超聲清洗方法和裝置的製作方法
2023-04-26 11:08:56 1
專利名稱:超聲清洗方法和裝置的製作方法
本發明是指一種用超聲波能量清洗物件表面的經過改進的方法和裝置，而更詳細地說，是用於清洗已有圖案和未有圖案的半導體圓片的表面，為隨後的製造半導體器件工序作準備。
用超聲波液槽清洗半導體圓片的原理已被廣泛地發展到帶有許多權利要求
的成功申請。可是，這些清洗液槽的實際申請已經缺乏前景。許多專利已經公布了改變用超聲波液槽的超聲波清洗半導體圓片的原理，其中要被清洗的圓片浸在一種溶劑中，並且受到超聲波振動，以清除具有小至亞微米級大小的粒子。這些裝置中有許多利用了具有一個介於20千赫和100千赫之間的頻率的超聲波能量，而其餘的利用了具有一個介於0.2和5.0兆赫範圍內的頻率的高頻能量。可是，使用這些先有技術在超聲波清洗半導體圓片中的嘗試，已經發現或是不能從圓片表面清除微粒，或是微粒被清除後又重新沉積在圓片先前清洗過的部分，或是由於受長時間的超聲波區的輻照使圓片出現損壞。無論那一樣情況，結果都不足以完全清洗圓片。
隨著半導體技術的進步，越來越多複雜的器件正被引入半導體晶片，導致每個晶片越來越高的價值。而且由於亞微米大小的微粒能有害地影響器件內亞微米尺寸的元件，由於器件尺寸的不斷減小已經導致對清潔度提出越來越高的要求。這些因素全都被含有越來越多單獨的晶片的較大圓片尺寸的工業用途而混合在一起。因而，對於半導體製造廠而言每塊圓片的最終清潔度承擔了愈加重要的經濟意義。
利用0.2至5.0兆赫範圍內的甚高頻超聲波清洗器已被公開，例如美國專利號3,893,869和4,326,553，並且這些清洗器已被發展到用於清除亞微米尺寸範圍內的微粒。但是，已經發現，當晶片被具有各種尺寸的微粒汙染時，這些設備是不起作用的。這顯然是由於使用的甚高頻超聲波振動不能清除較大微粒，以及也由於較大微粒使較小微粒受不到超聲波清洗的作用所引起的，從而使圓片表面仍然被大小微粒所汙染。
利用20千赫至100千赫範圍內頻率的超聲波清洗裝置的例子以美國專利Nos.4,178,188和4,401,131作為代表，這些裝置利用液槽內的超聲波能量，以產生用來清洗放置在其內的半導體圓片的成穴。可是這些裝置利用有限的功率量，例如4,401,131號專利公開了在一個100毫米直徑的圓片的清洗裝置中只供給了400瓦的功率。形成稍微高於30瓦/英寸2的功率密度。而4,178,188號專利並不說明功率或功率密度，這正表明希望將需用功率減至最小。此外，液槽內流體的流動在這些裝置中未受控制。結果，已發現使用這類裝置清洗圓片的努力或是由於功率不足而不能徹底地從圓片表面清除所有的微粒，或是清洗過的表面又被已清除的而沒有完全被液槽衝走的微粒重新汙染，這些微粒又重新沉積在圓片表面上。
到現在為止，認為在液態媒質中使用高功率的超聲波換能器所造成的問題與它們所解決的問題一樣多，相信高成穴功率會將喇叭形輻射體和圓片加熱到不希望有的溫度，在這些溫度中它們易被損壞，相信提高的功率會增加圓片表面重新汙染的程度。而且，據報導，為了用先有技術的裝置清除微粒，由於延長圓片在液槽內受超聲波能量的輻照的時間，而對圓片表面上敏感的半導體器件造成損壞。
因此，本發明提供了一種超聲波液槽，在這種液槽中可以產生足夠的功率，以徹底地清洗圓片表面，而沒有過熱或損壞圓片或換能器喇叭形輻射體的問題，也不會機械地損壞圓片表面或配置在其上的線路，以及沒有被排入槽內液體中的微粒重新汙染表面的問題。
根據本發明的一個方面，提供一種方法和裝置用以在一液槽內清洗諸如半導體圓片的工件。液槽包括用以把工件放置在液槽內第一位置支承裝置上的工序的裝置，從而使工件的至少一個表面受到輻照。配置有用以將一種液態媒質例如超高純水供給液槽的裝置，以及一個配置在媒質內第二位置上的電聲換能器。配置有以頻率大約20千赫至90千赫範圍內的電力能源給換能器供能以產生超聲波能量的裝置，超聲波能量從換能器發射以在液槽內形成一密集的、界限分明的強成穴區。配置有用以形成工件和換能器之間的相對運動，從而使受輻照表面穿過強成穴區的裝置。還配置有用以使液態媒質沿著與換能器相對於工件移動相同的方向流過換能器和工件。
根據本發明的另一個方面，提供了一種方法和裝置，用以在液槽內清洗半導體圓片，其中把半導體圓片放置在液槽內的第一位置的支承裝置上，圓片至少有一個表面朝向能源。將一定量的超高純水(以及或許其它化學品)供給液槽，以及將一個電聲換能器配置在液槽內的第二位置上，其輻射面安裝成和圓片表面成大約10°角，而且面向第一位置。配置有一個向換能器供應能量的裝置以大約20千赫的頻率提供換能器輻射面100瓦/英寸2輸出功率的能源以產生超聲波能量，將超聲波能量發射出去作為液槽內的一個密集的、界限分明的強成穴區。使圓片從第一位置沿第一方向移過換能器，受輻照的表面在強成穴區內以3/8英寸的一段距離朝向換能器的輻射面。配置有用以使無湍流的高超純水沿著和圓片移過換能器相反的方向流過換能器和圓片。
參考附圖，用以實踐本發明的各種裝置及其餘的特性和優點從說明本發明最佳實施例的以下詳盡的描述就會顯而易見。
圖1是用以實現根據本發明的超聲波清洗物件的方法的裝置的一個剖視圖；圖2是局部剖切的清洗裝置的透視圖，以及圖3是本發明另一個實施例的一個剖視圖。
現在參考圖1和圖2，圖中被說明的用以清洗半導體圓片的裝置包括一個配置成含有一液槽的通常敞開的容器10，液槽具有一液位線12，在其相對的端部有一液體入口14和一液體出口16。在液槽內基本上位於入口和出口之間的中間配置了一個具有輻射面34的超聲波換能器。電聲換能器利用一輻射體傳送一種超聲波振蕩，輻射體再在容器10所含有的液槽內以超聲波方式發出一種密集的界限分明強的成穴區36。液槽容器10的寬度比計劃在其內所用的半導體圓片最大的直徑稍大。液槽的長度至少是最大圓片直徑的兩倍。液槽的入口端配置有一個液流擴散器20，使之在整個液槽中通過入口14引入的流體通常產生無湍流的液流。槽的出口端配置有一個液位控制擋板22，該擋板22起著確定和控制液位的作用。擋板的底部配置有洩漏孔37，以排出液態媒質和沉澱顆粒。
一工件傳送裝置24配置有一對動臂26，動臂26藉助銷釘28，可移動地夾持一工件30，在最佳的實施例中，工件30是一塊半導體圓片，利用該圓片可以製成多個半導體晶片。最好在工件邊緣夾持工件，使兩個表面易與液槽流體接觸以及使表面上產生的顆粒減至最少。在用的實施例中，工件30的上表面定為通過超聲波換能器18的作用而被處理的主表面，但是實際上當圓片通過喇叭形輻射體的作用區時，兩個表面都會受到清洗處理。除了臂26移動用來夾持半導體圓片30外，工件傳送裝置24還被配置成垂直移動，以接收來自液槽上方的圓片輸送器的圓片，並且將圓片下降到液槽液面以下；工件傳送裝置還被配置成循著液槽長度的橫向運動，從圖1和圖2中以實線表示的第一個的入口位置沿第一方向將圓片傳送到位於第二位置的換能器輻射面的正下方，然後傳送到圖1中以虛線表示的液槽相對端的第三個的出口位置。工件傳送裝置可以向圓片提供1至3英寸/秒範圍的傳送速度。到時使工件傳送裝置從槽中升起清洗過的圓片，並且將它釋放以輸送到其它的操作臺。然後放下支承裝置以通過喇叭形輻射體，並返回到第一位置，以接受下一塊圓片。換能器的右側有一塊壁38，壁38的末端差不多到液面，配置壁38以說明液槽的出口端最好被安置在清潔室的環境中，以將圓片的重新汙染減至最低，而對於裝置的入口端，那是並非必須這樣的。
如圖1和圖2中所說明的，電聲換能器的輻射面34安置成與工件30的表面成一個0到45°之間的角，並且面向圓片地被裝入液槽的第一位置。換能器關於圓片表面形成角度已經被發現具有若干優點成穴區的能量推動移離圓片表面的微粒沿液流流過圓片的方向越過圓片；並且當圓片移過成角度的輻射面時，圓片容易受成穴區變化強度的影響。電聲換能器18被安置在這樣的位置使得以大約20千赫至90千赫範圍的頻率給喇叭形輻射體的輻射面提供大約70至大約120瓦/平方英寸的輸出功率，將超聲波能量射入液槽，以在其內形成一密集的界限分界的強成穴區36。調整換能器和喇叭形輻射體，使得它能夠相對於液槽內液位和圓片可調地安置。這種調整足以在喇叭形輻射體34的輻射面和圓片30頂面之間提供大約1/8至3/4英寸的距離範圍。
儘管可以給液槽提供令人滿意地用於清洗工件，例如半導體圓片的任何液態媒質或液態媒質的組合已經發現，但利用超高純的水具有優於其它種類液體之處。(如本技術中所熟知，超高純的水是用來表示經過過濾和除去離子的具有至少18兆歐的電阻率的水。)首先，超高純的水對於半導體圓片上的大多數汙染物起著一種極好的溶劑作用。其次，超高純的水具有留下較少沉澱物的附加優點，這種沉澱物本身也會汙染半導體晶片表面。如以上所提到的，流體穿過入口14而被引入，並且通過一擴散器20，提供從入口14到出口16一均勻的、層流的因而是無湍流的液流，沿著和圓片移過喇叭形輻射體的方向相反的方向流過圓片和電聲換能器喇叭形輻射器。液體以1至3加侖/分的流量供給液槽，以提供一個1至3英寸/秒的流速流過超聲波的喇叭形輻射體。使液槽具有從入口擴散器20至剛好超出超聲波喇叭形輻射器18的通常固定不變的深度，然後，深度朝著出口16逐漸增加。從喇叭形輻射器位置周圍增加深度的目的是要保證液體流過喇叭形輻射器時，其流速減少，以便移離工件30表面的較大的汙染物可以沉澱在液槽內，而不會受到攪動，因攪動會使汙染物可能再沉積到已被清洗過的工件表面部分上去。
根據本發明的最佳實施例，一塊半導體圓片被輸給工件傳送裝置24，當時工件傳送裝置24被升起高出液槽，處在第一位置上(圖中左側)，並且給液槽提供通常沿箭頭19指明的方向從入口到出口大約1英寸/秒的超高純水的流速。電聲換能器用一能源供給能量，以大約20千赫的頻率提供喇叭形輻射體輻射表面大約100瓦/英寸2的輸出功率，將超聲波能量射入液槽，以形成液槽內的一個密集的、界限分明的強成穴區。最好換能器裝置的輻射面配置成和圓片表面成一個大約10°的角，並且面向第一位置。工件傳送裝置於是降低圓片，放入液槽，然後帶著圓片沿箭頭21指明的方向移動，以通常以40表示的第一位置，向著並通過處在第二位置42的超聲波換能器的輻射表面而到達第三個的出口位置。最好使圓片以離開超聲波換能器表面大約3/8英寸的間距配置，以使液槽內的成穴能除去分布在圓片上的任何外來微粒，這些微粒由液體向著液槽出口衝走。
圖3說明另一個實施例，其中相同的器件被提供帶有首標「1」的相同的參考數字。在這個實施例中，使液槽形成從流體入口端到流體出口端基本上相同的深度。在這個實施例中，還使超聲波換能器直立地配置。對於這種布置，顆粒沉澱在液槽內的可能性較低，使得槽內可以較少地累積粒子。
在其餘的實施例中(無附圖)圓片可以在液槽內保持靜止不動，而使換能器移過圓片。這樣一種布置由於圓片不必移動而可以利用一種較短的液槽，但可能使清洗過的晶片表面出現重新汙染的較大風險。在這樣一種布置中，液態媒質會沿著和換能器關於圓片表面相對移動同樣的方向流動。
已經發現超聲波喇叭形輻射器的成穴作用形成微小的汽泡，汽泡破裂時，產生高達200,000磅/英寸2的局部壓力。這些壓力釋放能量，以使微粒子從半導體表面除去。這種清除作用的效率是由能級(輻射表面的瓦/英寸2)和輻照時間控制的，輻射時間由圓片速度所決定。同樣要體會到，液態媒質經過換能器和移動著的工件的流動，其作用是沿順流方向從已被清洗的工件部分衝走移離的任何粒子，且只流過還要被清洗的工件表面。因此，已被除去的微粒很少有機會重新汙染工件的已被清洗部分。液體均勻的無湍流的流通也有助於這種作用。這種液流使任何已被帶走的微粒逆流輸送並重新沉積在工件已被清洗部分上的可能性減至最低。而且要留意，流過換能器和工件的液流防止產生熱量，其它方法在用本發明的高功率值下則會產生熱量。
利用本發明的方法和裝置，可以清洗高達每小時160塊圓片。利用本發明可能達到的清潔度是每平方釐米只有0.05個等於或大於0.2微米的微粒。此外，在清洗工件前無需給液體去氣，而液槽的連續流動也防止在槽中積累汙染物。
權利要求
1.在一液槽內清洗一工件的方法，其特徵在於它包括這些工序將一工件放置在上述液槽內第一位置的一支承裝置上，從而使該工件至少一個表面受到輻照；將一定量的一種液態媒質供給上述液槽；將一個電聲換能器配置在上述液槽內的第二位置上；以頻率大約為20千赫至90千赫範圍內的能源將能量供給上述換能器，以便產生的超聲能量以密集的，界限分明的成穴區形式射入上述液槽；產生上述換能器和上述工件之間的相對移動，從而使上述工件穿過上述強成穴區；以及使流經上述工件的上述液態媒質沿著和換能器相對於工件移動相同的方向移動，從而使從上述工件表面除去的粒子沿上述液態媒質流過工件的方向移過工件。
2.根據權利要求
1的發明，其特徵在於上述換能器是固定的，而工件移過該換能器。
3.根據權利要求
1的發明，其特徵在於上述工件是固定的，而換能器移過該工件。
4.根據權利要求
1的發明，其特徵在於包括將超高純水供給上述液槽的工序。
5.根據權利要求
1的發明，其特徵在於該能源以70至120瓦/英寸2的功率密度提供給上述換能器的輻射面。
6.根據權利要求
1的發明，其特徵在於包括使上述工件的上述一個表面以大約1/8英寸至3/4英寸的一段距離且在上述強成穴區內移過上述換能器的輻射面的工序。
7.在一液槽內清洗半導體圓片的方法，其特徵在於包括這些工序將一半導體圓片放置在第一位置的支承裝置上，從而使該圓片至少一個表面受到輻照；將圓片浸入上述液槽內；將一定量的超高純水供給上述液槽；將一個電聲換能器配置在上述液槽內的第二位置上；用一個頻率大約為20千赫至90千赫範圍內的能源將能量供給上述換能器以給上述換能器輻射面提供70至100瓦/英寸2的功率密度其產生的超聲波能量以一密集的界限分明的強成穴區的形式射入上述液槽內；產生上述換能器和上述圓片之間的相對移動，從而使上述圓片以離開上述輻射面大約1/8英寸至3/4英寸的一段距離穿過上述強成穴區；使流經上述圓片的上述超高純水沿著與該換能器相對於該圓片移動的相同的方向流動，從而使從上述圓片的表面除去的粒子沿著液態媒質流過圓片的方向移過圓片；以及將上述圓從上述液槽移走。
8.在一液槽內清洗半導體圓片的方法，其特徵在於包括這些工序將一半導體圓片放置在第一位置的支承裝置上，從而使圓片的至少一個表面受到輻照；將圓片浸入上述液槽；將一定量的超高純水供給上述液槽；將一個電聲換能器配置在上述液槽內的第二位置上，其輻射面被配置成與上述圓片的表面成一角度，並朝向第一位置；用一個頻率大約20千赫至90千赫的範圍內的能源將能量供給上述換能器以給上述換能器的輻射面提供70至120瓦/英寸2的功率密度，其產生的超聲波能量，用一密集的界限分明的強成穴區的形式射入上述液槽內；使上述圓片從上述第一位置沿第一方向移過上述換能器，上述一個表面以離開上述換能器輻射面大約1/8英寸至大約3/4英寸的一段距離且在上述強成穴區內朝向上述輻射面；使上述無湍流的超高純水沿著與上述圓片移過上述換能器相反的方向流過上述換能器和上述圓片；以及將上述圓片從上述液槽移走。
9.在一液槽內清洗半導體圓片的方法，其特徵在於它包括這些工序將一半導體圓片放置在第一位置的一個支承裝置上，從而使該圓片的至少一個表面受到輻照；將該圓片浸入上述液槽內；將一定量的超高純水供給上述液槽；將一電聲換能器配置在上述液槽內的第二位置上，其輻射面被配置成與上述圓片表面成大約10°角，且朝向第一位置；用一個頻率大約為20千赫的頻率的能源將能量供給上述換能器，以給上述換能器的輻射面提供大約100瓦/英寸2以功率密度，其產生的超聲波能量以一密集的界限分明的強成穴區的形式射入到上述液槽內；使上述圓片從上述第一位置沿第一方向以從大約1英寸/秒至大約3英寸/秒的一個速度移過上述換能器，上述一表面以離開上述換能器輻射面大約3/8英寸的一段距離且在上述強成穴區內朝向上述輻射面；使上述無湍流的超高純水沿著與上述圓片移過上述換能器相反的方向流過上述換能器和上述圓片，然後當上述水流過上述換能器後，減少上述水的速度；以及將上述圓片從上述液槽移走。
10.用以在液槽內清洗一工件的裝置，其特徵在於包括一工件支承裝置；形成一液槽的裝置；用以將一工件放置在上述液槽內第一位置的上述支承裝置上，使該工件的至少一個表面受到輻照的裝置；用以將一種液態媒質供給上述液槽的裝置；被配置在上述液槽的第二位置上的電聲換能器裝置；用一個頻率大約為20千赫至90千赫範圍內的一能源將能量供給上述換能器的裝置，在上述液槽內以一密集的界限分明的強成穴區的形式將超聲波能量射入上述液槽；用以使上述支撐裝置和上述工件關於上述換能器相對移動的裝置，從而使上述一個表面穿過上述強成穴區；以及用以使上述液態媒質沿著與該換能器相對於該工件移動相同的方向流過上述工件。
11.根據權利要求
10的發明，其特徵在於上述工件是固定的，而使該換能器移過上述工件。
12.根據權利要求
10的發明，其特徵在於上述換能器是固定的，而使該工件移過上述換能器。
13.根據權利要求
10的發明，其特徵在於將超高純水供應給上述液槽。
14.根據權利要求
10的發明，其特徵在於上述能源提供給上述換能器的輻射面以70至120瓦/英寸2的來自上述換能器的一輸出功率。
15.根據權利要求
10的發明，其特徵在於包括用以使上述工件的上述一個表面以大約1/8英寸至大約3/4英寸的一段距離且在上述強成穴區內移過上述換能器的輻射面。
16.用以在一液槽內清洗一工件的裝置，其特徵在於包括用以形成一液槽的裝置；一工件支承裝置；用以將一工件放置在第一位置的上述支承裝置上，使該工件的至少一個表面受到輻照的裝置；用以將工件浸入上述液槽的裝置；用以將一定量超高純水供給上述液槽的裝置；被配置在上述液槽第二位置上的電聲換能器裝置；用一個頻率大約為20千赫至90千赫範圍內的能源將能量供給上述換能器，以向上述換能器輻射面提供70至120瓦/英寸2的來自上述換能器的一輸出功率，用以將超聲波能量射入上述液槽，以在液槽內形成一密集的界限分明的強成穴區的裝置；用以使上述支承裝置和上述工件從上述第一位置沿第一方向移過上述換能器，上述一個表面以離開上述換能器輻射表面大約1/8英寸至大約3/4的一段距離，且在上述強成穴區內朝向上述輻射面的裝置；用以使上述超高純水沿著與上述工件移過上述換能器相反的方向流過上述換能器和工件的裝置；以及用以將上述工件從上述液槽移走的裝置。
17.用以在液槽內清洗半導體圓片的裝置，其特徵在於包括用以形成一液槽的裝置；一圓片支承裝置；用以將一圓片放置在第一位置的上述支承裝置上，使該圓片的至少一個表面受到輻照的裝置；用以將圓片浸入上述液槽的裝置；用以將一定量超高純水供給上述液槽的裝置；配置在液槽內第二位置上的電聲換能器裝置，上述換能器裝置包括一個與上述圓片的表面成一角度配置的，且朝向第一位置的輻射面；用一個頻率大約為20千赫至90千赫範圍內的能源將能量供給上述換能器的裝置，以向上述換能器輻射面提供70至120瓦/英寸2的來自上述換能器的一輸出功率，以便將超聲波能量射入上述液槽以在液槽內形成一密集的界限分明的強成穴區；用以使上述支承裝置和上述圓片關於上述換能器相對移動的裝置，從而使上述一個表面以離開上述換能器輻射面大約1/8英寸至3/4英寸的一段距離，且在上述強成穴區內朝向上述輻射面；用以使上述無湍流超高純水沿著與上述換能器相對於上述圓片移動相同的方向流動的裝置；以及用以將上述圓片從上述液槽移走的裝置。
18.用以在一液槽內清洗半導體圓片的裝置，其特徵在於包括用以形成一液槽的裝置；一圓片支承裝置；用以將一圓片放置在第一位置的上述支承裝置上，使該圓片的至少一個表面受到輻照的裝置；用以將圓片浸入上述液槽的裝置；用以將一定量的超高純水供給上述液槽的裝置；配置在液槽內第二位置上的電聲換能器裝置，上述換能器裝置包括一個與上述圓片的表面成大約10°角配置，並朝向第一位置的輻射面；用一個頻率大約為20千赫的能源將能量提供給上述換能器的裝置，以向上述換能器的輻射面提供大約100瓦/英寸2的來自上述換能器的一輸出功率，以便將超聲波能量射入上述液槽，以在液槽內形成一密集的界限分明強成穴區；用以使上述支承裝置和上述圓片從上述第一位置沿第一方向移過上述換能器，上述一個表面以離開上述換能器的輻射面大約3/8英寸的一段距離，且在上述強成穴區內朝向上述輻射面；用以使上述無湍流超高純水沿著與上述圓片移過上述換能器相反的方向流過上述換能器和上述圓片的裝置；用以當上述水流過上述換能器時減低上述水的速度的裝置；以及用以將上述圓片從上述液槽移走的裝置。
專利摘要
用以在一液槽內清洗半導體圓片的一種方法和裝置，包括將一液態媒質例如超高純水供給液槽的裝置，以及一個配置在液槽內的電聲換能器。在以大約20千赫至90千赫範圍內的一個能源將能量供給換能器，以便在液槽內形成一密集的界限分明的強成穴區，使工件沿通過換能器的第一方向流過該強成穴區。超高純水沿著與工件移過換能器的相反的方向流過換能器和工件。
文檔編號B08B3/12GK87103659SQ87103659
公開日1987年11月25日 申請日期1987年5月16日
發明者查爾斯·裡德·懷特 申請人:伊斯曼柯達公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan