热交换装置及其热交换方法与气相沉积设备与流程

本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种热交换装置及其热交换方法与气相沉积设备。

背景技术：

在半导体制造工艺中，通常采用热交换装置对高温状态下的主机台进行降温。其中，图1提供了一种热交换装置，其通过厂务冷却水和循环水实现与主机台的热量交换。

如图1所示，所述热交换装置的工作原理为：自水箱101流出的循环水经过水泵102的增压后，依次经过温度传感器104、压力传感器105和流量计106流入反应腔室107，从而对所述反应腔室107进行冷却，之后，被吸收热量后的循环水流至热交换器108，进而与厂务冷却水进行热交换后回流至水箱101。在此过程中，所述厂务冷却水通过热交换器108与所述循环水实现了热量交换，具体的，所述厂务冷却水从冷却水进水管110流入经热交换器108，并从冷却水出水管111流出。当旁通球阀103打开时，可提升所述循化水与厂务冷却水的换热效率。其中，所述温度传感器104用于测量所述循环水的温度，所述压力传感器105用于测量所述循化水的压力，所述流量计106用于检测所述循环水的流量，所述冷却水进水管110上设置有两通调节阀109并用于调节厂务冷却水的流量，这些设置可实现反应腔室107温度的智能控制。

然而，发明人发现，一旦所述热量交换装置发生故障，循环水将会停止流动，导致所述反应腔室107的热量无法转移，进而在高温状态下(如1100℃)会导致待所述反应腔室107损坏。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种热交换装置及其热交换方法与气相沉积设备，以解决现有技术中的热交换装置在发生故障时无法工作，导致待冷却目标物无法发生热量转移而损坏的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种热交换装置，用于对待冷却目标物进行降温处理，其特征在于，包括热交换器、冷却水路、循环水路、切换器，所述冷却水路在所述热交换器对所述循环水路进行热交换，所述循环水路对所述待冷却目标物进行温控，所述切换器用于断开所述循环水路与所述待冷却目标物的连接，同时实现所述冷却水路与所述待冷却目标物的连接。

可选的，所述冷却水路包括冷却水进水管、冷却水出水管，所述循环水路包括循环水出水管、循环水回水管，所述切换器包括第一切换器和第二切换器，所述冷却水进水管和冷却水出水管均连接所述热交换器，所述热交换器循环水出水管、待冷却目标物和循环水回水管串联形成回路；

所述冷却水进水管和循环水出水管之间设置有所述第一切换器，所述第一切换器用于断开所述水箱与所述待冷却目标物的连接时，接通所述冷却水进水管和所述待冷却目标物；

所述冷却水出水管和循环水出水管之间设置有所述第二切换器，所述第二切换器用于断开所述冷却水出水管和热交换器的连接时，接通所述冷却水出水管与所述待冷却目标物。

可选的，所述第一切换器和所述第二切换器均为三通阀，所述循环水回水管包括第一循环水回水管和第二循环水回水管，所述循环水出水管包括第一循环水出水管和第二循环水出水管；

所述第一循环水出水管的一端连接所述水箱，另一端连接所述第一切换器；所述第二循环水出水管的一端连接所述第一切换器，另一端连接所述待冷却目标物；所述冷却水进水管通过第一支路连接所述第一切换器；

所述第一循环水回水管的一端连接所述第二切换器，另一端连接所述待冷却目标物；所述第二循环出进水管路的一端连接所述热交换器，另一端连接所述第二切换器；所述冷却水出水管通过第二支路连接所述第二切换器。

可选的，所述第一切换器和第二切换器均为双联气控式三通阀。

可选的，所述三通阀具有用于允许压缩气体通过的输送通道，所述输送通道中设置有压力表和压力报警器，所述压力表用于测量所述压缩气体的压力值，所述压力报警器用于当所述压缩气体的压力值低于设定值时报警。

可选的，所述第一切换器和所述第二切换器各自包括一个常闭式电磁阀和一个常开式电磁阀。

可选的，所述冷却水进水管通过第一支路与所述循环水出水管相连，且所述第一支路上设置有一个常开式电磁阀，所述循环水出水管上设置有一个常闭式电磁阀；所述冷却水出水管通过第二支路与所述循环水回水管相连，且所述第二支路上设置有一个常开式电磁阀，所述循环水回水管上设置有一个常闭式电磁阀。

可选的，所述冷却水进水管通过第一支路与所述循环水出水管相连，且所述第一支路上设置有一个常闭式电磁阀，所述循环水出水管上设置有一个常开式电磁阀；所述冷却水出水管通过第二支路与所述循环水回水管相连，且所述第二支路上设置有一个常闭式电磁阀，所述循环水回水管上设置有一个常开式电磁阀。

可选的，还设有一控制器，控制常闭式电磁阀和常开式电磁阀的通电和断电。

可选的，所述循环水路设置有温度传感器、压力传感器以及流量计中的一个或多个。

可选的，所述待冷却目标物为一工艺腔体。

进一步的，本发明还提供一种所述热交换装置的热交换方法，包括：

通过第一切换器切断所述水箱与所述待冷却目标物的连接，并同时接通所述冷却水进水管与所述待冷却目标物，以使冷却水依次通过冷却水进水管、循环水出水管流入所述待冷却目标物；以及

通过第二切换器切断所述热交换器与所述待冷却目标物的连接，并同时接通所述冷却水出水管与所述待冷却目标物，以使流出所述待冷却目标物的冷却水依次通过循环水回水管、冷却水出水管流出，实现所述冷却水与所述待冷却目标物的热量交换。

可选的，所述第一切换器和第二切换器均为三通阀，其中，实现所述冷却水进水管、所述冷却水出水管与所述待冷却目标物相连接的方法包括：

一气动执行单元通过压缩气体控制所述第一切换器动作，以断开所述水箱与所述待冷却目标物的连接，并同时接通所述冷却水进水管和所述待冷却目标物；以及

所述气动执行单元通过压缩气体控制所述第二切换器动作，以断开所述热交换器与所述待冷却目标物的连接，并同时接所述通冷却水出水管和所述待冷却目标物。

可选的，所述第一切换器和所述第二切换器各自包括一个常闭式电磁阀和一个常开式电磁阀，其中，实现冷却水进水管、冷却水出水管与待冷却目标物相连接的方法包括：

二个所述常开式电磁阀闭合，以接通所述待冷却目标物和所述冷却水进水管、冷却水出水管；以及

二个所述常闭式电磁阀开启，以断开所述目标冷却物和所述水箱以及所述热交换器的连接。

更进一步的，本发明还提供一种气相沉积设备，包括所述热交换装置，并还包括构成所述待冷却目标物的反应腔室

综上所述，在本发明提供的热交换装置及其热交换方法与化学气相沉积设备中，所述热交换装置包包括热交换器、冷却水路、循环水路、切换器，所述冷却水路在所述热交换器对所述循环水路进行热交换，所述循环水路对所述待冷却目标物进行温控，所述切换器用于断开所述循环水路与所述待冷却目标物的连接，同时实现所述冷却水路与所述待冷却目标物的连接。

那么，当所述热交换装置发生故障时，所述切换器断开所述循环水路与所述待冷却目标物的连接，同时实现所述冷却水路与所述待冷却目标物的连接，这样可以通过冷却水路为待冷却目标物提供冷却水进行降温，从而保证所述待冷却目标物尤其是化学/物理气相沉积的反应腔室，在任何情况下都能够得到有效的冷却，进而确保生产的正常进行。

附图说明

图1为现有的热交换装置与反应腔室连接的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的热交换装置与反应腔室连接后的结构示意图；

图3为图2所示的热交换装置工作在故障状态时的结构示意图；

图4a为图2所示的热交换装置工作在正常状态时的第一切换器和第二切器的切换示意图；

图4b为图2所示的热交换装置工作在故障状态时的第一切换器和第二切器的切换示意图；

图5为本发明实施例二提供的热交换装置与反应腔室连接后的结构示意图；

图6为图5所示的热交换装置工作在故障状态时的结构示意图。

附图标记说明如下：

101-水箱；102-水泵；103-旁通球阀；104-温度传感器；105-压力传感器；

106-流量计；107-反应腔室；108-热交换器；109-两通调节阀；110-冷却水进水管；111-冷却水出水管；

112-气路通道；201-第一切换器；202-第二切换器；203-启动执行单元；204-电磁阀；205-调压阀；206-压力表；207-压力报警器；

30-循环水出水管；301-第一循环水出水管；302-第二循环水出水管；40-循环水回水管；401-第一循环水回水管；402-第二循环水回水管。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

以下描述中，为了便于叙述，以热交换装置运用到化学气相沉积设备的反应腔室为示意，来详细说明本发明的热交换装置的结构以及工作过程，然而本发明包括但不限于待冷却目标物为所述化学气相沉积设备的反应腔室。

实施例1

图2为本发明实施例一提供的一种热交换装置100与反应腔室107连接后的结构示意图，如图2所示，所述热交换装置100包括热交换器108、水箱101、冷却水进水管110、冷却水出水管111、循环水出水管30、循环水回水管40、第一切换器201和第二切换器202。所述冷却水进水管110和冷却水出水管111均连接所述热交换器108，冷却水通过冷却水进水管110进入热交换器108，经过热量交换后的冷却水又通过冷却水出水管111流出。所述热交换器108、水箱101、循环水出水管30、反应腔室107和循环水回水管40依次串联形成回路。所述冷却水进水管110和所述冷却水出水管111组成冷却水路，所述循环水出水管30和所述循环水回水管40组成循环水路。

其中，所述第一切换器201和所述第二切换器202均为三通阀，所述三通阀受气动执行单元203控制实现切换动作，且所述气动执行单元203可通过外部设备提供的压缩气体对所述第一切换器201和第二切换器202进行控制。即所述三通阀可以是气控式三通阀，第一切换器201和第二切换器202可由同一个气动执行单元203驱动，此时第一切换器201和第二切换器202构成双联气控式三通阀。可选的，所述气动执行单元203具有一进气管路，该进气管路中设置有用于控制所述进气管路通断的电磁阀204。所述进气管路中还可设置调压阀205，所述调压阀205用于调节所述压缩气体的压力，使所述压缩气体的压力满足要求，这种设置使得所述压缩气体的压力可调，使所述三通阀的控制更灵活。所述进气管路中还优选设置有压力表206，可实时检测所述压缩气体的压力，并可与所述调压阀205配合使用，以此准确控制所述压缩气体的压力。在所述进气管路中还可设置压力报警器207，当所述压缩气体的压力低于设定值时，所述压力报警器207发出报警，以提示相关操作人员，这样使得所述热交换装置100的操作更具人性化。

如图4a所示，当所述热交换装置100工作在正常状态时：所述第一切换器201通过所述循环水出水管30将所述水箱101与所述反应腔室107接通，同时所述第二切换器202通过所述循环水回水管40将所述热交换器108与所述反应腔室107接通。进而，厂务冷却水从所述冷却水进水管110流入至所述热交换器108并与进入热交换器108的循环水进行热量交换。所述厂务冷却水的温度稳定性低于所述循环水温度的稳定性。那么，经过热量交换的冷却水从所述热交换器108中流出并经所述冷却水出水管111流出，以及经过热量交换的循环水流入水箱101后再次通过循环水出水管30流入反应腔室107进行热量交换。并且，流入反应腔室107并经过热量交换后的循环水经所述循环水回水管40回流至所述热交换器108，如此，便可循环地为反应腔室107提供循环水进行降温。

图3为图2所示的热交换装置100工作在故障状态时的结构示意图，如图3所示，并结合图4b，当所述热交换器100工作在故障状态时：所述第一切换器201切断水箱101与反应腔室107的连接，并同时接通冷却水进水管110与反应腔室107；与此同时，所述第二切换器202切断热交换器108与反应腔室107的连接，并同时接通冷却水出水管111与反应腔室107；通过上述连接的转换，厂务冷却水可直接通过冷却水进水管110和循环水出水管30流入反应腔室107，而且，与反应腔室107经过热量交换后的冷却水在流出反应腔室107后，依次通过循环水回水管40和冷却水出水管111流出，由此实现了通过厂务冷却水冷却反应腔室107的目的。

本实施例中，所述循环水出水管30包括第一循环水出水管301和第二循环水出水管302，所述第一循环水出水管301的一端连接所述水箱101，另一端连接所述第一切换器201，所述第二循环水出水管302的一端连接第一切换器201，另一端连接反应腔室107。由此，当所述热交换器100工作在故障状态时：所述第一切换器201断开第一循环水出水管301与水箱101连接的同时，将第二循环水出水管302与所述冷却水进水管110接通，具体的，所述冷却水进水管110通过第一支路与第二循环水出水管302接通。

本实施例中，所述循环水回水管40包括第一循环水回水管401和第二循环水回水管402，所述第二循环水回水管402的一端连接所述热交换器108，另一端连接所述第二切换器202，所述第一循环水回水管401的一端连接第二切换器202，另一端连接反应腔室107。由此，当所述热交换器100工作在故障状态时：所述第二切换器202断开第二循环水回水管402与热交换器108连接的同时，将第一循环水回水管401与所述冷却水出水管111接通，具体的，所述冷却水出水管111通过第二支路与第一循环水回水管401接通。

结合上述结构来说，当所述热交换器100工作在故障状态时：厂务冷却水从所述冷却水进水管110流入，经所述第一支路和所述第二循环水出水管302流至所述反应腔室107，对所述反应腔室107进行降温；之后，从所述反应腔室107流出的厂务冷却水经所述第一循环水回水管401、所述第二支路和所述冷却水出水管111流出，从而实现了对所述反应腔室107的降温。

上述实施例中，所述循环水回水管40和循环水出水管30中的一个或多个上，设置有温度传感器104、压力传感器105以及流量计106中的一个或多个，以监控所述热交换装置100的工作情况。所述气动执行单元203通过气路通道112对第一切换器201和第二切换器202进行通气，以控制第一切换器201和所述第二切换器202的方向切换。

实施例2

图5为本发明实施例二提供的热交换装置200与反应腔室107连接后的结构示意图，如图5所示，所述热交换装置200包括热交换器108、水箱101、冷却水进水管110、冷却水出水管111、循环水出水管30、循环水回水管40、第一切换器201和第二切换器202。所述冷却水进水管110和冷却水出水管111均连接所述热交换器108，冷却水通过冷却水进水管110进入热交换器108，经过热量交换后的冷却水又通过冷却水出水管111流出。所述热交换器108、水箱101、循环水出水管30、反应腔室107和循环水回水管40依次串联形成回路。

与实施例一所区别的是：本实施例的第一切换器201包括一个常闭式电磁阀2011和一个常开式电磁阀2012，且所述第二切换器202相应包括一个常闭式电磁阀2021和一个常开式电磁阀2022。

所述常闭式电磁阀2011、2021以及常开电磁阀2012、2022均可由电路控制，当所述热交换装置200处于正常工作状态时：所述常闭式电磁阀2021、2011正常通电，同时打开，同时常开式电磁阀2022、2012正常通电，出于关闭状态；此时，冷却水进水管110与反应腔室107并未接通，而所述热交换器108与反应腔室107接通，并且，冷却水出水管111与反应腔室107断开，而所述水箱101与反应腔室107连接，在这种情况下，所述热交换装置200的热交换过程与实施例一的热交换装置100在正常工作状态下的热交换过程相同，此处不再具述。

当所述热交换装置200处于故障状态时：所述常闭式电磁阀2021、2011和所述常开式电磁阀2012、2022同时断电，所述常闭式电磁阀2021、2011闭合，同时所述常开式电磁阀2012、2022打开；此时，所述第一切换器201的常闭式电磁阀2011打开后，使所述第一循环水出水管301与水箱101断开；所述第一切换器201的常开式电磁阀2012打开后，使所述冷却水进水管110与所述第二循环水出水管302接通；所述第二切换器202的常闭式电磁阀2021打开后，使所述第二循环水回水管402与热交换器108断开；所述第二切换器202的常开式电磁阀2022打开后，使所述冷却水出水管111与所述第一循环水回水管301接通；同理，所述热交换装置200于故障状态时的热交换过程具体参见实施例一的热交换装置100于故障状态时的热交换过程，此处不再具述。

所述常闭式电磁阀2011、2021以及常开电磁阀2012、2022还可以由外部控制器(未图示)控制其工作状态，所述控制器能实现将所述常闭式电磁阀2021、2011打开的同时，关闭所述常开式电磁阀2022、2012。所述控制器可以是一般的逻辑控制器，例如plc控制器，在本申请公开的基础上，本领域的技术人员应当知晓如何实现控制器对电磁阀的控制。

具体来说，当所述热交换装置200处于正常工作状态时：所述控制器相应处于正常工作状态，因此，所述控制器控制第二切换器202的常闭式电磁阀2021和第一切换器201的常闭式电磁阀2011同时打开，并同时控制第二切换器202的常开式电磁阀2022和第一切换器201的常开式电磁阀2012关闭；此时，冷却水进水管110与反应腔室107并未接通，而所述热交换器108与反应腔室107接通，并且，冷却水出水管111与反应腔室107断开，而所述水箱101与反应腔室107连接，在这种情况下，所述热交换装置200的热交换过程与实施例一的热交换装置100在正常工作状态下的热交换过程相同，此处不再具述。

当所述热交换装置200处于故障状态时：所述控制器相应处于故障工作状态，随着所述控制器发生故障而断电，所述第二切换器202的常闭式电磁阀2021和第一切换器201的常闭式电磁阀2011同时闭合，且所述第二切换器202的常开式电磁阀2022和第一切换器201的常开式电磁阀2012同时打开；此时，所述第一切换器201的常闭式电磁阀2011打开后，使所述第一循环水出水管301与水箱101断开；所述第一切换器201的常开式电磁阀2012打开后，使所述冷却水进水管110与所述第二循环水出水管302接通；所述第二切换器202的常闭式电磁阀2021打开后，使所述第二循环水回水管402与热交换器108断开；所述第二切换器202的常开式电磁阀2022打开后，使所述冷却水出水管111与所述第一循环水回水管301接通；同理，所述热交换装置200于故障状态时的热交换过程具体参见实施例一的热交换装置100于故障状态时的热交换过程，此处不再具述。

实施例二中未提及的实施方式可具体参阅实施例一，此处同样不再具体赘述。

实施例3

参照图5，实施例三提供的热交换装置200与反应腔室107连接后的结构示意图，所述热交换装置200包括热交换器108、水箱101、冷却水进水管110、冷却水出水管111、循环水出水管30、循环水回水管40、第一切换器201和第二切换器202。所述冷却水进水管110和冷却水出水管111均连接所述热交换器108，冷却水通过冷却水进水管110进入热交换器108，经过热量交换后的冷却水又通过冷却水出水管111流出。所述热交换器108、水箱101、循环水出水管30、反应腔室107和循环水回水管40依次串联形成回路。

与实施例二所区别的是：本实施例的第一切换器201包括一个常闭式电磁阀2012和一个常开式电磁阀2011，且所述第二切换器202相应包括一个常闭式电磁阀2022和一个常开式电磁阀2021，以及一外部或内部控制器。

具体来说，当所述热交换装置200处于正常工作状态时：所述四个电磁阀不通电状态，即常闭式电磁阀2012、2022关闭，常开式电磁阀2011、2021打开；当所述热交换装置200处于故障状态时：由控制器发出指令向所述常闭式电磁阀2012、2022、常开式电磁阀2011、2021通电，所述常闭式电磁阀2012、2022打开，其他结构的工作状态及原理参见实施例2，以实现冷却回路切换。

基于上述实施例所提供的热交换装置，本实施例还提供了一种化学气相沉积设备，其包括热交换装置和化学气相沉积设备，该化学气相沉积设备包括一反应腔室，该反应腔室用于实施化学气相沉积。由于本实施例的化学气相沉积设备包括本实施例的热交换装置，故而化学气相沉积设备由热交换装置带来的有益效果请相应参考上述实施例。

综上所述，在本发明提供的热交换装置及其热交换方法与气相沉积设备中，所述热交换装置包括热交换器、水箱、冷却水进水管、冷却水出水管、循环水出水管、循环水回水管、第一切换器和第二切换器，所述冷却水进水管和冷却水出水管均连接所述热交换器，且所述热交换器、水箱、循环水出水管、待冷却目标物(即所述气相沉积设备的反应腔室)和循环水回水管依次串联形成回路，所述冷却水进水管和循环水出水管之间设置有所述第一切换器，所述冷却水出水管和循环水出水管之间设置有所述第二切换器。

当所述热交换装置正常工作时，所述第一切换器接通所述水箱与所述待冷却目标物的连接，同时断开所述冷却水进水管和所述待冷却目标物之间的连接；所述第二切换器接通所述冷却水出水管和热交换器的连接，同时断开所述冷却水出水管与所述待冷却目标物的连接，以此可以通过与待冷却目标物串联的水箱和热交换器，为待冷却目标物提供循环水进行降温。

那么，当所述热交换装置发生故障时，所述第一切换器断开所述水箱与所述待冷却目标物的连接，同时接通所述冷却水进水管和所述待冷却目标物之间的连接；所述第二切换器断开所述冷却水出水管和热交换器的连接，同时接通所述冷却水出水管与所述待冷却目标物的连接，这样可以通过与待冷却目标物串联的冷却水进水管和冷却水出水管，为待冷却目标物提供冷却水进行降温，从而保证所述待冷却目标物尤其是气相沉积的反应腔室，在任何情况下都能够得到有效的冷却，进而确保生产的正常进行。所述气相沉积设备可以是化学气相沉积设备、物理气相沉积设备。所述待冷却目标还可以是其他设备需要冷却的结构。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。