超声清洗方法和装置制作方法

查尔斯·里德·怀特

1987年11月25日

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超声 清洗 装置

的成功申请可是，这些清洗液槽的实际申请已经缺乏前景许多专利已经公布了改变用超声波液槽的超声波清洗半导体圆片的原理，其中要被清洗的圆片浸在一种溶剂中，并且受到超声波振动，以清除具有小至亚微米级大小的粒子这些装置中有许多利用了具有一个介于20千赫和100千赫之间的频率的超声波能量，而其余的利用了具有一个介于0.2和5.0兆赫范围内的频率的高频能量可是，使用这些先有技术在超声波清洗半导体圆片中的尝试，已经发现或是不能从圆片表面清除微粒，或是微粒被清除后又重新沉积在圆片先前清洗过的部分，或是由于受长时间的超声波区的辐照使圆片出现损坏无论那一样情况，结果都不足以完全清洗圆片随着半导体技术的进步，越来越多复杂的器件正被引入半导体芯片，导致每个芯片越来越高的价值而且由于亚微米大小的微粒能有害地影响器件内亚微米尺寸的元件，由于器件尺寸的不断减小已经导致对清洁度提出越来越高的要求这些因素全都被含有越来越多单独的芯片的较大圆片尺寸的工业用途而混合在一起因而，对于半导体制造厂而言每块圆片的最终清洁度承担了愈加重要的经济意义利用0.2至5.0兆赫范围内的甚高频超声波清洗器已被公开，例如美国专利号3,893,869和4,326,553，并且这些清洗器已被发展到用于清除亚微米尺寸范围内的微粒但是，已经发现，当晶片被具有各种尺寸的微粒污染时，这些设备是不起作用的这显然是由于使用的甚高频超声波振动不能清除较大微粒，以及也由于较大微粒使较小微粒受不到超声波清洗的作用所引起的，从而使圆片表面仍然被大小微粒所污染利用20千赫至100千赫范围内频率的超声波清洗装置的例子以美国专利Nos.4,178,188和4,401,131作为代表，这些装置利用液槽内的超声波能量，以产生用来清洗放置在其内的半导体圆片的成穴可是这些装置利用有限的功率量，例如4,401,131号专利公开了在一个100毫米直径的圆片的清洗装置中只供给了400瓦的功率形成稍微高于30瓦/英寸2的功率密度而4,178,188号专利并不说明功率或功率密度，这正表明希望将需用功率减至最小此外，液槽内流体的流动在这些装置中未受控制结果，已发现使用这类装置清洗圆片的努力或是由于功率不足而不能彻底地从圆片表面清除所有的微粒，或是清洗过的表面又被已清除的而没有完全被液槽冲走的微粒重新污染，这些微粒又重新沉积在圆片表面上到现在为止，认为在液态媒质中使用高功率的超声波换能器所造成的问题与它们所解决的问题一样多，相信高成穴功率会将喇叭形辐射体和圆片加热到不希望有的温度，在这些温度中它们易被损坏，相信提高的功率会增加圆片表面重新污染的程度而且，据报导，为了用先有技术的装置清除微粒，由于延长圆片在液槽内受超声波能量的辐照的时间，而对圆片表面上敏感的半导体器件造成损坏因此，本发明提供了一种超声波液槽，在这种液槽中可以产生足够的功率，以彻底地清洗圆片表面，而没有过热或损坏圆片或换能器喇叭形辐射体的问题，也不会机械地损坏圆片表面或配置在其上的线路，以及没有被排入槽内液体中的微粒重新污染表面的问题根据本发明的一个方面，提供一种方法和装置用以在一液槽内清洗诸如半导体圆片的工件液槽包括用以把工件放置在液槽内第一位置支承装置上的工序的装置，从而使工件的至少一个表面受到辐照配置有用以将一种液态媒质例如超高纯水供给液槽的装置，以及一个配置在媒质内第二位置上的电声换能器配置有以频率大约20千赫至90千赫范围内的电力能源给换能器供能以产生超声波能量的装置，超声波能量从换能器发射以在液槽内形成一密集的、界限分明的强成穴区配置有用以形成工件和换能器之间的相对运动，从而使受辐照表面穿过强成穴区的装置还配置有用以使液态媒质沿着与换能器相对于工件移动相同的方向流过换能器和工件根据本发明的另一个方面，提供了一种方法和装置，用以在液槽内清洗半导体圆片，其中把半导体圆片放置在液槽内的第一位置的支承装置上，圆片至少有一个表面朝向能源将一定量的超高纯水(以及或许其它化学品)供给液槽，以及将一个电声换能器配置在液槽内的第二位置上，其辐射面安装成和圆片表面成大约10°角，而且面向第一位置配置有一个向换能器供应能量的装置以大约20千赫的频率提供换能器辐射面100瓦/英寸2输出功率的能源以产生超声波能量，将超声波能量发射出去作为液槽内的一个密集的、界限分明的强成穴区使圆片从第一位置沿第一方向移过换能器，受辐照的表面在强成穴区内以3/8英寸的一段距离朝向换能器的辐射面配置有用以使无湍流的高超纯水沿着和圆片移过换能器相反的方向流过换能器和圆片参考附图，用以实践本发明的各种装置及其余的特性和优点从说明本发明最佳实施例的以下详尽的描述就会显而易见图1是用以实现根据本发明的超声波清洗物件的方法的装置的一个剖视图；图2是局部剖切的清洗装置的透视图，以及图3是本发明另一个实施例的一个剖视图现在参考图1和图2，图中被说明的用以清洗半导体圆片的装置包括一个配置成含有一液槽的通常敞开的容器10，液槽具有一液位线12，在其相对的端部有一液体入口14和一液体出口16在液槽内基本上位于入口和出口之间的中间配置了一个具有辐射面34的超声波换能器电声换能器利用一辐射体传送一种超声波振荡，辐射体再在容器10所含有的液槽内以超声波方式发出一种密集的界限分明强的成穴区36液槽容器10的宽度比计划在其内所用的半导体圆片最大的直径稍大液槽的长度至少是最大圆片直径的两倍液槽的入口端配置有一个液流扩散器20，使之在整个液槽中通过入口14引入的流体通常产生无湍流的液流槽的出口端配置有一个液位控制挡板22，该挡板22起着确定和控制液位的作用挡板的底部配置有泄漏孔37，以排出液态媒质和沉淀颗粒一工件传送装置24配置有一对动臂26，动臂26借助销钉28，可移动地夹持一工件30，在最佳的实施例中，工件30是一块半导体圆片，利用该圆片可以制成多个半导体芯片最好在工件边缘夹持工件，使两个表面易与液槽流体接触以及使表面上产生的颗粒减至最少在用的实施例中，工件30的上表面定为通过超声波换能器18的作用而被处理的主表面，但是实际上当圆片通过喇叭形辐射体的作用区时，两个表面都会受到清洗处理除了臂26移动用来夹持半导体圆片30外，工件传送装置24还被配置成垂直移动，以接收来自液槽上方的圆片输送器的圆片，并且将圆片下降到液槽液面以下；工件传送装置还被配置成循着液槽长度的横向运动，从图1和图2中以实线表示的第一个的入口位置沿第一方向将圆片传送到位于第二位置的换能器辐射面的正下方，然后传送到图1中以虚线表示的液槽相对端的第三个的出口位置工件传送装置可以向圆片提供1至3英寸/秒范围的传送速度到时使工件传送装置从槽中升起清洗过的圆片，并且将它释放以输送到其它的操作台然后放下支承装置以通过喇叭形辐射体，并返回到第一位置，以接受下一块圆片换能器的右侧有一块壁38，壁38的末端差不多到液面，配置壁38以说明液槽的出口端最好被安置在清洁室的环境中，以将圆片的重新污染减至最低，而对于装置的入口端，那是并非必须这样的如图1和图2中所说明的，电声换能器的辐射面34安置成与工件30的表面成一个0到45°之间的角，并且面向圆片地被装入液槽的第一位置换能器关于圆片表面形成角度已经被发现具有若干优点成穴区的能量推动移离圆片表面的微粒沿液流流过圆片的方向越过圆片；并且当圆片移过成角度的辐射面时，圆片容易受成穴区变化强度的影响电声换能器18被安置在这样的位置使得以大约20千赫至90千赫范围的频率给喇叭形辐射体的辐射面提供大约70至大约120瓦/平方英寸的输出功率，将超声波能量射入液槽，以在其内形成一密集的界限分界的强成穴区36调整换能器和喇叭形辐射体，使得它能够相对于液槽内液位和圆片可调地安置这种调整足以在喇叭形辐射体34的辐射面和圆片30顶面之间提供大约1/8至3/4英寸的距离范围尽管可以给液槽提供令人满意地用于清洗工件，例如半导体圆片的任何液态媒质或液态媒质的组合已经发现，但利用超高纯的水具有优于其它种类液体之处(如本技术中所熟知，超高纯的水是用来表示经过过滤和除去离子的具有至少18兆欧的电阻率的水)首先，超高纯的水对于半导体圆片上的大多数污染物起着一种极好的溶剂作用其次，超高纯的水具有留下较少沉淀物的附加优点，这种沉淀物本身也会污染半导体晶片表面如以上所提到的，流体穿过入口14而被引入，并且通过一扩散器20，提供从入口14到出口16一均匀的、层流的因而是无湍流的液流，沿着和圆片移过喇叭形辐射体的方向相反的方向流过圆片和电声换能器喇叭形辐射器液体以1至3加仑/分的流量供给液槽，以提供一个1至3英寸/秒的流速流过超声波的喇叭形辐射体使液槽具有从入口扩散器20至刚好超出超声波喇叭形辐射器18的通常固定不变的深度，然后，深度朝着出口16逐渐增加从喇叭形辐射器位置周围增加深度的目的是要保证液体流过喇叭形辐射器时，其流速减少，以便移离工件30表面的较大的污染物可以沉淀在液槽内，而不会受到搅动，因搅动会使污染物可能再沉积到已被清洗过的工件表面部分上去根据本发明的最佳实施例，一块半导体圆片被输给工件传送装置24，当时工件传送装置24被升起高出液槽，处在第一位置上(图中左侧)，并且给液槽提供通常沿箭头19指明的方向从入口到出口大约1英寸/秒的超高纯水的流速电声换能器用一能源供给能量，以大约20千赫的频率提供喇叭形辐射体辐射表面大约100瓦/英寸2的输出功率，将超声波能量射入液槽，以形成液槽内的一个密集的、界限分明的强成穴区最好换能器装置的辐射面配置成和圆片表面成一个大约10°的角，并且面向第一位置工件传送装置于是降低圆片，放入液槽，然后带着圆片沿箭头21指明的方向移动，以通常以40表示的第一位置，向着并通过处在第二位置42的超声波换能器的辐射表面而到达第三个的出口位置最好使圆片以离开超声波换能器表面大约3/8英寸的间距配置，以使液槽内的成穴能除去分布在圆片上的任何外来微粒，这些微粒由液体向着液槽出口冲走图3说明另一个实施例，其中相同的器件被提供带有首标“1”的相同的参考数字在这个实施例中，使液槽形成从流体入口端到流体出口端基本上相同的深度在这个实施例中，还使超声波换能器直立地配置对于这种布置，颗粒沉淀在液槽内的可能性较低，使得槽内可以较少地累积粒子在其余的实施例中(无附图)圆片可以在液槽内保持静止不动，而使换能器移过圆片这样一种布置由于圆片不必移动而可以利用一种较短的液槽，但可能使清洗过的晶片表面出现重新污染的较大风险在这样一种布置中，液态媒质会沿着和换能器关于圆片表面相对移动同样的方向流动已经发现超声波喇叭形辐射器的成穴作用形成微小的汽泡，汽泡破裂时，产生高达200,000磅/英寸2的局部压力这些压力释放能量，以使微粒子从半导体表面除去这种清除作用的效率是由能级(辐射表面的瓦/英寸2)和辐照时间控制的，辐射时间由圆片速度所决定同样要体会到，液态媒质经过换能器和移动着的工件的流动，其作用是沿顺流方向从已被清洗的工件部分冲走移离的任何粒子，且只流过还要被清洗的工件表面因此，已被除去的微粒很少有机会重新污染工件的已被清洗部分液体均匀的无湍流的流通也有助于这种作用这种液流使任何已被带走的微粒逆流输送并重新沉积在工件已被清洗部分上的可能性减至最低而且要留意，流过换能器和工件的液流防止产生热量，其它方法在用本发明的高功率值下则会产生热量利用本发明的方法和装置，可以清洗高达每小时160块圆片利用本发明可能达到的清洁度是每平方厘米只有0.05个等于或大于0.2微米的微粒此外，在清洗工件前无需给液体去气，而液槽的连续流动也防止在槽中积累污染物