超聲波去蠟清洗技術(shù)研究

趙金輝

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

超聲波去蠟清洗技術(shù)研究

趙金輝

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

超聲波清洗技術(shù)是半導(dǎo)體材料制備的主要清洗方法，極大地提高了半導(dǎo)體材料制備的工作效率和清洗效果。闡述了超聲波清洗作用原理。通過調(diào)節(jié)超聲機(jī)功率密度、頻率，進(jìn)行晶片去蠟清洗實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證、分析了超聲清洗過程中超聲機(jī)功率密度、頻率對晶片去蠟清洗的影響。

超聲波 去蠟 功率密度 頻率

0 引 言

超聲波清洗速度快、質(zhì)量好，并能大大降低環(huán)境污染，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。電子行業(yè)是超聲波清洗應(yīng)用最早、最為普及的行業(yè)。電子零件和電子元器件的基體清洗都需要采用超聲波清洗。同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)還被晶片去蠟工藝采用，并發(fā)展成為主流去蠟工藝，極大的提高了晶片去蠟工藝的工作效率。

1 超聲波清洗的作用原理

1.1 超聲波清洗設(shè)備

超聲波清洗設(shè)備由超聲波發(fā)生器和換能器組成(見圖 1)。

超聲波發(fā)生器可以將低頻電轉(zhuǎn)變成20,kHz以上的高頻電信號，通過高頻電纜輸送到換能器上。一般將超聲波換能器固定在清洗槽的底板上，清洗槽內(nèi)裝滿液體，當(dāng)換能器被加上高頻電壓后，它的壓電陶瓷元件在電場作用下便產(chǎn)生縱向振動(dòng)。超聲波換能器是一種高效率的換能元件，能將電能轉(zhuǎn)換成強(qiáng)有力的超聲波振動(dòng)。在產(chǎn)生超聲波振動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)小的活塞，振幅很小，約幾微米，但振動(dòng)加速度很大(幾十至幾千個(gè) g)。清洗槽上有多個(gè)換能器，當(dāng)施加相同的頻率及相位的電能時(shí)，就合成了一個(gè)巨大的活塞，進(jìn)行往復(fù)振動(dòng)。這種振動(dòng)通過固定換能器的底板傳播到清洗液，在清洗液中傳播就達(dá)到了對浸入其中的工件進(jìn)行清洗的目的。[1]

圖1 超聲波清洗機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of an ultrasonic cleaning machine

1.2 超聲清洗效應(yīng)

當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，與介質(zhì)相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)變化，從而產(chǎn)生一系列力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和化學(xué)超聲效應(yīng)。在超聲波去蠟清洗中，主要利用超聲波的空化作用與機(jī)械效應(yīng)(直進(jìn)流作用和加速度)。

空化作用就是超聲波以每秒 2萬次以上的壓縮力和減壓力交互的高頻變換方式對液體進(jìn)行透射。在減壓力作用下，液體中產(chǎn)生真空核群泡；在壓縮力作用下，真空核群泡被壓力壓碎，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，由此剝離被清洗物表面的污垢，從而達(dá)到精密洗凈的目的。

超聲波在液體中沿聲的傳播方向產(chǎn)生流動(dòng)的現(xiàn)象稱為直進(jìn)流。聲波強(qiáng)度在 0.5,W/cm2時(shí)，肉眼能看到直進(jìn)流，其垂直于振動(dòng)面產(chǎn)生流動(dòng)，流速約為10,cm/s。通過直進(jìn)流，被清洗物表面的微油污垢被攪拌，污垢表面的清洗液也產(chǎn)生對流，溶解污物的溶解液與新液混合，使溶解速度加快，對污物的搬運(yùn)起到了很大的作用。

加速度是液體粒子推動(dòng)產(chǎn)生的。對于頻率較高的超聲波清洗機(jī)，空化作用就很不顯著了，這時(shí)的清洗主要靠液體粒子超聲作用下的加速度撞擊粒子對污物進(jìn)行超精密清洗。

2 超聲去蠟實(shí)驗(yàn)

通過超聲清洗效應(yīng)分析，可以看出：超聲波主要通過空化作用、直進(jìn)流作用和加速度來達(dá)到清洗的目的。在超聲過程中，超聲頻率低，則空化作用強(qiáng)，加速度和直進(jìn)流作用不顯著；超聲頻率高，則空化作用弱，加速度和直進(jìn)流起主要作用。因此我們進(jìn)行 3組超聲去蠟實(shí)驗(yàn)，通過改變超聲波的功率密度和頻率來更直觀地了解超聲波清洗技術(shù)在去蠟工藝中的應(yīng)用。

2.1 超聲去蠟實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

先準(zhǔn)備 30片硅拋光片(硅片背面按照特殊化拋工藝進(jìn)行加工，背面容易損傷，出現(xiàn)軟劃道)，在每個(gè)晶片的背面均勻涂抹蠟液，待蠟液干燥后，將晶片分成 3組，每組 10片進(jìn)行去蠟實(shí)驗(yàn)，并且選用堿性去蠟液。3組實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

去蠟結(jié)束后，將晶片清洗甩干，在熒光燈下觀察晶片背面去蠟狀況。實(shí)驗(yàn)一，去蠟超聲后，晶片背面呈現(xiàn)點(diǎn)狀白印；實(shí)驗(yàn)二，去蠟超聲后，晶片背面有白色條狀印痕，且印痕都呈現(xiàn)從載片花籃底部向上的分散狀；實(shí)驗(yàn)三，去蠟超聲后，晶片背面完好，與晶片拋光前狀態(tài)一致。

表1 超聲去蠟實(shí)驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果Tab.1 Parameters of ultrasound dewaxing experiments and test results

2.2 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)一中，選用的是低頻率超聲波。低頻超聲波常被用于清洗大型、重型零件或高密度材料的工件。在需要高功率去除污垢而不用考慮工件表面損傷的應(yīng)用中，通常選擇 20～30,kHz范圍內(nèi)的較低清洗頻率。本實(shí)驗(yàn)選用頻率30,kHz、功率密度1,W/cm2的超聲波，空化作用異常強(qiáng)烈，對硅拋光片表面造成了損傷，因此晶片背面出現(xiàn)了點(diǎn)狀白印，即為超聲造成的損傷。

實(shí)驗(yàn)二中，選用的是半導(dǎo)體材料制備工藝中的常用功率，并且已經(jīng)被業(yè)界一致認(rèn)可。但選用的超聲波功率密度為 1,W/cm2，對于一般硅拋光的去蠟清洗沒有任何問題，但由于所選用的晶片為背面較容易出現(xiàn)損傷的晶片，因此超聲功率密度較大，超聲的加速度和直進(jìn)流作用很強(qiáng)，造成了晶片由超聲槽底向上的白印。

實(shí)驗(yàn)三在實(shí)驗(yàn)二的基礎(chǔ)上降低了超聲波的功率密度，選用的超聲波功率密度為 0.5,W/cm2，通過降低超聲波的加速度和直進(jìn)流作用，獲得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié) 語

超聲波清洗技術(shù)主要通過超聲波的空化、加速度和直進(jìn)流作用來達(dá)到晶片清洗的目的，必須根據(jù)實(shí)際清洗需求，選擇合適的超聲波頻率和功率密度完成晶片的清洗。

［1］ 梁治齊，張寶旭. 清洗技術(shù)[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社，1998.

Study on Ultrasonic Dewaxing Cleaning Technology

ZHAO Jinhui
(The 46th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Tianjin 300220，China)

As a main cleaning technique for the preparation of semiconductor materials，ultrasonic cleaning technology has greatly improved the work efficiency of semiconductor material preparation and their cleaning effect. This paper introduced the principle of ultrasonic cleaning and through the adjustment of ultrasound machine’s power density and frequency and the chip design for a dewaxing cleaning experiment，the effects of power density and frequency on wafer dewaxing were verified and analyzed.

ultrasonic wave；dewaxing；power density；frequency

TN305.97

A

1006-8945(2014)11-0003-02

2014-10-10