CN101813889B - 液体材料薄膜的喷涂装置及其喷涂方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体材料薄膜的喷涂装置及其喷涂方法，属于半导体器件生产技术领域。为解决得到足够细的超声雾化液体颗粒的同时保证足够的雾化流量，所述喷涂装置包括：雾化容器；超声波振荡器，用于进行超声雾化操作；液体材料输入装置，用于通入液体原料；载气输入装置，用于通入载气，所述载气用于与所述液体材料雾化后形成的颗粒混合形成雾气；雾气输出装置，用于输出所述雾气；喷嘴，用于接收雾气并将其喷涂在待喷涂晶片上。该技术方案具备特征：方案中各功能模块独立设置，提高了装置整体的工作能力以及效率；大大减少液体材料的浪费，进而减少环境污染；可得到更薄更均匀的喷涂效果，产生更薄，均匀度更好的液体薄膜；可喷涂台阶面。

Description

液体材料薄膜的喷涂装置及其喷涂方法

技术领域

本发明属于半导体器件生产技术领域，具体涉及一种液体材料薄膜的喷涂装置及其喷涂方法。

背景技术

光刻是半导体器件生产工艺中非常关键的工艺，其光刻胶掩膜质量的好坏极大地影响光刻的质量，传统的光刻胶掩模的制备方式是采用旋转的方法，即将需要涂抹的光刻胶材料滴在晶圆的中央，旋转晶圆，待光刻胶里面的溶剂挥发后，最后在晶圆表面形成一层薄膜，即掩模。这种工艺方法存在浪费严重的现象，大部分光刻胶被甩出去，在晶圆表面上只留下极少数量的一层薄薄的光刻胶，同时，该方法不能直接在有台阶的表面上形成光刻胶薄膜，随着晶圆尺寸的加大，传统的旋涂方法在大尺寸晶圆表面形成均匀平坦的光刻胶薄膜的难度进一步加大。

针对传统甩胶工艺方法的缺点，国外在某些IC芯片的制造过程中，采用了喷涂的薄膜制备方法。喷涂的原理有很多种，如旋杯喷涂、静电喷涂、等离子喷涂、空气喷涂、热喷涂、超声喷涂等，针对IC芯片制作特殊的工艺环境要求，如不能有冲击、不能带静电等，目前国外采用了超声喷涂来进行光刻胶薄膜的制备。利用超声雾化技术，将光刻胶雾化成细小的颗粒，相比较其它雾化方法，超声雾化的颗粒尺寸较小，均匀性好，因此很适合光刻胶薄膜的制备。目前国外主要有两家从事超声雾化喷涂的设备开发，为美国的USI公司和美国的SonoTek公司，其产品均有应用于光刻胶薄膜的制备上面。

超声雾化喷涂制作液体材料薄膜的方法是通过利用超声雾化喷嘴来进行液体的雾化和喷涂，在器件表面形成液体材料薄膜。目前，一般喷涂过程中所使用的超声雾化喷嘴集成超声波振荡器、超声波换能器、超声变幅杆和超声雾化头于一体，其原理为：超声振荡器产生超声波，通过超声换能器转换成机械振动，通过超声变幅杆的放大作用，在超声雾化头的尖端形成比较大的振幅的机械振动，将液体材料输送到超声雾化头尖端，在超声雾化头尖端的振动作用下，液体在超声雾化头的雾化表面雾化成粒径微小的液滴，通过气流的控制作用，雾化颗粒飞向器件表面，控制超声波喷嘴的运动，使其均匀地扫过器件，从而在器件表面形成液体材料薄膜。

其中，所提及的超声波雾化技术已成为目前常见的一种技术手段，具体超声雾化的形成机理是这样的：液体液膜覆盖在光滑表面上，并使之振动，振动的方向与表面垂直，液体吸收部分振动能，并将其转化为驻波。这种波，也被称为表面张力波，在液体表面形成矩形的波，并且在两个直角方向上有规律地交替出现波峰和波谷。当光滑表面振动幅度增大时，波幅也相应增大，即：波峰变高，波谷变深。最终会达到临界幅度，此时，表面张力波过高，无法维持稳定。结果是波形崩解，液滴从与雾化表面垂直的消退波顶部喷射出去，其雾化颗粒的质量中值直径可用公式表示为：

$d=0.34{\left(\frac{8\mathrm{\π\γ}}{\mathrm{\ρ}{f}^2}\right)}^{\frac{1}{3}},$

其中，d---雾化液滴质量中值直径； γ---雾化液体表面张力；

      ρ---液体密度；            f---超声频率。

由此可见，超声雾化的频率越高，得到的雾化颗粒的平均直径越小；液体表面张力越大，得到的雾化颗粒的平均直径越大。为得到更小的雾化颗粒，对一定的液体，需要提高超声波的频率来实现。

另一方面，采用超声雾化喷嘴来进行液体材料的雾化和喷涂时，其流量可表示为：

$F=\mathrm{KA}/f^{\frac{2}{3}},$

F---雾化液体的流量；     K---28500，常数；

A---雾化面积；           f---超声频率。

丛流量公式可以看出，超声频率越大，其流量越小，对一定的雾化面积来说，为得到更高的雾化流量，必须降低频率。

目前超声雾化喷涂制备薄膜的方法只是应用在凸点封装工艺的光刻工艺中，因为工艺要求的光刻胶薄膜的厚度在五到一百微米，此时的液体材料雾化颗粒的平均直径在几十微米；而在IC制造工艺中的光刻工序，光刻胶厚度一般是几百纳米到一微米左右，这就要求超声雾化喷涂产生的雾化颗粒平均直径要足够的小，必须要在几微米以下。如果采用超声喷嘴雾化喷涂光刻胶的模式，必须要将雾化颗粒的平均直径缩小10倍以上，根据超声频率与雾化颗粒直径的关系公式和超声频率与雾化流量的关系公式，其雾化流量就缩小了10倍以上。在雾化颗粒平均直径为几十微米的条件下，其雾化流量就非常小，每分钟不超过800毫升，再缩小十倍，将大大降低生产效率，无法满足工业化生产的需要；同时，超声频率越高，相应超声换能器的压电晶片的尺寸越小，随之雾化表面的振幅也相应减小，雾化能力也显著降低；而且，超声频率越高，则超声变幅杆的振动频率越高，对组成喷嘴的材料强度要求越高，材料更容易疲劳破坏，满足不了喷嘴的设计寿命要求。因此采用高频率的超声雾化喷嘴形式进行液体材料薄膜的制备，在工业应用上实际是不可行的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是现有技术中为得到足够细的超声雾化液体颗粒而升高振动频率，进而又限制所需要的足够雾化流量的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种液体材料薄膜的喷涂装置，包括：

雾化容器，用于盛装液体材料并提供雾化空间；

超声波振荡器，设置于所述雾化容器底部，用于对所述雾化容器内的液体材料进行超声雾化操作；

液体材料输入装置，连接所述雾化容器，用于向所述雾化容器通入液体原料；

载气输入装置，连接所述雾化容器，用于向所述雾化容器通入载气，所述载气用于与所述液体材料雾化后形成的颗粒混合形成雾气；

雾气输出装置，连接所述雾化容器，用于输出所述雾气；

喷嘴，连接所述雾气输出装置，用于接收所述雾气输出装置输送的雾气并将其喷涂在待喷涂晶片上。

所述雾化容器内设有挡板，用于使所述载气经所述液体材料的上表面通入，实现所述载气与所述雾化后颗粒的充分混合。

所述超声波振荡器包括若干个超声波振荡片，所述超声波振荡片的数量取决于具体应用中雾化流量的要求。

所述载气为空气、氮气或其它不与所述液体材料起化学反应的惰性气体。

所述载气输入装置上设置有流量计，用于控制输送的载气量。

所述雾气输出装置包括抽风机以及雾气整流装置；

所述抽风机用于将所述雾气从雾气容器抽入至所述雾气输出装置；

所述雾气整流装置用于对所述雾气进行整流，形成均匀稳定的一维雾气流动。

所述喷嘴出口为圆形出口、方形出口或者别的特定形状出口；

所述喷嘴出口处设有雾气回收装置，用于回收没有喷出的雾气和喷涂过程中重新聚集形成的液滴。

所述液体材料输入装置、载气输入装置及雾气输出装置均接有恒温保持装置，用于保持所述喷涂装置处于恒温的运行状态。

所述液体材料输入装置、载气输入装置及雾气输出装置的输送管道均为同心圆双层结构，内层用于输送液体材料、载气或者雾气，外层用于输送恒温、热交换效率高的液体。

此外，本发明还提供一种液体材料薄膜的喷涂方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：启动恒温保持装置，通过恒温保持装置的热交换过程保证整个装置处于恒温的运行状态；

步骤2：由液体材料输入装置向雾化容器内通入一定高度的液体材料，并保证溶液高度维持稳定；

步骤3：启动超声波振荡器，进行雾化，同时通过载气输入装置通入载气，与雾化后的液体材料颗粒混合成为雾气；

步骤4：启动抽风机，开启各阀门，将雾气抽入雾气整流装置；

步骤5：雾气整流装置对雾气进行整流，形成一维稳定雾气流动，从喷嘴喷出；

步骤6：根据喷涂对象的形状，调整喷嘴的运动方向、距离以及喷涂角度，进行喷涂；

步骤7：通过雾气回收装置对喷头没有喷出的雾气和喷涂过程中重新聚集形成的液滴进行回收。

所述步骤3中包括，通过设置在载气输送装置上的流量计对通入的载气量进行控制；

步骤6中包括，更换不同出口形状的喷嘴，以适应不同的喷涂要求。

(三)有益效果

针对现有技术的不足和缺陷，本发明技术方案跳出现有技术中喷嘴集成超声震荡雾化、输送以及喷涂全部功能的模式，采用高频超声波振荡片直接安装在液体内部，在高频超声保证得到足够细的超声雾化液体颗粒，同时依靠安装足够数量的超声波振荡片，来保证工业化生产需要的雾化流量。该技术方案所提供的装置结构及喷涂方法通过超声雾化技术，将液体材料进行雾化操作，通过载气，然后进行气流整流，最后使喷雾经过特殊设计的喷口，喷射到器件表面，形成液体材料薄膜，并可经调整喷嘴的喷射角度来适用于在有台阶的表面上形成液体材料薄膜；该技术方案的具体特征可表现为：(1)装置结构方案中各功能模块独立设置，各司其职，较之现有技术中各功能模块集成统一运作，提高了喷涂装置整体的工作能力以及工作效率；(2)大大减少喷涂工艺中液体材料的浪费，进而减少环境污染；(3)可以喷涂在特定温度下，粘度小于30厘泊的液体材料，得到更薄更均匀的喷涂效果，产生厚度更薄，均匀度更好的液体薄膜；(4)可以通过调整喷涂角度，来喷涂台阶面。

附图说明

图1为本发明实施例中关于喷涂装置的示意图；

图2为本发明实施例中喷嘴头部的示意图；

图3为本发明实施例中雾气整流装置的示意图；

图4为本发明实施例中圆形的喷口的示意图；

图5为本发明实施例中矩形的喷口的示意图；

图6为本发明实施例中喷嘴扫描方式的示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例

本实施例具体描述依据本发明的技术方案来实现光刻胶薄膜的喷涂装置及其方法。

首先，关于所述光刻胶薄膜的喷涂装置，是采用类似超声加湿器工作形式，利用超声振荡器产生的高频机械振荡直接通过液体传递到液面，在液体表面形成表面张力波，可得到更细的雾化颗粒，安装多个这样的超声振荡器，可得到需要的超声雾化量。

如图1所示，所述喷涂装置，包括：

雾化容器103，用于盛装光刻胶溶液101并提供雾化空间；

超声波振荡器，设置于所述雾化容器103底部，包括若干个超声波振荡片102，所述超声波振荡片102的数量取决于具体应用中雾化流量的要求，用于对所述雾化容器103内的光刻胶溶液101进行超声雾化操作；

光刻胶溶液输入装置116，连接所述雾化容器103，用于在雾化过程中，不断的将光刻胶溶液118通过阀门119通入到所述雾化容器103中，以补充被雾化的光刻胶溶液，保证光刻胶溶液101在所述雾化容器103内处于一个相对静止的高度，以维持恒定的雾化量；

载气输入装置125，连接所述雾化容器103，用于向所述雾化容器103通入一定量载气122，所述载气122用于与光刻胶雾化后形成的颗粒混合形成雾气106，并将所述雾气106推入所述雾气输出装置107；

雾气输出装置107，连接所述雾化容器103，用于将所述雾气106输送至喷嘴110；

喷嘴110，连接所述雾气输出装置107，用于接收所述雾气输出装置107输送的雾气106并将其喷涂在晶圆111上，在晶圆111上形成均匀平坦的薄膜。

所述雾化容器103内设有挡板126，用于使所述载气122经光刻胶溶液101的上表面通入，实现所述载气122与所述雾化后颗粒的充分混合。

所述载气122为空气、氮气或其它不与所述液体材料起化学反应的惰性气体。

所述载气输入装置125上设置有阀门123和流量计124，用于控制通入的载气量，同时精确控制超声波振荡器的频率，可保证控制喷嘴出口的雾化颗粒量的大小，进而保证喷涂的均匀性和光刻胶薄膜层的厚度。

所述雾气容器103与雾气输出装置107之间设置有阀门104；

所述雾气输出装置107包括抽风机105以及雾气整流装置108；

所述抽风机105用于将所述雾气106从雾气容器103抽入至所述雾气输出装置107；

所述雾气整流装置108用于对所述雾气进行整流，形成均匀稳定的一维雾气流动，如图3所示，301为阻隔板，302为通孔，雾气从通孔302进入到雾气输送装置的下游，然后从喷嘴喷射出去。

所述喷嘴110出口为圆形出口、方形出口或者别的特定形状出口，如图4所示，401为雾气回收斜面，402为喷嘴出口，出口为圆形的截面；如图5所示，501为雾气回收斜面，502为喷嘴出口，出口为矩形的截面；

所述喷嘴110出口处设有雾气回收装置109，所述雾气回收装置109用于通过液体回收管道112来回收没有喷出的雾气和喷涂过程中重新聚集形成的液滴113，从而减少喷涂材料的浪费，减少环境污染，便于重复利用及无害化处理；

如图2所示，雾气从喷嘴口201喷出，喷射到晶圆表面上，雾气回收装置通过回收管道202对在喷嘴口上被阻挡的液滴和雾气进行回收；同时，部分雾气在斜面203、204上会重新凝聚成的液滴，也从回收管道202回收；。

所述光刻胶溶液输入装置116、载气输入装置125及雾气输出装置107均接有恒温保持装置的复杂管道***，且上面均安装有阀门，控制管道的开闭，所述恒温保持装置用于保持所述装置处于恒温的运行状态。

所述光刻胶溶液输入装置116、载气输入装置125及雾气输出装置107的输送管道均为同心圆双层结构，内层用于输送液体材料、载气或者雾气，外层用于输送恒温、热交换效率高的液体。所述光刻胶溶液输送装置116、载气输送装置125及雾气输送装置107的保温管道形成一个联通的保温液体输送管道，循环输送保温液体，保持管道***内的温度恒定。

其次，关于所述光刻胶薄膜的喷涂方法，包括如下步骤：

步骤1：启动恒温保持装置，通过恒温保持装置的热交换过程保证整个装置处于恒温的运行状态；

如图1所示，为使***保持恒定的温度，载气输送装置的输送载气的管道和光刻胶溶液输送装置的输送管道以及雾气输送装置的输送管道均为同心圆两层结构，内层通所输送的介质，外层通恒温的水，根据光刻胶粘度的不同，水温也不一样，在此水温下，光刻胶的粘度小于30厘泊，使得雾化均匀有效地进行。外层管道的输送水温的装置，可以看做是一个维持固定温度的恒温保持装置，以使得不同粘度的液体，在不同的温度下，得到很好的雾化效果。图1中121、117、114、115里面均为输送的保温液体，保温液体一般情况下是水，也可以是别的热交换效率高的液体，管道内的保温液体通过泵和其它的外部组件进行循环，维持恒定的温度，保持***整个的运行处于恒温的运行状态，进而在晶圆表面得到均匀的薄膜涂层。

步骤2：由液体材料输送装置向雾化容器内通入一定高度的液体材料，并保证溶液高度维持稳定；

步骤3：启动超声波振荡器组，所述超声波振荡器组依据雾化量的大小安装有多个超声波振荡器，进行雾化，同时通过载气输送装置125通入载气122，与雾化后的液体材料颗粒混合成为雾气，所述载气在挡板126的作用下由光刻胶溶液的表面通过，实现与光刻胶溶液的充分混合；

所述载气为空气、氮气或其它不与光刻胶溶液产生化学反应的气体；

步骤4：启动抽风机，开启各阀门，将雾气通过雾气输送装置通入雾气整流装置；

步骤5：雾气整流装置对雾气进行整流，形成均匀稳定的一维雾气流动，从喷嘴喷出；

步骤6：调整喷嘴的运动方向、距离以及喷涂角度，进行喷涂，扫描完晶圆的表面，就可将光刻胶均匀地喷涂在晶圆表面，在晶圆上形成光刻胶薄层。由于喷嘴的运动距离可调，因而在任何尺寸的晶圆表面上喷涂均可形成均匀平坦的光刻胶薄层，不受晶圆尺寸的限制，同时调整喷嘴的角度，可以实现台阶表面的喷涂；

如图6所示，601为要涂敷的晶圆，喷嘴按箭头所示方向来回扫描，直到覆盖整个晶圆为止。进而在晶圆上涂敷上薄薄的一层光刻胶。

步骤7：通过雾气回收装置对喷头没有喷出的雾气和重新聚集形成的液滴进行回收，可大大减少光刻工艺光刻胶的浪费，进而减少环境污染。

所述步骤3中包括，通过设置在载气输送装置上的流量计对通入的载气量进行控制；

步骤6中包括，更换不同出口形状的喷嘴，以适应不同的喷涂要求。

本发明技术方案针对现有技术的不足和缺陷，跳出现有技术中喷嘴集成超声震荡雾化、输送以及喷涂全部功能的模式，采用高频超声波振荡片直接安装在液体内部，在高频超声保证得到足够细的超声雾化液体颗粒，同时依靠安装足够数量的超声波振荡片，来保证工业化生产需要的雾化流量。该技术方案所提供的装置结构及喷涂方法通过超声雾化技术，将液体材料进行雾化操作，通过载气，然后进行气流整流，最后使喷雾经过特殊设计的喷口，喷射到器件表面，形成液体材料薄膜，并可经调整喷嘴的喷射角度来适用于在有台阶的表面上形成液体材料薄膜；该技术方案的具体特征可表现为：(1)装置结构方案中各功能模块独立设置，各司其职，较之现有技术中各功能模块集成统一运作，提高了喷涂装置整体的工作能力以及工作效率；(2)大大减少喷涂工艺中液体材料的浪费，进而减少环境污染；(3)可以喷涂在特定温度下，粘度小于30厘泊的液体材料，得到更薄更均匀的喷涂效果，产生厚度更薄，均匀度更好的液体薄膜；(4)可以通过调整喷涂角度，来喷涂台阶面。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种液体材料薄膜的喷涂装置，其特征在于，所述装置包括：

雾化容器，用于盛装液体材料并提供雾化空间；

超声波振荡器，设置于所述雾化容器底部，用于对所述雾化容器内的液体材料进行超声雾化操作；

液体材料输入装置，连接所述雾化容器，用于向所述雾化容器通入液体材料，以保证液体材料在所述雾化容器中处于相对静止的高度；

载气输入装置，连接所述雾化容器，用于向所述雾化容器通入载气，所述载气用于与所述液体材料雾化后形成的颗粒混合形成雾气；

雾气输出装置，连接所述雾化容器，用于输出所述雾气；所述雾气输出装置包括抽风机以及雾气整流装置；所述抽风机用于将所述雾气从雾化容器抽入至所述雾气输出装置；所述雾气整流装置用于对所述雾气进行整流，形成均匀稳定的一维雾气流动；

喷嘴，连接所述雾气输出装置，用于接收所述雾气输出装置输送的雾气并将其喷涂在待喷涂晶片上；

所述液体材料输入装置、载气输入装置及雾气输出装置均接有恒温保持装置，用于保持所述喷涂装置处于恒温的运行状态；

所述喷嘴出口处设有雾气回收装置，所述雾气回收装置用于通过液体回收管道来回收没有喷出的雾气和喷涂过程中重新聚集形成的液滴。

2.如权利要求1所述的液体材料薄膜的喷涂装置，其特征在于，所述雾化容器内设有挡板，用于使所述载气经所述液体材料的上表面通入，实现所述载气与所述雾化后颗粒的充分混合。

3.如权利要求1所述的液体材料薄膜的喷涂装置，其特征在于，所述超声波振荡器包括若干个超声波振荡片，所述超声波振荡片的数量取决于具体应用中雾化流量的要求。

4.如权利要求1所述的液体材料薄膜的喷涂装置，其特征在于，所述载气为空气、氮气或其它不与所述液体材料起化学反应的惰性气体。

5.如权利要求1所述的液体材料薄膜的喷涂装置，其特征在于，所述载气输入装置上设置有流量计，用于控制输送的载气量。

6.如权利要求1所述的液体材料薄膜的喷涂装置，其特征在于，所述喷嘴出口为圆形出口、方形出口或者别的特定形状出口；

所述喷嘴出口处设有雾气回收装置，用于回收没有喷出的雾气和喷涂过程中重新聚集形成的液滴。

7.如权利要求1所述的液体材料薄膜的喷涂装置，其特征在于，所述液体材料输入装置、载气输入装置及雾气输出装置的输送管道均为同心圆双层结构，内层用于输送液体材料、载气或者雾气，外层用于输送恒温、热交换效率高的液体。

8.一种液体材料薄膜的喷涂方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：启动恒温保持装置，通过恒温保持装置的热交换过程保证整个装置处于恒温的运行状态；

步骤2：由液体材料输入装置向雾化容器内通入一定高度的液体材料，并保证溶液高度维持稳定；

步骤3：启动超声波振荡器，进行雾化，同时通过载气输入装置通入载气，与雾化后的液体材料颗粒混合成为雾气；

步骤4：启动抽风机，开启各阀门，将雾气抽入雾气整流装置；

步骤5：雾气整流装置对雾气进行整流，形成一维稳定雾气流动，从喷嘴喷出；

步骤6：根据喷涂对象的形状，调整喷嘴的运动方向、距离以及喷涂角度，进行喷涂；

步骤7：通过雾气回收装置对喷头没有喷出的雾气和喷涂过程中重新聚集形成的液滴进行回收。

9.如权利要求8所述的液体材料薄膜的喷涂方法，其特征在于，所述步骤3中包括，通过设置在载气输入装置上的流量计对通入的载气量进行控制；

步骤6中包括，更换不同出口形状的喷嘴，以适应不同的喷涂要求。

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