JP4701257B2

JP4701257B2 - 液体ポンプシステム

Info

Publication number: JP4701257B2
Application number: JP2008052495A
Authority: JP
Inventors: 元彰成尾
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2028-03-03
Also published as: JP2009209736A

Description

本発明は、液体ポンプシステムに係り、例えば、フォトレジスト液等の薬液を塗布する薬液供給装置に好適に用いられたりする液体ポンプシステムに係り、詳しくは、液体用のポンプと、ポンプに対する吐出側流路を開閉する吐出側弁と、ポンプに対する吸入側流路を開閉する吸入側弁とを有し、吐出側弁を閉弁し、かつ、吸入側弁を開弁してポンプを吸入動作させる吸入駆動状態と、吐出側弁を開弁し、かつ、吸入側弁を閉弁してポンプを吐出動作させる吐出駆動状態とを交互に切換可能に構成されている液体ポンプシステム関するものである。

半導体基板であるウェハの製造装置や、液晶基板製造装置、或いは多層配線基板製造装置などにおいては、フォトレジスト液、アルカリ性や酸性の処理液等の薬液が使用される。それぞれの薬液は、ポンプ作動によって薬液貯蔵槽内から吐出側流路を介して薬液吐出部に導かれる。このように薬液等の液体を供給するための液体ポンプシステムとして、特許文献１において開示されているように、ベローズタイプのポンプを用いたものが知られている。

即ち、前記液体ポンプシステムは、容器（薬液貯留槽）に収容されているレジスト液等の薬液をウェハに塗布するためのものであって、ハウジングに往復動自在に設けられたべローズを駆動するためにハウジングには駆動部材が設けられており、ベローズの往復動によって吸入側と吐出側の２つの逆止弁を介して薬液がノズル（薬液吐出部）に供給されるように構成されている。そして、吐出側の逆止弁とノズルとの間の吐出側流路には、薬液内の異物を除去するフィルタと、供給路を開閉するダイヤフラムバルブと、サックバックバルブとが設けられている。

上記のような液体ポンプシステムを用いて薬液をウェハに塗布するには、ベローズを後退移動させることにより、吸入側の逆止弁を介して薬液をポンプ室内に流入し、次いでベローズを前進移動させることにより、逆止弁を介してノズルに薬液が供給される。所定の量の薬液をノズルから吐出した後には、ノズルからの液垂れを防止するために、ダイヤフラムバルブを閉じてサックバックバルブを作動させ、ノズルの先端部内に薬液を吸引するようにしている。

しかしながら、ダイヤフラムバルブの変形による流路内の容積変化によってノズルから不測の液垂れが生じるおそれがあるとともに、サックバックバルブを用いる場合には、サックバック速度やサックバック量の調整が必要になるが、それらの調整はポンプシステム毎に行わねばならず非常に手間が掛るという問題があった。

特許文献２のものは、特許文献１のものの改良である。即ち、吐出側弁を開弁し、かつ、吸入側弁を閉弁してポンプを吐出動作させて薬液を吐出させる吐出駆動状態（吐出工程）から、吐出側弁を閉弁し、かつ、吸入側弁を開弁してポンプを吸入動作させて容器から薬液を吸入させる吸入駆動状態（吸入工程）に切換えるときに、残圧除去動作（残圧除去工程）とサックバック動作（サックバック工程）とをこの順で行うことにより、ダイヤフラムバルブやサックバックバルブを省略して前述の問題を克服せんとする技術である。

尚、残圧除去動作とは、吐出動作の終了後にポンプ室内の残圧を除去する動作（工程）のことであり、サックバック動作とは、ポンプ室内の残圧が除去された後において吸入側弁を閉弁し、かつ、吐出側弁を開弁した状態でポンプを吸入動作させることにより、ノズル内の薬液を戻し移動させる動作（工程）である。
米国特許第５０６１１５６号公報特開平１０−５７８５０号公報

ところが、特許文献２による液体ポンプシステムでも不都合の生じることが分ってきた。即ち、薬液吐出動作の終了後におけるノズルからの不測の液垂れを防止するための残圧除去動作中や、残圧除去動作からサックバック動作に切換わる間等においてノズルからしばしば液垂れが生じることが知見されたのである。従って、ノズルからの不測の液垂れが生じない液体ポンプシステムを得るには更なる改善の余地がある。

本発明の目的は、ポンプのサックバック動作で液垂れが生じないようにする構成をさらに工夫することにより、不測の液垂れが皆無となるまでに改善された液体ポンプシステムを実現して提供する点にある。

請求項１に係る発明は、液体用のポンプＰと、前記ポンプＰに対する吐出側流路３０を開閉する吐出側弁２８と、前記ポンプＰに対する吸入側流路２９を開閉する吸入側弁２７とを有し、前記吐出側弁２８を閉弁し、かつ、前記吸入側弁２７を開弁して前記ポンプＰを吸入動作させる吸入駆動状態と、前記吐出側弁２８を開弁し、かつ、前記吸入側弁２７を閉弁して前記ポンプＰを吐出動作させる吐出駆動状態とが切換可能に構成されている液体ポンプシステムにおいて、
前記吐出駆動状態から前記吸入駆動状態に切換わるときには、前記吐出駆動状態の終了に伴って、前記吐出側弁２８を開弁し、かつ、前記吸入側弁２７を閉弁して前記ポンプＰを吸入動作させる逆駆動状態を経て前記吸入駆動状態に切換えられるとともに、
前記吐出駆動状態から前記逆駆動状態に切換わるときは、前記吐出側弁２８の開弁状態と前記吸入側弁２７の閉弁状態とが維持されている状態で前記ポンプＰが前記吐出動作から直ちに前記吸入動作に切換えられるように構成されており、
前記吐出側弁２８及び前記吸入側弁２７が、エアを用いて弁体６１を動かすことで前記弁体６１が弁座６２に当接している閉弁状態と前記弁体６１が前記弁座６２から離れている開弁状態との切換えが可能なエアオペレイト弁に構成され、
前記吐出側弁２８及び前記吸入側弁２７へのエア給排を制御する制御弁３９と前記吐出側弁２８及び前記吸入側弁２７とを接続する吐出側及び吸入側のエア給排路４１，４０を設けるとともに、前記吐出側エア給排路４１を通るエアに絞り作用する絞り手段４３が配備されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の液体ポンプシステムにおいて、前記吸入側エア給排路４０を通るエアに絞り作用する絞り手段４２が配備されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の液体ポンプシステムにおいて、前記絞り手段４２，４３が可変絞り弁であることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の液体ポンプシステムにおいて、前記可変絞り弁４２，４３としてニードル弁が採用されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、吐出駆動状態から逆駆動状態に切換わるときは、吐出側弁の開弁状態と吸入側弁の閉弁状態とが維持されている状態でポンプが吐出動作から直ちに前記吸入動作に切換えられるので、ノズル等の液体吐出部の液体は吐出状態から吸入状態に切換わる際に一時的に吐出圧が作用するとか、圧変動するといった不安定な圧力挙動が生じないようになり、その状態で逆駆動による液垂れ防止作用が機能するものとなる。これにより、ポンプの残圧が吐出側流路に作用するとか、サックバック動作に切換わる際に圧の変動が生じること等によって、ノズルからの不測の液垂れが生じることのないように規制されるようになる。その結果、ポンプのサックバック動作で液垂れが生じないようにする構成をさらに工夫することにより、不測の液垂れが皆無となるまでに改善される望ましい液体ポンプシステムを実現して提供することができる。

加えて、詳しくは実施例２の項にて説明するが、吐出側弁を応答性に優れるエアオペレイト弁で構成することによって新たに生じる問題をも解消することができる利点がある。即ち、エアオペレイト弁の閉弁動作によって液体吐出部への流路にポンピング作用が生じ、サックバック動作を行うにも拘らずに液だれするおそれがあり、これが新たな問題である。しかしながら、吐出側エア給排路を通るエアに絞り作用する絞り手段を配備することにより、吐出側エアオペレイト弁によるポンピング作用による悪影響が実質的に解消され、液だれのおそれなく応答性に優れるエアオペレイト弁の利点を享受でき、より改善された液体ポンプシステムが可能になる。

請求項２の発明によれば、吸入側エアオペレイト弁のエア経路にも絞り手段が配備されているので、吸入側エアオペレイト弁の弁体が急激に突出或いは戻り移動することによる新たな不都合（例えば、液体の吹き戻しや泡立ち等）も防止することができるので、システム全体としての完成度をさらに向上させることが可能である。

請求項３の発明によれば、絞り手段を可変型としてあるので、組付け後に微調整ができてより効果的な液だれ防止効果が得られるとか、製品誤差や部品誤差等の不都合が生じても、それらを吸収して設計通りの液だれ防止が行えるといった付随効果がある。

請求項４の発明によれば、絞り手段として量販されていて入手し易いニードル弁を用いており、必要な機能を得ながら量産に適する液体ポンプシステムの構築に寄与できるという効果がある。

以下に、本発明による液体ポンプシステムの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は実施例１による液体ポンプシステムを示すブロック図、図２〜図４はポンプの一部切欠き側面図、ポンプ要部の断面図、ピストン伸張時の断面図、図５はポンプと各弁との動作状況を示すタイムチャート、図６は一段による逆駆動状態を示す（ａ）作用図、（ｂ）タイムチャートの要部図、図７は二段の段逆駆動状態を考察する作用図、図８は逆駆動状態のタイムチャート要部を示し、（ａ）は二段切換型、（ｂ）は三段切換型の要部図である。また、図９は実施例２による液体ポンプシステムを示すブロック図、図１０はエアオペレイトバルブの構造を示す断面図、図１１はニードル弁の構造を示す断面図、図１２は吐出側弁の閉じ動作に伴うノズル液面の不都合挙動等を示す作用図、図１３はノズル液面の改善状況を示す要部の作用図、図１４はポンプの所定高さ部位での平面図である。

〔実施例１〕
実施例１による液体ポンプシステムＡを図１に示す。このシステムＡは、薬液タンク３１と、ポンプＰと、フィルタ３２と、ノズル３３と、吸入側弁２７と、吐出側弁２８と、吸入側流路２９と、吐出側流路３０とを有して構成されている。ポンプＰの吸入部６と薬液タンク３１とに亘る吸入側流路２９の途中に吸入側弁２７が配備され、ポンプＰの吐出部７とノズル３３とに亘る吐出側流路３０には、吐出側弁２８とフィルタ３２とが配備されている。

吸入側及び吐出側の各弁２７，２８は、開弁状態と閉弁状態とがエア圧によって切換えられるように作動する二位置切換型のエアオペレイトバルブに構成されている。吐出側流路３０に配備される複数の流体機器、即ち吐出側弁２８、フィルタ３２、及びとノズル３３のうち、吐出側流路３０の終端に配備されるノズル（液体吐出部の一例）３３を除いて最も液体流れ方向下流側に配備される流体機器がフィルタ３２に設定されている。尚、３４は薬液ｅの塗布対象（液体供給対象）としてのウェハである。

ポンプＰについて説明する。ポンプＰは、図２〜図４に示すように、シリンダ１と、このシリンダ１内に収容されて往復駆動されるピストン２と、ピストン２に取付けられる内周部３ｃ、及びピストン外周の折返部３ｄを経てシリンダ１に取付けられる外周部３ｅを有するローリングダイヤフラム３と、シリンダ１、ピストン２、及びローリングダイヤフラム３により画される圧力室４と、各々が圧力室４に連通する液体の吸入部（吸込口とも言う）６及び吐出部（吐出口とも言う）７を有するローリングダイヤフラムポンプに構成されている。

このローリングダイヤフラムポンプＰおいて、シリンダ１内には、ピストン２が軸方向に移動自在に収容され、このピストン２には、後述するポンプ駆動源と回り止め手段によって往復運動が与えられる。ピストン２は、その移動方向中間部に形成される環状のパッキン溝２ｅと、それよりシリンダヘッド側の先端部２ｂと、その反対でピストン根元側の基端部２ａと、ネジ孔２ｄ等を有する直胴状のものに構成されている。尚、ローリングダイヤフラム３のピストン２に対する位置が、図２に示すものと、図３及び４に示すものとで若干異ならせて描いてあるが、いずれのタイプの構造を採っても良い。

シリンダヘッド１ａとによって圧力室４を画成するローリングダイヤフラム３は、ネジ軸部３ａと、フランジ部３ｂと、ダイヤフラム内周部３ｃと、ダイヤフラム外周部３ｅと、リング部３ｆと、頭部３ｇとを有して形成されている。ネジ軸部３ａは、ピストン２の先端部２ｂの先端面に同軸的に設けられた有底のネジ孔２ｄに螺合されている。フランジ部３ｂは、ネジ軸部３ａの頭部側の一端外周面から半径方向に突出形成され、ピストン２の先端部２ｂの先端面外縁部に密着接合されている。ダイヤフラム内周部３ｃは、フランジ部３ｂの端部からピストン２の先端部２ｂの先端部外周面に沿って軸方向に延設され、ピストン２の先端部２ｂの先端部外周面に密着する薄膜状のものである。

ダイヤフラム外周部３ｅは、ダイヤフラム内周部３ｃの端部からＵ字状の折返部３ｄを経てシリンダ１のシリンダヘッド側の内周面に沿って軸方向に延設され、シリンダ１のシリンダヘッド側の内周面に密着する薄膜状のものである。リング部３ｆは、ローリングダイヤフラム外周部３ｅの端部から半径方向に延出され、シリンダ１とその一端のシリンダヘッド（ポンプヘッド）１ａとの間に挟持されている。頭部３ｇは、ネジ軸部３ａの頭部側の一端面に突出して設けられ、ネジ孔２ｄにネジ軸３ａを螺合する際にレンチ等の工具を嵌合させるための二面切欠き構造のものに形成されている。

尚、シリンダ１とリング部３ｆとの接合面間にはシール部材であるフッ素ゴムからなるＯリング５が設けられており、シリンダヘッド１ａとリング部３ｆとの接合面間は、シリンダヘッド１ａに形成されているリップシール部（図示省略）をリング部３ｆの表面に押当てることでシールされている。また、図３にはピストン２が吸込工程でのストローク終端位置に移動した時のローリングダイヤフラム３を示し、ローリングダイヤフラム外周部３ｅがローリングダイヤフラム内周部３ｃに対して大きく捲れ上がった状態になっている。この図３に示す状態が成形時の形態になるローリングダイヤフラム３を、ローリングダイヤフラムポンプに備えている。

シリンダヘッド１ａには、圧力室４に連通する流体の吸込部６及び吐出部７が開口され、吸込部６が、吸込側弁２７を設けた吸入側流路２９を介して薬液タンク３１に連通接続され、吐出部７が、吐出側弁２８及びフィルタ３２を設けた吐出側流路３０を介してノズル３３に連通接続されている。尚、前述したように、吐出時は吐出側弁２８のみ開き、吸入側弁２７は閉じられ、吸込時は吐出側弁２８は閉じ、吸入側弁２７のみ開かれる。

以上の構成において、後述するポンプ駆動源と回り止め手段によってピストン２に往復運動が与えられ、ピストン２がシリンダ１内で往復駆動されると、圧力室４の容積が拡大するピストン２の吸込工程（図３，図４において右行工程）で、圧力室４に薬液タンク３１内の薬液ｅが吸込まれ、圧力室４の容積が縮小するピストン２の吐出工程（図３，図４において左行工程）で、圧力室４内の薬液ｅがノズル３３に供給される。従って、ピストン１の往復駆動によって、ノズル３３に薬液タンク３１内の薬液ｅを供給することができる。

また、ピストン２のストローク制御により、ポンプの吐出量及び吐出速度を変更調節することができるように、このローリングダイヤフラムポンプには、ポンプ駆動源として、リニアアクチュエータ８を備えている。このリニアアクチュエータ８は、多相(例えば、５相)ステッピングモータ部９と、このモータ部９の回転運動を直線運動に変換して出力する直動機構部１０とで構成されている。モータ部９は、中空状の回転軸１１と、この回転軸１１の外周面に取付けられた回転子１２と、この回転子１２の周囲に設けられた固定子１３とを備えている。回転軸１１は、ベアリング１４により支持された小径部１１ａと、スラスト荷重及びラジアル荷重の両方を受けるベアリング１５により支持された大径部１１ｂとを備える段付き構造を有し、小径部１１ａに回転子１２を取付けると共に、大径部１１ｂ内に後述するネジナット１６が配設されている。尚、ベアリング１５のインナーは、大径部１１ｂの端部外周面に螺合するロックナット１７により大径部１１ｂに固定されている。この構成において、モータ部９は、図示しない固定子巻線への通電に伴って回転軸１１が回転子１２と共に回転する。

回転軸１１の中空部には、出力用ネジ軸（ボールネジ軸）１８が同軸的に貫通され、大径部１１ｂ内には、出力用ネジ軸１８に螺合されたネジナット（ボールネジナット）１６が挿入されている。このネジナット１６は、回転軸１１の大径部１１ｂ側の開口端から半径方向に突出するフランジ部１６ａを有し、このフランジ部１６ａをボルト１８を介してロックナット１７に固定されている。この構成において、ネジナット１６は、回転軸１１と共に回転することができる。

出力用ネジ軸１８は、後述する回り止め手段によりその軸線を中心とする回転が規制されることで、ネジナット１６の回転に伴って軸方向に直線運動する。従って、このリニアアクチュエータ８では、回転軸１１の回転運動が、出力用ネジ軸１８の直線運動に変換される。そして、リニアアクチュエータ８はシリンダ１のシリンダヘッド側と反対側端部に同軸的に取付けられ、出力用ネジ軸１８の一端が、ピストン２の基端部２ａ側の先端に同軸的にネジ結合で一体連結されている。つまりリニアアクチュエータ８の出力用ネジ軸１８がピストンロッドとしての役目を果たすように構成されている。

ところで、ピストン２は、ローリングダイヤフラム３を介してシリンダ１に繋がれているため、ローリングダイヤフラム３でも、ピストン２とこれに結合された出力用ネジ軸１８の同一軸線を中心とする回転を規制することができるが、この場合、ローリングダイヤフラム３に回転モーメント（ねじり力）が働き、フッ素樹脂からなるローリングダイヤフラム３に亀裂や孔等が生じるおそれがある。

そのため、本実施の形態では、ローリングダイヤフラムポンプにおけるピストン２とシリンダ１間に、このピストン２の往復移動を許容して回転を規制する回り止め手段が設けられている。この回り止め手段は、具体的には、シリンダ１の側壁に軸線に沿って開口形成された長孔１９と、ピストン２の基端部２ａの先端側外周面に一端がねじ込み固定されて、ピストン２の基端部２ａの先端側外周面から半径方向に突出状に取付けられ、シリンダ１の長孔１９を通して他端がシリンダ１外に突出された係合ピン２０とで構成されている。この構成において、係合ピン２０は、ピストン２と一体に往復移動する。

以上の構成において、ピストン２は、この軸線を中心とする回転が規制されて長孔１９の範囲内で軸方向に往復移動可能となり、このピストン２に一体に結合された出力用ネジ軸１８及びフッ素樹脂からなるローリングダイヤフラム３の軸線を中心とする回転も同時に規制され、フッ素樹脂からなるローリングダイヤフラム３に回転モーメントを与えることなく、このフッ素樹脂からなるローリングダイヤフラム３に亀裂や孔等が生じるのを防止しながら、リニアアクチュエータ８によりピストン２を往復駆動できる。このため、ピストンストロークを制御でき、ポンプの吐出量及び吐出速度を変更調節することができる。

また、このローリングダイヤフラムポンプＰには、ピストン２のストローク制御（ポンプの吐出量及び吐出速度制御）を行う際の、ピストン２の基準位置を検知するためのセンサ２１が備えられている。このセンサ２１は、例えば、先端部がコ字状に分岐形成されたセンサ台２２の先端一端部に取付けられた発光素子（図示省略）と、センサ台２２の先端他端部に取付けられ、発光素子（図示省略）と所定の間隔を設けて対向配置された受光素子（図示省略）とで光電式に構成されている。

さらに、このローリングダイヤフラムポンプＰにおいて、シリンダ１とピストン２の摺動面間、つまりシリンダ１の内周面とピストン２の基端部２ａの外周面との間には、ピストン２の基端部２ａの外周面で、環状のパッキン溝２ｅを介してシール部材であるフッ素ゴムからなるＯリング２３と、このＯリング２３の外周に配設されたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂からなるスリッパーリング２４とが設けられている。また、シリンダ１の側壁には、ピストン２の吸込工程でのストローク終端位置におけるローリングダイヤフラム３の折返部３ｄの背後（図３，図４おいて右側）近傍に位置する空気吸出口２５が設けられている。これにより、シリンダ１内には、圧力室４と反対側に、ローリングダイヤフラム３、Ｏリング２３、シリンダ１の内周面、ピストン２の先端部２ｂ、スリッパーリング２４、及びＯリング５により画成されて、空気吸出口２５に連通する負圧室２６が備えられている。この負圧室２６は、空気吸出口２５に接続されるアスピレータ（真空発生器）３５による吸気作用により、圧力が、圧力室４の圧力より十分低く維持されている。

次に、液体ポンプシステムＡの運転方法について説明する。この液体ポンプシステムＡにおいては、吐出側弁２８を閉弁し、かつ、吸入側弁２７を開弁してポンプＰを吸入動作させる吸入工程（吸入駆動状態）と、吐出側弁２８を開弁し、かつ、吸入側弁２７を閉弁してポンプＡを吐出動作させる吐出工程（吐出駆動状態）とを交互に切換可能に構成されている。即ち、ポンプＰにおけるピストン２が突出移動することによる１回の吐出動作（ポンピング）によって吐出される薬液ｅがノズル３３から吐出されてウェハ３４に滴下供給される。そして、次の吸入工程の間に、薬液ｅが供給されたウェハ３４を送り出すとともに、薬液未処理のウェハ３４をノズル３３直下に位置させるウェハ交換工程を行うようにすれば、ポンプＰを連続駆動させて連続的にウェハ３４に薬液ｅを供給することができる。

つまり、吐出側弁２８を閉弁し、かつ、吸入側弁２７を開弁してポンプＰを吸入動作させる吸入駆動状態と、吐出側弁２８を開弁し、かつ、吸入側弁２７を閉弁してポンプＰを吐出動作させる吐出駆動状態とを交互に切換可能に構成されている液体ポンプシステムである。吐出駆動状態から吸入駆動状態に切換わるときには、吐出駆動状態の終了に伴って、吐出側弁２８を開弁し、かつ、吸入側弁２７を閉弁してポンプＰを吸入動作させる逆駆動状態を経て吸入駆動状態に切換えられる。そして、吐出駆動状態から逆駆動状態に切換わるときは、吐出側弁２８の開弁状態と吸入側弁２７の閉弁状態とが維持されている状態でポンプＰが吐出動作から直ちに吸入動作に切換えられるように構成されている。

そして、吐出工程の終了後にノズル３３から不測の液垂れを防止するための工夫が為されている。即ち、吐出工程から吸入工程に切換わるときには、吐出工程の終了に伴って、吐出側弁５を開弁し、かつ、吸入側弁２７を閉弁してポンプＰを吸入動作させる逆駆動工程（逆駆動状態）を経て吸入工程に切換えられるとともに、吐出工程から逆駆動工程に切換わるときは、吐出側弁２８の開弁状態と吸入側弁２７の閉弁状態とが維持されている状態でポンプＰが吐出動作から直ちに吸入動作に切換えられるように構成されている。加えて、逆駆動工程でのポンプＰの吸入動作が、吐出動作から切換えられた直後の高速吸入動作と、高速吸入動作に続く中速吸入動作と中速吸入動作に続く低速吸入動作とによる三段切換駆動状態に設定されている。

つまり、図１に示すように、吸入側弁２７を駆動開閉させる吸入側駆動機構３６と、吐出側弁２８を駆動開閉させる吐出側駆動機構３７と、これら吸入側及び吐出側の各駆動機構３６，３７、及びポンプＰの駆動状態を司る制御手段３８とを設けて液垂れ防止装置Ｂが構成されている。液垂れ防止装置Ｂの機能（作用）は、図５に示すように、ピストン２を押出し方向に移動させるようにポンプＰを時間ｔ１に亘ってプラス（＋）駆動させる吐出工程の終了に伴い、直ちにピストン２を引戻し方向に移動させるようにポンプＰを時間ｔ２に亘って高速でマイナス（−）駆動させ、引続きポンプＰを時間ｔ３に亘って中速でマイナス（−）駆動させ、引続きポンプＰを時間ｔ４に亘って低速でマイナス（−）駆動させるという逆駆動工程（サックバック工程）を行うのである。その逆駆動工程の後に時間ｔ６に亘って吸入工程が行われる。

尚、サックバック工程終了後にポンプＰの吐出側弁２８を閉じる際に、薬液が僅かに吐出方向に流れ出ること（リバウンド現象）がある場合には、所望する薬液吸込み量からその流出分を足した量を予め吸入させておくことにより、吐出側弁２８が閉じた際には所望する位置に薬液ｅを留めることが可能である。また、吐出工程の開始時にポンプＰの内圧が高い状態のときに、吐出側弁２８を開弁した瞬間に薬液ｅが吐出方向に移動してしまうことがある場合は、それを防止すべく吸入工程終了後において吸入側弁２７及び吐出側弁２８が共に閉じている状態で、ローリングダイヤフラム３を任意の位置に移動させることで圧力室４の圧力を調整し、吐出開始時の薬液ｅの不用意な移動を防止することが可能である。

〔逆駆動動作（サックバック動作）の考察について〕
サックバック動作の際は、吐出側弁の液押出し分を予め吸い込んでおかねばならないが、１回のサックバック動作では、液切れ良くするために吸込み速度を速くする必要がある。即ち、吐出側弁２８の開弁状態と吸入側弁２７の閉弁状態とを維持しながらポンプＰを吐出動作から一旦停止することなく一気に高速吸入動作に切換えることにより、図６（ａ）に示すように、ノズル３３先端部の薬液ｅを一気に吸い込み、次の薬液吐出までの間の液垂れを防止することができると考えられる。

しかしながら、液垂れを防止すべく吸入速度をかなりの高速〔図６（ｂ）を参照〕に設定すると、図６（ａ）に示すように、薬液ｅの吸込み時にノズル３３の先端部内に気泡が発生したり薄膜が形成されたりする不都合が稀に生じることがある。そこで、図７に示すように、前記不都合を回避すべく、逆駆動状態でのポンプＰの吸入動作が、吐出動作から切換えられた直後の高速吸入動作と、高速吸入動作に続く低速吸入動作とによる二段切換駆動状態に設定してみた。これにより、所期通りに気泡の発生や薄膜の形成は生じなくなったが、図７における左右中央部に描かれているように、逆駆動状態における高速吸入動作から低速吸入動作に切換わる際にノズル３３先端から稀に液垂れするという新たな問題が生じてきた。

つまり、当初の予測では、図７の破線で示す矢印イのように、逆駆動工程における一段目の高速吸入動作による一気の吸込み、及びそれに続く二段目の低速吸入動作により、気泡の発生や薄膜の形成無く液垂れ防止できると考えていた。ところが、高速吸入動作から低速吸入動作に切換わる際に、制御上で一瞬吸入速度がゼロになる（高速→ゼロ→低速）ことから、その一瞬の速度ゼロによって液垂れする場合のあることが知見されたのである。つまり、図７に矢印ロ及びハによって示すように、高速吸入による吸込みから低速吸入に切換わる際に薬液ｅが液垂れすることがある。

その対策としては、一旦速度をゼロにすることなく、高速吸入動作から直接に低速吸入動作に移行させることであり、１．吸入速度を一旦ゼロにすることなく高速から低速に切換える手段〔二段切換駆動状態であり、図８（ａ）の仮想線のグラフを参照〕と、２．吸入速度を高速から一旦ゼロにすることなく中速に切換え、かつ、その中速から一旦ゼロにすることなく低速に切換える手段〔三段切換駆動状態であり、図５や図８（ｂ）を参照〕とが考えられる。実施例１の液体ポンプ装置Ａは、より決め細やかな液垂れ防止制御を行うべく２．の三段切換駆動状態を採るものであるが、１．の二段切換駆動状態を採る液体ポンプシステムでも良い。

三段切換駆動状態は、図５や図８（ｂ）の要部のタイムチャートで示されるように、逆駆動工程における一段目の高速吸入動作による一気の吸込み、及びそれに続く二段目の中速吸入動作により、ノズル３３の先端から垂れ下がろうとする薬液ｅをノズル３３内に良好に維持又は吸い上げ、引き続く三段目の低速吸入動作により、気泡の発生や薄膜の形成無く液垂れ防止させる、というものである。尚、中速吸入動作における「中速」とは、高速吸入より遅く、かつ、低速吸入よりは速い速度のことである。このように、高速→中速→低速の三段切換で吸入動作させる逆駆動状態（逆駆動工程）を設定することにより、液垂れを確実に防止すべく一段目吸入速度を「かなりの高速」としても、気泡の発生や薄膜形成が生じないようにしながら、吐出動作後におけるノズル３３からの不測の液垂れを完全なまでに防止することができる液体ポンプシステムを実現できている。

ノズル３３を除いてフィルタ３２より液体流れ方向下流側には発塵源、即ち何らかの流体機器を設置していないので、ノズル３３から吐出される薬液に塵埃が混入するおそれが無く、従って品質合格ウェハ３４の歩留まりが向上する。サックバックバルブを使用せず、ポンプＰのローリングダイヤフラム３を吸込み方向に移動させることでサックバック動作（逆吸入動作）では不可能であったフィルタ内の圧力上昇分を吸収する大容量のサックバック動作を行うことができる。サックバック速度、サックバック量の調節は、制御手段（ポンプコントローラ内のパラメーター）３８の設定によって行うことが可能であり、サックバックの手動調節が不要となって手間が掛らない利点がある。本発明では、ポンプ室内容積変化をモータ駆動により緻密に制御して、サックバック動作を非常に高精度に行わせることが可能である。これにより、吐出量も高精度に制御可能である。

〔別実施例〕
液垂れ防止装置Ｂは、図６（ｂ）に仮想線で示すように、吐出工程から逆駆動工程に切換わるときに、定格速度での吐出動作から、高速での吸入動作に直接切換えるように制御されるものとしても良い。これは言わば一段切換駆動状態による逆駆動工程であって、ポンプＰの動作を速度ゼロに維持することが無いようにしてポンプＰの動作速度をプラス速度からマイナス速度に瞬時に切換える制御により液垂れを防止させる手段である。前述したように、図６に実線で示すかなりの高速での吸入動作では薬液ｅに気泡や薄膜が生じてしまうことがあるので、高速、やや高速、或いは定格速度での吸入動作による一段切換駆動状態にすれば、図８（ａ）に示す二段切換や図８（ｂ）に示す三段切換による逆駆動状態（逆駆動工程）を採ることなく、気泡や薄膜が生じることが無いようにしながら液垂れを解消することが可能である。

尚、「…吐出駆動状態から逆駆動状態に切換わるときは、吐出側弁２８の開弁状態と吸入側弁２７の閉弁状態とが維持されている状態でポンプＰが吐出動作から直ちに吸入動作に切換えられるように構成されている…」における「直ちに」とは、速度ゼロの状態を維持することが無いという意味であり、プラス速度からマイナス速度に切換わる途中に理論上、一瞬速度ゼロになることは除く。

〔実施例２〕
実施例２による液体ポンプシステムＡは、図９，図１０に示すように、図１に示す実施例１によるものと基本的には同じであり、吸入側弁２７及び吐出側弁２８とその操作系を具体化したものである。この実施例２のシステムは、実施例１による液体ポンプシステムＡにおいて新たに生じる問題、即ち前述したリバウンド現象をも解消可能となるように、さらに構造に工夫を凝らされたより優れたシステムを提供するものである。

即ち、実施例２による液体ポンプシステムＡにおいては、吸入側弁２７及び吐出側弁２８が、エアを用いて弁体６１を動かすことで弁体６１が弁座６２に当接している閉弁状態〔図１０（ａ）参照〕と、弁体６１が弁座６２から離れている開弁状態〔図１０（ｂ）参照〕との切換えが可能なエアオペレイト弁に構成されている。そして、吸入側弁２７及び吐出側弁２８へのエア給排を制御する制御弁３９と吸入側弁２７及び吐出側弁２８とを接続する吸入側及び吐出側の各エア給排路４０，４１を設けるとともに、吸入側エア給排路４０を通るエアに絞り作用する吸入側絞り手段４２、及び吐出側エア給排路４１を通るエアに絞り作用する吐出側絞り手段４３が配備されている。

いずれの絞り手段４２，４３も可変絞り手段であってニードル弁に構成されており、それらニードル弁４２，４３並びにアスピレータ３５への空気ポンプ６３からのエア（圧搾空気）給排を司どる制御弁３９は、制御手段３８によって切換制御される３連型の電磁切換弁に構成されている。つまり、吸入側弁２７及び吐出側弁２８は、電磁切換弁３９から吸入側ニードル弁４２又は吐出側ニードル弁４３を通って来るエア圧によって開閉操作される構成となっている。

吸入側及び吐出側の各エアオペレイト弁２７，２８の構造は、図１０に示すように、互いに共通の軸心Ｗを有する一対の流路５１，５２、弁体６１、弁座６２等が配されるフッ素樹脂（ＰＦＡ等）製の弁本体５０と、弁体６１を先端に備えるピストン５４、戻しバネ５５、エア給排部５６等が配されるアクチュエータ部５３、取付板５７、各流路５１，５２毎に装備される管継手部５８等を有して構成されている。第１流路５１は、流路軸心Ｗに直交する縦軸心Ｚを有する円環路５１Ａが末端に形成されるとともに、その円環路５１Ａの内側に第２流路５２の末端縦向き路５２Ａが同心状で形成されており、それら円環路５１Ａと末端縦向き路５２Ａとを仕切る円環状の仕切り壁５０Ａの頂面で弁座６２が形成されている。

縦軸心Ｚの方向視で円形を呈する弁体６１は、その外周の伸縮部６１aと、その外周であってアクチュエータ部５３の合成樹脂（ＰＰＳ等）製ケーシング５３Ａと弁本体５０との間に介装される押え外周部６１ｂと、ピストン５４先端のネジ穴部（符記省略）に螺入される嵌合棒部６１ｃとを有するフッ素樹脂（ＰＴＦＥ等）製のダイヤフラムに構成されている。エア給排部５６にはチューブ材等によるエア給排路４０，４１が連通接続され、第１，第２流路５１，５２は、吸入側流路２９、ポンプＰの吸入部６や吐出部７、吐出側流路３０が適宜に連通接続される。尚、５３ａ，５９ａは空気抜き孔である。また、環状流体給排口部５８ａと、これに螺着されるユニオンナット５８ｂ、及びインナーリング５８ｃ等から成る管継手部５８は公知構造に付き、ここでの詳細な説明は割愛する。

エアオペレイト弁２７，２８の開閉動作を説明すると、エア給排部５６にエアが供給されていない場合（排気状態）では、図１０（ａ）に示すように、コイルバネで成る戻しバネ５５の付勢力によってピストン５４が押し下げられ、弁体６１が弁座６２に当接して円環路５１Ａと末端縦向き路５２Ａとが断絶する閉弁状態となる。そして、エア給排部５６から高圧のエアがシリンダ室５３Ｓに供給されると、図１０（ｂ）に示すように、ピストン上端面５４ａが蓋ケース５９の下端面５９ｂに当接するまで戻しバネ５５の付勢力に抗してピストン５４が上昇移動され、弁体６１が弁座６２から所定距離浮上して離れて第１流路５１と第２流路５２とが連通する開弁状態になる。

弁の開閉応答性を良くする点からは、弁体６１のリフト量ｒ〔図１０（ｂ）参照〕を小さくするのが良いが、開弁状態に十分な流量（単位時間当たりの流量）を確保することからある程度の値（＝ｒ）が必要であり、あまり小さくはできない。そこで、弁体６１の移動速度を素早くして応答性を良くすることが考えられ、そのためには戻しバネ５５をバネ定数の高い強力なものにし、かつ、開弁するためのエア圧をそれに打ち勝つ高いものに設定することになる。従って、エアオペレイト弁２７，２８では、エア解除（エア排気）に伴って弁体６１が瞬間的に戻り移動して弁座６２に当接するので、その弁体６１の急速な戻り移動が一種のポンプのような作用を為し、ノズル３３の液面をやや押出すことがありうる。これが前述のリバウンド現象である。

ニードル弁４２，４３は、図１１に示すように、互いに共通の軸心Ｘを有して対向配置される一対の給排路４５，４６、軸心Ｘに直交する縦軸心Ｙを持つリング状のガイドケース４７、これら給排路４５，４６や黄銅製のガイドケース４７を収容する合成樹脂製の弁ボディ４４、黄銅製のニードル４８、ロックナット４９等を有して構成されている。ガイドケース４７の下端部４７Ａは、シールリング６０を介して弁ボディ４４のリング隔壁部４４Ａに密封内嵌されており、その上下に第１給排路４５の第１末端路４５ａと第２給排路４６の第２末端路４６ａとが振り分け形成されている。

ニードル４８は、弁ボディ４４に一体的に組み込まれているガイドケース４７の上端部に螺入されており、ツマミ４８Ａの回し操作により、ガイドケース４７に対して上下移動可能であるとともに、ロックナット４９の操作によって適宜の上下方向位置において係止維持可能である。リング隔壁部４４Ａの中心孔４４ａには、上端にツマミ４８Ａを備えたニードル４８の先窄まりテーパ状の先端ニードル４８Ｎが挿入されており、先端ニードル４８Ｎの上側にはより急なテーパ角を有するストップ部４８ｓが形成されている。

つまり、ツマミ４８Ａを右回ししてニードル４８を下降移動させ、ストップ部４８ｓで中心孔４４ａを閉塞すれば閉弁状態になり、その状態からツマミ４８Ａを左回ししてニードル４８を徐々に持上げると、中心孔４４ａと先端ニードル４８Ｎとの間にリング状の流体通路（符記省略）が形成されて絞りが効いて第１末端路４５ａと第２末端路４６ａとが連通する開弁状態にすることができる。そして、ニードル４８の上昇量を大きくすればするほど、前記流体通路の面積が広くなって絞りを緩くすることができる。即ち、ニードル弁４２，４３は、ツマミ４８Ａの回し操作で絞り効果（絞り量）を可変設定できる可変絞り弁である。

次に、実施例１によるシステム（図１を参照）において新たな生じてきた不都合状況について説明する。サックバック工程終了後にポンプＰの吐出側弁である吐出側エアオペレイト弁２８を閉じた際に、前述のリバウンド現象により、吸入された薬液ｅの液面がノズル３３内にて再下降することがある。即ち、図１２に示すように、サックバック動作によってノズル３３の下端から高さＨに液面が吸入されるが、その高さＨは、リバウンド現象による再下降量ｈを見越した引上げたかさとして設定されている。ゆえに、例えリバウンド現象が生じても、Ｈ＞ｈであるから、破線で示すノズル３３のように再下降した薬液ｅの液面は依然としてノズル下端よりは上に位置するはず（即ち、ＯＫ！）である。

しかしながら、場合によっては吐出側弁２８の閉じ動作（弁体３９の急激な戻り移動）によって、高さＨま吸入された薬液ｅが予想より大きく再下降し、×が施された仮想線の経路に従って示されるノズル状況（図１２で最も紙面右側に上下のカッコ付きで描かれているノズル３３）のように、吐出側エアオペレイト弁２８の閉じ動作に起因して気泡の混入もしくはノズル３３から液だれが生じるおそれがあったのである。これが吐出側弁２８を応答性に優れるエアオペレイト弁を用いたことによる新たな問題である。

そこで、その新たな問題を解決するための手段が、電磁制御弁３９とエアオペレイト弁２７,２８との間にニードル弁４２，４３を介装することである。即ち、図９に示すように、可変絞り弁であるニードル弁４２，４３を通したエアを吸入側及び吐出側の各エアオペレイト弁２７，２８に供給することにより、図１３に示すように、サックバック動作後の吐出側エアオペレイト弁２８の閉じ操作に伴う弁体６１の弁座６２への開弁作用は変わらず移動速度が緩慢なものに制御されてポンプ作用による悪影響が解消又はほぼ解消され、リバウンド現象による悪影響が消滅又はほぼ消滅するのである。図１３の紙面上側に描かれているように、例え、僅かにリバウンド現象が生じたとしても、それによる薬液ｅの液面再下降量は、図１２に示す不都合時の再下降量ｈに比べて著しく小さいｄ（ｄ＜＜ｈ）で済み、不測の液だれが未然に防止される。

また、再下降量が小さくなったことにより、図１３の紙面下側に、仮想線の矢印で示す順序によって描かれているように、サックバック動作による液面の上昇量自体を少なくして、エアオペレイト弁２７，２８を用いたことによる新たな問題が生じないよういにしながら、システムとしての応答性がさらに改善可能となるようにすることもできる。

図９においては、吸入側弁２７もエアオペレイト弁として吸入側ニードル弁４２も介装させる構成とされており、念のために吸入側エアオペレイト弁２７のリバウンド現象による悪影響も出ないようにされているが、ノズル３３からの液だれを解消させる目的のみで良ければ、吸入側ニードル弁４２を省くことは可能である。

液体ポンプシステムを示す模式図（実施例１）排気ポンプの内部構造を示す一部切欠きの側面図ローリングダイヤフラムポンプ部とその駆動構造を示す断面図図３のポンプ吐出動作終了状態を示す作用図液体ポンプシステムの駆動状況を示すタイムチャート高速吸入のみの一段による逆駆動工程を示し、（ａ）は作用図、（ｂ）はポンプ位置とポンプ速度とのタイムチャート要部の図高低二段切換の逆駆動工程による予測作用と実際の作用とを示す工程図（ａ）は図７の逆駆動工程前後におけるポンプ位置とポンプ速度とのタイムチャート図、（ｂ）は三段切換の逆駆動工程での要部のタイムチャート図実施例２による液体ポンプシステムを示す模式図エアオペレイトバルブの構造を示し、（ａ）は開弁状態の断面図、（ｂ）は閉弁状態の断面図ニードル弁の構造を示す断面図吐出側弁の閉じ動作に伴うノズル液面の不都合挙動等を示す作用図図９のシステムによるノズル液面の改善状況を示す要部の作用図ポンプの内部構造を示す所定高さ部位での平面図

符号の説明

２７吸入側弁
２８吐出側弁
２９吸入側流路
３０吐出側流路
３９制御弁
４０吸入側エア給排路
４１吐出側エア給排路
４２，４３絞り手段
６１弁体
６２弁座
Ｐポンプ

Claims

液体用のポンプと、前記ポンプに対する吐出側流路を開閉する吐出側弁と、前記ポンプに対する吸入側流路を開閉する吸入側弁とを有し、前記吐出側弁を閉弁し、かつ、前記吸入側弁を開弁して前記ポンプを吸入動作させる吸入駆動状態と、前記吐出側弁を開弁し、かつ、前記吸入側弁を閉弁して前記ポンプを吐出動作させる吐出駆動状態とが切換可能に構成されている液体ポンプシステムであって、
前記吐出駆動状態から前記吸入駆動状態に切換わるときには、前記吐出駆動状態の終了に伴って、前記吐出側弁を開弁し、かつ、前記吸入側弁を閉弁して前記ポンプを吸入動作させる逆駆動状態を経て前記吸入駆動状態に切換えられるとともに、
前記吐出駆動状態から前記逆駆動状態に切換わるときは、前記吐出側弁の開弁状態と前記吸入側弁の閉弁状態とが維持されている状態で前記ポンプが前記吐出動作から直ちに前記吸入動作に切換えられるように構成されており、
前記吐出側弁及び前記吸入側弁が、エアを用いて弁体を動かすことで前記弁体が弁座に当接している閉弁状態と前記弁体が前記弁座から離れている開弁状態との切換えが可能なエアオペレイト弁に構成され、
前記吐出側弁及び前記吸入側弁へのエア給排を制御する制御弁と前記吐出側弁及び前記吸入側弁とを接続する吐出側及び吸入側のエア給排路を設けるとともに、前記吐出側エア給排路を通るエアに絞り作用する絞り手段が配備されている液体ポンプシステム。
前記吸入側エア給排路を通るエアに絞り作用する絞り手段が配備されている請求項１に記載の液体ポンプシステム。
前記絞り手段が可変絞り弁である請求項１又は２に記載の液体ポンプシステム。
前記可変絞り弁としてニードル弁が採用されている請求項３に記載の液体ポンプシステム。