TWI473668B - 改良之超音波清洗方法與設備 - Google Patents

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TWI473668B
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Frank Ludwig Holsteyns
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Lam Res Ag
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Description

改良之超音波清洗方法與設備
本發明係關於基板表面之超音波(包含百萬赫茲超音波)清洗之領域。
從半導體基板移除微粒污染物可藉由超音波清洗實現。當超音波的頻率接近或在1000kHz(1MHz)以上時，經常被稱為百萬赫茲超音波(Megasonic)。
靠近任何液體表面介面的受聲波激起之氣泡造成(a)位於該表面的剪力，其可導致從該表面移除微粒污染物；(b)微流動，其可導致增強有益於電化學沉積製程、蝕刻、清洗以及混合的有限擴散反應；及(c)局部濃化靠近該表面的例如自由基、臭氧及電漿之活性成份，進而影響如氧化製程以及蝕刻之化學程序。
然而，在移除奈米微粒污染物期間使對基板之損害最小化以及避免清洗圖形(亦即，不均勻移除)方面，習知的超音波以及百萬赫茲超音波清洗方法並非完全合乎要求。
因此，需要以對基板造成最小損害而有效處理或清洗之處理以及清洗技術。
因此本發明之目的為提出用以處理物件的方法以及裝置，其至少部份克服習知技術的缺點。
本發明在某一程度上有關用以處理物件的裝置，其包含：用以固持物件的支架；用以供應超音波或百萬赫茲超音波能量至物件的諧振器；用以產生處理流體的產生器，其中較佳地在超過處理物件之壓力至少約一巴(bar)的壓力溶解氣體；以及流體供應器，用以供應處理流體至物件，其中處理流體為含氣體的流體，當壓力降低時，其於處理流體中產生氣體分散。分散之氣泡能在尺寸分布以及含量(氣體、蒸氣、化學品)上加以調整。
諧振器並配置成在流體中引入干涉圖形，而因此在固-液介面產生壓力振幅最小值與最大值之不同區域。結合氣體分散處理流體的產生，許多氣泡在固-液介面出現且具有活性，而改善處理時間且容許清洗均勻性最佳化。
應了解上述概要說明與以下詳細說明兩者皆屬示範與解釋性質，並且欲提供如所主張之本發明的進一步解釋，但並不用來限制藉由隨附請求項所給予保護的範圍。
液體中氣泡對於音場的動態反應典型地包含體積振盪以及平移運動。給定一任意的起始位置，吾人可觀察到音場中之氣泡朝向非壓力振幅最大值處即壓力振幅最小值處移動。在相對弱的音場中，在共振以下(意指所施加之超音波場的驅動頻率低於氣泡的基本共振頻率(由Minnaert方程式計算得出))所驅動的氣泡移動至壓力振幅最大值處，而在共振以上所驅動的氣泡則移動至壓力振幅最小值處。
在正常條件下，氣泡停留在其被驅動前往的該等位置，該基本機制係基於由柏克尼斯(Bjerknes,1906)首先發現及敘述之主柏克尼斯力(primary Bjerknes force)。在較高強度的音場中，可觀察到小於共振尺寸之氣泡的主柏克尼斯力之反轉，且這些氣泡可如Doinikov(2001)所示在壓力振幅最小值處附近做往復運動。因此，在液體中或是固-液介面產生壓力最小處與壓力最大處之不同區域，容許產生氣泡(暫時性的)聚集或氣泡平移穿越的區域。
此外，除了體積震盪之外，其中一些氣泡還顯示出表面模式或甚至表面不穩定性。這些不穩定性可能擴大而最終毀壞氣泡。除了氣泡破碎，氣泡的質量也持續的受到與其他氣泡結合、蒸餾擴散(rectified diffusion)或溶解的影響。這些作用的閾值典型地顯示於一頻率專用相圖，其標示表面不穩定性、平移穩定性、蒸餾擴散以及溶解的參數區域。此外，堅硬的平坦壁面之存在影響氣泡的平移動態。氣泡與壁面的相互作用使其典型地往壁面移動。
在半導體晶圓清洗中，聲穴現象(acoustic cavitation)的成核作用通常需要適當的液體前處理以及升高的聲壓(acoustic pressures)，以使成核作用開始。再者，此成核作用因僅有與尺寸分布相關的一小部份將在清洗時起作用而造成受限的成核密度。升高的聲壓將典型地將氣泡振盪驅動至通常造成損害之更激烈的狀態(暫態空蝕)。於是，為避免任何例如存在於基板上之脆弱結構的結構性損害，而經常需要為了成核而非其微觀效應(氣泡作用的結果)而調整超音波清洗程序。
具有已改善清洗特性之氣泡可藉由氣泡注入而供應至暴露於經過設計之音景的液體中。這些氣泡可在尺寸分布以及含量(氣體、蒸氣或化學品)方面加以調整。設置結構化諧振器以在液體中引入干涉圖形，且因此在固-液介面產生壓力振幅最小值與最大值之不同區域。此外，在固-液體介面之壓力振幅最大值以及最小值的產生係獨立於諧振器和基板之間的距離。結合特定氣泡之注入，許多氣泡在固-液體介面出現且作用，而改善處理時間且容許均勻性最佳化。這些氣泡的引入允許在氣泡初始閾值以下操作，而使關於施加功率的操作容許度(operating window)極其擴大，且因此亦使粒子移除效率(particle removal efficiency,PRE)的損害容許度極其擴大(此在習知的技術中，總是使高度的粒子移除與顯著數量的基板損害相關聯)。
如圖1a所示，壓電晶體(110)被黏著於結構化固態元件(100)之上。其共同組成一諧振器。該諧振器係在一共振頻率下受到電力驅動，該共振頻率係對應至諧振器的一結構共振，且典型地在10kHz與10MHz之間變動。當將諧振器緊臨基板(130)放置且以液體(170)填滿間隙時，固態元件係配置成產生特定的聲干涉圖形(120)。此種結構之典型實例為一系列三角形的溝槽(140)，每一三角形具有500微米(micrometer)至10 cm之間的底部與高度的典型尺寸。基板與諧振器之間的間隙典型地大約在100μm至約10 mm，較佳為0.2 mm至10 mm，且更佳為0.2 mm至3 mm。
該因而產生的聲干涉圖形(120)在液體中及基板(130)之固-液介面形成壓力振幅最大值及最小值之交替區域。此壓力最大值(150)以及正在進行中的機制如圖1b至圖1d所示。若將氣泡(101)注入已建立的音場中，其將根據尺寸被分類朝向壓力振幅最大值和最小值。在相對弱的音場中，在共振以下所驅動的氣泡(意指施加超音波場的驅動頻率低於氣泡的最低共振頻率(由Minnaert方程式計算得出))移動至壓力振幅最大值(102)。氣泡典型地因為在壓力最大值處與其他氣泡結合而成長，直到達到由Minnaert方程式得出之臨界尺寸，其將開始往壓力振幅最小值處(103)移動。
此外，已發現在聲壓範圍從10-3 巴(bar)至103 巴(bar)之間操作容許控制(結合選定的操作頻率)氣泡的活動性，而容許氣泡產生表面模式、表面不穩定性、體積振盪甚至導致嚴重毀壞的氣泡，而因此可產生聲流、剪力或一種或多種氣態成份來增強固-液介面。圖1e中說明此作用之實例，其中活動於所施加的音場中之氣泡(104)在干涉圖形內移動，且沿著軌跡(105)可由於局部產生的剪力而從基板移除微粒污染物(106)，。
在較佳實施例中，根據本發明之裝置為用以處理半導體晶圓的單一晶圓濕式處理站。
在液體中和固-液介面之近場干涉圖形的產生在排列及驅動氣泡上扮演主要角色。產生此干涉圖形的替代方法如圖2所示，其係基於兩個獨立的諧振器之組合。將由粘著於固態元件(210)上的壓電晶體(230)所組成之第一諧振器，以1至45度之間的選定角度緊鄰於第二諧振器而放置，該第二諧振器係亦由粘著於固態元件(200)上的壓電晶體(220)所組成。每一諧振器在選定的操作頻率下於液體中發射聲波，且所發射的聲波重組以產生具有壓力振幅最小值與最大值(250)之特定干涉圖形(240)。
一變化例如圖3所示，其中將藉由壓電晶體(310)驅動之兩桿件(300)放置為彼此相鄰，每一桿件發射的聲波(330)將重組以再一次形成獨特的干涉圖形。
除了液體中氣泡的原位異質成核之外，直接注入氣泡於液體中特別有益，其容許在低於空蝕效應閾值(典型地低於1巴)的聲壓下操作。此外，氣泡的尺寸分布與氣泡含量可更易於朝目標用途加以調整。此種氣泡直接注入音場的實例係顯示於圖4a-4c以及圖5。
圖4a為具有一系列三角形溝槽(440)的結構化固態元件(400)之實例，壓電晶體(410)係附著於其上。將氣泡注入裝置(480)放置緊鄰於溝槽。包含氣泡(F)之流體係較佳地平行於最大以及最小壓力振幅之區域注入，或者小於60度角。氣泡流可行進及產生影響的典型距離(L)達5cm。在此例中，一基板(W)旋轉(R)於諧振器之下且諧振器可執行平移動作(T)以處理整個基板。
圖4b顯示圖4a之氣泡注入裝置(480)可能的結構。在此右前立體視圖中，主體罩(420)係顯示成設有一入口孔(430)。此入口孔(430)具有由約1 mm至約20 mm之內徑且連接至外部介質供應單元，並將加壓以及氣化介質提供至如圖4c所示之氣泡注入裝置的內部腔室(441)。注入孔(450)、(421)係置於有角度的表面上。雖然顯示5個注入孔，但每100 mm2 可具有約1至約30個注入孔之寬廣分布，較佳地為每100 mm2 約16個。注入孔(450)具有約50μm至約500μm的直徑，但較佳地介於100和350μm之間，且設計成在內部腔室(441)與氣泡注入裝置浸沒其中之周圍介質(460)之間的介質中產生壓力降。此周圍介質(460)可不同於被供應之介質。可將壓力降選擇在被供應之介質中的溶解氣體開始排氣之範圍內。因為排氣的緣故，將產生許多小氣泡並且將其注入周圍介質(460)中。
應選擇主體罩(420)的浸沒深度，使注入孔(450)、(421)浸沒於周圍介質(460)中，且因此設定浸沒於槽中介於約0.3 mm及約350 mm之間，或者浸沒於兩平行板間介於約0.3 mm及約10 mm之間。或者，可使主體罩(420)、(401)完全浸沒於周圍介質(460)中。
另一替代性的設計如圖5所提供，其中結構化固態元件(500)具有一系列三角形溝槽(540)與內建式的氣泡注入裝置(580)。當基板(W)於諧振器上方或下方線性地移動(M)時，一系列的處理液體入口(502)以及處理液體出口(503)允許基板(W)濕潤或去濕。氣泡注入裝置(580)可另一方面如同針對氣泡注入裝置(480)所描述者。
圖6顯示固態元件(600)的替代結構，其係連接至壓電晶體(610)。三角形的溝槽被曲面(640)取代，而將根據幾何形狀產生干涉圖形於液體中以及固-液介面上。
此外，若如圖7與圖8所示需要平面諧振器，可將幾何結構結合於連接至壓電晶體(710和810)之固態元件(700和800)內之諧振器的內部體積(結構化體積)中。此體積的橫剖面形狀可從圓形開口(720)變化至橢圓形結構而至三角形結構(820)。可以具有特定聲阻抗之液體填充這些結構，以使所發射的聲波更改方向。
聲波路徑之一例係顯示於圖9a且更詳細地顯示於圖9b。電驅動的壓電晶體(910)將於固態元件(900)中發射聲波(930)。當波通過具有不同聲阻抗的區域(920)時，波在每一介面將部分反射(R)以及部分透射(T)。根據存在於體積(920)中的流體(921)之聲阻抗，入射波透射時的角度可由司乃爾定律(Snell’s law)計算出，且透射係數亦然。聲波之此部分的軌跡(904)終止於諧振器與基板(960)之間的液體(970)，且容許產生一獨特的干涉圖形(950)。圖10顯示一諧振器，其為壓電晶體(1010)和固態元件(1000)的組合，並且被置於耦合液體(1070)中。此耦合液體係藉由透聲性之薄層(1060)與處理液體(1090)分開。可在兩液體體積中(耦合體積以及處理體積)都產生特定的干涉圖形(1050)。可將額外的固態邊界(1080)置放於基板(1030)的背側上，以反射或吸收透射通過基板(1030)的聲波。
藉由本發明，可增加沉積率與蝕刻率、改善選擇性以及增加清洗效率。根據於此揭露之原理而建構的本發明之實施例可產生與增加靠近基板的短暫壽命之氧化物種的濃度。此係與習知技術相比，該習知技術典型地受到表面上受限的氣泡活動性(每一區域低量的氣泡活動)之害，因而導致長處理時間與均勻度問題，以及關於清洗且尤關於清洗相對造成損害的容許度之小處理容許度。本發明更減少了習知技術對於距離最佳化(晶圓換能器)、以及對於克服空蝕效應初始閾值所必需而操作於較高功率之需求。
吾人將理解，上述說明以及在此所示之特定實施例僅僅為本發明以及其原理之示例，且在不違背本發明之精神及範圍下，熟習本項技藝者可輕易的進行修改與添加，因此將本發明之範圍理解為僅由隨附之請求項的範圍所限制。
100．．．固態元件
101．．．氣泡
102．．．壓力振幅最大值
103．．．壓力振幅最小值
104．．．氣泡
105．．．軌跡
106．．．微粒污染物
110．．．壓電晶體
120．．．干涉圖形
130．．．基板
140．．．三角形溝槽
150．．．壓力最大值
170．．．液體
200．．．固態元件
210．．．固態元件
220．．．壓電晶體
230．．．壓電晶體
240．．．干涉圖形
250．．．壓力振幅最大值
300．．．桿件
310．．．壓電晶體
330．．．聲波
400．．．固態元件
401．．．主體罩
410．．．壓電晶體
420．．．主體罩
421．．．注入孔
430．．．入口孔
440．．．三角形溝槽
441．．．內部腔室
450．．．注入孔
460．．．周圍介質
480．．．氣泡注入裝置
500．．．固態元件
502．．．處理液體入口
503．．．處理液體出口
540．．．三角形溝槽
580．．．氣泡注入裝置
600．．．固態元件
610．．．壓電晶體
640．．．曲面
700．．．固態元件
710．．．壓電晶體
720．．．圓形開孔
800．．．固態元件
810．．．壓電晶體
820．．．三角形結構
900．．．固態元件
904．．．軌跡
910．．．壓電晶體
920．．．體積
921．．．流體
930．．．聲波
950．．．干涉圖形
960．．．基板
970．．．液體
1000．．．固態元件
1010．．．壓電晶體
1030．．．基板
1050．．．干涉圖形
1060．．．薄層
1070．．．耦合液體
1080．．．固態邊界
1090．．．處理液體
隨附圖示係包含於內以提供對本發明的進一步了解，這些圖示說明本發明的實施例，並且可與說明內容共同更充分的解釋本發明之實施例的原理。
圖1a顯示具有結構化固態元件之諧振器的橫剖面圖，其中產生液體中之干涉圖形與固-液介面。
圖1b顯示出現於液體中之氣泡的詳圖。
圖1c顯示氣泡聚集在壓力振幅最大值處的詳圖。
圖1d顯示小氣泡聚集在壓力振幅最大值處且較大氣泡在壓力振幅最小值處受驅動以及聚集的詳圖。
圖1e顯示橫越受污染表面上方而留下乾淨路徑的氣泡。
圖2顯示在液體中產生干涉圖形之兩諧振器的橫剖面圖。
圖3顯示在液體中產生干涉圖形之兩諧振器的概要圖。
圖4a顯示靠近旋轉基板的氣泡注入裝置與諧振器之組合的概要圖。
圖4b顯示圖4a之氣泡注入裝置的右前視圖。
圖4c顯示沿著圖4b之線IVc剖面所得到之圖4a中氣泡注入裝置的橫剖面圖。
圖5顯示靠近平移基板的氣泡注入裝置與諧振器之組合的概要圖。
圖6顯示具有結構化固態元件之諧振器的橫剖面圖，其中產生液體中之干涉圖形與固-液體介面。
圖7顯示平面諧振器的橫剖面圖，其中幾何結構係整合於固態元件的內部體積。
圖8顯示平面諧振器橫的剖面圖，其中幾何結構係整合於固態元件的內部體積。
圖9a顯示平面諧振器的橫剖面圖，其中幾何結構係整合於固態元件的內部體積，且其中產生液體中之干涉圖形與固-液體介面。
圖9b顯示以液體填充之幾何結構的詳細橫剖面圖，其中入射聲波被反射和傳送。
圖10顯示具有結構化固態元件之諧振器的詳細橫剖面圖，其中將耦合層置於物件與諧振器之間且將固態邊界置於背側。
100．．．固態元件
110．．．壓電晶體
120．．．干涉圖形
130．．．基板
140．．．三角形溝槽
150．．．壓力最大值
170．．．液體

Claims (13)

  1. 一種以流體處理物件之表面的裝置，包含：一支座，用以將一物件設置在一預定方向；一超音波或百萬赫茲超音波能量源，設置成使鄰近於該物件的一流體介質振動；以及一處理流體產生器，用以在降低一處理流體之一壓力後，排出鄰近該超音波或百萬赫茲超音波能量源之該處理流體，使得先前溶解在該處理流體的氣體以氣泡形式脫離溶解狀態；其中該超音波或百萬赫茲超音波能量源係配置成於該處理流體中產生一干涉圖形，該處理流體在該處理流體與該物件之一介面包含壓力振幅最小值和最大值之區域；其中該處理流體產生器係進一步設置成使該處理流體與該壓力振幅最小值和最大值之區域平行或與其夾至多60度之角度而注入；且其中該超音波或百萬赫茲超音波能量源包含一諧振器，與待由該物件佔用的空間相鄰而配置，俾形成具有從約0.1mm至約10mm之一寬度(w)的一間隙。
  2. 如專利申請範圍第1項之以流體處理物件之表面的裝置，其中該處理流體產生器包含：一主體罩，設有一入口孔；複數個注入孔或一注入狹縫，設置於該主體罩中；以及一外部介質供應單元，連接至該入口孔。
  3. 如專利申請範圍第1項之以流體處理物件之表面的裝置，其中該諧振器具有一系列的三角形溝槽，該三角形溝槽引導超音波或百萬赫茲超音波能量以產生該干涉圖形。
  4. 如專利申請範圍第1項之以流體處理物件之表面的裝置，其中該諧振器具有複數個壓電元件，該複數個壓電元件係裝設於 一單晶體上，且以一傾斜的角度面對設置於該支座上的物件。
  5. 如專利申請範圍第1項之以流體處理物件之表面的裝置，其中該諧振器具有至少一內部體積，該至少一內部體積含有阻抗與該處理流體之阻抗不同的一液體。
  6. 如專利申請範圍第1項之以流體處理物件之表面的裝置，其中該裝置為用以處理半導體晶圓的一單一晶圓濕式處理站。
  7. 一種以流體處理物件之表面的裝置，包含：一支座，用以將一物件設置在一預定方向；一超音波或百萬赫茲超音波能量源，設置成使鄰近於該物件的-一流體介質振動：以及一處理流體產生器，配置成排出鄰近該超聲波或百萬赫茲超音波能量源之一處理流體，該處理流體包含一處理液體中的一散布之氣泡，該等氣泡係在1 bar以下的聲壓產生；其中該超音波或百萬赫茲超音波能量源係配置成在該處理流體中產生一干涉圖形，該處理流體包含在該處理流體與該物件之介面的壓力振幅最小值和最大值之區域；其中該處理流體產生器係進一步設置成使該處理流體與該壓力振幅最小值和最大值之區域平行或與其夾至多60度之角度而注入；且其中該超音波或百萬赫茲超音波能量源包含一諧振器，與待由該物件佔用的空間相鄰而配置，俾形成具有從約0.1mm至約10mm之一寬度(w)的一間隙。
  8. 如專利申請範圍第7項之以流體處理物件之表面的裝置，其中該諧振器具有一系列三角形溝槽，該三角形溝槽引導超音波或百萬赫茲超音波能量以產生該干涉圖形。
  9. 如專利申請範圍第7項之以流體處理物件之表面的裝置，其中該諧振器具有複數個壓電元件，該複數個壓電元件係裝設於一單晶體上，且以一傾斜的角度面對設置於該支座上的物件。
  10. 如專利申請範圍第7項之以流體處理物件之表面的裝置，其中該裝置為用以處理半導體晶圓的一單一晶圓濕式處理站。
  11. 一種以流體處理物件之表面的方法，包含：將待處理之一物件朝一預定方向設置於一處理設備中；供應超音波或百萬赫茲超音波能量以使鄰近於該物件的一流體介質振動；以及供應一處理流體於鄰近該物件之一表面，該處理流體包含一處理液體中的一散布之氣泡，該等氣泡係在低於1 bar的聲壓產生；其中該超音波或百萬赫茲超音波能量係以一方式供應，以於該處理流體中產生一干涉圖形，該處理流體包含在該處理流體與該物件之一介面的壓力振幅最小值和最大值之區域；其中該處理流體係與該壓力振幅最小值和最大值之區域平行或與其夾至多60度之角度而供應；且其中該超音波或百萬赫茲超音波能量係藉由一諧振器所供應，該諧振器與待由該物件佔用的空間相鄰而配置，俾形成具有從約0.1mm至約10mm之一寬度(w)的一間隙。
  12. 如專利申請範圍第11項之以流體處理物件之表面的方法，其中該處理設備為用以處理半導體晶圓的一單一晶圓濕式處理站。
  13. 如專利申請範圍第11項之以流體處理物件之表面的方法，其中該諧振器具有相對於待處理之該物件之一表面傾斜一斜角的一系列表面，該諧振器之該等傾斜表面造成該諧振器產生的聲波互相干涉。
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