JP6149421B2

JP6149421B2 - 溶液の供給方法及び供給装置

Info

Publication number: JP6149421B2
Application number: JP2013031034A
Authority: JP
Inventors: 裕人床嶋; 石渡　和也; 和也石渡
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: US20140230908A1; US10180211B2; JP2014160759A

Description

本発明は、溶液の供給方法及び供給装置に係り、特に、半導体用のシリコンウェハ、フラットパネルディスプレイ用のガラス基板等、高度な清浄度を必要とする電子部品などの洗浄、表面改質又は表面保護プロセスに使用される、酸又はアルカリ、或いはオゾン、水素などガスといった洗浄剤成分を低濃度で含む洗浄水を、安定に供給する方法と装置に関する。

従来、電子部品となる基板の洗浄、表面改質又は表面保護プロセスには、ＲＣＡ洗浄を代表とする高濃度の薬液や洗剤と、それを濯ぐための大量の純水又は超純水が用いられてきた。これに対し、洗浄工程のコスト削減、環境保全などを目的とした様々な洗浄技術の簡略化の取り組みがなされ、成果を挙げてきた。その代表的なものが、酸、アルカリ等の薬剤や、オゾン、水素などのガスを、純水又は超純水に極低濃度で溶解させた洗浄水による洗浄技術である。この方法であれば、洗浄水の調製のためのコスト、洗浄廃液の処理コストも低減される上に、洗浄後の濯ぎ水量も大幅に削減される。また、洗浄時にエッチングを伴わないため、基板表面の品質向上にも寄与するという利点もある。

上記の洗浄水は、通常、純水製造装置又は超純水製造装置からの純水又は超純水の給水配管に、酸、アルカリ等の薬剤やオゾン、水素などのガスといった洗浄剤成分を、ライン注入することにより調製されて、ユースポイント（使用場所）に供給されるが、目的の洗浄効果を得るためには、調製された洗浄水の洗浄剤成分濃度が常に安定して一定濃度であることが重要となる。即ち、洗浄水の洗浄剤成分濃度が不安定であると、洗浄後の電子部品表面の品質に影響を及ぼし、製品不留りが悪くなる。このため、洗浄剤成分は、例えば、純水又は超純水の給水配管に設けられた流量計、又は洗浄水の供給配管に設けられた洗浄剤成分の濃度センサーに連動する制御手段により、所定の洗浄剤成分濃度の洗浄水が得られるようにその注入量が制御されている。

ところで、基板の洗浄方式には、複数枚の基板を専用のキャリアにセットして、基板をこのキャリアごと洗浄水を入れた洗浄槽に浸漬して洗浄するバッチ式洗浄と、回転台に載置した基板に対して洗浄水を噴き付けて、１枚ずつ洗浄を行う枚葉式洗浄とがあるが、いずれの方式でも、洗浄機で使用する洗浄水量は一連の洗浄工程において変動する。
特に枚葉式洗浄では、用いる洗浄機毎に設定されている洗浄プログラムに従って、基板に噴き付ける洗浄水量を変化させたり、噴き付けを断続的に行ったりすることで洗浄効果を上げており、洗浄機での洗浄水使用量は秒単位で変化する。

このように、使用水量が変化する洗浄水を、常に一定の洗浄剤成分濃度でユースポイントに安定的に供給するために、従来は、一定流量の洗浄水を連続的に製造し、これをそのままユースポイントに供給し、余剰の洗浄水は廃棄するという方法が採用されていた。しかし、廃液処理コスト、環境問題の観点からは、ユースポイントでの必要量だけの洗浄水を供給し、廃棄する余剰水を発生させないことが望ましい。

ユースポイントにおける使用量に対応した洗浄水を供給するためには、その使用量の変動に応じた洗浄水を調製してユースポイントに供給する制御機構を設ける必要がある。
例えば、前述した従来の洗浄水の供給方法において、純水又は超純水の給水量を洗浄水の使用量に応じて変化させ、一方で、給水配管に設けられた流量計に連動する洗浄剤成分の注入量制御手段により、給水配管を経て供給される純水又は超純水の流量変動に応じて洗浄剤成分の注入量を制御し、常に一定濃度の洗浄水を調製してユースポイントに供給することが考えられる。
しかしながら、流量変動のある給水に対して、上述のような流量計に連動する洗浄剤成分の注入量制御のみで対応することは困難であり、給水流量変動に応じて、調製される洗浄水の洗浄剤成分濃度が不安定となることは避けられない。特に、洗浄水が洗浄剤成分を極低濃度で含む希薄溶液である場合には、この濃度管理が極めて困難となる。

従来、洗浄水の使用量の変動に対応するために、洗浄水の供給配管に、ユースポイントへの洗浄水の待機容器となるバッファータンクを設け、一定の流量で供給される洗浄水に対して、このバッファータンクで流量変動分を吸収したり、余剰の洗浄水をファッバータンクから前段に循環したりする方法が提案されている（特許文献１，２）。

しかしながら、電子部品の洗浄は、高度に浄化処理されたクリーンルーム内で行われ、クリーンルーム内に占める各種設備については省スペース化が望まれる。このため、特許文献１，２のように、バッファータンク、更には循環ライン、そのための付帯設備を設けることは、コスト面のみならず、省スペース化の観点からも好ましいことではない。

特開平１１−１６６７００号公報特開２０００−２７１５４９号公報

本発明は、上記従来の問題点を解決し、現状の設備に低コストかつ省スペースな改良を加えるのみで、使用量が変動するユースポイントに、所定濃度の溶液を安定的に供給することができる溶液の供給方法及び装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、溶液の供給配管に、省スペースな滞留部を設け、この滞留部でユースポイントでの使用量の変動を吸収することにより、上記課題を解決することができることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、本発明は以下を要旨とする。

［１］溶質を所定濃度で含む溶液を、該溶液の調製部から供給配管を通液させてユースポイントに供給する方法において、該供給配管の途中部分に、気液界面が存在しない該溶液の滞留部を設けた溶液の供給方法であって、前記滞留部は、前記供給配管の拡径部であることを特徴とする溶液の供給方法。

［２］［１］において、前記滞留部の容積が、前記ユースポイントにおける前記溶液の最大使用時において、該滞留部での該溶液の滞留時間が０．１〜５分となる容積であることを特徴とする溶液の供給方法。
［３］［１］又は［２］において、前記滞留部は、上流側の供給配管のフランジと、下流側の供給配管のフランジとの間に介在させたフランジ付きの太径配管であることを特徴とする溶液の供給方法。

［４］［１］ないし［３］のいずれかにおいて、前記溶液が、電子部品の洗浄水であることを特徴とする溶液の供給方法。

［５］所定濃度の溶質を含む溶液を調製する溶液調製手段と、該溶液調製手段で調製された溶液をユースポイントに供給するための供給配管とを有する溶液の供給装置において、供給配管の途中部分に、気液界面が存在しない該溶液の滞留部が設けられている溶液の供給装置であって、前記滞留部は、前記供給配管の拡径部であることを特徴とする溶液の供給装置。

［６］［５］において、前記滞留部の容積が、前記ユースポイントにおける前記溶液の最大使用時において、該滞留部での該溶液の滞留時間が０．１〜５分となる容積であることを特徴とする溶液の供給装置。
［７］［５］又は［６］において、前記滞留部は、上流側の供給配管のフランジと、下流側の供給配管のフランジとの間に介在させたフランジ付きの太径配管であることを特徴とする溶液の供給装置。

［８］［５］ないし［７］のいずれかにおいて、前記溶液が、電子部品の洗浄水であることを特徴とする溶液の供給装置。

本発明によれば、ユースポイントでの溶液使用量が変動する場合であっても、その変動を滞留部で吸収して、所定濃度の溶液を安定的にユースポイントに供給することができる。この滞留部は気液界面の存在しない、例えば、長配管部又は配管の拡径部で構成することができるため、省スペース化に有利であり、また、既存の設備に対しても供給配管の途中部分に若干の改良を加えるのみで低コストに設置することができる。

本発明の溶液の供給方法及び供給装置は、特に、半導体用のシリコンウェハ、フラットパネルディスプレイ用のガラス基板等、高度な清浄度を必要とする電子部品などの洗浄、表面改質又は表面保護プロセスに用いられる、酸又はアルカリや、オゾン、酸素などのガスといった洗浄剤成分を低濃度で含む洗浄水を、ユースポイントである洗浄機に供給するための方法及び装置として有用であり、特に、洗浄水使用量が秒単位で変動する枚葉式洗浄機への洗浄水の供給に有効である。

本発明の溶液の供給方法及び供給装置の実施の形態を示す系統図である。滞留部の実施の形態を示す図であって、（ａ）〜（ｃ）図は斜視図、（ｄ）図は断面図である。

以下に図面を参照して本発明の溶液の供給方法及び供給装置の実施の形態を詳細に説明する。
なお、以下については、本発明の溶液の供給方法及び供給装置を、溶液として、半導体製造プロセス等における電子部品の洗浄水を供給する場合を例示して説明するが、本発明において供給する溶液は、何らこの洗浄水に限定されるものではなく、例えば、医薬、食品等の分野において、製造のために必要な希薄溶液を安定供給するためにも適用することができる。
また、図１では、薬液を給水に注入して洗浄水を調製しているが、洗浄水としては、給水にガスを注入して調製されるガス溶解水であってもよい。

図１において、配管１１を経て供給される給水は、使用目的に適する水質であれば特に制限はないが、半導体製造プロセスにおいては通常、超純水が用いられる。配管１１の材質には特に制限はないが、通常ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシフッ素樹脂）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ブニリデン）、クリーンＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）などが用いられる。

給水は流量計１２にてその流量が測定され、薬液注入点１３を経て、滞留部１へ送られる。流量計１２に制限はないが、通常は金属溶出や微粒子発生を抑制するため、樹脂製の渦流量計や超音波流量計などが用いられる。

注入点１３へは、薬液注入制御機構２により薬液（洗浄剤成分である薬剤の高濃度溶液）が注入される。薬液注入制御機構２は、配管１１内の給水に、所望の濃度に所望の精度で薬液を注入制御できるものであればよく、特に制限はない。図１では、薬液貯槽３内の薬液が、薬液注入ポンプ１４により薬液配管１５を経て注入制御される。薬液の貯留方法に制限はないが、図１では、貯留されている薬液の品質を保持するために、不活性ガス供給配管１６から不活性ガス量調整弁１７及び不活性ガス圧力調整機構１８を経て流量と圧力が調整された不活性ガスが、薬液貯槽３の気相部に供給されている。不活性ガスとしては通常、窒素ガスが用いられる。薬液貯槽３の気相部から排出される不活性ガスは、圧力保持機構（圧力調整弁）１９で貯槽３内が陽圧となるように保持され、余剰の不活性ガスは、排気配管２０から排気される。

薬液は、供給される給水量（即ち、流量計１２の測定値）と薬液貯槽３内の薬液濃度から所望の濃度となるように計算した値に基いて、薬液注入ポンプ１４で注入量を制御し、薬液注入配管１５を経て、供給配管１１の注入点１３へ供給される。

薬液貯槽３、薬液注入配管１５、薬液注入ポンプ１４の接液部は、当該薬液に耐性がある部材が用いられ、その材質としては通常はＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）もしくはＰＦＡなどが好適に用いられる。

洗浄水として用いられる希薄薬液は、注入点１３で調製され、滞留部１を経て、フィルター２１で濾過された後、洗浄水供給配管２２を経て、ユースポイント４へ供給される。フィルター２１は必須ではないが、通常、ユースポイント４の入口側に設置される。フィルター２１としては、薬液に対する耐性があれば特に制限はなく、ＰＴＦＥやＰＦＡ製のものが一般的に用いられる。フィルター２１の濾過精度も目的に応じて決められるが、通常、半導体部品の洗浄目的では、孔径５０ｎｍ以下が一般的に採用される。

滞留部１の二次側（下流側）では、洗浄水中の薬剤濃度が濃度モニター５でモニタリングされている。即ち、洗浄水供給配管２２から分岐するモニタリング配管２３より洗浄水の一部を抜き出し、濃度モニター５でモニタリングが行われる。２４は濃度モニター５の流量調整弁である。濃度モニター５としては、薬剤濃度との相関がとれていれば、直接その洗浄水の薬剤濃度を測定するものでなくてもよく、例えばｐＨ計、導電率計などを用いることもできる。特に、給水が超純水の場合、導電率計が好適に用いられる。

なお、薬液貯槽３内の薬液は、槽内を加圧することにより注入点１３に注入するようにし、その注入量を液体マスフローコントローラーのような精密制御弁で制御するようにしてもよい。
また、薬液注入量の制御方法は、給水の水量変化に応じた制御や濃度モニターを一定に保つように制御する方法などが挙げられるが、いずれの方法を採用するかは、目的とする所望の濃度や精度によって選択され、特に制限はない。

このような洗浄水の供給系統において、本発明では、洗浄水の供給配管１１の途中部分、即ち配管１１の薬液注入点１３とユースポイント４との間の部分に、気液界面が存在しない滞留部１を設ける。この滞留部１が存在することにより、ユースポイント４での洗浄水使用量が変動する場合であっても、これによる濃度変動を、滞留部１で吸収し、所望の薬剤濃度の洗浄水をユースポイント４に安定に供給することができる。

本発明における滞留部１は、従来のバッファータンクのような貯槽とは異なり、気液界面のない、例えば、配管状のものとすることができ、省スペース、低コストである。

滞留部１としては、供給配管内の洗浄水を、所定の位置で所定の時間滞留させておくものができるものであれば、その形状には特に制限はなく、気液界面が存在しなければ、角型槽又は円形槽などの貯槽であってもよいが、簡便かつ低コストに滞留部を設置することができることから、長配管部又は供給配管の拡径部とすることが好ましい。

このような滞留部として、例えば、長尺状の配管を、図２（ａ）に示すように、円形螺旋状（コイル状）に巻回した滞留部３１や、図２（ｂ）に示すように、四角形等の角形螺旋状に巻回した滞留部３２などを用いることができる。また、長尺状の配管を、図２（ｃ）に示すようにつづら折り状に折り曲げた滞留部３３であってもよい。
また、図２（ａ）、（ｂ）に示す滞留部３１，３２は、螺旋軸の方向が図２において左右方向となるものであってもよい。図２（ｃ）に示す滞留部３３についても、図２（ｃ）に示すように水平方向につづら折り状となっているものの他、上下方向につづら折り状となっているものであってもよい。

このような長配管部で構成される滞留部の長配管は、その前後（滞留部の上流側と下流側）の供給配管と同一の直径の配管でよいが、必要に応じて、配管径を変えてもよい。ただし、滞留部の設置加工の面で同一径の配管を用いることが好ましい。

本発明における滞留部はまた、供給配管の拡径部であってもよく、この場合、図２（ｄ）に示すように、上流側の供給配管４１のフランジ４１Ａと、下流側の供給配管４２のフランジ４２Ａとの間にフランジ４０Ａ，４０Ｂ付きの太径配管４０を介在させた太径配管部の滞留部３４とすることができる。

このような滞留部の接液部の材質としては、前述の配管１１の材質と同様なものが、金属溶出や微粒子汚染などの問題がなく好ましい。

滞留部１の容積は、ユースポイント４における洗浄水の使用量の変動範囲や、薬液注入制御機構２の応答性、全体的な設備の大きさ等に応じて適宜決定されるが、滞留部の容積が小さ過ぎ、滞留部における洗浄水の滞留時間が短すぎると、この滞留部を設けたことによるユースポイントにおける使用量変動の吸収効果を十分に得ることができない。ただし、滞留部の容積が大き過ぎると、装置が大型化し、本発明の省スペース化の目的を達成し得ない。
従って、滞留部の容積は、ユースポイントにおける洗浄水の最大使用水量時において、概ね０．１〜５分程度、特に０．３〜３分、とりわけ０．５〜３分程度の滞留時間を確保することができるように適宜決定されることが好ましい。

例えば、図２（ｄ）に示すような太径配管の滞留部であれば、前後の供給配管の直径に対して２〜３０倍の直径の太径配管であって、配管径の１〜１０倍程度の長さのものを用いることができる。

このような滞留部１を設けることにより、一定の流量で供給される給水量に対して、ユースポイント４における洗浄水の使用量が変動しても、配管１１、滞留部１及び配管２２で構成される通水系統において、各部の配管内の流速の変化と滞留部１における滞留で、流量変動が吸収され、また、流量変動による流速の変化に対して薬液注入点１３から注入される薬液注入量の制御が十分に追従し得ず、洗浄水の薬剤濃度が変化してしまうような場合であっても、洗浄水が滞留部１内を滞留しつつ通過する間に、この薬剤濃度の変化が緩和され、一定の薬剤濃度の洗浄水がユースポイント４に供給されるようになる。

なお、本発明において、ユースポイントに供給する溶液の種類には特に制限はないが、例えば、電子部品の洗浄水としては、純水又は超純水に、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸などの酸、アンモニア、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシド）、コリンなどのアルカリ、過酸化水素等の酸化剤、その他、オゾン、酸素ガス、水素ガス、窒素ガス、塩素ガス、炭酸ガス、アルゴン等の希ガスなどのガスといった洗浄剤成分を、例えば、以下のような濃度に溶解させた希薄洗浄溶液が挙げられる。
酸の場合：０．０１〜１０００ｍｇ／Ｌ
アルカリの場合：０．０１〜１０００ｍｇ／Ｌ

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

［実施例１］
図１に示す洗浄水の供給装置で、以下の条件でユースポイントに洗浄水を供給した。
給水：超純水
給水量：１〜３０Ｌ／ｍｉｎ
薬剤：アンモニア
薬液貯槽内の薬液の薬剤濃度：１０００ｍｇ／Ｌ
注入濃度（洗浄水の薬剤濃度）：１０ｍｇ／Ｌ
薬液注入ポンプ：（株）イワキ社製「ＥＨＮ−Ｂ１１」
滞留部：図２（ｄ）に示す太径配管
フィルター：日本ポール社製「ウルチプリーツＳＰＤＲ」
（孔径３０ｎｍ）

本実施例では、ユースポイントでの使用水量の変動の影響を大きくして、流量変動による洗浄水の薬剤濃度変化の程度を明確に把握するために、配管１１からの給水量を１〜３０Ｌ／ｍｉｎの範囲で変動させ、薬液は給水量に応じて注入制御し、例えば、給水量が３０Ｌ／ｍｉｎの場合は、薬液（濃度１０００ｍｇ／Ｌのアンモニア水）の注入量を３００ｍｇ／Ｌ、給水量が１Ｌ／ｍｉｎの場合は、１０ｍｇ／Ｌとし、常に１ｍｇ／Ｌのアンモニア濃度の洗浄水が調製されるように薬液の注入量を制御した。
滞留部１は、その太径配管の大きさを、直径１０〜４０ｃｍ、長さ３０〜１５０ｃｍの範囲で表１に示す通り種々変更し、給水量３０Ｌ／ｍｉｎの場合における滞留時間が表１に示す時間となるようにした。

濃度モニター５としては導電率計を用い、オンラインでモニタリングすると共に、オフライン分析で、イオンクロマトグラフ分析を行うことにより、調製された洗浄水のアンモニア濃度を調べた。
滞留部１での滞留時間に対して、給水量が１〜３０Ｌ／ｍｉｎの間で変動したときの、ユースポイント４に供給される洗浄水のアンモニア濃度の変動幅を調べ、結果を表１に示した。

表１より、滞留時間０．１〜５分程度、好ましくは０．５〜３分程度の滞留部を設けることにより、洗浄水のアンモニア濃度の変動を抑制して、一定濃度の洗浄水をユースポイントに供給することができることが分かる。

［比較例１］
実施例１において、滞留部の代りに循環タンクを設け、調製された洗浄水を循環タンクの液位が一定となるように供給したこと以外は同様にして、洗浄水の供給を行った。
本比較例では、ユースポイントへの供給水量は一定とし、ユースポイントで未使用の余剰の洗浄水は循環タンクに循環し、循環タンクへは、その液位を一定に保つために、ユースポイントでの洗浄水使用量分を補給した。
本比較例において、洗浄水のアンモニア濃度の変動幅は８〜２０ｍｇ／Ｌで、実施例１における滞留時間１分の滞留部を設けた場合と同等であるが、洗浄水の循環のために、以下の循環タンクとそのための付帯設備が必要となり、実施例１の滞留部の２倍の専有スペースを要し、５倍の設備コストがかかった。

＜循環タンクとその付帯設備＞
・３０容循環タンク
・循環タンク内の液位計
・循環タンクへの不活性ガス供給手段（不活性ガス供給ポンプ、供給配管、ガスシール手段（栗田工業（株）製「シールポット」））
・循環タンクの水温調節（冷却）手段（潤公社「フロロエックスＦＸＲ／Ｍ／Ｆ−１８５」）
・循環ポンプ（（株）イワキ製「ＭＤＭ−２５」）
・循環配管（ユースポイントから循環タンクまでの戻り配管）

１滞留部
２薬液注入制御機構
３薬液貯槽
４ユースポイント
３１，３２，３３，３４滞留部
４０太径配管

Claims

溶質を所定濃度で含む溶液を、該溶液の調製部から供給配管を通液させてユースポイントに供給する方法において、
該供給配管の途中部分に、気液界面が存在しない該溶液の滞留部を設けた溶液の供給方法であって、
前記滞留部は、前記供給配管の拡径部であることを特徴とする溶液の供給方法。
請求項１において、前記滞留部の容積が、前記ユースポイントにおける前記溶液の最大使用時において、該滞留部での該溶液の滞留時間が０．１〜５分となる容積であることを特徴とする溶液の供給方法。
請求項１又は２において、前記滞留部は、上流側の供給配管のフランジと、下流側の供給配管のフランジとの間に介在させたフランジ付きの太径配管であることを特徴とする溶液の供給方法。
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記溶液が、電子部品の洗浄、表面改質又は表面保護プロセスで使用される洗浄水であることを特徴とする溶液の供給方法。
所定濃度の溶質を含む溶液を調製する溶液調製手段と、該溶液調製手段で調製された溶液をユースポイントに供給するための供給配管とを有する溶液の供給装置において、
該供給配管の途中部分に、気液界面が存在しない該溶液の滞留部が設けられている溶液の供給装置であって、
前記滞留部は、前記供給配管の拡径部であることを特徴とする溶液の供給装置。
請求項５において、前記滞留部の容積が、前記ユースポイントにおける前記溶液の最大使用時において、該滞留部での該溶液の滞留時間が０．１〜５分となる容積であることを特徴とする溶液の供給装置。
請求項５又は６において、前記滞留部は、上流側の供給配管のフランジと、下流側の供給配管のフランジとの間に介在させたフランジ付きの太径配管であることを特徴とする溶液の供給装置。
請求項５ないし７のいずれか１項において、前記溶液が、電子部品の洗浄、表面改質又は表面保護プロセスで使用される洗浄水であることを特徴とする溶液の供給装置。