CN1795057A - 用于使用相控换能器阵列的超声波清洗的系统和方法 - Google Patents

Abstract

使用超声波能量清洗基片表面(22)的系统(20)包括“N”个换能器元件的阵列。提供具有包括电压V_N和相位θ_N的信号参数的电信号S_N，以驱动每个换能器元件(32)并生成各自的超声波。提供计算机子系统(30)以控制信号参数，以便在基片表面上的多个位置处建立基本一致的空化能量。能够建立信号参数以从阵列向每个位置聚焦或转向超声波能量。为了计算电信号参数，计算机子系统(30)能够使用以下中的部分或全部作为输入：换能器元件的布置和元件间的间隔，流体介质的特性，以及需要清洗的位置的坐标。

Description

用于使用相控换能器阵列的超声波清洗的系统和方法

技术领域

本发明通常涉及超声波清洗。更加具体地，本发明涉及使用相控换能器阵列的超声波清洗。本发明具体地但非专门地用于使用定向超声波能量在基片表面上建立目标压力以有效清洗表面。

背景技术

超声波清洗系统是众所周知的，并且目前广泛用于各种应用以清洗各种类型的基片表面(例如半导体晶片上的表面、具有复杂表面几何形状的部件、电子器件等等)。在典型的布置中，清洗系统包括贮槽，其保持诸如水溶液之类的流体介质。水溶液通常包括增强系统的清洗性能的诸如表面活性剂和清洁剂之类的添加剂。

在简单的超声波系统中，提供换能器，其典型地为电致伸缩或磁致伸缩换能器，以响应电信号输入而在清洗槽中生成高频振动。如在此使用的那样，术语“超声波”及其派生是指具有在大约15kHz之上的波频率的声波，并且既包括传统的超声波频谱，其频率从大约15kHz延伸到400kHz，又包括近来使用的兆声波(megasonic)频谱，其频率从大约500kHz延伸到大约3MHz。

一旦生成，换能器振动就通过清洗槽中的流体介质传播，直到它们到达将要被清洗的基片为止。更加具体地，振动在流体介质之内生成超声波，其中，沿着波的每个点都在最大压力(压缩)和最小压力(稀疏)之间的压力范围之内振荡。当最小压力在流体介质的蒸汽压力之下时，超声波能够导致空化气泡在流体介质中形成。

作为换能器振动产生的时变压力场的结果，当现场压力下降到流体的蒸汽压力之下并且接近最小压力时，空化气泡在流体介质中的现场形成。当所述现场从最小压力向最大压力过渡时，这些空化气泡随后破裂(亦即内爆)。在气泡内爆期间，周围的流体迅速地流向并填充破裂气泡产生的空隙，并且这种流动导致了强激波，其独特地适合于基片表面清洗。具体地，在基片表面或附近发生的气泡内爆将生成激波，其能够从基片表面去除污染物和其他脏物。基片表面附近的许多气泡的随着时间的内爆导致了强烈的擦洗作用，其在清洗诸如存储磁盘、半导体晶片、LCD器件等等之类的器件方面非常有效。

在几乎所有的清洗应用中，控制空化能量都很重要。如果提供了不足量的空化能量，则可能需要不希望的长处理时间以获得预期水平的清洗，或者在某些情况下，预期水平的表面清洗可能无法实现。另一方面，具有精密表面或部件的基片附近的过多的空化能量会造成基片损伤。基片损伤的例子包括在基片表面上形成凹点和/或坑。影响空化气泡的尺寸和相应的空化能量的一个因素是超声波的频率。具体地，在较高的波频率下存在较少的用于气泡生长的时间。结果是较小的气泡和空化能量的相应减少。

影响空化能量的另一个因素是(一个或多个)换能器产生的超声波的强度(亦即波幅)。更加详细地，较高的波强度导致沿着波的每个点在(稀疏和压缩之间的)较大压力范围之上振荡，这又会产生较大的空化气泡和较大的空化能量。这样一来，在超声波的强度、流体介质在其间振荡的压力范围以及空化能量之间就存在直接相关。流体介质在其间振荡的压力范围可以表征为具有相对于当超声波不存在时的流体介质中的周围压力的压力峰值。因此，压力峰值可以用作空化能量的适当量度。应当考虑的另外一个因素是下述事实：超声波的强度将随着波通过流体介质传播而减少。这样一来，空化能量通常是与换能器的距离的函数。因此，位于与超声波能量源的不同距离处的基片的部分，将经受不同水平的空化能量。结果，均匀地清洗具有复杂表面几何形状的基片就有点具有挑战性。如在此使用的那样，术语“复杂表面几何形状”是指不是基本平坦的任何表面。

考虑到上述情况，可以使用换能器元件阵列以将超声波能量引向基片表面上的定位区域。具体地，可以对驱动每个换能器元件的电信号的相位进行选择性延迟，以导致基片表面上的定位区域接收相对强烈的超声波能量，而基片表面上的周围区域接收显著较少的超声波能量。强烈的超声波能量的定位区域是换能器元件生成的超声波之间的干涉(相长和相消)的结果。通过调整随着时间的相位延迟，强烈的超声波能量的区域能够通过空间被电子扫描。例如，2003年4月29日颁发给Birang等人的美国专利号6,554,003披露了换能器阵列和用于调整每个换能器产生的能量波以沿着薄盘的表面扫描“最大能量波”的方法。然而，本发明认识到，仅仅沿着表面扫描“最大能量波”并不必然确保表面上的每个点都经受相同的空化能量。例如，位于相距换能器的不同距离的基片的部分将经受不同水平的空化能量，因为超声波的强度随着其通过流体介质传播而减少。同样，并且重要地，位于关于换能器有不同角度的基片的部分将经受不同水平的空化能量，因为超声波的强度是转向角(steering angle)(或聚焦角)的函数。这样一来，当沿着平坦表面扫描“最大能量波”时，就存在空化能量的不希望的变化，并且可以意识到，对于通过沿着基片表面扫描“最大能量波”来清洗的具有复杂表面几何形状的基片，发生了甚至更大的空化能量变化。

根据上述情况，本发明的目的是提供适合于下述目标的系统和方法：定向超声波能量以建立目标压力峰值，并从而在基片表面上的位置处建立目标空化能量，以便有效地清洗表面。本发明的另一个目的是提供系统和方法，用于均匀地清洗包括具有复杂表面几何形状的基片表面在内的基片表面。

发明内容

本发明针对用于使用超声波能量的清洗基片表面的系统和方法。清洗系统包括以阵列方式布置的“N”多个换能器元件。典型的布置包括换能器元件的线性阵列、换能器元件的矩阵阵列(例如n×m阵列)或元件的不规则阵列。以每个驱动器连接到各个换能器元件的方式提供多个驱动器。每个驱动器生成电信号S_N，其被输入到各个换能器元件以驱动各个元件。每个电信号S_N可以被表征为具有包括电压V_N和相位θ_N的信号参数。每个换能器元件响应其各自的输入电信号S_N而振动，并从而生成各自的超声波。

清洗系统进一步包括流体介质，其被置于阵列和基片表面之间。提供流体介质以将阵列生成的超声波向基片表面传送。在流体介质中，每个换能器元件生成的超声波相互作用(亦即相长或相消地干涉)，以在流体介质中产生时变压力场。

提供计算机子系统以控制输入到每个换能器元件的包括电压V_N和相位θ_N的电信号参数。具体地，控制信号参数，以便在基片表面上的多个预先选择的位置处建立基本一致的空化能量。在大多数情况下，预先选择的位置联合以在基片表面上形成相连区域。这样一来，在相连区域之上就能够实现一致的清洗。如上面指示的那样，某一位置处的空化能量和该位置处的(稀疏和压缩之间的)压力振荡的范围成比例。该压力范围可以被表征为具有压力峰值。

在清洗系统的第一实施中，首先识别基片表面上的第一位置(相对于阵列)的坐标。接着，计算机子系统确定在第一位置处获得预先选择的(亦即目标)压力峰值所需的包括电压V_N和相位θ_N的电信号参数。例如，可以建立信号参数以将超声波能量从阵列向第一位置聚焦。这典型地在第一位置位于阵列的近场时进行。

可选择地，可以建立信号参数以将超声波能量从阵列向第一位置转向。这典型地在第一位置位于阵列的远场时进行。为了计算电信号参数，计算机子系统能够使用以下中的一些或全部作为输入：换能器元件的数目、类型、布置和元件间的间隔；流体介质的特性；以及第一位置的坐标。然后对于典型地邻近第一位置的第二位置、邻近第二位置的第三位置等等，重复这个过程。这样一来，就在保持一致的空化能量的同时，从位置到位置地“电子扫描”了(例如聚焦的或转向的)定向超声波能量。

附图说明

从结合附属说明的附图中，将最好地理解关于其结构及其操作的本发明的新颖特征以及本发明本身，其中同样的参考数字指示同样的部分，并且其中：

图1是超声波清洗系统的透视图；

图2是换能器元件的线性阵列的示意图；

图3是换能器元件的线性阵列和该线性阵列的典型视场的简化透视图；

图4是显示被转向到位的阵列的模拟压力分布图的图形；

图5是显示被转向到位的阵列的模拟压力分布图的图形；

图6是显示用于聚焦的用于计算换能器元件延迟的尺寸和角度的线性阵列的示意图，其中阵列可以具有奇数或偶数个换能器元件；

图7A显示了对于以30度的转向角在近场中转向的N＝16的线性阵列，使用数值模拟生成的压力对角度的曲线；

图7B显示了对于以30度的聚焦角在近场中聚焦的N＝16的线性阵列，使用数值模拟生成的压力对角度的曲线；

图8是换能器元件的二维阵列和该二维阵列的典型视场的简化透视图；

图9是用于数值模拟中以确定相控阵列压力分布的示意图，其中阵列被模拟为以每个源由无限数目个点源组成的方式的多个线源的总体；以及

图10A-C是显示对于分别用V_N＝1以0°、V_N＝1以30°和V_N＝1.3175以30°定向的聚焦束，作为角度的函数的压力的曲线图。

具体实施方式

参考图1，显示了清洗系统，并且其通常被指示为20。功能上，提供系统20以使用超声波能量来清洗基片22。如图1所示，系统20包括容器24，其保持基片22的部分或全部沉浸在其内的流体介质26。系统20进一步包括多元件换能器阵列28，其沉浸在流体介质26中，并且电连接到计算机子系统30。

图2显示了具有16个(N＝16)换能器元件32的线性换能器阵列28，其中示范性换能器元件32a-c已用参考数字标记。如图2所示，阵列28的参数包括：每个元件32的宽度(a)；中心到中心的元件间的间隔(d)；总的缝隙尺寸(D)；以及高度尺寸(L)。如下面进一步详述的那样，阵列28能够用于产生定向超声波能量。如在此使用的那样，术语“定向超声波能量”及其派生包括但并非必然地限于聚焦超声波能量和转向超声波能量。考虑到这一点，图3显示了线性阵列几何形状和典型的视场。具体地，图3显示了相对于阵列28的轴向、方位角和仰角。

如图2所示，系统20能够包括多个驱动器34，其中示范性驱动器34a-c已用参考数字标记。如显示的那样，每个驱动器34连接到各个换能器元件32并生成电信号S₁-S₁₆，其被输入到各个换能器元件32以驱动各个元件32。每个电信号S_N可以被表征为具有包括电压V_N和相位θ_N的信号参数。典型地，共同的频率(f)用于每个电信号S₁-S₁₆。每个换能器元件32响应其各自的输入电信号S_N而振动，并从而在流体介质26(图1中显示的流体介质26)中生成各自的超声波。

对于系统20，电信号S_N能够用于定向超声波能量。通过控制每个换能器元件32的相位θ_N，能够完成相位转向(见图4)。可以将声束传播的方向重新取向为任何方位角(见图3)。流体介质中的声场可以被表达为从每个元件32发射的惠更斯波。所有的单独波阵面相加以沿着预期的方向产生最大声强。能够用下式计算用于转向超声波场的恒定元件间延迟：

Δτ₀＝d sinθ_sc，

其中Δτ₀是相邻元件之间的时间延迟，d是元件之间的距离，θ_s是需要的转向角，而c是流体介质中的波速。图4显示了以30°转向的阵列的模拟数值压力分布图。具体地，图4显示了每个元件34传播的波的轨迹，并且显示了转向声波波阵面所需的波相互作用的惠更斯原理。

可选择地，系统20能够通过聚焦定向超声波能量。具体地，电信号S_N能够用于控制每个换能器元件32的相位θ_N，并从而将超声波能量聚焦到空间中的点(见图5)。通过联合球面定时关系和线性定时关系能够完成聚焦超声波能量，以便聚焦(从阵列28的)给定范围的和以特定方位角(见图3)传播的超声波能量。使用下式能够计算具有奇数个元件34的阵列28的聚焦延迟：

$\mathrm{\Δ}{t}_n=\frac{F}{c}\{1-[1+{\left(\frac{\mathrm{nd}}{F}\right)}^2-2\frac{\mathrm{nd}}{F}\sin {\mathrm{\θ}}_s{]}^{1/2}\}+t_0$

其中Δt_n是第N个元件需要的延迟，F是焦距，而t₀是保持延迟为正的常数。图5显示了在10cm的焦距下被聚焦30°的阵列的数值压力分布图。

除了主波瓣(primary lobe)之外，其他波瓣由于惠更斯波的相长加强也可以存在。这些恒定相位的另外平面被称作栅瓣，并且能够通过使元件间的间隔小于d_max来消除，其中：

$d_{\max }=\frac{\mathrm{\λ}}{1+\sin {\left({\mathrm{\θ}}_s\right)}_{\max }}\frac{N-1}{N}$

其中(θ_s)_max是预期的最大操作转向角。

现在参考图6，将阵列28聚焦到基片22的表面38上的第一位置36的延迟可以被计算如下，其中所述阵列28可以具有任何数目的元件34(亦即奇数或偶数个元件)，此处元件n＝0，1，...，N-1，其中N是元件总的数目：

${\left(F\cos {\mathrm{\θ}}_s\right)}^2+{[F\sin {\mathrm{\θ}}_s-(\mathrm{nd}-\frac{N-1}{2}d)]}^2={[F-(t_n-t_0)c]}^2$

注意在图3中，第一元件(n＝0)在阵列的右手侧开始。求解t_n，我们得到：

$t_n=\frac{F}{c}\{1-{[1+{\left(\frac{d}{F}(n-\frac{N-1}{2})\right)}^2-2\sin {\mathrm{\θ}}_s\frac{d}{F}(n-\frac{N-1}{2})]}^{1/2}\}+t_0$ [方程1]

通过将边界条件(对于n＝0，t_n＝0)代入上面的[方程1]，能够确定常数t₀，这导致：

$t_0=-\frac{F}{c}\{1-{[1+{\left(\frac{d}{F}(-\frac{N-1}{2})\right)}^2-2\sin {\mathrm{\θ}}_s\frac{d}{F}(-\frac{N-1}{2})]}^{1/2}\}$ [方程2]

将[方程2]代入[方程1]，可得：

$t_n=\frac{F}{c}\{1-{[1+{\left(\frac{d}{F}(n-\frac{N-1}{2})\right)}^2-\frac{2d}{F}(n-\frac{N-1}{2})\sin {\mathrm{\θ}}_s]}^{1/2}\}$

$-\frac{F}{c}\{1-{[1+{\left(\frac{d}{F}(-\frac{N-1}{2})\right)}^2-\frac{2d}{F}(-\frac{N-1}{2})\sin {\mathrm{\θ}}_s]}^{1/2}\}$

简化后，需要的元件聚焦延迟的通解能够被写成：

$t_n=\frac{F}{c}\{{[1+{\left(\frac{\stackrel{\‾}{N}d}{F}\right)}^2+\frac{2\stackrel{\‾}{N}d}{F}\sin {\mathrm{\θ}}_s]}^{1/2}-{[1+{\left(\frac{(n-\stackrel{\‾}{N})d}{F}\right)}^2-\frac{2(n-\stackrel{\‾}{N})d}{F}\sin {\mathrm{\θ}}_s]}^{1/2}\}$

其中 N＝(N-1)/2，t_n是元件n的需要的延迟，其中n＝0，1，...，N-1，d是元件之间的中心到中心的间隔，F是从阵列的中心的焦距，θ_s是从阵列的中心的转向角，N是元件总的数目(偶数或奇数)，而c是波速。这个通用化的聚焦时间延迟公式对任何数目的阵列元件(偶数或奇数)都是有效的。进而，通过消去常数t₀，该公式保证了不必比必要的还要大的正时间延迟。

聚焦到超越由

$Z_{\mathrm{TR}}=\frac{D^2}{4\mathrm{\λ}}$

规定的过渡范围Z_TR的范围，产生了类似于转向的压力分布图。在这个方程中，D是阵列的总体尺寸，而λ是流体介质中的波长。过渡范围分开了阵列28的近场和远场。对于阵列28的近场之内的目标位置(亦即小于Z_TR的距离处)，聚焦可以用于增加系统分辨率。另一方面，在远场中，聚焦的方向性会聚成转向的方向性。例如，图7A显示了对于以30度的转向角在近场中转向的d＝9.4mm、N＝16的线性阵列，压力对角度的曲线。为了比较，图7B显示了对于以30度的聚焦角在近场中聚焦到从阵列0.3m的点的d＝18.8mm、N＝16的线性阵列，压力对角度的曲线。两个曲线都使用数值模拟生成，并且针对介质中的80kHz超声波，其中波速为1500m/s。比较图7A和图7B，能够看到，和转向相比，聚焦能够用于在近场中产生更好的方向性。

图2中显示的线性阵列28能够用于在方位角方向上产生二维转向和聚焦。另外，通过修改阵列28的高度(L)，能够控制仰角宽度。具体地，高度(L)越大，束在仰角方向上将越窄。图8显示了具有换能器元件132的二维(矩阵)阵列128，其能够用在系统20中以在仰角和方位角上定向超声波能量。尽管只显示了线性和矩阵阵列，但是可以意识到，在系统20中能够使用诸如环形阵列或不规则阵列之类的其他阵列配置以定向超声波能量，并且能够将在此披露的公式扩展到这些二维和三维阵列。

使用现在规定的延迟公式，能够以解析形式导出压力分布。对于单个元件34，压力分布能够被表达为：

$p(r,\mathrm{\θ},t)=\frac{p_0}{r}\frac{\sin \frac{\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}{2}}{\frac{k\sin \mathrm{\θ}}{2}}\exp (-\frac{\mathrm{jka}\sin \mathrm{\θ}}{2})\exp \left[j(\mathrm{wt}-\mathrm{kr})\right]$

根据惠更斯原理，用于聚焦和转向的相控阵列的压力分布是单个元件的压力的叠加：

$p(r,\mathrm{\θ},t)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n(r,\mathrm{\θ},t)$

$=\underset{n=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_0}{r}\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}{2}\right)}{\frac{k\sin \mathrm{\θ}}{2}}\exp (-\frac{\mathrm{jka}\sin \mathrm{\θ}}{2})\exp \left[j(w{t}_n-k{r}_n)\right]$

$\≈\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_0}{r}\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}{2}\right)}{\frac{k\sin \mathrm{\θ}}{2}}\exp (-\frac{\mathrm{jka}\sin \mathrm{\θ}}{2})\exp \left[j(w(t-\mathrm{\Δ}{t}_n)-k(r-\mathrm{nd}\sin \mathrm{\θ}))\right]$

这导致了用于束聚焦的压力分布的最终解析表达式：

$p(r,\mathrm{\θ},t)$

$=\frac{p_{0}a}{r}\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}{2}\right)}{\frac{\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}{2}}\exp (-\frac{\mathrm{jka}\sin \mathrm{\θ}}{2})\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\exp \right[j(\mathrm{An}+B{n}^2)\left]\right)\exp \left[j(\mathrm{wt}-\mathrm{kr})\right]$

其中：

$A=\frac{c(N-1)}{2F{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_s}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_0^2-\mathrm{\ω\Δ}{\mathrm{\τ}}_0+\mathrm{kd}\sin \mathrm{\θ}$

$B=\frac{\mathrm{c\Δ}{\mathrm{\τ}}_0^2}{2F{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_s}$

用于束转向的压力分布的最终解析表达式为：

$p(r,\mathrm{\θ},t)$

$=\frac{p_{0}a}{r}\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}{2}\right)}{\frac{\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}{2}}\exp (-\frac{\mathrm{jka}\sin \mathrm{\θ}}{2})\exp \left[j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kr})\right]\underset{j=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left[j(-\mathrm{\ω\Δ}{\mathrm{\τ}}_0^2+\mathrm{kd}\sin \mathrm{\θ})\right]$

$=\frac{p_{0}a}{r}\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}{2}\right)}{\frac{\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}{2}}\frac{\sin \left[\left(\frac{\mathrm{\ω\Δ}{\mathrm{\τ}}_0-\mathrm{kd}\sin \mathrm{\θ}}{2}\right)N\right]}{\sin \left(\frac{\mathrm{\ω\Δ}{\mathrm{\τ}}_0-\mathrm{kd}\sin \mathrm{\θ}}{2}\right)}\exp [-j\left(\frac{\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}{2}\right)]$

$\×\exp [-j\left(\frac{\mathrm{\ω\Δ}{\mathrm{\τ}}_0-\mathrm{kd}\sin \mathrm{\θ}}{2}\right)(N-1)]\exp \left[j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kr})\right]$

尽管不能将用于聚焦的压力分布简化成封闭形式，但是数值方法能够用于计算任何位置(r，θ)处的压力。

能够基于惠更斯原理进行数值模拟，这表明，通过相加若干单个源贡献的相位和振幅，能够分析波相互作用。图9显示了通过相加组成给定元件的离散数目的单个源的贡献是如何能够获得任意给定点处的压力的。每个都由余弦包络(cosine envelope)的乘积修改的所有元件的贡献然后被加起来。对于聚焦，包括在近场中的聚焦，从源的给定距离处的压力能够被计算如下：

$p(r,\mathrm{\θ},t)=\frac{p_0}{r}\exp [j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kr})-\mathrm{\αr}]\left(\cos \mathrm{\θ}\right)$

其中p₀是初始压力(Pa)，α是衰减系数(Np/m)，而r是从源的径向距离(m)。类似地，对于远场中的转向或聚焦，从源的给定距离处的压力能够被计算如下：

$p(r,\mathrm{\θ})=\frac{p_{0}a}{{j\left(\mathrm{\λ}\right)}^{1/2}}{e}^{2\mathrm{j\πr}/\mathrm{\λ}}\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{\π}a\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}{\left(\frac{\mathrm{\π}a\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}\cos \mathrm{\θ}$

操作

用对图1和6的初始交叉参考能够最好地意识到清洗系统20的操作。首先，识别基片22的表面38上的第一位置36(相对于阵列)的坐标。在系统20的一个实施中，通过分析来自阵列28生成的定向超声波能量的反射回波，能够确定基片22的表面38上的第一位置36和其他需要清洗的位置的坐标。使用已知的第一位置36的坐标，计算机子系统使用上面提供的数学表达式计算在第一位置36处获得预先选择的(亦即目标)压力峰值所需的包括电压V_N和相位θ_N的电信号参数S_N(同样见图2)。可选择地，能够配置信号参数S_N以在第一位置处获得预先选择的(亦即目标)波速梯度，其中波速梯度v能够被计算如下：

ν(r，θ，t)＝ν₀+p₀(r，θ，t)/ρc

其中ρ是流体介质26的密度，c是流体介质26中的波速，v₀是初始速度状态，而p₀是初始压力状态。控制波速梯度能够用于控制包括所谓的斯列茨汀流的声流。声流有利于污染物从基片表面转移，并从而增强了清洗。

能够建立信号参数以从阵列28向第一位置36定向(例如聚焦或转向)超声波能量。当第一位置位于阵列28的近场时，信号参数被典型地计算用于聚焦的超声波能量。另一方面，对于位于阵列28的远场的第一位置36，能够有效地使用聚焦或转向。

如图2所示，一旦计算了参数，每个驱动器34就生成电信号S_N，其被输入到各个换能器元件34以驱动各个元件34。典型地，使用连续的(亦即非脉冲的)超声波能量一段预期的时间，直到第一位置36已被清洗到足够水平的清洁度为止。然而，系统20能够用于定向具有预先选择的忙闲度的脉冲超声波能量以清洗第一位置36。注意：在某种情况下，每个信号的电压V_N对于所有的元件34可以不是相同的，另外，可以计算信号参数以克服阴影的影响(亦即一个或多个元件34可能由于基片22的几何形状而不和表面40上的位置处于瞄准线上)。

接着，清洗第二位置(例如图6中显示的位置40)，其典型地但非必然地邻近第一位置36。为了清洗第二位置40，计算机子系统30获得了第二位置40的坐标。这些坐标能够被预编程到用于具有已知表面几何形状的基片22的数据库中，使用反射回波测量，或者使用相关技术中已知的任何其他技术确定。使用第二位置40的坐标，计算机子系统30计算在第二位置40处获得预先选择的(亦即目标)压力峰值所需的包括电压V_N和相位θ_N的电信号参数S_N(同样见图2)。典型地，希望在相连区域之上的一致清洗。为此，可以控制信号参数，以在基片22的表面38上的多个预先选择的位置处建立基本一致的空化能量(亦即，目标压力峰值对于位置36、40是相同的)。随着第二位置被清洗，然后如希望的那样对于另外的位置重复上述过程。

例如，考虑图6中显示的位置36和42的清洗。位置42处于0度的角度θ_s和从阵列280.3m的距离，而位置36处于30度的角度θ_s和从阵列280.3464m的距离。图10A显示了对于聚焦束的位置42处的计算的压力，其中所有的元件34具有1的输入电压V_N。如图10A所示，结果是3.2871(任意压力单位)的峰值压力。图10B显示了对于聚焦束的位置36处的计算的压力，其中所有的元件34具有1的输入电压V_N(亦即和用于生成图10A相同的输入电压)。如显示的那样，结果是2.4948(任意压力单位)的峰值压力，这不同于对位置42所计算的峰值压力。为了在位置36处获得3.2871的峰值压力，上面披露的方程能够用于计算需要的输入电压V_N。在这种情况下，需要输入电压V_N＝1.3175以在位置36处获得3.2871的峰值压力。具体地，图10C显示了对于聚焦束的位置36处的计算的压力，其中所有的元件34具有输入电压V_N＝1.3175。注意：图10A-C中显示的计算的压力是针对在介质中生成80kHz超声波的具有d＝9.4mm、N＝16的线性阵列，其中波速为1500m/s。

如图1所示，传感器42，其可以例如是空化仪、水听器或声致发光探测器，能够用于代替或者添加到上述的计算方法中，以确定在基片22的表面38上的位置(例如图6中显示的位置36)处获得预先选择的(亦即目标)压力峰值所需的包括电压V_N和相位θ_N的电信号参数S_N。另外，能够进行标准的表面清洁度测试，以确保已在位置处获得了预先选择的(亦即目标)压力峰值。

在另一个实施中，计算相位θ_N以向位置定向超声波能量，并且在该位置处进行传感器测量。接着，使用测量结果调整包括电压V_N和相位θ_N的阵列参数，直到在该位置处获得预期的峰值压力为止。这样一来，在这个实施中，就没有使用计算。在又一个实施中，如上所述计算电压V_N和相位θ_N，并且传感器42用于验证获得了目标峰值压力(亦即，传感器42用于校准阵列28和计算机子系统30)。必要时，传感器测量能够用于调整电压V_N，直到获得目标峰值压力为止。

尽管如在此显示和详细披露的那样，用于使用相控换能器阵列的超声波清洗的特定系统和方法，足以能够达到目的并提供声明之前在此的优点，但是可以理解，这仅仅是说明性的本发明的优选实施例，并且除了如附加的权利要求中说明的那样之外，并不打算限于在此显示的构造或设计的细节。

Claims (21)

1.一种用于清洗基片表面的系统，所述系统包括：

以阵列方式布置的“N”多个换能器元件，每个所述换能器元件用于传播各自的超声波；

多个驱动器，每个所述驱动器用于向各个换能器元件提供电信号S_N以驱动所述元件，每个所述电信号S_N具有电压V_N和相位θ_N；

流体介质，其被置于所述阵列和所述基片之间，以从所述阵列向所述基片传送所述超声波；以及

用于控制提供给每个所述元件的所述信号S_N的所述电压V_N和相位θ_N的装置，以在所述基片表面上的多个预先选择的位置处建立预先选择的压力峰值，以便用基本一致的空化能量清洗所述位置。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述预先选择的位置合并而在所述基片表面上形成相连区域。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述压力峰值是所述流体介质中的最小压力。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制装置在所述多个预先选择的位置处建立预先选择的波速梯度。

5.如权利要求1所述的系统，其中，以线性阵列的方式布置所述换能器元件。

6.如权利要求1所述的系统，其中，以二维平面阵列的方式布置所述换能器元件。

7.如权利要求1所述的系统，进一步包括传感器，其用于检测所述流体介质中的位置处的性质以校准所述控制装置，所述传感器从由空化仪、水听器和声致发光探测器组成的传感器组中选择。

8.如权利要求1所述的系统，其中，配置所述控制装置以顺序地向每个所述位置转向超声波能量。

9.如权利要求1所述的系统，其中，配置所述控制装置以顺序地在每个所述位置处聚焦超声波能量。

10.一种用于清洗基片表面的方法，所述方法包括以下步骤：

将“N”多个换能器元件布置成阵列，每个所述换能器元件用于传播各自的超声波；

向每个换能器元件提供各自的电信号S_N以振动每个所述元件，每个所述电信号S_N具有包括电压V_N和相位θ_N的信号参数；

将流体介质置于所述阵列和所述基片之间，以从所述阵列向所述基片传送所述超声波；

控制提供给每个所述元件的所述信号参数，以向所述基片表面上的第一位置定向超声波能量，并且在所述第一位置处建立压力峰值；以及

改变提供给每个所述元件的所述信号参数，以向所述基片表面上的第二位置定向超声波能量，并且在所述第二位置处建立压力峰值，所述第一位置处的所述压力峰值基本上等于所述第二位置处的所述压力峰值。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：确定所述第一和第二位置相对于所述阵列的坐标，并且通过从每个所述换能器元件聚焦所述超声波来将所述超声波能量定向到所述坐标。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述布置步骤将所述第一位置放置在所述阵列的近场中。

13.如权利要求10所述的方法，其中，通过从每个所述换能器元件转向所述超声波来定向所述超声波能量。

14.如权利要求10所述的方法，其中，所述压力峰值足以在所述流体中造成空化气泡。

15.如权利要求10所述的方法，其中，所述布置步骤以线性阵列的方式安置所述换能器元件。

16.如权利要求10所述的方法，其中，所述布置步骤以二维平面阵列的方式安置所述换能器元件。

17.一种用于清洗基片表面的方法，所述方法包括以下步骤：

将“N”多个换能器元件布置成阵列，每个所述换能器元件用于传播各自的超声波；

将流体介质置于所述阵列和所述基片之间，以从所述阵列向所述基片传送所述超声波；

向每个换能器元件输入各自的电信号S_N以驱动每个所述元件并向所述基片表面上的位置定向超声波能量，每个所述电信号S_N具有包括电压V_N和相位θ_N的信号参数；

在所述位置处测量表示峰值压力的性质；以及

使用所述性质测量结果来修改提供给每个所述元件的所述信号参数，并在所述位置处获得预先选择的峰值压力。

18.如权利要求17所述的方法，其中，使用从由空化仪、水听器和声致发光探测器组成的传感器组中选择的传感器来完成所述测量步骤。

19.如权利要求17所述的方法，其中，使用表面清洁度测试来完成所述测量步骤。

20.如权利要求17所述的方法，其中，所述布置步骤以阵列配置的方式安置所述换能器元件，所述阵列配置从由线性阵列和二维平面阵列组成的阵列配置组中选择。

21.如权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤：通过分析所述阵列生成的定向超声波能量的反射回波来确定所述位置的坐标。

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