JP2004121911A

JP2004121911A - 混合装置

Info

Publication number: JP2004121911A
Application number: JP2002286337A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Tsunokake; 角掛　泰洋; Kazumasa Kawasaki; 川嵜　一政
Original assignee: Tokico Technology Ltd
Current assignee: Tokico System Solutions Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】本発明は複数の流体を分子レベルで均一の濃度に混合することを課題とする。
【解決手段】混合装置１０は、加圧された２種類の液を混合ユニット１６で混合するように構成されている。混合ユニット１６は、分子会合切断手段としての超音波振動子１７が設けられている。この超音波振動子１７は、圧電素子等からなり、超音波振動子駆動回路１９からの駆動信号により超音波を混合ユニット１６の内部に送信する。これにより、混合ユニット１６の内部で混合された２液は、超音波の伝播により分子が振動し、これにより、分子会合状態が切り離されて薬液の純水中への拡散が分子レベルで促進される。よって、混合ユニット１６においては、２液の分子が活性化されて混合時の拡散効率を高めて分子レベルでの濃度ムラを防止する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば成分の異なる複数の薬液を混合することで半導体や液晶などフラットパネルディスプレイ製造プロセスに使用される混合液を供給する混合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、２種類の液体を混合するための混合装置として純水と薬液とを混合する混合装置を例に挙げて説明する。
【０００３】
従来、成分の異なる２種類の薬液を混合する混合装置としては、例えば、薬液と純水とを夫々供給する供給管路に夫々の流量を測定する流量計を設け、流量計を用いて流量を計測しながら流量調整弁の弁開度を制御して薬液と純水との混合比を調節するインライン方式のものがある（特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、流量調整弁の弁開度を制御するインライン方式の混合装置において、薬液と純水との混合比が例えば１：９９の場合、生成される混合液の液量が２０Ｌ（リットル）とすると、薬液の供給量が２００ｍＬ（ミリリットル）であるのに対し、純水の供給量が１９８００ｍＬとなる。このように２液の混合比が大きく相違する場合には、例えば、流量計を用いて流量を計測しながら流量調整弁の弁開度を制御して薬液を微少流量で供給されるように流量調整することが難しく、一定の比率に混合された液の混合比が安定しなかった。
【０００５】
また、薬液の流量を微少流量に調整しながら純水に混合する場合、濃厚な薬液（原液）を供給タンクへ投下すると、予め供給タンク内に貯溜されていた薬液と十分に混合せず、濃厚な原液が拡散しないまま供給タンク内に供給されてしまう。
【０００６】
すなわち、上記従来のインライン方式の混合装置では、希薄濃度の薬液を小流量で必要とする場合、純水の流れが層流になるため、注入された薬液が純水中に均一に拡散せず、小流量の薬液が筋状のまま流路内を流れてしまい、薬液の濃度が薄い部分と濃い部分とが流路内に形成されて濃度ムラが発生するという問題があった。
【０００７】
このインライン方式の混合装置では、上記のような問題を解消するため、薬液と純水とを混合した後、スタティックミキサにより２液を撹拌して均一な濃度を得るように構成されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−３５５６６号公報。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の混合装置では、２液が混合された液体を撹拌して均一な濃度が得られるようにしているが、例えば、流体がフッ化水素酸や水など会合分子を形成する物質からなる場合、スタティックミキサによりその会合状態を切り離すことができず、混合時の拡散を分子レベルまで高めることが難しかった。
【００１０】
そこで、本発明は上記課題を解決した混合装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、以下のような特徴を有する。
本発明は、異なる種類の流体を個別に供給する複数の流体供給経路と、複数の流体供給経路を流れる流体を所定圧力に加圧して供給する流体供給手段と、流体供給手段により加圧された複数の流体を混合させる混合手段と、を備えてなる混合装置において、混合手段の近傍に流体の分子間の分子会合状態を切り離す分子会合切断手段を設けたものであり、流体の分子間の会合状態を切り離して流体の粘性抵抗を小さくすることにより、混合時の拡散効率を高めて分子レベルでの濃度ムラを防止する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明の一実施例について説明する。
図１は本発明になる混合装置の一実施例を示す構成図である。
図１に示されるように、混合装置１０は、例えば、薬液供給経路１２を介して供給された５０％フッ化水素酸（薬液）と、純水供給経路１４を介して供給された純水とを混合ユニット（混合手段）１６で混合して半導体製造ラインのウエハ（図示せず）に供給するように構成されている。尚、フッ化水素酸は、フッ化水素（ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｆｌｕｏｒｉｄｅ）の水溶液であり、以下「薬液（ＨＦ液）」と記す。
【００１３】
さらに、上記混合ユニット１６には、分子会合切断手段としての超音波振動子１７が設けられている。この超音波振動子１７は、圧電素子等からなり、超音波振動子駆動回路１９からの駆動信号により超音波を混合ユニット１６の内部に送信する。これにより、混合ユニット１６の内部で混合された２液は、超音波の伝播により分子が振動して分子会合状態を切り離して薬液の純水中への拡散が分子レベルで促進される。
【００１４】
薬液供給経路１２には、貯留された薬液を窒素ガスの圧力で供給するポンプ手段（流体供給手段）としての貯留槽２２が設けられている。この貯留槽２２には、薬液供給管路１８と、窒素ガス供給管路２０とが連通されている。貯留槽２２の底部より引き出された薬液吐出管路２４は、薬液の流量を微小流量に絞る絞り管２５を介して混合ユニット１６に連通されている。また、薬液吐出管路２４には、エア駆動式の開閉弁４３と、開閉弁４３の上流に設けられたチェック弁（逆流防止弁）４４が配設されている。
【００１５】
また、窒素ガス供給管路２０には、薬液供給圧力を所定圧力に減圧する減圧弁２６、窒素ガスの質量流量を計測する質量流量計２７、窒素ガス中の微粒子を除去するガスフィルタ２８、窒素ガスの流量を調整するエア駆動式の流量調整弁３０が配設されている。また、薬液供給管路１８には、薬液の流量を計測する超音波式渦流量計３２、チェック弁（逆流防止弁）３３、薬液の供給量を制御するエア駆動式の開閉弁３４が配設されている。
【００１６】
超音波式渦流量計３２は、薬液供給管路１８から供給された薬液（ＨＦ液）の流量を計測しており、流量に比例したアナログ信号を発信器３２ａから制御回路４０に発信している。そして、制御回路４０は、このアナログ信号から得られた流量計測値に基づいて開閉弁３４を開閉制御する。
【００１７】
質量流量計２７は、窒素ガス供給管路２０から供給された窒素ガスの流量を計測しており、流量に比例した周期のアナログ信号を制御回路４０に発信している。そして、制御回路４０は、このアナログ信号が設定された値で安定するように流量調整弁３０の弁開度を制御する。
【００１８】
貯留槽２２は、薬液供給管路１８から供給された薬液（ＨＦ液）を一時的に貯留することで薬液（ＨＦ液）を安定供給するものである。また、貯留槽２２の上部には、ガス抜き管路３５と、圧力を測定する液面センサ３８とが設けられている。そして、ガス抜き管路３５には、チェック弁（逆流防止弁）３６と、エア駆動式の逃がし弁３７とが設けられている。尚、逃がし弁３７は、薬液の注入時に開弁されて貯留槽２２の内部に残留した窒素ガスを外部へ排気することで薬液注入時の負荷を軽減する。
【００１９】
液面センサ３８からの検出信号は、制御回路４０に入力されており、制御回路４０によって貯留槽２２の液位（液面高さ）が管理されている。
【００２０】
また、純水供給経路１４は、純水供給管路４５に純水を送液するポンプ（流体供給手段）４６と、純水の流量を計測する超音波式渦流量計４８と、純水の供給量を調整する流量調整弁５０が配設されている。超音波式渦流量計４８は、純水供給経路１４から供給された純水の流量を計測しており、流量に比例した周期のアナログ信号を発信器４８ａから制御回路４０に発信している。
【００２１】
そして、制御回路４０は、このアナログ信号から得られた流量計測値に基づいて電空レギュレータ４９に制御信号を出力する。電空レギュレータ４９は、流量調整弁５０のアクチュエータ部５０ａに連通された空気圧供給管路４９ａに設けられており、制御回路４０からの制御信号に基づいて流量調整弁５０のアクチュエータ部５０ａに供給される空気圧を調整する。これにより、流量調整弁５０は、電空レギュレータ４９から供給された空気圧によってアクチュエータ部５０ａが駆動され、アクチュエータ部５０ａの駆動により弁開度を制御して流量を調整する。
【００２２】
上記開閉弁３４，４３及び逃がし弁３７は、エア駆動式のノーマルクローズ弁構造で構成されており、エア供給ユニット３９から供給されるエア（圧縮空気）により開弁動作する。また、エア供給ユニット３９は、流量調整弁３０、開閉弁３４，４３、逃がし弁３７に連通された空気管路３０ａ，３４ａ，４３ａ，３７ａに対して空気源（コンプレッサ等）４１からの圧縮空気を選択的に供給する電磁弁（図示せず）が設けられている。
【００２３】
そのため、エア供給ユニット３９では、制御回路４０からの制御信号に基づいて空気管路３０ａ，３４ａ，４３ａ，３７ａへ供給する圧縮空気をオンまたはオフにして流量調整弁３０の弁開度を調整し、開閉弁３４，４３または逃がし弁３７を開弁または閉弁させる。
【００２４】
また、上記薬液供給管路１８及び純水供給管路４５は、パーフロロアルコキシ共重合体（ＰＦＡ樹脂）、あるいはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ樹脂）などの不純物の溶出や微粒子の発生が極めて少ない材質により形成されている。
【００２５】
また、制御回路４０のメモリには、流体供給開始時、薬液吐出管路２４に配された開閉弁４３及び窒素ガス供給管路２０に配された流量調整弁３０及び開閉弁４３及び、純水供給管路４５に配された流量調整弁５０を開弁させる制御プログラム（制御手段）が格納されている。
【００２６】
また、制御回路４０のメモリには、流体供給停止時、薬液吐出管路２４に配された開閉弁４３及び窒素ガス供給管路２０に配された流量調整弁３０、純水供給管路４５に配された流量調整弁５０を閉弁させる制御プログラムと、２液の混合処理時に超音波振動子駆動回路１９を駆動させて超音波振動子１７からの超音波を混合ユニット１６の内部に送信する制御プログラムと、が格納されている。
【００２７】
図２は混合ユニット１６の構成を拡大して示す縦断面図である。図３は図２中Ａ−Ａ線に沿う縦断面図である。
図２及び図３に示されるように、混合ユニット１６は、耐薬品性に優れた四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ樹脂）からなるユニット本体６０と、ユニット本体６０の一端に開口する第１の混合室６２と、ユニット本体６０の他端に開口する第２の混合室６４と、第１の混合室６２と第２の混合室６４との間を連通する小径な絞り孔６６と、第１の混合室６２の開口に圧入（または接着）された流入管６８と、第２の混合室６４の開口に圧入（または接着）された流出管７０と、第１の混合室６２に上方から挿入された絞り管２５とより構成されている。
【００２８】
また、ユニット本体６０には、絞り孔６６の延在方向と直交する方向に円柱形状の凹部６１が形成されている。この凹部６１は、超音波振動子１７を挿入するための取付孔であり、超音波を送信する超音波振動子１７の先端部が絞り孔６６に近接するように取り付けられる。
【００２９】
従って、超音波振動子駆動回路１９により駆動された超音波振動子１７は、端部に形成された振動板の振動によって発生した超音波が絞り孔６６の内部に伝播しやすい位置に取り付けられている。そのため、第１の混合室６２で混合された２液は、絞り孔６６を通過する過程で超音波を照射されて分子が振動し、これにより、分子会合状態が切り離されて薬液の純水中への拡散が分子レベルで促進される。
【００３０】
第１の混合室６２、第２の混合室６４、絞り孔６６は、同一軸線上に直列に配置されており、流入管６８の流入路６８ａ，絞り孔６６，流出管７０の流出路７０ａもユニット本体６０の中心線上に配置されている。
【００３１】
本実施例では、流入路６８ａの内径ｄ１、第１の混合室６２の内径ｄ２、絞り孔６６の内径ｄ３、第２の混合室６４の内径ｄ４、流出路７０ａの内径ｄ５とすると、各内径の大きさは、ｄ２（＝ｄ４）＞ｄ１（＝ｄ５）＞ｄ３に設定されている。
【００３２】
流入路６８ａは、純水供給管路４５が連通され、流出路７０ａには混合ユニット１６の下流に連通された吐出管路５２が連通されている。また、絞り管２５は、針のように小径な孔２５ａが貫通しており、薬液吐出管路２４から供給された薬液を第１の混合室６２に供給する。
【００３３】
さらに、絞り管２５の先端は、第１の混合室６２の中心まで突出しており、孔２５ａから吐出された微小流量の薬液は、貯留槽２２内の窒素ガス圧によって所定圧力に加圧されており、流入路６８ａから流入された純水の流れの中心（流速の高い領域）に窒素ガス圧で押し出されて混合される。
【００３４】
そのため、流入路６８ａから第１の混合室６２の中心に吐出された純水の流れは、ポンプ４６によって所定圧力に加圧されており、高流速で絞り管２５の先端に衝突して乱流状態になりながら絞り管２５から吐出された薬液と混合される。
【００３５】
絞り孔６６の入口及び出口には、円錐状に傾斜したテーパ部７２，７４が形成されている。従って、第１の混合室６２で混合された流体は、テーパ部７２にガイドされて小径な絞り孔６６に流入し、流速を加速される。
【００３６】
また、絞り孔６６を通過した流体は、テーパ部７４にガイドされて第２の混合室６４に拡散して薬液と純水を均一の混合比となるように混合させる。従って、絞り孔６６の入口及び出口に設けられたテーパ部７２，７４によって、流体が滞留することが無くなり、第１の混合室６２及び第２の混合室６４において部分的に高濃度の領域が形成されることが防止される。
【００３７】
このように、絞り孔６６で加速された流体は、超音波振動子１７から送信された超音波を伝播されながら第２の混合室６４において流速が減速されて流出管７０の端部によって流れが変化するため、流路面積の大きい第２の混合室６４の内部空間内を乱流状態で通過して小径な流出路７０ａから吐出管路５２へ吐出される。
【００３８】
従って、第１の混合室６２で混合された薬液と純水は、第１の混合室６２、絞り孔６６、第２の混合室６４を通過する過程で均一な一定の濃度に混合されて吐出管路５２へ安定供給される。
【００３９】
また、第１の混合室６２で混合された２液が、絞り孔６６を通過して第１の混合室６２から第２の混合室６４へ移動する過程で超音波が流体の分子間の会合状態を切り離して流体の粘性抵抗を小さくする。すなわち、絞り孔６６を通過する液体に対して超音波を照射することで、２液の分子が活性化されて混合時の拡散効率を高めて分子レベルでの濃度ムラを防止することが可能になり、特に、微小流量の薬液と大流量の入水との混合比率が１：９９のように大きく異なる場合でも、２液の分子を均一な濃度に混合することが可能になる。
【００４０】
ここで、変形例について説明する。
図４は変形例１の構成を示す構成図である。図４において、上記実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
図４に示されるように、変形例１の混合装置８０では、混合ユニット１６の上流に位置する絞り管２５に第１の超音波振動（分子会合切断手段）８２が設けられ、純水供給経路１４に連通された流入管６８に第２の超音波振動子（分子会合切断手段）８４が設けられている。
【００４１】
第１の超音波振動子８２及び第２の超音波振動子８４は、上記実施例と同様に超音波振動子駆動回路１９により駆動される。
【００４２】
図５は変形例１の混合ユニット１６の構成を拡大して示す縦断面図である。図６は図５に示す変形例１の側面図である。図５及び図６において、上記実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
図５及び図６に示されるように、第１の超音波振動子８２は、絞り管２５の延在方向と直交する方向に延在するように取り付けられており、振動板を有する先端部分が絞り管２５の外周に形成された凹部２５ｂに嵌合した状態に取り付けられている。
【００４３】
また、第２の超音波振動子８４は、流入管６８の延在方向と直交する方向に延在するように取り付けられており、振動板を有する先端部分が流入管６８の外周に形成された凹部６８ｂに嵌合した状態に取り付けられている。
【００４４】
従って、第１の超音波振動子８２は、端部に形成された振動板の振動によって発生した超音波が絞り管２５の孔２５ａの内部に伝播しやすい位置に取り付けられている。そのため、第１の混合室６２に供給される薬液（ＨＦ液）は、絞り管２５を通過する過程で超音波を照射され、これにより、分子が振動して分子会合状態が切り離されて純水中への拡散が分子レベルで促進される。
【００４５】
また、第２の超音波振動子８４は、上記第１の超音波振動子８２と同様に、端部に形成された振動板の振動によって発生した超音波が流入管６８の流入路６８ａの内部に伝播しやすい位置に取り付けられている。そのため、第１の混合室６２に供給される純水は、流入管６８の流入路６８ａを通過する過程で超音波を照射され、これにより、分子が振動して分子会合状態が切り離されて純水の拡散が分子レベルで促進される。
【００４６】
このように、第１の混合室６２に供給される２液が、夫々個別に第１の超音波振動子８２及び第２の超音波振動子８４からの超音波を照射されるため、第１の混合室６２に流入される過程で超音波が流体の分子間の会合状態を切り離して流体の粘性抵抗を小さくする。すなわち、第１の混合室６２に流入される液体に対して超音波を照射することで、２液の分子が活性化されて混合時の拡散効率を高めて分子レベルでの濃度ムラを防止することが可能になり、特に、微小流量の薬液と大流量の入水との混合比率が１：９９のように大きく異なる場合でも、２液の分子を均一な濃度に混合することが可能になる。
図７は変形例２の構成を示す構成図である。図７において、上記実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
図７に示されるように、変形例２の混合装置９０では、混合ユニット１６で混合された２液が吐出管路５２を通過してスタティックミキサ９２に供給される。スタティックミキサ９２は、内部に薬液と純水とを混合するための流路が螺旋状に形成されている。従って、混合ユニット１６で混合された２液は、超音波振動子１７からの超音波が照射された後、スタティックミキサ９２を流れる際の物理的な乱流状態によって撹拌される。
【００４７】
これにより、第１の混合室６２で混合された薬液と純水は、第１の混合室６２、絞り孔６６、第２の混合室６４を通過する過程で超音波振動子１７から超音波を照射されて２液の分子が活性化されて混合時の拡散効率を高めて分子レベルでの濃度ムラが防止され、さらにスタティックミキサ９２により均一な一定の濃度に混合されて下流へ安定供給される。
【００４８】
また、上記以外の変形例としては、上記超音波振動子１７や第１の超音波振動子８２及び第２の超音波振動子８４の代わりに電磁波を流体に照射する電磁波照射モジュールを混合ユニット１６あるいは、混合ユニット１６の上流に設ける構成のものが考えられる。
【００４９】
また、上記超音波振動子１７や第１の超音波振動子８２及び第２の超音波振動子８４の代わりに混合される２液または混合された液体を加熱するヒータを混合ユニット１６あるいは、混合ユニット１６の上流に設ける構成のものが考えられる。
【００５０】
尚、本実施の形態では、２種類の流体を混合ノズル１６で混合するよう構成された装置を一例として挙げたが、これに限らず、例えば、２種類の流体をタンク内で混合し、撹拌して供給するように構成された混合装置にも本発明が適用できるのは勿論である。
【００５１】
また、本実施の形態では、フッ化水素酸と純水とを所定の割合で混合させる場合を一例として挙げたが、他の薬液を混合する場合にも本発明が適用できるのは勿論である。
【００５２】
また、本実施の形態では、フッ化水素酸と純水との２種類の液体を混合する場合を一例として説明したが、成分が異なる２種以上の流体を混合させる場合にも本発明が適用できるのは勿論である。
【００５３】
また、本実施例において、純水の供給手段としてポンプを用いたが、これに限らず、例えば、高低差を利用した方法を流体供給手段として用いる方法を用いても良い。
【００５４】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によれば、異なる種類の流体を個別に供給する複数の流体供給経路と、複数の流体供給経路を流れる流体を所定圧力に加圧して供給する流体供給手段と、流体供給手段により加圧された複数の流体を混合させる混合手段と、を備えてなる混合装置において、混合手段の近傍に流体の分子間の分子会合状態を切り離す分子会合切断手段を設けたものであり、流体の分子間の会合状態を切り離して流体の粘性抵抗を小さくすることにより、混合時の拡散効率を高めて分子レベルでの濃度ムラを防止することができる。例えば、混合比率が１：９９のように混合比が大きく異なる場合には、第１の混合室で混合された２液を、均一な一定の濃度に混合して安定供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる混合装置の一実施例の概略構成を示す構成図である。
【図２】混合ユニット１６の構成を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図２中Ａ−Ａ線に沿う縦断面図である。
【図４】変形例１の構成図である。
【図５】変形例１の混合ユニット１６の構成を拡大して示す縦断面図である。
【図６】図５に示す変形例１の側面図である。
【図７】変形例２の構成図である。
【符号の説明】
１０，８０，９０　混合装置
１２　薬液供給経路
１４　純水供給経路
１６　混合ユニット
１７　超音波振動子
１８　薬液供給管路
１９　超音波振動子駆動回路
２０　窒素ガス供給管路
２２　貯留槽
２４　薬液吐出管路
２７　質量流量計
３０　流量調整弁
３４，３７，４３　開閉弁
３０ａ，３４ａ，３７ａ，３４ａ　空気管路
３２，４８　超音波式渦流量計
３７　逃がし弁
３８　液面センサ
３９　エア供給ユニット
４０　制御回路
４１　空気源
４４　流量安定部
４５　純水供給管路
４６　ポンプ
５０　流量調整弁
６０　ユニット本体
６２　第１の混合室
６４　第２の混合室
６６　絞り孔
６８　流入管
７０　流出管
８２　第１の超音波振動子
８４　第２の超音波振動子
９２　スタティックミキサ

Claims

異なる種類の流体を個別に供給する複数の流体供給経路と、
該複数の流体供給経路を流れる流体を所定圧力に加圧して供給する流体供給手段と、
該流体供給手段により加圧された複数の流体を混合させる混合手段と、
を備えてなる混合装置において、
前記混合手段の近傍に前記流体の分子間の分子会合状態を切り離す分子会合切断手段を設けたことを特徴とする混合装置。