CN105321829A - 一种晶圆涂胶设备 - Google Patents

Abstract

现有的两种类型的晶圆涂胶设备存在占地面积大、结构复杂等技术问题。本发明提供了一种半导体工艺中使用的晶圆涂胶设备，包括机台主体、涂胶腔室、热处理单元和工艺机器人，其中的涂胶腔室和热处理单元上下堆叠排布并紧密排布在工艺机器人周围，工艺机器人可以上下升降并在水平面内旋转，完成在各个机构和腔室之间传递晶圆的任务。该涂胶设备主要应用于半导体器件的生产和加工，具备占地面积小、生产效率高的优点。

Description

一种晶圆涂胶设备

技术领域

本发明涉及一种涂胶设备，更具体地说，涉及半导体领域中对晶圆进行涂胶的设备。

背景技术

在半导体生产领域，涂胶是在半导体晶片涂覆光刻胶的一种工艺，属于光刻工序，与曝光，显影系统共同构成整个半导体制造过程中最关键、重复次数最多的一道工艺过程，对于提高产品集成度和成品率有着重要影响。

涂胶设备因此成为完成此项工艺的重要设备之一。由于半导体生产对环境的要求非常高，投资和维护生产环境的成本极大，为了提高生产环境利用率，人们希望所使用的机台尽可能占用较小的空间，因此生产设备的占地面积是购买时的重要技术考核指标。半导体晶片的连续涂胶工艺一般是在不同的工艺模块中进行的，为了提高工艺效率和产品良率，在涂胶过程中通常会穿插热处理工序，其工艺步骤主要包括：从片盒中取片—晶片对中—高温涂覆粘附促进剂—冷却—涂覆光刻胶—高温加热—冷却—晶片传回片盒。每个工艺模块设计成独立的硬件单元组合后完成整个生产工艺。目前市场上的晶圆涂胶设备主要有下述两种类型：

一种类型的设备将热处理单元和涂胶腔室全部摊放在同一个水平面内，工艺机器人只需在该水平面内进动或旋转即可完成晶圆在各个机构之间的传送。采用这种设计的优势在于，对工艺机器人及其控制程序的开发要求较低，相应的机台成本会有所下降且运行比较稳定，但缺点也很明显：占地面积太大，不利于多个涂胶腔室的集成因而产能也很低下。

图1中展示了现有技术中的一种环形排布的晶圆涂胶设备。该设备包括一个机台主体101，两个涂胶腔室102a、102b，两个热处理堆栈104a、104b，一个对中装置103和一个工艺机器人105，以及两个装载端口106a、106b。可以看到，该设备的工艺机器人105位于机台主体101的中心位置，其他机构均环绕该工艺机器人105排布。当工艺机器人105和其他机构均处于同一水平面时，工艺机器人105只需从装载端口106a或106b抓取晶圆107，然后在平面内做水平旋转运动，即可将晶圆107分别传递至涂胶腔室102、对中装置103或热处理堆栈104中，运动方式非常简洁。但是，像该设备这样将所有机构均摊放在一个平面，占地面积将非常之大；如果想要让设备同时处理多片晶圆，集成更多的腔室和堆栈后，占地面积更是惊人。在半导体领域，这种精密的加工设备通常需要放入环境要求严苛且寸土寸金的洁净室内，单一的机台如果占据洁净室过多的空间，必然是厂商所不愿意接受的。

另一种类型的设备对热处理单元和涂胶腔室的排布则相对比较自由和松散，并不一定将二者均布置在一个平面内，从而省出了部分空间。但高度的不一致对工艺机器人提出了更高的要求，用于该设备中的工艺机器人往往需要同时具备上下升降、水平转动以及前后进动等至少三种形式的运动，才能完成晶圆的传送任务。更甚者，还需要多个工艺机器人的相互配合。这样的设备虽然更具有科技含量，产能上也有所提高，但要开发如此高智能化的工艺机器人以及其复杂的控制程序，经济方面难以压低成本，技术方面则难保复杂的机构以及程序设计能够长期稳定的运行；换个角度来看，运动形式的增加意味着类似传送晶圆这样的非工艺过程将在整个涂胶处理过程中消耗更多的时间，不利于生产效率的提高。所以这样的设备也很难成为厂商的首选。

图2揭示了现有技术中的另一种具备复杂工艺机器人的晶圆涂胶设备。其结构与图1中的涂胶设备差别并不大，也包括机台主体201，两个涂胶腔室202，一个对中装置203，两个热处理单元204以及两个装载端口206。所不同的是该晶圆涂胶设备具有两个工艺机器人205，用于传送晶圆207。这两个工艺机器人205相互配合，由工艺机器人205a从装载端口206中取出晶圆207，传递至工艺机器人205b，再由工艺机器人205b将晶圆207送至对中装置203校准晶圆207的位置，校准之后继续由工艺机器人205b将晶圆207传送至相应的涂胶腔室202或热处理堆栈204，处理过程结束后再由工艺机器人205b取出并送至工艺机器人205a，最后由工艺机器人205a送出机台主体201。在上述运动中，工艺机器人205不仅需要水平转动，还需要发生水平方向的平移，这就要求工艺机器人205的智能化程度非常高，而且为其编写的运动程序也将不可避免的异常复杂。如果想要集合更多的涂胶腔室202和热处理堆栈204的同时，还要求占地面积不变，那么各个热处理堆栈204和涂胶腔室202则会位于不同的平面，在这种情况下工艺机器人205仅在平面内的旋转和平移也将不能满足要求，必须增加上下升降的第三种运动方式，才能完成传送晶圆207的任务。如此一来，不仅设备的生产成本高企，复杂的开发和控制难度也会使涂胶设备长期稳定使用的性能受到影响，容易受到程序或结构的偏差而频繁故障。

为此，人们期待在半导体领域能够出现一种结构紧凑、功能便捷的涂胶设备，在生产环节中提高效率、降低成本，从而使终端产品的价格更加亲民，惠及广大的普通消费者。

发明内容

本发明在结构上采用更为紧凑的堆叠设计，利用可升降和旋转的工艺机器人完成了各个腔室以及机构之间晶圆的送入和取出，达到了节约空间、高效工艺的显著效果。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种晶圆涂胶设备，包括机台主体、涂胶腔室、热处理单元和工艺机器人，所述涂胶设备具有至少两个涂胶腔室，所述每个涂胶腔室由至少一个热处理单元对该涂胶腔室进行加热，所述每个涂胶腔室与对其进行加热的热处理单元在竖直方向上上、下堆叠排布，所述工艺机器人通过竖直方向的升降运动或水平方向的旋转运动两种方式以及这两种方式的结合完成晶圆的送入和取出。

进一步地，所述工艺机器人包括两个机械手，所述机械手可伸缩。

进一步地，其中一只机械手用于未进行热处理时，在常温状态下取放和传递晶圆，另一只机械手用于进行过热处理后，在高温状态下取放和传递晶圆。

进一步地，所述涂胶设备具有装载端口、对中装置、控制系统、供给系统和计算机。

进一步地，晶圆放置于所述装载端口、涂胶腔室、热处理单元和对中装置时，晶圆中心所在位置位于所述机械手的伸缩半径之内。

可选地，所述热处理单元为一块或一块以上的电热板构成的加热堆栈。

进一步地，所述一块以上的电热板上下堆叠排布。

优选地，所述热处理单元为集成在机台主体的抽屉式推拉机构。

进一步地，所述热处理单元具有容置腔，所述容置腔在热处理过程中存放晶圆。

进一步地，所述计算机连接至所述控制系统，所述计算机包括操作平台和显示面板。

优选地，所述工艺机器人在水平方向做旋转运动时的旋转角度范围为360°。

本发明技术方案中所给出的晶圆涂胶设备，具有占地面积小、功能简洁的技术优势，能够适应现代半导体工艺对涂胶设备的新要求、新标准，具有不可估量的市场价值。

附图说明

图1是现有技术中一种环形排布的晶圆涂胶设备的结构示意图；

图2是现有技术中一种具备复杂工艺机器人的晶圆涂胶设备的结构示意图；

图3是本发明所述晶圆涂胶设备具体实施例的俯视图；

图4是本发明所述晶圆涂胶设备拿开热处理单元后具体实施例的俯视图；

图5是本发明所述晶圆涂胶设备具体实施例的侧视图；

图6是本发明所述晶圆涂胶设备具体实施例的实物图；

具体实施方式

请参阅附图并结合下述具体实施例进一步知会本发明技术方案的要旨及特征：

图3-6披露了本发明具体实施例中晶圆涂胶设备的细节特征。

该晶圆涂胶设备包括机台主体301，两个涂胶腔室402，两个由电加热板构成的加热堆栈304a和304b，和一个工艺机器人305。该晶圆涂胶设备还包括两个装载端口306，一个对中装置303，控制系统501，供给系统502，以及计算机。该计算机具有一个显示面板和一个操作平台308，其末端连接在涂胶设备的控制系统501上。

从机台主体301的正上方向下俯视，即得到如图3中的示意图。为了减小机台的占地面积，并实现同时加工处理尽可能多的晶圆307，该涂胶设备将各个机构围绕工艺机器人305紧凑的排布在一起，并将加热堆栈304堆叠放置在涂胶腔室402之上。其中，加热堆栈304a和304b作为热处理单元，由三块电加热板堆叠而成，在涂胶过程以及热处理过程中，对晶圆307进行必要的加热。加热堆栈304主要有两方面的用途，一种是在涂胶过程中加热涂胶腔室402，辅助粘附剂的涂覆：两个加热堆栈304a和304b分别对应的加热位于它们下方的两个涂胶腔室402a和402b。如果高度允许，可以在涂胶设备内的竖直方向继续堆叠涂胶腔室402和加热堆栈304a、304b，在不增加占地面积的情况下完成对更多晶圆307的涂胶处理，大大提高了设备的产能。而环绕工艺机器人305紧凑排布的好处也很明显，工艺机器人305只需通过竖直方向的上升和下降运动以及水平方向的旋转运动，而无需在水平方向发生平移运动，即可完成对晶圆307的传送任务，既节约了时间，又简化了运动过程，从而促进了生产效率的提高。另一种是直接对晶圆307进行热处理：加热堆栈304a、304b具有专门用于热处理晶圆307时放置晶圆307的容置腔503，工艺机器人305将晶圆307送入加热堆栈307的容置腔503后，即可对晶圆307进行热处理。

上述加热堆栈304优选地，可以设计为类似抽屉式的推拉机构，根据加热程度的不同，选择推入机台主体301内所需要的加热堆栈304a、304b的个数。而当加热温度不要求非常高的情况下，或者机台停止工作，需要进行清洁时，可以轻松的拉开加热堆栈304a、304b，撤出加热堆栈304a、304b对机台进行相应的操作。这种便于拆卸的设计思路非常有利于晶圆涂胶设备的日常维护。

图4即为撤去加热堆栈304a和304b俯视涂胶设备时的示意图。由于加热堆栈304a、304b被撤去，从而视线可以无阻挡的看到涂胶腔室402a和402b。涂胶腔室402内搭载有工艺喷头401，工艺喷头401上至少搭载有涂胶喷嘴和清洗喷嘴，分别用于晶圆307的涂胶以及涂胶完成后的清洗。在涂胶腔室402的下方设置有排放口504，负责将涂胶过程中产生的废气和废液通过排放口504的排气系统和排液系统排出涂胶腔室402。在涂胶腔室402a的右方、402b的前方，设置有工艺机器人305，而在工艺机器人305的右方和前方，分别设置了对中装置303和两个装载端口306a、306b。其中的对中装置303用于确定晶圆307的中心所在的位置，以保证工艺机器人305将晶圆307放置于涂胶腔室402以及加热堆栈304a、304b的容置腔503内时，晶圆307的中心位置不会发生偏离。该实施例中的装载端口306共有两个，一个用于放置8英寸晶圆307，另一个用于12英寸的晶圆307，两个装载端口306彼此相邻且互成90°～150°的夹角。在装载端口306的左侧是计算机的操作平台308，当操作人员面向机台主体301在操作平台308处进行操作时，正好看到位于机台主体301上的显示面板。该实施例中的晶圆涂胶机能够通过两个涂胶腔室402a、402b以及两个加热堆栈304a、304b并行处理多个晶圆307，彼此互不影响，工作效率极高。更难能可贵的是，即使是不同尺寸规格的晶圆307，比如8英寸晶圆307和12英寸晶圆307，均可进入该晶圆涂胶设备进行涂胶和热处理。整个机台主体301内留有较大空间，用于安放晶圆涂胶设备的供给系统502和控制系统501。供给系统502为涂胶设备提供所需的各种有机溶剂以及清洗液，控制系统501则负责控制整个机台的工艺环境并操控工艺机器人305的运动模式。

更进一步地，本发明中晶圆涂胶设备所使用的工艺机器人305具有两个形状类似鱼叉的机械手403，能够通过控制系统501的操控以真空吸附的方式抓取晶圆307。工艺机器人305本身仅在竖直方向上下升降或在水平方向旋转，但机械手403则可以向前伸开或向后收缩，从而保证了机械手403可以自如地将晶圆307送入各个机构或从相应的机构中取出。工艺机器人305能够在水平方向进行360°的自由旋转。而机械手403在与加热堆栈304的容置腔503位于同一平面时，或与涂胶腔室402以及对中装置303、装载端口306位于同一平面时，机械手403足以抵达当晶圆307放置于上述机构时，晶圆中心所在的位置。即晶圆307放置于上述机构时，晶圆中心所在位置在机械手403的伸缩半径之内。两只机械手403中，其中一只用于加热堆栈304a、304b未进行加热时，在常温状态下取放和传递晶圆307；另一只则用于加热堆栈304a、304b进行过热处理之后，在高温状态下取放和传递晶圆307。这样做的好处在于能够杜绝温度因素对晶圆307表面的涂胶厚度均匀性的影响，有助于提高产品良率。

最后，结合一具体工艺过程对本发明具体实施例中的晶圆涂胶设备的运作过程进行阐释：

当晶圆涂胶设备开始工作时，工艺机器人305升降至于装载端口306同一平面，并旋转使机械手403对准相应的装载端口306，机械手403伸展并抓取到晶圆307后收缩回来，工艺机器人305旋转至机台主体301右侧的对中装置303，机械手403伸展并放置晶圆307，对中完成后取出晶圆307，工艺机器人305旋转至涂胶腔室402a，由机械手403将晶圆307放入涂胶腔室402a，此时需要加热堆栈304a对涂胶腔室402a进行一定的加热，待涂胶完成后，机械手403取出晶圆307，工艺机器人305在竖直方向上升至加热堆栈304a的水平面内并对准加热堆栈304a的相应容置腔503，机械手403伸展并放入晶圆307，对晶圆307进行热处理，热处理完成后由机械手403取出，工艺机器人305下降并旋转对准装载端口306，送出已工艺完成的晶圆307。

图6给出了本发明具体实施例中晶圆涂胶设备的实物图。

综上所述，本发明通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。

Claims (11)

1.一种晶圆涂胶设备，包括机台主体、涂胶腔室、热处理单元和工艺机器人，其特征在于，所述涂胶设备具有至少两个涂胶腔室，所述每个涂胶腔室由至少一个热处理单元对该涂胶腔室进行加热，所述每个涂胶腔室与对其进行加热的热处理单元在竖直方向上上、下堆叠排布，所述工艺机器人通过竖直方向的升降运动或水平方向的旋转运动两种方式以及这两种方式的结合完成晶圆的送入和取出。

2.根据权利要求1所述的涂胶设备，其特征在于，所述工艺机器人包括两个机械手，所述机械手可伸缩。

3.根据权利要求2所述的涂胶设备，其特征在于，其中一只机械手用于未进行热处理时，在常温状态下取放和传递晶圆，另一只机械手用于进行过热处理后，在高温状态下取放和传递晶圆。

4.根据权利要求2所述的涂胶设备，其特征在于，所述涂胶设备具有装载端口、对中装置、控制系统、供给系统和计算机。

5.根据权利要求4所述的涂胶设备，其特征在于，晶圆放置于所述装载端口、涂胶腔室、热处理单元和对中装置时，晶圆中心所在位置位于所述机械手的伸缩半径之内。

6.根据权利要求1所述的涂胶设备，其特征在于，所述热处理单元为一块或一块以上的电热板构成的加热堆栈。

7.根据权利要求6所述的涂胶设备，其特征在于，所述一块以上的电热板上下堆叠排布。

8.根据权利要求1所述的涂胶设备，其特征在于，所述热处理单元为集成在机台主体的抽屉式推拉机构。

9.根据权利要求1所述的涂胶设备，其特征在于，所述热处理单元具有容置腔，所述容置腔在热处理过程中存放晶圆。

10.根据权利要求4所述的涂胶设备，其特征在于，所述计算机连接至所述控制系统，所述计算机包括操作平台和显示面板。

11.根据权利要求1所述的涂胶设备，其特征在于，所述工艺机器人在水平方向做旋转运动时的旋转角度范围为360°。