JP2003264137A

JP2003264137A - 膜形成法および装置

Info

Publication number: JP2003264137A
Application number: JP2002063710A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Iiyama; 智紀飯山; Katsutoshi Nakamura; 勝利中村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】基板上に化合物が溶媒に溶けた液を塗布し、
真空と加熱によって溶媒を乾燥することによって膜形成
する方法において、乾燥後、真空加熱によって得られた
良好な膜厚分布の膜を保ったまま取り出す膜形成法と、
装置を提供する。【構成】真空乾燥後、大気圧開放するまでに、膜温度
を下げ、粘度を上げることで、気圧変化による膜変形を
防ぐ事と、そのための、真空中での膜冷却方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空加熱により溶
媒を乾燥することによる成膜方法に関するものであり、
特に、真空加熱後の真空中での冷却方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】レジストなどの膜形成方法としては、膜
材料を、例えばスピンコートやスリットコートといった
手法を用い、ウエハ上やガラス基板上に塗布し、膜を形
成する方法がある。しかし、塗布のみで膜を形成できる
材料は高粘度であるため膜を均一に形成することは困難
である。そのために、膜材料をある溶媒で希釈し、その
塗膜を均一に塗布した後に、プリベーク工程による加熱
で希釈溶媒を揮発させて除去を行ない、膜形成を行な
う。

【０００３】この方法では希釈溶媒と、膜材料である固
形分の割合が重要であり、例えば固形分濃度５０％の液
なら、塗布すべき塗膜は、最終膜厚の２倍程度というこ
とになる。薄膜形成においては、最終膜厚が薄いため
に、塗布する塗膜は薄くて済むが、最終膜厚が数十μｍ
となる厚膜塗布においては、塗布する塗膜は数百μｍと
なる場合が多い。

【０００４】厚膜塗布のように、塗膜が厚くなると、そ
の液の量、粘度やプリベーク条件により、膜形成までの
間に塗膜が流れることによる膜変形が起こり、最終形成
膜の膜厚分布、表面粗さを悪化させる。

【０００５】そこで、厚膜形成を行なう方法として、薄
膜塗布を重ね塗りして厚膜を形成する方法や、速乾燥性
の溶媒で希釈した溶液を用い、塗膜形成後、溶媒をなる
べく早く揮発させ、塗膜から膜形成までの膜変形を極力
抑えて平滑な厚膜を形成する方法がある。また、プリベ
ークの手法からは、ベーク時の膜温度を精密に制御し
て、膜厚分布の悪化を防ぐことが考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、薄膜塗布を重
ね塗りして厚膜を形成する方法では、塗膜とプリベーク
工程が増え、タクトが長くなる問題がある。また、レジ
スト上にレジストを塗るのが困難な場合、たとえば撥水
膜の重ね塗りなどは、重ね塗りをする際、下の膜が上の
塗膜をはじいてしまい塗膜が形成できないことがある。

【０００７】また、ホットプレートに塗膜を塗布したウ
エハやガラス基板をおき、加熱することで溶媒を揮発さ
せるとき、大気圧下では、膜近傍の大気の温度が上昇
し、膜上方の雰囲気で対流が起こる。塗膜自体低粘度で
あり、さらに加熱により粘度が低下している状態では、
この対流が生じさせる気流に塗膜表面がさらされること
で、表面に荒れを発生させてしまう。これによ
り、膜厚分布、表面粗さともに悪化してしまう。また、
塗膜の膜厚深さ方向でも、表面からの放熱と下部からの
加熱による温度差が生じ、液自体が対流を起こす。これ
もまた、膜厚分布、表面粗さを悪化させる。

【０００８】そこで、ベーク手法による対策として、例
えば特開平７−２５４５４５の方法を用い、加熱、冷却
時の昇温、降温レートを制御して温度勾配、加熱・冷却
スピードを制御し、膜厚分布の悪化を防ぐことが考えら
れる。しかし、大気、もしくは大気圧の窒素雰囲気など
でこの手法を用いても、例えば、温度勾配を低くするた
めに、加熱スピードを遅くし、昇温レートを下げた場合
では、溶媒がなかなか揮発しないため、粘度が低い状態
での保持時間が長くなり、その結果液の流動が起きてし
まうので膜厚分布は悪化する。また、加熱スピードを早
くし、昇温レートを上げた場合は、雰囲気気体の温度勾
配が急になり、対流が発生するために膜厚分布は悪化す
る。昇温で荒れた膜面の、降温時の膜温度制御による修
復は困難であり、昇温時に、いかに膜厚分布を良好に保
つかが重要になってくる。結局、大気圧下においては、
プリベーク方法により、厚膜の膜厚分布の悪化を防ぐの
は困難である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、基板上に形成された塗膜を、真空中で加
熱し溶媒を揮発させた後に、真空中で膜を冷却し大気開
放することで膜厚分布の悪化を防ぐことと、ホットプレ
ート温度を変えることなく、半導体基板をホットプレー
トから離すことで加熱を止め、さらに、表面の放射率を
高くした冷却プレートを基板上方に設置することによ
り、基板を冷却プレートに接近させるだけで、真空中で
も基板を冷却できるようにした。これにより、気圧変化
による膜変形を抑制し、加熱プレート温度を変えないこ
とで、プレート温度の昇降時間がなくなり、タクトアッ
プが可能になる。

【００１０】出来るだけ早く塗膜中の溶媒を揮発させ、
かつ、塗膜、雰囲気の熱分布の不均一によるプリベーク
時の塗膜の流動を最小限にするために、厚膜形成時のプ
リベークは真空中で行なうことが必要となる。

【００１１】真空中では、膜近傍の気体が希薄なため、
熱による対流が抑えられ、膜面のうねりを防止すること
ができ、膜厚分布、膜の表面粗さの悪化を防ぐことが出
来る。また、真空の断熱効果により塗膜表面からの熱の
流出が抑えられ、塗膜の深さ方向の熱勾配が小さくな
る。これにより塗膜自体の熱対流が防止され、膜厚分
布、表面粗さの悪化を防ぐことができる。

【００１２】さらに、減圧下でプリベークを行なうこと
で、より早く、多く溶媒を飛ばすことができる。大気圧
下のプリベークに対して、真空中では塗布膜中の溶媒の
沸点が降下するため、膜の温度上昇は同じでも真空下の
方がより早く沸点に到達する。これにより溶媒の減少に
よる膜の硬化が早く進み、かつ、最終的な塗布膜中の溶
媒残留量が少なくなり、塗膜流れによる膜厚分布の悪
化、膜表面の荒れを軽減することができる。

【００１３】しかしながら、真空中でのプリベーク工程
においては、真空加熱後、ワークの取り出しの際、減圧
状態にある雰囲気を、大気圧まで戻す必要がある。この
とき、ワークを加熱状態でリークを行なうと、高温で膜
の粘度が低くなっている物については、膜自身がやわら
かくなっているために、膜表面が荒れるという問題があ
る。やわらかい厚膜に対して、リーク時の気流が影響を
与えるのはもちろん、気流を直接膜面にあてなくとも、
雰囲気の圧力変化の影響により、膜表面のあれは起こ
る。膜がやわらかい状態で加圧することは、膜厚分布、
膜表面の表面粗さを悪化させる。そこで、大気解放前に
膜を冷却し、大気開放による膜変形を防ぐ必要がある。

【００１４】またその冷却方法も、真空環境下であるた
め、雰囲気の物性による伝熱、対流による伝熱が著しく
低下し、輻射による伝熱が支配的になってくる。そのた
め、真空中での冷却では輻射による伝熱を考慮する必要
がある。例えば、ワークの冷却方法として、加熱プレー
トを冷媒などにより冷却させ、それによってワークを冷
却する方法が考えられる。ワークと加熱プレートが接触
しているときは、加熱プレートの冷却にワークの冷却が
追従し、加熱プレートが冷えればワークも冷える。この
場合、真空下でのワークの冷却速度は、加熱プレートの
冷却速度に依存する。しかし、この方法では、加熱プレ
ート自体を冷却する必要があるために、ワークのみを冷
却することに比べ、加熱プレートの冷却速度によりワー
クの冷却時間が長くなってしまう問題があり、さらに次
のワークを加熱するときに再び加熱プレート温度を上げ
る必要があるので、タクトが長くなってしまう。また、
加熱プレートを冷却速度を速くするためには、例えば、
加熱プレート内に冷媒の通る管を作成する必要があり、
構造の複雑化、装置のコストアップを招いてしまう。

【００１５】そこで、加熱プレート温度によらない冷却
方法を考えた場合、例えば、他に冷却プレートを設置
し、そこに加熱後のワークを移動させて冷却することが
考えられる。しかしこの場合、真空チャンバーの大きさ
が大きくなってしまい、また、搬送用の装置を真空チャ
ンバー内に設置する必要があり、装置が大型、複雑にな
り、コストが増えてしまう。そこで、冷却プレートを加
熱プレートの上方に設置し、ワークを上昇させることで
加熱プレートからワークを離し、かつ、上方に設置した
冷却プレートに近接することで、ワークを冷却すること
を考える。大気中ならば、雰囲気気体による熱伝導、お
よび対流による伝熱が主な熱伝達パラメーターであり、
これによる熱移動は容易に行なわれるので、冷却プレー
トに近接するだけで、ワークを速やかに冷却することが
できる。しかしながら、真空中では、雰囲気による伝熱
が小さいため、ワークを冷却プレートに近接させても、
冷却速度は遅くなってしまう。

【００１６】そこで、真空中においては、ワークからの
輻射による熱エネルギーの放出を、冷却プレートがどれ
だけ効率よく吸収するかが重要になる。そのため、冷却
プレートの表面を放射率の高い物で構成することで、ワ
ークからの輻射熱を、近接するだけでも十分に吸収でき
るようにし、真空中でのワークの冷却スピードを上げる
ことができる。

【００１７】また、真空中では雰囲気を媒介とした伝熱
が抑えられるので、加熱プレートの温度を下げなくて
も、ワークを加熱プレートから離すことで加熱プレート
からの熱伝導を抑えることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面によって本発明の
実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係
わる膜形成装置の構成である。同図において、１０１は
上面に膜が形成された基板、１０２は加熱プレート、１
０３は冷却プレート、１０４は基板を支持するピン、１
０５は１０４のピンを上下させるモーター、１０６は加
熱プレートのコントローラー、１０７は真空チャンバ
ー、１０８はストップバルブ、１０９は真空ポンプ、１
１０は１０４の支持ピンの昇降コントローラーである。

【００１９】はじめに基板上に塗膜を形成する。塗膜の
形成は、例えばスピンコートやスリットコートなどであ
る。塗膜が厚くなり、大気下でのプリベークでは良好な
膜厚分布が得られない場合、真空ベークの必要がでてく
る。上面に塗膜が形成された基板を真空チャンバー内の
ピンに設置し、その後真空チャンバー内を減圧し、真空
中でのプリベークを行なう。膜の形成に必要な加熱を行
なった後、真空中で膜の冷却工程を行なう。１０４の支
持ピンを１１０のコントローラーと１０５のモーターを
用いて、上方にリフトアップし、加熱プレートから離す
ことで、膜の加熱を停止する。それと同時に上方の冷却
プレートに、膜があたらないように近接させ、基板と冷
却プレートの熱勾配により基板を冷却する。大気開放に
よる膜変形を起こさなくなるための膜の冷却温度は、膜
の物性値により異なり、またプリベーク時の真空度と大
気圧との差圧により異なるので、膜の種類によりおのお
の設定を行なう。また、冷却プレートは、冷却時の膜か
らの輻射熱を効率よく吸収するために、放射率の高い材
料を使う。膜変形の起こらなくなる温度まで冷却を行な
った後、チャンバー内を大気開放し、基板を取り出す。
この手法では、ホットプレート温度を一定に保っている
ため、基板の取り出し直後に次の基板のプリベークを開
始できるので、タクトを短縮することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。

【００２１】（実施例１）φ１５０ｍｍのシリコンウエ
ハ上に、下記組成物からなる溶液をスリットコート法
で、塗膜厚さ２５０μｍとなるように塗布し、真空中で
のプリベークにより約１２０μｍとなるようにベークを
行なった。組成物重量部ＥＨＰＥ−３１５０（商品名、ダイセル化学工業（株）製）１００ＳＰ−１７０（商品名、旭電化工業（株）製）１．５ジエチレングリコールジメチルエーテル１００塗膜を２５０μｍ塗布したシリコンウエハを、図１に示
す真空チャンバー１０７内の、上下に稼動可能な支持ピ
ン１０４で、加熱プレート１０２に置き、真空ベーク炉
中において、加熱プレート温度１００℃で６分間加熱
し、その後、支持ピン１０４をモーター１０５により上
昇させ、ウエハを上方の冷却プレート１０３に接近さ
せ、冷却する。ウエハ温度を６０℃まで冷却し、大気開
放を行ない、ウエハを取り出した。真空ベークにより形
成された膜面は、大気開放時の加圧により変形すること
なく均一であった。

【００２２】（実施例２）φ１５０ｍｍのシリコンウエ
ハ上に、実施例１と同じ組成物からなる溶液をスリット
コート法で、塗膜厚さ２５０μｍとなるように塗布し、
真空中でのプリベークにより約１２０μｍとなるように
ベークを行なった。

【００２３】塗膜を２５０μｍ塗布したシリコンウエハ
を、図２に示す真空ベーク炉２０４中の加熱プレート２
０２上に導入し、加熱プレート温度１００℃で６分間加
熱し、その後、加熱プレート温度を加熱プレートのコン
トローラー２０３により６０℃まで冷却し、大気開放を
行ない、ウエハを取り出した。真空ベークにより形成さ
れた膜面は、大気開放時の加圧により変形することなく
均一であった。

【００２４】（比較例１）φ１５０ｍｍのシリコンウエ
ハ上に、実施例１と同じ組成物からなる溶液をスリット
コート法で、塗膜厚さ２５０μｍとなるように塗布し、
真空中でのプリベークにより約１２０μｍとなるように
ベークを行なった。

【００２５】塗膜を２５０μｍ塗布したシリコンウエハ
を、図２に示す真空ベーク炉２０４中の加熱プレート２
０２上に導入し、加熱プレート温度１００℃で６分間加
熱し、その後、加熱プレート温度を１００℃のまま大気
開放を行ない、ウエハを取り出した。形成された膜面
は、大気開放時の加圧により変形を起こし、目視による
観察で表面が荒れ、膜厚分布も、膜全面について悪化す
ることが観察された。

【００２６】（比較例２）φ１５０ｍｍのシリコンウエ
ハ上に、実施例１と同じ組成物からなる溶液をスリット
コート法で、塗膜厚さ２５０μｍとなるように塗布し、
大気中でのプリベークにより約１２０μｍとなるように
ベークを行なった。

【００２７】塗膜を２５０μｍ塗布したシリコンウエハ
を、図３に示す、上下に稼動可能な支持ピン３０４で、
加熱プレート３０２上に置き、大気圧下において、加熱
プレート温度１００℃で６分間加熱し、その後、支持ピ
ン３０４をモーター３０５により上昇させ、ウエハを上
方の冷却プレート３０３に接近させ、冷却する。ウエハ
温度を６０℃まで冷却し、ウエハを取り出した。大気中
でのプリベークにより形成された膜面は、目視による観
察で表面が荒れ、膜厚分布も、膜全面について悪化する
ことが観察された。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
膜形成法の、特に、真空中でのプリベーク後、大気開放
時における圧力変化による膜変形、それによる膜表面の
荒れ、膜厚分布の悪化を防ぎ、真空中でのプリベークに
より形成される良好な膜の取り出しを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を説明する図である。

【図２】実施例での実験を説明する図である。

【図３】実施例での実験を説明する図である。

【符号の説明】

１０１上面に膜が形成された基板１０２加熱プレート１０３冷却プレート１０４基板を支持するピン１０５１０４のピンを上下させるモーター１０６加熱プレートのコントローラー１０７真空チャンバー１０８ストップバルブ１０９真空ポンプ１１０１０４の支持ピンの昇降コントローラー２０１上面に膜が形成された基板２０２加熱プレート２０３加熱プレートのコントローラー２０４真空チャンバー２０５ストップバルブ２０６真空ポンプ３０１上面に膜が形成された基板３０２加熱プレート３０３冷却プレート３０４基板を支持するピン３０５３０４のピンを上下させるモーター３０６加熱プレートのコントローラー３０７３０４の支持ピンの昇降コントローラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H096 AA25 AA26 AA27 AA28 CA20 DA00 4D075 BB24Z BB25Z BB36Z BB56Z CA48 DA06 DB13 DB14 DC22 EA45 5F046 JA22 KA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に化合物が溶媒に溶けた液を塗布
し、真空加熱によって溶媒を乾燥することによって膜を
形成する成膜方法において、乾燥後、真空下で膜を冷却
した後に大気圧開放することによって成膜することを特
徴とする膜形成法。
【請求項２】請求項１において、乾燥後、真空下で加
熱プレートから基板を離すことで膜を冷却することを特
徴とする請求項１に記載の膜形成法。
【請求項３】請求項１において、上面に設置された冷
却プレートに基板を近接させ、膜を冷却させることを特
徴とする請求項１に記載の膜形成法。
【請求項４】請求項３の冷却プレートは、基板からの
輻射熱吸収のため、表面もしくは全体が、放射率の高い
物で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の
膜形成法。