CN105319871B - 一种半导体基板的显影装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体显影领域，提供了一种半导体基板的显影装置和方法。所述的装置包括装载端口，单片显影腔体，基板对中装置以及机械臂等机构。该装置不仅能够兼容不同尺寸的晶圆基板，同时还将湿法显影工艺中的喷射显影技术和混凝显影技术整合在了一起，真正实现了一机多用，填补了市场上对基板兼容性和工艺整合度都有极高要求的显影机台的空白。

Description

一种半导体基板的显影装置和方法

技术领域

本发明涉及半导体显影领域，更具体地说，涉及一种半导体湿法显影中用到的装置和方法。

背景技术

对半导体产业而言，随着器件工艺的关键尺寸的不断缩小，因此对晶圆显影工艺的要求更加严苛。现代晶圆显影方式主要分为两大类：湿法显影和干法(等离子)显影。目前，湿法显影仍然是半导体厂家广泛使用的显影方式。其中，湿法显影方式分为沉浸显影、喷射显影和混凝显影三种，而喷射显影和混凝显影又由于其自身的优势而更受青睐。

然而，不管采用何种工艺方式，人们总是希望所使用的加工装置能够具有更好的基板兼容性，并且能够将尽可能多工艺整合到一台装置中予以完成。具体来说，譬如目前半导体工艺当中所使用的基板通常有8英寸和12英寸两种规格，我们更愿意一台显影装置既能够对8英寸的基板进行显影，又能够对12英寸的基板进行显影处理，而不是为了应对这两种不同尺寸的基板而分别制造两台显影装置。又如，众所周知地，喷射显影的方式可以大大节约化学药品的用量，同时相较于沉浸显影更加清洁，但却由于工艺难度过大而不适宜于正性光刻胶的显影工艺；而混凝显影正是针对这一问题对喷射显影所作出的改进。因此，如果一台显影装置既能对基板进行喷射显影的处理，又能对基板进行混凝显影的操作，无疑能够帮助半导体行业的技术人员自由地选择合理的显影方式，充分利用喷射显影和混凝显影各自的优点。

遗憾的是，当下的市面上，鲜有基板兼容性和工艺整合度能够达到如此之高要求的显影机台。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种兼容不同尺寸基板，且允许喷射和混凝两种不同的显影工艺对基板进行处理的显影装置。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基板显影装置，主要包括：

至少一个单片显影腔体，用于不同尺寸的单片基板的显影、清洗和干燥；

至少一个基板对中装置，用于不同尺寸的单片基板对中；

至少一个装载端口，用于收入未工艺的基板和/或取出已工艺完成的基板；

第一机械臂，用于将未工艺的基板在所述基板对中装置和单片显影腔体之间传递；

第二机械臂，用于将已工艺完成的基板在所述单片显影腔体和装载端口之间传递。

进一步地，所述基板对中装置至少包括一个升降可控的支撑盘，且所述基板对中装置至少包括两套支撑架，所述支撑架围绕支撑盘的中心环状排布，且距离支撑盘的中心越远的支撑架高度越高。

进一步地，所述支撑架进一步地包括滑落部和支撑部，所述滑落部呈斜坡状，所述支撑部水平，且位于外环的所述支撑架支撑部的顶端高于相邻内环的支撑架滑落部的顶端。

进一步地，所述基板对中装置进一步地包括气缸和若干个传感器，所述传感器用于不同尺寸的基板的对中和水平检测，所述传感器基于高度分成不同的组，每一组传感器的高度和对应的一组支撑架的支撑部的高度齐平。

进一步地，所述单片显影腔体进一步包括一个基板承载盘，所述基板承载盘静止或转动，所述基板承载盘周围至少设置有两个喷头。

进一步地，所述喷头中至少有一个是气体喷头且位于基板的背面，所述喷头中至少有一个是液体喷头且位于基板的背面，所述液体喷头至少有一个是喷射喷头。

进一步地，所述第一机械臂至少具有一个机械手。

进一步地，所述第二机械臂至少具有一个机械手。

额外地，所述基板显影装置进一步包括供液系统和流程控制装置。

结合本发明装置的设计思路，该专利还揭示了一种显影工艺，其步骤包括：

第一机械臂将基板放入基板对中装置中，进行基板对中；

第一机械臂从所述基板对中装置取出基板并将基板放入单片显影腔体显影、清洗和干燥；

第二机械臂从所述单片显影腔体取出基板。

进一步地，所述工艺在单片显影腔体内是喷射显影方式，基板在单片显影腔体显影、清洗和干燥的步骤包括：基板随承载盘慢速旋转，喷射喷头喷出雾状显影液，同时喷射喷头以基板为中心在两侧来回摆动，然后用去离子水清洗，最后干燥基板。

进一步地，所述工艺在单片显影腔体内是混凝显影方式，基板在单片显影腔体显影、清洗和干燥的步骤包括：基板随承载盘慢速旋转或固定不动，所述液体喷头喷出显影液，使显影液覆盖在整个基板表面，同时基板背面的气体喷头向基板背面边缘处喷射气体，显影液停留足够长的时间或者停留预定的时间后被甩去，重复上述过程至少一次，然后用去离子水清洗，最后干燥基板。

本发明所阐述的技术方案，提供了一种半导体基板的显影装置和方法，该显影装置能够满足对不同尺寸半导体基板的兼容性，同时既能够对基板进行喷射显影，又能够对基板进行混凝显影的处理，具备一机多用的优良效果。由此衍生出的显影方法，相比于现有技术也更具优势。

附图说明

图1是本发明所述装置具体实施例侧面的透视图；

图2是本发明所述装置具体实施例顶面的透视图；

图3是本发明所述装置具体实施例的基板对中装置的结构示意图；

图4是本发明所述装置具体实施例的基板对中装置的俯视图；

图5是本发明所述装置具体实施例的基板对中装置的立体图；

图6是本发明所述装置具体实施例的显影腔体的俯视图；

图7是本发明所述方法具体实施方式的步骤框图。

标注说明：

101、显影腔体 102、基板对中装置 103、装载端口

104、供液及控制系统 201、第一机械臂 202、第二机械臂

301、支撑盘 302、支撑架 303、激光传感器

304、气缸 501、支撑部 502、滑落部

601、承载盘 602、溅射护罩 603、集液槽

604、摄像头 605、喷头支架 606、驱动马达

607、探测器 608、普通喷头 609、喷射喷头

610、氮气喷头 611、清洗喷头

具体实施方式

为了帮助本领域技术人员更好地理解本发明专利所记载的技术方案，下面将结合具体实施例和实施方式做出进一步地阐释：

附图1-6对本发明装置的具体实施例进行了展示。

图1和图2分别是该实施例侧面和顶面的透视图。可以看到，该基板显影装置主要包括四个单片显影腔体101、一个基板对中装置102、两个装载端口103、以及两个机械臂等机构。其中四个单片显影腔体101均可独立的对8英寸晶圆基板或12英寸晶圆基板进行喷射显影或混凝显影，并完成后续的清洗和干燥过程。所述的基板对中装置102能够对放置其上的8英寸基板或12英寸基板对中。所述两个装载端口103，其中一个用来收入未工艺的晶圆基板，另一个则用来取出已工艺完成的晶圆基板。所述的两个机械臂分为第一机械臂201和第二机械臂202，每个机械臂上均只有一个机械手。其中第一机械臂201用于从负责收入的装载端口103抓取晶圆基板并将基板放置于基板对中装置102上，同时在对中过程完成后，第一机械臂201再次抓取晶圆基板，将已对中的基板放入相应的单片显影腔体101进行显影处理。而当基板在单片显影腔体101中完成了显影以及清洗、干燥的过程之后，将由第二机械臂202将已工艺完成的基板抓取并移至负责取出的装载端口103。所述基板显影装置还包括一个专门的供液和控制模块104，负责向整个装置提供所需的各种药液，并控制装置上各机构的正常运转。由于基板在进行显影工艺的处理时往往需要花费一段较长的时间，为了能够在单位时间内对更多的基板进行显影，该基板显影装置总共设计了四个单片显影腔体101，这样当有多个基板需要显影时，可以避免等待，让它们分别进入不同的显影腔体101内进行显影，大大提高了显影工艺的效率。

图3-5是针对本实施例的基板对中装置102所做的展示。其中图3是本实施例的基板对中装置102的结构示意图。可以看到，其大体上有四部分构件，分别是支撑盘301、支撑架302、激光传感器303和气缸304。基板对中装置102对半导体工艺过程中加工精度的提高有着至关重要的影响，这对半导体领域的从业人员而言是显而易见的。而如果牵涉到不同规格基板的对中问题，其对加工装置的设计要求将更加苛刻，进而影响到半导体加工机台的兼容性。而本实施例中的基板对中装置102，则难能可贵地解决了基板显影装置的兼容性问题，它能够妥善的完成针对8英寸基板和12英寸基板的对中过程，为后续工艺的顺利进行提供了保障。

参考图4-5，可以看到，该基板对中装置102包括一个圆形的支撑盘301，两套支撑架302A和302B，一个气缸304和四组八个激光传感器303。所述圆形支撑盘301的尺寸通常小于所要承载的晶圆基板的尺寸。所述的气缸304可以调节圆形支撑盘301的上升或下降。所述支撑架302有两套，共计六个，每套支撑架均分布在以支撑盘301的中心为圆心的圆环上。第一套支撑架302A(三个)位于内环，其直径正好是8英寸晶圆基板的直径；第二套支撑架302B(三个)位于外环，其直径正好是12英寸晶圆基板的直径。同一套支撑架的高度是一致的，而位于外环的支撑架302B明显高于内环的支撑架302A。更进一步地，所述每个支撑架302都包含支撑部501和滑落部502两部分，所述的支撑部501是水平的，类似一个水平的台阶；而所述的滑落部502则为一个类似滑梯状的斜坡。支撑架302的滑落部502是为了方便晶圆基板向下滑落而设计的，而如果晶圆基板顺利地滑落至支撑部501时，晶圆将恰好被卡住，此时晶圆基板的中心正好与圆形支撑盘的中心对齐，从而实现了对中的目的。

更进一步地，处在外环的第二套支撑架302B的支撑部501的顶端均高于相邻内环的第一套支撑架301A的滑落部502的顶端，这样就保证了该基板对中装置既能对8英寸基板对中，又能对12英寸基板对中，且互不影响。在整个基板对中装置102的最外侧的四个角上，分别安放了四组八个激光传感器303。处于对角且高度相同的两个激光传感器303构成一组，一个发射激光信号，另一个接收激光信号，用于检测晶圆基板是否被放置水平，进而可以确定晶圆基板是否对中。其中位置较高的两组分别为激光传感器303AA’和303BB’，位置较低的两组分别为激光传感器303CC’和303DD’，激光传感器303AA’和303BB’的高度与外环支撑架302B支撑部501顶端的高度齐平，激光传感器303CC’和303DD’的高度与内环支撑架302A支撑部501顶端的高度齐平。所述激光传感器303也可替换成其他具有水平位置监测功能的传感装置替代。当晶圆基板放置于圆形支撑盘301并随支撑盘301下降至支撑架302的支撑部501时，若晶圆放置水平，则晶圆的中心与支撑盘301中心对中，晶圆基板不会阻隔激光传感器303的信号；若没有被放置水平，则说明晶圆有一端被支撑架302顶起，晶圆没有被对中，晶圆基板会隔断激光传感器303的信号，从而反馈至控制系统并鸣响警笛，告知操作者需要重新对中。

8英寸或12英寸基板的对中过程如下：先由气缸304控制使得圆形支撑盘301上升，由第一机械臂201将8英寸或12英寸基板放在圆形支撑盘301上，然后由气缸304控制使得圆形支撑盘301下降，基板滑入8英寸或12英寸支撑架302中被对中，激光传感器303会检测基板在对中支撑架302中是否被放置水平，如果没有被放置水平，控制系统接到反馈会发出警报，告知操作者；如果被放置水平，则气缸304会控制圆形支撑盘301再次上升，然后由第一机械臂201将基板取出后放入单片显影腔体101中进行显影工艺。

图6反映了本发明实施例的单片显影腔体101的各部分构造。该单片显影腔体101内设置有承载盘601、溅射护罩602、集液槽603、摄像头604、喷头支架605以及若干喷头。所述承载盘601采用真空吸盘设计，可以在显影过程中将8英寸基板或12英寸基板吸附固定。在显影过程中，也可根据需要来控制承载盘601的转动与否，并可调节转速，这样的设计同时满足了晶圆基板对喷射显影和混凝显影的工艺要求，因为在喷射显影过程中，需要承载盘601持续转动；而混凝显影的具体工艺则是先在静止的晶圆表面上覆盖一层显影液，停留一段时间，在此过程中大部分显影会发生，然后旋转并有更多的显影液喷到晶圆表面并冲洗、干燥。所述溅射护罩602呈一个大圆盘，中心部分被镂空，且镂空面积大于待显影的晶圆基板面积。所述溅射护罩602是为了防止基板在显影、清洗过程中药液或洗涤液的飞溅而作的设计，从而能够避免废液污染机台的其他部分。另外的，所述溅射护罩602可以升降，当对中完成的基板由第一机械臂201抓取需要放置至显影腔体101的承载盘601时，溅射护罩602下降并露出承载盘601，方便基板的放置；当放置完成需要进行工艺处理时，溅射护罩602升起，达到防止溅射的目的。所述集液槽603用于收集废液统一排出腔外，所述摄像头604拍摄监控腔内环境和工艺进展，供操作者实时掌控并作出相应的调整。另外地，腔内还分布了许多各种类型的喷头：在基板正面配备了三组喷头，至少可以提供三种以上的药液，所述的这三组喷头采用的是摆动设计，可以受驱动马达606的控制而发生摆动。当需要喷头进行工艺时，喷头会在马达606的控制下摆出，将喷头对准基板中心，并可以根据工艺的需要，使得喷头在喷射药液时，在马达606的控制下进行来回摆动，并且摆动速度是可调节的。腔内还安装了探测器607，防止喷头摆动的位置出现偏差。在三组喷头中包含普通喷头608和喷射喷头609，喷射喷头609主要用于喷射显影工艺，其能够以雾状形式喷出药液，有利于药液覆盖的均匀性；普通喷头608主要用于混凝显影，能够以液柱形式喷出药液，便于药液的停留。在基板承载盘601的外围还设计了一个圆环形的喷头支架605，分内外两圈，它是固定不动的。在圆环形的喷头支架605上均匀分布了两组12个氮气喷头610，6个为一组，分为外圈6个，内圈6个。其中内圈6个氮气喷头610是用于8英寸基板进行混凝显影工艺时，对基板背面边缘吹氮气，使得药液覆盖在基板的正面而不使它由于重力作用而流到基板的背面去，对基板背面不会产生污染，并且6个氮气喷头610的喷射角度可调，可以使氮气准确的喷射到基板背面边缘，提高工艺的准确性和良率。其中外圈6个氮气喷头610是用于12英寸基板进行混凝显影工艺时，对基板背面边缘吹氮气，使得药液覆盖在基板的正面而不使它由于重力作用而流到基板的背面去，对基板背面不会产生污染，并且6个氮气喷头610的喷射角度可调，可以使氮气准确的喷射到基板背面边缘，提高工艺的准确性和良率。在圆环形的喷头支架605的上方和下方分布了四组8个清洗喷头611，由于图6是一张俯视图，所以我们只能看到位于上方的4个清洗喷头611。其中内圈的上下4个清洗喷头611，用于8英寸基板背面边缘的清洗工艺，同一侧的上下两个清洗喷头611，一个清洗喷头611配备了去离子水，另一个清洗喷头611配备了化学药液，2个清洗喷头611的喷射角度可调，可以使去离子水或化学药液准确的喷射到基板背面边缘，提高工艺的准确性和良率。其中外圈的上下4个清洗喷头611，用于12英寸基板背面边缘的清洗工艺，同一侧的上下两个清洗喷头611，一个清洗喷头611配备了去离子水，另一个清洗喷头611配备了化学药液，2个清洗喷头611的喷射角度可调，可以使去离子水或化学药液准确的喷射到基板背面边缘，提高工艺的准确性和良率。

图7是本发明所述方法具体实施方式的步骤框图，能够帮助技术人员更好地理解该方法的操作模式，其主要步骤包括：

Step1第一机械臂201将8英寸/12英寸基板放入基板对中装置102中，进行基板对中；

Step2第一机械臂201从所述基板对中装置102上取出基板并将基板放入单片显影腔体101显影、清洗和干燥；

Step3第二机械臂202从所述单片显影腔体101取出基板。

上述方法更具体地针对喷射显影工艺，则步骤有：

第一步，先通过第一机械臂201从装载端口103取一片未工艺的8英寸/12英寸基板；

第二步，将其传入基板对中装置102中，进行基板对中；

第三步，第一机械臂201从基板对中装置102中将基板取出后放入单片显影腔体101中的承载盘301上；

第四步，承载盘301上的基板随承载盘301以100～500RPM的速度旋转，喷射喷头609从初始位置摆出至基板中心，喷出雾状显影液，同时喷射喷嘴609以基板为中心在两侧来回摆动，显影结束后喷射去离子水的清洗喷头喷射去离子水，对基板进行清洗，洗去残留的显影液，最后承载盘301以1500～2500RPM的速度转动，同时氮气喷嘴610喷射氮气进行基板干燥；

第五步，第二机械臂202从单片显影腔体101中取出已工艺完成的基板，并将其传入其在装载端口103中的初始位置，以此往复，直到完成所有装载端口103上的所有基板。

上述方法更具体地针对混凝显影工艺，则步骤有：

第一步，先通过第一机械臂201从装载端口103取一片未工艺的8英寸/12英寸基板；

第二步，将其传入基板对中装置102中，进行基板对中；

第三步，第一机械臂201从基板对中装置102中将基板取出后放入单片显影腔体101中的承载盘301上；

第四步，承载盘301上的基板随承载盘301固定或以非常缓慢的速度旋转，普通喷头608从初始位置摆出至基板中心，喷出一定量的显影液，利用液体的表面张力在整个基板表面覆盖一层显影液，同时基板背面的各个氮气喷头610向基板的背面边缘处喷射氮气，以保证显影液不会从基板正面流下影响显影效果或污染基板背面，显影液在基板的光刻胶上停留至预定的时间后被甩去，然后喷涂新的显影液后，再在基板表面停留至设定的时间后甩去。当显影过程完成后，承载盘301转速提高，同时去离子水清洗喷头喷611射去离子水，对基板进行清洗，洗去残留的显影液，最后承载盘301以1500～2500RPM的速度高速旋转，同时氮气喷头610喷射氮气进行基板干燥；

第五步，第二机械臂202从单片显影腔体101中取出已工艺完成的基板，并将其传入其在装载端口103中的初始位置，以此往复，直到完成所有装载端口103上的所有基板。

上述权利要求书及说明书中所记载的内容旨在详尽阐述本发明技术方案的设计意图、作用原理及进步效果，其中所提及的部分参数及步骤，均为便于公众理解发明内容所用，并不能用来限定本发明的保护范围。对于在本发明技术方案的基础之上变换数据或等效替换其中的一些步骤，均应视为落在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基板显影装置，主要包括：

至少一个单片显影腔体，用于不同尺寸的单片基板的显影、清洗和干燥；

所述单片显影腔体进一步包括一个基板承载盘；

在基板承载盘的外围设置圆环形喷头支架，分为内外两圈；

多个清洗喷头，对基板背面进行清洗，分为两组，其中一组位于圆环形喷头支架的外圈，另一组位于圆环形喷头支架的内圈；

多个气体喷头，对清洗后的基板背面进行干燥处理，分为两组，其中一组安装在圆环形喷头支架的外圈，另一组安装在圆环形喷头支架的内圈；

至少一个基板对中装置，用于不同尺寸的单片基板对中；

所述基板对中装置至少包括一个升降可控的支撑盘，且所述基板对中装置至少包括两套支撑架，所述支撑架围绕支撑盘的中心环状排布，且距离支撑盘的中心越远的支撑架高度越高；

至少一个装载端口，用于收入未工艺的基板和/或取出已工艺完成的基板；

第一机械臂，用于将未工艺的基板在所述基板对中装置和单片显影腔体之间传递；

第二机械臂，用于将已工艺完成的基板在所述单片显影腔体和装载端口之间传递。

2.根据权利要求1所述的基板显影装置，所述支撑架进一步地包括滑落部和支撑部，所述滑落部呈斜坡状，所述支撑部水平，且位于外环的所述支撑架支撑部的顶端高于相邻内环的支撑架滑落部的顶端。

3.根据权利要求2所述的基板显影装置，所述基板对中装置进一步地包括气缸和若干个传感器，所述传感器用于不同尺寸的基板的对中和水平检测，所述传感器基于高度分成不同的组，每一组传感器的高度和对应的一组支撑架的支撑部的高度齐平。

4.根据权利要求1所述的基板显影装置，所述基板承载盘静止或转动，所述基板承载盘周围至少设置有两个喷头。

5.根据权利要求4所述的基板显影装置，其特征在于，所述喷头中至少有一个是气体喷头且位于基板的背面，所述喷头中至少有一个是液体喷头且位于基板的背面，所述液体喷头至少有一个是喷射喷头。

6.根据权利要求1所述的基板显影装置，其特征在于，所述第一机械臂至少具有一个机械手。

7.根据权利要求1所述的基板显影装置，其特征在于，所述第二机械臂至少具有一个机械手。

8.根据权利要求1所述的基板显影装置，其特征在于，所述基板显影装置进一步包括供液系统和流程控制装置。

9.一种使用权利要求1所述的基板显影装置对基板进行显影的工艺，包括：

第一机械臂将基板放入基板对中装置中，进行基板对中；

第一机械臂从所述基板对中装置取出基板并将基板放入单片显影腔体显影、清洗和干燥；

第二机械臂从所述单片显影腔体取出基板。

10.根据权利要求9所述的工艺，其特征在于，单片显影腔体内是喷射显影方式，基板在单片显影腔体显影、清洗和干燥的步骤进一步包括基板随承载盘慢速旋转，喷射喷头喷出雾状显影液，同时喷射喷头以基板为中心在两侧来回摆动，然后用去离子水清洗，最后干燥基板。

11.根据权利要求9所述的工艺，其特征在于，单片显影腔体内是混凝显影方式，基板在单片显影腔体显影、清洗和干燥的步骤进一步包括基板随承载盘慢速旋转或固定不动，液体喷头喷出显影液，使显影液覆盖在整个基板表面，同时基板背面的气体喷头向基板背面边缘处喷射气体，显影液停留足够长的时间或者停留预定的时间后被甩去，重复上述显影过程至少一次至显影完成，然后用去离子水清洗，最后干燥基板。

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