JP2000354834A

JP2000354834A - 超音波洗浄処理方法及びその装置

Info

Publication number: JP2000354834A
Application number: JP11165554A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fujita; 博藤田; Masayuki Yokoi; 正幸横井
Original assignee: Toshiba Corp; Chubu Toshiba Engineering Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Kioxia Engineering Corp
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2000-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波洗浄技術で超音波処理槽の超音波発振
開始時の音圧が、超音波発振の安定時に対し大きく変化
しないように抑制することが可能な超音波処理方法とそ
の装置。【解決手段】超音波洗浄技術で、超音波伝播槽３もし
くは超音波伝播液４の供給路である管路８ｂに気泡発生
手段を設置し、この気泡発生手段の作用により超音波伝
播槽３に十分気泡を充満させた後に、超音波伝播槽３の
底部に設けられている超音波振動板５の発振を開始す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被処理物である固
体一般を液体中で超音波洗浄する際の好適な洗浄技術に
関するもので、特に、半導体の製造プロセスや薄膜トラ
ンジスタを用いた液晶ディスプレイの製造プロセス等を
代表例とする各種産業機器の製造プロセスに用いられる
基板や部品等の洗浄に好適な超音波洗浄方法およびその
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の電子部品部材類の製造工程等
においては、表面を極めて清浄にすることが求められる
ことがある。例えばＬＳＩは、シリコンウエハ上に酸化
ケイ素の絶縁被膜を形成し、次いでこの被膜上に所定の
パターンにレジスト層を設け、レジスト層を設けていな
い部分の絶縁被膜をエッチング等によって除去して金属
シリコンを露出させ、この表面を洗浄した後、目的に応
じてｐ型あるいはｎ型の元素を導入し、アルミニウム等
の金属配線を埋め込む工程（リソグラフィプロセス）を
繰り返して素子が製造されるが、ｐ型、ｎ型の元素を導
入する際や金属配線を埋め込む際に、シリコン表面に、
微粒子等の異物や、金属、有機物、自然酸化膜等が付着
していると、シリコンと金属配線との接触不良や、接触
抵抗増大により素子の特性が不良となることがある。こ
のためＬＳＩ製造工程において、シリコンウエハ表面の
洗浄工程は高性能な素子を得る上で非常に重要な工程で
あり、シリコンウエハ表面上の付着不純物は取り除くこ
とが必要である。

【０００３】そのため、被処理物である半導体基板、ガ
ラス基板等の洗浄方法としては、バッチ処理によるディ
ップ式超音波洗浄が一般に採用されている。この方法
は、洗浄用の処理槽の中に洗浄液を満たし、処理槽の底
面または側面に取り付けられた超音波振動板から、超音
波を処理槽に放射して、洗浄液に超音波振動を加えるこ
とにより洗浄を行なうものである。すなわち、この方法
では、洗浄液中の超音波の音圧変化によって、洗浄液内
部で発生するキャビテーション（超音波の圧力振幅によ
って気泡が発生し、成長してその気泡が圧力に押し潰さ
れて破壊する）により、処理槽の洗浄液中に置かれた各
基板に付着している異物を除去するものである。

【０００４】図１０はＬＳＩ製造工程等に用いられるデ
ィップ式超音波洗浄装置の一例の模式図である。

【０００５】処理槽２１は純水や薬液の処理液２９を満
たして、内部に被処理物２２を保持する図示しない保持
具を有している。また、処理槽２１の底部には底部全体
を覆うように超音波伝播槽２３が設けられている。この
超音波伝播槽２３は内部に超音波伝播液２４が充満し処
理槽２１を浸漬している。また、底部に超音波振動板２
５が固定されている。この超音波振動板２５は発振電源
２６に電気的に接続されている。

【０００６】なお、処理槽２１と超音波伝播槽２３の双
方には、それぞれ、バルブ２７ａ、２７ｂを設けた管路
２８ａ、２８ｂが接続されている。

【０００７】これらの構成により、発振電源２６から供
給される高周波電力により超音波振動板２５が振動して
超音波が発生する。超音波振動板２５から放出された超
音波は、超音波伝播槽２３の超音波伝播液２４、処理槽
２１内の処理液２９を介して被処理物２２に照射され
る。それにより被処理物２２は洗浄が行なわれる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
超音波洗浄では図１１（ａ）に時間毎の発振電源出力
を、（ｂ）に時間毎の処理槽音圧を示すように、超音波
発振の開始時には超音波伝播液では、まだキャビテーシ
ョンが発生していないため、超音波の透過率が上がり、
処理槽内での音圧が急激に高くなる。その後、超音波伝
播液でキャビテーションが発生して超音波伝播槽に気泡
が充満すると、このキャビテーションの発生による音波
の吸収と、発生した気泡による吸収、反射、散乱により
処理槽での音圧が急激に低下して安定する。

【０００９】従来、発振した超音波について発振開始数
十秒後からの音圧についての測定や調整は行なわれいて
いるが、超音波照射開始直後の音圧値に関しての制御は
行われていない。そのため、洗浄処理能力の変動や被処
理物へのダメージ等の発生を引き起こす場合が発生す
る。また、この時、音圧変動の検知機構が設けられてい
ないため、処理直後でのこれらの事態の発見ができない
などの問題があった。

【００１０】また、処理槽内の側壁近傍等に音圧計を設
置し、常時、音圧の監視を行う試みが行なわれている場
合もあるが、この場合は、洗浄に用いられているＭＨｚ
帯域等の高周波の超音波では音波の直進性が高く、しか
も気泡の発生に関しては槽内で不均一であるため、局部
的に槽内で音圧が変動する場合があり、音圧計での常時
の監視では実際に処理音圧の変動を発見することができ
ない。

【００１１】本発明はこれらの事情にもとづいて成され
たもので、超音波洗浄技術で超音波処理槽の超音波発振
開始時の音圧が、超音波発振の安定時に対し大きく変化
しないように抑制することで被処理物にダメージを与え
ないで、良好な洗浄が可能な超音波処理方法とその装置
を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、発振電源の出力により振動する超音波振動
板の超音波振動を超音波伝播槽内の超音波伝播液に伝播
し、前記超音波伝播液に伝播された超音波振動を前記超
音波伝播液に接して設けられた処理槽内の処理液に伝播
し、前記処理液に伝播された超音波振動により前記処理
液中に配された被処理物を洗浄処理する超音波洗浄処理
方法において、洗浄処理開始時の超音波振動を低くする
ことを特徴とする超音波洗浄処理方法である。

【００１３】また請求項２の発明による手段によれば、
前記超音波振動を低くするために、前記超音波伝播液内
に気泡発生手段により気泡を生じさせることを特徴とす
る超音波洗浄処理方法である。

【００１４】また請求項３の発明による手段によれば、
内部に処理液が満たされ被処理物が配される処理槽と、
内部に超音波伝播液が満たされた際に前記処理槽底部と
前記超音波伝播液が接するように設けられた超音波伝播
槽と、前記超音波伝播槽に設けられた超音波振動板と、
前記超音波伝播液に気泡を生じさせる気泡発生手段を具
備することを特徴とする超音波洗浄処理装置である。

【００１５】また請求項４の発明による手段によれば、
前記気泡発生手段は、前記超音波伝播槽に設けられた気
泡発生用超音波振動板であることを特徴とする超音波洗
浄処理装置である。

【００１６】また請求項５の発明による手段によれば、
前記超音波伝播槽には前記超音波伝播液を供給する供給
路が設けられ、前記気泡発生手段は、前記供給路に設け
られた気泡発生用超音波振動板であることを特徴とする
超音波洗浄処理装置である。

【００１７】また請求項６の発明による手段によれば、
前記気泡発生手段は、前記超音波伝播槽に設けられたバ
ブリング手段であることを特徴とする超音波洗浄処理装
置である。

【００１８】また請求項７の発明による手段によれば、
前記超音波伝播槽には前記超音波伝播液を供給する供給
路が設けられ、前記気泡発生手段は、前記供給路に設け
られたバブリング手段であることを特徴とする超音波洗
浄処理装置である。

【００１９】また請求項８の発明による手段によれば、
前記気泡発生手段は、前記超音波伝播槽に設けられた攪
拌手段であることを特徴とする超音波洗浄処理装置であ
る。

【００２０】また請求項９の発明による手段によれば、
前記超音波伝播槽には前記超音波伝播液を供給する供給
路が設けられ、前記気泡発生手段は、前記供給路に設け
られたデイフューザであることを特徴とする超音波洗浄
処理装置である。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００２２】図１はＬＳＩ製造工程等に用いられるディ
ップ式超音波洗浄装置の一例の模式図である。

【００２３】ディップ用の処理槽１は純水や薬液の処理
液９を満たして、内部に被処理物２を保持する図示しな
い保持具を有している。また、処理槽１の底部には底部
全体を覆うように超音波伝播槽３が設けられている。こ
の超音波伝播槽３は内部に超音波伝播液４が充満し処理
槽１を浸漬している。また、底部に超音波振動板５が固
定されている。この超音波振動板５は発振電源６に電気
的に接続されている。この発振電源６には図示しない制
御部が設けられており、この制御部により制御されてい
る。

【００２４】なお、処理槽１と超音波伝播槽３の双方に
は、それぞれ、バルブ７ａ、７ｂを設けた管路８ａ、８
ｂがそれぞれ接続されており、超音波伝播液と処理液は
オーバフローして循環し、随時供給・排出されている。

【００２５】また、本発明においては、下記の実施の形
態に示すように超音波伝播槽３もしくは超音波伝播液４
の供給路である管路８ｂに気泡発生手段が設置されてお
り、この気泡発生手段の作用により超音波伝播槽３に十
分気泡を充満させた後に、超音波伝播槽３の底部に設け
られている超音波振動板５の発振を開始するタイミング
となっている。

【００２６】気泡発生手段は、気泡発生用超音波振動
板、バブリング、スクリュー、ディフューザ等で構成さ
れている。

【００２７】これらの構成により、気泡発生手段が作動
して超音波伝播槽３に十分気泡を充満させた後に、発振
電源６から供給される高周波電力により超音波振動板５
が振動して超音波が発生する。超音波振動板５から放出
された超音波は、超音波伝播槽３の超音波伝播液４、処
理槽１内の処理液９を介して被処理物２に照射される。
それにより被処理物２は良好な洗浄が行なわれる。

【００２８】なお、超音波伝播液４および処理液９の流
れについては、処理開始前は超音波伝播槽３内の超音波
伝播液４および処理槽１内の処理液９を止水もしくは微
少流量とし、発振電源６の出力により振動する超音波振
動板５の超音波振動によって超音波伝播槽３と処理槽１
内に気泡を充満させた後に、被処理物２を処理槽１内に
投入して所定箇所に固定し、通常の各処理液４、９の流
量を増加させて処理流量にして超音波処理を行うことで
効率的に気泡を充満できる。

【００２９】図２は本発明の第１の実施の形態を示す模
式図である。ディップ式超音波洗浄装置の基本構成は上
述の構成と同様なので重複を避けるために同一箇所の説
明は省略する。なお、同一符号の箇所は同一機能を有す
る構成体である。

【００３０】気泡発生手段は、超音波伝播槽３の側面に
気泡発生用振動板１０が設置されている。洗浄に際して
は、まず、この気泡発生用振動板１０を発振させること
により超音波伝播槽３の内部にキャビテーションを発生
させて、超音波伝播槽３内に気泡を充満させる。このと
き、超音波の照射方向は被処理物２ではなく、また、気
泡発生用振動板１０により発生した超音波の処理槽１で
の音圧は超音波振動板５による処理音圧より低くなるよ
うに設置されている。

【００３１】これらの構成により、気泡発生用振動板１
０の発振により超音波伝播槽３に十分気泡が充満した
後、超音波振動板５が発振を開始する。超音波発生用振
動板５が発振すると気泡発生用振動板１０は発振を停止
する。超音波伝播槽３での気泡によって超音波が吸収、
反射、散乱されて処理槽１に伝播する超音波が減衰す
る。また、すでに存在する気泡がキャビテーション核と
なるため、キャビテーション闘値を引き下げ、低音圧で
気泡が発生する。そのため、従来技術では気泡発生によ
る音圧低下を生じていたが、この実施の形態では、すで
に存在する気泡による減衰とキャビテーション闘値の低
下により、超音波振動板５の超音波発振直後の音庄が低
く抑えられ、処理槽１での音圧安定時との音圧差が僅か
となる。

【００３２】このキャビテーション閾値Ｐｃは、超音波
伝播液４中の溶存Ｎ_２量と水圧との関係で、Ｐｃ＝１ｂ
ａｒ／δの式で表すことができる。

【００３３】ただし、δ＝溶存ガス量／飽和溶存量で、
Ｐｃ∝Ｐｕ（靜水圧）である。

【００３４】すなわち、図３（ａ）にこのときの発生電
源出力を、図３（ｂ）にこのときの処理槽１での音圧変
化のグラフそれぞれを示す。なお、気泡発生用振動板１
０の発振は超音波振動板５の発振後に停止させている。

【００３５】図４は第１の実施の形態の、第１の変形例
を示すもので、気泡発生用振動板１０ａ、１０ｂを超音
波振動板５の両側に隣接して設けて、気泡発生と洗浄の
両用に使用する、それぞれの振動板５、１０ａ、１０ｂ
は個別に図示しない発振電源を備えている。動作は、図
２に示した装置と同様に、まず、気泡発生用振動板１０
ａ、１０ｂを発振させて超音波伝播槽３の内部に気泡が
十分充満した後に、超音波振動板５を発振させる。ただ
し、超音波振動板５が発振後も気泡発生用振動板１０
ａ、１０ｂもそのまま発振を続けて洗浄処理に用いるこ
とができる。

【００３６】図５は第１の実施の形態の、第２の変形例
を示すもので、この場合、気泡発生用振動板１０ｃを超
音波伝播槽３に超音波伝播液を供給する管路８ｂの途中
に設けている。これにより、超音波伝播槽３には気泡が
混入した状態の超音波伝播液４が供給されることによ
り、上記と同様な効果が得られる。なお、この際の両振
動板５、１０ｃの作動開始のタイミングは、上記の場合
と同様に、まづ、気泡発生用振動板１０ｃが作動を開始
してから後に超音波振動板５が作動を開始する。この場
合、気泡発生用振動板１０ｃは超音波振動板５が作動を
開始すると発振を停止する。

【００３７】図６は本発明の第２の実施の形態を示す模
式図である。ディップ式超音波洗浄装置の基本構成は上
述の構成と同様なので重複を避けるために同一箇所の説
明は省略する。なお、同一符号の箇所は同一機能を有す
る構成体である。

【００３８】気泡発生手段は、超音波伝播槽３中に気体
管路に接続された多孔質のバブリングユニット１１が設
置されている。すなわち、気体管路８ｃから空気やＮ_２
ガス等の気体を供給し、バブリングユニット１１の多孔
質の微細な孔から微小気泡を多数発生させる。これによ
り上記同様の効果が得られる。なお、この場合、バブリ
ングユニット１１は超音波振動板５が作動を開始すると
バルブ７ｃを閉めて作動を停止する。

【００３９】また、図示しないが、この変形例としてバ
ブリングユニット１１を超音波伝播液４を供給する管路
８ｂの途中に設置することにより、超音波伝播槽３に気
泡が混入した状態の超音波伝播液４を供給して、上記と
同様な効果を得ることができる。

【００４０】図７は本発明の第３の実施の形態を示す模
式図である。ディップ式超音波洗浄装置の基本構成は上
述の構成と同様なので重複を避けるために同一箇所の説
明は省略する。なお、同一符号の箇所は同一機能を有す
る構成体である。

【００４１】気泡発生手段は、超音波伝播槽３中に攪拌
用のスクリュー１２が設置されている。スクリュー１２
の回転により超音波伝播槽３中の内部にキャビテーショ
ンを発生させ、気泡を超音波伝播槽３中に充満させる。
これにより上記同様の効果が得られる。このとき、スク
リュー１２により発生した水流により気泡が攪拌され、
処理槽１の底面に気泡が滞留するのが防げ、超音波を安
定的に効率良く伝播することができる。なお、この場
合、スクリュー１２は超音波振動板５が作動を開始する
と作動を停止する。

【００４２】また、図示しないがこの変形例としてスク
リュー１２を超音波伝播液４の供給する管路８ｂの途中
に設置することにより、超音波伝播槽３には気泡が混入
した状態の超音波伝播液４が供給され、上記と同様な効
果が得られる。

【００４３】図８は本発明の第４の実施の形態を示す模
式図である。ディップ式超音波洗浄装置の基本構成は上
述の構成と同様なので重複を避けるために同一箇所の説
明は省略する。なお、同一符号の箇所は同一機能を有す
る構成体である。

【００４４】気泡発生手段は、超音波伝播槽３中に超音
波伝播液４を供給する管路８ｂ供給口を、図９に示すよ
うにノズル形状によるディフューザ１３とし、超音波伝
播液４の流速を上げることでキャビテーションを発生す
る。これにより上記同様の効果が得られる。このときデ
ィフューザ１３により発生した水流により気泡が撹伴さ
れ、処理槽１の底面に気泡が滞留するのが防げて超音波
を安定的に効率良く伝播することができる。

【００４５】また、図示しないがこの変形例として、デ
ィフューザ１３を超音波伝播液４の供給する管路８ｂの
途中に設置することにより、超音波伝播槽３に気泡が混
入した状態超音波伝播液４を供給することにより、上記
と同様な効果を得ることができる。

【００４６】上述のように、本発明によれば、発振電源
６から供給される高周波電力により、超音波伝播液４が
充満した超音波伝播槽３に設けられた超音波振動板５を
振動させて超音波を発生させ、処理槽１の内部の処理液
９を介して被処理物２を処理する超音波処理方法で、超
音波伝播槽３もしくは超音波伝播液４の供給路に気泡発
生用振動板１０ａ、１０ｂ、１０ｃのような気泡発生手
段を設け、超音波伝播槽３に十分気泡が充満した後、超
音波振動板５の発振を開始することで、超音波伝播槽３
での気泡がキャビテーション核となり、キャビテーショ
ン闘値が低下し、通常より低い音圧でキャビテーション
を発生させている。しかも、気泡発生手段により、すで
に発生している気泡によって、超音波振動板５により発
生した超音波が吸収、反射、散乱され処理槽１での音圧
が安定時同様に低下するので、被処理物２にダメージを
与えることのない良好な洗浄を行うことがができる。

【００４７】また、気泡発生手段としては、バブリング
ユニット１１により超音波伝播槽３に直接気泡を発生さ
せる。または、スクリュー１２、ディフューザ１３によ
るキャビテーションにより気泡を発生させても同様の良
好な洗浄効果が得られる。

【００４８】つまり、本発明によれば、超音波伝播槽３
でのキャビテーションの発生により音圧が低下する際
に、超音波振動板５の発振開始時の音圧低下前と安定時
音圧との差が小さくなるとともに、音圧低下前の音圧を
安定時以下にすることかできる。これにより音圧値が安
定時より大きくなることが無くなり、被処理物２ヘのダ
メージを抑止することができる。

【００４９】また、発振開始時の音圧を基準として被処
理物２がダメージを生じない音圧に調整した場合、従来
技術では安定時音圧が非常に小さくなるため、処理性能
を低下させていたが、本発明では、安定時音圧を基準と
してダメージを生じさせない音圧設定ができるので、被
処理物２への洗浄処理性能が向上する。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、超音波洗浄技術で超音
波処理槽の超音波発振開始時の音圧が、超音波発振の安
定時に対し大きく変化しないように抑制できるので、被
処理物にダメージを与えることがなく、かつ、良好な洗
浄効果が得られる超音波処理方法とその装置が可能にな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】ディップ式超音波洗浄装置の基本構成一例の模
式図。

【図２】本発明のディップ式超音波洗浄装置の第１の実
施の形態を示す模式図。

【図３】（ａ）本発明のディップ式超音波洗浄装置での
発振電源の立上り出力特性を示すグラフ、（ｂ）そのと
きの処理槽での音圧特性を示すグラフ。

【図４】本発明のディップ式超音波洗浄装置の第１の実
施の形態の第１の変形例を示す模式図。

【図５】本発明のディップ式超音波洗浄装置の第１の実
施の形態の第２の変形例を示す模式図。

【図６】本発明のディップ式超音波洗浄装置の第２の実
施の形態を示す模式図。

【図７】本発明のディップ式超音波洗浄装置の第３の実
施の形態を示す模式図。

【図８】本発明のディップ式超音波洗浄装置の第４の実
施の形態を示す模式図。

【図９】本発明のディップ式超音波洗浄装置の第４の実
施の形態の要部を示す模式図。

【図１０】従来のディップ式超音波洗浄装置の一例の模
式図。

【図１１】（ａ）従来のディップ式超音波洗浄装置での
発振電源の立上り出力特性を示すグラフ、（ｂ）そのと
きの処理槽での音圧特性を示すグラフ。

【符号の説明】

１…処理槽１、２…被処理物、３…超音波伝播槽３、４
…超音波伝播液４、５…超音波振動板５、６…発振電源
６、９…処理液、１０…気泡発生振動板、１１…バブリ
ングユニット、１２…スクリュー、１３…ディフューザ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者横井正幸愛知県名古屋市中区栄１−16−６名古屋三蔵東邦生命ビル６階中部東芝エンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 3B201 AA03 AB01 AB44 BB04 BB85 BB92 BB93 BB98 CB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発振電源の出力により振動する超音波振
動板の超音波振動を超音波伝播槽内の超音波伝播液に伝
播し、前記超音波伝播液に伝播された超音波振動を前記
超音波伝播液に接して設けられた処理槽内の処理液に伝
播し、前記処理液に伝播された超音波振動により前記処
理液中に配された被処理物を洗浄処理する超音波洗浄処
理方法において、洗浄処理開始時の超音波振動を低くすることを特徴とす
る超音波洗浄処理方法。
【請求項２】前記超音波振動を低くするために、前記
超音波伝播液内に気泡発生手段により気泡を生じさせる
ことを特徴とする請求項１記載の超音波洗浄処理方法。
【請求項３】内部に処理液が満たされ被処理物が配さ
れる処理槽と、内部に超音波伝播液が満たされた際に前
記処理槽底部と前記超音波伝播液が接するように設けら
れた超音波伝播槽と、前記超音波伝播槽に設けられた超
音波振動板と、前記超音波伝播液に気泡を生じさせる気
泡発生手段を具備することを特徴とする超音波洗浄処理
装置。
【請求項４】前記気泡発生手段は、前記超音波伝播槽
に設けられた気泡発生用超音波振動板であることを特徴
とする請求項３記載の超音波洗浄処理装置。
【請求項５】前記超音波伝播槽には前記超音波伝播液
を供給する供給路が設けられ、前記気泡発生手段は、前
記供給路に設けられた気泡発生用超音波振動板であるこ
とを特徴とする請求項３記載の超音波洗浄処理装置。
【請求項６】前記気泡発生手段は、前記超音波伝播槽
に設けられたバブリング手段であることを特徴とする請
求項３記載の超音波洗浄処理装置。
【請求項７】前記超音波伝播槽には前記超音波伝播液
を供給する供給路が設けられ、前記気泡発生手段は、前
記供給路に設けられたバブリング手段であることを特徴
とする請求項３記載の超音波洗浄処理装置。
【請求項８】前記気泡発生手段は、前記超音波伝播槽
に設けられた攪拌手段であることを特徴とする請求項３
記載の超音波洗浄処理装置。
【請求項９】前記超音波伝播槽には前記超音波伝播液
を供給する供給路が設けられ、前記気泡発生手段は、前
記供給路に設けられたデイフューザであることを特徴と
する請求項３記載の超音波洗浄処理装置。