超声技术在半导体行业中应用探讨

宋伟峰，成龙，刘永进，关宏武

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601)

超声清洗和处理是半个多世纪以来功率超声技术应用最为广泛、深入、成功的一个方面。超声清洗是一种物理清洗方法，其特点是速度快、质景好、高效率且易于实现清洗过程的自动化。在现有各种清洗方法中，超声清洗是最理想、最为有效的一种方法。超声清洗尤其适用于清洗具有复杂形状的物体，对于其他清洗方法无法或很难处理的孔穴、狭缝、凹槽、微孔等，利用超声清洗可获得理想的效果。除此之外，超声清洗还可以不用或少用化学清洗剂、与其他清洗方法比较，在相同洗净度下用水量相对较少且基本上无二次污染，对于降低环境污染和节能减排有较好的社会和经济效益。超声清洗是功率超卢应用的一个分支，其作用机理比较复杂，它涉及非线性声学、气泡动力学、流体力学、化学等多个学科，至今仍有许多问题还为人们所不知。因此，研究、揭示超声清洗的作用机理应当受到重视。

1 超声波清洗的原理

对于清洗，水是具有代表性的液体。通过把附着在片子上的颗粒乳化并扩散于液体中而得到清洗效果。这时通过机械力的作用把颗粒从工件上剥离，超声波在这里发挥了重要作用。

2 超声波清洗原理分类

依据超声功率可分为两大类，既清洗原理可分为两大类（如图1所示）：

①依靠空化作用而进行清洗，既低频率的清洗（40～170 kHz）

②依靠超声波使水分子加速进行清洗，既高频率的清洗（400～1000 kHz）

图1 频率对液体分子加速度的影响

2.1 低频率的清洗（即超声波清洗)

液体中存在无数的气体分子，对液体照射从20 kHz到100 kHz的强力超声波时，正负的压力交替作用于气体分子。被正的压力压缩了的气体分子，接下来的瞬间受到负压的作用而激烈的膨胀。这个作用重复地发生而使气体分子达到非常高的压力，在临界处裂开而消失。当气泡裂开的时候产生冲击波作于片子上，使片子上的颗粒得到剥离。这种作用就是空化作用，如图2所示。

实际上在使用超声波清洗机时，因液体深度，液体种类的不同，空化作用的产生方式也不同。由于这个缘故，要得到良好的超声波清洗效果，进行这些方面的管理是不可缺少的。譬如，如果在振动板表面发生波纹状的空化现象，超声波就不能有效地进入液体中。从而振动板表面就会被损坏，缩短使用寿命。这样的时候如果稍微改变液体深度，液体中即可有效地发生空化，超声波清洗的效果也得到提高。频率越低，空化现象就越容易大量地发生。并且空化能发生于片子四周，使片子的整体得到清洗。虽然清洗能力很高，但会对某些不能承受物理冲击力的片子造成损伤。所以设定对片子的清洗功率也很重要。如果对片子的损伤不会造成问题的话，用超声波清洗一般的工业产品，清洗时间能得到大幅度的缩短，同时清洗质量也得到提高。

2.2 高频率的清洗（即兆声波清洗)

高频率的超声波清洗是指被加速的水分子遇到片子，依靠水分子的冲击力使脏物从片子上剥离。频率越高效果越好，特别是对于附着力弱的非常微小的脏物。加速度跟频率的2次方比例，因而频率越高，波长越短，越适合于清洗微小的脏物。在半导体领域，集成度越来越高，在片子的清洗工序里，除掉亚微米脏物成了提高成品率的重要因素。利用高频超声波进行纯水的精密清洗能符合这个要求。高频超声波清洗在半导体领域所具有的优点：①不会损伤硅晶片；②除掉亚微米脏物；③不会发生脏物的再附着。

图2 空化作用示意图

3 频率的选定

超声清洗频率从十几kHz到100 kHz之间，在使用水或水清洗剂时由空化作用引起的物理清洗力显然对低频有利，一般使用15～30 kHz左右。对小间隙、狭缝、深孔的片子清洗，用高频（一般40 kHz以上）较好，甚至几百kHz。若用变频清洗，效果更良好。

超声频率的大小是超声能量的反映，对于不同大小的颗粒所适用的频率也不相同。详见表1。

表1 选用频率即针对颗粒大小关系

不同的频率有不同的优缺点，选择合适的频率对于片子清洗的洁净程度有着至关重要的影响。选择依据为：①低频超声能清洗很脏的片子，具有很强的清洗力，但也容易损伤片子；②高频率超声能清洗细小的颗粒，很脏的片子洗不掉。

4 结束语

超声波作用于液体介质内可起到清洗工件的作用，这一清洗技术自问世以来，受到了各行各业的普遍关注。超声波清洗的运用极大地提高了工作效率和清洗效果，以往，清洗死角、盲孔和难以触及的藏污纳垢一直使人们备感茫然，超声波清洗的开发和运用使这一工作变得轻而易举。近年来，随着电子技术的日新月异，超声波清洗也同我们日常工作密不可分，超声波清洗机经过了几代的演变，技术更加先进，效果更加显著，同样，它的价格也越来越多的被社会所接受，在各行各业中逐渐被广泛运用。

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