JP6153110B2 - 一成分極低温微細固体粒子連続生成装置、および、その一成分極低温微細固体粒子連続生成方法 - Google Patents
一成分極低温微細固体粒子連続生成装置、および、その一成分極低温微細固体粒子連続生成方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置、および、その一成分極低温微細固体粒子連続生成方法に関する。
半導体洗浄に関して、一般的に、アンモニア過酸化水素水を用いたウェット・洗浄プロセスが知られている。近年の高集積デバイスに対しては、このようなエッチングによるリフトオフを用いた洗浄法は適用限界に近づきつつある。
このような洗浄法とは異なる、アンモニア過酸化水素水などを用いない半導体ウエハ洗浄方法が知られている（例えば、特許文献１）。詳細には、この特許文献１に記載の洗浄方法は、過冷却液体窒素と、寒剤としての極低温のヘリウムガスの２成分をノズル内で混合することで、極低温マイクロ・ナノソリッド噴霧流体を生成し、そのマイクロ・ナノソリッド噴霧流体を半導体ウエハ表面上のレジストに衝突させて、レジストの剥離・除去を行う。
このような洗浄法とは異なる、アンモニア過酸化水素水などを用いない半導体ウエハ洗浄方法が知られている（例えば、特許文献１）。詳細には、この特許文献１に記載の洗浄方法は、過冷却液体窒素と、寒剤としての極低温のヘリウムガスの２成分をノズル内で混合することで、極低温マイクロ・ナノソリッド噴霧流体を生成し、そのマイクロ・ナノソリッド噴霧流体を半導体ウエハ表面上のレジストに衝突させて、レジストの剥離・除去を行う。
特許文献１に記載された半導体ウエハ洗浄法では、寒剤として極低温のヘリウムガスを使用している。しかしながら、この極低温のヘリウムガスを入手するのが困難な場合がある、極低温のヘリウムガスは比較的高価である、半導体ウエハの洗浄に極低温のヘリウムガスを使用した後、ヘリウムと窒素を分離することを要する、などの問題がある。
このため、寒剤として極低温のヘリウムガスを用いることなく、極低温の微細固体粒子を連続して生成する装置が望まれている。
このため、寒剤として極低温のヘリウムガスを用いることなく、極低温の微細固体粒子を連続して生成する装置が望まれている。
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、寒剤として極低温のヘリウムガスを使用することなく、簡単な構成で、安価に、一成分で極低温の微細固体粒子を連続して生成することができる一成分極低温微細固体粒子連続生成装置、および、その一成分極低温微細固体粒子連続生成装置の一成分極低温微細固体粒子連続生成方法、などを提供することを目的とする。
本発明の一成分極低温微細固体粒子連続生成装置は、窒素、水素、酸素、アルゴンのいずれか一つの極低温の過冷却液体と、該過冷却液体と同一の元素で構成される極低温気体とにより、一成分極低温微細固体粒子を連続して生成する一成分極低温微細固体粒子連続生成装置であって、前記過冷却液体と、前記極低温気体の高圧・高速流とを混合して一成分混相流を生成する混合部と、混合部の下流に設けられ、該混合部で生成された前記一成分混相流から極低温微細固体粒子を含む噴霧流を生成するラバルノズル部と、を有し、前記ラバルノズル部は、前記混合部で生成された前記一成分混相流を導入する導入部と、前記導入部の下流側に設けられ該導入部の開口断面積よりも小さい開口断面積の縮径部と、前記縮径部の下流側に設けられ該縮径部より開口断面積よりも大きい開口断面積に形成され、且つ、下流側に向かって拡開した形状の噴射部と、を有し、前記噴射部にて、前記一成分混相流を音速を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成することを特徴とする。
また、本発明の一成分極低温微細固体粒子連続生成方法は、上記本発明の一成分極低温微細固体粒子連続生成装置の一成分極低温微細固体粒子連続生成方法であって、混合部により、過冷却液体と、極低温気体の高圧・高速流とを混合して一成分混相流を生成するステップと、ラバルノズル部に一成分混相流を導入して、噴射部にて、一成分混相流を音速を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成するステップと、を有することを特徴とする。
本発明によれば、寒剤として極低温のヘリウムガスを使用することなく、簡単な構成で、安価に、一成分で極低温の微細固体粒子を連続して生成することができる一成分極低温微細固体粒子連続生成装置、および、その一成分極低温微細固体粒子連続生成装置の一成分極低温微細固体粒子の生成方法を提供することができる。
本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００（マイクロ・ナノソリッド生成装置）を、図面を参照しながら説明する。以下、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を微細粒子生成装置ともいう。
図１は、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００（微細粒子生成装置）の一例を示す正面図である。図２は微細粒子生成装置１００の要部の一例を示す図である。図３は図２に示した微細粒子生成装置１００の要部の拡大図である。図４は微細粒子生成装置１００のノズル付近の拡大断面図である。
本発明の実施形態に係る微細粒子生成装置１００は、極低温の過冷却液体と、その過冷却液体と同一の元素で構成される極低温気体とにより、一成分極低温微細固体粒子を連続して生成する。詳細には、微細粒子生成装置１００は、過冷却液体と、極低温気体の高速流とを混合して一成分混相流を生成する混合部１０と、混合部１０の下流に設けられ、その混合部１０で生成された一成分混相流から極低温微細固体粒子を含む噴霧流を生成するノズル１であるラバルノズル部１１と、を有する。
本実施形態では、過冷却液体として過冷却液体窒素（ＬＮ2）を採用し、過冷却液体窒素と同一の元素で構成される極低温気体として極低温気体窒素（ＧＮ2）を採用する。
上記ラバルノズル部１１では、過冷却窒素液体（ＬＮ2）と極低温窒素ガス（ＧＮ2）とによる二相流（ＬＮ2−ＧＮ2）が縮径部１１ｂ（スロート部）から噴射部１１ｃ（拡開部）を通過して、断熱膨張に基づく固相形成が行われることにより、微細固体窒素粒子（ＳＮ2）が生成されて、微細固体窒素粒子（ＳＮ2）を含む噴霧流が噴射される。
次に、図１〜図４を参照しながら、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００（微細粒子生成装置）を採用した半導体洗浄装置２００を詳細に説明する。
図１に示したように、枠体２１０には、その上部付近に微細粒子生成装置１００が設けられ、略中央部に洗浄対象物２０１を載置する可動ステージ２２０が設けられている。この可動ステージ２２０は、制御装置や駆動装置（不図示）により、枠体２１０に対して上下方向に移動自在に構成されている。可動ステージ２２０は、詳細には、図１に示した上限位置ａと、上限位置ａよりも下方の位置ａ’との間を移動自在、且つ、所定位置に固定可能に構成されている。
可動ステージ２２０には、半導体基板などの洗浄対象物２０１を加熱するためのセラミックヒータ２が設けられている。可動ステージ２２０には、例えば、洗浄対象物２０１であるレジスト付きの半導体基板（ウエハ）などが載置される。
微細粒子生成装置１００は、その下部に一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を噴出するノズル１が配置されている。ノズル１は、可動ステージ２２０上の洗浄対象物２０１に向けて噴霧流を噴射するように構成されている。
ノズル１には、液体窒素導管３、窒素ガス導管４などが配設されている。
液体窒素導管３は、例えば、液体窒素タンク（不図示）などから、極低温に過冷却された液体窒素（ＬＮ2）をノズル１に供給する。液体窒素導管３は、バルブ３ａを備え、そのバルブ３ａにより液体窒素の供給量や圧力などを制御可能に構成されている。
液体窒素導管３は、例えば、液体窒素タンク（不図示）などから、極低温に過冷却された液体窒素（ＬＮ2）をノズル１に供給する。液体窒素導管３は、バルブ３ａを備え、そのバルブ３ａにより液体窒素の供給量や圧力などを制御可能に構成されている。
窒素ガス導管４は、例えば、窒素ガスタンク（不図示）などから、極低温の窒素ガス（ＧＮ2）をノズル１に供給する。窒素ガス導管４は、バルブ４ａを備え、そのバルブ４ａにより窒素ガス（ＧＮ2）の供給量を制御可能に構成されている。
＜断熱部５＞
ノズル１は、全部または一部分が断熱部５内に収容され、ノズル１の先端部が断熱部５の外部に突出するように構成されている。本実施形態では、断熱部５は、ノズル１と外気とを断熱するように真空断熱構造となっている。本実施形態では、ノズル１、液体窒素導管３、窒素ガス導管４の先端部付近が真空断熱部５内に収容されており、ノズル１や液体窒素導管３、窒素ガス導管４の温度上昇を低減する構造となっている。
ノズル１は、全部または一部分が断熱部５内に収容され、ノズル１の先端部が断熱部５の外部に突出するように構成されている。本実施形態では、断熱部５は、ノズル１と外気とを断熱するように真空断熱構造となっている。本実施形態では、ノズル１、液体窒素導管３、窒素ガス導管４の先端部付近が真空断熱部５内に収容されており、ノズル１や液体窒素導管３、窒素ガス導管４の温度上昇を低減する構造となっている。
＜可動皿部７＞
本実施形態では、図２に示したように、ノズル１の下方に、可動皿部７が設けられている。可動皿部７がノズル１と洗浄対象物２０１の間に配置された場合、ノズル１から洗浄対象物２０１への噴霧流や冷気の放射を防止し、可動皿部７がそれ以外の位置に配置された場合、ノズル１からの噴霧流が洗浄対象物２０１に衝突するように、可動皿部７が構成されている。
本実施形態では、図２に示したように、ノズル１の下方に、可動皿部７が設けられている。可動皿部７がノズル１と洗浄対象物２０１の間に配置された場合、ノズル１から洗浄対象物２０１への噴霧流や冷気の放射を防止し、可動皿部７がそれ以外の位置に配置された場合、ノズル１からの噴霧流が洗浄対象物２０１に衝突するように、可動皿部７が構成されている。
図４に示したように、本実施形態の一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００は、同心混合型高速二流体ノズルを採用している。ノズル１は、混合部１０と、ラバルノズル部１１と、などを有する。
＜混合部１０＞
図４に示したように、ノズル１の混合部１０は、同心状に組み合わされた内管１４と外管１５とを有する。内管１４の外径は、外管１５の内径よりも小さく構成されている。内管１４と外管１５の間には、隙間４５が形成されている。
図４に示したように、ノズル１の混合部１０は、同心状に組み合わされた内管１４と外管１５とを有する。内管１４の外径は、外管１５の内径よりも小さく構成されている。内管１４と外管１５の間には、隙間４５が形成されている。
内管１４は、窒素ガス導管４に連通しており、内管１４の先端部１４ａは、先細り形状に形成されている。
外管１５の側壁には、液体窒素導管３に連通する連通部１５ａが形成され、外管１５の内壁に形成された開口部１５ｂに連通部１５ａが接続されている。この開口部１５ｂは、内管１４の先端部１４ａ近傍の側面付近に位置するように構成されている。
外管１５の側壁には、液体窒素導管３に連通する連通部１５ａが形成され、外管１５の内壁に形成された開口部１５ｂに連通部１５ａが接続されている。この開口部１５ｂは、内管１４の先端部１４ａ近傍の側面付近に位置するように構成されている。
図４に示したように、高圧、極低温の窒素ガス（ＧＮ2）は、内管１４の先端部１４ａから高速に噴射される。過冷却液体（ＬＮ2）は、液体窒素導管３、連通部１５ａ、開口部１５ｂを介して、内管１４と外管１５の間の隙間４５に供給される。このため、内管１４の先端部１４ａの下流側付近の混合部１０にて、過冷却液体窒素（ＬＮ2）と、極低温気体（ＧＮ2）の高速流とが混合して、一成分混相流（ＬＮ2−ＧＮ2）が生成される。
この一成分混相流（ＬＮ2−ＧＮ2）は、混合部１０の下流に設けられたラバルノズル部１１に導入される。
この一成分混相流（ＬＮ2−ＧＮ2）は、混合部１０の下流に設けられたラバルノズル部１１に導入される。
＜ラバルノズル部１１＞
ラバルノズル部１１は、本実施形態では、混合部１０の下流側、且つ、外管１５の先端部付近に設けられている。詳細には、ラバルノズル部１１は、導入部１１ａと、縮径部１１ｂ（スロート部）と、噴射部１１ｃ（拡開部）と、を有する。
ラバルノズル部１１は、本実施形態では、混合部１０の下流側、且つ、外管１５の先端部付近に設けられている。詳細には、ラバルノズル部１１は、導入部１１ａと、縮径部１１ｂ（スロート部）と、噴射部１１ｃ（拡開部）と、を有する。
導入部１１ａは、上流側の内径が、混合部１０の外管１５の内径と略同じとなるように形成されている。この導入部１１ａには、混合部１０で生成された高速の一成分混相流（ＬＮ2−ＧＮ2）が導入される。
縮径部１１ｂは、導入部１１ａの下流側に設けられ、その導入部１１ａの開口断面積よりも小さい開口断面積となるように形成されている。詳細には、縮径部１１ｂは、導入部１１ａから縮径部１１ｂの最小の内径部分に近づくほど、内径が小さくなる形状に形成されている。
噴射部１１ｃ（拡開部）は、縮径部１１ｂの下流側に設けられ、その縮径部１１ｂの開口断面積よりも大きい開口断面積に形成されている。詳細には、噴射部１１ｃは、縮径部１１ｂから下流側に向かって開口断面積が大きくなる拡開した形状に形成されている。
導入部１１ａおよび縮径部１１ｂの最小内径部分より上流の範囲では、高圧・高速の一成分混相流は、音速以下の速度であり、上流から下流へ内径が小さくなるほど速度が増加する。そして、縮径部１１ｂの最小の内径部分では、一成分混相流が略音速となる。
そして、縮径部１１ｂから噴射部１１ｃの下流側先端部にかけて、開口断面積が大きくなるほど、一成分混相流の断熱膨張により、その流れが音速を超えた状態となり、氷核が成長して、一成分極低温微細固体粒子が生成され、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流が連続して噴射部１１ｃから噴射される。
また、高圧・高速の一成分混相流は極低温となっており、ラバルノズル部１１の縮径部１１ｂから噴射部１１ｃの下流側先端部では、一成分混相流が断熱膨張することで、その流れが音速を超えた速度となり、且つ、導入部１１ａと比較して温度が著しく低下した状態となり、一成分極低温微細固体粒子の生成が促進される。
そして、縮径部１１ｂから噴射部１１ｃの下流側先端部にかけて、開口断面積が大きくなるほど、一成分混相流の断熱膨張により、その流れが音速を超えた状態となり、氷核が成長して、一成分極低温微細固体粒子が生成され、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流が連続して噴射部１１ｃから噴射される。
また、高圧・高速の一成分混相流は極低温となっており、ラバルノズル部１１の縮径部１１ｂから噴射部１１ｃの下流側先端部では、一成分混相流が断熱膨張することで、その流れが音速を超えた速度となり、且つ、導入部１１ａと比較して温度が著しく低下した状態となり、一成分極低温微細固体粒子の生成が促進される。
例えば、上述した混合部１０の外管１５の内径は２．５ｍｍ程度、内管１４の外径は１．４ｍｍ程度、内管１４の内径は０．５ｍｍ程度、ラバルノズル部１１の導入部１１ａの上流側端部の内径は２．５ｍｍ程度、縮径部１１ｂの内径は１．０ｍｍ程度、噴射部１１ｃの射出口の先端部分の内径は、２．２ｍｍ程度である。
混合部１０、ラバルノズル部１１の各サイズは、上記形態に限られるものではなく、適宜、設定することが好ましい。
混合部１０、ラバルノズル部１１の各サイズは、上記形態に限られるものではなく、適宜、設定することが好ましい。
＜超音波振動子６＞
本実施形態では、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００は、超音波振動子６を有する。
超音波振動子６は、図４、図１に示したように、ラバルノズル部１１に超音波を印加する。超音波振動子６により生成された超音波をラバルノズル部１１に印加することで、ラバルノズル部１１内の一成分混相流にキャビテーションを発生させ、一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2粒子）の氷核生成を促進し、且つ、微小均一粒子径の略球形状の一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2粒子）の微細化を促進することができる。キャビテーションとは、流体の中で、圧力差により短時間に泡の発生と消滅が起きる物理現象である。キャビテーションによる気泡の崩壊時に、短寿命の高温・高圧の局所場（ホットスポット）が形成される。これを利用することにより、ＳＮ2粒子の氷核生成の促進、ＳＮ2粒子の微細化の促進などを行うことができる。微細化されたＳＮ2粒子は、微細な略球形状に形成されている。
本実施形態では、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００は、超音波振動子６を有する。
超音波振動子６は、図４、図１に示したように、ラバルノズル部１１に超音波を印加する。超音波振動子６により生成された超音波をラバルノズル部１１に印加することで、ラバルノズル部１１内の一成分混相流にキャビテーションを発生させ、一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2粒子）の氷核生成を促進し、且つ、微小均一粒子径の略球形状の一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2粒子）の微細化を促進することができる。キャビテーションとは、流体の中で、圧力差により短時間に泡の発生と消滅が起きる物理現象である。キャビテーションによる気泡の崩壊時に、短寿命の高温・高圧の局所場（ホットスポット）が形成される。これを利用することにより、ＳＮ2粒子の氷核生成の促進、ＳＮ2粒子の微細化の促進などを行うことができる。微細化されたＳＮ2粒子は、微細な略球形状に形成されている。
超音波振動子６は、詳細には、超音波振動生成部６ａと超音波伝達部６ｂとを有する。
超音波振動生成部６ａは、制御装置（不図示）の制御により、規定の振動数、規定の振幅の超音波を生成する。
超音波伝達部６ｂは、略棒形状の金属部材で構成され、超音波振動生成部６ａで生成された超音波をラバルノズル部１１に伝達する。
超音波振動生成部６ａは、制御装置（不図示）の制御により、規定の振動数、規定の振幅の超音波を生成する。
超音波伝達部６ｂは、略棒形状の金属部材で構成され、超音波振動生成部６ａで生成された超音波をラバルノズル部１１に伝達する。
超音波振動子６からラバルノズル部１１に印加される超音波は、具体的には、例えば、振動数３０ｋＨｚ〜２ＭＨｚ程度、振幅１０μｍ〜５０μｍ程度であり、好ましくは、振動数４０ｋＨｚ〜９５０ｋＨｚ程度、振幅２０μｍ〜４０μｍ程度であり、最適には、４５ｋＨｚ、振幅３０μｍ程度である。このラバルノズル部１１に印加される超音波の振動数や振幅については、ラバルノズル部１１で生成される一成分極低温微細固体粒子の粒径、個数などに応じて適宜、設定する。
尚、超音波振動子６からラバルノズル部１１に印加される超音波として、例えば１ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ、または、数１０ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚ程度の高周波数（メガソニック）の超音波を採用した場合、氷核生成や微粒化促進特性がさらに向上する。
尚、超音波振動子６からラバルノズル部１１に印加される超音波として、例えば１ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ、または、数１０ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚ程度の高周波数（メガソニック）の超音波を採用した場合、氷核生成や微粒化促進特性がさらに向上する。
超音波振動子６で生成した超音波を印加する位置は、例えば、ラバルノズル部１１の一成分極低温微細固体粒子の氷核形成が行われる位置付近が好ましく、詳細には、ラバルノズル部１１の縮径部１１ｂから僅かに下流側の位置が好ましい。また、超音波振動子６で生成した超音波を印加する位置は、ラバルノズル部１１の縮径部１１ｂから下流側の噴射部１１ｃの任意の位置であってもよく、また、ラバルノズル部１１全体であってもよく、ラバルノズル部１１で生成する一成分極低温微細固体粒子の粒径、個数などに応じて適宜、設定してもよい。
また、超音波振動子６は超音波を直接または間接的にラバルノズル部１１に印加してもよいし、真空断熱部としての断熱部５内からラバルノズル部１１に印加してもよい。
また、超音波振動子６は超音波を直接または間接的にラバルノズル部１１に印加してもよいし、真空断熱部としての断熱部５内からラバルノズル部１１に印加してもよい。
＜一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００の動作＞
次に、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００の動作を説明する。
次に、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００の動作を説明する。
液体窒素タンク（不図示）から極低温の過冷却液体窒素（ＬＮ2）が液体窒素導管３、外管１５の連通部１５ａ、開口部１５ｂを介して外管１５内の混合部１０に導入される。
窒素ガスタンク（不図示）から高圧・高速の極低温の窒素ガス（ＬＮ2）が窒素ガス導管４、内管１４を介して混合部１０に導入される。極低温の窒素ガス（ＬＮ2）の圧力は、例えば、０．１ＭＰａ〜１．０ＭＰａ程度であり、本実施形態では０．４ＭＰａ程度である。極低温の窒素ガス（ＬＮ2）の圧力が高いほど、混合部１０での流速が高速となり、好ましい。尚、この極低温の窒素ガス（ＬＮ2）の圧力は、０．５ＭＰａ〜１０００ＭＰａ程度であってもよいし、１．０〜１０ＭＰａ程度であってもよい。
窒素ガスタンク（不図示）から高圧・高速の極低温の窒素ガス（ＬＮ2）が窒素ガス導管４、内管１４を介して混合部１０に導入される。極低温の窒素ガス（ＬＮ2）の圧力は、例えば、０．１ＭＰａ〜１．０ＭＰａ程度であり、本実施形態では０．４ＭＰａ程度である。極低温の窒素ガス（ＬＮ2）の圧力が高いほど、混合部１０での流速が高速となり、好ましい。尚、この極低温の窒素ガス（ＬＮ2）の圧力は、０．５ＭＰａ〜１０００ＭＰａ程度であってもよいし、１．０〜１０ＭＰａ程度であってもよい。
そして、図４に示したように、高圧・高速の極低温の窒素ガス（ＧＮ2）が、内管１４の先端部１４ａから高速に噴射され、過冷却液体（ＬＮ2）が内管１４と外管１５の間の隙間４５から混合部１０に導入されて、混合部１０にて、過冷却液体窒素（ＬＮ2）と極低温気体（ＧＮ2）の高速流とが混合して、一成分混相流（ＬＮ2−ＧＮ2）が生成される（第１のステップ）。
そして、混合部１０で生成された高圧・高速の極低温の一成分混相流（ＬＮ2−ＧＮ2）が、ラバルノズル部１１の導入部１１ａに導入され、縮径部１１ｂの最小の内径部分では、一成分混相流が略音速となり、縮径部１１ｂから噴射部１１ｃの下流側先端部にかけて、開口断面積が大きくなるほど、一成分混相流の断熱膨張により、その流れが音速を超えた状態となり、噴射部１１ｃにて、一成分混相流が音速を超えた状態で断熱膨張して、一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2粒子）を含む噴霧流が連続して生成される（第２のステップ）。
また、超音波振動子６により生成された超音波（４５ｋＨｚ程度、振幅３０μｍ程度）をラバルノズル部１１に印加することで、ラバルノズル部１１内の一成分混相流にキャビテーションを発生させ、一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2粒子）の氷核生成を促進し、且つ、微小均一粒子径の略球形状の一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2粒子）の微細化を促進することができる。
＜冷却熱流束値＞
図５は、本発明の一実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００により、極低温の窒素ガス（ＧＮ2）と過冷却した液体窒素（ＬＮ2）とで生成した微細固体窒素粒子（ＳＮ2）の冷却熱流束値ｑn2と、比較例として、極低温のヘリウムガス（ＧＨｅ）と過冷却した液体窒素（ＬＮ2）とにより生成した微細固体窒素粒子（ＳＮ2）の冷却熱流束値ｑpと、液体窒素（ＬＮ2）の冷却熱流束値ｑlとを示す。
図５においては、縦軸に冷却熱流束値〔Ｗ／ｍ2〕を示し、横軸に無次元時間ｔ*を示す。
図５は、本発明の一実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００により、極低温の窒素ガス（ＧＮ2）と過冷却した液体窒素（ＬＮ2）とで生成した微細固体窒素粒子（ＳＮ2）の冷却熱流束値ｑn2と、比較例として、極低温のヘリウムガス（ＧＨｅ）と過冷却した液体窒素（ＬＮ2）とにより生成した微細固体窒素粒子（ＳＮ2）の冷却熱流束値ｑpと、液体窒素（ＬＮ2）の冷却熱流束値ｑlとを示す。
図５においては、縦軸に冷却熱流束値〔Ｗ／ｍ2〕を示し、横軸に無次元時間ｔ*を示す。
図５に示したように、冷却熱流束値ｑpと冷却熱流束値ｑn2は、冷却熱流束値ｑlよりも立ち上がりが急峻で、短時間で最大冷却熱流束値に達した。各冷却熱流束値の最大値のうち、最大冷却熱流束値ｑn2が最も大きいことが分かった。
また、冷却熱流束値の減衰率は、冷却熱流束値ｑlが最も大きく、冷却熱流束値ｑn2が最も小さいことが分かった。
また、冷却熱流束値の減衰率は、冷却熱流束値ｑlが最も大きく、冷却熱流束値ｑn2が最も小さいことが分かった。
冷却熱流束値ｑn2の減衰率が、冷却熱流束値ｑpの減衰率よりも小さく、且つ、冷却熱流束値ｑn2の最大冷却熱流束値が他の最大冷却熱流束値ｑp，ｑlと比較して大きい理由としては、上述した極低温の窒素ガス（ＧＮ2）と過冷却状態の液体窒素（ＬＮ2）とにより生成した微細固体窒素粒子（ＳＮ2粒子）を含む噴霧流中のＳＮ2粒子の数密度が、極低温のヘリウムガス（ＧＨｅ）と過冷却状態の液体窒素（ＬＮ2）とにより生成した微細固体窒素粒子（ＳＮ2粒子）を含む噴霧流中のＳＮ2粒子の数密度と比較して増大したためである。
＜ＳＮ2粒子の衝突圧力＞
図６は一成分極低温微細固体窒素粒子（ＳＮ2）の噴霧衝突圧力値およびシミュレーションによる噴霧衝突圧力値の一例を示す図である。図６において、横軸（ｘ軸）に無次元時間ｔ*を示し、縦軸（ｙ軸）に衝突圧力を無次元化した圧力ｐ*を示す。
詳細には、一成分極低温微細固体窒素粒子（ＳＮ2粒子）をピエゾ圧電型圧力センサに衝突させて、そのＳＮ2粒子の噴霧衝突圧力値を点線で示す。実験において窒素ガス（ＧＮ2）タンクの圧力を０．４ＭＰａ、液体窒素（ＬＮ2）タンクの圧力を０．２ＭＰａに設定した。
シミュレーションとして単一粒子衝突数値計算（ＣＦＤ）によって得られた衝突圧力値を実線で示す。
図６に示したように、ＳＮ2粒子が圧力センサに衝突した直後、衝突圧力ｐ*が急激に増加した後、減少した。また、数値計算結果でも同様に、衝突圧力ｐ*が衝突直後に立ち上がり、減少する傾向を有していることが分かる。
図６は一成分極低温微細固体窒素粒子（ＳＮ2）の噴霧衝突圧力値およびシミュレーションによる噴霧衝突圧力値の一例を示す図である。図６において、横軸（ｘ軸）に無次元時間ｔ*を示し、縦軸（ｙ軸）に衝突圧力を無次元化した圧力ｐ*を示す。
詳細には、一成分極低温微細固体窒素粒子（ＳＮ2粒子）をピエゾ圧電型圧力センサに衝突させて、そのＳＮ2粒子の噴霧衝突圧力値を点線で示す。実験において窒素ガス（ＧＮ2）タンクの圧力を０．４ＭＰａ、液体窒素（ＬＮ2）タンクの圧力を０．２ＭＰａに設定した。
シミュレーションとして単一粒子衝突数値計算（ＣＦＤ）によって得られた衝突圧力値を実線で示す。
図６に示したように、ＳＮ2粒子が圧力センサに衝突した直後、衝突圧力ｐ*が急激に増加した後、減少した。また、数値計算結果でも同様に、衝突圧力ｐ*が衝突直後に立ち上がり、減少する傾向を有していることが分かる。
図７は、ラバルノズル部の先端部にスパイラルノズル１８を備えた一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００のノズル１の一例を示す図である。
図７に示したように、例えば、特開２０１１−１７１６９１号に示したようなスパイラルノズル１８を、ノズル１のラバルノズル部１１の先端部に設ける。スパイラルノズル１８に一成分極低温微細固体窒素粒子（ＳＮ2粒子）の高速ジェット流が通過することにより、適度な乱流を生じさせ、ＳＮ2粒子をより細粒子化させることができ、且つ、ＳＮ2粒子がノズルに付着するのを防止して、連続的にＳＮ2粒子を含む噴霧流を生成することができる。
図７に示したように、例えば、特開２０１１−１７１６９１号に示したようなスパイラルノズル１８を、ノズル１のラバルノズル部１１の先端部に設ける。スパイラルノズル１８に一成分極低温微細固体窒素粒子（ＳＮ2粒子）の高速ジェット流が通過することにより、適度な乱流を生じさせ、ＳＮ2粒子をより細粒子化させることができ、且つ、ＳＮ2粒子がノズルに付着するのを防止して、連続的にＳＮ2粒子を含む噴霧流を生成することができる。
＜一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2）の粒子径分布および粒子速度分布＞
一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００により生成された一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2）の粒子径分布、粒子速度分布に関しては、粒子の撮影画像の解析、例えば、直接撮影法（Direct-Imaging Techniques）による粒子径分布・数密度分布計測を行う二色レーザーＰＩＡ（Particle Image Analyzer）光学計測システムを使用した二次元化可視化画像計測などにより解析できる。ＰＩＡでは、例えば、図７に示したように規定領域ＣＲ（Control region）にて、飛翔しているＳＮ2粒子を顕微鏡レンズ等を用いて拡大撮影し、粒子像を画像解析することで粒子径と速度を測定する。例えば、二色レーザーＰＩＡ光学計測システムでは、二色レーザー、例えば、デュアルパルスＹＡＧレーザー、被写界深度チェック用色素レーザーなど、ＰＩＡ用高解像度カラーカメラ、ＰＩＡ画像解析ソフトウェアなどを使用できる。また、数値解析などの解析に、クラスタ型高速ワークステーションを使用した超並列計算による高負荷分散型コンピューティング（Grid Computing）手法を使用することが好ましく、ノズルの微粒化特性、例えば、粒径分布、数密度分布、流速・温度分布等を適切に定量的に評価することができる。
また、粒子速度の定量化には、ＰＴＶ（Particle Tracking Velocimetry）アルゴリズムを使用することができる。使用するＰＴＶアルゴリズムは、着目粒子像とその近傍の粒子像とから構成される粒子像群の分布パターンを考え、その類似性を利用して粒子追跡（Particle Tracking）を行うものである。
一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００により生成された一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2）の粒子径分布、粒子速度分布に関しては、粒子の撮影画像の解析、例えば、直接撮影法（Direct-Imaging Techniques）による粒子径分布・数密度分布計測を行う二色レーザーＰＩＡ（Particle Image Analyzer）光学計測システムを使用した二次元化可視化画像計測などにより解析できる。ＰＩＡでは、例えば、図７に示したように規定領域ＣＲ（Control region）にて、飛翔しているＳＮ2粒子を顕微鏡レンズ等を用いて拡大撮影し、粒子像を画像解析することで粒子径と速度を測定する。例えば、二色レーザーＰＩＡ光学計測システムでは、二色レーザー、例えば、デュアルパルスＹＡＧレーザー、被写界深度チェック用色素レーザーなど、ＰＩＡ用高解像度カラーカメラ、ＰＩＡ画像解析ソフトウェアなどを使用できる。また、数値解析などの解析に、クラスタ型高速ワークステーションを使用した超並列計算による高負荷分散型コンピューティング（Grid Computing）手法を使用することが好ましく、ノズルの微粒化特性、例えば、粒径分布、数密度分布、流速・温度分布等を適切に定量的に評価することができる。
また、粒子速度の定量化には、ＰＴＶ（Particle Tracking Velocimetry）アルゴリズムを使用することができる。使用するＰＴＶアルゴリズムは、着目粒子像とその近傍の粒子像とから構成される粒子像群の分布パターンを考え、その類似性を利用して粒子追跡（Particle Tracking）を行うものである。
＜粒子径分布＞
図８は、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００により生成される一成分極低温微細固体粒子の粒子径の分布の一例を示す図である。詳細には、図８（ａ）は超音波をラバルノズル部１１に印加しない場合の一例を示す図、図８（ｂ）は超音波振動子による超音波をラバルノズル部１１に印加した場合の一例を示す図である。
ここでは、図７に示したように、噴孔直下から４．５ｍｍだけ下方位置から視野としての規定領域（横０．９２ｍｍ、縦０．７ｍｍ）で上記ＰＩＡ−ＰＴＶによる解析を行った。
図８（ａ）、図８（ｂ）においては、横軸（ｘ軸）に粒子直径ｄp〔μｍ〕を示し、左縦軸（ｙ1軸）に頻度ｆf〔％〕を示し、右縦軸（ｙ2軸）に累積ｆa〔％〕を示している。
図８は、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００により生成される一成分極低温微細固体粒子の粒子径の分布の一例を示す図である。詳細には、図８（ａ）は超音波をラバルノズル部１１に印加しない場合の一例を示す図、図８（ｂ）は超音波振動子による超音波をラバルノズル部１１に印加した場合の一例を示す図である。
ここでは、図７に示したように、噴孔直下から４．５ｍｍだけ下方位置から視野としての規定領域（横０．９２ｍｍ、縦０．７ｍｍ）で上記ＰＩＡ−ＰＴＶによる解析を行った。
図８（ａ）、図８（ｂ）においては、横軸（ｘ軸）に粒子直径ｄp〔μｍ〕を示し、左縦軸（ｙ1軸）に頻度ｆf〔％〕を示し、右縦軸（ｙ2軸）に累積ｆa〔％〕を示している。
超音波を印加しない場合と比較して、超音波振動子による超音波をラバルノズル部１１に加えて微粒化促進させた場合、最小粒子径の占める分布割合が大きいことが分かった。
超音波を印加しない場合（ｎｏｎ−ＵＬＡ）と比較して、超音波振動子をノズル１に設置した場合（ＵＬＡ）では、平均粒子径が約２．５％程度減少していることが分かった。
詳細には、超音波振動子による超音波をラバルノズル部１１に印加させない場合（ｎｏｎ−ＵＬＡ）、平均粒子径は４．１μｍであり、超音波振動子による超音波をラバルノズル部１１に印加した場合（ＵＬＡ）、平均粒子径が３．９μｍであった。
詳細には、超音波振動子による超音波をラバルノズル部１１に印加させない場合（ｎｏｎ−ＵＬＡ）、平均粒子径は４．１μｍであり、超音波振動子による超音波をラバルノズル部１１に印加した場合（ＵＬＡ）、平均粒子径が３．９μｍであった。
＜粒子速度分布＞
図９は、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００により生成される一成分極低温微細固体粒子の粒子速度分布の一例を示す図である。詳細には図９（ａ）は超音波振動子による超音波をラバルノズル部１１に印加した場合の一例を示す図、図９（ｂ）はラバルノズル部１１に超音波を印加しない場合の一例を示す図である。
図９（ａ）、図９（ｂ）においては、横軸（ｘ軸）に粒子速度Ｖp〔ｍ／ｓ〕を示し、左縦軸（ｙ1軸）に頻度ｆf〔％〕を示し、右縦軸（ｙ2軸）に累積ｆa〔％〕を示している。
同様に、図７に示したように、噴孔直下から４．５ｍｍだけ下方位置から視野としての規定領域（横０．９２ｍｍ、縦０．７ｍｍ）で上記ＰＩＡ−ＰＴＶによる解析を行った。
図９は、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００により生成される一成分極低温微細固体粒子の粒子速度分布の一例を示す図である。詳細には図９（ａ）は超音波振動子による超音波をラバルノズル部１１に印加した場合の一例を示す図、図９（ｂ）はラバルノズル部１１に超音波を印加しない場合の一例を示す図である。
図９（ａ）、図９（ｂ）においては、横軸（ｘ軸）に粒子速度Ｖp〔ｍ／ｓ〕を示し、左縦軸（ｙ1軸）に頻度ｆf〔％〕を示し、右縦軸（ｙ2軸）に累積ｆa〔％〕を示している。
同様に、図７に示したように、噴孔直下から４．５ｍｍだけ下方位置から視野としての規定領域（横０．９２ｍｍ、縦０．７ｍｍ）で上記ＰＩＡ−ＰＴＶによる解析を行った。
ｎｏｎ−ＵＬＡの場合と比較して、ＵＬＡの場合の粒子速度は小さいことが分かる。一成分方式（ＬＮ2−ＧＮ2）によって生成されたＳＮ2粒子は比較的希薄であり、粒子径が小さく、周囲の流体に追従しやすくなるため、粒子速度が減少したと考えられる。また、微小な粒子径により、慣性力による加速が効きにくいので、さらに粒子速度が減少したと考えられる。
＜洗浄装置２００の動作＞
図１０は本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を採用した半導体洗浄装置２００の一例を示す図である。詳細には、図１０（ａ）は半導体基板の表面のフォトレジストを除去するためにＳＮ2粒子を半導体基板の表面に略垂直に衝突させる場合を示す図、図１０（ｂ）は半導体基板の表面へＳＮ2粒子を斜めに衝突させる場合を示す図である。図１１は、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を採用した半導体洗浄装置２００で洗浄された半導体基板の表面の一例を示す図である。詳細には、図１１は、電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）にて半導体基板の表面を撮影した画像である。
図１０は本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を採用した半導体洗浄装置２００の一例を示す図である。詳細には、図１０（ａ）は半導体基板の表面のフォトレジストを除去するためにＳＮ2粒子を半導体基板の表面に略垂直に衝突させる場合を示す図、図１０（ｂ）は半導体基板の表面へＳＮ2粒子を斜めに衝突させる場合を示す図である。図１１は、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を採用した半導体洗浄装置２００で洗浄された半導体基板の表面の一例を示す図である。詳細には、図１１は、電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）にて半導体基板の表面を撮影した画像である。
半導体洗浄装置２００は、洗浄対象物２０１として、半導体基板５０の表面に配線５１およびレジスト５２を有する基体、詳細には、レジスト：５００ｎｍ／Ｐｏｌｙ−Ｓｉ：１５０ｎｍ／ＳｉＯ2：６ｎｍ／Ｓｉ（剥離前の状態）をヒータ２により約１００℃以上、本実施形態では約２７７℃まで加熱後、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００のノズル１から噴射した極低温の微細固体窒素粒子（ＳＮ2粒子）を含む噴霧流を半導体基板５０の表面のレジスト５２に衝突させることで、レジスト５２の剥離を行った。ノズル１には、例えば周波数４５ｋＨｚ、振幅3３０μｍの超音波を付加して、噴霧流中の極低温の窒素粒子（ＳＮ2粒子）を細粒化している。
図１１に示したように、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００が、極低温の過冷却液体窒素（ＬＮ2）と、極低温窒素ガス（ＧＮ2）とにより生成した一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2）を含む噴霧流を半導体基板５０のレジスト５２に衝突させることで、レジスト５２を剥離することができ高い洗浄効果が得られることが分かった。
つまり、寒剤として極低温のヘリウムガス（ＧＨｅ）を用いることなく、極低温の過冷却液体窒素（ＬＮ2）と、極低温窒素ガス（ＧＮ2）とにより生成した一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2）を含む噴霧流を、洗浄対象物に噴射することで、非常に高い洗浄効果が得られる。
この非常に高い洗浄効果は、（１）高い数密度、略球形状、高い硬度の一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2粒子）を含む極低温の高速の噴霧流を、非常に高いエネルギーで半導体基板５０のレジストに衝突させたこと、（２）半導体基板５０をヒータ２にて加熱後、極低温微細固体窒素粒子（ＳＮ2粒子）を衝突させることにより超高熱流束冷却に基づくレジストの熱収縮効果により剥離力が増大したこと、（３）超音波振動子６による超音波のラバルノズル部１１への印加による、氷核形成の促進効果、および、微粒子化促進効果、なども要因として考えられる。また、（４）極低温マイクロソリッド粒子（ＳＮ2粒子）の液相変化による液ジェット流によるレジストミキシングによる剥離、（５）極低温マイクロソリッド粒子（ＳＮ2粒子）の固−液相変化から気相への蒸気相変化に基づく体膨張・拡散効果によるレジストはく離、（６）半導体基板（ウエハ）近傍に存在する極低温マイクロソリッド粒子が誘起する微小熱対流による剥離レジストの再付着防止機構なども要因として考えられる。
さらに、極低温窒素ガス（ＧＮ2）の圧力を上げるなどの処理を行うことにより、極低温微細固体窒素粒子（ＳＮ2粒子）の粒子数密度を大きくする、より高い粒子速度とする、などにより、洗浄効果（レジスト除去効果）をさらに向上させることができる。
尚、半導体基板５０の表面のフォトレジスト５２を除去するために、例えば、図１０（ａ）に示したように、ＳＮ2粒子を半導体基板５０の表面に略垂直に衝突させてもよいし、図１０（ｂ）に示したように、半導体基板５０の表面へＳＮ2粒子を斜めに衝突させてもよい。この衝突角度は、各条件に応じて適宜設定することで、洗浄対象物への洗浄効果が最適となるようにしてもよい。
また、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を採用した半導体洗浄装置２００によれば、完全ケミカルフリー・純粋フリータイプのドライ型アッシングレスの洗浄装置を提供することができる。
また、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を採用した半導体洗浄装置２００によれば、半導体基板（ウエハ）など洗浄対象物の表面において、例えば、３０〜５０ｎｍ程度の微小なサイズで良好に洗浄を行うことができる。
また、この洗浄装置２００によれば、例えば、次世代型３次元ゲート構造などの微細な配線パターンが形成された半導体基板に対して高い洗浄効果を得ることができる。
また、窒素（Ｎ2）は不活性ガスであるので、洗浄装置２００によれば、チャージングダメージをほとんど生ずることなく、洗浄対象物に対して洗浄を行うことができる。このため、新Ｌｏｗ−ｋ材料へのダメージが少ない。
また、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を採用した半導体洗浄装置２００によれば、半導体基板（ウエハ）など洗浄対象物の表面において、例えば、３０〜５０ｎｍ程度の微小なサイズで良好に洗浄を行うことができる。
また、この洗浄装置２００によれば、例えば、次世代型３次元ゲート構造などの微細な配線パターンが形成された半導体基板に対して高い洗浄効果を得ることができる。
また、窒素（Ｎ2）は不活性ガスであるので、洗浄装置２００によれば、チャージングダメージをほとんど生ずることなく、洗浄対象物に対して洗浄を行うことができる。このため、新Ｌｏｗ−ｋ材料へのダメージが少ない。
以上、説明したように、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００（微粒子生成装置）は、極低温の過冷却液体としての過冷却液体窒素（ＬＮ2）と、その過冷却液体と同一の元素で構成される極低温気体としての極低温窒素ガス（ＧＮ2）とにより、一成分極低温微細固体粒子を連続して生成する。
詳細には、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００は、過冷却液体と、極低温気体の高速流とを混合して一成分混相流を生成する混合部１０と、混合部１０の下流に設けられ、その混合部１０で生成された一成分混相流から極低温微細固体粒子を含む噴霧流を生成するラバルノズル部１１と、を有する。このラバルノズル部１１は、混合部１０で生成された一成分混相流を導入する導入部１１ａと、導入部１１ａの下流側に設けられ導入部１１ａの開口断面積よりも小さい開口断面積の縮径部１１ｂ（スロート部）と、縮径部１１ｂの下流側に設けられその縮径部１１ｂより開口断面積よりも大きい開口断面積に形成され、且つ、下流側に向かって拡開した形状の噴射部１１ｃと、を有する。
そして、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００は、噴射部１１ｃにて、一成分混相流を音速を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成する。
このように、噴射部１１ｃにて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成することができるので、寒剤として極低温ヘリウムを用いることなく、簡単な構成で、安価に、一成分で極低温の微細固体粒子を連続生成可能な一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を提供することができる。
詳細には、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００は、過冷却液体と、極低温気体の高速流とを混合して一成分混相流を生成する混合部１０と、混合部１０の下流に設けられ、その混合部１０で生成された一成分混相流から極低温微細固体粒子を含む噴霧流を生成するラバルノズル部１１と、を有する。このラバルノズル部１１は、混合部１０で生成された一成分混相流を導入する導入部１１ａと、導入部１１ａの下流側に設けられ導入部１１ａの開口断面積よりも小さい開口断面積の縮径部１１ｂ（スロート部）と、縮径部１１ｂの下流側に設けられその縮径部１１ｂより開口断面積よりも大きい開口断面積に形成され、且つ、下流側に向かって拡開した形状の噴射部１１ｃと、を有する。
そして、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００は、噴射部１１ｃにて、一成分混相流を音速を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成する。
このように、噴射部１１ｃにて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成することができるので、寒剤として極低温ヘリウムを用いることなく、簡単な構成で、安価に、一成分で極低温の微細固体粒子を連続生成可能な一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を提供することができる。
また、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００は、ラバルノズル部１１に超音波を印加する超音波振動子６を有する。この超音波振動子６で生成した超音波をラバルノズル部１１に印加することで、ラバルノズル部１１内の一成分混相流にキャビテーションを発生させ、一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2粒子）の氷核生成を促進し、且つ、微小均一粒子径の略球形状の一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2粒子）の微細化を促進することができる。
また、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００は、ラバルノズル部１１の全部または一部を外気に対して真空断熱する断熱部５を有する。詳細には、ノズル１、液体窒素導管３、窒素ガス導管４の先端部付近が真空断熱部５内に収容されており、ノズル１や液体窒素導管３、窒素ガス導管４の温度上昇を低減した構造となっている。このため簡単な構造で、比較的長時間、安定して一成分極低温微細固体粒子を含む高速噴霧流をノズル１のラバルノズル部１１から噴射させることが可能な一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を提供することができる。
また、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００は、ラバルノズル部１１の全部または一部を外気に対して真空断熱する断熱部５を有する。詳細には、ノズル１、液体窒素導管３、窒素ガス導管４の先端部付近が真空断熱部５内に収容されており、ノズル１や液体窒素導管３、窒素ガス導管４の温度上昇を低減した構造となっている。このため簡単な構造で、比較的長時間、安定して一成分極低温微細固体粒子を含む高速噴霧流をノズル１のラバルノズル部１１から噴射させることが可能な一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を提供することができる。
また、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００は、ラバルノズル部１１の先端部にスパイラルノズル１８を備えていてもよい。ラバルノズル部１１の先端部にスパイラルノズル１８を設けることにより、さらに、一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2）を微細化させることができる。
また、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を採用した洗浄装置（半導体洗浄装置２００）は、例えば、可動ステージ２２０などに載置された洗浄対象物（半導体基板など）の表面に、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００で生成した一成分極低温微細固体粒子を含む高速噴霧流を衝突させることで、洗浄対象物（半導体基板など）の表面を洗浄する洗浄手段（ラバルノズル部１１など）を有する。
このように、寒剤として極低温のヘリウムガス（ＧＨｅ）を用いることなく、極低温の過冷却液体窒素（ＬＮ2）と、極低温窒素ガス（ＧＮ2）とにより生成した一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2）を含む噴霧流を、洗浄対象物に噴射することで、高い洗浄効果を得ることができる半導体洗浄装置２００を提供することができる。本発明に係る洗浄装置２００は、極低温のヘリウムガスを用いずに安価に、簡単に洗浄を行うことができ、さらに、半導体ウエハの洗浄に極低温のヘリウムガスを使用した後、ヘリウムと窒素を分離する必要がない。
また、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を採用した洗浄装置（半導体洗浄装置２００）は、上述したように、流速１００ｍ／ｓオーダのマイクロ・ナノソリッド粒子である一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2粒子）による運動力学的高速衝突と、極低温粒1子流の有する高機能熱流動特性を利用しているので、完全ケミカルフリー、純粋フリータイプ、ドライ型レジストはく離・洗浄を行うことができる。
また、一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を採用した洗浄装置（半導体洗浄装置２００）は、上述したように、流速１００ｍ／ｓオーダのマイクロ・ナノソリッド粒子である一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2粒子）による運動力学的高速衝突と、極低温粒1子流の有する高機能熱流動特性を利用しているので、完全ケミカルフリー、純粋フリータイプ、ドライ型レジストはく離・洗浄を行うことができる。
また、本発明の実施形態に係る一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００の一成分極低温微細固体粒子連続生成方法は、混合部１０により、過冷却液体としての過冷却液体窒素（ＬＮ2）と、極低温気体としての極低温窒素ガス（ＧＮ2）の高速流とを混合して一成分混相流（ＬＮ2−ＧＮ2）を生成するステップと、ラバルノズル部１１に一成分混相流（ＬＮ2−ＧＮ2）を導入して、ラバルノズル部１１の噴射部１１ｃにて、一成分混相流（ＬＮ2−ＧＮ2）を音速を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子（ＳＮ2）を含む噴霧流を連続して生成するステップと、を有する。
すなわち、寒剤として極低温ヘリウムを用いることなく、簡単に、一成分で極低温の微細固体粒子（ＳＮ2）を連続生成可能な一成分極低温微細固体粒子連続生成方法を提供することができる。
すなわち、寒剤として極低温ヘリウムを用いることなく、簡単に、一成分で極低温の微細固体粒子（ＳＮ2）を連続生成可能な一成分極低温微細固体粒子連続生成方法を提供することができる。
尚、上記実施形態では、窒素（Ｎ2）を用いた一成分極低温微細固体粒子連続生成装置１００を示したが、この形態でなくともよい。例えば、水素（Ｈ2）、酸素（Ｏ2）、アルゴン（Ａｒ）などを採用してもよい。
例えば、水素（Ｈ2）を採用した場合、極低温の過冷却液体水素（ＧＨ2）と極低温水素ガス（ＬＨ2）の一成分混相流を高速にラバルノズル部内に導入し、ラバルノズル部の噴射部にて、一成分混相流を音速（混相流の音速）を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成する。
酸素（Ｏ2）を採用した場合、極低温の過冷却液体酸素（ＧＯ2）と極低温酸素ガス（ＬＯ2）の一成分混相流を高速にラバルノズル部内に導入し、ラバルノズル部の噴射部にて、一成分混相流を音速（混相流の音速）を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成する。
アルゴン（Ａｒ）を採用した場合、極低温の過冷却液体アルゴンと極低温アルゴンガスの一成分混相流を高速にラバルノズル部内に導入し、ラバルノズル部の噴射部にて、一成分混相流を音速（混相流の音速）を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成する。
例えば、水素（Ｈ2）を採用した場合、極低温の過冷却液体水素（ＧＨ2）と極低温水素ガス（ＬＨ2）の一成分混相流を高速にラバルノズル部内に導入し、ラバルノズル部の噴射部にて、一成分混相流を音速（混相流の音速）を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成する。
酸素（Ｏ2）を採用した場合、極低温の過冷却液体酸素（ＧＯ2）と極低温酸素ガス（ＬＯ2）の一成分混相流を高速にラバルノズル部内に導入し、ラバルノズル部の噴射部にて、一成分混相流を音速（混相流の音速）を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成する。
アルゴン（Ａｒ）を採用した場合、極低温の過冷却液体アルゴンと極低温アルゴンガスの一成分混相流を高速にラバルノズル部内に導入し、ラバルノズル部の噴射部にて、一成分混相流を音速（混相流の音速）を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成する。
尚、極低温とは、一般的な低温（０℃）よりも低い温度であり、且つ、窒素、水素、ヘリウム、アルゴンなどの標準気圧での沸点程度以下の温度である。詳細には、例えば、窒素（Ｎ2）を用いた場合、標準気圧での窒素の沸点である７７．３６Ｋ（−１９５．７９℃）程度以下の温度であり、水素（Ｈ2）を用いた場合、標準気圧での水素の沸点である２０．２８Ｋ（−２５２．８７℃）程度以下の温度であり、酸素（Ｏ2）を用いた場合、標準気圧での酸素の沸点である９０．２Ｋ（−１８２．９６℃）程度以下の温度であり、アルゴン（Ａｒ）を用いた場合、８３．８０Ｋ（−１８９．３５℃）程度以下の温度である。
また、本実施形態では、極低温の過冷却液体を用いたが、この形態に限られるものではなく、例えば、過冷却状態でない、極低温の液体を用いてもよい。尚、極低温の過冷却液体を用いることにより、短時間に、容易に、一成分極低温微細固体粒子を生成することが可能である。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
また、上述の各図で示した実施形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。
また、各図の記載内容はそれぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。
また、上述の各図で示した実施形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。
また、各図の記載内容はそれぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態の一部または全部は、以下の付記のように記載される。
［付記１］
極低温の過冷却液体と、該過冷却液体と同一の元素で構成される極低温気体とにより、一成分極低温微細固体粒子を連続して生成する一成分極低温微細固体粒子連続生成装置であって、
前記過冷却液体と、前記極低温気体の高速流とを混合して一成分混相流を生成する混合部と、
前記混合部の下流に設けられ、該混合部で生成された前記一成分混相流から極低温微細固体粒子を含む噴霧流を生成するラバルノズル部と、を有し、
前記ラバルノズル部は、前記混合部で生成された前記一成分混相流を導入する導入部と、
前記導入部の下流側に設けられ該導入部の開口断面積よりも小さい開口断面積の縮径部と、
前記縮径部の下流側に設けられ該縮径部より開口断面積よりも大きい開口断面積に形成され、且つ、下流側に向かって拡開した形状の噴射部と、を有し、
前記噴射部にて、前記一成分混相流を音速を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成することを特徴とする
一成分極低温微細固体粒子連続生成装置。
［付記２］
前記ラバルノズル部に超音波を印加する超音波振動子を有することを特徴とする付記１に記載の一成分極低温微細固体粒子連続生成装置。
［付記３］
前記ラバルノズル部の全部または一部を外気に対して真空断熱する断熱部を有することを特徴とする付記１または付記２に記載の一成分極低温微細固体粒子連続生成装置。
［付記４］
前記ラバルノズル部の先端部にスパイラルノズルが設けられていることを特徴とする付記１から付記３のいずれかに記載の一成分極低温微細固体粒子連続生成装置。
［付記５］
付記１から付記４のいずれかに記載の一成分極低温微細固体粒子連続生成装置により生成した前記一成分極低温微細固体粒子を含む高速噴霧流を、半導体基板の表面に衝突させて、該半導体基板の表面を洗浄する洗浄手段を有することを特徴とする
半導体洗浄装置。
［付記６］
極低温の過冷却液体と、該過冷却液体と同一の元素で構成される極低温気体とにより、一成分極低温微細固体粒子を連続して生成する一成分極低温微細固体粒子連続生成装置の一成分極低温微細固体粒子連続生成方法であって、
前記一成分極低温微細固体粒子連続生成装置は、前記過冷却液体と、前記極低温気体の高速流とを混合して一成分混相流を生成する混合部と、
前記混合部の下流に設けられ、該混合部で生成された前記一成分混相流から極低温微細固体粒子を含む噴霧流を生成するラバルノズル部と、を有し、
前記ラバルノズル部は、前記混合部で生成された前記一成分混相流を導入する導入部と、
前記導入部の下流側に設けられ該導入部の開口断面積よりも小さい開口断面積の縮径部と、
前記縮径部の下流側に設けられ該縮径部より開口断面積よりも大きい開口断面積に形成され、且つ、下流側に向かって拡開した形状の噴射部と、を有し、
前記混合部により、前記過冷却液体と、前記極低温気体の高速流とを混合して一成分混相流を生成するステップと、
前記ラバルノズル部に前記一成分混相流を導入して、前記噴射部にて、前記一成分混相流を音速を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成するステップと、を有することを特徴とする
一成分極低温微細固体粒子連続生成方法。
［付記１］
極低温の過冷却液体と、該過冷却液体と同一の元素で構成される極低温気体とにより、一成分極低温微細固体粒子を連続して生成する一成分極低温微細固体粒子連続生成装置であって、
前記過冷却液体と、前記極低温気体の高速流とを混合して一成分混相流を生成する混合部と、
前記混合部の下流に設けられ、該混合部で生成された前記一成分混相流から極低温微細固体粒子を含む噴霧流を生成するラバルノズル部と、を有し、
前記ラバルノズル部は、前記混合部で生成された前記一成分混相流を導入する導入部と、
前記導入部の下流側に設けられ該導入部の開口断面積よりも小さい開口断面積の縮径部と、
前記縮径部の下流側に設けられ該縮径部より開口断面積よりも大きい開口断面積に形成され、且つ、下流側に向かって拡開した形状の噴射部と、を有し、
前記噴射部にて、前記一成分混相流を音速を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成することを特徴とする
一成分極低温微細固体粒子連続生成装置。
［付記２］
前記ラバルノズル部に超音波を印加する超音波振動子を有することを特徴とする付記１に記載の一成分極低温微細固体粒子連続生成装置。
［付記３］
前記ラバルノズル部の全部または一部を外気に対して真空断熱する断熱部を有することを特徴とする付記１または付記２に記載の一成分極低温微細固体粒子連続生成装置。
［付記４］
前記ラバルノズル部の先端部にスパイラルノズルが設けられていることを特徴とする付記１から付記３のいずれかに記載の一成分極低温微細固体粒子連続生成装置。
［付記５］
付記１から付記４のいずれかに記載の一成分極低温微細固体粒子連続生成装置により生成した前記一成分極低温微細固体粒子を含む高速噴霧流を、半導体基板の表面に衝突させて、該半導体基板の表面を洗浄する洗浄手段を有することを特徴とする
半導体洗浄装置。
［付記６］
極低温の過冷却液体と、該過冷却液体と同一の元素で構成される極低温気体とにより、一成分極低温微細固体粒子を連続して生成する一成分極低温微細固体粒子連続生成装置の一成分極低温微細固体粒子連続生成方法であって、
前記一成分極低温微細固体粒子連続生成装置は、前記過冷却液体と、前記極低温気体の高速流とを混合して一成分混相流を生成する混合部と、
前記混合部の下流に設けられ、該混合部で生成された前記一成分混相流から極低温微細固体粒子を含む噴霧流を生成するラバルノズル部と、を有し、
前記ラバルノズル部は、前記混合部で生成された前記一成分混相流を導入する導入部と、
前記導入部の下流側に設けられ該導入部の開口断面積よりも小さい開口断面積の縮径部と、
前記縮径部の下流側に設けられ該縮径部より開口断面積よりも大きい開口断面積に形成され、且つ、下流側に向かって拡開した形状の噴射部と、を有し、
前記混合部により、前記過冷却液体と、前記極低温気体の高速流とを混合して一成分混相流を生成するステップと、
前記ラバルノズル部に前記一成分混相流を導入して、前記噴射部にて、前記一成分混相流を音速を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成するステップと、を有することを特徴とする
一成分極低温微細固体粒子連続生成方法。
１ ノズル
３ 液体窒素導管
３ａ バルブ
４ 窒素ガス導管
４ａ バルブ
５ 断熱部（真空断熱部）
６ 超音波振動子
６ａ 超音波振動生成部
６ｂ 超音波伝達部
７ 可動皿部
１０ 混合部
１１ ラバルノズル部（ラバール・ノズル）
１１ａ 導入部
１１ｂ 縮径部（スロート部）
１１ｃ 噴射部（拡開部）
１８ スパイラルノズル
４５ 隙間
５０ 半導体基板（洗浄対象物）
１００ 一成分極低温微細固体粒子連続生成装置（微細粒子生成装置）
２００ 半導体洗浄装置（洗浄装置）
２０１ 洗浄対象物
２１０ 枠体
２２０ 可動ステージ
３ 液体窒素導管
３ａ バルブ
４ 窒素ガス導管
４ａ バルブ
５ 断熱部（真空断熱部）
６ 超音波振動子
６ａ 超音波振動生成部
６ｂ 超音波伝達部
７ 可動皿部
１０ 混合部
１１ ラバルノズル部（ラバール・ノズル）
１１ａ 導入部
１１ｂ 縮径部（スロート部）
１１ｃ 噴射部（拡開部）
１８ スパイラルノズル
４５ 隙間
５０ 半導体基板（洗浄対象物）
１００ 一成分極低温微細固体粒子連続生成装置（微細粒子生成装置）
２００ 半導体洗浄装置（洗浄装置）
２０１ 洗浄対象物
２１０ 枠体
２２０ 可動ステージ
Claims (4)
- 窒素、水素、酸素、アルゴンのいずれか一つの極低温の過冷却液体と、該過冷却液体と同一の元素で構成される極低温気体とにより、一成分極低温微細固体粒子を連続して生成する一成分極低温微細固体粒子連続生成装置であって、
前記過冷却液体と、前記極低温気体の高圧・高速流とを混合して一成分混相流を生成する混合部と、
前記混合部の下流に設けられ、該混合部で生成された前記一成分混相流から極低温微細固体粒子を含む噴霧流を生成するラバルノズル部と、を有し、
前記ラバルノズル部は、前記混合部で生成された前記一成分混相流を導入する導入部と、
前記導入部の下流側に設けられ該導入部の開口断面積よりも小さい開口断面積の縮径部と、
前記縮径部の下流側に設けられ該縮径部の開口断面積よりも大きい開口断面積に形成され、且つ、下流側に向かって拡開した形状の噴射部と、を有し、
前記噴射部にて、前記一成分混相流を音速を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成することを特徴とする
一成分極低温微細固体粒子連続生成装置。 - 前記ラバルノズル部に超音波を印加する超音波振動子を有することを特徴とする請求項１に記載の一成分極低温微細固体粒子連続生成装置。
- 請求項１または請求項２に記載の一成分極低温微細固体粒子連続生成装置により生成した前記一成分極低温微細固体粒子を含む高速噴霧流を、半導体基板の表面に衝突させて、該半導体基板の表面を洗浄する洗浄手段を有することを特徴とする
半導体洗浄装置。 - 窒素、水素、酸素、アルゴンのいずれか一つの極低温の過冷却液体と、該過冷却液体と同一の元素で構成される極低温気体とにより、一成分極低温微細固体粒子を連続して生成する一成分極低温微細固体粒子連続生成装置の一成分極低温微細固体粒子連続生成方法であって、
前記一成分極低温微細固体粒子連続生成装置は、前記過冷却液体と、前記極低温気体の高圧・高速流とを混合して一成分混相流を生成する混合部と、
前記混合部の下流に設けられ、該混合部で生成された前記一成分混相流から極低温微細固体粒子を含む噴霧流を生成するラバルノズル部と、を有し、
前記ラバルノズル部は、前記混合部で生成された前記一成分混相流を導入する導入部と、
前記導入部の下流側に設けられ該導入部の開口断面積よりも小さい開口断面積の縮径部と、
前記縮径部の下流側に設けられ該縮径部の開口断面積よりも大きい開口断面積に形成され、且つ、下流側に向かって拡開した形状の噴射部と、を有し、
前記混合部により、前記過冷却液体と、前記極低温気体の高速流とを混合して一成分混相流を生成するステップと、
前記ラバルノズル部に前記一成分混相流を導入して、前記噴射部にて、前記一成分混相流を音速を超えた状態で断熱膨張させて、一成分極低温微細固体粒子を含む噴霧流を連続して生成するステップと、を有することを特徴とする
一成分極低温微細固体粒子連続生成方法。
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