JP5453582B2 - 超音波洗浄装置 - Google Patents

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Description

本発明は、洗浄装置に関し、特に、例えば半導体集積装置用基板、表示装置用ガラス基板、フォトマスク装置用基板、光ディスク用基板、磁気ディスク用基板、フィルム基板等に対して、超音波振動を照射した液体を用いて洗浄処理を行う超音波洗浄装置に適用して有効な技術に関する。
半導体集積装置の製造工程における洗浄方法は、バッチ式洗浄と枚葉式洗浄とに大別される。バッチ式洗浄とは、洗浄液を貯留した処理槽の中に、複数枚の被洗浄物を同時に浸漬して処理する洗浄方法である。一方、枚葉式洗浄とは、被洗浄物に対して洗浄液をかけながら1枚ずつ処理する洗浄方法である。近年、製造に用いられるシリコンウェハ基板の大型化に伴い、被洗浄物間の汚染転写防止の重要性が高まっている背景から、枚葉式洗浄が主流になりつつある。
図2は、従来の枚葉式の超音波洗浄装置の全体構成の一例である。超音波洗浄装置は、超音波発振器10と、振動素子20と、振動伝達材30と、洗浄液供給配管40とを備える。振動素子ケース21は、振動素子20を覆うように装着されている。ケーブル22は、振動素子ケース21の端部に通され、一端で振動素子20に接続し、他端で超音波発振器10に接続している。棒状ホーン形状の振動伝達材30は、一端を斜めに切断して振動面31を形成し、他端で振動素子20に接続している。振動面31は、被洗浄物Wに対向して微小間隔を保つように配置されている。洗浄液供給配管40は、振動面31の側部から洗浄液41を流入する。
振動面31は、超音波強度の均一性を上げるため、振動素子20で発生した超音波振動が振動伝達材30の中で収束する焦点位置32より遠い位置に形成されている。また、振動面31は、振動素子20が被洗浄物Wからの反射波の影響を受け、超音波発振器10の動作が不安定になるのを防止するため、振動素子20との接続面に対して斜めに配置されている。
特開2004‐249212号公報
しかし、前述のような構造の超音波洗浄装置も、被洗浄物Wに照射される超音波強度の均一性は不十分である。従って、被洗浄物Wの配線パターンの破壊(ダメージ)を防ぐには、振動面31において超音波強度が最大となる箇所の超音波強度をある所定値以下に抑える必要がある。その場合、振動面31における残りの大部分の超音波強度が不十分になるため、洗浄性能が低下してしまう。さらに、振動面31と被洗浄物Wとの間で定在波が発生し、その距離によって定在波の挙動がばらつくため、洗浄性能が安定しないという問題も発生する。
本発明は、前述のような超音波振動面を被洗浄物表面に近づけて処理する超音波洗浄装置で、被洗浄物に照射される超音波強度の均一性を上げ、かつ被洗浄物からの反射波の影響による発振器の不安定動作を防止し、さらに振動面−被洗浄物間での定在波の発生を抑えることで、被洗浄物のダメージを抑制し、安定かつ高い洗浄性能を得ることを目的とする。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
すなわち、代表的なものの概要は、超音波洗浄装置において、振動素子(超音波振動素子)と、超音波発振器と、振動伝達材と、洗浄液供給手段とを備える。特に、振動伝達材は、一端に振動素子を配置し、他端に被洗浄物に対向する振動面を配置し、かつ振動面は被洗浄物に向かって少なくとも2個以上の凹凸部(突起)を備える。そして、洗浄液に凹凸部を有する振動面を接触させて超音波を発生させる。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
すなわち、代表的なものによって得られる効果は、超音波洗浄装置において、振動素子(超音波振動素子)から振動面へ伝播した超音波は、凹凸部(突起)で拡散され、被洗浄物へ均一に放射される。その結果、被洗浄物のダメージを抑制し、かつ高い洗浄性能が得られる。また、被洗浄物で反射して振動面へ到達した超音波は、凹凸部で拡散され、振動伝達材または洗浄液の中で互いに干渉し合いながら減衰する。その結果、発振器の動作が安定し、かつ定在波の発生が抑えられるため、洗浄性能も安定する。
本発明の第1の実施の形態に係る超音波洗浄装置の全体構成を示す図である。 従来の超音波洗浄装置の全体構成を示す図である。 本発明の第1の実施の形態における微小突起の配置の一例を示す斜視図である。 本発明の第1の実施の形態における微小突起の配置の他の例を示す斜視図である。 本発明の第1の実施の形態において、被洗浄物へ超音波が照射される過程を示す断面図である。 本発明の第1の実施の形態において、被洗浄物へ照射される超音波の音圧分布を示すグラフである。 本発明の第1の実施の形態において、超音波が反射する過程を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る超音波洗浄装置の全体構成を示す図である。 本発明の第2の実施の形態において、被洗浄物へ超音波が照射される過程を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態において、被洗浄物へ照射される超音波の音圧分布を示すグラフである。 本発明の第2の実施の形態において、超音波が反射する過程を示す断面図である。 本発明の第3の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。 本発明の第4の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。 本発明の第5の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。 本発明の第6の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。 本発明の第7の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。 本発明の第8の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。 本発明の第9の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
<第1の実施の形態>
本発明の第1の実施の形態に係る超音波洗浄装置について、図1及び図3乃至図7を用いて説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る超音波洗浄装置の全体構成を示す図である。超音波洗浄装置は、超音波発振器110と、振動素子(超音波振動素子)120と、振動伝達材130と、洗浄液供給手段である洗浄液供給配管140とを備える。
超音波発振器110は、振動素子120に所定の周波数を供給して振動させるものであり、例えば周波数20kHz以上で、かつ所定の振幅の電気信号(高周波電力)を振動素子120に付与する。被洗浄物Wが配線幅100nm未満の微細な配線パターンを有する場合、周波数は0.5MHz乃至3MHzが最適である。
振動素子120は、振動素子ケース121に覆われている。ケーブル122は、振動素子ケース121の端部に通され、一端で振動素子120に接続し、他端で超音波発振器110に接続している。振動素子120は、超音波発振器110から高周波電力を付与されると伸縮振動し、その伸縮振動を振動伝達材130に伝播する。
振動伝達材130は、振動素子120の振動を伝達するものであり、例えば超音波の伝搬性が高く、使用劣化による発塵の恐れがなく、金属成分が溶出しない材質で構成されるのが望ましい。本実施の形態では石英ガラスとする。振動伝達材130の形状は板状で、その厚さtは(1)式に従って決められている。
t[m]=nλ/2 (1)
n:自然数[‐]
λ:石英ガラス中での超音波の波長[m]
例えば、周波数が1MHzの場合、波長λは約6mmであるため、厚さtを約3mmの自然数倍とすればよい。振動伝達材130の上面には振動素子120が接続され、下面には振動面131が形成されている。この時、振動伝達材130は、振動素子120の振動に対して共振するため、効率良く超音波を伝播することができる。
振動面131は、被洗浄物Wに対向して数mm程度の微小間隔を保つように配置されている。さらに、振動面131には、被洗浄物Wに向かって少なくとも2個以上備える凹凸部として、被洗浄物Wに向かって突出した曲面状の微小突起132が等ピッチで形成されている。
図3は、微小突起132の配置の一例を示す斜視図である。微小突起132は、図中のy方向に沿って線状に配置されている。図中のy方向は、被洗浄物Wの搬送方向に対して平行になっているのが望ましい。これによって、被洗浄物Wを搬送した際、微小突起132間のスペース(凹部)に一定方向の水流が発生し、付着した気泡が効率良く排出されるからである。
図4は、微小突起132の配置の他の例を示す斜視図である。微小突起132は、図中のxy平面から見て点状かつ規則的に配置されている。この場合、図中のx方向もしくはy方向が、被洗浄物Wの搬送方向に対して平行になっているのが望ましい。
微小突起132の寸法は、(2)式乃至(4)式に従って決められるのが望ましい。
{a−(λ/2)}/λ≦h (2)
b=(2n−1)λ/4 (3)
s≦2a (4)
a:微小突起132の幅(2a)の半値[m]
λ:洗浄液141中での超音波の波長[m]
h:微小突起132の先端部から被洗浄物Wまでの距離[m]
b:微小突起132の高さ[m]
n:自然数[‐]
s:微小突起132間のスペース[m]
(2)式は、微小突起132から洗浄液141へ入射する超音波に対し、被洗浄物Wの位置が遠距離音場領域にあり、超音波の拡散を促進する条件である。(3)式は、被洗浄物Wから振動面131側へ向かって垂直に反射する超音波と、振動面131側から垂直に入射する超音波とが効率良く干渉する条件である。これによって、振動伝達材130を介して振動素子120へ反射する超音波の強度をある程度弱くすることができる。(4)式は、微小突起132間のスペース(凹部)から被洗浄物Wへ向かって垂直に入射する超音波と、微小突起132から拡散される超音波とが効率良く干渉する条件である。例えば、周波数が1MHz、洗浄液141が超純水、距離hが3mmの場合、微小突起132の幅2aは4.5mm以下、高さbは0.375mmの奇数倍、スペースsは4.5mm以下である。
図3乃至図4と、(2)式乃至(4)式に従って決められる微小突起132の配置と寸法は、後述する第2乃至第9の実施の形態における微小突起もしくは微小ディンプルに対しても適用可能である。
洗浄液供給配管140は、振動面131と被洗浄物Wとの間の微小間隔が満たされるように洗浄液141を供給する。洗浄液141には、飽和溶解量程度の気体(ガス)が溶解していることが望ましい。本実施の形態では、洗浄液141は超純水であり、その中に約20ppmの窒素ガスのみが溶解している。洗浄液141へ超音波が入射すると、洗浄液141に溶解しているガスの一部が気泡化することで、被洗浄物Wに対する洗浄効果が発現する。
図5は、第1の実施の形態において、振動伝達材130から被洗浄物Wへ超音波が照射される過程を示す断面図である。振動素子120から振動面131へ鉛直方向に伝播した超音波の大部分は、微小突起132で屈折して、洗浄液141へ入射する。そのため、洗浄液141の中に入射した超音波の大部分は、鉛直方向に対して斜めに進行する。即ち、超音波は、微小突起132を起点に拡散して、洗浄液141の中を進行する。拡散した超音波は、洗浄液141の中で互いに干渉し合いながら減衰する。以上の過程を経て、洗浄液141から被洗浄物Wへ超音波が照射される際、被洗浄物Wの表面における超音波強度の均一性が向上する。
図6は、第1の実施の形態において、被洗浄物Wに照射される超音波の音圧Pを示すグラフである。音圧Pとは、超音波の照射によって媒質(ここでは洗浄液141)の圧力が変化する量(圧力振幅)を示し、理論的に(5)式で表される。
P[Pa]=(ρI)1/2 (5)
ρ:洗浄液141の密度(=1000kg/m
:洗浄液141中での超音波の伝播速度(=1500m/s)
I:超音波強度[W/m
即ち、音圧分布を測定することで、超音波強度の均一性を評価できる。グラフの横軸は、被洗浄物Wの表面において、図5のx方向に沿った位置を示し、縦軸は、その位置における音圧Pを示している。音圧分布は、分布曲線P1(実線)で表される。尚、微小突起132を有さない場合を比較例として、その音圧分布を分布曲線P0(点線)で示す。
第1の実施の形態による音圧の分布曲線P1は、比較例による音圧の分布曲線P0よりも平坦である。第1の実施の形態では、超音波が拡散して洗浄液141の中で互いに干渉し合うため、均一性が向上する。一方、比較例では、超音波が拡散せずに鉛直方向に進行するため、振動素子120の振動のばらつきに起因して不均一となる。
図7は、第1の実施の形態において、超音波が反射する過程を示す断面図である。超音波の大部分は、鉛直方向に対して斜めに進行して被洗浄物Wへ入射する。そのため、被洗浄物Wから洗浄液141へ反射する超音波の大部分も鉛直方向に対して斜めに進行する。従って、入射波と反射波とが同一直線上にないため、定在波の発生が抑えられる。さらに、この反射波の一部は、微小突起132で反射及び拡散し、振動伝達材130もしくは洗浄液141の中で互いに干渉し合いながら減衰する。これにより、振動素子120へ反射する超音波の強度が弱くなり、超音波発振器110の動作に影響を及ぼさなくなる。
以上に説明した第1の実施の形態によれば、振動素子120から振動面131へ伝播した超音波は、微小突起132で拡散され、被洗浄物Wへ均一に放射されるので、被洗浄物Wのダメージを抑制し、かつ高い洗浄性能が得られる。また、被洗浄物Wで反射して振動面131へ到達した超音波は、微小突起132で拡散され、振動伝達材130または洗浄液141の中で互いに干渉し合いながら減衰するので、超音波発振器110の動作が安定し、かつ定在波の発生が抑えられるため、洗浄性能も安定する。
<第2の実施の形態>
本発明の第2の実施の形態に係る超音波洗浄装置について、図8乃至図11を用いて説明する。
図8は、本発明の第2の実施の形態に係る超音波洗浄装置の全体構成を示す図である。超音波洗浄装置は、第1の実施の形態と同様の、超音波発振器110と、振動素子120と、振動素子ケース121と、ケーブル122と、洗浄液供給配管140とを備える。また、洗浄液141は超純水であり、その中に約20ppmの窒素ガスのみが溶解している。
振動伝達材130は、板状の石英ガラスで構成され、厚さtは(1)式に従って決められている。振動伝達材130の上面には振動素子120が接続され、下面には振動面131が形成されている。振動面131は、被洗浄物Wに対向して数mm程度の微小間隔を保つように配置されている。振動面131には、振動素子120に向かって陥没した曲面状の微小ディンプル133が等ピッチで形成されている。
微小ディンプル133は、図3と同様に線状に配置もしくは図4と同様に点状に配置されている。また、微小ディンプル133の寸法は、(2)式乃至(4)式に従って決められるのが望ましい。この場合、式中のaは微小ディンプル133の幅の半値、hは微小ディンプル133間のスペース(凸部)から被洗浄物Wまでの距離、bは微小ディンプル133の深さ、sは微小ディンプル133間のスペースに置き換えられる。
図9は、第2の実施の形態において、振動伝達材130から被洗浄物Wへ超音波が照射される過程を示す断面図である。振動素子120から振動面131へ鉛直方向に伝播した超音波の大部分は、微小ディンプル133で屈折して、洗浄液141へ入射する。第1の実施の形態とは対照的に、超音波の大部分は、微小ディンプル133の中心軸上に収束しながら、洗浄液141の中を進行する。
図10は、第2の実施の形態において、被洗浄物Wに照射される超音波の音圧Pを示すグラフである。グラフの横軸は、被洗浄物Wの表面において、図9のx方向に沿った位置を示し、縦軸は、その位置における音圧Pを示している。音圧分布は、分布曲線P2(実線)で表される。尚、微小ディンプル133を有さない場合を比較例として、その音圧分布を分布曲線P0(点線)で示す。
第2の実施の形態による音圧の分布曲線P2は、等ピッチで極大点を有する。極大となる横軸の座標は、前述の微小ディンプル133の中心軸上の位置に対応する。一方、比較例では、超音波が収束せずに鉛直方向に進行するため、振動素子120の振動のばらつきに起因した分布となる。
図11は、第2の実施の形態において、超音波が反射する過程を示す断面図である。超音波の大部分は、微小ディンプル133の中心軸上に収束するため、鉛直方向に対して斜めに進行して被洗浄物Wへ入射する。そのため、被洗浄物Wから洗浄液141へ反射する超音波の大部分も鉛直方向に対して斜めに進行する。従って、入射波と反射波とが同一直線上にないため、定在波の発生が抑えられる。さらに、この反射波の一部は、微小ディンプル133で反射して、前述の中心軸上に収束する。これにより、振動素子120へ反射する超音波の強度は弱くなり、超音波発振器110の動作に影響を及ぼさなくなる。
第2の実施の形態は、微細な配線パターンを有さない被洗浄物Wに対して、安定かつ高い洗浄性能を得る必要がある場合に適用される。この場合、振動面131の面方向、すなわち図9のx方向に沿って、振動伝達材130と被洗浄物Wの少なくとも一方を走査させることが望ましい。走査させることによって、図10で示した音圧分布曲線P2の極大点が、被洗浄物Wの全面を均等に通過する効果がある。
以下の第3乃至第9の実施の形態においては、第1の実施の形態に示した微小突起132、第2の実施の形態に示した微小ディンプル133の種々の変形例について説明する。第3乃至第9の実施の形態においても、第1乃至第2の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
<第3の実施の形態>
図12は、本発明の第3の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。第1の実施の形態と同様に、振動面131には、被洗浄物Wに向かって突出した微小突起132が等ピッチで形成されている。第1の実施の形態との違いは、微小突起132が曲面状ではなく鋭利な頂点を有することである。この微小突起132は、被洗浄物Wに向かって突出した角錐状もしくは円錐状の突起である。
また他方で、この振動面131には、振動素子120に向かって陥没した微小ディンプル133を有し、このディンプルの最深点が平坦面134を有する形状となっている。
<第4の実施の形態>
図13は、本発明の第4の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。第2の実施の形態と同様に、振動面131には、振動素子120に向かって陥没した微小ディンプル133が等ピッチで形成されている。第2の実施の形態との違いは、微小ディンプル133が曲面状ではなく鋭利な最深点を有することである。この微小ディンプル133は、振動素子120に向かって陥没した角錐状もしくは円錐状のディンプルである。
また他方で、この振動面131には、被洗浄物Wに向かって突出した微小突起132を有し、この突起の頂点が平坦面134を有する形状となっている。
<第5の実施の形態>
図14は、本発明の第5の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。第1の実施の形態と同様に、振動面131には、被洗浄物Wに向かって突出した曲面状の微小突起132が等ピッチで形成されている。第1の実施の形態との違いは、微小突起132間のスペース(凹部)が小さく、鋭利な最深点も同時に有することである。
<第6の実施の形態>
図15は、本発明の第6の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。第2の実施の形態と同様に、振動面131には、振動素子120に向かって陥没した微小ディンプル133が等ピッチで形成されている。第2の実施の形態との違いは、微小ディンプル133間のスペース(凸部)が小さく、鋭利な頂点も同時に有することである。
<第7の実施の形態>
図16は、本発明の第7の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。第3の実施の形態と同様に、振動面131には、鋭利な頂点を有する微小突起132が等ピッチで形成されている。第3の実施の形態との違いは、微小突起132間のスペース(凹部)が小さく、鋭利な最深点も同時に有することである。
<第8の実施の形態>
図17は、本発明の第8の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。第1の実施の形態と同様の微小突起132と、第2の実施の形態と同様の微小ディンプル133とを同時に有する。
<第9の実施の形態>
図18は、本発明の第9の実施の形態に係る超音波洗浄装置の要部を示す拡大断面図である。第1の実施の形態と同様に、振動面131には、被洗浄物Wに向かって突出した微小突起132が等ピッチで形成されている。第1の実施の形態との違いは、微小突起132及びそのスペース(凹部)ともに、平坦面を有することである。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
本発明の洗浄装置は、例えば半導体集積装置用基板、表示装置用ガラス基板、フォトマスク装置用基板、光ディスク用基板、磁気ディスク用基板、フィルム基板等に対して、超音波振動を照射した液体を用いて洗浄処理を行う超音波洗浄装置に適用して有効である。
10…超音波発振器、20…振動素子、21…振動素子ケース、22…ケーブル、30…振動伝達材、31…振動面、32…焦点位置、40…洗浄液供給配管、41…洗浄液、110…超音波発振器、120…振動素子、121…振動素子ケース、122…ケーブル、130…振動伝達材、131…振動面、132…微小突起、133…微小ディンプル、134…平坦面、140…洗浄液供給配管、141…洗浄液、W…被洗浄物、
P0…比較例による音圧の分布曲線、P1…第1の実施の形態による音圧の分布曲線、P2…第2の実施の形態による音圧の分布曲線。

Claims (4)

  1. 振動素子と、
    前記振動素子に高周波電力を付与して振動させる超音波発振器と、
    一端に前記振動素子を配置し、前記一端に対向する他端に被洗浄物との間に間隔を保って対向する振動面を配置した振動伝達材と、
    前記被洗浄物の表面に洗浄液を供給する洗浄液供給手段と、を備える超音波洗浄装置であって、
    前記振動面は、前記被洗浄物に向かって少なくとも2個以上の凹凸部を備え、
    前記被洗浄物の表面に供給された洗浄液に前記凹凸部を有する振動面を接触させて超音波を発生させることを特徴とする超音波洗浄装置。
  2. 超音波振動素子と、該超音波振動素子に所定の周波数を供給して振動させる超音波発振器と、一端に前記超音波振動素子を配置し、前記一端に対向する他端に被洗浄物との間に間隔を保って対向する振動面を配置し、前記超音波振動素子の振動を伝達する振動伝達材と、被洗浄物に洗浄液を供給する洗浄液供給手段を有する超音波洗浄装置において、
    前記洗浄液に振動を照射する前記振動伝達材の振動面は、複数の突起で構成していることを特徴とする超音波洗浄装置。
  3. 前記突起は、前記被洗浄物の搬送方向に向けて線状に配置されることを特徴とする請求項2に記載の超音波洗浄装置。
  4. 前記突起の間のスペースの寸法を前記突起の幅の寸法以下にすることを特徴とする請求項2に記載の超音波洗浄装置。
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