JP2008018400A - 二流体ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】液体と気体を外部混合させる二流体ノズルを改良する。
【解決手段】中心軸線を同一とする外筒と内筒とからなる二重筒を備え、前記内筒の中空部を液体流路とすると共に内筒と外筒の間を環状の気体流路とし、前記気体流路は、前記外筒の噴射側内面に前記中心軸線に向けて傾斜させて設けた第１テーパ面と、前記内筒の噴射側外面に前記中心軸線に向けて傾斜させて設けた第２テーパ面により挟まれ、噴口に向けて断面積を増大させた噴射側気体流路と、前記噴射側気体流路に達する直前に設けられ、前記中心軸線と平行とした前記外筒の内面と内筒の外面とで挟まれ、前記噴射側気体流路の断面積よりも小とされたオリフィス流路と、前記オリフィス流路の上流側の気体流路に設けられた旋回手段で旋回流とされる旋回流路とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は水等の液体と空気等の気体を混合し気液混合ミストとして噴射する二流体ノズルに関し、特に、半導体ウエハ等の微細パターンを設けた基板の洗浄用として用い、基板に付着した微小異物を噴射する気液混合ミストで洗浄除去するものである。

この種の二流体ノズルにおいては、二流体を混合して噴射するため、一般的に、一流体のみを噴射する場合と比較して、適正な打力が得られにくく、かつ、打力分布の均一化が図りにくい。
前記半導体ウエハ等の微細なパターンが設けられた基板の洗浄には、微粒化に優れている理由で二流体ノズルが用いられており、特に、洗浄力は勿論のこと、特に、基板の破壊を防ぐために適正な打力と打力分布の均等化が求められている。

この種の二流体ノズルとしては、例えば、特開２００５−１６６７９２号公報（特許文献１）に、図５に示すノズル１が提案されている。該ノズル１は、内管２と外管３を備えた二重管構造で、内管２の中空部を液体の流路４とし、内管２と外管３の間をガス流路５とし、内管２の噴口２ａと外管３の噴口３ａとを同一位置とし、噴口２ａと３ａより外部で液体とガスを混合する外部混合としている。また、外管３の噴射側を内管側に傾斜させ、ガス流路５を噴口３ａに向けて絞り、噴口を最小断面積とする一方、内管２は噴口２ａに向けて広げた構成とされている。

また、特開２００３−２２０３５３号公報（特許文献２）には、図６に示すノズル１’が提案されている。該ノズル１’は、中心部に糊流路６ａを設けたノズル本体６と、該ノズル本体６との間にエア通路７をあけて外嵌したキャップ部材８を備え、内管に相当するノズル本体６の先端噴射部６ｂをキャップ部材８より外方に突出し、特許文献１と同様に糊とエアーとを外部混合している。さらに、内管となるノズル本体６の外周面と外管となるキャップ部材９の内周面を噴射側先端に向けて縮小するテーパ面とし、エア通路７の噴口７ａを最小断面積としており、この点でも特許文献１と同様な構成とされている。

特開２００５−１６６７９２号公報 特開２００３−２２０３５３号公報

前記のように、従来の二流体ノズルは、二重管構造とし、中心流路を液体流路とし、外周流路は気体流路とし、気体流路は噴口を最小断面積（所謂、オリフィス）として気体を高圧で噴射し、中心部から噴射する液体と外部混合している場合が多い。
前記のように、気体流路の噴口を最小断面積のオリフィスとしているのは、液体との外部混合時に気体の圧力が低下し、液体が十分に微粒化されないため、気体の圧力を高めて液体の微粒化を図っていることによる。
しかしながら、気体流路の噴口を最小断面積として気体を高圧で噴射すると、打力が強くなり過ぎると共に均等な打力が得られにくい問題がある。

また、液体が糊等の粘性を有する場合には、液体の噴口の目詰まり等の発生を防止するため、液体の噴口となる内筒先端を外筒先端の気体の噴口より突出させた外部混合型の特許文献１の構成とすることが好ましい。
しかしながら、液体として水を用い、気体としてエアを用いる洗浄用ノズル等では、噴口での詰まりが発生しにくいため外部混合型とする必要はなく、逆に、外部混合型とすると、水とエアとの混合が噴口から離れた位置で行われ、噴口近傍での微粒化に問題があり、至近距離で使用する洗浄に適さない。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、打力が強くなり過ぎず、ソフトな打力を均一に得ることができ、特に、半導体ウエハの洗浄用として好適に用いられる二流体ノズルを提供することを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明は、
中心軸線を同一とする外筒と内筒とからなる二重筒を備え、前記内筒の中空部を液体流路とすると共に内筒と外筒の間を環状の気体流路とし、
前記気体流路は、
前記外筒の噴射側内面に前記中心軸線に向けて傾斜させて設けた第１テーパ面と、前記内筒の噴射側外面に前記中心軸線に向けて傾斜させて設けた第２テーパ面により挟まれ、噴口に向けて断面積を縮小せずに増大あるいは同一とした噴射側気体流路と、
前記噴射側気体流路に達する直前に設けられ、前記中心軸線と平行とした前記外筒の内面と内筒の外面とで挟まれ、前記噴射側気体流路の断面積よりも小とされたオリフィス流路と、
前記オリフィス流路の上流側の気体流路に設けられた旋回手段で旋回流とされる旋回流路と、
を備えていることを特徴とする二流体ノズルを提供している。

前記のように、本発明では、中心を液体流路とし、外周を気体流路とし、これら流路の噴口より気体と液体とを噴射し、気液混合ミストを噴射する二流体ノズルにおいて、従来は前記のように気体流路は噴口に向けて狭しているのに対して、本発明では噴射側気体流路は噴口に向けて狭くしておらず、逆に広げるか或いは同一断面積となるようにし、かつ、中心軸線に沿った液体流路の噴口に向けて前記噴射側気体流路を傾斜させていることを特徴としている。
このように、噴射側気体流路において、断面積を噴口に向けて縮小せず、増大あるいは同一としていることで、気体の噴射圧を低減してソフトな噴射を行うことができ、かつ、気体の噴射方向を液体の噴口側に向けているため、液体と気体との混合を噴口に近い位置で行うことができ、噴霧パターンの安定化を図ることができる。
また、本発明では、前記噴射側気体流路の直前の気体流路をオリフィス流路として気体圧力を増大させているため、噴射側基体流路で流路断面積を次第に増大させて気体圧力を若干低減しても、あるいは同一として、噴口に向けた気体圧力を増大させなくとも、液体と混合して液滴を微粒化するのに十分な圧力を保持している。
さらに、前記オリフィス流路の上流の旋回流路で、気体に旋回流を付与しているため、液体と混合する気体は旋回流となっているため、液体の均一な分布と液体の微粒化を促進することができる。

前記外筒の噴口と前記内筒の噴口を同一平面に位置させ、あるいは外筒内に内筒の噴口を位置させている。特に、液体として水を用い、気体として窒素ガスあるいはエアを用いて、洗浄用ノズルとしている場合には外筒内に内筒の噴口を位置させた内部混合型とすることが好ましい。
前記内部混合型とする場合は、内筒の噴口は外筒の噴口より０〜５ｍｍの内部位置に配置することが好ましい。
この内部混合型とすると、内筒の噴口から噴射された液体は外筒噴射側の外周側から噴射される気体と混合されながら外筒噴口から噴射され、液滴の更なる微粒化と噴霧パターンの安定化を図ることができる。
なお、外筒の噴口より内筒の噴口を、例えば、１ｍｍ以下で突出させてもよい。

前記噴射側気体流路を構成する前記外筒噴射側内面の第１テーパ面と内筒噴射側の外面の第２テーパ面は前記中心軸線に対する傾斜角度を相違させ、第１テーパ面の傾斜角度θ１を第２テーパ面の傾斜角度θ２以下（θ１＜θ２）とし、あるいは／およびテーパ面の開始位置を軸線方向で相違させ、第１テーパ面を第２テーパ面より噴射側とし、
前記噴射側気体流路は噴口に向けて流路断面積を増大させていることがこのましい。
なお、前記のように、噴口に向けて流路断面積を同一としてもよいが、ソフトな打力を得るには流路面積を噴口に向けて増大することが好ましい。

前記のように、噴射側気体流路を噴口に向けて流路断面積を次第に増大させる手段として、外筒噴射側内面の第１テーパ面と、内筒噴射側の外面の第２テーパ面との傾斜角度を相違せている。
この場合、前記外筒噴射側内面の第１テーパ面の傾斜角度θ１は、７５°≦θ１≦４５°が好ましい。これは、７５°未満であると、噴霧パターンが不安定となり ４５°を越えると打力が弱くなることによる。
一方、内筒噴射側の外面の第２テーパ面との傾斜角度θ２も、７５°≦θ２≦４５°が好ましい。これは、７５°未満であると、噴霧パターンが不安定となり ４５°を越えると打力が弱くなることによる。
また、傾斜角度θ１＝θ２としても、テーパ面の開始位置を相違させて、外筒のテーパ開始面を内筒よりも先端側とし、かつ、内筒の先端（液体の噴口）を外筒の先端（気体の噴口）よりも内部位置とすることで、気体流路を噴口に向けて増大させることができる。

さらに、前記内筒噴射側の外面の第２テーパ面の傾斜角度（θ２）は、噴口側で傾斜角度を変え、該傾斜角度θ３は前記傾斜角度θ２に対して大（θ２＜θ３）と、前記噴射側気体流路の断面積を先端側で更に拡大してもよい。
このように、第２テーパ面を２段テーパ面として、噴口側先端のテーパ面を液体の噴口側へと傾斜させると、気体が更に液体側に向けられ、液体と気体との混合を促進でき、液滴の微粒化を促進できる。

前記旋回流路に設ける旋回手段として、例えば、前記内筒外周面に周方向に間隔をあけて、軸線方向が傾斜した旋回溝を複数個設けている。
なお、旋回部材の形状は上記形状に限定されず、気体に旋回流を発生させる構造であれば適宜に採用しえる。

本発明の前記二流体ノズルは、表面に微細パターンが形成された半導体ウエハ等の基板洗浄用のノズルとして最も好適に用いられる。例えば、前記基板の上方にノズルを基板に対して移動可能に配置し、所要距離離れた位置から、気液混合ミストを基板に向けて噴射することで、基板の洗浄を効率よく行うことができる。
なお、基板等の洗浄用以外の各種部品の洗浄用、更には、防虫や殺菌用の水和剤噴射用のノズル、塗装用ノズル、研磨用ノズル等としても好適に用いられる。

上述したように、本発明では、中心を液体流路とすると共に外周を気体流路とし、これら流路の噴口より気体と液体とを噴射し、気液混合ミストを噴射する二流体ノズルにおいて、噴射側気体流路は噴口に向けて広げ、あるいは同一とし、かつ、中心軸線に沿った液体流路の噴口に向けて前記噴射側気体流路を傾斜させているため、気体の噴射圧を低減してソフトな噴射を行うことができると共に、気体の噴射方向を液体の噴口側に向けているため、液体と気体との混合を噴口に近い位置で行うことができ、噴霧パターンの安定化を図ることができる。

さらに、前記噴射側気体流路の直前の気体流路をオリフィス流路として気体圧力を増大させているため、噴射側気体流路で流路断面積を次第に増大させて気体圧力を若干低減しても、あるいは流路断面積を同一として気体圧力を増大させなくとも、液体と混合して液滴を微粒化するのに十分な圧力を保持している。
さらに、前記オリフィス流路の上流の旋回流路で、気体に旋回流を付与しているため、液体と混合する気体は旋回流となっているため、液体の均一な分布と液体の微粒化を促進することができる。

以下、本発明の実施の形態を詳述する。
図１乃至図３は第１実施形態のウエハ洗浄用の二流体ノズル１０を示す。
１１はノズル本体を構成する外筒、１２はノズル本体に挿入するノズルチップからなる内筒である。図１は外筒１１と内筒１２とを中心軸線Ｌを同一として組みつけた状態の断面図であり、図２は外筒１１は断面で示すと共に、内筒１２は断面とせずに外周面で示している図面である。

外筒１１の中空部に内筒１２を嵌合し、ネジ部１３で螺着して組みつけている。
内筒１２の中心軸線Ｌに沿った中空部を液体流路１５とし、内筒１２の後端に接続する水供給管（図示せず）から所要圧力とした水を液体流路１５に供給している。
内筒１２の外周面と外筒１１の内周面との間には、前記ネジ部１３より先端噴射側まで空隙を設け、該空隙を気体流路２０としている。この気体流路２０には、外筒１１に設けた気体流入路２１を窒素ガス供給管（図示せず）から所要圧力で窒素ガスを供給している。

前記内筒１２の中空部から構成する液体流路１５は、液体流入口１６より、噴射側先端の噴口１７に向けて、段階的に径を縮小しており、本実施形態は６段階の液体流路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆを設け、これら流路１５ａ〜１５ｆの接続部には夫々傾斜流路を介在させている。
前記液体流路１５ｃ〜１５ｆに対応した内筒の外周面も段状に縮径し、噴射側の液体流路１５ｅ、１５ｆに対応する外周面は最小径としている。また、噴口１７を囲む部分では、図３に示すように、中心軸線Ｌに向けて傾斜角度θ２としたテーパ面１８（以下、後述する外筒１１のテーパ面と区別して、第２テーパ面１８）を設けている。
該第２テーパ面１８の傾斜角度θ２は、７５°≦θ２≦４５°の範囲としている。

また、内筒１２の液体流路１５ｄと対応する外周面には、図２に示すように、周方向に間隔をあけて、軸線方向が傾斜した旋回溝２３を複数個設け、気体流路２０を通る気体を旋回流としている。

前記外筒１１は、その噴射側先端に設けた噴口２２よりも０〜０．５ｍｍの範囲に、前記内筒１２の中心に設けた噴口１７を位置させるように内筒１２に外嵌している。かつ、外筒１１の噴口２２は内筒１２の噴射側先端面１９よりも広くしている。

外筒１１の内周面は、気体流路２０を挟んで中心軸線Ｌと平行な直線部１１ａ、傾斜部１１ｂ、直線部１１ｃ、および噴射側の傾斜部からなり、該噴射側の内面の傾斜部を第１テーパ面２５としている。

外筒１１の内周面と内筒１２の外周面の間に形成する気体流路２０は、前記液体流路１５ｃと対応する外周部に位置すると共に中心軸線Ｌと平行な流入側流路２０ａを有する。該流入側流路２０ａに連続する流路は、その内周側に前記内筒外周面の旋回溝２３が位置するため、旋回流路２０ｂとなる。
前記旋回流路２０ｂの噴射側に連続する流路は、中心軸線Ｌの方向に傾斜した傾斜流路２０ｃとなる。
前記傾斜流路２０ｃの噴射側に連続する流路は、中心軸線Ｌと平行で、液体流路１５ｅ、１５ｆと平行な流路とし、かつ、該流路は気体流路中において最小断面積としてオリフィス流路２０ｄとしている。

前記オリフィス流路２０ｄに連続する噴射側先端の内面は前記第１テーパ面２５を備えた噴射側流路２０ｅとしている。
前記第１テーパ面２５は中心軸線Ｌに対して傾斜角度θ１で傾斜させ、該傾斜角度θ１は、７５°≦θ１≦４５°とし、かつ、前記内筒の第２テーパ面１８の傾斜角度θ２より小さくしている（θ１＜θ２）。
さらに、第１テーパ面２５の傾斜開始位置Ｐ１は第２テーパ面１８の傾斜開始位置Ｐ２よりも噴射側に位置させている。
前記傾斜角度θ１とθ２、傾斜開始位置Ｐ１とＰ２の関係より、図３に示すように、噴口２２に向けて流路断面積α１を次第に拡大している。この噴射側流路２０ｅの流路断面積α１は前記オリフィス流路２０ｄの流路断面積α２よりも大とし（α１＞α２）とし、気体流量はオリフィス流路２０ｄで規定している。

さらに、外筒１１の第１テーパ面２５の噴射側先端の内径Ｄ１は、内筒１２の第２テーパ面１８の傾斜開始位置Ｐ２の外径Ｄ２よりも小さくし、そのラップ量をＢとすると、０≦Ｂ≦０．５ｍｍとしている。
このように、ラップさせることにより、気体と液体とを内部混合モスクは噴口至近きょりでの混合を確実に行うことができる。

次に、上記ノズルにおける噴霧作用について説明する。
所要圧力でＮ２ガスを気体流路２０に導入すると、ガスは旋回流路２０ｂで旋回流となり、この旋回流が傾斜流流路２０ｃを通してオリフィス流路２０ｄを通り、該オリフィス流路２０ｄでガス圧を高めながら噴射側流路２０ｅに流入する。噴射側流路２０ｅでは噴口２２に向けて流路断面積を増大させているため、ガス圧を若干低下させながら液体流路１５の噴口１７より噴射される液体と内部混合し、噴口２２より外部に気液混合ミストをソフトな打力で噴射する。

このように、噴射されるガスと液体とを内部混合もしくは噴口至近距離で混合しており、その際、ガスは旋回流となっているため、液体との混合が促進され、その結果、液体の微粒化が促進される。しかも、気液混合がノズルの噴口内部で行っているため、噴霧パターンを安定化できる。

図４に第２実施形態を示す。
第２実施形態では、内筒１２の噴射側外面のテーパ面を２段のテーパ面３０、３１とし、噴口２２側のテーパ面３１の傾斜角度θ３を後方のテーパ面３０の傾斜角度θ２よりも大としている（θ３＞θ２）。
前記傾斜角度θ３は３０°≦θ３≦４５°の範囲としている。
他の構成は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

前記のように内筒１２の噴射側外面を２段のテーパ面とし、噴口側を液体の噴口１７に向けて更に傾斜させると、気体と液体との混合を高めて、液滴の更なる微粒化を図ることができる。

本発明は前記実施形態に限定されず、内筒外面と外筒内面のテーパ面で挟まれた噴射側気体流路外筒の断面積は、噴口に向けて同一としてもよい。また、外筒の噴口と内筒の噴口を同一位置としてもよいし、外筒より内筒を１ｍｍ以下程度外部に突出させる構成としてもよい。

本発明の第１実施形態の断面図である。 第１実施形態の一部断面した側面図である。 第１実施形態の噴射側の拡大断面図である。 第２実施形態の噴射側の拡大断面図である。 従来例を示す断面図である。 他の従来例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 二流体ノズル
１１ 外筒
１２ 内筒
１５ 液体流路
１７ 噴口
１８ 第２テーパ面
２０ 気体流路
２０ｂ 旋回流路
２０ｄ オリフィス流路
２０ｅ 噴射側流路
２２ 噴口
２３ 旋回溝
２５ 第１テーパ面

Claims (6)

1. 中心軸線を同一とする外筒と内筒とからなる二重筒を備え、前記内筒の中空部を液体流路とすると共に内筒と外筒の間を環状の気体流路とし、
   前記気体流路は、
   前記外筒の噴射側内面に前記中心軸線に向けて傾斜させて設けた第１テーパ面と、前記内筒の噴射側外面に前記中心軸線に向けて傾斜させて設けた第２テーパ面により挟まれ、噴口に向けて断面積を縮小せずに増大あるいは同一とした噴射側気体流路と、
   前記噴射側気体流路に達する直前に設けられ、前記中心軸線と平行とした前記外筒の内面と内筒の外面とで挟まれ、前記噴射側気体流路の断面積よりも小とされたオリフィス流路と、
   前記オリフィス流路の上流側の気体流路に設けられた旋回手段で旋回流とされる旋回流路と、
   を備えていることを特徴とする二流体ノズル。
2. 前記外筒の噴口と前記内筒の噴口を同一平面に位置させ、あるいは外筒内に内筒の噴口を位置させている請求項１に記載の二流体ノズル。
3. 前記噴射側気体流路を構成する前記外筒噴射側内面の第１テーパ面と内筒噴射側の外面の第２テーパ面は前記中心軸線に対する傾斜角度を相違させ、第１テーパ面の傾斜角度θ１を第２テーパ面の傾斜角度θ２以下（θ１≦θ２）とし、あるいは／およびテーパ面の開始位置を軸線方向で相違させ、第１テーパ面を第２テーパ面より噴射側とし、
   前記噴射側気体流路は噴口に向けて流路断面積を増大させている請求項１または請求項２に記載の二流体ノズル。
4. 前記内筒噴射側の外面の第２テーパ面の傾斜角度（θ２）は、噴口側で傾斜角度を変え、該傾斜角度θ３は前記傾斜角度θ２に対して大（θ２＜θ３）と、前記噴射側気体流路の断面積を先端側で更に拡大している請求項３に記載の二流体ノズル。
5. 前記旋回流路に設ける旋回手段として、前記内筒外周面に周方向に間隔をあけて、軸線方向が傾斜した旋回溝を複数個設けている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の二流体ノズル。
6. 前記液体として水を用いると共に気体として窒素ガスあるいはエアを用い、洗浄用ノズルとしている請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の二流体ノズル。

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