JPH0947733A

JPH0947733A - 超音波洗浄装置

Info

Publication number: JPH0947733A
Application number: JP21656795A
Authority: JP
Inventors: Sadao Kanai; 貞夫金井
Original assignee: Kokusai Denki Eltech Co Ltd
Current assignee: Kokusai Denki Eltech Co Ltd
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1995-08-03
Publication date: 1997-02-18
Anticipated expiration: 2015-08-03
Also published as: JP2789178B2

Abstract

(57)【要約】【課題】５００ｋＨｚ以上の高周波を利用した２重槽式
の超音波洗浄装置における内槽内へ伝達される超音波振
動の位置によるむらをなくして洗浄効果を均一にする。【解決手段】外槽１の底面に取り付けた超音波振動子３
の振動周波数を中心周波数ｆ₀に対して±５％の範囲で
周期的に変化させ振動板４から放射する。ビーカ２ａの
底面への超音波入力８ａはビーカ２ａ内部でｆ₀＋５％
の周波数のときイ、−５％のときロとなって振動が均一
になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイス用
基板のシリコン・ウエハ，化合物半導体ウエハ等の洗浄
に用いられ、金属イオンの付着混入のない精密洗浄を行
う５００ｋＨｚ以上の高周波数を利用した２重槽構造の
超音波洗浄装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体材料のウエハや半導体デバイスに
付着している汚れは、０．１μｍ〜１０μｍの小さな粒
子が大部分であり、付着力は概して弱く、超音波洗浄で
剥離可能であるが、反面これらの被洗浄物の材質はもろ
く、従来の２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの超音波洗浄装置で
は超音波の作用によってダメージ（傷や欠陥等）が発生
しやすいため、５００ｋＨｚ〜１．５ＭＨｚの高周波数
の超音波が適用されている。

【０００３】さらに、ステンレスやその他の金属製の洗
浄槽や振動板から溶出する金属イオンが被洗浄物に付着
してしまう問題があり、これを解決するために、内槽と
して純度の高い石英ガラス製のビーカを使用した２重槽
構造の洗浄装置が用いられている。

【０００４】図３は外槽１と内槽２の斜視図である。図
４は従来の超音波洗浄装置の断面図であり、内槽として
石英ガラスのビーカを用いた２重槽構造の超音波洗浄装
置である。図において、１は外槽、２ｂはビーカ、３は
超音波振動子、４は振動板、５はパッキン、６は超音波
媒体液、７は洗浄液である。さらに、矢印８ａは振動板
から伝達される超音波エネルギーの方向と大きさを示
す。８ｂはビーカ２ｂ内に伝達される超音波エネルギー
の方向と大きさを示す。図４の（Ｂ），（Ｄ）は縦断面
図、（Ａ），（Ｃ）はビーカ２ｂを上面から見た平面図
であり、格子斜線の９は超音波の強い領域、斜線１０は
９より弱い領域を示し、無印は極めて弱い領域を示す。

【０００５】内槽として使用する石英ガラス製のビーカ
２ｂの板厚は、装置の大きさや構造によって異なり、３
〜５ｍｍ程度のものが使われている。概してビーカの寸
法が大きくなるにつれて機械的強度が更に必要になり、
板厚は厚くなる。ウエハの大きさが６インチで２カセッ
ト用のビーカは寸法が若干小さく、板厚は３ｍｍが多く
使われているが、ウエハの大きさが８インチで２カセッ
ト用の場合は、寸法が大きく、板厚は４ｍｍが多く使わ
れている。

【０００６】このビーカの底面を効率良く振動させてビ
ーカ内に超音波エネルギーを最大に伝達させる方法には
基本的に２通りある。一つはビーカの板厚の固有振動数
と超音波の周波数を合致させる方法である。他の一つ
は、板厚の固有振動数が超音波の周波数より低い（板厚
が厚い）場合であり、斜め入射の原理（特願平２−１６
２２０号参照）を用いる方法である。

【０００７】前者の具体的な例は、石英ガラスの板厚が
３ｍｍの場合では、石英ガラスの音速が５９７０ｍ／se
c であり、半波長共振の周波数ｆ₁はｆ₁＝（１／２）
×（５９７０／３）≒１０００ｋＨｚとなり、板厚が４
mmの場合はｆ₂＝（１／２）×（５９７０／４）≒７４
６ｋＨｚとなる。

【０００８】また後者の具体的な例では、石英ガラスの
板厚が４mm、超音波の周波数が１０００ｋＨｚの場合
は、傾斜角θとして約２４°を設定すればビーカの底面
が効率良く振動し、ビーカ内に最大の超音波エネルギー
が伝達される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、これらの条
件は、他のいずれの条件よりもビーカの底面が効率良く
振動をするが、この底面内の位置による振動のばらつき
が大きく、良く振動する部分とあまり振動しない部分と
がある。この振動の弱い部分では、前者の例では、その
超音波周波数よりも若干（±２％程度）異なる周波数の
方が良く振動し、後者の例では前者の例と同じように若
干周波数を変えても良く、また若干角度（±２°程度）
を変えても良い。

【００１０】図４（Ａ），（Ｂ）はビーカ底面の板厚が
４mm、超音波周波数を中心周波数１０００ｋＨｚより３
０ｋＨｚ高くした１０３０ｋＨｚのときの洗浄液７の水
面の盛り上りによる超音波の強さを示す。これに対し
て、図４（Ｃ），（Ｄ）は中心周波数を３０ｋＨｚ低く
して９７０ｋＨｚにしたときの洗浄液７の水面の盛り上
りによる超音波の強さを示している。すなわち、周波数
が変わるとビーカ２ｂの内部の位置によって超音波エネ
ルギーが変わることを示している。

【００１１】しかし、いずれの場合でも、もとの条件で
良好に振動していた部分は弱い振動になってしまう。こ
の振動の強さのむらの原因は、現在のところ解明されて
いないが、推定の範囲内ではあるが挙げられている。（１）板の厚さモード（姿態）の振動に対して板の長さ
や幅方向のモード、またレーリー波やラム波、その他の
種々の振動が複雑に合成され、干渉しあっている音響的
現象である。（２）板内の石英ガラスの材質が音響的に不均一であ
り、これによって音の進行方向が曲げられたり、音の透
過率が部分的に異なる（不均一）現象である。ちなみ
に、光学的にはこの材質の不均一さによって光の進行方
向が曲げられる現象は常に基本的な問題として存在し、
この材質の不均一さは「脈理（ミヤクリ）」と呼ばれて
いる。

【００１２】図５は光学的な「脈理」の説明図である。
脈理は前述のようにガラス板内における光学的な組成の
むらであり、（Ｃ）は断面が楕円（長円）のガラス棒材
の断面図であり、（Ａ），（Ｂ）はその軸を通って切り
出したガラス板１２の断面図である。（Ｃ）の年輪のよ
うに区分した１１ａ〜１１ｄは、素材の組成が光学的に
若干異なる領域であり、通過する光の速度（光速）が異
なる。（Ｂ）は、ある波長の入力光８ａがガラス板１２
を通過して８ｂになる様子を示し、中心部１１ａと周辺
部１１ｄの部分を通過する光の速度（光速）は、その間
の１１ｂ，１１ｃの部分の光速より若干大きく、１１
ｂ，１１ｃの部分で光が収束し、１１ａ，１１ｄの部分
では分散する。（Ａ）は入力光８ａの波長を変えたとき
の様子を示し、１１ｂ，１１ｃの部分の光速と１１ａ，
１１ｄの部分の光速が逆になり、出力光８ｂのように異
なった位置から出力される。

【００１３】本発明の目的は、ビーカ内の位置によって
超音波エネルギーの強弱があるため洗浄効果が不均一に
なるという従来の欠点を解決した超音波洗浄装置を提供
することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
超音波洗浄装置は、５００ｋＨｚ〜１．５ＭＨｚの超音
波振動子が底面に取り付けられた外槽と、該外槽内の超
音波媒体液中に保持され底面の板厚が超音波周波数の半
波長±１０％で該底面が前記外槽の底面と並行する石英
ガラス製の内槽とによって構成され、前記内槽中の洗浄
液に浸される被洗浄物を洗浄するための２重槽構造の超
音波洗浄装置において、前記超音波振動子の振動周波数
を、中心周波数に対して±５％の範囲で一定の周期で繰
り返し変化させたことを特徴とし、一つの具体例として
は、前記中心周波数は７４６ｋＨｚとし、前記繰り返し
周期は１秒から１０秒の範囲であることを特徴とするも
のである。

【００１５】さらに、本発明の請求項２記載の超音波洗
浄装置は、５００ｋＨｚ〜１．５ＭＨｚの超音波振動子
が底面に取り付けられた外槽と、該外槽内の超音波媒体
液中に保持され底面の板厚が超音波周波数の半波長より
十分厚く該底面が前記外槽の底面に対して２０°〜３０
°の傾斜角度を有する石英ガラス製の内槽とによって構
成され、前記内槽中の洗浄液に浸される被洗浄物を洗浄
するための２重槽構造の超音波洗浄装置において、前記
超音波振動子の振動周波数を、中心周波数に対して±５
％の範囲で一定の周期で繰り返し変化させたことを特徴
とし、一つの具体例としては、前記中心周波数は１００
０ｋＨｚとし、前記繰り返し周期は１秒から１０秒の範
囲であることを特徴とするものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
示例と共に説明する。図１，図２は、本発明の請求項１
及び２に記載の発明に対応する第１及び第２の実施例を
示す縦断面図（Ｂ）と部分平面図（Ａ）である。図１は
内槽（ビーカ）２ａの底面が振動板４と平行の場合の構
造を示し、図２はビーカ２ｂの底面が振動板４に対して
傾斜角θを有する場合の構造を示す。

【００１７】図１，図２の２つの実施例共、本発明によ
って振動子３の振動周波数を中心周波数ｆ₀に対して±
５％変化させたものであり、振動板４から媒体液６中に
放射する超音波エネルギー８ａは、ｆ₀＋５％のときビ
ーカ２ａ又は２ｂ内のイのように伝達され、ｆ₀−５％
のときロのように伝達されてビーカ２ａ又は２ｂ内の超
音波エネルギーが均一化されることを示している。

【００１８】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例を示す部分平面
図（Ａ）と縦断面図（Ｂ）である。内槽ビーカ２ａの底
面の板厚を４mm、超音波中心周波数を７４６ｋＨｚとし
て、周波数変化範囲を±３５ｋＨｚ、即ち７１１ｋＨｚ
から７８１ｋＨｚまでの範囲を繰り返し直線的に変化さ
せ、この周波数の変化する周期を１秒から１０秒の範囲
とした時に、内槽２ａ内での超音波の伝達の程度が位置
ごとに変化する状況が、図４（Ａ）のように、超音波の
直進流による水の「盛り上り」によって観察することが
できた。尚この周波数の変化方法はスイープとも呼ばれ
ている。

【００１９】また、周波数変化範囲を７１１ｋＨｚから
７８１ｋＨｚまで電源周波数を用いて変化させた時（こ
の場合の周期は５０ヘルツ地域では２０ミリ秒、６０ヘ
ルツ地域ではほぼ１６ミリ秒である。）は、周波数の変
化の周期が短いため、超音波の伝達の程度が位置ごとに
変化する状況は目視では観察できないが、底面の全面に
わたって超音波の伝達が均一であることが確認できた。
また音圧計センサとオシロスコープにより音圧変化を観
察することによって電源周波数に同期して音圧が変化し
ていることが認められた。なおこの周波数の変化方法は
周波数変調（ＦＭ）とも呼ばれている。

【００２０】図２は本発明の第２の実施例を示す部分平
面図（Ａ）と縦断面図（Ｂ）である。内槽２ｂの底面の
板厚を４mm、超音波発生面４とのなす角θを２４°と
し、超音波の中心周波数を１０００ｋＨｚとして、周波
数変化範囲を±５０ｋＨｚ、即ち、９５０ｋＨｚから１
０５０ｋＨｚまでの範囲とし、図１の場合と同様の条件
で変化させたところ、やはり同様に底面全域内で均一な
音場分布が得られた。

【００２１】

【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、内槽の内部に伝達する超音波エネル
ギーを時間的観点で平均化することができ、ウエハ等の
被洗浄物の洗浄効果を均一にすることができ、洗浄むら
の解消に極めて大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す構造図である。

【図２】本発明の第２の実施例を示す構造図である。

【図３】２重槽構成の洗浄槽の斜視図である。

【図４】従来の製品の構造図である。

【図５】光学的脈理の説明図である。

【符号の説明】

１外槽２，２ａ，２ｂビーカ３振動子４振動板５パッキン６超音波媒体液７洗浄液８ａ，８ｂ超音波エネルギーの方向と大きさ９超音波の強い部分１０超音波のやや弱い部分１１ガラス材１２ガラス板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】５００ｋＨｚ〜１．５ＭＨｚの超音波振
動子が底面に取り付けられた外槽と、該外槽内の超音波
媒体液中に保持され底面の板厚が超音波周波数の半波長
±１０％で該底面が前記外槽の底面と並行する石英ガラ
ス製の内槽とによって構成され、前記内槽中の洗浄液に
浸される被洗浄物を洗浄するための２重槽構造の超音波
洗浄装置において、前記超音波振動子の振動周波数を、中心周波数に対して
±５％の範囲で一定の周期で繰り返し変化させたことを
特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項２】５００ｋＨｚ〜１．５ＭＨｚの超音波振
動子が底面に取り付けられた外槽と、該外槽内の超音波
媒体液中に保持され底面の板厚が超音波周波数の半波長
より十分厚く該底面が前記外槽の底面に対して所定の傾
斜角度を有する石英ガラス製の内槽とによって構成さ
れ、前記内槽中の洗浄液に浸される被洗浄物を洗浄する
ための２重槽構造の超音波洗浄装置において、前記超音波振動子の振動周波数を、中心周波数に対して
±５％の範囲で一定の周期で繰り返し変化させたことを
特徴とする超音波洗浄装置。