一种电子式HF升降温系统的制作方法

本发明涉及半导体制造技术领域，具体地说是一种电子式HF升降温系统。

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背景技术：
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半导体制造过程中，RCA清洗/蚀刻工序中必须使用恒温恒浓度的化学品(如HF，AL-E等)，用来控制清洗/蚀刻的效果保持稳定一致。随着半导体制造工艺的进步，对允许的温度范围要求越来越严格，基本上从原来的23±3℃提升到23±1℃。目前大多数的清洗用高纯度化学品都在化学槽中使用石英管/不锈钢加热器加热、使用压缩冰机/工厂冷却水进行冷却。通常来说，加热过程和冷却过程不能使用共通的管路和热交换器，必须要分别进行防止高温和低温的保护，造成设备体积增大，运行、维护的成本和难度都有提高。当温度降低时，加热过程开始动作，温度上升到目标值附近时，因为加热器的本体温度很高(几百度到上千度)、热容量大，即使加热过程停止，温度也会继续上升，这就是热过冲(Overshot)，使得温度的范围较大，无法精确控制。为防止热过冲，在加热过程停止的同时，可以开始冷却过程，这样就增加了控制的难度和复杂度。当温度偏高，开始冷却过程时，使用压缩冰机同样会有冷却过度难以精确控制温度。

同时，在半导体制造过程中，清洗晶圆使用最多的制程步骤之一。经过多年的发展，1965年由美国无线电公司(RCA)的W.Ken和D.Puotinen发明的RCA清洗法成为了目前被应用最为广泛的清洗技术。其对应的典型清洗设备湿法批量式清洗设备的基本结构化学槽被认为是清洗设备的核心部件。由于RCA清洗工序中的蚀刻/显影等工艺需要使用恒浓度、恒温的高品质化学品来保证蚀刻/显影的效果。随着半导体制造工艺的进步，对允许的温度范围要求越来越严格，基本上从原来的23±3℃提升到23±1℃。尽管传统式加热/冷却系统多年以来在不断的改进来提高其加热/冷却性能，但在加热效率、加热效果、以及恒温控制上难以达到一个比较理想的效果。

传统式加热器使用石英加热器或不锈钢加热器。石英加热器和不锈钢加热器在工作时，产生数百度到上千度的高温，必须进行防高温隔热处理，加热器热容量大，±1℃的温度精确控制困难。石英加热器工作的同时还会发射出强光，必须进行防强光处理。传统式冷却器使用压缩冰机来冷却。温度精确控制困难。冷却管路需要进行防低温处理。压缩机的效率低、噪音大，体积庞大。维护运行都困难。传统式加热/冷却控制，由单独的加热组件和冷却组件构成，通常都是由独立的温控器独立控制完成，协同控制比较困难，在温度精确控制上有难度。由于设备必须同时配置独立的加热系统和冷却系统，设备故障发生得概率加大；设备的体积和占用面积也会增加，设计、运行、维护整个周期的工作负荷增加。

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技术实现要素：
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本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种电子式HF升降温系统，摒弃了传统的高温石英/不锈钢加热器和压缩冰机，不仅能实现加热，同时也能实现冷却，且安全性、维护性能提高，环保性能提高。

为实现上述目的设计一种电子式HF升降温系统，包括安装有化学品通道的热交换箱体1，所述热交换箱体1左右两侧分别设有半导体制冷片2，所述半导体制冷片2与热交换箱体1之间设有导热板3，所述半导体制冷片2另一侧设有冷却水箱4，所述热交换箱体1侧面上部开设有热交换箱体化学液出口5，所述热交换箱体1侧面下部开设有热交换箱体化学液进口6，所述冷却水箱4侧面开设有冷却水箱循环口7，所述半导体制冷片2通过电流控制模块连接开关电源，所述半导体制冷片2基于帕尔贴效应通过改变电压和电流方向实现制冷或加热。

所述热交换箱体1侧面中部设有PT100中间部位感温口8，所述热交换箱体1顶部设有PT100出口感温口9，所述热交换箱体1底部设有PT100进口感温口10，所述PT100中间部位感温口8处设有中间区域PT100温度传感器11，所述PT100出口感温口9处设有出口PT100温度传感器12，所述PT100进口感温口10处设有进口PT100温度传感器13。

所述热交换箱体1采用聚四氟乙烯树脂制成。

所述化学品通道为薄膜式带状通道，所述化学品通道分布在热交换箱体1两侧。

所述半导体制冷片2分区域布置在热交换箱体1的薄膜式带状通道上。

所述半导体制冷片2分三段式控制，分别为半导体制冷片控制区域一14、半导体制冷片控制区域二15、半导体制冷片控制区域三16，所述半导体制冷片控制区域一14、半导体制冷片控制区域二15、半导体制冷片控制区域三16的半导体制冷片2分别通过线路连接电流控制模块一17、电流控制模块二18、电流控制模块三19，所述电流控制模块一17、电流控制模块二18、电流控制模块三19均与控制器20相连，所述电流控制模块一17、电流控制模块二18、电流控制模块三19分别通过线路连接开关电源一21、开关电源二22、开关电源三23，所述热交换箱体1的出口PT100温度传感器12通过线路连接控制器20。

本发明同现有技术相比，采用半导体制冷片代替了传统的加热器和冷却器，避免了高温/低温部件，从而安全性提高，精准控制温度，实现了±1℃的恒温，提高了能量的使用率，节能环保，缩小了设备体积，且在设备的设计、运行、维护各个阶段降低了成本，提高了设备生产效率。同时，本发明接触到化学品的接液部分采用独自开发设计集成式热交换器，由安装有化学品通道的箱体、导热片、致冷片、冷却水箱、白金测温体等部件组成，摒弃了传统的高温石英/不锈钢加热器和压缩冰机，使用半导体制冷器单一元件，不仅能实现加热，同时也能实现冷却，通过数字式控制来准确控制温度，确保恒温效果。此外，本发明所述的系统没有危险高温部件、强光部件、低温部件，没有强噪音源，其安全性、维护性能提高，环保性能提高，值得推广应用。

[附图说明]

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的立体结构示意图；

图5是本发明中热交换箱体的结构示意图；

图6是图5的立体结构示意图；

图7是本发明中半导体制冷片的工作原理图一；

图8是本发明中半导体制冷片的工作原理图二；

图9是本发明的系统原理框图；

图中：1、热交换箱体 2、半导体制冷片 3、导热板 4、冷却水箱 5、热交换箱体化学液出口 6、热交换箱体化学液进口 7、冷却水箱循环口 8、PT100中间部位感温口 9、PT100出口感温口 10、PT100进口感温口 11、中间区域PT100温度传感器 12、出口PT100温度传感器 13、进口PT100温度传感器 14、半导体制冷片控制区域一 15、半导体制冷片控制区域二 16、半导体制冷片控制区域三 17、电流控制模块一 18、电流控制模块二 19、电流控制模块三 20、控制器 21、开关电源一 22、开关电源二 23、开关电源三。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图所示，本发明包括安装有化学品通道的热交换箱体1，热交换箱体1采用聚四氟乙烯树脂制成，化学品通道为薄膜式带状通道，化学品通道分布在热交换箱体1两侧，热交换箱体1左右两侧分别设有半导体制冷片2，半导体制冷片2与热交换箱体1之间设有导热板3，半导体制冷片2另一侧设有冷却水箱4，热交换箱体1侧面上部开设有热交换箱体化学液出口5，热交换箱体1侧面下部开设有热交换箱体化学液进口6，冷却水箱4侧面开设有冷却水箱循环口7，半导体制冷片2通过电流控制模块连接开关电源，半导体制冷片2基于帕尔贴效应通过改变电压和电流方向实现制冷或加热，即，通过改变电源的正负极，实现加热、制冷的切换。

其中，热交换箱体1侧面中部设有PT100中间部位感温口8，热交换箱体1顶部设有PT100出口感温口9，热交换箱体1底部设有PT100进口感温口10，PT100中间部位感温口8处设有中间区域PT100温度传感器11，PT100出口感温口9处设有出口PT100温度传感器12，PT100进口感温口10处设有进口PT100温度传感器13。

本发明中，半导体制冷片2分区域布置在热交换箱体1的薄膜式带状通道上。如，半导体制冷片2分三段式控制，分别为半导体制冷片控制区域一14、半导体制冷片控制区域二15、半导体制冷片控制区域三16，半导体制冷片控制区域一14、半导体制冷片控制区域二15、半导体制冷片控制区域三16的半导体制冷片2分别通过线路连接电流控制模块一17、电流控制模块二18、电流控制模块三19，电流控制模块一17、电流控制模块二18、电流控制模块三19均与控制器20相连，电流控制模块一17、电流控制模块二18、电流控制模块三19分别通过线路连接开关电源一21、开关电源二22、开关电源三23，热交换箱体1的出口PT100温度传感器12通过线路连接控制器20。

本发明的原理为：由帕尔贴效应可知，通过在半导体制冷片的两端加载一个适当的直流电压，产生一个正向的电流，热量就会从元件的一端流到另一端。此时，制冷片的一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升。值得注意的是，只要改变电压和电流方向，就可以改变热流的方向，将热量从另一端输送到一端。所以，在一个制冷片上就可以同时实现制冷和加热两种功能。

本发明中，集成式热交换器箱体主体采用聚四氟乙烯树脂，可耐受常见的绝大部分化学药品，在高温和低温区域也保持良好的机械和化学特性，可以直接接触化学药品，实现接触式加热/冷却。集成式热交换器箱体的化学品通道从传统的管状通道变更为薄膜式带状通道，分布在箱体两侧，通道的改变使得化学品接触导热片的面积增大，流速减慢，提高了热交换的效率。

本发明加热/冷却的核心部件使用半导体制冷器，使用改变电压/电流方向来实现加热/冷却控制，能量转换效率高。制冷器分区域布置在集成式热交换器箱体的带状通道上，加热/冷却速度提高，从而部分制冷器故障时仍然能继续工作，提高安全性，系统容错率提高。每个区域用独立的开关电源和电流控制器，提高了安全性和效率。在液体入口区域使用PID自动控制设定为大电流控制大功率的加热/冷却模式，中间区域使用PID自动控制设定为温度调节模式，出口区域使用PID自动控制设定为温度精确微调模式，保证温度控制的准确性。虽然单个区域只能是加热或冷却，但是如果前一区域加热或冷却发生过冲，后一区域可以自动改变成冷却或加热动作，自动补偿，所有区域整体可以同时存在加热过程和冷却过程，精准控制温度。

本发明独自设计电流控制器，使用-10V至+10V控制电压的大小和方向，通过电流控制器来改变流经半导体制冷器的电流大小和方向，从而准确控制温度。控制器输出-10V给电流控制器时，电流控制器输出-24V，最大功率加热；控制器输出0V给电流控制器时，电流控制器关闭，加热/冷却动作停止；控制器输出10V给电流控制器时，电流控制器输出24V，最大功率制冷。独自设计高精度PT100温度测量传感器，在保留传统PT100的高精度之外，独自设计的PT100传感器的热容量小，温度变化可以实时传递给控制器，控制器调整每个区域半导体制冷器的输出功率，使其能够精确的控制温度。此外，增加了数字通信通道，外部设备可以通过RS232C、Modbus、TCP(可选)等协议，用数字通信方式无损地精确地取得或设定每个区域的温度现在值、温度设定值、PID控制参数等。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。