DE60037665T2

DE60037665T2 - Chemisch inertes megaschallübertragungssystem

Info

Publication number: DE60037665T2
Application number: DE60037665T
Authority: DE
Inventors: Mark J. Los Gatos BECK; Richard B. San Jose VENNERBECK
Original assignee: Product Systems Inc Campbell; Product Systems (ProSys) Inc
Current assignee: Product Systems Inc Campbell; Product Systems (ProSys) Inc
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2020-08-26
Also published as: KR100681071B1; DE60037665D1; ATE382957T1; EP1210738A4; EP1210738B1; US6222305B1; CN1371531A; US20020050768A1; KR20020025232A; WO2001017037A1; EP1210738A1; AU7080400A; US6722379B2

Description

Die Erfindung betrifft Megaschallreinigungssysteme mit chemisch inerten Resonatoren, die mit dem piezoelektrischen Kristall verbunden sind, und insbesondere Systeme, bei denen Indium zum Verbinden des Resonators mit dem Kristall verwendet wird.
Bekannt ist, daß Schallwellen im Frequenzbereich von 0,4 bis 2,0 Megahertz (MHz) in Flüssigkeiten übertragen und zum Reinigen beschädigungsempfindlicher Substrate von Feststoffteilchen verwendet werden können. Da dieser Frequenzbereich überwiegend nahe dem Megahertzbereich liegt, wird der Reinigungsprozeß gewöhnlich als Megaschallreinigung bezeichnet. Zu den Gegenständen, die mit diesem Verfahren gereinigt werden können, gehören Halbleiterwafer in verschiedenen Phasen des Herstellungsprozesses von Halbleiterbauelementen, Plattenlaufwerk-Medien, Flachbildschirme und andere empfindliche Substrate.
Megaschallenergie wird im allgemeinen durch Anregen eines Kristalls mit hochfrequenter Wechselspannung erzeugt. Die durch den Kristall erzeugte Schallenergie wird durch ein Energieübertragungselement geleitet und in das Reinigungsfluid übertragen. Häufig ist das Energieübertragungselement eine Wand des Behälters, der das Reinigungsfluid hält. Der Kristall und seine dazugehörigen Komponenten werden als Megaschallwandler bezeichnet. Zum Beispiel offenbart US-A-5 355 048 einen Megaschallwandler, der aus einem piezoelektrischen Kristall besteht, der durch mehrere Haftschichten an einem Quarzfenster befestigt ist. Der Megaschallwandler arbeitet bei etwa 850 kHz. Ähnlich offenbart US-A-4 804 007 einen Megaschallwandler, in dem Energieübertragungselemente aus Quarz, Saphir, Bornitrid, Edelstahl oder Tantal mit Epoxidharz an einen piezoelektrischen Kristall angeklebt sind.
Eine weitere Wandlerbaugruppe für Megaschallreinigung ist aus dem Dokument US-A-4 118 649 bekannt.
Außerdem ist bekannt, daß piezoelektrische Kristalle unter Verwendung von Indium mit bestimmten Materialien verbunden werden können. Zum Beispiel offenbart US-A-3 590 467 ein Verfahren zum Verbinden eines piezoelektrischen Kristalls mit einem Verzögerungsmedium unter Verwendung von Indium, wobei das Verzögerungsmedium Materialien wie z. B. Glas, Quarzglas und Glaskeramik aufweist.
Ein Problem bei Megaschallwandlern nach dem Stand der Technik ist, daß die Schalleistung, die durch den Megaschallwandler in der Reinigungslösung erzeugt werden kann, ohne zusätzliche Kühlung des Wandlers auf etwa 10 Watt pro cm² aktive piezoelektrische Oberfläche begrenzt ist. Aus diesem Grund haben die meisten Megaschallenergiequellen eine begrenzte Ausgangsleistung, benötigen Flüssigkeits- oder Druckluftkühlung oder sind für eine feste Leistungsabgabe an den oder die piezoelektrischen Wandler ausgelegt. Typischerweise sind Systeme mit fester Ausgangsleistung auf Leistungen von 7–8 W/cm² begrenzt. Dies begrenzt die Energiemenge, die in die Reinigungslösung übertragen werden kann. Wenn mehr Leistung an den Wandler angelegt wird, kann sich der Kristall bis zu dem Punkt aufheizen, wo er bei der Energieübertragung in die Reinigungslösung weniger effektiv wird. Dies wird entweder durch Annäherung an die maximale Betriebstemperatur des Kristalls oder häufiger durch Erreichen der Ausfalltemperatur des Materials verursacht, das zur Befestigung des Kristalls an dem Energieübertragungsmittel eingesetzt wird.
Ein weiteres Problem bei Reinigungssystemen nach dem Stand der Technik mit Verwendung von Megaschallwandlern ist, daß es praktisch keine Möglichkeit gibt, einen defekten Wandler auszutauschen, sobald der Wandler an dem Reinigungssystem befestigt worden ist. Dies bedeutet, daß Nutzer hohe Kosten auf sich nehmen müssen, um defekte Wandler auszutauschen, zum Beispiel indem sie einen ganzen neuen Reinigungsbehälter kaufen.
Die vorliegende Erfindung ist, kurz gesagt, ein Megaschallreinigungssystem, das einen Behälter, einen Resonator, einen piezoelektrischen Kristall und eine Indiumschicht zur Befestigung des Resonators an dem piezoelektrischen Kristall aufweist. Der Behälter enthält eine Fluidkammer zur Aufnahme eines Reinigungslösungsvolumens. Der Resonator ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus Saphir, Quarz, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Keramik besteht. Der Resonator bildet den Boden des Behälters und weist eine an die Fluidkammer angrenzende Grenzfläche auf. Diese Orientierung bedeutet, daß die Grenzfläche im Kontakt mit mindestens einem Teil der Reinigungslösung ist, wenn sich die Reinigungslösung in der Fluidkammer befindet.
Der piezoelektrische Kristall ist imstande, Schallenergie im Frequenzbereich von 0,4 bis 2,0 MHz zu erzeugen, wenn dem Kristall Energie zugeführt wird. Die Befestigungsschicht weist Indium auf und ist zwischen dem Resonator wird dem piezoelektrischen Kristall eingefügt, um den piezoelektrischen Kristall an dem Energieübertragungselement zu befestigen. Eine erste Haftschicht aus Chrom, Kupfer und Nickel wird in Kontakt mit einer Oberfläche des piezoelektrischen Kristalls gebracht. Eine erste Benetzungsschicht aus Silber wird zwischen der ersten Haftschicht und der Bindeschicht angeordnet, um die Bindung der ersten Bindeschicht an die erste Haftschicht zu unterstützen. Eine zweite Haftschicht aus Chrom, Kupfer und Nickel wird in Kontakt mit der Oberfläche des Resonators gebracht. Eine zweite Benetzungsschicht aus Silber wird zwischen der zweiten Haftschicht und der Bindeschicht angeordnet, um die Bindung der Bindeschicht an die zweite Haftschicht zu unterstützen.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine Schnittansicht einer Schallwandlerbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Wandlers;
3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Feder/Knopf Anschlußeinheit;
4 eine auseinandergezogene Darstellung der erfindungsgemäßen Schallwandlerbaugruppe;
5 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Schallwandlers;
6 eine auseinandergezogene Darstellung eines erfindungsgemäßen Megaschallreinigungssystems; und
7 ein schematisches Schaltschema der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine Schnittansicht eines Schallwandlerbaugruppe 10, die einen Schallwandler 14, eine elektrische Feder/Knopf-Anschlußeinheit 18 und ein Gehäuse 22 aufweist. Der Wandler 14 weist einen Resonator 26 auf, der mit einem piezoelektrischen Kristall 30 verbunden ist. Die elektrische Anschlußeinheit 18 weist eine Leiterplatte (PCB) 34 mit mehreren mit ihr verbundenen ersten Feder/Knopf-Verbindern 38 und mehreren zweiten Feder/Knopf-Verbindern 24 auf. Das Gehäuse 22 ist eine Kapsel, welche die elektrische Anschlußeinheit 18 so einschließt, daß diese gegen die Umgebung geschützt ist. Die elektrische Anschlußeinheit 18 und der Schallwandler 14 sitzen in einem Hohlraum innerhalb des Gehäuses 22.
Der Resonator 26 bildet einen Teil einer Wand in dem Gehäuse 22, der den Hohlraum 46 abdeckt und abdichtet. Eine Oberfläche 50 des Resonators 26 bildet eine Außenseite der Schallwandlerbaugruppe 10. In der bevorzugten Ausführungsform dient der Schallwandler 14 zur Erzeugung von Megaschallenergie in einer Reinigungsvorrichtung, die zum Reinigen von Halbleiterwafern eingesetzt wird. Die Oberfläche 50 ist im Kontakt mit der in der Reinigungsvorrichtung verwendeten Reinigungslösung.
2 zeigt, daß der Schallwandler 14 den piezoelektrischen Kristall 30 aufweist, der durch eine Indiumschicht 60 an dem Resonator 26 befestigt ist. In der bevorzugten Ausführungsform sind zwischen dem piezoelektrischen Kristall 30 und dem Resonator 26 mehrere weitere Schichten angeordnet, um den Befestigungsvorgang zu erleichtern. Konkret grenzt an eine Vorderseite 68 der Indiumschicht 60 eine erste Metallschicht 64 an. Eine zweite Metallschicht 72 grenzt an eine Rückseite 76 der Indiumschicht 60 an. Zwischen der Metallschicht 72 und dem piezoelektrischen Kristall 30 ist eine Sperrschicht 80 angeordnet, um das Haftvermögen zu unterstützen. In der bevor zugten Ausführungsform weist die Sperrschicht 80 eine Chrom-Nickel-Legierung auf, und die Metallschichten 64 und 72 weisen Silber auf. Die Sperrschicht 80 hat eine Mindestdicke von etwa 500 Å, und die Metallschicht 72 hat eine Dicke von etwa 500 Å.
In der bevorzugten Ausführungsform weist der piezoelektrische Kristall 30 aus Bleizirconattitanat (PZT) auf. Der piezoelektrische Kristall 30 kann jedoch viele andere piezoelektrische Materialien aufweisen, wie z. B. Bariumtitanat, Quarz oder Polyvinylidenfluoridharz (PVDF), wie dem Fachmann bekannt ist. In der bevorzugten Ausführungsform werden im Wandler 14 zwei rechteckig geformte PZT-Kristalle verwendet, und jeder PZT-Kristall wird einzeln angeregt.
Eine Sperr-/Haftschicht 84 trennt die Metallschicht 64 vom Resonator 26. In der bevorzugten Ausführungsform weist die Sperr-/Haftschicht 84 eine Schicht aus Nickel-Chrom-Legierung auf, die annähernd 500 Å dick ist. Als Sperrschicht 80 könnten jedoch auch andere Materialien und/oder andere Dicken verwendet werden. In der bevorzugten Ausführungsform enthält die Metallschicht 64 Silber und hat eine Dicke von etwa 500 Å. Für die Metallschicht 64 könnten jedoch auch andere Materialien und/oder andere Dicken verwendet werden. Die Funktion der Metallschicht 64 besteht darin, eine Benetzungsfläche für das geschmolzene Indium bereitzustellen.
Außerdem wird eine weitere Schicht auf die Rückseite des piezoelektrischen Kristalls 30 aufgebracht. Konkret wird auf die Rückseite des piezoelektrischen Kristalls 30 eine Metallschicht 86 aufgebracht und bedeckt im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Rückseite des piezoelektrischen Kristalls 30. Im allgemeinen wird die Schicht 86 durch den Kristallhersteller auf den piezoelektrischen Kristall 30 aufgebracht. Die Schicht 86 dient als elektrischer Leiter, der an eine Gruppe von in 1 dargestellten Feder/Knopf-Verbindern angeschlossen wird, um eine Spannung an den Kristall 30 anzulegen. Vorzugsweise weist die Metallschicht 86 Silber, Nickel oder eine andere elektrisch leitende Schicht auf.
In der bevorzugten Ausführungsform enthält die Indiumschicht reines Indium (99,99%), das im Handel von Arconium oder Indalloy erhältlich ist. Indiumlegierungen, die unter schiedliche Anteile von Begleitmetallen enthalten, können jedoch auch verwendet werden, allerdings mit weniger befriedigenden Ergebnissen. Der Vorteil der Verwendung von reinem Indium ist, daß Indium hervorragende Scherungseigenschaften aufweist, die es ermöglichen, ungleichartige Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten miteinander zu verbinden und einer thermischen Wechselbeanspruchung auszusetzen, ohne die zusammengefügten Materialien zu beschädigen.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Resonator 26 ein Stück Saphir (Al₂O₃). Vorzugsweise handelt es sich um einen Saphir hoher Güte mit der Kennzeichnung 99,999% (Reinheitsgrad 5,9s+). Als Resonator 26 können jedoch auch andere Materialien dienen, wie z. B. Edelstahl, Tantal, Aluminium, Siliciumdioxidverbindungen, wie z. B. Quarz, Keramik und Kunststoff. Der Zweck des Resonators 26 ist, den piezoelektrischen Kristall 30 von dem im Reinigungsprozeß verwendeten Fluid zu trennen (zu isolieren), so daß das Fluid den Kristall 30 nicht beschädigt. Daher wird das als Resonator 26 verwendete Material gewöhnlich, zumindest teilweise, durch die Natur des Fluids bestimmt. Der Resonator 26 muß außerdem imstande sein, die durch den Kristall 30 erzeugte Schallenergie in das Fluid zu übertragen. Saphir ist ein wünschenswertes Material für den Resonator 26, wenn die durch die Megaschallreinigungsvorrichtung zu reinigenden Gegenstände eine Reinheit im Bereich von Teilen je Billion Teile (1:10¹²) erfordern. Beispielsweise erfordern Halbleiterwafer diesen Reinheitsgrad.
In der bevorzugten Ausführungsform hat der Resonator 26 eine Dicke "e", die vorzugsweise ein Vielfaches der halben Wellenlänge der durch den piezoelektrischen Kristall 30 emittierten Schallenergie ist, um Reflexionsprobleme zu minimieren. Zum Beispiel beträgt "e" etwa sechs Millimeter für Saphir und eine Schallenergie von etwa 925 kHz.
3 zeigt eine detailliertere Darstellung der elektrischen Feder/Knopf-Anschlußeinheit 18. Jeder erste Feder/Knopf-Verbinder 38 weist einen oberen Silberknopf 90 und einen unteren Silberknopf 94 auf. Der obere Silberknopf 90 und der untere Silberknopf 94 sind an einer versilberten Feder 98 befestigt und an die Leiterplatte (PCB) 34 angelötet, so daß der Verbinder 38 eine elektrische Verbindung zu dem Schallwandler 14 herstellen kann. Der obere Silberknopf 90 hat eine Dicke "e" von etwa 3,8 mm (0,15 Zoll).
Entsprechend weist jeder zweite Feder/Knopf-Verbinder 42 einen oberen Silberknopf 98 und einen unteren Silberknopf 102 auf. Der obere Silberknopf 98 und der untere Silberknopf 102 sind an einer versilberten Feder 106 befestigt und an die Leiterplatte (PCB) 34 angelötet, so daß der Verbinder 42 eine elektrische Verbindung zum Schallwandler 14 herstellen kann. Der obere Silberknopf 98 hat eine Dicke "r" von etwa 2,5 mm (0,10 Zoll). Im allgemeinen ist die Dicke "t" größer als die Dicke "r", da der erste Feder/Knopf-Verbinder 38 sich weiter nach oben als der zweite Feder/Knopf-Verbinder 42 ausdehnen muß, um Kontakt mit dem Schallwandler 14 herzustellen (siehe die 1 und 2).
Ein Hochfrequenzgenerator (HF-Generator) liefert eine Spannung für die Leiterplatte (PCB) 34. Die Leiterplatte 34 weist elektrische Anschlüsse zu den Feder/Knopf-Verbindern 38 und 42 auf, so daß die Polarität der Feder/Knopf-Verbinder 38 positiv und die Polarität der Feder/Knopf-Verbinder 42 negativ ist oder umgekehrt. Eine Prüfung von 2 zeigt, daß in dem Schallwandler 14 die Schichten 26, 84 und 64 eine größere Länge "j" aufweisen als die Länge "k" der Schichten 60, 72, 80, 30 und 86. Dadurch entsteht ein Stufenbereich 110 auf der Silberschicht 64, der durch die oberen Knöpfe 90 der Feder/Knopf-Verbinder 38 kontaktiert werden kann. Die oberen Knöpfe 98 der Feder/Knopf-Verbinder 42 stellen den elektrischen Kontakt mit der Silberschicht 86 her.
Der Zweck der Feder/Knopf-Verbinder 38 und 42 besteht darin, eine Spannungsdifferenz an dem piezoelektrischen Kristall 30 zu erzeugen, um ihn mit der Frequenz der durch den HF-Generator gelieferten Spannung anzuregen. Die Verbinder 38 verbinden die Metallschicht 64 mit dem HF-Generator. Die Verbinder 42 verbinden die Schicht 86 mit dem HF-Generator. Der HF-Generator liefert über die Verbinder 38 und 42 einen HF-Wechselstrom an den piezoelektrischen Kristall 30. Vorzugsweise ist dieser Strom ein 925 kHz-Signal mit einer Leistung von 600 Watt. Die Wirkleistung in dem piezoelektrischen Kristall 30 beträgt etwa 15,5 Watt/cm². Die Wirkleistung in dem piezoelektrischen Kristall 30 ist definiert als die in den Kristall 30 eingespeiste Vorwärtsverlustleistung abzüglich der in den HF-Generator zurückreflektierten Leistung. Daher ermöglichen der Stufenbereich 110 und die Feder/Knopf-Verbinder 38 und 42, daß an den piezoelektrischen Kristall eine Spannung angelegt wird, ohne getrennte Zuleitungen an die Schichten 64 und 86 anlöten zu müssen.
In 3 sind mehrere elektrische Komponenten 114 dargestellt, wie z. B. Kondensatoren und/oder Induktionsspulen. Diese werden benutzt, um die Impedanz zwischen dem HF-Eingangssignal und dem Feder-Ausgangssignal auszugleichen.
4 veranschaulicht, wie sich der Schallwandler 14, die elektrische Feder/Knopf-Anschlußeinheit 18 und das Gehäuse 22 zu der Schallwandlerbaugruppe 10 zusammenfügen.
Der Schallwandler 14 wird (unter Verwendung der weiter oben beschriebenen bevorzugten Materialien) wie folgt hergestellt: Angenommen, der Resonator 26 ist ein Saphir, dann wird die an die Schicht 84 angrenzende Oberfläche des Saphirs durch Abstrahlen oder chemisches oder Ionenätzen gereinigt. Die Sperr-/Haftschicht 84 wird dann durch physikalisches Aufdampfen ("PVD-Verfahren"), wie z. B. durch Argon-Sputtern, auf den Resonator 26 aufgebracht. Es könnte auch ein galvanisches Beschichtungsverfahren angewandt werden. Dann wird die Silberschicht 64 durch Argon-Sputtern auf die Chromsperrschicht/-haftschicht 84 aufgebracht. Es könnte auch ein galvanisches Beschichtungsverfahren angewandt werden.
Der piezoelektrische Kristall 30 wird gewöhnlich mit den bereits darauf aufgebrachten Schichten 86 gekauft. Die Sperrschicht 80 und die Metallschicht 72 werden durch galvanische Abscheidung oder physikalische Aufdampfung auf den Kristall 30 aufgebracht.
Der Resonator 26 und der piezoelektrische Kristall 30 werden beide auf etwa 200°C erhitzt, vorzugsweise indem der Resonator 26 und der Kristall 30 auf eine erhitzte Oberfläche aufgelegt werden, wie z. B. eine Heizplatte. Wenn beide Stücke eine Temperatur von mehr als 160°C erreicht haben, wird festes Indium auf die zu verbindenden Oberflächen des Resonators 26 und des Kristalls 30 aufgerieben. Da reines Indium bei etwa 157°C schmilzt, verflüssigt sich das feste Indium, wenn es auf die heißen Oberflächen aufgebracht wird, wodurch die Oberflächen mit Indium benetzt werden. Es ist manchmal vorteilhaft, zu diesem Zeitpunkt mehr Indium zuzugeben, indem die Oberflächenspannung des Indiums benutzt wird, um eine "Pfütze" aus geschmolzenem Indium zu bilden.
Der Resonator 26 und der piezoelektrische Kristall 30 werden dann so zusammengepreßt, daß sich die mit Indium beschichteten Oberflächen in Kontakt miteinander befinden, wodurch der Wandler 14 gebildet wird. Den neugebildeten Wandler 14 läßt man auf Raumtemperatur abkühlen, so daß das Indium erstarrt. Vorzugsweise hat die massive Indiumschicht eine Dicke "g", die gerade ausreicht, um eine porenfreie Verbindung zu bilden (d. h. je dünner, desto besser). In der bevorzugten Ausführungsform beträgt "g" etwa 0,025 mm (1 Mil oder 0,001 Zoll). Es könnten Dicken bis zu etwa 0,25 mm (0,01 Zoll) verwendet werden, aber der Wirkungsgrad der Schallübertragung nimmt mit zunehmender Dicke "g" ab.
Vorzugsweise läßt man den Wandler 14 so abkühlen, daß der piezoelektrische Kristall 30 auf dem Resonator 26 aufliegt und die beiden Stücke durch Schwerkraft zusammengehalten werden. Alternativ kann auf den piezoelektrischen Kristall 30 ein Gewicht aufgelegt werden, um die Bindung des Indiums zu unterstützen. Eine weitere Alternative ist, den neu gebildeten Wandler 14 in eine Spannvorrichtung einzuspannen.
Sobald der Wandler 14 auf Raumtemperatur abgekühlt ist, wird etwaiges überschüssiges Indium, das zwischen dem piezoelektrischen Kristall 30 und dem Resonator 26 herausgesickert ist, mit einem Werkzeug oder anderen Mitteln entfernt.
5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Schallwandlersystems 124, in dem der Resonator eines von mehreren chemisch inerten Materialien sein kann. Diese Materialien sind unter anderem Saphir, Quarz, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Keramik. Das in 5 dargestellte Wandlersystem 124 ist dem in 2 dargestellten Wandler 14 ähnlich. Einige von den Befestigungsschichten, die in dem Wandlersystem 124 verwendet werden, sind jedoch unterschiedlich.
In 5 weist das Schallwandlersystem 124 einen piezoelektrischen Kristall 130 auf, der durch eine Bindeschicht 138 an einem Resonator 134 befestigt ist. Zwischen dem piezoelektrischen Kristall 130 und dem Resonator 134 sind mehrere Befestigungsschichten angeordnet, um den Befestigungsvorgang zu erleichtern. Konkret grenzt an eine Vorderseite 146 der Bindeschicht 138 eine zweite Benetzungsschicht 142 an. An eine Rückseite 154 der Bindeschicht 138 grenzt eine erste Benetzungsschicht 150 an. Zwischen der ersten Benetzungsschicht 150 und dem piezoelektrischen Kristall 130 ist eine erste Haftschicht 158 eingefügt, um die mechanische Haftung der Bindeschicht 138 an dem Kristall 130 zu erleichtern.
In der bevorzugten Ausführungsform weist die erste Haftschicht 158 eine etwa 5000 Å dicke Schicht aus einer Legierung auf, die aus Chrom und einer Nickel-Kupfer-Legierung besteht, wie z. B. die Legierungen, die unter den Wahrenzeichen Nickel 400^TM oder MONEL^TM vertrieben werden. Als erste Haftschicht 158 könnten jedoch auch andere Materialien und/oder Dicken verwendet werden. Nickel 400^TM oder MONEL^TM sind Kupfer-Nickel-Legierungen, die aus 32% Kupfer und 68% Nickel bestehen.
Vorzugsweise enthalten die Benetzungsschichten 142 und 150 Silber. Die Benetzungsschichten 142 und 150 haben jeweils eine Dicke von etwa 5000 Å. Für die Benetzungsschichten 142 und 150 könnten jedoch auch andere Metalle und/oder Dicken verwendet werden. Die Funktion der Benetzungsschichten 142 und 150 besteht darin, eine Benetzungsfläche für das geschmolzene Indium bereitzustellen, d. h. daß die Schichten 142 und 150 die Haftung der Bindeschicht (Indium-Schicht) 138 auf der ersten Haftschicht 158 bzw. einer zweiten Haftschicht 162 unterstützen. Es wird angenommen, daß das Silber in den Benetzungsschichten 142 und 150 eine Legierung mit dem Indium bildet und dadurch die Haftung der Bindeschicht 138 an den Haftschichten 158 und 162 unterstützt. Das Wandlersystem 124 weist in der Benetzungsschicht 142 einen Stufenbereich 195 auf, der genau analog zu dem Stufenbereich 110 ist, der weiter oben in Bezug auf 2 beschrieben wurde.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der piezoelektrische Kristall 130 identisch mit dem bereits beschriebenen piezoelektrischen Kristall 30 und weist Bleizirconattitanat (PZT) auf. Wie dem Fachmann bekannt ist, könnten jedoch auch viele andere piezoelektrische Materialien verwendet werden, wie z. B. Bariumtitanat, Quarz oder Polyvinylidenfluoridharz (PVDF). In der bevorzugten Ausführungsform werden in dem Schallwandler 14 (dargestellt in 6) vier rechteckig geformte PZT-Kristalle verwendet, und jeder PZT-Kristall wird einzeln angeregt. Es könnten jedoch auch andere Anzahlen der Kristalle 130 verwendet werden, einschließlich 1 bis 16 Kristalle 130, und andere Formen, wie z. B. runde Kristalle.
Die zweite Haftschicht 162 trennt die zweite Benetzungsschicht 142 vom Resonator 134. In der bevorzugten Ausführungsform weist die Haftschicht 162 eine etwa 5000 Å dicke Schicht aus einer Legierung aus Chrom und einer Nickel-Kupfer-Legierung auf, wie z. B. die unter den Warenzeichen Nickel 400^TM oder MONEL^TM vertriebenen Legierungen. Als zweite Haftschicht 162 könnten jedoch auch andere Materialien und/oder Dicken verwendet werden.
Die Funktion der ersten Haftschicht 158 besteht darin, eine starke Bindung zwischen der Bindeschicht (Indium-Schicht) 138 und dem piezoelektrischen Kristall 130 zu bilden. Wie weiter oben festgestellt, bildet die Benetzungsschicht 158 eine Legierung mit dem Indium in der Bindeschicht 138 und ermöglicht daher die Bindung der Haftschicht 158 an die Bindeschicht 138. Entsprechend besteht die Funktion der zweiten Haftschicht 162 darin, eine starke Bindung zwischen der Bindeschicht (Indium-Schicht) 138 und dem Resonator 134 zu bilden. Die Benetzungsschicht 142 bildet eine Legierung mit dem Indium in der Bindeschicht 138 und ermöglicht daher die Bindung der Haftschicht 162 an die Bindeschicht 138. Außerdem muß die erste Haftschicht 158 elektrisch leitend sein, um den Stromweg von dem Stufenbereich 195 zur Oberfläche des piezoelektrischen Kristalls 130 zu schließen. Ferner müssen die Haftschichten 158 und 162 eine Reaktion des Indiums in der Bindeschicht 138 mit dem Kristall 130 und/oder mit dem Resonator 134 verhindern (blockieren).
Auf der Rückseite des piezoelektrischen Kristalls 130 (d. h. auf der vom Resonator 134 abgewandten Seite) sind weitere zwei Schichten angeordnet. Konkret sind auf der Rückseite des piezoelektrischen Kristalls 130 eine dritte Haftschicht 169 und eine Metallschicht 170 angeordnet. Die Schichten 169 und 170 bedecken im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Rückseite des Kristalls 130. In der bevorzugten Ausführungsform weist die dritte Haftschicht 169 eine etwa 5000 Å dicke Schicht aus einer Legierung aus Chrom und einer Nickel-Kupfer-Legierung auf, wie z. B. die unter den Warenzeichen Nickel 400^TM oder MONEL^TM vertriebenen Legierungen. Als dritte Haftschicht 169 könnten jedoch auch andere Materialien und/oder Dicken verwendet werden. Die Funktion der dritten Haftschicht 169 besteht darin, die Haftung der Metallschicht 170 an dem Kristall 130 zu fördern.
Vorzugsweise enthält die Metallschicht 170 Silber, allerdings könnten auch andere elektrisch leitende Metalle, wie z. B. Nickel, verwendet werden. Im allgemeinen wird der Kristall 130 aus kommerziellen Quellen ohne die Schichten 169 und 170 bezogen. Die Schichten 169 und 170 werden dann unter Anwendung eines Sputterverfahrens auf den piezoelektrischen Kristall 130 aufgebracht, wie z. B. durch physikalisches Aufdampfen (PVD). Die Schicht 170 dient als Elektrode zur Leitung von elektrischem Strom von einer Gruppe der in 1 dargestellten Feder/Knopf-Verbinder, um eine Spannung an den Kristall 130 anzulegen. Da die dritte Haftschicht 169 auch elektrisch leitend ist, funktionieren beide Schichten 169 und 170 tatsächlich als Elektrode.
In der bevorzugten Ausführungsform enthält die Bindeschicht 138 reines Indium (99,99%), das beispielsweise im Handel von Arconium oder Indalloy beziehbar ist. Es können jedoch auch Indiumlegierungen verwendet werden, die unterschiedliche Anteile von Begleitmetallen enthalten, allerdings mit weniger befriedigenden Ergebnissen. Der Vorteil der Verwendung von Indium und seiner Legierungen ist, daß Indium hervorragende Scherungseigenschaften aufweist, die es ermöglichen, ungleichartige Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten miteinander zu verbinden und einer thermischen Wech selbeanspruchung auszusetzen (z. B. Ausdehnung und Kontraktion mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten), ohne die zusammengefügten Materialien oder den Resonator 134 zu beschädigen. Je höher die Reinheit des Indiums, desto besser sind die Scherungseigenschaften des Systems 124. Wenn die Komponenten des Schallwandlersystems 124 ähnliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, dann kann weniger reines Indium eingesetzt werden, da Scherungsfaktoren weniger problematisch sind. Indium von geringerer Reinheit (d. h. Indiumlegierungen) hat einen höheren Schmelzpunkt als reines Indium und kann daher mehr Hitze vertragen.
In Abhängigkeit von den Anforderungen einer bestimmten Reinigungsaufgabe wird die Zusammensetzung des Resonators 134 aus einer Gruppe von chemisch inerten Materialien ausgewählt. Zu den inerten Materialien, die gut als Resonator 134 funktionieren, gehören beispielsweise Saphir, Quarz, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Keramik. Ein Zweck des Resonators 134 ist, den piezoelektrischen Kristall 130 von dem in dem Reinigungsprozeß verwendeten Fluid zu trennen (zu isolieren), so daß das Fluid den Kristall 130 nicht beschädigt. Außerdem ist es nicht akzeptierbar, daß der Resonator 134 mit dem Reinigungsfluid chemisch reagiert. Daher wird das als Resonator 134 verwendete Material gewöhnlich, zumindest teilweise, durch die Natur des Reinigungsfluids bestimmt. Saphir ist ein wünschenswertes Material für den Resonator 134, wenn die durch die Megaschallreinigungsvorrichtung zu reinigenden Gegenstände eine Reinheit im Bereich von Teilen je Billion Teile (1:10¹²) erfordern. Zum Beispiel erfordern Halbleiterwafer diesen Reinheitsgrad. Ein Reinigungsfluid auf Fluorwasserstoffbasis (HF-Basis) könnte in einem Reinigungsprozeß dieser Art für Halbleiterwafer verwendet werden.
Der Resonator 134 muß auch imstande sein, die durch den Kristall 130 erzeugte Schallenergie in das Fluid zu übertragen. Daher sind die akustischen Eigenschaften des Resonators 134 wichtig. Im allgemeinen ist es wünschenswert, daß die Schallimpedanz des Resonators 134 zwischen der Schallimpedanz des piezoelektrischen Kristalls 130 und der Schallimpedanz des Reinigungsfluids in der Fluidkammer 190 liegt (dargestellt in 6). Vorzugsweise ist es um so besser, je dichter die Schallimpedanz des Resonators 134 an der Schallimpedanz des Reinigungsfluids liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Resonator 134 ein Stück synthetischer Saphir (ein Einkristallsubstrat aus Al₂O₃). Vorzugsweise handelt es sich um einen Saphir hoher Güte mit einer Kennzeichnung 99,999% (Reinheit 5,9s+). Wenn synthetischer Saphir als Resonator 134 verwendet wird, dann beträgt die in 5 dargestellte Dicke "ν" etwa sechs Millimeter. Zu beachten ist, daß andere Saphirformen als Resonator 134 verwendet werden könnten, wie z. B. Rubine oder Smaragde. Aus praktischen Gründen, wie z. B. Kosten- und Reinheitsgründen, wird jedoch synthetischer Saphir bevorzugt. Außerdem können andere Werte für die Dicke "ν" verwendet werden.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke "ν" des Resonators 134 ein Vielfaches der halben Wellenlänge der durch den piezoelektrischen Kristall 130 emittierten Schallenergie, um Reflexionsprobleme zu minimieren. Zum Beispiel ist "ν" für Saphir und eine Schallenergie von annähernd 925 kHz etwa gleich etwa sechs Millimeter. Die Wellenlänge der Schallenergie im Resonator 134 wird durch die in der untenstehenden Gleichung 1 dargestellte Beziehung bestimmt: λ = νL/2f (1)mit

ν_L: = Schallgeschwindigkeit im Resonator 126 (in mm/s)
f: = Eigenfrequenz des piezoelektrischen Kristalls 30 (in MHz)
λ: = Wellenlänge der Schallenergie im Resonator 134.

Aus Gleichung 1 folgt, daß bei einer Änderung der Zusammensetzung des Resonators oder einer Änderung der Eigenresonanzfrequenz des Kristalls 130 die ideale Dicke des Resonators 134 sich ändert. Daher könnte in allen hierin diskutierten Beispielen eine Dicke "ν" verwendet werden, die gleich einem Vielfachen der halben Wellenlänge λ ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Resonator 134 ein Stück Quarz (SiO₂ – synthetisches Quarzglas). Vorzugsweise hat der Quarz eine Reinheit von 99,999% (Reinheit 5,9s+). Bei Verwendung von Quarz als Resonator beträgt die in 5 dargestellte Dicke "ν" etwa drei bis sechs Millimeter.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Resonator 134 ein Stück Siliciumcarbid (SiC). Vorzugsweise hat das Siliciumcarbid eine Reinheit von 99,999% (Reinheit 5,9s+, Halbleiterqualität). Wenn Siliciumcarbid als Resonator 134 verwendet wird, beträgt die in 5 dargestellte Dicke "ν" etwa sechs Millimeter.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Resonator 134 ein Stück Siliciumnitrid. Vorzugsweise hat das Siliciumnitrid eine Reinheit von 99,999% (Reinheit 5,9s+, Halbleiterqualität). Wenn Siliciumnitrid als Resonator 134 verwendet wird, beträgt die in 5 dargestellte Dicke "ν" etwa sechs Millimeter.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Resonator 134 ein Stück Keramikwerkstoff. In der vorliegenden Patentanmeldung bedeutet der Begriff "Keramik" Aluminiumoxid-Verbindungen (Al₂O₃), wie z. B. das Material, das von der Coors Ceramics Corporation unter der Bezeichnung Coors AD-998 geliefert wird. Vorzugsweise hat der Keramikwerkstoff eine Reinheit von mindestens 99,8% Al₂O₃.
Wenn Keramikwerkstoff als Resonator 134 verwendet wird, beträgt die in 5 dargestellte Dicke "ν" etwa sechs Millimeter.
Das in 5 dargestellte Schallwandlersystem 124 wird nach dem folgenden Verfahren hergestellt: Angenommen, der Resonator 134 ist Saphir, dann wird die Oberfläche des Saphirs, die an die Haftschicht 162 angrenzt, durch Abstrahlen oder chemisches oder Ionenätzen gereinigt. Die Haftschicht 162 wird dann durch physikalisches Aufdampfen ("PVD-Verfahren"), wie z. B. durch Argon-Sputtern, aufgebracht. Genauer gesagt, das Chrom und die Nickel-Kupfer-Legierung (z. B. Nickel 400^TM oder MONEL^TM), welche die Schicht 162 bilden, werden zusammen auf den Resonator 134 gesputtert, so daß die Schicht 162 aus annähernd 50% Chrom und 50% Nickel-Kupfer-Legierung besteht. Die Benetzungsschicht (Silberschicht) 142 wird dann mittels Argon-Sputtern auf die Haftschicht 162 aufgebracht. In diesem Schritt könnte auch ein galvanisches Beschichtungsverfahren angewandt werden.
Der piezoelektrische Kristall 130 wird vorzugsweise ohne auf seine Oberflächen aufgebrachte Elektrodenschichten gekauft. Die dritte Haftschicht 169 wird dann mit Hilfe eines PVD-Verfahrens, wie z. B. durch Argon-Sputtern, auf den Kristall 130 aufgebracht. Genauer gesagt, das Chrom und die Nickel-Kupfer-Legierung, welche die Schicht 169 bilden, werden zusammen auf den Kristall 130 aufgesputtert, so daß die Schicht 169 aus etwa 50% Chrom und 50% Nickel-Kupfer-Legierung besteht (z. B. Nickel 400^TM oder MONEL^TM). Die Elektrodenschicht (Silberschicht) 170 wird dann mittels Argon-Sputtern auf die Haftschicht 169 aufgebracht. In diesem Schritt könnte auch ein galvanisches Beschichtungsverfahren angewandt werden.
Entsprechend wird die erste Haftschicht 158 auf die der dritten Haftschicht 169 gegenüberliegende Fläche des Kristalls 130 durch ein PVD-Verfahren aufgebracht, wie z. B. durch Argon-Sputtern. Genauer gesagt, das Chrom und die Nickel-Kupfer-Legierung, welche die Schicht 158 bilden, werden zusammen so auf den Kristall 130 aufgesputtert, daß die Schicht 158 aus etwa 50% Chrom und 50% Nickel-Kupfer-Legierung besteht. Die Benetzungsschicht (Silberschicht) 150 wird dann durch Argon-Sputtern auf die Haftschicht 158 aufgebracht. In diesem Schritt könnte auch ein galvanisches Beschichtungsverfahren angewandt werden.
Der Resonator 134 und der piezoelektrische Kristall 130 werden beide auf etwa 200°C erhitzt, vorzugsweise durch Auflegen des Resonators 134 und des Kristalls 130 auf eine erhitzte Oberfläche, wie z. B. eine Heizplatte. Wenn beide Stücke eine Temperatur von mehr als 160°C erreicht haben, wird festes Indium auf die zu verbindenden Oberflächen des Resonators 134 und des Kristalls 130 aufgerieben. Da reines Indium bei etwa 157°C schmilzt, verflüssigt sich das feste Indium, wenn es auf die heißen Oberflächen aufgebracht wird, wodurch die heißen Oberflächen mit Indium benetzt werden. Manchmal ist es vorteilhaft, zu diesem Zeitpunkt mehr Indium zuzugeben, indem die Oberflächenspannung des Indiums genutzt wird, um eine "Pfütze" aus geschmolzenem Indium zu bilden.
Der Resonator 134 und der piezoelektrische Kristall 130 werden dann zusammengepreßt, so daß die mit Indium beschichteten Oberflächen in Kontakt miteinander sind, wodurch das Wandlersystem 124 gebildet wird. Das neugebildete Wandlersystem 124 läßt man dann auf Raumtemperatur abkühlen, so daß das Indium erstarrt. Vorzugsweise hat die Bindeschicht (Indiumschicht) 138 eine Dicke "g", die gerade ausreicht, um eine porenfreie Bindung zu bilden. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt "g" etwa 0,025 mm (1 Mil oder 0,001 Zoll). Es besteht die Ansicht, daß die Dicke "g" so klein wie möglich sein sollte, um die Schallübertragung zu maximieren; daher könnten Dicken von weniger als 0,025 mm (1 Mil) noch günstiger sein. Dicken bis zu etwa 0,25 mm (0,01 Zoll) könnten verwendet werden, aber der Wirkungsgrad der Schallübertragung fällt mit zunehmender Dicke "g" ab.
Vorzugsweise läßt man das Wandlersystem 124 so abkühlen, daß der piezoelektrische Kristall 130 auf dem Resonator 134 liegt und die beiden Stücke durch Schwerkraft zusammengehalten werden. Alternativ kann ein Gewicht auf den piezoelektrischen Kristall 130 aufgelegt werden, um die Bindung des Indiums zu unterstützen. Eine weitere Alternative besteht darin, daß das neugebildete Wandlersystem 124 in eine Spannvorrichtung eingespannt wird.
Sobald das Wandlersystem 124 auf Raumtemperatur abgekühlt ist, wird etwaiges überschüssiges Indium, das zwischen dem piezoelektrischen Kristall 130 und dem Resonator 134 herausgesickert ist, mit einem Werkzeug oder anderen Mitteln entfernt.
6 zeigt ein Megaschallreinigungssystem 180 mit Verwendung des Schallwandlersystems 124 (oder des Schallwandlers 14). Die Reinigungslösung ist in einem Behälter 184 enthalten. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Behälter 184 von quadratischer Form und weist vier senkrechte Seiten 188 auf. Der Resonator 134 bildet einen Teil der Bodenfläche des Behälters 184. Für den Behälter 184 können andere Formen verwendet werden, und in anderen Ausführungsformen kann der Resonator 134 nur einen Teil der Bodenfläche des Behälters 184 bilden.
Eine Fluidkammer 190 ist der von den Seiten 188 umgebene offene Bereich. Da die Seiten 188 nicht die Deck- oder Bodenflächen des Behälters 184 bedecken, sagt man, daß die Seiten 188 die Fluidkammer 190 teilweise umgeben. Die Fluidkammer 190 hält die Reinigungslösung; daher müssen die Wände 188 und der Resonator 134 fluiddicht zusammenpassen, um ein Auslaufen zu verhindern. Der Resonator 134 weist eine Grenzfläche 191 auf, die an die Fluidkammer 190 so angrenzt, daß die Grenzfläche 134 in Kontakt mit mindestens einem Teil der Reinigungslösung ist, wenn sich die Reinigungslösung in der Fluidkammer befindet. Offensichtlich ist die Grenzfläche 191 zu jedem Zeitpunkt nur in Kontakt mit der direkt an die Grenzfläche 191 angrenzenden Reinigungslösung.
Bei der in 6 dargestellten bevorzugten Ausführungsform werden vier piezoelektrische Kristalle 130 verwendet. In einer typischen bevorzugten Ausführungsform ist jeder der Kristalle ein Quader mit Abmessungen von 2,5 cm (Breite) × 15 cm (Länge "k" in 5) × 0,25 cm (Dicke "s" in 5)(1 Zoll × 6 Zoll × 0,10 Zoll). Da die Eigenfrequenz des Kristalls sich mit der Dicke verändert, führt eine Verringerung der Dicke zu einer höheren Eigenfrequenz des Kristalls. Wie weiter oben angegeben, können andere Anzahlen von Kristallen verwendet werden, es können andere Kristallformen verwendet werden, und die Kristalle können andere Abmessungen aufweisen, wie z. B. 3 × 18 × 0,25 cm (1,25 × 7 × 0,10 Zoll) oder 4 × 20 × 0,25 cm (1,5 × 8 × 0,10 Zoll). Die Kristalle 130 werden jeweils durch mehrere Schichten, die weiter oben in Bezug auf 5 beschrieben wurden, an dem Resonator 134 befestigt. Zwischen jeweils aneinandergrenzenden Kristallen 130 ist ein Zwischenraum 192 vorhanden, um eine Kopplung der Kristalle zu verhindern.
Die Leistung zur Ansteuerung der Kristalle 130 wird durch einen Hochfrequenzgenerator (HF-Generator) 194 (in 7 dargestellt) geliefert. Die elektrischen Verbindungen zwischen dem HF-Generator und den Kristallen 130 werden durch die mehreren ersten Feder/Knopf-Verbinder 38 und die mehreren zweiten Feder/Knopf-Verbinder 42 hergestellt, wie weiter oben in Bezug auf die 1 und 3 erläutert. Die mehreren zwei ten Feder/Knopf-Verbinder 42 bilden den positiven Anschluß (+) zum HF-Generator 194, und die mehreren ersten Feder/Knopf Verbinder 38 bilden den negativen Anschluß (–) zum HF-Generator 194.
Das Wandlersystem 124 enthält den Stufenbereich 195 (dargestellt in 5), der genau analog zu dem Stufenbereich 110 ist, der weiter oben in Verbindung mit 2 beschrieben wurde. Der Stufenbereich 195 ist ein Bereich auf der zweiten Benetzungsschicht 142, mit dem die oberen Knöpfe 90 der Feder/Knopf-Verbinder 38 in Kontakt kommen können. Da alle Schichten zwischen der zweiten Benetzungsschicht 142 und dem Kristall 130 elektrisch leitend sind (d. h. die Schichten 138, 150 und 158), ist der Kontakt mit dem Stufenbereich 195 äquivalent zum Kontakt mit der Vorderfläche des Kristalls 130. Die oberen Knöpfe 90 der Feder/Knopf-Verbinder 42 stellen den elektrischen Kontakt mit der Metallschicht 170 her, um den Stromkreis für die Ansteuerung des PZT-Kristalls 130 zu schließen. Dieser Stromkreis ist schematisch in 7 dargestellt.
In 6 sind die Leiterplatte (PCB) 34 und der piezoelektrische Kristall 130 in einem Hohlraum 46 angeordnet und durch das Gehäuse 22 umgeben, wie weiter oben in Verbindung mit 1 beschrieben. Mehrere zu reinigende Gegenstände 196 werden durch die Oberseite des Behälters 184 eingesetzt.
Das Schallwandlersystem 124 (dargestellt in 5) funktioniert, wie nachstehend beschrieben. Zu beachten ist, daß der Wandler 14 (dargestellt in 2) auf die gleiche Weise arbeitet wie das Schallwandlersystem 124. Der Kürze wegen wird jedoch in dieser Diskussion auf die Komponenten des Systems 124 Bezug genommen.
Eine durch den HF-Generator 194 angelegte Hochfrequenzspannung (HF-Spannung) erzeugt eine Potentialdifferenz an dem piezoelektrischen Kristall 130. Da es sich um eine Wechselspannung handelt, dehnt sich der Kristall 130 mit der Frequenz der HF-Spannung aus und zieht sich zusammen und emittiert mit dieser Frequenz Schallenergie. Vorzugsweise hat die an den Kristall angelegte HF-Spannung eine Frequenz von etwa 925 kHz. Bei dem System 124 können jedoch HF-Spannungen im Frequenzbe reich von etwa 0,4 bis 2,0 MHz verwendet werden, in Abhängigkeit von der Dicke und der Eigenfrequenz des Kristalls 130. Ein 1000 Watt-HF-Generator, im Handel erhältlich von Dressler Industries, Strohlberg, Deutschland, ist als HF-Generator 194 geeignet.
In der bevorzugten Ausführungsform wird nur einer der Kristalle 130 auf einmal durch den HF-Generator angesteuert. Der Grund dafür ist, daß jeder der Kristalle 130 andere Eigenfrequenzen aufweist. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Eigenfrequenz jedes Kristalls 130 bestimmt und in Software abgespeichert. Der HF-Generator steuert dann den ersten Kristall mit der durch die Software für den ersten Kristall angezeigten Eigenfrequenz an. Nach einer Zeitspanne (z. B. 1 Millisekunde) stoppt der HF-Generator 194 die Ansteuerung des ersten Kristalls und beginnt, den zweiten Kristall mit der Eigenfrequenz anzusteuern, die durch die Software für den zweiten Kristall 130 angezeigt wird. Dieser Vorgang wird für jeden von den mehreren Kristallen wiederholt. Alternativ können die Eigenfrequenzen für die verschiedenen Kristalle 130 durch Regulieren der Kristallgeometrie annähernd aneinander angepaßt werden und dann alle Kristalle 130 simultan angesteuert werden.
Der größte Teil der Schallenergie wird durch alle Schichten des Systems 124 übertragen, die zwischen dem Kristall 130 und dem Resonator 134 angeordnet sind, und in das Reinigungsfluid abgegeben. Ein Teil der durch den piezoelektrischen Kristall 130 erzeugten Schallenergie wird jedoch durch einige oder alle dieser Schichten reflektiert. Diese reflektierte Energie kann zum Aufheizen der Schichten führen, besonders wenn die an den Kristall abgegebene Leistung erhöht wird.
Bei der vorliegenden Erfindung weist die Bindeschicht 138 eine Schallimpedanz auf, die höher ist als die Schallimpedanz anderer Befestigungssubstanzen, wie z. B. von Epoxydharz. Dadurch wird der Anteil reflektierter Schallenergie zwischen dem Resonator 134 und der Bindeschicht 138 verringert. Dadurch entstehen zwei Vorteile der vorliegenden Erfindung. Erstens wird weniger Wärme in dem Wandlersystem entwickelt, wodurch mehr HF-Leistung an den piezoelektrischen Kristall 130 angelegt werden kann. Zum Beispiel können bei dem in 5 dargestellten Wandlersystem 25 bis 30 Watt/cm² an den Kristall 130 (für einen individuell angeregten Kristall) ohne externe Kühlung angelegt werden. Außerdem kann das System 124 im Dauerbetrieb ohne Kühlung betrieben werden (z. B. 30 Minuten bis 24 Stunden oder länger), wodurch eine bessere Reinigung erzielt werden kann. Dagegen verwenden Systeme nach dem Stand der Technik etwa 7 bis 8 Watt/cm² ohne externe Kühlung. Megaschallreinigungssysteme nach dem Stand der Technik, die mit höheren Leistungen als 7 bis 8 Watt/cm² im Dauerbetrieb arbeiten, erfordern eine externe Kühlung des Wandlers.
Zweitens ermöglicht bei der vorliegenden Erfindung das verringerte Reflexionsvermögen eine höhere Leistungsabgabe in das Fluid, wodurch der bei einem Reinigungszyklus benötigte Zeitaufwand verkürzt wird. Zum Beispiel erfordert nach dem Stand der Technik ein Reinigungszyklus für Teilchen unter 0,5 μm im allgemeinen eine Reinigungsdauer von fünfzehn Minuten. Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Zeit für viele Anwendungen auf weniger als eine Minute verkürzt. Im allgemeinen ermöglicht die Verwendung der Bindeschicht (Indium-Schicht) 138 die Übertragung von mindestens 90 bis 98% der durch den piezoelektrischen Kristall erzeugten Schallenergie in das Reinigungsfluid, wenn die in den piezoelektrischen Kristall 130 eingespeiste Gesamtleistung im Bereich von 400 bis 1000 Watt liegt (z. B. 50 Watt/cm² für einen Kristall 130 mit einer Fläche von 20 cm²). In der bevorzugten Ausführungsform dämpft die Bindeschicht (Indium-Schicht) 138 die in das Reinigungsfluidvolumen übertragene Schallenergie um nicht mehr als etwa 0,5 dB. Es besteht die Ansicht, daß das System 124 mit einer Leistung bis zu 5000 Watt eingesetzt werden kann. Im allgemeinen führt das Anlegen höherer Leistungspegel an den piezoelektrischen Kristall 130 zu kürzeren Reinigungszeiten. Es kann auch zu einer gründlicheren Reinigung führen.
Die untenstehende Tabelle 1 gibt die Leistungspegel an, die angewandt werden können, wenn die angegebenen Materialien als Resonator 134 in dem System 124 eingesetzt werden. Die Eingangsleistung (Wirkleistung) ist definiert als die in den Kristall 130 eingespeiste Vorwärtsverlustleistung abzüglich der in den HF-Generator 194 zurückreflektierten Leistung. Wie oben angegeben, ermöglicht das System 124 eine Übertragung von mindestens etwa 90 bis 98% der Eingangsleistung in die Reinigungslösung. Tabelle 1

Resonator Eingangsleistung, W/cm²

Quarz 12,5 W/cm²

Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid 20 W/cm²

Edelstahl 25 W/cm²

Keramik 40 W/cm²

Saphir 50 W/cm²
Die vorliegende Erfindung ist zwar im Hinblick auf die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden, aber es versteht sich, daß diese Offenbarung nicht als Einschränkung aufzufassen ist. Zweifellos werden nach dem Durchlesen der obigen Offenbarung verschiedene Änderungen und Modifikationen, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Patentansprüche liegen, für den Fachmann offensichtlich sein.

Claims

Megaschallreinigungssystem (180), das Folgendes umfasst: einen Behälter (184) mit einer Fluidkammer (190) zur Aufnahme eines Volumens einer Reinigungslösung; einen Resonator (26, 134), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Saphir, Quarz, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Keramik, wobei der Resonator eine Schnittstellenfläche hat, die an die Fluidkammer angrenzt, so dass die Schnittstellenfläche mit wenigstens einem Teil des Volumens der Reinigungslösung in Kontakt ist, wenn sich das Reinigungslösungsvolumen in der Fluidkammer befindet; ein piezoelektrisches Kristall (30, 130) zum Erzeugen von Schallenergie im Frequenzbereich von 0,4 bis 2,0 MHz, wenn das piezoelektrische Kristall mit Leistung beaufschlagt wird; und eine Bindeschicht (60, 138) aus Indium, die sich zwischen dem Resonator und dem piezoelektrischen Kristall befindet, um das piezoelektrische Kristall am Resonator anzubringen.
Megaschallreinigungssystem nach Anspruch 1, wobei das Indium in der Bindeschicht wenigstens 99,99% reines Indium 25 umfasst.
Megaschallreinigungssystem nach Anspruch 1, wobei der Resonator Saphir umfasst.
Megaschallreinigungssystem nach Anspruch 1, wobei der Resonator Quarz umfasst.
Megaschallreinigungssystem nach Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Kristall Bleizirconattitanat umfasst.
Megaschallreinigungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, das ferner Folgendes umfasst: eine erste Haftschicht (158) in Kontakt mit einer Oberfläche des piezoelektrischen Kristalls; und eine erste Benetzungsschicht (150) zwischen der ersten Haftschicht und der Bindeschicht, um beim Binden der Bindeschicht an die erste Haftschicht zu assistieren.
Megaschallreinigungssystem nach Anspruch 6, das ferner Folgendes umfasst: eine zweite Haftschicht (162) in Kontakt mit einer Oberfläche des Resonators; und eine zweite Benetzungsschicht (142) zwischen der zweiten Haftschicht und der Bindeschicht, um beim Binden der Bindeschicht an die zweite Haftschicht zu assistieren.
Megaschallreinigungssystem nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei die erste und/oder die zweite Benetzungsschicht Silber umfasst.
Megaschallreinigungssystem nach Anspruch 7, das ferner Folgendes umfasst: eine dritte Haftschicht (169) in Kontakt mit einer Oberfläche des piezoelektrischen Kristalls; und eine Metallschicht (170) in Kontakt mit einer Oberfläche der dritten Haftschicht, die von dem piezoelektrischen Kristall weg zeigt.
Megaschallreinigungssystem nach Anspruch 9, wobei die Metallschicht Silber umfasst.
Megaschallreinigungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die erste und/oder die zweite und/oder die dritte Haftschicht Chrom umfasst/umfassen.