CN107636799A - 清洗半导体衬底的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种使用超/兆声波装置清洗半导体衬底且不损伤半导体衬底上的图案化结构的方法包括将液体喷射到半导体衬底和超/兆声波装置之间的间隙中；设置超/兆声波电源的频率为f1，功率为P1以驱动超/兆声波装置；在液体中的气穴振荡损伤半导体衬底上的图案化结构之前，设置超/兆声波电源的频率为f2，功率为P2以驱动超/兆声波装置；待气泡内的温度冷却到设定温度后，再次设置超/兆声波电源的频率为f1，功率为P1；重复上述步骤直到半导体衬底洗净。通常，如果f1＝f2，那么P2等于0或远小于P1；如果P1＝P2，那么f2大于f1；如果f1<f2，那么P2可以等于或小于P1。

Description

清洗半导体衬底的方法和装置
技术领域
本发明涉及清洗半导体衬底的方法和装置，尤其涉及控制在清洗过程中超声波/兆声波装置产生的气穴振荡以在整片衬底上获得稳定或可控的气穴振荡，有效去除微粒，而不损伤衬底上的器件结构。
背景技术
半导体器件是在半导体衬底上经过一系列不同的加工步骤形成晶体管和互连线而成的。近来，晶体管的建立由两维到三维，例如鳍型场效应晶体管。为了使晶体管终端能和半导体衬底电连接在一起，需要在半导体衬底的介质材料上做出导电的(例如金属)槽、孔及其他类似的结构作为器件的一部分。槽和孔可以在晶体管之间、内部电路以及外部电路传递电信号和能量。
为了在半导体衬底上形成鳍型场效应晶体管和互连结构，半导体衬底需要经过多个步骤，如掩膜、刻蚀和沉积来形成所需的电子线路。特别是，多层掩膜和等离子体刻蚀步骤可以在半导体衬底的电介质层形成鳍型场效应晶体管和/或凹陷区域的图案作为晶体管的鳍和/或互连结构的槽和通孔。为了去除刻蚀或光刻胶灰化过程中在鳍结构和/或槽和通孔中产生的颗粒和污染，必须进行湿法清洗。特别是，当器件制造节点不断接近或小于14或16nm，鳍和/或槽和通孔的侧壁损失是维护临界尺寸的关键。为了减少或消除侧壁损失，应用温和的，稀释的化学试剂，或有时只用去离子水非常重要。然而，稀释的化学试剂或去离子水通常不能有效去除鳍结构和/或槽和通孔内的微粒，因此，需要使用机械力来有效去除这些微粒，例如超声波/兆声波。超声波/兆声波会产生气穴振荡来为衬底结构提供机械力，这些猛烈的气穴振荡例如不稳定的气穴振荡或微喷射将损伤这些图案化结构。维持稳定或可控的气穴振荡是控制机械力损伤限度并有效去除微粒的关键参数。
在美国专利No.4,326,553中提到可以运用兆声波能量和喷嘴结合来清洗半导体衬底。流体被加压，兆声波能量通过兆声传感器施加到流体上。特定形状的喷嘴喷射出像带状的液体，在衬底表面上以兆声波频率振动。
在美国专利No.6,039,059中提到一个能量源通过振动一根细长的探针将声波能量传递到流体中。在一个例子中，流体喷射到衬底正反两面，而将一根探针置于靠近衬底上表面的位置。另一个例子中，将一根短的探针末端置于靠近衬底表面的位置，在衬底旋转过程中，探针在衬底表面移动。
在美国专利No.6,843,257 B2中提到一个能量源使得一根杆绕平行于衬底表面的轴振动。杆的表面被刻蚀成曲线树枝状，如螺旋形的凹槽。
为了有效去除微粒，而不损伤衬底上的器件结构，需要一种好的方法来控制在清洗过程中超声波/兆声波装置产生的气穴振荡以在整片衬底上获得稳定或可控的气穴振荡。
发明内容
本发明提出了一种使用超声波/兆声波清洗衬底时通过维持稳定的气穴振荡来实现对衬底上的图案化结构无损伤。稳定的气穴振荡通过设置声波电源在时间间隔小于τ1内功率为P1，设置声波电源在时间间隔大于τ2内功率为P2，重复上述步骤直到衬底被清洗干净，其中，功率P2等于0或远小于功率P1，τ1是气泡内的温度上升到临界内爆温度的时间间隔，τ2是气泡内的温度下降到远低于临界内爆温度的时间间隔。
本发明提出了另一种使用超声波/兆声波清洗衬底时通过维持稳定的气穴振荡来实现对衬底上的图案化结构无损伤。稳定的气穴振荡通过设置声波电源在时间间隔小于τ1内频率为f1，设置声波电源在时间间隔大于τ2内频率为f2，重复上述步骤直到衬底被清洗干净，其中，f2远大于f1，最好是f1的2倍或4倍，τ1是气泡内的温度上升到临界内爆温度的时间间隔，τ2是气泡内的温度下降到远低于临界内爆温度的时间间隔。
本发明还提出了一种使用超声波/兆声波清洗衬底时通过维持稳定的气穴振荡来实现对衬底上的图案化结构无损伤，气泡的尺寸小于图案化结构之间的间距。具有气泡尺寸小于图案化结构之间间距的稳定的气穴振荡通过设置声波电源在时间间隔小于τ1内功率为P1，设置声波电源在时间间隔大于τ2内功率为P2，重复上述步骤直到衬底被清洗干净，其中，功率P2等于0或远小于功率P1，τ1是气泡的尺寸增大到临界尺寸的时间间隔，该临界尺寸等于或大于图案化结构之间的间距，τ2是气泡的尺寸减小到远小于图案化结构之间的间距的值的时间间隔。
本发明还提出了一种使用超声波/兆声波清洗衬底时通过维持稳定的气穴振荡来实现对衬底上的图案化结构无损伤，气泡的尺寸小于图案化结构之间的间距。具有气泡尺寸小于图案化结构之间间距的稳定的气穴振荡通过设置声波电源在时间间隔小于τ1内频率为f1，设置声波电源在时间间隔大于τ2内频率为f2，重复上述步骤直到衬底被清洗干净，其中，f2远大于f1，最好是f1的2倍或4倍，τ1是气泡的尺寸增大到临界尺寸的时间间隔，该临界尺寸等于或大于图案化结构之间的间距，τ2是气泡的尺寸减小到远小于图案化结构之间的间距的值的时间间隔。
附图说明
图1A-1B为采用超声波/兆声波装置的晶圆清洗装置的示范性实施例；
图2A-2G为超声波/兆声波传感器的各种形状；
图3为晶圆清洗过程中的气穴振荡；
图4A-4B为在清洗过程中不稳定的气穴振荡损伤晶圆上的图案化结构；
图5A-5C为在清洗过程中气泡内部热能的变化；
图6A-6C为晶圆清洗方法的示范性实施例；
图7A-7C为晶圆清洗方法的又一示范性实施例；
图8A-8D为晶圆清洗方法的又一示范性实施例；
图9A-9D为晶圆清洗方法的又一示范性实施例；
图10A-10B为晶圆清洗方法的又一示范性实施例；
图11A-11B为晶圆清洗方法的又一示范性实施例；
图12A-12B为晶圆清洗方法的又一示范性实施例；
图13A-13B为晶圆清洗方法的又一示范性实施例；
图14A-14B为晶圆清洗方法的又一示范性实施例；
图15A-15C为在清洗过程中稳定的气穴振荡损伤晶圆上的图案化结构；
图16为采用超声波/兆声波装置的晶圆清洗装置的另一示范性实施例；
图17为采用超声波/兆声波装置的晶圆清洗装置的实施例；
图18A-18C为晶圆清洗方法的另一示范性实施例；
图19为晶圆清洗方法的又一示范性实施例。
具体实施方式
图1A-1B示意了采用超声波/兆声波装置的晶圆清洗装置。该晶圆清洗装置包括晶圆1010、由转动驱动装置1016驱动旋转的晶圆卡盘1014、喷洒清洗液化学试剂或去离子水1032的喷头1012、超声波/兆声波装置1003及超声波/兆声波电源。超声波/兆声波装置1003进一步包括压电式传感器1004及与其配对的声学共振器1008。传感器1004通电后振动，共振器1008会将高频声能量传递到液体中。由超声波/兆声波能量产生的气穴振荡使晶圆1010表面的微粒松动，污染物因此从晶圆1010表面脱离，进而通过由喷头1012提供的流动液体1032将其从晶圆表面移除。
图2A-2G示意了本发明的超声波/兆声波装置的俯视图。图1所示的超声波/兆声波装置1003可以被不同形状的超声波/兆声波装置3003所代替，如图2A所示的三角形或馅饼形，图2B所示的矩形，图2C所示的八边形，图2D所示的椭圆形，图2E所示的半圆形，图2F所示的四分之一圆形，以及图2G所示的圆形。
图3示意了在压缩过程中的气穴振荡。气泡的形状逐渐从球形A压缩至苹果形G，最终气泡到达内爆状态I并形成微喷射。如图4A和4B所示，微喷射很猛烈(可达到上千个大气压和上千摄氏度)，会损伤半导体晶圆1010上的精细结构4034，特别是当特征尺寸缩小到70nm及更小时。
图5A-5C示意了本发明的气穴振荡的简化模型。当声波正压作用于气泡时，气泡减少其体积。在体积减小过程中，声波压力PM对气泡做功，机械功转换为气泡内部的热能，因此，气泡内部的气体和/或蒸汽的温度增加。
理想气体方程式可以表示如下：
p0v0/T0＝pv/T (1)
其中，P0是压缩前气泡内部的压强，V0是压缩前气泡的初始体积，T0是压缩前气泡内部的气体温度，P是受压时气泡内部的压强，V是受压时气泡的体积，T是受压时气泡内部的气体温度。
为了简化计算，假设压缩或压缩非常慢时气体的温度没有变化，由于液体包围了气泡，温度的增加可以忽略。因此，一次气泡压缩过程中(从体积N单位量至体积1单位量或压缩比为N)，声压PM所做的机械功Wm可以表达如下：
wm＝∫0 x0-1pSdx＝∫0 x0-1(S(x0p0)/(x0-x))dx＝Sx0p0∫0 x0-1dx/(x0-x)
＝-Sx0p0ln(x0-x)│0 x0-1＝Sx0p0ln(x0) (2)
其中，S为汽缸截面的面积，x0为汽缸的长度，p0为压缩前汽缸内气体的压强。方程式(2)不考虑压缩过程中温度增长的因素，因此，由于温度的增加，气泡内的实际压强会更高，实际上由声压做的机械功要大于方程式(2)计算出的值。
假设声压做的机械功部分转化为热能，部分转换成气泡内高压气体和蒸汽的机械能，这些热能完全促使气泡内部气体温度的增加(没有能量转移至气泡周围的液体分子)，假设压缩前后气泡内气体质量保持不变，气泡压缩一次后温度增量ΔT可以用下面的方程式表达：
ΔT＝Q/(mc)＝βwm/(mc)＝βSx0p0ln(x0)/(mc) (3)
其中，Q是机械功转换而来的热能，β是热能与声压所做的总机械功的比值，m是气泡内的气体质量，c是气体的比热系数。将β＝0.65，S＝1E-12m2，x0＝1000μm＝1E-3m(压缩比N＝1000)，p0＝1kg/cm2＝1E4kg/m2，m＝8.9E-17kg(对氢气)，c＝9.9E3J/(kg 0k)代入方程式(3)，那么ΔT＝50.9 ℃。
一次压缩后气泡内的气体温度T1可以计算得出：
T1＝T0+ΔT＝20℃+50.9℃＝70.9℃ (4)
当气泡达到最小值1微米时，如图5B所示。在如此高温下，气泡周围的液体蒸发，随后，声压变为负值，气泡开始增大。在这个反过程中，具有压强PG的热气体和蒸汽将对周围的液体表面做功。同时，声压PM朝膨胀方向拉伸气泡，如图5C所示。因此，负的声压PM也对周围的液体做部分功。由于共同作用的结果，气泡内的热能不能全部释放或转化为机械能，因此，气泡内的气体温度不能降低到最初的气体温度T0或液体温度。如图6B所示，气穴振荡的第一周期完成后，气泡内的气体温度T2将在T0和T1之间。T2可以表达如下：
T2＝T1-δT＝T0+ΔT-δT (5)
其中，δT是气泡膨胀一次后的温度减量，δT小于ΔT。
当气穴振荡的第二周期达到最小气泡尺寸时，气泡内的气体或蒸汽的温度T3为：
T3＝T2+ΔT＝T0+ΔT-δT+ΔT＝T0+2ΔT-δT (6)
当气穴振荡的第二周期完成后，气泡内的气体或蒸汽的温度T4为：
T4＝T3-δT＝T0+2ΔT-δT-δT＝T0+2ΔT-2δT (7)
同理，当气穴振荡的第n个周期达到最小气泡尺寸时，气泡内的气体或蒸汽的温度T2n-1为：
T2n-1＝T0+nΔT–(n-1)δT (8)
当气穴振荡的第n个周期完成后，气泡内的气体或蒸汽的温度T2n为：
T2n＝T0+nΔT-nδT＝T0+n(ΔT-δT) (9)
随着气穴振荡的周期数n的增加，气体和蒸汽的温度也会增加，因此气泡表面越多的分子蒸发到气泡6082内部，气泡6082也会变大，如图6C所示。最终，压缩过程中气泡内的温度将会达到内爆温度Ti(通常内爆温度Ti高达几千摄氏度)，形成猛烈的微喷射6080，如图6C所示。
根据公式(8)，内爆的周期数ni可以表达如下：
ni＝(Ti-T0-ΔT)/(ΔT–δT)+1 (10)
根据公式(10)，内爆时间τi可以表达如下：
τi＝nit1＝t1((Ti-T0-ΔT)/(ΔT–δT)+1)
＝ni/f1＝((Ti-T0-ΔT)/(ΔT–δT)+1)/f1 (11)
其中，t1为循环周期，f1为超声波/兆声波的频率。
根据公式(10)和(11)，内爆周期数ni和内爆时间τi可以被计算出来。表1为内爆周期数ni、内爆时间τi和(ΔT–δT)的关系，假设Ti＝3000℃，ΔT＝50.9℃，T0＝20℃，f1＝500KHz，f1＝1MHz，and f1＝2MHz。
表1
为了避免对晶圆上的图案化结构造成损伤，需要保持稳定的气穴振荡，避免气泡内爆带来的微喷射。图7A-7C为本发明提出的一种使用超声波/兆声波清洗晶圆时通过维持稳定的气穴振荡来实现不损伤晶圆上的图案化结构。图7A为电源输出波形；图7B为每个气穴振荡周期所对应的温度曲线；图7C为每个气穴振荡周期对应的气泡的膨胀大小。根据本发明的避免气泡内爆的操作工艺步骤如下所述：
步骤1：将超声波/兆声波装置置于设置在卡盘或溶液槽上的晶圆或衬底表面附近；
步骤2：将晶圆和超声波/兆声波装置之间充满化学液体或掺了气体(氢气、氮气、氧气或二氧化碳)的水；
步骤3：旋转卡盘或振动晶圆；
步骤4：设置电源频率为f1，功率为P1；
步骤5：在气泡内的气体或蒸汽温度达到内爆温度Ti之前(或时间达到τ1＜τi，τi由公式(11)计算出来)，设置电源的输出功率为0瓦特，因此，由于液体或水的温度远低于气体温度，气泡内气体温度开始下降。
步骤6：气泡内气体温度降低至常温T0或时间(零功率的时间)达到τ2后，再次设置电源频率为f1，功率为P1。
步骤7：重复步骤1至步骤6直到晶圆洗净。
步骤5中，为了避免气泡内爆，时间τ1必须小于τi，可以由公式(11)计算出τi。
步骤6中，气泡内的气体温度并不一定要冷却到常温或液体的温度，可以是高于常温或液体的温度的一个特定温度，但最好远低于内爆温度τi。
根据公式8和9，如果知道(ΔT-δT)，就可以计算出τi。但通常来说，(ΔT-δT)不太容易被计算出或直接得到，以下步骤可以通过实验得到内爆时间τi。
步骤1：基于表1，选择五个不同的时间τ1作为DOE实验设定的条件；
步骤2：选择至少是τ1十倍的时间τ2，在第一次测试时最好是100倍的τ1。
步骤3：使用确定的功率P0运行以上五种条件来分别清洗具有图案化结构的晶圆。此处，P0是在连续不间断模式(非脉冲模式)下确定会对晶圆的图案化结构造成损伤的功率。
步骤4：使用SEMS或晶圆图案损伤查看工具来检查以上五种晶圆的损坏程度，如AMAT SEM视图或日立IS3000，然后内爆时间τi可以被确定在某一范围。
重复步骤1至步骤4来缩小内爆时间τi的范围。知道了内爆时间τi，τ1可以在安全系数下设置为小于0.5τi的值。以下为举例描述实验数据：
图案化结构为55nm的多晶硅栅线，超声波/兆声波的频率为1MHZ，使用Prosys制造的超声波/兆声波装置，在一个间距振荡模式(PCT/CN2008/073471公开)下操作来达到晶圆内和晶圆间更好的均匀能量。以下表2总结了其他试验参数以及最终的图案损伤数据：
表2
从上表可以看出，在55nm的特征尺寸下，τ1＝2ms(或周期数为2000)时，对图案化结构造成的损伤高达1216个点；但是τ1＝0.1ms(或周期数为100)时，对图案化结构造成的损伤为0。因此τ1为0.1ms与2ms之间的某个数值，为了缩小这个范围需要做更进一步的实验。显然，周期数与超声波/兆声波的功率密度和频率有关，功率密度越大，周期数越小；频率越低，周期数越小。从以上实验结果可以预测出无损伤的周期数应该小于2000，假设超声波/兆声波的功率密度大于0.1w/cm2，频率小于或等于1MHZ。如果频率增大到大于1MHZ或功率密度小于0.1w/cm2，那么可以预测周期数将会增加。
知道时间τ1后，τ2也就可以基于与上述相似的DEO方法来缩短。确定时间τ1，逐步缩短时间τ2来运行DOE，直到可以观察到图案化结构被损伤。由于时间τ2被缩短，气泡内的气体或蒸汽的温度不能被足够冷却，从而会引起气泡内的气体或蒸汽的平均温度的逐步上升，最终将会触发气泡内爆，触发时间称为临界冷却时间。知道临界冷却时间τc后，为了增加安全系数，时间τ2可以设置为大于2τc的值。
图8A-8D示意了根据本发明的使用超声波/兆声波装置清洗晶圆的方法。该方法与图7A示意的方法相似，除了步骤4设置超声波/兆声波电源的频率为f1，功率为振幅变化的波形。图8A示意了另一清洗方法为在步骤4中设置超声波/兆声波电源的频率为f1，功率具有不断增大的振幅的波形。图8B示意了另一清洗方法为在步骤4中设置超声波/兆声波电源的频率为f1，功率具有不断减小的振幅的波形。图8C示意了另一清洗方法为在步骤4中设置超声波/兆声波电源的频率为f1，功率具有振幅先减小后增大的波形。图8D示意了另一清洗方法为在步骤4中设置超声波/兆声波电源的频率为f1，功率具有振幅先增大后减小的波形。
图9A-9D示意了根据本发明的使用超声波/兆声波装置清洗晶圆的方法。该方法与图7A示意的方法相似，除了步骤4设置超声波/兆声波电源的频率为不断变化的频率。图9A示意了另一清洗方法为在步骤4中设置超声波/兆声波电源的频率先为f1，后为f3，且f1高于f3。图9B示意了另一清洗方法为在步骤4中设置超声波/兆声波电源的频率先为f3，后为f1，且f1高于f3。图9C示意了另一清洗方法为在步骤4中设置超声波/兆声波电源的频率先为f3，后为f1，最后再为f3，且f1高于f3。图9D示意了另一清洗方法为在步骤4中设置超声波/兆声波电源的频率先为f1，后为f3，最后再为f1，且f1高于f3。
与图9C示意的方法相似，在步骤4中，设置超声波/兆声波电源的频率先为f1，后为f3，最后为f4，且f4小于f3，f3小于f1。
与图9C示意的方法相似，在步骤4中，设置超声波/兆声波电源的频率先为f4，后为f3，最后为f1，且f4小于f3，f3小于f1。
与图9C示意的方法相似，在步骤4中，设置超声波/兆声波电源的频率先为f1，后为f4，最后为f3，且f4小于f3，f3小于f1。
与图9C示意的方法相似，在步骤4中，设置超声波/兆声波电源的频率先为f3，后为f4，最后为f1，且f4小于f3，f3小于f1。
与图9C示意的方法相似，在步骤4中，设置超声波/兆声波电源的频率先为f3，后为f1，最后为f4，且f4小于f3，f3小于f1。
与图9C示意的方法相似，在步骤4中，设置超声波/兆声波电源的频率先为f4，后为f1，最后为f3，且f4小于f3，f3小于f1。
图10A-10B示意了根据本发明的使用超声波/兆声波清洗晶圆时通过维持稳定的气穴振荡来实现对晶圆上的图案化结构零损伤。图10A为电源输出的波形，图10B为与气穴振荡的每个周期相对应的温度曲线。本发明所提出的操作工艺步骤如下：
步骤1：将超声波/兆声波装置置于设置在卡盘或溶液槽上的晶圆或衬底表面附近；
步骤2：将晶圆和超声波/兆声波装置之间充满化学液体或掺有水的气体；
步骤3：旋转卡盘或振动晶圆；
步骤4：设置电源频率为f1，功率为P1；
步骤5：在气泡内的气体或蒸汽温度达到内爆温度Ti(总时间τ1流逝)之前，设置电源输出频率为f1，功率为P2，且P2小于P1。因此，由于液体或水的温度远低于气体温度，气泡内气体温度开始下降。
步骤6：气泡内气体温度降低到接近常温T0或时间(零功率的时间)达到τ2，再次设置电源频率为f1，功率为P1。
步骤7：重复步骤1至步骤6直到晶圆洗净。
步骤6中，由于功率为P2，气泡内气体的温度无法降到室温，需要有一个温度差ΔT2存在于时间区间τ2，如图10B所示。
图11A-11B示意了根据本发明的使用超声波/兆声波装置的晶圆清洗方法。与图10A示意的方法相似，除了步骤5设置超声波/兆声波电源的频率为f2，功率为P2，其中，f2小于f1，P2小于P1。由于f2小于f1，气泡内的气体或蒸汽温度快速上升，因此P2应该远小于P1，为了降低气泡内气体或蒸汽的温度，两者最好相差5倍或10倍。
图12A-12B示意了根据本发明的使用超声波/兆声波装置的晶圆清洗方法。与图10A示意的方法相似，除了步骤5设置超声波/兆声波电源的频率为f2，功率为P2，其中，f2大于f1，P2等于P1。
图13A-13B示意了根据本发明的使用超声波/兆声波装置的晶圆清洗方法。与图10A示意的方法相似，除了步骤5设置超声波/兆声波电源的频率为f2，功率为P2，其中，f2大于f1，P2小于P1。
图14A-14B示意了根据本发明的使用超声波/兆声波装置的晶圆清洗方法。与图10A示意的方法相似，除了步骤5设置超声波/兆声波电源的频率为f2，功率为P2，其中，f2大于f1，P2大于P1。由于f2大于f1，气泡内的气体或蒸汽温度上升缓慢，因此，P2可以略大于P1，但要确保在时间区间τ2内气泡内气体或蒸汽的温度与时间区间τ1比要减小，如图14B。
图4A-4B示意了图案化结构被猛烈地微喷射所损伤。图15A-15B示意了稳定的气穴振荡也能够损伤晶圆上的图案化结构。由于气穴振荡持续，气泡内的气体或蒸汽温度上升，因此气泡15046的尺寸也不断增大，如图15A。当气泡15048的尺寸变得大于图15B所示的图案化结构之间的间距W时，气穴振荡的膨胀将对图案化结构15034造成损伤，如图15C。以下为本发明所提出的又一种清洗方法：
步骤1：将超声波/兆声波装置置于设置在卡盘或溶液槽上的晶圆或衬底表面附近；
步骤2：将晶圆和超声波/兆声波装置之间充满化学液体或掺有水的气体；
步骤3：旋转卡盘或振动晶圆；
步骤4：设置电源频率为f1，功率为P1；
步骤5：在气泡的尺寸达到图案化结构之间的间距W之前(时间τ1流逝)，设置电源的输出功率为0瓦特，由于液体或水的温度远低于气体温度，气泡内的气体温度开始下降。
步骤6：气泡内气体温度冷却到常温T0或时间(零功率的时间)达到τ2后，再次设置电源频率为f1，功率为P1。
步骤7：重复步骤1至步骤6直到晶圆洗净。
步骤6中，气泡内的气体温度不一定要降到室温，可以是任何温度，但最好远低于内爆温度Ti。步骤5中，气泡的尺寸可以略大于图案化结构之间的间距的大小，只要气泡的膨胀力不损坏图案化结构。时间τ1可以通过以下方法来确定：
步骤1：类似表1，选择5个不同的时间τ1作为DOE实验的条件；
步骤2：选择至少是τ110倍的时间τ2，首次测试最好选择100τ1；
步骤3：使用确定的功率P0运行以上五种条件来分别清洗具有图案化结构的晶圆，此处，P0是在连续不间断模式(非脉冲模式)下确定会对晶圆的图案化结构造成损伤的功率。
步骤4：使用SEMS或晶圆图案损伤查看工具来检查以上五种晶圆的损坏程度，如AMAT SEM视图或日立IS3000，然后损伤时间τi可以被确定在某一范围。
重复步骤1至步骤4来缩小损伤时间τd的范围。知道了损伤时间τd，τ1可以在安全系数下设置为小于0.5τd的值。
图7-图14所描述的所有方法均适用于此或者与图15所描述的方法相结合。
图16所示为采用超声波/兆声波装置的清洗晶圆的装置的实施例。晶圆清洗装置包括晶圆16010、由转动驱动装置16016驱动旋转的晶圆卡盘16014、喷洒清洗液化学试剂或去离子水16060的喷头16064、结合喷头16064的超声波/兆声波装置16062及超声波/兆声波电源。由超声波/兆声波装置16062产生的超声波/兆声波通过化学试剂或去离子水液柱16060传递到晶圆。图7至图15所描述的所有清洗方法均适用于图16所示的清洗装置。
图17为采用超声波/兆声波装置的清洗晶圆的装置的实施例。晶圆清洗装置包括晶圆17010、溶液槽17074、放置在溶液槽17074中用来支撑晶圆17010的晶圆盒17076、清洗液化学试剂17070、设置在溶液槽17074外墙上的超声波/兆声波装置17072及超声波/兆声波电源。至少有一个入口用来向溶液槽17074内充入清洗液化学试剂17070以浸没晶圆17010。图7至图15所描述的所有清洗方法均适用于图17所示的清洗装置。
图18A-18C示意了根据本发明的使用超声波/兆声波装置清洗晶圆的方法的实施例。该方法与图7A所示的方法相似，除了步骤5在气泡内的气体或蒸汽温度达到内爆温度Ti(或时间达到τ1＜τi，τi由公式(11)计算出来)之前，设置电源输出值为正值或负的直流值来保持或停止超声波/兆声波装置的振动，因此，由于液体或水的温度远低于气体温度，气泡内气体温度开始下降。此处的正值或负值可以大于、等于或小于功率P1。
图19示意了根据本发明的使用超声波/兆声波装置清洗晶圆的方法的实施例。与图7A所示意的方法相似，除了步骤5在气泡内的气体或蒸汽温度达到内爆温度Ti(或时间达到τ1＜τi，τi由公式(11)计算出来)之前，设置电源的输出频率与f1相同，相位与f1的相位相反以快速停止气泡的气穴振荡。因此，由于液体或水的温度远低于气体温度，气泡内的气体温度开始下降。此处的正值或负值可以大于、等于或小于功率P1。在上述操作过程中，电源的输出频率可以与频率f1不同但相位与f1的相位相反以快速停止气泡的气穴振荡。
通常来说，频率范围在0.1MHZ-10MHZ之间的超声波/兆声波可以应用到本发明所提出的方法中。
尽管本发明以特定的实施方式、举例、应用来说明，本领域内显而易见的改动和替换将依旧落入本发明的保护范围。

Claims (64)

1.一种使用超/兆声波装置清洗半导体衬底且不损伤半导体衬底上的图案化结构的方法，其特征在于，包括：
将液体喷射到半导体衬底和超/兆声波装置之间的间隙中；
设置超/兆声波电源的频率为f1，功率为P1以驱动所述超/兆声波装置；
在所述液体中的气穴振荡损伤半导体衬底上的图案化结构之前，设置所述超/兆声波电源的频率为f2，功率为P2以驱动所述超/兆声波装置；
待气泡内的温度冷却到设定温度后，再次设置所述超/兆声波电源的频率为f1，功率为P1；
重复上述步骤直到半导体衬底洗净。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气穴振荡损伤半导体衬底上的图案化结构由气泡内爆产生的微喷射引起。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置所述超/兆声波电源的频率为f1、功率为P1与设置所述超/兆声波电源的频率为f2、功率为P2之间的时间间隔小于2000倍的频率f1的波形周期。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置所述超/兆声波电源的频率为f1、功率为P1与设置所述超/兆声波电源的频率为f2、功率为P2之间的时间间隔小于((Ti-T0-ΔT)/(ΔT–δT)+1)/f1，其中Ti是当所述气泡内爆时气泡内部气体和蒸汽的温度，T0是所述液体的温度，ΔT是所述气泡一次压缩后的温度增量，δT是所述气泡一次膨胀后的温度减量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气穴振荡损伤半导体衬底上的图案化结构是由于气泡尺寸增长大于图案化结构之间的间距引起。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定温度接近于所述液体的温度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率P2的值设为0。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率f1等于所述频率f2，所述功率P2小于所述功率P1。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率f1高于所述频率f2，所述功率P2小于所述功率P1。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率f1小于所述频率f2，所述功率P1等于所述功率P2。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率f1小于所述频率f2，所述功率P1大于所述功率P2。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率f1小于所述频率f2，所述功率P1小于所述功率P2。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1具有逐渐增大的振幅。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1具有逐渐减小的振幅。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1具有先增大后减小的振幅。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1具有先减小后增大的振幅。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f1后为f3，f3小于f1。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f3后为f1，f3小于f1。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f3后为f1最后为f3，f3小于f1。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f1后为f3最后为f1，f3小于f1。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f1后为f3最后为f4，f4小于f3，f3小于f1。
22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f4后为f3最后为f1，f4小于f3，f3小于f1。
23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f1后为f4最后为f3，f4小于f3，f3小于f1。
24.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f3后为f4最后为f1，f4小于f3，f3小于f1。
25.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f3后为f1最后为f4，f4小于f3，f3小于f1。
26.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f4后为f1最后为f3，f4小于f3，f3小于f1。
27.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率f2为0，所述功率P2为正值。
28.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率f2为0，所述功率P2为负值。
29.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率f2等于f1，f2的相位与f1的相位相反。
30.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率f2与f1不同，f2的相位与f1的相位相反。
31.一种使用超/兆声波装置清洗半导体衬底的装置，包括：
支撑半导体衬底的卡盘；
置于半导体衬底附近的超/兆声波装置；
至少一个喷头将化学液体喷射到半导体衬底以及半导体衬底与超/兆声波装置之间的间隙中；
超/兆声波电源；
设置超/兆声波电源的频率为f1，功率为P1以驱动所述超/兆声波装置；在所述液体中的气穴振荡损伤半导体衬底上的图案化结构之前，设置超/兆声波电源的频率为f2，功率为P2以驱动所述超/兆声波装置；待气泡内的温度冷却到设定温度后，再次设置超/兆声波电源的频率为f1，功率为P1；重复上述步骤直到半导体衬底被洗净。
32.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述气穴振荡损伤半导体衬底上的图案化结构由气泡内爆产生的微喷射引起。
33.如权利要求31所述的装置，其特征在于，设置所述超/兆声波电源的频率为f1、功率为P1与设置所述超/兆声波电源的频率为f2、功率为P2之间的时间间隔小于2000倍的频率f1的波形周期。
34.如权利要求31所述的装置，其特征在于，设置所述超/兆声波电源的频率为f1、功率为P1与设置所述超/兆声波电源的频率为f2、功率为P2之间的时间间隔小于((Ti-T0-ΔT)/(ΔT–δT)+1)/f1，其中Ti是当所述气泡内爆时气泡内部气体和蒸汽的温度，T0是所述液体的温度，ΔT是所述气泡一次压缩后的温度增量，δT是所述气泡一次膨胀后的温度减量。
35.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述气穴振荡损伤半导体衬底上的图案化结构是由于气泡尺寸增长大于图案化结构之间的间距引起。
36.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述设定温度接近于所述液体的温度。
37.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述功率P2的值为0。
38.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述频率f1等于所述频率f2，所述功率P2小于所述功率P1。
39.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述频率f1高于所述频率f2，所述功率P2小于所述功率P1。
40.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述频率f1小于所述频率f2，所述功率P1等于所述功率P2。
41.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述频率f1小于所述频率f2，所述功率P1大于所述功率P2。
42.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述频率f1小于所述频率f2，所述功率P1小于所述功率P2。
43.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1具有逐渐增大的振幅。
44.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1具有逐渐减小的振幅。
45.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1具有先增大后减小的振幅。
46.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1具有先减小后增大的振幅。
47.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f1后为f3，f3小于f1。
48.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f3后为f1，f3小于f1。
49.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f3后为f1最后为f3，f3小于f1。
50.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f1后为f3最后为f1，f3小于f1。
51.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f1后为f3最后为f4，f4小于f3，f3小于f1。
52.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f4后为f3最后为f1，f4小于f3，f3小于f1。
53.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f1后为f4最后为f3，f4小于f3，f3小于f1。
54.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f3后为f4最后为f1，f4小于f3，f3小于f1。
55.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f3后为f1最后为f4，f4小于f3，f3小于f1。
56.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述超/兆声波电源输出功率P1，频率先为f4后为f1最后为f3，f4小于f3，f3小于f1。
57.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述频率f2为0，所述功率P2为正值。
58.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述频率f2为0，所述功率P2为负值。
59.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述频率f2等于f1，f2的相位与f1的相位相反。
60.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述频率f2与f1不同，f2的相位与f1的相位相反。
61.一种使用超/兆声波装置清洗半导体衬底的装置，包括：
支撑至少一片半导体衬底的盒子；
容纳所述盒子的溶液槽；
设置在所述溶液槽外壁的超/兆声波装置；
至少一个入口使所述溶液槽内充满化学液体以浸没所述半导体衬底；
超/兆声波电源；
设置超/兆声波电源的频率为f1，功率为P1以驱动所述超/兆声波装置；在所述液体中的气穴振荡损伤半导体衬底上的图案化结构之前，设置超/兆声波电源的频率为f2，功率为P2以驱动所述超/兆声波装置；待气泡内的温度冷却到设定温度后，再次设置超/兆声波电源的频率为f1，功率为P1；重复上述步骤直到半导体衬底被洗净。
62.如权利要求61所述的装置，其特征在于，所述功率P2为0。
63.一种使用超/兆声波装置清洗半导体衬底的装置，包括：
支撑半导体衬底的卡盘；
置于半导体衬底附近的带有喷头的超/兆声波装置，所述喷头向半导体衬底喷射化学液体；
超/兆声波电源；
设置超/兆声波电源的频率为f1，功率为P1以驱动所述超/兆声波装置；在所述液体中的气穴振荡损伤半导体衬底上的图案化结构之前，设置超/兆声波电源的频率为f2，功率为P2以驱动所述超/兆声波装置；待气泡内的温度冷却到设定温度后，再次设置超/兆声波电源的频率为f1，功率为P1；重复上述步骤直到半导体衬底被洗净。
64.如权利要求63所述的装置，其特征在于，所述功率P2为0。
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