專利名稱：用于液體二氧化碳系統(tǒng)的旋涂方法及裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及采用液體二氧化碳來免除其中需用易揮發(fā)有機(jī)溶劑載帶或溶解涂料的旋涂方法及裝置。
背景技術(shù)：
微電子學(xué)工業(yè)與在各種平基片上，包括在用于集成電路的硅晶片和用于光電子器件的玻璃上噴涂均勻薄膜的旋涂方法相關(guān)。旋涂工藝一般涉及將液體涂料注射到諸如每分鐘幾百至幾千轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)的平基片上。旋涂機(jī)利用旋轉(zhuǎn)基片的離心力在基片上涂布薄液體層(液體涂料溶液)而運(yùn)轉(zhuǎn)。涂布液層經(jīng)蒸發(fā)再形成一層非常均勻覆蓋其上的薄層，并使分布不均勻性平面化，形成無針眼的薄膜。液體涂料的溶液一般由低揮發(fā)性的材料如聚合物材料或低聚物組成。然后將這些低揮發(fā)性的材料溶解于易揮發(fā)的有機(jī)溶劑或液體溶劑混合物中。易揮發(fā)的液體溶劑一般是易揮發(fā)的有機(jī)溶劑(VOC)、氯氟碳化合物(CFC)、氫氯氟碳化合物(HCFC)、氫氟碳化合物(HFC)及全氟碳化合物，或其混合物，諸如甲乙酮(MEK)、醋酸乙酯、氯仿、甲苯、醋酸異戊酯、氟里昂-113、氟里昂-22、氟里昂-134a、氟里昂-227、全氟嗎啉等。然后將液體涂料溶液稀薄成十分均勻的物質(zhì)分布在旋轉(zhuǎn)的平基片上，使過剩的液體涂料溶液從基片邊緣流出和加以收集。留在旋轉(zhuǎn)的平基片上的液體涂料溶液的薄膜繼續(xù)蒸發(fā)，留下低揮發(fā)性化合物的均勻薄膜。該薄膜一般由聚合物材料組成(如光刻膠、內(nèi)層介電質(zhì))，但也可以用這種方法沉積其它材料，諸如低分子量的化合物(粘結(jié)助劑、抗反射涂料)或溶膠-凝膠前體。
有時(shí)旋涂裝置用于從基片上去除某種物質(zhì)。例如，為顯影暴光后的光刻蝕圖象，將液體溶劑注射到正在或?qū)⒁咚傩D(zhuǎn)的基片上。以該液體溶劑將旋轉(zhuǎn)基片上目的物質(zhì)溶解下來，有效去除旋轉(zhuǎn)基片上的物質(zhì)。
旋涂是一種溶劑強(qiáng)化過程，占據(jù)微電子學(xué)工業(yè)中溶劑應(yīng)用的大部分。因此，仍然需要少用或不用諸如VOC、CFC、HCFC、HFC、PFC等溶劑的旋涂方法及裝置。
發(fā)明綜述本發(fā)明第一方面涉及將液體涂敷于基片上的旋涂裝置。該裝置包括內(nèi)有密封腔的壓力容器；置于密封腔內(nèi)用于旋轉(zhuǎn)基片的轉(zhuǎn)盤；置于密封腔內(nèi)將二氧化碳沉積到基片上的液體分配器；和與供給二氧化碳液的液體分配器以流體相聯(lián)的壓力儲(chǔ)罐。該裝置一般包括一個(gè)壓力控制器，通過操作與能保持腔內(nèi)壓力在約100-10，000psi范圍的密封腔相關(guān)連。
本發(fā)明的第二方面涉及一種旋涂方法。該方法包括將二氧化碳液涂敷于基片表面上；然后繞軸旋轉(zhuǎn)該基片，使二氧化碳液分布于基片上。該二氧化碳液可分布于基片上作為載體，以便在基片上沉積諸如涂層材料。另外，二氧化碳液也可分布于基片上作為溶劑，用以穩(wěn)定、溶解或去除事先沉積在基片表面上的材料。
本發(fā)明的前述目的及其它目的和各個(gè)方面均可通過下面的附圖及以下的說明書更詳盡地加以說明。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是本發(fā)明裝置的側(cè)視圖。
圖2是本發(fā)明裝置第二實(shí)施方案的側(cè)視圖，此方案可維持腔內(nèi)氣氛中二氧化碳與基片上沉積的二氧化碳液之間的二氧化碳差分壓。
圖3是本發(fā)明裝置第三實(shí)施方案的流程示意圖，包括不開主腔進(jìn)行基片交換的自動(dòng)化器件。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明二氧化碳在標(biāo)準(zhǔn)壓力及溫度下是一種氣體。因此，本發(fā)明旋涂裝置的一個(gè)特點(diǎn)是在基片上提供液態(tài)的二氧化碳的系統(tǒng)。之所以必須如此，是因?yàn)樵撘后w必須分布于旋轉(zhuǎn)的基片上，易揮發(fā)的組分必須在基片上進(jìn)行蒸發(fā)并留下不揮發(fā)的成膜材料。利用二氧化碳作為溶劑的場(chǎng)合，也必須如此，以防止二氧化碳蒸發(fā)過快而不能從基片上除去待去除的化合物。
圖1說明了實(shí)施本發(fā)明的裝置。該裝置包括內(nèi)有密封腔11的壓力容器10。工件為安放于密封腔內(nèi)待處理的基片12?？刹捎萌魏芜m宜基片，包括，但不局限于，玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體材料諸如硅晶片、密致盤等。一般，該基片具有待處理的上平面。旋轉(zhuǎn)基片的轉(zhuǎn)盤13安放于密封腔內(nèi)，由固定架14及旋轉(zhuǎn)設(shè)備(如馬達(dá)或馬達(dá)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))15組成?？刹捎萌魏涡D(zhuǎn)設(shè)備，通常其速度約為每分鐘10-10，000轉(zhuǎn)。所示固定架是通過壓差導(dǎo)管及壓差調(diào)節(jié)器16來固定基片，因此起固定或鎖定設(shè)備的作用，在基片繞轉(zhuǎn)盤軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)使基片緊固于轉(zhuǎn)盤上，但基片就位則可通過適宜手段諸如銷釘、夾具、粘結(jié)劑等。單只轉(zhuǎn)盤上可安放多塊基片，如USP 4，640，846所述(在此引用美國專利內(nèi)容以供參考)。
液體分配器17安放于基片之上的密封腔內(nèi)，因此可使二氧化碳液經(jīng)閥18至噴嘴19而沉積于基片上。儲(chǔ)存二氧化碳液的壓力儲(chǔ)罐30安置于該密封腔之外，并在閥32控制下經(jīng)過管線31與液體分配器以流體相聯(lián)。壓力泵40(如注射泵或薄膜泵)通過管線41及閥42連通密封腔，以使腔內(nèi)壓力可升高到適宜的操作壓力，見如下討論。
壓力傳感器50通過管線51與密封腔連接。壓力傳感器在操作上是與用于控制閥53的壓力控制器52相聯(lián)，它可通過管線54按需控制排放密封腔內(nèi)的大氣。正如將會(huì)了解到的那樣，由于該腔屬于封閉系統(tǒng)，一旦用壓力泵40對(duì)該腔充氣達(dá)到初始?jí)毫?，?dāng)將附加材料尤其將二氧化碳液送入該腔時(shí)，就需要通過管線54排氣減壓，以維持其所需的壓力。
密封腔內(nèi)配有二氧化碳液池60，通過管線61及閥62對(duì)該池進(jìn)行排放。該池可用于控制基片上沉積的液體與腔內(nèi)大氣之間的二氧化碳?jí)翰睿娙缦掠懻摗?br> 如若需要，液體分配器17可以分配二氧化碳液，再將待與該二氧化碳液混合并沉積于基片上的聚合物或其它化合物可分別地分配于基片上，在其上與該液進(jìn)行混合。此外，可修改液體分配器的噴嘴，控制液體分配形狀及流率，如USP 5，392，989中赫特格(Hurtig)所述。
在操作上，二氧化碳液是通過分配器17而被涂敷于基片12的上平面上，并繞軸(可使該軸穿過或不穿過基片)旋轉(zhuǎn)該基片將二氧化碳液分布于基片的上平面。如若需要，可將該液體分配于基片上，使之?dāng)R置或保持靜止一段時(shí)間，然后開始旋轉(zhuǎn)，如USP 4，281，057中卡斯特蘭尼(Castellani)等人所述。
涂敷步驟和旋轉(zhuǎn)步驟二者之一，或(優(yōu)選)此二步驟一起都在密封腔內(nèi)在高于大氣壓的壓力下完成使腔內(nèi)壓力一般升高到至少10或20psi(磅／平方英寸)至5，000或10，000psi。腔內(nèi)溫度一般保持約-53或-20℃至20或30℃。此外，如以下更詳盡討論的那樣，涂敷及旋轉(zhuǎn)二步驟之一(或二步驟一起)在包括二氧化碳(及其它組分諸如惰性氣體)的氣氛中(全部或部分)完成，同時(shí)使涂敷于基片表面上的二氧化碳液與氣氛(尤其剛在基片的上表面以上的氣氛)之間的二氧化碳差分壓保持約在10、20或40mmHg至100、200或400mmHg之間。
在單(或多種)次涂敷及旋轉(zhuǎn)步驟過程中涂敷二氧化碳液時(shí)，也可要求保持基本恒定的腔內(nèi)氣氛。這時(shí)可經(jīng)上述管線41將二氧化碳與一種或多種另外氣體或惰性氣體(如氦、氮、氬、氧)的氣氛輸入腔內(nèi)，并通過上述控制方式中的管線54放氣，以便通過分配器17向該腔加料時(shí)使腔內(nèi)氣氛組成保持一致。
當(dāng)二氧化碳液用于去除以前在基片上已涂敷的材料時(shí)，二氧化碳液可主要由二氧化碳與輔助成分諸如一種或多種共溶劑(如四氫呋喃、環(huán)己烷、醇如甲醇或乙醇等)組成。
當(dāng)二氧化碳液用于將化合物分布并沉積于基片上表面而作為載體時(shí)，該二氧化碳液是一種包含二氧化碳、還可有一種或數(shù)種共溶劑以及一種或數(shù)種待載化合物的混合物?？杀欢趸家狠d帶的示范化合物包括，但不局限于，聚合物(包括聚合物前體或沉積后聚合或被聚合的單體)、抗蝕劑(如光刻膠、電子抗蝕劑、X-射線抗蝕劑)、粘結(jié)助劑、抗反射涂料及溶膠-凝膠前體?？刮g劑諸如光刻膠也可包含可改善石印性能的添加劑，包括溶解抑制劑、感光酸發(fā)生劑(photo acidgenerators)等。感光酸發(fā)生劑的存在為抗化學(xué)放大技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。該混合物可為任何類型的，包括溶液、分散液及乳液，但優(yōu)選該混合物為溶液。在優(yōu)選實(shí)施方案中，該混合物由二氧化碳及氟聚合物組成，更優(yōu)選為氟丙烯酸酯聚合物。這種聚合物的實(shí)施例公開于USP5，496，901中狄西蒙(DeSimone)所述的聚合產(chǎn)物，其內(nèi)容在此引以參考。在優(yōu)選實(shí)施方案中，這種混合物涂敷于半導(dǎo)體(如硅晶片)基片上平面上起光刻膠的作用。
二氧化碳液可包含粘度改進(jìn)劑，諸如締合聚合物，用來提高粘度并改變表面涂層的厚度。例如可包含其數(shù)量足以使二氧化碳液粘度提高至約500或1000厘泊的粘度改進(jìn)劑。
二氧化碳液可包含表面張力改進(jìn)劑(如表面活性劑)，以提高或降低表面張力，達(dá)到約+5或-5達(dá)因／厘米。加入表面張力改進(jìn)劑，可增多或減少基片旋轉(zhuǎn)構(gòu)成二氧化碳液涂層的邊界處小滴的形成。用作表面張力改進(jìn)劑的表面活性劑，應(yīng)當(dāng)包含親CO2-基團(tuán)及疏CO2-基團(tuán)，并且是已有技術(shù)所已知的。參見美國專利，如西狄蒙等人的USP5，312，882；朱瑞勒(Jureller)等人的USP 5，683，977(其內(nèi)容引此以參考)。
如若需要，二氧化碳液還可包含比二氧化碳蒸發(fā)得更慢的共溶劑，(如醇、酮如環(huán)戊酮、醋酸丁酯、二甲苯)。然后從壓力容器中取出用這種二氧化碳液涂敷后的基片，加以干燥(如在單獨(dú)的干燥爐中，如美國專利USP 4，794，021中波特(Potter)所述)。采用這種技術(shù)可減少基片涂層上形成的針眼。
圖2所述的裝置同于圖1中的裝置，并包括內(nèi)有密封腔的壓力容器、基片、由固定架及旋轉(zhuǎn)機(jī)械組成的轉(zhuǎn)盤、壓差導(dǎo)管及安裝于密封腔內(nèi)在基片上方的液體分配器，因此可通過閥18至噴嘴19對(duì)基片沉積二氧化碳液。壓力儲(chǔ)罐30用于儲(chǔ)存二氧化碳液，安放在密封腔之外，并在閥控制下通過管線與液體分配器以流體相聯(lián)。通過管線及閥使泵與該密封腔相連，用以升高腔內(nèi)壓力。經(jīng)管線70對(duì)壓力容器中的液體二氧化碳池60輸送二氧化碳液，并有冷卻盤管72置于其中。在冷卻盤管上裝有溫度控制器(未示出)，用于維持池中二氧化碳液與基片上沉積的二氧化碳液間的溫差(這可通過置于腔內(nèi)對(duì)準(zhǔn)基片上平面的紅外檢測(cè)器或其它適宜溫度敏感元件來確定，并且在操作上與溫度控制器相聯(lián))。這樣起到差壓控制手段的作用，保持在沉積于基片表面的二氧化碳與氣氛中的二氧化碳之間的二氧化碳差分壓，如上所述。在優(yōu)選實(shí)施方案中，對(duì)于僅要求0．01或0．05至0．1或0．5大氣壓的差分壓場(chǎng)合，溫度控制在正或負(fù)1或0．1℃，使池內(nèi)液體溫度低于基片上二氧化碳液的溫度。還應(yīng)注意的是，敏感溫度的另一方法，可用不同參數(shù)，如二氧化碳液在基片表面上的厚度來進(jìn)行測(cè)量，并按其響應(yīng)調(diào)節(jié)二氧化碳的分壓。
保持二氧化碳差分壓的另一手段示于圖2中，采用冷卻盤管75的形式來冷卻腔壁，使腔壁上出現(xiàn)部分冷凝，從而去除旋轉(zhuǎn)基片上方汽相中的二氧化碳。
保持差分壓的另一種手段是在與被沉積的液體同樣溫度下平衡與液體二氧化碳的氣氛，但在用風(fēng)扇從腔排出氣體及蒸汽的同時(shí)，可通過惰性氣體輸送管線41加入流量非常低的惰性氣體，以降低二氧化碳的分壓。在所說明的實(shí)施方案中，壓力容器75包括二氧化碳液池，而且用穿過二氧化碳池的管線76向該壓力容器輸送惰性氣體(如氮)，從在對(duì)二氧化碳達(dá)到飽和的氣氛中供給惰性氣體。
正如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)了解到的那樣，本發(fā)明方法及裝置可采用任何一種或這些手段的組合來維持二氧化碳的分壓。
圖3是一套自動(dòng)多塊基片旋涂站的示意圖。該設(shè)備包括壓力容器和轉(zhuǎn)盤，基本如上所述。在自動(dòng)手臂90上裝有自動(dòng)抓具91。在一對(duì)排成行的軌道93及94上裝有基片梭車92，示于主腔中。按標(biāo)準(zhǔn)方法通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)梭車。主腔外的前腔95(起氣壓閥作用)是梭車的起點(diǎn)。接受腔96(內(nèi)有第二梭車，如圖所示，也起氣壓閥作用)，用于接受其上所有基片都經(jīng)受處理后的梭車。前腔和接受腔都各裝有單獨(dú)的內(nèi)外密封門(未示出)，這些門都能使該二腔在梭車插入或移出時(shí)起到氣壓閥的作用，從而使插入新梭車時(shí)主腔不必完全減壓。沿轉(zhuǎn)盤的可去除的流體噴濺護(hù)欄97可防止過剩液體噴濺到梭車、基片及自動(dòng)手臂上。該流體護(hù)欄、自動(dòng)手臂、抓具及梭車均可全采用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)方法驅(qū)動(dòng)，其操作按標(biāo)準(zhǔn)方法與控制器如程序計(jì)算機(jī)協(xié)同一致。自動(dòng)手臂與梭車共同對(duì)置于密封腔內(nèi)交換所述轉(zhuǎn)盤上第一和第二基片的交換設(shè)備起交換的作用，而不必打開所述壓力容器。正如將要了解的那樣，該交換設(shè)備不必安裝梭車及氣壓閥系統(tǒng)，如圖所示，而采用在主腔內(nèi)安裝一個(gè)或多個(gè)固定導(dǎo)軌替代，或采用單一氣壓閥。
以上為對(duì)本發(fā)明的說明，并非作為限制對(duì)其加以約束。例如，可應(yīng)用與于上述不同的設(shè)備操作基片，同時(shí)使壓力腔的壓力損失降至最少。作為實(shí)施例，在軌道或結(jié)構(gòu)軌道的框架上可安裝可延伸自動(dòng)手臂，用以移動(dòng)基片夾具與梭車之間的抓具。也可去掉梭車本身，使自動(dòng)手臂和相關(guān)移動(dòng)機(jī)械與移動(dòng)前腔與接受腔之間的抓具配合。在每種情況下，機(jī)械抓具均可用抽吸頭替代。除此之外或不用自動(dòng)手臂，還可設(shè)置可收縮式運(yùn)輸帶，運(yùn)送遠(yuǎn)離固定架的基片。運(yùn)送不同基片的轉(zhuǎn)盤或其它導(dǎo)軌系統(tǒng)均可采用。許多另外的變異或不同于前述的設(shè)備，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員也是易于明白的。因此，采用下述申請(qǐng)專利的權(quán)項(xiàng)定義本發(fā)明，并包括與權(quán)項(xiàng)對(duì)等的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種將液體涂敷于基片上的旋涂裝置，所述裝置包括內(nèi)有密封腔的壓力容器；用于旋轉(zhuǎn)置于所述密封腔中的基片的轉(zhuǎn)盤；置于該密封腔內(nèi)用于將二氧化碳液沉積于基片上的液體分配器；與提供二氧化碳液的所述液體分配器以流體相聯(lián)的壓力儲(chǔ)罐。
2.按照權(quán)利要求1的裝置，還包括操作上與所述壓力容器相聯(lián)的差壓控制設(shè)備，用于保持密封腔內(nèi)氣氛與基片上噴涂的二氧化碳液之間的二氧化碳差壓。
3.按照權(quán)利要求2的裝置，其中所述差壓控制設(shè)備包括在所述壓力容器內(nèi)的液體二氧化碳儲(chǔ)罐和溫度控制器，可用于保持在該儲(chǔ)罐中的二氧化碳液與沉積在該基片上的二氧化碳液之間的溫差。
4.按照權(quán)利要求2的裝置，其中所述差壓控制設(shè)備包括以流體與所述密封腔以流體相聯(lián)的惰性氣體供給管線。
5.按照權(quán)利要求2的裝置，其中所述差壓控制設(shè)備包括操作上與所述壓力容器相聯(lián)并被構(gòu)造為可冷卻該壓力容器器壁的冷卻裝置。
6.按照權(quán)利要求2的裝置，其中所述差壓控制設(shè)備可維持所述氣氛與所述二氧化碳液之間的二氧化碳差分壓在約10-400mmHg之間。
7.按照權(quán)利要求1的裝置，還包括在操作上與所述壓力容器相聯(lián)的壓力控制器。
8.按照權(quán)利要求1的裝置，還包括連接到所述壓力容器上的氣壓閥，以便于在該密封腔內(nèi)安放或取出基片。
9.按照權(quán)利要求1的裝置，還包括置于該密封腔內(nèi)的交換設(shè)備，用于交換在轉(zhuǎn)盤上的第一及第二基片而不必打開該壓力容器。
10.一種旋涂方法，包括將二氧化碳液涂敷于基片的上平面；然后繞軸旋轉(zhuǎn)所述基片使二氧化碳液分布于基片上。
11.按照權(quán)利要求10的方法，其中旋轉(zhuǎn)步驟在包括二氧化碳的氣氛中在高于大氣壓的壓力下完成。
12.按照權(quán)利要求10的方法，其中旋轉(zhuǎn)步驟在包括二氧化碳的氣氛中在10-10，000psi壓力下完成。
13.按照權(quán)利要求10的方法，其中旋轉(zhuǎn)步驟在包括二氧化碳的氣氛中完成，所述方法還包括步驟維持所述二氧化碳液與所述氣氛之間的二氧化碳差分壓在約10-400mmHg之間。
14.按照權(quán)利要求13的方法，其中所述涂敷及旋轉(zhuǎn)步驟在密封腔內(nèi)完成，所述維持步驟按下述方法完成在所述密封腔內(nèi)設(shè)置二氧化碳的儲(chǔ)罐；控制儲(chǔ)罐內(nèi)二氧化碳與基片表面所涂二氧化碳液之間的溫差。
15.按照權(quán)利要求13的方法，其中所述涂敷及旋轉(zhuǎn)步驟在密封腔內(nèi)完成，所述維持步驟按下述方法完成輸送惰性氣體至該密封腔內(nèi)。
16.按照權(quán)利要求13的方法，其中所述涂敷及旋轉(zhuǎn)步驟在密封腔內(nèi)完成，所述密封腔由壓力容器構(gòu)成，所述維持步驟按下述方法完成冷卻該壓力容器的器壁。
17.按照權(quán)利要求10的方法，其中所述二氧化碳液基本上由二氧化碳組成。
18.按照權(quán)利要求10的方法，其中所述二氧化碳液包括二氧化碳與選自聚合物、粘結(jié)助劑、抗蝕劑、抗反射涂層及溶膠-凝膠前體的化合物的混合物。
19.按照權(quán)利要求18的方法，其中所述混合物選自溶液、分散液和乳液。
20.按照權(quán)利要求18的方法，其中所述化合物是一種氟聚合物。
21.按照權(quán)利要求18的方法，其中所述化合物是一種氟丙烯酸聚合物。
22.按照權(quán)利要求21法，其中所述混合物是一種溶液。
23.按照權(quán)利要求10的方法，其中所述混合物包括粘度改進(jìn)劑。
24.按照權(quán)利要求10方法，其中所述混合物包括表面張力改進(jìn)劑。
25.按照權(quán)利要求10方法，其中所述基片表面部分為平面。
全文摘要
一種旋涂方法包括將二氧化碳液涂敷于基片(12)表面上;再繞軸旋轉(zhuǎn)該基片(12)以分布基片(12)上的該二氧化碳液。將該二氧化碳液分布于基片上作為載體,可用于在基片(12)上噴涂諸如涂層材料的場(chǎng)合。此外,將該二氧化碳液分布于基片上作為溶劑,可使以前沉積于基片(12)表面上的材料增溶、溶解或去除。同時(shí)也公開了用于實(shí)施本發(fā)明的裝置(10)。
文檔編號(hào)B05D3/06GK1281392SQ98812167
公開日2001年1月24日 申請(qǐng)日期1998年11月24日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月16日
發(fā)明者J·M·德斯莫內(nèi), R·G·卡博內(nèi)爾 申請(qǐng)人:北卡羅來納-查佩爾山大學(xué)