JP7349730B2 - 超音波洗浄方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて洗浄対象物の表面を洗浄する超音波洗浄方法に関する。

イメージセンサ等の半導体デバイスの表面に付着した異物の除去が求められている。ここのような異物除去の方法として、液体の二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いて半導体デバイスの異物を除去する技術が利用されている。この方法は、液体の二酸化炭素を噴射ノズルから洗浄対象物の表面に噴射させ、噴射時の断熱膨張により凍結してドライアイスとなったドライアイス粒子を洗浄対象物に衝突させて表面の異物の除去を行うものである（例えば、特許文献１参照）。

また、洗浄槽に洗浄液を満たし、洗浄液の中に洗浄対象物を浸漬させ、洗浄液に超音波を照射して洗浄対象物の洗浄を行う超音波洗浄機も多く用いられている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００－１１７２０１号公報 特許第６３０７６８４号明細書

しかし、特許文献１に記載されたような方法では、高純度のドライアイスを氷結させる機構部が必要であり装置が大型で複雑になってしまう。また、ドライアイスの粒子を吹き付ける際に半導体デバイスを損傷させてしまう場合があった。また、特許文献２に記載されたような洗浄槽を用いる超音波洗浄機は、洗浄対象物を洗浄槽に出し入れする必要があることから、ボンディング装置等の半導体製造装置に組み込むことが難しかった。

そこで、本発明は、洗浄対象物の損傷を抑制すると共に簡便な構成で洗浄対象物の洗浄を行うことを目的とする。

本発明の超音波洗浄方法は、洗浄対象物の表面を洗浄する超音波洗浄方法であって、保持面に洗浄対象物を保持する洗浄ステージと、洗浄ステージと離間して配置され、指向性を有する複数の超音波発生器と複数の超音波発生器から発生した複数の超音波が集中するように複数の超音波発生器が取付けられるケーシングとを有する音響ヘッドと、を備える音響式洗浄装置を準備する準備工程と、洗浄ステージに保持された洗浄対象物の表面に洗浄液を塗布する洗浄液塗布工程と、洗浄液塗布工程の後、音響ヘッドに取付けられた複数の超音波発生器から発生した複数の超音波を洗浄液が塗布された洗浄対象物の表面に照射して、表面に付着している異物を表面から剥離させる剥離工程と、音響ヘッドに取付けられた複数の超音波発生器から発生した複数の超音波をケーシングと洗浄ステージの保持面との間の空隙で集中させて空隙に大気圧よりも圧力が低い低圧領域を形成し、洗浄対象物の表面から剥離した異物と表面に塗布された洗浄液とを低圧領域に吸引する吸引工程と、を有することを特徴とする。

このように、超音波発生器から発生した複数の超音波を洗浄液が塗布された洗浄対象物の表面に照射することにより、洗浄液にキャビテーションを発生させて、泡の圧壊の際の圧力、振動により洗浄対象物の表面に付着している異物を表面から剥離させることができる。そして、ケーシングと洗浄ステージとの間の空隙に低圧領域を形成し、洗浄対象物の表面から剥離した異物と表面に塗布された洗浄液とを低圧領域に吸引することにより、洗浄対象物の表面から異物と洗浄液とを除去して洗浄対象物の表面を清浄状態とすることができる。本発明の超音波洗浄方法は、洗浄対象物の表面に非接触で異物の除去を行うことができ、洗浄対象物の損傷を抑制することができる。簡便な構成で洗浄対象物の表面の洗浄を行うことができる。

本発明の超音波洗浄方法において、準備工程で準備する音響式洗浄装置は、音響ヘッドを洗浄ステージに保持された洗浄対象物に対して相対的に移動させる移動機構を備え、剥離工程は、音響ヘッドを洗浄ステージに保持された洗浄対象物と空隙を介して表面に沿って相対的に移動させながら、複数の超音波を洗浄対象物の表面に照射し、吸引工程は、低圧領域を洗浄ステージに保持された洗浄対象物の表面の上方で表面に沿って相対的に移動させながら、洗浄対象物の表面から剥離した異物と表面に塗布された洗浄液とを低圧領域に吸引してもよい。

これにより、洗浄対象物の表面を連続的に洗浄することができる。

本発明の超音波洗浄方法において、剥離工程は、表面からの低圧領域の高さが超音波の半波長よりも高くなるように音響ヘッドを移動させ、吸引工程は、表面からの低圧領域の高さが超音波の半波長以下となるように音響ヘッドを移動させ、剥離工程の後に吸引工程を実行してもよい。

洗浄対象物からの超音波の反射により、低圧領域は、洗浄対象物の表面から１／４波長から半波長の高さに定在する。低圧領域は圧力が大気圧よりも低い低圧状態に保持される領域で超音波の振動による圧力の変化が少ない領域である。そこで、剥離工程では、表面からの低圧領域の高さが超音波の半波長よりも高くなるように音響ヘッドを移動させることによって、超音波による圧力変動が大きい領域を洗浄対象物の表面に到達させて、洗浄液に効果的にキャビテーションを発生させ、異物の剥離を促進することができる。そして、異物の剥離が終わった後、表面からの低圧領域の高さが超音波の半波長以下となるようにして洗浄対象物の表面が低圧領域に近接するように音響ヘッドを移動させることにより、洗浄対象物の表面から剥離した異物と洗浄液とを効果的に低圧領域に吸引させることができる。

本発明の超音波洗浄方法において、表面からの低圧領域の高さを超音波の半波長よりも高く、１波長よりも低くなるように音響ヘッドを移動させ、剥離工程と吸引工程とを同時に実行してもよい。

これにより、洗浄対象物の表面に塗布された洗浄液にキャビテーションを発生させると同時に表面から剥離した異物を低圧領域に吸引することができるので、洗浄速度を上げることができる。

本発明は、洗浄対象物の損傷を抑制すると共に簡便な構成で洗浄対象物の洗浄を行うことができる。

実施形態の超音波洗浄方法を実行する音響式洗浄装置の構成を示す立面図である。 図１に示す音響式洗浄装置を用いて実施形態の超音波洗浄方法を実行した場合の各工程を示すフローチャートである。 実施形態の超音波洗浄方法の洗浄液塗布工程を実行中の音響式洗浄装置を示す立面図である。 実施形態の超音波洗浄方法の剥離工程を実行中の音響式洗浄装置を示す立面図である。 実施形態の超音波洗浄方法の吸引工程を実行中の音響式洗浄装置を示す立面図である。 実施形態の超音波洗浄方法の廃棄工程を実行中の音響式洗浄装置を示す立面図である。 実施形態の超音波洗浄方法の廃棄工程を実行中の音響式洗浄装置を示す立面図である。

以下、図面を参照しながら実施形態の超音波洗浄方法について説明する。最初に図１を参照しながら実施形態の超音波洗浄方法を実行する音響式洗浄装置１００の構成について説明する。図１に示すように、音響式洗浄装置１００は、洗浄ステージ１０と、音響ヘッド２０と、移動機構３０と、異物廃棄部１６と、洗浄液吐出ノズル６０とを備えている。なお、以下の説明では、図１の紙面に対して垂直方向をＸ方向、水平面でＸ方向と直交する方向をＹ方向、上下方向をＺ方向として説明する。

洗浄ステージ１０は、図示しないベースに取付けられている。洗浄ステージ１０は、上側の保持面１０ａに洗浄対象物である電子部品１３を吸着保持する。電子部品１３は、例えば、サブスレート１１の上に取付けられたイメージセンサ１２であってもよい。洗浄ステージ１０は、電子部品１３をＸ方向に搬送可能である。また、洗浄ステージ１０の横には、異物廃棄部１６が配置されている。異物廃棄部１６は、例えば、下方向への真空吸引機構を含んでいる。

洗浄ステージ１０の上方には、洗浄ステージ１０と離間して音響ヘッド２０が配置されている。音響ヘッド２０は、ケーシング２２と、ケーシング２２に取付けられた複数の超音波スピーカー２１とで構成されている。音響ヘッド２０のケーシング２２は、音響ヘッド２０を洗浄ステージ１０の上に吸着保持された電子部品１３に対して相対的に移動させる移動機構３０に接続されている。

移動機構３０は、図示しないベースにＸ方向に移動可能に取付けられたガイドレール３１と、ガイドレール３１に沿ってＹ方向に移動するスライダ３３とで構成されている。ガイドレール３１は、Ｘ方向移動機構３２によってＸ方向に移動可能に構成されている。スライダ３３は、内部にＹ方向移動機構３４を備えておりガイドレール３１にガイドされてＹ方向に移動可能に構成されている。音響ヘッド２０のケーシング２２はＺ方向に延びるアーム３６でスライダ３３に接続されている。スライダ３３は、内部にアーム３６をＺ方向に駆動するＺ方向移動機構３５を備えており、音響ヘッド２０をＺ方向に移動可能に構成されている。従って、移動機構３０は、音響ヘッド２０を洗浄ステージ１０の上に吸着保持された電子部品１３に対してＸＹＺ方向に相対的に移動可能に構成されている。また、移動機構３０は、音響ヘッド２０を異物廃棄部１６の上方まで移動可能に構成されている。

音響ヘッド２０のケーシング２２は、球形のドーム状で下方の洗浄ステージ側が開放されている。ケーシング２２を構成する球面の球中心２６は、下側の開放面２５よりも下方のケーシング２２の中央下部で、ケーシング２２と洗浄ステージ１０の保持面１０ａとの間の空隙１４に位置している。超音波スピーカー２１は、指向性を有する超音波発生器であり、軸２１ａの方向で軸２１ａを中心とした指向角度θの範囲に超音波２４が伝番するように超音波２４を発生させる。複数の超音波スピーカー２１は、各軸２１ａがケーシング２２の球面の球中心２６で交差するようにケーシング２２に取付けられている。このため、複数の超音波スピーカー２１から発生された各超音波２４は、球中心２６の位置するケーシング２２の中央下部で交差する。球中心２６は、洗浄ステージ１０の保持面１０ａとの間の空隙１４に位置するので、各超音波２４は空隙１４で集中する。

各超音波スピーカー２１には、それぞれ超音波スピーカー２１を駆動する駆動ユニット２３が接続されている。各駆動ユニット２３は、接続されている超音波スピーカー２１が発生する超音波２４の位相を調整可能となっている。また、複数の駆動ユニット２３は、複数の超音波スピーカー２１で構成される超音波スピーカー群を駆動する駆動回路を構成する。

洗浄ステージ１０の横には、洗浄ステージ１０の上に載置された電子部品１３の表面１５の上に進退可能な洗浄液吐出ノズル６０が配置されている。洗浄液吐出ノズル６０は、図示しない駆動機構に支持されてイメージセンサ１２の表面１５上方をＸＹ方向にスキャンするように移動して先端から洗浄液６１をイメージセンサ１２の表面１５に塗布する。

移動機構３０のＸ方向移動機構３２と、Ｙ方向移動機構３４と、Ｚ方向移動機構３５と、各超音波スピーカー２１を駆動する駆動ユニット２３と、洗浄液吐出ノズル６０の駆動機構とは、制御部５０に接続されて制御部５０の指令によって駆動する。制御部５０は、内部に情報処理を行うプロセッサであるＣＰＵ５１と制御プログラムや制御用データを格納する記憶部５２とを備えるコンピュータである。

次に図２から図７を参照しながら以上のように構成された音響式洗浄装置１００の動作について説明する。最初に先に説明した音響式洗浄装置１００を準備しておく（準備工程）。

図２のステップＳ１０１、図３に示すように、制御部５０は、移動機構３０によって音響ヘッド２０を洗浄ステージ１０の横に移動させ、図示しない洗浄液吐出ノズル６０の駆動機構を駆動して先端から洗浄液６１を吐出させながら洗浄液吐出ノズル６０の先端をイメージセンサ１２の表面１５の上方でＸＹ方向にスキャン移動させてイメージセンサ１２の表面１５に洗浄液６１を塗布する。洗浄液６１としては様々な液体を使用可能であるが、例えば、界面活性剤の溶液を用いてもよい（洗浄液塗布工程）。

図４に示すように制御部５０は、図示しない洗浄液吐出ノズル６０の駆動機構を駆動して洗浄液吐出ノズル６０を洗浄ステージ１０の横に移動させると共に、音響ヘッド２０を洗浄ステージ１０の上に移動させる。そして、制御部５０は、図２のステップＳ１０２に示すように駆動ユニット２３によって各超音波スピーカー２１からそれぞれ所定の周波数の超音波２４を発生させる。各超音波スピーカー２１は、指向性が有り、各軸２１ａの方向で軸２１ａを中心とした指向角度θの範囲に伝播していく。各超音波スピーカー２１は、各軸２１ａがケーシング２２の中央下部に位置する球中心２６で交差するようにケーシング２２に取付けられているので、各超音波スピーカー２１から発生した超音波２４は、ケーシング２２の中央下部、或いは、空隙１４で交差、集中して重ね合わされる。この超音波２４の重ね合わせにより、ケーシング２２の中央下部には、大気圧よりも圧力が低い低圧領域４０が形成される。低圧領域４０は、直径が超音波２４の半波長程度の大きさである。

次に、制御部５０は、図２のステップＳ１０３、図４に示すように、音響ヘッド２０を洗浄ステージ１０の上に保持されたイメージセンサ１２の表面１５の上方で表面１５に沿って移動させながら、音響ヘッド２０に取付けられた複数の超音波スピーカー２１から発生した複数の超音波２４を洗浄液６１が塗布されたイメージセンサ１２の表面１５に照射して、表面１５に付着している異物９０を表面１５から剥離させる剥離工程を実行する。

イメージセンサ１２の表面１５からの超音波２４の反射により、低圧領域４０は、イメージセンサ１２の表面１５から１／４波長から半波長の高さに定在する。低圧領域４０は圧力が大気圧よりも低い低圧状態に保持される領域で超音波２４の振動による圧力の変化が少ない領域である。そこで、制御部５０は、イメージセンサ１２の表面１５からの低圧領域４０の高さｈ１が超音波２４の半波長よりも高くなるように音響ヘッド２０を保持することによって、超音波２４による圧力変動が大きい領域をイメージセンサ１２の表面１５に到達させて、洗浄液６１に効果的にキャビテーションを発生させ、異物９０の剥離を促進する。

例えば、超音波２４の周波数が４０ｋＨｚの場合、半波長は４．２５ｍｍ、１／４波長は２．１２５ｍｍであるから、制御部５０は、剥離工程では、低圧領域４０の高さｈ１がイメージセンサ１２の表面１５から５ｍｍ以上上方となるように、音響ヘッド２０を保持してＸＹ方向にスキャン移動させる。

このように、各超音波２４をイメージセンサ１２の表面１５に照射すると、図４に示すように、超音波２４によって洗浄液６１の中でキャビテーションによる気泡６２が発生する。そして、この気泡６２が圧壊する際の圧力変動、温度により、イメージセンサ１２の表面１５に付着している異物９０を表面１５から剥離させることができる。また、キャビテーションによりイメージセンサ１２の表面１５に付着している有機物を除去し、表面１５を洗浄状態とすることができる。

次に制御部５０は、図２のステップＳ１０４、図５に示すように吸引工程を実行する。
吸引工程では、低圧領域４０を洗浄ステージ１０の上に保持されたイメージセンサ１２の表面１５の上方で表面１５に沿って相対的に移動させながらケーシング２２の中央下部に低圧領域４０を形成し、イメージセンサ１２の表面１５から剥離した異物９０と表面１５に塗布された洗浄液６１とを低圧領域４０に吸引する。

この際、制御部５０は、イメージセンサ１２の表面１５からの低圧領域４０の高さｈ２が超音波２４の半波長以下となるように移動機構３０を動作させて、音響ヘッド２０をイメージセンサ１２の上方でＸＹ方向にスキャン移動させる。先に述べたように、超音波２４の周波数が４０ｋＨｚの場合、半波長は４．２５ｍｍであるから、制御部５０は、低圧領域４０の高さがイメージセンサ１２の表面１５から１～５ｍｍ程度の位置となるように保持して音響ヘッド２０をＸＹ方向にスキャンする。これにより、低圧領域４０がイメージセンサ１２の表面１５に近接するので、図５の白抜き矢印９１に示すように、イメージセンサ１２の表面１５から剥離した異物９０と洗浄液６１とを一体として低圧領域４０に吸引して表面１５から除去することができる。低圧領域４０に吸引された異物９０と洗浄液６１とは、低圧領域４０の中に捕捉されて浮遊した状態で音響ヘッド２０と共に移動する。

制御部５０は、イメージセンサ１２の上方で音響ヘッド２０をＸＹ方向にスキャンしたら、図２のステップＳ１０５，図６に示すように、音響ヘッド２０を異物廃棄部１６の上方に移動させる。そして、制御部５０は図２のステップＳ１０６に示すように異物廃棄部１６の下方向への真空吸引機構を動作させ、図２のステップＳ１０７に示すように、駆動ユニット２３による超音波スピーカー２１の駆動を停止する。すると、図７に示すように、低圧領域４０が消失し、低圧領域４０に捕捉されていた異物９０と洗浄液６１とは、下側の異物廃棄部１６に真空吸引されて外部に廃棄される（廃棄工程）。

以上説明したように、実施形態の超音波洗浄方法は、イメージセンサ１２の表面１５に非接触で異物９０の除去を行うことができ、イメージセンサ１２の損傷を抑制することができると共に、簡便な構成でイメージセンサ１２の表面１５の洗浄を行うことができるので、ボンディング装置等に組み込むことが可能となる。

以上説明では、剥離工程では、イメージセンサ１２の表面１５からの低圧領域４０の高さｈ１が超音波２４の半波長よりも高くなるように音響ヘッド２０を保持してＸＹ方向にスキャンさせ、吸引工程では、イメージセンサ１２の表面１５からの低圧領域４０の高さｈ２が超音波２４の半波長以下となるように音響ヘッド２０を保持してＸＹ方向にスキャンさせることとして説明したが、これに限らない。

例えば、イメージセンサ１２の表面１５からの低圧領域４０の高さを超音波２４の半波長よりも高く、１波長よりも低くなるように音響ヘッド２０を保持してＸＹ方向にスキャンするようにしてもよい。

先に述べたように、低圧領域４０は、イメージセンサ１２の表面１５から１／４波長から半波長の高さに定在する。そこで、イメージセンサ１２の表面１５からの低圧領域４０の高さを超音波２４の半波長よりも高く、１波長よりも低くなるように音響ヘッド２０を保持する。これにより、低圧領域４０が表面１５から少し遠くなり、先に説明した実施形態よりも吸引力が低下するものの、半波長よりも高くすることにより表面１５に付着している異物９０の剥離を促進できる。これにより、剥離工程と吸引工程とを同時に実行することができ、電子部品１３の表面１５の洗浄を短時間で行うことができる。

１０ 洗浄ステージ、１０ａ 保持面、１１ サブスレート、１２ イメージセンサ、１３ 電子部品、１４ 空隙、１５ 表面、１６ 異物廃棄部、２０ 音響ヘッド、２１ 超音波スピーカー、２１ａ 軸、２２ ケーシング、２３ 駆動ユニット、２４ 超音波、２５ 開放面、２６ 球中心、３０ 移動機構、３１ ガイドレール、３２ Ｘ方向移動機構、３３ スライダ、３４ Ｙ方向移動機構、３５ Ｚ方向移動機構、３６ アーム、４０ 低圧領域、５０ 制御部、５１ ＣＰＵ、５２ 記憶部、６０ 洗浄液吐出ノズル、６１ 洗浄液、９０ 異物、１００ 音響式洗浄装置。

Claims (4)

1. 洗浄対象物の表面を洗浄する超音波洗浄方法であって、
   保持面に前記洗浄対象物を保持する洗浄ステージと、前記洗浄ステージと離間して配置され、指向性を有する複数の超音波発生器と複数の前記超音波発生器から発生した複数の超音波が集中するように複数の前記超音波発生器が取付けられるケーシングとを有する音響ヘッドと、を備える音響式洗浄装置を準備する準備工程と、
   前記洗浄ステージに保持された前記洗浄対象物の前記表面に洗浄液を塗布する洗浄液塗布工程と、
   前記洗浄液塗布工程の後、前記音響ヘッドに取付けられた複数の前記超音波発生器から発生した複数の超音波を前記洗浄液が塗布された前記洗浄対象物の前記表面に照射して、前記表面に付着している異物を前記表面から剥離させる剥離工程と、
   前記音響ヘッドに取付けられた複数の前記超音波発生器から発生した複数の超音波を前記ケーシングと前記洗浄ステージの前記保持面との間の空隙で集中させて前記空隙に大気圧よりも圧力が低い低圧領域を形成し、前記洗浄対象物の前記表面から剥離した前記異物と前記表面に塗布された前記洗浄液とを前記低圧領域に吸引する吸引工程と、
   を有する超音波洗浄方法。
2. 請求項１に記載の超音波洗浄方法であって、
   前記準備工程で準備する前記音響式洗浄装置は、前記音響ヘッドを前記洗浄ステージに保持された前記洗浄対象物に対して相対的に移動させる移動機構を備え、
   前記剥離工程は、前記音響ヘッドを前記洗浄ステージに保持された前記洗浄対象物と前記空隙を介して前記表面に沿って相対的に移動させながら、複数の前記超音波を前記洗浄対象物の前記表面に照射し、
   前記吸引工程は、前記低圧領域を前記洗浄ステージに保持された前記洗浄対象物の前記表面の上方で前記表面に沿って相対的に移動させながら、前記洗浄対象物の前記表面から剥離した前記異物と前記表面に塗布された前記洗浄液とを前記低圧領域に吸引すること、
   を特徴とする超音波洗浄方法。
3. 請求項２に記載の超音波洗浄方法であって、
   前記剥離工程は、前記表面からの前記低圧領域の高さが前記超音波の半波長よりも高くなるように前記音響ヘッドを移動させ、
   前記吸引工程は、前記表面からの前記低圧領域の高さが前記超音波の半波長以下となるように前記音響ヘッドを移動させ、
   前記剥離工程の後に前記吸引工程を実行すること、
   を特徴とする超音波洗浄方法。
4. 請求項２に記載の超音波洗浄方法であって、
   前記表面からの前記低圧領域の高さを前記超音波の半波長よりも高く、１波長よりも低くなるように前記音響ヘッドを移動させ、
   前記剥離工程と前記吸引工程とを同時に実行すること、
   を特徴とする超音波洗浄方法。

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