CN111617653A - 超细气泡生成装置以及超细气泡生成方法 - Google Patents

超细气泡生成装置以及超细气泡生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超细气泡生成装置和超细气泡生成方法，其可以有效地生成具有高纯度的UFB含有液，并且可以额外地延长装置的寿命。为此，通过在加热元件周围形成壁来部分地限制气泡在其生成期间的形状，并且气泡消失的位置从加热元件的位置偏移。

Description

超细气泡生成装置以及超细气泡生成方法
技术领域
本发明涉及生成直径小于1.0μm的超细气泡的超细气泡生成方法和超细气泡生成装置、以及超细气泡含有液。
背景技术
近来，已经开发出用于应用微细气泡(例如直径为微米尺寸的微气泡和直径为纳米尺寸的纳米气泡)的特征的技术。尤其是，在各个领域中，已经确认了直径小于1.0μm的超细气泡(以下也称为“UFB”)的实用性。
日本专利第6118544号公开了一种微细气泡生成装置，该细微气泡生成装置通过从减压喷嘴喷射将气体加压并溶解的加压液体来生成微细气泡。日本专利第4456176号公开了一种通过利用混合单元重复进行气体混合液流的分离和会聚而生成细微气泡的装置。
发明内容
做出本发明以解决上述问题。因此，本发明的目的是提供一种能够有效地生成高纯度的UFB含有液的超细气泡生成装置和超细气泡生成方法。
本发明的超细气泡生成装置是用于生成超细气泡的超细气泡生成装置，其包括元件基板，该元件基板包括多个通过加热液体生成超细气泡的加热器以及与该加热器连接的布线，其中，加热器的周围的至少一部分中包括限制构件，限制构件限制由每个加热器的作用生成的气泡的生长，并且在限制构件和加热器之间设置具有预定面积的第一区域。
通过以下参考附图对示例性实施方案的描述，本发明的其他特征将变得明显。
附图说明
图1是表示UFB生成装置的实例的图。
图2是预处理单元的示意性构成图。
图3A和图3B是溶解单元的示意性构成图和用于说明液体中溶解状态的图。
图4是T-UFB生成单元的示意性构成图。
图5A和图5B是用于说明加热元件的细节的图。
图6A和图6B是用于说明加热元件上的膜沸腾的状态的图。
图7A至图7D是表示由膜沸腾气泡的膨胀引起的UFB的生成状态的图。
图8A至图8C是表示由膜沸腾气泡的收缩引起的UFB的生成状态的图。
图9A至图9C是表示由液体的再加热引起的UFB的生成状态的图。
图10A和图10B是表示由膜沸腾生成的气泡消失而生成的冲击波引起的UFB的生成状态的图。
图11A至图11C是表示后处理单元的构成例的图。
图12A和图12B是表示腔室的图。
图13A和图13B是表示元件基板的图。
图14是表示其上形成有壁的元件基板的图。
图15A和图15B是表示盖基板的图。
图16A和图16B是表示与供给口连接的供给管和与排出口连接的排出管的图。
图17A和图17B是表示元件基板和柔性布线基板彼此电连接的状态的图。
图18A至图18C是表示设置有加热元件的加热器部的图。
图19A至图19C是表示经时驱动加热元件时液体起泡的状态的图。
图20A至图20K是表示按工序顺序形成元件基板的工序的图。
图21A至图21H是表示按工序顺序形成元件基板的工序的图。
图22A至图22D是表示按工序顺序形成腔室的工序的图。
图23A至图23C是表示元件基板上的加热器部的图。和
图24A至图24C是表示元件基板上的加热器部的图。
具体实施方式
日本专利第6118544号和第4456176号中说明的装置两者不仅生成直径为纳米尺寸的UFB，而且生成相对大量的直径为毫米尺寸的毫气泡(milli-bubble)和直径为微米尺寸的微气泡。但是，由于毫气泡和微气泡受到浮力的影响，因此在长时间储存期间，气泡易于逐渐上升到液面并消失。
另一方面，直径为纳米尺寸的UFB适合长时间储存，因为它们不易受到浮力的影响，并且以布朗运动漂浮在液体中。然而，当UFB与毫气泡和微气泡一起生成，或者UFB的气-液界面能小时，UFB受到毫气泡和微气泡的消失的影响并且随着时间减少。即，为了获得即使在长时间储存期间也能够抑制UFB的浓度降低的UFB含有液，在生成UFB含有液时，需要生成具有大的气-液界面能的高纯度且高浓度的UFB。
<<UFB生成装置的构成>>
图1是表示可应用于本发明的UFB生成装置的实例的图。本实施方案的UFB生成装置1包括预处理单元100、溶解单元200、T-UFB生成单元300、后处理单元400和收集单元500。每个单元以上述顺序对供给到预处理单元100的诸如自来水的液体W进行独特的处理，并且如此处理的液体W被收集单元500收集为T-UFB含有液。下面说明这些单元的功能和构成。尽管稍后说明细节，但是在本说明书中，通过利用由快速加热引起的膜沸腾而生成的UFB被称为热超细气泡(T-UFB)。
图2是预处理单元100的示意性构成图。本实施方案的预处理单元100对所供给的液体W进行脱气处理。预处理单元100主要包括脱气容器101、喷淋头102、减压泵103、液体导入路104、液体循环路105和液体排出路106。例如，诸如自来水的液体W从液体导入路104通过阀109被供给到脱气容器101。在该过程中，设置在脱气容器101中的喷淋头102在脱气容器101中喷出液体W的雾。喷淋头102用于促进液体W的气化；但是，可以代替地使用离心机等作为产生气化促进效果的机构。
当一定量的液体W贮留在脱气容器101中，然后在所有阀关闭的情况下启动减压泵103时，已经气化的气体成分被排出，溶解在液体W中的气体成分的气化和排出也被促进。在该过程中，可以在检查压力计108的同时将脱气容器101的内部压力减压至大约几百至几千Pa(1.0托至10.0托)。要被预处理单元100去除的气体包括例如氮、氧、氩、二氧化碳等。
通过利用液体循环路105，可以对同一液体W重复进行上述脱气处理。具体而言，在液体导入路104的阀109和液体排出路106的阀110关闭、且液体循环路105的阀107打开的情况下来操作喷淋头102。这允许贮留在脱气容器101中并且脱气一次的液体W从喷淋头102再次喷入脱气容器101中。另外，在操作减压泵103的情况下，喷淋头102进行的气化处理和减压泵103进行的脱气处理对同一液体W重复进行。每次重复进行利用液体循环路105的上述处理，就可以阶段性地减少液体W中所含的气体成分。一旦获得脱气至期望纯度的液体W，就在阀110打开的情况下通过液体排出路106将液体W转移至溶解单元200。
图2表示将气体部减压以使溶质气化的脱气单元100；然而，使溶液脱气的方法不限于此。例如，可以采用使液体W沸腾以使溶质气化的加热沸腾法，或者使用中空纤维来增加液体和气体之间的界面的膜脱气法。作为使用中空纤维的脱气组件，商业地提供了SEPAREL系列(由DIC corporation生产)。SEPAREL系列使用聚(4-甲基戊烯-1)(PMP)作为中空纤维的原料，并且用于从主要供给于压电头(piezo head)的油墨等去除气泡。另外，可以并用抽真空法、加热沸腾法和膜脱气法中的两种以上。
图3A和3B是溶解单元200的示意性构成图和用于说明液体中的溶解状态的图。溶解单元200是用于将期望的气体溶解到从预处理单元100供给的液体W中的单元。本实施方案的溶解单元200主要包括溶解容器201、设置有旋转板202的旋转轴203、液体导入路204、气体导入路205、液体排出路206和加压泵207。
从预处理单元100供给的液体W通过液体导入路204被供给并贮留在溶解容器201中。同时，气体G通过气体导入路205被供给到溶解容器201中。
一旦将预定量的液体W和气体G贮留在溶解容器201中，则启动加压泵207以将溶解容器201的内部压力增加到大约0.5MPa。在加压泵207与溶解容器201之间配置有安全阀208。随着液体内的旋转板202通过旋转轴203旋转，供给至溶解容器201的气体G转化为气泡，气体G和液体W之间的接触面积增加，以促进到液体W中的溶解。继续进行此操作，直到气体G的溶解度几乎达到最大饱和溶解度。在这种情况下，可以设置用于降低液体温度的单元以尽可能地溶解气体。当气体的溶解度低时，也可以将溶解容器201的内部压力增加到0.5MPa以上。在这种情况下，为了安全起见，容器的材料等需要是最佳的。
一旦获得了溶解有所需浓度的气体G成分的液体W，就将液体W通过液体排出路206排出并供给到T-UFB生成单元300。在该过程中，背压阀209调节液体W的流动压力，以防止在供给期间压力的过度增加。
图3B是示意性地表示放入溶解容器201中的气体G的溶解状态的图。从与液体W接触的部分溶解放入液体W中的包含气体G的成分的气泡2。气泡2因此逐渐收缩，然后在气泡2周围出现气体溶解液3。由于气泡2受到浮力的影响，所以气泡2可以移动到远离气体溶解液3的中心的位置，或从气体溶解液3分离出来而成为残留气泡4。具体而言，在通过液体排出路206供给到T-UFB生成单元300的液体W中，存在被气体溶解液3包围的气泡2和彼此分离的气泡2与气体溶解液3的混合物。
图中的气体溶解液3是指“液体W的其中混合的气体G的溶解浓度较高的区域”。在实际溶解在液体W中的气体成分中，气体溶解液3中的气体成分的浓度在气泡2周围的部分最高。在气体溶解液3与气泡2分离的情况下，气体溶解液3的气体成分的浓度在该区域的中心最高，并且该浓度随着远离该中心而连续降低。即，尽管为了说明，在图3中用虚线包围了气体溶解液3的区域，但实际上并不存在这样的明确的边界。另外，在本发明中，可以接受不能完全溶解的气体以气泡的形式存在于液体中。
图4是T-UFB生成单元300的示意性构成图。T-UFB生成单元300主要包括腔室301、液体导入路302和液体排出路303。来自液体导入路302经由腔室301到液体排出路303的的流动由未示出的流动泵形成。可以将包括隔膜泵、齿轮泵和螺杆泵的各种泵用作流动泵。在从液体导入路302导入的液体W中，混合有由溶解单元200放入的气体G的气体溶解液3。
设置有加热元件10的元件基板12配置在腔室301的底部。随着对加热元件10施加预定电压脉冲，在与加热元件10接触的区域中生成由膜沸腾生成的气泡13(在下文中也称为膜沸腾气泡13)。然后，通过膜沸腾气泡13的膨胀和收缩而生成了包含气体G的超细气泡(UFB)11。结果，从液体排出路303排出包含许多UFB 11的UFB含有液W。
图5A和图5B是用于表示加热元件10的详细构成的图。图5A表示加热元件10的近视图，图5B表示包括加热元件10的元件基板12的较宽区域的截面图。
如图5A所示，在本实施方案的元件基板12中，在硅基板304的表面上层叠有作为蓄热层的热氧化膜305和也作为蓄热层的层间膜306。可以将SiO2膜或SiN膜用作层间膜306。在层间膜306的表面上形成电阻层307，并且在电阻层307的表面上部分地形成布线308。可以使用Al、Al-Si、Al-Cu等Al合金布线作为布线308。由SiO2膜或Si3N4膜制成的保护层309形成在布线308、电阻层307和层间膜306的表面上。
在保护层309的表面上的一部分和该部分周围，形成用于保护保护层309免受电阻层307的发热引起的化学和物理冲击的抗气蚀膜(cavitation-resistant film)310，所述部分对应于最终成为加热元件10的热作用部311。电阻层307的表面上未形成布线308的区域是电阻层307发热的热作用部311。电阻层307的其上未形成布线308的加热部用作加热元件(加热器)10。如上所述，通过半导体生产技术在硅基板304的表面上依次形成元件基板12中的各层，并因此在硅基板304上设置热作用部311。
图中表示的构成是实例，并且各种其他构成是适用的。例如，可适用以下构成：电阻层307和布线308的层叠顺序相反的构成，以及电极连接到电阻层307的下表面的构成(所谓的塞电极构成)。换句话说，如后所述，可以采用任何构成，只要该构成允许热作用部311加热液体以在液体中生成膜沸腾。
图5B是元件基板12中包括与布线308连接的电路的区域的截面图的示例。N型阱区322和P型阱区323部分地设置在硅基板304(其为P型导体)的顶层中。在通常的MOS工艺中，通过离子注入等导入和扩散杂质，从而在N型阱区322中形成P-MOS 320，在P型阱区323中形成N-MOS 321。
P-MOS 320包括通过在N型阱区322的顶层中部分导入N型或P型杂质而形成的源极区325和漏极区326，栅极布线335等。栅极布线335沉积在N型阱区322的除了源极区325和漏极区326之外的一部分的顶表面上，并且厚度为数百
Figure BDA0002393307550000071
的栅极绝缘膜328介于栅极布线335和N型阱区322的顶表面之间。
N-MOS 321包括通过在P型阱区323的顶层部分导入N型或P型杂质而形成的源极区325和漏极区326，栅布线335等。栅极布线335沉积在P型阱区323的除了源极区325和漏极区326之外的一部分的顶表面上，并且厚度为数百
Figure BDA0002393307550000072
的栅极绝缘膜328介于栅极布线335和P型阱区323的顶表面之间。栅极布线335由通过CVD法沉积的厚度为
Figure BDA0002393307550000081
至
Figure BDA0002393307550000082
的多晶硅制成。C-MOS逻辑由P-MOS 320和N-MOS 321构成。
在P型阱区323中，用于驱动电热转换元件(热阻元件)的N-MOS晶体管330形成在与包括N-MOS 321的部分不同的部分上。N-MOS晶体管330包括：通过杂质的导入和扩散工序部分地设置在P型阱区323的顶层中的源极区332和漏极区331，栅极布线333等。栅极布线333沉积在P型阱区323的除了源极区332和漏极区331之外的一部分顶表面上，并且栅极绝缘膜328介于在栅极布线333和P型阱区323的顶表面之间。
在该示例中，N-MOS晶体管330用作用于驱动电热转换元件的晶体管。然而，用于驱动的晶体管不限于N-MOS晶体管330，并且可以使用任何晶体管，只要该晶体管具有单独驱动多个电热转换元件的能力并且能够实现上述精细构成。尽管在该示例中，电热转换元件和用于驱动电热转换元件的晶体管形成在同一基板上，但是它们可以分别形成在不同的基板上。
在元件之间(例如在P-MOS 320与N-MOS 321之间以及在N-MOS 321与N-MOS晶体管330之间)通过进行厚度为
Figure BDA0002393307550000083
至
Figure BDA0002393307550000084
的场氧化来形成氧化膜分离区324。氧化膜分离区324分离元件。氧化膜分离区324的对应于热作用部311的部分用作蓄热层334，其是硅基板304上的第一层。
通过CVD法在诸如P-MOS 320、N-MOS 321和N-MOS晶体管330的元件的每个表面上形成厚度约为
Figure BDA0002393307550000085
的包括PSG膜、BPSG膜等的层间绝缘膜336。在通过热处理将层间绝缘膜336平坦化之后，在穿过层间绝缘膜336和栅极绝缘膜328的接触孔中形成作为第一布线层的Al电极337。在层间绝缘膜336和Al电极337的表面上，通过等离子CVD法形成厚度为
Figure BDA0002393307550000086
至
Figure BDA0002393307550000087
的包括SiO2膜的层间绝缘膜338。在层间绝缘膜338的表面上，通过共溅射法在对应于热作用部311和N-MOS晶体管330的部分上形成厚度为约
Figure BDA0002393307550000088
的包括TaSiN膜的电阻层307。电阻层307经由形成在层间绝缘膜338中的通孔与漏极区331附近的Al电极337电连接。在电阻层307的表面上，形成作为第二布线层的Al的布线308，作为每个电热转换元件的布线。布线308、电阻层307和层间绝缘膜338的表面上的保护层309包括通过等离子体CVD法形成的厚度为
Figure BDA0002393307550000091
的SiN膜。沉积在保护层309的表面上的抗气蚀膜310包括厚度约为
Figure BDA0002393307550000092
的薄膜，其是选自Ta、Fe、Ni、Cr、Ge、Ru、Zr、Ir等的至少一种金属。可以适用除上述TaSiN以外的各种材料，例如TaN、CrSiN、TaAl、WSiN等，只要该材料可以在液体中生成膜沸腾。
图6A和6B是表示当将预定电压脉冲施加到加热元件10时膜沸腾的状态的图。在这种情况下，说明在大气压下生成膜沸腾的情况。在图6A中，横轴表示时间。下部曲线图中的纵轴表示施加到加热元件10的电压，上部曲线图中的纵轴表示由膜沸腾生成的膜沸腾气泡13的体积和内部压力。另一方面，图6B表示与图6A所示的时机1至3相关的膜沸腾气泡13的状态。下面按时间顺序说明每种状态。如后所述通过膜沸腾生成的UFB 11主要在膜沸腾气泡13的表面附近生成。图6B所示的状态是如图1所示，将由生成单元300生成的UFB 11通过循环路径再供给到溶解单元200，将包含UFB 11的液体再供给到生成单元300的液体通路的状态。
在将电压施加到加热元件10之前，在腔室301中基本上保持大气压。一旦将电压施加到加热元件10，在与加热元件10接触的液体中生成膜沸腾，并且这样生成的气泡(以下称为膜沸腾气泡13)通过从内部作用的高压而膨胀(时机1)。在该过程中的起泡压力预计为约8至10MPa，其为接近水的饱和蒸气压的值。
施加电压的时间(脉冲宽度)在约0.5μsec至10.0μsec，并且即使在施加电压之后，膜沸腾气泡13也由于在时机1获得的压力的惯性而膨胀。然而，随着膨胀生成的负压在膜沸腾气泡13的内部逐渐增加，并且负压在使膜沸腾气泡13收缩的方向上起作用。不久，在惯性力和负压平衡的时机2，膜沸腾气泡13的体积变为最大，此后膜沸腾气泡13在负压的作用下迅速收缩。
在膜沸腾气泡13的消失中，膜沸腾气泡13不是在加热元件10的整个表面消失，而是在一个或多个极小的区域内消失。因此，在加热元件10上，在膜沸腾气泡13消失(时机3)的极小区域中，生成比时机1起泡中更大的力。
每次向加热元件10施加电压脉冲时，如上所述的膜沸腾气泡13的生成、膨胀、收缩和消失都被重复，并且每次生成新的UFB 11。
参照图7A至10B进一步详细地说明在膜沸腾气泡13的生成、膨胀、收缩和消失的每个过程中UFB 11的生成状态。
图7A至图7D是示意性地表示由于膜沸腾气泡13的生成和膨胀而引起的UFB 11的生成状态的图。图7A表示在将电压脉冲施加至加热元件10之前的状态。混合有气体溶解液3的溶液W在腔室301内流动。
图7B表示向加热元件10施加电压并且在与液体W接触的加热元件10的几乎整个区域上均匀地生成膜沸腾气泡13的状态。当施加电压时，加热元件10的表面温度以10℃/μsec的速度急剧上升。在温度达到几乎300℃的时间点发生膜沸腾，从而生成膜沸腾气泡13。
此后，在施加脉冲期间，加热元件10的表面温度保持升高到大约600至800℃，并且膜沸腾气泡13周围的液体也被迅速加热。在图7B中，将在膜沸腾气泡13周围并且将被迅速加热的液体的区域表示为尚未起泡的高温区域14。尚未起泡的高温区域14中的气体溶解液3超过了热溶解极限，并且被汽化而成为UFB。这样汽化的气泡具有约10nm至100nm的直径和大的气-液界面能。因此，气泡独立地漂浮在液体W中而不会在短时间内消失。在本实施方案中，将从膜沸腾气泡13的生成到膨胀的由热作用而生成的气泡称为第一UFB 11A。
图7C表示膜沸腾气泡13膨胀的状态。即使在对加热元件10施加电压脉冲之后，膜沸腾气泡13也由于从其生成获得的力的惯性而继续膨胀，并且尚未起泡的高温区域14也由于惯性而移动和扩展。具体地，在膜沸腾气泡13的膨胀过程中，尚未起泡的高温区域14内的气体溶解液3作为新的气泡汽化并成为第一UFB 11A。
图7D表示膜沸腾气泡13具有最大体积的状态。随着膜沸腾气泡13由于惯性而膨胀，膜沸腾气泡13内部的负压随着该膨胀而逐渐增加，并且负压起到使膜沸腾气泡13收缩的作用。当负压和惯性力平衡的时间点，膜沸腾气泡13的体积最大，然后开始收缩。
在膜沸腾气泡13的收缩阶段，存在通过图8A至图8C所示的过程生成的UFB(第二UFB 11B)和通过图9A至9C所示的过程生成的UFB(第三UFB 11C)。认为这两个过程是同时的。
图8A至图8C是表示由膜沸腾气泡13的收缩引起的UFB 11的生成状态的图。图8A表示膜沸腾气泡13开始收缩的状态。尽管膜沸腾气泡13开始收缩，但是周围的液体W在膨胀方向上仍然具有惯性力。因此，在远离加热元件10的方向上作用的惯性力和由膜沸腾气泡13的收缩引起的朝向加热元件10的力作用在极其靠近膜沸腾气泡13的周围区域中，该区域被减压。该区域在图中表示为尚未起泡的负压区域15。
尚未起泡的负压区域15内的气体溶解液3超过压力溶解极限并且被汽化而成为气泡。如此汽化的气泡具有约100nm的直径，并且此后独立地漂浮在液体W中而不会在短时间内消失。在本实施方案中，在膜沸腾气泡13的收缩期间通过压力作用而汽化的气泡被称为第二UFB11B。
图8B表示膜沸腾气泡13的收缩过程。膜沸腾气泡13的收缩速度通过负压而加速，并且尚未起泡的负压区域15也随着膜沸腾气泡13的收缩而移动。具体而言，在膜沸腾气泡13的收缩过程中，尚未起泡的负压区域15上的一部分内的气体溶解液3依次析出而成为第二UFB11B。
图8C表示膜沸腾气泡13消失前即刻的状态。尽管通过膜沸腾气泡13的加速收缩，周围液体W的移动速度也增加了，但是由于腔室301中的流路阻力而产生压力损失。结果，尚未起泡的负压区域15所占据的区域进一步增大，并且生成许多第二UFB 11B。
图9A至图9C是表示在膜沸腾气泡13的收缩期间通过液体W的再加热而生成UFB的状态的图。图9A表示加热元件10的表面被收缩的膜沸腾气泡13覆盖的状态。
图9B表示膜沸腾气泡13的收缩已经进行，并且加热元件10的一部分表面与液体W接触的状态。在这种状态下，在加热元件10的表面上残留有热量，但是即使液体W与表面接触，该热量也不足够高以引起膜沸腾。通过与加热元件10的表面接触而被加热的液体的区域在图中表示为尚未起泡的再加热区域16。尽管未进行膜沸腾，但是尚未起泡的再加热区域16内的气体溶解液3超过热溶解极限并汽化。在本实施方案中，将在膜沸腾泡13的收缩期间通过液体W的再加热而生成的气泡称为第三UFB 11C。
图9C表示膜沸腾气泡13的收缩进一步进行的状态。膜沸腾气泡13越小，加热元件10与液体W接触的区域越大，并且生成第三UFB 11C直至膜沸腾气泡13消失。
图10A和图10B是表示由膜沸腾生成的膜沸腾气泡13的消失的冲击(即，气蚀的一种)引起的生成UFB的状态的图。图10A表示膜沸腾气泡13消失之前即刻的状态。在该状态下，膜沸腾气泡13由于内部负压而迅速收缩，尚未起泡的负压区域15包围膜沸腾气泡13。
图10B表示膜沸腾气泡13在点P处消失之后即刻的状态。当膜沸腾气泡13消失时，由于消失的冲击，声波从点P作为起点同心地波动。声波是弹性波的总称，其通过任何物体传播，无论是气体、液体和固体。在本实施方案中，作为液体W的高压面17A和低压面17B的液体W的压缩波交替地传播。
在这种情况下，尚未起泡的负压区域15内的气体溶解液3通过因膜沸腾气泡13消失而产生的冲击波而发生共振，气体溶解液3超过压力溶解极限，并且在低压面17B通过其的时机进行相变。具体地，在膜沸腾气泡13消失的同时，许多气泡在尚未起泡的负压区域15中汽化。在本实施方案中，由膜沸腾气泡13的消失产生的冲击波而生成的气泡被称为第四UFB 11D。
由膜沸腾气泡13的消失所产生的冲击波所生成的第四UFB 11D 在极窄的薄膜状区域中以极短的时间(1μS以下)突然出现。直径足够小于第一至第三UFB的直径，并且气-液界面能高于第一至第三UFB的气-液界面能。因此，认为第四UFB 11D具有与第一至第三UFB11A至11C不同的特性并且生成不同的效果。
另外，第四UFB 11D在其中传播冲击波的同心球的区域的许多部分均匀地生成，并且第四UFB 11D从其生成开始均匀地存在于腔室301中。尽管在生成第四UFB 11D的时机已经存在许多第一至第三UFB，但是第一至第三UFB的存在不会极大地影响第四UFB 11D的生成。还认为第一至第三UFB不会由于第四UFB 11D的生成而消失。
如上所述，期望通过加热元件10生成热从膜沸腾气泡13的生成到消失在多个阶段中生成UFB 11。第一UFB 11A、第二UFB 11B和第三UFB 11C在膜沸腾生成的膜沸腾气泡的表面附近生成。在这种情况下，“附近”是指距膜沸腾气泡的表面约20μm以内的区域。当气泡消失时，在冲击波传播的区域中生成第四UFB 11D。尽管以上示例表示了至膜沸腾气泡13消失的阶段，但是生成UFB的方式不限于此。例如，在气泡消失之前，通过所生成的膜沸腾气泡13与大气连通，如果膜沸腾气泡13尚未达到消失，也能够生成UFB。
接下来，说明UFB的保存特性。液体的温度越高，气体成分的溶解特性越低，温度越低，气体成分的溶解特性越高。换句话说，随着液体温度升高，促进溶解的气体成分的相变并且UFB的生成变得更容易。液体的温度与气体的溶解度成相反关系，随着液体温度升高，超过饱和溶解度的气体转变为气泡并出现在液体中。
因此，当液体的温度从常温迅速升高时，溶解特性不停地降低，并且开始生成UFB。随着温度升高，热溶解特性降低，并且生成许多UFB。
相反，当液体的温度从常温下降时，气体的溶解特性增加，并且生成的UFB更容易液化。然而，这样的温度远低于常温。另外，由于即使当液体的温度降低时，一旦生成的UFB也具有高的内部压力和大的气-液界面能，所以施加足够高的压力以破坏这种气-液界面的可能性很小。换句话说，只要将液体储存在常温常压下，一旦生成的UFB就不会轻易消失。
在本实施方案中，用图7A至图7C说明的第一UFB 11A和用图9A至9C说明的第三UFB11C可以描述为通过利用气体的这种热溶解特性而生成的UFB。
另一方面，在压力与液体的溶解特性之间的关系中，液体的压力越高，气体的溶解特性越高，并且压力越低，溶解特性越低。换句话说，随着液体的压力降低，促进液体中溶解的气体溶解液向气体的相变，并且UFB的生成变得更容易。一旦液体的压力变得低于常压，溶解特性就会立即降低，开始UFB的生成。随着压力降低，压力溶解特性降低，并且生成许多UFB。
相反，当液体的压力增加到高于常压时，气体的溶解特性增加，并且生成的UFB更容易被液化。但是，这样的压力远高于大气压。另外，由于即使当液体的压力增加时，一旦生成的UFB也具有高的内部压力和大的气-液界面能，所以施加足够高的压力以破坏这种气-液界面的可能性很小。换句话说，只要将液体储存在常温常压下，一旦生成的UFB就不会轻易消失。
在本实施方案中，用图8A至8C说明的第二UFB 11B和用图10A至10B说明的第四UFB11D可以描述为通过利用气体的这种压力溶解特性而生成的UFB。
上面分别说明了由不同原因生成的那些第一至第四UFB；但是，上述生成原因与膜沸腾事件同时发生。因此，可以同时生成至少两种类型的第一至第四UFB，并且这些生成原因可以协作以生成UFB。应当注意，由膜沸腾现象生成的膜沸腾气泡的体积变化引发所有生成原因是常见的。在本说明书中，通过利用如上所述由快速加热引起的膜沸腾来生成UFB的方法被称为热超细气泡(T-UFB)生成方法。另外，将通过T-UFB生成方法生成的UFB称为T-UFB，将通过T-UFB生成方法生成的包含T-UFB的液体称为T-UFB含有液。
通过T-UFB生成方法生成的气泡几乎全部为1.0μm以下，并且难以生成毫气泡和微气泡。即，T-UFB生成方法允许显着且有效地生成UFB。另外，通过T-UFB生成方法生成的T-UFB具有比通过常规方法生成的UFB大的气-液界面能，并且只要在常温和常压下储存T-UFB就不会轻易消失。此外，即使通过新的膜沸腾生成了新的T-UFB，也可以防止由于新生成的冲击而使已经生成的T-UFB消失。即，可以说，T-UFB含有液中所含的T-UFB的数量和浓度具有滞后特性(hysteresis properties)，这取决于在T-UFB含有液中进行膜沸腾的次数。换句话说，可以通过控制设置在T-UFB生成单元300中的加热元件的数量和施加电压脉冲至加热元件的数量来调节包含在T-UFB含有液中的T-UFB的浓度。
再次参考图1。一旦在T-UFB生成单元300中生成具有期望的UFB浓度的T-UFB含有液W，则将UFB含有液W供给至后处理单元400。
图11A至11C是表示本实施方案的后处理单元400的构成示例的图。本实施方案的后处理单元400以从无机离子、有机物和不溶性固体物质的顺序阶段地去除UFB含有液W中的杂质。
图11A表示去除无机离子的第一后处理机构410。第一后处理机构410包括交换容器411、阳离子交换树脂412、液体导入路413、收集管414和液体排出路415。交换容器411储存阳离子交换树脂412。将由T-UFB生成单元300生成的UFB含有液W通过液体导入路413注入交换容器411中，并吸收到阳离子交换树脂412中，使得去除作为杂质的阳离子。这些杂质包括从T-UFB生成单元300的元件基板12剥离的金属材料，例如SiO2、SiN、SiC、Ta、Al2O3、Ta2O5和Ir。
阳离子交换树脂412是将官能团(离子交换基团)导入具有三维网络的高聚物基体中的合成树脂，并且合成树脂的外观是约0.4至0.7mm的球形颗粒。一般的高聚物基体是苯乙烯-二乙烯基苯共聚物，官能团可以是例如甲基丙烯酸系列和丙烯酸系列的官能团。然而，以上材料是示例。只要该材料可以有效地去除期望的无机离子，上述材料就可以改变为各种材料。吸收在阳离子交换树脂412中以去除无机离子的UFB含有液W由收集管414收集，并通过液体排出路415转移至下一工序。在本实施方案中的该过程中，并非所有的从液体导入路413供给的UFB含有液W中包含的无机离子需要被去除，只要至少一部分无机离子被去除即可。
图11B表示去除有机物的第二后处理机构420。第二后处理机构420包括储存容器421、过滤器(filtration filter)422、真空泵423、阀424、液体导入路425、液体排出路426和空气吸引路427。储存容器421的内部被过滤器422分成上下方两个区域。液体导入路425连接到上下方两个区域的上方区域，空气吸引路427和液体排出路426连接到上下方两个区域的下方区域。一旦在阀424关闭的状态下驱动真空泵423，则储存容器421中的空气通过空气吸引路427排出以使储存容器421内部的压力为负压，然后从液体导入路425导入UFB含有液W。然后，将由过滤器422去除了杂质的UFB含有液W贮留在储存容器421中。
由过滤器422去除的杂质包括可以在管或各单元处混合的有机材料，例如包括例如硅、硅氧烷和环氧树脂的有机化合物。可用于过滤器422的滤膜包括可去除细菌的亚μm网眼的过滤器(网眼直径为1μm以下的过滤器)和可去除病毒的nm网眼的过滤器。具有如此小的开口直径的过滤器可以去除大于过滤器的开口直径的气泡。特别地，可能存在以下情况：过滤器被吸附到过滤器的开口(网眼)上的微细气泡堵塞，这会减慢过滤速度。然而，如上所述，通过本发明的本实施方案中说明的T-UFB生成方法生成的大多数气泡的直径为1μm以下的尺寸，并且难以生成毫气泡和微气泡。即，由于生成毫气泡和微气泡的可能性极低，因此能够抑制由于气泡向过滤器的吸附而导致的过滤速度的降低。因此，将设置有网眼直径为1μm以下的过滤器的过滤器422应用于具有T-UFB生成方法的系统是有利的。
适用于本实施方案的过滤的示例可以是所谓的死端过滤(dead-end filtration)和错流过滤。在死端过滤中，所供给的液体的流动方向与通过过滤器开口的过滤液体的流动方向相同，具体而言，使流动的方向彼此一致。相反，在错流过滤中，所供给的液体沿过滤器表面的方向流动，具体而言，所供给的液体的流动方向和通过过滤器开口的过滤液体的流动方向彼此交叉。为了抑制气泡向过滤器开口的吸附，优选适用错流过滤。
在储存容器421中贮留了一定量的UFB含有液W之后，停止真空泵423并且打开阀424以将储存容器421中的T-UFB含有液通过液体排出路426转移到下一工序。此处虽然采用了真空过滤法作为去除有机杂质的方法，但是例如，也可以采用重力过滤法和加压过滤作为使用过滤器的过滤方法。
图11C表示去除不溶性固体物质的第三后处理机构430。第三后处理机构430包括沉淀容器431、液体导入路432、阀433和液体排出路434。
首先，在阀433关闭的状态下，通过液体导入路432将预定量的UFB含有液W贮留在沉淀容器431中，并且将其放置一会儿。同时，UFB含有液W中的固体物质由于重力而沉淀到沉淀容器431的底部上。在UFB含有液中的气泡中，较大的气泡如微气泡通过浮力上升到液体表面，并且也从UFB含有液中去除。经过足够的时间后，打开阀433，去除了固体物质和大气泡的UFB含有液W通过液体排出路434转移到收集单元500。在本实施方案中示出了依次适用三个后处理机构的示例；然而，并不限于此，并且可以改变三个后处理机构的顺序，或者可以采用至少一种所需的后处理机构。
再次参考图1。通过后处理单元400去除了杂质的T-UFB含有液W可以直接转移到收集单元500，或者可以再次放回溶解单元200以形成循环系统。在后一种情况下，由于T-UFB的生成而降低的T-UFB含有液W的气体溶解浓度可以增加。优选的是，降低的T-UFB含有液W的气体溶解浓度、减少的T-UFB含有液W的气体溶解浓度由溶解单元200再次补偿到饱和状态。如果在补偿之后由T-UFB生成单元300生成新的T-UFB，则可以进一步增加具有上述特性的T-UFB含有液中包含的UFB的浓度。即，可以通过在溶解单元200、T-UFB生成单元300和后处理单元400的循环次数来增加所包含的UFB的浓度，并且可以在获得所含的UFB的预定浓度之后，将UFB含有液W转移到收集单元500。本实施方案示出将由后处理单元400处理的UFB含有液送回至溶解单元200并循环的形式；然而，并不限于此，通过T-UFB生成单元之后的UFB含有液可以在供给至后处理单元400之前再次放回到溶解单元200，使得在例如通过多次循环来增加T-UFB浓度之后，由后处理单元400进行后处理。
收集单元500收集并保存从后处理单元400转移的UFB含有液W。由收集单元500收集的T-UFB含有液是具有高纯度的UFB含有液，各种杂质从其中去除。
在收集单元500中，通过进行某些阶段的过滤处理，可以通过T-UFB的尺寸对UFB含有液W进行分类。由于预想通过T-UFB方法获得的T-UFB含有液W的温度高于常温，因此收集单元500可以设置有冷却单元。冷却单元可以被设置到后处理单元400的一部分。
上面给出了UFB生成装置1的示意说明；然而，不用说可以改变表示的多个单元，并且不需要全部准备。取决于所使用的液体W和气体G的类型以及所生成的T-UFB含有液的预期用途，可以省略上述单元的一部分，或者可以添加除上述单元之外的其他单元。
例如，当要被UFB包含的气体是大气时，可以省略作为预处理单元100的脱气单元和溶解单元200。另一方面，当期望UFB包含多种气体时，可以添加其他溶解单元200。
可以将图11A至11C中说明的用于去除杂质的单元设置到T-UFB生成单元300的上游，或者可以设置在其上游和下游两者。当要供给给UFB生成装置的液体是自来水、雨水、污水等时，液体中可能包含有机和无机杂质。如果将这样的包含杂质的液体W供给至T-UFB生成单元300，则存在使加热元件10劣化并引起盐析现象的危险。通过将如图11A至11C所示的机构设置在T-UFB生成单元300的上游，可以提前去除上述杂质。
<<可用于T-UFB含有液的液体和气体>>
现在说明可用于生成T-UFB含有液的液体W。可用于本实施方案中的液体W是例如纯水、离子交换水、蒸馏水、生物活性水、磁性活性水、化妆水、自来水、海水、河水、清洁水和污水、湖水、地下水、雨水等。也可以使用包含上述液体等的混合液体。也可以使用包含水和可溶性有机溶剂的混合溶剂。通过与水混合而使用的可溶性有机溶剂没有特别限制；但是，以下可以是其具体示例。碳数为1至4的烷基醇类，包括甲醇，乙醇，正丙醇，异丙醇，正丁醇，仲丁醇和叔丁醇。酰胺类，包括N-甲基-2-吡咯烷酮，2-吡咯烷酮，1，3-二甲基-2-咪唑啉酮，N，N-二甲基甲酰胺和N，N-二甲基乙酰胺。酮类或酮醇类，包括丙酮和双丙酮醇。环状醚类，包括四氢呋喃和二噁烷。二醇类，包括乙二醇，1,2-丙二醇，1,3-丙二醇，1,2-丁二醇，1,3-丁二醇，1,4-丁二醇，1,5-戊二醇，1,2-己二醇，1，6-己二醇，3-甲基-1,5-戊二醇，二甘醇，三甘醇和硫代二甘醇。多元醇的低级烷基醚类，包括乙二醇单甲醚，乙二醇单乙醚，乙二醇单丁醚，二甘醇单甲醚，二甘醇单乙醚，二甘醇单丁醚，三甘醇单甲醚，三甘醇单乙醚，和三乙二醇单丁醚。聚亚烷基二醇类，包括聚乙二醇和聚丙二醇。三醇类，包括甘油，1,2,6-己三醇和三羟甲基丙烷。这些可溶性有机溶剂可以单独使用，也可以并用它们中的2种以上。
可以导入到溶解单元200中的气体成分是例如氢、氦、氧、氮、甲烷、氟、氖、二氧化碳、臭氧、氩、氯、乙烷、丙烷、空气等。气体成分可以是包含上述成分中的一些的混合气体。另外，溶解单元200无需以气态溶解物质，并且溶解单元200可以将包含期望成分的液体或固体融合到液体W中。在这种情况下，溶解可以是自发溶解，施加压力引起的溶解，或由于电解离解而引起的水合、离子化和化学反应导致的溶解。
《T-UFB生成方法的效果》
接下来，通过与常规UFB生成方法进行比较来说明上述T-UFB生成方法的特征和效果。例如，在以文丘里法为代表的常规的气泡生成装置中，在流路的一部分中设置有诸如减压喷嘴的机械减压结构。液体以预定压力流动以通过减压结构，并且在减压结构的下游区域中生成各种尺寸的气泡。
在这种情况下，在生成的气泡中，由于诸如毫气泡和微气泡的相对较大的气泡受到浮力的影响，因此这些气泡上升至液面并消失。即使不受浮力影响的UFB也可能随毫气泡和微气泡消失，因为UFB的气-液界面能不是很大。另外，即使上述减压结构串联配置，并且同一液体重复地流过减压结构，也不能长时间储存与重复次数相对应的数量的UFB。换句话说，通过常规的UFB生成方法生成的UFB含有液一直难以长时间地将所含有的UFB的浓度维持在预定值。
相反，在利用膜沸腾的本实施方案的T-UFB生成方法中，在极其靠近加热元件的部分中局部地发生从常温到约300℃的快速温度变化和从常压到约几兆帕的快速压力变化。加热元件是矩形，其一侧大约数十至数百μm。它大约是常规UFB生成单元尺寸的1/10至1/1000。另外，随着在膜沸腾气泡表面的极薄膜区域内的气体溶解液瞬时(以微秒计的极短时间内)超过热溶解极限或压力溶解极限，发生相变并且气体溶解液析出为UFB。在这种情况下，几乎不生成较大的气泡，例如毫气泡和微气泡，并且液体以极高的纯度包含直径为约100nm的UFB。此外，由于以这种方式生成的T-UFB具有足够大的气-液界面能，因此在正常环境下T-UFB不容易破裂并且可以长时间储存。
特别地，使用能够在液体中局部形成气体界面的膜沸腾现象的本发明可以在靠近加热元件的液体的一部分中形成界面，而不会影响整个液体区域，并且热和压力作用进行于其上的区域可以非常局部。结果，可以稳定地生成期望的UFB。随着用于生成UFB的进一步更多的条件应用于通过液体循环的生成液，可以另外生成新的UFB而对已经制成的UFB的影响很小。结果，可以相对容易地生产期望尺寸和浓度的UFB液。
此外，由于T-UFB生成方法具有上述滞后特性，可以在保持高纯度的同时将浓度增加到所需浓度。换句话说，根据T-UFB生成方法，可以有效地生成高纯度和高浓度的可长时间储存的UFB含有液。
<<T-UFB含有液的具体用途>>
通常，包含超细气泡的液体的应用通过包含气体的类型来区分。只要可以将大约PPM至BPM的气体量溶解在液体中，任何类型的气体都可以构成UFB。例如，含超细气泡的液体可用于以下应用。
-含空气的UFB含有液可以优选用于工业、农业和渔业以及医疗现场等中的清洁，以及植物和农业和渔业产品的养殖。
-含臭氧的UFB含有液不仅可以优选用于工业、农业和渔业以及医疗现场等中的清洁应用，而且还可以应用于旨在消毒、灭菌和除菌的应用以及例如排水和受污染的土壤的环境净化。
-含氮的UFB含有液不仅可以优选用于工业、农业和渔业以及医疗现场等中的清洁应用，还可以用于旨在进行消毒、灭菌和除菌的应用以及例如排水和受污染的土壤的环境净化。
-含氧的UFB含有液可以优选用于工业、农业和渔业、以及医疗现场等中的清洁应用，以及植物和农业和渔业产品的养殖。
-含二氧化碳的UFB含有液不仅可以优选用于工业、农业和渔业以及医疗现场等中的清洁应用，还可以用于例如旨在进行消毒、灭菌和除菌的应用。
-含有全氟化碳作为医用气体的UFB含有液可优选用于超声诊断和治疗。如上所述，UFB含有液可以在医疗、化学、牙科、食品、工业、农业和渔业等的各个领域中发挥作用。
在每种应用中，包含在UFB含有液中的UFB的纯度和浓度对于快速可靠地发挥UFB含有液的作用很重要。换句话说，通过利用本实施方案的T-UFB生成方法，可以在各个领域中期待空前的效果，其中该方法能够生成具有高纯度和期望浓度的UFB含有液。以下是期望可优选应用T-UFB生成方法和T-UFB含有液的应用列表。
(A)液体纯化应用
-在将T-UFB生成单元设置于水净化单元的情况下，期望增强水净化效果和PH调节液的纯化效果。T-UFB生成单元还可以设置于碳酸水站。
-在将T-UFB生成单元设置于加湿器、香气扩散器、咖啡机等的情况下，期望增强室内的加湿效果、除臭效果和气味扩散效果。
-如果生成了由溶解单元将臭氧气体溶解在其中的UFB含有液，并且将其用于牙科治疗、烧伤治疗和使用内窥镜的伤口治疗，则期望增强医疗清洁效果和抗菌效果。
-在将T-UFB生成单元设置于公寓的储水箱的情况下，期望增强将长时间储存的饮用水的水净化效果和除氯效果。
-如果将含有臭氧或二氧化碳的T-UFB含有液用于不能进行高温灭菌处理的日本清酒、烧酒、葡萄酒等的酿造过程，期望比使用常规液体更有效地进行巴氏灭菌处理(pasteurization processing)。
-如果在用于特定保健用途的食品和具有功能要求的食品的生产过程中将UFB含有液混入成分中，则可以进行巴氏灭菌处理，因此可以提供安全且功能性的食品，而没有味道的损失。
-在将T-UFB生成单元设置于用于在渔业产品(例如鱼和珍珠)的养殖场中的养殖的海水和淡水的供给路径的情况下，期望促进渔业产品的产卵和生长。
-在将T-UFB生成单元设置于用于食品保藏的水的纯化工序的情况下，期望增强食品的保藏状态。
-在将T-UFB生成单元设置于用于将池水或地下水漂白的漂白单元中的情况下，期望更高的漂白效果。
-在将T-UFB含有液用于修复混凝土构件的裂缝的情况下，期望增强裂缝修复的效果。
-在将T-UFB包含于用于使用液体燃料的机器(例如汽车、船舶和飞机)的液体燃料的情况下，期望增强燃料的能效。
(B)清洁应用
近来，UFB含有液作为用于去除附着在衣物上的污垢等的清洁水已受到关注。如果将上述实施方案中说明的T-UFB生成单元设置于洗衣机，并且将比常规液体具有更高纯度和更好渗透性的UFB含有液供给于洗涤桶，则期望进一步增强去污力。
-在将T-UFB生成单元设置于淋浴器和便器洗涤器的情况下，不仅期望对包括人体在内的各种动物的清洁效果，而且还期望促进浴室和便器上的水渍和霉菌的污染去除的效果。
-在将T-UFB生成单元设置于汽车的窗户清洗器、用于清洁墙壁构件等的高压清洗器、汽车清洗器、洗碗机、食物清洗器等的情况下，期望进一步增强其清洁效果。
-在将T-UFB含有液用于清洁和维护工厂中生产的零件、包括压制后的去毛刺工序的情况下，期望增强清洁效果。
-在半导体元件的生产中，如果将T-UFB含有液用作晶片的抛光水，则期望增强抛光效果。另外，如果在抗蚀剂去除工序中使用T-UFB含有液，则增强促进不容易剥离的抗蚀剂的剥离。
-在将T-UFB生成单元设置于用于对医疗机器(例如医疗机器人、牙科治疗单元、器官保藏容器等)进行清洁和除菌的机器的情况下，期望增强机器的清洁效果和除菌效果。T-UFB生成单元也可用于动物的治疗。
(C)药物应用
-如果在化妆品等中包含T-UFB含有液，则促进渗透到皮下细胞，并且可以大大减少对皮肤生成不良影响的添加剂例如防腐剂和表面活性剂。结果，可以提供更安全和更实用的化妆品。
-如果将包含T-UFB的高浓度纳米气泡制剂用于例如CT和MRI等医学检查装置的造影剂，则可以有效地使用X射线和超声波的反射光。这使得可以捕获可用于癌症等的初步诊断的更详细的图像。
-如果将包含T-UFB的高浓度纳米气泡水用于称为高强度聚焦超声(HIFU)的超声波治疗机，则可以降低超声波的照射功率，从而可以使治疗更加非侵入。特别地，可以减少对正常组织的损伤。
-通过使用含有T-UFBs的高浓度纳米气泡作为源、修饰在气泡周围的负电荷区域中形成脂质体的磷脂、并通过磷脂适用各种医疗物质(例如DNA和RNA)，可以形成纳米气泡制剂。
-如果将含有通过生成T-UFB制成的高浓度纳米气泡水的药物转移到牙根管中以进行牙髓和牙本质的再生处理，则该药物会由于纳米气泡水的渗透效果而深深地进入牙本质小管，并且促进除菌效果。这使得可以在短时间内安全地治疗牙髓的感染根管。
在下文中，说明本发明的本申请的特征。
图12A是表示作为本实施方案中的T-UFB生成单元300的一部分的腔室301的图，图12B是沿图12A中的XIIb-XIIb线截取的截面图。本实施方案的腔室301通过如下而形成：在由晶片形式的硅基板形成的元件基板12上设置壁352，其中在该元件基板上形成后述的加热元件10(见图13B)和布线308(见图13A和13B)，并且在壁352的顶部附着盖基板351。具体地，腔室301形成并提供加热元件10位于其中的空间(参见图13B)。晶片形式的硅基板是通过对硅的单晶锭进行切片而形成的硅晶片的基板，并且是在切片后不进行通过切块等的切割的基板。
在腔室301中，用于从外部向元件基板12供电的电极盘350通过壁352与腔室301隔开一定距离设置。如上所述，本实施方案的腔室301具有简单的构成，其中在元件基板12上形成有壁352，在壁352的顶部附着有盖基板351。
图13A是表示元件基板12的图，图13B是图13A的放大图。在本实施方案的元件基板12中，形成有多个加热元件10，向加热元件10供电的布线308以及用于将布线308与外部布线连接的电极盘350。如上所述，在本实施方案中，元件基板12不制成芯片，而是以晶片的形式使用。
包括电极盘3501和电极盘3502的两个电极盘设置为元件基板12上的电极盘350，而电极盘3501设置在元件基板12的一个端部且电极盘3502设置在与该一个端部相对的另一端部。布线308均与对应的加热元件10和两个电极盘350中的任一个连接。在电极盘350的这种配置中，从加热元件10到电极盘350的布线长度彼此不同。即，在元件基板12上设置有通过长布线连接于一个电极盘350的加热元件10和通过短布线连接至一个电极盘350的加热元件10。在该情况下，电极盘350和加热元件10之间的布线电阻根据布线长度之间的差异而彼此不同，并且在通电期间根据布线的长度发生电压降。
为了解决这个问题，在本实施方案中，考虑到从电极盘350到加热元件10的距离之间的差异，布线的宽度彼此不同。即，随着从电极盘350到加热元件10的距离更长，布线形成为具有更宽的布线宽度。这允许布线之间的电压降基本相等的构成。
图14是表示在其上形成有壁352的元件基板12的图。壁352通过光刻法形成以形成腔室301的一部分。壁352在腔室301与元件基板12的端部中的电极盘350之间形成距离。由于根据壁352的高度确定腔室301的容量，期望根据需要基于流过腔室301的液体的流速来确定壁352的高度。腔室301通过将盖基板351附着在这些壁352的顶部而形成。在盖基板351附着至壁352的情况下，形成用于向腔室301供给液体的供给口355和用于将液体从腔室301排出的排出口356。从供给口355流入腔室301的液体在壁352之间的元件基板12上流动，并从排出口356排出。
图15A是表示盖基板351的前视图，图15B是沿图15A中的XVb-XVb线截取的截面图。盖基板351由硅制成的基板形成，并且附着在壁352的顶部上以形成腔室301。尽管在本实施方案中采用硅制成的基板作为盖基板351，但是实施方案不限于此，可以采用由硅以外的材料形成的基板。
图16A是表示分别连接至腔室301的供给口355和排出口356的供给管353和排出管354的图，图16B是沿图16A的XVIb-XVIb线截取的截面图。供给口355和排出口356在元件基板12的端部彼此相对地设置。供给口355和排出口356是由两个壁352、元件基板12和盖基板351形成的开口，而供给口355设置成能够向腔室301供给液体，排出口356设置成能够从腔室301排出液体。供给管353与供给口355连接，排出管354与排出口356连接。由于一对供给口355和排出口356以及一对供给管353和排出管354分别具有相同的构成，因此它们可以互换。
图17A是表示元件基板12和柔性布线基板357彼此电连接的状态的图，图17B是沿着图17A中的XVI Ib-XVI Ib线截取的截面图。在图17A和17B中省略了供给管353和排出管354。元件基板12通过电极盘350与柔性布线基板357电连接，并且电极盘350和柔性布线基板357的布线通过引线结合358彼此连接。
通过如上所述形成腔室301，可以通过向腔室301底表面上的加热元件10施加预定的电压脉冲，在与加热元件10接触的液体的区域中生成膜沸腾气泡13，并随着膜沸腾气泡13的膨胀和收缩生成超细气泡。
图18A至18C是表示在本实施方案的元件基板12中设置有加热元件10的加热器部250的图。在图18A和18B中，省略了加热元件10的图示。图18A是表示加热器部250的凹部180的图，图18B是沿着图18A中的XVIIIb-XVIIIb线截取的截面图。在本实施方案的元件基板12中，凹部180形成在其中设置有加热元件10的部分中。元件基板12的凹部180是如图18A和18C所示的矩形的凹部180，其横截面如图18B所示为梯形形状，具有以θ＝54.7°的角度的倾斜表面。凹部180通过各向异性蚀刻硅基板<1.0.0>而形成。在凹部180中，如图18C所示，加热元件10设置在从凹部180的中心在-y方向上偏移的位置。
加热元件10不在-y方向上与凹部180的倾斜表面接触，并且在凹部180的倾斜表面之一与加热元件10之间，存在气泡消失位置181，其中驱动加热元件10生成的气泡13消失。
图19A至19C是表示在驱动本实施方案的加热元件10时经时在液体中起泡的状态的图。图19A表示驱动加热元件10之前在液体中还没有起泡发生的状态。图19B表示如下状态：通过驱动加热元件10而在液体中发生起泡；并且在起泡期间，气泡13膨胀的方向被凹部180限制，并且气泡13在y方向上极大地膨胀的同时而形成。这是因为，凹部180的距加热元件10在x方向、-x方向以及-y方向上的位置的倾斜表面与加热元件10接近设置而作为壁，但是，凹部180的距加热元件10在y方向上的位置的倾斜表面与加热元件10相距预定距离而设置。
利用这种构成，在起泡期间，气泡13难以受到凹部180在y方向上的倾斜表面的影响，但是易于受到凹部180位于距加热元件10的x、-x以及-y方向上的倾斜表面的影响。因此气泡13生长，同时在y方向上极大地膨胀，在该方向气泡13难以受到倾斜表面的影响。此后，在气泡消失的过程中，气泡13受到凹部180的影响，并在-y方向上迅速收缩，这与起泡的情况相反，如图19C所示。因此，气泡13在具有预定面积的区域中的气泡消失位置181中消失，该位置是从加热元件10在-y方向上偏移的位置。
通常，在通过驱动加热元件而生成的气泡消失的情况下，周围的液体在消失的时刻在气泡的中心相互碰撞，并且因此发生生成微小而强烈的压力波(冲击波)的所谓的气蚀。如果在连续使用该装置的同时在加热元件上反复发生气蚀，则加热元件可能会因反复受到冲击波的撞击而损坏。
为了解决该问题，在本实施方案的UFB生成装置中，通过驱动加热元件10而生成的气泡13的形状受到凹部180的限制，以及气泡13消失的气泡消失位置181是在从加热元件10在-y方向上偏移的位置。气泡消失位置181具有预定的面积，并且该面积是在气泡消失期间能够在该面积内保持气蚀作用的最大面积，这防止气蚀在气泡消失期间影响相邻的加热元件10。该面积根据加热元件的尺寸和要使用的驱动电压而变化，因此可以适当地设置该面积以适合装置。
这使得可以抑制气泡消失期间气蚀对加热元件10的影响。因此，可以通过将气泡13消失的气泡消失位置181设置在加热元件10所处的位置以外的位置，来获得可靠的UFB生成装置，其抑制加热元件10的损坏。
尽管在本实施方案中将加热元件10配置在从凹部180的中心在-y方向上偏移的位置，但是实施方案不限于此。即，加热元件10可以布置在任何位置，只要布置加热元件10的位置偏离凹部180的中心并且该位置不同于气泡13消失的气泡消失位置181即可，其中气泡消失位置181从加热元件10偏移。
图20A至图20K和图21A至图21H是表示按工序顺序形成元件基板12的工序的图。在下文中，按照工序顺序说明本实施方案中形成元件基板12的方法。在此说明的将加热元件10等安装在基板上的方法与常规方法相似。首先，如图20A所示，准备要用作元件基板12的晶片形式的硅基板<1.0.0>210。如图20B所示，通过热氧化炉使用水蒸气在氧化气氛条件下通过在1200℃的温度下进行处理70分钟，形成1μm的氧化膜211作为硅基板210的上表面的蓄热层以及作为其背面的保护膜。之后，如图20C所示，将由TOKYO OHKA KOGYO CO.，LTD.制造的光致抗蚀剂212通过旋涂以2μm的厚度施加。然后，使用预定形状的曝光用玻璃掩模用佳能(Canon)制造的i-line步进器FPA-3000i5进行曝光，与配置加热元件10的部分相对应的区域中的抗蚀剂212被去除以形成开口。
然后，如图20D所示，使用CF4和O2的混合气体通过干蚀刻去除开口中的氧化膜211。如图20E所示，将基板浸入由Rohm and Haas Company制造的抗蚀剂剥离液去除剂1112A中，以剥离并去除抗蚀剂212。随后，如图20F所示，将处于图20E状态的基板浸入作为TMAH22％水溶液的80℃的碱性蚀刻液中40分钟，以形成从开口213的深度为3μm的包括表面214的凹部215。凹部215包括从氧化膜211的开口以54.7度的角度具有锥度的平坦且光滑的表面和作为底表面的表面214，并且表面214形成为平坦的表面，在其上可以配置加热元件10。
此后，处于图20F的状态的基板在氧化气氛条件下使用水蒸气处理300分钟，以在凹部215的硅顶表面上形成厚度为2μm的氧化膜216，如图20G所示。然后，通过溅射在图20G的状态下在基板上形成厚度为30nm的TaSiN电阻层217，接着在TaSiN电阻层217上形成作为布线材料的厚度为500nm的Al布线层218(参见图20H)。之后，通过光刻将TaSiN电阻层217和Al布线层218形成为预定形状。具体地，首先，如图20I所示，将由TOKYO OHKA KOGYO CO.，LTD.制造的光致抗蚀剂219通过旋涂以2μm的厚度施加(参见图20I)，然后使用预定形状的曝光用玻璃掩模用佳能(Canon)制造的i-line步进器FPA-3000i5进行曝光。此后，进行显影，并且如图13A所示(参见图20J)，将抗蚀剂219保留为布线308的形状。
随后，通过使用BCl3气体和Cl2气体的反应离子蚀刻同时蚀刻Al布线层218和TaSiN电阻层217，以形成布线部。在该过程中，将Al布线层218和TaSiN电阻层217配置在从凹部215的中心偏移的位置。此后，作为形成加热器的工序，通过在凹部215中使用磷酸盐通过湿法蚀刻将Al布线层218部分去除并暴露TaSiN电阻层217而形成加热元件10(参见图20K)。这使得可以从加热元件10的顶部偏移驱动加热元件10而生成的气泡13消失的位置。此后，如图21A所示，将处于图20K状态的基板浸没在抗蚀剂剥离液去除剂1112A中以剥离并去除抗蚀剂219。
接下来，形成用于使加热元件10和布线308与液体绝缘并保护它们免受起泡的热和冲击的保护层和抗气蚀膜。如图21B所示，通过等离子体CVD形成厚度为500nm的氮化硅膜220(以下记作SiN)。然后，如图21C所示，通过溅射在SiN膜220上以200nm的厚度形成金属Ir膜221。SiN膜220是用于与液体电绝缘的保护层，并且金属Ir膜221特别地具有抗气蚀膜的功能，其保护加热元件10不受加热元件10中的加热以及起泡和气泡消失的冲击(即气蚀)的影响。
之后，通过光刻将SiN膜220和金属Ir膜221形成为预定形状。具体地，如图21D所示，将由TOKYO OHKA KOGYO CO.，LTD.制造的光致抗蚀剂222通过旋涂以2μm的厚度施加，然后，使用预定形状的曝光用玻璃掩模用i-line步进器FPA-3000i5进行曝光。此后，进行显影，并且如图21E所示，部分地去除抗蚀剂222，以使抗蚀剂222保持预定形状。随后，如图21F所示，通过使用CF4的反应离子蚀刻来蚀刻去除了抗蚀剂222的部分中的金属Ir膜221。随后如图21G所示蚀刻SiN膜220，并形成用于与外部布线连接的电极盘350。最后，将处于图21G的状态的基板浸入抗蚀剂剥离液去除剂1112A中以剥离并去除抗蚀剂222，并且如图21H所示完成包括加热元件10、电极盘350 和凹部180的元件基板12。
图22A至图22D是按工序顺序表示形成腔室301的工序的图。以下，按照工序顺序说明本实施方案的腔室301的形成方法。制备如图7A所示的元件基板12，然后，如图22B所示，通过旋涂将要成为壁352的构件223施加为具有预定的厚度，然后如图22C所示，通过光刻形成壁352。之后，通过将盖基板351附着到壁352来形成腔室301。
在本实施方案中，尽管通过蚀刻在元件基板上形成凹部，并且在凹部的底表面上形成加热元件，但是实施方案不限于此。即，加热元件可以形成为暴露在基板的顶表面上，然后可以通过诸如层叠膜的方法在加热元件周围形成预定高度的壁。
如上所述，通过在加热元件周围形成壁来部分地限制在起泡期间气泡的生长，并且气泡消失的位置从加热元件偏移。这使得可以有效地生成高纯度的UFB含有液，并提供可以额外延长装置的寿命的超细气泡生成装置和超细气泡生成方法。
(第二实施方案)
在下文中，参考附图说明本发明的第二实施方案。由于本实施方案的基本构成与第一实施方案的构成相似，因此下面仅说明特征构成。
图23A至图23C是表示本实施方案的元件基板12中的加热器部250的图。如图23A所示，本实施方案中的加热器部250设置有壁232，该壁是起泡期间限制气泡13的生长于围绕加热元件10的三个方向(y方向、-y方向、-x方向)的限制构件。尽管在第一实施方案中通过蚀刻挖入基板来形成凹部180，但是在本实施方案中不存在通过挖入基板而形成的凹部。如图23A所示，壁232在加热元件10周围的三个方向上通过在基板上层叠膜而形成，该基板具有暴露有加热元件10的顶表面。在除了这三个方向以外的方向上，与加热元件邻接地形成具有预定面积的区域。
如上所述，通过在围绕加热元件10的三个方向上设置壁232，通过驱动加热元件10而生成的气泡13在周围三个方向上的生长受到壁232的限制，并且气泡13在没有设置壁232的x方向上极大地膨胀的同时生长。如图23B所示，在x方向上极大地膨胀的同时生长的气泡13随后开始收缩，并且如图23C所示，在-x方向上从加热元件10偏移的气泡消失位置181消失。如上所述，在气泡13在从加热元件10偏移的位置即气泡消失位置181处消失的情况下，能够抑制气泡消失期间对加热元件10的气蚀作用，从而能够抑制加热元件的损坏。因此，可以获得可靠的UFB生成装置。
尽管在本实施方案中说明了通过层叠膜在围绕加热元件的三个方向上形成壁232的方法，但是实施方案不限于此。即，可以在加热元件10的周围的至少一部分中形成壁。通过像这样在加热元件10的周围的至少一部分中形成壁，在起泡期间气泡在形成壁的方向上的生长受限制，并且形成在与设置壁的方向相反的方向上膨胀并同时生长的气泡。在收缩中，在与设置壁的方向相反的方向上膨胀的同时生长的气泡在从加热元件朝向壁的方向上迅速收缩，这与起泡的情况相反。因此，气泡消失位置从加热元件的顶部偏移，并且气泡在壁和加热元件之间的气泡消失位置消失。这使得可以抑制气泡消失期间气蚀对加热元件10的影响。
尽管在本实施方案中在从加热元件10的x方向上未设置壁，但是在加热元件10和x方向上的壁之间设置区域(第二区域)的情况下可形成在x方向的壁，第二区域比加热元件10和在-x方向上的壁232之间的区域(第一区域)宽。通过像这样设置在x方向上的壁，与在x方向上的壁相比，在-x方向上的壁更容易影响生成的气泡，因此可以控制气泡在沿x方向膨胀的同时生长。
(第三实施方案)
在下文中，参考附图说明本发明的第三实施方案。由于本实施方案的基本构成与第一实施方案的构成相似，因此下面仅说明特征构成。
图24A至图24C是表示本实施方案的元件基板12中的加热器部250的图。本实施方案的加热器部250在加热元件10周围设置有壁240，以形成凹部242，在凹部242中设置有流路241和加热元件10。像第二实施方案一样，在本实施方案中也没有挖出基板，并且图24A所示的壁240通过在基板上层叠膜而形成，该基板具有在其上暴露有加热元件10的顶表面。围绕加热元件10的三个方向(-x方向，-y方向，x方向)上的壁一体形成。通过像这样形成的壁240，流过流路241的液体流入凹部242，通过加热元件10对液体进行加热而生成气泡。在该过程中，由于存在在加热元件10周围三个方向(-x方向，-y方向，x方向)上的壁240形成的凹部242，所以限制气泡13在三个方向上的生长，气泡13在生长的同时向流路241膨胀。如图24B所示，在流路方向(y方向)上极大地膨胀的生长的气泡13随后开始收缩，并且如图24C所示，在从加热元件10在-y方向上位移的气泡消失位置181消失。如上所述，在气泡13在从加热元件10偏移的气泡消失位置181消失的情况下，能够抑制气泡消失期间气蚀对加热元件10的影响，因此能够抑制加热元件10的损坏。因此，可以获得可靠的UFB生成装置。
尽管已经参考示例性实施方案说明了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施方案。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (11)

1.一种生成超细气泡的超细气泡生成装置，包括：
元件基板，其包括：
通过加热液体生成超细气泡的多个加热器，和
与所述加热器连接的布线，其中
所述加热器的周围的至少一部分中包括限制构件，该限制构件限制由每个加热器的作用生成的气泡的生长，并且
在所述限制构件和所述加热器之间设置有具有预定面积的第一区域。
2.根据权利要求1所述的超细气泡生成装置，其中，
在相对于所述加热器的与所述限制构件相对的一侧，与加热器邻接地设置有面积比所述第一区域大的第二区域。
3.根据权利要求1所述的超细气泡生成装置，其中，
所述限制构件是通过蚀刻而挖入作为硅基板的元件基板而形成的。
4.根据权利要求2所述的超细气泡生成装置，其中，所述限制构件通过层叠膜而形成。
5.根据权利要求4所述的超细气泡生成装置，其中，
所述限制构件包括第一限制构件和第二限制构件，所述第一限制构件包括在所述第一限制构件和所述加热器之间的第一区域，所述第二限制构件彼此面对，加热器配置在它们之间。
6.根据权利要求5所述的超细气泡生成装置，其中，
所述第一限制构件和第二限制构件一体地形成，并且
所述超细气泡生成装置还包括：
设置成面对所述第一限制构件的第三限制构件，其中
在一体形成的第一限制构件和第二限制构件与第三限制构件之间形成有包括第二区域并允许液体从中流过的流路。
7.根据权利要求1所述的超细气泡生成装置，其中，
在所述加热器上形成抗气蚀膜，该抗气蚀膜保护加热器免受由气蚀生成的冲击波的影响。
8.根据权利要求1所述的超细气泡生成装置，其中，
在所述元件基板上形成有形成包含所述加热器的空间的腔室。
9.根据权利要求8所述的超细气泡生成装置，其中，
所述腔室包括
电极盘，其设置在所述元件基板的端部，以使得元件基板外部的外部布线与所述布线连接，
供给口，以及
排放口，其中
允许所述液体从与所述供给口连接的供给管向腔室供给，并且允许所述腔室内的液体从与所述排放口连接的排放管排出。
10.根据权利要求1所述的超细气泡生成装置，其中，
所述元件基板是通过切片单晶锭而形成的晶片形式的基板。
11.一种用于生成超细气泡的超细气泡生成方法，包括：
在基板上形成加热器的工序；
使所述加热器与液体接触的工序；
驱动所述加热器的工序；
在所述加热器的周围的至少一部分中，通过限制构件限制由所述加热器的作用而生成的气泡的生长的工序，和
使所述气泡在所述限制构件和所述加热器之间具有预定面积的区域中消失的工序。
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