用于光掩模清洁的两种兆声波装置

引言

湿式光掩模清洗依赖于兆频超声波搅拌来增强工艺，但要可靠地最大化粒子去除效率并最小化损坏，还有许多挑战。随着向无薄膜EUV掩模的转变，光掩模工艺更容易受到污染，增加了改进清洁工艺的紧迫性。这一困难主要是由于无法对声场进行适当的测量。典型地，关于声输出的所有已知信息是驱动频率和传送到换能器的电功率，这两个全局参数很少说明基底上的场分布、基底处声音的实际振幅或基底处存在的空化水平(稳定和瞬态)。对于给定的超声过程，空化的振幅在较高的频率下较低。虽然有几项关于1兆赫下粒子去除和模式损伤的研究，但对高于该值的频率下的空化性能知之甚少。

实验

超声波源：

考虑了两种不同的兆频超声波设备。一种是一种新颖的设计，包括一个耦合到倾斜的截顶石英锥的换能器，该石英锥具有悬浮在衬底上的平坦表面，留下大约4cm×6cm[4]的椭圆形足迹。它通过注入在锥体任一侧的清洗液与衬底耦合。二种设备是传统的点簇射器，通过以1.5 L/min的速度流动的直径为4 mm的清洁流体的平滑喷射将喷嘴换能器耦合到基板上方。

声学测量方法：

两种换能器配置的声学性能通过各种方法来表征，这些方法的应用取决于设备的几何形状及其应用模式。在所有情况下，试验均在室温(22℃)下用去离子水进行，过滤至5 m，脱气至3.5毫克/升O2。校准的针形水听器用于测量声直接场(从声源传播)和两种形式的空化，稳定和瞬态，它们是由直接场的存在产生的。已经表明，两种形式的气穴现象都与清洗效率和损坏密切相关。扫描水听器可以绘制压力分布图，并且只有当没有明显的驻波时，才能确定换能器的电声效率。只有在没有驻波的情况下，声强的定义才适用。由于高速喷射和气泡破裂产生的冲击波，瞬态气穴现象会产生破坏性影响。为了模拟这种情况，在6 mm的光掩模石英板中嵌入了一个传感器，一个机动扫描系统被用来自动绘制带有针水听器和面罩传感器的声场图（如图1）。

图1 (左)针形水听器和(右)光掩模传感器阵列

结果和讨论

锥形换能器：

锥形换能器的评估是通过在距离平面1毫米处扫描水听器，同时辐射到实际上的消声罐中。图2所示的3兆赫辐射图呈现出一个漫射、不规则但相当均匀的场。这是从扩展源中预期的，在扩展源中相干干涉将产生λ/2周期性的图案，并且能量分布在大面积上。这类似于之前工作中发现的1兆赫锥形换能器的模式。

图2  (左)3兆赫锥形换能器的2D扫描和(右)1兆赫锥形换能器的2D扫描

一旦找到最大压力的位置，水听器就被放置在适当的位置，驱动功率从0.5瓦增加到5瓦。使用气蚀仪进行的信号分析显示，稳定气蚀和瞬态气蚀的数量可以忽略不计。

穴测量方法基于用压电传感器检测声发射以产生压力谱。频谱中的不同分量代表来自直接场、稳定空化和瞬态空化的压力。直接磁场、稳定和瞬态气穴现象的频率和压力以国际单位制记录。最后，使用纹影成像来可视化换能器和掩模衬底之间的波传播行为。纹影成像是一种光学方法，通过检测折射率的微小变化引起的光衍射，将声波引起的压缩转化为光。

喷嘴传感器：

点状喷头/喷嘴装置最初与消声罐表面接触，压力分布在包含喷嘴区域的10×10毫米见方的区域。这很好地近似了包含在喷流中的声辐射，尽管它并不完全相同，因为喷流-空气界面是完全反射的。不出所料，声压集中在小于射流的有限区域，均方根值为几百千帕.在1瓦和2瓦的设置下，绘制了两个辐射场图，以确定模式如何随功率变化。使用相同的两个功率设置来使用传感光掩模生成地图，这导致图案不太均匀。不幸的是，不可能将水听器或光掩模传感器放置在峰值压力位置，因为超过1兆帕的压力可能会损坏水听器。这四种情况如图3所示：

图3 

随后，水听器被放置在峰值压力位置，用于两种功率设置(1瓦和2瓦)，并连接到MCT-2000气穴分析仪。尽管观察到的压力约为0.9兆帕和12兆帕，但仅观察到少量稳定的和可忽略不计的瞬时气穴现象。喷嘴应用促使通过将水听器放置在与射流紧密接触且靠近喷嘴出口的位置来监控波束的可能性。喷嘴和装有传感器的光掩模之间的距离是变化的，水听器和传感器的值都记录在每个位置。图4显示了P0随距离变化的周期性波动，其中峰值相隔约500微米。

图4 在水听器和面罩处测量的直接场压力与面罩距离传感器的函数关系图

在整个研究过程中，人们注意到，当射流作用于平坦表面时，会产生高速、低厚度液体的圆形区域。以每分钟1升的速度，这个区域延伸到距离射流中心约14毫米的地方。为了确定空化如何随着距射流中心的距离而变化，水听器被放置在射流的边缘(距其中心3毫米)，连接到空化分析仪，并沿着远离射流的直线线性扫描。

总结

虽然频率和发电机功率设置是等效的，但喷嘴和锥形换能器的声学性能有很大不同。显然，频率和电能并不是声学性能和后续清洁活动的唯一决定因素。

对于相同的输入功率，来自喷嘴传感器的直接场压力输出大约是来自锥形传感器的10倍，当然是因为它的占地面积更小。还观察到，在两种设计中，空化产生的压力比直接压力低两个数量级(比在较低频率清洁环境中观察到的值低得多)。

尽管压力很高，但气蚀程度很低，这可能是由于使用了脱气水，而对于锥形传感器，则是由于压力很低。根据射流直径和水流，估计平均一个水分子从进入腔室到接触衬底需要16毫秒。这应该是气泡生长和空化的足够时间，然而，由于缺乏驻波，辐射压力可能是推动气泡穿过边界层并到达大块上的原因——直接场去除气泡就像去除粒子一样。与喷嘴相反，锥形装置在大范围内提供相同的功率，这导致相对较低的气穴压力，低于2千帕。

作为一个实际的结果，似乎如果锥形换能器设计可以有效地清洁，这可能是一个解决方案，可以延长工艺窗口的上限，以最小化图案损坏。