超聲技術在半導體行業中應用探討

宋偉峰，成龍，劉永進，關宏武

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

超聲清洗和處理是半個多世紀以來功率超聲技術應用最為廣泛、深入、成功的一個方面。超聲清洗是一種物理清洗方法，其特點是速度快、質景好、高效率且易于實現清洗過程的自動化。在現有各種清洗方法中，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雜形狀的物體，對于其他清洗方法無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清洗劑、與其他清洗方法比較，在相同洗凈度下用水量相對較少且基本上無二次污染，對于降低環境污染和節能減排有較好的社會和經濟效益。超聲清洗是功率超盧應用的一個分支，其作用機理比較復雜，它涉及非線性聲學、氣泡動力學、流體力學、化學等多個學科，至今仍有許多問題還為人們所不知。因此，研究、揭示超聲清洗的作用機理應當受到重視。

1 超聲波清洗的原理

對于清洗，水是具有代表性的液體。通過把附著在片子上的顆粒乳化并擴散于液體中而得到清洗效果。這時通過機械力的作用把顆粒從工件上剝離，超聲波在這里發揮了重要作用。

2 超聲波清洗原理分類

依據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行清洗，既高頻率的清洗（400～1000 kHz）

圖1 頻率對液體分子加速度的影響

2.1 低頻率的清洗（即超聲波清洗)

液體中存在無數的氣體分子，對液體照射從20 kHz到100 kHz的強力超聲波時，正負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，接下來的瞬間受到負壓的作用而激烈的膨脹。這個作用重復地發生而使氣體分子達到非常高的壓力，在臨界處裂開而消失。當氣泡裂開的時候產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。

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

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，波長越短，越適合于清洗微小的臟物。在半導體領域，集成度越來越高，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。利用高頻超聲波進行純水的精密清洗能符合這個要求。高頻超聲波清洗在半導體領域所具有的優點：①不會損傷硅晶片；②除掉亞微米臟物；③不會發生臟物的再附著。

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由空化作用引起的物理清洗力顯然對低頻有利，一般使用15～30 kHz左右。對小間隙、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，對于不同大小的顆粒所適用的頻率也不相同。詳見表1。

表1 選用頻率即針對顆粒大小關系

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

4 結束語

超聲波作用于液體介質內可起到清洗工件的作用，這一清洗技術自問世以來，受到了各行各業的普遍關注。超聲波清洗的運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，超聲波清洗的開發和運用使這一工作變得輕而易舉。近年來，隨著電子技術的日新月異，超聲波清洗也同我們日常工作密不可分，超聲波清洗機經過了幾代的演變，技術更加先進，效果更加顯著，同樣，它的價格也越來越多的被社會所接受，在各行各業中逐漸被廣泛運用。

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

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

[3]梁召峰，周光平.低頻超聲清洗聲場強度的測量[J].洗凈技術，2004（6）：15-19.

[4]胡俊達.電子電器設備工藝設計與制造技術[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5]劉政華.機械電子學[M].長沙：國防科技大學出版社，1999.