JP7312486B2 - 液体噴射装置 - Google Patents

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Description

本明細書によって開示される技術は、ノズル、および液体噴射装置に関する。
従来、フラットパネルディスプレイや半導体ウエハなどの表面に高圧洗浄液を噴射して洗浄するための高圧噴射装置が知られている。このような高圧洗浄装置において、洗浄力を向上させることを目的として、超音波発生装置によって洗浄液に超音波を印加して噴射する技術が考案されている（特許文献１参照）。
特開平１１－２０４４８０号公報
しかし、上記のような構成では、洗浄ノズルに超音波発生装置を設けることが必要となり、装置構成が複雑化しがちであった。
本明細書によって開示されるノズルは、液体が流れる流路を有し、処理対象物に向かって前記液体を吐出するノズルであって、前記流路が、前記液体に振動流を発生させるための振動発生流路を備える。
また、本明細書によって開示される液体噴射装置は、上記のノズルと、前記ノズルに接続されて前記ノズルに供給される前記液体を加圧する高圧ポンプと、を備える。
本明細書によって開示されるノズル、およびこのノズルを備える液体噴射装置によれば、ノズルが振動発生流路を備えているので、超音波発生装置等の振動流を発生させるための装置を別途設ける必要がなく、装置構成の複雑化を回避することができる。
図１は、実施形態の洗浄装置の全体概略図である。 図２は、実施形態において、配管に接続されたノズルの断面図である。 図３は、実施形態において、振動発生流路の内部を液体が流れる様子を模式的に示す図である。 図４は、変形例のノズルの部分拡大断面図である。 図５は、振動周波数を測定する試験例において使用した試験装置の模式図である。 図６は、振動周波数を測定する試験例において、加速度センサにより測定された動的加速度振幅の波形を示す図である。 図７は、振動周波数を測定する試験において、測定された加速度振動を周波数解析して得られた周波数と振幅との関係を示すグラフである。 図８は、実施形態の構成を有するノズルと、従来のノズルとを用いた洗浄試験において、高圧ポンプの設定圧力と除去率との関係を示すグラフである。 図９は、噴射液滴粒子の粒子径－速度分布を調べる試験において、実施形態のノズルから噴射された噴射液滴粒子について、シャドードップラー粒子分析計を用いて測定された粒子径と速度の分布を示すグラフである。 図１０は、噴射液滴粒子の粒子径－速度分布を調べる試験において、従来のノズルから噴射された噴射液滴粒子について、シャドードップラー粒子分析計を用いて測定された粒子径と速度の分布を示すグラフである。 図１１は、噴射液の面圧分布を調べる試験において、実施形態のノズルから噴射された噴射液の面圧分布を示す図である。 図１２は、噴射液の面圧分布を調べる試験において、従来のノズルから噴射された噴射液の面圧分布を示す図である。
［実施形態の概要］
本明細書によって開示されるノズルは、液体が流れる流路を有し、処理対象物に向かって前記液体を噴射する部材であって、前記流路が、前記液体に振動流を発生させるための振動発生流路を備える。
また、本明細書によって開示される液体噴射装置は、上記のノズルと、前記ノズルに接続されて前記ノズルに供給される前記液体を加圧する高圧ポンプと、を備える。
上記の構成によれば、ノズルが振動発生流路を備えているので、超音波発生装置等の振動流を発生させるための装置を別途設ける必要がなく、装置構成の複雑化を回避することができる。
上記の構成において、前記振動発生流路が、第１流路と、前記第１流路の下流側に連なり、前記第１流路よりも小さい内径を有する第２流路と、前記第２流路の下流側に連なり、前記第２流路よりも大きい内径を有する第３流路と、を備えていても構わない。
このような構成によれば、簡易な構成で、振動発生流路内を流れる液体に振動流を発生させることができる。
上記の構成において、前記振動発生流路が、前記第２流路の下流側に連なる加速流路を備え、前記加速流路が、前記液体を噴射する噴射口と、前記噴射口側に位置し断面円形の直管状をなすストレート部と、前記ストレート部に連なり、前記第２流路側に設けられた流入口から前記ストレート部との接続端まで次第に内径を縮小させていく縮径部とを備え、前記ストレート部の軸方向の長さ寸法Ｌ１と直径寸法Ｄ１との比（Ｌ１／Ｄ１）が、７．８以上、１５以下とされており、前記縮径部のうち、少なくとも前記第２流路側の一部が前記第２流路よりも大きい内径を有する前記第３流路となっていても構わない。このような構成によれば、洗浄力を向上させることができる。
上記の構成において、前記第１流路において前記第２流路に隣接して配される部分の内径に対する前記第２流路の内径の比率が０．０４以上０．８以下であっても構わない。比率がこの範囲内にあるときに、ノズルの内部を流れる液体に、十分な振動流を発生させることができる。
上記の構成において、前記ノズルが、前記第１流路を区画する第１内周面と、前記第２流路を区画する第２内周面と、前記第１内周面と前記第２内周面とを接続する段差面を備えており、前記段差面と前記第２内周面との角度が９０°以上１５０°以下であっても構わない。角度がこの範囲内にあるときに、ノズルの内部を流れる液体に、十分な振動流を発生させることができる。
上記の構成の液体噴射装置において、前記高圧ポンプの加圧による前記ノズルからの噴射圧力が１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下であっても構わない。噴射圧力がこの範囲にあるときに、ノズルから噴射される微粒化した噴射液滴の粒子速度、粒子径が処理対象物を処理するために適した大きさとなるとともに、処理対象物のダメージや搬送系の異常の発生を避けることができる。
［実施形態の詳細］
本明細書によって開示される技術の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
＜実施形態＞
実施形態を、図１から図３を参照しつつ説明する。本実施形態の洗浄装置１（液体噴射装置に該当）は、液体（超純水）を高圧で噴射して処理対象物Ｗ（処理対象物に該当）を洗浄する装置である。処理対象物Ｗの例としては、フラットパネルディスプレイや半導体ウエハが挙げられる。
洗浄装置１は、図１に示すように、液体を貯留するタンク１１と、高圧ポンプ１２と、複数のノズル２０とを備えている。タンク１１と高圧ポンプ１２とは配管１３を介して接続されており、高圧ポンプ１２とノズル２０とは配管１４を介して接続されている。
高圧ポンプ１２は、タンク１１から供給される液体を加圧してノズル２０に供給する。この高圧ポンプ１２は、ノズル２０から噴射される液体の噴射圧力が１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下となるように液体を加圧する。噴射圧力は処理対象物Ｗに応じて適宜に決定することができるが、１ＭＰａ未満であると洗浄効果が減少し、３０ＭＰａを超えると処理対象物Ｗへのダメージや搬送系に異常が発生する可能性があるので、好ましい洗浄効果を得るためには液体が１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の範囲で噴射されるように加圧することが望ましい。
ノズル２０は、高圧ポンプ１２から供給された液体を処理対象物Ｗに向かって噴射する１流体ノズルであって、図２に示すように、高圧ポンプ１２に連なる配管１４が接続される配管接続部３０と、配管接続部３０に連なるオリフィス部４０と、オリフィス部４０に連なる加速部５０と、これら３つの部材を保持する保持部６０とを備えている。配管接続部３０と、オリフィス部４０と、加速部５０とは、それぞれ別体となっており、保持部６０によって保持されることにより一体化されている。配管接続部３０は、供給流路３３を有しており、オリフィス部４０は、供給流路３３に連なる絞り流路４３（第２流路に該当）を有しており、加速部５０は、絞り流路４３に連なる加速流路５５を有している。図２に示すように、供給流路３３と、絞り流路４３と、加速流路５５とが、液体が流れる流路２１を構成している。
配管接続部３０は、図２に示すように、全体として円柱状をなしており、配管固定孔３１と、この配管固定孔３１に連なる供給流路３３とを有している。配管固定孔３１は、配管接続部３０の外周面に開口しており、内部に、配管１４の一端に接続された継手（図示せず）が固定される。供給流路３３は、配管固定孔３１に連なり、配管接続部３０の中心軸に向かって延びる第１供給流路３３Ａと、第１供給流路３３Ａに連なり、配管接続部３０の中心軸に沿って直管状に延びる第２供給流路３３Ｂ（第１流路に該当）とを有している。第２供給流路３３Ｂは、配管接続部３０の両端面のうち一面（図２の下面）に、液体が流出する第１流出口３２を有している。
オリフィス部４０は、図２に示すように、全体として円柱状をなしており、絞り流路４３を有している。絞り流路４３は、オリフィス部４０の中心軸に沿って直管状に延びる流路であって、オリフィス部４０の両端面のうち一方に第２流入口４１、他方に第２流出口４２を有してオリフィス部４０を貫通している。
オリフィス部４０は、第２流入口４１を有する面（図２の上面）が第１流出口３２を有する面と当接するようにして、配管接続部３０に重ねられている。オリフィス部４０は、配管接続部３０と同軸に配されている。絞り流路４３は、第２供給流路３３Ｂに連通している。
図２および図３に示すように、絞り流路４３は、第２供給流路３３Ｂの内径Ｄ２よりも小さい内径Ｄ３を有している。言い換えると、第２流入口４１の内径Ｄ３は第１流出口３２の内径Ｄ２よりも小さい。第２供給流路３３Ｂと絞り流路４３との境界位置には、段差面４５が配されている。この段差面４５は、オリフィス部４０の第２流入口４１を有する面のうち、第２流入口４１の口縁の周辺部分によって構成されており、配管接続部３０に備えられて第２供給流路３３Ｂを区画する第１内周面３４と、オリフィス部４０に備えられて絞り流路４３を区画する第２内周面４４とを接続している。この段差面４５と第２内周面４４との角度α１は９０°となっている。
加速部５０は、図２に示すように、全体として円柱状をなす加速部本体５１と、この加速部本体５１の外周面から張り出すフランジ部５２とを備えている。加速部本体５１は、加速流路５５を有している。加速流路５５は、加速部本体５１の中心軸に沿って延びる流路であって、加速部本体５１の両端面のうち一方に第３流入口５３（流入口に該当）、他方に第３流出口５４（噴出口に該当)を有して加速部本体５１を貫通している。
加速部５０は、第３流入口５３を有する面（図２の上面）が第２流出口４２を有する面（図２の下面）と当接するようにして、オリフィス部４０に重ねられている。加速部５０は、配管接続部３０およびオリフィス部４０と同軸に配されている。加速流路５５は、絞り流路４３に連通している。加速流路５５は、第３流出口５４側に位置して、断面円形の直管状をなすストレート部５７と、ストレート部５７に連なり、絞り流路４３側の第３流入口５３からストレート部５７まで次第に内径を縮小させていく縮径部５６とを備えている。縮径部５６の内周面は、第３流入口５３からストレート部５７に至るまで次第に内径を縮小させていきながら、段差なくストレート部５７に滑らかにつながる形状を有している。縮径部５６のうち、絞り流路４３に隣接する大部分は、絞り流路４３よりも大きい内径を有する径大部５６Ａ（第３流路に該当：図３を併せて参照）である。また、ストレート部５７は絞り流路４３よりもやや小さい内径を有している。
図３に示すように、第２供給流路３３Ｂ、絞り流路４３、および径大部５６Ａが、内部を流れる液体に振動流を発生させる振動発生流路２２を構成している。
保持部６０は、図２に示すように、円形の底板部６１と、底板部６１の外周縁から延びる筒状の保持筒部６２とを備えている。底板部６１は、加速部本体５１を挿通可能な挿通孔６３を有している。加速部５０は、加速部本体５１が挿通孔６３に挿通されて、第３流出口側の大部分が保持部６０から突出しており、フランジ部５２が底板部６１に突き当たることで保持部６０に保持されている。また、オリフィス部４０、および、配管接続部３０において第１流出口３２側の一部分が、保持筒部６２の内部に固定されている。
上記のように構成された洗浄装置１を用いて処理対象物Ｗを洗浄する際には、高圧ポンプ１２によって加圧された液体が配管固定孔３１からノズル２０の内部に供給され、供給流路３３、絞り流路４３、加速流路５５を通って第３流出口５４から噴出され、処理対象物Ｗに吹き付けられる。これにより洗浄が行われる。
ノズル２０は振動発生流路２２を備えており、振動発生流路２２内を流れる液体に振動流を発生させることができる。これにより、超音波発生装置等の振動流を発生させるための装置を別途設ける必要がなく、洗浄装置１の構成の複雑化を回避することができる。また、振動発生流路２２が、第２供給流路３３Ｂと、第２供給流路３３Ｂの下流側に連なり、第２供給流路３３Ｂよりも小さい内径を有する絞り流路４３と、絞り流路４３の下流側に連なり、絞り流路４３よりも大きい内径を有する径大部５６Ａとを備えている。このような構成によれば、簡易な構成で、液体に振動流を発生させることができる。
液体が振動発生流路２２を通って流れる際に振動流が発生するメカニズムは、以下のようであると考えられる。
図３に示すように、液体が第２供給流路３３Ｂから絞り流路４３に流入する時、第２流入口４１の口縁から流れの剥離が生じ、一度剥離した流れが絞り流路４３の壁面に再付着する。図３中、点Ｐ１が剥離点であり、点Ｐ２が再付着点である。これにより、剥離点Ｐ１と再付着点Ｐ２との間において、第２内周面４４付近に渦７１が発生する。渦７１の中心部では、圧力が局所的に飽和蒸気圧以下となり、中心部に気泡（剥離泡）が発生する（キャビテーション）。気泡は、一定の大きさに達すると下流へ流れていく。このようにして、剥離泡の形成と放出が断続的に繰り返されることにより、周期的な振動流が発生する。
振動流が径大部５６Ａに流入すると、剥離泡が集まって雲状となった気泡雲７２が生じる。発生した気泡雲７２は周期的に加速流路５５の下流に流れていく。
ここで、第２供給流路３３Ｂの内径Ｄ２に対する絞り流路４３の内径Ｄ３の比（絞り比β）は、以下の式（１）で表される。絞り比βは、０．０４以上０．８以下であることが好ましい。絞り比βがこの範囲内にあるときに、ノズル２０の内部を流れる液体に、十分な振動流を発生させることができる。
β＝Ｄ３／Ｄ２・・・・・（１）
さらに、液体が加速流路５５を通過することで、第３流出口５４から噴出する液体の噴射速度を高めることができる。ここで、レイノルズの理論によると、ノズルの液体流路における液体の流れの状態は、基端側から順に、縮流域、渦流域、乱流域となっている。加速流路５５のうち、第３流入口５３からストレート部５７までの部分について、段差がなく、内径が次第に縮小する縮径部５６とすることにより、圧力損失を低減して、ストレート部５７に導入させる液体の流れを良好とすることができる。また、ストレート部５７の軸方向の長さ寸法Ｌ１と直径寸法Ｄ１との比（Ｌ１／Ｄ１）を、７ ．８以上とすることにより、ノズル２０からの液体の噴射口である第３流出口５４を乱流域に配置することができ、噴射口から吐出される液体の速度を十分に高めることができる。これにより、洗浄力をさらに向上させることができる。但し（Ｌ１／Ｄ１）が大きくなりすぎると、吐出される液体の粒子径が大きくなる傾向にあり、（Ｌ１／Ｄ１）の値は１５以下とすることが好ましい。
上記のように、振動発生流路２２を有するノズル２０によって振動流を付与した液体を処理対象物Ｗに吹き付けることにより、洗浄力を向上させることができる。また、加速流路５５によって、液体を加速させて処理対象物Ｗに吹き付けることにより、洗浄力をさらに向上させることができる。
＜変形例＞
図４に示すように、段差面８１と第２内周面４４との角度α２は、は必ずしも９０°でなくても構わない。段差面８１と第２内周面４４との角度は、９０°以上１５０°以下であることが好ましい。１５０°以上になると、液体が第２供給流路３３Ｂから絞り流路４３に流入する時に流れの剥離が生じにくくなり、洗浄力を向上させるために十分な振動流を発生させにくくなってしまうためである。
＜試験例＞
１．振動周波数の測定
図５に示す試験装置１００を準備した。一端に供給口１０２を有する供給流路１０３と、この供給流路１０３に連なり、他端に噴出口１０５を有する絞り流路１０４とを備えるキャビテータ１０１を準備した。キャビテータ１０１に、長さ１０ｍの高圧ホース１０７を介して高圧ポンプ１０８を接続した。キャビテータ１０１において、噴出口１０５を有する噴出面１０６には、加速度センサ１１１を取り付けた。高圧ホース１０７には、キャビテータ１０１に近接する位置に、圧力センサ１１２を取り付けた。
この試験装置１００を用いて、噴射圧力５ＭＰａでキャビテータ１０１から水を噴射させ、加速度センサ１１１により、噴出面１０６に伝わる加速度振動を測定した（図６参照）。この加速度振動を周波数解析し、８ｋＨｚ付近にピークが存在することを確認した（図７参照）。
２．洗浄試験
上記実施形態の構成の振動発生流路を有するノズル（以下、「実施形態のノズル」という）と、振動発生流路を有しない従来のノズル（以下、「従来のノズル」という）とを用いて、洗浄試験を行った。シリコンウエハの表面に粒径３μｍ 程度のポリスチレン粒子を疑似汚れとして付着させた試料に対し、実施形態のノズルと従来のノズルを用いて、同様の条件で洗浄作業を行った。洗浄前後の試料の表面を専用のスキャナでスキャンして粒子数をカウントし、下記式（２）によって除去率を算出した。
除去率（％）＝１００×｛（洗浄前の粒子数－洗浄後の粒子数）／洗浄前の粒子数｝・・・・・（２）
高圧ポンプの設定圧力を５ＭＰａ、８ＭＰａ、または１０ＭＰａとして試験を行った。また、噴射距離（ノズルの噴出口から試料までの直線距離）を１００ｍｍとした。
図８に示すように、高圧ポンプの設定圧力が５ＭＰａ、８ＭＰａ、１０ＭＰａいずれの場合でも、実施形態のノズルを用いた場合の方が、従来のノズルを用いた場合よりも、除去率が２０～３５％程度高かった。これにより、実施形態のノズルを用いた場合の方が、従来のノズルを用いた場合よりも、洗浄力が高くなっているといえる。
３．噴射液滴粒子の粒子径－速度分布
実施形態のノズルと従来のノズルとを用いて、噴射圧力１０ＭＰａで水を噴射させ、シャドードップラー粒子分析計(ＳＤＰＡ) を用いて、ノズルの噴射口から１００ｍｍ離れた位置における噴射液滴粒子の粒子径と速度とを測定した。
図９および図１０に示すように、実施形態のノズルを用いた場合の粒子径－速度分布は、従来のノズルを用いた場合とほぼ同等であったが、粒子速度が早く粒子径の大きい粒子が若干多くなっていた。
４．噴射液の面圧分布
実施形態のノズルと従来のノズルとを用いて、ノズルの噴射口から１００ｍｍ離れた位置に設置された面圧センサに向かって噴射圧力１０ＭＰａで水を噴射させ、噴射液の面圧分布を測定した。
図１１および図１２に示すように、実施形態のノズルを用いた場合には、従来のノズルを用いた場合と比較して、面圧分布の広がりが全体的に小さく、面圧の高い部分が中央に密集している。これより、実施形態のノズルを用いた場合には、従来のノズルを用いた場合と比較して、噴射液滴の直進性が高くなっているといえる。また、詳細にデータを示さないが、ノズルから噴射された水は、従来のノズルを用いた場合には、噴射直後の流れの様相は層流であり、噴射口から離れるにつれて乱流に遷移するが、実施形態のノズルを用いた場合には、噴射直後から乱流である様相が観察された。これらのことも、噴射液滴の直進性が高くなることに寄与しており、洗浄力の向上に寄与していると考えられる。
＜他の実施形態＞
（１）上記実施形態では、ノズル２０が加速流路５５を有していたが、例えば第３流路が、内径が一定の直管状の流路であっても構わない。
（２）上記実施形態では、配管接続部３０とオリフィス部４０と加速部５０とが別体となっていたが、例えば、配管接続部とオリフィス部と加速部とが一体であってもよく、配管接続部とオリフィス部、またはオリフィス部と加速部が一体であっても構わない。
１…洗浄装置（液体噴射装置）
１２…高圧ポンプ
２０…ノズル
２１…流路
２２…振動発生流路
３３Ｂ…第２供給流路（第１流路）
３４…第１内周面
４３…絞り流路（第２流路）
４４…第２内周面
４５…段差面
５３…第３流入口（流入口）
５５…加速流路
５４…第３流出口（噴射口）
５６…縮径部
５６Ａ…径大部（第３流路）
５７…ストレート部
Ｗ…洗浄対象物（処理対象物）

Claims (5)

  1. 液体が流れる流路を有し、処理対象物に向かって前記液体を噴射するノズルと、前記液体を加圧して前記ノズルに供給する高圧ポンプと、を備える液体噴射装置であって、
    前記流路が、前記液体に振動流を発生させるための振動発生流路を備え、
    前記振動発生流路は、
    第１流路と、
    前記第１流路の下流側に連なり、前記第１流路よりも小さい内径を有する第２流路と、
    前記第２流路の下流側に連なり、下流側に向けて内径が縮小する縮径部と、
    を有し、
    前記縮径部は、前記第２流路側に、前記第２流路よりも大きい内径の径大部を含み、
    前記第２流路を区画する第２内周面と、前記第２内周面と前記第１流路を区画する第１内周面とを接続する段差面と、によって角部が形成されており、前記高圧ポンプから供給された前記液体の流れに対して、前記第１流路から前記第２流路に流入する時に前記角部から剥離を生じさせ、
    前記第２流路が、前記角部から剥離した前記液体の流れが前記第２内周面に再付着する長さとされて前記角部と前記液体の流れが再付着する箇所との間において気泡を生じさせ、前記気泡の形成と放出とを断続的に繰り返し、
    前記縮径部が、前記径大部において前記気泡を集めて雲状の気泡雲を生じさせ、前記気泡雲を周期的に下流側に流すことによって、前記液体に振動流を発生させる、液体噴射装置。
  2. 前記振動発生流路が、
    前記第２流路の下流側に連なる加速流路を備え、
    前記加速流路が、
    前記液体を噴射する噴射口と、
    前記噴射口側に位置し断面円形の直管状をなすストレート部と、
    前記ストレート部に連なる前記縮径部とを備え、
    前記ストレート部の軸方向の長さ寸法Ｌ１と直径寸法Ｄ１との比（Ｌ１／Ｄ１）が、７．８以上、１５以下とされている、請求項１に記載の液体噴射装置。
  3. 前記第１流路において前記第２流路に隣接して配される部分の内径に対する前記第２流路の内径の比率が０．０４以上０．８以下である、請求項１または請求項２に記載の液体噴射装置。
  4. 前記段差面と前記第２内周面との角度が９０°以上１５０°以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体噴射装置。
  5. 前記高圧ポンプの加圧による前記ノズルからの噴射圧力が１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の液体噴射装置。
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