JP2009056384A - 液体塗布方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液足らずを防ぎつつ、ウエーハ１枚当たりの液体の吐出量（即ち、塗布量）を減らすことができるようにした液体塗布方法を提供する。
【解決手段】ウエーハを回転させると共に、ウエーハの上方に配置された吐出ノズルから回転しているウエーハの表面の中心部上に液体を吐出して当該液体を遠心力で拡散させることによって、ウエーハの表面上に液体を塗布する方法であって、ウエーハの直径は６インチであり、ウエーハ１枚当たりの液体の吐出量をａ［ｍｌ］、ノズルからの液体の吐出速度をｂ［ｍｌ／ｓｅｃ］、ウエーハの回転数をｃ［ｒｐｍ］、液体の粘度をｄ［ｍＰａ・ｓ］としたとき、ａ〜ｄを、０．５５≦ａ、 １．１≦ｂ≦２．０、 ４０００≦ｃ≦８０００、 ７≦ｄ≦４０、 にそれぞれ設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体塗布方法に関する。

この種の従来技術としては例えば特許文献１に開示されたものがあり、かかる文献には、ウエーハを回転させつつその中心部にレジスト液を供給して、レジスト液をウエーハの径方向外方に拡げながら塗布する技術が開示されている。このようなレジスト液の塗布方法は、ダイナミックディスペンスとも呼ばれている。
特開平１１−２６０７１７号公報

ところで、レジスト液の塗布工程では、レジスト液の塗布量（即ち、各ウエーハに対するレジスト液の滴下量）を少なくするために、ウエーハを高速度で回転させたり、ウエーハの表面にプリウェットを施したりすることが行われてきた。即ち、ダイナミックディスペンスにおいて、ウエーハを高速度で回転させつつその中心部にレジスト液を供給すると、レジスト液は短時間の間に拡がるので、レジスト液の塗布量を少なくすることができた。また、ウエーハ表面に予め溶剤を塗布してその濡れ性を高めておくと、レジスト液は短時間の間に拡がるので、レジスト液の塗布量を少なくすることができた。しかしながら、最近では、半導体装置の製造コストのさらなる低減が望まれており、そのための一つの方法として、レジスト液（以下、液体ともいう。）の塗布量をさらに少なくすることが望まれていた。
そこで、この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、液足らずを防ぎつつ、ウエーハ１枚当たりの液体の塗布量を低減できるようにした液体塗布方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、発明１の液体塗布方法は、ウエーハを回転させると共に、前記ウエーハの上方に配置されたノズルから回転している前記ウエーハの表面の中心部上に液体を吐出して当該液体を遠心力で拡散させることによって、前記ウエーハの表面上に前記液体を塗布する方法であって、前記ウエーハの直径は６インチであり、前記ウエーハ１枚当たりの前記液体の吐出量をａ［ｍｌ］、前記ノズルからの前記液体の吐出速度をｂ［ｍｌ／ｓｅｃ］、前記ウエーハの回転数をｃ［ｒｐｍ］、前記液体の粘度をｄ［ｍＰａ・ｓ］としたとき、前記ａ〜ｄを、０．５５≦ａ、 １．１≦ｂ≦２．０、 ４０００≦ｃ≦８０００、 ７≦ｄ≦４０、 にそれぞれ設定することを特徴とするものである。
ここで、「液体」は例えばレジスト液Ｒである。また、液体の粘度ｄは、常温（２４℃前後）での値である。本発明者の知見によれば、液体の吐出速度（即ち、ディスペンスレート）の違いによって、ウエーハＷの外周部への液体の供給量が異なってくる。

即ち、図６（ａ）に示すように、ディスペンスレートが低い場合は、ディスペンス時（即ち、レジスト液Ｒの吐出を開始してから約１秒が経過するまで）においてレジスト液ＲはウエーハＷの中心部に供給され、外周部への供給は不足がちとなる。ディスペンス時はウエーハＷが高速で回転しており、外周へ広がったレジスト液Ｒはその供給量が少ないために溶媒がすぐに揮発し、粘度が高くなる。このため、外周部へのレジスト液Ｒの広がりが悪くなる。一方、図６（ｂ）に示すように、ディスペンスレートが高い場合は、ディスペンス時においてレジスト液ＲはウエーハＷの中心部に短期間のうちに供給され、供給されたレジスト液Ｒの大部分が液の広がりに貢献する。外周部へ供給されるレジスト液Ｒが多いために、液足らずに対するマージンが拡大する。
従来の技術では、ダイナミックディスペンスにおけるディスペンスレートは０．５〜０．８［ｍｌ／ｓｅｃ］程度と低く、ディスペンスレートが１．１［ｍｌ／ｓｅｃ］以上（即ち、高ディスペンスレート）に設定されることはなかった。

発明２の液体塗布方法は、ウエーハを回転させると共に、前記ウエーハの上方に配置されたノズルから回転している前記ウエーハの表面の中心部上に液体を吐出して当該液体を遠心力で拡散させることによって、前記ウエーハの表面上に前記液体を塗布する方法であって、前記ウエーハの直径は８インチであり、前記ウエーハ１枚当たりの前記液体の吐出量をＡ［ｍｌ］、前記ノズルからの前記液体の吐出速度をＢ［ｍｌ／ｓｅｃ］、前記ウエーハの回転数をＣ［ｒｐｍ］、前記液体の粘度をＤ［ｍＰａ・ｓ］としたとき、前記Ａ〜Ｄを、２≦Ａ、 １．１≦Ｂ≦２．０、 ４０００≦Ｃ≦８０００、 ７≦Ｄ≦４０、 にそれぞれ設定することを特徴とするものである。ここで、液体の粘度Ｄは、常温（２４℃前後）での値である。

発明３の液体塗布方法は、発明１又は発明２の液体塗布方法において、前記液体はレジスト液であることを特徴とするものである。
発明１〜３の方法によれば、ダイナミックディスペンスにおけるディスペンスレートは１．１［ｍｌ／ｓｅｃ］以上と高く、ウエーハ表面の中心部上に液体が短期間のうちに供給され、供給された液体の大部分が中心部から外周部に拡散する。従って、ウエーハ表面の外周部に液体を効率良く供給することができ、液足らずを防ぎつつ、ウエーハ１枚当たりの液体の吐出量（即ち、塗布量）を減らすことができる。例えば、レジストの膜厚安定性を良好に保ちつつ、ウエーハ１枚当たりのレジスト液の塗布量を削減することができる。これにより、半導体装置の製造コストの低減が可能である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（１）実施形態
図１は、本発明の実施形態に係るスピンコータ１０の構成例を示す概念図である。図１に示すスピンコータ１０は、ウエーハＷを回転させつつ、その表面の中心部上にレジスト液を吐出し遠心力で拡散させること（即ち、ダイナミックディスペンス）により、ウエーハＷの表面上にレジストを塗布する装置であり、回転ステージ１と吐出ノズル２とを含んだ構成となっている。

回転ステージ１は、ウエーハＷの裏面を回転可能に支持するものである。この回転ステージ１のウエーハＷの裏面と接触する面（以下で、接触面という）には多数の孔（図示せず）が設けられおり、これらの孔は真空ポンプ（図示せず）に接続されている。ウエーハＷを回転ステージ１上に載置した状態で、これらの孔から空気を吸引すると、ウエーハＷの裏面は回転ステージ１の接触面に吸着されて固定される。また、図１の矢印で示すように、この回転ステージ１は、その接触面の中心を通る鉛直線回りに回転可能になっている。このため、回転ステージ１の接触面の中心と、ウエーハＷの中心とを重ね合わせるようにして、この回転ステージ１上にウエーハＷを固定し、この回転ステージ１を回転動作させることにより、ウエーハＷをその表面の中心を通る鉛直線回りに回転させることができる。

吐出ノズル２は、その先端に吐出口２ａを有し、その後端がレジスト液を圧送するレジスト液圧送部（図示せず）に接続されている。この吐出ノズル２は、その吐出口２ａが回転ステージ１の接触面の中心部上方にくるように位置が調整されている。これにより、レジスト液は、レジスト液圧送部の圧送動作によって、吐出ノズル２を通って吐出口２ａまで圧送され、回転ステージ１上に固定されたウエーハＷの表面の中心部上に滴下されるようになっている。

図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレジスト液の塗布条件を示す表図である。図２（ａ）に示すように、ウエーハＷの直径（即ち、ウエーハサイズ）が６インチの場合は、ウエーハＷ１枚当たりのレジスト液の吐出量（即ち、塗布量）を０．５５［ｍｌ］以上、より好ましくは０．６〜０．６５［ｍｌ］の範囲に設定する。また、吐出口２ａからのレジスト液の吐出速度（即ち、ディスペンスレート）を１．１〜２．０［ｍｌ／ｓｅｃ］、より好ましくは１．１〜１．４［ｍｌ／ｓｅｃ］の範囲に設定する。さらに、ウエーハＷの回転数（即ち、回転ステージ１の回転数）を４０００〜８０００［ｒｐｍ］、より好ましくは４５００〜５５００［ｒｐｍ］の範囲に設定する。また、ウエーハＷの表面上に滴下するレジスト液の粘度を７〜４０［ｍＰａ・ｓ］、より好ましくは７〜３０［ｍＰａ・ｓ］の範囲に設定する。レジスト液の粘度は、常温（２４℃前後）での値である。

また、図２（ｂ）に示すように、ウエーハサイズが８インチの場合は、ウエーハＷ１枚当たりのレジスト液の塗布量を２［ｍｌ］以上、より好ましくは２．５〜３［ｍｌ］の範囲に設定する。また、ディスペンスレートを１．１〜２．０［ｍｌ／ｓｅｃ］、より好ましくは１．１〜１．４［ｍｌ／ｓｅｃ］の範囲に設定する。さらに、回転ステージ１の回転数を４０００〜８０００［ｒｐｍ］、より好ましくは４５００〜５５００［ｒｐｍ］の範囲に設定する。また、ウエーハＷの表面上に滴下するレジスト液の粘度を７〜４０［ｍＰａ・ｓ］、より好ましくは７〜２０［ｍＰａ・ｓ］の範囲に設定する。レジスト液の粘度は、常温（２４℃前後）での値である。

このように、６インチ又は８インチの各ウエーハＷに対して、上記の塗布条件で且つダイナミックディスペンスで、吐出口２ａからレジスト液を滴下すると、ウエーハＷの表面の中心部上にレジスト液が短期間のうちに供給され、供給されたレジスト液の大部分が中心部から外周部に拡散する。従って、ウエーハＷ表面の外周部にレジスト液を効率良く供給することができ、液足らずを防ぎつつ、ウエーハＷ１枚当たりのレジスト液の吐出量を減らすことができる。これにより、後述の実験結果で示すように、レジスト（膜）の膜厚安定性を良好に保ちつつ、ウエーハＷ１枚当たりのレジスト液の吐出量を削減することができるので、半導体装置の製造コストの低減が可能である。
この実施形態では、吐出口２ａを有する吐出ノズル２が本発明の「ノズル」に対応している。

（２）実験及びその結果
２−１）レジスト液の広がり特性について
図３（ａ）は、レジスト液の広がり特性に関する実験結果を示す表図である。この実験では、ダイナミックディスペンスで、レジスト液の塗布量とそのディスペンスレートとを数種類の条件に分けてそれぞれレジスト液の塗布を行い、液足らずのマージンを調査した。ここでは、６インチのベアＳｉウエーハを使用し、図３（ａ）に示すように、レジスト液の塗布量を０．５５〜０．８［ｍｌ］の範囲で０．０５［ｍｌ］毎に設定すると共に、ディスペンスレートを０．５〜１．７［ｍｌ／ｓｅｃ］の範囲で０．３［ｍｌ／ｓｅｃ］毎に設定した。また、ウエーハの回転数を５０００［ｒｐｍ］に設定し、レジスト液にはその粘度が２９〜３１［ｍＰａ・ｓ］のものを使用した。レジスト液の粘度は、常温（２４℃前後）での値である。また、レジスト液の塗布厚（即ち、レジストの膜厚）の目標値は１１０００±１００［Å］である。

図３（ｂ）は液足らずのレベルを示す概念図である。レベルＡは、ウエーハの全面において液足らずは見当たらず、量産工程で合格（ＧＯＯＤ）となるレベルである。レベルＢ以下は、ウエーハの外周付近に液足らずが見られ、量産工程で不合格（ＮＧ）となるレベルである。レベルＢからレベルＧに向けて液足らずの度合いが増す。なお、レベルＢ〜Ｇに示すように、液足らずはウエーハの外周部で多く見られ、その典型的な形状はスジ状である。このため、液足らずの度合いは、スジ状の未塗布領域の面積や数で測ることができる。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、６インチのベアＳｉウエーハで、ディスペンスレートが０．８［ｍｌ／ｓｅｃ］の場合、液足らずを生じさせないための限界塗布量（即ち、最低必要量）は０．６５［ｍｌ］であった。これに対し、ディスペンスレートが１．１［ｍｌ］以上の場合は、塗布量が０．５５［ｍｌ］であっても液足らずは生じなかった。この結果から、ディスペンスレートを１．１［ｍｌ／ｓｅｃ］以上に設定することで、レジスト液の液足らずを防ぎつつその塗布量を低減することができる、ということがわかった。

２−２）レジストの膜厚安定性について
図４（ａ）は、レジスト（膜）の膜厚安定性を調べるための２つの条件、及びその実験結果を示す図である。ここで、２つの条件とは旧条件と新条件とである。旧条件はリファレンスであり、本発明と比べて、レジスト液の塗布量が多くディスペンスレートが低い条件である。また、新条件は本発明の一例であり、レジスト液の塗布量が少なくディスペンスレートが高い条件である。図２の場合と同様、両条件ともレジストの膜厚の目標値は１１０００±１００［Å］である。ここでは、レジストの膜厚を各々のウエーハ面内でそれぞれ１５箇所ずつ測定し、各々のウエーハ毎に膜厚平均値（Ａｖｅ）と膜厚レンジ（Ｒａｎｇｅ）とを算出した。膜厚レンジとは、各々のウエーハ面内における膜厚の最大値−最小値、即ち、ｍａｘ−ｍｉｎである。

図４（ａ）に示すように、旧条件では塗布量を０．８［ｍｌ］、ディスペンスレートを０．８［ｍｌ／ｓｅｃ］としたときのレジストの膜厚平均値は１１０２１［Å］、膜厚レンジは３４［Å］であった。これに対して、新条件では塗布量を０．６５［ｍｌ］、ディスペンスレートを１．１［ｍｌ／ｓｅｃ］としたときのレジストの膜厚平均値は１１０１１［Å］、膜厚レンジは５８［Å］であった。膜厚レンジについては新条件の方が若干大きな値となったが、膜厚の目標値が１１０００［Å］であることを考慮すれば、膜厚レンジに関して両条件の間に有意差は無い（即ち、量産レベルで問題無い）と言える。

図４（ｂ）は、レジスト（膜）の膜厚平均値及び膜厚レンジの、ウエーハ間でのばらつきを調査した結果を示す図である。図４（ｂ）において、破線の左側は旧条件で得られたデータであり、破線の右側は新条件で得られたデータである。新条件については枚葉式で連続処理した１〜５枚目までのデータを記載した。図４（ｂ）に示すように、新条件では１〜５枚目のいずれのウエーハおいても、レジストの膜厚平均値及び膜厚レンジは旧条件のそれと同等であった。また、１〜５枚目の各ウエーハ間で、レジストの膜厚平均値及び膜厚レンジのばらつきも小さい。この結果から、新条件でもレジストの膜厚安定性を良好に保つことができる、ということがわかった。

２−３）ウエーハサイズ（面積）と塗布量との関係
図５はウエーハサイズ（面積）と塗布量との関係を示す図である。図５中の破線からなる曲線は限界塗布量を示し、曲線から上側の領域は液足らずが生じない領域（即ち、ＧＯＯＤ領域）、曲線から下側の領域は液足らずが生じる領域（即ち、ＮＧ領域）である。
図３（ａ）では、６インチウエーハでダイナミックディスペンスを行ったときの広がり特性を示したが、これはあくまで６インチのデータである。６インチのウエーハ面積は例えば２８．２６平方インチ、８インチのウエーハ面積は例えば５０．２４平方インチ（これらの値は、オリエンテーションフラットや、ノッチの有無によって多少変動する）であり、ディスペンスレートが一定で、且つ膜厚の目標値が一定の場合、ウエーハ面積が大きくなるほどレジスト液の塗布量は増大する。

本発明者の知見では、６インチウエーハの表面上にダイナミックディスペンスで０．８０［ｍｌ］のレジスト液を吐出して得られるレジスト（膜）、と同じ膜厚のレジストを８インチウエーハの表面上に形成するためには、同一の条件（即ち、ダイナミックディスペンスで、同一のディスペンスレート、同一の回転数、同一のレジスト粘度）で３．０［ｍｌ］のレジスト液を吐出する必要である。つまり、８インチウエーハでは、レジスト液の吐出量（塗布量）として６インチの３．７５倍の量が必要である。

従って、本発明では、８インチウエーハにおけるレジスト液の塗布量とそのディスペンスレートを、図３（ａ）に示した６インチウエーハの実験結果と図５に示した相関図とに基づいてそれぞれ設定しても良い。即ち、６インチウエーハにおける塗布量の３．７５倍の値を８インチウエーハにおけるレジスト液の塗布量に設定すると共に、６インチウエーハにおけるディスペンスレートをそのまま８インチウエーハにおけるディスペンスレートに設定しても良い。一例を挙げると、６インチウエーハにおける塗布量が０．６５［ｍｌ］の場合は、８インチウエーハにおける塗布量を２．４［ｍｌ］に設定する。また、６インチウエーハにおけるディスペンスレートが例えば１．１０［ｍｌ／ｓｅｃ］の場合は、８インチウエーハにおけるディスペンスレートも１．１０［ｍｌ／ｓｅｃ］に設定する。

このように設定した場合でも、ディスペンスレートは旧条件と比べて高く、８インチウエーハの表面の中心部上にレジスト液が短期間のうちに供給される。そして、供給されたレジスト液の大部分が８インチウエーハの中心部から外周部に拡散するので、６インチウエーハの場合と同様の効果を得ることができる。

実施形態に係るスピンコータ１０の構成例を示す図。 実施形態に係るレジスト液の塗布条件を示す図。 レジスト液の広がり特性を示す図。 レジストの膜厚安定性を示す図。 ウエーハサイズ（面積）と塗布量との関係を示す図。 ウエーハＷの表面上へのレジスト液Ｒの供給メカニズムを示す図。

符号の説明

１ 回転ステージ、２ 吐出ノズル、２ａ 吐出口、Ｒ レジスト液、Ｗ ウエーハ

Claims (3)

1. ウエーハを回転させると共に、前記ウエーハの上方に配置されたノズルから回転している前記ウエーハの表面の中心部上に液体を吐出して当該液体を遠心力で拡散させることによって、前記ウエーハの表面上に前記液体を塗布する方法であって、
   前記ウエーハの直径は６インチであり、
   前記ウエーハ１枚当たりの前記液体の吐出量をａ［ｍｌ］、前記ノズルからの前記液体の吐出速度をｂ［ｍｌ／ｓｅｃ］、前記ウエーハの回転数をｃ［ｒｐｍ］、前記液体の粘度をｄ［ｍＰａ・ｓ］としたとき、前記ａ〜ｄを、
   ０．５５≦ａ、 １．１≦ｂ≦２．０、 ４０００≦ｃ≦８０００、 ７≦ｄ≦４０、 にそれぞれ設定することを特徴とする液体塗布方法。
2. ウエーハを回転させると共に、前記ウエーハの上方に配置されたノズルから回転している前記ウエーハの表面の中心部上に液体を吐出して当該液体を遠心力で拡散させることによって、前記ウエーハの表面上に前記液体を塗布する方法であって、
   前記ウエーハの直径は８インチであり、
   前記ウエーハ１枚当たりの前記液体の吐出量をＡ［ｍｌ］、前記ノズルからの前記液体の吐出速度をＢ［ｍｌ／ｓｅｃ］、前記ウエーハの回転数をＣ［ｒｐｍ］、前記液体の粘度をＤ［ｍＰａ・ｓ］としたとき、前記Ａ〜Ｄを、
   ２≦Ａ、 １．１≦Ｂ≦２．０、 ４０００≦Ｃ≦８０００、 ７≦Ｄ≦４０、 にそれぞれ設定することを特徴とする液体塗布方法。
3. 前記液体はレジスト液であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体塗布方法。

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