JP4184317B2 - 液滴塗布方法および液滴塗布装置 - Google Patents

Description

本発明は、スピンコータのように基板に薬剤を塗布する際に当該基板を回転させることはせず、基板の塗布面の全域にわたって薬液を液滴にして塗布するようにした液滴塗布方法および液滴塗布装置に関する。

例えば、半導体デバイス製造におけるリソグラフィ工程では、基板の表面に薬液を塗布する液膜形成方法にスピンコート法が採用されていた。しかし、この方法ではウェハ表面から薬液が多く飛散してしまうために吐出液の９５％が無駄になってしまい、そうして排出された薬液による環境への影響もあった。また、方形の基板や１２インチ以上の大きい円形基板の場合には、基板の外周部で乱気流が生じて膜厚が不均一になるという問題があった。そこで従来から、使用する薬液の量を極力少なくするための方法として、特開２０００−２８８４５０号公報や特開２０００−３５０９５５号公報などで、回転する基板に対して薬液供給ノズルを径方向へ移動させる間に薬液を吐出し、その基板に対して薬液を螺旋状の軌跡を描くようにして塗布する液膜形成方法が採用されている。

そして当該公報には、その液膜形成を行うに際して、基板上を移動する際、薬液供給ノズルからのレジスト液の吐出、その吐出の際の薬液供給速度、薬液供給ノズルの移動、その移動速度、基板の回転、およびその回転速度を適宜制御することが記載されている。すなわち特開２０００−２８８４５０号公報の方法では、例えば薬液供給ノズルからの薬液の吐出に関し、薬液供給ノズルを基板上で移動している際、薬液の吐出を連続し、または薬液供給ノズルの基板上の位置に応じて薬液の吐出を中断して、膜厚の均一化やレジスト使用量の削減を図るようにしている。そして、特開２０００−３５０９５５号公報の方法では、薬液供給ノズルが移動する間に薬液供給量を漸次多くして基板の中央部と周辺部との間で単位面積あたりの薬液塗布量を等量にして均一な膜を形成するようにしている。

特開２０００−２８８４５０号公報（第４−６頁、図１−図４） 特開２０００−３５０９５５号公報（第８−９頁、図６、図７）

しかしながら、こうした従来の膜形成方法では、いわゆる螺旋塗布で均一な液膜を形成するのに必要な薬液供給ノズルの移動速度、薬液供給速度及び基板回転数の３パラメータ全てが時間に対して可変として扱われていなかったため均一な液膜を得るという点で信頼性が低かった。

従って、従来の基板を回転させる従来からの方法では、スピンコート法の場合には薬液の無駄が多くコストや環境の面で適切でなはなく、一方、こうした薬液の無駄を無くすようにした螺旋塗布法については、その制御の困難性から信頼性を得ることができなかった。特に螺旋塗布方法では、螺旋状に薬液を塗布していくため方形の基板に対して適した方法ではなかった。

そこで本発明は、かかる従来の課題を解決すべく、基板上に液膜を形成するための塗布液の無駄を省き、容易に均一な塗布面を得ることができる液滴塗布方法および液滴塗布装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る液滴塗布方法は、基板の上部に一定の高さで配置されたノズル先端から粘性のある液体を吐出し、ノズルの下に位置する基板に対してその吐出した液体の先端が半球形状の状態で切れることなく接触させ、続く基板の水平移動によって吐出した液体が当該基板に引っ張られてノズルから切り離され、当該基板上に液滴となった液体が滴下された状態になるようにしたものであって、その基板上に滴下した液滴が濡れ広がって膜を形成するように、基板に対して複数の液滴を所定の間隔で滴下させることを特徴とする。

また、本発明の液滴塗布方法は、前記ノズルから間欠的に液体を吐出することを特徴とする。

また、本発明の液滴塗布方法は、前記基板上に液体を滴下させる際、前記ノズルが上下動すことなく液体を吐出することを特徴とする。

また、本発明の液滴塗布方法は、前記ノズルから吐出される液滴を撮像し、その撮像データを画像解析して前記ノズルから吐出される液滴の体積を算出して、算出された体積が目標値となるように吐出条件を調節することを特徴とする。

また、本発明の液滴塗布方法は、前記ノズルから吐出される液滴の直径を測長し、測長された直径に基づき前記ノズルから吐出される液滴の体積を算出して、算出された体積が目標値となるように吐出条件を調節することを特徴とする。

更に、本発明の液滴塗布方法は、前記ノズルを有する液体を充填したディスペンサに圧縮エアを供給し、その圧縮エアによる加圧力と加圧時間を制御することにより前記液滴一滴分の液量を調節し、基板の移動距離を制御することにより液滴同士の間隔を調節するようにしたことを特徴とする。

一方、本発明の液滴塗布装置は、粘性のある液体を充填して下端にその液体を吐出させるノズルを備えたディスペンサと、液体を加圧してノズルから液体を吐出させるべく、そのディスペンサに接続されて圧縮エアを供給する流体制御機器が設けられたエアラインと、ディスペンサの下に位置し、その吐出した液体の先端が半球形状の状態で切れることなく接触するように搭載した基板を水平方向に移動させるテーブルと、前記エアライン上の流体制御機器及び基板を搭載したテーブルの動作を制御する制御手段とを有し、前記基板の水平移動によって吐出した液体が当該基板に引っ張られてノズルから切り離され、当該基板上に液滴となった液体が滴下されて、その液滴が濡れ広がって膜を形成することを特徴とする。

また、本発明の液滴塗布装置は、前記ノズルから吐出される液滴を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の撮像データを画像解析して前記ノズルから吐出される液滴の体積を算出する液滴体積算出手段とをさらに備え、前記制御手段は、前記液滴体積算出手段で算出される体積が目標値となるように前記エアライン上の流体制御機器の動作を制御することを特徴とする。

また、本発明の液滴塗布装置は、前記ノズルから吐出される液滴の直径を測長する測長手段と、前記測長手段で得られた液滴の直径に基づき前記ノズルから吐出される液滴の体積を算出する液滴体積算出手段とをさらに備え、前記制御手段は、前記液滴体積算出手段で算出される体積が目標値となるように前記エアライン上の流体制御機器の動作を制御することを特徴とする。

更に、本発明の液滴塗布装置は、前記エアラインには、ディスペンサ内の薬液を加圧する圧縮エアを送り込むエアポンプ、そのエアポンプからの圧縮エアの圧力を調節する可変可能なレギュレータ及び、ディスペンサへの圧縮エアの供給切り換えを行う高速切換弁が接続され、前記制御手段が、薬液の粘度に応じてディスペンサに供給する圧縮エアの圧力と、その圧縮エアよる加圧時間とを制御して前記基板へ滴下する液滴一滴分の液量を調節し、またその液滴一滴分の液量に応じて基板の移動距離とを調整するようにしたものであることを特徴とする。

よって、本発明の液滴塗布方法では、ノズル先端から吐出した基板に接触した微少量の液体を、基板を移動させることにより当該基板上に液滴として滴下し、その液滴が自然に濡れ広がって液膜を形成するようにしたので、基板上に液膜を形成するための塗布液の無駄を省き、容易に均一な塗布面を得ることができる。

そして、ノズルから吐出される液体を撮像して、その撮像データから液体の体積を算出し、その算出された体積が目標値になるように吐出条件を調節するようにしたので、液体の吐出量を高精度に管理することができるため、非常に均一な塗布面を得ることができる。

あるいは、ノズルから吐出される液体の直径を測長して、得られた直径から液体の体積を算出し、その算出された体積が目標値になるように吐出条件を調節するようにしたので、液体の吐出量を高精度に管理することができるため、非常に均一な塗布面を得ることができる。

また、本発明の液滴塗布装置は、上記した液滴塗布方法を実行すべく、ディスペンサ、流体制御機器が設けられたエアラインと、基板を水平方向に移動させるテーブルと、エアライン上の流体制御機器及び基板を搭載したテーブルの動作を制御する制御手段とを有するようにしたので、簡単な構成によって基板上に液膜を形成するための塗布液の無駄を省き、容易に均一な塗布面を得ることができる。

更に、前記ノズルから吐出される液滴を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の撮像データを画像解析して前記ノズルから吐出される液滴の体積を算出する液滴体積算出手段とをさらに備え、前記制御手段は、前記液滴体積算出手段で算出される体積が目標値となるように前記エアライン上の流体制御機器の動作を制御するようにしたので、塗布液の吐出量を高精度に管理することができるため、非常に均一な塗布面を得ることができる。

あるいは、前記ノズルから吐出される液滴の直径を測長する測長手段と、前記測長手段で得られた液滴の直径に基づき前記ノズルから吐出される液滴の体積を算出する液滴体積算出手段とをさらに備え、前記制御手段は、前記液滴体積算出手段で算出される体積が目標値となるように前記エアライン上の流体制御機器の動作を制御するようにしたので、塗布液の吐出量を高精度に管理することができるため、非常に均一な塗布面を得ることができる。

次に、本発明に係る液滴塗布方法の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、液滴塗布方法を実行するための液滴塗布装置の一実施形態を示した図である。この液滴塗布装置では、基板５０が水平なＸ−Ｙテーブル１上に置かれ、Ｘ方向及びＹ方向に高速移動できるようになっている。そうした基板５０に対して薬液を吐出すべく、その薬液を充填したマイクロディスペンサ２が垂直に設置されている。マイクロディスペンサ２は、液滴塗布に十分な薬液を充填することができる容積をもった容器型をしたものであって、下端には微少量の薬液が液滴となって吐出するようにしたノズル１１が形成されている。

マイクロディスペンサ２にはエアライン３が接続され、そこにはマイクロディスペンサ２内部の薬液を加圧する圧縮エアを送り込むためのエアポンプ４が接続されている。更にそのエアライン３には、エアポンプ４が接続された上流側から順にレギュレータ５、高速切換弁６そして圧力計７が接続されている。レギュレータ５は可変型であってディスペンサ２内の薬液を加圧する圧縮エアのエア圧がこれによって切り換えられるようになっている。そして、薬液を加圧する圧縮エアの供給が高速切換弁６によって切り換えられるようになっている。なお、本実施形態の高速切換弁６の応答速度は例えば３ｍｓｅｃである。

そして、ノズル１１から吐出される薬液を水平方向から撮像するＣＣＤカメラ２０がテーブル１の脇に設置されている。このＣＣＤカメラ２０は、制御手段８に接続されている。これにより、ＣＣＤカメラ２０の撮像データが制御手段８に送信されるようになっている。

こうした液滴塗布装置では、マイクロディスペンサ２のノズル１１先端が基板５０に対して極めて接近したところに位置するよう配置されている。すなわち、本実施形態の液滴塗布方法では、図２に示すようにノズル１１の先から吐出した吐出液１２がそのままの形（略半球形状）で切れることなく基板５０の表面に接触するようにしている。そして、その後に吐出液１２がノズル１１から切り離され、図１に示すように基板５０上には薬液が順に液滴１３となって並べられるようになっている。図２に示すノズル１１は、例えば内径が０．１０ｍｍで外径が０．１５ｍｍである。そして、そのノズル１１下端から基板５０までの距離Ｈを０．２５２ｍｍとすると、ノズル１１先端から出た吐出液１２は、半径が０．１５／２ｍｍの半球になるため、液滴１３の液量は約０．０１μＬ（１０ｎＬ）になる。

そして、実際にノズル１１から出た吐出液１２をＣＣＤカメラ２０で撮像して、制御手段８で撮像データが画像分析され、吐出液１２の液量（体積）が算出される。具体的には、例えば、吐出液１２は半球になるので、半球の断面積（投影面積）をＳとすると、画像解析により断面積Ｓを算出することができる。これにより、このときの半球の半径Ｒは、
Ｒ＝√（Ｓ／２π）
となる。したがって、吐出液１２の理想液量（体積）Ｖ’は、
Ｖ’＝４・π・Ｒ³／６
となる。

ところが、実際には完全な半球にはならないので補正係数をＫとして、吐出液１２の液量（体積）Ｖは、
Ｖ＝Ｋ・Ｖ’
となる。なお、補正係数Ｋは、使用する薬液の性状により決定されるものであり、実験などにより予め求めておけばよい。

本実施形態の液滴塗布方法では、こうしたノズル１１先端から出た吐出液１２を順に基板５０に液滴１３として並べて塗布していく。その際、一滴分の液量と塗布面積や目標膜厚に応じてドット数（液滴１３のピッチ）が決定される。液滴１３一滴分の液量、すなわち吐出液１２の液量は、薬液の粘度に応じてマイクロディスペンサ２に供給される圧縮エアの圧力と、その圧縮エアよる加圧時間によって決定される。そして、制御手段８で算出される吐出液１２の液量が目標値になるように、マイクロディスペンサ２に供給される圧縮エアの圧力と、その圧縮エアよる加圧時間が調整される。

また、液滴１３のピッチは、マイクロディスペンサ２に供給される圧縮エアの圧力によってノズル１１先端から出る吐出液１２の量に応じて基板５０の移動距離が決定される。そのため、この液滴塗布装置には液滴１３のピッチ調節を行うため、マイクロコンピュータなどの制御手段８が設けられている。

制御手段８は、エアポンプ４を駆動させるモータ９の他、レギュレータ５や高速切換弁６、更にはＸ−Ｙテーブル１に接続されている。そして、制御手段８は、塗布する薬液の粘度情報や塗布面積、目標膜厚の設定条件に応じ、モータ９、レギュレータ５、高速切換弁６およびＸ−Ｙテーブル１を適切に駆動させるための制御プログラムを有している。さらに、制御手段８は、ＣＣＤカメラ２０にも接続されている。そして、制御手段８は、ＣＣＤカメラ２０の撮像データを画像分析して吐出液１２の液量を算出する演算プログラム、および算出された吐出液１２の液量が目標値になるようにレギュレータ５と高速切換弁６とを適切に駆動させるための制御プログラムも有している。

また、ノズル１１から基板５０へ薬液を移すには、図２に示すように吐出液１２が基板５０に接触し、表面張力によってノズル１１から切り離されて基板５０側へと移動して液滴１３となる。このとき、基板５０の表面の接触角が小さくなるように温度など雰囲気がコントロールできるようになっている。

よって、この液滴塗布装置によれば、基板５０上には次のようにして薬液が塗布される。先ず、図１に示すようにマイクロディスペンサ２がノズル１１を垂直にして設置され、その下にはＸ−Ｙテーブル１に載せられた基板５０が配置される。ノズル１１から出た吐出液１２は基板５０の隅部から順に液滴１３となって滴下されるように、Ｘ−Ｙテーブル１の動きが制御される。このとき、各吐出液１２がＣＣＤカメラ２０により撮像され、その撮像データが制御手段８に送信される。

マイクロディスペンサ１内には薬液が充填されており、エアライン３を介してマイクロディスペンサ１に圧縮エアが送り込まれる。すなわち、モータ９の駆動によってポンプ４が稼働し、圧縮エアがレギュレータ５によって設定圧に調節されてマイクロディスペンサ１へと送り込まれる。このときマイクロディスペンサ１へは高速切換弁６の開閉切り換えによって間欠的に圧縮エアが送り込まれる。このとき、制御手段８により、ＣＣＤカメラ２０からの撮像データに基づき吐出液１２の体積が算出され、その算出された体積が目標値になるように、レギュレータ５の設定圧および高速切換弁６の開閉時間が調整される。

従って、マイクロディスペンサ１のノズル１１からは間欠的に図２に示すような半球状の吐出液１２がとび出して基板５０へと接触し、そのタイミングで基板５０がＸ−Ｙテーブル１の駆動によって移動し、液滴１２がノズル１１から切り離されて液滴１３となって基板５０上に移る。具体的には、図３の（ａ）から（ｂ）に示すように半球状の液滴１２が基板５０に接触し、その後、表面張力によって基板５０側への接触面積が広がっていく。そして基板５０がＸ−Ｙテーブル１の移動によってノズル１１の先端から切り離される。このとき、各液滴１３の体積は、ほぼ目標値になっている。

ノズル１１から切り離されてた基板５０上の液滴１３は、図１に示すように所定ピッチで並べられ、当初半球形状をしていた一つ一つの液滴１３が次第に延びて濡れ広がり、図４に示すように隣り合うもの同士が重なって一つの均一な膜になっていく。そして、基板５０上の滴下された液滴１３の液量がすべてほば目標値になっているので、基板５０上に非常に均一な膜が形成される。

従って、本実施形態の液滴塗布方法にれば、スピンコート法などのように薬液を無駄に使用することがなくなったため、コストを削減することができ、環境への影響を防止することができた。そして、同じく無駄な薬液塗布をなくすことが可能な螺旋塗布方法に比べ、制御が非常に容易であり、均一な膜の形成が高い信頼性の下で可能となった。すなわち、液滴塗布装置では、液滴１３一滴分の液量と塗布面積や目標膜厚に応じてドット数（液滴１３のピッチ）の制御を行えばよく、そのためには薬液の粘度に応じてマイクロディスペンサ２に供給される圧縮エアの圧力及び加圧時間と、基板５０の移動させるＸ−Ｙテーブル１の移動距離と調節する簡単な制御であり、それを実行する液滴塗布装置も簡単な構成とすることができた。

ここで、上記した実施形態の変形例について図５を参照しながら説明する。この変形例には、図５にしめすように、ＣＣＤカメラ２０の代わりに、測長手段を構成する投光器２１と受光器２２とが備わっている。そして、これら投光器２１と受光器２２がそれぞれコントローラ１５に接続されている。投光器２１は、シート状のレーザ光を照射するものであり、そのレーザ光が吐出液１２の中心を通過するように配置されている。また、受光器２２は、投光器２１から照射されたレーザ光を受光するものであり、そのレーザ光を受光できるように配置されている。そして、吐出液１２を通過したレーザ光の波長は、他の部分と波長が異なるから、投光器２１で検出される波長差から吐出液１２の直径を測定することができるようになっている。

このようにして吐出液１２の直径が測定されると、制御手段８によって吐出液１２の体積が算出される。そして、制御手段８により、吐出液１２の体積が目標値になるように、レギュレータ５の設定圧および高速切換弁６の開閉時間が調整される。したがって、この変形例でも、基板５０上の滴下された液滴１３の液量がすべてほば目標値になるので、基板５０上に非常に均一な膜を形成することができる。

以上、本発明に係る液滴塗布方法および液滴塗布装置の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

本発明に係る液滴塗布方法を実行するための液滴塗布装置の一実施形態を示した図である。 液体の吐出状態を示したノズル先端の拡大図である。 液体が基板上に滴下する状態を示した図である。 基板に滴下した液滴が濡れ広がる状態を示した図である。 本発明に係る液滴塗布方法を実行するための液滴塗布装置の変形例を示した図である。

符号の説明

１ Ｘ−Ｙテーブル
２ マイクロディスペンサ
３ エアライン
４ エアポンプ
５ レギュレータ
６ 高速切換弁
７ 圧力計
８ 制御手段
９ モータ
１１ ノズル
２０ ＣＣＤカメラ
５０ 基板

Claims (9)

1. 基板の上部に一定の高さで配置されたノズル先端から粘性のある液体を吐出し、ノズルの下に位置する基板に対してその吐出した液体の先端が半球形状の状態で切れることなく接触させ、続く基板の水平移動によって吐出した液体が当該基板に引っ張られてノズルから切り離され、当該基板上に液滴となった液体が滴下された状態になるようにしたものであって、その基板上に滴下した液滴が濡れ広がって膜を形成するように、基板に対して複数の液滴を所定の間隔で滴下させることを特徴とする液滴塗布方法。
2. 請求項１に記載する液滴塗布方法において、
   前記ノズルから間欠的に液体を吐出することを特徴とする液滴塗布方法。
3. 請求項１又は請求項２のいずれかに記載する液滴塗布方法において、
   前記ノズルから吐出される液滴を撮像し、その撮像データを画像解析して前記ノズルから吐出される液滴の体積を算出して、算出された体積が目標値となるように吐出条件を調節することを特徴とする液滴塗布方法。
4. 請求項１又は請求項２のいずれかに記載する液滴塗布方法において、
   前記ノズルから吐出される液滴の直径を測長し、測長された直径に基づき前記ノズルから吐出される液滴の体積を算出して、算出された体積が目標値となるように吐出条件を調節することを特徴とする液滴塗布方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載する液滴塗布方法において、
   前記ノズルを有する液体を充填したディスペンサに圧縮エアを供給し、その圧縮エアによる加圧力と加圧時間を制御することにより前記液滴一滴分の液量を調節し、基板の移動距離を制御することにより液滴同士の間隔を調節するようにしたことを特徴とする液滴塗布方法。
6. 粘性のある液体を充填して下端にその液体を吐出させるノズルを備えたディスペンサと、
   液体を加圧してノズルから液体を吐出させるべく、そのディスペンサに接続されて圧縮エアを供給する流体制御機器が設けられたエアラインと、
   ディスペンサの下に位置し、その吐出した液体の先端が半球形状の状態で切れることなく接触するように搭載した基板を水平方向に移動させるテーブルと、
   前記エアライン上の流体制御機器及び基板を搭載したテーブルの動作を制御する制御手段とを有し、
   前記基板の水平移動によって吐出した液体が当該基板に引っ張られてノズルから切り離され、当該基板上に液滴となった液体が滴下されて、その液滴が濡れ広がって膜を形成することを特徴とする液滴塗布装置。
7. 請求項６に記載する液滴塗布装置において、
   前記ノズルから吐出される液滴を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段の撮像データを画像解析して前記ノズルから吐出される液滴の体積を算出する液滴体積算出手段とをさらに備え、
   前記制御手段は、前記液滴体積算出手段で算出される体積が目標値となるように前記エアライン上の流体制御機器の動作を制御することを特徴とする液滴塗布装置。
8. 請求項６に記載する液滴塗布装置において、
   前記ノズルから吐出される液滴の直径を測長する測長手段と、
   前記測長手段で得られた液滴の直径に基づき前記ノズルから吐出される液滴の体積を算出する液滴体積算出手段とをさらに備え、
   前記制御手段は、前記液滴体積算出手段で算出される体積が目標値となるように前記エアライン上の流体制御機器の動作を制御することを特徴とする液滴塗布装置。
9. 請求項６乃至請求項８のいずれかに記載する液滴塗布装置において、
   前記エアラインには、ディスペンサ内の薬液を加圧する圧縮エアを送り込むエアポンプ、そのエアポンプからの圧縮エアの圧力を調節する可変可能なレギュレータ及び、ディスペンサへの圧縮エアの供給切り換えを行う高速切換弁が接続され、
   前記制御手段が、薬液の粘度に応じてディスペンサに供給する圧縮エアの圧力と、その圧縮エアよる加圧時間とを制御して前記基板へ滴下する液滴一滴分の液量を調節し、またその液滴一滴分の液量に応じて基板の移動距離とを調整するようにしたものであることを特徴とする液滴塗布装置。

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