KR20160136495A - 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자 및 이를 포함하는 초음파 세정 장치 - Google Patents

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이양래
임의수
김현세
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자는 n각형 형상으로 구성되며, 내부가 m(단, m=n, m=n/2)각형 형상으로 천공된 천공홀이 형성되는 압전소자;를 포함하며, 상기 천공홀은 상기 m각형 형상의 모든 옆면과 상기 n각형 형상의 모든 옆면 중에서 서로 평행하게 대향하는 2개의 옆면이 발생하지 않는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치는 상기 압전소자와, 상면에 상기 압전소자가 결합되는 제1전달체와, 상기 제1전달체의 하면에 결합되는 제2전달체를 포함하는 초음파 진동자; 및 하면이 피세정물에 대향하도록 구비되며, 내부에 상기 압전소자와 제1전달체가 수납되는 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자 및 이를 포함하는 초음파 세정 장치{An ultrasonic transmitter having piezoelectric element capable of transverse prevention and ultrasonic cleaning device including the same}
본 발명은 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자 및 이를 포함하는 초음파 세정 장치에 관한 것이다.
초음파 세정 장치는 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.
한때, 반도체 기판상에 형성되는 패턴이 미세화되고 패턴의 종횡비(aspect ratio)가 커짐에 따라, 점차 세정 공정의 중요도가 커지고 있는 실정이다.
반도체 세정 공정 초기에는 반도체 기판을 세정하기 위해서 세정액에 반도체 기판을 담갔다 꺼내는 방식이 많이 사용되었으나, 상술한 바와 같이 세정 공정의 중요도가 커짐에 따라 세정 장치의 구조에도 많은 발전이 이루어졌다.
최근에는 세정액에 반도체 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.
초음파 진동자는 진동판 또는 로드를 가지며, 상기와 같은 진동판 또는 로드의 한쪽 면(평면)에 압전소자가 부착된다.
도 1은 초음파 진동자를 통해 발생되는 횡파와 종파를 설명하기 위한 개략도(이 때, A : 압전소자의 종파에 따른 음압분포를 도시한 개략도, B : 압전소자의 횡파에 따른 음압분포를 도시한 개략도), 도 2는 종래의 초음파 진동자에 의해 출력되는 초음파의 출력상태(횡파와 종파가 만나 피크 음압이 발생되는 상태)를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 초음파 진동자에 있어서, 압전소자의 종파는 상당히 균일한 반면, 압전소자의 횡파는 중앙에서 정재파(stading wave)가 중첩되어 음압이 매우 강한편이다. 이 때, 압전소자의 횡파는 압전소자의 수평방향 일단에서 발생한 초음파가 타단으로 전달된 후, 다시 수평방향 타단에서 일단으로 귀환될 때, 발생하게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 초음파 진동자는 종파와 횡파가 만난 후, 중앙에서 압전소자의 횡파에 의해 음압이 매우 강한 피크 음압(1)이 발생하게 된다.
이러한, 피크 음압은 반도체 기판의 패턴에 도달되면, 피크 음압의 매우 강한 음압에 의해 반도체 기판의 패턴이 파손되는 문제점이 있다.
따라서 상술한 문제점을 해결하기 위한 다양한 초음파 진동자 및 초음파 세정 장치의 개발이 필요한 실정이다.
이와 관련된 기술로서, 본 출원인은 한국공개특허 제2011-0136345호를 제시한 바 있다.
한국공개특허 제2011-0136345호 (2011.12.21)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 압전소자에서 횡파가 발생하는 것을 방지할 수 있는 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자 및 이를 포함하는 초음파 세정 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자는 n각형 형상으로 구성되며, 내부가 m(단, m=n, m=n/2)각형 형상으로 천공된 천공홀이 형성되는 압전소자;를 포함하며, 상기 천공홀은 상기 m각형 형상의 모든 옆면과 상기 n각형 형상의 모든 옆면 중에서 서로 평행하게 대향하는 2개의 옆면이 발생하지 않는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 천공홀은 상기 m각형 형상의 밑면이 길이방향으로 길게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치는 압전소자와, 상면에 상기 압전소자가 결합되는 제1전달체를 포함하는 초음파 진동자; 및 하면이 피세정물에 대향하도록 구비되며, 내부에 상기 압전소자와 제1전달체가 수납되는 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함한다.
또한, 상기 초음파 진동자는 상기 제1전달체의 하면에 결합되는 제2전달체를 더 포함한다.
또한, 상기 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치는 상기 제2전달체의 상면이 함몰된 형태로 형성되고 하면이 돌출된 형태로 형성되며, 상기 하우징이 캡형태로 형성되어 상기 제2전달체의 상면에 결합되는 것을 특징으로 하는 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자는 n각형 형상으로 구성되며, 내부가 m(단, m=n, m=n/2)각형 형상으로 천공된 천공홀이 형성되는 압전소자;를 포함하며, 상기 천공홀은 상기 m각형 형상의 모든 옆면과 상기 n각형 형상의 모든 옆면 중에서 서로 평행하게 대향하는 2개의 옆면이 발생하지 않는 형상으로 형성됨으로써, 상기 압전소자의 옆면에서 발생한 초음파가 상기 천공홀로 전달된 후, 그 옆면을 향하여 반사되지 않고 다른 곳을 향하여 반사되어, 상기 압전소자의 횡파가 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 초음파 진동자를 통해 발생되는 횡파와 종파를 설명하기 위한 개략도(이 때, A : 압전소자의 종파에 따른 음압분포를 도시한 개략도, B : 압전소자의 횡파에 따른 음압분포를 도시한 개략도)
도 2는 종래의 초음파 진동자에 의해 출력되는 초음파의 출력상태(횡파와 종파가 만나 피크 음압이 발생되는 상태)를 설명하기 위한 개략도
도 3은 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 실시예 1을 나타낸 평면도
도 4는 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 실시예 2를 나타낸 평면도
도 5는 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 실시예 3을 나타낸 평면도
도 6은 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 실시예 4를 나타낸 평면도
도 7은 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치를 나타낸 단면도
도 8은 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치의 실시예 1을 나타낸 단면도
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 압전소자에서 발생하는 횡파에 의해 피크 음압이 발생하는 것을 방지하기 위한 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자 및 이를 포함하는 초음파 세정 장치에 관한 것이다.
이하 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 다양한 실시예에 대해 설명하기로 한다.
<초음파 진동자-실시예 1>
도 3은 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 실시예 1을 나타낸 평면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 실시예 1은 횡파가 발생하는 것을 방지하기 위한 형상으로 형성되는 압전소자(110)를 포함하여 구성된다.
상기 압전소자(110)는 n각기둥 형상으로 구성되며, 천공홀(111)이 형성된다. 도 3을 참조하면 상기 압전소자(110)가 직각사각형 형상으로 형성된 실시예를 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다. (단, n은 3이상인 자연수)
상기 천공홀(111)은 상기 압전소자(110)의 내부가 m(단, m=n, m=n/2)각형 형상으로 천공되어 형성되되, 상기 m각형 형상의 모든 옆면과 상기 n각형 형상의 모든 옆면 중에서 서로 평행하게 대향하는 2개의 옆면이 발생하지 않는 형상으로 형성된다.
즉, 상기 천공홀(111)은 상기 압전소자(110)의 n각형 형상 모든 옆면 중에서 서로 평행하게 대향하는 2개의 옆면이 발생하지 않게 하는 역할을 하는 것이다.
이 때, 상기 천공홀(111)은 상기 압전소자(110)의 상기 m각형 형상의 밑면(즉, 상면 및 하면)이 상기 천공홀(111)의 길이방향으로 길게 형성될 수 있다.
한편, 상기 압전소자(110)의 n각형 형상의 모든 옆면 중에서 서로 평행하게 대향하는 2개의 옆면이 존재할 경우, 상기 압전소자(110)의 옆면에서 발생한 초음파가 그 옆면에 평행하게 대향하는 다른 옆면으로 전달된 후, 다른 옆면에서 수직하게 반사되어 그 옆면으로 귀환되면서 횡파가 발생하게 된다.
그러나 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자는 n각형 형상으로 구성되며, 내부가 m각형 형상으로 천공된 천공홀(111)이 형성되는 압전소자(110);를 포함하며, 상기 천공홀은 상기 m각형 형상의 모든 옆면과 상기 n각형 형상의 모든 옆면 중에서 서로 평행하게 대향하는 2개의 옆면이 발생하지 않는 형상으로 형성됨으로써, 상기 압전소자(110)의 옆면에서 발생한 초음파가 상기 천공홀로 전달된 후, 그 옆면을 향하여 반사되지 않고 다른 곳을 향하여 반사되어, 상기 압전소자(110)의 횡파가 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이 때, 상기 압전소자(110)의 횡파가 발생하는 것을 방지할 수 있다는 것은 상기 초음파 진동자에서 상기 압전소자(110)의 횡파에 의해 피크 음압이 발생하는 것을 방지할 수 있다는 의미가 된다.
즉, 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자는 상기 압전소자(110)에서 횡파가 발생하는 것을 원천적으로 봉쇄하여 상기 초음파 진동자에서 피크 음압이 발생하는 것을 원천적으로 방지할 수 있다.
<초음파 진동자-실시예 2>
도 4는 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 실시예 2를 나타낸 평면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 실시예 2는 상기 압전소자(110)가 정육각형 형상으로 형성되되, 상기 천공홀(111)이 육각형 형상으로 형성된다.
상기 천공홀(111)은 상기 압전소자(110)의 n각형 형상의 모든 옆면과 상기 천공홀(111)의 m각형 형상의 모든 옆면 중에서 서로 평행하게 대향하는 2개의 옆면이 발생하지 않도록 형성되는 것으로, 상기 천공홀(111)이 도 4와 같은 육각형 형상으로 형성될 수 있다.
<초음파 진동자-실시예 3>
도 5는 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 실시예 3을 나타낸 평면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 실시예 3은 상기 압전소자(110)가 정팔각형 형상으로 형성되되, 상기 천공홀(111)이 사각형 형상으로 형성된다.
즉, 상기 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 실시예 3은 상기 압전소자(110)가 정팔각형 형상으로 형성된 것으로, 상기 천공홀(110)이 매우 간단한 사각형 형태로 형성될 수 있다.
<초음파 진동자-실시예 4>
도 6은 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 실시예 4를 나타낸 평면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자의 실시예 4는 상기 압전소자(110)가 직각사각형 형상으로 형성되되, 상기 천공홀(111) 상에 초음파 반사체(150)가 설치된다.
상기 초음파 반사체(150)는 내부에 물 또는 기름이 수용되는 수용공간이 형성되며 아크릴 재질로 이루어지는 용기로 구성될 수 있다.
상기 초음파 반사체(150)는 상기 압전소자(110)의 옆면에서 발생한 초음파가 상기 천공홀(111)을 통과하여 그 옆면에 평행하게 대향하는 다른 옆면으로 전달된 후, 다른 옆면에서 상기 천공홀(111)을 통과하여 그 옆면으로 귀환되지 않도록, 상기 압전소자(110)의 옆면에서 발생한 초음파가 닿는 즉시 그 옆면을 향하여 반사되지 않고 다른 곳을 향하여 반사되게 하는 역할을 한다.
도 7은 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치를 나타낸 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치(1000)는 초음파 진동자(100) 및 하우징(200)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 초음파 진동자(100)는 피세정물인 반도체 기판에 초음파를 전달하기 위한 구성으로, 상기 압전소자(110), 제1전달체(120), 제2전달체(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 압전소자(110)는 본 발명에 따른 천공홀(111)이 형성된 압전소자(110)로 구성된다.
상기 제1전달체(120)는 상면에 상기 압전소자(110)가 설치되어 상기 압전소자(110)에서 발생한 초음파가 전달되며, 열전달효율이 높은 재질인 알루미늄 또는 구리로 이루어질 수 있다.
상기 제2전달체(130)는 상기 제1전달체(120)의 하면과 결합되어 상기 제1전달체(120)에서 이송된 초음파를 피세정물인 반도체 기판으로 전달한다.
상기 하우징(200)은 하면이 피세정물에 대향하도록 구비되며, 내부에 상기 압전소자(110)와 제1전달체(120)가 수납되며, 냉각유체유입구(210)와, 냉각유체배출구(220)를 포함하여 구성된다.
상기 냉각유체유입구(210)는 상기 하우징(200)의 상면에 형성될 수 있고, 일단이 상기 하우징(200)의 내부와 연통되고 타단이 냉각유체가 저장된 냉각유체저장탱크(미도시)와 연통되어 상기 하우징(200)의 내부로 냉각유체를 유입하는 역할을 한다.
또한, 상기 냉각유체유입구(210)는 도면에 파이프형태로 형성된 실시예가 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 상기 냉각유체유입구(210)는 다수개 형성될 수 있다.
또한, 상기 냉각유체유입구(210)는 표면에 다수의 통공(미도시)이 형성되어 냉각유체를 분무할 수 있다.
상기 냉각유체배출구(220)는 상기 하우징(200)의 상면에 형성될 수 있고, 일단이 상기 하우징(200)의 내부와 연통되고 타단이 상기 하우징(200)의 외부와 연통되어 상기 하우징(200)의 내부에 유입된 냉각유체를 배출하는 역할을 한다.
한편, 상기 냉각유체유입구(210)를 통해 유입된 상기 하우징(200)의 내부로 냉각유체는 상기 초음파 진동자(100)가 동작하면서 발생하는 열을 냉각시키는 역할을 한다.
이하, 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치(1000)의 실시예에 대해 설명하기로 한다.
<초음파 세정 장치-실시예 1>
도 8은 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치의 실시예 1을 나타낸 단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치(1000)의 실시예 1은 상기 제2전달체(130)의 상면이 함몰된 형태로 형성되고 하면이 돌출된 형태로 형성되며 상기 하우징(200)이 캡형태로 형성되어 상기 제2전달체(130)의 상면에 결합된다.
이에 따라, 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치(1000)의 실시예 1은 상기 하우징(200)과 제2전달체(130)가 서로 결합된 결합면이 피세정물인 반도체 기판에서 좀 더 멀리 배치됨으로써, 반도체 기판에 도포된 세정액이 상기 하우징(200)과 제2전달체(130) 사이로 난입되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 본 발명에 따른 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치
100 : 초음파 진동자
110 : 압전소자
111 : 천공홀
120 : 제1전달체 130 : 제2전달체
150 : 초음파 반사체
200 : 하우징
210 : 냉각유체유입구 220 : 냉각유체배출구

Claims (5)

  1. n각형 형상으로 구성되며, 내부가 m(단, m=n, m=n/2)각형 형상으로 천공된 천공홀이 형성되는 압전소자;를 포함하며,
    상기 천공홀은 상기 m각형 형상의 모든 옆면과 상기 n각형 형상의 모든 옆면 중에서 서로 평행하게 대향하는 2개의 옆면이 발생하지 않는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 천공홀은
    상기 m각형 형상이 길이방향으로 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자.
  3. 제1항 또는 제2항에 의한 압전소자와, 상면에 상기 압전소자가 결합되는 제1전달체를 포함하는 초음파 진동자; 및
    하면이 피세정물에 대향하도록 구비되며, 내부에 상기 압전소자와 제1전달체가 수납되는 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 초음파 진동자는
    상기 제1전달체의 하면에 결합되는 제2전달체를 더 포함하는 초음파 세정 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치는
    상기 제2전달체의 상면이 함몰된 형태로 형성되고 하면이 돌출된 형태로 형성되며,
    상기 하우징이 캡형태로 형성되어 상기 제2전달체의 상면에 결합되는 것을 특징으로 하는 횡파 발생 방지가 가능한 압전소자를 가진 초음파 진동자를 포함하는 초음파 세정 장치.
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