JP4467762B2

JP4467762B2 - 流体定量供給装置

Info

Publication number: JP4467762B2
Application number: JP2000344829A
Authority: JP
Inventors: 貫仁佐藤
Original assignee: 佐藤樹脂工業株式会社
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2000-11-13
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2020-11-13
Also published as: JP2002151458A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造における洗浄処理のように、所定の薬液を定量供給して処理する際に好適に使用される流体定量供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体製造における洗浄工程では、処理槽に各種の洗浄液を供給して洗浄を行うが、これらの洗浄液は用途に応じて酸性やアルカリ性等の各種の薬液を所定の割合で混合して供給しなければならない。従来これらの薬液の供給システムとして用いられているものは、例えば図８に示すように、処理槽（１）、循環タンク（２）、ポンプ（３）、フィルタ−（４）、エア抜きバルブ（５）、各種の制御バルブ（６）等を有し、流量を管フロ−メ−タ−（７）、液面スイッチ（８）、レベルセンサ−（９）、液ありセンサ−(10)等で制御するようにした循環式システムや、高所に設けた秤量槽(11)、秤量ビン等の計量部に流体を溜めて流量を計測し、底部から自然流を抜き取り超音波流量計(12)を経て処理槽（１）に薬液を定量供給するようにした秤量式供給システム（図９）、薬液が入ったボトルをＮ_２圧やポンプで加圧し、液面スイッチ（８）や各種バルブの調整により制御するようにしたボトル交換式システム（図１０）等が知られている。
【０００３】
上記各システムは、上述したように供給源からの流体（薬液）の流量を上記各種センサ−、秤量槽、超音波流量計等で測定し、測定値に基づきポンプ、バルブ等の制御部を電気的操作や手動操作で制御することにより流量制御しているが、正確に制御するには種々の問題があり、特に供給量の変更がむずかしく、簡単に変更できるようにした実用的な装置は提供されていない。
【０００４】
例えば、上記システムに用いられている管式フロ−メ−タ−による制御は、連続して流れる流体の流量をバルブなどで調整し管式フロ−メ−タ−のフロ−トを目視設定したり、電気制御により設定しているが、流れが脈動するとフロ−トが上下動して正しく計測できないし、流体内に気泡が連続的に混入するとフロ−トが降下して計測できなくなることがある。
【０００５】
タンクやボトルの外部に上限センサ−と下限センサ−を取り付けたり、内部にフロ−トセンサ−を取り付けたり、配管の途中やタンクの中程に液の有無を検知する液ありセンサ−を取り付けたり、種々のセンサ−を取り付けて制御する方法では、タンク等の内部に脈動が発生したり、気泡が発生すると誤動作をひき起こすことがある。
【０００６】
その他、電磁式バルブ、エアオペレイトバルブ、電磁式の定量ポンプ、秤量槽、エア若しくはＮ_２による圧送、液面レベルスイッチ等の種々の方法も、気泡と脈動の影響をうけて正しく計測することができなかったり、供給量を簡単に変更することができないものが多い。また、秤量槽等は高所に設置しなければならないので、地震等の災害時に危険でもあった。
【０００７】
一方、検出部に流れる流速を超音波センサ−で測定し、これに基づいて流量をパルス数でカウント表示するようにした超音波流量計が知られている。この流量計を用いた定量供給方式は、設定値のカウント数を変更することにより、供給量を容易に変更でき、薬液混合比の自動設定が簡単にできるという利点がある。しかし、超音波センサ−は、管内を流れる流体に対して一側から超音波を発信し、他側で受信して流速を測定するという構成であるから、流体中に気泡が存在していると正しく計測することはむずかしい。
【０００８】
実際に洗浄等に使用するアンモニアや過酸化水素等の薬液は温度の上昇とともに気泡が多く発生する。また、薬液キャニスタ−の交換、ダイヤフラムポンプの駆動、配管の曲り部、継手の段差部等によっても気泡が発生する。そのような現状のため、上記超音波流量計を半導体製造における薬液供給に実際に使用しようとしても、現実的には使用することがむずかしかった。
【０００９】
一方、流体中に含まれている気泡を除去するための各種の気泡除去装置が知られており、これらを併用することも考えられるが、従来の装置は全体が大型化していたり、小流量の作業ができなかったり、脈動を除去することができなかったりするので、満足すべきものは少ない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の解決課題は、上記のように薬液等の流体を定量供給する際、気泡や脈動が生じても設定値のカウント数を変更することにより容易に供給量を変更できるようにした流体定量供給装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、供給源からの流体の供給を制御部で電気的に制御するようにした流体供給システムにおいて、供給管に設けた検出部に流体の流量を超音波で測定すると共に流量設定値をカウンターで入力し、設定値に到達したとき上記制御部に制御信号を出力するようにしたた超音波流量計を具備し、上記超音波流量計の検出部と上記供給源の間に気泡除去装置を設け、該気泡除去装置は円筒状の流入空間と該流入空間に続く逆円錐状の円錐空間と該円錐空間に続く小円筒状の流出空間を形成した本体を有し、上記空間を流体が旋回して流動するよう上記流入空間に開口する流入口と上記流出空間に開口する流出口がそれぞれ各空間の接線方向に形成され、中央に中央軸を有し、上記流入空間の中央上部に気泡の排出口を具備し、上記排出口と上記流入空間の間に弁室を形成し、該弁室に上記流入空間に開口する通孔を有するシリンダーを設け、該シリンダーの外径より大きい内径の筒状壁とその上部を閉塞するプレートを有するキャップ状のフロートを形成し、該フロートを上記シリンダーの上部に遊嵌すると共に細隙を存して上記弁室内に上下動可能に嵌着してあり、上記本体の流出口を流体の供給源側に連絡し、上記流出口を上記超音波流量計の検出部の入口側に連絡したことを特徴とする流体定量供給装置が提供され、上記課題が解決される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、上述した各種のシステムに適宜適用することができるが、一例として図１（Ａ）には、薬液タンクから供給するようにしたシステムに適用した場合の概略図が示されている。Ｎ_２、エア等の加圧流体を加圧弁(15)を通して薬液タンク(16)に供給し、加圧ポンプ(17)、超音波流量計(18)、薬剤供給弁(19)を通して処理槽へ流体を供給する供給管(20)が設けられており、該超音波流量計(18)と薬液タンク(16)等の供給源の間には気泡除去装置(21)が設けられている。
【００１３】
上記超音波流量計(18)は、公知のものを使用することができ、図１（Ｂ）に示すように、薬液等の流体が流れる供給管(20)に設けられる検出部(22)には、内部を流れる流体の流速を超音波で測定する超音波センサ−が設けられており、該超音波センサ−の測定値と管路の寸法、形状、粘度等に基づいて変換器(23)で流量の直流信号に変換し、次に直流／パルス変換器(24)でパルスに変更し、積算カウンタ(25)でパルス数を積算すると共にパルス数が設定値に到達したとき該積算カウンタ(25)は供給源から供給される流体の供給量を制御するシステムコントロール機器を含む制御部に制御信号を出力する。これらの超音波流量計の構造及びシステム機器等については、公知であり、種々に構成されるので詳述しない。
【００１４】
上記積算カウンタ(25)で流量を設定するには、１パルス当りの流量に換算したカウント値で入力する。例えば、１０mlで１パルスとすると、１０００mlの流量とするには設定値を１００パルスとする。このような換算は、薬液に応じて予め実験デ−タを集めておき、換算できるようにしてあり、設定流量に応じたカウント値の入力は積算カウンタ(25)に設けた入力キ−等（図示略）を用いて行えばよい。なお、これらの構成も公知の超音波流量計が具備している機能なので詳述しない。
【００１５】
上記気泡除去装置(21)は、図２に示すように、筒状の本体(31)を有し、該本体(31)内には、円筒状の流入空間(32)と、該流入空間(32)の下方に続き中心に向けて傾斜する逆円錐状の円錐空間(33)と、該円錐空間(33)の下端に続き上記流入空間(32)の円筒よりも小さな小円筒状の流出空間(34)が形成され、上記流入空間(32)と流出空間(34)には流入口(35)及び流出口(36)が設けられている。上記流入口(35)及び流出口(36)は、上記空間(32),(33),(34)内で流体が旋回して流動するようそれぞれ各空間(32),(34) の接線方向に開口している。上記流入口(35)は、複数設けてもよい。特に、流体の粘度が高いときは複数の流入口から流体を流入させることにより、旋回を速めることができ、流芯が鮮明となって気泡を引き寄せやすい。
【００１６】
上記空間の中央には、中心軸(37)が設けられている。該中心軸(37)には、上記空間内を旋回して流動する流体の流芯（図示略）に集まる気泡がからまり、該気泡と気泡を練り込み、大きな気泡となって該中心軸に沿って気泡を上昇させるよう作用する。このとき、気泡芯は垂直で小さくなるため、気泡が流体の旋回流によって周壁側に振り回されなくなり、一層安定する。なお、中心軸を太くすると、流出空間が狭められ、内部圧力が高まって気泡の上昇を高めることができる。そのような効果は、流出口(36)の内径を流入口(35)よりも小さくしても、同じような結果が得られる。
【００１７】
上記流入空間(32)の中央上部には気泡の排出口(38)が形成され、該排出口(38)と流入空間(32)の間には弁室(39)が形成されている。図において、上記排出口(38)、弁室(39)は、本体(31)にねじ(40)…で止着した蓋体(41)に設けられており、該本体(31)と蓋体(41)間には適宜のパッキング材（図示略）を設けることができる。なお、該蓋体と本体にねじを設けて両者をねじ式に連結するようにしてもよい。また、蓋体を本体に取付け後、接合部を溶接して一体化してもよい。
【００１８】
上記排出口の直下の弁室(39)内には、一端が上記流入空間(32)に開口し他端が弁室に開口する通孔(42)を有しかつ弁室の内周面の内径より小さい外周面を有するシリンダ−(43)が設けられている。該シリンダ−(43)は、図２においては、上記本体(31)の流入空間(32)の上部に嵌着し周縁が蓋体(41)で挟着されている基板(44)に一体的に形成してあるが、蓋体(41)に形成して排出口(38)を有する止着板(45)をその上方からねじ着するようにしてもよい（図４（Ｂ））。また、止着板(46)にシリンダ−(43)を突設して、該止着板(46)を蓋体(41)の下方からねじ着する（図４（Ｃ））ようにしたり、適宜に構成することができる。
【００１９】
上記弁室(39)内のシリンダ−(43)には、該シリンダ−(43)に遊嵌すると共に細隙を存して上下動可能に上記弁室に嵌着するようフロ−ト(47)が設けられている。該フロ−ト(47)は、シリンダ−(43)の外径よりも大きい内径の内周面を有しシリンダーの外周面を囲む筒状壁(48)と、シリンダーの上面を覆うプレ−ト(49)を有するキャップ状に形成されている。シリンダ−の上部にプレ−ト(49)が着座して該プレ−ト(49)により通孔(42)を閉じた状態で筒状壁(48)の下端は、シリンダ−(43)の基端に当っていない。なお、図においては、該フロ−ト(47)の外周面と上記弁室(39)の内周面間には、それぞれ細隙(50),(51）を存して上下動できるように外方リング(52)が嵌着されているが、図４（Ａ）に示すように該外方リング(52)を省略することもでき、また上記プレ−ト(49)の内面その他の適宜位置にパッキング(53)を設けることもできる。
【００２０】
上記フロ−ト(47)の内周面とシリンダ−(43)の外周面間の細隙(54)や上記フロ−ト(47)の外周面と弁室(39)の内周面（図２においては外方リング(52)の内周面）間の細隙(50)、外方リング(52)の外周面の上記細隙(51)等は、気泡を除去しようとする流体の粘度、比重等その他の性状に応じて、好ましくは流体を通過させず気泡のみを効率よく通過させることができるよう極く狭い間隙に形成されている。例えば、水系の流体の場合は、約0.０５〜0.３mm程度、好ましくは約0.１〜0.２mm程度に形成され、油系の流体の場合は、約0.２〜１mm程度、好ましくは、約0.５〜0.８mm程度に形成するとよい。
【００２１】
上記フロ−ト(47)は、本体内の内部圧力が高まると、その圧力によって押し上げられ、上記プレ−ト(49)がシリンダ−の上面から離れて上記通孔(42)を開口して気泡を通過させるが、該通孔(42)を通って流体が噴出するような大きな圧力のときには、気泡の排出口(38)から流体を流出させないよう直ちに上方に押し上げられて上記プレ−トの上面で排出口(38)を塞ぐよう排出口(38)の直下に位置している。該フロ−ト(47)は、上記プレ−ト(49)が弁室(39)の内面上部に当る位置まで移動できるが、この移動量は通常の状態では気泡のみを確実に排出できかつ上記排出口(38)を塞ぐことがない程度に形成され、例えば、約１〜５mm程度、好ましくは約１〜３mm程度にしてある。なお、上記フロ−ト(47)の筒状壁(48)の長さは、フロ−トが最上位置まで上昇しても、シリンダ−(43)から外れない長さに形成されている。
【００２２】
上記本体(31)、蓋体(41)、シリンダ−(43)、フロ−ト(47)、外方リング(52)等は薬液等に影響されないようテフロン（フッ素樹脂）その他適宜の合成樹脂材料で作られているが、ステンレス材料等の耐食性を有する金属材料で作ることもできる。なお、上記フロ−ト(47)のプレ−ト(49)は、上下面を平面に形成してあるが、上記通孔(42)や排出口(38)に嵌合して閉塞することができるような適宜形状の突起（図示略）を形成してもよく、また所望により耐食性のばねその他の弾性部材をフロ−トと排出口間に設けてもよいが、殆どその必要性はない。
【００２３】
図３は、上記フロ−トの動作の説明図を示し、説明の都合上、上記各細隙を拡大して示してある。図３（Ａ）は、本体内で旋回して流動する流体から除去された気泡が流入空間(32)の上部に集合しても未だ内部圧力がフロ−ト(47)を押し上げる程度まで高められていない状態を示している。この間に内部圧力が次第に高められ、この内部圧力の上昇に伴って軽い小さな気泡までもフロ−ト部に集められる。なお、上記流入口(35)へ流体を供給するポンプが停止したときにも図３（Ａ）の状態になり、フロ−トがシリンダ−上に着座して通孔(42)を塞ぐから、該フロ−トは逆止弁として機能する。
【００２４】
気泡が流体から分離され、上部に集中して内部圧力が充分に高められると、上記フロ−ト(47)は押し上げられる（図３（Ｂ））。これにより、通孔(42)を通った気泡は、フロ−ト(47)のプレ−ト(49)の下面からフロ−トの内面とシリンダ−間の細隙(54)を通り、フロ−ト(47)の下縁をめぐって該フロ−ト(47)の外周の細隙(50)を通って排出口(38)から除去される。それによって、内部圧力は低下するので、上記フロ−ト(47)は図３（Ａ）に示す位置に降下するが再び内部圧力が上昇すると図３（Ｂ）に示すように上昇して気泡を排出する。この動作を繰り返すことにより、上記フロ−ト(47)は上下動し、シリンダ−(43)に対してピストン運動する。この際、上記気泡がシリンダ−とフロ−ト間の潤滑油の作用を奏してフロ−トは円滑に動作する。なお、上記細隙は上述したように極めて狭いので、気泡と流体の混合物中に含まれている流体は通過しにくく、気泡のみが排出口から除去される。
【００２５】
流量が多大に増大したりして内部圧力が極めて大きくなり、流体が上記通孔(42)を通ってフロ−ト部まで到達してくると、その圧力によって上記フロ−ト(47)は弁室(39)の内面上部に接する位置まで上昇し、上記排出口(38)を閉塞する（図３（Ｃ））。したがって、流体が排出口(38)から流出しないようにできる。
【００２６】
上記気泡除去装置(21)の本体(31)の流入口(35)は、流体の供給源側に連絡され、上記流出口(36)は超音波流量計の検出部(22)の入口(22a) 側に連絡される。
【００２７】
上記気泡除去装置を用いたときの気泡除去の効果を確かめるため、レベルセンサ−と超音波流量計を併用し、レベルセンサ−で供給量を毎分５５００ccに設定し、その設定に対応して供給が終了したときの超音波流量計のカウント値を測定した。
超音波流量計の平均のカウント値（流量に換算した量、cc）は、上記気泡除去装置を使用した場合は、５５３９ccであるのに対し、従来の一般的な気泡除去方法による場合は、５６３８ccであった。またカウント値のバラツキは、上記気泡除去装置を使用した場合は、±2.１％、従来法の場合は、±6.９％であった。
【００２８】
この結果より、上記気泡除去装置を使用すると、設定値（５５００cc）に対し平均カウント値は、0.７％の相違であり、上記装置を使用しない場合の約４分の１になり、正確性が向上している。また、カウント値のバラツキについても、上記装置を使用しない場合の約３分の１になり、安定したカウントを記録している。従って、上記超音波流量計は殆ど誤動作を生じることなく、正しく計測できることが確認された。
【００２９】
また、ダイヤフラムポンプを用いて、毎分2.５リットルの流量で流体を供給した場合の流量の変化を測定したところ、上記装置を通した場合は大きな変化は表われず、該装置を通さない場合は、大きな脈動が表われた。これにより、脈動を緩和できることが確められた。
【００３０】
上記のように、上記気泡除去装置(21)により、気泡と脈動を除去することができるので、上記超音波流量計(18)の積算カウンタ(25)に設定値を入力すれば、処理槽（１）に供給する薬液の量を定量にコントロ−ルすることができる。
【００３１】
図５は、流体を循環させるようにした図８に示す如き循環式システムに適用した一例を示してあり、図中共通する部材は同一符号を付してある。気泡除去装置(21)と超音波流量計(18)の間には管フロ−メ−タ−（７）及びフィルタ−（４）を設けてあるが、該フィルタ−（４）は気泡除去装置(21)の流入口側に設けてもよい。気泡除去装置(21)の排出口(38)はオ−バ−フロ−槽(13)に開口しており、また、循環タンク（２）へ入る管路(14)にも上記と同様の気泡除去装置(21)が設けられている。このシステムによれば、管フロ−メ−タ−（７）内のフロ−トも脈動が緩和されるために安定し、該フロ−メ−タ−の精度を高めることができ、気泡除去したことにより薬液の純度維持とポンプの延命を図ることができる。
【００３２】
図９に示すような秤量式の場合には、図６に示すように上記超音波流量計(18)ても済むから、地震等の災害時に安全であり、また装置全体の縮少化とコストダウンを図ることができる。これにより、従来のように装置の上方に石英ガラス製の秤量槽（１１）を設けなくても済むから、地震等の災害時に安全であり、また装置全体の縮少化とコストダウンを図ることができる。
【００３３】
さらに、図１０に示すようなボトル交換式の場合には、図７に示すように上記超音波流量計(18)と気泡除去装置(21)を用いることにより、流体から発生する気泡やボトル交換時に発生する気泡を除去でき、これにより上記超音波流量計(18)のカウンタ−の設定により自由に供給量をコントロ−ルすることができる。
【００３４】
なお、上記各システムは１液ごとに１システムが必要であり、各シスタムを混合する薬液の混合比に応じて比率制御すればよい。
【００３５】
【発明の効果な説明】
本発明は上記のように構成され、超音波流量計の検出部の入口側に上記気泡除去装置の流出口を連絡し、該気泡除去装置で流体（薬液）中の気泡を除去し、脈動を緩和した後に上記超音波流量計の検出部に流体を送って流量を測定するようにしたので、従来のように気泡の影響により所定の混合比に薬液を定量供給する場合等に使用することがむずかしかった超音波流量計を用いることができ、超音波流量計の流量設定部へ設定値をカウント数で入力することにより自由に供給量をコントロ−ルすることができ、半導体製造工程における洗浄、特にウエ−ハの枚葉洗浄処理のように多種類の薬液を使用する場合に供給量が安定し、また供給量もカウンタ−により即時に変更できるので好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示し、（Ａ）は装置の概略図、（Ｂ）は主として超音波流量計部分の概略図。
【図２】気泡除去装置の断面図。
【図３】説明の都合上、細隙を拡大して示したフロ−トの動作説明図であって、（Ａ）はフロ−トが降下しているとき、（Ｂ）はフロ−トが上昇したとき、（Ｃ）はフロ−トが最上部まで上昇したときの各説明図。
【図４】（Ａ),（Ｂ),（Ｃ）はそれぞれ弁室部分の他の実施例を示す各断面図。
【図５】本発明による循環式システムの構成を示す概略図。
【図６】本発明による供給システムの構成を示す概略図。
【図７】本発明によるボトル交換式システムの構成を示す概略図。
【図８】従来の循環式システムの構成を示す概略図。
【図９】従来の秤量式供給システムの構成を示す概略図。
【図１０】従来のボトル交換式システムの構成を示す概略図。
【符号の説明】
１処理槽
２循環タンク
11 秤量槽
18 超音波流量計
21 気泡除去装置
22 検出部
25 積算カウンタ
32 流入空間
33 円錐空間
34 流出空間
35 流入口
36 流出口
38 排出口
39 弁室
43 シリンダ−
47 フロ−ト

Claims

供給源からの流体の供給を制御部で電気的に制御するようにした流体供給システムにおいて、供給管に設けた検出部に流体の流量を超音波で測定すると共に流量設定値をカウンターで入力し設定値に到達したとき上記制御部に制御信号を出力するようにした超音波流量計を具備し、上記超音波流量計の検出部と上記供給源の間に気泡除去装置を設け、該気泡除去装置は円筒状の流入空間と該流入空間に続く逆円錐状の円錐空間と該円錐空間に続く小円筒状の流出空間を形成した本体を有し、上記空間を流体が旋回して流動するよう上記流入空間に開口する流入口と上記流出空間に開口する流出口がそれぞれ各空間の接線方向に形成され、中央に中心軸を有し、上記流入空間の中央上部に気泡の排出口を具備し、上記排出口と上記流入空間の間に弁室を形成し、上記排出口の直下の該弁室内に一端が上記流入空間に開口し他端が弁室に開口する通孔を有しかつ弁室の内周面の内径より小さい外径の外周面を有するシリンダーを設け、該シリンダーの外径より大きい内径の内周面を有しシリンダーの外周面を囲む筒状壁とシリンダーの上面を覆うプレートを有するキャップ状のフロ−トを形成し、該フロートを上記シリンダーに上下動可能に遊嵌してあり、上記本体の流入口を流体の供給源側に連絡し、上記流出口を上記超音波流量計の検出部の入口側に連絡したことを特徴とする流体定量供給装置。
上記気泡除去装置の流出口と超音波流量計の検出部の間には管フロ−メ−タ−とフィルタ−が設けられている請求項１に記載の流体定量供給装置。