JP2020051348A

JP2020051348A - 往復動ポンプ

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Publication number: JP2020051348A
Application number: JP2018182025A
Authority: JP
Inventors: 茂良松尾; Shigeyoshi Matsuo; 裕之田辺; Hiroyuki Tanabe; 源浩田中; Motohiro Tanaka
Original assignee: Iwaki Co Ltd
Current assignee: Iwaki Co Ltd
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-02
Also published as: CN209687696U; CN110953146A; KR20200035810A; US20200102948A1

Abstract

【課題】吐出時に吐出量のリニアリティを確保しつつ、吸込時に負圧やスプリングバックによるダイヤフラムの負荷を発生させることなく、より少ない作動エアで低速動作させる。【解決手段】往復動ポンプは、内部空間を有するポンプヘッドと、ポンプヘッドの内部空間を、移送流体が導入されるポンプ室及び作動エアが導入される作動室に仕切るダイヤフラムと、ダイヤフラムに連結された往復動部材を有し往復動部材を作動エアによって少なくともダイヤフラムが後退する向きに駆動可能な駆動手段と、作動エアを作動室に導入し、ダイヤフラムを前進させてポンプ室から移送流体を吐出させ、作動エアを駆動手段に供給し、往復動部材を駆動してダイヤフラムを後退させてポンプ室へ移送流体を吸入させる作動エア切替手段とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、往復動ポンプに関する。

ダイヤフラムを往復動させる往復動ポンプが知られている。例えば、半導体ウェハの露光工程の前段階において、ウェハ上面にスピンコート法によりレジストを塗布する際に用いられるレジストポンプ等がその一例である（例えば、特許文献１参照）。このレジストポンプは、気泡の発生を防止するためにノズルにレジストを一定の流速で送液するポンプと比べて、レジストの吐出量を大きくしている。

特開２００６−３５２００２号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたレジストポンプは、レジスト室（ポンプ室）の容積を可変させるダイヤフラムを、エアシリンダによって一定量前進・後退させることにより変位させてレジストを送液している。このタイプの往復動ポンプの場合、ダイヤフラムの中心部のみを前進及び後退させるので、吐出圧力や液の粘度で決まる負荷の影響により、ダイヤフラムの外周部が変形し、ダイヤフラムの中心部のストローク長と吐出量又は容積変化量との間のリニアリティを確保することができない。このため、一定量又は一定圧の液を吐出するために、複雑な制御又は構造が必要になる。

一方、エアシリンダを用いずに、ダイヤフラムをエアで直接駆動することも考えられるが、この場合には、吸込工程で負圧を発生させるための装置が必要になる。エゼクタを使用した場合、吸込動作中にエアを排気し続けなくてはならないため、エアの消費量が増加する。また、スプリングバック方式によりダイヤフラムを常時一方の向きに付勢した場合、ダイヤフラムの表裏で差圧が発生するため、ダイヤフラムの強度が必要になるという問題があった。また、スプリングバック方式の場合は、吸引時間（吸引力）の調整ができないため、低速動作が困難であり、移送液が発泡したり、吸引ができないという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ダイヤフラムを、移送流体の吐出時に作動エアで直接駆動し、吸込時に駆動手段を介して間接的に駆動することで、吐出時に吐出圧一定（吐出量のリニアリティ）を確保しつつ、吸込時に負圧やスプリングバックによるダイヤフラムの負荷を発生させることなく、より少ない作動エアで低速動作させることができる往復動ポンプを提供することを目的とする。

本発明に係る往復動ポンプは、内部空間を有するポンプヘッドと、前記ポンプヘッドの内部空間を、移送流体が導入されるポンプ室及び作動エアが導入される作動室に仕切るダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに連結された往復動部材を有し前記往復動部材を前記作動エアによって少なくとも前記ダイヤフラムが後退する向きに駆動可能な駆動手段と、前記作動エアを前記作動室に導入し、前記ダイヤフラムを前進させて前記ポンプ室から前記移送流体を吐出させ、前記作動エアを前記駆動手段に供給し、前記往復動部材を駆動して前記ダイヤフラムを後退させて前記ポンプ室へ前記移送流体を吸入させる作動エア切替手段とを備えたことを特徴とする。

本発明の一実施形態において、前記ポンプヘッドは、前記作動室に連通する第１の通気口を有し、前記駆動手段は、前記作動エアを導入及び排出する第２の通気口を有し、前記作動エア切替手段は、エア供給源から前記第１の通気口に前記作動エアを供給し、前記第１の通気口から前記作動エアを排出する第１の作動弁と、前記エア供給源から前記第２の通気口に前記作動エアを供給し、前記第２の通気口から前記作動エアを排出する第２の作動弁とを含む。

本発明の他の実施形態において、前記ポンプヘッドは、前記移送流体を前記ポンプ室に導入する吸込口と、前記ポンプ室から前記移送流体を吐出する吐出口と、前記ポンプ室内のガスを排出する排出口とを備え、前記吸込口の上流に設けられた吸込弁と、前記吐出口の下流に設けられた吐出弁と、前記排出口の下流に設けられた排出弁とを更に備える。

本発明の更に他の実施形態において、前記第１の作動弁、前記第２の作動弁、前記吸込弁、前記吐出弁及び前記排出弁の動作を制御する制御部を更に備え、前記制御部は、前記第１の作動弁を開状態にするタイミングより遅く、前記吐出弁及び前記排出弁の少なくとも一方を開状態にする。

本発明の更に他の実施形態において、前記制御部は、前記吸込弁を閉状態にするタイミングより遅く、前記第２の作動弁を閉状態にする。

本発明の更に他の実施形態において、前記駆動手段は、エアシリンダである。

本発明によれば、吐出時に吐出量のリニアリティを確保しつつ、吸込時に負圧やスプリングバックによるダイヤフラムの負荷を発生させることなく、より少ない作動エアで低速動作させることができる。

本発明の一実施形態に係る往復動ポンプを用いた送液システムの全体構成を概略的に示す説明図である。同送液システムの全体構成を概略的に示す説明図である。同送液システムにおける往復動ポンプの動作を示すタイムチャートである。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態に係る往復動ポンプを詳細に説明する。ただし、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

［送液システムの構成］
図１及び図２に示すように、送液システム１００は、本実施形態に係る往復動ポンプとしての定量ポンプ１と、この定量ポンプ１の全体の動作を制御する制御部１０とを備える。定量ポンプ１は、ポンプヘッド２と、このポンプヘッド２の背面側に取り付けられた駆動手段としてのエアシリンダ３とを有する。

本実施形態の定量ポンプ１は、例えば移送流体として、半導体ウェハ４９の上面に塗布するレジストＲを送液するが、これに限定されるものではない。なお、図１はレジストＲの吐出時の各部の様子を示し、図２はレジストＲの吸込時の各部の様子を示したものである。

ポンプヘッド２は、ポンプ基台１ａ上に配置され、内部に内部空間２ａを有する。内部空間２ａには、ダイヤフラム４が配置される。ダイヤフラム４は、ゴムやエラストマー等の弾性部材からなり、ポンプヘッド２の内部空間２ａを、レジストＲが導入されるポンプ室５及び作動エアが導入される作動室６に仕切っている。ポンプヘッド２の前面側には、ヘッドカバー７がボルト８によって取り付けられ、このヘッドカバー７を介して吐出口２６、排出口２７及び吸込口２８が設けられている。

吸込口２８は、第３電磁弁（ＳＶ３）１３からのエアにより駆動されるエア作動弁（吸込弁）１７を介して、例えばレジストボトル４８内に貯留されたレジストＲをポンプ室５内に導入する。吐出口２６は、ポンプ室５に導入されたレジストＲを、第１電磁弁（ＳＶ１）１１からのエアにより駆動されるエア作動弁（吐出弁）１６を介して、ノズル４６に向けて吐出する。

また、排出口２７は、レジストＲ中に発生した気泡やポンプ室５内の気泡などのガスを、第２電磁弁１２からのエアにより駆動されるエア作動弁（排出弁）１８を介して、外部に排出する。なお、第１〜第３電磁弁１１〜１３は、それぞれ圧力調整弁２１を介してエア供給源９に接続されている。

一方、エアシリンダ３は、中央部に、ポンプヘッド２の前後方向にシールブッシュ３ｃを介して気密に摺動自在な棒状のピストンロッド３ａを有する。このピストンロッド３ａの基端側には、上下端部にそれぞれ遮蔽板２９ａ，２９ｂが備えられた可動ブラケット２９が装着されている。この可動ブラケット２９は、ピストンロッド３ａの前後方向への移動に連動して前後方向へ移動する。ピストンロッド３ａの先端側は、ダイヤフラム４の中央部にボルト３ｂによって取り付けられている。

なお、ポンプヘッド２の背面側には、ピストンロッド３ａが後方へ移動した際に、遮蔽板２９ａが到達する位置辺りに設置されたフォトセンサ（Ｓ１）３０ａと、ピストンロッド３ａが前方へ移動した際に、遮蔽板２９ｂが到達する位置辺りに設置されたフォトセンサ（Ｓ２）３０ｂとが備えられている。

また、ポンプヘッド２の背面側の上部には、作動エアを圧力調整弁２２、第１の作動弁である第４電磁弁（ＳＶ４）１４及びスピードコントローラ２４を介して、作動室６に導入及び排気するための通気口３１が設けられている。この通気口３１は、例えば作動室６の上端近傍に通じるように、作動室６に向けて斜め下方に傾斜する通気路３１ａを介して作動室６に接続されている。

また、エアシリンダ３の下部には、作動エアを圧力調整弁２３、第２の作動弁である第５電磁弁（ＳＶ５）１５及びスピードコントローラ２５を介して、シリンダ内に導入及び排気するための通気口３２が設けられている。なお、各圧力調整弁２２，２３は、それぞれエア供給源９に接続されている。また、エアシリンダ３の内部には、ピストンロッド３ａの基端側と接続されて、通気口３２からの作動エアの導入によってピストンロッド３ａを後退させる図示しない機構が設けられている。なお、第４電磁弁１４と第５電磁弁１５とは、作動エアを切り替える作動エア切替手段を構成する。

このように構成された定量ポンプ１を用いた送液システム１００は、制御部１０からの制御により、レジストＲの吐出動作時には作動室６に作動エアを供給することによって、ダイヤフラム４を直接作動エアで前方側に変位させる。一方、レジストＲの吸込動作時にはエアシリンダ３によりピストンロッド３ａを後方へ移動させることによって、ダイヤフラム４を原点位置に復帰させる（ダイヤフラム４を後方側へ引き戻す）。

従って、吐出時には、一定圧で吐出（作動エアの導入量とレジストＲの吐出量との間にリニアリティを確保）することができる。また、吸込時には負圧を発生させることなく、エアシリンダ３への少量の作動エアで低速動作が可能となる。そして、吐出時はダイヤフラム４全体に均等圧をかけることで、吸込時はエアシリンダ３を用いているので、スプリングバックによるダイヤフラム４の負荷も発生することはなく、ダイヤフラム４の耐久性を向上させることができる。

［定量ポンプの動作］
次に、送液システム１００における定量ポンプ１の動作について説明する。
なお、以下の説明においては、レジストＲが既にポンプ室５内に充填された上で、ダイヤフラム４が原点位置にある待機状態（図２に示す状態）から１サイクルの動作を開始する。

図３に示すように、待機状態において、制御部１０にスタート信号が入力される（スタート信号入力ＯＮ）と、制御部１０は、第４電磁弁１４をＯＮにして（ＳＶ４がＯＮ）、所定時間ｔ０遅れて第１電磁弁１１又は第２電磁弁１２をＯＮにする（ＳＶ１がＯＮ（又はＳＶ２がＯＮ））。これにより、吐出動作又はガス抜き動作が開始される。なお、通常の吐出動作時は第１電磁弁１１をＯＮにする（ＳＶ１がＯＮ）が、ガス抜き動作時は第２電磁弁１２をＯＮにする（ＳＶ２がＯＮ）。

第４電磁弁１４がＯＮになると、エア供給源９から圧力調整弁２２を介して第４電磁弁１４に供給された作動エアが、スピードコントローラ２４によって流量調節された上で、通気口３１から作動室６内に供給される。一方、エアシリンダ３内の作動エアは、通気口３２、スピードコントローラ２５を介して第５電磁弁１５から排気される。これにより、ダイヤフラム４は、ポンプ室５側へ膨張して変位する。

また、吐出動作時に第１電磁弁１１がＯＮになると、エア供給源９から圧力調整弁２１を介して第１電磁弁１１に供給されたエアが、エア作動弁１６をＯＮにして吐出口２６とノズル４６との間を開通する。更に、ガス抜き動作時に第２電磁弁１２がＯＮになると、エア供給源９から圧力調整弁２１を介して第２電磁弁１２に供給されたエアが、エア作動弁１８をＯＮにして排出口２７を開状態にする。

これにより、吐出動作時には、ダイヤフラム４がポンプ室５内へ変位した体積分のレジストＲが、ポンプ室５から吐出口２６、エア作動弁１６及びノズル４６を通って、半導体ウェハ４９の上面に吐出（塗布）される。また、ガス抜き動作時には、ダイヤフラム４がポンプ室５内へ変位した体積分のガスやレジストＲが、ポンプ室５から排出口２７及びエア作動弁１８を通って外部に排出される。

なお、通常の吐出動作時に、第４電磁弁１４のＯＮタイミングに対して第１電磁弁１１のＯＮタイミングを、例えばｔ０の所定時間分遅らせることによって、レジストＲの定速吐出を実現することができる。また、ガス抜き動作時に、第４電磁弁１４のＯＮタイミングに対して第２電磁弁１２のＯＮタイミングを、上記と同様にｔ０の所定時間分遅らせることによって、ガスの抜け性を向上させることができる。

そして、吐出動作又はガス抜き動作中において、エアシリンダ３のピストンロッド３ａに取り付けられた可動ブラケット２９の遮蔽板２９ｂが、フォトセンサ３０ｂにより検知された（Ｓ２がＯＮ）タイミング（遮蔽板２９ｂがフォトセンサ３０ｂを通るタイミング）で、制御部１０は、第１電磁弁１１（又は第２電磁弁１２）及び第４電磁弁１４をＯＦＦにする（ＳＶ１がＯＦＦ（又はＳＶ２がＯＦＦ）及びＳＶ４がＯＦＦ）。

第１電磁弁１１がＯＦＦになると、エア作動弁１６に供給されていたエアが停止されるので、エア作動弁１６がＯＦＦになり吐出口２６とノズル４６との間が閉塞される。また、第２電磁弁１２がＯＦＦになると、エア作動弁１８に供給されていたエアが停止されるので、エア作動弁１８がＯＦＦになり排出口２７が閉状態になる。

更に、第４電磁弁１４がＯＦＦになると、エア供給源９から圧力調整弁２２を介して第４電磁弁１４に供給された作動エアが停止されるので、作動室６内から作動エアが通気口３１及びスピードコントローラ２４を介して第４電磁弁１４から排気され得る状態となる。

これにより、ダイヤフラム４は、ポンプ室５側へ最も膨張した状態で停止する。なお、遮蔽板２９ｂがフォトセンサ３０ｂにより検知されなくても、制御部１０において、予め検知信号の入力時間（例えば、吐出動作開始からの時間など）を設定することにより、ダイヤフラム４を任意に停止させることも可能である。このように入力時間を調整することによって、レジストＲの吐出量を調整することが可能である。

その後、ダイヤフラム４が所定時間ｔ１停止した後、制御部１０は、第３電磁弁１３及び第５電磁弁１５をＯＮにする（ＳＶ３がＯＮ及びＳＶ５がＯＮ）。これにより、吸込動作が開始される。吸込動作時に第３電磁弁１３がＯＮになると、エア供給源９から圧力調整弁２１を介して第３電磁弁１３に供給されたエアが、エア作動弁１７をＯＮにして吸込口２８とレジストボトル４８との間を開通する。

また、吸込動作時に第５電磁弁１５がＯＮになると、エア供給源９から圧力調整弁２３を介して第５電磁弁１５に供給された作動エアが、スピードコントローラ２５によって流量調節された上で、通気口３２からエアシリンダ３内に供給される。一方、作動室６内の作動エアは、通気口３１、スピードコントローラ２４を介して第４電磁弁１４から排気される。これにより、ピストンロッド３ａが後方側へ移動して、ダイヤフラム４は作動室６側に引き戻される。これにより、吸込動作時には、ダイヤフラム４が作動室６側へ戻った体積分のレジストＲが、レジストボトル４８からエア作動弁１７及び吸込口２８を通って、ポンプ室５内へ導入される。

そして、吸込動作中において、エアシリンダ３のピストンロッド３ａに取り付けられた可動ブラケット２９の遮蔽板２９ａが、フォトセンサ３０ａにより検知された（Ｓ１がＯＮ）タイミング（遮蔽板２９ａがフォトセンサ３０ａを通るタイミング）で、制御部１０は、第３電磁弁１３をＯＦＦにした（ＳＶ３がＯＦＦ）後、所定時間ｔ２遅れて第５電磁弁１５をＯＦＦにして（ＳＶ５がＯＦＦ）、再度待機状態となる。

なお、第５電磁弁１５のＯＦＦタイミングを第３電磁弁１３のＯＦＦタイミングに対して所定時間ｔ２だけ遅らせることによって、ダイヤフラム４の復元力により原点位置が前方側にずれてしまうことを防止することができる。仮に、第５電磁弁１５のＯＦＦタイミングを第３電磁弁１３のＯＦＦタイミングと同時か、或いはそれよりも前とした場合は、ダイヤフラム４の原点位置の前方側へのずれが発生してしまうこととなる。以上のようにして、定量ポンプ１は１サイクルの動作を完了する。

なお、上述した所定時間ｔ０〜ｔ２は任意に設定できる時間である。また、上述した定量ポンプ１の吐出動作及び吸込動作において、制御部１０は、圧力制御弁２１〜２３における供給エアの圧力調整、及びスピードコントローラ２４，２５における供給エアの流量調整を行って、定量ポンプ１の吐出速度（ｍＬ／ｓ）及び吸込速度（ｍＬ／ｓ）を適宜変更し得る。

以上、本発明の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。この新規な実施形態は、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。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

１定量ポンプ
２ポンプヘッド
２ａ内部空間
３エアシリンダ
３ａピストンロッド
４ダイヤフラム
５ポンプ室
６作動室
７ヘッドカバー
９エア供給源
１０制御部
１１第１電磁弁（ＳＶ１）
１２第２電磁弁（ＳＶ２）
１３第３電磁弁（ＳＶ３）
１４第４電磁弁（ＳＶ４）
１５第５電磁弁（ＳＶ５）
１６〜１８エア作動弁
２１〜２３圧力調整弁
２４，２５スピードコントローラ
２６吐出口
２７排出口
２８吸込口
３１，３２通気口
１００送液システム

Claims

内部空間を有するポンプヘッドと、
前記ポンプヘッドの内部空間を、移送流体が導入されるポンプ室及び作動エアが導入される作動室に仕切るダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムに連結された往復動部材を有し前記往復動部材を前記作動エアによって少なくとも前記ダイヤフラムが後退する向きに駆動可能な駆動手段と、
前記作動エアを前記作動室に導入し、前記ダイヤフラムを前進させて前記ポンプ室から前記移送流体を吐出させ、前記作動エアを前記駆動手段に供給し、前記往復動部材を駆動して前記ダイヤフラムを後退させて前記ポンプ室へ前記移送流体を吸入させる作動エア切替手段と
を備えたことを特徴とする往復動ポンプ。
前記ポンプヘッドは、前記作動室に連通する第１の通気口を有し、
前記駆動手段は、前記作動エアを導入及び排出する第２の通気口を有し、
前記作動エア切替手段は、エア供給源から前記第１の通気口に前記作動エアを供給し、前記第１の通気口から前記作動エアを排出する第１の作動弁と、前記エア供給源から前記第２の通気口に前記作動エアを供給し、前記第２の通気口から前記作動エアを排出する第２の作動弁とを含む
ことを特徴とする請求項１記載の往復動ポンプ。
前記ポンプヘッドは、
前記移送流体を前記ポンプ室に導入する吸込口と、
前記ポンプ室から前記移送流体を吐出する吐出口と、
前記ポンプ室内のガスを排出する排出口と
を備え、
前記吸込口の上流に設けられた吸込弁と、
前記吐出口の下流に設けられた吐出弁と、
前記排出口の下流に設けられた排出弁と
を更に備えた
ことを特徴とする請求項２記載の往復動ポンプ。
前記第１の作動弁、前記第２の作動弁、前記吸込弁、前記吐出弁及び前記排出弁の動作を制御する制御部を更に備え、
前記制御部は、
前記第１の作動弁を開状態にするタイミングより遅く、前記吐出弁及び前記排出弁の少なくとも一方を開状態にする
ことを特徴とする請求項３記載の往復動ポンプ。
前記制御部は、
前記吸込弁を閉状態にするタイミングより遅く、前記第２の作動弁を閉状態にする
ことを特徴とする請求項４記載の往復動ポンプ。
前記駆動手段は、エアシリンダである
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の往復動ポンプ。