JP2007000684A

JP2007000684A - ノズル

Info

Publication number: JP2007000684A
Application number: JP2005180224A
Authority: JP
Inventors: Junko Takahashi; 淳子高橋
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2007-01-11
Also published as: WO2006137301A1

Abstract

【課題】温度差のある二流体を混合して吐出するノズル構造において一方の流体から他方の流体への熱伝導を抑制し、塗布状態を安定させ、均一な塗布を実現すると共に液吐出部における詰まりの発生を防止すること。
【解決手段】内壁２２と外壁２３の二重構造を有するノズルにおいて、内壁２２及び外壁２３のそれぞれにエアギャップ３１、３２を形成して当該エアギャップ３１、３２の先端を閉じた構造とする。内壁２２に設ける液溜部２４は加熱窒素ガスが通過する加熱ガス供給エリアよりもノズル基端部側に配置する。内壁２２の液溜部２４にレジスト液を供給すると共に内壁２２と外壁２３との間に形成した気体通路２７に加熱窒素ガスを供給して、ノズル先端部より吐出するレジスト液を加熱窒素ガスで加熱して対象物５０に塗布する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度の異なる２つの流体を混合した状態で対象物に噴霧するためのノズルに関する。

図４は、液体と気体とを混合して噴霧する二流体噴霧方式のノズル構造を示す図である。ノズル本体１０が固定用リング１１に取り付けられ、図示していない液体供給源及び気体供給源から液体及び気体の二流体が供給可能に構成されている。ノズル本体１０は内壁１２及び外壁１３の二重構造となっている。内壁１２の内部に供給される液体を一時的に滞留する液溜部１４が形成され、当該液溜部１４から液吐出部１５に掛けて流速を一定化するための細管１６が形成されている。一方、内壁１２と外壁１３との間に外部から気体が供給される隙間（以下、気体流路と呼ぶ）１７が形成されている。外壁１３先端部は、液吐出部１５の外周を囲むように開口していて、環状の気体噴出部１８が形成されている。

上記ノズル構造において、例えば、気体噴出部１８から噴射する加熱気体の温度を液吐出部１５から吐出する塗料よりも高い温度に設定し、塗料を加熱気体で加熱した上で対象物に塗布している。

また、噴霧パターンや粒子分布を制御するために、気体の噴出方式として、噴出量、噴出圧力、噴出角度を制御するものがある。

特開２００１−２４０１１号公報特開２０００−５１７４１号公報特開平７−１６５３２号公報

しかしながら、従来技術のノズル構造では、加熱気体により内壁１２が加熱され、内壁１２で隔てられた液体に熱伝導するので、その結果、液体が加熱されたことに起因する不具合が発生する可能性がある。例えば、液体として揮発性の高い溶剤を含んだものを使用していると、図５（ａ）に示すように内壁１２からの熱で液体が突沸してボイドが発生し、図５（ｂ）に示すように細管１６内の液体がボイドにより間欠状態となって安定した塗布状態が得られず、均一な塗布が行えないといった不具合が発生する。また、液吐出部１５に到達する前に液体の温度が上昇してしまうと、液吐出部１５で溶剤の急激な蒸発が起こり、図６に示すように液吐出部１５に詰まりが発生するといった問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、温度差のある二流体を混合して吐出する場合であっても一方の流体から他方の流体への熱伝導を抑制でき、均一な塗布を実現できると共に液吐出部における詰まりの発生を防止できるノズルを提供することを目的とする。

本発明のノズル構造は、第１流体と第２流体の混合物を先端より吐出するノズルであって、第１流体が供給され当該第１流体を前記先端より排出する内壁部と、前記内壁部を覆い該内壁部との間に流体通路を形成し、当該流体通路を通過した第２流体が前記先端から排出された第１流体と混合するように、前記先端より排出する外壁部と、を備え、前記内壁部を前記第１流体と前記第２流体とを隔てる断熱構造としたことを特徴とする。

この構成によれば、内壁部を第１流体と第２流体とを隔てる断熱構造としたので、内壁部と外壁部との間の流体通路を通る第２流体の熱が内壁部の断熱構造で断熱され、内壁部内にある第１流体が第２流体によって加熱されるのを防止できる。したがって、第１流体が加熱されることにより発生する不具合を防止することができる。

本発明のノズルにおいては、前記内壁部は第１流体が滞留する液溜部を有し、当該液溜部の設置位置が前記第２流体を通過させる前記流体通路の設置領域よりもノズル基端部側であることが好ましい。

この構成によれば、液溜部の設置位置が第２流体の流体通路の設置領域よりもノズル基端部側となるので、内壁部内の液溜部が第２流体の流体通路から熱的影響を受けづらくすることができる。

本発明のノズルにおいては、前記断熱構造として前記内壁部内にエアギャップを形成し、当該エアギャップの前記先端側の端部が閉じられていることが好ましい。エアギャップの断熱効果は高く、また軽さの点からも好ましい断熱構造といえる。エアギャップの場合、前記先端から第１流体及び第２流体を吐出したときには当該先端部は低圧状態となるので、エアギャップ先端が開口しているとエアギャップ内が低圧となり、吐出を停止した時に、流体が流れ込む可能性がある。本発明のようにエアギャップ先端を閉じた構造とすることにより、そのような不具合を防止できる。

本発明のノズルにおいては、前記外壁部が断熱構造を有することが好ましい。
この構成によれば、第２流体とノズル周囲雰囲気との断熱性が向上するので、外気温の影響を受けることが少なく、安定した温度制御ができる。従って塗布状態を良好に維持することが容易になる。

本発明のノズルにおいては、前記第１流体はレジスト液であり、前記第２流体は加熱ガスとすることができる。このような流体の組み合わせにおいて、本発明の効果が顕著に発現する。

本発明によれば、揮発性の高い溶剤を含む流体を吐出直後に加熱流体で加熱する場合であっても、加熱流体から揮発性の高い溶剤側へ熱伝導するのを防止でき、ボイドの発生を防止して均一な塗布を実現できる。また、本発明によれば、吐出直前まで揮発性の高い溶剤の温度上昇を抑えて液吐出部に詰まりが発生するのを確実に防止できると共に、吐出直後に加熱されて適度な粘度を持った状態で対象物に塗布することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）（ｂ）は、本実施の形態に係るノズル構造の断面図及び吐出部側からの平面図である。ノズル本体２０は、基端部が固定用リング２１に取り付けられている。ノズル本体２０は、外形が略円筒状をなし先端部が円錐状に突出した形状をなす。ノズル本体２０の内部は内壁２２と外壁２３の二重構造を有する。

内壁２２の中央部であってノズル基端部近傍に滞留時間の長い液溜部２４が形成されている。内壁２２外周面の先端部は円錐状に形成されており、円柱状に突起した液吐出部２５が先端部に設けられている。液溜部２４の中心から垂直に下方に伸びる細管２５の先端は液吐出部２５に連通する。

内壁２２と外壁２３の間には気体通路２７を形成する間隙が設けられている。外壁２３は内壁２２の外形に沿った形状を有している。外壁２３の先端部は液吐出部２５の周囲を囲むように開口して環状噴射部２８を形成している。すなわち、気体通路２７を収束させて液吐出部２５の周囲から流体を環状に噴射するように構成されている。また、環状噴射部２８から噴射する気体が液吐出部２５に直接当たらないような角度を環状噴射部２８に持たせることが望ましい。なお、気体通路２７に対して外部から流体を供給する供給部２９が連結されている。

本実施の形態における態様では、液溜部２４及び細管２５内の液体を気体通路２７から熱的に遮断する断熱構造として、内壁２２及び外壁２３は断熱材で構成している。断熱材としては、セラミクス、ガラス繊維等を主材料とする成型品を用いることができる。

また、断熱構造としてエアギャップ３１を内壁２２内部に設けている。エアギャップ３１は液溜部２４及び細管２５を囲む内壁２２全周に形成されている。エアギャップ３１の形成位置は液溜部２４及び細管２５から離れた気体通路２７の近傍であることが望ましい。また、エアギャップ３１の少なくとも吐出部側は開口しないで閉塞させておくことが望ましい。

また、断熱構造として外壁２３の内部にもエアギャップ３２を設けている。エアギャップ３２はノズル本体２０の基端部近傍から環状噴射部２８に掛けて形成されており、少なくとも流体噴出口側は開口しないで閉塞させている。エアギャップ３２は外壁外側部分が気体通路２７から熱的に遮断されることになる。

また、図１（ａ）に示すように、ノズル本体２０における気体通路２７及び供給部２９の形成位置（後述する加熱ガス供給エリア）を、液溜部２４の形成位置よりもノズル先端側の領域に制限している。これにより、液溜部２４内の液体を、気体通路２７を通過する加熱流体から熱的に遮断する断熱効果を高くしている。

図２はレジスト塗布工程に係るシステムの一例を示す系統図である。以下、ノズル本体２０の液吐出部２５から流体としてレジスト液を吐出し、環状噴射部２８から加熱流体として加熱窒素ガスを噴射するものとして説明するが、本発明はレジスト液と加熱窒素ガスの組み合わせに限定されない。

ノズル本体２０には、外部からレジスト液を供給する系統と加熱ガスを供給する系統とが接続されている。レジスト液を供給する系統においては、ノズル本体２０内の液溜部２４に流体供給ライン４１を介して液貯蔵部４２が連通している。液貯蔵部４４の下方に液体としてレジスト液が貯留しており、流体供給ライン４１の端部が液内に位置するように調整されている。液貯蔵部４２の天井部にガス供給ライン４３の先端部が接続されていて、液貯蔵部４２内のレジスト液上方の空間へ不活性ガスとして窒素ガスを供給するように構成されている。密閉空間となる液貯蔵部４２内へ流入する窒素ガスによってレジスト液が流体供給ライン４１側へ押し出されるようになっている。ガス供給ライン４３にレギュレータ４４が設けられている。レギュレータ４４は、液貯蔵部４２からノズル本体２０へ供給するレジスト液の流速（単位時間当りの流量）が目標値になるように窒素ガス供給量を制御している。なお、ノズル本体２０に供給するレジスト液量は、流体供給ライン４１に設けたマスフローコントローラ４５によって制限される。

一方、ノズル本体２０に加熱ガスを供給する系統においては、ノズル本体２０の供給部２９に対してガス供給ライン４６が接続されている。ガス供給ライン４６には図示していない加熱ガス供給源から加熱窒素ガスが供給されるように構成されている。ガス供給ライン４６にレギュレータ４７が設けられている。レギュレータ４７は、ノズル本体２０へ供給する加熱窒素ガスの流量（単位時間当りのガス量）が目標値になるように加熱窒素ガス供給量を制御している。なお、ノズル本体２０に供給する加熱窒素ガスの量は、ガス供給ライン４６に設けたマスフローコントローラ４８によって制限される。また、ノズル本体２０の近傍においてガス供給ライン４６を通過する加熱窒素ガスの温度を計測する温度センサ４９が設置されている。温度センサ４９の温度検出結果は加熱ガス供給源へ送信されていて、加熱ガスの温度制御に用いられている。

また、レジストが塗布される対象物５０がステージ５１上に載置されている。ノズル本体２０はステージ５１上に配置される。ステージ５１が移動して対象物５０をノズル本体２０の液吐出部２５に対向させる構成となっている。

次に、以上のように構成された本実施の形態の動作について説明する。
レギュレータ４４がガス供給ライン４３を介して窒素ガスを液貯蔵部４２内へ送り込むと、液貯蔵部４２に貯蔵されているレジスト液が気圧で押されて流体供給ライン４１へ押し出され、流体供給ライン４１内のレジスト液がノズル本体２０の液溜部２４へ供給される。レジスト液で満たされている液溜部２４に流体供給ライン４１からレジスト液が所定の圧力で流入することにより、液溜部２４の下部に連通した細管２６にレジスト液が押し出される。細管２６を通過するレジスト液は一定の流速に調整され、液吐出部２５から吐出したときに急激に圧力が低下して霧状になり対象物５０に対して噴霧される。

一方、レギュレータ４７が加熱窒素ガスをガス供給ライン４６経由でノズル本体２０の気体通路２７に送り込んでいる。気体通路２７に供給された加熱窒素ガスは、液吐出部２５の外周に形成した環状噴射部２８から環状に噴射される。

ここで、レジスト塗布工程において望ましい条件について説明する。本発明のノズルによるレジスト塗布は、表面に立体構造を有する等、スピンコート方式では均一な塗布ができない対象物に特に好適に用いられる。例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）分野において、段差部を有する面にパターニングを行う際に使用されるレジスト液などの場合、対象物に塗布したときの粘度は、段差部での流下を防ぐ為、相対的に高い状態（例えば、１０００ｃＰ以上）であることが望ましい。しかしながら、ノズル本体２０内部においてレジスト液の粘度が１０００ｃＰ以上であると、ノズル本体２０内を円滑に通過することができない。すなわち、ノズル本体内部においてはレジスト液の粘度を上げすぎない温度（円滑な通過を妨げない粘度となる温度）に維持する必要がある。また、レジストに含まれる揮発性の高い溶剤との関係では、上述したようにノズル本体２０内部でのボイドの発生や吐出部での溶剤の急激な蒸発といった現象を抑えるためにノズル本体２０内での温度は高くなり過ぎないように抑えられるべきである。そのため、ノズル本体２０内部においてはレジスト液の温度上昇をできる限り抑える一方、液吐出部２５から出た瞬間に加熱ガスにて急激に加熱して粘度を１０００ｃＰ以上に上げることがレジスト塗布工程において望ましい条件であるといえる。

本実施の形態における態様では、内壁２２を断熱材で形成すると共に内壁２２内部にエアギャップ３１を設けることにより内壁２２に断熱機能を持たせ、高温の加熱ガスが通過する気体通路２７から液溜部２４及び細管２６に熱が伝導するのを遮断している。内壁２２が気体通路２７に接している部分は高温になるが、エアギャップ３１で熱伝導が遮断され、エアギャップ３１を介して内壁２２内側に一部伝導する熱も内壁２２を形成する断熱材の断熱効果で熱伝導が抑えられる。したがって、内壁２２の周囲を高温に加熱された加熱ガスが通過しても内壁２２の内部への熱伝導は大幅に抑えることができる。

また、内壁２２の外周は加熱ガスが通過する気体通路２７に囲まれているが、液溜部２４は気体通路２７に囲まれた加熱ガス供給エリアから外れたノズル基端部側の領域に配置しているので、液溜部２４が加熱ガス供給エリアから離された構成となり、液溜部２４が気体通路２７から受ける熱伝導の影響を小さくすることができる。

外壁２３の内部にはエアギャップ３２が設けられているので、気体通路２７を通過する加熱窒素ガスとノズル周囲雰囲気との断熱性が向上して、外気温の影響を受けることが少なくなる。加熱窒素ガスに比べて温度の低い外気温により、気体通路２７を通過中の加熱窒素ガスが冷却されると、液吐出部２５から吐出されたレジスト液を所望の温度に制御できないため良好なレジスト膜を形成できない。本実施の形態では気体通路２７を通過する加熱窒素ガスが外気温の影響を受けづらい構造であるので、加熱窒素ガスにて加熱するレジスト液に対しても安定した温度制御が可能となる。従って良好なレジスト膜を形成できる。

このように、ノズル本体２０に供給されたレジスト液が液溜部２４から液吐出部２５に到達する過程で加熱されて粘度が上がるのを抑制しつつ、液吐出部２５から吐出した直後に加熱窒素ガスにて加熱して適切な粘度を奏する温度まで昇温することができる。その結果、レジスト塗布工程において、良好なレジスト膜を対象物５０上に形成することができる。

また、ノズル本体２０の先端部に設けた液吐出部２５及び環状噴射部２８の近傍は低圧力状態が発生している。このため、仮にエアギャップ３１，３２の一端をノズル本体２０の先端部で開口した構成としておくと、吐出を停止したときに、低圧状態となったエアギャップ３１，３２の一端からレジスト液が吸い込まれる可能性がある。エアギャップ３１，３２にレジスト液が入り込むと断熱効果が低下し、またノズル詰まりを誘発するなどの不具合が発生する。

本実施の形態における態様では、エアギャップ３１，３２の一端を閉じた構造としているので、エアギャップ３１，３２の内部が低圧状態になることは無く、断熱効果の低下やノズル詰まりといった不具合を防止できる。

なお、以上の説明では、レジスト塗布工程に適用した場合について説明したが、他の用途に用いることができる。用途によって液吐出部２５から吐出する流体と環状噴射部２８から噴射する流体は任意に選択可能であり、液体と気体との組み合わせにも限定されない。温度の異なる二つの流体を混合して噴霧する用途であれば、混合の直前まで互いの流体の温度影響を受けることなく維持できる。

また、本実施の形態における態様では、ノズル本体２０の断熱構造として、内壁２２、外壁２３の材料、エアギャップ３１，３２、液溜部２４の配置位置といった組み合わせを例示したが、これらの構造を全て備えなければならないというものではなく、任意の構造を組み合わせても良い。あるいは、エアギャップ３１，３２に断熱効果の高い部材を充填するようにしても良い。

例えば、エアギャップ３１，３２の断熱効果、気体通路２７を通る加熱ガスの設定温度、流体の特性によっては、液溜部２４の形成位置を加熱ガス供給エリアからずらさなくても良い場合がある。図３は液溜部５２の形成位置を加熱ガス供給エリアからずらさない構成例を示している。その他の構造は基本的に図１に示すノズル構造と同じである。このように構成することにより、液溜部を形成するために大きな空間を確保できるので、細管２６から吐出する流体をより安定させることができる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態で説明した数値や材質については特に制限はなく、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明は、二つに流体を混合してスプレー方式で吐出させる噴霧装置のノズルに適用可能である。

（ａ）は本発明の実施の形態に係るノズル構造を示す断面図であり、（ｂ）は本発明の実施の形態に係るノズル構造を示す平面図である。図１に示すノズル構造を用いた系統図である。本発明の実施の形態に係るノズル構造の他の例を示す断面図である。従来のノズル構造を示す断面図である。（ａ）は従来のノズル構造においてボイドが発生した状態を示す図であり、（ｂ）は発生したボイドで液が間欠的に吐出される状態を示す図である。従来のノズル構造において吐出部に詰まりが発生した状態を示す図である。

符号の説明

２０ノズル本体
２１固定用リング
２２内壁
２３外壁
２４液溜部
２５液吐出部
２６細管
２７気体通路
２８環状噴射部
２９供給部
３１，３２エアギャップ

Claims

第１流体と第２流体の混合物を先端より吐出するノズルであって、第１流体が供給され当該第１流体を前記先端より排出する内壁部と、前記内壁部を覆い該内壁部との間に流体通路を形成し、当該流体通路を通過した第２流体が前記先端から排出された第１流体と混合するように、前記先端より排出する外壁部と、を備え、前記内壁部を前記第１流体と前記第２流体とを隔てる断熱構造としたことを特徴とするノズル。
前記内壁部は第１流体が滞留する液溜部を有し、当該液溜部の設置位置が前記第２流体を通過させる前記流体通路の設置領域よりもノズル基端部側であることを特徴とする請求項１記載のノズル。
前記断熱構造として前記内壁部内にエアギャップを形成し、当該エアギャップの前記先端側の端部が閉じられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のノズル。
前記外壁部は断熱構造を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のノズル。
前記第１流体はレジスト液であり、前記第２流体は加熱ガスであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のノズル。