JP3754326B2 - 塗布膜形成装置及びその方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハやＬＣＤ基板（液晶ディスプレイ用ガラス基板）等の基板上に樹脂等を溶剤に溶かした液体例えばポリイミド溶液を塗布し、液膜を形成する装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造工程の一つとして、保護膜や層間絶縁膜を形成するために、ポリイミドを半導体ウエハなどの基板上に塗布する処理がある。係る処理では、従来から基板表面に形成される塗布膜の膜厚が全体に亘って均一であることが要求されているが、近年では回路等の微細化に伴い、従来よりも更に高い膜厚の面内均一性が求められている。
【０００３】
このような状況下、塗布膜形成装置の一つとして、ポリイミドを溶剤に溶かした薬液を塗布前に溶剤で更に薄めて塗布液とし、例えば図８に示すように半導体ウエハ（以下ウエハという）Ｗを回転させておいてノズル１１をウエハＷの中心から径方向に徐々にスキャンさせながら前記塗布液１２をウエハＷ表面に吐出し、この塗布液１２を一筆書きの要領で螺旋状に塗布していくものが検討されている。
【０００４】
こうした装置により得る塗布膜について膜厚の面内均一性を高めるためには、基板の径方向に向かって隣接する塗布液の線同士が、密着して配列されることが好ましい。このため塗布膜が常に理想の状態で形成されるように、例えばノズル直下位置における基板の座標ごとの、塗布液の吐出流量、基板の回転数及びノズルの移動速度の値を合わせ込む試験を予め行っておき、こうして得た塗布データに基づき塗布処理を行うようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、塗布データは上述した３つのパラメータを有することから、その合わせ込み作業は容易でなく、このため例えば塗布液の吐出流量を一定とし、残り二つのパラメータである基板の回転数とノズルの移動速度とを合わせ込む手法も検討しているが、基板表面に吐出される塗布液の線幅は当該基板の被塗布部位の周速度により変動するため、当該線幅を考慮した上で設定を行わなければならず面倒であった。
【０００６】
そこで本発明者は、基板表面の周速度が遅く、基板表面における塗布液の線幅が太くなる中央側では吐出流量を少なくし、基板表面の周速度が速くなり、基板表面における塗布液の線幅が細くなる外縁側では吐出流量が多くなるように、ノズルにおける塗布液の吐出圧力を変化させることを検討しているが、このようにすると塗布液の吐出圧力が高くなるにつれて塗布液の流速が大きくなってしまうため、塗布液が基板表面に弾かれてしまうおそれがある。
【０００７】
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、基板に塗布膜を形成するにあたり、膜厚の面内均一性を高め、且つ塗布条件の設定作業に必要な労力を軽減する技術を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る塗布膜形成装置は、 基板を水平保持して回転させると共に、基板の上方側に設けたノズルを基板の回転中心部側から周縁に向かって移動させながら塗布液を吐出して基板上に螺旋状に塗布液を塗布する塗布膜形成装置において、
前記ノズルが基板の中心部から周縁側に移動するにつれて、ノズルの吐出口の口径が大きくなるように当該口径を調節する口径調節手段を備え、
口径調節手段は、ノズルの一部をなすと共に吐出口の形成された開口部材と開口部材を加熱するための手段と、を含み、開口部材の温度を制御して開口部材自体を膨張または収縮させることで吐出口の口径を調節することを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、塗布液を螺旋状に塗布して塗布膜を形成する際に、基板の各部位ごとに基板の回転数、ノズルの移動速度及び塗布液の吐出流量といった各種パラメータの合わせ込みを行って作成していた塗布データの作成作業を行わずとも、例えば塗布液の吐出流量を制御するだけで膜厚の面内均一性が高い塗布膜を形成することができる。
【００１０】
上記の口径調節手段としては、例えばノズルに吐出口の形成された開口部材を、該開口部材の外縁を規制するようにして設け、該開口部材の温度に応じて吐出口の口径を変化させるものを用いることが好ましい。開口部材は抵抗発熱体のようにそれ自身が温度変化するものであってもよいし、或いは開口部材と別個に設けた加熱手段により、温度変化するものであってもよい。外縁を規制された開口部材は、例えば温度上昇に伴い吐出口が狭まり、温度低下に伴い吐出口が広がるため、これらの作用により吐出流量を変化させることができる。
【００１２】
更にまた、本発明に係る塗布膜形成方法は、基板を水平保持して回転させると共に、基板の上方側に設けたノズルを基板の回転中心部側から周縁に向かって移動させながら塗布液を吐出して、基板上に塗布液を螺旋状に塗布していく塗布工程と、
この塗布工程において、前記ノズルが基板の中心部から周縁側に移動するにつれて、ノズルの一部をなすと共に吐出口が形成されかつその外縁が規制された開口部材の温度を低くして開口部材自体を収縮させることでノズルの吐出口の口径を大きくする工程と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る塗布膜形成装置の実施の形態における全体構成について、図１に示す平面図を参照しながら簡単に説明する。図中２１はカセットステーションであり、例えば２５枚のウエハＷを収納したカセットＣを載置するカセット載置部２２と、載置されたカセットＣとの間でウエハＷの受け渡しを行うための受け渡しアーム２３とが設けられている。この受け渡しアーム２３の奥側には筐体２４にて周囲を囲まれる処理部Ｓ１が接続されている。処理部Ｓ１の中央には主搬送手段２５が設けられており、これを取り囲むように例えば奥を見て右側には複数の塗布ユニット２６が、左側、手前側、奥側には加熱・冷却系のユニット等を多段に積み重ねた棚ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３が夫々配置されている。
【００１４】
棚ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、塗布ユニット２６の前処理及び後処理を行うためのユニットなどを各種組み合わせて構成されるものであり、例えば塗布ユニット２６にて塗布液が塗られたウエハＷを減圧雰囲気下で乾燥し、該塗布液中に含まれる溶剤を揮発する減圧乾燥ユニット、ウエハＷを加熱（ベーク）する加熱ユニット、ウエハＷを冷却する冷却ユニット等が含まれる。なお棚ユニットＵ２，Ｕ３については、ウエハＷを受け渡すための受け渡し台を備えた受け渡しユニットも組み込まれる。また、上述した主搬送手段２５は例えば昇降及び前後に移動自在で且つ鉛直軸周りに回転自在に構成されており、塗布ユニット２６及び棚ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３を構成する各ユニット間でウエハＷの受け渡しを行うことが可能となっている。
【００１５】
次に図３及び図４を参照して塗布ユニット２６の説明を行う。ここでは塗布ユニット２６の外装体をなす筐体を省略するが、この図示しない筐体内には、例えば側方に基板であるウエハＷの搬入出用の開口部（図示せず）が形成された中空のケース体３１が設けられ、その内部にはウエハＷを裏面側から真空吸着して水平保持する基板保持部をなすウエハ保持部３２と、このウエハ保持部３２を下方側から支持すると共に、塗布処理時にはウエハ保持部３２を鉛直軸周りに回転させる回転機構３３とが設けられている。
【００１６】
ケース体３１の天井部にはＸ方向に延びるスリット３４が形成されており、このスリット３４の上方には、ウエハＷに対して例えば塗布液であるポリイミド溶液を供給するための塗布ノズル４が設けられている。この塗布ノズル４は、下端側先端に形成される吐出口４１が、スリット３４を介してケース体３１内に突出するように駆動機構３５により保持されており、駆動機構３５の働きによりスリット３４に沿ってＸ方向に移動できる構成とされている。なお作図の都合上、図２では駆動機構３５を省略している。
【００１７】
詳細は後述するが、塗布ノズル４の内部には上述した吐出口４１へ塗布液の供給を行うための塗布液流路５１と、該塗布液流路５１内を流れる塗布液の温度を調節するための液温調節手段をなす温調水流路６１とが設けられており、塗布液流路５１の基端側には、バルブ５２及び例えばベローズ型ポンプよりなるポンプ５３を介して塗布液供給源５４が接続されている。この塗布液供給源５４には例えば塗布膜の成分であるポリイミド成分を例えばＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）等の溶剤に溶解させたポリイミド溶液が貯留されており、例えば図示しない制御部によりポンプ５３の制御を行うことで、ポリイミド溶液の吐出流量を調節するように構成されている。一方の温調水流路６１は塗布ノズル４と温調水供給源６２とを結ぶと共に、例えば温調水供給源６２から供給される温度調節した水（以下温調水という）が塗布ノズル４内で折り返し、再び温調水供給源６２に戻るように往路と復路とを有する二重構造となっており、温調水供給源６２には、ここでは図示を省略するが水温調節手段や循環ポンプ等が含まれる。
【００１８】
次に塗布ノズル４の構造について、図４を参照しながら詳細な説明を行う。図中４２は温度調節部であり、その内部には上方側から延びる三重管４３が該温度調節部４２の下端位置まで貫通して設けられている。三重管４３は同心円に沿う３つの管路を有しており、中心の管路４３ａは塗布液流路５１に相当し、その周囲を囲む二番目の管路４３ｂ及び三番目の管路４３ｃは夫々が温調水流路６１に相当する。これらのうち中心の管路４３ａのみが下部側に開口し、その周囲を囲む二番目の管路４３ｂと三番目の管路４３ｃとは三重管４３の先端にて折り返しながら連通し、例えば二番目の管路４３ｂが温調水供給源６２から供給される温調水の往路に、三番目の管路４３ｃが同復路になるように構成されている。
【００１９】
温度調節部４２の下方側には例えば内部に液溜４４を有する筒状体４５が接続されている。この筒状体４５の下端位置には窪み４５ａが形成されており、中央に吐出口４１が形成されたプレート状の開口部材４６がその外縁部を規制された状態で嵌め込まれている。即ち、管路４３ａ、筒状体４５内の液溜４４及び吐出口４１は連通し、この連通空間を構成する各部位が塗布ノズル４内における塗布液流路５１に相当する。
【００２０】
開口部材４６は、該開口部材４６自体を膨張または収縮させることで吐出口４１の口径及び塗布液の粘度を調節し、これらの作用の兼ね合いにより塗布液の吐出流量を調節しようとするものである。このため開口部材４６には例えば抵抗発熱体が用いられ、制御部４７から電力制御部４８を介して開口部材４６に供給する電力量の調節を行って該開口部材４６に加わる熱量をコントロールすることで塗布液の吐出流量を変化させる構成とされている。
【００２１】
制御部４７は例えばバス４７ａを介して接続されるデータ処理部を行うためのＣＰＵ４７ｂ、後述する塗布データ等が格納されるメモリ４７ｃ、及び例えば塗布処理時に各装置を作動させるためのプログラムを格納するプログラム格納部４７ｄ等で構成される。また開口部材４６には例えば熱電対よりなる温度センサ４９が設けられており、開口部材４６についての温度検出値を制御部４７へと送信できるようになっている。
【００２２】
ところで本実施の形態は、塗布液を線状に且つ螺旋を描くようにウエハＷ表面に塗布することで一体的且つ隙間のない塗布膜を形成しようとするものであるが、塗布ノズル４の移動速度及びウエハＷの回転数は変化させず、塗布ノズル４における塗布液の吐出流量のみを変化させるものである。このため制御部４７では、例えば予めメモリ４７ｃ内に格納されている以下に示すような塗布データを参照し、開口部材４６へ供給する電力量を調節するように構成される。一の塗布データは、例えば目標膜厚毎に予め用意される図５(a)に示すような、塗布ノズル４の位置（ウエハＷの中心から塗布ノズル４の直下位置までの距離）と開口部材４６に加えられる熱量との関係を定めたデータＡと、図５(b)に示すような、塗布ノズル４の位置と塗布ノズル４が該位置にあるときにおける塗布液の粘度との関係を定めたデータＢとの兼ね合いから、ウエハＷ表面に塗布液を螺旋状に塗布するときに、ウエハＷの中央部から外縁側に向かって塗布されていく塗布液の線同士が、隙間なく密着するように設定される。
【００２３】
ここでデータＡについては、図５(a)に示すように塗布ノズル４の位置がウエハＷの外縁側に移動するにつれて開口部材４６の熱量が徐々に減るように設定される。これは既述のように塗布液を螺旋状に塗布する方法において、ウエハＷの回転数を一定値として塗布処理を行うと、被塗布部位の周速度は塗布ノズル４がウエハＷの外縁側に向かうにつれてが増していくため、仮に塗布液の吐出流量が一定であったとすれば塗布液の線幅が徐々に細ってしまうことに対応したものである。即ち、線幅が細くなれば塗布処理に要する時間が増加してしまうため、当該部位における周速度の増加に伴い開口部材４６に加わる熱量を低下させ、吐出口４１を広げることで吐出流量を増加させるようにしているのである。
【００２４】
一方、前記周速度が高い部位にて塗布液の流速が増すと、「発明が解決しようとする課題」の項でも述べたようにウエハＷ表面で塗布液が弾かれてしまう場合がある。このためデータＢについては塗布ノズル４がウエハＷの外縁側に移動するにつれて塗布液の粘度を徐々に増すように設定される。
【００２５】
即ち、上述した塗布データ設定におけるデータＡとデータＢとの兼ね合いとは、塗布液の吐出流量を増加させることで得られるスループットの向上と、それに伴う塗布異常の発生回避との兼ね合いを意味するものである。なお図５(a)(b)に示す特性図は正確な変化を示すものではなく、説明の理解のために表した模式的なイメージ図である。
【００２６】
次に上述実施の形態の作用について説明する。先ずウエハＷは図示しない搬送手段によりウエハ保持部３２上方の所定位置まで搬入され、その後ウエハ保持部３２により裏面側を吸着され概ね水平に保持される。一方、塗布液供給源５４では図示しない混合部にてポリイミド液と溶剤とを所定の比率で混合し、塗布液として適当な濃度となるように調整を行っておく。
【００２７】
次いでウエハＷを所定の回転数で回転させる一方、塗布ノズル４をウエハＷ中心の上方に位置決めし、バルブ５２を開くことで所定流量で塗布液が塗布ノズル４側へと送られる。本実施の形態では吐出流量の制御を開口部材４６にて行うため、このときポンプ５３における塗布液の流量は一定とされる。そして塗布液は、塗布液流路５１と温調水流路６１とが一体化し、三重管４３を構成する部位まで到達すると、管路４３ｂを流れる温調水の影響を受け、所定の温度例えば２１．０〜２４．０℃程度に調節され、液溜部４４へと向かう。
【００２８】
このとき制御部４７では塗布ノズル４における吐出流量が最小値となるように電力制御部４８における電力供給量の制御がなされており、開口部材４６では吐出口４１の口径が最小口径に維持されると共に、該開口部材４６に接触する塗布液を適当な粘度に調整する。そして係る状態で、いわばバッファの役割を果たす液溜４４内に流れ込んだ塗布液が徐々にウエハＷへと供給されていく。
【００２９】
こうして制御部４７では塗布データに基づいて塗布液の吐出流量を変化させながら、塗布ノズル４をウエハＷの中心から周縁側へ向かって径方向に徐々に移動させ、結果としてウエハＷ表面では塗布液が螺旋状の模様を描きながら塗布されることになる。このとき吐出口４１の口径は、例えば５０μｍ〜１５０μｍの間で変化する。そして例えばウエハＷの周縁近傍まで塗布が終了して所定の塗布膜が形成されると、ウエハＷは主搬送手段２５により塗布ユニット２６から搬出され、減圧乾燥処理及び加熱、冷却等の後処理を経てカセット載置部２２に載置される元のカセットＣ内へと戻される。
【００３０】
これまで述べてきたように、本実施の形態によれば塗布液を螺旋状に塗布するにあたり、塗布ノズル４における塗布液の吐出流量を吐出口４１の口径で調節するようにしているため、例えば従来のようにウエハＷの回転数、塗布ノズル４の移動速度及び塗布液の吐出流量の夫々を変化させていたときのように各パラメータの合わせ込み作業を行う必要がなく、例えばウエハＷの回転数及び塗布ノズル４の移動速度を一定に保ちながら塗布処理を行うことができるため、塗布条件の設定の手間が省け、オペレータの労力が軽減する。またウエハＷに対する塗布液の吐出流量を変化させるにあたり、開口部材４６に加わる熱量に応じて吐出口４１の口径を変化させ、該熱量が小さいときに塗布液の吐出流量が多くなるように構成しているため、ウエハＷ表面における周速度の速い部位でも、塗布液の吐出流量を増加させるのと同時に粘性をも高めることができる。従って、周速度が速くなるウエハＷの外縁部においても塗布液を着実に付着させることができるため、塗布ノズル４が外縁側にあるときでもウエハＷの回転数を低下させる制御を行う必要がない。
【００３１】
更に、液温調節手段である温調水流路６１を用いているため、開口部材４６に至るまでに塗布液の温度及び粘度をある程度調節しておくことができ、開口部材４６における吐出流量の制御を補助すると共に使用電力量を抑えることができるという利点もある。
【００３２】
なお、温調水流路６１は内部を流れる温調水の温度次第では塗布液流路５１内の塗布液の粘度を変化させることも可能であるため、例えば開口部材４６によることなく温調水流路６１のみで塗布液の吐出流量を調節するようにしてもよいし、逆に温調水流路６１を設けずに、開口部材４６の温度調節のみで塗布液の粘度調節を行うようにしてもよい。
【００３３】
また、例えば図６に示す実施の形態により、塗布液の吐出流量を変化させるようにしてもよい。本実施の形態は、開口部材４６に代えて例えばポリテトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）やフッ素樹脂等を用いた開口部材７１を用意し、この開口部材７１の中央に吐出口７２を形成すると共に開口部材７１と筒状体４５下端との間に加熱手段であるヒータ７３を設けたものであり、該ヒータ７３への電力供給量を変化させることで間接的に開口部材７１を膨張または収縮させ、吐出口７２における塗布液の吐出流量を変化させるものである。このような構成においても上述実施の形態と同様の効果を挙げることができる。
【００３４】
更にまた、口径調節手段は上述した２つの実施例のように化学的手法によるもの、即ち素材に加わる熱量に応じて吐出口の口径を変化させるようなものに限られるものでなく、吐出口の口径を物理的に変化させるものであってもよい。具体的には例えば図７(a)(b)に示すような実施の形態を挙げることができる。即ち、本実施の形態は図７(a)に示すように、吐出口８１を一端にて回動自在に固定し二枚の口径規制部材８２（８２ａ，８２ｂ）により形成するものであり、これら口径規制部材８２（８２ａ，８２ｂ）の重なり量を変化させることで吐出口８１の口径を変化させるものである。例えば図７(a)の状態から口径規制部材８２（８２ａ，８２ｂ）の重なり量を大きくすれば、図７(b)に示すように吐出口８１の口径が点線で示す図７(a)のときの口径８１’よりも小さくなる。
【００３５】
なお、以上において吐出口の口径は必ずしも円形に限定されるものではなく、「口径が大きくなる」とは吐出口の開口面積が大きくなることを意味するものである。開口面積が大きくなる態様としては、段階的に大きくなる場合、連続的に大きくなる場合のいずれの場合も含まれる。また、ウエハＷに対する塗布ノズル４の移動パターンは、上述のような螺旋状に塗布していくものに限定されず、例えば塗布ノズル４を、回転させないウエハＷの対向する両端間で往復させると共に当該往復方向と直行する方向に間欠送りし、いわゆる一筆書きの要領でウエハＷ全面に塗布していく場合においても有効である。このような構成によれば、例えばウエハＷ表面に形成されるパターンの粗密に応じて塗布液の吐出流量を変化させることができるという利点がある。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、基板に塗布膜を形成するにあたり、膜厚の面内均一性を高め、且つ塗布条件の設定作業に必要な労力を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る塗布膜形成装置の実施の形態における全体構造を示す平面図である。
【図２】上記の実施の形態において用いられる塗布ユニットを説明するための縦断面図である。
【図３】上記の塗布ユニットを説明するための平面図である。
【図４】上記の塗布ユニットにおいて用いられる塗布ノズルを説明するための縦断面図である。
【図５】本実施の形態の作用を説明するための特性図である。
【図６】他の実施の形態における塗布ノズルを説明するための概略説明図である。
【図７】更に他の実施の形態における要部を説明する概略平面図である。
【図８】従来発明に係る塗布膜形成装置を説明するための概略斜視図である。
【符号の説明】
Ｗ 半導体ウエハ
３２ ウエハ保持部
３３ 回転機構
３５ 駆動機構
４ 塗布ノズル
４１ 吐出口
４２ 温度調節部
４３ 三重管
４４ 液溜
４５ 筒状体
４６ 開口部材
４７ 制御部
４８ 電力制御部
４９ 温度センサ
５１ 塗布液流路
６１ 温調水流路

Claims (5)

1. 基板を水平保持して回転させると共に、基板の上方側に設けたノズルを基板の回転中心部側から周縁に向かって移動させながら塗布液を吐出して基板上に螺旋状に塗布液を塗布する塗布膜形成装置において、
   前記ノズルが基板の中心部から周縁側に移動するにつれて、ノズルの吐出口の口径が大きくなるように当該口径を調節する口径調節手段を備え、
   口径調節手段は、ノズルの一部をなすと共に吐出口の形成された開口部材と当該開口部材を加熱するための手段と、を含み、開口部材の温度を制御して開口部材自体を膨張または収縮させることで吐出口の口径を調節することを特徴とする塗布膜形成装置。
2. 口径調節手段は、開口部材を加熱する加熱手段を含み、ノズルの基板表面上の位置に応じて加熱手段に供給する電力量を制御する制御部を設けたことを特徴とする請求項１記載の塗布膜形成装置。
3. 開口部材は抵抗発熱体からなり、ノズルの基板表面上の位置に応じて該開口部材に供給する電力量を制御する制御部を設けたことを特徴とする請求項１記載の塗布膜形成装置。
4. 開口部材は外縁部の位置が規制され、これにより開口部材の加熱温度を低くすることにより口径が大きくなるように口径の調節が行われることを特徴とする請求項１、２または３記載の塗布膜形成装置。
5. 基板を水平保持して回転させると共に、基板の上方側に設けたノズルを基板の回転中心部側から周縁に向かって移動させながら塗布液を吐出して、基板上に塗布液を螺旋状に塗布していく塗布工程と、
   この塗布工程において、前記ノズルが基板の中心部から周縁側に移動するにつれて、ノズルの一部をなすと共に吐出口が形成されかつその外縁が規制された開口部材の温度を低くして開口部材自体を収縮させることでノズルの吐出口の口径を大きくする工程と、を含むことを特徴とする塗布膜形成方法。

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