JP2789178B2 - 超音波洗浄装置 - Google Patents
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Description
基板のシリコン・ウエハ,化合物半導体ウエハ等の洗浄
に用いられ、金属イオンの付着混入のない精密洗浄を行
う500kHz以上の高周波数を利用した2重槽構造の
超音波洗浄装置に関するものである。
付着している汚れは、0.1μm〜10μmの小さな粒
子が大部分であり、付着力は概して弱く、超音波洗浄で
剥離可能であるが、反面これらの被洗浄物の材質はもろ
く、従来の20kHz〜50kHzの超音波洗浄装置で
は超音波の作用によってダメージ(傷や欠陥等)が発生
しやすいため、500kHz〜1.5MHzの高周波数
の超音波が適用されている。
浄槽や振動板から溶出する金属イオンが被洗浄物に付着
してしまう問題があり、これを解決するために、内槽と
して純度の高い石英ガラス製のビーカを使用した2重槽
構造の洗浄装置が用いられている。
4は従来の超音波洗浄装置の断面図であり、内槽として
石英ガラスのビーカを用いた2重槽構造の超音波洗浄装
置である。図において、1は外槽、2bはビーカ、3は
超音波振動子、4は振動板、5はパッキン、6は超音波
媒体液、7は洗浄液である。さらに、矢印8aは振動板
から伝達される超音波エネルギーの方向と大きさを示
す。8bはビーカ2b内に伝達される超音波エネルギー
の方向と大きさを示す。図4の(B),(D)は縦断面
図、(A),(C)はビーカ2bを上面から見た平面図
であり、格子斜線の9は超音波の強い領域、斜線10は
9より弱い領域を示し、無印は極めて弱い領域を示す。
2bの板厚は、装置の大きさや構造によって異なり、3
〜5mm程度のものが使われている。概してビーカの寸
法が大きくなるにつれて機械的強度が更に必要になり、
板厚は厚くなる。ウエハの大きさが6インチで2カセッ
ト用のビーカは寸法が若干小さく、板厚は3mmが多く
使われているが、ウエハの大きさが8インチで2カセッ
ト用の場合は、寸法が大きく、板厚は4mmが多く使わ
れている。
ーカ内に超音波エネルギーを最大に伝達させる方法には
基本的に2通りある。一つはビーカの板厚の固有振動数
と超音波の周波数を合致させる方法である。他の一つ
は、板厚の固有振動数が超音波の周波数より低い(板厚
が厚い)場合であり、斜め入射の原理(特願平2−16
220号参照)を用いる方法である。
3mmの場合では、石英ガラスの音速が5970m/se
c であり、半波長共振の周波数f1 はf1 =(1/2)
×(5970/3)≒1000kHzとなり、板厚が4
mmの場合はf2 =(1/2)×(5970/4)≒74
6kHzとなる。
板厚が4mm、超音波の周波数が1000kHzの場合
は、傾斜角θとして約24°を設定すればビーカの底面
が効率良く振動し、ビーカ内に最大の超音波エネルギー
が伝達される。
件は、他のいずれの条件よりもビーカの底面が効率良く
振動をするが、この底面内の位置による振動のばらつき
が大きく、良く振動する部分とあまり振動しない部分と
がある。この振動の弱い部分では、前者の例では、その
超音波周波数よりも若干(±2%程度)異なる周波数の
方が良く振動し、後者の例では前者の例と同じように若
干周波数を変えても良く、また若干角度(±2°程度)
を変えても良い。
4mm、超音波周波数を中心周波数1000kHzより3
0kHz高くした1030kHzのときの洗浄液7の水
面の盛り上りによる超音波の強さを示す。これに対し
て、図4(C),(D)は中心周波数を30kHz低く
して970kHzにしたときの洗浄液7の水面の盛り上
りによる超音波の強さを示している。すなわち、周波数
が変わるとビーカ2bの内部の位置によって超音波エネ
ルギーが変わることを示している。
良好に振動していた部分は弱い振動になってしまう。こ
の振動の強さのむらの原因は、現在のところ解明されて
いないが、推定の範囲内ではあるが挙げられている。 (1)板の厚さモード(姿態)の振動に対して板の長さ
や幅方向のモード、またレーリー波やラム波、その他の
種々の振動が複雑に合成され、干渉しあっている音響的
現象である。 (2)板内の石英ガラスの材質が音響的に不均一であ
り、これによって音の進行方向が曲げられたり、音の透
過率が部分的に異なる(不均一)現象である。ちなみ
に、光学的にはこの材質の不均一さによって光の進行方
向が曲げられる現象は常に基本的な問題として存在し、
この材質の不均一さは「脈理(ミヤクリ)」と呼ばれて
いる。
脈理は前述のようにガラス板内における光学的な組成の
むらであり、(C)は断面が楕円(長円)のガラス棒材
の断面図であり、(A),(B)はその軸を通って切り
出したガラス板12の断面図である。(C)の年輪のよ
うに区分した11a〜11dは、素材の組成が光学的に
若干異なる領域であり、通過する光の速度(光速)が異
なる。(B)は、ある波長の入力光8aがガラス板12
を通過して8bになる様子を示し、中心部11aと周辺
部11dの部分を通過する光の速度(光速)は、その間
の11b,11cの部分の光速より若干大きく、11
b,11cの部分で光が収束し、11a,11dの部分
では分散する。(A)は入力光8aの波長を変えたとき
の様子を示し、11b,11cの部分の光速と11a,
11dの部分の光速が逆になり、出力光8bのように異
なった位置から出力される。
超音波エネルギーの強弱があるため洗浄効果が不均一に
なるという従来の欠点を解決した超音波洗浄装置を提供
することにある。
超音波洗浄装置は、500kHz〜1.5MHzの超音
波振動子が底面に取り付けられた外槽と、該外槽内の超
音波媒体液中に保持され底面の板厚が超音波周波数の半
波長±10%で該底面が前記外槽の底面と並行する石英
ガラス製の内槽とによって構成され、前記内槽中の洗浄
液に浸される被洗浄物を洗浄するための2重槽構造の超
音波洗浄装置において、前記超音波振動子の振動周波数
を、中心周波数に対して±5%の範囲で一定の周期で繰
り返し変化させることにより前記内槽の底面の材質の不
均一による水平面内の洗浄のむらをなくしたことを特徴
とし、一つの具体例としては、前記中心周波数は746
kHzとし、前記繰り返し周期は1秒から10秒の範囲
であることを特徴とするものである。
浄装置は、500kHz〜1.5MHzの超音波振動子
が底面に取り付けられた外槽と、該外槽内の超音波媒体
液中に保持され底面の板厚が超音波周波数の半波長より
十分厚く該底面が前記外槽の底面に対して所定の傾斜角
度を有する石英ガラス製の内槽とによって構成され、前
記内槽中の洗浄液に浸される被洗浄物を洗浄するための
2重槽構造の超音波洗浄装置において、前記超音波振動
子の振動周波数を、中心周波数に対して±5%の範囲で
一定の周期で繰り返し変化させることにより前記内槽の
底面の材質の不均一による水平面内の洗浄のむらをなく
したことを特徴とし、一つの具体例としては、前記中心
周波数は1000kHzとし、前記繰り返し周期は1秒
から10秒の範囲であることを特徴とするものである。
示例と共に説明する。図1,図2は、本発明の請求項1
及び2に記載の発明に対応する第1及び第2の実施例を
示す縦断面図(B)と部分平面図(A)である。図1は
内槽(ビーカ)2aの底面が振動板4と平行の場合の構
造を示し、図2はビーカ2bの底面が振動板4に対して
傾斜角θを有する場合の構造を示す。
って振動子3の振動周波数を中心周波数f0 に対して±
5%変化させたものであり、振動板4から媒体液6中に
放射する超音波エネルギー8aは、f0 +5%のときビ
ーカ2a又は2b内のイのように伝達され、f0 −5%
のときロのように伝達されてビーカ2a又は2b内の超
音波エネルギーが均一化されることを示している。
図(A)と縦断面図(B)である。内槽ビーカ2aの底
面の板厚を4mm、超音波中心周波数を746kHzとし
て、周波数変化範囲を±35kHz、即ち711kHz
から781kHzまでの範囲を繰り返し直線的に変化さ
せ、この周波数の変化する周期を1秒から10秒の範囲
とした時に、内槽2a内での超音波の伝達の程度が位置
ごとに変化する状況が、図4(A)のように、超音波の
直進流による水の「盛り上り」によって観察することが
できた。尚この周波数の変化方法はスイープとも呼ばれ
ている。
781kHzまで電源周波数を用いて変化させた時(こ
の場合の周期は50ヘルツ地域では20ミリ秒、60ヘ
ルツ地域ではほぼ16ミリ秒である。)は、周波数の変
化の周期が短いため、超音波の伝達の程度が位置ごとに
変化する状況は目視では観察できないが、底面の全面に
わたって超音波の伝達が均一であることが確認できた。
また音圧計センサとオシロスコープにより音圧変化を観
察することによって電源周波数に同期して音圧が変化し
ていることが認められた。なおこの周波数の変化方法は
周波数変調(FM)とも呼ばれている。
面図(A)と縦断面図(B)である。内槽2bの底面の
板厚を4mm、超音波発生面4とのなす角θを24°と
し、超音波の中心周波数を1000kHzとして、周波
数変化範囲を±50kHz、即ち、950kHzから1
050kHzまでの範囲とし、図1の場合と同様の条件
で変化させたところ、やはり同様に底面全域内で均一な
音場分布が得られた。
施することにより、内槽の内部に伝達する超音波エネル
ギーを時間的観点で平均化することができ、ウエハ等の
被洗浄物の洗浄効果を均一にすることができ、洗浄むら
の解消に極めて大きな効果がある。
Claims (2)
- 【請求項1】 500kHz〜1.5MHzの超音波振
動子が底面に取り付けられた外槽と、該外槽内の超音波
媒体液中に保持され底面の板厚が超音波周波数の半波長
±10%で該底面が前記外槽の底面と並行する石英ガラ
ス製の内槽とによって構成され、前記内槽中の洗浄液に
浸される被洗浄物を洗浄するための2重槽構造の超音波
洗浄装置において、 前記超音波振動子の振動周波数を、中心周波数に対して
±5%の範囲で一定の周期で繰り返し変化させることに
より前記内槽の底面の材質の不均一による水平面内の洗
浄のむらをなくしたことを特徴とする超音波洗浄装置。 - 【請求項2】 500kHz〜1.5MHzの超音波振
動子が底面に取り付けられた外槽と、該外槽内の超音波
媒体液中に保持され底面の板厚が超音波周波数の半波長
より十分厚く該底面が前記外槽の底面に対して所定の傾
斜角度を有する石英ガラス製の内槽とによって構成さ
れ、前記内槽中の洗浄液に浸される被洗浄物を洗浄する
ための2重槽構造の超音波洗浄装置において、 前記超音波振動子の振動周波数を、中心周波数に対して
±5%の範囲で一定の周期で繰り返し変化させることに
より前記内槽の底面の材質の不均一による水平面内の洗
浄のむらをなくしたことを特徴とする超音波洗浄装置。
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