JP4733550B2 - 超音波洗浄装置 - Google Patents

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、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微細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、圧電セラミック等が用いられている。更に、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る場合が多い。
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合わせている。
振動板の振動により、洗浄液が振動して、従来の被洗浄物に対しては、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。
例として、超音波振動素子とステンレス製の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３KHz程度変化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。
従来の市販のステンレス板の購入状態で用いたとき、板厚公差が実質±７．５％程度あるので共振周波数は、±１５０KHz程度のばらつきが生じることがある。
ところが、年々、半導体ウエハーに代表されるように、被洗浄物の大きさが大きくなる上、回路パターンは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。

図５は、従来技術の例としての超音波振動素子と振動板の平面図であり、複数の超音波振動素子（１１，１２，１３）が振動板（４）に密着されたものである。４ａ、４ｂ、４ｃは振動板の厚み測定部位の例を示す。測定部位４ａの板厚：２．７５ｍｍ、測定部位４ｂの板厚：２．８０ｍｍ、測定部位４ｃの板厚：３．１０ｍｍであり、板厚のばらつきは最大０．３５ｍｍ（厚みむら：１２％）である。
このとき各超音波振動素子と振動板との共振周波数は、超音波振動素子１１での共振周波数の測定値は１０５５kHzであり、超音波振動素子１２での共振周波数の測定値は１０３６kHzであり、超音波振動素子１３での共振周波数の測定値は９３５kHzである。
従って、振動板の共振周波数のばらつきに換算すると１２０kHzとなる。
一般的な半導体ウエハーの洗浄には石英槽が用いられており、１ＭＨｚ程度の超音波エネルギーは石英槽を透過した分が洗浄に寄与することになり、石英槽を透過できる振動周波数対超音波エネルギー透過率の理論特性曲線は、図３の特性図に示されるようなａ点（振動板の厚み測定部位４ａでの測定値）、ｂ点（振動板の厚み測定部位４ｂでの測定値）およびｃ点（振動板の厚み測定部位４ｃでの測定値）の実測点を有し、最悪の場合、超音波エネルギー透過率は５２．４％（ａ点）になり、半分近くの超音波エネルギーが無駄にされ、洗浄の均一性の観点からも問題視される。

洗浄むらを発生させない均一な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、洗浄対象物である微細加工品は大型化、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不均一に起因する微細粒子等の汚れ剥離不徹底や、大型化、微細化が進むに伴い超音波洗浄装置間での洗浄効果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、装置間での性能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。
そこで、超音波振動の均一性は、用いられる振動板の板厚の均一性に負うところが大ききことが分かっている。
振動板に用いられる市販されているステンレスの板は、公称板厚に対して実質的には、±７．５％程度の許容差が存在し、例として、公称板厚３mmであれば２．７３mm〜３・１７mmの範囲程度の板が購入され、超音波洗浄装置の振動板として組み立てられた後も、1枚の振動板の振動部位での板厚むら、購入板毎の板厚差異があり、洗浄対象物の大型化、微細化の進みに対して対応しきれない状況となってきた。

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、共振周波数が振動板の全部位で一定に保たれるようにして、被洗浄物に対して常に均一な精密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、洗浄液が溜められた洗浄槽と、該洗浄槽内の該洗浄液に５００ｋＨｚ以上の超音波振動を伝搬させるための超音波振動体とを備えた超音波洗浄装置であって、
前記超音波振動体は、複数枚の平板状超音波振動素子が振動板上に並べた複合素子配置構造体を有し、
前記洗浄槽の材質が石英であり、
前記複数枚の平板状の超音波振動素子のおのおのは、所定の対象洗浄領域に対して平坦状の超音波放射特性を持つ形状を有し、
前記超音波振動の石英エネルギー透過率を８０％超とするために、前記振動板の振動部位の板厚差が±３％の範囲内のものとする。

更に、本発明の超音波洗浄装置は、前記洗浄液が溜められた洗浄槽が流水型であることを特徴とするものである。

従来の共振周波数が１５０kHz程度のばらつきであったものに対し、本発明の振動板では、振動板板厚精度を±３％で管理すれば、共振周波数の精度は６０kHz、さらに、振動板の板圧精度を±１％に管理すれば、共振周波数の精度は２０kHzのばらつきまで低減することができる。
半導体ウエハーの洗浄に用いられる石英槽での超音波エネルギー透過率は、従来の２０％の損失点を有するものがあったが、これを極めてゼロに近い点に集約できるものとした。
本発明を実施すれば、超音波洗浄装置が洗浄対象物の大型化、微細化の進みに対応した均一な洗浄を得ることができ、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、常に洗浄むらのない安定した超音波洗浄装置である。

図１は、本発明の超音波洗浄装置の実施例１の断面図である。
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、３つの超音波振動素子で構成されている。
２は超音波振動素子を振動板に密着させた接着部である。３は純水が溜められた外槽である。４は超音波振動素子とともに振動し、純水に振動を伝達させる洗浄槽３の一部を構成する振動板である。５は半導体ウエハーなどを収容して洗浄液に浸すための容器としての石英槽である。６は振動板の振動によって洗浄液が振動する状態を示す超音波振動であり、外槽３内に溜められた純水中を伝搬し、石英槽５の底面を透過して被洗浄物まで到達する。７は洗浄液である。８は半導体ウエハー等の被洗浄物である。９は超音波振動素子を励振させる高周波励振電源である。
外槽３内の純水に５００ｋＨｚ以上の超音波振動６を伝搬させるため複数の超音波振動素子１と振動板４とで超音波振動体が形成される。この超音波振動体は、複数枚の平板状超音波振動素子が振動板上に並べて接着された複合素子配置構造体を有している。
複数の超音波振動素子１のおのおのは、平板状であり、決められた対象洗浄領域に対して平坦状の超音波放射特性を持つ形状を有している。

実施例１の超音波洗浄装置の動作を説明する。
半導体ウエハー等の被洗浄物８が石英槽５に収容されて、洗浄液７が満たされ、石英槽５が振動板４と一体化された外槽３に浸されている状態で、高周波励振電源９が超音波振動素子１を励振させ、これにともない振動板４が共振し、さらに、振動板４の振動によって外槽３内の純水が振動して、石英槽５内の洗浄液７に超音波振動６を得る。
洗浄液７の超音波振動６は、石英槽５の底面を透過して被洗浄物８の対象洗浄領域に均等に振動が当てられ、被洗浄物８の表面に付着した微細なごみを被洗浄物８から除去させる。

次に、実施例１の超音波洗浄装置の振動板４の板厚を管理するための機械加工に関して説明する。
複数枚の平板状の超音波振動素子１が振動板４の上に並べて接着されて複合素子配置構造体に形成された超音波振動体であり、複数枚の平板状超音波振動素子１のおのおのが所定の対象洗浄領域に対して平坦状の超音波放射特性を持つ形状に形成される。
超音波振動６の周波数ばらつきを抑えて超音波振動体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ように振動板４の表面を研磨して振動部位の板厚差１％以下の板厚精度に形成する。
外槽の底部を成す振動板４の板厚加工については、公称板圧３ｍｍ程度の市販ステンレス板を用いたとき、現在の機械加工技術によれば、この市販ステンレス板に対して研削・研磨加工を加えれば±０．０２ｍｍ程度の精度に厚さの仕上げを行うことが可能である。
これによって振動板の各部位での板厚（ｄ）のばらつきを±０．０２ｍｍ程度以内に、また、量産したときの、各装置の振動板の板厚（ｄ）のばらつきをも±０．０２ｍｍ程度以内に抑えることの板厚の精度管理が行える。

次に、実施例１の超音波洗浄装置の超音波振動体における振動板の板厚と振動周波数の関係について説明する。
図２は、本発明の超音波洗浄装置の超音波振動素子と振動板とが密着された平面図であり、複数の超音波振動素子（１１，１２，１３）が1枚の振動板（４）に密着されたものである。４ａ’、４ｂ’、４ｃ’は超音波振動素子（１１，１２，１３）に対応して振動板の厚み（図１（ｄ））の各測定部位の例を示す。
測定部位４ａ’の板厚ｄ＝２．９３０ｍｍ、測定部位４ｂ’の板厚ｄ＝２．９６０ｍｍおよび測定部位４ｃ’の板厚ｄ＝２．９８０ｍｍであり、板厚のばらつきは最大０．０５ｍｍ（厚みむら：１．７％）である。
このとき各超音波振動素子（１１，１２，１３）と振動板との共振周波数は、超音波振動素子１１での共振周波数の測定値は９９０kHz、超音波振動素子１２での共振周波数の測定値は９８０kHz、超音波振動素子１３での共振周波数の測定値は９７３kHzである。従って、振動板の共振周波数のばらつきは１７kHzとなる。

図３は、本発明の超音波洗浄装置の石英槽における超音波エネルギー透過率特性曲線であり、縦軸が超音波エネルギー透過率（％）であり、横軸が超音波振動周波数（ｋＨｚ）である。
現在、多くの半導体ウエハーの洗浄には石英槽が用いられており、超音波エネルギーは石英槽を透過した分が被洗浄物の洗浄に寄与することになり、石英槽を透過できる振動周波数対超音波エネルギー透過率の理論特性曲線は、図３の特性曲線に示される。
本発明での実験値として、ａ’点は測定部位４ａ’における超音波エネルギー透過率が９９．６％、ｂ’点 は測定部位４ｂ’における超音波エネルギー透過率が９９．５％およびｃ’点 は測定部位４ｃ’における超音波エネルギー透過率が９７．４％で示される。
この時の超音波エネルギー透過率は最悪でも９７．４％であり、これであれば、ほとんど減衰なく、良好に透過し、均一な洗浄が行える。
このようにして、超音波振動の周波数ばらつきを抑えて超音波振動体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ように石英エネルギー透過率が８０％を超えることを最低限の条件とし、振動板の振動部位の板厚差±３％以下のものとする振動板とした。
なお、振動板の板厚の管理精度を更に向上させれば、更なる、微細加工された被洗浄物に対応させることが可能である。いずれの管理精度を選択するかは。コスト／パフォーマンスを考慮すればよい。洗浄用途の違い毎に、どれくらいの管理精度が必要であるか十分に見極めて板厚制度を±３％に条件付けたり、±１％に条件付けたり、価格と性能のトレードオフを考慮して決めればよい。

図４は、本発明の超音波洗浄装置の実施例２の断面斜視図であり、流水型の超音波洗浄装置の構造を示している。
１は１ＭＨｚ程度の超音波を発振させる図示してはいないが複数の超音波振動素子で構成された振動素子幅（２ｅ）の複合された超音波振動素子である。
４は超音波振動素子とともに振動し、洗浄液に振動を伝達させる振動板である。
６は振動板の振動によって洗浄液が振動する状態を示す超音波振動であり、洗浄液溜槽内に流水となって溜められた洗浄液中を伝搬し、噴射口から洗浄液が噴出して被洗浄物まで到達する。
７は洗浄液である。
８は噴射された洗浄液が洗浄面に突き当り、移動させながら洗浄が行われる半導体ウエハー等の被洗浄物である。
１０は、複合された超音波振動素子と振動板４とを内蔵させ、水圧かけられた洗浄液を注ぎ込む給液口１０ａと超音波振動が伴った圧力が掛けられた洗浄液を噴射させる噴射口１０ｂが配設され、振動板４の底面から噴射口１０ｂの内壁面までの距離（Ｌ）を有する洗浄液溜槽である。
図示してはいないが超音波振動素子を励振させる高周波励振電源を外部に有する。

実施例２の動作を説明する。
半導体ウエハー等の被洗浄物８が本発明の流水型の超音波洗浄装置の洗浄溜槽１０に有する噴射口１０ｂの下部に配置されて、水圧がかけられた洗浄液７が給液口１０ａから注ぎ込まれた状態で、図４には図示していない高周波励振電源９は超音波振動素子１を励振させると振動板４が共振し、さらに、この振動によって洗浄液が振動して、洗浄液の超音波振動６を得る。
超音波振動６が収束距離（Ｌ）を経て収束されて、スリット状をした噴射口１０ｂからの超音波振動６を伴う洗浄液が、被洗浄物８の対象洗浄領域に噴射して噴射口１０ｂのスリット方向に均一な振動が当てられ、さらに被洗浄物８は矢印の方向に移動することによって、被洗浄物８の洗浄面に均等に噴射されて、被洗浄物８の表面に付着した微細なごみを被洗浄物８から除去させる。
なお、洗浄溜槽１０内に配設された振動板４の板厚の精度向上の加工については、実施例１の超音波洗浄装置の振動板４の板厚を管理するための機械加工に関しての説明と同様であるのでその説明は省略する。

流水型の超音波洗浄装置の超音波の共振周波数と収束距離の関係について説明する。
超音波を効率よく噴射させるために、振動素子幅に比較して狭い噴射口（スリット）にすることにより、収束させた超音波を噴射させることができる。
この超音波の収束は、振動素子の振動面の幅および振動面から噴射口までの距離を所定の値にすることにより行われる。
収束距離を求める関係式として、先ず、振動板の板厚と共振周波数との関係式を（１）式に、流水型洗浄機の収束距離Ｌの関係式を（２）式を示す。この関係式によって得られた各値を表１に示す。

従って、共振周波数のばらつきが生ずると、超音波振動波の収束距離の違いとなって現れる。この収束距離の違いが洗浄むらとして影響を及ぼす。
共振周波数と集束距離の関係から得られた計算表である表１に示す値から次のことが説明できる。
板厚偏差が±７．５％の振動板（従来）では、±値それぞれの収束距離（Ｌ）の差は９２．２−７９．４＝１２．８ｍｍとなるのに対して、本願発明のように板厚偏差が±３％であれば、収束距離（Ｌ）の差は８８．４−８３．２＝５．２ｍｍとなる。さらに板厚偏差が±１％であれば、収束距離（Ｌ）の差は８６．７−８５＝１．７ｍｍとなり、洗浄の均一性に大きく影響していることは明らかである。

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微細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実施例１の断面図である。 本発明の超音波洗浄装置の超音波振動素子と振動板の平面図である。 本発明の超音波洗浄装置の石英槽における超音波エネルギー透過率特性曲線である。 本発明の超音波洗浄装置の実施例２の断面斜視図である。 従来技術の超音波振動素子と振動板の平面図である。

符号の説明

１，１１，１２，１３ 超音波振動素子
２ 接着部
３ 外槽
４ 振動板
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ａ’、４ｂ’、４ｃ’ 振動板部位
５ 石英槽
６ 超音波振動
７ 洗浄液
８ 被洗浄物
９ 高周波励振電源
１０ 洗浄液溜槽
１０ａ 給液口
１０ｂ 噴射口

Claims (2)

1. 洗浄液が溜められた洗浄槽と、該洗浄槽内の該洗浄液に５００ｋＨｚ以上の超音波振動を伝搬させるための超音波振動体とを備えた超音波洗浄装置であって、
   前記超音波振動体は、複数枚の平板状超音波振動素子が振動板上に並べた複合素子配置構造体を有し、
   前記複数枚の平板状の超音波振動素子のおのおのは、所定の対象洗浄領域に対して平坦状の超音波放射特性を持つ形状を有し、
   前記洗浄槽の材質が石英であり、
   前記超音波振動の石英エネルギー透過率を８０％超とするために、前記振動板の振動部位の板厚差が±３％の範囲内のものとすることを特徴とする超音波洗浄装置。
2. 前記洗浄液が溜められた洗浄槽が流水型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。

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