单晶片超音波清洗机的声学特性分析

引言

单晶片兆频超声波清洗机的声音分布通过晶片清洗测试、视觉观察、声音测量和建模结果来表征。该清洁器由一个水平晶圆旋转器和一个兆频超声波换能器/发射器组件组成。声音通过液体弯月面从换能器组件传输到水平石英棒到晶片。声音可以从石英棒沿径向和轴向传播。通过改变换能器和传输部件的参数，可以控制来自石英棒的径向和轴向声音传输的程度。

虽然兆频超声波清洗在半导体工业中被广泛使用，但是基本的物理过程还没有被完全理解。除了了解颗粒去除的机理，还通过实验和建模研究了清洁室内的声音分布。

实验

清洗实验是在VERTEQ金手指，一个单一的晶片，兆频超声波清洗机(图1和2)中完成的。

图1 清洁模块显示晶圆棒突出在晶片上

图2 巨气子能量传播和液体分布示意图

该模块包括:(1)晶片卡盘和旋转器，(2)兆频超声波换能器组件和(3)化学输送系统。兆频超声波组件由压电换能器组件组成，该组件连接到石英棒上。

晶圆制备：

浆料污染的氧化物晶片通过以下方法制备:(1)在水中预湿晶片，(2)在Cabot SS-25浆料浴中浸渍10秒，(3)去除并置于稀释的表面活性剂溶液(Wako)中10秒，和(4)使用前在旋转干燥器中干燥。

声音测量：

用兆频超声波空化仪测量液体中空化的能量密度。该仪器由一个连接到电子外壳的传感探头组成。该仪表测量内爆溶液气泡的气穴现象以及压力传感器产生的声波。电表每秒测量两次能量。

建模：

使用有限差分法计算二维声波方程的近似解。用户定义的参数包括几何形状（声源、发射器和接收器）、材料的物理特性、边界条件、声源条件、接收器条件和控制模拟的参数。

结果和讨论

在正常处理过程中，晶片在施加兆频超声波能量的同时旋转。为了更好地理解声音分布，进行了“静态”晶片清洁测试，在此期间晶片没有旋转。图3所示为在这种条件下处理受浆料污染的晶片后的缺陷图。缺陷图是三种不同传感器设置条件下处理的代表性示例。图3还显示了石英棒和液体分配器的方向。不同的传感器条件产生不同的声音模式。径向分量与轴向分量的比率可以有很大的改变。

图3 “静态”晶片试验-传感器和液体分配方向；3种不同的传感器设置的晶片缺陷图

使用实验部分描述的探针进行声音测量。图4显示了图3中传感器条件A和B的归一化强度值.晶片上的清洁区域和声音探头的高信号区域之间有很强的相关性。与晶圆清洗测试一样，传感器条件A的轴向分量明显高于条件B。

图4 兆频超声波探头强度测量-标准化

声音通过石英棒的透射率也用商业软件模拟(2D)。网格示意图如图5所示，输入换能器、石英棒、晶片、水层和接收器的几何和物理参数。石英棒形状近似为矩形，没有考虑连接到换能器组件的弯曲部分。换能器形状也是近似的。石英棒的长度和宽度、水层和晶片的厚度与实验值一致。接收器放置在棒下的水层中，靠近石英棒的末端。这样做是为了帮助理解前面实验中看到的不同轴向和径向分量。归一化为声源幅度1，换能器条件A在接收器1处产生0.2的信号.由于这个接收器正好放在杆的内部，低幅度信号表明很少声音反射回杆中。换句话说，声音在轴向上被有效地传输。这与晶圆清洗测试一致。另一方面，传感器条件B产生了接收器1的归一化信号为1.1，表明径向传输效率低。这也与晶圆清洗数据一致。

图5 用于二维模拟的示意图

还评估了没有石英棒的换能器组件的声音分布。圆柱形传感器底座的平面水平放置，并覆盖有水。打开传感器电源后，观察水流模式。

图6显示了传感器状态A、B和c的照片。水的振动模式与清洗试验有明显的相关性。条件A显示轴向振动；“静态”晶圆清洗测试也显示了同样的情况。条件B主要显示径向振动。条件C显示轴向和径向分布。

图6 在没有石英棒传感器的情况下，水被放置在传感器组件上

总结

已经证明了对单晶片兆频超声波清洗机的声音分布控制。这是通过改变传感器组件的工作条件来实现的。晶片清洗测试、声音探针测量、视觉观察和建模显示了径向:轴向声强的定性相关性。单晶片清洁器可以与前端和后端应用中的互补处理工具集成。对于特定应用的清洁挑战，可能需要不同的操作条件。