JP2011165911A - 洗浄装置及び被洗浄物の洗浄方法並びに超音波の発振方法 - Google Patents

Abstract

【課題】枚葉式、バッチ式のいずれの超音波洗浄装置であっても、形状・材質に依存せずに、低出力から高出力まで、洗浄液に印加された超音波の音圧をスムースに制御、特に微調整することができることによって、被洗浄物の表面にダメージを与えることなく十分に清浄な表面を得られる超音波洗浄装置と、それを利用した被洗浄物の洗浄方法、並びに超音波の発振方法を提供する。
【解決手段】被洗浄基板を超音波を印加した洗浄液によって洗浄する洗浄装置であって、少なくとも、超音波振動子で発振させた超音波を印加した洗浄液によって前記被洗浄物を洗浄するための洗浄機構と、前記超音波振動子から超音波を発振させるための主発振器とを具備し、前記主発振器は、発振波形としてバースト波を用いるものであることを特徴とする洗浄装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板、液晶ガラス基板、磁気ディスク等の精密基板（以下被洗浄物とも記載）を洗浄するための洗浄装置および被洗浄物の洗浄方法並びに超音波の発振方法に関し、特に高周波または超音波を印加した洗浄液によって被洗浄物を洗浄するための洗浄装置や洗浄方法に関する。

半導体等の製造工程において、半導体ウエーハやフォトマスク基板等の半導体製造に使用される精密基板にプロセス工程処理を施す際に、有機物、金属等の塵埃、異物といったパーティクルが基板に付着していると、基板面内で均一な処理が施せず、また、そのような基板から他の基板に間接的に相互汚染が発生するので、製品製造の歩留りが低下する原因となる。そのため、基板に処理を施す前は洗浄装置で基板を洗浄することにより基板からパーティクル等を除去している。
このような基板を洗浄するための洗浄装置には、従来から、複数枚の基板を同時に洗浄できるバッチ式洗浄装置と、基板を１枚ずつ洗浄する枚葉式洗浄装置がある（例えば特許文献１参照）。

バッチ式の超音波洗浄装置においては、槽タイプのものが主流であり、例えば洗浄液を収容した槽（洗浄槽）に基板を浸漬し、槽の底部に設けた超音波振動子に高周波電圧を印加することにより発振させて、超音波を洗浄液に付与して超音波洗浄を行うものである。
ところで、超音波振動子に高周波電圧を印加すると、固有の周波数の超音波振動が発生する。この超音波振動を洗浄槽内の洗浄液に伝播させることにより、洗浄液中にキャビテーションが発生し、このキャビテーションによって洗浄液中の基板を洗浄することができる。なお、超音波による洗浄作用は、キャビテーションのほか、粒子加速度、直進流、ケミカル作用による洗浄作用等がある。

また、枚葉式の超音波洗浄装置では、流水タイプのものが主流であり、例えばノズルに超音波振動子を装着し、ノズル内に供給した洗浄液に超音波振動を伝播させた上で洗浄液を基板（被洗浄物）に向けて噴射することにより超音波洗浄を行うものである。このノズルの形状は、円筒、円錐、バー型などの種類があり、材質も金属、樹脂、ガラスが主となっている。

特開２００９−９４１４０号公報

ここで、上述のようなバッチ式でも枚葉式でも、従来は超音波振動子に出力を最大出力にすれば強力な洗浄ができており、被洗浄物の表面を十分に清浄な状態にできたため、特に問題となる点はなかった。
しかし、近年はウエーハやガラスのパターン集積度が上がり、強力な超音波によるダメージの発生が問題化され始めた。

また、このノズル形状、材質によっては、洗浄液に超音波振動がうまく乗らない（伝わらない）ことがあり、これによって被洗浄物をきれいに洗浄ができないことがある。
つまり、超音波発振器の出力は電気的にはスムースに可変ができているにも関わらず、吐出させる洗浄液の振動音圧の制御がスムースに可変できないということである。

しかし、多くの被洗浄物では金属イオン等の汚染を嫌うことや、洗浄液の温度を上げることもあり、純粋な石英からなるノズルが使用されることが多い。しかし、石英ノズルは撥水性の為、超音波振動との相性が悪く、振動伝達に悪影響を及ぼすことがある。
例えば、超音波の発振器の出力に対する吐出させた洗浄液の振動音圧値のカーブ（傾き）がスムースに上昇していかないという現象があり、低出力から高出力までスムースに洗浄液の超音波の音圧を制御できないという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、枚葉式、バッチ式のいずれの超音波洗浄装置であっても、形状・材質に依存せずに、低出力から高出力まで、洗浄液に印加された超音波の音圧をスムースに制御、特に微調整することができることによって、被洗浄物の表面にダメージを与えることなく十分に清浄な表面を得られる超音波洗浄装置とそれを利用した被洗浄物の洗浄方法、並びに超音波の発振方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、被洗浄基板を超音波を印加した洗浄液によって洗浄する洗浄装置であって、少なくとも、超音波振動子で発振させた超音波を印加した洗浄液によって前記被洗浄物を洗浄するための洗浄機構と、前記超音波振動子から超音波を発振させるための主発振器とを具備し、前記主発振器は、発振波形としてバースト波を用いるものであることを特徴とする洗浄装置を提供する。

このように、超音波振動子から超音波を発振させるための主発振器に、発振波形にバースト波を用いるものを使用することによって、超音波振動子によって発振させた超音波の音圧をスムースに洗浄液に印加することができるため、高精度に音圧を制御しながら被洗浄物の洗浄を行うことができる。つまり、急に音圧が上昇したり減少することを防止できるため、被洗浄物の表面にダメージを与えたり、洗浄ムラが発生することのない超音波洗浄を行うことができる洗浄装置となる。
更に、音圧をスムースに制御できるため、洗浄箇所や洗浄対象によって音圧が微調整することができ、洗浄ムラや洗浄による表面ダメージによる不良の少ない洗浄効果の高い超音波洗浄装置とすることができる。

ここで、前記超音波の周波数が、４００ｋＨｚ〜５ＭＨｚであることが好ましい。
周波数が４００ｋＨｚ〜５ＭＨｚの超音波は、溶存ガスを含む洗浄水に印加した場合、洗浄水中にキャビテーションを高密度に発生させることができるので、高い洗浄効果を発揮することができる。すなわち、被洗浄物の洗浄効果をより高いものとすることができ、より洗浄能力の高い洗浄装置とすることができる。

また、前記洗浄機構は、前記洗浄液を前記被洗浄基板の表面に向けて噴射するノズル型であることが好ましい。
このように、洗浄機構が、いわゆるノズルタイプであれば、洗浄液を吐出するノズルの形状に沿って振動を付与することができ、ノズルの内壁に振動がぶつかって打ち消されることを抑制できる。これにより、ノズルの形状により振動強度を弱めることなく、所望の範囲を集中的に洗浄することができ、更に洗浄効果の高い超音波洗浄装置とすることができる。

そして、本発明では、本発明に記載の洗浄装置を用いて被洗浄物の洗浄を行うことを特徴とする被洗浄物の洗浄方法を提供する。
本発明の洗浄装置は、上述のように発振させた超音波の音圧をスムースに洗浄液に印加することができるもののため、このような洗浄装置によって洗浄を行えば、被洗浄物の表面にダメージを与えることなく、また洗浄ムラが従来より少ない超音波による洗浄を行うことができる。

更に、本発明では、洗浄液に印加するための超音波を超音波振動子から発振させる方法であって、前記超音波振動子から超音波を発振させるための主発振器は、発振波形としてバースト波を用いることを特徴とする超音波の発振方法を提供する。

このように、発振波形としてバースト波を用いる主発振器を用いて、超音波振動子から超音波を発振させることによって、スムースに超音波の音圧を洗浄液に印加することができる。よって、音圧を従来に比べて高い精度で制御しながら超音波洗浄を行うことができるようになる。すなわち、急な音圧の上昇や減少が発生することが抑制できるので、被洗浄物の表面が損傷したり、表面に洗浄ムラが発生することを防ぐことができ、高い洗浄効果を有する超音波洗浄を行うことに寄与する超音波の発振方法とすることができる。

ここで、前記発振させる超音波の周波数を、４００ｋＨｚ〜５ＭＨｚとすることが好ましい。
発振させる超音波の周波数が４００ｋＨｚ〜５ＭＨｚであれば、洗浄液中に溶存ガスが含まれている場合、キャビテーションを高密度に発生させることができ、洗浄効果がより高いものとなる。よって、被洗浄物の表面の洗浄効果がより高い超音波洗浄を行うことに好適な超音波の発振方法となる。

以上説明したように、本発明によれば、超音波振動子によって発振させた超音波の音圧をスムースに洗浄液に印加することができ、従来できなかった音圧の微調整が可能となる。また、枚葉式の超音波洗浄装置において、ノズルの材質に石英を用いた場合であっても、洗浄液の超音波の音圧を高い精度で制御できる。
よって、洗浄装置が枚葉式であってもバッチ式であっても、また装置の部品の材質や形状に関係なく、広範囲にわたって音圧が制御でき、被洗浄物の表面の損傷や洗浄ムラの発生のない超音波洗浄を行うことができる洗浄装置や洗浄方法、超音波の発振方法を提供することができる。

本発明の超音波洗浄装置を模式的に示した図である。 枚葉式の超音波洗浄装置の一例を示した図である。 バッチ式の超音波洗浄装置の一例を示した図である。 実施例１において、印加するバースト波のパルス幅を変化させた際の洗浄液の超音波の音圧を測定した結果を示した図である。 比較例１において、印加するパルス波の電圧を変化させた際の洗浄液の超音波の音圧を測定した結果を示した図である。 比較例２において、印加する連続波の電圧を変化させた際の洗浄液の超音波の音圧を各パルス幅において測定した結果を示した図である。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、枚葉式、バッチ式のいずれの超音波洗浄装置であっても、形状・材質に依存せずに、低出力から高出力まで、洗浄液に印加された超音波の音圧をスムースに制御、特に微調整することができることによって、被洗浄物の表面にダメージを与えることなく十分に清浄な表面を得られる超音波洗浄装置とそれを利用した被洗浄物の洗浄方法、並びに超音波の発振方法の開発が待たれていた。

ここで、例えば主に枚葉式であるノズル型の超音波洗浄装置における出力制御（出力調整）は、発振器内部回路にて行われており、その方法は主に３つある。

１つめは、リニアアンプのような正弦波をそのまま増幅するアンプを用いる場合、オーディオアンプと同様にメインアンプ入力信号の振幅をコントロールして出力制御することが行われている。
２つめは、主発振（マスター発振）に矩形波を用いたスイッチング方式の場合、矩形波のパルス幅自体を可変させ、パルス幅を狭くすることによって出力を変化させることが行われている。
３つめは、主発振（マスター発振）部が矩形波の主発振器を用いる場合、正弦波でもどちらの場合にも当てはまるが、メインアンプ（出力ユニット）の電源電圧を可変させることによって、出力制御することが行われている。

出力制御方式は、これら３つの方法のうちのいずれかの方法を使用しているのが一般的であるが、いずれも吐出される洗浄液の音圧をスムースに制御することができないという問題点を有していた。
そのため最大出力で使用することが多かったが、これで無駄なエネルギーを使用することになる。またスムースな制御ができないため、音圧の細かな調整が行えず、洗浄ムラや表面の損傷を発生させないための微調整が行えないとの問題もあった。

そこで、本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、振動子特性である固有の周波数で駆動させながら、バースト波を利用する、すなわちある特定な繰り返し周期の中で、パルス幅を変えて制御したものを、超音波振動子から超音波を発振させるための主発振部の発振波形に用いることによって、低出力から高出力までスムースに吐出洗浄液の音圧を制御できることを知見し、本発明を完成させた。

以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明の超音波洗浄装置を模式的に示した図である。
図１に示すように、本発明の超音波を印加した洗浄液によって被洗浄基板を洗浄する洗浄装置１０は、少なくとも、超音波振動子１１で発振させた超音波を印加した洗浄液１２によって被洗浄物Ｗを洗浄するための洗浄機構１３と、超音波振動子１１から超音波を発振させるための主発振器１４とを具備するものである。

そして、主発振器１４は、例えば矩形波を主発振部１４ａで発振させ、ある特定の繰り返し周期の中で、先に発振させた矩形波のパルス幅、つまりデューティー比を変化させた波、すなわちバースト波とし、このバースト波を発振波形として用いるものである。
この主発振器１４は、主発振部１４ａで発振させた発振波形を、ドライバー１４ｂを介して出力部１４ｃに伝達し、更に出力トランス１４ｄ、マッチング回路１４ｅを介して超音波振動子１１に発振波形を伝達するものである。また、動力源として電源部１４ｆから電力の供給が受けられるようになっているものである。

このように、発振波形にバースト波を用いる主発振器によって超音波振動子から超音波を発振させる超音波洗浄装置では、発振された強度に比例して効率よく音圧も上昇・減少し、スムースに洗浄液に印加されるものとなっている。これによって、急な音圧の上昇・減少が発生しないものとなり、音圧不足による被洗浄物の洗浄ムラや、音圧過剰による表面損傷が発生することなく超音波洗浄を行える洗浄装置とできる。
そして、このような洗浄装置によって被洗浄物の洗浄を行えば、被洗浄物の表面にダメージを与えることなく、また洗浄ムラが従来より少ない被洗浄物の超音波洗浄を行うことができる。

ここで、超音波振動子１１で発振させる超音波の周波数が、４００ｋＨｚ〜５ＭＨｚであるものとすることができる。
超音波振動子が発振させる超音波の周波数が４００ｋＨｚ〜５ＭＨｚの超音波、即ちメガソニックやそれに準ずる周波数であれば、洗浄水に溶存ガスを含むものを用いる場合に、洗浄水中にキャビテーションを高密度に発生させることができる。これによってより高い洗浄効果が発揮されるため、より清浄な表面となった被洗浄物が得られることになる。

また、図２に示すように、洗浄機構２３が、洗浄液２２を被洗浄物Ｗの表面に向けて噴射するノズル型とすることができる。
この図２に示すような超音波洗浄装置２０は、洗浄機構２３として、超音波振動子２１が納められたノズル形状となっており、主発振器２４からのバースト波を発振波形として超音波振動子２１から発振された超音波が振動板２６を介してノズルの横から導入された洗浄液２２に印加され、洗浄液２２を被洗浄物Ｗに向けて吐出するものである。そして、被洗浄物Ｗは保持手段２５によって回転させることが可能となっている。
このような装置は原則として１枚ずつ基板を処理するものであり、いわゆる枚葉式洗浄装置と呼ばれるものである。

このように、ノズルタイプの超音波洗浄装置の場合、洗浄液を吐出するノズルの形状や材質などにより、超音波がノズルの内壁にぶつかって打ち消されることがあるが、本発明ではバースト波を用いているため、このような問題を抑制できる。これにより、ノズルの形状により振動強度を弱めることなく、所望の範囲を集中的に洗浄することができ、洗浄効果を高めることができる。従って、本発明は特にノズル形状の洗浄機構において有効である。
但し、超音波洗浄装置は図２のような円錐形状のノズルを使用する場合に限られず、例えば円筒形状、バー型状のノズルを用いることができることは言うまでもない。

そして、本発明の洗浄装置は、上記枚葉式に限定されない。図３は、本発明に係る超音波洗浄装置の第２実施形態（バッチ式の超音波洗浄装置）の一例を示す図である。
この槽タイプの超音波洗浄装置３０は、被洗浄物Ｗを複数枚保持することができる保持手段３５と、該保持手段３５に保持した被洗浄物Ｗを超音波振動子３１の振動を洗浄液３２に伝播させて超音波洗浄ためのする洗浄機構（洗浄槽）３３と、該洗浄槽３３の外壁に振動板３６を介して取り付けられた超音波振動子３１にバースト波を印加するための主発振器３４を有するものである。

なお、図３では振動子を取り付ける輻射板が洗浄槽の外壁において底面に取り付けられているが、この取り付け位置はこれに限定されない。例えば、被洗浄物Ｗの中心付近に特に洗浄効果を得たい場合は、洗浄槽の外壁の側面及び底面に超音波振動子を使用することも可能である。
また、使用する超音波振動子の形状は、装置設計の観点から平板形状にしたが、その平面から見た形状は、特に限定されない。例えば、円、楕円、三角形、四角形、多角形、その他の形状とすることができる。

次に、本発明の超音波振動子を発振させるための方法について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明の超音波振動子を発振させる方法は、超音波振動子から超音波を発振させるための主発振器に、発振波形にバースト波を用いるものを用いて、洗浄液に超音波を印加するものである。

このように、発振波形にバースト波を用いる主発振器によって超音波を超音波振動子から発振させると、超音波の音圧を洗浄液にスムースに印加できるようになる。
これによって、洗浄液における超音波の音圧を従来より高い精度で制御することができ、音圧が急激に変化することが抑制される。このため、過剰な音圧の超音波が印加されることによって表面が損傷することや、音圧不足によって表面の洗浄不足が発生することを避けることができ、効率よく洗浄を行うことができるようになる。

ここで、発振させる超音波の周波数を、４００ｋＨｚ〜５ＭＨｚとすることができる。
周波数が４００ｋＨｚ〜５ＭＨｚである、いわゆるメガソニックやそれに準ずる周波数の超音波を超音波振動子で発振させて、洗浄水に印加することによって、洗浄液中に溶存ガスが含まれている場合においては、キャビテーションを高密度に発生させることができ、洗浄効果をより高くすることができるため、被洗浄物の表面の洗浄効果を更に高くすることができる。但し、本発明では、超音波の周波数は上記範囲に限定されるものではない。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図２に示すようなノズル型の超音波洗浄装置において、超音波発振器出力部に印加する電圧を４０Ｖで固定し、波形を矩形波として、１秒当たり１０００個、パルス幅（デューティー比）を１〜７０％に徐々に変化させたバースト波を発振波形として用いて超音波振動子から超音波を発振させ、洗浄液に印加させた。そして、各パルス幅における洗浄液の音圧を測定した。その結果を図４に示す。

図４に示すように、パルス幅を変化させることによって、音圧をスムースに上昇させることができることが判った。従って、本発明のようにバースト波を発振波形として用いて超音波振動子から超音波を発振させることで、洗浄液の音圧の微調整が可能となることが判った。

（比較例１）
実施例１において、超音波振動子への発振波形を周波数１．４８ＭＨｚのパルス波とし、また印加する電圧を変化させた以外は同様の条件で超音波を発振させ、同様に洗浄液の超音波の音圧を評価した。その結果を図５に示す。

図５に示すように、比較例１では、印加する電圧が２０〜３０Ｖにかけて明らかに音圧が急に立ち上がっており、音圧の微調整がほとんどできないことが判った。また、電圧が１０〜２０Ｖ、３０〜４０Ｖでは音圧がほとんど変化せず、パルス波で超音波を発振させても洗浄液の音圧はほとんど制御できない。

（比較例２）
実施例１において、超音波振動子への発振波形を連続波とし、パルス幅をデューティー比で９６％、９４％、９２％、９０％で各々固定して、超音波振動子に印加する電圧を変化させた以外は同様の条件で超音波を発振させ、同様に洗浄液の超音波の音圧を評価した。その結果を図６に示す。

図６に示すように、超音波振動子に印加する電圧のみを変化させた比較例１に比べてパルス幅の設定を変えることによって、音圧値のカーブが変化させることができるが、実施例１に比べるとその変化は小さく、またカーブ自体もスムースではなく、発振波形にバースト波を用いた実施例１に比べて音圧の制御性に劣ることが判った。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０…超音波洗浄装置、 １１…超音波振動子、 １２…洗浄液、 １３…洗浄機構、 １４…主発振器、 １４ａ…主発振部、 １４ｂ…ドライバー、 １４ｃ…出力部、 １４ｄ…出力トランス、 １４ｅ…マッチング回路、 １４ｆ…電源部、
２０…超音波洗浄装置、 ２１…超音波振動子、 ２２…洗浄液、 ２３…洗浄機構、 ２４…主発振器、 ２５…保持手段、 ２６…振動板、
３０…超音波洗浄装置、 ３１…超音波振動子、 ３２…洗浄液、 ３３…洗浄機構（洗浄槽）、 ３４…主発振器、 ３５…保持手段、 ３６…振動板、
Ｗ…被洗浄物。

Claims (6)

1. 被洗浄基板を超音波を印加した洗浄液によって洗浄する洗浄装置であって、
   少なくとも、超音波振動子で発振させた超音波を印加した洗浄液によって前記被洗浄物を洗浄するための洗浄機構と、前記超音波振動子から超音波を発振させるための主発振器とを具備し、
   前記主発振器は、発振波形としてバースト波を用いるものであることを特徴とする洗浄装置。
2. 前記超音波の周波数が、４００ｋＨｚ〜５ＭＨｚであることを特徴とする請求項１に記載の洗浄装置。
3. 前記洗浄機構は、前記洗浄液を前記被洗浄基板の表面に向けて噴射するノズル型であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の洗浄装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の洗浄装置を用いて被洗浄物の洗浄を行うことを特徴とする被洗浄物の洗浄方法。
5. 洗浄液に印加するための超音波を超音波振動子から発振させる方法であって、
   前記超音波振動子から超音波を発振させるための主発振器は、発振波形としてバースト波を用いることを特徴とする超音波の発振方法。
6. 前記発振させる超音波の周波数を、４００ｋＨｚ〜５ＭＨｚとすることを特徴とする請求項５に記載の超音波の発振方法。

Images