Search

KR-20260061218-A - 재료 세척을 위한 초음파 시스템 및 방법

KR20260061218AKR 20260061218 AKR20260061218 AKR 20260061218AKR-20260061218-A

Abstract

재료 세척 시스템이 제공된다. 이 시스템은 탱크와, 탱크 내에 배치된 복수의 초음파 변환기를 포함할 수 있다. 재료는 탱크 내에 배치될 수 있고, 상기 탱크는 액체로 적어도 부분적으로 채워질 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 초음파 변환기를 활성화하여 탱크 내의 목표 구역 내에 초음파 충격파를 생성하기 위한 보강 간섭을 생성함으로써, 목표 구역에 위치한 재료로부터 오염물을 떼어내도록 구성될 수 있다.

Inventors

  • 성운학

Assignees

  • 소노프로세스 테크놀로지스 인코포레이티드

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20240828
Priority Date
20230831

Claims (20)

  1. 재료를 세척하기 위한 시스템으로서, 탱크; 상기 탱크에 근접하게 배치된 복수의 초음파 변환기; 상기 복수의 초음파 변환기에 작동 가능하게 결합된 컴퓨팅 디바이스를 포함하고, 상기 컴퓨팅 디바이스는 상기 초음파 변환기 중 적어도 하나를 활성화하여 상기 탱크 내의 목표 구역(target zone) 내에서 초음파 충격파를 생성하기 위해 상호 작용하도록 구성된 복수의 펄스형 초음파를 발생시키도록 구성되는, 재료 세척 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컴퓨팅 디바이스는 상기 펄스형 초음파를 발생시키기 위해 상기 초음파 변환기 중 상기 적어도 하나의 각각을 동시에 활성화하도록 구성되고, 상기 충격파는 상기 활성화된 초음파 변환기의 기하학적 배열에 의해 유발된 보강 간섭(constructive interference)으로 인해 발생하는, 재료 세척 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 컴퓨팅 디바이스는 상기 초음파 변환기 중 상기 적어도 하나의 각각에 대해 복수의 활성화 신호를 생성하여 상기 목표 구역 내에 상기 충격파를 생성하도록 구성되는, 재료 세척 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 활성화 신호들의 적어도 제1 활성화 신호 및 제2 활성화 신호가 위상 지연되는, 재료 세척 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 제1 세트의 상기 복수의 초음파 변환기가 제1 도파관 상에 배치되는, 재료 세척 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 제2 세트의 상기 복수의 초음파 변환기가 제2 도파관 상에 배치되는, 재료 세척 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 세트의 초음파 변환기는 상기 제1 도파관의 후면에 배치되는, 재료 세척 시스템.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1 도파관은 에너지 전달 매질로서 기능하는, 재료 세척 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 목표 구역을 통해 상기 재료를 이송하도록 구성된 이송 디바이스를 더 포함하는, 재료 세척 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 재료는 표면 상에 방사성 입자를 포함하는, 재료 세척 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 재료가 상기 목표 구역 내에 배치되는 동안 상기 초음파 변환기 중 상기 적어도 하나가 활성화되어 처리된 재료를 생성하는, 재료 세척 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 처리된 재료는 검사 블록으로 이송되고, 상기 검사 블록은 상기 처리된 재료에 의해 방출되는 방사선량을 검출하고, 상기 검출된 방사선량에 기초하여, 상기 처리된 재료가 깨끗한 재료인지 여부를 결정하도록 구성되는, 재료 세척 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 검출된 방사선량이 임계 방사선량을 초과할 때 상기 처리된 재료가 상기 목표 구역으로 되돌아가는, 재료 세척 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 복수의 초음파 변환기는 약 40kHz 내지 200kHz 범위에서 작동하도록 구성되는, 재료 세척 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 복수의 초음파 변환기는 약 500kHz 내지 2MHz 범위에서 작동하도록 구성되는, 재료 세척 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 탱크는 오염된 액체를 제거하기 위한 배출구를 포함하는, 재료 세척 시스템.
  17. 제9항에 있어서, 상기 이송 디바이스는 상기 탱크의 액체 수위 아래로 재료가 하강하도록 구성된 컨베이어를 포함하는, 재료 세척 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 제1 세트의 하나 이상의 도파관이 배치된 지지 구조체를 더 포함하고, 상기 제1 세트의 도파관 내의 상기 도파관 각각은 복수의 초음파 변환기를 포함하는, 재료 세척 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 세트의 상기 하나 이상의 도파관은 원뿔형 도파관인, 재료 세척 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 상기 제1 세트의 상기 하나 이상의 도파관은 상기 이송 디바이스의 이동 경로에 초음파 충격파를 생성하도록 배향되는, 재료 세척 시스템.

Description

재료 세척을 위한 초음파 시스템 및 방법 관련 출원에 대한 상호 참조 본 발명은 2023년 8월 31일에 출원된 미국 임시 특허 출원 제63/535,735호의 이권 및 우선권을 주장하며, 이 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다. 기술분야 본 발명은 일반적으로 표면-오염된 재료의 오염 제거 시스템 및 공정에 관한 것이며, 특히 펄스형 초음파를 사용하여 재료 표면에서 입자를 분리하는 것에 관한 것이다. 고체 재료의 표면의 오염을 제거하거나 세척하기 위한 많은 방법이 알려져 있다. 통상적으로, 재료 표면에 부착된 오염물은 정전기력, 반데르발스 힘, 모세관력을 포함한 다수의 결합력을 통해 붙어 있다. 이러한 오염물을 표면에서 분리하려면 이러한 결합력을 초과하는 에너지를 가해야 한다. 표면의 오염을 제거하는 일부 방법에는 결합력을 극복할 만큼 충분한 운동 에너지를 가하는 방법이 포함될 수 있으며, 예를 들어, 손으로 문지르거나, 모래 및/또는 그릿 블라스팅(조작자가 블라스트 노즐을 잡고 수동으로 적용하거나, 밀폐된 환경에서 목표물을 놓고 적용하는 방식), 고압 세척(수동으로 적용하거나, 노즐 위치가 제어된 밀폐된 환경에서 적용하는 방식), CO2/드라이아이스 블라스팅 등이 있다. 다른 방법으로는 화학 세정(예를 들어, 오염물의 결합 에너지보다 높은 화학 반응을 일으키는 화학물질을 적용하는 방식)이 포함될 수 있다. 다른 방법으로는 레이저 절제 방식(오염물이 결합된 기판을 파괴하여, 기판과 오염물을 함께 분리하는 방식)이 포함될 수 있다. 바베큐 그릴의 기름때를 제거하는 것부터 표면에서 방사성 입자를 제거하는 것까지 다양한 분야에 적용될 수 있다. 그러나 이러한 방법은 여러 가지 단점이 있어 적용이 비효율적이고 비실용적이게 될 수 있다. 균열, 틈새, 이음새 등 접근하기 어려운 영역에 붙어 있는 미세 입자에 충분한 힘 및/또는 에너지를 전달하는 것이 어렵다. 이와 같이, 위에서 언급한 방법의 효과는 세척 중인 물체의 모양 및 크기뿐만 아니라 물체가 놓인 환경의 모양 및 크기에 크게 의존한다. 목표 재료가 균열, 틈새, 이음매 등과 같은 특징을 포함하는 복잡한 형상(geometry)을 가지거나, 평평하거나 약간 구부러진 판보다 더 복잡하다면, 이러한 방법을 사용하여 해당 부위의 오염물을 분리할 수 있다고 보장할 수 없을 수도 있다. 더욱이, 위에 언급한 방법은 세척 또는 오염 제거 전에 상이한 물체를 수동으로 선별하고 특성을 파악해야 할 수 있는데, 이는 오염 제거 기술이 물체의 형상 외에도 관련된 오염물의 특정 화학적 유형에 따라 달라질 수 있기 때문이다. 이러한 선별에는 작업자의 수동 검사가 필요하며, 이로 인해 작업자가 검사 중에 유해 재료에 노출될 수 있다. 세척 또는 오염 제거 공정은 세척 중인 물체의 모양에 덜 민감하고, 물체가 위치한 환경의 모양 및 크기에 덜 의존하며, 더 효율적이고, 및/또는 수작업에 덜 의존하는 것이 바람직하다. 일 양상에 따르면, 재료 세척 시스템이 제공되며, 이 시스템은 탱크; 상기 탱크에 근접하게 배치된 복수의 초음파 변환기; 상기 복수의 초음파 변환기에 작동 가능하게 결합된 컴퓨팅 디바이스를 포함하고, 상기 컴퓨팅 디바이스는 상기 초음파 변환기 중 적어도 하나를 활성화하여 상기 탱크 내의 목표 구역 내에서 초음파 충격파를 생성하기 위해 상호 작용하도록 구성된 복수의 펄스형 초음파를 발생시키도록 구성된다. 다른 양상에 따르면, 액체를 담고 있는 탱크 내에 복수의 초음파 변환기를 제공하는 단계 - 상기 초음파 변환기는 상기 탱크 내의 목표 구역에서 충격파를 생성하기 위해 상호 작용하도록 구성된 복수의 펄스형 초음파를 발생시키도록 구성됨 -; 및 상기 재료를 상기 목표 구역을 통해 이송하는 단계를 포함하는 재료 세척 방법이 제공된다. 다른 특징들은 다음 설명과 함께 도면을 통해 더욱 명확해질 것이다. 예시적인 실시예를 예시하는 도면에서, 도 1은 일부 실시예에 따른 예시적인 세척 시스템을 나타내는 블록도이고; 도 2a는 일부 실시예에 따른 예시적인 사전-프로세싱 단계의 구성요소를 나타내는 블록도이고; 도 2b는 일부 실시예에 따른 단순화된 예시적인 초음파 세척 시스템의 구성요소를 나타내는 블록도이고; 도 2c는 일부 실시예에 따른 단순화된 예시적인 검사 및 선별 단계의 구성요소를 나타내는 블록도이고; 도 3a는 스크류 시스템을 사용하는 이송 디바이스의 사시도이고; 도 3b는 이송 디바이스 근처에 복수의 초음파 변환기를 구비한 초음파 세척 시스템의 예시적인 구성요소를 나타내는 단순화된 분해도이고; 도 3c는 펄스형 초음파의 충격파-형상의 보강 간섭을 생성하기 위해 위상 배열 구성의 변환기를 사용하는 시스템의 구성요소를 예시하는 단순화된 도면이고; 도 3d는 위상 배열 변환기의 다양한 작동 모드를 단순화한 도면이고; 도 3e는 전자 제어 및/또는 소프트웨어 제어를 통해 복수의 변환기를 제어함으로써 챔버 내의 목표 구역을 변경하는 방법을 나타낸 도면이고; 도 4a는 위상 배열 작동 중의 원통형 챔버의 종단면도이고; 도 4b는 도 4a의 원통형 챔버의 내부의 종단면도이고; 도 4c는 일부 실시예에 따른 위상 배열 작동 중의 예시적인 원통형 챔버의 단면도이고; 도 4d는 도 4c의 원통형 챔버의 종단면도이고; 도 5a는 위상 배열 작동 중의 직사각형 탱크의 단면도이고; 도 5b는 도 5a의 직사각형 탱크 내부의 종단면도이고; 도 6a는 탱크의 한쪽 면에 위상 배열 구성의 변환기를 구비한 직사각형 탱크의 단면도이고; 도 6b는 도 6a의 직사각형 탱크 내부의 종단면도이고; 도 7은 일부 실시예에 따른 초음파 세척 시스템의 예시적인 실시예를 단순화한 도면이고; 도 8은 예시적인 컴퓨팅 디바이스의 구성요소를 나타내는 블록도이고; 도 9a 및 도 9b는 일부 실시예에 따른 예시적인 초음파 세척 디바이스의 개략도 및 단면도이고; 도 10은 일부 실시예에 따른 예시적인 초음파 세척 시스템을 나타낸 도면이다. 본 명세서에 설명된 일부 실시예는 고체 및/또는 느슨한 재료(몇 가지 예를 들자면, 금속, 플라스틱, 고무 등)의 오염을 제거하기 위한 초음파 세척 시스템의 사용과 관련이 있다. 일부 실시예에서, 재료는 액체이다. 일부 실시예에서, 재료는 고체이다. 일부 실시예에서, 오염 제거되는 재료는 비다공성 재료이다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 다공성 재료(예를 들어, 사용 후 이온 교환 수지, 오염된 토양, 그리고 일반적으로 오염물이 포함되지 않은 재료)에도 적용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 일부 실시예는 특히 펄스형 초음파를 사용하여 고체 물체 표면에서 방사성 재료를 제거하거나 그 오염을 제거하는 것과 관련이 있지만, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법의 일부 실시예는 고체 및/또는 액체 재료 모두를 포함한 다양한 다른 상황에도 적용될 수 있음을 고려한다. 일부 실시예에서, 펄스형 초음파는 상호 작용하여 충격파를 형성할 수 있다. 이러한 다른 상황에는 바베큐 그릴에서 기름때를 제거하는 것, 식기 세척 작업, 토양에서 오염물을 제거하는 것, 이온 교환 수지에서 오염물을 제거하는 것, 반도체에서 먼지를 세척하는 것 등이 포함될 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 이러한 다른 상황에는 오염물을 제거하는 것이 아니라, 한 재료에서 다른 재료를 분리하는 것과 관련된 응용 분야, 예를 들어 모래에서 역청을 분리하는 것 등 이 포함될 수 있다. 초음파를 이용한 표면 세척은 여러 상황에서 적용되고 있지만, 기존 시스템에는 여러 단점이 있다. 예를 들어, 초음파 기술은 다양한 소형 재료의 표면 오염물 제거에 사용되어 왔다(예를 들어, 보석 세척, 기름 제거 등). 액체 매질(예를 들어, 물)에서 초음파를 발생시키면 통상적으로 캐비테이션(cavitation)(예를 들어, 미세 기포)이 생성되고, 이것이 붕괴되면서 충격파가 발생한다. 이러한 충격파는 주변 재료에 운동 에너지를 전달할 수 있고, 이 운동 에너지의 양은 주변 표면에서 느슨한 입자를 헐겁게 하고(loosen) 제거하기에 충분할 수 있다. 따라서, 예를 들어 보석 조각을 물에 담그고 초음파를 발생시키면, 이러한 초음파로도 보석 표면의 불순물을 제거하기에 충분할 수 있다. 일부 실시예에서, 20kHz 내지 40kHz 범위의 주파수는 10마이크론보다 큰 입자를 제거할 수 있다. 그러나 매우 작은 입자(예를 들어, 5마이크론 미만, 1마이크론 내지 5마이크론, 또는 1마이크론보다 작은 입자)를 제거하기 위해서는 20kHz 내지 40kHz의 일반적인 범위를 넘어서는 더 높은 초음파 주파수를 사용해야 할 수 있다. 예를 들어, 1마이크론 미만의 입자를 제거하기 위해서는 더 높은 주파수(예를 들어, 25kHz 내지 400kHz의 범위)가 필요할 수 있다. 일부 실시예에서는 1.5MHz 내지 2.5MHz 범위의 주파수가 필요할 수 있다. 또 다른 실시예에서는 2MHz 범위의 주파수가 필요할 수 있다. 선택된 주파수는 특정 용도와 오염물의 특성 및 관련된 연관 입자 크기에 따라 달라짐을 이해한다. 예를 들어, 기판에서 방사성 입자를 제거하는 경우, 약 40kHz 내지 200kHz의 주파수 범위가 적합할 수 있다. 예를 들어, 세척 중인 기판 재료(101b)가 매우 얇을 때(예를 들어, 제조 단계 사이에서, 예를 들어 반도체 웨이퍼 또는 칩(예를 들어, 실리콘 웨이퍼 또는 칩) 표면에서 입자가 제거되는 경우), kHz 범위의 주파수와 연관된 에너지가 너무 강하여 웨이퍼에 손상을 줄 수 있는 반면, 2MHz 범위의 주파수는 더 적은 에너지를 전달할 수 있고 세척 중인 기본 재료의 손상을 방지하는 데 더 적합할 수 있다. 예를 들어, 반도체 디바이스 세척에 적합한 주파수 범위는 약 500kHz 내지 2MHz일 수 있다. 이러한 주파수 범위의 상한과 하한은 엄격한 차단 주파수가 되려는 것이 아니며, 해당 범위 내의 주파수(하한보다 약간 낮거나 상한보다 약간 높은 주파수를 포함)도 적절하게 수행할 수 있음을 이해한다. 낮은 주파수(예를 들어, 20kHz 내지 40kHz)에서는 액체 내에 더 큰 캐비테이션(더 큰 공기 주머니)이 생성되며, 이 기포가 붕괴될 때 상대적으로 큰 충격파 에너지를 가진다. 그러나 낮은 주파