KR20110136345A - 초음파발생용 진동소자 및 그것을 구비한 초음파장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파진동자의 구성요소인 진동소자에 관한 것이다.
본 발명의 초음파발생용 진동소자는 다각형의 플레이트 형상이되 평행한 변을 갖지 않는 다각형의 플레이트 형상이다.
따라서 횡파의 발생이 최소화되어 출력되는 초음파의 횡파와 종파가 만나 발생되던 종래기술에서의 피크(peak) 음압이 발생되지 않는다.
따라서 본 발명의 진동소자가 구비된 초음파진동자는 초음파가 비교적 고르게 출력되어 고른 음압분포를 보이게 되고, 이로 인해 반도체 기판의 세정 효과 등을 극대화할 수 있는 특징이 있다.

Description

초음파발생용 진동소자 및 그것을 구비한 초음파장치{VIBRATOR DEVICE FOR ULTRASONICS WAVE AND ULTRASONICS WAVE APPARATUS HAVING THE SAME}

본 발명은 초음파진동자의 구성요소인 초음파발생용 진동소자 및 그것을 구비한 초음파장치에 관한 것이다.

초음파장치는 전원을 공급받아 진동을 발생시키는 초음파진동자 및 초음파진동자에 전원을 공급하기 위한 전원공급수단을 가지고 있다.

이러한 초음파장치는 세정을 위한 용도나 살균을 위한 용도 등으로 널리 사용되고 있다.

구체적인 예로 설명하면, 반도체 기판을 제조하는 공정은 증착, 리소그래피, 식각, 화학적 연마 및 기계적 연마, 세정, 건조 등과 같은 단위 공정들로 이루어진다.

이러한 단위 공정 중에서 세정공정은, 각각의 단위 공정을 수행하는 동안 반도체 기판의 표면에 부착되는 이물질이나 불필요한 막 등을 제거하는 공정이다.

최근 반도체 기판상에 형성되는 패턴이 미세화되고 패턴의 종횡비(aspect ratio)가 커짐에 따라, 점차 세정 공정의 중요도가 커지고 있는 실정이다.

초기에는 기판을 세정하기 위해서 세정액에 기판을 담갔다 꺼내는 방식이 많이 사용되었으나, 상술한 바와 같이 세정 공정의 중요도가 커짐에 따라 세정 장치의 구조에도 많은 발전이 이루어졌다.

최근에는 세정액에 기판을 담근 채 세정액에 수백 kHz 이상의 초음파 진동을 인가함으로써 세정 효율을 증대시키는 구조의 기판 세정 장치가 주로 사용되고 있다.

즉, 초음파를 사용하여 반도체 기판의 세정을 실시하고 있는 것이다.

초음파진동자는 진동판 또는 로드를 가지며, 상기와 같은 진동판 또는 로드의 한쪽 면(평면)에 진동소자가 부착된 형태이다.(기존에는 진동소자로서 압전소자가 사용되었으나 최근에는 새로운 소재의 진동소자들이 안출되고 있음)

일반적으로 초음파진동자는 진동판 또는 로드(웨이브가이드)의 한쪽 면에 진동소자가 부착된 것을 말한다.

그런데 종래기술에서는 초음파진동자에 가까운 부근에서조차도 출력되는 초음파의 강도가 균일하지 못하여 도 2와 같은 음압분포를 나타내고 있었으며, 이는 곧 초음파를 사용하는 목적(반도체 기판의 세정 등) 달성의 효과가 저하되는 문제점으로 연결되고 있었다.

구체적인 예로 설명하면, 초음파를 이용한 세정은 입자 가속도와 초음파의 캐비테이션(cavitation) 현상에 의해 이루어진다.

캐비테이션 현상은 초음파가 용액 중에 전파될 때 초음파의 압력에 의해 마이크로미터(㎛) 크기이면서 진공상태인 미세한 기포가 생성된 후 폭발하면서 소멸되는 현상이 빠르게 반복되는 것을 의미하는데 캐비테이션 현상에 의해 발생된 기포가 폭발할 때 순간적으로 강한 충격파가 발생될 뿐만 아니라 높은 압력과 고온을 동반한다.

상기와 같이 캐비테이션 현상에 의해 발생되는 충격파에 의해서 용액 중에 담겨 있는 반도체 기판의 내부 깊숙한 곳까지 단시간 내에 세정이 이루어지도록 하는 것이 초음파를 사용한 반도체 기판의 세정방식이다.

그런데 종래의 초음파 진동자를 통한 초음파의 출력 강도가 초음파 진동자의 가까운 부근에서조차 불균일하기 때문에 반도체 기판의 손상을 방지하기 위해서는 가장 강한 출력을 기준으로 할 수밖에 없다.

만일 가장 강한 출력을 기준으로 하지 않을 경우 도 4와 같이 반도체 기판의 손상이 발생된다.

따라서 가장 강한 출력에도 반도체 기판의 패턴이 손상되지 않도록 가장 강한 출력을 기준출력으로 낮추어 설정할 수밖에 없고, 이로 인해 상대적으로 약한 출력을 보이는 부분에서는 세정력이 매우 낮아질 수밖에 없으므로 초음파를 사용한 세정의 효과가 저하될 수밖에 없었던 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하려는 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파가 고르게 출력되어 고른 음압분포를 얻을 수 있음으로써 반도체 기판의 세정 효과 등을 극대화할 수 있는 초음파진동자를 위한 진동소자 및 그것을 구비한 초음파장치를 제공하려는데 목적이 있다.

본 발명에서는 진동소자를 구현함에 있어 홀수 개의 변(邊 - 다각형을 이루는 각 선분)을 갖는 다각형의 플레이트 형상으로 구현하거나 짝수 개의 변을 갖되 마주하는 변이 평행하지 않은 다각형의 플레이트 형상으로 구현함으로써 횡파의 발생을 최소화하여 횡파와 종파가 만나 종래기술에서와 같은 피크(peak) 음압이 발생되는 것을 방지한다.

즉, 본 발명의 진동소자는 다각형의 플레이트 형상이되 평행한 변을 갖지 않는 다각형의 플레이트 형상인 것이다.

이를 통해 초음파가 고르게 출력되어 고른 음압분포를 얻을 수 있음으로써 반도체 기판의 세정 효과 등을 극대화할 수 있는 초음파장치를 제공할 수 있도록 한다.

본 발명의 초음파발생용 진동소자는, 홀수 개의 변을 갖는 다각형의 플레이트 형상으로 구현되어 있거나 짝수 개의 변을 갖되 마주하는 변이 평행하지 않은 다각형의 플레이트 형상으로 구현되어 있다.

따라서 횡파의 발생이 최소화되어 출력되는 초음파의 횡파와 종파가 만나 발생되던 피크(peak) 음압이 발생되지 않는다.

따라서 본 발명의 진동소자가 구비된 초음파진동자는 초음파가 비교적 고르게 출력되어 고른 음압분포를 보이게 되고, 이로 인해 반도체 기판의 세정 효과 등을 극대화할 수 있는 초음파장치를 제공할 수 있는 특징이 있다.

도 1은 초음파진동자를 통해 발생되는 횡파와 종파를 설명하기 위한 개략도
A : 진동소자의 종파모드 진동형태와 이때의 음압분포를 도시한 개략도
B : 진동소자의 횡파모드 진동형태와 이때의 음압분포를 도시한 개략도
도 2는 종래의 초음파진동자에 의해 출력되는 초음파의 출력상태(횡파와 종파가 만나 피크음압이 발생되는 상태)를 설명하기 위한 개략도
도 3은 도 2와 같은 상태를 설명하기 위한 측정된 음압분포의 이미지
도 4는 초음파를 사용한 종래 반도체기판의 세정공정에서 피크음압에 의해 손상된 상태를 촬영한 이미지
도 5는 종래 원형의 플레이트 형태인 초음파발생용 진동소자와 4각형의 플레이트 형태인 초음파발생용 진동소자를 설명하기 위한 개략도
A : 원형의 플레이트 형태인 초음파발생용 진동소자
B : 4각형의 플레이트 형태인 초음파발생용 진동소자
도 6은 본 발명의 초음파발생용 진동소자의 개략도
A : 정삼각형의 플레이트 형태인 초음파발생용 진동소자
B : 정오각형의 플레이트 형태인 초음파발생용 진동소자
C : 사각형의 플레이트 형태인 초음파발생용 진동소자
도 7은 본 발명의 초음파발생용 진동소자에 의해 출력되는 음압의 분포상태를 설명하기 위한 이미지
도 8은 종래의 음압분포와 본 발명에 의한 음압분포를 설명하기 위하여 종래의 음압분포는 실선으로 표시하고, 본 발명에 의한 음압분포는 점선으로 표시한 개략도

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

일반적으로 초음파진동자는 전원을 공급받아 진동하는 진동소자를 갖는다.

또, 진동소자가 부착되는 진동판 또는 로드를 갖는다.

또, 진동판 또는 로드의 상부에 결합되는 하우징을 갖는 형태일 수 있다.

또, 진동판 또는 로드와 하우징 사이에 위치되는 패킹을 갖는 형태일 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 초음파진동자에 구비되는 진동소자에 관한 것이며, 초음파가 고르게 출력되어 고른 음압분포를 얻을 수 있음으로써 반도체 기판의 세정 효과 등을 극대화할 수 있는 초음파진동자를 위한 진동소자를 제공하려는데 목적이 있다.

본 출원의 발명자는 본 발명에서와 같은 목적을 달성하기 위한 연구 과정에서 종래의 초음파진동자를 통해 출력되는 초음파(음압)의 분포 상태에서 피크(peak) 음압이 발생되는 이유는 초음파 진동자에서 발생되는 횡파와 종파가 만나기 때문이라는 것을 알게 되었다.

즉, 도 1과 같이 발생되는 횡파와 종파가 만나는 지점에서는 초음파가 강하게 되는 것이다.

결과적으로 도 2 및 도 3과 같은 음압의 분포상태를 보이게 되고, 이로 인해 종래의 초음파진동자가 반도체 기판의 세정에 사용된 경우 도 4와 같은 손상이 발생되는 것이다.

본 출원에서는 횡파의 발생을 최소화함으로써 종래기술에서 발생되던 피크(peak)음압(1)이 발생되지 않도록 한다.

본 출원의 발명자는 횡파의 발생을 최소화할 수 있는 기술을 안출하기 위한 연구를 통해, 진동소자가 다수 개의 변을 갖는 다각형의 플레이트 형상으로 되어 있되 다각형을 이루는 각각의 변은 다른 변과 평행하지 않도록 된 다각형 형상일 때 횡파의 발생을 최소화할 수 있다는 결과를 얻었다.

이러한 형상의 다각형으로는 홀수 개의 변을 갖는 다각형의 플레이트 형상(삼각형, 오각형, 칠각형 등)과 짝수 개의 변을 갖되 마주하는 변이 평행하지 않은 사각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형이 있다.

횡파는 진동소자의 가장자리 지점까지 이동된 후 가장자리 지점에서 다시 반대방향으로 향하게 되면서 발생된다.

즉, 출발지점과 되돌아오는 지점이 동일해야 횡파가 되는 것이다.

종래의 진동소자와 같이 원형이나 4각형의 플레이트 형상은 출발지점과 되돌아오는 지점이 동일하게 되면서 많은 횡파가 발생된다.

그러나 3각형, 5각형, 7각형, 9각형 등과 같이 홀수 개의 변을 갖는 다각형의 플레이트 형상의 진동소자는 진동소자의 가장자리 지점에서 되돌아오는 음파가 출발지점과 동일한 위치로 향하지 않기 때문에 횡파가 발생되지 않는다.

또, 짝수 개의 변을 갖는 다각형 형상이더라도 다각형을 이루는 변이 평행하지 않으면 진동소자의 가장자리 지점에서 되돌아오는 음파가 출발지점과 동일한 위치로 향하지 않기 때문에 횡파가 발생되지 않는다.

물론, 횡파가 발생될 수도 있으나 이는 극히 제한적인 경우일 뿐이다.

실험결과 본 발명에 의하면 도 7과 같은 음압의 분포상태를 얻을 수 있었으며, 전체적으로는 도 8과 같은 차이를 확인할 수 있었다.

도 8에서 실선으로 표시된 것은 종래기술에서의 음압 분포상태를 그래프화한 것이고, 점선은 본 발명을 통한 음압 분포상태를 그래프화한 것이다.

한편, 본 발명의 목적을 고려할 때 진동소자는 각각의 변이 동일한 길이를 갖는 정다각형인 것이 가장 바람직하다는 결과를 얻었다.

또, 삼각형, 오각형, 칠각형, 구각형, 십일각형 중 어느 하나인 것이 바람직하다는 결과도 얻었다.

참고로 도 5와 도 6에서 화살표로 표시된 것은 음파의 진행 방향을 도시한 것이다.

1. 피크음압

Claims (6)

1. 초음파진동자의 구성요소인 초음파발생용 진동소자에 있어서,
   상기 진동소자는 다각형의 플레이트 형상이되 평행한 변을 갖지 않는 다각형의 플레이트 형상인 것을 특징으로 하는, 초음파발생용 진동소자.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 다각형은 홀수 개의 변을 갖는 다각형인 것은 특징으로 하는, 초음파발생용 진동소자.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 다각형은 각각의 변이 동일한 길이를 갖는 정다각형인 것을 특징으로 하는, 초음파발생용 진동소자.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 다각형은 사각형, 육각형, 팔각형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 초음파발생용 진동소자.
5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
   상기 다각형은 삼각형, 오각형, 칠각형, 구각형, 십일각형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 초음파발생용 진동소자.
   
6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 초음파발생용 진동소자를 구비한 초음파장치.
   

Images