JP2013211366A - 静電塗布方法を用いた薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】媒体表面に、均一な膜質で表面平滑度の高い薄膜を形成できる静電塗布方法を用いた薄膜形成方法を提案すること。
【解決手段】レジスト膜形成方法は、静電帯電させた状態の塗布液を、逆極性に静電帯電させた薄膜形成対象の媒体の塗布面に向けて霧化状態で吹き付けて、塗布液の溶媒に溶解あるいは分散している塗布液固形成分を塗布面に静電吸着させて堆積する静電塗布工程ＳＴ１と、塗布面に堆積した塗布液固形成分からなる塗膜を、塗布液の溶媒蒸気に晒して湿潤させることで、当該塗膜の膜質の均一化および表面の平滑化を図る塗膜湿潤工程ＳＴ２とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハなどの媒体の表面にレジスト膜などの薄膜を形成する薄膜形成方法に関し、特に、凹凸のある媒体表面に、均一な膜厚で、膜質の均一性および表面平滑度の高い薄膜を形成するのに適した静電塗布方法を用いた薄膜形成方法に関する。

媒体表面、例えば半導体ウエハの表面にレジスト膜を塗布する方法としては一般的にスピンコーティングが採用されている。しかしながら、スピンコーティングによってビアホール等の凹凸のある塗布面に塗膜を形成する場合には、塗布面の凹部、凸部の出隅部分、入隅部分などの膜厚が不均一になりやすく、全体として均一な膜厚の塗膜を形成することが困難な場合がある。

特に、特許文献１に開示されているようなタイコウエハと呼ばれているウエハの場合には、その一方の面には、変形防止のための外周縁に沿って環状突起が形成されている。スピンコーティングによって当該表面にレジスト膜等の塗膜を形成すると、レジスト液が環状突起の内側に溜まってしまい、表面全体に均一な膜厚のレジスト膜を形成することができない。

ここで、特許文献２に開示のレジスト塗布装置は、静電塗布法を利用することで凹凸のあるウエハ表面に均一な膜厚のレジスト膜を形成するようにしている。静電塗布法は、塗布液を霧化して静電帯電させ、これを逆極性に静電帯電させたウエハなどの媒体の表面に静電吸着させて当該表面に堆積させることで塗膜を形成する方法である。

静電塗布法において、スプレーノズルから吹き出されたレジスト液の各液滴は、そこに集まっているレジスト液中の固形成分同士（レジスト剤粒子同士）が電気的に反発しながら分裂を繰り返す。液滴の分裂に伴ってレジスト液の溶剤が徐々に蒸散して消失する。このため、電圧、塗布流量、スプレーノズルから塗布面までの距離等の条件を適切に設定しておくことにより、レジスト液の固形成分が乾燥した状態で塗布面に塗布される。換言すると、レジスト液に含まれているレジスト剤粒子のみが塗布面に静電吸着されて堆積してレジスト膜が形成される。

特開２０１０−９８０５６号公報 特開２０１０−１１４２４５号公報

このように、静電塗布法を用いることにより、スピンコーティングの場合に比べて、凹凸のあるウエハ表面に対して均一な膜厚のレジスト膜を形成することが可能である。しかしながら、静電塗布法では、上記のように、スプレーノズルから吹き出されたレジスト液の液滴が徐々に分裂して細分化する過程で溶剤が蒸発して失われ、所定の乾燥状態でレジスト液固形成分がウエハ表面に静電吸着されて堆積する。湿潤状態のレジスト液が塗布された場合には、溶剤の流動性、表面張力等によって、塗膜の膜質の均一性、塗膜表面の平滑性が改善される。しかし、乾燥状態のレジスト液固形成分がウエハ表面に堆積して積層する場合に、固形成分の堆積密度、堆積状態が不均一の場合には、得られた塗膜の膜質の均一性、塗膜表面の平滑度が低いという問題点がある。

なお、レジスト液などの塗布液を湿潤状態で塗布面に塗布する方法、例えば、塗布液を微小液滴あるいはミストの状態で塗布面に吹き付けて塗布する方法を採用した場合においても、塗膜に必要とされる平滑度が得られない場合がある。例えば、インクジェットヘッドなどを用いてレジスト液を微小液滴の状態でウエハ表面に吐出するディスペンス機構を用いて面塗りを行った場合に十分な平滑度の塗膜が得られない場合がある。

本発明の課題は、これらの点に鑑みて、媒体表面、特に凹凸のある媒体表面に、均一な膜厚で、膜質の均一度および表面の平滑度が高い薄膜を形成することのできる静電塗布方法を用いた薄膜形成方法を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の静電塗布方法を用いた薄膜形成方法は、静電塗布方法によって媒体の塗布面に塗布液固形成分を堆積して所定厚さの塗膜を形成する静電塗布工程を行った後に、得られた塗膜を、塗布液の溶媒蒸気に晒すことで湿潤させ、これによって、当該塗膜の膜質の均一化および表面の平滑化を図る塗膜湿潤工程を行うことを特徴としている。

ここで、塗膜湿潤工程において塗膜を溶剤によって短時間で効率良く湿潤させるために、塗布液溶媒の飽和蒸気雰囲気中に晒すことが望ましい。

また、塗膜を湿潤させて、その膜質の均一化および表面の平滑化を図った後は、当該塗膜から溶剤を蒸発させて当該塗膜を乾燥させる乾燥工程を行うことが望ましい。

本発明による薄膜形成方法は、半導体ウエハの表面にレジスト膜を形成するために用いるのに適している。特に、タイコウエハと呼ばれる外周縁に変形防止用の環状突起が形成されているウエハ表面にレジスト膜を形成するために用いるのに適している。

本発明の薄膜形成方法では、静電塗布方法によって塗膜を形成した後に、当該塗膜を塗布液の溶媒によって湿潤させるようにしている。これによって、塗膜の膜厚の一層の均一化を図ることができ、また、塗膜の膜質の均一化および表面平滑化を図ることができる。

本発明を適用したレジスト膜形成工程を示す概略工程図である。 図１の静電塗布工程に用いるレジスト塗布装置の一例を示す説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明の方法を用いてタイコウエハの表面にレジスト膜を形成する方法の実施の形態を説明する。

（レジスト膜形成方法）
図１を参照して本実施の形態に係るレジスト膜形成方法の工程を説明する。まず、静電塗布工程ＳＴ１では、静電帯電した状態のレジスト液を、逆極性に静電帯電した状態のタイコウエハのウエハ表面に対して霧化状態で吹き付けて、レジスト液溶媒に溶解あるいは分散しているレジスト液固形成分をウエハ表面に静電吸着させて堆積する。

レジスト液はスプレーノズルから吹き出される前に静電帯電させておいてもよいし、スプレーノズルから吹き出されて霧状になった状態で静電帯電させてもよい。勿論、帯電状態のレジスト液をスプレーノズルから吹き出すと共に、吹き出された霧化した状態のレジスト液を更に帯電するようにしてもよい。また、高圧のキャリアガスによってレジスト液を吹き出すことでレジスト液を霧状にすることができるが、例えば超音波振動子を用いてレジスト液を霧状のミストにすることもできる。また、バッチ式の場合には、シリンジ等を用いて定量ずつレジスト液をスプレーノズルに供給してもよい。

先に述べたように、スプレーノズルから吹き出されたレジスト液の各微小液滴は、そこに集まっているレジスト液固形成分同士（レジスト剤粒子同士）が電気的に反発し合って、徐々に分裂を繰り返す。この分裂に伴ってレジスト液に含まれている溶剤が徐々に蒸散する。スプレーノズルとウエハ表面の間に加える電圧、スプレーノズルから吹き出されるレジスト液の流量・流速、スプレーノズルからウエハ表面までの距離等の条件を適切に設定しておくことにより、レジスト液に含まれているレジスト剤粒子のみが塗布面に静電吸着されて堆積して、タイコウエハの表面全体に均一な厚さのレジスト膜が形成される。

この次に行われる塗膜湿潤工程ＳＴ２では、形成されたレジスト膜を、レジスト膜溶媒の蒸気に晒して湿潤させる。例えば、レジスト膜が形成されたタイコウエハを、レジスト液溶媒の飽和蒸気雰囲気とされた密閉処理室内に所定時間入れて湿潤処理を行う。あるいは、タイコウエハに形成されたレジスト膜に対して、スプレーガン等によってレジスト液溶媒の飽和蒸気を吹き付けることで湿潤処理を行うことも可能である。塗膜湿潤工程ＳＴ２を行うことで、レジスト膜の膜厚の均一性を更に高めることができる。また、レジスト膜の膜質の均一度および表面の平滑度を改善することができる。

この後に行われる乾燥工程ＳＴ３では、湿潤状態のレジスト膜から溶剤を蒸発させて当該レジスト膜を乾燥させる。レジスト膜が形成されたタイコウエハをヒータープレート等の熱源に接触させて加熱する方法、赤外線ヒーター、熱風等によって非接触形態で加熱する方法を採用することができる。または、塗膜湿潤工程ＳＴ２において密閉処理室内でレジスト膜を湿潤させた後に、密閉処理室内を真空引きして溶剤を乾燥除去するようにしてもよい。

（レジスト膜塗布装置の例）
図２は、静電塗布工程ＳＴ１において用いるのに適したレジスト塗布装置の一例を示す説明図である。レジスト塗布装置１は、複数本のスプレーノズル２を備えたノズルユニット３、塗布対象のウエハ４を載せるウエハ載置台（ウエハチャック）５、スプレーノズル２とウエハ載置台５を逆極性で帯電させるための帯電用電源装置６、および、各部の駆動制御を司るコンピュータを中心に構成されている駆動制御装置７を備えている。また、ノズルユニット３にレジスト液８ａを供給するためのレジスト液タンク８および液供給ポンプ９と、各スプレーノズル２からレジスト液８ａをミスト状に噴出するために用いるキャリアガス１０ａをノズルユニット３に供給するためのキャリアガスタンク１０およびガス供給ポンプ１１を備えている。

ウエハ載置台５は、そのウエハ載置面５ａが上向きで水平となるように配置されている。ウエハ載置面５ａの真上にノズルユニット３が配置されており、そのスプレーノズル２の中心軸線はウエハ載置面５ａに垂直な向きに設定されている。ウエハ載置台５およびノズルユニット３は、昇降機構１２によって相対的に上下方向に移動可能であり、ウエハ載置台５に設置したウエハ４の塗布面４ａとスプレーノズル２のノズル開口２ａとの間隔を調整できるようになっている。

なお、スプレーノズル２を１本とすることも可能である。また、ウエハ載置台５を、その中心回りに回転可能な回転台、平面方向に移動可能なステージとすることも可能である。この場合には、スプレーノズル２によってレジスト液をウエハ４の塗布面４ａに吹き付けながら、ウエハ載置台５を回転あるいは移動させることで、広い面積の塗布面４ａにレジスト膜を形成することができる。

ノズルユニット３のスプレーノズル２は、合成樹脂、エラストマー等の絶縁性素材からなるノズル本体２ｂと、このノズル本体２ｂの外周面を覆う状態に形成した導電性皮膜からなるノズル側電極２ｃとを備えている。ウエハ載置台５は絶縁素材からなり、その平坦なウエハ載置面５ａには台側電極１３の表面が露出した状態で埋め込まれている。動作状態においては、帯電用電源装置６によって、ノズル側電極２ｃと台側電極１３の間には直流高電圧が印加され、スプレーノズル２から吹き出されるレジスト液は例えば正に帯電される。ウエハ載置面５ａに設置したウエハ４は、これとは逆の極性、例えば負に帯電された状態になる。

ここで、塗布対象の媒体であるウエハ４は例えばタイコウエハと呼ばれるウエハであり、薄い円盤状の本体部分４ｂの外周縁に沿って、本体部分４ｂよりも厚い変形防止用の環状突起４ｃが直角に突出している断面形状をしている。図示の例では、環状突起４ｃが突出している側が塗布面４ａであり、当該塗布面４ａが上向きとなるようにウエハ載置台５に設置される。

なお、本例ではウエハ載置台５の真上にノズルユニット３を配置し、ウエハ４の塗布面４ａを上向きの状態でレジスト液を塗布する構成であるが、これとは異なる配置関係を採用することも可能である。例えば、上向きにノズルユニット３を配置し、この真上の位置において、塗布面４ａを下向き状態でウエハ４の外周縁部分を支持し、この状態で塗布面４ａにレジスト液を塗布することができる。ウエハ４における塗布面４ａとは反対側の面が回路面となっており、当該回路面をウエハ載置台５のウエハ載置面５ａに直接に接触させることが望ましくない場合などに有効である。また、ノズルユニット３とウエハ載置台５を、上下方向ではなく、左右方向あるいは傾斜した方向から対峙する配置関係を採用することが有効な場合もある。さらに、ウエハ４の塗布面４ａに対して垂直な方向からレジスト液を塗布する代わりに、斜め方向からレジスト液を塗布することが有効な場合もある。

この構成のレジスト塗布装置１を用いたレジスト塗布動作においては、ウエハ載置台５のウエハ載置面５ａに、塗布面４ａが上向きとなる状態でウエハ４が設置される。また、帯電用電源装置６によって、ノズル側電極２ｃと台側電極１３の間の直流高電圧が印加される。この状態で、液供給ポンプ９を駆動してレジスト液タンク８からレジスト液８ａをノズルユニット３の各スプレーノズル２に圧送すると共に、ガス供給ポンプ１１を駆動してキャリアガスタンク１０からキャリアガス１０ａをノズルユニット３の各スプレーノズル２に圧送する。

各スプレーノズル２からはレジスト液８ａがウエハ４の塗布面４ａに向けて霧化状態で噴出される。各スプレーノズル２を通過してノズル開口２ａから吹き出される間に、ノズル側電極２ｃによって吹き出されるレジスト液８ａが正に帯電される。ウエハ載置台５上のウエハ４の塗布面４ａは逆極性の負に帯電されているので、吹き出されたレジスト液８ａの各微小液滴は静電吸引力によって塗布面４ａに吸引される。

ここで、各スプレーノズル２から吹き出されたレジスト液８ａの各微小液滴は、そこに集まっている帯電状態のレジスト液固形成分が相互に電気的に反発し合って分裂を繰り返しながら、塗布面４ａに向かう。分裂に伴ってレジスト液８ａに含まれている溶剤が徐々に蒸散する。本例では、帯電用電源装置６を制御して、スプレーノズル２と塗布面４ａの間に加えられる電圧を調整し、液供給ポンプ９、ガス供給ポンプ１１を制御してスプレーノズル２から吹き出されるレジスト液８ａの流量・流速を調整し、昇降機構１２によってスプレーノズル２のノズル開口２ａから塗布面４ａまでの距離を調整することで、溶媒が除去されてレジスト液固形成分のみが実質的に塗布面４ａに静電吸着されて堆積するようにしてある。レジスト液８ａの粘度・濃度、溶媒の種類、レジスト液固形成分の種類、スプレーノズル径など、その他の条件に応じて適切に調整することが望ましいことは勿論である。

（その他の実施の形態）
上記の例はウエハ表面にレジスト膜を形成する場合のものであるが、本発明の方法は、レジスト液以外の塗布液を用いて、半導体基板、ガラス基板等の各種素材からなる媒体の表面に薄膜を形成する場合にも適用することができる。例えば、有機材料を含む塗布液を用いて半導体基板表面に有機機能性の薄膜を形成でき、導電性高分子材料を含む塗布液を用いて基板上に導電性有機薄膜を形成することができる。

なお、塗布液に含まれる固形成分は、例えば、高分子材料、有機材料、無機材料の場合があり、これらの混合物の場合もある。塗布液溶媒としては、静電塗布の際に噴霧後に塗布面に到達する間に揮発しやすい比較的低沸点のものを用いることが望ましい。また、スプレーノズルから吹き出された液滴が小さい程、均一で平滑な薄膜が形成されるので、塗布液固形成分の溶解度の高い溶媒を用いることが望ましい。

１ レジスト塗布装置
２ スプレーノズル
２ａ ノズル開口
２ｂ ノズル本体
２ｃ ノズル側電極
３ ノズルユニット
４ ウエハ
４ａ 塗布面
４ｂ 本体部分
４ｃ 環状突起
５ ウエハ載置台
５ａ ウエハ載置面
６ 帯電用電源装置
７ 駆動制御装置
８ レジスト液タンク
８ａ レジスト液
９ 液供給ポンプ
１０ キャリアガスタンク
１０ａ キャリアガス
１１ ガス供給ポンプ
１２ 昇降機構
１３ 台側電極

Claims (5)

1. 静電帯電した状態の塗布液を、逆極性に静電帯電した薄膜形成対象の媒体の塗布面に対して霧化状態で吹き付けて、前記塗布液の溶媒に溶解あるいは分散している塗布液固形成分を前記塗布面に静電吸着させて堆積する静電塗布工程と、
   前記塗布面に堆積した前記塗布液固形成分からなる塗膜を、前記溶媒の蒸気に晒して湿潤させることで、当該塗膜の膜質の均一化および表面の平滑化を図る塗膜湿潤工程とを備えていることを特徴とする静電塗布方法を用いた薄膜形成方法。
2. 請求項１において、
   前記塗膜湿潤工程では、前記塗膜を、前記溶媒の蒸気雰囲気中に晒すことを特徴とする静電塗布方法を用いた薄膜形成方法。
3. 請求項１または２において、
   前記溶媒によって湿潤させた後の前記塗膜から前記溶媒を蒸発させて乾燥する乾燥工程を備えていることを特徴とする静電塗布方法を用いた薄膜形成方法。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれかの項において、
   前記媒体は半導体基板あるいはガラス基板であり、
   前記塗布液はレジスト液であり、
   前記媒体の少なくとも一方の表面が前記塗布面であり、
   前記薄膜は前記塗布面に形成したレジスト膜であることを特徴とする静電塗布方法を用いた薄膜形成方法。
5. 請求項４において、
   前記媒体の前記塗布面は、外周縁全周に亘って変形防止用の突起が形成されていることを特徴とする静電塗布方法を用いた薄膜形成方法。

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