CN105413905A - 一种二相流雾化喷射清洗装置及清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二相流雾化喷射清洗装置及清洗方法，通过在喷嘴主体内设置带有预设角度的液体导向出口的多路液体分流管路，以及带有垂直气体导向出口的出气网板，可使喷射出的高速液体流与高速气体流产生充分地相互作用，形成颗粒尺寸均一、可调的超微雾化液滴，并在雾化颗粒导向出口的加速及导向作用下向下喷向晶圆表面进行移动雾化清洗，本发明可大大缩小雾化颗粒尺寸，减小其具有的能量，从而可避免对晶圆表面图形结构造成损伤，并可提高清洗质量和效率，节约清洗成本。

Description

一种二相流雾化喷射清洗装置及清洗方法

技术领域

本发明涉及半导体清洗设备技术领域，更具体地，涉及一种二相流雾化喷射清洗装置及清洗方法。

背景技术

随着半导体集成电路制造技术的高速发展，集成电路芯片的图形特征尺寸已进入到深亚微米阶段，导致芯片上超细微电路失效或损坏的关键沾污物(例如颗粒)的特征尺寸也随之大为减小。

在集成电路的制造工艺过程中，半导体晶圆通常都会经过诸如薄膜沉积、刻蚀、抛光等多道工艺步骤。而这些工艺步骤就成为沾污物产生的重要场所。为了保持晶圆表面的清洁状态，消除在各个工艺步骤中沉积在晶圆表面的沾污物，必须对经受了每道工艺步骤后的晶圆表面进行清洗处理。因此，清洗工艺成为集成电路制作过程中最普遍的工艺步骤，其目的在于有效地控制各步骤的沾污水平，以实现各工艺步骤的目标。

为了清除晶圆表面的沾污物，在进行单片湿法清洗工艺时，晶圆将被放置在清洗设备的旋转平台(例如旋转卡盘)上，并按照一定的速度旋转；同时向晶圆的表面喷淋一定流量的清洗药液，对晶圆表面进行清洗。

在通过清洗达到去除沾污物目的的同时，最重要的是要保证对晶圆、尤其是对于图形晶圆表面图形的无损伤清洗。

随着集成电路图形特征尺寸的缩小，晶圆表面更小尺寸的沾污物的去除难度也在不断加大。因此，很多新型清洗技术在清洗设备上也已得到较广泛的应用。其中，在单片湿法清洗设备上，利用雾化清洗技术可以进一步改善清洗工艺的效果。在雾化清洗过程中，雾化颗粒会对晶圆表面的液膜产生一个冲击力，并在液膜中形成快速传播的冲击波。冲击波作用于颗粒污染物上时，一方面可以加快污染物从晶圆表面脱离的过程；另一方面，冲击波会加速晶圆表面清洗药液的流动速度，促使颗粒污染物更快地随着药液的流动而被带离晶圆表面。

然而，目前常见的雾化清洗装置所产生的雾化颗粒尺寸较大，且雾化颗粒所具有的能量也较高，当这些雾化清洗装置应用在65纳米及以下技术代的晶圆清洗工艺中时，很容易造成表面图形损伤等问题。同时液相流体的利用率较低，导致资源的极度浪费。

为了减少对晶圆表面图形的损伤，需要进一步缩小喷射出的液体颗粒的尺寸，并且更好地控制雾化颗粒的运动方向、运动速度、运动轨迹以及均匀性等，来减小液体颗粒对图形侧壁和边角的损伤，提高清洗质量和效率，节约清洗成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种结构简单、重复性好的二相流雾化喷射清洗装置及清洗方法，通过合理的结构设计以及相应的工艺参数调整，完成气液两相雾化过程，形成尺寸均一的超微液体颗粒喷雾，并利用载气使雾化颗粒以一定的动能垂直运动至晶圆表面，完成对晶圆的移动雾化清洗过程，可减小液体颗粒对晶圆图形侧壁和边角的损伤，提高清洗质量和效率，节约清洗成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种二相流雾化喷射清洗装置，用于对放置在清洗腔内旋转平台上的晶圆进行雾化清洗，所述清洗装置包括：

喷嘴主体，其内部设有液体管路，环绕液体管路设有气体管路，喷嘴主体下端设有气液导向部件，气液导向部件以一定对称关系水平设有连通液体管路的多路液体分流管路，各液体分流管路之间具有连通气体管路的出气网板，出气网板垂直设有密布的多数个气体导向出口，沿各液体分流管路设有与喷嘴主体轴线呈预设角度下倾的多数个液体导向出口；所述液体导向出口和/或气体导向出口为直管形、螺旋管形或拉瓦尔喷管结构；

进液管路和进气管路，连接设于一喷淋臂上，并分别连通喷嘴主体内的液体管路、气体管路，所述喷淋臂带动喷嘴主体作过晶圆圆心的圆弧往复运动；

雾化颗粒导向出口，围绕设于气液导向部件下方，其为拉瓦尔喷管结构或具有竖直的内壁；

其中，由液体导向出口喷出的液体与由气体导向出口喷出的气体在气液导向部件下方相交形成雾化颗粒，并经雾化颗粒导向出口向下喷向晶圆表面。

优选地，所述喷嘴主体的横截面形状包括圆形、三角形或多边形，所述气液导向部件的多路液体分流管路以液体管路下端为共同连通点，并按均匀的辐条状设置，相邻液体分流管路之间形成近似扇形的出气网板，各液体分流管路的液体导向出口位于出气网板下方，并朝向其对应一侧出气网板的气体导向出口方向向下倾斜设置。

优选地，所述拉瓦尔喷管结构依次包括收缩管、窄喉、扩张管，所述收缩管和/或扩张管的纵截面具有直线或弧线形的管壁形状。

优选地，所述窄喉为一段定径管。

优选地，所述液体分流管路具有与喷嘴主体的垂直轴线呈预设角度下倾的一端面，所述液体导向出口由该端面垂直引出。

优选地，所述预设角度为10～80°。

优选地，所述预设角度为30～60°。

优选地，所述液体导向出口和/或气体导向出口为直管或螺旋管形时，其截面形状包括圆形、三角形、多边形；优选地，所述气体导向出口和/或液体导向出口的直径或顶底高为1～1000μm；进一步优选地，所述气体导向出口和/或液体导向出口的直径或顶底高为200～400μm。

优选地，所述进液管路由喷嘴主体的上端面中部或上端侧部进入喷嘴主体内连通液体管路，所述进气管路对应由喷嘴主体的上端侧部或上端面中部进入喷嘴主体内连通气体管路。

优选地，当所述进气管路由喷嘴主体的上端侧部进入喷嘴主体内连通气体管路时，在其气体进口下方的所述气体管路内环绕液体管路水平设置一气体隔板，所述气体隔板设有环绕液体管路的一系列不同尺寸的通孔，其按远离气体进口的方向尺寸依次减小。

优选地，所述通孔的形状包括圆形、三角形或多边形。

优选地，所述气体隔板设有一环绕液体管路的弧形通孔，其按远离气体进口的方向开口逐渐减小。

优选地，所述喷嘴主体的横截面形状为扇形，所述气液导向部件的多路液体分流管路以一与扇形轴线重合的液体分流管路为主干，并通过该主干液体分流管路连通液体管路下端，其他的液体分流管路对称分列其两侧，并与同侧扇形的边平行；液体分流管路以外区域形成出气网板，沿各液体分流管路设有两列分别朝向其两侧方向下倾并与喷嘴主体的垂直轴线呈预设角度设置的液体导向出口。

优选地，所述喷嘴主体的形状为水平的长条形，其内部沿长轴方向并列设有液体管路和气体管路，并各自连通进液管路、进气管路，在液体管路和气体管路底部、沿其长轴方向各自设有与其连通的若干列平行设置的液体导向出口、气体导向出口，各液体导向出口、气体导向出口在喷嘴主体的水平轴线两侧对称排列，并与该水平轴线呈相同的预设角度相向下倾设置，雾化颗粒导向出口围绕设于液体导向出口和气体导向出口下方。

优选地，所述喷嘴主体通过与其配合外设的旋转部件进行转动，在所述喷嘴主体一侧、沿其转动方向外设一垂直方向的保护罩。

优选地，所述喷嘴主体具有一球形部，所述旋转部件为环绕该球形部并可转动卡接的旋转卡扣；所述保护罩连接设于旋转卡扣下方，其具有弧形的遮挡面。

优选地，还包括一液体清洗管路，设于清洗腔内，并位于旋转平台的斜上方，其出口朝向旋转平台的中心设置；或者，液体清洗管路可连接设于喷淋臂上，其出口位于所述喷嘴主体一侧，并垂直向下设置。

一种使用上述的二相流雾化喷射清洗装置的清洗方法，包括：设定喷淋臂的运动轨迹和清洗工艺菜单，开始清洗工艺，先启动晶圆转动，并打开液体清洗管路，向晶圆表面大流量喷射清洗液体，以在晶圆表面形成一层均匀分布的清洗液体薄膜；接着打开进液管路，向喷嘴主体内的液体管路通入一定流量的清洗液体，同时打开进气管路，向喷嘴主体内的气体管路通入一定流量的气体，使从液体导向出口喷出的清洗液体以预设的角度倾斜射向从气体导向出口喷出的气体并发生雾化作用形成超微雾化颗粒，然后在雾化颗粒导向出口的垂直导向或拉瓦尔喷管结构的加速作用下，射入晶圆表面的清洗液体薄膜层内，以对晶圆进行移动雾化清洗。

优选地，所述液体清洗管路的清洗液体流量为100～2000ml/min，所述进液管路的清洗液体流量为10～500ml/min，所述进气管路的气体流量为10～150L/min。

进一步优选地，所述液体清洗管路的清洗液体流量为500～1000ml/min，所述进液管路的清洗液体流量为50～200ml/min，所述进气管路的气体流量为60～100L/min。

优选地，打开液体清洗管路后，间隔3～10s再同时打开进液管路和进气管路。

优选地，所述清洗液体包括化学药液或超纯水，所述气体包括氮气、二氧化碳或压缩空气。

优选地，所述液体清洗管路和进液管路中通入的清洗液体可以相同、也可以不同。

本发明具有以下优点：

1、通过由液体导向出口和气体导向出口形成的雾化喷嘴结构，使其喷射的高速液体流与高速气体流产生充分地相互作用，并可通过调整管路流量，来形成颗粒尺寸均一、可调的超微雾化液滴，可大大缩小雾化颗粒尺寸，减小其具有的能量，避免对晶圆表面图形结构造成损伤；当雾化颗粒导向出口具有拉瓦尔喷管结构时，可在进气管路和进液管路保持流量不变的情况下，使从装置末端出***出的雾化颗粒具有更高的速度，以提高清洗效率。

2、当雾化颗粒导向出口具有竖直内壁结构时，通过雾化颗粒导向出口产生的垂直导向作用，在工艺过程中可使气流方向与晶圆表面相垂直，促进表面沟槽图形中的杂质向流体主体的传递，提高清洗的效率，改善清洗效果，并可减少雾化颗粒对晶圆表面图形结构的横向剪切力，防止晶圆表面图形结构的损伤；同时，有利于节约清洗液体。

3、可形成尺寸均一、可调的雾化颗粒冲洗晶圆表面，由于雾化颗粒的质量小，而且还可使晶圆表面预先存在一层由液体清洗管路以大流量喷射形成的清洗液体薄膜，从而可减少对晶圆表面结构的冲击力，并可减少对晶圆表面图形结构的损伤；同时，可利用雾化颗粒撞击清洗液体薄膜时产生的冲击波作用于颗粒污染物上，一方面可以加快污染物从晶圆表面脱离的过程，另一方面，冲击波会加速晶圆表面清洗药液的流动速度，促使颗粒污染物更快地随着药液的流动而被带离晶圆表面。

4、带有螺旋形液体/气体导向出口的喷嘴气液导向部件设计，可改善清洗液体的雾化效率，减小雾化颗粒的直径，提高雾化颗粒的均匀性；而带有拉瓦尔喷管结构的液体/气体导向出口设计，可使液体/气体从其出口喷出时具有更高的速度。

5、喷嘴主体可以设计成为扇形、三角形、多边形或者是条状，能够提高喷嘴的覆盖面积，增大雾化喷嘴在同一时间的清洗面积，改善清洗均匀性，提高装置的清洗效率。

6、通过在气体管路内设置气体隔板，可实现均匀的气体流场分布，改善雾化颗粒尺寸和数量分布的均匀性。

7、喷嘴主体外部增设旋转部件和保护罩结构，可使喷嘴与晶圆表面成一定角度，朝向远离晶圆中心方向，对准晶圆边缘清洗，以有效去除晶圆边缘的污染物，并可防止清洗液体溅射造成的二次污染。

附图说明

图1～图2是本发明一较佳实施例中具有圆形喷嘴主体的一种二相流雾化喷射清洗装置结构示意图；

图3～图8是图2的不同结构变化图；

图9～图14是图2中气液导向部件的不同结构变化放大图；

图15～图17是本发明一较佳实施例中具有三角形喷嘴主体的一种二相流雾化喷射清洗装置结构示意图；

图18～图21是本发明一较佳实施例中具有扇形喷嘴主体的一种二相流雾化喷射清洗装置结构示意图；

图22～图23是本发明一较佳实施例中具有五边形喷嘴主体的一种二相流雾化喷射清洗装置结构示意图；

图24～图25是本发明一较佳实施例中具有长条形喷嘴主体的一种二相流雾化喷射清洗装置结构示意图；

图26是一种喷嘴主体内气体管路内部流场非均匀分布示意图；

图27～图32是本发明一较佳实施例中具有气体隔板的一种二相流雾化喷射清洗装置结构示意图；

图33～图34是本发明一较佳实施例中的一种可转动二相流雾化喷射清洗装置结构示意图；

图35～图36是本发明一较佳实施例中的一种二相流雾化喷射清洗装置位于清洗腔内时的结构示意图；

图37是清洗过程中喷淋臂的运动轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，先请参阅图1～图2，图1～图2是本发明一较佳实施例中具有圆形喷嘴主体的一种二相流雾化喷射清洗装置结构示意图。如图1所示，其显示本发明清洗装置的外形结构。本发明的一种二相流雾化喷射清洗装置，从外部看包括：喷嘴主体3、进液管路2和进气管路1、位于喷嘴主体下端的雾化颗粒导向出口4。其中喷嘴主体3的横截面形状可包括圆形、三角形或多边形，以及扇形、长条形等。

如图2所示，其显示图1清洗装置的内部结构。在喷嘴主体3内部设有液体管路6，环绕液体管路设有气体管路5。进液管路2和进气管路1分别连通喷嘴主体内的液体管路6、气体管路5，分别用于通入清洗液体、气体。在喷嘴主体下端、即位于液体管路6和气体管路5下方设有气液导向部件7，用于将液体管路中的清洗液体和气体管路中的清洗气体导出并形成雾化颗粒，然后经雾化颗粒导向出口4向下喷向晶圆表面。雾化颗粒导向出口4围绕设于气液导向部件7下方，其具有图示的拉瓦尔(Laval)喷管结构8，或者也可具有竖直的内壁结构。

为提高雾化颗粒从清洗装置末端射出的速度，可以对雾化颗粒导向出口的结构进行优化，将雾化颗粒导向出口设计成为具有拉瓦尔喷管的结构，从而在进气管路和进液管路的流量保持不变的情况下，可使从装置末端出***出的雾化颗粒具有更高的速度，以提高清洗效率。如图2所示，以具有圆形横截面的喷嘴主体为例，可将所述雾化颗粒导向出口4设计成拉瓦尔喷管结构8，该拉瓦尔喷管结构8自上而下依次包括收缩管、窄喉、扩张管。

在拉瓦尔喷管的收缩管部分，气体运动遵循“截面小处流速大，截面大处流速小”的规律，因此气流不断被加速。达到窄喉时，气体的流速超过音速，而超音速的流体在扩张管部分运动时不再遵循上述规律，而是恰恰相反，截面越大，流速越快。因此，可以利用该原理，将雾化颗粒导向出口4设计成具有拉瓦尔喷管的结构8，来使从清洗装置射出的雾化颗粒具有更高的速度，以提高清洗效率，节约清洗所消耗的清洗药液和高压气体。

接下来请参阅图3～图8，图3～图8是图2的不同结构变化图。如图3所示，作为一可选的实施方式，在拉瓦尔喷管结构8中，窄喉部可采用一段定径管形式，即在收缩管和扩张管的两部分锥形管中间加入一段直径固定的过渡部分。这样可使得气体在通过窄喉的定径管段后，其绝大部分在定径管的约束下仍能以垂直的方向喷射到晶圆表面。

如图3～图6所示，作为不同的实施方式，拉瓦尔喷管结构8的收缩管和扩张管其中之一或两者的纵截面可具有直线或弧线形的管壁形状，即为锥形管或近似碗形结构，以便对经过的气流速度及方向进行适当地调节。

如图7所示，作为不同的实施方式，雾化颗粒导向出口4也可具有竖直的内壁结构，其作用是使运动方向与喷嘴主体3垂直轴向不平行的雾化颗粒撞击在雾化颗粒导向出口4的侧壁上，以保证所有到达晶圆表面液膜的雾化颗粒的运动方向垂直于晶圆，防止横向剪切力造成对晶圆表面图形结构的破坏。

作为不同的可选方式，如图1～图6所示，所述进液管路2可由喷嘴主体3的上端面中部进入喷嘴主体内连通液体管路6，所述进气管路1对应可由喷嘴主体3的上端侧部进入喷嘴主体内连通气体管路5。也可以如图8所示，所述进液管路2由喷嘴主体3的上端侧部进入喷嘴主体内连通液体管路6(这需要穿过气体管路5)，所述进气管路1对应由喷嘴主体3的上端面中部进入喷嘴主体内连通气体管路5。进液管路和进气管路在喷嘴主体上的接入口也可位于其他部位，并可采用其他的接入方式，本发明不作限定。

请接着参阅图9～图14，图9～图14是图2中气液导向部件的不同结构变化放大图。以具有圆形横截面的喷嘴主体为例，如图9所示，气液导向部件7以一定对称关系水平设有连通液体管路的多路液体分流管路9，例如在本实施例中，所述气液导向部件的多路液体分流管路9以液体管路下端13为共同连通点，并按均匀的辐条状设置；各液体分流管路9之间具有连通气体管路的出气网板10，例如在本实施例中，相邻液体分流管路之间形成扇形的出气网板；出气网板10垂直设有密布的多数个气体导向出口12，沿各液体分流管路9设有与喷嘴主体垂直轴线呈预设角度下倾的多数个液体导向出口11，例如在本实施例中，各液体分流管路的液体导向出口11位于出气网板10下方，并朝向其对应一侧(图示为左侧)出气网板的气体导向出口12方向向下倾斜设置。在实际制作时，可在所述液体分流管路9下端加工出一个与喷嘴主体的垂直轴线呈预设角度的下倾端面，然后将所述液体导向出口11由该端面垂直引出即可。作为可选的实施方式，当上述预设角度在10～80°之间时，可具有较好的雾化颗粒形成效果；而当所述预设角度在30～60°之间时，可具有更好的雾化颗粒形成效果。

所述液体导向出口11和/或气体导向出口12可为直管形、螺旋管形或拉瓦尔喷管结构。为改善清洗液体的雾化效率，减小雾化颗粒的直径，提高雾化颗粒的均匀性，可将喷嘴气液导向部件7中的气体和/或液体导向出口设计成为螺旋状。如图10所示，其显示一种带有螺旋管形液体导向出口的喷嘴气液导向部件的俯视示意图。当清洗药液以一定的速度从液体导向出口11喷出时，由于其螺旋结构的导向作用，在惯性力的作用下，清洗药液会自发地形成一个薄层，从而增大了与气体导向出口12喷出气体之间的相互作用面积，可以更高效地形成颗粒尺寸均一的微、纳米级雾化颗粒，从而提高清洗效率，减少图形损伤。

当所述液体导向出口和/或气体导向出口为直管或螺旋管形时，其截面形状可包括圆形、三角形、多边形。如图9所示，其显示一种具有圆形液体导向出口11和圆形气体导向出口12的喷嘴气液导向部件7的示意图；如图11所示，其显示一种具有三角形液体导向出口11和圆形气体导向出口12的喷嘴气液导向部件7的示意图；如图12所示，其显示一种具有圆形液体导向出口11和三角形气体导向出口12的喷嘴气液导向部件7的示意图；如图13所示，其显示一种具有三角形液体导向出口11和三角形气体导向出口12的喷嘴气液导向部件7的示意图。

可选地，所述液体导向出口11和/或气体导向出口12的圆形直径或三角形、多边形顶底高可为1～1000μm；优选地，所述液体导向出口和/或气体导向出口的直径或顶底高可为200～400μm。

如图14所示，作为一优选的实施方式，气体导向出口12和/或液体导向出口11可以设计成具有拉瓦尔喷管的结构，使气体和/或液体从出口喷出时具有更高的速度。在图示的本实施例中，将气体导向出口12加工成具有拉瓦尔喷管的结构。并且，此处拉瓦尔喷管结构也可具有锥形或碗形截面的多种不同结构组合(请参考图3～图6加以理解)。

为提高本发明清洗装置的清洗效率，可对喷嘴主体的形状进行优化，以提高喷嘴的覆盖面积。其中，喷嘴主体可以设计成为三角形，扇形，多边形或者是条状。

请参阅图15～图17，图15～图17是本发明一较佳实施例中具有三角形喷嘴主体的一种二相流雾化喷射清洗装置结构示意图。如图15所示，喷嘴主体3具有三角形柱体的外形结构，进液管路2设置在三角形柱体的上端面中部，进气管路1设置在三角形柱体的上端侧部；如图16所示的喷嘴主体竖直截面，气体管路5具有与喷嘴主体3相同形状的三角形管路内部形状，雾化颗粒导向出口4位于液体分流管路9下方，其具有竖直的内壁，且与喷嘴主体3的三角形轮廓相吻合；沿各液体分流管路9设有朝向一侧或两侧方向下倾、并与喷嘴主体3的垂直轴线呈预设角度(例如30～60°)设置的一列或两列液体导向出口11；如图17所示，三个液体分流管路9在液体管路下端13共同连通液体管路，并分别固定至喷嘴主体3的三角形顶点部位，形成对称结构，出气网板设置在液体分流管路9之间，其上加工有密布的气体导向出口12。本例中的雾化颗粒导向出口也可以采用拉瓦尔喷管结构形式。

请参阅图图18～图21，图18～图21是本发明一较佳实施例中具有扇形喷嘴主体的一种二相流雾化喷射清洗装置结构示意图。如图18所示，喷嘴主体3具有扇形柱体的外形结构，进液管路2设置在扇形柱体的上端面中部，进气管路1设置在扇形面的上端；如图19所示的喷嘴主体竖直截面，气体管路5具有与喷嘴主体3相同形状的扇形管路内部形状，雾化颗粒导向出口4位于液体分流管路9下方，其具有竖直的内壁，且与喷嘴主体3的扇形轮廓相吻合；如图20所示，其示意性地显示了所述气液导向部件的七个液体分流管路9以其中间的一个与扇形轴线重合的液体分流管路为主干，并通过该主干液体分流管路连通液体管路6的下端，其他的六个液体分流管路对称分列其两侧，并与同侧扇形的边平行；液体分流管路9以外区域形成出气网板，其上加工有密布的气体导向出口12；如图21所示，沿各液体分流管路9设有两列分别朝向图示左右两侧方向下倾、并与喷嘴主体的垂直轴线呈预设角度(例如30～60°)设置的液体导向出口11。扇形的二相流雾化喷射清洗装置的优点是可以同时覆盖晶圆中心到晶圆边缘的一个扇形区域，增大雾化喷嘴在同一时间的清洗面积，提高清洗效率，改善清洗均匀性。本例中的雾化颗粒导向出口也可以采用拉瓦尔喷管结构形式。

请参阅图22～图23，图22～图23是本发明一较佳实施例中具有五边形喷嘴主体的一种二相流雾化喷射清洗装置结构示意图。如图22所示，喷嘴主体3具有五边形柱体的外形结构，进液管路2设置在五边形柱体的上端面中部，进气管路1设置在五边形柱体其中一侧边的上端；如图23所示的喷嘴主体竖直截面，雾化颗粒导向出口4位于液体分流管路9下方，其具有竖直的内壁，且与喷嘴主体3的五边形轮廓相吻合；五个液体分流管路9在液体管路下端共同连通液体管路，并分别固定至喷嘴主体的五边形顶点部位，形成对称结构，沿各液体分流管路9设有朝向一侧方向下倾、并与喷嘴主体3的垂直轴线呈预设角度(例如30～60°)设置的液体导向出口11；出气网板设置在液体分流管路之间，其上加工有密布的气体导向出口12。本例中的雾化颗粒导向出口也可以采用拉瓦尔喷管结构形式。

请参阅图24～图25，图24～图25是本发明一较佳实施例中具有长条形喷嘴主体的一种二相流雾化喷射清洗装置结构示意图。如图24所示，喷嘴主体3具有水平的长条形外形结构，进液管路2、进气管路1从其一端通入主体，并各自连通主体内的液体管路和气体管路；如图25所示的喷嘴主体竖直截面，在主体内沿其长轴方向并列设有液体管路6和气体管路5；在液体管路6底部、沿其长轴方向设有与其连通的若干列平行设置的微孔状液体导向出口11(例如图示的五列)，在气体管路5底部、沿其长轴方向同样设有与其连通的若干列平行设置的微孔状气体导向出口12(例如图示的五列)，各液体导向出口11和气体导向出口12在喷嘴主体3的水平轴线两侧对称排列，并与该水平轴线呈相同的预设角度(例如10～80°)相向下倾设置，以便射出的清洗药液和气体能相交产生撞击，形成超细的雾化颗粒；此结构实际上是将气液导向部件的液体分流管路与液体导向出口结合在一起、将出气网板与气体导向出口结合在一起的另一种形式的设计；雾化颗粒导向出口4围绕设于液体导向出口11和气体导向出口12下方，其具有竖直的内壁，且与喷嘴主体3的矩形轮廓相吻合。本例中的雾化颗粒导向出口也可以采用拉瓦尔喷管结构形式。

请参阅图26，图26是一种喷嘴主体内气体管路内部流场非均匀分布示意图。如图26所示，当所述进气管路1由喷嘴主体3的上端侧部(图示为左侧)进入喷嘴主体内并连通气体管路5时，其通入的气体进入气体管路后，会形成一个非均匀分布的流场。在远离气体进口的方向上，气体较多，而在靠近气体进口的下方则形成一个气体相对较少的区域。这会导致在雾化颗粒导向出口4处形成的雾化颗粒具有非均匀的尺寸分布、数量分布和空间分布(图示以不同深浅以示区别)。

请接着参阅图27～图32，图27～图32是本发明一较佳实施例中具有气体隔板的一种二相流雾化喷射清洗装置结构示意图。如图27所示，为改善喷嘴气体管路内气体流场的均匀性，可在气体进口下方的所述气体管路5内、环绕液体管路6水平设置一气体隔板14，并在所述气体隔板14上加工出环绕液体管路6的一系列不同尺寸的通孔15。并且，可如图28所示，将通孔15(图例为圆孔)按其远离气体进口的方向直径依次减小来加工。

请继续参阅图28～图30。所述气体隔板14上通孔15的形状可包括圆形、三角形或多边形。如图28所示，其通孔形状为尺寸依次变小的圆形；如图29所示，其通孔形状为尺寸依次变小的三角形；如图30所示，其通孔形状为尺寸依次变小的五边形。

如图31所示，还可以采用在所述气体隔板14上加工出一个环绕液体管路6的弧形通孔15形式来调节气流。如图32所示，该弧形通孔15可按其远离气体进口的方向开口逐渐减小(图示由左向右方向)加工。

此外，在半导体器件的制造过程中，半导体晶圆要经受例如掩膜、刻蚀、淀积以及清洗等工艺处理，由此来形成半导体器件所需的电子电路。随着半导体器件尺寸的逐渐变小，去除晶圆表面的污染物变得愈来愈重要，从而使得清洗工艺在半导体器件的制造过程中变得十分关键。晶圆每经受一次工艺处理之后，都需要被清洗。但常规的清洗工艺只能去除晶圆中心区域的污染物，而不能有效去除晶圆边缘的污染物。而晶圆边缘的污染物如果得不到很好的去除，将会导致至少两方面的危害：一是晶圆边缘的污染物如金属离子会扩散到晶圆中心区域，进而污染整个晶圆，从而降低半导体器件的制造良率；二是晶圆边缘的污染物会通过边缘夹、晶圆夹以及晶圆盒等的使用而转移到其它晶圆上，造成对其它晶圆的污染。

为此，本发明通过设计一种喷射方向可调的二相流雾化喷射清洗装置，可在进行正常清洗的同时，来实现对晶圆边缘的清洗，从而提高芯片制造的良率。

请参阅图33～图34，图33～图34是本发明一较佳实施例中的一种可转动二相流雾化喷射清洗装置结构示意图。如图33所示，可在上述本发明二相流雾化喷射清洗装置的基础上，在所述喷嘴主体3的外部，通过与其配合设置的旋转部件、例如旋转卡扣16来使喷嘴主体3可在旋转卡扣16内进行转动。并且，还可在所述喷嘴主体一侧、沿其转动方向外设一垂直方向的保护罩17，例如可在旋转卡扣16下方延伸安装一个具有一定宽度的弧形保护罩17，并垂直向下设置。如图34所示，可将喷嘴主体3的外形加工出一个球形部，旋转卡扣16可分为上下接合的两部分，并具有与喷嘴主体球形部外形相配合的卡接内腔，以将喷嘴主体3的球形部卡住，使喷嘴主体3可与旋转卡扣16之间实现相对转动。

清洗时，将晶圆固定在清洗腔内的旋转平台上，以一定的速度旋转；将喷嘴主体转动到与晶圆表面成一定角度，并朝向远离晶圆中心方向，对准晶圆边缘进行清洗。清洗液体溅射起来后大部分飞向晶圆以外的方向，少部分飞向晶圆中心的液体撞击在保护罩17上，向下滴落在晶圆表面，在晶圆旋转离心力的作用下，甩离晶圆，可防止造成对晶圆中心的二次污染。对喷嘴主体角度的调整可以采用手动调整，或者在喷嘴主体上方加装电机，通过传动装置改变二相流雾化喷嘴相对于晶圆表面的方向。

请参阅图35～图36，图35～图36是本发明一较佳实施例中的一种二相流雾化喷射清洗装置位于清洗腔内时的结构示意图。如图35所示，在清洗腔21内装有旋转平台22，旋转平台上设有夹持单元25，用于固定晶圆20；旋转平台通过电机23驱动可实现旋转。在清洗腔21下方设有废液回收单元，可通过腔体底部的废液回收出口24排出清洗过程中的废液。本发明清洗装置的喷嘴主体3悬设在清洗腔内，并可在旋转平台22的上方充分移动。喷嘴主体3可通过进液管路2和进气管路1连接至喷淋臂18上并固定。

请参阅图35。本发明的二相流雾化喷射清洗装置还包括一液体清洗管路19，设于清洗腔内，并可位于旋转平台23的斜上方，例如，可设置在清洗腔21的内壁侧上方，其出口朝向旋转平台22的中心设置。

当进行二相流雾化清洗工艺时，除了在雾化喷嘴内部通过进液管路、液体管路引入的一路清洗液体外，还额外需要一个大流量的液体清洗管路19，其作用是在晶圆20表面形成一层完全覆盖、均匀分布的清洗液体薄膜。单独依靠二相流雾化喷嘴产生的液体雾化颗粒可能不足以覆盖整个晶圆的面积，同时也无法形成最佳的清洗效果。当从二相流雾化颗粒导向出口喷出的高速雾化颗粒撞击在晶圆表面的清洗液体薄膜中时，会产生一个冲击力，并在液膜中形成快速传播的冲击波。该冲击波作用于颗粒污染物上时，一方面可以加快污染物从晶圆表面脱离的过程；另一方面，冲击波会加速晶圆表面清洗药液的流动速度，促使颗粒污染物更快地随着药液的流动而被带离晶圆表面。

在进行清洗时，所述喷淋臂18可如图37所示的运动轨迹，带动喷嘴主体3作过晶圆20圆心的圆弧往复运动，对旋转平台22上的晶圆进行移动雾化清洗。

请继续参阅图35。大流量液体从液体清洗管路19的大流量液体入口19-2进入，从大流量液体出口喷出，其喷射角度可通过大流量液体喷射角度调整单元19-1进行相应调整，使大流量液体能够喷射到晶圆20的中心位置。工艺过程中，大流量液体清洗管路19先开启，喷射清洗药液，直到清洗药液完全覆盖晶圆表面，此时开启二相流雾化喷嘴并开始清洗。二相流雾化喷嘴清洗过程中，大流量液体管路可以保持开启、或者关闭、或者间歇性开启，取决于进液管路流量、大流量液体流量、晶圆转速等工艺参数。

请参阅图36。还可以采用将液体清洗管路19连接安装在喷淋臂18上的方式，使液体清洗管路19的大流量液体出口位于所述喷嘴主体3的一侧，并垂直向下设置。与图35所示结构的区别在于，大流量液体清洗管路19固定在喷淋臂18上后，可随着喷嘴主体3的摆动而同步进行圆弧摆动。

此外，作为进一步的优化设计，还可以在所述进气管路1上设置用于调节气体流量的气体流量调节阀，还可进一步在所述进液管路2上设置用于调节液体流量的液体流量调节阀。其中，可将气体流量控制在10L/min～150L/min之间，优选在60～100L/min之间，将液体流量控制在10ml/min～500ml/min之间，优选在50ml/min～200ml/min之间。

还可以在大流量的液体清洗管路19上设置用于调节液体流量的大流量液体流量调节阀。其流量可控制在100ml/min～2000ml/min之间，优选在500ml/min～1000ml/min之间。

还可以在所述进气管路1、进液管路2以及大流量的液体清洗管路19上设置用于控制开关的气动阀。

上述本发明的二相流雾化喷射清洗装置的雾化喷嘴形成雾化颗粒的原理如下：进液管路中的清洗液体沿着喷嘴主体内的液体管路进入呈发散状的液体分流管路，并从液体导向出口喷出；由于液体导向出口的总面积小于进液管路和液体管路的截面积，使得清洗液体产生加速，同时被分割成若干个直径在微米量级的液体流，并以预设的角度斜向射出。同样的，进气管路的气体通过喷嘴主体内的气体管路底部的气体导向出***出，形成若干个直径在微米量级的气体流，并沿着喷嘴主体的垂直轴向方向射出。气体流与液体流在气体导向出口的下方发生作用，液体流被打散形成超微雾化颗粒。超微雾化颗粒形成以后，在气体流的作用下，向下作加速运动。对于具有竖直管壁结构的雾化颗粒导向出口，运动方向与喷嘴主体的垂直轴向方向不平行的超微雾化颗粒会撞击在雾化颗粒导向出口的侧壁上，重新汇聚成为大的液滴，通过管壁流下，以此保证从雾化颗粒导向出口喷射出的雾化颗粒的运动方向均匀一致。

下面通过具体实施方式，对本发明的一种使用上述的二相流雾化喷射清洗装置的清洗方法进行详细的说明。

本发明的一种使用上述的二相流雾化喷射清洗装置的清洗方法，可包括：

首先，设定喷淋臂18的运动轨迹和清洗工艺菜单，开始清洗工艺。

将晶圆20通过晶圆固定装置(例如图35、36中的夹持单元)固定在旋转平台22上，并在电机23的带动下以一定的速度作旋转运动。

接着，打开液体清洗管路19并调节好流量，向晶圆表面大流量喷射清洗液体，以在晶圆表面形成一层均匀分布的清洗液体薄膜。

然后，在一定时间以后，优选在3s～10s之间，打开进液管路2并调节好流量，向喷嘴主体3内的液体管路6通入清洗液体；同时打开进气管路1，向喷嘴主体3内的气体管路5通入一定流量的气体，使从液体导向出口11喷出的清洗液体以预设的角度倾斜射向从气体导向出口12喷出的气体并发生雾化作用形成超微雾化颗粒。可通过调节进液管路2和进气管路1的流量，来调整雾化液体颗粒的尺寸。

生成的雾化液体颗粒在高速气体的带动下，并在雾化颗粒导向出口4竖直内壁的垂直导向或拉瓦尔喷管结构的加速作用下，垂直射入晶圆表面的清洗液体薄膜层内，增加作用在污染物上的物理作用力，同时带动清洗液薄层的振动，加快污染物向清洗药液流体的传递过程，提高清洗效率，更好的完成雾化清洗工艺。

作为一优选的实施方式，可通过调节管路设置的流量调节阀，将所述液体清洗管路19的清洗液体流量控制为100～2000ml/min，将所述进液管路2的清洗液体流量控制为10～500ml/min，以及将所述进气管路1的气体流量控制为10～150L/min，以便形成尺寸均一的超微雾化颗粒。

进一步优选地，可将所述液体清洗管路19的清洗液体流量控制为500～1000ml/min，将所述进液管路2的清洗液体流量控制为50～200ml/min，将所述进气管路1的气体流量控制为60～100L/min，以形成尺寸更加均一的超微雾化颗粒。

作为其他优选的实施方式，本发明的液体清洗管路19和进液管路2中通入的清洗液体可包括化学药液或超纯水，进气管路1中通入的气体可包括氮气、二氧化碳或压缩空气。特别的，所述液体清洗管路19和进液管路2中通入的清洗液体可以相同、也可以不同。具体采用哪种气体和液体，可根据实际需要而定。

综上所述，本发明具有以下显著特点：

1、通过由液体导向出口和气体导向出口形成的雾化喷嘴结构，使其喷射的高速液体流与高速气体流产生充分地相互作用，并可通过调整管路流量，来形成颗粒尺寸均一、可调的超微雾化液滴，可大大缩小雾化颗粒尺寸，减小其具有的能量，避免对晶圆表面图形结构造成损伤；当雾化颗粒导向出口具有拉瓦尔喷管结构时，可在进气管路和进液管路保持流量不变的情况下，使从装置末端出***出的雾化颗粒具有更高的速度，以提高清洗效率。

2、当雾化颗粒导向出口具有竖直内壁结构时，通过雾化颗粒导向出口产生的垂直导向作用，在工艺过程中可使气流方向与晶圆表面相垂直，促进表面沟槽图形中的杂质向流体主体的传递，提高清洗的效率，改善清洗效果，并可减少雾化颗粒对晶圆表面图形结构的横向剪切力，防止晶圆表面图形结构的损伤；同时，有利于节约清洗液体。

3、可形成尺寸均一、可调的雾化颗粒冲洗晶圆表面，由于雾化颗粒的质量小，而且还可使晶圆表面预先存在一层由液体清洗管路以大流量喷射形成的清洗液体薄膜，从而可减少对晶圆表面结构的冲击力，并可减少对晶圆表面图形结构的损伤；同时，可利用雾化颗粒撞击清洗液体薄膜时产生的冲击波作用于颗粒污染物上，一方面可以加快污染物从晶圆表面脱离的过程，另一方面，冲击波会加速晶圆表面清洗药液的流动速度，促使颗粒污染物更快地随着药液的流动而被带离晶圆表面。

4、带有螺旋形液体/气体导向出口的喷嘴气液导向部件设计，可改善清洗液体的雾化效率，减小雾化颗粒的直径，提高雾化颗粒的均匀性；而带有拉瓦尔喷管结构的液体/气体导向出口设计，可使液体/气体从其出口喷出时具有更高的速度。

5、喷嘴主体可以设计成为扇形、三角形、多边形或者是条状，能够提高喷嘴的覆盖面积，增大雾化喷嘴在同一时间的清洗面积，改善清洗均匀性，提高装置的清洗效率。

6、通过在气体管路内设置气体隔板，可实现均匀的气体流场分布，改善雾化颗粒尺寸和数量分布的均匀性。

7、喷嘴主体外部增设旋转部件和保护罩结构，可使喷嘴与晶圆表面成一定角度，朝向远离晶圆中心方向，对准晶圆边缘清洗，以有效去除晶圆边缘的污染物，并可防止清洗液体溅射造成的二次污染。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (26)

1.一种二相流雾化喷射清洗装置，用于对放置在清洗腔内旋转平台上的晶圆进行雾化清洗，其特征在于，所述清洗装置包括：

喷嘴主体，其内部设有液体管路，环绕液体管路设有气体管路，喷嘴主体下端设有气液导向部件，气液导向部件以一定对称关系水平设有连通液体管路的多路液体分流管路，各液体分流管路之间具有连通气体管路的出气网板，出气网板垂直设有密布的多数个气体导向出口，沿各液体分流管路设有与喷嘴主体轴线呈预设角度下倾的多数个液体导向出口；所述液体导向出口和/或气体导向出口为直管形、螺旋管形或拉瓦尔喷管结构；

进液管路和进气管路，连接设于一喷淋臂上，并分别连通喷嘴主体内的液体管路、气体管路，所述喷淋臂带动喷嘴主体作过晶圆圆心的圆弧往复运动；

雾化颗粒导向出口，围绕设于气液导向部件下方，其为拉瓦尔喷管结构或具有竖直的内壁；

其中，由液体导向出口喷出的液体与由气体导向出口喷出的气体在气液导向部件下方相交形成雾化颗粒，并经雾化颗粒导向出口向下喷向晶圆表面。

2.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述喷嘴主体的横截面形状包括圆形、三角形或多边形，所述气液导向部件的多路液体分流管路以液体管路下端为共同连通点，并按均匀的辐条状设置，相邻液体分流管路之间形成近似扇形的出气网板，各液体分流管路的液体导向出口位于出气网板下方，并朝向其对应一侧出气网板的气体导向出口方向向下倾斜设置。

3.根据权利要求2所述的清洗装置，其特征在于，所述液体分流管路具有与喷嘴主体的垂直轴线呈预设角度下倾的一端面，所述液体导向出口由该端面垂直引出。

4.根据权利要求1或3所述的清洗装置，其特征在于，所述预设角度为10～80°。

5.根据权利要求4所述的清洗装置，其特征在于，所述预设角度为30～60°。

6.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述液体导向出口和/或气体导向出口为直管或螺旋管形时，其截面形状包括圆形、三角形、多边形。

7.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述拉瓦尔喷管结构依次包括收缩管、窄喉、扩张管，所述收缩管和/或扩张管的纵截面具有直线或弧线形的管壁形状。

8.根据权利要求7所述的清洗装置，其特征在于，所述窄喉为一段定径管。

9.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述进液管路由喷嘴主体的上端面中部或上端侧部进入喷嘴主体内连通液体管路，所述进气管路对应由喷嘴主体的上端侧部或上端面中部进入喷嘴主体内连通气体管路。

10.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述喷嘴主体的横截面形状为扇形，所述气液导向部件的多路液体分流管路以一与扇形轴线重合的液体分流管路为主干，并通过该主干液体分流管路连通液体管路下端，其他的液体分流管路对称分列其两侧，并与同侧扇形的边平行；液体分流管路以外区域形成出气网板，沿各液体分流管路设有两列分别朝向其两侧方向下倾并与喷嘴主体的垂直轴线呈预设角度设置的液体导向出口。

11.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述喷嘴主体的形状为水平的长条形，其内部沿长轴方向并列设有液体管路和气体管路，并各自连通进液管路、进气管路，在液体管路和气体管路底部、沿其长轴方向各自设有与其连通的若干列平行设置的液体导向出口、气体导向出口，各液体导向出口、气体导向出口在喷嘴主体的水平轴线两侧对称排列，并与该水平轴线呈相同的预设角度相向下倾设置，雾化颗粒导向出口围绕设于液体导向出口和气体导向出口下方。

12.根据权利要求9所述的清洗装置，其特征在于，当所述进气管路由喷嘴主体的上端侧部进入喷嘴主体内连通气体管路时，在其气体进口下方的所述气体管路内环绕液体管路水平设置一气体隔板，所述气体隔板设有环绕液体管路的一系列不同尺寸的通孔，其按远离气体进口的方向尺寸依次减小。

13.根据权利要求12所述的清洗装置，其特征在于，所述通孔的形状包括圆形、三角形或多边形。

14.根据权利要求12所述的清洗装置，其特征在于，所述气体隔板设有一环绕液体管路的弧形通孔，其按远离气体进口的方向开口逐渐减小。

15.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述喷嘴主体通过与其配合外设的旋转部件进行转动，在所述喷嘴主体一侧、沿其转动方向外设一垂直方向的保护罩。

16.根据权利要求15所述的清洗装置，其特征在于，所述喷嘴主体具有一球形部，所述旋转部件为环绕该球形部并可转动卡接的旋转卡扣；所述保护罩连接设于旋转卡扣下方，其具有弧形的遮挡面。

17.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，还包括一液体清洗管路，设于清洗腔内，并位于旋转平台的斜上方，其出口朝向旋转平台的中心设置。

18.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，还包括一液体清洗管路，连接设于喷淋臂上，其出口位于所述喷嘴主体一侧，并垂直向下设置。

19.根据权利要求6所述的清洗装置，其特征在于，所述气体导向出口和/或液体导向出口的直径或顶底高为1～1000μm。

20.根据权利要求19所述的清洗装置，其特征在于，所述气体导向出口和/或液体导向出口的直径或顶底高为200～400μm。

21.一种使用权利要求1～20任意一项所述的二相流雾化喷射清洗装置的清洗方法，其特征在于，包括：设定喷淋臂的运动轨迹和清洗工艺菜单，开始清洗工艺，先启动晶圆转动，并打开液体清洗管路，向晶圆表面大流量喷射清洗液体，以在晶圆表面形成一层均匀分布的清洗液体薄膜；接着打开进液管路，向喷嘴主体内的液体管路通入一定流量的清洗液体，同时打开进气管路，向喷嘴主体内的气体管路通入一定流量的气体，使从液体导向出口喷出的清洗液体以预设的角度倾斜射向从气体导向出口喷出的气体并发生雾化作用形成超微雾化颗粒，然后在雾化颗粒导向出口的垂直导向或拉瓦尔喷管结构的加速作用下，射入晶圆表面的清洗液体薄膜层内，以对晶圆进行移动雾化清洗。

22.根据权利要求21所述的清洗方法，其特征在于，所述液体清洗管路的清洗液体流量为100～2000ml/min，所述进液管路的清洗液体流量为10～500ml/min，所述进气管路的气体流量为10～150L/min。

23.根据权利要求22所述的清洗方法，其特征在于，所述液体清洗管路的清洗液体流量为500～1000ml/min，所述进液管路的清洗液体流量为50～200ml/min，所述进气管路的气体流量为60～100L/min。

24.根据权利要求21所述的清洗方法，其特征在于，打开液体清洗管路后，间隔3～10s再同时打开进液管路和进气管路。

25.根据权利要求21所述的清洗方法，其特征在于，所述清洗液体包括化学药液或超纯水，所述气体包括氮气、二氧化碳或压缩空气。

26.根据权利要求21所述的清洗方法，其特征在于，所述液体清洗管路和进液管路中通入的清洗液体可以相同、也可以不同。