KR100674996B1 - 과도 캐비테이션 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액체 내에서 일정한 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계, 음향장을 생성하는 단계 및 상기 액체를 상기 음향장에 종속시키는 단계를 포함하며, 상기 버블 크기들의 범위 및/또는 상기 음향장의 특성이 서로에 대하여 그들을 미세조정하도록 선택되며, 그리하여 버블 크기들의 선택된 범위내에서 캐비테이션을 제어하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 방법을 수행하는 데 적합한 장치에 관한 것이다.
액체, 버블, 음향장, 붕괴, 미세조정, 캐비테이션

Description

과도 캐비테이션 제어 방법 및 장치{Method and apparatus for controlled transient cavitaion}
도1은 액체 내에서 파티클 크기 및 가스 농도의 함수로서의 파티클 제거 효율(PRE)을 나타낸다.
도2는 액체 내에서 시간 및 가스 농도의 함수로서의 음향 루미네슨스(SL) 신호를 나타낸다.
도3은 음향장 특성들 및 버블 크기의 함수로서 액체 내에서 가스 버블의 행동을 나타낸다.
도4는 버블 크기와 음향장 특성의 함수로서의 붕괴를 나타낸다.
도5는 주파수 함수로서 붕괴 동안에 최대 온도 및 압력을 나타낸다.
도6은 본 발명에 사용될 수 있는, 2 세트의 트랜스듀서들을 갖는 장치로서, 각 세트는 복수개의 트랜스듀서를 갖는 장치를 나타낸다.
도7은 본 발명에 사용될 수 있는 특정 장치의 공정 흐름을 나타낸다.
도8은 분사 노즐의 개략도이다.
도9는 1.8 MHz, 5 W/㎠, 2.5 bar 과압, 18 ppm 산소에 대한 PRE를 나타낸다.
도10은 1.8 MHz, 5 W/㎠, 2.5 bar 과압, 10 ppm 산소에 대한 PRE를 나타낸다.
도11은 버블의 양 대 포화도를 나타낸다.
본 발명은 액체 내에서 과도 캐비테이션(transient caviation)을 생성하고 제어하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 예를 들어, 의약 장치의 세정, 반도체 산업 들에서 웨이퍼와 같은 평탄한 기판의 세정 등과 같은 세정을 포함하는 광범위한 응용 분야에 적용될 수 있다.
본 발명은 또한 액체 내에서 과도 캐비테이션을 생성하고 제어하는데 적합한 장치, 특히 세정 장치에 관한 것이다.
캐비테이션은 액체 내에서 버블의 활동으로서 일반적으로 알려지고 정의되어진다. 이러한 버블의 활동은 버블 성장, 진동(pulsation) 또는 붕괴를 포함한다. 버블들의 진동은 안정된 캐비테이션(stable cavitaion)으로 알려져 있으며, 반면에 버블들의 붕괴는 과도 캐비테이션으로 알려져 있다. 후자는 열, 충격파 등을 통하여 주변을 향하여 높은 양의 에너지를 방출할 수 있다.
캐비테이션은 수 많은 기술 분야에서 응용된다. 음향화학에서 초음파장 내에서 붕괴하는 버블들은 화학반응에 대한 촉매 효과를 갖는다. 또한 의학분야에서 예를 들어, 초음파 진단에서 조영증진기(contrast enhancer)로서 캐비테이션이 사용된다. 아마도 가장 잘 알려진 캐비테이션의 응용은 기판의 표면으로부터 파티클의 제거일 것이다.
이러한 여러 가지 응용에서 공통적인 문제점은, 붕괴의 위치 및 외형에 관하여 균일한 방식으로 제어할 수 있도록 어떻게 이러한 과도 캐비테이션 현상을 제어하느냐에 관한 것이다.
예를 들어, 오늘날 세정 기술에서 공통의 문제점은 기판의 표면으로부터 파티클이 불균일하게 제거되는 것이다. 파티클들은 지나친 붕괴에 의해 기판에 손상을 주지않고 제거되어야 하지만, 불균일한 세정 표면을 남긴다.
파티클 제거 메카니즘은 산소, 질소, 아르곤, 크세논, 이산화탄소 등과 같은 가스들을 가스화하거나, 또는 초순수를 얻기 위해 액체를 탈가스하고 이어서 버블 붕괴에 의해 발생되는 음향 루미네슨스(sonoluminescence;SL)와 파티클 제거 효율을 고찰함으로써 일찍부터 연구되어 왔다.
도1은 액체 내에서 가스의 존재가 높은 파티클 제거 효율(particle removal efficiency; PRE)을 달성하기 위해 필수적이라는 것을 보여준다. 도2에서는 가스화된 액체 및 탈가스화된 액체에 대한 SL 신호가 도시되어 있다. 가스화된 액체에서 버블들을 붕괴함으로써 발생된 SL 신호는 탈가스화된 액체에 반대로 검출될 수 있다. 양 그림의 결합은 과도 캐비테이션은 파티클 제거 메커니즘의 기초가 된다는 것을 지적하고 있다.
도3에서, 네피라스(Neppiras)(음향 캐비테이션, 1980)는 구동 압력과 음향장의 주파수에 대하여 의존하여, 그리고 가스 버블 반경에 대하여 의존하여, 가스 버블은 성장(영역 Y)할 수 있으며, 이어서 영역 Z로 들어가면 붕괴될 수 있으며, 영역 X로 들어가기에 충분히 작다면 다시 분해될 수 있다는 것을 보여준다.
미국 특허 제6,048,405호에서 스코로반(Skrovan)은 가스 버블들이 액체 내에서 발생되는 대로 표면을 통과하도록 가스 버블들을 기판의 표면 아래로 유입하고, 메가소닉(megasonic) 에너지가 투과되는 특정 영역 내에 상기 표면을 담그도록 하는 미세전자 분야용 세정 방법을 나타내고 있다. 그러나 스코로반은 과도 캐비테이션으로부터의 충격파에 의해서가 아니라 메가소닉 장(megasonic field)으로부터의 충격파에 의해 표면으로부터 파티클들이 제거되는 것을 청구한다. 그러나 도1은 메가소닉 에너지만을 사용하는 경우에는 메가소닉 에너지와 가스와 결합한 가스화된 액체에 비하여 전혀 충분하지 않다는 것을 증명한다. 더구나 이 문헌은 어떻게 캐비테이션을 제어하는 지에 대하여 교시하지 못하며, 이 방법을 사용하면 균일하지 못한 세정이 될 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 균일한 세정이 가능하도록 과도 캐비테이션을 제어 또는 형성하는 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 형태에 따른 과도 캐비테이션 생성 방법은, 액체 내에서 일정한 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계; 음향장을 생성하는 단계; 및 상기 액체를 상기 음향장에 종속시키는 단계를 포함하며, 상기 버블 크기들의 범위 및/또는 상기 음향장의 특성이 서로에 대하여 미세조정하도록 선택함으로써 버블 크기들의 선택된 범위내에 서 과도 캐비테이션을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 액체는 가스가 용해되거나 투입될 수 있는 수성의, 용매성의, 케미컬 혼합물의 또는 어떠한 유체도 될 수 있다. 이 방법은 의학 장비, 또는 반도체 산업에서 웨이퍼에 대한 세정 장치에서 사용될 수 있다.
선택되어지는 상기 음향장(acoustic field)의 특성은 상기 음향장에 영향을 주는 주파수, 인텐시티, 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들의 위치, 또는 다른 어떤 파라미터일 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 버블 크기들의 범위는 상기 음향장의 특성의 선택에 종속하고 의존하여 선택될 수 있다. 만약 상기 음향장의 특성들이 고정되거나 그들의 선택이 제한된다면, 상기 버블 크기들의 범위는 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 상기 음향장의 특성들은 상기 선택된 버블 크기들의 범위에 종속하고 의존하여 선택될 수 있다. 만약 상기 버블 크기들의 범위가 고정되거나 그 선택이 제한된다면, 상기 음향장의 특성들은 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 가스화 유니트 또는 액체 내에서 가스를 용해하는 어떠한 수단에 의하여 액체 내에서 가스를 용해하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 버블러 시스템, 캐필러리, 노즐, 멤브레인 컨택터 또는 액체 속으로 가스 버블들을 투입시킬 수 있는 어떠한 수단들에 의해 액체내에 가스를 투입하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 압력 강하를 포함하거나, 하나 또는 다중의 가압/감압 사이클을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 온도의 증가, 또는 하나 또는 다중의 액체 가열/냉각 사이클을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 부가적인 음향장으로 상기 액체를 종속화하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 두개 이상의 상이한 가스들을 상기 액체 내로 용해 또는 투입시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 상기 액체 내에 계면활성제를 부가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 버블 크기들의 범위는 시간에 따라 변화될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 음향장은 하나 또는 그 이상의 주파수들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예는 상기 버블 크기들의 범위를 측정하는 단계를 더 포 함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서 상기 버블 크기들의 범위에 대한 측정에 종속적으로 의존하여 상기 음향장의 특성들을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예는 상기 버블 크기들의 범위에 대한 측정에 종속적으로 의존하여 상기 버블 크기들의 범위를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제2 형태에 따른 장치는, 액체 내에서 일정한 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단; 음향장을 생성하는 수단; 및 상기 액체를 상기 음향장에 종속시키는 수단을 포함하며, 상기 일정한 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단 및/또는 상기 음향장을 생성하는 수단은 상기 버블 크기들의 범위 및 상기 음향장의 특성을 서로에 대하여 미세조정하도록 적용됨으로써 상기 버블 크기들의 선택된 범위내에서 과도 캐비테이션을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 장치에서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 가스화 유니트 또는 액체 내에서 가스를 용해하는 어떠한 수단을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 밸브, 노즐, 멤브레인 컨택터 또는 상기 액체 속으로 가스 버블들을 투입시킬 수 있는 어떠한 수단들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 열교환 시스템 또는 상기 액체를 가열/냉각하는 어떠한 수단을 포 함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 압력 강하를 발생시키는 어떠한 수단 또는 하나 또는 다중의 가압/감압 사이클을 발생시키는 수단을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 부가적인 음향장을 발생시키고, 상기 부가적인 음향장에 상기 액체를 종속시키는 수단을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 두 개 이상의 상이한 가스들을 상기 액체 내로 용해 또는 투입시키는 수단을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 상기 액체 내에 계면활성제를 부가하는 수단을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에서, 상기 음향장을 생성하는 수단은 하나 또는 그 이상의 주파수들을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 상기 버블 크기들의 범위를 측정하는 측정 유니트를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단을 제어 및/또는 상기 음향장을 생성하는 수단을 제어하기 위한 제어 유니트를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설 명한다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기서 설명되는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되서는 아니되며, 차라리 이러한 실시예들은 그 개시내용을 완벽히 하며 발명의 사상을 당업자에게 충분히 전달하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에서, 층들 및 영역들의 두께는 명료성을 위해 과장되어 있다. 동일한 참조번호는 전체적으로 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명은 액체 내에서 과도 캐비테이션을 생성하는 방법 및 장치와 관련이 있다. 이 방법 및 장치는 세정 목적으로, 예를 들어 살균이 필요한 의약 분야 또는 웨이퍼를 세정하기 위한 반도체 분야에서 사용될 수 있다.
과도 캐비테이션은 액체 내에서 버블들의 주요 활동이 버블 붕괴인 캐비테이션의 한 형태이다. 이러한 붕괴는 높은 에너지량을 열, 충격파 등을 통하여 주변을 향하여 방출할 수 있다.
액체 내에서 과도 캐비테이션을 제어하고 캐비테이션의 불균일한 성능의 문제를 해결하기 위하여, 특정한 버블 분포를 발생시키고 이러한 버블들을 특정한 음향장(acoustic field) 속으로 가져가는 방법이 개시된다.
이 방법은, 액체 내에서 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계; 음향장을 생성하는 단계; 및 상기 액체를 상기 음향장에 종속시키는 단계의 3 단계를 포함하며, 상기 버블 크기들의 범위 및/또는 상기 음향장의 특성이 서로에 대하여 미세조정하도록 선택됨으로써 버블 크기들의 선택된 범위내에서 과도 캐비테이션을 제어할 수 있다.
액체 내에서 버블들을 생성하는 것은 상이한 방법들로 수행될 수 있다. 우선, 액체 내에 가스의 부가가 필요하다. 질소, 산소, 이산화탄소, 아르곤, 헬륨, 크세논 등과 같은 가스들이 가스화 유니트, 예를 들어 멤브레인 콘택터에 의해 상기 액체 내로 부가될 수 있다. 상기 액체의 대기압, 상기 액체의 정수압, 상기 가스의 증기압, 액체의 흐름, 액체의 온도 및 가스와 액체 간의 접촉 면적 등은 액체 내에서 가스의 용해량을 제어하는 중요한 파라미터들이다. 가스들의 대부분은 용해된 상태로 존재할 것이다. 액체의 압력이 높을수록 그리고 온도가 낮을수록 가스는 액체 내에 더 많이 용해될 수 있다. 용해된 가스의 양 및 포화도는 버블 형성에 영향을 줄 것이다.
용해된 가스로부터 버블 형성은 하나 또는 다중의 가압 및 감압 사이클에 의해 얻어질 수 있다. 이것은 가압 후에 탱크 내에서 압력 강하를 얻기 위해 압력-해제 밸브를 사용하여 이루어질 수 있다. 또한 밸브, 오리피스(orifice), 또는 하나가 다른 하나 보다도 높은 압력인 두 개의 탱크 구획 사이의 멤브레인은 압력 강하를 제공할 수 있으며, 따라서 상기 다른 구획 내에 가스 버블들을 생성한다. 압력 차이 및 선택적으로 가압/감압 사이클의 속도를 제어하는 것은 가스 버블들의 양 및 크기를 제어하는 방법이다. 용해된 가스로부터 버블들을 생성하기 위한 다른 방법은 열교환 시스템에 의해 온도를 증가시키는 것이다. 온도 변화는 버블들의 크기를 결정하는 주요 파라미터이다.
음향 에너지파는 가압/감압 사이클을 일으키는 압력파이기 때문에 또한 음향 에너지도 용해된 가스로부터 액체 내에서 버블들을 생성할 수 있다.
용해된 가스로부터 버블들을 형성하는 대신에 액체 내에서 버블들의 직접 투 입도 적용될 수 있다. 버블러 시스템, 캐필러리, 노즐 등도 액체 내에 가스 버블들을 투입할 수 있다. 또한 공급된 가스로부터 액체를 분리하는 전용의 기공 크기를 갖는 멤브레인 컨택터가 사용될 수 있다.
일반적으로, 하드웨어의 설계, 가스 존재량, 감압 속도, 온도 변화, 표면활성제(예를 들어, 계면 활성제)의 존재 등은 액체 내에서 존재하는 버블들의 최종 크기를 결정할 것이다. 아주 작은 버블들은 용해된 가스로서 다시 사라질 것이고, 보다 큰 버블들은 성장할 것이다. 성장 또는 소멸을 결정하는 임계 크기는 액체 내의 증기 압력, 액체의 대기압 및 표면장력에 의해 영향을 받을 것이다.
예를 들어, 광 산란 및 음향 분산(sound dispersion)등 버블 크기들을 측정하기 위한 몇 개의 기술이 유용하다.
광산란 방법에서는 레이저빔이 셀을 통해 직접 투사되고, 가스 버블들을 포함하는 액체가 레이저 빔에 수직하여 연속적으로 흐른다. 레이저빔을 통과하는 버블은 오실로스코프에 연결된 포토다이오드에 의해 검출되는 광산란을 일으킨다. 레이저빔 자체는 상기 셀을 통과한 후 빔 스토퍼에 의해 저지된다. 광산란 신호의 인텐시티는 버블 크기에 대한 측정이며, 라텍스 구형 등가 크기(latex sphere equivalent size)에 의해 측정된다. 선택적으로 이 방법은 음향장에서 적용할 수 있다.
음향 분산법에서는 송신기가 가스 버블들을 포함하는 유동 매체 내에서 수신기를 향하여 신호를 보낸다. 유체 내에 존재하는 버블들은 상기 신호의 감쇠 및 군속(group velocity)에 영향을 끼친다. 이러한 두개의 파라미터들은 가스 버블 크기 및 버블들의 수에 대한 척도로서 측정될 수 있다. 그러나, 이 방법은 상기 신호에 대한 음향파들의 영향으로 인하여 음향장에서는 적용될 수 없다.
상기 생성된 가스 버블들 또는 적어도 그 일부는 버블들의 성장, 진동 또는 붕괴 등의 특정한 버블 활동을 일으키는, 전형적인 음향 압력 및 전형적인 주파수를 갖는 음향장에 종속된다. 모든 버블들은 활동적이지만 그들의 모두가 붕괴되는 것은 아니다. 단지 특정한 버블 크기의 분포를 갖는 버블들만이 붕괴되며, 이것은 과도 캐비테이션을 유도하는 레이레이-프리세트 모델(Rayleigh-Plesset model)로 기술된다. 다음 수학식1은 액체 내에서 가스 버블의 단열 붕괴를 기술한다.
Figure 112005052695680-pat00001
R은 버블 반경이며, ρ는 액체 밀도이며, Pg는 증기 압력, Po는 대기 정수압력이며, Pa는 시간의존 구동 압력이며, c는 액체 내에서 음향파의 속도이며, η은 액체 속도이며, σ는 액체 표면장력이다. 구동 압력은 음향장의 주파수 및 인텐시티에 의존적이다.
파티클 제거의 경우, 버블 붕괴는 표면상에 존재하는 파티클들 위로 드러그 힘(drug force)의 생성을 유발하는 마이크로 스트리밍(micro-streaming) 및 충격파의 원인이 된다. 만약 이러한 힘들이 반데르바알스힘 및 정전력을 극복할 수 있다면, 이러한 파티클들은 제거될 수 있다. 액체 내에서 마이크로 스트리밍 및 충격파의 최대량을 얻기 위해서는 가능한 많은 가스 버블들이 기판의 표면 근처에서 붕괴 되어야 한다. 이론적인 계산들과 실험 데이터는 단지 특정 범위의 버블 크기만이 특정 음향장내에서 붕괴된다는 것을 보여준다. 도4는 최소 버블 크기 보다 작은 또는 최대 버블 크기 보다 큰 버블들은 특정 인텐시티 및 특정 주파수(본 경우에는 1 MHz)에서는 붕괴되지 않는다는 것을 보여준다. 도5에서는 버블 붕괴 동안의 최대 압력 Pm 및 최대 온도 Tm이 음향장의 주파수에 의존한다는 것을 보여준다. 특정 음향장 내에서 적절한 버블 크기를 발생시킨다면 과도 캐비테이션이 조절될 수 있다. 세정의 경우 공정 조건들이 격렬하게 붕괴하는 버블들을 제어함으로써 표면 상에 손상의 양을 감소시키고 균일한 파티클 제거를 얻기 위해 최적화될 수 있다.
본 발명의 일반적인 사상에서, 음향장이 제공되는 영역 내에서의 가스 버블의 크기 및 상기 음향장의 특성화가 그 영역 내에서 균일한 과도 캐비테이션 또는 환언하면 버블 붕괴를 갖도록 서로에 연동되어야 한다. 따라서, 만약 한편으로 특정한 이유로 인해 가스 버블 크기의 유용한 범위가 제한된다면, 상기 음향장은 원하는 캐비테이션을 얻기 위해서 조정되어야 한다. 만약 한편으로 상기 음향장의 특성화에 대한 제한들이 고려되어야 한다면, 버블 크기의 범위 및 분포도 조정되어야 한다.
탱크 내에서 과도 캐비테이션의 균일도를 최적화하는 방법은 밸브, 오리피스, 멤브레인 컨택터 등의 설계를 미세조정함으로써 탱크의 바닥에서 버블 크기들의 범위를 미세조정하는 것이다. 버블들은 탱크 내에서 발생됨에 따라 성장하고, 상기 음향장 내로 들어가면 원하는 범위의 크기를 갖도록 적응된다. 발생된 버블들의 초기 크기 외에도, 발생 깊이, 탱크의 깊이 및 음향장의 위치가 이 경우 변경될 수 있다. 액체의 흐름 속도 및/또는 방향은 변경될 수 있는 다른 파라미터이며, 탱크 내에서 가스 버블들의 크기 및 분포에 중요한 영향을 준다.
또한 압력 변화가 버블들을 발생시킬 뿐만 아니라 각기 감압 또는 가압에 의해 버블들의 크기를 증가 또는 감소시키기 때문에 가압 및 감압 사이클을 적용하는 것은 도움이 될 수 있다. 나아가, 보다 향상된 버블 분포를 얻기 위해 탱크 내의 상이한 깊이들에서 버블들을 발생시키기 위해 점진적인 감압, 즉 탱크 내에서 몇 단계로 압력을 해제하는 방법이 사용될 수 있다.
다른 방법은 시간에 따라 버블 크기들의 범위를 변경하는 것이다. 이 방법에서는 보다 작은 버블들이 발생되는 시간 주기가 최종적으로 보다 낮은 깊이에서 원하는 범위의 크기를 달성할 수 있을 것이다. 보다 큰 버블들이 발생되는 시간 주기가 최종적으로 보다 큰 깊이에서 원하는 범위의 크기를 달성할 수 있을 것이다. 비록 버블들은 그들이 발생됨에 따라 성장하지만, 균일한 버블 분포는 이와 같은 방식으로 얻어진다.
또한 상이한 가스들이 사용될 수 있다. 상이한 성질들을 갖는 상이한 가스들은 최종 버블 크기 분포에 좋은 영향을 끼친다. 예를 들어, 질소 가스는 산소 가스 보다도 순수(pure water)에서 보다 낮은 포화도를 갖는다. 따라서 질소는 산소 보다도 용이하게 가스 버블들을 생성할 수 있다. 만약 질소 가스가 산소 가스 보다도 낮은 깊이에 제공된다면, 탱크 내에서 버블들이 발생되면서 양 가스들에 대하여 버블 크기가 거의 동일한 영역이 발생된다. 선택적으로 2개 이상의 가스들이 최적화를 보다 더 진행하기 위해 사용될 수 있다.
나아가, 계면활성제가 액체의 표면장력을 낮추기 위해 사용될 수 있다. 그리하여 가스 버블 크기가 증가될 수 있다.
상이한 주파수를 갖는 몇 개의 트랜스듀서들을 사용하면 다중의 주파수장이 탱크 내에 생성될 것이다. 이와 같은 방식에서는, 캐비테이션에 관련하여 보다 광범한 범위의 버블 크기들이 제어될 수 있다. 1 MHz의 메가소닉 장은 2 MHz의 메가소닉 장 보다도 더 큰 버블들에 작용한다. 만약 1 MHz의 메가소닉 장이 2 MHz 장 보다도 낮은 깊이에 제공된다면, 보다 광범위한 범위의 버블 크기들이 동일한 방식으로 영향을 받게 되어 탱크 내에서 균일한 과도 캐비테이션을 갖는 광범위한 영역이 발생된다.
부가적인 음향장이 원하는 범위의 버블 크기가 얻어질 수 있는 깊이 보다도 큰 깊이에 제공될 수 있다. 이 방식에서는 적정한 특성화가 된 부가적인 음향장이 원하는 최종의 크기 범위가 되는 영역으로 들어가기 전에 특정 범위의 버블들을 붕괴시킬 수 있다.
나아가, 도6에서 보여지는 바와 같은 장치가 사용될 수 있다. 동일한 제1 주파수를 갖는 복수개의 트랜스듀서들을 포함하는 제1 트랜스듀서 세트에 의해 발생된 상기 탱크의 바닥에서의 부가적인 음향장이 특정 범위의 크기를 갖는 버블들을 생성하는데 사용된다. 탱크의 낮은 깊이에서 동일한 제2 주파수를 갖는 복수개의 트랜스듀서들을 포함하는 제2 트랜스듀서 세트를 위치시켜 성장된 버블들을 붕괴시키도록 한다. 상기 제1 트랜스듀서 세트와 제2 트랜스듀서 세트는 동일한 수의 트랜스듀서들을 포함한다. 고정된 액체 흐름과, 바닥에서 제1 트랜스듀서 세트 중의 단일 트랜스듀서와 보다 낮은 깊이에서 제2 트랜스듀서 세트 중의 대응하는 단일 트랜스듀서 사이의 고정된 거리 (d)로 인하여, 바닥에서 제1 트랜스듀서 세트 중의 단일 트랜스듀서에서 발생된 모든 버블은 동일한 량으로 성장할 것이며, 보다 낮은 깊이에서 제2 트랜스듀서 세트 중의 대응하는 단일 트랜스듀서의 음향장에 의해 붕괴될 것이다.
도7은 본 발명에 따른 특정 장치에 대한 공정 흐름을 보여준다. 우선적으로 음향장의 특성들이 선택되며, 이어서 레이레이-프리세트 모델에 기초한 버블 크기들의 범위의 선택이 이어진다. 이것은 또한 반대로 수행될 수도 있다. 버블 크기의 이러한 범위는 액체 내에 가스를 용해하여 버블들을 생성함으로써 또는 액체 내에 가스 버블들의 직접 투입에 의해 생성된다. 만약 선택된 음향장이 생성되면, 버블 크기들의 선택된 범위 내의 버블들을 갖는 액체는 그것에 종속된다. 가스 버블들을 생성 또는 주입한 후에, 버블 크기들의 범위가 전술한 바와 같은 측정 기술중의 하나에 의해 측정된다. 측정의 결과는 버블들의 크기의 범위 및 생성/투입, 및/또는 음향장의 특성 및 생성을 제어하는데 사용된다. 이와 같은 방식으로 액체 내에서 과도 캐비테이션 또는 버블 붕괴를 제어하는 피드백 루프가 형성된다.
본 출원에서 개시된 본 발명은 음향장이 액체를 포함하는 탱크 내에서 발생되지 않은 경우에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 반도체 산업에서, 세정액이 회전하는 웨이퍼 상에 적용되고, 음향장이 웨이퍼를 통하여 세정액을 향해 통과하는 몇 개의 배치식 및 단일식(매엽식) 웨이퍼 세정 장치들이 알려져 있다. 또한, 세정액이 메가소닉 또는 울트라소닉 분사 노즐에 의해 공급되는 동안에 음향장에 종속되 는 단일식 웨이퍼 세정 장치가 알려져 있다. 이 분사 노즐은 도8에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 탈이온수 공급기(2) 및 가스+탈이온수 공급기(3)가 노즐에 연결된다. 트랜스듀서(4)는 가스+탈이온수 공급기를 감싸면서 노즐의 상부에 장착된다. 이와 같은 장치에서, 선택된 범위의 버블 크기를 갖는 가스 버블들을 포함하는 탈이온수 및 가스의 혼합물이 탈이온수+가스 공급기에 투입되기 전에 생성되어야 한다.
다른 응용 분야는 음향화학(sonochemistry)가 될 수 있다. 본 발명에 따른 방법이 균일한 반응 속도를 가져오는 균일한 촉매 효과를 얻기 위해 제어된 방식으로 과도 캐비테이션으로부터 에너지를 주입하기 위해 사용될 수 있다.
초음파 진단에서, 버블 크기와 음향장이 향상된 조영(contrast)을 가져오는 버블들에 의한 초음파의 산란을 증진시키기 위해 최적화될 수 있다.
예:
레이레이-프리세트 모델에 기초한 영(Young)의 공식에 의해, 특정 주파수에 대한 버블의 공명 반경이 계산될 수 있다.
Figure 112005052695680-pat00002
만약 주파수(ψr)= 1.8 MHz, ωr = 2πψr, 산소에 대한 단열상수(γ)=1.4, 탈이온수(DIW)의 밀도(ρ)= 1000 kg/㎥ 및 0.25 m 깊이에서의 정수압(Po)=103800 Pascal 이면, 공명 반경은 1.85 ㎛이다. 이것은 1.8 MHz 음향장에서는 비록 매우 낮은 음향 압력(예를 들어, 0.1 W/㎠)에서조차 1.85 ㎛의 반경을 갖는 버블들은 붕괴될 것이라는 것을 의미한다. 보다 높은 음향 압력(예를 들어, 10 W/㎠)에서는 상기 공명 반경에 근접하는 보다 광범위한 범위의 버블 크기들을 갖는 버블들도 잘 붕괴될 것이다.
특정의 테크소닉(Techsonic) 웨이퍼 세정 탱크에서는, 1.8 MHz 및 5 W/㎠의 음향장이 발생된다. 미크로리스 페이서 2 (Mykrolis Phasor 2) 가스화 유니트를 통과한 후 2.5 bar 과압에서 동작하고 18 ppm의 산소를 포함하는 상기 탱크의 웨이퍼 및 가스 공급 시스템은 8 SLM의 흐름을 제공하며, 탱크를 바닥(0.25 m 깊이)으로부터 채운다. 탱크의 유입구에서 발생하는 103800 파스칼로의 감압 단계는 탱크의 바닥에서 공명 반경에 근접하는 버블 크기 분포를 가져온다. 클라-텐커(KLA-Tencor)의 SP1DLS의 헤이즈 채널에 의해 측정된, 실리콘 웨이퍼상의 80 nm SiO2 파티클에 대한 파티클 제거 효율(PRE)의 결과가 도9에 주어진다. 웨이퍼의 하부에서의 PRE는 약 99%이며, 웨이퍼의 상부에서는 단지 1%에 불과하다.
탱크의 바닥에 단지 10 ppm 의 산소만을 포함하는 웨이퍼를 공급하면, 공명 반경 아래의 크기를 갖는 버블들이 발생된다. 탱크 내에서 버블들이 발생되면, 그들은 공명 반경에 근접하는 버블 크기 분포에 도달할 때까지 정수압의 변화 및 정류된 확산에 기인하여 성장한다. 이 경우의 PRE의 결과가 도10에 주어진다. 웨이퍼의 하부에서 PRE는 단지 1%이며, 상부에서는 PRE가 약 99%이다.
예:
34 nm SiO2 파티클들로 오염된 한 세트의 실리콘 기판들이 단일식 웨이퍼 메가소닉 세정 장치(Verteg Goldfinger)의 세정 성능을 평가하기 위해 사용되었다.
과도 캐비테이션을 얻기에 필요한 버블들의 형성이 메가소닉 장에 앞서 케미컬 공급 시스템 내에서 일어난다. 압력 강하를 실현하기 위해 후면 압력 조정기가 사용되며, 이것은 특정 가스(본 실시예에서는 아르곤)의 제어된 과포화를 발생시켜서 특정 버블 분포를 가져온다. 이러한 버블 분포를 얻기 위해, 고압(Pwater =2.6 bar)에서 초순수를 가스화하는 것이 필요하다. 부가된 아르곤의 양은, 상기 액체가 2.6 bar 수준(버블들이 존재하지 않는다)에서는 포화되지 않지만, 압력 강하(Pwater ~ 1 bar) 후에는 20% 과포화된다. 과포화에 기인하여 아르곤의 초과량은 도11에서 보여지는 바와 같이 공급 시스템내에서 전형적인 버블 분포를 형성한다. 형성된 버블 분포는 2 마이크로미터 보다 큰 버블들을 측정하기 위해 설계된 인라인 광산란 장치에 의해 모니터링된다.
아르곤 버블을 포함하는 초순수는 메가소닉 장으로 이동된다. 메가소닉 장에서 이러한 버블들의 활동은 가스들이 부가되지 않은 경우 0% 이고, 포화도가 100% 아래인 경우 40%인 것과 비교하여, 125 W 입력 전력에서 1분간의 공정 후에 34 nm SiO2 파티클에 대하여 80%의 파티클 제거 효율을 가져온다.
본 발명에 따르면 균일한 파티클 제거 효과가 있다.
이상은 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구체적인 설명이지만, 본 발명은 상기 실시예들의 형태에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 당업자의 기술수준에 따라 여러 가지로 변경을 가하는 것이 가능하다.

Claims (28)

  1. 액체 내에서 일정한 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계;
    음향장을 생성하는 단계; 및
    상기 액체를 상기 음향장에 종속시키는 단계를 포함하며,
    상기 버블 크기들의 범위 또는 상기 음향장의 특성들이 서로에 대하여 미세조정하도록 선택됨으로써 버블 크기들의 선택된 범위 내에서 과도 캐비테이션(trasient cavitation)을 제어하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 버블 크기들의 범위는 상기 음향장의 특성들의 선택에 종속되고 의존하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 음향장의 특성들은 상기 버블 크기들의 선택된 범위에 종속되고 의존하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 가스화 유니트 또는 액체 내에서 가스를 용해하는 수단에 의하여 액체 내에서 가스를 용해하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 버블러 시스템, 캐필러리, 노즐, 멤브레인 컨택터 또는 액체 속으로 가스 버블들을 투입시킬 수 있는 어떠한 수단들에 의해 액체 내에 가스를 투입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 압력 강하를 포함하거나, 하나 또는 다중의 가압/감압 사이클을 포함하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 온도의 증가, 또는 하나 또는 다중의 액체 가열/냉각 사이클을 포함하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 부가적인 음향장으로 상기 액체를 종속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 복수개의 상이한 가스들을 상기 액체 내로 용해 또는 투입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 버블 크기들의 선택된 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 단계는 상기 액체 내에 계면활성제를 부가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 버블 크기들의 범위는 시간에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 음향장은 하나 또는 복수개의 주파수들을 포함하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 버블 크기들의 범위를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 측정에 종속되며 의존하여 상기 음향장의 특성들을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 측정에 종속되며 의존하여 상기 버블 크기들의 범위를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 방법은 웨이퍼를 세정하는 데 사용하는 것을 특징으로 하는 과도 캐비테이션 형성방법.
  17. 액체 내에서 일정한 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단;
    음향장을 생성하는 수단; 및
    상기 액체를 상기 음향장에 종속시키는 수단을 포함하며,
    상기 일정한 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단 또는 상기 음향장을 생성하는 수단은 상기 버블 크기들의 범위 및 상기 음향장의 특성들을 서로에 대하여 미세조정하도록 설계함으로써, 상기 선택된 버블 크기들의 범위 내에서 과도 캐비테이션을 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 가스화 유니트 또는 액체 내에서 가스를 용해하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 밸브, 노즐, 멤브레인 컨택터 또는 상기 액체 속으로 가스 버블들을 투입시킬 수 있는 수단들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제17항에 있어서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 열교환 시스템 또는 상기 액체를 가열/냉각하는 어떠한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제17항에 있어서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 압력 강하를 발생시키는 수단, 또는 하나 또는 다중의 가압/감압 사이클을 발생시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제17항에 있어서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 부가적인 음향장을 발생시키고, 상기 부가적인 음향장으로 상기 액체를 종속시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제17항에 있어서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 복수개의 상이한 가스들을 상기 액체 내로 용해 또는 투입시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제17항에 있어서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단은 상기 액체 내에 계면활성제를 부가하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제17항 내지 제24항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 음향장을 생성하는 수단은 하나 또는 복수개의 주파수들을 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 제17항에 있어서, 상기 버블 크기들의 범위를 측정하는 측정 유니트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 제17항에 있어서, 상기 버블 크기들의 범위를 갖는 가스 버블들을 생성하는 수단을 제어 또는 상기 음향장을 생성하는 수단을 제어하기 위한 제어 유니트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 제17항에 있어서, 상기 장치는 웨이퍼를 세정하는 데 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
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