KR100925121B1

KR100925121B1 - 초음파 세정장치

Info

Publication number: KR100925121B1
Application number: KR1020077008511A
Authority: KR
Inventors: 유이치로 마쓰모토; 테이치로 이케다; 신 요시자와; 테루타카 사하라; 노부오 츠마키; 요시미츠 키타다
Original assignee: 가부시키가이샤 히다찌 플랜트 테크놀로지; 고쿠리츠다이가쿠호우진 도쿄다이가쿠
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2009-11-04
Also published as: US20100192974A1; WO2006040993A1; CN101052478B; KR20070083678A; JP4442383B2; CN101052478A; JP2006110418A; US20090025761A1

Abstract

피세정물의 표면에 부착한 더러움을 초음파를 부여한 세정액으로 초음파세정하는 초음파 세정장치에 있어서, 상기 세정액을 저장하는 세정조와, 상기 세정액 중에 상기 피세정물을 지지하는 지지대와, 주파수 1 ~ 10 MHz 의 제 1의 초음파와, 그 제 1의 초음파의 2분의 1 이하의 주파수인 제 2의 초음파를 상기 피세정물로 향하여 교대로 집속시키는 초음파 발생수단과, 상기 집속시키는 집속위치에서 상기 피세정물의 표면까지의 거리를 조정하는 집속위치 조정수단과, 상기 초음파 발생수단에 의한 초음파의 효력이 상기 피세정물의 표면 구석구석까지 골고루 미치도록 상기 초음파 발생수단 및 상기 지지대의 적어도 한쪽을 이동시키는 이동수단을 구비한 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치이다.

초음파 세정장치, 세정액, 반도체 기판, 포토마스크용.

Description

초음파 세정장치{ULTRASONIC CLEANER}

본 발명은 초음파 세정장치에 관한 것으로, 특히 반도체 기판, LCD(Liquid Crystal Display; 액정표시장치)용이나 포토마스크용의 유리기판 등과 같이 세정시에 있어서의 상처나 파손이 치명적인 품질결함으로 되는 피세정물에 매우 적합한 초음파 세정장치에 관한 것이다.

반도체 기판, LCD나 포토마스크용의 유리 기판에 부착한 미소한 입자 등의 더러움을 제거하는 세정방법으로서는 예를 들면 회전 브러쉬로 피세정물을 문지르는 브러쉬 스크러브세정, 세정액을 고압으로 피세정물에 부딪히게 하는 고압 제트세정, 초음파를 부여한 세정액을 피세정물에 부딪히게 하는 초음파세정이 있다. 이들의 세정방법 중에는 회전 브러쉬와 같은 먼지 발생의 문제가 없고 세정능력도 고압 제트세정보다도 뛰어난 초음파세정이 가장 적합하여 넓게 채용되고 있다.

초음파세정에 의한 더러움 제거기능으로서는 2개의 기능이 알려져 있다. 하나는 캐비테이션에 의한 충격파로 피세정물의 표면에 부착하는 입자(고형물)등의 더러움을 박리제거하는 물리적 세정기능이다. 다른 하나는 초음파로 발생하는 래디칼에 의해 더러움을 분해제거하는 화학적세정기능이다. 이러한 2개의 기능을 유효하게 작용하게 하는 것이 초음파세정의 효과를 높이는데 있어서 포인트로 된다. 또 한 이들의 물리적 세정과 화학적 세정의 효과는 주어지는 초음파의 파워가 큰 만큼 높은 효과를 얻을 수 있다.

그러나 종래의 초음파 세정장치는 초음파 진동자의 단위면적으로부터 조사되는 초음파 에너지를 웃도는 에너지를 피세정물의 단위표면에 조사하지 못하고, 만족할 수 있을 정도의 세정능력을 얻지 못하고 있는 실정이다.

그런데 출원인은 초음파를 이용한 기술로서 국소적으로 초음파의 높은 에너지를 얻을 수 있는 초음파 조사장치를 개발하였다. 이 초음파 조사장치를 사용함으로써 신장결석, 요로결석, 담석의 돌을 초음파에 의해 효과적으로 파쇄할 수가 있다(특허문헌 1).

특허문헌 1 : 일본국 특허공개 2004-33476호 공보

그렇지만 특허문헌 1의 초음파 조사장치의 기술을 상술한 반도체 기판이나 유리 기판의 세정에 적용하려면 다시 장치구성의 개량이 필요하다.

즉, 반도체 기판이나 유리 기판의 세정인 경우, 세정효과가 높은 것은 물론 세정시에 반도체 기판이나 유리 기판의 표면이 초음파의 에너지로 손상되거나 파손되지 않는 것이 지극히 중요하다. 특히 반도체 기판면이나 유리 기판면에 이미 회로 등의 미세패턴이 형성되어 있는 경우에는 미세패턴을 파괴 하지 않고 초음파세정하는 것이 필요하다.

본 발명은 이와 같은 실정을 감안하여 발명한 것으로, 피세정물의 표면을 손상시키거나 파손시키거나 하는 일 없이 표면에 부착한 입자나 유기성의 오염물 등을 효과적으로 제거할 수 있는 초음파 세정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제 1 측면은 상기 목적을 달성하기 위해 피세정물의 표면에 부착하는 더러움을 초음파를 부여한 세정액으로 초음파세정 하는 초음파세정장치에 있어서, 상기 세정액을 저장하는 세정조와, 상기 세정액 중에 상기 피세정물을 지지하는 지지대와, 주파수 1 ~ 10 MHz 의 제 1의 초음파와, 그 제 1의 초음파의 2분의 1 이하의 주파수인 제 2의 초음파를 상기 피세정물로 향하여 교대로 집속시키는 초음파 발생수단과, 상기 집속시키는 집속위치에서 상기 피세정물의 표면까지의 거리를 조정하는 집속위치 조정수단과, 상기 초음파 발생수단에 의한 초음파의 효력이 상기 피세정물의 표면 구석구석까지 골고루 미치도록 상기 초음파 발생수단 및 상기 지지대의 적어도 한쪽을 이동시키는 이동수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

제 1 측면은 피세정물을 세정액 중에 침지시킨 상태로 초음파세정하는 딥방식의 경우이다. 제 1 측면에 의하면, 초음파세정장치에는 초음파 발생수단에서 발하는 초음파가 피세정물의 표면 또는 그 근방에서 점 또는 선을 이루는 국부에 집속 하도록 초음파 진동자가 배치되든가, 혹은 초음파 발생원으로서 오목 면 상의 초음파 진동자가 설치되어 있다. 그리고 세정조 내의 지지대에 세정하는 피세정물 지지한다. 세정액으로서는 예를 들면, 초순수한 물을 사용할 수 있지만, 특히 한정되는 것은 아니고 피세정물의 더러움의 종류에 의해 적절히 선택할 수 있다. 이 상태로 먼저 초음파 발생수단으로부터 주파수 1~10 MHz의 제 1의 초음파를 발사하여 초음파가 집속하는 집속위치에 국부적으로 캐비테이션에 의한 다수의 기포가 모인 기포군을 발생시킨다. 다음에 초음파 발생수단으로부터 제 1의 초음파의 2분의 1 이하의 주파수인 제 2의 초음파를 발사하여 제 1의 초음파에 의해 발생한 기포군을 공진시켜 붕괴시킨다. 제 1 및 제 2의 초음파의 집속 위치는 같다. 여기서 기포군의 붕괴란 기포군이 주위의 압력 변동에 의해 폭축(爆縮)할 때에 기포군의 중심부 부근에 고에너지가 집중하여 압력의 매우 큰 충격파가 발생하는 현상을 가리켜 기포군이 분열 또는 소멸해 가는 과정을 가리키는 것은 아니다.

이와 같이 제 1 및 제2의 초음파를 집속위치로 집속시킴으로써 기포군 붕괴시의 고에너지를 국부에 집중시킬 수 있다. 따라서 이러한 제 1의 초음파의 조사와 제 2의 초음파의 조사를 교대로 반복함으로써 극히 강고(强固)하게 부착된 입자도 제거하는 것이 가능해 진다. 제 1의 초음파를 30μ초 ~ 70μ초 발사한 후 연속하여 제 2의 초음파를 5μ초 ~ 15μ초 발사한다. 이것을 80μ초 ~ 120μ초의 간격을 두어 반복 실시하는 것이 바람직하다.

이러한 피세정물의 초음파세정에서 집속위치 조정수단에 의해 집속위치로부터 피세정물의 표면까지의 거리를 조정할 수 있으므로 피세정물의 더러움의 종류나 부착강도, 피세정물의 표면의 물리적 강도(상처나 파손의 어려움)에 의해 최적인 집속위치를 임의로 설정할 수 있다. 집속위치 조정수단으로 조정하는 집속위치로부터 피세정물의 표면까지의 거리에는 제로도 포함된다. 즉, 집속위치를 피세정물의 표면에서 표면 근방이 되도록 조정한다.

또한 세정액은 초음파의 조사를 받아서 집속위치에 래디칼(예컨대 OH래디칼)을 생성하여 이 래디칼에 따라 피세정물의 표면에 부착하고 있는 유기성의 오염물을 산화 분해한다. 이 경우에도 제 1 및 제 2의 초음파를 집속위치에 집속시킴으로써 래디칼의 생성에 필요한 에너지를 국부로 집중시킬 수 있으므로 효율적으로 래디칼을 생성할 수 있다. 게다가 집속위치 조정수단에 의해 집속위치로부터 피세정물의 표면까지의 거리를 조정할 수 있도록 함으로써 유기성의 오염물의 종류나 부착강도, 피세정물의 표면의 화확적 강도(래디칼에 대한 내성)에 의해 최적인 집속위치를 임의로 설정할 수 있다.

그에 따라 피세정물이 예를 들면 금속박막이나 회로등의 미세 패턴이 이미 형성된 반도체 기판이나 유리 기판에 있어서도 미세 패턴을 파손하는 일 없이 효과적인 초음파 세정을 실시할 수 있다.

또한 본 발명에서는 초음파 발생수단 및 지지대의 적어도 한쪽을 이동시키는 이동수단에 의해 피세정물의 표면을 구석구석까지 초음파 세정할 수 있음과 동시에 이동하는 속도를 바꿈으로써 더러워지는 상태의 큰 표면 부분은 이동속도를 지연시키고, 더러워지는 상태가 작은 표면 부분은 이동속도를 빠르게 하도록 치밀한 세정을 실시할 수도 있다.

본 발명의 제 2 측면은 상기 목적을 달성하기 위해 피세정물의 표면에 부착하는 더러움을 초음파를 부여한 세정액으로 초음파 세정하는 초음파 세정장치에 있어서, 상기 피세정물을 반송하는 반송수단과, 상기 반송수단의 윗쪽에 설치되어 노즐구멍으로부터 세정액을 상기 피세정물의 표면으로 향해서 토출함과 동시에 주파수 1 ~ 10 MHz 인 제 1의 초음파와 그 제 1의 초음파의 2분의 1 이하의 주파수인 제 2의 초음파를 상기 피세정물의 표면에 교대로 집속시키는 초음파 발생수단을 구비한 초음파 노즐과, 상기 노즐 구멍에서 상기 피세정물의 표면까지의 거리를 조정하는 집속위치 조정수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

제 2 측면은 노즐구멍에서 피세정물로 향하여 분출하는 세정액에 초음파를 부여하는 초음파 노즐방식의 경우이다.

이 초음파 노즐방식의 제 2 측면의 경우도 작용효과는 제 1 측면의 딥방식의 경우와 마찬가지이다.

본 발명의 제 3 측면은 제 1 측면 또는 제 2 측면에 있어서, 상기 피세정물이 반도체 기판, LCD 용이나 포토마스크용 유리기판 중 어느 것인 것을 특징으로 한다.

이것은 본 발명의 초음파 세정장치는 반도체기판, LCD 용이나 포토마스크용의 유리기판과 같이 세정시에 있어서의 상처나 파손이 치명적인 품질결함으로 되는 피세정물에 대해 특히 유효하기 때문이다.

본 발명의 제 4 측면은 제 1 ~ 3 측면의 어느 하나에 있어서, 상기 집속위치에 고체물을 설치한 것을 특징으로 한다.

기포는 고체물의 표면에서 지극히 발생하기 쉬움으로써 제4 측면과 같이 초음파의 집속위치에 고체물을 설치함으로써 기포군의 기포를 보다 높은 밀도로 형성할 수 있다. 그에 따라 기포군 붕괴시에 한층 높은 에너지를 얻을 수 있다. 또한 초음파의 발생패턴이 작아도 효율적으로 기포를 발생시킬 수 있어 에너지 절약이 된다.

본 발명의 제 5 측면은 제 4측면에 있어서, 상기 고체물이 금속판, 금속 이외 재질의 평판, 메쉬판, 다공판중 어느 것인 것을 특징으로 한다.

이것은 기포의 발생을 촉진하는 고체물의 바람직한 예이며, 금속판, 예컨대 초음파 반사판, 금속재질 이외의 평판, 메쉬판, 다공판을 매우 적합하게 사용할 수있다. 이 경우 금속판, 평판의 경우에는 기포군이 붕괴한 때의 에너지가 피세정물에 도달하는 것을 저해하도록 초음파의 진행방향과 면이 평행으로 되도록 배치하는 것이 바람직하다. 또한 기포군이 붕괴한 때의 에너지가 피세정물에 도달하는 것을 저해하지 않는 메쉬판이나 다공판의 경우에는 초음파의 진행방향에 대하여 면이 직교하도록 배치하는 것도 가능하다.

본 발명의 제 6 측면은 제 1, 3, 4 또는 5 측면에 있어서, 상기 초음파의 진행방향이 상기 피세정물의 표면에 수직인 방향에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 한다.

제 6 측면은 딥방식의 경우이며, 초음파의 진행방향이 피세정물의 표면에 수직인 방향에서 경사지도록 한 것으로, 피세정물의 표면에 있어서의 초음파의 효력영역 및 초음파에 의해 생성되는 래디칼의 효력영역을 넓힐 수 있다. 또한 음향류(音響流)에 의한 흐름방향을 한쪽방향으로 할 수 있으므로 피세정물의 표면에서 제거된 더러움을 피세정물로부터 신속하게 배제할 수 있어 세정효과를 높일 수 있다. 음향류(音響流)로는 초음파가 유체 내를 전반(轉搬)하면, 그 빔에 매질의 흐름이 생겨 그 흐름을 말한다.

본 발명의 제 7 측면은 제 2 내지 제 5 측면의 어느 하나에 있어서, 상기 노즐구멍에서의 세정액의 토출방향 및 상기 초음파의 진행방향이 상기 피세정물의 표면에 수직인 방향에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 한다.

제 7 측면은 초음파 노즐방식의 경우이며, 노즐구멍에서의 세정액의 토출방향 및 초음파의 진행방향이 피세정물의 표면에 수직인 방향에 대하여 경사져 있도록 한 것으로, 피세정물의 표면에 있어서의 초음파의 효력영역 및 초음파에 의해 생성되는 래디칼의 효력영역을 넓게할 수 있다. 또한 노즐구멍에서의 토출된 세정액이 피세정물의 표면을 흐르는 방향 및 음향류에 의한 흐름방향을 한쪽방향으로 할 수 있으므로 표면에서 제거된 더러움을 피세정물로부터 신속하게 배제할 수 있어 세정효과를 높일 수 있다.

본 발명의 제 8 측면은 제 1 내지 제 7 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 초음파 발생수단을 2기 설치함과 동시에 그 2기의 초음파 발생수단은 초음파의 집속위치가 동일하게 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

그에 따라 1대의 초음파 발생수단으로 형성되는 초음파의 집속역(集束域)보다 좁은 범위에서 기포를 발생시킬 수 있으므로 기포군의 붕괴시에 한층 높은 에너지를 얻을 수 있다.

본 발명의 제 9 측면은 제 8 측면에 있어서, 상기 2기의 초음파 발생수단은 회동축을 중심으로 회동 자유롭게 지지됨과 동시에 상기 집속위치 조정수단은 상기 2기의 초음파 발생수단을 회전시킴으로써 상기 집속위치를 동일하게 하면서 상기 집속위치로부터 상기 피세정물의 표면까지의 거리를 조정하는 것을 특징으로 한다.

2기의 초음파 발생수단은 회동축을 중심으로 회동자유롭게 지지되고, 집속위치 조절수단에 의해 2기의 초음파 발생수단을 회동시키도록 함으로써 용이하게 2기의 초음파 발생수단에서의 초음파를 용이하면서 정밀도 좋게 집속위치를 동일하게 하여 집속위치로부터 피세정물의 표면까지의 거리를 조정할 수 있다.

본 발명의 제 10 측면은 제 1 내지 제 9 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 세정액중에 가스를 용해한 가스 용해수를 취입하는 가스 용해수 취입수단을 설치한 것을 특징으로 한다.

이것은 가스 용해수가 취입된 세정액은 취입되지 않은 세정액에 비해 초음파의 조사에 의한 래디칼의 발생이 많아 래디칼에 의한 피세정물의 세정효과를 한층 높일 수가 있기 때문이다. 이 경우 취입구는 집속위치 근방에서 있으며, 초음파의 진행 방향에서 보아 집속위치의 상류 측에 배치하여 집속위치로 향하여 가스를 취출하는 것이 바람직하다. 그에 따라 집속위치의 상류 측에 취입된 가스 또는 가스 용해수가 초음파 에너지의 가장 높은 집속위치에서 효율적으로 래디칼을 생성하여 생성한 래디칼이 피세정물의 표면에 효율적으로 도달할 수 있다.

본 발명의 제 11 측면은 제 1 ~ 제9 측면의 어느 하나에 있어서, 상기 세정액 중에 가스를 취입하는 가스취입수단을 설치한 것을 특징으로 한다.

이와 같이 세정액 중에 가스 용해수를 취입하는 대신에 세정액 중에 가스를 직접 취입해도 괜찮다.

도 1은 본 발명 딥 방식 초음파 세정장치의 전체구성을 나타낸 도면이며, 초음파의 집속위치를 유리기판의 표면으로 한 경우의 개념도,

도 2A는 본 발명 초음파세정의 메카니즘을 설명하는 설명도,

도 2B는 본 발명 초음파세정의 메카니즘을 설명하는 설명도,

도 3은 본 발명 딥방식 초음파세정장치의 다른 태양에 있어서, 초음파의 집속위치를 유리기판의 표면에서 이간한 경우의 개념도,

도 4A는 초음파의 집속위치에 설치하는 고체물에 대한 설명도,

도 4B는 초음파의 집속위치에 설치하는 고체물에 대한 설명도,

도 5는 본 발명 딥 방식 초음파 세정장치의 또 다른 태양에 있어서, 초음파 발생수단을 유리기판에 수직인 방향에 대하여 경사진 경우의 개념도,

도 6은 본 발명 딥 방식 초음파 세정장치의 또 다른 태양에 있어서, 초음파 발생수단을 2기 설치한 경우의 개념도,

도 7은 본 발명 딥 방식 초음파 세정장치의 또 다른 태양에 있어서, 초음파 발생수단을 2기 설치함과 동시에 세정액에 가스용해수를 취입한 경우의 개념도,

도 8은 본 발명 딥 방식 초음파 세정장치의 또 다른 태양에 있어서, 초음파 발생수단을 2기 설치함과 동시에 세정액에 가스를 직접 취입한 경우의 개념도,

도 9는 초음파 노즐방식 초음파 세정장치의 전체구성을 나타낸 도면이며, 초음파의 집속위치를 유리기판의 표면으로 한 경우의 개념도,

도 10은 초음파 노즐방식 초음파 세정장치의 다른 태양의 전체구성을 나타낸 도면이며, 초음파의 집속위치를 유리기판의 표면에서 이간한 경우의 개념도,

도 11은 초음파 노즐방식 초음파 세정장치의 또 다른 태양에 있어서, 초음파 발생수단을 유리기판에 수직인 방향에 대하여 경사진 경우의 개념도,

도 12는 초음파 노즐방식 초음파 세정장치의 또 다른 태양에 있어서, 초음파 발생수단을 2기 설치한 경우의 개념도,

도 13은 초음파 노즐방식 초음파 세정장치의 또 다른 태양에 있어서, 초음파 발생수단을 2기 설치함과 동시에 세정액에 가스를 취입한 경우의 개념도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 딥방식의 초음파 세정장치 11 : 세정액

12 : 세정조 14 : 유리기판

14A : 유리기판의 표면(세정면) 16 : 지지대

18 : 초음파 진동자 20 : 초음파 발생수단

22 : 집속위치 조정수단 24 : 지지대의 이동수단

26 : 본체부 28 : 제 1 초음파

30 : 제 2 초음파

32 : 초음파의 진행방향을 나타낸 화살표 34 : 초음파의 중심선

36 : 기포군 38 : 아암

40 : 고체물 42 : 음향유

44 : 회동축 46 : 가스취출구

48 : 가스 용해장치 50 : 액체공급관

52 : 가스공급관

100 : 초음파 노즐방식의 초음파 세정장치 102 : 반송수단

104 : 노즐구 108 : 초음파노즐

110 : 노즐용기 112 : 세정액 공급관

114 : 롤러 P : 초음파의 집속위치

이하, 첨부도면에 따라서 본 발명에 관한 초음파 세정장치에 있어서의 바람직한 실시의 태양에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 7은 본 발명에 관한 초음파 세정장치의 제 1 실시의 형태이며, 피세정물을 세정액 중에 침지한 상태로 초음파세정하는 딥방식에 있어서의 각종 태양을 나타낸 개념도이다. 또한 피세정물로서 유리기판의 예를 설명하였지만, 유리 기판으로 한정하는 것은 아니다.

도 1에 나타낸 바와 같이 딥방식의 초음파 세정장치(10)는 주로 세정액(11)을 저장하는 세정조(12)와, 세정액(11) 중에 유리기판(14)을 지지하는 지지대(16)와, 초음파를 집속할 수 있는 초음파 진동자(18)를 구비하여 다른 주파수의 초음파를 유리기판(14)의 표면(14A)으로 향하여 교대로 집속하는 초음파 발생수단(20)과, 초음파의 집속위치(P)에서 유리기판(14)의 표면(14A)까지의 거리를 조정하는 집속위치 조정수단(22)과, 초음파 발생수단(20)에 의한 초음파의 효력이 유리기판(14)의 표면(14A)에 구석구석까지 골고루 미치도록 지지대(16)를 이동시키는 이동수단(24)으로 구성된다. 또한 본 실시예의 형태에서 이동수단(24)은 지지대(16)를 이동하도록 한 것이지만, 초음파 발생수단(20)을 이동시켜도 되고, 지지대(16)와 초음파 발생수단(20)의 양쪽을 이동시켜도 된다.

초음파 발생수단(20)은 주로 본체부(26)와 초음파 진동자(18)로 구성되고, 초음파 진동자(18)는 진동면이 오목면 형상이며, 조사된 초음파가 지지대(16)에 지지된 유리기판(14)으로 향하여 집속되도록 배치된다. 초음파는 스포트상(점상)에 집속되어도, 라인상(선상)에 집속되는 경우에도 좋지만, 본 실시의 형태에서는 라인상에 집속되는 경우이며(도 4A 및 도 4B), 라인 폭이 유리기판(14)의 폭방향(도 1의 겉과 속방향)의 길이 이상으로 되도록 설정된다. 집속하는 초음파를 조사하는 초음파 진동자(18)로서는 예컨대 오목면 압전소자를 사용할 수 있다.

그리고 도2 A 및 도 2 B에 나타낸 바와 같이 본체부(26)에 수납된 주파수제어가능한 발신기(도시하지 않음)에서 초음파 진동자에 신호를 공급하여 예를 들면 주파수 2MHz의 고주파인 제 1의 초음파(28)를 약 50μ초 조사(도 2A)한 후 연속하여 그 제 1의 초음파의 2분의 1 이하인 예를 들면, 약 500KHz의 저주파인 제 2의 초음파(30)를 약 10μ초 조사(도 2B)한다. 이 제 1 및 제 2의 초음파(28, 30)의 조사를 1세트로 하여 이것을 약 100μ초 인 단시간의 간격으로 반복 조사한다. 이 경우 제 1의 초음파(28)의 주파수로서는 1 ~ 10MHz의 범위가 바람직하고, 제 2의 초음파(30)의 주파수로서는 그 제 1의 초음파의 2분의 1 이하의 주파수인 것이 좋다. 또한 제 1의 초음파(28)의 1회의 조사시간은 30μ초 ~ 70μ초, 제2의 초음파(30)의 1회의 조사시간은 5μ초 ~ 15μ초의 범위이다. 또한 바람직한 시간 간격의 범위로서는 80μ초 ~ 120μ초의 범위이다. 또한 도 2A 및 도 2B의 화살표(32)는 초음파의 진행방향이며, 일점쇄선(34)은 집속하면서 화살표(32) 방향으로 진행하는 초음파(28, 30)의 중심선이다.

그에 따라 제1의 초음파(28)의 조사에 의해 유리기판(14)의 표면(14A) 또는 표면(14A) 근방의 국부적인 수속(收束)위치(P)에 고밀도로 섬세한 기포의 기포군(36)이 발생하여 발생한 기포군(36)은 이어서 조사되는 제 2의 초음파로 단번에 붕괴한다. 이때의 충격력은 종래의 초음파를 집속시키지 않는 경우에 비해 극히 강력하며, 유리기판(14)의 표면(14A)에 부착한 종래 제거할 수 없었던 미세한 입자나 막상의 더러움을 제거할 수 있다. 또한 그 강력한 충격력에 의해 효율적으로 래디칼을 생성할 수 있으므로 래디칼에 의한 화학적인 세정효과도 높일 수 있다.

또한 초음파 발생수단(20)의 본체부(26)는 집속위치 조정수단(22)에 의해 도 1의 화살표(A-B) 방향으로 이동가능하게 지지된다. 그에 따라 초음파(28, 30)의 집속위치(P)를 도 1과 같이 유리기판(14)의 표면(14A)에 설정하거나 도 3과 같이 유리기판(14)의 표면(14A)에서 이간(離間)할 수 있다. 집속위치 조정수단(22)으로서는 특히 도시하지 않았지만, 예를 들면, 수직으로 세워 설치한 지주에 본체부(26)를 너트부재를 통해서 슬라이드 가능하게 지지함과 동시에 너트부재를 볼 나사에 나사결합하여 볼 나사를 정역회전 가능한 모터로 회전하는 것으로써 구성할 수 있다. 요는 초음파 발생수단(20)을 도 1의 화살표(A-B) 방향으로 이동할 수 있는 기구를 갖춘 집속위치 조정수단(22)이면 좋다. 이와 같이 집속위치 조정수단(22)을 설치하여 집속위치(P)에서 유리기판(14)의 표면(14A)까지의 거리를 조정할 수 있도록 한 것이므로 유리기판(14)에 부착하는 더러움의 종류나 부착강도, 유리기판(14) 표면(14A)의 물리적 강도(상처나 파손하기 어려움)나 화학적 강도(래디칼에 대한 내성)에 의해 최적인 집속위치(P)를 임의로 설정할 수 있다.

도 3과 같이 초음파(28, 30)의 집속위치(P)를 유리기판(14)의 표면(14A)에서 알맞은 정도로 이간함으로써 금속박막을 성막한 유리기판(14)이나 회로등의 미세패턴이 형성된 유리기판과 같이 기포군(36)의 붕괴에 의한 충격력의 영향을 받을 수 있고 유리기판(14)이어도 금속박막이나 미세 패턴을 파손하지 않게 초음파세정 할 수 있다.

유리기판(14)의 표면(14A)으로부터 어느 정도 이간시킬 까는, 세정 하려고 하는 유리기판(14)의 여러 가지 조건에 따라서 다르므로 예비시험 등에 의해 적절한 이간거리를 파악하면 좋다.

또한 도 1에 나타낸 바와 같이 유리기판(14)을 지지하는 지지대(16)는 아암(38)을 통해서 이동수단(24)에 연결되어 화살표(C-D) 방향으로 지지대(16)를 이동가능하게 구성된다. 그에 따라 지지대(16)와 하나로 이동하는 유리기판(14)에 대 해 유리기판(14)을 향해 라인상의 제 1 및 제 2의 초음파(28, 30)를 교대로 집속시켜 기포군의 발생과 붕괴를 반복함으로써 유리기판(14)의 표면(14A)을 구석구석까지 초음파 세정할 수 있다. 이동수단으로서는 특히 도시하지 않았지만, 예를 들면 실린더 로더의 신축에 의해 아암을 화살표(C-D) 방향으로 스트로크 시키는 실린더장치나 볼 나사로 아암을 화살표(C-D) 방향으로 왕복이동시키는 볼 나사 기구 등을 사용할 수 있다.

또한 초음파에 의한 기포의 발생은 고체표면에서 많이 발생하기 때문에 도 3에 나타낸 바와 같이 초음파(28, 30)의 집속위치(P)에 고체물(40)을 설치하는 것이 바람직하다.

도 3은 초음파(28, 30)의 집속위치(P)에 사용하는 초음파의 파장보다도 충분히 얇은 두께의 금속판(초음파 반사판)을 상기한 중심선(34) 상에 설치한 경우이다. 이 금속판의 면은 도 4A와 같이 초음파의 진행방향(32)에 평행이 되도록 하는 것으로, 발생한 기포가 유리기판(14)에 도달하는데 있어서 장해가 되지 않게 할 수 있다. 이와 같이 초음파(28, 30)의 집속위치(P)에 고체물(40)을 설치함으로써 제 1의 초음파(28)에 의한 기포의 발생을 촉진하고, 고밀도인 기포군(36)을 형성할 수 있으므로 기포군(36)의 붕괴시에 한층 높은 에너지를 얻을 수 있다. 또한 기포군(36)의 붕괴에 의해 발생하는 다량의 래디칼은 초음파(28, 30)의 음향류(42)에 의해 유리기판(14)의 표면(14A)까지 옮겨져 표면(14A)에 부착한 유기성의 오염물을 래디칼에 의해 화학적으로 분해하여 제거한다.

초음파(28, 30)의 집속위치(P)에 설치하는 고체물(40)은 금속판으로 한정하지 않고, 기타 예컨대 세라믹스나 플라스틱 재질의 평판이어도 되고, 도 4B에 나타낸 바와 같이 다수의 구멍을 가지는 금속망이나 다양한 재질의 다공판이어도 된다. 금속망이나 다공판은 그 구멍을 통해서 기포나 세정액을 유리기판(14) 상에 보낼 수 있으므로 금속망이나 다공판의 면을 초음파(28, 30)의 진행방향(32)에 대하여 직교하는 방향에 설치할 수 있다. 이 경우 고체표면에서의 기포의 발생을 확보하면서 기포나 세정액을 충분히 기판에 공급하기 위해서는 금속망 등을 구성하는 철사의 직경 및 개구부의 크기나 다공판의 구멍의 직경 및 구멍의 피치는 초음파의 파장보다 충분히 작은 예컨대 0.5mm 이하 정도가 바람직하다.

도 5는 초음파(28, 30)의 집속위치(P)를 유리기판(14)의 표면(14A)에서 이간시킴과 동시에 초음파(28, 30)의 진행방향(32)이 유리기판(14)의 수직방향에 대하여 30°의 각도(α)로 되도록 한 것이다. 이와 같이 초음파(28, 30)의 진행방향(32)이 유리기판(14)의 표면(14A)에 수직인 방향에서 경사져 있도록 한 것이므로 유리기판(14)의 표면(14A)에 있어서의 초음파의 효력영역 및 초음파에 의해 생성되는 래디칼의 효력영역을 넓게할 수 있다. 또한 음향류(42)에 의한 흐르는 방향을 한 방향으로 할 수 있으므로 유리기판(14)의 표면(14A)에서 제거된 더러움을 유리기판(14)으로부터 신속하게 배제할 수 있어 세정효과를 높일 수 있다. 경사진 각도(α)로서는 10°~ 80°의 범위가 바람직하고, 50°~ 70°의 범위가 보다 바람직하다. 이것은 각도(α)가 10°미만이면 초음파(28, 30)의 효력영역을 넓게하는 효과가 발휘되지 않음과 동시에 80°를 넘으면, 효력영역이 넓어지나 초음파세정 효력이 저하하기 때문이다.

도 6은 2개의 초음파 진동자(18)를 각각 수평각(β)이 가변 되도록 배치하는 한편 2개의 초음파 진동자(18)로부터의 초음파가 일점에 집속하도록 구성한 일예이다. 수평각(β)은 유리기판(14)의 수평인 표면(14A)에 대한 초음파(28, 30)의 진행방향(32)의 각도를 말한다.

2개의 초음파 진동자(18)로부터의 초음파가 일점에 집속하기 때문에 각각의 초음파 발생수단(20)의 본체부(26)는 초음파 진동자(18)의 초음파 발생면으로부터 그 집속위치(P) 까지의 거리(L)를 반경으로 한 원주 상을 이동(E-F방향)할 수 있도록 지지된다. 이와 같이 배치함으로써 집속위치(P)를 변경하여 수평각(β)을 자유롭게 변화시킬 수 있다. 수평각(β)의 최적값은 피세정물에 따라서 다르지만, 대개 45°±30°의 범위이다. 또한 2개의 초음파 발생수단(20)을 지지한 구조체(26B)를 상하 방향으로 이동하거나 혹은 기판(14)을 상하 방향으로 이동함으로써 초음파의 집속위치(P)와 피세정물인 기판(14) 사이의 거리를 조정한다. 이와 같이 2기의 초 음파 발생수단(20)을 설치하여 집속위치(P)를 같게 함으로써 초음파의 집속영역 근방으로 한정한 범위에서 보다 대량의 기포군(36)을 발생시킬 수 있으므로 기포군(36)의 붕괴시에 한층 높은 에너지를 얻을 수 있다.

도 7은 2기의 초음파 발생수단(20)을 설치함과 동시에 그 집속위치(P)의 근방의 세정액 중에 가스 또는 가스를 용해한 가스 용해수를 취입하는 취입구(46)를 설치한 초음파 세정장치(10)이다. 취입 가스로서는 수소가스, 아르곤 가스 등의 초음파(28, 30)에 의해 래디칼을 발생하기 쉬운 가스가 바람직하다. 이 경우 세정액(11) 중에 가스를 직접 취입하도록 하여도 좋지만, 가스를 용해한 가스 용해수를 세정액(11) 중에 공급하도록 하면 더욱 좋다. 도 7은 가스 용해수를 공급하도록 장치구성을 형성한 것으로, 세정조(12)의 바깥측에 중공사막(中空絲膜)을 사용한 가스 용해장치(48)가 설치된다. 이 가스 용해장치(48)에 액체 도입관(50)으로부터 미리 탈기처리에 의해 용존가스를 제거한 초순수한 물을 공급함과 동시에 가스 공급관(52)으로부터 수소 가스를 공급하여 초순수한 물에 수소 가스를 용해시킨 가스 용해수를 제조한다. 그리고, 가스 용해수를 공급관(54)의 취입구(46)로부터 세정조(12) 내로 취입한다. 세정액(11)으로의 가스의 취입은 2기의 초음파 발생수단(20)으로 한정되는 것이 아니고, 도 1 내지 도 6에서 설명한 1기의 초음파 발생수단에도 적용할 수 있다.

이와 같이 집속위치(P)의 근방에 가스가 취입된 세정액(11)은 취입이 없는 세정액에 비하여 초음파(28, 30)의 조사에 의한 래디칼의 발생이 많고, 래디칼에 의한 유리기판(14)의 세정효과를 한층 높일 수가 있기 때문이다. 이 경우 취입 구(46)는 집속위치(P) 근방에서 초음파(28, 30)의 진행 방향(32)에서 보아 집속위치(P)의 상류 측에 배치하여 집속위치(P)로 향해 가스 또는 가스 용해수를 토출하는 것이 바람직하다. 그에 따라 집속위치(P)의 상류 측에 취입된 가스가 초음파 에너지의 가장 높은 집속위치(P)에 있어서 효율적으로 래디칼로 되어 유리기판(14)의 표면(14A)에 도달하기 때문이다.

도 8은 도 7의 초음파 세정장치(10)에 있어서, 가스 용해수 대신에 가스(도 8은 수소가스를 취입하는 경우)를 세정조(12) 내에 직접 취입하도록 한 것이며, 이 경우에도 가스 용해수를 취입한 경우와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

도 9 내지 도 13은 본 발명 초음파 세정장치의 제 2 실시의 형태이며, 노즐구멍으로부터 피세정물로 향하여 토출하는 세정액에 초음파를 부여하는 초음파 노즐방식에 있어서의 각종 태양을 나타낸 개념도이다. 또한 제 1 실시의 형태와 동일한 부재나 수단에는 같은 부호를 부쳐 설명한다.

도 9에 나타낸 바와 같이 초음파 노즐방식의 초음파 세정장치(100)는 주로 유리기판(14)을 반송하는 반송수단(102)과, 반송수단(102)의 위쪽에 설치되어 노즐구멍(104)에서 세정액(11)을 유리기판(14)의 표면(14A)을 향하여 토출함과 동시에 다른 주파수의 초음파를 유리기판(14)의 표면(14A)을 향해서 교대로 집속시키는 초음파 발생수단(20)을 구비한 초음파 노즐(108)과, 노즐구멍(104)에서 유리기판(14)의 표면(14A) 까지의 거리를 조정하는 집속위치 조정수단(22)으로 구성된다.

초음파 노즐(108)은 주로 본체부(26)와, 초음파 진동자(18)와, 유리기판(14)의 폭방향(도 9의 겉과 속방향)에 긴 슬릿상의 노즐구멍(104)이 하향하여 개구된 노즐용기(110)로 구성된다. 노즐용기(110)의 천장 면에는 초음파 진동자(18)가 배치됨과 동시에 측면에는 세정액(11)이 공급되는 세정액 공급관(112)이 접속된다. 초음파 진동자(18)는 진동면이 오목면 형상이며, 제 1 실시의 형태에서 설명한 것과 같은 제 1의 초음파(28)와 제 2의 초음파(30)가 유리기판(14)으로 향하여 집속하도록 배치된다. 이 경우 초음파(28, 30)는 슬릿상의 노즐구멍(104)에 따라 라인상에 집속된다. 유리기판(14)을 반송하는 반송수단(102)으로서는 도 9에 나타낸 바와 같이 구동롤러(114)를 늘어 놓은 롤러 컨베이어장치를 매우 적합하게 사용할 수가 있지만, 이것에 한정하는 것은 아니다. 초음파 노즐방식의 초음파 세정장치(100)의 경우 노즐구멍(104)에서 토출된 세정액(11)은 유리기판(14)의 표면(14A)을 세정한 후 반송수단(102)의 아랫쪽에 설치된 도시하지 않은 수납용기로 낙하하므로 세정액(11)이 낙하하기 쉬운 반송수단(102)이면 좋다.

이와 같이 구성된 초음파 노즐방식의 초음파 세정장치(100)에 의하면, 노즐용기(110)에 세정액(11)을 공급하여 노즐구멍(104)에서 유리기판(14)으로 향하여 토출하면서 본체부(26)에 수납된 주파수 제어가능한 발신기(도시하지 않음)로부터 초음파 진동자(18)에 신호를 공급하여 예를 들면 주파수 2MHz의 고주파인 제 1의 초음파(28)를 약 50μ초 조사한 후 연속하여 그 제 1의 초음파(28)의 2분의 1 이하인 예컨대 약 500KHz의 저주파인 제 2의 초음파를 약 10μ초 조사한다. 이것을 약 100μ초의 단시간 간격으로 반복 조사한다. 그에 따라 초음파 노즐식의 초음파 세정장치(100)의 경우에도 딥방식의 초음파 세정장치(10)와 마찬가지의 초음파 세정효과를 얻을 수 있다. 이 경우 제 1 및 제 2의 초음파(28, 30)의 1회에 조사하는 조사시간 및 시간간격의 바람직한 범위는 제 1의 실시형태와 마찬가지이다.

또한 초음파 노즐(108)은 집속위치 조정수단(22)에 의해 화살표(A-B) 방향으로 이동가능하며, 그에 따라 노즐구멍(104) 및 집속위치(P)를 도 9와 같이 유리기판(14)의 표면(14A)에 대략 접촉하는 위치까지 접근하거나 도 10과 같이 유리기판(14)의 표면(14A)에서 이간할 수 있다. 집속위치 조정수단(22)으로서는 예컨대 제 1의 실시형태에서 설명한 볼 나사기구를 사용할 수 있다. 그에 따라 제 1의 실시형태에서 설명한 것과 마찬가지의 작용효과를 얻을 수 있으므로 금속박막을 성막한 유리기판(14)이나 회로 등의 미세패턴이 형성된 유리기판(14)과 같이 기포군(36)의 붕괴에 의한 충격력의 영향을 받기 쉬운 유리기판(14)에 있어서도 금속박막이나 미세패턴을 파손하지 않도록 초음파 세정할 수 있다.

또한 초음파 노즐방식의 초음파 세정장치의 경우도 도 10 및 도 11과 같이 초음파의 집속위치(P)에 고체물(40)을 설치함으로써 기포의 발생을 촉진할 수 있다. 또한 도 11과 같이 노즐구멍(104)에서의 세정액(11)의 토출방향 및 초음파(28, 30)의 진행방향(32)의 각도(α)가 유리기판(14)의 표면(14A)에 수직인 방향에 대하여 경사진 것이 바람직하다. 그에 따라 제 1의 실시형태와 마찬가지로 유리기판(14)의 표면(14A)에 있어서의 초음파(28, 30)의 효력영역 및 초음파(28, 30)에 의해 생성되는 래디칼의 효력영역을 넓게 할 수 있다. 또한 노즐구멍(104)에서 토출된 세정액(11)이 유리기판(14)의 표면(14A)을 흐르는 방향 및 음향류(42)에 의한 흐르는 방향을 한 방향으로 함으로써 유리기판(14)의 표면(14A)에서 제거된 더러움을 유리기판(14)에서 신속히 배제할 수 있어 세정효과를 높일 수 있다. 적절한 각 도(α)는 제 1의 실시형태와 마찬가지이다.

도 12는 하나의 초음파 노즐(108)에 두 개의 초음파 발생수단(20)의 집속위치(P)가 동일하게 되도록 대향 배치한 것이므로 노즐용기(110)는 단면 반원상의 어묵형상으로 형성되어 두 개의 초음파 진동자(18) 사이에 세정액(11)을 공급하는 세정액 공급관(112)이 접속된다. 이와 같이 2기의 초음파 발생수단(20)을 설치하여 집속위치(P)를 동일하게 하였으므로 1대의 초음파 발생수단(20)으로 형성하는 초음파(28, 30)의 집속영역 근방으로 한정된 범위에서 기포를 발생시킬 수 있으므로 기포군(36)의 붕괴시에 한층 높은 에너지를 얻을 수 있다.

도 13은 노즐용기(110)로 공급하는 세정액(11)에 가스를 취입하도록 한 것이므로 세정액 공급관(112)의 도중에 중공사막(中空絲膜)을 사용한 가스 용해장치(48)가 설치된다. 그에 따라 노즐용기(110)로 공급하는 세정액(11) 중의 가스 농도가 높게 되므로 초음파(28, 30)의 조사에 의한 래디칼의 발생이 많아 래디칼에 의한 유리기판(14)의 세정효과를 한층 높일 수 있다.

또한 본 발명의 실시형태에서는 피세정물로서 유리기판(14)의 예로서 설명하엿지만, 이것에 한정됨이 없이 반도체 기판이어도 좋고, 초음파 세정할 수 있는 것이면 어떠한 것이어도 좋다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 초음파 세정장치에 의하면, 피세정물의 표면을 손상시키거나 파손시키거나 하는 일 없이 표면에 부착한 입자나 유기성의 오염물 등을 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서 본 발명은 반도체 기판, LCD용이나 포토마스크용 유리기판의 초음파 세정에 각별히 유효하다.

Claims

피세정물의 표면에 부착하는 더러움을 초음파를 부여한 세정액으로 초음파세정하는 초음파 세정장치에 있어서,

상기 세정액을 저장하는 세정조와,

상기 세정액 중에 상기 피세정물을 지지하는 지지대와,

주파수 1 ~ 10 MHz 의 제 1의 초음파와, 그 제 1의 초음파의 2분의 1 이하의 주파수인 제 2의 초음파를 상기 피세정물로 향하여 교대로 집속시키는 초음파 발생수단과,

상기 집속시키는 초음파의 집속위치에서 상기 피세정물의 표면까지의 거리를 조정하는 집속위치 조정수단과,

상기 초음파 발생수단에 의한 초음파의 효력이 상기 피세정물의 표면 구석구석까지 골고루 미치도록 상기 초음파 발생수단 및 상기 지지대의 적어도 한쪽을 이동시키는 이동수단을 구비한 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
피세정물의 표면에 부착하는 더러움을 초음파를 부여한 세정액으로 초음파 세정하는 초음파 세정장치에 있어서,

상기 피세정물을 반송하는 반송수단과,

상기 반송수단의 윗쪽에 설치되어 노즐구멍으로부터 세정액을 상기 피세정물의 표면으로 향해서 토출함과 동시에 주파수 1 ~ 10 MHz 인 제 1의 초음파와 그 제 1의 초음파의 2분의 1 이하의 주파수인 제 2의 초음파를 상기 피세정물의 표면에 교대로 집속시키는 초음파 발생수단을 구비한 초음파 노즐과,

상기 노즐 구멍에서 상기 피세정물의 표면까지의 거리를 조정하는 초음파의 집속위치 조정수단을 구비한 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 피세정물이 반도체 기판, LCD 용이나 포토마스크용 유리기판 중 어느 것인 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
제 1항에 있어서, 상기 초음파의 집속위치에 고체물을 설치한 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
제 4항에 있어서, 상기 고체물이 금속판, 금속 이외 재질의 평판, 메쉬판, 다공판중 어느 것인 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
제 1항 또는 제 5항에 있어서, 상기 초음파의 진행방향이 상기 피세정물의 표면에 수직인 방향에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
제 2항에 있어서, 상기 노즐구멍에서의 세정액의 토출방향 및 상기 초음파의 진행방향이 상기 피세정물의 표면에 수직인 방향에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
제 7항에 있어서, 상기 초음파 발생수단을 2기 설치함과 동시에 그 2기의 초음파 발생수단은 초음파의 집속위치가 동일하게 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
제 8항에 있어서, 상기 2기의 초음파 발생수단은 회동축을 중심으로 회동 자유롭게 지지됨과 동시에 상기 집속위치 조정수단은 상기 2기의 초음파 발생수단을 회전시킴으로써 상기 집속위치를 동일하게 하면서 상기 집속위치로부터 상기 피세정물의 표면까지의 거리를 조정하는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
제 1항, 제 5항, 제 8항, 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세정액 중에 가스를 용해한 가스 용해수를 취입하는 가스 용해수 취입수단을 설치한 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
제 1항, 제 5항, 제 8항, 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세정액 중에 가스를 취입하는 가스취입수단을 설치한 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.