JP2007044662A - 超音波洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内槽と外槽とを組み合わせた超音波洗浄装置において、洗浄ムラが生じにくい洗浄装置の提供することにある。
【解決手段】底面３２に超音波振動子４０が取り付けられ、内部に超音波振動を伝達する媒介液５０を収納する外槽３０と、該外槽の内部に所定の間隔を以て配置され、内部に洗浄液６０を入れて没入させた被洗浄物Ｍを前記媒介液を介して伝搬する超音波振動により洗浄するための内槽２０とを備え、かつ前記内槽の底面が前記超音波振動子が取り付けられた外槽の底面に対し傾斜角θ°を有し、傾斜角θ°が、５°／（超音波振動数ＭＨｚ）≦θ°＜２０°／（超音波振動数ＭＨｚ）である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波洗浄装置に関し、特に半導体ウエーハ、液晶ガラス基板、ハードディスク等に付着した微細なパーティクルを除去するための超音波洗浄装置に関するものである。

半導体製造工程において、半導体ウエーハや液晶ガラス基板に塵が付着していると、製造したＩＣチップや液晶表示素子に欠陥が生じることになる。そこで、予めこれら被洗浄物の表面を洗浄する必要が生じるのであるが、１μｍ以下の微細な塵、いわゆるパーティクルを除去するには、波長が短く、かつキャビテーションによる被洗浄物の損傷を起こさないためなどから１ＭＨｚ近辺の超音波振動を用いた洗浄装置が用いられている。

また、洗浄槽や超音波振動板にステンレスや他の金属を使用すると、溶出する金属イオンが被洗浄物に付着するという問題がある。そこで、洗浄槽を内槽と外槽の二重構造にして、内槽には石英ガラスを用い、外槽をプラスチックやステンレス製として、外槽の底面に超音波振動子を取り付けるとともに、その内部に超音波を媒介する媒介液を入れる。そして、その媒介液中に内槽の底面が浸るように内槽を配置して、内槽内に洗浄液を入れ、その中に被洗浄物を没入させて外槽の底面に取り付けた超音波振動子を駆動して媒介液を介し内槽中の被洗浄物を洗浄するようにしている。

ところで、上記のような洗浄装置の場合、外槽の媒介液中を伝搬する超音波振動によって媒介液中に気泡が発生すると、その気泡が内槽の底面に付着して超音波が内槽内に伝搬しなくなる現象が発生する。
そこで、内槽の底面を超音波振動子が取り付けられた外槽の底面に対し１〜４°ほど傾斜させて、内槽の底面に付着した気泡を傾斜に沿って上昇させることにより泡切れを良くしている（特許文献１，特許文献２参照）。

また、上記のように内槽の底面を傾斜させると、被洗浄物を洗浄液中に没入させるため槽の深さを深くしなければならないため洗浄装置全体を大きくしなければならないという問題があるのと、内槽内の音圧の均一化を求めるという点を考慮して、内槽の底面を連続的に変化する形状にした超音波洗浄装置も提案されている（特許文献３参照）。

特開平３−２２２４１９号公報 特開平７−３２８５７１号公報 実公平５−１７１９９号公報

ところで、内槽の底面を、超音波振動子が取り付けられた外槽の底面に対し傾斜をさせた場合に、傾斜面に沿って音圧の強弱が現れる。それは、図３（ａ）に示すように、超音波振動子が取り付けられた外槽の底面Ａに対し内槽の底面Ｂがθ°傾斜し、かつ内槽の底面Ｂの長さをＬとすると、生じる音圧縞の数ｎは、ｎ＝ｈ／（２／λ）＝２Ｌsinθ／λで表される。なお、λは超音波の波長である。

これは、内槽の底面と外槽の超音波振動子の面との間に定在波が生じるからであり、距離が変わる毎に内槽底面に入射される音圧が変わり、λ／２に当たる部分の音圧が強まるからである。

図３（ｂ）に示すように、傾斜角を種々と変えて、内槽の洗浄液面近傍における音圧を実際に測定してみた。内槽の奥行き方向に奥行きＤの範囲で、内槽の幅方向に沿って走査してみたところ、図４に示すような結果が得られた。例えば、傾斜角が０．３４ｄｅｇ（度）の場合に、音圧の強いところが縞となって２箇所現れているが、傾斜角が５ｄｅｇの時には１５箇所ほど現れている。傾斜角が大きいほど音圧の縞の数が増えることがわかる。

図５は、理論値と実測値との音圧の縞の数の比較を示す図で、ほぼ一致していることがわかる。なお、Ｌ＝１５０ｍｍ、超音波周波数ｆ＝１ＭＨｚであり、理論値の縞の数ｎは上述したようにｎ＝２Ｌsinθ／λから求めている。

上記実測では内槽の洗浄液面近傍の音圧を測定したが、それでは内槽の全エリアでの音圧はどのようになっているのか、図６（ｂ）に示すように、洗浄液面から１０ｍｍ下を内槽の底面傾斜角を変えて実測してみると、図６（ａ）に示すように現れた。傾斜角１０度の場合には、縞模様が見えなくなり、０度の場合には再現性に乏しく安定性がない。また、角度が付くほどバラツキが小さくなっていることがわかる。０度の時の（標準偏差）／（平均値）＝０．４であるのに対し、１０度の時の（標準偏差）／（平均値）＝０．１８という具合に、角度が大きくなるほど内槽底面に入射する音圧のバラツキが少なくなっていることがわかる。

また、内槽底面の傾斜角の変化に対する、内槽洗浄液内エリアＣと外槽媒介液内エリアＤの音圧の変化を調べると（図７（ｂ））、図７（ａ）に示すように、傾斜角０度から０．１度ずつ傾斜角を増加させていくと、音圧分布は大きく変化するが、傾斜角１０度から０．１度ずつ傾斜角を増加させていく場合には、音圧分布の変化が少ないことがわかる。これをみると、傾斜角をある程度、例えば１０度ぐらいにしておくと、外槽の中に内槽を配置するときに設置精度をあまり気にしないで済むということになる。

従来から用いられている、内槽の底面に傾斜を付ける構成は、媒介液中に発生して内槽の底面に付着した気泡の除去に主眼がおかれていたので、音圧にはっきりした縞ができ、そのため内槽底面に入射する音圧に大きな強弱が生じるため洗浄ムラが発生しやすいという問題がある。

本発明の課題は、内槽と外槽とを組み合わせた超音波洗浄装置において、洗浄ムラが生じにくい洗浄装置の提供することにある。

上記課題に鑑み、本発明は次のような手段を採用した。
請求項１記載の超音波洗浄装置は、底面に超音波振動子が取り付けられ、内部に超音波振動を伝達する媒介液を収納する外槽と、該外槽の内部に所定の間隔を以て配置され、内部に洗浄液を入れて没入させた被洗浄物を前記媒介液を介して伝搬する超音波振動により洗浄するための内槽とを備え、かつ前記内槽の底面が前記超音波振動子が取り付けられた外槽の底面に対し所定の傾斜角θ°を有する超音波洗浄装置であって、前記内槽底面の所定の傾斜角θ°が、５°／（超音波振動数ＭＨｚ）≦θ°＜２０°／（超音波振動数ＭＨｚ）であることを特徴としている。

請求項２記載の超音波洗浄装置は、底面に超音波振動子が取り付けられ、内部に超音波振動を伝達する媒介液を収納する外槽と、該外槽の内部に所定の間隔を以て配置され、内部に洗浄液を入れて没入させた被洗浄物を前記媒介液を介して伝搬する超音波振動により洗浄するための内槽とを備え、かつ前記内槽の底面が前記超音波振動子が取り付けられた外槽の底面に対し所定の傾斜角±θ°で三角形状又は波状に連続する超音波洗浄装置であって、前記内槽底面の所定の傾斜角θ°が、５°／（超音波振動数ＭＨｚ）≦θ°＜２０°／（超音波振動数ＭＨｚ）であるとともに、該底面の三角形状に連続する方向と直交する方向も前記超音波振動子が取り付けられた外槽の底面に対し一定の傾斜角α°を有していることを特徴としている。
なお、前記傾斜角α°は、０°≦α°＜５°の範囲であることが望ましい。

請求項１記載の発明によれば、超音波振動子が取り付けられた外槽底面に対して内槽底面が傾斜角θ°が、５°／（超音波振動数ＭＨｚ）≦θ°＜２０°／（超音波振動数ＭＨｚ）に設定されているので、被洗浄物を入れた内槽底面での音圧縞の数が増加するとともに、（標準偏差）／（平均値）が小さくなって、内槽底面に入射する音圧のバラツキが少なくなるため、被洗浄物の洗浄に安定性が増加する。

請求項２記載の発明によれば、超音波振動子が取り付けられた外槽の底面に対して内槽底面が傾斜角±θ°の三角形状又は波状に連続し、かつ傾斜角θ°が、５°／（超音波振動数ＭＨｚ）≦θ°＜２０°／（超音波振動数ＭＨｚ）に設定されているので、洗浄装置全体を小型化できるとともに、被洗浄物を入れた内槽底面での音圧縞の数が増加するとともに、（標準偏差）／（平均値）が小さくなって、内槽底面に入射する音圧のバラツキが少なくなるため、被洗浄物の洗浄に安定性が増加する。
また、該底面の三角形状に連続する方向と直交する方向も前記超音波振動子が取り付けられた外槽の底面に対し一定の傾斜角α°を有しているので、外槽の媒介中に発生し内槽底面に付着した気泡を取り除くことができる。

請求項３記載の発明によれば、傾斜角α°は、０°≦α°＜５°の範囲としたので、洗浄装置全体をあまり大きくすることなく、効果的に気泡を取り除くことができる。

以下、本発明に係る超音波洗浄装置の実施の形態を図１に基づいて説明する。
なお、図１（ａ）は本実施の形態に係る超音波洗浄装置を正面から見た断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）を右側面から見た断面図である。
図に示すように、この超音波洗浄装置１０は内槽２０と外槽３０とからなる二重槽構造のものである。外槽３０には底面に超音波振動子４０が取り付けられており、該外槽３０の内部には所定の間隔を以て内槽２０が配置されている。また、外槽３０の内部には超音波を媒介する媒介液５０が満たされていて、内槽２０の底面２２がこの媒介液５０中に浸されている。媒介液は通常、水であり、脱気水でも良い。
なお、内槽２０の材質は、石英ガラスなど熱や薬剤に耐久製のあるものが好ましく、外槽３０はステンレスやプラスチックで頑丈なものが好ましい。

内槽２０の底面２２は、超音波振動子４０が取り付けられた外槽３０の底面３２に対して傾斜しており、その傾斜角θ°は、５°／（超音波振動数ＭＨｚ）≦θ°＜２０°／（超音波振動数ＭＨｚ）に設定されている。例えば、超音波周波数ｆが１ＭＨｚであれば、傾斜角θ°は５°≦θ°＜２０°の範囲となる。
内槽２０の大きさなどを考慮すると、５°≦θ°＜１５°程度が望ましい。

上記内槽２０の内部には、洗浄液６０が注入されて、その中に被洗浄物Ｍを没入させ、外槽３０の底面３２に取り付けられた超音波振動子４０を駆動する。超音波振動は外槽３０内の媒介液５０を介して内槽２０の底面２２に入射し、内槽２０内に注入されている洗浄液６０を振動させて被洗浄物Ｍの表面を洗浄する。
この時に、内槽２０の底面２２が外槽３０の底面３２に対しての傾斜角θ°が、５°／（超音波振動数ＭＨｚ）≦θ°＜２０°／（超音波振動数ＭＨｚ）に設定されているので、内槽２０の底面２２に入射する音圧がかなり均一となって、被洗浄物の洗浄ムラが軽減され、洗浄の安定性が増加する。

なお、内槽２０の側方に張り出している部分は、内槽内の洗浄液がオーバーフローした際の受け部２４で、ここに溢れた洗浄液は図示せぬ排水管によって排水させるか、あるいは循環させて内槽２０に戻るように構成されている。

次に、本発明に係る超音波洗浄装置の他の実施の形態を図２に基づいて説明する。
なお、図２（ａ）は本実施の形態に係る超音波洗浄装置を正面から見た断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）を右側面から見た断面図である。
図に示すように、この超音波洗浄装置７０は内槽８０と外槽９０とからなる二重槽構造のものである。外槽９０には底面に超音波振動子４０が取り付けられており、該外槽９０の内部には所定の間隔を以て内槽８０が配置されている。また、外槽９０の内部には超音波を媒介する媒介液５０が満たされていて、内槽８０の底面８２がこの媒介液５０中に浸されている。

内槽８０の底面８２は超音波洗浄装置７０の正面視、図２（ａ）に示すように、三角形状又は波状に連続し、その三角形状は超音波振動子４０が取り付けられた外槽９０の底面９２に対し所定の傾斜角±θ°を有していて、その傾斜角θ°は、５°／（超音波振動数ＭＨｚ）≦θ°＜２０°／（超音波振動数ＭＨｚ）である。
また、図２（ｂ）に示すように、内槽８０の底面８２の三角形状に連続する方向と直交する方向も前記超音波振動子４０が取り付けられた外槽９０の底面９２に対し一定の傾斜角α°を有している。
そして、この傾斜角α°は、０°≦α°＜５°の範囲としている。
なお、内槽８０の側方に張り出している部分は、内槽内の洗浄液がオーバーフローした際の受け部８４である。

この実施の形態に係る超音波洗浄装置７０の特徴は、先の実施の形態のように、内槽の底面をフラットにして傾斜角を設けた場合、被洗浄物が洗浄液中に没入させるためには、内槽を深くしなければならず、洗浄装置全体を大きくしなければならないのに比べ、内槽８０の底面８２が三角形状又は波状に連続するように構成されているので、傾斜角が設けられていないものと同程度の大きさとすることができる。

また、内槽８０の底面８２の三角形状からなる傾斜角が、外槽９０の底面９２に対しての傾斜角±θ°が、５°／（超音波振動数ＭＨｚ）≦θ°＜２０°／（超音波振動数ＭＨｚ）に設定されているので、内槽８０の底面８２に入射する音圧が均一になるとともに、内槽８０の洗浄液中を伝搬する音圧も均一化するので、被洗浄物の洗浄ムラが軽減され、洗浄の安定性が増加する。
その超音波の音圧分布状態を、図８の濃淡で示す。

また、内槽８０の底面８２の三角形状に連続する方向と直交する方向も超音波振動子４０が取り付けられた外槽９０の底面９２に対し一定の傾斜角α°を有しているので、媒介液５０中で発生し、内槽８０の底面８２に付着した気泡も速やかに上方へと移動して除去されることになる。その際に、傾斜角α°は、０°≦α°＜５°の範囲としているので、内槽８０の深さをあまり深くしなくても被洗浄物を没入させることができるので、洗浄装置全体を大きくする必要はほとんど生じない。

本発明は、半導体ウェーハ、液晶ガラス基板、ハードディスクの洗浄用として説明したが、他の半導体ディバイス等の洗浄にも適している。

（ａ）は本発明に係る超音波洗浄装置の実施の形態を正面から見た断面図、（ｂ）は右側面から見た断面図である。 （ａ）は本発明に係る超音波洗浄装置の他の実施の形態を正面から見た断面図、（ｂ）は右側面から見た断面図である。 （ａ）は内槽の底面と外槽の底面との傾斜状態を示す図、（ｂ）は音圧の測定に対する走査方法を示す図である。 図３に示すように測定して得られた音圧分布を示す図である。 図３に示すように測定して得られた実際の音圧分布の縞数と理論値とを示すグラフである。 （ａ）は内槽底面の傾斜角の違いによる内槽洗浄液中の音圧分布の変化を示す図、（ｂ）は音圧測定方法及び測定エリアを説明する図である。 （ａ）は内槽底面の傾斜角が０度の時と１０度の時に０．１度ずつ変化させて測定した内槽洗浄液中と外槽媒介液中の音圧分布の変化を示す図、（ｂ）は測定エリアを示す図である。 図２に示す超音波洗浄装置による音圧分布の状態を示す図である。

符号の説明

１０、７０ 超音波洗浄装置
２０、８０ 内槽
２２、８２ 内槽底面
３０、９０ 外槽
３２、９２ 外槽底面
４０ 超音波振動子
５０ 媒介液
６０ 洗浄液

Claims (3)

1. 底面に超音波振動子が取り付けられ、内部に超音波振動を伝達する媒介液を収納する外槽と、該外槽の内部に所定の間隔を以て配置され、内部に洗浄液を入れて没入させた被洗浄物を前記媒介液を介して伝搬する超音波振動により洗浄するための内槽とを備え、かつ前記内槽の底面が前記超音波振動子が取り付けられた外槽の底面に対し所定の傾斜角θ°を有する超音波洗浄装置であって、
   前記内槽底面の所定の傾斜角θ°が、５°／（超音波振動数ＭＨｚ）≦θ°＜２０°／（超音波振動数ＭＨｚ）であることを特徴とする超音波洗浄装置。
2. 底面に超音波振動子が取り付けられ、内部に超音波振動を伝達する媒介液を収納する外槽と、該外槽の内部に所定の間隔を以て配置され、内部に洗浄液を入れて没入させた被洗浄物を前記媒介液を介して伝搬する超音波振動により洗浄するための内槽とを備え、かつ前記内槽の底面が前記超音波振動子が取り付けられた外槽の底面に対し所定の傾斜角±θ°で三角形状又は波状に連続する超音波洗浄装置であって、
   前記内槽底面の所定の傾斜角θ°が、５°／（超音波振動数ＭＨｚ）≦θ°＜２０°／（超音波振動数ＭＨｚ）であるとともに、該底面の三角形状に連続する方向と直交する方向も前記超音波振動子が取り付けられた外槽の底面に対し一定の傾斜角α°を有していることを特徴とする超音波洗浄装置。
3. 前記傾斜角α°は、０°≦α°＜５°であることを特徴とする請求項２記載の超音波洗浄装置。

Images