(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液面を検出するためのセンサであって、少なくとも、先端部が閉塞されたガラス管と、該ガラス管内に収容された棒状光式液面センサ本体と、前記ガラス管とセンサ本体との間に充填された媒体液とからなることを特徴とする液面検出センサ。
【請求項２】
前記ガラス管が、透明石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、及び高ケイ酸ガラスのうちのいずれかからなるものであることを特徴とする液面検出センサ。
【請求項３】
前記媒体液が、純水であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液面検出センサ。
【請求項４】
前記ガラス管の先端部が、平形のものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の液面検出センサ。
【請求項５】
前記センサ本体の外径と前記ガラス管の内径との差が、２ｍｍ以内のものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の液面検出センサ。
【請求項６】
前記センサ本体の先端部から前記ガラス管の先端部までの距離が、１０〜５０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の液面検出センサ。
【請求項７】
薬液の液面を検出する方法であって、先端部が閉塞されたガラス管内に、棒状光式液面センサ本体と、前記ガラス管とセンサ本体との間に充填される媒体液を収容して液面検出センサとし、前記センサ本体から発せられた光が前記ガラス管の先端部の管壁を透過するか否かによって前記薬液の液面を検出することを特徴とする液面の検出方法。
【請求項８】
前記ガラス管として、透明石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、及び高ケイ酸ガラスのうちのいずれかからなるものを用いることを特徴とする請求項７に記載の液面の検出方法。
【請求項９】
前記媒体液として、純水または検出する薬液と同じものを用いることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の液面の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種薬液に対する液面検出センサに関し、特に半導体や液晶の製造工程で使用される薬液等、液中や雰囲気中の塵埃（パーティクル）を不都合とする分野で用いることができる液面検出センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、タンク内に入れた洗浄液等の液面を管理する手段として様々な形式のセンサが知られている。具体的には、浮子を利用した浮子式センサ、液中に吐出する気体の背圧変化を検出するエアセンサ、液中に電極を設置した電極式センサ、超音波の液面からの反射時間を計測する超音波センサ、光の反射の有無により液面を検出する棒状光式液面センサなどが知られている。
【０００３】
浮子式センサでは、浮子の材質として液面に浮くように軽量なプラスチックが一般的に使用されている。しかし、浮子式センサを例えば半導体洗浄工程で頻繁に使用されるアンモニア水、過酸化水素水、塩酸、硫酸などの薬液に対する液面センサとして使用すると、浮子の材質が薬液による経時的浸透を許し、薬液の汚染や動作不良を起こしてしまうという問題がある。また、浮子式センサでは、液中または液面上に機械的可動部分があり、パーティクルが発生する可能性が高いため、特に不純物の混入が制限される洗浄液の液面センサとして使用するには適当でない。
電極式センサでは、電極が液中にあるため、半導体ウエーハの洗浄工程で使用するとなると金属汚染を引き起こすという問題がある。
【０００４】
また、エアセンサでは、薬液の汚染等を防ぐため、吐出する気体として例えば高純度窒素を用いる場合があるが、そのような高純度窒素の清浄度を保つための設備や保全にコストがかかる上に、このような対策を取っても液中に吐出される気体からパーティクルが混入するおそれがある。
さらに、超音波センサでは、他のセンサに比べて検出精度が低く、また、超音波を発生させる振動子部の材質が薬液による雰囲気に耐え難いという問題がある。
【０００５】
一方、棒状光式液面センサは、光の反射に基づいて液面を検出するものであり、感度が高く、また、薬液を汚染するおそれが少ないため、高い清浄度が要求される洗浄液等の液面レベルの検出に適している。
一般的な棒状光式液面センサとしては、例えば図２及び図３に示したようなものが広く利用されている。この棒状光式液面センサ１１は、投光用の光ファイバと受光用の光ファイバからなるファイバユニット１４が、塩化ビニール、あるいはＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル）等のフッ素樹脂からなる外被１２によって被覆されており、先端部には角錐あるいは円錐状の反射面１３が形成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
液面を検出する際には、センサ１１の先端部が空気中にあるときには（図３（Ａ））、ＰＦＡ等の外被と空気との屈折率の差が大きいため光は反射面１３で反射して元の方向（受光部）に戻るのに対し、液中にあるときは（図３（Ｂ））、屈折率の差が小さくなるため光は反射面を透過して液中に放出され、受光部には戻らない。従って、このような棒状光式液面センサ１１では、反射面１３における光の反射の有無により液面を検出することができ、特に、ＰＦＡなどのフッ素樹脂で被覆したものでは比較的高い耐薬品性を示すため、一定の種類の薬液に対して液面の検出を行うことができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−４３０２９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、外被１２としてフッ素樹脂を用いた棒状光式液面センサでも、半導体洗浄工程等で使用される薬液に対して数ヶ月間にわたって使用し続けていると、薬液の経時的浸透を許し、動作不良を生じるという問題がある。
また、発泡性の薬液に対して使用するとなると、検出光の反射部分、すなわちセンサ本体の先端部に気泡が付着し、誤動作を引き起こすという問題もある。投光や反射面に工夫を凝らした棒状光式液面検出センサも提案されているが、このような気泡の付着に対して根本的な問題を解決するに至っていない。
【０００９】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、半導体洗浄工程等で使用される薬液に対し、経時的浸透を受けず、従って薬液を汚染することがないとともに、誤動作も起こさずに液面を的確にかつ安定して検出することができる液面検出センサ及び液面の検出方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明によれば、液面を検出するためのセンサであって、少なくとも、先端部が閉塞されたガラス管と、該ガラス管内に収容された棒状光式液面センサ本体と、前記ガラス管とセンサ本体との間に充填された媒体液とからなることを特徴とする液面検出センサが提供される（請求項１）。
【００１１】
このような液面検出センサとすれば、センサ本体から発せられて媒体液を透過した光は、ガラス管の先端部が空気中にあるときは屈折率の差が大きいので先端部の管壁によって反射されるが、薬液中では管壁をほぼ透過する。従って光がガラス管先端部の管壁を透過するか否かによって液面を検出することができる。一方、センサ本体と媒体液とを収容したガラス管は、半導体洗浄工程等で使用されるアンモニア水、過酸化水素水、塩酸、硫酸などの薬液によって浸食され難いので、薬液の経時的浸透を防ぐことができる。また、ガラス管はＰＦＡ等のフッ素樹脂に比べて濡れ性が遥かに良いため、気泡が付着し難く、誤動作を効果的に防ぐことができる。従って、この液面検出センサを用いれば、浸食性の高い薬液に対しても長期間にわたって的確にかつ安定して液面を検出することができるとともに、薬液を汚染することもない。
【００１２】
前記ガラス管は、透明石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、及び高ケイ酸ガラスのうちのいずれかからなるものが好適である（請求項２）。
これらの種類のガラス管であれば、薬液に対する耐性が高く、また、屈折率も高いので、センサ本体から発せられた光は、薬液との接触の有無によって液面を的確に検出することができる。
【００１３】
また、前記媒体液は純水が好適である（請求項３）。
純水であればセンサ本体に浸透することはないし、安価で容易に入手することができる上、センサ本体から発せられた光はほとんど損失せずに透過するので、高感度で液面を検出することができる。
【００１４】
また、前記ガラス管の先端部が、平形のものであることが好ましい（請求項４）。
このようにガラス管の先端部が平形であれば、センサ本体から発せられた光は、先端部が空気中にあるときは平坦な管壁によって拡散せずに反射するので、反射光を受光し易く、安定した検出を行うことができる。
【００１５】
また、前記センサ本体の外径と前記ガラス管の内径との差は、２ｍｍ以内のものであることが好ましく（請求項５）、前記センサ本体の先端部から前記ガラス管の先端部までの距離は、１０〜５０ｍｍの範囲内にあることが好ましい（請求項６）。
ガラス管とセンサ本体とが上記のような関係となるように構成すれば、ガラス管内でセンサ本体が安定し、検出をより的確に行うことができるとともに、データがばらつくようなこともない。また、センサ全体がコンパクトとなるので取り扱いが容易となる。
【００１６】
さらに、本発明では薬液の液面の検出方法も提供される。すなわち、先端部が閉塞されたガラス管内に、棒状光式液面センサ本体と、前記ガラス管とセンサ本体との間に充填される媒体液を収容して液面検出センサとし、前記センサ本体から発せられた光が前記ガラス管の先端部の管壁を透過するか否かによって前記薬液の液面を検出することを特徴とする液面の検出方法が提供される（請求項７）。
【００１７】
このような方法によれば、センサ本体から発せられて媒体液を透過した光は、ガラス管の先端部が空気中にあるときは屈折率の差が大きいので先端部の管壁によって反射されるが、薬液中では管壁をほぼ透過するので、ガラス管の先端部の管壁を透過するか否かによって液面を検出することができる。一方、ガラス管は、薬液にさらされることになるが、例えば半導体洗浄工程等で使用されるような比較的強いアルカリ性や酸性を示す薬液によっては浸食されないので、これらの薬液がガラス管内に浸透することはなく、また、ガラス管は濡れ性が良く気泡が付着し難いので、誤動作を起こすことなく種々の薬液の液面を的確に検出することができる。
【００１８】
この場合、前記ガラス管として、透明石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、及び高ケイ酸ガラスのうちのいずれかからなるものを用いることが好ましく（請求項８）、また、前記媒体液として、純水または検出する薬液と同じものを用いることが好ましい（請求項９）。
【００１９】
上記の種類のガラス管を用いれば、種々の薬液に対して極めて高い耐性を示す上、透明性も高く、屈折率も大きいので、液面の検出を的確に行うことができる。また、媒体液として純水を使用すれば、センサ本体を全く侵すこともないし、安価である上、高い透過性を示すので、種々の薬液の液面検出に対して使用することができる。一方、水と激しく反応するような薬液の液面検出を行う場合には、液面検出する薬液と同じものを使用すれば、ガラス管が破損して媒体液が漏れるようなことがあっても事故を確実に防ぐことができる。この場合は、薬液がセンサ本体に浸透する問題が生じ得るが、ガラス管を用いることにより、気泡の問題を排除できる利点があるし、ガラス管内に充填した薬液がたとえ本体に浸透しても、ガラス管があるため、ガラス管の外にある薬液を汚染するようなこともない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
図１（Ａ）は本発明の液面検出センサの一例を示しており、図１（Ｂ）はその先端部分を拡大して示したものである。この液面検出センサ１は、先端部が閉塞された透明石英ガラスからなるガラス管２内に、棒状光式液面検出センサ本体３が収容され、さらにガラス管２とセンサ本体３との間には、媒体液４として純水が充填されている。石英ガラス管２とセンサ本体３は、継ぎ手５にセンサ本体３がガラス管２内で固定された状態となるように連結されている。
【００２１】
まず、センサ本体３については、例えば、図２に示したＰＦＡ１２により被覆された棒状光式液面センサ１１を用いることができる。この棒状光式液面センサ１１自体による液面の検出原理は概ね図３に示したようなものである。投光用の光ファイバから出射された光は先端部の反射面１３に達する。このとき、図３（Ａ）に示されているようにセンサ本体３の先端部が液体に触れずに空気中にあれば、先端部の材質（ＰＦＡの屈折率：１．３６）と空気（屈折率：１）との屈折率差が大きいため、反射面１３で光は反射され、さらに対向する反射面１３で再び反射されてセンサ本体３の内部の方向に戻る。
【００２２】
一方、図３（Ｂ）に示されているように先端部が液体、例えば純水に触れているときは、純水の反射率は１．３３と比較的大きく、先端部の材質との屈折率差が小さくなるため、反射面１３に達した光はほとんどが純水側に透過することになる。
すなわち、先端部と液体との接触の有無によって反射面１３で反射する光の量が大きく変化するので、反射された光を受光用の光ファイバで受光し、これを電気信号に変換してその変化を測定するようにすれば、液面を検出することができる。
【００２３】
前記したように、従来においてはこのような棒状光式液面検出センサ１１をそのまま用いて各種薬液の液面を検出していたが、例えばシリコンウエーハに対していわゆるＲＣＡ洗浄を行う際、表面の有機物の汚れやパーティクルを除去する際に使用されるアンモニア、過酸化水素、及び水からなる洗浄液（ＳＣ−１液）のような薬液に対して液面の検出を行うとなると、誤作動や動作不良を起こすことがある。すなわち、前記したように、外被１２として使用されているＰＦＡは濡れ性が低く、発泡性の液中では気泡がセンサの表面に付着し易いため、検出光の反射部分、すなわちセンサの先端部に気泡が付着して誤動作を引き起こしてしまうことがある。また、ＰＦＡは数ヶ月という期間に薬液の浸透を許してしまい、動作不良を引き起こすこともある。
【００２４】
そこで本発明では、図１に示したように、先端部が閉塞されたガラス管内に、棒状光式液面センサ本体３と、ガラス管２とセンサ本体３との間に充填される媒体液４を収容して液面検出センサ１とし、侵食性の高い薬液の経時的浸透を防ぐとともに洗浄液からの気泡を付着し難くした。そして、センサ本体３から発せられた光は媒体液を透過し、その後ガラス管の先端部の管壁を透過するか否かによって、すなわち反射した光の受光量を測定することによって、液面を的確にかつ安定して検出することが可能となる。
【００２５】
このような液面検出センサ１による液面の検出原理を詳しく説明する。
センサ本体３の先端部は常に純水４中にあるため、センサ本体３の内部から発せられた光は、ＰＦＡ外被１２では反射されずに充填された純水４中を透過する。純水４を透過した光は石英ガラス管２の先端部の管壁６に達するが、石英ガラス管２の外側に液体が無いとき、すなわち石英ガラス管２の先端部が空気中にあるときは屈折率差が大きいので石英ガラス管（屈折率：１．４６）２の壁面で反射し、反射光は純水４を透過して、さらにセンサ本体３の内部へと戻って受光される（図１（Ｂ））。
一方、石英ガラス管２の外側に液体があるとき、すなわち石英ガラス管２の先端部が液中にあるときは、屈折率差が小さいので純水４を透過して石英ガラス管２の先端部に達した光は管壁６によって反射されることなく液体中へと透過する。
【００２６】
すなわち、石英ガラス管２の先端部が液中にあるか否かによって管壁６で反射される光の量が異なるので、反射された光をセンサ本体３の受光用の光ファイバで受光して電気信号に変換し、アンプまたは制御機器を通じてその変化を測定するようにすれば、センサ本体３のみで液面の検出を行う場合と同様に液面を検出することができる。
【００２７】
そしてセンサ本体３の保護管ともなる石英ガラス管２は、耐薬品性が高く、膨張係数が小さく、透明性が高く、耐熱性が大きいなど優れた特性を有し、半導体洗浄工程等においてアンモニア水、過酸化水素水、塩酸、硫酸などを含む薬液中に具備される機器材質としてその使用が広く認められている。また、石英ガラスはＰＦＡに比較して遥かに濡れ性が良く、ＰＦＡ等に比べて気泡が付着し難いという性質がある。
従って、このような液面検出センサ１を用いることで、フッ酸などの一部の薬液を除き、種々の薬液に対して薬液がガラス管２内に浸透するのを確実に防ぐとともに、誤動作を起こすことなく、汚染を生じることもなく、種々の薬液の液面を的確にかつ安定して検出することができる。
【００２８】
ガラス管２の形状や大きさに関しては、センサ本体３の形状や大きさなどを考慮して適宜設定すればよいが、閉塞した先端部の形状は例えば丸形とするよりも平形とした方が安定した液面検出を行うことができる。すなわち、先端部が平坦であれば、センサ本体３から発せられ、媒体液４中を透過した光を、空気中にあるときに拡散させずにセンサ本体３の方向に反射することができるので、安定した検出を行うことができる。
【００２９】
また、ガラス管２とセンサ本体３との位置関係等に関しても適宜設定すれば良いが、ガラス管２の内径が大き過ぎるとコストが上昇するほか、ガラス管２とセンサ本体３とを継ぎ手５により連結し難くなったり、芯出しが難しくなったりし易い。また、センサ１全体が大きくなって取り扱い性が悪くなり、的確な検出を行うことができなくなるおそれがある。従って、石英ガラス管２の内径とセンサ本体３の外径との差は２ｍｍ以内とするのが好ましく、例えば、センサ本体３の外径が６ｍｍである場合は、石英ガラス管２の内径を７ｍｍとすることで液面を的確に検出することができる。
【００３０】
さらに、センサの先端部から石英ガラス管２の先端部までの距離Ｌに関しては、近過ぎるとデータがばらつくことがあり、近いほど良いというものではなない。一方、遠過ぎると、石英ガラス管２の管壁で反射した光を受光できずに誤動作してしまうおそれもある。従って、センサ本体３の先端部から石英ガラス管２の先端部までの距離Ｌの適正値としては、１０〜５０ｍｍ、特に３０ｍｍ前後である。
【００３１】
なお、センサ本体３と媒体液４を収容するガラス管２としては、上記のような石英ガラス管が最適であるが、石英ガラスは比較的高価であるので、石英ガラスに近い性質を有する他の種類のガラス管を使用してもよい。例えば、ホウケイ酸ガラス、あるいは高ケイ酸ガラスからなるガラス管を好適に使用することができる。
【００３２】
ホウケイ酸ガラスはＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３を主成分とし、少量のＮａ２Ｏ、Ａｌ２Ｏ３等を含有して作られており、代表的なものとしてパイレックス（Ｐｙｒｅｘ：商品名）ガラスが知られている。このガラスは、比較的安価であり、耐薬品性、耐熱性等が高く、熱膨張率が小さいほか、屈折率（１．４７４）が石英ガラス（屈折率：１．４５９）に近く、本発明に係るガラス管として好適に使用することができる。
【００３３】
また、高ケイ酸ガラスは、ＳｉＯ２を主成分とし、他にＢ２０３等を少量含有して作られており、耐薬品性、耐熱性等に優れている。このような高ケイ酸ガラスの代表的なものとして、バイコール（Ｖｙｃｏｒ）ガラスが知られており、その屈折率は１．４５８であり、石英ガラスに極めて近い値を示す。従って、高ケイ酸ガラスも本発明に係るガラス管として好適に使用することができる。
【００３４】
さらに、媒体液４に関しても、純水に限られるものではなく、センサ本体３及びガラス管２に経時的な浸透を示さず、センサ本体３から発せられた光に対して高い透過率（透明性）を示すものであればいずれのものでも使用することができる。通常は安価で高い透過率を示す純水が好適であるが、例えば、使用中、石英ガラス管２が破損する可能性もあるので、水と激しく反応する薬液中で使用する場合は、媒体液４として薬液と同じものを使用することで事故を防ぐことができる。
【００３５】
このように構成した液面検出センサ１を薬液の入ったタンク等に設置し、センサ本体３から発せられた光がガラス管の先端部の管壁を透過するか否かを測定することで、薬液の液面を的確に、かつ安定して検出することができる。また、センサ本体３内部の投光部及び受光部、さらに反射された光による電気信号を測定する制御機器等は従来のものをそのまま利用して液面の検出を行うことができるので、コストを低く抑えることができるという利点もある。
【００３６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３７】
例えば、センサ本体に関しては、棒状光式液面センサであれば特に限定されずに使用することができ、特に外被はＰＦＡ等のフッ素樹脂に限定されるものではない。
また、検出する液体も限定されず、半導体や液晶の製造工程以外の分野でも好適に使用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明では、先端部が閉塞されたガラス管内に棒状光式液面センサ本体を収容し、ガラス管とセンサ本体との間には媒体液を充填して液面検出センサが構成されており、センサ本体から発せられて媒体液を透過した光は、ガラス管の先端部が空気中にあるときは先端部の管壁によって反射されるが、薬液中では管壁をほぼ透過するため、液面を簡単かつ的確に検出することができる。一方、センサ本体と媒体液とを収容したガラス管は、薬液にさらされることになるが、例えば半導体洗浄工程等で使用されるアンモニア水、過酸化水素水、塩酸、硫酸などの薬液によって浸食されないので、これらの薬液の経時的浸透を防ぐことができる。従って、センサの寿命を長くし、コストの低減がはかれるとともに、薬液を汚染してしまうこともない。また、ガラス管は濡れ性が良いため、先端部に気泡が付着し難く、誤動作を効果的に防ぐことができる。
従って、このような液面検出センサを用いることで、種々の薬液に対し、長期間にわたって、汚染せずに、的確に、かつ安定して液面を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る液面検出センサの一例を示す概略断面図である。
（Ａ）センサ全体
（Ｂ）先端部
【図２】本発明で用いられる棒状光式液面検出センサ本体の一例を示す概略図である。
【図３】棒状光式液面検出センサによる液面の検出原理を示す説明図である。
（Ａ）先端部が空気中にあるとき
（Ｂ）先端部が液中にあるとき
【符号の説明】
１…液面検出センサ、  ２…ガラス管（透明石英ガラス管）、
３…棒状光式液面検出センサ本体、  ４…媒体液（純水）、  ５…継ぎ手、
６…反射面（管壁）、  １１…棒状光式液面検出センサ、
１２…外被（ＰＦＡ）、  １３…反射面、  １４…ファイバユニット。
【図１】
0003673254.tif 000002
【図２】
0003673254.tif 000003
【図３】
0003673254.tif 000004