JP5466958B2 - 超純水の比抵抗調整方法及び超純水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は超純水に炭酸ガスを溶解させることで、該超純水の比抵抗値を一定に調整する方法、及び超純水の比抵抗値を一定に調整するために超純水に炭酸ガスを溶解させる処理を行なう超純水処理装置に関する。

半導体や液晶の製造工程では、シリコンウェハーやガラス板等の基板の洗浄に超純水が使用されている。しかし、超純水は比抵抗値が１８ＭΩ・ｃｍ程度と高く、この状態で基板の洗浄に使用すると静電気が発生し静電破壊を生じてしまう問題がある。また、基板上に静電気が発生すると、洗浄除去した異物が再付着してしまう問題もある。

静電気発生を防止するために、炭酸ガスを超純水中に適量溶解させ超純水の比抵抗値を下げる方法が採られる。この場合の比抵抗値は０．２〜１．０ＭΩ・ｃｍ程度に下げられる。

超純水に炭酸ガスを溶解させる方法としては、超純水流に差し込んだノズルから炭酸ガスを直接溶解させるバブリング法や疎水性微多孔隔膜を介して超純水と炭酸ガスを接触溶解させる方法が用いられている。いずれの方法でもガス流量を制御して、比抵抗値を調整する方法が採られている。

半導体製造工程での超純水による精密洗浄では、洗浄機１台に必要な超純水流量は少量であるが、洗浄機自体の台数が多くなるのが特徴である。下記表１に２Ｌ／分および３２Ｌ／分の２つの異なる超純水流量に対して、超純水の比抵抗値を１．０及び０．２ＭΩ・ｃｍに下げるために必要な炭酸ガス供給量を示す。この表より超純水の比抵抗値を調整する為に必要な炭酸ガスは、量としては微量であるが、設定する比抵抗値の値や、超純水の流量により大きく異なることが示される。よって、複数の洗浄機に供給するために超純水の流量の変動幅が大きくなる場合には、調節可能な炭酸ガス流量域を広くすることが必要である。

このような微量の炭酸ガス流量を制御するために、マスフローコントローラーを使用する方法（例えば、特許文献１参照）やガス流れの抵抗となるフィルターを利用した方法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
また、微量のガス流量を制御する方法が難しいために、超純水を２つの流れに分配させて、一方の水には炭酸ガスを飽和に近い状態まで溶解させ、他方の水は炭酸ガスを含まない超純水とし、この両者を混合することで一定の比抵抗値の超純水を作る分配混合法もある。（例えば、特許文献３参照）。

特公平７―６７５５４号公報 特許第３８７５５９６号公報 特許第３６９０５６９号公報

しかし、特許文献１のマスフローコントローラーを使用する方法は高価であり、水の逆流でコントローラーが故障しやすいばかりでなく、流せるガス流量範囲が機器個別に固定されているので、処理する超純水流量が制限されるという欠点がある。超純水流量がレンジオーバーする時には、マスフローコントローラー機器自体を適正レンジのものに交換する必要が出てくる。

特許文献２のガス流れの抵抗となるフィルターを利用した方法では、抵抗の異なる４種類のフィルターの組み合わせで実施されているが、調節可能なガス流量範囲は１〜１６段階と狭い。そこで、抵抗に供給する炭酸ガスの圧力を変更することで、調節可能な炭酸ガス流量域を移動させている。しかし、ガス流通量が不連続の変化量であるので、比抵抗を一定値に安定させにくいという欠点がある。

特許文献３の分配混合法で、疎水性微多孔隔膜を介して超純水と炭酸ガスを接触溶解せる方法で飽和に近い炭酸水を作るためには、炭酸ガスが供給される気室内の炭酸ガス分圧を高める必要がある。また、気室は密閉とせざるを得ず、気室へ侵入する超純水水蒸気を排出できないために疎水性微多孔隔膜のガス側表面の濡れが生じて炭酸ガスの移動が阻害される。そのため、比抵抗値が突然に下がらなくなるという問題と、分配混合で比抵抗値を一定に保てる超純水流量域が狭いために、流量変動が大きな洗浄機や複数洗浄機への供給が難しいという欠点がある。

また、半導体などの精密洗浄はクリーンルーム内で行われる。従来は１〜２台の洗浄機に対して１台の超純水処理装置が設置されており、クリーンルームの活用度の点で改善が強く望まれている。１台の超純水処理装置からより多くの洗浄機へ供給できれば、クリーンルームの活用度が向上する。しかし、各洗浄機は個別に稼動するので超純水流量は不測状態で変化する。そのため、超純水流量変動の大きな複数洗浄機へ供給する場合に、比抵抗を所望の一定値に制御することができなかった。

以上から本発明は、流量が大きく変動する超純水の比抵抗値を、所望の値に簡便に調整し安定させることができる超純水の比抵抗調整方法、及び超純水処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明者らは、モータ駆動ロータリーバルブの回転数と、該モータ駆動ロータリーバルブへ供給するガス圧力との組み合わせで炭酸ガス流量を調整することで、従来よりも簡便に超純水の比抵抗を所望の値に安定させることができることを見出し、本発明に想到した。すなわち、本発明は下記の通りである。

［１］ 超純水に炭酸ガスを溶解して比抵抗値を調整する際に、供給する炭酸ガス圧力を調整してモータ駆動ロータリーバルブへ供給し、該モータ駆動ロータリーバルブの回転数に応じた炭酸ガスを気液接触室へ供給し、気液接触室から放出する超純水の比抵抗値を測定し、測定した比抵抗値をフィ−ドバックして前記モータ駆動ロータリーバルブの回転数を調整し、炭酸ガス溶解後の超純水比抵抗値を０．２〜１．０ＭΩ・ｃｍの範囲で一定にすることを特徴とする超純水の比抵抗調整方法。

［２］ 超純水が流通する超純水流通路と、炭酸ガスが流通するガス流通路と、前記超純水流通路及びガス流通路が接触してなる気液接触室とを有し、前記気液接触室よりも下流の前記超純水流通路に比抵抗計、前記気液接触室よりも上流の前記ガス流通路にガス圧力調節弁およびモータ駆動ロータリーバルブが設けられてなり、前記ガス圧力調節弁により圧力が調整された炭酸ガスがモータ駆動ロータリーバルブへ供給され、該モータ駆動ロータリーバルブの回転数に応じた前記炭酸ガスが気液接触室へ供給される超純水処理装置。

［３］ 前記モータ駆動ロータリーバルブは、回転数が０のとき圧力０．１０ＭＰａ以下の炭酸ガスの流通を遮断する能力を有し、１回転あたりの体積流量が０．０１〜５０ｍｌの範囲にある［２］に記載の超純水処理装置。
［４］ 前記モータ駆動ロータリーバルブの駆動にステッピングモ−タを用い、回転数を０〜１５０ｒｐｍの範囲内で調整可能なものである［２］又は［３］に記載の超純水処理装置。
［５］ 前記ガス圧力調節弁が炭酸ガス圧力を０〜１．０ＭＰａの範囲内で調節できるものである［２］〜［４］のいずれかに記載の超純水処理装置。
［６］ 前記気液接触室が疎水性微多孔隔膜で気液界面を形成する［２］〜［５］のいずれか記載の超純水処理装置。
［７］ 前記モータ駆動ロータリーバルブがペリスタポンプである［２］〜［６］のいずれかに記載の超純水処理装置。

本発明によれば、流量が大きく変動する超純水の比抵抗値を、所望の値に簡便に調整し安定させることができる超純水の比抵抗調整方法、及び超純水処理装置を提供することができる。

本発明の超純水処理装置の一形態を示す説明図である。 実施例において、比抵抗設定値を１．０ＭΩ・ｃｍとした場合の経過時間と超純水の供給量との間の関係を示す図である。 実施例において、比抵抗設定値を０．２０ＭΩ・ｃｍとした場合の経過時間と超純水の供給量との間の関係を示す図である。

本発明の超純水の比抵抗調整方法は、例えば、本発明の超純水処理装置により行なうことができる。図１に、本発明の超純水処理装置の一形態を示す。

超純水流通路１０はガス流通路３０と気液接触室２０で疎水性微多孔隔膜２２を介して接触している。ガス流通路３０には可変式のガス圧調整弁３２が設けられ、さらに下流のガス流通路にはモータ駆動ロータリーバルブとして、ペリスタポンプ３４が設置されている。このペリスタポンプ３４はステッピングモ−タ３６で駆動され、回転数制御手段４０で回転数が０〜１５０ｒｐｍで制御されるようになっている。気液接触室２０を通過した超純水流路１０には比抵抗計１２が設けられており、炭酸ガスが溶解した超純水の比抵抗を測定し、この比抵抗値はペリスタポンプの駆動モ−タの回転数制御のためにフィ−ドバックされ、比抵抗値が０．２〜１．０ＭΩ・ｃｍの範囲で設定された値に一定となるように制御される。

必要な炭酸ガスは、超純水が少量または大量であってもガス流通路上の可変式ガス圧調整弁３２の設定圧を増減させることで対応できる。
ここで、疎水性微多孔隔膜２２としては、ガスは透過するが超純水は透過しない隔膜を使用するが、具体的には、形状としては中空糸で、材質としてはポリプロピレンやＰＴＦＥといったものを使用することができる。また、比抵抗値を測定するには、公知の比抵抗計を使用することができる。

また、「比抵抗値が０．２〜１．０ＭΩ・ｃｍの範囲で一定となるように」の「一定」とは、調整後の所望の比抵抗値をＲとした際に、Ｒ±０．１ＭΩ・ｃｍ以内にあることをいう。比抵抗値が０．２〜１．０ＭΩ・ｃｍの範囲であれば、炭酸ガスが溶解していない超純水を用いた場合の弊害を十分に無くすことができる。

ペリスタポンプ３４のようなモータ駆動ロータリーバルブとしては、モータの停止時（回転数０の時）に圧力1．０ＭＰａ以下の炭酸ガス流体を遮断し、モータの回転数に応じてロータリーバルブを通過する炭酸ガスの供給量を変化させることができるモータ駆動ロータリーバルブを採用することが好ましく、特にポンプ駆動モータがステッピングモータのものがより好ましい。これにより、超純水の流量変化に迅速に追従して、炭酸ガス流量を調節することができる。

そして、このようなモータ駆動ロータリーバルブとしては、ペリスタポンプが最適である。ペリスタポンプは、ハウジングと、ロータと、複数個のローラと、チューブと、モータと、制御手段とを備えている。ハウジングは円弧状壁部を有しており、ロータは、モータによってハウジングに対して回転駆動されるように構成されている。モータの回転速度及び回転角度は回転数制御手段によって制御される。複数個のローラは、ロータ上の同一円周上に回転可能に支持されている。チューブは、複数のローラと円弧状壁部との間に配設されて、ローラの設けられているロータを取巻いた状態とされ、ロータの回転により複数個のローラの回動と共に円弧状壁部との間で押潰されたり、形状が回復したりする。チューブ内には予め流体が流入され、チューブがローラで押潰されたままローラが回動されてチューブの押潰されている位置が変わることによって、チューブ内の流体が移動して吐出動作が行なわれる。このようにペリスタポンプは弁座、弁棒などの可動機構が無く、チュ−ブの内径が細く少ない炭酸ガス流量に対応でき、メンテナンスもチューブの交換といった簡単な作業で済み、シンプルで安価という利点がある。

また、ペリスタポンプの回転数制御手段としては、炭酸ガスを溶解した超純水の比抵抗値のフィ−ドバックによるＰＩＤ制御といったものが挙げられる。

なお、気液接触室２０の気体側の部屋に設けた大気と通ずるガス流通路３０は、超純水水蒸気を気液接触室外へ排出するものである。

図１に示す超純水処理装置を用い、超純水の供給量を２Ｌ／分から３２Ｌ／分として超純水流通路１０を通じて気液接触室２０へ供給した。また、ガス流通路３０を通じて炭酸ガスを、ガス圧調整弁３２及びペリスタポンプ３４を介して気液接触室２０へ供給した。気液接触室２０には疎水性微多孔隔膜２２（形状は中空糸、材質はポリプロピレン）があり、隔膜の一方側を超純水流通路である液室１０Ａとし、隔膜の他方側をガス流通路である気室３０Ａとした。

気液接触室２０を通った超純水は、比抵抗計１２が設けられた配管を通って流出させた。また、ペリスタポンプ３４から気液接触室２０に送られた炭酸ガスの一部は、疎水性微多孔隔膜２２を透過して超純水へ溶解した。
なお、ペリスタポンプは１回転あたりの体積流量１．３５ｍｌのものをステッピングモ−タ３６で駆動し、該ステッピングモ−タは気液接触室２０から放出する超純水の比抵抗値によってコントローラー４０からの信号で回転数を０〜１５０ｒｐｍで制御した。この制御にはＰＩＤ制御を使用した。

比抵抗設定値を１．０ＭΩ・ｃｍとし、ペリスタポンプへの炭酸ガス供給圧を０．００５ＭＰａとして、超純水供給量を２Ｌ／分から３２Ｌ／分へ、また、２Ｌ／分へと変動させて、下記のような超純水の比抵抗調整の評価を行った。

図２に示すように、超純水の供給量を２Ｌ／分として比抵抗値が１．０ＭΩ・ｃｍで安定したところで、超純水流量を３２Ｌ／分へ急激に増加させたとき、比抵抗値は一時的に上昇したが、その後、１．０±０．１ＭΩ・ｃｍ以内に収束し維持された。引き続き、超純水供給量を２Ｌ／分まで急激に低下させたとき、比抵抗値は一時的に設定値以下となったが、その後、比抵抗値は１．０±０．１ＭΩ・ｃｍ以内に収束し維持された。
なお、図２及び後述の図３中の実線は比抵抗値を示し、点線は超純水量を示す。

続いて、比抵抗設定値を０．２０ＭΩ・ｃｍとし、ペリスタポンプへの炭酸ガス供給圧を１．０ＭＰａとして評価した。上記同様に、超純水供給量を２Ｌ／分から３２Ｌ／分へ、また、２Ｌ／分へと変動させた。図３に示すように、超純水流量が増加した直後には比抵抗値は上昇したが、その後は設定値０．２０±０．１ＭΩ・ｃｍに収束し維持された。超純水流量が減少した直後には比抵抗値は低下したが、その後は設定値０．２０±０．１ＭΩ・ｃｍに収束し維持された。

なお、比抵抗設定値への収束速度はステッピングモ−タのＰＩＤ制御パラメ−タ設定によるものであり、本発明が意図する比抵抗値を一定に制御する能力とは異なる。

このように、適切な圧力で炭酸ガスをペリスタポンプへ供給し、該ポンプを駆動するモ−タ回転数を制御することで、超純水比抵抗値を精度よく制御できることが示された。
また、当該実施例の構成は、主に炭酸ガス圧力調整弁とペリスタポンプとこのモ−タ回転数を制御する回転数制御手段との組合せからなるため、従来よりも比較的簡便そして安価な構成で、超純水の広範囲な流量変動に対しても十分良好な効果を発揮できることが確認できた。

１０・・・超純水流通路
１０Ａ・・液室
１２・・・比抵抗計
２０・・・気液接触室
２２・・・疎水性微多孔隔膜
３０・・・ガス流通路
３０Ａ・・気室
３２・・・可変式ガス圧調整弁
３４・・・ペリスタポンプ
３６・・・ステッピングモ−タ
４０・・・回転制御手段

Claims (7)

1. 超純水に炭酸ガスを溶解して比抵抗値を調整する際に、供給する炭酸ガス圧力を調整してモータ駆動ロータリーバルブへ供給し、該モータ駆動ロータリーバルブの回転数に応じた炭酸ガスを気液接触室へ供給し、気液接触室から放出する超純水の比抵抗値を測定し、測定した比抵抗値をフィ−ドバックして前記モータ駆動ロータリーバルブの回転数を調整し、炭酸ガス溶解後の超純水比抵抗値を０．２〜１．０ＭΩ・ｃｍの範囲で一定にすることを特徴とする超純水の比抵抗調整方法。
2. 超純水が流通する超純水流通路と、炭酸ガスが流通するガス流通路と、前記超純水流通路及びガス流通路が接触してなる気液接触室とを有し、前記気液接触室よりも下流の前記超純水流通路に比抵抗計、前記気液接触室よりも上流の前記ガス流通路にガス圧力調節弁およびモータ駆動ロータリーバルブが設けられてなり、
   前記ガス圧力調節弁により圧力が調整された炭酸ガスがモータ駆動ロータリーバルブへ供給され、該モータ駆動ロータリーバルブの回転数に応じた前記炭酸ガスが気液接触室へ供給される超純水処理装置。
3. 前記モータ駆動ロータリーバルブは、回転数が０のとき圧力０．１０ＭＰａ以下の炭酸ガスの流通を遮断する能力を有し、１回転あたりの体積流量が０．０１〜５０ｍｌの範囲にある請求項２に記載の超純水処理装置。
4. 前記モータ駆動ロータリーバルブの駆動にステッピングモ−タを用い、回転数を０〜１５０ｒｐｍの範囲内で調整可能なものである請求項２又は３に記載の超純水処理装置。
5. 前記ガス圧力調節弁が炭酸ガス圧力を０〜１．０ＭＰａの範囲内で調節できるものである請求項２〜４のいずれか１項に記載の超純水処理装置。
6. 前記気液接触室が疎水性微多孔隔膜で気液界面を形成する請求項２〜５のいずれか１項に記載の超純水処理装置。
7. 前記モータ駆動ロータリーバルブがペリスタポンプである請求項２〜６のいずれか１項に記載の超純水処理装置。

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