JP3037528B2 - 超音波強度センサ及び超音波強度検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、半導体デバイ
ス、液晶表示素子用ガラス基板、光学レンズなどの工業
材料や部品の洗浄処理に用いられる超音波洗浄槽の超音
波強度を検出する超音波強度センサ及び超音波強度検出
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、超音波洗浄は例えば油脂の付着
した被洗浄物の脱脂洗浄に用いられたり、あるいは、清
浄な表面が要求される半導体デバイスやガラス基板等の
超精密洗浄に用いられている。今日、半導体デバイスの
高集積化、液晶表示素子用ガラス基板の大型化に伴い、
基板洗浄プロセスにおける基板上の微粒子等の除去能力
の向上が強く望まれるなか、超音波洗浄は、その微粒子
の除去に効果ある方法の一つとして注目されている。

【０００３】超音波洗浄を行う超音波洗浄装置の一例
を、図４に基づいて説明すると、超音波洗浄装置には、
洗浄液８を貯溜する超音波洗浄槽１２が備えられてお
り、この超音波洗浄槽１２の底部に、超音波を発生させ
る超音波振動子１４が配設されている。また、超音波洗
浄槽１２内部には、揺動かご１３が配設されており、こ
の揺動かご１３を揺動させることで、洗浄液８を撹拌す
るようになっている。そして、超音波洗浄槽１２の上部
には、オーバー・フロー槽１２ａが設けられており、こ
のオーバー・フロー槽１２ａの底部と超音波洗浄槽１２
とを、ポンプ１６とフィルタ１７とが設けられている連
通管１５を介して連結することで、オーバー・フローシ
ステムが構成されている。このオーバー・フローシステ
ムにて、洗浄液中の微粒子等は、効率よくフィルタ１７
にて濾過され、濾過後の清浄な洗浄液８は、再び超音波
洗浄槽１２内へ戻され、循環利用されるようになってい
る。

【０００４】このような超音波洗浄装置を使用して、被
洗浄基板９の洗浄を行う際、複数枚の被洗浄基板９…を
所定の間隔で被洗浄基板用の保持部材であるキャリア１
１に収容し、これを超音波洗浄槽１２内に備えられた揺
動かご１３内部に入れる。キャリア１１が超音波洗浄槽
１２内部へ入れられると、超音波振動子１４が作動し、
超音波が発せられ、同時に、揺動かご１３の揺動が開始
する。超音波振動子１４によって発せられた超音波は、
まず洗浄液８に伝播し、振動した洗浄液８を介して被洗
浄基板９に伝播し、発生周波数が数十ｋＨｚ以下の場合
は主に浸食効果、またメガソニック領域になると振動加
速度効果により、被洗浄基板９の表面に付着した微粒子
等を解離する。解離された微粒子等は、超音波洗浄槽１
２のオーバー・フローシステムにより超音波洗浄槽１２
外部へ排出され、フィルタ１７により効率良く補足・濾
過されて除去される。

【０００５】ところで、このように超音波洗浄にて被洗
浄基板９に付着した微粒子等の除去を行う場合、微粒子
等の除去の観点から、オーバー・フローシステムの濾過
流量、揺動かご１３の揺動速度、被洗浄基板９の基板ピ
ッチ、及び洗浄液８の種類等と、被洗浄基板９の表面が
受ける超音波強度との関係が最適化されていることが望
ましく、特に、被洗浄基板９が液晶表示素子用ガラス基
板の場合、現状でも３００×４００ｍｍ角程度の大きさ
を有し、将来さらに大型化され、５００×６００ｍｍ角
程度の大型基板が使用される可能性もあり、このように
被洗浄基板９のサイズが大型化すると、現状以上にそれ
らの関係の最適化が望まれている。なぜならば、それら
が最適化されておらず、被洗浄基板９に対する超音波強
度がそれらより相対的に強い場合は被洗浄基板９の破損
に、逆に弱い場合は洗浄むらや洗浄不良につながり、そ
して、被洗浄基板９の基板サイズが大型化するにつれて
その影響をより強く受けることとなるからである。

【０００６】濾過流量、揺動速度、被洗浄基板９の基板
ピッチ、及び洗浄液８の種類等と、被洗浄基板９の表面
が受ける超音波強度との関係が最適化されていないため
に生じる不具合を詳細に説明すると、即ち、 超音波強度に対して相対的に濾過流量が少ない場合
は、超音波によって、一度は被洗浄基板９の基板表面か
ら微粒子等を解離することができても、それらの超音波
洗浄槽１２外部への排出速度が遅いために、基板表面に
微粒子等が再付着する可能性が高くなり、これにより、
洗浄不良を生じ易い。反対に、超音波強度に対して相対
的に濾過流量が多い場合は、基板表面への超音波の伝播
が妨げられ、超音波による洗浄効果が得難くなるので、
基板表面に付着した微粒子等が解離し難くなり、洗浄む
らを生じ易い。

【０００７】 超音波強度に対して相対的に揺動速度
が遅い場合は、単位面積・単位時間当たりの基板表面が
受ける超音波強度が増大するので、その程度が大きい場
合は、被洗浄基板９を破損させる可能性が高くなる。反
対に、超音波強度に対して相対的に揺動速度が速い場合
は、洗浄液８を必要以上に撹拌してしまうため、基板表
面への超音波の伝播が妨げられて超音波による洗浄効果
が得難くなり、これにより、基板表面に付着した微粒子
等が解離し難くなり、洗浄むらを生じ易い。

【０００８】 超音波強度に対して相対的に被洗浄基
板９の基板ピッチが狭い場合は、超音波強度の減衰の程
度が増大することから、基板表面が受ける超音波強度が
減少し、基板表面への超音波の伝播が妨げられて超音波
による洗浄効果が得難くなり、これにより、基板表面に
付着した微粒子等が解離し難くなり、洗浄むらを生じ易
い。

【０００９】 超音波により浸食作用が発生し易い洗
浄液８の場合、超音波強度が相対的に大きいと、浸食作
用による被洗浄基板９の破損につながる。

【００１０】そこで、従来から、超音波強度センサを使
用して超音波洗浄槽１２内部の洗浄液８の超音波強度を
検出し、これに基づいて、濾過流量、揺動速度、被洗浄
基板９の基板ピッチ、及び洗浄液８の種類等と、被洗浄
基板９の表面が受ける超音波強度との関係が最適化され
るように、ポンプ１６のポンプ出力、揺動かご１２を揺
動させるモータ出力、被洗浄基板９の基板ピッチ等を変
化させることで、被洗浄基板９の破損や、洗浄不良、洗
浄むら等を回避することが行われている。

【００１１】従来使用されている超音波強度センサ２１
は、必要に応じて超音波洗浄槽１２内部の洗浄液８に浸
漬させて使用されるもので、図５に示すように、棒状タ
イプで、保護管２２の内部の先端側に、圧電素子からな
る洗浄液８の振動を振動強度に対応した電気信号強度に
変換する超音波強度検出素子２４が設けられた構成を有
しており、この超音波強度検出素子２４を挾持している
二つの電極部２３・２３とこれらに接続された電極線２
３ａ・２３ａにより、超音波強度検出素子２４にて変換
された電気信号が、保護管２２の後端側に接続されたケ
ーブル７まで導かれ、この電気信号が、ケーブル７を介
して、図４に示す電気信号処理装置１８及びデータ処理
装置１９に入力され、超音波強度を測定できるようにな
っている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の超音波強度センサ２１を使用しての超音波強度の検
出では、濾過流量、揺動速度、被洗浄基板９の基板ピッ
チ、及び洗浄液８の種類等と、被洗浄基板９の表面が受
ける超音波強度との関係を効果的に最適化させることが
できないという問題が生じている。

【００１３】即ち、従来の超音波強度センサ２１は、必
要に応じて外部から超音波洗浄槽１２内へ入れ、洗浄液
８に浸漬させることで、超音波洗浄槽１２内部の洗浄液
８の超音波強度を検出するようになっており、被洗浄基
板９における基板周辺部や、基板間の洗浄液８の受ける
超音波強度を検出するようになっている。したがって、
被洗浄基板９の基板表面が直接受ける超音波強度を検出
することはできず、おおよそ、それに近い値しか検出す
ることができない。しかも、特に、液晶表示素子用ガラ
ス基板等の大型基板の超音波洗浄処理の場合など、超音
波振動子からの距離による減衰などで、基板表面が受け
る超音波強度の面内分布が発生し易いが、従来の超音波
強度センサ２１にて、このような超音波強度の面内分布
を検出したい場合は、超音波強度センサ２１を移動させ
ながら超音波強度を検出していかなければならず、甚だ
手間取る作業が必要である。しかも、キャリア１１内に
収容されている被洗浄基板９の基板ピッチが、超音波強
度センサ２１の外形寸法より狭い場合、基板間に超音波
強度センサ２１を入れることができないので、基板間の
超音波強度も検出することができず、基板周辺部の超音
波強度しか検出できないこととなる。

【００１４】したがって、上記したように、従来の超音
波強度センサ２１を使用した超音波強度の検出では、濾
過流量、揺動速度、基板ピッチ、及び洗浄液の種類等と
基板表面が受ける超音波強度との関係を最適化すること
が、困難なこととなっている。

【００１５】そこで、本発明は、上記課題に鑑みなされ
たもので、被洗浄基板の基板表面が直接受ける超音波強
度を複数箇所にて検出できる超音波強度センサを提供
し、かつ、この超音波強度センサを使用して、被洗浄基
板の表面に付着した微粒子等を効率よく除去すべく、濾
過流量、揺動速度、基板ピッチ、及び洗浄液の種類等
と、基板表面が受ける超音波強度との関係の最適化を図
るのに必要な被洗浄基板の基板表面の超音波強度を、効
果的に検出できる検出方法を提案することを目的として
いる。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
超音波強度センサは、上記課題を解決するために、複数
個の超音波強度検出素子が被洗浄基板と同じ大きさの基
板表面に形成され、超音波洗浄装置の超音波洗浄槽内部
に配されるものであることを特徴としている。

【００１７】本発明の請求項２記載の超音波強度センサ
は、上記課題を解決するために、上記請求項１の超音波
強度センサにおいて、超音波強度検出素子が圧電素子か
らなることを特徴としている。

【００１８】本発明の請求項３記載の超音波強度センサ
は、上記課題を解決するために、上記請求項１又は２記
載の超音波強度センサにおいて、複数個の超音波強度検
出素子の上に保護膜が形成されていることを特徴として
いる。

【００１９】本発明の請求項４記載の超音波強度検出方
法は、上記課題を解決するために、上記請求項１，２又
は３記載の超音波強度センサを複数枚配列し、超音波強
度を３次元的に検出することを特徴としている。

【００２０】本発明の請求項５記載の超音波強度検出方
法は、上記課題を解決するために、上記請求項４記載の
超音波強度検出方法において、被洗浄基板保持用の保持
部材の内部に、超音波強度センサを複数枚配列すること
を特徴としている。

【００２１】

【作用】上記の請求項１の構成によれば、超音波強度検
出素子が被洗浄基板と同じ大きさの基板表面に形成され
ているので、超音波洗浄装置の超音波洗浄槽内部に配す
ることによって、基板表面が直接受ける超音波強度を検
出でき、しかも、超音波強度検出素子が複数個設けられ
ているので、基板表面における中心部や周辺部など、複
数箇所の超音波強度を検出できるようになる。そして、
請求項２の構成を採用すれば、上記超音波強度検出素子
には、圧電素子を用いることができ、また、請求項３の
構成を採用し、超音波強度検出素子の上に保護膜を設け
ることで、超音波強度検出素子が超音波にて剥離される
のを効果的に抑制し、超音波強度センサの寿命を延ばす
ことができる。

【００２２】そして、このような超音波強度センサを、
請求項４に記載されているように、複数枚配列すること
により、超音波強度を３次元的に検出することができ、
例えば、その配列方法として、請求項５に記載されてい
るように、被洗浄基板保持用の保持部材の内部に複数枚
設置することにより、保持部材に保持された被洗浄基板
が受ける超音波強度を３次元的に検出することができ
る。具体的に説明すると、保持部材に保持される被洗浄
基板の数枚、もしくは全部を、上記超音波強度センサに
置き換えることで、保持部材に保持される各被洗浄基板
の基板表面が受ける超音波強度を検出することができ
る。

【００２３】したがって、このような超音波強度センサ
を使用して、超音波強度を３次元的に検出することで、
例えば超音波洗浄装置における、濾過流量、揺動速度、
基板ピッチ、及び洗浄液の種類等と、基板表面が受ける
超音波強度との関係を効果的に最適化することが可能と
なり、被洗浄基板の破損や、被洗浄基板の洗浄不良・洗
浄むら等の不具合を引き起こすことなく、効率よく被洗
浄基板に付着している微粒子等を除去することができ
る。

【００２４】

【実施例】本発明の一実施例について図１ないし図３に
基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００２５】本発明に係る超音波強度センサ１が適用さ
れる超音波洗浄装置は、半導体デバイスの洗浄に用いら
れる装置であり、図３に示すように、洗浄液８を貯溜す
る超音波洗浄槽１２が備えられており、この超音波洗浄
槽１２の底部に、超音波を発生させる超音波振動子１４
が配設されている。また、超音波洗浄槽１２内部には、
図示しないモータのモータ出力にて揺動される揺動かご
１３が配設されており、この揺動かご１３を揺動させる
ことで、洗浄液８を撹拌するようになっている。そし
て、超音波洗浄槽１２の上部には、オーバー・フロー槽
１２ａが設けられており、このオーバー・フロー槽１２
ａの底部と超音波洗浄槽１２とを、ポンプ１６とフィル
タ１７とが設けられている連通管１５を介して連結する
ことで、超音波洗浄槽１２内部の洗浄液８が下方から上
方へと流れるオーバー・フローシステムが構成されてい
る。このオーバー・フローシステムにて、洗浄液中の微
粒子等は、微粒子の粒子径を考慮したフィルタ１７にて
効率よく捕捉・濾過されて洗浄液中から排出される。そ
して、濾過後の洗浄液８は、再び超音波洗浄槽１２内へ
戻され、循環利用されるようになっている。

【００２６】このような超音波洗浄装置を使用して、半
導体デバイスである被洗浄基板９の洗浄を行う際、複数
の被洗浄基板９…を被洗浄基板保持用の保持部材である
キャリア１１に所定間隔で収容した状態で、超音波洗浄
槽１２内に備えられた揺動かご１３内部に入れる。キャ
リア１１が超音波洗浄槽１２内部へ入れられると、超音
波振動子１４が作動し、超音波が発せられ、同時に、揺
動かご１３の揺動が開始する。超音波振動子１４によっ
て発せられた超音波は、まず洗浄液８に伝播し、振動し
た洗浄液８を介して被洗浄基板９に伝播し、発生周波数
が数十ｋＨｚ以下の場合は主に浸食効果、またメガソニ
ック領域になると振動加速度効果より、被洗浄基板９の
表面に付着した微粒子等を解離する。解離された微粒子
等は、超音波洗浄槽１２のオーバー・フローシステムに
より超音波洗浄槽１２外部へ排出され、フィルタ１７に
より効率良く補足・濾過され、除去される。濾過後の清
浄な洗浄液８は、再び超音波洗浄槽１２内部へ戻され
る。

【００２７】このような超音波洗浄装置に備えられる本
発明に係る超音波強度センサ１は、図１に示すように、
上記被洗浄基板９と同じ大きさのベース基板２を有して
おり、このベース基板２の基板表面のほぼ全領域を埋め
尽くすように、複数の超音波強度を電気変換するための
超音波強度検出素子である圧電素子３が配列して形成さ
れている。尚、実際には、圧電素子３がベース基板２の
表面に直接形成されているのではなく、図２の断面図に
示すように、ベース基板２の表面に電極４が形成されて
おり、この上に圧電素子３が、そして、さらにその上に
もう一方の電極４が形成された構成となっている。これ
ら一対の電極４・４には、ベース基板２の一端部に設け
られたアダプター６にまで圧電素子３で検出された電気
信号を導くための電極線部４ａ・４ａが一体に形成され
ている。上記ベース基板２の一端部に設けられたアダプ
ター６には、ケーブル７が接続されており、このケーブ
ル７を介して、図３に示す電気信号処理装置１８、デー
タ処理装置１９、モニタ２０が順に接続されている。

【００２８】上記電極４・４，…、電極線部４ａ・４
ａ，…、及び圧電素子３…の形成は、ベース基板２の表
面に、電極４・４，…、電極線部４ａ・４ａ，…はスパ
ッタ法等、圧電素子３…はスパッタまたはＣＶＤ法等に
より、所望の膜厚で薄膜を形成した後、エッチング等の
微細加工を施し、所望の大きさにパターニングすること
で形成されており、本実施例においては、さらにその上
を、保護膜５で覆うことで、圧電素子３…や電極４・
４，…、電極線部４ａ・４ａ，…が剥離されることを抑
制し、超音波強度センサ１の寿命を延ばすような処理が
施されている。

【００２９】上記超音波強度センサ１を、図３に示すよ
うに、例えばキャリア１１内に保持した状態で、上記超
音波洗装置の超音波洗浄槽１２内部へ配設すると、超音
波振動子１４によって発せられた超音波は、洗浄液８を
伝播することにより、洗浄液８の振動を発生させる。洗
浄液８の振動は超音波強度センサ１におけるベース基板
２上に形成された個々の圧電素子３…により、振動強度
に対応した電気信号に変換される。電気信号は、圧電素
子３の両面に形成された電極４・４，…、及び電極線部
４ａ・４ａ，…によりベース基板２の端部のアダプター
６に導かれ、アダプター６に接続されたケーブル７を介
して、電気信号処理装置１８に伝送される。電気信号処
理装置１８からの電気信号出力は、データ処理装置１９
に入力されてデータ処理され、ベース基板２の基板表面
の各圧電素子３で検出される超音波強度が、電気信号強
度としてモニタ２０に表示され、超音波強度を検出して
測定する。これにより、この超音波強度センサ１と同じ
状態で超音波洗浄槽１２内部に配される被洗浄基板９が
受ける超音波強度を、平面的（２次元的）に検出して測
定することができる。

【００３０】また、このような超音波強度センサ１を複
数枚用意し、キャリア１１内に保持されている被洗浄基
板９の数枚と入れ換えて、もしくは、保持されている全
ての被洗浄基板９と入れ換えてセットして、上記超音波
洗装置の超音波洗浄槽１２内部へ配設することで、キャ
リア１１内に保持される複数の被洗浄基板９の各基板表
面が受ける超音波強度を、キャリア１１内で空間的（３
次元的）に検出して測定することができる。

【００３１】したがって、このようにして検出された各
超音波強度に基づいて、濾過流量を制御するポンプ１６
のポンプ出力、揺動速度を制御する揺動かご１３のモー
タ出力の調整を行い、その基板ピッチでの濾過流量、揺
動速度を最適化することができる。また、基板ピッチを
変化させると、これらの関係も変化するが、上述のよう
に、再びその基板ピッチにて超音波強度センサ１…を配
置し、超音波強度を検出することで、基板ピッチ変更後
もこれらの関係を容易に最適化することができる。

【００３２】これにより、さらなる被洗浄基板９の大型
化が図られたとしても、本発明にかかる上記超音波強度
センサ１を使用することで、濾過流量、揺動速度、基板
ピッチ、及び洗浄液８の種類等と、被洗浄基板９の基板
表面が受ける超音波強度との関係を効果的に最適化する
ことができ、被洗浄基板９の破損や、被洗浄基板９の洗
浄不良・洗浄むら等の不具合を引き起こすことなく、効
率よく被洗浄基板９に付着している微粒子等を除去する
ことができる。

【００３３】尚、本実施例においては、超音波強度検出
素子として、圧電素子３を例示したが、超音波強度を検
出できるものであればよく、これに限定されるものでは
ない。同様に、ベース基板２の表面に形成した圧電素子
３の配列状態も、これに限定されるものではなく、ベー
ス基板２の基板表面に受ける超音波強度を全体的に検出
できる配列であればよい。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明は、複数個の超音
波強度検出素子が被洗浄基板と同じ大きさの基板表面に
形成され、超音波洗浄装置の超音波洗浄槽内部に配され
る超音波強度センサを構成し、この超音波強度センサ
を、被洗浄基板保持用の保持部材の内部に、複数枚配列
して、保持部材の内部に保持される被洗浄基板の基板表
面が直接受ける超音波強度を、３次元的に検出するもの
である。

【００３５】したがって、このような超音波強度センサ
を使用することで、例えば超音波洗浄装置における、濾
過流量、揺動速度、基板ピッチ、及び洗浄液の種類等
と、基板表面が受ける超音波強度との関係を効果的に最
適化することが可能となり、被洗浄基板の破損や、被洗
浄基板の洗浄不良・洗浄むら等の不具合を引き起こすこ
となく、効率よく被洗浄基板に付着している微粒子等を
除去することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すもので、保護膜を除い
た状態の超音波強度センサの平面図である。

【図２】上記超音波強度センサにおける要部の断面図で
ある。

【図３】上記超音波強度センサが使用されている状態
の、超音波洗浄装置の模式図である。

【図４】従来の超音波強度センサが使用されている状態
の、超音波洗浄装置の模式図である。

【図５】従来の超音波強度センサの断面模式図である。

【符号の説明】

１ 超音波強度センサ ２ ベース基板（基板） ３ 圧電素子（超音波強度検出素子） ４ 電極 ４ａ 電極線部 ５ 保護膜 ６ アダプター ７ ケーブル ８ 洗浄液 ９ 被洗浄基板 １１ キャリア（被洗浄基板保持用の保持部材） １２ 超音波洗浄槽 １３ 揺動かご １４ 超音波振動子 １８ 電気信号処理装置 １９ データ処理装置 ２０ モニタ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｒ 17/02 Ｈ０４Ｒ 17/02 (56)参考文献 特開 昭63−249025（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−127157（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−159121（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−56132（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−140751（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01H 3/10 B08B 3/12 G01H 3/00 H01L 21/304 341 H04R 17/00 332 H04R 17/02

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数個の超音波強度検出素子が被洗浄基板
   と同じ大きさの基板表面に形成され、超音波洗浄装置の
   超音波洗浄槽内部に配されるものであることを特徴とす
   る超音波強度センサ。
2. 【請求項２】上記超音波強度検出素子が圧電素子からな
   ることを特徴とする上記請求項１記載の超音波強度セン
   サ。
3. 【請求項３】複数個の超音波強度検出素子の上に保護膜
   が形成されていることを特徴とする上記請求項１又は２
   記載の超音波強度センサ。
4. 【請求項４】上記請求項１，２又は３記載の超音波強度
   センサを複数枚配列し、超音波強度を３次元的に検出す
   ることを特徴とする超音波強度検出方法。
5. 【請求項５】被洗浄基板保持用の保持部材の内部に、超
   音波強度センサを複数枚配列することを特徴とする上記
   請求項４記載の超音波強度検出方法。