專利名稱：輻射能量兆赫茲超聲波換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在一兆赫茲左右的頻率范圍中產(chǎn)生聲音能量的換能器，更具體的，涉及一種傳輸均勻數(shù)量的聲音能量給旋轉(zhuǎn)的圓形物體表面的裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，可以將頻率范圍在0.4到2.0兆赫茲(MHz)的聲波傳輸入液體中，并常常用其從損壞的敏感基材中清潔某些特定的物質(zhì)。由于該頻率范圍主要位于兆赫茲范圍附近，清潔步驟通常指的是兆赫超聲波清潔。可由這一工藝進(jìn)行清潔的元件當(dāng)中包括在半導(dǎo)體裝置生產(chǎn)過(guò)程的不同階段產(chǎn)生的半導(dǎo)體晶片，磁盤驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，包括硬盤和光盤、平板顯示器和其它敏感基材。
通常通過(guò)激勵(lì)具有射頻AC電壓的晶體產(chǎn)生兆赫茲超聲波聲音能量。由晶體產(chǎn)生的聲音能量通過(guò)能量傳輸部件部件(振蕩器)進(jìn)入清潔液體。通常，能量傳輸部件是用來(lái)容納清潔液體的容器的壁，而且多個(gè)物體放在容器中用于清潔。例如美國(guó)專利NO.5355048中就給出了超聲波換能器，該超聲波換能器包括通過(guò)幾個(gè)連接層與石英玻璃連接的壓電晶體。兆赫茲超聲波換能器以大約850KHz的頻率工作。類似的，美國(guó)專利NO.4804007中也公開了一種兆赫茲超聲波換能器，其中能量傳輸部件包括利用環(huán)氧脂粘合到壓電晶體上的石英、剛玉、氮化硼、不銹鋼或鉭。
眾所周知，可以利用兆赫茲超聲波清潔系統(tǒng)來(lái)清潔單獨(dú)的物體，比如單獨(dú)的半導(dǎo)體晶片。比如美國(guó)專利NO.6021785中就給出了定位在水平接近旋轉(zhuǎn)晶片表面的小型超聲發(fā)射裝置的用途。將一股水噴射到晶片的表面，并將聲音能量到圓盤的表面，從而進(jìn)行超聲波清潔，并運(yùn)走沉積的顆粒。類似的，美國(guó)專利NO.6039059中給出了當(dāng)清潔液體噴濺到晶片上并利用兆赫茲超聲波能量來(lái)激勵(lì)探針時(shí)，放置在晶體表面附近的固體柱形探針的用途。在另一個(gè)例子中，美國(guó)專利NO.6021789給出了利用多個(gè)排列在一條線上的換能器的單獨(dú)的晶片清潔裝置。將液體施加到晶片表面并開動(dòng)換能器，以產(chǎn)生前進(jìn)的超聲波，從而運(yùn)載沉積顆粒使其離開晶片的邊緣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要是一種可以傳輸數(shù)量大致均勻的聲音能量到旋轉(zhuǎn)的圓形物體表面上的每一點(diǎn)的換能器。換能器包括粘合在振蕩器上的壓電晶體。利用晶體每一側(cè)上的電傳導(dǎo)層產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)晶體的電場(chǎng)。優(yōu)選的，換能器產(chǎn)生的聲音能量頻率范圍在0.4到2.0MHz之間。
在一個(gè)實(shí)施例中，換能器中的晶體是楔形(wedge shaped)的，以使晶體的表面面積沿著旋轉(zhuǎn)物體半徑的增大而增加。這就意味著傳輸?shù)轿矬w上的聲音能量的數(shù)量隨著半徑的增大而增加。然而，由于物體在換能器下面移動(dòng)區(qū)域內(nèi)的頻率與半徑成反比，因而傳輸?shù)轿矬w表面的表面積上每個(gè)單元的聲音能量的總量是相等的。這在利用聲音能量以輔助發(fā)生在物體表面上的某些種類的化學(xué)反應(yīng)時(shí)是有用的，而且理想的情況是在整個(gè)表面上進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)是均勻的。
在另一個(gè)實(shí)施例中，晶體具有矩形形狀，但將晶體任何一側(cè)上的電傳導(dǎo)層設(shè)計(jì)成楔形。這使晶體傳輸給物體的聲音能量的數(shù)量隨著半徑的增大而增加，正如晶體本身呈楔形一樣。


圖1是依照本發(fā)明的聲音換能器的側(cè)面圖；圖2是沿著圖1的線2-2切開的聲音換能器的橫截面圖；圖3是依照本發(fā)明的聲音換能器的橫截面示意圖；圖4是依照本發(fā)明的楔形晶體的頂部示意圖；圖5是依照本發(fā)明的聲音換能器的頂部示意圖；圖6是依照本發(fā)明的聲音換能器的等比例的示意圖；圖7是依照本發(fā)明的聲音換能器的頂部示意圖；圖8是依照本發(fā)明的聲音換能器的頂部示意圖；圖9是依照本發(fā)明的聲音換能器的頂部示意圖；
圖10是依照本發(fā)明的聲音換能器的頂部示意圖；圖11是依照本發(fā)明的聲音換能器的頂部示意圖；具體實(shí)施方式
圖1給出了包括振蕩器14和換能器外罩16的聲音換能器10。外罩16包括主體結(jié)構(gòu)18和蓋板20。在優(yōu)選實(shí)施例中，外罩16由不銹鋼制成，此外也可以使用諸如塑料、陶瓷、石英或者鋁等其它原材料。在典型的結(jié)構(gòu)中，振蕩器具有長(zhǎng)度“L”。多個(gè)第一彈簧連接裝置22定位在晶體24和印刷電路板(PCB)25之間。一個(gè)或多個(gè)第二彈簧連接裝置26與步進(jìn)區(qū)域27相接觸。設(shè)置外罩16一端的螺紋孔28的尺寸使其可以容納標(biāo)準(zhǔn)的BNC連接裝置。
圖2給出了包括一個(gè)可以容納一個(gè)或多個(gè)壓電晶體34的腔室32。振蕩器14通過(guò)狹縫38向上延伸進(jìn)入主體結(jié)構(gòu)18，并在主體結(jié)構(gòu)18中與晶體24連接。蓋板20通過(guò)諸如螺絲釘、插銷或其它方式的固定裝置42與主體結(jié)構(gòu)18連接，從而在腔室32上面形成液體的緊密密封。優(yōu)選的，振蕩器14和狹縫38之間的配合要足夠的緊密，使其可以阻止液體通過(guò)狹縫38進(jìn)入腔室32。密封墊44可以用來(lái)對(duì)腔室32進(jìn)行密封以防潮，也阻止了腔室32中污染物的任何泄漏。在一些實(shí)施例中，在振蕩器14中設(shè)置了唇緣45以幫助密封腔室32。
振蕩器14包括近端46和遠(yuǎn)端50。在晶體24和PCB25之間定位第一彈簧連接裝置22。彈簧連接裝置22包括底部按鈕62和接觸按鈕64，彈簧66定位在圓形端頭62和64之間。彈簧連接裝置22用于與晶體24進(jìn)行電氣連接，這將在隨后作更加詳細(xì)地描述。
圖3給出了振蕩器14通過(guò)多個(gè)層結(jié)構(gòu)(沒(méi)有按比例示出)與晶體24的連接。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)第一變濕層72和第一粘附層74，晶體24連接到粘合層70上。第一變濕層72位于最接近粘合層70的位置，第一粘附層74位于最接近晶體24的位置。第二變濕層76和第二粘附層78定位于粘合層70和振蕩器14之間。第二變濕層76位于最接近粘合層70的位置，第二粘附層78位于最接近振蕩器14的位置。第三粘附層80位于相對(duì)于第一粘附層74，晶體24的另外一側(cè)，金屬層82位于第三粘附層80上。
在圖3中，粘合層70可以包括像焊接材料的原材料，比如銦、錫、銦合金或錫合金。用純銦制作粘合層70時(shí)效果就特別好。圖3中給出的其它層結(jié)構(gòu)的成分和效果與在美國(guó)專利No.6222305中的圖5給出的層結(jié)構(gòu)相同。具體的，第一和第二變濕層72和76可以包括鍍銀層，并且每層鍍銀層的厚度約為5000A°。但是，其它金屬和/或厚度也可用于變濕層。變濕層72和76可以起到為粘合層70中的熔融銦(或錫)提供濕的表面的作用，也就是說(shuō)，變濕層可以幫助粘合層70分別粘附在第一粘附層74和第二粘附層78上。
在一個(gè)實(shí)施例中，第一、第二和第三粘附層74、78和80中的每一個(gè)都包括一個(gè)厚度約為5000A°的合金層，該合金層包括鉻和鎳銅合金。例如，粘附層74、78、80可以包括50％的鉻和50％的鎳銅合金?？山邮艿逆囥~合金包括市場(chǎng)上的商標(biāo)為Nickel400TM或MONELTM的合金。Nickel400TM和MONELTM是包括了32％的銅和68％的鎳的鎳銅合金。此外，其它金屬和/或厚度也可以用來(lái)制作粘附層74，78和80。例如，任何一個(gè)或者全部的粘附層74、78和80都可以包括鉻，包括鉻鎳合金。層結(jié)構(gòu)80是可選擇的，并且可被完全排除。層結(jié)構(gòu)82優(yōu)選的是銀，但也可以包括其它傳導(dǎo)性金屬，包括鎳或銀合金。
在優(yōu)選實(shí)施例中，晶體24是諸如包括鋯鈦酸鉛的(PZT)晶體的壓電晶體。此外，也可使用其它壓電材料，如在本領(lǐng)域所熟知的鈦酸鋇、石英或聚偏二氟乙烯脂(PVDF)等。優(yōu)選的，晶體24能夠產(chǎn)生頻率范圍在0.4到2.0MHz之間的聲音能量。
可以利用美國(guó)專利No.6222305中給出的基本技術(shù)來(lái)構(gòu)造換能器10。如果使用錫制作粘合層70，必須考慮到錫的較高熔點(diǎn)。
基于特定的清潔工作的需要，振蕩器14的成分可從一組化學(xué)上的惰性原材料中選擇。例如，制作振蕩器14效果較好的惰性原材料包括剛玉、石英、金剛砂，氮化硅，陶瓷、不銹鋼和鋁。此外，可以在非惰性原材料上涂覆化學(xué)上的惰性原材料，諸如TeflonTM、HalarTM、KynarTM或PFA等來(lái)作為化學(xué)上的惰性原材料制造振蕩器14。由于振蕩器14與清潔液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)難以接受，化學(xué)惰性物質(zhì)材料是理想的。這樣用來(lái)制作振蕩器14的原材料通?；蛑辽俨糠稚先Q于清潔液體的性質(zhì)。當(dāng)通過(guò)換能器10進(jìn)行清潔的物體要求區(qū)域每萬(wàn)億的純度(part pertrillion purity)時(shí)，剛玉是制作振蕩器14的理想原材料。比如半導(dǎo)體晶片就要求這種純度。基于清潔液體的氫氟酸(HF)可用于半導(dǎo)體晶片的清潔過(guò)程。
振蕩器14具有高度“k”。通常選擇“k”的高度，從而將聲音能量的反射系數(shù)降到最低，比如可將“k”設(shè)置為晶體24所發(fā)出的聲音能量的波長(zhǎng)的一倍半的倍數(shù)。
除了圖3中給出的層結(jié)構(gòu)外，可以理解，可以有多種將振蕩器14連接到晶體24上的方法。例如，可以使用合成層結(jié)構(gòu)取代層結(jié)構(gòu)76和78來(lái)將振蕩器14連接到晶體24上。在這一實(shí)施例中，合成層是帖敷到振蕩器14上的傳導(dǎo)性的銀銀乳濁液(糊狀物)?？山邮艿娜闈嵋菏桥c2617D低溫銀導(dǎo)體有關(guān)的，通過(guò)商業(yè)手段可以獲得的產(chǎn)品，可由，Pennsylvania，Montgomeryville的EMCA-REMAX產(chǎn)品制造公司獲得。利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)可以將層結(jié)構(gòu)140直接帖敷于振蕩器14。在該實(shí)施例中，可在步進(jìn)區(qū)域27中(如圖1所示)利用合成層的一個(gè)區(qū)域來(lái)與彈簧連接裝置26接觸。
在另一個(gè)實(shí)施例中，使用環(huán)氧樹脂將振蕩器14連接到晶體24上。環(huán)氧樹脂可以取代先前描述的像焊接材料的原材料用于粘合層70。環(huán)氧樹脂可以包括任何合適的電傳導(dǎo)性的環(huán)氧樹脂。
設(shè)計(jì)換能器10使其在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)傳遞數(shù)量大致均勻的聲音能量到旋轉(zhuǎn)基材表面區(qū)域的每個(gè)單元。通常，基材是圓形的，比如半導(dǎo)體晶片的表面，這樣當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)，基材通過(guò)的聲音能量的密度(能量/單位時(shí)間)沿著與圓形區(qū)域半徑對(duì)應(yīng)的方向發(fā)生改變。因此，為了使換能器10在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)傳遞數(shù)量大致均勻的聲音能量到旋轉(zhuǎn)基材表面區(qū)域的每個(gè)單元，換能器10必須發(fā)射密度區(qū)域可變的聲音能量。通常，可利用以下四種方法中的一種來(lái)獲得可變的密度區(qū)域。在第一種方法中，設(shè)置晶體24的形狀以傳遞可變的密度區(qū)域。在第二種方法中，設(shè)置晶體24表面上的電極層的形狀以傳遞期望的可變密度區(qū)域。在第三種方法中，在不同的能量水平上驅(qū)動(dòng)晶體24的部分以傳遞期望的可變密度區(qū)域。在第四種方法中，結(jié)合使用一到三種方法以傳遞期望可變的密度區(qū)域。
圖4給出了第一種方法。在圖4中，晶體24具有楔形90。楔形90包括彎曲側(cè)面92、直的側(cè)面94、第一錐形側(cè)面96和第二錐形側(cè)面98。楔形90具有與彎曲側(cè)面92毗鄰的寬的端部100和與鈍的側(cè)面94毗鄰的狹窄端部102。在側(cè)面96和98之間形成夾角θ。當(dāng)換能器10需要在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)傳遞數(shù)量大致均勻的能量到旋轉(zhuǎn)物體的圓形表面上的每個(gè)單元區(qū)域，且不使用覆蓋物體整個(gè)表面區(qū)域的換能器時(shí)，楔形90是有用的。通常楔形90覆蓋物體的40％或者更少的表面區(qū)域。
例如，圖5中的物體103具有在換能器10下面以均勻速率旋轉(zhuǎn)的圓形表面104。中心點(diǎn)106表示表面104的中心。當(dāng)表面104在楔形90下面(比如在晶體24下面)旋轉(zhuǎn)時(shí)，晶體24的楔形90傳遞密度沿著半徑108可變的聲音能量的均勻場(chǎng)。由于與寬的端部100相比，楔形90的狹窄端部102給表面104傳遞的能量數(shù)量較少，因而密度可以發(fā)生變化。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)換能器10發(fā)射的能量(能量/cm2)是均勻的，但寬的端部100的表面區(qū)域比狹窄端部102的表面區(qū)域要大。當(dāng)物體103旋轉(zhuǎn)時(shí)，即使表面區(qū)域的第一單元移動(dòng)時(shí)具有較大的線速度，在寬的端部100下面旋轉(zhuǎn)的表面104上的表面區(qū)域的第一單元從寬的端部接收的能量數(shù)量與在狹窄端部102下面旋轉(zhuǎn)的表面區(qū)域的第二單元接收的能量數(shù)量相同。在旋轉(zhuǎn)方面，需要指出的是103需保持靜止，并且需要旋轉(zhuǎn)換能器10。這對(duì)物體103和換能器10之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是重要的。
在圖5中給出了表面104上的多個(gè)區(qū)域112、114、116和118。區(qū)域112、114、116和118都具有相同的區(qū)域。由于從中心點(diǎn)106定位的區(qū)域112比區(qū)域118具有較大的半徑，當(dāng)物體103旋轉(zhuǎn)時(shí)，區(qū)域112相比較于區(qū)域118可以以較大的線速度在換能器10的下面經(jīng)過(guò)。由于期望使換能器10在每個(gè)單位時(shí)間傳遞相同數(shù)量的聲音能量給區(qū)域112和114，換能器10的輸出總量必須沿著半徑108變化。如果換能器10具有均勻的能量輸出(瓦特/單位面積)，那么在半徑方向(從中心點(diǎn)106向外)上增大晶體24的表面面積將會(huì)給出從換能器輸出的能量總量的預(yù)期的增加。楔形90反應(yīng)了這種結(jié)構(gòu)。
圖6給出了換能器10的實(shí)施例，在這里圖3中給出的每個(gè)層結(jié)構(gòu)具有楔形90。具體的，第三粘附層80、金屬層82、晶體24、第一粘附層74、第一變濕層72、粘合層70、第二變濕層76、第二粘附層78和振蕩器14都具有楔形90。然而，這樣的構(gòu)型不需獲得沿著半徑方向變化的密度的效果。唯一必須具有楔形90的層結(jié)構(gòu)是晶體24。其它層結(jié)構(gòu)和振蕩器14可以具有不同的形狀，只要它們至少能完全覆蓋晶體24。
圖7給出了換能器10在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)傳遞數(shù)量均勻的聲音能量到旋轉(zhuǎn)基材表面面積上的每個(gè)單元的第二個(gè)實(shí)施例。在圖7中，與前面所描述的元件相同的元件以同樣的識(shí)別數(shù)字表示。在圖7中，晶體24是矩形的。金屬層82具有楔形126。此外，如果在晶體24和金屬層82之間使用其它任何電傳導(dǎo)性的層結(jié)構(gòu)，比如層結(jié)構(gòu)80，都需要具有楔形126。楔形126和圖4中給出的楔形90具有同樣的形狀，包括彎曲側(cè)面128、直的側(cè)面132、第一錐面136和第二錐面138。如同先前在圖5中所描述的，物體103具有圓形表面104，并可在換能器10的下面以圖7中的均勻速率旋轉(zhuǎn)?？蛇x擇的，換能器10可以相對(duì)于物體103以均勻速率旋轉(zhuǎn)。
使金屬層82具有楔形126的結(jié)果和使晶體24具有楔形90的結(jié)果相同。這是由于晶體24僅在被電場(chǎng)激勵(lì)的區(qū)域發(fā)出聲音能量。在換能器10中，當(dāng)如下面給出的，當(dāng)RF電壓施加給彈簧連接裝置22和26時(shí)，通過(guò)存在于金屬層82和第一變濕層72之間的電勢(shì)差施加電場(chǎng)。因此，當(dāng)金屬層82具有楔形126并覆蓋了晶體24時(shí)，在表面104在楔形126下面(比如在晶體24的下面)旋轉(zhuǎn)時(shí)，從晶體發(fā)出的聲音能量就具有沿著半徑108變化的密度。優(yōu)選的，在粘合層70和晶體24之間的第一變濕層72和任何其它電傳導(dǎo)性的層結(jié)構(gòu)，比如層結(jié)構(gòu)74，也具有楔形126。
施加金屬層82到楔形126中的晶體24將以如下方式完成。給晶體24涂覆惰性原材料，比如Kapton帶，以使具有楔形126的晶體24的區(qū)域不被掩膜覆蓋。然后用物理氣相沉淀(PVD)技術(shù)，比如氬濺射法對(duì)金屬層82進(jìn)行沉積。通常，在濺射變濕層80之前對(duì)晶體24進(jìn)行涂覆，從而使變濕層80和金屬層82都具有楔形126。也可以利用比如電鍍技術(shù)的其它技術(shù)來(lái)沉淀金屬層82。優(yōu)選的，金屬層為銀，但也可使用其它的傳導(dǎo)材料?？梢允褂孟嗤耐扛布夹g(shù)使層結(jié)構(gòu)72和74具有楔形126。
通過(guò)射頻(RF)發(fā)生裝置(未給出)提供驅(qū)動(dòng)晶體24的能量，比如1000瓦特的RF發(fā)生裝置。優(yōu)選的，施加給晶體的RF電壓具有大致在925KHz范圍的頻率。但是也可使用大致在0.4到2.0MHz范圍的RF電壓。通過(guò)同軸電纜，該同軸電纜與裝配在螺紋孔28中的標(biāo)準(zhǔn)的BNC連接裝置相連，RF能量傳輸給換能器10。通過(guò)第一彈簧連接裝置22和一個(gè)或更多第二彈簧連接裝置26傳輸RF電壓給晶體24。BNC連接裝置電連接至印刷電路板PCB25，從而允許將RF電壓傳輸給連接裝置22和26。
第二彈簧連接裝置26提供了PCB58和層結(jié)構(gòu)76(在圖3中給出)之間的電連接。第一彈簧連接裝置54提供了PCB58和晶體24上的層結(jié)構(gòu)82(在圖3中給出)之間的電連接。有了這種設(shè)置，多個(gè)第一彈簧連接裝置22為RF發(fā)生裝置提供了活性連接，而且第二彈簧連接裝置26為RF發(fā)生裝置提供了接地連接。
換能器10包括步進(jìn)區(qū)域27。步進(jìn)區(qū)域27是在振蕩器14上的電傳導(dǎo)區(qū)域，比如層結(jié)構(gòu)76，它可通過(guò)第二彈簧連接裝置26對(duì)其進(jìn)行連接。由于層結(jié)構(gòu)76和晶體24之間的所有層結(jié)構(gòu)都是電傳導(dǎo)性的(例如，層結(jié)構(gòu)70、72和74)，與步進(jìn)區(qū)域27的接觸是電接觸的，這和與振蕩器14毗鄰的晶體24的表面的接觸是等同的。第一彈簧連接裝置22與金屬層82進(jìn)行電接觸以構(gòu)成驅(qū)動(dòng)晶體24的電路。
圖8給出了換能器10在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)傳遞數(shù)量均勻的聲音能量到旋轉(zhuǎn)基材表面面積上的每個(gè)單元的第三實(shí)施例。在圖8中，與前面所描述的元件相同的元件以同樣的識(shí)別數(shù)字表示。在圖8中，晶體24是矩形的，并具有長(zhǎng)度“L”和寬度“W”。通常，長(zhǎng)度“L”與半徑108相等，但是長(zhǎng)度“L”也可以比半徑108稍長(zhǎng)，以確保完全覆蓋表面104。將晶體24分成多個(gè)部分，比如部分146、部分148、部分150和部分152。部分146、148、150和152中的每一個(gè)都包括晶體24的單獨(dú)片結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)，晶體24被切成四個(gè)單獨(dú)的片結(jié)構(gòu)作為部分146、148、150和152。通過(guò)連接層結(jié)構(gòu)的單獨(dú)設(shè)置，比如在圖3中給出的層結(jié)構(gòu)，部分146、148、150和152的每一個(gè)都連接到振蕩器14上，從而使這些部分不會(huì)短路或電耦合。部分146、148、150和152的每一個(gè)都具有與RF發(fā)生裝置連接的單獨(dú)的電連接結(jié)構(gòu)，比如通過(guò)使用用于每個(gè)部分的單獨(dú)的彈簧連接裝置22。在該實(shí)施例中，振蕩器14(在圖3中給出)仍然是一個(gè)連續(xù)的片結(jié)構(gòu)。
在圖8給出的實(shí)施例中，使用單獨(dú)的可控制部分允許以幾種方式使用換能器10。首先，部分146、148、150和152的每一個(gè)都可以具有相等的面積并以不同的能量(watts/cm2)驅(qū)動(dòng)。以比驅(qū)動(dòng)部分150更大的能量驅(qū)動(dòng)部分152，以比驅(qū)動(dòng)部分148更大的能量驅(qū)動(dòng)部分150，并以比驅(qū)動(dòng)部分146更大的能量驅(qū)動(dòng)部分148。隨著半徑的增加而增大能量意味著在部分152下面經(jīng)過(guò)的表面104上的單位表面面積將與在部分146下面經(jīng)過(guò)的表面上的同等單位面積接收總量相同的能量，即使兩個(gè)單位面積在晶體24下面的時(shí)間數(shù)量不同。此外，部分146、148、150和152的每一個(gè)上的時(shí)間可以變化。
以單獨(dú)可控制的部分使用便換裝置10的第二種方法使部分146、148、150和152的面積不同，并且在可變時(shí)間量中以不同的能量驅(qū)動(dòng)每一部分。
圖8所示實(shí)施例的可選擇的設(shè)計(jì)是將晶體24設(shè)置為連續(xù)的片結(jié)構(gòu)，但是將金屬層82分成與部分146、148、150和152類似的單獨(dú)部分。金屬82的部分可用先前參照?qǐng)D7描述的同樣的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，從而產(chǎn)生楔形126。金屬層的部分允許晶體24沿著它的長(zhǎng)度，在時(shí)間長(zhǎng)度可變的情況下，使用先前參照?qǐng)D8描述的同樣的技術(shù)，以不同的能量水平對(duì)晶體24進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
圖9給出了換能器10在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)傳遞數(shù)量均勻的聲音能量到旋轉(zhuǎn)基材表面面積上的每個(gè)單元的第四實(shí)施例。在圖9中，與前面所描述的元件相同的元件以同樣的識(shí)別數(shù)字表示。在圖9中，晶體24具有先前參照?qǐng)D4描述的楔形90。晶體24也被分成多個(gè)部分，比如部分160、部分164和部分168。部分160、164、和168的每一個(gè)都包括晶體24的一個(gè)單獨(dú)的片結(jié)構(gòu)，并且每部分具有相同的面積。將使用楔形90的技術(shù)和對(duì)晶體24進(jìn)行分區(qū)技術(shù)的結(jié)合的原因是它允許了在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)可對(duì)傳遞數(shù)量均勻的聲音能量到旋轉(zhuǎn)基材表面面積上的每個(gè)單元進(jìn)行更強(qiáng)程度的控制。
通過(guò)連接層結(jié)構(gòu)的單獨(dú)設(shè)置，比如在圖3中給出的層結(jié)構(gòu)，部分160、164和168的每一個(gè)都連接到振蕩器14上，從而使這些部分不會(huì)短路或電耦合。通過(guò)使用如用于每個(gè)部分的單獨(dú)的彈簧連接裝置22，部分160、164和168的每一個(gè)都具有與RF發(fā)生裝置連接的單獨(dú)的電連接結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施例中，振蕩器14(在圖3中給出)仍然是一個(gè)連續(xù)的片結(jié)構(gòu)。
在圖9給出的實(shí)施例中，單獨(dú)的可控制部分的使用允許以幾種方式使用換能器10。首先，可以以不同的能量(watts/cm2)驅(qū)動(dòng)部分160、164和168的每一個(gè)，如先前參照?qǐng)D8描述的，以比驅(qū)動(dòng)部分160更大的能量驅(qū)動(dòng)部分168。隨著半徑的增加而增大能量意味著在部分152下面經(jīng)過(guò)的表面104上的單位表面面積將與在部分146下面經(jīng)過(guò)的表面上同等單位面積接收總量相同的能量，即使兩個(gè)單位面積在晶體24的下面的時(shí)間數(shù)量不同。部分160、164和168的每一個(gè)在相同的時(shí)間量下或可變的時(shí)間量下都是活性的。此外，每一部分都可在不同的時(shí)間進(jìn)行開啟或關(guān)閉。
第二，可以以相同的能量驅(qū)動(dòng)部分160、164和168的每一個(gè)。但是，在該實(shí)施例中，對(duì)每個(gè)部分施加能量的時(shí)間長(zhǎng)度是不同的。在第三種使用方法中，可以以相同的能量驅(qū)動(dòng)部分160、164和168的每一個(gè)，但具體某個(gè)部分的施加次序是不同的。通常沒(méi)有兩個(gè)部分是在同一時(shí)間上的，但當(dāng)施加于一個(gè)部分時(shí)，它的施加時(shí)間長(zhǎng)度與其它部分是相同的。
圖9所示實(shí)施例的可選擇設(shè)計(jì)是將晶體24設(shè)置為一個(gè)連續(xù)的片結(jié)構(gòu)，但是將金屬層82分成與部分160、164和168類似的單獨(dú)部分。金屬層82的分區(qū)可用先前參照?qǐng)D7和8描述的同樣的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。金屬層的分區(qū)允許以先前參照?qǐng)D9描述的同樣的技術(shù)，沿著它的長(zhǎng)度以不同的能量水平和次數(shù)對(duì)晶體24進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
圖10給出了在圖9中示出的實(shí)施例的變形例，在這里晶體具有三角形170而不是楔形90。晶體24也被分成多個(gè)部分，比如部分172、部分176和部分178。部分172、176和178的每一個(gè)都包括晶體24的單獨(dú)片結(jié)構(gòu)，并且每個(gè)片結(jié)構(gòu)具有相同的面積。將使用楔形90的技術(shù)和對(duì)晶體24進(jìn)行分區(qū)技術(shù)的結(jié)合的原因是它允許了在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)可對(duì)傳遞數(shù)量均勻的聲音能量給旋轉(zhuǎn)基材表面面積上的每個(gè)單元進(jìn)行更強(qiáng)程度的控制。
如先前參照?qǐng)D9描述的，通過(guò)連接層結(jié)構(gòu)的單獨(dú)設(shè)置，部分172、176和178的每一個(gè)都連接到振蕩器14上，并且具有到RF發(fā)生裝置的單獨(dú)電連接裝置，。這允許在不同的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)以不同的能量(watts/cm2)驅(qū)動(dòng)部分172、176和178的每一個(gè)，如先前參照?qǐng)D9描述的。此外，圖10所示實(shí)施例的可選擇設(shè)計(jì)是將晶體24設(shè)置為連續(xù)的片結(jié)構(gòu)，但是將金屬層82分成與部分172、176和178類似的單獨(dú)部分，如先前參照?qǐng)D9描述的。
圖11給出了先前參照?qǐng)D4中描述的換能器10的變形舉例。在圖11中，與前面所描述的元件相同的元件以同樣的識(shí)別數(shù)字表示。圖11給出的換能器10包括具有楔形90的第一晶體182和具有楔形90的第二晶體184。在該實(shí)施例中，換能器10沿表面104的直徑延伸。每個(gè)晶體面182和184如先前參照?qǐng)D4描述的那樣連接到振蕩器14上，并以相同的方式獲得效果。晶體182和184可以是矩形的，并可通過(guò)賦于層結(jié)構(gòu)82和76以楔形90以得到楔形90，就如先前參照?qǐng)D7描述的相同。同樣，可以如先前參照?qǐng)D9和10描述的，將晶體182和184分成多個(gè)部分。
從圖4，8，9，10和11的論述中可以清晰了解，除了楔形90之外的其它形狀，矩形和三角形也可用于輻射能量換能器10。然而通常，換能器10覆蓋40％或者更少的物體10的表面面積。
可以改變另一個(gè)參量，即圖3中給出的粘合層70的厚度，從而使換能器10在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)傳遞數(shù)量均勻的聲音能量到旋轉(zhuǎn)基材表面面積上的每個(gè)單元。通過(guò)改變沿著半徑108的方向的層結(jié)構(gòu)70的厚度，可以改變換能器10發(fā)出的能量。當(dāng)改變層結(jié)構(gòu)的厚度時(shí)，可以認(rèn)為該現(xiàn)象導(dǎo)致了不同的聲音能量的反射特性。
顯然，可由多種方法形成換能器10。通常規(guī)定換能器包括產(chǎn)生頻率范圍在0.4到2.0MHz的聲音能量的聲音能量發(fā)生裝置。聲音能量發(fā)生裝置在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)傳遞數(shù)量大致均勻的聲音能量到旋轉(zhuǎn)基材表面面積上的每個(gè)單元，并且其具有的表面面積比基材上的表面面積要小。通過(guò)在清潔步驟中使用的液體，振蕩器連接到聲音能量發(fā)生裝置以傳輸聲音能量給基材。聲音能量發(fā)生裝置可以具有多種形式，包括在圖4-6和11中給出的楔形晶體，圖7所示的具有楔形電極的矩形晶體，圖8所示的具有單獨(dú)的可控制部分的矩形晶體，或者圖9和10所示的具有單獨(dú)的可控制部分的楔形晶體。
換能器10可廣泛應(yīng)用于兆赫茲超聲波清潔步驟(或者其它的施加液體化學(xué)材料到基材的表面的步驟)，其中在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)必須傳遞數(shù)量大致均勻的聲音能量到旋轉(zhuǎn)基材表面區(qū)域上的每個(gè)單元，以輔助清潔或化學(xué)過(guò)程。換能器10在清潔那些成批清潔比較困難的單獨(dú)的元件時(shí)特別的有用。這些元件包括大的半導(dǎo)體晶片，從低的流水作業(yè)中獲得半導(dǎo)體晶片，比如定做或?qū)嶒?yàn)用芯片，平板顯示器以及其它大的平面基材。
用于清潔此種單獨(dú)元件的這種清潔步驟包括施加清潔或處理液到物體的表面，并且旋轉(zhuǎn)換能器10下面的物體。從振蕩器14發(fā)出的聲音能量傳輸進(jìn)入處理液，并導(dǎo)致清潔的發(fā)生。在可選擇的方法中，可以旋轉(zhuǎn)換能器10，并且保持物體固定，或者二者都可旋轉(zhuǎn)。
在實(shí)踐中，不同的處理液用于不同的清潔任務(wù)。許多處理液的準(zhǔn)確組成是生產(chǎn)這些液體的公司所有的。然而典型處理液包括蒸餾水，氫氧化銨的水溶液、過(guò)氧化氫、鹽酸、硝酸、醋酸、或氫氟酸以及這些反應(yīng)物的組合。通常使用的處理液成分參照SC-1和SC-2。
必須在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)傳遞數(shù)量大致均勻的聲音能量到旋轉(zhuǎn)基材表面面積上的每個(gè)單元的原因是清潔或化學(xué)過(guò)程的效果隨著傳輸進(jìn)入液體的聲音能量的數(shù)量而改變。因此，如果晶片的表面上的不同區(qū)域接收不同數(shù)量的聲音能量，清潔的效果就發(fā)生改變。這在處理液的化學(xué)試劑有助于清潔工作時(shí)尤其明顯。在這些情況下，轉(zhuǎn)換裝置10的使用就是理想的。
盡管已經(jīng)根據(jù)目前的優(yōu)選實(shí)施例描述出了本發(fā)明，可以理解，這些說(shuō)明不認(rèn)為是來(lái)限制本發(fā)明的。各種變更和修改對(duì)讀過(guò)上面的描述之后的本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員毋庸置疑都是顯而易見的。相應(yīng)的，試圖通過(guò)說(shuō)明的附加權(quán)利要求覆蓋落入本發(fā)明的真實(shí)范圍中的所有變更和修改。
權(quán)利要求
1.一種換能器，包括一種聲音能量發(fā)生裝置，其用來(lái)產(chǎn)生頻率范圍在0.4到2.0MHz之間的聲音能量，當(dāng)旋轉(zhuǎn)所述基材時(shí)，所述聲音能量發(fā)生裝置適于在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)傳遞數(shù)量大致均勻的聲音能量到基材表面面積上的每個(gè)單元，所述聲音能量發(fā)生裝置具有的表面面積比所述基材上的表面面積要小。連接到所述聲音能量發(fā)生裝置上的振蕩器，其用于傳輸所述聲音能量給基材。
2.依照權(quán)利要求1的換能器，其中所述聲音能量發(fā)生裝置包括楔形壓電晶體。
3.依照權(quán)利要求1的換能器，其中所述聲音能量發(fā)生裝置包括兩個(gè)或更多配置有楔形的壓電晶體部分。
4.依照權(quán)利要求1的換能器，其中所述聲音能量發(fā)生裝置包括具有至少一個(gè)楔形電極的壓電晶體。
5.依照權(quán)利要求1的換能器，其中所述振蕩器包括從一組原料中選擇出的材料，所述一組原料包括石英、剛玉、碳化硅，氮化硅，陶瓷、鋁和不銹鋼。
6.依照權(quán)利要求1的換能器，進(jìn)一步包括定位在所述聲音能量發(fā)生裝置和所述振蕩器之間以連接所述振蕩器到所述聲音能量發(fā)生裝置上的連接層。
7.依照權(quán)利要求6的換能器，其中所述連接層包括從一組原料中選擇出的材料，所述一組原料包括銦、錫、銦合金以及錫合金。
8.依照權(quán)利要求6的換能器，其中所述連接層包括環(huán)氧樹脂。
9.依照權(quán)利要求1的換能器，其中所述基材包括半導(dǎo)體晶片。
10.依照權(quán)利要求2的換能器，其中所述楔形壓電晶體包括平面，該平面包括第一側(cè)面、第二側(cè)面和彎曲側(cè)面，并具有將第一側(cè)面和第二側(cè)面分開的角度，并且所述彎曲側(cè)面連接所述第一側(cè)面和所述第二側(cè)面。
全文摘要
一種換能器(90)，其包括聲音能量發(fā)生裝置(24)和振蕩器(14)。聲音能量發(fā)生裝置產(chǎn)生頻率范圍在0.4到2.0MHz的聲音能量，并且當(dāng)基材(103)旋轉(zhuǎn)時(shí)，聲音能量發(fā)生裝置適用于在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)傳遞數(shù)量大致均勻的聲音能量到旋轉(zhuǎn)基材(103)上每個(gè)單元的表面面積。聲音能量發(fā)生裝置(24)的表面積比基材(103)的表面積要小，并可以包括楔形壓電晶體(24)。連接到聲音能量發(fā)生裝置(24)上的振蕩器(14)用于將聲音能量傳輸給基材(103)。
文檔編號(hào)B08B3/12GK1579026SQ02821506
公開日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2002年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月2日
發(fā)明者M·J·貝克, R·B·芬尼貝克, R·Y·利拉德, E·G·利布舍爾 申請(qǐng)人:產(chǎn)品系統(tǒng)公司