專(zhuān)利名稱(chēng)：包含氫氟碳酸酯的熱傳遞裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供的裝置和方法涉及氫氟碳酸酯流體及其作為熱傳遞流體的用途。
背景技術(shù)：
目前，多種流體被用于熱傳遞。熱傳遞流體的適宜性取決于應(yīng)用過(guò)程。例如，某些 電子應(yīng)用需要這樣的熱傳遞流體其為惰性的，具有高的介電強(qiáng)度，具有低毒性，具有良好 的環(huán)境特性，以及在寬泛的溫度范圍內(nèi)具有良好的熱傳遞性質(zhì)。其他應(yīng)用要求精確的溫度 控制，因此要求熱傳遞流體在整個(gè)處理溫度范圍內(nèi)為單相，并且要求熱傳遞流體的特性是 可預(yù)測(cè)的，即組成保持相對(duì)恒定從而粘度、沸點(diǎn)等可以預(yù)測(cè)，從而可維持精確的溫度并從而 可恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)設(shè)備。在半導(dǎo)體行業(yè)中，有許多器件或工藝需要具有選擇特性的熱傳遞流體。這些包括 測(cè)試半導(dǎo)體晶圓芯片的性能、在反應(yīng)性等離子體蝕刻過(guò)程中控制溫度、制造步進(jìn)機(jī)、操作灰 化器、操作等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)室、進(jìn)行熱沖擊測(cè)試，以及用于恒溫浴。該 熱傳遞流體可用于移除熱量、添加熱量或維持溫度。
發(fā)明內(nèi)容
一直需要這樣一種熱傳遞流體其是惰性的，具有高度介電強(qiáng)度、低電導(dǎo)率、化學(xué) 惰性、熱穩(wěn)定性、有效的熱傳遞性，其在寬泛的溫度范圍內(nèi)為液體，在寬泛的溫度范圍內(nèi)具 有良好的熱傳遞性，并且還具有較短的大氣壽命，因而具有比現(xiàn)有熱傳遞流體更低的全球 變暖潛力。在一個(gè)方面，提供了用于熱傳遞的裝置，所述裝置包括器件和用于傳遞熱量至該 器件或?qū)崃繌脑撈骷鞒龅臋C(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)包括熱傳遞流體，其中所述熱傳遞流體包含 部分氟化的碳酸酯。在另一方面，本發(fā)明提供了用于傳遞熱量的方法，該方法包括提供器件和提供用 于傳遞熱量至該器件或?qū)崃繌脑撈骷鞒龅臋C(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)包括熱傳遞流體，其中所述 熱傳遞流體包含部分氟化的碳酸酯。如本文獻(xiàn)整篇所用“一個(gè)”、“一種”和“所述”可互換使用，其中“至少一種”意指一種或多種所描述的元素?！版溨须s原子”指在碳鏈中與碳原子鍵合以形成碳-雜原子-碳鏈的非碳原子(例 如氧、氮或硫)；“閃點(diǎn)”指一溫度，高于該溫度化學(xué)物質(zhì)將會(huì)自燃的溫度，并且在本發(fā)明中是通過(guò)ASTM D-3278-96e-l“通過(guò)小型閉杯裝置測(cè)定液體閃點(diǎn)”(Flash Point of Liquids by Small Scale Closed-Cup Apparatus)來(lái)限定；“惰性”指在正常的使用條件下通常不具有化學(xué)反應(yīng)性的化學(xué)組合物；“部分氟化的”指具有至少一個(gè)與碳鍵合的氫原子的氟烷基、氟亞烷基或氟烴基 團(tuán)；并且“全氟-，，(例如，涉及基團(tuán)或部分，如在“全氟亞烷基”或“全氟烷基”或“全氟烴” 的情況下)或“全氟化的”意指完全氟化的，使得除非另外指明，否則不存在可由氟置換的 與碳鍵合的氫原子。本發(fā)明提供的裝置和方法包括可用作熱轉(zhuǎn)遞流體的部分氟化的碳酸酯。部分氟化 的碳酸酯具有一個(gè)或多個(gè)如下優(yōu)點(diǎn)在寬泛的溫度范圍內(nèi)具有高的比熱容、具有高的介電 強(qiáng)度、具有低的電導(dǎo)率、具有化學(xué)惰性，以及具有良好環(huán)境特性的同時(shí)具有熱穩(wěn)定性。以上內(nèi)容并非意圖描述本發(fā)明每種實(shí)施方式的每個(gè)公開(kāi)實(shí)施方案。下面的“具體 實(shí)施方式”和“實(shí)例”更具體地舉例說(shuō)明了示例性實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式有關(guān)數(shù)值范圍的表述包括包含在該范圍內(nèi)的所有數(shù)值(例如，1至5包括1、1. 5、 2、2. 75、3、3. 80、4和5)。本文所有數(shù)字均假定被術(shù)語(yǔ)“約”修飾。半導(dǎo)體工藝可采用自其排除熱量或向其添加熱量的器件或工件。與排熱或加熱相 關(guān)的熱傳遞可在寬泛的溫度范圍內(nèi)發(fā)生。在每種情況下，優(yōu)選使用具有諸如低毒性和低易 燃性之類(lèi)的屬性的熱傳遞流體。目前用于半導(dǎo)體應(yīng)用的熱傳遞流體包括全氟化碳(PFC)、全氟聚醚(PFPE)、全氟 胺(PFA)、全氟醚(PFE)、水/ 二醇混合物、去離子水、有機(jī)硅油和烴油。PFC、PFPE、PFA和PFE 可顯示具有長(zhǎng)于500年并且最高達(dá)5，000年的大氣壽命值。另外，這些材料可顯示具有高 的全球變暖潛能值(“GWP”)。GWP是在指定的積分時(shí)間范圍內(nèi)，相對(duì)于因一(1)千克C02 導(dǎo)致的暖化值，因釋放一(1)千克樣品化合物導(dǎo)致的積分暖化潛能值。水/ 二醇混合物是 受溫度限制的，也就是說(shuō)，這類(lèi)混合物的典型溫度下限為-40°C。在低溫下，水/ 二醇混合物 還顯示具有相對(duì)高的粘度。在低溫下具有高粘度會(huì)引起高的泵送功率。去離子水的溫度下 限為0°C。有機(jī)硅油和烴油通常為易燃的。本發(fā)明提供了使用部分氟化的碳酸酯作為熱傳遞流體的用于熱傳遞的裝置和方 法。本發(fā)明提供的裝置包括器件和用于傳遞熱量至該器件或?qū)崃繌脑撈骷鞒龅臋C(jī)構(gòu)， 其中所述機(jī)構(gòu)包括熱傳遞流體。本發(fā)明提供的裝置的例子包括但不限于在用于測(cè)試半導(dǎo)體晶粒性能的自動(dòng)化測(cè) 試設(shè)備中使用的測(cè)試頭、在灰化器、步進(jìn)機(jī)、蝕刻機(jī)、PECVD工具、恒溫浴和熱沖擊測(cè)試浴中 固持硅晶圓的晶圓吸盤(pán)。本發(fā)明提供的裝置包括器件。該器件是待冷卻、加熱或維持在選定溫度的元件、工 件、組件等。這種器件包括電子元件、機(jī)械元件和光學(xué)元件。所提供的裝置的合適器件的 例子包括但不限于微處理器、用于制造半導(dǎo)體器件的晶圓、功率控制半導(dǎo)體、電化學(xué)電池 (包括鋰離子電池)、配電開(kāi)關(guān)裝置、電力變壓器、電路板、多芯片模塊、封裝的或未封裝的 半導(dǎo)體器件、燃料電池和激光器。
在某些實(shí)施例中，該裝置包括熱傳遞機(jī)構(gòu)。該熱傳遞機(jī)構(gòu)在放置成與器件熱接觸 時(shí)，可從器件移除熱量或給器件提供熱量，或者通過(guò)根據(jù)需要移除或提供熱量來(lái)使器件維 持在選定溫度。所謂熱接觸，其意指器件和熱傳遞流體足夠接近以使得熱量能在它們之間 流動(dòng)。熱流的方向(從器件流出或流向器件)由器件和熱傳遞機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)溫差決定。 熱傳遞機(jī)構(gòu)可包括參與熱傳遞的整個(gè)系統(tǒng)(不包括該器件)。該系統(tǒng)可包括用于管理熱傳 遞流體的設(shè)施。除可用于控制器件溫度的熱傳遞流體外，這些設(shè)施可包括容器、泵、導(dǎo)管、恒 溫器、攪拌器、加熱部件、冷卻部件以及所有其他外圍器件。加熱部件和/或冷卻部件是本 領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的，并且包括(例如)加熱線圈或發(fā)熱絲或冷卻線圈。熱傳遞機(jī)構(gòu)包括 所所提供裝置的熱傳遞流體。在一些實(shí)施例中，熱傳遞機(jī)構(gòu)可根據(jù)需要將熱量傳遞至器件 或從器件傳出以維持器件的溫度，使器件維持在選定溫度。在一些實(shí)施例中，熱傳遞機(jī)構(gòu)可包括用于管理熱傳遞流體的設(shè)施，包括(例如) 泵、閥門(mén)、流體容載系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、冷凝器、熱交換器、熱源、散熱器、制冷系統(tǒng)、主動(dòng)溫 度控制系統(tǒng)和被動(dòng)溫度控制系統(tǒng)。合適的熱傳遞機(jī)構(gòu)的例子包括但不限于在等離子體增 強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工具中冷卻晶圓吸盤(pán)的系統(tǒng)、在用于測(cè)試晶粒性能的測(cè)試頭內(nèi)控 制溫度的系統(tǒng)、控制半導(dǎo)體加工設(shè)備內(nèi)的溫度的系統(tǒng)、電化學(xué)電池(例如鋰離子電池)的熱 管理系統(tǒng)、用于電子器件的熱沖擊測(cè)試的系統(tǒng)，以及用于維持電子器件的恒定溫度的系統(tǒng)。 代替或除所列舉的這些機(jī)構(gòu)外，可使用現(xiàn)在已知的或后來(lái)發(fā)現(xiàn)的其他機(jī)構(gòu)。在一個(gè)方面，該裝置包括需要熱傳遞的器件(可是是電子器件)和用于傳遞熱量 至該器件或?qū)崃繌脑撈骷鞒龅臋C(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)包含熱傳遞流體，其中所述熱傳遞流體 包含具有結(jié)構(gòu)Rh0C(0)0Rh'的部分氟化的碳酸二烷基酯。在某些實(shí)施例中，烷基基團(tuán)Rh和 Rh'可以相同或不同，并且可獨(dú)立地含有1至12個(gè)碳原子。另外，Rh和Rh'可以為直鏈的、 支鏈的或環(huán)狀的，并且任選含有一個(gè)或多個(gè)鏈中雜原子。在Rh或Rh'的至少一者中，至少一 個(gè)氫原子被氟原子取代。在一些實(shí)施例中，該碳酸二烷基酯中約35%至約95%的氫原子可 被氟原子取代。在其它實(shí)施例中，該碳酸二烷基酯中約50%至約95%的氫原子可被氟原子 取代。在又一個(gè)實(shí)施例中，該碳酸二烷基酯中約60%至約95%的氫原子可被氟原子取代。 通常，氫被氟原子取代的程度越高，則材料可燃性越小，這可以是安全方面的優(yōu)點(diǎn)。在一些 實(shí)施例中，Rh或Rh'中的一者可包含烴烷基基團(tuán)。在某些其他實(shí)施例中，部分氟化的碳酸二烷基酯可具有結(jié)構(gòu)(Rf)Rg0C(0) OR' g(Rf' )n。在這些實(shí)施例中，當(dāng)n為0或1時(shí)，獨(dú)立地為具有1至12個(gè)碳原 子的全氟化的或部分氟化的直鏈、支鏈或脂環(huán)族基團(tuán)。當(dāng)n為1時(shí)，艮和Rg'可獨(dú)立地為具 有1至6個(gè)碳原子的直鏈、支鏈或環(huán)狀的亞烷基部分。Rg和Rg'可含有一個(gè)或多個(gè)鏈中雜 原子。當(dāng)n為0時(shí)，Rg'可以為具有1至6個(gè)碳原子的直鏈、支鏈或環(huán)狀的烷基基團(tuán)，并且 可含有一個(gè)或多個(gè)鏈中雜原子。在其它實(shí)施例中，本發(fā)明提供的裝置包括由如下結(jié)構(gòu)(I)表示的熱傳遞流體。
權(quán)利要求
一種熱傳遞裝置，其包括器件；和用于將熱量傳遞至所述器件或?qū)崃繌乃銎骷鞒龅臋C(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)包括熱傳遞流體，其中所述熱傳遞流體包含部分氟化的碳酸酯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述部分氟化的碳酸酯包含具有結(jié)構(gòu)Rh0C(0) 0Rh'的碳酸二烷基酯，其中Rh和Rh'獨(dú)立地含有總共1至12個(gè)碳原子，其為直鏈、支鏈或 環(huán)狀，并且任選含有一個(gè)或多個(gè)鏈中雜原子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中Rh和Rh'相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中Rh或Rh'中的至少一者包含烴烷基基團(tuán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述碳酸二烷基酯中約35%至約95%數(shù)量的氫原 子被氟原子取代。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述碳酸二烷基酯中約50%至約95%數(shù)量的氫原 子被氟原子取代。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述碳酸二烷基酯中約60%至約95%數(shù)量的氫原 子被氟原子取代。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述部分氟化的碳酸酯包含具有結(jié)構(gòu)(Rf)Rg0C(0) OR' g(Rf' )n的碳酸二烷基酯，其中Rf和Rf'獨(dú)立地為具有1至12個(gè)碳原子的全氟化的或部分氟化的直鏈、支鏈或 脂環(huán)族基團(tuán)，并且n為0或1 ；其中當(dāng)n為1時(shí)，艮和艮‘獨(dú)立地為具有1至6個(gè)碳原子的直鏈、支鏈或環(huán)狀亞烷基基 團(tuán)，并且其中艮和Rg'可獨(dú)立地含有一個(gè)或多個(gè)鏈中雜原子；并且其中當(dāng)n為0時(shí)，Rg'為具有1至6個(gè)碳原子的直鏈、支鏈或環(huán)狀的烷基基團(tuán)，并且可 含有一個(gè)或多個(gè)鏈中雜原子。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述熱傳遞流體由以下結(jié)構(gòu)表示
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中R3中至少70%的氫原子被氟原子取代。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述熱傳遞流體在20°C下的比熱容大于1.200J/gK。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述熱傳遞流體在20°C下的比熱容大于 1.250J/gK。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述機(jī)構(gòu)將熱量傳遞至所述器件。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述機(jī)構(gòu)將熱量從所述器件傳出。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述機(jī)構(gòu)使所述器件維持在選定溫度。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述器件選自微處理器、用于制造半導(dǎo)體器件 的半導(dǎo)體晶圓、功率控制半導(dǎo)體、電化學(xué)電池(包括鋰離子電池)、配電開(kāi)關(guān)裝置、電力變壓 器、電路板、多芯片模塊、封裝的或未封裝的半導(dǎo)體器件、燃料電池和激光器。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述用于傳遞熱量的機(jī)構(gòu)是用于冷卻所述器件 的系統(tǒng)中的部件，其中所述系統(tǒng)選自用于冷卻PECVD工具中的晶圓吸盤(pán)的系統(tǒng)、在用于測(cè) 試晶粒性能的測(cè)試頭內(nèi)控制溫度的系統(tǒng)、用于控制半導(dǎo)體加工設(shè)備內(nèi)的溫度的系統(tǒng)、用于 電子器件的熱沖擊測(cè)試的系統(tǒng)以及用于維持電子器件的恒定溫度的系統(tǒng)。
18.一種用于傳遞熱量的方法，該方法包括 提供器件；和提供用于將熱量傳遞至所述器件或?qū)崃繌乃銎骷鞒龅臋C(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)包括熱傳 遞流體，其中所述熱傳遞流體包含部分氟化的碳酸酯。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于熱傳遞的裝置，所述裝置包括器件和用于將熱量傳遞至所述器件或?qū)崃繌乃銎骷鞒龅臋C(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)包括熱傳遞流體，其中所述熱傳遞流體包含氫氟碳酸酯。本發(fā)明還提供了用于傳遞熱量的方法，所述方法包括提供器件和使用所述包含氫氟碳酸酯的熱傳遞流體來(lái)將熱量傳遞至所述器件或?qū)崃繌乃銎骷鞒觥?br>
文檔編號(hào)C09K5/10GK101978020SQ200980109359
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月23日
發(fā)明者威廉·M·拉曼納, 理查德·M·弗林, 邁克爾·G·科斯特洛, 邁克爾·J·布林斯基 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司