JP2009208005A - 超音波洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子から発せられた超音波のエネルギーが、放射面内の特定位置で集束することなく均一に放射させることができ、音圧も均一にすることのできる超音波洗浄装置を提供する。
【解決手段】少なくとも、被洗浄物を保持する保持機構と、該保持機構に保持された被洗浄物に圧電振動子の振動を超音波伝播体によって伝播させて超音波洗浄する洗浄機構と、該洗浄機構と前記被洗浄物の間に洗浄液を供給する洗浄液供給機構と、前記洗浄機構の圧電振動子に高周波電圧を印加する超音波発振器とを有する超音波洗浄装置において、前記洗浄機構の超音波伝播体は、底面が上面より面積が大きい錐台形状であり、前記上面側に前記圧電振動子が設けられたものであることを特徴とする超音波洗浄装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェーハ、フォトマスク用のガラス基板、液晶表示装置用のガラス基板、光ディスク用の基板など（以下、単に「基板」と称する）の被洗浄物に超音波振動を付与しながら、洗浄液を供給して洗浄処理を行う超音波洗浄装置に関するものである。

半導体ウェーハ、フォトマスク基板、液晶基板等の基板（被洗浄物）を洗浄する方法として、洗浄槽の底部に超音波振動子を設け、洗浄液に超音波を付与して洗浄する超音波洗浄装置と、ノズルに超音波振動子を接着し、ノズル内に供給した洗浄液に超音波を印加した上で洗浄液を被洗浄物へ噴射して洗浄する超音波洗浄装置がある。

近年では、超音波振動子と被洗浄物との間に隙間を設け、この隙間に洗浄液を供給するとともに洗浄液に向けて超音波を放射して洗浄する超音波洗浄装置も提案されている。この洗浄装置を用いると、少ない洗浄液で超音波洗浄を行う事ができる。

しかし、前記ノズルを用いた被洗浄物の洗浄においては、ノズルより噴射された洗浄液中において超音波のエネルギーが高密度で集束するため、近年パターンの微細化が進む半導体基板に対しては、パターン倒壊等のダメージを引き起こす原因となってしまう。
また、超音波放射面を被洗浄物に近接させて洗浄をする洗浄装置においても、超音波のエネルギーの集束および音圧の不均一性等が発生するために、被洗浄物に対する洗浄不良若しくはダメージの要因となってしまう。
例えば、圧電振動子からの超音波を被洗浄物に向けて細くなる超音波伝播体によって集束させて洗浄する超音波洗浄装置が開示されている（特許文献１参照）が、このような形状では超音波放射面内にて音波が集束する部分が発生する上、圧電振動子からの距離特性により音圧強弱の不均一性が存在するため、上述のような問題が発生する。

このような問題を解決するために、例えば、棒状の超音波伝播体を斜めに切断して超音波放射面とし、切断面とは逆の端に圧電振動子を取り付けて、放射面を被洗浄物に対向して微小間隔を保って装着させて側部から洗浄液を流入させて被洗浄物を洗浄する超音波洗浄装置が開示されている（特許文献２参照）。しかしこのような形状でも放射面内における音圧均一性に欠け、特定部位の音波の強度が大きく、被洗浄物にダメージを与えてしまう。

また斜めに切断した棒状の超音波伝播体にくびれを設けて音圧の均一性を向上させる技術（特許文献３参照）や、斜めに切断した棒状の超音波伝播体内部に中空部を設けて音波の分散放射および均一性を向上させる技術（特許文献４参照）、斜めに切断した棒状の超音波伝播体の圧電振動子設置面の付近にレンズを設けて音波の分散放射および均一性を向上させる技術（特許文献５参照）、圧電振動子を複数枚とすることで均一性を向上させる技術（特許文献６参照）が開示されている。

しかし、この上述のような超音波洗浄装置を用いたとしても、放射面内における音圧均一性に欠け、特定部位の音波の強度が大きくなることを抑制しきれず、被洗浄物にダメージを与えてしまう問題を十分に解決することができないままとなっていた。

特許３４９３４９２号公報 特開２００６−３２６４８６号公報 特開２００７−１６７７０２号公報 特開２００７−２０９９２７号公報 特開２００７−２０９９２８号公報 特開２００７−２１６１７９号公報

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、圧電振動子から発せられた超音波のエネルギーが、放射面内の特定位置で集束することなく均一に放射させることができ、音圧も均一にすることのできる超音波洗浄装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、少なくとも、被洗浄物を保持する保持機構と、該保持機構に保持された被洗浄物に圧電振動子の振動を超音波伝播体によって伝播させて超音波洗浄する洗浄機構と、該洗浄機構と前記被洗浄物の間に洗浄液を供給する洗浄液供給機構と、前記洗浄機構の圧電振動子に高周波電圧を印加する超音波発振器とを有する超音波洗浄装置において、前記洗浄機構の超音波伝播体は、底面が上面より面積が大きい錐台形状であり、前記上面側に前記圧電振動子が設けられたものであ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）。

このように、超音波伝播体を底面が上面より面積が大きい錐台形状とし、また上面側に圧電振動子を設けたものとすることによって、圧電振動子から発せられた超音波は底面から放射される際に、圧電振動子のある上面よりも放射面である底面のほうが面積が大きく、また錐台形状であるため、超音波を集束することなく均一に拡散されながら超音波伝播体を伝わる構造となっており、また音圧が不均一になることを抑制することもできる。よって被洗浄物を洗浄するにあたって、音圧を容易にコントロールすることができるため、洗浄不良が発生することを抑制することができ、また被洗浄物にダメージを与えることを抑制することのできる超音波洗浄装置とすることができる。

この場合、前記超音波伝播体は、水晶、石英、ステンレスのいずれかからなるものとすることができる（請求項２）。
このように、超音波伝播体を、上記のような材料とすることで、超音波エネルギーを効率よく伝播させることができ、また上記の材料は比較的不活性であるため、被洗浄物の種類に応じて使い分けることで、被洗浄物を汚染することのないものとすることができる。

また、前記圧電振動子は、前記超音波伝播体に伝播した振動が拡散するような凹面球型振動子、または振動電極が形成され前記超音波伝播体に伝播した振動が拡散するように分極軸が厚み方向に対して傾いた拡散型平板振動子とすることができる（請求項３）。
このように、超音波の放射面に向かって集束点を持たず拡散するような凹面球型振動子または拡散型平板振動子を用いることによって、超音波伝播体中を均一に拡散するため、超音波放射面における音圧強度の均一性をより高くすることができ、また被洗浄物に対してダメージを与えることをより抑制することができる。

そして、前記凹面球型振動子は、コンポジット振動子とすることができる（請求項４）。
このように、凹面球型振動子をコンポジット振動子とすることで、超音波の音圧やエネルギーの均一性をさらに向上させることができる。

さらに、前記超音波伝播体は、円錐台形状とすることができる（請求項５）。
このように、円錐台形状の超音波伝播体であれば、更に音圧強度の均一性が高く、集束点のような音圧強度が高い部分が存在せず、被洗浄物に対してダメージを与えないものとすることができる。

以上説明したように、本発明の超音波洗浄装置であれば、圧電振動子から発せられた超音波を、音圧やエネルギーが集束することなく均一に放射させて被洗浄物に付与することができるため、被洗浄物にダメージを与えることなく、また洗浄不良が発生することを低減させることのできる超音波洗浄装置とすることができる。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、圧電振動子から発せられた超音波のエネルギーが、放射面内の特定位置で集束することなく均一に放射させることができ、また音圧を均一にすることのできる超音波洗浄装置の開発が待たれていた。

そこで、本発明者らは、圧電振動子から発せられた超音波を集束させることなく均一に拡散させることのできる超音波伝播体の構造について鋭意検討を重ねた。
その結果、本発明者らは、超音波伝播体を底面が上面より面積が大きい錐台形状とし、また上面側に圧電振動子を設けたものとし、底面を超音波の放射面とすることによって、超音波を集束することなく均一に超音波伝播体を伝播させることができることを発想し、本発明を完成させた。

以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明に係る超音波洗浄装置の一例を示した概略図である。
この超音波洗浄装置１０は、少なくとも、被洗浄物Ｗを保持する保持機構１１と、該保持機構１１に保持された被洗浄物Ｗに圧電振動子１３の振動を超音波伝播体１４によって伝播させて超音波洗浄する洗浄機構１２と、該洗浄機構１２と被洗浄物Ｗとの間に洗浄液を供給するための供給液供給機構１７と、洗浄機構１２の圧電振動子１３に高周波電圧を印加する超音波発振器１８とを有するものである。洗浄機構１２は、超音波伝播体１４、ケース１５、パッキン１６によって外観が形づくられており、ケース１５内部に圧電振動子１３、ケース１５・パッキン１６下部に超音波伝播体１４が設けられている。
そして、洗浄機構１２の超音波伝播体１４は、その底面１４ａの面積は、上面１４ｂの面積に比べて大きい錐台形状をしており、また上面１４ｂ側に圧電振動子１３が設けられたものとなっている。また底面１４ａが超音波を放射する放射面となっている。

このように、本発明の超音波洗浄装置１０は、洗浄機構１２の超音波伝播体１４が、その底面１４ａが上面１４ｂより大きい錐台形状であり、また上面１４ｂ側に圧電振動子１３が設けられたものとなっているため、上面１４ｂ側に設けられた圧電振動子１３から発せられる超音波が超音波伝播体１４を伝播する際に、エネルギーや音圧が超音波伝播体１４内にて不均一になったり集束したりすることが抑制され、拡散されるようになった構造となっている。

このため、被洗浄物Ｗを洗浄する際に、超音波が集束せず均一に拡散されたものとすることができるため、特定位置の超音波の強度が大きくなったり小さくなることなく被洗浄物Ｗを洗浄することができ、よって均一に洗浄することができるため、洗浄不良が発生することが抑制されたものとなっている。
また、超音波の音圧を均一にすることができるため、音圧をコントロールしやすく、被洗浄物Ｗにダメージを与えないように超音波を低出力で発振する場合であっても容易にコントロールすることができ、被洗浄物Ｗにダメージを与えることなく均一に洗浄することができる。

ここで、超音波伝播体１４は、その材質を水晶、石英、ステンレスのいずれかからなるものとすることができる。
このように、上述のような材料は、比較的不活性のため、不純物を発生させることが少ないため、被洗浄物の種類に応じてこれらの材質の中から選択して用いるようにすれば、被洗浄物Ｗを汚染することのないものとすることができる。また、音波の伝播効率が良好なものであるため、超音波を効率よく伝播させることができ、発生させる超音波の強度を必要以上に強くすることのないものとすることができる。

また、圧電振動子１３は、図３（ａ）に示すような超音波伝播体に伝播した振動が拡散するような凹面球型振動子か、または図３（ｂ）に示すような超音波伝播体に伝播した振動が拡散するように分極軸が厚み方向に対して傾いた拡散型平板振動子とすることができる。
このように、超音波伝播体に発せられた超音波が拡散するような圧電振動子とすることによって、放射面における音圧強度をより均一にすることができ、また被洗浄物に対してダメージを与えることをより抑制することができる。

また、凹面球型振動子であれば、凹面の曲率を調整することによって、発振させる超音波の拡散方向を調整することができるため、超音波伝播体の形状に応じて適宜超音波の拡散方向を調整することが容易なものとすることができる。
そして、拡散型の平板振動子とすることによって、洗浄機構への取付けを容易なものとすることができる。

そして、圧電振動子１３を凹面球型振動子とした場合に、凹面球型振動子をコンポジット振動子とすることができる。
このようにコンポジット振動子とすることによって、厚み方向への振動を主とすることができ、横方向への共振が小さくすることができるため、不要なふく射を減らすことができ、また指向性を向上させることができ、よってより均一に超音波を発振させることができる。

更に、超音波伝播体１４はその形状を円錐台形状とすることができる。
円錐台形状の超音波伝播体とすることによって、円錐台形状の上面の圧電振動子から発せられた超音波を底面に向かって均等に拡散させることができるため、更に音圧やエネルギーを均一に伝播させることができ、よってより洗浄ムラがなく、またダメージを被洗浄物Ｗに与えることが抑制された超音波洗浄装置とすることができる。

このような本発明の超音波洗浄装置１０を用いて被洗浄物Ｗを洗浄する際の洗浄方法について図２を参照しながら以下に説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。図２は本発明の超音波洗浄装置を用いて被洗浄物を洗浄する際の概略を示した概略図である。

先ず、洗浄を行いたい被洗浄物Ｗを準備し、該被洗浄物Ｗを保持機構１１に載置する。
その後、超音波発振器１８を用いて、洗浄機構１２の圧電振動子１３に高周波電圧を印加して超音波を発振させる。次に被洗浄物Ｗと洗浄機構１２の超音波伝播体１４との間に洗浄液１９を洗浄液供給機構１７によって供給しながら、被洗浄物Ｗの洗浄を行う。この時、洗浄機構１２と保持機構１１とを相対的に平行移動させることによって、基板形状の被洗浄物Ｗの全面を均一に洗浄することができる。
そして被洗浄物Ｗの洗浄が終わったら、高周波電圧の印加及び洗浄液の供給を終了させ、被洗浄物Ｗを保持機構１１より取り出し、洗浄が終了する。

本発明の超音波洗浄装置１０は、錐台形状の超音波伝播体１４を具備し、前述のように、圧電振動子から発せられた超音波が、音圧やエネルギーを集束させることなく均一に放射させることができるものであるため、このような洗浄装置によって被洗浄物を洗浄することによって、被洗浄物にダメージを与えることなく、また洗浄不良を減少させた洗浄方法とすることができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図１に示すような、本発明の超音波洗浄装置１０を用いて基板の洗浄を行った。この時、基板と超音波伝播体の隙間は１ｍｍとし、超音波の発振周波数は１ＭＨｚ、発振出力は５Ｗとした。また、洗浄液供給機構１７から純水を毎分１．０Ｌで供給した。
そして、パターンダメージ（倒壊）評価には、ＰｏＳｉ（ポリシリコン）のパターンが形成された評価用ウエハ（基板）を用いた。そのパターン幅は３７ｎｍとした。また、洗浄性能評価には、約８０ｎｍのＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）粒子にて強制汚染を行った評価用ウエハ（基板）を用いた。
その結果、洗浄後の基板の表面に洗浄不良は発生せず、またパターンの倒壊等は観察されなかった。

（比較例１）
実施例において、超音波伝播体の形状を、上面の面積が底面の面積より大きな逆円錐台形状とした以外は実施例と同様の超音波洗浄装置を準備し、準備した超音波洗浄装置を用いて基板の洗浄を行った。
その結果、洗浄不良は発生していなかったが、パターンの倒壊が確認された。

（比較例２）
実施例において、超音波伝播体の形状を、円柱形状とした以外は実施例と同様の超音波洗浄装置を準備し、準備した超音波洗浄装置を用いて基板の洗浄を行った。
その結果、パターンの倒壊が確認され、また洗浄不良が発生していた。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的思想に包含される。

例えば、上記実施形態では、被洗浄物については記載していないが、本発明の洗浄装置で洗浄する被洗浄物は特に限定されず、ガラス基板、マスク基板、半導体ウェーハ等の高い清浄度が要求される基板を洗浄する場合に本発明の超音波洗浄装置を好適に適用することができる。

本発明に係る超音波洗浄装置の一例を示した概略図である。 本発明の超音波洗浄装置を用いて被洗浄物を洗浄する際の概略を示した概略図である。 本発明に係る圧電振動子の好ましい一例を示した該略図であり、（ａ）は凹面球型振動子、（ｂ）は拡散型平板振動子である。

符号の説明

１０…超音波洗浄装置、 １１…保持機構、 １２…洗浄機構、 １３…圧電振動子、 １４…超音波伝播体、 １４ａ…底面、 １４ｂ…上面、 １５…ケース、 １６…パッキン、 １７…洗浄液供給機構、 １８…超音波発振器、 １９…洗浄液、 Ｗ…被洗浄物。

Claims (5)

1. 少なくとも、被洗浄物を保持する保持機構と、該保持機構に保持された被洗浄物に圧電振動子の振動を超音波伝播体によって伝播させて超音波洗浄する洗浄機構と、該洗浄機構と前記被洗浄物の間に洗浄液を供給する洗浄液供給機構と、前記洗浄機構の圧電振動子に高周波電圧を印加する超音波発振器とを有する超音波洗浄装置において、
   前記洗浄機構の超音波伝播体は、底面が上面より面積が大きい錐台形状であり、前記上面側に前記圧電振動子が設けられたものであることを特徴とする超音波洗浄装置。
2. 前記超音波伝播体は、水晶、石英、ステンレスのいずれかからなるものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波洗浄装置。
3. 前記圧電振動子は、前記超音波伝播体に伝播した振動が拡散するような凹面球型振動子、または振動電極が形成され前記超音波伝播体に伝播した振動が拡散するように分極軸が厚み方向に対して傾いた拡散型平板振動子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波洗浄装置。
4. 前記凹面球型振動子は、コンポジット振動子であることを特徴とする請求項３に記載の超音波洗浄装置。
5. 前記超音波伝播体は、円錐台形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置。

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