晶圆冷却装置、匀胶显影机及光刻设备的制作方法

本实用新型涉及半导体工艺设备领域，更详细地说，本实用新型涉及一种半导体工艺设备中用于对晶圆进行冷却的晶圆冷却装置以及具有该晶圆冷却装置的匀胶显影机及光刻设备。

背景技术：

在半导体器件的制造过程中，通常采用光刻设备将掩膜版上的图案以曝光的方式转移至晶圆表面涂覆的光刻胶上。在光刻设备中，光刻胶的涂覆、处理以及曝光后的显影、烘烤等过程均发生在轨道(Track)机台的匀胶显影机中。

在光刻过程的一些工序中，例如HMDS表面疏水处理、软烤(Soft Bake)、后烘烤(Post Exposure Bake)以及硬烤(Hard Bake)等，晶圆需要被加热。被加热的晶圆通常无法直接进行下道工序，而需要被置于冷板上进行冷却。

随着机台产能的不断提高，机台内部腔体的数量增加，冷板的数量也相应增多。目前的冷板设计通常为单片的冷板结构，每个单片的冷板被安装在独立的壳体中，采用循环冷却水对其进行冷却操作。然而，该设置方式将导致冷板占用空间极大，也就是说，同样空间内能够容纳的冷板数量降低，限制了机台产能的提高。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种用于半导体设备的晶圆冷却装置，能够提高同样空间内容纳的冷板数量，提高机台设备的空间利用效率。

为了解决该技术问题，本实用新型提供了一种晶圆冷却装置，包括支撑件及多个冷板单元，多个冷板单元层叠设置，部分或全部冷板单元通过一侧的连接臂与支撑件连接。多个冷板单元的连接臂可以设置在不同侧部，只要能够起到从侧面支撑冷板单元的作用即可。通过将多个冷板单元层叠设置，并从侧面固定冷板单元，有效利用了冷板单元之间的空间。

在本实用新型的较优技术方案中，晶圆冷却装置被配置为与第一机械臂及第二机械臂耦合，其中，第一机械臂向冷板单元执行晶圆传送操作时所需的法向间距小于第二机械臂。

进一步地，在本实用新型的较优技术方案中，多个冷板单元以第一预设间距等间距层叠设置，第一预设间距等于第一机械臂完成晶圆传送操作所需的法向间距，该法向间距将容许第一机械臂直接在晶圆之间的空间中执行晶圆传递操作，同时最大化地降低了多个冷板单元的空间占用。

同时为了克服以第一预设间距等间距设置带来的第二机械臂缺少晶圆转移操作的空间问题，本较优技术方案提供的晶圆冷却装置中的支撑件还具有间距调整装置，该间距调整装置能够通过调整连接臂的位置，改变冷板单元的层间距。该间距调整装置可以是被动的、人为调整的，也可是由马达驱动的、自动完成调整的。通过调整冷板单元的层间距，可以改变冷板单元上方的法向空间大小，进而容许第二机械臂进入并完成晶圆传送操作，同时不影响冷却装置的总空间占用。

更进一步地，在本实用新型的本较优技术方案中，至少一部分冷板单元具有识别传感器，能够判断向该冷板单元传送晶圆的机械臂为第一机械臂或第二机械臂。所述识别传感器优选设置于冷板单元异于与连接臂连接的一侧，以使晶圆传送过程避开与连接臂可能的碰撞，不会导致机械臂或晶圆的损坏。

与识别传感器配合地，间距调整装置为自动根据信号反馈调整层间距的自动化设备，当识别传感器检测到向该冷板单元传送晶圆的机械臂为第二机械臂时，该间距调整装置将自动增大冷板单元上方的层间距，直至该层间距大于等于所述第二机械臂完成晶圆传送操作所需的法向间距。

此外，在本较优技术方案的另一方面，间距调整装置还可以包括状态回复模块，该状态回复模块能够使多个冷板单元在完成晶圆传送操作后回复到以第一预设间距层叠设置的状态，从而使各冷板单元回复均匀分布，提高冷板单元的散热效率，防止部分冷板单元之间距离过近、传热明显而互相干扰。

在本实用新型的较优技术方案中，多个冷板单元以第二预设间距等间距层叠设置，第二预设间距等于第二机械臂完成晶圆传送所需的法向间距。以与之耦合的机械臂中法向空间需求较大者的法向间距作为冷板单元的层间距，可以容许所有机械臂无碍进入并传递晶圆，同时在此基础上尽可能地缩减空间占用。

本实用新型还提供了相应的具有晶圆冷却装置的匀胶显影机和光刻设备。

附图说明

图1是现有技术中具有单臂抓手的第一机械臂结构示意图；

图2是现有技术中具有双臂抓手的第二机械臂结构示意图；

图3是本实用新型一个实施方式中的晶圆冷却装置的结构示意图；

图4是图3实施方式中晶圆冷却装置各冷板单元层间距调整方式的示意图。

具体实施方式

如背景技术所述，现有技术中的冷板设计通常为单片的冷板结构，每个单片的冷板被安装在独立的壳体中，在壳体中，冷板的上方需要预留足够的空间供机械臂进入并完成晶圆传送操作。

实际情况中，轨道机台在腔体之间传送晶圆的机械臂经常采用不同类型的抓手抓取晶圆，例如单臂抓手和双臂抓手。其中，如图1所示，单臂抓手采用单个托状抓臂101承载晶圆，托状抓臂101上设置有多个真空负压垫102，真空负压垫102与晶圆接触位置能够形成局部真空，以利用大气压力将晶圆与单臂抓手固定。双臂抓手的结构如图2所示，双臂抓手包括一个托状抓臂201和一个晶圆上夹202，其中托状抓臂201可以承托晶圆，同时利用其具有的多个真空负压垫203将晶圆与托状抓臂201固定；晶圆上夹202则通过与托状抓臂201的配合，将晶圆沿四周夹住，进一步提高了双臂抓手对晶圆固定的稳定性。

具有不同类型抓手的机械臂，不仅在晶圆法向上的厚度并不相同，而且在进行晶圆传送操作时，由于转移操作的执行方式不同，其对于被传送位置的法向空间的大小要求也是完全不同的。例如，图1中的具有单臂抓手的第一机械臂1和图2中具有双臂抓手的第二机械臂2，由于自身结构和传递晶圆方式的不同，第二机械臂2相较第一机械臂1而言需要冷板上方预留出更大的空间以完成晶圆传递过程。因此，对于传统的独立配备壳体的冷板装置，为了满足不同种类机械臂的进样需求，总是需要预留出足够的空间供不同机械臂进出，进而造成较大的空间浪费。

下面参照附图来描述本实用新型的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非旨在限制本实用新型的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其做出调整，以便适应具体的应用场合。

需要说明的是，在本实用新型的优选实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或组成部分必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“配合”、“耦合”应做广义理解，例如，本实用新型中的“耦合”可以是直接耦合，也可以通过中间媒介间接耦合，可以是两个组成部分的配合关系。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

鉴于现有技术的上述缺陷，本实施方式首先提供了一种晶圆冷却装置，其结构如图3所示，包括多片层叠设置的冷板单元301，每片冷板单元301均通过左侧的杆状连接臂303而与支撑件302连接。不同于以往每片冷板单元301均单独配备壳体及支架的安装方式，本实施方式提供的晶圆冷却装置将多片冷板单元301整合在同一装置中，采用层叠设置的方式，相邻两块冷板单元301之间不设置额外的支架，而将支撑件302以及与支撑件302连接的连接臂303设置在冷板单元301一侧，有效提升了空间的利用效率，进而提高机台产能。

如图4所示，在上述层叠结构的基础上，为了进一步缩减装置尺寸，提升空间利用效率，本实施方式提供的晶圆冷却装置还优化了具体的装置结构及参数。例如，当晶圆冷却装置被安装在同时使用图1提供的第一机械臂1和图2提供的第二机械臂2的半导体工艺设备中时，如何确定不同冷板单元301之间的层间距(d1～d5)，以进一步缩减装置尺寸成为亟待解决的问题。

当第一机械臂1需要向晶圆冷却装置上的某一冷板单元301传送晶圆时，由于第一机械臂1单臂抓手自身的厚度以及执行传送操作所需的空间要求，需要保证该冷板单元上方预留出一定的法向间距，以本实施方式中各冷板单元301平行设置为例，所述法向间距指该待传送晶圆的冷板单元与该冷板单元上方的相邻冷板单元之间的间隔距离。需要说明的是，在本实用新型的其他实施方式中，所述冷板单元301也能够以其他非平行的方式设置，此时，所述法向间距是指能够使该待传送晶圆的冷板单元上方空间适合供机械臂伸入并完成晶圆传送操作的沿待转移晶圆法向的特征距离。本实施方式中，令所述第一机械臂1完成所述晶圆传送操作所需的法向间距为D1，所述第二机械臂2完成所述晶圆传送操作所需的法向间距为D2。

因此，在本实施方式中，为了使所述晶圆冷却装置能够完成不同机械臂的传送操作，需要确保在晶圆传送时，待传送晶圆的冷板单元上方的层间距dn能够大于等于所述第二机械臂2(即不同机械臂中所需法向间距较大者)向冷板单元执行晶圆传送操作时所需的法向间距D2。

本实用新型的发明人在完成本实用新型创造的过程中想到，可以通过增加间距调整装置(图中未示出)，在需要执行晶圆操作时临时增大待传送晶圆冷板单元上方的层间距dn，使其大于D2，而在不执行晶圆传送操作时，保持各冷板单元301以一较低间距设置，从而减小冷板单元301上方的空间占用。间距调整装置的具体构成在此未具体说明，只要是能够实现层间距的调整的构成即可，举例来说，可以是由驱动电机带动与各冷板单元的连接臂进行连接的滑块在升降柱上运动，从而改变层间距。

同时，为了提高晶圆传送的运行效率，避免每次执行晶圆传送均需要改变层间距，本实施方式中，如图4左侧所示，各冷板单元301在不执行晶圆传送操作时各冷板单元301之间的各层间距(d1～d5)以第一预设间距层叠设置，该第一预设间距等于所述第一机械臂1完成晶圆传送操作所需的待传送晶圆冷板单元上方的法向间距D1。该设置方法使得晶圆冷却模块在接收第一机械臂1传来的晶圆时，无需改变各冷板单元301之间的层间距，直接接收即可。

当本实施方式中的晶圆传送装置需要接收来自第二机械臂2传送的晶圆时，所述晶圆传送装置需要改变各冷板单元301之间的层间距以容许所述第二机械臂2进入并完成晶圆传送操作。根据D1和D2的关系不同，该层间距的改变方式也略有不同。具体地，当D1和D2相差较大时，需要调整多块冷板单元301的层间距大小。例如，在本实施方式中，当接收来自第二机械臂2的晶圆时，各冷板单元301之间的层间距(d1～d5)中，除了待传送晶圆冷板单元上方的层间距dn(本实施方式中为d4)，均需要同时减小为d1’、d2’、d3’、d5’，以腾挪出供第二机械臂2进入并完成晶圆传送操作的层间距d4’。在本实用新型的其他实施方式中，当D1和D2相差不大时，也可以单独调整待传送晶圆冷板单元上方的相邻冷板单元301的位置，以增大层间距dn，使其容许第二机械臂2进入并完成晶圆传送操作。

为了实现以上功能，继续参考图3，本实用新型的晶圆冷却装置中的至少一部分冷板单元301安装有识别传感器304，所述识别传感器304能够判断向该冷板单元传送晶圆的机械臂为第一机械臂1还是第二机械臂2。识别机械臂种类后，晶圆冷却装置可以根据识别结果，决定层间距的调整策略，并控制所述间距调整装置执行该策略。本实用新型中，所述识别传感器304安装在冷板单元301异于所述连接臂303的一侧，还能够识别机械臂的长度以防止过度伸入，从而防止晶圆传送过程中从右侧伸入的机械臂与连接臂303碰撞而导致的机械臂或晶圆的损坏。在本实用新型的其他实施方式中，顶部冷板单元301上方的空间较为富余，可以省略该冷板单元301上安装的识别传感器，以减少成本。

本实施方式中，所述间距调整装置还包括状态回复模块(图中未示出)，该状态回复模块用于保证每次完成与第二机械臂2的晶圆传送操作后，各冷板单元301可以回复到以第一预设间距层叠设置的状态。该模块的使用不仅方便后续晶圆转移步骤的控制优化，还使处于冷却状态的各晶圆及冷板单元301均匀分布，提高了冷板单元301的散热效率，防止部分冷板单元301之间距离过近而因传热互相干扰。该状态回复模块的构成没有特别限定，只要通过逻辑电路的组合而实现位置回复即可。

在本实用新型的其他实施方式中，各冷板单元301还能够以第二机械臂完成晶圆传送操作所需的法向间距D2为预设间距层叠设置。该设置方式可以将各冷板单元301直接固定在所述支撑件302上，无需增设间距调整装置或识别传感器304，减少装置成本，同时一定程度地提高了空间的利用效率。

需要说明的是，本实施方式中，所述冷板单元301表面还设置有顶针305、衬垫(spacer)306、间隔区307。其中所述顶针305用于配合机械臂将晶圆转移至冷板单元301上；所述衬垫306用于承托晶圆，部分所述衬垫306中还设置有温度传感器(图中未示出)，以监测晶圆温度；所述间隔区307用于传送晶圆时各机械臂的真空负压垫降落，将晶圆放置于冷板上。

本实施方式还提供了具有该晶圆冷却装置的匀胶显影机以及相应的光刻设备，应当理解的是，任何不偏离本实用新型的主旨，通过改进晶圆冷却装置，使晶圆冷却装置的空间占用减小，从而免除了晶圆冷却对产能限制的产品，包括匀胶显影机及光刻设备，均被包含在本实用新型的保护范围之内。

至此，已经结合附图描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。