(57)【要約】【課題】比重の異なる複数の原料液を気泡が混入しないように混合し調製する。【解決手段】底部に排出口を有する調液槽と、前記調液槽を支持する支持点に配置されるロードセルと、前記排出口に吸引口が連通されたポンプと、前記ポンプの送出口に連結された送液管と、前記送液管に連結され、前記調液槽内に設置された噴出口を有し、前記噴出口は、前記調液槽の内壁に向いていることを特徴とする調液装置は、攪拌装置も邪魔板も用いないので、キャビテーションによる気泡が混入しない混合液を得ることができる。【選択図】図１
2014233707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部に排出口を有する調液槽と、
前記調液槽を支持する支持点に配置されるロードセルと、
前記排出口に吸引口が連通されたポンプと、
前記ポンプの送出口に連結された送液管と、
前記送液管に連結され、前記調液槽内に設置された噴出口を有し、
前記噴出口は、前記調液槽の内壁に向いていることを特徴とする調液装置。
【請求項２】
前記排出口と前記噴出口には、逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載された調液装置。
【請求項３】
前記噴出口は、前記調液槽の内壁から、前記噴出口の直径の４倍以上８倍以下の距離だけ離れて設置されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかの請求項に記載された調液装置。
【請求項４】
前記送液管には、吸光度計が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１の請求項に記載された調液装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の原料液を混合する際の調液装置に関するものである。特に比重の異なる原料液同士を泡の混入がない状態で混合する調液装置を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
製造現場においては、複数の原料液を混合した混合液を作製する場合がある。単に複数の原料液を混合するだけであるなら、容易に実施できることである。しかし、混合した溶液自体に、泡の混入がないことを要求される場合がある。
【０００３】
例えば、感光体を製造する際には、気泡が含まれることで、感光体に欠損部分が生じる。そのため原料液を金網に通過させて、気泡の混入を抑制する技術がある（特許文献１）。
【０００４】
また、フォトリソグラフィで用いられるエッチング液においても、気泡は忌避される。気泡の存在は、エッチング残りの原因となる場合があるからである。これに対しては、例えば、特許文献２は、エッチング液に界面活性剤を添加することで発泡を抑える。また特許文献３では、調製したエッチング液に微振動を与えることで消泡する。
【０００５】
また、気泡の存在は、エッチング液の真比重の測定の妨げになるという課題も提起されている。例えば特許文献４では、低発泡性のエッチング液組成物が開示されている。この発明も、泡の発生を組成によって抑制する発明である。
【０００６】
エッチング液の混合装置自体は、例えば特許文献５に開示されているように、調合槽に原料液を投入し、調合槽中の原料液をポンプ等で循環させることで混合する。特許文献５の混合装置は、発泡についての対策は特に施されていない。
【０００７】
調液槽内の溶液を循環させることで混合し、なおかつ発泡を抑えるという観点では特許文献６があげられる。特許文献６は、溶媒への粉粒体の溶解において、ダマを発生しやすい粉粒体の溶解方法を開示している。具体的には、水へＰＶＡ粉粒体を溶解させる際に、泡立ちが生じず、未溶解物の残留がない溶解方法を提供する。
【０００８】
ここでは、調液槽（タンク）に溶媒と粉粒体を混合した液体を投入し、調液槽の底から液体を抜き、調液槽の上部から調液槽中の液体中にその液体を戻す。すなわち、調液槽中の液体を循環させて混合を行う。ここで、調液槽には、攪拌装置が設けられており、循環させる液体を、攪拌装置による調液槽内の液体の旋回流方向と概略同一方向に流す技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−７２９３１号公報
【特許文献２】特開平６−１６３５１５号公報
【特許文献３】特開平７−２４０３９８号公報
【特許文献４】特開平９−０５３１９１号公報
【特許文献５】特開２００９−２６６８９３号公報
【特許文献６】特開２００６−２０５０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
近年のエッチング溶液は、線幅の狭いパターンをエッチングするので、泡の混入が問題となる。特に、量産装置においては、エッチング液の濃度管理は、吸光度で行なわれる場合が多い。泡の混入は吸光度に影響を及ぼすため、泡の混入のない調液装置が必要となる。
【００１１】
また、酸化物半導体の実用化に伴い、リン酸、硝酸を用いたエッチング溶液が利用されることが多い。これらの液体は、水と同じような液体ではあるものの、水に対しては比重と粘稠性が異なり、泡立たないように、静かに投入すると層分離してしまう。これらを混ぜ合わせるためには、発泡しないように混ぜ合わせる必要がある。
【００１２】
ここで注意しなければならない点が、液体に運動を与えた際に生じるキャビテーションである。キャビテーションは、液体に運動を与えた際に、部分的に減圧状態が発生し、そこに気泡が発生する現象として知られている。
【００１３】
特許文献６の方法は、調液槽中の液体を循環させながら混合する点では、応用範囲の広い発明と考えられる。しかし、特許文献６では、平均重合度２０００〜５０００のポリビニルアルコールを対象としており、調液槽中の旋回流を作る際のキャビテーションについては、考慮されていない。
【００１４】
本発明は、上記のような課題に鑑み、想到された発明で、キャビテーションによる気泡の発生を抑制できる調液装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
具体的に本発明の調液装置は、
底部に排出口を有する調液槽と、
前記調液槽を支持する支持点に配置されるロードセルと、
前記排出口に吸引口が連通されたポンプと、
前記ポンプの送出口に連結された送液管と、
前記送液管に連結され、前記調液槽内に設置された噴出口を有し、
前記噴出口は、前記調液槽の内壁に向いていることを特徴とする。
【００１６】
また、上記の調液装置であって、
前記排出口と前記噴出口には、逆止弁が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る調液装置は、調液槽の下部から取り出した原料混合液を、調液槽上部の液面付近に戻し、噴出口から噴出させた原料混合液を調液槽の内壁に衝突させる。このようにすると、噴出口から噴出された原料混合液は、調液槽内にゆるやかな渦を発生させながら沈降する。したがってキャビテーションが発生せず、気泡のない混合液を得ることができる。また、調液槽内の原料液同士の分散も進み、原料混合液を混合液にすることができる。
【００１８】
また、調液槽の底の排出口には、バルブが設けられ、送液管の出口である噴出口には、逆止弁が設けられていて、調製された混合液が排出される際には、管内の混合液を閉じ込める。したがって、次の調製の際に、配管内に空気が残らず、循環させる際に、配管内の空気抜きを行う必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る調液装置の構成を示す図である。
【図２】調液槽を上から見た図である。
【図３】調液槽に原料液を投入する手順を示す図である。
【図４】調液槽中で循環攪拌している様子を示す図である。
【図５】調液槽から調製した混合液を取り出す様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下本発明に係る調液装置について図を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の１実施形態の例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、以下の実施形態は変更することができる。
【００２１】
図１に本発明の調液装置の構成を示す。ここでは、２種類の原料液（例えば水とリン酸）を混合し、エッチング液を調製する調液装置について説明する。なお、複数の原料液は、これらに限定されるものではない。ただし、比重が異なる原料液同士であれば本発明に係る調液装置を利用するのに好ましい。
【００２２】
調液装置１は、調液槽１０と、ロードセル１２と、ポンプ１４と、送液管１６と制御器２０を含む。調液装置１は、調液槽１０に注入した原料混合液をポンプ１４で循環させながら混ぜ合わせ、混合液を調製する。混ぜ合わせるのに循環を用いるのは、混合された溶液中に、泡が入らないようにするためである。
【００２３】
なお、原料液とは、エッチング液を構成する液体状の原料（ここでは水とリン酸）をいい、原料混合液とは、調液槽１０中に原料液を入れた状態の調液槽１０中の溶液をいう。原料混合液は、原料液同士が均一に混ざり合ってなく、層分離状態になっている。混合液とは、原料混合液を循環させることによって均一に混ぜ合わされた状態の調液槽１０中の溶液をいう。混合液は調製されたエッチング液である。
【００２４】
調液槽１０は、複数の原料液が投入されるタンクである。断面は円形で、高さと幅の比率は、１若しくは１以上であるのが好ましい。すなわち、縦長のタンクが好ましい。調液装置１は、比重の異なる複数の原料液を均一に混合する。しかし、その際に攪拌羽などのキャビテーションが生じる装置を使用しない。混合は渦と重力を利用する。その際に、縦長のタンクは渦を作りやすいからである。
【００２５】
調液槽１０は、支持台９上に支持される。支持台９と調液槽１０の間には、ロードセル１２が配置される。調液槽１０中に投入される原料液は、使用の目的に応じて混合比率が予め決められている。ロードセル１２は、投入される個々の原料液の重量を測定することで、適切な混合液を得るために配置される。
【００２６】
調液槽１０は最下部に液の排出口１０ｅが設けられる。排出口１０ｅの付近は漏斗状の傾斜形状が施され、調液槽１０内の液体は全て排出口１０ｅから取り出せる。排出口１０ｅには、バルブ１０ｖが設けられ、排出口１０ｅの開閉を行う。また、調液槽１０の側面には、液面計２６が設けられている。図１では、調液槽１０の側面に沿って、液面表示用のパイプが設けられた液面計２６を示すが、このタイプに限定されるものではない。液面計２６は、調液槽１０内の液面を表示する。
【００２７】
排出口１０ｅには、配管２１が連結される。配管２１の他端は、三方バルブ２４の入口２４ｉに連結される。三方バルブ２４の出口２４ｏには、送り配管２５が連結される。送り配管２５は、調液槽１０で混合された混合液を他の設備まで移送するための配管である。
【００２８】
三方バルブ２４の分岐口２４ｄには、送液管１６の一端が連結される。送液管１６の他端は、調液槽１０の上部から調液槽１０内部の所定位置に固定される。また、送液管１６の他端には、噴出口１８が取り付けられる。噴出口１８には、逆止弁１８ｖが設けられる。逆止弁１８ｖは、調液槽１０内に液を噴出させる場合（ポンプ１４で送圧がかかっている時）は、開いた状態になっているが、送圧が無くなると、噴出口１８を閉じてしまう。送液管１６の途中には、ポンプ１４が配置される。また、送液管１６には、吸光度計２２が配置されていてもよい。
【００２９】
噴出口１８は、調液槽１０に原料液が注入された際には、できるだけ液面の直下であって、噴出口１８から送り出される液によって泡立ちが起こらない程度に深い位置に配置される。より具体的には、噴出口１８は、液面の下方であって、調液槽１０の底から液面までの１０分の１以下の位置が望ましい。
【００３０】
図２は、調液槽１０を上方から見た模式図である。噴出口１８は、水平に向き、調液槽１０の内壁１０ｉから噴出口１８の開口径Ｄの４乃至８倍離れて配置される。さらに、内壁１０ｉに対して、直角からずれた角度で対向する。噴出口１８をこのように位置させることで、噴出口１８から送り出される液体は、内壁１０ｉに衝突し、調液槽１０内で分散しつつ、内壁１０ｉに沿って、ゆるやかな渦を生じさせることができる。
【００３１】
なお、ここで「ゆるやかな渦」とは、調液槽１０内の液体の調液槽１０の内壁１０ｉに沿って流れる際の周速が、半径に反比例して小さくなる自由渦と、半径に比例して大きくなる強制渦の少なくともいずれかが生じている渦をいう。両方が存在するような状態があってもよい。本発明に係る調液装置１では、許容されるポンプの送量によって、自由渦と強制渦の存在限界および存在比率は異なると考えられるからである。
【００３２】
なお、配管２１、送液管１６、送り配管２５の内面は、スムーズに仕上げられ、ジャバラの部分はないのが望ましい。内壁面の突起形状は流速の急激な変化を招き、キャビテーションの原因となるからである。
【００３３】
図１を再度参照し、制御器２０は、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ  Ｕｎｉｔ）とメモリで構成されるコンピュータである。制御器２０は、少なくとも、ロードセル１２、三方バルブ２４、調液槽１０のバルブ１０ｖ、ポンプ１４に接続されている。また、液面計２６、吸光度計２２と接続されていてもよい。
【００３４】
ロードセル１２からは信号ＳＬが制御器２０に送られる。また、三方バルブ２４、調液槽１０のバルブ１０ｖ、ポンプ１４には、それぞれ、制御信号Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃが送信される。これらの制御信号Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃは、バルブの開閉およびポンプ１４の始動停止を指示する。また、液面計２６と吸光度計２２からは信号ＳａおよびＳｂが制御器２０に送られ、制御器２０は、調液槽１０内の液面と送液管１６内を流れる溶液の濃度を知ることができるように構成されてもよい。
【００３５】
調液槽１０の上部には、エッチング液の原料タンク３０、３２が配置される。原料タンク３０および３２からは、調液槽１０の底部まで配管３０ｐおよび３２ｐが設けられる。原料液を投入する際にも、泡が発生しないためである。これらの配管３０ｐ、３２ｐには、それぞれバルブ３０ｖ、３２ｖが設けられる。これらのバルブ３０ｖ、３２ｖは、制御器２０と接続され、制御器２０からの制御信号Ｃｅ、Ｃｆによって、開閉が制御されてもよい。
【００３６】
本発明に係る調液装置１は、調液槽１０に注入した原料液を１０分程度で一巡させる。調液装置１は、攪拌装置などを使用しないため、循環させて原料液同士を混ぜ合わせる。調液槽１０中の原料混合液を均一に混合させるには、少なくとも複数回原料混合液を循環させる必要がある。したがって、１回の循環に時間がかかるのでは、生産性が低下するからである。
【００３７】
循環時間を短くするには、原料混合液の循環速度（送液速度）を速くすることが考えられる。しかし、送液速度を速くすると、ポンプ１４若しくは配管２１や送液管１６の内壁においてキャビテーションが発生し、泡が混入することになる。そこで、送液速度は、２ｍ／秒以下、好ましくは１．５ｍ／秒以下の送液速度にするのが望ましい。この程度の送液速度であれば、ポンプ１４若しくは配管２１や送液管１６の内壁においてキャビテーションは発生しないからである。
【００３８】
また、送液量を多くするには、配管２１の断面積を大きくすることが考えられる。しかし、配管２１の断面積を大きくしすぎると、調液槽１０の内壁１０ｉに対して噴出口１８が接近しすぎる。噴出口１８と調液槽１０の内壁１０ｉが接近しすぎるということは、調液槽１０の断面に対して噴出口１８が大きくなるということであるので、調液槽１０内での渦の発生を妨げる。結果、原料混合液の混合に却って時間がかかる。
【００３９】
噴出口１８と調液槽１０の内壁１０ｉは、噴出口１８の開口径Ｄ（直径）を基準にして４倍以上８倍以下の距離にあるのが望ましい。したがって、調液槽１０の直径は、噴出口１８の開口径Ｄの６から１０倍以上確保できることが望ましい。調液槽１０の直径が噴出口１８と内壁１０ｉとの距離より長いのは、送液管１６の太さを見込んでいるからである。
【００４０】
また、上述したように、調液槽１０自体は、縦長の形状であるのが望ましい。このように調液槽１０と配管２１および送液管１６は、いくつかの制限が付く。
【００４１】
ここで、調液槽１０の内半径をａ（直径２ａ）、高さをｈ、送液管１６の内半径をｒ（直径２ｒ）、送液速度をｖ、調液槽１０内の原料液が一巡するのにかかる時間をｔとする。上記で述べた条件は以下のようにまとめられる。
（１）１２ｒ≦２ａ
（２）２ａ≦ｈ
（３）ｔ≦６００秒
（４）ｖ≦２ｍ／秒
【００４２】
上記の関係を簡単に表してみると以下の通りになる。調液槽１０を円柱形と近似する。その体積はπａ２ｈで表される。また、単位時間に配管２１および送液管１６中を移動する原料混合液の量は、πｒ２ｖで表される。なお、簡単のため、配管２１の内壁と原料混合液の間の摩擦は無視する。一巡する時間がｔ秒であるので、結局（１）式が成り立つ。
【００４３】
【数１】
2014233707.tif 000003
【００４４】
例えば、送液管１６の内径を２ｃｍとし、送液速度を１ｍ／秒とすると、６００秒で送れる液体の量は、１８８Ｌである。すなわち、この条件であれば、調液槽１０はおよそ２００Ｌの大きさまで作ることができる。これより小さい容量の調液槽１０であれば、一巡させるのに必要な時間が短くなる。この大きさの調液槽１０は、直径を５０ｃｍとすれば高さはおよそ１ｍで、縦長の調液槽１０となる。また、調液槽１０の直径は、送液管１６の内径に対して１０倍以上確保することができる。
【００４５】
次に本発明に係る調液装置１の動作について説明する。エッチング液は、水とリン酸の混合液として説明する。水とリン酸の混合液は酸化物半導体のエッチング溶液として好適に利用することができる。リン酸は水と比較して比重が重く（８５％溶液で水の約１．６倍）、また水よりも粘稠性を有する。水は原料タンク３０に、またリン酸は原料タンク３２に貯留されているとする。
【００４６】
図３乃至図５には、原料液および原料混合液の流れを示す。各バルブについては、閉じた状態を黒塗りで示す。制御器２０は記載を省略している。制御器２０は、調液槽１０が空の状態のロードセル１２の信号ＳＬを受信し、空の状態として記録する（図１参照）。次に制御器２０は、水の原料タンク３０のバルブ３０ｖを制御信号Ｃｅで開き、調液槽１０中に水を所定量導入する。なお、水とリン酸の比率は予め制御器２０に入力されているとする。
【００４７】
制御器２０はロードセル１２からの信号ＳＬによって、水の量を知り、所定量の水が入った時点で、バルブ３０ｖを閉じる。次に、リン酸の原料タンク３２のバルブ３２ｖを開き、調液槽１０中にリン酸を導入する。リン酸は、水より重く、調液槽１０の下方に溜まる。ここで、水の原料タンク３０、リン酸の原料タンク３２からの配管３０ｐ、３２ｐは、調液槽１０の底部付近まで延設されているので、原料液の導入の際には、泡立ちは起こらない。
【００４８】
また、原料液を入れる順番は、粘稠性が低いものから順に入れるのが望ましい。したがって、ここでは水を先に調液槽１０中に入れた後、リン酸を入れるのがよい。粘稠性の高い溶液中に粘稠性の低い溶液を勢い良く入れると気泡が混入するおそれがあるからである。
【００４９】
図４を参照し、次に、制御器２０は、バルブ１０ｖを開き、三方バルブ２４の入口２４ｉと分岐口２４ｄを連通させる。そして、ポンプ１４を始動させる。これによって、調液槽１０の排出口１０ｅから原料混合液が配管２１および送液管１６を通って、調液槽１０内の原料混合液中に流れる。逆止弁１８ｖは、ポンプ１４による送圧がかかると、開口する。
【００５０】
なお、後述するように、配管２１と送液管１６内には、前回の原料混合液がそのまま閉じ込められており、逆止弁１８ｖが開いて、送液が開始されても、調液槽１０内に気泡は、混入しない。
【００５１】
噴出口１８は、調液槽１０の内壁１０ｉ（図２参照）に対向しているので、噴出口１８から出た原料混合液は、内壁１０ｉに当たり、内壁１０ｉに沿って流れながら沈む。内壁１０ｉは円筒形の内面なので、噴出口１８からの液は、内壁１０ｉに沿って、自由渦乃至強制渦となる。この渦と、原料混合液の下降によって調液槽１０内の原料混合液は攪拌される。
【００５２】
制御器２０は、ポンプ１４の始動から時間を計測する。そして、所定時間になったら、ポンプ１４を停止する。ポンプ１４による送圧がかからなくなると、噴出口１８の逆止弁１８ｖは閉じる。また、三方バルブ２４の分岐口２４ｄも閉じる。制御器２０は、調液槽１０中の原料混合液が２乃至４回循環する時間だけ、ポンプ１４を運転させる。
【００５３】
なお、制御器２０は、吸光度計２２からの信号Ｓｂを見て、原料混合液の均一具合を測定してもよい。例えば、１０分間で調液槽１０の原料混合液が一巡する送液量に設定している場合は、過去の１０分間でリン酸濃度に変化がなくなれば、混合液が調製されたと判断することができる。
【００５４】
次に、図５を参照し、三方バルブ２４の分岐口２４ｄを閉じ、出口２４ｏを開ける。三方バルブ２４の入口２４ｉと出口２４ｏが連通される。そして、調液槽１０内の混合液（エッチング液）が送り配管２５を通って、次の工程に送られる。
【００５５】
調液槽１０内の液面計２６によって、調液槽１０内の液面が調液槽１０の底部（２６ｄ）まで達した時に、制御器２０は、三方バルブ２４の出口２４ｏおよびバルブ１０ｖを閉じる。すなわち、配管２１と送液管１６中は、原料液が混合された状態で閉じ込められる。しかし、配管２１と送液管１６中には気泡が残らず、次のバッチで調液槽１０が原料液で満たされ、噴出口１８の逆止弁１８ｖとバルブ１０ｖを開き、液を循環し始めた時でも、気泡が調液槽１０内に混入することがない。
【００５６】
なお、液面計２６の最下部が、調液槽１０の排出口１０ｅを示すことができない場合は、液面計２６が最下部を示してから所定時間さらに排出してからバルブ１０ｖを閉じるようにすることで、調液槽１０内の液をほぼ全て排出することができる。
【００５７】
以上のように、本発明に係る調液装置１は、攪拌装置や原料液の混合を助ける邪魔板などを配置させず、調液槽１０の上部からゆるやかな渦を形成させながら、原料液を循環させるので、キャビテーションによる泡が発生しない。結果、比重の異なる原料液を混合するエッチング溶液であっても、気泡のない良好な状態で提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る調液装置は、比重の異なる原料液同士を気泡の無い状態で利用する局面において好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１  調液装置
９  支持台
１０  調液槽
１０ｅ  排出口
１０ｉ  内壁
１０ｖ  バルブ
１２  ロードセル
１４  ポンプ
１６  送液管
１８  噴出口
１８ｖ  逆止弁
２０  制御器
２１  配管
２２  吸光度計
２４  三方バルブ
２４ｉ  （三方バルブの）入口
２４ｏ  （三方バルブの）出口
２４ｄ  （三方バルブの）分岐口
２５  送り配管
２６  液面計
２６ｄ  （調液槽の底部の）液面
３０、３２  原料タンク
３０ｐ、３２ｐ  配管
３０ｖ、３２ｖ  バルブ
Ｄ  噴出口の開口径
ＳＬ  ロードセルからの信号
Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ  制御信号
Ｃｅ、Ｃｆ  （原料タンクのバルブへの）制御信号
【図１】
2014233707.tif 000004
【図２】
2014233707.tif 000005
【図３】
2014233707.tif 000006
【図４】
2014233707.tif 000007
【図５】
2014233707.tif 000008