静電気学会誌，46, 1（2022）38-43

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

純水の二流体スプレー時に発生する静電気と液滴特性の関係性
鈴木 洋陽 ，福岡 靖晃 ，森 竜雄 ，一野 祐亮 , 清家 善之
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（2021年9月21日受付；2021年12月16日受理）

Relation Between Electrostatic Discharge Generation and Droplet Characteristics
during Two-Fluid Spraying of Deionized Water
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＊, 1

Hiroharu SUZUKI , Yasuaki FUKUOKA , Tatsuo MORI , Yusuke ICHINO and Yoshiyuki SEIKE（Received September 21, 2021; Accepted December 16, 2021）
In the manufacturing of semiconductor chips, two-fluid spray cleaning using deionized water is commonly applied for particle
removal and resist stripping. In the two-fluid spray, deionized water is atomized by compressed gas flow; however, the highresistivity of deionized water causes electrostatic discharge（ ESD）
. In this study, the electric current generated during thetwo-fluid spraying of deionized water was measured. In addition, we measured the velocity and size of flying droplets using
shadow Doppler particle analyzer（ SDPA ）to clarify the relationship between the generated electric current and flying-dropletcharacteristics. From these characteristics, the relationship between the average flying-droplet velocity and generated current
was derived, and the generated current increased in proportion to the cube of the droplet velocity. Because the higher thedroplet velocity, the higher is the cleaning power; there is a tradeoff between the cleaning power and ESD probability.

1．はじめにら 10 MPa の範囲で純水を高圧スプレーした際の液滴速

近年，半導体デバイスの微細化が進み，ゲート長が数度と静電気の関係を報告している ．
6）

ナノメートルのロジック IC が実用化されている ．こ

本報告では純水の二流体スプレー時に発生する電流

れらデバイスの製造プロセスにおいて，パーティクル除を，試作したファラデーケージを用いて測定し，さらに去やレジスト剥離などのプロセスで純水の二流体スプレSDPA（ Shadow Doppler Particle Analyzer ）で飛行液滴のー洗浄が広く使われている ．純水を用いた二流体スプ速度とサイズを測定し，発生電流と飛行液滴特性の関係

レー洗浄は，窒素ガス等の圧縮ガスの流れで純水をミスを明確にした．

1）

2）

ト化し，液滴をウェハ上に噴射させてパーティクルを除去する物理洗浄である ．薬液ではなく純水を用いるこ

2．測定方法とで環境負荷を低減させることができるが，純水の比抵

2.1 二流体スプレーノズルの構造抗が高いため静電気障害が発生することが問題となって試作した二流体スプレーノズルの構造を図 1 に示す．

3）

いる ．

この二流体スプレーノズルはノズルの内部で気液混合す

4）

純水をスプレーし，液滴化すると静電気が生じる現象る内部混合型とした．純水と圧縮空気は別々の流路でノは，レナード効果と呼ばれ，古くから研究されている．
浅野と下川は帯電液滴の集まりを帯電霧と称し，純水の高圧ジェットが空気中で分裂するときに発生する帯電霧について研究し，ジェットの噴出速度と発生する帯電霧の関係について報告している ．また，我々も 2 MPa か5）

キーワード：静電気障害，二流体スプレー洗浄，純水，半導体，飛行液滴＊愛知工業大学大学院工学研究科電気電子工学専攻（〒470-0392 愛知県豊田市八草町八千草 1247）
Electrical and Electronics Engineering Course, Graduate
School of Engineering, Aichi Institute of Technology,
1247 Yachigusa, Yakusa-cho, Toyota, Aichi, 470-0392,
Japan1

y_seike@aitech.ac.jp
DOI：https://doi.org/10.34342/iesj.2022.46.1.38

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図 1 二流体スプレーノズルの構造
Fig.1 Structure of two-fluid spray nozzle.

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純水の二流体スプレー時に発生する静電気と液滴特性の関係性（鈴木 洋陽ら）

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図 2 二流体スプレーの様子
Fig.2 Appearance of two-fluid spraying.

ズル中央部の気液混合部まで搬送される．この気液混合

図 3 測定系統図
Fig.3 Measurement system.

部の内部では，圧縮空気は気液混合部の中心部を流れ，その周りから純水が流れて，純水と圧縮空気が混合し，

efector 製 PN2094），純水の比抵抗，水温（ K タイプ熱電対），ノズル内部で液滴を生成した後，ノズル先端よりスプレ空気流量（コフロック製 8550MC-0-2-2），空気圧力（ SMCーされる．また，この二流体スプレーノズルは半導体デ製 ISE30A-01-D-M ）を測定した．また，それぞれの測定バイスの製造工程で用いることを目的としており，純水器の出力をロガー（ NI 製 cDAQ-9208，9210）で収集した．に含まれる金属イオンを抑えるために，気液混合部の材サンプリング時間は 0.5 秒とした．なお，二流体スプレ

質は石英で，それ以外の接液部の材質はフッ素樹脂としーは液滴とエアの気液混合流としてスプレーしているた

た．図 2 に空気流量 80 NL/min，純水流量 100 mL/min 時

め，全ての液滴をファラデーケージで捕集できていない．の二流体スプレーの様子を示す．スプレーはコーン形状

ファラデーケージでの液滴捕集率は 80％程度であり，となっており，ノズルからスプレーされる時には液滴にそれ以外の液滴は気中に浮遊していると考えている．

なっていることがわかる．

実験条件は純水の流量と空気の流量の 2因子とし，純水2.2 静電気の測定

流量を 60 mL/min から 140 mL/min の範囲の 9 水準，空気二流体スプレー時に発生する電流を測定するための実流量を 40 NL/min から 120 NL/min の範囲の 9 水準とした．

験系統を図 3 に示す．電流測定に用いたファラデーケー

また，空気の圧力はエアレギュレータで 0.4 MPa 一定とした．

ジの内容器の直径は 300 mm，高さは 300 mm，外容器の2.3 飛行液滴特性の測定

直径は 360 mm，高さは 360 mm で，ともにステンレス二流体スプレー時の飛行液滴の速度とサイズを SDPA製である．ファラデーケージの内容器と外容器は，高密（ KANOMAX 社製）を用いて測定した．SDPA は，レーザ度ポリエチレンで絶縁している．外容器は外部からのノー光の干渉性を利用して粒子速度を計測する LDV（ Laserイズを妨げる目的で設置した．ファラデーケージの内容

Doppler Velocimeter ）と，光束中を通過する影を利用し器の中には水撥ねを防止するため金束子を入れた . スプて粒子径を計測する装置を組み合わせた装置である．

レーする純水（ DIW：deionized water ）は水道水を活性LDV 部では，レーザーをビームスプリッタで 2 本に分炭フィルタ，イオン交換樹脂，ファイナルフィルタに通けた後，集束レンズで交差させ，そこを通過する粒子にして生成している．このときの純水の比抵抗は比抵抗計

よる散乱光のドップラー周波数を検出し速度を求める．

（堀場製作所製 HE-480R ）を用いて管理し，17.5 MΩ・粒子径の計測部分では，交差後の 2 本のレーザーを再びcm 以上に保っている．実験場内の温度や湿度は特に制レンズで集光し，64 本の光ファイバで構成されるセン御せず，温度は 20℃，湿度は 35％程度であった．二流サ部（ Fiber Array ）に拡大投影され，粒子径を求める ．

体スプレーノズルからファラデーケージの内容器に向け測定方法を図 4 に示す．二流体スプレー時の噴霧の形

7）て噴霧し，発生する電流をエレクトロメータ（ ADCMT状はコーン状で，その断面の円の中心の液滴を測定した．

製 8252）で測定する．このエレクトロメータは微小電

また，ノズル先端から 10 mm の位置で測定した．実験流を積分方式で計測している．また，発生電流の測定と条件は，純水流量を 100 mL/min で一定とし，空気流量同時に純水流量（キーエンス製 FD-XA1），純水圧力（ ifmを 40 NL/min から 70 NL/min の範囲とした．

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静電気学会誌 第46巻 第 1 号（2022）

406 に示す．この図は純水流量，純水の圧力，比抵抗，水温，空気流量，空気の圧力，発生電流の 7 因子を測定したう
ち，純水流量，空気流量に対する発生電流を示している．
図中の黒点は 0.5 秒ごとの測定点を示し，近似面は測定値から局所回帰平滑化したものを示している．空気流量が増加すると発生する電流は大きくなる傾向がある．空気流量が 100 NL/min 以上では純水流量が増えると発生電流も大きくなる傾向がある．
図 4 SDPA 測定図Fig.4 SDPA measurement diagram.

次に，図 6 より純水流量を 100 mL/min とし，空気流量を 40 NL/min から 120 NL/min の範囲を抜き取り，空気流量と発生電流の平均値の関係を図 7 に示す．以下の3．測定結果

すべての図中のエラーバーは標準偏差を示す．空気流量

3.1 二流体スプレー時に発生する静電気特性が増えると発生電流は増加し，ばらつきも大きくなる．

一例として，空気流量 80 NL/min，純水流量 100 mL/同様に，図 6 より空気流量を 80 NL/min とし，純水流min 時の二流体スプレー時に発生した電流を 0.5 秒間隔量を 60 mL/min から 140 mL/min の範囲での純水流量とで 20 秒間測定した場合の時系列変化を図 5 に示す．フ

発生電流の平均値との関係を図 8 に示す．空気流量がァラデーケージからアースに流れる電流を測定すると，80 NL/min の場合では，純水流量が増えると発生電流は極性は正極性で，平均 21.8 nA，標準偏差 3.4 nA であった．

増加傾向にあるが，データのばらつきが大きく，統計的

次に純水流量と空気流量に対する発生電流の関係を図な有意差は見られなかった．ただし，図 6 の空気流量と

図 5 発生電流の時間変化
Fig.5 Time variation of generated current.

図 7 空気流量と発生電流の関係
Fig.7 Correlation between airflow rate and generated Current.

図 6 純水流量と空気流量に対する発生電流の関係
Fig.6 Correlation of generated current to deionized water flowrate and airflow rate.

図 8 純水流量と発生電流の関係
Fig.8 Correlation between DIW flow rate and generated Current.

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純水の二流体スプレー時に発生する静電気と液滴特性の関係性（鈴木 洋陽ら）

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純水流量に対する発生電流の関係において，全体のデーにおける，空気流量に対する平均飛行液滴速度を示す．

タから局所回帰平滑化した近似面からは，純水流量が増純水流量を 100 mL/min とし，空気流量を 40 NL/min かえると発生電流は大きくなる傾向にあることは確認でき

ら 70 NL/min の範囲で測定した．空気流量が増えると，る．

飛行液滴速度は比例して速くなる．これはノズルから吐3.2 飛行液滴特性

出される空気の風速 v は，式 2 に示すように，空気流量二流体スプレーの条件が，空気流量 50 NL/min，純水Qair を，二流体スプレーノズルの吐出口の面積 S で除算

流量 100 mL/min 時に SDPA で測定した，飛行液滴速度することで得られ，空気流量が増える程，空気の風速がの相対度数分布を図 9 に示す．測定した飛行液滴の数 n速くなり，その空気の流れに随伴して液滴が飛行するたは 1,444 個であり，平均速度 x̄ は 68.4 m/s，標準偏差 sめであると考えている．

は 16.2 m/s であり，速度 78 m/s の相対度数が一番高い．

（2）

空気流量 50 NL/min，純水流量 100 mL/min 時の飛行液滴径の相対度数分布を図 10 に示す．式 1 を使って平均飛行液滴径の空気流量特性を図 12 に示す．プロット

体積径 d30 を求めると ，平均体積径は 37.1 µm，標準偏はそれぞれの空気流量における平均体積径である．空気差 s は 14.1 µm であった．

流量が増えても飛行液滴径はほとんど変化せず相関は見8）（1）
ここで，i は粒径の区分，xi は粒径区分 i の中央値，niは粒径区分に含まれる粒子数である．
図 11 は，純水流量 100 mL/min での二流体スプレー時られなかった．

4．考察
4.1 液滴特性と発生した静電気との関係静電気の発生要因を調査するために，二流体スプレー

図 9 飛行液滴速度分布
Fig.9 Droplet velocity distribution.

図 11 空気流量に対する飛行液滴速度
Fig.11 Characteristics of droplet velocity on airflow rate.

図 10 飛行液滴径分布
Fig.10 Droplet diameter distribution.

図 12 空気流量に対する飛行液滴径
Fig.12 Characteristics of droplet diameter on airflow rate.

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静電気学会誌 第46巻 第 1 号（2022）42から噴霧された液滴特性と発生静電気との関係性につい液滴径と発生電流の間には，相関は見られなかった．図て考察する．図 11 の SDPA で測定した空気流量と平均13 と図 14 より，純水を二流体スプレーした場合，発生

飛行液滴速度の関係と図 7 の空気流量と平均発生電流の電流は液滴の速度に依存し，液滴のサイズにはあまり依関係から，図 13 のように平均飛行液滴速度と発生電流存しないことが分かった．との関係を導き出した．飛行液滴速度が速くなると発生電流は増加した．浅野らは噴出速度が 38 m/s 以上の場合，4.2 液滴の帯電量発生電流は噴出速度の 9.8 乗に比例して増加するという

図 5 において，ファラデーケージからアースに流れる報告をしており，速度が速い程発生電流が大きくなると電流を測定すると，極性は正極性であった．この現象は，いう結果は一致している ．また，二流体スプレーを半スプレーされた液滴内部の純水の一部が式 3 のように正導体デバイスの洗浄に適応させた場合，飛行液滴の速度極にイオン化されていると考える．

5）が速くなる程，小さなパーティクルが除去でき，洗浄力（3）が高くなる ．今後，半導体デバイスの微細化が進むと9）より速い飛行液滴が必要になる．つまり，洗浄力と ESDが生じる確率はトレードオフの関係にある．

H3O はオキソニウムイオンで，水溶液中では H イオ＋＋ンは単独では存在せず，水分子と結合して H3O となる＋

次に，図 12 の空気流量と平均飛行液滴径の関係と図ことが知られている ．純水が微粒化され液滴になった

7 の空気流量と発生電流の関係から，図 14 のように平とき，液滴には H3O の状態の正電荷が過剰に存在して均飛行液滴径と発生電流との関係を導き出した．飛行液いるため，プラスに帯電していると考える．この現象に滴径の変化は 36.5 µm から 39.1 µm と小さく，平均飛行ついて，神田らは純水を円孔ノズルから高速で噴射する

10）＋と，噴射された水は H イオンと OH ラジカルを含んで＋いると報告しており ，スプレーされた純水の一部が正11）にイオン化されている点で一致している．
測定したデータから単位時間当たりに霧化されてできる飛行液滴の数，液滴 1 個が帯びる電荷量，液滴 1 個に含まれる H3O の数，液滴 1 個を構成する水分子の数を＋算出する式を式 4 から式 7 に示す．
（4）（5）（6）

図 13 飛行液滴速度と発生電流の関係
Fig.13 Correlation between droplet velocity and generatedcurrent.

（7）
ここで，n は単位時間当たりに霧化されてできる飛行液滴の数，QDIW は純水流量，d30 は平均体積径，q は液滴 1個が帯びる電荷量，I は平均発生電流，NH3O＋は液滴 1 個に含まれる H3O の数，e は H3O の電荷量であるがプロト＋＋ンの電荷量（1.602×10－19C ）で考える．NH2O は液滴 1 個を構成する水分子の数，ρ は水の密度（1,000 kg/m ），NA3はアボガドロ定数，M は水のモル質量である．平均体積径は粒子群が持つ粒数の総和と体積の総和が変化しないことから液滴 1個の体積がわかる．純水流量 100 mL/min，
図 14 飛行液滴径と発生電流の関係
Fig.14 Correlation between droplet diameter and generated
current.

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空気流量 40 NL/min のとき，飛行液滴の平均体積径 d30は 39.1 µm であるため，液滴 1 個あたりの体積は 3.13×－810cm となる．式 4 から式 7 より，単位時間当たりに32022/01/25

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霧化されてできる飛行液滴の数は 5.32×10 個，液滴が参考文献

持つ電荷量 q は 1.17×101） Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited：

7－16C，液滴 1 個に含まれる H3O＋の数は 730 個，液滴 1 個を構成する水分子の数は 10 個
15https://www.tsmc.com,（2021-08-19）になる．つまり，1 個の液滴には水分子が 10 個に対して，2） M. Sato, K. Sotoku, K. Yamaguchi, T. Tanaka, M.

730 個の H3O が含まれる．この様な電気特性を持った

Kobayashi, S. Nadahara：Analysis on Threshold Energy of

飛行液滴がウェハ上に着弾して，デバイスの一部で帯電

Particle Removal in Spray Cleaning Technology. ECS

し ESD を引き起こす可能性を持つ．

Transactions, 41（2011）75

15＋3） 菅野至，横井直樹，佐藤一直，黒田健：新しい物理5．まとめ71
洗浄技術 “M ジェットスクラバ ”．三菱電機技報，（1997）

本報告では純水の二流体スプレー時に発生する電流を75試作したファラデーケージを用いて測定し，さらに4） Y. Hagimoto, H. Ugajin, D. Miyakoshi, H. Iwamoto, Y.

SDPA で飛行液滴の速度とサイズを測定し，発生電流とMuraki, T. Orii：Evaluation of the Plasmaless Gaseous

飛行液滴特性の関係を確かめ以下の結果が得られた．

Etching Process. UCPSS, 134（2006）7（1）空気流量が増えると発生電流は増加している．また，純水流量が増えると平均発生電流は増加傾向にある

5） 浅野一明，下川博文：純水の高速噴出時に発生する帯電霧．静電気学会誌，22（1998）204が，データのばらつきが大きく，統計的な差異の有

6） Y. Seike, Y. Fukuoka, T. Mori, T. Segawa, Y. Kobayashi, K.

意性は見られなかった．この結果から静電気の発生

Miyachi：Clarification and Countermeasures of Electrostaticには純水流量より空気流量の方が起因していること

Discharge in High-Pressure Spray Cleaning During Flat-Panelがわかった．

Display Manufacturing. Electrical Overstress / Electrostatic（2）飛行液滴の特性を SDPA で調査したところ，純水流量が 100 mL/min，空気流量が 40 NL/min から 70 NL/min の範囲では，飛行液滴速度は空気流量に対し，正比例して速くなるが，飛行液滴径と空気流量の間に相関は見られなかった．

Discharge Symposium Proceedings, 42（2020）215
7） 上山幸司：Shadow Doppler Particle Analyzer． 日本機械学会，2000 年度年次大会資料集（ V ），1（2000）3798） 徳岡直静：液体の微粒化とその応用技術．ターボ機械，24（1996）655（3）二流体スプレー時に発生する電流は正極性であっ9） Y. Seike, K. Miyachi, T. Shibata, Y. Kobayashi, S. Kurokawa,

た．これは二流体スプレーされた純水の飛行液滴に

T. Doi：Silicon Wafer Cleaning Using New Liquid Aerosol

は H3O が過剰に含まれるためである．直径 39.1 µmwith Controlled Droplets Velocity and Size by Rotaryの飛行液滴 1 個が持つ電荷量を算出すると 10Atomizer Method. Japanese Journal of Applied Physics, 49＋－16C程度であった．また，この飛行液滴 1 個には，水分子は 10 個存在し，その中に 10 個程度の H3O が含ま153＋れていると考える．

（2010）066701
10）久保田昌治，岡崎 稔，奥田俊洋，加藤皓一，杉林堅次，中村日出夫，中村良子，西本右子，平島隆行，松井健一，
百瀬義広：水の総合辞典，p.63，丸善（2009）

謝辞11） 神田浩文，森勇蔵：超純水の噴出による水の分解に関す

本研究は愛知工業大学プロジェクト共同研究で行ったもので，ソニーセミコンダクタマニュファクチャリングる研究．精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，48（2006）447

株式会社の日永康博様，窪慎二様，川畑隆広様，渡邊久倫様，ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社の岩元勇人様，萩本賢哉様，齋藤卓様には研究支援をして頂き深く感謝する．

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