KR20130142662A - 초음파 세정 장치 - Google Patents

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KR20130142662A
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    • B08B3/12—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration by sonic or ultrasonic vibrations

Abstract

실시예에 따른 초음파 세정 장치는 피세정물과 세정액을 수용하는 세정조; 상기 세정조의 하방에 설치되고 초음파를 발생시키는 초음파 발생장치; 상기 세정조의 내부에 설치되고 상기 피세정물을 지지하는 지지부재; 및 상기 세정조에 형성된 초음파 분산 구조체를 포함한다.

Description

초음파 세정 장치{APPARATUS OF MEGASONIC CLEANER}
실시예는 초음파 세정 장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 재료로서 사용되는 실리콘 웨이퍼는, 단결정 실리콘 잉곳을 웨이퍼 단위로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정(slicing), 원하는 웨이퍼의 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑 공정(lapping), 웨이퍼의 손상(damage) 제거를 위한 에칭 공정(etching), 표면 경면화 및 평탄도를 향상시키기 위한 연마 공정(polishing), 웨이퍼 표면의 오염 물질을 제거하기 위한 세정 공정(cleaning) 등의 단계를 거쳐 생산된다.
이러한 공정들을 거치는 동안 웨이퍼 상에는 각종 파티클, 금속 불순물, 유기 불순물 등과 같은 오염 물질이 잔존할 수 있다. 오염 물질은 반도체 소자의 수율 및 신뢰성에 악영향을 미치기 때문에, 반도체 제조시에는 웨이퍼 상에 잔존하는 오염 물질을 제거하는 세정공정이 수행된다.
상기 세정공정을 위한 세정 방식은 크게 건식 세정 방식 및 습식(Wet) 세정 방식으로 구분될 수 있으며, 이 중에서 습식 세정 방식은 오염물들을 제거하기 위해서 일반적으로 산 또는 알칼리 등의 에칭액이나 순수(Deionized water)를 이용하게 된다.
웨이퍼의 습식 세정 방법은 대표적으로, 다수의 웨이퍼를 소정의 시간 동안 복수의 세정조에서 세정액, 예를 들면, SC1(Standard Cleaning 1), SC2(Standard Cleaning 2), 플루오르화 수소(HF), 오존수(ozone water), 황산(H2SO4) 등에 침지하여 세정을 수행하는 배치식(batch type) 세정 방법과 상기 세정액을 이용한 스핀 형태(spin type)의 매엽식 세정 방법으로 구분된다. 또한, 물리적 힘을 인가하여 웨이퍼 표면의 오염 물질을 쉽게 제거하기 위하여 초음파를 이용하는 세정 방법이 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 초음파 세정 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 피세정물로 초음파가 전달되는 것을 표현하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 초음파 세정 장치(10)는, 세정조(11)와, 초음파 발생장치(12)와, 세정조(11)의 내부에 설치되어 피세정물(1)을 지지하는 지지부재(13)을 포함한다. 세정조(11)에는 피세정물(1)과, 피세정물(1)을 세정하기 위한 세정액이 수용된다. 피세정물(1)은 반도체 웨이퍼일 수 있다. 지지부재(13)에 의해 피세정물(1)들이 세정조(11)의 내부 공간에 수직으로 지지된다. 지지부재(13)는 바 형상으로 형성되며, 다양한 배치 상태를 가질 수 있고, 지지부재(13)에는 피세정물(1)이 끼워지는 슬롯이 복수개 형성되어 있을 수 있다. 초음파 발생장치(12)는 세정조(11)의 하방에 설치되며, 지지부재(13)에 지지된 피세정물(1)을 향하여 초음파를 발생시킨다.
이러한 초음파 세정 장치(10)는, 세정조(11)로부터의 세정액이 오버플로우(overflow) 되도록 세정조(11)의 외측에 설치되는 외부 세정조(15)를 더 포함할 수 있다. 세정조(11)의 내측에는 세정액 공급수단(미도시)이 구비되며, 외부 세정조(15)에는 세정에 사용된 후 오버플로우된 세정액을 외부로 배출시키는 배출관(19)이 연결되며, 배출관(14)에는 세정액을 압축하는 펌프(16)와 세정액으로부터 오염 물질을 제거하기 위한 필터(17)가 구비된다. 필터(16)를 통하여 오염 물질이 제거된 세정액은 세정액 순환 관로(18)를 따라 세정조(11)의 내부로 공급되어 다시 피세정물(1)의 세정에 사용되게 된다.
종래 기술에 따른 초음파 세정 장치(10)는, 세정조(11)에 세정액이 공급되고, 피세정물(1)을 지지부재(13) 상에 위치시키고, 초음파 발생장치(12)에서 초음파를 발생시키면, 도 2에 화살표로 도시된 바와 같이 초음파가 세정액을 통해 상방향으로 전파되어 피세정물(1)의 표면으로 전달된다. 그리고 이 전달된 초음파의 물리적 힘에 의해 피세정물(1) 표면의 오염 물질이 제거된다.
도 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 초음파 세정 장치(10)에서는 B로 도시된 영역과 같은 피세정물(1)에 초음파가 전달되는 영역에서는 오염 물질이 제거되지만, A로 도시된 바와 같은 오염 물질이 제거되지 않는 사각지대(dead zone)가 발생한다. 이러한 현상은 초음파가 직진성을 가지고 있어서, B 영역에는 초음파가 전달될 수 있지만, 초음파의 진행이 세정조(11)에서 웨이퍼(1)를 지지하는 지지부재(13)들에 의해 방해되어 A 영역에는 초음파가 전달될 수 없어서 발생한다. 이러한 사각지대(A)는 오염 물질이 제거되지 않아 웨이퍼(1)의 품질에 안 좋은 영향을 미칠 수 있다.
실시예는 피세정물로 전달되는 초음파가 지지부재에 의해 차단되는 현상을 최소화시켜 피세정물의 오염 물질 제거 효율 및 균일도를 향상시키고자 한다.
실시예에 따른 초음파 세정 장치는 피세정물과 세정액을 수용하는 세정조; 상기 세정조의 하방에 설치되고 초음파를 발생시키는 초음파 발생장치; 상기 세정조의 내부에 설치되고 상기 피세정물을 지지하는 지지부재; 및 상기 세정조에 형성된 초음파 분산 구조체를 포함한다.
상기 초음파 분산 구조체는 세정조의 바닥면에 형성된 요철 패턴을 포함할 수 있다.
상기 초음파 분산 구조체는 세정조의 바닥면에 매립된 초음파 분산 삽입물을 포함할 수 있다.
상기 초음파 분산 구조체는 상기 세정조의 측벽에 형성된 요철 패턴을 포함할 수 있다.
상기 초음파 분산 구조체는 세정조의 측벽에 매립된 초음파 분산 삽입물을 포함할 수 있다.
상기 요철 패턴은 요부와 철부를 포함하고, 상기 요부와 상기 철부 사이에 경사면을 포함할 수 있다.
상기 요철 패턴은 사다리꼴 형태일 수 있다.
상기 세정조의 내벽에 상기 철부의 바닥면이 위치하거나, 상기 세정조의 내벽에 상기 요부의 상면이 위치할 수 있다.
상기 경사면이 상기 철부의 바닥면과 이루는 각도는 30도 내지 60도일 수 있다.
상기 초음파 분산 삽입물은 단면이 삼각형 형태일 수 있다.
상기 초음파 분산 삽입물은 이웃한 초음파 분산 삽입물과 좌우 대칭으로 배치될 수 있다.
상기 초음파 분산 삽입물은 상기 세정조의 바닥면과 30도 내지 60도의 경사도를 갖는 경사면을 포함할 수 있다.
상기 초음파 분산 삽입물은 상기 세정조의 측벽과 30도 내지 60도의 경사도를 갖는 경사면을 포함할 수 있다.
상기 초음파 분산 삽입물은 Ti일 수 있다.
상기 초음파 분산 삽입물의 굴절률은 상기 세정조의 굴절률보다 클 수 있다.
상기 초음파 분산 삽입물의 굴절률은 1MHz에서 3.0 이상 3.3 이하일 수 있다.
상기 초음파 분산 구조체는 상기 피세정물과 수직한 상기 세정조의 양쪽 측벽에 포함될 수 있다.
상기 세정조는 석영일 수 있다.
상기 세정조의 외측에 설치되어 상기 세정조에서의 상기 세정액을 순환시키는 외부 세정조를 더 포함할 수 있다.
상기 세정조와 상기 초음파 발생장치 사이에 초음파 전달 세정조를 더 포함할 수 있다.
상기 지지부재는 상기 피세정물을 회전가능하게 지지할 수 있다.
상기 초음파 발생장치에서 발생되는 초음파의 주파수는 1MHz이고, 상기 세정조의 바닥면의 두께는 3mm일 수 있다.
상기 초음파 발생장치에서 서로 다른 주파수를 가진 적어도 두 개의 초음파가 발생될 수 있다.
실시예에 따르면 피세정물로 전달되는 초음파가 지지부재에 의해 차단되는 현상이 최소화되어 피세정물의 오염 물질 제거 효율 및 균일도가 향상된다.
도 1은 종래 기술에 따른 초음파 세정 장치를 나타낸 도면이고,
도 2는 피세정물로 초음파가 전달되는 것을 표현하는 개념도이고,
도 3은 일 실시예에 따른 초음파 세정장치의 단면도이고,
도 4는 일 실시예에 따른 초음파 세정장치의 평면도이고,
도 5는 제1 실시예에 따른 초음파 분산 구조체의 평면도이고,
도 6a 및 도 6b는 도 5의 a-a'선을 따라 절단하여 바라본 초음파 분산 구조체의 단면도의 일예이고,
도 7a 및 도 7b는 제1 실시예에 따른 초음파 분산 구조체에서 초음파의 전달을 표현한 개념도이고,
도 8은 제1 실시예에 따른 초음파 세정 장치에서 초음파의 전달을 표현한 개념도이
도 9는 제2 실시예에 따른 초음파 분산 구조체의 평면도이고,
도 10은 도 9의 b-b'선을 따라 절단하여 바라본 초음파 분산 구조체의 단면도의 일예이고,
도 11은 스넬의 법칙(Snell's Law)을 설명하기 위한 도면이고,
도 12는 제2 실시예에 따른 초음파 분산 구조체에서 초음파의 전달을 표현한 개념도이고,
도 13은 제2 실시예에 따른 초음파 세정 장치에서 초음파의 전달을 표현한 개념도이고,
도 14a는 제3 실시예에 따른 초음파 분산 구조체의 단면도의 일예이고,
도 14b는 제4 실시예에 따른 초음파 분산 구조체의 단면도의 일예이고,
도 15는 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 초음파 세정 장치에서 초음파의 전달을 표현한 개념도이고,
도 16은 일 실시예에 따른 초음파 세정장치의 단면도이고,
도 17은 일 실시예에 따른 초음파 분산 구조체의 평면도이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 3은 일 실시예에 따른 초음파 세정장치의 단면도이고, 도 4는 일 실시예에 따른 초음파 세정장치의 평면도이다.
실시예에 따른 초음파 세정 장치(100)는 피세정물(1)과 세정액을 수용하는 세정조(110)와, 세정조(110)의 하방에 설치되고 초음파를 발생시키는 초음파 발생장치(120)와, 세정조(110)의 내부에 설치되고 피세정물(1)을 지지하는 지지부재(130), 및 세정조(110)에 형성된 초음파 분산 구조체(140)를 포함한다.
세정조(110)는 직육면체 형상으로 형성될 수 있고, 그 상부가 개방되어 있을 수 있다. 세정조(110)에는 피세정물(1)과, 피세정물(1)을 세정하기 위한 세정액이 수용된다. 세정액은 산이나 알칼리 등의 에칭액 또는 각종 불순물들이 제거된 초순수(De Ionized Water)일 수 있고, 피세정물(1)은 반도체 웨이퍼일 수 있다.
세정조(110)는 내식성을 갖는 재료로 이루어지고, 초음파의 전달 능력 등을 고려했을 때 석영, 사파이어 등일 수 있다. 이것에 의해 세정조(110)의 내식성이 향상하는 것과 동시에, 세정조(110)의 식각으로 인한 피세정물(1)의 오염을 방지할 수 있다.
세정조(110)의 바닥면(113)의 두께는 초음파 발생장치(120)에서 발생된 초음파의 진동수가 1MHz일 때에 약 3mm, 6mm, 9mm 등 3의 배수를 가질 때에 초음파의 투과율이 높아 세정에 유리할 수 있다.
지지부재(130)는 불소계 수지를 포함하여 바 형상으로 형성되며, 다양한 배치 상태를 가질 수 있다. 지지부재(130)에는 피세정물(1)이 끼워지는 슬롯이 복수개 형성되어 있을 수 있다. 지지부재(130)는 복수 개로 서로 나란히 배치될 수 있고, 피세정물(1)의 원주 방향을 따라 등간격으로 배치될 수 있다. 또한, 복수의 지지부재(130)는 연결부재에 의해 상호 연결될 수 있다. 이러한 지지부재(130)에 의해 피세정물(1)들이 세정조(110)의 내부 공간에 수직으로 지지된다.
실시예에 따라, 지지부재(130)는 상기 피세정물(1)을 회전가능하게 지지할 수 있다. 피세정물(1)을 회전시키기 위한 구체적인 회전 수단은 로울러와 같은 공지의 수단으로서 구체적인 설명과 도시는 생략한다. 회전 수단을 통해 피세정물(1)이 회전하므로, 초음파 발생장치(120)에서 발생된 초음파가 피세정물(1)의 표면 전체에 고르게 전달될 수 있다.
초음파 발생장치(120)는 피세정물(1)을 향해 초음파를 발신하기 위한 것이다. 초음파 발생장치(120)는 세정조(110)의 하방에 설치되며, 지지부재(130)에 지지된 피세정물(1)을 향하여 초음파를 발생시킨다.
실시예에 따라, 초음파 발생장치(120)에서 서로 다른 주파수를 가진 적어도 두 개의 초음파가 발생될 수 있다. 초음파 발생장치(120)에서 서로 다른 진동수를 가진 적어도 두 개의 초음파가 발생되는 경우, 단일 주파수에서 발생할 수 있는 정재파(standing wave)의 발생을 주파수의 혼합에 의해 그 범위를 현저히 줄여 고른 세정 능력을 발생시킬 수 있다.
초음파 분산 구조체(140)는 세정조(110)에 형성된다. 초음파 발생 장치(120)에서 상방향으로 직진으로 진행되던 초음파는 세정조(110)에 형성된 초음파 분산 구조체(140)를 통과하면서 굴절, 반사 또는 회절 등에 의해 진행 방향이 여러 방향으로 바뀌게 된다. 때문에, 도 2에 도시된 바와 같은 종래 기술에 따른 초음파 세정 장치에서 발생되는 피세정물(1)의 오염 물질이 제거되지 않는 사각지대(A)의 발생이 방지될 수 있다.
초음파 세정 장치(100)는 세정조(110)에 세정액이 공급되고, 피세정물(1)을 지지부재(130) 상에 위치시키고, 초음파 발생장치(120)에서 초음파를 상방향으로 발생시킨다. 초음파 발생장치(120)에서 발생된 초음파는 세정액을 통해 상방향으로 전파되어 피세정물(1)의 표면으로 전달된다. 이때, 초음파 분산 구조체(140)를 통과한 초음파는 진행 방향이 굴절, 반사 또는 회절 등에 의해 여러 방향으로 바뀌게 된다. 여러 방향으로 분산된 초음파는 피세정물(1)의 표면에 고르게 전달되고, 이 전달된 초음파의 물리적 힘에 의해 피세정물(1) 표면의 오염 물질이 사각지대의 발생 없이 고르게 제거될 수 있다.
실시예의 초음파 세정 장치(100)는, 단일 세정조(110)만으로 구성될 수도 있고, 세정조(110)로부터의 세정액이 오버플로우(overflow) 되도록 세정조(110)의 외측에 설치되는 외부 세정조(150)를 더 포함할 수도 있다. 외부 세정조(150)는 내부 세정조(110)의 상반부 외측에 설치되며, 세정조(110)의 양 측벽을 통하여 세정액이 외부 세정조(150) 내부로 오버플로우 되게 된다.
그리고, 세정조(110)의 내측에는 세정액 공급수단(미도시)이 구비되며, 외부 세정조(150)에는 세정에 사용된 후 오버플로우된 세정액을 외부로 배출시키는 배출관(190)이 연결되며, 배출관(14)에는 세정액을 압축하는 펌프(160)와 세정액으로부터 오염 물질을 제거하기 위한 필터(170)가 구비될 수 있다. 필터(160)를 통하여 오염 물질이 제거된 세정액은 세정액 순환 관로(180)를 따라 세정조(110)의 내부로 공급되어 다시 피세정물(1)의 세정에 사용되게 된다.
실시예에 따라, 초음파 발생장치(120)가 세정조(110)의 하방에 직접 배치될 수도 있고, 세정조(110)와 초음파 발생장치(120) 사이에 초음파 전달 세정조(125)를 더 포함할 수도 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 초음파 전달 세정조(125)는 상부가 개방된 직육면체 형상으로 형성될 수 있으며, 그 상부가 세정조(110)의 하단부를 감싸도록 세정조(110)의 하측에 배치될 수 있다. 초음파 전달 세정조(125)에는 초음파의 전달을 위한 물과 같은 유체가 채워지고, 이 유체 내에 세정조(110)의 하단부가 잠길 수 있다.
초음파 발생장치(120)는 내측에 전자기적 힘에 의해 초음파를 발생시키는 발음부와 초음파 발생장치(120)의 표면을 덮어서 초음파 전달 세정조(125)의 유체로 초음파를 전달시키는 진동판을 포함할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 초음파 세정 장치의 평면도의 일부분의 확대도로, 제1 실시예에 따른 초음파 분산 구조체의 평면도이고, 도 6a 및 도 6b는 도 5의 a-a'선을 따라 절단하여 바라본 초음파 분산 구조체의 단면도의 일예이고, 도 7a 및 도 7b는 제1 실시예에 따른 초음파 분산 구조체에서 초음파의 전달을 표현한 개념도이다.
도 3 내지 도 6b를 참조하면, 실시예에 따른 초음파 세정장치(100)는 피세정물(1)과 세정액을 수용하는 세정조(110)와, 세정조(110)의 하방에 설치되고 초음파를 발생시키는 초음파 발생장치(120)와, 세정조(110)의 내부에 설치되고 피세정물(1)을 지지하는 지지부재(130), 및 세정조(110)에 형성된 초음파 분산 구조체 (140)를 포함한다.
세정조(110)는 바닥면(113)과 바닥면을 둘러싸는 측벽(115)을 포함하고, 상부는 개방되어 있을 수 있다. 세정조(110)에는 적어도 하나의 피세정물(1)과 피세정물(1)을 세정하기 위한 세정액이 수용되고, 지지부재(130)에 의해 피세정물(1)이 세정조(110)의 내부 공간에 수직으로 지지된다. 복수의 피세정물(1)은 세정조(110)의 내부 공간에 평행하게 배열될 수 있다.
실시예의 초음파 분산 구조체(140)는, 세정조(110)의 바닥면(113)에 형성된 요철 패턴(200)을 포함할 수 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 요철 패턴(200)은 요부(220)와 철부(210)를 포함하고, 요부(220)와 철부(210) 사이에 경사면(230)을 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 요철 패턴(200)이 사다리꼴 형태일 수 있다. 즉 도 6b에 도시된 바와 같이, 철부(210)의 상부면(215)이 세정조(110)의 바닥면(113)과 평행하고, 요부(220)의 바닥면(227)이 세정조(110)의 바닥면(113)과 평행하고, 철부(210)의 상부면(215)과 요부(220)의 바닥면(227)의 사이에 경사면(230)을 포함하는 형태일 수 있다. 또한, 요철 패턴(200)은 철부(210)의 바닥면(217)이 세정조(110)의 바닥면(113)의 내벽에 위치하거나, 요부(220)의 상면(225)이 세정조(110)의 바닥면(113)의 내벽에 위치할 수 있다.
도 7a를 참조하면, 세정조(110)의 바닥면(113)에 요철 패턴(200)을 포함하는 경우, 세정조(110)의 하방에 설치된 초음파 발생장치(120)에서 발생된 초음파는 요철 패턴(200)을 통과하여 피세정물(1)로 전달된다. 이때, 초음파는 요철 패턴(200)을 통과하면서 굴절하게 된다. 즉, 요부(220)와 철부(210) 사이에 형성된 경사면(230)을 통과하는 초음파는 경사면(230)이 철부(210)의 바닥면(217)과 이루는 각도(α)에 따라 소정의 각도로 굴절하여 피세정물(1) 방향으로 전달되고, 요부(220) 또는 철부(210)의 꼭지점을 통과하는 일부의 초음파는 직진하여 피세정물(1)로 전달된다.
도 7b를 참조하면, 요철 패턴(200)이 사다리꼴 형태인 경우, 초음파의 진행 방향과 수직한 철부(210)의 상부면(215) 또는 요부(220)의 바닥면(227)을 통과하는 초음파는 직진하여 피세정물(1)로 전달되지만, 소정의 각도(α)를 갖고 기울어진 경사면(230)을 통과하는 초음파는 경사면(230)에 의해 소정의 각도로 굴절되어 방향이 바뀌어 피세정물(1)로 전달되게 된다. 이 경우 초음파의 진행 방향과 수직한 부분(215, 227)을 통과하여 상방향으로 직진으로 진행되는 초음파와 경사면(230)을 통과하여 굴절된 초음파가 적절히 혼합되어 피세정물(1)의 세정이 진행된다.
실시예에 따라, 경사면(230)이 철부(210)의 바닥면(217)과 이루는 각도(α)는 0도 초과 90도 미만일 수 있고, 30도 내지 60도일 수 있다. 경사면(230)의 경사 각도(α)가 이 범위에 있는 경우 지지부재(130)에 의한 사각지대(dead zone)의 발생이 최소화되면서 피세정물(1)의 고른 세정이 가능할 수 있다.
요철 패턴(200)은 상술한 형태 이외에 다각형, 반원형 등 여러 형태일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
도 8은 제1 실시예에 따른 초음파 세정 장치에서 초음파의 전달을 표현한 개념도이다.
도 8을 참조하면, 초음파 발생장치(120)에서 발생된 초음파가 세정조(110)의 바닥면(113)에 형성된 요철 패턴(200)을 통과하면서 일부가 굴절되게 된다. 실시예에 따르면, 초음파가 굴절되어 피세정물(1)로 전달되게 되므로, 지지부재(130)에 의해 초음파의 전달이 되지 못하던 사각지대(dead zone)의 발생이 최소화 될 수 있다. 즉, 직진성을 갖고 상방향으로 진행하던 초음파가 초음파 분산 구조체(140)의 요철 패턴(200)을 통과하면서 요철 패턴(200)의 경사면(230)에 의해 소정의 각도로 굴절되어 기울어져서 피세정물(1)로 전달된다. 이렇게 굴절된 초음파는 종래 기술에 따른 초음파 세정 장치(10)에서 지지부재(130)에 의해 가려져 있던 사각지대에도 전달될 수 있어 피세정물(1) 표면의 오염 물질이 고르게 제거될 수 있다.
도 9는 도 4에 도시된 초음파 세정 장치의 평면도의 일부분의 확대도로, 제2 실시예에 따른 초음파 분산 구조체의 평면도이고, 도 10은 도 9의 b-b'선을 따라 절단하여 바라본 초음파 분산 구조체의 단면도의 일예이고, 도 11은 스넬의 법칙(Snell's Law)을 설명하기 위한 도면이고, 도 12는 제2 실시예에 따른 초음파 분산 구조체에서 초음파의 전달을 표현한 개념도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 실시예에 따른 초음파 세정장치(100)는 피세정물(1)과 세정액을 수용하는 세정조(110)와, 세정조(110)의 하방에 설치되고 초음파를 발생시키는 초음파 발생장치(120)와, 세정조(110)의 내부에 설치되고 피세정물(1)을 지지하는 지지부재(130), 및 세정조(110)에 형성된 초음파 분산 구조체 (140)를 포함한다.
세정조(110)는 바닥면(113)과 바닥면을 둘러싸는 측벽(115)을 포함하고, 상부는 개방되어 있을 수 있다. 세정조(110)에는 적어도 하나의 피세정물(1)과 피세정물(1)을 세정하기 위한 세정액이 수용되고, 지지부재(130)에 의해 피세정물(1)이 세정조(110)의 내부 공간에 수직으로 지지된다. 복수의 피세정물(1)은 세정조(110)의 내부 공간에 평행하게 배열될 수 있다.
실시예의 초음파 분산 구조체(140)는, 세정조(110)의 바닥면(113)에 매립된 초음파 분산 삽입물(300)을 포함할 수 있다. 세정조(110)의 바닥면(113)에 세정조(110)와 굴절률이 상이한 초음파 분산 삽입물(300)이 삽입되는 경우, 굴절률의 차이에 의해 초음파는 초음파 분산 삽입물(300)을 통과하면서 굴절하게 된다.
즉, 초음파는 굴절률이 서로 다른 매질을 통과할 때마다 굴절하게 되는데, 이는 초음파가 성질이 다른 매질의 경계면을 통과할 때 초음파의 휨 정도를 정의한 스넬의 법칙(Snell's Law)에 의해 파악할 수 있다.
도 11을 참조하면, n1sinθ1 = n2sinθ2 (Snell's Law)이고, 여기서, n1은 입사층 즉, 세정조(110)의 굴절률, θ1은 입사계면의 수직에 대한 초음파의 각도, n2는 입사될 층 즉, 초음파 분산 삽입물(300)의 굴절률, θ2는 입사계면의 수직에 대한 투과된 초음파의 각도를 각각 나타낸다.
도 10을 참조하면, 초음파 분산 삽입물(300)은 단면이 삼각형 형태일 수 있다. 이 경우 초음파 분산 삽입물(300)에 입사되는 초음파가 사선으로 입사되거나, 출사되는 초음파가 사선으로 출사되므로 초음파의 굴절이 용이할 수 있다.
또한, 초음파 분산 삽입물(300)은 이웃한 초음파 분산 삽입물과 좌우 대칭으로 배치될 수 있다. 초음파 분산 삽입물(300)이 좌우 대칭으로 배치된 경우, 초음파가 굴절되는 방향이 좌우 대칭이 되어 피세정물(1)로 전달되는 초음파가 고르게 분산되어 전달될 수 있으므로 피세정물(1)의 세정에 유리할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 초음파 분산 삽입물(300)은 세정조(110)의 바닥면(113)과 소정의 경사도(β)를 갖는 경사면(330)을 포함할 수 있다. 즉, 초음파 분산 삽입물(300)에서 초음파가 입사되는 면(330)은 세정조(110)의 바닥면(113)에 대해 소정의 각도(β) 기울어져 배치될 수 있다. 초음파 분산 삽입물(300)에서 초음파가 입사되는 면(330)이 세정조(110)의 바닥면(113)과 평행한 경우에는 초음파는 초음파 분산 삽입물(300)에서 출사되는 과정에서만 굴절이 일어나지만, 평행하지 않고 기울어져 배치된 경우에는 입사시와 출사시 두번에 걸쳐 굴절이 일어날 수 있어 초음파의 굴절 방향을 여러 방향으로 하여 초음파를 더 고르게 분산시킬 수 있어 유리하다.
실시예에 따라, 초음파 분산 삽입물(300)의 경사면(330)이 세정조(110)의 바닥면(113)과 이루는 각도(β)는 0도 초과 90도 미만일 수 있고, 30도 내지 60도일 수 있다. 경사면(330)의 경사 각도(β)가 이 범위에 있는 경우 지지부재(130)에 의한 사각지대(dead zone)의 발생이 최소화되면서 피세정물(1)의 고른 세정이 가능할 수 있다.
초음파 분산 삽입물(300)의 굴절률은 상기 세정조의 굴절률보다 클 수 있다. 세정조(110)가 석영 재질로 이루어진 경우, 석영의 굴절률은 1MHz에서 1.5 이하이므로, 초음파 분산 삽입물(300)의 굴절률은 1MHz에서 1.5 초과 3.3 이하일 수 있고, 초음파 분산 삽입물(300)의 굴절률은 1MHz에서 3.0 이상 3.3 이하일 수 있다. 이 경우 초음파 분산 삽입물(300)에 입사되는 초음파의 굴절 각도를 효율적으로 굴절시킬 수 있다.
실시예에 따라, 초음파 분산 삽입물(300)의 재료는 입사되는 초음파를 소정의 각도로 굴절시킬 수 있는 재료로서 금속, 세라믹 등일 수 있고, Ti일 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 세정조(110)가 석영 재질로 이루어진 경우, 석영의 굴절률은 1MHz에서 1.5 이하인데, Ti의 겨우 굴절률이 1MHz에서 3 내지 3.3으로 커서 입사되는 초음파를 원하는 각도 이상으로 효과적으로 굴절시킬 수 있다.
초음파 분산 삽입물(300)의 단면은 사각형 이상의 다각형 또는 원형 또는 반원형 등 일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
도 12를 참조하면, 초음파 분산 삽입물(300)에 입사된 초음파는 스넬의 법칙에 따라 소정의 각도로 굴절하고, 굴절된 초음파는 초음파 분산 삽입물(300)을 출사하면서 역시 소정의 각도로 굴절하게 된다. 이때, 초음파는 굴절되는 것 이외에 반사되는 반사파도 존재할 수 있다. 도 12에서 실선은 굴절파를, 점선은 반사파를 나타낸다. 또, 초음파 분산 삽입물(300)이 없는 세정조(110)의 바닥면(113)을 통과하는 초음파는 그 직전성에 의해 상방향으로 직진하여 진행된다. 이렇게 초음파 분산 삽입물(300)을 통과한 초음파는 직진, 굴절 및 반사 등에 의해 분산되어 피세정물(1)로 고르게 전달된다.
도 13은 제2 실시예에 따른 초음파 세정 장치에서 초음파의 전달을 표현한 개념도이다.
도 13을 참조하면, 초음파 발생장치(120)에서 발생된 초음파가 세정조(110)의 바닥면(113)에 형성된 초음파 분산 삽입물(300)을 통과하면서 일부가 굴절되게 된다. 실시예에 따르면, 초음파가 굴절되어 피세정물(1)로 전달되게 되므로, 지지부재(130)에 의해 초음파의 전달이 되지 못하던 사각지대(dead zone)의 발생이 최소화 될 수 있다. 즉, 직진성을 갖고 상방향으로 진행하던 초음파가 초음파 분산 구조체(140)의 초음파 분산 삽입물(300)을 통과하면서 소정의 각도로 굴절 또는 반사 등에 의해 기울어져서 피세정물(1)로 전달된다. 이렇게 굴절 또는 반사된 초음파는 종래 기술에 따른 초음파 세정 장치(10)에서 지지부재(130)에 의해 가려져 있던 사각지대에도 전달될 수 있어 피세정물(1) 표면의 오염 물질이 고르게 제거될 수 있다.
도 14a는 제3 실시예에 따른 초음파 분산 구조체의 단면도의 일예이고, 도 14b는 제4 실시예에 따른 초음파 분산 구조체의 단면도의 일예이다.
실시예에 따른 초음파 세정장치(100)는 피세정물(1)과 세정액을 수용하는 세정조(110)와, 세정조(110)의 하방에 설치되고 초음파를 발생시키는 초음파 발생장치(120)와, 세정조(110)의 내부에 설치되고 피세정물(1)을 지지하는 지지부재(130), 및 세정조(110)에 형성된 초음파 분산 구조체 (140)를 포함한다.
세정조(110)는 바닥면(113)과 바닥면을 둘러싸는 측벽(115)을 포함하고, 상부는 개방되어 있을 수 있다. 세정조(110)에는 적어도 하나의 피세정물(1)과 피세정물(1)을 세정하기 위한 세정액이 수용되고, 지지부재(130)에 의해 피세정물(1)이 세정조(110)의 내부 공간에 수직으로 지지된다. 복수의 피세정물(1)은 세정조(110)의 내부 공간에 평행하게 배열될 수 있다.
도 14a를 참조하면, 실시예의 초음파 분산 구조체(140)는, 세정조(110)의 측벽(115)에 형성된 요철 패턴(400)을 포함할 수 있다. 요철 패턴(400)은 요부(420)와 철부(410)를 포함하고, 요부(420)와 철부(410) 사이에 경사면(430)을 포함할 수 있다.
도 14a에서 점선으로 도시된 바와 같이, 세정조(110)의 측벽(115)에 요철 패턴(400)을 포함하는 경우, 세정조(110)의 측벽(115)에 충돌하게 되는 초음파는 요철 패턴(400)에 의해 반사된다. 즉, 초음파가 요부(420)와 철부(410) 사이에 형성된 경사면(430)에 충돌하는 경우 경사면(430)이 철부(410)의 바닥면(417)과 이루는 각도(γ)에 따라 소정의 각도로 반사된다. 반사되어 방향이 바뀐 초음파는 피세정물(1) 방향으로 전달된다.
실시예에 따라, 요철 패턴(400)은 사다리꼴 형태일 수 있다. 즉 도 6b에 도시된 요철 패턴과 유사하게, 철부(410)의 상부면이 세정조(110)의 측벽(115)과 평행하고, 요부(420)의 바닥면이 세정조(110)의 측벽(115)과 평행하고, 철부(410)의 상부면과 요부(420)의 바닥면의 사이에 경사면(430)을 포함하는 형태일 수 있다. 또한, 요철 패턴(400)은 철부(410)의 바닥면이 세정조(110)의 측벽(115)의 내벽에 위치하거나, 요부(420)의 상면이 세정조(110)의 측벽(115)의 내벽에 위치할 수 있다. 이 경우 요철 패턴(400)에 초음파가 충돌하는 경우에, 요부(420)의 바닥면, 철부(410)의 상부면 및 경사면(430)에서의 반사 각도가 서로 다르게 되어 초음파를 더 고르게 분산시킬 수 있다.
실시예에 따라, 경사면(430)이 철부(410)의 바닥면(417)과 이루는 각도(γ)는 0도 초과 90도 미만일 수 있고, 30도 내지 60도일 수 있다. 경사면(430)의 경사 각도(γ)가 이 범위에 있는 경우 지지부재(130)에 의한 사각지대(dead zone)의 발생이 최소화되면서 피세정물(1)의 고른 세정이 가능할 수 있다.
요철 패턴(400)은 상술한 형태 이외에 다각형, 반원형 등 여러 형태일 수 있으며 이에 한정하지 않는다. 또한, 요철 패턴(400)은 피세정물(1)과 수직한 세정조(110)의 양쪽 측벽(115)에 포함될 수 있다.
도 14b를 참조하면, 실시예의 초음파 분산 구조체(140)는, 세정조(110)의 측벽(115)에 매립된 초음파 분산 삽입물(500)을 포함할 수 있다. 세정조(110)의 측벽(115)에 세정조(110)와 굴절률이 상이한 초음파 분산 삽입물(500)이 삽입되는 경우, 굴절률의 차이에 의해 초음파는 초음파 분산 삽입물(500)에 충돌하면서 소정의 각도로 반사하게 된다.
실시예에 따라, 초음파 분산 삽입물(500)은 단면이 삼각형 형태일 수 있다. 이 경우 초음파 분산 삽입물(500)에 입사되는 초음파가 사선으로 입사되므로 초음파의 반사가 용이할 수 있다.
또한, 초음파 분산 삽입물(500)은 이웃한 초음파 분산 삽입물과 좌우 대칭으로 배치될 수 있다. 초음파 분산 삽입물(500)이 좌우 대칭으로 배치된 경우, 초음파가 반사되는 방향이 좌우 대칭이 되므로 피세정물(1)로 전달되는 초음파가 고르게 분산되어 전달될 수 있어 피세정물(1)의 세정에 유리할 수 있다.
실시예에 따라, 초음파 분산 삽입물(500)은 세정조(110)의 측벽(115)과 소정의 경사도(δ)를 갖는 경사면(530)을 포함할 수 있다. 즉, 초음파 분산 삽입물(500)에서 초음파가 입사되는 면(530)은 세정조(110)의 측벽(115)에 대해 소정의 각도(δ) 기울어져 배치될 수 있다. 이 경우 초음파 분산 삽입물(500)에 입사되는 초음파가 사선으로 입사되므로 초음파의 반사가 용이할 수 있다.
실시예에 따라, 초음파 분산 삽입물(500)의 경사면(530)이 세정조(110)의 측벽(115)과 이루는 각도(δ)는 0도 초과 90도 미만일 수 있고, 30도 내지 60도일 수 있다. 경사면(530)의 경사 각도(δ)가 이 범위에 있는 경우 지지부재(130)에 의한 사각지대(dead zone)의 발생이 최소화되면서 피세정물(1)의 고른 세정이 가능할 수 있다.
초음파 분산 삽입물(500)의 굴절률은 상기 세정조의 굴절률보다 클 수 있다. 세정조(110)가 석영 재질로 이루어진 경우, 석영의 굴절률은 1MHz에서 1.5 이하이므로, 초음파 분산 삽입물(500)의 굴절률은 1MHz에서 1.5 초과 3.3 이하일 수 있고, 초음파 분산 삽입물(500)의 굴절률은 1MHz에서 3.0 이상 3.3 이하일 수 있다. 이 경우 초음파 분산 삽입물(500)에 입사되는 초음파의 반사 각도를 효율적으로 굴절시킬 수 있다.
실시예에 따라, 초음파 분산 삽입물(500)의 재료는 입사되는 초음파를 소정의 각도로 반사시킬 수 있는 재료로서 금속, 세라믹 등일 수 있고, Ti일 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 세정조(110)가 석영 재질로 이루어진 경우, 석영의 굴절률은 1MHz에서 1.5 이하인데, Ti의 겨우 굴절률이 1MHz에서 3 내지 3.3으로 커서 입사되는 초음파를 원하는 각도 이상으로 효과적으로 반사시킬 수 있다.
초음파 분산 삽입물(500)의 단면은 사각형 이상의 다각형 또는 원형 또는 반원형 등 일 수 있으며 이에 한정하지 않는다.
도 15는 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 초음파 세정 장치에서 초음파의 전달을 표현한 개념도이다.
도 15를 참조하면, 초음파가 세정조(110)의 측벽(115)에 형성된 요철 패턴(400) 또는 초음파 분산 삽입물(500)을 포함하는 초음파 분산 구조체(140)에 충돌하면 반사하게 된다. 실시예에 따르면, 세정조(110)의 측벽(115)에 충돌한 초음파가 반사되어 피세정물(1)로 전달되게 되므로, 지지부재(130)에 의해 초음파의 전달이 되지 못하던 사각지대(dead zone)의 발생이 최소화 될 수 있다. 즉, 초음파 분산 구조체(140)의 요철 패턴(400) 또는 초음파 분산 삽입물(500)에 충돌한 초음파는 요철 패턴(400)의 경사면(430) 또는 초음파 분산 삽입물(500)의 경사면(530)에 의해 소정의 각도로 반사되어 피세정물(1)로 전달된다. 이렇게 반사된 초음파는 종래 기술에 따른 초음파 세정 장치(10)에서 지지부재에 의해 가려져 있던 사각지대에도 전달될 수 있어 피세정물(1) 표면의 오염 물질이 고르게 제거될 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 초음파 세정장치의 단면도이고, 도 17은 일 실시예에 따른 초음파 분산 구조체의 평면도이다.
실시예에 따른 초음파 세정 장치(100)는 피세정물(1)과 세정액을 수용하는 세정조(110)와, 세정조(110)의 하방에 설치되고 초음파를 발생시키는 초음파 발생장치(120)와, 세정조(110)의 내부에 설치되고 피세정물(1)을 지지하는 지지부재(130), 및 세정조(110)에 형성된 초음파 분산 구조체(140)를 포함한다.
초음파 분산 구조체(140)는, 세정조(110)의 바닥면(113) 및 세정조(110)의 측벽(115)에 요철 패턴과 초음파 분산 삽입물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도 16에서는 세정조(110)의 바닥면(113)에 매립된 초음파 분산 삽입물(300)과 세정조(110)의 측벽(115)에 매립된 초음파 분산 삽입물(500)이 도시되어 있으나, 세정조(110)의 바닥면(113)에 요철 패턴(200)이, 세정조(110)의 측벽(115)에 요철 패턴(400)이 형성되거나, 요철 패턴과 초음파 분산 삽입물이 혼합되어 형성될 수도 있다.
실시예에 따라, 도 17에 도시된 바와 같이 초음파 분산 삽입물(140)은 요철 패턴이 형성되고 초음파 분산 삽입물이 매립된 형태일 수도 있다. 즉, 세정조(110)의 바닥면(113)에 요철 패턴(200) 및 초음파 분산 삽입물(300)이 형성되거나, 세정조(110)의 측벽(115)에 요철 패턴(300) 및 초음파 분산 삽입물(400)이 형성될 수 있다.
이때 요철 패턴(200, 400) 및 초음파 분산 삽입물(300, 500)의 특성은 상술한 바와 같다.
이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 초음파 세정 장치 110: 세정조
113: 세정조 바닥면 115: 세정조 측벽
120: 초음파 발생장치 125: 초음파 전달 세정조
130: 지지부재 140: 초음파 분산 구조체
150: 외부 세정조 160: 펌프
170: 필터 180: 세정액 순환 관로
190: 배출관
200: 요철 패턴 210: 철부
215: 철부 상부면 217: 철부 바닥면
220: 요부 225: 요부 상부면
227: 요부 바닥면 230: 경사면
300: 초음파 분산 삽입물 330: 경사면
400: 요철 패턴 410: 철부
420: 요부 430: 경사면
500: 초음파 분산 삽입물 530: 경사면

Claims (23)

  1. 피세정물과 세정액을 수용하는 세정조;
    상기 세정조의 하방에 설치되고 초음파를 발생시키는 초음파 발생장치;
    상기 세정조의 내부에 설치되고 상기 피세정물을 지지하는 지지부재; 및
    상기 세정조에 형성된 초음파 분산 구조체를 포함하는 초음파 세정 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 초음파 분산 구조체는 세정조의 바닥면에 형성된 요철 패턴을 포함하는 초음파 세정 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 초음파 분산 구조체는 세정조의 바닥면에 매립된 초음파 분산 삽입물을 포함하는 초음파 세정 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 초음파 분산 구조체는 상기 세정조의 측벽에 형성된 요철 패턴을 포함하는 초음파 세정 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 초음파 분산 구조체는 세정조의 측벽에 매립된 초음파 분산 삽입물을 포함하는 초음파 세정 장치.
  6. 제2 항 또는 제4 항에 있어서, 상기 요철 패턴은 요부와 철부를 포함하고, 상기 요부와 상기 철부 사이에 경사면을 포함하는 초음파 세정 장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 요철 패턴은 사다리꼴 형태인 초음파 세정 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 세정조의 내벽에 상기 철부의 바닥면이 위치하거나, 상기 세정조의 내벽에 상기 요부의 상면이 위치하는 초음파 세정 장치.
  9. 제6 항에 있어서, 상기 경사면이 상기 철부의 바닥면과 이루는 각도는 30도 내지 60도인 초음파 세정 장치.
  10. 제3 항 또는 제5항에 있어서, 상기 초음파 분산 삽입물은 단면이 삼각형 형태인 초음파 세정 장치.
  11. 제3 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 초음파 분산 삽입물은 이웃한 초음파 분산 삽입물과 좌우 대칭으로 배치된 초음파 세정 장치.
  12. 제3 항에 있어서, 상기 초음파 분산 삽입물은 상기 세정조의 바닥면과 30도 내지 60도의 경사도를 갖는 경사면을 포함하는 초음파 세정 장치.
  13. 제5 항에 있어서, 상기 초음파 분산 삽입물은 상기 세정조의 측벽과 30도 내지 60도의 경사도를 갖는 경사면을 포함하는 초음파 세정 장치.
  14. 제3 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 초음파 분산 삽입물은 Ti인 초음파 세정 장치.
  15. 제3 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 초음파 분산 삽입물의 굴절률은 상기 세정조의 굴절률보다 큰 초음파 세정 장치.
  16. 제3 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 초음파 분산 삽입물의 굴절률은 1MHz에서 3.0 이상 3.3 이하인 초음파 세정 장치.
  17. 제4 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 초음파 분산 구조체는 상기 피세정물과 수직한 상기 세정조의 양쪽 측벽에 포함되는 초음파 세정 장치.
  18. 제1 항에 있어서, 상기 세정조는 석영인 초음파 세정 장치.
  19. 제1 항에 있어서, 상기 세정조의 외측에 설치되어 상기 세정조에서의 상기 세정액을 순환시키는 외부 세정조를 더 포함하는 초음파 세정 장치.
  20. 제1 항에 있어서, 상기 세정조와 상기 초음파 발생장치 사이에 초음파 전달 세정조를 더 포함하는 초음파 세정 장치.
  21. 제1 항에 있어서, 상기 지지부재는 상기 피세정물을 회전가능하게 지지하는 초음파 세정 장치.
  22. 제1 항에 있어서, 상기 초음파 발생장치에서 발생되는 초음파의 주파수는 1MHz이고, 상기 세정조의 바닥면의 두께는 3mm인 초음파 세정 장치.
  23. 제1 항에 있어서, 상기 초음파 발생장치에서 서로 다른 주파수를 가진 적어도 두 개의 초음파가 발생되는 초음파 세정 장치.
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CN115815198A (zh) * 2022-11-30 2023-03-21 西安奕斯伟材料科技有限公司 清洗装置

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