JP2006210506A - 塗布方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 樹脂を基板表面に塗布する際に塗布ムラの発生を防止した塗布方法を提供する。
【解決手段】回転塗布装置のコータカップ１８内の湿度を４０〜５０％に維持し、基板１０を保持部１２に保持させ、有機溶剤を基板上に所定量吐出させてから回転数２０００ｒｐｍで回転させる。このとき有機溶剤の蒸発により基板表面の温度が低下し、結露水が生成される。有機溶剤を均一に塗布させていたため基板面に均一に付着し、この状態でレジストをノズル２０から滴下させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置の製造のリソグラフィ工程で用いられるレジスト等の樹脂を基板表面に塗布するための塗布方法に関する。

半導体装置は、様々なパターンの導電性膜や絶縁性膜が積み重ねられて素子が形成されている。半導体装置の製造には、これらの膜にパターンを形成するために写真製版技術を応用したリソグラフィ工程とエッチング工程がある。半導体基板上に形成された膜にパターンを形成する方法について、簡単に説明する。なお、以下では、半導体基板だけでなく、半導体基板上に膜を形成したものも含めて、単に基板と称する。

リソグラフィ工程では、膜上にレジストを塗布し、このレジストに所望のパターンを形成する。ここで用いられるレジストは感光性樹脂成分を有機溶剤に溶解させたものであるため、レジストにパターンを焼き付けた後不要なレジストを除去することで、所望のパターンをレジストに形成することが可能である。その後、エッチング工程でレジストに覆われていない部位の膜を除去した後、レジストを除去する。このようにして、基板上の膜に所望のパターンが形成される。

リソグラフィ工程は大きく分けて３つのプロセスからなる。３つのプロセスとは、レジスト塗布、パターン焼き付けのための露光、および、不要なレジストを除去する現像である。本発明に関連するレジスト塗布方法について、レジスト塗布装置を用いて説明する。なお、レジスト塗布後、加熱して余分な有機溶剤および水分を除去するためのプリベークを行うが、プリベークについては従来と同様なため、その詳細な説明を省略する。

図４はレジスト塗布装置の一構成例を示す断面模式図である。

図４に示すように、レジスト塗布装置は、基板１０を真空吸着して保持する保持部１２と、基板１０を載せた保持部１２を所定の回転速度で回転させるための回転駆動部１４と、配管１５を介してタンクから基板１０にレジストを所定量吐出する吐出部１６と、レジストの飛び散りを防止するためのコータカップ１８と、各部を制御する制御部（不図示）とを有している。また、レジスト塗布前の基板１０を保持部１２に載せたり、レジスト塗布後の基板１０を保持部１２から搬出したりする移載部（不図示）が設けられている。回転駆動部１４、吐出部１６および移載部は制御部と信号線で接続されている。吐出部１６のレジスト吐出口となるノズル２０は、少なくともレジスト吐出時には、保持部１２上に載せられた基板１０の中心の真上に位置している。

次に、図４に示したレジスト塗布装置の動作を簡単に説明する。

操作者が基板１０を収納したカセットをレジスト塗布装置にセットし、処理開始の指示を入力すると、制御部は移載部にカセットから基板１０を１枚取り出させて保持部１２に移動させる。続いて、制御部は、保持部１２に真空吸着で基板１０を保持させた後、吐出部１６に所定量のレジストをノズル２０を介して基板上に吐出させる。その後、予め設定された回転速度で回転駆動部１４を回転させる。基板１０のほぼ中心にレジストが滴下されているため、遠心力によりレジストが基板中心から周辺方向に広がる。レジストを吐出させてから予め決められた時間だけ基板１０を回転させた後、制御部は回転駆動部１４に回転を停止させる。続いて、移載部に基板１０を保持部１２から搬出させる。このようにして基板１０を回転させてレジストを基板表面に均一に塗布する方法をスピンコート法と言う。基板を回転させながらレジストを吐出させたり、レジストを吐出させながら、ノズルを移動させたりすることもある。

上述のようにしてレジストを基板上に塗布する際、基板上の全体に膜厚が均一になるようにレジストを塗布するのが望ましい。基板上にレジストを均一に塗布する方法として、レジスト塗布前に予備塗布液を塗布することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示された方法は、レジストを溶解可能な予備塗布液を基板上に塗布した後、基板表面に残留する予備塗布液の上にレジストを塗布するものである。
特開平９−２４６１７３号公報

塗布したレジストに塗布ムラが生じて膜厚の厚いところと薄いところの差があまりに大きいと、基板内で同一露光量の露光処理をしたとき、基板内でレジストパターンの寸法ばらつきが大きくなってしまう。レジストパターンの寸法ばらつきは、エッチング工程でそのまま膜に転写される。その結果、同一基板に形成される複数の素子の特性ばらつきが大きくなってしまうことなる。

また、レジストを基板に塗布した際、レジストがはじかれてしまうことがある。この場合、基板上にレジストが全く塗布されていない部位ができてしまうことになる。上記文献の方法ではレジストのはじきについては解決できないという問題があった。

本発明は上述したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、樹脂を基板表面に塗布する際に塗布ムラの発生を防止した塗布方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の塗布方法は、
基板表面に均一に水分を付着する工程と、
スピンコート法を用いて前記水分が付着した前記基板表面に樹脂を塗布する工程と、
を有するものである。

本発明では、基板表面に均一に水分が付着しているので、樹脂は、直接基板に接しているのではなく、水分の上を基板表面の中心から周辺方向に均一に拡散する。

本発明では、表面が疎水性の基板でも、樹脂と相性の悪い基板であっても、その基板に樹脂を塗布する際、樹脂がはじかれることなく、膜厚分布と膜厚再現性分布が従来よりも向上する。

本発明の塗布方法は、基板表面に水分が均一に付着した状態で樹脂を塗布するものである。

本実施例の塗布方法を実行するためのレジスト塗布装置について説明する。図１は本実施例で使用したレジスト塗布装置の一構成例を示す断面模式図である。なお、図４と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図１に示すように、本実施例のレジスト塗布装置は、図４に示した構成の他に、有機溶剤を基板上に塗布するための吐出機構と、保持部１２に保持させた基板１０の表面付近の湿度を調整する湿度調整機構とを備えている。

有機溶剤の吐出機構は、図４に示したレジスト用吐出機構と同様であり、吐出部３６と、ノズル３０と、有機溶剤をタンクから吐出部３６に供給するための配管３５とを有する構成である。吐出部３６は制御部（不図示）と信号線で接続されている。

湿度調整機構は、湿度をモニタするための湿度センサ４２と、純水の空気バブリング部を備えた加湿部４４と、加湿部４４で湿度調整されたエアーをコータカップ１８に供給するファン４８とを有している。湿度センサ４２と加湿部４４は湿度制御部４６と信号線５０で接続されている。湿度制御部４６は、湿度センサ４２の値をモニタし、予め設定された湿度を維持するように加湿部４４を動作させる。なお、湿度の調整を、湿度制御部４６の代わりに、レジスト塗布装置の全体を制御する制御部（不図示）が行ってもよい。湿度調整機構を備えたレジスト塗布装置として、大日本スクリーン製造株式会社製の製品モデル「６０Ｂ」の装置がある。湿度調整機構については、特開平１１−２１６３１７号公報および特開２０００−１６４６７０号公報にその構成例が開示されているため、ここではその詳細な説明を省略する。

次に、図１を参照しながら本実施例の塗布方法について説明する。

湿度調整機構によりコータカップ１８内の湿度を４０〜５０％の範囲に維持する。従来と同様にして基板１０を保持部１２に保持させる。その後、有機溶剤を基板上に所定量吐出させ、基板１０を回転数２０００ｒｐｍで回転させる。揮発性により有機溶剤が蒸発すると、気化熱により基板表面の熱が奪われ基板表面の温度が周囲よりも低下し、基板表面に結露現象による結露水が生成される。基板１０を回転させることで、有機溶剤を基板上に均一に塗布させていたため、結露水が基板表面に均一に付着した状態になっている。結露水が基板表面に付着した状態のままレジストをノズル２０から基板１０に滴下させる。それ以降は、従来と同様に行う。

本実施例の塗布方法で、基板表面の膜の種類によらず、基板上にレジストを均一に、再現性よく塗布することができた。その効果をより正確に確認するための塗布実験を行ったので、以下に、その実験について説明する。

塗布実験には、直径６インチのシリコン基板の表面にアルミナを成膜したものを基板として用いた。レジストとしてポリイミド（東レ株式会社製のフォトニース（登録商標））を用いた。基板上目標膜厚は０．２μｍである。塗布方法はスピンコート法である。基板の回転数を２０００ｒｐｍとした。使用した有機溶剤は、乳酸エチル、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）およびＰＧＭＥＡ（プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（１−メトキシ−２−プロピルアセテート））である。

次に、実験水準について説明する。図２は塗布実験の水準を示す表である。

図２に示すように、水準１はポリイミド塗布前に何も処理をしない場合である。水準２は、特許文献１に開示された方法であり、有機溶剤を塗布した後、基板表面に有機溶剤が残っている間にポリイミドを塗布する場合である。水準３は、本発明の塗布方法に相当するものであり、塗布した有機溶剤が蒸発して基板表面に結露が発生し、結露水が残っている間にポリイミドを塗布する場合である。基板表面付近の湿度を２０〜６０％の範囲とした。水準４は、生成された結露水が蒸発して基板表面が乾燥してからポリイミドを塗布する場合である。

続いて、膜厚評価方法について説明する。

ポリイミドの膜厚評価に、基板内膜厚分布と、塗布再現性を示す膜厚再現性を行った。各基板の面内の２５点で膜厚を測定し、膜厚分布を次式の計算により求めた。なお、２５点の膜厚測定点のうち最大値をＭａｘとし、最小値をＭｉｎとしている。Ａｖｅは、測定した２５点の膜厚の平均値である。
膜厚分布（％）＝（（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）／Ａｖｅ）×１００

また、膜厚再現性を次式の計算により求めた。ただし、水準内での膜厚平均値を比較し、膜厚平均値の最大値をＭａｘとし、最小値をＭｉｎとしている。Ａｖｅは、各基板の膜厚平均値について水準内で平均した値である。
膜厚再現性（％）＝（（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）／Ａｖｅ）×１００

次に、レジスト塗布実験の結果について説明する。

図３はレジスト塗布実験の結果を示す表である。図３の水準１に示すように、直接にポリイミドを塗布したらポリイミドがはじかれてしまって、膜厚の評価ができなかった。水準２のうち予備塗布液が乳酸エチルの場合、乳酸エチルが基板表面に残ったままの状態ではポリイミドがはじかれてしまって、膜厚分布および膜厚再現性を評価できなかった。予備塗布液がＮＭＰの場合ではポリイミドを塗布することが可能であったが、膜厚再現性が５％以上であった。

一方、水準３では、湿度２０％の場合にポリイミドがはじかれてしまったが、湿度３０〜６０％の範囲では有機溶剤が乳酸エチルおよびＰＧＭＥＡのいずれの場合も膜厚分布が１％以下であり、膜厚再現性が１％以下であった。

また、水準４では、結露水が基板表面に生成されたが、基板表面が乾燥した後にポリイミドを塗布しており、ポリイミドがはじかれてしまって、膜厚の評価ができなかった。

水準毎の結果をまとめると、以下のようになる。水準１ではポリイミドが表面ではじかれ、塗布ムラが発生した。水準２では膜厚再現性が乏しかった。水準４は、水準１に近い状態であるため、ポリイミドが表面ではじかれ、塗布ムラが発生した。一方、本発明の塗布方法に相当する水準３では、湿度３０〜６０％の範囲で塗布ムラがなく、膜厚分布と膜厚再現性が良好であった。

なお、水準３で湿度２０％の場合にポリイミドがはじかれてしまったのは、結露水の発生量が少なく、水分が基板表面に均一に付着していなかったためと考えられる。また、水準３の結果からは、湿度２０％と３０％の間でいずれの値から塗布性が向上するのか不明であるが、少なくとも湿度３０％以上で良好であることがわかる。さらに、表には示していないが、湿度が６０％よりも大きい場合、極端に大きくなると塗布性は改善されなかった。

塗布実験の結果から、本発明の塗布方法は、表面が疎水性の基板など、樹脂と相性の悪い基板に対して、膜厚分布と膜厚再現性が良好に樹脂を塗布できることがわかる。

本発明の塗布方法では、基板表面に樹脂を塗布する際、予め表面に水分が均一に付着しているため、ポリイミド等の樹脂がアルミナ表面の上に接して拡散するのではなく、水分上を拡散していると考えられる。そのため、疎水性の基板でも、樹脂との相性が悪い基板でも、その表面に均一に水分が付着していることで、樹脂が水分上を均一に拡散することが可能となる。樹脂が基板表面に均一に広がった後では、水分が樹脂から蒸発して、樹脂が直接基板上に塗布された状態になる。

また、スピンコート法では回転する基板と空気との摩擦で静電気が発生し、基板表面が帯電する。この静電気が塗布ムラを起こす原因とも考えられている。本発明の塗布方法では、基板表面に付着した水分が帯電を瞬間的に空気中にスムーズに逃がすことになる。そのため、帯電による影響を抑制して樹脂を基板上に均一に塗布することができる。

本発明の塗布方法では、結露水は気化するため、基板表面の膜を改質させるものではない。そのため、樹脂が塗布される基板表面は、金属膜でもよく、酸化膜および窒化膜等の無機膜でもよく、有機膜でもよい。

なお、本実施例では、基板表面に有機溶剤を塗布することで、有機溶剤が蒸発するときに気化熱を生成させて基板表面の温度を下げているが、他の方法で基板表面の温度を下げてもよい。基板表面の温度を下げる他の方法として、冷却空気を基板表面に吹き付ける方法がある。この場合、レジスト塗布装置に冷却機構を予め設けて制御部と信号線で接続する。そして、制御部は冷却機構が基板表面に冷却空気を吹き付けるタイミングを制御する。

また、基板表面に水分を均一に付着するために結露水を用いたが、他の方法で水分を基板表面に均一に発生させるようにしてもよい。水分を基板表面に均一に発生させる他の方法として、水分のミストを基板表面に噴霧する方法がある。この場合、レジスト塗布装置に噴霧器を予め設けて制御部と信号線で接続する。そして、制御部は噴霧器が水分のミストを基板表面に噴霧するタイミングを制御する。

また、基板表面に結露水を発生させるために有機溶剤を用いているので、有機溶剤は樹脂の可溶性である必要はない。有機溶剤には、実施例で用いたＮＭＰやＰＧＭＥＡの他に、ＥＣＡ（Ｅｔｈｙｌ Ｃｅｌｌｏｓｌｖｅ Ａｃｅｔａｔｅ）、ＥＬ（Ｅｔｈｙｌ Ｌａｃｔａｔｅ）およびＮＢＡ（ｎ−Ｂｕｔｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ）がある。

さらに、塗布する樹脂は、感光性樹脂に限らない。また、有機溶剤系樹脂に限らず、水溶性樹脂であってもよい。利用可能な樹脂として、ノボラック系のレジスト、ＰＨＳ（ポリヒドロキシシチレン）系の化学増幅型レジスト等がある。

本実施例で用いたレジスト塗布装置の一構成例を示す断面模式図である。 塗布実験の水準を示す表である。 塗布実験の結果を示す表である。 レジスト塗布装置の一構成例を示す断面模式図である。

符号の説明

１０ 基板
１２ 保持部
１４ 回転駆動部
１５、３５ 配管
１６、３６ 吐出部
１８ コータカップ
２０、３０ ノズル
４２ 湿度センサ
４４ 加湿部
４６ 湿度制御部
４８ ファン
５０ 信号線

Claims (6)

1. 基板表面に均一に水分を付着する工程と、
   スピンコート法を用いて前記水分が付着した前記基板表面に樹脂を塗布する工程と、
   を有する塗布方法。
2. 前記基板表面に均一に水分を付着する工程は、結露現象により水を該基板表面に生成させることによるものである請求項１記載の塗布方法。
3. 前記結露現象により水分を生成させる方法が前記基板表面の温度を下げることによるものである請求項２記載の塗布方法。
4. 前記基板表面の温度を下げる方法が気化熱を利用するものである請求項３記載の塗布方法。
5. 前記気化熱を生成する方法が前記基板表面に揮発性の有機溶剤をスピンコート法で塗布するものである請求項４記載の塗布方法。
6. 前記基板表面の湿度を３０％から６０％の間に維持する請求項２から５のいずれか１項記載の塗布方法。

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