KR20080098422A - 물체들을 세척하기 위한 초음파 작용기 - Google Patents

물체들을 세척하기 위한 초음파 작용기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파의 전파 체적(3,4,13)을 갖는, 물체들을 세척하기 위한 초음파 작용기에 관한 것으로서, 하나 이상의 초음파 변환기들(5)이 상기 전파 체적 상에 배열되어 있다. 상기 전파 체적(3,4,13)은 세척될 물체(1,12)를 음파 결합하기 위한 결합 면을 가진 음파 커플링-아웃 윈도우(8) 및 초음파를 커플-인하기 위한 하나 이상의 반사 면들(6,7)에 의해 경계가 이루어진다. 상기 초음파 변환기들(5)은 상기 반사 면들(6,7)에서 하나 이상의 반사부들 직후에 커플링-아웃 윈도우(8)를 통해 상기 커플-인 초음파가 전파 체적(3,4,13)에서 배출되도록 상기 전파 체적(3,4,13) 상에 배열된다. 상기 반사 면들은 상기 커플링-아웃 윈도우(8)에 강한 피크들이 없는 초음파 에너지의 미리 결정 가능한 분배가 이루어지도록 설계되어 있다. 본 발명의 초음파 작용기는 세척액의 경제적인 사용으로 물체들의 온건한 세척을 실현하도록 사용된다.

Description

물체들을 세척하기 위한 초음파 작용기{ULTRASOUND ACTUATOR FOR CLEANING OBJECTS}
본 발명은 초음파의 전파 체적 및 상기 전파 체적으로 초음파를 커플-인하기 위한 하나 이상의 초음파 변환기들을 가진, 물체들을 세척하기 위한 초음파 작용기에 관한 것이다.
제품들의 세척은 많은 기술적 영역들에서 중요한 역할을 행한다, 예컨대, 마이크로시스템 엔지니어링에서 에칭된 웨이퍼 등의 미세 구조 제품들의 세척은 특별한 문제이다. 증가되는 소형 구조들은 결과적으로 특히 작은 입자들이 제품들의 기능에 대해 더 큰 위험을 갖게 한다. 표면에 근접하게 배치된 입자의 표면의 접착력은 감소하는 입자 크기와 함께 증가됨으로써 그 입자들은 큰 어려움을 들여야만 표면에서 제거될 수 있게 된다.
산업적 세척 기술에서 초음파 세척은 오랜 기간 동안 통상적으로 사용되는 방법이다. 100kHz 까지의 범위의 초음파 주파수들이 큰 입자들을 갖는 표면들을 세척하도록 사용되는 반면에, 1MHz 부근의 범위의 초음파 주파수들은 작은 입자들 용으로 필요하게 된다. 이들 높은 초음파 주파수들에서의 세척은 메가소닉 세척이라는 용어로도 알려져 있다.
제품들을 세척하기 위한 많은 기술적 해결책들은 세척될 제품들이 초음파가 결합될 액체 매체로 담가지는 소위 디핑(dipping) 기술을 사용하고 있다. 그러나, 이 기술은 한편으로 불균일한 세척 효과 및 다른 한편으로 비용과 관련된 다량의 세척액의 필요 및 환경 친화적 폐기에 관련된 문제들을 가진다. 상기 디핑 기술을 기반으로 한 세척 시스템의 일례가 EP 0546685 A2에 기재되어 있다. 이 경우, 세척될 제품들은 세척액으로 채워진 탱크로 삽입되며 관형으로 된 초음파 작용기가 제품들 아래에 배치된다. 이때, 초음파 작용기는 상부 영역에 초음파 변환기들이 배열된 내벽 상의 관형 하우징을 가진다. 1MHz 부근의 주파수 범위 내의 초음파의 조사는 탱크 내에 배치된 물체들의 방향으로 관형 하우징을 통해 발생한다.
상기한 디핑 기술에 더하여, 세척될 제품들의 부근에 초음파 작용기들이 배치되는 다른 해결책들도 알려져 있다. 이 출원들은 소량의 세척액만을 필요로 한다. 그러나, 이 경우 국부적으로 매우 높은 집중도가 발생되며, 또한 원하는 세척 효과에 더하여, 민감한 구조들의 파괴를 일으킬 수도 있다. 이러한 기술의 일례는 WO 00/21692 A1에 개시되며 세척될 웨이퍼에 근접하며 그에 평행하게 된 대면적 초음파 변환기를 사용하고 있다.
이러한 종래 기술로부터 출발하게 된, 본 발명의 목적은 물체들, 특히 세척액의 경제적인 사용으로 온건한 세척을 실현하도록 사용될 수 있는, 작은 구조들을 가진 제품들을 세척하기 위한 초음파 작용기에 관한 것이다.
청구항 1에 따른 초음파 작용기로써 본 발명의 목적이 실현된다. 이 초음파 작용기의 유익한 실시예들은 종속 청구항들의 주된 부분이거나 이하의 설명 및 예시적인 실시예들로부터 유도될 있을 것이다.
본 발명의 초음파 작용기는 초음파의 전파 체적 및 작동 중에 전파 체적으로 초음파를 결합하기 위해 전파 체적 상에 배열되는 하나 이상의 초음파 변환기들을 포함하고 있다. 상기 전파 체적은 세척될 물체를 음파 결합하기 위한 결합 면을 가진 음파 커플링-아웃 윈도우 및 초음파를 커플-인하기 위한 하나 이상의 반사 면들에 의해 경계가 이루어진다. 본 발명의 초음파 작용기에서, 상기 하나 이상의 초음파 변환기들은 상기 반사 면들에서 하나 이상의 반사부들 직후에 커플링-아웃 윈도우를 통해 상기 커플-인 초음파만 전파 체적에서 배출되도록 상기 전파 체적 상에 배열된다. 따라서, 상기 초음파 변환기들은 초음파를 커플링-아웃 윈도우 상으로 직접 배향시키지 않고 하나 이상의 반사 면들 상으로 배향시킨다. 상기 하나 이상의 반사 면들은 상기 커플링-아웃 윈도우에 강한 피크들이 없는 초음파 에너지의 미리 결정 가능한 분배가 이루어지도록 설계되어 있다. 이는 균일한 분배 또는, 예컨대, 커플링-아웃 윈도우의 중앙 영역에서 물체를 더욱 강하게 세척하기 위해 상기 영역에서 최대값을 갖는 또 다른 미리 결정 가능한 분배를 포함할 수 있다.
평면 반사 면들에서 다수의 반사에 의해 균일한 분배가 얻어지는 것이 미리 가능하게 될 수 있다. 커플링-아웃 윈도우에서의 음파 에너지의 특수한 3차원 또는 2차원 분배에 있어서, 상기 반사면들은, 예컨대, 오목한 형태로 구부려질 수 있다. 상기 반사면들은 초음파 작용기의 작동 중에 초음파의 확산 반사를 위한 바람직한 형태로 될 수 있다.
특히 초음파의 확산 반사를 위한, 반사면들을 가진 초음파 작용기의 이러한 형태의 결과로서, 강한 피크들이 없는 커플링-아웃 윈도우에서 사용되는 음파 에너지의 분배가, 예컨대, 균일한 분배로 실현된다. 세척될 물체는 결합 면의 영역에 배치되며 필요하다면, 매체와 결합한다. 이 매체는 프로세스 또는 세척 액체로 될 수 있다. 따라서, 물체들의 세척 장치의 일부로 될 수 있는 본 발명의 초음파 작용기는 물체를 세척하도록 사용될 때 소량의 세척 또는 결합액 만을 또는 필요로 하지 않을 수도 있다.
본 발명의 초음파 작용기를 갖는 세척 장치는, 예컨대, 세척 장치에 대한 그의 공개 내용이 본 특허 출원에 포함된, WO 2004/114372 A1에 기재된 바와 같은 형태로 될 수 있다. 이러한 형태에서, 본 발명의 초음파 작용기는, 예컨대, 제2 판을 WO 2004/114372 A1의 도1 및 2에 도시된 바와 같은, 초음파 요소들로 대체할 수 있다.
경계 면들을 갖는 전파 체적은 다른 방식으로 형성될 수 있다. 본 발명의 초음파 작용기의 일 실시예에서, 상기 전파 체적은 금속 또는 세라믹 등으로 된 고체로써 형성된다. 이 경우, 반사 면들은 고체의 표면 영역들의 표면 구조에 의해 얻어질 수 있다.
본 발명의 초음파 작용기의 다른 실시예에서, 상기 전파 체적은 기체 또는 액체에 의해 채워진다. 이 경우, 반사 면들은 고체 재료로 적절하게 구성 도는 형성된 벽들에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는, 하나 이상의 반사면들이, 초음파의 대응하는 확산 반사로 인도하는, 초음파 작용기의 작동 중에 반사 조건들을 연속으로 변화시키는 방식으로 융통성 있게 형성되는 것이다. 이는, 예컨대, 커플-인 초음파에 의해 이동 시에 자동으로 설정될 수 있는 멤브레인을 이용하여 실현될 수 있다. 그러나, 예컨대, 다른 가변 액체 경계 면들이 반사 조건들을 대응하게 변화시켜서 변화하는 에너지 분배를 제공할 수도 있다.
원칙적으로, 본 발명의 초음파 작용기의 반사 면들은 전파 체적 둘레에 규칙적으로 또는 랜덤하게 분배될 수 있다. 본 발명의 초음파 작용기에서, 커플링-아웃 윈도우 또는 그의 결합 면은 조사될 물체의 표면의 형상에 적합하게 됨이 바람직하다. 또한, 하나 또는 그 이상의 채널들이 액체 커플링 또는 결합 매체가 결합 면 및 물체 표면 사이의 상기 채널들을 통해 도입될 수 있도록 결합 면으로 개방되는 형태로 초음파 작용기에 형성될 수 있다.
본 발명의 초음파 작용기는 1μm 이하의 작은 범위의 소형 입자들을 세척해야 하는 작은 구조들을 갖는 제품들의 세척에 대해 유익하게 사용될 수 있다. 이 경우, 초음파 변환기들은 ≥500kHz 파장 범위의 초음파를 방출하도록 사용된다. 그러나, 본 발명의 초음파 작용기는 더 큰 입자들로 오염된 물체들을 세척하도록 사용될 수도 있다. 이 경우, 500kHz 미만의 초음파 주파수들이 세척을 위해 사용됨이 바람직하다.
본 발명의 초음파 작용기는 특허청구의 범위에 한정된 보호 범위를 제한하지 않고 이하에서 도면들과 관련된 예시적인 실시예들을 참조하여 간단하게 설명된다. 도면들에서 :
도1은 본 발명의 초음파 작용기의 실시예의 제1 예를 개략적으로 나타낸 도면;
도2는 본 발명의 초음파 작용기의 실시예의 제2 예를 개략적으로 나타낸 도면;
도3은 본 발명의 초음파 작용기의 실시예의 또 다른 예를 개략적으로 나타낸 도면;
도4는 상기 초음파 작용기를 가진 세척 장치의 일례를 나타내는 매우 개략적인 도면; 및
도5는 상기 초음파 작용기의 외부 형상의 일례를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도1은 본 발명의 초음파 작용기의 실시예의 제1 예를 개략적으로 나타내고 있다. 이 예에서, 초음파 작용기는 초음파의 전파 체적을 형성하는 금속 본체(3)로 구성되어 있다.
상기 금속 본체는, 예컨대, 알루미늄으로 구성될 수 있다. 전방 영역에 세척될 물체(1)가 배치되고, 금속 본체(3)는, 본 출원에서 결합 면으로서 나타내지는, 외측면이 세척될 물체의 형상에 적합하게 된, 음파 커플링-아웃 윈도우(8)를 가진다. 도1의 예에서, 세척될 물체(1)는 볼이며 그에 따라 음파 커플링-아웃 윈도우(8)의 결합 면이 반구형으로 형성된다. 상기 음파 커플링-아웃 윈도우(8)의 결합 면 및 볼 사이에 결합 액체(2)가 도입된다. 음파 결합을 위한 이 결합 액체는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 금속 본체(3)에 선택적으로 제공된 채널(10)을 통해 또는 외부에서 공급될 수 있다.
또한, 다수의 초음파 변환기들(5)이 초음파를 음파 커플링-아웃 윈도우(8)가 아니라 배면 측에 형성된 금속 본체(3)의 반사면(6) 상으로 배향시키는 방식으로 금속 본체(3)에 부착되어 있다. 상기 반사면(6)은 충돌하는 초음파가 그 표면에서 확산하여 반사되는 방식으로 금속 본체(3)의 배면을 구성함에 의해 형성된다.
이 예에서, 초음파 변환기들(5)은 금속 본체(3)로 필요한 음파 에너지를 도입하는 고주파 영역(메가사운드)의 압전 액추에이터로서 형성된다. 도입된 에너지는 반사면(6) 및 다른 경계면들에서의 반사들의 결과로서 금속 본체(3)에 분포되며, 예컨대, 세척 또는 결합 액체(2)에 의해 음파 전도 접촉을 생성함에 의해 상기 커플링-아웃 윈도우(8)의 영역에서만 배출되어 세척될 물체(1) 상에 충돌하게 될 수 있다. 확산 반사의 결과로서, 커플링-아웃 윈도우(8)의 영역에서 에너지의 균일한 분배가 이루어져 상기 물체(1)의 표면의 부드럽고 균일한 세척이 실현된다. 이 예에서, 금속 본체(3)는 그의 취급을 편리하게 하도록 편평한 외측면들을 가진 발포체 재료(11)에 매립된다.
도2는 입방 물체(1)가 세척되는 본 발명에 따른 초음파 작용기의 다른 예를 나타내고 있다. 또한, 여기에서의 음파 커플링-아웃 윈도우(8)의 결합면도 물체(1)의 표면에 적합하게 되어 있다. 이 예에서, 전파 체적은 기체(4)로 채워지며 상기 커플링-아웃 윈도우(8)에 의해 전방 영역 그리고 가요성 멤브레인(7)에 의해 후방 영역에서 경계가 정해진다. 나머지 경계 벽들(9)은 플라스틱 재료로 구성되며 그에 초음파 변환기들(5)이 부착된다. 이 예에서, 반사면은 초음파의 커플-인의 결과로서 움직이도록 세팅되어 연속적인 이동의 결과로서 충격파들의 확산 반사를 행하는 멤브레인(7)에 의해 형성된다. 이러한 실시예에서, 커플-인 초음파 에너지는 상기 커플링-아웃 윈도우(8)에서 더욱 강한 피크들이 발생하지 않도록 상기 확산 반사에 의해 거의 균일하게 분포된다.
또한, 초음파 작용기는 도3에 나타낸 바와 같이 디스크형 물체들의 세척을 위해 유익하게 사용될 수 있다. 이 경우, 음파 커플링-아웃 윈도우(8)의 결합면은 디스크형 물체(12)에 적합하도록 편평하게 설계된다. 이 예에서, 결합 액체(2)는 세척될 물체(12) 및 커플링-아웃 윈도우(8)의 결합면 사이로 통과되며, 예컨대, 세척 유체로서 또 다른 세척 기능을 가질 수 있다. 상기 결합 액체(2)는 반사면들을 갖는 전파 체적(13)에 형성된 채널(10)을 통해 공급된다. 전파 체적(13)에 배열된 초음파 변환기들(5)이 도면에 도시되어 있다.
도4는 간략화된 도면으로서 초음파 작용기(16)를 갖는 세척 장치의 예를 나타내고 있다. 상기 장치는 웨이퍼 등의 세척될 디스크형 물체(12)의 홀더(14) 및 상기 홀더(14)의 회전 구동부(15)를 포함한다. 이 경우에, 상기 홀더(14)는 도면에 도시되지 않은 대응하는 파지 요소들(gripping elements)를 갖도록 된다. 상기 홀더(14)에 대향하게 배치된 초음파 작용기(16)는 도3에 따른 예에서의 형태로 되어 있다. 이 장치는 세척중에 세척될 물체(12)를 회전시킬 수 있다.
도5는, 예컨대 도4에 따른 장치에서, 사용되는 바와 같은 전파 체적을 형성하는 본체 또는 초음파 작용기(16)의 외부 형상에 대한 예를 최종으로 사시도로서 개략적으로 도시하고 있다. 상기 다면체의 본체는 서로 평행한 제1 면(17) 및 제2 면(18) 및 각각 상기 제1 면(17)에 대해 예각으로 된 다수의 측면들(19)을 가진다. 예컨대, 절두형 프리즘을 포함할 수 있는 상기 다면체의 본체의 측면들(19)에 초음파 진동기들이 음파 결합한다.

Claims (11)

  1. - 세척될 물체(1,12)를 음파 결합하기 위한 결합 면을 가진 음파 커플링-아웃 윈도우(8) 및 초음파를 커플-인하기 위한 하나 이상의 반사 면들(6,7)에 의해 경계가 정해지는 초음파의 전파 체적(3,4,13), 및
    - 상기 반사 면들(6,7)에서 하나 이상의 반사부들 직후에 상기 커플링-아웃 윈도우(8)를 통해 상기 커플-인 초음파가 전파 체적(3,4,13)에서 배출되도록 초음파를 결합하기 위해 상기 전파 체적(3,4,13) 상에 배열된 하나 이상의 초음파 변환기들(5)을 포함하며,
    - 상기 커플링-아웃 윈도우(8)에서 강한 피크들이 없는 초음파 에너지의 미리 결정 가능한 분배가 이루어지도록 상기 하나 이상의 반사 면들(6,7)이 설계되어 있는, 물체들을 세척하기 위한 초음파 작용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반사 면들(6,7)이 초음파의 확산 반사를 행하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
    초음파 작용기.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서,
    상기 전파 체적(3,4,13)은 확산 반사를 행하는 반사면들을 생성하는 구조로 된 하나 이상의 표면 영역들을 가진 고체로써 형성되는 것을 특징으로 하는
    초음파 작용기.
  4. 제1항 또는 2항에 있어서,
    상기 전파 체적(3,4,13)은 액체 또는 기체(4)로 채워지는 것을 특징으로 하는
    초음파 작용기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반사 면들(6,7)이 이동에 의해 반사 조건들을 연속적으로 변화시키는 방식으로 플렉시블하게 형성되는 것을 특징으로 하는
    초음파 작용기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반사 면들(6,7)은 멤브레인인 것을 특징으로 하는
    초음파 작용기.
  7. 제1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    액체 결합 매체(2)를 공급하기 위한 하나 이상의 채널(10)이 상기 커플링-아웃 윈도우(8)의 결합 면으로 개방되는 것을 특징으로 하는
    초음파 작용기.
  8. 제1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 변환기들(5)은 500 kHz 범위 이상의 초음파를 생성하도록 형성되는 것을 특징으로 하는
    초음파 작용기.
  9. 결합 면이 물체(1,12)의 형상에 적합하고 액체 세척 및/또는 결합 매체(2)의 박막이 상기 물체(1,12) 및 상기 결합 면 사이로 삽입되는 물체(1,12)를 세척하기 위한 전술한 청구항들 중 하나 이상에 따르는
    초음파 작용기의 사용.
  10. 제1항 내지 8항 중 어느 한 항에 따른 초음파 작용기(16)를 포함하는
    디스크형 물체들(12)의 세척 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    디스크형 물체(12)의 홀더(14) 및 세척 중에 상기 디스크형 물체(12) 및 상기 초음파 작용기(16) 사이의 상대적인 회전 운동을 발생시키기 위해 상기 초음파 작용기(16) 또는 홀더(14)에 연결되는 회전 구동부(5)를 포함하는
    디스크형 물체들(12)의 세척 장치.
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