本发明涉及集成电路制造的光刻工艺，特别是用于集成电路晶圆烘焙的热板。
背景技术
光刻是集成电路制造中的一道至关重要的工艺，它利用光化学反应原理把掩模上的图形转印到晶圆上，使选择性刻蚀和离子注入成为可能。光刻工艺的基本流程大致由晶圆表面预处理、涂胶、曝光前烘焙（简称“软烘”）、曝光、曝光后烘焙（简称“后烘”）、显影和显影后烘焙（简称“坚膜烘焙”）构成。软烘用于将光刻胶中的溶剂驱赶走，从而实现改善光刻胶的黏性，提高光刻胶的均匀性，以及在刻蚀过程中控制线宽的均匀性；对于化学放大的光刻胶，软烘还可以一定程度上用来改变光酸的扩散长度，以调整工艺窗口的参数；典型的软烘温度的大致范围在90~100℃左右。后烘的目的是通过加热的方式使光化学反应得以充分完成，特别是对于化学放大胶，后烘还能产生更多的酸，使光化学反应被放大，因此其对光刻胶的性能影响很大，后烘的温度是影响线条宽度的均匀性（cdu，cduniformity）的主要因素之一，典型的后烘温度在80~200℃左右。坚膜烘焙用于将光刻胶在显影后吸收的过多的水分驱赶出光刻胶，以利于后续刻蚀工艺的进行。
所有的烘焙工序都是在匀胶显影机内的热板（hotplate）上进行的。参阅图1所示，热板的结构主要包括：热板100，晶圆顶针101，热板腔体102，冷臂103。晶圆烘焙的大致过程为：涂好光刻胶的晶圆由机械手传送到热板100附近的冷臂103上，再由冷臂103把晶圆传送到热板100的正上方，同时热板内置的三个晶圆顶针101升起来承载晶圆，冷臂103退出后，顶针101下降，使晶圆和热板100接触，开始进行烘焙。
热板的温度均匀性会直接影响到曝光后线条宽度的均匀性（cdu，cduniformity），因此对任何一道光刻工艺，热板表面的温度均匀性都是一个至关重要的技术指标。目前用于晶圆烘焙的传统热板，当温度低于目标温度时，可利用电热丝等加热器来加热进行热量补偿，而当温度高于目标温度时，只能通过停止加热、自然冷却的方式实现温度的平衡，因此温控过程十分缓慢，尤其是在光刻胶最常使用的温度区间80~150℃左右，热板降温补偿速度会变得更加缓慢，由于热板表面温差无法得到迅速补偿，使热板温度的均匀一致性以及热板的温控速率受到严重影响。
技术实现要素：
本发明提供一种晶圆烘焙热板系统及其温度控制方法，其目的在于能够快速、精确地将热板温度提升并维持在一设定的温度，并能够减小在该设定温度上的温度波动幅度，提高热板表面的温度均匀性；并且温度控制系统结构简单、噪声低、无震动。
为达前述目的，本发明提供一种晶圆烘焙热板系统，包括：
一板体，该热板系统设定一晶圆烘焙目标温度，该板体提供一板体温度，使得该板体温度在目标温度附近用以对晶圆进行烘焙；
一测温模块，该测温模块实时监测并反馈该板体温度，并将该板体温度与该目标温度比较；
一升温模块，该升温模块加热该板体，使该板体温度升至该目标温度，且持续工作用以抵消热量散失，使该板体温度保持在该目标温度附近；
一降温模块，该降温模块用以在该板体温度高于该目标温度时迅速降低该板体温度至该目标温度附近。
优选地，该板体为表面平整的陶瓷平板。
优选地，该陶瓷平板为大比热容材料，该陶瓷平板的面积不小于晶圆的面积。
优选地，该测温模块包括一温度传感器，该温度传感器为且不限于k型热电偶，该温度传感器的前端嵌入并接触于该板体下表面。
优选地，该温度传感器在板体上的布置为单点分布或多点分布。
优选地，该升温模块包括加热器，该加热器与该板体的下表面紧密贴合，该加热器的面积不小于该板体的面积。
优选地，该加热器为均匀分布的电阻丝加热器、硅胶加热器或云母加热器。
优选地，该降温模块包括，热电器件、上陶瓷基板和下陶瓷基板，该降温模块的上表面与该升温模块的下表面紧密贴合，该降温模块的面积不小于该升温模块的面积。
优选地，该热电器件包括n型热电元件、p型热电元件、上导电电极和下导电电极，n型热电元件与p型热电元件的近热板端通过上导电电极连接，n型热电元件的远热板端连接下导电极部分一、p型热电元件的远热板端连接下导电极部分二，下导电极部分一和下导电极部分二断路，呈π型布置，组成单个热电器件，该热电器件通过各下导电极电串联连接，并均匀阵列布置在该上陶瓷基板和该下陶瓷基板之间，其中一个热电器件的下导电电极部分一与另一热电器件的下导电电极部分二连接，依次串联后的热电器件的两端下导电电极与直流电源连接，其中，n型热电元件端连接电源正极，p型热电元件端连接电源负极，该热电器件最大合围面积不小于该升温模块的面积。
优选地，该热电器件的材料为bi2te3基热电材料、cuagse基热电材料、aggese基热电材料或ag2se基热电材料。
优选地，该n型热电元件或p型热电元件的高度为3mm~15mm，该n型热电元件或p型热电元件的截面积为1mm2~30mm2，该n型热电元件或p型热电元件的截面形状为且不限于矩形或圆形。
优选地，该上陶瓷基板和该下陶瓷基板为电绝缘而热传导良好的均质陶瓷平板。
优选地，该陶瓷平板的材料为且不限于氮化硅基化合物或碳化硅基化合物。
优选地，该上陶瓷基板与该下陶瓷基板的面积相等，该热电元件的截面的总面积为该上陶瓷基板的面积的15%~70%。
优选地，该目标温度的设定区间为80℃~300℃。
一种晶圆烘焙热板系统的温度控制方法，当该板体温度位于该目标温度附近时，该升温模块以保温功率工作，维持该板体温度保持在该目标温度附近；当该板体温度低于该目标温度时，该升温模块按比例提高功率，提升温度达到该目标温度附近；当该板体温度高于该目标温度时，该降温模块响应并开启，该升温模块按比例降低功率，降低该板体温度达到该目标温度附近，该降温模块关闭，该升温模块工作维持该板体温度保持在该目标温度附近。
优选地，当该板体温度在（1-δ）~（1+δ）倍目标温度范围内，为该板体温度位于该目标温度附近；当该板体温度小于（1-δ）倍目标温度，为该板体温度低于该目标温度；当该板体温度大于（1+δ）倍目标温度，为该板体温度高于该目标温度。
δ为0.05%~5%。
由此可见，本发明的晶圆烘焙热板系统及其温度控制方法，在现有技术热板电热升温的基础上，应用热电效应，增加制冷装置，采用结构简单、体积较小的、与平面板状匹配的装置降低该热板温度，实现了该热板温度的快速、精准调节，提高热板表面的温度均匀性和热板的温控速率，从而提高了曝光后线条宽度的均匀性，也提升了机台在生产过程中的产出能力。
附图说明
图1为现有技术的晶圆烘焙热板。
图2为本发明晶圆烘焙热板系统的降温模块的呈π型布置的单个热电器件和上、下陶瓷基板布局示意图。
图3为本发明晶圆烘焙热板系统的结构示意图。
图4为本发明晶圆烘焙热板系统的降温模块的热电元件形状以及在基板上的布局比例的示意图。
图5为本发明晶圆烘焙热板系统的一实施例高精密控温热板与现有技术的热板降温效果的比较图。
图6为使用本发明晶圆烘焙热板系统的一实施例高精密控温热板（a）与现有技术的热板（b）烘焙晶圆后的线条宽度的均匀性（cdu）比较图。
附图标记说明：
热板100
晶圆顶针101
热板腔体102
冷臂103
n型热电元件200
p型热电元件201
上导电电极202
下导电电极203
上陶瓷基板204
下陶瓷基板205
板体300
测温模块301
升温模块302
降温模块303
热电元件401
基板400
线条宽度的均值mean
线条宽度的三倍标准差值3sigma。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明的电路组成和连接方式进一步说明，并说明本发明的有益效果。
参阅图3所示，本发明晶圆烘焙热板系统主要由板体300，测温模块301，升温模块302，降温模块303组成。该热板系统根据每系列晶圆的每个烘焙工艺（如软烘、后烘、坚膜烘焙等）所需要的不同的烘焙温度，设定一个目标温度。
该板体300为表面平整的陶瓷平板，用于承载和烘焙晶圆，该陶瓷平板为大比热容材质，大比热容这一物理特性使得该板体在烘焙晶圆时温度波动小，以更好地保证热板的温度均匀性。该板体的面积不小于待烘焙晶圆的面积，该晶圆可以完全放置在该板体300边合围的区域内部，保证晶圆整体受热。
该测温模块301采用k型热电偶作为温度传感器，k型热电偶就是镍铬-镍硅热电偶，k型热电偶在室温至300℃温度区间具有非常高的温度灵敏度，可使测温更加精确，反馈更加快速。温度传感器前端嵌入热板300下表面，使测温更准确。该测温模块测量板体300的板体温度，并与系统设定的该目标温度进行大小比较，控制升温模块302和降温模块303的工作，以使板体温度调节至趋近目标温度附近。
该升温模块302采用分布均匀的电阻丝加热器、硅胶加热器或云母加热器，升温模块302与热板300下表面紧密贴合。以上连接方式使得在加热时，热传导过程更加高效、快捷、均匀。
该降温模块303采用热电器件阵列构成的热电制冷装置，该降温模块303在制冷过程中无需任何传动部件，且噪声低、系统体积小、可靠性高、制冷效率高。
参阅图2所示，降温模块303的组成单元为π型布置的热电器件降温单元。该热电器件单元主要由n型热电元件200，p型热电元件201，上导电电极202，下导电电极203组成。n型热电元件200和p型热电元件201的受热端通过上导电电极202连接，下导电电极203中间断开为部分一和部分二，n型热电元件200和p型热电元件201的散热端分别连接下导电电极203的部分一和部分二，该下导电电极203的部分一和部分二分别连接一电源两端，并通过开关控制该电源的导通和断开，再加上用以承受热源区的上陶瓷基板204（冷面）和接受转移来热量的下陶瓷基板205（热面），形成π型（双工型）布置方式，该两个热电元件（n型和p型）的连接方式为电串联、热并联。每个热电器件单元通过电串联和热并联的方式连接到一起，集成到上陶瓷基板204和下陶瓷基板205这两块基板之间，组成了降温模块303。当热电器件中有从n型热电元件200到p型热电元件201方向的电流通过时，热电元件便可以通过帕尔贴（peltier）效应将热能从器件上端转移到器件下端，实现对器件上端的电制冷效果。热电转换技术是一种新型、高效、清洁的电、热转换技术，它利用半导体材料直接实现热能与电能之间的相互转换。该π型（双工型）构造的热电制冷器因为具备上陶瓷基板204这一平面，与平板状的烘焙热源的板体300相配合，制冷过程无需任何传动部件，没有压缩介质，具有噪声低、振动小、系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、模块化安装等优点。
当n型热电元件200有从散热端向热源端的电流，p型热电元件201有从热源端向散热端的电流时，该热电元件能够将热量从热源端转移至散热端。n型或p型热电元件电并联、热并联连接也是一种热电器件的布置方式。
若电串联、热并联的连接方式组成的热电器件中n型和p型热电元件最两端未成对出现，那么只要保证n型热电元件200有从散热端向热源端的电流，p型热电元件201有从热源端向散热端的电流来布置接地端和电源端即可。比如第一对缺少n型热电元件，那么就在p型热电元件的热源端接出引线接电源端；最后一对缺少p型热电元件，那么就在n型热电元件的热源端接出引线接接地端。
参阅图4所示，电串联和热并联的热电元件均匀排布在上陶瓷基板204和下陶瓷基板205之间，热电元件最大合围区域的面积至少将覆盖整个晶圆热板的面积。该上陶瓷基板204和下陶瓷基板205为电绝缘而热传导良好的陶瓷平板，用于固定热电元件阵列和热传递。该π型（双工型）构造的热电制冷器的热电元件的材料、形状及其在陶瓷基板上的排布会影响整个降温模块303的制冷效率。本发明采用bi2te3基热电材料、cuagse基热电材料、aggese基热电材料或ag2se基热电材料作为热电元件的材料。光刻胶常用的烘焙温度区间80-300℃左右，在该温度区间中，该热电器件材料具有非常高的制冷效率，可以使热板降温效率更高。热电元件的截面可以制作成矩形、圆形或其他形状。基板400包括上陶瓷基板204和下陶瓷基板205，通常设置为相同形状，热电元件401在基板400上均匀分布，且通过调节热电元件401的总面积与基板400的面积比，该面积比的数值范围为15%~70%，可以使其降温效率最大化。
该晶圆烘焙热板系统在烘焙晶圆时，升温模块302持续工作，该板体300工作温度从室温提升并维持在目标温度附近，同时测温模块301实时监测并反馈板体300的温度。当板体300温度低于目标温度时，升温模块302按比例提高功率，使温度达到目标温度。当热板300温度高于目标温度时，升温模块302按比例降低功率，同时降温模块303迅速响应并开启，使温度迅速降至目标温度，然后降温模块303关闭，使温度保持平衡，维持在目标温度附近。
以上描述了本发明的技术方案，组成晶圆烘焙热板系统的部件及其连接方式，并且描述了各部件的工作原理和工作方法。下面结合具体的实验数据和分析，阐述本发明的技术效果。
首先，本发明中的降温模块，在温度80-300℃区间，热电器件实施例之一的bi2te3基热电器件的制冷效率可达单位面积单位时间内约10-7~10-6w/mm2s，而单位面积热板降低1℃会产生10-8~10-7j/mm2热量，因此，在理想情况下，热电器件阵列对热板的降温速率可高达1~10℃/s，因此在降温过程中具有非常高的响应速率，使控温更加高效。
其次，本发明中的测温模块采用k型热电偶作为温度传感器，在室温至300℃温度区间具有非常高的温度灵敏度，使测温更加准确，响应更加迅速。
而且，本发明的晶圆热板系统在温控过程中分别、独立地实现升温和降温的迅速响应与精确控制，可以显著提高热板温度控制的效率和精度，使热板的温度均匀性及机台的产出能力得到显著提高。
晶圆热板的温度控制方法中设定一目标温度，该目标温度为一稳态值，即实际温度无穷趋近于该稳态值（动态平衡）。在控制系统时域响应分析中，通常将系统响应的实际值稳定的位于偏离目标值的一定差值δ范围内，认为系统进入稳态，也就是系统接近该目标值，位于该目标值附近。而系统达到该稳态的时间，称为调节时间。
参阅图5所示，本发明晶圆热板系统和现有技术热板的温度平衡测试曲线。该测试的条件是，板体温度的初值为105℃，系统设定的目标温度为100℃，允许偏差δ为0.1%，即实时测量出的热板温度稳定在99.9℃~100.1℃之间。对于现有技术热板，温度的平衡过程非常缓慢，时间为1000s时，热板温度仍没有稳定在目标温度附近。对于本发明晶圆热板系统的高精密控温热板，温度响应非常迅速，温度波动明显减小，在小于450s的时间内，热板温度便已经达到平衡，显著提高了热板的温控效率和温度精度。
参阅图6所示，应用本发明公开的晶圆热板系统对epic5319光刻胶进行曝光后烘焙，烘焙温度为110℃，烘焙时间为90s。对比实验为，采用与前者同一批次曝光的晶圆，烘焙工艺条件及其他工艺条件均与前者保持一致，区别的技术条件是：在现有技术的热板上进行曝光后烘焙。晶圆曝光后线条宽度的均匀性（cdu）对曝光后烘焙的温度均匀性最为敏感，换言之，能否获得良好的线条宽度的均匀性（cdu）性能，后烘工艺的热板温度均匀性至关重要，因此，晶圆曝光后线条宽度的均匀性（cdu）是直接检验热板的温控精度的技术指标。其中，（a）和（b）分别给出了epic5319光刻胶在现有技术的热板上烘焙的晶圆曝光后线条宽度的均匀性（cdu）以及在本发明的晶圆热板系统上烘焙的晶圆曝光后线条宽度的均匀性（cdu）。在本发明的晶圆热板系统上烘焙的晶圆曝光后线条宽度的均匀性（cdu）明显优于现有技术的热板上烘焙的晶圆曝光后线条宽度的均匀性（cdu），线条宽度的3倍标准差值（3sigma）从6.7nm（现有技术）降低至4.6nm（本发明），本发明的曝光后线条宽度的均匀性（cdu）性能优化了约30%。
以上所述为本发明的较佳实施例，不应以此限制本发明。凡依本发明权利要求所作的等同替换或修饰，均属于本发明保护的范围。