JP2011056423A

JP2011056423A - スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにしたスプレーコータ

Info

Publication number: JP2011056423A
Application number: JP2009209834A
Authority: JP
Inventors: Minoru Sasaki; 佐々木実
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】スプレー成膜によって、レジスト薄膜を立体サンプル上にレジスト薄膜を用意する際に、膜質の均一なものを用意することが難しい。特に問題となるのは、（１）凹凸の底、すなわちアスペクト比の高い形状の底に、十分な膜厚のレジスト膜を供給することが難しいこと、（２）凹形状をした壁面の上部コーナにおいて、局所的に厚いレジストが付くこと、が挙げられる。
【解決手段】本発明は、アパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、スプレーの特定領域が成膜に寄与する機構をスプレーコータに組み込むことで、凹凸のある立体サンプル上にも均一なレジスト膜を堆積させることを可能にしたものである。
【選択図】図５

Description

本発明は、フォトリソグラフィを応用した、立体形状を持つセンサ、ＭＥＭＳ、３次元ＬＳＩなどの製作に使用するスプレーの特定領域が成膜に寄与するようにしたスプレーコータに関する。

フォトリソグラフィ技術を平面サンプルのみならず、立体サンプルに展開したいニーズは以前からある。
めっきプロセスを利用する電着レジストがあるが、めっきプロセスを可能とするため、レジスト材料に変化を伴う。パターン形状は必ずしも微細なものは得られない。加えて、サンプルが導電性であることや、導電性のシード層を必要とする。静電霧化を利用する装置においても、サンプルに制限を加える点は同じである。
また、立体サンプル内部にまで微粒子を引き寄せる静電力を生み出すことはできるが、電界集中によって意図しない部分に膜が堆積し易い。真空蒸着を利用する電子ビームリソグラフィ用レジストがあるが、真空プロセスが入るためスループットは高くない上に、パターニングは電子ビームリソグラフィに限られる。

パターニング後のエッチング等の処理にも従来技術を利用することを考えると、平面リソグラフィで実績のあるフォトレジストを利用したいニーズとなる。平面フォトリソグラフィでのレジスト成膜の時間は短く、処理速度の低いものは適合しない。レジストをもともとフィルム状に用意して、後で張り付ける処理をするドライフィルムレジストは、凹形状を越えた膜状のレジストで用途に合致している場合には良いが、立体サンプルへの加工は通常は壁面の有効利用を目指すことが多いため目的を満たさないことが多い。ドライフィルムレジストを付着するまでが同じでも、内部キャビティとなる部分を真空引きして凹部の壁面や底面にレジストを密着する手法もあるが、高アスペクト比構造での難しさがある上、工程に時間を要する。

以上、数々の成膜方式を比べると、スプレー成膜はレジスト材料に平面リソグラフィで実績のあるものを利用できる上、前処理が単純でサンプルに対して制限となるものが少なく、比較的速い処理によって成膜が可能という、理想に近い特性を持つ。
但し、一般のスプレー成膜の産業応用に関しては、水撒きのような用途が多く、リソグラフィのように高度に均一な塗布を求められる応用は少ない。スプレーに関連する現象が複雑であるため、成膜メカニズムの解析が、リソグラフィへの適用に参考になるレベルにはない。立体サンプルへのリソグラフィを意図したスプレー成膜は、ノウハウの蓄積が進んでいないのが現状である。スプレーコータは各社から各種の方式によって用意されてはいるが、非特許文献１のように微粒子サイズを均一にするような機能が成膜メカニズムとは関係ない基準で導入されるなど、立体サンプルへのリソグラフィ応用に合致していないのが現状である。

特許文献１は、サンプル立体形状と強い関連がある形で局所的に膜厚分布が変化する、基本的に同じ問題への対処を示すものである。パターン形成の際にレジスト残りを低減する手法を、サンプル上のダミーパターンを用意することで解決を図っている。スプレーの方式が静電塗布である点も異なっているが、サンプル側にダミーパターン分の素子面積が許されることは限られると考えられる。スプレーコータの装置側の工夫で対処することが望ましい。
特許文献２は、電子写真に用いられる大型感光体を想定した、円筒状の立体サンプルにスプレー成膜を行う際に、ブース内の空気の流れを均一化する整流機構を設けることで微粒子周辺に乱流が発生しにくくし、異物付着の回避を図り良質な塗膜を得るものである。基体に付着しなかったオーバーミストの再付着や、塗工ブース内に付着したミストカス、ダスト類の付着を防ぐものである。サンプルに照射されるスプレー微粒子の中の良質のものだけを利用するものではない。

特許文献３は、有機エレクトロルミネッセンス表示装置の製作方法を想定したものである。液溜まりすなわち膜厚の不均一が、発光層を発光させたときに発光ムラが生じることがあり、スプレー成膜とマスクとしてのアパーチャを工夫している。マスクの開口部の側壁の下端部付近において、液体が溜まることがあることに対する対処である。気流に対する効果を得るものではない。模式図では大きく示されているが、有機エレクトロルミネッセンス表示装置の青、緑、赤色表示用の開口であることの記述から、開口サイズは微細であることが分かる。
特許文献４は、カーボンナノチューブのような電子放出材料粉末をドライスプレーする工程に関するものである。ノズル-サンプル間の離隔距離、スプレー角度、ノズル圧力を調節パラメータに挙げている。スプレーコーンの特定領域を利用するものではない。
特許文献５は、微粒子を堆積する装置において、真空環境や、帯電させた後にエネルギー分散等の処理を施す方法を示したものである。真空環境であるため、気流の影響を避けることができるが、微粒子が乾燥しても良い応用となる。

特開平１０−１８８５８号公報特開平２００７−２７５８６５号公報特開平２００９−６４７２７号公報特開平２００３−５１１８２０号公報公表番号 : ＷＯ２００６／０４３６５６ EVG社スプレーコータ100シリーズカタログ

スプレー成膜によって、レジスト薄膜を立体サンプル上にレジスト薄膜を用意する工程がある。膜質の均一なものを用意することが難しい。立体形状と相関を示しながら膜厚分布が変化する。
フォトリソグラフィ応用を考える際に特に問題となるのは、（１）凹凸の底、すなわちアスペクト比の高い形状の底に、十分な膜厚のレジスト膜を供給することが難しいこと、（２）凹形状をした壁面の上部コーナにおいて、局所的に厚いレジストが付くこと、が挙げられる。（１）と（２）は関連する部分がある。微細でアスペクト比の高い立体では、（２）の現象が顕著となり両側からコブ形状となったレジストが互いに一体となる場合も観察されており、内部に空洞のできた膜となる。これは、レジストを供給するルートを遮断していることになるため、（１）の問題解決を更に困難にしている。
従って、立体サンプルにレジスト膜を形成するには、（１）（２）の課題を解決もしくは軽減することが必要となる。

本発明によれば、特性の良い部分のみを成膜に寄与させて、むしろ問題となる成膜特性を示す部分の寄与を無くすことを可能とするアパーチャを新しく導入する。このアパーチャが最も効果を出す、立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータが構成できる。
また、本発明によれば、アパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置した上で、立体サンプル全体に成膜が施されるよう、サンプル走査もしくはノズル走査を可能とする機構を組み合わせつつ、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータが構成できる。
また、本発明によれば、アパーチャに清浄な気体が吹き出る機構を組み込むことによって、成膜中に汚れや乾いたレジスト微粒子等がサンプルに付着することを最小限にすることができる。このアパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置した上で、立体サンプル全体に成膜が施されるよう、サンプル走査もしくはノズル走査を可能とする機構を組み合わせつつ、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータが構成できる。
また、本発明によれば、アパーチャ機械構造をサンプル近傍およびその周辺に配置するのではなく、サンプルから離れたところに機構を用意し、清浄な気体を立体サンプルおよびその周辺に照射することで同等の効果を立体サンプルに得ることが可能である。その上で、立体サンプル全体に成膜が施されるよう、サンプル走査もしくはノズル走査を可能とする機構を組み合わせつつ、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータが構成できる。

技術的なデータを示す。図１に示すような、アスペクト比１、深さ８５μｍの垂直壁をもつトレンチアレイを持つ立体サンプルを、ノズルを固定して水平面内のｙ軸方向にのみ繰り返し走査して成膜を行った。図２は成膜したレジストをパターニングして、膜厚分布を可視化したサンプル写真を示す。コブ状レジストの表面からの長さｌを測定することができる。ノズル直下以外のトレンチにおいて、コブは気流の当たり易い片方側面で生じる。図３は、壁面にできた局所的に厚いコブ状レジストの表面からの長さｌを、トレンチ深さｄで規格化した、ｌ／ｄの分布を示したものである。ノズル直下のコブは小さい。ｘ＝３ｍｍ（〜３°）相当の位置で、トレンチ奥深くまでコブが伸びており、深くまでレジスト供給されている。スプレーコーンの角度は〜９°であるため、１／３の角度範囲に相当していることになる。図４は幅８５μｍのトレンチ底部中央部のレジスト膜厚ｔの分布を示す。ｘ＝±４ｍｍよりも外側ではレジスト膜厚が薄く、ほぼ０であった。

ｘ＝±２ｍｍ（±２°）の範囲で、４μｍ程度の膜が形成されている。トレンチではなくウェハ上面のレジスト膜厚は１２〜１４μｍであった。〜３０％のレジストが底部まで到達していることになる。±２ｍｍよりも外側では膜厚が目減りする。±４ｍｍの範囲は図３の中心部であり、壁面のコブは生じても、レジストがトレンチ内部深くまで入る領域に対応している。これより外側では、微粒子はほぼ壁面上部にのみ付着している。
壁面上部にレジストが付着する現象は、ノズル直下から離れると無視できるほど減る訳ではなく、測定範囲の全ての領域（角度換算で±１７．８°）で観察された。実際はｘｙ方向に走査しながら全体に成膜するため、サンプル表面上のある点を考えると、ノズル下に来る配置となるのは成膜工程全体の中の僅かな時間であり、離れた位置にある場合の方が圧倒的に長い。従って、ノズル下の配置に無い状態の間に、レジストが壁面上部に蓄積してコブを形成していると判断できる。

以上から、むしろ問題となる壁面上部に局所的に厚いレジスト膜を作ることを助長する位置にサンプルがある場合には、レジスト微粒子の供給が止まる工夫を加え、成膜特性が良いコーン内部の範囲のみを利用するようにすれば、より均一な膜厚が得られることが分かる。
本発明によれば、微粒子を立体サンプルに運ぶスプレーの中でも、アスペクト比が高い形状の奥にまでレジスト材料を運ぶことが出来るスプレーの領域を選択して利用することができる。これは、凹形状をした壁面の上部コーナに局所的に厚いレジストを付けてしまうスプレー領域を利用しないことでもあり、成膜したレジストのプロファイルが、より均一となる。従って、均一なレジスト薄膜によって立体形状を覆うことが可能となる。
上記効果によって、リソグラフィの一連の工程における露光段階において、適切なパターンを得る露光範囲が広くなる。薄膜化はパターン転写のための露光量を減らすので、処理速度向上につながる。扱うことのできる立体形状の高アスペクト比化、垂直壁や逆テーパなどの広範なサンプル形状を扱うことができることにもつながる。従って、立体サンプルへのリソグラフィ加工技術の基盤となる。

以下、本発明のスプレーの特定領域が成膜に寄与するようにしたスプレーコータの実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図は例示であり、アパーチャの材料、形状、配置などは限定されるものではない。また、実際のスプレーコータは説明している部品のみで構成される訳ではなく、サンプル加熱用のヒータなど付加的なものがある。
図５は本発明のスプレーの特定領域が成膜に寄与するようにしたスプレーコータの実施の形態による、アパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、サンプルもしくはノズルの走査や回転を可能としつつ、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータの概略構成を示す図である。図中、上から下に流れるスプレーコーンの中心軸を含む平面での断面図に相当する。１はスプレーノズルである。２はノズルから出たスプレー気流である。

この気流はサンプルに照射されると、サンプル面に沿いながら周辺に流れる。複雑な流れ全体は示していないが、ノズル直下の矢印一つで代表させている。３はスプレー気流で運ばれるレジスト微粒子である。多数で直径の異なる微粒子が多数ある。４は成膜すべき立体サンプルである。５はノズルとサンプルの相対位置を変化させる、走査や回転運動を示す矢印である。この動きのためにはアクチュエータやステージが部品として必要となる。図ではサンプル側が動くように示しているが、ノズル側が運動しても良い。１０はアパーチャ形成用部品である。ノズル直下部は空間となっておりスプレー照射によって成膜が進む。周辺部はアパーチャ形成用部品１０が立体サンプル４に近接して配置される。大気中の成膜であるため、狭い空間に閉じ込められた空気は、粘性効果を強く受けて停滞し、ス
プレー気流が入り難くする効果を持つ。スプレー気流は、アパーチャ形成用部品１０に遮られて、サンプルから離れた空間に流れ去る。最終的には、装置に接続された排気ダクトを流れる。１０の部品は、単一の部品であっても良いし、複数の分割された部品によって同じ効果を出すものでも良い。複数の分割された部品である場合には、互いに隙間を持っても良い。

図６は本発明のスプレーの特定領域が成膜に寄与するようにしたスプレーコータの実施の形態による、清浄な気体が吹き出る機構を持つアパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、サンプルもしくはノズルの走査や回転を可能としつつ、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータの概略構成を示す図である。図中、上から下に流れるスプレーコーンの中心軸を含む平面での断面図に相当する。１はスプレーノズルである。２はノズルから出たスプレー気流である。この気流はサンプルに照射されると、サンプル面に沿いながら周辺に流れる。複雑な流れ全体は示していないが、ノズル直下の矢印一つで代表させている。３はスプレー気流で運ばれるレジスト微粒子である。多数で直径の異なる微粒子が多数ある。４は成膜すべき立体サンプルである。５はノズルとサンプルの相対位置を変化させる、走査や回転運動を示す矢印である。この動きのためにはアクチュエータやステージが部品として必要となる。
図ではサンプル側が動くように示しているが、ノズル側が運動しても良い。１０はアパーチャ形成用部品である。ノズル直下部は空間となっておりスプレー照射によって成膜が進む。周辺部はアパーチャ形成用部品１０が立体サンプル４に近接して配置される。１１は清浄気体の流れである。アパーチャ形成用部品１０と立体サンプル４の間に、清浄気体を強制的に流すため、アパーチャ形成用部品１０の下にスプレー気流が入り難くする効果を持つ。図５の方式と比べて、清浄な気体を積極的に吹き出している分、アパーチャ形成用部品１０を接近させる程度を緩くでき、かつ時間的に先に周辺に付着したレジストに由来する汚れを抑制できる。スプレー気流は、アパーチャ形成用部品１０に遮られて、サンプルから離れた空間に流れ去る。最終的には、装置に接続された排気ダクトを流れる。１０
の部品は、単一の部品であっても良いし、複数の分割された部品によって同じ効果を出すものでも良い。複数の分割された部品である場合には、互いに隙間を持っても良い。

図７は本発明のスプレーの特定領域が成膜に寄与するようにしたスプレーコータの実施の形態による、局所排気機構を持つアパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、サンプルもしくはノズルの走査や回転を可能としつつ、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータの概略構成を示す図である。図中、上から下に流れるスプレーコーンの中心軸を含む平面での断面図に相当する。１はスプレーノズルである。２はノズルから出たスプレー気流である。この気流はサンプルに照射されると、サンプル面に沿いながら周辺に流れる。複雑な流れ全体は示していないが、ノズル直下の矢印一つで代表させている。３はスプレー気流で運ばれるレジスト微粒子である。多数で直径の異なる微粒子が多数ある。４は成膜すべき立体サンプルである。５はノズルとサンプルの相対位置を変化させる、走査や回転運動を示す矢印である。この動きのためにはアクチュエータやステージが部品として必要となる。図ではサンプル側が動くように示しているが、ノズル側が運動しても良い。１０はアパーチャ形成用部品である。ノズル直下部は空間となっておりスプレー照射によって成膜が進む。周辺部はアパーチャ形成用部品１０が立体サンプル４に近接して配置される。１２はサンプル近傍局所排気の気流である。アパーチャ形成用部品１０の内部ルートを通して、スプレー気流を強制的に排気する。

アパーチャ形成用部品１０が立体サンプル４に近接して配置されることに加えて、図５の方式と比べて、アパーチャ形成用部品１０の下にスプレー気流が入り難くする効果を大きくできる。スプレー気流は、局所排気のラインも含めてサンプルから離れた空間に流れ去る。最終的には、装置に接続された排気ダクトを流れる。１０の部品は、単一の部品であっても良いし、複数の分割された部品によって同じ効果を出すものでも良い。複数の分割された部品である場合には、互いに隙間を持っても良い。
図８は本発明のスプレーの特定領域が成膜に寄与するようにしたスプレーコータの実施の形態による、清浄な気体が吹き出る機構と局所排気機構を合わせ持つアパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、サンプルもしくはノズルの走査や回転を可能としつつ、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータ概略構成を示す図である。１０はアパーチャ形成用部品であるが、図６で説明した清浄な気体が吹き出る機構と、図７で説明した局所排気機構を合わせ持つ。

立体サンプルにフォトリソグラフィを適用し、配線など微細なパターンを形成して製作しているデバイスが、わずかながらある。垂直壁や、アスペクト比が高いものなど、より多くの立体サンプルにもフォトリソグラフィ加工が可能となれば、適用を期待されている応用が広がる。平面リソグラフィで製作される工程と接続して利用することも可能で、集積度向上にもつながる。垂直壁を持つ工業製品は多く、任意にデバイスを加工できた際のメリットは大きい。
レジストの成膜のためにスプレーコータが市販されているが、いずれも成膜特性が十分ではなく、研究所等で試作されている程度である。成膜特性の優れた装置が実現できれば、装置としての市場を広げると共に、立体サンプルをフォトリソグラフィ加工して実現する新規デバイスの創出につながる。

スプレー成膜特性を調べるためにシリコンサンプルに用意したトレンチ形状の模式図と座標軸を示している。トレンチ上にスプレー成膜し、パターン転写した結果を電子顕微鏡で観察した結果を示す。膜厚分布を評価するための寸法を示している。スプレー成膜でトレンチ壁面に堆積したレジスト膜が形成した、塊の深さ方向の大きさの分布である。トレンチ深さで規格化した値を示している。スプレー成膜でトレンチ底に堆積したレジスト膜の膜厚分布を示している。本発明の実施の形態による、機械部品で用意したアパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータの構成図である。サンプルとアパーチャ間の距離は拡大表示している。本発明の実施の形態による、機械部品で用意したアパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータの構成図である。本発明の実施の形態による、機械部品で用意したアパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータの構成図である。本発明の実施の形態による、機械部品で用意したアパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータの構成図である。

１・・・ノズル
２・・・スプレー気流
３・・・レジスト微粒子
４・・・立体サンプル
５・・・サンプルの走査や回転（ノズル側が運動しても良い）
１０・・・アパーチャ形成用部品
１１・・・清浄気流
１２・・・サンプル近傍局所排気の気流

Claims

アパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、サンプルもしくはノズルの走査や回転を可能としつつ、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータ。
清浄な気体が吹き出る機構を持つアパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、サンプルもしくはノズルの走査や回転を可能としつつ、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータ。
局所排気機構を持つアパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、サンプルもしくはノズルの走査や回転を可能としつつ、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータ。
清浄な気体が吹き出る機構と局所排気機構を合わせ持つアパーチャを立体サンプル近傍およびその周辺に配置し、サンプルもしくはノズルの走査や回転を可能としつつ、スプレーの特定領域が成膜に寄与するようにした、スプレーコータ。