JP2008161734A - 機能水生成装置及びそれを用いた機能水生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機能性流体の超純水への溶解量を精密に制御して、正確な機能性流体濃度の機能水を効率的に生成することが可能であるとともに、小型かつ安価な機能水生成装置を提供する。
【解決手段】超純水導入口１１から内部に導入された超純水の流量に対応して、機能性流体導入口１３から内部に導入された機能性流体の流量を制御可能な流体流量制御手段１０と、流体流量制御手段１０の下流に配設され、流体流量制御手段１０によって流量が制御された状態で流体流量制御手段１０から流出した機能性流体を超純水に注入する注入手段２０と、注入手段２０の下流に配設され、超純水に注入された機能性流体を超純水に溶解させて機能水を生成する溶解手段３０とを備えた機能水生成装置１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、機能性流体（例えば、炭酸ガス、水素、オゾン、酸素、アンモニア等の気体、又はアンモニア、フッ酸等の液体）を超純水に溶解させて、機能水を生成する機能水生成装置、及びそれを用いた機能水生成方法に関する。更に詳しくは、機能性流体の超純水への溶解量を精密に制御し、機能性流体の濃度が正確に制御された機能水を生成することが可能であるとともに、小型かつ安価な機能水生成装置、及びそれを用いた効率的な機能水生成方法に関する。

機能水（各種機能が付加された水）が各種産業分野で用いられている。例えば、半導体の製造分野においては基板の洗浄に超純水を用いるが、超純水をそのまま用いたのでは、超純水の比抵抗が高いため、被洗浄物の表面に静電気を発生させ、半導体の配線に絶縁破壊を生じさせるという不都合がある。このような不都合を解消するため、超純水に炭酸ガスを溶解させて、比抵抗の減少という機能が付加された機能水としてから、基板の洗浄に用いている。

関連する従来技術として、中空糸膜を使用し、拡散溶解の手法を採り入れた超純水の比抵抗調整法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、超純水流路中に、流量を予め測定する流量センサーと、炭酸ガスを直接注入する炭酸ガス注入器と、比抵抗測定器とを順次配設し、炭酸ガスマスフローメータによって炭酸ガス注入量を計測し、超純水径路中の流量変動値と、比抵抗測定値と、比抵抗設定値とから炭酸ガス注入量を演算し、炭酸ガスマスフローメータの計測値をこの演算値にリアルタイムに合致させ、所定の比抵抗値の超純水を得る方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特公平５−２１８４１号公報 特公平７−６７５５４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、拡散溶解の手法を採用しているために、中空糸膜の膜面積を十分に広く確保する必要があり、装置の小型化が困難であるといった問題があった。また、特許文献２に開示された方法では、超純水の流量を測定する流量センサー、炭酸ガスの量を計測するマスフローメーター、超純水の比抵抗を計測する比抵抗測定器、及びこれらを制御するマイクロコンピュータを用いているため、機能水製造装置そのものが大型かつ高価にならざるを得ず、また、比抵抗の変化に対応して炭酸ガスの流量を制御しているため、炭酸ガス流量の増減に時間的遅れがあり、比抵抗の値が変動するという問題があった。

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、機能性流体の超純水への溶解量を精密に制御して、正確な機能性流体濃度の機能水を生成することが可能であるとともに、小型かつ安価な機能水生成装置、及びそれを用いた効率的な機能水生成方法を提供することにある。

即ち、本発明によれば、以下に示す機能水生成装置、及び機能水生成方法が提供される。

［１］超純水に機能性流体を溶解させて機能水を生成する機能水生成装置であって、前記超純水が導入される超純水導入口、及び前記機能性流体が導入される機能性流体導入口を有し、前記超純水導入口から内部に導入された前記超純水の流量に対応して、前記機能性流体導入口から内部に導入された前記機能性流体の流量を制御可能な流体流量制御手段と、前記流体流量制御手段の下流に配設され、前記流体流量制御手段によって流量が制御された状態で前記流体流量制御手段から流出した前記機能性流体を前記超純水に注入する注入手段と、前記注入手段の下流に配設され、前記超純水に注入された前記機能性流体を前記超純水に溶解させて前記機能水を生成する溶解手段と、を備えた機能水生成装置（以下、「第一の機能水生成装置」ともいう）。

［２］前記流体流量制御手段、前記注入手段、及び前記溶解手段が、樹脂材料によって形成された一体的な外殻構造を構成する前記［１］に記載の機能水生成装置。

［３］前記注入手段が、平面状の多孔質平膜と、前記多孔質平膜の一方の面上に押圧された状態で配設されるＯ−リングとを備え、前記多孔質平膜の、前記Ｏ−リングの内側に対応する部分に、前記Ｏ−リングが配設された一方の面側から透過した前記機能性流体が、他方の面側で前記超純水に注入される注入膜面が形成されたものであり、前記注入膜面の膜面積が、透過した前記機能性流体が所定の注入割合となるように前記超純水に注入されることが可能な面積に、前記Ｏ−リングの内径を調整することにより制御された前記［１］又は［２］に記載の機能水生成装置。

［４］前記多孔質平膜が、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスルフォン樹脂、又はポリアクリロニトリル樹脂によって構成された前記［３］に記載の機能水生成装置。

［５］前記溶解手段が、前記注入手段から流出した、前記機能性流体が注入された前記超純水が流動する流動部と、前記流動部の内部に配設され、前記機能性流体が注入された前記超純水の流動を阻害して乱流を発生させる邪魔板と、を備えた前記［１］〜［４］のいずれかに記載の機能水生成装置。

［６］前記溶解手段が、前記邪魔板を複数備え、隣接する前記邪魔板どうしの間に、多数の小片状成形体が充填されたものである前記［５］に記載の機能水生成装置。

［７］超純水に機能性流体を溶解させて機能水を生成する機能水生成装置であって、前記超純水が導入される超純水導入口、及び前記機能性流体が導入される機能性流体導入口を有し、前記超純水導入口から内部に導入された前記超純水の流量に対応して、前記機能性流体導入口から内部に導入された前記機能性流体の流量を制御可能な流体流量制御手段と、前記流体流量制御手段の下流に配設され、前記流体流量制御手段によって流量が制御された状態で前記流体流量制御手段から流出した前記機能性流体を前記超純水に注入及び溶解させて前記機能水を生成する注入・溶解手段と、を備えた機能水生成装置（以下、「第二の機能水生成装置」ともいう）。

［８］前記流体流量制御手段、及び前記注入・溶解手段が、樹脂材料によって形成された一体的な外殻構造を構成する前記［７］に記載の機能水生成装置。

［９］前記注入・溶解手段が、中空糸膜からなる複数の中空糸を備え、前記中空糸の一方の面側から透過した前記機能性流体が、他方の面側で前記超純水に注入されるものであり、前記中空糸膜の膜面積が、透過した前記機能性流体が所定の注入割合となるように前記超純水に注入されることが可能な面積に、前記中空糸の本数又は長さを調整することにより制御された前記［７］又は［８］に記載の機能水生成装置。

［１０］少なくとも、前記超純水及び前記機能水が流れる箇所については、樹脂材料によって形成されている前記［１］〜［９］のいずれかに記載の機能水生成装置。

［１１］前記流体流量制御手段が、前記超純水導入口に連通する超純水連通路と、前記機能性流体導入口に連通する機能性流体連通路と、前記超純水連通路に配設され、前記超純水の流量に対応して移動可能な円筒状抵抗子と、前記機能性流体連通路に、前記円筒状抵抗子に囲繞される状態で配設された、前記円筒状抵抗子の移動に連動して移動可能な流体流量制御子と、前記流体流量制御子の移動に対応して、前記機能性流体連通路の大きさを調整可能な流体連通路調整手段と、を備えた前記［１］〜［１０］のいずれかに記載の機能水生成装置。

［１２］前記円筒状抵抗子が、円筒状駆動マグネットを同心状に内蔵したものであり、前記流体流量制御子が、前記円筒状駆動マグネットと磁力結合した棒状従動マグネットを内蔵したものであり、前記流体連通路調整手段が、前記流体流量制御子の先端に配設された弁棒と、前記機能性流体連通路に配設された弁座及び付勢手段とを備え、前記弁棒が、前記付勢手段によって前記弁座に押圧されるように構成されたものであり、前記超純水の流れによって前記円筒状抵抗子が移動すると、前記流体流量制御子が連動して移動し、前記弁棒を前記付勢手段からの押圧に抗しつつ前記弁座から離間又は近接させて、前記流体連通路の大きさを拡大又は縮小可能な前記［１１］に記載の機能水生成装置。

［１３］前記円筒状抵抗子が、パーフルオロアルコキシ樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、フッ化エチレンプロピレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、及びエチレンテトラフルオロエチレン樹脂からなる群より選択される少なくとも一の樹脂によりライニングされたものであり、前記超純水連通路を構成する部品が、前記樹脂から構成されている前記［１１］又は［１２］に記載の機能水生成装置。

［１４］前記機能性流体が、炭酸ガス又はアンモニアガスである前記［１］〜［１３］のいずれかに記載の機能水生成装置。

［１５］前記［１］〜［１４］のいずれかに記載の機能水生成装置を用いて機能水を生成する機能水生成方法。

［１６］１０〜８０℃の超純水を使用して前記機能水を生成する前記［１５］に記載の機能水生成方法。

本発明の第一及び第二機能水生成装置は、機能性流体の超純水への溶解量を精密に制御して、正確な機能性流体濃度の機能水を効率的に生成することが可能であるとともに、小型かつ安価であるといった効果を奏するものである。

本発明の機能水生成方法によれば、機能性流体の超純水への溶解量を精密に制御して、正確な機能性流体濃度の（正確に比抵抗が調整された）機能水を効率的に生成することができる。

以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。なお、以降、単に「本発明の機能水生成装置」というときは、第一の機能水生成装置と第二の機能水生成装置のいずれをも指し示すものとする。

図１は、本発明の第一の機能水生成装置の一実施形態を示す模式図である。本実施形態の機能水生成装置１は、超純水の流量に対応して機能性流体の流量を制御可能な流体流量制御手段１０と、流体流量制御手段１０の下流に配設され、流体流量制御手段１０から流出した機能性流体を超純水に注入する注入手段２０と、注入手段２０の下流に配設され、超純水に注入された機能性流体を超純水に溶解させて機能水を生成する溶解手段３０とを備えたものである。なお、図１中、符号１３０，１４０，１５０は電磁弁、符号１３１はレギュレーター、符号１３２は比抵抗センサーをそれぞれ示す。

流体流量制御手段１０には、超純水が導入される超純水導入口１１、及び機能性流体が導入される機能性流体導入口１３が形成されている。また、注入手段２０において、超純水に注入される機能性流体の流量は、その上流にある流体流量制御手段１０によって制御された状態にある。更に、溶解手段３０においては、その上流にある注入手段２０において機能性流体が注入された超純水を混合、撹拌等することによって機能性流体を超純水に溶解させ、目的の機能水を生成する。

図８及び図９は、本発明の機能水生成装置に用いられる流体流量制御手段の一例を模式的に示す断面図である。図８に示す流体流量制御手段１０には、超純水導入口１１と機能性流体導入口１３が形成されており、それぞれには、超純水連通路１２と機能性流体連通路１４が連通している。また、超純水連通路１２には、超純水の流量に対応して移動可能な円筒状抵抗子１５が配設されており、機能性流体連通路１４には、円筒状抵抗子１５の移動に連動して移動可能な流体流量制御子１６が、円筒状抵抗子１５に囲繞される状態で配設されている。更に、この流体流量制御手段１６は、流体流量制御子１６の移動に対応して、機能性流体連通路１４の大きさを調整可能な流体連通路調整手段（図８及び図９では、流体流量制御子１６の先端に配設された弁棒（ニードル）１６ａ、及び機能性流体連通路に配設された弁座１６ｂ）を備えている。なお、機能性流体連通路１４と超純水連通路１２とは互いに別々に連通しており（互いに隔絶されている）、流通する超純水と機能性流体が混ざらないように構成されている。流体流量制御手段１０は、これらの構成を有することにより、超純水の流量の増大（減少）に対応して、機能性流体の流量も増大（減少）することが可能であり、精密に制御された流量の機能性流体を注入手段２０（図１参照）に送り込むことができる。

流体流量制御子１６の上部には、スプリング等の付勢手段（図示せず）が配設され、流体流量制御子１６を弁座１６ｂに圧着している。円筒状抵抗子１５は、本体カバー１７の円筒内壁１７ａに対して軸方向に滑動可能となっている。なお、本体カバー１７は、超純水への成分溶出性の小さい材料で構成することが好ましい。このような材料の具体例としては、パーフルオロアルコキシ樹脂（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）等を挙げることができる。流体流量制御手段１０は本体カバー１７とＯ−リング１８，１９によりに密閉され、円筒状抵抗子１５を収納する空間を形成するとともに、超純水連通路１２を形成している。

超純水導入口１１から流入した超純水は、円筒状抵抗子１５の弁棒１５ａと弁座１１０の間を流れ、流量が増大するとその抵抗により、図９に示すように円筒状抵抗子１５は軸方向（上部）に向かって移動し、円筒状駆動マグネット１１１により磁力連結された流体流量制御子１６も同期して上部方向に移動する。これにより、機能性流体入口１３から機能性流体出口１１３へと機能性流体が流れることになる。なお、図８及び図９では、円筒状抵抗子１５を重力により弁座１１０に当接させて、機能性流体連通路１４を軸方向（上下方向）に配設しているが、円筒状抵抗子１５に、スプリング等の付勢手段を設けることによって、流体流量制御手段１６の設置向きを、例えば、横向き、斜め向き等と任意に設定することができる。

図１０は、円筒状駆動マグネットの一例を示す模式図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。なお、図１０において、円筒状駆動マグネット１１１に付された寸法値は一例である。また、図１１は、円筒状抵抗子の一例を示す模式図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。更に、図１２は、流体流量制御子の一例を示す模式図である。図１１及び図１２に示すように、円筒状抵抗子１５は、円筒状駆動マグネット１１１を同心状に内蔵したものであり、流体流量制御子１６は、円筒状抵抗子１５の円筒状駆動マグネット１１と磁力結合する棒状従動マグネット１１４を内蔵したものである。なお、流体流量制御子１６は、図１２に示すように、棒状従動マグネット１１４をニードル状部材１１５内に収納するとともにキャップ１１６で封止することにより得ることができる。

流体連通路調整手段は、流体流量制御子１６の先端に配設された弁棒（ニードル）１６ａと、機能性流体連通路１４に配設された弁座１６ｂ、及び付勢手段（図示せず）とから構成されたものである（図８参照）。弁棒（ニードル）１６ａは、スプリング等の付勢手段によって弁座１６ｂに押圧（圧着）されるように構成されたものであり、超純水の流れによって円筒状抵抗子１５が移動すると、流体流量制御子１６が連動して移動し、流体流量制御子１６の先端に配設された弁棒（ニードル）１６ａを付勢手段からの押圧に抗しつつ弁座１６ｂから離間又は近接させて、機能性流体連通路１４の大きさを拡大又は縮小することができる。なお、円筒状抵抗子１５は、ライニングされていることが好ましい。このライニングは、例えば、パーフルオロアルコキシ樹脂（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）等によって構成されていることが好ましい。

なお、流体流量制御子としては、例えば、サマリウムコバルト、ネオジウム等の希土類系の棒状従動マグネットと、部分安定化ジルコニア、炭化珪素等のセラミックス、又は超硬金属からなる弁棒（ニードル）とをライニングで一体に成形したものも好適に用いることができる。ライニングとしては、機能性流体に対する耐食性があるポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）からなるものを好適例として挙げることができる。流体流量制御子の棒状従動マグネットと、円筒状抵抗子の円筒状駆動マグネットとは、軸方向に略同一の長さを有するとともに、磁力極性Ｓ、Ｎが互いに引き付け合う位置に配置され、同期して軸方向に動くことが可能である。

円筒状抵抗子は、パーフルオロアルコキシ樹脂（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、フッ化エチレンプロピレン樹脂（ＦＥＰ）、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、及びエチレンテトラフルオロエチレン樹脂（ＥＴＦＥ）からなる群から選ばれる少なくとも一の樹脂によりライニングで完全に被覆されてなることが好ましい。また、超純水連通路を構成する部品は、上述の樹脂から構成されてなること好ましい。このように構成することによって、構成成分の超純水への溶出を防止することができる。なかでも、パーフルオロアルコキシ樹脂（ＰＦＡ）が、溶出防止効果が大で溶融成形が可能であることから更に好ましい。

図１に示すように、本実施形態の機能水生成装置１の構成要素の一つである注入手段２０は、平面状の多孔質平膜２１と、この多孔質平膜２１に隣接して配設される多孔板２２を備えている。図２は、本発明の第一の機能水生成装置に用いられる注入手段の一例を模式的に示す断面図である。図２に示すように、注入手段２０は、多孔質平膜２１と、多孔質平膜２２の一方の面上に押圧された状態で配設されるＯ−リング２３ａとを備えている。多孔板２２は、多孔質平膜２１に並設されており、それ単独では自立保形性に乏しい多孔質平膜２１を保持し、その形状を支持している。なお、多孔質平膜２１を構成する材質としては、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスルフォン樹脂、又はポリアクリロニトリル樹脂等の疎水性の樹脂を挙げることができる。多孔質平膜２１の平均細孔径は、通常、０．０８〜０．５μｍ、好ましくは０．１〜０．２μｍ程度である。また、多孔板２２を構成する材質としては、上記の疎水性の樹脂を挙げることができる。多孔板２２の平均細孔径は、通常、５〜１０μｍ程度である。機能性流体２４を、これら多孔質平膜２１及び多孔板２２に通過させることで、機能性流体に混入した、機能性流体が流通するライン中の微細な不純物等を除去することもできる。なお、図２中、符号１３３は蓋体、符号１３４は注入手段本体、符号１３５、２３ａはＯ−リングをそれぞれ示す。

装置の運転が停止して機能性流体の供給が停止した場合、多孔質平膜２１が疎水性の樹脂からなるものであっても、超純水に由来する水蒸気はこの多孔質平膜２１を透過することができる。このため、多孔質平膜２１を通じて機能性流体が供給される側へと透過した水蒸気は、機能性流体が供給される側で凝縮して液体（水）となる場合がある。このような場合に装置の運転を再開すると、凝集した水が多孔質平膜２１をブロックし、機能性流体が透過し難くなるといった不都合を生ずる場合があった。このような不都合を防止するために、装置の運転停止と連動し、信号等を受信して作動可能な電磁弁１４０を設け、電磁弁１３０を閉じて機能性流体の供給を停止するとともに電磁弁１４０を開けて乾燥空気を導入するよう構成することが、多孔質平膜２１表面における水の生成を防止することができるために好ましい。なお、同じく装置の運転停止と連動して作動可能な電磁弁１５０の働きによって、導入した乾燥空気を外部へと排出するように構成することが好ましい。

多孔質平膜２１の、Ｏ−リング２３ａの内側に対応する部分には、Ｏ−リング２３ａが配設された一方の面側から透過した機能性流体が、他方の面側で超純水に注入される注入膜面２５が形成されている。注入膜面２５の膜面積は、透過した機能性流体が所定の注入割合となるように超純水に注入されることが可能な面積に、Ｏ−リング２３ａの内径を調整することにより制御されている。即ち、生成しようとする機能水に含まれる機能性流体の濃度に応じてＯ−リング２３ａのサイズを選択すれば、簡便に所望とする濃度の機能水を生成することができる。例えば、高濃度の機能水を生成する場合には、図２に示すような比較的大径のＯ−リング２３ａを使用する。一方、低濃度の機能水を生成する場合には、図３に示すような比較的大径のＯ−リング２３ｂを使用する。なお、差圧を変えることによっても、得られる機能水の濃度を調整することができる。

機能性流体２４を、多孔質平膜２１を透過させてから超純水に注入すること、即ち、機能性流体と超純水との界面に多孔質の膜を配置することにより、機能性流体が超純水に注入される際に適度な抵抗が生ずることになる。これにより、超純水の水圧が変動した場合であっても、機能性流体が流れる圧力よりも高くなることがないため、機能性流体を安定した状態で超純水へと供給することができる。

図１に示すように、本実施形態の機能水生成装置１の構成要素の一つである溶解手段３０は、機能性流体が注入された超純水が流動する流動部３１と、流動部３１の内部に配設され、機能性流体が注入された超純水の流動を阻害して乱流を発生させる邪魔板３２を複数備えており、隣接する邪魔板どうしの間に、多数の小片状成形体が充填されている。なお、流動部３１の最下流には、機能水生成装置１の外部へと機能水を流出させる流出口３３が形成されている。

一般的に、超純水に炭酸ガス等の機能性流体を注入しただけでは、注入された機能性流体は直ちには溶解せず、気泡の状態で超純水に含まれることになり易い。しかしながら、この溶解手段３０を注入手段２０の下流に配設することで、機能性流体を超純水へと効率的に溶解させることができ、均質な機能水を生成することが可能となる。

図４は、本発明の第一の機能水生成装置に用いられる溶解手段の一例を模式的に示す斜視図である。図４に示すように、溶解手段３０を構成する筒状の流動部３１には、機能性流体が注入された超純水が内部へと流入する流入口３４と、生成した機能水を外部へと流出させる流出口３３が形成されている。また、流動部３１の内部には、孔部３５が形成された複数の邪魔板３２が配設されている。なお、図５に示すように、隣接する邪魔板３２どうしの間に、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ナイロン等の樹脂からなる多数の小片状成形体（パイプ片３６）をランダムに充填することが好ましい。これにより、図６に示すように、溶解手段３０を構成する流動部３１の内部でより適切な乱流が生ずることとなるために、より効果的に機能性流体を超純水へと溶解させることが可能となる。

なお、溶解手段３０の流動部３１を水平に配設する場合には、図４〜図６に示すように、流入口３４を鉛直方向の下側、流出口３３を鉛直方向の上側となるように流動部３１を配置することが、液溜りの発生を防止することができるために好ましい。

本発明の第一の機能水生成装置は、少なくとも、超純水及び機能水が流れる箇所については、樹脂材料によって形成されていることが、金属等に由来する不純物が混入しない機能水を得ることが可能となるために好ましい。「超純水が流れる箇所」としては、流体流量制御手段１０、及び注入手段２０を構成する各種部品等を挙げることができる（図１参照）。また、「機能水が流れる箇所」としては、溶解手段３０を構成する各種部品等を挙げることができる。なお、樹脂材料としては、ポリプロピレン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、パーフルオロアルコキシ樹脂等を挙げることができる。

機能性流体が流れる箇所については、上述の超純水及び機能水が流れる箇所と同様、樹脂材料によって形成してもよいし、それ以外の材料によって構成してもよい。「それ以外の材料」としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等の金属を挙げることができる。

従来、注入手段等の各構成部分を相互に接続するためには、ねじ込みのパイプ等を用いていたが、流量の変動に伴ってねじ込みが弱くなって水漏れ等の不具合が生ずる場合があった。また、ねじ込み部分にはシールテープ等を用いてシールしていたため、シールテープの切れ端がパーティクル混入等の不具合の発生原因ともなっていた。

これに対して、本発明の一実施形態である機能水生成装置１は、図１に示すように、流体流量制御手段１０、注入手段２０、及び溶解手段３０が、樹脂材料によって形成された一体的な外殻構造４０を構成している。即ち、この外殻構造４０は、それぞれの手段を相互に接続するためのねじ込み等の接続機構のない継ぎ目なし構造である。このため、ねじ込みが弱くなって水漏れ等の不具合が生ずることがなく、また、シールテープの切れ端が混入する等の不具合も生ずることがない。

本発明の機能水生成装置を、機能性流体や超純水の発生源、或いは洗浄機をはじめとする外部機器等と接続するに際しての接続構造としては、図１３に示すような継手構造を採用することが好ましい。即ち、機能水生成装置の外殻構造４０に形成された流路４１（超純水連通路、機能性流体連通路、機能水の流出口に連通する機能水流路等）に、従来のねじ込み等をするのではなく、Ｏ−リング４２を介した状態でスリーブ４３及びユニオンナット４４を装着する。Ｏ−リング４２によってシール性を確保しつつ、ボルト４５（及びワッシャー４６）で固定することにより、ねじ込みなしの継手構造とすることができる。このような継手構造とすることによって、シールテープの切れ端が混入する等の不具合の発生を防止することができる。なお、図１３中、符号４７はＯ−リング収納部を示す。

次に、本発明の第二の機能水生成装置について説明する。図７は、本発明の第二の機能水生成装置の一実施形態を示す模式図である。図７に示すように、本実施形態の機能水生成装置１００は、超純水が導入される超純水導入口１１、及び機能性流体が導入される機能性流体導入口１３を有し、超純水導入口１１から内部に導入された超純水の流量に対応して、機能性流体導入口１３から内部に導入された機能性流体の流量を制御可能な流体流量制御手段１０と、流体流量制御手段１０の下流に配設され、流体流量制御手段１０によって流量が制御された状態で流体流量制御手段１０から流出した機能性流体を超純水に注入及び溶解させて機能水を生成する注入・溶解手段５とを備えている。なお、流体流量制御手段１０は、前述の第一の機能水生成装置１（図１参照）と同様のものである。

図７に示す注入・溶解手段５は、中空糸膜１２１からなる複数の中空糸１２２を備え、中空糸１２２の一方の面側（図７においては内周面側）から透過した機能性流体が、他方の面側（図７においては外周面側）で超純水に注入されるものである。なお、中空糸の外周面側から透過した機能性流体が、中空糸の内周面側において超純水に注入されるように構成してもよい。

本実施形態の機能水生成装置１００においては、中空糸膜１２１の膜面積は、透過した機能性流体が所定の注入割合となるように超純水に注入されることが可能な面積に、中空糸１２２の本数又は長さを調整することにより制御されている。即ち、生成しようとする機能水に含まれる機能性流体の濃度に応じて中空糸１２２の本数又はサイズを選択すれば、簡便に所望とする濃度の機能水を生成することができる。

機能性流体を、中空糸膜１２１を透過させてから超純水に注入すること、即ち、機能性流体と超純水との界面に多孔質の膜を配置することにより、機能性流体が超純水に注入される際に適度な抵抗が生ずることになる。これにより、超純水の水圧が変動した場合であっても、機能性流体が流れる圧力よりも高くなることがないため、機能性流体を安定した状態で超純水へと供給することができる。

装置の運転が停止して機能性流体の供給が停止した場合、超純水に由来する水蒸気は中空糸膜１２１を透過することができる。このため、中空糸膜１２１を通じて機能性流体が供給される側へと透過した水蒸気は、機能性流体が供給される側で凝縮して液体（水）となる場合がある。このような場合に装置の運転を再開すると、凝集した水が中空糸膜１２１をブロックし、機能性流体が透過し難くなるといった不都合を生ずる場合があった。このような不都合を防止するために、装置の運転停止と連動し、信号等を受信して作動可能な電磁弁１４０を設け、電磁弁１３０を閉じて機能性流体の供給を停止するとともに電磁弁１４０を開けて乾燥空気を導入するよう構成することが、中空糸膜１２１表面における水の生成を防止することができるために好ましい。

なお、注入・溶解手段の構成要素として中空糸を用いた場合には、第一の機能水生成装置１で用いたような溶解手段３０を必ずしも配設する必要はない（図１参照）。但し、機能性流体がより均質に溶解した機能水を得るためには、溶解手段３０（図１参照）を配設することも好ましい。

また、図７に示すように、本発明の一実施形態である機能水生成装置１００は、流体流量制御手段１０、及び注入・溶解手段５が、樹脂材料によって形成された一体的な外殻構造１２５を構成している。即ち、この外殻構造１２５は、それぞれの手段を相互に接続するためのねじ込み等の接続機構のない継ぎ目なし構造である。このため、ねじ込みが弱くなって水漏れ等の不具合が生ずることがなく、また、シールテープの切れ端が混入する等の不具合も生ずることがない。

本発明の第二の機能水生成装置は、少なくとも、超純水及び機能水が流れる箇所については、樹脂材料によって形成されていることが、金属等に由来する不純物が混入しない機能水を得ることが可能となるために好ましい。「超純水が流れる箇所」としては、流体流量制御手段１０、及び注入・溶解手段５を構成する各種部品等を挙げることができる（図７参照）。また、「機能水が流れる箇所」としては、注入・溶解手段５を構成する各種部品等を挙げることができる。なお、樹脂材料としては、ポリプロピレン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、パーフルオロアルコキシ樹脂等を挙げることができる。

次に、機能性流体として炭酸ガスを用いた場合を例に挙げ、第一の機能水生成装置１（図１参照）を用いて、比抵抗が制御された機能水（炭酸水）を生成する場合について説明する。なお、第二の機能水生成装置についても同様である。超純水の比抵抗が１８ＭΩ・ｃｍ、水温が２３℃であり、その流量が１６Ｌ／ｍｉｎの場合、比抵抗が０．１ＭΩ・ｃｍ、０．２ＭΩ・ｃｍ、及び０．３ＭΩ・ｃｍに制御された炭酸水をそれぞれ生成するには、理論的には、炭酸ガス流量（注入量）を５１５ｍＬ／ｍｉｎ、１４４ｍＬ／ｍｉｎ、及び６８ｍＬ／ｍｉｎとする必要がある。

多孔質平膜２１として、その平均細孔径が０．１μｍのポリテトラフルオロエチレン樹脂製膜を用いた場合、例えば、差圧が０．１ＭＰａであると、炭酸ガス流量が６００ｍＬ／ｃｍ^２・ｍｉｎであれば、注入膜面２５（図２参照）の膜面積を０．２ｃｍ^２（直径≒φ５ｍｍ）とすればよい。この多孔質平膜２１を用いた場合、０．１ＭＰａの差圧を負荷すれば、１２０ｍＬ／ｍｉｎの流量で超純水が供給することができるため、比抵抗が０．２ＭΩ・ｃｍに制御された炭酸水を生成することができる。このような状況下、超純水流量が減少すると、円筒状抵抗子１５が下降するとともに流体流量制御子１６も連動して下降し、流体流量制御子１６の先端に配設された弁棒（ニードル）１６ａが弁座１６ｂに近接して、機能性流体連通路１４の大きさが縮小されることになる。機能性流体連通路１４の大きさが縮小するのに比例して炭酸ガス流量が減少するため、得られる炭酸水の比抵抗は、所望とする０．２ＭΩ・ｃｍに概ね維持されることとなる。

同様に、超純水流量が１２Ｌ／ｍｉｎの場合、比抵抗が０．１ＭΩ・ｃｍに制御された炭酸水を生成するには、理論的には、炭酸ガス流量を３８６ｍＬ／ｍｉｎとする必要がある。例えば、差圧が０．１ＭＰａであると、注入膜面２５（図２参照）の膜面積を０．７〜０．８ｃｍ^２（直径≒１０ｍｍ）とすればよい。このような状況下で超純水流量が減少しても、これに比例して炭酸ガス流量が減少するため、得られる炭酸水の比抵抗は、所望とする０．１ＭΩ・ｃｍに概ね維持されることとなる。

また、比抵抗が０．２ＭΩ・ｃｍに制御された炭酸水を生成する際に使用した、その注入膜面２５（図２参照）の膜面積が０．２ｃｍ^２である多孔質平膜をそのまま使用しても、差圧を０．３６ＭＰａにすれば、比抵抗が０．１ＭΩ・ｃｍに制御された炭酸水を生成することが可能である。更に、炭酸ガス供給設備のポテンシャル等の都合上、差圧を０．３６ＭＰａにまで上昇させることが困難である場合には、超純水流量を制限すればよい。例えば、差圧の上限を０．２ＭＰａとした場合、炭酸ガス流量は２４０ｍＬ／ｍｉｎとなるので、超純水流量を１〜７Ｌ／ｍｉｎの範囲とすればよい。参考までに、表１に、目的とする比抵抗の炭酸水を精製する場合における、超純水流量と炭酸ガス流量との関係を示す。

本発明に用いられる機能性流体は、炭酸ガス又はアンモニアガスであることが好ましい。

一方、本発明の機能水生成方法は、上述の機能水生成装置を用いて機能水を生成する方法である。上述の構成を有する機能水生成装置を使用することによって、正確な機能的流体濃度の（正確に比抵抗が調整された）機能水を効率的に生成することができる。

基板の洗浄や濯ぎ等に機能水を使用する場合、機能水の温度が高いほど洗浄等の効果が高いことが知られており、従来、機能水を加温して洗浄等に使用していた。しかし、機能水に溶解している機能性流体が炭酸ガスである場合を例に挙げると、加温すると、温度による溶解度差の影響により、気泡が発生してしまう場合がある。このような気泡が発生した上体の機能水で基板等の洗浄を行うと、気泡が当たった部分で洗浄が不十分となり、洗浄効率が低下してしまう恐れがある。例えば、１ｍＬの水に対する炭酸ガスの溶解度は、２５℃で０．８２８ｍＬであるのに対し、８０℃では０．３６７ｍＬとなる。このため、２５℃から８０℃に加温すると、その溶解度差分の０．４６１ｍＬが気泡として発生することになる。

特に、超純水が流れる箇所については樹脂材料によって形成された本発明の一実施形態である機能水生成装置を用いると、１０〜８０℃程度、好ましくは２０〜８０℃程度、更に好ましくは６０〜８０℃程度に加温された超純水を使用して機能水を生成することができる。即ち、本発明の機能水生成方法によれば、加温した状態の超純水を流通可能な機能水生成装置を用いるため、得られた機能水を改めて加温する必要がなく、気泡の生じ難い機能水を生成することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示すような構成の機能水生成装置を使用するとともに機能性流体として炭酸ガスを用いて、１Ｌ／ｍｉｎで約５分間、次いで１０Ｌ／ｍｉｎで約５分間とするサイクルで超純水流量を変動させ、比抵抗が０．２ＭΩ・ｃｍの機能水（炭酸水）を生成しようとする場合における、実際に得られる炭酸水の比抵抗の変化を測定した。図１４に、実施例１の機能水生成装置を用いて機能水（炭酸水）を生成した場合における、時間（ｍｉｎ）に対して、超純水流量（Ｌ／ｍｉｎ）及び比抵抗（ＭΩ・ｃｍ）をプロットしたグラフを示す。また、使用した機能水生成装置の主要な構成、並びに超純水及び機能性流体（炭酸水）の供給条件等を以下に示す。

（１）流体流量制御手段：
流体流量制御手段を構成する円筒状抵抗子１５として、図１１に示すような、円筒状駆動マグネット１１１（ネオジウム製の磁石）をポリプロピレンで製のフロート１５ｂに同心状に内蔵したものを使用した。また、流体流量制御子１６として、図１２に示すような、棒状従動マグネット１１４（ネオジウム製の磁石）をＳＵＳ３１６製のニードル状部材１１５内に収納するとともにキャップ１１６で封止したものを使用した。

（２）注入手段：
多孔質平膜として、平均細孔径が０．１μｍのポリテトラフルオロエチレン製の疎水性膜（注入膜面の直径：５ｍｍ）を使用し、多孔板として、平均細孔径が５μｍのポリテトラフルオロエチレン製多孔板（直径：５ｍｍ、厚さ：５ｍｍ）を使用した。

（３）溶解手段：
溶解手段として、図５に示すような、直径３０ｍｍ、長さ１３０ｍｍの流動部３１内に、直径２９．５ｍｍの円板にφ５ｍｍの穴を５個偏らせて開けた４枚の邪魔板３２を配設し、更に、隣接する邪魔板３２どうしの間に、内径４ｍｍ、外径６ｍｍのポリテトラフルオロエチレン製チューブを長さ１２ｍｍに切断したパイプ片３６を合計約１４０個充填したものを使用した。なお、パイプ片３６が流出しないように、φ４ｍｍの穴を２１個開けた多孔板３７を溶解手段３０の流出口３３付近に設置した（図４参照）。なお、隣接する邪魔板３２どうしの孔部３５の位置が相互に反対側になるように、流動部３１内に邪魔板３２を配設した（図４参照）。

（４）超純水及び機能性流体（炭酸ガス）の供給条件：
超純水として、比抵抗が１８ＭΩ・ｃｍ、水温が２３℃のものを使用し、流量が変動しても水圧は変動しないように、減圧弁を使用して水圧０．２ＭＰａで供給した。また、炭酸ガスは、０．３ＭＰａの圧力で供給した。水圧と炭酸ガスの圧力との差圧は０．１ＭＰａであり、この差圧によって炭酸ガスを超純水中へと注入（バブリング）した。

超純水流量が１０Ｌ／ｍｉｎである場合、得られた炭酸水の比抵抗は０．１８ＭΩ・ｃｍであった。なお、超純水流量が１０ｍＬ／ｍｉｎのときの炭酸ガス流量は９０ＮｍＬ／ｍｉｎであり、超純水流量が１ｍＬ／ｍｉｎのときの炭酸ガス流量は１０ＮｍＬ／ｍｉｎであった。一般的に、設定比抵抗０．２ＭΩ・ｃｍに対する許容範囲は、０．１〜０．３ＭΩ・ｃｍ程度とされるが、超純水流量を１０Ｌ／ｍｉｎとした場合であっても比抵抗が０．１８ＭΩ・ｃｍの炭酸水を得ることができたため、十分使用範囲に入るといえる。

（実施例２）
前述の（２）注入手段に代えて、以下に示す構成の中空糸を有する注入・溶解手段５（図７参照）を用いたこと以外は実施例１と同様にして、実際に得られる炭酸水の比抵抗の変化を測定したところ、実施例１と同様の結果であった。

（５）注入・溶解手段：
中空糸として、平均細孔径が０．１μｍのポリプロピレン製の疎水性中空糸（内径：０．２ｍｍ、長さ：２００ｍｍ）を約３００本束ねたものを使用し、中空糸膜の外側に超純水を流通させ、内側に炭酸ガスを流通させた。なお、超純水は０．２ＭＰａの水圧で供給し、炭酸ガスは０．０５ＭＰａの圧力で供給した。

本発明の機能水生成装置及びそれを用いた機能水生成方法は、例えば、シリコンウエハ、液晶ガラス基板、有機ＥＬガラス基板等の洗浄を必要とする半導体工業、電子・電気工業、化学工業等の各種産業分野で好適に利用される。

本発明の第一の機能水生成装置の一実施形態を示す模式図である。 本発明の第一の機能水生成装置に用いられる注入手段の一例を模式的に示す断面図である。 本発明の第一の機能水生成装置に用いられる注入手段の一例を模式的に示す断面図である。 本発明の第一の機能水生成装置に用いられる溶解手段の一例を模式的に示す斜視図である。 本発明の第一の機能水生成装置に用いられる溶解手段の他の例を模式的に示す斜視図である。 溶解手段における機能水の流れを模式的に示す説明図である。 本発明の第二の機能水生成装置の一実施形態を示す模式図である。 本発明の機能水生成装置に用いられる流体流量制御手段の一例を模式的に示す断面図である。 本発明の機能水生成装置に用いられる流体流量制御手段の一例を模式的に示す断面図である。 円筒状駆動マグネットの一例を示す模式図である。 円筒状抵抗子の一例を示す模式図である。 流体流量制御子の一例を示す模式図である。 継手構造の一例を示す模式図である。 実施例１の機能水生成装置を用いて機能水（炭酸水）を生成した場合における、時間（ｍｉｎ）に対して、超純水流量（Ｌ／ｍｉｎ）及び比抵抗（ＭΩ・ｃｍ）をプロットしたグラフである。

符号の説明

１，１００：機能水生成装置、５：注入・溶解手段、１０：流体流量制御手段、１１：超純水導入口、１２：超純水連通路、１３：機能性流体導入口、１４：機能性流体連通路、１５：円筒状抵抗子１５ａ：弁棒、１５ｂ：フロート、１６：流体流量制御子、１６ａ：弁棒（ニードル）、１６ｂ：弁座、１７：本体カバー、１７ａ：円筒内壁、１８，１９：Ｏ−リング、２０：注入手段、２１：多孔質平膜、２２：多孔板、２３ａ，２３ｂ：Ｏ−リング、２４：機能性流体、２５：注入膜面、３０：溶解手段、３１：流動部、３２：邪魔板、３３：流出口、３４：流入口、３５：孔部、３６：パイプ片、３７：多孔板、４０，１２５：外殻構造、４１：流路、４２：Ｏ−リング、４３：スリーブ、４４：ユニオンナット、４５：ボルト、４６：ワッシャー、４７：Ｏ−リング収納部、１１０：弁座、１１１：円筒状駆動マグネット、１１３：機能性流体出口、１１４：棒状従動マグネット、１１５：ニードル状部材、１２１：中空糸膜、１２２：中空糸、１３０，１４０，１５０：電磁弁、１３１：レギュレーター、１３２：比抵抗センサー、１３３：蓋体、１３４：注入手段本体、１３５：Ｏ−リング

Claims (16)

1. 超純水に機能性流体を溶解させて機能水を生成する機能水生成装置であって、
   前記超純水が導入される超純水導入口、及び前記機能性流体が導入される機能性流体導入口を有し、前記超純水導入口から内部に導入された前記超純水の流量に対応して、前記機能性流体導入口から内部に導入された前記機能性流体の流量を制御可能な流体流量制御手段と、
   前記流体流量制御手段の下流に配設され、前記流体流量制御手段によって流量が制御された状態で前記流体流量制御手段から流出した前記機能性流体を前記超純水に注入する注入手段と、
   前記注入手段の下流に配設され、前記超純水に注入された前記機能性流体を前記超純水に溶解させて前記機能水を生成する溶解手段と、を備えた機能水生成装置。
2. 前記流体流量制御手段、前記注入手段、及び前記溶解手段が、樹脂材料によって形成された一体的な外殻構造を構成する請求項１に記載の機能水生成装置。
3. 前記注入手段が、平面状の多孔質平膜と、前記多孔質平膜の一方の面上に押圧された状態で配設されるＯ−リングとを備え、
   前記多孔質平膜の、前記Ｏ−リングの内側に対応する部分に、前記Ｏ−リングが配設された一方の面側から透過した前記機能性流体が、他方の面側で前記超純水に注入される注入膜面が形成されたものであり、
   前記注入膜面の膜面積が、透過した前記機能性流体が所定の注入割合となるように前記超純水に注入されることが可能な面積に、前記Ｏ−リングの内径を調整することにより制御された請求項１又は２に記載の機能水生成装置。
4. 前記多孔質平膜が、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスルフォン樹脂、又はポリアクリロニトリル樹脂によって構成された請求項３に記載の機能水生成装置。
5. 前記溶解手段が、
   前記注入手段から流出した、前記機能性流体が注入された前記超純水が流動する流動部と、
   前記流動部の内部に配設され、前記機能性流体が注入された前記超純水の流動を阻害して乱流を発生させる邪魔板と、を備えた請求項１〜４のいずれか一項に記載の機能水生成装置。
6. 前記溶解手段が、前記邪魔板を複数備え、
   隣接する前記邪魔板どうしの間に、多数の小片状成形体が充填されたものである請求項５に記載の機能水生成装置。
7. 超純水に機能性流体を溶解させて機能水を生成する機能水生成装置であって、
   前記超純水が導入される超純水導入口、及び前記機能性流体が導入される機能性流体導入口を有し、前記超純水導入口から内部に導入された前記超純水の流量に対応して、前記機能性流体導入口から内部に導入された前記機能性流体の流量を制御可能な流体流量制御手段と、
   前記流体流量制御手段の下流に配設され、前記流体流量制御手段によって流量が制御された状態で前記流体流量制御手段から流出した前記機能性流体を前記超純水に注入及び溶解させて前記機能水を生成する注入・溶解手段と、を備えた機能水生成装置。
8. 前記流体流量制御手段、及び前記注入・溶解手段が、樹脂材料によって形成された一体的な外殻構造を構成する請求項７に記載の機能水生成装置。
9. 前記注入・溶解手段が、中空糸膜からなる複数の中空糸を備え、
   前記中空糸の一方の面側から透過した前記機能性流体が、他方の面側で前記超純水に注入されるものであり、
   前記中空糸膜の膜面積が、透過した前記機能性流体が所定の注入割合となるように前記超純水に注入されることが可能な面積に、前記中空糸の本数又は長さを調整することにより制御された請求項７又は８に記載の機能水生成装置。
10. 少なくとも、前記超純水及び前記機能水が流れる箇所については、樹脂材料によって形成されている請求項１〜９のいずれか一項に記載の機能水生成装置。
11. 前記流体流量制御手段が、
    前記超純水導入口に連通する超純水連通路と、
    前記機能性流体導入口に連通する機能性流体連通路と、
    前記超純水連通路に配設され、前記超純水の流量に対応して移動可能な円筒状抵抗子と、
    前記機能性流体連通路に、前記円筒状抵抗子に囲繞される状態で配設された、前記円筒状抵抗子の移動に連動して移動可能な流体流量制御子と、
    前記流体流量制御子の移動に対応して、前記機能性流体連通路の大きさを調整可能な流体連通路調整手段と、を備えた請求項１〜１０のいずれか一項に記載の機能水生成装置。
12. 前記円筒状抵抗子が、円筒状駆動マグネットを同心状に内蔵したものであり、
    前記流体流量制御子が、前記円筒状駆動マグネットと磁力結合した棒状従動マグネットを内蔵したものであり、
    前記流体連通路調整手段が、前記流体流量制御子の先端に配設された弁棒と、前記機能性流体連通路に配設された弁座及び付勢手段とを備え、前記弁棒が、前記付勢手段によって前記弁座に押圧されるように構成されたものであり、
    前記超純水の流れによって前記円筒状抵抗子が移動すると、前記流体流量制御子が連動して移動し、前記弁棒を前記付勢手段からの押圧に抗しつつ前記弁座から離間又は近接させて、前記流体連通路の大きさを拡大又は縮小可能な請求項１１に記載の機能水生成装置。
13. 前記円筒状抵抗子が、パーフルオロアルコキシ樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、フッ化エチレンプロピレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、及びエチレンテトラフルオロエチレン樹脂からなる群より選択される少なくとも一の樹脂によりライニングされたものであり、
    前記超純水連通路を構成する部品が、前記樹脂から構成されている請求項１１又は１２に記載の機能水生成装置。
14. 前記機能性流体が、炭酸ガス又はアンモニアガスである請求項１〜１３のいずれか一項に記載の機能水生成装置。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の機能水生成装置を用いて機能水を生成する機能水生成方法。
16. １０〜８０℃の超純水を使用して前記機能水を生成する請求項１５に記載の機能水生成方法。

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