JPS6115334A

JPS6115334A - 超音波洗浄方法

Info

Publication number: JPS6115334A
Application number: JP13515984A
Authority: JP
Inventors: Fukusaburo Tokoroyama; 野老山　福三郎
Original assignee: TASU GIJUTSU KENKYUSHO KK
Current assignee: TASU GIJUTSU KENKYUSHO KK
Priority date: 1984-07-02
Filing date: 1984-07-02
Publication date: 1986-01-23
Also published as: JPH0469419B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】く技術分類・分野〉開示技術は、電子工業製品等に用いる半導体ウェハ、ガ
ラス基板等の洗浄においてそのサブミクロン単位の複合
微粒子汚れを完全に除去づる超音波洗浄の超音波放射技
術分野に属する。

〈要旨の解説〉而して、この発明は、洗浄液中に所定の超音波を敢射し
、微細な有効キャビテーション気泡のみを発生させて確
実に洗浄ずる方法に関づ゛る発明であり、特に、同位相
の音響輻射面を洗浄液面に平行に振動させるようにし、
而して、その場合、／Ｉ夕則する超音波はパルス変調さ
せ洗浄液の種類に応じて変調周期を調整して固定し、パ
ルス幅をピーク出力に対して最適状態に調整し、それに
よって準障害気泡の生成が抑制され、微細な有効キャビ
テーション気泡のみが生成されて可聴領域の単音、又は
、複合音ノイズが発生されない極めて静粛で確実な洗浄
を行うことが出来る超音波洗浄方法に係る発明で゛ある
。

〈従来技術〉周知の如く、一般工業製品の洗浄においてはミクロン単
位の微粒子汚れの除去が問題とされ、種々の洗浄液が開
発採用されてぎているが、洗浄液中に超音波を放射する
こと、によって発生するキャビテーション気泡により被
洗浄面に付着する複合微粒子汚れを捕捉して除去する所
謂超音波洗浄が広く採用される１うになってきた。

ところで、近時超精密電子工業製品等が開発され、広く
使用されるようになってくると、その動作機能の正確さ
が、その製造過程において、ガラス基板とか半導体等の
面の精密洗浄の度合に大きく左右されるようになり、し
たがって、半導体ウェハ、ガラス基板等に付着している
サブミクロン中位の複合微粒子汚れが完全に除去される
ことが強く要求されるようになってきている。

そこで、一方において最適洗浄液の開発研究が行われる
ようになってきているが、他方において、超音波洗浄の
メカニズムも更に解明分析されることが要求されるよう
になってきた。

而して、該超音波洗浄のメカニズムを略説、ツ′ると次
の通りである。

即ち、上述の如く、超音波洗浄にｄ５いては敢剣される
超音波によって洗浄液中の有効キャビテーション気泡が
被洗浄面のザブミクロン単位の複合微粒子汚れを捕捉し
てこれを除去するメカニズムが基本とされ、したがって
、キシヒテーション発生に与る超音波の音圧は極めて大
きなかかわりを有するものである。

ところで、洗浄液中には通常、肉眼で見ることの出来る
ものから視認困難なものまで大小様々な気泡が多数存在
している。

水においても同様であるが、汚れの状態に応じて洗浄効
果を向上せしめるために適切な界面活性剤、或は、これ
に準する物質を溶解せしめると、周知の如く、液の表面
張力が低下して濡れ性がよくなると共に、気泡は細分化
されて、その数を大いに増し、強力超音波を放射した場
合に、後に詳しく述べる如き超音波特有の洗浄力を発揮
する有効なキャビテーション気泡の数、及び、密度が増
加することになるので誠に好都合である。

一般的に、強力超音波を液体中に放射すると、広義のキ
トビテーションが発生ずる。

即ち、気泡は放射された超音波周波数に概ね一致り−る
膨張、圧縮を繰り返す。

そして、その間に、周囲の液中から気体分子を余分に取
り込む結果として徐々に生長し、気泡直径が大きくなる
ことが知られている。

ここて、次の如く二通りに分けて考えると、超音波洗浄
のメカニズムを説明するのに便利である。

即ち、一方は、超音波放射以前の気泡径がある１３　）
ｉｔを上廻って大きいもの、及び、超音波の作用によっ
て気泡同志が会合、合体して一つの大きな気泡になり、
その結果、気泡径が前記の基準を上廻ったもの、これら
の気泡は膨張、圧縮の繰り返し過程において、力学的平
衡状態を失って、気泡径が時間経過と共に、一方向に増
大し、遂には、自己の浮力で液面に浮上して消滅すると
ころの所謂、脱気泡となるグループ゛て・あり、液の種
類にＪ：って異るが、数１０秒〜数分で脱気泡の数はか
なり減少するが、前記の会合、合体して脱気泡となるも
のは、尚、かなりの時間発生、持続することは既によく
知られている通りである１、超音波洗浄においては、この脱気泡は、それ自体、後で
述べるような洗浄に有効な機械力を発揮出来ないばかり
でなく、その周囲の音圧を下げる悪い働きをづ゛るため
、こねに近接した微細気泡も有効なキトビテーション作
用を起し得なり４よるから、洗浄効果に対して甚だしく
障害になる気泡であって、これを以降、障害気泡と呼称
づる。

この障害気泡は、超音波周波数が高いほど、ぞの数は多
くなることは周知の通りである。

他方、超音波放射以前の気泡直径が前記基準）「ｊ以下
の微細気泡は、音圧を高めてし、ある限度以上には生長
せずに平衡状態を保ち、定常的キマ・ビテーションを行
う。

この定常的キャビデージョン気泡は、その圧縮行程にお
いて衝撃圧力を発生し、この衝撃圧力が至近距離にある
剛着汚れ（例えば微粒子汚れ）を捕捉して、物理的に被
洗浄物表面から排除する作用か、所謂キャビ−チージョ
ンによる超音波洗浄効果を発揮するものであるから、こ
のような気泡を、以降、有効キトごチージョン気泡と呼
称する。

この有効イ〒キャビテーションの作用と、洗浄液−固有
の洗浄作用とが相乗的効果を発揮するゆえに、超ン４波
洗浄法は一般に評価されているのである。

そｌノで、この有効キャビテーション気泡の数が多いほ
ど、密度が高いほど、そして前記衝撃圧力が゛高いほど
超音波洗浄効果が向上することは占うまでもない。

尚、非常に高い音圧、のために、圧縮行程において圧壊
づるもの、即ち、断熱的圧縮により気泡内湿度が高温に
なり、微細なる爆発的現象を起すも・のは、より強烈な
衝撃圧力を発する。

勿論、これらは次の膨張過程において、再びキャビテー
ション気泡を形成すると考えられている。

さりながら、ある種の洗浄液中において、洗浄効果を上
げるために、皓音波（Ｎ続波）の音圧を高めようとする
と、叫々、液中から強い刺激的鳴音（数ＫＨｚの単音又
は複合＠）を発して、洗浄作業環境に甚だしい支障を来
たｔ　ｈ特に、女子作業員等にとっては精神的に、ひいては肉体
的に障害をぎたしかねイ！いような劣悪な作業環境とな
り、就中、作業時間が長い場合（，１、これを許容出来
ない程になる。

本来、合圧一定の条件では、超音波の周波数が低いほど
障害気泡の数は少く、逆に、有効キャビテ−ション気泡
の数が多く、しかも、光生づる衝撃圧力も大ぎいことが
知られている。

即ち、キャビテーション強度は強く、一般的には洗浄効
果がよく、強力であるとされているか、周波数が低いほ
ど上記の鳴音は光生じ易い。

しかも、高圧を上げるために、Ｌ′？ｌ盲波出力を増大
り゛るほと、強い鳴音を光づるようになり、又。

このような状態では、超音波出力の増加の割合にはそれ
ほど洗浄効果は向上しないで飽和する。

時には、逆に低下することざえｄりることが知られてい
る。

即ち、有効キャビテーションの発生分布に甚だ（〕いム
ラが出来、良好な洗浄効果を発揮し得ない。

４Ｒｊに、す”プミク［］ン微粒子汚れを除去するよう
な、最も回動とされている超精密洗浄のためには、有効
１：１７ビテーシヨンゾーンにムラが発生することは洗
浄ムラが出来ることであって甚だ不都合である。

さて、今まで明らかにされていなかったことであるが、
上記の鳴音と洗浄効果の飽和、或は、低下、又は、洗浄
ムラどは密接な関係があることが従来技術を単に整理し
、これに若干の推定を下すことによって、略明確になっ
てきたのでこれについて説明する。

即ち、先に述べたように、ある秤の液体中に８３いては
、超音波（連続波）の音圧を高めてゆくと、該有効キャ
ビテーション気泡の中のあるものは初期の気泡直径が膨
張、圧縮を繰り返す間に生長しである程度の大ぎざにな
るに従って気泡表面を出入する気体分子が緩衝的に作用
するために、印加された超音波の毎周期の圧縮行程にお
いて、強い衝撃圧力を発生づ−ることが出来なくなり、
あたかも前記の障害気泡に近い状態で動作し、気泡内エ
ネル８Ｖ−一を蓄えながら２周ＩＩＦ］目に、或は、３
周期目に、又は、４周期目に・・・・・・強い圧縮、又
は、圧壊を起すＪ、うになると考えらねる。。

即ち、該液体中には超音波の周期で衝撃圧力を発生づる
気泡のグループの他に超γ１波の２周１υ１ブυに、或
は、３周期句に、又は、’Ｉ　ＩＦ、＋　１１１１毎に
・・・・・衝撃圧力を発生する気泡のグループが／ｒ右
覆るようになると考えてよい。

そして、このグループは必ず１ノ４）特定の気泡と考え
る必要はな（、不特定でもよい。

このことは公知のギャビテーションノイススベクトラム
（バイトスペクトル）に放射された超？３波周波数［。

の他に（１／２＞’ｘｆ　ｏ、（１／３）ｘｆ　１１　
、（１／　４　）　ｘｆ　１１・・・等の１ノ゛ブハー
モニツクの音圧スペクトルが屡々検出されていることに
よっても明らかである。

そして、その音圧レベルは概して（バ周波になるほど低
いが、何れもその前後の周波数の雑音スベクトルに較べ
て、かなり大きいことも知られている。

このように、有効キャビテーション気泡の内、超音波の
毎周期に衝撃圧力を発生し得ない状態にある気泡を以降
型障害気泡と呼称する。

洗浄液中のある部分において、準障害気泡の数、密度が
大きくなると当然その近傍の音圧は低下するし、準障害
気泡の状態にある気泡は衝撃圧力を発生し１りないので
あるから、真に有効なキャビテーション発生状態に甚だ
しいムラが出来、良好な洗浄効果を発揮することは出来
なくなる。

更に、第１図について説明する。

図示１は、超音波の毎周期の圧縮工程において衝撃圧力
を発射覆る不特定気泡グループの衝撃圧力の和を表わル
ベルを示づ゛ものとする。

したがって、１の発生周期は図示の如く、１／ｆｏであ
り、その基本周波数はｆｏである。

図示２、及び、３は前記の如く、２、及び、３周期毎の
圧縮行程において、衝撃圧力を発射゛する不特定気泡グ
ループの衝撃圧力の和を表わすレベルを示すものとする
。

（たがって、２、及び、３０発生）８期は図示の如く、
２Ｘ１／ｆｏ、及び、３Ｘｔ／ｆｌ）であり、その基本
周波数は（１／２）Ｘｆｏ、及び、（１／　３　）　Ｘ
　ｆ　ｌ）である。

これが前記のυブハーモニツクに相当Ｊ−るものである
。

図示していないが、４、及び、５も同様に４、及び、５
周期毎の圧縮行程において衝鯖圧力を発射する不特定気
泡グループの衝撃圧力の和を表わすものとする。

したがって、４、及び、５の発生周期は４×１／「０、
及び、５Ｘ１／ｆｏであり、その基本周波数は（１，／
４）Ｘｆｏ、及び、（１１５）Ｘｆｏとなる。

尚、本第１図においては、４．５・・・はレベルが小さ
くて省略出来る場合を想定した。

而して、本図より明らかなる如く、６Ｘ１／ｆＯの周期
で図示の如くピーク値６を示し、この基本周波数は（１
／６）ｘｆ　ｏである。

今、仮に第１図の場合において、超音波周波数が２５Ｋ
ｌ−１ｚと仮定すれば、上記の各基本周波数はｆｏ＝２
５ＫＨｚ、（１／２）ｘｒ　ｏ＝１２．５ＫＨ２。

（１／３　）　Ｘ　ｆ　ｏ−８，３に、Ｈ２、（１／６
）ｘｆＱ　＝　４．２Ｋ　Ｈｚとなり、−可聴領域の４
．２ＫＨ２，８，３ＫＨ２が複合鳴音として間λること
になる。

尚、図示していないが、仮に前記の２と４が存在し、３
、及び、その他が省略出来る如きギヤビデ−ジョン発生
状況であれば、ｆ　ｏ　＝２５ＫＨｚ、”（１／　　’
２　　）　　　Ｘ　　ｆ　　　ｏ　　＝　　１２．５Ｋ
　　ＨＺ　　　、　　　＜１／４）Ｘｆｏ　“＝　６．
２Ｋｌ−１ｚとなり、可聴領域における６、２ＫＨｚが
鳴音として問えることになる。

そして、又、仮に前記の２．３．４が存在し、５及び、
その他が省略出来る如ぎキャビテーション発生状況であ
れば、ｆ　ｏ＝２５ＫＨｚ　、　　（１／２　）ｆ　ｌ
）　＝１２．５ＫＨｚ　、　　（１／３）　ｘｆ　ｌ）
　＝　８．３ＫＨｚ　、（１／４）ｘｆ　ｏ　＝　、６
．２ＫＨｚであり、１２×１／［ｏの周期でピーク値１
２（図示しない）を示し、この基本周波数は（１／１２
）　Ｘｆ　、　？　２．１ＫＨｚとなるから２．１ＫＨ
ｚ、及び、その高調波（ハーモニック）の可ｉ領域にあ
るしのが複合鳴音として聞える筈である。

即ち、実在する強いサブハーモニックの次数の最少公倍
数をもって超音波周波数を割った周波数、及び、その高
調波に相当する周波数の内、可聴領域にあるものが発生
し得る複合鳴音と考えてよい。

ところで、又、従来超音波振動子を駆動する電気入力波
形は、第２図に示す様に連続波（イ）か又は、交番電源
周期で固定されたパルス変調波（ロ）、（ハ）、（ニ）
であって、パルス中も固定されており、交番電源が５０
Ｈ／の場合は、例えば、（ニ）の波形の変調周期τ（よ
２０ｍ５であり、パルス１］は１０ｍ５である。

このような、振動子駆動波形で強力洗浄を達成り“るた
めに、比較的低い超音波周波数（２０〜２８ＫＨ７Ｐｉ
Ｉ度が広く使用されている）で超？２波出力を上げ、音
圧を高めようとすると、前記の鳴音は避けられなかった
。

そして、鳴音が発生したと言うことは前記の４（障害気
泡の存在を意味するものであって、良好なキャヒテーシ
」ン発生状況ではないことは先に述べた通りである。

〈発明の目的〉この発明の目的は上述従来技術に基づいて、超音波が洗
浄効果を促進する利点を生かしながら、上記準障害気泡
の生成によって、変則周期で発生ずる衝撃圧力波に基づ
く可聴領域の鳴音を可及的に除去すると共に、ぎめが細
かく密度が高く、而も、むらが少くて確実に強度が高い
キャビチーシコンゾーンを最適条件で形成覆ることが出
来、而も、比較的低周波の超音波を使用してもほとんど
上記鳴音が発生することがないようにして精密産業にお
ける洗浄技術利用分野に益する優れた超音波洗浄方法を
提供け°んとするものである。

〈発明の構成〉上述［１的に沿い先述特許請求の範囲を要旨とづるこの
発明の構成は、前）本問題点を解決するために洗浄液面
に平行に音響輻躬面を構成し、且つ、同位相輻射体とし
て超音波を放射させその場合、該超音波はパルス変調し
て洗浄液の種類に応じ、その変調周期を調整した上で固
定し、又、該パルス幅をピーク出力に対し調整し、それ
にＪ二つて、音圧を高めて洗浄能力を高め、而して、有
効キャビテーション気泡の内、準障害気泡の発生に対し
ては強力な超音波の放射時間を制限して準障害気泡が生
成される以前に超音波の放射を停止トシて気泡直径が略
初期状態に戻るまで保持ｔノ、再び強力超音波を放射す
ることにより、準障害気泡の生成を抑制し、その結果、
可聴領域の鳴音等のノイズが発生しないようにし、真に
有効なキャビテーションのみ発生するようにし、きめの
細かい密度が高いむらが少く、充分に強いキャビテーシ
ョンゾーンを最適条件で形成出来、而も、比較的低い周
波数の超音波を使用しても刺激的な鳴音が発生せず、最
適な洗浄環境を保全Ｊることが出来、洗、浮面のサブミ
クロン単位の複合微粒子汚れを確実に捕捉して剥離除去
することが出来るようにした技術的手段を講じたもので
ある。

〈実施例〉次に、この発明の実施例を第３図に基づいて説明８ｊ１
１ば以下の通りである。

第３図に示す様に、超音波の波形をパルス変調し、その
変調波形は正弦波でも矩形波でも適宜に選択可能であり
、而して、前記有効キャビテーション気泡については洗
浄液の種類性質によって、又、超音波の強さと連続放射
の時間的長さにＪ：つで気泡直径の生長の度合が異なる
ために、洗浄液の種類に対応して強力な超音波の放射時
間を調整し、変調周期Ｔに対して放射時間１．．１２の
如く長さを決め、即ち、気泡が略初期状態に戻るまで超
音波の放口・１を停止−するようにする。

したがって、強い超音波の放射によっても有効キャビテ
ーション気泡はさほど大ぎく生長せず、前記第１図に示
す２．３に相当する如き大径化する準障害気泡はその発
生や生成を抑制され、少くどｂ３に相当する準障害気泡
は殆んど生成しない。

この場合、パルス幅を洗浄液の種類、及び、超音波のピ
ーク出力に対して調整可能にしておくと連続波に比して
平均出力ＰＩ　、Ｐ２　と小さいが、該連続波では到底
実現出来ない準障害気泡の少いきめの細かい密度の高い
、而も、むらが少く充分に強いキャビテーションゾーン
を最適条件で形成出来、刺激的な鳴音を発生さ−Ｕるこ
とが４ｙいＪ：６にすることが出来、比較的低い周波数
を使用してｔ）音圧を高くして有効な洗浄を現出（）る
ことが出来る。

尚、この場合、変調音が聞こえることは１１−むを得な
いが数ＫＨｚの鳴音に比べると実質的には障害にはなら
ない。

尚、当該実施例における第３図に示すパルス変調はミ前
述第２図（ロ）、（ハ〉、（ニ）に示づ従来のパルス変
調とは異なり、イのパルス周期は従来の固定された交番
電源周期（５０Ｈ２とＪると周期ｒ　＝　１０１００Ｏ
／　５０＝　２０ｍ５　）と異なり、洗浄液の種類によ
って調整された後に固定されるものであり、周期Ｔは（
１／２）Ｘτにすｂ小さく設定される。

又、パルス幅についてもそのピーク出力のＰ　ｔ。

に対して調整して上述率障害気泡の生成を抑制するよう
にされているものである。

したがって、前に述べた如く、準障害気泡の生成に伴う
可聴領域の鳴音は生じないことになる。

したがって、従来であれば、液面に平行な音響輻射面に
よって同位相輻射体により超音波を放射した場合には比
較的小さな振動子の電気入力を与えても音圧定在波の腹
部では充分に強い音圧が容易に１９られて洗浄効果は良
いものの、先述の如く、鳴音が発生するような不具合は
この発明においては除去されることになる。

尚、この発明の実施態様は上述実施例に限るものでない
ことは勿論であり、種々の態様が採用可能である。

〈発明の効果〉以上、この発明によれば、基本的に優れている超音波洗
浄において、準障害気泡の生成を抑制することにより、
可聴領域の鳴音を除去することが出来、同時にキψビテ
ーション分布のむらも極めて少くなり、密度の高いきめ
の細かい、而も充分に強いキャビテーションゾーンを最
適条件で形成出来、而も、比較的周波数の低い超音波を
使用しても支障なく確実に洗浄が出来、サブミク［１ン
単位の複合微粒子汚れを除去出来るという優れた効果が
秦される。

而して、従来と異なり、超音波をパルス変調してもその
変調周期を洗浄液の種類に応じて調整して後固定し、パ
ルス幅をピーク出力に対して調整することにより、有効
キャビデージョン気泡の生長をある程度以内に抑制し、
超音波停止期間中に気泡径′は略初期状態に戻るために
、先述の如き準障害気泡の生成が抑制され、シＩＣがっ
て、大部分の有効キャビテーション気泡は超音波周期で
圧縮による衝撃圧力を発生する。

中には超音波周期の１／２で衝撃波を発生するものがあ
っても、（１／２）ｘｆ　ｏは多くの場合、可聴領域外
にあるから、可聴領域の鳴音ノイズが全く発生せず、静
粛な洗浄環境が出来るという優れた効果が奏される。

又、超音波放射の音響輻射面を洗浄液の液に対して平行
になし、その輻射面を同位相輻射体としｔｃことにより
従来多く用いられたような正逆位相並存型の輻射仮型振
動子に比し、輻射面、及び、その近傍の一部に異常に高
い音圧を発生せしめる如き不具合を来たすことなく、而
も、洗浄にとって重要な上方領域（液面に近い領域）の
音圧を容易に大きくすることが出来る優れた効果が奏さ
れ、比較的小さな振動子電気入力を与えても充分に大き
な音圧ゾーンが得られ、その上鳴音が除去されるという
超音波洗浄にとってその本質的な利点を充分に生かしな
がら、そのデメリットを削減出来るという優れた効果が
奏される。

【図面の簡単な説明】

第１図は有効キャビテーションの中の準障害気泡の生成
と鳴音発生に関する説明図、第２図（イ）は従来技術に
基づく連続波超音波の波形図、（ロ）は超音波の周期固
定のパルス変調波形図、（ハ）、（ニ）は同他の態様図
、第３図はこの発明の１実施例の超音波のパルス変調波
形説明図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）洗浄液中に超音波を放射し、キャビテーションを
発生させて洗浄する方法において、超音波をパルス変調
し洗浄液の種類に応じその変調周期を調整して固定し、
パルス幅をピーク出力に対し調整して準障害気泡の生成
を抑制し可聴領域の単音又は複合鳴音を発することなく
有効なキャビテーションのみを発生ざせるようにしたこ
とを特徴とする超音波洗浄方法。
（２）上記超音波放射を同位相輻射体によって行うよう
にしたことを特徴とする上記特許請求の範囲第１項記載
の超音波洗浄方法。
（３）上記輻射体の音響輻射面を洗浄液面に平行にした
ことを特徴とする上記特許請求の範囲第１項記載の超音
波洗浄方法。
（４）上記超音波がサブミクロン単位の複合微粒子汚れ
除去のための洗浄液に放射するようにしたことを特徴と
する上記特許請求の範囲第１項記載の超音波洗浄方法。