用いることができ、補給経路も簡略化することができる。

また本発明装置において、好ましくは、第１の超純水を末端装置に供給する経路に第２の熱交換器を設け、同第２の熱交換器の出口側の前記経路に温度センサを設け、さらにブラインを第１の熱交換器に供給する経路の途中で同第１の熱交換器からブラインを戻す戻り経路に接続するバイパス経路を分岐させ、同分岐部に前記温度センサの検出値に基づいて前記バイパス経路を流れる前記ブラインの流量を調節可能な三方弁を設けたことにより、第２の熱交換器の出口側経路に設けた温度センサにより第１の超純水の温度を測定し、その測定値に基づき、前記三方弁によって前記バイパス経路を流れるブラインの流量を調整することにより、第１の超純水と熱交換を行う第２の超純水の温度を調整し、それによって末端装置に供給される第１の超純水の温度を制御することができる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は、本発明装置の第１実施例を示す系統図である。

本発明装置の第１実施例を示す図１において、図３及び図４と同一符号を付した部材及び機器は、同一の部材及び機器を示し、同一の機能を有するものであり、説明を省略する。図１において、３１は圧縮機、３２は蒸発器、３３は膨張弁、３４はコンデンサであり、これらの機器はブラインクーラを構成する。３５は、ブラインと循環管路３６をポンプ３９によって循環する第２の超純水とを熱交換する熱交換器であり、循環管路３６には電気伝導率センサ３７が設けられているとともに、超純水を貯留し、必要に応じ循環管路３６に超純水を供給する補助タンク３８が接続されている。

かかる第１実施例の装置において、ブラインタンク２８の貯留部２８ｂに貯留されているブラインはブラインクーラ２９によって冷却された後、貯留部２８ａに戻され、０．５℃の温度に保持される。貯留部２８ａに貯留された超純水はポンプ２８ｃによって流入ライン２３を経て熱交換器３５に供給されて、循環管路３６を循環する第２の超純水と熱交換された後、２℃の温度に昇温して戻りライン２４を経てブラインタンク２８の貯留部２８ｂに戻される。

第２の超純水は補助タンク３８から循環管路３６に供給され、熱交換器３５でブラインと熱交換して６℃に冷却される。また第１の超純水は入口ライン２１から例えば２５℃の温度で熱交換器６に供給され、熱交換器６で第２の超純水と熱交換して冷却され、１０℃以下の温度で出口ライン２２に排出され、図示しない半導体製造ライン等の末端装置に供給される。

循環管路３６には電気伝導率センサ３７が設けられ、絶えず電気伝導率をチェックするとともに、循環管路３６を循環する第２の超純水の電気伝導率が許容値を逸脱した場合には、補助タンク３８に貯留してある新規な超純水を供給し、第２の超純水を図示しない排出口から排出して新規な超純水と入れ替えることにより、電気伝導率を許容値の範囲に維持することができる。

また冷却用熱交換器６で循環管路３６を流れる第２の超純水と熱交換された超純水は、図示しない半導体製造ライン等に超純水を供給する出口ライン２２の温度を温度センサ２７で測定し、その検出信号を三方弁２５に送り、三方弁２５ではその温度検出値に基づいてバイパスライン２６を流れるブラインの流量を調整することにより、循環管路３６を循環する第２の超純水の温度を制御し、さらには第２の超純水と熱交換され末端装置に供給される第１の超純水の温度を所望の温度に制御することができる。

かかる第１実施例の装置によれば、ブラインと第２超純水とを熱交換する熱交換器３５において、チューブ切断等の事故が発生したとしても、製造ラインに接続された出口ライン２２を流れる第１の超純水にブラインが混入することを完全に防止できる。
また金属イオンが循環管路３６を循環する第２の超純水に透過したとしても、それを電気伝導率センサ３７で検知して、第２の超純水を新規な超純水と入れ替えるメンテナンス機構を具備することにより、製造ラインに流入する第１の超純水への金属イオンの透過を確実に防止することができる。

次に本発明装置の第２実施例を図２に基づいて説明する。図２において、図１と同一符号を付した部材及び機器は、図１の部材及び機器と同一のものであり、同一の機能を有する。
図２において、電気伝導率センサ３７により測定される循環管路３６を循環する第２の超純水の電気伝導率が許容値の範囲を逸脱した場合には、入口ライン２１から分岐した補給ライン４１に設けられたバルブ４４が開放され、補助タンク３８に入口ライン２１から第１の超純水が補給されるとともに、循環管路３６に設けられたバルブ４３が閉鎖され、かつバルブ４５が開放される。

これによって電気伝導率が低下した第２の超純水が排水ライン４２から排水されるとともに、代わりに補助タンク３８から循環管路３６に電気伝導率が許容値の範囲内に維持された第１の超純水が供給され、これによって循環管路３６を流れる超純水の電気伝導率が許容値の範囲内に維持される。
本第２実施例においては、新規な超純水として入口ライン２１から第１の超純水を導入することにより、配管経路を簡便化することができる。

本発明によれば、半導体製造ライン等に洗浄用として供給される超純水の電気伝導率の低下の原因となる金属イオンの溶出やあるいは超純水を加熱又は冷却する際に熱媒体として使用されるブラインの超純水への混入を確実に防止することができる有益な超純水の加熱冷却方法及び装置を実現することができる。

本発明装置の第１実施例を示す系統図である。 本発明装置の第２実施例を示す系統図である。 従来の超純水製造装置を示す系統図である。 比較技術に係る超純水の冷却システムを示す系統図である。

符号の説明

０１ 超純水タンク
０３ 高温殺菌用熱交換器
０４ フィルタ
０６ 冷却用熱交換器
０８ａ 末端装置
０９ 排水ライン
０１１ 供給管
０２１、２１ 超純水入口ライン
０２２、２２ 超純水出口ライン
０２３、２３ ブライン流入ライン
０２４、２４ ブライン戻りライン
０２５、２５ 三方切換弁
０２６、２６ バイパスライン
０２７、２７ 温度センサ
０２８、２８ ブラインタンク
０２８ａ、０２８ｂ、２８ａ、２８ｂ 貯留部
０２９、２９ ブラインクーラ
３１ 圧縮機
３２ 蒸発器
３３ 膨張弁
３４ コンデンサ
３５ 熱交換器
３６ 循環管路
３７ 電気伝導率センサ
３８ 補助タンク
４１ 補給ライン
４２ 排水ライン

Claims (6)

1. ヒートポンプによって加熱又は冷却されたブラインと第１の超純水とを熱交換して同第１の超純水を加熱又は冷却する超純水の加熱冷却方法において、前記ブラインと前記第１の超純水との熱交換を閉回路からなる第２の超純水の循環管路を介して間接的に行なうことを特徴とする超純水の加熱冷却方法。
2. 前記循環管路内を流れる第２の超純水の電気伝導率を監視しながら前記ブラインと前記第１の超純水との熱交換を行い、同電気伝導率が設定値を超えたときに熱交換を停止して同循環管路内の第２の超純水を新規な超純水と入れ替えることを特徴とする請求項１記載の超純水の加熱冷却方法。
3. ブラインを加熱又は冷却するヒートポンプと、同ブラインと第１の超純水とを熱交換する熱交換器とを備えた超純水の加熱冷却装置において、前記ブラインと前記第１の超純水との間に閉回路からなる第２の超純水の循環管路を介在させ、前記ブラインと前記第２の超純水との熱交換を行なう第１の熱交換器と、前記第１の超純水と前記第２の超純水との熱交換を行なう第２の熱交換器とを設けたことを特徴とする超純水の加熱冷却装置。
4. 前記第２の超純水の循環管路に電気伝導率センサを設けるとともに、同循環管路に第２の超純水の排出口及び新規な超純水を供給する補給経路を設けたことを特徴とする請求項３記載の超純水の加熱冷却装置。
5. 超純水の補助タンクを前記循環管路に接続するとともに、第１の超純水を前記第２の熱交換器に供給する経路から分岐し第１の超純水を前記補助タンクに供給する補給経路を設けたことを特徴とする請求項４記載の超純水の加熱冷却装置。
6. 前記第１の超純水を末端装置に供給する経路に前記第２の熱交換器を設け、同第２の熱交換器の出口側の前記経路に温度センサを設け、さらに前記ブラインを前記第１の熱交換器に供給する経路の途中で同第１の熱交換器からブラインを戻す戻り経路に接続するバイパス経路を分岐させ、同分岐部に前記温度センサの検出値に基づいて前記バイパス経路を流れる前記ブラインの流量を調節可能な三方弁を設けたことを特徴とする請求項３記載の超純水の加熱冷却装置。

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