CN101516533A - 使用超声波的清洗设备 - Google Patents

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Abstract

在此公开一种使用超声波的清洗设备。该清洗设备用于从晶片上分离污染物，所述设备包括：其中容纳有振动器的壳体；以及杆，该杆连接到所述振动器的表面，以使由所述振动器产生的超声波传播到施加在所述晶片的上表面上的清洗溶液。所述振动器包括压电装置，该压电装置结合到包括近场区域和远场区域的扩散层。所述杆具有直径减小部分，以放大由所述振动器产生的超声波，从而能够有效地去除需要清洗的所述晶片上的污染物。

Description

使用超声波的清洗设备
技术领域
本发明涉及一种使用超声波的清洗设备，更具体地，涉及一种使用超声波从晶片上分离污染物的清洗设备，该设备包括：其中容纳有振动器的壳体；以及杆，该杆连接到所述振动器的表面，以使由所述振动器产生的超声波传播到施加在所述晶片的上表面上的清洗溶液。所述振动器包括结合到扩散层的压电装置，所述扩散层包括近场区域(near-field region)和远场区域(far-field region)，所述杆具有直径减小部分，以放大由所述振动器产生的超声波，从而有效地去除需要清洗的所述晶片上的污染物。
背景技术
清洗技术是半导体制造工艺中最基本的技术之一。半导体通过多个步骤制造，以形成所需要的晶片的表面。因为每个步骤都通过半导体制造设备在半导体晶片上进行，因此会产生各种污染物，并且这些污染物会附着到半导体晶片和半导体制造设备上。为此，在制造过程中必须以预定的时间间隔清洗半导体晶片和半导体制造设备。因此，清洗技术是使用物理或化学方法去除在半导体制造过程中产生的各种污染物。
首先，化学方法是使用各种化学药品或气体通过洗涤、侵蚀和氧化还原反应等从半导体晶片的表面去除污染物。在化学方法中，附着到半导体晶片的表面上的颗粒通过纯净溶液或化学清洗溶液去除。有机物质可以通过各种方式去除，例如，被溶液溶解、被氧化性酸去除或被氧等离子体碳化。根据需要，利用化学方法将半导体晶片的表面侵蚀预定的深度，从而暴露出新的洁净的表面。
物理方法是使用超声波能量从半导体晶片的表面分离污染物、使用刷子从半导体晶片的表面去除污染物、或使用高压水从半导体晶片的表面移除污染物。通常，将物理方法与化学方法结合使用能够达到更有效的清洗。
超声波清洗是适当地结合了物理方法和化学方法的典型实例。超声波清洗是通过物理方法(超声波)和化学方法(化学清洗溶液)从要清洗的物体上去除污染物并防止该污染物再次附着。利用超声波的物理方式是基于超声波的空穴现象。空穴现象是当超声波能量传递到液体中时，由超声波的压力产生并压迫微小气泡。空穴现象伴随有高压(数十到数百个大气压)和高温(数百到数千摄氏度)。
在上述现象中，气泡在极短的时间内反复出现并消失(每秒钟数万次到数十万次)导致产生冲击能量。通过这些冲击能量，可以在很短的时间内对浸泡在清洗溶液中的需要清洗的物体的看不到的内部深层部分进行清洗。
实际上，除了由空穴引起的冲击能量之外，由超声波的辐射压力引起的搅动效应和热效应与清洗剂一起协同作用，致使进一步提高了清洗效率。
超声波清洗通常用于清洗或冲洗需要清洗的物体，例如用于液晶显示器(LCD)的玻璃基片、半导体晶片或用于存储数据的磁盘。在传统的超声波清洗系统中，将需要清洗的物体置于容纳有清洗溶液的清洗容器中，当振动板通过超声波振动器起动时，超声波从振动板传播到清洗溶液。超声波对需要清洗的物体上的颗粒施加振动能量，从而有效地从所述物体上去除所述颗粒和其它污染物。
近来，随着半导体装置的高度集成化，要求在晶片上形成非常小的图案(pattern)。但是，由于晶片上的图案很容易因为即使非常微小的颗粒的撞击而导致所述半导体装置的缺陷，因此，清洗工艺的重要性越来越受到重视。
通常，使用超纯净水(ultra pure water)(清洗溶液)、刷子和超声波对晶片进行清洗。
图1是显示一种传统的使用超声波和清洗水(或清洗溶液)清洗半导体晶片105的表面的超声波清洗设备的视图。该超声波清洗设备包括清洗溶液喷洒器106和供给管102，该清洗溶液喷洒器106具有喷嘴形状的下端，供给管102连接到清洗溶液喷洒器106的侧壁，以将清洗溶液103供给到清洗溶液喷洒器106内。
当清洗溶液103通过供给管102供送到清洗溶液喷洒器106内时，振动器101向清洗溶液103发送超声波，从而将携带有超声波的清洗溶液103喷洒到定位在清洗溶液喷洒器106下方的需要清洗的物体上。在喷洒清洗溶液的过程中，该需要清洗的物体通过旋转轴104旋转，从而能够清洗所述物体所有的表面。
但是，在传统的超声波清洗设备中，由于清洗溶液103事先在清洗溶液喷洒器106内与超声波结合之后才从清洗溶液喷洒器106喷洒出来，因此存在清洗液103消耗过多但清洗效率很低的问题。
此外，超声波的强度会因为清洗过程中的清洗条件(例如操作频率、清洗溶液的条件、电力消耗和冷却条件)的瞬时波动而发生很大的变化。此外，由于高压清洗溶液通过喷洒器106的喷嘴形状下端喷洒，因此可能致使半导体晶片的表面被局部或全部损坏。
图2显示了另一种传统的超声波清洗设备的结构。图2所示的传统的超声波清洗设备包括：细长的水平振动杆110，该振动杆110被设置为以预定的间隙位于半导体晶片114的上方；连接到振动杆110的一端以向振动杆110提供超声波振动能量的振动器111；以及用于将清洗水116排出到振动杆110与半导体晶片114之间的间隙中的清洗水排出器113。
为了旋转半导体晶片114，所述传统的超声波清洗设备还包括旋转板112和连接到该旋转板112的旋转轴115，半导体晶片114被置于旋转板112上。操作时，设置在半导体晶片114的上方的振动杆110在半导体晶片114通过旋转板112和旋转轴115旋转时发出纵向超声波，同时，清洗水116被喷洒到半导体晶片114上，以允许以超声波清洗方式清洗半导体晶片114所有的表面。
但是，在如图2所示的传统的超声波清洗设备中，由于振动杆110具有悬臂结构，因此清洗操作只能在振动杆110的轴向的下方进行。这导致超声波的强度沿振动杆110产生差异，从而不能在特别是具有微小图案(micropattern)的晶片上实现均匀的清洗。
发明内容
因此，考虑到上述问题完成本发明，本发明的目的在于提供一种使用超声波的清洗设备，该设备包括：其中容纳有振动器的壳体，在清洗晶片上的污染物的过程中，所述振动器由于压电装置通过接收的电力收缩和膨胀而产生超声波；以及杆，该杆连接到所述振动器的表面以使超声波传播到施加在所述晶片的上表面上的清洗水，所述压电装置结合到包括近场区域和远场区域的扩散层的表面，超声波在所述近场区域直线传播而在所述远场区域扩散和叠加，从而完成振动，所述杆具有直径减小部分，以放大由所述振动器产生的超声波，从而有效地去除所述晶片上的污染物。
本发明的其它目的和/或优点部分地在下文的说明中提出并通过对本发明的优选实施方式的说明显而易见。此外，本发明的目的和/或优点能够通过附带的权利要求的方式和结合来实现。
根据本发明的一个方面，可以通过提供一种使用超声波的清洗设备实现上述和其它目的，该设备包括：管；连接到该管的端部的壳体，该壳体垂直于需要清洗的晶片设置并与该晶片保持间隙；以及振动器，该振动器设置在所述壳体内的与所述晶片面对的位置上并用于产生超声波。
根据本发明的另一方面，可以通过提供一种使用超声波的清洗设备来实现上述和其它目的，该设备包括：中空的壳体；振动器，该振动器连接到所述壳体的面对需要清洗的晶片的位置并用于产生超声波；以及等直径的杆，该杆具有连接到所述振动器的表面的端部，所述杆垂直于所述晶片的上表面设置，以使由所述振动器产生的超声波传递到施加在所述晶片的上表面上的清洗水。
附图说明
结合附图，通过下文的详细说明可以更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点，附图中：
图1是显示一种传统的超声波清洗设备的结构的视图；
图2是显示另一种传统的超声波清洗设备的结构的视图；
图3是显示根据本发明的压电装置的电极结构的截面视图；
图4是图3的平面视图；
图5是显示根据本发明的振动器的结构和基本原理的截面视图；
图6是显示根据本发明的振动器的基本原理的说明视图；
图7是图5的平面视图；
图8是显示根据本发明的振动器的一种实施方式的透视图；
图9是显示根据本发明的压电装置的一种实施方式的透视图；
图10是显示根据本发明第一实施方式的清洗设备的透视图；
图11是显示根据本发明第二实施方式的清洗设备的透视图；
图12是显示图11的一种可选择的实施方式的透视图；
图13是显示根据本发明第三实施方式的清洗设备的透视图；
图14是显示图13的一种可选择的实施方式的透视图；以及
图15是显示根据本发明第四实施方式的清洗设备的透视图。
具体实施方式
现在，参照附图对本发明的优选实施方式进行详细的说明。在下文的说明书中，在下文说明中使用的术语或用语不应限定为通常和基于字典的解释得到的意思。这些术语的定义应该理解为与本发明的技术方案相关的概念，该概念基于发明人可以合理地限定该术语从而以最佳方式说明本发明的原则。
因此，由于在此公开的实施方式以及附图中显示的结构只是本发明最优选的实施方式而不代表本发明所有的技术内容，应该理解的是，在本申请提交时可能存在能够替代本发明所公开的实施方式的其它各种等同物和修改。
在此，参照图3至图15将详细说明根据本发明优选实施方式的使用超声波的清洗设备。
如图所示，为了有效地从需要清洗的晶片70上分离污染物，所述清洗设备包括振动器30，该振动器30通过将压电装置10结合到扩散层22的表面而设置，该扩散层22包括近场区域20和远场区域21。所述清洗设备使用由振动器30产生的超声波，所述清洗设备还包括具有直径减小部分的杆，以放大超声波。大体上，所述使用超声波的清洗设备包括管41、杆42或42’、壳体40或43、以及振动器30。
图3是显示根据本发明的压电装置的电极结构的截面视图，图4是图3的平面视图。如图3和图4所示，压电装置10包括各种形状的压电陶瓷板11、形成在该压电陶瓷板11的一个表面上的正极14、和形成在该压电陶瓷板11的另一个表面上的负极12。正极14包括多个正极片13，该多个正极片13垂直和水平地以预定的间隔相互隔开地设置在压电陶瓷板11上。
压电装置10可以通过各种方式形成。在一个实例中，包括多个正极片13的正极14设置在压电陶瓷板11的一个表面上，而负极12遍布压电陶瓷板11的另一个表面形成。在另一个实例中，包括多个正极片13的正极14形成在压电陶瓷板11的上表面上，而负极12遍布压电陶瓷板11的下表面和侧壁延伸。在还另一个实例中，压电装置10可以包括多个压电陶瓷单元，每个压电陶瓷单元包括设置在压电陶瓷板11的相对的表面上的单个的正极片和负极。
图5是显示根据本发明的振动器的结构和基本工作原理的截面视图。图6是说明根据本发明的振动器的基本工作原理的视图。图7是图5的平面视图。如图5至图7所示，扩散层22结合到压电装置10的表面，使得扩散层22的表面结合到压电装置10的负极12。扩散层22包括近场区域20和远场区域21，并结合到压电装置10的负极12。
图5中，从压电装置10所结合的扩散层22的表面到近场区域20终止而远场区域21起始的边界的距离通过N＝D2-λ2/4λ表示。这里，D是每个正极片13的宽度。此外，从近场区域20与远场区域21之间的边界扩散到远场区域21内的声波的扩散角度通过sinγ0＝1.2λ/D表示。也就是说，正极片13的宽度越小，扩散角度sinγ0越大。因此，通过叠加在需要清洗的物体上扩散的超声波，能够调整远场。扩散层22的表面可以与多个压电装置10结合。
扩散层22可以由石英、不锈钢、聚四氟乙烯、铝、钢或类似材料制成。
正极片13和压电装置10可以具有从正方形、圆形、三角形、矩形、平行四边形等形状中选择的任意一种形状。此外，扩散层22可以具有由用户从正方形、圆形、多边形等形状中选择的任意一种形状。
近场施加的振动适用于图6的部分A，从而使用相对均匀的声场，而远场施加的振动适用于图6的部分B，从而通过叠加由压电装置发出的超声波而形成相对均匀的声场。
图8是显示根据本发明的振动器30的一种实施方式的透视图。图9是显示根据本发明的压电装置10的一种实施方式的透视图。如图8和图9所示，扩散层22包括近场区域20和远场区域21，超声波在近场区域20中直线传播而在远场区域21中扩散和叠加。压电装置10结合到扩散层22的表面，以通过压电装置10的收缩和膨胀产生超声波。
如图8所示，振动器30可以通过各种方式形成。例如，振动器30可以包括扩散层22(该扩散层22包括远场区域21和近场区域20)和压电装置10，或者可以包括超声波发射器23和压电装置10。
应该理解的是，结合到超声波发射器23的表面上的压电装置10、超声波发射器23和扩散层22都可以具有由用户从正方形、圆形等形状中选择的任意一种横截面形状。
压电装置10可以包括垂直和水平地以预定的间隔相互隔开的多个压电装置10。此外，如上所述，压电装置10可以具有由用户从正方形、圆形等形状中选择的任意一种形状。
图9显示了用于结合到超声波发射器23或扩散层22的压电装置10的详细结构。
图10是显示根据本发明的第一实施方式的清洗设备的透视图。如图10所示，所述清洗设备包括圆柱形中空壳体40，该壳体40中容纳有设置在该壳体40的端面上的振动器30。更具体地，振动器30定位为尽可能接近需要清洗的晶片70。
管41连接到壳体40，其连接位置与壳体40的与晶片70保持间隙的端面相对。
如上所述，设置在壳体40的端面上的振动器30可以包括超声波发射器23和设置在超声波发射器23的表面上的压电装置10，或者可以包括扩散层22和结合到扩散层22的表面的压电装置10，其中扩散层22包括近场区域20和远场区域21。
当振动器30通过电线51接收来自电源的电流时，压电装置10通过接收到的电流而收缩和膨胀，从而产生超声波。
更具体地，用于产生超声波的振动器30定位为垂直于晶片70的上表面，以在与晶片70保持预定的间隙的同时在晶片70的上表面的上方移动。由振动器30产生的超声波传播到施加在需要清洗的晶片70的上表面上的清洗水61，从而使污染物从晶片70上分离。
图11是显示根据本发明的第二实施方式的清洗设备的透视图。图12是显示图11的可选择的实施方式的透视图。如图11和图12所示，与图10不同，为了使超声波传播到施加在需要清洗的晶片70的上表面上的清洗水61，圆柱形杆42可以连接到振动器30的表面。
杆42的直径可以比振动器30的直径大或小，或者可以具有与振动器30相同的直径。
在本实施方式中，由振动器30产生的超声波沿定位为垂直于晶片70并与晶片70保持预定的间隙的杆42的纵向传播，从而传播到施加在晶片70的上表面上的清洗水61。
当相对于远场区域21使用振动器30时，还能够提高超声波的扩散和叠加效果。
在上述实施方式中，壳体40或43具有中空管形状，该中空管形状具有从正方形、圆形、多边形等形状中选择的任意一种横截面形状。
图13是显示根据本发明的第三实施方式的清洗设备的透视图。图14是显示图13的可选择的实施方式的透视图。在本实施方式中，用具有直径减小部分的杆42’代替图11和图12中所示的杆42。使用具有直径减小部分的杆42’具有这样的效果：允许传播到施加在晶片70的上表面上的清洗水61的超声波在接近晶片70时被集中和放大。
图15是显示根据本发明的第四实施方式的清洗设备的透视图。如图15所示，压电装置10结合到具有矩形横截面的扩散层22。
当根据本实施方式的清洗设备在事先施加了清洗水61的晶片70的表面上移动时，所述清洗设备能够分离晶片70上的污染物。
在上述本发明的优选实施方式中，扩散层22、超声波发射器23、以及杆42和42’可以由用户从包括石英、蓝宝石、金刚石和玻碳在内的玻璃固体，包括不锈钢、钛、铝和钢在内的金属，以及涂敷有例如聚四氟乙烯的化学稳定材料的其它玻璃材料或金属中选择的任意一种制成。
附图中，附图标记60表示清洗水排出器。
从上述说明可明显看出，本发明提供一种使用超声波的清洗设备，该清洗设备包括：其中容纳有振动器的壳体，在清洗晶片上的污染物的过程中，所述振动器由于压电装置通过接收电力收缩和膨胀而产生超声波；以及杆，该杆连接到所述振动器的表面，以使超声波传递到施加在所述晶片的上表面上的清洗水。所述压电装置结合到包括近场区域和远场区域的扩散层的表面，超声波在所述近场区域直线传播而在所述远场区域扩散和叠加，以完成振动。此外，所述杆具有直径减小部分，以放大由所述振动器产生的超声波，从而有效地去除所述晶片上的污染物。
虽然出于说明目的公开了本发明的优选实施方式，但本领域技术人员应该理解的是，在不脱离附带的权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，可以做出各种改变、添加和替换。

Claims (14)

1.一种使用超声波的清洗设备，该设备包括：
管；
壳体，该壳体连接到所述管的端部，并且所述壳体垂直于需要清洗的晶片而设置并与所述晶片保持间隙；以及
振动器，该振动器设置在所述壳体内的面对所述晶片的位置上，并用于产生超声波。
2.一种使用超声波的清洗设备，该设备包括：
中空的壳体；
振动器，该振动器连接到所述壳体的面对需要清洗的晶片的位置上，并用于产生超声波；以及
等直径的杆，该杆具有连接到所述振动器的表面的端部，所述杆垂直于所述晶片的上表面而设置，以使由所述振动器产生的超声波传播到施加在所述晶片的上表面上的清洗水。
3.根据权利要求2所述的清洗设备，其中，用具有直径减小部分的杆代替所述等直径的杆，所述直径减小部分限定在所述杆的振动器连接端的纵向相对侧，以放大由所述振动器产生的超声波，并使该放大的超声波传播到施加在需要清洗的所述晶片的上表面上的清洗水。
4.根据权利要求1或2所述的清洗设备，其中，当压电装置依靠通过电线接收的电力而收缩和膨胀时，所述振动器产生超声波。
5.根据权利要求1或2所述的清洗设备，其中，所述振动器包括压电装置，该压电装置结合到超声波发射器和扩散层中的任意一个的表面。
6.根据权利要求5所述的清洗设备，其中，所述扩散层、超声波发射器和杆由从包括石英、蓝宝石、金刚石和玻碳在内的玻璃固体中选择的任意一种材料制成。
7.根据权利要求5所述的清洗设备，其中，所述扩散层、超声波发射器和杆由从包括不锈钢、钛、铝和钢在内的金属以及涂敷有例如聚四氟乙烯的化学稳定材料的其它金属中选择的任意一种材料制成。
8.根据权利要求5所述的清洗设备，其中，所述扩散层和超声波发射器具有正方形、圆形或多边形横截面。
9.根据权利要求2或3所述的清洗设备，其中，所述振动器和所述杆相互形成一体。
10.根据权利要求2或3所述的清洗设备，其中，所述振动器和所述杆相互连接，使得所述振动器和所述杆的相互面对的区域相互接触。
11.根据权利要求1或2所述的清洗设备，其中，所述振动器具有正方形、圆形或多边形横截面。
12.根据权利要求4所述的清洗设备，其中，所述压电装置具有圆形、正方形、菱形、三角形或平行四边形形状，并且所述压电装置结合到超声波发射器和扩散层中的任意一个的表面。
13.根据权利要求1或2所述的清洗设备，
其中，所述振动器包括结合到扩散层的表面的压电装置，超声波在所述扩散层中扩散和叠加，以及
其中，所述压电装置包括：压电陶瓷板；多个正极片，该多个正极片垂直地和水平地以预定的间隔相互隔开地设置在所述压电陶瓷板的一个表面上；以及负极，该负极设置在所述压电陶瓷板的另一个表面上，所述压电装置能够减弱超声波的声压中的偏差。
14.根据权利要求13所述的清洗设备，其中，随着所述正极片的宽度减小，超声波形成的扩散角度增大。
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