JP2013022575A - 気液混合器及び気液混合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体に対する気体の溶解効率を向上させる。
【解決手段】気液混合器４は、絞り部を有するベンチュリ管４ａと、ベンチュリ管４ａ内に液体を旋回させて流入させる液体流入部４ｂと、ベンチュリ管４ａ内を旋回して流れる液体の旋回方向に合わせて絞り部内に気体を流入させる気体流入部４ｃとを備える。これにより、液体及び気体を同方向に旋回させて旋回流の乱れを抑止し、その旋回によるキャビテーションを積極的に発生させることによって、絞り部の減圧効果により生じた気泡を細かく分断することが可能となるので、液体に対する気体の溶解効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、気液混合器及び気液混合方法に関する。

気液混合器は、液体に気体を混合する装置であり、例えば、微小気泡を含む液体により処理対象物を処理する処理装置に用いられている。この処理装置としては、例えば、基板処理装置や加工装置、浄化装置などが挙げられる。

基板処理装置は、半導体ウエハやガラス基板などの基板表面に、微小気泡を含む液体を処理液として供給し、その処理液により基板表面を処理する装置である。この基板処理装置としては、処理液により基板表面を洗浄する洗浄装置（例えば、特許文献１参照）や処理液により基板表面からレジスト膜を除去するレジスト除去装置などが存在している。

また、加工装置は、ダイシングブレードやドリルなどの加工具により、金属材や基板などの被加工物を加工する装置である。この加工装置は、加工具により加工される被加工物の加工箇所に、潤滑、冷却及び洗浄を目的として、微小気泡を含む液体を処理液として供給する。

また、浄化装置は、浄化対象となる液中に微小気泡を発生させ、その微小気泡を液中のフロックに付着させることで、水面上にフロックを浮上させて液中からフロックを分離したり、あるいは、水中の油分に微小気泡を付着させることで、水面上に油分を浮上させて液中から油分を分離したりする装置である。

特開２００６−１７９７６５号公報

しかしながら、前述のように、液体に気体を単に混合、すなわち溶解させただけでは、液体に対する気体の溶解量が少なく、この液体を処理液として用いた場合に、微小気泡の発生量が所望量とならず、処理性能が不十分となってしまう。

例えば、基板処理装置においては、洗浄やレジスト除去などの処理性能が不十分となり、また、加工装置においても、潤滑や洗浄などの処理性能が不十分となる。さらに、浄化装置においても、フロック除去や油分除去などの処理性能が不十分となる。このため、液体に対する気体の溶解効率の向上が望まれている。

本発明が解決しようとする課題は、液体に対する気体の溶解効率を向上させることができる気液混合器及び気液混合方法を提供することである。

本発明の実施形態に係る気液混合器は、絞り部を有するベンチュリ管と、ベンチュリ管内を旋回して流れる液体の旋回方向に合わせて絞り部内に気体を流入させる気体流入部とを備える。

本発明の実施形態に係る気液混合方法は、絞り部を有するベンチュリ管内に液体を旋回させて流入させる工程と、ベンチュリ管内を旋回して流れる液体の旋回方向に合わせて絞り部内に気体を流入させる工程とを有する。

本発明によれば、液体に対する気体の溶解効率を向上させることができる。

本発明の実施の一形態に係る処理装置の概略構成を示す図である。 図１に示す処理装置が備える気液混合器の概略構成を示す断面図である。 図２のＡ１−Ａ１線断面図である。 図２のＡ２−Ａ２線断面図である。 図２のＡ３−Ａ３線断面図である。 図２に示す気液混合器の変形例の概略構成を示す断面図である。

本発明の実施の一形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る処理装置１は、半導体ウエハやガラス基板などの処理対象物を処理する処理部２と、その処理部２に供給する気液混合液を貯留する貯留部３と、その貯留部３に気液混合液を生成して供給する気液混合器４と、その気液混合器４に液体を供給する液体供給部５と、気液混合器４に気体を供給する気体供給部６とを備えている。

処理部２は、ステージ上の処理対象物の中心を回転中心として処理対象物を平面内で回転させながら、その回転状態の処理対象物に対して処理液を供給し、処理対象物の表面を処理する装置である。この処理部２としては、例えば、処理液により処理対象物の表面を洗浄する洗浄装置や処理液により処理対象物の表面からレジスト膜を除去するレジスト除去装置などが挙げられる。

この処理部２は、処理液中に微小気泡を発生させる貫通孔を有するオリフィス部材などの微小気泡発生部材を有しており、その貫通孔を通過する液体中の溶存気体を減圧して開放し、その液体中に多量の微小気泡を発生させる。この多量の微小気泡を含む液体が処理液として処理対象物の表面に供給されることになる。なお、微小気泡発生部材としては、オリフィス部材に限るものではなく、液体中に微小気泡を発生させることが可能な構造の部材を用いれば良く、その構造は特に限定されるものではない。

ここで、微小気泡は、マイクロバブル（ＭＢ）やマイクロナノバブル（ＭＮＢ）、ナノバブル（ＮＢ）などの概念を含む気泡である。例えば、マイクロバブルは１０μｍ〜数十μｍの直径を有する気泡であり、マイクロナノバブルは数百ｎｍ〜１０μｍの直径を有する気泡であり、ナノバブルは数百ｎｍ以下の直径を有する気泡である。

貯留部３は、液体を貯留する容器であり、気液混合液が流れる液体貯留流路となるパイプなどの配管３ａにより気液混合器４に接続されており、気液混合器４から配管３ａを介して供給された気液混合液を貯留する。また、貯留部３は、貯留した気液混合液が流れる液体供給流路となるパイプなどの配管３ｂにより処理部２に接続されており、貯留した気液混合液を配管３ｂを介して処理部２に供給する。

気液混合器４は、ベンチュリ管４ａと、そのベンチュリ管４ａ内に液体を流入させる液体流入部４ｂと、ベンチュリ管４ａ内に気体を流入させる気体流入部４ｃと、ベンチュリ管４ａを通過した気液混合液を流出させる気液流出部４ｄとを備えている。この気液混合器４は、液体流入部４ｂによりベンチュリ管４ａ内に流入した液体に、気体流入部４ｃによりベンチュリ管４ａ内に流入した気体を混合して気液混合液を生成し、気液流出部４ｄから貯留部３に供給する（詳しくは、後述する）。

液体供給部５は、液体が流れる液体供給流路となるパイプなどの配管５ａによりベンチュリ管４ａの液体流入部４ｂに接続されている。この液体供給部５は、純水（ＤＩＷ）などの液体を貯留しており、その貯留した液体をポンプなどの送液力により気液混合器４に配管５ａを介して供給する。なお、液体供給部５は、ポンプに加え、開閉弁や圧力レギュレータなどを有しており、所定の圧力及び流量で液体を供給可能に形成されている。

気体供給部６は、気体（ガス）が流れる気体供給流路となる配管６ａにより気液混合器４の気体流入部４ｃに接続されている。この気体供給部６は、気体を貯留しており、その貯留した気体を気液混合器４に配管６ａを介して気体を供給する。なお、気体供給部６は、開閉弁や圧力レギュレータなどを有しており、所定の圧力及び流量で気体を供給可能に形成されている。圧力や流量は、所望量の気体が液体中に混合するようにあらかじめ設定されている。また、気体としては、例えば、空気、あるいは、窒素（Ｎ_２）などの不活性ガス、酸素（Ｏ_２）などの酸化性ガスなど、各種のガスを用いることが可能である。

次に、気液混合器４について詳しく説明する。

図２に示すように、ベンチュリ管４ａは、部分的に細くなる絞り部１１を有している。すなわち、ベンチュリ管４ａ内の流路は、液体流入側から管内部に向かって徐々に細くなっていき、最も細い絞り部１１となり、その後、絞り部１１から液体流出側に向けて徐々に広がっていく。このベンチュリ管４ａは、その内部の流路を通過する液体中に、絞り部１１による減圧効果（ベンチュリー効果）により気体を混合して気液混合液を生成する。

液体流入部４ｂは、図２及び図３に示すように、液体が流入する液体流入路２１と、その液体流入路２１とベンチュリ管４ａ内の流路とをつなぐ通液流路２２とを有している。この液体流入部４ｂは、液体流入路２１から流入した液体を通液流路２２内で旋回させてベンチュリ管４ａ内の流路に流入させる。なお、液体流入路２１の一端の開口が気液混合器４の液体流入口Ｈ１として機能し、この液体流入口Ｈ１に配管５ａが接続されている（図１参照）。

液体流入路２１は、通液流路２２内を流れる液体がその通液流路２２の内壁面に沿う方向に旋回しながら通液流路２２の延伸方向に進行するように通液流路２２に接続されている。図３においては、液体の旋回方向を時計回りとするため、通液流路２２の右端側の上部にその通液流路２２に直交させて液体流入路２１を接続しているが、これに限るものではなく、例えば、液体の旋回方向を反時計周りにする場合には、通液流路２２の左端側の上部にその通液流路２２に直交させて液体流入路２１を接続しても良い。ただし、必ずしも液体流入路２１を通液流路２２に直交させる必要は無く、液体流入路２１は通液流路２２に対して斜めになっていても良い。

気体流入部４ｃは、図２及び図４に示すように、気体が流入する気体流入路３１と、絞り部１１が環内を通過する環状の気体流路３２と、その環状の気体流路３２と絞り部１１とを個別に接続する複数本（図２及び図４中では、二本）の直線状の気体流路３３とを有している。この気体流入部４ｃは、気体流入路３１から流入した気体を各気体流路３２、３３により、絞り部１１内を旋回して流れる液体の旋回方向に合わせてその絞り部１１内に流入させる。なお、気体流入路３１の一端の開口が気液混合器４の気体流入口Ｈ２として機能し、この気体流入口Ｈ２に配管６ａが接続されている（図１参照）。

環状の気体流路３２は、絞り部１１が環内を通過するように、例えば、絞り部１１が環内の中心を通過するように設けられている。さらに、直線状の各気体流路３３は、絞り部１１に流入した気体が、絞り部１１内を旋回して流れる液体と同じ方向に旋回するように絞り部１１にそれぞれ接続されている。これらの気体流路３３は絞り部１１の周方向に並ぶように配置されている。

図４においては、二本の気体流路３３が存在しており、前述の液体の旋回方向に合わせて気体の旋回方向を時計回りとするため、絞り部１１の右端側の上部にその絞り部１１の延伸方向に直交させて第１の気体流路３３を接続し、さらに、絞り部１１の左端側の下部にその絞り部１１の延伸方向に直交させて第２の気体流路３３を接続している。ただし、これに限るものではなく、例えば、気体の旋回方向を反時計周りにする場合には、絞り部１１の右端側の下部にその絞り部１１の延伸方向に直交させて第１の気体流路３３を接続し、さらに、絞り部１１の左端側の上部にその絞り部１１の延伸方向に直交させて第２の気体流路３３を接続しても良い。なお、必ずしも気体流路３３を絞り部１１の延伸方向に直交させる必要は無く、気体流路３３は絞り部１１の延伸方向に対して斜めになっていても良い。

特に、二本の気体流路３３は、絞り部１１との接続箇所である開口部分が絞り部１１の中心を間にして互いに対向するように絞り部１１に接続されており、絞り部１１には二つの開口部分から同時に気体が供給される。このとき、二本の気体流路３３には、環状の気体流路３２から気体が流入する（図４中の矢印参照）。なお、本実施形態では、二本の気体流路３３が設けられているが、その数は限定されるものではない。

気液流出部４ｄは、図２及び図５に示すように、気液混合液が流出する気液流出路４１と、その気液流出路４１とベンチュリ管４ａ内の流路とをつなぐ通液流路４２とを有している。この気液流出部４ｄは、通液流路４２内を旋回して進む気液混合液を気液流出路４１から気液混合器４外にスムーズに流出させる。なお、気液流出路４１の一端の開口が気液流出口Ｈ３として機能し、この気液流出口Ｈ３に配管３ａが接続されている（図１参照）。

気液流出路４１は、通液流路４２内を旋回して流れる液体が通液流路４２の内壁面に沿って流出するように通液流路４２に接続されている。図５においては、液体の旋回方向が時計回りであるため、通液流路４２の左端側の上部にその通液流路４２に直交させて気液流出路４１を接続しているが、これに限るものではなく、例えば、液体の旋回方向が反時計周りである場合には、通液流路４２の右端側の上部にその通液流路４２に直交させて気液流出路４１を接続しても良い。ただし、必ずしも気液流出路４１を通液流路４２に直交させる必要は無く、気液流出路４１は通液流路４２に対して斜めになっていても良い。

このような構成の処理装置１において、液体が液体供給部５により配管５ａを介して気液混合器４に供給されると、その液体は気液混合器４の液体流入部４ｂに流れ込む。液体流入部４ｂに流れ込んだ液体は、その液体流入部４ｂの液体流入路２１を通過し、その後、液体流入路２１につながる通液流路２２を旋回しながら流れ、ベンチュリ管４ａに流れ込む。流れ込んだ液体はベンチュリ管４ａ内を旋回しながら流れ、絞り部１１に到達する。

また、気体が気体供給部６により配管６ａを介して気液混合器４に供給されると、その気体は気液混合器４の気体流入部４ｃに流れ込む。気体流入部４ｃに流れ込んだ気体は、その気体流入部４ｃの気体流入路３１を通過し、その気体流入路３１につながる環状の気体流路３２を流れ、さらに、その環状の気体流路３２につながる直線状の各気体流路３３を流れて絞り部１１に到達する。

絞り部１１に到達した気体は、絞り部１１内を旋回しながら流れる液体に供給され、その液体と同じ方向に旋回しつつ液体に混合される。このとき、気体は絞り部１１による減圧効果により液中に混合され、さらに、液体中の混合気泡は旋回によるキャビテーションによって細かく分断されながら液体と共にベンチュリ管４ａ内を流れていく。この混合気泡を含む液体（気体が溶存した液体）が気液混合液として気液流出部４ｄに到達する。

気液流出部４ｄに到達した気液混合液は、気液流出部４ｄの通液流路４２を旋回しながら流れ、その通液流路４２につながる気液流出路４１を通過し、配管３ａを介して貯留部３に流れ込む。流れ込んだ気液混合液は貯留部３により貯留される。その後、処理部２は、貯留部３から配管３ｂを介して供給された気液混合液を微小気泡発生部材に通し、その液中に多量の微小気泡を発生させ、その多量の微小気泡を含む液体を用いて処理対象物の表面を処理する。

このような処理動作では、液体が液体流入部４ｂにより旋回されてベンチュリ管４ａに流入し、その旋回流がベンチュリ管４ａ内を通過する。このとき、絞り部１１を通過する液体中の溶存気体は、その絞り部１１により減圧され、その後の圧力開放により気化され、液体中に多量の気泡（ガスバブル）が生成される。その後、液中の気泡は旋回流によってより細かく分断される。特に、液体と気体とが同方向に旋回するため、旋回流が乱れず、その旋回によるキャビテーションが発生しやすくなり、気泡がより細分化される。したがって、前述のように、旋回する液体に同じ方向に旋回するように気体を供給して混合することによって、旋回によるキャビテーションを積極的に発生させ、混合気泡を細かく分断すること可能であり、分断効率を高くすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、気体流入部４ｃを用いて、ベンチュリ管４ａ内を旋回して流れる液体の旋回方向に合わせて絞り部１１内に気体を流入させる。これにより、液体及び気体を同方向に旋回させて旋回流の乱れを抑止し、その旋回によるキャビテーションを積極的に発生させることによって、絞り部１１の減圧効果により生じた気泡を細かく分断することが可能となるので、液体に対する気体の溶解効率を向上させることができる。その結果、液体に対する気体の溶解量を向上させて微小気泡の発生量を所望量とすることが可能となり、例えば洗浄処理やレジスト除去処理など、十分な処理性能を得ることができる。

また、気体流入部４ｃは、絞り部１１が環内を通過する環状の気体流路３２と、その環状の気体流路３２と絞り部１１とを個別に接続する複数の直線状の気体流路３３とを有している。これにより、液体の旋回方向に合わせて容易にかつ確実に絞り部１１に気体を供給することができる。さらに、気体流入口Ｈ２だけに配管６ａを接続すれば、接続作業が完了するため、取り付けやメンテナンスなどの作業性を向上させることができる。加えて、気体流路３３を複数本設け、絞り部１１に対して複数の箇所から気体を流入させることによって、その本数が一本である場合に比べ、単位時間当たりの気体供給量を増加させることが可能となり、液体に対する気体の溶解効率をより向上させることができる。

なお、前述の実施の形態においては、各気体流路３３を絞り部１１の周方向に並ぶように配置しているが、これに限るものではなく、例えば、図６に示すように、絞り部１１の周方向に加え、絞り部１１の延伸方向に並ぶように配置しても良い。これにより、各気体流路３３は、絞り部１１内を流れる液体の進行方向にも並ぶことになる。この場合には、図２に示す気液混合器４に比べ、単位時間当たりの気体供給量を増加させることが可能となるので、液体に対する気体の溶解効率をさらに向上させることができる。

ただし、ベンチュリ管４ａの延伸長さによっては、絞り部１１の延伸長さ（図６中の横幅）が短くなることもあり、この場合には、各気体流路３３が絞り部１１の周方向に並んでいる方がベンチュリ管４ａの小型化に対応することが可能である。すなわち、各気体流路３３を絞り部１１の周方向に並べて配置することで、絞り部１１の延伸長さを短く、すなわちベンチュリ管４ａの延伸長さを短くすること可能となるので、各気体流路３３を絞り部１１の延伸方向に並べた場合に比べ、ベンチュリ管４ａの小型化を実現することができる。

また、前述の実施の形態においては、通液流路２２内を流れる液体がその通液流路２２の内壁面に沿う方向に旋回しながら通液流路２２の延伸方向に進行するように通液流路２２に液体流入路２１を接続しているが、これに限るものではなく、液体は絞り部１１に到達した時点で旋回していれば良いため、例えば、通液流路２２内に、液体を旋回させるスクリューやプロペラなどの旋回部材を設けても良い。

また、前述の実施の形態においては、処理部２として基板処理装置を例に説明しているが、これに限るものではなく、その基板処理装置にかえて加工装置や浄化装置（例えば、背景技術に記載したような加工装置や浄化装置）を用いても良い。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

４ 気液混合器
４ａ ベンチュリ管
４ｂ 液体流入部
４ｃ 気体流入部
３２ 気体流路
３３ 気体流路

Claims (7)

1. 絞り部を有するベンチュリ管と、
   前記ベンチュリ管内を旋回して流れる液体の旋回方向に合わせて前記絞り部内に気体を流入させる気体流入部と、
   を備えることを特徴とする気液混合器。
2. 前記気体流入部は、
   前記絞り部が環内を通過する環状の気体流路と、
   前記環状の気体流路と前記絞り部とを個別に接続する複数の直線状の気体流路と、
   を有していることを特徴とする請求項１記載の気液混合器。
3. 前記複数の気体流路は、前記絞り部の周方向に並んでいることを特徴とする請求項２記載の気液混合器。
4. 前記複数の気体流路は、前記絞り部の延伸方向に並んでいることを特徴とする請求項２又は３記載の気液混合器。
5. 前記ベンチュリ管内に液体を旋回させて流入させる液体流入部を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一に記載の気液混合器。
6. 絞り部を有するベンチュリ管内に液体を旋回させて流入させる工程と、
   前記ベンチュリ管内を旋回して流れる液体の旋回方向に合わせて前記絞り部内に気体を流入させる工程と、
   を有することを特徴とする気液混合方法。
7. 前記絞り部に対して複数の箇所から前記気体を流入させることを特徴とする請求項６記載の気液混合方法。

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