JP2004057873A

JP2004057873A - 混合装置

Info

Publication number: JP2004057873A
Application number: JP2002216919A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Tsunokake; 角掛　泰洋
Original assignee: Tokico Technology Ltd
Current assignee: Tokico System Solutions Co Ltd
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】本発明は混合比率が大きく異なる複数の流体を均一の濃度に混合することを課題とする。
【解決手段】混合装置は、加圧された２種類の液を混合ユニット１６で混合するように構成されている。混合ユニット１６は、ユニット本体６０と、第１の混合室６２と、第２の混合室６４と、絞り孔６６と、流入管６８と、流出管７０と、絞り管２５とより構成されている。絞り孔６６で加速された流体は、第２の混合室６４において流速が減速されて流出管７０の端部によって流れが変化するため、流路面積の大きい第２の混合室６４の内部空間内を乱流状態で通過して小径な流出路７０ａから吐出管路５２へ吐出される。第１の混合室６２で混合された薬液と純水は、第１の混合室６２、絞り孔６６、第２の混合室６４を通過する過程で均一な一定の濃度に混合されて吐出管路５２へ安定供給される。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば成分の異なる複数の薬液を混合することで半導体や液晶などフラットパネルディスプレイ製造プロセスに使用される混合液を供給する混合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、２種類の液体を混合するための混合装置として純水と薬液とを混合する混合装置を例に挙げて説明する。
【０００３】
従来、成分の異なる２種類の薬液を混合する混合装置としては、例えば、特開２０００−７４７１８号公報に記載された構成のものがある。この公報では、薬液の原液を計量槽で一定量にはかり採り、その後、計量した薬液を調合槽へ投下して混合した後、純水で所定濃度まで希釈し、その後調合・希釈した薬液を貯留槽へ投下し、所定の温度まで加熱して半導体製造装置へ供給されるように構成されている。
【０００４】
この方式の混合装置では、薬液の計量及び純水での希釈量は、各槽内の液面高さを計測（検出）して管理している。
【０００５】
また、薬液と純水とを夫々供給する供給管路に夫々の流量を測定する流量計を設け、流量計を用いて流量を計測しながら流量調整弁の弁開度を制御して薬液と純水との混合比を調節することも考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成とされた従来の混合装置では、計量槽や調合槽、供給タンク等のタンク数が多く、且つ各タンク容量も大きいので、装置の小型化を図ることが難しかった。
【０００７】
また、薬液の秤量、及び希釈に用いる純水の秤量、及び貯留槽への薬液補給の要求の検出には、液面センサを用いるため、槽内で液が発泡したり液面が波立ったりすると、液面センサが誤作動して薬液が所定濃度の混合比で調合できなくなる。しかも、各槽に設けられる液面センサは、高価であるので、装置の製造コストを安価にすることが難しかった。
【０００８】
また、前述した流量調整弁の弁開度を制御する装置では、薬液と純水との混合比が例えば１：９９の場合、生成される混合液の液量が２０Ｌ（リットル）とすると、薬液の供給量が２００ｍＬ（ミリリットル）であるのに対し、純水の供給量が１９８００ｍＬとなる。このように２液の混合比が大きく相違する場合には、例えば、流量計を用いて流量を計測しながら流量調整弁の弁開度を制御して薬液を微少流量で供給されるように流量調整することが難しく、一定の比率に混合された液の混合比が安定しなかった。
【０００９】
また、薬液の流量を微少流量に調整しながら純水に混合する場合、濃厚な薬液（原液）を供給タンクへ投下すると、予め供給タンク内に貯溜されていた薬液と十分に混合せず、濃厚な原液が拡散しないまま供給タンク内の薬液へ落下してしまうため、できるだけ薬液を少量ずつ供給しなければならないが、純水の供給量に対して薬液の供給が早くなると、一定の濃度が得られず、高濃度の薬液が供給されてしまうおそれがある。
【００１０】
そこで、本発明は上記課題を解決した混合装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は以下のような特徴を有する。
本発明は、異なる種類の流体を個別に供給する複数の流体供給経路と、複数の流体供給経路を流れる流体を所定圧力に加圧して供給する流体供給手段と、流体供給手段により加圧された複数の流体を混合させる混合手段と、を備えてなる混合装置において、混合手段は、複数の流体供給経路から供給された複数の流体が混合される第１の混合室と、第１の混合室よりも小径に形成され、第１の混合室で混合された流体の流速を高める絞りと、絞りよりも大径に形成され、絞りから吐出された流体の流速を減速して乱流に変化させる第２の混合室と、からなり、複数の流体を流れの過程で乱流によって均一に混合させることが可能になり、混合された一定濃度の流体を安定供給することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明になる混合装置の一実施例の概略構成を示す構成図である。
図１に示されるように、混合装置１０は、例えば、薬液供給経路１２を介して供給された５０％フッ化水素酸（薬液）と、純水供給経路１４を介して供給された純水とを混合ユニット（混合手段）１６で混合して半導体製造ラインのウエハ（図示せず）に供給するように構成されている。尚、フッ化水素酸は、フッ化水素（ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｆｌｕｏｒｉｄｅ）の水溶液であり、以下「薬液（ＨＦ液）」と記す。
【００１３】
薬液供給経路１２には、貯留された薬液を窒素ガスの圧力で供給するポンプ手段（流体供給手段）としての貯留槽２２が設けられている。この貯留槽２２には、薬液供給管路１８と、窒素ガス供給管路２０とが連通されている。貯留槽２２の底部より引き出された薬液吐出管路２４は、薬液の流量を微小流量に絞る絞り管２５を介して混合ユニット１６に連通されている。また、薬液吐出管路２４には、エア駆動式の開閉弁４３と、開閉弁４３の上流に設けられたチェック弁（逆流防止弁）４４が配設されている。
【００１４】
また、窒素ガス供給管路２０には、薬液供給圧力を所定圧力に減圧する減圧弁２６、窒素ガスの質量流量を計測する質量流量計２７、窒素ガス中の微粒子を除去するガスフィルタ２８、窒素ガスの流量を調整するエア駆動式の流量調整弁３０が配設されている。また、薬液供給管路１８には、薬液の流量を計測する超音波式渦流量計３２、チェック弁（逆流防止弁）３３、薬液の供給量を制御するエア駆動式の開閉弁３４が配設されている。
【００１５】
超音波式渦流量計３２は、薬液供給管路１８から供給された薬液（ＨＦ液）の流量を計測しており、流量に比例したアナログ信号を発信器３２ａから制御回路４０に発信している。そして、制御回路４０は、このアナログ信号から得られた流量計測値に基づいて開閉弁３４を開閉制御する。
【００１６】
質量流量計２７は、窒素ガス供給管路２０から供給された窒素ガスの流量を計測しており、流量に比例した周期のアナログ信号を制御回路４０に発信している。そして、制御回路４０は、このアナログ信号が設定された値で安定するように流量調整弁３０の弁開度を制御する。
【００１７】
貯留槽２２は、薬液供給管路１８から供給された薬液（ＨＦ液）を一時的に貯留することで薬液（ＨＦ液）を安定供給するものである。また、貯留槽２２の上部には、ガス抜き管路３５と、圧力を測定する液面センサ３８とが設けられている。そして、ガス抜き管路３５には、チェック弁（逆流防止弁）３６と、エア駆動式の逃がし弁３７とが設けられている。尚、逃がし弁３７は、薬液の注入時に開弁されて貯留槽２２の内部に残留した窒素ガスを外部へ排気することで薬液注入時の負荷を軽減する。
【００１８】
液面センサ３８からの検出信号は、制御回路４０に入力されており、制御回路４０によって貯留槽２２の液位（液面高さ）が管理されている。
【００１９】
また、純水供給経路１４は、純水供給管路４５に純水を送液するポンプ（流体供給手段）４６と、純水の流量を計測する超音波式渦流量計４８と、純水の供給量を調整する流量調整弁５０が配設されている。超音波式流量計４８は、純水供給経路１４から供給された純水の流量を計測しており、流量に比例した周期のアナログ信号を発信器４８ａから制御回路４０に発信している。
【００２０】
そして、制御回路４０は、このアナログ信号から得られた流量計測値に基づいて電空レギュレータ４９に制御信号を出力する。電空レギュレータ４９は、流量調整弁５０のアクチュエータ部５０ａに連通された空気圧供給管路４９ａに設けられており、制御回路４０からの制御信号に基づいて流量調整弁５０のアクチュエータ部５０ａに供給される空気圧を調整する。これにより、流量調整弁５０は、電空レギュレータ４９から供給された空気圧によってアクチュエータ部５０ａが駆動され、アクチュエータ部５０ａの駆動により弁開度を制御して流量を調整する。
【００２１】
上記開閉弁３４，４３及び逃がし弁３７は、エア駆動式のノーマルクローズ弁構造で構成されており、エア供給回路３９から供給されるエア（圧縮空気）により開弁動作する。また、エア供給回路３９は、流量調整弁３０、開閉弁３４，４３、逃がし弁３７に連通された空気管路３０ａ，３４ａ，４３ａ，３７ａに対して空気源（コンプレッサ等）４１からの圧縮空気を選択的に供給する電磁弁（図示せず）が設けられている。
【００２２】
そのため、エア供給回路３９では、制御回路４０からの制御信号に基づいて空気管路３０ａ，３４ａ，４３ａ，３７ａへ供給する圧縮空気をオンまたはオフにして流量調整弁３０の弁開度を調整し、開閉弁３４，４３または逃がし弁３７を開弁または閉弁させる。
【００２３】
また、上記薬液供給管路１８及び純水供給管路４５は、パーフロロアルコキシ共重合体（ＰＦＡ樹脂）、あるいはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ樹脂）などの不純物の溶出や微粒子の発生が極めて少ない材質により形成されている。
【００２４】
また、制御回路４０のメモリには、流体供給開始時、薬液吐出管路２４に配された開閉弁４３及び窒素ガス供給管路２０に配された流量調整弁３０及び開閉弁４３及び、純水供給管路４５に配された流量調整弁５０を開弁させる制御プログラム（制御手段）が格納されている。
【００２５】
また、制御回路４０のメモリには、流体供給停止時、薬液吐出管路２４に配された開閉弁４３及び窒素ガス供給管路２０に配された流量調整弁３０、純水供給管路４５に配された流量調整弁５０を閉弁させる制御プログラム（制御手段）が格納されている。
【００２６】
図２は混合ユニット１６の構成を拡大して示す縦断面図である。図３は図２中Ａ−Ａ線に沿う縦断面図である。
図２及び図３に示されるように、混合ユニット１６は、耐薬品性に優れた四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ樹脂）からなるユニット本体６０と、ユニット本体６０の一端に開口する第１の混合室６２と、ユニット本体６０の他端に開口する第２の混合室６４と、第１の混合室６２と第２の混合室６４との間を連通する小径な絞り孔６６と、第１の混合室６２の開口に圧入（または接着）された流入管６８と、第２の混合室６４の開口に圧入（または接着）された流出管７０と、第１の混合室６２に上方から挿入された絞り管２５とより構成されている。
【００２７】
第１の混合室６２、第２の混合室６４、絞り孔６６は、同一軸線上に直列に配置されており、流入管６８の流入路６８ａ，絞り孔６６，流出管７０の流出路７０ａもユニット本体６０の中心線上に配置されている。
【００２８】
本実施例では、流入路６８ａの内径ｄ１、第１の混合室６２の内径ｄ２、絞り孔６６の内径ｄ３、第２の混合室６４の内径ｄ４、流出路７０ａの内径ｄ５とすると、各内径の大きさは、ｄ２（＝ｄ４）＞ｄ１（＝ｄ５）＞ｄ３に設定されている。
【００２９】
流入路６８ａは、純水供給管路４５が連通され、流出路７０ａには混合ユニット１６の下流に連通された吐出管路５２が連通されている。また、絞り管２５は、針のように小径な孔２５ａが貫通しており、薬液吐出管路２４から供給された薬液を第１の混合室６２に供給する。
【００３０】
さらに、絞り管２５の先端は、第１の混合室６２の中心まで突出しており、孔２５ａから吐出された微小流量の薬液は、貯留槽２２内の窒素ガス圧によって所定圧力に加圧されており、流入路６８ａから流入された純水の流れの中心（流速の高い領域）に窒素ガス圧で押し出されて混合される。
【００３１】
そのため、流入路６８ａから第１の混合室６２の中心に吐出された純水の流れは、ポンプ４６によって所定圧力に加圧されており、高流速で絞り管２５の先端に衝突して乱流状態になりながら絞り管２５から吐出された薬液と混合される。
【００３２】
絞り孔６６の入口及び出口には、円錐状に傾斜したテーパ部７２，７４が形成されている。従って、第１の混合室６２で混合された流体は、テーパ部７２にガイドされて小径な絞り孔６６に流入し、流速を加速される。
【００３３】
また、絞り孔６６を通過した流体は、テーパ部７４にガイドされて第２の混合室６４に拡散して薬液と純水を均一の混合比となるように混合させる。従って、絞り孔６６の入口及び出口に設けられたテーパ部７２，７４によって、流体が滞留することが無くなり、第１の混合室６２及び第２の混合室６４において部分的に高濃度の領域が形成されることが防止される。
【００３４】
このように、絞り孔６６で加速された流体は、第２の混合室６４において流速が減速されて流出管７０の端部によって流れが変化するため、流路面積の大きい第２の混合室６４の内部空間内を乱流状態で通過して小径な流出路７０ａから吐出管路５２へ吐出される。
【００３５】
従って、第１の混合室６２で混合された薬液と純水は、第１の混合室６２、絞り孔６６、第２の混合室６４を通過する過程で均一な一定の濃度に混合されて吐出管路５２へ安定供給される。特に、微小流量の薬液と大流量の入水との混合比率が１：９９のように大きく異なる場合でも、第１の混合室６２で混合された２液を、第１の混合室６２、絞り孔６６、第２の混合室６４を通過する過程で均一な濃度に混合することが可能になる。
【００３６】
また、混合ユニット１６は、第１の混合室６２、第２の混合室６４、絞り孔６６は、同一軸線上に直列に配置されているので、加工がしやすい構成であり、ユニット本体６０の一端からドリルにより第１の混合室６２を切削加工し、ユニット本体６０の他端からセンタドリルにより第１の混合室６２を切削加工すると共に、絞り孔６６を切削加工することで、比較的少ない工数でユニット本体６０を製作することが可能である。そのため、混合ユニット１６の製造コストを安価に抑えることができる。
【００３７】
また、ユニット本体６０は、上記のようなドリルによる切削加工で加工しても良いし、あるいは金型を使用して一体成型することも可能である。この場合、量産効果によるコストダウンを図ることが可能になる。
【００３８】
ここで、変形例について説明する。
図４は混合ユニット１６の変形例１の構成を拡大して示す縦断面図である。図５は図４中Ｂ−Ｂ線に沿う縦断面図である。図４及び図５において、上記実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
図４及び図５に示されるように、混合ユニット１６は、第２の混合室６４に渦発生体８０が横架されている。この渦発生体８０は、絞り孔６６と流出路７０ａとの間に位置するように設けられている。
【００３９】
そのため、絞り孔６６から吐出された流体は、絞り孔６６を通過する過程で加速されており、第２の混合室６４において、渦発生体８０に衝突して渦発生体８０の下流側に迂回するような流れになる。このような、流れの方向の変化により渦発生体８０の下流では、乱流状態になり、さらにその下流にカルマン渦が発生する。これにより、第１の混合室６２で混合された薬液と純水は、第１の混合室６２、絞り孔６６、第２の混合室６４を通過する過程で均一な一定の濃度に混合されて吐出管路５２へ安定供給される。
【００４０】
図６は混合ユニット１６の変形例２の構成を拡大して示す縦断面図である。尚、図６において、上記実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
図６に示されるように、混合ユニット１６は、上記絞り孔６６の入口及び出口にテーパ部７２，７４を設ける代わりに垂直な壁部８２，８４を設ける構成とすることも可能である。
【００４１】
この変形例２では、流入路６８ａから第１の混合室６２の中心に吐出された純水の流れは、高流速で絞り管２５の先端に衝突して乱流状態になりながら絞り管２５から吐出された薬液と混合された後、壁部８２に衝突して複雑な流れ（渦）を発生させて２液を均一な濃度に混合させる。
【００４２】
さらに、絞り孔６６で加速された流体は、第２の混合室６４において流速が減速されて流出管７０の端部によって流れが変化するため、流路面積の大きい第２の混合室６４の内部空間内を乱流状態で通過して小径な流出路７０ａから吐出管路５２へ吐出される。
【００４３】
このように、２種類の流体は、第１の混合室６２で混合され、さらに第２の混合室６４でも混合されるため、第１の混合室６２、絞り孔６６、第２の混合室６４を通過する過程で段階的に均一な一定の濃度に混合されて吐出管路５２へ安定供給される。
【００４４】
図７は混合ユニット１６の変形例３の構成を拡大して示す縦断面図である。尚、図７において、上記実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
図７に示されるように、混合ユニット１６は、ユニット本体６０の一端に第１の混合室６２を形成し、ユニット本体６０の他端に円筒状の絞り部材９０を挿入するための挿入孔６０ａが形成されている。絞り部材９０は、一端の壁部９０ａに絞り孔６６が貫通し、他端に第２の混合室６４が形成されている。また、絞り部材９０の外周には、ユニット本体６０の挿入孔６０ａとの間をシールするシール部材（Ｏリング）９２が装着されている。
【００４５】
絞り部材９０は、ユニット本体６０に対して組み立て方式であるので、例えば、絞り孔６６の内径の異なる絞り部材９０を複数用意することで、絞り孔６６の内径を簡単に変えることが可能になる。
【００４６】
また、絞り部材９０をユニット本体６０から外すことにより、壁部９０ａに複数の小孔を形成することも可能になる。
【００４７】
尚、本実施の形態では、２種類の流体を混合ノズル１６で混合するよう構成された装置を一例として挙げたが、これに限らず、例えば、２種類の流体をタンク内で混合し、撹拌して供給するように構成された混合装置にも本発明が適用できるのは勿論である。
【００４８】
また、本実施の形態では、フッ化水素酸と純水とを所定の割合で混合させる場合を一例として挙げたが、他の薬液を混合する場合にも本発明が適用できるのは勿論である。
【００４９】
また、本実施の形態では、フッ化水素酸と純水との２種類の液体を混合する場合を一例として説明したが、成分が異なる２種以上の流体を混合させる場合にも本発明が適用できるのは勿論である。
【００５０】
また、本実施例において、純水の供給手段としてポンプを用いたが、これに限らず、例えば、高低差を利用した方法を流体供給手段として用いる方法を用いても良い。
【００５１】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によれば、異なる種類の流体を個別に供給する複数の流体供給経路と、複数の流体供給経路を流れる流体を所定圧力に加圧して供給する液体供給手段と、液体供給手段により加圧された複数の流体を混合させる混合手段と、を備えてなる混合装置において、混合手段は、複数の流体供給経路から供給された複数の流体が混合される第１の混合室と、第１の混合室よりも小径に形成され、第１の混合室で混合された流体の流速を高める絞りと、絞りよりも大径に形成され、絞りから吐出された流体の流速を減速して乱流に変化させる第２の混合室と、からなるため、複数の流体を流れの過程で乱流によって均一に混合させることが可能になり、混合された一定濃度の流体を安定供給することが可能になる。例えば、混合比率が１：９９のように混合比が大きく異なる場合には、第１の混合室で混合された２液を、第１の混合室、絞り、第２の混合室を通過する過程で均一な一定の濃度に混合して安定供給することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる混合装置の一実施例の概略構成を示す構成図である。
【図２】混合ユニット１６の構成を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図２中Ａ−Ａ線に沿う縦断面図である。
【図４】混合ユニット１６の変形例１の構成を拡大して示す縦断面図である。
【図５】図４中Ｂ−Ｂ線に沿う縦断面図である。
【図６】混合ユニット１６の変形例２の構成を拡大して示す縦断面図である。
【図７】混合ユニット１６の変形例３の構成を拡大して示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０　混合装置
１２　薬液供給経路
１４　純水供給経路
１６　混合ユニット
１８　薬液供給管路
２０　窒素ガス供給管路
２２　貯留槽
２４　薬液吐出管路
２７　質量流量計
３０　流量調整弁
３４，３７，４３　開閉弁
３０ａ，３４ａ，３７ａ，３４ａ　空気管路
３２，４８　超音波式渦流量計
３７　逃がし弁
３８　液面センサ
３９　エア供給回路
４０　制御回路
４１　空気源
４４　流量安定部
４５　純水供給管路
４６　ポンプ
５０　流量調整弁
６０　ユニット本体
６２　第１の混合室
６４　第２の混合室
６６　絞り孔
６８　流入管
７０　流出管
７２，７４　テーパ部
８０　渦発生体
８２，８４　壁部
９０　絞り部材

Claims

異なる種類の流体を個別に供給する複数の流体供給経路と、
該複数の流体供給経路を流れる流体を所定圧力に加圧して供給する流体供給手段と、
該流体供給手段により加圧された複数の流体を混合させる混合手段と、
を備えてなる混合装置において、
前記混合手段は、
前記複数の流体供給経路から供給された複数の流体が混合される第１の混合室と、
該第１の混合室よりも小径に形成され、前記第１の混合室で混合された流体の流速を高める絞りと、
該絞りよりも大径に形成され、前記絞りから吐出された流体の流速を減速して乱流に変化させる第２の混合室と、
からなることを特徴とする混合装置。