KR100927493B1 - 방사출력 메가소닉 변환기 - Google Patents

방사출력 메가소닉 변환기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 변환기는 음향에너지 발생수단과 공진기를 포함하여 구성된다. 음향에너지 발생수단은 0.4에서 2.0MHz의 주파수 범위에서 음향에너지를 발생시키며, 기판이 회전하고 있을 때 주어진 시간 내에 기판 상의 표면영역의 각각의 유닛에 대략 동일한 양의 음향에너지를 전달한다. 음향에너지 발생수단은 기판의 표면영역보다 적은 표면영역을 가지며, 쐐기형상의 압전 크리스탈로 이루어질 수 있다. 공진기는 기판에 음향에너지를 전달시키기 위하여 음향에너지 발생수단에 부착된다.
변환기, 음향에너지, 압전 크리스탈, 공진기

Description

방사출력 메가소닉 변환기{RADIAL POWER MEGASONIC TRANSDUCER}
본 발명은 대략 1 메가헤르츠 주파수 대역에서 음향에너지를 발생시키는 변환기(transducer)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회전하는 원형 물체의 표면에 균일한 양의 음향에너지를 전달하는 시스템에 관한 것이다.
0.4 내지 2.0 MHz 주파수 범위의 음파가 액체 속으로 전달되어, 손상되기 쉬운 기판상의 이물질을 세정하는 데 사용되는 것이 잘 알려져 있다. 이와 같이 대략 메가헤르츠 범위의 주파수 대역에서 실시되는 세정공정은 대체로 메가소닉 세정이라고 불려진다. 이러한 공정으로 세정되는 피처리 물체들로는 반도체장치 제조공정의 각 단계에서의 반도체 웨이퍼들, 디스크 드라이브 매체, 컴팩트 디스크 및 광디스크를 포함하는 디스크, 평판 디스플레이, 및 다른 민감한 회로기판들이 있다.
메가소닉 음향에너지는 대개 고주파 AC 전압으로 크리스탈을 여기시켜서 생성된다. 크리스탈에 의해 생성된 음향에너지는 에너지 전달부재(공진기)를 통과하여 세정액 내로 전달된다. 종종, 에너지 전달부재는 세정액을 수용하는 베셀의 일측벽이며, 세정을 위해 복수개의 물체들이 베셀 내에 위치된다. 예를 들어, 미국 특허 5,355,048호에는 여러 개의 부착층에 의해 석영 윈도우에 압전 크리스탈이 부착되어 구성된 메가소닉 변환기가 개시되어 있다. 이 메가소닉 변환기는 대략 850 KHz에서 작동된다. 이와 유사하게, 미국특허 4,804,007호에는 석영, 사파이어, 질화붕소, 스테인레스 스틸, 또는 탄탈로 이루어진 에너지 전달부재가 에폭시를 이용하여 압전 크리스탈에 부착된 메가소닉 변환기가 개시되어 있다.
또한, 잘 알려진 바와 같이, 메가소닉 세정 시스템은 개별 반도체 웨이퍼와 같이, 단일의 물체를 세정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 미국특허 6,021,785호에는 회전하는 웨이퍼의 표면에 수평방향으로 인접 배치되는 소형 초음파 전달장치를 사용하는 것이 개시되어 있다. 여기에서는, 웨이퍼 표면에 물줄기가 분사되어, 디스크의 표면에 음향에너지를 전달하여 초음파 세정을 실시하고, 제거된 이물질을 운반하는데 이용된다. 이와 유사하게, 미국특허 6,039,059호에는 세정액이 웨이퍼에 분사되는 동안, 솔리드한 원통형 프로브가 웨이퍼 표면에 근접 배치되어, 메가소닉 에너지가 프로브를 여기시키는데 사용되는 기술이 개시되어 있다. 또 다른 예시에서, 미국특허 6,021,789호에는 하나의 라인에 복수개의 변환기가 정렬된 단일 웨이퍼 세정 시스템이 개시되어 있다. 여기에서는, 액체가 웨이퍼의 표면에 도포되고, 변환기는 웨이퍼의 가장자리 밖으로 분리된 이물질을 운반하도록 점진적인 메가소닉파를 발생하도록 작동된다.
본 발명은 회전하는 원형 물체의 표면상의 모든 지점에 균일한 양의 음향에너지를 전달하는 변환기이다. 변환기는 공진기에 부착된 압전 크리스탈을 포함한다. 크리스탈의 적어도 어느 일측에 형성된 도전층은 크리스탈을 구동하는 전계를 생성하기 위하여 사용된다. 바람직하게는, 변환기는 0.4 내지 2.0MHz 주파수 범위의 음향에너지를 생성한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 변환기 내의 크리스탈은 쐐기모양으로 형성되어, 회전되는 물체의 반경이 증가함에 따라 크리스탈의 표면적이 증가된다. 이는 반경이 증가함에 따라 물체에 전달되는 음향에너지의 양이 증가된다는 것을 의미한다. 그러나, 변환기 하부에서 이동되는 물체의 영역에 가해지는 주파수는 물체의 반경에 반비례하므로, 물체 표면의 각각의 표면영역 유닛에 전달되는 음향에너지의 전체 양은 동일하다. 이러한 구조는 음향에너지가 물체의 표면에서 어떤 화학반응이 일어나도록 도와주며, 화학반응이 전체 표면에 걸쳐서 균일하게 진행되는 것이 바람직한 상황에서 유용하게 이용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 크리스탈은 사각형으로 이루어지지만, 크리스탈의 적어도 일측에 형성되는 도전층은 쐐기형상으로 이루어진다. 이러한 구조에 따르면, 크리스탈 자체가 쐐기 형상으로 된 것과 마찬가지로, 크리스탈에서 물체에 전달되는 음향에너지의 양이 반경을 증가시킴에 따라 증가된다.
도 1은 본 발명에 따른 음향 변환기의 측면도;
도 2는 도 1의 2-2라인을 따라 절취한 음향 변환기의 단면도;
도 3은 본 발명에 따른 음향 변환기를 개념적으로 보인 단면도;
도 4는 본 발명에 따른 쐐기형상의 크리스탈을 개념적으로 보인 평면도;
도 5는 본 발명에 따른 음향 변환기를 개념적으로 보인 평면도;
도 6은 본 발명에 따른 음향 변환기를 개념적으로 보인 사시도;
도 7은 본 발명에 따른 음향 변환기를 개념적으로 보인 평면도;
도 8은 본 발명에 따른 음향 변환기를 개념적으로 보인 평면도;
도 9는 본 발명에 따른 음향 변환기를 개념적으로 보인 평면도;
도 10은 본 발명에 따른 음향 변환기를 개념적으로 보인 평면도; 및,
도 11은 본 발명에 따른 음향 변환기를 개념적으로 보인 평면도이다.
도 1은 공진기(14)와 변환기 하우징(16)으로 구성된 음향 변환기(10)를 도시한 것이다. 하우징(16)은 바디(18)와 커버판(20)으로 구성된다. 바람직한 실시예에서, 하우징(16)은 스테인레스 스틸로 제조되지만, 플라스틱, 세라믹, 석영, 또는 알루미늄과 같은 다른 재료가 사용될 수도 있다. 대표적인 구성에서, 상기 공진기는 길이 "L"을 갖는다. 복수개의 제1 스프링커넥터(22)가 크리스탈(24)과 인쇄회로기판(PCB,25) 사이에 위치된다. 하나 이상의 제2 스프링커넥터(26)가 단차부(27)에 접촉된다. 하우징(16) 일단의 나사공(28)은 표준 BNC 커넥터를 수용할 수 있는 규격으로 제작된다.
도 2는 하나 이상의 압전 크리스탈(24)을 수용하는 캐비티(32)가 포함된 바디(18)를 도시한 것이다. 공진기(14)가 슬롯(38)을 통해 바디(18) 내측으로 연장되어 크리스탈(24)에 부착된다. 캐비티(32)를 수밀처리하기 위하여, 커버판(20)이 볼트 등과 같은 부착수단(42)에 의해 바디(18)에 부착된다. 바람직하게는, 공진기(14)와 슬롯(38) 사이의 결합부는 슬롯(38)을 통해 캐비티(32) 내부로 유체가 유입되는 것을 방지하도록 충분히 기밀처리된다. 가스켓(44)이 수분으로부터 캐비티(32)를 기밀시키는 기능을 수행하며, 또한 캐비티(32) 내부의 어떤 오염물질이 새어나가는 것을 방지한다. 어떤 실시예에서는, 캐비티(32)를 기밀시키기 위하여, 공진기(14)에 립(45)이 형성된다.
공진기(14)는 기단부(46)와 선단부(50)를 포함한다. 제1 스프링커넥터(22)는 크리스탈(24)과 PCB(25) 사이에 위치된다. 이 스프링커넥터(22)는 베이스버튼(62)과 접촉버튼(64), 및 그 사이에 위치된 스프링(66)으로 구성된다. 스프링커넥터(22)는 나중에 상세하게 설명될 바와 같이, 크리스탈(24)에 전기적 접점을 형성하기 위해 사용된다.
도 3은 공진기가 복수개의 층(정확한 규격은 아님)에 의해 크리스탈(24)에 연결되는 것을 보인 것이다. 일실시예에서, 크리스탈(24)은 제1 습윤층(72)과 제1 접착층(74)에 의해 부착층(70)에 연결된다. 제1 습윤층(72)은 부착층(70)에 최근접 배치되며, 제1 접착층(74)은 크리스탈(24)에 최근접 배치된다. 제2 습윤층(76)과 제2 접착층(78)이 부착층(70)과 공진기(14) 사이에 배치된다. 제2 습윤층(76)은 부착층(70)에 최근접 배치되며, 제2 접착층(78)은 공진기(14)에 최근접 배치된다. 제3 접착층(80)이 크리스탈(24)을 중심으로 제1 접착층(74)의 반대쪽에 배치되며, 제3 접착층(80) 상에는 금속층(82)이 배치된다.
도 3에서, 부착층(70)은 인듐, 주석, 인듐합금, 또는 주석합금 등과 같은 납땜 재료로 구성될 수 있다. 순수한 인듐은 부착층(70)으로 특히 적합하다. 도 3에 도시된 다른 층들의 구성 및 목적은 미국특허 6,222,305호의 도 5에 도시된 층들과 동일하다. 특히, 제1 및 제2 습윤층(72,76)은 은으로 구성되며, 각각 대략 5000Å의 두께를 갖게 될 것이다. 그러나, 습윤층에 다른 금속이 사용되거나 다른 두께를 가질 수도 있을 것이다. 습윤층(72,76)의 기능은 부착층(70)에서 용융된 인듐(또는 주석)에 습윤 표면을 제공하는 것, 즉, 부착층(70)이 제1 접착층(74)과 제2 접착층(78)에 각각 접착되는 것을 돕는 것이다.
일 실시예에서, 제1, 제2, 및 제3 접착층(74,78,80)은 각각 크롬과 니켈구리합금으로 된 대략 5000Å의 두께의 합금으로 구성된다. 예를 들어, 이들 접착층(74,78,80)은 50%의 크롬과 50%의 니켈구리합금으로 구성될 수 있다. 사용가능한 니켈구리합금은 Nickel 400TM 또는 MONELTM 상표로 시판되는 합금을 포함한다. Nickel 400TM 및 MONELTM은 32%의 구리와 68%의 니켈로 구성된 구리니켈합금이다. 그러나, 다른 재료 및/또는 두께가 접착층(74,78,80)으로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 접착층(74,78,80)의 일부 또는 모두는 크롬니켈합금을 포함하는 크롬으로 구성될 수도 있다. 상기 접착층(80)은 선택적이며, 완전히 제거될 수도 있다. 금속층(82)은 바람직하게는 은이지만, 니켈 또는 은합금을 포함하는 다른 도전성 금속으로 구성될 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 크리스탈(24)은 PZT(lead zirconate titanate)로 구성된 크리스탈 등과 같은 압전 크리스탈이다. 그러나, 당업계에서 잘 알려진 바와 같이, 바륨 티탄산염, 석영, 또는 PVDF(polyvinylidene fluoride resin) 등과 같은 많은 다른 압전물질이 사용될 수도 있다. 바람직하게, 크리스탈(24)은 0.4 내지 2.0MHz 주파수 범위의 음향에너지를 생성한다.
상기 변환기(10)는 미국특허 6,222,305호에 개시된 기본 기술을 이용하여 구성된다. 만약 주석이 부착층(70)으로 사용된다면, 주석의 보다 높은 용융점이 고려되어야 한다.
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특정 세정작업의 요구조건에 따라, 공진기(14)의 구성재료는 화학적으로 비활성인 재료의 그룹에서 선택된다. 예를 들어, 공진기(14)로 적합한 비활성 재료는 사파이어, 석영, 탄화 실리콘, 질화 실리콘, 세라믹, 스테인레스 스틸, 및 알루미늄을 포함한다. 또한, 공진기(14)는 TeflonTM, HalarTM, KynarTM 또는 PFA 등과 같은 화학적 비활성 재료로 활성 재료를 코팅하는 것에 의해, 화학적으로 비활성화되도록 만들어질 수 있다. 화학적 비활성화가 요구되는 것은 공진기(14)가 세정액에 화학적으로 반응을 일으켜서는 안 되기 때문이다. 그러므로, 공진기(14)로 사용되는 재료는 대개, 적어도 부분적으로는 세정액의 성질에 따라 결정된다. 변환기(10)에 의해 세정될 피처리 물체가 1조분의 몇(parts per trillion) 수준의 순도가 요구될 때, 사파이어가 공진기(14)로서 바람직한 물질이다. 예를 들어, 반도체 웨이퍼는 이러한 순도를 요구한다. 플루오르화수소산(HF;hydrofluoric acid) 계열의 세정액은 이러한 유형의 반도체 웨이퍼를 세정하는 공정에 사용될 수 있다.
공진기(14)는 높이 "k"를 갖는다. 일반적으로, 높이 "k"는 크리스탈(24)에서 방출된 음향에너지의 반파장의 배수로 "k"를 선택함으로써 음향에너지의 반사율을 최소화시키도록 한다.
도 3에 도시된 층들 이외에, 공진기(14)를 크리스탈(24)에 연결하는 다른 많은 방법들이 있다. 예를 들어, 공진기(14)는 층 76 및 78 대신에 조합층을 사용하여 크리스탈(24)에 연결될 수 있다. 이 실시예에서, 조합층은 공진기(14)에 도포되는 도전성 은(실버) 에멀전(페이스트)이다. 적합한 에멀전으로는 펜실베이니아 몽고메리빌의 'EMCA-REMAX 프로덕츠'로부터 입수할 수 있는 2617D 저온 은 도전체라는 제품이 있다. 층 140은 스크린 인쇄기술을 이용하여 공진기(14)에 직접 도포된다. 이 실시예에서, 조합층은 스프링커넥터(26)에 접촉되도록 단차부(27; 도 1에 도시됨)에 사용될 것이다.
또 다른 실시예에서, 공진기(14)는 에폭시를 이용하여 크리스탈(24)에 연결된다. 에폭시는 부착층(70)에서 전술한 납땜 재료 대신에 사용된다. 에폭시는 어떤 적절한 도전성 에폭시로 구성될 것이다.
변환기(10)는 회전하는 기판의 각각의 표면영역 유닛에, 주어진 시간 동안에 대략 균일한 양의 음향에너지를 전달하도록 설계된다. 전형적으로, 기판은 반도체 웨이퍼의 표면과 같이 원형이며, 이에 따라 기판이 회전할 때 기판에 가해지는 음향에너지의 강도(에너지/단위시간)는 원형부의 반경에 따라서 변한다. 그러므로, 변환기(10)가 주어진 시간에 기판의 각각의 표면영역 유닛에 균일한 양의 음향에너지를 전달하도록 하기 위해서, 변환기(10)는 가변적 강도필드의 음향에너지를 방출해야 한다. 일반적으로, 가변적 강도필드는 네 가지 방법 중 하나를 사용하여 얻어진다. 첫 번째 방법으로는, 크리스탈(24)이 가변적 강도필드를 전달하도록 형성되는 것이다. 두 번째 방법으로는, 크리스탈(24) 표면의 전극층이 요구되는 가변적 강도필드를 전달하도록 형성되는 것이다. 세 번째 방법으로는, 크리스탈(14)의 세그먼트들이 요구되는 가변적 강도필드를 전달하도록 서로 다른 파워레벨로 구동되는 것이다. 네 번째 방법으로는, 첫 번째 내지 세 번째 방법을 조합하여 요구되는 강도 범위를 전달하는 것이다.
도 4는 첫 번째 방법을 도시한 것이다. 도 4에서, 크리스탈(24)은 쐐기형상(90)을 갖는다. 쐐기형상(90)은 만곡부(92), 블런트부(94,blunt side), 제1 테이퍼부(96), 및 제2 테이퍼부(98)로 구성된다. 쐐기형상(90)은 만곡부(92)에 인접하여 광단부(100)를 가지며, 블런트부(94)에 인접하여 협단부(102)를 갖는다. 제1 테이퍼부(96)와 제2 테이퍼부(98) 사이에 각도 θ가 형성된다. 쐐기형상(90)은 변환기가 물체의 전체 표면영역을 커버하지 않아도, 주어진 시간 내에 회전하는 물체의 원형표면의 각 유닛에 대략 동일한 양의 에너지를 전달할 필요가 있는 상황에서 유용하다. 쐐기형상(90)은 대개 물체의 표면영역 40% 또는 그 이하를 커버한다.
예를 들어, 도 5에서, 원형 표면(104)을 갖는 물체(103)가 일정한 속도로 변환기(10) 아래에서 회전된다. 중심(106)은 표면(104)의 중심을 나타낸다. 원형 표면(104)이 크리스탈(24)의 쐐기형상(90)의 하부에서 회전할 때, 쐐기형상(90)은 반경(108)을 따라서 서로 다른 강도를 가지는 균일한 필드의 음향에너지를 전달할 것이다. 쐐기형상(90)의 협단부(102)가 광단부(100)에 비해 표면(104)에 더 작은 양의 에너지를 전달하기 때문에, 강도는 다양하게 변한다. 이는 변환기(10)에 의해 전송된 출력(에너지/㎠)은 일정하지만, 광단부(100)의 표면 영역이 협단부(102)의 표면 영역에 비해 더 크기 때문이다. 물체(103)가 회전하고 있을 때, 광단부(100) 하부에서 회전하는 표면영역의 제1 유닛은, 비록 상대적으로 더 높은 선속도로 이동하고 있다고 하더라도, 협단부(102) 하부에서 회전하는 표면 영역의 제2 유닛과 동일한 양의 에너지를 수신한다. 회전에 대하여는, 물체(103)는 고정되고 변환기(10)가 회전될 수도 있을 것이다. 여기서 중요한 것은 물체(103)와 변환기(10)간의 상대적인 운동이다.
도 5에서, 표면(104) 상에 다수의 구역들(112,114,116,118)이 도시되어 있다. 이 구역들(112,114,116,118)은 모두 동일한 면적을 갖는다. 구역 112는 구역 118에 비해 중심(106)으로부터 더 넓은 반경 상에 위치하므로, 구역 112는 물체(103)가 회전하고 있을 때 구역 118에 비해 더 높은 선속도로 변환기(10) 하부를 지나갈 것이다. 구역 112와 114에 단위시간당 동일한 양의 음향에너지를 전달하는 변환기(10)를 얻고자 한다면, 변환기(10)로부터의 출력은 반경(108)을 따라 변해야 한다. 만약 변환기(10)가 일정한 출력(와트/단위면적)을 갖는다면, 크리스탈(24)의 표면적이 방사방향(중심(106)으로부터 외부로 향하는 방향)을 따라 증가함에 따라 변환기에서 출력되는 전체 에너지는 증가될 것이다. 쐐기형상(90)은 이러한 구성을 보여준다.
도 6은 도 3에 도시된 각 층들이 쐐기형상(90)을 갖는 변환기(10)의 일실시예를 도시한 것이다. 구체적으로는, 제3 접착층(80), 금속층(82), 크리스탈(24), 제1 접착층(74), 제1 습윤층(72), 부착층(70), 제2 습윤층(76), 제2 접착층(78), 및 공진기(14)는 모두 쐐기형상(90)을 갖는다. 그러나, 이러한 구성이 방사방향(반경방향)을 따라 가변적인 강도를 얻기 위해 반드시 필요한 것은 아니다. 쐐기형상(90)을 가져야하는 층은 크리스탈(24) 뿐이다. 다른 층들과 공진기(14)는 적어도 크리스탈(24)을 완전히 커버할 수만 있다면 다른 형태를 가질 수도 있다.
도 7은 회전하는 기판상의 표면영역의 각 유닛에 주어진 시간 동안 균일한 양의 음향에너지를 전달하는 변환기(10)의 두 번째 실시예를 도시한 것이다. 도 7에서, 위에서 언급된 구성요소와 동일한 구성요소들은 동일한 식별번호로 표시된다. 도 7에서, 크리스탈(24)은 사각형이며, 금속층(82)은 쐐기형상(126)을 갖는다. 또한, 만약 크리스탈(24)과 금속층(82) 사이에 층 80과 같은 도전층이 사용된다면 이들은 쐐기형상(126)을 가지게 된다. 쐐기형상(126)은 도 4에 도시된 쐐기형상(90)과 같은 형상이며, 만곡부(128), 블런트부(132), 제1 테이퍼부(136), 및 제2 테이퍼부(138)로 구성된다. 도 5에서 설명한 바와 같이, 도 7의 원형표면(104)을 갖는 물체(103)는 일정한 속도로 변환기(10) 하부에서 회전된다. 다른 방법으로는, 변환기(10)가 물체(103)에 대하여 일정한 속도로 회전될 수 있다.
금속층(82)을 쐐기형상(126)으로 하는 것은 크리스탈(24)을 쐐기형상(90)으로 하는 것과 동일한 결과를 달성한다. 이것은 크리스탈(24)이 단지 전계에 의해 여기되는 영역으로부터만 음향에너지를 방출하기 때문이다. 후술하는 바와 같이, RF 전압이 스프링커넥터(22,26)에 인가될 때, 변환기(10)에서는 금속층(82)과 제1 습윤층(72) 사이에 존재하는 전위차에 의해 전계가 공급된다. 그러므로, 금속층(82)이 쐐기형상(126)을 갖고 크리스탈(24)을 커버하면, 표면(104)이 쐐기형상(126) 하부에서(즉, 크리스탈(24) 하부에서) 회전될 때, 크리스탈(24)로부터 방출되는 음향에너지는 반경(108)을 따라 서로 다른 강도를 갖는다. 바람직하게, 제1 습윤층(72)과, 층 74와 같이 부착층(70)과 크리스탈(24) 사이의 임의의 도전층도 또한 쐐기형상(126)을 갖는다.
크리스탈(24)에 쐐기형상(126)으로 금속층(82)을 도포하는 것은 아래와 같이 달성된다. 크리스탈(24)은 Kapton® 테이프와 같이 비활성 재료로 마스크되며, 크스탈(24)에서 쐐기형상(126)을 갖는 구역은 마스크에 의해 커버되지 않는다. 이어서, 금속층(82)이 아르곤 스퍼터링과 같은 물리증착(PVD;physical vapor deposition)을 이용하여 증착된다. 일반적으로, 크리스탈(24)은 습윤층(80)이 증착되기 전에 마스크되어, 습윤층(80)과 금속층(82)이 모두 쐐기형상(126)을 갖는다. 금속층(82)을 증착하기 위하여 도금과 같은 다른 기술들이 사용될 수도 있다. 바람직하게는, 금속층은 은으로 구성되지만, 다른 도전 물질이 사용될 수도 있다. 층 72 및 74에 쐐기형상(126)을 부여하기 위하여 상기와 같은 마스크 기술이 사용된다.
크리스탈(24)을 구동하기 위한 전원은 1000와트 RF발생기와 같은 RF발생기(도시안됨)에 의해 제공된다. 바람직하게는, 크리스탈에 인가되는 RF 전압은 대략 925KHz 범위의 주파수를 갖는다. 그러나, 대략 0.4에서 2.0MHz 범위의 RF 전압이 사용될 수 있다. RF 전원은 나사공(28)에 결합되는 표준 BNC 커넥터에 연결되는 동축케이블을 통해 변환기(10)로 전달된다. RF 전압은 제1 스프링커넥터(22) 및 하나 이상의 제2 스프링커넥터(26)에 의해 크리스탈(24)에 전달된다. BNC 커넥터는 RF 전압이 커넥터(22,26)로 전달되도록 PCB(25)에 전기적으로 연결된다.
제2 스프링커넥터(26)는 PCB(25)와 층 76(도 3에 도시됨) 간에 전기적 연결을 제공한다. 제1 스프링커넥터(22)는 PCB(25)와 크리스탈(24) 상의 층 82(도 3에 도시됨) 간에 전기적 연결을 제공한다. 이러한 구조에 따라 복수개의 제1 스프링커넥터(22)는 RF발생기에 능동 접속을 제공하고, 제2 스프링커넥터(26)는 RF발생기에 그라운드 접속을 제공한다.
변환기(10)는 단차부(27)를 포함한다. 단차부(27)는 층 76과 같은 공진기(14) 상의 도전 구역이며, 제2 스프링커넥터(26)에 의해 접촉된다. 층 76과 크리스탈(24) 사이의 모든 층들(즉, 층 70,72, 및 74)은 도전성이 있기 때문에, 단차부(27)와의 접촉은 공진기(14)에 인접된 크리스탈(24)의 표면과의 접촉과 전기적으로 동등하다. 제2 스프링커넥터(22)는 크리스탈(24)을 구동시키는 회로를 완성하기 위해, 금속층(82)과 전기적으로 접촉된다.
도 8은 주어진 시간 내에 회전하는 기판 상의 표면영역의 각 유닛에 대략 동일한 양의 음향에너지를 전달하는 변환기(10)의 세 번째 실시예를 도시한 것이다. 도 8에서, 전술한 구성요소와 동일한 구성요소들은 동일한 식별번호로 표시된다. 도 8에서, 크리스탈(24)은 사각형이며 길이 "L"과 폭 "W"를 갖는다. 일반적으로, 길이 "L"은 반경(108)과 동일하지만, 표면(104)을 완전히 커버하기 위하여 반경(108)보다 약간 더 길 수 있다. 크리스탈(24)은 세그먼트 146, 148, 150, 및 152와 같이, 복수개의 세그먼트로 분할된다. 각 세그먼트(146,148,150 및 152)는 개별 크리스탈(24) 조각으로 구성된다. 즉, 크리스탈(24)은 세그먼트(146,148,150 및 152)로 기능하는 네 개의 개별 조각으로 절단된다. 각각의 세그먼트(146,148,150 및 152)는 도 3에 도시된 층들과 같은 각각의 부착층 세트에 의해 공진기(14)에 부착되어, 상호 단락되거나 전기적으로 연결되지 않는다. 각 세그먼트(146,148,150 및 152)는 각각의 세그먼트에 대해 개별적으로 스프링커넥터(22)를 사용하는 것 등에 의해, RF발생기에 개별적인 전기적 접속을 갖는다. 이 실시예에서, 공진기(14; 도 3에 도시됨)는 여전히 하나의 연속된 조각이다.
도 8에 도시된 실시예에서, 개별적으로 제어가능한 세그먼트를 사용하는 것은 변환기(10)를 여러 방법으로 사용할 수 있도록 한다. 우선, 각 세그먼트(146,148,150 및 152)는 동일한 면적을 가지면서 서로 다른 파워(와트/㎠)로 구동될 수 있다. 세그먼트 152는 세그먼트 150보다 더 높은 파워로 구동된다. 세그먼트 150은 세그먼트 148보다 더 높은 파워로 구동되며, 세그먼트 148은 세그먼트 146보다 더 높은 파워로 구동된다. 반경이 증가함에 따른 파워의 증가는, 세그먼트 152의 하부를 지나는 표면(104) 상의 표면영역 유닛이 세그먼트 146의 하부를 지나는 표면영역의 유닛과, 크리스탈(24)의 하부에 동일한 시간 동안 위치되지 않아도, 동일한 전체 에너지량을 수신한다는 것을 의미한다. 또한, 각 세그먼트(146,148,150 및 152)가 구동되는 시간은 다양하게 변경될 수 있다.
변환기(10)가 개별적으로 제어가능한 세그먼트를 사용하는 두 번째 방법은 세그먼트(146,148,150 및 152)들의 면적을 다르게 만들고 서로 다른 시간 동안 서로 다른 파워로 각 세그먼트를 구동하는 것이다.
도 8에 도시된 실시예에 대한 변형된 설계는 크리스탈(24)을 하나의 연속된 조각으로 두고, 금속층(82)을 세그먼트(146,148,150 및 152)와 유사하게 개별적인 세그먼트들로 분할하는 것이다. 금속층(82)의 세그먼트화(분할)는 쐐기형상(126)을 만들기 위하여 도 7을 참조하여 설명한 방법으로 달성된다. 금속층의 세그먼트화는 도 8을 참조하여 설명한 것과 같이 크리스탈(24)이 그 길이방향을 따라 서로 다른 시간 동안 서로 다른 파워레벨로 구동될 수 있도록 한다.
도 9는 회전하는 기판상의 표면영역의 각 유닛에 주어진 시간 동안 대략 균일한 양의 음향에너지를 전달하는 변환기(10)의 네 번째 실시예를 도시한 것이다. 도 9에서, 전술한 구성요소와 동일한 구성요소들은 동일한 식별번호로 표시된다. 도 9에서, 크리스탈(24)은 도 4와 관련하여 설명한 바와 같이 쐐기형상(90)을 갖는다. 크리스탈(24)은 또한 세그먼트 160, 164, 및 168과 같이, 복수개의 세그먼트로 분할된다. 각 세그먼트(160,164 및 168)는 동일한 면적을 갖도록 개별 크리스탈(24) 조각으로 구성된다. 쐐기형상(90)을 이용하는 기술과 크리스탈(24)을 분할하는 기술을 조합하는 이유는, 주어진 시간 동안 회전하는 표면(104) 상의 각각의 표면영역 유닛에 균일한 양의 음향에너지를 전달하는 제어의 정밀도를 더욱 높이기 위함이다. 각각의 세그먼트(160,164 및 168)는 도 3에 도시된 층들과 같은 개별의 부착층 세트에 의해 공진기(14)에 부착되어, 상호 단락되거나 전기적으로 연결되지 않는다. 각 세그먼트(160,164 및 168)는 개별적으로 스프링커넥터(22)를 사용함으로써 RF발생기에 개별적인 전기적 접속을 갖는다. 이 실시예에서, 공진기(14; 도 3에 도시됨)는 여전히 하나의 연속된 조각이다.
도 9에 도시된 실시예에서, 개별적으로 제어가능한 세그먼트를 사용하는 것은 변환기(10)를 여러 방법으로 사용할 수 있도록 한다. 우선, 각 세그먼트(160,164 및 168)는 도 8을 참조하여 설명된 바와 같이, 서로 다른 파워(와트/㎠)로 구동될 수 있으며, 예를 들어, 세그먼트 168이 세그먼트 160보다 더 높은 파워로 구동된다. 반경이 증가함에 따른 파워의 증가는, 표면(104) 상에서 세그먼트 152의 하부를 지나는 표면영역의 유닛이 세그먼트 146의 하부를 지나는 표면영역의 유닛과 동일한 시간 동안 크리스탈(24)의 하부에 위치하지 않아도, 동일한 전체 에너지량을 수신한다는 것을 의미한다. 각 세그먼트(160,164 및 168)는 동일한 시간동안 활성화되거나, 또는 서로 다른 시간 동안 활성화될 수 있다. 나아가서, 다른 시간에 온 또는 오프될 수 있다.
둘째로, 각 세그먼트(160,164,168)는 동일한 파워로 구동될 수 있다. 그러나, 이 실시예에서, 각 세그먼트에 파워가 공급되는 시간의 길이는 다르다. 세 번째 예시에서, 각 세그먼트(160,164,168)는 동일한 파워로 구동되지만, 특정 세그먼트가 구동(온)되는 순서가 다양하게 변경된다. 대개, 두 개의 세그먼트가 동시에 구동되지는 않지만, 하나의 세그먼트가 구동될 때, 다른 세그먼트와 같은 시간 동안 구동된다.
도 9에 도시된 실시예의 변형된 설계는 크리스탈(24)을 하나의 연속된 조각으로 두고, 금속층(82)을 세그먼트(160,164 및 168)와 유사한 개별 세그먼트들로 분할하는 것이다. 금속층(82)의 분할은 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 기술을 이용하여 달성된다. 금속층의 분할은 도 9를 참조하여 설명한 방법으로 크리스탈(24)이 그 길이방향을 따라 서로 다른 시간 동안 서로 다른 파워레벨로 구동될 수 있도록 한다.
도 10은 도 9에 도시된 실시예의 변형예를 도시한 것으로서, 크리스탈(24)이 쐐기형상(90) 대신에 삼각형 형상(170)을 갖는 것을 도시한 것이다. 크리스탈(24)은 세그먼트 172, 176, 및 178과 같은 복수개의 세그먼트로 분할된다. 각 세그먼트(172,176 및 178)는 동일한 면적을 갖도록 개별 크리스탈(24) 조각으로 구성된다. 쐐기형상(90)을 이용하는 기술과 크리스탈(24)을 분할하는 기술을 조합하는 이유는, 회전하는 표면(104) 상의 각각의 표면영역 유닛에 주어진 시간 동안 균일한 양의 음향에너지를 전달하는 제어의 정밀도를 더욱 높이기 위함이다.
각각의 세그먼트(172,176 및 178)는 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이, 개별의 부착층 세트에 의해 공진기(14)에 부착되며, RF발생기에 개별적인 전기적 접속을 갖는다. 이로써, 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이, 세그먼트(172,176 및 178)들은 서로 다른 시간 동안 서로 다른 파워(와트/㎠)레벨로 구동될 수 있다. 또한, 도 10에 도시된 실시예의 변형된 설계는 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이, 크리스탈(24)을 하나의 연속된 조각으로 두고, 금속층(82)을 세그먼트(172,176 및 178)와 유사하게 개별적인 세그먼트로 분할하는 것이다.
도 11은 도 4의 변환기(10)의 변형예를 도시한 것이다. 도 11에서, 전술한 구성요소와 동일한 구성요소들은 동일한 식별번호로 표시된다. 도 11은 변환기(10)가 쐐기형상(90)을 갖는 제1 크리스탈(182)과 쐐기형상(90)을 갖는 제2 크리스탈(184)로 구성되는 것을 보여준다. 이 실시예에서, 변환기(10)는 표면(104)의 직경을 가로질러 연장된다. 각 크리스탈(182,184)은 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 공진기(14)에 부착되며, 같은 방법으로 작동된다. 크리스탈(182,184)은 도 7을 참조하여 설명한 바와 같이, 사각형 형상으로 형성될 수 있으며, 쐐기형상(90)은 층 82 및 76에 쐐기형상(90)을 부여하여 분할될 수 있다. 유사하게, 크리스탈(182,184)은 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한 바와 같이 세그먼트화(분할)될 수도 있다.
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도 4, 8, 9, 10, 및 11의 설명으로부터, 방사출력 변환기(10)에 쐐기형상(90), 사각형, 및 삼각형 이외의 다른 형상이 사용될 수 있다는 것이 명확하다. 그러나, 변환기(10)는 대체로 물체(103)의 표면영역 40% 이하를 커버한다.
변환기(10)가 회전하는 기판의 표면영역 각 유닛에 주어진 시간 동안 균일한 양의 음향에너지를 전달하기 위해, 변경될 수 있는 또 다른 파라미터는 도 3에 도시된 부착층(70)의 두께이다. 반경(108) 방향을 따라 부착층(70)의 두께를 변경함으로써, 변환기(10)에 의해 방출되는 파워가 변경된다. 이러한 현상은 층 두께를 변경함에 따라 음향에너지의 반사특성이 다르게 나타나는 데에 기인한다.
변환기(10)가 여러가지 방법들로 형성될 수 있다는 것은 명확하다. 일반적으로, 변환기는 0.4에서 2.0MHz의 주파수 범위에서 음향에너지를 발생시키는 음향에너지 발생수단으로 구성된다. 음향에너지 발생수단은 회전하는 기판상의 표면영역 의 각 유닛에 주어진 시간 내에 대략 동일한 양의 음향에너지를 전달하며, 기판의 표면영역보다 적은 표면영역을 갖는다. 음향에너지 발생수단은 도 4 내지 6 및 도 11에 도시된 쐐기형상의 크리스탈, 도 7에 도시된 쐐기형상의 전극이 구비된 사각형 크리스탈, 도 8에 도시된 개별적으로 제어가능한 세그먼트가 구비된 사각형 크리스탈, 또는 도 9 및 10에 도시된 개별적으로 제어가능한 세그먼트가 구비된 쐐기형상의 크리스탈을 포함하여 다양한 형태를 취할 수 있다.
변환기(10)는 세정공정 또는 화학공정에서 회전하는 기판상의 표면영역의 각 유닛에 주어진 시간 동안 대략 동일한 양의 음향에너지를 전달해야 하는 메가소닉 세정공정(또는 기판의 표면에 액체 화학물질을 도포하는 다른 공정)에서 사용된다. 변환기(10)는 특히, 배치(batch) 공정에서 세정하기 어려운 개별 피처리 물체를 세정하는데 유용하다. 이러한 피처리 물체로는 대형 반도체 웨이퍼, 주문생산 또는 실험용 칩 등과 같은 소량생산방식에서의 반도체 웨이퍼, 평판 디스플레이, 및 평면 기판 등이 포함된다.
이러한 유형의 개별 품목을 세정하는 세정공정은 물체의 표면에 세정액이나 처리액을 도포하는 단계와, 변환기(10) 하부에서 물체를 회전시키는 단계를 포함한다. 공진기(14)에서 방출된 음향에너지는 처리액 내부로 전달되어 세정작업을 시행한다. 다른 방법으로, 변환기(10)가 회전되고 물체는 고정될 수 있으며, 둘 다 회전될 수도 있다.
실제로, 여러가지 다양한 세정작업들에서 서로 다른 처리액이 사용된다. 많은 처리액들의 정확한 배합은 처리액을 제조하는 회사들의 소유권에 속한다. 그러나, 전형적인 처리액으로는 증류수, 수산화암모늄 수용액, 과산화수소, 염산, 질산, 아세트산, 또는 플루오르화수소산과, 이러한 시약들의 배합이 포함된다. 대개 사용된 처리액 배합은 SC-1 및 SC-2로 참조된다.
회전하는 기판의 표면영역의 각각의 유닛에 주어진 시간 내에 대략 동일한 양의 음향에너지가 전달되어야 하는 이유는, 세정 또는 화학공정의 효과가 처리액 내부로 전달되는 음향에너지의 양에 따라 변하기 때문이다. 그러므로, 만약 웨이퍼 표면상의 다른 영역들이 다른 양의 음향에너지를 수신한다면, 세정도가 변하게 될 것이다. 이것은 특히 처리액의 화학반응이 세정작용에 조력하는 경우에 자명하다. 이러한 경우, 본 발명에 따른 변환기(10)의 사용이 바람직하다.
비록 본 발명의 바람직한 실시예가 설명되었지만, 본 발명을 한정하기 위한 설명이 아님은 자명하다. 당업계의 전문가가 전술한 설명을 읽은 후에 다양한 수정이나 변경을 행할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구항들은 본 발명의 진정한 범위 내에서 이러한 모든 수정과 변경을 포함하는 취지로 해석되어야 할 것이다..
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 변환기(10)는 세정공정 또는 화학공정에서 회전하는 기판상의 표면영역의 각각의 유닛에 주어진 시간 동안 대략 동일한 양의 음향에너지를 전달해야 하는, 메가소닉 세정공정(또는 기판의 표면에 액체 화학물질을 도포하는 다른 공정)에서 사용된다. 변환기(10)는 특히, 배치 공정에서 세정하기 어려운 개별 피처리 물체를 세정하는데 유용하다. 이러한 아이템으로는 대형 반도체 웨이퍼, 주문생산 또는 실험용 칩 등과 같은 소량생산방식에서의 반도체 웨이퍼, 평판 디스플레이, 및 평면 기판 등이 포함된다.

Claims (11)

  1. 음향에너지를 발생시키는 음향에너지 발생수단; 및
    상기 음향에너지 발생수단에 부착되어 기판에 음향에너지를 전달하는 공진기를 포함하여 구성되며,
    상기 음향에너지 발생수단은 기판과 변환기가 상대적으로 회전운동할 때, 음향에너지에 노출되는 기판의 특정 표면의 각각의 표면영역 유닛에 주어진 시간 동안 균일한 양의 음향에너지를 전달하고, 상기 특정 표면의 중심으로부터 증가하는 거리상의 특정 표면의 지점들에 대해 상대적인 회전운동에 의해 발생되는 선속도의 증가에 대한 보상을 위해 가변적인 음향에너지를 전달하도록 설계되고, 상기 특정 표면의 면적의 백퍼센트 보다 작은 면적을 커버하도록 된 것을 특징으로 하는 변환기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 음향에너지 발생수단은 압전 크리스탈을 포함하여 구성되고, 상기 압전 크리스탈은 제1 단부가 제2 단부 보다 넓은 쐐기형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 변환기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 음향에너지 발생수단은 둘 이상의 압전 크리스탈 세그먼트의 조합으로 구성되고, 상기 조합은 제1 단부가 제2 단부 보다 넓은 쐐기형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 변환기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 음향에너지 발생수단은 적어도 하나의 전극이 구비된 압전 크리스탈을 포함하여 구성되고, 상기 전극은 제1 단부가 제2 단부 보다 넓은 쐐기형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변환기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 공진기는 석영, 사파이어, 탄화 실리콘, 질화 실리콘, 세라믹, 알루미늄, 및 스테인레스 스틸 그룹에서 선택된 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변환기.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 음향에너지 발생수단에 상기 공진기를 부착하기 위하여 음향에너지 발생수단과 공진기 사이에 배치되는 부착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변환기.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 부착층은 인듐, 주석, 인듐합금, 및 주석합금 그룹에서 선택된 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변환기.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 부착층은 에폭시를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변환기.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 기판은 반도체 웨이퍼를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변환기.
  10. 제 2항에 있어서, 상기 쐐기형상의 압전 크리스탈은 제1 측면부, 제2 측면부, 및 만곡부로 이루어지는 평면을 포함하여 구성되며, 상기 제1 측면부와 제2 측면부는 소정 각도에 의해 구획되고, 상기 만곡부는 제1 측면부와 제2 측면부에 연결되는 것을 특징으로 하는 변환기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 음향에너지 발생수단에 의해 발생되는 음향에너지는 0.4 내지 2.0MHz 주파수 범위인 것을 특징으로 하는 변환기.
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