(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２００ｋＨｚ以上の超音波振動を発生する振動子と、
前記振動子と結合して前記超音波振動を外部負荷に導く導波体と、
前記導波体を冷却する冷却手段とを有する超音波励振装置であって、
前記冷却手段は、前記導波体の内部に形成されて冷却用流体が流入する空洞部を有し、
前記空洞部は、前記超音波振動の進行方向における寸法が前記冷却用流体の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍であり、かつ、
前記導波体の前記振動子を有する上面から前記空洞部の上端部までの大きさ及び前記空洞部の下端部から前記導波体の前記上面と対向する底面までの大きさが前記導波体の素材の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍であること
を特徴とする超音波励振装置。
【請求項２】
前記空洞部は、直方体状または立方体状であって、前記振動子に対して前記超音波振動の進行方向に垂直な二方向において平行に形成されていること
を特徴とする請求項１記載の超音波励振装置。
【請求項３】
前記導波体の外周面は面一であること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波励振装置。
【請求項４】
前記導波体は、ジュラルミン、ステンレス、石英、アルミニウム、アルミニウム合金、タンタル、チタンから選択する１の素材からなること
を特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１記載の超音波励振装置。
【請求項５】
前記導波体は、前記超音波振動の進行方向における寸法が前記導波体の素材の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍の大きさを有し、
前記振動子、前記導波体及び前記外部負荷の音響インピーダンスをそれぞれ、Ｒｍａ1、Ｒｍａ2及びＲｍａ3としたときに次式
Ｒｍａ1＜Ｒｍａ2＜Ｒｍａ3
を満たすこと
を特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１記載の超音波励振装置。
【請求項６】
前記振動子を囲繞する密閉ケースを有すること
を特徴とする請求項１乃至請求５のうちいずれか１記載の超音波励振装置。
【請求項７】
洗浄用流体を貯留する処理槽と、前記洗浄用流体を励振する超音波励振装置とを備えた超音波洗浄装置であって、
前記超音波励振装置は、２００ｋＨｚ以上の超音波振動を発生する振動子と、
前記振動子と結合して前記超音波振動を前記洗浄用流体に導く導波体と、
前記導波体を冷却する冷却手段とを備え、
前記冷却手段は、前記導波体の内部に形成されて冷却用流体が流入する空洞部を有し、
前記空洞部は、前記超音波振動の進行方向における寸法が前記冷却用流体の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍であり、かつ、
前記導波体の前記振動子を有する上面から前記空洞部の上端部までの大きさ及び前記空洞部の下端部から前記導波体の前記上面と対向する底面までの大きさが前記導波体の素材の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍であること
を特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項８】
洗浄用流体を連続的に供給するとともに、前記洗浄用流体が噴出するノズルを有するシャワー装置と、前記洗浄用流体に超音波振動を付与する超音波励振装置とを備えた超音波洗浄装置であって、
前記超音波励振装置は、２００ｋＨｚ以上の超音波振動を発生する振動子と、
前記振動子と結合して前記超音波振動を前記洗浄用流体に導く導波体と、
前記導波体を冷却する冷却手段とを備え、
前記冷却手段は、前記導波体の内部に形成されて冷却用流体が流入する空洞部を有し、
前記空洞部は、前記超音波振動の進行方向における寸法が前記冷却用流体の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍であり、かつ、
前記導波体の前記振動子を有する上面から前記空洞部の上端部までの大きさ及び前記空洞部の下端部から前記導波体の前記上面と対向する底面までの大きさが前記導波体の素材の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍であること
を特徴とする超音波洗浄装置。
【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、工業用としてシリコンウェーハ等の洗浄に用いられる超音波励振装置、特に、駆動周波数が２００ｋＨｚ以上の超音波励振装置及び前記超音波励振装置を備えた超音波洗浄装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような高い周波数帯域を利用した超音波洗浄装置は、サブミクロンのパーティクル（ｐａｒｔｉｃｌｅ）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など、超精密洗浄が可能であることから従来より開発が進められ、実用化されている。
【０００３】
従来のこの種の超音波洗浄装置として、例えば、図６に示す洗浄槽タイプのものがある。図６に示す超音波洗浄装置は、特開平１０−９４７５６号公報において開示されているものである。
【０００４】
図６は、従来の超音波洗浄装置を示す一部断面を含む側面図であり、図７は、従来の超音波洗浄装置が備える従来の超音波振動発生部を示す斜視図である。以下、図６及び図７を参照して従来の超音波洗浄装置（超音波励振装置を含む）について説明する。
【０００５】
図６に示すように、従来の超音波洗浄装置１１０は、洗浄用流体として、例えば、純水１０１を貯留するとともに被洗浄物を収容する処理槽１０２と、前記処理槽１０２の底部に装着された超音波振動発生部１０３とを備えている。
【０００６】
図７にも示すように、超音波振動発生部１０３は、略直方体状の導波体１０５と、矩形板状に形成され、前記導波体１０５に対して接着剤等により結合された振動子１０４とを有し、前記導波体１０５側が接液する状態で前記処理槽１０２の底部に形成された開口部１０２ａに挿通されている。前記導波体１０５には、全周にわたってフランジ部１０５ａが形成されており、前記フランジ部１０５ａと前記処理槽１０２の底部との間にパッキン１０６が介装されて処理槽１０２の底部に密着固定されている。前記パッキン１０６は、液密及び吸振部材として作用するものである。
【０００７】
前記振動子１０４は、ＰＺＴ（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ：圧電）素子等からなり、発振器１０７（図６参照）によって所定の駆動周波数の電圧が印加されると、この周波数の超音波振動を発生する。前記駆動周波数は、極めて高く設定されており、例えば、１ＭＨｚになっている。前記振動子１０４及び前記導波体１０５からなる超音波振動発生部１０３と、前記発振器１０７とにより、超音波励振装置が構成されている。
【０００８】
前記導波体１０５は、例えば、ジュラルミンから形成され、厚さＨ、すなわち、振動子１０４から発生する超音波振動の進行方向における寸法が前記超音波振動の半波長（λ／２）の略整数倍、理想的にはちょうど整数倍に設定され、共振長になっている。そして、前記導波体１０５は、前記振動子１０４が発生する前記超音波振動に共振して前記純水１０１に超音波振動を導いて励振し、前記純水１０１中に浸漬されている被洗浄物、例えば、シリコンウェーハ（図示せず）が洗浄される。
【０００９】
ここで、前記半波長（λ／２）は次のように算出される。
λ／２＝Ｃ／２ｆ
ただし、
λ：１波長
Ｃ：ジュラルミンの音速度＝５．１５×１０5ｃｍ
ｆ：周波数＝１０6Ｈｚ
したがって、λ／２＝２．６ｍｍである。
【００１０】
従来の前記導波体１０５は、前記厚さＨが５３ｍｍに設定されている。つまり、半波長λ／２（約２．６ｍｍ）の約２０倍になっており、厚さＨの値が大きく設定されている。したがって、前記導波体１０５が比較的大きい音響インピーダンスを有しており、前記導波体１０５の上方に外部負荷として存在する前記純水１０１が何らかの原因によって不足して、液面１０１ａが前記導波体１０５の上面よりも下方に低下した場合でも、空焚き状態、すなわち、装置全体としての音響インピーダンスが低下して前記振動子１０４の振動が大きくなるとともに、実効出力が増大して発熱することを抑制可能なものになっている。前記導波体１０５の音響インピーダンスは、具体的には次式
Ｒｍａ1＜Ｒｍａ2＜Ｒｍａ3 ・・・（１）
ただし、
Ｒｍａ1：振動子１０４の音響インピーダンス
Ｒｍａ2：導波体１０５の音響インピーダンス
Ｒｍａ3：純水１０１の音響インピーダンス
を満たす状態に設定されている。
【００１１】
前記実効出力の増大を抑制する作用は、次の式から明らかである。
Ｐａ＝Ｖａ2／Ｒｍａ  ・・・（２）
Ｒｍａ＝Ｒｍａ1＋Ｒｍａ2＋Ｒｍａ3  ・・・（３）
ただし、
Ｐａ：実効出力
Ｖａ：印加電圧（一定）
Ｒｍａ：洗浄装置全体（純水１０１を含む）としての音響インピーダンス
【００１２】
すなわち、前記純水１０１が減少して、音響インピーダンスＲｍａ3の値がほぼゼロになっても、前記導波体１０５が所要の大きさの音響インピーダンスＲｍａ2を有することから、実効出力Ｐａが大きく増大することがない構成になっている。
【００１３】
また、前記フランジ部１０５ａには、前記導波体１０５を冷却する手段として、前記導波体１０５の長手方向に沿って一対の貫通孔１０５ｂが形成されている。前記貫通孔１０５ｂの一端には、それぞれ、ニップル１０８ａが螺合しており、他端側には、それぞれ、ニップル１０８ｂが螺合している。
【００１４】
そして、前記ニップル１０８ａに接続したチューブ１０９ａを通じて前記貫通孔１０５ｂ内に冷却用流体として、例えば、純水が供給されるとともに、前記ニップル１０８ｂに接続したチューブ１０９ｂを通じて、冷却用流体としての前記純水が排出される構成になっている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の前記超音波洗浄装置１１０は、以下のような利点を有している。
【００１６】
▲１▼前記導波体１０５の厚さＨが大きく設定されており、前記導波体１０５が比較的大きい音響インピーダンスを有している。したがって、前記導波体１０５の上方に外部負荷として存在する前記純水１０１が何らかの原因によって不足して、前記液面１０１ａが前記導波体１０５の上面よりも下方に低下した場合でも、空焚き状態、すなわち、装置全体としての音響インピーダンスが低下して前記振動子１０４の振動が大きくなるとともに、実効出力が増大して発熱することを抑制可能なものになっている。すなわち、前記振動子１０４を前記導波体１０５に固着している接着剤が劣化して剥離することや、前記振動子１０４自体が熱によって割れを生じることを防止することができるものになっている。
【００１７】
▲２▼前記導波体１０５の冷却手段として、前記フランジ部１０５ａに一対の貫通孔１０５ｂが形成され、純水等の冷却用流体を供給可能な構成を備えていることから、前記振動子１０４に悪影響を与える熱を可能な限り除去することができるとともに、一対の前記貫通孔１０５ｂは、前記導波体１０５から突出する状態に形成された前記フランジ部１０５ａに設けられていることから、前記導波体１０５が伝導する超音波振動に減衰等の悪影響を与えることがない構成になっている。
【００１８】
▲３▼空焚き防止のためにセンサー等からなるインターロック設備を設ける必要がないことから、保守が極めて容易なものになっている。
【００１９】
一方、近年、各種装置を設置するスペースの効率を向上させるために、装置自身の小型化が求められており、この点から前記超音洗浄装置１１０等の装置についても一層の小型化が検討されている。
【００２０】
しかしながら、従来の前記超音波洗浄装置１１０は、前記超音波励振装置を構成する前記導波体１０５の全周にわたって前記フランジ部１０５ａが形成されている。前記フランジ部１０５ａは、前記導波体１０５から突出する状態に形成されていることから、前記冷却手段を設ける部位としての利点を有する一方で、前記導波体１０５と前記処理槽１０２との取付部位が大きくなり、前記超音波洗浄装置１１０全体が大型化してしまう傾向がある。
【００２１】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、洗浄用流体が減少した場合でも、実効出力の増大を確実に抑制することができるとともに、伝達する超音波振動に減衰等の悪影響を与えずに、かつ、小型化を達成することができる超音波励振装置を提供することを目的とする。また、前記超音波励振装置を備え、装置全体の小型化を達成することができる超音波洗浄装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波励振装置は、２００ｋＨｚ以上の超音波振動を発生する振動子と、前記振動子と結合して前記超音波振動を外部負荷に導く導波体と、前記導波体を冷却する冷却手段とを有する超音波励振装置であって、前記冷却手段は、前記導波体の内部に形成されて冷却用流体が流入する空洞部を有し、前記空洞部は、前記超音波振動の進行方向における寸法が前記冷却用流体の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍であり、かつ、前記導波体の前記振動子を有する上面から前記空洞部の上端部までの大きさ及び前記空洞部の下端部から前記導波体の前記上面と対向する底面までの大きさが前記導波体の素材の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍であるものである。
【００２３】
また、前記空洞部は、直方体状または立方体状であって、前記振動子に対して前記超音波振動の進行方向に垂直な二方向において平行に形成されているものである。
【００２４】
また、前記導波体の外周面は面一である。
【００２５】
また、前記導波体は、ジュラルミン、ステンレス、石英、アルミニウム、アルミニウム合金、タンタル、チタンから選択する１の素材からなるものである。
【００２６】
また、前記導波体は、前記超音波振動の進行方向における寸法が前記導波体の素材の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍の大きさを有し、前記振動子、前記導波体及び前記外部負荷の音響インピーダンスをそれぞれ、Ｒｍａ1、Ｒｍａ2及びＲｍａ3としたときに次式Ｒｍａ1＜Ｒｍａ2＜Ｒｍａ3を満たすものである。
【００２７】
また、本発明の超音波励振装置は、前記振動子を囲繞する密閉ケースを有するものである。
【００２８】
また、本発明の超音波洗浄装置は、洗浄用流体を貯留する処理槽と、前記洗浄用流体を励振する超音波励振装置とを備えた超音波洗浄装置であって、前記超音波励振装置は、２００ｋＨｚ以上の超音波振動を発生する振動子と、前記振動子と結合して前記超音波振動を前記洗浄用流体に導く導波体と、前記導波体を冷却する冷却手段とを備え、前記冷却手段は、前記導波体の内部に形成されて冷却用流体が流入する空洞部を有し、前記空洞部は、前記超音波振動の進行方向における寸法が前記冷却用流体の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍であり、かつ、前記導波体の前記振動子を有する上面から前記空洞部の上端部までの大きさ及び前記空洞部の下端部から前記導波体の前記上面と対向する底面までの大きさが前記導波体の素材の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍であるものである。
【００２９】
また、本発明の超音波洗浄装置は、洗浄用流体を連続的に供給するとともに、前記洗浄用流体が噴出するノズルを有するシャワー装置と、前記洗浄用流体に超音波振動を付与する超音波励振装置とを備えた超音波洗浄装置であって、前記超音波励振装置は、２００ｋＨｚ以上の超音波振動を発生する振動子と、前記振動子と結合して前記超音波振動を前記洗浄用流体に導く導波体と、前記導波体を冷却する冷却手段とを備え、前記冷却手段は、前記導波体の内部に形成されて冷却用流体が流入する空洞部を有し、前記空洞部は、前記超音波振動の進行方向における寸法が前記冷却用流体の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍であり、かつ、前記導波体の前記振動子を有する上面から前記空洞部の上端部までの大きさ及び前記空洞部の下端部から前記導波体の前記上面と対向する底面までの大きさが前記導波体の素材の音速度に基づく前記超音波振動の半波長の整数倍であるものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１実施例として、洗浄槽タイプの超音波洗浄装置（超音波励振装置を含む）を図１及び図２を参照して説明する。
【００３１】
図１は、本発明の第１実施例である洗浄槽タイプの超音波洗浄装置を示す一部断面を含む側面図であり、図２は、本発明の第１実施例である洗浄槽タイプの超音波洗浄装置が備える超音波振動発生部を示す斜視図である。
【００３２】
図１に示すように、前記超音波洗浄装置１０ａは、洗浄用流体として、例えば、純水１を貯留するとともに、被洗浄物を収容する処理槽３と、前記処理槽３の底部に装着された超音波振動発生部５とを備えている。
【００３３】
図２にも示すように、前記超音波振動発生部５は、直方体状に形成された導波体９と、矩形板状に形成され、片面側で前記導波体９に対して接着剤等により結合された振動子７とを有している。
【００３４】
図１に示すように、前記超音波振動発生部５は、前記導波体９側が接液する状態で前記処理槽３の底部に形成された開口部３ａに挿通されており、面一状の前記導波体９の外周面９ａと前記開口部３ａの内縁３ｂとの間にパッキン１４が全周にわたって介装されて前記処理槽３の底部に密着固定されている。
【００３５】
前記パッキン１４は、液密及び吸振部材として作用するものであり、前記パッキン１４の界装位置、すなわち、前記超音波振動発生部５の前記処理槽３の底部に対する取付位置は、この場合、前記導波体９に形成された空洞部９ｃより下方に位置している。前記空洞部９ｃの詳細については、後述する。
【００３６】
前記振動子７は、発振器１２によって所定の駆動周波数の電圧が印加されると、この周波数の超音波振動を発生する。前記駆動周波数は、２００ｋＨｚ以上の極めて高い値に設定されており、本実施例では、１ＭＨｚになっている。前記振動子７及び前記導波体９からなる超音波振動発生部５と、前記発振器１２と、後述する前記導波体９の冷却手段とにより、超音波励振装置が構成されている。
【００３７】
前記導波体９は、前記振動子７が発生する超音波振動に共振し、前記超音波振動を前記純水１に導く部材として作用する。なお、本実施例では、前記導波体９は、前記超音波振動を前記純水１に伝達するのみであり、機械的に増幅する作用は有していないが、形状等を適宜変更して増幅機能をもたせてもよい。
【００３８】
前記導波体９は、ジュラルミンやステンレス鋼（ＳＵＳ）を素材として形成される。本実施例では、より好ましい例としてジュラルミンを使用している。また、前記導波体９は、従来の前記導波体１０５と同様に、厚さＨ、すなわち、前記振動子７から発生する超音波振動の進行方向における寸法が、前記導波体９の素材、この場合、ジュラルミンの音速度に基づいて計算される超音波振動の半波長（λ／２）の略整数倍、理想的にはちょうど整数倍に設定され、共振長になっている。
【００３９】
前記厚さＨは、従来の前記導波体１０５と同様に、本実施例においても５３ｍｍになっており、半波長λ／２（約２．６ｍｍ）の約２０倍に設定されている。すなわち、前記厚さＨを大きく設定することにより、前記導波体９が、比較的大きな音響インピーダンスを有するものになっている。また、前記導波体９の音響インピーダンスは、従来の前記導波体１０５と同様に、具体的には、前記式（１）を満たす状態に設定されている。
【００４０】
前記厚さＨの値は、前記導波体９の上方に存在する外部負荷としての前記純水１が有する音響インピーダンスとの関係や、伝達する超音波エネルギーの大きさ等に応じて任意に変更可能である。ちなみに、従来、本実施例のような高い周波数帯域では超音波エネルギーの浪費、つまり発熱量が大きく、例えば、半波長の２〜３倍の厚さにすることが限度であると常識的に認識されていた。
【００４１】
本実施例では、前記導波体９をジュラルミンを素材として形成しているが、ジュラルミンは、密度（ρ）が約２．８ｇ／ｃｍ3 であり、鉄やステンレス鋼と比較して約１／３になっている。すなわち、高い周波数の超音波振動に対して大変ロスの少ない材質であり、前記厚さＨを大きく設定した前記導波体９の素材として好適である。ただし、導波体として適用可能であり、ジュラルミンと同等、または、それ以下の密度を有する材質であれば使用可能であることはもちろんであり、例えば、石英、アルミニウム、アルミニウム合金等を使用してもよい。また、使用する洗浄用流体に対応して、導波体の材質の耐食性を大きくしたい場合には、例えば、タンタル、チタン等が使用可能である。
【００４２】
また、図２に示すように、前記導波体９の前記振動子７から発生する超音波振動の進行方向（前記厚さＨの方向）に対して直角な方向における寸法、すなわち、長さＬ及び幅Ｗは、本実施例では、それぞれ、１３６ｍｍ、４０ｍｍに設定されており、半波長λ／２（約２．６ｍｍ）のそれぞれ、約５２倍、約１５倍になっているが、前記長さＬ及び前記幅Ｗは、被洗浄物の大きさや前記処理槽３の大きさに応じて可変である。
【００４３】
すなわち、前記長さＬ及び前記幅Ｗは、例えば、前記振動子７の駆動周波数に２０ｋＨｚのように比較的低い周波数帯を使用するものと仮定すると、前記導波体９がポアソン（ｐｏｉｓｓｏｎ）比の影響によって横振動することを抑制するために、λ／３以下の大きさに設定する必要がある。また、前記長さＬ及び前記幅Ｗを大きく設定したい場合には、λ／３以下のピッチでスリットを形成し、あたかもλ／３以下の寸法の小さな導波体が互いに振動の影響を及ぼし合わない状態で結合したような形態をとる必要がある。これは、横振動の発生によって導波体自体で振動エネルギーが消費されることを防ぐとともに、横振動が伴わないきれいな縦振動を前記純水１に付与するためである。
【００４４】
一方、２００ｋＨｚ以上の極めて高い周波数、例えば、本実施例で設定している１ＭＨｚの駆動周波数では、前記ポアソン比の悪影響、すなわち、横振動の発生がないことが本願出願人による実験から確かめられており、前記導波体９の前記長さＬ及び前記幅Ｗは、理論的には、無制限に大きくすることができる。したがって、前記導波体９は、スリットを形成する必要がなく、前記長さＬ及び前記幅Ｗを任意に設定してλ／３以上の大きさにすることができるものになっている。
【００４５】
次に、本発明の超音波励振装置が備える前記導波体９の冷却手段について説明する。
【００４６】
図１及び図２に示すように、前記導波体９の厚さＨ方向の中央部には、前記導波体９の長手方向（前記長さＬ方向）に沿って、偏平直方体状の空洞部９ｃが前記振動子７から発生する超音波振動の進行方向と直交する状態で貫通している。前記空洞部９ｃは、幅方向（幅Ｗ0方向）及び長手方向（長さＬ方向）において、前記振動子７に対して平行に形成されている。
【００４７】
前記空洞部は９ｃは両端が蓋体９ｄ及び蓋体９ｅにより閉じられている。前記蓋体９ｄ及び前記蓋体９ｅは、例えば、ジュラルミン等から形成され、前記空洞部９ｃの両端部に溶接等により取り付けられている。
【００４８】
また、一方の前記蓋体９ｄには一対のニップル２８ａが螺合し、他方の前記蓋体９ｅには、一対のニップル２８ｂが螺合している。一対の前記ニップル２８ａには、それぞれ、チューブ３０ａが連通しており、前記ニップル２８ａ及び前記チューブ３０ａを通じて冷却流体として、例えば、純水が前記空洞部９ｃ内に供給されて流入する。また、一対の前記ニップル２８ｂには、それぞれ、チューブ３０ｂが連通しており、前記ニップル２８ｂ及び前記チューブ３０ｂを通じて、前記空洞部９ｃ内に供給された純水が排出される構成になっている。すなわち、前記空洞部９ｃ内に流入した冷却用流体が前記空洞部９ｃ内を流動することにより、前記導波体９の冷却が行われる構成になっている。
【００４９】
また、図２に示すように、給水側の前記チューブ３０ａは、ソケット３３ａから分岐しており、より太いホース３４ａを経て給水源から供給される純水を導く。また、排水側の前記チューブ３０ｂはソケット３３ｂによりまとめられており、他の太いホース３４ｂを経て使用後の冷却用流体、この場合、純水を排水する構成になっている。
【００５０】
なお、排水側の前記チューブ３０ｂを設けずに、前記空洞部９ｃから排出される純水を前記処理槽３内に注ぐ構成にしてもよい。この場合、前記処理槽３内に注がれた純水は、前記処理槽３の上縁から、いわゆるオーバーフロー方式で徐々に排出される。すなわち、他の給水設備を設ける必要がないことから、コストを低減することができる。
【００５１】
前記空洞部９ｃは、本実施例では、超音波振動の進行方向（前記導波体９の厚さＨ方向）における高さＨ0 が６．０ｍｍ、超音波振動の進行方向に直交する方向（前記導波体９の幅Ｗ方向）における幅Ｗ0 が、３６ｍｍに設定されている。また、前記導波体９の上面である前記振動子７を有する面から前記空洞部９ｃの上端部までの高さＨ1及び前記空洞部９ｃの下端部から前記導波体９の底面である前記上面に対向する面までの高さＨ2は、それぞれ、２３．５ｍｍになっている。
【００５２】
前記高さＨ1及び前記高さＨ2は、前記導波体９の厚さＨと同様に、前記導波体９の素材であるジュラルミンの音速度（５．１５×１０5ｃｍ）に基づいて計算される前記振動子７から発生する超音波振動の半波長λ／２（約２．６ｍｍ）の略整数倍、この場合、約９倍に設定されており、共振長になっている。
【００５３】
一方、前記空洞部９ｃの前記高さＨ0、すなわち、超音波振動の進行方向（前記導波体９の厚さＨ方向）における寸法については、前記空洞部９ｃ内に流入する冷却用流体、この場合、純水の音速度に基づいて計算される前記振動子７から発生する超音波振動の半波長λ／２の略整数倍、理想的にはちょうど整数倍になっている。
【００５４】
ここで、純水の音速度に基づく超音波振動の半波長（λ／２）は、次式により算出される。
λ／２＝Ｃ／２ｆ
ただし、
λ：１波長
Ｃ：純水の音速度＝１．５×１０5ｃｍ
ｆ：周波数＝１０6Ｈｚ
したがって、λ／２＝０．７５ｍｍである。
【００５５】
すなわち、前記空洞部９ｃの前記高さＨ0は、純水の音速度に基づいて計算される超音波振動の半波長（λ／２）の約８倍になっており、共振長に設定されている。
【００５６】
なお、前記空洞部９ｃの前記幅Ｗ0は、本実施例では、純水の音速度に基づく超音波振動の半波長（λ／２）の約４８倍になっているが、２００ｋＨｚ以上の極めて高い周波数、例えば、本実施例で設定している１ＭＨｚの駆動周波数では、ポアソン比の悪影響、すなわち、横振動の発生がないことから、前記導波体９の前記長さＬ及び前記幅Ｗと同様に任意に設定することが可能である。
【００５７】
また、本実施例では、前記空洞部９ｃは偏平直方体状に形成され、前記超音波振動の進行方向に垂直な二方向、すなわち、幅方向（幅Ｗ0方向）及び長手方向（長さＬ方向）において前記振動子７に対して平行になっているが、前記空洞部９ｃの前記振動子７に対する幅方向（幅Ｗ0方向）及び長手方向（長さＬ方向）における平行度は、プラスマイナス約３度以内に設定することが好ましい。
【００５８】
このように、超音波振動の進行方向における前記空洞部９ｃの寸法を前記空洞部９ｃ内を流れる冷却用流体の音速度から計算される共振長に設定することによって、前記導波体９の内部に前記空洞部９ｃが形成されて前記導波体９内に冷却用流体が存在しても、前記導波体９は前記振動子７が発生する超音波振動に効率よく共振し、洗浄用流体に超音波振動を付与することができる。
【００５９】
また、前記空洞部９ｃは、偏平直方体状の角穴に形成され、かつ、前記振動子７に対して、前記超音波振動の進行方向に垂直な二方向、すなわち、幅方向（幅Ｗ0方向）及び長手方向（長さＬ方向）において平行であることから、前記振動子７が発生する超音波振動の減衰や反射がなく、洗浄用流体に対して効率よく超音波振動を付与することができる。
【００６０】
なお、本実施例では、前記空洞部９ｃが偏平直方体状の角穴を一つだけ設けた構成になっているが、超音波振動の進行方向における大きさを前記空洞部９ｃ内に流入する冷却用流体の音速度から計算される共振長の寸法に設定し、かつ、前記振動子７に対して、前記超音波振動の進行方向に垂直な二方向、すなわち、幅方向（幅Ｗ0方向）及び長手方向（長さＬ方向）において平行に形成した直方体状または立方体状の角穴を複数設けてもよい。
【００６１】
また、前記空洞部９ｃを形成する位置、すなわち、前記導波体９の前記振動子７を有する面から前記空洞部９ｃの上端部までの高さＨ1及び前記空洞部９ｃの下端部から前記導波体９の底面である前記上面に対向する面までの高さＨ2は、前記導波体９を構成する素材の音速度に基づいて計算される超音波振動の共振長であれば、適宜可変である。
【００６２】
前記空洞部９ｃ等からなる冷却手段は、前記導波体９が自己共振することによって、高熱とはならないながらもある程度は熱を帯びることに対して設けられたものであり、前記空洞部９ｃを前記導波体９の内部に設けたことによって、前記導波体９に対する冷却効果が高く、前記振動子７に悪影響を与える熱を高効率で除去することができるものになっている。
【００６３】
次に、前記導波体９を励振する前記振動子７について説明する。
【００６４】
図２から明らかなように、前記振動子７の長さ及び幅は、前記導波体９の長さＬ、幅Ｗとほぼ等しく、厚みｔは、本実施例では、約２ｍｍに設定されている。
【００６５】
前記振動子７は、ＰＺＴ（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ：圧電）素子１６と、前記ＰＺＴ素子１６の上下両面に全面にわたって貼着された電極板１７及び電極板１８有し、前記ＰＺＴ素子１６と、上側の前記電極板１７の角部の一つが切除されている。そして、この切除部分において、下側の前記電極板１８が前記電極板１７との間に弧状の隙間２０を有する状態で上側、すなわち、前記電極板１７と同一平面上に折り返されて電極部１８ａになっている。
【００６６】
また、前記発振器１２（図１参照）から所定駆動周波数の電圧を印加するための２本の送電ワイヤ２２ａ及び送電ワイヤ２２ｂのいずれか一方ずつが、前記電極板１７の所定位置及び前記電極板１８の前記電極部１８ａに接続されている。
【００６７】
上述の構成からなる本発明の第１実施例である前記超音波洗浄装置１０ａは、前記発振器１２から印加された高周波の電圧により前記振動子７が励振され、超音波振動が発生する。そして、発生した超音波振動は、前記導波体９を介して前記処理槽３内の洗浄用流体である前記純水１に伝達されて前記純水１中に浸漬されている被洗浄物、例えば、シリコンウェーハ等が洗浄される構成になっている。
【００６８】
前記超音波洗浄装置１０ａは、例えば、以下のような効果を奏する。
【００６９】
▲１▼従来の前記導波体１０５と同様に、本発明の超音波励振装置が備える前記導波体９は、厚さＨが大きく設定されており、前記導波体９が前記式（１）を満たす比較的大きい音響インピーダンスを有している。したがって、前記導波体９の上方に外部負荷として存在する洗浄用流体としての前記純水１が何らかの原因によって不足して、液面１ａが前記導波体９の上面よりも下方に低下した場合でも、空焚き状態、すなわち、装置全体としての音響インピーダンスが低下して前記振動子７の振動が大きくなるとともに、実効出力が増大して発熱することを抑制することができる。すなわち、前記振動子７を前記導波体９に固着している接着剤が劣化して剥離することや、前記振動子７自体が熱によって割れを生じることを防止することができるものになっている。
【００７０】
▲２▼前記導波体９の内部に前記空洞部９ｃが形成され、純水等の冷却用流体を供給可能な構成を備えていることから、前記導波体９に対する冷却効果が高く、前記振動子７に悪影響を与える熱を高効率で除去することができる。また、前記空洞部９ｃは、超音波振動の進行方向における寸法が前記空洞部９ｃ内に流入する純水等の冷却用流体の音速度から計算される共振長に設定され、かつ、前記振動子７に対して、前記超音波振動の進行方向に垂直な二方向、すなわち、幅方向（幅Ｗ0方向）及び長手方向（長さＬ方向）において平行な直方体状の角穴になっていることから、前記導波体９は、前記振動子７が発生する超音波振動に効率よく共振するとともに、前記振動子７が発生する超音波振動の減衰や反射がなく、前記純水１等の洗浄用流体に対して高効率で超音波振動を付与することができるものになっている。
【００７１】
▲３▼前記導波体９の冷却手段である前記空洞部９ｃが前記導波体９の内部に形成され、前記導波体９の前記外周面９ａは面一になっていることから、前記導波体９と前記処理槽３との取付部位が小さく、前記超音波洗浄装置１０ａ全体の小型化が可能である。また、従来と同じ大きさの洗浄槽に取り付けた場合でも、洗浄槽内の有効体積を大きくすることができる。
【００７２】
▲４▼空焚き防止のためにセンサー等からなるインターロック設備を設ける必要がないことから、保守が極めて容易なものになっている。
【００７３】
次に、本発明の第２実施例として、前記第１実施例と同様の効果を奏するノズルシャワータイプの超音波洗浄装置について、図３及び図４を参照して説明する。
【００７４】
図３は、本発明の第２実施例としての超音波洗浄装置を示す一部断面を含む側面図であり、図４は、本発明の第２実施例としての超音波洗浄装置を示す一部断面を含む正面図である。ただし、図３及び図４において、第１実施例と同一または対応する構成部分については、同じ参照符号を用いて示している。また、以下の説明において、第１実施例と説明が重複する部分については省略して要部について説明する。
【００７５】
図３及び図４に示すように、本発明の第２実施例としての超音波洗浄装置１０ｂは、カバー４５内に前記超音波振動発生部５が内蔵されている。前記カバー４５は、内部空間が隔壁４５ａによって上下２層に隔てられ、前記超音波振動発生部５が備える前記振動子７が上層４７側に位置しており、前記導波体９が下層４８側に位置している。前記超音波振動発生部５は、前記カバー４５の側部４５ｃ及び前記隔壁４５ａの内縁４５ｄと、前記導波体９の前記外周面９ａとの間に前記パッキン１４が全周にわたって介装されて前記カバー４５に対して密着固定されている。前記パッキン１４は前記上層４７側の液密性を確保するとともに、吸振部材として作用するものであり、前記パッキン１４の界装位置、すなわち、前記超音波振動発生部５の前記カバー４５に対する取付位置は、この場合、前記導波体９に形成された前記空洞部９ｃより上方に位置している。
【００７６】
前記下層４８には、前記カバー４５の側部に設けられたソケット５０を通じて洗浄用流体、例えば、前記純水１が連続的に注入され、この注入された前記純水１に対して前記導波体９によって超音波振動が付与される。
【００７７】
超音波振動が付与された前記純水１は、カバー４５のノズル４５ｂから矢印Ｆ方向に噴出してシャワーとして供給される。前記ノズル４５ｂを含む前記カバー４５と、前記カバー４５内に前記純水１を連続的に供給するポンプ等（図示せず）とを、シャワー装置と総称する。
【００７８】
本発明の第２実施例としての前記超音波洗浄装置１０ｂは、被洗浄物、例えば、シリコンウェーハが前記ノズル４５ｂから噴出するシャワーにさらされて洗浄される構成になっている。前記超音波洗浄装置１０ｂにおいても、本発明の第１実施例としての前記超音波洗浄装置１０ａと同様の作用効果が得られる。
【００７９】
すなわち、例えば、
▲１▼前記導波体９の厚さＨが大きく設定され、前記導波体９の音響インピーダンスが前記式（１）を満たす比較的大きいものになっている。したがって、前記導波体９の外部負荷として存在する洗浄用流体としての前記純水１の供給量が不足した場合や、前記導波体９の下面、すなわち、振動面に沿って泡５３が溜まった場合でも、実効出力の増大による発熱を抑制することができる。
【００８０】
▲２▼前記導波体９の内部に冷却手段としての前記空洞部９ｃを有することから、前記導波体９に対する冷却効果が高く、前記振動子７に悪影響を与える熱を高効率で除去することができる。また、前記空洞部９ｃは、前記振動子７に対して前記超音波振動の進行方向に垂直な二方向、すなわち、幅方向（幅Ｗ0方向）及び長手方向（長さＬ方向）において平行な直方体状に形成され、超音波振動の進行方向における寸法が前記空洞部９ｃ内に流入する冷却用流体の音速度から計算される共振長になっていることから、前記振動子７が発生する超音波振動に対して前記空洞部９ｃ内の冷却用流体を含む前記導波体９全体が共振して、洗浄用流体に効率よく超音波振動を伝達することができる。
【００８１】
▲３▼前記導波体９の前記外周面９ａが面一であることから、前記導波体９と前記カバー４５との取付部位が小さく、前記超音波洗浄装置１０ｂ全体の小型化を達成することができる。
【００８２】
▲４▼空焚き防止のためにインターロック設備を設ける必要がないことから、保守が極めて容易である。
等の作用効果を奏するものになっている。
【００８３】
次に本発明の第３実施例として、投入タイプの超音波励振装置について図５を参照して説明する。
【００８４】
図５は、本発明の第３実施例としての投入タイプの超音波励振装置を示す一部断面を含む側面図である。ただし、図５において、第１実施例及び第２実施例と同一または対応する構成部分については、同じ参照符号を用いて示している。また、以下の説明において、第１実施例及び第２実施例と説明が重複する部分については省略して要部について説明する。
【００８５】
図５に示すように、本発明の第３実施例としての超音波励振装置１０ｃは、前記振動子７及び前記導波体９からなる前記超音波振動発生部５の下半分、すなわち、前記振動子７を含む部分を囲繞して液密性を保持する密閉ケース５５を有しており、前記導波体９の発振面が前記密閉ケース５５の外に露出した状態になっている。前記超音波励振装置１０ｃは、前記密閉ケース５５を含む前記超音波振動発生部５と、前記振動子７に所定周波数の電圧を印加する前記発振器１２と、前記導波体９の前記冷却手段とにより構成されている。
【００８６】
前記超音波励振装置１０ｃは、前記密閉ケース５５を含む前記超音波振動発生部５を前記処理槽３内の洗浄用流体、例えば、前記純水１中に投入して使用する構成のものである。そして、被洗浄物としてのシリコンウェーハ等を前記純水１に浸漬し、前記導波体９が伝達する超音波振動により前記純水１を励振することによって洗浄が行われる。
【００８７】
本発明の第３実施例としての前記超音波励振装置１０ｃにおいても、第１実施例及び第２実施例と同様の作用効果を得ることができる。
【００８８】
すなわち、前記導波体９の音響インピーダンスは、前記式（１）を満たす状態に設定されており、前記処理槽３内の前記純水１がほとんどない状態であっても、実効出力の増大による発熱を抑制することができるとともに、前記導波体９の内部に超音波振動の進行方向における寸法を冷却用流体の音速度から求まる共振長に設定した直方体状の前記空洞部９ｃを有することから、前記導波体９の共振にともなう熱を高効率で除去することができ、かつ、前記振動子７の超音波振動に対して前記空洞部９ｃ内の冷却用流体を含む前記導波体９全体が共振して、洗浄用流体に効率よく超音波振動を伝達することができる。また、前記導波体９の前記外周面９ａが面一であることから、前記超音波励振装置１０ｃ全体の小型化を達成することができるとともに、前記超音波振動発生部５を投入する前記処理槽３についても小型化が可能である等の作用効果を奏するものになっている。
【００８９】
なお、各実施例においては、冷却用流体として純水を用いているが、冷却に適し、かつ、超音波振動に対する共振に適した流体であれば、種々の流体を適宜使用可能である。また、各実施例においては、洗浄用流体として、純水を用いているが、洗浄の目的や被洗浄物の素材等に応じて、種々の洗浄用流体を使用することができる。
【００９０】
また、各実施例においては、前記導波体９が直方体状に形成されているが、例えば、円盤状など、設置するスペースの形状に応じて種々の形状を採用することができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超音波励振装置によれば、洗浄用流体が減少した場合でも、実効出力の増大を確実に抑制することができるとともに、伝達する超音波振動に減衰等の悪影響を与えずに、かつ、小型化を達成することができる。また、前記超音波励振装置を備えた本発明の超音波洗浄装置によれば、装置全体の小型化が可能であり、装置を設置するスペースを省スペース化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である洗浄槽タイプの超音波洗浄装置を示す一部断面を含む側面図である。
【図２】図１に示す超音波洗浄装置が備える超音波振動発生部を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２実施例としての超音波洗浄装置を示す一部断面を含む側面図であある。
【図４】本発明の第２実施例としての超音波洗浄装置を示す一部断面を含む正面図である。
【図５】本発明の第３実施例としての投入タイプの超音波励振装置を示す一部断面を含む側面図である。
【図６】従来の超音波洗浄装置を示す一部断面を含む側面図である。
【図７】図６に示す超音波洗浄装置が備える従来の超音波振動発生部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１              純水
１ａ            液面
３              処理槽
３ａ            開口部
３ｂ            内縁
５              超音波振動発生部（超音波励振装置）
７              振動子（超音波振動発生部）
９              導波体（超音波振動発生部）
９ａ            外周面
９ｃ            空洞部
９ｄ，９ｅ      蓋体
１０ａ            超音波洗浄装置（第１実施例）
１０ｂ            超音波洗浄装置（第２実施例）
１０ｃ            超音波洗浄装置（第３実施例）
１２              発振器（超音波励振装置）
１４              パッキン
１６              ＰＺＴ素子
１７，１８        電極板
２８ａ，２８ｂ    ニップル
３０ａ，３０ｂ    チューブ
４５              カバー
４５ａ            隔壁
４５ｂ            ノズル
４５ｃ            側部
４５ｄ            内縁
４７              上層
４８              下層
５３              泡
５５              密閉ケース
【図１】
0003809293.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003809293.tif 000005
【図５】
0003809293.tif 000006
【図６】
0003809293.tif 000007
【図７】
0003809293.tif 000008