CN103118810A - 改进的超声波清洗的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于处理半导体晶片表面的设备和方法，其提供了一种在比处理流体中引起空化所需的声压小的声压下产生的处理流体中分散的气泡的形式的处理流体。谐振器供应超声波或兆声波能量至该处理流体，并被配置为在该处理流体中产生干涉图案，该干涉图案包括处理流体和半导体晶片的界面处的压强幅度的最大值和最小值的区域。

Description

改进的超声波清洗的方法和装置

技术领域

本发明涉及超声波（包括兆声波）清洗衬底表面的领域。

背景技术

从半导体衬底去除颗粒污染物可以通过超声波清洗来实现。当超声波的频率接近或超过1,000kHz（1MHz）时，它通常被称为“兆声波”。

靠近任何液体-表面的界面的声学激活的气泡导致（a）在该表面的可以造成从该表面去除微粒污染物的剪切应力，（b）可以导致增强有利于电化学沉积工艺、蚀刻、清洗和混合的扩散有限反应的微流（microstreaming），以及（c）接近表面的局部活性成分的富集以影响如氧化工艺和蚀刻之类化学工艺，该活性成分如自由基、臭氧和等离子体。

然而，对于在去除纳米颗粒污染物的过程中使衬底损坏最小化以及避免清洗图案（即，非均匀去除）方面，常规的超声波和兆声波清洗方法并不是完全令人满意的。

因此，具有对衬底的损坏最小化的有效地处理或清洗的处理和清洗技术是有需求的。

发明内容

因此，本发明的目的是产生一种用于处理物件的至少部分地克服常规技术的缺点的方法和装置。

在某种程度上，本发明涉及一种用于处理物件的装置，该装置包括：用于支托物件的支托件；用于供给超声波或兆声波能量至该物件的谐振器；发生器，其用于产生处理流体，其中气体优选在比处理该物件的压强高至少约1巴（bar）的压强溶解在该处理流体中；以及流体供应器，其用于供应该处理流体至该物件，其中该处理流体是含有气体的流体，当压强降低时，其产生分散在该处理流体中的气体。可以调节分散的气泡的尺寸分布和内容物（气体，蒸气，化学品）。

并且，该谐振器被配置为在液体中引入干涉图案，因此在固-液界面处产生压强幅度的最大值和最小值的不同的区域。结合产生的气体分散的处理流体，许多气泡存在并活跃在固-液界面，从而改善了处理时间并能够优化清洗均匀性。

应该理解的是，前面的总体描述和下面的详细描述是示例性的和解释性的，且旨在提供所要求保护的本发明的进一步的解释，并不旨在限制所附的权利要求的保护范围。

附图说明

列入附图以提供对本发明的进一步理解。附图示出了本发明的实施方式，并与说明书一起用于更充分地解释本发明的实施方式的原理。

图1a示出了谐振器的横截面图，该谐振器具有在液体和固-液界面中产生干涉图案的固体结构元件。

图1b示出了存在于液体中的气泡的详细示图。

图1c示出了在压强幅度最大值处被收集的气泡的详细示图。

图1d示出了在压强幅度最大值处被收集的小气泡和在压强幅度最小值处被驱动和被收集的较大的气泡的详细示图。

图1e示出了穿过被污染的表面，背后留下清洗过的路径的气泡。

图2示出了在液体中产生干涉图案的两个谐振器的横截面图。

图3示出了在液体中产生干涉图案的两个谐振器的概略图。

图4a示出了接近于旋转的衬底的气泡喷射器与谐振器的组合的概略图。

图4b示出了图4a的气泡喷射器的右前视图。

图4c示出了图4a的气泡喷射器沿图4b的线IVc形成的横截面图。

图5示出了接近平移的衬底的气泡喷射器与谐振器的组合的概略图。

图6示出了谐振器的剖视图，该谐振器具有在液体和固-液界面中产生干涉图案的固体结构元件。

图7示出了平面谐振器的横截面图，其中几何结构被集成在固体元件的内部空间。

图8示出了平面谐振器的横截面图，其中几何结构被集成在固体元件的内部空间。

图9a示出了平面谐振器的横截面图，其中几何结构被集成在固体元件的内部空间，并在液体和固-液界面产生干涉图案。

图9b示出了填充有液体的几何结构的详细的横截面图，其中入射声波被反射和透射。

图10示出了具有固体结构元件的谐振器的详细的横截面图，其中耦合层位于物件和谐振器之间，并且固体边界置于背部。

具体实施方式

液体中的气泡对声场的动态响应通常包括空间（volumetric）振荡和平移运动。假定任意的开始位置，可以观察到，在声场中的气泡朝向压强幅度最大值或压强幅度最小值处移动。在相对弱的声场中，共振频率以下驱动的气泡（这意味着施加的超声波场的驱动频率低于气泡的固有共振频率（由Minnaert方程计算））向压强幅度最大值处移动，而在共振频率以上驱动的气泡朝压强幅度最小值处移动。

在正常条件下，气泡保持在它们被驱动到的这些位置。根本机制是基于主Bjerknes力，其由Bjerknes第一次发现并描述（1906）。在较高强度的声场中，可以观察到在共振尺寸以下的气泡的主Bjerknes力的反转，并且这些气泡如Doinikov（2001）所示的围绕压强幅度最小值处来回运动。因此，在液体中和在固-液界面处压强幅度最小值和最大值的不同的区域的产生使得能产生（暂时）收集气泡的区域或让气泡平移通过的区域。

此外，这些气泡中的一些显示出除了其空间振荡以外，还显示出表面模式甚至表面不稳定性。这种不稳定性会增长，并最终击破这些气泡。除了气泡碎片，气泡的质量不断受到与其他气泡合并、整流（rectified）扩散或消溶的影响。这些作用的阈值通常表现在表示表面不稳定性、平移稳定性、整流扩散和消溶的参数区域的频率专用相图中。此外，平面刚性壁的存在影响气泡的平移动力学特性。气泡和壁之间的相互作用使它们通常朝向这些壁移动。

在半导体晶片清洗中，超声波空化成核往往需要液体的适当的预处理和增大的声压以实现成核的开始。此外，这种成核导致有限的成核密度，其中只有涉及尺寸分布的一小部分将在清洗中起作用。通常情况下，增大的声压将推动气泡振荡达到更猛烈的体系（瞬态空化作用），这通常会造成损坏。因此对于成核而不是其微观效应（气泡活动的结果）常常调谐超声波清洗过程是必要的，以避免在例如在衬底上存在的易碎结构上的任何结构损坏。

由气泡喷射器可以提供具有改进的清洗性能的气泡到被暴露于设计的声环境的液体中。在尺寸分布和内容物（气体，蒸气，化学品）方面可以调节这些气泡。设置结构化的谐振器以在液体中引入干涉图案，结果，在固-液界面处产生压强幅度的最大值和最小值的不同的区域。此外，在固-液界面处产生压强幅度的最大值和最小值不依赖于谐振器和衬底之间的距离。结合特定的气泡的喷射，在固-液界面处许多气泡存在并起作用，从而改进了处理时间并能够优化均匀性。这些气泡的引入使得能在气泡起始阈值以下操作，从而对于施加的功率极大增加了操作窗口，并因此极大提高了颗粒去除效率（PRE）损坏窗口（其在常规技术中使高度的颗粒去除与显著量的衬底损坏总是相关联）。

如图1a所示，压电晶体（110）被胶合在结构化的固体元件（100）上。它们一起形成谐振器。该谐振器在共振频率下由电驱动，该共振频率对应于谐振器的结构共振频率中的一个，并通常在10kHz和10MHz之间变化。该固体元件被配置为当谐振器被放置在衬底（130）的旁边且间隙用液体填充（170）时产生特定的声学干涉图案（120）。这样的结构的典型实施例是成系列的三角槽（140），对于每个三角形的基部和高度具有介于500微米和10厘米之间的典型尺寸。所述衬底和所述谐振器之间的间隙通常为约100微米至约10毫米，优选为0.2毫米至10毫米，更优选为0.2毫米至3毫米。

所产生的声学干涉图案（120）在液体中和衬底（130）的固-液界面处形成压强幅度的最大值和最小值的交替区域。压强的最大值（150）和发生的机制示于图1b-1d中。如果在建立的声场中喷射气泡（101），根据其尺寸它们将分类朝向压强幅度的最大值和最小值处。在相对弱的声场中，在共振频率以下驱动的气泡（这意味着施加的超声波场的驱动频率低于气泡的固有谐振频率（由Minnaert方程计算））移动到压强幅度的最大值（102）处。由于在压强幅度最大值处气泡聚结，气泡通常生长直到其达到由Minnaert方程给出的临界尺寸，它们将开始朝向压强幅度最小值（103）处移动。

此外，已经发现，在从10^-3巴至10³巴的声压范围中的操作使得能管理（结合选定的工作频率）气泡的活动性，从而使气泡能够产生表面模式、表面不稳定性、空间振荡甚至导致密集的坍塌（collapsing）气泡，因此可以创建声流、剪切应力、或使液-固界面富集一种或多种气体组分。在图1e中给出这些作用的实施例，其中在施加的声场中的活动的气泡（104）在干涉图案内移动并可因局部产生的剪切应力而沿着轨迹（105）从衬底去除微粒污染物（106）。

在优选的实施方式中根据本发明的装置是用于处理半导体晶片的单个晶片湿法处理站。

在液体内并在液-固界面处的近场干涉图案的产生对排列和激活气泡发挥着中心作用。在图2中示出了产生这样的干涉图案的替代的方法，其基于两个独立的谐振器的组合。第一谐振器，其包括胶粘在固体元件（210）上的压电晶体（230），该第一谐振器定位在紧邻第二谐振器的介于1度和45度之间的一选定的角度，第二谐振器也包括胶粘在固体元件（200）上的压电晶体（220）。每个谐振器在选定的工作频率发射声波在液体中，并且所发射的声波复合以产生具有压强幅度的最小值（250）和最大值（240）的特定的干涉图案。

图3示出了一种变化方案，其中由压电晶体（310）驱动的2杆（300）被定位为彼此相邻，且每个杆所发射的声波（330）将复合以再次形成独特的干涉图案。

除了在液体中气泡的原位异相成核之外，直接喷射气泡到液体中也是特别有利的，这可以允许在低于空化阈值的声压操作（通常低于1巴）。此外，气泡尺寸分布和气泡的内容物可以更容易地朝有针对性的应用调整。这种气泡直接喷射到声场的实施例示于图4a-4c和图5。

图4a是结构化的固体元件（400）的实施例，其具有成系列的三角槽（440），压电晶体（410）固定到这些三角槽上。气泡喷射装置（480）被定位在这些槽旁边。含有气泡（F）的流优选平行于最大和最小压强幅度的区域喷射，或者替代地成高达60度的角度喷射。气泡流可以行进和影响的典型的长度（L）高达5厘米。在该实施例中，衬底（W）在谐振器下方转动（R），且谐振器可以执行平移运动（T）以处理整个衬底。

图4b示出了图4a的气泡机（480）的一种可能的结构。在右前透视图中，示出了主体外壳（420），其设置有入口开口（430）。如图4c所示，该入口开口（430）具有从约1毫米至约20毫米的内径，并连接到外部的介质供给单元，且提供了加压和气化的介质至气泡机的内室（441）中。喷射孔（450）、（421）定位在倾斜表面上。虽然示出了5个喷射孔，可以有广泛范围的喷射孔，从每100平方毫米约1至约30个，优选为约每100平方毫米16个。喷射孔（450）有约50微米到约500微米的直径，但优选为介于100微米和350微米之间，并被设计以产生在内部室（441）和周围介质（460）之间的介质中的压降，气泡机浸渍在该介质中。周围介质（460）可以与所提供的介质不同。压降可以在所提供的介质中的溶解气体开始脱气的范围内选择。作为脱气的结果，许多小气泡将产生并注入周围介质中（460）。

主体外壳（420）、（401）的浸渍深度应进行选择，以便使得喷射孔（450）、（421）被淹没在周围介质（460）中，因此对于浸渍在贮器中设置介于约0.5毫米和约350毫米之间或对于浸渍在两个平行板之间设置介于约0.3毫米和约10毫米之间。替代地，主体外壳（420）、（401）可以完全浸渍在周围介质（460）中。

图5给出了替代结构，其中结构化的固体元件（500）具有成系列的三角槽（540）和内置的气泡喷射装置（580）。当衬底在谐振器的上方或下方线性移动（M）时，成系列的处理液体入口（502）和处理液出口（503）允许衬底（W）润湿和去湿。气泡喷射装置（580）的其他方面可以如设备（480）中所述的。

图6示出了连接到压电晶体（610）的固体元件（600）的另一种结构。三角形槽由弯曲的表面（640）取代，该表面将根据其几何形状产生液体内和固-液界面处的干涉图案。

此外，如果如图7和图8所示平面谐振器是必需的，则几何结构可以被集成在固体元件（700和800）内的谐振器的内部空间（结构化空间），该固体元件（700和800）连接到压电晶体（710和810）。这些空间的横截面的形状可从圆形开口（720）到椭圆面的结构到三角形结构（820）变化。这些空间可以填充有具有特定声阻抗的液体以重定向发射的声波。

声波路径的实施例示于图9a，并更详细地在图9b中示出。电驱动的压电晶体（910）将在固体元件（900）中启动声波（930）。当该波穿过具有不同的声阻抗的区域（920）时，在每个界面该波将部分地被反射（R）和部分地透射（T）。根据在空间（920）中存在的流体的声阻抗（921），透送入射波的角度可以由斯涅耳定律以及透射系数计算。这部分的声波的轨迹（904）在谐振器和衬底（960）之间的液体（970）中结束，并允许产生独特的干涉图案（950）。图10示出了谐振器，其是压电晶体1010和固体元件（1000）的组合，并被定位在耦合液体（1070）中。该耦合液体通过薄层（1060）与处理液（1090）分离，该薄层是通透声音的。可以在两个液体容积（耦合容积和处理容积）中都产生特定的干涉图案（1050）。在衬底（1030）的背侧，可以放置附加的固体边界（1080）以反射或吸收透射通过衬底（1030）的声波。

借助于本发明，可能增加沉积和蚀刻速率，提高选择性，并提高漂洗效率。根据本文所公开原理所构建的本发明的实施方式可以产生并增加靠近衬底的短寿命氧化物质的浓度。这与常规技术相反，常规技术通常遭受在表面有限的气泡活动性（每单位面积活动的少量的气泡），这反过来又导致长的处理时间和均匀性方面的问题，以及关于清洗的小处理窗口以及特别地导致关于清洗与导致损坏窗口。本发明还减少了用于距离优化（晶片换能器）和在需要更高的功率操作以克服空化启动阈值的常规技术的需求。

应理解的是，前面的描述和本发明示出的特定实施方式仅是对本发明的和本发明的原理的说明，因此在不脱离本发明的主题和范围的情况下，由本领域的技术人员可以容易地做出修改和补充方案，本发明的主题和范围应理解为仅由所附的权利要求书的范围限制。

Claims (14)

1.一种用于使用流体处理物件的表面的装置，其包括：

支托件，其被配置为以预定的方向定位物件；

超声波或兆声波能量的源，其被定位以振动邻近所述物件的流体介质；以及

处理流体的发生器，其配置为在降低处理流体的压强之后邻近所述超声波或兆声波能量的源排放所述处理流体，以便先前溶解在液体中的气体以气泡的形式从溶液中释放出；

其中，所述超声波或兆声波能量的源被配置为在所述处理流体中产生干涉图案，所述干涉图案包括在所述处理流体和所述物件的界面的压强幅度的最大值和最小值的区域。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理流体的发生器包括：

主体外壳，其设置有入口开口；

多个喷射孔或喷射缝，其设置在所述主体中；以及

外部液体介质供给单元，其连接到所述入口开口。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波或兆声波能量的源包括谐振器，所述谐振器定位于邻近由所述物件待占据的空间，使得形成具有约0.1毫米到约10毫米的宽度w的间隙。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波或兆声波能量的源包括谐振器，所述谐振器具有引导所述超声波或兆声波能量以产生所述干涉图案的成系列的三角形槽。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波或兆声波能量的源包括谐振器，所述谐振器具有多个安装在单片体上并以斜角面朝定位在所述支托件上的物件的压电元件。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声波或兆声波能量的源包括谐振器，所述谐振器具有容纳液体的至少一个内部空间，该液体的阻抗不同于所述处理流体的阻抗。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置是用于处理半导体晶片的单个晶片湿法处理站。

8.一种用于用流体处理物件的表面的装置，其包括：

支托件，其被配置为以预定的方向定位物件；

超声波或兆声波能量的源，其定位成振动邻近所述物件的流体介质；以及

处理流体的发生器，其配置为邻近所述超声波或兆声波能量的源排放含有处理液体中分散的气泡的处理流体，所述气泡在小于1巴的声压产生；

其中，所述超声波或兆声波能量的源被配置为在所述处理流体中产生干涉图案，所述干涉图案包括在所述处理流体和所述物件的界面的压强幅度的最大值和最小值的区域。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述超声波或兆声波能量的源包括谐振器，所述谐振器具有引导所述超声波或兆声波能量以产生所述干涉图案的成系列的三角形槽。

10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述超声波或兆声波能量的源包括谐振器，所述谐振器具有多个安装在单片体并以倾斜的角度面朝定位在所述支托件上的物件的压电元件。

11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置是用于处理半导体晶片的单个晶片湿法处理站。

12.一种用于用流体处理物件的表面的方法，其包括：

以预定的方向定位在处理装置中待处理的物件；

供给超声波或兆声波能量，以振动邻近所述物件的流体介质；以及

邻近于所述物件的表面供给含有处理液体中的分散的气泡的处理流体，所述气泡在小于1巴的声压产生；

其中，以在所述处理流体中产生干涉图案的方式供给所述超声波或兆声波能量，所述干涉图案包含在所述处理流体和所述物件的界面的压强幅度的最大值和最小值的区域。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述处理装置是用于处理半导体晶片的单个晶片湿法处理站。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述超声波或兆声波能量是由谐振器供给的，所述谐振器具有成系列的相对于待处理的所述物件的表面以斜角倾斜的表面，所述谐振器的倾斜的所述表面导致由所述谐振器产生的声波互相干涉。

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