專利名稱：具有聲能源傳輸的襯底加工槽和加工襯底的方法
技術領域：
本發明一般涉及襯底制造領域，具體涉及在加工集成電路時提高從聲能源到工藝流體的聲能傳輸的方法與系統。
背景技術：
在半導體制造中，半導體器件是在薄盤狀襯底上制造的。通常，每個襯底中都有許多個半導體器件。在任何單個襯底上能夠制造的半導體器件確切數目取決于襯底尺寸和在襯底上制造的半導體器件尺寸。但是，半導體器件正在變得越來越小型化。這種小型化的結果是，能在任何給定面積上制造越來越多的半導體器件，因此，每個襯底的表面積越來越有價值。
在制造半導體器件時，在制造可用的終端產品之前，襯底經過了許多加工步驟。這些加工步驟包括化學蝕刻，晶片研磨，光刻膠剝離和掩蔽。這些步驟通常都是在一個加工槽中發生的，經常需要在加工過程中對每個襯底進行多次清潔，沖洗和干燥循環操作，從而清除襯底上會引起沾污和導致器件失效的顆粒。
長期以來人們就已經認識到在制造半導體器件時，清潔的襯底表面的重要性。VLSI和ULSI硅電路技術的發展已經使清潔過程成為制造過程中特別關鍵的步驟。另外，隨著半導體器件的需求和勞動力成本的增加，縮短制造時間已經成為半導體制造業中所關心的主要問題。但是，縮短制造時間必須不會損害制得產品的量質并影響每個襯底上功能正常器件的產量。
為了達到這兩個目的，在許多加工步驟中使用聲能(即兆頻超聲波能量)是該工業領域中常用的。術語“兆頻超聲波能量”和“聲能”在這里可以互換使用。應用兆頻超聲波能量特別有用的兩個加工步驟是清潔和剝離。在清潔步驟中應用兆頻超聲波能量有助于更有效地從襯底上清除顆粒，而在剝離步驟中應用兆頻超聲波能量能夠提高剝離速率。
在利用兆頻超聲波能量清潔襯底的現有方法中，首先向加工槽中裝入清潔溶液，例如標準清潔劑1(SC-1)，標準清潔劑2(SC-2)，去離子水或稀釋的上述化學試劑。SC-1中包含1∶1∶5的NH4OH，H2O2和H2O。SC-2中包含6∶1∶1的H2O，H2O2和HCl。向加工槽中裝入選定的流體之后，將襯底浸入其中，使兆頻超聲波能量偶合至流體，產生并引導聲能通過流體并通過襯底表面。在兆頻超聲波清潔過程中，換能器能在負位置和性位置之間以兆頻超聲波速率振蕩，在流體中產生負壓力和性壓力。隨著兆頻超聲波能量的振蕩，在負壓力作用下流體中形成空化氣泡，而空化氣泡在性壓力下坍塌。主要從兩個方面對襯底進行清潔(1)空化(微觀內爆)；和(2)流動(流體沿著移動的波陣面)。
類似的，還可以在襯底制造過程中利用兆頻超聲波能量提高剝離速率。在兆頻超聲波剝離過程中，襯底被置于裝有流體的加工槽中，該流體例如流體臭氧化去離子(“DI”)水或臭氧氣氛中的臭氧化DI水霧。然后如上所述向流體施加兆頻超聲波能量。
產生兆頻超聲波能量的標準方法是使用壓電晶體換能器。壓電晶體是兩面都進行了金屬化的陶瓷片。
為了將兆頻超聲波能量輸送給襯底被加工時所在的流體，現有系統使用各種剛性的板將換能器連接至加工槽。但是，這種結構在將兆頻超聲波能量從換能器輸送到流體的效率和有效性方面是有缺陷的。換能器被直接連接至剛性板的一面。這種與剛性板的連接通常會導致不夠理想的性能。然后此剛性板塊被連接到加工槽，使得沒有連接換能器的剛性板塊的那一面與加工流體接觸。這種現有技術的一個系統公開在美國專利4804007中，如
圖1所示。試看圖1，壓電晶體5直接連接于剛性板塊6。壓電晶體5通過環氧粘合劑固定在剛性板塊上。剛性板塊6連接到加工槽，使未粘合晶體5的剛性板塊6的那一面接觸其中存在襯底的工藝流體7。在使用這種系統時，對壓電晶體5施加高頻能量，使晶體5產生兆頻超聲波能量。這種兆頻超聲波能量從晶體5通過剛性板塊6傳輸到加工槽中的工藝流體7。發現從晶體5傳輸給工藝流體的兆頻超聲波能量受到很大的阻礙，這是因為串連材料(即晶體5和剛性板塊6；以及剛性板塊6和工藝流體)的聲波阻抗值(“Za”)的差別很大。雖然利用環氧樹脂將晶體5粘合在剛性板塊6上，但是該環氧樹脂層非常薄，它對聲波阻抗的作用是可以忽略不計的。
一種材料的Za被定義為該材料的密度乘以該材料中的聲速。Za的單位是兆瑞利或(千克/平方米·秒×106)。發現造成現有技術系統的兆頻超聲波能量傳輸效率低下的部分原因是由于兆頻超聲波能量必須通過的材料的Za差別。更具體地說，兆頻超聲波能量必須通過的串連材料之間的Za差別大的話，會導致增加兆頻超聲波能量傳輸的阻抗以及向工藝流體能量傳輸效率的低下。
利用兆頻超聲波能量傳輸的過程槽中常用的壓電晶體典型聲波阻抗是Za＝34兆瑞利，而水的Za＝1.5兆瑞利。因此，在這些系統中，為了在襯底加工過程中使兆頻超聲波能量從壓電晶體傳輸至水中，該兆頻超聲波能量必須經過大約32.5兆瑞利的聲波阻抗轉變。雖然現有技術系統的剛性板塊通常具有晶體和工藝流體之間的Za值(例如石英Za＝12-15兆瑞利)，但是剛性板塊與流體之間和/或剛性板塊與晶體之間的Za差別仍然很顯著。這會導致在這些不同材料之間傳輸兆頻超聲波能量時產生不希望有的能量損失。另外，現有技術的裝置只利用剛性板塊將換能器(即晶體)連接到加工槽，并保護換能器與流體隔離。剛性板塊并不能也不是被設計成用來緩和在壓電晶體和工藝流體之間進行傳輸時產生的聲波阻抗差別的。
因此，在使用如圖1中所示系統加工晶片時，由換能器5產生的大量兆頻超聲波能量并沒有被傳輸給加工流體7，而是受到阻礙無法進入流體7中。根據具體應用，這種能量損失導致不夠理想的清潔和/或剝離速率。因此，利用兆頻超聲波能量加工襯底的現有系統是不夠理想的，會導致能量傳輸損失，增加能量消耗，和/或產生不夠理想的剝離和/或清潔結果。
發明內容
因此本發明的一個目的是提供一種將兆頻超聲波能量傳輸到用來加工襯底的加工槽中工藝流體的改進方法和系統。
另一個目的是提供一種將聲能傳輸到加工槽中的工藝流體，使受到阻礙無法進入工藝流體中的聲能量減少的方法和系統。
又一個目的是提供一種清潔襯底的改進方法和系統。
還一個目的是提供一種剝離襯底的改進方法和系統。
本發明關注于如何以更有效和高效的方法，將換能器產生的兆頻超聲波能量輸送別浸有襯底的工藝流體中。雖然本發明將進行具體描述和說明，但是不超出本發明原理和范圍的各種變化和改進對本領域技術人員而言是顯而易見的。具體地說，雖然本發明所述是在清潔和剝離過程中傳輸兆頻超聲波能量，但是本發明并不限于此，可以用于將兆頻超聲波能量傳輸至流體的任何過程中。而且，傳輸兆頻超聲波能量進入的流體種類是不受限制的。最后，本發明可以用于單襯底加工槽或者被用來同時加工許多個襯底的加工槽。
本發明達到了上述和其他目的。本發明是在壓電晶體與剛性板塊之間和/或在剛性板塊與流體之間增加一個或多個傳輸層，形成“聲層疊”。增加此額外的傳輸層通過縮小串連材料層之間的Za差別，從而有助于提高將能量從換能晶體傳輸到最終介質的效率。傳輸層可以位于“聲層疊”中的任意位置。優選在本發明中使用一個或多個中間的層，能在從壓電晶體到工藝流體的各變化材料之間提供逐漸的Za變化。
傳輸層的確切Za值取決于所用工藝流體的種類，是否存在剛性板塊以及傳輸層在聲層疊中的位置。傳輸層可以由任何材料制成，只要它能在其兩面的材料之間提供聲波阻抗的居中的變化即可。
本發明一方面是一種加工至少一個襯底的系統，包括用來容納工藝流體的加工室；聲能源；將聲能從聲能源傳輸至加工室中的工藝流體的聲層疊，該聲層疊具有第一傳輸層和第二傳輸層；第一傳輸層位于聲能源和第二傳輸層之間，具有第一聲波阻抗值；第二傳輸層位于第一傳輸層和加工室中的工藝流體之間，具有小于第一聲波阻抗值的第二聲波阻抗值。
本發明另一方面是一種加工襯底的方法，包括提供一個系統，它包括至少部分裝有工藝流體的加工室，聲能源，聲層疊，該聲層疊具有第一傳輸層和第二傳輸層，形成從聲能源到加工室中的工藝流體的聲能通道，第一傳輸層位于聲能源和第二傳輸層之間，具有第一聲波阻抗值，第二傳輸層位于第一傳輸層和加工室中的工藝流體之間，具有小于第一聲波阻抗值的第二聲波阻抗值；將襯底浸入工藝流體中；用聲能源產生聲能；通過聲層疊將聲能傳輸給工藝流體。
附圖簡要說明圖1是現有技術兆頻超聲波系統的示意圖。
圖2是本發明第一實施例的聲層疊的示意圖。
圖3是連接于襯底加工室的圖2的聲層疊示意圖。
圖4是本發明第二實施例的聲層疊的示意圖。
圖5是本發明第三實施例的聲層疊的示意圖。
本發明實施方式以下詳述的一些實施例只是例證性而非限制性的。
試看圖2和3所示本發明第一實施例的聲層疊10。聲層疊10包括兩個壓電晶體11，剛性板塊12和傳輸層13。傳輸層13位于壓電晶體11和剛性板塊12之間。壓電晶體11與傳輸層13的一面相連，而剛性板塊12與傳輸層13的另一面相連。相互連接都通過使用粘合劑例如環氧樹脂實現。組裝好聲層疊10之后，將聲層疊10與加工室20連接，此時不與傳輸層13相連的剛性板塊12那一面直接接觸加工室20中的工藝流體21。當晶體11被激活產生聲能時，聲層疊10起到從晶體11到達工藝流體21的聲能通道作用。當有個襯底22浸在工藝流體21中進行加工時，聲能會通過工藝流體21作用于襯底22的表面。
根據對襯底22加工所用工藝流體21的具體類別，構成剛性板塊12的材料和壓電晶體11的Za，聲層疊10的傳輸層13可以由Za小于壓電晶體11但是大于剛性板塊12的任何材料制造。例如，假設壓電晶體11的Za晶體＝X，剛性板塊12的Za剛性板塊＝Y，則傳輸層13的Za傳輸層是X＞Za傳輸層＞Y。假設剛性板塊的聲波阻抗大于工藝流體21，通常是0.8-2.5兆瑞利。因此，事實上聲層疊10設計居Za晶體＞Za傳輸層＞Za剛性板＞Za工藝流體。
剛性板塊12優選是石英板。晶體11優選是壓電晶體。傳輸層13優選是鋁，鈦或鈹。也可以使用非常厚的環氧樹脂層本身作為傳輸材料13。根據要在襯底上進行的不同過程，工藝流體可以是DI水，臭氧化DI水或臭氧霧。
對于傳輸層的數量沒有限制，都屬于本發明的范圍。唯一的要求是，每個傳輸層的Za都能減少其相鄰兩層之間的Za差別。而且，可以使用傳輸層改變在某一頻率范圍或臨界頻率上的整體性能或者特征。另外，術語“剛性板塊”可以被簡單地替換成術語“傳輸層”，只要符合上述要求即可。在這種結構中，該組件就成為傳輸層的層疊。
試看圖4所示本發明第二實施例的聲層疊40。聲層疊40中包括位于晶體11和剛性板塊12之間的第一傳輸層(“TL1”)41。聲層疊40中還包括位于剛性板塊12另一面上的第二傳輸層(“TL2”)42。當聲層疊40與加工室連接時，聲層疊40的第二傳輸層42接觸工藝流體。在這個實施例中，利用第一和第二傳輸層41，42使晶體11和工藝流體之間的Za變化是逐漸的。系統設計成Za晶體＞ZaTL 1＞Za剛性板塊＞ZaTL 2＞Za工藝流體。在此實施例中，優選晶體11是壓電晶體，第一傳輸層41由鋁，鈦或鈹制成，剛性板塊12是石英板，第二傳輸層42由聚氯三氟乙烯(“PCTFE”)，乙烯氯三氟乙烯(“ECTFE”)，四氟乙烯-全氟丙烯(“FEP”)，全氟烷氧基聚合物(“PFA”)，聚偏二氟乙烯(“PVDF”)，聚氯三氟乙烯(“PCTFE”)，特氟隆或其他氟碳基聚合物或熱塑性聚合物制成。
試看圖5所示本發明第三實施例的聲層疊50。聲層疊50包括與剛性板塊12的一面連接的單個傳輸層51。與加工室連接時，傳輸層51位于剛性板塊12和工藝流體之間。在這個實施例中，利用單個傳輸層51使剛性板塊12和工藝流體之間的Za變化更為逐漸。該聲層疊50制成Za晶體＜Za剛性板塊＞Za傳輸層＞Za工藝流體。在此實施例中，晶體11可以是壓電晶體，剛性板塊12可以由不銹鋼制成，傳輸層51由PCTFE，ECTFE，FEP，PFA，特氟隆或其他氟碳基聚合物或熱塑性聚合物制成。此實施例并不完全遵循Za逐漸下降的規律，但是傳輸層仍然能提高從不銹鋼板到工藝流體的傳輸。
在所有聲層疊實施例中，都使用了一種粘合劑來固定串連的層，通常是用環氧樹脂。另外，可以用非常厚的環氧樹脂層本身作為傳輸材料。這里所用術語“流體”包括液體和氣體。
在不越出本發明原理和范圍的條件下，各種選項，變化和改進對本領域技術人員而言是顯而易見的。上述實施例的聲層疊適用于各種襯底加工步驟，包括但并不限于清潔和剝離。
權利要求
1.一種用來加工至少一個襯底的系統，包括用來容納工藝流體的加工室；聲能源；用來將聲能從聲能源傳輸到加工室中的工藝流體的聲層疊，該聲層疊具有第一傳輸層和第二傳輸層；第一傳輸層位于聲能源和第二傳輸層之間，具有第一聲波阻抗值；第二傳輸層位于第一傳輸層和加工室中的工藝流體之間，具有小于第一聲波阻抗值的第二聲波阻抗值。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于第二傳輸層是用來將聲層疊固定在加工室上的剛性板塊。
3.如權利要求2所述的系統，其特征在于第一傳輸層由鋁，鈦或鈹制成，第二傳輸層由石英制成，而且聲能源中包括壓電晶體。
4.如權利要求1所述的系統，其特征在于第一傳輸層是用來將聲層疊固定在加工室上的剛性板塊。
5.如權利要求4所述的系統，其特征在于第一傳輸層由不銹鋼制成，第二傳輸層由PCTFE，ECTFE，PVDF，FEP，PFA或特氟隆制成，而且聲能源中包括壓電晶體。
6.如權利要求1所述的系統，其特征在于進一步包括位于第二傳輸層和加工室中的工藝流體之間的第三傳輸層，該第三傳輸導的第三聲波阻抗值小于第二聲波阻抗值。
7.如權利要求6所述的系統，其特征在于第二傳輸層是用來將聲層疊固定在加工室上的剛性板塊。
8.如權利要求7所述的系統，其特征在于第一傳輸層由鋁，鈦或鈹制成，第二傳輸層由石英制成，第三傳輸層由PCTFE，ECTFE，PVDF，FEP或PFA制成，而且聲能源中包括壓電晶體。
9.如權利要求1所述的系統，其特征在于進一步包括加工室中的工藝流體，該工藝流體的聲波阻抗值小于第三聲波阻抗值。
10.如權利要求9所述的系統，其特征在于該工藝流體的聲波阻抗值在大約0.8到2.5兆瑞利的范圍內。
11.如權利要求1所述的系統，其特征在于該聲能源的聲波阻抗值小于第一聲波阻抗值。
12.如權利要求1所述的系統，其特征在于該聲能源的聲波阻抗值大于第一聲波阻抗值。
13.一種加工襯底的方法，包括提供一種系統，該系統包括至少部分裝有工藝流體的加工室，聲能源，具有第一傳輸層和第二傳輸層，形成從聲能源到加工室中工藝流體的聲能通道的聲層疊，該第一傳輸層位于聲能源和第二傳輸層之間，具有第一聲波阻抗值，第二傳輸層位于第一傳輸層和加工室中的工藝流體之間，具有小于第一聲波阻抗值的第二聲波阻抗值；將襯底浸入工藝流體中；用聲能源產生聲能；通過聲層疊將聲能傳輸到工藝流體。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于第二傳輸層是用來將聲層疊固定在加工室上的剛性板塊。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于第一傳輸層由鋁，鈦或鈹制成，第二傳輸層由石英制成，而且聲能源中包括壓電晶體。
16.如權利要求13所述的方法，其特征在于第一傳輸層是用來將聲層疊固定在加工室上的剛性板塊。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于第一傳輸層由不銹鋼制成，第二傳輸層由PCTFE，ECTFE，PVDF，FEP，PFA或特氟隆制成，而且聲能源中包括壓電晶體。
18.如權利要求13所述的方法，其特征在于進一步包括位于第二傳輸層和加工室中的工藝流體之間的第三傳輸層，該第三傳輸層的第三聲波阻抗值小于第二聲波阻抗值。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于第二傳輸層是用來將聲層疊固定在加工室上的剛性板塊。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于第一傳輸層由鋁，鈦或鈹制成，第二傳輸層由石英制成，第三傳輸層由PCTFE，ECTFE，PVDF或PFA制成，而且聲能源中包括壓電晶體。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于工藝流體的聲波阻抗值小于第三聲波阻抗值。
22.如權利要求21所述的方法，其特征在于工藝流體的聲波阻抗值在大約0.8到2.5兆瑞利的范圍內。
23.如權利要求13所述的方法，其特征在于工藝流體是DI水，而且該方法進一步包括從襯底上清除污染物。
24.如權利要求13所述的方法，其特征在于工藝流體是臭氧，而且該方法進一步包括從襯底剝離光刻膠。
25.如權利要求13所述的方法，其特征在于聲能源的聲波阻抗值小于第一聲波阻抗值。
26.如權利要求13所述的方法，其特征在于聲能源的聲波阻抗值小于第一聲波阻抗值。
全文摘要
在清潔或光刻膠剝離等襯底加工過程中提高向工藝流體傳輸聲能的效率和有效性的系統與方法。本發明利用層疊材料將聲能從聲能源輸送至工藝流體。選擇構成每個層的物質，它能縮小層疊中連續層之間的聲波阻抗差別，在將聲能從聲有源傳輸至工藝流體時產生聲波阻抗更為逐漸進的傳輸。本發明一方面提出了一種系統，包括用來容納工藝流體的加工室；聲能源；和具有第一傳輸層和第二傳輸層的聲層疊，該聲層疊構成從聲能源到加工室中工藝流體的聲能通道。
文檔編號B08B7/02GK1732711SQ200380107761
公開日2006年2月8日 申請日期2003年10月31日 優先權日2002年11月1日
發明者J·科巴勒, X·金恩 申請人:艾奎昂有限責任公司