JPH10128255A

JPH10128255A - 超音波洗浄装置

Info

Publication number: JPH10128255A
Application number: JP8306993A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Kubo; 和樹久保
Original assignee: Kaijo Corp
Current assignee: Kaijo Corp
Priority date: 1996-11-01
Filing date: 1996-11-01
Publication date: 1998-05-19

Abstract

(57)【要約】【課題】石英ガラス等、機械的強度が弱い素材を用い
ながらも薄くかつ大型の槽の実用化を達成し、以て、極
く高い周波数帯域の駆動周波数の利用と、大きな被洗浄
物の洗浄を可能とした超音波洗浄装置を提供すること。【解決手段】洗浄用流体５及び媒体流体６によって内
槽１に内外から加わる圧力が互いに等しくなるようにこ
れら流体の量を調節することとし、以て、上記の効果を
得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内外２槽構造にし
て約５００ＫＨｚ以上の駆動周波数を用い、例えば工業
用としてシリコンウェーハ等の洗浄に供されて好適な超
音波洗浄装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の超音波洗浄装置として、
図３に示すものが知られている。

【０００３】図示のように、当該超音波洗浄装置は、内
槽１０１及び外槽１０２を備えている。内槽１０１は例
えば純水等からなる洗浄用流体１０５を貯留すると共に
被洗浄物を収容し得、又、外槽１０２は同じく純水等か
らなる媒体流体１０６を貯留して該内槽１０２をこの媒
体流体１０５に浸った状態で収容している。内槽１０１
は外槽１０２の上部に設けられた支持部１０２ａによっ
て支えられている。内槽１０１は例えば石英ガラスを素
材とし、外槽１０２の材質はステンレス鋼等である。

【０００４】当該超音波洗浄装置が被洗浄物として扱う
のはシリコンウェーハ等であり、該被洗浄物が浸漬され
る洗浄用流体１０５中に金属イオンが存在するとイオン
結合によって該被洗浄物に付着して悪影響を及ぼすた
め、内外２槽構造とし、金属イオンや不純物が溶出しな
い材質にて内槽１０１を製作している。

【０００５】内槽１０１の底部近傍及びその上部にはパ
イプ１０８、１０９が各々接続されており、下側のパイ
プ１０８を通じて清浄な洗浄用流体が内槽１０１内に連
続的に供給され、パーティクル（ｐａｒｔｉｃｌｅ）を
含んで汚染された洗浄用流体が上方のパイプ１０９を経
て外部に排出される。図において参照符号１０３及び１
０４で示すのは、各パイプ１０８及び１０９内の流体の
流れを制御するための制御弁である。これら制御弁１０
３、１０４を操作することで、内槽１０１内の洗浄用流
体１０５が常に一定量ずつ交換され続けられる。

【０００６】一方、媒体流体１０６は、内槽１０１の底
部が浸る程度に貯められる。詳しくは、外槽１０２の底
部に所定高さの排出筒部１０２ｃが突設されており、余
分に注入された媒体流体はこの排出筒部１０２ｃを通じ
て流出せしめられ、外槽１０２内には常に内槽１０１の
底部に達するだけの媒体流体１０６が溜まる。但し、こ
の媒体流体１０６については蒸発等によって減った分だ
けが補充されるのみで、洗浄用流体１０５のように連続
的な交換は行われない。

【０００７】前記外槽１０２の底部下面側に、振動子１
１２が固着されている。この振動子１１２はＰＺＴ（ｐ
ｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ：圧電）素子等からなり、Ｐ
ＺＴ素子の場合、図示しない発振器によって所定周波数
の電圧を印加され、この周波数の超音波振動を発する。

【０００８】駆動周波数は約５００ＫＨｚ以上に設定さ
れる。かかる高い周波数帯域は、サブミクロンのパーテ
ィクルの除去が可能である点、キャビテーションが発生
しないために被洗浄物へのダメージがない点、波長が短
いために定在波の影響がなく斑のない洗浄効果が得られ
る点等々、超精密洗浄を可能とすることから開発が進め
られ、実用段階に入って久しい。

【０００９】上記振動子１１２が発する超音波エネルギ
ーを伝達すべき内槽１０１及び外槽１０２の底部の厚み
は、駆動周波数における１／２波長の整数倍に設定され
ている。これによって、これら底部は共振し、音響的損
失が小さく（理論的には零）なる。この半波長：λ／２
は次のように算出される。 λ／２＝Ｃ／２ｆここで、 λ：１波長Ｃ：振動伝播材質の音速ｆ：駆動周波数

【００１０】よって、石英ガラスからなる内槽１０１の
底部の厚みは例えば３．０ｍｍに設定され、ステンレス
鋼を素材とする外槽１０２の厚みは例えば３．０ｍｍと
なされる。但し、この場合、駆動周波数は９５０ＫＨｚ
である。

【００１１】上述した超音波洗浄装置においては、上記
発振器より印加される駆動電圧によって振動子１１２が
作動し、超音波振動が発せられる。この超音波振動の縦
波が外槽１０２の底部、媒体流体１０６及び内槽１０１
の底部を経て洗浄用流体１０５に伝わり、該洗浄用流体
１０５が励振される。よって、該洗浄用流体１０５中に
浸漬されている被洗浄物、本例の場合シリコンウェーハ
が洗浄される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述した超音波洗浄装
置は、これを使用することによって超精密洗浄を可能と
するものであり、例えば半導体産業において多用されて
いる。ところが、従来の装置では下記の問題を擁してい
る。

【００１３】すなわち、近時、ＵＬＳＩ（超大規模集積
回路）の高集積化に伴い洗浄効率を向上させるために１
ＭＨｚ以上という更に高い周波数帯域の利用が進められ
る傾向にある。そのため、共振するように設定される内
槽及び外槽の底部の厚みをより薄くする試みがなされて
いる。他方、被洗浄物であるシリコンウェーハは大径の
ものに推移しつつあり、これを収容して洗浄するための
槽の大型化が図られている。これらの点から、特に、機
械的強度が小さな材質である石英ガラスからなる内槽に
関して不都合が生じている。

【００１４】つまり、図３から明らかなように、内槽１
０１の底部及びその近傍にはその貯留した洗浄用流体１
０５による大きな圧力が加わるから、薄く大型の槽では
変形し易く、甚だしくは破壊する恐れがある。

【００１５】因に、上記内槽１０１及び外槽１０２の板
厚は一次共振を前提として設計され、それ故に薄くなる
ので、槽の強度を確保するために二次共振板厚とするこ
とも考えられた。

【００１６】しかし、二次共振板厚では、超音波振動の
減衰が大きく、振動エネルギーが効率よく洗浄用流体に
伝播しないことが判明している。

【００１７】本発明は上記従来技術の欠点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的とするところは、例えば石
英ガラスを素材としながらも薄くかつ大型の槽の実用化
を達成し、以て、極く高い周波数帯域の駆動周波数の利
用と、大きな被洗浄物の洗浄を可能とした超音波洗浄装
置を提供することである。

【００１８】また、本発明は、更に他の効果を奏し得る
超音波洗浄装置を提供する。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、洗浄用流体を貯留する内槽と、前記内槽
を媒体流体に浸った状態で収容する外槽と、前記外槽に
外側から約５００ＫＨｚ以上の超音波振動を付与する超
音波励振手段とを備えた超音波洗浄装置において、前記
洗浄用流体及び前記媒体流体により前記内槽に内外から
加わる圧力が互いに略等しくなるように該洗浄用流体及
び媒体流体の量を調節しつつ供給・排出する供給・排出
手段を設けている。

【００２０】加えて、更に他の種々の効果を得るため
に、下記の各構成が採用されている。

【００２１】すなわち、前記超音波洗浄装置において
は、前記洗浄用流体及び前記媒体流体の比重量が略等し
い場合、各々の表面が略面一となるように量が調節され
る。

【００２２】また、前記超音波洗浄装置では、前記洗浄
用流体及び前記媒体流体の比重量の差が比較的大きいと
き、互いの表面の位置を異ならしめるように量が調整さ
れる。

【００２３】また、前記超音波洗浄装置においては、前
記供給・排出手段は、前記洗浄用流体及び前記媒体流体
の表面の位置を検知する検知手段を備え、該検知手段が
発する検知信号に基づいて前記量の調節を行う。

【００２４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を添付図面
を参照しつつ説明する。

【００２５】図１に、本発明の第１実施例としての超音
波洗浄装置を示す。

【００２６】図示のように、当該超音波洗浄装置は、内
槽１及び外槽２を備えている。内槽１は例えば純水等か
らなる洗浄用流体５を貯留すると共に被洗浄物を収容し
得、又、外槽２は同じく純水等からなる媒体流体６を貯
留して該内槽１をこの媒体流体６に浸った状態で収容し
ている。内槽１は、外槽２の上部に設けられた支持部２
ａによって支えられている。内槽１は例えば石英ガラス
を素材とし、外槽２はステンレス鋼等を素材として形成
されている。

【００２７】なお、当該超音波洗浄装置が被洗浄物とし
て取り扱うのはシリコンウェーハ等である。

【００２８】内槽１の底部近傍及びその少し上方にパイ
プ８及び９が接続されている。下側のパイプ８を通じて
清浄な洗浄用流体が内槽１内に供給され、内槽１内で洗
浄に供されてパーティクルにより汚染された洗浄用流体
５が上側のパイプ９を経て外部に排出される。

【００２９】各パイプ８、９には、これらパイプを流れ
る洗浄用流体の流量を制御するための流量制御弁１１及
び１２が夫々設けられている。各流量制御弁１１、１２
は例えば電磁バルブからなり、単に開閉のみならず開度
も遠隔にて作動制御し得る。

【００３０】一方、外槽２の底部近傍及びその僅か上方
にもパイプ１４及び１５が接続されている。下側のパイ
プ１４は媒体流体を外槽２内に供給するために設けら
れ、上側のパイプ１５は外槽２内の媒体流体６を外部に
排出するためのものである。

【００３１】上記パイプ１４及び１５には夫々、これら
を流れる媒体流体の流量を制御するための流量制御弁１
７及び１８が設けられている。該流量制御弁１７、１８
も電磁バルブ等からなり、開度を含めて遠隔にて作動制
御することができる。

【００３２】前記外槽２の底部下面側に、振動子２０が
固着されている。この振動子２０はＰＺＴ素子等からな
り、ＰＺＴ素子の場合、図示しない発振器によって所定
周波数の電圧を印加され、この周波数の超音波振動を発
する。駆動周波数は、本実施例の場合、１ＭＨｚに設定
される。該発振器と振動子２０とを、超音波励振手段と
総称する。

【００３３】前記内槽１の上方と外槽２の上部に、セン
サー２１及び２２が各々配置されている。これらのセン
サー２１、２２は、内槽１、外槽２に夫々貯留される洗
浄用流体５及び媒体流体６の表面の位置を検知するため
の検知手段として作用する。これらセンサー２１、２２
は具体的には、例えば、ＰＺＴ（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔ
ｒｉｃ：圧電）材料等を素材とするトランスデューサ
（音波送受波器）からなる。

【００３４】各センサー２１及び２２は、当該超音波洗
浄装置の作動制御を司る制御部２５により所定周波数の
駆動電圧が付与されることで上記各流体の表面に向けて
超音波を発する。そして、該表面からの反射波（エコ
ー）を受け、これを電気信号に変換して該制御部２５に
送信する。制御部２５は、超音波の発振から戻るまでの
時間と空気中の伝播速度に基づいてターゲットである流
体表面の位置を演算して求める。

【００３５】前記制御部２５は、各センサー２１及び２
２からの検知信号に基づいて各流量制御弁１１、１２、
１７及び１８の作動を後述のように制御する。

【００３６】前記制御部２５、各センサー２１、２２及
び各流量制御弁１１、１２、１７、１８を、供給・排出
手段と総称する。該供給・排出手段は、前記洗浄用流体
５及び媒体流体６により内槽１に内外から加わる圧力が
互いに略等しくなるように該洗浄用流体５及び媒体流体
６の量を調節しつつ供給・排出する作用をなす。この作
用については後に詳しく説明する。

【００３７】続いて、当該超音波洗浄装置の動作につい
て説明する。以下に説明する動作は、制御部２５がメモ
リー（ＲＯＭ）に記憶された動作フローに沿って行う。

【００３８】第１に、内槽１内の洗浄用流体５を常に一
定量ずつ交換することが行われる。詳しくは、該内槽１
に対応して設けられた流量制御弁１１及び１２が常に所
定の開度を以て開状態とされる。これによって、パイプ
８を経て清浄な洗浄用流体が内槽１内に供給され、該内
槽１内においてパーティクルで汚染された洗浄用流体５
が他方のパイプ９を通じて外部に排出される。このパイ
プ９を通じて排出された汚染流体は図示しない清浄装置
によって清浄化され、再使用に供される。

【００３９】また、好ましくは、内槽１内の洗浄用流体
５が僅かずつ増えるように流量調節され、増えた分が該
内槽１の上縁を越えて徐々に流れ落ちる。これによっ
て、該洗浄用流体５の表面に浮遊したパーティクルが一
緒に流れ落ち、除去される。この流れ出た汚染流体は、
外槽２の支持部２ａと内槽１との間で形成された流路２
７を経て前記清浄装置に戻され、清浄化されて再使用さ
れる。但し、このオーバーフロー動作は必ず行われるも
のではない。

【００４０】内槽１内の洗浄用流体５は上述のように連
続的に交換されるが、その間、該洗浄用流体５の上方に
位置するセンサー２１によって該洗浄用流体５の表面の
位置を検知し続ける。そして、何等かの原因で洗浄用流
体５の量が減じ（又は増え）てその表面の位置が正規の
位置からずれることがあれば、制御部２０はセンサー２
１からの検知信号に基づいてこれを知ることができるか
ら、各流量制御弁１１及び１２の開度を適宜調節する。
これによって、洗浄用流体５の表面の位置は規定の位置
に戻され、維持される。

【００４１】他方、内槽１と外槽２との間に介在する媒
体流体６に関しては、その表面の位置が上記洗浄用流体
５の表面の位置と面一又はほぼ面一となるように常に調
節される。

【００４２】すなわち、外槽２に取り付けた他のセンサ
ー２２によって、該媒体流体６の表面の位置を常時検知
し続けることが行われる。そして、内槽１内の洗浄用流
体５の表面の位置に変化がなく、洗浄用流体５及び媒体
流体６の各表面の位置が一致しているときには、媒体流
体６の供給、排出をなすための流量制御弁に閉じられ
る。

【００４３】また、例えば、内槽１に対する洗浄用流体
の供給、排出をなす各パイプ８及び９を流れる流量のバ
ランスが崩れたり、該内槽１での洗浄用流体の消費が激
しいなどのために洗浄用流体５の表面の位置が変動した
場合、制御部２５はセンサー２１からの検知信号により
この状態を知り、これに応じて各流量制御弁１７及び１
８の少なくともいずれか一方について開動作を適宜なさ
しめる。これによって、外槽２内の媒体流体６が増減す
る。このとき、制御部２５はセンサー２２によって該媒
体流体６の表面の位置を検知し続けているから、該媒体
流体６の表面が内槽１内の洗浄用流体５の表面と面一と
なった時点で両流量制御弁１７、１８を閉状態とする。

【００４４】かくして、洗浄用流体５と媒体流体６は、
各々の表面が常に面一となるように量が調節される。

【００４５】ここで、前述したように、洗浄用流体５及
び媒体流体６は共に純水からなり、各々の比重量が等し
い。よって、これら洗浄用流体５及び媒体流体６により
内槽１に内外から加わる圧力が互いに等しくなる。この
ように内外の圧力を均衡させることで、機械的強度が小
さな石英ガラスを内槽１の素材として用いようともその
厚みを極く薄く設定することができ、一次共振を前提と
してかなり高い駆動周波数を利用することが可能とな
る。

【００４６】本実施例では駆動周波数は０．９５ＭＨｚ
に設定されているから、材質を石英ガラスとする内槽１
の底部の厚みは一次共振板厚として３．０ｍｍとされて
いる。但し、ステンレス製の外槽２は、内外から受ける
圧力の差が大きいから、厚みを薄くすることはせず、例
えば３．０ｍｍに設定される。

【００４７】また、内槽１の内外の圧力差がほとんど零
であるから、共振型ではなく、非共振型として駆動周波
数での波長に比べて極力薄く、例えばλ／１０前後の薄
膜で構成し、板厚による音響的影響を少なくすることも
可能である。

【００４８】また、槽の容量も自由に大きくすることが
でき、被洗浄物として大径のシリコンウェーハなどを難
なく扱うことが可能である。

【００４９】本実施例では、内槽１内の洗浄用流体５の
変動に応じて媒体流体６を追随させて変動せしめる場合
を説明したが、この逆に、媒体流体６の変動に合わせて
洗浄用流体５を増減させることも行われる。いずれの場
合も、内槽１には内外から等しい圧力が作用する。

【００５０】当該超音波洗浄装置においては、発振器
（図示せず）より印加される駆動電圧によって振動子２
０が作動し、超音波振動を発する。この超音波振動の縦
波が外槽２の底部、媒体流体６及び内槽１の底部を経て
洗浄用流体５に伝わり、該洗浄用流体５が励振される。
よって、該洗浄用流体５中に浸漬されている被洗浄物、
例えばシリコンウェーハが洗浄される。

【００５１】なお、本実施例では、内槽１に貯留される
洗浄用流体５が純水である場合を示したが、この他、Ａ
ＰＭ（アンモニア、過酸化水素及び純水を混合したも
の）やＨＰＭ（塩酸と過酸化水素を混合したもの）など
も洗浄用流体として使用される。これらの混合流体はそ
の比重量が約１にて、純水と同じ値である故、該混合流
体に対して上述の圧力均衡状態を得る媒体流体６は、本
実施例と同じく純水を使用することで足りる。

【００５２】また、上記洗浄用流体５として比重量が大
きい流体、例えばＳＭＰ（硫酸と過酸化水素を混合した
もの）等が用いられる場合、この流体の比重量は約１．
９であるから、互いの表面位置を一致させて圧力均衡状
態を得るためにはこれとほぼ等しい比重量を有する流体
を媒体流体６として使用することが必要である。このよ
うな媒体流体としては不活性媒体であるフッ素系フッ化
溶剤が挙げられるが、フッ素系フッ化溶剤は効果故、蒸
発等を防止する必要がある。そこで、図１に示すよう
に、外槽２はその上部も閉塞して密閉状態とすることが
好ましい。

【００５３】

【実施例】続いて、上述した第１実施例のものと同様の
効果を奏し得る第２実施例としての超音波洗浄装置を、
図２に基づいて説明する。但し、この第２実施例の超音
波洗浄装置は以下に説明する部分以外は上記第１実施例
と同様に構成されているので、全体としての構成及び動
作の説明は重複する故に省略し、要部のみの説明に止め
る。

【００５４】また、以下の説明及び図２において、上記
第１実施例と同一又は対応する構成部分については同じ
参照符号を付して示している。

【００５５】この第２実施例の超音波洗浄装置では、内
槽１及び外槽２に夫々貯留される洗浄用流体５及び媒体
流体６の比重量の差が比較的大きい。具体的には、例え
ば、洗浄用流体５としてＳＰＭ（前記）が使用され、外
槽２に貯留される媒体流体６として純水が用いられるも
のとする。純水の比重量は約１．９であり、純水の比重
量１に比してかなり大きい。

【００５６】この場合、図示のように、洗浄用流体５と
媒体流体６の表面の位置を互いに異ならしめるように両
流体の量が調節される。

【００５７】詳しくは、各流体によって内槽１の底部に
加わる圧力に着目し、この圧力が均衡するように調節さ
れる。つまり、洗浄用流体５及び媒体流体６の各表面の
内槽１の底部からの水頭値を各々Ｈ₅ 、Ｈ₆ とし、比重
量をλ₅ 、λ₆ とすると、次式を満足するようになす。 λ₅ Ｈ₅ ＝λ₆ Ｈ₆

【００５８】従って、制御部２５は、洗浄用流体５及び
媒体流体６のいずれか一方の量の変動に対する他方の量
の調節を、この式に基づいて演算しつつ行う。

【００５９】なお、この構成では、洗浄用流体５の表面
よりも上方に位置する媒体流体６による内向きの圧力が
内槽１の側面に加わる。この圧力は図２において記号ａ
で示した点、すなわち洗浄用流体５の表面の位置で最大
となり、これをＰで表せば、次式にて求められる。Ｐ＝λ₆ （Ｈ₆ −Ｈ₅ ）

【００６０】よって、音響的影響をなくさんがために薄
く形成された内槽１の側壁部分をこの圧力から保護する
ために、図示のように補強部材３１が設けられている。

【００６１】この第２実施例の構成では、内槽１内の洗
浄用流体５としてどのような比重量のものを用いようと
も、これに対して圧力を均衡せしめられる媒体流体６は
例えば純水のみを用意するだけでよく、コストの低減や
流体の取扱い上の利便性を図る上で有用である。

【００６２】これに対し、図１に示した第１実施例で
は、洗浄用流体５及び媒体流体６を、互いに比重量が等
しいものとしなければならないものの、上記第２実施例
で設けられているような補強部材３１等は無用で内槽１
の構成が簡単となる。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る超音
波洗浄装置によれば、洗浄用流体及び媒体流体によって
内槽に内外から加わる圧力が互いに略等しくなるように
これら流体の量を調節することが行われる。このように
内外の圧力を均衡させることで、機械的強度が小さな石
英ガラス等を内槽の素材として用いようともその厚みを
極く薄く設定することができ、一次共振を前提として設
計してかなり高い駆動周波数を利用することが可能とな
り、洗浄効果が向上している。

【００６４】また、内槽の内外の圧力差がほとんど零で
あるから、上述の共振型ではなく、非共振型として駆動
周波数での波長に比べて極力薄く、例えば１０μｍ前後
の薄膜で構成し、板厚による音響的影響を少なくするこ
とも可能である。

【００６５】また、槽の内容量も自由に大きくすること
ができ、被洗浄物として大径のシリコンウェーハなどを
難なく扱うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１実施例としての超音波洗
浄装置を、一部ブロック化して示した縦断面図である。

【図２】図２は、本発明の第２実施例としての超音波洗
浄装置を、一部ブロック化して示した縦断面図である。

【図３】図３は、従来の超音波洗浄装置の縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１内槽２外槽５洗浄用流体６媒体流体８、９、１４、１５パイプ１１、１２、１７、１８流量制御弁２０振動子２１、２２センサー（検知手段）２５制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】洗浄用流体を貯留する内槽と、前記内槽を媒体流体に浸った状態で収容する外槽と、前記外槽に外側から約５００ＫＨｚ以上の超音波振動を
付与する超音波励振手段とを備えた超音波洗浄装置であ
って、前記洗浄用流体及び前記媒体流体により前記内槽に内外
から加わる圧力が互いに略等しくなるように該洗浄用流
体及び媒体流体の量を調節しつつ供給・排出する供給・
排出手段を有することを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項２】前記洗浄用流体及び前記媒体流体の比重
量が略等しい場合、各々の表面が略面一となるように量
が調節されることを特徴とする請求項１記載の超音波洗
浄装置。
【請求項３】前記洗浄用流体及び前記媒体流体の比重
量の差が比較的大きいとき、互いの表面の位置を異なら
しめるように量が調節されることを特徴とする請求項１
記載の超音波洗浄装置。
【請求項４】前記供給・排出手段は、前記洗浄用流体
及び前記媒体流体の表面の位置を検知するための検知手
段を備え、該検知手段が発する検知信号に基づいて前記
量の調節を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３
のうちいずれか１記載の超音波洗浄装置。