TWI595532B - 旋轉塗佈設備及用於製造半導體元件的方法 - Google Patents

Description

旋轉塗佈設備及用於製造半導體元件的方法

本文中所揭露之技術係關於旋轉塗佈系統及程序，其包含半導體基板之旋轉塗佈。

旋轉塗佈作為以聚合物、光阻、或其他化合物之薄層來塗佈平坦表面的方法，已被使用數十年。旋轉塗佈通常係藉由將溶劑溶液、聚合物溶液、或其他液體材料沉積至平坦基板上而實行。基板接著以足以產生離心力(其會導致溶液朝基板的邊緣向外流)的角速度旋轉，藉此塗佈基板的整個表面。過量的溶液會從基板的邊緣噴出，而剩下的溶液隨著溶劑蒸發而變薄且變硬，留下薄聚合物膜。

此種旋轉塗佈係半導體元件製造中所使用之微影術中的例行步驟。在一示範微影程序中，係執行抗蝕劑旋轉塗佈步驟以在半導體晶圓上形成均勻的抗蝕劑薄膜。接著，曝光程序通常包含：經由可產生潛在之線圖案的光罩使抗蝕劑薄膜曝露於光線或其他輻射。最後，顯影步驟包含：在曝光程序後，將經抗蝕劑塗佈之晶圓顯影，以顯露出線圖案。此種一系列的處理階段通常係在塗佈-顯影系統中進行。

在典型的旋轉塗佈程序中，係藉由旋轉驅動機構來使半導體晶圓或其他基板隨著旋轉夾盤一同旋轉。晶圓能被真空固定(或以其他方法托 持)於旋轉夾盤上。設置於半導體晶圓上方的抗蝕劑噴嘴將抗蝕劑溶液滴落至晶圓表面的中心上。當晶圓旋轉時，滴落的抗蝕劑溶液藉由離心力而朝半導體晶圓的圓周徑向向外擴散。雖然使抗蝕劑擴散遍及整個晶圓表面發生得相當快，但半導體晶圓會持續轉動(通常係以降低的旋轉速度)一段時間，以將散佈於晶圓表面上的抗蝕劑溶液旋去並乾燥。此種旋轉塗佈已廣泛使用於半導體工業中，並主要用以在晶圓的表面上形成薄、均勻的光阻聚合物層，而作為進一步晶圓處理用之預備步驟。

在半導體製造及旋轉塗佈中的共同期望為具有高的生產量。在半導體製造期間，晶圓可以經受多個塗佈與顯影步驟。因此，最小化用以完成晶圓之各旋轉塗佈的程序時間能夠提高生產量。換言之，在盡可能少的時間內完成旋轉塗佈或旋轉程序以增加每單位時間能夠處理的晶圓數量係所期望的。伴隨著增加生產量的挑戰為達到均勻性及品質的要求。在使用旋轉來使液體材料擴散遍及晶圓以及使液體材料乾燥之典型的旋轉塗佈程序中，乾燥時間實質上比擴散時間持續更久。存在能用以加快乾燥時間的各種技術。一基本技術為使晶圓的旋轉速度增加，其又使橫越晶圓之表面的流體流速度增加-晶圓旋轉得越快，液體抗蝕劑或其他液體化學品乾燥(溶劑蒸發)得越快。

然而，較高的基板之旋轉速度會導致塗層中的非均勻性及/或缺陷。這些缺陷通常為由相對較快旋轉速度所引起的橫越晶圓之表面的紊亂空氣流之結果。較高的基板之旋轉速度的一具體問題為亦稱作艾克曼螺旋(Ekman spirals)的風痕之發展。此為一種現象，其發生在當晶圓以不斷更高的角速度旋轉直到晶圓上方的流體流(空氣及溶劑)由層流轉變為紊流時。 就在完全紊流發生之前，會有強大的二次流導致光阻表面上的螺旋狀圖案。由於缺乏抗蝕劑厚度之均勻性，在之後的處理步驟期間這些圖案(風痕)會導致缺陷。

對於特定的基板直徑而言，在空氣流超過臨界值且開始在抗蝕劑中形成風痕之前，存在一晶圓能夠旋轉的最大速度。形成風痕的臨界值係依據於直徑與角速度的組合。風痕的發端係與特定的雷諾數之值有關。旋轉塗佈用的雷諾數使用晶圓上方的空氣密度、晶圓的角速度、由晶圓的中心起算之徑向位置、及空氣的黏性來量化慣性力及黏滯力。臨界雷諾數顯示不穩定性發生之點。由於風痕之故，臨界雷諾數會根據特定晶圓W之邊緣半徑而限制角速度。隨著基板直徑增加，最大角速度需要被減低，因為在由旋轉軸起算更遠之徑向距離處的切線速度會增加。換言之，當旋轉塗佈較大的圓盤時，需要減低旋轉速度以預防在晶圓之邊緣附近的風痕。

當半導體工業由處理直徑300mm的晶圓轉變為處理直徑450mm的晶圓時，這尤其具有挑戰性。舉例來說，用於塗佈300mm晶圓之某些習知的旋轉塗佈系統能旋轉晶圓高達約每分鐘1800轉(revolutions per minute,rpm)，其中液體在數秒鐘內分配與擴散，且溶劑在不到約一分鐘內完全蒸發(取決於化學品)。然而，當基板直徑增加至450mm時，則旋轉速度需要被降低至約900rpm以避免風痕。此種速度上的降低有兩個重大的挑戰。一個挑戰為，在此種相對較低的旋轉速度下，液體不會同樣均勻地擴散遍及晶圓表面(較低的離心力)。具有較低旋轉速度的另一挑戰為乾燥時間的顯著增加。在較低的旋轉速度下，溶劑蒸發會需要長達三或四分鐘或更久，其意謂每單位晶圓表面面積的生產時間實際上會降低，儘管450mm晶圓比300mm晶圓的雙倍面積還大。

本文中所揭露之技術提供旋轉塗佈的設備及方法，其可抑制來自紊亂流體流的風痕及其他缺陷之形成，藉此實現較高的旋轉速度及減少的乾燥時間，同時保持薄膜均勻性。本文中所揭露之技術包含流體流構件，例如蓋件或環件，其係設置或懸置在基板支座上方，或者是，在晶圓或其他基板的頂面上方。流體流構件具有可在晶圓或其他基板之旋轉期間預防風痕之徑向曲率。

一實施例包含具有基板支座的旋轉塗佈設備，該基板支座係配置為在旋轉塗佈程序期間水平地托持一基板，例如藉由使用真空夾盤。旋轉機構(例如馬達)係連接於基板支座。該旋轉機構係配置為使該基板支座繞旋轉軸旋轉。該設備包含液體分配器，該液體分配器係配置為當基板設置於基板支座上時，將液體材料分配至基板之工作表面上。該工作表面大致上為平面，並位於接觸基板支座的基板之底面的對面。該設備包含具有面基板表面的流體流構件。該流體流構件係配置為定位成當基板設置於基板支座上時，面基板表面係位於基板之工作表面的垂直上方。該面基板表面之至少一部分係彎曲的，俾使面基板表面與工作表面之間的特定垂直距離相對於從旋轉軸起算之特定徑向距離而徑向變化。換言之，儘管基板之工作表面大致上為平面，但懸置於上方的流體流構件係彎曲的，且因此，在工作表面上方的面基板表面之特定高度係取決於基板的特定半徑。

另一實施例包含用於製造半導體元件的方法。此方法具有包含將基板設置於基板支座上的多個步驟。該基板支座水平地托持該基板並具有旋轉軸。該基板具有接觸基板支座的底面、及在底面對面的工作表面。在另一步驟中，係將流體流構件設置在基板支座上方。該流體流構件具有面基板表面，該面基板表面係設置在工作表面垂直上方之預定平均垂直距離處、或在工作表面上方之平均高度處。該面基板表面之至少一部份係彎曲的，俾使 面基板表面與工作表面之間的特定垂直距離相對於從旋轉軸起算之特定徑向距離而徑向變化。液體材料係透過位於基板上方的液體分配器而分配至基板之工作表面上。基板及基板支座係透過耦接於基板支座的旋轉機構而一起旋轉，俾使液體材料擴散遍及基板之工作表面並接著藉由旋轉動作而乾燥。

當然，為了清楚之目的，已經示出如本文中所描述之不同步驟的討論順序。一般而言，能夠以任何適當順序來進行這些步驟。因此，雖然本文中之不同的特徵、技術、配置等之各者可能係在本揭露內容的不同地方被討論，但所意欲的是能夠相互獨立地或相互結合地執行概念之每一者。因此，本發明能夠以許多不同的方式來實施及看待。

應注意的是，本發明內容章節並未具體說明本揭露內容或所請求發明的每一實施例及/或漸進新穎的實施態樣。取而代之地，本發明內容僅提供相對於習知技術的對應新穎性特點及不同實施例的初步討論。為了本發明及實施例的額外細節及/或可能之觀點，使讀者導向至本揭露內容的實施方式章節及對應圖示，如以下所進一步討論。

100‧‧‧抗蝕劑塗佈單元(COT)

102‧‧‧基板支座(旋轉夾盤)

103‧‧‧驅動馬達

109‧‧‧托持構件

110‧‧‧抗蝕劑噴嘴

111‧‧‧抗蝕劑進料管

112‧‧‧抗蝕劑噴嘴掃描臂

113‧‧‧噴嘴支架

114‧‧‧導軌

115‧‧‧垂直支撐構件

121‧‧‧(外)邊緣

125‧‧‧工作表面

127‧‧‧徑向距離

141‧‧‧集塵過濾器

142‧‧‧濕度控制器

150‧‧‧流體流構件

150-1‧‧‧外環狀部

150-2‧‧‧內環狀部

155‧‧‧面基板表面

157‧‧‧開口

162‧‧‧環狀基板

164‧‧‧葉片

165‧‧‧狹縫

166‧‧‧桿件

167‧‧‧緊固件

168‧‧‧安裝環

180‧‧‧旋轉軸

CP‧‧‧(圓形)杯件

W‧‧‧晶圓

X、Y‧‧‧方向

參照以下詳細說明並結合隨附圖式考慮，則本發明之各種實施例的更完整理解及其許多伴隨之優點將容易變得清楚明白。圖式未必要按比例繪製，而係將重點放在說明實施例、原理、及概念。

圖1係顯示旋轉塗佈設備之大致結構的橫剖面圖。

圖2係圖1之旋轉塗佈設備的俯視平面圖。

圖3係根據本文中之實施例的流體流構件之放大橫剖面圖。

圖4係根據本文中之實施例的流體流構件之放大橫剖面圖。

圖5係如本文中所述之流體流構件的替代實施例之橫剖面圖。

圖6A-6C係如本文中所述之流體流構件的替代實施例之俯視圖。

圖7係如本文中所述之流體流構件的替代實施例之俯視圖。

圖8A-8B係如本文中所述之流體流構件的替代實施例之俯視圖。

圖9係如本文中所述之具有可調節開口的流體流構件之替代實施例的俯視圖。

圖10係如本文中所述之具有可調節開口的流體流構件之替代實施例的側視圖。

圖11係如本文中所述之具有可調節開口的流體流構件之替代實施例的分解立體圖。

為了說明而非限制之目的，以下描述闡明特定細節，例如處理系統的特定幾何形狀、其中所使用之各種元件及程序的描述。然而，應當理解的是，本發明可在脫離這些特定細節的其他實施例中被實施。

類似地，為了說明之目的，特定的數量、材料及配置均被闡述以提供本發明的通盤瞭解。儘管如此，本發明可在缺乏特定細節的情況下被實施。此外，應當瞭解的是，圖示中所顯示之各種實施例係說明性表示且未必按比例繪製。

各種操作將以最能幫助瞭解本發明的方式依次描述為多個獨立操作。然而，描述的順序不應被解釋為暗示這些操作必須為順序相依。尤其，這些操作不需要依照表示的順序來執行。所描述之操作可以與所述實施 例不同的順序來執行。在額外的實施例中，可執行各種額外的操作、及/或可省略所述的操作。

根據本發明，如本文中所使用的「基板」通常係指受處理物件。基板可包含元件(特別是半導體或其他電子元件)的任何材料部分或結構，並且可例如為基底基板結構，像是半導體晶圓、或在基底基板結構上或覆於基底基板結構的層，例如薄膜。因此，基板並不欲受限於任何特定的基底結構、下方層或覆蓋層、經圖案化或未經圖案化者，而是設想包含任何此種層或基底結構、以及層及/或基底結構的任何組合。以下的描述可參照特定的基板類型，但此僅為說明之目的而非限制。

因此，本文中所揭露之技術係提供旋轉塗佈的設備及方法，其可抑制由紊亂流體流所造成之風痕及其他缺陷的形成，藉此實現較高的旋轉速度及減少的乾燥時間，同時亦保持薄膜的均勻性。本文中所揭露的技術包含流體流構件，例如蓋件、環件、或其他空氣流結構，其係設置或懸置在基板支座上方、或在設置於基板支座上之基板上方。該流體流構件具有徑向曲率，該徑向曲率被選定以預防在晶圓或其他基板之旋轉期間的紊亂空氣流之風痕及其他效應。流體流構件係緊鄰基板而設置。流體流構件的形狀、大小、及位置有助於保持層流體流(通常為溶劑及空氣)遍及塗有液體材料的晶圓之表面，並加速乾燥時間，同時保持塗層在厚度及覆蓋性兩方面的均勻性。

示範實施例將參照所附圖式進行說明。為方便起見，本文中的實施例將描述於使用抗蝕劑以作為半導體製造之一部分的背景下。然而，應注意的是，其他液體材料亦可以用於半導體晶圓、或任何其他大致上平坦基板的旋轉塗佈。圖1係顯示抗蝕劑塗佈單元(COT)100(旋轉塗佈設備)之大致結構的橫剖面圖。圖2係根據本發明之一實施例，顯示抗蝕劑塗佈單元(COT)100之大致結構的橫剖面俯視平面圖。

圓形杯件(circular cup,CP)係設置於抗蝕劑塗佈單元100的中央。基板支座102(旋轉夾盤)係設置於杯件CP內，當廢棄流體流出基板的邊緣時，杯件CP會接收廢棄流體並使其向下流至排洩設備。當像是半導體晶圓(以下稱為「晶圓」)W的基板被真空吸附在基板支座102上時，藉由旋轉機構(例如驅動馬達103)來旋轉基板支座102。其他的基板托持機構亦可以使用。驅動馬達103能設置於CP中的開口中，並能選擇性地包含升降機構，該升降機構會使基板支座102向上及向下移動。該升降機構可以為，例如，空氣汽缸，並包括向上及向下導引單元。該馬達能包括冷卻單元，並由對旋轉塗佈程序有利的材料所構成。

晶圓W能藉由作為晶圓傳送機構(圖未示)之部分的托持構件109而傳送至基板支座102。向上及向下驅動單元能夠使驅動馬達103及/或基板支座102向上升起以接收晶圓W。或者，杯件CP會向上及向下移動或分離且變寬，以允許將晶圓W放置於基板支座102上。

液體分配器包含用於將抗蝕劑溶液供應至晶圓W之表面上的抗蝕劑噴嘴110，並透過抗蝕劑進料管111連接於抗蝕劑供應器。抗蝕劑噴嘴110能透過噴嘴支架113而可卸除地裝附於抗蝕劑噴嘴掃描臂112的前端。抗蝕劑噴嘴掃描臂112係裝設於垂直支撐構件115的上端部，垂直支撐構件115可在導軌114上以一方向(Y方向)水平移動。抗蝕劑噴嘴掃描臂112因此藉由Y-方向驅動機構(圖未示)而與垂直支撐構件115一起在Y方向上移動。其他機構能用以使抗蝕劑噴嘴110在Z-方向及/或X-方向上移動。抗蝕劑噴嘴110能與其他不同類型或尺寸的抗蝕劑噴嘴互換。溶劑氛圍能用以防止在噴嘴之前端的抗蝕劑溶液固化或劣化。

抗蝕劑的塗佈可以包含：塗佈溶劑來作用為稀釋劑，其用以在將抗蝕劑溶液供應至晶圓表面之前使晶圓表面變濕。此初始溶劑能藉由抗蝕 劑噴嘴110或相鄰裝設之噴嘴來塗佈。溶劑及抗蝕劑能經由一或更多相接的進料管(圖未示)、及一或更多掃描臂組件來供應。

高效率之集塵過濾器141係設置於晶圓W上方。溫度及濕度由溫度及濕度控制器142所調節的空氣會通過高效率之集塵過濾器141以移除灰塵，從而將乾淨的空氣供應至抗蝕劑塗佈單元(COT)100中。應注意的是，可引入含有例如抗蝕劑溶液用之溶劑的氣體，而非空氣。

抗蝕劑塗佈單元(COT)100的控制系統或控制器(圖未示)能用於控制及管理各種旋轉塗佈操作。該控制器可以包括具有CPU的程序控制器、使用者介面、及記憶體單元。該使用者介面係連接於程序控制器，並包含用以允許程序管理者執行命令輸入操作或類似者的輸入裝置，以控制抗蝕劑塗佈單元100，例如經由顯示了抗蝕劑塗佈單元100之可視化操作狀態的顯示器。連接於程序控制器的記憶體單元儲存有：控制程式(軟體)，該控制程式用於實現待由受程序控制器所控制之抗蝕劑塗佈單元(COT)100執行的各種程序；及具有程序條件數據或類似者之多個部分的配方。

當特定配方被指令呼叫出來，或例如通過使用者介面來輸入時，抗蝕劑塗佈單元(COT)100會在程序控制器的控制下執行所需之程序。該控制器會控制例如驅動馬達103、抗蝕劑供應器、及溶劑供應器的驅動。具體而言，該控制器會控制驅動馬達103，俾以增加或減低其旋轉速度。該控制器亦會控制將抗蝕劑溶液由抗蝕劑供應器供應至抗蝕劑噴嘴110的時序、將例如稀釋劑的溶劑由溶劑供應器供應至溶劑噴嘴的時序、及待供應之溶劑與抗蝕劑溶液的量及類型。

程序條件數據的配方與控制程式可以是那些儲存在電腦可讀取記憶體媒體(例如CD-ROM、硬碟、軟碟、或快閃記憶體)中者，或可以從另一設備經由專用線路以線上方式傳送以供所需使用。

抗蝕劑塗佈單元100亦包含流體流構件150。在圖1與圖2的實施例中，流體流構件150顯示為與杯件CP整合為相對較薄結構之構件。然而，此整合僅為一示範實施例。在其他實施例中，流體流構件150能裝附於抗蝕劑塗佈單元100內的上結構構件，例如裝附於抗蝕劑噴嘴掃描臂112。在裝附於掃描臂時的實施例中，當將晶圓W放置在基板支座102上、或由基板支座102移除時，流體流構件150可以移到旁邊。在另一實施例中，該流體流構件能鄰近於杯件CP而裝設，並能包含獨立垂直運動機構。

一般而言，流體流構件150提供面基板表面155，此表面之至少一部分係相對於基板支座102的旋轉軸180而在徑向方向上彎曲。這會導致當晶圓W設置在基板支座102上時，位於晶圓W(基板)上方之彎曲的板件或環件。其曲率係使：相較於更靠近旋轉軸的徑向距離處，流體流構件150在晶圓W之外邊緣121處係更靠近晶圓W。並且，流體流構件150及晶圓W之間的垂直距離或高度，係隨著朝旋轉軸180移動而增加。

在某些實施例中，例如在圖5中，流體流構件150能保持曲率並延伸至旋轉軸180，藉此致使流體流構件具有圓錐狀。在其他實施例中，例如在圖2中，流體流構件150能定義出在晶圓W上方的開口157，以接收抗蝕劑及空氣。此會允許在晶圓邊緣處之風痕形成的較佳控制，同時允許更多的空氣流入或流過中心或開口157。

現參照圖3，在基板(晶圓)上方的此種彎曲構件會使在經塗佈之基板上方的溶劑與空氣之層流增加，但在流體流構件開始覆蓋基板的情況下，並未在抗蝕劑中產生凸塊(如可見於在具有完全平坦之環狀覆蓋、或曲率過大或過小的情況)。此種凸塊係由增強之蒸發所導致的局部薄膜厚度增加所形成。流體流構件的曲率提供由顯著彎曲之內環狀部150-2到大致上線性傾斜或平直之外環狀部150-1的逐步轉變。

使用此流體流構件的技術能包含使流體流構件向上及向下移動的程序以防止缺陷。舉例來說，使流體流構件150在相對於晶圓之最佳高度處能夠減少紊流，但在液體材料(抗蝕劑)擴散階段期間使流體流構件如此靠近則會導致缺陷。當液體材料最初被分配至基板上時，隨著液體擴散至基板的邊緣，會有一些噴濺。若微粒噴濺且落在流體流構件(初始過於靠近晶圓)上，則此微粒之後會落回到基板上並產生缺陷。在液體材料的分配期間，藉由初始地將流體流構件維持在晶圓W上方足夠高的位置，流體流構件可避免任何可能的噴濺，並接著能在微粒噴濺的時間段已完成之後，降低至最佳高度。接著，晶圓W可以繼續將液體材料旋轉乾燥，而流體流構件會促進在晶圓W上的液體材料之表面上方的流體之層流。其結果為預防了抗蝕劑表面中的風痕，藉此維持形成於晶圓上之層中的均勻性。

現在討論一些示範實施例，一實施例包含用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，該基板例如晶圓W，然而其他基板例如液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)基板可以被使用。該設備包含基板支座，該基板支座係配置為在旋轉塗佈程序期間水平固持基板。真空吸力為固持的典型機制，但使用凹口來接收基板的箝位、或其他固持機制可以被使用。旋轉機構係連接於基板支座。該旋轉機構係配置為使基板支座繞旋轉軸轉動，其同時會使基板支座上的基板轉動。該設備包含液體分配器，該液體分配器係配置為在基板設置於基板支座上時，將液體材料(例如抗蝕劑)分配至基板的工作表面上。圖3顯示示例性的工作表面125。工作表面為平面，並在基板之底面的對面，在此底面係與基板支座相接觸。換言之，對應於水平地托持基板的基板支座，工作表面係為頂面。

該設備包含具有面基板表面155的流體流構件。該流體流構件係配置為設置或懸置俾當基板設置於基板支座上時，將面基板表面設置在基 板之工作表面的垂直上方。面基板表面之至少一部分係彎曲的，俾使面基板表面與工作表面之間的特定垂直距離相對於從旋轉軸起算之特定徑向距離而徑向變化。換言之，該流體流構件具有從邊緣121朝基板的中心(其與旋轉軸180重合)變化的曲率。

在某些實施例中，可以改變面基板表面與工作表面之間的特定垂直距離，俾使該特定垂直距離係隨著從旋轉軸起算之徑向距離增加而減少。換言之，愈朝向基板的中心流體流構件愈高，而在基板的邊緣流體流構件較低。當工作表面具有圓形形狀時，面基板表面可以位於工作表面之環狀部分上方。該環狀部分係由工作表面的外邊緣延伸至從旋轉軸起算預定徑向距離之處。流體流構件能定義出在工作表面之圓形部分垂直上方的圓形開口，該圓形部分係由旋轉軸延伸至預定徑向距離之處。因此，該流體流構件係懸置於基板之外圍部分的上方，而中央開口允許來自上方(例如來自集塵過濾器141)的空氣流。

在另一實施例中，面基板表面具有外環狀部(例如部150-1)及內環狀部(例如部150-2)。內環狀部比外環狀部更靠近旋轉軸180。面基板表面的內環狀部為徑向彎曲，而面基板表面的外環狀部具有近乎線性的徑向斜率。因此，流體流構件的明顯彎曲部分係較靠近基板的中心，而在基板的邊緣部分上方，流體流構件實質上為平的，其可包括使半徑實質上較大從而看起來近乎線性。

在一替代實施例中，面基板表面的內環狀部為徑向彎曲，而面基板表面的外環狀部為平的，俾使當流體流構件位於基板之工作表面的垂直上方時，在工作表面與面基板表面的外環狀部之間存有實質上固定的垂直距離。換言之，該流體流構件的內環狀部係彎曲的，而外環狀部係在基板上方具有固定高度。

實施例能包含垂直運動機構，該垂直運動機構係配置為在基板設置於基板支座上時，使面基板表面155與工作表面125之間的平均垂直距離增加或減少。由於面基板表面係至少部分彎曲，因此在任何特定徑向距離處能有可變的高度(但在環繞流體流構件的相同之特定徑向距離處，具有相同的高度)。因此，平均垂直距離能用以確認面基板表面上方之流體流構件的垂直運動/位置，亦即，平均懸置距離。該垂直運動機構能配置為將外環狀部與工作表面之間的垂直距離設定至小於約5毫米或小於約10毫米。相較於未覆蓋，將外環狀部懸置在約10毫米處能夠增加層流，而使外環狀部與工作表面之間的垂直距離小於約5毫米或甚至小於約3或4毫米，會產生明顯較佳的層流。面基板表面的內環狀部能具有介於約20毫米與90毫米之間的第一曲率半徑。

在一替代實施例中，在將液體材料分配至工作表面上之前，於第一時間段面基板表面係維持在工作表面上方預定平均垂直距離之處。這可以是初始高度，其被選定以避免微粒噴濺至面基板表面上。第一時間段相較於總基板旋轉時間可以係相對短的。例如，此第一時間段可以為幾分之一秒至一或數秒。在開始分配液體材料之後，於第二時間段藉由垂直運動機構使預定平均垂直距離減少至第二預定平均垂直距離。此第二時間段可以比第一時間段相對更長。藉由非限制性範例之方式，第二時間段可以為5秒、10秒、15秒或更長。在此第二時間段期間，可以加快基板的旋轉速度。並且，第二預定平均垂直距離可以相對靠近基板，俾使最短之垂直距離約為2mm。接著，於第三時間段使預定平均垂直距離增加至第三預定平均垂直距離，同時使基板保持在基板支座上旋轉。此第三時間段可以是實質上比第二時間段更長，例如二或三或更多倍長。第三預定平均垂直距離亦能具有較長的到基板最短距離，例如約10或15mm左右。隨著面基板表面在基板上方被升得更高， 可能要執行基板之旋轉速度的對應降低，以將流動保持在紊亂臨界值之下。在此第三時間段期間的旋轉能持續直到乾燥完成、或直到晶圓能被移動至熱板。因此，頂板或蓋件能在一時間點被降低以避免噴濺，但須足夠早以避免紊流效應，頂板或蓋件能被升高以幫助維持薄膜的均勻性。應注意的是，本文中所給定的時間與距離為示例性的，且實際的時間段、旋轉速度、及距離可取決於所使用的特定化學品及/或配方步驟。

在另一實施例中，面基板表面具有外環狀部及內環狀部。內環狀部比外環狀部更靠近旋轉軸。面基板表面的內環狀部具有第一曲率半徑，而面基板表面的外環狀部具有第二曲率半徑。第二曲率半徑係與第一曲率半徑不同。面基板表面相對於工作表面呈凸面，如圖3中所示。第一曲率半徑可以介於約20毫米與90毫米之間，而第二曲率半徑可以介於約1000毫米與2000毫米之間。或者，第一曲率半徑可以介於約50毫米與70毫米之間，而第二曲率半徑可以介於約1300毫米與1500毫米之間。

在某些實施例中，面基板表面定義了相對於工作表面呈凸面的截頭圓錐之形狀，俾使面基板表面與工作表面之間的距離在朝工作表面之外邊緣的徑向方向上減少。雖然面基板表面係彎曲的，但流體流構件本身可以係相對平的，例如板件，或可以係具有較大厚度的塊件。面基板表面能具有被選定以在旋轉塗佈程序期間改善乾燥均勻性的曲率，亦即，可以選定特定曲率之形狀，以在將基板旋轉乾燥時改善乾燥均勻性。面基板表面及工作表面之間變化的特定垂直距離可以被選定，以使工作表面上方的紊亂流體流減到最小。應注意的是，若高度相對較大(例如超過10公分)，則可能幾無益處。同樣地，若高度太小(例如可能小於1毫米)，則會有一些紊流及/或均勻性的降低。因此，曲率係為了均勻性而最佳化，而高度係被選定以平衡均勻性及紊流。

圖4顯示類似於圖3之示範流體流構件的放大橫剖面圖。應注意的是，雖然圖4的流體流構件具有近似的徑向曲率，但橫剖面顯示出，面基板表面155係由多個平面(線性)段所組成。因此，流體流構件的面基板表面能由多個平面徑向段所組成，俾使流體流構件具有由多個線性段所組成的橫剖面曲率，例如那些能被視為面基板表面155之部分者。

在其他實施例中，面基板表面能配置為與基板支座一起旋轉，如圖5中所示。取決於特定材料與程序條件，在流體流構件隨基板旋轉的情況下，能夠獲得均勻性及流體流的益處。

圖6係流體流構件之各種構造的俯視圖。在這些實施例中，流體流構件定義出開口，俾使流體流構件形成位於基板支座上方的部分環。藉由非限制性實施例的方式，圖6A係顯示定義出角開口的流體流構件。圖6B係顯示基本上為半圓的流體流構件。圖6C係顯示另一範例開口，其中，開口的線邊緣係大致上彼此互相垂直。

圖7顯示分開之流體流構件或頂板的俯視圖。在此實施例中，流體流構件係由能從基板支座以機械方式移動(垂直或橫向任一者)的多個部所組成。此種運動能有助於允許在基板支座上放置及取回基板、以及允許噴嘴臂運動。在一實施例中，流體流構件之各部能被裝附於可以移動的臂，從而沒有任何部份的流體流構件會遮蓋晶圓。各臂能與其他臂一起移動，以形成連續的流體流構件。亦能將該等部移動分開相對較小的距離，以更好地優化厚度均勻性與紊流控制之間的平衡。因此，一實施例包含具有二或更多段(例如四段)的流體流構件，俾使至少一段係配置為移動離開相鄰的段。應注意的是，此種段可以具有如前所述的徑向曲率，或可以是形成大致平坦之面基板表面的實質上平面段。

圖8-11顯示具有動態改變之中心開口的流體流構件之圖。圖8A及8B顯示具有具特定直徑之開口的流體流構件之俯視圖，而且此特定直徑會增加，從而使流體流構件的總表面面積縮小。圖9係此種流體流構件之一示範實施例的俯視圖，此種流體流構件定義出以(基板支座/晶圓之)旋轉軸為中心的近乎圓形之開口，而圖10係顯示側視圖。此流體流構件係配置為使所定義之開口的直徑能夠增加及/或減少。所示之範例基本上將此種技術體現為膜片(diaphragm)或快門式開口。

流體流構件可以包含膜片構件及環狀基板162。膜片構件可以包括若干元件，例如葉片164及桿件166。桿件166能穿過葉片164的狹縫165，並藉由緊固件167來托持葉片。桿件166亦能裝附於安裝環168。安裝環168的運動為旋轉安裝環會導致葉片使所定義之開口的直徑增加及/或減少。當安裝環168轉動時，桿件166能移過狹縫165，因而致使葉片164重新定位其自身，例如滑動越過彼此。這又使所定義之開口增大或減小。因此，在此實施例中，流體流構件可以被視為具有可調節內半徑或直徑的環。藉著此種可調節性，流體流構件能被動態調整以供特定應用。

其他實施例可以包含用於製造半導體元件的方法，其中此方法包括數個步驟。基板係設置於基板支座上，例如藉由使用機器手臂。基板支座水平地托持基板。基板支座具有旋轉軸。基板具有與基板支座接觸的底部表面，並具有在底部表面對面的工作表面。流體流構件係設置於基板支座上方。流體流構件具有面基板表面，俾使設置流體流構件之步驟包含將面基板表面設置於工作表面垂直上方之預定平均垂直距離處。面基板表面之至少一部分係彎曲的，俾使面基板表面與工作表面之間的特定垂直距離相對於從旋轉軸起算之特定徑向距離而徑向變化。液體材料(例如抗蝕劑)係通過位於基板上方的液體分配器而分配至基板的工作表面上。接著透過耦接於基板支 座的旋轉機構來使基板及基板支座旋轉，俾使液體材料擴散遍及基板之工作表面。

於另一實施例中，在將液體材料分配至工作表面上之前，面基板表面係保持在工作表面上方預定平均垂直距離之處，並在開始分配液體材料之後，透過垂直運動機構使預定平均垂直距離減小至第二預定平均垂直距離。面基板表面具有外環狀部及內環狀部，內環狀部比外環狀部更靠近旋轉軸。面基板表面的內環狀部為徑向彎曲，而面基板表面的外環狀部具有近乎線性的徑向斜率，使得將預定平均垂直距離降低至第二預定平均垂直距離之步驟會導致面基板表面的外環狀部係位於從工作表面起算小於約4毫米之處。當工作表面具有約300毫米的直徑時，外環狀部係在從旋轉軸起算約80-120毫米的徑向距離127之外延伸。當工作表面具有約450毫米的直徑時，外環狀部係在從旋轉軸起算約100-170毫米的徑向距離127之外延伸。

應注意的是，在使用流體流構件的情況下，有若干變數可以影響最大角速度。例如，最佳化的壓力能有助於促進層流。在壓力過低的情況下，回流條件可以發展而導致紊流。其他變數包含基板的類型及液體材料的類型。雖然並未要求圓形或盤狀、且旋轉設備能夠作用於矩形及其他形狀的基板，但對晶圓而言通常係為圓形或盤狀。有許多不同類型的抗蝕劑及溶劑可以選擇。各溶劑可以具有各自的流量及蒸發特性。因此，應當瞭解的是，可以根據基板及抗蝕劑特性來對流體流構件、平均高度、及旋轉速度進行調整，以產生最佳的乾燥時間及薄膜均勻性。例如，對於晶圓上的半導體製造中通常所使用之抗蝕劑而言，使相對較大的外徑部具有小於約3毫米的垂直距離(介於工作表面與面基板表面之間)係有利的。藉由非限制性範例的方式，當處理具有150mm之半徑的晶圓時，使在約110mm(對於半徑為225mm的晶圓而言係約165mm)以外的垂直距離設定至小於約3mm且甚至逐漸減少 至約1.5mm，會導致在較高旋轉速度(例如高達2800rpm或更多)下顯著改善的層流。

其他實施例包含：在從開始將液體材料分配至工作表面上起算的預定時間內，使第一預定平均垂直距離減小至第二預定平均垂直距離。藉由非限制實施例的方式，抗蝕劑係沉積於基板上，基板被旋轉，且在約一秒後抗蝕劑覆蓋基板，在旋轉乾燥時允許面基板表面降低以促進層流體流。並且，在另一實施例中，面基板表面能在與基板支座相同的旋轉方向上旋轉，俾使面基板表面以約與工作表面相同的角速度旋轉。

其他實施例包含用於在不同配方步驟中改變杯件排氣以最佳化薄膜厚度均勻性與微粒產生之間的平衡、同時維持紊流控制的方法。當使用頂板(流體流構件)時，具有相對較低的排氣速率對薄膜厚度均勻性通常較好，亦即，相對較低的排氣速率會導致更均勻的薄膜厚度。然而，一個利益衝突為，具有比特定值更低的排氣速率會導致微粒落在處理中的晶圓上。在有特定程序步驟的情況下此風險會更高，而因此方法可以包含在具有較高之受到微粒汙染機率的特定程序步驟期間增加排氣。此外，若排氣過低，則壓力有可能會在旋轉塗佈模組中建立，並將微粒擴展至晶圓製造系統的其他部分中。因此，較高的排氣速率通常會導致較少的缺陷，而較低的排氣速率通常會導致較佳的均勻性。因此，技術可以包含結合使用流體流構件來調節排氣速率，以使缺陷保持低於預定量，並使均勻性保持高於預定值。

取決於程序條件及液體材料性質，本文中的流體流構件及方法能將均勻性改善達不同程度。舉例來說，根據壓力、溫度、及液體材料之類型的特定選擇，本文中的技術能在沒有紊亂效應的情況下使300mm基板的旋轉高達約2800-3200rpm，及在沒有紊亂效應的情況下使450mm基板的旋轉高達約1200-1400rpm或更高。

雖然僅本發明之某些實施例在前面被詳細描述，但那些熟習本技藝者應容易理解到，在沒有實質上脫離本發明之新穎教示及優點的情況下，實施例中的許多修改是可行的。因此，所有此類修改擬包括於本發明的範圍內。

102‧‧‧基板支座(旋轉夾盤)

121‧‧‧(外)邊緣

125‧‧‧工作表面

127‧‧‧徑向距離

150-1‧‧‧外環狀部

150-2‧‧‧內環狀部

155‧‧‧面基板表面

180‧‧‧旋轉軸

W‧‧‧晶圓

Claims (31)

1. 一種用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，該旋轉塗佈設備包含：一基板支座，配置為在一旋轉塗佈程序期間水平地托持一基板；一旋轉機構，連接於該基板支座，該旋轉機構係配置為使該基板支座繞一旋轉軸旋轉；一液體分配器，配置為當該基板設置於該基板支座上時，將一液體材料分配至該基板之工作表面上，該工作表面具有圓形形狀且呈平面，且在接觸該基板支座的該基板之底面對面；及一環狀流體流構件，具有一面基板表面，該流體流構件係配置為被定位以使當該基板設置於該基板支座上時，該面基板表面係位於該基板之工作表面之環狀部分垂直上方，該工作表面之環狀部分係由該工作表面之外邊緣延伸至從該旋轉軸起算之預定徑向距離，該面基板表面之至少一部分係彎曲的，俾使該面基板表面與該工作表面之間的特定垂直距離相對於從該旋轉軸起算之特定徑向距離而徑向變化；其中該面基板表面具有一外環狀部及一內環狀部，該內環狀部比該外環狀部更靠近該旋轉軸，該面基板表面之內環狀部係位於該工作表面之環狀部分的內側部分上方且具有第一曲率半徑，而該面基板表面之外環狀部係位於該工作表面之環狀部分的邊緣部分上方且具有第二曲率半徑，該第二曲率半徑係與該第一曲率半徑不同，該面基板表面相對於該工作表面呈凸面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該面基板表面與該工作表面之間的特定垂直距離會變化，使得該特定垂直距離隨著從該旋轉軸起算之徑向距離增加而減少。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該流體流構件定義出在該工作表面之圓形部分垂直上方的圓形開口，該圓形部分係由該旋轉軸延伸至該預定徑向距離。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該第一曲率半徑係介於20毫米與90毫米之間，且其中，該第二曲率半徑係介於1000毫米與2000毫米之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該第一曲率半徑係介於50毫米與70毫米之間，且其中，該第二曲率半徑係介於1300毫米與1500毫米之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該面基板表面定義出相對於該工作表面呈凸面的截頭圓錐之形狀，俾使該面基板表面與該工作表面之間的距離在朝該工作表面之外邊緣的徑向方向上減少。
7. 如申請專利範圍第6項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該面基板表面具有一曲率，該曲率被選定以在該旋轉塗佈程序期間改善乾燥均勻性。
8. 如申請專利範圍第7項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，選定該面基板表面與該工作表面之間變化的特定垂直距離，以使該工作表面上方的紊亂流體流減到最小。
9. 如申請專利範圍第1項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該流體流構件包含二或更多段，俾使至少一段係配置為移動離開相鄰的段。
10. 如申請專利範圍第9項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該流體流構件包含四段，俾使各段係配置為以機械方式移動離開相鄰的段。
11. 如申請專利範圍第1項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該流體流構件之面基板表面包含多個平面徑向段，俾使該流體流構件具有由多個線性段所組成的橫剖面曲率。
12. 如申請專利範圍第1項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該流體流構件定義出一開口，使得該流體流構件形成位於該基板支座上方的部分環。
13. 一種用於製造半導體元件的方法，該方法包含以下步驟：將一基板設置於一基板支座上，該基板支座水平地托持該基板，該基板支座具有一旋轉軸，該基板具有接觸該基板支座的底面、及在該底面對面的工作表面；在該基板支座上方設置一流體流構件，該流體流構件具有一面基板表面，設置該流體流構件之步驟包含將該面基板表面設置於該工作表面的垂直上方一預定平均垂直距離之處，該面基板表面之至少一部份係彎曲的，俾使該面基板表面與該工作表面之間的特定垂直距離相對於從該旋轉軸起算之特定徑向距離而徑向變化；透過位於該基板上方的液體分配器將一液體材料分配至該基板之工作表面上；及透過耦接於該基板支座的旋轉機構來旋轉該基板及該基板支座，俾使該液體材料擴散遍及該基板之工作表面。
14. 如申請專利範圍第13項所述之用於製造半導體元件的方法，更包含以下步驟：在將該液體材料分配至該工作表面上之前，將該面基板表面維持在該工作表面上方該預定平均垂直距離之處；及在開始分配該液體材料之後，透過一垂直運動機構使該預定平均垂直距離減小至第二預定平均垂直距離。
15. 如申請專利範圍第14項所述之用於製造半導體元件的方法，該面基板表面具有一外環狀部及一內環狀部，該內環狀部比該外環狀部更靠近該旋轉軸，該面基板表面之內環狀部為徑向彎曲，而該面基板表面之外環狀部具有近乎線性的徑向斜率，其中，使該預定平均垂直距離減小至該第二預定平均垂直距離之步驟導致該面基板表面之外環狀部係位於離該工作表面小於約4毫米之處，當該工作表面具有約300毫米的直徑時，該外環狀部係在從該旋轉軸起算約80-120毫米的徑向距離之外延伸，而當該工作表面具有約450毫米的直徑時，該外環狀部係在從該旋轉軸起算約100-170毫米的徑向距離之外延伸。
16. 如申請專利範圍第14項所述之用於製造半導體元件的方法，其中，使該預定平均垂直距離減小至該第二預定平均垂直距離之步驟係發生於從開始將該液體材料分配至該工作表面上起算一預定時間內。
17. 如申請專利範圍第14項所述之用於製造半導體元件的方法，更包含以下步驟：使該面基板表面在與該基板支座相同的旋轉方向上旋轉，俾使該面基板表面以約與該工作表面相同的角速度旋轉。
18. 如申請專利範圍第13項所述之用於製造半導體元件的方法，其中，在該基板支座上方設置該流體流構件之步驟包含：機械式地結合多個流體流構件段，以形成該流體流構件。
19. 如申請專利範圍第13項所述之用於製造半導體元件的方法，更包含以下步驟：在將該液體材料分配至該工作表面上之前，於第一時間段將該面基板表面維持在該工作表面上方該預定平均垂直距離之處；在開始分配該液體材料之後，於第二時間段藉由透過一垂直運動機構使該預定平均垂直距離減小至第二預定平均垂直距離；及於第三時間段使該預定平均垂直距離增大至第三預定平均垂直距離，同時使該基板保持在該基板支座上旋轉。
20. 一種用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，該旋轉塗佈設備包含：一基板支座，配置為在一旋轉塗佈程序期間水平地托持一基板；一旋轉機構，連接於該基板支座，該旋轉機構係配置為使該基板支座繞一旋轉軸旋轉；一液體分配器，配置為當該基板設置於該基板支座上時，將一液體材料分配至該基板之工作表面上，該工作表面呈平面，且在接觸該基板支座的該基板之底面對面；及一流體流構件，具有一面基板表面，該流體流構件係配置為被定位以使當該基板設置於該基板支座上時，該面基板表面係位於該基板之工作表面的垂直上方，該流體流構件定義出以該旋轉軸為中心的大致圓形之開口，該流體流構件係配置為使得該所定義之開口的直徑能夠增加及減少。
21. 如申請專利範圍第20項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該流體流構件包含一膜片構件及一環狀基板。
22. 如申請專利範圍第21項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該膜片構件包含多個葉片，該多個葉片係配置為滑動越過彼此以增加或減少該所定義之開口的直徑。
23. 如申請專利範圍第22項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該多個葉片係藉由多個桿件而裝附於一安裝環，俾使旋轉該安裝環會導致該等葉片使該所定義之開口的直徑增加或減少。
24. 一種用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，該旋轉塗佈設備包含：一基板支座，配置為在一旋轉塗佈程序期間水平地托持一基板；一旋轉機構，連接於該基板支座，該旋轉機構係配置為使該基板支座繞一旋轉軸旋轉；一液體分配器，配置為當該基板設置於該基板支座上時，將一液體材料分配至該基板之工作表面上，該工作表面具有圓形形狀且呈平面，且在接觸該基板支座的該基板之底面對面；及一環狀流體流構件，具有一面基板表面，該流體流構件係配置為被定位以使當該基板設置於該基板支座上時，該面基板表面係位於該基板之工作表面之環狀部分垂直上方，該工作表面之環狀部分係由該工作表面之外邊緣延伸至從該旋轉軸起算之預定徑向距離，該面基板表面之一部分係彎曲的，俾使該面基板表面與該工作表面之間的特定垂直距離相對於從該旋轉軸起算之特定徑向距離而徑向變化； 其中該面基板表面具有一線性外環狀部及一彎曲內環狀部，該彎曲內環狀部比該線性外環狀部更靠近該旋轉軸，該面基板表面之彎曲內環狀部係位於該工作表面之環狀部分的內側部分上方且具有曲率半徑，而該面基板表面之線性外環狀部係位於該工作表面之環狀部分的邊緣部分上方。
25. 如申請專利範圍第24項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該面基板表面與該工作表面之間的特定垂直距離會變化，使得該特定垂直距離隨著從該旋轉軸起算之徑向距離增加而減少。
26. 如申請專利範圍第24項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該流體流構件定義出在該工作表面之圓形部分垂直上方的圓形開口，該圓形部分係由該旋轉軸延伸至該預定徑向距離。
27. 如申請專利範圍第24項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中該面基板表面之線性外環狀部具有線性的徑向斜率。
28. 如申請專利範圍第24項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中該面基板表面之線性外環狀部係平的，俾使當該流體流構件係位於該基板之工作表面的垂直上方時，該工作表面與該面基板表面之線性外環狀部之間有實質上固定的垂直距離。
29. 如申請專利範圍第28項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，更包含一垂直運動機構，該垂直運動機構係配置為當該基板設置於該基板支座上時，使該面基板表面與該工作表面之間的平均垂直距離增加或減少。
30. 如申請專利範圍第29項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該垂直運動機構係配置為將該外環狀部與該工作表面之間的垂直距離設定至小於5毫米。
31. 如申請專利範圍第28項所述之用於塗佈基板的旋轉塗佈設備，其中，該面基板表面之彎曲內環狀部的曲率半徑介於20毫米與90毫米之間。