CN101144988A - 温度梯度可控的晶片前烘方法及其热盘式前烘装置 - Google Patents

Abstract

一种温度梯度可控的晶片前烘方法及其热盘式前烘装置。方法是采用模糊控制理论，通过热盘温度、晶片位置及晶片温度三闭环方式，来精确控制晶片在热盘中位置的变化、跟踪温度场中不同温度值，控制晶片上胶膜的温度梯度和变化过程。装置包括：炉体，设有带抽风口的上盖及晶片进出用的门；热盘本体，安在炉体中；加热器及温度检测装置，设于热盘本体中，与热盘温度控制器电连接；晶片顶杆，于热盘本体上，底部穿过热盘本体与升降机构相连；升降机构，用电机与伺服控制器相连，其输出轴装有编码器，经丝杠接顶杆底端。本发明能严格控制温度时间和升温速率，获得最优良的胶膜特性及最优良的光刻效果，最终制造出高集成度、高可靠性的半导体器件。

Description

温度梯度可控的晶片前烘方法及其热盘式前烘装置

技术领域

本发明涉及半导体集成电路芯片制作技术，具体地说明是一种温度梯度可控的前烘方法及其热盘式前烘装置。

技术背景

在半导体集成电路芯片制作工艺过程中，需要利用光刻技术这种微细加工手段，在基片的多种薄膜上反复进行开槽、开窗口、打孔、建造平台等微米以下、甚至纳米尺寸的加工。光刻工艺微细加工的精度保证的先决条件就是把欲加工的图形准确的转移到基片上去。图形转移精度完全由光刻效果决定，图形转移的媒介是光致抗腐蚀剂，俗称光刻胶；性能良好的胶膜形成首先取决于涂覆设备的性能，涂胶后的前烘也起着致关重要的作用。

涂胶后的晶片，需要在一定的温度下进行烘焙，这一步骤称之为前烘。前烘后的光刻胶中溶剂的含量降至到5％左右，从而降低灰尘的玷污；前烘同时可以减轻因高速旋转而形成的胶膜应力，从而提高光刻胶的附着性。

前烘的温度和时间需要严格的控制。如果前烘的温度太低，除了光刻胶层与晶片的黏附性变差之外，曝光的精确度也会因为光刻胶中溶剂的含量高而变差。同时，太高的溶剂浓度将使显影液对曝光区和非曝光区光刻胶的选择性下降，导致图形转移效果不好。如果过分延长前烘时间，又会影响到产量。另外，前烘温度过高，光刻胶的黏附性也会因为光刻胶变脆而降低。而且过高的烘焙温度会使光刻胶中的感光剂发生反应，这就会使光刻胶在曝光时的敏感度变差。由此可见，前烘温度、时间、升降温过程是多么的重要。

半导体芯片生产中用于晶片前烘的设备，经历了干循环热风式的烘箱、红外线顶部加热方式的隧道炉和平板传导加热烘焙的热板炉等发展过程。前两种设备为集中多片和随进随出的连续性加工生产方式，技术等级低，生产的器件集程度不高，已很少采用。

上世纪八十年代热板(盘)式前烘装置应运而生。该种形式的烘焙装置的加工方式是一片接一片的单独烘焙；从热学原理的观点出发，它是通过晶片与热盘的接触表面，将热能传导到晶片背面的，光刻胶内的有机溶剂是由内向表面移动而离开光刻胶的。如果处于光刻胶表面的溶剂挥发速度比光刻胶内部的溶剂挥发速度快，当表面的光刻胶已经固化时，再继续进行烘焙，光刻胶表面将会变得粗糙，产生所谓“夹心”后果；为了解决这个问题，人们使用平板式加热器(即用热盘)完成晶片涂胶后的前烘工艺。

但是，多年来，人们一直在热盘的盘面温度的控制精度、结构、挥发气流控制等方面下功夫；烘焙参数也仅仅是围绕控制晶片在热盘中停留的时间，而晶片上胶膜的温度实际真实值是多少并不检测和控制。尤其是近年来，特别是那些需要胶膜较厚的工艺环节，如先进的BUMPING封装工艺，是靠光刻手段制造出蘑菇形或方形凸台焊点阵列，代替传统的焊盘再焊内引线的一种高端封装工艺，凸起焊点的高度完全取决于胶膜的厚度；该制程需要的胶膜厚度高达150微米，厚胶膜的前烘过程不仅温度时间要求严格，而且对升温速率的控制也提出了严峻的挑战。

如果将晶片直接放在热盘(Hot plat unit，缩写：HP)上烘焙，可能造成某些特殊晶片的爆裂，如铌酸锂基片，所以人们把晶片放在一个距离可变的机构上来烘焙，这就是前面提到的接近式的烘焙方法。虽然，目前国内外HP，增加了晶片上下移动功能，即人工给定晶片在热盘中停留的位置和时间，以满足工艺对温度的要求，而烘焙工艺的真正要求恰恰是温度和时间的对应关系，而这种只从位置和时间入手的方法一定会给期望的烘焙温度值带来较大的误差，难以实现理想的烘焙效果，从而严重影响晶片上胶膜光刻性能，降低图形转移的精度，使集成电路制造工艺技术难以向高端发展。从温度和时间的对应关系入手，将模糊控制理论应用于HP热盘的前烘工艺过程，使晶片胶膜烘焙温度梯度精确可控的方法及其所用前烘热盘式前烘装置目前尚未见报道。

发明内容

为了克服现有传统HP热盘在前烘工艺中不能直接控制晶片温度、获取最佳的光刻质量胶膜的不足，本发明的目的在于提供一种温度梯度可控的前烘方法及其前烘热盘式前烘装置，它从温度和时间的对应关系入手，将模糊控制理论应用于HP热盘的前烘工艺过程。

本发明技术方案如下：

温度梯度可控的晶片前烘方法：通过精确控制晶片在热盘本体中位置的变化、跟踪温度场中不同温度值，来控制晶片上胶膜的温度梯度和变化过程，包括下列步骤：

①在热盘温度控制器上设定烘焙工艺要求相适应的温度值，待热盘盘面温度达到该值并稳定；在晶片高出热盘盘面最小距离处的温度值高于或等于晶片烘焙工艺要求的最高温度值；

②顶针杆处于最高位即晶片为最低温度时将晶片放入炉体内，以顶针杆处于最高位处的温度为前烘工艺起始温度；然后开始前烘工艺过程；

③烘焙，采用接近式烘焙方式，在热盘本体和上盖之间形成温度随高度变化的温度场；具体是：采用模糊控制理论，将用户对前烘温度的要求转换为温度与位置的曲线，将晶片温度控制分为三个闭环控制步骤：

第一个闭环为热盘的温度闭环，它是晶片热量的来源，由恒定的给定热盘温度与反馈的热盘温度检测值作差，给晶片提供稳定的温度，作热源；

第二个闭环为晶片的位置闭环，它通过反馈的晶片的位置检测，由晶片的位置调节与控制，即将以热盘温度作热源的晶片的温度与前烘的时间的关系转换为晶片温度对晶片在热盘中到达的位置的关系，来完成晶片在热盘中到达的不同位置对应不同温度的计算；

第三个闭环是晶片的温度闭环，它由晶片温度曲线给定，即通过接收来自用户要求的晶片温度与时间的前烘工艺参数，再以晶片离线实测温度对位置的数据为反馈值，经晶片温度调节与控制的插补计算，即将晶片在热盘中到达的温度对位置的关系转换为晶片在热盘中到达的位置对时间的关系，最后通过所述位置对时间的曲线关系控制升降机构，以实现晶片胶膜温度的实时控制；其中位置指热盘本体离开晶片的高度；

④烘焙过程中的挥发物由顶盖的抽风口排出，保证排风气流恒定；

⑤烘焙过程结束后，在顶针杆处于最高位时将晶片从炉体中取出。

所述顶杆承载晶片上下运动的下极限位置是顶杆端头不高出热盘盘面；其上极限位置，即晶片所能到达的最高位，为晶片离开盘面大于等于50mm的距离，以适应较小的温升速率；当被烘晶片进入炉内后先延时启动前烘程序，待晶片温度达到程序规定的起点温度值时再开始前烘；所述步骤①中晶片高出热盘盘面最小距离处的温度值高于或等于晶片烘焙工艺要求的最高温度值；步骤③中：当热盘稳定在某一温度值时，距离热盘盘面高度不同，晶片温度不同；热盘中晶片顶杆端头所在的承载晶片的平面，在升降机构上下运动的过程中始终与热盘的盘面平行；使晶片在同一高度的水平面内各点的温度一致；热盘自身的稳定温度即为晶片的最高温度，其可调范围为80℃～180℃；晶片位移控制精度高于与晶片前烘温度精度，即晶片移动0.1mm的距离，其温度差大于等于0.1℃；保持晶片升降速度和晶片的热容量相适应，即晶片热容量小时升降速度慢，在到达一个新位置后，待整个晶片温度达到期望的温度值后再移动到下一个高度；

所用的热盘式前烘装置，包括：

一炉体，具有框架环绕的四壁，带抽风口的上盖，侧壁设有晶片进出用的门；

一热盘本体，安装在炉体中；

一加热器，设于热盘本体中，与热盘温度控制器电连接；

一温度检测装置，设于热盘本体中，与热盘温度控制器电连接；

一晶片顶杆，设在热盘本体上，具有垂直设置的针杆，用于支撑晶片，通过与热盘本体相应位置处的穿孔与升降机构相连接；

一升降机构，包括丝杆、电机、编码器和伺服驱动器，电机与伺服控制器相连，输出轴装有编码器，经丝杠接至针杆的底端，驱动顶杆承载着晶片上下运动；

其中：所述晶片顶杆的端头所在平面与热盘本体的盘面平行；所述温度检测装置的测量探头选择半导体工艺测量用探头；其探头尺寸与欲烘焙的晶片的尺寸相同；每个测量探头上的探点至少为5个；测量探头放在晶片顶杆端头所在平面的晶片上，并且使测量探头整体处于热盘本体中央，即测试探头的圆心和热盘本体的圆心同在一个垂直轴线上。

本发明基本原理是：通过精确控制晶片在热盘中位置变化，跟踪温度场中不同温度值，让胶膜的温度梯度和变化过程，完全处于前烘工艺程序的掌控之下。

本发明的特点：

本发明方法采用模糊控制理论，只要用户将晶片前烘(包括PEB(Post-exposure bake)曝光后焙烘)要求的温度与时间输入到该热盘控制步骤中，就可以根据已测得的晶片温度与位置曲线，找出与其相应的位置与时间的曲线，将位置与时间曲线作为位置闭环控制的输入变量，从而自动完成梯度可控的前烘工艺过程，是一种实用的、最新型的、在同一个热盘本体上，使多种光刻胶达到理想烘焙效果的技术路线。

进一步，采用本发明热盘式前烘装置来完成晶片涂胶后的前烘工艺，能严格控制温度时间的长短和升温速率，可以获得最优良的胶膜特性，得到最优良的光刻效果，达到把电路图形最精确地转移到基片上去的目的，最终制造出高集成度、高可靠性的半导体器件。

本发明特别能适用于厚胶膜的前烘过程，如先进的BUMPING封装工艺。

附图说明

图1是晶片前烘工艺流程图；

图2是本发明热盘装置组成框图(机械手不包括内)；

图3晶片温度闭环控制步骤原理图；

图4晶片温度检测与数据处理原理图；

图5是模糊控制原理图；

图6是本发明一个实施例前烘工艺温升曲线示意图；

图7是热盘本体中晶片温度与位置关系的示意图；

图8是晶片前烘工艺过程中位置与时间的控制曲线示意图；

图9是本发明热盘装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2、9所示，半导体芯片制造工艺过程中，在晶片上涂光致抗腐蚀剂后用于前烘的热盘式前烘装置，包括热盘本体4、加热器11及温度检测装置9、具有框架环绕的四壁的炉体，具有三个垂直针杆的顶杆3，用于支撑晶片12，还包括驱动顶杆3承载着晶片12上下运动的升降机构(如丝杆5、电机7和编码器6)和伺服驱动器8等，其中：热盘本体中设有加热器(可以为棒状或片结构)及晶片温度检测装置9(如：Pt100热电阻或热电藕)，分别与热盘温度控制器10(现有技术，市购)电连接；顶杆3设在热盘本体4上，通过与热盘本体相应位置处的穿孔与由电机驱动的丝杠5相连接，电机7与伺机服控制器相连，其输出轴有编码器；炉体上盖13具有抽风口，侧壁有用于晶片进出的门2。热盘本体4中所设的晶片顶杆3端头所在平面始终与热盘本体4的盘面平行；所述晶片12的升降机构上下运动时，顶杆3是在热盘本体4的三个垂直孔中穿上穿下的；该动配合无摩擦，不产生颗粒，没有爬行等不量现象发生；

本发明通过精确控制晶片在热盘本体中位置变化、跟踪温度场中不同温度值，让晶片上胶膜的温度梯度和变化过程，完全处于前烘工艺程序的掌控之下。

如图1-2所示，本发明温度梯度可控的通过热盘本体完成晶片涂覆光致抗腐蚀剂后的烘焙方法，包括下列步骤：

①在热盘温度控制器上设定一个与烘焙工艺要求相适应的温度值，待盘面温度达到该值并稳定；

②用机械手(或其它专用工具)将晶片送入炉体内，放在具有三个升起针的顶杆上；即顶针杆处于最高位时(这时为晶片最低温度)将晶片放入炉体内，顶针杆处于最高位处的温度作为前烘工艺起始温度；然后开始前烘工艺过程；

③烘焙，烘焙有两种方式：接触式和接近式烘焙方式；接触式主要靠热盘本体的传导热将光致抗腐蚀剂中有机溶剂挥发，增加树脂粘附力；接近式主要靠热的辐射、对流等方式达到同样目的，本实施例为接近式烘焙；

④烘焙过程中的挥发物由顶盖的抽风口排出(烘焙过程中及时将挥发物抽走)；保证排风气流恒定；

⑤烘焙过程结束后，取出晶片(顶针杆处于最高位时将晶片从炉体中取出)。

其中，在烘焙过程中，在晶片高出热盘本体盘面最小距离处的温度值高于或等于晶片烘焙工艺要求的最高温度值；在热盘本体和上盖的之间形成温度随高度变化的温度场；也就是说，当热盘稳定在某一温度值时，距离盘面高度不同，使晶片温度不同，本发明晶片在同一高度的水平面内各点的温度一致；故，要求热盘本体中晶片顶杆(通常为3根)端头所在的承载晶片的平面，在升降机构上下运动的过程中始终与热盘本体的盘面平行；只有如此，才能使整个晶片处于同一温度值下，以保证晶片上整个胶膜的温度均匀性；

热盘本体自身的稳定温度(即晶片的最高温度)可调范围为80℃～180℃(显影之前的工艺要80℃～120℃，显影之后的工艺要120℃～180℃)，其控制精度、稳定度和重复性适合工艺要求；

晶片位移控制精度高于与晶片前烘温度精度(即分辨率大于等于0.1℃/0.1mm，这是晶片移动的距离和温度的差的关系)；保持晶片升降速度和晶片的热容量相匹配(即晶片热容量小时升降速度慢，即到达一个新位置后，待整个晶片温度达到期望的温度值后再移动到下一个高度)；

顶杆承载晶片上下运动的下极限位置是顶杆端头不高出热盘盘面；上极限位置，即晶片所能到达的最高位为晶片离开盘面大于等于50mm的距离，以适应较小的温升速率；

由于晶片进出炉时要开/关封闭门，并且有机械手伸进抽出，同样会对温场造成扰动；所以本发明当被烘晶片进入炉内后先延时启动前烘程序，待晶片温度达到程序规定的起点的温度值时再开始；

如图3、5所示，在步骤③的烘焙过程中，本发明采用模糊控制理论，将用户对前烘温度的要求转换为温度与位置(指热盘本体离开晶片的高度)的曲线，其三个闭环控制步骤用以精确地控制晶片的前烘工艺过程；即：

第一个闭环为热盘的温度闭环，它是晶片热量的来源，由恒定的给定热盘温度与反馈的热盘温度检测值作差，给晶片提供稳定的温度，作热源；

第二个闭环为晶片的位置闭环，它通过反馈的晶片的位置检测，由晶片的位置调节与控制，即将以热盘温度作热源的晶片的温度与前烘时间的关系T＝f(t)转换为晶片温度与晶片在热盘中到达的位置的关系T＝f(H)，来完成晶片在热盘中到达的不同位置对应不同温度的计算；

第三个闭环是晶片的温度闭环，它由晶片温度曲线给定，即通过键盘或触摸屏接收来自用户要求的晶片温度与时间的前烘工艺参数(参见图6曲线及表1)，再以晶片离线实测的温度对位置的数据(参见图7曲线及表2)为反馈值，经晶片温度调节与控制的插补计算，即将晶片温度与晶片在热盘中到达的位置的关系T＝f(H)转换为晶片在热盘中到达的位置对时间的关系H＝f(t)(参见图8曲线及表3)，最后通过所述位置对时间的曲线关系控制升降机构(如伺服控制器，电机)，以实现晶片胶膜温度的实时控制；其中位置指热盘本体离开晶片的高度。

表1    用户要求的晶片温度与时间的前烘工艺参数

t	0S	10S	20S	30S	40S	50S
							T	30℃	75℃	100 ℃	115℃	120℃	120℃

表2    晶片离线实测的温度对位置的数据

H	0mm	10mm	20mm	30mm	40mm	50mm
							T	120℃	115℃	100℃	80℃	50℃	30℃

表3    晶片在热盘中到达的位置对时间的关系数据

H	50mm	40mm	30mm	20mm	10mm	0mm
							t	2S	20S	16S	12S	10S	20S

根据用户的晶片尺寸，用高精度的温度检测装置(本实例采用美国SensArray Corporation的RTD Wafer)离线测出温度与位置的曲线，存储后，通过控制和用户的要求，自动找出驱动系统的输入参数，既位置与时间曲线。

欲烘焙多大尺寸的晶片，必须采用多大尺寸的温度检测装置的测量探头；测量顶杆在炉体空间内不同高度上的温度，其温度检测装置选择用于半导体工艺测量的探头；该探头实际就是一个真实的晶片，上面镶嵌着数个微型热电阻探测点(本实施为5个，标号为1)；测试时，要把该测量探头(即晶片)放在三个顶杆端头的晶片上，并且使测量探头整体处于热盘本体中央，即测试探头的圆心和热盘本体的圆心同在一个垂直轴线上(参见图4)，可经蓝牙无线传输，将数据处理与保存。

采用本发明热盘装置完成晶片涂胶后的前烘工艺，可以获得最优良的胶膜特性，得到最优良的光刻效果，达到把电路图形最精确地转移到基片上去的目的，最终制造出高集成度、高可靠的半导体器件。

Claims (8)

1.一种温度梯度可控的晶片前烘方法，其特征在于：通过精确控制晶片在热盘本体中位置的变化、跟踪温度场中不同温度值，来控制晶片上胶膜的温度梯度和变化过程，包括下列步骤：

①在热盘温度控制器上设定烘焙工艺要求相适应的温度值，待热盘盘面温度达到该值并稳定；在晶片高出热盘盘面最小距离处的温度值高于或等于晶片烘焙工艺要求的最高温度值；

②顶针杆处于最高位即晶片为最低温度时将晶片放入炉体内，以顶针杆处于最高位处的温度为前烘工艺起始温度；然后开始前烘工艺过程；

③烘焙，采用接近式烘焙方式，在热盘本体和上盖之间形成温度随高度变化的温度场；具体是：采用模糊控制理论，将用户对前烘温度的要求转换为温度与位置的曲线，将晶片温度控制分为三个闭环控制步骤：

第一个闭环为热盘的温度闭环，它是晶片热量的来源，由恒定的给定热盘温度与反馈的热盘温度检测值作差，给晶片提供稳定的温度，作热源；

第二个闭环为晶片的位置闭环，它通过反馈的晶片的位置检测，由晶片的位置调节与控制，即将以热盘温度作热源的晶片的温度与前烘的时间的关系转换为晶片温度对晶片在热盘中到达的位置的关系，来完成晶片在热盘中到达的不同位置对应不同温度的计算；

第三个闭环是晶片的温度闭环，它由晶片温度曲线给定，即通过接收来自用户要求的晶片温度与时间的前烘工艺参数，再以晶片离线实测温度对位置的数据为反馈值，经晶片温度调节与控制的插补计算，即将晶片在热盘中到达的温度对位置的关系转换为晶片在热盘中到达的位置对时间的关系，最后通过所述位置对时间的曲线关系控制升降机构，以实现晶片胶膜温度的实时控制；其中位置指热盘本体离开晶片的高度；

④烘焙过程中的挥发物由顶盖的抽风口排出，保证排风气流恒定；

⑤烘焙过程结束后，在顶针杆处于最高位时将晶片从炉体中取出。

2.按照权利要求1所述方法，其特征在于：所述顶杆承载晶片上下运动的下极限位置是顶杆端头不高出热盘盘面；其上极限位置，即晶片所能到达的最高位，为晶片离开盘面大于等于50mm的距离，以适应较小的温升速率。

3.按照权利要求1所述方法，其特征在于：当被烘晶片进入炉内后先延时启动前烘程序，待晶片温度达到程序规定的起点温度值时再开始前烘。

4.按照权利要求1所述方法，其特征在于：所述步骤①中晶片高出热盘盘面最小距离处的温度值高于或等于晶片烘焙工艺要求的最高温度值；步骤③中：当热盘稳定在某一温度值时，距离热盘盘面高度不同，晶片温度不同；热盘中晶片顶杆端头所在的承载晶片的平面，在升降机构上下运动的过程中始终与热盘的盘面平行；使晶片在同一高度的水平面内各点的温度一致；热盘自身的稳定温度即为晶片的最高温度，其可调范围为80℃～180℃；晶片位移控制精度高于与晶片前烘温度精度，即晶片移动0.1mm的距离，其温度差大于等于0.1℃；保持晶片升降速度和晶片的热容量相适应，即晶片热容量小时升降速度慢，在到达一个新位置后，待整个晶片温度达到期望的温度值后再移动到下一个高度。

5.一种按权利要求1所述方法所用的热盘式前烘装置，其特征在于包括：

一炉体，具有框架环绕的四壁，带抽风口的上盖，侧壁设有晶片进出用的门；

一热盘本体，安装在炉体中；

一加热器，设于热盘本体中，与热盘温度控制器电连接；

一温度检测装置，设于热盘本体中，与热盘温度控制器电连接；

一晶片顶杆，设在热盘本体上，具有垂直设置的针杆，用于支撑晶片，通过与热盘本体相应位置处的穿孔与升降机构相连接；

一升降机构，包括丝杆、电机、编码器和伺服驱动器，电机与伺服控制器相连，输出轴装有编码器，经丝杠接至针杆的底端，驱动顶杆承载着晶片上下运动。

6.按权利要求5所述方法所用的热盘式前烘装置，其特征在于：所述晶片顶杆的端头所在平面与热盘本体的盘面平行。

7.按权利要求5所述方法所用的热盘式前烘装置，其特征在于：所述温度检测装置的测量探头选择半导体工艺测量用探头；其探头尺寸与欲烘焙的晶片的尺寸相同；每个测量探头上的探点至少为5个。

8.按权利要求7所述方法所用的热盘式前烘装置，其特征在于：测量探头放在晶片顶杆端头所在平面的晶片上，并且使测量探头整体处于热盘本体中央，即测试探头的圆心和热盘本体的圆心同在一个垂直轴线上。

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