專利名稱：使用兆頻超聲波換能器諧振器的原位局部加熱的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及表面清洗，更具體地，涉及用于在制作工藝之后對半導體襯底進行兆頻超聲波清洗的方法和設備。
背景技術：
兆頻超聲波清洗廣泛用于半導體制造操作中，并且可以應用于批量清洗工藝或者單晶片清洗工藝。對于批量清洗工藝而言，兆頻超聲波換能器的振動在容納一批半導體襯底的清洗箱的液體中產生聲壓力波。單晶片兆頻超聲波清洗工藝使用在旋轉晶片上方的相對小的換能器，其中跨越晶片掃描換能器，或者在完全浸沒的情況下使用單晶片箱系統(tǒng)。在每種情況中，通過兆頻超聲波清洗的主要微粒移除機制是由于空化和聲流?？栈窃诼晹噭拥淖饔孟?，在液體介質中微氣泡的迅速形成和破裂。在破裂時，氣泡釋放能量，通過破壞掉使微粒附著到襯底的各種附著力來幫助移除微粒。聲攪動涉及使液體遭受聲能量波。在兆頻超聲波沖洗下，這些聲波產生于0.4和1.5兆赫(MHz)之間的頻率下，包括0.4和1.5兆赫在內。
圖1A是批量兆頻超聲波清洗系統(tǒng)的示意圖。箱100中裝滿清洗溶液。晶片固定器102包括一批待清洗的晶片。換能器104通過具有接近1兆赫頻率的聲能來產生壓力波。與適當?shù)幕瘜W制劑相結合用以控制微粒再附著的這些壓力波提供了清洗的作用。由于所需用于批量清洗系統(tǒng)的很長的清洗時間，以及化學制劑的使用，因此根據(jù)國際半導體技術藍圖(ITRS)的要求，為了減少化學制劑的使用，增加晶片到晶片的控制，并減少缺陷，已致力于單晶片清洗系統(tǒng)。批量系統(tǒng)遭受的另一項缺點在于，將兆頻超聲波能量傳遞到箱中的多個晶片是不均勻的，并且可能由于相長干涉導致“熱點”，或者由于相消干涉導致“冷點”，每種情況是由來自多個晶片以及來自兆頻超聲波箱的兆頻超聲波的反射所引起的。因此，為了到達晶片固定器102中晶片的所有區(qū)域，必須使用較高的兆頻超聲波能量和多個換能器陣列。圖1B是單晶片清洗箱的示意圖。這里，箱106充滿了清洗溶液。晶片108浸沒在箱106的清洗溶液中。換能器110提供能量用以清洗晶片。而且，微粒殘留在箱的內部，因而清洗流體需要更換或者再循環(huán)，并且定期過濾。
圖IC是用于單晶片的噴嘴型兆頻超聲波清洗結構的示意圖。噴嘴112提供流體流114，通過流體流114耦合兆頻超聲波能量。當流體流流經噴嘴時，連接至電源118的換能器116通過流體流114將兆頻超聲波能量提供給襯底。通過流體流114提供的兆頻超聲波能量提供了清洗機制用以清洗晶片120。噴嘴清洗結構的一個缺點包括，需要高流速率的流體流來維持換能器116和晶片120之間的接觸。通過噴嘴112產生的流體流覆蓋了小面積，因此，清洗晶片需要相當高的兆頻超聲波能量，從而可能引發(fā)對晶片表面的損害。所需的高能量還使換能器的冷卻成為必要，這是需要高流速率的另一個原因。這使得使用清洗化學制劑而非去離子水清洗，由于成本和污水處理需要而變得不切實際。由于難以通過流體流的小覆蓋率面積來提供整個晶片表面的完全清洗覆蓋率，因此還可能產生條帶效應。
此外，用于單晶片清洗工藝的清洗化學制劑是高活性的，并且常常需要在升高的溫度下使用，用以在低清洗次數(shù)下提供有效清洗，尤其對后面的蝕刻清洗應用而言更是如此。上述的每一個單晶片清洗結構使用具有化學再循環(huán)的批量加熱系統(tǒng)，或者在噴嘴型換能器的情況下，使用具有加熱的傳送線的批量加熱，由此維持清洗化學制劑的溫度用以最適宜地清洗晶片表面。
鑒于上述問題，需要一種方法和裝置用以提供單晶片兆頻超聲波清洗結構，該結構能夠在接近與晶片接觸的情況下加熱清洗化學制劑，其簡化了化學制劑的加熱，并改善了加熱化學制劑的工藝控制。

發(fā)明內容
一般地說，本發(fā)明通過提供兆頻超聲波清洗機的諧振器來滿足這項需要，該諧振器被設置為提供對耦合了諧振器和襯底的液體區(qū)域進行局部化加熱控制。應當理解，本發(fā)明可以以許多方式實現(xiàn)，包括例如設備、系統(tǒng)、裝置或方法。下文說明了本發(fā)明的數(shù)個發(fā)明實施例。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了用于清洗半導體襯底的設備。該設備包括換能器和諧振器。諧振器被設置為傳播來自換能器的能量。諧振器具有底表面和頂表面，頂表面有效耦合至換能器，而底表面被設置為在傳播來自換能器的能量時提供局部化加熱。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了用于清洗半導體襯底的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括襯底支承件，該襯底支承件被設置為支承半導體襯底，并且使該半導體襯底繞半導體襯底的軸旋轉。還包括兆頻超聲波清洗機。該兆頻超聲波清洗機被設置為在半導體襯底的頂表面上方徑向移動。該兆頻超聲波清洗機包括換能器和諧振器。諧振器被設置為傳播來自換能器的能量。諧振器具有底表面和頂表面，其中頂表面有效耦合至換能器。底表面被設置為接觸配置在半導體襯底頂表面上的液體。此外，底表面適合于提供局部化加熱，用以在將能量從換能器通過液體傳播到襯底的時候，提高同底表面接觸的液體的溫度。
根據(jù)本發(fā)明的又一另外的方面，提供了用于清洗半導體襯底的方法。該方法開始于將液體引入到半導體襯底的頂表面上。然后，諧振器的底表面通過液體耦合至半導體襯底的頂表面。下一步，通過諧振器將聲能傳送到液體。然后，通過諧振器的底表面加熱液體。還提供了用于在半導體襯底的清洗操作期間對清洗化學制劑進行局部化加熱的方法。該方法開始于設置諧振器以接觸施加到半導體襯底的清洗化學制劑的表面。然后，通過諧振器同時施加熱能和聲能用以清洗半導體襯底。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了用于在半導體襯底的清洗操作期間，對清洗化學制劑進行局部化加熱的方法。該方法開始于設置諧振器以接觸施加到半導體襯底的清洗化學制劑的表面。然后，通過諧振器同時施加熱能和聲能用以清洗半導體襯底。
應當理解，前文的一般說明和下文的詳細說明僅為例示性的和說明性的，而非限制本發(fā)明所要求的權利要求。


并入并構成本說明書的一部分的附圖，說明了本發(fā)明的示例性實施例，并且和說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1A是批量兆頻超聲波清洗系統(tǒng)的示意圖。
圖1B是單晶片清洗箱的示意圖。
圖1C是用于單晶片的噴嘴清洗結構的示意圖。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，配置在半導體襯底上方的兆頻超聲波清洗機的高層次示意圖的頂視圖。
圖2B是正方形兆頻超聲波清洗機的高層次示意圖。
圖2C是桿形兆頻超聲波清洗機的高層次示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在半導體襯底和兆頻超聲波清洗機之間的界面的簡化剖面圖的示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，兆頻超聲波清洗機的更詳細的示意圖。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，設置為提供局部化加熱的兆頻超聲波清洗機的部件的示意圖。
圖5B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于兆頻超聲波清洗機的諧振器的示意圖，其包括上面淀積有薄碳化硅(SiC)涂層的絕緣體。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，形成于兆頻超聲波諧振器和配置在半導體襯底上方的液體之間的彎液面的放大示意圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的兆頻超聲波清洗機所提供的透鏡效應的剖面示意圖，該兆頻超聲波清洗機具有彎曲底表面用以產生透鏡效應。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的兆頻超聲波清洗機的側視示意圖，該兆頻超聲波清洗機被設置為提供局部化加熱，并且具有防止換能器過熱的冷卻回路。
圖9是說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過兆頻超聲波清洗來清洗半導體襯底所執(zhí)行的方法操作的流程圖。
具體實施例方式
通過參考附圖，現(xiàn)將詳細說明本發(fā)明的數(shù)個示例性實施例。已在上文“背景技術”部分中已討論了圖1A、1B和1C。
本發(fā)明的實施例提供了通過兆頻超聲波清洗裝置來清洗半導體襯底的設備和方法，其中清洗裝置同時提供局部化加熱和聲能來清洗半導體襯底。局部化加熱允許升高配置在襯底的頂表面之上的液體的溫度，例如用于單晶片清洗操作的清洗化學制劑。因此，可以加熱用于單晶片清洗操作的清洗化學制劑，用以增加清洗化學制劑的活性和有效性。增加的活性結合兆頻超聲波清洗機的清洗機制，提供了清洗操作改善的處理能力，這是因為每個半導體襯底在清洗操作上花費了較少的時間。此外，可以將諧振器的幾何結構設計為提供最小的反射功率，并允許改善的滲透進入高縱橫比特征部件中。在一個實施例中，冷卻兆頻超聲波清洗機的換能器，由此諧振器升高的溫度不會過度加熱換能器。如這里所使用的，術語晶片和半導體襯底都是可互換的。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，配置在半導體襯底上的兆頻超聲波清洗機的高層次示意圖的頂視圖。通過滾軸或某些其他的用于半導體襯底清洗工藝的適當旋轉機構而使襯底130旋轉。當襯底旋轉時，兆頻超聲波清洗機132A在襯底130上面徑向地移動。對于本領域的技術人員顯而易見的是，固定到兆頻超聲波清洗機132A的加工臂(process arm)允許兆頻超聲波清洗機在襯底130上面徑向地移動。在一個實施例中，由兆頻超聲波清洗機132傳遞至半導體襯底130表面的能量小于約5瓦特(W)/平方厘米(cm2)。在優(yōu)選實施例中，傳遞至半導體襯底130表面的兆頻超聲波能量在約3瓦特(W)/平方公分(cm2)和約5W/cm2之間，盡管有賴于襯底上存在的電子裝置的靈敏度，但是兆頻超聲波能量可以顯著地更高，如果在該更高的能量下不會損壞這些裝置的話。
仍然參考圖2A，直徑131表示暴露于配置在襯底130上面的液體的兆頻超聲波清洗機132A的表面直徑。在一個實施例中，襯底130為200mm(8英寸)的晶片，直徑131在約1英寸和約3英寸之間。在優(yōu)選實施例中，對200mm的晶片而言，直徑大約為1.5英寸。應當理解，對于300mm的晶片而言，據(jù)此按比例縮放兆頻超聲波清洗機的尺寸，從而基本上維持兆頻超聲波清洗機的表面積和晶片之間的恒定比率。這允許傳遞至晶片表面的能量能夠在不同尺寸的晶片之間基本上保持恒定。此外，每單位時間掃描300毫米晶片的相同部分，由此對任何晶片尺寸而言，處理能力是類似的。
圖2B和2C是兆頻超聲波清洗機132的可替換形狀的高層次示意圖。圖2B的兆頻超聲波清洗機132B為正方形，而圖2C的兆頻超聲波清洗機132C為桿形。如下文將更詳細說明的，兆頻超聲波清洗機132的諧振器的底表面可以具有微小的曲率，以便產生透鏡效應。應該理解，兆頻超聲波清洗機132的形狀可以是適合清洗半導體襯底130表面的任何形狀。換言之，如上文，通過使兆頻超聲波清洗機的表面積和晶片的表面積之間的比率基本保持恒定，任何形狀都可用于兆頻超聲波清洗機。本領域的技術人員將理解，清洗效率是施加至單位面積的功率密度的函數(shù)。因此，兆頻超聲波清洗機的諧振器的表面積被設置為允許功率密度在約3W/cm2和約5W/cm2之間，而不需要高兆頻超聲波能量來提供該功率密度，這是由于高兆頻超聲波能量會損壞待清洗襯底上存在的裝置。此外，雖然可以設計兆頻超聲波諧振器的尺寸使之覆蓋大部分晶片，但是應該理解，由于部分襯底，例如襯底的中間區(qū)域，將經歷高的停留時間，所以這不是最優(yōu)的。因此，其他地方經歷了低的停留時間，這可能導致不均勻的清洗。因此，優(yōu)選的是提供掃描晶片的兆頻超聲波清洗機，如參考圖2A-2C所說明的，用以通過使加工臂掃描速度與旋轉中的襯底角速度(或掃描位置的半徑)相關聯(lián)，來提供均勻的停留時間。
在一個實施例中，將兆頻超聲波清洗機支承在加工臂上，并且通過電子伺服電機而使加工臂掃描旋轉發(fā)生，則可以控制停留時間用以基本上確保由晶片上的兆頻超聲波清洗機所執(zhí)行的均勻工作量。伺服電機將運動控制器單元、電機驅動器電子設備、位置反饋編碼器和AC無刷電機結合到單一電機的波形因數(shù)中。在晶片處理期間，加工臂動作速度和位置與軸的旋轉速度直接相關。在一個實施例中，加工臂掃描是通過晶片的中線發(fā)生。為了使晶片的整個表面積受到相同的處理，也就是，由兆頻超聲波控制器所完成工作量在晶片表面上基本均勻，則加工臂掃描運動與徑向位置同步。由于掃描速度是半徑和該半徑時的面積的二次函數(shù)Vsweep＝C/r2，其中C為比例常數(shù)，而停留時間和速度成反比，所以隨著半徑增加，兆頻超聲波清洗機的停留時間必須增加以使在晶片表面上執(zhí)行的工作量相等。換言之，當加工臂從晶片的中心向外掃描時，兆頻超聲波清洗機需要較長的停留時間以便基本上執(zhí)行相同的工作量。
圖3是根據(jù)本發(fā)表的一個實施例，在半導體襯底和兆頻超聲波清洗機之間的界面的簡化剖面圖的示意圖。兆頻超聲波清洗機132接近半導體襯底130的頂表面144。液體配置在半導體襯底130的頂表面144上。在一個實施例中，將液體混拌至半導體襯底130上。使兆頻超聲波清洗機132同液體接觸，以形成彎液面134，該彎液面134將兆頻超聲波清洗機的底表面146耦合至半導體襯底130的頂表面144。應當理解，液體可通過噴嘴138施加到襯底130。在一個實施例中，可將噴嘴138固定在其上固定了兆頻超聲波清洗機132的相同的徑向臂上。在另一個實施例中，液體可通過兆頻超聲波換能器本體中的至少一個端口傳遞到襯底130。液體可以是去離子水(DIW)或為清洗單晶片而設計的清洗化學制劑。單晶片清洗化學制劑的例子包括商業(yè)上可獲取的溶劑，例如通常用于后蝕刻清洗的EKC 640、EKC6800和Ashland NE89，和其他商業(yè)上可獲取的用于后化學機械平坦化(CMP)清洗的溶劑。其他清洗化學制劑包括SC-1(NH4OH/H2O2混合物)、SC-2(HCl/H2O2混合物)、稀釋HF或臭氧化DIW(H2O/O3)。
仍然參考圖3，兆頻超聲波清洗機132包括容納在外殼142內的兆頻超聲波換能器136。電源線140為換能器136提供所需要的電能。如上文，可將兆頻超聲波清洗機132固定到徑向臂，設置該徑向臂用以在半導體襯底130的頂表面144上方徑向移動。在兆頻超聲波清洗機132的底表面146和半導體襯底130的頂表面144之間的距離148，在約0.5毫米(mm)和約5mm之間。在一個實施例中，距離148在約1mm和約3mm之間，該距離優(yōu)選為約2mm。如關于圖2A-2C的上文，設置兆頻超聲波清洗機132的底表面146的表面積，使得約3W/cm2和約5W/cm2之間的功率密度傳遞至頂表面144。因此，表面積足以允許在約0.4兆頻(MHz)和約1.5MHz之間的兆頻超聲波能量跨越半導體襯底傳遞約3W/cm2和約5W/cm2之間的功率密度。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的兆頻超聲波清洗機的更詳細的示意圖。換能器136配置在包括摻雜底層150的兆頻超聲波傳送層152上。引線154提供了摻雜底層150之間的通道，用以跨越摻雜底層施加電壓差156。因此，可跨越摻雜底層150施加電流，用以局部加熱同摻雜層接觸的液體。在一個實施例中，兆頻超聲波傳送層152包含碳化硅(SiC)，而兆頻超聲波傳送層的摻雜底層150摻入了諸如硼、磷、砷、銻等的適當摻雜元素，用以降低摻雜底層的電阻。對于本領域的技術人員顯而易見的是，換能器136是設置為產生兆頻超聲波能量的壓電裝置。此外，兆頻超聲波傳送層152可以由除SiC以外的替代化合物形成。替代化合物機械上很牢固，并且能夠提供類似波導特性，用以將兆頻超聲波能量聚焦朝向其上配置有兆頻超聲波清洗機132的襯底，而這些替代化合物基本上對所施加的化學制劑是惰性的?？商鎿Q地，可將惰性保護涂層涂敷至換能器外殼，用以保護其免受所使用的化學制劑而退化。
應當理解，在一個實施例中，兆頻超聲波傳送層152可以包含絕緣體。雖然SiC確實具有絕緣特性，但SiC還是半導體，并且摻雜該化合物改變了其電阻率。諸如硅的化合物可以用于替代SiC。而且，通過利用接合至底表面上的傳導加熱層的多層絕緣材料，諸如石英或藍寶石，還可采用復合兆頻超聲波傳送層。傳導加熱層可以是任何傳導材料，該傳導材料能夠接合至絕緣層，允許兆頻超聲波能量的傳輸，以及受到保護以免受所使用的化學制劑的影響，或者對所使用的化學制劑呈現(xiàn)惰性。如果利用半導體型絕緣體，則應該理解，該絕緣體必須能夠通過將摻雜劑引入絕緣體的底層而被摻雜并變得更加導電，由此降低底層的電阻率。因此，由于兆頻超聲波能量同時施加到液體以及其上配置有液體的襯底，因此在跨越底層施加電流時，由阻性加熱所產生的熱可被傳送至同兆頻超聲波清洗機的底層相接觸的液體。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，用以提供局部化加熱的兆頻超聲波清洗機的部件示意圖。換能器136配置在絕緣體160上，該絕緣體160配置在SiC層152上。對SiC層152的底層150進行摻雜用以減小底層的電阻率。在一個實施例中，摻雜劑濃度在約1011原子/cm2和約1019原子/cm2之間。在優(yōu)選實施例中，摻雜劑濃度在約1013原子/cm2和約1017原子/cm2之間。因此，當跨越摻雜底層150施加電流時，將產生摻雜層的阻性加熱。應當理解，絕緣體層160使換能器136與來自諧振器，即SiC層152和摻雜底層150的任何熱絕緣。在一個實施例中，絕緣體層160包含藍寶石。SiC層152的厚度162在約0.01mm和約7mm之間。更優(yōu)選地，厚度162在約1mm和約5mm之間。當然，依賴于SiC的結構，即，淀積在絕緣體或層上的薄膜，如關于圖4所陳述的，該厚度可相應地變化。
圖5A的絕緣體160具有約1mm和約5mm之間的厚度。本領域的技術人員將理解，通過粘性接合將換能器136、絕緣體160和SiC層152相互固定。雖然底層150的底表面示出為基本上是平坦的，但在一個實施例中，底表面可彎曲用以允許改善滲透進高縱橫比的特征部件，如下文將更詳細說明的。應當理解，可以設置SiC層152用以使之具有多個電阻層，其中多個層定義了不同的電阻率梯度。將多個電阻層分層，使得底部摻雜層150具有最低的電阻率，而SiC層152內的分層的連續(xù)上層具有增大的電阻率。因此，具有最高電阻率的層將位于SiC層152的頂部，由此提供對換能器136更大的保護，以免受到通過跨越底部摻雜層150施加的電流所產生的熱的影響。
圖5B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的兆頻超聲波清洗機的諧振器的示意圖，該諧振器包括其上淀積有薄SiC涂層的絕緣體。這里，換能器136接合至絕緣體160。絕緣體160可以包含諸如藍寶石、石英等任何適當?shù)慕^緣體。薄SiC涂層150a淀積淀積在絕緣體160的底表面上。對于本領域的技術人員顯而易見的是，可以使用常規(guī)的淀積技術來淀積薄SiC涂層150a。如上參考圖5A的摻雜底層150，通過淀積期間的原位摻雜，或淀積后的單獨摻雜，可以獲得薄SiC涂層150a的適當電阻率。應當理解，跨越薄SiC涂層150a施加電壓差，用以提供對液體的阻性加熱，該液體將薄SiC涂層耦合至半導體襯底，如下文所進一步討論的。此外，薄SiC涂層150a可向外彎曲而不是平坦的。在一個實施例中，絕緣體160具有彎曲的底表面，而薄SiC涂層150a是均勻淀積在絕緣體的彎曲底表面之上。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，形成于兆頻超聲波諧振器和配置在半導體襯底上的液體之間的彎液面的放大示意圖。使具有摻雜底層150的SiC層152同液體層166接觸而不接觸襯底130的頂表面。因此，彎液面134形成于液體層166和兆頻超聲波諧振器的摻雜底層150的底表面之間。如這里示出的，將摻雜底層150的底表面彎曲以產生透鏡效應。在一個實施例中，曲率半徑在約5厘米(cm)和200cm之間。如參考圖3，在摻雜底層150的底表面上的低點和襯底130的頂表面144之間，測量摻雜底層150的底表面和襯底130的頂表面144之間的距離148。對于本領的技術人員顯而易見的是，除了機械上牢固以外，SiC層152還提供了以液體166的良好潤濕角，用以形成彎液面134。如先前所提及的，液體166包括清洗化學制劑，該化學制劑被指定用于在諸如CMP、蝕刻、淀積、注入等的各種半導體工藝步驟之后執(zhí)行的單晶片清洗工藝。
仍然參考圖6，通過摻雜底層150提供的阻性加熱將熱能傳送到液體166，以便局部加熱液體。在一個實施例中，液體166的溫度控制在約20攝氏度(℃)和約100度℃之間。更優(yōu)選地，溫度控制在約30℃和約70℃之間。當然，在底部摻雜層150下方定義的區(qū)域中的液體的溫度，依賴于清洗化學制劑的本身特性。換言之，清洗半導體襯底所用的工藝類型以及清洗化學制劑的成分，確定了最佳溫度用以獲得所期望的活性。通過調節(jié)施加至底部摻雜層150的電壓差，控制并維持液體166的溫度。而且，應當理解，兆頻超聲波清洗機還可提供局部化加熱。因此，在底部摻雜層150和襯底130之間定義的區(qū)域中的液體暴露于由底部摻雜層的阻性加熱所產生的熱能。因此，隨著在清洗操作期間在半導體襯底的表面上移動兆頻超聲波清洗機，在兆頻超聲波清洗機下方定義的液體區(qū)域，伴隨著由兆頻超聲波清洗機所引發(fā)的清洗活動而進行加熱。在一個實施例中，升高的溫度增加了清洗化學制劑的活性，因而減少了清洗操作的處理時間，導致了較高的處理能力。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，由兆頻超聲波清洗機提供的透鏡效應的剖面示意圖，該兆頻超聲波清洗機具有彎曲底表面用以產生透鏡效應。兆頻超聲波清洗機132包括換能器136、絕緣體160、和包括具有底部摻雜層150的SiC層152的諧振器。以凸出方式彎曲底部摻雜層150的底表面，即，使其向外彎曲。如上文，在一個實施例中，曲率半徑在約5cm和約200cm之間。彎曲的底部提供了對兆頻超聲波的透鏡效應。透鏡效應使兆頻超聲波以某一角度引導至半導體襯底130的頂表面。因此，可更有效地清洗諸如通孔170的高縱橫比特征部件的側壁。換言之，相比于使兆頻超聲波垂直地引導至襯底130的頂表面，其中側壁上的殘留物避開了同兆頻超聲波相關的清洗機制，透鏡效應為兆頻超聲波提供了角取向。因此，角取向引導兆頻超聲波朝向通孔170的側壁，由此使側壁和來自先前制造工藝的殘留在側壁上的任何殘留物都經歷兆頻超聲波的清洗操作。特別地，在側壁之間反射兆頻超聲波，而非單從通孔170的底部反射出來。因此，彎曲波導的底表面有助于將兆頻超聲波能量引導至高縱橫比特征部件的側壁。應當理解，底部摻雜層150的微小彎曲都有助于防止空氣陷于將兆頻超聲波諧振器耦合至襯底的液體之中，以確保諧振器和在諧振器與液體接觸時所定義的彎液面之間的良好接觸。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的兆頻超聲波清洗機的側視示意圖，該兆頻超聲波清洗機設置為用以提供局部化加熱，并且具有防止換能器過加熱的冷卻回路。換能器136容納在具有入口176和出口178的外殼174內。將冷卻介質提供至外殼174以便保護換能器136防止其過加熱。因此，諧振器(具有底部摻雜層150的SiC層152)可以在升高的溫度下運行，以提供對液體166的區(qū)域180的局部化加熱。應當理解，除了區(qū)域180以外，通過底部摻雜層150提供的阻性加熱還將加熱SiC層152。因此，冷卻回路允許SiC層152的熱消散用以保護換能器136。在一個實施例中，冷卻回路是封閉回路，使得清洗化學制劑不會因換能器冷卻而被稀釋。對于本領域的技術人員顯而易見的是，可以使用諸如液態(tài)氮的液體或任何其他和換能器136的冷卻相容的適當液體。此外，通過定義迫使空氣經過換能器以提供冷卻的系統(tǒng)，換能器136可以進行空氣冷卻。
圖9是說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，用于通過兆頻超聲波清洗來清洗半導體襯底而執(zhí)行的方法操作的流程圖。該方法開始于操作184，其中液體引入至半導體襯底的頂表面上。該液體可以是去離子水(DIW)或為單晶片清洗工藝而設計的清洗化學制劑。應當理解，在這里描述的兆頻超聲波清洗方法過程中可以連續(xù)施加液體，或者可將液體混拌至半導體襯底的頂表面上。該方法隨后進行到操作186，其中諧振器的底表面耦合至液體。適當?shù)闹C振器是圖3-7的兆頻超聲波諧振器。在一個實施例中，諧振器的底表面向外彎曲，并且具有約5cm和約200cm之間的曲率半徑。如上文，彎曲的底表面增強了諧振器同液體的耦合，并且提供了透鏡效應。而且，對諧振器的底層進行摻雜，以便為了向跨越摻雜層施加的電壓差提供減小的電阻率，其因而加熱了底層。
然后，圖9的方法繼續(xù)至操作188，其中聲能通過諧振器傳送到液體。在一個實施例中，聲能是兆頻超聲波能量，并通過碳化硅(SiC)諧振器傳送。此外，設置諧振器用以透過透鏡效應而到達高縱橫比特征部件的側壁。如上文，通過使諧振器同諧振器進行接觸時所形成的彎液面，該液體將諧振器耦合至襯底。該方法隨即進行至操作190，其中通過諧振器的底表面加熱液體。這里，跨越摻雜層施加的電壓差導致了阻性加熱，其中熱能從底層傳送至液體界面。因此，加熱了液體。在一個實施例中，液體是單晶片清洗化學制劑，其中該清洗化學制劑的活性和有效性在升高的溫度下增加，例如在約20℃和約100℃之間。通過調節(jié)施加至底層的電壓勢，控制了液體的溫度。
總之，本發(fā)明提供了具有局部加熱液體能力的兆頻超聲波諧振器，其中該液體將諧振器的底表面耦合至襯底。設計該諧振器的尺寸用以維持低的功率密度。此外，設置諧振器用以通過兆頻超聲波的透鏡效應，更有效地清洗高縱橫比特征部件的側壁。
根據(jù)數(shù)個示例性實施例，這里已經描述了本發(fā)明。通過考慮本發(fā)明的說明和實施，本領域的技術人員將理解本發(fā)明的其他實施例。上文描述的實施例和優(yōu)選特征應被視為是示例性的，而本發(fā)明的范圍由附屬的權利要求所限定。
權利要求
1.一種用于清洗半導體襯底的設備，該設備包括換能器諧振器，其配置為用以傳播來自換能器的能量，諧振器具有頂表面和底表面，頂表面有效耦合至換能器，底表面配置為在傳播來自換能器的能量時提供局部化加熱。
2.權利要求1的設備，進一步包括絕緣體，其設置在換能器和諧振器之間。
3.權利要求1的設備，其中諧振器由具有約0.01毫米(mm)和約7mm之間厚度的碳化硅層構成。
4.權利要求1的設備，其中底表面是彎曲表面。
5.權利要求4的設備，其中彎曲表面具有約5厘米(cm)和200cm之間的曲率半徑。
6.權利要求1的設備，進一步包括冷卻回路，用于冷卻換能器，該冷卻回路是封閉回路。
7.一種用于清洗半導體襯底的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括襯底支承，其配置為支承半導體襯底，并使半導體襯底圍繞半導體襯底的軸旋轉；兆頻超聲波清洗機，其配置為在半導體襯底的頂表面上方徑向移動，該兆頻超聲波清洗機包括換能器；諧振器，其配置為用以傳播來自換能器的能量，該諧振器具有頂表面和底表面，頂表面有效耦合至換能器，底表面配置為接觸設置在半導體襯底頂表面上的液體，底表面適于在將來自換能器的能量通過液體傳播至襯底時，提供局部化加熱以升高同底表面接觸的液體的溫度。
8.權利要求7的系統(tǒng)，其中底表面配置為以某一角度將兆頻超聲波引導朝向半導體襯底的頂表面。
9.權利要求7的系統(tǒng)，其中從半導體襯底的頂表面到諧振器的底表面的距離在約0.5毫米和約5毫米之間。
10.權利要求7的系統(tǒng)，其中該液體是設計用于單晶片清洗操作的清洗化學制劑和去離子水中的一種。
11.權利要求7的系統(tǒng)，其中液體的溫度通過局部化加熱維持在約20℃和約100℃之間。
12.權利要求7的系統(tǒng)，其中底表面包括摻雜劑，該摻雜劑配置為用以降低底表面的電阻率。
13.權利要求12的系統(tǒng)，其中摻雜劑是硼、砷、磷和銻中的一種。
14.權利要求12的系統(tǒng)，其中摻雜劑的濃度在每平方厘米約1011個原子和每平方厘米約1019個原子之間。
15.權利要求7的系統(tǒng)，其中跨越底表面施加電壓差，以加熱液體。
16.權利要求15的系統(tǒng)，其中通過改變電壓差來控制液體的溫度。
17.權利要求7的系統(tǒng)，進一步包括加工臂，其用于支承兆頻超聲波清洗機，控制加工臂以便于由兆頻超聲波清洗機執(zhí)行的工作量在半導體襯底的頂表面上基本上是均勻的。
18.權利要求15的系統(tǒng)，其中換能器包括至少一個端口用以將液體傳送至襯底。
19.一種用于在半導體襯底的清洗操作過程中對清洗化學制劑進行局部化加熱的方法，該方法包括設置諧振器以便接觸施加到半導體襯底的清洗化學制劑的表面；并且通過諧振器同時施加熱能和聲能用以清洗半導體襯底。
20.權利要求19的方法，其中通過諧振器同時施加熱能和聲能用以清洗半導體襯底的方法操作進一步包括降低諧振器的底層的電阻率；在通過清洗化學制劑將來自諧振器的聲能傳送到半導體襯底時，跨越底層施加電壓差。
21.權利要求20的方法，其中電壓差確定諧振器的底層和半導體襯底的頂表面之間的清洗化學制劑的溫度。
22.權利要求20的方法，其中降低諧振器底層的電阻率的方法操作進一步包括對諧振器的底層施加摻雜劑。
23.權利要求19的方法，其中設置諧振器以便接觸施加到半導體襯底的清洗化學制劑的表面的方法操作包括，將諧振器設置在半導體襯底的頂表面上，使得諧振器的底表面和半導體襯底的頂表面之間的距離在約0.5毫米(mm)和約5mm之間。
24.權利要求19的方法，其中通過諧振器同時施加熱能和聲能用以清洗半導體襯底的方法操作包括，將傳遞至半導體襯底頂表面的聲能水平維持在約每平方厘米3瓦特(W)和約每平方厘米5W之間。
全文摘要
提供了一種用于清洗半導體襯底的設備。在本發(fā)明的實施例中，提供了能夠提供局部化加熱的兆頻超聲波清洗機。兆頻超聲波清洗機包括換能器和諧振器。諧振器設置為用以傳播來自換能器的能量，諧振器具有第一和第二端，第一端有效耦合至換能器，而第二端設置為在傳播來自換能器的能量時提供局部化加熱。還提供了一種用于通過兆頻超聲波清洗來清洗半導體襯底的系統(tǒng)，以及一種用于清洗半導體襯底的方法。
文檔編號H01L21/00GK1655884SQ03812022
公開日2005年8月17日 申請日期2003年3月13日 優(yōu)先權日2002年3月29日
發(fā)明者J·M·博伊德, K·米克海利希 申請人:蘭姆研究有限公司