在清洁或光刻胶剥离等衬底加工过程中提高向工艺流体传输声能的效率和有效性的系统与方法。本发明利用层叠材料将声能从声能源输送至工艺流体。选择构成每个层的物质，它能缩小层叠中连续层之间的声波阻抗差别，在将声能从声有源传输至工艺流体时产生声波阻抗更为逐渐进的传输。本发明一方面提出了一种系统，包括：用来容纳工艺流体的加工室；声能源；和具有第一传输层和第二传输层的声层叠，该声层叠构成从声能源到加工室中工艺流体的声能通道。
用来将声能从声能源传输到加工室中的工艺流体的声层叠，该声层叠具有第一传输层和第二传输层；
第一传输层位于声能源和第二传输层之间，具有第一声波阻抗值；
第二传输层位于第一传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第一声波阻抗值的第二声波阻抗值；
其特征在于第一传输层由不锈钢制成，第二传输层由聚三氟氯乙烯，乙烯-三氟氯乙烯共聚物，聚偏二氟乙烯，四氟乙烯-全氟丙烯共聚物或特氟隆制成，而且声能源中包括压电晶体。
用来将声能从声能源传输到加工室中的工艺流体的声层叠，该声层叠具有第一传输层和第二传输层；
第一传输层位于声能源和第二传输层之间，具有第一声波阻抗值；
第二传输层位于第一传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第一声波阻抗值的第二声波阻抗值；
其特征在于第一传输层由铝，钛或铍制成，第二传输层由石英制成，而且声能源中包括压电晶体。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于第一传输层是用来将声层叠固定在加工室上的刚性板块。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于进一步包括位于第二传输层和加工室中的工艺流体之间的第三传输层，该第三传输层是由聚三氟氯乙烯，乙烯-三氟氯乙烯共聚物，聚偏二氟乙烯，四氟乙烯-全氟丙烯共聚物或特氟隆制成的，并且其第三声波阻抗值小于第二声波阻抗值。
用于从声能源传输声能至加工室中的工艺流体的声层叠，该声层叠具有第一传输层，第二传输层和第三传输层；
第一传输层位于声能源和第二传输层之间，具有第一声波阻抗值；
第二传输层位于第一传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第一声波阻抗值的第二声波阻抗值；
第三传输层位于第二传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第二声波阻抗值的第三声波阻抗值；
其特征在于第二传输层是用来将声层叠固定在加工室上的刚性板块。
用于从声能源传输声能至加工室中的工艺流体的声层叠，该声层叠具有第一传输层，第二传输层和第三传输层；
第一传输层位于声能源和第二传输层之间，具有第一声波阻抗值；
第二传输层位于第一传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第一声波阻抗值的第二声波阻抗值；
第三传输层位于第二传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第二声波阻抗值的第三声波阻抗值；
其特征在于第一传输层由铝，钛或铍制成，第二传输层由石英制成，第三传输层由聚三氟氯乙烯，乙烯-三氟氯乙烯共聚物，聚偏二氟乙烯，四氟乙烯-全氟丙烯共聚物或全氟烷氧基聚合物制成，而且声能源中包括压电晶体。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于进一步包括加工室中的工艺流体，该工艺流体的声波阻抗值小于第三声波阻抗值。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于工艺流体的声波阻抗值在0.8到2.5兆瑞利的范围内。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于声能源的声波阻抗值小于第一声波阻抗值。
提供一种系统，该系统包括至少部分装有工艺流体的加工室，声能源，具有第一传输层和第二传输层，形成从声能源到加工室中工艺流体的声能通道的声层叠，该第一传输层位于声能源和第二传输层之间，具有第一声波阻抗值，第二传输层位于第一传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第一声波阻抗值的第二声波阻抗值，其特征在于第一传输层由不锈钢制成，第二传输层由聚三氟氯乙烯，乙烯-三氟氯乙烯共聚物，聚偏二氟乙烯，四氟乙烯-全氟丙烯共聚物或特氟隆制成，而且声能源中包括压电晶体；
提供一种系统，该系统包括至少部分装有工艺流体的加工室，声能源，具有第一传输层和第二传输层，形成从声能源到加工室中的工艺流体的声能通道的声层叠，第一传输层位于声能源和第二传输层之间，具有第一声波阻抗值，第二传输层位于第一传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第一声波阻抗值的第二声波阻抗值，其特征在于第一传输层由铝，钛或铍制成，第二传输层由石英制成，而且声能源中包括压电晶体；
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于第一传输层是用来将声层叠固定在加工室上的刚性板块。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于进一步包括位于第二传输层和加工室中的工艺流体之间的第三传输层，该第三传输层是由聚三氟氯乙烯，乙烯-三氟氯乙烯共聚物，聚偏二氟乙烯，四氟乙烯-全氟丙烯共聚物或特氟隆制成的，并且其具有小于第二声波阻抗值的第三声波阻抗值。
提供一种系统，该系统包括至少部分装有工艺流体的加工室，声能源，具有第一传输层，第二传输层和第三传输层，形成从声能源到加工室中的工艺流体的声能通道的声层叠，第一传输层位于声能源和第二传输层之间，具有第一声波阻抗值，第二传输层位于第一传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第一声波阻抗值的第二声波阻抗值，第三传输层位于第二传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第二声波阻抗值的第三声波阻抗值，其特征在于第二传输层是用来将声层叠固定在加工室上的刚性板块；
提供一种系统，包括至少部分装有工艺流体的加工室，声能源，具有第一传输层，第二传输层和第三传输层，形成从声能源输送声能至加工室中的工艺流体的声能通道的声层叠，第一传输层位于声能源和第二传输层之间，具有第一声波阻抗值，第二传输层位于第一传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第一声波阻抗值的第二声波阻抗值，第三传输层位于第二传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第二声波阻抗值的第三声波阻抗值，其特征在于第一传输层由铝，钛或铍制成，第二传输层由石英制成，第三传输层由聚三氟氯乙烯，乙烯-三氟氯乙烯共聚物，聚偏二氟乙烯或全氟烷氧基聚合物制成，而且声能源中包括压电晶体；
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于工艺流体的声波阻抗值小于第三声波阻抗值。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于工艺流体的声波阻抗值在0.8到2.5兆瑞利的范围内。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于工艺流体是去离子水，该方法进一步包括从衬底上清除污染物。
19.如权利要求10所述的方法，其特征在于工艺流体是臭氧，该方法进一步包括从衬底上剥离光刻胶。
20.如权利要求10所述的方法，其特征在于声能源的声波阻抗值小于第一声波阻抗值。
21.一种用于加工至少一个衬底的系统，包括：与衬底接触的工艺流体；
用来从声能源传输声能至工艺流体的声层叠；该声层叠包括三个或多个串连的传输层，其中有与声能源接触的第一传输层和与工艺流体接触的最后传输层；
其特征在于声层叠中每个传输层的声波阻抗值都小于按照从第一传输层到最后传输层顺序的前一个传输层的声波阻抗值。
具有声能源传输的衬底加工槽和加工衬底的方法
[0001] 相关申请交叉引用
[0002] 要求2002年11月1日提交的临时申请60/423263的优先权。
[0003] 发明技术领域
[0004] 本发明一般涉及衬底制造领域，具体涉及在加工集成电路时提高从声能源到工艺流体的声能传输的方法与系统。
[0005] 发明背景
[0006] 在半导体制造中，半导体器件是在薄盘状衬底上制造的。通常，每个衬底中都有许多个半导体器件。在任何单个衬底上能够制造的半导体器件确切数目取决于衬底尺寸和在衬底上制造的半导体器件尺寸。但是，半导体器件正在变得越来越小型化。这种小型化的结果是，能在任何给定面积上制造越来越多的半导体器件，因此，每个衬底的表面积越来越有价值。
[0007] 在制造半导体器件时，在制造可用的终端产品之前，衬底经过了许多加工步骤。这些加工步骤包括：化学蚀刻，晶片研磨，光刻胶剥离和掩蔽。这些步骤通常都是在一个加工槽中发生的，经常需要在加工过程中对每个衬底进行多次清洁，冲洗和干燥循环操作，从而清除衬底上会引起沾污和导致器件失效的颗粒。
[0008] 长期以来人们就已经认识到在制造半导体器件时，清洁的衬底表面的重要性。VLSI和ULSI硅电路技术的发展已经使清洁过程成为制造过程中特别关键的步骤。另外，随着半导体器件的需求和劳动力成本的增加，缩短制造时间已经成为半导体制造业中所关心的主要问题。但是，缩短制造时间必须不会损害制得产品的量质并影响每个衬底上功能正常器件的产量。
[0009] 为了达到这两个目的，在许多加工步骤中使用声能(即兆频超声波能量)是该工业领域中常用的。术语“兆频超声波能量”和“声能”在这里可以互换使用。应用兆频超声波能量特别有用的两个加工步骤是清洁和剥离。在清洁步骤中应用兆频超声波能量有助于更有效地从衬底上清除颗粒，而在剥离步骤中应用兆频超声波能量能够提高剥离速率。
[0010] 在利用兆频超声波能量清洁衬底的现有方法中，首先向加工槽中装入清洁溶液，例如标准清洁剂1(SC-1)，标准清洁剂2(SC-2)，去离子水或稀释的上述化学试剂。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。向加工槽中装入选定的流体之后，将衬底浸入其中，使兆频超声波能量偶合至流体，产生并引导声能通过流体并通过衬底表面。在兆频超声波清洁过程中，换能器能在负位置和性位置之间以兆频超声波速率振荡，在流体中产生负压力和性压力。随着兆频超声波能量的振荡，在负压力作用下流体中形成空化气泡，而空化气泡在性压力下坍塌。主要从两个方面对衬底进行清洁：(1)空化(微观内爆)；和(2)流动(流体沿着移动的波阵面)。
[0011] 类似的，还可以在衬底制造过程中利用兆频超声波能量提高剥离速率。在兆频超声波剥离过程中，衬底被置于装有流体的加工槽中，该流体例如流体臭氧化去离子(“DI”)水或臭氧气氛中的臭氧化DI水雾。然后如上所述向流体施加兆频超声波能量。
[0012] 产生兆频超声波能量的标准方法是使用压电晶体换能器。压电晶体是两面都进行了金属化的陶瓷片。
[0013] 为了将兆频超声波能量输送给衬底被加工时所在的流体，现有系统使用各种刚性的板将换能器连接至加工槽。但是，这种结构在将兆频超声波能量从换能器输送到流体的效率和有效性方面是有缺陷的。换能器被直接连接至刚性板的一面。这种与刚性板的连接通常会导致不够理想的性能。然后此刚性板块被连接到加工槽，使得没有连接换能器的刚性板块的那一面与加工流体接触。这种现有技术的一个系统公开在美国专利4804007中，如图1所示。试看图1，压电晶体5直接连接于刚性板块6。压电晶体5通过环氧粘合剂固定在刚性板块上。刚性板块6连接到加工槽，使未粘合晶体5的刚性板块6的那一面接触其中存在衬底的工艺流体7。在使用这种系统时，对压电晶体5施加高频能量，使晶体5产生兆频超声波能量。这种兆频超声波能量从晶体5通过刚性板块6传输到加工槽中的工艺流体7。发现从晶体5传输给工艺流体的兆频超声波能量受到很大的阻碍，这是因为串连材料(即晶体5和刚性板块6；以及刚性板块6和工艺流体)的声波阻抗值(“Za”)的差别很大。虽然利用环氧树脂将晶体5粘合在刚性板块6上，但是该环氧树脂层非常薄，它对声波阻抗的作用是可以忽略不计的。
[0014] 一种材料的Za被定义为该材料的密度乘以该材料中的声速。Za的单位是兆瑞利6
或(千克/平方米·秒×10)。发现造成现有技术系统的兆频超声波能量传输效率低下的部分原因是由于兆频超声波能量必须通过的材料的Za差别。更具体地说，兆频超声波能量必须通过的串连材料之间的Za差别大的话，会导致增加兆频超声波能量传输的阻抗以及向工艺流体能量传输效率的低下。
[0015] 利用兆频超声波能量传输的过程槽中常用的压电晶体典型声波阻抗是Za＝34兆瑞利，而水的Za＝1.5兆瑞利。因此，在这些系统中，为了在衬底加工过程中使兆频超声波能量从压电晶体传输至水中，该兆频超声波能量必须经过大约32.5兆瑞利的声波阻抗转变。虽然现有技术系统的刚性板块通常具有晶体和工艺流体之间的Za值(例如石英Za＝12-15兆瑞利)，但是刚性板块与流体之间和/或刚性板块与晶体之间的Za差别仍然很显著。这会导致在这些不同材料之间传输兆频超声波能量时产生不希望有的能量损失。另外，现有技术的装置只利用刚性板块将换能器(即晶体)连接到加工槽，并保护换能器与流体隔离。刚性板块并不能也不是被设计成用来缓和在压电晶体和工艺流体之间进行传输时产生的声波阻抗差别的。
[0016] 因此，在使用如图1中所示系统加工晶片时，由换能器5产生的大量兆频超声波能量并没有被传输给加工流体7，而是受到阻碍无法进入流体7中。根据具体应用，这种能量损失导致不够理想的清洁和/或剥离速率。因此，利用兆频超声波能量加工衬底的现有系统是不够理想的，会导致能量传输损失，增加能量消耗，和/或产生不够理想的剥离和/或清洁结果。
发明内容
[0017] 因此本发明的一个目的是提供一种将兆频超声波能量传输到用来加工衬底的加工槽中工艺流体的改进方法和系统。
[0018] 另一个目的是提供一种将声能传输到加工槽中的工艺流体，使受到阻碍无法进入工艺流体中的声能量减少的方法和系统。
[0019] 又一个目的是提供一种清洁衬底的改进方法和系统。
[0020] 还一个目的是提供一种剥离衬底的改进方法和系统。
[0021] 本发明关注于如何以更有效和高效的方法，将换能器产生的兆频超声波能量输送别浸有衬底的工艺流体中。虽然本发明将进行具体描述和说明，但是不超出本发明原理和范围的各种变化和改进对本领域技术人员而言是显而易见的。具体地说，虽然本发明所述是在清洁和剥离过程中传输兆频超声波能量，但是本发明并不限于此，可以用于将兆频超声波能量传输至流体的任何过程中。而且，传输兆频超声波能量进入的流体种类是不受限制的。最后，本发明可以用于单衬底加工槽或者被用来同时加工许多个衬底的加工槽。
[0022] 本发明达到了上述和其他目的。本发明是在压电晶体与刚性板块之间和/或在刚性板块与流体之间增加一个或多个传输层，形成“声层叠”。增加此额外的传输层通过缩小串连材料层之间的Za差别，从而有助于提高将能量从换能晶体传输到最终介质的效率。传输层可以位于“声层叠”中的任意位置。优选在本发明中使用一个或多个中间的层，能在从压电晶体到工艺流体的各变化材料之间提供逐渐的Za变化。
[0023] 传输层的确切Za值取决于所用工艺流体的种类，是否存在刚性板块以及传输层在声层叠中的位置。传输层可以由任何材料制成，只要它能在其两面的材料之间提供声波阻抗的居中的变化即可。
[0024] 本发明一方面是一种加工至少一个衬底的系统，包括：用来容纳工艺流体的加工室；声能源；将声能从声能源传输至加工室中的工艺流体的声层叠，该声层叠具有第一传输层和第二传输层；第一传输层位于声能源和第二传输层之间，具有第一声波阻抗值；第二传输层位于第一传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第一声波阻抗值的第二声波阻抗值。
[0025] 本发明另一方面是一种加工衬底的方法，包括：提供一个系统，它包括至少部分装有工艺流体的加工室，声能源，声层叠，该声层叠具有第一传输层和第二传输层，形成从声能源到加工室中的工艺流体的声能通道，第一传输层位于声能源和第二传输层之间，具有第一声波阻抗值，第二传输层位于第一传输层和加工室中的工艺流体之间，具有小于第一声波阻抗值的第二声波阻抗值；将衬底浸入工艺流体中；用声能源产生声能；通过声层叠将声能传输给工艺流体。
[0026] 附图简要说明
[0027] 图1是现有技术兆频超声波系统的示意图。
[0028] 图2是本发明第一实施例的声层叠的示意图。
[0029] 图3是连接于衬底加工室的图2的声层叠示意图。
[0030] 图4是本发明第二实施例的声层叠的示意图。
[0031] 图5是本发明第三实施例的声层叠的示意图。
[0032] 本发明实施方式
[0033] 以下详述的一些实施例只是例证性而非限制性的。
[0034] 试看图2和3所示本发明第一实施例的声层叠10。声层叠10包括两个压电晶体11，刚性板块12和传输层13。传输层13位于压电晶体11和刚性板块12之间。压电晶体
11与传输层13的一面相连，而刚性板块12与传输层13的另一面相连。相互连接都通过使用粘合剂例如环氧树脂实现。组装好声层叠10之后，将声层叠10与加工室20连接，此时不与传输层13相连的刚性板块12那一面直接接触加工室20中的工艺流体21。当晶体11被激活产生声能时，声层叠10起到从晶体11到达工艺流体21的声能通道作用。当有个衬底22浸在工艺流体21中进行加工时，声能会通过工艺流体21作用于衬底22的表面。
[0035] 根据对衬底22加工所用工艺流体21的具体类别，构成刚性板块12的材料和压电晶体11的Za，声层叠10的传输层13可以由Za小于压电晶体11但是大于刚性板块12的任何材料制造。例如，假设压电晶体11的Za晶体＝X，刚性板块12的Za刚性板块＝Y，则传输层13的Za传输层是：X＞Za传输层＞Y。假设刚性板块的声波阻抗大于工艺流体21，通常是0.8-2.5兆瑞利。因此，事实上声层叠10设计居：Za晶体＞Za传输层＞Za刚性板＞Za工艺流体。
[0036] 刚性板块12优选是石英板。晶体11优选是压电晶体。传输层13优选是铝，钛或铍。也可以使用非常厚的环氧树脂层本身作为传输材料13。根据要在衬底上进行的不同过程，工艺流体可以是DI水，臭氧化DI水或臭氧雾。
[0037] 对于传输层的数量没有限制，都属于本发明的范围。唯一的要求是，每个传输层的Za都能减少其相邻两层之间的Za差别。而且，可以使用传输层改变在某一频率范围或临界频率上的整体性能或者特征。另外，术语“刚性板块”可以被简单地替换成术语“传输层”，只要符合上述要求即可。在这种结构中，该组件就成为传输层的层叠。
[0038] 试看图4所示本发明第二实施例的声层叠40。声层叠40中包括位于晶体11和刚性板块12之间的第一传输层(“TL1”)41。声层叠40中还包括位于刚性板块12另一面上的第二传输层(“TL2”)42。当声层叠40与加工室连接时，声层叠40的第二传输层42接触工艺流体。在这个实施例中，利用第一和第二传输层41，42使晶体11和工艺流体之间的Za变化是逐渐的。系统设计成Za晶体＞ZaTL 1＞Za刚性板块＞ZaTL 2＞Za工艺流体。在此实施例中，优选晶体11是压电晶体，第一传输层41由铝，钛或铍制成，刚性板块12是石英板，第二传输层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热塑性聚合物制成。
[0039] 试看图5所示本发明第三实施例的声层叠50。声层叠50包括与刚性板块12的一面连接的单个传输层51。与加工室连接时，传输层51位于刚性板块12和工艺流体之间。在这个实施例中，利用单个传输层51使刚性板块12和工艺流体之间的Za变化更为逐渐。
该声层叠50制成：Za晶体＜Za刚性板块＞Za传输层＞Za工艺流体。在此实施例中，晶体11可以是压电晶体，刚性板块12可以由不锈钢制成，传输层51由PCTFE，ECTFE，FEP，PFA，特氟隆或其他氟碳基聚合物或热塑性聚合物制成。此实施例并不完全遵循Za逐渐下降的规律，但是传输层仍然能提高从不锈钢板到工艺流体的传输。
[0040] 在所有声层叠实施例中，都使用了一种粘合剂来固定串连的层，通常是用环氧树脂。另外，可以用非常厚的环氧树脂层本身作为传输材料。这里所用术语“流体”包括液体和气体。
[0041] 在不越出本发明原理和范围的条件下，各种选项，变化和改进对本领域技术人员而言是显而易见的。上述实施例的声层叠适用于各种衬底加工步骤，包括但并不限于清洁和剥离。
