JP2009136726A - 超音波洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照射効率の高い超音波照射装置を提供する。
【解決手段】超音波振動子３４から発生させた超音波を音響レンズ３２でライン状に集束させて、供給される洗浄液に照射することで被洗浄基板を洗浄する超音波洗浄装置１０において、音響レンズ３２は、表裏面のうち一方面が円弧状、他方面が平面状の凹型レンズに形成され、他方面に超音波振動子３４が設けられるとともに、複数の部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃを音響レンズ３２の平面方向で組み合わせて形成されており、複数の部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃは各々、前記表裏面の間の厚さが前記超音波の波長の１／２の整数倍で形成される。
【選択図】 図４

Description

本発明は超音波洗浄装置に係り、特に超音波振動子から発生させた超音波を音響レンズでライン状に集束させて、供給される洗浄液に照射することで被洗浄基板を洗浄する超音波洗浄装置に関する。

液晶表示装置や半導体の製造工程には、ガラス基板や半導体ウエハなどの基板を高い清浄度で洗浄することが要求される工程がある。このような工程では、従来、薬品を用いた洗浄と超純水を用いたリンスを繰り返す方法が用いられていた。

しかし、このような方法でガラス基板や半導体ウエハなどの基板を洗浄すると、薬品や超純水が大量に必要になるという問題があった。このため、近年は超音波を利用して基板を洗浄する方法が広く用いられており、その洗浄効果を高める方法も種々提案されている。たとえば、特許文献１では、洗浄液中に機能性のガスを溶解させ、この機能性のガスを溶解させた洗浄液に所定周波数（たとえば、２０ｋＨｚ以上）の超音波を照射して、基板に供給する方法が提案されている。この方法によれば、洗浄液中の溶存ガスとキャビティの生成圧壊効果により、反応性の高いラジカルを発生させることができ、基板上の汚染物を効果的に分解除去することができる。

ところで、このように超音波を利用して基板を洗浄する方法では、一般に平板状に形成された超音波振動子が用いられるが、このような平板状の超音波振動子は、発生面全域に超音波が照射されるため、洗浄対象領域以外にも超音波が照射されてしまい、照射効率が悪いという欠点があった。

そこで、特許文献２では、平板状の超音波振動子に音響レンズを取り付け、超音波振動子から発生させた超音波を音響レンズでライン状に集束させて基板に照射する方法が提案されている。この方法に用いられる音響レンズ１は、図７に示すように、下面が円弧状に形成されるとともに、上面が平坦に形成されており、超音波振動子２は、その平坦な上面に直接取り付けられていた。
特許３５２１３９３号公報 特開２００６−１１０４１８号公報

しかしながら、従来の音響レンズのように、レンズの中心部の厚さ（ｈ）と周辺部の厚さ（Ｈ）が大きく異なると、効率よく超音波を照射することができないという欠点がある。すなわち、音響レンズは、レンズ中を伝播する超音波の波長λに応じて最適な厚さが存在し、この最適な厚さを外れると、超音波の透過性能が急激に低下するという性質がある。このため、従来の音響レンズのように、レンズの中心部の厚さと周辺部の厚さが大きく異なると、効率よく超音波を照射することができなくなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、照射効率の高い超音波洗浄装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、前記目的を達成するために、音波振動子から発生させた超音波を音響レンズでライン状に集束させて、供給される洗浄液に照射することで被洗浄基板を洗浄する超音波洗浄装置において、前記音響レンズは、表裏面のうち一方面が円弧状、他方面が平面状の凹型レンズに形成され、前記他方面に前記超音波振動子が設けられるとともに、複数の部材を前記音響レンズの平面方向で組み合わせて形成されており、該複数の部材は各々、前記表裏面の間の厚さが前記超音波の波長の１／２の整数倍で形成されることを特徴とする超音波洗浄装置を提供する。

請求項１に係る発明によれば、音響レンズは、表裏面のうち一方面が円弧状、他方面が平面状の凹型レンズ形状であるとともに、複数の部材を組み合わせて形成されている。そして、この複数の部材で形成された音響レンズに、平板状に形成された超音波振動子が取り付けられる。また、複数の部材は各々、両面の間の厚さが前記超音波の波長の１／２の整数倍で形成されている。これにより、超音波の透過効率を高めることで、照射効率を高めることができる。

即ち、それぞれの部材において、両面間の厚さを超音波の波長の１／２の整数倍になるようにそれぞれの部材の材料を選定したものを、凹型レンズ形状となるように部材を組み合わせることで、単一の部材で音響レンズを製作する場合に比べ、レンズ全体で超音波の透過効率を向上させることができる。

尚、ここで、音響レンズの平面方向とは、レンズ厚み方向に対して直交する面の方向を言う。

請求項２に係る発明は、前記複数の部材の各々の材料は、前記洗浄液と各部材との界面での屈折率に応じて前記各部材の焦点が一致するように選ばれることを特徴とする。

レンズ部材と洗浄液との界面での屈折率は、各々のレンズ部材により異なるため、レンズの焦点がぼやけてしまう。従って、レンズ部材と水の屈折率に応じて変化させることで、所定の焦点位置に超音波を集束させることができる。従って、請求項２に係る発明によれば、超音波の透過率の高い最適な形状の音響レンズを製作することができる。

本発明によれば、音響レンズの厚さ変化を少なくすることができるとともに、超音波の透過効率を高めて、照射効率を高めることができる。

以下、添付図面に従って本発明に係る超音波照射装置の好ましい実施の形態について詳説する。

図１は、本発明に係る超音波照射装置が組み込まれた超音波洗浄装置の一例を示す模式図である。

この超音波洗浄装置１０は、たとえば、液晶表示装置用の大型ガラス基板の洗浄装置として構成され、水平に搬送されるガラス基板Ｇの表面に超音波を照射した洗浄液を供給して、ガラス基板Ｇを洗浄する。ガラス基板Ｇの搬送は、たとえばコンベアによって行われ、そのコンベアの上方に設置された洗浄用ヘッド１２から超音波が照射された洗浄液がカーテン状に供給される。

図２、図３は、それぞれ洗浄用ヘッド１２の概略構成を示す正面断面図と側面断面図である。

同図に示すように、洗浄用ヘッド１２は、先端がテーパ状に加工された横長の箱型形状に形成されており、その先端（下端）にスリット状の洗浄液吐出口１４が形成されている。

洗浄用ヘッド１２の内部には、長手方向（基板の搬送方向と直交する方向）に沿って複数の超音波照射装置３０が並列して取り付けられており、この超音波照射装置３０から所定の集束焦点にライン状に集束させた超音波が、内部の洗浄液に照射される。このように、超音波を集束させることにより、集束焦点近傍で効率よく洗浄に寄与するラジカルを発生させることができる。したがって、この集束焦点は、ガラス基板Ｇの表面近傍に設定することが好ましい。この超音波照射装置３０の構成については、後に詳述する。

洗浄用ヘッド１２の側面には、供給口１２Ａが形成されており、この供給口１２Ａから洗浄用ヘッド内に洗浄液が供給される。洗浄液には、たとえば超純水が用いられ、図示しない供給源から脱気膜モジュール２０、ガス溶解膜モジュール２２を介して供給口１２Ａに供給される。

脱気膜モジュール２０は、洗浄液中に溶け込んでいる余分なガスを脱気し、この脱気膜モジュール２０で脱気した洗浄液にガス溶解膜モジュール２２で機能性のガスを溶解させて供給口１２Ａに供給する。このように、洗浄液中に溶け込んでいる余分なガスを脱気後、機能性のガスを供給し、水中に溶存させることで、洗浄に寄与するガスの溶存量を増加させることができ、洗浄効率を一層向上させることができる。なお、溶存させるガスについては、特に限定されない。また、このように脱気した洗浄液に機能性のガスを溶解させる構成に代えて、洗浄液に空気を飽和させる構成としてもよい。

供給口１２Ａから洗浄用ヘッド内に供給された洗浄液は、超音波照射装置３０から集束超音波が照射されて、洗浄液吐出口１４からカーテン状に吐出される。

ガラス基板Ｇは、洗浄液吐出口１４を直交するように搬送され、その洗浄液吐出口１４の下部を通過する際、洗浄液吐出口１４から吐出された洗浄液が表面に供給されて、表面が洗浄される。

以上のように構成された超音波洗浄装置１０の作用は次のとおりである。

洗浄対象のガラス基板Ｇは、図示しないコンベアによって所定の搬送経路を水平に搬送される。そして、洗浄用ヘッド１２の下部を通過する際、洗浄液吐出口１４からカーテン状に吐出される洗浄液が表面に供給されて、表面が洗浄される。

この洗浄液は、図示しない供給源から供給され、この供給源から供給された洗浄液が、脱気膜モジュール２０で脱気後、ガス溶解膜モジュール２２で機能性のガスが溶解されて洗浄用ヘッド１２に供給される。洗浄用ヘッド１２に供給された洗浄液は、超音波照射装置３０よって集束超音波が照射された後、洗浄液吐出口１４から吐出され、ガラス基板Ｇに供給される。

図４は、本発明に係る超音波照射装置３０の構成を示す側面図である。同図に示すように、超音波照射装置３０は、音響レンズ３２と、その音響レンズ３２に取り付けられた超音波振動子３４とで構成されている。

音響レンズ３２は、図５に示すように樋状に形成されており、内面が所定の曲率半径の円弧状に左右対称に形成されている。外面は平面状に形成されており、その面に超音波振動子３４が取り付けられている。そして、本発明では、音響レンズ３２は複数の部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃを組み合わせて形成されている。超音波振動子３４からは、所定周波数（たとえば、２０ｋＨｚ以上）の超音波が発生される。更に、複数の部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃは各々、両面の間の厚さが前記超音波の波長の１／２の整数倍を中心に形成されている。尚、ここで、両面の間の厚さとは、部材の内面である円弧の中心での外面との厚みをいう。

このように構成された超音波照射装置３０によれば、各々の部材で超音波の透過効率を最大限に高めることができるので、超音波振動子３４から発生させた超音波を効率よく照射することができる。

即ち、各々の部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃにおいて、両面間の厚さの中心を超音波の波長の１／２の整数倍になるようにそれぞれの部材の材料を選定したものを、凹型レンズ形状となるように部材を組み合わせる。具体的には、音響レンズ３２の円弧の中心から左右に行くに連れて屈折率の高い材料を各々の部材に用いる。

このように音響レンズ３２を構成することで、単一の部材で音響レンズを製作する場合に比べ、レンズ全体での超音波の透過効率を向上させることができる。

また、複数の部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃの各々の材料は、超音波洗浄装置１０で用いる洗浄液と各部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃとの界面での屈折率に応じて選ぶことが好ましい。レンズ部材と洗浄液との界面での屈折率は、各々の部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃにより異なるため、レンズの焦点がぼやけてしまう。従って、各々の部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃの材料をレンズ部材と洗浄液との屈折率に応じて変化させることで、所定の焦点位置に超音波を集束させることができる。従って、複数の部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃの各々の材料は、洗浄液と各部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃとの界面での屈折率に応じて選ばれることで、超音波の透過率の高い最適な形状の音響レンズを製作することができる。

なお、複数の部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃの各々の材料は、石英などのガラス類、ＳＵＳやアルミなどの金属類、テフロン（登録商標）などのプラスチック類などが考えられるが、水中（洗浄液中）での音速と違いがあれば超音波を集束させることができるため、部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃ中での音速が水中（洗浄液中）での音速と異なる材料であれば本発明は各種材料について成り立つ。

図６は、音響レンズの厚さに対する超音波の透過率を表したグラフである。このグラフは、同図に示した音響レンズの超音波透過率を表す算出式から求めたグラフである。

このグラフに示されるように、音響レンズは、超音波の波長に応じて最適な厚さが存在し、その前後数ｍｍの範囲（超音波透過範囲）でのみ超音波を透過する。

したがって、音響レンズを製作する際は、各々の部材の中心部での厚さが音響レンズ中の超音波の波長の１／２の整数倍となるように形成するととともに、全域でその厚さが超音波透過範囲内に収まるように形成することで、その形状を最適化することができる。

なお、上記実施の形態では、音響レンズ５２は５個の部材で構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、７個や９個で音響レンズ５２を構成し、平板状の超音波振動子５４を取り付けるようにしてもよい。同様に偶数個で構成するようにしてもよいが、左右の対称性を考慮すると奇数個で構成するほうが好ましい。

超音波洗浄装置の一例を示す模式図 洗浄用ヘッドの概略構成を示す正面断面図 洗浄用ヘッドの概略構成を示す側面断面図 本発明に係る超音波照射装置の構成を示す側面図 本発明に係る音響レンズを示す斜視図 音響レンズの厚さに対する超音波の透過率を表したグラフ 従来の超音波照射装置の構成を示す側面図

符号の説明

１０…超音波洗浄装置、１２…洗浄用ヘッド、１４…洗浄液吐出口、２０…脱気膜モジュール、２２…ガス溶解膜モジュール、３０…超音波照射装置、３２…音響レンズ、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ…部材、３４…超音波振動子

Claims (2)

1. 超音波振動子から発生させた超音波を音響レンズでライン状に集束させて、供給される洗浄液に照射することで被洗浄基板を洗浄する超音波洗浄装置において、
   前記音響レンズは、表裏面のうち一方面が円弧状、他方面が平面状の凹型レンズに形成され、前記他方面に前記超音波振動子が設けられるとともに、複数の部材を前記音響レンズの平面方向で組み合わせて形成されており、
   該複数の部材は各々、前記表裏面の間の厚さが前記超音波の波長の１／２の整数倍で形成されることを特徴とする超音波洗浄装置。
2. 前記複数の部材の各々の材料は、前記洗浄液と各部材との界面での屈折率に応じて前記各部材の焦点が一致するように選ばれることを特徴とする請求項１に記載の超音波洗浄装置。

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