1前言
Schwartzman等人［1］，1993在SC1、SC2清洗時(shí)使用了兆頻超聲技術(shù)，獲得前所未有的清洗效果，使得該方法在清洗工藝中被廣泛采用，也引發(fā)了對(duì)超聲波增強(qiáng)清洗效果的規(guī)律與機(jī)理的研究。1995年Busnaina的研究表明，兆頻超聲波去除粒子的能力與溶液的組成、粒子的大小、超聲波的功率及處理時(shí)間有關(guān)。1997年Olim［2］發(fā)現(xiàn)兆頻超聲去除粒子的效率與粒子直徑的立方成正比，并由此推斷兆頻超聲無(wú)法去除0.1μm以下的粒子。但是，兆聲波清洗拋光片可去掉晶片表面上＜0.2μm的粒子，起到超聲波起不到的作用。這種方法能同時(shí)起到機(jī)械擦片和化學(xué)清洗兩種方法的作用。兆聲波清洗方法已成為拋光片清洗的一種有效方法。但是，隨著頻率升高，聲傳播的效率會(huì)降低，所以兆聲波清洗技術(shù)效果并不是頻率越高越好。目前，一般用的頻率范圍是（700～1000）kHz。
2兆聲波清洗原理簡(jiǎn)介
聲能在液體內(nèi)傳播時(shí)，液體會(huì)沿聲傳播的方向運(yùn)動(dòng)，形成聲學(xué)流（Acousticstreaming），聲學(xué)流是由聲波生產(chǎn)的力和液體的聲學(xué)阻力以及其他的氣泡阻力形成的液體的流動(dòng)的效果［3］，兆聲波清洗就是利用聲能產(chǎn)生的液體流動(dòng)來(lái)去除硅片表面的污染物，其原理見圖1。
兆聲波清洗是由高頻（700～1000kHz）的波長(zhǎng)短（1.5μm左右）的高能聲波推動(dòng)溶液做加速運(yùn)動(dòng)，使溶液以加速的流體形式連續(xù)沖擊硅片表面，使硅片表面的顆粒等污染物離開硅片進(jìn)入溶液中，達(dá)到去除污染物的目的。隨著聲能的增高，表面張力會(huì)下降，這可改善浸潤(rùn)效果及小顆粒的浸潤(rùn)。而且，能量越高，聲學(xué)流的速度越快，硅片表面被帶走的顆粒也隨之增多反應(yīng)速率也會(huì)升高，這可降低反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)，也可以降低化學(xué)液的濃度［4］。隨著頻率升高，空洞現(xiàn)象的閥值會(huì)升高，所以兆聲不會(huì)像超聲一樣會(huì)產(chǎn)生氣泡而損傷硅片表面。
而根據(jù)超聲頻率的高低對(duì)應(yīng)的去除污染物顆粒大小的能力，選用的頻率見表1。
3兆聲波清洗技術(shù)的特點(diǎn)
美國(guó)VEＲTEQ公司的M.Olesen.Y.Fan等人研究發(fā)現(xiàn)，兆聲技術(shù)有如下特點(diǎn)。
（1）能大大降低邊界層的厚度，使其具有清除深亞微米顆粒的能力，可滿足現(xiàn)行工藝以及0.1μm（線寬）技術(shù)對(duì)清洗工藝的需求。有兆聲時(shí)邊界厚度的對(duì)比（見圖2）。
（2）可以極大的提高清洗效率，從圖3有無(wú)兆聲時(shí)的清洗效率對(duì)比圖中可以看到，當(dāng)兆聲關(guān)閉時(shí)，用30s的時(shí)間清洗效率只能達(dá)到20%，有兆聲時(shí)，只需10s的時(shí)間清洗效率就可達(dá)到99.99%。
（3）由于兆聲波清洗可以使用稀釋倍數(shù)大的化學(xué)液，從而大大減少了化學(xué)藥品的用量和消耗，降低了清洗工序的工藝成本，有效減少了化學(xué)液的污染，保護(hù)環(huán)境。圖3是在極低濃度的化學(xué)液中有無(wú)兆聲的清洗效果對(duì)比圖。
由于兆聲波清洗具備以上諸多優(yōu)點(diǎn)，因此使得兆聲波清洗很快成為硅片清洗行業(yè)中廣泛應(yīng)用于去除微細(xì)顆粒的重要手段。
4兆聲波清洗技術(shù)在清洗設(shè)備中的應(yīng)用
結(jié)合常規(guī)的濕法清洗工藝開發(fā)出適合相關(guān)工藝階段的兆聲清洗設(shè)備，按照這些設(shè)備的不同結(jié)構(gòu)，大體可分為兩類，一類是融匯在濕法清洗機(jī)兆聲清洗槽或兆聲漂洗槽，它們作為設(shè)備的一部分，只完成單個(gè)的清洗或漂洗過(guò)程。另一類則是以獨(dú)立的設(shè)備形式出現(xiàn)。這就是兆聲清洗機(jī)，該種設(shè)備通常配備兩個(gè)槽體，一個(gè)清洗槽和一個(gè)沖洗槽，清洗槽是在兆聲環(huán)境下用化學(xué)液來(lái)去除硅片表面的微細(xì)顆粒及化學(xué)污染物等，沖洗槽則是對(duì)清洗完的硅片用去離子水進(jìn)行沖洗，從而達(dá)到生產(chǎn)需要的潔凈度。
但是由于兆聲傳播是一種介質(zhì)傳播，聲音傳播中的能量會(huì)轉(zhuǎn)化成介質(zhì)的動(dòng)能，因此在使用兆聲清洗的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生兆聲能量的衰減。導(dǎo)致能量衰減的因素，首先是兆波的反射，如圖4所示。
兆聲能量的衰減可通過(guò)以下公式計(jì)算：
衰減系數(shù)γ可表示為：γ=γ吸收+γ分散；γ分散在液體中，不在計(jì)算內(nèi)。在水液體中，γ吸收系數(shù)（dB/m）=0.2F2（MHz）。
由此計(jì)算可得，在頻率為950kHz時(shí)，衰減度約為0.002dB/m；在頻率為40kHz時(shí)，衰減度約為0.000003dB/m，在水液體中，兆聲波衰減約為低頻超聲波衰減的1000倍，如圖5所示。因此，在兆聲清洗中，液位不能超過(guò)500mm。而在低頻超聲波中，超聲波能量可傳至（1.5～2）m高。
其他導(dǎo)致能量減少的影響因素還有：（1）來(lái)自于物體中聲波的傳播和反射。（2）物體的聲阻抗和清潔劑通常可以用來(lái)計(jì)算反射系數(shù)Z=［（Z2－Z1）/（Z1+Z2）］2。（3）大塊物體和大的薄片物件會(huì)吸收超聲波，以上物體對(duì)超聲波的吸收會(huì)影響超聲波對(duì)其頂部的作用，超聲波必須在某一側(cè)加強(qiáng)，從而補(bǔ)償它的傳播和反射損失。
根據(jù)潔凈度及化學(xué)液加熱溫度的要求，槽體材料可以選擇PP（聚丙烯）、PVDF（聚偏氟乙烯）或石英等材料。配備的兆聲換能器的尺寸是隨著被清洗片子的尺寸來(lái)確定，必須保證片子的全部表面都處在兆聲的輻射范圍內(nèi)。其中清洗槽還可以配備在線或者離線加熱器，提高化學(xué)液溫度從而進(jìn)一步提高清潔效率。槽體結(jié)果也可采用雙層結(jié)構(gòu)，設(shè)置化學(xué)液溢出結(jié)構(gòu)，從而使化學(xué)液經(jīng)過(guò)過(guò)濾實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用功能，大大節(jié)省清洗成本。下面以石英兆聲循環(huán)溢流槽為例，說(shuō)明超聲換能器在清洗槽中的具體安裝要求。圖6所示是裝有兆聲換能器的石英缸循環(huán)溢流槽剖視圖。
安裝時(shí)，石英缸底部有一定傾斜角度更利于高頻兆聲波的傳播，由圖7中角度與聲壓的關(guān)系可知，當(dāng)θ=2°時(shí)，最有利于兆聲波的傳播。
由于聲波傳播時(shí)一種介質(zhì)傳播，因此在不同的頻率下石英缸作為傳遞介質(zhì)，它的厚度也對(duì)兆聲的傳播有一定影響。
通過(guò)下面公式可以計(jì)算出不同介質(zhì)中聲波的傳播率D：
從圖8可見，當(dāng)厚度t=3mm時(shí)，兆聲波在石英中具備更好的傳播率。
兆聲發(fā)生器在石英循環(huán)溢流槽中的安裝原理見圖9。
5結(jié)束語(yǔ)
由于兆聲波能去除硅片表面的微小顆粒，并且不會(huì)對(duì)硅片表面造成損傷，近幾年兆聲波清洗被大量的應(yīng)用在清洗工藝中。兆聲波用在SC－1中，可提高去除顆粒尤其是小顆粒的效果；用在DHF，臭氧水、純水中都能起到增強(qiáng)清洗效果的作用。目前兆聲清洗技術(shù)被廣泛應(yīng)用于液晶、手機(jī)鏡片、光學(xué)器件照相機(jī)鏡頭制造業(yè)，汽車、摩托車制造業(yè)，電子、微電子、電子電器元器件制造業(yè)，五金業(yè)、機(jī)械的零件業(yè)，航天、航空清洗精密零部件業(yè)，鐘表、眼境、珠寶制造業(yè)，家電產(chǎn)品制造業(yè)，電鍍業(yè)，鐵路機(jī)車造業(yè)等各個(gè)行業(yè)。