CN105513999A - 一种具有气体保护的二相流雾化喷射清洗装置及清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有气体保护的二相流雾化喷射清洗装置及清洗方法，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，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，同时环绕雾化颗粒导向出口并朝向外侧下倾设有保护气体出口喷射保护气体，可在气体保护下对晶圆进行移动雾化清洗，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，并可控制清洗工艺过程中清洗腔室内的氧气含量，减少水痕缺陷产生的可能，从而提高清洗质量和效率。

Description

一种具有气体保护的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，涉及一种具有气体保护的二相流雾化喷射清洗装置及采用该装置的清洗方法。
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上，并受到安装在旋转平台上的多个夹持部件夹持，夹持部件夹持着晶圆以进行高速旋转；同时,在晶圆的上方,清洗设备还设有喷淋臂,可通过喷淋臂向晶圆表面喷射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。
此外,在进行化学药液和超纯水清洗的过程中，晶圆表面材料更容易受到损伤或发生一些化学反应。例如，在DHF清洗工艺中，先通过喷淋臂向晶圆表面喷射DHF，将晶圆表面的自然氧化层完全腐蚀掉；然后喷射超纯水对晶圆表面进行冲洗，将晶圆表面的残留药液和反应产物冲掉；最后，再通过喷射氮气对晶圆表面进行干燥完成整个工艺过程。在这个过程中，晶圆表面的裸硅材料与工艺腔室中的氧气非常容易发生反应，生成二氧化硅，导致晶圆表面材料发生变化，对后续的工艺造成影响。因此，需要在工艺过程中，对整个腔室中的氧气含量进行控制。
另一方面，在上述对晶圆进行氮气干燥的过程中，如果工艺控制的不好，会在晶圆表面出现Watermark(水痕)缺陷。Watermark形成的主要机理是在氮气干燥过程中，因干燥不完全而残余在晶圆表面的水中融入了与氧反应而生成的SiO2，并进一步形成H2SiO3或HSiO3 -的沉淀。当晶圆表面的水挥发后，这些沉淀即形成平坦状的水痕。此外，在上述清洗过程中，还经常出现晶圆边缘棱上有液滴未干燥彻底的现象，这对于晶圆清洗质量也造成了一定的影响。
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，以减小液体颗粒对图形侧壁和边角的损伤；同时，也需要对清洗工艺环境进行优化改进，使晶圆在工艺过程中与氧气隔绝，防止晶圆表面硅材料被氧化，并更好地实现整个晶圆范围的干燥，防止水痕缺陷的产生，提高清洗质量和效率。
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，提供一种具有气体保护的二相流雾化喷射清洗装置及清洗方法，通过设计将气体保护与二相流雾化喷射清洗结合起来的新喷嘴结构，不但可以有效解决造成晶圆图形侧壁和边角损伤的问题，而且可以使晶圆在工艺过程中与氧气隔绝，防止晶圆表面硅材料被氧化，并更好地实现整个晶圆范围的干燥，防止水痕缺陷的产生，提高清洗质量和效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有气体保护的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清洗及干燥，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；
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；
气体保护单元，围绕设于主体下部，其设有环绕雾化颗粒导向出口并朝向外侧下倾设置的保护气体出口，所述保护气体出口连通气体保护单元设有的保护气体入口；
其中清洗时，由液体导向出口喷出的清洗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，并在雾化颗粒导向出口的加速或垂直导向作用下向下喷向晶圆表面进行雾化清洗，同时，由保护气体出口倾斜喷出的保护气体在晶圆上方形成气体保护层，防止晶圆与腔室中的氧气接触；干燥时，关闭进液管路，由雾化颗粒导向出口喷出的干燥气体和由保护气体出口喷出的保护气体共同对晶圆整体表面进行快速干燥。
优选地，所述气体保护单元环绕雾化颗粒导向出口设有保护气体缓冲腔，其分别连通保护气体出口和保护气体入口。
优选地，所述保护气体出口为一圈连续的气隙或一圈均匀设置的气孔。
优选地，所述保护气体入口在气体保护单元设置一至若干个。
优选地，所述保护气体出口朝向晶圆边缘的落点方向倾斜设置。
优选地，所述保护气体出口朝向距晶圆边缘1～5cm的落点方向倾斜设置。
优选地，所述雾化颗粒导向出口的拉瓦尔喷管结构自上而下依次包括收缩管、窄喉和扩张管。
优选地，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，还包括一液体清洗管路，设于清洗腔内，其位于旋转平台的斜上方、出口朝向旋转平台的中心设置；或者，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。
一种采用上述的具有气体保护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，其中
在清洗阶段，先启动晶圆转动，并打开清洗装置的液体清洗管路，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，同时打开保护气体入口，通入一定流量的保护气体，并由保护气体出口倾斜喷出，在晶圆上方形成气体保护层，使晶圆与氧气隔绝，然后同时打开进液管路和进气管路，向喷嘴主体内的液体管路通入一定流量的清洗液体、向气体管路通入一定流量的气体，使由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，并在雾化颗粒导向出口的加速或垂直导向作用下，射入晶圆表面的清洗液体薄膜层内，以在气体保护下对晶圆进行移动雾化清洗；
在干燥阶段，关闭进液管路，保持进气管路和保护气体入口开启，向气体管路通入一定流量的干燥气体，向保护气体出口通入一定流量的保护气体，使从雾化颗粒导向出口垂直喷出的干燥气体和从保护气体出口倾斜喷出的保护气体将晶圆的整体表面覆盖，以共同对晶圆进行快速干燥。
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。
优选地，所述清洗液体包括DHF或超纯水。
优选地，所述进气管路和保护气体入口通入的气体可以相同、也可以不同。
优选地，所述气体包括氮气、氩气或二氧化碳。
优选地，使所述保护气体朝向晶圆边缘的落点方向喷射。
优选地，使所述保护气体朝向晶圆边缘1～5cm的落点方向喷射。
优选地，根据所需清洗的晶圆直径调整所述保护气体的喷射角度及流量。
优选地，在干燥阶段，通过喷淋臂的带动，将清洗装置固定在晶圆中心上方或作过晶圆圆心的圆弧往复运动来喷射干燥气体及保护气体。
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，使从装置末端出口射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、在进行二相流雾化喷射清洗过程中，保护气体从保护气体出口倾斜喷出，在晶圆上方形成气体保护，可防止晶圆与腔室空气中的氧气反应；在干燥过程中，二相流雾化喷嘴的进液管路关闭，进气管路和保护气体出口保持开启，起到了对晶圆中心及边缘整体表面快速进行干燥的目的，可代替单独喷射干燥气体进行干燥的现有喷淋臂形式，使清洗设备腔室结构得以简单化。
附图说明
图1是本发明较佳实施例一中的一种具有气体保护的二相流雾化喷射清洗装置结构示意图；
图2是图1中气液导向部件的结构放大图；
图3是本发明较佳实施例二中的一种具有气体保护的二相流雾化喷射清洗装置结构示意图；
图4是本发明较佳实施例三中的一种具有气体保护的二相流雾化喷射清洗装置外形结构示意图；
图5-图6是本发明较佳实施例四中的一种具有气体保护的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7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，请参阅图1，图1是本发明较佳实施例一中的一种具有气体保护的二相流雾化喷射清洗装置结构示意图。如图1所示，本发明的具有气体保护的二相流雾化喷射清洗装置，可用于对放置在清洗腔内旋转平台上的晶圆进行雾化清洗及干燥，所述清洗装置包括：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7，以及围绕设于主体下部的气体保护单元8几个主要部分。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，本发明不作限定。
请继续参阅图1。在喷嘴主体3内部设有液体管路4，环绕液体管路设有气体管路5。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4，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。进液管路2和进气管路1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4和气体管路5下方设有气液导向部件6，用于将液体管路4中的清洗液体和气体管路5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7向下喷向晶圆表面。雾化颗粒导向出口7围绕设于气液导向部件6下方，其具有图示的拉瓦尔(Laval)喷管结构7-1至7-3，或者也可具有竖直的内壁结构(参见图3)。
请参阅图2，图2是图1中气液导向部件的结构放大图。以具有圆形横截面的喷嘴主体为例，如图2所示，气液导向部件6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6-1，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6-1以液体管路下端4-1为共同连通点，并按均匀的辐条状设置；各液体分流管路6-1之间具有连通气体管路的出气网板6-2，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6-2；出气网板垂直设有密布的多数个气体导向出口6-4，沿各液体分流管路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6-3，例如在本实施例中，各液体分流管路的液体导向出口6-3位于出气网板6-2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6-4方向向下倾斜设置。在实际制作时，可在所述液体分流管路6-1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6-3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。多路液体分流管路也可按照其他适用的对称方式进行设置，例如鱼骨形、同心圆形等，只要满足各液体导向出口以一定预设角度朝向一侧的气体导向出口设置即可。
作为可选的实施方式，液体导向出口6-3和/或气体导向出口6-4的截面形状可包括圆形、三角形、多边形等。优选地，所述液体导向出口和/或气体导向出口的圆形直径或三角形、多边形顶底高可为1～1000μm；进一步优选地，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。
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7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，可使从装置末端出口射出的雾化颗粒具有更高的速度，以提高清洗效率。如图1所示，该拉瓦尔喷管结构自上而下依次包括收缩管7-1、窄喉7-2和扩张管7-3。
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7设计成具有拉瓦尔喷管的结构，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。
请参阅图3，图3是本发明较佳实施例二中的一种具有气体保护的二相流雾化喷射清洗装置结构示意图。如图3所示，作为不同的实施方式，雾化颗粒导向出口7也可具有竖直的内壁结构7-4，其作用是使运动方向与喷嘴主体垂直轴向不平行的雾化颗粒撞击在雾化颗粒导向出口7的侧壁7-4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。
请参阅图1或图3。气体保护单元8围绕设于主体3下部，其设有环绕雾化颗粒导向出口7并朝向其外侧方向向下倾斜设置的保护气体出口8-2，用于在晶圆上方形成气体保护层，将晶圆与腔室中的空气隔绝，防止晶圆中的硅与腔室空气中的氧气接触发生反应。为了在雾化颗粒导向出口7周围形成一圈均匀的气体保护层，所述保护气体出口8-2可为图示一圈水平均匀设置的气孔；或者，请参阅图4，图4是本发明较佳实施例三中的一种具有气体保护的二相流雾化喷射清洗装置外形结构示意图。如图4所示，以具有圆形横截面的喷嘴主体3为例，所述进液管路2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，所述进气管路1对应由喷嘴主体3的上端侧部进入喷嘴主体内连通气体管路；气体保护单元8为近似桶形，也具有圆形的横截面，并围绕设于主体3下部，其上端与主体密合连接，下端为开口。作为不同的实施方式，图示本实施例中的所述保护气体出口8-2也可为一圈连续的气隙。
请继续参阅图4。所述气体保护单元8还设有保护气体入口8-1，保护气体入口8-1由气体保护单元8的侧面通入，用于连通所述保护气体出口8-2。可通过保护气体入口8-1向保护气体出口8-2通入保护气体。
请继续参阅图1或图3。所述气体保护单元8还设有环绕雾化颗粒导向出口7的保护气体缓冲腔8-3，保护气体缓冲腔8-3的一端连通保护气体出口8-2，另一端连通保护气体入口8-1。保护气体缓冲腔8-3用于对从保护气体入口8-1通入的保护气体进行缓冲，使保护气体进入缓冲腔后可在整个圆周范围内均匀分布，并可以相同的压力从保护气体出口8-2喷出。保护气体入口8-1可以在气体保护单元8的侧面设置一个，也可以均匀地设置多个，以实现保护气体沿圆周方向的均匀分布。
作为一优选的实施方式，所述保护气体出口8-2可朝向晶圆边缘的落点方向倾斜设置。作为进一步优选，保护气体出口8-2还可朝向距晶圆边缘1～5cm的落点方向倾斜设置。可以根据所需清洗的晶圆直径，来调整所述保护气体出口8-2的倾斜角度设置。
请参阅图5-图6，图5-图6是本发明较佳实施例四中的一种具有气体保护的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5所示，在清洗腔15内装有旋转平台14，旋转平台上设有夹持单元11，用于固定晶圆16；旋转平台通过电机13驱动可实现旋转。在清洗腔下方设有废液回收单元，可通过腔体底部的废液回收出口12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，并可在旋转平台的上方充分移动。喷嘴主体可通过进液管路2和进气管路1连接至喷淋臂9上并固定。气体保护单元8的保护气体入口8-1的管路也可以延伸连接至喷淋臂9上并固定。
请参阅图5。本发明的一种具有气体保护的二相流雾化喷射清洗装置还包括一液体清洗管路10，设于清洗腔内，并可位于旋转平台14的斜上方，例如，可设置在清洗腔15的内壁侧上方，其出口朝向旋转平台14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10，其作用是在晶圆16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9可如图7所示的运动轨迹，带动喷嘴主体3作过晶圆16圆心的圆弧往复运动，对旋转平台14上的晶圆16进行移动雾化清洗。
请继续参阅图5。大流量液体从液体清洗管路的大流量液体入口10-2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10-1进行相应调整，使大流量液体能够喷射到晶圆的中心位置。工艺过程中，大流量液体清洗管路先开启，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6。还可以采用将液体清洗管路10连接安装在喷淋臂9上的方式，使液体清洗管路10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5所示结构的区别在于，大流量液体清洗管路10固定在喷淋臂9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、保护气体入口8-1的管路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；还可以在大流量的液体清洗管路10上设置用于调节液体流量的大流量液体流量调节阀；还可以在所述进气管路1、进液管路2、保护气体入口8-1的管路以及大流量的液体清洗管路10上设置用于控制开关的气动阀。
上述本发明的具有气体保护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口射出，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，对本发明的一种采用上述的具有气体保护的二相流雾化喷射清洗装置的清洗方法进行详细的说明。
本发明的采用上述的具有气体保护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9的运动轨迹和清洗工艺菜单，然后开始清洗工艺，包括：
在清洗阶段，先将晶圆16通过晶圆固定装置(例如图5、6中的夹持单元11)固定在旋转平台14上，并在电机13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10并调节好流量，向晶圆16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。同时打开保护气体入口8-1，通入一定流量的保护气体，并由保护气体出口8-2倾斜喷出，在晶圆上方形成气体保护层，使晶圆与氧气隔绝。
然后，在一定时间以后，优选在3s～10s之间，同时打开进液管路2和进气管路1，并调节好液体和气体流量，向喷嘴主体3内的液体管路4通入清洗液体、向气体管路5通入气体，使从液体导向出口6-3喷出的清洗液体以预设的角度倾斜射向从气体导向出口6-4喷出的气体并发生雾化作用形成超微雾化颗粒，并在雾化颗粒导向出口7竖直内壁7-4的垂直导向或拉瓦尔喷管结构7-1至7-3的加速作用下，射入晶圆表面的清洗液体薄膜层内，实现在气体保护下对晶圆进行移动雾化清洗。可通过调节进液管路和进气管路的流量，来调整雾化液体颗粒的尺寸。
在后续的干燥阶段，将进液管路2关闭，并保持进气管路1和保护气体入口8-1开启，然后向气体管路5通入一定流量的干燥气体，向保护气体缓冲腔8-3、保护气体出口8-2通入一定流量的保护气体，使从雾化颗粒导向出口7垂直喷出的干燥气体和从保护气体出口8-2倾斜喷出的保护气体将晶圆的整体表面覆盖，实现共同对晶圆表面进行快速干燥。
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10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。
作为可选的实施方式，本发明的液体清洗管路10和进液管路2中通入的清洗液体可包括化学药液例如DHF或超纯水，进气管路1和保护气体入口8-1中通入的气体可包括氮气、氩气或二氧化碳。特别的，所述液体清洗管路10和进液管路2中通入的清洗液体可以相同、也可以不同；并且所述进气管路1和保护气体入口8-1通入的气体可以相同、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。
此外，作为其他优选的实施方式，在上述的清洗和干燥阶段，可使所述保护气体朝向晶圆边缘的落点方向喷射，优选可使所述保护气体朝向晶圆边缘1～5cm的落点方向喷射。并可根据所需清洗的晶圆直径大小，来调整所述保护气体的喷射角度及流量。
在干燥阶段，还可通过喷淋臂的带动，将清洗装置(主体)固定在晶圆中心上方，以静止状态喷射干燥气体及保护气体；或者还可以使清洗装置(主体)在喷淋臂的带动下，作过晶圆圆心的圆弧往复运动来喷射干燥气体及保护气体。
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，使从装置末端出口射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、在进行二相流雾化喷射清洗过程中，保护气体从保护气体出口倾斜喷出，在晶圆上方形成气体保护，可防止晶圆与腔室空气中的氧气反应；在干燥过程中，二相流雾化喷嘴的进液管路关闭，进气管路和保护气体出口保持开启，起到了对晶圆中心及边缘整体表面快速进行干燥的目的，可代替单独喷射干燥气体进行干燥的现有喷淋臂形式，使清洗设备腔室结构得以简单化。
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 (20)

1.一种具有气体保护的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清洗及干燥，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；
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；
气体保护单元，围绕设于主体下部，其设有环绕雾化颗粒导向出口并朝向外侧下倾设置的保护气体出口，所述保护气体出口连通气体保护单元设有的保护气体入口；
其中清洗时，由液体导向出口喷出的清洗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，并在雾化颗粒导向出口的加速或垂直导向作用下向下喷向晶圆表面进行雾化清洗，同时，由保护气体出口倾斜喷出的保护气体在晶圆上方形成气体保护层，防止晶圆与腔室中的氧气接触；干燥时，关闭进液管路，由雾化颗粒导向出口喷出的干燥气体和由保护气体出口喷出的保护气体共同对晶圆整体表面进行快速干燥。
2.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述气体保护单元环绕雾化颗粒导向出口设有保护气体缓冲腔，其分别连通保护气体出口和保护气体入口。
3.根据权利要求1或2所述的清洗装置，其特征在于，所述保护气体出口为一圈连续的气隙或一圈均匀设置的气孔。
4.根据权利要求1或2所述的清洗装置，其特征在于，所述保护气体入口在气体保护单元设置一至若干个。
5.根据权利要求1或2所述的清洗装置，其特征在于，所述保护气体出口朝向晶圆边缘的落点方向倾斜设置。
6.根据权利要求5所述的清洗装置，其特征在于，所述保护气体出口朝向距晶圆边缘1～5cm的落点方向倾斜设置。
7.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述雾化颗粒导向出口的拉瓦尔喷管结构自上而下依次包括收缩管、窄喉和扩张管。
8.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，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。
9.根据权利要求8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。
10.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，其位于旋转平台的斜上方、出口朝向旋转平台的中心设置；或者，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。
11.一种采用权利要求1-10任意一项所述的具有气体保护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，其中
在清洗阶段，先启动晶圆转动，并打开清洗装置的液体清洗管路，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，同时打开保护气体入口，通入一定流量的保护气体，并由保护气体出口倾斜喷出，在晶圆上方形成气体保护层，使晶圆与氧气隔绝，然后同时打开进液管路和进气管路，向喷嘴主体内的液体管路通入一定流量的清洗液体、向气体管路通入一定流量的气体，使由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，并在雾化颗粒导向出口的加速或垂直导向作用下，射入晶圆表面的清洗液体薄膜层内，以在气体保护下对晶圆进行移动雾化清洗；
在干燥阶段，关闭进液管路，保持进气管路和保护气体入口开启，向气体管路通入一定流量的干燥气体，向保护气体出口通入一定流量的保护气体，使从雾化颗粒导向出口垂直喷出的干燥气体和从保护气体出口倾斜喷出的保护气体将晶圆的整体表面覆盖，以共同对晶圆进行快速干燥。
12.根据权利要求11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。
13.根据权利要求11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。
14.根据权利要求11或13所述的清洗方法，其特征在于，所述清洗液体包括DHF或超纯水。
15.根据权利要求11所述的清洗方法，其特征在于，所述进气管路和保护气体入口通入的气体可以相同、也可以不同。
16.根据权利要求11或15所述的清洗方法，其特征在于，所述气体包括氮气、氩气或二氧化碳。
17.根据权利要求11所述的清洗方法，其特征在于，使所述保护气体朝向晶圆边缘的落点方向喷射。
18.根据权利要求17所述的清洗方法，其特征在于，使所述保护气体朝向晶圆边缘1～5cm的落点方向喷射。
19.根据权利要求17或18所述的清洗方法，其特征在于，根据所需清洗的晶圆直径调整所述保护气体的喷射角度及流量。
20.根据权利要求11所述的清洗方法，其特征在于，在干燥阶段，通过喷淋臂的带动，将清洗装置固定在晶圆中心上方或作过晶圆圆心的圆弧往复运动来喷射干燥气体及保护气体。
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