JPH07283183A - 超音波洗浄装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】５００ｋＨｚ以上の周波数を用いた超音波洗浄
装置の洗浄効果を向上させる。 【構成】洗浄液供給口２と細長いスリット状の噴射口３
を有する本体ケース１の内部に固定された振動源ケース
４の下面の振動板５の放射面と噴射口３との距離Ｌが、
長方形平板状の圧電振動子６の幅を２ｄとし、洗浄液中
の超音波振動の波長をλとしたとき、Ｌ＝０．４（ｄ²
／λ）〜２（ｄ² ／λ）となるように設定した。 【効果】振動放射面から放射される超音波エネルギがス
リット状噴射口３に集束されるため洗浄効果が向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体関連のシリコン
ウェハ，化合物半導体ウェハ，ガラスマスク，液晶用の
ガラス基板等の精密洗浄に用いられる５００ｋＨｚ以上
の高周波超音波洗浄装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体関連のウェハやガラスマスク，液
晶用のガラス基板に付着している汚れは、粒子が小さく
直径が０．１μｍ〜１０μｍ程度が大部分であり、付着
力は概して弱く、超音波洗浄で剥離可能であるが、反
面、洗浄物の材質はもろく、２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの
低い周波数では超音波の作用によって損傷を受けやすい
ので、５００ｋＨｚ〜１．５ＭＨｚの高周波数の超音波
を使用した超音波洗浄装置が用いられている。昨今では
生産性を上げることが必須の状況であり、洗浄効果を上
げて洗浄時間を短くすることが求められている。これを
超音波機能の改善により解決するためには、振動源の印
加電力を大きくする方法がある。しかし、超音波発生源
の出力増大には自ら限界があり、寿命や信頼性等すべて
の点から超音波振動子の入力電力レベルは５〜１０Ｗ／
ｃｍ² 程度が限度である。そこで、このレベルを高める
ために、音響レンズ等の技術を用いて超音波エネルギを
集束させる方法が試みられている。

【０００３】さて、上記のような被洗浄物を洗浄する高
周波洗浄装置には枚葉処理に用いられる噴射型洗浄装置
とバッチ処理に用いられる洗浄槽型洗浄装置とがある。

【０００４】図７は従来の噴射型洗浄装置の断面図であ
る。２１は本体ケースであり、供給口２４から洗浄液を
加圧供給し、噴出口２５から噴出させて被洗浄物２０に
吹き付ける。２２は圧電振動子、２３は振動板であり、
圧電振動子２２に高周波電圧を印加することにより、噴
出口２５から噴出される洗浄液に超音波振動を与えるよ
うに構成されている。本体ケース２１には、ホーン形と
両面傾斜形とがあり、ホーン形の場合は噴出口２５が円
形穴となり、両面傾斜形の場合は噴出口２５が細長いス
リット状となる。図７に示した従来構成の場合は、振動
板２３から直角方向に噴出口２５に向かって放射される
超音波エネルギは、内壁面が傾斜しているため一部分が
反射され、噴出口２５から放出される洗浄液に有効に与
えられないという欠点がある。

【０００５】図８は上記の欠点を改良した従来の噴射型
洗浄装置の断面図である。図において、２０〜２５は図
７と同様であるが、本体ケース２１の内部に、周辺に洗
浄液を通過させる孔部を設けた音響レンズ２６を設け
て、振動板２３から放射される超音波エネルギを噴射口
２５に集束するようにして効率を上げた構成である。音
響レンズ２６は、ホーン形本体ケースのときは円形レン
ズを用いて丸穴噴出口２５に超音波エネルギを点状に集
束させ、両面傾斜形本体ケースのときは円筒形（シリン
ドリカル）レンズを用いてスリット形噴出口２５に超音
波エネルギを線状に集束させる。

【０００６】図９は更に改良がなされた従来の噴射型洗
浄装置の断面図である。音響レンズを用いないで超音波
エネルギを集束させる手段を有するものである。洗浄液
の供給口３０と噴出口３１を有する本体ケース２７に取
り付ける振動源として、平板状圧電振動子２８に片面が
凹面の金属製の振動板２９が固着されている。図１０は
振動源の平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。２９−１
は本体ケース２７への取付部である。図１０は図９の本
体ケース２７が円筒形の場合であり、超音波振動は丸穴
噴出口３１に点状に集束される。この本体ケース２７が
横に長く、噴出口３１が細長いスリット状のときは、図
１３に示すように振動源が方形となる。即ち、方形板状
の圧電振動子３８を、片面が円筒の一部のように凹状に
加圧された振動板３９に固着される。３９−１は取付部
である。この場合、超音波振動がスリット噴出口３１に
線状に集束される。

【０００７】次に、洗浄槽型洗浄装置の従来の場合につ
いて説明する。図１１は従来の洗浄槽型洗浄装置の部分
断面斜視図である。有底，無蓋の箱形の洗浄槽３５の底
面に平板状圧電振動子３６が固着され、矢印のように上
方に向かって超音波振動を放射し、洗浄液中の板状被洗
浄物３７の両面を同時に洗浄する。この場合、超音波エ
ネルギは被洗浄物３７の面と平行に伝播されるため洗浄
効率が低いという欠点がある。

【０００８】図１２は上記の欠点を改良した従来の洗浄
槽型洗浄装置の部分断面斜視図であり、振動源を投げ込
み式とし、平板状圧電振動子３８とそれを固着する片面
が部分円筒凹状の金属製振動板３９とで構成され、図の
矢印のように超音波エネルギが集束され洗浄効率が向上
する。図１３は振動源の正面図（ａ）と側面図（ｂ）で
ある。

【０００９】また、超音波エネルギを点状あるいは線状
に集束させるために、図１０，図１３の振動源を圧電素
子によって中空球体の一部または中空円筒の一部の形状
をなすように一体化形成する構成も報告されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の噴
射型洗浄装置，洗浄槽型洗浄装置における洗浄効率を上
げる手段として、（イ）音響レンズを用いる方法、
（ロ）振動源の振動板の片面を凹状にする方法、（ハ）
放射面が凹状の圧電振動子を振動源とする方法などがあ
るが、それぞれ次のような欠点がある。 （イ）音響レンズを用いる場合は、音響レンズの構造，
取付け方法，取付け位置にそれぞれ困難を伴い、音響レ
ンズの超音波エネルギ透過率にも問題がある。 （ロ）片面を凹状に加工した振動板を用いる場合、振動
板の厚さが一様でないために、すべての部分で板厚モー
ドの共振状態とすることは不可能であり、通常の強さの
振動が得られる部分は、厚さが半波長の部分のある一部
分のみの振動となり、他の部分は弱いという欠点があ
る。 （ハ）放射面が凹状の圧電振動子を用いる場合、５００
ｋＨｚ以上の例えば１ＭＨｚの圧電振動子の材料は、チ
タン酸鉛ジルコン酸鉛系の強誘電体セラミックであるた
め製作，加工が困難であり均一な製品を作ることは極め
て難しいという欠点がある。

【００１１】本発明の目的は、上記従来の欠点（イ），
（ロ），（ハ）を排除するために、音響レンズを用いる
ことなく、平板状の圧電振動子を用いて超音波エネルギ
を集束させ、洗浄効率を上げることのできる超音波洗浄
装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した本発
明の超音波洗浄装置は、底面に細長いスリット状噴射口
が設けられ側面に設けられた供給口から加圧供給される
洗浄液が前記噴射口から噴射するように構成された本体
ケースと、該本体ケースに前記噴射口と所定の間隔
（Ｌ）を保って平行に固定され、前記噴射口に対応した
細長い底面の振動板から前記洗浄液中に該噴射口に対し
て５００ kＨz 以上の周波数の超音波振動を放射する振
動源とを備え、前記振動板に固着された長方形の平板状
超音波圧電振動子の短辺の長さを（２ｄ）とし、前記洗
浄液中の超音波振動の波長をλとしたとき、前記所定の
間隔（Ｌ）が、Ｌ＝０．４×（ｄ² ／λ）〜２×（ｄ²
／λ）なる範囲に設定されたことを特徴とする噴射型超
音波洗浄装置である。

【００１３】さらに、請求項２に記載した本発明の超音
波洗浄装置は、洗浄液を収容するための有底，無蓋の洗
浄槽と、該洗浄槽の底面または側面に設けられ５００ k
Ｈz以上の周波数の超音波振動を該洗浄槽内の前記洗浄
液中に放射する短辺の長さが２ｄの長方形の平板状超音
波圧電振動子とを備えた洗浄槽型超音波洗浄装置におい
て、前記超音波圧電振動子が固着された洗浄槽の振動放
射面から前記洗浄液中に浸漬する被洗浄物までの距離を
Ｌとし、前記洗浄液中を伝播する超音波振動の波長をλ
としたとき、前記超音波圧電振動子の短辺の長さ２ｄ
が、Ｌ＝０．４×（ｄ² ／λ）〜２×（ｄ² ／λ）で求
められる範囲になるように設定したことを特徴とする洗
浄槽型超音波洗浄装置である。

【００１４】

【作用】一般に、平板の音源から伝搬する音の拡がりの
条件（指向性）は、音源を円板とし、半径をｄ、媒体中
の波長をλとすると、中心軸上の値に対して１／２にな
る角度を示す半減角θ_1/2 ＝ sin^-1（０．７１λ／ｄ）
で表される。これは音源から一定条件の距離２（ｄ² ／
λ）以上で音が拡がることを示しており、この範囲は遠
距離音場と呼ばれている。この距離２（ｄ² ／λ）以内
は近距離音場と呼ばれ、音の拡がりを示す現象は現れ
ず、音源の中心軸上と近傍との位相関係で強め合ったり
弱め合ったりし、中心軸上に集束する現象が現れる。本
発明はこの現象に着目して行われたものである。

【００１５】図２は本発明の原理説明図であり、超音波
振動面から振動面に直角の方向に放射される超音波の伝
播方向と集束の状況を示す説明図である。波長λと振動
子の一辺の長さ２ｄとにより導かれる距離が２（ｄ² ／
λ）程度より遠い範囲が超音波が拡がって伝播する遠距
離音場であり、この距離より近い範囲が超音波が集束す
る近距離音場である。例えば、超音波の周波数を１ＭＨ
ｚとした場合、水中での波長λは１．５ｍｍであり、音
源の放射面の寸法を１８ｍｍ（幅＝２ｄ）×１００ｍｍ
（長さ）の長方形とすると、１８ｍｍの短辺方向の遠距
離音場は２（９² ／１．５）＝１０８ｍｍ以遠となり、
１００ｍｍの長辺方向の遠距離音場は２（５０² ／１．
５）＝３．３３３ｍｍ≒３．３ｍ以遠となる。従って短
辺（２ｄ）方向では１００ｍｍ程度以内が近距離音場と
なり、超音波エネルギが効率良く集束され、長辺方向は
集束されず、あたかもシリンドリカルのレンズの作用を
することを確認した。

【００１６】長さが幅の約２倍以上という条件のもとで
長方形の圧電素子の幅（２ｄ）の寸法を種々変えて測定
した結果、集束可能な音源からの距離の範囲は、概略
０．４（ｄ² ／λ）〜２（ｄ² ／λ）であることが確か
められた。上記の具体例では、幅２ｄ＝１８ｍｍの場
合、放射面からの距離が２２〜１００ｍｍの範囲で超音
波エネルギが集束されることが確認された。このよう
に、音響レンズや凹状振動子を用いることなく四角形や
円形の平板状超音波振動子で、振動面の寸法を適宜設定
することにより、所定の距離での超音波エネルギを集束
することができるので、被洗浄物に強い超音波エネルギ
を照射させて洗浄効果を高めることができる。

【００１７】

【実施例】図１は、本発明による噴射型超音波洗浄装置
の実施例を示す斜視図であり、（ａ）は全体斜視図、
（ｂ）は断面斜視図である。半導体材料としてのシリコ
ンウェハ，化合物半導体ウェハ，ガラスマスク，液晶の
ガラス基板等の枚葉処理方式の洗浄用として、これらの
被洗浄物７をべルトコンベア上に載せて１枚ずつ移動さ
せる装置に取付けて、洗浄液を上方から被洗浄物７に噴
射させて洗浄する。図において、１は本体ケース、２は
供給口、３は噴射口、４は振動源ケース、５は振動板、
６は圧電振動子である。純水その他の洗浄液を供給口２
から加圧注入し、下端に設けたスリット状噴出口３から
被洗浄物７に対して噴射し、この噴射する洗浄液を媒体
として超音波を被洗浄物７に伝達させ、常に新しい洗浄
液で洗浄する。

【００１８】振動源は、平板状圧電振動子６が金属振動
板５の内側に固着され、振動源ケース４を覆って洗浄液
が入り込まないように密封した構造であり、本体ケース
１の側面に固定されている。圧電振動子６に高周波電力
を印加する導線は外部へ導出されているが図示を省略し
た。振動板５の内側に貼り付けられた圧電振動子５は、
図２（Ｂ）に表裏を逆に示したように、幅（２ｄ）の約
２倍以上の長さを有する長方形であり、強誘電体セラミ
ックを一体化形成してもよいし、正方形あるいは長方形
の圧電振動子を長さ方向に連接配置してもよい。

【００１９】図１（ｂ）の圧電振動子６の幅を２ｄとし
たとき、振動板５の放射面から噴出口３までの距離Ｌ
は、振動エネルギが噴射口３に集束される距離０．４
（ｄ² ／λ）〜２（ｄ² ／λ）の範囲に設定されてい
る。超音波振動子６と振動板５は平板状で、厚味振動に
よって振動面から放射される超音波エネルギは集束して
スリット状噴出口３を通過する。このスリット３の幅を
広くすると超音波エネルギの透過量は増すが、洗浄液が
多量に消費される。反面、このスリット３の幅を狭くし
た場合は、洗浄液の消費量は少ないが、超音波エネルギ
の透過量が減ずることになる。実用的には、スリット３
の幅は２ｍｍのものが多く、１〜３ｍｍ程度が好まし
い。

【００２０】図３は音源の短辺の長さ（幅）２ｄが１８
ｍｍで、集束可能な音源からの距離Ｌが２２〜１０８ｍ
ｍの範囲のほぼ中間部分の距離６５ｍｍの点における音
圧分布図であり、振動板の幅の中心線上の音圧が最大と
なることを示している。中心の値に対して９０％程度ま
では音圧がほぼ実用的な値とみなせるため、１８ｍｍ幅
の音源から放射される超音波エネルギは、その幅の約１
／１０の２ｍｍに集束されている。

【００２１】図４は超音波振動子の幅（２ｄ）に対する
集束可能な振動面からの距離を示すグラフであり、斜線
部分が集束範囲を示し、周波数が１ＭＨｚのときのグラ
フである。１ＭＨｚの水中での波長λは１．５ｍｍとな
り、音源の幅２ｄが１８ｍｍのときの集束可能な距離範
囲は２２〜１０８ｍｍとなる。超音波振動子の長さは１
００ｍｍ以上であり、長さ方向に対する集束距離範囲は
振動面から遠くに位置して、実用的な洗浄槽の深さや、
スリットを通過して被洗浄物までの距離を越えるため、
スリットまでの洗浄液中や、洗浄槽中で集束の現象は見
られない。図５は周波数が５００ｋＨｚのときの集束範
囲を示すグラフである。

【００２２】図６は本発明の洗浄槽型超音波洗浄装置の
断面図である。ガラス基板等の板状の被洗浄物１４を１
枚または複数枚洗浄液の中に浸して、一定時間だけ移動
を止めて洗浄する。これはバッチ式処理である。被洗浄
物１４の板に平行に超音波エネルギを作用させる場合、
超音波エネルギを板厚とほぼ等しい線状に集束させるこ
とができるため洗浄効果が増大する。洗浄槽１１の底面
に、被洗浄物１４の板厚より幅の広い平板状の超音波振
動子１２が取付けられ、超音波エネルギは集束して被洗
浄物１４の両面に有効に照射される。１３は板状被洗浄
物１４の保持具である。超音波振動子１２は側面に取付
けても同じ効果が得られる。

【００２３】以上の図では、超音波振動子を駆動する超
音波発振器とこれらを接続するコードはいずれも省略し
てある。

【００２４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明を実
施することにより、次の効果がある。 （１）枚葉処理方式に用いる噴射形超音波洗浄装置にお
いて、平板状の厚味振動を利用した超音波振動子を振動
板に固着した振動源から放射される超音波エネルギは、
レンズを用いることなく集束して効率よくスリットを通
過して被洗浄物に照射されるため洗浄効果を高めること
ができる。 （２）洗浄槽型超音波洗浄装置において、平板状の厚味
振動を利用した超音波振動子を振動板（洗浄槽）に固着
した振動源から放射される超音波エネルギが洗浄液中で
効率よく集束するため、寸法の小さいまたは厚さの薄い
被洗浄物に超音波エネルギを効率良く照射させるので洗
浄効果を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の噴射型超音波洗浄装置の斜視図であ
る。

【図２】本発明の原理説明図である。

【図３】本発明の音圧分布図である。

【図４】本発明の有効集束範囲を示すグラフである。

【図５】本発明の有効集束範囲を示すグラフである。

【図６】本発明の洗浄槽型超音波洗浄装置の断面であ
る。

【図７】従来の構造断面図である。

【図８】従来の構造断面図である。

【図９】従来の構造断面図である。

【図１０】従来の構造の部分断面図である。

【図１１】従来の構造例を示す部分断面斜視図である。

【図１２】従来の構造例を示す部分断面斜視図である。

【図１３】従来の部分構造例図である。

【符号の説明】

１ 本体ケース ２ 供給口 ３ 噴射口 ４ 振動源ケース ５ 振動板 ６ 圧電流振動子 ７ 被洗浄物 １１ 洗浄槽 １２ 圧電振動子 １３ 保持具 １４ 被洗浄物 ２０ 被洗浄物 ２１ 本体ケース ２２ 圧電振動子 ２３ 振動板 ２４ 供給口 ２５ 噴射口 ２６ 音響レンズ ２７ 本体ケース ２８ 圧電振動子 ２９ 振動板 ３０ 供給口 ３１ 噴射口 ３２ 被洗浄物 ３５ 洗浄槽 ３６ 圧電振動子 ３７ 被洗浄物 ３８ 圧電振動子 ３９ 振動板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 底面に細長いスリット状噴射口が設けら
   れ側面に設けられた供給口から加圧供給される洗浄液が
   前記噴射口から噴射するように構成された本体ケース
   と、 該本体ケースに前記噴射口と所定の間隔（Ｌ）を保って
   平行に固定され、前記噴射口に対応した細長い底面の振
   動板から前記洗浄液中に該噴射口に対して５００ kＨz
   以上の周波数の超音波振動を放射する振動源とを備え、 前記振動板に固着された長方形の平板状超音波圧電振動
   子の短辺の長さを（２ｄ）とし、前記洗浄液中の超音波
   振動の波長をλとしたとき、前記所定の間隔（Ｌ）が、
   Ｌ＝０．４×（ｄ² ／λ）〜２×（ｄ² ／λ）なる範囲
   に設定されたことを特徴とする噴射型超音波洗浄装置。
2. 【請求項２】 洗浄液を収容するための有底，無蓋の洗
   浄槽と、該洗浄槽の底面または側面に設けられ５００ k
   Ｈz 以上の周波数の超音波振動を該洗浄槽内の前記洗浄
   液中に放射する短辺の長さが２ｄの長方形の平板状超音
   波圧電振動子とを備えた洗浄槽型超音波洗浄装置におい
   て、 前記超音波圧電振動子が固着された洗浄槽の振動放射面
   から前記洗浄液中に浸漬する被洗浄物までの距離をＬと
   し、前記洗浄液中を伝播する超音波振動の波長をλとし
   たとき、前記超音波圧電振動子の短辺の長さ２ｄが、Ｌ
   ＝０．４×（ｄ² ／λ）〜２×（ｄ² ／λ）で求められ
   る範囲になるように設定したことを特徴とする洗浄槽型
   超音波洗浄装置。