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TWI702665B - 清潔半導體襯底的方法和裝置 - Google Patents

清潔半導體襯底的方法和裝置 Download PDF

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TWI702665B
TWI702665B TW105119588A TW105119588A TWI702665B TW I702665 B TWI702665 B TW I702665B TW 105119588 A TW105119588 A TW 105119588A TW 105119588 A TW105119588 A TW 105119588A TW I702665 B TWI702665 B TW I702665B
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王俊
王暉
陳福發
陳福平
王堅
王希
張曉燕
金一諾
賈照偉
謝良智
李學軍
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大陸商盛美半導體設備（上海）股份有限公司
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Abstract

一種使用超聲波或兆聲波裝置清洗半導體襯底且不損傷半導體襯底上的圖案化結構的方法，包括：將液體噴射到半導體襯底和超聲波或兆聲波裝置之間的間隙中；設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1以驅動超聲波或兆聲波裝置；在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，設置超聲波或兆聲波電源的輸出為零；待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；分別檢測頻率為f1，功率為P1時的通電時間和斷電時間或者檢測超聲波或兆聲波電源每個輸出波形的振幅；將檢測到的通電時間和預設時間T1進行比較，或者將檢測到的斷電時間和預設時間T2進行比較，或者將檢測到的每個波形的振幅和預設值進行比較；如果檢測到的通電時間比預設時間T1長，或者檢測到的斷電時間比預設時間T2短，或者檢測到的任一波形的振幅比預設值大，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號。

Description

清潔半導體襯底的方法和裝置
本發明關於清洗半導體襯底的方法和裝置，尤其關於控制在清洗過程中超聲波或兆聲波裝置產生的氣穴振盪以在整片襯底上獲得穩定或可控的氣穴振盪，有效去除微粒，而不損傷襯底上的器件結構。
半導體器件是在半導體襯底上經過一系列不同的加工步驟形成電晶體和互連線而製成。近來，電晶體的建立由兩維到三維，例如鰭型場效應電晶體。為了使電晶體終端能和半導體襯底電連接在一起，需要在半導體襯底的介質材料上做出導電的(例如金屬)槽、孔及其他類似的結構作為器件的一部分。槽和孔可以在電晶體之間、內部電路以及外部電路傳遞電信號和能量。
為了在半導體襯底上形成鰭型場效應電晶體和互連結構，半導體襯底需要經過多個步驟，如掩膜、刻蝕和沈積來形成所需的電子線路。特別是，多層掩膜和等離子體刻蝕步驟可以在半導體襯底的電介質層形成鰭型場效應電晶體和/或凹陷區域的圖案作為電晶體的鰭和/或互連結構的槽和通孔。為了去除刻蝕或光刻膠灰化過程中在 鰭結構和/或槽和通孔中產生的顆粒和污染，必須進行濕法清洗。特別是，當器件製造節點不斷接近或小於14或16nm，鰭和/或槽和通孔的側壁損失是維護臨界尺寸的關鍵。為了減少或消除側壁損失，應用溫和的，稀釋的化學試劑，或有時只用去離子水非常重要。然而，稀釋的化學試劑或去離子水通常不能有效去除鰭結構和/或槽和通孔內的微粒，因此，需要使用機械力來有效去除這些微粒，例如超聲波或兆聲波。超聲波或兆聲波會產生氣穴振盪來為襯底結構提供機械力，這些猛烈的氣穴振盪例如不穩定的氣穴振盪或微噴射將損傷這些圖案化結構。維持穩定或可控的氣穴振盪是控制機械力損傷限度並有效去除微粒的關鍵參數。
在美國專利No.4,326,553中提到可以運用兆聲波能量和噴嘴結合來清洗半導體襯底。流體被加壓，兆聲波能量透過兆聲感測器施加到流體上。特定形狀的噴嘴噴射出像帶狀的液體，在襯底表面上以兆聲波頻率振動。
在美國專利No.6,039,059中提到一個能量源透過振動一根細長的探針將聲波能量傳遞到流體中。在一個例子中，流體噴射到襯底正反兩面，而將一根探針置於靠近襯底上表面的位置。另一個例子中，將一根短的探針末端置於靠近襯底表面的位置，在襯底旋轉過程中，探針在襯底表面移動。
在美國專利No.6,843,257 B2中提到一個能量源使得一根杆繞平行於襯底表面的軸振動。杆的表面被 刻蝕成曲線樹枝狀，如螺旋形的凹槽。
為了有效去除微粒，而不損傷襯底上的器件結構，需要一種好的方法來控制在清洗過程中超聲波或兆聲波裝置產生的氣穴振盪以在整片襯底上獲得穩定或可控的氣穴振盪。
本發明提出了一種使用超聲波或兆聲波清洗襯底時透過維持穩定的氣穴振盪來達成對襯底上的圖案化結構無損傷。穩定的氣穴振盪受控於設置聲波電源在時間間隔小於T1內功率為P1，設置聲波電源在時間間隔大於T2內功率為P2，重復上述步驟直到襯底被清洗乾淨，其中，功率P2等於0或遠小於功率P1，T1是氣泡內的溫度上升到臨界內爆溫度的時間間隔，T2是氣泡內的溫度下降到遠低於臨界內爆溫度的時間間隔。
本發明提出了另一種使用超聲波或兆聲波清洗襯底時透過維持穩定的氣穴振盪來達成對襯底上的圖案化結構無損傷。穩定的氣穴振盪受控於設置聲波電源在時間間隔小於T1內頻率為f1，設置聲波電源在時間間隔大於T2內頻率為f2，重復上述步驟直到襯底被清洗乾淨，其中，f2遠大於f1，最好是f1的2倍或4倍，T1是氣泡內的溫度上升到臨界內爆溫度的時間間隔，T2是氣泡內的溫度下降到遠低於臨界內爆溫度的時間間隔。
本發明還提出了一種使用超聲波或兆聲波清 洗襯底時透過維持穩定的氣穴振盪來達成對襯底上的圖案化結構無損傷，氣泡的尺寸小於圖案化結構之間的間距。具有氣泡尺寸小於圖案化結構之間間距的穩定的氣穴振盪受控於設置聲波電源在時間間隔小於T1內功率為P1，設置聲波電源在時間間隔大於T2內功率為P2，重復上述步驟直到襯底被清洗乾淨，其中，功率P2等於0或遠小於功率P1，T1是氣泡的尺寸增大到臨界尺寸的時間間隔，該臨界尺寸等於或大於圖案化結構之間的間距，T2是氣泡的尺寸減小到遠小於圖案化結構之間間距的值的時間間隔。
本發明還提出了一種使用超聲波或兆聲波清洗襯底時透過維持穩定的氣穴振盪來達成對襯底上的圖案化結構無損傷，氣泡的尺寸小於圖案化結構之間的間距。具有氣泡尺寸小於圖案化結構之間間距的穩定的氣穴振盪受控於設置聲波電源在時間間隔小於T1內頻率為f1，設置聲波電源在時間間隔大於T2內頻率為f2，重復上述步驟直到襯底被清洗乾淨，其中，f2遠大於f1，最好是f1的2倍或4倍，T1是氣泡的尺寸增大到臨界尺寸的時間間隔，該臨界尺寸等於或大於圖案化結構之間的間距，T2是氣泡的尺寸減小到遠小於圖案化結構之間間距的值的時間間隔。
本發明還提出了一種使用超聲波或兆聲波清洗襯底時透過檢測超聲波或兆聲波電源的工作狀態以維持穩定的氣穴振盪，從而達成對襯底上的圖案化結構無損傷。該方法包括以下步驟：將液體噴射到半導體襯底和超聲波或兆聲波裝置之間的間隙中；設置超聲波或兆聲波電 源的頻率為f1，功率為P1以驅動超聲波或兆聲波裝置；在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，設置超聲波或兆聲波電源的輸出為零；待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；分別檢測頻率為f1，功率為P1時的通電時間和斷電時間；將在頻率為f1，功率為P1時檢測到的通電時間和預設時間T1進行比較，如果檢測到的通電時間比預設時間T1長，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號；將檢測到的斷電時間和預設時間T2進行比較，如果檢測到的斷電時間比預設時間T2短，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號；重復上述步驟直到半導體襯底被洗淨。
本發明還提出了一種使用超聲波或兆聲波清洗襯底時透過檢測超聲波或兆聲波電源的工作狀態以維持穩定的氣穴振盪，從而達成對襯底上的圖案化結構無損傷。該方法包括以下步驟：將液體噴射到半導體襯底和超聲波或兆聲波裝置之間的間隙中；設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1以驅動超聲波或兆聲波裝置；在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，設置超聲波或兆聲波電源輸出為零；待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；檢測超聲波或兆聲波電源輸出的每個波形的振幅；將檢測到的每個波形的振幅與預設值進行比較，如果檢測到的任一波形的振幅比預設值大，則關閉超聲波 或兆聲波電源並發出報警信號，其中預設值大於正常工作時的波形振幅；重復上述步驟直到半導體襯底被洗淨。
1003‧‧‧超聲波裝置(兆聲波裝置)
1004‧‧‧傳感器
1008‧‧‧共振器
1010‧‧‧晶圓
1012‧‧‧噴頭
1014‧‧‧晶圓卡盤
1016‧‧‧轉動驅動裝置
1032‧‧‧流動液體(去離子水)
2003‧‧‧超聲波裝置(兆聲波裝置、聲波傳感器)
2010‧‧‧晶圓
2080‧‧‧主機
2082‧‧‧聲波電源
2086‧‧‧檢測系統
2088‧‧‧通信電纜
2190‧‧‧電壓衰減電路
2192‧‧‧整形電路
2194‧‧‧主控制器
2196‧‧‧通信電路
2198‧‧‧電源電路
2290‧‧‧電壓衰減電路
2292‧‧‧振縛檢測電路
2294‧‧‧主控制器
2296‧‧‧通信電路
2298‧‧‧電源電路
3052‧‧‧氣泡
4010‧‧‧半導體晶圓
4034‧‧‧精細結構
6080‧‧‧微噴射
6082‧‧‧氣泡
15010‧‧‧晶圓
15034‧‧‧圖案化結構
15046‧‧‧氣泡
15048‧‧‧氣泡
16010‧‧‧晶圓
16014‧‧‧晶圓卡盤
16016‧‧‧轉動驅動裝置
16060‧‧‧去離子水
16062‧‧‧超聲波裝置(兆聲波裝置)
16064‧‧‧噴頭
17010‧‧‧晶圓
17017‧‧‧晶圓
17070‧‧‧清洗液化學試劑
17072‧‧‧超聲波裝置(兆聲波裝置)
17074‧‧‧溶液槽
17076‧‧‧晶圓盒
23102‧‧‧運算放大器
23104‧‧‧運算放大器
24102‧‧‧窗口比較器
24104‧‧‧門
25102‧‧‧脈衝轉換模組
25104‧‧‧週期測量模組
27114‧‧‧窗口比較器
27116‧‧‧門
27118‧‧‧D/A轉換器
圖1A-1B為採用超聲波或兆聲波裝置的晶圓清洗裝置的示範性實施例；圖2A-2G為超聲波或兆聲波感測器的各種形狀；圖3為晶圓清洗過程中的氣穴振盪；圖4A-4B為在清洗過程中不穩定的氣穴振盪損傷晶圓上的圖案化結構；圖5A-5C為在清洗過程中氣泡內部熱能的變化；圖6A-6C為晶圓清洗方法的示範性實施例；圖7A-7C為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖8A-8D為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖9A-9D為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖10A-10B為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖11A-11B為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖12A-12B為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖13A-13B為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖14A-14B為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖15A-15C為在清洗過程中穩定的氣穴振盪損傷晶圓上的圖案化結構； 圖16為採用超聲波或兆聲波裝置的晶圓清洗裝置的另一示範性實施例；圖17為採用超聲波或兆聲波裝置的晶圓清洗裝置的實施例；圖18A-18C為晶圓清洗方法的另一示範性實施例；圖19為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖20為監測聲波電源工作狀態的控制系統的示範性實施例；圖21為監測聲波電源工作狀態的檢測系統的示範性實施例；圖22為監測聲波電源工作狀態的檢測系統的另一示範性實施例；圖23A-23C為監測聲波電源工作狀態的電壓衰減電路的示範性實施例；圖24A-24C為監測聲波電源工作狀態的整形電路的示範性實施例；圖25A-25C為監測聲波電源工作狀態的主控制器的示範性實施例；圖26為主機關閉聲波電源後聲波電源繼續振盪幾個週期；圖27A-27C為監測聲波電源工作狀態的振幅檢測電路的示範性實施例。
圖1A-1B示意了採用超聲波或兆聲波裝置的晶圓清洗裝置。該晶圓清洗裝置包括晶圓1010、由轉動驅動裝置1016驅動旋轉的晶圓卡盤1014、噴灑清洗液化學試劑或去離子水1032的噴頭1012、超聲波或兆聲波裝置1003及超聲波或兆聲波電源。超聲波或兆聲波裝置1003進一步包括壓電式感測器1004及與其配對的聲學共振器1008。感測器1004通電後振動，共振器1008會將高頻聲能量傳遞到液體中。由超聲波或兆聲波能量產生的氣穴振盪使晶圓1010表面的微粒鬆動，污染物因此從晶圓1010表面脫離，進而透過由噴頭1012提供的流動液體1032將其從晶圓表面移除。
圖2A-2G示意了本發明的超聲波或兆聲波裝置的俯視圖。圖1A-1B所示的超聲波或兆聲波裝置1003可以被不同形狀的超聲波或兆聲波裝置2003所代替，如圖2A所示的三角形或餡餅形，圖2B所示的矩形，圖2C所示的八邊形，圖2D所示的橢圓形，圖2E所示的半圓形，圖2F所示的四分之一圓形，以及圖2G所示的圓形。
圖3示意了在壓縮過程中的氣穴振盪。氣泡3052的形狀逐漸從球形A壓縮至蘋果形G，最終氣泡3052到達內爆狀態I並形成微噴射。如圖4A和4B所示，微噴射很猛烈(可達到上千個大氣壓和上千攝氏度)，會損傷半導體晶圓4010上的精細結構4034，特別是當特徵尺寸縮小到70nm及更小時。
圖5A-5C示意了本發明的氣穴振盪的簡化模型。當聲波正壓作用于氣泡時，氣泡減小其體積。在體積減小過程中，聲波壓力PM對氣泡做功，機械功轉換為氣泡內部的熱能，因此，氣泡內的氣體和/或蒸汽的溫度增加。
理想氣體方程式可以表示如下：p0v0/T0=pv/T (1)
其中，P0是壓縮前氣泡內部的壓強，V0是壓縮前氣泡的初始體積，T0是壓縮前氣泡內部的氣體溫度，P是受壓時氣泡內部的壓強，V是受壓時氣泡的體積，T是受壓時氣泡內部的氣體溫度。
為了簡化計算，假設壓縮或壓縮非常慢時氣體的溫度沒有變化，由於液體包圍了氣泡，溫度的增加可以忽略。因此，一次氣泡壓縮過程中(從體積N單位量至體積1單位量或壓縮比為N)，聲壓PM所做的機械功Wm可以表達如下：
Figure 105119588-A0101-12-0009-1
其中，S為汽缸截面的面積，x0為汽缸的長度，p0為壓縮前汽缸內氣體的壓強。方程式(2)不考慮壓縮過程中溫度增長的因素，因此，由於溫度的增加，氣泡內的實際壓強會更高，實際上由聲壓做的機械功要大於方程式(2)計算出的值。
假設聲壓做的機械功部分轉化為熱能，部分轉換成氣泡內高壓氣體和蒸汽的機械能，這些熱能完全促使 氣泡內部氣體溫度的增加(沒有能量轉移至氣泡周圍的液體分子)，假設壓縮前後氣泡內氣體質量保持不變，氣泡壓縮一次後溫度增量△T可以用下面的方程式表達：△T=Q/(mc)=βwm/(mc)=βSx0p0ln(x0)/(mc) (3)
其中，Q是機械功轉換而來的熱能，β是熱能與聲壓所做的總機械功的比值，m是氣泡內的氣體質量，c是氣體的比熱係數。將β=0.65，S=1E-12 m2，x0=1000麱m=1E-3 m(壓縮比N=1000)，p0=1 kg/cm2=1E4 kg/m2，氫氣的質量m=8.9E-17 kg，c=9.9E3 J/(kg 0k)代入方程式(3)，那麽△T=50.9 0C。
一次壓縮後氣泡內的氣體溫度T1可以計算得出：T1=T0+△T=20 0C+50.9 0C=70.9 0C (4)
當氣泡達到最小值1微米時，如圖5B所示。在如此高溫下，氣泡周圍的液體蒸發，隨後，聲壓變為負值，氣泡開始增大。在這個反過程中，具有壓強PG的熱氣體和蒸汽將對周圍的液體表面做功。同時，聲壓PM朝膨脹方向拉伸氣泡，如圖5C所示。因此，負的聲壓PM也對周圍的液體做部分功。由於共同作用的結果，氣泡內的熱能不能全部釋放或轉化為機械能，因此，氣泡內的氣體溫度不能降低到最初的氣體溫度T0或液體溫度。如圖6B所示，氣穴振盪的第一週期完成後，氣泡內的氣體溫度T2將在T0和T1之間。T2可以表達如下：T2=T1-δT=T0+△T-δT (5)
其中，δT是氣泡膨脹一次後的溫度減量，δT小於△T。
當氣穴振盪的第二週期達到最小氣泡尺寸時，氣泡內的氣體或蒸汽的溫度T3為：T3=T2+△T=T0+△T-δT+△T=T0+2△T-δT (6)
當氣穴振盪的第二週期完成後，氣泡內的氣體或蒸汽的溫度T4為：T4=T3-δT=T0+2△T-δT-δT=T0+2△T-2δT (7)
同理，當氣穴振盪的第n個週期達到最小氣泡尺寸時，氣泡內的氣體或蒸汽的溫度T2n-1為：T2n-1=T0+n△T-(n-1)δT (8)
當氣穴振盪的第n個週期完成後，氣泡內的氣體或蒸汽的溫度T2n為：T2n=T0+n△T-nδT=T0+n(△T-δT) (9)
隨著氣穴振盪的週期數n的增加，氣體和蒸汽的溫度也會增加，因此氣泡表面越來越多的分子蒸發到氣泡6082內部，氣泡6082也會變大，如圖6C所示。最終，壓縮過程中氣泡內的溫度將會達到內爆溫度Ti(通常內爆溫度Ti高達幾千攝氏度)，形成猛烈的微噴射6080，如圖6C所示。
根據公式(8)，內爆的週期數ni可以表達如下：ni=(Ti-T0-△T)/(△T-δT)+1 (10)
根據公式(10)，內爆時間Ti可以表達如下：Ti=nit1=t1((Ti-T0-△T)/(△T-δT)+1) =ni/f1=((Ti-T0-△T)/(△T-δT)+1)/f1 (11)
其中，t1為循環週期，f1為超聲波或兆聲波的頻率。
根據公式(10)和(11)，內爆週期數ni和內爆時間Ti可以被計算出來。表1為內爆週期數ni、內爆時間Ti和(△T-δT)的關係，假設Ti=3000 0C，△T=50.9 0C，T0=20 0C，f1=500 KHz，f1=1 MHz，及f1=2 MHz。
Figure 105119588-A0101-12-0012-2
為了避免對晶圓上的圖案化結構造成損傷，需要保持穩定的氣穴振盪，避免氣泡內爆和微噴射。圖7A-7C為本發明提出的一種使用超聲波或兆聲波清洗晶圓時透過維持穩定的氣穴振盪來達成不損傷晶圓上的圖案化結構。圖7A為電源輸出波形；圖7B為每個氣穴振盪週期所對應的溫度曲線；圖7C為每個氣穴振盪週期對應的氣泡的膨脹大小。本發明的避免氣泡內爆的操作工藝步驟如下所述：
步驟1：將超聲波或兆聲波裝置置於設置在卡盤或溶液槽上的晶圓或襯底表面附近；
步驟2：將晶圓和超聲波或兆聲波裝置之間充滿化學液體或摻了氣體(氫氣、氮氣、氧氣或二氧化碳)的水；
步驟3：旋轉卡盤或振動晶圓；
步驟4：設置電源頻率為f1，功率為P1；
步驟5：在氣泡內的氣體或蒸汽溫度達到內爆溫度Ti之前(或時間達到T.1躿Ti，Ti由公式(11)計算出來)，設置電源的輸出功率為0瓦特，因此，由於液體或水的溫度遠低於氣體溫度，氣泡內氣體溫度開始下降。
步驟6：氣泡內氣體溫度降低至常溫T0或時間(零功率的時間)達到T2後，再次設置電源頻率為f1，功率為P1；
步驟7：重復步驟1至步驟6直到晶圓洗淨。
步驟5中，為了避免氣泡內爆，時間T1必須小於Ti，可以由公式(II)計算出Ti。
步驟6中，氣泡內的氣體溫度並不一定要冷卻到常溫或液體的溫度，可以是高於常溫或液體的溫度的一個特定溫度，但最好遠低於內爆溫度Ti。
根據公式8和9，如果知道(△T-δT)，就可以計算出Ti。但通常來說，(△T-δT)不太容易被計算出或直接得到，以下步驟可以透過實驗得到內爆時間Ti。
步驟1：基於表1，選擇五個不同的時間T1作為實驗設定(DOE)的條件；
步驟2：選擇至少是T1十倍的時間T2，在第一次測試時最好是100倍的T1。
步驟3：使用確定的功率P0運行以上五種條件來分別清洗具有圖案化結構的晶圓。此處，P0是在連續不間斷模式(非脈衝模式)下確定會對晶圓的圖案化結構造成損傷的功率。
步驟4：使用檢測儀器SEMS或晶圓圖案損傷查看工具來檢查以上五種晶圓的損壞程度，如應用材料的SEMVision或日立IS3000，然後內爆時間Ti可以被確定在某一範圍。
重復步驟1至步驟4來縮小內爆時間Ti的範圍。知道了內爆時間Ti，T1可以在安全係數下設置為小於0.5Ti的值。以下為舉例描述實驗資料：圖案化結構為55nm的多晶矽柵線，超聲波或兆聲波的頻率為1MHZ，使用Prosys製造的超聲波或兆聲波裝置，採用間隙振盪模式(在PCT/CN2008/073471中披露)操作以在晶圓內和晶圓間獲得更均勻能量分佈。以下表2總結了其他試驗參數以及最終的圖案損傷資料：
Figure 105119588-A0101-12-0014-3
從上表可以看出，在55nm的特徵尺寸下，T1=2ms(或週期數為2000)時，對圖案化結構造成的損傷高達1216個點；但是T1=0.1ms(或週期數為100)時，對圖案化結構造成的損傷為0。因此T1為0.1ms與2ms之間的某個數值，為了縮小這個範圍需要做更進一步的實驗。顯然，週期數與超聲波或兆聲波的功率密度和頻率有關，功率密度越大，週期數越小；頻率越低，週期數越小。從以上實驗結果可以預測出無損傷的週期數應該小於2000，假設超聲波或兆聲波的功率密度大於0.1 watts/cm2，頻率小於或等於1MHZ。如果頻率增大到大於1MHZ或功率密度小於0.1 watts/cm2，那麽可以預測週期數將會增加。
知道時間T1後，T2也可以基於與上述相似的DOE方法來縮短。確定時間T1，逐步縮短時間T2來運行DOE，直到可以觀察到圖案化結構被損傷。由於時間T2被縮短，氣泡內的氣體或蒸汽的溫度不能被足夠冷卻，從而會引起氣泡內的氣體或蒸汽的平均溫度的逐步上升，最終將會觸發氣泡內爆，觸發時間稱為臨界冷卻時間。知道臨界冷卻時間Tc後，為了增加安全係數，時間T2可以設置為大於2Tc的值。
圖8A-8D示意了本發明的使用超聲波或兆聲波裝置清洗晶圓的方法。該方法與圖7A示意的方法相似，除了步驟4設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為具有振幅變化的波形。圖8A示意了另一清洗方法，為在步驟4中設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為具有 振幅不斷增大的波形。圖8B示意了另一清洗方法，為在步驟4中設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為具有振幅不斷減小的波形。圖8C示意了另一清洗方法，為在步驟4中設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為具有振幅先減小後增大的波形。圖8D示意了另一清洗方法，為在步驟4中設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為具有振幅先增大後減小的波形。
圖9A-9D示意了本發明的使用超聲波或兆聲波裝置清洗晶圓的方法。該方法與圖7A示意的方法相似，除了步驟4設置超聲波或兆聲波電源的頻率不斷變化。圖9A示意了另一清洗方法，為在步驟4中設置超聲波或兆聲波電源的頻率先為f1，後為f3，且f1高於f3。圖9B示意了另一清洗方法，為在步驟4中設置超聲波或兆聲波電源的頻率先為f3，後為f1，且f1高於f3。圖9C示意了另一清洗方法，為在步驟4中設置超聲波或兆聲波電源的頻率先為f3，後為f1，最後再為f3，且f1高於f3。圖9D示意了另一清洗方法，為在步驟4中設置超聲波或兆聲波電源的頻率先為f1，後為f3，最後再為f1，且f1高於f3。
與圖9C示意的方法相似，在步驟4中，設置超聲波或兆聲波電源的頻率先為f1，後為f3，最後為f4，且f4小於f3，f3小於f1。
與圖9C示意的方法相似，在步驟4中，設置超聲波或兆聲波電源的頻率先為f4，後為f3，最後為f1，且f4小於f3，f3小於f1。
與圖9C示意的方法相似，在步驟4中，設置超聲波或兆聲波電源的頻率先為f1，後為f4，最後為f3，且f4小於f3，f3小於f1。
與圖9C示意的方法相似，在步驟4中，設置超聲波或兆聲波電源的頻率先為f3，後為f4，最後為f1，且f4小於f3，f3小於f1。
與圖9C示意的方法相似，在步驟4中，設置超聲波或兆聲波電源的頻率先為f3，後為f1，最後為f4，且f4小於f3，f3小於f1。
與圖9C示意的方法相似，在步驟4中，設置超聲波或兆聲波電源的頻率先為f4，後為f1，最後為f3，且f4小於f3，f3小於f1。
圖10A-10B示意了本發明的使用超聲波或兆聲波清洗晶圓時透過維持穩定的氣穴振盪來達成對晶圓上的圖案化結構零損傷。圖10A為電源輸出的波形，圖10B為與氣穴振盪的每個週期相對應的溫度曲線。本發明所提出的操作工藝步驟如下：步驟1：將超聲波或兆聲波裝置置於設置在卡盤或溶液槽上的晶圓或襯底表面附近；步驟2：將晶圓和超聲波或兆聲波裝置之間充滿化學液體或摻氣體的水；步驟3：旋轉卡盤或振動晶圓；步驟4：設置電源頻率為f1，功率為P1； 步驟5：在氣泡內的氣體或蒸汽溫度達到內爆溫度Ti(總時間T1逝去)之前，設置電源輸出頻率為f1，功率為P2，且P2小於P1，因此，由於液體或水的溫度遠低於氣體溫度，氣泡內的氣體溫度開始下降；步驟6：氣泡內的氣體溫度降低到接近常溫T0或時間(零功率的時間)達到T2，再次設置電源頻率為f1，功率為P1；步驟7：重復步驟1至步驟6直到晶圓洗淨。
步驟6中，由於功率為P2，氣泡內氣體的溫度無法降到室溫，需要有一個溫度差△T2存在於時間區間T2，如圖10B所示。
圖11A-11B示意了本發明的使用超聲波或兆聲波裝置的晶圓清洗方法。與圖10A示意的方法相似，除了步驟5設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2，其中，f2小於f1，P2小於P1。由於f2小於f1，氣泡內的氣體或蒸汽溫度快速上升，因此P2應該遠小於P1，為了降低氣泡內氣體或蒸汽的溫度，兩者最好相差5倍或10倍。
圖12A-12B示意了本發明的使用超聲波或兆聲波裝置的晶圓清洗方法。與圖10A示意的方法相似，除了步驟5設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2，其中，f2大於f1，P2等於P1。
圖13A-13B示意了本發明的使用超聲波或兆聲波裝置的晶圓清洗方法。與圖10A示意的方法相似，除了步驟5設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2， 其中，f2大於f1，P2小於P1。
圖14A-14B示意了本發明的使用超聲波或兆聲波裝置的晶圓清洗方法。與圖10A示意的方法相似，除了步驟5設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2，其中，f2大於f1，P2大於P1。由於f2大於f1，氣泡內的氣體或蒸汽溫度上升緩慢，因此，P2可以略大於P1，但要確保在時間區間T2內氣泡內氣體或蒸汽的溫度與時間區間T1比要減小，如圖14B。
圖4A-4B示意了圖案化結構被猛烈地微噴射所損傷。圖15A-15B示意了穩定的氣穴振盪也能夠損傷晶圓上的圖案化結構。由於氣穴振盪持續，氣泡內的氣體或蒸汽溫度上升，因此氣泡15046的尺寸也不斷增大，如圖15A。當氣泡15048的尺寸變得大於圖15B所示的晶圓15010上圖案化結構之間的間距W時，氣穴振盪的膨脹將對圖案化結構15034造成損傷，如圖15C。以下為本發明所提出的又一種清洗方法：步驟1：將超聲波或兆聲波裝置置於設置在卡盤或溶液槽上的晶圓或襯底表面附近；步驟2：將晶圓和超聲波或兆聲波裝置之間充滿化學液體或摻氣體的水；步驟3：旋轉卡盤或振動晶圓；步驟4：設置電源頻率為f1，功率為P1；步驟5：在氣泡的尺寸達到圖案化結構之間的間距W之前(時間T1逝去)，設置電源的輸出功率為0瓦特，由 於液體或水的溫度遠低於氣體溫度，氣泡內的氣體溫度開始下降；步驟6：氣泡內氣體溫度冷卻到常溫T0或時間(零功率的時間)達到T2後，再次設置電源頻率為f1，功率為P1；步驟7：重復步驟1至步驟6直到晶圓洗淨。
步驟6中，氣泡內的氣體溫度不一定要降到室溫，可以是任何溫度，但最好遠低於內爆溫度Ti。步驟5中，氣泡的尺寸可以略大於圖案化結構之間間距的大小，只要氣泡的膨脹力不損壞圖案化結構。時間T1可以透過以下方法來確定：步驟1：類似表1，選擇5個不同的時間T1作為實驗設定(DOE)的條件；步驟2：選擇至少是T1 10倍的時間T2，首次測試最好選擇I倍；步驟3：使用確定的功率P0運行以上五種條件來分別清洗具有圖案化結構的晶圓，此處，P0是在連續不間斷模式(非脈衝模式)下確定會對晶圓的圖案化結構造成損傷的功率；步驟4：使用檢測儀器SEMS或晶圓圖案損傷查看工具來檢查以上五種晶圓的損壞程度，如應用材料的SEMVision或日立IS3000，然後損傷時間Ti可以被確定在某一範圍；重復步驟1至步驟4來縮小損傷時間Td的範圍。知道了損傷時間Td，T1可以在安全係數下設置為小於0.5Td的值。
圖7至圖14所描述的所有方法均適用於此或者與圖15所描述的方法相結合。
圖16所示為採用超聲波或兆聲波裝置清洗晶圓的裝置的實施例。晶圓清洗裝置包括晶圓16010、由轉動驅動裝置16016驅動旋轉的晶圓卡盤16014、噴灑清洗液化學試劑或去離子水16060的噴頭16064、與噴頭16064相結合的超聲波或兆聲波裝置16062及超聲波或兆聲波電源。超聲波或兆聲波裝置16062產生的超聲波或兆聲波能量透過噴頭16064噴出的化學試劑或去離子水液柱16060傳遞到晶圓。圖7至圖15所描述的所有清洗方法均適用於圖16所示的清洗裝置。
圖17為採用超聲波或兆聲波裝置的清洗晶圓的裝置的實施例。晶圓清洗裝置包括晶圓17010、溶液槽17074、放置在溶液槽17074中用來支撐晶圓17010的晶圓盒17076、清洗液化學試劑17070、設置在溶液槽17074外壁上的超聲波或兆聲波裝置17072及超聲波或兆聲波電源。至少有一個入口用來向溶液槽17074內供應清洗液化學試劑17070以浸沒晶圓17010。圖7至圖15所描述的所有清洗方法均適用於圖17所示的清洗裝置。
圖18A-18C示意了本發明的使用超聲波或兆聲波裝置清洗晶圓的方法的實施例。該方法與圖7A所示的方法相似，除了步驟5，在氣泡內的氣體或蒸汽溫度達到內爆溫度Ti(或時間達到T1驟Ti，Ti由公式(11)計算出來)之前，設置電源輸出值為正值或負的直流值來保持或停止 超聲波或兆聲波裝置的振動。因此，由於液體或水的溫度遠低於氣體溫度，氣泡內氣體溫度開始下降。此處的正值或負值可以大於、等於或小於功率P1。
圖19示意了本發明的使用超聲波或兆聲波裝置清洗晶圓的方法的實施例。與圖7A所示意的方法相似，除了步驟5，在氣泡內的氣體或蒸汽溫度達到內爆溫度Ti(或時間達到T1躿Ti，Ti由公式(11)計算出來)之前，設置電源的輸出頻率與f1相同，相位與f1的相位相反以快速停止氣泡的氣穴振盪。因此，由於液體或水的溫度遠低於氣體溫度，氣泡內的氣體溫度開始下降。此處的正值或負值可以大於、等於或小於功率P1。在上述操作過程中，電源的輸出頻率可以與頻率f1不同但相位與f1的相位相反以快速停止氣泡的氣穴振盪。
通常來說，頻率範圍在0.1MHZ-10MHZ之間的超聲波或兆聲波可以應用到本發明所提出的方法中。
在上述所有實施例中，聲波電源的全部關鍵工藝參數預先在電源控制器中設置，如功率、頻率、通電時間(T1)、斷電時間(T2)，但沒有在晶圓清洗過程中提供即時監測。在晶圓清洗過程中，如果聲波電源發生非正常工作，將不可避免的對圖案化結構造成損傷。因此，需要一種設備和方法來即時監測聲波電源的工作狀態。如果參數不在正常範圍內，聲波電源應該被關閉並發出報警信號。
圖20示意了本發明的使用超聲波或兆聲波裝置清洗晶圓過程中監測聲波電源運行參數的具有檢測系統 的控制系統的實施例。該實施例的控制系統包括主機2080、聲波電源2082、聲波感測器2003、檢測系統2086和通信電纜2088。主機2080發送聲波的參數設定值到聲波電源2082，例如功率設定值P1、通電時間設定值T1、功率設定值P2、斷電時間設定值T2、頻率設定值和控制指令，例如電源開啟指令。聲波電源2082在接收到上述指令後產生聲波波形，並發送聲波波形到聲波感測器2003來清洗晶圓2010。同時，主機2080發送的參數設定值和聲波電源2082實際輸出值被檢測系統2086讀取。檢測系統2086將聲波電源2082實際輸出值和主機2080發送的參數設定值進行比較後，透過通信電纜2088發送比較結果到主機2080。如果聲波電源2082實際輸出值與主機2080發送的參數設定值不同，則檢測系統2086將發送報警信號到主機2080。主機2080接收到報警信號後關閉聲波電源2082來阻止對晶圓2010上的圖案化結構的進一步損傷。
圖21示意了本發明的使用超聲波或兆聲波裝置清洗晶圓過程中監測聲波電源運行參數的檢測系統的實施例。該檢測系統包括電壓衰減電路2190、整形電路2192、主控制器(FPGA)2194、通信電路(RS 232或485)2196和電源電路2198。
圖23A-23C示意了本發明的電壓衰減電路的實施例。當聲波電源2082輸出的聲波信號首次被讀取時，該聲波信號具有相對較高的振幅值，如圖23B。電壓衰減電路2190使用兩個運算放大器23102和23104來減小波 形的振幅值，如圖23C所示。電壓衰減電路2190的衰減率的設置範圍在5-100之間，優選20。電壓衰減可以用如下公式表達：Vout=(R2/R1)*Vin
假设R1=200k,R2=R3=R4=10K,Vout=(R2/R1)*Vin=Vin/20
其中Vout是電壓衰減電路2190輸出的振幅值，Vin是電壓衰減電路2190輸入的振幅值，R1、R2、R3、R4是兩個運算放大器23102和23104的電阻。
電壓衰減電路2190的輸出端與整形電路2192相連。電壓衰減電路2190輸出的波形輸入到整形電路2192，整形電路2192將正弦波轉化為方波以便主控器(FPGA)處理。圖24A-24C示意了本發明的整形電路的實施例。如圖24A，整形電路2192包括視窗比較器24102及或閘24104。當Vcal-<Vin<Vcal+時，Vout=0；否則，Vout=1。其中Vcal-和Vcal+為兩個閾值，Vin為整形電路2192的輸入值，Vout為整形電路的輸出值。波形透過電壓衰減電路2190後，波形(正弦波)輸入到整形電路2192，整形電路2192將正弦波轉換為方波，如圖24C所示。
整形電路2192輸出的方波輸入到主控制器(FPGA)2194。圖25A-25C示意了本發明的主控制器(FPGA)的實施例。如圖25A，主控制器(FPGA)包括脈衝轉換模組25102和週期測量模組25104。脈衝轉換模組25102用來將T1時間的脈衝信號轉換為高電平信號，T2時間的低電平信號保持不變，如圖25B-25C。圖25A示意 了脈衝轉換模組25102的電路符號，其中，Clk_Sys為50MHz時鐘信號，Pulse_In為輸入信號，Pulse_Out為輸出信號。週期測量模組25104採用計數器測量高電平和低電平的時間。圖25A示意了週期測量模組25104的電路符號，其中，Clk_Sys為50MHz時鐘信號，Pulse_In為輸入信號，Pulse_Out為輸出信號。
T1=Counter_H*20ns,T2=Counter_L*20ns
其中，Counter_H為高電平的數量，Counter_L為低電平的數量。
主控制器(FPGA)2194比較計算出的通電時間和預設時間T1，如果計算出的通電時間比預設時間T1長，主控制器(FPGA)2194發送報警信號到主機2080，主機2080接收到報警信號則關閉聲波電源2082。主控制器(FPGA)2194比較計算出的斷電時間和預設時間T2，如果計算出的斷電時間比預設時間T2短，主控制器(FPGA)2194發送報警信號到主機2080，主機2080接收到報警信號則關閉聲波電源2082。主控制器(FPGA)2194的型號可以選擇Altera Cyclone Ⅳ EP4CE22F17C6N。
如圖26所示，由於裝置自身的特性，主機2080關閉聲波電源2082後，聲波電源2082仍然會繼續振盪多個週期。主控制器(FPGA)2194也會測量出該多個週期的時間T3，時間T3可以透過試驗取得。因此，實際的通電時間等於T-T3，其中，T為週期測量模組25104計算出的時間，T3為主機2080關閉聲波電源2082後，聲波電源2082 繼續振盪多個週期的時間。主控制器(FPGA)2194比較實際通電時間和預設時間T1，如果實際通電時間比預設時間T1長，則主控制器(FPGA)2194發送報警信號到主機2080。
如圖21所示，通信電路2196被設為主機2080的介面，通信電路2196和主機2080達成了RS232或RS485的串列通信來讀取主機2080發送的參數設定值和發送比較結果到主機2080。
如圖21所示，為了給整個系統提供1.2V、3.3V和5V的直流電壓，電源電路2198將15V直流電壓轉換為目標電壓。
圖22示意了本發明的使用超聲波或兆聲波裝置清洗晶圓過程中監測聲波電源運行參數的檢測系統的另一種實施例。該檢測系統包括電壓衰減電路2290、振幅檢測電路2292、主控制器(FPGA)2294、通信電路(RS 232或485)2296和電源電路2298。
圖23A-23C示意了本發明的電壓衰減電路的實施例。當聲波電源2082輸出的聲波信號首次被讀取時，聲波信號具有相對較高的振幅值，如圖23B。電壓衰減電路2290使用兩個運算放大器23102和23104來減小波形的振幅值，如圖23C所示。電壓衰減電路2290的衰減率的設置範圍在5-100之間，優選20。
圖27A-27C示意了本發明的振幅檢測電路的實施例。振幅檢測電路2292包括參考電壓生成電路和比較 電路。如圖27B所示，參考電壓生成電路使用D/A轉換器27118將主控制器(FPGA)2294的數位輸入信號轉換為類比直流參考電壓Vref+和Vref-，如圖27C所示。比較電路使用視窗比較器27114及及閘27116來比較電壓衰減電路2190輸出的振幅Vin和參考電壓Vref+和Vref-。如果衰減後的振幅Vin超過參考電壓Vref+和Vref-，那麽振幅檢測電路2292發送報警信號到主機2080，主機2080接收到報警信號則關閉聲波電源2082來避免對晶圓2010上的圖案化結構造成損傷。
本發明提供了一種使用超聲波或兆聲波清洗襯底且不會對襯底上的圖案化結構造成損傷的方法，包括以下步驟：步驟1：將液體噴射到襯底和超聲波或兆聲波裝置之間的間隙中；步驟2：設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1來驅動超聲波或兆聲波裝置；步驟3：在液體中的氣穴振盪損傷襯底上的圖案化結構之前，設置超聲波或兆聲波電源的輸出為零；步驟4：待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；步驟5：分別檢測頻率為f1，功率為P1時的通電時間和斷電時間； 步驟6：比較在頻率為f1，功率為P1時檢測到的通電時間和預設時間T1，如果檢測到的通電時間比預設時間T1長，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號；步驟7：比較檢測到的斷電時間和預設時間T2，如果檢測到的斷電時間比預設時間T2短，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號；步驟8：重復步驟1至步驟7直到襯底被洗淨。
在一個實施例中，步驟5進一步包括：衰減超聲波或兆聲波電源輸出波形的振幅；將振幅衰減後的正弦波轉換為方波；將通電時間的脈衝信號轉化為高電平信號，斷電時間的低電平信號保持不變；測量出高電平和低電平的時間並分別與預設時間T1和預設時間T2作比較。
衰減率的範圍設置在5-100之間，較佳為20。
在一個實施例中，實際通電時間等於T-T3，其中，T為測量出的高電平的時間，T3為關閉超聲波或兆聲波電源後，超聲波或兆聲波電源繼續振盪多個週期的時間。將實際通電時間和預設時間T1進行比較，如果實際通電時間比預設時間T1長，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號。
本發明提供了使用超聲波或兆聲波清洗襯底且不會對襯底上的圖案化結構造成損傷的另一種方法，包括以下步驟：步驟1：將液體噴射到襯底和超聲波或兆聲波裝置之間的間隙中； 步驟2：設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1來驅動超聲波或兆聲波裝置；步驟3：在液體中的氣穴振盪損傷襯底上的圖案化結構之前，設置超聲波或兆聲波電源的輸出為零；步驟4：待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；步驟5：檢測超聲波或兆聲波電源輸出的每個波形的振幅；步驟6：將檢測到的每個波形的振幅與預設值相比較，如果檢測到的任一波形的振幅比預設值大，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號，其中預設值大於正常工作時的波形振幅；步驟7：重復步驟1至步驟6直到襯底被洗淨。
在一個實施例中，該方法進一步包括：衰減超聲波或兆聲波電源輸出波形的振幅；獲得類比直流參考電壓Vref+和Vref-；將衰減後的振幅Vin和參考電壓Vref+、Vref-相比較，如果衰減後的振幅Vin超過Vref+和Vref-，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號。
本發明提供了一種使用超聲波或兆聲波清洗半導體襯底的裝置，包括卡盤、超聲波或兆聲波裝置、至少一個噴嘴、超聲波或兆聲波電源、主機和檢測系統。卡盤支撐半導體襯底。超聲波或兆聲波裝置置於半導體襯底附近。至少一個噴嘴向半導體襯底以及半導體襯底與超聲波或兆聲波裝置之間的空隙中噴灑化學液體。主機設置超 聲波或兆聲波電源以頻率f1、功率P1驅動超聲波或兆聲波裝置，在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，將超聲波或兆聲波電源的輸出設為零，待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1。檢測系統分別檢測頻率為f1，功率為P1時的通電時間和斷電時間，將在頻率為f1，功率為P1時檢測到的通電時間和預設時間T1進行比較，如果檢測到的通電時間比預設時間T1長，檢測系統發送報警信號到主機，主機接收到報警信號則關閉超聲波或兆聲波電源；比較檢測到的斷電時間和預設時間T2，如果檢測到的斷電時間比預設時間T2短，檢測系統發送報警信號到主機，主機接收到報警信號則關閉超聲波或兆聲波電源。
在一個實施例中，超聲波或兆聲波裝置與噴嘴相結合並置於半導體襯底附近，超聲波或兆聲波裝置的能量透過噴嘴噴出的液柱傳遞到半導體襯底。
本發明提供了另一種使用超聲波或兆聲波清洗半導體襯底的裝置，包括卡盤、超聲波或兆聲波裝置、至少一個噴嘴、超聲波或兆聲波電源、主機和檢測系統。卡盤支撐半導體襯底。超聲波或兆聲波裝置置於半導體襯底附近。至少一個噴嘴向半導體襯底和半導體襯底與超聲波或兆聲波裝置之間的空隙中噴灑化學液體。主機設置超聲波或兆聲波電源以頻率f1、功率P1驅動超聲波或兆聲波裝置，在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，將超聲波或兆聲波電源的輸出設為零，待氣泡內 的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1。檢測系統檢測超聲波或兆聲波電源輸出的每個波形的振幅，將檢測到的每個波形的振幅與預設值相比較，如果檢測到任一波形的振幅比預設值大，檢測系統發送報警信號到主機，主機接收到報警信號則關閉超聲波或兆聲波電源，其中預設值大於正常工作時的波形振幅。
在一個實施例中，超聲波或兆聲波裝置與噴嘴相結合並置於半導體襯底附近，超聲波或兆聲波裝置的能量透過噴嘴噴出的液柱傳遞到半導體襯底。
本發明還提供了一種使用超聲波或兆聲波清洗半導體襯底的裝置，包括晶圓盒、溶液槽、超聲波或兆聲波裝置、至少一個入口、超聲波或兆聲波電源、主機和檢測系統。晶圓盒裝有至少一片半導體襯底。溶液槽容納晶圓盒。超聲波或兆聲波裝置設置在溶液槽的外壁。至少一個入口用來向溶液槽內注滿化學液體，化學液體浸沒半導體襯底。主機設置超聲波或兆聲波電源以頻率f1、功率P1驅動超聲波或兆聲波裝置，在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，將超聲波或兆聲波電源的輸出設為零，待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1。檢測系統分別檢測頻率為f1，功率為P1時的通電時間和斷電時間，比較在頻率為f1，功率為P1時檢測到的通電時間和預設時間T1，如果檢測到的通電時間比預設時間T1長，檢測系統 發送報警信號到主機，主機接收到報警信號則關閉超聲波或兆聲波電源；比較檢測到的斷電時間和預設時間T2，如果檢測到的斷電時間比預設時間T2短，檢測系統發送報警信號到主機，主機接收到報警信號則關閉超聲波或兆聲波電源。
本發明還提供了一種使用超聲波或兆聲波清洗半導體襯底的裝置，包括晶圓盒、溶液槽、超聲波或兆聲波裝置、至少一個入口、超聲波或兆聲波電源、主機和檢測系統。晶圓盒裝有至少一片半導體襯底。溶液槽容納晶圓盒。超聲波或兆聲波裝置設置在溶液槽的外壁。至少一個入口用來向溶液槽內注滿化學液體，化學液體浸沒半導體襯底。主機設置超聲波或兆聲波電源以頻率f1、功率P1驅動超聲波或兆聲波裝置，在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，將超聲波或兆聲波電源的輸出設為零，待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1。檢測系統檢測超聲波或兆聲波電源輸出的每個波形的振幅，將檢測到的每個波形的振幅與預設值相比較，如果檢測到任一波形的振幅比預設值大，檢測系統發送報警信號到主機，主機接收到報警信號則關閉超聲波或兆聲波電源，其中預設值大於正常工作時的波形振幅。
儘管本發明以特定的實施方式、舉例、應用來說明，本領域內顯而易見的改動和替換將依舊落入本發明的保護範圍。
1003‧‧‧超聲波裝置(兆聲波裝置)
1004‧‧‧傳感器
1008‧‧‧共振器
1010‧‧‧晶圓
1012‧‧‧噴頭

Claims (27)

  1. 一種使用超聲波或兆聲波裝置清洗半導體襯底且不損傷半導體襯底上的圖案化結構的方法，其特徵在於，包括：將液體噴射到半導體襯底和超聲波或兆聲波裝置之間的間隙中；設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1以驅動超聲波或兆聲波裝置；在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，設置超聲波或兆聲波電源的輸出為零；待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；分別檢測頻率為f1，功率為P1時的通電時間和斷電時間；將在頻率為f1，功率為P1時檢測到的通電時間和預設時間T1進行比較，如果檢測到的通電時間比預設時間T1長，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號；將檢測到的斷電時間和預設時間T2進行比較，如果檢測到的斷電時間比預設時間T2短，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號；重復上述步驟直到半導體襯底被洗淨。
  2. 根據請求項1所述的方法，其特徵在於，所述分別檢測頻率為f1，功率為P1時的通電時間和斷電時間，包括：衰減超聲波或兆聲波電源輸出波形的振幅；將振幅衰減後的正弦波轉化為方波；將通電時間的脈衝信號轉化為高電平信號，斷電時間的低電平信號保持不變； 測量高電平和低電平的時間並將測量的高電平和低電平的時間與預設時間T1和預設時間T2進行比較。
  3. 根據請求項2所述的方法，其特徵在於，衰減率的設置範圍為5-100。
  4. 根據請求項1所述的方法，其特徵在於，實際通電時間等於T-T3，其中，T是測量出的高電平的時間，T3是超聲波或兆聲波電源關閉後，超聲波或兆聲波電源繼續振盪多個週期的時間。
  5. 根據請求項4所述的方法，其特徵在於，所述將檢測到的通電時間和預設時間T1進行比較，如果檢測到的通電時間比預設時間T1長，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號，包括：將實際通電時間和預設時間T1進行比較，如果實際通電時間比預設時間T1長，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號。
  6. 一種使用超聲波或兆聲波裝置清洗半導體襯底且不損傷半導體襯底上的圖案化結構的方法，其特徵在於，包括：將液體噴射到半導體襯底和超聲波或兆聲波裝置之間的間隙中；設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1以驅動超聲波或兆聲波裝置； 在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，設置超聲波或兆聲波電源輸出為零；待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；檢測超聲波或兆聲波電源輸出的每個波形的振幅；將檢測到的每個波形的振幅與預設值進行比較，如果檢測到的任一波形的振幅比預設值大，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號，其中預設值大於正常工作時的波形振幅；重復上述步驟直到半導體襯底被洗淨。
  7. 根據請求項6所述的方法，其特徵在於，進一步包括：衰減超聲波或兆聲波電源輸出波形的振幅；獲得類比直流參考電壓Vref+和Vref-；將衰減後的振幅Vin和參考電壓Vref+和Vref-進行比較，如果衰減後的振幅Vin超過參考電壓Vref+和Vref-，則關閉超聲波或兆聲波電源並發出報警信號。
  8. 一種使用超聲波或兆聲波裝置清洗半導體襯底的裝置，其特徵在於，包括：支撐半導體襯底的卡盤；置於半導體襯底附近的超聲波或兆聲波裝置；至少一個噴頭將化學液體噴射到半導體襯底以及半導體襯底與超聲波或兆聲波裝置之間的間隙中；超聲波或兆聲波電源；主機，設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1以驅動超聲波或兆聲波裝置，在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯 底上的圖案化結構之前，設置超聲波或兆聲波電源的輸出為零，待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；檢測系統，分別檢測頻率為f1，功率為P1時的通電時間和斷電時間，將在頻率為f1，功率為P1時檢測到的通電時間和預設時間T1進行比較，如果檢測到的通電時間比預設時間T1長，檢測系統發送報警信號到主機，主機接收到報警信號則關閉超聲波或兆聲波電源，將檢測到的斷電時間和預設時間T2進行比較，如果檢測到的斷電時間比預設時間T2短，檢測系統發送報警信號到主機，主機接收到報警信號則關閉超聲波或兆聲波電源。
  9. 根據請求項8所述的裝置，其特徵在於，所述檢測系統包括電壓衰減電路、整形電路、主控制器、通信電路和電源電路。
  10. 根據請求項9所述的裝置，其特徵在於，所述電壓衰減電路減小超聲波或兆聲波電源輸出波形的振幅值。
  11. 根據請求項10所述的裝置，其特徵在於，所述電壓衰減電路的衰減率設置範圍為5-100。
  12. 根據請求項9所述的裝置，其特徵在於，波形透過電壓衰減電路後，波形(正弦波)輸入到整形電路中，整形電路將正弦波轉換為方波。
  13. 根據請求項9所述的裝置，其特徵在於，所述主控制器包括脈衝轉換模組和週期測量模組，脈衝轉換模組將時間T1的脈衝信號轉化為高電平信號，時間T2的低電平信號保持不變，週期測量模組透過計數器測量高電平和低電平的時間。
  14. 根據請求項9所述的裝置，其特徵在於，所述主控制器將測量出的通電時間和預設時間T1進行比較，如果測量出的通電時間比預設時間T1長，主控制器發送報警信號到主機，主控制器將測量出的斷電時間和預設時間T2進行比較，如果測量出的斷電時間比預設時間T2短，主控制器發送報警信號到主機。
  15. 根據請求項13所述的裝置，其特徵在於，實際通電時間等於T-T3，其中，T為週期測量模組測量出的時間，T3為主機關閉超聲波或兆聲波電源後，超聲波或兆聲波電源繼續振盪多個週期的時間，主控制器將實際通電時間和預設時間T1進行比較，如果實際通電時間比預設時間T1長，主控制器發送報警信號到主機。
  16. 根據請求項9所述的裝置，其特徵在於，所述通信電路設為主機的一個介面，通信電路達成與主機的RS232或RS485串列通信。
  17. 根據請求項9所述的裝置，其特徵在於，所述電源電路將直流15V轉化為目標電壓。
  18. 根據請求項8所述的裝置，其特徵在於，所述超聲波或兆聲波裝置與噴嘴相結合並置於半導體襯底附近，超聲波或兆聲波裝置的能量透過噴嘴噴出的液柱傳遞到半導體襯底。
  19. 一種使用超聲波或兆聲波裝置清洗半導體襯底的裝置，其特徵在於，包括：支撐半導體襯底的卡盤；置於半導體襯底附近的超聲波或兆聲波裝置；至少一個噴頭將化學液體噴射到半導體襯底以及半導體襯底與超聲波或兆聲波裝置之間的間隙中；超聲波或兆聲波電源；主機，設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1以驅動超聲波或兆聲波裝置，在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，設置超聲波或兆聲波電源的輸出為零，待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；檢測系統，檢測超聲波或兆聲波電源輸出的每個波形的振幅，將檢測到的每個波形的振幅與預設值相比較，如果檢測到任一波形的振幅比預設值大，檢測系統發送報警信號到主機，主機接收到報警信號則關閉超聲波或兆聲波電源，其中預設值大於正常工作時的波形振幅。
  20. 根據請求項19所述的裝置，其特徵在於，所述檢測系統包括電壓衰減電路、振幅檢測電路、主控制器、通信電路和電源電路。
  21. 根據請求項20所述的裝置，其特徵在於，所述電壓衰減電路減小超聲波或兆聲波電源輸出波形的振幅值。
  22. 根據請求項20所述的裝置，其特徵在於，所述振幅檢測電路包括參考電壓生成電路和比較電路，參考電壓生成電路將主控制器的數位輸入轉化為類比直流參考電壓Vref+和Vref-，比較電路將電壓衰減電路輸出的振幅Vin和參考電壓Vref+和Vref-相比較，如果衰減後的振幅Vin超過參考電壓Vref+和Vref-，振幅檢測電路發送報警信號到主機。
  23. 根據請求項19所述的裝置，其特徵在於，所述超聲波或兆聲波裝置與噴嘴相結合並置於半導體襯底附近，超聲波或兆聲波裝置的能量透過噴嘴噴出的液柱傳遞到半導體襯底。
  24. 一種使用超聲波或兆聲波裝置清洗半導體襯底的裝置，其特徵在於，包括：裝有至少一片半導體襯底的晶圓盒；容納晶圓盒的溶液槽；設置在溶液槽外壁的超聲波或兆聲波裝置；至少一個入口使溶液槽內充滿化學液體以浸沒半導體襯底；超聲波或兆聲波電源；主機，設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1以驅動超聲波或兆聲波裝置，在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，設置超聲波或兆聲波電源的輸出為 零，待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；檢測系統，分別檢測頻率為f1，功率為P1時的通電時間和斷電時間，將在頻率為f1，功率為P1時檢測到的通電時間和預設時間T1進行比較，如果檢測到的通電時間比預設時間T1長，檢測系統發送報警信號到主機，主機接收到報警信號則關閉超聲波或兆聲波電源，將檢測到的斷電時間和預設時間T2進行比較，如果檢測到的斷電時間比預設時間T2短，檢測系統發送報警信號到主機，主機接收到報警信號則關閉超聲波或兆聲波電源。
  25. 根據請求項24所述的裝置，其特徵在於，所述檢測系統包括電壓衰減電路、整形電路、主控制器、通信電路和電源電路。
  26. 一種使用超聲波或兆聲波裝置清洗半導體襯底的裝置，其特徵在於，包括：裝有至少一片半導體襯底的晶圓盒；容納晶圓盒的溶液槽；設置在溶液槽外壁的超聲波或兆聲波裝置；至少一個入口使溶液槽內充滿化學液體以浸沒半導體襯底；超聲波或兆聲波電源；主機，設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1以驅動超聲波或兆聲波裝置，在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，設置超聲波或兆聲波電源的輸出為 零，待氣泡內的溫度下降到設定溫度後，再次設置超聲波或兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；檢測系統，檢測超聲波或兆聲波電源輸出的每個波形的振幅，將檢測到的每個波形的振幅與預設值相比較，如果檢測到任一波形的振幅比預設值大，檢測系統發送報警信號到主機，主機接收到報警信號則關閉超聲波或兆聲波電源，其中預設值大於正常工作時的波形振幅。
  27. 根據請求項26所述的裝置，其特徵在於，所述檢測系統包括電壓衰減電路、振幅檢測電路、主控制器、通信電路和電源電路。
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