JP2583239B2

JP2583239B2 - フォトマスク用基板等へのレジスト塗布方法およびスピンナチャック装置

Info

Publication number: JP2583239B2
Application number: JP62147931A
Authority: JP
Inventors: 渉後藤; 高志山内
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1987-06-16
Filing date: 1987-06-16
Publication date: 1997-02-19
Anticipated expiration: 2012-02-19
Also published as: JPS63313160A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、IC、LSI等の製造時の原版として用いられ
るフォトマスク用の基板等へのレジスト塗布方法に係
り、特に、基板の円対称性の無い領域に至るまでレジス
トを均一に塗布する方法およびこの方法に用いるスピン
ナチャック装置に関する。

（従来の技術）従来のフォトマスク用基板へのレジスト塗布方法は、
レジストを高速回転中の基板の上面に滴下し、回転時に
レジストに作用する遠心力を利用してレジストを四角形
をなす基板の全面に広げ、かつ基板上のレジスト中の溶
剤を蒸発させて乾燥を行い、所望のレジスト均一膜を得
る方法である。この従来の方法では、基板を高速回転の
ために保持するスピンナのチャックは、第12図に示すよ
うに一定の回転速度Ｒで連続的に回転させ、回転開始後
時間T_vが経過してから基板上のレジストの乾燥を始める
ようになっている。

（発明が解決しようとする問題点）このような従来のレジスト塗布方法により基板面にレ
ジストを塗布した例を第13図および第14図に示す。これ
らの例は、電子線レジスト（ポリブデンスルホン）の塗
布例で、第13図（ａ）ないし（ｅ）は、それぞれ400、6
00、800、1200、1600rpmで基板を回転させてレジスト膜
を基板上に形成した場合の膜厚分布状態を示す。この図
からわかるように、回転数が高くなるにつれて基板内の
均一膜厚領域が大きくなるが、最も広い領域は四角形基
板に内接する円内領域である。そして、この円内領域以
外の四角形基板の四隅の部分は、円内の均一膜厚領域よ
りはるかに膜厚の大きい部分となる。この部分は、以下
フリンジ部と呼ぶ。第14図は第13図に示す基板の対角線
Ｄ方向における膜厚分布を示すグラフであり、曲線ａな
いしｅは第13図（ａ）ないし（ｅ）の場合に対応してい
る。このグラフから明らかなように、回転速度が大きく
なる程、フリンジ部の膜厚の中央の均一膜厚との差が大
きくなり、この膜厚差は干渉色の違いから目視にて識別
できるようになる。この膜厚差は、従来の方法を用いた
場合、レジストの粘弾性に依存した最適回転数を採用し
て塗布を行っても避けることはできない。

このように特にフリンジ部に膜厚の大きい部分が生じ
ると、得られたフォトマスクを用いて露光を行う場合、
フリンジ部にあたるパターンについては、多重露光や基
板面内の露光量分布調整などが必要となり、工程の手間
が増し、パターン精度にも問題が生ずる。

一方、近年、半導体のVLSI化に伴うフォトリソ技術の
向上によって、ステップアンドリピート方式の縮小露光
方式（スラッパー）が採用され、その露光装置に用いる
マスクとして、レチクルと呼ばれる実チップの１倍、５
倍、10倍のパターンをもつものが使用されるようになっ
てきた。このようなものを使用すると、従来のレジスト
塗布方法で得られたマスク基板では、フリンジ部にパタ
ーンがかかり、マスク製造時の露光時に制約を受け、あ
るいはレチクル上に書くことのできるチップ数が制約を
受ける。

以上のような現状により、従来方法によるよりも広い
範囲で均一にレジストが塗布されているフォトマスク用
基板が必要となってきている。

よって、本発明は、フォトマスク用基板のレジストの
塗布膜の厚さが均一な領域をさらに大きくし、四角形基
板の周辺に及ぶ領域までレジストを均一に塗布すること
ができる方法を提供することを目的とする。本発明はま
た上記方法に用いるスピンナチャック装置を提供するこ
とをも目的とする。

（問題点を解決するための手段）本発明によれば、フォトマスク用基板等へのレジスト
塗布にあたり、スピンナの回転を２段に分けて行い、第
１段の回転数をR₁、第１段の回転数の保持時間をT₁、第
２段の回転数をR₂、第１段の回転開始から第２段の回転
開始までの時間をT₂、第１段の回転開始から基板上のレ
ジストの乾燥開始までの時間をT_vとした場合に、 R₁≦2,000rpm R₂≦1,000rpm R₁＞R₂ R₁×T₁≦10,000rpm・sec T₁≦T₂＜T_v なる関係が成立するようにし、スピンナチャックに保持
された四角形をなす基板の上部に形成されるスピンナ開
口部が、四角形基板に外接する円よりも小さくなるよう
にし、基板の対角線の長さをd₁、前記開口部の直径を
d₂、当該開口部と基板上面までの距離をＨとした場合
に、 H/（d₁−d₂）＞0.8 なる関係が成立するようにし、かつ開口部中央部におい
て基板上面の中央に当たる気流の速度が1.5m/sec以上と
なるように排気を行う。

また、本発明によるフォトマスク用基板等へのレジス
ト塗布の際に基板を保持するスピンナチャック装置は、
保持される四角形基板に外接する円より径の小さい円形
開口を有するフードを備え、このフードを四角形基板保
持部の上方に位置させてスピンナ上面開口部を形成し、
基板の対角線の長さをd₁、前記フードの円形開口部の直
径をd₂、当該円形開口部と基板上面までの距離をＨとし
た場合に、H/（d₁−d₂）＞0.8なる関係が成立するよう
にし、かつ前記円形開口部を経て基板面に向かう気流を
生起させるように排気を行う手段を設けたことを特徴と
する。

（作用）上述のように、スピンナの回転を第１段および第２段
に分けて行うことにより、第１段回転で基板面上にまず
レジストを最適状態で広げ、第２段回転で、レジストの
粘弾性、レジストと基板の濡れ性、気流速度などを考慮
して、基板外端部をも含めて均一な膜厚を得るようにレ
ジスト塗布を行うことが可能となる。

また、第１段回転はその回転数と回転保持時間の積に
最大値を設け、それ以下の値で回転を行うことにより、
基板面上にレジストを広げることができる。

また、スピンナ上の基板へ当る気流のパターンを、ス
ピンナ開口部の径、スピンナ開口部と基板表面の距離に
より所定の状態に定め、しかも基板表面へ気流が当たる
速度も一定値以上にすることにより、レジスト膜厚の均
一性は向上する。

（実施例）以下、本発明の実施例を説明する。

本発明では、従来のレジスト塗布方法と同様に、スピ
ンナチャック上にフォトマスク基板を保持し、スピンナ
の回転によって基板を高速回転させ、基板の面上にレジ
ストを滴下し、回転によりレジストに作用する遠心力を
利用してレジストを基板の全面に広げる。そして、乾燥
によって基板上のレジスト中の溶剤を蒸発させて、基板
の面上にレジストの膜を形成する。膜を形成した基板は
スピンナチャックから取りはずす。

本発明によれば、スピンナによる基板の回転を従来の
ように１回ではなく２段階に分けて行う。その一例を第
１図に示す。この例では、スピンナすなわち基板の回転
を、まず第１段で回転数R₁で行い、これを時間T₁だけ保
持する。そして、第１段の回転が終ってスピンナを停止
させた後、少し時間をおいて、第１段回転の開始時から
時間T₂の経過後、第２段の回転を回転数R₁より低い回転
数R₂で行う。そして、第２段回転の開始後、第１段回転
の開始より時間T_vが経過してから、塗布されたレジスト
の溶媒の蒸発が始まり乾燥がなされるようにする。この
第２段回転の適当時間行った後スピンナを停止させ、レ
ジストの塗布作業を完了する。

第２図は本発明における他の方法を示す。この例が第
１図の例と異なる点は、第１段の回転を時間T₁だけ行っ
た後、スピンナを停止させることなく、回転数R₂に減速
し、その回転数のままで第２段回転を続けることであ
る。

第３図に示す他の例では、第１図の例と異なり、第２
段回転を回転数R₂で始め、乾燥開始後、第２段回転の回
転数を第１段の回転数R₁よりも高い回転数R₃に上げた後
塗布作業を終るようにしている。

以上の３つの方法のいずれにおいても、次の関係が成
立するようにスピンナの回転を行う。

R₁≦2,000rpm ……（１） R₂≦1,000rpm ……（２） R₁＞R₂ ……（３） R₁×T₁≦10,000rpm・sec ……（４） T₁≦T₂＜T_v ……（５）このように式（１）ないし（５）の関係が成立するよ
うにスピンナの回転を制御する理由を説明するに先立っ
て、まず従来方法により前述のフリンジ部が発生する理
由を述べる。従来方法によると、レジスト（固形分およ
び溶媒）を高速回転で基板に広げるので上記レジストは
その回転数に応じ遠心力（外向きの力）を受け、基板中
央から外周へ流動し、基板中央から乾燥が始まる。すな
わち、レジスト中の溶媒が基板中央で蒸発し、その乾燥
が外周まで移行し塗布が完了する。これらの経過は、回
転中、レジストと基板表面の干渉による色変化で認識で
きる。

これをさらに図を用いて詳細に述べると、回転の途中
段階において、例えば基板中央部が乾燥を開始した時刻
では第17図に示すように、Ｉレジストｒは、引き続き起こる基板Ａの回転により
つねに外向きの力が加わり外周へ広がろうとする。そし
て、レジスト乾燥部分（固形分のみ）の領域r₁が大きく
なる。

II 上記Ｉ）の現象を平面図である第15図を用いて説明
すると、基板Ａ上の未乾燥レジストの任意の点は、外向
きの力および回転自身によりその後の時刻の変化に応じ
てt₁〜t₆で示すように基板上でらせん状軌跡をとる。

III さらに、時間が経過すると、基板Ａの端部に達し
た未乾燥のレジストは基板端によって動径方向の力（外
向きの力）が抑止され、その時間時に起っている基板の
回転によって基板辺に沿って移動するかまたは停止し乾
燥が移行してくるのを待つ。

IV 設定回転数が高い場合には、IIIの状況において動
径方向外向きの力が基板端抑止力に打ち勝ち一瞬基板か
ら離れ、レジスト連続体の束縛条件から開放され、その
時の円運動の法則から円運動接線方向へ飛び出し、引き
続き起こる基板回転で再び基板の四隅部へ付着する。こ
の場合、次に起こるレジストの乾燥の外周への移行速度
が早いため、乾燥し固形分化したレジストの上にさらに
未乾燥レジストが乗り乾燥するという工程でフリンジ部
と中心部の膜厚較差は飛躍的に増大する（第15図、第16
図参照）。

このような従来方法で起きる現象を回避するため、本
発明では前述の関係が（１）ないし（５）が成立するよ
うにスピンナの回転を制御するのであるが、以下その理
由を述べる。

先ず、式（２）の制約は従来方法のIVを解決するため
の手段である。第13図および第14図の塗布例の如く、1,
000rpm付近にIVの臨界点が存在する。ところで、（２）
のみの条件で塗布した場合、膜厚分布を見るとやはり基
板の四隅部分は中心部と比べ外周に行く程膜厚が大きく
なっており、また基板端にはレジストのもり上がりが出
来ており、基板枠のようになる。後者については基板の
パターン領域外である為問題とはならない。

そこで本発明は、さらに（３）の制約をつけ２段ステ
ツプの回転シーケンスをとる。上記（２）のみの回転で
は単一回転により基板上に乗せるレジストの総量も決定
されているため、本発明では第１段のステップで第２段
の回転数のみで基板から排出できるレジスト総量より多
量のレジストを排出し、以って基板上に残る未乾燥レジ
ストの総量を第２段の回転数のみで制御できる量より少
なくする。（２），（３）の制約で塗布したものでは、
基板中央から外周へ向かう膜厚分布および中心部外周部
膜厚差は、（２）のものよりさらに小さくすることがで
きる。

（１）の制約は、この回転以上になると中央部から始
まる乾燥時刻がさらに早くなり（１秒以下となるため）
スピンナーの機械的追従ができなくなるためである。

このようにして、先ず第１段の回転で基板上に滴下し
たレジストを基板面上に広げかつ基板面上に残存するレ
ジスト総量を決定する。基板面上に残存するレジスト総
量は回転数R₁のみではなく、その回転数を保持する時間
T₁によっても決まり、両者の積R₁×T₁が塗布されたレジ
ストの膜厚を決定する。積R₁×T₁は前述の様に10,000rp
m・sec以下とするのが好ましいことが分かった。なお、
この第１段回転で制御できる膜厚範囲は約1000Åであ
る。

次に、本発明のレジスト乾燥時刻制御方法およびその
理由を述べる。

レジストの乾燥は、レジストの種類、特に溶媒の飽和
蒸気圧、レジストの量、および排気量に関係する。本発
明においては、スピンナシーケンスでレジストの総量を
制御し、排気量すなわち当価な指標として基板上で垂直
に流れる気流・風速を制御する。

従来は、第４図に示すように、スピンナＳの上面開口
部２は、四角形基板Ａを保持するチャックの設置および
チャックに対する基板の着脱のため、基板Ａが内接する
円よりも大きくなっている。

これに対し、本発明では、例えば第５図に示すよう
に、スピンナＳの上面開口部２が、四角形基板Ａに外接
する円３より小さくなるようにする。そして、基板Ａの
対角線の長さをd₁、開口部２の直径をd₂,開口部２とそ
れより下にある基板Ａの上面の距離をＨとした場合、 H/（d₁−d₂）＞0.8 なる関係が成立するようにする。

公知のように、スピンナチャックに保持された基板Ａ
の外方へ向かって排気がなされ、この排気に伴って気流
は開口部２を経て上方から下方へ流れ基板Ａの上面に当
たる。この下方へ流れる気流は、開口部２の寸法が上記
式の関係を満たすように決められていることにより、第
４図に示す従来の場合に比し、やゝ絞られた状態で流入
する。

一方、本発明では、このように上方から流入する気流
は、基板Ａの上面の中央に1.5m/sec以上の速度で当たる
ようにする。フォトマスクに使用されるレジストについ
て、この1.5m/sec以上の風速が上部開口部との関係から
必要であることが分かった。上述のように、本発明では
スピンナＳの上面開口部２を基板に外接する円３よりも
小とする（d₂＜d₁）が、このようにするのは、開口部２
外側の領域と矩形基板Ａの共通部分（これは基板の四隅
部分である）の領域に集中的にさらに動径方向の力を風
速によって加えかつ同時に乾燥させるためである。した
がって、本発明では従来方法と異なり矩形基板外周から
乾燥が始まる。この乾燥開始時刻T_vは第２段の回転が始
まった後でなくてはならない。これは、前述した
（２），（３）の条件で塗布して得られる膜厚較差をさ
らにこの手段で小さくするためである。したがって、時
間T_vのコントロールは排気ダクトタイミングでコントロ
ールする。また、スピンナシーケンスの前記（５）の制
約条件がつく。

本発明の第２段のスピンナステップおよび前記気流条
件を維持したままであると、レジストの乾燥は外周から
中央へ移行しその逆は起こらない。それは、外周部が先
に乾燥しレジスト固形分が固定され、より内部の未乾燥
レジストの外周への移動を抑止するためである。また、
基板回転による遠心力は一般的に動径が小さい。すなわ
ち内部になる程小さく、さらに前記上部開口部の円の内
側と外側では基板に当る風向および速度が異なるため、
未乾燥レジストの内側から外側へ向かう速度の方が小さ
い。

次に、上部開口部の関係について述べる。前述したよ
うに上面開口部２を基板Ａに外接する円３よりも小とす
ることで乾燥およびその方向性も制御でき、前記シーケ
ンスに沿ってスピンすることによりフリンジ部と基板中
央の膜厚較差は大巾に改善できる。本発明ではさらに当
該上面開口部と膜厚分布との関係を追求し、前記 H/（d₁−d₂）＞0.8 なる関係が成立する時分布がさらに良くなり膜厚均一性
が向上することを見出した。

第５図に示すように開口部２が基板Ａより小さくなる
と、基板Ａの着脱に支障が生じる。このため、開口部２
を形成するフードＢを上下に移動可能とし、基板Ａの着
脱時にフードＢを破線で示す上方位置へ退避させるよう
にする。

フードＢは、第６図に示すごとく、カメラの絞りのよ
うに開口部口径が可変となる形式にすることもできる。
この場合には、フードＢの上下方向の移動の必要はな
い。

第７図の例では、上下方向に移動可能なフードＢは円
錐面をなしている。

気流の制御のためには、スピンナの回転軸線に関して
対称位置に複数の独立排気装置を設けたり、また、第８
図に示すように、基板Ａを保持するチャック自身４にフ
ィン５を取付け、全周にわたって補助的な均一気流が発
生するようにしてもよい。

第９図は、本発明による方法にて電子線レジスト（ポ
リブデンスルホン）を基板に塗布した時のレジスト膜厚
のプロフィルを示すグラフである。膜厚の測定点は、第
10図に示すように基板Ａの対角線上の17個所であり、基
板は５インチ角、H/（d₁−d₂）＝0.9である。膜厚は光
学式膜厚計で測定した。

第９図において、6A、6B、6C、6D、6E、6F、6Gは、そ
れぞれ、前記（R₁×T₁）の値が1500、3000（R₁＜T₁）、
3000（R₁＞T₁）、5000、6000（R₁＜T₁）、6000（R₁＞
T₁）、9000の場合における膜厚分布を示す曲線である。
このグラフから明らかなように、フリンジ部で膜厚が顕
著に増大することはなく、ほぼ均一な膜厚が得られてお
り、R₁×T₁の値が膜厚レベルを支配している。実験結果
によれば、R₁よりもT₁に重きを置いた方が、膜厚プロフ
ィルの平滑性は良好である。いずれの条件においても、
レジスト膜厚レンジは100Å以下となり、基板の四隅ま
でレジストが均一厚さで塗布された。

第11図は、本発明による方法にてフォトレジスト（AZ
1350）を基板に塗布した時のレジスト膜厚の基板対角線
方向のプロフィルを示すグラフである。塗布はR₁×T₁＝
3000rpm・secで行い、H/（d₁−d₂）値がそれぞれ0.5、
0.7、0.9、0.5、0.9の場合について曲線7A、7B、7C、7
D、7Eを得た。このグラフは、H/（d₁−d₂）＞0.8なる条
件からはずれると、曲線7A、7B、7Dで示すように基板端
部のレジスト膜厚が増大することを示している。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明では、基板を保持して回転させ
るスピンナの回転を、レジストを基板面上に最適状態で
広げることを主目的とする第１段回転と、広げたレジス
ト膜をその最終調整のために第１段回転より低い回転数
で、レジスト粘弾性、濡れ性、気流速度との関連を考慮
して回転させる第２段回転とに分け、しかも基板面上へ
の気流の状態を特定の態様に定めることにより、基板の
外端部をも含めて、均一な膜厚をもつようにレジストを
塗布することができる。また、本発明では、上述のよう
な均一膜厚のレジスト塗布を効率よく行なうことができ
るスピンナチャック装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレジスト塗布方法におけるスピンナ回
転のシーケンスの一例を示す図、第２図は他の例を示す
図、第３図はさらに他の例を示す図、第４図は従来のス
ピンナへの基板の保持の状態を示す図、第５図、第６
図、第７図は、本発明におけるスピンナと基板の関係を
示す３つの異なる例の図、第８図はスピンナに送風フィ
ンを設けた例を示す図、第９図は本発明の方法により得
られたレジスト膜厚分布を示すグラフ、第10図は第９図
のグラフに相当する膜厚分布測定点を示す図、第11図は
本発明の方法により得られたレジスト膜厚分布を示す他
のグラフ、第12図は従来のレジスト塗布方法のスピンナ
回転シーケンスを示す図、第13図（ａ）ないし（ｅ）は
従来の方法により塗布されたレジスト層の膜厚の状態を
示す平面図、第14図は第13図（ａ）ないし（ｅ）に対応
する膜厚分布を示すグラフ、第15図および第16図は基板
の回転に伴うレジストの一点の移動軌跡を示す説明図、
第17図はレジストの乾燥の説明図である。Ａ……基板、Ｓ……スピンナ、Ｂ……フード、R₁……第
１段回転数、R₂……第２段回転数、T₁……第１段回転保
持時間、T₂……第２段回転開始時間、T_v……乾燥開始時
間、２……スピンナ開口部、５……フィン。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】スピンナチャック上に基板を保持し、スピ
ンナの回転により基板を回転させ、基板の面上にレジス
トを滴下し、回転によりレジストに作用する遠心力を利
用してレジストを基板の全面に広げ、かつ基板上のレジ
スト中の溶剤を乾燥させ、所望のレジスト均一膜を基板
面に形成するフォトマスク用基板等へのレジスト塗布方
法において、スピンナの回転を２段に分けて行い、第１
段の回転数をR₁、第１段の回転数の保持時間をT₁、第２
段の回転数をR₂、第１段の回転開始から第２段の回転開
始までの時間をT₂、第１段の回転開始から基板上のレジ
ストの乾燥開始までの時間をT_vとした場合に、 R₁≦2,000rpm R₂≦1,000rpm R₁＞R₂ R₁×T₁≦10,000rpm・sec T₁≦T₂＜T_v なる関係が成立するようにし、スピンナチャックに保持
された四角形をなす基板の上部に形成されるスピンナ開
口部が、四角形基板に外接する円よりも小さくなるよう
にし、基板の対角線の長さをd₁、前記開口部の直径を
d₂,当該開口部と基板上面までの距離をＨとした場合
に、 H/（d₁−d₂）＞0.8 なる関係が成立するようにし、かつ開口部中央部におい
て基板上面の中央に当たる気流の速度が1.5m/sec以上と
なるように排気を行うことを特徴とするレジスト塗布方
法。
【請求項２】第１段回転の最後における減速に続いて、
第２段回転を一定の回転数で行う特許請求の範囲第１項
記載のレジスト塗布方法。
【請求項３】第１段回転の最後において減速後回転停止
を行い、一定の時間後第２段回転を行う特許請求の範囲
第１項記載のレジスト塗布方法。
【請求項４】フォトマスク用基板等へのレジスト塗布の
際に基板を保持するスピンナチャック装置であって、保
持される四角形基板に外接する円より径の小さい円形開
口を有するフードを備え、このフードを四角形基板保持
部の上方に位置させてスピンナ上面開口部を形成し、基
板の対角線の長さをd₁、前記フードの円形開口部の直径
をd₂、当該円形開口部と基板上面までの距離をＨとした
場合に、 H/（d₁−d₂）＞0.8 なる関係が成立するようにし、かつ前記円形開口部を経
て基板面に向かう気流を生起させるように排気を行う手
段を設けたことを特徴とするスピンナチャック装置。
【請求項５】フードをスピンナチャック装置本体から上
方へ変位可能としてなる特許請求の範囲第４項記載のス
ピンナチャック装置。
【請求項６】フードを、その円形開口の口径を変更可能
に構成してなる特許請求の範囲第４項記載のスピンナチ
ャック装置。