CN1757447B - 清洗探头和具有该探头的兆频超声波设备 - Google Patents

清洗探头和具有该探头的兆频超声波设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种清洗探头和具有所述清洗探头的兆频超声波清洗设备，所述清洗探头能够对整个晶片提供均匀的清洗，而且不损伤晶片的边缘部分。所述清洗探头包括：位于接近晶片中心的前部分、连接到压电换能器的后部分，和位于所述后部分和所述前部分之间的突起，且所述突起的横截面宽度大于所述前部分的横截面宽度。

Description

清洗探头和具有该探头的兆频超声波设备
技术领域
本发明一般涉及一种半导体制造设备，更具体而言，涉及一种适用于兆频超声波清洗设备的清洗探头。
背景技术
晶片的半导体器件的制造涉及单独工艺的复杂工序。如果颗粒污染晶片的表面，则构图失效可能在制造工序中随后的工艺期间发生。这些构图失效为半导体器件的最终失效的普遍原因。
制造和设计技术中的进步已经允许生产具有更精细的图案、图案部分之间具有较小的间隙的半导体器件。随着图案尺寸变小且制造公差也相应地减小，越来越小的颗粒成为了潜在的问题。该趋势对适于从半导体器件的制造环境去除潜在的污染颗粒的清洗工艺施加了额外的负担。但是，利用现有的清洗工艺越来越难于消除越来越小的颗粒，因为颗粒和晶片表面之间存在的较强的粘附力。
最近一段时间以来，人们已经认识到对于改进的晶片清洗工艺的需求。此前，已经进行了一些尝试来改进常规的清洗工艺的效率。这些方法中的一些将力提供到晶片的表面来克服颗粒和晶片之间强的粘附力。一种这样之前已提出的方法使用了兆频超声波清洗设备，其将兆频超声波施加到被清洗的晶片上。
一般地，兆频超声波清洗设备包括：压电换能器，被设置来产生兆频超声波；和清洗探头，被设置来将由压电换能器产生的兆频超声波通过清洗流体(例如，去离子水)传输到晶片的表面上。由清洗探头产生的高频波在流体内产生气泡。随着气泡在晶片的表面上碰撞并破裂，由破裂气泡和流体移位(例如，定向的流体流动)的组合形成的合成力振动颗粒且将它们从晶片的表面分离。该常规的方法安全并有效地将潜在污染的颗粒从晶片表面去除。常规的兆频超声波清洗工艺确实有效地将颗粒从晶片表面的凹入区域去除。
图1示出了常规的清洗设备并示出了由常规的清洗探头沿晶片的径向长度施加的相对的力的曲线图。在美国专利No.6039059中公开了图1中示出的常规兆频超声波清洗设备。
参考图1，常规的清洗探头20接触在晶片W上方均匀分布的清洗流体(未示出)。清洗探头20的一端被连接到压电换能器10，而清洗探头20的相对端延伸到晶片W的上方。清洗探头20通常为具有均匀直径的圆柱杆的形状。高频兆频超声波由压电换能器10产生并通过清洗探头20传输到清洗流体。在晶片W上的气泡的形成和破裂去除了潜在的污染颗粒。
图1还示出了由清洗探头20通过清洗流体施加到横跨晶片W的表面的各种点的相对的力。可见所施加的力随距晶片W的中心的径向距离而改变。即，在晶片的外部边缘部分施加到晶片W的表面的力大于施加到晶片W的中心部分的力。
实际上，因为由压电换能器10施加到清洗探头20的许多能量随着其从压电换能器10延伸开而沿清洗探头20的长度散开，所以由常规的兆频超声波清洗设备产生的兆频超声波给予的力集中于晶片W的边缘。在常规的清洗探头配置下，如果为了在晶片W的中心部分提供足够的清洗效果从而增加由压电换能器10产生的兆频超声波的力，则必须在晶片W的边缘部分施加相对大的力。在一些位置，这些大的力构成对形成于晶片W的边缘部分的元件或表面层的损伤(例如，图案剥离)的危险。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种兆频超声波清洗设备，包括：清洗容器；旋转台，位于清洗容器中且适于支撑放置于旋转台上的晶片；旋转轴，连接到旋转台的底部；马达，连接到旋转轴且被设置来使旋转台旋转；清洗探头，位于旋转台和晶片的上方，且被设置来将兆频超声波通过晶片表面上的清洗流体传输到晶片的表面；压电换能器，连接到清洗探头且被设置来产生兆频超声波；清洗流体供给管，被设置来将清洗流体供给到晶片上，其中清洗探头包括连接到压电换能器的后部分和与后部分相对并位于晶片上方的前部分，以及位于后部分和前部分之间且位于晶片的边缘部分上方的突起，其中突起的横截面宽度大于前部分的横截面宽度。
在另一实施例中，本发明提供了一种用于清洗晶片的设备中所使用的清洗探头，包括：后部分，连接到被设置来产生兆频超声波的压电换能器；前部分，与后部分相对并位于晶片上方；突起，位于后部分和前部分之间且位于晶片的边缘部分上方，其中突起的横截面宽度大于前部分的横截面宽度。
附图说明
下面，将参考附图描述本发明的示范性实施例，在附图中，相同的附图标记指示相同或相似的元件。在附图中：
图1显示了常规的清洗设备和根据从晶片边缘的点的距离施加到晶片表面上的点的力的大小；
图2A显示了根据本发明一个实施例的兆频超声波清洗设备的横截面图；
图2B显示了根据本发明一个实施例的兆频超声波清洗设备的平面图；
图3显示了根据本发明一个实施例的兆频超声波清洗设备和根据从晶片的边缘的点的距离施加到晶片的表面上的点的力的大小；
图4显示了根据清洗探头和晶片的表面之间的间隙的波的力；
图5根据本发明一个实施例显示了清洗探头的右视图且显示了清洗探头在晶片上接触清洗流体的状态。
图6A显示了根据本发明一个实施例的清洗探头的主视图；
图6B根据本发明几个实施例显示了从箭头I的方向的图6A所示的清洗探头的右视图；
图7A显示了根据本发明另一个实施例的清洗探头的主视图；
图7B根据本发明几个实施例显示了从箭头I的方向的图7A所示的清洗探头的右视图；
图8A显示了根据本发明另一个实施例的清洗探头的主视图；
图8B根据本发明几个实施例显示了从箭头I的方向的图8A所示的清洗探头的右视图；
图9A显示了根据本发明又一个实施例的清洗探头的主视图；
图9B根据本发明几个实施例显示了从箭头I的方向的图9A所示的清洗探头的右视图；
图10A显示了根据本发明又一个实施例的清洗探头的主视图；
图10B根据本发明几个实施例显示了从箭头I的方向的图10A所示的清洗探头的右视图；
图11A显示了根据本发明再一个实施例的清洗探头的主视图；
图11B根据本发明几个实施例显示了从箭头I的方向的图11A所示的清洗探头的右视图。
具体实施方式
参考图2A和2B，兆频超声波清洗设备包括清洗容器100。支撑晶片W的旋转台130设置于清洗容器100中。旋转台130通过连接到马达110的旋转轴120旋转。通过清洗流体供给管170将清洗流体140施加到安装于旋转台130上的晶片W的表面。清洗探头160穿过清洗容器100的侧壁凸出到位于旋转台130上方的位置。清洗探头160连接到位于清洗容器100外部的压电换能器150。压电换能器150产生频率范围从例如750到1000kHz的兆频超声波。
清洗探头160包括位于接近晶片W的中心C的前部分160a、连接到压电换能器150的后部分160c、和位于前部分160a和后部分160c之间的突起160b。突起160b的特征在于具有比前部分160a更大的横截面宽度。如果横截面为圆形，则横截面宽度定义为横截面的直径；或如果横截面为椭圆，则横截面的宽度被界定为半主轴的长度或半主轴和半副轴每一个各自的长度。在示出的实例中，突起160b具有圆形或椭圆的横截面。后连接部分160bc位于后部分160c和突起160b之间，且具有沿其长度变化的横截面宽度。前连接部分160ab位于前部分160a和突起160b之间，且具有沿其长度变化的横截面宽度。前部分160a的端部可以位于例如晶片W的中心C。前突起边界160abb是前连接部分160ab和突起160b之间的边界，且优选地位于从晶片W的中心C所测量的一距离，所述距离大于或等于晶片W的半径R的一半。后突起边界160bbc是突起160b和后连接部分160bc之间的边界，且优选地位于从晶片W的中心C所测量的一距离，所述距离大于或等于晶片W的半径R。
操作兆频超声波清洗设备的方法包括以下的步骤。将晶片W放置在旋转台130上。通过马达110来使旋转台130旋转，且将诸如去离子水的清洗流体140通过清洗流体供给管170供给到晶片W的表面。晶片W随着旋转台130旋转，且供给到晶片W的清洗流体140分布在晶片W的整个表面上，并具有均匀的厚度。连接到压电换能器150的清洗探头160位于晶片W上，且清洗探头160接触清洗流体140，但不直接接触晶片W的表面。在压电换能器150中产生具有900kHz的示范性频率的兆频超声波，且该兆频超声波被传输到清洗探头160且然后通过清洗流体140被传输到晶片W的表面。
传输到晶片W的表面的兆频超声波的力在晶片W的表面上不变化，而在整个晶片中是均匀的，如图3所示。参考图3，通过在后连接部分160bc的长度上的增加的横截面宽度以及通过突起160b的大的横截面宽度，从而相对于在图1的常规清洗探头20的相应区域处传输的兆频超声波的力，清洗探头160传输的兆频超声波的力被减小，使得兆频超声波的力被均匀地施加到整个晶片W。
参考图4和5，以下的三个原理可以描述由宽突起160b导致的施加到晶片W的表面的兆频超声波的力的减小，如图3的曲线图所示。
首先，突起160b由于其相对大的单位体积引起了兆频超声波的力的减小，从而具有相对大的横截面宽度的突起160b起到了阻尼器(damper)的作用。支配在前其端部具有重量的条板和不具有重量的板条的振动的幅度的差别的原理同样地支配本现象。在其端部具有重量的条板当振动时将具有较小的幅度，且相似地具有相对较大的单位体积的突起160b将比具有较小的单位体积的突起160b导致所施加的兆频超声波的力较小。
其次，参考图4，根据一般的空隙(cavitation)现象，如果在波中产生具有波长λ的循环，则产生气泡并然后气泡破裂。在兆频超声波清洗设备中，当气泡破裂时将污染颗粒从晶片表面去除。如图4所示，气泡在波的1/4λ点产生且在波的3/4λ点破裂。因此，前部分160a应从晶片W的表面被分开3/4λ的距离，使得破裂气泡的力处于最大的波的点位于晶片W的表面。前述的设置增加了晶片W的中心部分的清洗力，如图1所示，晶片W的中心部分通常为清洗力最弱的位置。因为产生到晶片W的边缘部分的波的力通常为最强的，所以减小清洗探头160和晶片W的边缘部分之间的间隙，以减小晶片W的边缘部分的清洗力。更具体而言，突起160b的相对大的横截面宽度减小了突起160b和晶片的边缘部分之间的间隙，如图4所示，从而兆频超声波在晶片W的表面不会达到波的3/4λ点，且因此破裂气泡的力在边缘部分小于最大力。因此，在晶片W的表面的边缘部分的兆频超声波的力小于常规清洗设备中晶片W的表面的边缘部分的兆频超声波的力。
第三，参考图5，突起160b具有比前部分160a大的横截面宽度。在图5中，前部分160a接触清洗流体140处的表面的横截面的弧长短于突起160b接触清洗流体140处的表面的横截面的弧长。于是，突起160b接触清洗流体140的单位面积大于前部分160a接触清洗流体140的单位面积。因此，即使将相同的力的兆频超声波传输到前部分160a和突起160b来施加到晶片W的表面，通过突起160b的下部分传输到晶片W的表面的兆频超声波的力(表示为小箭头)将在比通过前部分160a施加的波在更大的单位面积上分散，从而通过突起160b传输的兆频超声波的力将小于通过前部分160a传输的兆频超声波的力。
根据一个实施例且基于以上三个原理的清洗探头160具有大的横截面宽度的突起160b，并且可以减小传输到晶片的边缘部分的兆频超声波的力。因此，可以对晶片的整个表面提供均匀的清洗，如图3所示。
参考图6A和6B，突起160b具有比前部分160a更大的横截面宽度。突起160b的横截面可以是如图6B(1)的圆形或如图6B(2)和(3)的椭圆。椭圆或者在水平方向具有主轴，如图6B(2)，或在垂直方向具有主轴，如图6B(3)。在所示的实施例中，突起160b的横截面的中心160bx与前部分160a的横截面的中心160ax在相同的轴上。在图6B(1)中，突起160b的横截面具有比前部分160a更大的直径。在图6B(2)中，突起160b在水平方向上的横截面的主轴以及副轴均大于前部分160a的直径，而在图6B(3)中，仅是突起160b在垂直方向中的主轴大于前部分160a的直径。
参考图7A和7B，突起160b具有比前部分160a大的横截面宽度。突起160b的横截面可以是如图7B(1)的圆形或如图7B(2)的椭圆。在所示的实施例中，突起160b的横截面的中心160bx与前部分160a的横截面的中心160ax不在相同的轴上。突起160b的横截面的中心160bx设置得高于前部分160a的横截面的中心160ax。在图7B(1)中，突起160b的横截面具有比前部分160a更大的直径。在图7B(2)中，突起160b在水平方向上的横截面的主轴以及副轴均大于前部分160a的直径。
参考图8A和8B，突起160b具有比前部分160a大的横截面宽度。突起160b的横截面可以是如图8B(1)的圆形或如图8B(2)的椭圆。在所示的实施例中，突起160b的横截面的中心160bx与前部分160a的横截面的中心160ax不在相同的轴上。突起160b的横截面的中心160bx设置得低于前部分160a的横截面的中心160ax。在图8B(1)中，突起160b的横截面具有比前部分160a更大的直径。在图8B(2)中，突起160b在水平方向上的横截面的主轴以及副轴均大于前部分160a的直径。
参考图9A和9B，突起160b具有比前部分160a大的横截面宽度。根据图9A的主视图，前部分160a、前连接部分160ab、突起160b和后连接部分160bc的最低部分均位于同一条线上。突起160b的横截面可以是如图9B(1)的圆形或如图9B(2)的椭圆。在所示的实施例中，突起160b的横截面的中心160bx与前部分160a的横截面的中心160ax不在相同的轴上。突起160b的横截面的中心160bx设置得高于前部分160a的横截面的中心160ax。根据所示的实施例，如果将清洗探头160施加到兆频超声波清洗设备，则可以通过上述的第一和第三原理的效应来防止晶片的边缘部分受到损伤。在图9B(1)中，突起160b的横截面具有比前部分160a更大的直径。在图9B(2)中，突起160b在水平方向上的横截面的主轴以及其副轴均大于前部分160a的直径。
参考图10A和10B，突起160b具有比前部分160a大的横截面宽度。根据图10A的主视图，前部分160、前连接部分160ab、突起160b和后连接部分160bc a的最高部分均位于同一条线上。突起160b的横截面可以是如图10B(1)的圆形或如图10B(2)的椭圆。在所示的实施例中，突起160b的横截面的中心160bx与前部分160a的横截面的中心160ax不在相同的轴上。突起160b的横截面的中心160bx设置得低于前部分160a的横截面的中心160ax。在图10B(1)中，突起160b的横截面具有比前部分160a更大的直径。在图10B(2)中，突起160b在水平方向上的横截面的主轴以及其副轴均大于前部分160a的直径。
参考图11A和11B，突起160b具有比前部分160a大的横截面宽度。根据图11A的主视图，前部分160a、前连接部分160ab、突起160b和后连接部分160bc的最高部分均位于同一条线上。而且，根据图11A的主视图，前部分160a、前连接部分160ab、突起160b和后连接部分160bc的最低部分也均位于同一条线上。在所示的实施例中，突起160b的横截面的中心160bx与前部分160a的横截面的中心160ax在相同的轴上。在图11B中，突起160b的横截面的主轴大于前部分160a的横截面的直径。突起160b的横截面的主轴在水平方向上
因此，利用根据本发明的包括具有位于晶片的边缘部分的突起的清洗探头的兆频超声波清洗设备，可以减小施加到晶片的边缘部分的兆频超声波的力，由此防止清洗设备损伤晶片的边缘部分。另外，可以对整个晶片提供均匀的清洗。
虽然参考示范性实施例描述了本发明，然而本领域的一般技术人员可以理解本发明不限于所公开的实施例，而是各种改进和相似的设置在由权利要求所界定的本发明的精神和范围内。
本申请要求于2004年10月5日提交的韩国专利申请2004-79041的优先权，其全部内容引入于此作为参考。

Claims (26)

1.一种兆频超声波清洗设备，包括：
清洗容器；
旋转台，位于所述清洗容器中且适于支撑放置于所述旋转台上的晶片；
旋转轴，连接到所述旋转台的底部；
马达，连接到所述旋转轴且被设置来旋转所述旋转台；
清洗探头，位于所述旋转台和晶片的上方，且被设置来将兆频超声波通过所述晶片表面上的清洗流体传输到所述晶片的表面；
压电换能器，连接到所述清洗探头且被设置来产生兆频超声波；和
清洗流体供给管，被设置来将所述清洗流体供给到所述晶片上，其中，所述清洗探头包括：连接到压电换能器的后部分、与所述后部分相对并位于所述晶片上方的前部分、和位于所述后部分和所述前部分之间且位于所述晶片的边缘部分上方的突起，其中，所述突起的横截面宽度大于所述前部分的横截面宽度。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述清洗探头还包括：
前连接部分，连接所述突起和所述前部分，其中，所述前连接部分的横截面宽度在所述前连接部分的长度上变化；和
后连接部分，连接所述突起和所述后部分，其中，所述后连接部分的横截面宽度在所述后连接部分的长度上变化。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述后连接部分和所述突起之间的边界与所述晶片中心的距离大于或等于所述晶片的半径。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述前连接部分和所述突起之间的边界与所述晶片中心的距离大于或等于所述晶片半径的一半。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述突起的横截面为圆形。
6.如权利要求5所述的设备，其中，所述突起的横截面的中心在与所述前部分的横截面的中心的相同的轴上。
7.如权利要求5所述的设备，其中，所述突起的横截面的中心不在与所述前部分的横截面的中心的相同的轴上。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述突起的横截面的中心高于所述前部分的横截面的中心。
9.如权利要求7所述的设备，其中，所述突起的横截面的中心低于所述前部分的横截面的中心。
10.如权利要求4所述的设备，其中，所述突起的横截面是椭圆形。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述突起的横截面的中心在与所述前部分的横截面的中心的相同的轴上。
12.如权利要求10所述的设备，其中，所述突起的横截面的中心不在与所述前部分的横截面的中心的相同的轴上
13.如权利要求12所述的设备，其中，所述突起的横截面的中心高于所述前部分的横截面的中心。
14.如权利要求12所述的设备，其中，所述突起的横截面的中心低于所述前部分的横截面的中心。
15.一种用于使用兆频超声波的清洗晶片的设备的清洗探头，包括：
后部分，连接到被设置来产生兆频超声波的压电换能器；
前部分，与所述后部分相对并位于所述晶片的上方；和
突起，位于所述后部分和所述前部分之间，且位于所述晶片的边缘部分的上方，
其中，所述突起的横截面宽度大于所述前部分的横截面宽度。
16.如权利要求15所述的清洗探头，其中，所述清洗探头还包括：
前连接部分，连接所述突起和所述前部分，其中，所述前连接部分的横截面宽度在所述前连接部分的长度上变化；和
后连接部分，连接所述突起和所述后部分，其中，所述后连接部分的横截面宽度在所述后连接部分的长度上变化。
17.如权利要求16所述的清洗探头，其中，所述突起的横截面为圆形。
18.如权利要求17所述的清洗探头，其中，所述突起的横截面的中心在与所述前部分的横截面的中心的相同的轴上。
19.如权利要求17所述的清洗探头，其中，所述突起的横截面的中心不在与所述前部分的横截面的中心的相同的轴上。
20.如权利要求19所述的清洗探头，其中，所述突起的横截面的中心高于所述前部分的横截面的中心。
21.如权利要求19所述的清洗探头，其中，所述突起的横截面的中心低于所述前部分的横截面的中心。
22.如权利要求16所述的清洗探头，其中，所述突起的横截面是椭圆形。
23.如权利要求22所述的清洗探头，其中，所述突起的横截面的中心在与所述前部分的横截面的中心的相同的轴上。
24.如权利要求22所述的清洗探头，其中，所述突起的横截面的中心不在与所述前部分的横截面的中心的相同的轴上
25.如权利要求24所述的清洗探头，其中，所述突起的横截面的中心高于所述前部分的横截面的中心。
26.如权利要求24所述的清洗探头，其中，所述突起的横截面的中心低于所述前部分的横截面的中心。
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