JP2000279887A - 超音波励振装置及びこれを備えた超音波洗浄装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 洗浄用流体が減少しても、実効出力の増大を
確実に抑制することができるとともに、伝達する超音波
振動に減衰等の悪影響を与えずに、かつ、小型化が可能
な超音波励振装置及び超音波洗浄装置を提供すること。 【解決手段】 導波体９の内部に直方体状の空洞部９ｃ
を形成する。前記空洞部９ｃの超音波振動の進行方向に
おける寸法を前記空洞部９ｃ内に流入する冷却用流体の
音速度に基づく共振長に設定することにより、共振にと
もなう熱を高効率で除去することができ、かつ、前記冷
却用流体を含む前記導波体９全体が共振して、効率よく
超音波振動を伝達可能である。また、前記導波体９の外
周面９ａが面一になり、超音波励振装置及び超音波洗浄
装置全体の小型化を達成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、工業用と
してシリコンウェーハ等の洗浄に用いられる超音波励振
装置、特に、駆動周波数が２００ｋＨｚ以上の超音波励
振装置及び前記超音波励振装置を備えた超音波洗浄装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような高い周波数帯域を利用した超
音波洗浄装置は、サブミクロンのパーティクル（ｐａｒ
ｔｉｃｌｅ）の除去が可能である点、キャビテーション
が発生しないために洗浄物へのダメージがない点、波長
が短いために定在波の影響がなく斑のない洗浄効果が得
られる点など、超精密洗浄が可能であることから従来よ
り開発が進められ、実用化されている。

【０００３】従来のこの種の超音波洗浄装置として、例
えば、図６に示す洗浄槽タイプのものがある。図６に示
す超音波洗浄装置は、特開平１０−９４７５６号公報に
おいて開示されているものである。

【０００４】図６は、従来の超音波洗浄装置を示す一部
断面を含む側面図であり、図７は、従来の超音波洗浄装
置が備える従来の超音波振動発生部を示す斜視図であ
る。以下、図６及び図７を参照して従来の超音波洗浄装
置（超音波励振装置を含む）について説明する。

【０００５】図６に示すように、従来の超音波洗浄装置
１１０は、洗浄用流体として、例えば、純水１０１を貯
留するとともに被洗浄物を収容する処理槽１０２と、前
記処理槽１０２の底部に装着された超音波振動発生部１
０３とを備えている。

【０００６】図７にも示すように、超音波振動発生部１
０３は、略直方体状の導波体１０５と、矩形板状に形成
され、前記導波体１０５に対して接着剤等により結合さ
れた振動子１０４とを有し、前記導波体１０５側が接液
する状態で前記処理槽１０２の底部に形成された開口部
１０２ａに挿通されている。前記導波体１０５には、全
周にわたってフランジ部１０５ａが形成されており、前
記フランジ部１０５ａと前記処理槽１０２の底部との間
にパッキン１０６が介装されて処理槽１０２の底部に密
着固定されている。前記パッキン１０６は、液密及び吸
振部材として作用するものである。

【０００７】前記振動子１０４は、ＰＺＴ（ｐｉｅｚｏ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ：圧電）素子等からなり、発振器１０
７（図６参照）によって所定の駆動周波数の電圧が印加
されると、この周波数の超音波振動を発生する。前記駆
動周波数は、極めて高く設定されており、例えば、１Ｍ
Ｈｚになっている。前記振動子１０４及び前記導波体１
０５からなる超音波振動発生部１０３と、前記発振器１
０７とにより、超音波励振装置が構成されている。

【０００８】前記導波体１０５は、例えば、ジュラルミ
ンから形成され、厚さＨ、すなわち、振動子１０４から
発生する超音波振動の進行方向における寸法が前記超音
波振動の半波長（λ／２）の略整数倍、理想的にはちょ
うど整数倍に設定され、共振長になっている。そして、
前記導波体１０５は、前記振動子１０４が発生する前記
超音波振動に共振して前記純水１０１に超音波振動を導
いて励振し、前記純水１０１中に浸漬されている被洗浄
物、例えば、シリコンウェーハ（図示せず）が洗浄され
る。

【０００９】ここで、前記半波長（λ／２）は次のよう
に算出される。 λ／２＝Ｃ／２ｆ ただし、 λ：１波長 Ｃ：ジュラルミンの音速度＝５．１５×１０⁵ｃｍ ｆ：周波数＝１０⁶Ｈｚ したがって、λ／２＝２．６ｍｍである。

【００１０】従来の前記導波体１０５は、前記厚さＨが
５３ｍｍに設定されている。つまり、半波長λ／２（約
２．６ｍｍ）の約２０倍になっており、厚さＨの値が大
きく設定されている。したがって、前記導波体１０５が
比較的大きい音響インピーダンスを有しており、前記導
波体１０５の上方に外部負荷として存在する前記純水１
０１が何らかの原因によって不足して、液面１０１ａが
前記導波体１０５の上面よりも下方に低下した場合で
も、空焚き状態、すなわち、装置全体としての音響イン
ピーダンスが低下して前記振動子１０４の振動が大きく
なるとともに、実効出力が増大して発熱することを抑制
可能なものになっている。前記導波体１０５の音響イン
ピーダンスは、具体的には次式 Ｒｍａ₁＜Ｒｍａ₂＜Ｒｍａ₃ ・・・（１） ただし、 Ｒｍａ₁：振動子１０４の音響インピーダンス Ｒｍａ₂：導波体１０５の音響インピーダンス Ｒｍａ₃：純水１０１の音響インピーダンス を満たす状態に設定されている。

【００１１】前記実効出力の増大を抑制する作用は、次
の式から明らかである。 Ｐａ＝Ｖａ²／Ｒｍａ ・・・（２） Ｒｍａ＝Ｒｍａ₁＋Ｒｍａ₂＋Ｒｍａ₃ ・・・（３） ただし、 Ｐａ：実効出力 Ｖａ：印加電圧（一定） Ｒｍａ：洗浄装置全体（純水１０１を含む）としての音
響インピーダンス

【００１２】すなわち、前記純水１０１が減少して、音
響インピーダンスＲｍａ₃の値がほぼゼロになっても、
前記導波体１０５が所要の大きさの音響インピーダンス
Ｒｍａ₂を有することから、実効出力Ｐａが大きく増大
することがない構成になっている。

【００１３】また、前記フランジ部１０５ａには、前記
導波体１０５を冷却する手段として、前記導波体１０５
の長手方向に沿って一対の貫通孔１０５ｂが形成されて
いる。前記貫通孔１０５ｂの一端には、それぞれ、ニッ
プル１０８ａが螺合しており、他端側には、それぞれ、
ニップル１０８ｂが螺合している。

【００１４】そして、前記ニップル１０８ａに接続した
チューブ１０９ａを通じて前記貫通孔１０５ｂ内に冷却
用流体として、例えば、純水が供給されるとともに、前
記ニップル１０８ｂに接続したチューブ１０９ｂを通じ
て、冷却用流体としての前記純水が排出される構成にな
っている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来の前記超音波洗浄
装置１１０は、以下のような利点を有している。

【００１６】前記導波体１０５の厚さＨが大きく設定
されており、前記導波体１０５が比較的大きい音響イン
ピーダンスを有している。したがって、前記導波体１０
５の上方に外部負荷として存在する前記純水１０１が何
らかの原因によって不足して、前記液面１０１ａが前記
導波体１０５の上面よりも下方に低下した場合でも、空
焚き状態、すなわち、装置全体としての音響インピーダ
ンスが低下して前記振動子１０４の振動が大きくなると
ともに、実効出力が増大して発熱することを抑制可能な
ものになっている。すなわち、前記振動子１０４を前記
導波体１０５に固着している接着剤が劣化して剥離する
ことや、前記振動子１０４自体が熱によって割れを生じ
ることを防止することができるものになっている。

【００１７】前記導波体１０５の冷却手段として、前
記フランジ部１０５ａに一対の貫通孔１０５ｂが形成さ
れ、純水等の冷却用流体を供給可能な構成を備えている
ことから、前記振動子１０４に悪影響を与える熱を可能
な限り除去することができるとともに、一対の前記貫通
孔１０５ｂは、前記導波体１０５から突出する状態に形
成された前記フランジ部１０５ａに設けられていること
から、前記導波体１０５が伝導する超音波振動に減衰等
の悪影響を与えることがない構成になっている。

【００１８】空焚き防止のためにセンサー等からなる
インターロック設備を設ける必要がないことから、保守
が極めて容易なものになっている。

【００１９】一方、近年、各種装置を設置するスペース
の効率を向上させるために、装置自身の小型化が求めら
れており、この点から前記超音洗浄装置１１０等の装置
についても一層の小型化が検討されている。

【００２０】しかしながら、従来の前記超音波洗浄装置
１１０は、前記超音波励振装置を構成する前記導波体１
０５の全周にわたって前記フランジ部１０５ａが形成さ
れている。前記フランジ部１０５ａは、前記導波体１０
５から突出する状態に形成されていることから、前記冷
却手段を設ける部位としての利点を有する一方で、前記
導波体１０５と前記処理槽１０２との取付部位が大きく
なり、前記超音波洗浄装置１１０全体が大型化してしま
う傾向がある。

【００２１】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あって、洗浄用流体が減少した場合でも、実効出力の増
大を確実に抑制することができるとともに、伝達する超
音波振動に減衰等の悪影響を与えずに、かつ、小型化を
達成することができる超音波励振装置を提供することを
目的とする。また、前記超音波励振装置を備え、装置全
体の小型化を達成することができる超音波洗浄装置を提
供することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波励振装置
は、２００ｋＨｚ以上の超音波振動を発生する振動子
と、前記振動子と結合して前記超音波振動を外部負荷に
導く導波体と、前記導波体を冷却する冷却手段とを有す
る超音波励振装置であって、前記冷却手段は、前記導波
体の内部に形成されて冷却用流体が流入する空洞部を有
し、前記空洞部は、前記超音波振動の進行方向における
寸法が前記冷却用流体の音速度に基づく前記超音波振動
の半波長の整数倍であり、かつ、前記導波体の前記振動
子を有する上面から前記空洞部の上端部までの大きさ及
び前記空洞部の下端部から前記導波体の前記上面と対向
する底面までの大きさが前記導波体の素材の音速度に基
づく前記超音波振動の半波長の整数倍であるものであ
る。

【００２３】また、前記空洞部は、直方体状または立方
体状であって、前記振動子に対して前記超音波振動の進
行方向に垂直な二方向において平行に形成されているも
のである。

【００２４】また、前記導波体の外周面は面一である。

【００２５】また、前記導波体は、ジュラルミン、ステ
ンレス、石英、アルミニウム、アルミニウム合金、タン
タル、チタンから選択する１の素材からなるものであ
る。

【００２６】また、前記導波体は、前記超音波振動の進
行方向における寸法が前記導波体の素材の音速度に基づ
く前記超音波振動の半波長の整数倍の大きさを有し、前
記振動子、前記導波体及び前記外部負荷の音響インピー
ダンスをそれぞれ、Ｒｍａ₁、Ｒｍａ₂及びＲｍａ₃とし
たときに次式Ｒｍａ₁＜Ｒｍａ₂＜Ｒｍａ₃を満たすもの
である。

【００２７】また、本発明の超音波励振装置は、前記振
動子を囲繞する密閉ケースを有するものである。

【００２８】また、本発明の超音波洗浄装置は、洗浄用
流体を貯留する処理槽と、前記洗浄用流体を励振する超
音波励振装置とを備えた超音波洗浄装置であって、前記
超音波励振装置は、２００ｋＨｚ以上の超音波振動を発
生する振動子と、前記振動子と結合して前記超音波振動
を前記洗浄用流体に導く導波体と、前記導波体を冷却す
る冷却手段とを備え、前記冷却手段は、前記導波体の内
部に形成されて冷却用流体が流入する空洞部を有し、前
記空洞部は、前記超音波振動の進行方向における寸法が
前記冷却用流体の音速度に基づく前記超音波振動の半波
長の整数倍であり、かつ、前記導波体の前記振動子を有
する上面から前記空洞部の上端部までの大きさ及び前記
空洞部の下端部から前記導波体の前記上面と対向する底
面までの大きさが前記導波体の素材の音速度に基づく前
記超音波振動の半波長の整数倍であるものである。

【００２９】また、本発明の超音波洗浄装置は、洗浄用
流体を連続的に供給するとともに、前記洗浄用流体が噴
出するノズルを有するシャワー装置と、前記洗浄用流体
に超音波振動を付与する超音波励振装置とを備えた超音
波洗浄装置であって、前記超音波励振装置は、２００ｋ
Ｈｚ以上の超音波振動を発生する振動子と、前記振動子
と結合して前記超音波振動を前記洗浄用流体に導く導波
体と、前記導波体を冷却する冷却手段とを備え、前記冷
却手段は、前記導波体の内部に形成されて冷却用流体が
流入する空洞部を有し、前記空洞部は、前記超音波振動
の進行方向における寸法が前記冷却用流体の音速度に基
づく前記超音波振動の半波長の整数倍であり、かつ、前
記導波体の前記振動子を有する上面から前記空洞部の上
端部までの大きさ及び前記空洞部の下端部から前記導波
体の前記上面と対向する底面までの大きさが前記導波体
の素材の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数
倍であるものである。

【００３０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の第１実施例とし
て、洗浄槽タイプの超音波洗浄装置（超音波励振装置を
含む）を図１及び図２を参照して説明する。

【００３１】図１は、本発明の第１実施例である洗浄槽
タイプの超音波洗浄装置を示す一部断面を含む側面図で
あり、図２は、本発明の第１実施例である洗浄槽タイプ
の超音波洗浄装置が備える超音波振動発生部を示す斜視
図である。

【００３２】図１に示すように、前記超音波洗浄装置１
０ａは、洗浄用流体として、例えば、純水１を貯留する
とともに、被洗浄物を収容する処理槽３と、前記処理槽
３の底部に装着された超音波振動発生部５とを備えてい
る。

【００３３】図２にも示すように、前記超音波振動発生
部５は、直方体状に形成された導波体９と、矩形板状に
形成され、片面側で前記導波体９に対して接着剤等によ
り結合された振動子７とを有している。

【００３４】図１に示すように、前記超音波振動発生部
５は、前記導波体９側が接液する状態で前記処理槽３の
底部に形成された開口部３ａに挿通されており、面一状
の前記導波体９の外周面９ａと前記開口部３ａの内縁３
ｂとの間にパッキン１４が全周にわたって介装されて前
記処理槽３の底部に密着固定されている。

【００３５】前記パッキン１４は、液密及び吸振部材と
して作用するものであり、前記パッキン１４の界装位
置、すなわち、前記超音波振動発生部５の前記処理槽３
の底部に対する取付位置は、この場合、前記導波体９に
形成された空洞部９ｃより下方に位置している。前記空
洞部９ｃの詳細については、後述する。

【００３６】前記振動子７は、発振器１２によって所定
の駆動周波数の電圧が印加されると、この周波数の超音
波振動を発生する。前記駆動周波数は、２００ｋＨｚ以
上の極めて高い値に設定されており、本実施例では、１
ＭＨｚになっている。前記振動子７及び前記導波体９か
らなる超音波振動発生部５と、前記発振器１２と、後述
する前記導波体９の冷却手段とにより、超音波励振装置
が構成されている。

【００３７】前記導波体９は、前記振動子７が発生する
超音波振動に共振し、前記超音波振動を前記純水１に導
く部材として作用する。なお、本実施例では、前記導波
体９は、前記超音波振動を前記純水１に伝達するのみで
あり、機械的に増幅する作用は有していないが、形状等
を適宜変更して増幅機能をもたせてもよい。

【００３８】前記導波体９は、ジュラルミンやステンレ
ス鋼（ＳＵＳ）を素材として形成される。本実施例で
は、より好ましい例としてジュラルミンを使用してい
る。また、前記導波体９は、従来の前記導波体１０５と
同様に、厚さＨ、すなわち、前記振動子７から発生する
超音波振動の進行方向における寸法が、前記導波体９の
素材、この場合、ジュラルミンの音速度に基づいて計算
される超音波振動の半波長（λ／２）の略整数倍、理想
的にはちょうど整数倍に設定され、共振長になってい
る。

【００３９】前記厚さＨは、従来の前記導波体１０５と
同様に、本実施例においても５３ｍｍになっており、半
波長λ／２（約２．６ｍｍ）の約２０倍に設定されてい
る。すなわち、前記厚さＨを大きく設定することによ
り、前記導波体９が、比較的大きな音響インピーダンス
を有するものになっている。また、前記導波体９の音響
インピーダンスは、従来の前記導波体１０５と同様に、
具体的には、前記式（１）を満たす状態に設定されてい
る。

【００４０】前記厚さＨの値は、前記導波体９の上方に
存在する外部負荷としての前記純水１が有する音響イン
ピーダンスとの関係や、伝達する超音波エネルギーの大
きさ等に応じて任意に変更可能である。ちなみに、従
来、本実施例のような高い周波数帯域では超音波エネル
ギーの浪費、つまり発熱量が大きく、例えば、半波長の
２〜３倍の厚さにすることが限度であると常識的に認識
されていた。

【００４１】本実施例では、前記導波体９をジュラルミ
ンを素材として形成しているが、ジュラルミンは、密度
（ρ）が約２．８ｇ／ｃｍ³ であり、鉄やステンレス鋼
と比較して約１／３になっている。すなわち、高い周波
数の超音波振動に対して大変ロスの少ない材質であり、
前記厚さＨを大きく設定した前記導波体９の素材として
好適である。ただし、導波体として適用可能であり、ジ
ュラルミンと同等、または、それ以下の密度を有する材
質であれば使用可能であることはもちろんであり、例え
ば、石英、アルミニウム、アルミニウム合金等を使用し
てもよい。また、使用する洗浄用流体に対応して、導波
体の材質の耐食性を大きくしたい場合には、例えば、タ
ンタル、チタン等が使用可能である。

【００４２】また、図２に示すように、前記導波体９の
前記振動子７から発生する超音波振動の進行方向（前記
厚さＨの方向）に対して直角な方向における寸法、すな
わち、長さＬ及び幅Ｗは、本実施例では、それぞれ、１
３６ｍｍ、４０ｍｍに設定されており、半波長λ／２
（約２．６ｍｍ）のそれぞれ、約５２倍、約１５倍にな
っているが、前記長さＬ及び前記幅Ｗは、被洗浄物の大
きさや前記処理槽３の大きさに応じて可変である。

【００４３】すなわち、前記長さＬ及び前記幅Ｗは、例
えば、前記振動子７の駆動周波数に２０ｋＨｚのように
比較的低い周波数帯を使用するものと仮定すると、前記
導波体９がポアソン（ｐｏｉｓｓｏｎ）比の影響によっ
て横振動することを抑制するために、λ／３以下の大き
さに設定する必要がある。また、前記長さＬ及び前記幅
Ｗを大きく設定したい場合には、λ／３以下のピッチで
スリットを形成し、あたかもλ／３以下の寸法の小さな
導波体が互いに振動の影響を及ぼし合わない状態で結合
したような形態をとる必要がある。これは、横振動の発
生によって導波体自体で振動エネルギーが消費されるこ
とを防ぐとともに、横振動が伴わないきれいな縦振動を
前記純水１に付与するためである。

【００４４】一方、２００ｋＨｚ以上の極めて高い周波
数、例えば、本実施例で設定している１ＭＨｚの駆動周
波数では、前記ポアソン比の悪影響、すなわち、横振動
の発生がないことが本願出願人による実験から確かめら
れており、前記導波体９の前記長さＬ及び前記幅Ｗは、
理論的には、無制限に大きくすることができる。したが
って、前記導波体９は、スリットを形成する必要がな
く、前記長さＬ及び前記幅Ｗを任意に設定してλ／３以
上の大きさにすることができるものになっている。

【００４５】次に、本発明の超音波励振装置が備える前
記導波体９の冷却手段について説明する。

【００４６】図１及び図２に示すように、前記導波体９
の厚さＨ方向の中央部には、前記導波体９の長手方向
（前記長さＬ方向）に沿って、偏平直方体状の空洞部９
ｃが前記振動子７から発生する超音波振動の進行方向と
直交する状態で貫通している。前記空洞部９ｃは、幅方
向（幅Ｗ₀方向）及び長手方向（長さＬ方向）におい
て、前記振動子７に対して平行に形成されている。

【００４７】前記空洞部は９ｃは両端が蓋体９ｄ及び蓋
体９ｅにより閉じられている。前記蓋体９ｄ及び前記蓋
体９ｅは、例えば、ジュラルミン等から形成され、前記
空洞部９ｃの両端部に溶接等により取り付けられてい
る。

【００４８】また、一方の前記蓋体９ｄには一対のニッ
プル２８ａが螺合し、他方の前記蓋体９ｅには、一対の
ニップル２８ｂが螺合している。一対の前記ニップル２
８ａには、それぞれ、チューブ３０ａが連通しており、
前記ニップル２８ａ及び前記チューブ３０ａを通じて冷
却流体として、例えば、純水が前記空洞部９ｃ内に供給
されて流入する。また、一対の前記ニップル２８ｂに
は、それぞれ、チューブ３０ｂが連通しており、前記ニ
ップル２８ｂ及び前記チューブ３０ｂを通じて、前記空
洞部９ｃ内に供給された純水が排出される構成になって
いる。すなわち、前記空洞部９ｃ内に流入した冷却用流
体が前記空洞部９ｃ内を流動することにより、前記導波
体９の冷却が行われる構成になっている。

【００４９】また、図２に示すように、給水側の前記チ
ューブ３０ａは、ソケット３３ａから分岐しており、よ
り太いホース３４ａを経て給水源から供給される純水を
導く。また、排水側の前記チューブ３０ｂはソケット３
３ｂによりまとめられており、他の太いホース３４ｂを
経て使用後の冷却用流体、この場合、純水を排水する構
成になっている。

【００５０】なお、排水側の前記チューブ３０ｂを設け
ずに、前記空洞部９ｃから排出される純水を前記処理槽
３内に注ぐ構成にしてもよい。この場合、前記処理槽３
内に注がれた純水は、前記処理槽３の上縁から、いわゆ
るオーバーフロー方式で徐々に排出される。すなわち、
他の給水設備を設ける必要がないことから、コストを低
減することができる。

【００５１】前記空洞部９ｃは、本実施例では、超音波
振動の進行方向（前記導波体９の厚さＨ方向）における
高さＨ₀ が６．０ｍｍ、超音波振動の進行方向に直交す
る方向（前記導波体９の幅Ｗ方向）における幅Ｗ₀ が、
３６ｍｍに設定されている。また、前記導波体９の上面
である前記振動子７を有する面から前記空洞部９ｃの上
端部までの高さＨ₁及び前記空洞部９ｃの下端部から前
記導波体９の底面である前記上面に対向する面までの高
さＨ₂は、それぞれ、２３．５ｍｍになっている。

【００５２】前記高さＨ₁及び前記高さＨ₂は、前記導波
体９の厚さＨと同様に、前記導波体９の素材であるジュ
ラルミンの音速度（５．１５×１０⁵ｃｍ）に基づいて
計算される前記振動子７から発生する超音波振動の半波
長λ／２（約２．６ｍｍ）の略整数倍、この場合、約９
倍に設定されており、共振長になっている。

【００５３】一方、前記空洞部９ｃの前記高さＨ₀、す
なわち、超音波振動の進行方向（前記導波体９の厚さＨ
方向）における寸法については、前記空洞部９ｃ内に流
入する冷却用流体、この場合、純水の音速度に基づいて
計算される前記振動子７から発生する超音波振動の半波
長λ／２の略整数倍、理想的にはちょうど整数倍になっ
ている。

【００５４】ここで、純水の音速度に基づく超音波振動
の半波長（λ／２）は、次式により算出される。 λ／２＝Ｃ／２ｆ ただし、 λ：１波長 Ｃ：純水の音速度＝１．５×１０⁵ｃｍ ｆ：周波数＝１０⁶Ｈｚ したがって、λ／２＝０．７５ｍｍである。

【００５５】すなわち、前記空洞部９ｃの前記高さＨ₀
は、純水の音速度に基づいて計算される超音波振動の半
波長（λ／２）の約８倍になっており、共振長に設定さ
れている。

【００５６】なお、前記空洞部９ｃの前記幅Ｗ₀は、本
実施例では、純水の音速度に基づく超音波振動の半波長
（λ／２）の約４８倍になっているが、２００ｋＨｚ以
上の極めて高い周波数、例えば、本実施例で設定してい
る１ＭＨｚの駆動周波数では、ポアソン比の悪影響、す
なわち、横振動の発生がないことから、前記導波体９の
前記長さＬ及び前記幅Ｗと同様に任意に設定することが
可能である。

【００５７】また、本実施例では、前記空洞部９ｃは偏
平直方体状に形成され、前記超音波振動の進行方向に垂
直な二方向、すなわち、幅方向（幅Ｗ₀方向）及び長手
方向（長さＬ方向）において前記振動子７に対して平行
になっているが、前記空洞部９ｃの前記振動子７に対す
る幅方向（幅Ｗ₀方向）及び長手方向（長さＬ方向）に
おける平行度は、プラスマイナス約３度以内に設定する
ことが好ましい。

【００５８】このように、超音波振動の進行方向におけ
る前記空洞部９ｃの寸法を前記空洞部９ｃ内を流れる冷
却用流体の音速度から計算される共振長に設定すること
によって、前記導波体９の内部に前記空洞部９ｃが形成
されて前記導波体９内に冷却用流体が存在しても、前記
導波体９は前記振動子７が発生する超音波振動に効率よ
く共振し、洗浄用流体に超音波振動を付与することがで
きる。

【００５９】また、前記空洞部９ｃは、偏平直方体状の
角穴に形成され、かつ、前記振動子７に対して、前記超
音波振動の進行方向に垂直な二方向、すなわち、幅方向
（幅Ｗ₀方向）及び長手方向（長さＬ方向）において平
行であることから、前記振動子７が発生する超音波振動
の減衰や反射がなく、洗浄用流体に対して効率よく超音
波振動を付与することができる。

【００６０】なお、本実施例では、前記空洞部９ｃが偏
平直方体状の角穴を一つだけ設けた構成になっている
が、超音波振動の進行方向における大きさを前記空洞部
９ｃ内に流入する冷却用流体の音速度から計算される共
振長の寸法に設定し、かつ、前記振動子７に対して、前
記超音波振動の進行方向に垂直な二方向、すなわち、幅
方向（幅Ｗ₀方向）及び長手方向（長さＬ方向）におい
て平行に形成した直方体状または立方体状の角穴を複数
設けてもよい。

【００６１】また、前記空洞部９ｃを形成する位置、す
なわち、前記導波体９の前記振動子７を有する面から前
記空洞部９ｃの上端部までの高さＨ₁及び前記空洞部９
ｃの下端部から前記導波体９の底面である前記上面に対
向する面までの高さＨ₂は、前記導波体９を構成する素
材の音速度に基づいて計算される超音波振動の共振長で
あれば、適宜可変である。

【００６２】前記空洞部９ｃ等からなる冷却手段は、前
記導波体９が自己共振することによって、高熱とはなら
ないながらもある程度は熱を帯びることに対して設けら
れたものであり、前記空洞部９ｃを前記導波体９の内部
に設けたことによって、前記導波体９に対する冷却効果
が高く、前記振動子７に悪影響を与える熱を高効率で除
去することができるものになっている。

【００６３】次に、前記導波体９を励振する前記振動子
７について説明する。

【００６４】図２から明らかなように、前記振動子７の
長さ及び幅は、前記導波体９の長さＬ、幅Ｗとほぼ等し
く、厚みｔは、本実施例では、約２ｍｍに設定されてい
る。

【００６５】前記振動子７は、ＰＺＴ（ｐｉｅｚｏｅｌ
ｅｃｔｒｉｃ：圧電）素子１６と、前記ＰＺＴ素子１６
の上下両面に全面にわたって貼着された電極板１７及び
電極板１８有し、前記ＰＺＴ素子１６と、上側の前記電
極板１７の角部の一つが切除されている。そして、この
切除部分において、下側の前記電極板１８が前記電極板
１７との間に弧状の隙間２０を有する状態で上側、すな
わち、前記電極板１７と同一平面上に折り返されて電極
部１８ａになっている。

【００６６】また、前記発振器１２（図１参照）から所
定駆動周波数の電圧を印加するための２本の送電ワイヤ
２２ａ及び送電ワイヤ２２ｂのいずれか一方ずつが、前
記電極板１７の所定位置及び前記電極板１８の前記電極
部１８ａに接続されている。

【００６７】上述の構成からなる本発明の第１実施例で
ある前記超音波洗浄装置１０ａは、前記発振器１２から
印加された高周波の電圧により前記振動子７が励振さ
れ、超音波振動が発生する。そして、発生した超音波振
動は、前記導波体９を介して前記処理槽３内の洗浄用流
体である前記純水１に伝達されて前記純水１中に浸漬さ
れている被洗浄物、例えば、シリコンウェーハ等が洗浄
される構成になっている。

【００６８】前記超音波洗浄装置１０ａは、例えば、以
下のような効果を奏する。

【００６９】従来の前記導波体１０５と同様に、本発
明の超音波励振装置が備える前記導波体９は、厚さＨが
大きく設定されており、前記導波体９が前記式（１）を
満たす比較的大きい音響インピーダンスを有している。
したがって、前記導波体９の上方に外部負荷として存在
する洗浄用流体としての前記純水１が何らかの原因によ
って不足して、液面１ａが前記導波体９の上面よりも下
方に低下した場合でも、空焚き状態、すなわち、装置全
体としての音響インピーダンスが低下して前記振動子７
の振動が大きくなるとともに、実効出力が増大して発熱
することを抑制することができる。すなわち、前記振動
子７を前記導波体９に固着している接着剤が劣化して剥
離することや、前記振動子７自体が熱によって割れを生
じることを防止することができるものになっている。

【００７０】前記導波体９の内部に前記空洞部９ｃが
形成され、純水等の冷却用流体を供給可能な構成を備え
ていることから、前記導波体９に対する冷却効果が高
く、前記振動子７に悪影響を与える熱を高効率で除去す
ることができる。また、前記空洞部９ｃは、超音波振動
の進行方向における寸法が前記空洞部９ｃ内に流入する
純水等の冷却用流体の音速度から計算される共振長に設
定され、かつ、前記振動子７に対して、前記超音波振動
の進行方向に垂直な二方向、すなわち、幅方向（幅Ｗ₀
方向）及び長手方向（長さＬ方向）において平行な直方
体状の角穴になっていることから、前記導波体９は、前
記振動子７が発生する超音波振動に効率よく共振すると
ともに、前記振動子７が発生する超音波振動の減衰や反
射がなく、前記純水１等の洗浄用流体に対して高効率で
超音波振動を付与することができるものになっている。

【００７１】前記導波体９の冷却手段である前記空洞
部９ｃが前記導波体９の内部に形成され、前記導波体９
の前記外周面９ａは面一になっていることから、前記導
波体９と前記処理槽３との取付部位が小さく、前記超音
波洗浄装置１０ａ全体の小型化が可能である。また、従
来と同じ大きさの洗浄槽に取り付けた場合でも、洗浄槽
内の有効体積を大きくすることができる。

【００７２】空焚き防止のためにセンサー等からなる
インターロック設備を設ける必要がないことから、保守
が極めて容易なものになっている。

【００７３】次に、本発明の第２実施例として、前記第
１実施例と同様の効果を奏するノズルシャワータイプの
超音波洗浄装置について、図３及び図４を参照して説明
する。

【００７４】図３は、本発明の第２実施例としての超音
波洗浄装置を示す一部断面を含む側面図であり、図４
は、本発明の第２実施例としての超音波洗浄装置を示す
一部断面を含む正面図である。ただし、図３及び図４に
おいて、第１実施例と同一または対応する構成部分につ
いては、同じ参照符号を用いて示している。また、以下
の説明において、第１実施例と説明が重複する部分につ
いては省略して要部について説明する。

【００７５】図３及び図４に示すように、本発明の第２
実施例としての超音波洗浄装置１０ｂは、カバー４５内
に前記超音波振動発生部５が内蔵されている。前記カバ
ー４５は、内部空間が隔壁４５ａによって上下２層に隔
てられ、前記超音波振動発生部５が備える前記振動子７
が上層４７側に位置しており、前記導波体９が下層４８
側に位置している。前記超音波振動発生部５は、前記カ
バー４５の側部４５ｃ及び前記隔壁４５ａの内縁４５ｄ
と、前記導波体９の前記外周面９ａとの間に前記パッキ
ン１４が全周にわたって介装されて前記カバー４５に対
して密着固定されている。前記パッキン１４は前記上層
４７側の液密性を確保するとともに、吸振部材として作
用するものであり、前記パッキン１４の界装位置、すな
わち、前記超音波振動発生部５の前記カバー４５に対す
る取付位置は、この場合、前記導波体９に形成された前
記空洞部９ｃより上方に位置している。

【００７６】前記下層４８には、前記カバー４５の側部
に設けられたソケット５０を通じて洗浄用流体、例え
ば、前記純水１が連続的に注入され、この注入された前
記純水１に対して前記導波体９によって超音波振動が付
与される。

【００７７】超音波振動が付与された前記純水１は、カ
バー４５のノズル４５ｂから矢印Ｆ方向に噴出してシャ
ワーとして供給される。前記ノズル４５ｂを含む前記カ
バー４５と、前記カバー４５内に前記純水１を連続的に
供給するポンプ等（図示せず）とを、シャワー装置と総
称する。

【００７８】本発明の第２実施例としての前記超音波洗
浄装置１０ｂは、被洗浄物、例えば、シリコンウェーハ
が前記ノズル４５ｂから噴出するシャワーにさらされて
洗浄される構成になっている。前記超音波洗浄装置１０
ｂにおいても、本発明の第１実施例としての前記超音波
洗浄装置１０ａと同様の作用効果が得られる。

【００７９】すなわち、例えば、 前記導波体９の厚さＨが大きく設定され、前記導波体
９の音響インピーダンスが前記式（１）を満たす比較的
大きいものになっている。したがって、前記導波体９の
外部負荷として存在する洗浄用流体としての前記純水１
の供給量が不足した場合や、前記導波体９の下面、すな
わち、振動面に沿って泡５３が溜まった場合でも、実効
出力の増大による発熱を抑制することができる。

【００８０】前記導波体９の内部に冷却手段としての
前記空洞部９ｃを有することから、前記導波体９に対す
る冷却効果が高く、前記振動子７に悪影響を与える熱を
高効率で除去することができる。また、前記空洞部９ｃ
は、前記振動子７に対して前記超音波振動の進行方向に
垂直な二方向、すなわち、幅方向（幅Ｗ₀方向）及び長
手方向（長さＬ方向）において平行な直方体状に形成さ
れ、超音波振動の進行方向における寸法が前記空洞部９
ｃ内に流入する冷却用流体の音速度から計算される共振
長になっていることから、前記振動子７が発生する超音
波振動に対して前記空洞部９ｃ内の冷却用流体を含む前
記導波体９全体が共振して、洗浄用流体に効率よく超音
波振動を伝達することができる。

【００８１】前記導波体９の前記外周面９ａが面一で
あることから、前記導波体９と前記カバー４５との取付
部位が小さく、前記超音波洗浄装置１０ｂ全体の小型化
を達成することができる。

【００８２】空焚き防止のためにインターロック設備
を設ける必要がないことから、保守が極めて容易であ
る。等の作用効果を奏するものになっている。

【００８３】次に本発明の第３実施例として、投入タイ
プの超音波励振装置について図５を参照して説明する。

【００８４】図５は、本発明の第３実施例としての投入
タイプの超音波励振装置を示す一部断面を含む側面図で
ある。ただし、図５において、第１実施例及び第２実施
例と同一または対応する構成部分については、同じ参照
符号を用いて示している。また、以下の説明において、
第１実施例及び第２実施例と説明が重複する部分につい
ては省略して要部について説明する。

【００８５】図５に示すように、本発明の第３実施例と
しての超音波励振装置１０ｃは、前記振動子７及び前記
導波体９からなる前記超音波振動発生部５の下半分、す
なわち、前記振動子７を含む部分を囲繞して液密性を保
持する密閉ケース５５を有しており、前記導波体９の発
振面が前記密閉ケース５５の外に露出した状態になって
いる。前記超音波励振装置１０ｃは、前記密閉ケース５
５を含む前記超音波振動発生部５と、前記振動子７に所
定周波数の電圧を印加する前記発振器１２と、前記導波
体９の前記冷却手段とにより構成されている。

【００８６】前記超音波励振装置１０ｃは、前記密閉ケ
ース５５を含む前記超音波振動発生部５を前記処理槽３
内の洗浄用流体、例えば、前記純水１中に投入して使用
する構成のものである。そして、被洗浄物としてのシリ
コンウェーハ等を前記純水１に浸漬し、前記導波体９が
伝達する超音波振動により前記純水１を励振することに
よって洗浄が行われる。

【００８７】本発明の第３実施例としての前記超音波励
振装置１０ｃにおいても、第１実施例及び第２実施例と
同様の作用効果を得ることができる。

【００８８】すなわち、前記導波体９の音響インピーダ
ンスは、前記式（１）を満たす状態に設定されており、
前記処理槽３内の前記純水１がほとんどない状態であっ
ても、実効出力の増大による発熱を抑制することができ
るとともに、前記導波体９の内部に超音波振動の進行方
向における寸法を冷却用流体の音速度から求まる共振長
に設定した直方体状の前記空洞部９ｃを有することか
ら、前記導波体９の共振にともなう熱を高効率で除去す
ることができ、かつ、前記振動子７の超音波振動に対し
て前記空洞部９ｃ内の冷却用流体を含む前記導波体９全
体が共振して、洗浄用流体に効率よく超音波振動を伝達
することができる。また、前記導波体９の前記外周面９
ａが面一であることから、前記超音波励振装置１０ｃ全
体の小型化を達成することができるとともに、前記超音
波振動発生部５を投入する前記処理槽３についても小型
化が可能である等の作用効果を奏するものになってい
る。

【００８９】なお、各実施例においては、冷却用流体と
して純水を用いているが、冷却に適し、かつ、超音波振
動に対する共振に適した流体であれば、種々の流体を適
宜使用可能である。また、各実施例においては、洗浄用
流体として、純水を用いているが、洗浄の目的や被洗浄
物の素材等に応じて、種々の洗浄用流体を使用すること
ができる。

【００９０】また、各実施例においては、前記導波体９
が直方体状に形成されているが、例えば、円盤状など、
設置するスペースの形状に応じて種々の形状を採用する
ことができる。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波励
振装置によれば、洗浄用流体が減少した場合でも、実効
出力の増大を確実に抑制することができるとともに、伝
達する超音波振動に減衰等の悪影響を与えずに、かつ、
小型化を達成することができる。また、前記超音波励振
装置を備えた本発明の超音波洗浄装置によれば、装置全
体の小型化が可能であり、装置を設置するスペースを省
スペース化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である洗浄槽タイプの超音
波洗浄装置を示す一部断面を含む側面図である。

【図２】図１に示す超音波洗浄装置が備える超音波振動
発生部を示す斜視図である。

【図３】本発明の第２実施例としての超音波洗浄装置を
示す一部断面を含む側面図であある。

【図４】本発明の第２実施例としての超音波洗浄装置を
示す一部断面を含む正面図である。

【図５】本発明の第３実施例としての投入タイプの超音
波励振装置を示す一部断面を含む側面図である。

【図６】従来の超音波洗浄装置を示す一部断面を含む側
面図である。

【図７】図６に示す超音波洗浄装置が備える従来の超音
波振動発生部を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 純水 １ａ 液面 ３ 処理槽 ３ａ 開口部 ３ｂ 内縁 ５ 超音波振動発生部（超音波励振装置） ７ 振動子（超音波振動発生部） ９ 導波体（超音波振動発生部） ９ａ 外周面 ９ｃ 空洞部 ９ｄ，９ｅ 蓋体 １０ａ 超音波洗浄装置（第１実施例） １０ｂ 超音波洗浄装置（第２実施例） １０ｃ 超音波洗浄装置（第３実施例） １２ 発振器（超音波励振装置） １４ パッキン １６ ＰＺＴ素子 １７，１８ 電極板 ２８ａ，２８ｂ ニップル ３０ａ，３０ｂ チューブ ４５ カバー ４５ａ 隔壁 ４５ｂ ノズル ４５ｃ 側部 ４５ｄ 内縁 ４７ 上層 ４８ 下層 ５３ 泡 ５５ 密閉ケース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3B201 AA01 BB02 BB33 BB82 BB84 BB85 BB86 BB93 CB01 5D107 AA13 AA14 AA16 BB11 CC02 FF08

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２００ｋＨｚ以上の超音波振動を発生す
   る振動子と、 前記振動子と結合して前記超音波振動を外部負荷に導く
   導波体と、 前記導波体を冷却する冷却手段とを有する超音波励振装
   置であって、 前記冷却手段は、前記導波体の内部に形成されて冷却用
   流体が流入する空洞部を有し、 前記空洞部は、前記超音波振動の進行方向における寸法
   が前記冷却用流体の音速度に基づく前記超音波振動の半
   波長の整数倍であり、かつ、 前記導波体の前記振動子を有する上面から前記空洞部の
   上端部までの大きさ及び前記空洞部の下端部から前記導
   波体の前記上面と対向する底面までの大きさが前記導波
   体の素材の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整
   数倍であることを特徴とする超音波励振装置。
2. 【請求項２】 前記空洞部は、直方体状または立方体状
   であって、前記振動子に対して前記超音波振動の進行方
   向に垂直な二方向において平行に形成されていることを
   特徴とする請求項１記載の超音波励振装置。
3. 【請求項３】 前記導波体の外周面は面一であることを
   特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波励振装
   置。
4. 【請求項４】 前記導波体は、ジュラルミン、ステンレ
   ス、石英、アルミニウム、アルミニウム合金、タンタ
   ル、チタンから選択する１の素材からなることを特徴と
   する請求項１乃至請求項３のうちいずれか１記載の超音
   波励振装置。
5. 【請求項５】 前記導波体は、前記超音波振動の進行方
   向における寸法が前記導波体の素材の音速度に基づく前
   記超音波振動の半波長の整数倍の大きさを有し、 前記振動子、前記導波体及び前記外部負荷の音響インピ
   ーダンスをそれぞれ、Ｒｍａ₁、Ｒｍａ₂及びＲｍａ₃と
   したときに次式 Ｒｍａ₁＜Ｒｍａ₂＜Ｒｍａ₃ を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうち
   いずれか１記載の超音波励振装置。
6. 【請求項６】 前記振動子を囲繞する密閉ケースを有す
   ることを特徴とする請求項１乃至請求５のうちいずれか
   １記載の超音波励振装置。
7. 【請求項７】 洗浄用流体を貯留する処理槽と、前記洗
   浄用流体を励振する超音波励振装置とを備えた超音波洗
   浄装置であって、 前記超音波励振装置は、２００ｋＨｚ以上の超音波振動
   を発生する振動子と、 前記振動子と結合して前記超音波振動を前記洗浄用流体
   に導く導波体と、 前記導波体を冷却する冷却手段とを備え、 前記冷却手段は、前記導波体の内部に形成されて冷却用
   流体が流入する空洞部を有し、 前記空洞部は、前記超音波振動の進行方向における寸法
   が前記冷却用流体の音速度に基づく前記超音波振動の半
   波長の整数倍であり、かつ、 前記導波体の前記振動子を有する上面から前記空洞部の
   上端部までの大きさ及び前記空洞部の下端部から前記導
   波体の前記上面と対向する底面までの大きさが前記導波
   体の素材の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整
   数倍であることを特徴とする超音波洗浄装置。
8. 【請求項８】 洗浄用流体を連続的に供給するととも
   に、前記洗浄用流体が噴出するノズルを有するシャワー
   装置と、前記洗浄用流体に超音波振動を付与する超音波
   励振装置とを備えた超音波洗浄装置であって、 前記超音波励振装置は、２００ｋＨｚ以上の超音波振動
   を発生する振動子と、 前記振動子と結合して前記超音波振動を前記洗浄用流体
   に導く導波体と、 前記導波体を冷却する冷却手段とを備え、 前記冷却手段は、前記導波体の内部に形成されて冷却用
   流体が流入する空洞部を有し、 前記空洞部は、前記超音波振動の進行方向における寸法
   が前記冷却用流体の音速度に基づく前記超音波振動の半
   波長の整数倍であり、かつ、 前記導波体の前記振動子を有する上面から前記空洞部の
   上端部までの大きさ及び前記空洞部の下端部から前記導
   波体の前記上面と対向する底面までの大きさが前記導波
   体の素材の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整
   数倍であることを特徴とする超音波洗浄装置。