CN106238302B - 一种频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，包括本体和超声波/兆声波频率控制单元，本体内设有超声波/兆声波发生机构和底部石英部件，超声波/兆声波发生机构设有压电材料，压电材料连接本体外的信号源，底部石英部件设有石英微共振腔阵列，石英微共振腔阵列自本体下端面的开口伸出，超声波/兆声波频率控制单元连接在信号源和压电材料之间，可通过石英微共振腔阵列对传播方向与晶圆表面方向不垂直的超声波/兆声波能量进行选择性去除，并通过超声波/兆声波频率控制单元改变信号源输出电信号的频率，使压电材料产生的超声波/兆声波振动频率动态变化，实现对图形晶圆的无损伤清洗。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路加工清洗设备领域，更具体地，涉及一种通过使超声波/兆声波频率动态变化实现对图形晶圆进行无损伤清洗的超声波/ 兆声波清洗装置。
背景技术
随着半导体集成电路制造技术的高速发展，集成电路芯片的图形特征尺寸已进入到深亚微米阶段，而造成芯片上超细微电路失效或损坏的关键沾污物(例如颗粒)的特征尺寸也随之大为减小。
在集成电路的生产加工工艺过程中，半导体晶圆通常都会经过诸如薄膜沉积、刻蚀、抛光等多道工艺步骤。而这些工艺步骤就成为沾污物产生的重要场所。为了保持晶圆表面的清洁状态，消除在各个工艺步骤中沉积在晶圆表面的沾污物，必须对经受了每道工艺步骤后的晶圆进行清洗处理。因此，清洗工艺成为集成电路制作过程中最普遍的工艺步骤，其目的在于有效地控制各步骤的沾污水平，以实现各工艺步骤的目标。
为了有效地清除晶圆表面的沾污物，在进行单晶圆湿法清洗工艺处理时，晶圆将被放置在清洗设备的旋转平台(例如旋转卡盘)上，并按照一定的速度旋转；同时向晶圆的表面喷淋一定流量的化学药液，对晶圆表面进行清洗。
在通过清洗达到去除沾污物目的的同时，最重要的是要保证对晶圆、尤其是对于图形晶圆表面图形的无损伤清洗。
随着集成电路图形特征尺寸的缩小，晶圆表面更小尺寸的沾污物的去除难度也不断加大。很多新型清洗技术在清洗设备上已得到应用。其中，最重要的一种是超声波/兆声波清洗技术。但是，采用超声波/兆声波清洗技术在提高了沾污物去除效率的同时，也不可避免地带来了对于图形晶圆的损伤问题。这主要是由于传播方向与晶圆表面不垂直的超声波/兆声波能量对图形晶圆表面图形横向的作用力大于表面图形与晶圆的附着力，导致在超声波/兆声波清洗时对表面图形的破坏。
同时，现有的超声波/兆声波清洗技术，是通过将具有单一频率的电信号导入至压电材料，使其产生高速的伸缩振动，从而产生超声波/兆声波振荡能量进行晶圆清洗的。在超声波/兆声波清洗过程中，声波能量在晶圆的上表面，下表面，以及一些不同介质的接触面都会产生折射和发射，这些折射和反射的声波与从压电晶体振子发出的单一频率声波的干涉会导致局部区域的能量过强，造成晶圆表面精细图形结构的损伤。
另一方面，超声波/兆声波在清洗介质中产生的气蚀和直进流都会加速颗粒污染物从晶片表面的脱离过程，实现清洗效率的提高。但是，从目前业内的实践经验来说，气蚀作用产生的气泡不断长大，最终破裂所带来的物理能量的大小难以控制，很容易造成晶片表面精细图形结构的损伤。因而行业内技术人员更希望利用直进流作用实现对晶圆的无损伤清洗。
因此，需要采用一些新的技术手段控制气蚀的产生，以实现更优的晶圆无损伤清洗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，在对晶圆进行超声波/兆声波清洗时，能够消除传播方向与晶圆表面不垂直的超声波/兆声波能量对图形晶圆表面图形横向作用力的破坏性影响，并可以使压电材料产生的超声波/兆声波振动频率动态变化，以防止在清洗药液中产生稳定的干涉作用及气泡破裂现象，控制气蚀的产生，实现对图形晶圆的无损伤清洗。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，包括：
本体，其中空的内部设有超声波/兆声波发生机构和底部石英部件，所述超声波/兆声波发生机构设有压电材料，所述压电材料连接本体外的信号源，所述底部石英部件设有由多个垂直棒状石英结构组成的石英微共振腔阵列，所述石英微共振腔阵列自所述本体下端面的开口伸出；
超声波/兆声波频率控制单元，连接设于信号源和压电材料之间，用于改变通过的信号源输出电信号的频率；
其中，所述压电材料接收电信号产生超声波能量，经底部石英部件向下传导，并经石英微共振腔阵列的选择性去除后，通过没入图形晶圆上清洗药液中的所述石英微共振腔阵列的下端面垂直传导至图形晶圆表面，带动清洗药液振荡，以进行超声波/兆声波移动清洗，同时，通过所述超声波/兆声波频率控制单元在压电材料的固有频率附近不断改变通过的信号源输出电信号的频率，使压电材料产生的超声波/兆声波振动频率动态变化，以防止在清洗药液中产生稳定的干涉作用及气泡破裂现象。
优选地，所述超声波/兆声波频率控制单元包括一个信号选择器，所述信号选择器一端连接压电材料，另一端分别连接若干信号源，其中至少一个信号源产生的电信号频率与压电材料的固有频率相同，其他信号源产生的电信号频率偏移在压电材料固有频率的两侧附近，所述信号选择器通过对各信号源进行快速切换，以实时切换作用在压电材料上的信号源频率，使压电材料产生的超声波/兆声波振动频率动态变化。
优选地，所述超声波/兆声波频率控制单元包括一个连接设于压电材料和信号源之间的变频器，通过所述变频器在压电材料的固有频率附近不断改变信号源输出的电信号频率，以输出若干不同频率的电信号，其中至少一个电信号频率与压电材料的固有频率相同，其他电信号频率偏移在压电材料固有频率的两侧附近，使压电材料产生的超声波/兆声波振动频率动态变化。
优选地，所述本体具体包括：
上、下壳体，其连接形成本体的中空密封腔，所述密封腔在下壳体的下端面形成开口；
超声波/兆声波发生机构，设于密封腔内，包括上下紧贴设置的压电材料和耦合层，所述耦合层下部紧贴底部石英部件上部，所述压电材料、耦合层和底部石英部件通过在上壳体顶部与压电材料之间依次所设的压紧弹簧和压紧弹簧导向柱进行压紧，所述耦合层侧部、压电材料侧部和顶部与密封腔内壁之间具有间隙，所述上壳体装有压电材料接线柱，用于将外部电信号导入至压电材料，并通过连接耦合层接线柱形成回路，以产生超声波/兆声波振荡能量；
底部石英部件，设于密封腔内，包括一形成向下开口凹槽的环状石英微共振腔保护圈，以及一个上端连接设于凹槽底部、下端为自由端的石英微共振腔阵列，所述环状石英微共振腔保护圈上部紧贴耦合层下部，其侧部与密封腔位于下壳体部分的内壁之间密封连接，其凹槽下端由下壳体下端面的开口伸出，所述石英微共振腔阵列的下端面不高于凹槽的下端面。
优选地，所述上壳体设有气体入口和出口，其连通由密封腔内壁和超声波/兆声波发生机构外壁组成的冷却腔，用于通过气体入口通入冷却气体，对超声波/兆声波发生机构进行冷却，并由气体出口排出。
优选地，所述下壳体侧部连通设有保护气体入口和出口，所述保护气体出口为一圈下倾的气孔或狭缝，用作通过保护气体入口通入保护气体，并由保护气体出口喷出，以在图形晶圆表面形成一个气体保护层。
优选地，所述上壳体设有气体入口，所述下壳体侧部设有气体出口，所述气体出口为一圈下倾的气孔或狭缝，所述气体入口和出口连通由密封腔内壁和超声波/兆声波发生机构外壁组成的冷却腔，用于通过气体入口通入冷却气体，对超声波/兆声波发生机构进行冷却，并在通过气体出口倾斜向下排出的同时，在图形晶圆表面形成一个气体保护层。
优选地，所述环状石英微共振腔保护圈的凹槽侧壁设有一至若干开孔，用于使清洗药液自由进出石英微共振腔阵列与图形晶圆表面之间的间隙。
优选地，所述石英微共振腔阵列棒状石英结构的形状包括圆形、三角形、五边形或长方形，各棒状石英结构按照一定的规则分布，或者按照随机方式分布。
优选地，所述本体以及超声波/兆声波发生机构、底部石英部件的轮廓为扇形、三角形、五边形或者是长条形。
本发明具有以下优点：
1)通过合理设计底部石英部件的石英微共振腔阵列结构，实现去除其它方向上的超声波/兆声波能量，只保留传播方向与待清洗晶圆表面垂直的超声波/兆声波能量的目的，保证在超声波/兆声波清洗过程中，超声波/兆声波的能量不会造成图形晶圆表面图形的损伤；
2)在超声波/兆声波清洗过程中，通过采用多个信号源代替单一的信号源，或者采用改变单一信号源发出的电信号频率，输出几种不同频率电信号的方式，使压电材料产生的超声波/兆声波频率动态变化，这样可以防止稳定干涉的产生；同时，由于压电材料产生的声波频率发生变化，声波的波长也将随之变化，前一个声波产生的气泡在长大的过程中还没有达到破裂的极限时，声波的频率已经切换，新的气泡在另一个位置产生，原有的气泡则不会进一步长大和破裂；在这样的循环过程中，随着声波频率的不断变化，气泡不断地产生和消失，但不会发生破裂，可以防止气泡破裂产生的气蚀作用造成晶圆表面精细图形结构的损伤；
3)石英微共振腔阵列棒状石英结构的形状可包括圆形以及其它的一些形状,例如三角形，五边形，长方形等；同时，各棒状石英结构的排列可以按照一定的规则分布，也可以完全随机分布，以防止装置随喷淋臂摆动时在特定区域形成能量较高的区域，使超声波/兆声波的能量分布更加的均匀；
4)在环状石英微共振腔保护圈上开有开孔，可使清洗药液自由进出石英微共振腔阵列与图形晶圆表面之间的间隙，以消除晶圆表面清洗药液的表面张力作用，改善清洗药液的置换效果，加快新、旧药液的交换过程，提高清洗的效果；
5)装置可以设计成为扇形、三角形，五边形或者是长条形，可提高装置的覆盖面积，从而可以提高装置的清洗效率；
6)在清洗工艺过程中，利用保护气体在晶圆上方形成一个气体保护层，可使晶圆与氧气隔绝，防止晶圆表面硅材料被氧化；在干燥过程中，由于晶圆全部处于保护气体的覆盖下，当晶圆高速旋转时，可以更好地实现整个晶圆范围的干燥，防止水痕缺陷的产生，也可以更好地实现晶圆边缘的干燥。
附图说明
图1是本发明一实施例中的一种频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置结构示意图；
图2是本发明一实施例中的底部石英部件的结构剖视图；
图3是图2底部石英部件的立体结构示意图；
图4是图1装置的外形结构示意图；
图5是本发明的装置与喷淋臂的一种配合状态示意图；
图6是本发明一实施例中的超声波/兆声波频率控制单元结构原理图；
图7是本发明另一实施例中的超声波/兆声波频率控制单元结构原理图；
图8是本发明的石英微共振腔阵列选择性去除部分超声波/兆声波能量的原理示意图；
图9是本发明一实施例中的一种具有气体保护作用的频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置的结构剖视图；
图10是图9的外形结构示意图；
图11是本发明另一实施例中的一种具有气体保护作用的频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置的结构剖视图；
图12是图11的外形结构示意图；
图13是本发明一实施例中的设有开孔的环状石英微共振腔保护圈结构示意图；
图14是本发明一实施例中规则分布的三角形棒状石英结构示意图；
图15是本发明一实施例中随机分布的长方形棒状石英结构示意图；
图16是本发明一实施例中的扇形石英微共振腔阵列示意图；
图17是本发明一实施例中的长方形石英微共振腔阵列示意图。
图中1.本体，10.石英微共振腔阵列，11.石英微共振腔保护圈，11’. 石英微共振腔保护圈开孔，12.底部石英部件，13.密封垫，14.压电材料，15. 上壳体，16.喷淋臂固定用螺栓孔，17.压紧弹簧导向柱，18.接线柱，19.压紧弹簧，20.耦合层，21.密封圈，22.下壳体，23.超声波/兆声波频率控制单元，23-1.信号选择器，23-2.变频器，24/24-1/24-2.信号源，25.冷却气体入口，26/26’.冷却气体出口，27.喷淋臂，28.固定支架，29.清洗药液，30. 晶圆，30’.晶圆表面图形结构，31.保护气体入口，32.保护气体出口，33. 上下壳体固定孔，A.传播方向与晶圆表面不垂直的超声波/兆声波能量，B. 传播方向与晶圆表面垂直的超声波/兆声波能量。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，先请参阅图1，图1是本发明一实施例中的一种频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置结构示意图。如图1所示，本发明的一种频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，可移动悬设于清洗设备内的图形晶圆上方，用于对放置在旋转平台上的图形晶圆进行超声波/ 兆声波药液清洗。所述装置包括本体Ⅰ和超声波/兆声波频率控制单元23。
本体Ⅰ为中空结构，内部设有超声波/兆声波发生机构14、20和底部石英部件12。所述超声波/兆声波发生机构设有压电材料14，所述压电材料连接本体外的信号源24。所述底部石英部件12设有由多个垂直棒状石英结构组成的石英微共振腔阵列10，所述石英微共振腔阵列10的下端面自所述本体下端面具有的开口伸出本体。
超声波/兆声波频率控制单元23连接设于信号源24和压电材料14之间，例如，超声波/兆声波频率控制单元可安装在本体外，并一端连接信号源，另一端连接本体内超声波/兆声波发生机构的压电材料。信号源24输出的电信号通过超声波/兆声波频率控制单元23导入超声波/兆声波发生机构的压电材料14。超声波/兆声波频率控制单元用于改变信号源输出的电信号的频率。
请参阅图1。本体具体可包括上、下壳体15、22，以及安装在上、下壳体内的超声波/兆声波发生机构14、20和底部石英部件12。上、下壳体14、 20可采用可拆卸方式进行连接，例如可通过螺栓对上、下壳体进行固定连接，并在连接后在其内部形成密封腔。所述密封腔在下壳体的下端面具有开口(即本体下端面的开口)。为了保证安装后的上、下壳体密封性能，在上、下壳体的结合部之间可装有密封垫13。
请参阅图1。在密封腔内部设有一个超声波/兆声波发生机构14和20。超声波/兆声波发生机构的上部和侧部与密封腔的内壁之间具有间隙，从而形成了一个冷却腔。在超声波/兆声波发生机构的下方以紧密贴合方式安装有一个底部石英部件12。底部石英部件包括上下连接设置的一个环状石英微共振腔保护圈11和一个石英微共振腔阵列10。环状石英微共振腔保护圈11具有向下形成开口的凹槽结构，石英微共振腔阵列10安装在凹槽结构内；石英微共振腔阵列10的上端连接凹槽底部，下端为自由端；石英微共振腔阵列10 由多个垂直的棒状石英结构组成一个微共振腔阵列。
底部石英部件12通过环状石英微共振腔保护圈11的顶部与超声波/兆声波发生机构14和20的底部形成紧密贴合连接；并且，底部石英部件12 通过环状石英微共振腔保护圈11的侧部与下壳体22部分的密封腔内壁进行台阶式安装配合。同样地，为了保证安装后的下壳体22与底部石英部件12 之间的密封性能，在下壳体22与环状石英微共振腔保护圈11的结合部之间可装有密封圈21。
请参阅图1。环状石英微共振腔保护圈11的凹槽下端为自由端，其由下壳体22下端面的开口处向下伸出下壳体。所述石英微共振腔阵列10的下端面不高于环状石英微共振腔保护圈凹槽的下端面，即所述石英微共振腔阵列 10的下端面可以低于或等于环状石英微共振腔保护圈11的凹槽下端面。图示为一种石英微共振腔阵列下端面低于环状石英微共振腔保护圈凹槽下端面的情形。
请参阅图2和图3，图2是本发明一实施例中的底部石英部件的结构剖视图，图3是图2底部石英部件的立体结构示意图。如图2和图3所示，在底部石英部件12中，其石英微共振腔阵列10的各棒状石英结构的下端面具有相同的高度，并且都低于环状石英微共振腔保护圈11的凹槽下端面。各棒状石英结构可形成均匀分布的石英微共振腔阵列。
在底部石英部件12的安装、调试、测试过程中，可以手持环状石英微共振腔保护圈，避免直接接触强度较弱的棒状石英结构，造成棒状石英结构的损伤。底部石英部件底面上的石英微共振腔阵列按与晶圆表面方向垂直设置，棒状石英结构的尺寸可为直径在0.5-5mm之间，长度在2mm以上，可根据超声波/兆声波工作频率的不同进行相应配置。棒状石英结构的数量和分布密度也可以根据实际需要和加工能力进行相应的配置。
请继续参阅图1。所述超声波/兆声波发生机构可选用基于压电材料的超声波/兆声波发生器。在本实施例中，所述超声波/兆声波发生机构可包括上下紧贴连接的压电材料14和耦合层20。耦合层可采用金属制作。所述耦合层20的下部紧密贴合环状石英微共振腔保护圈11的上部。为保证连接效果和对中性，所述耦合层20的下部与环状石英微共振腔保护圈11的上部之间可采用图示的槽形连接方式。所述耦合层20的侧部、压电材料14的侧部和顶部与密封腔的内壁之间具有一定的间隙，以利于进行气体冷却。
在上壳体15内顶部与压电材料14之间依次装有若干压紧弹簧19和压紧弹簧导向柱17，在压紧弹簧导向柱17的导向作用下，压紧弹簧19在竖直方向上处于压紧状态，并将压电材料14、耦合层20向下压，使之与下部的环状石英微共振腔保护圈11和装置下壳体22之间没有缝隙，便于超声波/ 兆声波能量的有效传输。
所述上壳体装有压电材料接线柱18，用于将外部信号源24产生的电信号导入至压电材料14，并通过连接耦合层接线柱形成回路，以产生超声波/ 兆声波振荡能量。压电材料14接收电信号以后产生高速的伸缩振动，形成超声波/兆声波振荡，并将振荡能量向下传导至耦合层20内。
所述耦合层20为单一金属或多种金属制成，其厚度为压电材料所产生的超声波/兆声波波长的整数倍加1/4波长。耦合层20可通过导电胶与压电材料14粘合。压电材料和耦合层表面可涂覆耐腐蚀涂层，防止清洗药液对耦合层金属和压电材料产生腐蚀。
所述耦合层20与环状石英微共振腔保护圈11之间可通过导电胶、或者低熔点合金、或者硬度较软的金或银等金属薄片连接，以保证二者之间没有缝隙。
请参阅图4，图4是图1装置的外形结构示意图(图中略去了超声波/ 兆声波频率控制单元和信号源，下同)。如图4所示，上壳体15设有冷却气体入口25和出口26，其连通由密封腔内壁和超声波/兆声波发生机构外壁组成的冷却腔。可通过冷却气体入口25将冷却气体引入由装置上壳体15、装置下壳体22、耦合层20、以及底部石英部件12组成的装置内部空腔，完成与压电材料14和耦合层20的热量交换后，由冷却气体出口26排出，以实现对超声波/兆声波发生机构的压电材料和耦合层进行有效冷却。
请参阅图5，图5是本发明的装置与喷淋臂的一种配合状态示意图。如图5所示，可将本发明装置的本体上壳体15通过固定支架28与喷淋臂27 进行连接，以实现喷淋臂带动清洗装置在晶圆表面作往复圆弧运动进行超声波/兆声波移动清洗，并实现晶圆表面超声波/兆声波能量的均匀覆盖。
请参阅图6，图6是本发明一实施例中的超声波/兆声波频率控制单元结构原理图。如图6所示，超声波/兆声波频率控制单元设置有一个信号选择器 23-1，所述信号选择器23-1的一端通过压电材料接线柱连接至压电材料14，另一端分别与若干信号源24-1例如三个信号源K1-K3连接。其中，三个信号源24-1中至少一个信号源产生的电信号频率与压电材料14的固有频率相同，另两个信号源产生的电信号频率偏移在压电材料固有频率的两侧附近，偏移量例如可在1％-5％之间。举例来讲，信号源K2产生的电信号频率与压电材料 14的固有频率相吻合，例如都是1MHz，而信号源K1产生的电信号频率相比信号源K2产生负偏移，例如为980KHz，信号源K3产生的电信号频率相比信号源K2产生正偏移，例如为1020KHz。
所述信号选择器23-1可通过对各信号源K1-K3进行快速切换，实时切换作用在压电材料14上的信号源24-1的频率，使压电材料14产生的超声波/ 兆声波振动频率动态变化。
作为优选，信号选择器的切换时间间隔可控制在几微秒至几百个微秒之间，以此来保证前一个信号源产生的超声波/兆声波没有足够的时间完成气泡的长大和破裂过程。
虽然上述信号源K1和信号源K3产生的电信号频率与压电材料的固有频率没有完全吻合，会损失一部分信号的能量，但整个装置最终可以实现晶圆表面精细图形结构的无损伤清洗，这些损失在半导体业界是可以接受的。
再请参阅图7，图7是本发明另一实施例中的超声波/兆声波频率控制单元结构原理图。如图7所示，与图6示例不同的是，超声波/兆声波频率控制单元设置有一个变频器23-2，所述变频器23-2的一端通过压电材料接线柱连接至压电材料14，另一端连接一个单一信号源24-2。
该信号源24-2原本产生的电信号频率与压电材料14的固有频率是相同的，但通过变频器23-2的作用，即通过所述变频器在压电材料的固有频率附近不断改变信号源输出的电信号频率，则可以输出若干不同频率的电信号，例如其中至少有一个电信号频率与压电材料的固有频率相同，其他电信号频率偏移在压电材料固有频率的两侧附近，使压电材料14产生的超声波/兆声波振动频率动态变化。
作为优选，变频器改变电信号频率的周期间隔可控制在几微秒至几百个微秒之间，以此来保证前一个信号源产生的超声波/兆声波没有足够的时间完成气泡的长大和破裂过程。
这样做虽然会由于导入到压电材料上的电信号的频率与压电材料的固有频率不是一直保持一致，而导致一部分能量的损耗，但可以只选用一种压电材料，从而简化压电材料的制作过程，降低了装置制作成本。
本发明装置可选择性地去除部分超声波/兆声波能量，其工作原理可通过图8来进一步说明。如图8所示，当压电材料14接收到电信号以后产生超声波/兆声波振荡，超声波/兆声波能量通过耦合层20向下传导至底部石英部件 12上，并进一步向下传播至石英微共振腔阵列10上。超声波/兆声波能量在石英微共振腔内部传播时，传播方向与晶圆表面垂直的超声波/兆声波能量B 可以顺利到达晶圆30表面的清洗药液层29内，带动清洗药液振荡，实现去除沾污物的目的。而传播方向与晶圆表面不垂直的超声波/兆声波能量A会在石英微共振腔10的侧壁上发生折射和反射，在这个过程中，一部分能量被消耗以热能或其它形式释放。经过在石英微共振腔的侧壁上的多次折射和反射后，传播方向与晶圆表面不垂直的超声波/兆声波能量A逐渐被耗尽，实现只保留传播方向与晶圆表面垂直的超声波/兆声波能量B的目的，从而可保证在超声波/兆声波清洗过程中，超声波/兆声波的能量不会造成图形晶圆表面图形结构30’的损伤。
因此，从超声波/兆声波发生机构的压电材料传导出的超声波/兆声波能量，经石英微共振腔的选择性去除后，通过没入图形晶圆上的清洗药液中的棒状石英结构的下端，即可垂直传导至图形晶圆表面，从而在喷淋臂的带动下进行超声波/兆声波移动清洗。同时，所述超声波/兆声波频率控制单元通过采用多个信号源代替单一的信号源，或者采用改变单一信号源发出的电信号频率，输出几种不同频率电信号的方式，在压电材料的固有频率附近不断改变通过的信号源输出电信号的频率，使压电材料产生的超声波/兆声波振动频率动态变化，这样可以防止稳定干涉的产生；而且，由于压电材料产生的声波频率发生变化，声波的波长也将随之变化，前一个声波产生的气泡在长大的过程中还没有达到破裂的极限时，声波的频率已经切换，新的气泡在另一个位置产生，原有的气泡则不会进一步长大和破裂；在这样的循环过程中，随着声波频率的不断变化，气泡不断地产生和消失，但不会发生破裂，可以防止气泡破裂产生的气蚀作用造成晶圆表面精细图形结构的损伤。
与上述频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置相应的工艺方法如下：
首先连接超声波/兆声波信号发生器，功率放大器，阻抗匹配器等外部电路和该清洗装置，设定超声波/兆声波工作频率和功率；设定超声波/兆声波频率控制单元的频率改变周期或频率切换时间间隔。
接着设定喷淋臂摆动轨迹，清洗药液流量、温度，清洗药液管路位置，清洗时间，冷却气流量，以及该清洗装置与晶圆的间隙等参数，实现超声波/ 兆声波能量在晶圆表面的均匀覆盖。
然后运行清洗菜单，压电材料接收到电信号以后，发生高频伸缩形变，形成超声波/兆声波振荡；该振荡能量向下经由耦合层传导至装置底部石英部件内部；超声波/兆声波能量经由石英微共振腔传播以后，只保留了传播方向与晶圆表面垂直的超声波/兆声波能量，并进一步向下传导至清洗药液层内。
此时，在清洗药液中只存在传播方向与晶圆表面垂直，也即与晶圆表面图形纵向方向平行的振动能量。该能量带动清洗药液振动，加快晶圆表面图形之间的沾污物脱离晶圆表面以及向外质量传递的过程，提高晶圆表面沾污物的去除效率，缩短清洗工艺时间。同时，经过装置底部石英部件上石英微共振腔阵列的传播以后，传播方向与晶圆表面不垂直的超声波/兆声波能量被去除。因此，在清洗药液层内不存在对于晶圆表面图形结构的横向剪切力，同时也消除了声波的稳定干涉作用以及使气蚀的产生得到切实控制，因此可有效地保护图形结构，实现图形晶圆的无损伤清洗。
目前的单片清洗设备主要是通过在高速旋转的晶圆(wafer)表面上喷射清洗液来达到清洗的目的。在清洗过程中，晶圆受到安装在圆形卡盘主体上的多个夹持部件夹持，夹持部件夹持着晶圆以进行高速旋转。同时,在晶圆的上方,清洗设备还设有喷射臂,可通过喷射臂向晶圆表面喷射清洗介质。
在化学药液和超纯水清洗过程中，晶圆表面材料更容易受到损伤或发生一些化学反应。例如，在DHF清洗工艺中，先通过喷射臂向晶圆表面喷射DHF，将晶圆表面的自然氧化层完全腐蚀掉；然后喷射超纯水对晶圆表面进行冲洗，将晶圆表面的残留药液和反应产物冲掉；最后，再通过喷射N2对晶圆表面进行干燥完成整个工艺过程。在这个过程中，晶圆表面的裸硅材料与工艺腔室中的氧气非常容易发生反应，生成二氧化硅，导致晶圆表面材料发生变化，对后续的工艺造成影响。因此，需要在工艺过程中，对整个腔室中的氧气含量进行控制。
另一方面，在晶圆N2干燥过程中，如果工艺控制得不好，会在晶圆表面出现Watermark(水痕)缺陷。Watermark形成的主要机理是在N2干燥过程中，因干燥不完全而残余在晶圆表面的水中融入了与氧反应而生成的SiO2，并进一步形成H2SiO3或HSiO3-的沉淀。当晶圆表面的水挥发后，这些沉淀即形成平坦状的水痕。此外，在上述清洗过程中，还经常出现晶圆边缘棱上有液滴未干燥彻底的现象，这对于晶圆清洗质量也造成了一定的影响。因此，需要对干燥工艺进行优化，实现整个晶圆范围的完全干燥。
本发明的进一步改进点是在图形晶圆无损伤清洗的基础上实现气体保护的功能。在工艺过程中，利用保护气体在晶圆上方形成一个气体保护层，保护气体可以是氮气或者氩气等惰性气体。这样的优点是：(1)在工艺过程中，使晶圆与氧气隔绝，防止晶圆表面硅材料被氧化；(2)在干燥过程中，由于晶圆全部处于保护气体的覆盖下，当晶圆高速旋转时，可以更好的实现整个晶圆范围的干燥，防止水痕缺陷的产生，也可以更好的实现晶圆边缘的干燥。
气体保护功能的实现可以采取以下两种不同的方式。
请参阅图9和图10，图9是本发明一实施例中的一种具有气体保护作用的频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置的结构剖视图；图10是图9的外形结构示意图。如图9和图10所示，可采用频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置本身的冷却气体作为保护气体。在装置上壳体15设有冷却气体入口 25，作为冷却气体和保护气体的共同入口；在下壳体22的侧壁靠近底面处，加工一圈环形下倾的狭缝，或者也可以是一圈气孔，作为冷却气体和保护气体的共同出口26’。冷却气体由气体入口25进入清洗装置内部，即由密封腔内壁和超声波/兆声波发生机构外壁组成的冷却腔，完成对压电材料和耦合层的冷却后，从一圈气体出口26’喷出，同时在晶圆表面形成一个气体保护层，控制清洗工艺过程中腔室内的氧气含量，防止晶圆与空气中的氧气发生反应。在干燥工艺时，冷却气体保持打开，起到喷射保护气体实现晶圆表面干燥的目的，可代替传统单独的喷射干燥气体的喷射臂，使清洗设备腔室结构简单化。干燥时，具有气体保护的清洗装置可以固定在晶圆中心喷射，也可以在喷淋臂的带动下在晶圆表面沿圆弧摆动喷射。
请参阅图11和图12，图11是本发明另一实施例中的一种具有气体保护作用的频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置的结构剖视图；图12是图11 的外形结构示意图。如图11和图12所示，气体保护功能的另一种实现方式，是采用单独的一个保护气体入口31通入保护气体。同样，在装置下壳体的侧壁靠近底面的位置加工一个环形下倾的狭缝或者是一圈气孔，作为保护气体的出口32。通过保护气体入口31通入保护气体，并由保护气体出口32喷出，即可在晶圆表面形成一个气体保护层，从而控制腔室中的氧气含量，并在干燥工艺时，更好地实现晶圆表面的整体干燥。
围绕石英微共振腔阵列设置的环形石英微共振腔保护圈的作用是在底部石英部件的安装、调试、测试过程中，可以手持环状石英微共振腔保护圈，避免直接接触强度较弱的棒状石英结构，造成棒状石英结构的损伤。同时，石英微共振腔保护圈还需保证清洗药液能够自由进出，并充满石英微共振腔阵列与晶圆表面之间的空隙，使超声波/兆声波能量能够有效地传递至晶圆表面的清洗药液薄层内。
当石英微共振腔保护圈的高度与石英微共振腔阵列的高度一致时，在图形晶圆无损伤清洗装置工作时，装置距离晶圆表面有一定的距离，清洗药液可以进入到石英微共振腔和晶圆表面的间隙内。但是由于液体表面张力的作用，清洗药液的置换效果会比较差，影响新、旧药液的交换过程，导致清洗效果较差。
作为进一步优化的方案可以有多种，例如，如图2-图3所示，可以使石英微共振腔保护圈11的下端面高度略小于石英微共振腔阵列10的下端面高度，以便于清洗药液进出石英微共振腔阵列与晶圆表面之间的间隙。但这种优化方案中，石英微共振腔阵列的底面低于石英微共振腔保护圈的底面，对于石英微共振腔的保护效果较差。
因此，可以进一步进行优化，例如使石英微共振腔保护圈的高度与石英微共振腔阵列的高度一致，但是在保护圈的凹槽侧壁上开有特定形状的开孔，使清洗药液可以自由进出石英微共振腔阵列和晶圆表面之间的间隙。一些实施例包括：如图13所示，在石英微共振腔保护圈11的凹槽侧壁上开有长方形的开孔11’；或者可以将长方形开孔采用拱形开孔以及其他形式的门状或窗状开孔进行替代。
作为其他的改进点，石英微共振腔阵列中棒状石英结构的形状可包括圆形以及其它的一些形状，例如三角形，五边形，长方形等实心棒结构。同时，各棒状石英结构的排列可以按照一定的规则分布，也可以完全随机分布，以防止装置随喷淋臂摆动时在特定区域形成能量较高的区域，使超声波/兆声波的能量分布更加的均匀。例如，如图14所示，其为本发明一实施例中石英微共振腔阵列10具有规则分布的三角形棒状石英结构的底部石英部件示意图。再如图15所示，其为本发明一实施例中石英微共振腔阵列10具有随机分布排列的长方形棒状石英结构的底部石英部件示意图。
作为另外的改进点，为提高清洗装置的清洗效率，可对清洗装置形状进行优化，即对包括超声波/兆声波发生机构、底部石英部件在内的本体整体外形进行优化，以提高清洗装置的覆盖面积。例如，本体的水平轮廓可以设计成为扇形、三角形、五边形或者是长条(方)形，即使得超声波/兆声波发生机构、底部石英部件的下端面轮廓形成扇形、三角形、五边形或者是长条(方) 形；进一步使得压电材料和耦合层、环状石英微共振腔保护圈和石英微共振腔阵列的下端面轮廓形成扇形、三角形、五边形或者是长条(方)形。例如，如图16所示，其为本发明一实施例中具有扇形外形石英微共振腔阵列10的清洗装置示意图，该装置中可具有扇形的压电材料和耦合层、扇形的环状石英微共振腔保护圈和石英微共振腔阵列，上下壳体可通过上下壳体固定孔33 进行装配。此装置结构可以覆盖从晶圆圆心到晶圆边缘的一个扇形区域，保证该区域内的晶圆表面可以同时得到清洗，以此来提高清洗效率，改善清洗均匀性。又如图17所示，其为本发明一实施例中具有长条(方)形外形石英微共振腔阵列10的清洗装置示意图，该装置中可具有长条形的压电材料和耦合层、长条形的环状石英微共振腔保护圈和石英微共振腔阵列，从而可以覆盖从晶圆圆心到晶圆边缘的一个长条形区域。
综上所述，本发明通过在频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置本体的中空壳体内设置基于压电材料的超声波/兆声波发生机构产生超声振荡，并通过超声波/兆声波发生机构下方连接的没入晶圆上清洗药液中的石英微共振腔阵列，将传播方向与晶圆表面不垂直的超声波/兆声波能量进行选择性去除，使超声波/兆声波能量垂直传导至晶圆，保证了在超声波/兆声波清洗过程中，超声波/兆声波的能量不会造成图形晶圆表面图形的损伤，从而实现对图形晶圆的无损伤超声波/兆声波移动清洗。同时，通过超声波/兆声波频率控制单元在压电材料的固有频率附近不断改变通过的信号源输出电信号的频率，使压电材料产生的超声波/兆声波振动频率动态变化，可以防止在清洗药液中产生稳定的干涉作用，并可以防止气泡破裂产生的气蚀作用造成晶圆表面精细图形结构的损伤。
本发明的上述频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置具有以下优点：
1)通过合理设计底部石英部件的石英微共振腔阵列结构，实现去除其它方向上的超声波/兆声波能量，只保留传播方向与待清洗晶圆表面垂直的超声波/兆声波能量的目的，保证在超声波/兆声波清洗过程中，超声波/兆声波的能量不会造成图形晶圆表面图形的损伤；
2)在超声波/兆声波清洗过程中，通过采用多个信号源代替单一的信号源，或者采用改变单一信号源发出的电信号频率，输出几种不同频率电信号的方式，使压电材料产生的超声波/兆声波频率动态变化，这样可以防止稳定干涉的产生；同时，由于压电材料产生的声波频率发生变化，声波的波长也将随之变化，前一个声波产生的气泡在长大的过程中还没有达到破裂的极限时，声波的频率已经切换，新的气泡在另一个位置产生，原有的气泡则不会进一步长大和破裂；在这样的循环过程中，随着声波频率的不断变化，气泡不断地产生和消失，但不会发生破裂，可以防止气泡破裂产生的气蚀作用造成晶圆表面精细图形结构的损伤；
3)石英微共振腔阵列棒状石英结构的形状可包括圆形以及其它的一些形状,例如三角形，五边形，长方形等；同时，各棒状石英结构的排列可以按照一定的规则分布，也可以完全随机分布，以防止装置随喷淋臂摆动时在特定区域形成能量较高的区域，使超声波/兆声波的能量分布更加的均匀；
4)在环状石英微共振腔保护圈上开有开孔，可使清洗药液自由进出石英微共振腔阵列与图形晶圆表面之间的间隙，以消除晶圆表面清洗药液的表面张力作用，改善清洗药液的置换效果，加快新、旧药液的交换过程，提高清洗的效果；
5)装置可以设计成为扇形、三角形，五边形或者是长条形，可提高装置的覆盖面积，从而可以提高装置的清洗效率；
6)在清洗工艺过程中，利用保护气体在晶圆上方形成一个气体保护层，可使晶圆与氧气隔绝，防止晶圆表面硅材料被氧化；在干燥过程中，由于晶圆全部处于保护气体的覆盖下，当晶圆高速旋转时，可以更好地实现整个晶圆范围的干燥，防止水痕缺陷的产生，也可以更好地实现晶圆边缘的干燥。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，其特征在于，包括：
本体，其中空的内部设有超声波/兆声波发生机构和底部石英部件，所述超声波/兆声波发生机构设有压电材料，所述压电材料连接本体外的信号源，所述底部石英部件设有由多个垂直棒状石英结构组成的石英微共振腔阵列，所述石英微共振腔阵列自所述本体下端面的开口伸出；
超声波/兆声波频率控制单元，连接设于信号源和压电材料之间，用于改变通过的信号源输出电信号的频率；
其中，所述压电材料接收电信号产生超声波能量，经底部石英部件向下传导，并经石英微共振腔阵列的选择性去除后，通过没入图形晶圆上清洗药液中的所述石英微共振腔阵列的下端面垂直传导至图形晶圆表面，带动清洗药液振荡，以进行超声波/兆声波移动清洗，同时，通过所述超声波/兆声波频率控制单元在压电材料的固有频率附近不断改变通过的信号源输出电信号的频率，使压电材料产生的超声波/兆声波振动频率动态变化，以防止在清洗药液中产生稳定的干涉作用及气泡破裂现象，实现对图形晶圆的无损伤清洗。
2.根据权利要求1所述的频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，其特征在于，所述超声波/兆声波频率控制单元包括一个信号选择器，所述信号选择器一端连接压电材料，另一端分别连接若干信号源，其中至少一个信号源产生的电信号频率与压电材料的固有频率相同，其他信号源产生的电信号频率偏移在压电材料固有频率的两侧附近，所述信号选择器通过对各信号源进行快速切换，以实时切换作用在压电材料上的信号源频率，使压电材料产生的超声波/兆声波振动频率动态变化。
3.根据权利要求1所述的频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，其特征在于，所述超声波/兆声波频率控制单元包括一个连接设于压电材料和信号源之间的变频器，通过所述变频器在压电材料的固有频率附近不断改变信号源输出的电信号频率，以输出若干不同频率的电信号，其中至少一个电信号频率与压电材料的固有频率相同，其他电信号频率偏移在压电材料固有频率的两侧附近，使压电材料产生的超声波/兆声波振动频率动态变化。
4.根据权利要求1所述的频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，其特征在于，所述本体具体包括：
上、下壳体，其连接形成本体的中空密封腔，所述密封腔在下壳体的下端面形成开口；
超声波/兆声波发生机构，设于密封腔内，包括上下紧贴设置的压电材料和耦合层，所述耦合层下部紧贴底部石英部件上部，所述压电材料、耦合层和底部石英部件通过在上壳体顶部与压电材料之间依次所设的压紧弹簧和压紧弹簧导向柱进行压紧，所述耦合层侧部、压电材料侧部和顶部与密封腔内壁之间具有间隙，所述上壳体装有压电材料接线柱，用于将外部电信号导入至压电材料，并通过连接耦合层接线柱形成回路，以产生超声波/兆声波振荡能量；
底部石英部件，设于密封腔内，包括一形成向下开口凹槽的环状石英微共振腔保护圈，以及一个上端连接设于凹槽底部、下端为自由端的石英微共振腔阵列，所述环状石英微共振腔保护圈上部紧贴耦合层下部，其侧部与密封腔位于下壳体部分的内壁之间密封连接，其凹槽下端由下壳体下端面的开口伸出，所述石英微共振腔阵列的下端面不高于凹槽的下端面。
5.根据权利要求4所述的频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，其特征在于，所述上壳体设有气体入口和出口，其连通由密封腔内壁和超声波/兆声波发生机构外壁组成的冷却腔，用于通过气体入口通入冷却气体，对超声波/兆声波发生机构进行冷却，并由气体出口排出。
6.根据权利要求4所述的频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，其特征在于，所述下壳体侧部连通设有保护气体入口和出口，所述保护气体出口为一圈下倾的气孔或狭缝，用作通过保护气体入口通入保护气体，并由保护气体出口喷出，以在图形晶圆表面形成一个气体保护层。
7.根据权利要求4所述的频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，其特征在于，所述上壳体设有气体入口，所述下壳体侧部设有气体出口，所述气体出口为一圈下倾的气孔或狭缝，所述气体入口和出口连通由密封腔内壁和超声波/兆声波发生机构外壁组成的冷却腔，用于通过气体入口通入冷却气体，对超声波/兆声波发生机构进行冷却，并在通过气体出口倾斜向下排出的同时，在图形晶圆表面形成一个气体保护层。
8.根据权利要求4所述的频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，其特征在于，所述环状石英微共振腔保护圈的凹槽侧壁设有一至若干开孔，用于使清洗药液自由进出石英微共振腔阵列与图形晶圆表面之间的间隙。
9.根据权利要求4所述的频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，其特征在于，所述石英微共振腔阵列棒状石英结构的形状包括圆形、三角形、五边形或长方形，各棒状石英结构按照一定的规则分布，或者按照随机方式分布。
10.根据权利要求4所述的频率动态变化的超声波/兆声波清洗装置，其特征在于，所述本体以及超声波/兆声波发生机构、底部石英部件的轮廓为扇形、三角形、五边形或者是长条形。
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