CN116047863A - 一种晶圆喷印涂胶装置及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶圆喷印涂胶装置及工艺方法。所述装置包括上位机、总控制器、运动控制系统、稳定供墨系统、吸附与加热装置、喷印控制系统；上位机和总控制器使用以太网接口进行通讯，总控制器连接运动控制系统、稳定供墨系统、吸附与加热装置、喷印控制系统四个子系统，其中总控制器与运动控制系统使用并行接口直连，总控制器使用Rs485接口与吸附与加热装置、稳定供墨系统进行连接，总控制器与喷印控制系统使用光纤串行接口连接；采用多微孔喷头，喷头按照预设的喷头间距形成阵列形式，喷头阵列方法可以使原本多次的扫描运动同时进行，喷头和喷头之间直接不再产生边界，从根本上解决了连接处膜厚不均匀的问题。

Description

一种晶圆喷印涂胶装置及工艺方法

技术领域

本发明属于光刻胶喷涂成膜技术领域，具体涉及一种晶圆喷印涂胶装置及工艺方法。

背景技术

涂胶是整个光刻流程中的重要环节，喷涂的胶层厚度和均匀度决定了显影产生图案的精确度和分辨率，并影响制造的集成电路的性能质量、可靠性和成品率等关键因素。

传统的光刻胶涂覆主要采用旋转涂胶工艺，基本原理是在晶圆中心滴定光刻胶，利用高速旋转产生的离心力将光刻胶均匀涂覆在晶圆表面。旋转涂胶的厚度及均匀度主要由胶体粘度、基底性质、转速、旋转时长和晶圆形貌复杂程度等因素决定。然而，旋转涂胶有较多的缺点：高速旋转扰乱了周围空气流场，引起光刻胶的蒸发，造成光刻胶膜层的均匀度不佳；使用高速旋转离心，浪费光刻胶达到90％左右；对于具有复杂微结构的晶圆基底，旋转涂胶完全无法控制光刻胶涂覆的均匀性。因此旋转涂胶工艺只适用于表面平整且面积较小的晶圆，难以在形貌起伏较大和具有大“深宽比”的结构上实现光刻胶的均匀涂覆。

随着喷嘴雾化技术的发展成熟，雾化涂胶也应用在涂胶工艺上。雾化的液滴平均粒径约20μm，光刻胶浪费少，环保节约。但是大量雾化液滴在下落过程中，会重新聚集造成粒径变化，因此液滴一致性仅能达到70％，不利于在大“深宽比”晶圆上获得高质量的光刻胶薄膜，难以达到理想的喷涂效果。对于12英寸的晶圆，喷涂所需时间也长。雾化涂胶在粘度大于30CP时不易雾化为颗粒，不适用于较高粘度的光刻胶溶液的喷涂，导致后续优化的工艺窗口过窄，无法满足实际生产需求。以AZ P4620光刻胶为例，雾化涂胶中光刻胶与丙酮混合比例一般仅在1:10及以下，在复杂晶圆表面上易于流动，造成底部和顶部厚度不均。

而随着3D-IC先进封装和MEMS器件的快速发展，具有大“深宽比”结构晶圆的成膜应用越来越广泛。现有的旋转涂胶、雾化涂胶等工艺都难以在上述复杂表面实现光刻胶的均匀成膜。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种晶圆喷印涂胶装置及工艺方法，有效提高覆膜均匀性和喷涂效率，使用范围广，尤其适用于具有大“深宽比”的沟槽、TSV(硅通孔)和MEMS(微机电系统)等复杂形貌的晶圆表面。

一种晶圆喷印涂胶装置，包括：上位机、总控制器、运动控制系统、稳定供墨系统、吸附与加热装置、喷印控制系统；

上位机和总控制器使用以太网接口进行通讯，总控制器连接运动控制系统、稳定供墨系统、吸附与加热装置、喷印控制系统四个子系统，其中总控制器与运动控制系统使用并行接口直连，总控制器与吸附与加热装置使用Rs485接口连接，总控制器与稳定供墨系统使用Rs485接口和接线端子进行连接，总控制器与喷印控制系统使用光纤串行接口连接；

所述上位机用于接收反馈数据，并向总控制器下发执行命令；

所述总控制器用于接收、解析上位机命令，发送给各个子系统，综合子系统信息并向上位机反馈；

所述运动控制系统用于控制喷头在X、Y轴方向的移动和晶圆在Z轴方向的高速旋转，接收光栅位移反馈，实现喷头对整个晶圆的扫描运动；

所述稳定供墨系统用于贮存清洗和预处理用的液体、光刻胶溶液，保证喷头具有稳定的负压防止喷孔处渗墨，同时在喷涂过程中实现精确的流量控制；

所述吸附与加热装置用于固定、加热晶圆，实现对晶圆的真空吸附，满足晶圆处理过程的温度工艺要求；

所述喷印控制系统用于负责控制喷头的电压、频率参数，并将这些信息反馈至总控制器，通过控制喷头电压的大小、正负、时长和喷涂频率实现喷头对光刻胶的均匀喷涂；

所述运动控制系统包括X轴运动平台、Y轴运动平台、Z轴旋转平台和运动控制器；X轴运动平台包括X轴伺服电机、X轴光栅尺、X轴丝杠；Y轴运动平台包括Y轴伺服电机、Y轴光栅尺、Y轴丝杠；X、Y轴的伺服电机分别带动丝杠运动，将旋转运动转换成线性运动；光栅尺安装在丝杠滑台上，对喷头的位移进行闭环控制；X轴运动平台固定在Y轴运动平台的丝杠滑台上，随Y轴丝杠移动；Z轴旋转平台包括Z轴伺服电机和转盘，Z轴伺服电机带动转盘进行旋转；总控制器连接运动控制器，运动控制器连接上述的伺服电机和光栅尺，接收、处理X、Y轴光栅尺的位移信号，对伺服电机施加运动信号进行控制；

所述稳定供墨系统包括负压机、蠕动泵、二通阀、墨盒，部件之间使用墨管进行连接；使用三个墨盒分别存贮液体M、液体N和光刻胶溶液；工艺上，清洗用的液体M通常为去离子水、有机溶剂等，进行预处理用的液体N通常为纯水、稀释溶剂等，光刻胶溶液是光刻胶与稀释溶剂按一定比例混合的溶液。负压机连接3个墨盒，给墨盒提供负压。蠕动泵连接在存贮光刻胶溶液的墨盒上，总控制器通过Rs485通讯进行流量设置，控制蠕动泵的喷涂流量。3个二通阀各自连接在3个墨盒和喷头组之间，对喷涂的喷头组进行开关控制，每个二通阀都受总控制器的信号线控制，给予高电压信号时二通阀开启，给予低电压信号时二通阀关闭；

所述吸附与加热装置包括真空吸附装置和加热装置，真空吸附装置安装在转盘上，产生真空负压固定晶圆。加热装置安装在转盘下，对转盘上的晶圆进行加热，包括加热模块、温度检测模块和温度控制器。加热模块、温度检测模块分别连接温度控制器，温度控制器连接总控制器；温度检测模块使用热敏电阻电路检测电压，使用AD转化电路对检测电压进行处理，得到检测温度。温度控制器对检测温度和总控制器发送的设定温度进行比较，控制加热模块的开关，从而实现对晶圆温度的控制。加热模块对晶圆进行加热，当检测温度小于预设温度时闭合开关进行加热，否则断开开关停止加热，让晶圆自然冷却；

所述喷印控制系统包括喷头安装板、三个喷头组和喷头控制器。喷头安装板固定在X轴运动平台的丝杠滑台上，用于安装、固定各个喷头组(分为喷头组A、B、C)。喷头为压电陶瓷式多微孔结构，为实现喷涂的各个步骤，使用多个喷头组成三个喷头组，喷头组A使用液体M清洗晶圆，喷头组B使用液体N对晶圆进行预处理以提高光刻胶喷涂的均匀性，喷头组C使用光刻胶溶液对晶圆实现均匀喷涂。三个喷头组都按照喷头阵列方法的要求进行安装。喷头控制器安装在喷头上，受总控制器控制，对喷头施加喷涂用的电压信号，控制喷涂的力度、时长和频率。喷头控制器施加电压使压电陶瓷产生位移，施加正向电压使喷孔扩张容纳液滴，施加负向电压使喷孔挤出液滴。由于压力波原理，流体在受喷孔腔室压电陶瓷挤压和扩张时，会产生一种反作用力，此力呈随着时间逐渐衰减的正弦波形。这一现象会干扰液体流动和喷胶效果，需要在合适的时间再向压电陶瓷施加一次电压来抵消压力波的影响。针对不同的光刻胶浓度、厚度和均匀性要求，需要对应设定不同的参数，才能较好地抑制压力波问题；

所述喷头阵列要求在Y轴方向上对多个喷头进行交错安装，即喷头组内相邻喷头在X、Y轴上分别按一定间距进行安装。相邻两个喷头在Y轴方向上的安装间距D1、D2满足

其中δ表示预设安装误差值，D表示单个喷头的喷孔间距，使用调整螺钉对安装间距进行微调。δ按工艺要求设定，对于喷头组A、B，δ可在较大的范围内取值；而由于光刻胶喷涂具有高均匀度需求，喷头组C要求δ更小，一般在0.05mm以下。为保证喷涂的连续性，每个喷头组内部的相邻两个喷头在X轴方向上的安装间距D3应为最小安装距离，即在允许喷头安装的情况下取最小值。

所述喷头阵列的喷涂过程为：电机控制喷头进行移动，光栅尺反馈位移信息。喷头组先进行X轴的移动，喷头组到达X轴的开始位置后，第一个喷头开始喷涂，喷头组在X轴移动D3后，第二个喷头开始喷涂，再移动D3后，第三个喷头开始喷涂，重复这一过程直至所有喷头开始喷涂。到达X轴的结束位置后，第一个喷头结束喷涂，喷头在X轴移动D3后，第二个喷头结束喷涂，再移动D3后，第三个喷头结束喷涂，重复这一过程直至所有喷头结束喷涂。之后喷头沿Y轴进行移动至晶圆未覆膜区域，重复上述操作进行下一次的喷涂。通过上述控制，喷头组所有喷头全部在指定的开始位置开始喷涂，在指定的结束位置结束喷涂。使用喷头阵列方法实现多个喷头的同时喷涂，可减少扫描次数，提高喷涂效率。

一种晶圆喷印涂胶工艺方法，包括：

步骤1：将晶圆放置在Z轴旋转平台后，通过真空吸附装置进行固定，调整喷头组A、B和C的喷头数目、高度和安装间距。其中各个喷头组中的喷头数目一般根据工艺要求确定，喷头底面距晶圆表面一般为1-3mm，为保证喷头阵列喷涂光刻胶的高均匀性，喷头组C的所有喷孔间距要求在X轴方向上均有高安装精度要求，喷头组A、B则要求较低；

步骤2：采用插指喷涂方法控制每个喷头的喷涂，对晶圆进行前置处理，包括清洗、加热、预处理，具体表述为：

清洗：控制喷头组A喷涂高速的大流量液体M，按照预设的清洗路径扫描整个晶圆，同时启动转盘带动晶圆高速旋转清洗灰尘；

加热：启动加热，对晶圆进行温度处理，去除残留的液体M；

预处理：控制喷头组B喷涂液体N，按照预设的扫描路径扫描整个晶圆，在晶圆表面喷涂的液体N可提高光刻胶喷涂的均匀性；

步骤3：设定蠕动泵流量并打开蠕动泵，使用喷头组C对晶圆表面进行光刻胶喷涂，按光刻胶喷涂路径，以设定的速度和步距进行扫描，在整个晶圆表面形成均匀的光刻胶层；

步骤4：对晶圆进行加热处理，去除液体N和光刻胶稀释溶剂，同时提高沟槽顶部胶层厚度，使覆膜更加均匀。

喷头控制器使用插指喷涂方法进行单个喷头在X轴的喷涂。所述喷头具有大量交错的喷孔，将每个喷头上的喷孔进行编码，将编码为奇数的喷孔定义为奇数喷孔，将编码为偶数的喷孔定义为偶数喷孔。插指喷涂方法具体表述为：喷涂开始前，上位机发送X轴的开始位置、结束位置和喷涂间距到总控制器，总控制器在开始位置和结束位置之间，每隔一个喷涂间距记录一个喷涂位置，计算出X轴的所有喷涂位置。喷涂过程中喷头沿X轴进行移动，光栅尺反馈位置信息。奇数喷孔到达一个喷涂位置时，喷头控制器施加电压进行一次喷涂；偶数喷孔在X轴到达相同的喷涂位置时，也通过电压控制进行一次喷涂；由于奇、偶喷孔在Y轴上交错，在X轴上喷涂位置相同，因此偶数喷孔喷涂的液滴会掉落在先前奇数喷孔喷涂的液滴间隙中，两组液滴彼此融合，获得更高的打印密度和可靠性；随着喷头移动经过每个X轴的喷涂位置，反复进行上述的电压控制，形成均匀的光刻胶薄膜。所述喷头有交错喷孔结构，但无交错喷孔结构的喷头可使用多个喷头叠加构成交错喷孔，进而应用插指喷涂。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出一种晶圆喷印涂胶装置及工艺方法，使用具有多微孔结构的喷头进行喷胶，每个喷孔结构都完全相同，因此喷射的液滴大小和速度非常均匀，液滴尺度和速度一致性在85％以上，并且可通过调整电压进行精确控制。喷头采用了插指喷涂的方法，具有极好的膜层均匀性和可靠性。本方法不需要旋转涂胶的高速旋转过程，减少了原料浪费和功率损耗。相比雾化涂胶，液滴集中度更高，可达到90％以上，光刻胶层也更加均匀。

2、本发明的喷印涂胶工艺方法不仅适用于光滑的晶圆表面，而且在大“深宽比”沟槽、MEMS等特殊形貌晶圆表面上都具有良好表现。旋转涂胶会导致胶体在复杂结构的局部产生聚集，而雾化涂胶在边界处粒径大，集中度也低，难以保证胶层在复杂形貌上的厚度误差和覆盖率。相比于现有的涂胶技术，本发明的液滴粒径更小、更稳定，集中度更高。本发明的喷印涂胶工艺方法适用于多种粘度(20CP-80CP)的光刻胶，尤其是可适用于高粘度胶体。高粘度光刻胶固化时间更短，流动性也降低，能够在具有大“深宽比”特征的MEMS晶圆表面上实现光刻胶的均匀成膜。

3、本发明的喷胶厚度控制更加精确，主要由光刻胶浓度、喷墨频率和喷头扫描速度三个因素决定，而三者都与胶层厚度呈线性关系，便于测量和计算。

4、本发明的喷印涂胶工艺方法具有良好的扩展优化空间。比如，本发明可通过旋转喷头进行斜喷，使相邻喷孔间距减小，获得更高的液滴打印密度。本发明也可使用多个喷头的喷头阵列进行喷涂，针对不同尺寸的晶圆，配置合理数量的喷头阵列，减少了扫描次数，提高了喷涂效率。

附图说明

图1为本发明中的晶圆喷印涂胶装置控制原理图；

图2为本发明中的晶圆喷印涂胶装置电路原理图；

图3为本发明中的晶圆喷印涂胶装置结构示意图；

图4为本发明中的稳定供墨系统示意图；

图5为本发明中的喷头组扫描运动示意图；(a)为清洗路径示意图，(b)为预处理和光刻胶喷涂路径示意图；

图6为本发明中的低粘度胶体在沟槽处的缺陷示意图；

图7为本发明中的插指喷涂原理图；

图8为本发明中的液滴反弹类型示意图；

图9为本发明中的斜喷方法示意图；

图10为本发明中的喷头阵列的配置示意图；

其中，100、喷头，110、晶圆，120、光刻胶膜层，210、X轴伺服电机，220、X轴丝杠，230、X轴光栅尺，240、Y轴伺服电机，250、Y轴丝杠，260、Y轴光栅尺，270、Z轴伺服电机，280、转盘，310、喷头组A，320、喷头组B，330、喷头组C，340、喷头安装板，410、真空吸附装置，420、加热装置，510、清洗路径，520、预处理和光刻胶喷涂路径，530、奇数液滴，540、偶数液滴，550、液滴反弹类型P，560、液滴反弹类型Q。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。本发明提供了一种晶圆喷印涂胶装置及工艺方法，可极大地提高覆膜均匀性和喷涂效率，使用范围广，尤其适用于具有大“深宽比”的沟槽、TSV(硅通孔)和MEMS(微机电系统)等复杂形貌的晶圆表面。

一种晶圆喷印涂胶装置控制原理图如图1所示，包括：上位机、总控制器、运动控制系统、稳定供墨系统、吸附与加热装置、喷印控制系统。上位机和总控制器使用以太网接口进行通讯，总控制器连接运动控制系统、稳定供墨系统、吸附与加热装置、喷印控制系统四个子系统，其中总控制器与运动控制系统使用并行接口直连，总控制器与吸附与加热装置使用Rs485接口连接，总控制器与稳定供墨系统使用Rs485接口和接线端子进行连接，总控制器与喷印控制系统使用光纤串行接口连接。

晶圆喷印涂胶装置电路原理图如图2所示，上位机向总控制器发送数据和下达命令，总控制器将数据和命令解析并发送到各个系统，对伺服电机、蠕动泵、二通阀、加热装置和喷头组的各种参数进行控制，并将信息反馈给上位机。

所述上位机用于接收反馈数据，并向总控制器下发执行命令；所述总控制器用于接收、解析上位机命令，发送给各个子系统，综合子系统信息并向上位机反馈；所述运动控制系统用于控制喷头在X、Y轴方向的移动和晶圆在Z轴方向的高速旋转，接收光栅位移反馈，实现喷头对整个晶圆的扫描运动；所述稳定供墨系统用于贮存清洗和预处理用的液体、光刻胶溶液，保证喷头具有稳定的负压防止喷孔处渗墨，同时在喷涂过程中实现精确的流量控制；所述吸附与加热装置用于固定、加热晶圆，实现对晶圆的真空吸附，满足晶圆处理过程的温度工艺要求；所述喷印控制系统用于负责控制喷头的电压、频率参数，并将这些信息反馈至总控制器，通过控制喷头电压的大小、正负、时长和喷涂频率实现喷头对光刻胶的均匀喷涂。

晶圆喷印涂胶装置结构示意图如图3所示，所述运动控制系统包括X轴运动平台、Y轴运动平台、Z轴旋转平台和运动控制器；X轴运动平台包括X轴伺服电机210、X轴丝杠220、X轴光栅尺230；Y轴运动平台包括Y轴伺服电机240、Y轴丝杠250、Y轴光栅尺260；X、Y轴的伺服电机带动丝杠运动，将旋转运动转换成线性运动；光栅尺安装在丝杠滑台上，对喷头的位移进行闭环控制；X轴运动平台固定在Y轴运动平台的丝杠滑台上，随Y轴丝杠250移动；Z轴旋转平台包括Z轴伺服电机270和转盘280，Z轴伺服电机270带动转盘280进行旋转；总控制器连接运动控制器，运动控制器在电路上连接上述的伺服电机和光栅尺，接收、处理X、Y轴光栅尺的位移信号，对伺服电机施加运动信号进行控制。运动控制系统用三个伺服电机实现喷头在X、Y轴上的移动和晶圆在Z轴上的旋转三个自由度控制，并在X、Y轴上使用光栅尺对喷头位置进行闭环控制。X、Y轴运动平台可实现喷头对整个晶圆的扫描运动，Z轴的高速旋转是晶圆预处理和清洗过程中所必需的。在喷胶过程中若晶圆无复杂表面结构，可通过低速旋转以提高均匀度，但若为复杂表面则不能进行旋转。

所述喷印控制系统包括喷头安装板340、三个喷头组和喷头控制器。喷头安装板340固定在X轴运动平台的丝杠滑台上。喷头100为压电陶瓷式多微孔结构，安装在喷头安装板340上，分为喷头组A 310、喷头组B 320和喷头组C 330，喷涂不同类型的液体，进行不同的处理步骤，喷头组A 310使用液体M清洗晶圆，喷头组B 320使用液体N对晶圆进行预处理以提高光刻胶喷涂的均匀性，喷头组C 330使用光刻胶溶液对晶圆110实现均匀喷涂。三个喷头组都按照喷头阵列方法的要求进行安装。喷头控制器连接所有喷头，通过控制电压的正负、大小、频率和持续时间等因素，来控制喷头内部喷孔的挤压和扩张。由于压力波原理，流体在受喷孔压电陶瓷挤压和扩张时，会产生一种反作用力，此力呈随着时间逐渐衰减的正弦波形。这一现象会干扰液体流动和喷胶效果，需要在合适的时间再向压电陶瓷施加一次电压来抵消压力波的影响。针对不同的光刻胶浓度、厚度和均匀性要求，需要对应设定不同的参数，才能较好地抑制压力波问题。

所述稳定供墨系统如图4所示，包括负压机、蠕动泵、二通阀、墨盒，部件之间使用墨管进行连接。使用三个墨盒分别存贮液体M、液体N和光刻胶溶液；工艺上，清洗用的液体M通常为去离子水、有机溶剂等，进行预处理用的液体N通常为纯水、稀释溶剂等，光刻胶溶液是光刻胶与稀释溶剂按一定比例混合的溶液。负压机连接三个墨盒，给墨盒提供负压。光刻胶喷涂时要求厚度控制的准确度，因此使用蠕动泵来精确控制光刻胶流量，蠕动泵连接在存贮光刻胶溶液的墨盒上，总控制器通过Rs485通讯进行流量设置，控制蠕动泵的喷涂流量。三个二通阀各自连接在三个墨盒和喷头组之间，对喷涂的喷头组进行开关控制，每个二通阀都受总控制器的信号线控制。喷头不工作时关闭二通阀，使其不渗墨，工作时则打开需求的二通阀，关闭其他二通阀，使用负压机调节气压至液体重力与负压保持平衡，使喷头处于良好的喷涂状态。

所述吸附与加热装置使用真空负压固定晶圆，并满足晶圆处理过程的温度工艺要求。吸附与加热装置包括真空吸附装置410和加热装置420，真空吸附装置410安装在转盘280上，产生真空负压固定晶圆。加热装置420安装在转盘280下，对转盘280上的晶圆进行加热。加热装置420包括加热模块、温度检测模块和温度控制器。加热模块、温度检测模块分别连接温度控制器，温度控制器连接总控制器；温度检测模块使用热敏电阻电路检测电压，使用AD转化电路对检测电压进行处理，得到检测温度。温度控制器对检测温度和总控制器发送的设定温度进行比较，控制加热模块的开关，从而实现对晶圆温度的控制。加热模块对晶圆进行加热，当检测温度小于预设温度时闭合开关进行加热，否则断开开关停止加热，让晶圆自然冷却；

一种晶圆喷印涂胶工艺方法，采用上述晶圆喷印涂胶装置进行光刻胶喷涂的工艺过程，包括如下步骤：

步骤1：放置晶圆，使用真空吸附装置410固定，以确保旋转过程中晶圆不会滑落。根据晶圆尺寸和工艺要求，调整三个喷头组的喷头数目、高度和喷头间距，用于清洗和预处理的喷头组A 310、喷头组B 320无喷涂均匀性要求，对喷头间距精度要求较低，但喷头组C330要求喷涂胶层的高均匀度，需要确保喷头的高安装精度；

步骤2：对晶圆进行前置处理，包括清洗、加热、预处理等，详细表述为：

清洗：使用喷头组A 310喷涂高速的大流量液体M，对晶圆进行清洗，按如图5(a)所示的清洗路径510进行扫描，配合晶圆110的高速旋转清洗灰尘；

加热：使用加热装置420对晶圆进行加热，去除残留的液体M；

预处理：使用喷头组B 320喷涂液体N，按预处理路径520扫描整个晶圆，便于后续喷涂的光刻胶进入沟槽和深孔中；按如图5(b)所示的预处理和光刻胶喷涂路径520进行扫描；

步骤3：设定蠕动泵流量并打开蠕动泵，使用喷头组C 330对晶圆表面进行光刻胶喷涂，按光刻胶喷涂路径520，以设定的速度和步距进行扫描，在整个晶圆表面形成均匀的光刻胶膜层120；

步骤4：使用加热装置420对晶圆进行加热处理，去除液体N和光刻胶溶液中的稀释溶剂，加强沟槽顶部胶层厚度，使覆膜更加均匀。

根据实际工况，光刻胶与稀释溶剂混合比例、胶层厚度和均匀性要求会都有所不同。因此喷涂平台设计了多种大范围的参数调节区间，包括电压、波形、频率、运动速度、温度和墨压等，可实时根据工艺要求进行调节，适用于粘度在20CP-80CP的胶体喷涂。以AZP4620光刻胶为例，足以保证比例在1:10至1:2之间的光刻胶与稀释溶剂混合溶液的喷涂效果。

传统的旋转涂胶采用中心滴定方式，通过晶圆高速旋转产生的离心力来获得较均匀的光刻胶层；雾化涂胶则是利用气压将光刻胶以圆锥形雾化状态喷出，配合喷头的扫描运动完成整个晶圆的喷覆成膜。但在复杂晶圆110表面上，旋转匀胶工艺的光刻胶径向流动会导致胶体在复杂结构的局部产生聚集，难以控制光刻胶涂覆的厚度和均匀度；雾化涂胶粒径差别较大而且基本成正态分布，尤其在边界处胶粒直径大且数量少，集中度较低，不稳定。雾化涂胶只适用于低粘度光刻胶，但是低粘度的光刻胶层120在复杂表面上会产生流动，会造成如图6所示的底部聚集、顶角断连现象，难以保证光刻胶层120与晶圆110形貌的均匀共形。因而随着晶圆形貌逐渐复杂，现有的喷胶方式无法达到良好的工艺效果。

本方法的喷头有若干个喷孔，每个喷孔可按照喷涂平台的要求来确定是否喷胶，同时通过灰度控制可实现喷涂液滴数量的调整，因而能在晶圆表面上实现按需喷涂。喷头使用压电陶瓷挤压来喷出液滴，这一喷涂方法适用于多种粘度的光刻胶，在喷涂平台的参数控制下，可实现高粘度胶体的喷涂，会减少胶体流动问题，实现与基片表面共形的均匀覆盖。

喷头因为其喷孔交错的结构可采用插指喷涂方法，喷头100喷出的液滴分奇数液滴530、偶数液滴540，在喷涂过程中使一组液滴填补在另一组液滴的间隙中，可实现高精准、高可靠性的喷涂，即使有少许喷孔堵塞也不影响覆膜。

插指喷涂的具体过程如图7所示：喷孔分奇数喷孔、奇数喷孔。首先奇数喷孔喷出奇数液滴530，落到晶圆上形成喷胶层L1；之后奇数喷孔也进行喷胶，偶数液滴540会掉落在奇数液滴530的间隙上，形成喷胶层L2；喷胶层L1和喷胶层L2相互融合补充，最终形成覆膜均匀的胶层。相比较于传统的旋转和雾化涂胶工艺，采用插指喷涂进行喷胶可具有更高的覆膜均匀性和可靠性。

在光刻胶喷涂中发现液滴会在基板上产生反弹现象，主要存在图8所示的液滴反弹类型：液滴反弹类型P 550、液滴反弹类型Q560，液滴反弹类型P550会被打碎，直径变小，变得更加杂乱，形成大量均匀化液滴，并最终分散落到基板上。液滴反弹类型Q560则会粘在喷头底面，不利于下一次喷孔喷涂。因此调节喷头底面与晶圆的高度差为1-3mm，增加液滴反弹类型P 550，减小液滴反弹类型Q 560，更有利于喷涂的持续进行和膜厚均匀化。

多微孔结构喷头可以通过旋转获得更小的喷孔间距和更高的打印密度。如图9所示，将喷头100旋转角度θ(一般为0°-60°)进行喷涂，使喷孔间距可在一定范围内进行调节，液滴密度得到明显加强。虽然减少了覆膜宽度，但提高了喷涂质量，喷涂效果有较大提高，更适用于具有复杂结构的晶圆表面。

喷头阵列是将若干个喷头按图10所示安装并控制好喷头间距，使在Y轴方向的喷头安装间距D1、D2与喷孔间距D之间满足关系：

为保证喷涂光刻胶的高均匀性，喷头阵列的所有喷孔间距误差都要求在Y轴方向上小于最大误差值δ。δ按工艺要求进行设定。对于喷头组A 310、喷头组B 320，δ可在一个较大的范围内取值；而对于喷头组C 330，均匀度要求越高，δ越小。相邻喷头在X轴方向上的安装间距D3应在允许喷头安装的情况下取最小值，以提高喷涂的连续性。

相比于旋转涂胶和雾化涂胶需要进行多次往复运动，喷头阵列可以通过较少次甚至单次运动完成大尺寸晶圆的整体喷涂，且可按照晶圆尺寸和工艺要求随时安装或拆卸喷头，极大地节约了时间，提高了喷涂效率。喷头阵列同时有效降低了连接处的堆叠缺陷。所有涂胶工艺的光刻胶都会在晶圆上自由扩散，会形成参差不齐的边界，尤其是雾化涂胶在喷涂的圆锥边界处集中度相对较低，因此它的边界处缺陷最为严重。在单喷头多次扫描过程中，很容易在覆膜边界处产生重叠或间隙等缺陷。而喷头阵列方法可以使原本多次的扫描运动同时进行，喷头和喷头之间直接不再产生边界，从根本上解决了连接处膜厚不均匀的问题。

Claims (10)

1.一种晶圆喷印涂胶装置，其特征在于，包括：上位机、总控制器、运动控制系统、稳定供墨系统、吸附与加热装置、喷印控制系统；上位机和总控制器使用以太网接口进行通讯，总控制器连接运动控制系统、稳定供墨系统、吸附与加热装置、喷印控制系统四个子系统，其中总控制器与运动控制系统使用并行接口直连，总控制器与吸附与加热装置使用Rs485接口连接，总控制器与稳定供墨系统使用Rs485接口连接，总控制器与喷印控制系统使用光纤串行接口连接。

2.根据权利要求1所述的一种晶圆喷印涂胶装置，其特征在于，所述运动控制系统包括X轴运动平台、Y轴运动平台、Z轴旋转平台和运动控制器；X轴运动平台包括X轴伺服电机、X轴光栅尺、X轴丝杠；Y轴运动平台包括Y轴伺服电机、Y轴光栅尺、Y轴丝杠；X、Y轴的伺服电机分别带动丝杠运动，将旋转运动转换成线性运动；光栅尺安装在丝杠滑台上，对喷头的位移进行闭环控制；X轴运动平台使用螺栓固定在Y轴运动平台的丝杠滑台上，随Y轴丝杠移动；Z轴旋转平台包括Z轴伺服电机和转盘，Z轴伺服电机带动转盘进行旋转；伺服电机和光栅尺分别连接运动控制器，接收、处理X、Y轴光栅尺的位移信号，对伺服电机施加运动信号进行控制，运动控制器连接总控制器。

3.根据权利要求1所述的一种晶圆喷印涂胶装置，其特征在于，所述稳定供墨系统包括负压机、蠕动泵、三个二通阀、三个墨盒；使用三个墨盒分别存贮不同液体M、液体N和光刻胶溶液；负压机连接三个墨盒，给墨盒提供负压，蠕动泵连接在存贮光刻胶溶液的墨盒上，总控制器控制蠕动泵的喷涂流量；三个二通阀各自连接在三个墨盒和喷头组之间，对喷涂的喷头组进行开关控制，每个二通阀都受总控制器的信号线控制，给予高电压信号时二通阀开启，给予低电压信号时二通阀关闭。

4.根据权利要求1所述的一种晶圆喷印涂胶装置，其特征在于，所述吸附与加热装置包括真空吸附装置和加热装置；

真空吸附装置安装在转盘上，产生真空负压固定晶圆；

加热装置安装在转盘下，对转盘上的晶圆进行加热，包括加热模块、温度检测模块和温度控制器；加热模块、温度检测模块分别连接温度控制器，温度控制器连接总控制器；温度控制器对检测温度和总控制器发送的设定温度进行比较，控制加热模块的开关，从而实现对晶圆温度的控制；加热模块对晶圆进行加热，当检测温度小于预设温度时闭合开关进行加热，否则断开开关停止加热，让晶圆自然冷却。

5.根据权利要求1所述的一种晶圆喷印涂胶装置，其特征在于，所述喷印控制系统包括喷头安装板、三个喷头组和喷头控制器；喷头安装板固定在X轴运动平台的丝杠滑台上，用于安装、固定各个喷头组；各个喷头组均有若干个喷头按照喷头阵列方式进行安装，通过三个喷头组实现对液体M、液体N和光刻胶溶液三种液体的喷涂；喷头控制器安装在喷头上，对喷头施加喷涂用的电压信号，控制喷涂的力度、时长和频率；所有喷头控制器均连接总控制器。

6.根据权利要求5所述的一种晶圆喷印涂胶装置，其特征在于，所述喷头阵列要求在Y轴方向上对多个喷头进行交错安装，即喷头组内相邻喷头在X、Y轴上分别按一定间距进行安装；相邻两个喷头在Y轴方向上的安装间距D1、D2满足

其中δ表示预设安装误差值，D表示单个喷头的喷孔间距，每个喷头组内部的相邻两个喷头在X轴方向上的安装间距D3应为最小安装距离，即在允许喷头安装的情况下取最小值。

7.根据权利要求5所述的一种晶圆喷印涂胶装置，其特征在于，所述喷头阵列的喷涂过程为：电机控制喷头进行移动，光栅尺反馈位移信息；喷头组先进行X轴的移动，喷头组到达X轴的开始位置后，第一个喷头开始喷涂，喷头组在X轴移动D3后，第二个喷头2开始喷涂，再移动D3后，第三个喷头开始喷涂，重复这一过程直至所有喷头开始喷涂；到达X轴的结束位置后，第一个喷头结束喷涂，喷头在X轴移动D3后，第二个喷头结束喷涂，再移动D3后，第三个喷头结束喷涂，重复这一过程直至所有喷头结束喷涂；之后喷头沿Y轴进行移动至晶圆未覆膜区域，重复上述操作进行下一次的喷涂。

8.一种晶圆喷印涂胶工艺方法，其特征在于，包括：

步骤1：将晶圆放置在Z轴旋转平台后，通过真空吸附装置进行固定，调整喷头组A、B和C的喷头数目、高度和安装间距；

步骤2：采用插指喷涂方法控制每个喷头的喷涂，对晶圆进行前置处理，包括清洗、加热、预处理；

步骤3：设定蠕动泵流量并打开蠕动泵，使用喷头组C对晶圆表面进行光刻胶喷涂，按光刻胶喷涂路径，以设定的速度和步距进行扫描，在整个晶圆表面形成均匀的光刻胶层；

步骤4：对晶圆进行加热处理，去除液体N和光刻胶稀释溶剂，同时提高沟槽顶部胶层厚度，使覆膜更加均匀。

9.根据权利要求8所述的一种晶圆喷印涂胶工艺方法，其特征在于，所述步骤2采用插指喷涂方法控制每个喷头的喷涂，具体表述为：

喷涂开始前，上位机发送X轴的开始位置、结束位置和喷涂间距到总控制器，总控制器在开始位置和结束位置之间，每隔一个喷涂间距记录一个喷涂位置，计算出X轴的所有喷涂位置；喷涂过程中喷头沿X轴进行移动，光栅尺反馈位置信息；奇数喷孔到达一个喷涂位置时，喷头控制器施加电压进行一次喷涂；偶数喷孔在X轴到达相同的喷涂位置时，也通过电压控制进行一次喷涂；由于奇、偶喷孔在Y轴上交错，在X轴上喷涂位置相同，因此偶数喷孔喷涂的液滴会掉落在先前奇数喷孔喷涂的液滴间隙中，两组液滴彼此融合，获得更高的打印密度和可靠性；随着喷头移动经过每个X轴的喷涂位置，反复进行上述的电压控制，形成均匀的光刻胶薄膜。

10.根据权利要求8所述的一种晶圆喷印涂胶工艺方法，其特征在于，所述步骤2对晶圆进行前置处理，具体表述为：

清洗：控制喷头组A喷涂高速的大流量液体M，按照预设的清洗路径扫描整个晶圆，同时启动转盘带动晶圆高速旋转清洗灰尘；

加热：启动加热，对晶圆进行温度处理，去除残留的液体M；

预处理：控制喷头组B喷涂液体N，按照预设的扫描路径扫描整个晶圆，在晶圆表面喷涂的液体N可提高光刻胶喷涂的均匀性。

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