JPH079900B2 - 超音波洗浄装置 - Google Patents

超音波洗浄装置

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JPH079900B2
JPH079900B2 JP2016220A JP1622090A JPH079900B2 JP H079900 B2 JPH079900 B2 JP H079900B2 JP 2016220 A JP2016220 A JP 2016220A JP 1622090 A JP1622090 A JP 1622090A JP H079900 B2 JPH079900 B2 JP H079900B2
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貞夫 金井
洋治 伊勢田
甫 羽田野
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株式会社国際電気エルテック
甫 羽田野
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【発明の詳細な説明】 (発明の属する技術分野) 本発明は、超音波洗浄装置に関し、特に、半導体製造工
程で用いられる500kHz以上の超音波による2重槽構造の
超音波洗浄装置に関するものである。
(従来技術とその問題点) 半導体製造工程における半導体ウエーハ,ガラスマス
ク,液晶等の超精密洗浄を行うために用いられる超音波
洗浄装置は、0.1μm程度の微細な粒子(異物)を除去
する必要があるため、波長が短く、また、キャビテーシ
ョンによる損傷を生じさせないため1MHz付近の超音波周
波数が用いられている。
さらに、洗浄槽内に金属イオンが存在するとイオン結合
によって被洗浄物に付着して悪影響を及ぼすため、石英
ガラスや硼珪酸ガラス等金属イオンや不純物が溶出しな
い材質によって作られたビーカ等を内槽とする2重槽構
造の洗浄装置が用いられている。
第1図は従来の2重槽構造の超音波洗浄装置の部分断面
図である。図において、1は外槽、2は内槽、3は超音
波振動子、4は水等の媒体液、5は洗浄液、6は被洗浄
物である。内槽2は、底面の4隅に取付けられたフッ素
樹脂製の足を外槽の底面上に取付けられたフッ素樹脂製
のガイドにはめて固定されているが、図示は省略した。
外槽1は一般の洗浄装置と同様にステンレススチール等
で作られ底面の外側に超音波振動子3が取付けられ、外
槽1の中の媒体液4(例えば水)を超音波の伝達媒体と
して振動子3によって発生させた超音波の縦波によって
内槽2の底面を振動させる。この内槽2の底面の振動に
より矢印のように内槽2の洗浄液5が振動して被洗浄物
6が洗浄される。内槽2は取扱い時に破損しない程度の
機械的強度を有し厚さは3〜5mmである。
このような従来の洗浄装置の大きな問題点は、外槽1の
媒体液4によって内槽2の底面に伝達される超音波エネ
ルギが内槽2の底部受波面によって反射し、内槽2の内
部へ伝達される振動エネルギは20〜30%となり振動エネ
ルギの伝達率言い換えれば透過率が極めて悪く、振動子
3の駆動電力に対する洗浄効率が著しく低いことであ
る。
この問題点に対する対策として、内槽2の底面に超音波
振動子を直接取り付ける方法が試みられているが、内槽
2は前述のように石英ガラスや硼珪酸ガラス等で作られ
ているため、振動子を接着剤によって取付ける面の平坦
度と平面の精度とを上げるための製造加工技術に難点が
あるばかりでなく、洗浄作業において内槽(ビーカ)を
誤って破損させることも多く、振動子が取り付けられて
いない場合は材料の再生利用が可能であるが、振動子付
きのものは接着剤の残渣があるために材質の純度が悪く
再生利用することができない。しかも、高価であるため
経済的損失が大きいという欠点がある。
(発明の目的) 本発明の目的は、このような問題点を解決し、内槽に振
動子を取付けることなく、しかも、外槽からの超音波エ
ネルギの約90〜100%の振動エネルギが内槽の内部に伝
達され洗浄効率を大幅に改善した構造の超音波洗浄装置
を提供することにある。
(発明の構成) 本発明の超音波洗浄装置は、500kHz以上の超音波振動を
発生する振動子が取付けられた外槽と、 洗浄液と被洗浄物とを収容するために、該外槽の内部に
前記超音波振動を伝達する媒体液を介在させるための空
間を設けて配置された内槽と を備えるとともに、前記媒体液中を伝搬する前記超音波
振動を前記内槽の受波面の法線に対して傾斜角をもたせ
て該受波面に入射させることにより、前記受波面を透過
する前記超音波振動の振動エネルギの透過率を著しく改
善するように構成したことを特徴とするものである。
以下図面により本発明を詳細に説明する。
第2図は本発明の原理を説明するための部分構造断面図
である。図において、1は外槽、3は超音波振動子、7
は内槽の受波面の一部分であり液体8を媒体として振動
子3からの振動エネルギV1を受ける部分片である。破線
で示した7′は従来の装置における内槽の面の位置を示
している。内槽の受波面7または7′を透過して内槽の
内側の洗浄液に相当する液体内に伝達される振動エネル
ギをV2とすると、振動エネルギの透過率はV2/V1×100
(%)で表すことができる。本発明は、内槽の受波面を
従来の7′の位置に比べてθの角度をもたせて7の姿勢
になるようにしたものである。このθは、受波面に直角
(法線方向)に振動エネルギが与えられるときを基準
(θ=0)として表してあり、これは外槽の面と相対す
る内槽の面との傾斜角に相当する。
第3図は、本発明の原理を裏付ける特性図であり、入射
角(傾斜角)θに対する内槽の部分片7の透過率の実測
値を示す。図において、縦軸の透過率は、内槽の部分片
7が存在しないときのV2(=V1)の値を例えば水中マイク
ロホン等で測定した音圧レベルを100%としている。内
槽の部分片7は厚さが3mmの硼珪酸ガラス例えばパイレ
ックス(商品名)であり、振動周波数は1MHzである。図
から明らかなように、従来のθ=0のときの透過率は約
26%であるのに対してθ≒28゜のときの透過率はほぼ10
0%となっている。
内槽の材質として、例えば、厚さt=1〜2mmのステン
レス、t=2〜5mmの硼珪酸ガラス、t=3〜5mmの石英
ガラス等を用いた場合も、内槽の受波面への超音波の入
射角が直角(θ=0)のときの透過率は、表1に示すよ
うに10〜30%であるが、これらの材質の場合も第2図に
示すように入射角θを変化させたとき、透過率が著しく
改善され、それぞれほぼ100%の透過率を示す角度のあ
ることが実験により確かめられた。
第4図は、これらの材質と板厚をパラメータとして透過
率が最大(95〜100%)となる入射角θを実験によって
求めた説明図である。この図に示したように、本発明は
半導体ウエハ等を洗浄対象としているために内槽の材質
を硼珪酸ガラスまたは石英ガラスとして説明を述べてい
るが、他の一般の洗浄対象物の場合には他の材質を用い
ても同様の効果が得られることは明らかである。
以上のような現象についてさらに詳しく述べる。
従来の2重槽構造の一般の超音波洗浄装置は、超音波振
動子の周波数が20〜40kHzであり、媒体液(例えば水)
の中を伝達する縦波(疎密波)の速度Cは1456m/secで
あり周波数fを26kHzとするとその縦波の波長λは次式
で示され約56mmである。
λ=C/f=1456(m/sec)/26(kHz)=56(mm) 一方、洗浄機の内槽の底板の肉厚はステンレススチール
の場合は約1〜2mm程度、石英ガラスや硼珪酸ガラスの
場合は3〜5mm程度であり、波長λ=56mmに対して無視
できる位小さい。そのため外槽からの振動エネルギの歪
みの大きい疎の部分と密の部分によって内槽の底面にた
て波(P波)とよこ波(S波)の振動が誘起されて振動
エネルギの殆どが内槽内の洗浄液に伝達される。
ところが、洗浄対象が半導体ウエハ等の場合サブミクロ
ン級の微細な汚れを落とす必要から、周波数を高くして
約500kHz〜2MHzにする必要がある。従って、媒体液中の
縦波の波長は約0.7〜2.8mmとなり、内槽の底板の肉厚に
比べて十分長くないため、底板の境界面の影響を大きく
受けるようになり、底板にたて波やよこ波の振動が誘起
されない。そのため、従来の1MHzの超音波振動を利用し
た洗浄装置では、実験で求められたように振動エネルギ
の70〜80%が反射して透過率が著しく低下し約20〜30%
の振動エネルギしか内槽内に伝達されない。
第5図は本発明の原理の説明図であり、第2図の部分断
面図である。外槽1と内槽の部分片7が角度θの傾斜で
相対している。媒体液は省略した。矢印は外槽1の駆動
面から媒体液中を伝達する縦波の方向を示す。内槽の部
分片7を傾けることにより、A1点から伝達される縦波は
距離aにある部分片7のA2点に入射角θで到達し、B1
からの縦波は距離bにあるB2点に到達する。角度θを加
減することにより、図のように(b−a)が縦波の1波
長λとなり、部分片7上に誘起する板波の振動の波長
λがA2とB2との距離に一致したとき部分片7にLamb波
と呼ばれる板波の振動が誘起され振動エネルギは効率良
く内槽の内部へ伝達されることになる。即ち、sinθ=
λ/λと表すことができる。このように傾斜角(入
射角)θを設定すれば内槽の受波面を能率良く振動させ
ることができる。
このLamb波は、板の境界面の存在によって長手方向に導
かれる被導波(guided wave)の一種であり、Lamb波
(板の波),Pochammer−Chree波(棒の波),Love波(表
面層の波)などと呼ばれる板の断面に応じた特別な波で
ある。板を伝搬するこのような被導波は総称して板波と
呼ばれている。
一例として、媒体液を水(温度20℃)とすると、周波数
=1MHz、水中の音速=1456m/secから媒体液内の縦波の
波長λは次式となる。
一方、内槽の板として厚さ3mmの硼珪酸ガラスを使用し
た場合、板波の音速は3100m/secとなるので、板波の振
動の波長λは次式となる。
従って、前記のsinθ=λ/λからθを求めると、 θ=sin‐1(λ/λ)=sin‐1(1.456/3.1) =sni‐10.47=28゜ となり、第3図の実測値と一致する。
次に、本発明の実施例について説明する。
第6図〜第10図は本発明の実施例の概略を示す構造図で
ある。こられの図において、内槽の外槽への取付構造は
前述の従来の周知の構造と同じであるので省略した。ま
た、超音波振動子3は実際には複数の振動子が配設され
るが、これも従来の周知の構造と同じであるので詳細は
省略した。また、振動子3の駆動源及び振動子3への配
線は省略した。また、4は媒体液を示し、5は洗浄液を
示す。
第6図は本発明の第1の実施例を示す縦断面図であり、
外槽1は従来の形状で、内槽10及び11の受波面に傾斜を
設けた実施例である。第6図(b)の受波面は2面になっ
ているが、4面あるいは円錐状でもよい。
第7図は本発明の第2の実施例を示す縦断面図であり、
内槽2は従来形状で、外槽12及び13の振動子3の取付面
に傾斜を設けた実施例である。
第8図は本発明の第3の実施例を示す平面図であり、内
槽2は従来の形状で、外槽14の側面を傾斜させて振動子
3を取付けた構造を示している。
第9図は本発明の第4の実施例を示す平面図であり、内
槽15の側面を2面に傾斜させて受波面とした構成を示し
ている。図では傾斜側面が2面の場合を示しているが、
3面又は4面とすることもできる。
第10図は本発明の第5の実施例を示す平面図であり、外
槽1及び内槽2とも従来の形状であるが、内槽2をほぼ
中心の垂直軸を中心にθだけ回転させた位置に固定した
構造を示している。この実施例の特徴は、内槽2の回転
角θを加減調節できるように半固定構造にすることがで
きることと、第1〜第4の実施例のように外槽1及び内
槽2の形状を特殊な形状にする必要がなく従来の形状を
用いることができることである。図において、振動子3
は外槽1の1つの側面のみに取付けられているが、2
面,3面あるいは4面に取付けることもできる。
第11図は第6図(a)に示した本発明の第1の実施例にお
ける内槽の支持構造の一例を示す部分構造断面図であ
る。図において、20,21は内槽11の底面の4隅に設けら
れたフッ素樹脂製の支持足の断面を示す。23は外槽1の
底に設けられ、支持足20,21をはめこむためのフッ素樹
脂製のガイド(受具)である。22はフッ素樹脂製のナッ
トの断面を示し、支持足21の下端部に設けられた雄ねじ
と螺合している。ナット22を回転させることにより支持
足21によって支えられている内槽11の支持の高さを加減
することができ、従って、入射角θを調節して透過率を
より高くなるようにすることができる。
透過率の調節は、振動子3の駆動周波数を加減すること
によっても行うことができるが、振動子3の振動効率の
制約もあるため、図のように内槽11の支持構造によって
入射角θを調節することも有効である。
(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、外槽に取付けられた超音波振動子の駆動エネルギが
効率よく内槽の内部に挿入された被洗浄物に伝達される
ため、従来と比べて格段の洗浄能力が発揮されるばかり
でなく、消費電力を少なくすることができ、経済的にも
極めて大きい効果がある。
さらに、従来は高い周波数(数百KHz〜数MHz)を使用し
て、より微細、かつ、精密な超音波洗浄を行おうとする
と、内槽による超音波の反射が大きくなり、実現が困難
であった。本発明によれば、反射を大幅に低減すること
ができるのでより高い周波数での超音波洗浄が可能とな
り、洗浄の質を飛躍的に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の装置の部分断面図、第2図は本発明の原
理を説明する部分断面図、第3図は本発明の原理を示す
実測特性図、第4図は種々の材質の場合の本発明の原理
を示す実測説明図、第5図は本発明の原理を説明する部
分断面図、第6図〜第7図は本発明の実施例を示す構造
部分断面図、第8図〜第10図は本発明の実施例を示す平
面図、第11図は本発明の支持構造の一例を示す部分断面
図である。 1,12,13,14……外槽、2,10,11,15……内槽、3……超音
波振動子、4……媒体液、5……洗浄液、6……被洗浄
物、7……内槽の部分片、8……液体、20,21……支持
足、22……ナット、23……ガイド。
フロントページの続き (72)発明者 羽田野 甫 神奈川県藤沢市鵠沼松が岡5―11―16 (56)参考文献 特開 昭63−240758(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】500kHz以上の超音波振動を発生する振動子
    が取付けられた外槽と、該外槽の内部に前記超音波振動
    を伝達する媒体液を介在させるための空間を設けて配置
    された洗浄液と被洗浄物とを収容する内槽とを備えた2
    重槽構造の超音波洗浄装置において、 前記外槽の振動子取付け面に傾斜をもたせ、該傾斜の角
    度を、前記内槽の受波面に対する超音波振動入射方向が
    該受波面の法線に対して該受波面を透過する振動エネル
    ギの透過率が95%以上となる角度に設定したことを特徴
    とする超音波洗浄装置。
  2. 【請求項2】500kHz以上の超音波振動を発生する振動子
    が取付けられた外槽と、該外槽の内部に前記超音波振動
    を伝達する媒体液を介在させるための空間を設けて配置
    された洗浄液と被洗浄物とを収容する内槽とを備えた2
    重槽構造の超音波洗浄装置において、 前記内槽の底面に傾斜をもたせ、該傾斜の角度を、該底
    面に対する超音波振動入射方向が該底面の法線に対して
    該底面を透過する振動エネルギの透過率が95%以上とな
    る角度に設定し、かつ、該内槽を保持するとともに該底
    面の傾斜角度を前記透過率が最大になるように調節する
    角度調節手段を設けたことを特徴とする超音波洗浄装
    置。
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