CN1900823B - 均匀涂布基片的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用聚合物溶液涂布基片以产生均匀厚度的膜的方法和装置，其包括将基片安装在封闭式箱体内，以及使控制气体通过入口进入箱体，控制气体可以是含溶剂蒸汽气体。聚合物溶液沉积到箱体内的基片表面上，然后旋转基片。控制气体以及控制气体中悬浮的任何溶剂蒸汽和颗粒杂质通过出口从箱体排出，并通过控制箱体和溶剂的温度而控制溶剂蒸汽浓度，含溶剂蒸汽气体从溶剂中产生。也可以通过混合不同溶剂浓度的气体来控制浓度。还可以控制气体的湿度。

Description

均匀涂布基片的方法

本申请是2002年2月21日提交的名称为：“均匀涂布基片的方法”的中国专利申请028083024的分案申请。

技术领域

本申请涉及涂布基片表面的装置，更具体地，本申请涉及用含溶剂溶液涂布基片表面的装置。

发明背景

集成电路的制造包括将掩模上的几何形状转移到半导体晶片的表面上。之后，蚀刻与几何形状相对应或几何形状之间的区域相对应的半导体晶片。几何形状从掩模到半导体晶片的转移通常涉及平板印刷方法。该方法包括将光敏预聚合物溶液施用于半导体晶片。预聚合物溶液中的溶剂通过蒸发除去，然后烘烤形成的聚合物薄膜。膜通过支撑理想几何图案的光掩模而被辐射曝光，例如紫外光。然后通过将晶片浸泡在显影液中将光敏材料的图像显影。根据光敏材料的特性，在显影过程中除去曝光或未曝光区域。之后，晶片放置于蚀刻溶液中，该溶液将没有被光敏材料保护的区域蚀刻掉。由于它们对蚀刻过程的抵抗，因此光敏材料也被称为光致抗蚀剂。这些材料可以例如是对紫外光，电子束，x—射线，或者离子束敏感的材料。

光致抗蚀剂预聚合物溶液的高成本使得它希望设计出提高涂布过程的效率从而使聚合物溶液消耗量降为最少的方法。此外，光致抗蚀剂层的厚度均匀性在集成电路的制造中是重要的标准。它确保半导体晶片上几何图案令人满意地重现。

光致抗蚀剂中的溶剂在应用过程中易于蒸发，提高了聚合物溶液的粘度，并抑制了最后形成的膜的均匀化。这导致厚度不均匀。因此，希望能够控制溶剂从聚合物溶液中蒸发的速度。

环境湿度是影响光致抗蚀剂层厚度的一个因素。通常需要一个晶片内15至20埃以及一个晶片一个晶片地，一批一批地，一天一天地20至25埃数量级的光致抗蚀剂涂层均匀度。这小于1％的相对湿度差带来的影响。此外，在通常所用的采用光敏重氮醌化合物的正性光致抗蚀剂中，需要一定的水分与光分解反应的产物发生反应，生成所需要的水溶性羧酸。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善聚合物溶液的厚度均匀性的方法和装置，该聚合物溶液施用于诸如半导体晶片的基片的表面。

本发明的另一个目的是改善用于基片涂布的聚合物溶液的消耗量，聚合物溶液如光致抗蚀剂预聚合物溶液。

根据本发明，提供一种利用聚合物溶液涂布基片表面的方法，包括将基片安装在封闭式箱体内，使控制气体通过入口进入箱体，将聚合物溶液沉积在箱体内的基片表面上，使基片自旋，以及通过出口从箱体排出控制气体以及控制气体中悬浮的任何溶剂蒸汽和颗粒杂质。

控制气体可以是含溶剂蒸汽的气体或者无溶剂气体。

排出控制气体以及任何溶剂蒸汽和杂质的步骤可以在沉积步骤之前，过程中，或之后进行。

含溶剂蒸汽的气体通常由气体通过溶剂起泡而产生，并包括以下步骤：通过控制溶剂的温度而控制含溶剂蒸汽的气体的溶剂蒸汽浓度。含溶剂蒸汽的气体的溶剂蒸汽浓度还可以通过控制箱体的温度或通过将含溶剂蒸汽气体与具有不同溶剂蒸汽浓度的第二种气体混合而进行控制。

含溶剂蒸汽气体通常包括空气或惰性气体，如氮气。

控制气体可以通过直接位于基片上方的喷头分配器进入箱体，从而保证在晶片上方持续的，可控的层状气流。

聚合物溶液可包含光致抗蚀剂聚合物，例如，深紫外光致抗蚀剂聚合物。

该方法可以包括以下步骤：将温度控制的无溶剂，干燥，经过滤的气体传递到涂布基片上方。该方法还可以包括以下步骤：将无溶剂的湿气体传递到涂布涂布基片上方；可以控制湿气体的湿度使其具有聚合物溶液所需的相对湿度。相对湿度通常保持在40％至50％的范围内。湿气体的温度还可以利用温度和湿度控制器进行控制。

将基片安装在箱体内的步骤可以包括将基片固定到可旋转的卡盘，例如通过在基片和卡盘之间形成真空。

基片通常包括半导体晶片，聚合物溶液中的溶质含量通常是10wt％至50wt％。

此外，根据本发明，提供一种利用聚合物溶液涂布基片表面的涂布装置，该装置包括封闭式箱体，安装于箱体内用于支撑基片的可旋转卡盘，将聚合物溶液沉积到箱体内基片表面上的沉积装置，与箱体流动连接用于向箱体供应控制气体的控制气体供应装置，以及与箱体相连的排出装置，用于从箱体中排出控制气体以及任何溶剂蒸汽和颗粒杂质。

沉积装置可以包括安装于卡盘上方用于将聚合物溶液流分配到基片表面上的分配头装置，该装置可以相对于基片移动。如果基片具有基本上呈圆形的形状，那么分配头装置通常基本上可沿径向移动横穿过基片表面。

沉积装置也可以包括膜挤压装置，该装置具有安装于卡盘上方用于将聚合物溶液流分配到基片表面上的挤压头。在这种情况下，如果基片基本上呈圆形形状，那么挤压头通常安装于卡盘上方用于将径向延伸的聚合物溶液流分配到基片表面上。

采用挤压方法和装置的具体实施例记载在美国专利6,191,053中，该文在此全部引入作为参考。在这些实施例中，材料带按螺旋形图案挤出，覆盖晶片的整个顶面。晶片安装于卡盘上，水平对准，向上定位。由于挤压槽相对于晶片径向对准，挤压头被设置在邻近晶片外缘并位于晶片顶面上方。当材料挤出挤压槽时，旋转晶片，并使挤压头朝晶片中心径向移动。控制晶片的转速和挤压头的径向速度，使挤压头相对于旋转晶片的切线速度恒定。

如上所述，可旋转的卡盘与变速电动机相连，涂布装置可以包括控制变速电动机速度的控制装置。箱体可以具有上游侧和下游侧；含溶剂蒸汽的气体供应装置可以包括安装于箱体上游侧的箱体入口，排出装置可以包括安装于箱体下游侧的出口。控制气体供应装置可以包括与箱体流动连接的管道，以及在至少一个管道中用于对流入箱体的控制气体的速度和控制气体各成分进行控制的电控阀。排出装置还可以包括控制从箱体中排出气体和任何杂质的阀装置。含溶剂蒸汽的气体供应装置可以包括清洁，干燥，经过滤的气体源和与箱体流动连接的起泡器。

涂布装置可以进一步包括与箱体流动连接的温度和湿度控制气体源。温度和湿度控制气体源可以包括温度控制装置和湿度控制装置，用于控制由温度和湿度控制气体源所供应的气体的温度和湿度。

附图说明

图1示出依照本发明旋涂装置的一个实施例的示意性横截面侧视图；以及

图2示出依照本发明旋涂装置的另一个实施例的示意性横截面侧视图。

图3a示出固定自旋速度时，膜厚度作为溶剂流速的函数。

图3b示出膜厚度作为溶剂流动时间的函数。

图4示出跨过晶片的通常的膜厚度外形。

图5示出在本发明和在先技术之间膜均匀度的比较。

图6示出在本发明和在先技术之间抗蚀剂温度范围的比较。

图7示出在本发明和在先技术之间急冷板温度范围的比较。

图8是本发明挤压头侧视图的装配图。

图9是本发明挤压头的前板的正视图。

图10是本发明挤压头的后板的正视图。

图11是本发明挤压头的垫片的正视图。

图12是垫片靠着后板的正视图。

图13是本发明装配的挤压头的横截面视图。

图14是本发明装配的挤压头的透视图。

图15是带有基片的挤压头两个边的横截面视图，基片在挤压头两个边的下面移动。

图16，17和18分别是本发明挤压旋涂装置的正视图，顶视图和后视图。

图19是本发明挤压旋涂装置中控制系统的一个实施例的框图。

图20，21，22和23示出在本发明挤压旋涂方法的几个步骤中挤压旋涂装置的结构。

图24是示出依照本发明挤压旋涂运动的一些参数的图示。

图25示出依照本发明的挤压旋涂的螺旋形图案。

具体实施方式

本发明涉及一种将溶液沉积在基片上时改善所形成的涂层厚度均匀性的方法。进一步涉及降低这种溶液损耗的方法。尤其是，该方法参考用于集成电路制造中的半导体晶片和光致抗蚀剂预聚合物溶液对半导体晶片表面的应用来进行说明。可以理解，用于集成电路制造中的膜或涂层不限于光致抗蚀剂层，例如可以包括如有机平面膜，抗反射膜，硅氧烷旋装玻璃膜，聚酰亚胺薄膜，以及聚酰亚胺硅氧烷膜等材料。

在涂布过程之前，这些材料中的上述溶质含量通常为10wt％至50wt％。

需要在箱体或室中进行半导体晶片的涂布工艺，所述室允许其中的气氛至少部分地用溶剂分子中饱和，这从下面的讨论中可以更清楚。其具有通过在基片表面上形成溶剂的单层涂层而具有改善流延薄膜(cast film)湿润性的优点。此外，通过控制室内气体的溶剂浓度，可以改善基片上聚合物溶液薄膜的厚度均匀性。这是采用旋转铸塑薄膜(spin-cast film)，喷涂薄膜(spray-coated film)或任何其它类似涂布方法的情况。

在旋转铸塑方法中，当基片静止，线性移动，或旋转时，将溶液涂敷于基片上。之后基片自旋将溶液在其表面散开。溶液在基片表面上散开之后，溶液中的溶剂通过蒸发除去，在基片表面上留下一层溶质。当基片尺寸增大，或者尝试通过使施用于基片表面的流体量减为最小而降低成本时，通常导致基片上溶质层的厚度不均匀。在某种程度上，这部分是基片边缘和中心之间的切线速度不同的结果。沿着边缘的不均匀气流导致溶剂的不均匀蒸发，由此产生涂层厚度的不均匀。由于较大的基片需要更高的自旋速度来获得在中心附近的均匀度，因此与基片边缘附近的溶液相接触的空气进行不均匀反应会引起基片边缘附近的螺旋线和条纹。这些特征被称为Ekman螺旋线。

当使用不充分的涂层溶液时也会遇到问题。当在旋转铸塑过程中试图通过将施用于基片表面的涂层溶液量减为最小而降低成本时，因为溶剂量小而导致不均匀。在涂布过程中，溶剂的蒸发导致各种缺陷和不规则性(irregularity)。同样，在喷涂薄膜中，在应用过程中溶剂易于蒸发，这样增大了粘度并抑制了形成膜的均匀化，因此导致厚度不均匀。

如上所述，一些光致抗蚀剂需要一定的水分与光分解反应的产物发生反应。出于这些原因，希望能够控制室中空气的湿度。

现在参考使用旋涂方法的实施例详细描述本发明。在这些实施例中，基片是半导体晶片，施用于半导体晶片的溶液是光致抗蚀剂预聚合物溶液。

图1示出依照本发明的方法所用的旋涂(spin-coating)装置10的实施例。装置10包括安装在封闭式箱体14中的可旋转支撑卡盘12。卡盘12延伸到轴16，该轴穿过箱体14中的开口18。箱体14包括以喷头型分配器(shower-head-like dispenser)20的形式的输入端。这允许控制气体，包括一种气体和一定浓度的溶剂穿过而进入箱体14。控制气体可以是无溶剂气体或者含溶剂气体，并且可以包括空气或惰性气体，如氮气。分配器20直接设置在安放于卡盘12上的基片上方。输入管道24延伸到喷头型分配器20的一端。温度和湿度控制气体源(未示出)供应温度和湿度控制空气或氮气，并通过管道26与管道24相连。第二管道28将清洁、干燥、经过滤的气体源引入起泡器21。起泡器21容纳于装有溶剂15的溶剂罐13中。清洁、干燥、经过滤的气体，通常包括空气或氮气，穿过起泡器21形成含溶剂气体，该气体通过管道3引向管道24。阀9安装于管道26中，阀11安装于管道3中。阀9，11使温度和湿度控制气体以及含溶剂气体中的一种或两种流向箱体14。阀9，11通常是用于自动控制气体流速和成分的电控阀。由起泡器21供应的含溶剂气体的温度通过加热/冷却盘管控制，该盘管控制由管道28或由溶液15或由两者供应的气体的温度。通常必须加热溶剂15，来补偿因蒸发引起的热损失。温度和湿度控制气体的温度和湿度也利用专用的温度和湿度控制器进行控制，该温度和湿度控制器包括制冷机组，锅炉，以及温度和湿度传感器。也可以通过采用起泡器装置的温度和湿度控制器对温度和湿度控制气体的温度和湿度进行控制。在优选实施例中，管道26由两个支管(未示出)提供。这允许其与起泡器或湿度控制源相连。起泡器通常安装于包括装置10其余部件的外壳中。与此相反，上面提到的专用湿度调节器包括独立的结构。当提供湿气体时，相对湿度保持在聚合物溶液所需的水平：通常在40％和45％之间。显而易见地，湿度在适当的环境下可以保持为零。

装置10进一步包括分配头4，该分配头用于将溶液(在这种情况下，溶液是光致抗蚀剂预聚合物溶液)滴到安装于卡盘12之上的晶片7上。

箱体14的底部确定了一个环形通道6，该通道具有用于气体，如空气或氮气的排气装置22，以及用于液体的排水管27。

在通常的过程中，利用任何标准方法，如在卡盘12和晶片7之间形成真空的方法将半导体晶片7紧固于卡盘12上。之后关闭箱体14的晶片输送门2。利用干燥的无溶剂气体净化箱体14。然后将控制气体送入箱体。在将涂层溶液分配到基片之前，过程中，及之后，对控制气体的溶剂浓度进行控制，通过对阀9和11进行操纵，溶剂沿着管道3穿过阀11，沿着管道24进入箱体14。通过起泡器21将包括氮气或空气的气体起泡可以实现溶剂的可控制分压。在该实施例中的起泡器21包括多孔玻璃料(porous glass frit)，气体从多孔玻璃料通过液态溶剂15，溶剂保持适当的设定温度。在涂布工艺之前和过程中，包含适当溶剂浓度的最终形成的含溶剂气体在半导体晶片上方通过。显而易见地，溶剂罐13必须容纳或供应充足的溶剂，以保持含溶剂气体中理想的溶剂浓度。

为了将光致抗蚀剂层沉积在晶片7上，聚合物溶液经分配头4涂布于晶片7的表面。这通过在晶片7以相对较低的速度自旋或者静止时从喷嘴5分配连续流的聚合物溶液而得以实现。在优选实施例中，喷嘴5基本上径向地移动跨过晶片7。另外，溶液也可以分配在基片中心，或者可以使用多个喷嘴。通过调整晶片7的自旋速度，喷嘴5的运动以及聚合物溶液分配的速度，可以获得适当的溶液分布。在另一实施例中，如图2所示，当晶片以一个旋转体(one full turn)旋转时，通过薄膜挤压机23将聚合物溶液沉积在晶片上，这种薄膜挤压机是本领域公知的普通挤压机。挤压机23，将聚合物溶液的薄膜沉积在晶片25上。如果待涂布的晶片基本上不呈圆形，那么在聚合物溶液沉积步骤中晶片通常纵向移动。

由于挤压机方法在其他方面与图1实施例相同，因此参考图1说明该方法。在溶液沉积在晶片7之后，晶片7的自旋速度增大，以便将溶液分散而越过晶片7的上表面。将含溶剂气体以及含溶剂气体中悬浮的任何颗粒杂质经排气装置22排出，在涂布晶片7之前和过程中，可以在晶片7的上表面形成均匀的一层光致抗蚀剂预聚合物溶液。之后，经管道24进入室的气体通过阀9和11转变为温度和湿度控制的无溶剂气体，如空气或氮气。阀9和11通常由微处理器(未示出)控制。然后降低控制气体中的溶剂浓度，或者升高控制气体的温度，从而除去沉积在晶片7上的聚合物溶液中的更多溶剂。通常，向箱体供应无溶剂气体，以加强溶剂从聚合物溶液中的蒸发。当产生理想的蒸发量而形成足够硬的光致抗蚀剂层时，使晶片7停止，晶片输送门打开，涂布的晶片从箱体14移出。如上所述，在不同的阶段中，气体经排气装置22从箱体14中排出，所述气体可以是干燥的或者潮湿的，无溶剂或含溶剂气体。这样，引导气体越过晶片7，从位于喷头分配器20的上游端到位于排气装置22的下游端。废气流通过阀8进行控制，由此控制箱体7中的气体压力。阀8通常用微处理器(未示出)控制。抛出的任何聚合物溶液，包括颗粒杂质，收集在环形管道6中，经排水管27排出。

如上所述，供给起泡器21的液态溶剂或气体的温度是可调节的。这样，能够调节含溶剂气体中溶剂的分压。这通过使用上述加热/冷却盘管来实现。另外浓度可通过增加含不同溶剂浓度的气体来进行调节。这种气体可经过与管道3相连的管道(未示出)来提供。显而易见地，如果起泡器和箱体14的温度相同，那么含溶剂气体在溶剂中饱和。如果起泡器的温度稍高，那么箱体14中的含溶剂气体过饱和，如果起泡器的温度稍低，那么箱体14中的含溶剂气体不饱和。通常含溶剂气体由起泡器21提供，箱体14保持相同的温度以保持溶剂饱和。如上所述，装置10通常安装于外壳(未示出)中。外壳是温度控制的，用以将外壳和装置10的部件维持在通常22℃的温度。

通常，起泡器中包含的溶剂和气体含有的溶剂与沉积在晶片上的溶液中所含溶剂相同。同样，如果溶液含有多于一种溶剂，那么起泡器可以包含相同比例的类似溶剂。然而，在起泡器中使用的溶剂与沉积在晶片上的溶液中的溶剂不相同在一定情况下是所希望的。

已经知道，可以利用不同于起泡器的技术来产生含溶剂气体。

利用蒸气压力计可以精确地确定溶剂的蒸气压力。另外，通过将惰性气体穿过溶液样品并测量按重量分析时除去的作为时间函数的溶剂量，可以精确地确定蒸气压力。可以调节管道3供应的气体中的溶剂分压，最好调整为对应于聚合物溶液中溶剂产生的平衡蒸气压。这样确保溶剂从沉积膜或涂层蒸发的速度等于膜从气体环境中吸收溶剂的速度。

如上所述，箱体14中的溶剂分压可以通过控制起泡器或气体的温度来调节。另外，含有不同溶剂浓度的气体可以与溶剂饱和气体混合。箱体大气压中溶剂分压在涂布工艺中作为时间函数的最优曲线根据经验确定。

在涂布工艺中，通过排气装置22连续排出含溶剂气体或湿气体，可以很容易地调节箱体中的湿度和溶剂分压，从而确保在半导体晶片表面上均匀的溶液层厚度。同样，可以消除溶剂从沉积在晶片7上的聚合物溶液过早蒸发的影响。这允许使用更少的聚合物溶液，由此降低成本。

工作实例

I.旋涂机(spin coater)：

旋涂装置按适用于200mm直径晶片的尺寸装配并安装于晶片轨迹(track)机器中。在晶片加工过程中，进行原位气压，气温，相对湿度和容积浓度的测量。乳酸乙酯用作光致抗蚀剂的铸塑溶剂(castingsolvent)。处理腔中的溶剂浓度在饱和值的0-40％之间变化。

图3a和3b示出通过实施本发明的方法得到的结果。如图3a和3b所示，最终的薄膜厚度的改变是通过控制溶剂蒸发而不是依赖于自旋速度。在零溶剂流速的极限，蒸发速度最高，因对流和蒸发物质传递机理的成对特性而产生最厚的膜。当溶剂流速增大时，蒸发速度减小，使抗蚀剂膜经一段较长的时间的对流扩散而继续变薄。因此，实施本发明可以在固定的自旋速度2000rpm时将最终薄膜厚度改变

，如图3a所示。类似地，溶剂流动时间也可以影响最终薄膜厚度，如图3b所示。这些数据清楚地表明，发明为300mm基片的紊流障碍(turbulence wall)问题提供一种溶液。通过实施本发明，自旋速度可以保持在2000rpm以下，并且通过优化两个新的工艺参数，溶剂浓度和溶剂流动时间，可以获得更大范围的有用的厚度。

图4示出晶片均匀度。的1σ均匀度可以常规地获得，如通过高空间分辨率薄膜厚度测量工具测得。

图5将根据本发明加工的一盒晶片的均匀度结果与常规涂布机的均匀度结果作比较。这些结果表明，本发明将紊流障碍的影响减至最小，并且能生产比常规涂布机更紧密均匀度控制的晶片。

图6将根据本发明的涂布机的抗蚀剂温度加工范围与常规涂布机的相比较。与根据本发明的

相比较，用于常规涂布机的1σ均匀度的抗蚀剂温度灵敏度是

(两者均使用SPR508抗蚀剂)。这表示抗蚀剂温度范围提高了36％。

图7示出常规涂布机的1σ均匀度的急冷板(晶片)温度灵敏度是

，本发明降低为

，CP温度范围增大43％。

总之，上述结果表明在实施本发明的时候，薄膜外形对于蒸汽相关的工艺参数的依赖性降低。这是在旋涂的临界相(critical phases)中抑制蒸发作用的直接结果，并且这表示实施本发明解决了与300mm基片相关的两个主要问题。

尽管特定实施例提供了上述优点，但是显而易见，本发明不限于上述实施例。例如，管道28可以直接与管道3相连。这样，由温度和湿度控制源供应的气体也可以供应起泡器21。在供应起泡器21时，温度和湿度控制源的湿度可以简单地降低为零。当干燥或潮湿的气体向箱体14供应时，可以关闭管道28中的阀，从而保证没有溶剂吸到管道28中。

应该注意，当使用一些先进的深紫外线光致抗蚀剂材料时，可以使用无水铸塑环境。因此，温度和湿度控制气体的湿度保持为零。

II.挤压涂布机(extrusion coater)：

本发明不限于旋涂实施例。例如，许多实施例采用挤压涂布。一组特定的实施例使用挤压槽涂覆将光致抗蚀剂薄带分配在晶片的整个表面上。挤压槽涂布是预计量涂层这类方法中的一种。利用挤压槽涂布，涂层厚度可通过光致抗蚀剂分配速度进行控制，效率可接近100％，且厚度均匀度非常好。

在挤压槽涂布中，光致抗蚀剂通过窄槽挤压到晶片上。图8-15示出可用于本发明中的挤压头30的实施例。挤压头30也可以称为挤压模头。图8示出挤压头30的侧装配图，挤压头30由不锈钢U形垫片31构成，该垫片31夹在不锈钢前板32和不锈钢后板33中间。图9，10和11分别示出前板32，后板33，和垫片31的正视图。图12示出垫片31靠着后板33的正视图。参考图8，放置前板32和后板33，并抛光其面向垫片31的内缘，以提供与垫片31良好的密封，以及用于挤压的平滑表面。光致抗蚀剂通过后板33顶部的端口34进入挤压头30。端口34将光致抗蚀剂通过管35引导至流动通道36(图8，10)。流动通道36和垫片31的“U”形的开口37一样宽(图11，12)。

图13是图8所示挤压头30的截面图。垫片31的u形所产生的孔隙在前板32和后板33之间留下一个狭窄间隙38，光致抗蚀剂通过该狭窄间隙流出。在挤压头30的底部，间隙38在两个窄“边”41，42之间继续向下，这两个边使前板32和后板33的内表面伸长。

图14是图8所示挤压头的透视图。间隙38越过垫片31的“U”形开口37(图11，12)，从而在挤压头30内形成挤压槽39。

图15是挤压头30的两个边41，42和基片50的横截面视图，基片50在挤压边41，42之下移动。光致抗蚀剂从两个边41，42底部的槽39挤出到基片50的顶面51上。前板32和后板33之间的间隙38的宽度，用d表示，等于垫片31的厚度(图8，13)。边41，42和基片50之间的涂覆间隙充满了来自槽39的涂布液的小珠。当基片50垂直于槽39移动时，保持涂覆间隙不变，流体拉出小珠46，作为薄膜保留在基片50上。挤塑薄膜的宽度w(图23，24)约等于挤压槽39的长度，即，垫片31的“U”形的开口(图11，12)。挤塑薄膜的平均厚度h为

$h=\frac{Q}{\mathrm{wv}}$

其中v是涂布速度，Q是流体分配速度。在涂布珠46前沿和后沿处的弯液面(meniscus)44，45固定到挤压头两个边41，42的拐角。挤压头两个边41，42的拐角应该具有小于约50m的曲率半径，从而保持弯液面44，45固定。涂布珠46中的毛细管的，粘性的，入口压力必须平衡外部压力，以保持涂布珠46的稳定性。当涂布更薄的膜或以更高的涂布速度涂布时，涂布珠46前沿的低度真空可用于使涂布珠46稳定。挤压头两个边41，42通常具有相等的长度(G₁＝G₂)，挤压头30垂直于基片50。然而对于非常薄的涂层，有时候使两个边中之一延伸超过另一边(G₁#G₂)，或者使挤压头30稍稍倾斜偏离垂直于基片50的方向是有益的，由此使涂布槽39相对于基片50倾斜。

参考图16，17和18描述挤压旋涂装置100，图16，17和18分别示出根据本发明的挤压旋涂装置100的正视图，顶视图和后视图。图16，17和18示出的挤压旋涂装置100的部件包括涂布模块110和定位系统130。控制系统210在图16，17和18中未示出，但是可参考图19进行说明，该控制系统210包括定位控制器220和旋转器控制器280。

涂布模块110包括旋转器装置111，该装置包括与立轴112相连的旋转器伺服电动机(未示出，图19中的参考数字113)。立轴112支撑聚四氟乙烯真空卡盘114。利用卡盘升降机伺服电动机(未示出，图19中的参考数字115)，旋转器装置111可以垂直移动。卡盘升降机伺服电动机配有升降机电动机闸(未示出，图19中的参考数字135)。当旋转器装置111位于其最低位置，卡盘114由收集杯(catch cup)116(横截面示出)环绕。收集杯116是具有顶部开口117的圆形杯。杯壁118的上部120向内倾斜，容易保留收集杯116中多余的光致抗蚀剂。收集杯116具有三个功能。收集杯116容纳并将多余的光致抗蚀剂排出到废液排水管122外面。收集杯有一个排气孔118，蒸发的溶剂从该排气孔排出。收集杯116引导旋转晶片上的气流以避免出现紊流。排气孔118和废液排水管122伸出收集杯116的底部124。用于排出多余光致抗蚀剂和用过的蒸汽的装置对本领域的技术人员来说是公知的，因此不再举例说明。

旋转器装置111有定心装置，包括八个聚四氟乙烯销138，用于将晶片定位于卡盘114的中心，旋转器装置111还有三个垂直销(未示出)，用于支撑加工前后未紧固的晶片。定心销138由定心螺线管(未示出，图19中的参考数字119)控制。涂布模块110上的传感器表明卡盘114垂直的原位置(未示出，图19中的参考数字121)，真空状态(开/关)(未示出，图19中的参考数字123)，定心销位置(未示出，图19中的参考数字125)。涂布模块110的这些特征对本领域的技术人员来说是公知的，因此不再举例说明。

适合与本发明一起使用的涂布模块110是90SE涂布模块，在市场上可从Silicon Valley Group，Inc获得。90SE涂布模块是90SE晶片加工轨迹(track)的一个部件，在市场上也可从Silicon Valley Group，Inc获得。

定位系统130由铝底板132支撑，底板安装在涂布模块110上方。底板132有一个位于涂布模块110上的中心切口134。第一和第二垂直支承板134，136安装在底板上，支撑交叉支件(cross-support)137，两轴定位系统150安装在交叉支件137上。定位系统150包括x轴定位工作台152和z轴定位工作台162。x轴定位工作台152包括x轴工作台电动机154和x轴工作台底座156。同样，z轴定位工作台162包括z轴工作台电动机164和z轴工作台底座166。z轴定位工作台162还包括z轴制动器(未示出，图19中的参考数字133)。z轴定位工作台162安装在x轴定位工作台152的支架158上。x轴定位工作台152在水平面内移动，平行于安装在卡盘114上的晶片50的表面51，z轴定位工作台162沿着垂直于晶片50的表面51所在平面的垂直方向移动，所述晶片50安装在卡盘114上。适合用于本发明的x轴和z轴定位工作台152，162的定位系统是5齿距滚珠丝杠驱动的Parker DaedalMotion Table。

挤压头30安装在铝制挤压头支架172的底部，而支架172安装在z轴定位工作台162上。z轴定位工作台162有足够的运动范围，移动挤压头30从底板132上方的位置向下穿过底板132上的中心切口134，到达卡盘114上的晶片50的附近。

光学传感器174安装在挤压头支架172上。光学传感器174用于测量挤压头30和安装在卡盘114上的晶片50之间的间隙。适用于本发明实施例中的传感器是Philtec RC140L反射比补偿光学位移传感器。光学传感器174将光照射在晶片50表面，测量反射光，并产生与被测量光的强度成比例的电压。Philtec传感器的光斑尺寸是6mm，其直流电DC的带宽为100Hz。Philtec传感器的电压—距离曲线通常是非线性的，但是当传感器—晶片距离在例如5.51和6.17mm(0.217和0.243英寸)之间时曲线具有线性范围。光学传感器174放置于挤压头支架172上，使得所有的测量值落在光学传感器174的线性范围中。

控制光致抗蚀剂流动的装置包括光致抗蚀剂泵(未示出)和光致抗蚀剂截流阀129。这些装置对本领域的技术人员来说是公知的，因此在图16，17或18中没有全部示出。然而，挤压旋涂装置100的控制系统210的下列描述参考光致抗蚀剂泵(未示出，图19中的参考数字127)和光致抗蚀剂截流阀129。

图19是一个框图，它示出适于控制本发明的挤压旋涂装置100的控制系统210的实施例。控制系统210包括计算机212，定位控制器220和旋转器控制器280。计算机212经串行接口213，214，215将程序下载到定位控制器220，旋转器控制器280和光致抗蚀剂分配泵127。定位控制器220发送命令到光致抗蚀剂分配泵127，来使光致抗蚀剂流动(photoresist flow)开始和停止，并控制光致抗蚀剂截流阀129。定位控制器220还通过x轴电动机154控制x轴定位工作台152的位置，通过z轴电动机164控制z轴定位工作台162的位置，以及卡盘升降机伺服电动机115。定位控制器220接收光学传感器174的输出，计算挤压头30和晶片50之间的距离，并利用结果通过z轴电动机164控制z轴定位工作台162。

适合用于控制系统210的计算机是IBM兼容PC。适合用作定位控制器220的是Parker Compumotor AT6450Servo控制器，包括可选择的ANI模拟输入PC卡合AUX板。适合用作旋转器控制器280的是Pacific Scientific SC755。尽管在包括Parker Compumotor AT6450和Pacific Scientific SC755控制器的实施例中，计算机212，定位控制器220和旋转器控制器280在图19的框图中分别示出，但是CompumotorAT6450也可以把插头插入到PC的母板中。本发明还考虑这样一个实施例，在该实施例中，定位控制器220和旋转器控制器280的功能由一个单独的综合控制器来提供。

定位控制器220包括定位控制器处理器以及几个输入和输出。输入和输出包括14位模数(A/D)转换器，几个离散的数字输入和输出，以及伺服电动机输出(处理器以及输入和输出对本领域的技术人员来说是公知的，不再单独举例说明)。光学传感器174的输出端连接到A/D转换器输入224。定位控制器220离散的数字输入是光学隔离的接口，包括与卡盘位置内部传感器121相连的卡盘位置呼叫指示器输入242；与真空卡盘114上的真空开/关传感器123相连的真空开/关状态指示器输入244；与定心销位置传感器125相连的定心销入/出位置指示器输入246；以及与操作者人工定位开关126相连的一个或多个人工定位命令输入248。

定位控制器220输出包括与x轴伺服电动机154相连的x轴伺服电动机输出226；与z轴伺服电动机164相连的z轴伺服电动机输出228；以及与升降机伺服电动机115相连的升降机电动机输出230。

定位控制器220离散数字输出包括与光致抗蚀剂截流阀129相连的光致抗蚀剂阀开/关输出254；与控制定心销138的定心螺线管119相连的定心螺线管输出256；与真空螺线管131相连的真空螺线管输出258；与z轴定位工作台162中的z轴制动器133相连的z轴电动机制动器输出260；与升降机电动机制动器135相连的升降机电动机制动器输出262；光致抗蚀剂分配泵127的触发器输出264；以及旋转器控制器280的逻辑输出266。

旋转器控制器280对定位控制器220接收到的信号作出响应而运行涂布和自旋周期。旋转器控制器280包括旋转器控制器处理器，伺服电动机输出，以及编码器(处理器和编码器对本领域的技术人员来说是公知的，不再分别举例说明)。旋转器控制器280的输出包括与旋转器电动机113相连的旋转器电动机输出286。旋转器控制器280的输出还包括与定位控制器相连的模拟编码器信号288。模拟编码器信号288使旋转器电动机113速度的电子传动装置控制由定位控制器220执行的挤压头30的x轴定位。

挤压头30和定位工作台152，162必须相对于安装在卡盘114上的晶片50对准，以获得可靠的涂布。需要三个对准。这三个对准参考图16，17和18进行说明。第一个对准调整挤压槽39的路径，使挤压槽39直接穿过安装于卡盘114上的晶片50的中心。这一对准需要完全覆盖晶片50的中心区域。通过在底板132上前后滑动垂直支承板134，136而将挤压头30定位于晶片50的中心上方。垂直支承板134，136的运动受底板132上导轨的限制。在垂直支承板134，136紧固到适当位置之前，每个垂直支承板134，136后部的调整螺栓对它们的位置进行精调。

第二个对准调整x轴相对于晶片表面51的角度。这一对准在x轴定位工作台152改变位置时保持晶片50和挤压头30之间的间隙不变。通过绕交叉支件137一端的第一枢轴179转动交叉支件138可以改变x轴相对于晶片表面51的角度。精调和粗调螺栓184，186允许精调螺栓184每转一周时，x轴和晶片表面51之间的角度调整为1.64x10^-5弧度。x轴相对于晶片表面51的角度可以用光学传感器174扫描晶片表面51而确定。在扫描过程中，z轴固定，输出光学传感器174的测量值，并记录x位置。这些数据对的线性回归提供了晶片表面51和x轴之间的角度。

第三个对准调整挤压头30的下缘，即挤压槽39，直到其与x轴和晶片表面51平行。这一对准对于保持跨过挤压头30宽度的间隙不变是至关重要的。挤压头30的下缘和x轴之间的角度利用晶片挤压机平行度调整螺栓176来调整。晶片挤压机平行度调整螺栓176相对于z轴定位工作台162底部的晶片挤压机平行度调整枢轴178旋转地安装于挤压头支架172。x轴和挤压头30底部之间的角度可以利用线性可变差动变压器(LVDT)传感器来测量。LVDT传感器固定于晶片表面51，且测量尖端垂直指向上方。接着，挤压头30下降，直到挤压头30的两个边41，42移动LVTD传感器到达基准位置。在记录x轴和z轴定位工作台152，162的位置之后，对于沿着挤压头两个边41，42的几个其它位置重复该程序。挤压头30相对于x轴的斜率利用这些数据对的线性回归来确定。

光学传感器174可以按两步过程来校正。首先，通过利用位于挤压头30和晶片表面51之间的精密垫片，测量在几个小的间隙距离处光学传感器174的输出电压来确定电压偏移(即零间隙偏移)电压。间隙距离和传感器电压数据的线性回归分析用于计算电压偏移(即，零间隙处的传感器电压)。其次，在光学传感器174的线性范围中，传感器电压和挤压槽39高度的关系，通过按选定的增量(例如，10个编码器计数等于12.7μm)提高挤压槽39并记录每个位置的传感器电压来确定。数据对的线性回归提供了曲线的斜率，所述曲线代表传感器电压对挤压槽39的z轴位置。如上所述，在校准光学传感器174之前，挤压头30必须相对于x轴和晶片表面对准，从而使挤压头30和晶片表面51之间的角度不会引起误差。

参考图20-23说明挤压旋涂方法。上述对准和校正程序可以周期性地进行，或者在必须确定并且基于所用设备的经验的一系列流程之前。

参考图20，升高真空卡盘114穿过底板132的切口134，晶片50放置于卡盘114上。利用定心销138(图17)将晶片50定位于卡盘114的中心。打开卡盘真空(未示出)以固定晶片50。降低卡盘114，将晶片50下降到涂布位置，挤压头下降到晶片50边缘的位置，如图21所示在晶片50和挤压头两个边41，42之间形成理想间隙。然后卡盘按初始转速旋转，所述初始转速是理想的涂布速度。打开光致抗蚀剂截流阀129，并触发光致抗蚀剂泵127从而开始分配光致抗蚀剂。挤压头30相对于晶片50径向移动。当挤压头30朝晶片50中心移动时，提高卡盘114的转速，为了保持挤压头30上方的晶片50的涂布速度恒定，挤压头速度按照与转速增长成比例的比率提高。当挤压头30的前沿到达晶片50的中心，如图22所示，晶片30的转速保持恒定，直到挤压头30的后沿到达晶片50的中心。当整个晶片50被涂布光致抗蚀剂时，触发光致抗蚀剂泵127以停止分配光致抗蚀剂，并关闭光致抗蚀剂截流阀129。通常，为了将整个晶片50覆盖光致抗蚀剂，需要继续挤压光致抗蚀剂，并继续移动挤压头30，直到挤压头30的后沿到达晶片50的中心。当触发光致抗蚀剂泵127和截流阀129来停止分配光致抗蚀剂时，已经在挤压头30(可能还在通向挤压头30的管道中)中的光致抗蚀剂剩余量可以继续流出并沉积在晶片50上。在这种情况下，可以在覆盖整个晶片50之前触发光致抗蚀剂泵127和截流阀129，用以短时间停止分配光致抗蚀剂，由此使这种剩余光致抗蚀剂停止覆盖晶片50。

然后卡盘114将晶片50降低到收集杯116中，挤压头30从涂布区域上升，如图23所示。然后晶片50高速自旋以除去过量的光致抗蚀剂，实现理想的涂布均匀度。卡盘114停止自旋，上升穿过底板132的中心切口134。关闭真空，将晶片50从卡盘114移开。

图24是示出根据本发明的挤压旋涂运动的一些参数的图示。在图24中，晶片50，半径为R，绕其中心以角速度Ω旋转。挤压头30在晶片50上方，挤压槽39相对于晶片50径向对准。挤压槽39具有宽度w，相对于晶片50以速度u径向移动。晶片50中心和挤压头30后沿之间的距离是r。

如图24所示的，晶片50表面上距离旋转轴r处的任何点的切向速度是：

v＝Ωr

由于挤压头30的后沿在距离旋转轴r处，通过晶片50每转一周挤压头向内移动一个挤压槽39的长度，可以形成螺旋形的挤压图案。那么挤压头30沿晶片50直径的速度为：

$u=\frac{\mathrm{\Ωw}}{2\mathrm{\η}}$

求出Ω并代入得到：

$u=\frac{\mathrm{wv}}{2\mathrm{\πr}}$

对于径向向内运动，u＝-dr/dt，挤压头位置的微分方程可以得到下式：

$\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dt}}=-\frac{\mathrm{wv}}{2\mathrm{\πr}}$

用t＝0时的初始条件r＝r₀求该方程的积分得到：

$r={(r_0^2-\frac{\mathrm{wvt}}{\mathrm{\π}})}^{1/2}$

晶片转速可以表示为时间的函数：

$\mathrm{\Ω}=\frac{v}{{(r_0^2-\frac{\mathrm{wvt}}{\mathrm{\π}})}^{1/2}}$

挤压头速度可以表示为时间的函数：

$u=\frac{\mathrm{wv}}{2\mathrm{\Π}{(r_0^2-\frac{\mathrm{wvt}}{\mathrm{\π}})}^{1/2}}$

图25示出根据本发明一个方面的挤压旋涂螺旋形图案202。螺旋形图案202由挤压头30在晶片50的外缘52开始，朝晶片50的中心向内径向运动而产生。第一阴影区域204表示晶片50外缘处多余的光致抗蚀剂，第二阴影区域206表示晶片50中心区域处压出的双重厚度的光致抗蚀剂。需要以挤压头50刚好离开晶片50的外缘52时开始该过程，以便用挤压的螺旋形图案202覆盖整个外缘52，而不需要在晶片50的外缘52周围叠加或具有双重厚度。这产生多余的光致抗蚀剂的第一阴影区域204。同样，在挤压头30的前沿到达晶片50中心之后需要继续挤出光致抗蚀剂，直到覆盖整个晶片50。通常，需要继续该过程，直到挤压头30的后沿到达中心，从而覆盖晶片50的整个中心区域。由于挤压头30的有限宽度，在晶片50中心处第二阴影区域206的叠加是不可避免的。然而，多余的和过量的光致抗蚀剂的量相对较小，挤压旋涂方法的效率远胜于先前旋涂方法的效率。

图25示出挤压旋涂的螺旋形图案，该图案由晶片自旋时使挤压头在晶片外缘处开始，朝晶片中心向内径向移动而形成。本发明的方法和装置也可以使挤压头在晶片的中心处开始，朝晶片外缘向外径向移动。

显而易见，对于本领域的技术人员来说本发明并不限于上述实施例。不同的结构和实施例可以推导出来，而不会脱离本发明的范围，并包括在权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种含溶剂溶液涂布基片表面的涂布装置，包括：

封闭式箱体；

可旋转卡盘，其安装在箱体内用于支撑基片；

分配头，其将含溶剂溶液滴到箱体内的基片表面上；

分配器，其允许控制气体穿过而进入箱体；

含溶剂气体供应管道以及与控制气体供应管道相连接的无溶剂气体供应管道；

用于从清洁、干燥、经过滤的气体的气体源延伸到起泡器中且直接连接至所述含溶剂气体供应管道的管道，穿过所述起泡器的气体进入所述含溶剂气体供应管道，由温度和湿度控制源供应的气体也供给至所述起泡器；

安装于含溶剂气体供应管道内的气体控制阀以及安装于无溶剂的气体供应管道内的气体控制阀，其用于控制气体流动的速度，该气体从含溶剂气体供应管道和无溶剂气体供应管道中流出，流入控制气体管道；以及

限定在箱体底部的环形通道，所述环形通道具有排气装置和排水管，用于从箱体中排出控制气体以及任何溶剂蒸汽和颗粒杂质，

其中，可以通过增加含不同溶剂浓度的气体来调节控制气体中的溶剂蒸汽的浓度。

2.根据权利要求1所述的涂布装置，其中：

至少一个所述气体控制阀是电控阀。

3.根据权利要求1所述的涂布装置，其中：

两个所述气体控制阀都是电控阀。

4.根据权利要求1所述的涂布装置，其中：

所述分配器直接位于基片之上。

5.根据权利要求1所述的涂布装置，其中：

含溶剂气体和无溶剂气体混合在一起。

6.根据权利要求5所述的涂布装置，进一步包括：

控制温度装置，其通过加热/冷却盘管来控制含溶剂气体的温度，所述盘管控制供应的气体的温度或者溶液的温度或者二者的温度皆得到控制。

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