具有超声或兆声振荡的二相流雾化清洗装置及清洗方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体清洗设备技术领域，更具体地，涉及一种具有超声或者兆声振荡作用的二相流雾化清洗装置及采用该装置的清洗方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]此外，伴随着集成电路制造工艺的不断进步，半导体器件的体积正变得越来越小，这也导致了非常微小的颗粒也变得足以影响半导体器件的制造和性能。对于这些微小的颗粒，传统的流体清洗方法并不能够非常有效地去除它们。这是由于在半导体晶圆表面和清洗液体之间存在着一个相对静止的边界层。当附着在晶圆表面的颗粒直径小于边界层厚度时，清洗液体的流动就无法对颗粒产生作用。
[0009]为了改善这个问题，超声波或兆声波清洗被引入了半导体清洗工艺。超声波或兆声波能量可以在水中产生微小的气泡，当气泡爆开时所产生的震动在晶圆表面的液膜中形成冲击波。由于冲击波的速度很快，导致晶圆表面和清洗液体之间的边界层减薄，使污染颗粒暴露在流动的清洗药液中，这将有助于剥离那些附着在晶圆上的微小颗粒，从而洗净晶圆。
[0010]但采用超声波或兆声波清洗技术在提高了沾污物去除效率的同时，也不可避免地带来了对于图形晶圆的损伤问题。这主要是由于超声波或兆声波的能量在媒介中是以波状传递的，在某些特定的位置，会由于波峰能量的叠加，产生一个能量密度很高的区域，当该区域产生的气泡破裂时其能量远远高于晶圆表面图形结构的强度，而导致图形损伤的出现。
[0011]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，同时也需要对超声或者兆声技术的具体应用方式进行改进，以减小液体颗粒及高密度能量超声波或兆声波对图形的损伤，提高清洗质量和效率，节约清洗成本。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种具有超声或兆声振荡的二相流雾化清洗装置及清洗方法，通过设计将超声波或兆声波清洗与二相流雾化清洗结合起来的新喷嘴结构，可以有效解决造成晶圆图形侧壁和边角损伤的问题，提高清洗质量和效率，节约清洗成本。
[0013]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0014]—种具有超声或兆声振荡的二相流雾化清洗装置，用于对放置在清洗腔内旋转平台上的晶圆进行超声波或兆声波雾化清洗，所述清洗装置包括:
[0015]喷嘴主体，其内部设有液体管路，沿液体管路内壁表面装有超声波或兆声波发生单元，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 ；
[0016]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；
[0017]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；
[0018]其中，通过超声波或兆声波发生单元产生超声波或兆声波振荡，将其超声波或兆声波能量传导至流经的清洗液体内，使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的雾化颗粒具有超声波或兆声波能量，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超声波或兆声波雾化清洗。
[0019]优选地，所述超声波或兆声波发生单元包括朝向液体管路内部方向依次相连设置的压电材料和耦合层，所述压电材料通过接线柱与外部电路连接，以将接收的电信号转化为压电材料的振荡能量，形成高频振荡，并将产生的超声波或兆声波振荡能量依次传导至耦合层及液体管路中的清洗液体内。
[0020]优选地，所述压电材料和耦合层为相套合的环形，其环绕液体管路内壁设置，并与液体管路内壁表面相平齐。
[0021]优选地，所述压电材料和耦合层为相连的片形，并与液体管路内壁表面相平齐设置。
[0022]优选地，所述片形的压电材料和耦合层具有与液体管路内壁相吻合的弧度。
[0023]优选地，所述耦合层表面涂覆有一层耐腐蚀涂层。
[0024]优选地，所述耐腐蚀涂层的厚度为1-500微米。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]—种使用上述的具有超声或兆声振荡的二相流雾化清洗装置的清洗方法，包括:设定超声波或兆声波发生单元的工作频率和功率，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，同时打开超声波或兆声波发生单元，通过压电材料将接收的电信号转化为振荡能量，形成高频振荡，并将产生的超声波或兆声波振荡能量依次传导至耦合层及液体管路中的清洗液体内，使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的雾化颗粒具有超声波或兆声波能量，并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，形成局域的振荡，以对晶圆进行超声波或兆声波雾化清洗。
[0029]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。
[0030]优选地，所述清洗液体包括化学药液或超纯水。
[0031 ] 优选地，所述气体包括氮气、二氧化碳或压缩空气。
[0032]本发明具有以下优点:
[0033]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