專利名稱：用于使用相控?fù)Q能器陣列的超聲波清洗的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及超聲波清洗。更加具體地，本發(fā)明涉及使用相控?fù)Q能器陣列的超聲波清洗。本發(fā)明具體地但非專門地用于使用定向超聲波能量在基片表面上建立目標(biāo)壓力以有效清洗表面。
背景技術(shù)：
超聲波清洗系統(tǒng)是眾所周知的，并且目前廣泛用于各種應(yīng)用以清洗各種類型的基片表面(例如半導(dǎo)體晶片上的表面、具有復(fù)雜表面幾何形狀的部件、電子器件等等)。在典型的布置中，清洗系統(tǒng)包括貯槽，其保持諸如水溶液之類的流體介質(zhì)。水溶液通常包括增強(qiáng)系統(tǒng)的清洗性能的諸如表面活性劑和清潔劑之類的添加劑。
在簡(jiǎn)單的超聲波系統(tǒng)中，提供換能器，其典型地為電致伸縮或磁致伸縮換能器，以響應(yīng)電信號(hào)輸入而在清洗槽中生成高頻振動(dòng)。如在此使用的那樣，術(shù)語(yǔ)“超聲波”及其派生是指具有在大約15kHz之上的波頻率的聲波，并且既包括傳統(tǒng)的超聲波頻譜，其頻率從大約15kHz延伸到400kHz，又包括近來(lái)使用的兆聲波(megasonic)頻譜，其頻率從大約500kHz延伸到大約3MHz。
一旦生成，換能器振動(dòng)就通過(guò)清洗槽中的流體介質(zhì)傳播，直到它們到達(dá)將要被清洗的基片為止。更加具體地，振動(dòng)在流體介質(zhì)之內(nèi)生成超聲波，其中，沿著波的每個(gè)點(diǎn)都在最大壓力(壓縮)和最小壓力(稀疏)之間的壓力范圍之內(nèi)振蕩。當(dāng)最小壓力在流體介質(zhì)的蒸汽壓力之下時(shí)，超聲波能夠?qū)е驴栈瘹馀菰诹黧w介質(zhì)中形成。
作為換能器振動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)變壓力場(chǎng)的結(jié)果，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)壓力下降到流體的蒸汽壓力之下并且接近最小壓力時(shí)，空化氣泡在流體介質(zhì)中的現(xiàn)場(chǎng)形成。當(dāng)所述現(xiàn)場(chǎng)從最小壓力向最大壓力過(guò)渡時(shí)，這些空化氣泡隨后破裂(亦即內(nèi)爆)。在氣泡內(nèi)爆期間，周圍的流體迅速地流向并填充破裂氣泡產(chǎn)生的空隙，并且這種流動(dòng)導(dǎo)致了強(qiáng)激波，其獨(dú)特地適合于基片表面清洗。具體地，在基片表面或附近發(fā)生的氣泡內(nèi)爆將生成激波，其能夠從基片表面去除污染物和其他臟物?；砻娓浇脑S多氣泡的隨著時(shí)間的內(nèi)爆導(dǎo)致了強(qiáng)烈的擦洗作用，其在清洗諸如存儲(chǔ)磁盤、半導(dǎo)體晶片、LCD器件等等之類的器件方面非常有效。
在幾乎所有的清洗應(yīng)用中，控制空化能量都很重要。如果提供了不足量的空化能量，則可能需要不希望的長(zhǎng)處理時(shí)間以獲得預(yù)期水平的清洗，或者在某些情況下，預(yù)期水平的表面清洗可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。另一方面，具有精密表面或部件的基片附近的過(guò)多的空化能量會(huì)造成基片損傷?；瑩p傷的例子包括在基片表面上形成凹點(diǎn)和/或坑。影響空化氣泡的尺寸和相應(yīng)的空化能量的一個(gè)因素是超聲波的頻率。具體地，在較高的波頻率下存在較少的用于氣泡生長(zhǎng)的時(shí)間。結(jié)果是較小的氣泡和空化能量的相應(yīng)減少。
影響空化能量的另一個(gè)因素是(一個(gè)或多個(gè))換能器產(chǎn)生的超聲波的強(qiáng)度(亦即波幅)。更加詳細(xì)地，較高的波強(qiáng)度導(dǎo)致沿著波的每個(gè)點(diǎn)在(稀疏和壓縮之間的)較大壓力范圍之上振蕩，這又會(huì)產(chǎn)生較大的空化氣泡和較大的空化能量。這樣一來(lái)，在超聲波的強(qiáng)度、流體介質(zhì)在其間振蕩的壓力范圍以及空化能量之間就存在直接相關(guān)。流體介質(zhì)在其間振蕩的壓力范圍可以表征為具有相對(duì)于當(dāng)超聲波不存在時(shí)的流體介質(zhì)中的周圍壓力的壓力峰值。因此，壓力峰值可以用作空化能量的適當(dāng)量度。應(yīng)當(dāng)考慮的另外一個(gè)因素是下述事實(shí)超聲波的強(qiáng)度將隨著波通過(guò)流體介質(zhì)傳播而減少。這樣一來(lái)，空化能量通常是與換能器的距離的函數(shù)。因此，位于與超聲波能量源的不同距離處的基片的部分，將經(jīng)受不同水平的空化能量。結(jié)果，均勻地清洗具有復(fù)雜表面幾何形狀的基片就有點(diǎn)具有挑戰(zhàn)性。如在此使用的那樣，術(shù)語(yǔ)“復(fù)雜表面幾何形狀”是指不是基本平坦的任何表面。
考慮到上述情況，可以使用換能器元件陣列以將超聲波能量引向基片表面上的定位區(qū)域。具體地，可以對(duì)驅(qū)動(dòng)每個(gè)換能器元件的電信號(hào)的相位進(jìn)行選擇性延遲，以導(dǎo)致基片表面上的定位區(qū)域接收相對(duì)強(qiáng)烈的超聲波能量，而基片表面上的周圍區(qū)域接收顯著較少的超聲波能量。強(qiáng)烈的超聲波能量的定位區(qū)域是換能器元件生成的超聲波之間的干涉(相長(zhǎng)和相消)的結(jié)果。通過(guò)調(diào)整隨著時(shí)間的相位延遲，強(qiáng)烈的超聲波能量的區(qū)域能夠通過(guò)空間被電子掃描。例如，2003年4月29日頒發(fā)給Birang等人的美國(guó)專利號(hào)6,554,003披露了換能器陣列和用于調(diào)整每個(gè)換能器產(chǎn)生的能量波以沿著薄盤的表面掃描“最大能量波”的方法。然而，本發(fā)明認(rèn)識(shí)到，僅僅沿著表面掃描“最大能量波”并不必然確保表面上的每個(gè)點(diǎn)都經(jīng)受相同的空化能量。例如，位于相距換能器的不同距離的基片的部分將經(jīng)受不同水平的空化能量，因?yàn)槌暡ǖ膹?qiáng)度隨著其通過(guò)流體介質(zhì)傳播而減少。同樣，并且重要地，位于關(guān)于換能器有不同角度的基片的部分將經(jīng)受不同水平的空化能量，因?yàn)槌暡ǖ膹?qiáng)度是轉(zhuǎn)向角(steering angle)(或聚焦角)的函數(shù)。這樣一來(lái)，當(dāng)沿著平坦表面掃描“最大能量波”時(shí)，就存在空化能量的不希望的變化，并且可以意識(shí)到，對(duì)于通過(guò)沿著基片表面掃描“最大能量波”來(lái)清洗的具有復(fù)雜表面幾何形狀的基片，發(fā)生了甚至更大的空化能量變化。
根據(jù)上述情況，本發(fā)明的目的是提供適合于下述目標(biāo)的系統(tǒng)和方法定向超聲波能量以建立目標(biāo)壓力峰值，并從而在基片表面上的位置處建立目標(biāo)空化能量，以便有效地清洗表面。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供系統(tǒng)和方法，用于均勻地清洗包括具有復(fù)雜表面幾何形狀的基片表面在內(nèi)的基片表面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)用于使用超聲波能量的清洗基片表面的系統(tǒng)和方法。清洗系統(tǒng)包括以陣列方式布置的“N”多個(gè)換能器元件。典型的布置包括換能器元件的線性陣列、換能器元件的矩陣陣列(例如n×m陣列)或元件的不規(guī)則陣列。以每個(gè)驅(qū)動(dòng)器連接到各個(gè)換能器元件的方式提供多個(gè)驅(qū)動(dòng)器。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器生成電信號(hào)SN，其被輸入到各個(gè)換能器元件以驅(qū)動(dòng)各個(gè)元件。每個(gè)電信號(hào)SN可以被表征為具有包括電壓VN和相位θN的信號(hào)參數(shù)。每個(gè)換能器元件響應(yīng)其各自的輸入電信號(hào)SN而振動(dòng)，并從而生成各自的超聲波。
清洗系統(tǒng)進(jìn)一步包括流體介質(zhì)，其被置于陣列和基片表面之間。提供流體介質(zhì)以將陣列生成的超聲波向基片表面?zhèn)魉?。在流體介質(zhì)中，每個(gè)換能器元件生成的超聲波相互作用(亦即相長(zhǎng)或相消地干涉)，以在流體介質(zhì)中產(chǎn)生時(shí)變壓力場(chǎng)。
提供計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)以控制輸入到每個(gè)換能器元件的包括電壓VN和相位θN的電信號(hào)參數(shù)。具體地，控制信號(hào)參數(shù)，以便在基片表面上的多個(gè)預(yù)先選擇的位置處建立基本一致的空化能量。在大多數(shù)情況下，預(yù)先選擇的位置聯(lián)合以在基片表面上形成相連區(qū)域。這樣一來(lái)，在相連區(qū)域之上就能夠?qū)崿F(xiàn)一致的清洗。如上面指示的那樣，某一位置處的空化能量和該位置處的(稀疏和壓縮之間的)壓力振蕩的范圍成比例。該壓力范圍可以被表征為具有壓力峰值。
在清洗系統(tǒng)的第一實(shí)施中，首先識(shí)別基片表面上的第一位置(相對(duì)于陣列)的坐標(biāo)。接著，計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)確定在第一位置處獲得預(yù)先選擇的(亦即目標(biāo))壓力峰值所需的包括電壓VN和相位θN的電信號(hào)參數(shù)。例如，可以建立信號(hào)參數(shù)以將超聲波能量從陣列向第一位置聚焦。這典型地在第一位置位于陣列的近場(chǎng)時(shí)進(jìn)行。
可選擇地，可以建立信號(hào)參數(shù)以將超聲波能量從陣列向第一位置轉(zhuǎn)向。這典型地在第一位置位于陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)進(jìn)行。為了計(jì)算電信號(hào)參數(shù)，計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)能夠使用以下中的一些或全部作為輸入換能器元件的數(shù)目、類型、布置和元件間的間隔；流體介質(zhì)的特性；以及第一位置的坐標(biāo)。然后對(duì)于典型地鄰近第一位置的第二位置、鄰近第二位置的第三位置等等，重復(fù)這個(gè)過(guò)程。這樣一來(lái)，就在保持一致的空化能量的同時(shí)，從位置到位置地“電子掃描”了(例如聚焦的或轉(zhuǎn)向的)定向超聲波能量。


從結(jié)合附屬說(shuō)明的附圖中，將最好地理解關(guān)于其結(jié)構(gòu)及其操作的本發(fā)明的新穎特征以及本發(fā)明本身，其中同樣的參考數(shù)字指示同樣的部分，并且其中圖1是超聲波清洗系統(tǒng)的透視圖；圖2是換能器元件的線性陣列的示意圖；圖3是換能器元件的線性陣列和該線性陣列的典型視場(chǎng)的簡(jiǎn)化透視圖；圖4是顯示被轉(zhuǎn)向到位的陣列的模擬壓力分布圖的圖形；圖5是顯示被轉(zhuǎn)向到位的陣列的模擬壓力分布圖的圖形；圖6是顯示用于聚焦的用于計(jì)算換能器元件延遲的尺寸和角度的線性陣列的示意圖，其中陣列可以具有奇數(shù)或偶數(shù)個(gè)換能器元件；圖7A顯示了對(duì)于以30度的轉(zhuǎn)向角在近場(chǎng)中轉(zhuǎn)向的N＝16的線性陣列，使用數(shù)值模擬生成的壓力對(duì)角度的曲線；圖7B顯示了對(duì)于以30度的聚焦角在近場(chǎng)中聚焦的N＝16的線性陣列，使用數(shù)值模擬生成的壓力對(duì)角度的曲線；圖8是換能器元件的二維陣列和該二維陣列的典型視場(chǎng)的簡(jiǎn)化透視圖；圖9是用于數(shù)值模擬中以確定相控陣列壓力分布的示意圖，其中陣列被模擬為以每個(gè)源由無(wú)限數(shù)目個(gè)點(diǎn)源組成的方式的多個(gè)線源的總體；以及圖10A-C是顯示對(duì)于分別用VN＝1以0°、VN＝1以30°和VN＝1.3175以30°定向的聚焦束，作為角度的函數(shù)的壓力的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，顯示了清洗系統(tǒng)，并且其通常被指示為20。功能上，提供系統(tǒng)20以使用超聲波能量來(lái)清洗基片22。如圖1所示，系統(tǒng)20包括容器24，其保持基片22的部分或全部沉浸在其內(nèi)的流體介質(zhì)26。系統(tǒng)20進(jìn)一步包括多元件換能器陣列28，其沉浸在流體介質(zhì)26中，并且電連接到計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)30。
圖2顯示了具有16個(gè)(N＝16)換能器元件32的線性換能器陣列28，其中示范性換能器元件32a-c已用參考數(shù)字標(biāo)記。如圖2所示，陣列28的參數(shù)包括每個(gè)元件32的寬度(a)；中心到中心的元件間的間隔(d)；總的縫隙尺寸(D)；以及高度尺寸(L)。如下面進(jìn)一步詳述的那樣，陣列28能夠用于產(chǎn)生定向超聲波能量。如在此使用的那樣，術(shù)語(yǔ)“定向超聲波能量”及其派生包括但并非必然地限于聚焦超聲波能量和轉(zhuǎn)向超聲波能量?？紤]到這一點(diǎn)，圖3顯示了線性陣列幾何形狀和典型的視場(chǎng)。具體地，圖3顯示了相對(duì)于陣列28的軸向、方位角和仰角。
如圖2所示，系統(tǒng)20能夠包括多個(gè)驅(qū)動(dòng)器34，其中示范性驅(qū)動(dòng)器34a-c已用參考數(shù)字標(biāo)記。如顯示的那樣，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器34連接到各個(gè)換能器元件32并生成電信號(hào)S1-S16，其被輸入到各個(gè)換能器元件32以驅(qū)動(dòng)各個(gè)元件32。每個(gè)電信號(hào)SN可以被表征為具有包括電壓VN和相位θN的信號(hào)參數(shù)。典型地，共同的頻率(f)用于每個(gè)電信號(hào)S1-S16。每個(gè)換能器元件32響應(yīng)其各自的輸入電信號(hào)SN而振動(dòng)，并從而在流體介質(zhì)26(圖1中顯示的流體介質(zhì)26)中生成各自的超聲波。
對(duì)于系統(tǒng)20，電信號(hào)SN能夠用于定向超聲波能量。通過(guò)控制每個(gè)換能器元件32的相位θN，能夠完成相位轉(zhuǎn)向(見圖4)?？梢詫⒙暿鴤鞑サ姆较蛑匦氯∠?yàn)槿魏畏轿唤?見圖3)。流體介質(zhì)中的聲場(chǎng)可以被表達(dá)為從每個(gè)元件32發(fā)射的惠更斯波。所有的單獨(dú)波陣面相加以沿著預(yù)期的方向產(chǎn)生最大聲強(qiáng)。能夠用下式計(jì)算用于轉(zhuǎn)向超聲波場(chǎng)的恒定元件間延遲Δτ0＝d sinθsc，其中Δτ0是相鄰元件之間的時(shí)間延遲，d是元件之間的距離，θs是需要的轉(zhuǎn)向角，而c是流體介質(zhì)中的波速。圖4顯示了以30°轉(zhuǎn)向的陣列的模擬數(shù)值壓力分布圖。具體地，圖4顯示了每個(gè)元件34傳播的波的軌跡，并且顯示了轉(zhuǎn)向聲波波陣面所需的波相互作用的惠更斯原理。
可選擇地，系統(tǒng)20能夠通過(guò)聚焦定向超聲波能量。具體地，電信號(hào)SN能夠用于控制每個(gè)換能器元件32的相位θN，并從而將超聲波能量聚焦到空間中的點(diǎn)(見圖5)。通過(guò)聯(lián)合球面定時(shí)關(guān)系和線性定時(shí)關(guān)系能夠完成聚焦超聲波能量，以便聚焦(從陣列28的)給定范圍的和以特定方位角(見圖3)傳播的超聲波能量。使用下式能夠計(jì)算具有奇數(shù)個(gè)元件34的陣列28的聚焦延遲Δtn=Fc{1-[1+(ndF)2-2ndFsinθs]1/2}+t0]]>其中Δtn是第N個(gè)元件需要的延遲，F(xiàn)是焦距，而t0是保持延遲為正的常數(shù)。圖5顯示了在10cm的焦距下被聚焦30°的陣列的數(shù)值壓力分布圖。
除了主波瓣(primary lobe)之外，其他波瓣由于惠更斯波的相長(zhǎng)加強(qiáng)也可以存在。這些恒定相位的另外平面被稱作柵瓣，并且能夠通過(guò)使元件間的間隔小于dmax來(lái)消除，其中dmax=λ1+sin(θs)maxN-1N]]>其中(θs)max是預(yù)期的最大操作轉(zhuǎn)向角。
現(xiàn)在參考圖6，將陣列28聚焦到基片22的表面38上的第一位置36的延遲可以被計(jì)算如下，其中所述陣列28可以具有任何數(shù)目的元件34(亦即奇數(shù)或偶數(shù)個(gè)元件)，此處元件n＝0，1，...，N-1，其中N是元件總的數(shù)目(Fcosθs)2+[Fsinθs-(nd-N-12d)]2=[F-(tn-t0)c]2]]>注意在圖3中，第一元件(n＝0)在陣列的右手側(cè)開始。求解tn，我們得到tn=Fc{1-[1+(dF(n-N-12))2-2sinθsdF(n-N-12)]1/2}+t0]]>[方程1]通過(guò)將邊界條件(對(duì)于n＝0，tn＝0)代入上面的[方程1]，能夠確定常數(shù)t0，這導(dǎo)致t0=-Fc{1-[1+(dF(-N-12))2-2sinθsdF(-N-12)]1/2}]]>[方程2]將[方程2]代入[方程1]，可得tn=Fc{1-[1+(dF(n-N-12))2-2dF(n-N-12)sinθs]1/2}]]>-Fc{1-[1+(dF(-N-12))2-2dF(-N-12)sinθs]1/2}]]>簡(jiǎn)化后，需要的元件聚焦延遲的通解能夠被寫成tn=Fc{[1+(N‾dF)2+2N‾dFsinθs]1/2-[1+((n-N‾)dF)2-2(n-N‾)dFsinθs]1/2}]]>其中N＝(N-1)/2，tn是元件n的需要的延遲，其中n＝0，1，...，N-1，d是元件之間的中心到中心的間隔，F(xiàn)是從陣列的中心的焦距，θs是從陣列的中心的轉(zhuǎn)向角，N是元件總的數(shù)目(偶數(shù)或奇數(shù))，而c是波速。這個(gè)通用化的聚焦時(shí)間延遲公式對(duì)任何數(shù)目的陣列元件(偶數(shù)或奇數(shù))都是有效的。進(jìn)而，通過(guò)消去常數(shù)t0，該公式保證了不必比必要的還要大的正時(shí)間延遲。
聚焦到超越由ZTR=D24λ]]>規(guī)定的過(guò)渡范圍ZTR的范圍，產(chǎn)生了類似于轉(zhuǎn)向的壓力分布圖。在這個(gè)方程中，D是陣列的總體尺寸，而λ是流體介質(zhì)中的波長(zhǎng)。過(guò)渡范圍分開了陣列28的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)。對(duì)于陣列28的近場(chǎng)之內(nèi)的目標(biāo)位置(亦即小于ZTR的距離處)，聚焦可以用于增加系統(tǒng)分辨率。另一方面，在遠(yuǎn)場(chǎng)中，聚焦的方向性會(huì)聚成轉(zhuǎn)向的方向性。例如，圖7A顯示了對(duì)于以30度的轉(zhuǎn)向角在近場(chǎng)中轉(zhuǎn)向的d＝9.4mm、N＝16的線性陣列，壓力對(duì)角度的曲線。為了比較，圖7B顯示了對(duì)于以30度的聚焦角在近場(chǎng)中聚焦到從陣列0.3m的點(diǎn)的d＝18.8mm、N＝16的線性陣列，壓力對(duì)角度的曲線。兩個(gè)曲線都使用數(shù)值模擬生成，并且針對(duì)介質(zhì)中的80kHz超聲波，其中波速為1500m/s。比較圖7A和圖7B，能夠看到，和轉(zhuǎn)向相比，聚焦能夠用于在近場(chǎng)中產(chǎn)生更好的方向性。
圖2中顯示的線性陣列28能夠用于在方位角方向上產(chǎn)生二維轉(zhuǎn)向和聚焦。另外，通過(guò)修改陣列28的高度(L)，能夠控制仰角寬度。具體地，高度(L)越大，束在仰角方向上將越窄。圖8顯示了具有換能器元件132的二維(矩陣)陣列128，其能夠用在系統(tǒng)20中以在仰角和方位角上定向超聲波能量。盡管只顯示了線性和矩陣陣列，但是可以意識(shí)到，在系統(tǒng)20中能夠使用諸如環(huán)形陣列或不規(guī)則陣列之類的其他陣列配置以定向超聲波能量，并且能夠?qū)⒃诖伺兜墓綌U(kuò)展到這些二維和三維陣列。
使用現(xiàn)在規(guī)定的延遲公式，能夠以解析形式導(dǎo)出壓力分布。對(duì)于單個(gè)元件34，壓力分布能夠被表達(dá)為
p(r,θ,t)=p0rsinkasinθ2ksinθ2exp(-jkasinθ2)exp[j(wt-kr)]]]>根據(jù)惠更斯原理，用于聚焦和轉(zhuǎn)向的相控陣列的壓力分布是單個(gè)元件的壓力的疊加p(r,θ,t)=Σn=0N-1pn(r,θ,t)]]>=Σn=0n-1p0rsin(kasinθ2)ksinθ2exp(-jkasinθ2)exp[j(wtn-krn)]]]>≈Σn=0N-1p0rsin(kasinθ2)ksinθ2exp(-jkasinθ2)exp[j(w(t-Δtn)-k(r-ndsinθ))]]]>這導(dǎo)致了用于束聚焦的壓力分布的最終解析表達(dá)式p(r,θ,t)]]>=p0arsin(kasinθ2)kasinθ2exp(-jkasinθ2)(Σn=0N-1exp[j(An+Bn2)])exp[j(wt-kr)]]]>其中A=c(N-1)2Ftan2θsΔτ02-ωΔτ0+kdsinθ]]>B=cΔτ022Ftan2θs]]>用于束轉(zhuǎn)向的壓力分布的最終解析表達(dá)式為
p(r,θ,t)]]>=p0arsin(kasinθ2)kasinθ2exp(-jkasinθ2)exp[j(ωt-kr)]Σj=0N-1exp[j(-ωΔτ02+kdsinθ)]]]>=p0arsin(kasinθ2)kasinθ2sin[(ωΔτ0-kdsinθ2)N]sin(ωΔτ0-kdsinθ2)exp[-j(kasinθ2)]]]>×exp[-j(ωΔτ0-kdsinθ2)(N-1)]exp[j(ωt-kr)]]]>盡管不能將用于聚焦的壓力分布簡(jiǎn)化成封閉形式，但是數(shù)值方法能夠用于計(jì)算任何位置(r，θ)處的壓力。
能夠基于惠更斯原理進(jìn)行數(shù)值模擬，這表明，通過(guò)相加若干單個(gè)源貢獻(xiàn)的相位和振幅，能夠分析波相互作用。圖9顯示了通過(guò)相加組成給定元件的離散數(shù)目的單個(gè)源的貢獻(xiàn)是如何能夠獲得任意給定點(diǎn)處的壓力的。每個(gè)都由余弦包絡(luò)(cosine envelope)的乘積修改的所有元件的貢獻(xiàn)然后被加起來(lái)。對(duì)于聚焦，包括在近場(chǎng)中的聚焦，從源的給定距離處的壓力能夠被計(jì)算如下p(r,θ,t)=p0rexp[j(ωt-kr)-αr](cosθ)]]>其中p0是初始?jí)毫?Pa)，α是衰減系數(shù)(Np/m)，而r是從源的徑向距離(m)。類似地，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)中的轉(zhuǎn)向或聚焦，從源的給定距離處的壓力能夠被計(jì)算如下p(r,θ)=p0aj(λ)1/2e2jπr/λsin(πasinθλ)(πasinθλ)cosθ]]>操作用對(duì)圖1和6的初始交叉參考能夠最好地意識(shí)到清洗系統(tǒng)20的操作。首先，識(shí)別基片22的表面38上的第一位置36(相對(duì)于陣列)的坐標(biāo)。在系統(tǒng)20的一個(gè)實(shí)施中，通過(guò)分析來(lái)自陣列28生成的定向超聲波能量的反射回波，能夠確定基片22的表面38上的第一位置36和其他需要清洗的位置的坐標(biāo)。使用已知的第一位置36的坐標(biāo)，計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)使用上面提供的數(shù)學(xué)表達(dá)式計(jì)算在第一位置36處獲得預(yù)先選擇的(亦即目標(biāo))壓力峰值所需的包括電壓VN和相位θN的電信號(hào)參數(shù)SN(同樣見圖2)?？蛇x擇地，能夠配置信號(hào)參數(shù)SN以在第一位置處獲得預(yù)先選擇的(亦即目標(biāo))波速梯度，其中波速梯度v能夠被計(jì)算如下ν(r，θ，t)＝ν0+p0(r，θ，t)/ρc其中ρ是流體介質(zhì)26的密度，c是流體介質(zhì)26中的波速，v0是初始速度狀態(tài)，而p0是初始?jí)毫顟B(tài)?？刂撇ㄋ偬荻饶軌蛴糜诳刂瓢ㄋ^的斯列茨汀流的聲流。聲流有利于污染物從基片表面轉(zhuǎn)移，并從而增強(qiáng)了清洗。
能夠建立信號(hào)參數(shù)以從陣列28向第一位置36定向(例如聚焦或轉(zhuǎn)向)超聲波能量。當(dāng)?shù)谝晃恢梦挥陉嚵?8的近場(chǎng)時(shí)，信號(hào)參數(shù)被典型地計(jì)算用于聚焦的超聲波能量。另一方面，對(duì)于位于陣列28的遠(yuǎn)場(chǎng)的第一位置36，能夠有效地使用聚焦或轉(zhuǎn)向。
如圖2所示，一旦計(jì)算了參數(shù)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器34就生成電信號(hào)SN，其被輸入到各個(gè)換能器元件34以驅(qū)動(dòng)各個(gè)元件34。典型地，使用連續(xù)的(亦即非脈沖的)超聲波能量一段預(yù)期的時(shí)間，直到第一位置36已被清洗到足夠水平的清潔度為止。然而，系統(tǒng)20能夠用于定向具有預(yù)先選擇的忙閑度的脈沖超聲波能量以清洗第一位置36。注意在某種情況下，每個(gè)信號(hào)的電壓VN對(duì)于所有的元件34可以不是相同的，另外，可以計(jì)算信號(hào)參數(shù)以克服陰影的影響(亦即一個(gè)或多個(gè)元件34可能由于基片22的幾何形狀而不和表面40上的位置處于瞄準(zhǔn)線上)。
接著，清洗第二位置(例如圖6中顯示的位置40)，其典型地但非必然地鄰近第一位置36。為了清洗第二位置40，計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)30獲得了第二位置40的坐標(biāo)。這些坐標(biāo)能夠被預(yù)編程到用于具有已知表面幾何形狀的基片22的數(shù)據(jù)庫(kù)中，使用反射回波測(cè)量，或者使用相關(guān)技術(shù)中已知的任何其他技術(shù)確定。使用第二位置40的坐標(biāo)，計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)30計(jì)算在第二位置40處獲得預(yù)先選擇的(亦即目標(biāo))壓力峰值所需的包括電壓VN和相位θN的電信號(hào)參數(shù)SN(同樣見圖2)。典型地，希望在相連區(qū)域之上的一致清洗。為此，可以控制信號(hào)參數(shù)，以在基片22的表面38上的多個(gè)預(yù)先選擇的位置處建立基本一致的空化能量(亦即，目標(biāo)壓力峰值對(duì)于位置36、40是相同的)。隨著第二位置被清洗，然后如希望的那樣對(duì)于另外的位置重復(fù)上述過(guò)程。
例如，考慮圖6中顯示的位置36和42的清洗。位置42處于0度的角度θs和從陣列280.3m的距離，而位置36處于30度的角度θs和從陣列280.3464m的距離。圖10A顯示了對(duì)于聚焦束的位置42處的計(jì)算的壓力，其中所有的元件34具有1的輸入電壓VN。如圖10A所示，結(jié)果是3.2871(任意壓力單位)的峰值壓力。圖10B顯示了對(duì)于聚焦束的位置36處的計(jì)算的壓力，其中所有的元件34具有1的輸入電壓VN(亦即和用于生成圖10A相同的輸入電壓)。如顯示的那樣，結(jié)果是2.4948(任意壓力單位)的峰值壓力，這不同于對(duì)位置42所計(jì)算的峰值壓力。為了在位置36處獲得3.2871的峰值壓力，上面披露的方程能夠用于計(jì)算需要的輸入電壓VN。在這種情況下，需要輸入電壓VN＝1.3175以在位置36處獲得3.2871的峰值壓力。具體地，圖10C顯示了對(duì)于聚焦束的位置36處的計(jì)算的壓力，其中所有的元件34具有輸入電壓VN＝1.3175。注意圖10A-C中顯示的計(jì)算的壓力是針對(duì)在介質(zhì)中生成80kHz超聲波的具有d＝9.4mm、N＝16的線性陣列，其中波速為1500m/s。
如圖1所示，傳感器42，其可以例如是空化儀、水聽器或聲致發(fā)光探測(cè)器，能夠用于代替或者添加到上述的計(jì)算方法中，以確定在基片22的表面38上的位置(例如圖6中顯示的位置36)處獲得預(yù)先選擇的(亦即目標(biāo))壓力峰值所需的包括電壓VN和相位θN的電信號(hào)參數(shù)SN。另外，能夠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的表面清潔度測(cè)試，以確保已在位置處獲得了預(yù)先選擇的(亦即目標(biāo))壓力峰值。
在另一個(gè)實(shí)施中，計(jì)算相位θN以向位置定向超聲波能量，并且在該位置處進(jìn)行傳感器測(cè)量。接著，使用測(cè)量結(jié)果調(diào)整包括電壓VN和相位θN的陣列參數(shù)，直到在該位置處獲得預(yù)期的峰值壓力為止。這樣一來(lái)，在這個(gè)實(shí)施中，就沒有使用計(jì)算。在又一個(gè)實(shí)施中，如上所述計(jì)算電壓VN和相位θN，并且傳感器42用于驗(yàn)證獲得了目標(biāo)峰值壓力(亦即，傳感器42用于校準(zhǔn)陣列28和計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)30)。必要時(shí)，傳感器測(cè)量能夠用于調(diào)整電壓VN，直到獲得目標(biāo)峰值壓力為止。
盡管如在此顯示和詳細(xì)披露的那樣，用于使用相控?fù)Q能器陣列的超聲波清洗的特定系統(tǒng)和方法，足以能夠達(dá)到目的并提供聲明之前在此的優(yōu)點(diǎn)，但是可以理解，這僅僅是說(shuō)明性的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并且除了如附加的權(quán)利要求中說(shuō)明的那樣之外，并不打算限于在此顯示的構(gòu)造或設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種用于清洗基片表面的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括以陣列方式布置的“N”多個(gè)換能器元件，每個(gè)所述換能器元件用于傳播各自的超聲波；多個(gè)驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)所述驅(qū)動(dòng)器用于向各個(gè)換能器元件提供電信號(hào)SN以驅(qū)動(dòng)所述元件，每個(gè)所述電信號(hào)SN具有電壓VN和相位θN；流體介質(zhì)，其被置于所述陣列和所述基片之間，以從所述陣列向所述基片傳送所述超聲波；以及用于控制提供給每個(gè)所述元件的所述信號(hào)SN的所述電壓VN和相位θN的裝置，以在所述基片表面上的多個(gè)預(yù)先選擇的位置處建立預(yù)先選擇的壓力峰值，以便用基本一致的空化能量清洗所述位置。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述預(yù)先選擇的位置合并而在所述基片表面上形成相連區(qū)域。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述壓力峰值是所述流體介質(zhì)中的最小壓力。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述控制裝置在所述多個(gè)預(yù)先選擇的位置處建立預(yù)先選擇的波速梯度。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，以線性陣列的方式布置所述換能器元件。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，以二維平面陣列的方式布置所述換能器元件。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括傳感器，其用于檢測(cè)所述流體介質(zhì)中的位置處的性質(zhì)以校準(zhǔn)所述控制裝置，所述傳感器從由空化儀、水聽器和聲致發(fā)光探測(cè)器組成的傳感器組中選擇。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，配置所述控制裝置以順序地向每個(gè)所述位置轉(zhuǎn)向超聲波能量。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，配置所述控制裝置以順序地在每個(gè)所述位置處聚焦超聲波能量。
10.一種用于清洗基片表面的方法，所述方法包括以下步驟將“N”多個(gè)換能器元件布置成陣列，每個(gè)所述換能器元件用于傳播各自的超聲波；向每個(gè)換能器元件提供各自的電信號(hào)SN以振動(dòng)每個(gè)所述元件，每個(gè)所述電信號(hào)SN具有包括電壓VN和相位θN的信號(hào)參數(shù)；將流體介質(zhì)置于所述陣列和所述基片之間，以從所述陣列向所述基片傳送所述超聲波；控制提供給每個(gè)所述元件的所述信號(hào)參數(shù)，以向所述基片表面上的第一位置定向超聲波能量，并且在所述第一位置處建立壓力峰值；以及改變提供給每個(gè)所述元件的所述信號(hào)參數(shù)，以向所述基片表面上的第二位置定向超聲波能量，并且在所述第二位置處建立壓力峰值，所述第一位置處的所述壓力峰值基本上等于所述第二位置處的所述壓力峰值。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟確定所述第一和第二位置相對(duì)于所述陣列的坐標(biāo)，并且通過(guò)從每個(gè)所述換能器元件聚焦所述超聲波來(lái)將所述超聲波能量定向到所述坐標(biāo)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述布置步驟將所述第一位置放置在所述陣列的近場(chǎng)中。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，通過(guò)從每個(gè)所述換能器元件轉(zhuǎn)向所述超聲波來(lái)定向所述超聲波能量。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述壓力峰值足以在所述流體中造成空化氣泡。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述布置步驟以線性陣列的方式安置所述換能器元件。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述布置步驟以二維平面陣列的方式安置所述換能器元件。
17.一種用于清洗基片表面的方法，所述方法包括以下步驟將“N”多個(gè)換能器元件布置成陣列，每個(gè)所述換能器元件用于傳播各自的超聲波；將流體介質(zhì)置于所述陣列和所述基片之間，以從所述陣列向所述基片傳送所述超聲波；向每個(gè)換能器元件輸入各自的電信號(hào)SN以驅(qū)動(dòng)每個(gè)所述元件并向所述基片表面上的位置定向超聲波能量，每個(gè)所述電信號(hào)SN具有包括電壓VN和相位θN的信號(hào)參數(shù)；在所述位置處測(cè)量表示峰值壓力的性質(zhì)；以及使用所述性質(zhì)測(cè)量結(jié)果來(lái)修改提供給每個(gè)所述元件的所述信號(hào)參數(shù)，并在所述位置處獲得預(yù)先選擇的峰值壓力。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，使用從由空化儀、水聽器和聲致發(fā)光探測(cè)器組成的傳感器組中選擇的傳感器來(lái)完成所述測(cè)量步驟。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，使用表面清潔度測(cè)試來(lái)完成所述測(cè)量步驟。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述布置步驟以陣列配置的方式安置所述換能器元件，所述陣列配置從由線性陣列和二維平面陣列組成的陣列配置組中選擇。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟通過(guò)分析所述陣列生成的定向超聲波能量的反射回波來(lái)確定所述位置的坐標(biāo)。
全文摘要
使用超聲波能量清洗基片表面(22)的系統(tǒng)(20)包括“N”個(gè)換能器元件的陣列。提供具有包括電壓V
文檔編號(hào)B08B3/12GK1795057SQ200480014083
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2004年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月22日
發(fā)明者勞倫斯·阿扎爾 申請(qǐng)人:勞倫斯·阿扎爾