JP4240877B2

JP4240877B2 - 音圧測定装置、超音波処理装置および超音波処理方法

Info

Publication number: JP4240877B2
Application number: JP2001379704A
Authority: JP
Inventors: 博藤田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: JP2003177060A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波の音圧を測定する音圧測定装置、それを用いた超音波処理装置および超音波処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ＬＳＩ製造工程等に用いられる枚葉スピン式の洗浄装置やデイップ式の洗浄装置等では、供給される純水や薬液を介して、超音波を対象基板に照射する超音波洗浄工程が設けられている。洗浄液には６００〜２０００ｋＨｚ程度の帯域の超音波振動が印加され、洗浄対象の基板に照射される。
【０００３】
枚葉スピン式の超音波洗浄装置には、振動子で発振した超音波を振動板を介して付与された洗浄液を開口部から洗浄対象の被処理体に供給して超音波を照射する超音波ノズル方式が用いられている。
【０００４】
このような超音波洗浄装置においては、被処理体である基板面での超音波強度を知ることにより、超音波発振電源が正常に作動しているか、あるいは、振動子で発生した超音波が効率良く洗浄液に導かれているか、振動子の劣化等による振動効率の変化が無いか、水質の変化による洗浄液中での超音波伝播効率の変化が無いか等を確認することは洗浄能力の維持を確認するうえで重要である。
【０００５】
このような超音波ノズル方式を用いた洗浄装置において、従来行われている超音波の音圧測定の一例を第７図に示す。音圧計５０ａは、超音波ノズル５２から給液される超音波が印加されている洗浄液を、一端に圧電素子５３が接続されているバー型石英棒５１の側面で受け、その際に圧電素子５３において超音波の強度に対応して発生した電力を、圧電素子５３に電気的に接続されている電圧計５４もしくは電流計で測定して表示する
また、別の従来例の一例を図８に示す。音圧計５０ｂの音圧受波面６１はステンレス材を使用し、音圧受波面６１の形状を平面としたものである。つまり、平面形状の音圧受波面６１に測定対象の超音波ノズル５２を対向させ、超音波を印加した洗浄液を音圧受波面６１に供給する。音圧受波面６１に印加された超音波振動の一部はステンレス材の中を伝播して、ステンレス材に接続された圧電素子５３に伝播される。圧電素子５３では伝播された超音波振動に対応した電力が発生し、この発生電力を電圧計５４もしくは電流計で測定して表示する。
【０００６】
また、特開平１０−８２７０３号公報には、音圧センサの先端部を球状面からなる感知部に形成した構造が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のバー型石英棒５１による受波により音圧測定を行った場合は、バー型石英棒５１の曲率半径が小さいため、ごく限られた振動方向の音波のみがバー型石英棒５１の中に入射して伝播し、圧電素子５３によって電圧変換されるため、被処理体の処理に供される超音波強度の、ごく一部のみの測定しか行えない。また、超音波の振動方向と圧電素子５３の装着方向が９０度程度異なるため、バー型石英棒５１の中を反射を繰返しながら伝播してきた振動の方向成分の内の、圧電素子５３の圧電方向と同一方向の振動のみを測定することになる。そのため、バー型石英棒５１の設置角度により大きく値が変動することがあり、測定の信頼性、再現性が低い。
【０００８】
また、上述のもう一つの従来例では、音圧受波面６１が平面のため、超音波ノズル５２の振動子の振動面と平行に設置した場合、音圧受波面６１で超音波が反射され、洗浄液を伝播し、振動子に反射波として入射する。これにより発振効率の低下、発振波形の歪の発生が起こり、発振状態が不安定になる恐れがある。また、超音波の反射波は振動子において電気的な反射波に変換され、発振電源での発熱・発振不良を引き起こし、振動子の破壊にいたる場合もある。
【０００９】
また、音圧受波面６１が平面である特定の厚みを有しているため、特定の受波角度において振動子の発振波長に対して共振現象が発生するため、同一の音圧に対しても受波角度により音圧測定値が大きく異なる。また、この現象は発振周波数によっても変化する。
【００１０】
また、音圧受波面６１にステンレス材を使用しているため、強酸により腐食が発生するため、強酸を使用する装置での使用ができず、ステンレス材に付着した純水などの飛散により、被洗浄物を金属不純物で汚染させることもある。
【００１１】
また、特開平１０−８２７０３号公報に開示された構造では、球状面からなる感知部からパイプ状の柱状体を介して受波した音波を圧電素子に導いているため、受波した音波はパイプ内の内壁で反射を繰返して進行するため減衰が大きく精度のよい測定が得られない場合がある。
【００１２】
本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、超音波ノズルの音圧を測定し、超音波音圧を一定に保つことにより、被処理物へのダメージの無い良好な処理の安定化を図るための音圧測定装置、それを装着した超音波処理装置および超音波処理方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【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、石英、サファイヤ、ＳｉＣ、ＳＵＳ、Ｔａ、Ｔｉのいずれか１つからなり、受波面の形状が凸状で曲率半径が２０〜６０ｍｍの曲面状に形成された受振体と、
前記受振体との接続面が前記受波面と対向して位置し、前記受振体が受振した音圧を電気信号に変換する変換素子と、
前記受波面以外を覆い、前記変換素子を収容する樹脂製の密閉型筐体とを有することを特徴とする音圧測定装置である。
【００１５】
また請求項２の発明による手段によれば、前記受波面の形状は略球面状であることを特徴とする請求項１記載の音圧測定装置である。
【００１６】
また請求項３の発明による手段によれば、前記受振体は円柱体を有し、かつ、この円柱体の一端側に前記受波面が略球面状に形成されており、前記変換素子は前記球面の中心部の鉛直線上において対向して位置していることを特徴とする請求項１記載の音圧測定装置である。
【００１７】
また請求項４の発明による手段によれば、前記変換素子が接続されているのは前記受振体における前記受波面の他端側であることを特徴とする請求項３記載の音圧測定装置である。
【００１８】
また請求項５の発明による手段によれば、前記受振体の前記受波面を除く部位の一部あるいは全部は、超音波を反射または吸収する材質によって被覆されていることを特徴とする請求項１乃至４記載の音圧測定装置である。
【００１９】
また請求項６の発明による手段によれば、前記受振体と筐体との間は防水構造により封止されていることを特徴とする請求項１乃至５の少なくともいずれか一項に記載の音圧測定装置である。
また請求項７の発明による手段によれば、超音波が印加された処理液を超音波ノズルから被処理体に供給して所定の処理をほどこす超音波処理装置において、
前記超音波ノズルは、被処理体と所定距離対向離間した位置と、この被処理体と異なる位置に配置された請求項１乃至６の少なくともいずれか一項に記載の音圧測定装置と所定距離対向離間した位置との間を移動可能な状態で設けられていることを特徴とする超音波処理装置である。
また請求項８の発明による手段によれば、被処理体と所定距離対向離間した位置から超音波ノズルにより超音波が印加された処理液を該被処理体に供給する工程と、
前記被処理体と異なる位置に配置された請求項１乃至６の少なくともいずれか一項に記載の音圧測定装置と所定距離対向離間した位置から超音波ノズルにより超音波が印加された処理液を前記音圧測定装置に供給する工程と、
前記音圧計により音圧を測定する工程とを有することを特徴とする超音波処理方法である。
また請求項９の発明による手段によれば、前記超音波ノズルにより超音波が印加された処理液を前記被処理体に供給して前記被処理体にほどこす処理は、洗浄処理であることを特徴とする請求項８記載の超音波処理方法である。
また請求項１０の発明による手段によれば、前記超音波ノズルにより超音波が印加された処理液を前記被処理体に供給して前記被処理体にほどこす処理は、ケミカルエッチング処理であることを特徴とする請求項８記載の超音波処理方法である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態として、本発明の音圧測定装置を装着した超音波洗浄装置を図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は本発明の音圧測定装置を装着した超音波洗浄装置の模式構成図である。
【００２２】
枚葉スピン式の超音波洗浄装置のスピンチャック１に被処理物であるウエハ基板２が設置し保持され、スピンチャック１はモータ３の回転軸３ａに取り付けられており、任意の回転数で回転される。スピンチャック１の外周に沿って設けられ、スピンチャック１が回転した際に遠心力で飛散した洗浄液を内部に受け止めるようにカップ４が設置されている。カップ４の底面には排気および廃液を行うための排気・廃液口５が設置される。スピンチャック１の上にはスピンチャック１の上を移動可能な超音波ノズル６が設置され、超音波ノズル６の内部には、外部の発振電源７と電気的に接続された振動子９が設けられており、発振電源７の駆動により振動子９が振動し、超音波を発生する。また、超音波ノズル６には洗浄液（処理液）を供給する給液管８が接続される。
【００２３】
ウエハ２の洗浄処理を行う場合、スピンチャック１にウエハ２を設置し、モータ３により任意の回転数でスピンチャック１およびウエハ２が回転する。スピンチャック１の上に超音波ノズル６がカップ４の外側から移動し、給液管８を介して超音波ノズル６に洗浄液が供給される。振動子９で発生した超音波は振動板（不図示）を介して給液管８により供給された洗浄液に印加され、洗浄液が超音波ノズル６の開口部からウエハ２に供給される際に洗浄液中を伝播して照射される。その際、超音波ノズル６をウエハ２の径方向にスキャンさせることでウエハ２の全面を洗浄処理することができる。
【００２４】
洗浄処理を行わないときは、超音波ノズル６はカップ４の外側に搬送機構（不図示）により搬送されて退避している。このとき超音波ノズル６の直下の位置に音圧計（音圧測定装置）１０が設置され、音圧計１０の受振体１１が超音波ノズル６と対向している。その際、超音波ノズル６の開口部と受振体１１との距離は洗浄処理時の超音波ノズル６の開口部とウエハ２の面との距離とほぼ等距離に設定されている。
【００２５】
なお、開口部とウエハ２の面との距離は、予め距離に応じて換算できる関係が成立していれば、等距離でなくても換算できる関係に応じた任意の距離に設定することができる。
【００２６】
各洗浄処理の間の超音波ノズル６がカップ４の外側、即ち音圧計１０の直上にあるときにウエハ２の処理時と同じ条件で洗浄液の供給および超音波発振を行い。音圧計１０の受振体１１に洗浄処理と同様の動作を行う。受振体１１に照射された超音波の一部は受振体１１を透過して受振体１１に接続された圧電素子１２に入射し、入射した音圧に対応する電力を発生させる。圧電素子１２と電気的に接続された音圧表示部１３で圧電素子１２に発生した電力からの音圧相当値を表示する。
【００２７】
図２に音圧計１０の構造を示す。受振体１１に圧電素子１２が接続され、圧電素子１２は同軸ケーブル１５により電気的に音圧表示部１３と接続される。受振体１１は石英やサファイアなどの洗浄液に対し金属不純物による汚染を発生させることが無く、耐食性を備えたむく体で形成されている。したがって、先端部の受波面１１ａで受波した超音波はむく体で形成された受振体１１を伝達してほとんど減衰することなく圧電素子１２に到達する。それにより、極めて高精度の超音波の測定を行うことができる。
【００２８】
また、先端部の受波面１１ａの形状は凸面状の曲面（例えば球面あるいは蒲鉾型）に形成されている。この曲面の曲率半径は１例を挙げれば、２０〜６０ｍｍ程度である。なお、受振体１１は、石英やサファイのほかに、ＳｉＣ、ＳＵＳ、ＴａあるいはＴｉを用いることができる。また、受振体１１の少なくとも洗浄液に浸される部分の受波面１１ａを除く部分に超音波を反射する金属や、超音波を吸収するフッ素樹脂等の材質で被覆されている。また、この受振体１１を保持している樹脂製の筐体１４は、フッ素樹脂（例えばＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＢＣＴＦＢ、ＣＴＦＢ、ＰＣＴＦＥ）や塩化ビニル樹脂などの対象液体に対し金属不純物による汚染を起こすことが無く、耐食性を有する材質で形成されている。
【００２９】
受振体１１は直径の異なる２段階の円柱形状をしており、圧電素子１２側の円柱の方が直径が大きく、また圧電素子１２の外径よりも大きい。受振体１１と筐体１４の間にはＯリング等のシールリング１７が設けられている。圧電素子１２と音圧表示部１３を電気的に接続している同軸ケーブル１５の周りには被覆チユーブ１８が筐体１４と接続されており、筐体１４内への液体の浸入を防止し、圧電素子１２および同軸ケーブル１５への洗浄液による劣化、腐食を防止している。
【００３０】
また、音圧計１０と超音波ノズル６の発振電源７とを接続し、音圧測定値が既定値となるように発振電源７の出力をフィードバック制御することで、任意の音圧値に自動制御することができる。
【００３１】
なお、上述の音圧計１０の変形例として、筐体１４の圧電素子１２が収納された空間を気体で陽圧（正圧）状態した例について図３に示した構成図により説明する。
【００３２】
音圧計１０の筐体１４と接続された被覆チューブ１８には、内部に圧電素子１と接続した同軸ケーブル１５と管路１８ａが形成され、被覆チューブ１８の先端に３方コネクタ２３が設けられている。３方コネクタ２３の分岐した一方は同軸ケーブル１５が気密に保持され音圧表示部１３に接続されている。分岐したもう一方にはチューブ２１を介して圧力調整バルブ２４および気体供給源が接続される。チューブ２１内に供給される気体は窒素が望ましく、供給源としてはガスボンベなどが用いられる。また、低湿度の空気などでも機能し、この場合の供給源としてはエアポンプなどがあげられる。
【００３３】
このような構成により、筐体１４の内部は陽圧の気体で常に満たされ、受振体１１と筐体１４との隙間などからの筐体１４の内部への洗浄液の浸入を防止することができる。また。超音波槽などの内部に浸漬された際に水圧がかかることにより筐体１４の内部に液体が流入しやすくなるが、筐体１４の内部の気体圧力を圧力調整バルブ２３により水圧以上に調整することにより、筐体１４の内部への洗浄液の侵入を防止することができる。
【００３４】
それらにより、筐体１４内への洗浄液の浸入を防止し、圧電素子１２や同軸ケーブル１５への、洗浄液による劣化や腐食を防止している。
【００３５】
図４は、超音波ノズル６の発振電力を順次変更させた際の、上述の実施の形態で示した音圧計１０での音圧測定値のグラフである。発振電力の増加に伴い、音圧値もほぼ直線状に良好に上昇していることが示されている。
【００３６】
また、図５は超音波ノズル６の発振電力を一定にした際の、超音波ノズル６の洗浄液の吐出方向に対する上述の実施の形態で示した音圧計１０の受振体１１、および従来の技術での音圧計の受振体との角度を順次変更した際の音圧測定値とを比較したグラフである。
【００３７】
従来の音圧計では微小角度変化した場合でも測定値が大きく増減を行い、左右での感度も大きく異なるのに対し。上述の実施の形態で示した音圧計では０度を中心に測定値は緩やかに変化しており、音圧計の設置状態における誤差を小さくすることができ、経年変化などによる音圧計位置および超音波ノズルの位置変化に対しても誤差を生じる恐れが少ない。
【００３８】
また、通常、振動子はある特定の時間が経過すると、劣化により発振効率が低下して音圧が低下する。また、異常発振などにより圧電素子が破壊することもある。この時超音波ノズルを洗浄装置から外し、振動子の交換を行うが、この時若干の設置位置、角度が以前とずれる場合がある。この様な場合でも上述の実施の形態で示した音圧計は、超音波ノズル位置の細かな調整が必要無く、再現性良く設置できるので、常に高精度で音圧を測定することができる。
【００３９】
次に本発明の第１の応用例として、上述の音圧計１０を用いた超音波処理槽の内部の音圧分布測定装置および超音波洗浄装置について説明する。
【００４０】
図６は超音波洗浄装置の模式構成図である。
【００４１】
純水等の洗浄液３０に満たされている超音波洗浄槽３１には、底部に振動子３２が設けられており、この振動子３２は発振電源３３に接続されている。また、超音波洗浄槽３１の内部には洗浄液３０の中に、上述の音圧計１０が浸漬されている。音圧計１０の受振体１１の後端は圧電素子１２に接続され、圧電素子１２は音圧表示部１３と接続されている。受振体１１に照射された超音波の一部は受振体１１を透過して受振体１１に接続された圧電素子１２に入射し、入射した音圧に対応する電力を発生させる。圧電素子１２と電気的に接続された音圧表示部１３で圧電素子１２で発生した電力から音圧相当値を表示する。
【００４２】
また、音圧計１０はＸＹＺの各方向に移動自在な移動手段３４によって保持され、移動手段３４と音圧計１０との接続部は角度自在となっている。従って、音圧計１０は移動手段３４の移動に伴い、超音波洗浄槽３１の内部の平面方向と深さ方向の任意の点に移動することができる。
【００４３】
これらの構成により、音圧計１０を順次連続的または段階的に移動させ、音圧測定を行うことにより、超音波洗浄槽３１の内部の３次元的な音圧分布を測定することができる。また、音圧計１０の移動手段３４との角度を変えることにより、音波の方向性を概略把握することができる。
【００４４】
次に、本発明の第２の応用例として、上述の音圧計を用いたケミカルエッチング装置について説明する。なお、スピン式のウエットエッチングでは、構造自体は図１に示した構造と同様であるので、構造の説明に関しては重複説明を避けるために省略し、動作の説明についてはその符号を援用する。なお、構造面で音圧計の受振体は耐薬液性が必要であるので、材質を石英、サファイア、ＳｉＣあるいはＴａにより形成している。
【００４５】
ウエハに対してケミカルエッチングを行う場合は、ウエハをスピンチャクにチャッキングし、回転させながら薬液をスプレーしてエッチングを行う。すなわち、スピンチャック１にウエハ２を設置し、モータ３により任意の回転数でスピンチャック１およびウエハ２が回転する。スピンチャック１の上に超音波ノズル６がカップ４の外側から移動し、給液管８を介して超音波ノズル６に薬液が供給される。超音波ノズル６内には発振電源７と電気的に接続された振動子９が設けらており、発振電源７の駆動により振動子９が振動し、超音波を発生する。振動子９で発生した超音波は給液管８により供給された薬液に印加され、薬液が超音波ノズル６の開口部からウエハ２に吐出される際に薬液中を伝播して薬液とともにウエハ２に照射される。その際、超音波ノズル６をウエハ２の径方向に移動させることでウエハ２のエッチング処理することができる。
【００４６】
エッチング処理を行わないときは、超音波ノズル６はカップ４の外側にある。このときの超音波ノズル６の直下に音圧計１０が設置され、受振体１１が超音波ノズル６と対向する。このとき、超音波ノズル６の開口部と受振体１１との距離はエッチング処理時の超音波ノズル６の開口部とウエハ２面との距離と等距離とする。なお、開口部とウエハ２面との距離は、予め距離に応じて換算できる関係が成立していれば、等距離でなくても所定の間隔に設定することができる。
【００４７】
各洗浄処理の間の超音波ノズル６がカップ４の外側、即ち音圧計１０の直上にあるときにウエハ２の処理時と同じ条件で薬液の供給および超音波発振を行い。音圧計１０の受振体１１に超音波処理と同様の動作を行う。受振体１１に照射された超音波の一部は受振体１１を透過して受振体１１に接続された圧電素子１２に入射し、入射した音圧に対応する電力を発生させる。圧電素子１２と電気的に接続された音圧表示部１３で圧電素子１２で発生した電力から音圧相当値を表示する。
【００４８】
上述の実施の形態によれば、超音波ノズルから吐出された洗浄液中の音圧、あるいは、超音波槽の内部の任意の各測定点の音圧を正確に測定することができる。
【００４９】
また、超音波ノズルや超音波槽の内部の音圧を正確に測定して、その結果を用いることにより、それぞれ音圧を一定に保つことにより、被処理物に対してダメージの無い良好な処理を行うことができる超音波処理装置と超音波処理方法が実現できる。
【００５０】
なお、上述の実施の形態はいずれも例示的に示したものであり、種々変形が可能であることは言うまでもない。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、超音波ノズルから吐出された洗浄液中の音圧や、超音波槽の内部の任意の測定点の音圧を正確に測定することができる。
【００５２】
また、その音圧計を用いた高精度な超音波処理装置や超音波処理方法が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の音圧測定装置を装着した超音波洗浄装置の模式構成図。
【図２】本発明の音圧計の構造図。
【図３】本発明の音圧計の構造図。
【図４】音圧計での音圧測定値のグラフ。
【図５】本発明と従来の音圧計の受振体の角度を順次変更した際の音圧測定値とを比較したグラフ。
【図６】本発明の超音波洗浄装置の模式構成図。
【図７】従来の音圧測定の一例を示す模式図。
【図８】従来の音圧測定の一例を示す模式図。
【符号の説明】
１…スピンチャック、２…ウエハ、６…超音波ノズル、９…振動子、１０…音圧計、１１…受振体、１１ａ…受波面、１２…圧電素子

Claims

石英、サファイヤ、ＳｉＣ、ＳＵＳ、Ｔａ、Ｔｉのいずれか１つからなり、受波面の形状が凸状で曲率半径が２０〜６０ｍｍの曲面状に形成された受振体と、
前記受振体との接続面が前記受波面と対向して位置し、前記受振体が受振した音圧を電気信号に変換する変換素子と、
前記受波面以外を覆い、前記変換素子を収容する樹脂製の密閉型筐体とを有することを特徴とする音圧測定装置。
前記受波面の形状は略球面状であることを特徴とする請求項１記載の音圧測定装置。
前記受振体は円柱体を有し、かつ、この円柱体の一端側に前記受波面が略球面状に形成されており、前記変換素子は前記球面の中心部の鉛直線上において対向して位置していることを特徴とする請求項１記載の音圧測定装置。
前記変換素子が接続されているのは前記受振体における前記受波面の他端側であることを特徴とする請求項３記載の音圧測定装置。
前記受振体の前記受波面を除く部位の一部あるいは全部は、超音波を反射または吸収する材質によって被覆されていることを特徴とする請求項１乃至４記載の音圧測定装置。
前記受振体と筐体との間は防水構造により封止されていることを特徴とする請求項１乃至５の少なくともいずれか一項に記載の音圧測定装置。
超音波が印加された処理液を超音波ノズルから被処理体に供給して所定の処理をほどこす超音波処理装置において、
前記超音波ノズルは、被処理体と所定距離対向離間した位置と、この被処理体と異なる位置に配置された請求項１乃至６の少なくともいずれか一項に記載の音圧測定装置と所定距離対向離間した位置との間を移動可能な状態で設けられていることを特徴とする超音波処理装置。
被処理体と所定距離対向離間した位置から超音波ノズルにより超音波が印加された処理液を該被処理体に供給する工程と、
前記被処理体と異なる位置に配置された請求項１乃至６の少なくともいずれか一項に記載の音圧測定装置と所定距離対向離間した位置から超音波ノズルにより超音波が印加された処理液を前記音圧測定装置に供給する工程と、
前記音圧計により音圧を測定する工程とを有することを特徴とする超音波処理方法。
前記超音波ノズルにより超音波が印加された処理液を前記被処理体に供給して前記被処理体にほどこす処理は、洗浄処理であることを特徴とする請求項８記載の超音波処理方法。
前記超音波ノズルにより超音波が印加された処理液を前記被処理体に供給して前記被処理体にほどこす処理は、ケミカルエッチング処理であることを特徴とする請求項８記載の超音波処理方法。