本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路加工清洗設(shè)備領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于清洗圖形晶圓并可提高清洗均勻度的無損傷清洗裝置。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的高速發(fā)展，集成電路芯片的圖形特征尺寸已進(jìn)入到深亞微米階段，而造成芯片上超細(xì)微電路失效或損壞的關(guān)鍵沾污物(例如顆粒)的特征尺寸也隨之大為減小。

在集成電路的生產(chǎn)加工工藝過程中，半導(dǎo)體晶圓通常都會(huì)經(jīng)過諸如薄膜沉積、刻蝕、拋光等多道工藝步驟。而這些工藝步驟就成為沾污物產(chǎn)生的重要場(chǎng)所。為了保持晶圓表面的清潔狀態(tài)，消除在各個(gè)工藝步驟中沉積在晶圓表面的沾污物，必須對(duì)經(jīng)受了每道工藝步驟后的晶圓進(jìn)行清洗處理。因此，清洗工藝成為集成電路制作過程中最普遍的工藝步驟，其目的在于有效地控制各步驟的沾污水平，以實(shí)現(xiàn)各工藝步驟的目標(biāo)。

為了有效地清除晶圓表面的沾污物，在進(jìn)行單晶圓濕法清洗工藝處理時(shí)，晶圓將被放置在清洗設(shè)備的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)(例如旋轉(zhuǎn)卡盤)上，并按照一定的速度旋轉(zhuǎn)；同時(shí)向晶圓的表面噴淋一定流量的化學(xué)藥液，對(duì)晶圓表面進(jìn)行清洗。

在通過清洗達(dá)到去除沾污物目的的同時(shí)，最重要的是要保證對(duì)晶圓、尤其是對(duì)于圖形晶圓表面圖形的無損傷清洗。

隨著集成電路圖形特征尺寸的縮小，晶圓表面更小尺寸的沾污物的去除難度也不斷加大。很多新型清洗技術(shù)在清洗設(shè)備上已得到應(yīng)用。其中，最重要的一種是超聲波/兆聲波清洗技術(shù)。但是，采用超聲波/兆聲波清洗技術(shù)在提高了沾污物去除效率的同時(shí)，也不可避免地帶來了對(duì)于圖形晶圓的損傷問題。這主要是由于傳播方向與晶圓表面不垂直的超聲波/兆聲波能量對(duì)圖形晶圓表面圖形橫向的作用力大于表面圖形與晶圓的附著力，導(dǎo)致在超聲波/兆聲波清洗時(shí)對(duì)表面圖形的破壞。

申請(qǐng)?zhí)枮?01510076158.1的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種圖形晶圓無損傷清洗裝置，該裝置包括一懸設(shè)于圖形晶圓上方的中空殼體，殼體的中空內(nèi)部設(shè)有超聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)，超聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)下方連接一超聲波能量選擇性去除機(jī)構(gòu)，超聲波能量選擇性去除機(jī)構(gòu)包括由多個(gè)垂直間隙設(shè)置的石英棒構(gòu)成的等高陣列，石英棒陣列自殼體下方伸出沒入圖形晶圓上的清洗藥液中，將從超聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)傳導(dǎo)出的傳播方向與晶圓表面不垂直的超聲波能量進(jìn)行選擇性去除，使超聲波能量垂直傳導(dǎo)至晶圓，保證了在超聲波清洗過程中，超聲波的能量不會(huì)造成圖形晶圓表面圖形的損傷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形晶圓的無損傷超聲波移動(dòng)清洗，并可有效提高晶圓表面污染物的去除效率。

隨著集成電路特征尺寸進(jìn)入到深亞微米階段，集成電路晶圓制造工藝中的濕法腐蝕和清洗的控制要求以及所要腐蝕的精度越來越高，但所要清洗的顆粒卻越來越小，因而腐蝕及清洗的均勻性變成了一個(gè)挑戰(zhàn)性的問題。采用超聲波/兆聲波作用下的化學(xué)腐蝕和清洗有助于加速腐蝕和清洗的效果，極大地提高了顆粒污染物的去除速率。但超聲波/兆聲波清洗過程中的均勻性控制一直是該領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)難題。清洗過程中如果得到的超聲波/兆聲波能量過少，會(huì)降低該區(qū)域顆粒污染物的去除效率，如果得到的能量過多，則有可能會(huì)造成局部區(qū)域晶圓表面圖形結(jié)構(gòu)的損傷。

然而，上述中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開的清洗裝置，其裝置底面的石英棒陣列中所有石英棒的下端底面都是平齊的。如果裝置的底面與晶圓的表面不完全平行，會(huì)導(dǎo)致二者之間的距離隨位置有很大的變化，導(dǎo)致聲波能量的不均勻分布。例如當(dāng)超聲波/兆聲波清洗裝置為覆蓋晶圓中心到邊緣的扇形區(qū)域時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生晶圓中心位置的裝置底面和晶圓距離較小，而隨半徑逐漸增大，裝置底面和晶圓距離逐漸增大的問題，導(dǎo)致聲波能量的不均勻分布。

因此，需要設(shè)計(jì)一種有效的新裝置，以在整個(gè)晶圓的面積范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)超聲波/兆聲波能量的均勻分布。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種新型的可提高清洗均勻度的圖形晶圓無損傷清洗裝置，在對(duì)晶圓進(jìn)行超聲波/兆聲波清洗時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)地改變裝置底面與晶圓之間的距離，使晶圓表面的超聲波/兆聲波能量均勻分布，并能夠消除傳播方向與晶圓表面不垂直的超聲波/兆聲波能量對(duì)圖形晶圓表面圖形橫向作用力的破壞性影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形晶圓的無損傷均勻清洗。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種提高清洗均勻度的圖形晶圓無損傷清洗裝置，包括：

上、下殼體，其連接形成密封腔，所述密封腔在下殼體的下端面形成開口；

超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)，設(shè)于密封腔內(nèi)，其上部和側(cè)部與密封腔內(nèi)壁之間具有間隙；

底部石英部件，包括一形成向下開口凹槽的環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈，以及一個(gè)上端連接設(shè)于凹槽底部、下端為自由端的由多個(gè)垂直棒狀石英結(jié)構(gòu)組成的石英微共振腔陣列，所述環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈上部緊貼超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)下部，其側(cè)部與密封腔位于下殼體部分的內(nèi)壁之間密封連接，其凹槽下端由下殼體下端面的開口伸出，所述石英微共振腔陣列的下端面不高于凹槽的下端面，其各棒狀石英結(jié)構(gòu)的下端面之間具有不同的高度；

其中，所述裝置連接控制其移動(dòng)的噴淋臂，所述超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的超聲波能量，依次經(jīng)過環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈、石英微共振腔陣列向下傳導(dǎo)，并經(jīng)所述石英微共振腔陣列的選擇性去除后，通過沒入圖形晶圓上清洗藥液中的所述棒狀石英結(jié)構(gòu)的下端面垂直傳導(dǎo)至圖形晶圓表面，帶動(dòng)清洗藥液振蕩，以進(jìn)行超聲波/兆聲波移動(dòng)清洗，同時(shí)，在圖形晶圓旋轉(zhuǎn)過程中，通過具有不同高度下端面的各棒狀石英結(jié)構(gòu)，使圖形晶圓表面任意位置的區(qū)域都經(jīng)過不同高度石英微共振腔陣列的清洗，以使圖形晶圓表面的超聲波/兆聲波能量均勻分布，實(shí)現(xiàn)在一定的清洗時(shí)間內(nèi)，使整個(gè)圖形晶圓范圍內(nèi)的任意區(qū)域都得到均勻的清洗。

優(yōu)選地，還包括一個(gè)連接噴淋臂的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接所述裝置，用于控制所述裝置水平旋轉(zhuǎn)。

優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸偏心連接所述裝置上殼體的頂部。

優(yōu)選地，所述上殼體設(shè)有氣體入口和出口，其連通由密封腔內(nèi)壁和超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)外壁組成的冷卻腔，用于通過氣體入口通入冷卻氣體，對(duì)超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)進(jìn)行冷卻，并由氣體出口排出。

優(yōu)選地，所述下殼體側(cè)部連通設(shè)有保護(hù)氣體入口和出口，所述保護(hù)氣體出口為一圈下傾的氣孔或狹縫，用作通過保護(hù)氣體入口通入保護(hù)氣體，并由保護(hù)氣體出口噴出，以在圖形晶圓表面形成一個(gè)氣體保護(hù)層。

優(yōu)選地，所述上殼體設(shè)有氣體入口，所述下殼體側(cè)部設(shè)有氣體出口，所述氣體出口為一圈下傾的氣孔或狹縫，所述氣體入口和出口連通由密封腔內(nèi)壁和超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)外壁組成的冷卻腔，用于通過氣體入口通入冷卻氣體，對(duì)超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)進(jìn)行冷卻，并在通過氣體出口傾斜向下排出的同時(shí)，在圖形晶圓表面形成一個(gè)氣體保護(hù)層。

優(yōu)選地，所述環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈的凹槽側(cè)壁設(shè)有一至若干開孔，用于使清洗藥液自由進(jìn)出石英微共振腔陣列與圖形晶圓表面之間的間隙。

優(yōu)選地，所述石英微共振腔陣列棒狀石英結(jié)構(gòu)的形狀包括圓形、三角形、五邊形或長(zhǎng)方形，各棒狀石英結(jié)構(gòu)按照一定的規(guī)則分布，或者按照隨機(jī)方式分布。

優(yōu)選地，所述石英微共振腔陣列的下端面輪廓形成扇形、三角形、五邊形或者是長(zhǎng)條形。

優(yōu)選地，所述超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)包括上下緊貼設(shè)置的壓電材料和耦合層，所述耦合層下部緊貼環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈上部，所述壓電材料、耦合層和環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈通過在上殼體頂部與壓電材料之間依次所設(shè)的壓緊彈簧和壓緊彈簧導(dǎo)向柱進(jìn)行壓緊；所述上殼體裝有壓電材料接線柱，用于將外部電信號(hào)導(dǎo)入至壓電材料，并通過連接耦合層接線柱形成回路，以產(chǎn)生超聲波/兆聲波振蕩能量。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)通過合理設(shè)計(jì)底部石英部件的石英微共振腔陣列結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)去除其它方向上的超聲波/兆聲波能量，只保留傳播方向與待清洗晶圓表面垂直的超聲波/兆聲波能量的目的，保證在超聲波/兆聲波清洗過程中，超聲波/兆聲波的能量不會(huì)造成圖形晶圓表面圖形的損傷；

2)通過設(shè)置具有不同高度下端面的各棒狀石英結(jié)構(gòu)，可在晶圓旋轉(zhuǎn)清洗過程中，以及通過裝置自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使裝置底面與晶圓表面的高度動(dòng)態(tài)變化，實(shí)時(shí)地改變裝置底面與晶圓表面之間的距離，使圖形晶圓表面任意位置的區(qū)域都經(jīng)過不同高度石英微共振腔陣列的清洗，并可以使圖形晶圓表面的超聲波/兆聲波能量均勻分布，實(shí)現(xiàn)在一定的清洗時(shí)間內(nèi)，使整個(gè)圖形晶圓范圍內(nèi)的任意區(qū)域都得到均勻清洗的效果；

3)石英微共振腔陣列棒狀石英結(jié)構(gòu)的形狀可包括圓形以及其它的一些形狀,例如三角形，五邊形，長(zhǎng)方形等；同時(shí)，各棒狀石英結(jié)構(gòu)的排列可以按照一定的規(guī)則分布，也可以完全隨機(jī)分布，以防止裝置隨噴淋臂擺動(dòng)時(shí)在特定區(qū)域形成能量較高的區(qū)域，使超聲波/兆聲波的能量分布更加的均勻；

4)在環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈上開有開孔，可使清洗藥液自由進(jìn)出石英微共振腔陣列與圖形晶圓表面之間的間隙，以消除晶圓表面清洗藥液的表面張力作用，改善清洗藥液的置換效果，加快新、舊藥液的交換過程，提高清洗的效果；

5)裝置可以設(shè)計(jì)成為扇形、三角形，五邊形或者是長(zhǎng)條形，可提高裝置的覆蓋面積，從而可以提高裝置的清洗效率；

6)在清洗工藝過程中，利用保護(hù)氣體在晶圓上方形成一個(gè)氣體保護(hù)層，可使晶圓與氧氣隔絕，防止晶圓表面硅材料被氧化；在干燥過程中，由于晶圓全部處于保護(hù)氣體的覆蓋下，當(dāng)晶圓高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以更好地實(shí)現(xiàn)整個(gè)晶圓范圍的干燥，防止水痕缺陷的產(chǎn)生，也可以更好地實(shí)現(xiàn)晶圓邊緣的干燥。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例中的一種提高清洗均勻度的圖形晶圓無損傷清洗裝置的結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例中的底部石英部件的結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖3是圖2底部石英部件的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖1裝置的外形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的裝置與噴淋臂的一種配合狀態(tài)示意圖；

圖6是本發(fā)明的裝置與噴淋臂的另一種配合狀態(tài)示意圖；

圖7是圖6的一種局部放大狀態(tài)示意圖；

圖8是本發(fā)明的石英微共振腔陣列選擇性去除部分超聲波/兆聲波能量的原理示意圖；

圖9是本發(fā)明一實(shí)施例中的一種具有氣體保護(hù)作用的提高清洗均勻度的圖形晶圓無損傷清洗裝置的結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖10是圖9的外形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是本發(fā)明另一實(shí)施例中的一種具有氣體保護(hù)作用的提高清洗均勻度的圖形晶圓無損傷清洗裝置的結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖12是圖11的外形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13是本發(fā)明一實(shí)施例中的設(shè)有開孔的環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈結(jié)構(gòu)示意圖；

圖14是本發(fā)明一實(shí)施例中規(guī)則分布的三角形棒狀石英結(jié)構(gòu)示意圖；

圖15是本發(fā)明一實(shí)施例中隨機(jī)分布的長(zhǎng)方形棒狀石英結(jié)構(gòu)示意圖；

圖16是本發(fā)明一實(shí)施例中的扇形石英微共振腔陣列示意圖；

圖17是本發(fā)明一實(shí)施例中的長(zhǎng)方形石英微共振腔陣列示意圖。

圖中10.石英微共振腔陣列，11.石英微共振腔保護(hù)圈，11’.石英微共振腔保護(hù)圈開孔，12.密封圈，13.耦合層，14.壓電材料，15.壓緊彈簧導(dǎo)向柱，16.噴淋臂固定用螺栓孔，17.接線柱，18.壓緊彈簧，19.上殼體，20.密封墊，21.底部石英部件，22.下殼體，23.冷卻氣體入口，24/24’.冷卻氣體出口，25.噴淋臂，26.固定支架，27.旋轉(zhuǎn)電機(jī)，28.清洗藥液，29.晶圓，29’.晶圓表面圖形結(jié)構(gòu)，30.保護(hù)氣體入口，31.保護(hù)氣體出口，32.上下殼體固定孔，A.傳播方向與晶圓表面不垂直的超聲波/兆聲波能量，B.傳播方向與晶圓表面垂直的超聲波/兆聲波能量。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

需要說明的是，在下述的具體實(shí)施方式中，在詳述本發(fā)明的實(shí)施方式時(shí)，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說明，特對(duì)附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進(jìn)行了局部放大、變形及簡(jiǎn)化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對(duì)本發(fā)明的限定來加以理解。

在以下本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明一實(shí)施例中的一種提高清洗均勻度的圖形晶圓無損傷清洗裝置的結(jié)構(gòu)剖視圖。如圖1所示，本發(fā)明的一種提高清洗均勻度的圖形晶圓無損傷清洗裝置，可移動(dòng)懸設(shè)于清洗設(shè)備內(nèi)的圖形晶圓上方，用于對(duì)放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的圖形晶圓進(jìn)行超聲波/兆聲波藥液清洗。所述裝置包括上、下殼體19、22，以及安裝在上、下殼體內(nèi)的超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)14、13和底部石英部件21。上、下殼體19、22可采用可拆卸方式進(jìn)行連接，例如可通過螺栓對(duì)上、下殼體進(jìn)行固定連接，并在連接后在其內(nèi)部形成密封腔。所述密封腔在下殼體的下端面具有開口。為了保證安裝后的上、下殼體密封性能，在上、下殼體的結(jié)合部之間可裝有密封墊20。

請(qǐng)參閱圖1。在密封腔內(nèi)部設(shè)有一個(gè)超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)14和13。超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)的上部和側(cè)部與密封腔的內(nèi)壁之間具有間隙，從而形成了一個(gè)冷卻腔。在超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)的下方以緊密貼合方式安裝有一個(gè)底部石英部件21。底部石英部件包括上下連接設(shè)置的一個(gè)環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈11和一個(gè)石英微共振腔陣列10。環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈11具有向下形成開口的凹槽結(jié)構(gòu)，石英微共振腔陣列10安裝在凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)；石英微共振腔陣列10的上端連接凹槽底部，下端為自由端；石英微共振腔陣列10由多個(gè)垂直的棒狀石英結(jié)構(gòu)組成一個(gè)微共振腔陣列。

底部石英部件21通過環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈11的頂部與超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)14和13的底部形成緊密貼合連接；并且，底部石英部件21通過環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈11的側(cè)部與下殼體22部分的密封腔內(nèi)壁進(jìn)行臺(tái)階式安裝配合。同樣地，為了保證安裝后的下殼體22與底部石英部件21之間的密封性能，在下殼體22與環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈11的結(jié)合部之間可裝有密封圈12。

請(qǐng)參閱圖1。環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈11的凹槽下端為自由端，其由下殼體22下端面的開口處向下伸出下殼體。所述石英微共振腔陣列10的下端面不高于環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈凹槽的下端面，即所述石英微共振腔陣列10的下端面可以低于或等于環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈11的凹槽下端面。圖示為一種石英微共振腔陣列下端面低于環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈凹槽下端面的情形。

請(qǐng)參閱圖2和圖3，圖2是本發(fā)明一實(shí)施例中的底部石英部件的結(jié)構(gòu)剖視圖，圖3是圖2底部石英部件的立體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2和圖3所示，在底部石英部件21中，其石英微共振腔陣列10的各棒狀石英結(jié)構(gòu)的下端面之間具有不同的高度。例如，可以是棒狀石英結(jié)構(gòu)的下端面之間各具有不同的高度，也可以是部分棒狀石英結(jié)構(gòu)的下端面具有相同的最低高度，另外部分的各個(gè)棒狀石英結(jié)構(gòu)的下端面之間各具有不同的高度，且都高于上述的最低高度。

在底部石英部件21的安裝、調(diào)試、測(cè)試過程中，可以手持環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈，避免直接接觸強(qiáng)度較弱的棒狀石英結(jié)構(gòu)，造成棒狀石英結(jié)構(gòu)的損傷。底部石英部件底面上的石英微共振腔陣列與晶圓表面方向垂直，棒狀石英結(jié)構(gòu)的尺寸可為直徑在0.5-5mm之間，長(zhǎng)度在2mm以上，可根據(jù)超聲波/兆聲波工作頻率的不同進(jìn)行相應(yīng)配置。棒狀石英結(jié)構(gòu)的數(shù)量和分布密度也可以根據(jù)實(shí)際需要和加工能力進(jìn)行相應(yīng)的配置。

請(qǐng)繼續(xù)參閱圖1。所述超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)可選用基于壓電材料的超聲波/兆聲波發(fā)生器。在本實(shí)施例中，所述超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)可包括上下緊貼連接的壓電材料14和耦合層13。耦合層可采用金屬制作。所述耦合層13的下部緊密貼合環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈11的上部。為保證連接效果和對(duì)中性，所述耦合層13的下部與環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈11的上部之間可采用圖示的槽形連接方式。所述耦合層13的側(cè)部、壓電材料14的側(cè)部和頂部與密封腔的內(nèi)壁之間具有一定的間隙，以利于進(jìn)行氣體冷卻。

在上殼體19頂部與壓電材料14之間依次裝有若干壓緊彈簧18和壓緊彈簧導(dǎo)向柱15，在壓緊彈簧導(dǎo)向柱15的導(dǎo)向作用下，壓緊彈簧18在豎直方向上處于壓緊狀態(tài)，并將壓電材料14、耦合層13向下壓，使之與下部的環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈11和裝置下殼體22之間沒有縫隙，便于超聲波/兆聲波能量的有效傳輸。

所述上殼體裝有壓電材料接線柱17，用于將外部電信號(hào)導(dǎo)入至壓電材料14，并通過連接耦合層接線柱形成回路，以產(chǎn)生超聲波/兆聲波振蕩能量。壓電材料14接收電信號(hào)以后產(chǎn)生高速的伸縮振動(dòng)，形成超聲波/兆聲波振蕩，并將振蕩能量向下傳導(dǎo)至耦合層13內(nèi)。

所述耦合層13為單一金屬或多種金屬制成，其厚度為壓電材料所產(chǎn)生的超聲波/兆聲波波長(zhǎng)的整數(shù)倍加1/4波長(zhǎng)。耦合層13可通過導(dǎo)電膠與壓電材料14粘合。壓電材料和耦合層表面可涂覆耐腐蝕涂層，防止清洗藥液對(duì)耦合層金屬和壓電材料產(chǎn)生腐蝕。

所述耦合層13與環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈11之間可通過導(dǎo)電膠、或者低熔點(diǎn)合金、或者硬度較軟的金或銀等金屬薄片連接，以保證二者之間沒有縫隙。

請(qǐng)參閱圖4，圖4是圖1裝置的外形結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，上殼體19設(shè)有冷卻氣體入口23和出口24，其連通由密封腔內(nèi)壁和超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)外壁組成的冷卻腔?？赏ㄟ^冷卻氣體入口23將冷卻氣體引入由裝置上殼體19、裝置下殼體22、耦合層13、以及底部石英部件21組成的裝置內(nèi)部空腔，完成與壓電材料14和耦合層13的熱量交換后，由冷卻氣體出口24排出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)的壓電材料和耦合層進(jìn)行有效冷卻。

請(qǐng)參閱圖5，圖5是本發(fā)明的裝置與噴淋臂的一種配合狀態(tài)示意圖。如圖5所示，可將本發(fā)明裝置的上殼體19通過固定支架26與噴淋臂25進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)噴淋臂帶動(dòng)圖形晶圓無損傷清洗裝置在晶圓表面作往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)進(jìn)行超聲波/兆聲波移動(dòng)清洗，并實(shí)現(xiàn)晶圓表面超聲波/兆聲波能量的均勻覆蓋。

本發(fā)明裝置可選擇性地去除部分超聲波/兆聲波能量，其工作原理可通過圖8來進(jìn)一步說明。如圖8所示，當(dāng)壓電材料14接收到電信號(hào)以后產(chǎn)生超聲波/兆聲波振蕩，超聲波/兆聲波能量通過耦合層13向下傳導(dǎo)至底部石英部件21上，并進(jìn)一步向下傳播至石英微共振腔陣列10上。超聲波/兆聲波能量在石英微共振腔內(nèi)部傳播時(shí)，傳播方向與晶圓表面垂直的超聲波/兆聲波能量B可以順利到達(dá)晶圓29表面的清洗藥液層28內(nèi)，帶動(dòng)清洗藥液振蕩，實(shí)現(xiàn)去除沾污物的目的。而傳播方向與晶圓表面不垂直的超聲波/兆聲波能量A會(huì)在石英微共振腔10的側(cè)壁上發(fā)生折射和反射，在這個(gè)過程中，一部分能量被消耗以熱能或其它形式釋放。經(jīng)過在石英微共振腔的側(cè)壁上的多次折射和反射后，傳播方向與晶圓表面不垂直的超聲波/兆聲波能量A逐漸被耗盡，實(shí)現(xiàn)只保留傳播方向與晶圓表面垂直的超聲波/兆聲波能量B的目的，從而可保證在超聲波/兆聲波清洗過程中，超聲波/兆聲波的能量不會(huì)造成圖形晶圓表面圖形結(jié)構(gòu)29’的損傷。

因此，從超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)的壓電材料傳導(dǎo)出的超聲波/兆聲波能量，經(jīng)石英微共振腔的選擇性去除后，通過沒入圖形晶圓上的清洗藥液中的棒狀石英結(jié)構(gòu)的下端，即可垂直傳導(dǎo)至圖形晶圓表面，從而在噴淋臂的帶動(dòng)下進(jìn)行超聲波/兆聲波移動(dòng)清洗。同時(shí)，在圖形晶圓旋轉(zhuǎn)過程中，通過具有不同高度下端面的各棒狀石英結(jié)構(gòu)，可以實(shí)時(shí)地改變裝置底面與晶圓表面之間的距離，使圖形晶圓表面任意位置的區(qū)域都經(jīng)過不同高度石英微共振腔陣列的清洗，并可以使圖形晶圓表面的超聲波/兆聲波能量均勻分布，實(shí)現(xiàn)在一定的清洗時(shí)間內(nèi)，使整個(gè)圖形晶圓范圍內(nèi)的任意區(qū)域都得到均勻清洗的效果。

與上述圖形晶圓無損傷清洗裝置相應(yīng)的工藝方法如下：

首先連接超聲波/兆聲波信號(hào)發(fā)生器，功率放大器，阻抗匹配器等外部電路和該圖形晶圓無損傷清洗裝置，設(shè)定超聲波/兆聲波工作頻率和功率。

接著設(shè)定噴淋臂擺動(dòng)軌跡，清洗藥液流量、溫度，清洗藥液管路位置，清洗時(shí)間，冷卻氣流量，以及該清洗裝置與晶圓的間隙等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)超聲波/兆聲波能量在晶圓表面的均勻覆蓋。

然后運(yùn)行清洗菜單，壓電材料接收到電信號(hào)以后，發(fā)生高頻伸縮形變，形成超聲波/兆聲波振蕩；該振蕩能量向下經(jīng)由耦合層傳導(dǎo)至裝置底部石英部件內(nèi)部；超聲波/兆聲波能量經(jīng)由石英微共振腔傳播以后，只保留了傳播方向與晶圓表面垂直的超聲波/兆聲波能量，并進(jìn)一步向下傳導(dǎo)至清洗藥液層內(nèi)。

此時(shí)，在清洗藥液中只存在傳播方向與晶圓表面垂直，也即與晶圓表面圖形縱向方向平行的振動(dòng)能量。該能量帶動(dòng)清洗藥液振動(dòng)，加快晶圓表面圖形之間的沾污物脫離晶圓表面以及向外質(zhì)量傳遞的過程，提高晶圓表面沾污物的去除效率，縮短清洗工藝時(shí)間。同時(shí)，經(jīng)過裝置底部石英部件上石英微共振腔陣列的傳播以后，傳播方向與晶圓表面不垂直的超聲波/兆聲波能量被去除。因此，在清洗藥液層內(nèi)不存在對(duì)于晶圓表面圖形結(jié)構(gòu)的橫向剪切力，可有效地保護(hù)圖形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)圖形晶圓的無損傷清洗。

請(qǐng)參閱圖6和圖7，圖6是本發(fā)明的裝置與噴淋臂的另一種配合狀態(tài)示意圖，圖7是圖6的一種局部放大狀態(tài)示意圖。如圖6和圖7所示，為了解決上述提到的聲波能量非均勻分布的問題，另外一種解決方法是在裝置上殼體19的頂部安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)27，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接所述裝置的上殼體19，另一端可通過固定支架26連接噴淋臂25。在清洗工藝過程中，利用旋轉(zhuǎn)電機(jī)可帶動(dòng)整個(gè)清洗裝置在晶圓表面作水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。還可將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸偏心連接在裝置上殼體的頂部，以增大裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)(擺動(dòng))幅度。同時(shí)，使石英微共振腔陣列具有不同的高度(即各棒狀石英結(jié)構(gòu)具有不同的高度)，通過裝置自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可使得裝置底面與晶圓表面的高度呈動(dòng)態(tài)變化。在一定的清洗時(shí)間內(nèi)，達(dá)到整個(gè)晶圓范圍內(nèi)，聲波能量均勻分布的效果。

目前的單片清洗設(shè)備主要是通過在高速旋轉(zhuǎn)的晶圓(wafer)表面上噴射清洗液來達(dá)到清洗的目的。在清洗過程中，晶圓受到安裝在圓形卡盤主體上的多個(gè)夾持部件夾持，夾持部件夾持著晶圓以進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。同時(shí),在晶圓的上方,清洗設(shè)備還設(shè)有噴射臂,可通過噴射臂向晶圓表面噴射清洗介質(zhì)。

在化學(xué)藥液和超純水清洗過程中，晶圓表面材料更容易受到損傷或發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)。例如，在DHF清洗工藝中，先通過噴射臂向晶圓表面噴射DHF，將晶圓表面的自然氧化層完全腐蝕掉；然后噴射超純水對(duì)晶圓表面進(jìn)行沖洗，將晶圓表面的殘留藥液和反應(yīng)產(chǎn)物沖掉；最后，再通過噴射N₂對(duì)晶圓表面進(jìn)行干燥完成整個(gè)工藝過程。在這個(gè)過程中，晶圓表面的裸硅材料與工藝腔室中的氧氣非常容易發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化硅，導(dǎo)致晶圓表面材料發(fā)生變化，對(duì)后續(xù)的工藝造成影響。因此，需要在工藝過程中，對(duì)整個(gè)腔室中的氧氣含量進(jìn)行控制。

另一方面，在晶圓N₂干燥過程中，如果工藝控制得不好，會(huì)在晶圓表面出現(xiàn)Watermark(水痕)缺陷。Watermark形成的主要機(jī)理是在N₂干燥過程中，因干燥不完全而殘余在晶圓表面的水中融入了與氧反應(yīng)而生成的SiO₂，并進(jìn)一步形成H₂SiO₃或HSiO₃-的沉淀。當(dāng)晶圓表面的水揮發(fā)后，這些沉淀即形成平坦?fàn)畹乃邸４送?，在上述清洗過程中，還經(jīng)常出現(xiàn)晶圓邊緣棱上有液滴未干燥徹底的現(xiàn)象，這對(duì)于晶圓清洗質(zhì)量也造成了一定的影響。因此，需要對(duì)干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)整個(gè)晶圓范圍的完全干燥。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)點(diǎn)是在圖形晶圓無損傷清洗的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)氣體保護(hù)的功能。在工藝過程中，利用保護(hù)氣體在晶圓上方形成一個(gè)氣體保護(hù)層，保護(hù)氣體可以是氮?dú)饣蛘邭鍤獾榷栊詺怏w。這樣的優(yōu)點(diǎn)是：(1)在工藝過程中，使晶圓與氧氣隔絕，防止晶圓表面硅材料被氧化；(2)在干燥過程中，由于晶圓全部處于保護(hù)氣體的覆蓋下，當(dāng)晶圓高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以更好的實(shí)現(xiàn)整個(gè)晶圓范圍的干燥，防止水痕缺陷的產(chǎn)生，也可以更好的實(shí)現(xiàn)晶圓邊緣的干燥。

氣體保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)可以采取以下兩種不同的方式。

請(qǐng)參閱圖9和圖10，圖9是本發(fā)明一實(shí)施例中的一種具有氣體保護(hù)作用的提高清洗均勻度的圖形晶圓無損傷清洗裝置的結(jié)構(gòu)剖視圖；圖10是圖9的外形結(jié)構(gòu)示意圖。如圖9和圖10所示，可采用圖形晶圓無損傷清洗裝置的冷卻氣體作為保護(hù)氣體。在裝置上殼體19設(shè)有冷卻氣體入口23，作為冷卻氣體和保護(hù)氣體的共同入口；在下殼體22的側(cè)壁靠近底面處，加工一圈環(huán)形下傾的狹縫，或者也可以是一圈氣孔，作為冷卻氣體和保護(hù)氣體的共同出口24’。冷卻氣體由氣體入口23進(jìn)入圖形晶圓無損傷清洗裝置內(nèi)部，即由密封腔內(nèi)壁和超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)外壁組成的冷卻腔，完成對(duì)壓電材料和耦合層的冷卻后，從一圈氣體出口24’噴出，同時(shí)在晶圓表面形成一個(gè)氣體保護(hù)層，控制清洗工藝過程中腔室內(nèi)的氧氣含量，防止晶圓與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)。在干燥工藝時(shí)，冷卻氣體保持打開，起到噴射保護(hù)氣體實(shí)現(xiàn)晶圓表面干燥的目的，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)單獨(dú)的噴射干燥氣體的噴射臂，使清洗設(shè)備腔室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化。干燥時(shí)，具有氣體保護(hù)的圖形晶圓無損傷清洗裝置可以固定在晶圓中心噴射，也可以在噴淋臂的帶動(dòng)下在晶圓表面沿圓弧擺動(dòng)噴射。

請(qǐng)參閱圖11和圖12，圖11是本發(fā)明另一實(shí)施例中的一種具有氣體保護(hù)作用的提高清洗均勻度的圖形晶圓無損傷清洗裝置的結(jié)構(gòu)剖視圖；圖12是圖11的外形結(jié)構(gòu)示意圖。如圖11和圖12所示，氣體保護(hù)功能的另一種實(shí)現(xiàn)方式，是采用單獨(dú)的一個(gè)保護(hù)氣體入口30通入保護(hù)氣體。同樣，在裝置下殼體的側(cè)壁靠近底面的位置加工一個(gè)環(huán)形下傾的狹縫或者是一圈氣孔，作為保護(hù)氣體的出口31。通過保護(hù)氣體入口30通入保護(hù)氣體，并由保護(hù)氣體出口31噴出，即可在晶圓表面形成一個(gè)氣體保護(hù)層，從而控制腔室中的氧氣含量，并在干燥工藝時(shí)，更好地實(shí)現(xiàn)晶圓表面的整體干燥。

圍繞石英微共振腔陣列設(shè)置的環(huán)形石英微共振腔保護(hù)圈的作用是在底部石英部件的安裝、調(diào)試、測(cè)試過程中，可以手持環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈，避免直接接觸強(qiáng)度較弱的棒狀石英結(jié)構(gòu)，造成棒狀石英結(jié)構(gòu)的損傷。同時(shí)，石英微共振腔保護(hù)圈還需保證清洗藥液能夠自由進(jìn)出，并充滿石英微共振腔陣列與晶圓表面之間的空隙，使超聲波/兆聲波能量能夠有效地傳遞至晶圓表面的清洗藥液薄層內(nèi)。

當(dāng)石英微共振腔保護(hù)圈的高度與石英微共振腔陣列的高度一致時(shí)，在圖形晶圓無損傷清洗裝置工作時(shí)，裝置距離晶圓表面有一定的距離，清洗藥液可以進(jìn)入到石英微共振腔和晶圓表面的間隙內(nèi)。但是由于液體表面張力的作用，清洗藥液的置換效果會(huì)比較差，影響新、舊藥液的交換過程，導(dǎo)致清洗效果較差。

作為進(jìn)一步優(yōu)化的方案可以有多種，例如，如圖2-圖3所示，可以使石英微共振腔保護(hù)圈11的下端面高度略小于石英微共振腔陣列10的下端面高度，以便于清洗藥液進(jìn)出石英微共振腔陣列與晶圓表面之間的間隙。但這種優(yōu)化方案中，石英微共振腔陣列的底面低于石英微共振腔保護(hù)圈的底面，對(duì)于石英微共振腔的保護(hù)效果較差。

因此，可以進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，例如使石英微共振腔保護(hù)圈的高度與石英微共振腔陣列的高度一致，但是在保護(hù)圈的凹槽側(cè)壁上開有特定形狀的開孔，使清洗藥液可以自由進(jìn)出石英微共振腔陣列和晶圓表面之間的間隙。一些實(shí)施例包括：如圖13所示，在石英微共振腔保護(hù)圈11的凹槽側(cè)壁上開有長(zhǎng)方形的開孔11’；或者可以將長(zhǎng)方形開孔采用拱形開孔以及其他形式的門狀或窗狀開孔進(jìn)行替代。

作為其他的改進(jìn)點(diǎn)，石英微共振腔陣列中棒狀石英結(jié)構(gòu)的形狀可包括圓形以及其它的一些形狀，例如三角形，五邊形，長(zhǎng)方形等實(shí)心棒結(jié)構(gòu)。同時(shí)，各棒狀石英結(jié)構(gòu)的排列可以按照一定的規(guī)則分布，也可以完全隨機(jī)分布，以防止裝置隨噴淋臂擺動(dòng)時(shí)在特定區(qū)域形成能量較高的區(qū)域，使超聲波/兆聲波的能量分布更加的均勻。例如，如圖14所示，其為本發(fā)明一實(shí)施例中石英微共振腔陣列10具有規(guī)則分布的三角形棒狀石英結(jié)構(gòu)的底部石英部件示意圖。再如圖15所示，其為本發(fā)明一實(shí)施例中石英微共振腔陣列10具有隨機(jī)分布排列的長(zhǎng)方形棒狀石英結(jié)構(gòu)的底部石英部件示意圖。

作為另外的改進(jìn)點(diǎn)，為提高圖形晶圓無損傷清洗裝置的清洗效率，可對(duì)清洗裝置形狀進(jìn)行優(yōu)化，即對(duì)石英微共振腔陣列的整體外形進(jìn)行優(yōu)化，以提高清洗裝置的覆蓋面積。例如，裝置的水平輪廓可以設(shè)計(jì)成為扇形、三角形、五邊形或者是長(zhǎng)條(方)形，即使得石英微共振腔陣列的下端面輪廓形成扇形、三角形、五邊形或者是長(zhǎng)條(方)形。例如，如圖16所示，其為本發(fā)明一實(shí)施例中具有扇形外形石英微共振腔陣列10的圖形晶圓無損傷清洗裝置示意圖，該裝置中可具有扇形的壓電材料、耦合層和底部石英部件，上下殼體可通過上下殼體固定孔32進(jìn)行裝配。此裝置結(jié)構(gòu)可以覆蓋從晶圓圓心到晶圓邊緣的一個(gè)扇形區(qū)域，保證該區(qū)域內(nèi)的晶圓表面可以同時(shí)得到清洗，以此來提高清洗效率，改善清洗均勻性。又如圖17所示，其為本發(fā)明一實(shí)施例中具有長(zhǎng)條(方)形外形石英微共振腔陣列10的圖形晶圓無損傷清洗裝置示意圖，該裝置中可具有長(zhǎng)條形的壓電材料、耦合層和底部石英部件，從而可以覆蓋從晶圓圓心到晶圓邊緣的一個(gè)長(zhǎng)條形區(qū)域。

綜上所述，本發(fā)明通過在圖形晶圓無損傷清洗裝置的中空殼體內(nèi)設(shè)置基于壓電材料的超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生超聲振蕩，并通過超聲波/兆聲波發(fā)生機(jī)構(gòu)下方連接的沒入晶圓上清洗藥液中的石英微共振腔陣列，將傳播方向與晶圓表面不垂直的超聲波/兆聲波能量進(jìn)行選擇性去除，使超聲波/兆聲波能量垂直傳導(dǎo)至晶圓，保證了在超聲波/兆聲波清洗過程中，超聲波/兆聲波的能量不會(huì)造成圖形晶圓表面圖形的損傷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形晶圓的無損傷超聲波/兆聲波移動(dòng)清洗。同時(shí)，在圖形晶圓旋轉(zhuǎn)過程中，通過具有不同高度下端面的各棒狀石英結(jié)構(gòu)，使圖形晶圓表面任意位置的區(qū)域都經(jīng)過不同高度石英微共振腔陣列的清洗，以使圖形晶圓表面的超聲波/兆聲波能量均勻分布，實(shí)現(xiàn)在一定的清洗時(shí)間內(nèi)，使整個(gè)圖形晶圓范圍內(nèi)的任意區(qū)域都得到均勻的清洗。

本發(fā)明的上述提高清洗均勻度的圖形晶圓無損傷清洗裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)通過合理設(shè)計(jì)底部石英部件的石英微共振腔陣列結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)去除其它方向上的超聲波/兆聲波能量，只保留傳播方向與待清洗晶圓表面垂直的超聲波/兆聲波能量的目的，保證在超聲波/兆聲波清洗過程中，超聲波/兆聲波的能量不會(huì)造成圖形晶圓表面圖形的損傷；

2)通過設(shè)置具有不同高度下端面的各棒狀石英結(jié)構(gòu)，可在晶圓旋轉(zhuǎn)清洗過程中，以及通過裝置自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使裝置底面與晶圓表面的高度動(dòng)態(tài)變化，實(shí)時(shí)地改變裝置底面與晶圓表面之間的距離，使圖形晶圓表面任意位置的區(qū)域都經(jīng)過不同高度石英微共振腔陣列的清洗，并可以使圖形晶圓表面的超聲波/兆聲波能量均勻分布，實(shí)現(xiàn)在一定的清洗時(shí)間內(nèi)，使整個(gè)圖形晶圓范圍內(nèi)的任意區(qū)域都得到均勻清洗的效果；

3)石英微共振腔陣列棒狀石英結(jié)構(gòu)的形狀可包括圓形以及其它的一些形狀,例如三角形，五邊形，長(zhǎng)方形等；同時(shí)，各棒狀石英結(jié)構(gòu)的排列可以按照一定的規(guī)則分布，也可以完全隨機(jī)分布，以防止裝置隨噴淋臂擺動(dòng)時(shí)在特定區(qū)域形成能量較高的區(qū)域，使超聲波/兆聲波的能量分布更加的均勻；

4)在環(huán)狀石英微共振腔保護(hù)圈上開有開孔，可使清洗藥液自由進(jìn)出石英微共振腔陣列與圖形晶圓表面之間的間隙，以消除晶圓表面清洗藥液的表面張力作用，改善清洗藥液的置換效果，加快新、舊藥液的交換過程，提高清洗的效果；

5)裝置可以設(shè)計(jì)成為扇形、三角形，五邊形或者是長(zhǎng)條形，可提高裝置的覆蓋面積，從而可以提高裝置的清洗效率；

6)在清洗工藝過程中，利用保護(hù)氣體在晶圓上方形成一個(gè)氣體保護(hù)層，可使晶圓與氧氣隔絕，防止晶圓表面硅材料被氧化；在干燥過程中，由于晶圓全部處于保護(hù)氣體的覆蓋下，當(dāng)晶圓高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以更好地實(shí)現(xiàn)整個(gè)晶圓范圍的干燥，防止水痕缺陷的產(chǎn)生，也可以更好地實(shí)現(xiàn)晶圓邊緣的干燥。

以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。