JP2009253028A - 塗布膜形成装置及び塗布膜形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】渦巻き状の軌跡を描いて塗布するスキャン塗布法を比較的大きな基板上に適用する場合に、塗布ムラを最小限に抑えながら塗布時間を短縮する。
【課題を解決するための手段】
ステージ１０は基板Ｓを載置して水平回転し、アーム１１はステージ上を弧を描きながら基板Ｓの周縁部からステージの回転中心Ｐに向かって移動する。アーム上には加圧気体の圧力によって塗布液を前記基板上に吐出する複数の供給ノズル１２が設けられ、加圧気体の圧力を変化させる圧力可変手段を有している。更に、供給ノズルを固定するための固定部材２０は回転機構２１により水平回転することができる。供給ノズルは、所定の間隔ずつ離間して直線状に配置して固定部材に固定されていると共に、供給ノズルから基板上に吐出される塗布液の間隔が、制御手段２２によってステージの回転中心Ｐに近づくにつれて狭くなるように固定部材の回転角度が制御される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、フォトレジストなど比較的粘性のある塗布液を基板上に均一に塗布する塗布膜形成装置及び塗布膜形成方法に関するものである。

塗布膜形成装置は、塗布液を吐出するための供給ノズルの動作の仕方によっていくつかの方式に分類される。その一つとして、水平回転するステージ上に基板を載置して、基板を回転させながら供給ノズルを基板上で移動させ、基板と供給ノズルとを相対的なスクロール動作をさせることによって渦巻き状の軌跡を描きながら塗布する方式が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００１−１１３２１７号公報 特開２００４−０１４８８９号公報

供給ノズルが渦巻き状の軌跡を描いて塗布する塗布装置では、ステージの回転中心付近は塗布すべき領域が狭いが、基板の周縁部付近は塗布すべき領域が広い。すなわち、ステージの回転中心付近と基板の周縁部付近とで、必要とされる塗布液の量が大きく異なっている。そのため、仮に、塗布液の間隔（吐出間隔）及び単位時間あたりの吐出量とステージの回転速度とが共に一定であるとすると、基板の周縁部では塗布液が不足するため隙間が空いたり膜厚が小さくなりやすく、ステージの回転中心付近では塗布液が過剰に供給されるため膜厚が大きくなりやすい。この問題は、基板サイズが大型化するほど、深刻になる。

これに対し、基板の周縁部に隙間なく塗布するために、吐出口の径を一律に広げるという方法、例えば、吐出口の形状を扁平状やスリット状にする方法が考えられる。ところが、この方法は、単位時間あたりの吐出量が一律に大きくなるため、ステージの回転中心付近では塗布液が過剰に供給され膜厚が大きくなりやすいという問題がある。加えて、この方法は、吐出口付近に大量の塗布液が付着するため、装置使用後時間が経過すると付着した塗布液が固化しやすく、使用の度ごとに固化した塗布液を除去しなければならないという問題、すなわち、メンテナンス性が低下するという問題もある。

また、吐出間隔を大きくするために、供給ノズルを複数設けてその間隔を広くすると、ステージの回転中心付近では同一領域に重複して塗布されることがあり、この場合もステージの回転中心付近では塗布液が過剰に供給され膜厚が大きくなりやすいという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、渦巻き状の軌跡を描いて塗布するスキャン塗布法を比較的大きな基板上に適用する場合に、塗布ムラを最小限に抑えながら塗布時間を短縮する、新規な塗布膜形成装置及び塗布膜形成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になされたものであり、本発明に係る塗布膜形成装置は、基板Ｓを載置して水平回転するステージ１０と、前記ステージ上を弧を描きながら前記基板の周縁部から前記ステージの回転中心Ｐに向かって移動するアーム１１と、前記アーム上に設けられ加圧気体の圧力によって塗布液を前記基板上に吐出する複数の供給ノズル１２と、前記加圧気体の圧力を変化させる圧力可変手段１９と、前記供給ノズルを固定するための固定部材２０と、前記固定部材を水平回転させる回転機構２１とを備えている塗布膜形成装置であって、
前記供給ノズルは、前記固定部材２０により互いに所定の間隔ずつ離間して直線状に配置して固定されていると共に、
前記供給ノズルから前記基板上に吐出される塗布液の間隔が、前記ステージの回転中心に近づくにつれて狭くなるように前記固定部材の回転角度を制御する制御手段２２を備えていることを特徴とする。

本発明に係る塗布膜形成装置では、特に、回転角度を制御する制御手段２２によって、供給ノズルから前記基板上に吐出される塗布液の間隔（吐出間隔）が、前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて狭くなるように前記固定部材の回転角度を制御される。このため、吐出間隔が塗布時間の経過と共に狭くなる。すなわち、塗布開始時には吐出間隔が最大でありそこから単調減少してステージの回転中心Ｐに達した時点で最小となる。しかも、加圧気体の圧力を変化させる圧力可変手段１９によって吐出量を制御することが可能であるため、これらの構成によってステージの回転中心付近でスクロール動作をしても同一領域に重複して塗布されにくくなる。したがって、基板全体に均一な塗布膜を形成することができる。

なお、供給ノズルと基板の相対的なスクロール動作をする方向は、理論的には、回転中心Ｐから基板の周縁部に向かって移動させることも考えられるが、塗布液の粘度は比較的大きいため、遠心力により塗布ムラができる心配は殆ど無く、吐出量の制御は主に圧力可変手段と吐出間隔の制御手段とにより行うことができる。

更に、前記圧力可変手段は、前記固定部材の前記アームが前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて、前記加圧気体の圧力を減少させることが好ましい。

このような構成によると、加圧気体の圧力が減少するにつれて供給ノズルから吐出される塗布液の吐出量が減少するため、ステージの回転中心付近で塗布液が過剰に供給されることが防止される。したがって、基板全体に均一な塗布膜を形成することができる。

また、上記塗布膜形成装置では、前記固定部材が前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて、前記ステージの回転速度、前記アームの移動速度の少なくとも一方又は両方を加速させるための制御手段２２を更に備えていることが好ましい。

このような構成によると、ステージの回転速度やアームの移動速度を加速させることにより、ステージの回転中心付近で塗布液が過剰に供給されることが防止される。したがって、基板全体に均一な塗布膜を形成することができる。

本発明に係る塗布膜形成方法は、基板Ｓの上面に塗布液を吐出して塗布膜を形成する塗布膜形成方法であって、
アーム１１上に設けられた固定部材２０に固定された複数の供給ノズル１２から、加圧気体の圧力によって前記基板上に前記塗布液を吐出させながら前記アームを移動させることにより、前記供給ノズルを前記基板を載置したステージ１０上で前記基板の周縁部から前記ステージの回転中心Ｐに向かって弧を描きながら移動させると同時に前記ステージを水平回転させ、前記供給ノズルと前記ステージとの間に相対的なスクロール動作をさせ、
かつ、前記供給ノズルから前記基板上に吐出される塗布液の間隔が、前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて狭くなるように前記固定部材の回転角度を制御することを特徴とする。

本発明に係る塗布膜形成方法では、特に、前記供給ノズルから前記基板上に吐出される塗布液の間隔が、前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて狭くなるように前記固定部材の回転角度が制御される。このため、吐出間隔が塗布時間の経過と共に狭くなる。すなわち、塗布開始時には吐出間隔が最大でありそこから単調減少してステージの回転中心Ｐに達した時点で最小となる。しかも、加圧気体の圧力を変化させる圧力可変手段１９が吐出量を制御することが可能であり、これらの構成によってステージの回転中心付近でスクロール動作をしても同一領域に重複して塗布されにくくなり、均一に塗布することができる。

更に、上記塗布膜形成方法において、前記固定部材が前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて、前記加圧気体の圧力を減少させることが好ましい。

このような構成によると、加圧気体の圧力が減少するにつれて供給ノズルから吐出される塗布液の吐出量が減少するため、ステージの回転中心付近で塗布液が過剰に供給されることが防止される。したがって、基板全体に均一な塗布膜を形成することができる。

また、上記塗布膜形成方法では、前記固定部材が前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて、前記ステージの回転速度、前記アームの移動速度の少なくとも一方又は両方を加速させるように構成することが好ましい。

このような構成によると、ステージの回転速度やアームの移動速度を加速させることにより、ステージの回転中心付近で塗布液が過剰に供給されることが防止される。したがって、基板全体に均一な塗布膜を形成することができる。

本発明に係る塗布膜形成装置及び方法によると、大型基板に対して極めて短時間に塗布膜を形成することができる、また、ステージ中心部に塗布液が過剰に供給されることを防止して均一な塗布膜を形成することができる。

図１は、本発明に係るスキャン塗布装置の実施形態を説明するための図である。図１（ａ）はこの装置を模式的に表した平面図、図１（ｂ）は全体構成を表す装置構成図である。

図１（ａ）に示すように、この装置は、基板Ｓを載置して回転するステージ１０と、ステージ１０の上を基板Ｓの周縁部から回転中心Ｐに向かって移動するアーム１１とで構成される。アーム１１には、塗布液を基板Ｓの表面に吐出する複数の供給ノズル１２（１２ａ〜１２ｃ）を固定する固定部材２０が設けられ、更に、固定部材２０を水平回転させる回転機構２１が設けられる。供給ノズル１２は、固定部材２０により互いに所定の間隔ずつ離間して直線状に配置して固定される。

図１（ａ）に示す破線矢印は、アーム１１の先端に設けられた供給ノズル１２の軌跡を示している。このように、アーム１１はステージ１０の上で、ステージ１０の外側に設けられた回転中心１３を中心とする弧を描きながら、ステージ１０の回転中心Ｐに向かって移動する。図１（ｂ）に示すように、ステージ１０は基板Ｓを載せた状態で回転軸１４を中心に回転する。回転軸１４及び１５はいずれもモーター１６及び１７により回転駆動され、それぞれの回転速度はいずれも制御装置２２によって精密に制御することができる。

図１（ｂ）に示すように、この装置は、塗布液を封入したタンク１８から圧力可変手段１９によって加圧されることにより、塗布液が供給ノズル１２（１２ａ〜１２ｃ）に導かれて基板Ｓの表面に吐出される。圧力可変手段１９は塗布圧力を増減することができ、これによって単位時間あたりの吐出量を調節することができる。

圧力可変手段１９は、加圧気体の圧力を可変させるための装置であり、圧力を減少させると供給ノズル１２から吐出される塗布液の吐出量は少なくなり、加圧気体の圧力を増大させると吐出量は多くなる。後述する通り、実際の制御としては、回転中心Ｐの付近で塗布液の過剰供給が起こることを防止するため、ノズル１２の位置の変位（塗布開始からの経過時間）に伴って圧力を減少させ、吐出量を小さくしていくことが好ましい。

制御装置２２は、ＣＰＵ２２ａとメモリー２２ｂとインターフェース２２ｃ等が内部バスにより接続されている。制御装置２２は、インターフェース２２ｃを介してモーター１６、１７、圧力可変手段１９、固定部材２０の回転機構２１等に接続され、メモリー２２ｂに記憶されたプログラムにより、ステージ１０及びアーム１１を駆動するモーター１６、１７の回転速度、回転機構２１の回転速度、及び圧力可変手段１９の圧力を制御する。なお、操作部や表示部等は図示を省略している。

図２（ａ）は、ステージ１０の平面図である。この図に破線で示す同心円はステージ１０を領域Ａ〜Ｄに区分するための仮想的な境界線である。但し、アーム１１は図示が省略され、その先端に設けられたノズル１２ａ、１２ｂ及び１２ｃとこれらのノズルを固定する固定部材２０と、固定部材２０を水平回転させる回転機構２１は実線で示されている。

矢印Ｘは、ステージ１０の回転中心Ｐを中心として固定部材２０の回転中心Ｑを通る仮想的な円の、点Ｑにおける接線の一方向と一致する。供給ノズルから基板上に吐出された塗布液の軌跡は、矢印Ｘの方向に描かれる。

図２（ｂ）は、スキャン塗布時における各部の動作を説明する一覧表である。この表に示す高速、中速、低速或いは吐出量、角度θの大小はいずれも相対的な関係を示すものである。

すなわち、図２（ｂ）の表は、「ステージ１０は最初低速で回転し徐々に高速回転すること」、「アーム１１は最初低速で移動し徐々に高速で移動すること」、及び「アーム１１がステージ１０の中心部に向かうにつれてノズルからの塗布液の吐出量は少なくなるように制御されること」、「角度θは、回転中心Ｐに垂直となる位置から接線の一方向に平行となる位置まで単調増加すること」を定性的に示している。但し、角度θは塗布液の間隔（吐出間隔）ｐを決定するためのパラメータであり、固定部材２０の各ノズル１２ａ〜１２ｃの吐出中心を結ぶ直線と、点Ｑにおける接線（矢印Ｘの方向）の法線とのなす角を表す。角度θについては図３を用いて説明する。

図３（ａ）及び（ｂ）は、ノズル１２（１２ａ〜１２ｃ）を固定する固定部材２０と、固定部材２０を水平回転させる回転機構２１の拡大図である。上述の通り、固定部材２０はステージ１０に対して相対的に矢印Ｘの方向に移動するので、この図において実線で表した塗布液の軌跡２３（２３ａ〜２３ｃ）が基板Ｓ上に描かれる。

塗布液の間隔（吐出間隔）ｐは、角度θと、隣接するノズル１２の間隔ｄとを用いて、
ｐ＝ｄ・ｃｏｓθ ・・・・・（１）
と表される。

図３（ｂ）は、図３（ａ）において回転中心Ｐに対して垂直に配置した状態を示す図である。すなわち、角度θ＝０であるから、ｐ＝ｄである。これは、固定部材２０が基板Ｓの周縁部の塗布開始の状態を示している。この状態から、固定部材２０がステージ１０の回転中心Ｐに近づくにつれて、接線方向に平行に配置するように、すなわち角度θを９０°に近づけていくと、塗布液の間隔ｐが０に近づくことになり、故に、前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて狭くなっていく。

このように、ノズル間のピッチｄが一定でも回転機構２１を制御することにより角度を調節すれば、吐出間隔ｐを０〜ｄまでの範囲で調節することができる。

以下、実施形態に係る塗布膜形成装置の動作について、具体的に説明する。はじめに、アームがどの領域にあるかを判断するための基準点を設定する必要があるが、ここでは説明を簡便にするため、最内周側のノズル１２ａの中心位置を基準点とする。

（１）供給ノズル１２ａの中心位置が領域Ａにあるときは、ステージ１０は低速で回転し、アーム１１も低速で移動する。このとき、ノズル１２ａ〜１２ｃは、いずれも吐出量を大とする。また、角度θの値は、０°を初期値として、点Ｑの位置に応じて増大させる。
（２）供給ノズル１２ａの中心位置が領域Ｂにあるときは、ステージ１０は低速で回転し、アーム１１はやや速度を上げ中速で移動する。このとき、ノズル１２ａ〜１２ｃは、いずれも吐出量を大とする。また、角度θの値は、点Ｑの位置に応じて増大させる。
（３）供給ノズル１２ａの中心位置が領域Ｃにあるときは、ステージ１０は高速で回転し、アーム１１は中速のまま移動する。このとき、ノズル１２ａ及び１２ｂは、いずれも吐出量を大とするが、ノズル１２ｃは供給を停止する。また、角度θの値は、点Ｑの位置に応じて増大させる。
（４）供給ノズル１２ａの中心位置が領域Ｄにあるときは、ステージ１０は高速で回転し、アーム１１は高速で移動する。このとき、供給ノズル１２ａ及び１２ｂは、いずれも吐出量を小とするが、供給ノズル１２ｃは供給を停止する。また、角度θの値は、点Ｑの位置に応じて増大させ、点Ｑが点Ｐと一致した時点でθ＝９０°とする。

なお、アームの移動速度の加速と、ステージ１０の回転速度の加速とは、いずれか一方のみ行ってもよいが、両者を連動して加速することにより塗布時間が飛躍的に短縮され、一層の効果を奏する。また、加速は上述の例のように段階的に行っても連続的に行ってもよい。

図４は、塗布後の状態を示すステージの平面図である。ステージ１０とアーム１１とが相対的なスクロール動作をすることにより渦巻き状の軌跡が描かれている。そして、上述の通り両者が共に加速しながら塗布するのでステージの周縁部と中心部とで塗布膜厚の差が小さくなる。更に、ノズルを複数設けたことによって隙間無く塗布することができ、しかも、ノズルとステージの相対位置によって吐出量を制御するため、基板全体に均一な塗布膜を形成することができる。

また、必要により、アームによる塗布後にステージを高速回転させることで、膜厚の均一性を一層向上させることができる。

このように、上記実施形態に係る塗布膜形成装置によると、吐出間隔ｐが固定部材２０の位置に応じて変化する。より具体的には、ステージ１０の周縁部では広く、回転中心Ｐに近づくにつれて狭くなるように、軌跡を描くことができる。そのため、基板全体に均一な塗布膜を形成することができる。

本発明は極めて大型の基板に対しても短時間に基板全体に均一な塗布膜を形成することができる新しい塗布技術を提供するものであり、産業上の利用可能性は極めて大きい。

（ａ）はこの装置を模式的に表した平面図、（ｂ）は全体構成を表す装置構成図である。 （ａ）は、ステージ１０の平面図、（ｂ）は、スキャン塗布時における各部の動作を説明する一覧表である。 （ａ）及び（ｂ）は、固定部材２０と回転機構２１の拡大図である。 塗布後の状態を示すステージの平面図である。

符号の説明

１０ ステージ
１１ アーム
１２（１２ａ〜１２ｃ） 供給ノズル
１３ アーム１１の回転中心
１４、１５ 回転軸
１６、１７ モーター
１８ タンク
１９ 圧力可変手段
２０ 固定部材
２１ 回転機構
２２ 制御手段
２２ａ ＣＰＵ
２２ｂ メモリー
２２ｃ インターフェース
Ｐ ステージ１０の回転中心
Ｑ 固定部材２０の回転中心

Claims (6)

1. 基板Ｓを載置して水平回転するステージ（１０）と、前記ステージ上を弧を描きながら前記基板の周縁部から前記ステージの回転中心Ｐに向かって移動するアーム（１１）と、前記アーム上に設けられ加圧気体の圧力によって塗布液を前記基板上に吐出する複数の供給ノズル（１２）と、前記加圧気体の圧力を変化させる圧力可変手段（１９）と、前記供給ノズルを固定するための固定部材（２０）と、前記固定部材を水平回転させる回転機構（２１）とを備えている塗布膜形成装置であって、
   前記供給ノズルは、前記固定部材（２０）により互いに所定の間隔ずつ離間して直線状に配置して固定されていると共に、
   前記供給ノズルから前記基板上に吐出される塗布液の間隔が、前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて狭くなるように前記固定部材の回転角度を制御する制御手段（２２）を備えていることを特徴とする塗布膜形成装置。
2. 前記圧力可変手段は、前記固定部材が前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて、前記加圧気体の圧力を減少させることを特徴とする請求項１記載の塗布膜形成装置。
3. 前記固定部材が前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて、前記ステージの回転速度、前記アームの移動速度の少なくとも一方又は両方を加速させるための制御手段（２２）を更に備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の塗布膜形成装置。
4. 基板Ｓの上面に塗布液を吐出して塗布膜を形成する塗布膜形成方法であって、
   アーム（１１）上に設けられた固定部材（２０）に固定された複数の供給ノズル（１２）から、加圧気体の圧力によって前記基板上に前記塗布液を吐出させながら前記アームを移動させることにより、前記供給ノズルを前記基板を載置したステージ（１０）上で前記基板の周縁部から前記ステージの回転中心Ｐに向かって弧を描きながら移動させると同時に前記ステージを水平回転させ、前記供給ノズルと前記ステージとの間に相対的なスクロール動作をさせ、
   かつ、前記供給ノズルから前記基板上に吐出される塗布液の間隔が、前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて狭くなるように前記固定部材の回転角度を制御することを特徴とする塗布膜形成方法。
5. 前記固定部材が前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて、前記加圧気体の圧力を減少させることを特徴とする請求項４記載の塗布膜形成方法。
6. 前記固定部材が前記ステージの回転中心Ｐに近づくにつれて、前記ステージの回転速度、前記アームの移動速度の少なくとも一方又は両方を加速させることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の塗布膜形成方法。

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