專利名稱：改進的超聲波清洗的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超聲波(包括兆聲波)清洗襯底表面的領域。
背景技術：
從半導體襯底去除顆粒污染物可以通過超聲波清洗來實現(xiàn)。當超聲波的頻率接近或超過1，OOOkHz (IMHz)時，它通常被稱為“兆聲波”。靠近任何液體-表面的界面的聲學激活的氣泡導致(a)在該表面的可以造成從該表面去除微粒污染物的剪切應力，(b)可以導致增強有利于電化學沉積工藝、蝕刻、清洗和混合的擴散有限反應的微流(microstreaming),以及(c)接近表面的局部活性成分的富集以影響如氧化工藝和蝕刻之類化學工藝，該活性成分如自由基、臭氧和等離子體。然而，對于在去除納米顆粒污染物的過程中使襯底損壞最小化以及避免清洗圖案(即，非均勻去除)方面，常規(guī)的超聲波和兆聲波清洗方法并不是完全令人滿意的。因此，具有對襯底的損壞最小化的有效地處理或清洗的處理和清洗技術是有需求的。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是產生一種用于處理物件的至少部分地克服常規(guī)技術的缺點的方法和裝置。在某種程度上，本發(fā)明涉及一種用于處理物件的裝置，該裝置包括:用于支托物件的支托件；用于供給超聲波或兆聲波能量至該物件的諧振器；發(fā)生器，其用于產生處理流體，其中氣體優(yōu)選在比處理該物件的壓強高至少約I巴(bar)的壓強溶解在該處理流體中；以及流體供應器，其用于供應該處理流體至該物件，其中該處理流體是含有氣體的流體，當壓強降低時，其產生分散在該處理流體中的氣體?？梢哉{節(jié)分散的氣泡的尺寸分布和內容物(氣體，蒸氣，化學品)。并且，該諧振器被配置為在液體中引入干涉圖案，因此在固-液界面處產生壓強幅度的最大值和最小值的不同的區(qū)域。結合產生的氣體分散的處理流體，許多氣泡存在并活躍在固-液界面，從而改善了處理時間并能夠優(yōu)化清洗均勻性。應該理解的是，前面的總體描述和下面的詳細描述是示例性的和解釋性的，且旨在提供所要求保護的本發(fā)明的進一步的解釋，并不旨在限制所附的權利要求的保護范圍。


列入附圖以提供對本發(fā)明的進一步理解。附圖示出了本發(fā)明的實施方式，并與說明書一起用于更充分地解釋本發(fā)明的實施方式的原理。圖1a示出了諧振器的橫截面圖，該諧振器具有在液體和固-液界面中產生干涉圖案的固體結構元件。圖1b示出了存在于液體中的氣泡的詳細示圖。
圖1c示出了在壓強幅度最大值處被收集的氣泡的詳細示圖。圖1d示出了在壓強幅度最大值處被收集的小氣泡和在壓強幅度最小值處被驅動和被收集的較大的氣泡的詳細示圖。圖1e示出了穿過被污染的表面，背后留下清洗過的路徑的氣泡。圖2示出了在液體中產生干涉圖案的兩個諧振器的橫截面圖。圖3示出了在液體中產生干涉圖案的兩個諧振器的概略圖。圖4a示出了接近于旋轉的襯底的氣泡噴射器與諧振器的組合的概略圖。圖4b示出了圖4a的氣泡噴射器的右前視圖。圖4c示出了圖4a的氣泡噴射器沿圖4b的線IVc形成的橫截面圖。圖5示出了接近平移的襯底的氣泡噴射器與諧振器的組合的概略圖。圖6示出了諧振器的剖視圖，該諧振器具有在液體和固-液界面中產生干涉圖案的固體結構元件。圖7示出了平面諧振器的橫截面圖，其中幾何結構被集成在固體元件的內部空間。圖8示出了平面諧振器的橫截面圖，其中幾何結構被集成在固體元件的內部空間。圖9a示出了平面諧振器的橫截面圖，其中幾何結構被集成在固體元件的內部空間，并在液體和固-液界面產生干涉圖案。圖9b示出了填充有液體的幾何結構的詳細的橫截面圖，其中入射聲波被反射和透射。圖10示出了具有固體結構元件的諧振器的詳細的橫截面圖，其中耦合層位于物件和諧振器之間，并且固體邊界置于背部。
具體實施例方式液體中的氣泡對聲場的動態(tài)響應通常包括空間(volumetric)振蕩和平移運動。假定任意的開始位置，可以觀察到，在聲場中的氣泡朝向壓強幅度最大值或壓強幅度最小值處移動。在相對弱的聲場中，共振頻率以下驅動的氣泡(這意味著施加的超聲波場的驅動頻率低于氣泡的固有共振頻率(由Minnaert方程計算))向壓強幅度最大值處移動，而在共振頻率以上驅動的氣泡朝壓強幅度最小值處移動。在正常條件下，氣泡保持在它們被驅動到的這些位置。根本機制是基于主Bjerknes力，其由Bjerknes第一次發(fā)現(xiàn)并描述(1906)。在較高強度的聲場中，可以觀察到在共振尺寸以下的氣泡的主Bjerknes力的反轉,并且這些氣泡如Doinikov (2001)所示的圍繞壓強幅度最小值處來回運動。因此，在液體中和在固-液界面處壓強幅度最小值和最大值的不同的區(qū)域的產生使得能產生(暫時)收集氣泡的區(qū)域或讓氣泡平移通過的區(qū)域。此外，這些氣泡中的一些顯示出除了其空間振蕩以外，還顯示出表面模式甚至表面不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性會增長，并最終擊破這些氣泡。除了氣泡碎片，氣泡的質量不斷受到與其他氣泡合并、整流(rectified)擴散或消溶的影響。這些作用的閾值通常表現(xiàn)在表示表面不穩(wěn)定性、平移穩(wěn)定性、整流擴散和消溶的參數區(qū)域的頻率專用相圖中。此外，平面剛性壁的存在影響氣泡的平移動力學特性。氣泡和壁之間的相互作用使它們通常朝向這些壁移動。在半導體晶片清洗中，超聲波空化成核往往需要液體的適當的預處理和增大的聲壓以實現(xiàn)成核的開始。此外，這種成核導致有限的成核密度，其中只有涉及尺寸分布的一小部分將在清洗中起作用。通常情況下，增大的聲壓將推動氣泡振蕩達到更猛烈的體系(瞬態(tài)空化作用)，這通常會造成損壞。因此對于成核而不是其微觀效應(氣泡活動的結果)常常調諧超聲波清洗過程是必要的，以避免在例如在襯底上存在的易碎結構上的任何結構損壞。由氣泡噴射器可以提供具有改進的清洗性能的氣泡到被暴露于設計的聲環(huán)境的液體中。在尺寸分布和內容物(氣體，蒸氣，化學品)方面可以調節(jié)這些氣泡。設置結構化的諧振器以在液體中引入干涉圖案，結果，在固-液界面處產生壓強幅度的最大值和最小值的不同的區(qū)域。此外，在固-液界面處產生壓強幅度的最大值和最小值不依賴于諧振器和襯底之間的距離。結合特定的氣泡的噴射，在固-液界面處許多氣泡存在并起作用，從而改進了處理時間并能夠優(yōu)化均勻性。這些氣泡的引入使得能在氣泡起始閾值以下操作，從而對于施加的功率極大增加了操作窗口，并因此極大提高了顆粒去除效率(PRE)損壞窗口(其在常規(guī)技術中使高度的顆粒去除與顯著量的襯底損壞總是相關聯(lián))。如圖1a所示，壓電晶體(110)被膠合在結構化的固體元件(100)上。它們一起形成諧振器。該諧振器在共振頻率下由電驅動，該共振頻率對應于諧振器的結構共振頻率中的一個，并通常在IOkHz和IOMHz之間變化。該固體元件被配置為當諧振器被放置在襯底
(130)的旁邊且間隙用液體填充(170)時產生特定的聲學干涉圖案(120)。這樣的結構的典型實施例是成系列的三角槽(140)，對于每個三角形的基部和高度具有介于500微米和10厘米之間的典型尺寸。所述襯底和所述諧振器之間的間隙通常為約100微米至約10毫米，優(yōu)選為0.2毫米至10毫米，更優(yōu)選為0.2毫米至3毫米。所產生的聲學干涉圖案(120)在液體中和襯底(130)的固-液界面處形成壓強幅度的最大值和最小值的交替區(qū)域。壓強的最大值(150)和發(fā)生的機制示于圖1b-1d中。如果在建立的聲場中噴射氣泡(101)，根據其尺寸它們將分類朝向壓強幅度的最大值和最小值處。在相對弱的聲場中，在共振頻率以下驅動的氣泡(這意味著施加的超聲波場的驅動頻率低于氣泡的固有諧振頻率(由Minnaert方程計算))移動到壓強幅度的最大值(102)處。由于在壓強幅度最大值處氣泡聚結，氣泡通常生長直到其達到由Minnaert方程給出的臨界尺寸，它們將開始朝向壓強幅度最小值(103)處移動。此外，已經發(fā)現(xiàn)，在從10_3巴至IO3巴的聲壓范圍中的操作使得能管理(結合選定的工作頻率)氣泡的活動性，從而使氣泡能夠產生表面模式、表面不穩(wěn)定性、空間振蕩甚至導致密集的坍塌(collapsing)氣泡，因此可以創(chuàng)建聲流、剪切應力、或使液-固界面富集一種或多種氣體組分。在圖1e中給出這些作用的實施例，其中在施加的聲場中的活動的氣泡
(104)在干涉圖案內移動并可因局部產生的剪切應力而沿著軌跡(105)從襯底去除微粒污染物(106)。在優(yōu)選的實施方式中根據本發(fā)明的裝置是用于處理半導體晶片的單個晶片濕法
處理站。在液體內并在液-固界面處的近場干涉圖案的產生對排列和激活氣泡發(fā)揮著中心作用。在圖2中示出了產生這樣的干涉圖案的替代的方法，其基于兩個獨立的諧振器的組合。第一諧振器，其包括膠粘在固體元件(210)上的壓電晶體(230)，該第一諧振器定位在緊鄰第二諧振器的介于I度和45度之間的一選定的角度，第二諧振器也包括膠粘在固體元件(200)上的壓電晶體(220)。每個諧振器在選定的工作頻率發(fā)射聲波在液體中，并且所發(fā)射的聲波復合以產生具有壓強幅度的最小值(250)和最大值(240)的特定的干涉圖案。圖3示出了一種變化方案，其中由壓電晶體(310)驅動的2桿(300)被定位為彼此相鄰，且每個桿所發(fā)射的聲波(330)將復合以再次形成獨特的干涉圖案。除了在液體中氣泡的原位異相成核之外，直接噴射氣泡到液體中也是特別有利的，這可以允許在低于空化閾值的聲壓操作(通常低于I巴)。此外，氣泡尺寸分布和氣泡的內容物可以更容易地朝有針對性的應用調整。這種氣泡直接噴射到聲場的實施例示于圖4a-4c 和圖 5。圖4a是結構化的固體元件(400)的實施例，其具有成系列的三角槽(440)，壓電晶體(410)固定到這些三角槽上。氣泡噴射裝置(480)被定位在這些槽旁邊。含有氣泡(F)的流優(yōu)選平行于最大和最小壓強幅度的區(qū)域噴射，或者替代地成高達60度的角度噴射。氣泡流可以行進和影響的典型的長度(L)高達5厘米。在該實施例中，襯底(W)在諧振器下方轉動(R)，且諧振器可以執(zhí)行平移運動(T)以處理整個襯底。圖4b示出了圖4a的氣泡機(480)的一種可能的結構。在右前透視圖中，示出了主體外殼(420 )，其設置有入口開口( 430 )。如圖4c所示，該入口開口( 430 )具有從約I毫米至約20毫米的內徑，并連接到外部的介質供給單元，且提供了加壓和氣化的介質至氣泡機的內室(441)中。噴射孔(450)、(421)定位在傾斜表面上。雖然示出了 5個噴射孔，可以有廣泛范圍的噴射孔，從每100平方毫米約I至約30個，優(yōu)選為約每100平方毫米16個。噴射孔(450)有約50微米到約500微米的直徑，但優(yōu)選為介于100微米和350微米之間，并被設計以產生在內部室(441)和周圍介質(460)之間的介質中的壓降，氣泡機浸潰在該介質中。周圍介質(460)可以與所提供的介質不同。壓降可以在所提供的介質中的溶解氣體開始脫氣的范圍內選擇。作為脫氣的結果，許多小氣泡將產生并注入周圍介質中(460)。主體外殼(420)、(401)的浸潰深度應進行選擇，以便使得噴射孔(450)、(421)被淹沒在周圍介質(460)中，因此對于浸潰在貯器中設置介于約0.5毫米和約350毫米之間或對于浸潰在兩個平行板之間設置介于約0.3毫米和約10毫米之間。替代地，主體外殼(420)、(401)可以完全浸潰在周圍介質(460)中。圖5給出了替代結構，其中結構化的固體元件(500)具有成系列的三角槽(540)和內置的氣泡噴射裝置(580)。當襯底在諧振器的上方或下方線性移動(M)時，成系列的處理液體入口(502)和處理液出口(503)允許襯底(W)潤濕和去濕。氣泡噴射裝置(580)的其他方面可以如設備(480)中所述的。圖6示出了連接到壓電晶體(610)的固體元件(600)的另一種結構。三角形槽由彎曲的表面(640)取代，該表面將根據其幾何形狀產生液體內和固-液界面處的干涉圖案。此外，如果如圖7和圖8所示平面諧振器是必需的，則幾何結構可以被集成在固體元件(700和800 )內的諧振器的內部空間(結構化空間)，該固體元件(700和800 )連接到壓電晶體(710和810)。這些空間的橫截面的形狀可從圓形開口(720)到橢圓面的結構到三角形結構(820)變化。這些空間可以填充有具有特定聲阻抗的液體以重定向發(fā)射的聲波。聲波路徑的實施例示于圖9a，并更詳細地在圖9b中示出。電驅動的壓電晶體(910)將在固體元件(900)中啟動聲波(930)。當該波穿過具有不同的聲阻抗的區(qū)域(920)時，在每個界面該波將部分地被反射(R)和部分地透射(T)。根據在空間(920)中存在的流體的聲阻抗(921)，透送入射波的角度可以由斯涅耳定律以及透射系數計算。這部分的聲波的軌跡(904 )在諧振器和襯底(960 )之間的液體(970 )中結束，并允許產生獨特的干涉圖案(950)。圖10示出了諧振器，其是壓電晶體1010和固體元件(1000)的組合，并被定位在耦合液體(1070)中。該耦合液體通過薄層(1060)與處理液(1090)分離，該薄層是通透聲音的?？梢栽趦蓚€液體容積(耦合容積和處理容積)中都產生特定的干涉圖案(1050)。在襯底(1030)的背側，可以放置附加的固體邊界(1080)以反射或吸收透射通過襯底(1030)的聲波。借助于本發(fā)明，可能增加沉積和蝕刻速率，提高選擇性，并提高漂洗效率。根據本文所公開原理所構建的本發(fā)明的實施方式可以產生并增加靠近襯底的短壽命氧化物質的濃度。這與常規(guī)技術相反，常規(guī)技術通常遭受在表面有限的氣泡活動性(每單位面積活動的少量的氣泡)，這反過來又導致長的處理時間和均勻性方面的問題，以及關于清洗的小處理窗口以及特別地導致關于清洗與導致?lián)p壞窗口。本發(fā)明還減少了用于距離優(yōu)化(晶片換能器)和在需要更高的功率操作以克服空化啟動閾值的常規(guī)技術的需求。應理解的是，前面的描述和本發(fā)明示出的特定實施方式僅是對本發(fā)明的和本發(fā)明的原理的說明，因此在不脫離本發(fā)明的主題和范圍的情況下，由本領域的技術人員可以容易地做出修改和補充方案，本發(fā)明的主題和范圍應理解為僅由所附的權利要求書的范圍限制。
權利要求
1.一種用于使用流體處理物件的表面的裝置，其包括: 支托件，其被配置為以預定的方向定位物件； 超聲波或兆聲波能量的源，其被定位以振動鄰近所述物件的流體介質；以及處理流體的發(fā)生器，其配置為在降低處理流體的壓強之后鄰近所述超聲波或兆聲波能量的源排放所述處理流體，以便先前溶解在液體中的氣體以氣泡的形式從溶液中釋放出；其中，所述超聲波或兆聲波能量的源被配置為在所述處理流體中產生干涉圖案，所述干涉圖案包括在所述處理流體和所述物件的界面的壓強幅度的最大值和最小值的區(qū)域。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述處理流體的發(fā)生器包括: 主體外殼，其設置有入口開口 ； 多個噴射孔或噴射縫，其設置在所述主體中；以及 外部液體介質供給單元，其連接到所述入口開口。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述超聲波或兆聲波能量的源包括諧振器，所述諧振器定位于鄰近由所述物件待占據的空間，使得形成具有約0.1毫米到約10毫米的寬度w的間隙。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述超聲波或兆聲波能量的源包括諧振器，所述諧振器具有引導所述超聲波或兆聲波能量以產生所述干涉圖案的成系列的三角形槽。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述超聲波或兆聲波能量的源包括諧振器，所述諧振器具有多個安裝在單片體上并以斜角面朝定位在所述支托件上的物件的壓電元件。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述超聲波或兆聲波能量的源包括諧振器，所述諧振器具有容納液體的至少一個內部空間，該液體的阻抗不同于所述處理流體的阻抗。
7.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述裝置是用于處理半導體晶片的單個晶片濕法處理站。
8.一種用于用流體處理物件的表面的裝置，其包括: 支托件，其被配置為以預定的方向定位物件； 超聲波或兆聲波能量的源，其定位成振動鄰近所述物件的流體介質；以及處理流體的發(fā)生器，其配置為鄰近所述超聲波或兆聲波能量的源排放含有處理液體中分散的氣泡的處理流體，所述氣泡在小于I巴的聲壓產生； 其中，所述超聲波或兆聲波能量的源被配置為在所述處理流體中產生干涉圖案，所述干涉圖案包括在所述處理流體和所述物件的界面的壓強幅度的最大值和最小值的區(qū)域。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述超聲波或兆聲波能量的源包括諧振器，所述諧振器具有引導所述超聲波或兆聲波能量以產生所述干涉圖案的成系列的三角形槽。
10.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述超聲波或兆聲波能量的源包括諧振器，所述諧振器具有多個安裝在單片體并以傾斜的角度面朝定位在所述支托件上的物件的壓電元件。
11.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述裝置是用于處理半導體晶片的單個晶片濕法處理站。
12.一種用于用流體處理物件的表面的方法，其包括: 以預定的方向定位在處理裝置中待處理的物件； 供給超聲波或兆聲波能量，以振動鄰近所述物件的流體介質；以及鄰近于所述物件的表面供給含有處理液體中的分散的氣泡的處理流體，所述氣泡在小于I巴的聲壓產生； 其中，以在所述處理流體中產生干涉圖案的方式供給所述超聲波或兆聲波能量，所述干涉圖案包含在所述處理流體和所述物件的界面的壓強幅度的最大值和最小值的區(qū)域。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述處理裝置是用于處理半導體晶片的單個晶片濕法處理站。
14.根據權利要求12所述的方法，其中，所述超聲波或兆聲波能量是由諧振器供給的，所述諧振器具有成系列的相對于待處理的所述物件的表面以斜角傾斜的表面，所述諧振器的傾斜的所述表面導致由所述諧振器產生的聲波互相干涉。
全文摘要
一種用于處理半導體晶片表面的設備和方法，其提供了一種在比處理流體中引起空化所需的聲壓小的聲壓下產生的處理流體中分散的氣泡的形式的處理流體。諧振器供應超聲波或兆聲波能量至該處理流體，并被配置為在該處理流體中產生干涉圖案，該干涉圖案包括處理流體和半導體晶片的界面處的壓強幅度的最大值和最小值的區(qū)域。
文檔編號B08B3/12GK103118810SQ201180045874
公開日2013年5月22日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權日2010年9月24日
發(fā)明者弗蘭克·盧德維格·霍爾斯蒂斯, 亞歷山大·利珀特 申請人:朗姆研究公司