(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブケースと、該バルブケースの一端側に穿設され薬液を供給する入力流路と、該入力流路の出口を開閉する弁体と、該弁体を収容して前記入力流路と連通する弁室と、前記バルブケースの他端側から前記薬液を吐出する出力流路を有するノズルと、を備える液垂れ防止バルブにおいて、
前記弁体は、前記ノズルと連結または一体にされ、
前記弁体には、前記薬液が通過する弁体内流路が形成されるとともに、該弁体内流路と前記出力流路とが連通されていること、
前記バルブケースには、前記ノズルの外周部に形成したピストンを収容するシリンダ部が形成され、前記弁体は、前記シリンダ部への操作流体の供給、排出によって開閉することを特徴とする液垂れ防止バルブ。
【請求項２】
請求項１に記載する液垂れ防止バルブにおいて、
前記弁体内流路は、前記出力流路と軸線上で連通されていることを特徴とする液垂れ防止バルブ。
【請求項３】
請求項２に記載する液垂れ防止バルブにおいて、
前記弁体内流路は、前記弁体の中央に形成された縦流路と前記弁体の側壁に前記縦流路に対して放射状に形成された複数の横流路とが連通していることを特徴とする液垂れ防止バルブ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載する液垂れ防止バルブにおいて、
前記弁室は、前記弁体の側壁外周面に延設された第１隔膜部材を隔てて密閉空間からなる気密室と隣接していることを特徴とする液垂れ防止バルブ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載する液垂れ防止バルブにおいて、
前記ノズルの先端外周面には、外周縁が前記バルブケースに保持された第２隔膜部材が付設されていることを特徴とする液垂れ防止バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置における枚葉洗浄工程に使用する液垂れ防止バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置の洗浄プロセスには、バッチ洗浄と枚葉洗浄とがあるが、半導体ウェハの大型化やチップの微細化及び配線の多層化等に適し、廃液処理に対する環境負荷の少ない枚葉洗浄が、近年増加している。
枚葉洗浄は、薬液をノズルから塗布して半導体ウェハを一枚一枚洗浄する方法であるので、洗浄毎にノズル先端から垂れ落ちる液垂れ現象を防止する必要がある。
そこで、例えば、特許文献１、２に、液垂れ防止に関する技術が開示されている。
【０００３】
特許文献１の技術は、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、排出ノズル５００に連通する液体排出通路２００を戻しばね６００によって閉じる排出弁３００と、排出ノズル５００に連通する内室４００とを備え、排出弁３００を閉じた後に液体を排出ノズル５００から吸い戻すため、戻しばね６００によって排出弁の一部３０１を液体排出通路２００内に突入させて内室４００の容積を増大させる技術である。
また、特許文献２の技術は、流体が流れる流路上に設けられ、ダイアフラム弁体を作動させて弁座に当接又は離間させることにより流体の供給を制御する薬液弁において、ダイアフラム弁体と同期して作動するサックバック用ダイアフラム弁体を設けた技術である。
【０００４】
また、ノズルからの液垂れは、薬液の表面張力によっても影響される。例えば、表面張力の大きい薬液は、粘度が高く、バルブを閉じた後でも液切れしにくい傾向にあり、結果として、液垂れも生じやすい。反対に、表面張力の小さい薬液では、バルブを閉じた瞬間に液切れはするが、大気圧に押されて気泡を噛み込む場合がある。そして、ノズル先端部の薬液に気泡が混入すると、薬液が均一に塗布されず、洗浄ムラが発生する。また、気泡より下方の液体は、ノズル内に吸引されずに液垂れも、生じやすい。
この気泡問題と、液垂れ問題を解決するために、例えば、特許文献３の技術が開示されている。
特許文献３の技術は、外周面に多数の微細孔を有し、所定の長さと微小な内径とを有する多数の中空繊維を、互いの間に隙間を設けて束にして、ハウジング内に収納した吐出ノズルの技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−２８０７２号公報
【特許文献２】特開２００３−２７８９２７号公報
【特許文献３】特開２０００−１２４１２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１〜３に記載された技術には、次のような問題があった。
特許文献１の技術では、戻しばね６００によって排出弁３００を閉じた後に、液圧に抗して弁体の一部３０１を液体排出通路２００内に突入させて内室容積を増大させ、液体をノズル５００から吸い戻すことができる。しかし、液圧に比較して、戻しばね６００の付勢力が大きすぎると、次に排出弁３００を開放位置に移動させることができなくなることがある。その結果、戻しばね６００によって弁閉方向に作用するばね付勢力を小さくせざるを得ないので、排出弁３００の弁閉スピードが遅くなり、弁閉時にノズル５００内の液体に伝わる衝撃（水撃）が小さくなる傾向にあった。そして、弁閉時の水撃が小さいと、ノズル先端での慣性力を利用した液切れが適正に行われないという問題があった。結局、弁閉時におけるノズル先端での液切れが適正に行われなければ、その後に吸引を行っても、液垂れを確実に防止することができないのである。
また、特許文献１の技術では、弁体の一部３０１を液体排出通路２００内に突入させて内室容積を増大させる構造であるので、弁体の一部３０１は液体排出通路２００の内壁に摺接する構成をとる必要がある。そのため、弁体の構造が複雑となり、加工精度も高める必要があるので、装置のコスト高に繋がり易いという問題もあった。
さらに、特許文献１の技術では、液体が戻しばね６００の螺旋形状の間を通過するので、乱流が生じやすい。そのため、乱流を層流に戻すために、戻しばね６００が当接する内室端からノズル先端までのノズル内流路を所定の長さ以上確保する必要があった。その結果、バルブ装置の軸線方向のサイズが大きくなり、バルブの小型軽量化を図ることが困難であった。
【０００７】
また、特許文献２の技術では、ダイアフラム弁体と同期して作動するサックバック用ダイアフラム弁体を設けたので、弁体を閉じると同時に薬液を吸引できる。したがって、特許文献１の技術よりも、弁閉時におけるノズル先端での液切れが適正に行われやすい。しかし、薬液を供給する回路とは別に、サックバック回路を設けているので、バルブ全体のサイズが大きくなると同時に、重量が重くなり、バルブの小型軽量化の要請に応えることはできないという問題があった。
さらに、特許文献３の技術では、中空繊維の充填率を３０〜６０％程度にする必要があり（段落〔００１６〕参照）、液体を所定流量流すためには、ハウジング径を大きくせざるを得なかった。そのため、バルブの小型軽量化の要請に応えることはできないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、バルブ閉時の液切れが制御しやすく、小型軽量で層流形成が容易な液垂れ防止バルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の液垂れ防止バルブは、次のような構成を有している。
（１）バルブケースと、該バルブケースの一端側に穿設され薬液を供給する入力流路と、該入力流路の出口を開閉する弁体と、該弁体を収容して前記入力流路と連通する弁室と、前記バルブケースの他端側から前記薬液を吐出する出力流路を有するノズルと、を備える液垂れ防止バルブにおいて、
前記弁体は、前記ノズルと連結または一体にされ、
前記弁体には、前記薬液が通過する弁体内流路が形成されるとともに、該弁体内流路と前記出力流路とが連通されていること、
前記バルブケースには、前記ノズルの外周部に形成したピストンを収容するシリンダ部が形成され、前記弁体は、前記シリンダ部への操作流体の供給、排出によって開閉することを特徴とする。
【００１０】
（２）（１）に記載する液垂れ防止バルブにおいて、
前記弁体内流路は、前記出力流路と軸線上で連通されていることを特徴とする。
（３）（２）に記載する液垂れ防止バルブにおいて、
前記弁体内流路は、前記弁体の中央に形成された縦流路と前記弁体の側壁に前記縦流路に対して放射状に形成された複数の横流路とが連通していることを特徴とする。
（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載する液垂れ防止バルブにおいて、
前記弁室は、前記弁体の側壁外周面から延設された第１隔膜部材を隔てて密閉空間からなる気密室と隣接していることを特徴とする。
（５）（１）乃至（４）のいずれか１つに記載する液垂れ防止バルブにおいて、
前記ノズルの先端外周面には、外周縁が前記バルブケースに保持された第２隔膜部材が付設されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
次に、本発明に係る液垂れ防止バルブの作用及び効果について説明する。
（１）バルブケースと、該バルブケースの一端側に穿設され薬液を供給する入力流路と、該入力流路の出口を開閉する弁体と、該弁体を収容して入力流路と連通する弁室と、バルブケースの他端側から薬液を吐出する出力流路を有するノズルと、を備える液垂れ防止バルブにおいて、弁体は、ノズルと連結または一体にされ、弁体には、薬液が通過する弁体内流路が形成されるとともに、該弁体内流路と出力流路とが連通されていること、バルブケースには、ノズルの外周部に形成したピストンを収容するシリンダ部が形成され、弁体は、シリンダ部への操作流体の供給、排出によって開閉することを特徴とするので、バルブ閉時の液切れが制御しやすく、小型軽量で層流形成が容易な液垂れ防止バルブとすることができる。
【００１２】
具体的には、バルブケースには、ノズルの外周部に形成したピストンを収容するシリンダ部が形成され、弁体は、シリンダ部への操作流体の供給、排出によって開閉するので、薬液の種類（例えば、粘度等）に応じて操作流体の圧力を調節することによって、弁体の閉じ速度を制御することができる。そのため、弁閉時に、薬液の種類に適した水撃を生じさせることができる。
また、弁体は、ノズルと連結または一体にされ、弁体には、薬液が通過する弁体内流路が形成されるとともに、該弁体内流路と出力流路とが連通されているので、弁閉時の水撃が直接ノズル内の薬液に伝達される。そのため、弁体の閉じ速度を制御することによって、薬液の種類に適した水撃が、ノズル先端部に伝達され、ノズル先端部で、慣性力を利用した液切れが適正に行われる。その結果、バルブ閉時の液切れが制御しやすく、ノズル移動時の液垂れを確実に防止することができる。
また、弁体と連結または一体にされたノズルの外周部にピストンを形成するとともに、バルブケースにピストンを収容するシリンダ部が形成される簡単な構造であるため、バルブケースに弁体の駆動部をコンパクトに収納してバルブ全体を小型化でき、軽量化もできる。
また、特許文献１のように流路内に戻しばねを設ける必要がないので、小型軽量でありながら層流形成が容易である。
【００１３】
（２）（１）に記載する液垂れ防止バルブにおいて、弁体内流路は、出力流路と軸線上で連通されていることを特徴とするので、バルブ全体を小型化しながら、弁体内の弁体内流路とノズル内の出力流路とによって、弁体からノズル先端部にかけて直線的な流路を形成できる。直線的な流路を形成することで、薬液の流れをスムーズにして層流形成に寄与できる。薬液の流れを層流化することによって、ノズル先端から吐出される薬液を、半導体ウェハ上に均一に供給することができる。また、ノズル内を流れる薬液を層流化することによって、弁閉時の水撃がノズル先端の薬液に均等に伝達され、液切れをより一層適正に行うことができる。
【００１４】
（３）（２）に記載する液垂れ防止バルブにおいて、弁体内流路は、弁体の中央に形成された縦流路と弁体の側壁に縦流路に対して放射状に形成された複数の横流路とが連通していることを特徴とするので、薬液は、入力流路から弁室および複数の横流路を経由して１つの縦流路に流れ込むことになる。薬液が入力流路から弁室、横流路、縦流路へと流れ込むとき、流路が屈曲するとともにオリフィス状に絞られるので、乱流を生じやすいが、放射状に形成された複数の横流路から中央に形成された縦流路に向かって集合するように薬液が流れ込むので、乱流を互いに打ち消し合う方向に作用する。乱流を互いに打ち消し合う方向に作用することによって、乱流から層流への移行をスムーズに行うことができる。特に、複数の横流路を縦流路に対して等間隔で放射状に形成することによって、縦流路の内壁に沿って流れる旋回流を抑制することもできる。この場合、乱流と旋回流とをより効果的に抑制することができ、層流化を促進できる。
このように、薬液の乱流又は乱流と旋回流とを効果的に抑制して層流化を促進することによって、ノズル先端から吐出される薬液を、半導体ウェハ上により一層均一に供給することができる。また、ノズル内を流れる薬液を層流化することによって、弁閉時において水撃がノズル先端の薬液に均等に伝達され、液切れをより一層適正に行うことができる。
【００１５】
（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載する液垂れ防止バルブにおいて、弁室は、弁体の側壁外周面から延設された第１隔膜部材を隔てて密閉空間からなる気密室と隣接していることを特徴とするので、弁体が閉じるときに、第１隔膜部材は密閉空間からなる気密室から負圧を受ける。第１隔膜部材は、負圧を受けることで、気密室側に撓みながら膨出する。弁閉時における第１隔膜部材の気密室側への撓み、膨出によって、弁室の容積が弁閉前に比べて増大する。弁室の容積が弁閉前に比べて増大することによって、弁体内流路を介して連通しているノズルの出力流路内の薬液が吸い戻される。このとき、弁閉時の水撃に基づく液切れと同時に、ノズルの出力流路内の薬液が吸い戻されるので、確実に液垂れを防止することができる。
【００１６】
（５）（１）乃至（４）のいずれか１つに記載する液垂れ防止バルブにおいて、ノズルの先端外周面には、外周縁がバルブケースに保持された第２隔膜部材が付設されていることを特徴とするので、ノズルとバルブケースとの間から落下するパーティクル等を第２隔壁部材によって遮断することによって、外部への飛散を防止することができる。特に、シリンダ部におけるシール部材のＯリング（ゴム部材）から発生する硫化物等の摩耗粉が、半導体ウェハ上へ付着することを防止できる。そのため、枚葉洗浄における不良を低減して、歩留まりを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る液垂れ防止バルブの実施形態を構成する断面図（弁閉状態）である。
【図２】図１に示す液垂れ防止バルブにおける弁開状態の断面図である。
【図３】図１に示す液垂れ防止バルブにおける弁体の横流路の位置で、軸線と直交する方向に切断した断面図であって、（ａ）は４個の横流路が９０度間隔で放射状に形成されている場合を示し、（ｂ）は３個の横流路が１２０度間隔で放射状に形成されている場合を示す。
【図４】図１に示す液垂れ防止バルブにおいて、２個の横流路を縦流路に対して対向するように形成した時の流速分布コンタ図である。
【図５】図１に示す液垂れ防止バルブにおいて、４個の横流路を縦流路に対して９０度間隔で放射状に形成した時の流速分布コンタ図である。
【図６】図１に示す液垂れ防止バルブにおいて、２個の横流路を縦流路に対して対向するように形成した時の流線図である。
【図７】図１に示す液垂れ防止バルブにおいて、４個の横流路を縦流路に対して９０度間隔で放射状に形成した時の流線図である。
【図８】従来の液垂れ防止バルブであって（ａ）は弁開状態を示し、（ｂ）は弁閉後に液体の吸引を完了した状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明に係る液垂れ防止バルブの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１に、本発明に係る液垂れ防止バルブの実施形態を構成する断面図（弁閉状態）示し、図２に、図１に示す液垂れ防止バルブにおける弁開状態の断面図を示す。図３に、図１に示す液垂れ防止バルブにおける弁体の横流路の位置で、軸線と直交する方向に切断した断面図であって、（ａ）は４個の横流路が９０度間隔で放射状に形成されている場合を示し、（ｂ）は３個の横流路が１２０度間隔で放射状に形成されている場合を示す。
図１に示すように、液垂れ防止バルブ１０は、バルブケース１と、入力流路２と、弁体３と、弁室４と、ノズル５とを備えている。
バルブケース１は、一端側から第１ケース１１、第２ケース１２、第３ケース１３、第４ケース１４の順に分割され、夫々を積層することによって全体として略矩形状をなしている。なお、バルブケース１の材質は、耐薬品性、耐熱性等からフッ素系樹脂であり、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が適している。
【００１９】
第１ケース１１には、バルブケース１の一端側に突起部１１１が形成されている。突起部１１１の先端には、入力ポート２０が設けられ、図示しない配管を接続するユニオンナット２２が螺合されている。突起部１１１の軸線上には、入力ポート２０からの薬液を供給する入力流路２が穿設されている。入力流路２の出口には、弁座２１が形成されている。弁座２１には、弁体３が当接、離間して、薬液を供給又は遮断している。薬液には、過酸化水素水、アンモニア、純水等が用いられ、その流速は最大４リットル／分程度である。
【００２０】
弁体３の側壁外周面には、第１隔膜部材３４が延設されている。第１隔壁部材３４は、可撓性を有する膜部材である。第１隔膜部材３４は、弁体３と一体に成形されている。第１隔膜部材３４の外周縁３４１は、第１ケース１１と第２ケース１２によって狭持されている。なお、弁体３の材質は、フッ素系樹脂である。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が適している。
第１ケース１１には、第１隔膜部材３４によって図面下方が封止され、入力流路２の出口と連通して薬液を通過させる弁室４が形成されている。一方、第２ケース１２には、第１隔膜部材３４によって図面上方が封止され、密閉空間からなる気密室６が形成されている。弁体３は、弁室４と気密室６との中に収容されている。第２ケース１２には、後述するノズル５の外周面とのシール性を確保するＯリング１２１が嵌合されている。
【００２１】
弁体３は、円筒状をなし、平坦面を有する頭部３１が弁座２１と当接、離間して弁閉状態、弁開状態を形成する。弁体３の側壁には、複数の横流路３２が図面水平方向に形成されている。各横流路３２の開口部は、円形断面をなしている。各横流路３２は、弁体３の側壁において第１隔膜部材３４の付根より図面上方に位置している。弁体３の中央には、円形断面の縦流路３３が、図面下方に開放されるように形成されている。
図３（ａ）に示すように、横流路３２は、４個の横流路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄが中央の縦流路３３に対して９０度間隔で放射状に形成されている。各横流路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄは、縦流路３３と軸線上で連通している。各横流路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄと縦流路３３とによって、弁体３には、薬液が通過する弁体内流路３０が形成されている。
なお、図３（ｂ）に示すように、横流路３２を３個の横流路３２Ｅ、３２Ｆ、３２Ｇとして、中央の縦流路３３に対して１２０度間隔で放射状に形成することもできる。ただし、横流路３２を２個として、中央の縦流路３３に対して対向するように形成する場合は、放射状に形成する場合には含まれない。後述するシミュレーション結果から明らかなように、２個の対向する横流路３２から流れ込む薬液の流れは、縦流路３３の内壁に沿って同じ方向に逃げる旋回流を形成しやすいからである。したがって、横流路３２の間隔は、９０度間隔や１２０度間隔等のように厳密な等間隔として設定する必要はなく、縦流路３３の内壁に沿って同じ方向に逃げる旋回流を抑制できる程度の間隔を有して放射状に形成されていればよい。
一方、弁体側壁の強度が確保できる程度を限度に、横流路３２の個数を４個以上に増加することは、可能である。
【００２２】
弁体３には、第１隔膜部材３４の付根より図面下方においてノズル５の基端部５２が連結されている。弁体３とノズル５との連結は、弁体外周に形成した雄ねじ３５にノズル内周に形成した雌ねじ５２２を螺合することによって行われている。なお、ノズル５の材質は、フッ素系樹脂である。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が適している。
ノズル５の軸線上には、薬液を吐出する出力流路５１が貫通して形成されている。出力流路５１は、図面上下方向に同一径で形成された直線状の流路である。出力流路５１の径は、弁体３に形成した縦流路３３の径と略等しい大きさである。
【００２３】
ノズル５の外周部には、ピストン５３が形成されている。ピストン５３は、ノズル５の図面上下方向の略中間部に位置する。ピストン５３の外周面には、環状溝が形成され、Ｏリング５３１が嵌合されている。
ノズル５の先端外周面５４には、第２隔膜部材５５が付設されている。第２隔膜部材５５の内周縁５５２には、雌ねじ５５３が形成され、ノズル５の先端外周面５４に形成された雄ねじ５４１に螺合されている。第２隔膜部材５５の外周縁５５１は、第３ケース１３と第４ケース１４とによって狭み込まれて保持されている。
第４ケース１４の中央には、バルブケース１の他端側に向けて貫通孔１４１が形成されている。ノズル５の先端部５４２は、貫通孔１４１から図面下方に突出している。ノズル５の先端部５４２から、出力流路５１を流れる薬液が半導体ウェハに向けて吐出される。
【００２４】
第３ケース１３には、シリンダ部１３０が形成されている。シリンダ部１３０は、操作流体を供給、排出する第１操作ポート１３１と第２操作ポート１３６とを備えている。ここでは、操作流体として圧縮エアを用いている。第１操作ポート１３１は、第１操作流路１３２を介して、第１操作室１３３に連通している。また、第２操作ポート１３６は、第２操作流路１３４を介して、第２操作室１３５に連通している。ノズル５のピストン５３は、第１操作室１３３と第２操作室１３５との間で摺動可能に収容されている。第３ケース１３には、ノズル５の外周面とのシール性を確保するＯリング１３７が嵌合されている。
【００２５】
＜動作説明＞
次に、本実施形態に係る液垂れ防止バルブ１０の動作方法を説明する。
図２に示すように、液垂れ防止バルブ１０を弁開状態にするため、第１操作ポート１３１から第１操作室１３３に操作流体を供給するとともに、第２操作ポート１３６から第２操作室１３５の操作流体を排出する。操作流体の供給、排出は、図示しない電磁弁を開閉することによって行う。
弁開状態になった弁体３は、弁座２１からストロークＳだけ離間するので、薬液が入力流路２から弁室４の中に流れ込む。弁室４の中に流れ込んだ薬液は、各横流路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄを通過して縦流路３３に流れていく。
このとき、薬液は、矢印Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のように流れる方向を複雑に変更する。しかし、４個の横流路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄが中央の縦流路３３に対して９０度間隔で放射状に形成されているので、矢印Ｌ１の方向に一旦分散した薬液は、矢印Ｌ２の方向に向きを変えて、縦流路３３において一箇所に集合する。集合するとき、途中で生じた乱流を打ち消し合うよう作用する。また、一箇所に集合するとき、薬液は互いに等間隔に離れた方向から流れてきて衝突するので、両隣の横流路からの流れによって旋回流の形成を抑制しながら、図面下方に向きを変えて矢印Ｌ３の方向の流れとなる。矢印Ｌ３の方向になった薬液の流れは、そのままノズル内の出力流路５１に沿って、矢印Ｌ４のように直線的に進行する。このように、弁体内の縦流路３３にて形成された矢印Ｌ３の流れは、乱流と旋回流を抑制しつつ、そのままの方向である矢印Ｌ４の流れとして出力流路５１において維持されるので、薬液の層流化を促進する。
【００２６】
次に、図１に示すように、液垂れ防止バルブ１０を弁閉状態にするため、第２操作ポート１３６から第２操作室１３５に操作流体を供給するとともに、第１操作ポート１３１から第１操作室１３３の操作流体を排出する。
弁閉状態になった弁体３は、弁座２１に当接するので、入力流路２から弁室４の中に流れ込む薬液が遮断される。
このとき、薬液の種類（例えば、粘度等）に応じて操作流体の圧力を調節することによって、弁体３の閉じ速度を制御することができる。そのため、弁閉時に、薬液の種類に適した水撃を生じさせることができる。例えば、粘度の高い薬液の場合、液切れしにくいので、弁体３を速く閉じて水撃を大きくする。弁体３を閉じたときの水撃は、弁室４から横流路３２、縦流路３３を経由して、ノズル５の出力流路５１にある薬液に衝撃力として直接伝達される。その衝撃力によって、ノズル先端部５４２で薬液に慣性力が作用し、ノズル先端部５４２を境に薬液が分離して液切れしやすくなる。
【００２７】
さらに、弁体３が閉じるときに、第１隔膜部材３４は密閉空間からなる気密室６から負圧を受ける。第１隔膜部材３４は、負圧を受けることで、気密室側に撓みながら膨出するので、弁室４の容積が弁閉前に比べて増大する。弁室４の容積が弁閉前に比べて増大することによって、横流路３２と縦流路３３とからなる弁体内流路３０を介して連通しているノズル５の出力流路５１内の薬液が吸い戻される。このとき、弁閉時の水撃に基づく液切れと同時に、ノズル５の出力流路５１内の薬液が吸い戻されるので、確実に液垂れを防止することができる。
【００２８】
＜シミュレーション結果＞
次に、本実施形態に係る液垂れ防止バルブ１０において、弁体３に形成した横流路３２が２個の場合と４個の場合とで比較して、流れ解析のシミュレーションを行ったので、その結果を説明する。図４に、図１に示す液垂れ防止バルブにおいて、２個の横流路を縦流路に対して対向するように形成した時の流速分布コンタ図を示す。図５に、図１に示す液垂れ防止バルブにおいて、４個の横流路を縦流路に対して９０度間隔で放射状に形成した時の流速分布コンタ図を示す。図６に、図１に示す液垂れ防止バルブにおいて、２個の横流路を縦流路に対して対向するように形成した時の流線図を示す。図７に、図１に示す液垂れ防止バルブにおいて、４個の横流路を縦流路に対して９０度間隔で放射状に形成した時の流線図を示す。
本流れ解析のシミュレーションは、本実施形態の液垂れ防止バルブを用いるが、弁体３に形成する横流路３２を２個で縦流路３３に対して対向するように形成した場合（図４、図６）と、弁体３に形成する横流路３２を４個で縦流路に対して９０度間隔で放射状に形成した場合（図５、図７）とを比較して行った。いずれも、入口側の流速は、２．５リットル／分であり、出口側は大気開放としている。
【００２９】
まず、流速分布コンタ図について図４と図５を比較する。図４では、横流路３２と縦流路３３の交差する付近において、流速の速い領域（最大流速が１０ｍ／ｓ程度）が図面右斜め上方から左斜め下方に向かって形成されている。その流速の速い領域の先端が、縦流路３３の外周部に沿って延びている。縦流路内の流速は、外周部が速く中心部が遅くなっている。その結果、２つの対向する方向から来た横方向の流れが、お互いに衝突を回避しながら、縦流路内で縦流路３３の内壁に沿って同じ方向に逃げる螺旋状の流れとなって、軸中心に旋回している様子を把握することができる。
これに対して、図５では、横流路３２と縦流路３３の交差する付近において、流速の速い領域（最大流速が５ｍ／ｓ程度）がＶ字状に左右略対称形状となって形成されている。その流速の速い領域の先端が、縦流路３３の中心部に沿って延びている。縦流路内の流速は、外周部が遅く中心部が速くなっている。その結果、９０度間隔で放射状に形成した４個の横流路３２から来た横方向の流れが、縦流路内で衝突することで縦方向に流れの方向を変更して層流化し、そのまま出力流路５１に流れていく様子を把握することができる。
なお、横流路３２と縦流路３３の交差する付近において、図４では最大流速が１０ｍ／ｓ程度であるが、図５では最大流速が５ｍ／ｓ程度と、集合した箇所で流速に差異が生じている。図５では、縦流路３３において一箇所に集合するとき、流れが衝突し合った結果であると推定できる。
【００３０】
次に、流線図について図６と図７を比較する。図６では、流線が弁室４内において複雑に屈曲し、縦流路３３内において外周部に沿って旋回しながら出口に向かって延びている。その結果、縦流路３３内の旋回流が、そのまま出力流路５１においても維持されている様子を把握することができる。
これに対して、図７では、流線が弁室４内においてあまり複雑に屈曲せず、縦流路３３内において直ぐに直線的になり、そのまま出口に向かって延びている。その結果、縦流路３３内の層流が、そのまま出力流路５１においても維持されている様子を把握することができる。
【００３１】
以上のように、流れ解析のシミュレーション結果から、４個の横流路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄを縦流路３３に対して９０度間隔で放射状に形成した時には、縦流路３３内で層流が形成され、そのまま出力流路５１においても層流が維持されことが分かった。一方、２個の横流路３２を縦流路３３に対して対向するように形成した時には、縦流路３３内で旋回流が形成され、そのまま出力流路５１においても旋回流が維持されことが分かった。
したがって、層流を形成するためには、複数の横流路３２を縦流路３３に対して均等間隔で放射状に形成すると効果的であることが判明した。
【００３２】
＜作用効果＞
以上、詳細に説明したように、本実施形態の液垂れ防止バルブ１０によれば、以下の作用効果を奏することができる。
具体的には、第３ケース１３には、ノズル５の外周部に形成したピストン５３を収容するシリンダ部１３０が形成され、弁体３は、シリンダ部１３０への操作流体の供給、排出によって開閉するので、薬液の種類（例えば、粘度等）に応じて操作流体の圧力を調節することによって、弁体３の閉じ速度を制御することができる。そのため、弁閉時に、薬液の種類に適した水撃を生じさせることができる。
【００３３】
また、弁体３は、ノズル５と一体に連結され、弁体３には、薬液が通過する横流路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄと縦流路３３とからなる弁体内流路３０が形成されるとともに、該弁体内流路３０と出力流路５１とが連通されているので、弁閉時の水撃がノズル５内の薬液に直接伝達される。そのため、弁体３の閉じ速度を制御することによって、薬液の種類に適した水撃が、衝撃力として直接伝達される。その衝撃力によって、ノズル先端部５４２で薬液に慣性力が作用し、ノズル先端部５４２を境に薬液が分離して液切れしやすくなる。その結果、バルブ閉時の液切れが制御しやすく、ノズル移動時の液垂れを確実に防止することができる。
【００３４】
また、弁体３と一体に連結されたノズル５の外周部にピストン５３を形成するとともに、第３ケース１３にピストン５３を収容するシリンダ部１３０を形成する簡単な構造であるため、バルブケース１に弁体３の駆動部をコンパクトに収納してバルブ全体を小型化でき、軽量化もできる。
また、特許文献１のように流路内に戻しばねを設ける必要がないので、小型軽量でありながら層流形成が容易である。
さらに、バルブを小型軽量にすることで、特に固定構造がなくても、配管施工のみで保持できる。また、施工工数の低減を図ることもできる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、弁体内流路３０の内、縦流路３３は、出力流路５１と軸線上で連通されているので、弁体内の縦流路３３とノズル内の出力流路５１とによって、弁体３からノズル先端部５４２にかけて直線的な流路を形成できる。本実施形態では、上記流路長を３０〜４０ｍｍ程度と、従来例（例えば、特許文献１のバルブ装置におけるノズル通路）の比べて半分以下に短くすることができた。
また、直線的な流路を形成することで、薬液の流れをスムーズにして層流形成に寄与できる。薬液の流れを層流化することによって、ノズル先端部５４２から吐出される薬液を、半導体ウェハ上に均一に供給することができる。また、ノズル５内を流れる薬液を層流化することによって、弁閉時の水撃がノズル先端部５４２の薬液に均等に伝達され、液切れをより一層適正に行うことができる。
【００３６】
また、本実施形態によれば、弁体内流路３０は、弁体３の側壁に形成された４つの横流路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄと弁体３の中央に形成された縦流路３３とを連通させるので、薬液は、入力流路２から弁室４および４つの横流路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄを経由して１つの縦流路３３に流れ込むことになる。薬液が入力流路２から弁室４、横流路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、縦流路３３へと流れ込むとき、流路が屈曲するとともにオリフィス状に絞られるので、乱流を生じやすいが、放射状に形成された複数の横流路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄから中央に形成された縦流路３３に向かって集合するように薬液が流れ込むので、乱流を互いに打ち消し合う方向に作用する。乱流を互いに打ち消し合う方向に作用することによって、乱流から層流への移行をスムーズに行うことができる。特に、４個の横流路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄを縦流路３３に対して９０度間隔で放射状に形成することによって、縦流路３３の内壁に沿って流れる旋回流を抑制することもできる。この場合、乱流と旋回流とをより効果的に抑制することができ、層流化を促進できる。
このように、薬液の乱流又は乱流と旋回流とを効果的に抑制して層流化を促進することによって、ノズル先端５４２から吐出される薬液を、半導体ウェハ上により一層均一に供給することができる。また、ノズル内を流れる薬液を層流化することによって、弁閉時において水撃がノズル先端５４２の薬液に均等に伝達され、液切れをより一層適正に行うことができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、弁室４は、弁体３の側壁外周面から延設された第１隔膜部材３４を隔てて密閉空間からなる気密室６と隣接していることを特徴とするので、弁体３が閉じるときに、第１隔膜部材３４は密閉空間からなる気密室６から負圧を受ける。第１隔膜部材３４は、負圧を受けることで、気密室側に撓みながら膨出する。弁閉時における第１隔膜部材３４の気密室側への撓み、膨出によって、弁室４の容積が弁閉前に比べて増大する。弁室４の容積が弁閉前に比べて増大することによって、弁体内流路３０を介して連通しているノズル５の出力流路５１内の薬液が吸い戻される。このとき、弁閉時の水撃に基づく液切れと同時に、ノズル５の出力流路５１内の薬液が吸い戻されるので、確実に液垂れを防止することができる。なお、本実施形態の縦流路３３及び出力流路５１による直線的な流路の長さは、前述のように３０〜４０ｍｍ程度と短いので、発泡性の薬液であっても液垂れ防止効果を確保できる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、ノズル５の先端外周面には、外周縁５５１が第３ケース１３と第４ケース１４とによって保持された第２隔膜部材５５が付設されているので、ノズル５とバルブケース１との間から落下するパーティクル等を第２隔壁部材５５によって遮断することによって、外部への飛散を防止することができる。特に、シリンダ部１３０におけるシール部材のＯリング（ゴム部材）１３７、５３１、１２１から発生する硫化物等の摩耗粉が、半導体ウェハ上へ付着することを防止できる。そのため、枚葉洗浄における不良を低減して、歩留まりを向上できる。
【００３９】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
上述した実施形態では、弁体３とノズル５とを別体で成形して両者をねじにより連結したが、弁体３とノズル５とを一体に成形してもよい。縦流路３３と出力流路５１とを連続流路とすることが容易になり、一層、層流化を促進できるからである。
また、上述した実施形態では、４個の横流路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄの断面を円形状とし、軸線と直交する水平方向に形成したが、断面は矩形、楕円形、多角形等任意の形状とし、傾斜方向に形成してもよいことは、勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、例えば半導体製造装置における枚葉洗浄に使用する液垂れ防止バルブとして利用できる。
【符号の説明】
【００４１】
１              バルブケース
２              入力流路
３              弁体
４              弁室
５              ノズル
６              気密室
１０            液垂れ防止バルブ
１１            第１ケース
１２            第２ケース
１３            第３ケース
１４            第４ケース
２０            入力ポート
２１            弁座
３０            弁体内流路
３１            頭部
３２            横流路
３３            縦流路
５１            出力流路
５２            ノズル基端部
５３            ピストン
１３０          シリンダ部
５４２          ノズル先端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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【図５】
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