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】
[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】
[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。
[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，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。
[0009]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S12,并进一步形成H2S13或HSi03—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。
[0010]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】
[0011]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。
[0012]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0013]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:
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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 ；
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]优选地，所述保护气体出口朝向距晶圆边缘I?5cm的落点方向倾斜设置。
[0024]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。
[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
[0029]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；
[0030]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。
[0031]优选地，打开液体清洗管路后，间隔3?1s再同时打开进液管路和进气管路。
[0032]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