CN104874500A - 一种二相流雾化清洗装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二相流雾化清洗装置，在移动式主体上设有一个清洗药液入口接头和两个高压气体入口接头，在主体下方设有一个中央气体喷嘴，在中央气体喷嘴下方围绕其垂直中轴线对称下倾设置有若干雾化喷嘴，各雾化喷嘴的中轴线在中央气体喷嘴的中轴线上交汇于一点，每个雾化喷嘴通过一个Laval喷管同时连接清洗药液入口接头和一个高压气体入口接头，中央气体喷嘴通过一个Laval喷管连接另一个高压气体入口接头，通过合理设计二相流雾化喷嘴的结构，可在交汇处实现多级雾化，有效减小雾化颗粒的尺寸及其携带的能量，防止对晶圆表面图形造成损伤。

Description

一种二相流雾化清洗装置

技术领域

本发明涉及半导体清洗设备领域，更具体地，涉及一种气液二相流雾化清洗装置。

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。

因此，需要通过对雾化装置的结构进行深入设计，来进一步缩小雾化颗粒的尺寸，并减小其所携带的能量。

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，提供一种新的二相流雾化清洗装置，通过合理的结构设计，以及相应的工艺参数调整，可达到精细雾化的效果，实现晶圆表面的无损伤清洗，具有操作简单、重复性好的优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种二相流雾化清洗装置，用于对放置在清洗设备旋转平台上的晶圆进行雾化清洗，所述清洗装置包括：

主体，可动悬设于所述清洗设备的旋转平台上方或斜上方；

第一～第三入口接头，设于所述主体上，所述第一入口接头用于通入清洗药液，所述第二、第三入口接头用于分别通入高压气体；

喷嘴，设于所述主体下方，包括一中央气体喷嘴和若干雾化喷嘴，各所述雾化喷嘴在所述中央气体喷嘴下方围绕其垂直中轴线对称下倾设置，各所述雾化喷嘴的中轴线在所述中央气体喷嘴的中轴线上交汇于一点，每个所述雾化喷嘴通过一个第一Laval喷管同时连接第一、第二入口接头，所述中央气体喷嘴通过一个第二Laval喷管连接第三入口接头；

其中，由所述第一入口接头通入的清洗药液和所述第二入口接头通入的高压气体，在各所述第一Laval喷管的入口处汇聚后形成气液二相流第一级雾化药液，并经所述第一Laval喷管加速后从各所述雾化喷嘴喷出，在交汇处产生碰撞后形成第二级雾化药液，同时，由所述第三入口接头通入的高压气体经所述第二Laval喷管加速后从所述中央气体喷嘴喷出，在交汇处与第二级雾化药液产生碰撞后形成第三级雾化药液，并加速向下运动至晶圆表面，以进行移动雾化清洗。

优选地，所述主体内设有第一、第二主腔体，所述第一入口接头通过所述第一主腔体分别连接至各所述第一Laval喷管的入口，所述第二入口接头通过所述第二主腔体分别连接至各所述第一Laval喷管的入口。

优选地，所述第一主腔体通过第一通道分别连接至各所述第一Laval喷管的入口，所述第二主腔体通过第二通道分别连接至各所述第一Laval喷管的入口。

优选地，所述雾化喷嘴的数量为至少二个，并在水平圆周上均匀分布。

优选地，所述主体的下方设有导向喷管，用于对形成的第三级雾化药液进行导向。

优选地，所述导向喷管为圆形、方形或长条形。

优选地，所述导向喷管内设有第三Laval喷管。

优选地，所述主体连接所述清洗设备的喷淋支架。

优选地，所述主体通过固定支架连接所述清洗设备的喷淋支架。

优选地，所述主体受所述喷淋支架连接的旋转升降电机带动，在晶圆表面作扫描移动。

本发明具有以下优点：

1、通过合理设计二相流雾化喷嘴的结构，可实现多级雾化，有效地减小了雾化药液颗粒的尺寸，同时也减小了颗粒携带的能量，从而可防止对晶圆表面图形的损伤；

2、通过中央气体喷嘴的加速作用和定向作用，使雾化药液颗粒的运动方向垂直于晶圆表面，防止雾化颗粒具有的能量在水平方向上产生横向剪切力造成晶圆表面图形的损伤；

3、相比于传统的单片清洗方式，采用二相流雾化清洗在提高了颗粒污染物去除效率的同时，还可减少清洗药液和去离子水的用量，从而节约了生产成本。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的一种二相流雾化清洗装置的外形结构示意图；

图2是本发明一较佳实施例的一种二相流雾化清洗装置的结构仰视示意图；

图3是本发明一较佳实施例的一种二相流雾化清洗装置第一个方向的结构剖视示意图；

图4是本发明一较佳实施例的一种二相流雾化清洗装置第二个方向的结构剖视示意图。

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，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种二相流雾化清洗装置的外形结构示意图。如图1所示，本发明的一种二相流雾化清洗装置，可应用于例如单片湿法清洗设备，对放置在旋转平台上的晶圆进行雾化清洗。本发明的清洗装置包括一个主体3，所述主体3以可移动的方式悬设于所述清洗设备的旋转平台(图略、请参考现有技术加以理解)上方或斜上方。作为一可选的实施方式，所述主体3可通过一个固定支架1连接至所述清洗设备的移动喷淋支架(图略、请参考现有技术加以理解)。例如，固定支架1可采用例如直角型，其一端可通过固定螺纹孔7采用螺栓与主体3固定安装在一起；另一端可通过螺接、黏结或者其它固定方式与喷淋支架固定。喷淋支架连接有旋转升降电机(图略、请参考现有技术加以理解)，因此，主体3可以在旋转升降电机的带动下，在晶圆表面上方作扫描运动，并可通过与晶圆的旋转运动配合，实现对晶圆表面的均匀覆盖。

请继续参阅图1。在主体3的上端装有三个气/液入口接头，分别为第一～第三入口接头2、6、5。其中，第一入口接头2作为清洗药液入口接头，用于通入清洗药液；第二入口接头6作为高压气体入口接头，用于通入高压气体；第三入口接头5作为中央气体入口接头，位于主体3的上端中部，也用于单独地通入高压气体。

请参阅图2并结合参阅图1，图2是本发明一较佳实施例的一种二相流雾化清洗装置的结构仰视示意图。如图1、2所示，在主体3的下端装有若干喷嘴4、8，包括位于主体3下端中部的一个中央气体喷嘴8，以及位于所述中央气体喷嘴8周围的下方、围绕所述中央气体喷嘴8垂直中轴线且下倾一定角度对称设置的若干雾化喷嘴4。各所述雾化喷嘴4的中轴线在所述中央气体喷嘴8的中轴线上交汇于一点，也即各所述雾化喷嘴4的中心轴线与中央气体喷嘴8的中心轴线相交于同一点。为了达到理想的多级雾化效果，所述雾化喷嘴4的数量应为对称的至少二个。作为一优选实施例，所述雾化喷嘴4的数量采用了四个，并在水平圆周上均匀分布。

请参阅图3和图4，图3是本发明一较佳实施例的一种二相流雾化清洗装置第一个方向的结构剖视示意图，图4是本发明一较佳实施例的一种二相流雾化清洗装置第二个方向的结构剖视示意图。如图3和图4所示，在每个喷嘴4、8内都安装了一个具有Laval结构的喷管(即指截面积先逐渐收缩再逐渐扩张的喷管结构)。其中，每个雾化喷嘴4通过一个第一Laval喷管13同时连接第一、第二入口接头2、6，中央气体喷嘴8通过一个第二Laval喷管11连接第三入口接头5。

如图3所示，作为一可选的实施方式，可进一步在主体3内加工出第一主腔体10和第二主腔体9，使所述第一入口接头2通过第一主腔体10分别连接至各所述第一Laval喷管13的入口，同时，使所述第二入口接头6通过第二主腔体9分别连接至各所述第一Laval喷管13的入口。

如图4所示，进一步优选地，所述第一主腔体10可通过第一通道12分别连接至各所述第一Laval喷管13的入口，所述第二主腔体9可通过第二通道14分别连接至各所述第一Laval喷管13的入口。所述第一、第二通道12、14可采用在结构内部直接加工出流道的形式进行主腔体与第一Laval喷管之间的连通。进入第一主腔体10中的药液及进入第二主腔体9中的高压气体可通过通道12、14进一步进行增压，以便在第一Laval喷管13的入口处汇合时实现良好地雾化。

中央气体喷嘴8可通过第二Laval喷管11直接连接至第三入口接头5，因在其内只需要实现对气体的进一步增压、增速作用。

这样，由第一入口接头2通入的清洗药液向下流动至第一主腔体10，随后进入连接各个雾化喷嘴第一Laval喷管13的第一通道12；由第二入口接头6通入的高压气体，向下流动至第二主腔体9，随后进入连接各个雾化喷嘴第一Laval喷管13的第二通道14。清洗药液与高压气体在第一通道12和第二通道14的出口处、即第一Laval喷管13的入口处汇聚后产生相互作用，形成气液二相流的第一级雾化药液，完成清洗药液的第一级雾化过程。随后，在高压气体的继续带动下，第一级雾化药液向下运动进入雾化喷嘴4的第一Laval喷管结构13，经过第一Laval喷管结构13的加速以后，雾化药液颗粒和高压气体一起从雾化喷嘴4喷出，并且在各个雾化喷嘴4的中心轴线交汇处发生剧烈碰撞，形成第二级雾化药液，完成第二级雾化过程。

与此同时，由第三入口接头5通入的高压气体向下运动进入中央气体喷嘴8，经中央气体喷嘴8中的第二Laval喷管结构11的加速作用以后，高压气体可被加速至音速，甚至超音速状态。经过加速的高压气体从所述中央气体喷嘴8喷出向下运动，在各个雾化喷嘴4的中心轴线交汇处与完成第二级雾化的雾化药液颗粒相互作用产生碰撞，实现更为精细的第三级雾化过程，形成了第三级雾化药液，从所述中央气体喷嘴8喷出的高压气体并可为第三级雾化药液颗粒加速，向下运动至晶圆表面，以对晶圆表面进行移动雾化清洗。

作为一进一步优选的实施方式，还可以在主体3的下方选择性地安装雾化颗粒导向喷管(图略)，其作用是对从中央气体喷嘴8喷出的高压气体和经过第三级雾化后形成的雾化颗粒进行导向，只保留特定运动方向(例如与晶圆表面垂直或者呈特定角度)的雾化颗粒。可选地，导向喷管可以为圆形、方形或长条形等各种形状。也可以在导向喷管内部附加其它结构，例如Laval喷管结构(即第三Laval喷管)，来对雾化颗粒进行进一步地加速过程。这些附加结构可以根据实际需要来进行选用。

在使用本发明的上述二相流雾化清洗装置时，工艺方法可包括：连接好主体3、固定支架1和喷淋支架；调整主体3及雾化喷嘴4距离晶圆表面的高度，以及喷淋支架的摆动速度和晶圆的旋转速度；调整各个管路2、6、5上的清洗药液和高压气体的流量，以在主体3下方形成尺寸均一的精细雾化颗粒；通过变化清洗药液喷淋主管路(图中未画出)的液体流量，改变晶圆表面清洗药液液膜的厚度，使雾化颗粒到达晶圆表面时能够有效地引起液膜内液体的振动，从而实现精细颗粒的去除，同时保证晶圆表面的图形没有损伤。

综上所述，本发明通过合理的结构设计，以及相应的工艺参数调整，可达到精细雾化的效果，实现晶圆表面的无损伤清洗，其操作简单、重复性好，并具有以下优点：

1、通过合理设计二相流雾化喷嘴的结构，可实现多级雾化，有效地减小了雾化药液颗粒的尺寸，同时也减小了颗粒携带的能量，从而可防止对晶圆表面图形的损伤；

2、通过中央气体喷嘴的加速作用和定向作用，使雾化药液颗粒的运动方向垂直于晶圆表面，防止雾化颗粒具有的能量在水平方向上产生横向剪切力造成晶圆表面图形的损伤；

3、相比于传统的单片清洗方式，采用二相流雾化清洗在提高了颗粒污染物去除效率的同时，还可减少清洗药液和去离子水的用量，从而节约了生产成本。

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 (10)

1.一种二相流雾化清洗装置，用于对放置在清洗设备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：

主体，可动悬设于所述清洗设备的旋转平台上方或斜上方；

第一～第三入口接头，设于所述主体上，所述第一入口接头用于通入清洗药液，所述第二、第三入口接头用于分别通入高压气体；

喷嘴，设于所述主体下方，包括一中央气体喷嘴和若干雾化喷嘴，各所述雾化喷嘴在所述中央气体喷嘴下方围绕其垂直中轴线对称下倾设置，各所述雾化喷嘴的中轴线在所述中央气体喷嘴的中轴线上交汇于一点，每个所述雾化喷嘴通过一个第一Laval喷管同时连接第一、第二入口接头，所述中央气体喷嘴通过一个第二Laval喷管连接第三入口接头；

其中，由所述第一入口接头通入的清洗药液和所述第二入口接头通入的高压气体，在各所述第一Laval喷管的入口处汇聚后形成气液二相流第一级雾化药液，并经所述第一Laval喷管加速后从各所述雾化喷嘴喷出，在交汇处产生碰撞后形成第二级雾化药液，同时，由所述第三入口接头通入的高压气体经所述第二Laval喷管加速后从所述中央气体喷嘴喷出，在交汇处与第二级雾化药液产生碰撞后形成第三级雾化药液，并加速向下运动至晶圆表面，以进行移动雾化清洗。

2.根据权利要求1所述的二相流雾化清洗装置，其特征在于，所述主体内设有第一、第二主腔体，所述第一入口接头通过所述第一主腔体分别连接至各所述第一Laval喷管的入口，所述第二入口接头通过所述第二主腔体分别连接至各所述第一Laval喷管的入口。

3.根据权利要求2所述的二相流雾化清洗装置，其特征在于，所述第一主腔体通过第一通道分别连接至各所述第一Laval喷管的入口，所述第二主腔体通过第二通道分别连接至各所述第一Laval喷管的入口。

4.根据权利要求1所述的二相流雾化清洗装置，其特征在于，所述雾化喷嘴的数量为至少二个，并在水平圆周上均匀分布。

5.根据权利要求1所述的二相流雾化清洗装置，其特征在于，所述主体的下方设有导向喷管，用于对形成的第三级雾化药液进行导向。

6.根据权利要求5所述的二相流雾化清洗装置，其特征在于，所述导向喷管为圆形、方形或长条形。

7.根据权利要求5或6所述的二相流雾化清洗装置，其特征在于，所述导向喷管内设有第三Laval喷管。

8.根据权利要求1所述的二相流雾化清洗装置，其特征在于，所述主体连接所述清洗设备的喷淋支架。

9.根据权利要求8所述的二相流雾化清洗装置，其特征在于，所述主体通过固定支架连接所述清洗设备的喷淋支架。

10.根据权利要求8或9所述的二相流雾化清洗装置，其特征在于，所述主体受所述喷淋支架连接的旋转升降电机带动，在晶圆表面作扫描移动。