特許 6397170 メガソニックエネルギー伝達システム及びその使用、並びに、洗浄装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6397170

(24)【登録日】2018年9月7日

(45)【発行日】2018年9月26日

(54)【発明の名称】メガソニックエネルギー伝達システム及びその使用、並びに、洗浄装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/304 20060101AFI20180913BHJP

   B08B 3/12 20060101ALI20180913BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/304 642E

   B08B3/12 B

【請求項の数】10

【外国語出願】

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-165925(P2013-165925)

(22)【出願日】2013年8月9日

(65)【公開番号】特開2014-45188(P2014-45188A)

(43)【公開日】2014年3月13日

【審査請求日】2016年7月4日

(31)【優先権主張番号】12181888.4

(32)【優先日】2012年8月27日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】591060898

【氏名又は名称】アイメック

【氏名又は名称原語表記】ＩＭＥＣ

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100081422

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 光雄

(74)【代理人】

【識別番号】100100479

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 三喜夫

(72)【発明者】

【氏名】ステフェン・ブレムス

(72)【発明者】

【氏名】パウル・メルテンス

【審査官】 柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００９８１９４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０６０１６８２１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１７０５８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０４３０９０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０００３７３７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平１１−１５４６５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２３１６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０２４８９４７０（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１３５１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５２３７３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１９９４６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

Ｂ０８Ｂ ３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一もしくは複数のメガソニック振動子であって、各振動子は超音波帯域幅内で単一の動作周波数を有し、一つ以上の行で配列された圧電素子の２つ以上のグループを備える、メガソニック振動子と、
上記超音波帯域幅内の周波数で１つ以上の振動子を駆動するメガソニック発生器手段であって、各圧電素子に関して実質的に同一の最大音圧を達成するように圧電素子の各グループに印加された電圧を変更する、メガソニック発生器手段と、を備え、
メガソニック発生器手段及びメガソニック振動子は、液体内に超音波を生成するように構成されて配列され、
圧電素子の幅及び長さは、５から２０ｍｍまでの範囲にあり、
各グループは、ほぼ同数の圧電素子を有し、
各グループの圧電素子に電圧を印加するパルスの継続時間が同じであり、パルスがオンの時間が各グループ間で重ならず、
発生器手段は、隣接した２つの圧電素子が同時に動作していないように形成されており、かつ、駆動用に使用されるパルス制御信号の全ての期間にわたり連続して音場を印加するために１つ以上の振動子を駆動し、
上記振動子は、少なくとも２行で配列された圧電素子の少なくとも４つのグループを備える、
メガソニックエネルギー伝達システム。

【請求項2】

互いから水平方向にずれて位置する２つの同一のメガソニック振動子を備えた、請求項１に記載のメガソニックエネルギー伝達システム。

【請求項3】

単一の動作周波数は８００ｋＨｚから５ＭＨｚまで変動する、請求項１又は２に記載のメガソニックエネルギー伝達システム。

【請求項4】

圧電素子は円形形状である、請求項１から３のいずれかに記載のメガソニックエネルギー伝達システム。

【請求項5】

液体に浸されている物品の表面を洗浄するための請求項１から４のいずれかに記載のシステムの使用。

【請求項6】

物品の表面を洗浄するための装置であって、
上記物品の洗浄液のための容器と、
上記洗浄液にメガソニックエネルギーを伝達するための請求項１から４のいずれかによるシステムと、
エネルギー伝達システムの２行以上の圧電素子に対して１５度から４５度までの入射角で物品表面を上記容器内で配置する手段と、
を備えた洗浄装置。

【請求項7】

洗浄液を加熱する手段をさらに備えた、請求項６に記載の洗浄装置。

【請求項8】

物品の表面を洗浄する方法であって、
請求項６又は７に記載の装置の容器内に物品を配置し、
上記容器を洗浄液で少なくとも部分的に満たし、
上記洗浄液にメガソニックエネルギーを伝達する、
ことを備えた洗浄方法。

【請求項9】

洗浄液の温度は１５℃から７０℃までの範囲内である、請求項８に記載の洗浄方法。

【請求項10】

物品は半導体ウェハあるいは医療用インプラントである、請求項８又は９に記載の洗浄方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体に浸されている物品の表面を清潔にするために使用することができる、メガソニックエネルギーを液体に伝達するためのシステムに関する。本発明は、さらに、例えば半導体ウェハ、医療用インプラント、船の部品等の、固体部あるいは物品の表面を洗浄するあるいは処理するための装置及び方法に関する。特に、本発明は、メガソニックシステム、及びこれを操作する方法に関し、それは、液体内のメガソニックエネルギーの使用を高める。

【背景技術】

【0002】

これに限定されないが水性の洗浄溶液のように、液体洗浄槽に浸した固体部品の音響洗浄は、当該技術においてよく知られた洗浄方法である。約２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの低い音波周波数で作動する超音波方法は、脆弱な構造への損傷あるいは表面のさらなる浸食を発生可能な激しくランダムなキャビテイションを引き起こすことが知られている。この問題への取り組みにおいて先行技術では、半導体ウェハ及び他の壊れやすい部品の処理及び洗浄において高周波数の超音波の利用に第１に注目した。これらの高周波数システムは、約６００ｋＨｚから約２ＭＨｚの、従来技術にて「メガソニック」と呼ばれる周波数範囲で作動する単一周波数の持続波システムである。米国特許３，８９３，８６９号は、洗浄液の容器内に、洗浄する表面を有する物品を浸す手段を備えたメガソニック装置を開示している。０．２〜５ＭＨｚの範囲の周波数で振動するのに適した振動子は、容器内に配置され、洗浄される表面に実質的に平行な超音波エネルギーのビームを生成するように位置決めされる。洗浄されたとき、物品は容器から取り除かれ、リンス液ですすがれる。その後、物品は清潔な空気の中で２５℃と３００℃との間の温度で乾かされる。利用可能システムの振動子は、能動素子として、単一の周波数持続波発生器によってその共振振動数で駆動される圧電セラミックあるいはポリマーを含んでいる。この能動素子は、電気エネルギーを音響エネルギーに、及びその逆に変換する。これは基本的に、２つの対向面に取り付けられた電極を有する一片の分極した物質であり、種々の方法にて切断して異なる波動モードを生成可能である。能動素子の厚さは、振動子の要求周波数によって決定される。また、振動子に関連する帯域幅の概念あるいは周波数の範囲が重要である。振動子の公称周波数は中央周波数であり、また基材に依存する。高減衰振動子は、中央周波数の上及び下の周波数に応答するであろう。現在、主としてシリコン半導体産業で使用されるメガソニック洗浄は、超音波洗浄よりも穏やかなキャビテイションとなり、低周波システムと比較して、洗浄される製品表面へのキャビテイション侵食及び表面損傷の可能性を著しく減じるかもしれない。超音波洗浄と同様に、メガソニック方法は、圧電素子で通常作製された振動子を使用する。キャビテイションは、液体中の泡（例えばガス気泡）の活性として一般的に知られ定義されている。このような活性は、液体中での泡の成長、振動、及び／又は崩壊を含んでいる。泡の振動は、安定したキャビテイションとして知られ、一方、泡の崩壊は瞬間的なキャビテイションとして知られている。瞬間的なキャビテイションの発生は、キャビテイションの周辺領域へ多量のエネルギーを放出可能である。このようなエネルギーは、例えば熱、衝撃波などの形態であるかもしれない。

【0003】

瞬間的なキャビテイションは、多くの技術分野に適用される。例えば音響化学では、超音波分野における崩壊する泡は、化学反応上で触媒効果を持っている。また、キャビテイションは、例えば超音波診断法におけるコントラスト・エンハンサーとして医学的利用においても使用される。しかしながら、キャビテイションの最もよく知られた適用の一つは、半導体基板のような基板表面からの粒子の除去かもしれない。メガソニックシステムは、技術的問題がないわけではない。メガソニックシステムの主な問題は、液体中の高周波数波の性質に関係があり、それは液体内の光線のように移動し、さらに、低周波数システムよりも高い減衰を示す。このビーム効果は、洗浄容器を音場で一様に満たすことを非常に困難にする。

【0004】

超音波もしくはメガソニックの振動子から出る音波は、圧電素子の表面に沿った複数のポイントから発し、それらは、円形波面とともに振動子から外部へ伝搬する。波が相互作用するところでは、強め合う及び弱め合う干渉領域があり、強め合う干渉点は、しばしば節と呼ばれる。振動子面の近くでは、大きな振動あるいは節があり、音場は非常にむらがある。これは、ニアフィールドあるいはフレネル帯として知られている。音場は、振動子から離れたファーフィールドあるいはフラウンホーファー・ゾーンではより一様であり、ここでは振動子の中央から生じるパターンにてビームが広がる。しかしファーフィールドにおいてでさえ、それは一様な波面ではない。

【0005】

米国特許６，１８１，０５１号は、液体へ超音波を伝達するシステムを開示し、このシステムは、
− １つ以上の超音波振動子であって、各振動子が超音波帯域幅内の動作周波数を有する超音波振動子と、
− 帯域幅内の周波数で振動子を駆動する超音波発生器手段であって、変調周波数で振幅変調され、時間の関数としての変調周波数を掃引する振幅変調周波数掃引手段を有する超音波発生器手段と、を備え、
この超音波発生器手段及び振動子は、液体内の超音波を調整した振幅を生成するように構成され配置されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国特許第３８９３８６９号明細書

【特許文献2】米国特許第６１８１０５１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

液体にエネルギーを伝達する現在のメガソニック方法及びシステムにおいて、幾つかの改良が既になされているけれども、キャビテイション及び／又は一様な音場におけるより良い制御を提供することによって、つまり洗浄液内のメガソニックエネルギーの使用を増すことによって、液体に浸した製品あるいは物品に引き起こされるキャビテイション浸食及び表面損傷を著しく低減もしくは排除する必要が技術的に未だ存在する。

【0008】

本発明の目的は、システムの動作中に音場均一性のより良い制御を提供することによって洗浄される製品にもたらされる表面損傷が著しく低減もしくは除去される、洗浄方法及びシステムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の洗浄方法及びシステムは、メガソニック発生器手段によって駆動されて圧電素子の２以上の行を有する１以上のメガソニック振動子を有し、液体にメガソニックエネルギーを伝達することに基づいている。第１の態様において本発明は、そのようなシステムで洗浄される製品にもたらされるかもしれない表面損傷が、伝達される音場の均一性を改善することによって、例えば、振動子から来る音波の干渉効果のため音圧差を最小にすることによって、著しく低減もしくは除去することができるという驚くべき発見に基づく。このことは、例えば、ウェハ移動後に達成された最大の音圧がウェハの各位置で同一もしくは実質的に同一であるように、圧電素子の各グループに印加する電圧を二者択一的にあるいは連続的に変更するメガソニック発生器手段を適合することによって達成可能である。好ましくは、発生器手段は、上述の駆動用に使用されるパルス制御信号の全部の期間にわたり音場を連続して印加するために１つ以上の振動子を駆動することに適している。より好ましくは、液体中の溶解ガス濃度に依存するパルスオフ時間がパルスオン時間の３〜４倍であってもよい。

【0010】

第２の態様において本発明は、そのようなシステムで洗浄される製品にもたらされるかもしれない表面損傷が、振動子の圧電素子間の相互作用あるいは干渉をさらに最小にすることによって、例えば圧電素子用の適切な形状を選択することによって、著しく低減もしくは除去することができるという驚くべき発見に基づく。このことは、振動子の圧電素子の各行と、洗浄すべき固体基板あるいは物品の表面との間の距離変化のため、音圧差を最小にするような方法で互いに相対的に位置決めされた円形形状の圧電素子を使用することによって達成可能である。また、洗浄される製品の速度は、その製品がその全ての表面にわたり実質的に均一な音圧にさらされるような方法で好ましくは適用され、例えば約３２ｍｍ／ｓの最大製品速度である。

【0011】

本発明の各態様では、圧電素子は圧電セラミックあるいはポリマーから作製可能である。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、連続して操作される個々の圧電素子の４つのグループ（■、●、○及び◆として示された）から構成される振動子の略図を示し、この発明のシステムの一実施形態による個々の圧電素子の各タイプに対応する電圧−時間グラフとともに示す。この具体的ケースでは、４行の圧電性素子を示している。

【図2】図２は、この発明のシステムの一実施形態による円形の圧電素子に対応する電圧−時間グラフとともに、連続して操作される円形の圧電素子の４つのグループを備えた振動子の略図を示す。ここで、４つのグループは２行に並べられている。

【図3】図３は、この発明の一つの実施形態による装置によって洗浄されるウェハの表面に対して圧電素子を備えた振動子の空間的配置を示す。

【図4】図４は、連続して操作される振動子の４つのグループの圧電素子を有するウェハ表面での直線状のウェハ走査後の最大正規化圧力を示す。

【図5】図５は、連続して操作される各振動子の４つのグループの圧電素子を有するウェハの表面での直線状のウェハ走査後の最大正規化圧力を示す。洗浄均一性をさらに改善するため、２つの（水平にシフトした）振動子が使用される。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の第１態様の広い実施形態は、請求項１に定義されるような液体にメガソニックエネルギーを伝達するためのシステムに関する。即ち、このシステムは、
− 一つもしくは複数のメガソニック振動子であって、各振動子は圧電素子の２つ以上の行を備え、超音波帯域幅内の単一の動作周波数を有するメガソニック振動子と、
− 上記帯域幅内の周波数で１つ以上の振動子を駆動するメガソニック発生器手段と、を備え、このメガソニック発生器手段及び振動子は、液体内で超音波を生成するように構成されて配置され、メガソニック発生器手段は、それぞれ個々の及びグループ化された圧電素子に関して実質的に同一の最大音圧を達成するように、圧電素子の各グループに印加される電圧を変更するのに適している。

【0014】

当業者によって容易に確認可能なように、種々の具体的な実施形態は、本発明による、液体にメガソニックエネルギーを伝達するシステムのこの広い定義内にあると理解可能である。そのような実施形態及び好ましい実施形態の幾つかの非限定の例が以下に記述されている。

【0015】

システムの最初のパラメーターは、本発明のシステム内の圧電振動子を構成する圧電素子の性質、形状、及び配置である。各メガソニック振動子の圧電素子に適している圧電材料は、以下のものを含むが、これらに限定されない。
− チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、及びメタニオブ酸鉛（ＰｂＮｂ_２Ｏ_６）のような圧電セラミック；
− ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）及びポリ（フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン、及びテトラフルオロエチレン）共重合体、ポリアミド（奇数のナイロン、例えばナイロン−５、ナイロン−７、ナイロン−１１）、脂肪族及び芳香性のポリ尿素のような圧電半結晶性重合体。このような材料の詳細は、J.S. Harrison等によるＮＡＳＡの報告書Ｎｏ．２００１−４３で見つけることができ、その内容は参考としてここに組み込まれる。当業者に既に知られているように、液体の低音響インピーダンス及びセラミックスの高インピーダンスのため、圧電素子によって生成された音響エネルギーのほんの少しのみが伝搬媒体へ伝達される。よって、圧電半結晶性重合体がより液体の低音響インピーダンスに調和する；
− 圧電複合材料、例えば、互いに平行に配列されエポキシ樹脂マトリックスに埋め込まれるセラミック棒（例えばＰＺＴ）から成るもの。

【0016】

適切なあるいは最適な圧電材料は、次のものに限定されないが、音響インピーダンス、共振周波数、結合係数（厚さモード及び放射状モードの両方）、相対的誘電性、機械的安定性、及び最高動作温度のような物理的性質の組み合わせに基づいて当業者によって適切に選択されてもよい。驚いたことではないが、圧電素子つまり材料の主な要求は、ここで以下に規定するように、またおそらく動作温度を考慮に入れて、本発明の振動子に関して求められる超音波帯域幅内の共振周波数に達するための容量である。圧電素子つまり材料の第２の好ましい要求は、種々の形状及びサイズに形成するための、並びに高温で収縮または壊変することなく規定の形状を維持するための容量である。しかしながら、本発明の洗浄方法において、あるいは本発明の洗浄装置との組み合わせにおいて使用される洗浄液は、通常、水溶液であることから、圧電材料が上に列挙した全ての材料に合う条件の約８０℃の動作温度に耐えることは通常十分である。

【0017】

本発明のシステムで使用される圧電メガソニック振動子を構成する圧電素子は、正方形、長方形、台形、円形、楕円、卵形などのような異なる形状であってもよい。しかしながら、振動子圧電素子の形状の選択は、システムの効率において重要でないわけではない。特に、適切な形状の選択は、振動子の圧電素子と、洗浄される固体基板あるいは物品の表面との間の距離変化のため、音圧差を最小化し、その結果として上記表面への損傷を回避して洗浄効率を改善することが可能かもしれないことが分かった。

【0018】

例えば、円形の（円盤状）圧電素子がそれらの素子間の干渉を最小化するために選ばれ、結果として生じる振動子設計は、また圧電物質の行と固体の物品（例えば半導体ウェハ）表面との間の距離変化を低減する。この概念の代表的な実施形態は、請求項７に規定されている。

【0019】

本発明のシステムで使用される圧電メガソニック振動子を構成する圧電素子は、上で概説したような形状を考慮に入れながら、幅及び長さのように異なる寸法を示しても良い。圧電素子の形状が何であっても、圧電素子の各寸法（例えば幅と長さ）は、それぞれ５〜２０ｍｍの範囲内にあることが好ましい。好ましい実施形態では、この発明で使用される円形の圧電素子は、５から２０ｍｍまでの範囲内の直径を有している。例えば、各寸法（例えば幅及び長さ、あるいは直径）は、７から１８ｍｍまで、より詳しくは１０から１５ｍｍまでであってもよい。この概念の代表的な実施形態は、請求項８に規定されている。

【0020】

本発明のシステムで使用される圧電メガソニック振動子を構成する圧電素子は、異なる配置を示してもよい。円形の圧電素子が選ばれた場合、２行に配列された４つにグループ化された圧電性素子を含む図２に示すような配置が干渉を最小化し、音場圧力の均一性を改善することができ、それによって、洗浄される表面への損傷を回避／低減するということが驚くことに分かった。下側素子の行は上側素子から幾何学的にずれている。

【0021】

本発明のシステムの重要な特徴は、超音波帯域幅内の単一の動作周波数を有し、上に記述したようなその特定の全ての実施形態を含む圧電振動子である。単一の動作周波数は、８００ｋＨｚから５ＭＨｚまで及ぶのが好ましい。例えば、単一の動作周波数は９００ｋＨｚから２ＭＨｚまで及んでも良い。この種の代表的な実施形態は、請求項６で規定されている。

【0022】

本発明のシステムの別の重要な特徴は、圧電素子の各グループに関して実質的に同じ最大の音圧を達成することである。この特徴は、次のものに限定されないが、当業者に知られている測定技術、つまり液体内で音圧を測定する、あるいは液体内で洗浄される物品から汚れ粒子がどの程度、移動（例えば割合）するかを測定するような測定技術を使用することにより、チェックあるいはモニターすることができる。

【0023】

本発明の第１態様の具体的な実施形態は、請求項２で規定するような、液体にメガソニックエネルギーを伝達するためのシステム、つまり駆動用に使用されるパルス制御信号の全部の期間にわたり音場を連続して適用するために、メガソニック発生器手段が１つ以上の振動子を駆動するのに適しているシステムに関する。このような実施形態は、以下に説明するように、図１、図２及び図４に概略的に示されている。連続した音圧適用のためにメガソニック発生器手段を適用する異なる方法は、圧電素子の各グループに印加する電圧の連続変更のように、当業者の知識内にある。このことは、例えば、限定されないが以下に記述する好ましい実施形態のように、パルス信号の全部の期間中の連続の数及び継続時間を予め決定することを含む。

【0024】

本発明の第１態様の別の実施形態は、請求項３で規定するような、液体にメガソニックエネルギーを伝達するシステム、即ち、隣接した２つの圧電素子が同時に作動していないようにメガソニック発生器手段が適用されるシステムに関する。そのような特別の実施形態は、例えば図１に概略的に示されている。

【0025】

本発明の第１態様の別の実施形態は、請求項４で規定するような、液体にメガソニックエネルギーを伝達するためシステム、即ち、少なくとも２つのメガソニック振動子が、好ましくは２つの同一のメガソニック振動子が互いから水平方向にずれているものを備えたシステムに関する。このような実施形態は、図５に概略的に示されている。水平にずれた（図５の実施形態において第１の振動子から０．５〜５ｍｍの距離によって）第２の振動子を組み込むことによって、縦線形のウェハ走査後に得られた最大音圧は、実質的に均一であることがわかり、よって、洗浄される表面への損傷を回避しながら洗浄効率を再度改善する。２つの振動子間で比較的大きな（少なくとも２０ｍｍ）垂直方向の分離がなされるならば、少なくとも２つの振動子の相互作用が無視されるかもしれない。

【0026】

本発明の第１態様の別の実施形態は、請求項５で規定するような、液体にメガソニックエネルギーを伝達するシステム、即ち、少なくとも２つのメガソニック振動子が、好ましくは２つの同一のメガソニック振動子が互いから水平方向にずれており、かつ、水平方向のずれが単一の振動子システムに対して音場の均一性を改善するのに適しているものを備えたシステムに関する。当業者は、音場の均一性を正確に測定しあるいは観察し、そしてその結果として、１つのメガソニック振動子から他の振動子までの水平方向のずれを変更あるいは修正することにより達成される改善レベルをチェックするための手段を知っている。そのような構造は、より複雑で、従って、より高価になるかもしれないが、１つを超えるメガソニック振動子を有するこの実施形態は、３つ以上の振動子に一般化することができる。このように、当業者は、必要以上の経験をすることなく、メガソニック振動子間の水平方向のずれ量、及び経済的に最適な方法で実質的に音場の均一性を達成するのに必要な振動子の数を決定することができる。

【0027】

これらに限定されないが、圧電材料、動作超音波帯域幅、振動子数、圧電素子に印加される電圧変更タイプ（例えばシーケンス）、圧電素子の形状及びサイズのような上述した特別な実施形態の全てのタイプは、本発明の権利範囲から逸脱することなく任意に組み合わせることができる。

【0028】

本発明の別の態様は、液体に浸されている物品の表面を洗浄するための、その具体的な全ての実施形態を含む、上述したようなシステムの使用に関する。洗浄される物品は、例えば半導体デバイス、ウェハ、医療用インプラントなどの、さらに従来の（超音波以外の）方法によって適切に洗浄できないデリケートな物品であってもよい。そのような使用において参照される洗浄液は、好ましくは、主成分として水を含み、任意的に、限定されないが低級アルコール、例えばメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、及び同種のもののような動作温度で水と混和する１つ以上の有機もしくは無機の液体と組み合わせた水溶液である。水と混合された有機もしくは無機の液体の種類及び量は、結果として生じる洗浄液が腐食性でなく、動作温度で物品の表面あるいは圧電材料と化学的に反応しないようなものであるべきことは明らかである。上述の使用は、圧電素子の各グループに関して実質的に同じ最大の音圧が達成されるまで、圧電素子の各グループに印加される電圧を変更することによる本発明のシステムの動作を含む。任意的に、上述の方法は、圧電素子の各グループに関して最大音圧を測定するステップ、及び、圧電素子のあるグループから別のグループまでの最大音圧の差異が規定の許容差を超えるか否かを制御するステップをさらに含んでも良い。そのような測定ステップ及び許容差制御ステップによって、本発明のシステムの動作期間は、より正確に評価することができる。

【0029】

パルスの期間及び順序（sequence）は、洗浄効率を増すためのこの発明の重要なパラメーターである。

【0030】

パルシング（pulsing）は、洗浄溶液中の平均泡サイズを制御する方法である。音パルスがオンのとき、音圧及び溶解ガス濃度が十分に高ければ、泡は成長するだろう。パルスオフ時間（音場が存在しない）の間、泡内部の高い内部気体圧力のため、泡は溶けることができる。ガス濃度があまり高くない場合、泡はわずかに溶けるだろう。したがって、パルシングの使用によって（及びガス濃度を調整して）、洗浄液中の平均泡サイズを制御することができる。共振サイズに近い泡は、最大洗浄効率をもたらす瞬間的なキャビテイション状態（泡崩壊）に必要である。したがって、パルスオフ時間中、共振サイズよりも大きな泡は、共振サイズよりも小さな泡に溶けるに違いない。パルスオン時間中、泡は、共振半径を通り再び成長するに違いなく、このようにして、最大の泡活性及び洗浄効率が得られる。

【0031】

我々は、意外にも最適なパルスオフ時間が共振泡の溶解時間に対応するということを見いだした。したがって、最適なパルスオフ時間は、洗浄溶液中の溶解ガス濃度に依存する。より低い（より高い）ガス濃度は、より短い（より長い）最適パルスオフ時間に帰着する。例えば、１０５％の溶存酸素ガスに関して、最適パルスオフ時間は、約１５０〜２００ミリセカンドである。同じガス濃度について、最適なパルスオン時間が実験的に決定されており、パルスオン時間の１／４から１／３に相当する約５０ミリセカンドである。

【0032】

オン及びオフパルスの選択された期間のため、洗浄される対象物（例えばウェハ）の速度は、その対象物がその領域の全てに渡り実質的に均一な（同じ／一定）音圧にさらされるように規定される。その結果として洗浄効率は、また、その領域の全てに渡り一定である。例えば、５０ミリセカンドのパルスオン時間、及び１５０ミリセカンドのパルスオフ時間（水中における溶存酸素ガスが１０５％で）に関して、最大のウェハ速度は、約１０％の最大圧力非均一性が許容されるように設定可能である。この特定の例では、振動子は１５ｍｍの直径を有する円盤から成る。１５０ミリセカンドのパルスオフ時間中にウェハが移動したかもしれない最大の距離は、約４．７ｍｍ（１０％の最大の変化が得られる個々の圧電素子の圧力ピークの幅）であり、それは、４．７ｍｍ／１５０ｍｓ、つまり３１ｍｍ／ｓの最大のウェハ速度に相当する。他のガス濃度が使用される場合、最適なパルス時間及び最大の許可されるウェハ速度が相応して規定される。

【0033】

本発明のシステムの操作は、圧電素子を構成する物質の性質、及び洗浄される物品が浸された媒体の液体状態（すなわち沸点）に対応するいずれの動作温度でも行なうことができる。最適な動作温度の選択は、より高い温度が洗浄される基板表面に通常さらに損傷を与えるが、一方、より多くの泡が液体内で核となり／生成されることを考慮することによって、これら２つのファクターを適切にバランスするように妥協して、当業者によって行われても良い。実際には、水性媒体において、適切な動作温度は、１５℃から７０℃の範囲、例えば２０℃から５０℃の範囲であることが分かった。

【0034】

さらに、本発明の別の態様は、固体物品の表面を洗浄するのに適した他の部品と組み合わした部品のように、全ての具体的な実施形態を含む上に規定したようなシステムを備えたキットあるいは装置に関する。特に、この態様は、請求項１１に規定されるような、物品の表面を洗浄する装置の形態をとってもよい。この形態は、
− 上述の物品用の洗浄液用の容器と、
− 特定の実施形態のいずれか１つにおいて上に規定したような液体にメガソニックエネルギーを伝達するシステムと、
− エネルギー伝達システムの圧電素子の２つ以上の行に対して１５度から４５度までの入射角で、表面を有する物品を配置する、容器内の手段と、を備える。

【0035】

そのような装置は、図３に概略的に示されている。上述したようなメガソニックエネルギー伝達システムを操作することによって、即ち、適切な温度範囲（例えば、液体が水性媒体あるいは洗浄溶液である場合、１５℃から７０℃まで）で十分な時間、適切な電圧変化を印加することによって、損傷を与えることなく物品の表面を効率的に洗浄する有利な結果となる。

【0036】

本発明の装置は、洗浄液を保持する容器あるいはチャンバーを備える。この容器又はチャンバーは、超音波を維持しかつ動作時間の接触で傷つくことのない、洗浄液を受け入れるのに適したいずれの材料で作製されてもよい。そのような材料は、次のものに限定されないが、ステンレス鋼、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化エチレン−プロピレン共重合体、ポリ−ビニリデンフッ化物、ポリプロピレン、ポリエーテルケトン、チタン、アルミニウム、合金、などを含む。図３に示されるように、向かい合う固体物品（例えば半導体ウェハあるいは医療用インプラント）に、好ましくは洗浄されるその表面に適切な入射角で振動子の圧電素子を装着することによって、上述したように、実質的な音場の均一性、及び物品表面の効率的な洗浄が最も達成されることが驚いたことに分かった。本発明の好ましい実施形態では、この入射角は２０〜４０度、より好ましくは２５〜３５度である。平坦なあるいはほぼ平坦な面を有する固体物品には必要ではないかもしれないが、振動子の圧電素子の２つ以上の行に対して１５度から４５度までの入射角で物品表面を配置する手段は、起伏のある表面あるいは非平坦物品の表面と一致するように移動可能であってもよい。固体物品あるいは基板に対向してそのような入射角で振動子が装着される場合、圧電素子の各行と固体物品（例えばウェハ）との間の距離は異なる。そのような距離がより大きくなる場合、圧電素子間の相互作用が増加することが知られている。この圧電素子間の相互作用は最小化すべきであることから、例えば、上述したように適切な直径の円形圧電素子を選択することによる、振動子設計に注意を払うことが重要である。さらに加えて、上側素子の行、及び図２に示すように、上側素子から幾何学的にずれた下側素子の行を含む円形の圧電素子の構成を採用することが有用である。

【0037】

本発明の態様の特定の実施形態は、請求項１２で規定するような物品の表面を洗浄する装置に関し、この装置は、洗浄液を加熱する手段をさらに備える。求められた動作温度（例えば１５℃から７０℃まで）で洗浄溶液を装置へ供給するのが実際的かもしれないが、連続した方法のようなある環境では、洗浄溶液を所望の動作温度にすることが可能であるのが良いかもしれない、及び／又は、一定温度で維持することが可能である、あるいは予め規定した温度サイクルによって、もしくは必要なときに瞬間的な音の均一性制御の結果として、動作中、温度を変更することが可能である、のが良いかもしれない。

【0038】

さらに、本発明の別の態様は、請求項１３による固体物品表面を洗浄する方法に関する。この方法は、上述したようなシステム、即ち、特定の実施形態の全てに含まれ、圧電素子の２つ以上の行を備えた少なくとも１つの振動子と、物品用の洗浄液を保持する容器あるいはチャンバーとを有するシステムを備えた装置を含む。

【0039】

その方法は、
− 物品表面の本質的部分が振動子の圧電素子の２つ以上の行に対して１５度から４５度（好ましくは２０度から４０度まで、例えば２５度から３５度）までの入射角にあるような方法で容器内に固体物品を配置すること、
− 少なくとも部分的に上記容器を洗浄液で満すこと、
− その液体にメガソニックエネルギーを伝達すること、のステップを備える。

【0040】

入射角条件を満たすために、洗浄される固体物品表面の本質的部分が平坦あるいはほぼ平坦であるのが好ましい。洗浄される固体物品の表面は、突出部分を示すかもしれないが、その表面は、容器内への固体物品の配置を容易にするために、全体表面の大部分を超えるべきではない。本発明によれば、液体へのメガソニックエネルギーの伝達は、一方のグループから他方のグループまでの最大音圧における差を最小化する、減じる、あるいは除去するために、振動子の圧電素子の各グループに印加した電圧を変更することによって実行するのが好ましい。本方法の特別の実施形態では、上述したように連続する変更が全てのパルス期間にわたり適用される。

【0041】

本発明の洗浄方法は、固体の物品が上述の液体に完全に浸されるまで容器を洗浄液で満たすステップを好ましくは含んでいる。上述したように、洗浄液は好ましくは固体の物品に対して不活性である水溶液である。本発明の特定の実施形態では、その方法は、１５℃から７０℃までの範囲内の動作温度で行なわれてもよい。異なる動作温度で本発明の方法を実行可能とするために、この方法で使用される装置は、洗浄液を加熱する手段をさらに備えてもよい。その加熱手段を作動させることによって、温度を動作パラメーターとして使用する、即ち、予め規定した温度サイクルによって方法を実行する、又は、特に洗浄効率もしくは表面損傷が定期的あるいは連続的にモニターされ不適切であることが分かった場合に、洗浄工程の成果の結果として温度を調節する、ことが可能である。

【0042】

本発明の洗浄方法は、デリケートな部分もしくは品物が、従来の（超音波以外の）方法では適切に洗浄できない場合に、あるいは従来技術の超音波方法による洗浄中に許容できない表面損傷を被る場合に、特に有利である。

【0043】

以下の例は、本発明の限定されない種々の実施形態を単に説明する目的で提供されるもので、本発明の権利範囲を定義するように解釈されるべきではない。

【実施例1】

【0044】

この例は、■、●、○、及び◆としてそれぞれ示された個々の圧電素子の４つの行を備えた振動子を概略的に示す（図の上部）図１によって説明される。これらの圧電素子は、図の下部に示された、個々の圧電素子の各タイプの電圧−時間グラフに従って、９２８ｋＨｚの単一の動作周波数で、連続して操作される。水性の液体で使用されたとき、メガソニックエネルギー伝達システムのこの構造は、ユニークな音圧均一性を提供し、従って、そのような液体に浸されたデリケートな部分あるいは品物を洗浄するのに役立つことが認められた。

【実施例2】

【0045】

この例は、円形の圧電素子の４つの行を備えた振動子を概略的に示した図２によって説明され、各圧電素子は１５ｍｍの直径を有し、また上側素子の行、及び２ｍｍの距離により後ろのものからずれた下側素子の行にて配置されている。これらの圧電素子は、図の下部に示された電圧−時間グラフに従い、８００ｋＨｚから５ＭＨｚまでの範囲内のいずれかの単一の動作周波数で連続して操作されてもよい。水性の液体で使用されたとき、メガソニックエネルギー伝達システムのこの構造は、ユニークな音圧均一性を提供し、かつグループ間の干渉を最小化し、従って、そのような液体に浸されたデリケートな部分あるいは品物を洗浄するのに役立つことが認められた。

【実施例3】

【0046】

この例は、洗浄されるウェハ表面に対して圧電素子の２つ以上の行（上側素子及び下側素子として示された）を備えた振動子の空間的配置を示す図３によって説明される。この構造は、振動子の上部及び下部の圧電素子の行に対して約３０度の入射角にあるウェハ表面を示している。水性の液体で使用されたとき、この構造は、圧電素子間の相互作用を最小化可能であり、従って、そのような液体に浸されたデリケートな部分あるいは品物を洗浄するのに役立つことが認められた。

【実施例4】

【0047】

この例は、実施例１（１つの振動子）のシステムを操作した結果を示す図４によって説明される。図４は、縦線形ウェハ走査中のウェハ表面（Ｘ軸）での水平距離（ｍｍで表示）の関数として最大正規化音圧（Ｙ軸）の形態において、垂直ウェハ走査後の、音場の分布を示している。

【実施例5】

【0048】

この例は、実施例１のシステムに構成された２つの同一振動子を操作した結果を示す図５によって説明され、ここで第２の振動子は、第１の振動子から０．５〜５ｍｍにて水平方向にシフトされている。図５は、縦線形ウェハ走査中のウェハ表面（Ｘ軸）での水平方向距離（ｍｍで表示）の関数として最大正規化音圧（Ｙ軸）の形態において、全てのパルス期間にわたる、音場の分布を示す。この結果を単一振動子の状況（図４）と比較することによって、音圧均一性における一層の改良が得られたことを明らかに理解することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】