JP3797979B2

JP3797979B2 - ベーキング装置並びにそれを用いる基板の熱処理方法及び半導体装置の製造方法

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Publication number: JP3797979B2
Application number: JP2003112928A
Authority: JP
Inventors: 林祐二小
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: JP2004319833A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置用の半導体基板、フォトマスク用のガラス基板、液晶表示装置用のガラス基板等の各種基板の製造工程において基板の熱処理に使用されるベーキング装置並びにそれを用いる基板の熱処理方法及び半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程において半導体基板に対する熱処理を行うベーキング装置は、特にリソグラフィ工程において多用される。
【０００３】
ベーキング装置の具体的な用途としては、例えば、半導体基板上にスピン塗布法によりフォトレジスト膜を形成した後の乾燥処理、パターンをフォトレジスト膜に転写した後のレジスト膜中の光分解した感光剤を拡散させてその濃度分布を均一化させるＰＥＢ（Post Exposure Bake：露光後焼きしめ）処理等が挙げられ、さらに最近は、現像処理を行ってパターン形成を行った後に半導体基板を加熱しパターンを熱変形させることによりパターン寸法を任意に変化させるフローベーク処理にもベーキング装置が使用されている。
【０００４】
その他、リソグラフィ工程以外でも、アルミニウム・銅（Ａｌ−Ｃｕ）膜中における銅の膜中分布を均一化するために半導体基板温度を銅の融点以上の温度から常温程度まで急速に冷却する急冷処理等にもベーキング装置が使用されている。
【０００５】
いずれのプロセスにおいても、半導体基板に与える温度の精度とともに、半導体基板全体における温度の均一性が非常に重要である。
【０００６】
ベーキング装置の温度精度に関しては、例えば直径８インチの半導体基板を処理するベーキング装置に備えられた熱板において既に±０．２℃程度の温度精度が実現されている。
【０００７】
しかしながら、ベーキング装置における処理温度の均一性に関しては、半導体基板が全体にわたって均一な処理温度で処理されたか否かを確認する手段も含めて、必ずしも十分に精度の高い装置は実現されていない。この問題について、半導体基板を熱板上の中央部に正確に載置するための対策も含めて説明する。
【０００８】
図８は、半導体基板がベーキング装置の熱板上の中央部に載置されている状態を示す平面図（図８（ａ））及び側面図（図８（ｂ））、図９は、半導体基板がベーキング装置の熱板上の中央部からずれて載置されている状態を示す平面図（図９（ａ））及び側面図（図９（ｂ））である。
【０００９】
図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体基板が熱板からはみ出すことなく中央部に載置されて熱処理が行われた場合には、処理温度の均一性が確保され、半導体基板の品質にも問題は生じない。
【００１０】
ところが、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体基板の一部が熱板からはみ出した状態で載置されることがある。
【００１１】
このような位置ずれは、熱板上に半導体基板を移載するロボットアームの座標ずれによるものであり、ロボットアームの調整不足や経時的な劣化、又は、突発的なノイズの発生によって引き起こされる。
【００１２】
位置ずれの程度が大きい場合、ベーキング装置からロボットアームが半導体基板を取り出す際に、アームと半導体基板とが予定されていない箇所で衝突し、アーム及び半導体基板の一方又は両方が破損する場合もある。
【００１３】
そのため、ベーキング装置には、通常、半導体基板の位置ずれを防止する機構が設けられている。
【００１４】
図１０は、半導体基板の位置ずれ防止機構を備えたベーキング装置の熱板の平面図（図１０（ａ））及び側面図（図１０（ｂ））である。
【００１５】
図１０に示すベーキング装置には、半導体基板６の位置ずれを防止するガイド部材２が熱板１の周縁部に４箇所設けられている。このようなガイド部材２は、半導体基板の位置ずれ防止機構として一般的に用いられているものであり、例えば図１０に示すガイド部材２のように、角柱状又は円柱状部材の上面を熱板１の中心部側が低くなる傾斜面に加工したガイド部材を、熱板１の周縁部の一部又は全部に設けることによって、半導体基板６の端部が位置ずれによりガイド部材２に乗り上げたとしても熱板１の中心部側へ滑り落ちるようにして半導体基板６の位置ずれを修正し、半導体基板の位置ずれに起因する搬送トラブルを防止するものである。
【００１６】
ところが、上述のようなガイド部材２が熱板１の周縁部に設けられていても、位置ずれによりガイド部材２に乗り上げた半導体基板６の端部が熱板１の中心部側へ完全に滑り落ちずに途中で止まってしまう片上がりという現象が生ずることがある。
【００１７】
図１１は、半導体基板がガイド部材に乗り上げたまま停止した片上がりの状態を示す半導体基板及び熱板の側面図である。
【００１８】
図１１に示すように、半導体基板６が片上がりの状態になったままで半導体基板６に対する熱処理が行われると、特に図１１示す点線で囲んだ箇所では半導体基板６と熱板１との間に不均一な空隙が生じ、半導体基板６の部位によって熱板１から直接又は間接に与えられる熱量に差が生ずる結果となり、半導体基板全体にわたる均一な熱処理が行われないこととなってしまう。
【００１９】
半導体基板に対して不均一な熱処理が行われると、レジスト塗布後の乾燥処理ではレジスト膜厚の不均一、ＰＥＢ処理やフローベーク処理では寸法不良が生ずる。
【００２０】
通常、リソグラフィ工程においては、パターン形成後の半導体基板のパターン寸法を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）等を用いて測定し、許容値外の場合は再加工を行う。
【００２１】
しかしながら、半導体基板の位置ずれに起因する寸法変動又は寸法不良が、半導体基板のどの部分に発生するか、また、どの半導体基板に発生するかは、全く不規則な現象であるため、各半導体基板につき数カ所程度の寸法測定サンプリングを行っても、半導体基板の寸法不良を見逃さずに確実に発見することは極めて困難である。
【００２２】
そこで、従来より、熱板上の半導体基板の片上がりを検出する手段として、熱板の温度特性を利用した検出機構がベーキング装置に設けられている。
【００２３】
その検出機構は、半導体基板が熱板上に正常に載置されて接触した際の熱板の温度特性を比較対照モデルとして用い、検出対象の半導体基板が熱板上に載置される際の熱板の温度特性を測定し比較対照モデルと比較することにより、温度特性の差が許容値の範囲内にあるかどうかを識別し、半導体基板の片上がりを検出するものである。
【００２４】
図１２は、半導体基板の片上がり検出機構により測定された熱板の温度特性を示すグラフである。尚、図１２のグラフに示す曲線のうち曲線１は、温度１６０℃に設定された熱板上に半導体基板が正常に載置されて接触した際の熱板の温度特性であり、曲線２は、同じく温度１６０℃に設定された熱板上に半導体基板が片上がりの状態で載置された際の熱板の温度特性である。
【００２５】
高温に熱せられた熱板上に、相対的に低温の半導体基板を載置すると、両者の温度差により熱板の温度が一時的に低下する。ここで、半導体基板が正常に載置されて全面で熱板に接触した際の温度低下をΔＴとすると、半導体基板が片上がりの状態で載置されて一部のみが熱板に接触した際の温度低下はΔＴ’（＜ΔＴ）となり、図１２に示されるように、半導体基板が片上がりの状態で載置された場合の熱板の温度低下量ΔＴ’が正常な場合の温度低下量ΔＴと比較して小さいことが分かる。
【００２６】
そこで、この検出機構においては、温度低下量ΔＴについて予め許容閾値を設定しておき、実際に半導体基板を熱板上に載置した際の熱板の温度特性を測定して、その温度低下量が許容閾値より大きければ、半導体基板が熱板上に正常に載置されて正常処理が行われたと判断し、その温度低下量が許容閾値より小さければ、半導体基板が片上がりにより熱板上に正常に載置されずに不均一な処理温度で処理が行われたと判断する。
【００２７】
以上のように、基板を熱板上に載置した際の熱板の温度特性を利用して、基板が熱板上に正常に載置されたか否かを判断する方法及び装置が、これまでにいくつか提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【００２８】
その他、基板を熱板上へ又は熱板上から移載する際に基板を支持する支持ピン内部に熱電対を設け、基板の温度を直接検出する方法及び装置も、これまでに提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【００２９】
【特許文献１】
特開２００２−０５０５５７号公報
【特許文献２】
特開２０００−３０６８２５号公報
【特許文献３】
特開平１１−２７２３４２号公報
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記温度低下量ΔＴの許容閾値の設定は、非常に厳密な微調整が要求され、許容閾値が小さすぎると半導体基板の片上がりが発生しているにもかかわらず不良処理を見逃してしまう一方、許容閾値が大きすぎると正常処理であるにもかかわらず不良処理として検出してしまうこととなり、実際の不良検出には必ずしも十分な精度が得られていないのが現状である。
【００３１】
加えて、熱板上に半導体基板が正常に載置されて接触した際の熱板の温度特性、即ち、温度低下量ΔＴは、熱板の温度設定によっても異なってくる。
【００３２】
図１３は、熱板上に半導体基板が正常に載置されて接触した際の熱板の温度低下量ΔＴを熱板の設定温度ごとに示すグラフである。
【００３３】
図１３のグラフに示すように、熱板上に半導体基板が正常に載置されて接触した際の熱板の一時的な温度低下量ΔＴは、熱板の設定温度が高いほど大きくなっていることが分かる。
【００３４】
ところが、一つの熱板を複数の温度設定に変更するとともに温度低下量ΔＴの許容閾値の設定も変更しながら使用するには、非常に煩雑且つ困難な作業が必要とされるため、結局、設定温度ごとに複数のベーキング装置を用意しなければならず、設備コスト増大の要因ともなっている。
【００３５】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、熱板上における基板の片上がり及びそれに起因する熱処理不良を低コストで高精度に検出することが可能なベーキング装置を提供することである。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施の一形態に係るベーキング装置によれば、
載置された基板に対し熱処理を行う熱板と、
上記熱板に開口された貫通孔を貫通して、上記熱板上の基板を裏面から支持する少なくとも３本の支持ピンを有し、上下動可能に設置された台座と、
上記各支持ピンの先端部にそれぞれ配設され、基板との接触を検知する複数のセンサと、
基板を上記支持ピンにより支持する際の上記各センサにおける基板との接触タイミングの時間差を計測する計測手段と、
を備えていることを特徴とする。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態に係るベーキング装置について、図面を参照しながら説明する。
【００３８】
図１は、本発明の実施の一形態に係るベーキング装置の熱板及びその周辺部を示す平面図（図１（ａ））及び側面図（図１（ｂ））である。
【００３９】
本発明の実施の一形態に係るベーキング装置は、載置された半導体基板に対し熱処理を行う熱板１と、熱板１に開口された貫通孔を貫通して、熱板１上の半導体基板を裏面から支持する少なくとも３本の支持ピン３を有し、上下動可能に設置された台座４と、熱板１の中心部側が低くなる傾斜面に上面が加工され、熱板１周縁部の一部又は全部に配設されたガイド部材２と、各支持ピン３の先端部にそれぞれ配設され、半導体基板との接触を検知する複数のセンサ５Ａ，５Ｂ，５Ｃと、を備えている。
【００４０】
熱板１の直径は、例えば２１０ｍｍである。ガイド部材２の具体的な形状は、ここでは、熱板１の中心部側が低くなる傾斜面に上面が加工された角柱状部材であり、そのガイド部材２を熱板１周縁部の４箇所に配設している。その他、例えば、直径２ｍｍ、高さ３ｍｍの円柱状部材の上面を熱板１の中心部側が低くなる傾斜面に加工したものをガイド部材２として用い、熱板１の中心から例えば１０２ｍｍの周縁部４箇所に配設してもよく、ガイド部材２の具体的な形状、及び、熱板１周縁部における配設位置は任意である。
【００４１】
少なくとも３本の支持ピン３は、それらの先端により水平な単一平面が形成され且つ半導体基板を裏面から支持することができるように台座４に配設されていればよく、ここでは、３本の支持ピン３が一辺１５０ｍｍの正三角形状に配置されている。支持ピン３は、４本以上であってもよい。
【００４２】
台座４には、台座４を上下動させる機構が備えられており、台座４を上下動させることにより、支持ピン３に裏面から支持された半導体基板を熱板１上において上下動させることができる。この半導体基板を上下動させる機構は、ロボットアームとベーキング装置との間で半導体基板を移載する際に動作する。
【００４３】
そして、本発明の実施の一形態に係るベーキング装置においては、半導体基板６との接触を検知するセンサ５Ａ，５Ｂ，５Ｃが各支持ピン３の先端部にそれぞれ配設されている。各センサ５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、それぞれ半導体基板６との接触を独立して検知する。センサ５は、半導体基板との接触を検知する機能を有するものであればよく、ここでは例えば、ＺＰＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いた圧電素子を用いている。その他、センサ５としては、静電容量素子等も用いることができる。
【００４４】
以上に述べた本発明の実施の一形態に係るベーキング装置の構成に基づき、その動作及び機能について説明する。
【００４５】
図２乃至図６は、本発明の実施の一形態に係るベーキング装置の一連の動作を示す側面図である。また、図７は、本発明の実施の一形態に係るベーキング装置において半導体基板の片上がりが発生した状態を示す側面図である。
【００４６】
先ず最初に、図２に示すように、熱処理の対象となる半導体基板６がロボットアーム７によりベーキング装置内の熱板１上の空間に搬入される。このとき、台座４は、支持ピン３の先端が熱板１の上面から突出し、且つ、支持ピン３がロボットアーム７上の半導体基板６には接触しない程度の高さに調整しておく。
【００４７】
次に、図３に示すように、ロボットアーム７は、半導体基板６が支持ピン３により支持されるように下方へ移動する。半導体基板６が支持ピン３上に移載された後、ロボットアーム７は、図４に示すように、ベーキング装置外へ移動する。
【００４８】
ロボットアーム７がベーキング装置外へ移動した後、半導体基板６を熱板１上に載置して熱処理を行うべく、図５に示すように、台座４を下方へ移動させ、支持ピン３の先端が熱板１の上面より低い高さに位置するようにして、半導体基板６を熱板１上に載置し、半導体基板６に対する熱処理を行う。
【００４９】
熱処理終了後、図６に示すように、台座４を上方へ移動させることにより支持ピン３の先端を熱板１の上面から突出させ、支持ピン３により半導体基板６を支持して熱板１の上面から持ち上げる。このとき、３本の支持ピンの先端部に配設された各センサ５Ａ，５Ｂ，５Ｃが同一タイミングで半導体基板６との接触を検知すれば、半導体基板６は熱板１上に正常に、即ち、水平に載置されていたこととなり、半導体基板６全体にわたって均一な温度で熱処理が正常に行われたと判断することができる。
【００５０】
一方、図７に示すように、半導体基板６の端部がガイド部材２に乗り上げて片上がりが発生していた場合、各センサ５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、それぞれ異なるタイミングで半導体基板６との接触を検知する。例えば、図７に示す通りに半導体基板６に片上がりが発生し、片上がりによって半導体基板６と熱板１とのなす角が１°になっており、台座４の上昇速度が５ｍｍ／秒であるとした場合、センサ５Ｃが最初に半導体基板６に接触し、その０．２６秒後にセンサ５Ｂが半導体基板６に接触し、さらにその０．２６秒後にセンサ５Ａが半導体基板６に接触する。
【００５１】
従って、各センサ５Ａ，５Ｂ，５Ｃにおける半導体基板６との接触タイミングを監視することにより、半導体基板６が熱板１上に正常に載置されたか、又は、半導体基板６の片上がりが発生していたかを検出することができる。
【００５２】
具体的には、各センサ５Ａ，５Ｂ，５Ｃにおける半導体基板６との接触タイミングの時間差について予め任意の許容値を設定しておき、実際に計測した時間差がその許容値以下であるときは正常処理と判断し、計測した時間差がその許容値を超えるときは不良処理であると判断するとよい。不良処理が検出された際には、警報装置により視覚的又は聴覚的な警報を発するようにするとよい。さらに、ベーキング装置の動作を中断させるようにしてもよい。あるいは、不良処理が検出された際に処理対象となっている半導体基板を製造工程から自動的に除外するようにしてもよい。
【００５３】
尚、台座４は、上昇速度及び下降速度、少なくとも上昇速度を調整可能なものとしておくと、台座４の上昇速度を加減することにより、検出感度を調整することが可能である。
【００５４】
また、図３に示すように、ロボットアーム７から支持ピン３上に半導体基板６を移載する際にも、同様に各センサ５Ａ，５Ｂ，５Ｃにおける半導体基板６との接触のタイミングを監視することにより、半導体基板６自体の歪み、台座４の傾き、支持ピン３の高さのばらつきによって発生する接触タイミングの時間差を測定しておき、その接触タイミングの時間差を熱処理後の接触タイミングの検出の際に補正値として用いれば、半導体基板６の片上がりの発生をさらに高精度に検出することができる。
【００５５】
尚、上述の本発明の実施の一形態に係るベーキング装置は、半導体装置用の半導体基板の製造工程において基板の熱処理に使用されるものとして説明したが、本発明の実施の一形態に係るベーキング装置は、その他、フォトマスク用のガラス基板、液晶表示装置用のガラス基板等の各種基板の製造工程において基板の熱処理に使用することができる。
【００５６】
また、上記本発明の実施の一形態に係るベーキング装置においては、熱板１周縁部の一部又は全部にガイド部材２が配設されているものとして説明したが、ガイド部材２が配設されていない場合においても本発明の構成は適用可能である。
【００５７】
さらに、本発明は、以上の説明から明らかなように、上記本発明の実施の一形態に係るベーキング装置を用いて基板に対する熱処理を行うことを含む基板の熱処理方法及び半導体基板の製造方法にも関するものである。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の実施の一形態に係るベーキング装置によれば、熱板上における基板の片上がり及びそれに起因する熱処理不良を低コストで高精度に検出することができ、不良品の発生を最小限に抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るベーキング装置の熱板及びその周辺部を示す平面図（図１（ａ））及び側面図（図１（ｂ））である。
【図２】本発明の実施の一形態に係るベーキング装置の一連の動作における一過程を示す側面図である。
【図３】本発明の実施の一形態に係るベーキング装置の一連の動作における一過程を示す側面図である。
【図４】本発明の実施の一形態に係るベーキング装置の一連の動作における一過程を示す側面図である。
【図５】本発明の実施の一形態に係るベーキング装置の一連の動作における一過程を示す側面図である。
【図６】本発明の実施の一形態に係るベーキング装置の一連の動作における一過程を示す側面図である。
【図７】本発明の実施の一形態に係るベーキング装置において半導体基板の片上がりが発生した状態を示す側面図である。
【図８】半導体基板がベーキング装置の熱板上の中央部に載置されている状態を示す平面図（図８（ａ））及び側面図（図８（ｂ））である。
【図９】半導体基板がベーキング装置の熱板上の中央部からずれて載置されている状態を示す平面図（図９（ａ））及び側面図（図９（ｂ））である。
【図１０】半導体基板の位置ずれ防止機構を備えたベーキング装置の熱板の平面図（図１０（ａ））及び側面図（図１０（ｂ））である。
【図１１】半導体基板がガイド部材に乗り上げたまま停止した片上がりの状態を示す半導体基板及び熱板の側面図である。
【図１２】半導体基板の片上がり検出機構により測定された熱板の温度特性を示すグラフである。
【図１３】熱板上に半導体基板が正常に載置されて接触した際の熱板の温度低下量ΔＴを熱板の設定温度ごとに示すグラフである。
【符号の説明】
１熱板
２ガイド部材
３支持ピン
４台座
５Ａ，５Ｂ，５Ｃセンサ
６半導体基板
７ロボットアーム

Claims

載置された基板に対し熱処理を行う熱板と、
前記熱板に開口された貫通孔を貫通して、前記熱板上の基板を裏面から支持する少なくとも３本の支持ピンを有し、上下動可能に設置された台座と、
前記各支持ピンの先端部にそれぞれ配設され、基板との接触を検知する複数のセンサと、
基板を前記支持ピンにより支持する際の前記各センサにおける基板との接触タイミングの時間差を計測する計測手段と、
を備えていることを特徴とするベーキング装置。
前記複数のセンサは、それぞれ基板との接触を独立して検知することを特徴とする請求項１に記載のベーキング装置。
前記各センサは、圧電素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載のベーキング装置。
前記各センサは、静電容量素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載のベーキング装置。
熱処理後に基板を前記支持ピンにより支持する際の前記各センサにおける基板との接触タイミングの時間差について予め任意に設定した許容値を、計測した前記時間差が超えるときは、不良処理が検出されたと判断することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のベーキング装置。
不良処理が検出された際に視覚的又は聴覚的な警報を発する警報装置をさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載のベーキング装置。
不良処理が検出された際に動作を中断することを特徴とする請求項５又は６に記載のベーキング装置。
不良処理が検出された際に処理対象となっている基板を製造工程から除外することを特徴とする請求項５又は６に記載のベーキング装置。
熱処理前に基板を前記支持ピン上に移載する際の前記各センサにおける基板との接触タイミングの時間差を計測しておき、当該時間差を、熱処理後に計測する前記時間差に対する補正値として用いることを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載のベーキング装置。
前記台座は、上昇速度が調整可能であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のベーキング装置。
前記熱板の中心部側が低くなる傾斜面に上面が加工され、前記熱板周縁部の一部又は全部に配設されたガイド部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のベーキング装置。
請求項１乃至１１のいずれかに記載のベーキング装置を用いて基板に対する熱処理を行うことを含むことを特徴とする基板の熱処理方法。
請求項１乃至１１のいずれかに記載のベーキング装置を用いて半導体基板に対する熱処理を行うことを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。