JP4870342B2

JP4870342B2 - 二流体噴射ノズル装置

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Publication number: JP4870342B2
Application number: JP2004245263A
Authority: JP
Inventors: 明典磯
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2024-08-25
Also published as: KR101188293B1; JP2006061786A; TWI344862B; CN1739862A; KR20060050448A; TW200607571A; CN100493731C

Description

この発明は加圧された液体と気体とを混合して噴射する二流体噴射ノズル装置に関する。

半導体装置や液晶表示装置などの製造過程には、半導体ウエハやガラス基板などの基板に回路パタ−ンを形成するリソグラフィープロセスがある。このリソグラフィープロセスは、周知のように前記基板にレジストを塗布し、このレジストに回路パターンが形成されたマスクを介して光を照射する。

ついで、レジストの光が照射されない部分（あるいは光が照射された部分）を除去し、除去された部分をエッチングするという、一連の工程を複数回繰り返すことで、前記基板に回路パターンを形成するようにしている。

前記一連の各工程において、前記基板が汚染されていると、回路パターンを精密に形成することができなくなり、不良品の発生原因となる。したがって、それぞれの工程で回路パターンを形成する際には、レジストや塵埃などの微粒子が残留しない清浄な状態に前記基板を処理液によって処理するということが行われている。つまり、基板に付着した微粒子を除去する処理が行われる。

従来、前記基板に付着した微粒子を除去する場合、処理液を所定の圧力に加圧してノズルから基板に向けて噴射するということが行われている。ノズルにはスリット状の噴射孔が形成され、処理液はこの噴射孔から扇状に拡がって基板に噴射される。

しかしながら、処理液を単に加圧してノズルの噴射孔から噴射させるだけでは、基板に与える衝撃力が弱いため、基板に付着した微粒子の除去率が低くなるということがあった。

そこで、基板に付着した微粒子の除去率を高めるために、ノズルに加圧された処理液とともに加圧気体を供給することで混合流体とし、基板に与える衝撃力を高めるようにした、二流体噴射ノズル装置が用いられる。

二流体噴射ノズル装置によれば、処理液だけを基板に噴射する場合に比べ、基板に与える衝撃力を大きくすることが可能となる。図６において、曲線Ｘはスリット状の噴射孔が形成されたノズルから処理液だけを０．１ＭＰａの圧力で噴射させた場合に、処理液が基板に与える衝撃力を測定した値を示し、曲線Ｙはスリット状の噴射孔が形成されたノズルから処理液とともに気体を混合して噴射させた場合に、基板に与える衝撃力を測定した値を示す。処理液と気体の圧力はそれぞれ０．１１ＭＰａであり、ノズル先端から基板の上面までの高さは１００ｍｍとした。
同図において、縦軸は衝撃力［ｇｆ］を示し、横軸はノズルの中心を０として径方向外方の距離［ｍｍ］を示す。

曲線Ｙで示すように、処理液に気体を混合した混合流体を噴射すれば、曲線Ｘで示すように処理液だけを噴射する場合に比べ、基板に与える衝撃力を大きくすることが可能となる。しかしながら、混合流体をノズルに形成されたスリット状の噴射孔から噴射させるだけでは、基板に与える衝撃力を十分に大きくすることができないため、微粒子の除去率を大きく改善することができないということがある。

基板に与える衝撃力を大きくするために、処理液と気体との混合圧を高くすることが考えられる。しかしながら、混合流体の圧力をたとえば０．３ＭＰａ以上にすると、噴射孔から噴射されて扇状に拡がった流体の拡がり方向の両端部が中央分に比べて小さな粒径のミスト状になって霧化してしまうということが実験によって確認されている。

そのため、扇状（基板の板面では直線状）に拡がって噴射される処理液が基板に与える衝撃力は拡開方向両端部で著しく低下するため、拡開方向全体を均一に洗浄するということができず、洗浄ムラが生じてしまうことになる。そして、洗浄ムラが生じる範囲は、拡開方向に沿う洗浄領域の２〜３割に達してしまう。

なお、噴射孔を断面円形状のストレート孔とすることも行われている。しかしながら、ストレート孔の場合には、噴射された混合流体の拡がり角度が小さい。そのため、基板に与える衝撃力はストレート孔の中心に対応する部分が他の部分に比べて極端に大きくなるため、基板から塵埃を均一に除去することが難しい。しかも、ストレート孔から噴射された混合流体の噴射領域は円形状となり、直線状とならないから、そのことによっても基板の全面を均一に洗浄処理することが難しい。

この発明は、ノズルから噴射される混合流体によって基板に大きな衝撃力を与えることができるとともに、扇状に噴射された混合流体が拡がり方向両端部で霧化することがないようにした二流体噴射ノズル装置を提供することにある。

この発明は、加圧された液体と気体とを混合してなる混合流体を噴射する複数の噴射孔が先端に形成されたノズルチップを有する二流体噴射ノズル装置において、
前記ノズルチップの先端面は前記ノズルチップの軸線と直交する平面とされ、
前記複数の噴射孔は、前記軸線に対して径方向に対称かつ一列に形成され、しかも、それぞれ前記軸線上の位置からこの軸線に対して異なる所定の角度で傾斜してなるストレート孔であり、これにより、前記複数の噴射孔の前記先端面に開口した形状は前記径方向に沿った楕円形とされ、前記複数の各噴射孔の前記角度は、隣り合う噴射孔から噴射した前記混合流体の各噴射領域における前記楕円形の長軸方向の端部が重なるように設定されていることを特徴とする二流体噴射ノズル装置にある。

前記異なる所定の角度における一方の範囲は１０〜１５度の範囲であって、好ましい角度が１５度であり、
前記異なる所定の角度における他方の範囲は２０〜３５度の範囲であって、好ましい角度が２５度であることが好ましい。

前記ノズルチップが軸線を一致させて着脱可能に取り付けられるノズル本体を有し、
このノズル本体には、前記ノズルチップに連通する混合室と、前記ノズル本体の軸線方向に沿って形成され前記混合室に気体を供給する気体供給路と、前記ノズル本体の周方向から前記混合室に液体を供給する液体供給路とが形成されていることが好ましい。

この発明によれば、噴射孔がノズルチップの軸線を中心にして対称に傾斜しているから、各噴射孔から噴出した混合流体はノズルチップの径方向に沿って扇状に拡がるとともに、混合流体の圧力を霧化する状態まで高くしなくても、拡がり方向ほぼ全長にわたって基板に与える衝撃力を大きくすることができる。

以下、この発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。
図１はこの発明の二流体噴射ノズル装置の正面図であり、図２は縦断面図であって、この二流体噴射ノズル装置はノズル本体１を備えている。ノズル本体１には、上端面に開口した第１のねじ孔２がノズル本体１の軸線と同軸に形成されている。さらに、ノズル本体１には、第１のねじ孔２の軸線に対して軸線を直交させた第２のねじ孔３が上記ノズル本体の外周面に開口して形成されている。第２のねじ孔３と第１のねじ孔２とは連通している。

上記第１のねじ孔２の先端部には混合室５の一端が連通している。この混合室５の他端は上記ノズル本体１の先端面に開口している。ノズル本体１の先端面には円形凹状のはめ込み部６が形成されている。この嵌め込み部６には後述する構造のノズルチップ７の鍔部８が係合される。はめ込み部６に鍔部８を嵌め込んだ上記ノズルチップ７は、上記ノズル本体１の先端部に螺合されるキャップ９によって上記鍔部８がノズル本体１の先端面とで押圧されて着脱可能かつ軸線Ｏを上記ノズル本体１の軸線と一致させて取り付け固定される。

上記第１のねじ孔２には、軸方向に沿って通気路１１が貫通して形成された気体用口体１２がねじ込まれる。この気体用口体１２の通気路１１には、所定の圧力に加圧された気体が供給される気体の図示しない供給管が接続される。

上記第２のねじ孔３には、軸方向に沿って通液路１３が貫通して形成された液体用口体１４がねじ込まれる。この液体用口体１４の通液路１３には、所定の圧力で加圧された純水が供給される液体としての純水の図示しない供給管が接続される。

上記気体用口体１２の上記第１のねじ孔２内に位置する先端部は、この第１のねじ孔２よりも小径に形成されていて、その小径部の外周面と第１のねじ孔２の内周面との間には上記液体用口体１４に供給された純水を上記混合室５に導入する環状の導入路１５が形成されている。

図３と図４に示すように、上記ノズルチップ７は有底円筒状の円筒部１８を有し、この円筒部１８の開口した上端には上記鍔部８が設けられている。上記円筒部１８はドリル加工されており、それによって、円筒部１８の先端壁１９の内底面は円錐状の凹部１９ｂに形成されている。

上記円筒部１８の先端壁１９には、ノズルチップ７の軸線Ｏに対して径方向に対称かつ一直線に、それぞれ一対の第１の噴射孔２１と、第２の噴射孔２２とが所定の角度で傾斜して穿設されている。

一対の第１の噴射孔２１は、図４に示すようにノズルチップ７の軸線Ｏの中心Ｃの位置からこの軸線Ｏに対してαで示す１５度の角度で傾斜しており、第２の噴射孔２２は同じく軸線Ｏの中心Ｃの位置から軸線Ｏに対してβで示す２５度の角度で傾斜している。

なお、第１の噴射孔２１の傾斜角度αは１５度に限定されず、１０〜１５度の範囲であればよく、実験的にもっとも好ましい角度が１５度である。第２の噴射孔２２の傾斜角度βは２５度に限定されず、２０〜２５度の範囲であればよく、実験的に好ましい角度が２５度である。

第１、第２の噴射孔２１，２２はストレート孔であるが、軸線Ｏに対して所定の角度で傾斜している。しかも、ノズルチップ７の先端壁１9の外面、つまり先端面１９ａは、このノズルチップ７の軸線Ｏに対して直交する平面となっている。

そのため、図３に示すように、第１、第２の噴射孔２１，２２のノズルチップ７の先端面１９ａに開口した形状は、それぞれノズルチップ７の径方向に沿って細長い第１の楕円形２１ａ及び第２の楕円形２２ａとなっている。

第２の噴射孔２２の傾斜角度βが第１の噴射孔２１の傾斜角度αよりも大きいため、第２の噴射孔２２の開口形状である第２の楕円形２２ａは、第１の噴射孔２１の開口形状である第１の楕円形２１ａよりも長軸寸法が大きな楕円形となっている。

このように構成された二流体混合ノズル装置によると、気体用口体１２からノズル本体１に供給された所定の圧力の気体と、液体用口体１４からノズル本体１に供給された所定の圧力の液体とは、混合室５で混合されてノズルチップ７の円筒部１８内に流入し、そこでさらに混合されて円筒部１８の先端壁１９に穿設されたそれぞれ一対の第１の噴射孔２１と第２の噴射孔２２から図示しない基板に向けて噴射する。

図３に示すように、各噴射孔２１，２２はノズルチップ７の軸線Ｏに対して所定の角度で傾斜しているため、各噴射孔２１，２２はノズルチップ７の先端面に第１、第２の楕円形２１ａ，２２ａとなって開口している。

そのため、混合流体は各噴射孔２１，２２から傾斜方向に向かって噴射するとともに、第１、第２の楕円形２１ａ，２２ａの長軸方向、つまり各噴射孔２１，２２が一列に配置されたノズルチップ７の径方向に沿って扇状に拡開する。

１つの噴射孔から噴射する混合流体が扇状に拡開すると、拡開方向の両端部では混合流体が拡散し易いため、中央部に比べて基板に与える衝撃力が大幅に弱くなる。しかしながら、各噴射孔２１，２２から混合流体が扇状に拡開して噴射すると、隣り合う噴射孔２１，２２から噴射した混合流体の各噴射領域の拡開方向の両端部が重なり合う。

そのため、扇状に拡開することで、拡開方向の両端部が中央部に比べて基板に与える衝撃力が弱くなるものの、隣り合う噴射領域の両端部が重なり合うことで、基板に与える衝撃力が増大する。

図６において、曲線Ｚはこの発明のノズルチップ７の第１、第２の噴射孔２１，２２から噴射された混合流体が基板に与える衝撃力を測定した値を示す。ノズルチップ７に供給される処理液と気体の圧力はそれぞれ０．１１ＭＰａであり、ノズル先端から基板の上面までの高さは１００ｍｍで、これらの条件は曲線Ｙの場合と同じである。

その結果、基板に与える衝撃力は曲線Ｙの場合に比べて最大で約３倍程度に増加することが確認された。曲線Ｚは、基板に与える衝撃力の強い４つの山ｍが形成されている。各山ｍはノズルチップ７に形成された第１、第２の噴射孔２１，２２の中心に対応しており、隣り合う噴射孔２１，２２から噴射された混合流体の拡開方向の両端部が重なり合うことで、３つの谷ｎの部分の衝撃力が極端に小さくなるのが防止されている。

それによって、ノズルチップ７の第１、第２の噴射孔２１，２２の配置方向である、ノズルチップ７の径方向において、基板に与える衝撃力を平均化することができる。しかも、気体と液体との供給圧力が曲線Ｙで示す実験と同じ０．１１ＭＰａであっても、基板に与える衝撃力を従来に比べて大幅に増大させることができる。つまり、混合流体の圧力を、液体が霧化する３ＭＰａ以上の高圧にしなくても、基板に与える衝撃力を大きくすることができる。

さらに、この発明の構成のノズルチップ７を用いた場合について考察すると、混合流体を従来のようにストレート孔から噴射すると、その混合流体は扇状に拡がることがないから、基板に与える衝撃力は局部的に大きくなり、平均化し難くなる。

しかしながら、この発明のように、第１、第２の４つの噴射孔２１，２２をノズルチップ７の軸線Ｏに対してそれぞれ対称の角度で傾斜させたことで、ノズルチップ７の先端面１９ａに対して径方向に沿って細長い第１、第２の楕円形２１ａ，２２ａとなって開口する。

そのため、各噴射孔２１，２２の開口端面の第１、第２の楕円形２１ａ，２２ａから噴射する混合流体は、ストレート孔の場合に比べて楕円形２１ａ，２２ａの長軸方向に沿って扇状に拡がり易くなる。

混合流体が第１、第２の楕円形２１ａ，２２ａの長軸方向に拡がって噴射すれば、ストレート孔から噴射する場合に比べて基板に与える衝撃力が拡がり方向に分散されるとともに、隣り合う噴射孔から噴射された混合流体は扇状に拡がった噴射領域の両端部がそれぞれ重なり合うから、その重なり合いによって基板に与える衝撃力が増大する。

つまり、扇状に拡開する噴射領域が１つだけでは、その噴射領域の両端部が基板に与える衝撃力は大きく低下する。しかしながら、隣り合う噴射領域の端部が重なり合うことで、噴射領域の端部に対応する部分が基板に与える衝撃力を増大させることができる。

その結果、混合流体が基板に与える衝撃力は、噴射孔の開口形状が円形のストレート孔と、開口形状が直線状のスリット孔の場合との中間の状態となるから、図６に曲線Ｚで示すように衝撃力が比較的大きく、しかも平準化されることになる。

下記［表１］はこの発明のノズルチップ７を用いて第１、第２の噴射孔２１，２２から噴射される混合流体の粒径と平均流速を測定した実験結果１〜３を示す。［表１］における測定位置Ａ〜Ｃは図５に示す通りである。すなわち、測定位置Ａはノズルチップ７の軸線Ｏの下方であり、Ｃは扇状に拡開した混合流体の拡開方向の端部であり、ＢはＡとＣとの中間位置である。また、Ｈはノズルチップ７から噴射された混合流体の照射面Ｓ（基板の上面）からノズルチップ７の下端面までの高さである。

実験１〜実験３は、ノズルチップ７に供給する純水の圧力と気体の圧力はほぼ同じ値であるが、純水の流量と、気体の流量とを変化させるとともに、上記高さＨが１００ｍｍと１５０ｍｍの場合についてそれぞれＡ〜Ｃの位置における混合流体の粒子径と平均流速とを測定した。

実験結果に示された粒子径について考察すると、純水の流量と気体の流量との割合を変えることで、粒子径が変化することが分かった。つまり、実験１と実験２とを比較すると、気体の量に比べて純水の量の割合が多い実験２の方が粒子径が大きくなり、同様に実験２と実験３とを比較すると、やはり気体の量に比べて純水の量の割合が多い実験２の方が粒子径が大きくなることが分かった。

また、実験１〜３において、各測定位置Ａ〜Ｃでの粒子径がほぼ所定の範囲内の大きさになることが確認できた。そのことは、基板の各測定位置Ａ〜Ｃをほぼ同じ粒径の混合流体で洗浄することができることであるから、ノズルチップ７から噴射される混合流体の噴射領域をムラなく均一に洗浄することができることになる。

平均流速について考察すると、たとえば実験２よりも純水の量に対して気体の量の割合が多い実験１の方が混合流体の平均流速が大きくなることが確認された。混合流体の平均流速が速ければ速いほど、基板に与える衝撃が大きくなる。

したがって、実験１に示す条件でノズルチップ７から混合流体を噴射させれば、基板に与える衝撃が大きいから、基板に付着した微粒子を除去する処理に好適することになる。実験２に示す条件でノズルチップ７から混合流体を噴射させれば、基板に与える衝撃が実験１の場合よりも小さくなるから、基板をリンス処理する場合に好適することになる。

実験３は、混合流体の平均流速が実験１と実験２との間の値であるから、微粒子の除去とリンス処理のいずれにも適用することができる。
つまり、この発明のノズルチップ７によれば、供給される純水の量と、気体の量との割合を変化させることで、基板に噴射される混合流体の平均流速を変えることができる。換言すれば、基板に対してどのような処理を行うかに応じて混合流体が基板に与える衝撃を変えることができる。

この発明は上述した一実施の形態に限定されるものでなく、たとえばノズルチップに形成す噴射孔の数は４つでなく、２つあるいは６つあるいはそれ以上の偶数であってもよく、要は複数の噴射孔がノズルチップの軸線に対して左右対称の傾斜角度で傾斜し、しかもノズルチップの径方向に沿って一直線に形成されていればよい。

この発明の一実施の形態の二流体混合ノズル装置を示す正面図。二流体混合ノズル装置を示す断面図。ノズルチップの先端面を示す平面図。ノズルチップを拡大して示す縦断面図。［表１］の実験を行うときの測定位置を示す説明図。従来のノズルチップと、この発明のノズルチップから噴射される混合流体が基板に与える衝撃力を測定したグラフ。

符号の説明

１…ノズル本体、５…混合室、７…ノズルチップ、１１…通気路、１２…気体用口体、１３…通液路、１４…流体用口体、２１…第１の噴射孔、２２…第２の噴射孔。

Claims

加圧された液体と気体とを混合してなる混合流体を噴射する複数の噴射孔が先端に形成されたノズルチップを有する二流体噴射ノズル装置において、
前記ノズルチップの先端面は前記ノズルチップの軸線と直交する平面とされ、
前記複数の噴射孔は、前記軸線に対して径方向に対称かつ一列に形成され、しかも、それぞれ前記軸線上の位置からこの軸線に対して異なる所定の角度で傾斜してなるストレート孔であり、これにより、前記複数の噴射孔の前記先端面に開口した形状は前記径方向に沿った楕円形とされ、前記複数の各噴射孔の前記角度は、隣り合う噴射孔から噴射した前記混合流体の各噴射領域における前記楕円形の長軸方向の端部が重なるように設定されていることを特徴とする二流体噴射ノズル装置。
前記異なる所定の角度における一方の範囲は１０〜１５度の範囲であって、好ましい角度が１５度であり、
前記異なる所定の角度における他方の範囲は２０〜３５度の範囲であって、好ましい角度が２５度であることを特徴とする請求項１記載の二流体噴射ノズル装置。
前記ノズルチップが軸線を一致させて着脱可能に取り付けられるノズル本体を有し、
このノズル本体には、前記ノズルチップに連通する混合室と、前記ノズル本体の軸線方向に沿って形成され前記混合室に気体を供給する気体供給路と、前記ノズル本体の周方向から前記混合室に液体を供給する液体供給路とが形成されていることを特徴とする請求項１記載の二流体噴射ノズル装置。