KR100986586B1 - 초음파 진동자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파발생장치의 구성요소인 초음파 진동자에 관한 것이다.
본 발명의 초음파 진동자는, 전원을 공급받아 진동하는 압전소자; 상기 압전소자가 삽입되어 부착되는 압전소자삽입홀이 형성되어 있되 압전소자가 진동하더라도 압전소자의 측면이 접촉되지 않는 크기로 형성되어 있는 진동출력몸체; 상기 진동출력몸체의 상부에 결합되어 진동출력몸체의 압전소자삽입홀을 차단하고, 압전소자에 전원을 인가하기 위한 전선이 연결되어 있는 하우징; 상기 진동출력몸체와 하우징 사이에 위치되어 압전소자삽입홀을 외부와 차단하는 패킹;을 포함하여 구성된다.
본 발명의 초음파 진동자는, 초음파가 고르게 출력되어 고른 음압분포를 얻을 수 있고, 이는 곧 반도체 기판의 세정 효과 등을 극대화할 수 있는 효과 등을 유발한다.

Description

초음파 진동자{THE ULTRASONIC OSCILLATOR}

본 발명은 초음파발생장치의 구성요소인 초음파 진동자에 관한 것이다.

초음파발생장치는 전원을 공급받아 진동을 발생시키는 초음파진동자 및 초음파진동자에 전원을 공급하기 위한 전원공급수단을 가지고 있다.

이러한 초음파발생장치는 세정을 위한 용도나 살균을 위한 용도 등으로 널리 사용되고 있다.

구체적인 예로 설명하면, 반도체 기판을 제조하는 공정은 증착, 리소그래피, 식각, 화학적 연마 및 기계적 연마, 세정, 건조 등과 같은 단위 공정들로 이루어진다.

이러한 단위 공정 중에서 세정공정은, 각각의 단위 공정을 수행하는 동안 반도체 기판의 표면에 부착되는 이물질이나 불필요한 막 등을 제거하는 공정이다.

최근 반도체 기판상에 형성되는 패턴이 미세화되고 패턴의 종횡비(aspect ratio)가 커짐에 따라, 점차 세정 공정의 중요도가 커지고 있는 실정이다.

초기에는 기판을 세정하기 위해서 세정액에 기판을 담갔다 꺼내는 방식이 많이 사용되었으나, 상술한 바와 같이 세정 공정의 중요도가 커짐에 따라 세정 장치의 구조에도 많은 발전이 이루어졌다.

최근에는 세정액에 기판을 담근 채 세정액에 수백 kHz 이상의 초음파 진동을 인가함으로써 세정 효율을 증대시키는 구조의 기판 세정 장치가 주로 사용되고 있다.

즉, 초음파를 사용하여 반도체 기판의 세정을 실시하고 있는 것이다.

그런데 종래의 초음파 진동자는 도 1과 같이 진동출력몸체(2) 중 압전소자(1)의 면적보다 큰 평면에 압전소자(1)가 부착되고, 그 위에 하우징(3)이 결합되며, 진동출력몸체(2)와 하우징(3) 사이에 패킹(4)이 위치된 형태로 구현되어 있었다.(하우징과 진동출력몸체는 볼트(5) 등에 의해 결합되어 있었음)

도 1과 같은 플레이트 타입의 초음파 진동자뿐만 아니라 도 2 및 도 3과 같이 진동출력몸체가 초음파출력연장부(2a)를 갖는 로드 타입의 초음파 진동자에서도 상기와 같은 구조로 되어 있었다.

이로 인해 도 4와 같이 초음파 진동자에 가까운 부근에서조차도 출력되는 초음파의 강도가 균일하지 못하여 도 5와 같은 음압분포를 나타내고 있었으며, 이는 곧 초음파를 사용하는 목적(반도체 기판의 세정 등) 달성의 효과가 저하되는 문제점으로 연결되고 있었다.

구체적인 예로 설명하면, 초음파를 이용한 세정은 입자 가속도와 초음파의 캐비테이션(cavitation) 현상에 의해 이루어진다.

캐비테이션 현상은 초음파가 용액 중에 전파될 때 초음파의 압력에 의해 마이크로미터(㎛) 크기이면서 진공상태인 미세한 기포가 생성된 후 폭발하면서 소멸되는 현상이 빠르게 반복되는 것을 의미하는데 캐비테이션 현상에 의해 발생된 기포가 폭발할 때 순간적으로 강한 충격파가 발생될 뿐만 아니라 높은 압력과 고온을 동반한다.

상기와 같이 캐비테이션 현상에 의해 발생되는 충격파에 의해서 용액 중에 담겨 있는 반도체 기판의 내부 깊숙한 곳까지 단시간 내에 세정이 이루어지도록 하는 것이 초음파를 사용한 반도체 기판의 세정방식이다.

그런데 종래의 초음파 진동자를 통한 초음파의 출력 강도가 도 4와 같이 초음파 진동자에 가까운 부근에서조차 불균일하기 때문에 반도체 기판의 손상을 방지하기 위해서는 가장 강한 출력을 기준으로 할 수밖에 없다.

즉, 가장 강한 출력에도 반도체 기판의 패턴이 손상되지 않도록 가장 강한 출력을 기준출력으로 설정할 수밖에 없고, 이로 인해 상대적으로 약한 출력을 보이는 부분에서는 세정력이 매우 낮아질 수밖에 없으므로 초음파를 사용한 세정의 효과가 저하될 수밖에 없었던 것이다.

한편 종래의 초음파 진동자는 각각의 구성요소를 가공하는 것과 조랍하는 것에 불편한 문제점이 있었다.

또, 반도체의 기판 세정에 사용되는 것은 대부분 플레이트 타입의 초음파 진동자이고 진동출력몸체와 하우징 사이에 위치되는 패킹도 세정액에 투입되고 있어 패킹의 손상이 심하며, 이로 인해 세정효과도 저하되는 문제점이 있었다.

즉, 세정액에 의해 패킹이 녹고 이와 같이 패킹의 녹아내린 부분이 세정액에 포함되어 있게 되므로 세정효과가 저하되는 문제점도 있었던 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하려는 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파가 고르게 출력되어 고른 음압분포를 얻을 수 있음으로써 반도체 기판의 세정 효과 등을 극대화할 수 있는 초음파 진동자를 제공하려는데 목적이 있다.

본 발명에서는 진동출력몸체에 압전소자삽입홀을 형성하되 압전소자가 진동하더라도 압전소자의 측면이 접촉되지 않는 크기로 형성하고, 이 압전소자삽입홀에 압전소자를 부착하여 진동이 진동출력몸체의 측면으로 전달되는 것이 방지되고 하부로만 전달이 되어 초음파가 고르게 출력되고 이로 인해 고른 음압분포를 얻을 수 있도록 한다.

이러한 본 발명의 초음파 진동자는, 전원을 공급받아 진동하는 압전소자를 갖는다.

또, 압연소자가 삽입되어 부착되는 압전소자삽입홀이 형성되어 있되 압전소자가 진동하더라도 압전소자의 측면이 접촉되지 않는 크기로 형성되어 있는 진동출력몸체를 갖는다.

또, 진동출력몸체의 상부에 결합되어 진동출력몸체의 압전소자삽입홀을 차단하고, 압전소자에 전원을 인가하기 위한 전선이 연결되어 있는 하우징을 갖는다.

또, 진동출력몸체와 하우징 사이에 위치되어 압전소자삽입홀을 외부와 차단하는 패킹을 갖는다.

본 발명의 초음파 진동자는 압전소자, 진동출력몸체, 하우징, 패킹으로 이루어져 있는데 상기 진동출력몸체에 압전소자삽입홀이 형성되고 압전소자삽입홀에 압전소자가 부착되어 있으며, 압전소자가 진동하더라도 압전소자의 측면이 압전소자삽입홀에 접촉되지 않도록 되어 있다.

압전소자에서 발생하는 진동의 출력이 압전소자삽입홀의 측면으로 전달이 되지 않는 구조로 되어 있어서 압전소자에서 출력되는 진동이 측면으로 전달된 후 다시 돌아오는 반사 출력이 발생하지 않는다.

이로 인해 초음파가 고르게 출력되어 고른 음압분포를 얻을 수 있는 초음파 진동자를 제공할 수 있으며, 이는 곧 반도체 기판의 세정 효과 등을 극대화할 수 있는 효과를 유발한다.

도 1은 종래 플레이트 타입 초음파 진동자의 분해 사시도
도 2는 종래 로드 타입 초음파 진동자의 분해 사시도
도 3은 종래 또 다른 형태의 로드 타입 초음파 진동자의 분해 사시도
도 4는 종래 초음파 진동자에 의해 출력되는 초음파의 강도 분포를 설명하기 위한 개략도
도 5는 종래 초음파 진동자에 의해 발생된 음압분포를 나타내는 이미지
도 6은 본 발명이 적용된 플레이트 타입 초음파 진동자의 사시도
도 7은 본 발명이 적용된 플레이트 타입 초음파 진동자의 단면도
도 8은 본 발명이 적용된 로드 타입 초음파 진동자의 사시도
도 9은 본 발명이 적용된 또 다른 로드 타입 초음파 진동자의 사시도
도 10은 본 발명의 초음파 진동자에 의해 출력되는 초음파의 강도 분포와 효과를 설명하기 위한 개략도
A : 본 발명의 초음파 진동자에 의해 출력되는 초음파의 강도 분포를 도시한 개략도
B : 본 발명과 종래기술의 초음파 강도 분포를 비교 설명하기 위해 종래기술에 의한 초음파 강도 분포는 점선으로 표시하고 본 발명에 의한 초음파 강도 분포는 실선으로 표시한 개략도
도 11은 본 발명의 초음파 진동자에 의해 발생된 음압분포를 나타내는 이미지

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 초음파 진동자에 관한 것이다.

따라서 본 발명의 초음파 진동자도 종래와 같이 전원을 공급받아 진동하는 압전소자(10)를 갖는다.

또, 압전소자(10)가 부착되는 진동출력몸체(20)를 갖는다.

또, 진동출력몸체(20)의 상부에 결합되고, 압전소자(10)에 전원을 인가하기 위한 전선이 연결되어 있는 하우징(30)을 갖는다.

또, 진동출력몸체(20)와 하우징(30) 사이에 위치되는 패킹(40)을 갖는다.

그런데 본 발명은 초음파가 고르게 출력되어 고른 음압분포를 얻을 수 있는 초음파 진동자를 제공하려는 목적을 갖는다.

본 출원의 발명자는 오랜 연구와 노력 끝에 도 6 및 도 7과 같이 진동출력몸체(20)에 압전소자삽입홀(21)을 형성하되 압전소자(10)가 진동하더라도 압전소자(10)의 측면이 접촉되지 않는 크기로 형성하고, 이 압전소자삽입홀(21)에 압전소자(10)를 부착하는 구조를 안출하였다.

구체적으로 설명하면 본 발명의 구성요소인 진동출력몸체(20)에는 압전소자(10)가 삽입되어 부착되는 압전소자삽입홀(21)이 형성되어 있는데 이 압전소자삽입홀(21)은 압전소자(10)가 진동하더라도 압전소자(10)의 측면이 접촉되지 않는 크기로 형성되어 있다.

또, 하우징(30)은 진동출력몸체(20)의 상부에 결합되어 진동출력몸체(20)의 압전소자삽입홀(21)을 차단하되 결합시 압전소자(10)와 접촉되지 않는다.

또, 패킹(40)은 진동출력몸체(20)와 하우징(30) 사이에 위치되어 압전소자삽입홀(21)을 외부와 차단한다.

하우징(30)이 압전소자(10)와 접촉되지 않아야 하는 이유는 압전소자(10)와 하우징(30)이 접촉될 경우 하우징(30) 방향으로도 초음파가 출력되고 이로 인해 전체적으로 초음파의 강도가 저하될 수 있기 때문이다.

압전소자(10)가 진동하더라도 압전소자삽입홀(21)에 접촉되지 않아야 하는 이유는 압전소자(10)와 압전소자삽입홀(21)이 접촉될 경우 종래와 같이 상대적으로 강한 초음파가 발생되는 지점이 발생되는 불균일한 음압상태가 발생되기 때문이다.

전술한 본 발명의 초음파 진동자 구조는 진동출력몸체(20)의 길이를 길게 구현하면서도 초음파의 고른 출력이 가능하기 때문에 반도체 기판의 세정공정에 사용하는 조건에서 패킹(40)이 세정액에 접촉되지 않도록 할 수 있는 효과도 있다.(패킹(40)이 세정액에 접촉되지 않는 깊이로 투입하는 것임)

종래와 같은 초음파 진동자의 구조에서 진동출력몸체(20)를 단순히 길게 구현할 경우에는 초음파의 고른 출력상태를 얻을 수 없다.

이는 초음파 진동자에 가까운 영역에서는 도 4와 같이 진폭이 큰 펄스의 수가 많으면서 특정 부분을 제외하고는 비교적 균일한 출력상태를 보이지만 초음파 진동자에서 멀어질수록 균일하지 못한 출력상태를 보이기 때문이다.(도 4참조)

한편, 전술한 본 발명의 구조는 압전소자(10)를 진동출력몸체(20)에 안정적으로 부착시킬 수 있는 등의 이유로 조립이 용이하고, 진동출력몸체(20)를 과도하게 얇게 구현할 필요가 없는 등의 이유로 가공성도 우수하다.

특히, 진동출력몸체(20)와 하우징(30)은 볼트(50)에 의해 결합되도록 하는 것이 바람직한데 볼트 사용을 위한 결합구조를 구현하는 것이 용이하다.

본 발명에 있어서, 진동출력몸체(20)의 전체 높이(WT)는 진동출력몸체(20)의 하단부에서 압전소자삽입홀(21)의 바닥면까지 거리(L)의 배수를 제외한 높이로 구현하는 것이 바람직하다.

이는 진동출력몸체(20)의 전체 높이(WT)가 진동출력몸체(20)의 하단부에서 압전소자삽입홀(21)의 바닥면까지 거리(L)의 배수에 해당하는 경우 압전소자(10)가 부착되어 있는 부분과 그 주변에서만 초음파가 출력되는 것이 아니라 진동출력몸체(20) 전체에서 초음파가 출력될 수 있기 때문이다.

이러한 현상은 본원발명의 목적 달성을 어렵게 하는 원인이 되기 때문에 이를 방지할 필요성이 있다.

실험결과 본 발명의 목적 달성을 고려할 때 진동출력몸체(20)의 하단부에서 압전소자삽입홀(21)의 바닥면까지의 거리는 1000kHz의 구동 주파수인 경우 3cm인 것이 바람직하다는 결과를 얻었다.

공진 주파수를 고려하여 진동출력몸체(20)의 하단부에서 압전소자삽입홀(21)의 바닥면까지 거리(L)는 반파장의 정수배(λ/2, (λ/2)×2, (λ/2)×3,(λ/2)×4 등)에 해당하는 길이로 구현하는 것이 바람직하다.(상기 설명에서 λ는 음파의 파장을 의미함)

본 발명에 있어서, 진동출력몸체(20)는 석영, 사파이어, 탄탈, 티타늄, 실리콘, 세라믹, 알루미늄, 스테인레스 스틸 중 어느 하나의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

또, 진동출력몸체(20)의 표면에 테프론 코팅이 이루어져 있는 것이 바람직하다.

1. 압전소자 2. 진동출력몸체
2a. 초음파출력연장부 3. 하우징
4. 패킹 5. 볼트
10. 압전소자 20. 진동출력몸체
21. 압전소자삽입홀 30. 하우징
40. 패킹 50. 볼트

Claims (7)

1. 초음파 진동자에 있어서,
   전원을 공급받아 진동하는 압전소자(10);
   상기 압전소자(10)가 삽입되어 부착되는 압전소자삽입홀(21)이 형성되어 있되 압전소자(10)가 진동하더라도 압전소자(10)의 측면이 접촉되지 않는 크기로 형성되어 있는 진동출력몸체(20);
   상기 진동출력몸체(20)의 상부에 결합되어 진동출력몸체(20)의 압전소자삽입홀(21)을 차단하고, 압전소자(10)에 전원을 인가하기 위한 전선이 연결되어 있는 하우징(30);
   상기 진동출력몸체(20)와 하우징(30) 사이에 위치되어 압전소자삽입홀(21)을 외부와 차단하는 패킹(40);을 포함하여 구성되어 있되
   상기 진동출력몸체(20)의 하단부에서 압전소자삽입홀(21)의 바닥면까지 거리(L)는 반파장의 정수배에 해당하는 길이로 구현된 것을 특징으로 하는, 초음파 진동자.
   
2. 초음파 진동자에 있어서,
   전원을 공급받아 진동하는 압전소자(10);
   상기 압전소자(10)가 삽입되어 부착되는 압전소자삽입홀(21)이 형성되어 있되 압전소자(10)가 진동하더라도 압전소자(10)의 측면이 접촉되지 않는 크기로 형성되어 있는 진동출력몸체(20);
   상기 진동출력몸체(20)의 상부에 결합되어 진동출력몸체(20)의 압전소자삽입홀(21)을 차단하고, 압전소자(10)에 전원을 인가하기 위한 전선이 연결되어 있는 하우징(30);
   상기 진동출력몸체(20)와 하우징(30) 사이에 위치되어 압전소자삽입홀(21)을 외부와 차단하는 패킹(40);을 포함하여 구성되어 있되
   상기 진동출력몸체(20)의 전체 높이(WT)는 진동출력몸체(20)의 하단부에서 압전소자삽입홀(21)의 바닥면까지 거리(L)의 배수를 제외한 높이로 구현된 것을 특징으로 하는, 초음파 진동자.
   
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 하우징(30)은 압전소자(10)와 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는, 초음파 진동자.
   
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 진동출력몸체(20)와 하우징(30)은 볼트(50)에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 초음파 진동자.
   
5. 제 2항에 있어서,
   상기 진동출력몸체(20)의 하단부에서 압전소자삽입홀(21)의 바닥면까지 거리(L)는 반파장의 정수배에 해당하는 길이로 구현된 것을 특징으로 하는, 초음파 진동자.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 진동출력몸체(20)는 석영, 사파이어, 탄탈, 티타늄, 실리콘, 세라믹, 알루미늄, 스테인레스 스틸 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는, 초음파 진동자.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 진동출력몸체(20)는 표면에 테프론 코팅이 이루어진 것을 특징으로 하는, 초음파 진동자.
   

Images