種々の外乱によるサブミクロン粒子の壁からの発塵
研究代表者 江見 準
雑誌名 平成3(1991)年度 科学研究費補助金 一般研究(C) 研究成果報告書
巻 1990‑1991
ページ 89p.
報告年度 1992‑03
研究課題番号 02650681
URL http://doi.org/10.24517/00048952
Creative Commons : 表示 ‑ 非営利 ‑ 改変禁止 http://creativecommons.org/licenses/by‑nc‑nd/3.0/deed.ja
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」
種々の外乱によるサブミクロン粒子の壁から発塵
0 2 6 5 0 6 8 1
平成3年度科学研究費補助金（一般研究c)研究成果報告書
平成4年3月
研 究 代 表 者 江 見 準 (金沢大学工学部教授）
噸
19研 究 組 織
研究代表者：江見準（金沢大学工学部教授）
研究分担者：大谷吉生（金沢大学工学部講師）
研究経費
平成2年度 平成3年度
計
円円円千千千００００００９４３
１２
研 究 発 表 ア 学 会 誌 等
H.EmiandY・Otani,''WaferSurfaceCleaningbyPulseAirJet'',
AerosolScienceandT℃cmology(発表予定）
イ ロ 頭 発 表
(1)大谷吉生、江見準、森実哲也、「表面からの微小粒子の 飛散と乾式表面洗浄」、化学工学会、平成3年10月17日 (2)大谷吉生、江見準、森実哲也、「パルスジエツトによる
ウエハ表面の乾式表面洗浄」、化学工学会、平成4年4月4日
（発表予定）
拳
金沢大学附属図書館 8000−15350−5
研 究 成 果
種々の外乱によるサブミクロン粒子の 壁から発塵
目 次
緒 論 1
第 1 章 既 往 の 研 究 3
粒 子 の 付 着 性
‑1vanderWaalsJJ
‑ − 2 静 電 気 力 一 ・ 3 液 架 橋 力 粒 子 の 飛 散 機 織 洗 浄 技 術
− 1 汚 染 物 と そ の 発 生 源
− 2 湿 式 洗 浄
− 3 乾 式 洗 浄
３３７８９
1 − − 1
１１−−１１
1 − ‐ 1
３３３
２３−一一一−１１１１１
15１１ ５６
17
第 2 章 気 流 に よ る 管 壁 付 着 微 小 粒 子 の 飛 散 18
2 − ‐ 」 ． 実 験 装 置
2 − 1 − 1 実 験 装 置 の フ ロ ー チ ャ ー ト 2 − 1 − 2 テ ス ト セ ク シ ョ ン （ 矩 形 流 路 ） 2 − 1 … ‐ 3 エ ア ロ ゾ ル 粒 子 発 生 装 置 2 − 2 実 験 方 法 お よ び 条 件
2 − 2 − 1 平 板 上 か ら の 飛 散
2 − ． 2 − 2 平 板 上 に あ る 突 起 物 か ら の 飛 散
18 18 20 21 21 21 23 23 23 24 24 25
2 − 2 − 3 急 激 な 速 度 変 動 を 与 え た 場 合 の 飛 散 2 − 2 − 4 実 験 条 件
2 − ． 3 実 験 結 果 お よ び 考 察 2 − 3 − 1 飛 散 率 の 定 義 2 − 3 − 2 飛 散 率 の 経 時 変 化
二 子 ● ニ ュ ー 一 一 一 一 一 b 一 一 ・ 一 ・ ｡ − ● 一 旬 . 一 ● 一 り ● − 争 ● ﾛ ｡ 一 一 一 ● − − 一 己 ･ 一一 口 ‐ ロ F 一 ＝ ロ ー − 一 一 一 一 ！ ■ 『 一 一 守 一a ー ･ 色 − − → − ． − 0 ■ ■ 口 一 ・ 一 ・ 一 一 一 ｡ 一 一 一 ・ ‑ 一 二 一 一 一 一 一 二 一 い ● 一 一 ー ▽ 旬 申 一 一 一 一 ● 一 一 一 一 一 一 − ・ 一 − 一 一 一 ・ ■ ■ 一 一 一 . −
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平 板 上 か ら の 単 一 粒 子 の 飛 散 平 板 上 か ら の 凝 集 粒 子 の 飛 散 突 起 物 か ら の 粒 子 の 飛 散
急 激 な 速 度 変 動 を 与 え た 場 合 の 粒 子 2 − 3 − 3 平 板 上 か ら の 単 一 粒 子
2 − 3 ‐ 4 平 板 上 か ら の 凝 集 粒 子 2 − 3 − 5 突 起 物 か ら の 粒 子 の 飛 2 − 3 − 6 急 激 な 速 度 変 動 を 与 え
の 飛 散
2 − 3 − 7 粒 子 の 付 着 力 と 飛 散 率
第 3 章 パ ル ス エ ア ジ エ ツ ト に よ る 表 面 の 洗 浄
3 − 1 実 験 装 置 お よ び 方 法
3 − 1 − ． 1 実 験 装 置 の フ ロ ー チ ャ ー ト 3 − 1 − 2 矩 形 ノ ズ ル
3 − 1 − 3 実 験 方 法 3 − 2 実 験 条 件 の 設 定
3 − 2 − 1 洗 浄 領 域 と 飛 散 率 の 定 義 3 − 2 − 2 ノ ズ ル ー 表 面 間 距 離 3 − 2 − 3 ノ ズ ル 噴 射 角 度 3 − 2 − 4 ジ ェ ッ ト 噴 射 時 間 3 − 2 − 5 ジ ェ ッ ト 休 止 時 間 3 ‐ − ． 2 − 6 実 験 条 件
3 − 3 実 験 結 果 と 考 察
3 − − 3 − 1 パ ル ス ジ ェ ツ ト に よ る 洗 浄 結 果 3 ． − 3 ‐ ‐ 2 粒 子 飛 散 に 及 ぼ す パ ル ス ジ エ ツ ト
の 効 果 3 − 4 洗 浄 装 置 へ の 応 用
結 論
Nomenclature
29 31 33
36 38
44
44 44 45 49 50 51 55 57 58 59 61 61 62 66
73
77
79
References 83O O
− 一 − − − ． − ▲ 一 一 の 一 ・ 一 一 △ 一 一 一 . − ▲ 缶 一 一 一 一 一 一 一 一 一 △ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ・ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 → ー
厳〃↓・ﾉく．､j:g.l.･.i:.M
緒 論
半 導 体 や 磁 気 デ ィ ス ク ま た は バ イ オ テ ク ノ ロ ジ ー な ど の ハ イ テ ク ノ ロ ジ ー 産 業 で は 、 製 造 空 間 を 高 消 浄 に 保 つ こ と が 非 常 に 重 要 な 技 術 課 題 と な っ て お り 、 そ の た め の 環 境 づ く り に ク リ ー ン ル ー ム が 欠 か せ な い 存 在 と な っ て い る 。 こ れ ま で の ク リ ー ン 化 技 術 の 進 歩 に よ り 、 ク リ ー ン ル ー ム 内 の 空 気 清 浄 度 は 作 業 が 行 わ れ て い な い 無 負 荷 時 で は 、 比 較 的 容 易 に 初 期 の 目 的 値 を 達 成 す る こ と が 可 能 と な っ た が 、 作 業 者 が 行 き 来 し 機 械 が 作 動 す る 有 負 荷 時 に は 、 様 々 な 所 か ら の 発 塵 の た め に 空 気 清 浄 度 は 無 負 荷 時 に 比 （ て 常 に 1 〜 2 桁 悪 く な っ て い る 。 そ の た め 、 こ の 抑 制 策 と し て 、 ク リ ー ン ル ー ム 内 で の 防 塵 衣 の 使 用 、 気 流 の 制 御 、 振 動 ・ 衝 撃 の 防 止 な ど い ろ い ろ な 工 夫 は な さ れ て い る が 、 発 塵 源 の 特 定 や 発 塵 機 織 の 解 明 に 関 す る 基 礎 研 究 は ほ と ん ど 進 ん で
い な い の が 現 状 で あ る 。
‐ 一 般 に 、 壁 な ど に 付 着 し た 粒 径 数 # I n 以 下 の 微 小 粒 子 は 、 v a n d e r W a a l s 力 な ど に よ る 付 着 力 が 重 力 よ り も 支 配 的 と な り 、 余 程 の 強 い 外 乱 （ 飛 散 力 ） が 働 か な い 限 り 容 易 に 離 脱 し な い も の と
さ れ て い る 。 し か し な が ら 、 実 際 に は サ ブ ミ ク ロ ン 粒 子 の 発 塵 に 関 す る 現 場 か ら の 報 告 4 ） も さ れ て お り 、 こ の こ と は 発 塵 現 象 が 単 純 な 付 着 力 と 飛 散 力 の 力 の バ ラ ン ス の み で 表 現 で き な い こ
と を 物 語 っ て い る 。
ま た 、 半 導 体 素 子 の 高 集 積 化 ・ 微 細 化 は と ど ま る と こ ろ を 知 ら ず 、 今 や 1 6 M D R A M の 量 産 化 が 始 ま っ て い る 。 集 積 度 が 高 く な れ ば 、 そ れ に 伴 い 最 小 加 工 寸 法 も 微 細 化 し 、 例 え ば 、 6 4 K D R A M 素 子 の 加 工 寸 法 は 3 i m で あ る が 、 6 4 M D R A M に な る と 0 . 3 1 m に ま で 小 さ く な る た め に 、 こ れ ま で は 問 題 と な ら な か っ た よ う な 極 め て 微 小 な 粒 子 で さ え 製 品 性 能 に 対 し 重 大 な 問 題 を 引 き 起 こ す よ う に な っ て き て い る 。 こ の た め 、 製 品 の 歩 留 ま り を 向 上 さ せ る 点 で 、 洗 浄 技 術 の 重 要 性 が 再 認 識 さ れ 、 そ の 性
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能 向 上 が 強 く 望 ま れ て い る 。 洗 浄 技 術 は 湿 式 法 と 乾 式 法 に 大 別 さ れ る が 、 半 導 体 製 造 工 程 で の 洗 浄 方 法 と し て は 、 水 や 各 種 溶 剤 に よ る 湿 式 洗 浄 が 主 力 で あ る 。 し か し な が ら 、 こ の よ う な 洗 浄 剤 を 用 い た 場 合 、 洗 浄 過 程 で の 洗 浄 液 に よ る エ ッ チ ン グ や 乾 燥 過 程 で の 洗 浄 液 に 溶 解 し た 不 揮 発 性 物 質 の 析 出 な ど の 二 次 汚 染 を 招 く 恐 れ が あ り 、 ま た 、 各 種 溶 剤 の う ち 、 も っ と も 安 全 で 無 公 害 の 溶 剤 と し て 用 途 を 拡 大 し て き た フ ロ ン 系 溶 剤 が オ ゾ ン 層 の 破 壊 で 環 境 問 題 に 取 り 上 げ ら れ る な ど 、 溶 剤 洗 浄 を 取 り 巻 く 環 境 は 年 々 厳 し く な り つ つ あ る 。 し た が っ て 、 今 後 の 半 導 体 素 子 の 微 細 化 に 伴 う 超 ク リ ー ン 化 を 考 え れ ば 、 湿 式 洗 浄 に 代 わ る 乾 式 洗 浄 技 術 の 開 発 が 必 要 と な る 。 乾 式 法 は 湿 式 法 に 比 （ て 排 気 処 理 や 連 続 処 理 が 比 較 的 容 易 な こ と か ら 、 多 く の 工 程 で そ の 採 用 が 検 討 さ れ て い る が 、 湿 式 法 に 比 （ 除 去 対 象 物 に 対 す る 選 択 性 が 少 な い こ と か ら 、 現 時 点 で は あ ま り 実 用 化 さ れ て い な
い 。
本 研 究 で は 、 こ の よ う な ク リ ー ン 化 技 術 に 関 す る 諸 問 題 を 踏 ま え た 上 で 、 発 座 の 機 織 を 明 ら か に す る た め に 、 矩 形 流 路 内 の 壁 面 に 付 着 し た 粒 径 1 〜 5 β m 程 度 の 微 小 粒 子 を 気 流 に よ り 飛 散 さ せ る 実 験 を 行 い 、 管 壁 に 付 着 し た 微 小 粒 子 が ど の よ う な 条 件 下 で 飛 散 す る の か と い う 点 に 関 し て 実 験 的 な 検 討 を 行 っ た 。 そ し て 、 さ ら に こ の 飛 散 現 象 を 積 極 的 に 利 用 し て 表 面 に 付 着 し た サ ブ ミ ク ロ ン オ ー ダ ー 粒 子 を 乾 式 洗 浄 す る 技 術 を 開 発 す る た め に 、 矩 形 ノ ズ ル か ら の ジ ェ ッ ト 気 流 を 用 い て 微 小 粒 子 が 付 着 し た ウ
エ ハ 表 面 の 洗 浄 を 行 い 、 粒 子 の 飛 散 に 及 ぼ す ジ ェ ッ ト 気 流 の 特 性 や そ の 洗 浄 性 能 に つ い て 検 討 し た 。
ー 4ー
I
3
− − − − ． − − − − − − − − − −
第 1 章 既 往 の 研 究
粒 子 の 飛 散 は 、 粒 子 に 作 用 す る 外 力 が 、 粒 子 と 付 着 面 と の 間 に 生 じ る 付 着 力 よ り も 大 き い 場 合 に 起 こ る と 考 え ら れ る 。 し か し な が ら 、 そ の 付 ､ 着 力 は 、 粒 子 お よ び 付 着 面 の 形 状 や 性 質 、 そ し て 周 囲 の 雰 囲 気 に よ っ て 異 な る た め 、 定 量 化 す る の が 困 難 な 場 合 も あ る 。 ま た 一 般 に 、 管 壁 な ど に 付 着 し た 1 β m 以 下 の 粒 子 は 、 余 程 の 強 い 外 乱 が 働 か な い 限 り 飛 散 し な い と さ れ て い る が 、 実 際 に は こ の よ う な 微 小 粒 子 の 発 塵 に 関 す る 現 場 か ら の 報 告 が 多 く 、 こ の こ と は 発 塵 の メ カ ニ ズ ム が 単 純 で は な い こ と を 物 語 っ て い る 。 さ ら に 、 そ の 発 塵 に よ っ て 汚 染 さ れ た 製 品 の 表 面 を 洗 浄 す る の に も 、 よ り 効 果 的 な 方 法 が 要 求 さ れ る 。
以 下 、 こ の 章 で は 、 粒 子 の 付 着 性 と 飛 散 機 櫛 お よ び 洗 浄 技 術 に 関 す る 研 究 を 紹 介 す る 。
1 − 1 粒 子 の 付 着 性
気 相 中 で 働 く 粒 子 間 あ る い は 粒 子 一 表 面 間 付 着 力 に は 、 vanderWaals力、(2)静電気力、(3)液架橋力、(4)磁力、
固 体 架 橋 に よ る 力 な ど が 挙 げ ら れ る 。 そ こ で 、 こ こ で は ま 上 記 の 力 の 中 よ り 代 表 的 な ( 1 ) 〜 ( 3 ) の 付 着 力 に つ い て 、 そ 往 の 研 究 お よ び 付 着 力 の 概 要 に つ い て 述 べ る 。
1 − 1 ‑ 1 v a n d e r W a a l s 力
(1)
（5） ず、
の 既
電 気 的 に 中 性 な 原 子 ・ 分 子 で は 、 正 の 原 子 核 を と り ま く 負 の 電 子 雲 の ゆ ら ぎ か ら 瞬 間 的 に 双 極 子 と し て 働 き 、 こ れ が 相 手 の 原 子 ・ 分 子 の 電 子 配 置 に 影 響 し て 極 性 を 誘 起 す る こ と に よ っ て 互いに引き合う力を生じる。このLondon‑vanderWaalsJJ(以 後 、 v a n d e r W a a l s 力 と 呼 ぶ ） は 、 ミ ク ロ 的 あ る い は マ ク ロ 的 と
−
▼ − ■ 一 一 一 − ■ 一 一 ■ ー − ． . 一 一 一 ■ 一 ･ ･ ･ Q − − − − ． o
い う 二 つ の 理 論 か ら 導 出 さ れ て お り 、 ミ ク ロ 的 理 論 で は 、 原 子 や 分 子 あ る い は 小 さ な 粒 子 間 に 働 く 力 は そ れ ら の ミ ク ロ な 物 性 、 例 え ば 、 原 子 あ る い は 分 子 の 分 極 率 に 依 存 し 、 ま た マ ク ロ 的 理 論 で は 、 マ ク ロ な 物 体 間 に 働 く 力 は マ ク ロ 的 な 物 性 、 例 え ば 、 誘 電 率 に 依 存 す る 。 そ し て 物 質 に 固 有 の 値 で あ る H a m a k e r 定 数 A
を用いて、Hamaker7)¥Rosenfeldら12)によって様々な系にお けるvanderWaals力が導出されている(Tablel‑1)。
ここで、真空中の同種物質「i」間のHamaker定数をAヌハと表せ ば、異なる物質からなる物体（「1」と「2」）間のHamaker定数A,2は 次 式 で 表 さ れ る 。
A[2=(A!!A22)[/2 (1−6）
も し 両 物 質 が 真 空 中 で な く 媒 体 「 3 」 の 中 に あ る な ら ば 、 正 味 の Hamaker定数AI32は
A,32==A,2‑I‑A33‑A,3‑‑A23
ま た は
A!32=(A!{'/2‑A:33l/2)(A22'/2‑A:,:31／2）
(1−7）
(1−8）
で 与 え ら れ る 。
このHamaker定数に関しては、Gregory6)¥Visser14)により 多 く の 物 質 に つ い て 実 測 さ れ た り 、 他 の 物 性 値 か ら 計 算 さ れ て
い る 。 し た が っ て 、 H a m a k e r 定 数 と 分 離 距 離 Z o が 既 知 で あ れ ば 、 Tablel‑1に示したEq.(1‑1)〜(1‑5)などからvanderWaals力 を 計 算 で き る こ と に な る が 、 実 際 に は 、 H a m a k e r 定 数 は 計 算 に お け る 仮 定 や 実 験 方 法 の 相 違 に よ っ て 数 値 に 幅 が あ り 、 ま た 付 着 し た 物 体 間 の 分 離 距 離 は 実 測 が 非 常 に 困 難 で あ る た め 、 0 ． 4
1 n m の 範 囲 で 仮 定 し な け れ ば な ら な い ．
r−◆・・‑−0−．．一一寸q■ローー■。.･可｡｡●一 ■･一可･ー÷一一→一一・一.｡■■一一一 す｡●一一一丁今一・・一一名｡･･･一一一 ･･･一一ー'dー矛｡．・一一一一一.一寸一一.今一一一一一・一一−−．，. …･一dー:一一 ｡,写一一一一＝一ー一一 ー 。 ■ − − − ー ‐ 一 一 早 一 や 一 一 一 一 一 ● 1 ■ ● ■ −
Tablel‑1vanderWaalsmolecularinteractions.
1
迦褐24Zo
一‑−
‐＝．L､､‑....‑.｡．.‐..−.▲..､‑‑..‑･ーー.−−一一一一一一一一一−一一・口･･●−−−− ･−−一一一一一今一一一一
−
System IIlteraction
僻
．一一
ｖＦ
(1‑1)
Zo
Fv==
︑一 (1‑2)
③
e
Zo
■■■■
。
一
②
一 −
︑｜ノ
−
Fv一一 面缶羊呈:;界
X （dr+dp+2Zo−−dr ）l／2 (1‑3）
③
ZO
、 U
fa= 鵠差竺 (1‑4）
area‑6兀Zo
』』ﾆｰｰﾑｭ』;2" （1‑5）
こ の 他 、 接 触 点 に お け る 物 体 の 変 形 や 表 面 粗 さ も 、 v a n d e r W a a l s 力 に 大 き く 影 響 す る 。 硬 い 粒 子 に 比 べ て 軟 ら か い 粒 子 は 接 触 点 に お い て 変 形 し 接 触 面 積 が 増 加 す る た め 、 v a n d e r W a a l s 力 が 大 き く な る 。 例 え ば 、 P o l y s t y r e n e の よ う な 軟 ら か い 粒 子 の 場 合 、 粒 径 が 1 川 程 度 よ り 大 き く な る と 、 v a n d e r W a a l s 力 は 粒 径 の 2 乗 に 比 例 す る よ う に な る と も 言 わ れ て い る : ' ） 。
表 面 粗 さ の 影 響 も 粒 子 と 表 面 と の 接 触 面 積 の 問 題 で あ り 、 粗 さ の 性 質 に よ っ て か な り 左 右 さ れ る 。 F i g . 1 1 ( a ) の よ う に 表 面 の 凹 凸 が 粒 子 径 よ り も 小 さ い 場 合 に は 、 接 触 面 近 傍 に 存 在 す る 質 量 は 平 滑 面 の 場 合 に 比 （ て 少 な く な り 付 着 力 も 減 少 す る が 、 F i g . 1 ‑ 1 ( b ) の よ う に 表 面 の 凹 凸 が 粒 ･ 子 径 よ り も 大 き い 場 合 に は 、 接 触 面 積 が 増 加 す る た め に 付 着 力 は 強 く な る 。
以 上 の よ う な こ と が 、 v a n d e r W a a l s 力 を 特 定 す る こ と が 困 難 な 要 因 で あ る 。
〃
ソ
(a) (b)
Fig．1‑1Effectofsurfaceroughness.
■ 一 一 一 ● − − ● . ｲ ■ ■ 一 一 ● − 句 。 − ， ■ ■ ← 一 一 口 一 一 ● 一 一 一 ● G − − − 一 ｡ ■ ← ■ ■ b ● ● ● 一 一 一 一 ■ 。 ■ P ‑ p ● ｡ ● ‐ ■ − ● ｡ ‐ ‐ 一 ・ 昏 一 一 一 q ■ P ー
▽ 雫 ◆ ● ● F 一 一 一 一 言 一 ・ →▽ 一 一 一 ＝ ､ 勺 . ． 今 一 一 一 ﾞ ー ･ ■ ‐ 『 一 一 一 ‐ ‐ ・ − ． 一 一
1 − 1 − 2 静 電 気 力
ア
ｰ − ． − − ｰ ・ 昌 一 一 一 一 一 一 言 ･ ■ ー ･ ■ 一 寺 一 一 一 茸 一 一 つ ■ ■ ‑ ‑ ‑ , , ■ − − − ． − ． 一ら
粒 子 付 着 に 関 係 す る 静 電 気 的 な 力 と し て は 、 次 の 二 通 り の も の が あ る 。 一 つ は 粒 子 が 帯 電 し て い な く て も 、 異 種 物 質 の 粒 子 同 士 あ る い は 粒 子 と 物 体 表 面 が 接 触 し た た め に 生 じ る 接 触 電 位 差 に よ る も の で あ り 、 も う 一 つ は 粒 子 自 信 が 帯 電 し て い る た め に 働 く 影 像 力 （ ク ー ロ ン カ ） で あ る 。 前 者 の 場 合 は 、 二 つ の 異 種 物質間の仕事関数の違いにより、接触電位差（最大0.5V)を生じ る こ と に よ っ て 引 き 起 こ さ れ る 。 電 荷 は 粒 子 お よ び 物 体 表 面 の 表層で生成し、この電気二重層による力はBowling')によって
次 の よ う に 与 え ら れ て い る 。
F。!=7reo･(d,/2)･(V｡2/Zo) (1−9）
こ こ で 、 6 0 は 真 空 の 誘 電 率 、 V I : は 接 触 電 位 差 で あ る 。
後 者 の 場 合 は 、 粒 子 あ る い は 物 体 表 面 の 電 荷 に よ り 引 き 起 こ される。これは、帯電粒子とそのmimageoとのクーロンカに相
当 し 、 粒 子 の み が 帯 電 し て い る 場 合 の 櫛 電 気 的 な 付 着 力 は 、 Bowling')によって次のように与えられている。
F;"=q2/(47Ee･60(d,+2Z｡)2) (1−10）
こ こ で 、 e は 粒 子 と 物 体 表 面 と の 平 均 的 な 誘 電 率 、 q は 粒 子 の
帯 電 量 で あ る 。
一 般 に ど ち ら の 場 合 の 静 電 気 相 互 作 用 も 、 電 荷 の リ ー ク が 非 常に遅いか、あるいは、llamaker定数が比較的小さいポリマー‑‐
に は 重 要 で あ る 。
−ム..．.‑‑‑画●‐一一一一 .,e−争一 ﾛ.一一●.･･.少一一一一一一一G−一・・口.一一●◆一一 一.｡..−●一一一一一一一一・一・〜･一で･一●一・・一一.｡ 一▲一一一一一一一一一一一一一一一一一一一
−ろ一一一一Q一・一一一・･−−−．6−一元一一も−−．.←0−．･つ一一畢0..一・．ロー・b一一ー‐･ーーーー‐
1 − 1 − 3 液 架 橋 力
一 一 一 ロ ー ' ̲ ̲ ̲ 一 屋 − − 年 三 二 ‑ − ． 二 二 ‑ ' 一 一 ● 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ● ◇ − − − ． . 一 ・ 一 p 一
粒 子 と 付 着 表 面 の 接 触 部 ま た は 間 隙 部 に 液 体 が 存 在 す る と 、 Fig.1‑2のような液橋が形成され、液橋内部の毛管負圧と液の 表 面 張 力 に よ り 付 着 力 を 生 じ る 。 こ れ が 液 架 橋 力 で あ る 。 液 橋 は ろ 過 、 乾 燥 、 遠 心 分 離 、 造 粒 な ど の 単 位 操 作 中 で も 形 成 さ れ る が 、 水 蒸 気 な ど 、 粒 子 表 面 に 吸 着 し た 分 子 の 接 触 点 に お け る 毛 管 凝 縮 に よ っ て も 形 成 さ れ る 。 水 蒸 気 な ど の 場 合 、 明 確 で は な い が 、 相 対 湿 度 6 0 〜 7 0 ％ 程 度 か ら 液 橋 が 生 じ る と い わ れ て い る2）。
0
】ロ』l【
Fig．1‑2Capillaryforce.
液 橋 の 形 成 に よ る 付 着 力 は 、 毛 管 負 圧 に 起 因 し た 力 F I , と 表 面 張 力 に よ り 生 じ る F I v の 和 と し て 次 の よ う に 表 さ れ る 。
Fc=F1,‑l‑FIv
=27zdi,7!,cos6+2兀d,7!,sinSsin(8+6)(1‑11)
こ こ で 、 V I v は 液 体 の 表 面 張 力 、 子 面 へ の 液 橋 の 接 触 角 で あ る 。
= ▲ ● . 巴 ▲ . ‐ ● ﾏ ● の − 画 . − . ｡ ､ 一 一 = , ． ● 一 ､ ‑ ‑ 今 昌 ● ｡ . ●
β は 液 橋 の 半 中 心 角 、 6 は 粒
− ． 句 ｡ 一 一 ● ロ ー ● 一 一 ■ ● 一 ・ 一 一 一 ‑ 1 つ ･ 一 一 一 一 ・ 旬 一 一 一 一 一 → ｡ ． − ● 今 ' 一 一 一 一
一一3.‑‑.‑0一･･面一『一一一・・一号一一一・・一今一･･r一一=一.ローローーーーーr一一・一ー･了･･一一・一・・T･･･−−一 ･･一一ー一一言一一一一一÷一一・■ー････‑...‑つ｡ー・・'．｡.‑. 一...一・・一→−→q一.→一一 ･･‑.‑.‑−一一一一‑−−−ー一一一一p ･−
6 は 通 常 極 め て 小 さ い た め 、 E q . ( 1 ‑ 1 1 ) に お い て 、 第 二 項 は あ ま り 重 要 で は な く 、 β も 0 と 近 似 す る と 、 E q ． ( 1 ‑ 1 1 ) は 次 の よ う に な る 。
Fc＝2兀dI,7,v (1‑12)
ま た こ の 他 に も 、 液 架 橋 力 の 理 論 的 解 析 は 種 々 提 出 さ れ て お り、同一大の球形二粒子間の解析式はFisher5)､Rumpfら』！）に よ っ て 、 粒 径 比 、 の 球 形 二 粒 子 間 の 解 析 式 は 、 I i n o y a ら 8 ） に よ っ て 求 め ら れ て い る 。 た だ し 、 こ れ ら の 式 . は 液 橋 表 面 の 輪 郭 は 円 弧 で あ る な ど の 仮 定 に 基 づ い て 得 ら れ て お り 、 実 際 に は 、 液 架 橋 力 は 粒 子 面 へ の 液 橋 の 接 触 角 、 液 橋 の 形 、 粒 子 の 形 状 、 粒 子 間 距 離 な ど に 大 き く 左 右 さ れ る と 考 え ら れ る 。
1 − 2 粒 子 の 飛 散 機 櫛
粒 子 が 物 体 表 面 に 付 着 し て い る 場 合 、 そ の 時 の 付 着 力 に 打 ち 勝 つ よ う な 外 力 が 粒 子 に 加 わ れ ば 、 飛 散 が 起 こ る 。 発 塵 の 抑 制 と い う 点 で は 、 こ の 粒 子 飛 散 の 発 生 は 望 ま し い も の で は な い が 、 粒 子 に 汚 染 さ れ た 表 面 の 洗 浄 と い う 点 で は 、 飛 散 現 象 は 重 要 か つ 望 ま し い 現 象 で あ る 。 つ ま り 、 粒 子 の 飛 散 機 櫛 を 解 明 す る こ と は 、 発 塵 の 抑 制 お よ び 表 面 洗 浄 の 両 者 に と っ て 重 要 な こ と と 言 え る 。
粒 子 の 飛 散 現 象 に お い て 問 題 と な る こ と は 、 粒 子 に 対 す る 外 力 の 作 用 の 仕 方 で あ る 。 一 般 に 、 粒 子 一 表 面 間 の 付 着 力 に は 幅 広 い 分 布 が あ る と い う こ と が 知 ら れ て お り 、 付 着 力 の 推 算 に は あ る 特 定 の 実 験 条 件 と 測 定 方 法 の も と で の 5 0 % 粒 子 飛 散 （ 個 数 基 準 ） に 相 等 す る 外 力 を 用 い る の が 妥 当 で あ る と 言 わ れ て い る 8 ) 。
し か し な が ら 、 粒 子 の 飛 散 は 外 力 が ど の よ う に 作 用 し た か に よ る た め 、 異 な る 実 験 方 法 か ら 得 ら れ た 5 0 ％ 飛 散 力 を 比 較 す る こ と
には注意逆̲必要だ̲あゑ,…タトカのj乍用.の辻̲友菰違̲えば.､.飛散̲が起一
ー●…q一畢÷q･･U･ローーーマ◆ 一．−．F一つ ･−．言一一一一一争一・．‐．●→ 一‐．‐一令一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一．一一●一閏｡●
こるきっかけとなる初期運動（以後、単に初期運動と呼ぶ）が違 ってくる。その初期運動には離床(lift･off)、すべり(slide)、
回転(rotation)の三つがあり、粒子に作用する外力の大きさ，
方向，位置の違いによって、どの初期運動が支配的であるかが決 まる。Wang'5)は平板上に置かれた粒子に外力が作用した場合の 初期運動に関して、理論的検討を行っているので、以下に紹介
す る 。 Y
t
● ● ● ● ● ● ロ ロ
X
Fig.1‑3は、表面か ら 粒 子 が 飛 散 す る 時 の 一 ・ 般 的 な モ デ ル で あ る 。 半 径 R の 粒 子 は 表 面 と 接 触 し て お り 、 付 着 力 F o d の た め に 半 径 r ・ の 接 触 面 積 が で き て い る 。
国
そして外力F(:x!.が角度
② に あ る 点 A に 対 し て
角度0〔の方向から作用Fig.1‑3F()rceandmomentbalance
す る 。 初 期 運 動 は こ の diagramforaspherical
時 の 付 着 力 と 外 力 の 間 particleonarigidsurface.
の 力 お よ び モ ー メ ン ト
のバランスを考えることにより決定される。Wangは粒子が飛散 す る 時 の 臨 界 状 態 を 考 え 、 三 つ の 初 期 運 動 に 対 す る 臨 界 飛 散 力 を 、 外 力 が 作 用 す る 方 向 と 角 度 の 関 数 と し て 計 算 し て い る 。 た だ し 、 い ず れ の 初 期 運 動 も 同 じ 大 き さ の 付 着 力 に 打 ち 勝 つ こ と が 必 要 で あ る た め 、 初 期 運 動 を 決 定 す る の に 付 着 力 の 絶 対 値 は 必 要 で は な い 。 そ れ ゆ え 、 次 式 で 定 義 さ れ る よ う な 、 お の お の の 初 期 運 動 を 起 こ す 臨 界 外 力 F ・ を 表 現 す る 無 次 元 の パ ラ メ ー タ （ 臨 界 力 パ ラ メ ー タ ） を 導 入 し て い る 。
④
F竃 ==F・『/F｡d (1−13）
c一夕．． −，−．．▲‐、一一・・−一．．●．．▲−．．●．−．‐｡−．‐．▲−，一 ..．.−つ．．.,−．．−−．−−÷一・−−−．0Dマーー．．‐一一▲−．−− ・・●一．‐−−−−今一一▲一・一,一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一.一
Fig.1‑4は、三つの初期運動が起こる場合の、Fエと外力が粒 子に作用する角度Orの関係を示したものである。以下に三つの 初期運動、つまり(a)離床(lift−off)、(b)すバリ(slide)、(c) 回転(rotation)のそれぞれの運動が支配的となるFzについて
見 て い く 。
(a)離床(lift‑off)
表 面 か ら 粒 子 が 離 床 す る の に 必 要 な 最 小 臨 界 力 は 、 次 式 で 与
え れ る 。
(1−14）
F"=‑1/sinOr
Fig.1‑4(a)より、最小臨界力は1(0｢=‑90．の時）であり、0『
が 0 に 近 づ く に つ れ て 臨 界 力 パ ラ メ ー タ は 無 限 大 へ と 移 行 し て
い く 。
(b)すバリ(slide)
粒 子 が す バ リ 遮 動 を 始 め る の は 、 次 式 で 与 え ら れ る 外 力 が 粒
子 に 作 用 し た 時 で あ り 、
(1−15）
Fゞ="/(cosOr一座sinOr)
こ で 、 は 櫛 止 摩 擦 係 数 で あ る 。
Fig.1‑4(b)より、必が小さくなるとlよりも小さいFゞです（
運動が起こる。また、Orが−90．から増加するにつれてFゞは る 最 小 値 ま で 減 少 し 、 そ の 後 急 激 に 無 限 大 へ と 向 か っ て い る
、このFゞの最小値(F")";。およびその時の0『の最小値(Or)画§。
次 式 で 与 え ら れ る 。
こ
りあがは
(1−16）
(F*)";￨,="/(1+"2)｣/2
(1‑17) (O｢),n;"=‑arCtan(JL)
二 二 一 一 ● ･ ● − 一 −
10．00
ＯＯＯ１
●●
●■■ＵＯ
ｐｏＬ︑﹄︒﹂Ⅱ●﹂
0．01
6 0 9 0
− 3 0 O 3 0
FORCEANGLE･ef (a)
− 9 0 − 6 0
u フ −
10.00 E 。 − に 。
０００１１０
℃︒﹂︑﹄Ｕ﹂Ⅱ●﹂
0．01
6 0 9 0
‑ 3 0 0 3 0
FoRcEANGLE,ef (b)
− 9 0 − 6 0
10．00 ６１︾０３８ ＣＣ００
０
０００
１
●１
℃︒﹂︑受︑﹂Ⅱ●﹂
< 【 l A I 【
0．01
‑ 9 0 ‑ 6 0 ‑ 3 0 0 3 0
FORCEANGLE,ef
(c)
6 0 9 0
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ＤｕⅡ■４●９日▲Ｃ︐じ・１Ｃ十︾ｅｒｒａ・１
●︐︒︲︒・一ｅｒｅＣＯ︑ｒｆｔｏ
︽Ｉｒ公上ｅ０︐１・もａｅｎｎ川Ｏｒａ・１ｅｒｔ十﹀ａＣＸｐｎｅ
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13
一 年 6 − ・ ‐ 9 ｡ ｡ 一 . ． ← ÷ 0 ． − 一 ． 0 口 ． ‑ 一 ｰ 一 口 ． U ‐ ̲ 一 一 一 一 ‐ ＝ ー ‑ ー ． 一 ． 。 ー ロ ー − 一
Eqs.(1‑16),(1‑17)において、鰹>1ならば(F¥),m;,,=1,(0[)M,;。
= ‑ 9 0 ｡ と な り 、 こ れ は 離 床 運 動 の 場 合 に 相 当 す る 。
(c)回転(rotation)
回 転 速 動 の 始 ま り は 、 モ ー メ ン ト の バ ラ ン ス に よ っ て 決 定 さ れ 、 F i g . 1 ‑ 3 の 点 B で の バ ラ ン ス 式 は 次 式 の よ う に な る 。
F.｢[(a,+R一α)cosO『一(aェ+r｡)sinO[]=F｡dr。
み 、 ( a × , a , ) は 外 力 が 作 用 す る 点 A の 座 標 で あ B で 回 転 運 動 が 始 ま る 時 の 臨 界 力 パ ラ メ ー タ れ る 。
α は ひ ず で 、
上式より、ハ､、占 次 式 で 与 え ら
︸﹂
︾﹄
る。
は、
(1‑18)
F※＝面三一瓦ﾌ頁冠詞7 の − 6
同 様 に 、 点 C に お い て の F ゞ は 次 式 で 与 え ら れ る 。
(1‑19)
F重＝二 m/H)COSI の−ll
Eqs.(1‑18),(1‑19)は三つのパラメータ;r｡/R,0｢,めの関数に っているが、Eq.(1‑18)でr｡/R=0.1として5種類のゆについ 0【とFゞの関係を示したものがFig.1‑4(c)である。この図より が 大 き い ほ ど F ¥ の 最 小 値 は 小 さ く な っ て い る が 、 こ の ( F = ) " i ! ! よ び ( 8 ｢ ) , " ; " は 次 式 で 与 え ら れ る 。
なてめお
(1‑20) (F"),m;!,=r・/(4R2+r｡2)!/2=r｡/(2R)
(1‑21) (0r),m;"=‑arctan[r｡/(2R)]
一 一 一 一 垂 ‐ 一 一 一 一 一 一 ・ 一 ＝ − ｰ ←
ここで、Eq.(1‑16)において鰹＜1ならば(F")",!,=αとなり、
さらに邸=r｡/Rとおける時、Eq.(1‑16)とEq.(1‑20)から、回転 運動の場合の(F")";,,はすバリ運動の場合の半分の値になるこ
と が わ か る 。
次 に 、 粒 子 に 作 用 す る 外 力 に つ い て で あ る が 、 こ れ に は 遠 心 力 、 流 体 抗 力 、 振 動 な ど が 挙 げ ら れ る 。 こ の う ち 、 平 面 上 に 置 か れ た 粒 子 が 、 接 線 方 向 か ら の 流 体 抗 力 を 受 け て 飛 散 す る 場 合 の き っ か け と な る 初 期 運 動 は す べ り か 回 転 で あ り 、 そ の 条 件 は Eqs.(1‑15),(1‑18)から次のようになる。
F塞三＝座 (forslide) (1−22）
F※篝0.8r｡/R (forrotation) (1−23）
そ し て 、 一 般 に 後 者 の 方 が 値 が 小 さ い の で 、 回 転 が 支 配 的 で あ
る と し て い る 。
以 上 が 、 粒 子 に 外 力 が 作 用 し た 時 に 飛 散 が 起 こ る き っ か け と な る 初 期 運 動 の 概 要 で あ る 。
次に、粒子飛散の時間的変化についてはWenら17)の研究があ る 。 そ れ に よ る と 、 流 体 抗 力 に よ る 表 面 か ら の 粒 子 の 飛 散 は 二 つ の 領 域 に 分 け ら れ る と し て い る 。 一 つ は 短 時 間 で 終 了 す る も ので、飛散してくる粒子濃度をn(t),時間をtとすると、定数Td
を 用 い て
n(t)"t‑Td (1−24）
と 表 さ れ 、 こ れ は 流 体 の 剪 断 力 に よ る 飛 散 と 関 係 づ け ら れ る 。 も う 一 つ は 、 長 時 間 に わ た っ て 続 く も の で 、
n(t)(x(1/t)eXp(‑t/T'I) (1−25）
● や 一 一 ヶ ‑ ‑ ､ r 一 凸 ･ ･ ̲ ‑ ‑ 口 ■ ・ 一 一 ゅ 一 一
0 ． ! ‐ ･ ･ 一 宗 ｡ デ ー 。 ー ■ 膿 ■ $ ． ー ー ． ー ー
と 表 さ れ 、 こ れ は 乱 流 中 で 突 発 的 に 起 こ る 噴 き 出 し 流 れ （ 乱 流 バ ー ス ト ） に よ る も の と 考 え ら れ る 。 ま た 、 乱 流 バ ー ス ト に よ る 飛 散 は バ ー ス ト の 頻 度 や 強 さ に 影 響 さ れ る 。
1 − 3 洗 浄 技 術
半 導 体 素 子 、 液 晶 デ ィ ス プ レ ー な ど を 代 表 と す る マ イ ク ロ デ バ イ ス の 製 造 に お い て 、 洗 浄 （ 技 術 ） は 製 品 の 歩 留 ま り や 性 能 の 向 上 と い う 点 で 、 重 要 な 役 割 を 占 め て い る 。 洗 浄 方 法 に は 湿 式 洗 浄 と 乾 式 洗 浄 が あ り 、 そ れ ら は 汚 染 物 の 種 類 や 性 質 お よ び そ の 付 着 状 態 、 洗 浄 物 の 表 面 物 性 、 あ る い は 目 標 と す る 洗 浄 度 に よ っ て 選 ば れ る 。 精 密 な 洗 浄 が 要 求 さ れ る も の に は 、 シ リ コ ン ウ ェ ハ 、 光 学 レ ン ズ 、 デ ィ ス ク 、 マ グ ネ テ ィ ッ ク ヘ ッ F ， フ オ ト マ ス ク な ど が あ る が 、 こ こ で は 半 導 体 製 造 工 程 に お け る シ リ コ ン ウ ェ ハ の 洗 浄 技 術 に つ い て 述 （ る 。
1 − 3 … ・ ・ 1 汚 染 物 と そ の 発 生 源
ウ エ ハ の 汚 染 は 不 純 物 汚 染 、 付 着 粒 子 お よ び 膜 汚 染 が 主 で あ る 。 洗 浄 対 象 と な る 汚 染 物 は 多 種 の も の が あ る が 、 主 な も の は 次 の と お り で あ る 。
（1）不純物汚染
・アルカリ金属(Na,Kなど）
・重金属(Cu,Fe,Allなど）
・ 有 機 物
・ 油 脂 類
（2）付着粒子
・ ウ エ ハ の 破 損 片
・ 反 応 生 成 物 の 粒 塊
・ 塵 挨
一 ・ 令 ■ 一 ◆ 凸 ◆ ､ − − → ｡ ● ･ 一 一 一 , q 岸 邑 ‑ ‑ ‑ L r ‑ や − − − − − − F − b I ■ Q 一 ・ 一 一 一 一 一 一 一 一 − 一 = 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一
一
（3）膜汚染
・ 自 然 酸 化 膜
・ ド ラ イ 処 理 な ど に よ り 発 生 す る 膜
ま た 、 （ 1 ） の 主 な 発 生 源 は 人 体 、 薬 品 な ど で あ り 、 （ 2 ） の そ れ は 装 置 、 人 体 、 処 理 環 境 、 薬 品 な ど で あ る 。
1 − 3 − 2 湿 式 洗 浄
湿 式 洗 浄 に お け る 洗 浄 力 は 、 物 理 的 な 作 用 と 化 学 的 な 作 用 の 組 合 せ で 成 り 立 っ て い る 。 物 理 的 な 作 用 と は 、 ス プ レ ー 噴 射 、 超 音 波 、 ス ク ラ ブ 、 撹 枠 な ど の 洗 浄 方 法 、 化 学 的 な 作 用 と は 、 有 機 溶 剤 、 ア ル カ リ 、 酸 な ど の 洗 浄 剤 の 化 学 的 な 溶 解 力 で あ り 、 考 え ら れ る 汚 染 対 象 に よ り こ れ ら の 洗 浄 剤 、 洗 浄 方 法 を 組 み 合 わ せ て 使 用 す る 。
洗 浄 剤 の う ち 、 H 2 0 2 を 用 い て 、 有 機 質 や 無 機 質 の 汚 染 に 対 し てはH202‑NH40H‑H20(混合比、例えば1:1:5)、重金属に対して はH202‑HCl‑H20(例えば1:1:5)を75〜85℃で適用する洗浄法は、
R C A 法 と 呼 ば れ 広 く 用 い ら れ て い る I O ) 。 し か し な が ら 、 こ の よ う な 洗 浄 剤 を 用 い た 場 合 に は そ の エ ッ チ ン グ 効 果 に よ り ウ エ ハ表面に洗浄ピットが生じる恐れがある。実際に、H202NH40!{
‑H20(混合比、l:1:5)洗浄剤を用いて洗浄を行った結果、シリ コ ン 結 晶 成 長 時 に 生 じ た 結 晶 の 欠 陥 に 起 因 す る ピ ッ ト が 洗 浄 回 数 と 共 に 増 加 し た と い う 報 告 も あ る 3 ） 。
洗 浄 方 法 の う ち 、 最 も 標 準 的 な の は ナ イ ロ ン や モ ヘ ア に よ る ブ ラ ツ シ ス ク ラ ビ ン グ 法 で あ る が 、 こ れ は ウ エ ハ に ス ク ラ ッ チ を 発 生 し 、 し か も 1 川 以 上 の 粒 子 し か 除 去 で き な い 。 高 圧 噴 射 洗浄法は数十MPaに及ぶ高圧水をI噴射できるため、サブミクロ ン 粒 子 を 除 去 で き る が 、 ウ エ ハ に 損 傷 を 与 え る 恐 れ が あ る 。 超 音波洗浄法では、従来から周波数28〜50kHzのものが多用され て き た が 、 最 近 で は 周 波 数 9 5 0 k H z の メ ガ ソ ニ ッ ク ・ ク リ ー ニ ン グ と 言 わ れ る も の が 用 い ら れ て い る 。 メ ガ ソ ニ ッ ク は 従 来 の 2 8
、
。ー ･可．ー‐.舌一一 ・−−5−．−.幸一画｡…一. ｡､ﾛ・=0･･‑.1･毎･つ−9．'■'一･8.
5 0 k H z の 超 音 波 と は 異 な り 、 キ ヤ ビ テ ー シ ョ ン に よ る 衝 撃 波 は 発 生 し な い が 、 璽 力 加 速 度 の 1 0 5 倍 と い う 強 力 な 加 速 度 に よ り 洗 浄 す る た め 、 0 . 3 1 m ま で の 粒 子 を 除 去 で き る 。
現 在 で は 、 以 上 の 有 効 な 組 合 せ に よ る 洗 浄 プ ロ セ ス で 十 分 に 管 理 さ れ た ク リ ー ン ル ー ム で 洗 浄 を 行 っ た 場 合 、 ウ エ ハ 1 枚 あ た り の 0 ． 2 〜 0 ． 3 川 の ご み が 1 0 個 以 下 と い う 清 浄 度 が 確 保 で き る
レ ベ ル に 達 し て い る 。
1 − 3 − 3 乾 式 洗 浄
湿 式 洗 浄 で は 水 自 身 の 吸 着 、 イ オ ン の 付 若 な ど 洗 浄 液 自 体 が 汚 染 源 と な り 、 今 後 の 半 導 体 素 子 の 微 細 化 に 伴 う 超 ク リ ー ン 化 を 考 え る と 、 湿 式 洗 浄 に 代 わ る 乾 式 洗 浄 技 術 の 開 発 が 必 要 で あ る 。 し か し な が ら 、 現 時 点 で は あ ま り 実 用 化 さ れ て お ら ず 、 そ の 理 由 と し て は 湿 式 洗 浄 に 比 （ 、 ウ エ ハ や 除 去 対 象 物 に 対 す る 選 択 性 が 少 な い こ と が 挙 げ ら れ る 。 現 在 実 用 化 さ れ た り 、 適 用 が 検 討 さ れ て い る 乾 式 洗 浄 法 に は プ ラ ズ マ 洗 浄 、 紫 外 線 オ ゾ ン 洗 浄 、 ス パ ッ タ 洗 浄 、 気 相 エ ッ チ ン グ 洗 浄 、 熱 処 理 洗 浄 、 光 化 学 洗 浄 、 イ オ ン ビ ー ム エ ッ チ ン グ 洗 浄 な ど が あ る 。
乾 式 洗 浄 を 行 う 際 に は 、 そ の プ ロ セ ス に よ る ダ メ ー ジ が 伴 わ な い こ と も ‐ 一 つ の 虹 要 な 必 要 条 件 で あ る 。 こ れ ら の 洗 浄 法 の う ち 、 紫 外 線 オ ゾ ン 洗 浄 は 、 一 般 に 酸 素 雰 囲 気 中 の ウ エ ハ に 紫 外 線 を 照 射 し て 、 有 機 物 の 化 学 結 合 を 切 断 す る と 共 に 、 酸 素 か ら 生 成 さ れ る オ ゾ ン や 活 性 な 励 起 酸 素 原 子 に よ っ て 、 そ れ を 酸 化
し 、 炭 酸 ガ ス や 水 な ど の 揮 発 物 質 に 変 え て 除 去 す る 方 法 で あ り 、 光 反 応 を 利 用 す る た め に ウ エ ハ に ダ メ ー ジ を 与 え な い と い う 点 で 優 れ た 洗 浄 方 法 で あ る と 言 え る ！ 《 ; ） 。
全 一 も . 一 ・ 一 一
ロ ー ー ー ‐ ． ◆ T ･ . 一 一 一 つ ‐ r ‐ 一一‐一一一一句一一句一一●P一一画勺■ー一一‐一一−‐■一一一一●一一ーーー=一一一口一一一一●一一
第 2 章 気 流 に よ る 管 壁 付 着 微 小 粒 子 の 飛 散
本 章 で は 、 微 粒 子 制 御 の 分 野 で 重 要 な 課 題 の 一 つ で あ る 発 塵 の 機 榊 を 明 ら か に す る た め に 、 矩 形 流 路 内 の 壁 面 に 付 着 し た 1
〜 5 β m 程 度 の 微 小 粒 子 の 気 流 に よ る 飛 散 実 験 を 以 下 の （ 1 ） 〜 （ 3 ） の 場 合 に つ い て 行 い 、 粒 子 の 飛 散 に 及 ぼ す 付 着 面 の 形 状 や 静 電 気 的 状 態 、 気 流 速 度 な ど の 影 響 を 検 討 し た の で 、 そ の 結 果 に つ
い て 報 告 す る 。
（ 1 ） 平 板 上 か ら の 飛 散
（ 2 ） 平 板 上 に あ る 突 起 物 か ら の 飛 散
（ 3 ） 急 激 な 速 度 変 動 を 与 え た 場 合 の 平 板 上 か ら の 飛 散
2 − 1 実 験 装 置
気 流 に よ る （ 1 ） 〜 （ 3 ） の 場 合 の 粒 子 の 飛 散 状 態 を 観 察 し 、 粒 子 が 飛 散 す る 時 の 流 速 を 測 定 す る た め に 用 い た 実 験 装 置 に つ い て 説 明 す る 。
2 − 1 − 1 実 験 装 置 の プ ロ ・ 一 チ ャ ー ト
飛 散 実 験 装 置 の フ ロ ー チ ャ ー ト を F i g ． 2 ‑ 1 に 示 す 。 実 験 は コ ン プ レ ッ サ ー に よ る 加 圧 系 と 、 真 空 ポ ン プ に よ る 減 圧 系 の 両 方 で 行 っ た 。 上 で 述 （ た （ 2 ） の 実 験 は 主 に 減 圧 系 で 、 （ 3 ） の 実 験 は 加 圧 系 で 行 い 、 （ 1 ） の 実 験 で は 特 に 使 い 分 け て い な い が 、 実 験 中 は 系 内 を ク リ ー ン な 状 態 に 保 つ こ と が 望 ま れ る 関 係 上 、 系 外 か ら の 粒 子 の 侵 入 を 防 ぎ や す い 加 圧 系 の 方 が 望 ま し い と 思 わ れ る 。 加 圧 系 、 減 圧 系 の い ず れ の 場 合 も 、 シ リ カ ゲ ル と 高 性 能 エ ア フ イ ル タ ー を 通 っ た 清 浄 乾 燥 空 気 が 、 テ ス ト 部 矩 形 流 路 に 導 か れ 、 平 板 上 あ る い は 突 起 物 上 の 粒 子 を 飛 散 さ せ る 。 通 気 方 法
陸壬勤式4iルブIE̲主.ar途変.I=̲随趾凰Q̲遼速̲堂̲Xta世量̲友一迭一
SilicQgel
Compressor
Silicogel
VOIve
qⅣeDolenoIc
volve OritIce ond
r]nomete
(Elevatedpressuresystem)
Filter TesiductVoIve
Ormce
ond
EInometer
呉削子
(Reducedpressuresystem)
Fig．2‑1FlOWchartOf.exPeri.me.Ilt.al.s.et.Up.. 一 一 一 一 今 一 一
と 、 電 磁 バ ル ブ を 開 閉 す る こ と に よ っ て 瞬 時 に あ る 一 定 の 流 速 を 流 す 方 法 の 二 通 り を 用 い た 。 な お 、 流 速 は オ リ フ イ ス マ ノ メ ー タ に よ っ て 測 定 し 、 そ の 調 節 は 手 動 式 バ ル ブ に よ り 行 っ た 。
F i g ． 2 ‑ 1 に は 示 し て い な い が 、 粒 子 の 飛 散 状 態 の 観 察 に は カ メ ラ を 取 り 付 け た 金 属 顕 微 鏡 を 用 い た 。
2 − 1 − 2 テ ス ト セ ク シ ョ ン （ 矩 形 流 路 ）
矩 形 流 路 の 詳 細 図 を F i g . 2 ‑ 2 に 示 す 。 矩 形 流 路 （ ダ ク ト ） は 一 辺 が 9 m m 、 厚 み 1 . 5 m m 、 長 さ 2 0 0 あ る い は 2 3 0 m m の ア ル ミ 製 角 パ イ プの中に、厚さ3m1n,幅6Inm、長さ200あるいは2301nmのアクリル 板 を 挿 入 し 、 3 m m X 6 m m の 流 路 断 面 積 を 確 保 し て い る 。 角 パ イ プ
と ア ク リ ル 板 は 二 ケ 所 に 開 け た 穴 に ピ ン を 差 し 込 ん で 固 定 し 、 ピ ン の 穴 は 外 側 か ら ビ ニ ー ル テ ー プ に よ り ふ さ ぎ 、 空 気 の 漏 れ を 防 い で い る 。 ま た 、 断 面 積 を 小 さ く し た の は 、 限 ら れ た 流 量 で 大 き い 平 均 流 速 を 得 る た め で あ る 。
Observedorec 40〜IGO
OO−p､ろC
Fig．2‑2Detailsoftestduct.
IcPloie
届
2 − 1 − 3 エ ア ロ ゾ ル 粒 子 発 生 装 置
テ ス ト エ ア ロ ゾ ル と し て は 、 ほ ぼ 完 全 な 球 形 で あ る 1 ． 1 ， 3 ． 3 ， 5．41mの単分散PSL(Polystyrenelatex)粒子を用い、この粒 子 の 発 生 に は 、 霧 吹 き の 原 理 を 利 用 し た コ リ ソ ン ア ト マ イ ザ ー を 用 い た 。 コ リ ソ ン ア ト マ イ ザ ー に よ り P S L 粒 子 の 懸 濁 液 を 噴 霧 し 、 生 成 し た 液 滴 は デ イ フ ュ ー ジ ョ ン ド ラ イ ヤ ー に 通 す こ と に よ っ て 蒸 発 乾 固 し 、 固 体 粒 子 と な る 。 こ の よ う に し て 発 生 し た 粒 子 は 多 く の 電 荷 を 帯 び て い る の で 、 放 射 性 同 位 元 素 で あ る 2 4 1 A m 上 を 通 す こ と に よ っ て 平 衡 帯 電 状 態 と し た 。
2 ‐ ‑ 2 実 馳 方 法 お よ び 条 件
本 研 究 で は 、 矩 形 流 路 内 の 壁 面 に 付 着 し た 微 小 粒 子 の 気 流 に よ る 飛 散 実 験 を 先 に 述 （ た （ 1 ） 〜 （ 3 ） の 三 通 り に つ い て 行 っ た 。 以 下 に 、 そ れ ら の 実 験 方 法 に つ い て 説 明 す る 。
2 − 2 − 1 平 板 上 か ら の 飛 散
矩 形 流 路 で あ る ア ル ミ 製 角 パ イ プ か ら ア ク リ ル 板 を 引 き 出 し て 、 そ れ を 別 の 真 鋪 製 パ イ プ の 中 に 置 き 、 そ こ に コ リ ソ ン ア ト マ イ ザ ー に よ り 発 生 さ せ た P S L 粒 子 を 流 し 、 ア ク リ ル 板 上 に 重 力 沈 降 で 粒 子 を 付 着 さ せ る 。 ア ク リ ル 板 上 に は 入 口 か ら 4 0 1 6 0 I n m ま で 2 0 m m お き に マ ジ ッ ク イ ン ク で 印 を 付 け て お き 、 飛 散 実 験 開 始 前 に 特 定 の 位 置 （ 6 〜 9 カ 所 ） を 顕 微 鏡 に 取 り 付 け た カ メ
ラ に よ り 写 真 撮 影 し て お く 。 写 真 撮 影 の 際 の 倍 率 は 5 ． 4 川 は 4 0 倍か100倍、3.3川は100倍、l.1川は200倍で撮影した。また、
実 験 開 始 前 の 一 視 野 当 た り の 粒 子 付 着 数 は 、 倍 率 4 0 倍 （ 撮 影 範 囲1150川X1690Pm)で200〜700個、倍率100倍(460#mX676M)で数 十〜300個、倍率200倍(230ImX3381nl)で約250個である。
断 面 積 が 3 m m X 6 m m の 矩 形 流 路 は 、 1 / 2 i n の 鋼 管 と 接 続 さ れ て お
り 、 矩 形 流 路 に 流 れ こ む 気 流 は 管 径 の 急 激 な 縮 小 を 経 て く る の で 、 完 全 に 発 達 し た 乱 流 に な る ま で に は 助 走 区 間 が 必 要 で あ る 。 そ の 値 と し て は 管 径 の 2 5 〜 4 0 倍 を 用 い る の が 一 般 的 で あ る が 、 本 実 験 で 用 い た 矩 形 流 路 の 場 合 は 円 相 当 径 が 4 m m で あ る の で 、 助 走 区 間 は 1 0 0 〜 1 6 0 m m 程 度 と 考 え ら れ る 。 し か し な が ら 、 本 実 験 で は 先 に 述 （ た よ う に 、 入 口 付 近 か ら 流 れ が 完 全 に 発 達 し た と 考 え ら れ る 部 分 ま で 、 2 0 0 m m あ る い は 2 3 0 m m の ア ク リ ル 板 全 体 に つ い て 粒 子 の 飛 散 状 態 を 観 察 す る こ と に し た 。 ま た 、 こ の 観 察 位 置 （ 6 〜 9 カ 所 ） は 条 件 を 変 え て 実 験 を 行 う 際 に も 、 観 察 場 所 に
よ る 違 い が 出 な い よ う に で き る だ け 固 定 し て 行 っ た 。
次 に 、 飛 散 実 験 の 手 順 に つ い て 説 明 す る 。 粒 子 の 付 着 し た ア ク リ ル 板 を ア ル ミ 製 角 パ イ プ 内 に 固 定 し 、 手 動 式 バ ル ブ の 調 節 に よ り 通 気 し 始 め 、 徐 々 に 流 速 を 上 げ て い き あ ら か じ め 設 定 し た 流 速 に 固 定 す る 。 こ の 状 態 で 一 ・ 定 時 間 通 気 し た 後 、 い っ た ん 通 気 を 止 め 、 ア ク リ ル 板 を 外 に 出 し て 通 気 前 と 同 じ 場 所 を 写 真 撮 影 す る 。 そ の 後 、 ア ク リ ル 板 を 角 パ イ プ 内 に 戻 し 、 同 じ 流 速 で さ ら に 一 定 時 l l l l 通 気 し て 写 真 撮 影 す る こ と を 繰 り 返 す 。 こ の よ う に し て 、 ま ず 総 通 気 時 間 の 粒 子 飛 散 に 及 ぼ す 影 響 を 調 （ た 後 、 次 の 設 定 流 速 ま で 上 げ る 。 そ し て 同 じ よ う に 一 定 時 間 の 通 気 と 写 真 撮 影 を 繰 り 返 し 、 さ ら に ス テ ッ プ 的 に 流 速 を 上 げ て い き 最 大 流 速 に 達 し た 時 点 で 一 回 の 実 験 を 終 了 す る 。 そ し て 撮 影 し た 写 真 を 比 較 す る こ と に よ っ て 、 飛 散 し た 粒 子 の 個 数 や 状 態 を 調 べ た 。
ま た 、 ． の 字 型 の ア ル ミ 棒 を 用 い て 上 面 が 透 明 ア ク リ ル 製 に な っ て い る 矩 形 流 路 を 製 作 し 、 そ の 外 側 か ら 通 気 中 も 顕 微 鏡 に よ っ て 粒 子 付 着 面 を 直 接 観 察 お よ び 写 真 撮 影 で き る よ う に し て 、 粒 子 の 飛 散 状 態 を 調 （ る 実 験 も 行 っ た 。 し か し な が ら 、 こ の 方 法 は 焦 点 距 離 の 関 係 で 低 倍 率 の 場 合 で し か 可 能 で な く 、 粒 子 の 見 え 方 も 不 鮮 明 で あ っ た た め 、 一 部 の 実 験 に し か 用 い な か っ た 。
− 一 一 ● ̲ ･ 一 凸 . − し … ● 凸 一 一一 ・ ▲ ̲ ‑ , ･ 一 二 ‑ ‑ ‑ ̲ 令 つ . ̲ 一 = 圭 一 ! ' ■ ｡ ● 一 一 一 一 一
2 − 2 − 2 平 板 上 に あ る 突 起 物 か ら の 飛 散
ア ク リ ル 板 上 に 突 起 物 と し て 、 直 径 1 2 0 川 の ス テ ン レ ス 製 ワ イ ヤ ー を 矩 形 流 路 入 口 か ら 1 8 0 m m の 位 置 に 気 流 の 流 れ 方 向 に 対 し て 直 角 に 接 着 し 、 そ の 上 に 付 着 し た 粒 子 を 飛 散 さ せ る 実 験 を 行 っ た 。 実 験 方 法 は 、 平 板 上 か ら の 飛 散 の 場 合 と 同 じ で あ る 。 写 真 の 撮 影 位 置 は ワ イ ヤ ー 中 央 部 か ら 三 ケ 所 で 、 倍 率 1 0 0 倍 （ 粒 径5．4，3．3βmの場合）で約2mm，倍率200倍(1．1＃、の場合）では約 linmの範囲とした。また、実験開始前の粒子付着数は5．4,3.3 1mの粒子は50〜200個、1.l#mの粒子は400〜500個である。
I
2 − 2 − 3 急 激 な 速 度 変 動 を 与 え た 場 合 の 飛 散
こ れ ま で 述 べ て き た 実 験 で は 、 矩 形 流 路 内 の 気 流 速 度 の 調 節 は 手 動 式 バ ル ブ に よ り 徐 々 に 変 化 さ せ て い き 、 粒 子 の 飛 散 に 及 ぼ す 流 速 の 影 響 だ け を 調 （ た が 、 気 流 の 急 激 な 速 度 変 動 が 粒 子 の 飛 散 に 影 響 す る の で は な い か と 考 え 、 遡 磁 バ ル ブ を 開 閉 す る
こ と に よ っ て 瞬 時 に あ る 目 的 の 流 速 を 矩 形 流 路 内 に 流 す 実 験 を 行 っ た 。
初 め 、 電 磁 バ ル ブ を 開 い た ま ま で 手 動 式 バ ル ブ に よ り あ る 一 定 の 流 速 に 合 わ せ 、 定 常 気 流 を 一 定 時 間 通 気 し て 粒 子 を 飛 散 さ せ た 後 、 電 磁 バ ル ブ を 閉 じ る こ と に よ り 気 流 を 完 全 に 止 め る 。
こ う し て 定 常 流 で は こ れ 以 上 飛 散 が 起 こ ら な い 状 態 に し て か ら 、 電 磁 バ ル ブ の 開 閉 を 何 回 か 繰 り 返 し て 飛 散 鉦 を 調 （ た 。
2 ‐ ＝ 2 − ‐ 4 実 験 条 件
2 − 2 − 1 〜 2 − 2 − 3 の 飛 散 実 験 に お け る 実 験 条 件 を T a b l e 2 ‑ 1 に ホ一 す。
テ ス ト プ レ ー ト の ア ク リ ル 板 に は 静 電 気 の 影 響 を 調 （ る た め●
に、．、.､表.面.に.漠.電.性塗.激を.塗2̲.Z..擶電.防止.加̲.Z̲.を̲施ルー.た.D̲Q.Z.̲Lz̲
