CN1193266C - 晶片加热装置以及使用其加热晶片的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用一种流态传热介质加热晶片的方法和装置。热量是由一加热源产生的。加热源的热量被传递给流态传热介质，从而使其的一液态部分气化。流态传热介质包含在一形成在加热源与固态传热介质之间的空间之内。蒸气的热量传递给固态传热介质，蒸气冷凝下来而回返为液态部分。晶片因而由固态传热介质予以加热。这样，晶片可以均匀地加热，亦即其表面处具有很微小的温度偏差。晶片和形成在其上的光刻薄膜所经受的热冲击相应地都很微小的。

Description

晶片加热装置以及使用其 加热晶片的方法

本发明涉及一种用于在一制作半导体器件过程中加热一晶片的方法和装置。

制作半导体器件一般包括一照相制版过程，其中一晶片以液态光刻胶(RR)予以涂敷而形成一光刻胶薄膜，此PR薄膜通过曝光于由一光源生成的光线，并穿过一掩模或栅网而形成图案；图案予以显影；以及晶片在这些步骤的全部历程中几次被加热到一预定温度。

用于实现这一照相制版过程的装置因此需要一PR涂敷器、一曝光器、一显影器，以及一焙烧器。目前在这种技术方向的趋向是采用一种系统，其中PR涂敷器、显影器和焙烧器集束在一个地方，借此所需在各器具之间移动晶片的距离，并因而是所需在其间移动晶片的时间可减至最低限度。换言之，集束化的系统能够以高效实现传统的照相制版过程。

PR涂敷器一般属于以下类型，即可实现一旋转涂敷方法，其中晶片以预定的速度转动，而光刻胶溶液被喷涂到转动的晶片上面。结果，光刻胶由离心力均匀地散布在整个晶片上。

在制作一半导体器件期间加热晶片一般认为包括四个步骤。第一步是以一预定的温度加热一晶片的一预焙烧步骤，以使晶片表面上各种有机物质或异物气化。第二步是刚刚在晶片被涂以光刻胶之后的一加热晶片的一软焙烧步步骤，以便使光刻胶干燥并使光刻胶的薄膜牢固地附着于晶片的表面。第三步是一加热已经曝光的光刻胶的后曝光焙烧(PEB)步骤。第四步是刚刚在光刻胶已经显影之后加热一晶片的一硬焙烧步骤，以便使最终的光刻胶图案牢固地附着于晶面表面。

当曝光器包括一紫外(UV)和深紫外(DUV)光源时，光线按照由光线照射的诸如一晶片的基底的反射率和折射指数以及光刻胶的吸收率而衍射和生成干涉。干涉现象本身又造成光刻胶图案的轮廓不正常，以及图案的关键尺寸不均匀。实现PEB步骤可以补偿这些问题。在PEB步骤中，已经曝光的光刻胶薄膜以一预定温度予以加热以由于热扩散而重新整理受到光学离解的各种树脂，从而净化一曝光过的图案轮廓的截面。当曝照光是一种DUV光线时，一种化学增强的抗蚀剂用作光刻胶。一部分化学增强的抗蚀剂，经过热处理，可变成一种可溶于一显影溶液之中的酸。另外，由于一种健式反应，化学增强的抗蚀剂会发生改变，以致在PEB步骤中施加于整个晶片的热量平衡对于光刻胶图案关键尺寸的均匀性具有最大的影响。

因此，晶片整个表面的均匀加热对于提高产量是非常重要的。一种传统的焙烧器的加热装置，一如图1之中所示，包括一下部板件2，其中装设一电热源，即一加热器21。加热器21位于一晶片100安放所在的一上部板件1的下部表面的紧下面。参看图2和3，一涡卷形槽沟22制成在下部板件2的上部表面上，而加热器21座放在槽沟22之内。在此结构中，由加热器21生成的热量从下部板件2被传递给上部板件1以加热上部板件1上的晶片100。另外，加热器21的功率是通过使用装在下部板件2上的一温度传感器(未画出)来检测上部板件1的温度而予以反馈式控制的，以致温度保持在一预定范围之内。在传统的加热装置中，热量是经由上部和下部板件1和2的主体来传导的。因此，不均匀的热力分布在上部板件1的表面处。

图4是一温度分布图，表明在一由传统加热装置予以加热的晶片表面处的温度，其中各相邻等温线之间的温差是0.02°。一如图4之中所示，温度分布是不均匀的并具有不正常的畸变，而最冷与最暖区域之间的温差是大约1.76°。在此图中，粗黑等温线A，穿过一晶片的中心，表明一具有145.31°的温度；等温线B表明一具有146.28°的温度；以及等温线C表明一具有144.32°的温度。从这一温度分布中可以看出，晶片表面温度在粗黑等温线A的一侧上逐渐升高并在晶片的一周边部分处达到146.28°，而在粗黑等温线的另一侧上逐渐降低并在晶片的另一周边部分处达到144.32°。这一不规则的温度分布和较大的温差影响了产量，一如上述。因此，由于加热晶片而造成温度分布必须尽一切手段予以改进。

图5是一温度-时间图线，表明一晶片在晶片正在由传统的加热装置予以加热的同时各区域温度的变异，而图6表明晶片表面温度予以测定所在的各个部位。这些部位包括晶片表面的中心，以及与晶片表面中心同心的两个圆周上的多个地点。

参照通过在上述各地点处读取温度读数而获得的温度变异，一如图5之中所示，在任何给定时间上，各测定地点之间温度差别很大。此外，经过一预定的时间之后，温度急剧下降(图中D区)。温度上的这种巨大差别不仅给予晶片，而且也给予形成在晶片上的光刻胶薄膜以严重的热冲击。这样一种热冲击会不利地影响光刻胶薄膜的物化性质。

因此，上述传统的加热装置会妨碍在于在一晶片上形成一具有正常轮廓和均匀关键尺寸的光刻胶薄膜的照相制版过程取得成功。因而，传统的加热装置对提高产量是有阻碍的。特别是，随着图案的设计规则越来越精细到比如0.25μm、0.18μm和0.15μm以符合各种电路集成化程度提高的要求，上述问题也就越来越严重了。

于是，本发明的一项目的是，提供一种方法和装置，用于均匀地加热一晶片，以便防止热冲击施加到晶片和制成在晶片上的光刻胶薄膜。

本发明的另一目的是，提供一种方法和装置，用于以如下方式加热一晶片，即在晶片整个表面上只存在微小的温度偏差。

为了达到这些目的，本发明提供一种加热一晶片的方法，包括的各步骤是：生成有待供向一晶片的热量；传递热量给一流态传热介质，其液态部分被转变为蒸气；从流态传热介质的蒸气传递热量给一固态传热介质，从而蒸气的热量损失把蒸气冷凝下来回返为液体；以及以固态传热介质支承晶片，以致晶片利用从流态传热介质的蒸气中得出的热量予以加热。

固态传热介质可以基本上只由流态传热介质的蒸气的热量，亦即，由辐射热，通过尽量减小从加热源伸展到固态传热介质的热力传导结构而予以加热。

本发明之达到这些目的，还通过提供以下的晶片加热装置，它包括：一加热源；一固态传热介质，其支承晶片；以及一液态传热介质，包含在一位于固态传热介质与加热源之间的封闭空间之内。

许多隔板可以夹置在固态传热介质与加热源之间，以便把封闭空间划分成为许多分散的区域，各自包含某些流态传热介质。这些隔板由一易于装设的格栅构成。

其次，一多孔耐火基质可以设置在封闭空间之内，而传热介质包含在多孔耐火基质的许多孔穴之中。多孔基质可以由单独一个整体组成，夹置在固态传热介质与加热源之间。另外，多孔耐火基质可以包括几个分段，分别设置得在彼此隔开的封闭空间各区域之内接触于加热源。

再次，流态传热介质可以设置在至少一条由固态传热介质下部表面和/或加热源上部表面形成的槽沟之中。此至少一条槽沟可以由单独一条具有一封闭回路的槽沟组成，或者可以包括彼此隔离的多条独立的槽沟。

一种冠状管件，包含有流态传热介质，可以设置在槽沟之内。最好是，此冠状管件具有许多内部热辐射翅片，接触流态传热介质。

本发明的以上各项目的、特点和优点将在以下结合各附图所作的其各优先实施例的详细说明中变得更加明显，这些附图中：

图1是一传统的焙烧器晶片加热装置的一剖面示意视图；

图2是此传统的晶片加热装置加热源的一平面视图；

图3是传统的晶片加热装置加热源的一局部放大视图；

图4是由传统的晶片加热装置加热的一晶片表面的一温度分布图；

图5是一图线，表明当一晶片由传统的晶片加热装置正在予以加热时此晶片各区域的温度关于时间的变化；

图6表明一些部位，在那里，一由传统的晶片加热装置予以加热的晶片的表面温度曾加以测定以生成示于图5之中的温度分布图；

图7是符合本发明的晶片加热装置一第一实施例的一侧面示意视图；

图8是符合本发明的晶片加热装置加热源的一剖面示意视图；

图9是此加热源的一局部放大视图；

图10是符合本发明的晶片加热装置一第二实施例的一侧面示意视图；

图11A是一格栅的一透视示意图，此格栅可以用在符合本发明的晶片加热装置第二实施例之中；

图11B是另一形状格栅的透视示意图，此格栅适合用在符合本发明的晶片加热装置第二实施例之中；

图12是符合本发明的晶片加热装置一第三实施例的一侧面示意视图；

图13是符合本发明的晶片加热装置一第四实施例的一侧面示意视图；

图14是符合本发明的晶片加热装置一第五实施例的一侧面示意视图；

图15是一种固态加热介质的一底视图，此介质可以用在符合本发明的晶片加热装置第五实施例之中；

图16是符合本发明的晶片加热装置一第六实施例的一剖面示意视图；

图17是符合本发明的晶片加热装置一第七实施例的一剖面示意视图；

图18是一冠状管件的一剖面示意视图，此冠状管件可用于符合本发明的晶片加热装置第七实施例之中；

图19是一由符合本发明的晶片加热装置予以加热的晶片的一表面温度分布图；

图20是另一由符合本发明的晶体加热装置予以加热的晶片的一表面温度分布图；

图21是一图线，表明当一晶片由一符合通常本发明的晶片加热装置正在予以加热时此晶片各区域的温度关于时间的变化。

首先参看图7，符合本发明的晶片加热装置包括一固态传热介质10；支承一晶片100与之直接接触；一加热源20；以及一流态传热介质30，夹置在固态介质10与加热源20之间。流态介质30的状态可通过以加热源20加热和使介质冷却而可在蒸气与液体状态之间变化。此处，固态传热介质10和加热源20之中的各箭头表明热量的移动方向，而流态传热介质30之中的各箭头表明流态介质的移动方向。一部分邻近固态传热介质10的流态传热介质30处在蒸气状态，而一部分邻近加热源20的流态传热介质30则处在液体状态。流态传热介质30从加热源20吸收热量，并在被气化的同时朝向固态传热介质10移动。当流态传热介质30的蒸气接触固态传热介质10时，它把热量传送给固态传热介质10。热量的传递冷却了蒸气，使它冷凝，由此得到的液体朝向加热源20移动。流态传热介质30从加热源20吸收热量，以及热量传递给固态介质10是一个连续循环，在此期间连续发生流态传热介质的相变，流态传热介质的相变是按照流态介质的临界温度和压力发生的。

按照本发明，传热循环发生在一封闭空间之内，并且与发生在传统的加热装置中的传热循环相比是很快的。本发明的流态介质迅速地和均匀地把热量传递给固态传热介质10的表面，据此，热量又均匀地传递给支承在固态介质10上的晶片100。因此，晶片100的表面由均匀分布在全部固态传热介质10上的热量迅速地和均匀地予以加热。

一如图8和9所示，加热源20包括一加热器203，为一电热线圈；以及装放加热器203的上和下加热器板块201和202。更为具体地说，加热器203装放在一制成在上加热器板块201的下部表面上或下加热器板块202的上部表面上的槽沟204之内。

一个在其中装放流态传热介质30的空间可以隔分为许多区域，一如图10之中所示。

现在参看图10，许多隔间301装设在固态传热介质10与加热源20之间。于是，流态传热介质30存在于由许多隔板301隔分的各区域之内，而相变发生在由许多隔板301限定的各独立空间之中。

各隔板301可构成一格栅302，具有矩形或蜂窝状的一些单元，一如图11A和11B之中所示。最好是，格栅302各单元的截面设计成以致各单元对于流态传热介质30将起到毛细管的作用。

参看图12，一种具有各稀疏截面的耐火多孔基质303最好是配置在接触于加热源20的格栅302各单元之内。流态传热介质30因而充满多孔基质303的许多孔穴。如此被包含在耐火多孔基质303的各孔穴之中的流态传热介质30将迅速地受热并气化。同样，各孔穴起到可促进流态传热介质30活动性的各毛细管的作用。

另外，一如图13之中所示，耐火多孔基质303可以是一单块基质，夹置在固态传热介质10与加热源20之间。在此情况下，耐火多孔基质303紧密附着于加热源20和固态传热介质10这二者的各内表面，或者附着于或是加热源20或是固态传热介质10的内表面。

图14和15表明符合本发明的加热装置的另一实施例。在此实施例中，固态传热介质10附着于加热源20，而一包含流态传热介质30的槽沟101制成在固态传热介质10与加热源20的界面处。

特别是，槽沟101制成固态传热介质10的底面上，但可以在某些情况下制成在加热源20的表面上。槽沟101在固态传热介质10与加热源20之间的界面处形成一封闭回路，流态传热介质30可以通过这一回路流通。槽沟101的端部101a在固态传热介质10或加热源20的侧面处是敞开的，以致流态传热介质30可以置放在槽沟101内。一栓塞10a封住槽沟101的敞开端部101a。

在这种结构中，在流态传热介质30沿着槽沟101流通的同时，由于如上所述的热量吸收和热量传送，流态传热介质30的相被改变。流态传热介质30的回路留下一些部分，那里固态传热介质10与加热源彼此直接接触。于是，热量也从加热源20经由固态传热介质10与加热源20的各接触部分传送到固态传热介质10。

不过，经由流通在槽沟101之中的流态介质30传热量是以较比经由固态介质内与加热源20的各接触部分直接传热要快的速率发生的。

同时，槽沟101可以具有一种形状，不同于一单独封闭回路中槽沟的形状。亦即，许多槽沟101可以制成在固态传热介质的下部表面10上或加热源20的表面上。此许多槽沟101以规则的间隔遍及固态传热介质10与加热源20之间的界面而布置。各独立的槽沟形成各分散的封闭空间，流态传热介质30的相在其中改变。

图16表明一实施例，其中各槽沟101一如上述地形成许多独立的空间。现在参看图16，许多槽沟101制成在加热源20的上部表面上。各槽壁104，使各槽沟101彼此隔绝，其具有三角形剖面。每一三角形槽壁104的顶点接触固态传热介质的下部表面。槽壁104与固态传热介质10之间的这种最少接触可尽量减小从前者到后者的传热。

图17表明一实施例，其中一冠状(管)件102伸展在槽沟101之中。流态传热介质包含在此冠状管件102之中。在此结构中，槽沟101在固态传热介质10与加热源20之间的界面处伸展在一封闭回路之中。

参看图18，冠状管件102包括一些翅片103，后者接触流态传热介质30以便促进流态传热介质30的相变。各翅片103沿轴向伸展在流态传热介质30沿着冠状管件102移动的方向上。作为各翅片103的一种代换方案，一具有某一预定厚度的多孔层可以制成在冠状管件102的内壁上。

按照一如上述的本发明，流态传热介质必须是这样一种介质，其相在一目标在于在一半导体制作过程，亦即在影印照相过程期间加热一晶片的某一预定温度范围之内可在蒸气与液体两相之间予以改变。当考虑到一晶片要加热到的目标温度是在200℃与300℃之间，流态传热介质可以是，但并不限于，水、乙醇、甲醇、丙酮、氨水，或者氟里昂。

图19和20等温线图，表明一由符合本发明的加热装置予以加热的晶片表面温度分布。从这些图中可以看出，各等温线都是环形的，晶片中心具有最高的温度，而温度从晶片的中心朝向周边以一种均匀的型式下降。同样明显的是，示于图20之中的等温线分布优于示于图19之中者。

在图19的等温线图中，最高与最低温度之差是0.73℃，各粗黑等温线表明一155.63℃的温度，晶体中心的温度是156.00℃，而晶片周边的最低温度是155.26℃。在图20的等温线图中，最高与最低温度之差是0.72℃，粗黑等温线表明一155.63℃的温度，晶片中心的温度是155.960℃，而晶片周边的最低温度是155.32℃。

从图19和20可以看出，一晶片在晶片表面上具有一均匀分布，而特别是，0.73℃和0.72℃这种最高与最低温度之间的偏差是极佳的结果，由传统晶片加热装置是无法获得的。

图21是一图线，表明在一晶片由符合本发明的加热装置予以加热的同时，得自许多测定点的温度-时间变异。一如图21之中所示，在加热开始之后，温度急剧增高，而热振动，亦即相对于时间流逝的温度变异是平缓的。特别是，温度的突然下降，如采用传统的加热装置所发生的那样，当采用本发明时不会发生。在晶片上的这种细小温度变异，以及微小的热振动，表明施加于晶片和制成在晶片上的光电阻薄膜的热冲击是很微弱的。

按照上述的本发明，以很小的温度偏差稳定地加热晶片会大为减小晶片和制成在晶片上的光电阻薄膜上的热冲击强度，而特别是，晶片可以以规则和均匀的温度分布予以加热。于是，本发明允许即使在其中关键尺寸是0.25μm、0.18μm或0.15μm的设计规则下，即在增大的各电路集成化程度下成功地形成一些比较精细的图案，从而大大地提高了产量。

虽然本发明已经参照其各具体实施例作了说明，对于在本技术领域中具有一般熟练程度的人来说，明显的是，可以作出所述各实施例的改进而不偏离由所附各项权利要求确定的本发明的精神和范畴。

Claims (19)

1.一种晶片加热方法，包括以下各步骤：

生成有待供向晶片的热量；

传递热量给流态传热介质的液态部分，数量足以气化液体并从而产生蒸气；

从流态介质的蒸气传递热量给固态传热介质，从而蒸气冷凝返回液相；

以及

支承晶片在固态传热介质上，以致晶片由已经从流态传热介质的蒸气传递给固体传热介质的热量予以加热，

其中所述从流态传热介质的蒸气传递热量给固态传热介质的步骤包括从许多位于固态传热介质下面的分散的隔开区域直接传递热量给固态传热介质。

2.按照权利要求1所述的晶片加热方法，其中所述从流态传热介质的蒸气传递热量给固态传热介质的步骤包括所述分散的隔开区域被设计得以致于利用毛细作用使流态传热介质流向固态传热介质的步骤。

3.按照权利要求1所述的晶片加热方法，其中所述从流态传热介质的蒸气传递热量给固态传热介质的步骤包括使流态传热介质沿着至少一条邻近固态传热介质设置的封闭回路流通。

4.按照权利要求1所述的晶片加热方法，其固态传热介质基本上只由从流态传热介质的蒸气衍生的辐射热予以加热。

5.按照权利要求1所述的晶片加热方法，还包括一个步骤，即通过传导从所述加热源传递一部分热量给固态传热介质。

6.晶片加热装置，包括：

一加热源；

一固态介质，其上支承一晶片；以及

一流态传热介质，包含在一位于所述固态传热介质与所述加热源之间的封闭空间之内，由来自所述加热源的热量加热流态传热介质的一液态部分使流态传热介质气化，而得到的流态传热介质的蒸气由于传递热量给固态传热介质而冷凝下来，

其中所述封闭的空间包括许多分散的隔开的区域，而所述流态传热介质占有每一所述分散的区域。

7.按照权利要求6所述的晶片加热装置，还包括一具有许多限定所述各分散区域的隔板的格栅。

8.按照权利要求6所述的晶片加热装置，其中所述加热源包括一加热器板块，而且至少所述加热器板块上部表面和所述固态传热介质下部表面这二者之中的一个在其上具有许多分散的槽沟，所述这些槽沟形成所述各分散区域。

9.按照权利要求7所述的晶片加热装置，还包括一种耐火多孔基质，在每一所述由所述格栅的各隔板彼此隔开的各分散区域之内接触所述加热源，所述流态传热介质占有所述耐火多孔基质的各孔穴。

10.按照权利要求6所述的晶片加热装置，其中只是单独一种整体耐火多孔基质夹置在所述固态传热介质与所述加热源之间。

11.按照权利要求6所述的晶片加热装置，其中所述多孔基质附着于至少所述加热源和所述固态传热介质这二者的彼此面向的两对应表面之中的一个。

12.按照权利要求6所述的晶片加热装置，其中所述加热源包括一加热器板块，具有一面向所述固态传热介质下部表面的上部表面，而至少加热器板块的所述上部表面和固态传热介质的所述下部表面这二者之中的一个上形成至少一条槽沟，流态传热介质包含在所述至少一条槽沟之中。

13.按照权利要求12所述的晶片加热装置，其中所述至少一条槽沟由单独一条状为一封闭环路的槽沟组成。

14.按照权利要求12所述的晶片加热装置，其中所述至少一条槽沟为多个槽沟且包括许多分散的彼此隔开的槽沟。

15.按照权利要求12所述的晶片加热装置，还包括一管件，设置在每一所述至少一条槽沟之中，流态传热介质设置在所述管件之中。

16.按照权利要求15所述的晶片加热装置，其中所述管件具有许多内部翅片，接触所述流态传热介质。

17.按照权利要求12所述的晶片加热装置，其中加热器板块的所述上部表面和固态传热介质的所述下部表面这二者之中的一个具有许多壁板，各槽沟限在它们之间，所述各壁板接触加热器板块的所述上部表面和固态传热介质的下部表面这二者之中的另一个。

18.按照权利要求17所述的晶片加热装置，其中每一所述壁板具有三角形剖面，每一所述壁板的顶点接触加热器板块上部表面和固态传热介质下部表面这二者之中的另一个。

19.按照权利要求6所述的晶片加热装置，其中所述封闭空间由所述固态传热介质限定，从而流态传热介质被允许直接接触固态传热介质。

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