(57)【要約】【課題】純度の高いＵＦＢ含有液を効率的に生成し、ＵＦＢ生成装置の耐久性を高めること。【解決手段】発熱素子による膜沸騰を液体に生じさせることにより、ウルトラファインバブルを生成するウルトラファインバブル生成装置は、前記発熱素子を複数備えた発熱部を含む素子基板を有し、前記素子基板は、前記発熱素子によって前記膜沸騰が生じるエネルギを第一の値とした場合、前記発熱部において駆動される複数の発熱素子のそれぞれに投入されるエネルギが、前記第一の値の１倍以上の第二の値倍以上であり、かつ前記第二の値倍から０．３の幅の範囲内となるように構成されている。【選択図】図２４
2020138152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子による膜沸騰を液体に生じさせることにより、ウルトラファインバブルを生成するウルトラファインバブル生成装置であって、
前記発熱素子を複数備えた発熱部を含む素子基板を有し、
前記素子基板は、前記発熱素子によって前記膜沸騰が生じるエネルギを第一の値とした場合、前記発熱部において駆動される複数の発熱素子のそれぞれに投入されるエネルギが、前記第一の値の１倍以上の第二の値倍以上であり、かつ前記第二の値倍から０．３の幅の範囲内となるように構成されていることを特徴とするウルトラファインバブル生成装置。
【請求項２】
前記第二の値は、１であることを特徴とする請求項１に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項３】
前記発熱部は、電極パッドからのエネルギが投入される発熱素子の集合体を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項４】
前記発熱部において少なくとも二以上の前記発熱素子が同一の共通配線を介して前記電極パッドに接続されており、前記複数の発熱素子は、時分割でそれぞれ駆動されることを特徴とする請求項３に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項５】
前記素子基板は、前記発熱部を複数備え、複数の発熱部のそれぞれにおいて、前記複数の発熱素子が時分割でそれぞれ駆動されることを特徴とする請求項４に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項６】
前記発熱部において前記発熱素子の形状が、前記共通配線を介して接続される位置関係に応じて異なることを特徴とする請求項４に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項７】
前記共通配線の抵抗の差に応じて、時分割で前記発熱素子に印加される電圧または前記発熱素子の駆動する時間長が変わることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項８】
前記発熱部において、前記発熱素子はそれぞれ、個別の配線に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項９】
前記個別の配線は、前記個別の配線の抵抗値が所定の範囲内となるようにレイアウトされていることを特徴とする請求項８に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項１０】
前記共通配線の抵抗の値が、前記発熱素子の抵抗と前記発熱素子に個別に接続される配線の抵抗との合計の値の所定の割合以下となるように、前記共通配線の幅または膜厚が構成されていることを特徴とする請求項４に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項１１】
前記共通配線の幅または膜厚は、
前記発熱素子によって前記膜沸騰が生じるエネルギを第一の値とした場合、前記発熱部において同時に駆動される複数の発熱素子のそれぞれに投入されるエネルギが、前記第一の値の１倍以上かつ１．３倍以下となるように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項１２】
前記共通配線は、前記素子基板において前記発熱素子が形成されている層とは別の層に形成されることを特徴とする請求項１０または１１に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項１３】
前記共通配線は、前記素子基板において前記発熱素子が形成されている面の裏面に形成されることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項１４】
前記電極パッドは、前記裏面に形成されていることを特徴とする請求項１３に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項１５】
ウェハ上に前記素子基板が複数備えられた生成部をさらに有することを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項１６】
それぞれの個別の配線に接続され、かつ同時に駆動される少なくとも二以上の発熱素子のグループを含む複数のグループが、異なる時分割のタイミングでそれぞれ駆動されることを特徴とする請求項８に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項１７】
前記発熱部において、同時に駆動する発熱素子の数は、各グループにおいて同じであることを特徴とする請求項１６に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項１８】
前記発熱部において同時に駆動する少なくとも二以上の発熱素子のグループが、異なる時分割のタイミングでそれぞれ駆動され、各タイミングにおいて同時に駆動する発熱素子の数に応じて各タイミングで前記発熱素子に印加される電圧または前記発熱素子の駆動する時間長が変わることを特徴とする請求項１６に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項１９】
前記発熱部における前記発熱素子の抵抗を監視する監視手段をさらに有し、
時分割で前記発熱素子に印加される電圧または前記発熱素子を駆動する時間長が、前記監視手段による監視の結果に応じて変わることを特徴とする請求項７または１８に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項２０】
前記発熱部において、同一配線上で同時に駆動される複数の発熱素子が直列に接続されていることを特徴とする請求項１６に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項２１】
前記直列に接続されている発熱素子のそれぞれは、電流が流れる方向の抵抗パターンの長さが、前記抵抗パターンの幅よりも小さいことを特徴とする請求項２０に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項２２】
前記発熱部において、前記複数の発熱素子のそれぞれ、または、所定の数の発熱素子に印加されるエネルギを一定化する一定化手段をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【請求項２３】
前記一定化手段は、前記発熱素子の両端もしくは片側の電圧または電流を一定に保つことを特徴とする請求項２２に記載のウルトラファインバブル生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直径が１．０μｍ未満のウルトラファインバブルを生成するウルトラファインバブル生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、直径がマイクロメートルサイズのマイクロバブル、及び直径がナノメートルサイズのナノバブル等の微細なバブルの特性を応用する技術が開発されてきている。特に、直径が１．０μｍ未満のウルトラファインバブル（Ｕｌｔｒａ  Ｆｉｎｅ  Ｂｕｂｂｌｅ；以下、「ＵＦＢ」ともいう）については、その有用性が様々な分野において確認されている。
【０００３】
特許文献１には、気体が加圧溶解された加圧液を減圧ノズルから噴出させることによって、微細なバブルを生成する微細気泡生成装置が開示されている。また、特許文献２には、混合ユニットを用いて気体混合液体の分流と合流を繰り返すことによって、微細なバブルを生成する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６１１８５４４号公報
【特許文献２】特許第４４５６１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、２に記載のいずれの装置においても、直径がナノメートルサイズのＵＦＢに加えて、直径がミリメートルサイズのミリバブルや直径がマイクロメートルサイズのマイクロバブルが比較的多量に生成される。但し、ミリバブルやマイクロバブルには浮力が作用するため、長期間の保存においては徐々に液面に浮上し、消滅してしまう傾向がある。
【０００６】
一方、直径がナノメートルサイズのＵＦＢについては、浮力の影響を受け難く、ブラウン運動を行いながら液中に浮遊するため、長期間の保存に適している。しかしながら、ＵＦＢにおいても、ミリバブルやマイクロバブルとともに生成されたり、気液界面エネルギが小さかったりすると、ミリバブルやマイクロバブルの消滅の影響を受け、時間の経過とともに減少してしまう。すなわち、長期間保存してもＵＦＢ濃度の減少が抑制されるＵＦＢ含有液を得るためには、ＵＦＢ含有液の生成時において、高い気液界面エネルギを有するＵＦＢが高純度且つ高濃度に生成されることが求められる。また、耐久性を高めたＵＦＢ生成装置が求められる。
【０００７】
本発明は上記問題点を解消するためになされたものである。よってその目的とするところは、純度の高いＵＦＢ含有液を効率的に生成することが可能であり、耐久性を高めたＵＦＢ生成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係るウルトラファインバブル生成装置は、発熱素子による膜沸騰を液体に生じさせることにより、ウルトラファインバブルを生成するウルトラファインバブル生成装置であって、前記発熱素子を複数備えた発熱部を含む素子基板を有し、前記素子基板は、前記発熱素子によって前記膜沸騰が生じるエネルギを第一の値とした場合、前記発熱部において駆動される複数の発熱素子のそれぞれに投入されるエネルギが、前記第一の値の１倍以上の第二の値倍以上であり、かつ前記第二の値倍から０．３の幅の範囲内となるように構成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＵＦＢ含有液を効率的に生成することが可能であり、耐久性を高めたＵＦＢ生成装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＵＦＢ生成装置の一例を示す図である。
【図２】前処理ユニットの概略構成図である。
【図３】溶解ユニットの概略構成図及び液体の溶解状態を説明するための図である。
【図４】Ｔ−ＵＦＢ生成ユニットの概略構成図である。
【図５】発熱素子の詳細を説明するための図である。
【図６】発熱素子における膜沸騰の様子を説明するための図である。
【図７】膜沸騰泡の膨張に伴ってＵＦＢが生成される様子を示す図である。
【図８】膜沸騰泡の収縮に伴ってＵＦＢが生成される様子を示す図である。
【図９】液体の再加熱によってＵＦＢが生成される様子を示す図である。
【図１０】膜沸騰で生成される泡の消泡時の衝撃波によってＵＦＢが生成される様子を示す図である。
【図１１】後処理ユニットの構成例を示す図である。
【図１２】素子基板のレイアウトを説明する図である。
【図１３】電気的等価回路を示す図である。
【図１４】配線抵抗ロス差を低減する例を説明する図である。
【図１５】素子基板のレイアウト等を説明する図である。
【図１６】発熱素子を長寿命化する例を説明する図である。
【図１７】発熱素子を長寿命化する例を説明する図である。
【図１８】発熱素子を長寿命化する例を説明する図である。
【図１９】発熱素子を長寿命化する例を説明する図である。
【図２０】発熱素子を長寿命化する例を説明する図である。
【図２１】発熱素子を長寿命化する例を説明する図である。
【図２２】発熱素子を長寿命化する例を説明する図である。
【図２３】発熱素子を長寿命化する例を説明する図である。
【図２４】発熱素子を長寿命化する例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜＜ＵＦＢ生成装置の構成＞＞
図１は、本発明に適用可能なウルトラファインバブル生成装置（ＵＦＢ生成装置）の一例を示す図である。本実施形態のＵＦＢ生成装置１は、前処理ユニット１００、溶解ユニット２００、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００、後処理ユニット４００、及び回収ユニット５００を含む。前処理ユニット１００に供給された水道水などの液体Ｗは、上記の順番で各ユニット固有の処理が施され、Ｔ−ＵＦＢ含有液として回収ユニット５００で回収される。以下、各ユニットの機能及び構成について説明する。詳細は後述するが、本明細書では急激な発熱に伴う膜沸騰を利用して生成したＵＦＢをＴ−ＵＦＢ（Ｔｈｅｒｍａｌ−Ｕｌｔｒａ  Ｆｉｎｅ  Ｂｕｂｂｌｅ）と称す。
【００１２】
図２は、前処理ユニット１００の概略構成図である。本実施形態の前処理ユニット１００は、供給された液体Ｗに対し脱気処理を行う。前処理ユニット１００は、主に、脱気容器１０１、シャワーヘッド１０２、減圧ポンプ１０３、液体導入路１０４、液体循環路１０５、液体導出路１０６を有する。例えば水道水のような液体Ｗは、バルブ１０９を介して、液体導入路１０４から脱気容器１０１に供給される。この際、脱気容器１０１に設けられたシャワーヘッド１０２が、液体Ｗを霧状にして脱気容器１０１内に噴霧する。シャワーヘッド１０２は、液体Ｗの気化を促すためのものであるが、気化促進効果を生み出す機構としては、遠心分離器なども代替可能である。
【００１３】
ある程度の液体Ｗが脱気容器１０１に貯留された後、全てのバルブを閉じた状態で減圧ポンプ１０３を作動させると、既に気化している気体成分が排出されるとともに、液体Ｗに溶解している気体成分の気化と排出も促される。この際、脱気容器１０１の内圧は、圧力計１０８を確認しながら数百〜数千Ｐａ（１．０Ｔｏｒｒ〜１０．０Ｔｏｒｒ）程度に減圧されればよい。前処理ユニット１００によって脱気される気体としては、例えば窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素などが含まれる。
【００１４】
以上説明した脱気処理は、液体循環路１０５を利用することにより、同じ液体Ｗに対して繰り返し行うことができる。具体的には、液体導入路１０４のバルブ１０９と液体導出路１０６のバルブ１１０を閉塞し、液体循環路１０５のバルブ１０７を開放した状態で、シャワーヘッド１０２を作動させる。これにより、脱気容器１０１に貯留され、脱気処理が一度行われた液体Ｗは、再びシャワーヘッド１０２を介して脱気容器１０１に噴霧される。更に、減圧ポンプ１０３を作動させることにより、シャワーヘッド１０２による気化処理と減圧ポンプ１０３による脱気処理が、同じ液体Ｗに対し重ねて行われることになる。そして、液体循環路１０５を利用した上記繰り返し処理を行う度に、液体Ｗに含まれる気体成分を段階的に減少させていくことができる。所望の純度に脱気された液体Ｗが得られると、バルブ１１０を開放することにより、液体Ｗは液体導出路１０６を経て溶解ユニット２００に送液される。
【００１５】
なお、図２では、気体部を低圧にして溶解物を気化させる前処理ユニット１００を示したが、溶解した液体を脱気させる方法はこれに限らない。例えば、液体Ｗを煮沸して溶解物を気化させる加熱煮沸法を採用してもよいし、中空糸を用いて液体と気体の界面を増大させる膜脱気方法を採用してもよい。中空糸を用いた脱気モジュールとしては、ＳＥＰＡＲＥＬシリーズ（大日本インキ社製）が市販されている。これは、中空糸膜の原料にポリ４−メチルペンテン−１（ＰＭＰ）を用いて、主にピエゾヘッド向けに供給するインクなどから気泡を脱気する目的で使用されている。更に、真空脱気法、加熱煮沸法、及び膜脱気方法の２つ以上を併用してもよい。
【００１６】
図３（ａ）及び（ｂ）は、溶解ユニット２００の概略構成図及び液体の溶解状態を説明するための図である。溶解ユニット２００は、前処理ユニット１００より供給された液体Ｗに対し所望の気体を溶解させるユニットである。本実施形態の溶解ユニット２００は、主に、溶解容器２０１、回転板２０２が取り付けられた回転シャフト２０３、液体導入路２０４、気体導入路２０５、液体導出路２０６、及び加圧ポンプ２０７を有する。
【００１７】
前処理ユニット１００より供給された液体Ｗは、液体導入路２０４より、溶解容器２０１に供給され貯留される。一方、気体Ｇは気体導入路２０５より溶解容器２０１に供給される。
【００１８】
所定量の液体Ｗと気体Ｇが溶解容器２０１に貯留されると、加圧ポンプ２０７を作動し溶解容器２０１の内圧を０．５Ｍｐａ程度まで上昇させる。加圧ポンプ２０７と溶解容器２０１の間には安全弁２０８が配されている。また、回転シャフト２０３を介して液中の回転板２０２を回転させることにより、溶解容器２０１に供給された気体Ｇを気泡化し、液体Ｗとの接触面積を大きくし、液体Ｗ中への溶解を促進する。そしてこのような作業を、気体Ｇの溶解度がほぼ最大飽和溶解度に達するまで継続する。この際、可能な限り多くの気体を溶解させるために、液体の温度を低下させる手段を配してもよい。また、難溶解性の気体の場合は、溶解容器２０１の内圧を０．５ＭＰａ以上に上げる事も可能である。その場合は、安全面から容器の材料などを最適にする必要がある。
【００１９】
気体Ｇの成分が所望の濃度で溶解された液体Ｗが得られると、液体Ｗは液体導出路２０６を経由して排出され、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００に供給される。この際、背圧弁２０９は、供給時の圧力が必要以上に高くならないように液体Ｗの流圧を調整する。
【００２０】
図３（ｂ）は、溶解容器２０１で混入された気体Ｇが溶解していく様子を模式的に示す図である。液体Ｗ中に混入された気体Ｇの成分を含む気泡２は、液体Ｗに接触している部分から溶解する。このため、気泡２は徐々に収縮し、気泡２の周囲には気体溶解液体３が存在する状態となる。気泡２には浮力が作用するため、気泡２は気体溶解液体３の中心から外れた位置に移動したり、気体溶解液体３から分離して残存気泡４となったりする。すなわち、液体導出路２０６を介してＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００に供給される液体Ｗには、気体溶解液体３が気泡２を囲った状態のものや、気体溶解液体３と気泡２が互いに分離した状態のものが混在している。
【００２１】
なお、図において気体溶解液体３とは、「液体Ｗ中において、混入された気体Ｇの溶解濃度が比較的高い領域」を意味している。実際に液体Ｗに溶解している気体成分においては、気泡２の周囲や、気泡２と分離した状態であっても領域の中心で濃度が最も高く、その位置から離れるほど気体成分の濃度は連続的に低くなる。すなわち、図３（ｂ）では説明のために気体溶解液体３の領域を破線で囲っているが、実際にはこのような明確な境界が存在するわけではない。また、本発明においては、完全に溶解しない気体が、気泡の状態で液体中に存在しても許容される。
【００２２】
図４は、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００の概略構成図である。Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００は、主に、チャンバー３０１、液体導入路３０２、液体導出路３０３を備え、液体導入路３０２からチャンバー３０１内を経て液体導出路３０３に向かう流れが、不図示の流動ポンプによって形成されている。流動ポンプとしては、ダイヤフラムポンプ、ギアポンプ、スクリューポンプなど各種ポンプを採用することができる。液体導入路３０２から導入される液体Ｗには、溶解ユニット２００によって混入された気体Ｇの気体溶解液体３が混在している。
【００２３】
チャンバー３０１の底面には発熱素子１０が設けられた素子基板１２が配されている。発熱素子１０に所定の電圧パルスが印加されることにより、発熱素子１０に接触する領域に膜沸騰により生じる泡１３（以下、膜沸騰泡１３ともいう）が発生する。そして、膜沸騰泡１３の膨張や収縮に伴って気体Ｇを含有するウルトラファインバブル（ＵＦＢ１１）が生成される。その結果、液体導出路３０３からは多数のＵＦＢ１１が含まれたＵＦＢ含有液Ｗが導出される。
【００２４】
図５（ａ）及び（ｂ）は、発熱素子１０の詳細構造を示す図である。図５（ａ）は発熱素子１０の近傍、同図（ｂ）は発熱素子１０を含むより広い領域の素子基板１２の断面図をそれぞれ示している。
【００２５】
図５（ａ）に示すように、本実施形態の素子基板１２は、シリコン基板３０４の表面に、蓄熱層としての熱酸化膜３０５と、蓄熱層を兼ねる層間膜３０６と、が積層されている。層間膜３０６としては、ＳｉＯ２膜、または、ＳｉＮ膜を用いることができる。層間膜３０６の表面には抵抗層３０７が形成され、その抵抗層３０７の表面に、配線３０８が部分的に形成されている。配線３０８としては、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、またはＡｌ−ＣｕなどのＡｌ合金配線を用いることができる。これらの配線３０８、抵抗層３０７、及び、層間膜３０６の表面には、ＳｉＯ２膜、またはＳｉ３Ｎ４膜から成る保護層３０９が形成されている。
【００２６】
保護層３０９の表面において、結果的に発熱素子１０となる熱作用部３１１に対応する部分、及び、その周囲には、抵抗層３０７の発熱に伴う化学的、及び物理的な衝撃から保護層３０９を保護するための耐キャビテーション膜３１０が形成されている。抵抗層３０７の表面において、配線３０８が形成されていない領域は、抵抗層３０７が発熱する熱作用部３１１である。配線３０８が形成されていない抵抗層３０７の発熱部分は、発熱素子（ヒータ）１０として機能する。このように素子基板１２における層は、半導体の製造技術によってシリコン基板３０４の表面に順次に形成され、これにより、シリコン基板３０４に熱作用部３１１が備えられる。
【００２７】
なお、図に示す構成は一例であり、その他の各種構成が適用可能である。例えば、抵抗層３０７と配線３０８との積層順が逆の構成、及び抵抗層３０７の下面に電極を接続させる構成（所謂プラグ電極構成）が適用可能である。つまり、後述するように、熱作用部３１１により液体を加熱して、液体中に膜沸騰を生じさせることができる構成であればよい。
【００２８】
図５（ｂ）は、素子基板１２において、配線３０８に接続される回路を含む領域の断面図の一例である。Ｐ型導電体であるシリコン基板３０４の表層には、Ｎ型ウェル領域３２２、及び、Ｐ型ウェル領域３２３が部分的に備えられている。一般的なＭＯＳプロセスによるイオンインプランテーションなどの不純物の導入、及び拡散によって、Ｎ型ウェル領域３２２にＰ−ＭＯＳ３２０が形成され、Ｐ型ウェル領域３２３にＮ−ＭＯＳ３２１が形成される。
【００２９】
Ｐ−ＭＯＳ３２０は、Ｎ型ウェル領域３２２の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域３２５及びドレイン領域３２６と、ゲート配線３３５などから構成されている。ゲート配線３３５は、ソース領域３２５及びドレイン領域３２６を除くＮ型ウェル領域３２２の部分の表面に、厚さ数百Åのゲート絶縁膜３２８を介して堆積されている。
【００３０】
Ｎ−ＭＯＳ３２１は、Ｐ型ウェル領域３２３の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域３２５及びドレイン領域３２６と、ゲート配線３３５などから構成されている。ゲート配線３３５は、ソース領域３２５及びドレイン領域３２６を除くＰ型ウェル領域３２３の部分の表面に、厚さ数百Åのゲート絶縁膜３２８を介して堆積されている。ゲート配線３３５は、ＣＶＤ法により堆積された厚さ３０００Å〜５０００Åのポリシリコンからなる。これらのＰ−ＭＯＳ３２０及びＮ−ＭＯＳ３２１によって、Ｃ−ＭＯＳロジックが構成される。
【００３１】
Ｐ型ウェル領域３２３において、Ｎ−ＭＯＳ３２１と異なる部分には、電気熱変換素子（発熱抵抗素子）の駆動用のＮ−ＭＯＳトランジスタ３３０が形成されている。Ｎ−ＭＯＳトランジスタ３３０は、不純物の導入及び拡散などの工程によりＰ型ウェル領域３２３の表層に部分的に形成されたソース領域３３２及びドレイン領域３３１と、ゲート配線３３３などから構成されている。ゲート配線３３３は、Ｐ型ウェル領域３２３におけるソース領域３３２及びドレイン領域３３１を除く部分の表面に、ゲート絶縁膜３２８を介して堆積されている。
【００３２】
本例においては、電気熱変換素子の駆動用トランジスタとして、Ｎ−ＭＯＳトランジスタ３３０を用いた。しかし、その駆動用トランジスタは、複数の電気熱変換素子を個別に駆動する能力を持ち、かつ、上述したような微細な構造を得ることができるトランジスタであればよく、Ｎ−ＭＯＳトランジスタ３３０には限定されない。また本例においては、電気熱変換素子と、その駆動用トランジスタと、が同一基板上に形成されているが、これらは、別々の基板に形成してもよい。
【００３３】
Ｐ−ＭＯＳ３２０とＮ−ＭＯＳ３２１との間、及びＮ−ＭＯＳ３２１とＮ−ＭＯＳトランジスタ３３０との間等の各素子間には、５０００Å〜１００００Åの厚さのフィールド酸化により酸化膜分離領域３２４が形成されている。この酸化膜分離領域３２４によって各素子が分離されている。酸化膜分離領域３２４において、熱作用部３１１に対応する部分は、シリコン基板３０４上の一層目の蓄熱層３３４として機能する。
【００３４】
Ｐ−ＭＯＳ３２０、Ｎ−ＭＯＳ３２１、及びＮ−ＭＯＳトランジスタ３３０の各素子の表面には、ＣＶＤ法により、厚さ約７０００ÅのＰＳＧ膜、またはＢＰＳＧ膜などから成る層間絶縁膜３３６が形成されている。層間絶縁膜３３６を熱処理により平坦にした後に、層間絶縁膜３３６及びゲート絶縁膜３２８を貫通するコンタクトホールを介して、第１の配線層となるＡｌ電極３３７が形成される。層間絶縁膜３３６及びＡｌ電極３３７の表面には、プラズマＣＶＤ法により、厚さ１００００Å〜１５０００ÅのＳｉＯ２膜から成る層間絶縁膜３３８が形成される。層間絶縁膜３３８の表面において、熱作用部３１１及びＮ−ＭＯＳトランジスタ３３０に対応する部分には、コスパッタ法により、厚さ約５００ÅのＴａＳｉＮ膜から成る抵抗層３０７が形成される。抵抗層３０７は、層間絶縁膜３３８に形成されたスルーホールを介して、ドレイン領域３３１の近傍のＡｌ電極３３７と電気的に接続される。抵抗層３０７の表面には、各電気熱変換素子への配線となる第２の配線層としてのＡｌの配線３０８が形成される。配線３０８、抵抗層３０７、及び層間絶縁膜３３８の表面の保護層３０９は、プラズマＣＶＤ法により形成された厚さ３０００ÅのＳｉＮ膜から成る。保護層３０９の表面に堆積された耐キャビテーション膜３１０は、Ｔａ、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｇｅ，Ｒｕ，Ｚｒ，Ｉｒ等から選択される少なくとも１つ以上の金属であり、厚さ約２０００Åの薄膜から成る。抵抗層３０７としては、上述したＴａＳｉＮ以外のＴａＮ０．８、ＣｒＳｉＮ、ＴａＡｌ、ＷＳｉＮ等、液体中に膜沸騰を生じさせることができるものであれば各種材料が適用可能である。
【００３５】
図６（ａ）及び（ｂ）は、発熱素子１０に所定の電圧パルスを印加した場合の膜沸騰の様子を示す図である。ここでは、大気圧のもとでの膜沸騰を生じさせた場合を示している。図６（ａ）において、横軸は時間を示す。また、下段のグラフの縦軸は発熱素子１０に印加される電圧を示し、上段のグラフの縦軸は膜沸騰により発生した膜沸騰泡１３の体積と内圧を示す。一方、図６（ｂ）は、膜沸騰泡１３の様子を、図６（ａ）に示すタイミング１〜３に対応づけて示している。以下、時間に沿って各状態を説明する。尚、後述するように膜沸騰によって発生したＵＦＢ１１は主として膜沸騰泡１３の表面近傍に発生する。図６（ｂ）に示す状態は、図１で示したように、生成ユニット３００で発生したＵＦＢ１１から循環経路を介して溶解ユニット２００に再度供給され、その液体が生成ユニット３００の液路に再度供給された状態を示す。
【００３６】
発熱素子１０に電圧が印加される前、チャンバー３０１内はほぼ大気圧が保たれている。発熱素子１０に電圧が印加されると、発熱素子１０に接する液体に膜沸騰が生じ、発生した気泡（以下、膜沸騰泡１３と称す）は内側から作用する高い圧力によって膨張する（タイミング１）。このときの発泡圧力は約８〜１０ＭＰａとみなされ、これは水の飽和蒸気圧に近い値である。
【００３７】
電圧の印加時間（パルス幅）は０．５μｓｅｃ〜１０．０μｓｅｃ程度であるが、電圧が印加されなくなった後も、膜沸騰泡１３はタイミング１で得られた圧力の慣性によって膨張する。但し、膜沸騰泡１３の内部では膨張に伴って発生した負圧力が徐々に大きくなり、膜沸騰泡１３を収縮する方向に作用する。やがて慣性力と負圧力が釣り合ったタイミング２で膜沸騰泡１３の体積は最大となり、その後は負圧力によって急速に収縮する。
【００３８】
膜沸騰泡１３が消滅する際、膜沸騰泡１３は発熱素子１０の全面ではなく、１箇所以上の極めて小さな領域で消滅する。このため、発熱素子１０においては、膜沸騰泡１３が消滅する極めて小さな領域に、タイミング１で示す発泡時よりも更に大きな力が発生する（タイミング３）。
【００３９】
以上説明したような膜沸騰泡１３の発生、膨張、収縮及び消滅は、発熱素子１０に電圧パルスが印加されるたびに繰り返され、そのたびに新たなＵＦＢ１１が生成される。
【００４０】
次に図７〜図１０を用いて、膜沸騰泡１３の発生、膨張、収縮及び消滅の各過程において、ＵＦＢ１１が生成される様子を更に詳しく説明する。
【００４１】
図７（ａ）〜（ｄ）は、膜沸騰泡１３の発生及び膨張に伴ってＵＦＢ１１が生成される様子を模式的に示す図である。図７（ａ）は、発熱素子１０に電圧パルスが印加される前の状態を示している。チャンバー３０１の内部には、気体溶解液体３が混在した液体Ｗが流れている。
【００４２】
図７（ｂ）は、発熱素子１０に電圧が印加され、液体Ｗに接している発熱素子１０のほぼ全域で膜沸騰泡１３が一様に発生した様子を示している。電圧が印加されたとき、発熱素子１０の表面温度は１０℃／μｓｅｃ以上の速度で急激に上昇し、ほぼ３００℃に達した時点で膜沸騰が起こり、膜沸騰泡１３が生成される。
【００４３】
発熱素子１０の表面温度は、その後もパルスの印加中に６００〜８００℃程度まで上昇し、膜沸騰泡１３の周辺の液体も急激に加熱される。図では、膜沸騰泡１３の周辺に位置し、急激に加熱される液体の領域を未発泡高温領域１４として示している。未発泡高温領域１４に含まれる気体溶解液体３は熱的溶解限界を超えて析出しＵＦＢとなる。析出した気泡の直径は１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であり、高い気液界面エネルギを有している。そのため、短時間で消滅することもなく液体Ｗ内で独立を保ながら浮遊する。本実施形態では、このように膜沸騰泡１３の発生から膨張時に熱的作用によって生成される気泡を第１のＵＦＢ１１Ａと称す。
【００４４】
図７（ｃ）は、膜沸騰泡１３が膨張する過程を示している。発熱素子１０への電圧パルスの印加が終了しても、膜沸騰泡１３は発生したときに得た力の慣性によって膨張を続け、未発泡高温領域１４も慣性によって移動及び拡散する。すなわち、膜沸騰泡１３が膨張する過程において、未発泡高温領域１４に含まれた気体溶解液体３が新たに気泡となって析出し、第１のＵＦＢ１１Ａとなる。
【００４５】
図７（ｄ）は、膜沸騰泡１３が最大体積となった状態を示している。膜沸騰泡１３は慣性によって膨張するが、膨張に伴って膜沸騰泡１３の内部の負圧は徐々に高まり、膜沸騰泡１３を収縮しようとする負圧力として作用する。そして、この負圧力が慣性力と釣り合った時点で、膜沸騰泡１３の体積は最大となり、以後収縮に転じる。
【００４６】
膜沸騰泡１３の収縮段階においては、図８（ａ）〜（ｃ）に示す過程により発生するＵＦＢ（第２のＵＦＢ１１Ｂ）と、図９（ａ）〜（ｃ）に示す過程により発生するＵＦＢ（第３のＵＦＢ）とがある。これら２つの過程は併存しておきていると考えられる。
【００４７】
図８（ａ）〜（ｃ）は、膜沸騰泡１３の収縮に伴ってＵＦＢ１１が生成される様子を示す図である。図８（ａ）は、膜沸騰泡１３が収縮を開始した状態を示している。膜沸騰泡１３が収縮を開始しても、周囲の液体Ｗには膨張する方向の慣性力が残っている。よって、膜沸騰泡１３の極周囲には、発熱素子１０から離れる方向に作用する慣性力と、膜沸騰泡１３の収縮に伴って発熱素子１０に向かう力とが作用し、減圧された領域となる。図では、そのような領域を未発泡負圧領域１５として示している。
【００４８】
未発泡負圧領域１５に含まれる気体溶解液体３は、圧的溶解限界を超え、気泡として析出する。析出した気泡の直径は１００ｎｍ程度であり、その後短時間で消滅することもなく液体Ｗ内で独立を保ながら浮遊する。本実施形態では、このように膜沸騰泡１３が収縮する際の圧力的作用によって析出する気泡を、第２のＵＦＢ１１Ｂと称す。
【００４９】
図８（ｂ）は、膜沸騰泡１３が収縮する過程を示している。膜沸騰泡１３が収縮する速度は負圧力によって加速し、未発泡負圧領域１５も膜沸騰泡１３の収縮に伴って移動する。すなわち、膜沸騰泡１３が収縮する過程において、未発泡負圧領域１５が通過する箇所の気体溶解液体３が次々に析出し、第２のＵＦＢ１１Ｂとなる。
【００５０】
図８（ｃ）は、膜沸騰泡１３が消滅する直前の様子を示している。膜沸騰泡１３の加速度的な収縮により、周囲の液体Ｗの移動速度も増大するが、チャンバー３０１内の流路抵抗によって圧力損失が生じる。その結果、未発泡負圧領域１５が占める領域は更に大きくなり、多数の第２のＵＦＢ１１Ｂが生成される。
【００５１】
図９（ａ）〜（ｃ）は、膜沸騰泡１３の収縮時において、液体Ｗの再加熱によってＵＦＢが生成される様子を示す図である。図９（ａ）は、発熱素子１０の表面が収縮する膜沸騰泡１３に被覆されている状態を示している。
【００５２】
図９（ｂ）は、膜沸騰泡１３の収縮が進み、発熱素子１０の表面の一部が液体Ｗに接触した状態を示している。このとき発熱素子１０の表面には、液体Ｗが接しても膜沸騰には到らないほどの熱が残っている。図では、発熱素子１０の表面に接することにより加熱される液体の領域を未発泡再加熱領域１６として示している。膜沸騰には到らないものの、未発泡再加熱領域１６に含まれる気体溶解液体３は、熱的溶解限界を超えて析出する。本実施形態では、このように膜沸騰泡１３が収縮する際の液体Ｗの再加熱によって生成される気泡を第３のＵＦＢ１１Ｃと称す。
【００５３】
図９（ｃ）は、膜沸騰泡１３の収縮が更に進んだ状態を示している。膜沸騰泡１３が小さくなるほど、液体Ｗに接する発熱素子１０の領域が大きくなるため、第３のＵＦＢ１１Ｃは、膜沸騰泡１３が消滅するまで生成される。
【００５４】
図１０（ａ）および（ｂ）は、膜沸騰で生成された膜沸騰泡１３の消泡時の衝撃（所謂、キャビテーションの一種）によって、ＵＦＢが生成される様子を示す図である。図１０（ａ）は、膜沸騰泡１３が消滅する直前の様子を示している。膜沸騰泡１３は内部の負圧力によって急激に収縮し、その周囲を未発泡負圧領域１５が覆う状態となっている。
【００５５】
図１０（ｂ）は、膜沸騰泡１３が点Ｐで消滅した直後の様子を示している。膜沸騰泡１３が消泡するとき、その衝撃により音響波が点Ｐを起点として同心円状に広がる。音響波とは、気体、液体、固体を問わず伝播する弾性波の総称であり、本実施形態においては、液体Ｗの粗密、すなわち液体Ｗの高圧面１７Ａと低圧面１７Ｂ、とが交互に伝播される。
【００５６】
この場合、未発泡負圧領域１５に含まれる気体溶解液体３は、膜沸騰泡１３の消泡時の衝撃波によって共振され、低圧面１７Ｂが通過するタイミングで圧的溶解限界を超えて相転移する。すなわち、膜沸騰泡１３の消滅と同時に、未発泡負圧領域１５内には多数の気泡が析出する。本実施形態ではこのような膜沸騰泡１３が消泡する時の衝撃波によって生成される気泡を第４のＵＦＢ１１Ｄと称す。
【００５７】
膜沸騰泡１３の消泡時の衝撃波よって生成される第４のＵＦＢ１１Ｂは、極めて狭い薄膜的領域に極めて短時間（１μＳ以下）で突発的に出現する。直径は第１〜第３のＵＦＢよりも十分小さく、第１〜第３のＵＦＢよりも気液界面エネルギが高い。このため、第４のＵＦＢ１１Ｄは、第１〜第３のＵＦＢ１１Ａ〜１１Ｃとは異なる性質を有し異なる効果を生み出すものと考えられる。
【００５８】
また、第４のＵＦＢ１１Ｄは、衝撃波が伝播する同心球状の領域のいたる所で一様に発生するため、生成された時点からチャンバー３０１内に一様に存在することになる。第４のＵＦＢ１１Ｄが生成されるタイミングでは、第１〜第３のＵＦＢが既に多数存在しているが、これら第１〜第３のＵＦＢの存在が第４のＵＦＢ１１Ｄの生成に大きく影響することはない。また、第４のＵＦＢ１１Ｄの発生によって第１〜第３のＵＦＢが消滅することもないと考えられる。
【００５９】
以上説明したように発熱素子１０の発熱により膜沸騰泡１３が発生し消泡するまでの複数の段階においてＵＦＢ１１が発生すると想定される。第１のＵＦＢ１１Ａ、第２のＵＦＢ１１Ｂ及び第３のＵＦＢ１１Ｃは、膜沸騰により発生する膜沸騰泡の表面の近傍に発生する。ここで近傍とは膜沸騰泡の表面から約２０μｍ以内の領域である。第４のＵＦＢ１１Ｄは、気泡が消泡（消滅）する際に発生する衝撃波が伝搬する領域に発生する。上述した例では膜沸騰泡１３が消泡するまでの例を示したがＵＦＢを発生させるためにはこれに限られない。例えば、発生した膜沸騰泡１３が消泡する前に大気と連通することで、膜沸騰泡１３が消耗まで至らない場合においてもＵＦＢの生成が可能である。
【００６０】
次にＵＦＢの残存特性について説明する。液体の温度が高いほど気体成分の溶解特性は低くなり、温度が低いほど気体成分の溶解特性は高くなる。すなわち、液体の温度が高いほど、溶解している気体成分の相転移が促され、ＵＦＢが生成されやすくなる。液体の温度と気体の溶解度は反比例の関係にあり、液体の温度上昇により、飽和溶解度を超えた気体が気泡になって液体中に析出される。
【００６１】
このため、液体の温度が常温から急激に上昇すると溶解特性が一気に下がり、ＵＦＢが生成され始める。そして、温度が上がるほど熱的溶解特性は下がり、多くのＵＦＢが生成される状況となる。
【００６２】
反対に液体の温度が常温から下降すると、気体の溶解特性は上昇し、生成されたＵＦＢは液化しやすくなる。しかしながら、このような温度は、常温よりも十分に低い。更に、液体の温度が下がっても、一度発生したＵＦＢは高い内圧と高い気液界面エネルギを有するため、この気液界面を破壊するほどの高い圧力が作用する可能性は極めて低い。すなわち、一度生成されたＵＦＢは、液体を常温常圧で保存する限り、簡単に消滅することはない。
【００６３】
本実施形態において、図７（ａ）〜（ｃ）で説明した第１のＵＦＢ１１Ａ、及び図９（ａ）〜（ｃ）で説明した第３のＵＦＢ１１Ｃは、このような気体の熱的溶解特性を利用して生成されたＵＦＢと言える。
【００６４】
一方、液体の圧力と溶解特性の関係においては、液体の圧力が高いほど気体の溶解特性は高くなり、圧力が低いほど溶解特性は低くなる。すなわち液体の圧力が低いほど、液体に溶解している気体溶解液体の気体への相転移が促され、ＵＦＢが生成されやすくなる。液体の圧力が常圧から下がると、溶解特性が一気に下がり、ＵＦＢが生成され始める。そして、圧力が下がるほど圧的溶解特性は下がり、多くのＵＦＢが生成される状況となる。
【００６５】
反対に液体の圧力が常圧から上昇すると、気体の溶解特性は上昇し、生成されたＵＦＢは液化しやすくなる。しかしながら、このような圧力は、大気圧よりも十分に高く、更に、液体の圧力が上がっても、一度発生したＵＦＢは高い内圧と高い気液界面エネルギを有するため、この気液界面を破壊するほどの高い圧力が作用する可能性は極めて低い。すなわち、一度生成されたＵＦＢは、液体を常温常圧で保存する限り、簡単に消滅することはない。
【００６６】
本実施形態において、図８（ａ）〜（ｃ）で説明した第２のＵＦＢ１１Ｂ、及び図１０（ａ）〜（ｃ）で説明した第４のＵＦＢ１１Ｄは、このような気体の圧力的溶解特性を利用して生成されたＵＦＢと言える。
【００６７】
以上では、生成される要因の異なる第１〜第４のＵＦＢを個別に説明してきたが、上述した生成要因は、膜沸騰という事象に伴って同時多発的に起こるものである。このため、第１〜第４のＵＦＢのうち少なくとも２種類以上のＵＦＢが同時に生成されることもあり、これら生成要因が互いに協働してＵＦＢを生成することもある。但し、いずれの生成要因も、膜沸騰現象によって招致されることは共通している。本明細書では、このように急激な発熱に伴う膜沸騰を利用してＵＦＢを生成する方法を、Ｔ−ＵＦＢ（Ｔｈｅｒｍａｌ−Ｕｌｔｒａ  Ｆｉｎｅ  Ｂｕｂｂｌｅ）生成方法と称す。また、Ｔ−ＵＦＢ生成方法によって生成したＵＦＢをＴ−ＵＦＢ、Ｔ−ＵＦＢ生成方法によって生成されたＴ−ＵＦＢを含有する液体をＴ−ＵＦＢ含有液と称す。
【００６８】
Ｔ−ＵＦＢ生成方法によって生成される気泡はその殆どが１．０ｕｍ以下であり、ミリバブルやマイクロバブルは生成され難い。すなわち、Ｔ−ＵＦＢ生成方法によれば、ＵＦＢが支配的に、かつ、効率的に生成されることになる。また、Ｔ−ＵＦＢ生成方法によって生成されたＴ−ＵＦＢは、従来法によって生成されたＵＦＢよりも高い気液界面エネルギを有し、常温常圧で保存する限り簡単に消滅することはない。更に、新たな膜沸騰によって新たなＴ−ＵＦＢが生成されても、先行して生成されていたＴ−ＵＦＢがその衝撃によって消滅することも抑制される。つまり、Ｔ−ＵＦＢ含有液に含まれるＴ−ＵＦＢの数や濃度は、Ｔ−ＵＦＢ含有液における膜沸騰の発生回数に対しヒステリシス特性を有すると言える。言い替えると、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００に配する発熱素子の数や発熱素子に対する電圧パルスの印加回数を制御することにより、Ｔ−ＵＦＢ含有液に含まれるＴ−ＵＦＢの濃度を調整することができる。
【００６９】
再び図１を参照する。Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００において、所望のＵＦＢ濃度を有するＴ−ＵＦＢ含有液Ｗが生成されると、当該ＵＦＢ含有液Ｗは、後処理ユニット４００に供給される。
【００７０】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の後処理ユニット４００の構成例を示す図である。本実施形態の後処理ユニット４００は、ＵＦＢ含有液Ｗに含まれる不純物を、無機物イオン、有機物、不溶固形物、の順に段階に除去する。
【００７１】
図１１（ａ）は、無機物イオンを除去するための第１の後処理機構４１０を示す。第１の後処理機構４１０は、交換容器４１１、陽イオン交換樹脂４１２、液体導入路４１３、集水管４１４及び液体導出路４１５を備えている。交換容器４１１には、陽イオン交換樹脂４１２が収容されている。Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００で生成されたＵＦＢ含有液Ｗは、液体導入路４１３を経由して交換容器４１１に注入され、陽イオン交換樹脂４１２に吸収され、ここで不純物としての陽イオンが除去される。このような不純物には、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００の素子基板１２より剥離した金属材料などが含まれ、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＣ、Ｔａ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｉｒが挙げられる。
【００７２】
陽イオン交換樹脂４１２は、三次元的な網目構造を持った高分子母体に官能基（イオン交換基）を導入した合成樹脂であり、合成樹脂は０．４〜０．７ｍｍ程度の球状粒子を呈している。高分子母体としては、スチレン−ジビニルベンゼンの共重合体が一般的であり、官能基としては例えばメタクリル酸系とアクリル酸系のものを用いることができる。但し、上記材料は一例である。所望の無機イオンを効果的に除去することができれば、上記材料は様々に変更可能である。陽イオン交換樹脂４１２に吸収され、無機イオンが除去されたＵＦＢ含有液Ｗは、集水管４１４によって集水され、液体導出路４１５を介して次の工程に送液される。
【００７３】
図１１（ｂ）は、有機物を除去するための第２の後処理機構４２０を示す。第２の後処理機構４２０は、収容容器４２１、ろ過フィルタ４２２、真空ポンプ４２３、バルブ４２４、液体導入路４２５、液体導出路４２６、及びエア吸引路４２７を備えている。収容容器４２１の内部は、ろ過フィルタ４２２によって上下２つの領域に分割されている。液体導入路４２５は、上下２つの領域のうち上方の領域に接続し、エア吸引路４２７及び液体導出路４２６は下方の領域に接続する。バルブ４２４を閉じた状態で真空ポンプ４２３を駆動すると、収容容器４２１内の空気がエア吸引路４２７を介して排出され、収容容器４２１の内部が負圧になり、液体導入路４２５よりＵＦＢ含有液Ｗが導入される。そして、ろ過フィルタ４２２によって不純物が除去された状態のＵＦＢ含有液Ｗが収容容器４２１に貯留される。
【００７４】
ろ過フィルタ４２２によって除去される不純物には、チューブや各ユニットで混合され得る有機材料が含まれ、例えばシリコンを含む有機化合物、シロキサン、エポキシなどが挙げられる。ろ過フィルタ４２２に使用可能なフィルタ膜としては、細菌系まで除去できるサブμｍメッシュのフィルタや、ウィルスまで除去できるｎｍメッシュのフィルタが挙げられる。
【００７５】
収容容器４２１にＵＦＢ含有液Ｗがある程度貯留された後、真空ポンプ４２３を停止してバルブ４２４を開放すると、収容容器４２１のＴ−ＵＦＢ含有液は液体導出路４２６を介して次の工程に送液される。なお、ここでは、有機物の不純物を除去する方法として真空ろ過法を採用したが、フィルタを用いたろ過方法としては、例えば重力ろ過法や加圧ろ過を採用することもできる。
【００７６】
図１１（ｃ）は、不溶の固形物を除去するための第３の後処理機構４３０を示す。第３の後処理機構４３０は、沈殿容器４３１、液体導入路４３２、バルブ４３３及び液体導出路４３４を備えている。
【００７７】
まず、バルブ４３３を閉じた状態で沈殿容器４３１に所定量のＵＦＢ含有液Ｗを液体導入路４３２より貯留し、しばらく放置する。この間、ＵＦＢ含有液Ｗに含まれている固形物は、重力によって沈殿容器４３１の底部に沈降する。また、ＵＦＢ含有液に含まれるバブルのうち、マイクロバブルのような比較的大きなサイズのバブルも浮力によって液面に浮上し、ＵＦＢ含有液から除去される。十分な時間が経過した後バルブ４３３を開放すると、固形物や大きなサイズのバブルが除去されたＵＦＢ含有液Ｗが液体導出路４３４を介して、回収ユニット５００に送液される。本実施形態では３つの後処理機構を順に適用する例を示したが、これに限られず、必要に応じた後処理機構を適宜採用すれば良い。
【００７８】
再度図１を参照する。後処理ユニット４００で不純物が除去されたＴ−ＵＦＢ含有液Ｗは、そのまま回収ユニット５００に送液してもよいが、再び溶解ユニット２００に戻すこともできる。後者の場合、Ｔ−ＵＦＢの生成によって低下したＴ−ＵＦＢ含有液Ｗの気体溶解濃度を、溶解ユニット２００において再び飽和状態まで補填することができる。その上で新たなＴ−ＵＦＢをＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００で生成すれば、上述した特性のもと、Ｔ−ＵＦＢ含有液のＵＦＢ含有濃度を更に上昇させることができる。すなわち、溶解ユニット２００、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００、後処理ユニット４００を巡る循環回数の分だけ、ＵＦＢ含有濃度を高めることができ、所望のＵＦＢ含有濃度が得られた後に、当該ＵＦＢ含有液Ｗを回収ユニット５００に送液することができる。
【００７９】
回収ユニット５００は、後処理ユニット４００より送液されて来たＵＦＢ含有液Ｗを回収及び保存する。回収ユニット５００で回収されたＴ−ＵＦＢ含有液は、様々な不純物が除去された純度の高いＵＦＢ含有液となる。
【００８０】
回収ユニット５００においては、何段階かのフィルタリング処理を行い、ＵＦＢ含有液ＷをＴ−ＵＦＢのサイズごと分類してもよい。また、Ｔ−ＵＦＢ方式により得られるＴ−ＵＦＢ含有液Ｗは、常温よりも高温であることが予想されるため、回収ユニット５００には冷却手段を設けてもよい。なお、このような冷却手段は、後処理ユニット４００の一部に設けられていてもよい。
【００８１】
以上が、ＵＦＢ生成装置１の概略であるが、図示したような複数のユニットは無論変更可能であり、全てを用意する必要は無い。使用する液体Ｗや気体Ｇの種類、また生成するＴ−ＵＦＢ含有液の使用目的に応じて、上述したユニットの一部を省略してもよいし、上述したユニット以外に更に別のユニットを追加してもよい。
【００８２】
例えば、ＵＦＢに含有させる気体が大気である場合は、前処理ユニット１００や溶解ユニット２００を省略することができる。反対に、ＵＦＢに複数種類の気体を含ませたい場合は、溶解ユニット２００を更に追加してもよい。
【００８３】
また、図１１（ａ）〜（ｃ）で示すような不純物を除去するためのユニットは、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００よりも上流に設けてもよいし、上流と下流の両方に設けてもよい。ＵＦＢ生成装置に供給される液体が水道水や雨水、また汚染水などの場合は、液体中に有機系や無機系の不純物が含まれている事がある。そのような不純物を含んだ液体ＷをＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００に供給すると、発熱素子１０を変質させたり、塩析現象を招致したりするおそれが生じる。図１１（ａ）〜（ｃ）で示すような機構をＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００よりも上流に設けておくことにより、上記のような不純物を事前に除去することができる。
【００８４】
＜＜Ｔ−ＵＦＢ含有液に使用可能な液体および気体＞＞
ここで、Ｔ−ＵＦＢ含有液を生成するために使用可能な液体Ｗについて説明する。本実施形態で使用可能な液体Ｗとしては、例えば、純水、イオン交換水、蒸留水、生理活性水、磁気活性水、化粧水、水道水、海水、川水、上下水、湖水、地下水、雨水などが挙げられる。また、これらの液体等を含む混合液体も使用可能である。また、水と水溶性有機溶剤との混合溶媒も使用できる。水と混合して使用される水溶性有機溶剤としては特に限定されないが、具体例として、以下のものを挙げることができる。メチルアルコール、エチルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコールなどの炭素数１乃至４のアルキルアルコール類。Ｎ−メチル−２−ピロリドン、２−ピロリドン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドなどのアミド類。アセトン、ジアセトンアルコールなどのケトン又はケトアルコール類。テトラヒドロフラン、ジオキサンなどの環状エーテル類。エチレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，３−プロピレングリコール。１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、１，５−ペンタンジオール、１，２−ヘキサンジオール、１，６−ヘキサンジオール。３−メチル−１，５−ペンタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、チオジグリコールなどのグリコール類。エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル。ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテルなどの多価アルコールの低級アルキルエーテル類。ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどのポリアルキレングリコール類。グリセリン、１，２，６−ヘキサントリオール、トリメチロールプロパンなどのトリオール類。これらの水溶性有機溶剤は、単独で用いてもよく、または２種以上を併用してもよい。
【００８５】
溶解ユニット２００で導入可能な気体成分としては、例えば、水素、ヘリウム、酸素、窒素、メタン、フッ素、ネオン、二酸化炭素、オゾン、アルゴン、塩素、エタン、プロパン、空気、などが挙げられる。また、上記のいくつかを含む混合気体であってもよい。さらに、溶解ユニット２００では必ずしも気体状態にある物質を溶解させなくてもよく、所望の成分で構成される液体や固を液体Ｗに融解させてもよい。この場合の溶解としては、自然溶解のほか、圧力付与による溶解であってもよいし、電離による水和、イオン化、化学反応を伴う溶解であってもよい。
【００８６】
＜＜Ｔ−ＵＦＢ生成方法の効果＞＞
次に、以上説明したＴ−ＵＦＢ生成方法の特徴と効果を、従来のＵＦＢ生成方法と比較して説明する。例えばベンチュリー方式に代表される従来の気泡生成装置においては、流路の一部に減圧ノズルのようなメカ的な減圧構造を設け、この減圧構造を通過するように所定の圧力で液体を流すことにより、減圧構造の下流の領域に様々なサイズの気泡を生成している。
【００８７】
この場合、生成された気泡のうち、ミリバブルやマイクロバブルのような比較的大きなサイズのバブルには浮力が作用するため、やがて液面に浮上して消滅してしまう。また、浮力が作用しないＵＦＢについても、然程大きな気液界面エネルギを有していないので、ミリバブルやマイクロバブルとともに消滅してしまう場合もある。加えて、上記減圧構造を直列に配置し、同じ液体を繰り返し減圧構造に流したとしても、その繰り返し回数に応じた数のＵＦＢを、長期間保存することはできない。すなわち、従来のＵＦＢ生成方法によって生成されたＵＦＢ含有液では、ＵＦＢ含有濃度を所定の値で長期間維持することは困難であった。
【００８８】
これに対し、膜沸騰を利用する本実施形態のＴ−ＵＦＢ生成方法では、常温から３００℃程度への急激な温度変化や、常圧から数メガパスカル程度への急激な圧力変化を、発熱素子の極近傍に局所的に生じさせている。当該発熱素子は、一辺が数十μｍ〜数百μｍ程度の四辺形をしている。従来のＵＦＢ発生器の大きさに比べると、１／１０〜１／１０００程度である。且つ、膜沸騰泡表面の極薄い膜領域に存在する気体溶解液体が、熱的溶解限界または圧力的溶解限界を瞬間的に（マイクロ秒以下の超短時間で）超えることにより、相転移が起こりＵＦＢとなって析出する。この場合、ミリバブルやマイクロバブルのような比較的大きなサイズのバブルは殆ど発生せず、液体には直径が１００ｎｍ程度のＵＦＢが極めて高い純度で含有される。更に、このように生成されたＴ−ＵＦＢは、十分に高い気液界面エネルギを有しているため、通常の環境下において破壊されにくく、長期間の保存が可能である。
【００８９】
液体に対し局所的に気体界面を形成できる膜沸騰現象を用いた本発明であれば、液体領域全体に影響を与えることなく、発熱素子の近傍に存在する液体の一部に界面形成し、それに伴う熱的、圧力的に作用する領域を極めて局所的な範囲とすることができる。その結果、安定的に所望のＵＦＢを生成することができる。また、液体を循環して生成液体に対し更にＵＦＢの生成条件を付与することで、既存のＵＦＢへの影響を少なく新たなＵＦＢを追加生成することができる。その結果、比較的容易に、所望のサイズ、濃度のＵＦＢ液体を製造することができる。
【００９０】
更に、Ｔ−ＵＦＢ生成方法においては、上述したヒステリシス特性を有するため、高い純度のまま所望の濃度まで含有濃度を高めていくことができる。すなわち、Ｔ−ＵＦＢ生成方法よれば、高純度、高濃度で且つ長期間保存可能なＵＦＢ含有液を、効率的に生成することができる。
【００９１】
＜＜Ｔ−ＵＦＢ含有液の具体的用途＞＞
一般に、ウルトラファインバブル含有液は、内包される気体の種類によって用途が区別される。なお、液体にＰＰＭ〜ＢＰＭ程度の量を液体中に溶解できる気体であれば、いずれの気体においてもＵＦＢ化させることが可能である。１例としては、下記のような用途に応用する事ができる。
【００９２】
・空気を内包させたＵＦＢ含有液は、工業的・農水産業・医療用などの洗浄や、植物・農水産物の育成にも好適に用いることができる。
【００９３】
・オゾンを内包したＵＦＢ含有液は、工業的・農水産業・医療用などの洗浄用途に加え、殺菌、滅菌及び除菌を目的とした用途や、排水や汚染土壌の環境浄化などにも好適に用いることができる。
【００９４】
・窒素を内包したＵＦＢ含有液は、工業的・農水産業・医療用など洗浄用途に加え、殺菌、滅菌及び除菌を目的とした用途や、排水や汚染土壌の環境浄化などにも好適に用いることができる。
【００９５】
・酸素を内包したＵＦＢ含有液は、工業的・農水産業・医療用など洗浄用途に加え、植物・農水産物の育成にも好適に用いることができる。
【００９６】
・二酸化炭素を内包したＵＦＢ含有液は、工業的・農水産業・医療用などの洗浄用途に加え、殺菌、滅菌及び除菌を目的とした用途などに好適に用いることができる。
【００９７】
・医療用ガスであるパーフロロカーボンを内包したＵＦＢ含有液は、超音波診断や治療に好適に用いることができる。このように、ＵＦＢ含有液は、医療・薬品・歯科・食品・工業・農水産業などの多岐に亘って、効果を発揮することができる。
【００９８】
そして、それぞれの用途において、ＵＦＢ含有液の効果を迅速に且つ確実に発揮するためには、ＵＦＢ含有液に含まれるＵＦＢの純度と濃度が重要となる。すなわち、高純度で所望の濃度のＵＦＢ含有液を生成することが可能な本実施形態のＴ−ＵＦＢ生成方法を利用すれば、様々な分野でこれまで以上の効果を期待することができる。以下、Ｔ−ＵＦＢ生成方法及びＴ−ＵＦＢ含有液を好適に適用可能と想定される用途を列挙する。
【００９９】
（Ａ）液体の精製的用途
・浄水器に対し、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、浄水効果やＰＨ調製液の精製効果を高めることが期待できる。また、炭酸水サーバなどにＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することもできる。
【０１００】
・加湿器、アロマディヒューザー、コーヒーメーカー等にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、室内の加湿効果や消臭効果及び香りの拡散効果を向上させることが期待できる。
【０１０１】
・溶解ユニットにおいてオゾンガスを溶解させたＵＦＢ含有液を生成し、これを歯科治療、火傷の治療、内視鏡使用時の傷の手当てなどで用いることにより、医療的な洗浄効果や消毒効果を向上させることが期待できる。
【０１０２】
・集合住宅の貯水槽にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、長期間保存される飲料水の浄水効果や塩素の除去効果を向上させることが期待できる。
【０１０３】
・日本酒、焼酎、ワインなど、高温の殺菌処理を行うことができない酒造工程において、オゾンや二酸化炭素を含有するＴ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、従来よりも効率的に低温殺菌処理を行うことが期待できる。
【０１０４】
・特定保健食品や機能表示食品の製造過程で、原料にＵＦＢ含有液を混合させることで低温殺菌処理が可能になり、風味を落とさずに、安心かつ機能性を有する食品を提供することができる。
【０１０５】
・魚や真珠などの魚介類の養殖場所において、養殖用の海水や淡水の供給経路にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、魚介類の産卵や発育を促進させることが期待できる。
【０１０６】
・食材保存水の精製工程にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、食材の保存状態を向上させることが期待できる。
【０１０７】
・プール用水や地下水などを脱色するための脱色器にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、より高い脱色効果を期待することができる。
【０１０８】
・コンクリート部材のひび割れ修復のためにＴ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、ひび割れ修復の効果向上を期待することができる。
【０１０９】
・液体燃料を用いる機器（自動車、船舶、飛行機）等の液体燃料に、Ｔ−ＵＦＢを含有させることにより、燃料のエネルギ効率を向上させることが期待できる。
【０１１０】
（Ｂ）洗浄的用途
近年、衣類に付着した汚れなどを除去するための洗浄水として、ＵＦＢ含有液が注目されている。上記実施形態で説明したＴ−ＵＦＢ生成ユニットを洗濯機に配し、従来よりも純度が高く浸透性に優れたＵＦＢ含有液を洗濯層に供給することにより、更に洗浄力を向上させることが期待できる。
【０１１１】
・浴用シャワーや便器洗浄機にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、人体等、生物全般の洗浄効果のほか、浴室又は便器の水垢やカビなどの汚染除去を促す効果を期待できる。
【０１１２】
・自動車などのウィンドウォッシャー、壁材などを洗浄するための高圧洗浄機、洗車機、食器洗浄機、食材洗浄機等においてＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、それぞれの洗浄効果を更に向上させることが期待できる。
【０１１３】
・プレス加工後のバリ取り工程など工場で製造した部品を洗浄・整備する際に、Ｔ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、洗浄効果を向上させることが期待できる。
【０１１４】
・半導体素子製造時、ウェハの研磨水としてＴ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、研磨効果を向上させることが期待できる。また、レジスト除去工程においては、Ｔ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、剥離が困難なレジストの剥離を促すことが期待できる。
【０１１５】
・医療ロボット、歯科治療器、臓器の保存容器などの医療機器の、洗浄や消毒を行うための器機に、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、これら器機の洗浄効果や消毒効果の向上を期待することができる。また、生物の治療などにも適用可能である。
【０１１６】
（Ｃ）医薬品用途
・化粧品などにＴ−ＵＦＢ含有液を含有させることで、皮下細胞への浸透を促進するとともに防腐剤や界面活性剤などの皮膚に悪影響を与える添加剤を大幅に低下させることができる。その結果、より安心で、且つ、機能性のある化粧品を提供する事ができる。
【０１１７】
・ＣＴやＭＲＩなどの医療検査装置の造影剤に、Ｔ−ＵＦＢを含有する高濃度ナノバブル製剤を活用することで、Ｘ線や超音波による反射光を効率的に活用でき、より詳細な撮影画像を得る事ができ、悪性腫瘍の初期診断などに活用できる。
【０１１８】
・ＨＩＦＵ（Ｈｉｇｈ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ）と呼ばれている超音波治療器で、Ｔ−ＵＦＢを含有する高濃度ナノバブル水を用いることで、超音波の照射パワーを低下でき、より非侵襲的に治療をすることができる。特に、正常な組織へのダメージを低減することが可能になる。
【０１１９】
・Ｔ−ＵＦＢを含有する高濃度ナノバブルを種にして、気泡周囲のマイナス電荷領域にリポソームを形成するリン脂質を修飾させ、そのリン脂質を介して、各種医療性物質（ＤＮＡや、ＲＮＡなど）を付与したナノバブル製剤を作成することができる。
【０１２０】
・歯髄や象牙質再生治療として、Ｔ−ＵＦＢ生成による高濃度ナノバブル水を含む薬剤を歯管内に送液すると、ナノバブル水の浸透作用により薬剤が象牙細管内に深く入り込み除菌効果を促進し、歯髄の感染根管治療を短時間かつ安全に行う事が可能である。
【０１２１】
＜＜発熱素子の延寿命化＞＞
これまで説明したように、発熱素子１０を駆動して液体に膜沸騰を生じさせることによってＵＦＢを生成することが可能である。図６（ａ）および（ｂ）で説明したように、発生した膜沸騰泡１３が消泡する際に非常に大きな衝撃が発熱素子１０に加わる。また、その衝撃と共に膜沸騰泡１３が消泡する際の発熱素子温度等にも起因して、発熱素子１０および発熱素子１０の周辺部が徐々に破壊され、発熱素子１０が断線する。
【０１２２】
本発明者らの実験では、膜沸騰を生じさせる回数が１０万発程度であれば、発熱素子１０に断線が生じず、安定的に膜沸騰を生じさせてＵＦＢを生成できることを確認している。ここで、ＵＦＢを短時間に生成するには、例えば１万個以上などのような多数の発熱素子１０を用いて膜沸騰を継続的に発生させることが必要となる場合がある。安価にＵＦＢ生成装置１を製造するためには、発熱素子の寿命を延ばすことが求められる。
【０１２３】
図２４は、ＵＦＢを生成するに際しての実用的な投入エネルギ範囲を説明する図である。図２４（ａ）は、所定の単位面積当たりの発熱素子１０上に膜沸騰泡を発生させる発泡しきい値エネルギが「１」（第一の値）であることを前提とした図である。電極パッドから複数の発熱素子１０に配線を接続する場合、即ち、発熱素子１０を多段に配する場合、配線抵抗等のバラツキにより、実際に発熱素子１０に投入されるエネルギにバラツキが発生する。図２４（ａ）は、発泡しきい値エネルギを「１」とした場合に、配線抵抗等のバラツキにより実際に投入されるエネルギの範囲と、当該エネルギが投入された場合に膜沸騰泡を生じさせてＵＦＢを生成できるパルス数との関係を示す図である。図２４（ａ）において破線は、断線等が生じるなどして寿命によりＵＦＢ生成ができない境界を示している。破線よりも上はＵＦＢが生成不可であり、破線よりも下はＵＦＢが生成可能な範囲を示している。図２４（ａ）から明らかなように、発泡しきい値エネルギが「１」（第一の値）に対して投入エネルギが増えるほど、ＵＦＢを生成するための膜沸騰泡を生じさせることが可能なパルス数が減少する。
【０１２４】
図２４（ｂ）は、図２４（ａ）の状態における実用的なＵＦＢの生成範囲を示す図である。前述したように、ＵＦＢを短時間で生成するために、例えば１万個以上の発熱素子１０を素子基板１２に配することがある。この場合、配線抵抗等のバラツキにより各発熱素子１０に投入されるエネルギがばらつく。発熱素子１０に膜沸騰泡を生じさせる発泡しきい値エネルギを「１」（第一の値）とした場合には、ＵＦＢを生成するためには、各発熱素子１０に「１」（第一の値）以上のエネルギが印加される必要がある。このとき、投入エネルギにバラツキが生じる。ここで、最も投入エネルギが大きい第一発熱素子に投入される第一エネルギが、第一の値の３倍未満であれば、図２４（ｂ）に示すように１０万発程度の膜沸騰泡を生じさせることが可能である。つまり、点２４０１に示すように、第一発熱素子に第一エネルギで１０万発（＝１．００Ｅ＋０５）程度のパルスを印加しても第一発熱素子に断線等が生じずにＵＦＢを生成することが可能である。一方、最も投入エネルギが小さい第二発熱素子に投入されるエネルギは、「１」(第一の値)である。この第二発熱素子で膜沸騰泡を発生させることが可能なパルス数は、第一発熱素子の１０万発に対して１００万倍の差がある。つまり、点２４０２および点２４０１に示すように、第一発熱素子と第二発熱素子とで膜沸騰泡を発生可能なパルス数の幅が、１００万倍（１．００Ｅ＋１１−１．００Ｅ＋０５＝１．００Ｅ＋０６）になる。このような投入エネルギにバラツキが生じている状態において膜沸騰の発生を繰り返すと、最も投入エネルギが大きい第一発熱素子に断線等が生じ、電流が流れなくなる。この断線等を契機として、多段に配されている他の発熱素子に投入されるエネルギが増大するなど、投入エネルギが不安定な状態が発生する。このため、例えば第二発熱素子のように、第一発熱素子の１０万発に対して１００万倍もの膜沸騰泡が可能な発熱素子の寿命までもが短くなってしまう。このため、素子基板１２に用いられる複数の発熱素子１０の全体での寿命を考慮した投入エネルギのバラツキとなるように素子基板１２が構成されていることが求められる。
【０１２５】
図２４（ｃ）および（ｄ）は、好ましい投入エネルギのバラツキの範囲を説明する図である。発熱素子１０において膜沸騰泡を生じさせることが可能なパルス数（即ち、発熱素子１０の寿命）の範囲を、第一発熱素子と第二発熱素子との間で１０倍未満に抑えると、各発熱素子１０の寿命のバラツキが抑制される。このため、第二発熱素子に比べて極めて早い段階で第一発熱素子に寿命が達することに起因して、投入エネルギが不安定な状態になることを抑制できる。この結果、素子基板１２に用いられる複数の発熱素子１０の全体での寿命が延びることになる。
【０１２６】
図２４（ｃ）は、発熱素子１０において膜沸騰泡を生じさせることが可能なパルス数（即ち、発熱素子１０の寿命）の範囲を、第一発熱素子と第二発熱素子との間で１０倍未満に抑えた一例を示す図である。図２４（ｃ）では、投入エネルギが高い側（発泡しきい値エネルギを「１」に対して３倍に近い値）で、第一発熱素子と第二発熱素子とに投入されるエネルギの差を、約０．３以下とした例を示している。即ち、図２４（ｃ）の例では、発熱素子１０によって膜沸騰泡が生じるエネルギを第一の値とした場合、第一発熱素子に投入されるエネルギが、第一の値の１倍以上の第二の値倍以上である。そして、第二発熱素子に投入されるエネルギが、この第二の値倍から０．３の幅の範囲内となるように構成されている。図２４（ｃ）に示すように、この場合、発熱素子１０において膜沸騰泡を生じさせることが可能なパルス数（即ち、発熱素子１０の寿命）の範囲を、第一発熱素子と第二発熱素子との間で１０倍未満に抑えることができる。
【０１２７】
図２４（ｄ）は、投入エネルギが低い側（発泡しきい値エネルギを「１」に対して１倍に近い値）で、第一発熱素子と第二発熱素子とに投入されるエネルギの差を、約０．３以下とした例を示している。即ち、発熱素子１０によって膜沸騰泡が生じるエネルギを第一の値とした場合、第一発熱素子に投入されるエネルギが、第一の値の１倍以上であり、第二発熱素子に投入されるエネルギが、第一の値の１．３倍以下である。図２４（ｄ）に示すように、この場合においても、発熱素子１０において膜沸騰泡を生じさせることが可能なパルス数（即ち、発熱素子１０の寿命）の範囲を、第一発熱素子と第二発熱素子との間で１０倍未満に抑えることができる。
【０１２８】
本実施形態では、図２４（ｃ）および（ｄ）のいずれにおいても、第二発熱素子の寿命に比べて極めて早い段階で第一発熱素子の寿命が達することに起因して、投入エネルギが不安定な状態になることを抑制できる。ここで、図２４（ｃ）に比べると図２４（ｄ）の方が、発熱素子の寿命（ＵＦＢ生成パルス数）が高い。膜沸騰泡は、発熱素子１０に膜沸騰泡を生じさせる発泡しきい値エネルギを「１」（第一の値）とした場合、典型的には「１」でも発生する。従って、図２４（ｄ）に示すように、第二発熱素子の投入エネルギを、発熱素子１０に膜沸騰泡を生じさせる発泡しきい値エネルギ「１」（第一の値）に対してほぼ１倍とする。そして、第一発熱素子の投入エネルギを、発熱素子１０に膜沸騰泡を生じさせる発泡しきい値エネルギ「１」（第一の値）に対してほぼ１．３倍以下に抑える。このような構成によれば、投入エネルギのバラツキを抑制することで素子基板１２に用いられる複数の発熱素子１０の全体の寿命を延ばすことができるとともに、個々の発熱素子１０の寿命も延びる。この結果、ＵＦＢを生成する発熱素子１０の寿命を飛躍的に延ばすことができる。以下では、まず、各発熱素子１０に投入されるエネルギがばらつくことを説明する。
【０１２９】
図１２は、素子基板１２の一部の要素領域１２５０（発熱部ともいう）を抽出した平面レイアウトの一例を示す図であり、１つの要素領域１２５０に発熱素子が複数備えらえている例を示している。図１２（ａ）は、１つの要素領域１２５０に８個の発熱素子１０１１〜１０１８が配されている例であり、図１２（ｂ）は、１つの要素領域１２５０に４個の発熱素子１０６１〜１０６４が配されている例である。以下では、便宜上、少ない発熱素子の数の例を用いて説明することとする。
【０１３０】
図１２（ａ）において、要素領域１２５０には、８つの発熱素子１０１１〜１０１８に電気エネルギを投入するための電極パッド１２０１、１２０２が配されている。つまり、要素領域１２５０は、１組の電極パッドによってエネルギが投入される二以上の発熱素子の集合体ともいえる。領域１２２１ａ〜１２２８ａ、１２２１ｂ〜１２２８ｂは、各発熱素子１０１１〜１０１８に個別に接続された個別配線領域である。領域１２１１および１２１２は、複数の個別配線領域と電極パッド１２０１、１２０２とを接続する共通配線領域である。本実施形態では、各発熱素子１０１１〜１０１８は、半導体フォトリソグラフィの工程によって形成することで、ほぼ同一の形状および膜厚で製造されたものを用いている。つまり、各発熱素子１０１１〜１０１８は、ほぼ同一の抵抗値を有する。
【０１３１】
以降の説明においては、特に断りを入れない限り、ＵＦＢを生成する発熱素子１０は、ほぼ同一形状であり、初期状態では同一抵抗値を有するものを用いるものとする。なお、発熱素子１０の形状は、同一形状である必要はなく、以降で説明するように、エネルギのばらつきを抑制するように構成されていればよい。例えば、要素領域１２５０ごとに発熱素子１０の形状が異なっていてもよい。発熱素子１０の形状を部分的に変更することは、フォトリソグラフィの工程におけるマスク設計によって適宜実施可能である。
【０１３２】
電極パッド１２０１、１２０２に、図６（ａ）に示す電圧パルスを印加することで、共通配線領域１２１１、１２１２、個別配線領域１２２１〜１２２８、および各発熱素子１０１１〜１０１８に電流が流れる。そして、各発熱素子１０１１〜１０１８上の液体に膜沸騰が生じ、ＵＦＢが生成される。
【０１３３】
図１２（ｂ）は、図１２（ａ）と異なり、要素領域１２５０に４つの発熱素子１０６１〜１０６４が配されている例である。領域１２４１ａ〜１２４４ａ、１２４１ｂ〜１２４４ｂは、各発熱素子１０６１〜１０６４に個別に接続された個別配線領域である。領域１２３１および１２３２は、複数の個別配線領域と電極パッド１２０１、１２０２とを接続する共通配線領域である。
【０１３４】
本発明者は、図１２（ａ）に示す構成での発熱素子単位あたりのＵＦＢ生成量と、図１２（ｂ）に示す構成での発熱素子単位あたりのＵＦＢ生成量とが、異なることを見出した。これは、図１２（ａ）の構成の各発熱素子１０１１〜１０１８で消費するエネルギ量と、図１２（ｂ）の構成の各発熱素子１０６１〜１０６４で消費するエネルギ量とで違いが生じることに起因する。具体的には、共通配線領域１２１１、１２１２、１２３１、１２３２の配線抵抗ロスにより、各発熱素子に投入されるエネルギがばらつくことでエネルギ量の違いが発生している。
【０１３５】
図１３は、図１２の電気的等価回路を示す図である。図１３（ａ）は、図１２（ａ）の構成に対応し、図１３（ｂ）は、図１２（ｂ）の構成に対応する。図１２および図１３を用いてエネルギがばらつくことを具体的に説明する。
【０１３６】
図１３は、図１２の個別配線領域および共通配線領域を電気的な配線抵抗に置き換えており、発熱素子を電気的な発熱素子抵抗に置き換えた図としている。図１３（ａ）のｒｈ１〜ｒｈ８は、図１２（ａ）の発熱素子１０１１〜１０１８に対応し、図１３（ｂ）のｒｈ６１〜ｒｈ６４は、図１２（ｂ）の発熱素子１０６１〜１０６４にそれぞれ対応した、発熱素子の抵抗値を表す。図１３（ａ）のｒｌｉＡ１〜ｒｌｉＡ８は、図１２（ａ）の個別配線領域１２２１ａ〜１２２８ａの抵抗値を表す。図１３（ａ）のｒｌｉＢ１〜ｒｌｉＢ８は、図１２（ａ）の個別配線領域１２２１ｂ〜１２２８ｂの抵抗値を表す。図１３（ａ）のｒｌｃＡ１〜ｒｌｃＡ８は、図１２（ａ）の共通配線領域１２１１の抵抗値を表す。図１３（ａ）のｒｌｃＢ１〜ｒｌｃＢ８は、図１２（ａ）の共通配線領域１２１２の抵抗値を表す。同様に、図１３（ｂ）のｒｌｉＡ６１〜ｒｌｉＡ６４は、図１２（ｂ）の個別配線領域１２４１ａ〜１２４４ａの抵抗値を表し、ｒｌｉＢ６１〜ｒｌｉＢ６４は、図１２（ｂ）の個別配線領域１２４１ｂ〜１２４４ｂの抵抗値を表す。ｒｌｃＡ６１〜ｒｌｃＡ６４は、図１２（ｂ）の共通配線領域１２３１の抵抗値を表し、ｒｌｃＢ６１〜ｒｌｃＢ６４は、図１２（ｂ）の共通配線領域１２３２の抵抗値を表す。
【０１３７】
また、図１３（ａ）では、図６（ａ）に示す電圧パルス（時間ｔ１）を電極パッド１２０１―１２０２間に印加時に各発熱素子に流れる電流をｉ１〜ｉ８で示し、図１３（ｂ）では、同電流をｉ６１〜ｉ６４で示している。図１３では、発熱素子に流れる電流ｉ１〜ｉ８、ｉ６１〜ｉ６４を用いて、配線抵抗の領域に流れる電流を表記している。
【０１３８】
このとき、図１３（ａ）の発熱素子１０１１に投入されるエネルギＥ１は、式１により表すことができ、発熱素子１０１８に投入されるエネルギＥ２は、式２により表すことができる。
発熱素子１０１１：  Ｅ１＝ｉ１×ｉ１×ｒｈ１×ｔ１  （式１）
発熱素子１０１８：  Ｅ２＝ｉ８×ｉ８×ｒｈ８×ｔ１  （式２）
【０１３９】
また、図１３（ｂ）の発熱素子１０６１に投入されるエネルギＥ３は、式３により表すことができ、発熱素子１０６４に投入されるエネルギＥ４は、式４により表すことができる。
発熱素子１０６１：  Ｅ３＝ｉ６１×ｉ６１×ｒｈ６１×ｔ１  （式３）
発熱素子１０６４：  Ｅ４＝ｉ６４×ｉ６４×ｒｈ６４×ｔ１  （式４）
【０１４０】
ここで、発熱素子は、フォトリソグラフィの工程で同時に発熱素子が形成されていることから、発熱素子の抵抗値ｒｈ１、ｒｈ８、ｒｈ６１、ｒｈ６４は、ほぼ同じ抵抗値である。その一方、各発熱素子に流れる電流は、主に配線抵抗ｒｌｃ部分の影響によりｉ１≠ｉ８≠ｉ６１≠ｉ６４となる。このため、発熱素子に印加されるエネルギがバラつく。この結果、前述したように、発熱素子の長寿命化が妨げられてしまう。発熱素子を長寿命化するためには、要素領域において各発熱素子に投入するエネルギバラツキを低減することが求められる。
【０１４１】
以下では、複数の発熱素子１０を有する構成において、発熱素子１０に投入されるエネルギのバラツキを抑制する例を説明する。
【０１４２】
＜実施形態１＞
図１４は、共通配線領域における配線抵抗ロス差を低減する例を説明する図である。図１４（ａ）は、素子基板１２の一部の要素領域を抽出した平面レイアウトの一例を示す図であり、図１２（ｂ）の構成に対応している。図１４（ａ）に示す構成では、各個別配線領域１２４１ｂ〜１２４４ｂ上に、発熱素子に流れる電流を制御するためのスイッチ（ＳＷ）１４０１〜１４０４が配されている。この構成において、電極パッド１２０１−１２０２間には、常時、発熱素子の電源電圧（２４Ｖ）が印加され続けているが、ＳＷがオフ（Ｌ）の時は発熱素子に電流が流れない構成となっている。図１４（ｂ）は、発熱素子を駆動するＳＷ１４０１〜１４０４のロジック信号の波形を示す図である。各ＳＷ１４０１〜１４０４にロジック信号Ｈを印加することで、ＳＷがオンになり、対応する発熱素子に電極パッド１２０１−１２０２を通じて電源電圧による電流が流れ、発熱素子上に膜沸騰が発生する。
【０１４３】
図１２および図１３に示す構成では、電源電圧を印加した時間、電極パッドに接続されている全ての発熱素子を同時に駆動する構成である。一方、図１４（ａ）に示す構成では、ＳＷ１４０１〜１４０４によってタイミングをずらして各発熱素子１０６１〜１０６４を駆動する。このような構成によれば、図１３（ｂ）において、複数の発熱素子１０６１〜１０６４に対して同時に電流が流れる場合に影響が現れる共通配線部１３５１の配線抵抗ロスを、大幅に低減することができる。このように、ＳＷ１４０１〜１４０４を配し、時分割で発熱素子を駆動可能に構成することにより、各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキを抑えることができる。
【０１４４】
図１４（ｃ）は、図１４（ａ）に示す要素領域を素子基板１２に複数並べた例を示す図である。ＵＦＢを短時間で安定的に生成するためには、多数の発熱素子を配することが求められる。図１４（ｃ）では、説明のため、発熱素子が４個配されている要素領域が８個並んでいる形態を示したが、要素領域における発熱素子の数を増やしたり、要素領域の数を増やしたりすることで、多数の発熱素子を配することができる。なお、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００においては、素子基板１２上の電極パッド１２０１、１２０２を避け、発熱素子１０を横断するように壁１４２１および蓋（不図示）が設けられ、液室が形成される。本実施形態においては、液室内においては、内部を仕切る壁が設けられていないが、内部を仕切る壁が設けられていてもよい。
【０１４５】
＜実施形態２＞
図１５は、本実施形態を説明する図である。図１４に示す構成では、ＳＷを素子基板１２に配する形態を説明したが、本実施形態では、ＳＷを素子基板１２の外部に設けることで、素子基板１２のコストを低減する形態である。例えば、複数の発熱素子および１組の電極パッドを含む要素領域を複数のグループ（ブロック）に分けて、駆動するブロックをＳＷによって切り替えることができる。実施形態１では、複数の発熱素子を並列的に接続する共通配線領域１２３１、１２３２が素子基板１２に備えられている形態を説明した。本実施形態は、各発熱素子１０には、独立した個別配線１５１１、１５１２が接続される形態である。
【０１４６】
図１５（ａ）は、ある要素領域のレイアウトを示す図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の等価回路である。図１５（ａ）では、電極パッド１５０１、１５０２および各個別配線１５１１、１５１２を通じて、各発熱素子１０にパルス状の電源電圧が印可され、各発熱素子１０が同時に駆動される。図１５（ａ）の構成では、各発熱素子１０には、各個別配線１５１１、１５１２を通じて電流が流れるので、各発熱素子１０を同時に駆動しても各発熱素子１０に投入されるエネルギバラツキは抑えられる。
【０１４７】
図１５（ｃ）は、電極パッド１５０１、１５０２の位置を、図１５（ａ）と異なる位置に配したレイアウト図である。電極パッド１５０１、１５０２の位置を、素子基板１２の片側に集約することで、レイアウトの自由度を向上させることができ、また高密度化を実現できる。図１５（ｃ）の構成でも、各発熱素子１０に独立した個別配線が接続されているので、それ自体でもエネルギバラツキを抑制することが可能ではある。しかしながら、発熱素子１０の数をさらに増やした場合、発熱素子１０の位置の差によって、領域１５２１に示すように、各発熱素子１０に接続される配線の長さに差が生じる。この結果、配線抵抗による差が生じてしまい、エネルギにバラツキが生じてしまう虞がある。具体的には、電極パッド１５０１、１５０２から遠い位置に配されている発熱素子１０へ個別の配線抵抗が、電極パッド１５０１、１５０２から近い位置に配されている発熱素子１０への個別の配線抵抗よりも大きくなる。この結果、電極パッド１５０１、１５０２からの位置に応じて、発熱素子に流れるエネルギにバラツキが生じる虞がある。
【０１４８】
図１５（ｄ）は、図１５（ｃ）からさらにエネルギバラツキを抑制するように構成されたレイアウト図である。図１５（ｄ）に示す構成においては、図１５（ｃ）の領域１５２１のように配線レイアウトにおいて配線抵抗に差が生じる領域を、領域１５２２のように配線幅を広げている。このようなレイアウトによれば、各発熱素子１０に投入されるエネルギのバラツキを抑制することができる。図１５（ｄ）の例では、電極パッド１５０１、１５０２からの距離が遠い発熱素子１０を接続する個別配線の幅が、距離が近い発熱素子１０を接続する個別配線の幅よりも広くなっている。
【０１４９】
図１５（ｅ）は、図１５（ｄ）の等価回路を示しており、特に、配線幅の違いによる配線抵抗を表す図である。図１５（ｅ）において各配線抵抗の関係は、下記の通りである。
ｒｌｉＡ１＜ｒｌｉＡ２＜ｒｌｉＡ３＜ｒｌｉＡ４
ｒｌｉＢ１＜ｒｌｉＢ２＜ｒｌｉＢ３＜ｒｌｉＢ４
ｒｌｉＡ１＋ｒｌｉＣ１＋ｒｌｉＢ１＋ｒｌｉＤ１＝ｒｌｉＡ２＋ｒｌｉＣ２＋ｒｌｉＢ２＋ｒｌｉＤ２＝ｒｌｉＡ３＋ｒｌｉＣ３＋ｒｌｉＢ３＋ｒｌｉＤ３＝ｒｌｉＡ４＋ｒｌｉＣ４＋ｒｌｉＢ４＋ｒｌｉＤ４
【０１５０】
なお、上記式は、等号で接続されているが、各発熱素子１０がＵＦＢを生成できる膜沸騰を所定レベルのバラツキに抑えられていればよく、実質的に同等の抵抗としてもよい。
【０１５１】
図１５（ｆ）は、図１５（ｄ）の変形例を示すレイアウトである。図１５（ｆ）では、素子基板１２にＳＷ１５３１〜１５３４を形成している形態である。ＳＷ１５３１〜Ｓ１５３４は、実施形態１で説明したものと同様である。ＳＷ１５３１〜Ｓ１５３４によって時分割で駆動制御し、かつ発熱素子ごとにおいて配線抵抗を同じに構成することで、さらにエネルギバラツキを抑制することができる。
【０１５２】
＜実施形態３＞
本実施形態は、実施形態１と同様に、各発熱素子に並列的に接続する共通配線を設ける構成である。実施形態１では、寄生配線抵抗の影響を押さえるため、ＳＷによる時分割制御によって、エネルギバラツキを抑制する形態を説明した。本実施形態では、エネルギバラツキを抑制するように、電源電圧、発熱素子抵抗、および配線抵抗を調整する形態を説明する。
【０１５３】
図１６は、発熱素子の長寿命化を説明する図である。図１６（ａ）は、図２４で説明したように１０万発の膜沸騰が可能な発熱素子の実用範囲を示す図である。
【０１５４】
図１６（ａ）に示すように、発熱素子１０に膜沸騰泡を生じさせる発泡しきい値エネルギを「１」（第一の値）とした場合、各発熱素子に投入されるエネルギを第一の値の１倍〜１．３倍の範囲内にバラツキを抑える。これにより、発熱素子１０の長寿命化を図ることができる。なお、発泡しきい値エネルギが「１」の場合に、各発熱素子への投入エネルギを「１」とすると、環境条件などによっては、膜沸騰が生じないことがあり、その場合、ＵＦＢが生成されない虞がある。全ての発熱素子１０で安定的に膜沸騰泡を発生させる場合には、例えば各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキは、発泡しきい値エネルギを「１」とした場合に、バラツキ等を考慮して発泡しきい値エネルギに対して１．１倍以上とすることも考えられる。しかしながら、多数の発熱素子１０を配する構成において、印加電圧のバラツキ、発熱素子の製造バラツキ、その他考え得るバラツキを加味した際に最もエネルギが小さくなり得る発熱素子１０に着目する。そしてその着目した発熱素子１０の発泡しきい値エネルギが「１」であれば発泡可能である。その場合限りなく小さい確率で１を下回る発熱素子が出る場合が考えられるが、そのＵＦＢの個数は発熱素子１０の全体からすると極めて軽微なものである。このため、本実施形態では、発熱素子１０に膜沸騰泡を生じさせる発泡しきい値エネルギを「１」（第一の値）とした場合、各発熱素子に投入されるエネルギを第一の値の１倍〜１．３倍の範囲内にバラツキを抑える例を説明する。
【０１５５】
本実施形態では、各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキを上記に示す範囲とする具体的な構成を説明する。本実施形態では、実施形態１で説明した図１２（ｂ）および図１３（ｂ）のレイアウトを用いることとする。本実施形態では、電源電圧、発熱素子抵抗、および配線抵抗を調整することで、各発熱素子に投入されるエネルギを、発泡しきい値エネルギを基準として所定範囲（１．１倍から１．３倍）に抑える形態を説明する。より具体的には、配線抵抗を調整する形態を説明する。これにより、発熱素子を高密度に配置する場合、発熱素子１０の周辺の配線領域のレイアウトをコンパクトとしつつ、発熱素子の長寿命化を図ることができる。なお、本例では所定範囲が１．１倍以上の例を説明するが、前述したように１倍以上とすることができる。
【０１５６】
本実施形態では、図１３（ｂ）のうちの、発熱素子部１３５２、共通配線部１３５１および電極パッド１２０１、１２０２の３つのパートに着目する。発熱素子部１３５２は、発熱素子および個別配線領域を合わせた構成である。ＵＦＢ生成を短時間に生成するために発熱素子を高密度で配置する場合、個別配線部の領域は、極力小さいことが望ましい。これに対し、発熱素子を高密度で配置するため、共通配線部１３５１には極力多くの発熱素子部が接続されることが望ましい。
【０１５７】
図１３（ｂ）では、ｉ６１〜ｉ６４は、それぞれ発熱素子ｒｈ６１からｒｈ６４に流れる電流である。ここで発熱素子ｒｈ６１からｒｈ６４に投入されるエネルギは、図１３（ｂ）に示すように、それぞれ、ｉ６１×ｉ６１×ｒｈ６１×ｔ１、ｉ６２×ｉ６２×ｒｈ６２×ｔ１、ｉ６３×ｉ６３×ｒｈ６３×ｔ１、ｉ６３×ｉ６３×ｒｈ６３×ｔ１となる。ｔ１は、図６（ａ）に示すパルス幅である。本実施形態では、フォトリソグラフィの工程で発熱素子を形成しており、各発熱素子の発熱抵抗は、同じであることから各発熱素子での投入エネルギ差は、発熱素子に流れる電流の２乗に比例する。
【０１５８】
図１６（ｂ）は、図１３（ｂ）の等価回路を示しており、各発熱素子に流れる電流をｉ１からｉ４、各発熱素子の抵抗値および各発熱素子に個別に接続されている配線の寄生抵抗値の合算をｒ、共通配線部分の抵抗値をＲ１〜Ｒ４として表した図である。
【０１５９】
図１６（ｂ）に示す回路においてキルヒホッフ法則により式（５）が成り立つ。
【０１６０】
【数１】
2020138152.tif 000003
【０１６１】
ここで、表１に示す値を用いる場合、各発熱素子での投入エネルギ差が発熱素子に流れる電流の２乗に比例していることから、各発熱素子に投入されるエネルギ比は、表２のように表せる。
【０１６２】
【表１】
2020138152.tif 000004
【０１６３】
【表２】
2020138152.tif 000005
【０１６４】
配線抵抗の差により、電極パッド１２０１、１２０２から最も遠い位置の発熱素子ｒｈ６４に投入されるエネルギが、最も小さくなる。ここで、前述したように、最も遠い位置の発熱素子ｒｈ６４に投入されるエネルギを、所定の範囲内の最小値である、発泡しきい値エネルギ「１」に対して１．１倍となるように投入エネルギを決定する。以下、発泡しきい値エネルギ「１」に対して発熱素子に投入されるエネルギ比（この例では、１．１倍）を、単純に、投入エネルギ比と呼ぶ。
【０１６５】
表１に示すように、ここではＶ１として２４Ｖ、発熱素子及び個別に配線されている寄生抵抗部分の合計の抵抗値ｒを２００Ω、共通に流れる部分のＲ１〜Ｒ４の抵抗値を３．０Ωとした。この場合、ｒｈ６４の投入エネルギ比が１．１に対して、最も投入されるエネルギが大きいｒｈ６１に投入されるエネルギ比は、１．２となる。つまり、発泡しきい値エネルギを「１」とした場合に、各発熱素子に投入されるエネルギ比を１倍〜１．３倍以下に抑えることができる。このような構成によれば、各発熱素子において１．００×１０Ｅ１０以上の熱沸騰を起こすことができ、ＵＦＢを生成することができる。即ち、表１に示すように、発熱素子抵抗値を含めた個別配線の抵抗値ｒに対して共通に流れる配線領域の抵抗値Ｒ１〜Ｒ４を約１／１００以下に抑えることで、発熱素子の長寿命化を図ることができる。
【０１６６】
図１６（ｃ）は、図１６（ｂ）とは別の例である。図１６（ｃ）は、発熱素子の数を８つにした例を示している。図１６（ｃ）の電気回路は、図１３（ａ）で表すことができる。図１６（ｄ）は、図１３（ａ）の等価回路を示しており、各各発熱素子に流れる電流をｉ１からｉ８、各発熱素子の抵抗値並びに各発熱素子に個別に接続されている配線の寄生抵抗値の合算をｒ、共通配線部分の抵抗値をＲ１〜Ｒ８として表した図である。
【０１６７】
前述したように、キルヒホッフ法則を用いて発熱素子投入エネルギ比が最も小さいｒｈ８が１．１、発熱素子投入エネルギ比が最も大きい部分ｒｈ１が１．３となるように構成するため、一例として、表３に示す値を用いる。この場合、各発熱素子に投入されるエネルギ比は、表４のように表せる。
【０１６８】
【表３】
2020138152.tif 000006
【０１６９】
【表４】
2020138152.tif 000007
【０１７０】
表４に示すように、この例では、発熱素子の電源電圧は２０Ｖとし、発熱素子の抵抗と発熱素子を接続する個別配線の抵抗とを合算した抵抗を２００Ω、共通配線に流れる寄生の配線抵抗をそれぞれ０．４Ωとする。図１６（ｂ）の構成では、共通配線に流れる寄生の配線抵抗は、３．０Ω（個別配線の合算値の約１／１００の比率）でＵＦＢを安定的に生成することができる。一方、図１６（ｄ）に示す構成では、共通配線に流れる寄生の配線抵抗を０．４Ω（個別配線の合算値の約１／５００）以下とすることが必要となる。なお、図１６（ｂ）の構成では、共通配線部分の抵抗を下げることで全体的にロスが減り、電源電圧を２０Ｖとすることで、表４に示すように、所定のエネルギ比となるように構成することができる。
【０１７１】
以上、二つの具体例を挙げて説明したが、発熱素子の数に応じて様々なバリエーションが考えられる。いずれにせよ、各発熱素子に投入されるエネルギを、投入エネルギ比において所定範囲（１倍から１．３倍）に抑えるように構成できればよい。なお、図１６（ｄ）に示すように、各発熱素子に投入されるエネルギのばらつきを抑制させるために、共通配線領域１６３１、１６３２の配線幅を広げることで、共通配線に流れる寄生の配線抵抗を下げることができる。あるいは、図１６（ｅ）に示すように、共通配線領域１２３１に対して、共通配線領域１６３１、１６３２の配線抵抗層の膜厚を増加させることで共通配線に流れる寄生の配線抵抗を下げることができる。即ち、共通配線の抵抗の値が、発熱素子の抵抗と発熱素子に個別に接続される配線の抵抗との合計の値の所定の割合以下となるように、共通配線の幅または膜厚が構成されていればよい。
【０１７２】
＜変形例１＞
図１７は発熱素子の長寿命化を図る、各種の変形例を説明する図である。図１６では、共通配線部分の抵抗を抑えることで、全体のロスを抑えることができ、その結果、各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキを抑制する形態を説明した。さらに発熱素子を高密度に配置するためには、発熱素子に個別に接続する配線領域を極力小さくすることが有効である。
【０１７３】
図１７（ａ）〜（ｃ）は、複数の配線層を形成する例を示す図である。図１７（ａ）は、平面レイアウト図であり、図１７（ｂ）および（ｃ）は、それぞれＸＶＩＩｂ断面、ＸＶＩＩｃ断面を示す図である。これまで説明してきた発熱素子を接続する配線層とは別の配線層を形成して共通配線部分とすることで、共通配線抵抗の値を下げつつ小型化を実現できる。図１７（ａ）から（ｃ）において、配線層１７０１は、発熱素子１０に接続する共通配線領域１２３１の層とは異なる別の層である。スルーホール１７０２は、発熱素子１０に接続する共通配線領域１２３１の層と、配線層１７０１とを電気的に接続する。
【０１７４】
図１７（ａ）〜（ｃ）の形態では、発熱素子１０の熱ストレスの影響を考慮して、発熱素子１０の下層部には配線層１７０１を配さない形態を示している。しかしながら、バリア層等を配線層の上部に形成して熱ストレスを抑制する構成であれば、発熱素子１０の下層部にも、配線層１７０１を伸ばしてもよい。また、図１７（ａ）〜（ｃ）の形態では、新たに１層の配線層１７０１を形成する形態を説明したが、高密度化を図るために発熱素子の数を増やした場合に、さらなる配線層を追加で設けてもよい。図１６（ｅ）で説明したように、発熱素子１０を直接接続する配線の膜厚を増加させて配線抵抗を下げることも可能であるが、この場合、配線層のパターンエッチングの際に、同じ層に配される発熱素子の形状にバラツキが生じる虞がある。本変形例で説明したように、発熱素子に直接接続する配線層以外に別個の配線層を設ける場合、発熱素子の形状にバラツキが生じることを抑制することができる。
【０１７５】
＜変形例２＞
図１７（ｄ）および（ｅ）は、別の変形例を説明する図である。図１７（ａ）〜（ｃ）では、発熱素子１０が形成されている基板の同一面に電極パッド１２０１、１２０２が形成されている形態を説明した。前述したように、発熱素子１０が形成されている面には、ＵＦＢを生成するために液体が接している領域（液室）がある。液室は、壁と蓋で覆われている。一方、電極パッド１２０１、１２０２は、液室外に配置される。このように、発熱素子１０と電極パッド１２０１、１２０２とを電気的に分離する場合、配線の引き回しが長くなる。図１７（ｄ）および（ｅ）では、発熱素子と同一面に電極パッド１２０１、１２０２を設けず、素子基板の別の面までスルーホールを貫通させ、素子基板の裏面に電極パッドと配線層を設ける形態を示す。図１７（ｅ）は、図１７（ｄ）で示すＸＶＩＩｅ断面の図である。
【０１７６】
図１７（ｄ）および（ｅ）に示すように、素子基板の裏面の大部分に配線層１７４１が形成されている。素子基板の裏面とは、発熱素子が形成されている面と反対側の面である。素子基板の裏面であれば、発熱素子１０の熱ストレスの影響が生じないので、素子基板の裏面の大部分を配線層１７４１として利用している。スルーホール１７４２は、発熱素子が形成されている面の配線層と裏面の配線層１７４１とを接続する。配線層１７４１は、共通配線の層であり、裏面の大部分に形成することで、共通配線の配線抵抗を低減することができる。本実施形態では、電極パッド１７５１が、裏面の大部分（図１７（ｅ）の例では、配線層１７４１と同領域）に形成されている。図１７（ｄ）および（ｅ）の構成によれば、高密度に発熱素子１０を配置しつつ、かつ共通配線の配線抵抗を下げることができる。このため、高密度に配置した場合であっても、発熱素子の長寿命化を図ることができる。また、電極パッドが裏面に形成されているので、発熱素子１０が形成されている面の大部分に液室を設けることができる。このため、高密度に発熱素子１０を配置することで、短時間でＵＦＢを生成することができる。
【０１７７】
図１７（ｆ）は、図１７（ｄ）に示す要素を複数配置した素子基板１２の例を示す図である。図１７（ｆ）の素子基板１２では、電極パッドが発熱素子と同一面に形成されていないことから、壁１７６１が素子基板１２の外周部まで形成されている。図１７（ｆ）は、説明のために、簡素化した記載であるが、発熱素子の数および要素数を増やすことで、高速にＵＦＢを生成することができる。
【０１７８】
図１７（ｇ）は、図１７（ｄ）に示す要素をウェハ１７７１の全体に配置した例を示す図である。これまでは、素子基板１２は、矩形の形状に切り出す形態を説明したが、ＵＦＢを生成するに際し、素子基板１２の形状に制約はない。従って、図１７（ｇ）に示すように、発熱素子と配線とを形成した基板を切り出さず、ウェハ１７７１の全体をＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００に適用することができる。
【０１７９】
図１７（ｄ）〜（ｇ）で説明したように、素子基板１２の裏面配線を行い裏面に電極パッドを配する場合、ＵＦＢを生成するための液体からの電極パッドの分離が容易に行うことができる。なお、素子基板１２の裏面に電極パッドを設けた場合、電源電圧パルスを出力するドライバーおよびスイッチ等は、外部デバイスにより構成される。そして、例えばこれらのドライバー等は、図１７（ｇ）のウェハ１７７１と接続して駆動することで、安定したＵＦＢの生成が可能となる。
【０１８０】
＜実施形態４＞
実施形態２では、共通配線を用いず、それぞれが独立した個別配線を用いる形態を説明した。本実施形態は、実施形態２のように個別配線を用いる形態であるが、個別配線に複数の発熱素子１０が接続される形態を説明する。
【０１８１】
図１８は、発熱素子を長寿命化する本実施形態を説明する図である。図１８（ａ）は、平面レイアウトを示す図である。これまで説明したように、ＵＦＢを短時間で生成するには、より多くの発熱素子を同時に駆動することが求められる。図１８（ａ）は、図１５（ｆ）よりも、さらに発熱素子数を増加させた例を示している。図１８（ａ）に示すように、ＳＷ１８２１〜１８２４が、独立した各配線領域に設けられている。また、独立した各配線上には、複数の発熱素子が設けられている。本実施形態では、ＳＷ１８２１〜１８２４の駆動タイミングを変更して時分割で、同じ配線領域上に設けられている複数の発熱素子を同時に駆動する形態である。
【０１８２】
図１８（ｂ）は、図１８（ａ）の電気回路であり、図１８（ｃ）は、ＳＷ１８２１〜１８２４の駆動タイミングを示している。発熱素子１８１１〜１８１４において、同時に駆動される発熱素子の枝番を、それぞれ「ａ」と「ｂ」とで示している。例えば、ＳＷ１８２１が「Ｈ」になった場合、発熱素子１８１１ａおよび１８１１ｂが駆動されることになる。
【０１８３】
このような構成によれば、複数の発熱素子に対して共通となる配線部分が存在していても、同時に駆動される各発熱素子に投入されるエネルギをほぼ同じにすることができる。このため、同時に駆動される各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキを抑制することができる。
【０１８４】
＜実施形態５＞
実施形態１では、発熱素子に接続する個別配線にＳＷを設け、時分割で駆動制御することで、各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキを抑制する形態を説明した。ここで、高密度化のために共通配線領域をシュリンクさせると、ＳＷを用いて時分割で駆動制御した場合であっても、各発熱素子への投入エネルギのバラツキが発生し得る。実施形態１で説明したように、電極パッド１２０１、１２０２から遠い位置の発熱素子と近い位置の発熱素子とでは、共通配線領域の配線抵抗が異なるからである。
【０１８５】
図１９は、発熱素子を長寿命化する本実施形態を説明する図である。本実施形態では、時分割で発熱素子の駆動タイミングをずらすことに加えて、更なる制御を行う形態である。図１９（ａ）は、レイアウトを示す図である。本実施形態は、図１４（ａ）で説明した形態と同様に、個別配線領域にＳＷ１９２１〜１９２４を配した形態である。本実施形態では、ＳＷ１９２１〜１９２４の駆動に応じて、発熱素子の電源電圧を変化させる形態である。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）の電気回路を示し、図１９（ｃ）は、ＳＷの駆動タイミングと、駆動タイミングに応じた電源電圧の値とを示す図である。
【０１８６】
本実施形態では、ＳＷ１９２１〜１９２４で各発熱素子を時分割で駆動すると共に、各時分割タイミングにおいて各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキが抑えられるように電圧を時分割で変化させる。
【０１８７】
図１９（ｃ）に示すように、配線抵抗が最も小さい発熱素子１９１１をＳＷ１９２１によって駆動するタイミングの電源電圧は、他の発熱素子１９１２〜１９１４を駆動するタイミングの電源電圧よりも低い。また、図１９（ｃ）に示すように、配線抵抗が大きくなるにつれて、発熱素子１９１２〜１９１４を駆動するタイミングでの電源電圧が高くなるように構成されている。なお、図１９（ｃ）では、電源電圧を時分割で変化させる形態を示したが、電源電圧の代わりに、ＳＷを駆動する制御信号のパルス幅を変化させることで、エネルギバラツキを抑制してもよい。即ち、ＳＷを駆動する制御信号のパルス幅を変化させることで、発熱素子を駆動する時間長を変化させてもよい。さらには、電源電圧の時分割制御とパルス幅制御とを組み合わせてもよい。
【０１８８】
本実施形態によれば、例えば共通配線領域の配線幅が同じ場合であっても、各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキを抑制することができる。
【０１８９】
＜実施形態６＞
これまでの実施形態では、素子基板１２に搭載される発熱素子１０は、半導体のフォトリソグラフィの工程で製造されるものであり、同一形状で同一抵抗であることを前提に説明をした。そして、例えば実施形態１の図１２（ｂ）で説明した構成では、発熱素子１０６１に対して発熱素子１０６４に流れる電流が減少することから、発熱素子に投入されるエネルギにバラツキが生じることを説明した。本実施形態では、発熱素子１０の形状を、発熱素子を配置する位置関係に応じて異ならせる形態を説明する。
【０１９０】
図２０は、発熱素子を長寿命化する本実施形態を説明する図である。図２０（ａ）は、図１６（ａ）で示したように１０万発の膜沸騰が実用範囲となる発熱素子をベースに、発熱素子の形状を異ならせることで抵抗値を異ならせた場合のＵＦＢの生成可否を示す図である。発熱素子の所定の単位面積あたりの発泡しきい値エネルギを「１」とした場合、発熱素子の形状及び抵抗値が変わる場合に、投入エネルギが１．１倍から３倍以下となる抵抗値の形状で１０万発の膜沸騰が可能であった。即ち、発熱素子の形状及び抵抗値を変えた場合であっても、上記の範囲内であれば、安定的なＵＦＢの生成が可能である。本実施形態では、発熱素子の形状を投入されるエネルギに応じて変えることで、各発熱素子に投入されるエネルギを第一の値の１倍〜１．３倍の範囲内にバラツキを抑える。これにより、発熱素子１０の長寿命化を図ることができる。
【０１９１】
図２０（ｂ）は、本実施形態のレイアウトの例を示す図である。図２０（ｃ）は、図２０（ｂ）の電気回路を示す図である。電極パッド１２０１、１２０２から近い位置の発熱素子２００１に流れるエネルギは、配線抵抗ロスが少ないので、遠い位置の発熱素子２００４に流れるエネルギよりも大きい。このため、単位面積あたりのエネルギを合わせるように発熱素子の形状を決定する。具体的には、発熱素子２００１の抵抗パターンの長さ（長くすると抵抗が大きくなる方向）を、発熱素子２００４の抵抗パターンの長さよりも長くする。即ち、発熱素子２００１の電流の流れる方向の長さを発熱素子２００４の電流の流れる方向の長さよりも長くする。より詳細には、電極パッド１２０１、１２０２から遠い位置の発熱素子２００４から近くなるにつれて、発熱素子の抵抗パターンの長さを段階的に短くする。
【０１９２】
発熱素子１０の形状を変えると、形成される膜沸騰泡１３の形状が異なることが起こり得る。即ち、各発熱素子１０の形状が同一である方が、均一な膜沸騰泡１３を生じさせる点においては有用である。しかしながら、ＵＦＢを生成する際には、前述したように、膜沸騰泡１３が生じればよく、各発熱素子間で均一な膜沸騰泡１３が形成されなくてよい。本実施形態では、各発熱素子１０に投入されるエネルギのバラツキを抑制することに主眼をおいたものであり、投入されるエネルギに応じて発熱素子１０の形状を変更することで、発熱素子の長寿命化を図るものである。
【０１９３】
＜実施形態７＞
本実施形態は、発熱素子の抵抗値を監視し、監視している発熱素子の抵抗値に応じて発熱素子の電源電圧または印可パルス幅を調整する形態を説明する。
【０１９４】
実施形態１から５では、発熱素子は、同一形状および同一抵抗を前提に説明を行い、実施形態６では、発熱素子の形状を変更する形態を説明した。ここで、ＵＦＢ生成をより短時間で高速に行うためには、素子基板を大きくしたり、図１７（ｇ）に示すようにウェハ上の全体に発熱素子を配したりすることが求められる。この場合、膜厚の面内分布または発熱素子パターニングの面内バラツキ等により、初期で設計していた発熱素子サイズおよび発熱素子抵抗値にバラツキが生じることがある。この結果、各発熱素子に投入するエネルギが変化して発熱素子の長寿命化が妨げられる虞がある。
【０１９５】
図２１は、発熱素子を長寿命化する本実施形態を説明する図である。図２１（ａ）は、レイアウトの一例を示す図である。本実施形態は、発熱素子の電源２１０１の他に、抵抗測定器２１０２を備えている形態である。抵抗測定器２１０２によって発熱素子の抵抗値を監視する。そして、監視している抵抗値に応じて発熱素子に投入するエネルギを調整する。これにより、ウェハ全体など非常に大きいサイズの発熱素子基板を用いてＵＦＢを生成する際のエネルギのバラツキを抑制することができる。図２１（ｂ）は、監視している抵抗値に応じて印可パルス幅を調整する例である。図２１（ｃ）は、監視している抵抗値に応じて発熱素子の電源電圧を調整する例である。なお、図２１（ｂ）および（ｃ）に示すように、投入エネルギの調整は、時分割で行ってもよいし、発熱素子ブロックを分けてブロック単位で行なってもよい。
【０１９６】
＜変形例＞
図２１（ｄ）は、変形例を示す図である。図２１（ａ）の構成では、時分割制御を行い、各分割タイミングにおいて１つの発熱素子を駆動する形態を示した。図２１（ｄ）は、時分割制御を行う際に、各分割タイミングにおいて複数の発熱素子を駆動する例である。図２１（ｄ）に示すように、同時に駆動する発熱素子の数を同じにして、電圧またはパルス幅の調整を時分割制御してもよい。
【０１９７】
＜実施形態８＞
これまでの実施形態では、ＳＷを用いて同時に駆動させる複数の発熱素子の数を、各ＳＷに対応するブロックにおいて同じ数とした形態を説明した。本実施形態は、ＳＷを用いて同時に駆動させる発熱素子の数を、ブロックに応じて異ならせる形態を説明する。
【０１９８】
図２２は、発熱素子を長寿命化する本実施形態を説明する図である。図２２（ａ）は、本実施形態のレイアウトを説明する図である。ＳＷ２２２１に対応するブロックには、１つの発熱素子２２１１が配されている。ＳＷ２２２２に対応するブロックには、２つの発熱素子２２１２ａ、ｂが配されている。ＳＷ２２２３に対応するブロックには、２つの発熱素子２２１３ａ、ｂが配されている。ＳＷ２２２４に対応するブロックには、３つの発熱素子２２１４ａ、ｂ、ｃが配されている。図２２（ｂ）は、同時に駆動させる発熱素子の数に応じて、電源電圧を調整する例を示している。このような形態においても、各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキを抑制することができる。
【０１９９】
＜実施形態９＞
これまでの実施形態では、電極パッドから接続される複数の発熱素子は、電気的に並列接続される形態を説明した。本実施形態では、電極パッドから接続される複数の発熱素子を、同一配線上において電気的に直列接続する形態を説明する。
【０２００】
図２２（ｃ）は、本実施形態のレイアウトを説明する図である。図２２（ｃ）に示すように、発熱素子２２３１を直列接続することで、電流を一定とすることができる。また、複数の発熱素子を駆動することにより、ＵＦＢを高速に生成することができる。
【０２０１】
＜変形例＞
図２２（ｄ）は、変形例を示す図である。図２２（ｄ）では、発熱素子を直接接続する場合において、発熱素子の抵抗パターンの幅を抵抗パターンの長さよりも長くする例である。直列接続を行なうと発熱素子を駆動するための電源電圧が直列分高くなる。発熱素子の駆動電源として高電圧を望まない場合、図２２（ｄ）のように構成することで、発熱素子面積を維持しつつ、発熱素子の電源電圧が高くならないように構成できる。このように、幅が広い発熱素子を複数直列接続する形態を採用してもよい。
【０２０２】
＜実施形態１０＞
これまでの実施形態では、レイアウトを調整したり、駆動するタイミングなどを調整したりすることで、各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキを抑制する形態を説明した。本実施形態では、発熱素子の両端または片側端の電圧を一定に保つ機構を備える形態を説明する。
【０２０３】
図２３は、発熱素子を長寿命化する本実施形態を説明する図である。図２３（ａ）は、発熱素子１０１１〜１０１８の両端に、発熱素子に投入するエネルギを一定に保つ電圧一定化回路２３０１、２３０２を配した形態である。電圧一定化回路２３０１、２３０２により、発熱素子１０１１〜１０１８の接続部において強制的に電圧を一定に保つことで、各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキを抑制することができる。図２３（ｂ）は、電圧一定化回路の一例として、ソースフォロワーを示す図である。電圧一定化回路を用いることで、配線抵抗ロスの差異を吸収することができるので、発熱素子に投入されるエネルギのバラツキを抑えることができる。
【０２０４】
図２３（ｃ）および図２３（ｄ）は、片側の電圧を一定化にする回路２３０１、２３０３がそれぞれ配されているレイアウトを示す図である。片側のみに電圧一定化回路を配しても発熱素子に印加される電圧を一定にする効果を得ることができる。また、図２３（ｃ）に示すように、個別配線領域に分岐する前段に電圧一定化回路を配してもよく、図２３（ｄ）に示すように、個別配線領域に分岐された後段に電圧一定化回路を配してもよい。また、ここでは電圧一定化回路を配する形態を説明したが、発熱素子に流れる電流を一定にする定電流回路を発熱素子の両端または片側端に配する構成としてもよい。また、前述したように電極パッドを裏面に配して電圧一定化回路を発熱素子が配されている面に備えられてもよい。
【０２０５】
＜その他の実施形態＞
上記の実施形態においては、一定の温度かつ一定の環境気圧の条件でＵＦＢを生成するものとして説明した。つまり、温度や環境気圧の違いは考慮していない。ＵＦＢ生成装置は、発熱素子を駆動することでＵＦＢを生成することから、ＵＦＢ生成装置１の（特に、発熱素子を備えたＵＦＢ生成部の）温度が変化する。膜沸騰は、大気圧で約３００℃にて発生することから、ＵＦＢ生成部の温度に応じて印加するエネルギを増減させてもよく、これにより、安定したＵＦＢの生成を行うことができる。
【０２０６】
また、所望の気体をＵＦＢにするためには、より多くの気体をＵＦＢ生成液に溶け込ましてから膜沸騰を行なうことが望ましい。その場合ＵＦＢ生成装置１全体を高圧（例えば３〜４気圧等）化した状態においてＵＦＢ生成を行なうことで、より効率的に所望の気体を安定してＵＦＢ化が可能となる。この場合、高圧にすると膜沸騰を起こす温度も上がるため、印加エネルギを膜沸騰しきい値に応じて増加させて、上述した実施形態と同様にエネルギのバラツキを抑制することができる。
【符号の説明】
【０２０７】
１      ＵＦＢ生成装置
１０    発熱素子
１１    ＵＦＢ（ウルトラファインバブル）
１２    素子基板
１３    膜沸騰泡
３００  Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット
【図１】
2020138152.tif 000008
【図２】
2020138152.tif 000009
【図３】
2020138152.tif 000010
【図４】
2020138152.tif 000011
【図５】
2020138152.tif 000012
【図６】
2020138152.tif 000013
【図７】
2020138152.tif 000014
【図８】
2020138152.tif 000015
【図９】
2020138152.tif 000016
【図１０】
2020138152.tif 000017
【図１１】
2020138152.tif 000018
【図１２】
2020138152.tif 000019
【図１３】
2020138152.tif 000020
【図１４】
2020138152.tif 000021
【図１５】
2020138152.tif 000022
【図１６】
2020138152.tif 000023
【図１７】
2020138152.tif 000024
【図１８】
2020138152.tif 000025
【図１９】
2020138152.tif 000026
【図２０】
2020138152.tif 000027
【図２１】
2020138152.tif 000028
【図２２】
2020138152.tif 000029
【図２３】
2020138152.tif 000030
【図２４】
2020138152.tif 000031