JP2007289834A

JP2007289834A - 超音波洗浄装置

Info

Publication number: JP2007289834A
Application number: JP2006119189A
Authority: JP
Inventors: Maki Okawa; 真樹大川
Original assignee: Hitachi Kokusai Denki Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Kokusai Denki Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2007-11-08

Abstract

【課題】音圧分布を均一に保って、被洗浄物の全面にわたり音圧均一な洗浄が行える超音波洗浄装置を提供する。
【解決手段】洗浄液を噴射させるスリットが形成された洗浄液溜槽と、スリットに沿って洗浄液溜槽内に備えられた超音波振動体とを有し、被洗浄物がスリットに直交する方向に移動されることによって洗浄が行われる超音波洗浄装置であって、超音波振動体は短冊形状の超音波振動素子を複数個、端面が相接するように長さ方向に並べて振動板上に配置・接着された複合素子配置構造によって形成され、超音波振動素子それぞれの相接する端面の一部分のみがスリットに直交方向に沿う又は点で交差するような嵌合形状とし、超音波振動素子それぞれの相接する端面において超音波音圧の低下が抑制されて超音波振動体のスリットから噴射する洗浄液の全面において実質上均一な超音波放射特性が得られる構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハー、ガラスマスク、液晶ガラス基板およびハードディスク盤などの超音波振動による洗浄に関する。

半導体ウエハー、液晶用のガラス、ハードディスク盤等の精密加工品の精密洗浄には、高周波の超音波洗浄装置が用いられている。
精密洗浄の対象とする汚れは、１μm以下の付着粒子等であり、洗浄液溜槽内に満たされた洗浄液中を伝わる超音波振動、又は、洗浄液と超音波振動との相乗効果により、汚れを剥離させるものである。
従来、超音波洗浄装置では、超音波振動を発生させる超音波振動素子の材質として、セラミック等が用いられている。また、超音波振動素子が発する超音波振動を洗浄装置内の洗浄液に伝達させる振動板の材質として、一般に市販されているステンレス板を用いている。
この振動板は洗浄する対象物である被洗浄物の大きさに合わせて作られ、適当な大きさの超音波振動素子を複数枚組み合わせて、これらを振動板に貼り付けている。
振動板が共振振動することにより、洗浄液が振動し、超音波振動を伴った洗浄液が噴射孔より噴射して、従来の被洗浄物の外形の大きさに対しては、満遍なく超音波振動が照射されるように構成されていた。
従来例として、超音波振動素子と振動板との共振周波数が１ＭＨｚ程度の超音波洗浄装置であれば、振動板の板厚が0.01mm変化すると共振周波数が２KHz程度変化することが知られている。
また、振動素子の相接する端面では音圧が低下することが知られている。
このような共振周波数のばらつき、音圧低下部分が洗浄面に対して洗浄強度のばらつきを生じさせる原因となっていることが分かっている。
ところが、年々、半導体ウエハーおよび液晶用のガラスに代表されるように、被洗浄物の外形の大きさが大きくなる上、回路パターンの微細化が進み高密度回路が形成されるようになり、半導体ウエハーおよび液晶用のガラスの製造過程に組み入れられる洗浄装置にもますます洗浄むらを発生させない均一な高精密の洗浄が行える洗浄装置が求められるようになってきた。
従って、これらに対応する洗浄装置とするには、超音波振動素子の組み合わせ枚数を増やし面積を拡大し、かつ、音圧レベル均一性を求めることになる。

図６は、従来技術の超音波振動体を用いて大型化した被洗浄物を洗浄する超音波洗浄装置および洗浄物の洗浄状況を表わす断面斜視図である。
この超音波洗浄装置は、洗浄液が溜められ、洗浄液を噴射させる孔（スリット）が形成された洗浄液溜槽を有し、洗浄液溜槽内の洗浄液に５００ｋＨｚ以上の超音波振動を伝搬させるための超音波振動体を備えたものである。
この超音波振動体は、２枚の短冊形状の超音波振動素子１ａ、１ｂが振動板２上に端面が相接するように並べて接着されて形成された複合素子配置構造とし、洗浄液溜槽４の内部に配設されたものである。
また、洗浄液溜槽４の下面には超音波洗浄液の噴射のための孔であるスリット形状を有した洗浄液噴射孔６が形成されている。
この洗浄液噴射孔６（スリット）から超音波振動を伴った洗浄液が被洗浄物８の洗浄面に対して噴射して付着異物を除去する。なお洗浄液は、洗浄液供給口５より所定の液体圧力が加えられて洗浄液溜槽４内に供給される。
そこで例えば、液晶用のガラスのように大きな洗浄物であれば、洗浄物を矢印（Ｘ；スリット方向に直交）方向に移動させながら、洗浄物の全面をくまなく洗浄させようとする。
ところが、従来技術では、短冊形状の超音波振動素子１ａ、１ｂが振動板２の上に端面が相接するように並べて接着され、両者の超音波振動素子の相接する端面１ａｂが被洗浄物の移動方向に沿う状態（平行）をなしていた。
このため、相接する端面１ａｂは相接する端面による超音波音圧の低下となる線状箇所が生じ、この近傍（ｋ点）の超音波振動の音圧が低下して、被洗浄物の移動とともに被洗浄物８の洗浄面に対して相接する端面１ａｂ下部の被洗浄物上に筋状の洗浄むら（ｓ）が生じてしまうことがある。
図７は、複数枚の短冊形状の超音波振動素子１ａ、１ｂが振動板２に並べて突合せ接着された相接する端面（ｕ）を有する複合素子配置構造体の音圧発生の概念図である。このとき突合せ接着された相接する端面１ａｂ付近から発生する超音波振動（Ｔ）は音圧が低下（Ｓ）された伝搬となり、所定の洗浄箇所（Ｍ）に音圧むらが生じてしまう。

洗浄むらを発生させない均一な洗浄精度とするような従来技術は、複数の超音波振動素子が並べて配置され、かつ、各超音波振動素子の表面に、その厚み方向にスリット加工が施された構成によるものであった。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２４９２１２号公報（第６頁、図２）

年々、洗浄対象物である半導体ウエハーや液晶ガラスのような微細加工品は外形の大型化、回路の微細化が進み、精密洗浄の精度向上が求められて来ており、超音波洗浄装置の超音波振動の音圧不均一に起因する微細粒子等の汚れ剥離不徹底や、外形の大型化、回路微細化が進むに伴い、同種の超音波洗浄装置を複数設備した生産ラインでの超音波洗浄装置間での洗浄特性の差が無視できなくなることが問題とされるようになり、更なる均一な超音波振動を発生させ、かつ、装置間での特性差が生じないような、同一精度を有する超音波洗浄装置が必要とされてきた。
複数の超音波振動素子を用いて励振された超音波洗浄液を噴射させる場合、素子と素子の相接する端面において超音波音圧の低下がみられる。近年の被洗浄物の外形の大型化に伴い、洗浄領域の全域に超音波を照射させるようにするためには、複数の超音波振動素子を組み合わせて、広い洗浄面に対応させることになる。
複数枚の短冊形状の超音波振動素子が振動板上に端面が相接するように並べて接着された複合素子配置構造体によって形成されるので、隣り合った超音波振動素子の端面が相接する突合せ接合面での音圧低下部分での洗浄特性は大幅に低下することになり、これが洗浄むらの原因となる。
特に、超音波洗浄液を噴射させる噴射型超音波洗浄装置においては、洗浄対象物が移動される方向と同方向に音圧低下をきたすこととなり、超音波振動素子の相接する端面に対応する被洗浄物面に筋状に洗浄不良を発生させる問題がある。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決するために、音圧分布を均一に保って、被洗浄物の全面にわたり音圧均一な洗浄が行える超音波洗浄装置を提供することにある。

この目的を達成するために、超音波洗浄装置は、洗浄液が溜められ、該洗浄液を噴射させるスリットが形成された洗浄液溜槽と、
前記洗浄液に５００ｋＨｚ以上の超音波振動を伝搬させるために前記スリットに沿って前記洗浄液溜槽内に備えられた超音波振動体とを有し、被洗浄物が前記スリットに直交する方向に移動されることによって洗浄が行われる超音波洗浄装置であって、
前記超音波振動体は短冊形状の超音波振動素子を複数個、端面が相接するように長さ方向に並べて振動板上に配置・接着された複合素子配置構造によって形成され、
前記超音波振動素子それぞれの相接する端面の一部分のみが前記スリットに直交方向に沿う又は点で交差するような嵌合形状とし、
前記超音波振動素子それぞれの相接する端面において超音波音圧の低下が抑制されて前記超音波振動体の前記スリットから噴射する前記洗浄液の全面において実質上均一な超音波放射特性が得られる構成とした。

更に、洗浄液が溜められ、該洗浄液を噴射させるスリットが形成された洗浄液溜槽と、
前記洗浄液に５００ｋＨｚ以上の超音波振動を伝搬させるために前記スリットに沿って前記洗浄液溜槽内に備えられた超音波振動体とを有し、被洗浄物が前記スリットに直交する方向に移動されることによって洗浄が行われる超音波洗浄装置であって、
前記超音波振動体は、短冊形状の超音波振動素子を複数個、端面が相接するように長さ方向に並べて複数配列とし、かつ、該それぞれの相接する端面が同一の直線上に位置しないようにずらして振動板上へ配列することによって前記相接する端面の前記スリットに直交方向に沿う部分が前記複数配列の幅の複数分の一となるように配置・接着された複合素子配置構造によって形成され、
前記超音波振動素子それぞれの相接する端面において超音波音圧の低下が抑制されて前記超音波振動体の前記スリットから噴射する前記洗浄液の全面において実質上均一な超音波放射特性が得られる構成とした。

本発明は、超音波洗浄液を噴射させる噴射型超音波洗浄装置においては、洗浄対象物が移動されても音圧が均一に保て、被洗浄物の全面に対して常に均一な洗浄が行える。
従って、本発明を実施すれば、超音波洗浄装置が１装置分あれば、超音波洗浄装置が半導体ウエハーおよび液晶ガラス基板にみられるような洗浄対象物の外形大型化、回路微細化の進んでも、これに対応して均一な音圧を得ることができ、常に洗浄むらのない安定した洗浄が行え、かつ、複数の超音波洗浄装置間の洗浄精度のばらつき差を低減させることのできる超音波洗浄装置である。
なお、音圧低下（ディップ）点における改善値は３０ｋＰａ程度が得られる。

図１は本発明の超音波洗浄装置の第１の実施例を示す断面斜視図である。
１は１ＭＨｚ程度の超音波を発振させる複数の超音波振動素子である。例示では、２つの短冊形状の超音波振動素子（１ａ_０、１ｂ_０）によって端面が相接するように長さ方向に並べて構成されている。超音波振動素子（１ａ_０、１ｂ_０）のそれぞれには図示されていない高周波励振電源からの高周波信号によって励振させられる。
２は振動板である。この振動板２の上に２つの短冊形状の超音波振動素子（１ａ_０、１ｂ_０）が端面を相接するように並べて接着されている複合素子配置構造によって形成されたものである。図１では、隣接する超音波振動素子（１ａ_０、１ｂ_０）との相接する端面の一方が凸形状に、他方が凹形状に形成され、互いが嵌合形状（１ａ_０ｂ_０）である構成としている。
３は、振動板２と超音波振動素子１とによって形成され、超音波振動を洗浄液中に伝搬させるスリットに沿わせた複合素子配置構造を有する洗浄液溜槽内に備えられた超音波振動体である。これは短冊形状の超音波振動素子を２個、端面が相接するように長さ方向に並べて振動板上に配置・接着されている。超音波振動素子それぞれの相接する端面はスリットに直交方向に沿う部分が一部分であるような嵌合形状としている。
４は、上方内部に振動板２と超音波振動素子（１ａ_０、１ｂ_０）によって構成された複合素子配置構造を有する超音波振動体と、下方底面に洗浄液を噴射させるスリットとを有する洗浄液が溜められた洗浄液溜槽である。図１に示された洗浄液溜槽４は断面が長方形の形状であるが、噴射口に向かってテーパーを形成させた逆台形断面とし、超音波を壁面反射させて伝搬しながら超音波振動を収束させてもよい。
５は外部より新たな洗浄液を洗浄液溜槽４に供給する洗浄液供給口である。
６は超音波振動が伴った洗浄液７を被洗浄物に対して噴射させる洗浄液噴射孔（スリット）である。
７は被洗浄物に対して噴射させる超音波振動が伴った噴射洗浄液である。
８は大型外形をした液晶ガラス基板などの被洗浄物である。これはＸ方向（スリット方向に直交方向）に移動しながら全面の洗浄が行える。

上記本発明の実施例の超音波洗浄装置の動作概要を説明する。
洗浄動作は、洗浄液供給口５から水圧を加えられた洗浄液が供給され、洗浄液溜槽４に洗浄液が溜められ、短冊形状の超音波振動素子（１ａ_０、１ｂ_０）が発振した振動を共振させる振動板２を介して超音波振動が洗浄液に伝搬され、超音波振動を伴った加圧された洗浄液７がスリット６から噴射し、この噴射洗浄液が被洗浄物８の洗浄面に対し放射され、このことによって被洗浄物８がスリット形状に洗浄が行われ、被洗浄物８がＸ方向（スリット方向に直交方向）に移動することによって被洗浄物８が面に対しての洗浄が行われ、洗浄物の全面をくまなく洗浄し、付着異物を除去する動作である。
そこで、２枚の短冊形状の超音波振動素子（１ａ_０、１ｂ_０）の隣接する相接する端面の一方が凸形状および他方が凹形状とし、互いが嵌合形状（１ａ_０ｂ_０）である構成としているので、接着された嵌合部位１ａ_０ｂ_０は、被洗浄物の移動方向（Ｘ）に沿う箇所が一部分となるので、被洗浄物８がＸ方向に移動されても、相接する端面による超音波音圧の低下が抑圧される。
従って、複数枚の短冊形状の超音波振動素子の隣接振動子相互間の相接する端面である嵌合形状（１ａ_０ｂ_０）とした相接する端面近傍（ｋ点）での超音波振動の音圧低下することが抑制されて、超音波振動の音圧が所定の対象洗浄領域に対応して均一となる。スリット６から噴射する洗浄液の全スリット形状面において実質上均一な超音波放射特性が得られる。

図２は本発明の超音波洗浄装置の第１の実施例の変形を示した３種類の超音波振動体の断面斜視図である。
図２（Ａ）に示された超音波振動体３は、２枚の短冊形状の超音波振動素子（１ａ_１、１ｂ_１）の隣接する相接する端面のラインが被洗浄物８の移動方向（Ｘ）に対して角度θ°を有するような形状とし、互いが嵌合形状（１ａ_１ｂ_１）である構成とされている。従って、接着された嵌合部位１ａ_１ｂ_１は、被洗浄物８の移動方向（Ｘ；スリット方向に直交方向）に沿う箇所を有することがなく、被洗浄物８がＸ方向に移動されても、相接する端面による超音波音圧の低下が抑圧される。
同様に、図２（Ｂ）に示された超音波振動体３は、相接する端面のラインである接着された嵌合部位１ａ_２ｂ_２はジグザグ形状であるので、また、図２（Ｃ）に示された超音波振動体３は、相接する端面のラインである接着された嵌合部位１ａ_３ｂ_３は円弧形状であるので、いずれの構成でも被洗浄物８の移動方向（Ｘ；スリット方向に直交方向）に沿う箇所を有することがなく、被洗浄物８がＸ方向に移動されても、相接する端面による超音波音圧の低下が抑圧される。
このような超音波振動素子の個数は、２以上の複数であってもよい。
相接する端面である嵌合部位の形状は被洗浄物８の移動方向（Ｘ；スリット方向に直交方向）に沿う箇所がなくなるのであれば他の嵌合部位形状であってもよい。

更に、図３は本発明の超音波洗浄装置の第２の実施例を示した超音波振動体の断面斜視図である。
図３に示された超音波振動体３は、５枚の短冊形状の超音波振動素子（１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ）と振動板２が備えられている。
端面が相接するように長さ方向に並べて配置された超音波振動素子（１ｃ、１ｄ、１ｅ）の列と端面が相接するように長さ方向に並べて配置された超音波振動素子（１ｆ、１ｇ）の列との２配列を成し、各相接する端面および振動板２と接する面においてが接着されている。
超音波振動素子（１ｃ、１ｄ、１ｅ）の列の素子間の相接する長さ方向にある端面（１ｃ−１ｄ、１ｄ−１ｅ）と超音波振動素子（１ｆ、１ｇ）の列の素子間の相接する長さ方向にある端面（１ｆ−１ｇ）とは同じ位置に来ないように即ち、同一の直線上に位置しないように、ずらして振動板上へ配列し、接着された複合素子配置構造によって形成されている。
このことによって相接する端面のスリットに直交方向に沿う部分が２配列の幅の２分の一となる。
被洗浄物８の移動方向（Ｘ；スリット方向に直交方向）に沿う端面が一部分となるので、被洗浄物８がＸ方向に移動されても、相接する端面による超音波音圧の低下が抑圧される。
即ち、複数枚の短冊形状の超音波振動素子の隣接振動子相互の配置は、配置の相接する端面において超音波音圧の低下が抑制されて超音波振動体のスリットから噴射する前記洗浄液の全面において実質上均一な超音波放射特性が得られる。
この配置の構成であれば、被洗浄物８の移動方向（Ｘ）に沿う方向、即ち、スリット幅を大きくすることができ、洗浄液噴射の面積が大きくなり、洗浄時間の効率が向上する。

図４は、本発明の超音波洗浄装置の超音波音圧測定状況を示す断面斜視図である。
図４は、３枚の短冊形状の超音波振動素子（１ｈ、１ｊ、１ｋ）の隣接するそれぞれの相接する端面のラインが被洗浄物８の移動方向（Ｘ；スリット方向に直交方向）に対して角度θ°を有するような形状とし、互いが２箇所の嵌合形状（１ｈｊ，１ｊｋ）である構成としているので、接着された嵌合部位１ｈｊおよび１ｊｋは、被洗浄物８の移動方向（Ｘ）に沿う箇所がなくなるので、即ち、スリット方向に直交ではないので、被洗浄物８がＸ方向に移動されても、相接する端面による超音波音圧の低下が抑圧される。
このような超音波振動体より超音波振動を伴って加圧された洗浄液７がスリットから噴射し、この噴射洗浄液が被洗浄物８の洗浄面に対し放射される、その放射洗浄液の音圧を測定するために、放射され洗浄液の放射面に向けられた音圧測定器の音圧測定プローブ（１０）を被洗浄物８の洗浄面に配置して、スリットの一方端から他方端に移動しながら、即ち、被洗浄物８の移動方向（Ｘ）に対して直交方向となる（Ｙ）方向に移動して、その各測定位置での音圧を図示していない測定器により測定する。

図５は、３枚の短冊形状の超音波振動素子（１ｈ、１ｊ、１ｋ）が振動板上に端面が角度θ°を有して相接するように並べて接着された複合素子配置構造（図４参照）とした超音波振動体における音圧分布特性図である。
横軸が測定位置（単位ｍｍ）を表わし、０−６０が超音波振動素子１ｈの長さ方向、６０−１８０が超音波振動素子１ｊの長さ方向、１８０−２４０が超音波振動素子１ｋの長さ方向による特性曲線を表わす。
長さ方向６０の位置は超音波振動素子１ｈと１ｊの各端面が相接する中央部の位置であり、長さ方向１８０の位置は超音波振動素子１ｊと１ｋの各端面が相接する中央部の位置である。
実線で示された音圧分布特性曲線が図４で示された本発明の３枚の短冊形状の超音波振動素子（１ｈ、１ｊ、１ｋ）の隣接するそれぞれの相接する端面のラインが被洗浄物８の移動方向（Ｘ）に対して角度θ°を有するような形状とした、即ち、スリット方向に直交ではない複合素子配置構造とした超音波振動体での音圧測定データである。
一方、破線で示された音圧分布特性曲線は、実線で示された本発明の音圧分布特性曲線に対比させるためのものであり、３枚の短冊形状の超音波振動素子（１ｈ、１ｊ、１ｋ）の隣接するそれぞれの相接する端面のラインが被洗浄物８の移動方向（Ｘ）に沿う形状、即ちスリット方向に直交方向とされた従来技術でのデータである。
両者の音圧測定データを比較すると、音圧が低下（ディップ）点での音圧レベルは、従来方式では、４４．９ｋＰａであり、本発明では、７５．７ｋＰａとなる。３０ｋＰａ程度の特性改善が得られた。
以上説明したように、本発明の超音波洗浄装置は超音波振動素子それぞれの相接する端面において超音波音圧の低下が抑制されて超音波振動体のスリットから噴射する洗浄液の全面において実質上均一な超音波放射特性が得られるものである。

本発明は、半導体ウエハー、ガラスマスク、液晶ガラス基板、ハードディスク盤など精密加工品の製造ラインにおける精密洗浄を必要とされる主に製造業に利用することができる。

本発明の超音波洗浄装置の断面斜視図である。本発明の超音波洗浄装置の超音波振動体の断面斜視図である。本発明の超音波洗浄装置の超音波振動体の他の断面斜視図である。本発明の超音波洗浄装置の超音波音圧測定状況を示す断面斜視図である。複数枚の短冊形状超音波振動素子が振動板上に端面が相接するように並べて接着された複合素子配置構造の音圧分布特性図である。従来技術の超音波洗浄装置および洗浄物の洗浄状況を表わす断面斜視図である。複数枚の短冊形状の超音波振動素子が振動板上に端面が相接するように並べて接着された複合素子配置構造の音圧発生の概念図である。

符号の説明

１超音波振動素子
２振動板
３超音波振動体
４洗浄液溜槽
５洗浄液供給口
６洗浄液噴射孔（スリット）
７噴射洗浄液
８被洗浄物
１０音圧測定プローブ

Claims

洗浄液が溜められ、該洗浄液を噴射させるスリットが形成された洗浄液溜槽と、
前記洗浄液に５００ｋＨｚ以上の超音波振動を伝搬させるために前記スリットに沿って前記洗浄液溜槽内に備えられた超音波振動体とを有し、被洗浄物が前記スリットに直交する方向に移動されることによって洗浄が行われる超音波洗浄装置であって、
前記超音波振動体は短冊形状の超音波振動素子を複数個、端面が相接するように長さ方向に並べて振動板上に配置・接着された複合素子配置構造によって形成され、
前記超音波振動素子それぞれの相接する端面の一部分のみが前記スリットに直交方向に沿う又は点で交差するような嵌合形状とし、
前記超音波振動素子それぞれの相接する端面において超音波音圧の低下が抑制されて前記超音波振動体の前記スリットから噴射する前記洗浄液の全面において実質上均一な超音波放射特性が得られる構成とした超音波洗浄装置。
洗浄液が溜められ、該洗浄液を噴射させるスリットが形成された洗浄液溜槽と、
前記洗浄液に５００ｋＨｚ以上の超音波振動を伝搬させるために前記スリットに沿って前記洗浄液溜槽内に備えられた超音波振動体とを有し、被洗浄物が前記スリットに直交する方向に移動されることによって洗浄が行われる超音波洗浄装置であって、
前記超音波振動体は、短冊形状の超音波振動素子を複数個、端面が相接するように長さ方向に並べて複数配列とし、かつ、該それぞれの相接する端面が同一の直線上に位置しないようにずらして振動板上へ配列することによって前記相接する端面の前記スリットに直交方向に沿う部分が前記複数配列の幅の複数分の一となるように配置・接着された複合素子配置構造によって形成され、
前記超音波振動素子それぞれの相接する端面において超音波音圧の低下が抑制されて前記超音波振動体の前記スリットから噴射する前記洗浄液の全面において実質上均一な超音波放射特性が得られる構成とした超音波洗浄装置。