JP3837736B2 - レジスト硬化装置のワークステージ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レジストが塗布された半導体ウエハ等のワークをワークステージ上に保持し、加熱及び紫外線照射してその硬化処理を行うレジスト硬化装置のワークステージに関するものであり、更に詳しくは、半導体集積回路の製造工程において、シリコン等のウエハに塗布されたレジストを、加熱昇温しながら紫外線照射することにより硬化させるレジスト処理に使用される、レジスト硬化装置のワークステージに関するものである。
本発明のワークステージは、特に、ウエハの大きさが大口径化するのに対応した新しい高性能のワークステージとして好適に使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体集積回路の製造工程において、半導体ウエハに塗布されたレジストの処理方法として、現像後のレジストに対し、加熱昇温しながら紫外線を照射し、レジストを硬化することにより、その耐熱性や耐プラズマ性などを向上させる方法が提供されている（例えば、特公平４−７８９８２号公報）。上記処理では、例えば、ウエハ毎に、紫外線を照射しながら、ウエハ処理台（ワークステージ）の温度を制御して、次のような昇降温を繰り返すことが行われる。
すなわち、上記レジストの処理方法では、例えば、５０〜１００℃から処理を開始し、紫外線を照射して２００〜２５０℃にまで上昇し、紫外線の照射を止め、再び５０〜１００℃にまで冷却して処理を終了する、という一連の処理が行われる。この場合、昇温速度は、プロセス上の理由により、１〜２℃／ｓｅｃが必要とされる。また、降温速度は、スループットを良くするために、より速いことが望まれているが、実際には３℃／ｓｅｃ程度である。
【０００３】
上記のような急速な昇降温を、ウエハに確実に伝えるために、好適には、熱伝導性の良い金属製のワークステージ上に、真空吸着によりウエハを保持する方法が採用されている。具体的には、このワークステージとして、加熱手段と冷却手段からなる温度制御手段を備えたワークステージを用い、これを、ヒータにより加熱し、また、冷却水により冷却することにより、上記昇降温の制御を行なっている。
この種のワークステージに関する従来技術として、図１に、通常のワークステージの全体斜視図を示す。ワークステージＷＳの形状はウエハの形状に合わせて円形である。ワークステージＷＳの表面には、円環状の複数の真空吸着溝Ａがあり、真空が供給され、載置されたウエハはワークステージＷＳの表面に真空吸着により保持される。また、ワークステージ内部にはカートリッジヒータＢが挿入される。ワークステージの表面は、無電界ニッケルメッキ処理されている。
【０００４】
図６に、ワークステージＷＳの側面図及びカートリッジヒータ（シースヒータ）Ｂの断面図を示す。ワークステージＷＳの側面には複数のヒータ挿入用貫通孔３が設けられ、貫通孔の長さに応じたカートリッジ７及びヒータ線８から構成される棒状のカートリッジヒータ（シースヒータ）Ｂが差し込まれる。カートリッジヒータＢに通電し加熱すると、熱伝導によりワークステージＷＳが加熱される。
また、ヒータを差し込む貫通孔３と貫通孔３の間のワークステージ内部には、冷却水を流す冷却水用の流路用孔４、真空吸着溝５に真空を供給する真空供給路（図示せず）が形成されている。
冷却水を流す流路どうしは、ワークステージＷＳ下面側でブリッジ配管６により接続されている。冷却水は、２ヶ所の導入口Ｅから導入され、２ヶ所の排水口Ｆから排水される。
【０００５】
しかるに、近年、ウエハの大きさがφ２００ｍｍからφ３００ｍｍへと大口径化する傾向にある。これに応じてワークステージの径も大きくしなければならない状況となっている。
ワークステージの径を大きくする際に、特に、以下の点が問題となる。
従来、上記レジスト硬化装置のワークステージの材質としては、熱伝導性の良い無酸素銅が用いられていた。ところが、大口径のφ３００ｍｍウエハに対応するために、ステージの径を大きくしたところ、昇降温を繰り返す過程で、ステージに大きな反りが生じ、ウエハが真空吸着できなくなるという問題が起こった。
例えば、図２に示すように、直径３２０ｍｍ、厚さ１７ｍｍである無酸素銅製のワークステージＷＳにおいて、５０℃から２５０℃の昇降温（昇温速度２．１℃／ｓｅｃ、降温速度３℃／ｓｅｃ）を約１００回繰り返したところ、ワークステージの中央部に対して、周辺部では１．２ｍｍの反りが生じるという問題が生起した。
本発明者らが実験したところによると、ワークステージの中央部に対する周辺部の反りは、０．５ｍｍ以下でなければウエハを確実に真空吸着することができないことがわかった。ウエハをワークステージに真空吸着できなければ、ステージの温度を正確にウエハに伝導することができず、レジストの硬化処理において不具合が生じる可能性がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況下にあって、本発明は、上記従来技術に鑑みて、ウエハの大きさが大口径化しても、ワークステージの反りが生じるという問題のない新しい高性能のワークステージを開発することを課題としてなされたものである。
すなわち、本発明は、大口径のφ３００ｍｍのウエハに塗布されたレジストを、加熱しながら紫外線照射して硬化処理する、レジスト硬化装置のワークステージにおいて、大口径のウエハに対応した直径３２０ｍｍのワークステージを、５０℃から２５０℃の昇降温を繰り返しても、ウエハを載置するステージの中央部に対する周辺部の反りが、０．５ｍｍ以下となるようにすることを可能とする、新しい高性能のレジスト硬化装置のワークステージ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】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）レジストが塗布されたワークを、ワークステージ上に真空吸着により保持して、昇温しつつ紫外線を照射し、紫外線照射後冷却することにより上記レジストの硬化処理を行うレジスト硬化装置における、加熱手段と冷却手段とを備えた、２００℃〜２５０℃に加熱され、最大で１２０℃の温度差を生じる、直径３００ｍｍのウエハ用のワークステージであって、
ワークステージの中央部に対する周辺部の反りが０．５ｍｍ以下になるように、上記のステージは、σ／σ_y ≦３．１
（ここで、σは熱応力であり、以下の式：
σ＝ＥαΔＴ
Ｅ；２００℃におけるヤング率（Ｎ／ｍｍ² ）
α；２００℃における線膨張係数（１／℃）
ΔＴ；温度差（℃）＝１２０℃
から求められ、また、σ_y は２００℃における降伏点である。）
を満たす材質のアルミ合金ないし銅合金により構成されていることを特徴とする、レジスト硬化装置のワークステージ。
（２）ワークステージの材質が、アルミ合金Ａ６０６１Ｐ又はＡ５０５２Ｐにより構成されている、前記（１）に記載のレジスト硬化装置のワークステージ。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明者らは、レジスト硬化装置のワークステージにおける、ステージの中央部に対する周辺部の反りの原因を以下のように考え、反りが生じない条件を種々検討した。
本発明者らは、実験を進める中で、ワークステージが反るのは、昇降温時、ステージに温度差が生じ、これにより局部熱応力が発生し、この局部熱応力がステージの金属の降伏点（弾性限界）を越えると、局部永久歪が生じ、この局部永久歪がステージの反りとなると考えた。
特に、降温時、全体が２００〜２５０℃である直径３２０ｍｍ、厚さ１７ｍｍステージに、市水相当の冷却水を流して冷却するが、図６に示すように、冷却水を２ヶ所から供給しても、供給直後は、冷却水供給口付近と、冷却水供給口から離れた部分とでは、大きな温度差が生じる。したがって、ワークステージには大きな温度勾配が生じる。
【０００９】
そこで、ワークステージにおける温度勾配を調べるために、２５０℃に加熱したステージに約２０℃の冷却水を流して、ステージの各部分の温度を測定した。その結果を図３に示す。図中、縦軸が表面温度、横軸が冷却開始からの時間である。温度測定点は図１の矢印１〜９の部分である。同図に示すように、最大で約１２０℃の温度差ΔＴが生じていることがわかった。
上記の結果に基き、ステージに生じる応力σを計算した。応力σは以下の式により求められる。
σ＝Ｅε＝ＥαΔＴ σ；応力（Ｎ／ｍｍ² ） Ｅ；ヤング率（Ｎ／ｍｍ² ） ε；歪 α；線膨張係数（１／℃） ΔＴ；温度差（℃）
上式より求めた応力σが、降伏点σ_y に対してどの程度の大きさであるかにより、ステージの歪み易さがわかる。ここでは、高温状態での歪み易さを評価すべきであるので、上式に代入するヤング率Ｅ、線膨張係数αは、２００℃での値を、温度差ΔＴは、図３の実測値１２０℃を採用した。
表１に、上記に基き、各種材質の金属について行なった計算結果を示す。σ／σ_y は、ステージに生じる応力σが、２００℃における降伏点（弾性限界）σ_yの何倍になるかを示すものである。
【００１０】
【表１】

【００１１】
上記したように、線膨張係数α、ヤング率Ｅ、降伏点σ_y は、２００℃での物性値であり、応力σは、その線膨張係数α、ヤング率Ｅと温度差ΔＴ＝１２０℃から計算した。
表１に示されるように、従来、使用されていた無酸素銅（Ｃ１０２０Ｐ）の場合は、発生する熱応力が、降伏点に対し７倍以上大きい。したがって、ステージは、反り量１．２ｍｍという大きな永久歪みを生じたものと考えられる。
従来の装置においても、反りは生じていたが、従来はφ２００ｍｍ以下のウエハに対応する装置であり、ステージの径もφ２２０ｍｍと小さいものであった。そのために、ステージ中央部に対する周辺部の反りも小さく、０．５ｍｍ以下であったので、問題にはならないレベルのものであった。
【００１２】
上記に基き、σ／σ_y の値が、できるだけ小さくなるように材質を選択すれば、ステージに生じる歪みが小さくなると考えられる。
そこで、本発明者らは、アルミ合金Ａ６０６１Ｐ（σ／σ_y ＝２．２）と、アルミ合金Ａ５０５２Ｐ（σ／σ_y ＝３．１）によるステージを製作し、上記と同様に、５０℃→２５０℃→５０℃の昇降温を繰り返し、ステージ中央部に対する周辺部の反り量を測定した。
図４に、昇降温の繰り返し回数に対するステージの反り量を示す。図中、縦軸がステージの反り量（ｍｍ）、横軸が昇降温の繰り返し回数である。
図４において、●は、材質として無酸素銅（Ｃ１０２０Ｐ）を用いた従来のステージの場合である。反り量の増加は、昇降温を約１００回繰り返した付近で約１．２ｍｍになり、その後、微増している。
【００１３】
また、同図において、○は、材質としてＡ６０６１Ｐを用いたステージの場合、△は、材質としてＡ５０５２Ｐを用いたステージの場合である。
Ａ６０６１Ｐのステージの場合、１００回及び２００回の昇降温の繰り返しにおいて、ステージの反り量は０．１ｍｍ以下であり、ウエハが吸着できないような、大きな反りは生じないことがわかった。
Ａ５０５２Ｐのステージの場合も、４５回及び１００回の昇降温の繰り返しにおいて、ステージの反り量は０．１ｍｍ以下であり、ウエハが吸着できないような、大きな反りは生じないことがわかった。
熱応力の場合、σ／σ_y が２以下であれば大きな歪みが生じないという、経験則があるが、この結果は、この経験則に矛盾しないものである。
【００１４】
図４に示されるように、無酸素銅（Ｃ１０２０Ｐ）のワークステージの場合、反り量の増加は、昇降温を約１００回繰り返した付近でほぼ飽和している。したがって、１００回の昇降温を繰り返して大きな反りが生じなければ、それ以上の反りは発生せず、問題はないと判定した。
図５に、昇降温の１００回繰り返し時における、σ／σ_y に対する（φ３００ｍｍウエハ用）ワークステージの反り量を示す。これは、上記した無酸素銅（Ｃ１０２０Ｐ）製ワークステージと、アルミ合金（Ａ５０５２Ｐ、Ａ６０６１Ｐ）製ワークステージの実験結果と、上記で計算したσ／σ_y の値とから求めたものである。なお、熱応力σは、２００℃におけるヤング率、２００℃における熱膨張係数、温度差１２０℃から算出した。σ_y は、２００℃における物性値である。
上記したように、ワークステージの反り量は０．５ｍｍ以下であれば、ウエハを真空吸着により保持できるので問題はない。したがって、σ／σ_y の値が３．１以下であれば、ステージの材質として採用することが可能であることがわかった。
表１において、無酸素銅（Ｃ１０２０Ｐ）以外、いずれもσ／σ_y ≦３．１であり、ステージの材質として採用可能である。
【００１５】
本発明の特定の材質から構成されるレジスト硬化装置のワークステージは、レジストが塗布されたワークをワークステージ上に真空吸着により保持して、レジスト処理する全ての装置に適用可能である。この種の装置としては、例えば、ワークステージ（ウエハ処理台）は、ヒータリード線により通電することによってヒータで加熱され、あるいはステージ内部に設けた冷却孔に冷却水を流すことにより冷却水で冷却され、この加熱及び冷却機構により、ステージ上に載置されたウエハの温度制御を行う方式を採用した紫外線ホトレジスト硬化装置が好適なものとして例示される。
本発明のレジスト硬化装置のワークステージは、特に、ウエハのφ３００ｍｍへの大口径化に対応したワークステージとして好適に用いられるが、それに制限されるものではなく、あらゆる種類のワークに対応したワークステージとして使用可能である。また、ワークステージについても、上記方式のワークステージに制限されるものではなく、加熱手段と冷却手段からなる温度制御手段を備えたワークステージであれば全て対象となる。
前記したように、本発明においては、ステージの材質をσ／σ_y の値が３．１以下の条件を満たすアルミ合金ないし銅合金により構成することが重要であり、上記条件を満たすものであれば、適宜の材質を使用することができる。
本発明において、ステージの材質として、好適には、表１に示すアルミ合金、銅合金が例示される。
【００１６】
【作用】
レジスト硬化装置のワークステージは、昇降温時、ステージに温度勾配が生じ、局部熱応力が発生する。この際、この局部熱応力がステージの材質の金属の降伏点（弾性限界）を越えると、局部永久歪が生じ、この局部永久歪がステージの反りとなる。特に、大口径のφ３００ｍｍのウエハに対応したワークステージの場合に、大きな温度勾配による反りが生じ、それにより、ウエハをステージの表面に真空吸着により保持させることが困難となるが、本発明により、ワークステージの材質として、σ／σ_y 値が３．１以下のものを使用することで、ステージの中央部に対する周辺部の反りを０．５ｍｍ以下とすることが可能となり、これにより、ウエハをワークステージの表面に確実に真空吸着により保持させることが可能となる。
本発明者らが実験したところ、ワークステージの反りが０．５ｍｍ以下であれば、ウエハをステージの表面に真空吸着により保持できること、ステージの材質としてσ／σ_y 値が３．１以下のものであれば、上記の条件を満たし、ステージの材質として好適に使用できること、がわかった。
これらの条件は、レジスト硬化装置のワークステージの属する当該技術分野で期待される通常の技術的条件に整合する範囲で設定されたものである。
本発明は、レジスト硬化装置のワークステージにおいて、ステージがσ／σ_y≦３．１を満たす材質のアルミ合金ないし銅合金により構成されていることを特徴とするレジスト硬化装置のワークステージ、であり、このような構成を採用することにより、ウエハの大口径化に対応した好適なワークステージの提供が可能となる。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、レジスト硬化装置のワークステージにおいて、ステージをσ／σ_y ≦３．１を満たす材質のアルミ合金ないし銅合金で構成したことを特徴とするものであり、本発明により、以下の効果が奏される。
（１）レジスト硬化装置のワークステージにおいて、昇降温の繰り返しによるステージの大きな反りを確実に防ぐことができる。
（２）レジスト硬化装置のワークステージの材質をσ／σ_y ≦３．１を満たす材質（例えば、アルミ合金Ａ６０６１Ｐ、Ａ５０５２Ｐ）により構成することで、例えば、５０℃から２５０℃の昇降温を繰り返しても、ステージの中央部に対する周辺部の反りを０．５ｍｍ以下とすることができる。
（３）大口径のφ３００ｍｍのウエハをワークステージに真空吸着により確実に保持させることができ、それにより、大口径のウエハに対しても正常にレジスト硬化処理を行なうことができる。
（４）ウエハの大きさが大口径化するのに対応した高性能のワークステージを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ワークステージの全体斜視図を示す。
【図２】ワークステージの断面図を示す。
【図３】ステージの表面温度と冷却開始からの時間との関係を示す。
【図４】昇降温の繰り返し回数とステージの反り量との関係を示す。
【図５】昇降温の１００回繰り返し時における、ステージの反り量とσ／σ_y との関係を示す。
【図６】ワークステージの側面図及びカートリッジヒータ（シースヒータ）の断面図を示す。
【符号の説明】
（図１の符号）
１〜９，１′，４′ 温度測定点
Ａ 真空吸着溝
Ｂ カートリッジヒータ
（図２の符号）
ＷＳ ワークステージ
Ｄ ステージの厚さ
（図６の符号）
１ 無酸素銅
２ ニッケルメッキ
３ ヒータ挿入用貫通孔
４ 冷却水用の流路用孔
５ 真空吸着溝
６ ブリッジ配管
７ カートリッジ
８ ヒータ線
Ｂ カートリッジヒータ（シースヒータ）
Ｅ 冷却水導入口
Ｆ 冷却水排水口

Claims (2)

1. レジストが塗布されたワークを、ワークステージ上に真空吸着により保持して、昇温しつつ紫外線を照射し、紫外線照射後冷却することにより上記レジストの硬化処理を行うレジスト硬化装置における、加熱手段と冷却手段とを備えた、２００℃〜２５０℃に加熱され、最大で１２０℃の温度差を生じる、直径３００ｍｍのウエハ用のワークステージであって、
   ワークステージの中央部に対する周辺部の反りが０．５ｍｍ以下になるように、上記のステージは、σ／σ_y ≦３．１
   （ここで、σは熱応力であり、以下の式：
   σ＝ＥαΔＴ
   Ｅ；２００℃におけるヤング率（Ｎ／ｍｍ² ）
   α；２００℃における線膨張係数（１／℃）
   ΔＴ；温度差（℃）＝１２０℃
   から求められ、また、σ_y は２００℃における降伏点である。）
   を満たす材質のアルミ合金ないし銅合金により構成されていることを特徴とする、レジスト硬化装置のワークステージ。
2. ワークステージの材質が、アルミ合金Ａ６０６１Ｐ又はＡ５０５２Ｐにより構成されている、請求項１に記載のレジスト硬化装置のワークステージ。

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