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超音波洗淨之應用
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超音波洗淨之應用三聯科技 微電子製程設備事業處 ◆ 藍承治
一、 前言
什麼是超音波?我想很多人應該都已知道,
也就是在 20KHz 以上的頻率,人耳聽不到的範
圍(如圖一)。超音波在洗淨上的應用頻率很
廣,簡單的分類成三種有低頻( 26KHz ~
1 0 0 K H z)、中頻(100KHz ~ 500KHz)及高頻
(750KHz ~ 2MHz )。低頻為汎用型的脫脂洗
淨,其利用物理方式洗淨有水粒子的變位、周期
性的壓力及放射壓。低頻在應用上很廣如鏡片、
鏡框、珠寶、假牙、消毒殺菌、零件清洗 . . .等不
勝枚舉,而且在台灣應用此洗淨方式也有 20 年
以上之歷史,所以市面上也可買到許多台製之商
品。中頻有用在 T F T-LCD 玻璃的洗淨上,其具
有低頻的空洞現象( c a v i t a t i o n)及高頻的水粒
子加速力能量,以達到洗淨之效果。在高頻的應
用上,屬於精密性之洗淨,所以大部分使用在如
半導體晶圓與 T F T-LCD 玻璃上之清洗。
二、低頻的洗淨應用
1 . 氣泡的產生
如圖二所示,在各衝擊波的週期期間,氣泡
會在接收與傳送超音波的能量中成長,並很快地
到達約 1 0 0μm 的爭議性尺寸(依據 1/F 公
式)。氣泡是剛好在音壓轉成負半週期後膨脹
(如圖三與圖四),且很快地達到最大之半徑。成
型的氣泡在衝擊的過程期間,會在一個低於 1μ
秒的時間內被擠壓破裂。
2 . 音爆洗淨方式(空洞現象)
當氣泡的位置接近固體(如被清洗物)時,
其會變形(自原來的球面變成不對稱的形狀)成
凹面圓環體(甜甜圈)的形狀(如圖五)。在凹
面處有一個 400 km/hr 的吸引力流被形成,此
吸引力流的撞擊力會產生力量,將黏在被洗物上
的污物剝落而達到洗淨。此外,氣泡在一個很短
的時間內藉隔熱的壓縮而破裂。當達到消失時,
圖一 圖三
圖二 圖四
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超音波洗淨之應用
三聯技術 No.53
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氣體與液體之間的界限表面有一約 1000 的大氣
壓力,及在氣泡內的氣壓有一些達到 200 大氣壓
力。氣泡在加熱到 5 5 0 0℃(相當於太陽的表面溫
度)後形成熱點(Hot Spots)。靠近水牆的溫度會
立即昇溫到 2 1 0 0℃。所以,在純水類的音響化學
變更上,我們知道有超高溫及高壓的產生,而此
亦可幫助清洗。近來我們更了解到,當維持球面
形狀的空洞氣泡在瞬間被壓縮到小於 1μm 的半徑
時,在氣泡內的溫度會昇至 10,000 K;而當此溫
度的重組造成水分子被分裂時,會出現一個亮點
閃光。
3 . 波長距離
音波在水中傳遞的距離,是依λ= C / F
(λ = 波長;C = 音速 = 1497 m/s;F = 周波
數)的公式計算出來的。譬如, 2 8 K H z的固定
波產生自液面後的每一個λ /2 處,最大的洗淨
能量在每一個節點處(波峰),間隔約為 26 mm
(如圖六)。其輸出的功率密度為 1瓦/ c m2。
4 . 低頻洗淨之應用
由於波長之關係,其較適用於清洗大型之物
體及較大顆粒( P a r t i c l e)的清除( 0 . 3μ以上)。
也因為音爆的洗淨方式,所以其不適用於精密之
洗淨如含有線路( P a t t e r n)的晶圓與 LCD 玻
璃,否則有可能將線路震裂傷到(如圖七)。
三、高頻的洗淨應用
1 . 波長的距離
由於頻率較高約 1 M H z,所以每一個λ / 2
處的波長間隔約有 0.75 mm。其輸出的功率密
度為 5 . 4瓦/ c m2。
2 . 洗淨方式
1 MHz 以上之音頻無空洞現象之產生(如
圖八),其洗淨方法是靠水分子小幅度的劇烈移
動磨擦,將被洗物之污濁體剝離(如圖九)。
3 . 加速力
與 28KHz 比較,其加速度相差 100 倍(如
圖十)。
圖五 靠近固體表面的氣泡,在壓力破裂時的變形壓縮
情況。
圖六
固體表面
圖七 晶圓經過 1MHz 的音頻洗淨後,除去 98% 以上
之顆粒。但經過 100KHz 及 1 MHz 的音頻洗淨
後,晶圓表面出現傷痕。
圖八
圖九
圖十
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超音波洗淨之應用
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4 . 高頻洗淨之應用
由於波長較短與較密之關係,其較適用於清
洗小型之物體及較小顆粒( P a r t i c l e)的清除
(0 . 2μ以下)。也因為音爆的洗淨方式,所以其
不適用於精密之洗淨如含有線路( P a t t e r n)的
晶圓與 LCD 玻璃,否則有可能將線路震裂傷到
(如圖七)。
5 . 分解與結合
超音波會破壞水分子的結合與重組及再反應
之現象如下,
分解:
H2O2 → H2O + O
H2O → H + OH
O3 → O2 + O
重組:
H + H → H2
H + OH → H2O
OH + OH → H2O2
OH + OH → H2O + O
再反應:
N H3 + H 2O → N H4 + OH
N H3 + 9-OH → N O3 + 6H 2O
此化學變化可在水槽內有加裝水阻計時,被
呈現出來。純水的阻值為 1 5 MΩ(超純水的阻
值為 1 8 MΩ),當高周波被啟動時,水阻值變小
(如圖十一)。此意謂者,水分子分解後帶動正負
離子的移動,非水槽內含有大量的污染物。
6 . 直接與間接洗淨
直接洗淨較間接洗淨的效果好。也就是說,
功率損失的機會較小。間接洗淨有其存在之必
要,如內槽須依不同的製程使用各種的藥液,再
搭配高周波的能量達到洗淨之效果。間接洗淨之
問題如圖十二,因氣泡之影響使功率無法完全傳
遞至內槽。為解決此困難,可將內槽底部做成 2
度之斜面(如圖十三),以減少氣泡之產生。
7 . 遮蔽物之影響
高低頻的縱走波密度不同,高頻趨近於直線
波,所以當有遮蔽物時,遮蔽物後之區域無法被
清洗到,須靠左右搖擺之方式來解決。低頻則類
似曲線波,遮蔽物後之小部分區域無法被洗到,
但再後面一點區域則可被清洗(如圖十四)。
8 . 溫度之影響
與振動板表面接觸之液體溫度不得超過 7 0
度,否則在長期高溫的使用下,其會影響振動子
與振動板之間的黏著。同時,槽內的液體最好保
持循環以降低液溫,因為 6 0 0瓦的超音波功率輸出
就像是放一個 600瓦的電湯匙在槽內加溫一樣。
圖十一
圖十二
圖十三
圖十四
2 8 K H z(低頻超音波) Hi Megasonic(高周波)
遮蔽物後仍有發射波環境,
只有一小區域之空隙未被
涵蓋及被清洗到。
遮蔽物後之區域,均無發射
波環繞及被清洗到。石英槽
外槽
氣泡造成音波反射振動板氣泡
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四、振動子的介紹
振動子的黏著技術是由 KAIJO 最早提出來
的,是否能達成均一性的功率輸出及洗淨,與振
動板的精度、黏著強度及振動子的好壞有關(如
圖十五)。
各振動子的應用說明如下表:圖十五
振動子:振動(效力、溫度、特性)
振動板:精度(平整度、厚度、材質)
黏著:黏接強度(耐熱、柔軟度等)
振動子 磁性振動子 壓電式振動子
Ferrite 振動子
85~90 % 90 % 或更高 85~95 %電一音響轉換率
超音波放射表面的輪廓
實際的輸入
最大的運作溫度
頻 率 1 9 . 5、2 8、3 8、5 0、100 kHz 2 6、3 8、50 kHz1 0 0、 2 0 0、3 0 0、 4 2 0、
6 0 0、950 kHz
7 0℃ 1 0 0℃ 7 0℃
價 格 低 高
與振動板的連接 We l d i n g(點焊) B o n d i n g(焊接)1. Bonding(焊接)
2. 螺栓及黏貼(其他公司)
1~2 W/cm2 2~4 W/cm2 3~8 W/cm2
應 用
外 觀
一般洗淨 一般洗淨 高周波
矩形 圓形 矩形或圓形
BL 型振動子 P Z T特徵
五、新舊機型的比較
6848 發振器 6 81 0 1 發振器 圖十六
機型6 8 1 0 1 6 8 4 8 備 註
功能
數位顯示
上下限控制
自我偵測
通訊能力
有
有
有
有
無
無
無
無
可實際告知目前之輸出功率
讓輸出保持在有效範圍內
隨時掌控現況,可避免在錯
誤狀況下進行
可任意掌控功率輸出,對製
程有莫大之幫助
說 明 發振器錯誤碼
顯示 Er 1
顯示 Er 2
顯示 Er 3
顯示 Er 3
顯示 Er 4
顯示 Er 5
顯示 Er 6
顯示 Er 7
輸出低於設定之下限值
輸出高於設定之上限值
熱體溫度超過 70 度
熱體溫度超過 80 度
錯誤的負載發生在振動板或 Cable 上
錯誤的負載發生在振動板或 Cable 上
嘗試做無法被機台接受之設定
強制停止及端子開路
停 止
停 止
繼續發振
停 止
停 止
停 止
繼續發振
停 止
註:新型發振器的異常碼說明
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六、在半導體之應用
1 . 依晶圓尺寸
6 寸(50 片):1200W (600W x 2 台)
8 寸(50 片):1800W (900W x 2 台)
12 寸(50 片):2400W (600W x 4 台)
2 . 在 APM 槽之應用
(圖十八 )
七、功率輸出檢測與校正
有三種型式如下:
◆ 8 8 0 1 B - M R 型:串接於振動板與發振器之間,
測定頻率為 100 kHz ~ 1050 kHz。
◆ 8 5 0 1 C - M R型:串接於振動板與發振器之間,
測定頻率為 10 kHz ~ 100 kHz。
◆ 1 9 0 0 1 D型(音壓計):直接放入槽內檢測各
點之音壓強度 ,測 定頻 率為 1 4 . 5 kHz ~
1 2 M H z。攜帶型、數位顯示可暫存 30 點資
料、資料可轉至 PC 以圖形顯然。
八、發振器的使用操作說明
1. 舊型6 8 4 8(6 0 0 W)、7 8 4 8(9 0 0 W)系列
(1) 面板說明
◆ M a i n:電源開關。
◆ P o w e r:功率調整鈕。
◆ R e m o t e:燈亮,表示由主機台控制。燈
滅,表示由發振器來控制。
◆ T h e r m a l:在正常下為燈滅狀態;若燈亮
時,表示發振器過熱。
◆ L e v e l(L E D)燈:表示功率輸出之大小。
(2) 背面接線端子說明
◆ 交流電輸入:接 1、2、E 腳。
◆ 交流電輸出(AC OUT):通常不接。
晶圓
石英槽
外槽
振動板
圖十七 用在 12 寸機台高周波洗淨槽
8801B-MR型
8501C-MR型
13 11 21 20 2 1E
Thermal 燈 Remote 燈
Level 燈
Power 燈
各1 5 0瓦輸出 振動子振動板
600W (6848)發振器
◆ 利用藥液沖洗及微量蝕刻方式,將 Particle 去除。◆ 加上高周波的加速力能量,讓 Particle 輕易地自晶
圓上被剝落及避免再附著。
◆ 再配合水槽的沖洗,將不需要的雜質大量帶走。◆ 循環系統之流量、排氣、 H E PA 系統⋯⋯等,亦須
注意。
圖十八
R e m o t e(遠端控制)
AC OUT(A C輸出)
A C 2 0 8 V輸入
地線
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◆ 遠端控制:
● R e m o t e燈亮:表示發振器已被遠端控
制,無法發振。
◇ 7848型(900W):11、13腳在開路狀態。
◇ 6848型(600W):11、13腳在短路狀態。
● R e m o t e 燈滅:表示發振器可做本地
(L o c a l)控制,轉動功率鈕即可改變發
振器輸出功率。
◇ 7848型(900W):11、13腳在短路狀態。
◇ 6848型(600W):11、13腳在開路狀態。
2 . 新型6 8 1 0 1(6 0 0 W)、7 8 1 0 1(9 0 0 W)系列
(1) 面板說明:(中文操作與設定方式,請來電
諮詢)
◆ Power Switch:此鍵被壓下後,電源被開
啟及在準備狀態下,且為綠燈亮。
◆ S t a r t / S t o p(A d d r):此鍵被壓下後,即
啟動發振;再次被壓下時,即停止發振。
(在 EXT 模式下,此鍵為發振器位址設定
的位址開關。)
◆ M o d e(b p s):此為操作模式的設定開
關,每按一次,模式由 Normal → H / L
S e t → Timer → 8 Powers → Normal 方
式循環。
(在 EXT 模式下,此鍵為傳輸速度設定的
bps 開關。)
◆ U p:遞升鍵。每按一次,數字往上加 1;
若持續壓下,數字持續往上增加。
◆ D o w n:遞減鍵。每按一次,數字往下減
1;若持續壓下,數字持續往下減少。
◆ S e t:在各模式下做輸出、上下限及時間設
定用之按鍵。
◆ Mode display section:
◇ N O R M A L:輸出設定。設定範圍可自
30 ~ 600 W。
→H/L SET:上下限之設定。上限設定為
35 ~ 605 W。下限設定為 25 ~ 595 W。
→T I M E R:洗淨時間的設定(秒),設定範
圍為 0 ~ 999 秒。
→8 POWERS :8 階的輸出功率設定。
Normal 模式為第 0 階,其他為 1 ~ 7 階
的設定。
→R E M O T E:遠端控制狀態顯示燈。當燈
亮時,其表示超音波在發振之狀態。
→E X T:燈亮表示為外部模式控制。( R S -
485 串聯控制)
◆ Digital display section:可顯示目前值、
設定值、洗淨時間及錯誤訊息⋯⋯等。
◆ Digital unit display:在 Timer 模式下,
Second 燈亮。其他模式,則為 Level 燈
顯示。
( 2 ) 端子接線說明
◆ Open/Short :
◇ O p e n:當振動子端在開路狀態時, L E D
顯 示 “ E R 4 ”, 發 振 器 自 動 停 止 。
“O p e n”端子“短路”。
◇ S h o r t:當振動子端在短路狀態時, L E D
顯 示 “ E R 5 ”, 發 振 器 自 動 停 止 。
“S h o r t”端子“短路”。
◆ Thermo 1:當發振器內部的溫度超過 70 ℃
以上時,LED 會交互式顯示“ER3” 及送出
警示訊息,此端子接點也會被“短路“。
◆ Thermo 2:當發振器內部的溫度超過 80 ℃
以上時, LED 會顯示“E R 3”及發振器自
動停止,此端子接點以也會被“短路”。
◆ H i g h:當功率輸出超過設定的上限 5 秒以
上時,LED 會顯示“E R 2”及發振器自動
停止,此端子接點以也會被“短路”。
Transducer abnormal alarm terminal
Abnormal heat alarmterminal
Output level controlterminal
Total alarm signal terminal
REMOTE terminal (4-COM)8-step output selection terminal
ANALOG OUT terminal
External control terminal(RS-485)
Mode display section
START/STOP switch
(ADDR switch)
MODE switch
(bps switch)
UP switch Power switch
DOWN switch
SET switch
Digital unit display
Digital display section
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◆ G o:當功率輸出在上下限的範圍內時,此
端子接點會被“短路”。
◆ L o w:當功率輸出超過設定的下限 5 秒以
上時,LED 會顯示“E R 1”及發振器自動
停止,此端子接點也會被 "短路"。
◆ O p e r a t e:所有的警報訊號端點。當有一
個以上之錯誤發生(輸出錯誤、過熱、振
動子錯誤)或無電源供應時,此端子接點
會被“開路”。
◆ Power Contr o l:遠端控制用。可選擇及
設定 8 種不同的功率輸出如下表。
\ \ \ \
◆ A n a l o g:類比信號輸出。當電壓在 5V 時
為 660W 輸出。當電壓在 4.5V 時為 6 0 0 W
輸出。
◆ R S - 4 8 5:遠端控制用。可選擇及設定各種
不同的功率輸出。
九、一般之接線範例說明(68101 發振器)
(如圖十九)
十、在 T F T-LCD 玻璃洗淨上之應用
以下是 Bare Glass Cleaner(In Line type)的簡
要範例說明,依不同的製程需求可變更硬體之規格。
( 1 ) U V:利用紅外線燈管照射,將殘餘之黏膜脆
化,以利後續的清洗及剝離。
( 2 ) 毛刷:將大部分的殘餘物去除。(間距調整
不良,易造成刮痕。)
( 3 ) 超音波:浸泡式,主要是針對 0 . 3μ以上之顆
粒去除。
( 4 ) S h o w e r:高壓沖洗。
( 5 ) 高周波:淋浴式,主要是針對 0 . 2μ以下之顆
粒去除。
( 6 ) 風刀(Air Knife):將玻璃吹乾。
( 7 ) 污染源( Particle sourc e):可能來自環境
之污染、傳輸過程、 O 型環(滾輪)、超音
波與高周波失效或效果不佳、未吹乾(可烘
乾解決)⋯⋯等。
( 8 ) H2 D I W:近年來有許多設計,直接將氫水加
入至高周波內,其洗淨效果非常好。(圖二十)
說 明4 3 2 1
Remote 燈滅→
Remote 燈亮→
Remote 燈亮→
Remote 燈亮→
Remote 燈亮→
Remote 燈亮→
Remote 燈亮→
Remote 燈亮→
Remote 燈亮→
0
1
1
1
1
1
1
1
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0
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1
發振停止
選擇 Normal 模式的設定值輸出
選擇模式 1 的設定值輸出
選擇模式 2 的設定值輸出
選擇模式 3 的設定值輸出
選擇模式 4 的設定值輸出
選擇模式 5 的設定值輸出
選擇模式 6 的設定值輸出
選擇模式 7 的設定值輸出
圖十九
當有任何異常時,螢幕會顯示出來。 上下限的檢測,當異常時,其中之
High、Low 或 Go 斷路。
HMI(或 PC)
由 PC 或 HMI內,設定及選擇各 R e c i p e的輸出功率。
PLC
輸出功率 Cable
選擇輸出功率的模式
當有任何異常時,此接點斷路。
輸出功率 Cable輸出功率 Cable
振動板
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圖二十
薄膜脆化
粗洗:去除大顆粒。
針對 0 . 3μ以上的顆粒去除。
針對0 . 2μ以下的顆粒去除。
吹乾
玻璃前進方向
高壓沖洗
U V 毛刷(洗劑)
超音波 高周波 Air KnifeS h o w e r
十一、結論
KAIJO 在超音波的使用及應用上,有超過
50 年以上之歷史。除了有許多的使用者外,其
銷售量也是佔全球市場的第一位。在售後服務
上,三聯均本著客戶至上之精神迅速到位處理。
依維修情況判定,發振器的維修可於 1 ~ 3 天內
維修完成,較其他進口之機器需 1 ~ 2 月的時間
送回,可說是一直獲得客戶信賴之原因。
註:參考資料來源: KAIJO Corp.
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