蒸気集束ノズル及び洗浄方法
【課題】
蒸気噴出後、処理基板上に蒸気を集中化させ、熱エネルギーと打力の集中化を利用して洗浄対象物を除去する蒸気ノズルを提供する。
【解決手段】
蒸気をノズル内部の分散板にて分散させ、分散蒸気をコアンダ効果によりテーパ状側壁にてノズル中心軸上の集束点に噴射する。この構造をもつ集束ノズルを使うことによって、一般的な円形ノズルにみられる高温流体の温度低下を防止し、温度効率のよい蒸気を処理基板上に噴射させることができる。また、集束ノズルにて集中化した蒸気の熱エネルギーと打力を効果的に利用することで、今まで除去が困難であったパーティクルの洗浄やレジスト膜等の除去が可能となる。
蒸気噴出後、処理基板上に蒸気を集中化させ、熱エネルギーと打力の集中化を利用して洗浄対象物を除去する蒸気ノズルを提供する。
【解決手段】
蒸気をノズル内部の分散板にて分散させ、分散蒸気をコアンダ効果によりテーパ状側壁にてノズル中心軸上の集束点に噴射する。この構造をもつ集束ノズルを使うことによって、一般的な円形ノズルにみられる高温流体の温度低下を防止し、温度効率のよい蒸気を処理基板上に噴射させることができる。また、集束ノズルにて集中化した蒸気の熱エネルギーと打力を効果的に利用することで、今まで除去が困難であったパーティクルの洗浄やレジスト膜等の除去が可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板、液晶用ガラス基板、ＰＤＰ用ガラス基板、プラスチック基板の洗浄やレジスト除去に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレジスト除去方法として、薬液を利用するものが主であったが、近年、薬液を用いない蒸気によるレジスト除去方法が提案されている。
【０００３】
特許文献１によると、レジスト除去装置内の容器にウエハを設置し、ノズルから蒸気を容器内に噴射、充填し、容器内の圧力を高くして蒸気を液化してウエハに浸透させる。その後、密封状態のままで減圧して一部を再度気化させることでレジストに亀裂を発生させて、レジストを除去する方法がある。しかし、この方法では密閉性の高い容器や加圧装置や減圧装置が必要になるため、半導体や液晶基板やＰＤＰ基板の大型化に伴い、装置コストが増大するという問題が考えられる。
【特許文献１】特開２００５−２５９７４３号公報
【０００４】
特許文献２で提案されているレジスト除去剤噴射装置は、縦長の円筒状中空容器の内部に除去剤の気化手段としての加熱板を備えており、該加熱板の表面まで、有機塩基と有機溶剤とを含有する除去剤を導入できるように構成されている。除去剤を蒸気化して、基板のレジスト膜形成面に向けて噴射することにより、レジスト膜を除去するものである。本発明の実施例のなかで、扇形ノズル（発散角８０度程度）にて蒸気を噴射しレジスト膜の除去実験を実施している。まず蒸気のみでレジスト除去を実施したとき、ノズル先端と基板との距離を変えたが、距離が長いとレジスト膜は除去できず、距離を短くした場合にのみ除去できることが確認されている。しかし、この処理には時間を要する。これを改善するために、ノズル内に除去剤（剥離液）を導入し、加熱板にて気化し除去剤を蒸気とともに基板に噴射することによって、レジスト膜の除去時間を短縮している。しかし、この方法では温調されたチャンバーやノズル内に加熱板が必要であり構造が複雑になること、また半導体や液晶基板やＰＤＰ基板の大型化に伴い装置コストの増大、薬液使用量の増大等の問題が考えられる。
【特許文献２】特開２００５−２５９８６２号公報
【０００５】
特許文献２の実施例より、水蒸気のみでレジスト膜の除去を行った結果、ノズル先端と基板との距離がレジスト除去に関係することが明らかになっている。本実験で使用されたノズルは広角フラット型蒸気噴射ノズルであり、広角で蒸気を噴射させる。このノズルは常温の気体や液体を噴射する場合に適するノズルであるが、飽和蒸気や過熱蒸気などの高温流体を噴射する場合、周囲空気を巻き込む為、温度が低下するというデメリットをもっている。
【０００６】
他のノズルとして末広形状ノズルやスリットノズルがある。末広形状ノズルは、ノズル入り口よりスロート状となり、断熱膨張により大気圧になるように設計した蒸気ノズルであり、鋼材表面の水分・油分の除去、熱間圧延時のデスケーリング等に利用される。このノズルは噴射打力を上げるのに適するが、噴流がある一定角度で広がるように設計されている為、周囲流体を巻き込み蒸気温度が低下する。また、スリットノズルは、幅方向に直線状のスリットをもち、幅方向に均一な噴流を得るノズルで、純水洗浄や基板乾燥用のノズルとして利用される。このノズルから出る噴流を幅方向と直交方向から見たとき、噴流は周囲流体を巻き込みながら広がる。このノズルの場合においても、蒸気温度は低下する。
【０００７】
よって、蒸気温度低下を防止し、処理基板上に蒸気を集中化させ、熱エネルギーと打力の集中化を利用して洗浄対象物を除去する蒸気ノズルの開発が期待されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のごとく、従来のノズルは、蒸気噴出後、周囲流体を巻き込みながら発散角を有する構造であるため、蒸気噴射後、蒸気温度が低下し処理基板上に温度効率のよい蒸気が噴射されないという問題がある。
【０００９】
そこで、従来のノズルにみられる蒸気温度低下を防止し、処理基板上に蒸気を集中化させ、熱エネルギーと打力の集中化を利用して洗浄対象物を除去する蒸気ノズルを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
非特許文献１によれば、一般的な円形ノズル（３次元軸対象ノズル）から噴流を無限に広い空間中に噴出させると、周囲流体との間の大きな速度勾配（速度差）と粘性作用の結果、周囲の流体を巻き込み噴流幅を広げながら下流方向に流れていく。円形ノズルはこのような特性を持つため、蒸気を噴射したとき、噴出口から処理基板表面の間で周囲流体を巻き込み温度が低下する。本発明のノズルにおいて蒸気はノズル内部で一度分散し、コアンダ効果によりテーパ面に沿って噴出口より下流位置の集束点に案内する流路をとり、従来のノズルにおける発散角がないため、噴出口から処理基板表面の間での蒸気温度の低下を防ぐことが可能である。
【非特許文献１】社河内 敏彦著、「噴流工学」 ｐ３、森北出版株式会社、２００４年３月発行。
【００１１】
以下、具体的に図を使って、一般的な円形ノズルと本発明の集束ノズルの違いを説明する。図１に一般的な円形ノズルの蒸気噴流説明図、図２に集束ノズルの蒸気噴流説明図を示す。図１の円形ノズルにおいて流量Qの蒸気は、直径ｄの円孔（パイプ）を速度変化なしに通過し噴出口４２より噴射され、噴出口４２から距離hの処理基板表面６に到達する。噴出口より出た噴流は周囲の流体（矢印a）を巻き込み、発散角を広げながら処理基板表面に到達する。このとき処理基板表面上に噴射される蒸気の噴射面積はAである。一方、図２の集束ノズルでは、流量Qの蒸気は直径ｄの円孔を通過し、分散板３１に衝突後、コアンダ効果により分散板傾斜面及び半球状形状側壁３１、及びテーパ状側壁４１の側壁を経由して、噴出口４２から距離hの処理基板表面に集束する。このときの蒸気の噴射面積はBである。一般的な円形ノズルの場合、発散角を有するので噴射面積Aは円孔直径ｄより大きくなるが、集束ノズルの場合、集束することから噴射面積Bは円孔直径ｄより小さくなる。したがって、同一流量の飽和蒸気を同一穴径ｄに導入した場合、噴射面積の小さい集束ノズルにおいて打力の集中化が可能である。
【００１２】
本発明の集束ノズルにおいて蒸気の集中化を確認する為、噴出口近傍の蒸気温度分布の測定を行った。図３に集束ノズルにおける噴出口近傍の温度分布測定結果を示す。蒸気導入部円孔の直径をｄ＝２mmとし、１０２℃の飽和蒸気を導入した。噴出口４２の中心を座標原点（r=０, h=０）とし、下流方向h＝０〜８mm及び半径方向r=０〜３mmとr=０〜−３mmの範囲にて、クロメル-アルメル熱電対を用いて蒸気温度の測定を行った。灰色部イは蒸気温度が１００〜１０２℃の領域であり、噴射口のテーパ側面ロ及びハの位置から集束点二を経由してホまでの領域である。これは、本発明ノズルの設計上の蒸気流路白線ロ〜ニ及びハ〜二及びニ〜ホと一致することから、蒸気はこの流路を通り、集束点二にて合流し、ホまで蒸気温度を維持していることがわかる。以上より、集束ノズルにおいて、蒸気の集中化、及び蒸気温度低下防止が可能であることがされた。
【００１３】
次に比較として円形ノズルにおいての蒸気温度低下を確認するため、噴出口近傍の蒸気温度分布の測定を行った。図４に円形ノズルにおける噴出口近傍の温度分布測定結果を示す。ノズル導入部円孔の直径をｄ＝2mmとし、１０２℃の飽和蒸気を導入した。噴出口４２の中心を座標原点（r=０, h=０）とし、下流方向h＝０〜８mm及び半径方向r=０〜３mmとr=０〜−３mmの範囲にて、クロメル-アルメル熱電対を用いて蒸気温度の測定を行った。蒸気温度は噴射口ヘで１０２℃、噴射口より５ｍｍはなれた地点トで９０℃であった。よって円形ノズルの場合、噴射口からの距離が遠くなるにつれ蒸気温度が低下することが確認できた。
【００１４】
したがって、本発明の集束ノズルを使用することによって、一般的な円形ノズルにみられる蒸気温度低下を防止でき、蒸気を集中化させ、熱エネルギーと打力の集中化が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように本発明のノズルを用いることで、処理基板上に蒸気を集中化させ、熱エネルギーと打力の集中化を利用した洗浄や対象物除去が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図５〜７は本発明の第一の実施形態に係り、図５は本発明ノズルの最良の実施形態を示す集束ノズル構成断面図、図６は噴流モデル図、図７は集束点における衝撃力Fｙを示すモデル図である。
【００１８】
図５に示すように、本発明のノズル１は蒸気導入部２、分散部３、集束部４の３部位から構成される３次元軸対象ノズルである。蒸気導入部２は直径ｄ長さLの円筒管からなる蒸気流路を備えている。分散部３は、半径rの半球状空洞内に円錐形の分散板３２を中心軸上に配値しており、分散板３２斜面と半球状空洞内側壁３１との隙間に蒸気流路を備えている。集束部４は、テーパ状に狭まる流路を備えている。
【００１９】
本発明のノズルの機能を説明するために、蒸気を導入した際の蒸気流路を説明する。蒸気５は導入部２の導入口２１より導入され、円孔２２を通過し、分散部３の円錐形の分散板３２の頂点aに衝突し軸対象形に分散される。分散蒸気は、コアンダ効果によって円錐形の分散板の傾斜面に沿って流れ、半球状空洞内側壁３１のbに衝突する。ここでもコアンダ効果によって半球状空洞内側壁３１及びテーパ状側壁４１に沿い噴出口４２まで案内され出口より噴射される。噴射蒸気は、ノズル中心軸上で噴射口から距離ｈの地点６１に集束する。
【００２０】
分散蒸気はb点にて半球状空洞内側壁３１にＴ３２の角度をなして衝突するが、その際の噴流の分流について説明する。図６は噴流が壁に対し斜めに当たる場合の噴流モデル図を示す。非特許文献２によると、噴流が壁とＴをなす角で壁に衝突する際、衝突前の噴流Qと衝突後の噴流Qa及びQbとの関係は式１及び式２であらわされる。式より蒸気の進行方向への噴流Qaを多くし、逆方向への噴流Qbを少なくし、進行方向へのスムーズな蒸気流を得るには、本発明ノズルにおいて入射角Ｔ３２を極力小さくすればよいことが判る。
【００２１】
【数１】
【００２２】
【数２】
【非特許文献２】前田 昌信著、「はじめて学ぶ流体力学」 ｐ８４、オーム社出版局、２００２年１０月発行。
【００２３】
集束部にてコアンダ効果によりテーパ状側壁に沿って噴出口に案内された分散蒸気は直進噴流となって処理基板とＴ４１の角度をなして衝突する。図７は処理基板への打力Fｙを示すモデル図である。図は噴流Qaが処理基板とＴ４１の角度をなして衝突する場合の、打力を示しており、処理基板鉛直下方向への打力FyはFy=FsinＴ４１であらわされる。したがって、テーパ状側壁のテーパ角Ｔ４１を大きくすることによって、処理基板鉛直下方向への打力を大きくすることが可能となる。
【００２４】
また、非特許文献３には、噴流をある角度で衝突させる傾斜２噴流衝突において、衝突角Ｔ４１が大きい程、噴流幅が狭くなることを示している。
【非特許文献３】辻本公一、社河内敏彦、安藤俊剛著、「噴流の混合制御に関する数値シュミレーション」、大阪大学サイバーメディアセンター大規模計算機システム利用者報告 vol.1,No.1, 2005.5第１号。
【００２５】
以上のことから、集束ノズルの寸法を以下のようにした。円孔２２の直径ｄ＝２ｍｍ、円孔２２の長さL＝１０ｍｍ、半球状空洞３１の半径ｒ＝１０ｍｍ、円錐形分散板３２の分散角Ｔ３１＝６０度、ｂ点での衝突角Ｔ３２＝４５度、分散板底面の直径ｆ＝６．８ｍｍ、テーパ状側壁４１のテーパ角Ｔ４１＝６０度、円孔２２の噴射口と円錐形分散板の頂点aまでの距離e=２mmとした。
【実施例】
【００２６】
（実施例１）
（レジスト除去実験）
【００２７】
以下に本発明のノズルを用いてレジスト除去実験を行った結果を説明する。
ノズル1の蒸気導入口２１に、蒸気ボイラにて発生させた飽和蒸気（蒸気流量１００L/min）を導入し、集束点６１にノズル中心軸と直交するようにレジスト膜付き基板を置き、基板表面に向けて蒸気を噴射した。このとき使用したレジストはポジ型のｇ線波長用フォトレジストであり、予めスピンコータにて塗布後、ホットプレートにて１００℃で１０分間焼成したものである。図８にレジスト除去過程を示す写真図を示す。蒸気噴射開始１０秒後レジスト膜表面に亀裂が発生し、２０秒経過後、レジスト膜が局所的に除去できたことを示している。円形ノズルにて集束ノズルと同様の実験をおこなったが、レジスト表面に全く変化がみられなかった。
【００２８】
この様に、本発明の集束ノズルを使うことで、処理基板上に蒸気を集中化させ、熱エネルギーと打力の集中化を利用してレジスト膜の除去ができることが証明できた。
（実施例２）
【００２９】
本発明の第一の実施例の集束ノズルにおいて、軸中心部に新たに液ノズルを設置し、蒸気とともに液ノズルより界面活性剤やエッチング溶剤やレジスト剥離液などの薬液或いは純水やアルカリ電解水や水素水などの機能水などを一定比率で流すことにより、蒸気による温度効果を利用したより効果の高い洗浄やエッチングやレジスト剥離が実施できる。この２流体ノズルを使うことにより、薬液の温調設備が不要となり、薬液使用量の減少及び装置コストの低減化が期待される。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。本発明の第一の実施例のノズルにおいて、分散部の分散板は円錐形状であるが、半円状あるいは、角錐形状または２次曲面あるいは３次曲面の傾斜面をもつ形状であってもよく、頂点或いは中心部に蒸気を衝突させ、コアンダ効果により傾斜面に沿い蒸気を案内するもの機構であればよい。
【００３１】
また、本発明の第一の実施例のノズルにおいて分散部は半球状空洞であり分散蒸気は曲面側壁に衝突するが、テーパ状側壁をもつ一定割合で拡径変化する円筒状空洞であってもよく、または分散蒸気が進入しやすいように、テーパ角を多段展開した空洞であってもよい。
【００３２】
また、本発明の第一の実施例のノズルにおいて集束部は一定割合で縮径変化する円筒状空洞でテーパ状側壁をもち、蒸気はコアンダ効果によってテーパ状側壁に沿い集束点に導かれるが、テーパ角が一定の直線状側壁でなくてもよく、テーパ角が２段以上となる直線状側壁の組み合わせあるいは曲面状側壁であってもよい。
（実施例３）
【００３３】
図９に断熱スカート付き集束ノズルの構成断面図を示す。断熱スカート５１は噴射口下部に増設し、内径R５１、外形R５２、厚さ数ｍｍ程度の中空円板状である。断熱スカートを増設することで、周囲流体の巻き込みを防止し、集束後の蒸気流を処理基板表面に沿って放射状に流すことが可能となる。この蒸気流を利用して、処理基板表面を過熱するだけでなく、汚染物やレジスト等の剥離物を気流に乗せて処理対象領域外部に運ぶことが可能となる。さらに、断熱スカートの外径R５２を大きくすることで、処理基板表面の大面積を加熱できるため、洗浄やレジスト剥離等の処理時間を短縮する効果がある。断熱スカートの形状はこれに限定されない。但し、コアンダ効果によりテーパ状側壁に沿って流れる分散蒸気の流路を妨害しない形状にする必要がある。図９においては、流路を妨害しないように、中空円板の内径R５１を噴射口直径R４１より大きくした。
【００３４】
また、本発明の第一の実施例のノズルは３次元軸対象ノズルであるが、直線搬送式装置に応用した２次元広幅ノズルであってもよい。分散板の断面形状は、三角形や半円形で横幅方向に長いものでよい。
【００３５】
さらに、本発明のノズルは、半導体、液晶用ガラス基板、ＰＤＰ用ガラス基板、ＬＣＤ実装基板の洗浄工程やエッチング工程やレジスト除去工程に使用する洗浄装置、エッチング装置、レジスト除去装置に実施されるものであり、スピン回転装置や直線搬送式装置などに装着して使用する。その際、ノズルは基板の大きさに応じてさらに大きいノズルにしても良いし、同一ノズルを複数個の多段に配置してもよい。
【００３６】
また、本発明のノズルは、上記分野の技術範囲に留まらす、食器洗浄や自動車洗浄などの一般的な洗浄用ノズルとしても活用可能である。本ノズルは蒸気洗浄のみに留まらず、高温流体を用いた洗浄用ノズルとしても使用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は導体、液晶用ガラス基板、ＦＰＤ用ガラス基板、マスク用石英基板、シリコンウェハー、メディア用各種基板などの製造分野での洗浄工程やレジスト除去工程で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一般的な円形ノズルの蒸気噴流説明図である。
【図２】本発明の集束ノズルの蒸気噴流説明図である。
【図３】本発明の集束ノズルにて噴出口近傍の蒸気温度分布を示すグラフ図である。
【図４】円形ノズルにて噴出口近傍の蒸気温度分布を示すグラフ図である。
【図５】本発明の集束ノズルの最良の実施形態を示す構成断面図である。
【図６】噴流が壁に対し斜めに流れが当たる場合の噴流モデル図である。
【図７】集束点における蒸気噴流の処理基板への衝撃力Fｙを示すモデル図である。
【図８】レジスト除去実験結果を示す写真図である。
【図９】断熱スカート付き集束ノズルの構成断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ ノズル
２ 蒸気導入部
３ 分散部
４ 集束部
５ 蒸気
６ 処理基板
２１ 導入口
２２ 円孔
３１ 半球状空洞内側壁
３２ 円錐形の分散板
４１ テーパ状側壁
４２ 噴出口
５１ 断熱スカート
６１ 集束点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板、液晶用ガラス基板、ＰＤＰ用ガラス基板、プラスチック基板の洗浄やレジスト除去に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレジスト除去方法として、薬液を利用するものが主であったが、近年、薬液を用いない蒸気によるレジスト除去方法が提案されている。
【０００３】
特許文献１によると、レジスト除去装置内の容器にウエハを設置し、ノズルから蒸気を容器内に噴射、充填し、容器内の圧力を高くして蒸気を液化してウエハに浸透させる。その後、密封状態のままで減圧して一部を再度気化させることでレジストに亀裂を発生させて、レジストを除去する方法がある。しかし、この方法では密閉性の高い容器や加圧装置や減圧装置が必要になるため、半導体や液晶基板やＰＤＰ基板の大型化に伴い、装置コストが増大するという問題が考えられる。
【特許文献１】特開２００５−２５９７４３号公報
【０００４】
特許文献２で提案されているレジスト除去剤噴射装置は、縦長の円筒状中空容器の内部に除去剤の気化手段としての加熱板を備えており、該加熱板の表面まで、有機塩基と有機溶剤とを含有する除去剤を導入できるように構成されている。除去剤を蒸気化して、基板のレジスト膜形成面に向けて噴射することにより、レジスト膜を除去するものである。本発明の実施例のなかで、扇形ノズル（発散角８０度程度）にて蒸気を噴射しレジスト膜の除去実験を実施している。まず蒸気のみでレジスト除去を実施したとき、ノズル先端と基板との距離を変えたが、距離が長いとレジスト膜は除去できず、距離を短くした場合にのみ除去できることが確認されている。しかし、この処理には時間を要する。これを改善するために、ノズル内に除去剤（剥離液）を導入し、加熱板にて気化し除去剤を蒸気とともに基板に噴射することによって、レジスト膜の除去時間を短縮している。しかし、この方法では温調されたチャンバーやノズル内に加熱板が必要であり構造が複雑になること、また半導体や液晶基板やＰＤＰ基板の大型化に伴い装置コストの増大、薬液使用量の増大等の問題が考えられる。
【特許文献２】特開２００５−２５９８６２号公報
【０００５】
特許文献２の実施例より、水蒸気のみでレジスト膜の除去を行った結果、ノズル先端と基板との距離がレジスト除去に関係することが明らかになっている。本実験で使用されたノズルは広角フラット型蒸気噴射ノズルであり、広角で蒸気を噴射させる。このノズルは常温の気体や液体を噴射する場合に適するノズルであるが、飽和蒸気や過熱蒸気などの高温流体を噴射する場合、周囲空気を巻き込む為、温度が低下するというデメリットをもっている。
【０００６】
他のノズルとして末広形状ノズルやスリットノズルがある。末広形状ノズルは、ノズル入り口よりスロート状となり、断熱膨張により大気圧になるように設計した蒸気ノズルであり、鋼材表面の水分・油分の除去、熱間圧延時のデスケーリング等に利用される。このノズルは噴射打力を上げるのに適するが、噴流がある一定角度で広がるように設計されている為、周囲流体を巻き込み蒸気温度が低下する。また、スリットノズルは、幅方向に直線状のスリットをもち、幅方向に均一な噴流を得るノズルで、純水洗浄や基板乾燥用のノズルとして利用される。このノズルから出る噴流を幅方向と直交方向から見たとき、噴流は周囲流体を巻き込みながら広がる。このノズルの場合においても、蒸気温度は低下する。
【０００７】
よって、蒸気温度低下を防止し、処理基板上に蒸気を集中化させ、熱エネルギーと打力の集中化を利用して洗浄対象物を除去する蒸気ノズルの開発が期待されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のごとく、従来のノズルは、蒸気噴出後、周囲流体を巻き込みながら発散角を有する構造であるため、蒸気噴射後、蒸気温度が低下し処理基板上に温度効率のよい蒸気が噴射されないという問題がある。
【０００９】
そこで、従来のノズルにみられる蒸気温度低下を防止し、処理基板上に蒸気を集中化させ、熱エネルギーと打力の集中化を利用して洗浄対象物を除去する蒸気ノズルを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
非特許文献１によれば、一般的な円形ノズル（３次元軸対象ノズル）から噴流を無限に広い空間中に噴出させると、周囲流体との間の大きな速度勾配（速度差）と粘性作用の結果、周囲の流体を巻き込み噴流幅を広げながら下流方向に流れていく。円形ノズルはこのような特性を持つため、蒸気を噴射したとき、噴出口から処理基板表面の間で周囲流体を巻き込み温度が低下する。本発明のノズルにおいて蒸気はノズル内部で一度分散し、コアンダ効果によりテーパ面に沿って噴出口より下流位置の集束点に案内する流路をとり、従来のノズルにおける発散角がないため、噴出口から処理基板表面の間での蒸気温度の低下を防ぐことが可能である。
【非特許文献１】社河内 敏彦著、「噴流工学」 ｐ３、森北出版株式会社、２００４年３月発行。
【００１１】
以下、具体的に図を使って、一般的な円形ノズルと本発明の集束ノズルの違いを説明する。図１に一般的な円形ノズルの蒸気噴流説明図、図２に集束ノズルの蒸気噴流説明図を示す。図１の円形ノズルにおいて流量Qの蒸気は、直径ｄの円孔（パイプ）を速度変化なしに通過し噴出口４２より噴射され、噴出口４２から距離hの処理基板表面６に到達する。噴出口より出た噴流は周囲の流体（矢印a）を巻き込み、発散角を広げながら処理基板表面に到達する。このとき処理基板表面上に噴射される蒸気の噴射面積はAである。一方、図２の集束ノズルでは、流量Qの蒸気は直径ｄの円孔を通過し、分散板３１に衝突後、コアンダ効果により分散板傾斜面及び半球状形状側壁３１、及びテーパ状側壁４１の側壁を経由して、噴出口４２から距離hの処理基板表面に集束する。このときの蒸気の噴射面積はBである。一般的な円形ノズルの場合、発散角を有するので噴射面積Aは円孔直径ｄより大きくなるが、集束ノズルの場合、集束することから噴射面積Bは円孔直径ｄより小さくなる。したがって、同一流量の飽和蒸気を同一穴径ｄに導入した場合、噴射面積の小さい集束ノズルにおいて打力の集中化が可能である。
【００１２】
本発明の集束ノズルにおいて蒸気の集中化を確認する為、噴出口近傍の蒸気温度分布の測定を行った。図３に集束ノズルにおける噴出口近傍の温度分布測定結果を示す。蒸気導入部円孔の直径をｄ＝２mmとし、１０２℃の飽和蒸気を導入した。噴出口４２の中心を座標原点（r=０, h=０）とし、下流方向h＝０〜８mm及び半径方向r=０〜３mmとr=０〜−３mmの範囲にて、クロメル-アルメル熱電対を用いて蒸気温度の測定を行った。灰色部イは蒸気温度が１００〜１０２℃の領域であり、噴射口のテーパ側面ロ及びハの位置から集束点二を経由してホまでの領域である。これは、本発明ノズルの設計上の蒸気流路白線ロ〜ニ及びハ〜二及びニ〜ホと一致することから、蒸気はこの流路を通り、集束点二にて合流し、ホまで蒸気温度を維持していることがわかる。以上より、集束ノズルにおいて、蒸気の集中化、及び蒸気温度低下防止が可能であることがされた。
【００１３】
次に比較として円形ノズルにおいての蒸気温度低下を確認するため、噴出口近傍の蒸気温度分布の測定を行った。図４に円形ノズルにおける噴出口近傍の温度分布測定結果を示す。ノズル導入部円孔の直径をｄ＝2mmとし、１０２℃の飽和蒸気を導入した。噴出口４２の中心を座標原点（r=０, h=０）とし、下流方向h＝０〜８mm及び半径方向r=０〜３mmとr=０〜−３mmの範囲にて、クロメル-アルメル熱電対を用いて蒸気温度の測定を行った。蒸気温度は噴射口ヘで１０２℃、噴射口より５ｍｍはなれた地点トで９０℃であった。よって円形ノズルの場合、噴射口からの距離が遠くなるにつれ蒸気温度が低下することが確認できた。
【００１４】
したがって、本発明の集束ノズルを使用することによって、一般的な円形ノズルにみられる蒸気温度低下を防止でき、蒸気を集中化させ、熱エネルギーと打力の集中化が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように本発明のノズルを用いることで、処理基板上に蒸気を集中化させ、熱エネルギーと打力の集中化を利用した洗浄や対象物除去が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図５〜７は本発明の第一の実施形態に係り、図５は本発明ノズルの最良の実施形態を示す集束ノズル構成断面図、図６は噴流モデル図、図７は集束点における衝撃力Fｙを示すモデル図である。
【００１８】
図５に示すように、本発明のノズル１は蒸気導入部２、分散部３、集束部４の３部位から構成される３次元軸対象ノズルである。蒸気導入部２は直径ｄ長さLの円筒管からなる蒸気流路を備えている。分散部３は、半径rの半球状空洞内に円錐形の分散板３２を中心軸上に配値しており、分散板３２斜面と半球状空洞内側壁３１との隙間に蒸気流路を備えている。集束部４は、テーパ状に狭まる流路を備えている。
【００１９】
本発明のノズルの機能を説明するために、蒸気を導入した際の蒸気流路を説明する。蒸気５は導入部２の導入口２１より導入され、円孔２２を通過し、分散部３の円錐形の分散板３２の頂点aに衝突し軸対象形に分散される。分散蒸気は、コアンダ効果によって円錐形の分散板の傾斜面に沿って流れ、半球状空洞内側壁３１のbに衝突する。ここでもコアンダ効果によって半球状空洞内側壁３１及びテーパ状側壁４１に沿い噴出口４２まで案内され出口より噴射される。噴射蒸気は、ノズル中心軸上で噴射口から距離ｈの地点６１に集束する。
【００２０】
分散蒸気はb点にて半球状空洞内側壁３１にＴ３２の角度をなして衝突するが、その際の噴流の分流について説明する。図６は噴流が壁に対し斜めに当たる場合の噴流モデル図を示す。非特許文献２によると、噴流が壁とＴをなす角で壁に衝突する際、衝突前の噴流Qと衝突後の噴流Qa及びQbとの関係は式１及び式２であらわされる。式より蒸気の進行方向への噴流Qaを多くし、逆方向への噴流Qbを少なくし、進行方向へのスムーズな蒸気流を得るには、本発明ノズルにおいて入射角Ｔ３２を極力小さくすればよいことが判る。
【００２１】
【数１】
【００２２】
【数２】
【非特許文献２】前田 昌信著、「はじめて学ぶ流体力学」 ｐ８４、オーム社出版局、２００２年１０月発行。
【００２３】
集束部にてコアンダ効果によりテーパ状側壁に沿って噴出口に案内された分散蒸気は直進噴流となって処理基板とＴ４１の角度をなして衝突する。図７は処理基板への打力Fｙを示すモデル図である。図は噴流Qaが処理基板とＴ４１の角度をなして衝突する場合の、打力を示しており、処理基板鉛直下方向への打力FyはFy=FsinＴ４１であらわされる。したがって、テーパ状側壁のテーパ角Ｔ４１を大きくすることによって、処理基板鉛直下方向への打力を大きくすることが可能となる。
【００２４】
また、非特許文献３には、噴流をある角度で衝突させる傾斜２噴流衝突において、衝突角Ｔ４１が大きい程、噴流幅が狭くなることを示している。
【非特許文献３】辻本公一、社河内敏彦、安藤俊剛著、「噴流の混合制御に関する数値シュミレーション」、大阪大学サイバーメディアセンター大規模計算機システム利用者報告 vol.1,No.1, 2005.5第１号。
【００２５】
以上のことから、集束ノズルの寸法を以下のようにした。円孔２２の直径ｄ＝２ｍｍ、円孔２２の長さL＝１０ｍｍ、半球状空洞３１の半径ｒ＝１０ｍｍ、円錐形分散板３２の分散角Ｔ３１＝６０度、ｂ点での衝突角Ｔ３２＝４５度、分散板底面の直径ｆ＝６．８ｍｍ、テーパ状側壁４１のテーパ角Ｔ４１＝６０度、円孔２２の噴射口と円錐形分散板の頂点aまでの距離e=２mmとした。
【実施例】
【００２６】
（実施例１）
（レジスト除去実験）
【００２７】
以下に本発明のノズルを用いてレジスト除去実験を行った結果を説明する。
ノズル1の蒸気導入口２１に、蒸気ボイラにて発生させた飽和蒸気（蒸気流量１００L/min）を導入し、集束点６１にノズル中心軸と直交するようにレジスト膜付き基板を置き、基板表面に向けて蒸気を噴射した。このとき使用したレジストはポジ型のｇ線波長用フォトレジストであり、予めスピンコータにて塗布後、ホットプレートにて１００℃で１０分間焼成したものである。図８にレジスト除去過程を示す写真図を示す。蒸気噴射開始１０秒後レジスト膜表面に亀裂が発生し、２０秒経過後、レジスト膜が局所的に除去できたことを示している。円形ノズルにて集束ノズルと同様の実験をおこなったが、レジスト表面に全く変化がみられなかった。
【００２８】
この様に、本発明の集束ノズルを使うことで、処理基板上に蒸気を集中化させ、熱エネルギーと打力の集中化を利用してレジスト膜の除去ができることが証明できた。
（実施例２）
【００２９】
本発明の第一の実施例の集束ノズルにおいて、軸中心部に新たに液ノズルを設置し、蒸気とともに液ノズルより界面活性剤やエッチング溶剤やレジスト剥離液などの薬液或いは純水やアルカリ電解水や水素水などの機能水などを一定比率で流すことにより、蒸気による温度効果を利用したより効果の高い洗浄やエッチングやレジスト剥離が実施できる。この２流体ノズルを使うことにより、薬液の温調設備が不要となり、薬液使用量の減少及び装置コストの低減化が期待される。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。本発明の第一の実施例のノズルにおいて、分散部の分散板は円錐形状であるが、半円状あるいは、角錐形状または２次曲面あるいは３次曲面の傾斜面をもつ形状であってもよく、頂点或いは中心部に蒸気を衝突させ、コアンダ効果により傾斜面に沿い蒸気を案内するもの機構であればよい。
【００３１】
また、本発明の第一の実施例のノズルにおいて分散部は半球状空洞であり分散蒸気は曲面側壁に衝突するが、テーパ状側壁をもつ一定割合で拡径変化する円筒状空洞であってもよく、または分散蒸気が進入しやすいように、テーパ角を多段展開した空洞であってもよい。
【００３２】
また、本発明の第一の実施例のノズルにおいて集束部は一定割合で縮径変化する円筒状空洞でテーパ状側壁をもち、蒸気はコアンダ効果によってテーパ状側壁に沿い集束点に導かれるが、テーパ角が一定の直線状側壁でなくてもよく、テーパ角が２段以上となる直線状側壁の組み合わせあるいは曲面状側壁であってもよい。
（実施例３）
【００３３】
図９に断熱スカート付き集束ノズルの構成断面図を示す。断熱スカート５１は噴射口下部に増設し、内径R５１、外形R５２、厚さ数ｍｍ程度の中空円板状である。断熱スカートを増設することで、周囲流体の巻き込みを防止し、集束後の蒸気流を処理基板表面に沿って放射状に流すことが可能となる。この蒸気流を利用して、処理基板表面を過熱するだけでなく、汚染物やレジスト等の剥離物を気流に乗せて処理対象領域外部に運ぶことが可能となる。さらに、断熱スカートの外径R５２を大きくすることで、処理基板表面の大面積を加熱できるため、洗浄やレジスト剥離等の処理時間を短縮する効果がある。断熱スカートの形状はこれに限定されない。但し、コアンダ効果によりテーパ状側壁に沿って流れる分散蒸気の流路を妨害しない形状にする必要がある。図９においては、流路を妨害しないように、中空円板の内径R５１を噴射口直径R４１より大きくした。
【００３４】
また、本発明の第一の実施例のノズルは３次元軸対象ノズルであるが、直線搬送式装置に応用した２次元広幅ノズルであってもよい。分散板の断面形状は、三角形や半円形で横幅方向に長いものでよい。
【００３５】
さらに、本発明のノズルは、半導体、液晶用ガラス基板、ＰＤＰ用ガラス基板、ＬＣＤ実装基板の洗浄工程やエッチング工程やレジスト除去工程に使用する洗浄装置、エッチング装置、レジスト除去装置に実施されるものであり、スピン回転装置や直線搬送式装置などに装着して使用する。その際、ノズルは基板の大きさに応じてさらに大きいノズルにしても良いし、同一ノズルを複数個の多段に配置してもよい。
【００３６】
また、本発明のノズルは、上記分野の技術範囲に留まらす、食器洗浄や自動車洗浄などの一般的な洗浄用ノズルとしても活用可能である。本ノズルは蒸気洗浄のみに留まらず、高温流体を用いた洗浄用ノズルとしても使用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は導体、液晶用ガラス基板、ＦＰＤ用ガラス基板、マスク用石英基板、シリコンウェハー、メディア用各種基板などの製造分野での洗浄工程やレジスト除去工程で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一般的な円形ノズルの蒸気噴流説明図である。
【図２】本発明の集束ノズルの蒸気噴流説明図である。
【図３】本発明の集束ノズルにて噴出口近傍の蒸気温度分布を示すグラフ図である。
【図４】円形ノズルにて噴出口近傍の蒸気温度分布を示すグラフ図である。
【図５】本発明の集束ノズルの最良の実施形態を示す構成断面図である。
【図６】噴流が壁に対し斜めに流れが当たる場合の噴流モデル図である。
【図７】集束点における蒸気噴流の処理基板への衝撃力Fｙを示すモデル図である。
【図８】レジスト除去実験結果を示す写真図である。
【図９】断熱スカート付き集束ノズルの構成断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ ノズル
２ 蒸気導入部
３ 分散部
４ 集束部
５ 蒸気
６ 処理基板
２１ 導入口
２２ 円孔
３１ 半球状空洞内側壁
３２ 円錐形の分散板
４１ テーパ状側壁
４２ 噴出口
５１ 断熱スカート
６１ 集束点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気を分散し、テーパ状側壁にてノズル中心軸上の集束点に案内させる構造をもつことを特徴とする蒸気ノズル。
【請求項２】
蒸気導入部、分散部、集束部を有し、円孔、分散板、テーパ状側壁よりなる請求項１に記載の蒸気ノズル。
【請求項３】
前記分散板は、円錐形状または多角錐形状または球面形状または２次曲面あるいは３次曲面の傾斜面をもつ形状であることを特徴とする請求項１及び請求項２記載の蒸気ノズル。
【請求項４】
前記テーパ状側壁は、テーパ角が一定の直線状側壁またはテーパ角が２段以上となる直線状側壁の組み合わせまたは曲面状側壁または直線状側壁と曲面状側壁の組み合わせであることを特徴とする請求項１〜３記載の蒸気ノズル。
【請求項５】
前記蒸気ノズルの下部に周囲流体の巻き込みを防止し、断熱性を上げる為に、中空円板状の断熱スカートを設置することを特徴とする請求項１〜４記載の蒸気ノズル。
【請求項６】
前記集束部内中心近傍に液ノズルを設け、液ノズルより導入した液を集束部付近で混合する機能をもつことを特徴とする請求項１〜５記載の蒸気ノズル。
【請求項７】
３次元軸対象ノズルまたは２次元広幅ノズルであることを特徴とする請求項１〜６記載の蒸気ノズル。
【請求項８】
請求項１〜請求項７記載の蒸気ノズルを用い、パーティクルや油脂、有機物、ガラスカレット、レジスト等を除去することを特徴とする洗浄方法やレジスト除去方法。
【請求項９】
請求項６記載の液ノズルより導入する液は界面活性剤やエッチング溶剤やレジスト剥離液などの薬液或いは純水や機能水などであり、この液を集束部付近にて蒸気と一定割合で混合することにより、温度効果を利用したパーティクルや油脂、有機物、ガラスカレット、レジスト等を除去することを特徴とする洗浄方法やレジスト除去方法。
【請求項１】
蒸気を分散し、テーパ状側壁にてノズル中心軸上の集束点に案内させる構造をもつことを特徴とする蒸気ノズル。
【請求項２】
蒸気導入部、分散部、集束部を有し、円孔、分散板、テーパ状側壁よりなる請求項１に記載の蒸気ノズル。
【請求項３】
前記分散板は、円錐形状または多角錐形状または球面形状または２次曲面あるいは３次曲面の傾斜面をもつ形状であることを特徴とする請求項１及び請求項２記載の蒸気ノズル。
【請求項４】
前記テーパ状側壁は、テーパ角が一定の直線状側壁またはテーパ角が２段以上となる直線状側壁の組み合わせまたは曲面状側壁または直線状側壁と曲面状側壁の組み合わせであることを特徴とする請求項１〜３記載の蒸気ノズル。
【請求項５】
前記蒸気ノズルの下部に周囲流体の巻き込みを防止し、断熱性を上げる為に、中空円板状の断熱スカートを設置することを特徴とする請求項１〜４記載の蒸気ノズル。
【請求項６】
前記集束部内中心近傍に液ノズルを設け、液ノズルより導入した液を集束部付近で混合する機能をもつことを特徴とする請求項１〜５記載の蒸気ノズル。
【請求項７】
３次元軸対象ノズルまたは２次元広幅ノズルであることを特徴とする請求項１〜６記載の蒸気ノズル。
【請求項８】
請求項１〜請求項７記載の蒸気ノズルを用い、パーティクルや油脂、有機物、ガラスカレット、レジスト等を除去することを特徴とする洗浄方法やレジスト除去方法。
【請求項９】
請求項６記載の液ノズルより導入する液は界面活性剤やエッチング溶剤やレジスト剥離液などの薬液或いは純水や機能水などであり、この液を集束部付近にて蒸気と一定割合で混合することにより、温度効果を利用したパーティクルや油脂、有機物、ガラスカレット、レジスト等を除去することを特徴とする洗浄方法やレジスト除去方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１１９５６０（Ｐ２００８−１１９５６０Ａ）
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０２８６１（Ｐ２００６−３０２８６１）
【出願日】平成１８年１１月８日（２００６．１１．８）
【出願人】（５００４８７８３７）ミクロ技研株式会社 (16)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月８日（２００６．１１．８）
【出願人】（５００４８７８３７）ミクロ技研株式会社 (16)
【Ｆターム（参考）】
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