用于光掩模清潔的兩種兆聲波裝置

引言

濕式光掩模清洗依賴于兆頻超聲波攪拌來增強(qiáng)工藝，但要可靠地最大化粒子去除效率并最小化損壞，還有許多挑戰(zhàn)。隨著向無薄膜EUV掩模的轉(zhuǎn)變，光掩模工藝更容易受到污染，增加了改進(jìn)清潔工藝的緊迫性。這一困難主要是由于無法對聲場進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y量。典型地，關(guān)于聲輸出的所有已知信息是驅(qū)動(dòng)頻率和傳送到換能器的電功率，這兩個(gè)全局參數(shù)很少說明基底上的場分布、基底處聲音的實(shí)際振幅或基底處存在的空化水平(穩(wěn)定和瞬態(tài))。對于給定的超聲過程，空化的振幅在較高的頻率下較低。雖然有幾項(xiàng)關(guān)于1兆赫下粒子去除和模式損傷的研究，但對高于該值的頻率下的空化性能知之甚少。

實(shí)驗(yàn)

超聲波源：

考慮了兩種不同的兆頻超聲波設(shè)備。一種是一種新穎的設(shè)計(jì)，包括一個(gè)耦合到傾斜的截頂石英錐的換能器，該石英錐具有懸浮在襯底上的平坦表面，留下大約4cm×6cm[4]的橢圓形足跡。它通過注入在錐體任一側(cè)的清洗液與襯底耦合。二種設(shè)備是傳統(tǒng)的點(diǎn)簇射器，通過以1.5 L/min的速度流動(dòng)的直徑為4 mm的清潔流體的平滑噴射將噴嘴換能器耦合到基板上方。

聲學(xué)測量方法：

兩種換能器配置的聲學(xué)性能通過各種方法來表征，這些方法的應(yīng)用取決于設(shè)備的幾何形狀及其應(yīng)用模式。在所有情況下，試驗(yàn)均在室溫(22℃)下用去離子水進(jìn)行，過濾至5 m，脫氣至3.5毫克/升O2。校準(zhǔn)的針形水聽器用于測量聲直接場(從聲源傳播)和兩種形式的空化，穩(wěn)定和瞬態(tài)，它們是由直接場的存在產(chǎn)生的。已經(jīng)表明，兩種形式的氣穴現(xiàn)象都與清洗效率和損壞密切相關(guān)。掃描水聽器可以繪制壓力分布圖，并且只有當(dāng)沒有明顯的駐波時(shí)，才能確定換能器的電聲效率。只有在沒有駐波的情況下，聲強(qiáng)的定義才適用。由于高速噴射和氣泡破裂產(chǎn)生的沖擊波，瞬態(tài)氣穴現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生破壞性影響。為了模擬這種情況，在6 mm的光掩模石英板中嵌入了一個(gè)傳感器，一個(gè)機(jī)動(dòng)掃描系統(tǒng)被用來自動(dòng)繪制帶有針?biāo)犉骱兔嬲謧鞲衅鞯穆晥鰣D（如圖1）。

結(jié)果和討論

錐形換能器：

錐形換能器的評估是通過在距離平面1毫米處掃描水聽器，同時(shí)輻射到實(shí)際上的消聲罐中。圖2所示的3兆赫輻射圖呈現(xiàn)出一個(gè)漫射、不規(guī)則但相當(dāng)均勻的場。這是從擴(kuò)展源中預(yù)期的，在擴(kuò)展源中相干干涉將產(chǎn)生λ/2周期性的圖案，并且能量分布在大面積上。這類似于之前工作中發(fā)現(xiàn)的1兆赫錐形換能器的模式。

一旦找到最大壓力的位置，水聽器就被放置在適當(dāng)?shù)奈恢?，?qū)動(dòng)功率從0.5瓦增加到5瓦。使用氣蝕儀進(jìn)行的信號(hào)分析顯示，穩(wěn)定氣蝕和瞬態(tài)氣蝕的數(shù)量可以忽略不計(jì)。

穴測量方法基于用壓電傳感器檢測聲發(fā)射以產(chǎn)生壓力譜。頻譜中的不同分量代表來自直接場、穩(wěn)定空化和瞬態(tài)空化的壓力。直接磁場、穩(wěn)定和瞬態(tài)氣穴現(xiàn)象的頻率和壓力以國際單位制記錄。最后，使用紋影成像來可視化換能器和掩模襯底之間的波傳播行為。紋影成像是一種光學(xué)方法，通過檢測折射率的微小變化引起的光衍射，將聲波引起的壓縮轉(zhuǎn)化為光。

噴嘴傳感器：

點(diǎn)狀噴頭/噴嘴裝置最初與消聲罐表面接觸，壓力分布在包含噴嘴區(qū)域的10×10毫米見方的區(qū)域。這很好地近似了包含在噴流中的聲輻射，盡管它并不完全相同，因?yàn)閲娏?空氣界面是完全反射的。不出所料，聲壓集中在小于射流的有限區(qū)域，均方根值為幾百千帕.在1瓦和2瓦的設(shè)置下，繪制了兩個(gè)輻射場圖，以確定模式如何隨功率變化。使用相同的兩個(gè)功率設(shè)置來使用傳感光掩模生成地圖，這導(dǎo)致圖案不太均勻。不幸的是，不可能將水聽器或光掩模傳感器放置在峰值壓力位置，因?yàn)槌^1兆帕的壓力可能會(huì)損壞水聽器。這四種情況如圖3所示：

隨后，水聽器被放置在峰值壓力位置，用于兩種功率設(shè)置(1瓦和2瓦)，并連接到MCT-2000氣穴分析儀。盡管觀察到的壓力約為0.9兆帕和12兆帕，但僅觀察到少量穩(wěn)定的和可忽略不計(jì)的瞬時(shí)氣穴現(xiàn)象。噴嘴應(yīng)用促使通過將水聽器放置在與射流緊密接觸且靠近噴嘴出口的位置來監(jiān)控波束的可能性。噴嘴和裝有傳感器的光掩模之間的距離是變化的，水聽器和傳感器的值都記錄在每個(gè)位置。圖4顯示了P0隨距離變化的周期性波動(dòng)，其中峰值相隔約500微米。

總結(jié)

雖然頻率和發(fā)電機(jī)功率設(shè)置是等效的，但噴嘴和錐形換能器的聲學(xué)性能有很大不同。顯然，頻率和電能并不是聲學(xué)性能和后續(xù)清潔活動(dòng)的唯一決定因素。

對于相同的輸入功率，來自噴嘴傳感器的直接場壓力輸出大約是來自錐形傳感器的10倍，當(dāng)然是因?yàn)樗恼嫉孛娣e更小。還觀察到，在兩種設(shè)計(jì)中，空化產(chǎn)生的壓力比直接壓力低兩個(gè)數(shù)量級(比在較低頻率清潔環(huán)境中觀察到的值低得多)。

盡管壓力很高，但氣蝕程度很低，這可能是由于使用了脫氣水，而對于錐形傳感器，則是由于壓力很低。根據(jù)射流直徑和水流，估計(jì)平均一個(gè)水分子從進(jìn)入腔室到接觸襯底需要16毫秒。這應(yīng)該是氣泡生長和空化的足夠時(shí)間，然而，由于缺乏駐波，輻射壓力可能是推動(dòng)氣泡穿過邊界層并到達(dá)大塊上的原因——直接場去除氣泡就像去除粒子一樣。與噴嘴相反，錐形裝置在大范圍內(nèi)提供相同的功率，這導(dǎo)致相對較低的氣穴壓力，低于2千帕。

作為一個(gè)實(shí)際的結(jié)果，似乎如果錐形換能器設(shè)計(jì)可以有效地清潔，這可能是一個(gè)解決方案，可以延長工藝窗口的上限，以最小化圖案損壞。
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　　審核編輯：鄢孟繁