兆聲清洗技術(shù)原理、優(yōu)勢及應(yīng)用

1 兆聲清洗技術(shù)背景

Schwartzman等人，1993在SC1、SC2清洗時使用了兆頻超聲技術(shù)，獲得前所未有的清洗效果，使得該方法在清洗工藝中被廣泛采用，也引發(fā)了對超聲波增強清洗效果的規(guī)律與機理的研究。1995年Busnaina的研究表明，兆頻超聲波去除粒子的能力與溶液的組成、粒子的大小、超聲波的功率及處理時間有關(guān)。1997年Olim發(fā)現(xiàn)兆頻超聲去除粒子的效率與粒子直徑的立方成正比，并由此推斷兆頻超聲無法去除0.1μm以下的粒子。但是，兆聲波清洗拋光片可去掉晶片表面上＜0.2μm的粒子，起到超聲波起不到的作用。這種方法能同時起到機械擦片和化學(xué)清洗兩種方法的作用。兆聲波清洗方法已成為拋光片清洗的一種有效方法。但是，隨著頻率升高，聲傳播的效率會降低，所以兆聲波清洗技術(shù)效果并不是頻率越高越好。目前，一般用的頻率范圍是（700～1000）kHz。

2 兆聲波清洗原理簡介

聲能在液體內(nèi)傳播時，液體會沿聲傳播的方向運動，形成聲學(xué)流（Acousticstreaming），聲學(xué)流是由聲波生產(chǎn)的力和液體的聲學(xué)阻力以及其他的氣泡阻力形成的液體的流動的效果，兆聲波清洗就是利用聲能產(chǎn)生的液體流動來去除硅片表面的污染物，其原理見圖1。

兆聲波清洗是由高頻（700～1000kHz）的波長短（1.5μm左右）的高能聲波推動溶液做加速運動，使溶液以加速的流體形式連續(xù)沖擊硅片表面，使硅片表面的顆粒等污染物離開硅片進入溶液中，達到去除污染物的目的。隨著聲能的增高，表面張力會下降，這可改善浸潤效果及小顆粒的浸潤。而且，能量越高，聲學(xué)流的速度越快，硅片表面被帶走的顆粒也隨之增多反應(yīng)速率也會升高，這可降低反應(yīng)時間，同時，也可以降低化學(xué)液的濃度。隨著頻率升高，空洞現(xiàn)象的閥值會升高，所以兆聲不會像超聲一樣會產(chǎn)生氣泡而損傷硅片表面。

而根據(jù)超聲頻率的高低對應(yīng)的去除污染物顆粒大小的能力，選用的頻率見表1。

3 兆聲波清洗技術(shù)的特點

（1）美國VEＲTEQ公司的M.Olesen.Y.Fan等人研究發(fā)現(xiàn)，兆聲技術(shù)有如下特點。

能大大降低邊界層的厚度，使其具有清除深亞微米顆粒的能力，可滿足現(xiàn)行工藝以及0.1μm（線寬）技術(shù)對清洗工藝的需求。有兆聲時邊界厚度的對比（見圖2）。

（2）可以極大的提高清洗效率，從圖3有無兆聲時的清洗效率對比圖中可以看到，當(dāng)兆聲關(guān)閉時，用30s的時間清洗效率只能達到20%，有兆聲時，只需10s的時間清洗效率就可達到99.99%。

（3）由于兆聲波清洗可以使用稀釋倍數(shù)大的化學(xué)液，從而大大減少了化學(xué)藥品的用量和消耗，降低了清洗工序的工藝成本，有效減少了化學(xué)液的污染，保護環(huán)境。圖3是在極低濃度的化學(xué)液中有無兆聲的清洗效果對比圖。

由于兆聲波清洗具備以上諸多優(yōu)點，因此使得兆聲波清洗很快成為硅片清洗行業(yè)中廣泛應(yīng)用于去除微細顆粒的重要手段。

4 兆聲波清洗技術(shù)在清洗設(shè)備中的應(yīng)用

結(jié)合常規(guī)的濕法清洗工藝開發(fā)出適合相關(guān)工藝階段的兆聲清洗設(shè)備，按照這些設(shè)備的不同結(jié)構(gòu)，大體可分為兩類，一類是融匯在濕法清洗機兆聲清洗槽或兆聲漂洗槽，它們作為設(shè)備的一部分，只完成單個的清洗或漂洗過程。另一類則是以獨立的設(shè)備形式出現(xiàn)。這就是兆聲清洗機，該種設(shè)備通常配備兩個槽體，一個清洗槽和一個沖洗槽，清洗槽是在兆聲環(huán)境下用化學(xué)液來去除硅片表面的微細顆粒及化學(xué)污染物等，沖洗槽則是對清洗完的硅片用去離子水進行沖洗，從而達到生產(chǎn)需要的潔凈度。

但是由于兆聲傳播是一種介質(zhì)傳播，聲音傳播中的能量會轉(zhuǎn)化成介質(zhì)的動能，因此在使用兆聲清洗的同時會產(chǎn)生兆聲能量的衰減。導(dǎo)致能量衰減的因素，首先是兆波的反射，如圖4所示。

兆聲能量的衰減可通過以下公式計算：

衰減系數(shù)γ可表示為：γ=γ吸收+γ分散；γ分散在液體中，不在計算內(nèi)。在水液體中，γ吸收系數(shù)（dB/m）=0.2F2（MHz）。

由此計算可得，在頻率為950kHz時，衰減度約為0.002dB/m；在頻率為40kHz時，衰減度約為0.000003dB/m，在水液體中，兆聲波衰減約為低頻超聲波衰減的1000倍，如圖5所示。因此，在兆聲清洗中，液位不能超過500mm。而在低頻超聲波中，超聲波能量可傳至（1.5～2）m高。

安裝時，石英缸底部有一定傾斜角度更利于高頻兆聲波的傳播，由圖7中角度與聲壓的關(guān)系可知，當(dāng)θ=2°時，最有利于兆聲波的傳播。

由于聲波傳播時一種介質(zhì)傳播，因此在不同的頻率下石英缸作為傳遞介質(zhì)，它的厚度也對兆聲的傳播有一定影響。

通過下面公式可以計算出不同介質(zhì)中聲波的傳播率D：

從圖8可見，當(dāng)厚度t=3mm時，兆聲波在石英中具備更好的傳播率。

兆聲發(fā)生器在石英循環(huán)溢流槽中的安裝原理見圖9。

5 兆聲清洗技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

由于兆聲波能去除硅片表面的微小顆粒，并且不會對硅片表面造成損傷，近幾年兆聲波清洗被大量的應(yīng)用在清洗工藝中。兆聲波用在SC－1中，可提高去除顆粒尤其是小顆粒的效果；用在DHF，臭氧水、純水中都能起到增強清洗效果的作用。目前兆聲清洗技術(shù)被廣泛應(yīng)用于液晶、手機鏡片、光學(xué)器件照相機鏡頭制造業(yè)，汽車、摩托車制造業(yè)，電子、微電子、電子電器元器件制造業(yè)，五金業(yè)、機械的零件業(yè)，航天、航空清洗精密零部件業(yè)，鐘表、眼境、珠寶制造業(yè)，家電產(chǎn)品制造業(yè)，電鍍業(yè)，鐵路機車造業(yè)等各個行業(yè)。（轉(zhuǎn)）

具體應(yīng)用涉及：

• 帶圖案或不帶圖案的掩模版和晶圓片

• Ge, GaAs以及InP晶圓片清洗

• CMP處理后的晶圓片清洗

• 晶圓框架上的切粒芯片清洗

• 等離子刻蝕或光刻膠剝離后的清洗

• 帶保護膜的分劃版清洗

• 掩模版空白部位或接觸部位清洗

• X射線及極紫外掩模版清洗

• 光學(xué)鏡頭清洗

• ITO涂覆的顯示面板清洗

• 兆聲輔助的剝離工藝