KR20040075747A - 초음파 세정장치 - Google Patents

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Abstract

세정의 얼룩이 없는 균일한 음압분포를 갖는 초음파 세정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 해결하기 위한 수단으로 초음파 전동체는 여러장의 평판모양 초음파 진동소자가 나란히 배치된 복합소자 배치구조를 가지며, 여러장의 평판모양 초음파 진동소자의 각각은 소정의 소방사영역에 대해 평탄모양의 초음파 방사특성을 갖는 소형형상을 갖고 또한 초음파 진동소자의 두께방향으로 슬릿가공이 실시되며 또한 초음파의 퍼짐을 θ로 한 경우, 5°≤θ가 되도록 형성되고 여러장의 평판모양 초음파 진동소자의 인접진동자 상호간의 경계선에 있어서도 초음파 음압의 저하가 억제되어 초음파 진동체의 전면에 있어서 실질상 균일한 초음파 방사특성을 얻을 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 세정장치{ULTRASONIC CLEANING SYSTEM}
본 발명은 반도체 웨이퍼, 가라스마스크, 액정가라스기판, 하드디스크판 등의 정밀세정을 행하는 고주파 초음파 세정장치에 관한 것이다.
종래의 초음파 세정장치는 500KHz에서 1.5MHz의 초음파 진동자가 바닥면에 부착되고, 그 초음파 진동자의 진동주파수를, 중심주파수에 대해 ±5%의 범위에서 일정한 주기로 반복하여 변화시킴으로써 세정의 얼룩을 없애고 있다(예를들어 일본국 특제 2789178호 공보)
도 11은 종래의 초음파 세정장치예이며, 반도체 웨이퍼, 액정용의 가라스, 하드디스크판 등의 미세가공품의 정밀세정에는 500KHz이상의 고주파의초음파 진동체가 이용되고 있다. 얼룩은 1㎛이하의 입자 등으로 세정조(1)안에 채워진 세정액(2)안을 전하는 초음파 진동, 또는 세정액(2)과 초음파진동의 상승효과에 의해 피세정물의 얼룩을 박리시키고 있다.
초음파 세정장치에서는 세정하는 대상물의 크기에 맞추어 적당한 크기의 평판모양의 초음파 진동소자(4)를 한장 또는 여러장의 조합에 의해 피세정물에 고르게 초음파 진동이 조사되도록 초음파 진동소자(4)를 나란히 배치한다. 이 조사되는 초음파의 균일성은 음압분포를 측정함으로써 평가된다.
종래 도 11과 같이 비교적 소형의 피세정물에 대해서는 초음파 진동소자(4)의 한장의 크기가 큰 소자를 사용하면 여러장 조합해도 적은 장수이므로 비교적 균일한 음압분포를 얻는 것이 가능하였다.
초음파 진동소자(4)를 여러장 이용할 때 음압분포의 불균일성을 무시할 수 없게 되는 주요한 요인으로서는 소자와 소자의 경계선에서 초음파가 나오지 않는 영역의 확대를 들 수 있다. 이 때문에 피세정물의 대형화와 동시에 가공의 미세화에 따라 초음파 세정을 행했을 때의 세정얼룩을 무시할 수 없게 되었다.
보다 큰 초음파 진동판(3)에서 균일하게 세정할 수 있도록 종래는 초음파 세정장치에서는 진동소자의 경계선으로 음압이 저하하는 것을 고려하여 피세정물의 놓는 방법을 연구하는 것, 피세정물을 회전시켜 균일성을 확보하는 것 등 외형이 다른 피세정물 마다 고유한 방책이 취해져 행해지고 있다.
일반적으로 장방형의 초음파 진동소자의 지향성에 관해 발진주파수가 같으면 진동소자의 폭이 큰 만큼 지향성은 예민하고 또 같은 폭이면 주파수가 높은 만큼 지향성은 예민하다.
종래 이용하고 있던 초음파 진동소자의 폭은 크며 이 경우의 지향성 패턴예를 도 12(a) 및 음압분포의 개념도를 도 12(b)에 도시했다. 또한 도 9와 같이 후술하는 「진동자폭과 세정액안의 초음파 파장의 비 d/λ」의 값이 5이상인 곳에서는 지향성이 예민하므로(초음파의 퍼짐 θ은 대체로 5°이하) 초음파 진동소자를 다수 배열했을 때의 음압분포는 소자의 경계선에 음압이 떨어지는 범위가 발생하게 된다. 종래방식(도 5 B상세 I)에서는 진동소자폭 d0= 37.5mm로 지향성을 나타내는 진동자폭과 세정액안의 초음파의 파장의 비 d0/λ = 25(초음파의 퍼짐 θ은 대체로 1°)가 된다.
따라서 해마다 웨이퍼면적의 확대화, 회로패턴의 미세화가 진행하는 반도체프로세스 등에서는 세정의 균일성과 정밀성의 점에서 종래의 세정장치에서는 충분하지 않게 되는 문제가 있다.
본 발명은 이상의 문제을 해결하기 위해 행해진 것으로 세정얼룩이 없는 균일한 음압분포를 갖는 초음파 세정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 초음파 세정장치의 개략을 도시하는 외관도의 일예.
도 2는 본 발명의 초음파 세정장치의 개략을 도시하는 외관도의 일예와 진동소자 구조예.
도 3은 본 발명의 초음파 세정장치의 진동소자 배치개략을 도시하는 외관도의 일예.
도 4는 본 발명의 초음파 세정장치의 진동소자 배치개략을 도시하는 외관도의 일예.
도 5는 본 발명의 초음파 음압분포 측정의 실험구성의 개략도.
도 6은 본 발명의 초음파 진동의 발생원리도.
도 7은 본 발명의 초음파 진동지향성 패턴도예 및 음압분포 개념도.
도 8은 본 발명의 초음파 진동지향성의 원리도.
도 9는 진동소자폭과 세정액중 초음파의 파장의 비와 초음파의 퍼짐의 특성도.
도 10은 본 발명 및 종래의 초음파 음압분포 측정의 실험결과의 특성도.
도 11은 종래의 초음파 세정장치의 개략을 도시하는 외관도의 일예.
도 12는 종래의 초음파 진동지향성 패턴도예 및 음압분포 개념도.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
1: 세정조 2: 세정액
3: 진동판 4: 진동소자(I, III)
5: 진동소자전극(-,+)
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 초음파 세정장치는 세정액이 모인 세정조와, 이 세정조내의 이 세정액에 500kHz이상의 초음파 진동을 전달시키기 위한 초음파 진동체를 구비한 초음파 세정장치이며,
상기 초음파 진동체는 여러장의 평판모양 초음파 진동소자가 나란히 배치된 복합소자 배치구조를 갖고, 이 여러장의 평판모양 초음파 진동소자의 각각은 소정의 소방사영역에 대해 평탄모양의 초음파 방사특성을 갖는 소형형상을 가지며 또한 초음파의 퍼짐을 θ로 한 경우 5°≤θ가 되도록 형성되며, 상기 여러장의 평판모양 초음파 진동소자의 인접진동자 상호간의 경계에 있어서도 초음파 음압의 저하가 억제되어 상기 초음파 진동체의 전면에 있어서 실질상 균일한 초음파 방사특성을 얻을 수 있도록 구성되는 것,
또한 세정액이 모인 세정조와, 이 세정조안의 이 세정액에 500kHz이상의 초음파 진동을 전달시키기 위한 초음파 진도체를 구비한 초음파 세정장치이며,
상기 초음파 진동체는 여러장의 평판모양 초음파 진동소자가 나란히 배치된 복합소자 배치구조를 갖고, 이 여러장의 평판모양 초음파 진동소자의 각각은 소정의 방사영역에 대해 평탄모양의 초음파 방사특성을 갖는 형상을 가지며, 또한 초음파 진동소자의 두께방향으로 슬릿가공이 실시되고 또한 초음파의 퍼짐을 θ으로 한 경우, 5°≤θ가 되도록 형성되며 상기 여러장의 평판모양 초음파 진동소자의 인접진동자 상호간의 경계에 있어서도 초음파 음압의 저하가 억제되어 상기 초음파 진동체의 전면에 있어서 실질상 균일한 초음파 방사특성을 얻을 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.
도 6에는 고주파 전원에 의해 진동소자를 여진하기 위한 진동소자전극(-, +)(5)과 세정액(2)에 초음파 진동을 발생시키는 진동판(3)의 구성에 의한 초음파 진동발생의 기본원리를 나타냈다.
2장 나열한 초음파 진동소자의 경계선에서 초음파가 나오지 않은 영역은 이 지향성에 크게 영향을 준다고 생각된다. 즉 지향성이 예민하면 초음파가 나오지않은 영역은 넓고, 도 12(a)와 비교하여 도 7(a)과 같이 지향성이 넓으면 초음파가 나오지 않는 영역은 좁아진다.
이들의 것으로 같은 발진주파수를 채용하는 것이면 더욱 작은 초음파 진동소자를 다수 나열한 초음파 진동판에 의해 진동소자의 경계선에서의 음압의 저하가 극히 작아 균일한 음압분포를 얻을 수 있다고 할 수 있다.
도 8과 같이 일반적으로 장방형의 초음파 진동소자에 있어서 지향성은,
(수 1)
R = (sinZ)/Z 단 Z= πd/λ·sinθ … (1)
R: 지향성 함수,
d: 초음파 진동소자의 폭 치수,
λ: 세정액안의 초음파의 파장,
θ: 초음파 진동소자중심폭으로부터의 각도,
로 도시되고, 이 지향성 함수 R은 진동소자의 중심축상의 어느 점 P의 음압을 1로 했을 때의 그것과 거리가 같고 각도 θ만큼 기운 점 P'의 음압을 나타내고 있다. 여기서 지향성의 예민성을 평가하기 위해 이 P'의 음압이 80% 즉 R=0.8이 된 각도 θ를 갖고 행하는 것으로 한다. 이 θ가 작으면 지향성은 예민하고 크면 지향성은 넓어진다.
이 지향성을 정하는 요인이 되는 것은 식(1)안의
(수 2)
d/λ …(2)
이다.
즉 초음파 진동소자의 폭과 세정액안의 초음파의 파장에 의해 정해지게 된다.
이 식(1)에서 R= 0.8을 만족하는 d/λ와 θ의 관계를 구한 특성이 도 9에서 도시되고 있으며 d/λ= 5를 경계로 이 값이 작아지면 지향성은 넓으며, 음압분포는균일함을 얻는다.
이상의 것으로 초음파 진동소자는 세정액안의 초음파의 파장에 대해 폭을 될 수 있는 한 작게함으로써 균일한 음압분포를 얻을 수 있다.
단 진동소자를 극한까지 작게하여 많게 배치하는 것에는 제조원가면에서 생각하여 한도가 있으며 그것을 해결하기 위해서는 도 2(a)와 같이 비교적 큰 진동소자(4)에 슬릿홈 가공을 실시하면 도 2(b)~(g)와 같이 진동소자의 폭은 다수의 슬릿으로 구분되어 다수의 소폭(슬릿핏치)이 형성되고, 이 소폭의 진동소자로서 작용한다. 또한 슬릿의 본수는 많고, 깊이는 깊은 쪽이 좋지만 기계적 강도와 비율로 결정된다.
슬릿의 폭은 음압분포의 균일성의 견지에서 생각하면 될 수 있는 한 좁은 편이 좋다.
피세정물이 대형화된 오늘날 진동소자를 대형화하는 데에는 기술적 또는 원가적으로 문제가 많으며 또한 종래 크기의 진동소자를 다수 배치한 초음파 진동판에서는 음압분포가 불균일하게 되고 균일한 세정이 불가능하므로 다른 진동방식이 필요하게 된다.
본 발명의 초음파 세정장치의 실시예는 도 1과 같이 피세정물이 들어가는 세정액이 모인 세정조(1)와, 세정액(2)과, 피세정물의 세정면에 적합한 크기의 진동판(3)과, 500KHz이상의 초음파 진동을 발진하는 작은 평판모양의 초음파의 진동소자(4)를 다수개 나열하여 배치된 복합소자 배치구조를 갖고 세정조내의 세정액에 초음파 진동을 전달시키는 초음파 진동체로 구성되고 있다.
도 2(a)~(g)는 초음파 진동소자의 두께방향의 법선방향으로 슬릿홈 가공을 실시한 진동소자(4)를 배치하고 그 슬릿홈 가공형태는 A상세(I)~(VI)로 나타내는 것과 같이 진동소자의 하측(+극측)에 슬릿을 실시한 A상세(I)(III)(V) 또는 진동소자의 상측(-극측)에 실시한 A상세(II)(IV)(VI)가 있다.
이와같이 진동소자(4)의 길이방향이나 폭방향 또는 격자모양으로 가공한(I)로부터 (VI)의 슬릿형상 중 어느 하나를 피세정물에 적합한 것으로 선택하여 이용하면 된다.
도 3 및 도 4는 슬릿홈 가공을 실시한 진동소자(4)를 여러개 나열하여 배치한 초음파 진동체를 이용한 초음파 세정장치이며, 도 3 및 도 4의 각각에 진동소자(4)(I)(II)와 같이 이형상의 진동소자를 조합하여 나열된 복합소자배치로서 도시된 초음파 진동체이다. 배열 방법은 적시, 피세정물의 크기에 적합하면 된다.
도 5는 본 발명에 의한 방식인 슬릿홈 가공을 실시한 초음파 진동소자를 이용하여 초음파 음압분포 측정실험을 행하고 그 측정상황의 개략도가 도시되고 있다.
초음파의 주파수(f)는 1MHz으로 세정액은 물로 하며, 물안을 전달하는 초음파의 음속은 약 1500m/s이고, 이 때의 세정액안의 초음파의 파장은 λ= v/f의 관계식으로부터 λ= 1.5mm가 된다.
초음파 분포측정에서는 음압센서를 진동소자의 폭방향으로 천천히 이동시켜 그 음압치를 기록하고 있다.
본 발명에서는 진동소자폭에 상당하는 슬릿핏치 dI=1mm이며(도 5B 상세(II) 참조.) 지향성을 나타내는 진동자폭과 세정액안의 초음파의 파장의 비 dI/λ=0.67이 되며, 따라서 본 발명에 의한 방식은 d/λ값의 작은 범위 0.67에서 초음파의 퍼짐값 33°이 되고(도 9참조), 지향성이 매우 넓은 것을 나타냈다(도 7(b) 및 도 8참조). 진동소자폭을 d, 세정액안의 초음파의 파장을 λ로 한 경우 5°≤θ를 만족하는 것이다.
이상에 의해 본 발명에 의한 방식은 초음파의 지향성이 넓기 때문에 서로 인접하는 진동소자 사이의 음압은 서로 겹치고 진동소자를 조합하여 나열된 복합소자 배치로 한 초음파 진동체의 음압분포는 평탄한 것을 알 수 있다.
또 이 진동소자와 진동소자의 경계선에 의한 초음파 음압의 불균일성이 일어나지 않는 효과를 이용하면 종래 초음파 세정장치에서는 서로 인접하는 진동자 상호간의 경계선에서 음압이 저하하는 것을 고려하여 피세정물의 형상이나 놓는 방법과, 초음파 진동판의 진동소자 배치가 적절하게 되도록 피세정물에 대응한 고유의 사양화가 행해지고 있지만 도 3, 도 4 외관도로 나타내는 것과 같이 진동소자(4)의배치나 형상 및 복합한 초음파 진동체 형상은 자유로이 피세정물의 세정면의 크기만 대응하도록 고려하면 된다.
이상의 실시예 상세설명은 슬릿을 갖는 진동소자를 예로 했지만 본 발명의 다른 쪽의 방식인 진동소자가 소형형상화되어 초음파 진동체 형상으로 한 초음파 세정장치라도 균일한 초음파 방사특성을 얻을 수 있는 것은 말할 것도 없다.
도 10에는 상기 설명에 의한 본 발명과 종래방식과 대비한 음압분포특성의 일예로서 나타내고 있다.
이에 따라 종래방식의 초음파 진동소자의 경우 소자와 소자의 경계선에서의 음압의 저하는 확실히 나타나는 것을 알 수 있다. 그에 대해 본 발명에 의한 방식의 경우, 피세정물의 세정범위에서의 음압의 저하는 볼 수 없으며 음압분포가 균일성을 유지하는 것이 나타나고 있다.
또한 초음파 방사특성 즉 음압분포의 균일성을 〔표준편차율 = 음압치의 표준편차/음압치의 평균치 X 100%〕로 정의한 경우 종래방식의 경우 균일성은 10.8%에 대해 본 발명에 의한 방식의 경우 균일성은 5.2%로 불균일을 반감시키는 것이다.
이상 상세하게 설명한 것과 같이 본 발명을 실시함으로써 균일한 음압분포를 얻을 수 있고 대형으로 또한 미세가공품의 세정에 적합한 초음파 세정장치를 공급할 수 있다.
종래 피세정물을 회전시켜 균일성을 확보하는 등 외형이 다른 피세정물 마다 고유한 방책이 요구되는 것이 불필요 하므로 본 발명의 것은 하나의 장치타입으로 다양한 모양의 피세정물에 적응할 수 있는 범용성의 퍼짐을 갖는 초음파 세정장치이다.

Claims (2)

  1. 세정액이 모인 세정조와, 이 세정조내의 이 세정액에 500kHz이상의 초음파 진동을 전달시키기 위한 초음파 진동체를 구비한 초음파 세정장치이며,
    상기 초음파 진동체는 여러장의 평판모양 초음파 진동소자가 나란히 배치된 복합소자 배치구조를 갖고, 이 여러장의 평판모양 초음파 진동소자의 각각은 소정의 소방사영역에 대해 평탄모양의 초음파 방사특성을 갖는 소형형상을 가지며 또한 초음파의 퍼짐을 θ로 한 경우 5°≤θ가 되도록 형성되고 상기 여러장의 평판모양 초음파 진동소자의 인접진동자 상호간의 경계선에 있어서도 초음파 음압의 저하가 억제되어 상기 초음파 진동체의 전면에 있어서 실질상 균일한 초음파 방사특성을 얻을 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
  2. 세정액이 모인 세정조와, 이 세정조내의 이 세정액에 500kHz이상의 초음파 진동을 전달시키기 위한 초음파 진동체를 구비한 초음파 세정장치이며,
    상기 초음파 진동체는 여러장의 평판모양 초음파 진동소자가 나란히 배치된 복합소자 배치구조를 갖고, 이 여러장의 평판모양 초음파 진동소자의 각각은 소정의 방사영역에 대해 평탄모양의 초음파 방사특성을 갖는 형상을 가지며, 상기 초음파 진동소자의 두께방향으로 슬릿가공이 실시되고 또한 초음파의 퍼짐을 θ으로 한 경우 5°≤θ이 되도록 형성되며 상기 여러장의 평판모양 초음파 진동소자의 인접진동자 상호간의 경계선에 있어서도 초음파 음압의 저하가 억제되어 상기 초음파 진동체의 전면에 있어서 실질상 균일한 초음파 방사특성을 얻을 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
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