超音波振動素子及びその製造方法並びに超音波洗浄装置
【課題】本発明の課題は、複数の異なる周波数の超音波振動を発生する複数の異なる厚みを有する超音波振動素子を提供することにある。
【解決手段】本発明は、圧電素子81と、前記圧電素子81に形成した陽極P及び陰極Mと、前記圧電素子81に形成した溝83,84と、前記溝83,84の底面に形成した別の陽極P2とを備えたことを特徴とするものである。
【解決手段】本発明は、圧電素子81と、前記圧電素子81に形成した陽極P及び陰極Mと、前記圧電素子81に形成した溝83,84と、前記溝83,84の底面に形成した別の陽極P2とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波振動を発生する超音波振動素子及びその製造方法、並びに超音波振動素子を備え、特に半導体ウエハ、ガラスマスク、液晶用のガラス基板、ハードディスク等のむらのない均一な精密洗浄が求められる超音波洗浄装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
半導体ウエハ、液晶用のガラス基板、ハードディスク等の微細加工品の精密洗浄には、高周波の超音波洗浄装置が用いられている。汚れは1μm未満の粒子等であり、洗浄糟内に満たされた洗浄液中を伝わる超音波振動、あるいは、洗浄液と超音波振動の相乗効果により、汚れを剥離させている。
【0003】
図5は一般的な超音波洗浄装置を示す構成説明図である。図5において、11は外槽、12は石英槽、13は超音波振動素子、14は高周波電源、15は純水、16は洗浄液、17はシリコンウエハである。
【0004】
図5に示すように、外槽11の内部には石英槽12が収容され、前記外槽11内には純水15が入れられると共に前記石英槽12内には例えば純水等の洗浄液16が入れられる。前記石英槽12内の洗浄液16中には被洗浄物であるシリコンウエハ17が入れられる。前記石英槽12の底部に対応した外槽11の底部には超音波振動素子13が設けられ、前記超音波振動素子13には高周波電源14が接続される。
【0005】
すなわち、高周波電源14から高周波電力が超音波振動素子13に供給されると、超音波振動素子13は励振されて超音波振動する。前記超音波振動素子13の超音波振動は石英槽12の底部を透過して洗浄液16に伝達される。洗浄液16中に伝わる超音波振動、あるいは洗浄液と超音波振動の相乗効果により、シリコンウエハ17の汚れを剥離させる。
【0006】
一般的には超音波振動素子13は1つの共振周波数を持ち、振動効率が最大となるよう、高周波電源14からはその共振周波数を供給する。
【0007】
図6は従来の石英槽底面の超音波透過を説明する説明図である。図6において、121は石英槽底面である。図6に示すように、石英槽底面121の板厚をt、石英槽底面121の音速v、超音波周波数fとすると、石英槽底面121の超音波透過条件は次式で与えられる。
【0008】
t=v/(2・f)・n
但し、nは自然数である。
【0009】
図7は従来の石英槽底面の超音波透過特性を示す特性図である。図7では超音波振動の周波数を1MHzとしている。図7に示すように、透過ポイントが2箇所現れていることが分かる。このように、超音波振動の周波数とそれが透過する板厚には密接な関係が存在する。
【0010】
図8(a),(b)は従来の超音波振動素子の共振特性を示す特性図である。すなわち、通常の超音波振動素子には基本周波数とその周波数に対して2n+1(nは自然数)にて表される高次の共振周波数が存在する。例として、図8(a)に公称1000kHzの超音波振動素子の共振点実測値と理論的な共振点を示し、図8(b)に公称2000kHzの超音波振動素子の共振点実測値と理論的な共振点を示す。横軸が周波数で縦軸がアドミッタンスであり、下限の位置が共振周波数を示す。図8(a)の共振周波数は第1次979kHz、第2次2899kHz、第3次4800kHzであることが分かる。なお、この超音波振動素子の設計値は975kHzであり、設計上の共振周波数は第1次975kHz、第2次2925kHz、第3次4875kHzであり、高次も含めてほぼ設計値通りである。図8(b)の公称2000kHzも同様のことが言える。
【特許文献1】特開平5−291227号公報
【特許文献2】特許第2789178号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
年々、半導体洗浄は高性能、多様化しており、汚れの粒子形状は大小様々、固着状態・粒子材質も様々であり、その上洗浄対象の精密度が格段に上がっているため、洗浄むら、被洗浄物へのダメージが顕著となっている。
【0012】
しかし、現在ユーザが超音波洗浄に対して制御出来るのは、出力制御だけである。超音波洗浄において、出力の他に重要な要素としては周波数があり、同じ出力でも周波数の高低で洗浄出来る粒子径の大小や、微細品に対するダメージの発生に差異が出る。
【0013】
近年の洗浄の多様化に伴って、半導体ウエハの枚葉洗浄化等、洗浄装置には必ずしも石英槽があるわけではなく、従来の石英槽板厚に合わせた単一周波数が必要というわけではない。
【0014】
すなわち、超音波洗浄の利便性を向上すべく、従来の出力制御に加えて周波数制御機能を備えることが好ましいと考えられる。
【0015】
尚、超音波洗浄装置の発振周波数制御に関しては、例えば特許文献2の様に石英槽底面の超音波透過率の向上を目的として、基本周波数に対して数%程度周波数変調させる技術があるが、洗浄力の直接的制御を目的とした周波数制御ではない。
【0016】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、複数の異なる周波数の超音波振動を発生する複数の異なる厚みを有する超音波振動素子及びその製造方法を提供すると共に、前記超音波振動素子を備え、超音波振動の出力、周波数といった超音波洗浄力の重要な要素を制御することにより、洗浄力の直接的な周波数制御を行い、洗浄効果を最大限に制御して洗浄対象の多様化に対応できる超音波洗浄装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
上記目的を達成するために本発明の超音波振動素子は、圧電素子と、前記圧電素子に形成した陽極及び陰極と、前記圧電素子に形成した溝と、前記溝の底面に形成した別の陽極とを備えたことを特徴とするものである。
【0018】
また本発明の超音波洗浄装置は、前記超音波振動素子が給電のための配線本数を減らすべく、振動素子上に立体配線構造を具備することを特徴とするものである。
【0019】
また本発明の超音波振動素子の製造方法は、圧電素子の上面及び下面に第1の陽極及び陰極を形成するステップと、前記圧電素子に第1の陽極から溝を形成するステップと、前記溝の底面に第2の陽極を形成するステップと、前記溝の一部に絶縁物を挿入するステップと、前記絶縁物上に前記第1の陽極を接続する電極を形成するステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0020】
本発明の超音波洗浄装置は、複数の異なる周波数の超音波振動を発生する複数の異なる厚みを有する超音波振動素子を備え、超音波振動の出力、周波数といった超音波洗浄力の重要な要素を制御することにより、洗浄力の直接的な周波数制御を行い、洗浄効果を最大限に制御して洗浄対象の多様化に対応でき、比較的安価で高性能、高効率にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0022】
図1(a)は本発明の実施形態に係る超音波洗浄装置を示す概略的斜視図であり、図1(b)〜(f)は本発明の実施形態に係る超音波振動子(図1(a)のA部)の異なる例を示す概略的斜視図である。
【0023】
図1(a)において、21は外槽、22は超音波振動素子、24は純水である。図1(a)に示すように、有底矩形筒状の外槽21の内部には被洗浄物を洗浄する洗浄液が収容された洗浄槽が設けられる。前記外槽21の底部には500kHz以上の複数の異なる周波数の超音波振動を発生する複数の異なる厚みを有する超音波振動素子22が設けられる。前記超音波振動素子22には高周波電源が接続される。
【0024】
すなわち、高周波電源から複数の異なる周波数の高周波電力が超音波振動素子22に供給され、前記超音波振動素子22から複数の異なる周波数の超音波振動が発生する。前記超音波振動素子22が発生する超音波振動は、前記外槽21内の洗浄槽の洗浄液に伝達される。外槽21内の洗浄槽では洗浄液中に伝わる超音波振動、あるいは洗浄液と超音波振動の相乗効果により、例えばシリコンウエハ等の被洗浄物の汚れを剥離させる。
【0025】
図1(b)は超音波振動素子22として、スリット加工により厚さの異なる細長い凸部31,32を形成し、超音波振動素子22の小領域にそれぞれ違った厚みを持たせる。凸部31は厚さL1で周波数f1の超音波振動を発生し、凸部32は厚さL2(L2<L1)で周波数f2(f2>f1)の超音波振動を発生する。すなわち、超音波振動素子22は周波数f1,f2の複数の共振周波数を持つことになる。
【0026】
図1(c)は超音波振動素子22として、加工により厚さの異なる角柱凸部41,42を形成し、超音波振動素子22の小領域にそれぞれ違った厚みを持たせる。凸部41は厚さL1で周波数f1の超音波振動を発生し、凸部42は厚さL2(L2<L1)で周波数f2(f2>f1)の超音波振動を発生する。
【0027】
図1(d)は超音波振動素子22として、高さの異なる小さな角柱51と52を複数寄せ集めて一体に形成し、超音波振動素子22の小領域にそれぞれ違った厚みを持たせる。角柱51は厚さL1で周波数f1の超音波振動を発生し、角柱52は厚さL2(L2<L1)で周波数f2(f2>f1)の超音波振動を発生する。
【0028】
図1(e)は超音波振動素子22として、高さの異なる小さな円柱61と62を複数寄せ集めて一体に形成し、超音波振動素子22の小領域にそれぞれ違った厚みを持たせる。円柱61は厚さL1で周波数f1の超音波振動を発生し、円柱62は厚さL2(L2<L1)で周波数f2(f2>f1)の超音波振動を発生する。
【0029】
図1(f)は超音波振動素子22として、小さな円形穴71を複数形成し、超音波振動素子22の小領域にそれぞれ違った厚みを持たせる。円形穴がない部分71で形成される厚さL1の部分で周波数f1の超音波振動を発生し、円形穴72の底部で形成される厚さL2(L2<L1)の部分で周波数f2(f2>f1)の超音波振動を発生する。
【0030】
すなわち、超音波振動素子22に様々な周波数を発振させるためには、超音波振動素子22はそれに応じた複数の共振周波数を持つ必要がある。超音波振動素子22の基本共振周波数は、超音波振動素子22の厚さに応じて決定される。したがって、超音波振動素子22の小領域毎にそれぞれ違った厚みを持たせることによって、複数の異なる共振周波数を持つことが出来る。共振周波数と超音波振動素子22の厚みは反比例の関係なので、超音波振動素子22の厚みを半分にすれば周波数は2倍になる。
【0031】
尚、超音波振動素子22の厚さは2種類に限らず所望される周波数に応じて3種以上の厚みにしても良く、この場合には、3種以上の周波数の超音波振動を発生することができる。
【0032】
本発明の実施形態は、比較的安価で高性能、高効率の超音波洗浄装置を提供することが可能となる。超音波洗浄装置の発振周波数制御に関しては、洗浄力の直接的制御を目的とした周波数制御であり、基本周波数の25%以上変化させ、洗浄効果を最大限に制御出来る。
【0033】
図3は本発明の実施形態に係る超音波洗浄装置の洗浄効果を示す特性図である。すなわち、超音波洗浄では、超音波が水中に発振され、その時に発生するキャビテーションの衝撃波のエネルギーにより被洗浄物に付着する汚れを剥離させると同時に洗浄ダメージの原因となる。このキャビテーションの発生は、周波数が高くなるに従って弱くなると共に、超音波出力が低くなるに従って弱くなる傾向があり、図3に示すように周波数、出力を洗浄対象に最適な値に保つことにより、ダメージ無く良好な洗浄が行える。
【0034】
図2(a)は本発明の実施形態に係る超音波洗浄装置を示す概略的斜視図であり、図2(b),(c)は本発明の実施形態に係る超音波振動子の配線を示す構成説明図である。図2(a)〜(c)中、図1(a),(b)と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。尚、図2(a)は図1(a)と同じであり、図2(b)は図1(b)に対応している。
【0035】
図2(b)に示すように、超音波振動素子22の上面を陰極(コモン電極)Mとし、凸部31の頂点を第1の陽極P1(周波数f1の超音波振動を発生)としてまとめて共通に配線すると共に、凸部32の頂点を第2の陽極P2(周波数f2の超音波振動を発生)としてまとめて共通に配線する。
【0036】
この場合、超音波振動素子22の上面の陰極M、凸部31の頂点をまとめて共通に配線した第1の陽極P1、及び凸部32の頂点をまとめて共通に配線した第2の陽極P2として導電性のメッキを施してもよい。
【0037】
図2(c)に示すように、まとめて共通に配線した第1の陽極P1と第2の陽極P2を並列配線して高周波電源25に接続し、1周波数系統の給電ラインとする。
【0038】
すなわち、高周波電源25から周波数f1の高周波電力と周波数f2の高周波電力を交互に出力して第1の陽極P1と第2の陽極P2に供給すると、周波数f1の高周波電力で超音波振動素子22の凸部31に対応する部分で周波数f1の超音波振動を発生し、周波数f2の高周波電力で超音波振動素子22の凸部32に対応する部分で周波数f2の超音波振動を発生する。
【0039】
尚、複数の共振周波数を持つ超音波振動素子を駆動するためにはそれぞれの共振周波数ごとに別系統の配線を行うのが普通である。この場合、異なる周波数の超音波振動の同時照射が出来る等のメリットがある。しかしその場合、配線が膨大となり、製品価格の高騰、配線の引き回しの困難性、誤配線等のデメリットも生じる。このことを改善するため、例えば図1に記載される様な振動素子に立体配線構造を具備し配線の引き回しを減らすことも出来る。この製造方法の一例を次に述べる。
【0040】
通常の1つの共振周波数を持つ振動素子は図9(a)に示す様な電極構造を持っている。すなわち、平板状の例えばセラミック等の圧電素子81の上面には導電膜よりなる陽極Pが上面の一部を残して設けられ、前記圧電素子81の下面には導電膜よりなる陰極Mが上面の一部まで連続して設けられる。前記陽極Pと陰極Mの間には空隙82が設けられる。次に、図9(b)に示すように、前記圧電素子81の上面には長手方向に複数条の溝83が機械加工で設けられると共に前記空隙82には溝84が機械加工で設けられる。この場合、前記陽極Pの部分に周波数f1の素子が形成され、陽極P間の溝83の部分に周波数f2の素子が形成される。次に、図9(c)に示すように、前記溝83の陰極Mの間には例えば樹脂、セラミック等の絶縁物85が挿入される。次に、図9(d)に示すように、前記溝83及び溝84の底部には導電膜よりなる電極86が製作される。次に、図9(e)に示すように、前記溝83の陽極P間の一部には例えば樹脂、セラミック等の絶縁物87が挿入される。次に、図9(f)に示すように、前記絶縁物85の陰極Mと対応した表面には電極88が陰極Mと連続して形成され、前記絶縁物87の陽極Pと対応した表面には電極89が陽極Pと連続して形成される。前記陽極P及び電極89が陽極P1を形成し、前記電極86が陽極P2を形成し、前記陰極M及び電極88が陰極Mを形成する。これにより、陰極M、第1の陽極P1、第2の陽極P2の3本の配線で済むことになる。
【0041】
また、別の方法としては、超音波振動素子は共振原理を用いるため、共振しない周波数の高周波電力を印加しても超音波振動素子は振動しない。すなわち、すべての周波数系統の配線をまとめて並列配線とし、高周波電源装置よりそれぞれの共振周波数に相当する高周波電力を切り替えて順次出力することにより、最小限の配線で最大限の所望の周波数の超音波振動を得ることが出来る。
【0042】
図4は本発明の実施形態に係る超音波振動素子の共振特性を示す特性図である。図4では、図1(b)に示すような1000kHzと2000kHzになるような2つの厚みを持つ超音波振動素子を製作し、その共振特性として、前記超音波振動素子の共振点実測値と理論的な共振点を示す。横軸が周波数で縦軸がアドミッタンスであり、下限の位置が共振周波数を示す。設計上では975kHz、1950kHz、2925kHz、4875kHz…のように共振周波数が出るはずであり、図4のように実測値921kHz、1891kHz、2899kHz、4800kHzとほぼ設計値通りとなり、この超音波振動素子は921kHzと1891kHzにて発振出来る超音波振動素子であることが確かめられた。
【0043】
このことより、1000kHzと2000kHzというかなり離れた周波数に限らず、例えば100kHz単位で変化させた超音波振動素子を製作し、細かく周波数を制御出来る高性能な超音波洗浄装置も実現することができる。
【0044】
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】(a)は本発明の実施形態に係る超音波洗浄装置を示す概略的斜視図であり、(b)〜(f)は本発明の実施形態に係る超音波振動素子(図1(a)のA部)の異なる例を示す概略的斜視図である。
【図2】(a)は本発明の実施形態に係る超音波洗浄装置を示す概略的斜視図であり、(b),(c)は本発明の実施形態に係る超音波振動素子の配線を示す構成説明図である。
【図3】本発明の実施形態に係る超音波洗浄装置の洗浄効果を示す特性図である。
【図4】本発明の実施形態に係る超音波振動素子の共振特性を示す特性図である。
【図5】一般的な超音波洗浄装置を示す構成説明図である。
【図6】従来の石英槽底面の超音波透過を説明する説明図である。
【図7】従来の石英槽底面の超音波透過特性を示す特性図である。
【図8】(a),(b)は従来の超音波振動素子の共振特性を示す特性図である。
【図9】(a)〜(f)は本発明の実施形態に係る超音波振動素子の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【0046】
21…外槽、22…超音波振動素子、24…純水、25…高周波電源、31,32…凸部、41,42…角柱凸部、51,52…角柱、61,62…円柱、71,72…円形穴。
【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波振動を発生する超音波振動素子及びその製造方法、並びに超音波振動素子を備え、特に半導体ウエハ、ガラスマスク、液晶用のガラス基板、ハードディスク等のむらのない均一な精密洗浄が求められる超音波洗浄装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
半導体ウエハ、液晶用のガラス基板、ハードディスク等の微細加工品の精密洗浄には、高周波の超音波洗浄装置が用いられている。汚れは1μm未満の粒子等であり、洗浄糟内に満たされた洗浄液中を伝わる超音波振動、あるいは、洗浄液と超音波振動の相乗効果により、汚れを剥離させている。
【0003】
図5は一般的な超音波洗浄装置を示す構成説明図である。図5において、11は外槽、12は石英槽、13は超音波振動素子、14は高周波電源、15は純水、16は洗浄液、17はシリコンウエハである。
【0004】
図5に示すように、外槽11の内部には石英槽12が収容され、前記外槽11内には純水15が入れられると共に前記石英槽12内には例えば純水等の洗浄液16が入れられる。前記石英槽12内の洗浄液16中には被洗浄物であるシリコンウエハ17が入れられる。前記石英槽12の底部に対応した外槽11の底部には超音波振動素子13が設けられ、前記超音波振動素子13には高周波電源14が接続される。
【0005】
すなわち、高周波電源14から高周波電力が超音波振動素子13に供給されると、超音波振動素子13は励振されて超音波振動する。前記超音波振動素子13の超音波振動は石英槽12の底部を透過して洗浄液16に伝達される。洗浄液16中に伝わる超音波振動、あるいは洗浄液と超音波振動の相乗効果により、シリコンウエハ17の汚れを剥離させる。
【0006】
一般的には超音波振動素子13は1つの共振周波数を持ち、振動効率が最大となるよう、高周波電源14からはその共振周波数を供給する。
【0007】
図6は従来の石英槽底面の超音波透過を説明する説明図である。図6において、121は石英槽底面である。図6に示すように、石英槽底面121の板厚をt、石英槽底面121の音速v、超音波周波数fとすると、石英槽底面121の超音波透過条件は次式で与えられる。
【0008】
t=v/(2・f)・n
但し、nは自然数である。
【0009】
図7は従来の石英槽底面の超音波透過特性を示す特性図である。図7では超音波振動の周波数を1MHzとしている。図7に示すように、透過ポイントが2箇所現れていることが分かる。このように、超音波振動の周波数とそれが透過する板厚には密接な関係が存在する。
【0010】
図8(a),(b)は従来の超音波振動素子の共振特性を示す特性図である。すなわち、通常の超音波振動素子には基本周波数とその周波数に対して2n+1(nは自然数)にて表される高次の共振周波数が存在する。例として、図8(a)に公称1000kHzの超音波振動素子の共振点実測値と理論的な共振点を示し、図8(b)に公称2000kHzの超音波振動素子の共振点実測値と理論的な共振点を示す。横軸が周波数で縦軸がアドミッタンスであり、下限の位置が共振周波数を示す。図8(a)の共振周波数は第1次979kHz、第2次2899kHz、第3次4800kHzであることが分かる。なお、この超音波振動素子の設計値は975kHzであり、設計上の共振周波数は第1次975kHz、第2次2925kHz、第3次4875kHzであり、高次も含めてほぼ設計値通りである。図8(b)の公称2000kHzも同様のことが言える。
【特許文献1】特開平5−291227号公報
【特許文献2】特許第2789178号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
年々、半導体洗浄は高性能、多様化しており、汚れの粒子形状は大小様々、固着状態・粒子材質も様々であり、その上洗浄対象の精密度が格段に上がっているため、洗浄むら、被洗浄物へのダメージが顕著となっている。
【0012】
しかし、現在ユーザが超音波洗浄に対して制御出来るのは、出力制御だけである。超音波洗浄において、出力の他に重要な要素としては周波数があり、同じ出力でも周波数の高低で洗浄出来る粒子径の大小や、微細品に対するダメージの発生に差異が出る。
【0013】
近年の洗浄の多様化に伴って、半導体ウエハの枚葉洗浄化等、洗浄装置には必ずしも石英槽があるわけではなく、従来の石英槽板厚に合わせた単一周波数が必要というわけではない。
【0014】
すなわち、超音波洗浄の利便性を向上すべく、従来の出力制御に加えて周波数制御機能を備えることが好ましいと考えられる。
【0015】
尚、超音波洗浄装置の発振周波数制御に関しては、例えば特許文献2の様に石英槽底面の超音波透過率の向上を目的として、基本周波数に対して数%程度周波数変調させる技術があるが、洗浄力の直接的制御を目的とした周波数制御ではない。
【0016】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、複数の異なる周波数の超音波振動を発生する複数の異なる厚みを有する超音波振動素子及びその製造方法を提供すると共に、前記超音波振動素子を備え、超音波振動の出力、周波数といった超音波洗浄力の重要な要素を制御することにより、洗浄力の直接的な周波数制御を行い、洗浄効果を最大限に制御して洗浄対象の多様化に対応できる超音波洗浄装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
上記目的を達成するために本発明の超音波振動素子は、圧電素子と、前記圧電素子に形成した陽極及び陰極と、前記圧電素子に形成した溝と、前記溝の底面に形成した別の陽極とを備えたことを特徴とするものである。
【0018】
また本発明の超音波洗浄装置は、前記超音波振動素子が給電のための配線本数を減らすべく、振動素子上に立体配線構造を具備することを特徴とするものである。
【0019】
また本発明の超音波振動素子の製造方法は、圧電素子の上面及び下面に第1の陽極及び陰極を形成するステップと、前記圧電素子に第1の陽極から溝を形成するステップと、前記溝の底面に第2の陽極を形成するステップと、前記溝の一部に絶縁物を挿入するステップと、前記絶縁物上に前記第1の陽極を接続する電極を形成するステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0020】
本発明の超音波洗浄装置は、複数の異なる周波数の超音波振動を発生する複数の異なる厚みを有する超音波振動素子を備え、超音波振動の出力、周波数といった超音波洗浄力の重要な要素を制御することにより、洗浄力の直接的な周波数制御を行い、洗浄効果を最大限に制御して洗浄対象の多様化に対応でき、比較的安価で高性能、高効率にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0022】
図1(a)は本発明の実施形態に係る超音波洗浄装置を示す概略的斜視図であり、図1(b)〜(f)は本発明の実施形態に係る超音波振動子(図1(a)のA部)の異なる例を示す概略的斜視図である。
【0023】
図1(a)において、21は外槽、22は超音波振動素子、24は純水である。図1(a)に示すように、有底矩形筒状の外槽21の内部には被洗浄物を洗浄する洗浄液が収容された洗浄槽が設けられる。前記外槽21の底部には500kHz以上の複数の異なる周波数の超音波振動を発生する複数の異なる厚みを有する超音波振動素子22が設けられる。前記超音波振動素子22には高周波電源が接続される。
【0024】
すなわち、高周波電源から複数の異なる周波数の高周波電力が超音波振動素子22に供給され、前記超音波振動素子22から複数の異なる周波数の超音波振動が発生する。前記超音波振動素子22が発生する超音波振動は、前記外槽21内の洗浄槽の洗浄液に伝達される。外槽21内の洗浄槽では洗浄液中に伝わる超音波振動、あるいは洗浄液と超音波振動の相乗効果により、例えばシリコンウエハ等の被洗浄物の汚れを剥離させる。
【0025】
図1(b)は超音波振動素子22として、スリット加工により厚さの異なる細長い凸部31,32を形成し、超音波振動素子22の小領域にそれぞれ違った厚みを持たせる。凸部31は厚さL1で周波数f1の超音波振動を発生し、凸部32は厚さL2(L2<L1)で周波数f2(f2>f1)の超音波振動を発生する。すなわち、超音波振動素子22は周波数f1,f2の複数の共振周波数を持つことになる。
【0026】
図1(c)は超音波振動素子22として、加工により厚さの異なる角柱凸部41,42を形成し、超音波振動素子22の小領域にそれぞれ違った厚みを持たせる。凸部41は厚さL1で周波数f1の超音波振動を発生し、凸部42は厚さL2(L2<L1)で周波数f2(f2>f1)の超音波振動を発生する。
【0027】
図1(d)は超音波振動素子22として、高さの異なる小さな角柱51と52を複数寄せ集めて一体に形成し、超音波振動素子22の小領域にそれぞれ違った厚みを持たせる。角柱51は厚さL1で周波数f1の超音波振動を発生し、角柱52は厚さL2(L2<L1)で周波数f2(f2>f1)の超音波振動を発生する。
【0028】
図1(e)は超音波振動素子22として、高さの異なる小さな円柱61と62を複数寄せ集めて一体に形成し、超音波振動素子22の小領域にそれぞれ違った厚みを持たせる。円柱61は厚さL1で周波数f1の超音波振動を発生し、円柱62は厚さL2(L2<L1)で周波数f2(f2>f1)の超音波振動を発生する。
【0029】
図1(f)は超音波振動素子22として、小さな円形穴71を複数形成し、超音波振動素子22の小領域にそれぞれ違った厚みを持たせる。円形穴がない部分71で形成される厚さL1の部分で周波数f1の超音波振動を発生し、円形穴72の底部で形成される厚さL2(L2<L1)の部分で周波数f2(f2>f1)の超音波振動を発生する。
【0030】
すなわち、超音波振動素子22に様々な周波数を発振させるためには、超音波振動素子22はそれに応じた複数の共振周波数を持つ必要がある。超音波振動素子22の基本共振周波数は、超音波振動素子22の厚さに応じて決定される。したがって、超音波振動素子22の小領域毎にそれぞれ違った厚みを持たせることによって、複数の異なる共振周波数を持つことが出来る。共振周波数と超音波振動素子22の厚みは反比例の関係なので、超音波振動素子22の厚みを半分にすれば周波数は2倍になる。
【0031】
尚、超音波振動素子22の厚さは2種類に限らず所望される周波数に応じて3種以上の厚みにしても良く、この場合には、3種以上の周波数の超音波振動を発生することができる。
【0032】
本発明の実施形態は、比較的安価で高性能、高効率の超音波洗浄装置を提供することが可能となる。超音波洗浄装置の発振周波数制御に関しては、洗浄力の直接的制御を目的とした周波数制御であり、基本周波数の25%以上変化させ、洗浄効果を最大限に制御出来る。
【0033】
図3は本発明の実施形態に係る超音波洗浄装置の洗浄効果を示す特性図である。すなわち、超音波洗浄では、超音波が水中に発振され、その時に発生するキャビテーションの衝撃波のエネルギーにより被洗浄物に付着する汚れを剥離させると同時に洗浄ダメージの原因となる。このキャビテーションの発生は、周波数が高くなるに従って弱くなると共に、超音波出力が低くなるに従って弱くなる傾向があり、図3に示すように周波数、出力を洗浄対象に最適な値に保つことにより、ダメージ無く良好な洗浄が行える。
【0034】
図2(a)は本発明の実施形態に係る超音波洗浄装置を示す概略的斜視図であり、図2(b),(c)は本発明の実施形態に係る超音波振動子の配線を示す構成説明図である。図2(a)〜(c)中、図1(a),(b)と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。尚、図2(a)は図1(a)と同じであり、図2(b)は図1(b)に対応している。
【0035】
図2(b)に示すように、超音波振動素子22の上面を陰極(コモン電極)Mとし、凸部31の頂点を第1の陽極P1(周波数f1の超音波振動を発生)としてまとめて共通に配線すると共に、凸部32の頂点を第2の陽極P2(周波数f2の超音波振動を発生)としてまとめて共通に配線する。
【0036】
この場合、超音波振動素子22の上面の陰極M、凸部31の頂点をまとめて共通に配線した第1の陽極P1、及び凸部32の頂点をまとめて共通に配線した第2の陽極P2として導電性のメッキを施してもよい。
【0037】
図2(c)に示すように、まとめて共通に配線した第1の陽極P1と第2の陽極P2を並列配線して高周波電源25に接続し、1周波数系統の給電ラインとする。
【0038】
すなわち、高周波電源25から周波数f1の高周波電力と周波数f2の高周波電力を交互に出力して第1の陽極P1と第2の陽極P2に供給すると、周波数f1の高周波電力で超音波振動素子22の凸部31に対応する部分で周波数f1の超音波振動を発生し、周波数f2の高周波電力で超音波振動素子22の凸部32に対応する部分で周波数f2の超音波振動を発生する。
【0039】
尚、複数の共振周波数を持つ超音波振動素子を駆動するためにはそれぞれの共振周波数ごとに別系統の配線を行うのが普通である。この場合、異なる周波数の超音波振動の同時照射が出来る等のメリットがある。しかしその場合、配線が膨大となり、製品価格の高騰、配線の引き回しの困難性、誤配線等のデメリットも生じる。このことを改善するため、例えば図1に記載される様な振動素子に立体配線構造を具備し配線の引き回しを減らすことも出来る。この製造方法の一例を次に述べる。
【0040】
通常の1つの共振周波数を持つ振動素子は図9(a)に示す様な電極構造を持っている。すなわち、平板状の例えばセラミック等の圧電素子81の上面には導電膜よりなる陽極Pが上面の一部を残して設けられ、前記圧電素子81の下面には導電膜よりなる陰極Mが上面の一部まで連続して設けられる。前記陽極Pと陰極Mの間には空隙82が設けられる。次に、図9(b)に示すように、前記圧電素子81の上面には長手方向に複数条の溝83が機械加工で設けられると共に前記空隙82には溝84が機械加工で設けられる。この場合、前記陽極Pの部分に周波数f1の素子が形成され、陽極P間の溝83の部分に周波数f2の素子が形成される。次に、図9(c)に示すように、前記溝83の陰極Mの間には例えば樹脂、セラミック等の絶縁物85が挿入される。次に、図9(d)に示すように、前記溝83及び溝84の底部には導電膜よりなる電極86が製作される。次に、図9(e)に示すように、前記溝83の陽極P間の一部には例えば樹脂、セラミック等の絶縁物87が挿入される。次に、図9(f)に示すように、前記絶縁物85の陰極Mと対応した表面には電極88が陰極Mと連続して形成され、前記絶縁物87の陽極Pと対応した表面には電極89が陽極Pと連続して形成される。前記陽極P及び電極89が陽極P1を形成し、前記電極86が陽極P2を形成し、前記陰極M及び電極88が陰極Mを形成する。これにより、陰極M、第1の陽極P1、第2の陽極P2の3本の配線で済むことになる。
【0041】
また、別の方法としては、超音波振動素子は共振原理を用いるため、共振しない周波数の高周波電力を印加しても超音波振動素子は振動しない。すなわち、すべての周波数系統の配線をまとめて並列配線とし、高周波電源装置よりそれぞれの共振周波数に相当する高周波電力を切り替えて順次出力することにより、最小限の配線で最大限の所望の周波数の超音波振動を得ることが出来る。
【0042】
図4は本発明の実施形態に係る超音波振動素子の共振特性を示す特性図である。図4では、図1(b)に示すような1000kHzと2000kHzになるような2つの厚みを持つ超音波振動素子を製作し、その共振特性として、前記超音波振動素子の共振点実測値と理論的な共振点を示す。横軸が周波数で縦軸がアドミッタンスであり、下限の位置が共振周波数を示す。設計上では975kHz、1950kHz、2925kHz、4875kHz…のように共振周波数が出るはずであり、図4のように実測値921kHz、1891kHz、2899kHz、4800kHzとほぼ設計値通りとなり、この超音波振動素子は921kHzと1891kHzにて発振出来る超音波振動素子であることが確かめられた。
【0043】
このことより、1000kHzと2000kHzというかなり離れた周波数に限らず、例えば100kHz単位で変化させた超音波振動素子を製作し、細かく周波数を制御出来る高性能な超音波洗浄装置も実現することができる。
【0044】
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】(a)は本発明の実施形態に係る超音波洗浄装置を示す概略的斜視図であり、(b)〜(f)は本発明の実施形態に係る超音波振動素子(図1(a)のA部)の異なる例を示す概略的斜視図である。
【図2】(a)は本発明の実施形態に係る超音波洗浄装置を示す概略的斜視図であり、(b),(c)は本発明の実施形態に係る超音波振動素子の配線を示す構成説明図である。
【図3】本発明の実施形態に係る超音波洗浄装置の洗浄効果を示す特性図である。
【図4】本発明の実施形態に係る超音波振動素子の共振特性を示す特性図である。
【図5】一般的な超音波洗浄装置を示す構成説明図である。
【図6】従来の石英槽底面の超音波透過を説明する説明図である。
【図7】従来の石英槽底面の超音波透過特性を示す特性図である。
【図8】(a),(b)は従来の超音波振動素子の共振特性を示す特性図である。
【図9】(a)〜(f)は本発明の実施形態に係る超音波振動素子の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【0046】
21…外槽、22…超音波振動素子、24…純水、25…高周波電源、31,32…凸部、41,42…角柱凸部、51,52…角柱、61,62…円柱、71,72…円形穴。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
対向する2面を有する圧電素子と、
前記圧電素子の一方の面に形成される第1の電極と、
前記圧電素子の他方の面に形成される、前記第1の電極とは極性の異なる第2の電極と、
前記圧電素子の一方の面に形成される溝と、
前記溝に形成される、前記第1の電極と極性が同一の第3の電極と、
を備えることを特徴とする超音波振動素子。
【請求項2】
請求項1に記載の超音波振動素子と、
前記超音波振動素子から超音波が伝達される洗浄槽と、
を備えることを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項3】
圧電素子の上面及び下面に第1の陽極及び陰極を形成するステップと、
前記圧電素子に第1の陽極から溝を形成するステップと、
前記溝の底面に第2の陽極を形成するステップと、
前記溝の一部に絶縁物を挿入するステップと、
前記絶縁物上に前記第1の陽極を接続する電極を形成するステップと
を有することを特徴とする超音波振動素子の製造方法。
【請求項1】
対向する2面を有する圧電素子と、
前記圧電素子の一方の面に形成される第1の電極と、
前記圧電素子の他方の面に形成される、前記第1の電極とは極性の異なる第2の電極と、
前記圧電素子の一方の面に形成される溝と、
前記溝に形成される、前記第1の電極と極性が同一の第3の電極と、
を備えることを特徴とする超音波振動素子。
【請求項2】
請求項1に記載の超音波振動素子と、
前記超音波振動素子から超音波が伝達される洗浄槽と、
を備えることを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項3】
圧電素子の上面及び下面に第1の陽極及び陰極を形成するステップと、
前記圧電素子に第1の陽極から溝を形成するステップと、
前記溝の底面に第2の陽極を形成するステップと、
前記溝の一部に絶縁物を挿入するステップと、
前記絶縁物上に前記第1の陽極を接続する電極を形成するステップと
を有することを特徴とする超音波振動素子の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【公開番号】特開2010−62660(P2010−62660A)
【公開日】平成22年3月18日(2010.3.18)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−223779(P2008−223779)
【出願日】平成20年9月1日(2008.9.1)
【出願人】(000166650)株式会社日立国際電気エンジニアリング (100)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年3月18日(2010.3.18)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年9月1日(2008.9.1)
【出願人】(000166650)株式会社日立国際電気エンジニアリング (100)
【Fターム(参考)】
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