德国 SONOSYS 嵌入式超声波振板清洗装置的工作原理

德国 SONOSYS 嵌入式超声波振板（兆声波换能板）是面向半导体、MEMS、光学元件精密湿法清洗的一体化超声发射组件，采用槽体嵌入式安装结构，直接集成于工艺清洗槽底部或侧壁，配合外置高频发生器，依靠压电转换、受控微空化与声流效应完成纳米级精密清洗。整套系统由高频发生器、嵌入式振板本体、特种压电陶瓷阵列、屏蔽线缆四部分构成，区别于传统外挂式振板，它作为清洗槽本体的一部分，实现声场均匀输出，兼顾清洗效率与微结构保护。

一、能量转换：压电效应实现电 - 机械能转换

整套系统的能量起点为外置高频发生器。发生器将工频交流电转化为高频交变电信号，通过屏蔽线缆输送至振板内部的特种压电陶瓷阵列。基于压电效应，压电陶瓷在交变电场作用下发生周期性伸缩形变，将电能稳定转化为微米级高频机械振动，再将振动传递至振板金属基板，向槽内清洗液体辐射高频声波。SONOSYS 采用全连续有源换能器阵列，没有传统分立振子之间的间隙盲区，整块板面均可输出振动能量，让槽内声场分布更加均匀。振板基板可选用不锈钢材质，针对强化学药液工况可增加 PFA 涂层，避免金属离子析出污染精密工件，适配 SC1、SC2 等半导体标准清洗药液环境。振板通过焊接或螺栓密封固定在清洗槽预留开孔内，实现无缝嵌入式集成，不占用槽内额外作业空间。

二、液体介质中的核心清洗机制：受控微空化效应

高频机械振动传入清洗液后，液体内部形成疏密交替的声波传播区域。液体中原有的微小气核在交变声压作用下，周期性膨胀、收缩，形成微小空化气泡。这一物理现象即为空化效应，也是 SONOSYS 振板清洗的核心。不同于普通低频超声产生的大气泡、剧烈爆破冲击，SONOSYS 嵌入式振板工作在 400kHz～9MHz 高频区间，生成的空化气泡尺寸极小，气泡崩塌释放的能量温和可控。气泡在工件表面附近瞬间溃灭，产生微射流与局部压力脉冲，能够剥离附着在晶圆、光学器件表面的纳米颗粒，却不会对光刻图形、高深宽比微结构造成冲击损伤。除空化效应外，高频声波还会在液体中形成定向声流，带动清洗液持续流动。被剥离的颗粒在声流作用下快速离开工件表面，降低污染物二次吸附的概率，保障清洗一致性。

三、工艺协同：声波与化学药液联合作用

物理超声作用不会单独完成清洗，而是与清洗药液形成协同机制。药液先对工件表面的有机污染物、颗粒界面进行化学浸润，削弱污染物与基材之间的吸附结合力；嵌入式振板输出的高频声波持续扰动固液界面，破坏污染物的附着状态，微空化气泡进一步将颗粒从表面剥离。系统支持功率与频率可调，1MHz 频段兼顾颗粒去除效率与安全性；2MHz 及更高频段，空化效应更柔和，专门用于脆弱微纳结构清洗。同时可配合温度控制，清洗液温度维持在 20℃至 75℃区间，优化空化强度，适配不同污染物与基材工艺需求。

四、系统闭环控制与声场均匀性保障

高频发生器具备频率自动跟踪、功率闭环调节功能，可实时匹配振板谐振状态。随着清洗温度、药液浓度发生变化，振板负载随之改变，发生器动态修正输出频率，保证能量转换效率稳定，避免出现局部能量过高或声场衰减。嵌入式一体化结构是声场均匀的关键。振板直接嵌入槽体，振动能量几乎无损耗传递至清洗介质，消除外挂振板容易出现的能量衰减、边角清洗不良问题。全连续阵列设计，让整片清洗区域的声能密度保持稳定，大批量基板清洗时，各位置工件清洗效果一致性强，减少过清洗或清洗不足的问题。

SONOSYS 嵌入式超声波振板，本质是将高频超声发射单元集成至清洗槽本体。依靠压电效应完成电能到机械振动的转换，在液体介质中激发可控微空化与声流，配合化学药液共同剥离纳米级污染物。高频设计弱化冲击伤害，嵌入式结构保证声场均匀，适合半导体晶圆、MEMS 器件、光学薄膜等高精度工件湿法清洗。整套装置可直接集成到自动化湿法产线，模块化设计方便设备厂商进行产线定制，在精密制造的清洗工序中实现高效无损洁净。