(57)【要約】【課題】超音波が存在する液体の制限を受けることなく超音波の振動エネルギを測定できる取り扱いが容易で安価な超音波測定装置を提供する。【解決手段】超音波測定装置は、超音波の振動エネルギを吸収して熱エネルギに変換する超音波吸収材料としてのテフロン系の合成樹脂１と、このテフロン系の合成樹脂で被覆された測温体としての熱電対２とからなる。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波の振動エネルギーを吸収して、熱エネルギーに変換する超音波吸収材料と、
この超音波吸収材料によって被覆された測温体とを備えた超音波測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波測定装置において、上記超音波吸収材料は、ポリテトラフルオロエチレン系の合成樹脂である超音波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体ウェハの洗浄に用いられる液体中の比較的強い超音波の振動エネルギーを測定する超音波測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波エネルギーの測定は、先端を洗浄槽内に浸漬させた石英ガラスや金属製の受信棒の基端に圧電素子を取り付け、受信棒から入力される超音波による振動を圧電素子によって電圧信号に変換し、表示装置に波形として表示される上記電圧信号を目視観察することによって行なわれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の超音波測定装置は、構成が複雑なうえ、圧電セラミックスなどの高価な圧電素子を必要とするため、装置のコストが高くなるという問題がある。
また、受信棒に割れ易い石英ガラスを用いているため、衝撃による損傷に注意を払わなければならず、耐薬品性に劣るため、強アルカリ、熱リン酸、フッ化水素酸などの液体中の超音波の振動エネルギーを測定できないという問題もある。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、対象となる液体の制限を受けることなく超音波が測定でき、取り扱いが容易で安価な超音波測定装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の超音波測定装置は、超音波の振動エネルギーを吸収して、熱エネルギーに変換する超音波吸収材料と、この超音波吸収材料によって被覆された測温体とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
請求項１の超音波測定装置によれば、超音波が入射されている例えば液体などの物質中に入れられた超音波吸収材料は、吸収した超音波の振動エネルギーを熱エネルギーに変換して発熱すると同時に、上記液体などの周囲環境へ放熱して熱平衡状態に達し、超音波吸収材料は、上記熱平衡に対応する所定温度になる。超音波吸収材料で被覆された測温体は、上記所定温度を検出し、電気信号に変換して出力する。従って、特定周囲環境における特定周波数の入射超音波の強度に対する、超音波吸収材料の熱平衡温度に対応する測温体の電気信号出力の校正曲線を予め実験で求めておくことによって、超音波の強度を測定することができる。上記超音波測定装置は、従来の石英ガラス製の受信棒や高価な圧電素子に比して安価な超音波吸収材料と測温体で構成されるので、損傷しにくくて取り扱いが容易で安価に製造することができる。
【０００７】
請求項２の超音波測定装置は、上記超音波吸収材料が、ポリテトラフルオロエチレン系の合成樹脂であることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の超音波測定装置によれば、測温体を被覆する超音波吸収材料が、耐薬品性および耐熱性に優れるポリテトラフルオロエチレン系の合成樹脂であるので、強アルカリ、熱リン酸、フッ化水素酸などの液体中の超音波も測定できるとともに、入射超音波の振動エネルギーが大きくて超音波吸収材料の発熱が大きくなる場合や、液体温度が高い場合にも、溶融したり変形することなく確実に超音波の強度を測定することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１は、本発明の超音波測定装置の一実施形態を示す大略ブロック図であり、この超音波測定装置は、周囲の超音波の振動エネルギーを吸収して熱エネルギーに変換する超音波吸収材料１と、この超音波吸収材料１によって被覆され、上記熱エネルギーおよび周囲環境によって決まる超音波吸収材料１の熱平衡温度を検出して電気信号に変換する測温体２と、この測温体２から出力される電気信号を温度（℃）として数値表示する表示部４とで構成される。
【００１０】
図２は、図１の周囲環境を示しており、検出部３としての超音波吸収材料１で被覆された測温体２は、液体５中の超音波による真空泡６の発生・消滅からなるキャビテーションが存在する音圧場７に設置される。超音波吸収材料１は、液体５中の超音波から振動エネルギーを吸収して熱エネルギーに変換して発熱すると同時に、周囲の液体５へ放熱し、測温体２へ伝熱して、一定時間経過後に所定温度で発熱と放熱が均衡する熱平衡状態に達する。測温体２は、上記所定温度を検出し、これを電気信号に変換して表示部４へ出力する。熱平衡温度は、周囲の液体５の流動状態や比熱および超音波の周波数や強度によって変化するので、特定周囲環境における特定周波数の超音波強度に対する、超音波吸収材料１の熱平衡温度に対応する測温体２の電気信号出力を予め実験で求めて校正曲線を作ることによって、超音波の強度を測定することができる。
なお、熱平衡状態に達するまでの一定時間、従って検出部３の応答時間は、本実施形態では数秒であった。また、この実施形態では、強力な音圧場が容易に作れて検出部３を浸漬または投入できる観点から、音圧場７として液体５を用いたが、超音波が存在しうる限り、気体または固体を用いることもできる。
【００１１】
上記超音波吸収材料１は、耐薬品性および耐熱性に優れるポリテトラフルオロエチレン系の合成樹脂を最適材料として選んでいるが、超音波の内、少なくとも１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚの周波数帯域の全部または一部の振動エネルギーを効率的に吸収し、熱エネルギーに変換して発熱すると同時に放熱して熱平衡に達する材料であればよく、ゴム、ビニル系、ポリエステル系、ポリウレタン系等の合成樹脂や、特に耐熱性と機械的強度を増すべく高分子と金属または高分子とセラミックの複合材料を用いることもできる。
上記測温体２には、超音波吸収材料１の熱平衡温度を効率良く電気信号に変換するアルメル・クロメルなどの熱電対、測温抵抗体、サーミスタなどを用いることができ、これらの測温体は、振動エネルギーを電気エネルギーに直接変換する従来例の圧電素子に比して小型で軽量かつ安価である。
【００１２】
図３（Ａ）は、超音波の振動エネルギーを測定装置の検出部で測定するのに必要な校正曲線を得る予備実験の装置配置を示している。図３（Ａ）において、内部に高周波振動子（周波数１．５ＭＨｚ）をもつ超音波ノズル８の先端から２０ｍｍ離れた位置に測定装置の検出部を配置し、超音波ノズル８の先端から噴射される常温の水に含まれる超音波の振動エネルギーを検出部で検出し、電気信号として矢印の如く出力するようになっている。
【００１３】
図３（Ｂ）は、上記検出部として実施形態の検出部３を用いた場合の測温体２の電気信号出力を温度に換算して縦軸に、超音波ノズル８の設定出力値を横軸にとって実験結果に基づいて描いた校正曲線である。図中の▲は、測温体２を被覆する超音波吸収材料１にエチレン・ビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）樹脂を用いた場合、図中の■は、超音波吸収材料１に耐薬品性，耐熱性に優れるポリテトラフルオロエチレン系の合成樹脂（デュポン社製、商品名：テフロン（登録商標））を用いた場合を夫々示している。
一方、図３（Ｃ）は、上記検出部として従来の石英ガラスの受信棒と圧電素子を用いた場合の圧電素子の出力電圧を縦軸に、超音波ノズル８の設定出力値を横軸にとって実験結果に基づいて描いた校正曲線である。
【００１４】
図３（Ｂ）の■で示すテフロン（登録商標）で被覆した測温体の校正曲線は、図３（Ｃ）の■で示す従来の圧電素子のそれと同様、テフロン（登録商標）の優れた耐熱性（２００℃以上）によって設定出力値の全域に亘って良好な線形特性を示している。なお、図３（Ｃ）の圧電素子が、２０〜５０Ｗの設定出力値の低い領域で非線形特性を示しているのは、高周波振動子の特性に起因するもので、測定方法に起因するものではない。
これに対して、図３（Ｂ）の▲で示すＥＶＡ樹脂で被覆した測温体の校正曲線は、ＥＶＡ樹脂の軟化点が図中の破線で示すように１００℃付近にあるため、設定出力値が５０Ｗを超える領域において超音波吸収材料（ＥＶＡ）の溶融，変形に起因する熱変換性能の劣化により飽和現象が生じて線形特性が失われ、４０〜５０Ｗのごく限られた領域のみで測定が可能なことが判る。
【００１５】
このように、超音波吸収材料１に耐薬品性，耐熱性をもつテフロン（登録商標）を選び、このテフロン（登録商標）で被覆したアルメル・クロメルなどの測温体２を検出部３に用いることによって、従来の圧電素子を用いた超音波測定装置と同様、振動エネルギーを広い周波数帯域に亘って正確に測定できるので、圧電セラミックのために数十万円にもなっていた装置のコストを、数万円以下に抑えることができるとともに、直径１０ｍｍ，長さ１５０〜２００ｍｍであった従来の圧電素子の石英ガラスをもつ検出部を、直径１〜２ｍｍ程度に小型，軽量化し、損傷しにくい堅牢なものにでき、取り扱いの容易化および省スペースを図ることができる。また、測温体２が耐薬品性をもつテフロン（登録商標）で被覆されるので、強アルカリ，熱リン酸，フッ化水素などの腐食性の液体中の超音波も測定することができ、半導体ウェハの薬液浸漬超音波洗浄における超音波エネルギーを測定・管理するなどの新たな用途も拓ける。
【００１６】
図４は、半導体ウェハの洗浄に用いられる図３（Ａ）と同様の超音波ノズル８から噴出される水中の超音波の振動エネルギーを、図示の如くノズル先端から夫々５０，１００，１５０ｍｍ離れた位置に設けた検出部１１で測定した結果を示している。検出部１１は、サーミスタからなる測温体１０を、超音波吸収材料であるテフロン（登録商標）９で被覆してなる。超音波の振動エネルギーは、測温体１０の出力する電気信号をテフロン（登録商標）９の温度に換算して縦軸にプロットしている。図から明らかなように、振動エネルギーは、ノズル先端から略４０ｍｍの位置で１６０℃のピークに達した後、漸減し、１３０ｍｍ以遠ではノズルから噴射される水の温度である２０℃になる。このような超音波の振動エネルギーの測定によって、超音波洗浄が所定の条件で行なわれているか否かを確かめ、超音波ノズルの出力を適正値に調整して、良好な洗浄管理を行なうことができる。
【００１７】
図５は、本発明の超音波測定装置と、比較例としての従来の圧電素子を用いた超音波測定装置との長所，短所を一覧に纏めた図表である。石英ガラスの受信棒と振動−電圧変換を行なう圧電素子を用いた比較例は、オシロスコープ等で振動波形を直接観察できる利点があるが、圧電素子の寸法が大きく，値段が高いうえ、受信棒が割れやすくて取り扱いにくく、フッ化水素酸などを含む液中の超音波を測定できないという欠点がある。一方、本発明のＡ樹脂（ＥＶＡ）で被覆した測温体用いたものは、検出部の寸法が小さく取り扱い易いうえ、値段が安いという利点があるが、振動波形が直接観察できず、耐熱性に劣るため高振動エネルギーの領域が測定できないと言う欠点がある。また、本発明のＢ樹脂（テフロン（登録商標））で被覆した測温体を用いたものは、振動波形が直接観察できないという欠点があるものの、検出部の寸法が小さく、取り扱いが容易で、値段も安く、耐熱性に優れて高振動エネルギー領域でも測定ができるという利点がある。
なお、測温体である熱電対の線径は、振動に抗する剛性が必要なので、１ｍｍ程度以上が好ましい。
【００１８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１の超音波測定装置は、超音波の振動エネルギーを吸収して、熱エネルギーに変換する超音波吸収材料によって、測温体を被覆してなるので、超音波エネルギーを電気エネルギーに直接変換する圧電素子を用いた従来の超音波測定装置に比して、同等の測定精度を維持しつつ、小型かつ軽量なうえ損傷しにくくて取り扱い易く、安価に製造することができる。
【００１９】
請求項２の超音波測定装置は、上記超音波吸収材料に耐薬品性，耐熱性をもつテフロン（登録商標）系の合成樹脂を用いているので、強アルカリ，熱リン酸，フッ化水素酸などの液体中の超音波も測定できるとともに、超音波振動エネルギーが大きくて超音波吸収材料の発熱が大きくなる場合や、液体温度が高い場合にも、溶融したり変形することなく確実に超音波の強度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波測定装置の一実施形態を示す大略ブロック図である。
【図２】図１の検出部が置かれる周囲環境を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は超音波の振動エネルギーを測定する際の装置配置を、図３（Ｂ）は本発明の測定装置で得られた測温体の計測温度と超音波の設定出力値との関係を、図３（Ｃ）は従来の圧電素子を用いた測定装置で得られた測温体の計測温度と超音波の設定出力値との関係を夫々示す図である。
【図４】半導体ウェハの洗浄に用いられる図３（Ａ）と同様の超音波ノズル８から噴射される水中の超音波の振動エネルギーの噴射方向に沿う分布を示す図である。
【図５】本発明の超音波測定装置と、比較例としての従来の圧電素子を用いた超音波測定装置との長所，短所を一覧に纏めた図表である。
【符号の説明】
１，９　超音波吸収材料
２，１０　測温体
３，１１　検出部
４　表示部
５　液体
６　真空泡
７　音圧場
８　超音波ノズル
【図１】
2004085368.tif 000003
【図２】
2004085368.tif 000004
【図３】
2004085368.tif 000005
【図４】
2004085368.tif 000006
【図５】
2004085368.tif 000007