JP4018087B2 - 基板処理システム及び基板処理システムにおける膜厚測定用の装置の劣化検知方法 - Google Patents

Description

本発明は，基板処理システム及び基板処理システムにおける膜厚測定用の装置の劣化検知方法に関する。

例えば半導体デバイスの製造プロセスにおけるフォトグラフィー工程では，半導体ウェハ（以下，「ウェハ」）の表面にレジスト膜を形成するレジスト塗布処理，ウェハにパターンを照射して露光する露光処理，露光後のウェハに対して現像を行う現像処理等が行われる。これらの処理を行う各処理装置は，露光処理装置をのぞき，一つのシステムとしてまとめられ，塗布現像処理システムを構成している。

ここで，所定のリソグラフィー工程を好適に実施するためには，パターンの露光処理前にウェハ上に塗布されたレジスト膜が所定の膜厚であることが重要である。そこで，パターンの露光前にウェハのレジスト膜の膜厚を検査し，所定の許容値を超えた場合には，その検査に基づいて，例えば，塗布処理装置のウェハの回転数を調整している。

従来，レジスト膜の膜厚の検査は，塗布現像処理システムから露光処理前のウェハを作業員が抜き取り，塗布現像処理システムとは別に設けられた検査用の膜厚測定装置を用いて行われていた。

しかしながら，そのように塗布現像処理システムから該膜厚を検査する装置まで，ウェハを搬送する必要があり手間がかかり，時間がかかる。また往復途中でウェハが汚染されるおそれがある。

本発明は，基板処理システムにおける膜厚測定手段について，事前にセンサ部材の光源の劣化などを知ることを目的としている。

前記目的を達成するため，本発明は，基板上に処理液を塗布する塗布装置と，回転自在でかつ少なくとも一方向に移動自在な載置台，並びに当該載置台上の基板の塗布膜の膜厚を測定するセンサ部材を有する膜厚測定用の装置と，を備えた基板処理システムであって，前記センサ部材から照射される膜厚測定用の光を反射する反射物が，基板の載置に支障がないように前記載置台上に埋め込まれていることを特徴としている。
また別な観点によれば，本発明は，基板上に処理液を塗布する塗布装置と，回転自在でかつ少なくとも一方向に移動自在な載置台，前記載置台上の基板の周辺部に対して光を照射して前記基板周辺部の塗布膜を露光する照射部，並びに当該載置台上の基板の塗布膜の膜厚を測定するセンサ部材をケーシング内に有する周辺露光装置と，を備えた，基板処理システムであって，前記センサ部材から照射される膜厚測定用の光を反射する反射物が，基板の載置に支障がないように前記載置台上に埋め込まれていることを特徴としている。
さらに別な観点によれば，本発明は，基板上に処理液を塗布する塗布装置と，回転自在でかつ少なくとも一方向に移動自在な載置台，並びに当該載置台上の基板の塗布膜の膜厚を測定するセンサ部材を有する膜厚測定用の装置と，を備えた基板処理システムにおいて，前記センサ部材から照射される膜厚測定用の光を反射する反射物を，基板の載置に支障がないように前記載置台上に埋め込み，基板を載置していない状態で，センサ部材からの膜厚測定用の光を前記反射物照射し，そのときの反射物から反射する光の強度を測定することによって，センサ部材の光源の劣化を検知することを特徴としている。

本発明によれば，まず同一基板処理システム内の一連の処理中に塗布膜の膜厚が測定されるので，前記基板処理システムから基板を取り出し，個別に設けられた膜厚測定装置に搬送する必要がなく，その手間や時間が削減される。また膜厚測定を周辺露光処理前後で行いレジスト膜が適正に形成されているか否かだけでなく，周辺露光が適切に行われた否かを判断することも可能となる。そして生産用基板に対する歩留まりを向上させることができる。

図１は，基板処理システムとしての塗布現像処理システム１の平面図であり，図２は，塗布現像処理システム１の正面図であり，図３は，塗布現像処理システム１の背面図である。

塗布現像処理システム１は，図１に示すように，例えば２５枚のウェハＷをカセット単位で外部から塗布現像処理システム１に対して搬入出したり，カセットＣに対してウェハＷを搬入出したりするカセットステーション２と，塗布現像処理工程の中で枚葉式に所定の処理を施す各種処理装置を多段配置してなる処理ステーション３と，この処理ステーション３に隣接して設けられている露光装置５２との間でウェハＷの受け渡しをするインターフェイス部４とを一体に接続した構成を有している。

カセットステーション２では，載置部となるカセット載置台５上の所定の位置に，複数のカセットＣをＸ方向（図１中の上下方向）に一列に載置自在となっている。そして，このカセット配列方向（Ｘ方向）とカセットＣに収容されたウェハＷのウェハ配列方向（Ｚ方向；鉛直方向）に対して移送可能なウェハ搬送体７が搬送路８に沿って移動自在に設けられており，各カセットＣに対して選択的にアクセスできるようになっている。

ウェハ搬送体７は，後述するように処理ステーション３側の第３の処理装置群G３に属するアライメント装置３２とエクステンション装置３３に対してもアクセスできるように構成されている。

処理ステーション３では，その中心部に主搬送装置１３が設けられており，主搬送装置１３の周辺には各種処理装置が多段に配置されて処理装置群を構成している。該塗布現像処理システム１においては，４つの処理装置群G1，G2，G3，G4，が配置されており，第１及び第２の処理装置群G1，G2は現像処理システム１の正面側に配置され，第３の処理装置群G3は，カセットステーション２に隣接して配置され，第４の処理装置群G4は，インターフェイス部４に隣接して配置されている。さらにオプションとして破線で示した第５の処理装置群G5を背面側に別途配置可能となっている。

第１の処理装置群G1では図２に示すように，２種類のスピンナ型処理装置，例えばウェハＷに対してレジストを塗布して処理するレジスト塗布装置１５と，ウェハＷに現像液を供給して処理する現像処理装置１６が下から順に２段に配置されている。第２の処理装置群G2の場合も同様に，レジスト塗布装置１７と，現像処理装置１８とが下から順に２段に積み重ねられている

第３の処理装置群G3では，図３に示すように，ウェハＷを冷却処理するクーリング装置３０，レジスト液とウェハＷとの定着性を高めるためのアドヒージョン装置３１，ウェハＷの位置合わせを行うアライメント装置３２，ウェハＷを待機させるエクステンション装置３３，露光処理前の加熱処理を行うプリベーキング装置３４，３５及び現像処理後の加熱処理を施すポストベーキング装置３６，３７等が下から順に例えば８段に重ねられている。

第４の処理装置群G4では，例えばクーリング装置４０，載置したウェハＷを自然冷却させるエクステンション・クーリング装置４１，エクステンション装置４２，クーリング装置４３，露光処理後のウェハＷを加熱処理するポストエクスポージャーベーキング装置４４，４５，ポストベーキング装置４６，４７等が下から順に例えば８段に積み重ねられている。

インターフェイス部４には，後述するウェハＷの周辺部に光を照射して，ウェハＷ上に形成されたレジスト膜を露光し，必要がある場合にはレジスト膜の膜厚を測定する周辺露光装置５１が設けられている。またインターフェイス部４の中央部に設けられたウェハ搬送体５０は，第４の処理装置群G4に属するエクステンション・クーリング装置４１，エクステンション装置４２，周辺露光装置５１及び破線で示した露光装置５２に対してアクセスできるように構成されている。

次に膜厚測定手段を有する周辺露光装置５１の構成を図４，５に基づいて説明する。

周辺露光装置５１のケーシング６０内には，ウェハＷを吸着して保持する載置台６１が設けられている。この載置台６１は，例えばモータ等を内蔵した駆動機構６２によって回転自在である。さらに載置台６１は，駆動機構６２が長手方向（図５中の左右方向）に伸びるレール６３上を移動自在となっているため，長手方向（図５中左右方向）に移動できる。ウェハＷ上方には，塗布膜としてのレジスト膜の膜厚をレーザー光によって感知するセンサ部材としての膜厚センサ６４と露光のための光が照射される照射部６５が設けられている。

ケーシング６０の一側には，吸気用のファン６６が取り付けられ，他側には，排気口７２が設けられており，これによって，ファン６６から排気口７２に向かって気流が形成され，周辺露光装置５１の雰囲気が置換される。膜厚センサ６４は，この気流中，照射部６５より上流側に配置されている。また膜厚センサ６４は，アーム６７によって吊り下げられており，そのアーム６７は，図６に示すようにケーシング６０の壁際に設置された回転軸６７ａを中心として回転自在に取り付けられている。したがって，アーム６７が図示しない駆動機構によって回転することで，膜厚センサ６４は，ウェハＷ上から退避できるようになっている。

さらに膜厚センサ６４は，ケーシング６０外に設けられた膜厚センサ制御装置６８に接続されており，膜厚センサ制御装置６８は，膜厚センサ６４で検出された光をデータに変換して蓄え，そのデータに基づきレジスト膜の膜厚の測定を行う。また照射部６５は，ケーシング６０に固定されて設けられている。この照射部６５は導光路６９を介して図示しない光源部からの光をウェハ上に照射し，ウェハＷ周辺部のレジスト膜を露光する。またウェハの正確な位置を検出するために光を発信するレーザ光源７０とその光を検出するＣＣＤセンサ７１がウェハＷを上下から挟んで設けられている。

次に以上のように構成された周辺露光装置５１におけるテストウェハＷのプロセスを，一連の塗布現像処理のプロセスと共に説明する。

先ず，ウェハ搬送体７がカセットＣから未処理のウェハＷを１枚取りだし，第３の処理装置群G3に属するアライメント装置３２に搬入する。次いで，アライメント装置３２にて位置合わせの終了したウェハＷは，主搬送装置１３によって，アドヒージョン装置３１，クーリング装置３０を経て，レジスト塗布装置１５又１７に搬送される。そこでウェハＷ上面にレジスト液が塗布され，レジスト膜が形成される。その後ウェハＷは，プリベーキング装置３３又は３４，エクステンション・クーリング装置４１に順次搬送され，所定の処理が施される。

次いで，ウェハＷはエクステンション・クーリング装置４１からウェハ搬送体５０によって取り出され，その後，周辺露光装置５１に搬送される。

このとき，周辺露光装置５１では，ファン６６が稼働して，ファン６６から排気口７２へと気流が形成され，有機物等の不純物が発生してもケーシング６０内から排出できるようになっている。しかも，膜厚センサ６４は，この気流の上流側に位置しているため，気流の形成により汚染が防止される。

周辺露光装置５１に搬送されたウェハＷは，載置台６１上に載置され吸着保持される。載置台６１上に保持されたウェハＷは，レーザ光源７０とＣＣＤセンサ７１によって外周位置の座標を認識され，ウェハＷが所定の位置に載置されているか否か確認される。

次にレジスト膜の膜厚測定を図５，６，７を用いて説明する。先ず，図６において破線で示したようにウェハＷ上から退避していた膜厚センサ６４が，アーム６７によってウェハＷの中心まで移動される。次に，駆動機構６２によって，Ｘ軸方向（図５中の右方向）にウェハＷを移動させながら，膜厚センサ６４からレーザー光を照射して，レジスト膜で反射した光を再び膜厚センサ６４で検出する。

膜厚センサ６４で検出したデータは，随時膜厚センサ制御装置６８に送られ，記憶される。やがて膜厚センサ６４がウェハＷの周辺部上方に位置したところでウェハＷは停止し，膜厚測定も停止される。以上の工程でウェハＷの一半径の膜厚測定が行われたことになる（図７の（ａ），なお矢印は，膜厚センサ６４の測定の軌跡を示し，丸囲み数字は膜厚測定の順番を示している）。次にウェハＷは，駆動機構６２によってθ方向（半時計方向）に９０度回転する（図７の（ｂ））。今度は，ウェハＷをＸ軸負方向（図５中左方向）に移動させ，膜厚センサ６４によって同様に膜厚を測定する。そして膜厚センサ６４がウェハＷの中心まで移動したところで再びウェハＷを停止させ，膜厚測定も停止する（図７の（ｃ））。以上の測定を９０度おきに行い，最終的には，図７の（ｄ）に示すように直交する直径上の膜厚がすべて測定され，ウェハＷが一周したところで膜厚測定を終了する（図７の（ｅ））。

次に，ウェハＷは，駆動機構６２によって，照射部６５の下方まで移動し，所定の位置で停止する。この時，膜厚センサ６４を吊り下げたアーム６７が，図示しない駆動機構によって回転し，膜厚センサ６４は，ウェハＷ上方から退避される。その後，ウェハＷは所定のレシピに従い回転させられ，ウェハＷ周辺部のレジスト塗布膜が，照射部６５からのレーザー光によって，指定幅露光される。

周辺露光処理の終了したウェハＷは，再び上述したプロセスで膜厚測定される。そのときウェハＷ上の周辺露光処理された部分も測定され，そのデータを膜厚センサ制御装置６８に記憶し，測定した膜厚から露光部分が所定の位置に行われているか否かを検査する。

２度目の膜厚測定が終了したウェハＷは，搬送体５０によって露光装置５１外に搬出され，テストウェハＷの検査は終了する。

以上のように，塗布現像処理システム１は，周辺露光装置５１に膜厚測定手段を設けているため，レジスト膜の膜厚を検査するに当たり，ウェハを塗布現像システム１から取り出す必要が無く，一連の処理中に検査することができる。そのため，ウェハＷの搬送に要する余計な手間や時間を削減できる。また，周辺露光装置５１には，元々膜厚測定に必要な，回転自在で少なくとも一方向に移動自在な載置台６１を有するので，既存の機構を利用して，膜厚測定手段を設けることができるので，ウェハＷ上の任意の点での膜厚測定が可能であり，またコストの削減が図られる。また，膜厚測定を周辺露光処理前後で行いレジスト膜が適正に形成されているか否かだけでなく，周辺露光が適切に行われた否かを判断することも可能となる。さらに膜厚を測定する膜厚センサ６４は露光を行う照射部６５に対して，気流の上流側に設けられるため，膜厚センサ６４が汚染し，測定能力が低下することを防止できる。また，膜厚センサ６４のアーム６７を回転自在とし，周辺露光中，ウェハＷ上から退避させることができるので，この点からも，膜厚センサ６４の汚染は防止されている。

ここで，上述した図７に示したような膜厚測定プロセスの他の例を説明する。この例では，先ず，膜厚測定の開始位置をウェハＷの所定の周辺部とし，膜厚センサ６４が先の例と同様に作動して，ウェハＷの周辺部上で待機する。そして，図８に示すようにウェハＷを駆動機構６２によって，Ｘ軸負方向（図５中の左方向）に移動させながら，ウェハＷの上方で固定されている膜厚センサ６４により膜厚測定を行う。そして，膜厚センサ６４がウェハＷの中心に位置したところで，ウェハＷを一旦停止し，膜厚測定も停止される（図８の（ａ））。次にウェハＷは，駆動機構６２によってθ方向（半時計方向）に１８０度回転する（図８の（ｂ））。今度は，ウェハＷをＸ軸正方向（図５中の右方向）に移動させ，膜厚センサ６４によって同様に膜厚を測定する。そして膜厚センサ６４がウェハＷの周辺部上方に位置したところで再びウェハＷを停止させ，膜厚測定も停止する（図８の（ｃ））。以上の工程でウェハＷの一直径上の膜厚測定が行われたことになる。さらに，駆動機構６２によりθ方向に９０度回転させて，以上の工程（図８の（ａ）〜（ｃ））と同様にして一直径上の測定を行う（図８の（ｄ），（ｅ））。その結果，図８の（ｅ）に示すように直交する直径上の膜厚が測定され，最後にウェハＷを膜厚測定の開始位置に戻したところで膜厚測定が終了する（図８の（ｆ））。以上の工程を実施し，膜厚を測定しても，先の例と同様の効果が得られる。

さらに他の例について説明する。図９に示すように，先ず，ウェハＷの中心に膜厚センサ６４を移動し，待機させる。そこで，ウェハＷ中心の膜厚を膜厚センサ６４により測定する（図９の（ａ））。そして，ウェハＷをＸ方向（図５中の右方向）に所定の距離だけ移動させて停止させる（図９の（ｂ））。そこで駆動機構６２によりθ方向（半時計回り）に回転させながら，膜厚を測定し，３６０度回転したところで膜厚測定と回転を停止させる（図９の（ｃ））。その後，再びウェハＷをＸ方向（図５中の右方向）に所定の距離だけ移動させてから停止させ，同様にして，ウェハＷを回転させて，同一円周上の膜厚を測定する（図９の（ｄ））。以上の工程を繰り返し，ウェハＷの外側に向かって同心円状に膜厚が測定されていき，ウェハＷの周辺部の膜厚が測定されたところで膜厚の測定が終了される（図９の（ｅ））。

この例においては，ウェハＷの中心から外側に向かって同心円状に膜厚を測定していったが，外側から中心に向かって膜厚を測定していっても良い。また，前記膜厚測定は，膜厚センサ６４からレーザー光を照射して，レジスト膜で反射した光を再び膜厚センサ６４で検出して行われるが，これは，ウェハＷが移動しながらでも，測定時に一旦停止して行われてもよい。この例においても先の例と同様な効果が得られる。

膜厚センサ６４に図１０に示すような保護部材としてのカバー７５を取り付けても良い。このカバー７５は，膜厚測定中に開き，それ以外のときは，閉じているように構成されている。カバー７５の開閉は，図示しない駆動機構によって行い，膜厚センサ制御装置６８によって制御される。かかるカバー７５を取り付ければ，さらに膜厚センサ６４の汚染が確実に防止できる。

上述の例は，周辺露光処理の前後において膜厚測定を行ったが，周辺露光処理前のみ，あるいは，周辺露光処理後のみに行っても良い。

膜厚センサ６４からの信号は，膜厚センサ制御装置６８に送られて処理されて膜厚値を出力するように構成されていたが，膜厚センサ制御装置６８のプログラムを変更することによって，ウエハＷ上に形成されたパターンの線幅も求めることが可能である。

その原理について説明すれば，予め線幅に対する膜厚センサ６４からの信号（例えば反射光の強弱）を，関連づけて記憶させておき，ある数値の線幅と対応付けしておく。これによって，膜厚センサ６４からの信号を，前記記憶させたデータと照合することで，ウエハＷ上の線幅を求めることが可能である。なお実際に線幅を測定するにあたっては，単純なテストパターンを測定用ウエハの表面に形成しておき，この測定用ウエハに対して線幅測定する方が，精度が高い。

ところで膜厚センサ６４に使用する光源は，時間の経過と共に劣化し，照射する光の強度もそれに伴って低下することは避けられない。膜厚センサ６４からの光の強度が低下すると正確な膜厚の測定は難しい。そこで図１１のように，ウエハＷを載置する載置台６１上に，反射物６１ａを設ける。反射物６１ａはウエハＷの載置に支障がないように，載置台６１に埋め込むことが好ましい。

そして定期的にウエハＷを載置していない状態で，膜厚センサ６４を載置台６１上に移動させて，測定用の光を前記反射物６１ａに向けて照射する。そうすると反射物６１ａから反射する光の強度を測定することができる。光源が劣化すると，前記反射する光の強度も低下するので，反射する光の強度を測定することで，光源の劣化の度合いを知ることができる。このように膜厚センサ６４に反射物６１ａを設けることで，事前に膜厚センサ６４の光源の劣化，使用の適否，交換の必要性などを知ることができる。

また前記した膜厚測定のプロセスにおいて，実際に膜厚測定に使用するウエハＷはテスト用のウエハを使用することが好ましい。このテスト用のウエハは，予め専用のカセットＣに複数枚収納しておき，生産用のウエハＷと区別する。そして塗布現像処理システム１に，テスト用のウエハを投入するタイミングは，生産用ウエハＷのロットの切れ目や，所定の枚数の生産用ウエハＷに対して塗布現像処理を行った後がよい。

例えばあるロットの生産用ウエハＷに対して塗布現像処理を行った後，次のロットの生産用ウエハＷに対して塗布現像処理を実施する前に，テスト用のウエハを塗布現像処理システム１に投入して，レジスト塗布装置１５又は１７でレジストを塗布し，ベークした後，膜厚を測定する。測定の結果，膜厚が所定の許容範囲にある場合には，生産用ウエハＷの塗布現像処理システム１への投入を開始する。

測定の結果，膜厚が所定の許容範囲にある場合には，塗布処理を実際に行ったレジスト塗布装置１５又は１７に対して，必要な修正，例えばレジスト液の温度，回転速度，気流の温度などに対して補正を行う。補正した後，別のテスト用ウエハＷに対してレジスト塗布装置１５又は１７においてレジスト塗布処理を実施し，その後膜厚を測定する。

そして測定の結果，膜厚が所定の許容範囲にある場合には，生産用ウエハＷの塗布現像処理システム１への投入を開始する。測定の結果，膜厚が所定の許容範囲にある場合には，塗布処理を実際に行ったレジスト塗布装置１５又は１７に対して，再び必要な修正を行い，以後膜厚値が許容範囲内に入るまで，テスト用のウエハで膜厚測定を実施する。

このように事前にテスト用ウエハでレジスト塗布装置１５，１７の装置状態を調べることによって，生産用ウエハＷに対するレジスト塗布処理を常に好適に実施することができる。

なおテスト用のウエハの膜厚を測定した結果，許容範囲内の時は，自動的に生産用ウエハＷの投入を開始するように，塗布現像処理システム１のプログラムを制御したり，許容範囲外のときには，例えばＮＧ信号をシステムのディスプレイやコントロールパネルに表示したり，適宜の警報を発して，生産用ウエハＷの処理ステーション３への投入を停止するようにすれば，生産用ウエハＷの欠陥の発生を未然に防止することができ，また作業員が直ちにレジスト塗布装置１５，１７に対して必要な修正を実施することが可能になる。

先に説明した実施の形態は，半導体ウェハデバイス製造プロセスのリソグラフィー工程におけるウェハの処理システムについてであったが，半導体ウェハ以外の基板例えばＬＣＤ基板の処理システムにおいても応用できる。

塗布現像処理システムの外観を示す平面図である。 図１の塗布現像処理システムの正面図である。 図１の塗布現像処理システムの背面図である。 塗布現像処理システム内の周辺露光装置内部の斜視図である。 塗布現像処理システム内の周辺露光装置の構成を示す縦断面の説明図である。 図５の周辺露光装置の構成を示す横断面の説明図である。 周辺露光装置で行われるウェハ上の膜厚測定ルートを時系列的に示した説明図である。 他の例における周辺露光装置で行われるウェハ上の膜厚測定ルートを時系列的に示した説明図である。 さらに他の例における周辺露光装置で行われるウェハ上の膜厚測定ルートを時系列的に示した説明図である。 周辺露光装置内の膜厚センサに膜厚センサのカバーを取り付けた場合の説明図である。 載置台に反射物を設けた状態を示す斜視図である。

符号の説明

１ 塗布現像処理システム
５１ 周辺露光装置
６３ レール
６４ 膜厚センサ
６５ 照射部
Ｗ ウェハ

Claims (3)

1. 基板上に処理液を塗布する塗布装置と，
   回転自在でかつ少なくとも一方向に移動自在な載置台，並びに当該載置台上の基板の塗布膜の膜厚を測定するセンサ部材を有する膜厚測定用の装置と，
   を備えた基板処理システムであって，
   前記センサ部材から照射される膜厚測定用の光を反射する反射物が，基板の載置に支障がないように前記載置台上に埋め込まれていることを特徴とする，基板処理システム。
2. 基板上に処理液を塗布する塗布装置と，
   回転自在でかつ少なくとも一方向に移動自在な載置台，前記載置台上の基板の周辺部に対して光を照射して前記基板周辺部の塗布膜を露光する照射部，並びに当該載置台上の基板の塗布膜の膜厚を測定するセンサ部材をケーシング内に有する周辺露光装置と，
   を備えた，基板処理システムであって，
   前記センサ部材から照射される膜厚測定用の光を反射する反射物が，基板の載置に支障がないように前記載置台上に埋め込まれていることを特徴とする，基板処理システム。
3. 基板上に処理液を塗布する塗布装置と，
   回転自在でかつ少なくとも一方向に移動自在な載置台，並びに当該載置台上の基板の塗布膜の膜厚を測定するセンサ部材を有する膜厚測定用の装置と，
   を備えた基板処理システムにおいて，
   前記センサ部材から照射される膜厚測定用の光を反射する反射物を，基板の載置に支障がないように前記載置台上に埋め込み，
   基板を載置していない状態で，センサ部材からの膜厚測定用の光を前記反射物に向けて照射し，
   そのときの反射物から反射する光の強度を測定することによって，センサ部材の光源の劣化を検知することを特徴とする，基板処理システムにおける膜厚測定用の装置の劣化検知方法。

Images