超聲技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)中應(yīng)用探討

宋偉峰，成龍，劉永進(jìn)，關(guān)宏武

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

超聲清洗和處理是半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)功率超聲技術(shù)應(yīng)用最為廣泛、深入、成功的一個(gè)方面。超聲清洗是一種物理清洗方法，其特點(diǎn)是速度快、質(zhì)景好、高效率且易于實(shí)現(xiàn)清洗過(guò)程的自動(dòng)化。在現(xiàn)有各種清洗方法中，超聲清洗是最理想、最為有效的一種方法。超聲清洗尤其適用于清洗具有復(fù)雜形狀的物體，對(duì)于其他清洗方法無(wú)法或很難處理的孔穴、狹縫、凹槽、微孔等，利用超聲清洗可獲得理想的效果。除此之外，超聲清洗還可以不用或少用化學(xué)清洗劑、與其他清洗方法比較，在相同洗凈度下用水量相對(duì)較少且基本上無(wú)二次污染，對(duì)于降低環(huán)境污染和節(jié)能減排有較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。超聲清洗是功率超盧應(yīng)用的一個(gè)分支，其作用機(jī)理比較復(fù)雜，它涉及非線性聲學(xué)、氣泡動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科，至今仍有許多問(wèn)題還為人們所不知。因此，研究、揭示超聲清洗的作用機(jī)理應(yīng)當(dāng)受到重視。

1 超聲波清洗的原理

對(duì)于清洗，水是具有代表性的液體。通過(guò)把附著在片子上的顆粒乳化并擴(kuò)散于液體中而得到清洗效果。這時(shí)通過(guò)機(jī)械力的作用把顆粒從工件上剝離，超聲波在這里發(fā)揮了重要作用。

2 超聲波清洗原理分類

依據(jù)超聲功率可分為兩大類，既清洗原理可分為兩大類（如圖1所示）：

①依靠空化作用而進(jìn)行清洗，既低頻率的清洗（40～170 kHz）

②依靠超聲波使水分子加速進(jìn)行清洗，既高頻率的清洗（400～1000 kHz）

圖1 頻率對(duì)液體分子加速度的影響

2.1 低頻率的清洗（即超聲波清洗)

液體中存在無(wú)數(shù)的氣體分子，對(duì)液體照射從20 kHz到100 kHz的強(qiáng)力超聲波時(shí)，正負(fù)的壓力交替作用于氣體分子。被正的壓力壓縮了的氣體分子，接下來(lái)的瞬間受到負(fù)壓的作用而激烈的膨脹。這個(gè)作用重復(fù)地發(fā)生而使氣體分子達(dá)到非常高的壓力，在臨界處裂開而消失。當(dāng)氣泡裂開的時(shí)候產(chǎn)生沖擊波作于片子上，使片子上的顆粒得到剝離。這種作用就是空化作用，如圖2所示。

實(shí)際上在使用超聲波清洗機(jī)時(shí)，因液體深度，液體種類的不同，空化作用的產(chǎn)生方式也不同。由于這個(gè)緣故，要得到良好的超聲波清洗效果，進(jìn)行這些方面的管理是不可缺少的。譬如，如果在振動(dòng)板表面發(fā)生波紋狀的空化現(xiàn)象，超聲波就不能有效地進(jìn)入液體中。從而振動(dòng)板表面就會(huì)被損壞，縮短使用壽命。這樣的時(shí)候如果稍微改變液體深度，液體中即可有效地發(fā)生空化，超聲波清洗的效果也得到提高。頻率越低，空化現(xiàn)象就越容易大量地發(fā)生。并且空化能發(fā)生于片子四周，使片子的整體得到清洗。雖然清洗能力很高，但會(huì)對(duì)某些不能承受物理沖擊力的片子造成損傷。所以設(shè)定對(duì)片子的清洗功率也很重要。如果對(duì)片子的損傷不會(huì)造成問(wèn)題的話，用超聲波清洗一般的工業(yè)產(chǎn)品，清洗時(shí)間能得到大幅度的縮短，同時(shí)清洗質(zhì)量也得到提高。

2.2 高頻率的清洗（即兆聲波清洗)

高頻率的超聲波清洗是指被加速的水分子遇到片子，依靠水分子的沖擊力使臟物從片子上剝離。頻率越高效果越好，特別是對(duì)于附著力弱的非常微小的臟物。加速度跟頻率的2次方比例，因而頻率越高，波長(zhǎng)越短，越適合于清洗微小的臟物。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，集成度越來(lái)越高，在片子的清洗工序里，除掉亞微米臟物成了提高成品率的重要因素。利用高頻超聲波進(jìn)行純水的精密清洗能符合這個(gè)要求。高頻超聲波清洗在半導(dǎo)體領(lǐng)域所具有的優(yōu)點(diǎn)：①不會(huì)損傷硅晶片；②除掉亞微米臟物；③不會(huì)發(fā)生臟物的再附著。

圖2 空化作用示意圖

3 頻率的選定

超聲清洗頻率從十幾kHz到100 kHz之間，在使用水或水清洗劑時(shí)由空化作用引起的物理清洗力顯然對(duì)低頻有利，一般使用15～30 kHz左右。對(duì)小間隙、狹縫、深孔的片子清洗，用高頻（一般40 kHz以上）較好，甚至幾百kHz。若用變頻清洗，效果更良好。

超聲頻率的大小是超聲能量的反映，對(duì)于不同大小的顆粒所適用的頻率也不相同。詳見(jiàn)表1。

表1 選用頻率即針對(duì)顆粒大小關(guān)系

不同的頻率有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的頻率對(duì)于片子清洗的潔凈程度有著至關(guān)重要的影響。選擇依據(jù)為：①低頻超聲能清洗很臟的片子，具有很強(qiáng)的清洗力，但也容易損傷片子；②高頻率超聲能清洗細(xì)小的顆粒，很臟的片子洗不掉。

4 結(jié)束語(yǔ)

超聲波作用于液體介質(zhì)內(nèi)可起到清洗工件的作用，這一清洗技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)，受到了各行各業(yè)的普遍關(guān)注。超聲波清洗的運(yùn)用極大地提高了工作效率和清洗效果，以往，清洗死角、盲孔和難以觸及的藏污納垢一直使人們備感茫然，超聲波清洗的開發(fā)和運(yùn)用使這一工作變得輕而易舉。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的日新月異，超聲波清洗也同我們?nèi)粘９ぷ髅懿豢煞郑暡ㄇ逑礄C(jī)經(jīng)過(guò)了幾代的演變，技術(shù)更加先進(jìn)，效果更加顯著，同樣，它的價(jià)格也越來(lái)越多的被社會(huì)所接受，在各行各業(yè)中逐漸被廣泛運(yùn)用。

[1]林仲茂.超聲波清洗機(jī)質(zhì)量和清洗效果若干問(wèn)題的探討[J].洗凈技術(shù)，2003（4）：16-18.

[2]沈建中.超聲清洗技術(shù)及其應(yīng)用[J].洗凈技術(shù)，2003(1)：16-20.

[3]梁召峰，周光平.低頻超聲清洗聲場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量[J].洗凈技術(shù)，2004（6）：15-19.

[4]胡俊達(dá).電子電器設(shè)備工藝設(shè)計(jì)與制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[5]劉政華.機(jī)械電子學(xué)[M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1999.