JP3676263B2

JP3676263B2 - 塗布膜形成装置及び塗布膜形成方法

Info

Publication number: JP3676263B2
Application number: JP2001170560A
Authority: JP
Inventors: 清久立山; 公男元田; 徳行穴井
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: JP2002045757A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばレジスト膜のような塗布膜を、半導体ウエハのような被処理体上やこの上に形成された層の上に形成するための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。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体技術の分野では、半導体ウエハ等の被処理体の上に形成された半導体層、絶縁体層、電極層を選択的に所定のパターンにエッチングする場合に、パターン部のマスキングとして層の表面にレジスト膜を形成することが行われている。
【０００３】
例えば、レジスト膜の形成方法として、溶剤に感光性樹脂を溶解してなるレジスト液を帯状に吐出するレジスト供給ノズルと、塗布対象物としての被処理体とを、レジストの吐出方向と直交する方向に相対的に移動させて、塗布する方法が知られている（特開平７−８８７９号公報，特開平７−８８８０号公報，特開平７−８０３８４号公報，特開平７−８０３８５号公報，特開平７−８０３８６号公報及び実開平７−３１１６８号等参照）。
【０００４】
この方法によれば、被処理体の一方向から他方向に渡ってレジスト液を帯状に滴下するため、被処理体の全面に平均してレジスト膜を形成することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の塗布膜形成方法においては、レジスト液が被処理体の一方向から他方向に向けて塗布されていく過程において、レジスト液中の溶剤が蒸発すると、薄い膜厚を形成することが難しく、多くの塗布液を使用するという問題があった。また、図８に示すように、レジスト液の塗布始めと終了時点においてレジスト液が多く塗布され、均一な膜厚を形成することができないという問題もあった。更に、被処理体の表面の性質によっては、塗布膜とのなじみが悪く均一な膜厚の形成あるいは少量の塗布液での均一な形成に課題があった。
【０００６】
この発明は上記事情に鑑みなされたもので、薄い均一な厚さの塗布膜を形成でき、かつレジスト液等の塗布液の使用量を少なくできるようにした塗布膜形成方法及びその装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の塗布膜形成装置は、塗布液供給手段と被処理体とを相対的に移動させて、上記被処理体上に塗布膜を形成する塗布膜形成装置であって、上記塗布液供給手段を構成する塗布液供給ノズル内において、上記塗布液の粘度、濃度を調整すべく塗布液と溶剤とを混合可能に形成し、上記塗布液供給ノズルと溶剤タンクとを流量制御弁を介して接続してなり、上記塗布液供給ノズルを、上記被処理体の一辺から他辺方向に塗布液と溶剤を塗布し、この際、上記流量制御手段の調整により被処理体に対する塗布開始時及び塗布終了時に溶剤の供給量を塗布途中時よりも所定量増量させるように形成してなる、ことを特徴とする。
【０００８】
この発明において、上記塗布液供給ノズルを移動方向及び該移動方向と直交する垂直方向へ移動するスキャン機構と、被処理体の表面高さを検出する表面高さ検出手段と、を更に具備し、上記表面高さ検出手段からの検出信号を上記スキャン機構に伝達して、上記塗布液供給ノズルと被処理体表面との距離を制御可能に形成する方が好ましい（請求項２）。この場合、上記表面高さ検出手段を、塗布液供給ノズルに先行して被処理体上方を移動するように形成してもよい（請求項３）。
【０００９】
また、上記塗布液供給ノズルを複数分割し、各々独立して塗布液供給ノズルの長手方向に移動可能に形成することも可能である（請求項４）。
【００１０】
また、この発明の塗布膜形成方法は、塗布液供給手段と被処理体とを相対的に移動させて、上記被処理体上に塗布膜を形成する塗布膜形成方法であって、上記塗布液供給手段を構成する塗布液供給ノズル内において、上記塗布液の粘度、濃度を調整すべく塗布液と溶剤とを混合可能に形成し、上記塗布液供給ノズルを、上記被処理体の一辺から他辺方向に塗布液と溶剤を塗布し、この際、被処理体に対する塗布開始時及び塗布終了時に溶剤の供給量を塗布途中時よりも所定量増量させるようにした、ことを特徴とする（請求項５）。
【００１１】
上記技術的手段によるこの発明によれば、塗布液供給手段を構成する塗布液供給ノズル内で、塗布液と溶剤とを混合することにより、塗布液の粘度、濃度等を調整して被処理体上に吐出することができる。したがって、塗布液の粘度を均一にして均一な厚さの薄い塗布膜を形成することができる。また、塗布液の使用量を少なくすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を添付図面に基いて詳細に説明する。
【００１３】
ここでは、この発明の塗布膜形成装置を半導体ウエハのレジスト膜の形成方法及び形成装置に適用した場合について説明する。
【００１４】
この発明の塗布膜形成装置は、図１及び図２に示すように、被処理体である半導体ウエハ（以下にウエハという）を水平状態に真空によって吸着保持する保持手段例えばスピンチャック１０と、このスピンチャック１０の上方に位置してウエハＷの表面に帯状に塗布液としてレジスト液Ｂとレジスト液の溶剤Ａとを吐出するレジスト液供給ノズル２１（塗布液供給手段）及び溶剤供給手段２２とを一体に形成した一体型ノズル２０（以下にノズル体という）と、このノズル体２０をウエハＷの一方向から他方向に渡って移送するスキャン機構４０と、レジスト液供給管路であるレジスト液供給チューブ２３を介してレジスト液供給ノズル２１に接続するレジスト液収容タンク２５（塗布液供給源）と、溶剤供給管路である溶剤供給チューブ２４を介して溶剤供給ノズル２２に接続する溶剤収容タンク２６（溶剤供給源）とを有する。レジスト液供給管路及び溶剤供給管路のそれぞれには、中を流れる溶剤Ａ及びレジスト液Ｂを予め設定された温度（例えば２３℃）に設定するための温度調整液Ｃを循環供給する温度調整機構５０が設けられている。
【００１５】
上記スピンチャック１０は、カップ１２内に配設されると共に、箱状の装置本体６０の上部に水平に配設されており、その上面に開口する吸引口（図示せず）に接続する図示しない真空装置による真空引きによってウエハＷを吸着保持し得るように構成されている。また、スピンチャック１０は、装置本体６０内に配設されたモータ１４によって水平方向に回転されるようになっており、かつ、装置本体６０内に内蔵される昇降シリンダ（図示せず）によって上下方向に移動し得るように構成されている。また、このスピンチャック１０の外方の近傍位置には、ノズル待機部７０が設けられている。
【００１６】
上記ノズル体２０は例えばステンレス鋼あるいはアルミニウム合金製部材にて形成されている。このノズル体２０は、図２、図３及び図６に示すように、塗布方向（スキャン方向）側に位置する溶剤収容室２８と、塗布方向と反対側に位置するレジスト液収容室２７とが仕切壁２９によって区画されており、レジスト液収容室２７に連通すべく長手方向に適宜間隔をおいて列設される多数のノズル孔２１ａを有するレジスト液供給ノズル２１が開口し、このレジスト液供給ノズル２１のノズル孔２１ａの途中に、溶剤収容室２８に連通する長手方向に適宜間隔をおいて列設される複数のノズル２２ａ孔が連通されている。なお、必ずしも多数のノズル孔２２ａを有するものである必要はなく、１つのノズル孔２２ａを有するものでもよく、あるいは、単なるパイプ状のものであってもよい。
【００１７】
このように構成することにより、レジスト液供給ノズル２１内で、レジスト液Ｂと溶剤Ａとを混合して、レジスト液Ｂの粘度、濃度等を調整して吐出することができる。
【００１８】
上記溶剤供給ノズル２２は溶剤供給チューブ２４と開閉バルブ３１を介して溶剤収容タンク２６に接続されており、窒素（Ｎ₂ ）ガス供給源３２から溶剤収容タンク２６内に供給されるＮ₂ガスの加圧を流量制御弁３３（流量制御手段）によって制御することにより溶剤収容タンク２６内の溶剤ＡがウエハＷ上に所定量供給されるようになっている。流量制御弁３３の動作は、予め設定されたプログラムに基いてコンピュータの作用で自動的に制御される。
【００１９】
一方、上記レジスト液供給ノズル２１は、レジスト液供給チューブ２３を介してレジスト液収容タンク２５に連通されており、このレジスト液供給チューブ２３には、エアーオペレーションバルブ３４、レジスト液Ｂ中の気泡を分離除去するための気泡除去機構３５、フィルタ３６及び例えばベローズポンプ等の流量制御手段３７が順次設けられている。この流量制御手段３７は、サーボ機構を有するサーボモータ又はステッピングモータ３９とボールねじ３８とからなるボールねじ機構により制御されて、所定量のレジスト液Ｂをレジスト液供給ノズル２１を介してウエハＷの中心部に供給例えば滴下可能となっており、従来のレジスト液Ｂの供給量より少量のレジスト液Ｂの供給量制御を可能としている。
【００２０】
上記のように構成されるレジスト液供給系において、レジスト液の吐出時間は流量制御手段３７のステッピングモータ３９の駆動時間によって制御されるようになっている。また、レジスト液の吐出量は流量制御手段３７の駆動動作、例えば駆動時間並びに駆動速度と、レジスト液供給路を開閉するためのエアーオペレーションバルブ３４の開閉動作（ＯＮ−ＯＦＦ動作）によって設定されるようになっている。上記流量制御手段３７の駆動時間の設定及びエアーオペレーションバルブ３４のＯＮ−ＯＦＦ動作は、予め設定されたプログラムに基いてコンピュータの作用で自動的に制御される。
【００２１】
レジスト液Ｂの吐出時間の制御はレジスト液供給ノズル２１に設けた可変オリフィス（図示せず）の開閉動作によって行うことも可能である。また、流量制御手段３７を用いずにレジスト液収容タンク２５へのＮ₂ ガスの加圧によってレジスト液Ｂの供給を行うことも可能であり、この場合のレジスト液Ｂの吐出時間制御はＮ₂ ガスの加圧量の調整によって行うことができる。
【００２２】
上記温度調整機構５０は、図２に想像線で示すように、溶剤供給チューブ２４及びレジスト供給チューブ２３の外周をそれぞれ包囲するように設けられる温度調整液供給路５１と、この温度調整液供給路５１の両側の端部に両端がそれぞれ接続された循環路５２と、循環路５２のそれぞれに設けられた循環ポンプ５３と、循環路５２の途中に接続された温度調整液Ｃ（例えば恒温水）を一定温度に維持するサーモモジュール５４とにより構成されている。このように構成された温度調整機構５０により、溶剤供給チューブ２４内を流れる溶剤Ａとレジスト液供給チューブ２３内を流れるレジスト液Ｂを所定温度（例えば、約２３℃）に維持することができる。
【００２３】
図２では、溶剤供給手段２２とレジスト液供給ノズル２１とが、同一のノズル体２０にて一体的に形成されているが、溶剤供給手段２２とレジスト液供給ノズル２１は必ずしも一体的に形成する必要はなく、レジスト液供給ノズル２１内において、レジスト液Ｂと溶剤Ａとが混合可能に形成されていれば、別体として形成し近接して取付けるように構成してもよい。また、ノズル体２０のレジスト液供給ノズル２１のノズル孔２１ａの近傍位置にレジスト液の上面を均すためのへら部材等の平坦手段を設けることにより、吐出されたレジスト液の上面の脈をならして平坦にすることができ、更に膜厚の均一化を図ることができる。この場合、へら部材を噴頭に取り付けてもよく、あるいはノズル体２０と一体に形成することも可能である。
【００２４】
また、上記ノズル待機部７０には、図３に示すように、溶剤Ａがタンク７１内に収容されている。また、ノズル待機部７０を、図３に想像線で示すように、ノズル体２０のレジスト液供給ノズル２１を挿入可能な開口部７３を有するバス７４にて形成し、このバス７４内に溶剤Ａを収容してレジスト液供給ノズル２１を溶剤雰囲気中に待機させるような構造とすることもできる。また、タンク７１と、溶剤雰囲気を有するバス７４とを一体に形成することも可能である。なお、タンク７１内には、溶剤を上方に向って噴出する溶剤噴出体（図示せず）を配置し、レジスト液供給ノズル２１先端部分を洗浄可能に構成してもよい。
【００２５】
上記スキャン機構４０は、装置本体６０の外側面に沿設されたリニアガイド４１に沿って矢印Ｘ方向に移動する移動支持体４２と、この移動支持体４２の垂直方向に設けられたガイド４３に沿って上下方向（Ｚ方向）に移動可能なノズル保持部材４４とを具備してなり、図示しないリニア移動手段及びボールねじ等のノズル昇降機構の駆動により、ノズル保持部材４４にて水平に保持されるノズル体２０すなわちレジスト液供給ノズル２１及び溶剤供給手段２２を水平方向つまりノズル体２０のノズル孔２１ａの並びと直交するＸ方向及び垂直方向に移動するように構成されている。
【００２６】
上記実施形態では、レジスト液供給ノズル２１及び溶剤供給手段２２をスピンチャック１０上方の一定高さ位置で移動させる場合について説明したが、ウエハＷの凹凸面に対応させてノズルの高さ位置を制御するようにしてもよい。例えば、図４及び図５に示すように、スキャン機構４０の移動支持体４２からノズル体２０の前方側へ突設された横Ｌ字状の支持部材６５の下端に、ウエハＷの表面高さ検出手段としてのハイトセンサ６６を取り付け、ノズル塗布移動に先行してハイトセンサ６６によりウエハＷの中央部Ｘ方向の各部分における表面高さを測定し、その測定信号を制御部例えば中央演算処理装置６７（ＣＰＵ）に伝達し、ＣＰＵ６７からの制御信号をスキャン機構４０のノズル昇降機構４０Ａに伝達してノズルのスピンチャック１０からの高さＨを時々刻々制御し、ノズル先端部とウエハＷ表面との距離ｄを常に一定に制御することができる。
【００２７】
上記ハイトセンサ６６によるウエハＷ表面のＸ方向の高さ検出及び距離ｄの制御は、次のように構成してもよい。すなわち、ハイトセンサ６６として点検出型のものを使用する場合、上記のように中央をライン部の高さを検出して、その検出値に基いて距離ｄを制御する他、例えば中央ラインの左側，中央，右側の３点で同時に高さを検出してその平均値により距離ｄを制御してもよい。
【００２８】
また、ラインセンサ型のものを使用する場合、ウエハＷ上の複数点で同時に高さを検出し、その平均値により距離ｄを制御してもよい。
【００２９】
更に、ハイトセンサ６６をノズルのスキャン機構４０とは別のスキャン機構（図示せず）を設けてＸ方向に単独にスキャン可能に構成し、スピンチャック１０上に載置されたウエハＷの表面の高さを、ノズルスキャン前に予め検出してもよい。また、ウエハＷ上面を一度に検出可能なラインセンサ型のセンサを平行移動させて高さを検出してもよい。
【００３０】
なお、上記説明では、ウエハＷのＸ方向の表面各部での高さを検出して距離ｄを制御するものについて説明したが、ノズル体２０を複数に分割し各々独立して高さ調整可能に構成し、Ｘ方向のみならずこれと直交するＹ方向の距離制御をも同時に可能なようにしてもよい。
【００３１】
次に、上記のように構成される塗布膜形成装置によるレジスト膜の形成手順について説明する。
【００３２】
まず、ウエハＷを、図示しない搬送アームによって静止したスピンチャック１０上に移動させ、ウエハＷを真空吸着によってスピンチャック１０上に載置する。次に、ダミーディスペンスにより予めタンク７１内に吐出し、レジスト液供給ノズル２１の先端部に残留するレジスト液を除去させた後、ノズル体２０すなわち溶剤供給手段２２及びレジスト液供給ノズル２１をウエハＷの一方向上方位置に移動し、ウエハＷの他方向に渡って漸次Ｘ方向にＹ方向と平行状態を保ちながら移送する。この際、レジスト液供給ノズル２１内で、レジスト液Ｂと溶剤Ａとが混合して、レジスト液Ｂの粘度、濃度等を調整して吐出するので、レジスト膜を薄く均一な膜厚に形成することができる。このようにしてウエハＷ表面にレジスト液を塗布した後、モータ１４の駆動によりスピンチャック１０と共にウエハＷが回転して、レジスト膜を更に均一にする。
【００３３】
上記のようにして、ウエハＷの一辺から他辺に渡って漸次溶剤Ａとレジスト液Ｂを塗布してレジスト膜を形成する際、塗布開始時及び塗布終了時の所定領域の塗布時に、流量制御弁３３の調整によって溶剤Ａの供給量を塗布中間時よりも所定量増量させることができ、これにより塗布開始時及び塗布終了時にウエハＷ上に溶剤Ａが多量に供給されてレジスト液Ｂの粘度を下げて広がりやすくすることにより液溜まりを形成するのを抑制することができ、ウエハＷの全面のレジスト膜の膜厚を均一にすることができる。また、上記ダミーディスペンスを行うことにより、吐出初期に多量に吐出されやすいレジスト液は廃棄し、吐出量が安定した状態で塗布することができる。
【００３４】
また、図４及び図５に示すように、ハイトセンサ６６によって塗布前のウエハＷ表面の凹凸を検出して、その検出値に基いてウエハＷ表面の高さを自動的に検出してレジスト液供給ノズル２１とウエハＷ表面との距離を一定に制御することにより、より一層レジスト膜の膜厚を均一にすることができる。
【００３５】
上記のように構成されるこの発明に係る塗布膜形成装置はウエハＷのレジスト塗布装置として単独で使用される他、後述するウエハＷのレジスト塗布・現像処理システムに組み込んで使用することができる。
【００３６】
上記レジスト塗布・現像処理システムは、図７に示すように、ウエハＷを搬入・搬出するローダ部９０と、ウエハＷの第１処理部９１と、中継部９３を介して第１処理部９１に連設される第２処理部９２とで主に構成されている。なお、第２処理部９２には受渡し部（図示せず）を介してレジスト膜に所定の微細パターンを露光するための露光装置（図示せず）が連設可能になっている。
【００３７】
上記のように構成される塗布・現像処理システムにおいて、未処理のウエハＷはローダ部９０の搬出入ピンセット（図示せず）によって取出された後、第１処理部９１のメインアーム８０に受け渡され、そして、ブラシ洗浄装置１０３内に搬送される。このブラシ洗浄装置１０３内にてブラシ洗浄されたウエハＷは引続いてジェット水洗浄装置１０４内にて高圧ジェット水により洗浄される。この後、ウエハＷは、アドヒージョン処理装置１０５にて疎水化処理が施され、冷却処理装置１０６にて冷却された後、この発明に係る塗布膜形成装置１０７にて、上述した手順によりウエハＷの一方向から漸次他方向に向かって溶剤が混合されたレジスト液を塗布してレジスト膜が塗布され、その後、ウエハＷが回転されてレジスト膜が均一に形成され、引続いて塗布膜除去装置１０８によってウエハＷの辺部の不要なレジスト膜が除去される。したがって、この後、ウエハＷを搬出する際には縁部のレジスト膜は除去されているので、メインアーム８０にレジストが付着することもない。そして、このフォトレジストが加熱処理装置１０９にて加熱されてベーキング処理が施された後、露光装置９５にて所定のパターンが露光される。そして、露光後のウエハＷは現像装置１１０内へ搬送され、現像液により現像された後にリンス液により現像液を洗い流し、現像処理を完了する。
【００３８】
現像処理された処理済みのウエハＷはローダ部９０の図示しないカセット内に収容された後に、搬出されて次の処理工程に向けて移送される。
【００３９】
上記実施形態では、この発明に係る塗布膜形成装置を半導体ウエハのレジスト塗布装置に適用した場合について説明したが、半導体ウエハ以外のＬＣＤ基板やＣＤ等の被処理体の塗布膜形成装置にも適用でき、レジスト以外のポリイミド系塗布液（ＰＩＱ）やガラス剤を含有する塗布液（ＳＯＧ）等にも適用できることは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば、塗布液供給手段を構成する塗布液供給ノズル内で、塗布液と溶剤とを混合することにより、塗布液の粘度、濃度等を調整して被処理体上に吐出することができるので、塗布液の粘度を均一にして均一な厚さの薄い塗布膜を形成することができ、また、塗布液の使用量を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る塗布膜形成装置の一例の概略斜視図である。
【図２】塗布膜形成装置の概略構成図である。
【図３】塗布膜形成装置のノズル待機部を示す断面図である。
【図４】ノズルの制御状態を示す概略側面図である。
【図５】図４の要部を拡大して示す概略構成図である。
【図６】この発明におけるノズルを示す断面図である。
【図７】塗布膜形成装置が適用されたレジスト塗布・現像システムの全体を概略的に示す斜視図である。
【図８】従来のレジスト膜形成方法によるレジスト膜厚と基板との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０スピンチャック（保持手段）
２０ノズル体（一体型ノズル）
２１レジスト液供給ノズル（塗布液供給手段）
２１ａ，２２ａノズル孔
２２溶剤液供給手段
２５レジスト液収容タンク（塗布液供給源）
２６溶剤収容タンク（溶剤供給源）
３２Ｎ2ガス供給源
３３流量制御弁（流量制御手段）
３７流量制御手段
４０スキャン機構
６６ハイトセンサ（表面高さ検出手段）
６７ＣＰＵ
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）
Ａ溶剤
Ｂレジスト液（塗布液）

Claims

塗布液供給手段と被処理体とを相対的に移動させて、上記被処理体上に塗布膜を形成する塗布膜形成装置であって、
上記塗布液供給手段を構成する塗布液供給ノズル内において、上記塗布液の粘度、濃度を調整すべく塗布液と溶剤とを混合可能に形成し、
上記塗布液供給ノズルと溶剤タンクとを流量制御弁を介して接続してなり、
上記塗布液供給ノズルを、上記被処理体の一辺から他辺方向に塗布液と溶剤を塗布し、この際、上記流量制御手段の調整により被処理体に対する塗布開始時及び塗布終了時に溶剤の供給量を塗布途中時よりも所定量増量させるように形成してなる、ことを特徴とする塗布膜形成装置。
請求項１記載の塗布膜形成装置において、
上記塗布液供給ノズルを移動方向及び該移動方向と直交する垂直方向へ移動するスキャン機構と、被処理体の表面高さを検出する表面高さ検出手段と、を更に具備し、
上記表面高さ検出手段からの検出信号を上記スキャン機構に伝達して、上記塗布液供給ノズルと被処理体表面との距離を制御可能に形成してなる、ことを特徴とする塗布膜形成装置。
請求項２記載の塗布膜形成装置において、
上記表面高さ検出手段を、塗布液供給ノズルに先行して被処理体上方を移動するように形成してなる、ことを特徴とする塗布膜形成装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の塗布膜形成装置において、
上記塗布液供給ノズルを複数分割し、各々独立して塗布液供給ノズルの長手方向に移動可能に形成してなる、ことを特徴とする塗布膜形成装置。
塗布液供給手段と被処理体とを相対的に移動させて、上記被処理体上に塗布膜を形成する塗布膜形成方法であって、
上記塗布液供給手段を構成する塗布液供給ノズル内において、上記塗布液の粘度、濃度を調整すべく塗布液と溶剤とを混合可能に形成し、
上記塗布液供給ノズルを、上記被処理体の一辺から他辺方向に塗布液と溶剤を塗布し、この際、被処理体に対する塗布開始時及び塗布終了時に溶剤の供給量を塗布途中時よりも所定量増量させるようにした、ことを特徴とする塗布膜形成方法。