(57)【要約】【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。【選択図】図９
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【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。
【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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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