JP2024039366A

JP2024039366A - 超音波ノズル

Info

Publication number: JP2024039366A
Application number: JP2022143872A
Authority: JP
Inventors: 昇武田; Noboru Takeda
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2022-09-09
Filing date: 2022-09-09
Publication date: 2024-03-22

Abstract

【課題】超音波振動を効率的に伝播することが可能な超音波ノズルを提供すること。【解決手段】超音波ノズル１は、超音波振動が付与された液体を噴射する超音波ノズルであって、液体供給源５から供給された液体を一時的に貯留し下方に向かって縮径する略円錐形状の液体貯留部２２と、液体貯留部２２の下部から液体を噴射する噴射口２３と、液体貯留部２２の上部に設けられ、液体に超音波振動を付与する超音波振動子２４とを備え、超音波振動子２４は、ドーム形状であり、中央部に貫通孔２７が形成されるとともに凹んでいる側が噴射口２３に対面するように配設され、貫通孔２７と連通し噴射口２３の近傍で液体貯留部２２に開口する流路６を更に有し、液体が噴射口２３から噴射する際に流路６に発生する吸引力を利用して、超音波振動子２４の凹部２５に溜まった気泡１００を流路６を通じて吸引し排出する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波ノズルに関する。

被洗浄物の表面に付着した汚染物を迅速かつ確実に除去する洗浄技術として超音波洗浄が知られている。

この超音波洗浄には多くの手法が存在し、例えば、超音波振動子を組み込んだノズルに洗浄液を供給し、ノズル中を流れる洗浄液に超音波を照射して当該洗浄液を噴出する超音波ノズルなどが知られている（例えば、特許文献１参照）。

こうした超音波ノズルは、一般に、洗浄水を供給する供給口、洗浄水を溜める水溜部、水溜部の先端に備えられた噴射口、および、平板形状の超音波振動子を有している。ところが、平板形状の超音波振動子から水溜部の水に伝えられる超音波振動は、水溜部の内壁で反射する。そのため、反射した超音波振動と超音波振動子から発振される超音波振動とが打ち消し合う場合がある。この場合、洗浄水によって伝播される超音波振動が弱まり、洗浄力が低下するという問題がある。

そこで、平板上の超音波振動子に替わってドーム型の超音波振動子を有する超音波ノズルが開発されている（例えば、特許文献２参照）。この構成においては、超音波振動が噴射口に向かって集中するので、超音波振動が水溜部内で反射しにくい。このため、噴射口から噴射される洗浄水により超音波振動を十分に伝播することができる。

特開平１０－１５１４２２号公報特開２０２０－４４４６０号公報

しかしながら、水を下向きに排出する場合、ドーム型の超音波振動子だと凹球面が下に向いて配置されるため、この凹部に空気が溜まりやすく、この空気により水溜部に供給された洗浄水に超音波振動が効率的に伝播できなくなるという課題が存在していた。

本発明は、上記事実に鑑みてなされたものであり、その目的は、超音波振動を効率的に伝播することが可能な超音波ノズルを提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の超音波ノズルは、超音波振動が付与された液体を噴射する超音波ノズルであって、液体供給源から供給された液体を一時的に貯留し、下方に向かって縮径する略円錐形状の液体貯留部と、該液体貯留部の下部から該液体を噴射する噴射口と、該液体貯留部の上部に設けられ、該液体に超音波振動を付与する超音波振動子と、を備え、該超音波振動子は、ドーム形状であり、中央部に貫通孔が形成されるとともに凹んでいる側が該噴射口に対面するように配設され、該貫通孔と連通し該噴射口の近傍で該液体貯留部に開口する流路を更に有することを特徴とする。

前記超音波ノズルでは、該開口は、該噴射口近傍において対向するように複数設けられても良い。

本発明は、超音波振動を効率的に伝播することが可能となるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る超音波ノズルの構成例を模式的に示す断面図である。図２は、実施形態１の変形例に係る超音波ノズルの構成例を模式的に示す断面図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態１に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

〔実施形態１〕
本発明の実施形態１に係る超音波ノズル１を図面に基づいて説明する。図１は、実施形態１に係る超音波ノズルの構成例を模式的に示す断面図である。

実施形態１に係る図１等に示す超音波ノズル１は、超音波振動（周波数が超音波の周波数と同等の振動）が付与された液体を噴射するものである。実施形態１では、切削加工が施されたシリコン、サファイア、ガリウムなどを基板とする円板状の半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等の被加工物に超音波振動が付与された液体を噴射して、切削溝から切削屑を除去するものである。

なお、本発明では、超音波ノズル１は、切削屑の除去に限らず、ＳｉＣ等から構成されるインゴットから剥離層を起点にウエーハを分離する際に、超音波振動が付与された液体をインゴットに噴射しても良く、デバイスを基板から剥離する所謂レーザーリフトオフ加工を施す際に、超音波振動が付与された液体をデバイスに噴射しても良く、レーザー加工前に被加工物を被覆する保護膜を洗浄する場合に、超音波振動が付与された液体を被加工物に噴射しても良い。

超音波ノズル１は、図１に示すように、ノズル部材２と、超音波振動子固定部材３と、蓋体４とを備える。ノズル部材２は、外観が方体状の方体状部２１と、方体状部２１に一体に形成されかつ略円錐形状の液体貯留部２２と、噴射口２３と、超音波振動子２４とを備える。方体状部２１は、外観の平面形状が四角形（正方形）状に形成され、内部に空間が形成されている。また、方体状部２１は、内側の空間の平面形状が円形に形成されている。

液体貯留部２２は、液体供給源５から供給された液体を内部に一時的に貯留して、被加工物に噴射するものである。液体貯留部２２は、図１に示すように、方体状部２１の下端に連なりかつ方体状部２１から離れるのにしたがって即ち図１の下方に向かうにしたがって徐々に外径が縮径する略円錐形状（実施形態１では、接頭円錐形状）に形成されている。液体貯留部２２は、内側に方体状部２１から離れるのにしたがって即ち図１の下方に向かうにしたがって徐々に内径が縮径する空間が形成されている。

噴射口２３は、液体貯留部２２の下部に設けられ、液体貯留部２２の下部から液体貯留部２２に貯留された液体を噴射するものである。噴射口２３は、液体貯留部２２の下部を貫通し、液体貯留部２２の内側の空間と連通している。

超音波振動子２４は、方体状部２１と液体貯留部２２との間に即ち液体貯留部２２の上部に設けられ、液体貯留部２２に供給された液体に超音波振動を付与するものである。超音波振動子２４は、中央が上方に向かって凸に湾曲したドーム形状の円板状に形成されて、外縁部が液体貯留部２２の内周面に全周に亘って取り付けられている。超音波振動子２４は、ノズル部材２内の空間を、方体状部２１の内側の空間と液体貯留部２２の内側の空間とに仕切っている。また、超音波振動子２４は、前述したようにドーム形状の円板状に形成されているので、凹んでいる側の凹部２５が液体貯留部２２の軸心２６に沿って噴射口２３と対面するように配置されている。また、超音波振動子２４は、最も上方に位置する中央に貫通孔２７が形成されている。

超音波振動子２４は、高周波電源に接続された圧電振動板と圧電振動板に密に重ねられた共振板を備えている。圧電振動板は、高周波電源から１ＭＨｚ～３ＭＨｚの高周波電圧が印加され、高周波電圧が印加されることで振動し、超音波振動を発生する。圧電振動板は、たとえば、型枠を用いた一体成型によって形成されることが可能である。

共振板は、圧電振動板よりも噴射口２３寄りに配置されている。共振板の噴射口２３に相対する内面は、液体貯留部２２内の液体に向けて超音波振動を輻射する輻射面となっている。輻射面から輻射される超音波振動は、輻射面から所定距離だけ離れた位置（実施形態１では噴射口２３）で焦点を結んで、この位置に集中する。

共振板は、圧電振動板の超音波振動に共振することにより、輻射面から液体貯留部２２内の液体に、超音波振動を伝える。これにより、超音波振動子２４は、液体貯留部２２内に貯留された液体に超音波振動を付与し、噴射口２３から外部に向かって噴射される液体に超音波振動が付与される。

また、超音波ノズル１は、ノズル部材２の液体貯留部２２の上端部の外壁内に周方向に沿って延在しかつ液体供給源５から液体が供給される流入通路２８と、流入通路２８から液体貯留部２２の内周面に向かって延在して液体貯留部２２の内周面に開口した液体流入口２９とが形成されている。液体流入口２９は、流入通路２８から液体貯留部２２の内周面に向かうにしたがって徐々に上方即ち超音波振動子２４の凹部２５に向かう方向に軸心２６に対して傾斜している。液体流入口２９は、液体貯留部２２の周方向に沿って間隔をあけて（実施形態１では、等間隔に）配置されている。

超音波ノズル１は、液体供給源５から供給された液体が、流入通路２８内を移動して、流入通路２８内を移動する際に遠心力が作用して加速され、液体流入口２９を通して超音波振動子２４の凹部２５に向かって液体貯留部２２内に流入する。超音波ノズル１は、液体貯留部２２内に流入した液体が図１中の矢印３０に沿って噴射口２３に向かって移動し、噴射口２３から液体貯留部２２外に排出される。超音波ノズル１は、少なくとも液体貯留部２２内の空間を液体で満たすまでの間では、液体供給源５から供給される液体の流量が、噴射口２３から噴射される液体の流量よりも多くなるように、液体供給源５から供給される液体の流量、供給口３５の断面積、及び噴射口２３の水平方向の断面積等が設定されている。

超音波振動子固定部材３は、液体貯留部２２の上部に超音波振動子２４を固定するものである。超音波振動子固定部材３は、円筒状に形成され、下端部に超音波振動子２４の外縁部を固定している。超音波振動子固定部材３は、方体状部２１内に嵌合して、超音波振動子２４を液体貯留部２２の上部に固定している。

蓋体４は、平板状に形成され、方体状部２１の上部に取り付けられて、方体状部２１の上部を塞いている。

また、超音波ノズル１は、流路６を更に有している。流路６は、一端が貫通孔２７に連通したパイプ状に形成され、方体状部２１及び液体貯留部２２の外壁内に配設された配管である。流路６は、方体状部２１及び液体貯留部２２の外壁内で噴射口２３に向かって配設され、噴射口２３の近傍で液体貯留部２２内に開口している。即ち、噴射口２３の近傍には、流路６の開口６１が設けられている。なお、噴射口２３の近傍とは、噴射口２３から噴射される流体の圧力が液体貯留部２２の上部における圧力よりも低下する位置をいう。

前述した構成の超音波ノズル１は、液体供給源５から液体貯留部２２内に液体が供給される。超音波ノズル１は、液体貯留部２２内に徐々に液体が満たされて、液体貯留部２２内の液体の液面が超音波振動子２４の凹部２５に近付くと、超音波振動子２４の凹部２５と液体の液面との間の気泡１００を生じる。

超音波ノズル１は、液体貯留部２２内に液体が満たされると、高周波電源から圧電振動板に高周波電圧が印加されて、超音波振動子２４が軸心２６に沿って振動して、液体貯留部２２内の液体に超音波を付与して、噴射口２３から噴射する。

すると、超音波ノズル１は、噴射口２３から液体が噴射されることにより噴射口２３の近傍では、液体の圧力が液体貯留部２２の上部における圧力よりも低下する。すると、超音波ノズル１は、流路６の開口６１が噴射口２３から噴射される液体の圧力により吸引されて、流路６及び貫通孔２７を通して気泡１００内の気体を噴射口２３側に吸引する。超音波ノズル１は、気泡１００内の気体を流路６を通して開口６１から液体貯留部２２の噴射口２３の近傍まで吸引し、吸引した気泡１００内の気体を液体とともに噴射口２３から噴射する。こうして、超音波ノズル１は、液体が噴射口２３から噴射する際に流路６に発生する吸引力を利用して、超音波振動子２４の凹部２５に溜まった気泡１００内の気体を流路６を通じて吸引し噴射口２３から排出する。こうして、超音波ノズル１は、液体貯留部２２全体を液体で満たすことができる。

以上のように、実施形態１に係る超音波ノズル１は、ドーム形状の超音波振動子２４の中央に貫通孔２７を形成し、この貫通孔２７と連通し噴射口２３の近傍で液体貯留部２２内に開口する配管である流路６を有している。実施形態１に係る超音波ノズル１は、噴射口２３においては、超音波振動が付与された液体が噴射する際に圧力の低下が発生するため、噴射口２３における流体の圧力の低下により流路６及び貫通孔２７を通して液体貯留部２２内を吸引することとなる。このために、実施形態１に係る超音波ノズル１は、超音波振動子２４に形成された貫通孔２７から超音波振動子２４の下部に溜まった気泡１００内の気体を吸引して、流路６を通して、噴射口２３から排出することが可能となる。

その結果、実施形態１に係る超音波ノズル１は、ドーム形状の超音波振動子２４の凹部２５内の気泡１００の気体を追い出して、凹部２５内を液体で満たすことができるため、超音波振動を液体に効率的に伝播させることが可能となるという効果を奏する。

〔変形例〕
実施形態１の変形例に係る超音波ノズル１を図面に基づいて説明する。図２は、実施形態１の変形例に係る超音波ノズルの構成例を模式的に示す断面図である。なお、図２は、実施形態１と同一部分に同一符号を付して説明を省略する。

変形例に係る超音波ノズル１は、図２に示すように、前述した流路６を複数有し、流路６の開口６１を噴射口２３の近傍で軸心２６を挟んで互いに対向させている。このように、変形例では、開口６１は、噴射口２３近傍において対向するように複数設けられている。なお、変形例に係る超音波ノズル１は、流路６を３つ以上有する場合には、周方向に等間隔に流路６即ち開口６１を配置するのが望ましい。

変形例に係る超音波ノズル１は、実施形態１と同様に、流路６を有しているため、超音波振動子２４に形成された貫通孔２７から超音波振動子２４の下部に溜まった気泡１００内の気体を吸引して排出することが可能となり、超音波振動を液体に効率的に伝播させることが可能となるという効果を奏する。

また、変形例に係る超音波ノズル１は、流路６を周方向に等間隔に配置する場合には、流路６が噴射口２３から噴射される液体の水流を乱すことを抑制することができるという効果も奏する。

次に、本発明の発明者は、実施形態１に係る超音波ノズル１の効果を確認した。確認にあたっては、超音波ノズル１に液体を供給してからの超音波振動子２４の凹部２５内の気泡１００が消滅するまでの時間を計測した。実施形態１に係る超音波ノズル１は、液体が供給されてからの超音波振動子２４の凹部２５内の気泡１００が２０秒程度で消滅した。その結果、実施形態１に係る超音波ノズル１は、流路６を有しているため、超音波振動子２４に形成された貫通孔２７から超音波振動子２４の下部に溜まった気泡１００内の気体を吸引して排出することが可能となり、超音波振動を液体に効率的に伝播させることが可能となるということが明らかとなった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、本発明では、超音波ノズル１の流路６は、一端が貫通孔２７に連通し、噴射口２３の近傍で液体貯留部２２内に開口していれば、方体状部２１及び液体貯留部２２の外壁内に埋められなくても良い。

１超音波ノズル
５液体供給源
６流路
２２液体貯留部
２３噴射口
２４超音波振動子
２７貫通孔
６１開口
１００気泡

Claims

超音波振動が付与された液体を噴射する超音波ノズルであって、
液体供給源から供給された液体を一時的に貯留し、下方に向かって縮径する略円錐形状の液体貯留部と、
該液体貯留部の下部から該液体を噴射する噴射口と、
該液体貯留部の上部に設けられ、該液体に超音波振動を付与する超音波振動子と、を備え、
該超音波振動子は、ドーム形状であり、
中央部に貫通孔が形成されるとともに凹んでいる側が該噴射口に対面するように配設され、
該貫通孔と連通し該噴射口の近傍で該液体貯留部に開口する流路を更に有することを特徴とする、超音波ノズル。
該開口は、該噴射口近傍において対向するように複数設けられることを特徴とする、請求項１に記載の超音波ノズル。