JP2001102276A - 基板加熱装置及び基板加熱方法 - Google Patents
基板加熱装置及び基板加熱方法Info
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Abstract
基板加熱装置において、精度のよい温度制御を行うこと
を可能にする。 【解決手段】 ベース基板1b上に薄膜1aが形成され
た被処理基板1を加熱する基板加熱装置であって、被処
理基板の薄膜を選択的に加熱可能な加熱部3と、薄膜の
温度T1及びベース基板の温度T2に関連する温度情報を
検出する温度検出部2a、2bと、薄膜の処理温度
Ts、温度検出部で検出された温度情報から得られる薄
膜の温度T1及びベース基板のT2に基づいて加熱部を制
御する制御部7とを備える。
Description
基板加熱方法、特にレジスト等の薄膜が形成された被処
理基板の加熱技術に関する。
ベース基板上にレジスト等の薄膜が形成された被処理基
板を加熱或いは冷却する際に、レジストやベース基板の
温度のばらつきがパターンの寸法のばらつきに反映す
る。そのため、パターンが微細化されるにしたがって、
より高精度な温度管理が求められている。
B(Post ExposureBaking)では、
マスク面内での温度の均一性が非常に重要であるが、従
来はヒーター加熱を用いた加熱方法が一般的であった。
ヒーター加熱方式では、マスク面内での温度の均一性を
高めるために、熱伝導率の高いプレートにマスク基板
(被処理基板)を埋め込むとともに、被処理基板の上方
にも所望の温度に設定されたプレートを設けている。ま
た、上方プレートと被処理基板との間の空気について
も、気流及び温度を制御するようにしている。
常状態ではマスク面内において良好な温度均一性を示す
が、マスクが加熱されつつある過渡期においては、ベー
ス基板となる石英基板の熱伝導の低さと熱容量が大きい
ことに起因して、マスク面内に温度分布が生じる。その
ため、マスク面内でのパターン寸法の均一性が悪化する
という問題があった。
方式が検討されている。このランプ加熱方式では、ラン
プの波長を適当に選ぶことにより、石英基板を直接加熱
せずに、レジストや遮光膜等の被加熱薄膜を選択的に加
熱することが可能である。そのため、被加熱薄膜の温度
を短時間で目標温度に到達させることができるととも
に、マスク面内の温度分布のばらつきも低減させること
が可能と考えられている。
は、以下に示すような問題を有している。
介した熱伝導によって被加熱薄膜を加熱しているため、
石英基板と被加熱薄膜との間で大きな温度差が生じるこ
とはなかった。そのため、熱の移動は非常に小さく、被
加熱薄膜の温度応答性はそれほど敏感ではなかった。し
たがって、被処理基板の測定温度に基づいて加熱を行う
場合、一通りの制御関数及び制御定数を用いて温度制御
を行うことが可能であった。
を直接加熱する場合は、加熱直後において被加熱薄膜と
石英基板との間に非常に大きな温度差が生じ、時間の経
過とともに両者の温度差は徐々に小さくなる。両者の温
度差によって被処理基板表面での温度応答速度が大きく
変化するため、一通りの制御関数を用いて被処理基板表
面の温度制御を行うことは非常に困難である。また、制
御分野で一般的に用いられているPID制御法を適用す
る場合にも、目標値に対する応答性をよくすると被処理
基板表面で温度変化が生じたときの制御応答が悪くな
り、基板表面で温度変化が生じたときの制御応答をよく
すると、目標値に対する応答性が悪くなるという問題が
ある。
等の被加熱薄膜が形成された被処理基板を加熱する場
合、従来のヒーター加熱方式に代わって、被加熱薄膜を
選択的に加熱することが可能なランプ加熱方式が提案さ
れている。しかしながら、被加熱薄膜を選択的に加熱す
ることから、被加熱薄膜と石英基板等のベース基板との
間に大きな温度差が生じ、精度のよい温度制御を行うこ
とが困難であった。
ものであり、被加熱薄膜を選択的に加熱することが可能
な基板加熱装置及び基板加熱方法において、精度のよい
温度制御を行うことを可能にすることを目的としてい
る。
に薄膜が形成された被処理基板を加熱する基板加熱装置
であって、前記被処理基板の前記薄膜を選択的に加熱可
能な加熱部と、前記薄膜の温度T1及び前記ベース基板
の温度T2に関連する温度情報を検出する温度検出部
と、前記薄膜の処理温度Ts、前記温度検出部で検出さ
れた温度情報から得られる前記薄膜の温度T1及び前記
ベース基板の温度T2に基づいて前記加熱部を制御する
制御部と、を備えたことを特徴とする。
加熱する場合、薄膜とベース基板との間に大きな温度差
が生じるおそれがあるが、本発明では、薄膜の処理温度
Ts及び薄膜の温度T1の他に、ベース基板の温度T2も
考慮して加熱部を制御するので、薄膜とベース基板との
間に大きな温度差が生じていても、精度のよい温度制御
を行うことが可能となる。
熱部に対する制御特性を互いに異ならせるものであるこ
とが好ましい。このように、複数の期間それぞれで制御
特性を異ならせることにより、ハンチング等を抑制した
より的確な温度制御を行うことが可能となる。具体的に
は、以下の態様があげられる。
間において薄膜の温度T1及びベース基板の温度T2を含
む関数によって表される。
膜の処理温度Tsに達する時点又はそれよりも前の時点
である所定時点taを境にして制御特性を異ならせるも
のである。
該温度T1の上昇率に基づいて薄膜の温度T1が薄膜の処
理温度Tsに達する時点を予測し、その予測結果に基づ
いて所定時点taを決定するものである。
成されていることが好ましい。
れた側にそれぞれ設けられた第1の温度検出部と第2の
温度検出部とからなり、前記第1の温度検出部は前記薄
膜の温度情報を選択的に取得可能な波長域(波長域A
1)の光を検出するものであり、前記第2の温度検出部
は少なくとも前記ベース基板の温度情報を取得可能な波
長域(波長域B1)の光を検出するものである。この場
合、具体的には、第1の温度検出部は薄膜を透過しない
波長域の光を検出するものであり、第2の温度検出部は
薄膜をある程度透過し且つベース基板をある程度透過す
る波長域の光を検出するものであることが好ましい。
れた側に設けられた第1の温度検出部と、前記被処理基
板の前記薄膜が形成された側と逆側に設けられた第2の
温度検出部とからなり、前記第1の温度検出部は前記薄
膜の温度情報を選択的に取得可能な波長域(波長域A
2)の光を検出するものであり、前記第2の温度検出部
は少なくとも前記ベース基板の温度情報を取得可能な波
長域(波長域B2)の光を検出するものである。この場
合、具体的には、第1の温度検出部は前記薄膜を透過し
ない波長域の光を検出するものであり、第2の温度検出
部はベース基板をある程度透過する波長域の光を検出す
るものであることが好ましい。
膜がクロム等の遮光膜上にレジスト等の感光性膜を形成
したものである場合を想定する。
に、第1の温度検出部は被処理基板の薄膜が形成された
側に設けられているため、上記波長域A1或いはA2を
適当な範囲に設定することにより、薄膜の温度情報のみ
を取得することが可能となる。また、上記構成(1)で
は、第2の温度検出部は被処理基板の薄膜が形成された
側に設けられているため、第2の温度検出部とベース基
板との間には薄膜が介在することになるが、上記波長域
B1を適当な範囲に設定することにより、ベース基板の
温度情報を取得することが可能となる。また、上記構成
(2)では、第2の温度検出部は被処理基板の薄膜が形
成された側と逆側に設けられているため、第2の温度検
出部とベース基板との間には薄膜が介在しておらず、上
記波長域B2を適当な範囲に設定することにより、ベー
ス基板の温度情報のみを取得することも可能となる。
参照して説明する。
ついて、半導体装置の製造工程に使用されるクロムマス
クの試作を例に、図1を参照して説明する。
0.25インチのレジスト付きクロムマスクブランクス
であり、石英基板1b上にクロム膜及びレジスト膜から
なる被加熱薄膜1aが形成されている。
及び2bが設けられている。放射温度計2aは主として
被加熱薄膜1aに関連する温度情報を検出するためのも
のであり、温度計2bは主として石英基板1bに関連す
る温度情報を検出するためのものである。これらの放射
温度計2a及び2bは、それぞれランプの個数に対応し
た個数(9個)ずつ設けられている。このように、被処
理基板1の上方に放射温度計2a及び2bを設けること
により、装置構成を単純化することが可能となる。
ムマスクブランクス)の透過強度の波長依存性を示した
図である。2.68〜2.84μmの波長域及び4.3
1μm以上の波長域では、被加熱薄膜1aの影響によっ
て透過強度はほぼゼロとなっている。2.84μm〜
4.31μの波長域では、被加熱薄膜1a及び石英基板
1bをある程度光が透過する。そこで、放射温度計2a
の検出波長を8〜14μmとし、放射温度計2bの検出
波長を2.8〜4.3μmとなるようにした。なお、
2.68μm以下の波長域でも被加熱薄膜1a及び石英
基板1bをある程度光が透過するため、放射温度計2b
の検出波長を例えば2〜2.7μmとなるようにしても
よい。
=9個のハロゲンランプ3が等間隔に配置されている。
ハロゲンランプ3の最大出力は150Wであり、波長の
ピーク(最大出力)は1100nmである。
4が設けられ、その上部にはライトガイド5が設けられ
ている。フィルター3は、石英基板1bの吸収波長であ
る1.4μm付近の波長及び2.2μm以上の波長をカ
ットする二つのフィルターにより、バンドパスフィルタ
ー構成となっている。したがって、ハロゲンランプ3か
らフィルター4及びライトガイド5を通して被処理基板
1に照射される光は、石英基板1bをほとんど加熱する
ことなく、選択的に被加熱薄膜1aを加熱することにな
る。
示されている。マスク支持体6の本体はステンレスで、
マスク支持部分(端部4点支持)はテフロンで構成され
ている。このマスク支持体6の内部には、温度調節が可
能なように温調水が流れるようになっている。
3は、制御部7によって制御されるようになっている。
すなわち、放射温度計2a及び2bよって得られた温度
情報(9組の放射温度計それぞれの温度情報)が制御部
7に取り込まれ、これらの温度情報に基づいてハロゲン
ランプ3への印加電圧或いは電力が制御される(9個の
ハロゲンランプそれぞれが独立に制御される)。
って得られた温度情報に基づき、以下の演算が行われ
る。
では100℃とする)をTsとし、温度検出部2aで検
出された温度情報に基づいて得られる時刻t(加熱処理
開始時刻を起点とした時刻)における被加熱部1aの温
度をT1(t)、温度検出部2bで検出された温度情報
に基づいて得られる時刻tにおける石英基板1bの温度
をT2(t)とする。
1))において、被加熱部1aの温度T1及び被加熱部
1aの温度上昇率δT1/δtに基づいて、T1=Tsと
なる時刻t1を予測する。Cは任意の値を設定可能であ
るが、ここではC=0.985とする。なお、δ2T1/
δt2をさらに考慮して時刻t1を予測するようにしても
よい。
ランプ3への出力R(t)を、 R(t)=F(Ts−T1,δT1/δt) を用いて決定する。
ランプ3への出力R(t)を、 G(T1−T2)×H(δT1/δt,δT2/δt) を用いて決定する。変数としては、これ以外にも、δ2
T1/δt2及びδ2T2/δt2を用いてもよい。
送が行われるようになっている。また、精密な温度測定
をするために気流の乱れ等が起きないようにするため、
装置外枠9によって測定系は外乱から隔離されるように
なっている。また、図には示していないが、加熱処理時
に発生するガス等を外部に排出する排気ダクトを設けて
あり、有機物等の蒸気が壁に付着しないようにしてあ
る。さらに、装置内のダスト及び雰囲気を管理するため
に、ダストフィルター10及びケミカルフィルター11
が設けられている。
の一例を説明する。
増幅レジストを塗布(レジスト膜厚500nm)し、電
子線描画装置(50keV、7μC/cm2)で露光を
行った被処理基板1を用意した。図示していない位置決
めユニットで位置決めを行った後、搬送アーム8により
被処理基板1を搬送し、マスク支持体6に載置した。被
処理基板1がマスク支持体6に載置された瞬間から放射
温度計2a及び2bによる温度の計測が開始されるよ
う、制御部7にトリガがかけられようになっている。
に、処理時間は40secに設定した。被処理基板1を
マスク支持体6に載置し、放射温度計2a及び2bによ
る温度データを制御部7に取り込みつつ、ハロゲンラン
プ3による加熱処理を開始した。
熱薄膜1aの到達温度T(t)を、 T(t)=T1+(δT1/δt)×Δt) なる式を用いて算出し、T(t)が予め設定した処理温
度(目標温度)Tsになる時刻t1を算出する。本例にお
いては、t1=10.00秒が目標温度到達前に算出さ
れた。また、予め制御部7に設定した数値C(=0.9
85)から、印加電圧を変更する時刻ta(=9.85
秒)が計算された。
(a)、石英基板1bの温度変化(b)及び両者の差
(c)を示したものである。電圧印加後9.85秒間は
出力が100%(100V,150W)の状態で加熱処
理を行い、被加熱薄膜1aの温度は約10.00秒後に
100℃に到達した。
ンランプ3への印加出力は、 V=D×(T1−T2)+E×{(δT1/δt)−(δ
T2/δt)}Δt なる関数を用いた。D、Eは比例定数である。上式を用
いて随時印加電圧の計算を行い、ハロゲンランプ3に電
圧を印加した。その結果を図4に示す。なお、このよう
な関数を用いた理由は、基板表面にある遮光膜(Cr
膜)及び感光性膜(レジスト膜)の温度と石英(なるべ
く遮光膜に近いところ)の温度の差に比例した熱流が生
じ、ハロゲンランプで常に遮光膜及び感光性膜にエネル
ギーが加えられている状態においては、基板の表面温度
はその熱流に比例する関係にあろうことが推察されるか
らである。
性膜の温度情報だけでなく、石英基板の温度情報も考慮
に入れて被処理基板の加熱を行うことにより、応答速度
が非常に早い光照射による感光性膜の加熱も、ハンチン
グ等を生じることなく、昇温状態(T1,T2<Ts)、
準定常状態(T1=Ts,T2<Ts)の両方において、設
定温度Ts±0.2℃の非常に高精度な加熱処理が可能
となった。また、ハロゲンランプの照射領域毎に独立に
温度制御を行うことにより、より高精度の温度制御を行
うことができた。
度によらずほぼ100℃に保ち、加熱処理を開始してか
ら40秒経過したときにハロゲンランプ3に印加する電
圧を微少電圧にし、基板の加熱処理を停止した。図3か
らわかるように、基板の加熱処理を停止したときの石英
基板1bの温度は、70℃程度であった。従って、ハロ
ゲンランプに印加していた電圧を微小にした瞬間に、基
板表面のレジスト膜及びCr膜の温度も70℃まで即座
に低下した。
ーリングユニットに被処理基板1を搬送し、基板の冷却
を行った。
プ現像を行い、さらにクロム膜をドライエッチングし
た。さらに、レジスト剥離、洗浄を行った後、SEMに
てクロムパターンの寸法をマスク面内(130mm□)
で測定した。その結果、マスク上のクロムパターンの寸
法の面内均一性は9.8nm(3σ)であり、均一性に
優れたクロムパターンを得ることができた。
ついて、半導体装置の製造工程に使用されるクロムマス
クの試作を例に、図5を参照して説明する。
であるが、本実施形態では、主として石英基板1bに関
連する温度情報を検出するための放射温度計2bを被処
理基板1の下方に設けている。
mとした。当該波長域は石英基板1bに対して半透明で
あるため、石英基板の内部(遮光膜近傍)の温度が計測
可能である。なお、放射温度計2aの検出波長は、第1
の実施形態と同様、8〜14μmとした。このように、
放射温度計2bを被処理基板1の下方側に設け、放射温
度計2bの検出波長を適当な範囲に設定することによ
り、石英基板の温度情報のみを選択的に検出することが
可能である。
は、温度検出部2aで検出された温度情報に基づいて得
られる時刻tにおける被加熱部1aの温度T1(t)、
温度検出部2bで検出された温度情報に基づいて得られ
る時刻tにおける石英基板1bの温度T2(t)とか
ら、ハロゲンランプ3への出力R(t)を決定するPI
D定数を算出する機能を有する。なお、基板処理温度T
sは、第1の実施形態と同様、100℃に設定した。
いと思われるPID定数を入力しておく。その後、実際
の加熱が開始されると、時刻tにおける被加熱部1aの
温度T1(t)と石英基板1bの温度T2(t)に基づき、{T
1(t)−T2(t)}、{δT1(t)/δt}−{δT2(t)/δ
t}、{δ2T1 (t)/δt2}、{δ2T2(t)/δt2}か
ら、被加熱部1a及び石英基板1bの温度の時間変化を
予測し、予測結果として得られる振動の周期と振り幅か
ら、最適と思われるPID定数を決定する。この作業は
加熱処理中随時行われ、被加熱部1a及び石英基板1b
の温度変化に応じて最適なPID定数で常に制御が行わ
れる。
ジストを塗布(レジスト膜厚400nm)し、電子線描
画装置(50keV、7μC/cm2)で露光を行った
被処理基板1を用意した。図示していない位置決めユニ
ットで位置決めを行った後、搬送アーム8により被処理
基板1を搬送し、マスク支持体6に載置した。被処理基
板1がマスク支持体6に載置された瞬間から放射温度計
2a及び2bによる温度の計測が開始されるよう、制御
部7にトリガがかけられようになっている。
に、処理時間は60secに設定した。被処理基板1を
マスク支持体6に載置し、放射温度計2a及び2bによ
る温度データを制御部7に取り込みつつ、ハロゲンラン
プ3による加熱処理を開始した。図6に、被加熱薄膜1
aの温度変化(a)、石英基板1bの温度変化(b)及
び両者の差(c)を示した。
板1bの温度が共に設定温度Tsよりも低い(T1,T2
<Ts )時には、PID制御の制御定数の組み合せとし
て、P=5(%)、I=4(sec)、D=1(se
c)をデフォルト値として入力した。
部1aの温度T1が設定値になった瞬間(T1=Ts)
に、PIDの制御定数をT1及びT2の温度データに応じ
て変化させ、ハロゲンランプの出力の制御を行った。
するような系であっても、ハンチングやオフセットエラ
ーを生じることなく、昇温状態(T1,T2<Ts)及び
準定常状態(T1=Ts,T2<Ts)の両方において、設
定温度Ts±0.2℃の非常に高精度な加熱処理が可能
となった。また、ハロゲンランプの照射領域毎に独立に
温度制御を行うことにより、より高精度の温度制御を行
うことができた。
ーリングユニットに被処理基板1を搬送し、基板の冷却
を行った。
プ現像を行い、さらにクロム膜をドライエッチングし
た。さらに、レジスト剥離、洗浄を行った後、SEMに
てクロムパターンの寸法をマスク面内(130mm□)
で測定した。その結果、マスク上のクロムパターンの寸
法の面内均一性は9.8nm(3σ)であり、均一性に
優れたクロムパターンを得ることができた。
てPID定数を算出するようにしたが、被加熱部と石英
基板の温度差に応じて予め最適と思われるPID定数を
入力するようにしてもよい。
発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣
旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施するこ
とが可能である。
び薄膜の温度T1の他に、ベース基板の温度T2も考慮し
て加熱部を制御することにより、精度のよい温度制御を
行うことが可能となり、薄膜に対して精度のよい加熱を
行うことが可能となる。
式的に示した図。
度の波長依存性を示した図。
熱薄膜及び石英基板の温度変化並びに両者の温度差を示
した図。
ゲンランプに印加する電圧について示した図。
式的に示した図。
熱薄膜及び石英基板の温度変化並びに両者の温度差を示
した図。
Claims (8)
- 【請求項1】ベース基板上に薄膜が形成された被処理基
板を加熱する基板加熱装置であって、 前記被処理基板の前記薄膜を選択的に加熱可能な加熱部
と、 前記薄膜の温度T1及び前記ベース基板の温度T2に関連
する温度情報を検出する温度検出部と、 前記薄膜の処理温度Ts、前記温度検出部で検出された
温度情報から得られる前記薄膜の温度T1及び前記ベー
ス基板の温度T2に基づいて前記加熱部を制御する制御
部と、 を備えたことを特徴とする基板加熱装置。 - 【請求項2】前記制御部は、複数の期間において前記加
熱部に対する制御特性を互いに異ならせるものであるこ
とを特徴とする請求項1に記載の基板加熱装置。 - 【請求項3】前記制御特性は、少なくとも一の期間にお
いて前記薄膜の温度T1及び前記ベース基板の温度T2を
含む関数によって表されることを特徴とする請求項2に
記載の基板加熱装置。 - 【請求項4】前記制御部は、前記薄膜の温度T1が前記
薄膜の処理温度Tsに達する時点又はそれよりも前の時
点である所定時点taを境にして前記制御特性を異なら
せるものであることを特徴とする請求項2に記載の基板
加熱装置。 - 【請求項5】前記制御部は、前記薄膜の温度T1及び該
温度T1の上昇率に基づいて前記薄膜の温度T1が前記薄
膜の処理温度Tsに達する時点を予測し、その予測結果
に基づいて前記所定時点taを決定するものであること
を特徴とする請求項4に記載の基板加熱装置。 - 【請求項6】前記温度検出部は、前記被処理基板の前記
薄膜が形成された側にそれぞれ設けられた第1の温度検
出部と第2の温度検出部とからなり、前記第1の温度検
出部は前記薄膜の温度情報を選択的に取得可能な波長域
の光を検出するものであり、前記第2の温度検出部は少
なくとも前記ベース基板の温度情報を取得可能な波長域
の光を検出するものであることを特徴とする請求項1に
記載の基板加熱装置。 - 【請求項7】前記温度検出部は、前記被処理基板の前記
薄膜が形成された側に設けられた第1の温度検出部と、
前記被処理基板の前記薄膜が形成された側と逆側に設け
られた第2の温度検出部とからなり、前記第1の温度検
出部は前記薄膜の温度情報を選択的に取得可能な波長域
の光を検出するものであり、前記第2の温度検出部は少
なくとも前記ベース基板の温度情報を取得可能な波長域
の光を検出するものであることを特徴とする請求項1に
記載の基板加熱装置。 - 【請求項8】請求項1〜7のいずれかに記載の基板加熱
装置を用いて、ベース基板上に薄膜が形成された被処理
基板を加熱することを特徴とする基板加熱方法。
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US10/282,114 US6680462B2 (en) | 1999-09-21 | 2002-10-29 | Heat treating method and heat treating apparatus |
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1999
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