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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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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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

1

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

0

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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