JP2020088157A - 金属ピラー作成用のパターン形成方法および現像装置 - Google Patents

金属ピラー作成用のパターン形成方法および現像装置 Download PDF

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Abstract

【課題】基板上に塗布された後で金属ピラーに対応する露光パターンに露光されたレジスト膜を現像して金属ピラーを作成するための凹部を短時間で形成する。【解決手段】レジスト膜を現像する現像液を貯留する現像槽内で現像液を攪拌するとともに攪拌される現像液に超音波振動を付与しながら、レジスト膜が形成された基板を現像槽内の現像液に浸漬させて露光パターンに応じてレジスト膜を選択的に現像して除去する。【選択図】図2

Description

この発明は、基板上に塗布された後で金属ピラーに対応する露光パターンに露光されたレジスト膜を現像して金属ピラーを作成するための凹部を形成する技術に関するものである。
電子機器のダウンサイジングに伴い、3次元実装技術に基づいた半導体装置の実装密度の向上が図られている。このような高密度実装技術においては、金属ピラーや金属ポストと呼ばれる高厚膜配線(以下「金属ピラー」という)を基板上に高精度に作成する必要がある。そこで、例えば特許文献1では金属ピラーを以下の手順で作成している。すなわち、基板に感光性樹脂(レジスト液)を塗布して金属ピラーに対応した高膜厚のレジスト膜を形成した後で露光処理および現像処理によって基板上のレジスト膜を選択的に除去し、金属ピラーを作成するための凹部を形成する。そして、凹部に銅などの金属材料を供給して金属ピラーを作成している。
特許第4396839号
従来において多用されている現像技術、例えば半導体装置を製造するために使用していた現像技術では、レジスト膜の厚みは1〜15μm程度である。これに対し、金属ピラーを作成する際に使用されるレジスト膜の厚みは50μm以上である。このため、現状では、従来の現像技術、つまり基板上に現像液をパドル状に供給してレジスト膜の最上層を所定厚みだけ現像した後で基板を回転させて使用済の現像液および除去されたレジスト成分を基板から振り切って除去するという一連の処理を複数回繰り返している。このため、金属ピラーの作成工程においてレジスト膜の現像処理に多大な時間を要し、これが金属ピラーの作成時間の短縮化を図る上でボトルネックとなっている。
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基板上に塗布された後で金属ピラーに対応する露光パターンに露光されたレジスト膜を現像して金属ピラーを作成するための凹部を短時間で形成することができる金属ピラー作成用のパターン形成方法ならび現像装置を提供することを目的とする。
この発明の一態様は、基板上に塗布された後で金属ピラーに対応する露光パターンに露光されたレジスト膜を現像して金属ピラーを作成するための凹部を形成する金属ピラー作成用のパターン形成方法であって、レジスト膜を現像する現像液を貯留する現像槽内で現像液を攪拌するとともに攪拌される現像液に超音波振動を付与しながら、レジスト膜が形成された基板を現像槽内の現像液に浸漬させて露光パターンに応じてレジスト膜を選択的に現像して除去することを特徴としている。
また、この発明の他の態様は、基板上に塗布された後で金属ピラーに対応する露光パターンに露光されたレジスト膜を現像して金属ピラーを作成するための凹部を形成する金属ピラー作成用の現像装置であって、レジスト膜を現像する現像液を貯留する現像槽と、現像槽内で現像液を攪拌する攪拌機構と、現像槽内で攪拌機構により攪拌される現像液に超音波振動を付与する超音波発生器と、現像槽に対してレジスト膜が形成された基板を搬入出させる基板搬送機構とを備え、基板搬送機構が基板を現像槽に搬入することで、攪拌機構による攪拌と超音波発生器による超音波振動とを受けた現像槽内の現像液に基板を浸漬させて露光パターンに応じてレジスト膜を選択的に現像して除去することを特徴としている。
このように構成された発明では、現像液がレジスト膜に触れる、つまりレジスト膜への現像液の接液によって接液した部分で化学反応が生じて膜減りが起きる。このとき、化学反応を起こした現像液は失活して現像液に含まれる現像に寄与する化学物質の活性が失われ、
反応を起こさなくなる。したがって、後で説明するように、このように失活した現像液が膜減り部分に残ると、現像処理の進行速度は徐々に遅くなり、最終的には現像処理が途中で停止してしまう。そのため、膜減り部分での現像液の滞留を放置しておくと、所望の凹部を形成することが困難となる(図5中の(a)欄参照)。これに対し、本発明では、現像液の攪拌により現像液は現像槽内で対流するとともに超音波振動を受けている。このため、膜減り部分に存在する失活した現像液は膜減り部分から効率的に排出される一方、膜減り部分の近傍に対流してきた新鮮な現像液(現像処理を行う上で適正に濃度調整された現像液)が膜減り部分に入り込み、現像液の置換が効率的に行われる。このように膜減り部分に対して新鮮な現像液が順次供給されて局部的な失活状態が発生するのを改善して現像処理を進行させて所望の金属ピラー用の凹部を形成する。
以上のように、本発明によれば、現像槽内での現像液の攪拌により現像液を対流させつつ当該現像液に超音波振動を付与しているため、レジスト膜の膜減り部分に対して新鮮な現像液を順次供給することができ、レジスト膜への金属ピラー用の凹部を短時間で形成することができる。
本発明に係る金属ピラー作成用のパターン形成方法の一態様として実行される現像処理を含む金属ピラーの製造方法を示すフローチャートである。 本発明に係る現像装置の一実施形態を示す図である。 本発明に係る金属ピラー作成用のパターン形成方法として実行される現像処理を示すフローチャートである。 図3の現像処理で実行される現像液の濃度調整処理を示すフローチャートである。 図3の現像処理による作用効果を説明するための模式図である。
図1は本発明に係る金属ピラー作成用のパターン形成方法の一態様として実行される現像処理を含む金属ピラーの製造方法を示すフローチャートである。この製造方法では、従来技術と同様に、金属ピラーの高さに対応すべく、比較的多量のレジスト液が基板上に塗布されて高膜厚、例えば50μm以上のレジスト膜が基板上に形成される(ステップS1)そして、高膜厚のレジスト膜が形成された基板は露光装置に搬送されて金属ピラーに対応した露光パターンで露光される(ステップS2)。例えばステップS1でポジ型のレジスト液が塗布された場合には、レジスト膜のうち金属ピラーを形成すべき領域を露光して現像液に対して溶解性を有する物性に変化させる。こうした露光処理を受けた基板を現像して基板上のレジスト膜を選択的に除去し、レジスト膜をパターニングする(現像処理:ステップS3)。本実施形態では、この現像処理を次に詳述する図2に示す現像装置により行って金属ピラーを作成するための凹部をレジスト膜に短時間で形成している。その後で凹部に銅などの金属材料を供給して金属ピラーを作成する(ステップS4)。
図2は本発明に係る現像装置の一実施形態を示す図である。現像装置100は現像槽1に貯留された現像液に露光処理を受けた基板Sを浸漬させてレジスト膜を現像して金属ピラー作成用の凹部を形成するものである。現像槽1は内槽11と外槽12を備えている。内槽11は上方を開口した状態で現像液を貯留しながら、上記開口を介して基板搬送機構2によって保持された基板Sを搬入出可能に設けられている。
基板搬送機構2は、複数個(本実施形態では4個)の保持アーム21と、保持アーム21を一体的に内槽11の内部にあたる処理位置と内槽11の上方にあたる待機位置との間で昇降させる昇降部22とを有している。各保持アーム21は露光済のレジスト膜を有する基板Sを起立姿勢で保持可能となっている。そして、これら複数の保持アーム21を昇降部22が処理位置に移動させることで複数の基板Sを一括して内槽11に搬入して内槽11内の現像液に浸漬させる。これによってレジスト膜に金属ピラー作成用の凹部が形成される。また凹部の形成後、昇降部22は複数の保持アーム21を待機位置に引き上げることで複数の基板Sを一括して内槽11から搬出して現像液による現像処理を停止させる。
現像処理を実行する内槽11の底部両側には、現像液を供給する二本の噴出管13が配設されている。噴出管13には、内槽11内の現像液に浸漬された基板Sに向けて現像液を噴出して内槽11内で現像液を攪拌する攪拌機構3と接続されている。
攪拌機構3は単に噴出管13に接続されているのみならず外槽12とも接続されている。本実施形態では、外槽12は内槽11の開口を囲うように設けられ、内槽11への基板Sの搬入や噴出管13からの現像液の噴出に伴って内槽11の開口から溢れてくる現像液を回収する機能を有している。そして、攪拌機構3は噴出管13から現像液を噴出させるとともに外槽12で回収された現像液を再び噴出管13に送給して噴出管13から噴出させる。こうして現像液は内槽11、外槽12および攪拌機構3で構成される循環経路に沿って循環しており、内槽11内で攪拌されて対流する。
攪拌機構3は、噴出管13と外槽12とを接続する配管31と、現像液を噴出管13に向けて圧送するポンプ32と、三方弁33とを有している。配管31の一方端は2本に分岐されて噴出管13に接続されるとともに他方端は外槽12の内底面に接続されており、外槽12で回収された現像液を噴出管13に流通可能となっている。この配管31の中間部には、ポンプ32が介挿されるとともに、ポンプ32と外槽12との間に三方弁33が介挿されている。ポンプ32および三方弁33は現像装置100の各部を制御する制御部4と電気的に接続されており、ポンプ32の作動および三方弁33の開閉状態が制御部4により制御可能となっている。例えば制御部4からの指令に応じて三方弁33が配管31による現像液の循環を許可するポジションに切り替えられた状態でポンプ32が作動すると、外槽12により回収された現像液が配管31を介して噴出管13に圧送される。これによって、現像液が上記循環経路に沿って循環されるとともに内槽11内で現像液が攪拌されて現像液の対流が生じる。一方、攪拌による現像液の対流を停止させる際には、制御部4からの指令に応じて三方弁33が配管31を介した現像液の循環を規制するポジションに切り替えられるとともにポンプ32が停止される。さらに、三方弁33は、現像液の循環を制御する第1ポートおよび第2ポート以外に、配管31を流通する現像液の一部をサンプリングするための第3ポートを有しており、当該第3ポートが制御部4からの指令に応じて開くことで回収した現像液の一部がサンプリングされて濃度計測部5に供給される。
濃度計測部5は三方弁33を介して供給された現像液のうちレジスト膜を溶解する成分の濃度(以下、この成分濃度を単に「現像液の濃度」という)を計測した後で当該現像液を配管31に戻す機能を有している。濃度計測部5は、配管31のうち三方弁33とポンプ32との間から分岐した分岐配管51を有している。この分岐配管51は三方弁33の第3ポートと連結されている。また、分岐配管51の中間部では三方弁側の開閉弁52、濃度計53およびポンプ側の開閉弁54がこの順序で介挿されている。開閉弁52、54は制御部4と電気的に接続されており、制御部4からの指令に応じて開閉弁52、54がともに開成することで三方弁33を介してサンプリングされた現像液の濃度が濃度計53に流入し、濃度計53により濃度が計測された後で配管31に戻される。また、計測されて濃度情報は制御部4に送られる。なお、本実施形態では、サンプリングした現像液を配管31に戻して循環させているが、サンプリングした現像液を廃棄するように構成してもよい。
こうして濃度計測部5により現像液の濃度を監視しているが、その主たる目的は現像液の濃度を安定化させるためであり、現像処理の進行により現像液の失活を確実に検知するためである。本実施形態では、現像液の失活が検知された際に現像液の濃度を現像処理に適した値に戻すために、循環して使用している現像液に対して未使用の現像液を補充する現像液補充部6を備えている。
現像液補充部6は、未使用の現像液を貯留する現像液タンク61と、現像液タンク61と循環用の配管31とを接続する補充配管62と、補充配管62の中間部に介挿された開閉弁63とを有している。制御部4は濃度計53の計測結果(循環使用している現像液の濃度値)に基づいて開閉弁63を適宜開成して未使用の現像液を補充して現像処理に使用している現像液の濃度値を適正値に保って現像処理の安定化を図っている。
上記のように本実施形態では、現像液の濃度を適正化しつつ内槽11内で現像液を攪拌して対流させているが、さらに振動付与部7によって内槽11内で攪拌されている現像液に超音波振動を付与している。
振動付与部7は、内槽11の底部に位置されたバット71と、バット71の底面に取り付けられた超音波発生器72とを有している。バット71には、内槽11の下部がつかる程度の量の純水が満たされている。そして、制御部4からの指令に応じて超音波発生器72が発振すると、超音波発生器72により発生した超音波振動がバット71の純水を介して内槽11内で対流している現像液に対して与えられる。
次に、上記のように構成された現像装置100による現像処理について図3ないし図5を参照しつつ説明する。図3は本発明に係る金属ピラー作成用のパターン形成方法として実行される現像処理を示すフローチャートである。また、図4は図3の現像処理で実行される現像液の濃度調整処理を示すフローチャートである。さらに、図5は図3の現像処理による作用効果を説明するための模式図である。本実施形態では、図1に示す現像処理として以下の一連の動作が制御部4からの指令に応じて実行される。本実施形態では、露光処理を受けた複数枚の基板Sを基板搬送機構2により保持して内槽11に搬入する前に、現像処理の準備動作を実行する(ステップS31〜S33)。すなわち、図2の点線矢印で示すように現像液を攪拌機構3により循環させ、内槽11内で現像液を攪拌して対流させる(ステップS31)。この動作は次の基板Sがなくなるまで継続される。また、こうして現像液の攪拌開始と同時あるいは開始後より図4に示す濃度調整を開始する(ステップS31)。
この濃度調整処理では、図4に示すように、配管31を介して循環している現像液の一部をサンプリングし(ステップS311)、その現像液の濃度を濃度計53により計測する(ステップS312)。そして、その濃度情報(循環している現像液の濃度値)を受け取った制御部4により、その濃度値が予め設定された規定範囲、つまり現像処理に適した濃度範囲に収まっているか否かを判定する(ステップS313)。
このステップS313で循環している現像液の濃度値が規定範囲に収まっている間、ステップS311に戻って上記サンプリング、濃度計測および判定処理が繰り返される。一方、ステップS313で「NO」、つまり現像液の濃度値が規定範囲を下回っており、当該現像液を用いたのでは金属ピラー作成用の凹部を適正に形成することが困難であると判定すると、現像液補充部6により未使用の現像液が循環している現像液に補充される(ステップS314)。この現像液の補充後にステップS311に戻って上記サンプリング、濃度計測および判定処理が実行される。なお、本実施形態では、濃度調整処理は次の基板Sがなくなり、現像液の循環を停止させるまで継続されるが、上記現像液のサンプリング間隔については任意であり、一定間隔で行ってもよい。また、濃度の計測結果に応じてサンプリング間隔を適宜変更してもよく、例えば濃度変化が小さい場合にはサンプリング間隔を広げてもよい。
図3に戻って現像処理の説明を続ける。ステップS32では、上記濃度調整中の計測された現像液の濃度値が現像処理に適したものであるか否かを判定する(ステップS32)。具体的には、図4のステップS313と同様に、循環している現像液の濃度値が規定範囲に収まっているかを判定してもよい。このステップS32で現像液の濃度値が適正であることが確認されると、現像処理の準備動作を完了し、実質的な現像動作に移行する。
次のステップS33では、超音波発生器72を発振させて内槽11内で対流している現像液への超音波振動の付与を開始する。そして、対流しながら超音波振動を受けている現像液が貯留されている内槽に向けて保持アーム21を下降させて複数枚の基板Sを一括して内槽11に搬入する(ステップS34)。これにより、対流しながら超音波振動を受けた現像液に基板Sが浸漬されて現像処理が進行する。この現像処理はステップS35で現像完了と判定されるまで継続され、レジスト膜のうち露光処理された被露光領域が溶解されていく。
ここで、現像液の対流と超音波振動とが現像処理に及ぼす作用効果について図5を参照しつつ説明する。同図の(a)欄には、図2に示す現像装置100において現像液Dの循環を停止して対流させず、しかも超音波振動を付与しない場合の現像処理の進行を模式的に示している。一方、同図の(b)欄には、図2に示す現像装置100において現像液Dを循環して対流させつつ超音波振動を付与している場合の現像処理の進行を模式的に示している。同図中の横軸は現像開始からの経過時刻を示し、破線は露光を受けた被露光領域、つまり露光により現像液に対する溶解性を獲得した領域を示している。また、実線矢印は現像液Dの対流動作を示す一方、点線矢印は現像液D、Daの置換動作を示している。
内槽11に貯留された現像液Dに基板Sが浸漬された時点(タイミングTa1、Tb1)で基板S上のレジスト膜Rの最上面が現像液Dと接触し、被露光領域の最上部を溶解して膜減り部分、つまり浅い凹部Cが形成される。こうして現像処理が開始された後、現像処理の進行に伴って凹部Cの内部に存在する現像液Daは徐々に失活していく。例えば同図の(a)欄に示すように「対流なし」および「振動なし」の状態では現像液Daが凹部Cの内部から排出される確率は少なく、凹部Cでの現像液の置換は拡散現象によって若干生じる程度である。したがって、現像液Daの多くは凹部Cの内部に留まって現像処理を進行させる。そのため、タイミングTa2、Ta3、…と時間が経過するにしたがって現像液Daの濃度は低下して現像処理の進行速度も遅くなっていく。その結果、多大な時間(=Tam−Ta1)が経過しても所望の深さの凹部Cを形成することは難しい。
これに対し、例えば同図の(b)欄に示すように「対流あり」および「振動あり」の状態では、超音波振動により現像液Daは凹部Cの内部から排出される確率は高くなり、しかも凹部Cの開口付近で適正な濃度に調整された現像液Dが対流しているために凹部Cの内部から排出された現像液Daは現像液Dの流れに凹部Cから運び出される。その結果、タイミングTb2で凹部Cに存在している現像液Daは同図中の点線矢印で示すように速やかに凹部Cから排出される一方、凹部Cに流れてきた適正濃度の現像液Dが凹部Cに入り込み、現像液の置換が効率的に行われる(タイミングTb3)。このような凹部Cに入り込んだ現像液Daによる現像処理と現像液の置換処理とが連続的に行われる。このように、常に適正な濃度に調整された現像液Dが凹部Cに連続的に供給され、被露光領域でのレジスト膜Rの溶解が良好に進行して所望の凹部Cを形成することができる(タイミングTbm)。
こうして所望の凹部Cが形成される(図3中のステップS35で「YES」)と、超音波発振を停止した(ステップS36)後で複数の保持アーム21を待機位置に引き上げ、複数の基板Sを一括して内槽11から搬出して現像液による現像処理を停止させる(ステップS37)。その後で、次に現像処理すべき基板Sが存在するか否かを判定する(ステップS38)。
次の基板Sが存在すると判定する(ステップS38で「YES」)と、ステップS32に戻って上記一連の処理を繰り返す。一方、次の基板Sが存在しないと判定する(ステップS38で「NO」)と、現像液の循環および濃度調整を停止する(ステップS39)。
以上のように、本実施形態によれば、現像液Dの攪拌により現像液Dを現像槽1の内槽11内で対流させるとともに超音波振動を付与している。このため、現像処理により生じた膜減り部分、つまり凹部Cに存在する失活した現像液Daを凹部Cから効率的に排出する一方、凹部Cの近傍に対流してきた新鮮な現像液(適正濃度の現像液)を凹部Cに効率的に流入させることができる。つまり、凹部Cでの現像液の置換を効率的に行うことができる。このように凹部Cに対して適正濃度の現像液Dを順次供給して局部的な失活状態が発生するのを改善しているため、現像処理を良好に進行させ、所望の金属ピラー用の凹部Cを短時間で形成することができる。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記実施形態では、攪拌機構3が外槽12で回収した現像液を内槽11に戻すことにより内槽11内で現像液を攪拌させているが、循環方式とは異なる方式、例えば内槽11の内底部に攪拌用のスクリューなどを設け、内槽11内でのみ現像液を攪拌して対流させるように構成してもよい。
また、上記実施形態では、内槽11と外槽12とを備えた現像槽1を用いているが、現像槽1の構成はこれに限定されるものではなく、例えば単一の槽で構成された現像槽を用いてもよい。
また、上記実施形態では、超音波振動をバット71の純水を介して付与するように構成しているが、内槽11に超音波発生器72を取り付けたり、超音波発生器72を内槽11に貯留された現像液に浸漬させて超音波振動を付与してもよい。
また、上記実施形態では、複数枚の基板Sを一括して現像する現像装置に本発明を適用しているが、基板を1枚ずつ現像槽に貯留された現像液に浸漬させて現像処理を行う、いわゆる枚葉式の現像装置に対して本発明を適用してもよい。
また、上記実施形態では、ポジ型のレジスト膜を現像して金属ピラー作成用の凹部を形成しているが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、ネガ型のレジスト膜に対して金属ピラー作成用の凹部を形成する発明に対して本発明を適用してもよい。
この発明は、基板上に塗布された後で金属ピラーに対応する露光パターンに露光されたレジスト膜を現像して金属ピラーを作成するための凹部を形成する技術全般に適用可能である。
1…現像槽
3…攪拌機構
7…振動付与部
11…内槽(現像槽)
31…配管
32…ポンプ
51…分岐配管
72…超音波発生器
100…現像装置
C…凹部
D、Da…現像液
R…レジスト膜
S…基板

Claims (7)

  1. 基板上に塗布された後で金属ピラーに対応する露光パターンに露光されたレジスト膜を現像して前記金属ピラーを作成するための凹部を形成する金属ピラー作成用のパターン形成方法であって、
    前記レジスト膜を現像する現像液を貯留する現像槽内で前記現像液を攪拌するとともに前記攪拌される前記現像液に超音波振動を付与しながら、前記レジスト膜が形成された前記基板を前記現像槽内の前記現像液に浸漬させて前記露光パターンに応じて前記レジスト膜を選択的に現像して除去することを特徴とする金属ピラー作成用のパターン形成方法。
  2. 請求項1に記載の金属ピラー作成用のパターン形成方法であって、
    前記現像槽内の前記現像液を前記現像槽の外部に取り出した後で前記現像槽に戻す前記現像液の循環によって前記現像槽内で前記現像液を攪拌する金属ピラー作成用のパターン形成方法。
  3. 請求項2に記載の金属ピラー作成用のパターン形成方法であって、
    前記現像液の濃度を計測して得られる濃度値に基づいて前記レジスト膜の現像に供していない新鮮な現像液を前記現像液の循環経路に補充して前記現像槽内での前記現像液の濃度を調整する金属ピラー作成用のパターン形成方法。
  4. 請求項1ないし3のいずれか一項に記載の金属ピラー作成用のパターン形成方法であって、
    前記レジスト膜が形成された前記基板を複数枚、一括して前記現像槽内の前記現像液に浸漬させて前記レジスト膜への前記凹部の形成を同時に行う金属ピラー作成用のパターン形成方法。
  5. 請求項1ないし4のいずれか一項に記載の金属ピラー作成用のパターン形成方法であって、
    前記レジスト膜の厚みは50μm以上である金属ピラー作成用のパターン形成方法。
  6. 基板上に塗布された後で金属ピラーに対応する露光パターンに露光されたレジスト膜を現像して前記金属ピラーを作成するための凹部を形成する金属ピラー作成用の現像装置であって、
    前記レジスト膜を現像する現像液を貯留する現像槽と、
    前記現像槽内で前記現像液を攪拌する攪拌機構と、
    前記現像槽内で前記攪拌機構により攪拌される前記現像液に超音波振動を付与する超音波発生器と、
    前記現像槽に対して前記レジスト膜が形成された前記基板を搬入出させる基板搬送機構とを備え、
    前記基板搬送機構が前記基板を前記現像槽に搬入することで、前記攪拌機構による攪拌と前記超音波発生器による超音波振動とを受けた前記現像槽内の前記現像液に前記基板を浸漬させて前記露光パターンに応じて前記レジスト膜を選択的に現像して除去する
    ことを特徴とする金属ピラー作成用の現像装置。
  7. 請求項6に記載の金属ピラー作成用の現像装置であって、
    前記攪拌機構は、
    前記現像槽の外部に取り出される前記現像液を前記現像槽に戻す配管と、
    前記配管に介挿され、前記現像液を前記配管を介して循環させることで前記現像槽内で前記現像液を攪拌させるポンプと
    を有する金属ピラー作成用の現像装置。
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