JP5711541B2 - 薬液吐出弁及び薬液供給システム - Google Patents

Description

本発明は、ポンプによって薬液を供給する薬液供給システムに関し、特に薬液を間欠的に供給する薬液吐出弁に関するものである。

半導体製造装置の薬液使用工程においては、薬液供給システムから供給されたフォトレジスト液等の種々の薬液が半導体ウェハに所定量だけ塗布される。塗布方法は、たとえばフォトリソグラフィでは、スピンコータによって感光性有機物質であるフォトレジスト（レジスト液）が塗布される。スピンコータとは、半導体ウェハの回転によってフォトレジストを薄く均一に塗布する装置である。フォトレジストの膜厚は、スピンコータの回転数、レジストの粘性、温度環境などにより数１０ｎｍから数μｍに調整することができる。薬液供給システムは、正確な量の薬液をノズルから半導体ウェハ上に滴下することによって薬液を供給する。

従来は、薬液供給については、正確な量の滴下を実現するためにサックバックバルブの装備や閉弁速度の調整といった方法が提案されている。サックバックバルブは、閉弁後に薬液をノズルから引き戻すことによって液だれを防止することができるので、液だれに起因する過滴下の問題を解決することができる。閉弁速度の調整は、閉弁速度をウォーターハンマー現象（圧力脈動）に起因する薬液流路の内部における気泡発生を抑制して、気泡に起因する滴下不足の問題を解決することができる。一方、予め設定された流量制御パターンに基づいて薬液の流量を制御して液だれを抑制する技術（特許文献１）や開閉バルブの閉弁操作とサックバックバルブの吸引動作とを、別の駆動信号に基づいて独立して制御することによって液だれを防止する技術（特許文献２）も提案されている。このように従来は、ノズルからの薬液の吐出特性の改善を図ってきた。

特開２０００−１６１５１４号公報 特開２０１０−１７１２９５号公報 特開平１１−８２７６３号公報 特開２００５−１２８８１６号公報

しかし、レジスト液の塗布の薄膜化の要請に伴って薬液の滴下量を減少させると、液だれや気泡が発生しなくても塗布膜の厚さに不均一な部分が発生することが本発明者によって新たに見出された。本発明者は、従来のようにノズルからの薬液の吐出特性だけに着目するのではなく、高速度カメラを使用してノズルから吐出された空中の薬液の物理的特性にまで分析対象を拡大してその原因を突き止めることに成功した。

本発明は、上述の従来の課題の少なくとも一部を解決するために創作されたものであり、液滴化を抑制しつつ薬液の滴下流量を減少させる技術を提供することを目的とする。

以下、上記課題を解決するのに有効な手段等につき、必要に応じて効果等を示しつつ説明する。

手段１．回転するウェハ上に薬液を供給するための薬液吐出弁であって、
前記薬液が供給される薬液供給口と、前記薬液を吐出する薬液吐出口とが形成されている弁室を有するバルブ本体と、
前記薬液供給口と前記薬液吐出口のいずれか一方との距離であるリフト量を閉弁状態と最大リフト量との間で操作することによって、前記薬液供給口と前記薬液吐出口との間の流通状態を変化させる当接部を有するダイアフラム弁と、
作動ガスの供給量を操作するための第１開度を連続的に調整可能な第１比例制御弁と、作動ガスの排出量を操作するための第２開度を連続的に調整可能な第２比例制御弁と、前記第１比例制御弁と前記第２比例制御弁とを接続する中間流路に接続されている作動ガス供給口とを有する作動ガス供給部と、
前記作動ガス供給口から供給された作動ガスの供給圧力に応じて前記当接部を駆動し、前記当接部の駆動によって前記リフト量を操作するアクチュエータ部と、
を備え、
前記アクチュエータ部は、前記最大リフト量を調整可能に制限するリフト量制限部を有する薬液吐出弁。

手段１では、リフト量の開閉操作は、第１比例制御弁と第２比例制御弁とを接続する中間流路に接続されている作動ガス供給口から供給された作動ガスの供給圧力に応じてダイアフラム弁の当接部を駆動することによって行なわれる。第１比例制御弁と第２比例制御弁とは連続的にバルブ開度を操作可能なので、一般的に使用されている電磁弁のオンオフ動作に起因する薬液流の脈流を排除することができる。これにより、特に閉弁操作時における薬液流の擾乱を抑制して表面張力による空中での液滴化を低減することができるので、薬液の少量供給の安定化を実現することができる。

一方、アクチュエータ部は、最大リフト量を調整可能に制限するリフト量制限部を有するので、定常的な流量状態を実現するためのリフト量として最大リフト量を調整し、閉弁操作の制御内容を調整後の最大リフト量から閉弁状態までのリフト操作に限定することもできる。このようなハードウェア構成は、定常的な流量状態におけるリフト操作の停止と、定位置（最大リフト量）からのリフト操作による閉弁操作とが利用可能な制御対象として構成されていることになるので、簡易な制御系の実装で再現性の高い安定した動作を実現することができる。これにより、高い信頼性で液滴化を低減することができるので、薬液の少量供給の安定化を実現することができる。この結果、高い信頼性で液滴の発生に起因するプロセスの劣化を簡易に抑制することができる。

手段１のアクチュエータ部は、作動ガスの供給圧力に応じてリフト量を操作する機能を有しているにも関わらず、最大リフト量を調整可能に制限するリフト量制限部をも有している。このような構成の組合せは、薬液の少量供給に起因する液滴化を薬液流中の擾乱の抑制で防止するための固有の組合せであり、出願時の当業者の技術常識に反するものであるといえる。

手段２．前記アクチュエータ部は、前記作動ガスの供給圧力に応じて前記当接部を駆動するためのピストンと、前記ピストンを収容するシリンダ室が形成されているシリンダとを有し、
前記ピストンは、前記シリンダ室をＯリングで封止する摺動部を有する手段１記載の薬液吐出弁。

手段２では、ピストンがシリンダ室をＯリングで封止する摺動部を有するので、ピストンは、薬液吐出弁に一般的に使用されるＹパッキン等と比較してシリンダ室に対して大きなヒステリシスで摺動することになる。すなわち、本摺動は、動摩擦力と静摩擦力との差が顕著に大きい摩擦状態となるので、閉弁操作においては、一度動摩擦状態に入ると静摩擦状態に遷移し難い状態となる。

このような特性は、ピストン位置の操作でバルブ開度を制御する薬液吐出弁の構成には一般的には好ましくないというのが出願時の当業者の一般的な技術常識である。しかしながら、本構成は、静摩擦状態への遷移を防止して動摩擦状態での安定した開弁操作や閉弁操作を実現することができるので、スティックスリップ現象を予防して液滴化の原因である薬液流の擾乱を抑制することができる。

手段３．前記薬液は、フォトリソグラフィープロセスに使用されるレジスト液である手段１又は２に記載の薬液吐出弁。

フォトリソグラフィープロセスでは、平坦面に均一に極めて薄い高品質の薄膜の形成が要請される一方、レジスト液Ｒの効率的な利用も望まれている。したがって、微小流量のレジスト液を安定的かつ液滴化することなく、ウェハ上に滴下することが好ましいので、本発明は顕著な効果を奏することになる。

手段４．薬液供給システムであって、
手段１乃至３のいずれか１項に記載の薬液吐出弁と、
前記第１開度と前記第２開度の連続的な調整によって、前記作動ガスの供給圧力を操作して前記薬液の供給量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記閉弁状態で維持させる閉弁維持操作と、前記閉弁状態から前記最大リフト量となるように前記リフト量を増大させる開弁操作と、前記リフト量を前記最大リフト量に維持する開弁維持操作と、前記最大リフト量から前記閉弁状態となるように前記リフト量を減少させる閉弁操作とを順に前記アクチュエータ部に実行させることによって間欠的に前記薬液を吐出する薬液供給システム。

手段４の薬液供給システムでは、閉弁維持操作と、開弁操作と、開弁維持操作と、閉弁操作とを順にアクチュエータ部に実行させることによって間欠的に薬液が吐出される。閉弁維持操作と開弁維持操作は、いずれも底付き状態の動作なので、目標値近傍におけるリフト量の制御や静摩擦状態と動摩擦状態との間の遷移に起因するリフト量の脈動を生じさせない。

開弁操作と閉弁操作は、いずれも停止を前提とする動作ではなく、閉弁状態と閉弁状態との間の動作におけるリフト量操作である。したがって、本構成は、目標値近傍におけるリフト量の制御や静摩擦状態と動摩擦状態との間の遷移に起因するリフト量の脈動を生じさせないことになる。このように、本薬液供給システムは、リフト量の脈動が発生しない動作によって間欠的に薬液を吐出することができるので、薬液の少量供給の安定化を実現することができる。

手段５．手段４記載の薬液供給システムであって、
前記第２比例制御弁は、非通電で閉状態となる弁であり、
前記制御部は、前記開弁維持操作においては前記第２比例制御弁を非通電とする薬液供給システム。

手段５の薬液供給システムでは、制御部が開弁維持操作においては第２比例制御弁を非通電として閉状態とされるので、作動ガスの供給圧力を高い状態で維持することができる。開弁維持操作では、作動ガスの供給圧力を高い状態で維持するだけで、リフト量制限部によって最大リフト量に維持されるので、第２比例制御弁への電力供給を停止した状態で開弁維持操作が実現されている。これにより、電力消費を抑制するとともに、薬液吐出弁の温度上昇を低減させることができる。

なお、第１比例制御弁の動作は、運用形態に応じて、非通電による閉状態としても良いし、小さなリフト量で開状態に制御しても良い。これにより、さらに電力消費や熱発生を抑制することができる。開弁維持操作は底付き状態における動作なので、作動ガスの供給圧力が脈動してもよいからである。

本発明は、薬液供給システムだけでなく、たとえば薬液供給システムの制御機能を具現化するコンピュータプログラム、そのプログラムを格納するプログラム媒体といった形で具現化することもできる。

本発明の実施形態の薬液供給システム９０とスピンコータ６０とを示す回路図。 薬液吐出バルブ１００の内部構成を示す断面図。 閉状態におけるエアオペレートバルブ１２０の内部構成を示す拡大断面図。 開状態におけるエアオペレートバルブ１２０の内部構成を示す拡大断面図。 実施形態における薬液吐出バルブ１００の制御ブロック図。 実施形態と比較例の薬液吐出バルブの作動エアの圧力を対比して示すグラフ。 比較例における薬液の吐出状態を高速度カメラで撮影した様子を示す図。 実施例における薬液の吐出状態を高速度カメラで撮影した様子を示す図。 エアオペレートバルブ１２０とサックバック装置１３０の作動シーケンスを示すタイムチャート。

以下、本発明を具現化した実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施の形態では、半導体装置等の製造ラインにて使用される薬液供給システムについて具体化しており、それを図１乃至図４に基づいて説明する。本実施形態では、薬液の供給流量の脈動を抑制するための構成と、薬液の脈動の抑制で薬液の少量供給を安定させるメカニズムの順で説明される。

（実施形態の薬液供給システムの構成）
図１は、本発明の実施形態の薬液供給システム９０とスピンコータ６０とを示す回路図である。薬液供給システム９０は、スピンコータ６０に薬液としてのレジスト液Ｒを供給するシステムである。スピンコータ６０は、半導体ウェハＷ上にレジスト液Ｒで薄膜を形成する装置である。スピンコータ６０は、回転板６１と、回転板６１上に載置された半導体ウェハＷの中心位置に薬液としてのレジスト液Ｒを供給（滴下）する薬液吐出ノズル６２と、薬液吐出ノズル６２に薬液を供給する薬液流路６３とを備えている。

レジスト液Ｒは、本実施形態では、フォトリソグラフィに使用される薬液である。フォトリソグラフィは、感光性有機物質であるフォトレジストを塗布した基板表面に、フォトマスクを通してパターン状に露光させることによって微細パターンを作製するプロセスである。フォトリソグラフィープロセスでは、平坦面に均一に極めて薄い薄膜が形成され、その後に露光装置（図示せず）に送られて微細な回路パターンが転写される。薄膜形成工程では、特に環境保護と省資源化の観点から、廃液量を低減させるとともにレジスト液Ｒを節約するためにレジスト液Ｒの効率的な利用が好ましい。

スピンコータ６０による薄膜形成プロセスは以下のとおりである。スピンコータ６０は、レジスト液Ｒの滴下前においては半導体ウェハＷを一定の回転数で回転させている。スピンコータ６０は、レジスト液Ｒの滴下させた後に回転数を上昇させて遠心力でレジスト液Ｒを半導体ウェハＷ上に広げる。これにより、半導体ウェハＷ上から余分なレジスト液Ｒが除かれて適量のレジスト液Ｒが残ることになる。スピンコータ６０は、さらに回転させることで、溶媒を蒸発させて感光性有機物質のみを半導体ウェハＷ上に均一にコーティングすることができる。レジストの膜厚は、回転板６１の回転速度、レジストの粘性、および温度環境などを制御することにより数１０ｎｍから数μｍに調整することができる。レジストの膜厚は、一般的に回転板６１の回転速度を速くするほど薄くすることができる。

薬液供給システム９０は、薬液供給貯留装置２０と、ポンプ装置３０と、薬液吐出バルブ１００と、これらを制御するコントローラ１０とを備えている。薬液供給貯留装置２０は、レジスト液Ｒを貯留するレジストボトル２１と、レジストボトル２１からポンプ装置３０にレジスト液Ｒを供給する吸入配管２２と、吸入配管２２を開閉操作する吸引側バルブ２３と、吸引側バルブ２３に作動エアを供給する作動エア供給源２５と、作動エアの供給圧力を操作する圧力制御弁２４とを備えている。圧力制御弁２４は、コントローラ１０によって制御されている。

ポンプ装置３０は、薬液供給貯留装置２０の吸入配管２２からレジスト液Ｒを吸引して薬液吐出バルブ１００に吐出する装置である。コントローラ１０は、吸引側バルブ２３を操作して吸入配管２２を開とし、ポンプ装置３０を操作して薬液吐出バルブ１００の入口側流路１１１に吐出圧を印加させる。ポンプ装置３０は、たとえば作動エアによって駆動されるダイアフラム（図示せず）を有するダイアフラムポンプとして構成することができる。

薬液吐出バルブ１００は、エアオペレートバルブ１２０と作動エア供給部５０とサックバック装置１３０とを備えている。エアオペレートバルブ１２０は、作動エア供給部５０から供給される作動エアの供給圧力に応じてバルブ開度が操作されるバルブである。作動エア供給部５０は、エアオペレートバルブ１２０に対して作動エアを供給する装置である。

作動エア供給部５０は、第１比例制御弁５１と第２比例制御弁５２と圧力センサ５３とサブコントローラ１９０とを備えている。第１比例制御弁５１は、作動エア供給流路５５を介して作動エア供給源２５に接続され、作動エア中間流路５４を介してエアオペレートバルブ１２０に接続されている。第２比例制御弁５２は、作動エア中間流路５４を介してエアオペレートバルブ１２０に接続され、作動エア排出流路５６を介して作動エア排気口に接続されている。圧力センサ５３は、作動エア中間流路５４に接続され、エアオペレートバルブ１２０への作動エアの供給圧力を計測する。

サックバック装置１３０は、エアオペレートバルブ１２０の閉弁時のレジスト液Ｒの液だれを防止するための装置である。サックバック装置１３０は、エアオペレートバルブ（図示せず）とそのエアオペレートバルブに作動エアを供給する装置（図示せず）とを備えている。

図２は、実施形態における薬液吐出バルブ１００の内部構成を示す断面図である。図３は、閉状態におけるエアオペレートバルブ１２０の内部構成を示す拡大断面図である。図４は、開状態におけるエアオペレートバルブ１２０の内部構成を示す拡大断面図である。薬液吐出バルブ１００は、スピンコータ６０（図１参照）にレジスト液Ｒを供給するための内部流路１１０を備えている。内部流路１１０には、レジスト液Ｒの流れを制御するエアオペレートバルブ１２０と、エアオペレートバルブ１２０の閉弁時のレジスト液Ｒの液だれを防止するためのサックバック装置１３０とが直列に接続されている。

内部流路１１０は、ポンプ装置３０から吐出されたレジスト液Ｒをエアオペレートバルブ１２０に供給する入口側流路１１１と、エアオペレートバルブ１２０から吐出されたレジスト液Ｒをサックバック装置１３０に供給する中間流路１１２と、サックバック装置１３０から吐出されたレジスト液Ｒを薬液吐出ノズル６２に供給する出口側流路１１３と、を備えている。入口側流路１１１、中間流路１１２、および出口側流路１１３は、本実施形態では直線状に配置されている。

エアオペレートバルブ１２０は、入口側流路１１１と中間流路１１２とに連通する弁室１２１を備え、弁室１２１と中間流路１１２の連通孔１１２ｈ（図２及び図３参照）を開閉することによって内部流路１１０におけるレジスト液Ｒの流れを制御するバルブである。エアオペレートバルブ１２０は、連通孔１１２ｈを開閉する当接部１２２ｔを有するダイアフラム１２２と、シリンダ室１２７と作動エア供給口１２８とが形成されているバルブ本体１２９と、ピストンロッド１２３と、ピストン１２４と、付勢バネ１２５と、リフト量制限機構１２６と、シリンダ室１２７を封止する膜体１２７ｍとを備えている。なお、連通孔１１２ｈは、薬液吐出口とも呼ばれる。入口側流路１１１と弁室１２１の連通口は、薬液供給口とも呼ばれる。作動エア供給口１２８は作動ガス供給口とも呼ばれる。

リフト量制限機構１２６は、ピストンロッド１２３の移動量を制限することによって、リフト量Ｌの最大値を調整可能に制限する機構である。リフト量Ｌは、図４に示されるようにダイアフラム１２２の当接部１２２ｔと連通孔１１２ｈとの間の距離であり、エアオペレートバルブ１２０のバルブ開度に相当する。リフト量制限機構１２６は、螺合によって装着されているので回転させることに微調整が可能である。これにより、薬液吐出バルブ１００等の個体差を吸収して薬液供給システム９０における定常流量を設定することができる。

これにより、薬液供給システム９０は、ポンプ装置３０の吐出圧が所定の値に設定された状態において、リフト量制限機構１２６によるリフト量Ｌの最大値の調整によってレジスト液Ｒの定常的な吐出量が調整可能に構成されている。なお、リフト量Ｌの最大値は、本発明者による実施例では、０．２ｍｍ程度に設定された。

ピストンロッド１２３は、以下の構成を有している。ピストンロッド１２３は、移動方向に中心軸線を有する円柱状のピストンロッド本体１２３ａと、締結ナット１２３ｃと、２個のワッシャ１２３ｗとを備えている。ピストンロッド本体１２３ａは、その一端にピストン１２４が装着される装着軸部１２３ｄと、雄ネジ部１２３ｂとを有し、これらはピストンロッド本体１２３ａと一体をなしている。装着軸部１２３ｄには、ピストン１２４が装着され、それが締結ナット１２３ｃで雄ネジ部１２３ｂに締結されている。一方、ピストンロッド本体１２３ａには、ダイアフラム１２２が装着されるための雌ネジ部１２３ｅが形成されている。

なお、雄ネジ部１２３ｂとリフト量制限機構１２６との間の閉弁時のギャップは、開弁時におけるリフト量Ｌの最大値である最大リフト量Ｌｍａｘに相当することになる（０．２ｍｍ程度に設定）。

ピストンロッド１２３は、ダイアフラム１２２が装着されるための雌ネジ部１２３ｅから雄ネジ部１２３ｂまで一体的に構成されているピストンロッド本体１２３ａを有していることになる。雄ネジ部１２３ｂは、リフト量Ｌの増大に応じてリフト量制限機構１２６に当接するように構成されている。雄ネジ部１２３ｂは、ピストンロッド本体１２３ａと雌ネジ部１２３ｅと中心軸を共有して一直線上に構成されているので、ダイアフラム１２２のリフト量Ｌを高い剛性で制限することができる。これにより、ピストンロッド１２３の底付き時の過度の振動を防止することができる。

ピストンロッド１２３は、その摺動面１２３ｇが嵌合孔１２３ｈに摺動する状態で装着されている。ピストンロッド１２３の摺動面１２３ｇと嵌合孔１２３ｈの間は、Ｏリング１２３ｆで封止されている。Ｏリング１２３ｆから漏れた作動エアは、排気流路１２９ｈを介して排出されるように構成されている。Ｏリング１２３ｆは、エアオペレーテッドバルブに一般的に使用される低ヒステリシスのＹパッキン等と比較して大きなヒステリシスを有している。すなわち、Ｏリング１２３ｆは、静摩擦力と動摩擦力との間に大きな差を有している。

本発明者は、一般的な技術常識に反し、ピストンロッド１２３に対してＯリング１２３ｆで封止することによってスティックスリップ現象を抑制することに成功している。スティックスリップ現象は、「びびり」とも俗称される振動現象であり、たとえば静摩擦状態（静止状態）と動摩擦状態（移動状態）とを繰り返すことによって発生する現象である。ピストンロッド１２３は、Ｏリング１２３ｆによる封止で大きなヒステリシスを有しているので、いったん動摩擦状態となると、静摩擦状態になりにくいという特質を有している。すなわち、Ｏリング１２３ｆは、ピストンロッド１２３が一度動き始めると止まりにくい性質を実現するので、開弁操作や閉弁操作においてスティックスリップ現象を抑制できることになる。

ただし、このような性質は、ピストンロッド１２３の位置を中間位置に止める制御を困難とするので、バルブ開度を調整することが望まれる一般的なエアオペレーテッドバルブには適さないことが当業者の技術常識となっている。本実施形態は、エアオペレーテッドバルブであるにも関わらず、リフト量制限機構１２６によるリフト量Ｌの最大値の調整によってレジスト液Ｒの定常的な吐出量が調整されるように構成されているので、ピストンロッド１２３の位置を中間位置に止めることを必要としない点に着目して一般的な技術常識に反する方向に創作されたものである。

このように、本構成は、Ｏリング１２３ｆを使用することによって、ピストンロッド１２３の移動中における摩擦の非線形性（動摩擦力と静摩擦力の大きな差）に起因するヒステリシスを敢えて利用して、スティックスリップ現象という非線形現象を防止しているのである。この結果、エアオペレートバルブ１２０は、その開閉におけるダイアフラム１２２の脈動を抑制することができるという固有の特徴を有していることになる。

エアオペレートバルブ１２０の開閉は、ダイアフラム１２２の駆動によって操作される。ダイアフラム１２２は、ピストンロッド１２３を介してピストン１２４によって駆動される。ピストン１２４は、シリンダ室１２７の内部の作動エアの圧力によってリフト量Ｌを大きくする方向に駆動される。一方、ピストン１２４は、付勢バネ１２５によってリフト量Ｌを小さくする方向に付勢されている。なお、ダイアフラム１２２を駆動するピストンロッド１２３、ピストン１２４、付勢バネ１２５、リフト量制限機構１２６及びシリンダ室１２７は、アクチュエータ部とも呼ばれる。

これにより、ピストン１２４は、作動エア供給口１２８からシリンダ室１２７に供給される作動エアの圧力による駆動力と付勢バネ１２５の付勢力の差としての荷重と、ピストンロッド１２３及びピストン１２４等の慣性力とが釣り合う加速度で操作されることになる。

作動エア供給口１２８には、エアオペレートバルブ１２０に装着されている作動エア供給部材５７を介して作動エア供給部５０から作動エアが供給される。作動エア供給部材５７には、作動エア供給路５８が形成され、作動エア供給路５８と作動エア供給口１２８との間にはオリフィス５９が装着されている。オリフィス５９は、作動エア供給路５８と作動エア供給口１２８との間で最も小さなオリフィス径を有し、作動エア供給口１２８に供給される作動エアの脈動を抑制している。

（実施形態の薬液吐出バルブの制御内容）
図５は、実施形態における薬液吐出バルブ１００の制御ブロック図である。サブコントローラ１９０は、エアオペレートバルブ１２０への作動エアの供給圧力を圧力指令値Ｐｔに近づけるように制御する。本制御は、第１比例制御弁５１と第２比例制御弁５２とのバルブ開度を連続的に操作することによって行なわれる。コントローラ１０及びサブコントローラ１９０は制御部とも呼ばれる。

サブコントローラ１９０は、偏差増幅器１９１と、バイアス発生部１９３と、反転器１９２と、２個の比較器１９４，１９５と、コントローラ１０との通信と電力供給のためのコネクタ１９９（図２参照）とを備えている。偏差増幅器１９１は、圧力指令値Ｐｔと圧力センサ５３の計測値Ｐｍの偏差δ１を増幅して増幅値δ２とする。比較器１９４は、増幅値δ２とバイアス値Ｂの加算値と閾値とを比較し、その加算値が閾値よりも大きいときには第２比例制御弁５２の開度を小さくする。一方、比較器１９５は、反転器１９２で反転（正負逆転）された負の増幅値δ２とバイアス値Ｂとの加算値と閾値とを比較し、その加算値が閾値よりも大きいときには第２比例制御弁５２の開度を小さくする。

これにより、第１比例制御弁５１及び第２比例制御弁５２は、圧力指令値Ｐｔに圧力センサ５３の計測値Ｐｍが近づくように操作されることになる。バイアス発生部１９３は、２個の比較器１９４，１９５に入力される制御信号をいずれも正の値とするとともに、第１比例制御弁５１及び第２比例制御弁５２での圧力操作時の排気速度を調整する役割を果たすことができる。なお、第１比例制御弁５１と第２比例制御弁５２の開度は、それぞれ第１開度と第２開度とも呼ばれる。

図６は、実施形態の薬液吐出バルブ１００と比較例の薬液吐出バルブの作動エアの圧力を対比して示すグラフである。比較例の薬液吐出バルブは、第１比例制御弁５１と第２比例制御弁５２とに対応する一対の電磁弁（図示せず）が比例制御弁からオンオフ弁に置き換えられ、パルス幅変調によってバルブ開度の制御が行なわれるバルブである。本図から分かるように、比較例の薬液吐出バルブでは、曲線Ａに示されるように一対のオンオフ弁（図示せず）の開閉に伴って作動エアの脈動が発生している。これに対して、本実施形態の作動エア供給部５０は、第１比例制御弁５１と第２比例制御弁５２の連続的な開度調整によって作動エアの供給圧力を操作するので、曲線Ｂに示されるようにパルス幅変調に起因する脈動を発生させずに連続的に作動エアの供給圧力を操作することができる。

一方、ピストンロッド１２３は、前述のようにＯリング１２３ｆを使用することによって移動中のスティックスリップ現象の発生を抑制し、これによりエアオペレートバルブ１２０の開閉時のダイアフラム１２２の脈動を抑制することができる。作動エア供給部５０は、オリフィス５９を介してエアオペレートバルブ１２０に操作エアを供給するので、目標値としての圧力指令値Ｐｔの近傍における制御（修正動作）に起因する脈動も顕著に抑制することができる。

これにより、薬液吐出バルブ１００は、ダイアフラム１２２の脈動を抑制することができる。ダイアフラム１２２の脈動は弁室１２１の内部の薬液に対して薬液の脈動の原因となる圧力振動を印加するので、ダイアフラム１２２の脈動の抑制は、薬液吐出バルブ１００から吐出される薬液の脈動の抑制につながることとなる。

このように、本発明者は、（１）作動エアの圧力制御に起因する脈動抑制、（２）作動エアの供給流路のオリフィス５９による脈動低減、および（３）ピストンロッド１２３のスティックスリップ現象の予防といった様々な観点から対策を施すことによって、薬液吐出バルブ１００の開閉作動時における薬液の脈動を抑制することに成功した。さらに、本発明者は、薬液の定常吐出時には、リフト量制限機構１２６によってダイアフラム１２２を停止することによって薬液の脈動を抑制する構成としている。

（薬液の脈動の抑制で薬液の少量供給が安定するメカニズム）
図７は、比較例における薬液の吐出状態を高速度カメラで撮影した様子を示す図である。図８は、実施例における薬液の吐出状態を高速度カメラで撮影した様子を示す図である。図６（ａ）は比較例の薬液吐出バルブの閉弁開始時の状態を示している。図６（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、順に薬液の供給流量がゼロ（液切れ時）になるまでの過程を示している。図７（ａ）は実施例の薬液吐出バルブの閉弁開始時の状態を示している。図７（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、順に薬液の供給流量がゼロ（液切れ時）になるまでの過程を示している。

比較例における薬液の吐出状態は、図７から分るように薬液の供給流量がゼロに近づくに従って液滴化が進み薬液の流れが乱れていることがわかる。薬液流の乱れは、本発明者の解析によればレジスト液Ｒの表面張力に起因するものである。これに対して、実施例における薬液の吐出状態は、図８から分るように薬液の供給流量がゼロに近づいても液滴化が抑制されて薬液の流れが殆ど乱れていないことがわかる。

比較例における薬液の液滴化は、レジスト液Ｒが高速で滴下されているので、肉眼で認識することが難しく当業者による研究も進んでいなかった。一方、表面張力の問題は、仮に認識されたとしてもレジスト液Ｒの特性の調整によって表面張力を小さくすることが通例であり技術常識であった。しかし、本発明者は、表面張力による液滴化が薬液の吐出時において発生する擾乱によって促進され、その擾乱の主要因がダイアフラム１２２の脈動に起因していることを実験によって突き止めたのである。すなわち、本発明者は、ダイアフラム１２２の脈動を抑制すれば、表面張力による液滴化を抑制できることを本実験によって確認したことになる。

図９は、エアオペレートバルブ１２０とサックバック装置１３０の作動シーケンスを示すタイムチャートである。コントローラ１０（図１参照）は、薬液吐出バルブ１００に開弁操作を指令する。開弁操作の指令は、薬液吐出バルブ１００への圧力指令値Ｐｔを上昇させることによって行われる。すなわち、コントローラ１０は、圧力指令値Ｐｔを上昇させ、時刻ｔ１からリフト量Ｌがゼロから一定の速度で大きくなる。

このような開弁操作によって、エアオペレートバルブ１２０は、圧力の急変を発生させること無く円滑に薬液の流通を開始することができる。本実施形態の開弁操作は、閉弁状態から開弁状態へのリフト量の動作なので、前述のように目標値近傍におけるリフト量の制御や静摩擦状態と動摩擦状態との間の遷移に起因するリフト量の脈動を生じさせることがない。

一方、コントローラ１０は、時刻ｔ１においてサックバック装置１３０にセットアップ工程を開始させる。セットアップ工程とは、エアオペレートバルブ１２０の閉弁時の液だれを防止するためのサックバック工程を行なうための準備工程である。サックバック工程は、サックバック弁室１３１からダイアフラム１３３を後退させてサックバック弁室１３１を拡張し、これにより薬液を薬液吐出ノズル６２の側から吸引して液だれを防止する工程である。準備工程は、サックバック弁室１３１側にダイアフラム１３３を予め移動させてサックバック弁室１３１を縮小させる工程である。

エアオペレートバルブ１２０は、時刻ｔ２においてリフト量Ｌが最大リフト量Ｌｍａｘとなってリフト量Ｌが安定（固定）する。このような閉弁維持操作によって、エアオペレートバルブ１２０は、予め設定された薬液の流量で正確かつ安定して薬液を薬液吐出ノズル６２に供給することができる。この際には、ダイアフラム１２２は、リフト量制限機構１２６によって位置が拘束されているので、リフト量Ｌも機械的に固定されていることになる。

なお、薬液吐出バルブ１００は、リフト量Ｌも機械的に固定されているので、第２比例制御弁５２を停止して電力消費を低減させるように構成しても良い。こうすれば、薬液吐出バルブ１００における熱発生を抑制することができる。一方、第１比例制御弁の動作は、運用形態に応じて、非通電による閉状態としても良いし、小さなリフト量で開状態に制御しても良い。これにより、さらに電力消費や熱発生を抑制することができる。開弁維持操作は底付き状態における動作なので、作動エアの供給圧力が脈動しても良いからである。

コントローラ１０（図１参照）は、薬液吐出バルブ１００に閉弁操作を指令する。閉弁操作の指令は、薬液吐出バルブ１００への圧力指令値Ｐｔを下降させることによって行われる。圧力指令値Ｐｔの下降によって、リフト量Ｌは、時刻ｔ３からリフト量Ｌが最大リフト量Ｌｍａｘから一定の速度で小さくなる。

このような閉弁操作によって、エアオペレートバルブ１２０は、過度のウォーターハンマー現象を発生させること無く薬液の流通を停止することができる。本実施形態の閉弁操作は、開弁状態から閉弁状態へのリフト量の動作なので、目標値近傍におけるリフト量の制御や静摩擦状態と動摩擦状態との間の遷移に起因するリフト量の脈動を生じさせない。

コントローラ１０は、時刻ｔ４においてサックバック装置１３０にサックバック工程を開始させる。時刻ｔ４は、薬液吐出バルブ１００に閉弁操作の開始時期（時刻ｔ３）の近傍のタイミングである。サックバック工程の開始時期（時刻ｔ４）は、薬液吐出バルブ１００の閉弁操作の開始時期（時刻ｔ３）の前後の所定の範囲で設定できるようにしてもよい。サックバック工程は、時刻ｔ４において急激にレジスト液Ｒを吸引して薬液吐出ノズル６２から薬液を吸い戻す工程である。これにより、良好な液切れを実現し、時刻ｔ６までゆっくりと吸引することによって薬液吐出ノズル６２からの液だれを防止することができる。

このように、本発明の実施形態は、薬液吐出バルブ１００の全ての動作で薬液の脈動を顕著に低減させて薬液流の擾乱を抑制することができる。これにより、レジスト液Ｒの表面張力を弱めることなく、薬液流の擾乱に誘起されて表面張力によって発生する液滴化を抑制しつつレジスト液Ｒの吐出流量を小さくすることができる。

なお、実施の形態は上記した内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。
（１）上記の実施形態では、（イ）作動エアの圧力制御に起因する脈動抑制、（ロ）作動エアの供給流路のオリフィス５９による脈動低減、および（ハ）ピストンロッド１２３のスティックスリップ現象の予防といった様々な観点から対策を施しているが、必ずしも全てを装備する必要はなく、少なくとも一つを実装すればよい。
（２）上記実施の形態では、フォトリソグラフィにおいて、薬液としてレジスト液Ｒを半導体ウェハＷに塗布する例が示されているが、プロセスや薬液の種類はこれに限られず、薬液の供給が行われるシステムに適用することができる。
（３）上記実施の形態では、作動エアによって駆動されているが、たとえば窒素ガスで駆動するようにしてもよく、一般に作動ガスで駆動されるものであれば良い。

１０…コントローラ、２０…薬液供給貯留装置、３０…ポンプ装置、５０…作動エア供給部、５１…第１比例制御弁、５２…第２比例制御弁、５３…圧力センサ、５９…オリフィス、６０…スピンコータ、６１…回転板、６２…薬液吐出ノズル、１２３ｆ…Ｏリング、１２６…リフト量制限機構、１２７…シリンダ室、１２７ｍ…膜体、１３０…サックバック装置。

Claims (6)

1. 回転するウェハ上に薬液を供給するための薬液吐出弁であって、
   前記薬液が供給される薬液供給口と、前記薬液を吐出する薬液吐出口とが形成されている弁室を有するバルブ本体と、
   前記薬液吐出口における前記弁室側の端部との距離であるリフト量を閉弁状態と最大リフト量との間で操作することによって、前記薬液供給口と前記薬液吐出口との間の流通状態を変化させる当接部を有するダイアフラム弁と、
   作動ガスの供給量を操作するための第１開度を連続的に調整可能な第１比例制御弁と、作動ガスの排出量を操作するための第２開度を連続的に調整可能な第２比例制御弁と、前記第１比例制御弁と前記第２比例制御弁とを接続する中間流路に接続されている作動ガス供給口とを有する作動ガス供給部と、
   前記作動ガス供給口から供給された作動ガスの供給圧力に応じて前記当接部を駆動し、前記当接部の駆動によって前記リフト量を操作するアクチュエータ部と、
   を備え、
   前記アクチュエータ部は、前記最大リフト量を調整可能に制限するリフト量制限部を有する薬液吐出弁。
2. 前記作動ガス供給口に供給される前記作動ガスの脈動を抑制するオリフィスを備える請求項１記載の薬液吐出弁。
3. 前記アクチュエータ部は、前記作動ガスの供給圧力に応じて前記当接部を駆動するためのピストンと、前記ピストンを収容するシリンダ室が形成されているシリンダとを有し、
   前記ピストンは、前記シリンダ室をＯリングで封止する摺動部を有する請求項１又は２記載の薬液吐出弁。
4. 前記薬液は、フォトリソグラフィープロセスに使用されるレジスト液である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の薬液吐出弁。
5. 薬液供給システムであって、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の薬液吐出弁と、
   前記第１開度と前記第２開度の連続的な調整によって、前記作動ガスの供給圧力を操作して前記薬液の供給量を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記閉弁状態で維持させる閉弁維持操作と、前記閉弁状態から前記最大リフト量となるように前記リフト量を一定速度で増大させる開弁操作と、前記リフト量を前記最大リフト量に維持する開弁維持操作と、前記最大リフト量から前記閉弁状態となるように前記リフト量を一定速度で減少させる閉弁操作とを順に前記アクチュエータ部に実行させることによって間欠的に前記薬液を吐出する薬液供給システム。
6. 請求項５記載の薬液供給システムであって、
   前記第２比例制御弁は、非通電で閉状態となる弁であり、
   前記制御部は、前記開弁維持操作においては、前記第１比例制御弁を開状態に制御し、前記第２比例制御弁を非通電とする薬液供給システム。