CN1184715A - 清洗用双流体喷嘴与采用该喷嘴的清洗装置及清洗方法 - Google Patents

Abstract

以强力清除附着在半导体基板等上面的微小异物,并不会损伤基板。在将液滴喷射在气体中而清洗掉附着在半导体基板等的表面上的异物的清洗用双流体喷嘴中,将混合加压气体和液体形成液滴的混合部的气体流路的截面积设置成比随着气体一起使液滴加速并喷射在气体中的加速管的流路的截面积要大的形状。此外,将加速管设计成圆形直管形状或者拉瓦尔喷管形状。

Description

清洗用双流体喷嘴与采用该喷嘴 的清洗装置及清洗方法

本发明涉及一种清洗用双流体喷嘴，详细说，是一种清除附着在半导体基板等上面的污物的清洗用双流体喷嘴。此外，这种发明还涉及一种利用前述清洗用双流体喷嘴清除掉附着在基板上的污物的清洗装置。

一般地，在半导体的制造过程中，半导体晶片表面上沾有各种污物。例如，当利用CVD法或者喷镀法对半导体晶片的表面镀以绝缘膜或金属膜时，其表面上便沾有颗粒状的污物。此外，当通过干腐蚀形成图案后会沾有保护层的残余或金属污染物。作为清除这些污物的一种方法，过去，常采用高压喷水清洗、冰清洗器清洗、及利用清洗用双流体喷嘴的液滴喷射进行清洗的方法。

图17表示利用被称为高压喷水清洗的方法进行清洗的过去的清洗装置的模式图。该清洗装置中，载物台6的上面固定着半导体晶片，由马达使其回转。相对于该半导体晶片5的位置，配设着自纯水加压器68通过配管并与其相连接的高压喷嘴69。

这种清洗方法中，首先，由纯水加压器68将纯水等液体的压力加压至50～100kgf/cm²(kg重/cm²)的高压，然后通过配管提供给高压喷嘴69。高压喷嘴69上开有直径为0.1mm左右的孔，液体通过该孔被连续地喷射到半导体晶片5上。在喷射的液体与半导体晶片5的表面发生冲击的作用下，沾附在半导体晶片5表面上的污物便被除掉，从而实现清洗。

此种清洗方法存在的问题在于：清洗力低，不能充分地除掉1μm以下的粒子。为提高清洗力，虽可通过给液体增加更大的压力来提高液体由高压喷嘴69喷射出的速度，但却会增大纯水加压器的尺寸，因此，经济上决非上策。作为一个具体实例，当液体的供给压力为100kgf/cm²时，液体的喷射速度为130m/sec左右。

图18表示以前的清洗用双流体喷嘴70的剖面图。清洗用双流体喷嘴70，设有气体通过其内部的第1管路72和由第1管路72外侧贯通第1管路72侧壁、其前端部延伸到第1管路72内、液体通过其内部的第2管路73。第2管路73的前端部沿着与第1管路72延伸方向相同的方向延伸。

图19表示采用了这种清洗用双流体喷嘴70的诸如半导体晶片用的清洗装置的结构模型图。该清洗装置设有清洗罩8、固定清洗罩8内半导体晶片5的载物台6、使该载物台回转的马达7、将液滴面向半导体晶片5表面喷射的清洗用双流体喷嘴70、向清洗用双流体喷嘴70提供加压气体的气体供给系统2a、向清洗用双流体喷嘴70提供加压液体的液体供给系统3a。清洗罩8与排气口相连通。此外，还设有夹持、并使清洗用双流体喷嘴70移动的机械臂4。

下面，说明这种清洗装置的动作。将半导体晶片5固定在载物台6上，以规定转数回转。由气体供给系统2a将加压气体、及由液体供给系统3a将加压液体分别提供给清洗用双流体喷嘴70。在清洗用双流体喷嘴70中，如图18所示，将气体与液体相混合，液体变成粒状的液滴1，该液滴1在第1管路72内(图中a～b段之间)经气体的喷流作用被加速，并由第1管路72的前端喷出。喷出的液滴1，如图19所示，与半导体晶片5的表面碰撞，清除掉附着在半导体晶片5的表面上的污物。从半导体晶片5上除掉的污物和与半导体晶片5的表面碰撞后飞散开的液滴1及从清洗用双流体喷嘴70内喷出的气体，均由清洗罩8内经排气口9排出。清洗时，为保证半导体晶片的整体清洗，可通过夹持清洗用双流体喷嘴70并使其移动的机械臂(手)4，使清洗用双流体喷嘴70沿着半导体晶片5的表面呈水平方向移动。

该清洗装置的清洗力比前述的高压喷水清洗方法的清洗能力要高，此外，其工作成本也比以往的冰清洗器清洗方法要便宜，同时，这种清洗装置，还可将清洗力控制在很宽的范围内，所以没有细微模型的破坏，同时，也不会给硬度小的金属膜带来损伤。不过，与冰清洗器清洗方法相比存在着清洗效果低的问题，有关理由说明如下。

在清洗用双流体喷嘴的清洗中，其清洗力与液滴的速度相对应。液滴的速度，是依据气体的流量、液体的流量、清洗用双流体喷嘴70的第1管路72内的距离(指a～b间的距离)及其间的第1管路72内侧的截面面积决定的。例如，若设气体的流量为200L/min、液体的流量为100L/min、a～b间的距离为100mm、第一管路72的内径为4.35mm，则液滴的速度是224m/sec。一般情况下，由于清洗用双流体喷嘴的形状是固定的，故液滴的速度，是通过气体的流量和液体的流量来决定的，特别地，由体积较大的气体流量支配。

如图18所示的那样，第1管路72为直管，气体通过的第2管路73外侧的第1管路72的内部截面面积比图中a～b间的内部截面面积要小。因此，气体的流量，将被第2管路73外侧的通路最为狭窄的第1管路72的内部截面面积律速。也就是，限制其速度。通常时，气体的供给压力可达到最大的10kgf/cm²，特别地，在半导体生产工厂内最大使用的气体可达7kgf/cm²。例如，将第2管路73的外径选择为3.2mm时，气体流过的第2管路73外侧的第1管路72的内部截面面积是6.8mm²。当将气体的供给压力选定为7kgf/cm²时，气体的流量约为200L/min。此时的液滴速度，可达到如上所述的224m/sec。

当清洗用双液体喷嘴70的前端部分采用图中a～b段那样的直管形状时，流过该直管中的气体速度，当增多气体流量时基本上达到约330m/sec即接近音速。不过，在图18所示形状下的清洗用双流体喷嘴70中，通常情况下，在所使用的气体的供给压力的最大值为7kgf/cm²的范围内，液滴的速度达不到音速。由于清洗力依赖于液滴的速度，故该清洗用双流体喷嘴70的清洗力，在通常所使用的气体供给压力范围中是低的。

当将气体的供给压力提高到比正常使用范围要高时，气体的流量增加，液滴的速度提高，其最大值可如前所述达到音速。如下面所述，在采用冰清洗器清洗时的冰粒子和本清洗场合的液滴中，由于冰与液体(例如水)的物性值不同，冰粒子及液滴在冲击速度相同时，其清洗力依然是冰清洗器清洗高。冰清洗器清洗方面，由于冰粒子的速度最大可达音速，所以此种清洗用双流体喷嘴70的清洗力，是无法超过冰清洗器清洗方法的。

又，该清洗装置的问题在于：由于加大清洗罩8的排气量并不经济，为了充分地进行排气，将清洗用双流体喷嘴70与半导体晶片5表面间夹角设为60°以下，但其清洗力不够，且对细微模型的损伤控制将变得困难。为了使由半导体晶片5上被清除掉的污物不再重新沾附在半导体晶片5的表面，则必需将清掉的污物、液滴1及气体由清洗罩8内经排气口9排出。因此，将排气口配置在与清洗用双流体喷嘴70的喷射口相对的位置，则需要足够的排气量。具体地说，在图19的清洗装置下，其排气量约需5m³/min以上。

又，当清洗用双流体喷嘴70与半导体晶片5的夹角为60°以上时、液滴及气体的喷流在半导体晶片5的表面反射，并从清洗罩8的上部开口向上飞散，使污物再度沾附在半导体晶片5的表面。液滴的冲击角度越接近垂直，其清洗力将越高，而液滴的冲击角度越接近垂直，其对细微模型的损伤程度越小。根据液滴的冲击角度，改变细微模型所受的力(外力)，使对细微模型的损伤程度得到变化。因此，液滴相对半导体晶片5沿斜向喷射时，在半导体晶片5的表面上将出现不同的液滴冲击角度，从而使得对细微模型的损伤控制变得困难了。

又，这种清洗所存在的问题，不仅在半导体晶片上，即使在清除沾附在液晶基板、光掩模等基板上的污物时也会产生。

综上所述，以前的清洗装置存在的问题点在于：对以半导体材料为清洗对象时的清洗力较低，特别地，不能充分地清除掉细微的附着物。此外，也不能充分地控制对半导体材料的损伤。

所以，本发明的目的在于：提供一种以强力清除掉附着在半导体基板等的表面上的污物的清洗用双流体喷嘴，以及采用该喷嘴的一种清洗装置。

本发明的另一目的在于：提供一种经过改良的清洗用双流体喷嘴，以及清洗装置，以便可以清除掉沾附在基板等的上面的1μm以下的微小异物。

本发明的再一目的在于：提供一种经过改良的清洗用双流体喷嘴，及清洗装置，以便使液滴的喷射速度超过音速。

本发明的又一目的在于：提供一种工作成本便宜的清洗装置。

本发明的其它目的还在于：提供一种改良过的清洗用双流体喷嘴，以及清洗装置，以便在可以清除掉沾附在基板等的表面上的污物的同时，而不会损伤基板的表面。

附图说明：

图1表示涉及本发明实施例的清洗用双流体喷嘴10的结构剖面图；

图2表示设置前述清洗用双流体喷嘴10，例如在半导体晶片中采用该喷嘴的清洗装置的结构模型图；

图3表示与图18所示的以往的清洗用双流体喷嘴70比较的本实施例的清洗用双流体喷嘴10的气体供给压力与气体流量之间关系(流量特性)的曲线；

图4表示与以往的清洗用双流体喷嘴70比较后的本实施例的清洗用双流体喷嘴10的气体供给压力与液滴喷射速度之间关系的曲线图；

图5表示本发明的清洗用双流体喷嘴10的前端的加速部的长度，即、加速管11在图1中的a-b段长度，与液滴的喷射速度之间关系的曲线图；

图6所表示的是根据污物的除去率表示的清洗用双流体喷嘴的液滴喷射速度与清洗力之间的关系曲线；

图7表示当改变本发明的清洗用双流体喷嘴10的喷嘴尖端(前端9的加速部A的管内的截面面积时，根据污物除去率所表示的液体流量与清洗力之间关系的曲线；

图8为介绍喷射的液滴所产生的清洗作用的说明图；

图9是由污物除去率表示的液滴冲击角度与清洗力之间关系的曲线；

图10表示在各种清洗方法中粒子的粒径与其除去率之间关系的曲线；

图11表示涉及本发明其它实施例  的清洗用双流体喷嘴20的剖面图；

图12表示本发明另外的其它实施例的清洗用双流体喷嘴30的剖面图；

图13表示涉及这种发明另外的其它实施例的清洗用双流体喷嘴40的结构的剖面图；

图14表示涉及本发明另外的其它实施例的清洗用双流体喷嘴50的结构剖面图；

图15表示安装前述清洗用双流体喷嘴50的诸如半导体晶片用的清洗装置的结构及清洗方法的模型图；

图16，表示本发明另外的其它实施例下的清洗用双流体喷嘴60的结构剖面图；

图16(b)，表示整流板65与图16(a)的纸面相垂直方向的剖面图；

图16(c)，是在沿着液滴的喷射方向和相反方向观察喷嘴60时的整流板65和加速管61的端面图；

图17表示利用被称为高压喷水清洗的方法进行清洗的过去的清洗装置的模式图；

图18表示以前的清洗用双流体喷嘴70的剖面图；

图19表示采用了这种清洗用双流体喷嘴70的诸如半导体晶片用的清洗装置的结构模型图。

下面，参照附图说明本发明的实施例。另外，各图中的相同符号表示相同或相似的部分。实施例1

图1表示涉及本发明实施例的清洗用双流体喷嘴10的结构剖面图。该喷嘴是通过将加压后的气体和液体经混合后所形成的液滴喷射在气体中，使其与被清洗物表面发生撞击而进行清洗的。该清洗用双流体喷嘴10是由位于喷嘴前端部的具有实现液滴加速的加速管11的加速部A及具有将加压后的气体和液体经混合而形成液滴的混合管12的混合部B所构成。混合管12上开设有加压后的气体流入口2和液体流入口3。

这种清洗用双流体喷射喷嘴10的特征在于：喷射液滴的喷嘴前端的加速管11，即图中a-b部分呈圆形直管状，其长度为30～200mm，管的横截面面积为3～15mm²。此外，使经加压后的气体及液体通过各自的配管而进行混合的混合管12，即图中的b-c部分为圆形直管形状，其长度为3-50mm，横截面面积具有7～100mm²的空间。再有，向前述混合管12提供气体的流入口2的截面面积为7～200mm²，液体流入口3的截面面积为0.01～20mm²。

作为一种具体的例子，喷嘴前端的加速管11(在图中a-b之间)的长度为10mm、管内的截面积为7mm²，混合管12(在图中b-c之间)的长度为30mm，截面积具有20mm²的空间，气体流入口2的截面面积为15mm²，液体流入口3的截面面积为5mm²。

图2表示设置前述清洗用双流体喷嘴10，例如在半导体晶片中采用该喷嘴的清洗装置的结构模型图。这种清洗装置，可清除掉附着在半导体晶片5表面上的污物。该清洗装置备有与清洗用双流体喷嘴10相连接的、并向清洗用双流体喷嘴10实施加压和提供气体与液体的气体供给系统2a及液体供给系统3a。此外，该装置还设有支撑半导体晶片5的载物台6、使载物台旋转的马达7及防止清洗时水滴飞溅的清洗罩8。清洗罩8上连接着排气口9。此外，还设有支撑清洗用双流体喷嘴10及使其移动的机械臂4。

下面，将介绍这种清洗装置的工作过程。首先，将半导体晶片5固定在载物台6上，让马达7以规定的转数回转。由气体供给系统2a加压的气体和由液体供给系统3a加压的液体，如图1所示的那样，通过气体流入口2及液体流入口3，提供给清洗用双流体喷嘴10的混合管12。在清洗用双流体喷嘴10内的混合部13内，即混合管12的图中b-c段内，将气体和液体混合，并使液体变成颗粒状的液滴1。该液滴1在清洗用双流体喷嘴10内的喷嘴前端的加速部A内，即，加速管11的图中a-b段内，通过气流的作用而获得加速，其颗粒直径变小，并由喷嘴前端喷出。

如图2所示，喷出的液滴1撞击半导体晶片5的表面，从而将附着在半导体晶片5表面上的污物清除掉。从半导体晶片5上被清除掉的污物和与半导体晶片5表面撞击后飞散的液滴1及自清洗用双流体喷嘴10喷出的气流，经由排气口9从清洗罩8内排出。清洗时，为能够保证半导体晶片5的全面清洗效果，依靠支撑和使清洗用双流体喷嘴10移动的机械臂4，让清洗用双流体喷嘴10沿着半导体晶片5的表面呈水平方向进行移动。

图3表示与图18所示的以往的清洗用双流体喷嘴70比较的本实施例的清洗用双流体喷嘴10的气体供给压力与气体流量之间关系(流量特性)的曲线。图3中，流量线3-1表示如图1所示的本实施例的清洗用双流体喷嘴10的气体流量，如前所述的一种具体实施例所介绍的那样，加速部A的内径为3mm(截面面积为7mm²)，混合部13的内部截面积为20mm²。此外，流量线3-2表示以往(如图18所示)的清洗用双流体喷嘴70的气体流量，正如前具体实施例所述的一样，第1管路72的内径为4.35mm(截面积15mm²)，第2管路73的外径为6.8mm，第2管路73外侧的第1管路72的内部截面面积为6.8mm²。

如图3所示的那样，当气体供给压力相同时，将本发明的清洗用双流体喷嘴10与从前的清洗用双流体喷嘴70相比，其气体的流量变大。这正象以前的技术所述的那样，在图18所示的以前的清洗用双流体喷嘴70中，第1管路72为直管，第2管路73的外侧，气体所通过的第1管路72的内部截面面积比图中a-b段间的截面积要小。由于气体的流量是依据第1管路内部的截面积决定速度的大小的，也就是说，第2管路73外侧的通路最为狭窄，故速度受到限制，其流量减少。

图4表示与以往的清洗用双流体喷嘴70比较后的本实施例的清洗用双流体喷嘴10的气体供给压力与液滴喷射速度之间关系的曲线图。图4中，速度线4-1表示本实施例的清洗用双流体喷嘴10的液滴的喷射速度，速度线4-2表示以前的清洗用双流体喷嘴70的液滴喷射速度。如图4所示的那样，当气体的供给压力相同时，将本发明的清洗用双流体喷嘴10与以前清洗用双流体喷嘴70相比较，其液滴的喷射速度变快。

作为一具体例，正如前面所说明那样，假定以往的清洗用双流体喷嘴70的嘴部前端部的内径为4.35mm(截面积为15mm²)，本发明的清洗用双流体喷嘴10的前端部加速管11的内径为3mm(截面积为7mm²)时，本发明的清洗用双流体喷嘴10内的液滴的喷射速度，在气体的供给压力约为3kgf/cm²时，可达到音速。当气体的供给压力约为7kgf/cm²时，从往的清洗用双流体喷嘴70内的液滴的喷射速度为224m/sec。为使以往的清洗用双流体喷嘴70的喷射速度达到音速，则需使气体的供给压力达到10kgf/cm²以上。因此，本发明的清洗用双流体喷嘴可在气体供给压力处于低压条件下，提高液滴的喷射速度。

图5表示本发明的清洗用双流体喷嘴10的前端的加速部的长度，即、加速管11在图1中的a-b段长度，与液滴的喷射速度之间关系的曲线图。由图5可知，当清洗用双流体喷嘴10的喷嘴前端的加速部A的长度为30mm以下时，液滴的喷射速度缓慢。这是由于在清洗用双流体喷嘴10的混合部B形成的液滴1，因喷嘴前端的加速部A较短所致，因此，不能充分地接受由气流产生的加速作用。另外，当清洗用双流体喷嘴10的喷嘴前端的加速部A的长度超过200mm时，液滴的喷射速度缓慢降低。这是由于，喷嘴前端的加速部A过长，在配管内流体阻力的作用下，气体的流量将会降低的缘故。因此，清洗用双流体喷嘴10前端的加速部A的适合长度应选30～200mm为宜。

图6所表示的是根据污物的除去率表示的清洗用双流体喷嘴的液滴喷射速度与清洗力之间的关系曲线。如图6所表示的那样，清洗力正比于液滴的喷射速度，逐渐变大。

图7表示当改变本发明的清洗用双流体喷嘴10的喷嘴尖端(前端9的加速部A的管内的截面面积时，根据污物除去率所表示的液体流量与清洗力之间关系的曲线。图7中，曲线7-1、7-2、7-3分别表示喷嘴前端加速管11内部截面面积为3mm²、5mm²、7mm²时清洗力的变化情况。在该曲线所表示的仅改变喷嘴前端加速部A管内截面面积的清洗用双流体喷嘴中，将气体供给压力保持为一常量，而仅让液体流量进行变化。因而，当喷嘴尖部的加速管11管内的截面面积增大时，其气体流量将增多。

如图7可见，液体流量少的场合，其清洗力变小。这是由于液滴的数量减少而使清洗效率降低。此种条件下，为得到足够的除去率，其液体的流量应保持在100mL/min之上。此外，当液体流量过多时，其清洗力将缓慢减小。这是因为针对某种气体的流量，均要限制可以充分加速的液滴量，当液体流量过多，液滴速度将变慢。

另一方面，当喷嘴前端加速部A管内的截面面积很小时，气体流量减少，可充分加速的液滴量，即液体流量减少，除去率就很低。与此相反，当喷嘴前端加速部A管内截面面积很大时，气体流量很大，可充分加速的液滴量，即液体流量增多，其除去率增高。不过，当喷嘴前端部管内截面面积过大，其流量过多时，将使得工作成本过高，从经济上看决非上策。此外，因气体流量增多，还需增加为充分将气体排出清洗罩8的气体排气量，因而，加大了工作成本，从经济角度看也决不是上策。

综上考虑，喷嘴前端加速管11管内的截面面积选择3mm²以上为宜。从实用角度看，其截面面积选为3～15mm²左右为宜，据实验结果看，一般选在7mm²左右最为适宜。此外，为减小流体阻力，喷嘴前端加速部A的形状可采用圆形直管状。

加压后的气体及液体所通过的各自的配管进行混合的喷嘴混合部B的截面面积至少应该比喷嘴前端加速部A的管内的截面面积要大。当比喷嘴前端加速部A的管内截面面积小时，混合部B中的气体流量将受到限制，液滴达不到为获得足够清洗力时的速度。此外，当混合部B的截面面积过大时，液滴无法在混合部处得到充分的微细化处理，其清洗效率降低。当混合部B的长度很短时，液滴在混合部B中的加速不足，无法得到足够的清洗力。此外，当混合部B的长度很长时，混合部B内的流体阻力增高，气体流量减少，因此，无法获得足够的清洗力。

因此，综上考虑，混合部B的截面积至少应比适合的喷嘴尖端加速部A的管内截面面积最小值3mm²要大，即应在3mm²以上为宜。此外，从实用角度看3～200mm²范围适宜。而混合部B的实用长度为3～50mm。此外，为减小流体阻力，混合部B的形状希望选择圆管为宜。

为不阻碍气体的流量，向前述混合部B供给气体的流入口2的截面面积，至少应比喷嘴前端加速部A的管内截面面积的最小部分要大，而在结构上应选择与混合部B的截面积具有同等以下的截面积。因此，气体流入口的截面积应比适合的加速部A的管内截面积最小值3mm²大，至少需要在3mm²以上。另外，从实用上看，7～200mm左右最为适宜。

另外，为得到足够的除去率，其液体流入口3的截面面积的大小，需要保证液体最低限度的流量在100mL/min以上。为此，理论上，液体流入口3的截面面积可选择为0.04mm²以上。此外，为提高液滴在混合部B中的微细化程度及初速度，尽量不要选择过大的截面面积。从实用角度看选择在0.04～20mm²的范围内为宜。

下面，参阅图8说明本发明的清洗用双流体喷嘴工作及作用的基本概念。图8为介绍喷射的液滴所产生的清洗作用的说明图。首先，如图8(a)所示，设液滴1以速度Vo向半导体晶片5的表面冲击。于是，如图8(b)所示，在液滴1冲击的瞬间，液滴1的下部产生被称为冲击压的压力P。接着，如图8(c)所示，在该冲击压的作用下，将沿水平方向产生称作放射流的喷流V_f。紧接着，液滴1将按图8(d)所示的状态产生变形，使半导体晶片5上的污物受到冲击压P或来自该放射流V_f的作用力的作用被清除掉。

冲击压P可由下式求得。

P＝1/2αP_LC_LVo                   (1)

式中，Vo：冲击速度；P_L：液体的密度；C_L：液体中的音速；α：称低减系数，可由下式求得。 $\mathrm{\α}=\frac{0.41}{1+0.59(p_L{C}_L/p_S{C}_S)}-----\left(2\right)$

式中，P_s：半导体晶片基板的密度；Cs：半导体晶片基板中的音速。

放射流的速度V_f由下式表示。 $V_f={\left(\mathrm{\α}{C}_L{V}_O\right)}^{1/2}----\left(3\right)$

设半导体晶片5上的污物形状为球形粒子，该粒子所受的外力(除去力或清洗力)D由下式确定。 $D=C_D\frac{P_L}{2}{V}_f^2\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2-----\left(4\right)$ $D=C_{D}P\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2-----\left(5\right)$

式中，C_D：抗力系数；d：表示粒子的直径。又，(式4)与(式5)的形式不同，但在结果上可求得相同值。

如现在所知，清洗力D与液滴的冲击速度成正比，当加大冲击速度Vo则清洗力增大。

清洗力D虽不依赖于液滴1的粒子直径而变化，但却会改变液滴1的冲击面积(冲击面积将会对污物的除去率产生影响)。当液体的供给量保持不变时，若减小液滴1的粒子直径，液滴1的个数与粒径的3次方成反比而增加，另一方面，1个液滴的冲击面积与粒径的2次方成正比例而减少。其结果，整个液滴冲击的总面积增加，从而使清洗效果得到提高。

此外，这种模型除了适用于液滴，即所谓的液体的粒子外，也适用于作为过去技术的冰清洗器清洗时的冰粒子。对于冰粒子而言，由于冰粒子中的音速C_L比水等一类液体中的音速要快，故冲击速度相同的场合，冰粒子的清洗力比液滴要大。

假设前述模型中的液滴沿着半导体晶片表面成垂直方向进行冲击，实际上，是在具有一定倾角的状态下进行冲击的，此时，(式4)、(式5)分别由下式表示。 $D=C_D\frac{P_L}{2}{V}_f^2\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-----\left(6\right)$ $D=C_{D}P\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\sin \left(\mathrm{\θ}\right)------\left(7\right)$

式中，θ表示液滴1在冲击时与半导体晶片5表面方向之间的冲击夹角。

图9是由污物除去率表示的液滴冲击角度与清洗力之间关系的曲线。如图9所示，加大液滴的冲击角度，清洗力的值将随着正弦曲线值变大。

图10表示在各种清洗方法中粒子的粒径与其除去率之间关系的曲线。图中线段10-1表示由本发明状态下的清洗用双流体喷嘴10进行清洗时的曲线，线段10-2则表示采用以前的清洗用双流体喷嘴70进行清洗的曲线，图中线段10-3表示利用以前的高压喷射水进行清洗时的除去率的曲线。尽管有关作为以前技术的冰清洗器的清洗情况未见记载，但其情况与线段10-1基本相同。如图10所示，图中线段10-3所表示的高压喷水清洗的方法无法除掉1μm以下(指粒子直径)的粒子。又，图中线段10-2所表示的用以前的清洗用双流体喷嘴70的方法，其清洗力虽比高压喷水方法要高，但也无法清除掉0.1μm的粒子。与此相反，采用图中线段10-1所表示的本发明的清洗用双流体喷嘴10进行清洗的方法，其清洗力均比前两者高，并可清除掉粒径在0.1μm以下的粒子。

在前述实施例中，虽举例说明作为基板的半导体晶体，但本发明决不仅限于此，对于除掉附着在液晶、光掩模等的基板表面上的污物也同样适用。实施例2

图11表示涉及本发明其它实施例  的清洗用双流体喷嘴20的剖面图。这种清洗用双流体喷嘴20，由利用喷嘴前端部分给液滴加速的加速管21所组成的加速部A和包括将加压后的气体和液体经混合形成液滴的混合管的混合部B所构成。混合管22上，设有加压气体的流入口2及贯通混合管22侧壁的开口于混合管22内的液体流入口3及其端部的一部分与混合管22成同轴状配置的液体流入管23。

这种清洗用双流体喷嘴20的特征如下。混合加压气体及液体的混合部B(图中b-d段)中的图示c-d段的结构，与以前的技术相同，为外管(第1管路22)通过气体、内管(第2管路23)通过液体的二重管构造，不同点为：这部分气体通过的第2管路23外侧的第1管路22的内部截面积，比喷嘴前端的加速管11(图中a-b段)的截面面积要大。因此，气体在混合部B内的二重管的地方不会产生律速现象，即速度不会受到限制，即使利用比以往的清洗用双流体喷嘴70还要低的供给压力，也能得到大流量，所以本发明的液滴的喷射速度快，清洗力高。

又，这种清洗用双流体喷嘴20的另一个特征还在于：自混合部B内的第2管路23的出口前，到与加速管21相连接处之面(图中b-c段)，第1管路22及加速管21的截面面积是逐步变细的。因此，图中b-c间的气体速度不会受到流体阻力产生损失，而会渐渐加快。自第2管路23的出口3喷出的液滴1，将随着这种气体喷流的作用而渐渐加速，并实现细微化处理。因此，与图1所示的实施例下的清洗用双流体喷嘴10相比，液滴1的粒径要小，且液滴1的喷射速度要快，其清洗力要高。

作为这种清洗用双流体喷嘴20的一个具体实施例，设其喷嘴前端加速部A(图中a-b段)长度为100mm，管内的截面面积为7mm²，混合部B(图中b-d段)中的图中b-c之间的长度为20mm，图中c-d间的长度为20mm，图中c-d间的第2管路23外侧、即气体流动部分的截面面积为20mm²，气体流入口2的截面积为20mm²，液体流入口3的截面面积为3mm²。另外，第1管路22和第2管路23均为圆管形状，并按同心圆状态配置在混合部B内的图中C部处的。

由于采用了这样的结构，使得液滴的处理更加细微化，并加快了液滴的喷射速度，因而可实现清洗力高的清洗用双流体喷嘴。实施例3

图12表示本发明另外的其它实施例的清洗用双流体喷嘴30的剖面图。

这种清洗用双流体喷嘴，是由利用喷嘴前端部分实现液滴加速的加速管31所构成的加速部A(图中a-b)及包括混合加压气体和液体、并使其形成液滴的混合管32的混合部B所组成的。混合管32上，设有加压气体的流入口2及贯通混合管32侧壁的并开口于混合管32中的液体流入口3以及其前端的一部分与混合管32成同轴配置的液体流入管33。此外，该液体流入管33中，以同轴方式配置有气体流入管34，属三重管结构。混合加压气体及液体后的混合部B(图中b-c段)和喷射前端的加速部A(图中a-b段)，则与图11所表示的实施例相同。

这种清洗用双流体喷嘴30的特征如下。也就是说，在该清洗用双流体喷嘴30的混合部B、即图中c-d之间，设有气体通过其中的第一管路32和自第1管路32外侧穿过第1管路32侧壁、其前端延伸至第1管路32内的液体将通过其中的第2管路33及自第2管路33外侧穿过第2管路33侧壁其前端部延伸到第2管路33内的且气体将通过其中的第3管路34。又，第3管路34的前端部和第2管路33的前端部，均沿着与第1管路32的延伸方向相同的方向延伸。

同图11所示的实施例一样，这种三重管结构的部分、即图中c-d段、通过气体的第2管路33外侧的第1管路32的内部截面积，比喷嘴前端的加速部A(图中a-b段)的截面面积要大。在第3管路34的前端部处，经由第3管路34喷出来的气体将与流经第2管路33内的液体进行混合并形成液滴，在第1管路32内依靠气体的喷流作用，而促进了液滴的细微化程度。

其结果，得到了比通过图1或者图11所示的实施例的清洗用双流体喷嘴更加细微的液滴，此外，液滴的喷射速度也将变快。作为一种具体的例子，由以往的清洗用双流体喷嘴70得到的液滴的粒径约为20μm，用图1所示的实施例的清洗用双流体喷嘴10得到的液滴的粒径约为10μm，由图11所表示的实施例的清洗用双流体喷嘴20所得到的液滴粒径为5μm左右，而用图12所示的实施例的清洗用双流体喷嘴30所得到的液滴粒径则为2μm。因此，利用本实施例的清洗用双流体喷嘴30得到的清洗力与以往的清洗用双流体喷嘴70相比就不用说了，而且比图1或图11所示的实施例的清洗用双流体喷嘴得到的清洗力都高。实施例4

图13表示涉及这种发明另外的其它实施例的清洗用双流体喷嘴40的结构的剖面图。

这种清洗用双流体喷嘴40，是由利用喷嘴前端部分实现液滴加速的拉瓦尔喷管形状的加速管41所组成的加速部A(图中a-b)及包含通过将加压的气体和液体经混合后形成液滴的混合管42的混合部B(图中b-d)所构成的。混合管42上，开有加压气体的流入口2和液体流入口3。

混合加压气体及液体的混合部B的管路42(图中b-c段)的形状，与图11中所示的实施例的第1管路22相同，混合部B的管路42(图中c-d段)的形状，则与图1中所示的实施例的混合部B(图中b-c段)的形状相同。

本清洗用双流体喷嘴40的特征在于：喷嘴前端的加速部A(图中a-b段)的内径形状，呈一种在面向液滴喷射口方向而逐渐变大的拉瓦尔喷管的形状。该双流体喷嘴40的前端加速部A(图中a-b段)的长度，与实施例1的直管场合相同，仍以30～200mm为宜。又，加速部A的管内的截面积与实施例1的直管时的理由相同，最小限制部(咽喉部)的截面积，即图中b部的截面面积需在3mm²以上。从实用上看，选为3～10mm²左右为宜。此外，出口部、即图中a部的截面积，至少应比咽喉部要大，需在3mm²之上。较为实用的，应有6～20mm²左右为宜。

一般地，拉瓦尔喷嘴(拉瓦尔喷管)的作用可使气体在管路中的速度增加至超音速。为让本清洗用双流体喷嘴40产生的液滴增速到超音速，需进行形状的最优(佳)化选择。由图7可知，得到足够除去率所需液体的流量约为100mL/min以上，又，当液体流量多时，因工作成本增高，经济方面不是上策，所以适宜的液体流量为100～300mL/min。为使这种流量的液滴速度达到超音速，其最小气体流量为200～600L/min。

为了在正常情况下所使用的最大供气压力，在不超过7kgf/cm²的范围内得到这种气体流量，需将双流体喷嘴40的加速管41的咽喉部(限制部)、即图中b部的截面面积选择在3～10mm²或者之上。此外，将双流体喷嘴40的加速管41的出口部、即图中a部的截面积选择为限制部(咽喉部)截面积的2倍，便可使液滴的速度达到音速，故出口部截面面积的适宜值应选为6～20mm²。采用此条件下的双流体喷嘴40，其液滴的喷射速度可达到音速的1.5倍左右，即500m/sec。

如上所述，因这种双流体喷嘴40，可使液滴以音速喷射(出)，故其清洗力均比冰清洗器清洗喷嘴、以往的双流体喷嘴70、以及图1、图11或者图12所示的实施例的双流体喷嘴都高。实施例5

图14表示涉及本发明另外的其它实施例的清洗用双流体喷嘴50的结构剖面图。

该清洗用双流体喷嘴50，由利用喷嘴前端的部分实现液滴加速的加速管51所组成的加速部A(图中a-b段)和包含实现混合加压气体与液体使其形成液滴的混合管52的混合部B(图中b-d段)所构成的。混合管52上，设有经加压的气体流入口2和液体流入口3。喷嘴前端的加速部A(图中a-b段)以及混合加压气体和液体的混合部B(图中b-c段)的形状，均与图1所示的实施例相同。

本清洗用双流体喷嘴50的特征在于：喷嘴前端的加速部A的出口、图中a部或者图中a-b间，设置有控制喷射液滴及气体喷流方向的整流板55。该整流板55，自清洗用双流体喷嘴50的加速管51处在与喷射方向相垂直的方向上的10～100mm的范围内被展开、并呈平板状。

图15表示安装前述清洗用双流体喷嘴50的诸如半导体晶片用的清洗装置的结构及清洗方法的模型图。

该清洗装置，装有向清洗用双流体喷嘴50提供加压气体和液体的气体供给系统2a及液体供给系统3a。又，该装置还设有固定半导体晶片5的载物台6、使载物台6旋转的马达7及防止清洗时水滴飞散的清洗罩8。清洗罩8上连接着排气口9。此外，还设有固定清洗用双流体喷嘴50及使其移动的机械臂4。

前述整流板55，被配置在离开半导体晶片5的表面5～50mm的位置处，其配置方向大致与半导体晶片的表面成平行扩展的形式。

作为一具体实例，如图14、图15所示，整流板55被安装在喷嘴出口尖端处，其形状为半径等于50mm的圆盘。清洗时，清洗用双流体喷嘴50被垂直配置在离半导体晶片表面为20mm的位置，为了清洗半导体晶片5的整个表面，可沿表面作横向移动。也就是说，整流板55平行地被配置在距半导体晶片5的表面为20mm的位置处。

由清洗用双流体喷嘴50喷出的液滴1和气体的喷流，一旦与半导体晶片5的表面发生冲击，将要朝上方飞散时，被整流板55抑制住，并沿半导体晶片5的表面分散。清洗用双流体喷嘴50喷出的喷流速度虽很高，但通过整流板55整流过的整流板55周围的喷流速度则为低速。

作为一个具体的实例，喷嘴前端的加速部A(图中a-b段)的长度为100mm，管内的截面面积为7mm²，气体流量为150L/min，当将液体流量设为100mL/min时，喷射之后的喷流速度为330m/sec，接近音速，但整流板55周围的喷流速度是0.4m/sec。

无整流板时，由清洗用双流体喷嘴喷出的液滴和气体喷流，将沿半导体晶片5的表面反射，并朝上方飞散。沾附在半导体晶片5表面上的污物，经液滴冲击后虽暂时由半导体晶片5表面上被清除掉，但却在随着液滴一起飞散向上方后，又重新附着在晶片5的表面上，使半导体晶片5又遭污染。因此，无整流板55时，为快速地将由清洗用双流体喷嘴50喷出的液滴和气体喷流及清除掉的污染物从半导体晶片5的表面上排除掉，则需将清洗用双流体喷嘴的喷射角度设在60°以下，并在与其相对的位置进行大流量排气。

由于设置了整流板55便可解决上述问题，为提高清洗力，可将清洗用双流体喷嘴的喷射角度设为90°(沿垂直方向)。又，由于放慢整流板55附近的喷流速度，便可减少其排气量。具体地说，由图18所说明的过去的清洗用双流体喷嘴70的情况下，虽然其排气量需在约5m³/min以上，但本发明的清洗用双流体喷嘴50的场合，只要选择在2m³/min以下就足够了。

若整流板55的位置离半导体晶片表面太远时，抑制喷流飞散的效果减小，当离半导体晶片表面太近时，气体流过整流板55与半导体晶片5的表面之间的流体阻力增大，故液滴的喷射速度减慢。因此，整流板55距半导体晶片5表面的距离(位置)在5～50mm范围内最为适合。

又，当整流板55的形状采用本实施例的圆盘形状时，若圆板直径很小，则抑制喷流飞散的效果变小，反之，当其直径太大时，将给现实中的装置结构上的安装、以及机构手臂4的移动带来困难，因此，整流板55采用圆盘形状的场合，其半径选在10～100mm的范围内最为实用。实施例6

图16，表示本发明另外的其它实施例下的清洗用双流体喷嘴60的结构剖面图。这种实施例表示经过变形后的整流板的喷嘴。

这种清洗用双流体喷嘴60，是由加速管61所组成的加速部A(图中a-b)和含有混合管62的混合部B(图中b-d)以及设置在加速管61前端的整流板65所构成的。混合管62上开有加压气体流入口2和液体流入口3。喷嘴前端的加速部A(图中a-b段)，以及将加压后的气体和液体进行混合的混合部B(图中b-c段)的形状，与由图14所示的实施例相同。

图16(b)，表示整流板65与图16(a)的纸面相垂直方向的剖面图，图16(c)，是在沿着液滴的喷射方向和相反方向观察喷嘴60时的整流板65和加速管61的端面图。

设置在这种清洗用双流体喷嘴60上的整流板65的形状为：除了在液滴的喷射方向上设有开口以外，仅在一方的侧面还设有开口的箱型形状。被设有开口的一侧，朝向排气口方向，以便于使用。此时，通过整流板65的整流效果，将使由清洗用双流体喷嘴60喷出的喷流速度在整流板65周围减慢，并且，使喷流的大部分，自整流板65的开口一方的侧面朝着排气口9方向流动。因此，大大提高了排气效果，并可以减少排气量。

综上所述，通过在喷嘴前端或者附近设置了阻止由半导体基板等类被清洗材料反射回来的气体及液滴喷流的整流板，所以提高了排气效率，即使清洗装置的排气量很少时也能得到足够的清洗效果。

正如前面说明的那样，在本发明的清洗用双流体喷嘴中，由于将加压后的气体和液体经混合后而形成液滴的混合部的气体通路的最小部分的截面面积，设计成比向气体中喷射液滴的加速部的流路的截面面积的最小部分要大的结构，故即使用较低的气压也可提高液滴的喷射速度，从而实现很强的清洗效果。

另外，由于将加速部设计成圆形直管形状或将其形状设计成最佳形状，故也可进一步进行高速的液滴喷射。

又，在本发明的清洗用双流体喷嘴中，由于将加速部形状设计成其内径面向由与混合部相连接一侧的液滴喷射方向的逐渐增大的拉瓦尔喷管形状，并使其形状最适化，所以可使液滴的喷射速度超过音速。

另外，在本发明的清洗用双流体喷嘴中，由于将加压气体与液体进行混合的混合部的形状设计成圆柱状，并选择了其最适化形状，所以形成了最为适宜的液滴，并可提高液滴的清洗效果。

另外，在本发明的清洗用双流体喷嘴中，由于是在与加速部相连接的方向通过逐渐缩小其截面面积而形成的混合部，并且选择了最适合的形状，故实现了液滴的细微化处理，并可以高速进行液滴喷射。

另外，本发明的清洗用双流体喷嘴中，由于向混合部提供气体的流入口的截面面积及液体流入口的截面积均为最适宜状态，故有效地进行了液滴的细微化处理，也提高了清洗效果。

另外，在本发明的清洗用双流体喷嘴中，由于将加压气体和液体的混合部设计成具有气体通过的外管及位于该外管内并向气体通过方向喷射液体的内管的二重结构，故有效地形成了细微的液滴，并可提高其清洗效果。

又，在本发明的清洗用双流体喷嘴中，由于将加压气体与液体的混合部设计成为具有通过气体的外管、配设在该外管之中的喷射液体的内管、以及配设在该内管中的喷射气体的第3配管的三重结构，故可有效地促使液滴的形成，并且还可实现液滴的细微化处理。

又，在本发明的清洗用双流体喷嘴中，由于在加速管前端部附近，沿与液滴的喷射方向相垂直(正交)的方向设置了整流板，并采用了形状的最适化处理，所以既不会损伤半导体基板等的表面，也能够清除掉附着在基板等的表面上的污物。

又，本发明的清洗装置中，有效地利用了如前所述的清洗用双流体喷嘴的作用，故可以很强的除去力清除掉附着在半导体基板上等的异物。此外，通过使用带有整流板的清洗用双流体喷嘴，可防止液滴的飞散，并可减少排气量。

又，在本发明的清洗用双流体喷嘴及清洗装置中，由于适当地选择了供给双流体喷嘴的气体和液体的供给压力，所以可适当地发挥上述的清洗用双流体喷嘴及采用了该喷嘴的清洗装置的效果，进行强力的清洗。

Claims (15)

1.一种清洗用双流体喷嘴，其特征在于：它装备有混合加压气体和液体使其形成液滴的混合部与将前述液滴喷射在气体中的加速管部，并将前述混合部的前述气体流通管路的最小部分的截面面积设置成比前述加速管部的流通管路的最小部分的截面积要大的形状。

2.如权利要求1所述的清洗用双流体喷嘴，其特征在于：前述加速管部的内部形状为圆形直管。

3.如权利要求1或2所述的清洗用双流体喷嘴，其特征在于：前述加速管部为其长度设定为30～200mm、加速管部管内的截面面积设定为3mm²以上的直管形状。

4.如权利要求1所述的清洗用双流体喷嘴，其特征在于：将前述加速管部的形状选择成其内径自与前述混合部相接一侧开始朝着液滴的喷射方向逐渐增大的拉瓦尔喷管形状。

5.如权利要求4所述的清洗用双流体喷嘴，其特征在于：前述加速管部，其长度为30～200mm，管内的截面面积在咽喉部为3mm²以上。

6.如权利要求1至5中的任意一项所述的清洗用双流体喷嘴，其特征在于：将前述混合部的形状设定为圆柱形状。

7.如权利要求1至5中的任意一项所述的清洗用双流体喷嘴，其特征在于：将前述混合部设定成沿与前述加速管部相连接的方向逐渐缩小截面面积的形状。

8.如权利要求1～7中的任一项所述的清洗用双流体喷嘴，其特征在于：前述混合部设有供前述气体通过的第1管路及位于该第1管路之中朝着前述气体的通过方向喷射液体的第2管路。

9.如权利要求1～7中的任一项所述的清洗用双流体喷嘴，其特征在于：前述混合部设置有供气体通过的第1管路、配设在该第1管路内喷射前述液体的第2管路以及配设在该第2管路内喷射气体的第3管路。

10.如权利要求1～9中的任一项所述的清洗用双流体喷嘴，其特征在于：将向前述混合部提供气体的流入口截面积设置成比前述加速管部的截面积大的形状。

11.如权利要求1～10中的任一项所述的清洗用双流体喷嘴，其特征在于：在前述加速管部的前端部、沿与液滴的喷射方向相垂直的方向设置整流板。

12.一种清洗装置，其特征在于：设置有由权利要求1～11中任一项所述的清洗用双流体喷嘴、与前述清洗用双流体喷嘴的混合部相接并提供加压气体的气体供给系统及与前述清洗用双流体喷嘴的混合部相接并提供加压液体的液体供给系统。

13.如权利要求12所述的清洗装置，其特征在于：将前述清洗用双流体喷嘴的加速管部前端配置在距离被清洗材料的表面为5～50mm的位置处。

14.如权利要求12或13所述的清洗装置，其特征在于：将向前述双流体喷嘴提供的气体及液体的供给压力，分别定为1～10kgf/cm²。

15.一种清洗方法，其特征在于：在由气体供给系统向由权利要求1所述的清洗用双流体喷嘴的混合部提供加压气体的同时，由液体供给系统提供加压液体，当将混合成液滴的气体经前述喷嘴喷射给被清洗材料时便可对被清洗材料进行清洗。

Images