专利名称：使用兆频超声波换能器谐振器的原位局部加热的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及表面清洗，更具体地，涉及用于在制作工艺之后对半导体衬底进行兆频超声波清洗的方法和设备。
背景技术：
兆频超声波清洗广泛用于半导体制造操作中，并且可以应用于批量清洗工艺或者单晶片清洗工艺。对于批量清洗工艺而言，兆频超声波换能器的振动在容纳一批半导体衬底的清洗箱的液体中产生声压力波。单晶片兆频超声波清洗工艺使用在旋转晶片上方的相对小的换能器，其中跨越晶片扫描换能器，或者在完全浸没的情况下使用单晶片箱系统。在每种情况中，通过兆频超声波清洗的主要微粒移除机制是由于空化和声流。空化是在声搅动的作用下，在液体介质中微气泡的迅速形成和破裂。在破裂时，气泡释放能量，通过破坏掉使微粒附着到衬底的各种附着力来帮助移除微粒。声搅动涉及使液体遭受声能量波。在兆频超声波冲洗下，这些声波产生于0.4和1.5兆赫(MHz)之间的频率下，包括0.4和1.5兆赫在内。
图1A是批量兆频超声波清洗系统的示意图。箱100中装满清洗溶液。晶片固定器102包括一批待清洗的晶片。换能器104通过具有接近1兆赫频率的声能来产生压力波。与适当的化学制剂相结合用以控制微粒再附着的这些压力波提供了清洗的作用。由于所需用于批量清洗系统的很长的清洗时间，以及化学制剂的使用，因此根据国际半导体技术蓝图(ITRS)的要求，为了减少化学制剂的使用，增加晶片到晶片的控制，并减少缺陷，已致力于单晶片清洗系统。批量系统遭受的另一项缺点在于，将兆频超声波能量传递到箱中的多个晶片是不均匀的，并且可能由于相长干涉导致“热点”，或者由于相消干涉导致“冷点”，每种情况是由来自多个晶片以及来自兆频超声波箱的兆频超声波的反射所引起的。因此，为了到达晶片固定器102中晶片的所有区域，必须使用较高的兆频超声波能量和多个换能器阵列。图1B是单晶片清洗箱的示意图。这里，箱106充满了清洗溶液。晶片108浸没在箱106的清洗溶液中。换能器110提供能量用以清洗晶片。而且，微粒残留在箱的内部，因而清洗流体需要更换或者再循环，并且定期过滤。
图IC是用于单晶片的喷嘴型兆频超声波清洗结构的示意图。喷嘴112提供流体流114，通过流体流114耦合兆频超声波能量。当流体流流经喷嘴时，连接至电源118的换能器116通过流体流114将兆频超声波能量提供给衬底。通过流体流114提供的兆频超声波能量提供了清洗机制用以清洗晶片120。喷嘴清洗结构的一个缺点包括，需要高流速率的流体流来维持换能器116和晶片120之间的接触。通过喷嘴112产生的流体流覆盖了小面积，因此，清洗晶片需要相当高的兆频超声波能量，从而可能引发对晶片表面的损害。所需的高能量还使换能器的冷却成为必要，这是需要高流速率的另一个原因。这使得使用清洗化学制剂而非去离子水清洗，由于成本和污水处理需要而变得不切实际。由于难以通过流体流的小覆盖率面积来提供整个晶片表面的完全清洗覆盖率，因此还可能产生条带效应。
此外，用于单晶片清洗工艺的清洗化学制剂是高活性的，并且常常需要在升高的温度下使用，用以在低清洗次数下提供有效清洗，尤其对后面的蚀刻清洗应用而言更是如此。上述的每一个单晶片清洗结构使用具有化学再循环的批量加热系统，或者在喷嘴型换能器的情况下，使用具有加热的传送线的批量加热，由此维持清洗化学制剂的温度用以最适宜地清洗晶片表面。
鉴于上述问题，需要一种方法和装置用以提供单晶片兆频超声波清洗结构，该结构能够在接近与晶片接触的情况下加热清洗化学制剂，其简化了化学制剂的加热，并改善了加热化学制剂的工艺控制。
发明内容
一般地说，本发明通过提供兆频超声波清洗机的谐振器来满足这项需要，该谐振器被设置为提供对耦合了谐振器和衬底的液体区域进行局部化加热控制。应当理解，本发明可以以许多方式实现，包括例如设备、系统、装置或方法。下文说明了本发明的数个发明实施例。
根据本发明的一个方面，提供了用于清洗半导体衬底的设备。该设备包括换能器和谐振器。谐振器被设置为传播来自换能器的能量。谐振器具有底表面和顶表面，顶表面有效耦合至换能器，而底表面被设置为在传播来自换能器的能量时提供局部化加热。
根据本发明的另一方面，提供了用于清洗半导体衬底的系统。该系统包括衬底支承件，该衬底支承件被设置为支承半导体衬底，并且使该半导体衬底绕半导体衬底的轴旋转。还包括兆频超声波清洗机。该兆频超声波清洗机被设置为在半导体衬底的顶表面上方径向移动。该兆频超声波清洗机包括换能器和谐振器。谐振器被设置为传播来自换能器的能量。谐振器具有底表面和顶表面，其中顶表面有效耦合至换能器。底表面被设置为接触配置在半导体衬底顶表面上的液体。此外，底表面适合于提供局部化加热，用以在将能量从换能器通过液体传播到衬底的时候，提高同底表面接触的液体的温度。
根据本发明的又一另外的方面，提供了用于清洗半导体衬底的方法。该方法开始于将液体引入到半导体衬底的顶表面上。然后，谐振器的底表面通过液体耦合至半导体衬底的顶表面。下一步，通过谐振器将声能传送到液体。然后，通过谐振器的底表面加热液体。还提供了用于在半导体衬底的清洗操作期间对清洗化学制剂进行局部化加热的方法。该方法开始于设置谐振器以接触施加到半导体衬底的清洗化学制剂的表面。然后，通过谐振器同时施加热能和声能用以清洗半导体衬底。
根据本发明的另一方面，提供了用于在半导体衬底的清洗操作期间，对清洗化学制剂进行局部化加热的方法。该方法开始于设置谐振器以接触施加到半导体衬底的清洗化学制剂的表面。然后，通过谐振器同时施加热能和声能用以清洗半导体衬底。
应当理解，前文的一般说明和下文的详细说明仅为例示性的和说明性的，而非限制本发明所要求的权利要求。
并入并构成本说明书的一部分的附图，说明了本发明的示例性实施例，并且和说明书一起用于解释本发明的原理。
图1A是批量兆频超声波清洗系统的示意图。
图1B是单晶片清洗箱的示意图。
图1C是用于单晶片的喷嘴清洗结构的示意图。
图2A是根据本发明的一个实施例，配置在半导体衬底上方的兆频超声波清洗机的高层次示意图的顶视图。
图2B是正方形兆频超声波清洗机的高层次示意图。
图2C是杆形兆频超声波清洗机的高层次示意图。
图3是根据本发明的一个实施例，在半导体衬底和兆频超声波清洗机之间的界面的简化剖面图的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例，兆频超声波清洗机的更详细的示意图。
图5A是根据本发明的一个实施例，设置为提供局部化加热的兆频超声波清洗机的部件的示意图。
图5B是根据本发明的一个实施例的用于兆频超声波清洗机的谐振器的示意图，其包括上面淀积有薄碳化硅(SiC)涂层的绝缘体。
图6是根据本发明的一个实施例，形成于兆频超声波谐振器和配置在半导体衬底上方的液体之间的弯液面的放大示意图。
图7是根据本发明的一个实施例的兆频超声波清洗机所提供的透镜效应的剖面示意图，该兆频超声波清洗机具有弯曲底表面用以产生透镜效应。
图8是根据本发明的一个实施例的兆频超声波清洗机的侧视示意图，该兆频超声波清洗机被设置为提供局部化加热，并且具有防止换能器过热的冷却回路。
图9是说明根据本发明的一个实施例，通过兆频超声波清洗来清洗半导体衬底所执行的方法操作的流程图。
具体实施例方式
通过参考附图，现将详细说明本发明的数个示例性实施例。已在上文“背景技术”部分中已讨论了图1A、1B和1C。
本发明的实施例提供了通过兆频超声波清洗装置来清洗半导体衬底的设备和方法，其中清洗装置同时提供局部化加热和声能来清洗半导体衬底。局部化加热允许升高配置在衬底的顶表面之上的液体的温度，例如用于单晶片清洗操作的清洗化学制剂。因此，可以加热用于单晶片清洗操作的清洗化学制剂，用以增加清洗化学制剂的活性和有效性。增加的活性结合兆频超声波清洗机的清洗机制，提供了清洗操作改善的处理能力，这是因为每个半导体衬底在清洗操作上花费了较少的时间。此外，可以将谐振器的几何结构设计为提供最小的反射功率，并允许改善的渗透进入高纵横比特征部件中。在一个实施例中，冷却兆频超声波清洗机的换能器，由此谐振器升高的温度不会过度加热换能器。如这里所使用的，术语晶片和半导体衬底都是可互换的。
图2A是根据本发明的一个实施例，配置在半导体衬底上的兆频超声波清洗机的高层次示意图的顶视图。通过滚轴或某些其他的用于半导体衬底清洗工艺的适当旋转机构而使衬底130旋转。当衬底旋转时，兆频超声波清洗机132A在衬底130上面径向地移动。对于本领域的技术人员显而易见的是，固定到兆频超声波清洗机132A的加工臂(process arm)允许兆频超声波清洗机在衬底130上面径向地移动。在一个实施例中，由兆频超声波清洗机132传递至半导体衬底130表面的能量小于约5瓦特(W)/平方厘米(cm2)。在优选实施例中，传递至半导体衬底130表面的兆频超声波能量在约3瓦特(W)/平方公分(cm2)和约5W/cm2之间，尽管有赖于衬底上存在的电子装置的灵敏度，但是兆频超声波能量可以显著地更高，如果在该更高的能量下不会损坏这些装置的话。
仍然参考图2A，直径131表示暴露于配置在衬底130上面的液体的兆频超声波清洗机132A的表面直径。在一个实施例中，衬底130为200mm(8英寸)的晶片，直径131在约1英寸和约3英寸之间。在优选实施例中，对200mm的晶片而言，直径大约为1.5英寸。应当理解，对于300mm的晶片而言，据此按比例缩放兆频超声波清洗机的尺寸，从而基本上维持兆频超声波清洗机的表面积和晶片之间的恒定比率。这允许传递至晶片表面的能量能够在不同尺寸的晶片之间基本上保持恒定。此外，每单位时间扫描300毫米晶片的相同部分，由此对任何晶片尺寸而言，处理能力是类似的。
图2B和2C是兆频超声波清洗机132的可替换形状的高层次示意图。图2B的兆频超声波清洗机132B为正方形，而图2C的兆频超声波清洗机132C为杆形。如下文将更详细说明的，兆频超声波清洗机132的谐振器的底表面可以具有微小的曲率，以便产生透镜效应。应该理解，兆频超声波清洗机132的形状可以是适合清洗半导体衬底130表面的任何形状。换言之，如上文，通过使兆频超声波清洗机的表面积和晶片的表面积之间的比率基本保持恒定，任何形状都可用于兆频超声波清洗机。本领域的技术人员将理解，清洗效率是施加至单位面积的功率密度的函数。因此，兆频超声波清洗机的谐振器的表面积被设置为允许功率密度在约3W/cm2和约5W/cm2之间，而不需要高兆频超声波能量来提供该功率密度，这是由于高兆频超声波能量会损坏待清洗衬底上存在的装置。此外，虽然可以设计兆频超声波谐振器的尺寸使之覆盖大部分晶片，但是应该理解，由于部分衬底，例如衬底的中间区域，将经历高的停留时间，所以这不是最优的。因此，其他地方经历了低的停留时间，这可能导致不均匀的清洗。因此，优选的是提供扫描晶片的兆频超声波清洗机，如参考图2A-2C所说明的，用以通过使加工臂扫描速度与旋转中的衬底角速度(或扫描位置的半径)相关联，来提供均匀的停留时间。
在一个实施例中，将兆频超声波清洗机支承在加工臂上，并且通过电子伺服电机而使加工臂扫描旋转发生，则可以控制停留时间用以基本上确保由晶片上的兆频超声波清洗机所执行的均匀工作量。伺服电机将运动控制器单元、电机驱动器电子设备、位置反馈编码器和AC无刷电机结合到单一电机的波形因数中。在晶片处理期间，加工臂动作速度和位置与轴的旋转速度直接相关。在一个实施例中，加工臂扫描是通过晶片的中线发生。为了使晶片的整个表面积受到相同的处理，也就是，由兆频超声波控制器所完成工作量在晶片表面上基本均匀，则加工臂扫描运动与径向位置同步。由于扫描速度是半径和该半径时的面积的二次函数Vsweep＝C/r2，其中C为比例常数，而停留时间和速度成反比，所以随着半径增加，兆频超声波清洗机的停留时间必须增加以使在晶片表面上执行的工作量相等。换言之，当加工臂从晶片的中心向外扫描时，兆频超声波清洗机需要较长的停留时间以便基本上执行相同的工作量。
图3是根据本发表的一个实施例，在半导体衬底和兆频超声波清洗机之间的界面的简化剖面图的示意图。兆频超声波清洗机132接近半导体衬底130的顶表面144。液体配置在半导体衬底130的顶表面144上。在一个实施例中，将液体混拌至半导体衬底130上。使兆频超声波清洗机132同液体接触，以形成弯液面134，该弯液面134将兆频超声波清洗机的底表面146耦合至半导体衬底130的顶表面144。应当理解，液体可通过喷嘴138施加到衬底130。在一个实施例中，可将喷嘴138固定在其上固定了兆频超声波清洗机132的相同的径向臂上。在另一个实施例中，液体可通过兆频超声波换能器本体中的至少一个端口传递到衬底130。液体可以是去离子水(DIW)或为清洗单晶片而设计的清洗化学制剂。单晶片清洗化学制剂的例子包括商业上可获取的溶剂，例如通常用于后蚀刻清洗的EKC 640、EKC6800和Ashland NE89，和其他商业上可获取的用于后化学机械平坦化(CMP)清洗的溶剂。其他清洗化学制剂包括SC-1(NH4OH/H2O2混合物)、SC-2(HCl/H2O2混合物)、稀释HF或臭氧化DIW(H2O/O3)。
仍然参考图3，兆频超声波清洗机132包括容纳在外壳142内的兆频超声波换能器136。电源线140为换能器136提供所需要的电能。如上文，可将兆频超声波清洗机132固定到径向臂，设置该径向臂用以在半导体衬底130的顶表面144上方径向移动。在兆频超声波清洗机132的底表面146和半导体衬底130的顶表面144之间的距离148，在约0.5毫米(mm)和约5mm之间。在一个实施例中，距离148在约1mm和约3mm之间，该距离优选为约2mm。如关于图2A-2C的上文，设置兆频超声波清洗机132的底表面146的表面积，使得约3W/cm2和约5W/cm2之间的功率密度传递至顶表面144。因此，表面积足以允许在约0.4兆频(MHz)和约1.5MHz之间的兆频超声波能量跨越半导体衬底传递约3W/cm2和约5W/cm2之间的功率密度。
图4是根据本发明的一个实施例的兆频超声波清洗机的更详细的示意图。换能器136配置在包括掺杂底层150的兆频超声波传送层152上。引线154提供了掺杂底层150之间的通道，用以跨越掺杂底层施加电压差156。因此，可跨越掺杂底层150施加电流，用以局部加热同掺杂层接触的液体。在一个实施例中，兆频超声波传送层152包含碳化硅(SiC)，而兆频超声波传送层的掺杂底层150掺入了诸如硼、磷、砷、锑等的适当掺杂元素，用以降低掺杂底层的电阻。对于本领域的技术人员显而易见的是，换能器136是设置为产生兆频超声波能量的压电装置。此外，兆频超声波传送层152可以由除SiC以外的替代化合物形成。替代化合物机械上很牢固，并且能够提供类似波导特性，用以将兆频超声波能量聚焦朝向其上配置有兆频超声波清洗机132的衬底，而这些替代化合物基本上对所施加的化学制剂是惰性的。可替换地，可将惰性保护涂层涂敷至换能器外壳，用以保护其免受所使用的化学制剂而退化。
应当理解，在一个实施例中，兆频超声波传送层152可以包含绝缘体。虽然SiC确实具有绝缘特性，但SiC还是半导体，并且掺杂该化合物改变了其电阻率。诸如硅的化合物可以用于替代SiC。而且，通过利用接合至底表面上的传导加热层的多层绝缘材料，诸如石英或蓝宝石，还可采用复合兆频超声波传送层。传导加热层可以是任何传导材料，该传导材料能够接合至绝缘层，允许兆频超声波能量的传输，以及受到保护以免受所使用的化学制剂的影响，或者对所使用的化学制剂呈现惰性。如果利用半导体型绝缘体，则应该理解，该绝缘体必须能够通过将掺杂剂引入绝缘体的底层而被掺杂并变得更加导电，由此降低底层的电阻率。因此，由于兆频超声波能量同时施加到液体以及其上配置有液体的衬底，因此在跨越底层施加电流时，由阻性加热所产生的热可被传送至同兆频超声波清洗机的底层相接触的液体。
图5A是根据本发明的一个实施例，用以提供局部化加热的兆频超声波清洗机的部件示意图。换能器136配置在绝缘体160上，该绝缘体160配置在SiC层152上。对SiC层152的底层150进行掺杂用以减小底层的电阻率。在一个实施例中，掺杂剂浓度在约1011原子/cm2和约1019原子/cm2之间。在优选实施例中，掺杂剂浓度在约1013原子/cm2和约1017原子/cm2之间。因此，当跨越掺杂底层150施加电流时，将产生掺杂层的阻性加热。应当理解，绝缘体层160使换能器136与来自谐振器，即SiC层152和掺杂底层150的任何热绝缘。在一个实施例中，绝缘体层160包含蓝宝石。SiC层152的厚度162在约0.01mm和约7mm之间。更优选地，厚度162在约1mm和约5mm之间。当然，依赖于SiC的结构，即，淀积在绝缘体或层上的薄膜，如关于图4所陈述的，该厚度可相应地变化。
图5A的绝缘体160具有约1mm和约5mm之间的厚度。本领域的技术人员将理解，通过粘性接合将换能器136、绝缘体160和SiC层152相互固定。虽然底层150的底表面示出为基本上是平坦的，但在一个实施例中，底表面可弯曲用以允许改善渗透进高纵横比的特征部件，如下文将更详细说明的。应当理解，可以设置SiC层152用以使之具有多个电阻层，其中多个层定义了不同的电阻率梯度。将多个电阻层分层，使得底部掺杂层150具有最低的电阻率，而SiC层152内的分层的连续上层具有增大的电阻率。因此，具有最高电阻率的层将位于SiC层152的顶部，由此提供对换能器136更大的保护，以免受到通过跨越底部掺杂层150施加的电流所产生的热的影响。
图5B是根据本发明的一个实施例的兆频超声波清洗机的谐振器的示意图，该谐振器包括其上淀积有薄SiC涂层的绝缘体。这里，换能器136接合至绝缘体160。绝缘体160可以包含诸如蓝宝石、石英等任何适当的绝缘体。薄SiC涂层150a淀积淀积在绝缘体160的底表面上。对于本领域的技术人员显而易见的是，可以使用常规的淀积技术来淀积薄SiC涂层150a。如上参考图5A的掺杂底层150，通过淀积期间的原位掺杂，或淀积后的单独掺杂，可以获得薄SiC涂层150a的适当电阻率。应当理解，跨越薄SiC涂层150a施加电压差，用以提供对液体的阻性加热，该液体将薄SiC涂层耦合至半导体衬底，如下文所进一步讨论的。此外，薄SiC涂层150a可向外弯曲而不是平坦的。在一个实施例中，绝缘体160具有弯曲的底表面，而薄SiC涂层150a是均匀淀积在绝缘体的弯曲底表面之上。
图6是根据本发明的一个实施例，形成于兆频超声波谐振器和配置在半导体衬底上的液体之间的弯液面的放大示意图。使具有掺杂底层150的SiC层152同液体层166接触而不接触衬底130的顶表面。因此，弯液面134形成于液体层166和兆频超声波谐振器的掺杂底层150的底表面之间。如这里示出的，将掺杂底层150的底表面弯曲以产生透镜效应。在一个实施例中，曲率半径在约5厘米(cm)和200cm之间。如参考图3，在掺杂底层150的底表面上的低点和衬底130的顶表面144之间，测量掺杂底层150的底表面和衬底130的顶表面144之间的距离148。对于本领的技术人员显而易见的是，除了机械上牢固以外，SiC层152还提供了以液体166的良好润湿角，用以形成弯液面134。如先前所提及的，液体166包括清洗化学制剂，该化学制剂被指定用于在诸如CMP、蚀刻、淀积、注入等的各种半导体工艺步骤之后执行的单晶片清洗工艺。
仍然参考图6，通过掺杂底层150提供的阻性加热将热能传送到液体166，以便局部加热液体。在一个实施例中，液体166的温度控制在约20摄氏度(℃)和约100度℃之间。更优选地，温度控制在约30℃和约70℃之间。当然，在底部掺杂层150下方定义的区域中的液体的温度，依赖于清洗化学制剂的本身特性。换言之，清洗半导体衬底所用的工艺类型以及清洗化学制剂的成分，确定了最佳温度用以获得所期望的活性。通过调节施加至底部掺杂层150的电压差，控制并维持液体166的温度。而且，应当理解，兆频超声波清洗机还可提供局部化加热。因此，在底部掺杂层150和衬底130之间定义的区域中的液体暴露于由底部掺杂层的阻性加热所产生的热能。因此，随着在清洗操作期间在半导体衬底的表面上移动兆频超声波清洗机，在兆频超声波清洗机下方定义的液体区域，伴随着由兆频超声波清洗机所引发的清洗活动而进行加热。在一个实施例中，升高的温度增加了清洗化学制剂的活性，因而减少了清洗操作的处理时间，导致了较高的处理能力。
图7是根据本发明的一个实施例，由兆频超声波清洗机提供的透镜效应的剖面示意图，该兆频超声波清洗机具有弯曲底表面用以产生透镜效应。兆频超声波清洗机132包括换能器136、绝缘体160、和包括具有底部掺杂层150的SiC层152的谐振器。以凸出方式弯曲底部掺杂层150的底表面，即，使其向外弯曲。如上文，在一个实施例中，曲率半径在约5cm和约200cm之间。弯曲的底部提供了对兆频超声波的透镜效应。透镜效应使兆频超声波以某一角度引导至半导体衬底130的顶表面。因此，可更有效地清洗诸如通孔170的高纵横比特征部件的侧壁。换言之，相比于使兆频超声波垂直地引导至衬底130的顶表面，其中侧壁上的残留物避开了同兆频超声波相关的清洗机制，透镜效应为兆频超声波提供了角取向。因此，角取向引导兆频超声波朝向通孔170的侧壁，由此使侧壁和来自先前制造工艺的残留在侧壁上的任何残留物都经历兆频超声波的清洗操作。特别地，在侧壁之间反射兆频超声波，而非单从通孔170的底部反射出来。因此，弯曲波导的底表面有助于将兆频超声波能量引导至高纵横比特征部件的侧壁。应当理解，底部掺杂层150的微小弯曲都有助于防止空气陷于将兆频超声波谐振器耦合至衬底的液体之中，以确保谐振器和在谐振器与液体接触时所定义的弯液面之间的良好接触。
图8是根据本发明的一个实施例的兆频超声波清洗机的侧视示意图，该兆频超声波清洗机设置为用以提供局部化加热，并且具有防止换能器过加热的冷却回路。换能器136容纳在具有入口176和出口178的外壳174内。将冷却介质提供至外壳174以便保护换能器136防止其过加热。因此，谐振器(具有底部掺杂层150的SiC层152)可以在升高的温度下运行，以提供对液体166的区域180的局部化加热。应当理解，除了区域180以外，通过底部掺杂层150提供的阻性加热还将加热SiC层152。因此，冷却回路允许SiC层152的热消散用以保护换能器136。在一个实施例中，冷却回路是封闭回路，使得清洗化学制剂不会因换能器冷却而被稀释。对于本领域的技术人员显而易见的是，可以使用诸如液态氮的液体或任何其他和换能器136的冷却相容的适当液体。此外，通过定义迫使空气经过换能器以提供冷却的系统，换能器136可以进行空气冷却。
图9是说明根据本发明的一个实施例，用于通过兆频超声波清洗来清洗半导体衬底而执行的方法操作的流程图。该方法开始于操作184，其中液体引入至半导体衬底的顶表面上。该液体可以是去离子水(DIW)或为单晶片清洗工艺而设计的清洗化学制剂。应当理解，在这里描述的兆频超声波清洗方法过程中可以连续施加液体，或者可将液体混拌至半导体衬底的顶表面上。该方法随后进行到操作186，其中谐振器的底表面耦合至液体。适当的谐振器是图3-7的兆频超声波谐振器。在一个实施例中，谐振器的底表面向外弯曲，并且具有约5cm和约200cm之间的曲率半径。如上文，弯曲的底表面增强了谐振器同液体的耦合，并且提供了透镜效应。而且，对谐振器的底层进行掺杂，以便为了向跨越掺杂层施加的电压差提供减小的电阻率，其因而加热了底层。
然后，图9的方法继续至操作188，其中声能通过谐振器传送到液体。在一个实施例中，声能是兆频超声波能量，并通过碳化硅(SiC)谐振器传送。此外，设置谐振器用以透过透镜效应而到达高纵横比特征部件的侧壁。如上文，通过使谐振器同谐振器进行接触时所形成的弯液面，该液体将谐振器耦合至衬底。该方法随即进行至操作190，其中通过谐振器的底表面加热液体。这里，跨越掺杂层施加的电压差导致了阻性加热，其中热能从底层传送至液体界面。因此，加热了液体。在一个实施例中，液体是单晶片清洗化学制剂，其中该清洗化学制剂的活性和有效性在升高的温度下增加，例如在约20℃和约100℃之间。通过调节施加至底层的电压势，控制了液体的温度。
总之，本发明提供了具有局部加热液体能力的兆频超声波谐振器，其中该液体将谐振器的底表面耦合至衬底。设计该谐振器的尺寸用以维持低的功率密度。此外，设置谐振器用以通过兆频超声波的透镜效应，更有效地清洗高纵横比特征部件的侧壁。
根据数个示例性实施例，这里已经描述了本发明。通过考虑本发明的说明和实施，本领域的技术人员将理解本发明的其他实施例。上文描述的实施例和优选特征应被视为是示例性的，而本发明的范围由附属的权利要求所限定。
权利要求
1.一种用于清洗半导体衬底的设备，该设备包括换能器谐振器，其配置为用以传播来自换能器的能量，谐振器具有顶表面和底表面，顶表面有效耦合至换能器，底表面配置为在传播来自换能器的能量时提供局部化加热。
2.权利要求1的设备，进一步包括绝缘体，其设置在换能器和谐振器之间。
3.权利要求1的设备，其中谐振器由具有约0.01毫米(mm)和约7mm之间厚度的碳化硅层构成。
4.权利要求1的设备，其中底表面是弯曲表面。
5.权利要求4的设备，其中弯曲表面具有约5厘米(cm)和200cm之间的曲率半径。
6.权利要求1的设备，进一步包括冷却回路，用于冷却换能器，该冷却回路是封闭回路。
7.一种用于清洗半导体衬底的系统，该系统包括衬底支承，其配置为支承半导体衬底，并使半导体衬底围绕半导体衬底的轴旋转；兆频超声波清洗机，其配置为在半导体衬底的顶表面上方径向移动，该兆频超声波清洗机包括换能器；谐振器，其配置为用以传播来自换能器的能量，该谐振器具有顶表面和底表面，顶表面有效耦合至换能器，底表面配置为接触设置在半导体衬底顶表面上的液体，底表面适于在将来自换能器的能量通过液体传播至衬底时，提供局部化加热以升高同底表面接触的液体的温度。
8.权利要求7的系统，其中底表面配置为以某一角度将兆频超声波引导朝向半导体衬底的顶表面。
9.权利要求7的系统，其中从半导体衬底的顶表面到谐振器的底表面的距离在约0.5毫米和约5毫米之间。
10.权利要求7的系统，其中该液体是设计用于单晶片清洗操作的清洗化学制剂和去离子水中的一种。
11.权利要求7的系统，其中液体的温度通过局部化加热维持在约20℃和约100℃之间。
12.权利要求7的系统，其中底表面包括掺杂剂，该掺杂剂配置为用以降低底表面的电阻率。
13.权利要求12的系统，其中掺杂剂是硼、砷、磷和锑中的一种。
14.权利要求12的系统，其中掺杂剂的浓度在每平方厘米约1011个原子和每平方厘米约1019个原子之间。
15.权利要求7的系统，其中跨越底表面施加电压差，以加热液体。
16.权利要求15的系统，其中通过改变电压差来控制液体的温度。
17.权利要求7的系统，进一步包括加工臂，其用于支承兆频超声波清洗机，控制加工臂以便于由兆频超声波清洗机执行的工作量在半导体衬底的顶表面上基本上是均匀的。
18.权利要求15的系统，其中换能器包括至少一个端口用以将液体传送至衬底。
19.一种用于在半导体衬底的清洗操作过程中对清洗化学制剂进行局部化加热的方法，该方法包括设置谐振器以便接触施加到半导体衬底的清洗化学制剂的表面；并且通过谐振器同时施加热能和声能用以清洗半导体衬底。
20.权利要求19的方法，其中通过谐振器同时施加热能和声能用以清洗半导体衬底的方法操作进一步包括降低谐振器的底层的电阻率；在通过清洗化学制剂将来自谐振器的声能传送到半导体衬底时，跨越底层施加电压差。
21.权利要求20的方法，其中电压差确定谐振器的底层和半导体衬底的顶表面之间的清洗化学制剂的温度。
22.权利要求20的方法，其中降低谐振器底层的电阻率的方法操作进一步包括对谐振器的底层施加掺杂剂。
23.权利要求19的方法，其中设置谐振器以便接触施加到半导体衬底的清洗化学制剂的表面的方法操作包括，将谐振器设置在半导体衬底的顶表面上，使得谐振器的底表面和半导体衬底的顶表面之间的距离在约0.5毫米(mm)和约5mm之间。
24.权利要求19的方法，其中通过谐振器同时施加热能和声能用以清洗半导体衬底的方法操作包括，将传递至半导体衬底顶表面的声能水平维持在约每平方厘米3瓦特(W)和约每平方厘米5W之间。
全文摘要
提供了一种用于清洗半导体衬底的设备。在本发明的实施例中，提供了能够提供局部化加热的兆频超声波清洗机。兆频超声波清洗机包括换能器和谐振器。谐振器设置为用以传播来自换能器的能量，谐振器具有第一和第二端，第一端有效耦合至换能器，而第二端设置为在传播来自换能器的能量时提供局部化加热。还提供了一种用于通过兆频超声波清洗来清洗半导体衬底的系统，以及一种用于清洗半导体衬底的方法。
文档编号H01L21/00GK1655884SQ03812022
公开日2005年8月17日 申请日期2003年3月13日 优先权日2002年3月29日
发明者J·M·博伊德, K·米克海利希 申请人:兰姆研究有限公司