CN111386157A

CN111386157A - 用于清洗半导体晶圆的方法

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Publication number: CN111386157A
Application number: CN201780096846.1A
Authority: CN
Inventors: 王晖; 陈福发; 陈福平; 王坚; 王希; 张晓燕; 金一诺; 贾照伟; 谢良智; 王俊; 李学军
Original assignee: ACM Research Shanghai Inc
Current assignee: ACM Research Shanghai Inc
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2037-11-15
Also published as: KR20200078656A; JP2021510008A; JP2022180654A; SG11202004432SA; KR102517663B1; CN111386157B; JP7495461B2; WO2019095126A1; JP7455743B2

Abstract

本发明揭示了一种在清洗具有图案结构特征的半导体晶圆中控制损伤的方法，该方法包括：在清洗过程中输送清洗液到半导体晶圆表面；在该清洗过程中通过声波换能器向清洗液传递声能，其中，以在第一预定时段以第一频率和第一功率水平及在第二预定时段以第二频率和第二功率水平交替向声波换能器供电，第一预定时段和第二预定时段连续的一个接着一个；其中，第一及第二预定时段、第一及第二功率水平以及第一及第二频率中的至少一个被确定使由于传递声波能量而导致的损伤特征的百分比低于预定阈值。

Description

用于清洗半导体晶圆的方法

技术领域

本发明涉及半导体晶圆清洗领域，更具体地，涉及采用可控声能的湿法清洗方法和装置。

背景技术

半导体器件是在半导体晶圆上采用一系列的处理步骤来制造晶体管和互连元件。近来，晶体管的建立由两维到三维，例如鳍型场效应晶体管。互连元件包括导电的(例如金属)槽、通孔等形成在介质材料中。

为了形成这些晶体管和互连元件，半导体晶圆经过多次掩膜、蚀刻和沉积工艺以形成半导体器件所需的结构。例如，多层掩膜和等离子体刻蚀步骤可以在半导体晶圆上的电介质层中形成作为鳍型场效应晶体管的鳍的凹进区域和互连元件的槽和通孔。为了去除刻蚀或光刻胶灰化后在鳍结构和/或槽和通孔内的颗粒和污染物，必须进行湿法清洗。然而，湿法过程中使用的化学液可能会导致侧壁损失。当器件制造节点不断接近或小于14或16nm，鳍和/或槽和通孔的侧壁损失是维护临界尺寸的关键。为了减少或消除侧壁损失，应当使用温和的或稀释的化学液，有时甚至只使用去离子水。然而，温和的或稀释的化学液或去离子水通常不能有效去除鳍结构和/或槽和通孔内的微粒，因此，需要使用机械力来有效去除这些微粒，例如超声波/兆声波。超声波/兆声波会产生气穴振荡来为晶圆结构的清洗提供机械力。

然而，气穴振荡是一种混沌现象。空化气泡的产生及其破裂受到很多物理参数的影响。这些猛烈的气穴振荡例如不稳定的气穴振荡或微喷射将损伤这些图案结构(鳍结构、槽和通孔)。在传统的超声波或兆声波清洗过程中，只有当功率足够高，例如大于5-10瓦时，才会产生显著的颗粒去除效率(“PRE”)。然而，当功率大于约2瓦时，晶圆开始有明显的损伤。因此，很难找到功率窗口使得晶圆在被有效清洗时避免重大的损伤。因此，维持稳定或可控的气穴振荡是控制声波机械力低于损伤限度而仍然能够有效地去除图案结构中的杂质颗粒的关键。

因此，提供一种系统和方法，用于控制在晶圆清洗过程中由超声波或兆声波设备产生的气泡气穴振荡，以便能够有效地去除细小的杂质颗粒，而不会损伤晶圆上的图案结构。

发明内容

本发明提出一种清洗半导体晶圆的方法，包括在清洗过程中输送清洗液到半导体晶圆表面；在该清洗过程中通过声波换能器向清洗液传递声能，以在第一预定时段以第一预定设置及在第二预定时段以第二预定设置交替向声波换能器供电，其中，清洗液中的气泡气穴振荡在第一预定时段内增大，在第二预定时段内减小，第一预定时段和第二预定时段连续的一个接着一个，因此，清洗液中的气泡可以在每次第一时段的清洗后充分冷却，以避免损伤晶圆。

根据以下实施例的详细描述，本发明的其他方面、特征及技术对于本领域的技术人员将是显而易见的。

附图说明

构成本说明书一部分的附图被包括以描述本发明的某些方面。对本发明以及本发明提供的系统的组成和操作的更清楚的概念，通过参考示例将变得更加显而易见，因此，非限制性的，在附图中示出的实施例，其中类似的附图标记(如果它们出现在一个以上的视图)指定相同的元件，通过参考这些附图中的一个或多个附图并结合本文给出的描述，可以更好地理解本发明，应当注意，附图中示出的特征不是必须按比例绘制。

图1A至图1B揭示了根据本发明的一个实施例的使用超声波或兆声波装置的晶圆清洗装置。

图2A至图2G揭示了不同形状的超声波或兆声波换能器。

图3揭示了在晶圆清洗过程中气泡内爆。

图4A至图4B揭示了在晶圆清洗过程中不稳定的气穴振荡损伤晶圆上的图案结构。

图5A至图5C揭示了在声波清洗晶圆过程中气泡内部热能变化。

图6A至图6C揭示了在声波清洗晶圆过程中最终发生微喷射。

图7A至图7E揭示了根据本发明的一个实施例的声波晶圆清洗工艺。

图8A至图8D揭示了根据本发明的另一个实施例的声波晶圆清洗工艺。

图9A至图9D揭示了根据本发明的又一个实施例的声波晶圆清洗工艺。

图10A至图10C揭示了根据本发明的又一个实施例的声波晶圆清洗工艺。

图11A至图11B揭示了根据本发明的又一个实施例的声波晶圆清洗工艺。

图12A至图12B揭示了根据本发明的又一个实施例的声波晶圆清洗工艺。

图13A至图13B揭示了根据本发明的又一个实施例的声波晶圆清洗工艺。

图14A至图14B揭示了根据本发明的又一个实施例的声波晶圆清洗工艺。

图15A至图15C揭示了在声波清洗晶圆过程中稳定的气穴振荡损伤晶圆的图案结构。

图15D揭示了根据本发明的一个实施例的晶圆清洗的流程图。

图16A至图16C揭示了根据本发明的一个实施例的晶圆清洗工艺。

图17揭示了根据本发明的另一个实施例的晶圆清洗工艺。

图18A至图18J揭示了气泡气穴振荡控制增强新鲜清洗液在晶圆上的通孔或槽内的循环。

图19A至图19D揭示了对应于声能的气泡体积变化。

图20A至图20D揭示了根据本发明的一个实施例的有效清洗具有高深宽比的通孔或槽的特征的声波晶圆清洗工艺。

图21A至图21C揭示了根据本发明的另一个实施例的清洗工艺。

图22A至图22B揭示了根据本发明的另一个实施例的使用声能清洗晶圆的工艺。

图23揭示了根据本发明的一个实施例的可以执行图7至图22揭示的晶圆清洗工艺的晶圆清洗装置。

图24揭示了根据本发明的一个实施例的可以执行图7至图22所揭示的晶圆清洗工艺的另一晶圆清洗装置的剖视图。

图25揭示了根据本发明的一个实施例的用于监测采用声能清洗晶圆的工艺参数的控制系统。

图26揭示了根据本发明的一个实施例的如图25所示的检测电路的框图。

图27揭示了根据本发明的另一个实施例的如图25所示的检测电路的框图。

图28A至图28C揭示了根据本发明的一个实施例的如图26所示的电压衰减电路。

图29A至图29C揭示了根据本发明的一个实施例的如图26所示的整形电路。

图30A至图30C揭示了根据本发明的一个实施例的如图26及图27所示的主控制器。

图31揭示了主机关闭声波电源后声波电源继续振荡几个周期。

图32A至图32C揭示了根据本发明的一个实施例的如图27所示的振幅检测电路。

图33揭示了根据本发明的一个实施例的晶圆清洗工艺的流程图。

图34揭示了根据本发明的另一个实施例的晶圆清洗工艺的流程图。

具体实施方式

本发明的一个方面涉及使用声能进行半导体晶圆清洗时控制气泡气穴振荡。下面将参考附图描述本发明的实施例。

参考图1A至图1B，揭示了根据本发明的一个实施例的使用超声波或兆声波装置的晶圆清洗装置。图1A揭示了晶圆清洗装置的剖视图。该装置包括用于保持晶圆1010的晶圆卡盘1014，用于驱动晶圆卡盘1014的转动驱动装置1016，用于输送清洗液1032至晶圆1010表面的喷头1012。清洗液1032可以是化学试剂或去离子水。晶圆清洗装置还包括位于晶圆1010上方的超声波或兆声波装置1003，因此，随着晶圆1010的旋转以及从喷头1012内喷出的恒定流量的清洗液1032，在晶圆1010和声波装置1003之间保持具有厚度d的清洗液1032液膜。声波装置1003进一步包括压电式传感器1004及与其配对的声学共振器1008。压电式传感器1004通电后振动，声学共振器1008会将高频声能量传递到清洗液1032中。由高频声能引起气穴振荡使得晶圆1010表面上的杂质颗粒，也就是污染物等松动，以此去除晶圆1010表面上的污染物。

再次参考图1A所示，晶圆清洗装置还包括与声波装置1003相连接的臂1007以在竖直方向Z上移动声波装置1003，从而改变液膜厚度d。竖直驱动装置1006驱动臂1007的竖直移动。竖直驱动装置1006和转动驱动装置1016都由控制器1088控制。

参考图1B所示，揭示了图1A所示的晶圆清洗装置的顶视图。声波装置1003仅覆盖晶圆1010的一小部分区域，因此晶圆1010须旋转以在整个晶圆1010上接收均匀的声波能量。虽然在图1A及图1B中仅示意了一个声波装置1003，但是在其他实施例中，也可以同时或间歇使用两个或多个声波装置。同理，也可以使用两个或多个喷头1012以更均匀的输送清洗液1032。

参考图2A至图2G所示的不同形状的超声波或兆声波换能器。图2A示意了三角形或饼形的传感器；图2B示意了矩形的传感器；图2C示意了八边形的传感器；图2D示意了椭圆形的传感器；图2E示意了半圆形的传感器；图2F示意了1/4圆形的传感器；图2G示意了圆形的传感器。这些形状中的每一个声波换能器可以用于代替图1所示的声波装置1003中的压电式传感器1004。

参考图3揭示了在晶圆清洗过程中的气泡内爆。当声能作用于气泡3012上时，气泡3012的形状逐渐从球形A压缩至苹果形G。最终气泡3012到达内爆状态I并形成微喷射。如图4A至图4B所示，微喷射很猛烈(可达到上千个大气压和上千摄氏度)，会损伤晶圆4010上的精细图案结构4034，尤其是当特征尺寸t缩小到70nm或更小时。

图4A至图4B揭示了在晶圆清洗过程中不稳定的气穴振荡损伤晶圆上的图案结构。参考图4A所示，由于声波空化在半导体晶圆4010的图案结构4034上方形成气泡4040,4042，4044。图案结构4034包括需要清洁的多个特征，包括但不限于鳍、通孔、槽等。气泡4044变成微喷射，它可以非常猛烈，达到几千大气压以及几千摄氏度。参考图4B所示，一旦微喷射发生，图案结构4034的一部分被损伤。对于器件特征尺寸小于或等于70nm的晶圆，这种损伤更为严重。

图5A至图5C揭示了在晶圆清洗过程中气泡5016内的热能变化。当声波正压作用在气泡5016上时，气泡5016如图5A中所示体积减小。在体积减小的过程中，声波压强P_M对气泡5016做功，机械功转化为气泡5016内的热能。因此，气泡5016内的气体和/或蒸汽的温度T如图5B所示那样增加。各参数间的关系可用如下公式表示：

p₀v₀/T₀＝pv/T (1)

其中，P₀是压缩前气泡内部的压强，V₀是压缩前气泡的初始体积，T₀是压缩前气泡内部的气体温度，P是受压时气泡内部的压强，V是受压时气泡的体积，T是受压时气泡内部的气体温度。

为了简化计算，假设压缩或压缩非常慢时气体的温度没有变化，由于液体包围了气泡而导致的温度的增加可以忽略。因此，一次气泡压缩过程中(从体积N单位量至体积1单位量或压缩比为N)，声压P_M所做的机械功W_m可以表达如下：

w_m＝∫₀ ^x0-1pSdx＝∫₀ ^x0-1(S(x₀p₀)/(x₀-x))dx＝Sx₀p₀∫₀ ^x0-1dx/(x₀-x)

＝-Sx₀p₀ln(x₀-x)│₀ ^x0-1＝Sx₀p₀ln(x₀) (2)

其中，S为汽缸截面的面积，x₀为汽缸的长度，p₀为压缩前汽缸内气体的压强。方程式(2)不考虑压缩过程中温度增长的因素，因此，由于温度的增加，气泡内的实际压强会更高，实际上由声压做的机械功要大于方程式(2)计算出的值。

假设声压做的机械功部分转化为热能，部分转换成气泡内高压气体和蒸汽的机械能，这些热能完全促使气泡内部气体温度的增加(没有能量转移至气泡周围的液体分子)，假设压缩前后气泡内气体质量保持不变，气泡压缩一次后温度增量ΔT可以用下面的方程式表达：

ΔT＝Q/(mc)＝βw_m/(mc)＝βSx₀p₀ln(x₀)/(mc) (3)

其中，Q是机械功转换而来的热能，β是热能与声压所做的总机械功的比值，m是气泡内的气体质量，c是气体的比热系数。将β＝0.65，S＝1E-12m²，x₀＝1000μm＝1E-3m(压缩比N＝1000)，p₀＝1kg/cm²＝1E4kg/m²，氢气的质量m＝8.9E-17kg，c＝9.9E3J/(kg⁰k)代入方程式(3)，那么ΔT＝50.9℃。

一次压缩后气泡内的气体温度T₁可以计算得出：

T₁＝T₀+ΔT＝20℃+50.9℃＝70.9℃ (4)

当气泡达到最小值1微米时，如图5B所示。在如此高温下，气泡周围的液体蒸发，随后，声压变为负值，气泡开始增大。在这个反过程中，具有压强P_G的热气体和蒸汽将对周围的液体表面做功。同时，声压P_M朝膨胀方向拉伸气泡，如图5C所示。因此，负的声压P_M也对周围的液体做部分功。由于共同作用的结果，气泡内的热能不能全部释放或转化为机械能，因此，气泡内的气体温度不能降低到最初的气体温度T₀或液体温度。如图6B所示，气穴振荡的第一周期完成后，气泡内的气体温度T₂将在T₀和T₁之间。T₂可以表达如下：

T₂＝T1-δT＝T₀+ΔT-δT (5)

其中，δT是气泡膨胀一次后的温度减量，δT小于ΔT。

当气穴振荡的第二周期达到最小气泡尺寸时，气泡内的气体或蒸汽的温度T3为：

T3＝T2+ΔT＝T₀+ΔT-δT+ΔT＝T₀+2ΔT-δT (6)

当气穴振荡的第二周期完成后，气泡内的气体或蒸汽的温度T4为：

T4＝T3-δT＝T₀+2ΔT-δT-δT＝T₀+2ΔT-2δT (7)

同理，当气穴振荡的第n个周期达到最小气泡尺寸时，气泡内的气体或蒸汽的温度T_2n-1为：

T_2n-1＝T₀+nΔT–(n-1)δT (8)

当气穴振荡的第n个周期完成后，气泡内的气体或蒸汽的温度T_2n为：

T_2n＝T₀+nΔT-nδT＝T₀+n(ΔT-δT) (9)

根据公式(8)，内爆的周期数n_i可以表达如下：

n_i＝(T_i-T₀-ΔT)/(ΔT–δT)+1 (10)

根据公式(10)，内爆时间τ_i可以表达如下：

τ_i＝n_it₁＝t₁((T_i-T₀-ΔT)/(ΔT–δT)+1)

＝n_i/f₁＝((T_i-T₀-ΔT)/(ΔT–δT)+1)/f₁ (11)

其中，t₁为循环周期，f₁为超声波或兆声波的频率。

根据公式(10)和(11)，内爆周期数n_i和内爆时间τ_i可以被计算出来。表1为内爆周期数n_i、内爆时间τ_i和(ΔT–δT)的关系，假设Ti＝3000℃，ΔT＝50.9℃，T₀＝20℃，f₁＝500KHz，f₁＝1MHz，及f₁＝2MHz。

表1

图6A至图6C揭示了在声波晶圆清洗工艺中最终发生微喷射且工艺参数符合公式(1)-(11)。参考图6A所示，电功率(P)连续供应至声波装置以在清洗液中产生气穴振荡。随着气穴振荡的周期数n增加，如图6B所示气体或蒸汽的温度也随之增加，因此气泡表面更多的分子会被蒸发至气泡6082内部，导致气泡6082的尺寸随着时间的推移而增加，如图6C所示。最终，在压缩过程中气泡6082内部的温度将达到内爆温度Ti(通常Ti高达几千摄氏度)，猛烈的微喷射6080发生，如图6C所示。因此，为了避免在清洗期间损伤晶圆的图案结构，必须保持稳定的气穴振荡，避免气泡内爆和发生微喷射。

图7A至图7E揭示了根据本发明的一个实施例的声波晶圆清洗工艺。图7A揭示了间歇供给声波装置以在清洗液中产生气穴振荡的电源输出的波形。图7B揭示了对应每个气穴振荡周期的温度曲线。图7C揭示了在每个气穴振荡周期期间，气泡的尺寸在τ1时间段内增加及在τ2时间段内电源切断后气泡尺寸减小。

图7D揭示了根据本发明的第一个实施例的避免气泡内爆的详细工艺步骤。工艺步骤从步骤7010开始，在步骤7010中，将超声波或兆声波装置置于晶圆的上表面附近。在步骤7020中，将清洗液，可以是化学液或掺了气体的水喷射到晶圆表面以填满晶圆和声波装置之间的间隙。在步骤7030中，卡盘携带晶圆开始旋转或振动。在步骤7040中，频率为f1，功率水平为P1的电源被应用于声波装置。在步骤7050中，在气泡内的气体或蒸汽的温度达到内爆温度Ti之前，或在时间τ1达到通过方程式(11)所计算出的τi之前，设置电源输出为0，因此，由于清洗液的温度远低于气体温度，气泡内的气体和/或蒸汽温度开始冷却。在步骤7060中，当气泡内气体或蒸汽的温度降低至室温T0或时间达到τ2(在τ2时间段内，设置电源输出为0)后，电源输出恢复到频率为f1，功率水平为P1。在步骤7070中，检查晶圆的清洁度，如果晶圆尚未清洁到所需程度，则重复步骤7010-7060。或者，可能不需要在每个周期内检查清洁度，取而代之的是，使用的周期数可能是预先用样品晶圆通过经验确定。

参考图7D所示，在步骤7050中，为了避免气泡内爆，时间段τ1必须比时间段τi短，可以通过公式(11)计算出τi。在步骤7060中，气泡内气体或蒸汽的温度不需要冷却至室温或清洗液的温度。它可以是高于室温或清洗液温度的一定温度。较佳地，该温度是明显低于内爆温度Ti。

根据公式(8)和(9)，如果已知(ΔT-δT)，可以计算出内爆时间τi。但通常情况下，(ΔT-δT)不太容易被计算出或直接得到。然而可以凭经验直接得到τi的值。

图7E揭示了根据经验得出内爆时间τi值的流程图。在步骤7210中，基于表1，选择五个不同的时间段τ1作为实验设定(DOE)的条件。在步骤7220中，选择至少是τ1十倍的时间段τ2，在第一次测试时最好是100倍的τ1。在步骤7230中，使用确定的功率水平P₀运行以上五种条件来分别清洗具有图案结构的晶圆。此处，P₀是在如图6A所示的连续不间断模式(非脉冲模式)下确定会对晶圆的图案结构造成损伤的功率水平。在步骤7240中，使用扫描电镜(SEM)或晶圆图案损伤查看工具来检查以上五种晶圆的损坏程度，如应用材料的SEMVision或日立IS3000，然后内爆时间τ_i可以被确定在某一范围。损伤特征的百分比可以通过由扫描电镜检查出的损伤特征总数除以图案结构特征的总数。也可以通过其它方法计算得出损伤特征百分比。例如，最终晶圆的成品率可以用来表征损伤特征的百分比。

上述步骤7210至7240可以重复操作以此来缩小内爆时间τi的范围。在知道内爆时间τi后，τ₁可以在安全系数下设置为小于0.5τ_i的值。以下段落用于叙述本实验的一实例。

假设图案结构为55nm的多晶硅栅线，超声波的频率为1MHZ，使用Prosys制造的超声波或兆声波装置，采用间隙振荡模式(在PCT/CN2008/073471中披露)操作以在晶圆内和晶圆间获得更均匀能量分布。以下表2总结了其他试验参数以及最终的图案损伤数据：

表2

在一个试验中，当τ1＝2ms(或周期数为2000)时，前面提到的声波清洗工艺在55nm的特征尺寸下，对图案结构造成的损伤高达1216个点。当τ1＝0.1ms(或周期数为100)时，声波清洗工艺对相同的图案结构造成的损伤为0。所以τi为0.1ms与2ms之间的某个数值。通过缩小τ1的范围来做更多的试验可进一步缩小τi的范围。

在上述实验中，周期数取决于超声波或兆声波的功率密度和频率。功率密度越大，则周期数越小；频率越低，则周期数越小。从以上实验结果可以预测出无损伤的周期数应该小于2000，假设超声波或兆声波的功率密度大于0.1watts/cm²，频率小于或等于1MHZ。如果频率增大到大于1MHZ或功率密度小于0.1watts/cm²，那么可以预测周期数将会增加。

知道时间τ₁后，τ₂也可以基于与上述相似的DOE方法来获得。确定时间τ₁，逐步缩短时间τ₂来运行DOE，直到可以观察到图案结构被损伤。由于时间τ₂被缩短，气泡内的气体或蒸汽的温度不能被足够冷却，从而会引起气泡内的气体或蒸汽的平均温度的逐步上升，最终将会触发气泡内爆，触发时间称为临界冷却时间τ_c。知道临界冷却时间τ_c后，为了增加安全系数，时间τ₂可以设置为大于2τ_c的值。

因此，可以确定清洗工艺的参数，使得施加声能的清洗效果导致的产量提高大于因施加声能造成的损伤而导致的产量下降。也可以例如由客户规定损伤百分比的预定阈值。可以确定清洗工艺的参数，使得损伤百分比低于预定阈值，或者基本上为零，甚至为零。预定阈值可以是例如，10％,5％,2％,或1％。如果晶圆生产的最终产量没有受到清洗过程造成的任何损害的实质性影响，则损伤百分比实质上为零。换句话说，从整个制造过程来看，清洗过程造成的任何损伤都是可以容许的。如前所述，损伤百分比可以通过使用电子显微镜检查样品晶圆来确定。

图8A至图8D揭示了根据本发明的另一个实施例的声波晶圆清洗工艺。在该声波晶圆清洗工艺中，电源的功率水平P的振幅随着时间变化，而这个工艺中的其他方面与图7A至图7D中所示的保持一样，在该实施例中，用振幅随着时间变化的电源的功率水平P来代替如图7A及图7D中步骤7040所示的恒定的功率水平P1。在一个实施例中，如图8A所示，在时间段τ1内，电源的功率振幅P增大。在另一个实施例中，如图8B所示，在时间段τ1内，电源的功率振幅P减小。在又一个实施例中，如图8C所示，在时间段τ1内，电源的功率振幅P先减小后增大。在如图8D所示的实施例中，在时间段τ1内，电源的功率振幅P先增大后减小。

图9A至图9D揭示了根据本发明的又一个实施例的声波晶圆清洗工艺。在该声波晶圆清洗工艺中，电源的频率随着时间变化，而这个工艺中的其他方面与图7A至图7D中所示的保持一样，在该实施例中，用随着时间变化的电源的频率来代替如图7A及图7D中步骤7040所示的恒定的频率f1。如图9A所示，在一个实施例中，在时间段τ1内，电源的频率先设置为f1后设置为f3，f1高于f3。如图9B所示，在一个实施例中，在时间段τ1内，电源的频率先设置为f3后增大至f1。如图9C所示，在一个实施例中，在时间段τ1内，电源的频率从f3变化至f1再变回f3。如图9D所示，在一个实施例中，在时间段τ1内，电源的频率从f1变为f3再变回f1。

与图9C所示的清洗工艺相似，在一个实施例中，在时间段τ1内，电源的频率先设置为f1,之后为f3，最后为f4,且f4小于f3,f3小于f1。

仍与图9C所示的清洗工艺相似，在一个实施例中，在时间段τ1内，电源的频率先设置为f4,之后为f3，最后为f1，且f4小于f3,f3小于f1。

仍与图9C所示的清洗工艺相似，在一个实施例中，在时间段τ1内，电源的频率先设置为f1，之后为f4，最后为f3，且f4小于f3,f3小于f1。

仍与图9C所示的清洗工艺相似，在一个实施例中，在时间段τ1内，电源的频率先设置为f3,之后为f4，最后为f1，且f4小于f3,f3小于f1。

仍与图9C所示的清洗工艺相似，在一个实施例中，在时间段τ1内，电源的频率先设置为f3,之后为f1，最后为f4，且f4小于f3,f3小于f1。

仍与图9C所示的清洗工艺相似，在一个实施例中，在时间段τ1内，电源的频率先设置为f4,之后为f1，最后为f3，且f4小于f3,f3小于f1。

图10A至图10C揭示了根据本发明的又一个实施例的声波晶圆清洗工艺。参考图10A所示，与图7A所示的清洗工艺相类似，在时间段τ1内，将具有功率水平P1及频率f1的电源应用至声波装置。然而，在时间段τ2内，电源的功率水平降至P2而不是如图7A所示降到零。结果，如图10B所示，气泡内气体和/或蒸汽的温度降至T0+ΔT2。

图10C揭示了图10A及图10B所示的晶圆清洗工艺步骤的流程图。在步骤10010中，将超声波或兆声波装置置于晶圆的上表面附近。在步骤10020中，将清洗液，可以是化学液或掺了气体的水喷射到晶圆表面以填满晶圆和声波装置之间的间隙。在步骤10030中，卡盘携带晶圆开始旋转以进行清洗工艺。在步骤10040中，频率为f1以及功率水平为P1的电源被应用于声波装置。在步骤10050中，当频率保持在f1时，电源的功率水平在气泡内气体和/或蒸汽的温度达到内爆温度Ti之前，或在时间τ1达到由公式(11)计算的τi之前，降低到P2。在步骤10060中，气泡内气体和/或蒸汽温度降至接近室温T0或持续时间达到τ2后，电源的功率水平恢复到P1。在步骤10070中，检查晶圆的清洁度，如果晶圆尚未清洁到所需程度，则重复步骤10010-10060。或者，可能不需要在每个周期内检查清洁度，取而代之的是，使用的周期数可能是预先用样品晶圆通过经验确定。

图11A至图11B揭示了根据本发明的另一个实施例的声波晶圆清洗工艺。本实施例中的声波晶圆清洗工艺与图10A-10C所示的实施例中的相类似，差异仅存在于步骤10050中。图11A-11B所示的晶圆清洗工艺在时间段τ2内使频率降至f2，以此来代替保持频率在f1。功率水平P2应该显著地低于P1，最好是小5或10倍，目的是使得气泡内气体和/或蒸汽的温度降至接近室温T0。

图12A-12B揭示了根据本发明的另一个实施例的声波晶圆清洗工艺。本实施例的声波晶圆清洗工艺与图10A-10C所示的实施例的差异仅在步骤10050。在本实施例的声波晶圆清洗工艺中，在时间段τ2内，电源的频率增至f2，功率水平P2基本上等于功率水平P1。

图13A-13B揭示了根据本发明的另一个实施例的声波晶圆清洗工艺。本实施例的声波晶圆清洗工艺与图10A-10C所示的实施例的差异仅在步骤10050。在本实施例的声波晶圆清洗工艺中，在时间段τ2内，电源的频率增至f2，功率水平从P1降至P2。

图14A-14B揭示了根据本发明的另一个实施例的声波晶圆清洗工艺。本实施例的声波晶圆清洗工艺与图10A-10C所示的实施例的差异仅在步骤10050。在本实施例的声波晶圆清洗工艺中，在时间段τ2内，电源的频率从f1增至f2，功率水平从P1增至P2。由于频率f2高于频率f1，因此，声波能量对气泡的加热不那么强烈，功率水平P2可略高于功率水平P1，但是不能太高，以确保在时间段τ2内，气泡内气体和/或蒸汽的温度降低，如图14B所示。

图15A至图15C揭示了在声波清洗晶圆的过程中，稳定的气穴振荡损伤晶圆上的图案结构。参考图15A所示，在晶圆15010上形成具有间距W的图案结构15034。在空化过程中形成的一些气泡15046位于图案结构15034的间距内。参考图15B所示，随着气泡气穴振荡的继续，气泡15048内的气体和/或蒸汽的温度升高，这导致气泡15048的尺寸增大。当气泡15048的尺寸大于间距W时，如图15C所示，气泡气穴振荡的膨胀力会损坏图案结构15034。因此，需要一种新的晶圆清洗工艺。

如图15C所示，由气泡膨胀引起的损伤点可能小于由气泡内爆引起的损伤点，如图4B所示。例如，气泡膨胀可能会导致100nm量级的损伤点，而气泡内爆会导致更大的损伤点，1μm量级的损伤点。

图15D揭示了根据本发明的一个实施例的晶圆清洗工艺的流程图。该晶圆清洗工艺从步骤15210开始，将超声波或兆声波装置置于晶圆的上表面附近。在步骤15220中，将清洗液，可以是化学液或掺了气体的水喷射到晶圆表面以填满晶圆和声波装置之间的间隙。在步骤15230中，卡盘携带晶圆开始旋转或振动。在步骤15240中，频率为f1及功率水平为P1的电源被应用于声波装置。在步骤15250中，在气泡的尺寸达到间距W的值之前，设置电源输出为零，由于清洗液的温度远低于气体的温度，所以气泡内气体和/或蒸汽的温度开始冷却。在步骤15260中，在气泡内的气体和/或蒸汽温度降至室温T0或达到时间段τ2后(在时间段τ2内，设置电源输出为零)，电源输出恢复至频率f1及功率水平P1。在步骤15270中，检查晶圆的清洁度，如果晶圆尚未清洁到所需程度，则重复步骤15210-15260。或者，可能不需要在每个周期内检查清洁度，取而代之的是，使用的周期数可能是预先用样品晶圆通过经验确定。

参考图15D所示，气泡内气体和/或蒸汽的温度不需要冷却至室温T0，但是最好使温度冷却至远低于内爆温度Ti。此外，在步骤15250中，只要气泡膨胀力不破坏或损坏图案结构15034，气泡的尺寸可以略大于图案结构15034的间距W。

参考图15D所示，步骤15240的持续时间可以从图7E所示的过程中经验地获得为τ1。在一些实施例中，图7至图14所示的晶圆清洗工艺可以与图15所示的晶圆清洗工艺相结合。

图16A-16C揭示了根据本发明的一个实施例的晶圆清洗工艺。该晶圆清洗工艺与图7A-7E所示的相类似，除了图7D所示的步骤7050。在气泡内的气体和/或蒸汽的温度达到内爆温度Ti之前或者在τ1达到根据公式(11)计算出的τi之前，设置电源输出为图16A所示的正的直流值或是图16B和图16C所示的负的直流值。结果，气泡内的气体和/或蒸汽温度开始降低，因为清洗液的温度远低于气体和/或蒸汽温度。在一些实施例中，直流输出的振幅，可以是正的也可以是负的，可以大于(图片中未显示)，等于(如图16A和16B所示)或小于(如图16C所示)在τ1时间段内用于在清洗液中制造气穴振荡的电源输出功率P1。

图17揭示了根据本发明的一个实施例的晶圆清洗工艺。该晶圆清洗工艺也与图7A-7E所示的相类似，除了图7D所示的步骤7050。该晶圆清洗工艺使电源输出的相位反相，同时保持在时间段τ1内施加的相同频率f1，因此，气泡气穴振荡能够迅速停止。结果，气泡内气体和/或蒸汽的温度开始降低，因为清洗液的温度远低于气体和/或蒸汽温度。

参考图17所示，在τ2时间段内电源输出功率水平为P2，在不同的实施例中，P2可以大于、等于或小于在τ1时间段内电源输出功率水平P1。在一个实施例中，只要相位相反，时间段τ2内的电源频率可以不同于f1。在一些实施例中，超声波或兆声波的电源输出频率f1在0.1MHz至10MHz的范围内。

图18A-18J揭示了气泡气穴振荡控制增强晶圆上通孔或槽内的新鲜清洗液的循环。图18A揭示了形成在晶圆18010上的多个通孔18034的剖视图。通孔的开孔直径表示为W1。通孔18034中由声波能量产生的气泡18012增强了对杂质的去除，如残留物和颗粒。图18B是图18A所示通孔的顶视图。

图18C揭示了形成在晶圆18010上的多个槽18036的剖视图。同样的，槽18036中由声波能量产生的气泡18012增强了对杂质的去除，如残留物和颗粒。图18D是图18C所示槽18036的顶视图。

饱和点Rs被定义为通孔18034、槽18036或其他凹进区域内可容纳的最大气泡量。当气泡的数量超过饱和点Rs时，清洗液将受图案结构内的气泡阻挡且很难到达通孔18034或槽18036侧壁的底部，因此，清洗液的清洗效果会受到影响。当气泡的数量低于饱和点时，清洗液在通孔18034或槽18036内有足够的活动路径，从而获得良好的清洗效果。

低于饱和点时，气泡总体积VB与通孔或槽或其他凹进区域的总体积VVTR的比值R为：

R＝VB/VVTR<Rs

当处于饱和点Rs时，比值R为：

R＝VB/VVTR＝Rs

通孔18034，槽18036或其他凹进区域内气泡总体积为：

VB＝N*VB

其中，N为通孔、槽或凹进区域内的气泡总数，VB为单个气泡的平均体积。

如图18E至图18H所示，当超声波或兆声波能量被应用于清洗液中时，气泡18012的尺寸逐渐膨胀到一定体积，从而导致气泡总体积VB和通孔、槽或其他凹进区域的体积VVTR的比值R接近或超过饱和点Rs。膨胀的气泡18012堵塞了清洗液体交换和清除通孔或槽中杂质的路径。在这种情况下，声波能量不能有效地传递到通孔或槽中，到达它们的底部和侧壁，而微粒、残留物和其他杂质18048则被困在通孔或槽中。当临界尺寸W1变小时，这种情况很容易发生在先进的半导体工艺中。

参考图18I至图18J所示，气泡18012的尺寸增大控制在一定范围内，气泡总体积VB与通孔或槽或其他凹进区域的总体积VVTR的比值R远低于饱和点Rs。因为在特征内有小气泡气穴振荡，新鲜的清洗液18047在通孔或槽中自由交换，使得残留物和颗粒等杂质18048可以轻易地排出，从而获得良好的清洗性能。

由于通孔或槽中气泡的总体积由气泡的数量和大小决定，因此控制气穴振荡引起的气泡尺寸膨胀对于具有高深宽比特征的晶圆的清洗性能至关重要。

图19A至图19D揭示了对应于声能的气泡体积变化。在气穴振荡的第一个周期，当声波正压作用于气泡后，气泡体积从V0压缩至V1；当声波负压作用于气泡后，气泡体积膨胀至V2。然而，对应V2的气泡的温度T2要高于对应V0的气泡的温度T0，因此如图19B所示V2要大于V0。这种体积增加是由气泡周围的液体分子在较高温度下蒸发引起的。类似的，如图19B所示，气泡第二次压缩后的体积V3在V1与V2之间。V1、V2与V3可表示为：

V1＝V0-△V (12)

V2＝V1+δV (13)

V3＝V2-△V＝V1+δV-△V＝V0-△V+δV-△V＝V0+δV-2△V (14)

其中，△V是由超/兆声波产生的正压使气泡压缩一次后气泡的体积减量，δV是由超/兆声波产生的负压使气泡膨胀一次后气泡的体积增量，(δV-△V)是一个周期后由方程式(5)计算出的温度增量(△T-δT)导致的体积增量。

气穴振荡的第二个周期完成后，在温度的持续增长过程中，气泡的尺寸达到更大。气泡内的气体和/或蒸汽的体积V4为：

V4＝V3+δV＝V0+δV-2△V+δV＝V0+2(δV-△V) (15)

第三次压缩后，气泡内的气体和/或蒸汽的体积V5为：

V5＝V4-△V＝V0+2(δV-△V)-△V＝V0+2δV-3△V (16)

同理，当气穴振荡的第n个周期达到最小气泡尺寸时，气泡内的气体和/或蒸汽的体积V2n-1为：

V2n-1＝V0+(n-1)δV-n△V＝V0+(n-1)δV-n△V (17)

当气穴振荡的第n个周期完成后，气泡内的气体和/或蒸汽的体积V2n为：

V2n＝V0+n(δV-△V) (18)

为了将气泡的体积限制在所需体积Vi内，该所需体积Vi是具有足够物理活动的尺寸或者是气泡状态低于气穴振荡或气泡密度的饱和点，而不会阻塞通孔、槽或其他凹进区域内的清洗液交换路径。周期数ni可以表示为：

ni＝(Vi–V0-△V)/(δV-△V)+1 (19)

根据公式(19)，达到Vi所需的时间τi可以表示为：

τi＝nit1＝t1((Vi-V0-△V)/(δV-△V)+1)

＝ni/f1＝((Vi-V0-△T)/(δV-△V)+1)/f1 (20)

其中，t1是循环周期，f1是超声波或兆声波的频率。因此，为了防止气泡尺寸达到阻塞特征结构的水平，通过公式(19)及(20)可以计算出所需的周期数ni及时间τi。

需要注意的是，当气穴振荡的周期数n增加时，气泡内的气体和/或蒸汽的温度增加，因此，气泡表面更多的分子将蒸发到气泡内部，气泡19082的尺寸将进一步增加且大于由方程式(18)计算出的值。在实际操作中，由于气泡尺寸将由后续揭示的实验方法决定，由于温度升高，液体或水蒸发到气泡内表面，对气泡尺寸的影响在这里不作详细的理论讨论。由于单个气泡的平均体积持续增大，气泡总体积VB和通孔、槽或其他凹进区域的体积VVTR的比值R从R0不断增大，如图19D所示。

由于气泡体积增大，气泡的直径最终达到与如图18A及18B所示的通孔18034或如图18C或18D所示槽18036的特征尺寸W1的相同尺寸或同一数量级尺寸。通孔18034和槽18036内的气泡将阻挡超/兆声波能量进一步到达通孔18034和槽18036的底部，尤其当深宽比(深度/宽度)大于3倍或更多时。因此，如此深的通孔或槽底部的污染物或颗粒无法有效去除或清理干净。因此，提出了一种新的清洗工艺，以防止气泡长大到一个临界尺寸，从而堵住清洗液在通孔或槽中的交换路径。

图20A至图20D揭示了根据本发明的一个实施例的声波晶圆清洗工艺有效清洗具有高深宽比的通孔或槽等特征。该晶圆清洗工艺限制由声能引起振荡产生的气泡的尺寸。图20A揭示了在时间段τ1内设置功率水平为P1及在时间段τ2内关闭电源的电源输出波形图。图20B揭示了对应每个气穴振荡周期的气泡体积的曲线图。图20C揭示了在每个气穴振荡周期气泡尺寸增大。图20D揭示了气泡的总体积VB与通孔、槽或其他凹进区域的体积VVTR的比值R的曲线图。根据

R＝VB/VVTR＝NVb/VVTR

这里，气泡的总体积VB与通孔、槽或其他凹进区域的体积VVTR的比值R从R0增大到Rn，单个气泡的平均体积在气穴振荡一定周期数n后，在时间τ1内增大。Rn被控制在饱和点Rs之下。

Rn＝VB/VVTR＝NVb/VVTR<Rs

气泡的总体积VB与通孔、槽或其他凹进区域的体积VVTR的比值R从Rn减小到R0，单个气泡的平均体积在冷却过程中，在时间τ2内回到初始大小。

参考图20B所示，在时间段τ1内，在超声波或兆声波作用于清洗液的情况下，气泡增大到大体积Vn。在这种状态下，清洗液的传输路径部分受阻。新鲜的清洗液无法彻底进入到通孔或槽的底部和侧壁。与此同时，无法有效去除被困在通孔或槽内的颗粒、残留物和其他杂质。但如图20A所示，在时间τ2内关闭超/兆声波电源以冷却气泡，由于气泡缩小，这种状态将更替到下一个状态。在冷却状态下，新鲜清洗液有机会进入到通孔或槽内以便清洗其底部和侧壁。当超/兆声波电源在下一个打开周期打开时，颗粒、残留物和其他杂质受到气泡体积增量产生的外拉力移出通孔或槽。如果在清洗过程中这两个状态交替进行，可以达到使用超声波/兆声波有效清洗具有高深宽比的通孔，槽或凹进区域的晶圆的目的。

时间段τ2内的冷却状态在清洗过程中起到关键作用，且需要在τ1<τi的条件下限制气泡尺寸。以下用实验方法可以确定时间段τ2以在冷却状态下缩小气泡尺寸，以及时间段τ1以限制气泡膨胀到堵塞尺寸。实验使用超/兆声波装置结合清洗液来清洗具有通孔和槽等微小特征的图案化晶圆，存在可追踪的残留物以评估清洗效果。

第一步是选择足够大的τ1以堵塞图案结构，可以像基于方程式(20)计算τi那样计算出τ1；第二步是选择不同的时间τ2运行DOE，选择的时间τ2至少是10倍的τ1，第一屏测试时最好是100倍的τ1；第三步是确定时间τ1和功率P0，分别以至少五种条件清洗特定的图案结构晶圆，此处，P0为运行连续模式(非脉冲模式)时晶圆上的通孔或槽确定没有被清洗干净；第四步是采用SEMS或元素分析工具如EDX检测以上五片晶圆的通孔或槽内的可追踪的残留物状态。步骤一至步骤四可以重复数次以逐步缩短时间τ2直到观察到通孔或槽内的可追踪残留物。由于时间τ2被缩短，气泡的体积无法彻底缩小，从而将逐步堵塞图案结构并影响清洗效果，这个时间被称为临界冷却时间τc。知道临界冷却时间τc后，时间τ2可以设置为大于2τc以获得安全范围。

更详细的举例如下：第一步是选择10个不同的时间τ1作为实验设计(DOE)的条件，如下表3所示的τ10，2τ10,4τ10,8τ10,16τ10,32τ10,64τ10,128τ10,256τ10,512τ10；第二步是选择时间τ2至少是10倍的512τ10，在第一屏测试时最好是20倍的512τ10，如表3所示；第三步是确定一功率P0分别在具有特定的图案结构的晶圆上运行以上10个条件，此处，P0为运行连续模式(非脉冲模式)时晶圆上的通孔或槽确定没有被清洗干净；第四步是使用表3所示的上述条件处理等离子刻蚀后的10片具有通孔或槽的晶圆，选择等离子刻蚀后的晶圆的原因在于刻蚀过程中会在槽和通孔侧壁产生聚合物，这些位于通孔底部或侧壁上的聚合物难以用传统方法去除。然后采用SEMS处理晶圆的截面检测10片晶圆上通孔或槽的清洗状态，数据如表3所示。从表3可以看出，对于#6晶圆，τ1＝32τ10，清洗效果达到最佳点，因此最佳时间τ1为32τ10。

表3

如果没有找到峰值，那么设置更宽的时间τ1重复步骤一至步骤四以找到时间τ1。找到最初的τ1后，设置更窄的时间范围τ1重复步骤一至步骤四以缩小时间τ1的范围。得知时间τ1后，时间τ2可以通过从512τ2开始减小τ2到某个值直到清洗效果下降以优化时间τ2。详细步骤参见表4，从表4可以看出，对于#5晶圆，τ2＝256τ10，清洗效果达到最优，因此最佳时间τ2为256τ10。

表4

图21A至图21C揭示了根据本发明的另一个实施例的清洗工艺。该清洗工艺与图20A-20D所示的相类似，不同在于该实施例中即使气泡达到了饱和点Rs，电源仍然打开且持续时间为mτ1，此处，m的值可以是0.1-100，优选为2，取决于通孔和槽的结构以及所使用的清洗液。可以通过类似图20A-20D所示的方法通过实验优化m的值。

图22A至22B揭示了根据本发明的利用声能清洗晶圆的一个实施例。在时间段τ1内，以声波功率P1作用于清洗液，当第一个气泡的温度达到其内爆温度点Ti，开始发生气泡内爆，然后，在温度从Ti上升至温度Tn(在时间△τ内)的过程中，一些气泡内爆继续发生，然后，在时间段τ2内，关闭声波功率，气泡的温度从Tn冷却至初始温度T0。Ti被确定为通孔和/或槽的图案结构内的气泡内爆的温度阈值，该温度阈值触发第一个气泡内爆。

由于热传递在图案结构内是不完全均匀的，温度达到Ti后，越来越多的气泡内爆将不断发生。当内爆温度T增大时，气泡内爆强度将变的越来越强。然而，气泡内爆应控制在会导致图案结构损伤的内爆强度以下。通过调整时间△τ可以将温度Tn控制在温度Td之下来控制气泡内爆，其中Tn是超/兆声波对清洗液连续作用n个周期的气泡最高温度值，Td是累积一定量的气泡内爆的温度，该累积一定量的气泡内爆具有导致图案结构损伤的高强度(能量)。在该清洗工艺中，通过控制第一个气泡内爆开始后的时间△τ来实现对气泡内爆强度的控制，从而达到所需的清洗性能和效率，且防止内爆强度太高而导致图案结构损伤。

为了提高颗粒去除效率(PRE)，在如图22A至22B所示的超或兆声波清洗过程中，需要有可控的非稳态的气穴振荡。可控的非稳态的气穴振荡是通过设置声波电源在时间间隔小于τ1内功率为P1，设置声波电源在时间间隔大于τ2内功率为P2，重复上述步骤直到晶圆被清洗干净，其中，功率P2等于0或远小于功率P1，τ1是气泡内的温度上升到高于临界内爆温度的时间间隔，τ2是气泡内的温度下降到远低于临界内爆温度的时间间隔。由于可控的非稳态的气穴振荡在清洗过程中具有一定的气泡内爆，因此，可控的非稳态的气穴振荡将提供更高的PRE(particle removal efficiency，颗粒去除效率)，而对图案结构造成最小的损伤。临界内爆温度是会导致第一个气泡内爆的气泡内的最低温度。为了进一步提高PRE，需要进一步提高气泡的温度，因此需要更长的时间τ1。通过缩短时间τ2来提高气泡的温度。

超或兆声波的频率是控制内爆强度的另一个参数。可控的非稳态的气穴振荡是通过设置声波电源在时间间隔小于τ1内频率为f1，设置声波电源在时间间隔大于τ2内频率为f2，重复上述步骤直到晶圆被清洗干净，其中，f2远大于f1，最好是f1的2倍或4倍。通常，频率越高，内爆的强度越低。τ1是气泡内的温度上升到高于临界内爆温度的时间间隔，τ2是气泡内的温度下降到远低于临界内爆温度的时间间隔。可控的非稳态的气穴振荡将提供更高的PRE(particle removal efficiency，颗粒去除效率)，而对图案结构造成最小的损伤。临界内爆温度是会导致第一个气泡内爆的气泡内的最低温度。为了进一步提高PRE，需要进一步提高气泡的温度，因此需要更长的时间τ1。通过缩短时间τ2来提高气泡的温度。通常，在本发明的晶圆清洗工艺中所应用的的超声波或兆声波的频率在0.1MHz至10MHz。

图23揭示了根据本发明的一实施例的用于执行图7至图22所示的晶圆清洗工艺的一示范性的晶圆清洗装置。该晶圆清洗装置包括用于承载晶圆23010的晶圆卡盘23014，在清洗过程中由旋转驱动装置23016驱动晶圆卡盘23014带着晶圆23010一起旋转。该晶圆清洗装置还包括喷头23064，用于输送如清洗化学液或去离子水23060等清洗液至晶圆23010。与喷头23064相结合的超声波或兆声波装置23062用于传递超声波能或兆声波能至清洗液。由超声波或兆声波装置23062产生的超声波或兆声波通过由喷头23064喷出的清洗液23060传递至晶圆23010。

图24揭示了根据本发明的用于执行图7至图22所示的晶圆清洗工艺的另一实施例的晶圆清洗装置的剖视图。该晶圆清洗装置包括容纳清洗液24070的清洗槽24074，用于装载多片晶圆24010的晶圆盒24076，该多片晶圆24010浸没在清洗液24070中。该晶圆清洗装置进一步包括设置在清洗槽24074的壁上的超声波或兆声波装置24072，用于传递超声波能或兆声波能至清洗液。至少有一个入口(图中未显示)用于使清洗槽24074充满清洗液24070，因此，在清洗过程中晶圆24010浸没在清洗液24070中。

在上述实施例中，在晶圆清洗工艺中，如果声波电源的所有关键工艺参数，例如功率水平、频率、通电时间(τ1)、断电时间(τ2)都预设在电源控制器中，而不是实时监测，在晶圆清洗过程中，由于一些异常情况，仍然可能发生图案结构损伤。因此，需要一种实时监测声波电源工作状态的装置和方法，如果参数不在正常范围，则声波电源应该关闭且需要发出警报信号并报告。

图25揭示了本发明的一实施例的使用超声波或兆声波清洗晶圆过程中监测声波电源运行参数的控制系统。该控制系统包括主机25080、声波发生器25082、声波换能器1003、检测电路25086和通信电缆25088。主机25080发送声波的参数设定值到声波发生器25082，例如功率设定值P1、通电时间设定值τ1、功率设定值P2、断电时间设定值τ2、频率设定值和控制指令，例如电源开启指令。声波发生器25082在接收到上述指令后产生声波波形，并发送声波波形到声波换能器1003来清洗晶圆1010。同时，主机25080发送的参数设定值和声波发生器25082的输出值被检测电路25086读取。检测电路25086将声波发生器25082的输出值和主机25080发送的参数设定值进行比较后，通过通信电缆25088发送比较结果到主机25080。如果声波发生器25082的输出值与主机25080发送的参数设定值不同，则检测电路25086将发送报警信号到主机25080。主机25080接收到报警信号后关闭声波发生器25082来阻止对晶圆1010上的图案结构的损伤。

图26揭示了根据本发明的一个实施例的图25所示的检测电路25086的框图。该检测电路25086示范性包括电压衰减电路26090、整形电路26092、主控制器26094、通信电路26096及电源电路26098。主控制器26094可以用FPGA实现。通信电路26096作为主机25080的接口。通信电路26096与主机25080实现RS232/RS485串行通信来从主机25080读取参数设置，并将比较结果返回主机25080。电源电路26098将直流15V转换成直流1.2V、直流3.3V和直流5V的目标电压以提供至整个系统。

图27揭示了根据本发明的另一个实施例的检测电路25086的框图。该检测电路25086示范性包括电压衰减电路26090、振幅检测电路27092、主控制器26094、通信电路26096及电源电路26098。

图28A至图28C揭示了根据本发明的一个实施例的电压衰减电路的示例。当声波发生器25082输出的声波信号首次被读取时，该声波信号具有相对较高的振幅值，如图28B所示。电压衰减电路26090被设计成使用两个运算放大器28102和28104来减小波形的振幅值，如图28C所示。电压衰减电路26090的衰减率的设置范围在5-100之间，优选20。电压衰减可以用如下公式表达：

Vout＝(R2/R1)*Vin

假设R1＝200k,R2＝R3＝R4＝10k,Vout＝(R2/R1)*Vin＝Vin/20

其中，Vout是电压衰减电路26090输出的振幅值，Vin是电压衰减电路26090输入的振幅值，R1、R2、R3、R4是两个运算放大器28102及28104的电阻。

图29A至图29C揭示了根据本发明的一个实施例的如图26所示的整形电路26092的示例。参考图26所示，电压衰减电路26090的输出端连接整形电路26092。电压衰减电路26090输出的波形输入到整形电路26092，整形电路26092将电压衰减电路26090输出的正弦波转化为方波以便主控制器26094处理。如图29A所示，整形电路26092包括窗口比较器29102及或门29104。当Vcal-<Vin<Vcal+时,Vout＝0,否则，Vout＝1，其中，Vcal-和Vcal+为两个阈值，Vin是整形电路的输入值，Vout是整形电路的输出值。如图29B所示，通过电压衰减电路26090的波形是正弦波。整形电路26092将正弦波转换为方波，如图29C所示。

图30A至图30C揭示了根据本发明的一个实施例的如图26及图27所示的主控制器26094的示例。如图30A所示，主控制器26094包括脉冲转换模块30102和周期测量模块30104。脉冲转换模块30102用来将τ1时间的脉冲信号转换为高电平信号，τ2时间的低电平信号保持不变，如图30B-30C所示。图30A示意了脉冲转换模块30102的电路符号，其中，Clk_Sys为50MHz时钟信号，Pulse_In为输入信号，Pulse_Out为输出信号。周期测量模块30104用于通过使用以下公式的计数器测量高电平和低电平信号的持续时间：

τ1＝Counter_H*20ns,τ2＝Counter_L*20ns

其中，Counter_H为高电平的数量，Counter_L为低电平的数量。

主控制器26094比较计算出的通电时间和预设时间τ1，如果计算出的通电时间比预设时间τ1长，主控制器26094发送报警信号到主机25080，主机25080接收到报警信号则关闭声波发生器25082。主控制器26094比较计算出的断电时间和预设时间τ2，如果计算出的断电时间比预设时间τ2短，主控制器26094发送报警信号到主机25080，主机25080接收到报警信号则关闭声波发生器25082。在一个实施例中，主控制器26094的型号可以选择AlteraCyclone IV FPGA型号为EP4CE22F17C6N。

图31揭示了由于声波装置自身的特性，主机关闭声波电源后，声波电源仍然会继续振荡多个周期。主控制器26094测量声波发生器25082在断电后振荡多个周期的时间τ3。时间τ3可以通过试验取得。因此，实际的通电时间等于τ-τ3，其中，τ为周期测量模块25104计算出的时间。主控制器26094比较实际通电时间和预设时间τ1，如果实际通电时间比预设时间τ1长，则主控制器26094发送报警信号到主机25080。

图32A至图32C揭示了根据本发明的一个实施例的如图27所示的振幅检测电路27092的示例。该振幅检测电路27092示例性包括参考电压生成电路和比较电路。如图32B所示，参考电压生成电路使用D/A转换器32118将主控制器26094的数字输入信号转换为模拟直流参考电压Vref+和Vref-，如图32C所示。比较电路使用窗口比较器32114及与门32116来比较电压衰减电路26090输出的振幅Vin和参考电压Vref+和Vref-。如果衰减后的振幅Vin超过参考电压Vref+和/或Vref-，那么振幅检测电路27092发送报警信号到主机25080，主机25080接收到报警信号则关闭声波发生器25082来避免对晶圆1010上的图案结构造成损伤。

图33揭示了根据本发明的一个实施例的晶圆清洗工艺的流程图。该晶圆清洗工艺从步骤33010开始，首先将清洗液施加至晶圆和超声波或兆声波装置之间的间隙中。在步骤33020中，设置超声波或兆声波电源的频率为f1，功率为P1以驱动超声波或兆声波装置。在步骤33030中，将检测到的通电时间与预设时间τ1进行比较，如果检测到的通电时间长于预设时间τ1，则关闭超声波或兆声波电源并发出报警信号。在步骤33040中，在清洗液中的气泡气穴振荡损伤晶圆上的图案结构之前设置超声波或兆声波电源输出为零。在步骤33050中，待气泡内的温度降至一定程度后，声波电源再次被设置为频率为f1及功率为P1。在步骤33060中，将检测到的断电时间与预设时间τ2进行比较，如果检测到的断电时间短于预设时间τ2，则关闭超声波或兆声波电源并发出报警信号。在步骤33070中，检查晶圆的清洁度，如果晶圆尚未清洁到所需程度，则重复步骤33010-33060。或者，可能不需要在每个周期内检查清洁度，取而代之的是，使用的周期数可能是预先用样品晶圆通过经验确定。

图34揭示了根据本发明的另一个实施例的晶圆清洗工艺的流程图。该晶圆清洗工艺从步骤34010开始，首先向晶圆和超声波或兆声波装置之间的间隙施加清洗液。在步骤34020中，设置超声波或兆声波装置的频率为f1，功率为P1以驱动超声波或兆声波装置。在步骤34030中，检测声波电源输出的振幅并将其与预设值进行比较，如果检测到的振幅高于预设值，则关闭电源并发出报警信号。在步骤34040中，在清洗液中的气泡气穴振荡损伤晶圆上的图案结构之前，设置电源输出为零。在步骤34050中，待气泡内的温度降至一定程度后，声波电源再次被设置为频率为f1及功率为P1。在步骤34060中，检查晶圆的清洁度，如果晶圆尚未清洁到所需程度，则重复步骤34010-34050。或者，可能不需要在每个周期内检查清洁度，取而代之的是，使用的周期数可能是预先用样品晶圆通过经验确定。

在一些实施例中，本发明中以各种图形描述的晶圆清洗过程可以组合以产生期望的清洗结果。在一个实施例中，如图34所示的步骤34030中的振幅检测可以并入如图33所示的晶圆清洗工艺中。在另一个实施例中，图26所示的电压衰减电路26090及整形电路26092与图27所示的振幅检测电路27092可以应用到图33及图34所示的晶圆清洗工艺中。

本发明揭示了利用超声波或兆声波清洗半导体基板的装置，包括卡盘、超声波或兆声波装置、至少一个喷头、超声波或兆声波电源、主机及检测电路。卡盘支撑半导体基板。超声波或兆声波装置设置在半导体基板附近。至少一个喷头向半导体基板以及半导体基板与超声波或兆声波装置之间的空隙中喷洒化学液。主机设置超声波或兆声波电源以频率f1、功率P1驱动超声波或兆声波装置，在液体中的气泡气穴振荡损伤半导体基板上的图案结构之前，将超声波或兆声波电源的输出设为零，待气泡内的温度下降到设定温度后，再次设置超声波或兆声波电源的频率为f1，功率为P1。检测电路分别检测频率为f1，功率为P1时的通电时间和断电时间，将在频率为f1，功率为P1时检测到的通电时间和预设时间τ1进行比较，如果检测到的通电时间比预设时间τ1长，检测电路发送报警信号到主机，主机接收到报警信号则关闭超声波或兆声波电源；检测电路还比较检测到的断电时间和预设时间τ2，如果检测到的断电时间比预设时间τ2短，检测电路发送报警信号到主机，主机接收到报警信号则关闭超声波或兆声波电源。

在一个实施例中，超声波或兆声波装置与喷头相结合并置于半导体基板附近，超声波或兆声波装置的能量通过喷头喷出的液柱传递到半导体基板。

本发明提供了另一种使用超声波或兆声波清洗半导体基板的装置，包括卡盘、超声波或兆声波装置、至少一个喷头、超声波或兆声波电源、主机和检测电路。卡盘支撑半导体基板。超声波或兆声波装置置于半导体基板附近。至少一个喷头向半导体基板和半导体基板与超声波或兆声波装置之间的空隙中喷洒化学液体。主机设置超声波或兆声波电源以频率f1、功率P1驱动超声波或兆声波装置，在液体中的气泡气穴振荡损伤半导体基板上的图案结构之前，将超声波或兆声波电源的输出设为零，待气泡内的温度下降到设定温度后，再次设置超声波或兆声波电源的频率为f1，功率为P1。检测电路检测超声波或兆声波电源输出的每个波形的振幅，将检测到的每个波形的振幅与预设值相比较，如果检测到任一波形的振幅比预设值大，检测电路发送报警信号到主机，主机接收到报警信号则关闭超声波或兆声波电源，其中预设值大于正常工作时的波形振幅。

本发明还提供了一种使用超声波或兆声波清洗半导体基板的装置，包括晶圆盒、清洗槽、超声波或兆声波装置、至少一个入口、超声波或兆声波电源、主机和检测电路。晶圆盒装有至少一片半导体基板。清洗槽容纳晶圆盒。超声波或兆声波装置设置在清洗槽的外壁。至少一个入口用来向清洗槽内注满化学液，化学液浸没半导体基板。主机设置超声波或兆声波电源以频率f1、功率P1驱动超声波或兆声波装置，在液体中的气泡气穴振荡损伤半导体基板上的图案结构之前，将超声波或兆声波电源的输出设为零，待气泡内的温度下降到设定温度后，再次设置超声波或兆声波电源的频率为f1、功率P1。检测电路分别检测频率为f1，功率为P1时的通电时间和断电时间，比较在频率为f1，功率为P1时检测到的通电时间和预设时间τ1，如果检测到的通电时间比预设时间τ1长，检测电路发送报警信号到主机，主机接收到报警信号则关闭超声波或兆声波电源；检测电路还比较检测到的断电时间和预设时间τ2，如果检测到的断电时间比预设时间τ2短，检测电路发送报警信号到主机，主机接收到报警信号则关闭超声波或兆声波电源。

本发明还提供了一种使用超声波或兆声波清洗半导体基板的装置，包括晶圆盒、清洗槽、超声波或兆声波装置、至少一个入口、超声波或兆声波电源、主机和检测电路。晶圆盒装有至少一片半导体基板。清洗槽容纳晶圆盒。超声波或兆声波装置设置在清洗槽的外壁。至少一个入口用来向清洗槽内注满化学液，化学液浸没半导体基板。主机设置超声波或兆声波电源以频率f1、功率P1驱动超声波或兆声波装置，在液体中的气泡气穴振荡损伤半导体基板上的图案结构之前，将超声波或兆声波电源的输出设为零，待气泡内的温度下降到设定温度后，再次设置超声波或兆声波电源的频率为f1，功率为P1。检测电路检测超声波或兆声波电源输出的每个波形的振幅，将检测到的每个波形的振幅与预设值相比较，如果检测到任一波形的振幅比预设值大，检测电路发送报警信号到主机，主机接收到报警信号则关闭超声波或兆声波电源，其中预设值大于正常工作时的波形振幅。

综上所述，本发明通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。至于本文中所述元件数目的改变或等效元件的代替等仍都应属于本发明的权利范围。

Claims

1.一种在清洗具有图案结构特征的半导体晶圆中控制损伤的方法，该方法包括：

在清洗过程中输送清洗液到半导体晶圆表面；

在该清洗过程中通过声波换能器向清洗液传递声能，其中，以在第一预定时段以第一频率和第一功率水平及在第二预定时段以第二频率和第二功率水平交替向声波换能器供电，第一预定时段和第二预定时段连续的一个接着一个；

其中，第一及第二预定时段、第一及第二功率水平以及第一及第二频率中的至少一个被确定使由于传递声波能量而导致的损伤特征的百分比低于预定阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，清洗液中的气泡尺寸由于声能在第一预定时段内增大，在第二预定时段内减小。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在清洗过程中旋转晶圆。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括将晶圆放置在晶圆卡盘上。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括将晶圆浸没在清洗槽中。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过喷头向晶圆表面喷洒清洗液。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，传递包括将声能传送到流动的清洗液中。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括往复改变声波换能器与晶圆之间的距离。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述清洗液选自下述一种：化学液、去离子水和二者的组合。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括以预定数目的循环将该第一和第二预定时段交替施加。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括通过检查半导体晶圆的损伤经验确定预定的循环数。

12.根据权利1所述的方法，其特征在于，所述第二功率水平为零。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率等于第二频率且两个频率在各自的工作时段内保持恒定，第一功率水平高于第二功率水平且两个功率水平在各自的工作时段内保持恒定。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率高于第二频率且两个频率在各自的工作时段内保持恒定，第一功率水平高于第二功率水平且两个功率水平在各自的工作时段内保持恒定。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率低于第二频率且两个频率在各自的工作时段内保持恒定，第一功率水平等于第二功率水平且两个功率水平在各自的工作时段内保持恒定。

16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率低于第二频率且两个频率在各自的工作时段内保持恒定，第一功率水平高于第二功率水平且两个功率水平在各自的工作时段内保持恒定。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率低于第二频率且两个频率在各自的工作时段内保持恒定，第一功率水平低于第二功率水平且两个功率水平在各自的工作时段内保持恒定。

18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一功率水平在第一预定时段内上升。

19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一功率水平在第一预定时段内下降。

20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一功率水平在第一预定时段内上升和下降。

21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二频率基本上接近于零，并且第二功率水平在第二预定时段内保持恒定的正值。

22.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二频率基本上接近于零，并且第二功率水平在第二预定时段内保持恒定的负值。

23.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述声波换能器产生的声波在第一预定时段和第二预定时段相位相反。

24.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预定时段短于第一频率的循环周期的2000倍。

25.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预定时段短于((Ti-T0-ΔT)/(ΔT–δT)+1)/f1，其中，Ti是内爆温度，T0是清洗液的温度，ΔT是一次压缩后的温度增量，δT是一次膨胀后的温度减量，f1是第一频率。

26.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率在第一预定时段内从较高值变为较低值。

27.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率在第一预定时段内从较低值变为较高值。

28.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率在第一预定时段内从较低值变为较高值再变为较低值。

29.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率在第一预定时段内从较高值变为较低值再变为较高值。

30.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率在第一预定时段内先被设置为f₁，然后被设置为f₃，最后被设置为f₄，其中f₄小于f₃，f₃小于f₁。

31.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率在第一预定时段内先被设置为f₄，然后被设置为f₃，最后被设置为f₁，其中f₄小于f₃，f₃小于f₁。

32.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率在第一预定时段内先被设置为f₁，然后被设置为f₄，最后被设置为f₃，其中f₄小于f₃，f₃小于f₁。

33.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率在第一预定时段内先被设置为f₃，然后被设置为f₄，最后被设置为f₁，其中f₄小于f₃，f₃小于f₁。

34.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率在第一预定时段内先被设置为f₃，然后被设置为f₁，最后被设置为f₄，其中f₄小于f₃，f₃小于f₁。

35.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率在第一预定时段内先被设置为f₄，然后被设置为f₁，最后被设置为f₃，其中f₄小于f₃，f₃小于f₁。

36.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括检测与声波换能器耦合的声波发生器的声波输出。

37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，所述检测包括检测并将输入信号的振幅与参考值进行比较，当检测到的振幅超过参考值时，产生报警信号并关闭声波发生器。

38.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述参考值由数字模拟转换器(DAC)产生。

39.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，所述检测包括检测并将第一时段与预设值进行比较，当第一时段超过预设值，产生报警信号并关闭声波发生器。

40.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，所述检测包括检测并将第二时段与预设值进行比较，当第二时段小于预设值，产生报警信号并关闭声波发生器。

41.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据经验确定第一预定时段，通过检查半导体晶圆以避免清洗液中的气泡内爆损伤晶圆上的图案结构。

42.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述经验确定包括在不同的清洗过程中为第一预定时段选择不同的值，同时保持第二预定时段不变且显著地长于第一预定时段，以及保持第一和第二频率以及第一和第二功率水平不变。

43.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据经验确定第一预定时段允许有限的气泡内爆，其不会对正在清洗的半导体晶圆上的图案结构造成损伤。

44.根据权利要求43所述的方法，其特征在于，所述经验确定包括在不同的清洗过程中为第一预定时段选择不同的值，同时保持第二预定时段不变并且显著地长于第一预定时段，以及保持第一和第二频率以及第一和第二功率水平不变。

45.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据经验确定第二预定时段，以允许清洗液中气泡内的温度冷却到预定温度。

46.根据权利要求45所述的方法，其特征在于，所述预定温度基本上接近室温。

47.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据经验确定第一频率和第一功率水平，通过检查半导体晶圆以避免清洗液中的气泡内爆损伤晶圆上的图案结构。

48.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据经验确定第一频率和第一功率水平以允许有限的气泡内爆，其不会对正在清洗的半导体晶圆上的图案结构造成损伤。

49.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据经验确定第二频率和第二功率水平，以允许清洗液中气泡内的温度冷却到预定温度。

50.根据权利要求49所述的方法，其特征在于，所述预定温度基本上接近室温。

51.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，传递声能的清洗效果使得产量的提高量高于因传递声能而造成的损坏而导致的产量下降量。

52.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由于传递声波能量而造成的损伤特征的百分比为零。