JP4305750B2 - スピンコート法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハあるいは液晶ディスプレイ用ガラス基板上にフォトレジストのようなコート液を塗布するのに好適なスピンコート法に関する。

半導体ＩＣの製造工程では、半導体ウエハにフォトレジストを均一に塗布するために、一般的にはスピンコート法が用いられている。
このスピンコート法では、フォトレジスト液が滴下される半導体ウエハは、１０００ｒｐｍないし２０００ｒｐｍで回転される。半導体ウエハのような基板上に供給されるフォトレジスト液のようなコート液は、この基板の回転による遠心力によって基板表面に拡げられ、これにより基板の表面にコート液がほぼ均一に塗布される。

ところが、上記のような従来のスピンコート法では、揮発性の有機溶媒を含むコート液の基板表面上への供給量が充分でないと、コート液が基板上に拡がるとき、有機溶媒の蒸発によってコート液の粘度が高まり、塗りむらが生じる虞れがあった。
そのため、塗りむらが生じることなくコート液であるフォトレジスト液を基板表面である半導体ウエハ表面に塗布するために、基板表面に供給されるコート液の実にほぼ９５％を越える量が回転される基板の外縁から遠心力によって飛び散る程に、極めて多量の過剰なコート液が基板上に供給されている。
そこで、省資源の観点から、この無駄なコート液の供給量を削減できる技術が望まれていた。
特開平０４−０９８８２３号公報 特開平０７−３２８５１７号公報 特開平０３−１６９００６号公報

解決しようとする問題点は、基板にコート液を過剰に供給しなければならないという点である。

本発明は、以上の点を解決するために、コート液が供給される基板を従来のスピンコート法では考えられなかった高速度で回転させ、従来のような多量の過剰コート液を基板外周から放散させることなく、少量のコート液で基板面を効果的に塗布するという基本構想に立脚して、次の構成を採用する。

本発明に係る方法は、回転の停止している基板上にコート液を供給し、その後、前記基板を加速回転させて該基板上に前記コート液を拡げるスピンコート法であって、前記基板を、ほぼ２００００ｒｐｍ／ｓの回転加速度で加速回転させることを特徴とする。

本発明に係る方法は、前記基板上に供給されたコート液の揮発を抑制するために、該コート液を該コート液の溶媒で覆うことを特徴とする。

本発明に係るスピンコート方では、基板上でコート液の拡がり速度が最大となる回転速度、例えば、２００００ｒｐｍ／ｓで基板を加速加転させるので、この回転速度においてコート液が最速で基板に拡がる。従って、コート液の溶媒の揮発量が少ない内に該コート液を基板に塗布でき、よって、コート液を過剰に供給する必要がなくなる。

以下、本発明を図示の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る基板の回転数と実質的に影響を及ぼす程の強いむらを生じることのない必要最小限のコート液供給量との関係を示すグラフであるが、このグラフに沿っての説明に先立ち、図２に示されたスピンコート装置について説明する。

図２は、本発明のスピンコート法を実施するのに好適な半導体ウエハ用スピンコート装置を概略的に示す模式図である。
スピンコート装置１０は、例えば４０００ｒｐｍ以上の高速回転で駆動される回転軸１１を有し、この回転軸１１と一体的に回転される全体に円形のテーブル１２が設けられたチャック１３と、このチャック１３のテーブル１２上の所定箇所に半導体ウエハ１４を配置し、またスピンコート処理後の半導体ウエハ１４をチャック１３のテーブル１２から取り外すためウエハ取扱い装置１５と、テーブル１２上の半導体ウエハ１４の表面にレジスト液を滴下するためのコート液供給手段たる従来よく知られたコート液供給ノズル１６とを含む。

チャック１３には、半導体ウエハ１４をテーブル１２上に保持するための例えば従来よく知られた真空吸着手段（図示せず）が設けられており、このチャック１３の重心位置は、回転軸１１の回転軸線１１ａ上に設定されている。

図３は、半導体ウエハ１４の平面図である。
半導体ウエハ１４は、全体に円形の外形を呈するが、結晶方位を明示するための目印部１７として、外縁の円弧部が、直線上の弦に沿って切り取られている。そのため、半導体ウエハ１４の符号１８で示す中心位置は、半導体ウエハ１４の円形外形の２本の直径線が交わる交点に位置するが、半導体ウエハ１４の重心位置１９は、中心位置１８に一致せず、この中心位置１８よりも目印部１７が設けられた側と反対側に偏っている。

そのため、ウエハ取扱い装置１５によって、半導体ウエハ１４がその中心位置１８を回転軸線１１ａに一致させてテーブル１２上に配置されると、半導体ウエハ１４を保持したチャック１３の総合重心位置が回転軸線１１ａから外れることとなる。
このずれは、本発明におけるような４０００ｒｐｍ以上の高速回転に悪影響を及ぼす虞がある。

そこで、図２に示されているように、ウエハ取扱い装置１５に関連して総合重心位置のずれを補正してこの総合重心位置を回転軸線１１ａに一致させるための調整手段２０が設けられている。
この調整手段２０は、図２に示す例では、テーブル１２の一側に固定され、半導体ウエハ１４の目印部１７による欠損分の重量を補うためのカウンタウエイト２１と、このカウンタウエイト２１の位置を検出するための赤外線センサあるいは反射センサのような検出器２２とを備える。

ウエハ取扱い装置１５は、半導体ウエハ１４のテーブル１２上への配置に際し、検出器２２からの情報に基づいてカウンタウエイト２１の位置を検知し、図４に示されているように、半導体ウエハ１４の中心位置１８が回転軸線１１ａに一致しかつ目印部１７がカウンタウエイト２１の側に位置する姿勢で、半導体ウエハ１４をチャック１３に配置する。

カウンタウエイト２１の補償作用により、半導体ウエハ１４の重心位置１９が回転軸線１１ａからずれていても、半導体ウエハ１４およびチャック１３の総合重心位置は回転軸線１１ａ上に調整される。
従って、テーブル１２が４０００ｒｐｍを越える高速度で回転され、このテーブル１２の回転と一体的に半導体ウエハ１４が高速度で回転されても、半導体ウエハ１４はぶれを生じることなく、安定した姿勢で回転される。

ダイナミックディスペンス方式では、テーブル１２上でこれと一体的に回転する半導体ウエハ１４の表面に、その回転を停止させることなく高速回転の状態で、コート液供給ノズル１６からレジスト液が滴下される。
コート液供給ノズル１６から半導体ウエハ１４の表面に滴下されたレジスト液は、半導体ウエハ１４の高速回転による強い遠心力により、瞬時に半導体ウエハ１４の径方向外方に延び拡がる。

図５は、レジスト液滴下時の半導体ウエハ１４の回転速度と、滴下されたレジスト液の拡がり直径との関係を求める実験結果を示すグラフである。
Ｘ軸は、レジスト液供給時の回転速度（ｒｐｍ）を示し、Ｙ軸はそのときのレジスト液の拡がり直径（ｍｍ）をそれぞれ示す。試料基板として、６インチ（約１５ｃｍ）の半導体ウエハが用いられ、レジスト液として粘度が１０ｃｐ、１００ｃｐおよび１８０ｃｐの３種類のレジスト液が使用された。

それぞれの粘度に応じて滴下されたレジスト液の供給量に僅かな差が見られ、最も粘度の低い１０ｃｐのレジスト液では、０．３４ｇ、１００ｃｐのレジスト液では、０．３ｇ、最も粘度の高い１８０ｃｐのレジスト液では０．３５ｇのレジスト液が供給された。各粘度のレジスト液についての特性線がそれぞれ記号Ａ，Ｂ，Ｃで示されている。
粘度を相互に異にする各特性線Ａ，Ｂ，Ｃの比較から明らかなように、いずれもレジスト液の滴下時の回転の増大に応じて、レジスト液の拡がり直径が増大している。また、同一回転速度であれば、レジスト液の粘度の低下に応じて、拡がり直径が増大している。

図１は、図５に示した１０ｃｐの粘度のレジスト液を用い、このレジスト液の滴下時における６インチの半導体ウエハ１４の回転数と、この滴下によって半導体ウエハ１４の全域を覆うに必要なレジスト液の最小供給量すなわち必要最小限の滴下量との関係を求めた実験結果を示すグラフである。

図１のグラフで読み取れるように、従来のような２０００ｒｐｍ未満の比較的低い回転速度では、２ｃｃを越えるレジスト液の滴下が必要となる。しかも、供給された２ｃｃのレジスト液のうち、約９５％の１．９ｃｃという多量のレジスト液が半導体ウエハ１４の表面に付着することなく、過剰分として回転する半導体ウエハ１４の外縁から外方へ飛び散ることから、無駄となる。

これに対し、本発明の方法による例えば４０００ｒｐｍの高速回転では、従来の半値である１ｃｃのレジスト液の滴下によって、このレジスト液で半導体ウエハ１４の表面を全面に亘って覆うことができる。
これにより、強いむらを生じることなくレジスト液を塗布することができ、しかも半導体ウエハ１４の縁部から放散されるレジスト液の量も１ｃｃに満たない僅かな量となる。

また、６０００ｒｐｍの回転速度では、約０．５ｃｃのレジスト供給量で足り、しかも半導体ウエハ１４の縁部から放散される過剰分は、供給量の８０％の僅かに０．４ｃｃに過ぎない。
さらに、レジスト液滴下時の回転速度が７０００ｒｐｍに達すると、約０．３ｃｃのレジスト供給量で十分であり、しかも過剰分として放散されるレジスト量は、供給量の約６６％にあたる０．２ｃｃという微量である。

この回転速度の高速化に関し、さらに図１の特性線の破線で示される７０００ｒｐｍを越える高速領域では、回転速度の高速化の実現により、必要最小限のレジスト滴下量のさらなる削減と共に、放散される過剰分の一層の削減を図ることが可能になると推定できる。

先に示したところでは、本発明をダイナミックディスペンス方式に適用した例について説明したが、本発明をスタティックディスペンス方式に適用できる。
図６は、半導体ウエハの回転停止状態でレジスト液を滴下し、その後、半導体ウエハを急激に回転させるいわゆるスタティックディスペンス方式において、半導体ウエハの回転加速度と、そのときのレジスト液の拡がり直径との関係を求めた実験結果を示すグラフである。

図６の実験では、６インチの半導体ウエハ１４を停止状態において、１８０ｃｐの粘度を示す０．３５ｇのレジスト液が半導体ウエハ１４に供給された。図６のグラフのＸ軸およびＹ軸は、レジスト液供給後の半導体ウエハ１４に与えられる回転加速度（ｒｐｍ／ｓ）およびレジスト液の拡がり直径（ｍｍ）とをそれぞれ示す。

特性線Ｄ，Ｅ，Ｆ，ＧおよびＨは、それぞれレジスト液の供給後における到達回転速度が２０００ｒｐｍ、４０００ｒｐｍ、５０００ｒｐｍ、７０００ｒｐｍ、および８０００ｒｐｍの各例における特性を表す。
各特性線Ｄ〜Ｈで明らかなように、到達回転速度が高いほど、レジスト液の拡がり直径も増大している。また、レジスト液の拡がり直径に最大値を与える回転加速度がほぼ２００００ｒｐｍ／ｓに存在する。
従って、１８０ｃｐのような高粘度を示すレジスト液では、最大レジスト液拡がり直径を示す回転加速度で、この速度の継続時間を適宜選択することにより、ダイナミックディスペンス方式速度におけると同様に、無駄のないレジストの塗布が可能となる。

本発明の高速回転によるスピンコート法では、ダイナミックディスペンス方式とスタティクディスペンス方式とを比較するに、後者の方式において、より明確で著しい省資源効果を確認することができた。

スピンコート法によるレジスト液の拡がり直径は、レジスト液の粘度調整によって行うことができるが、この粘度が比較的高い場合、高速回転時にレジスト液の有機溶媒の気化が促進されることから、レジスト液が十分に拡がらないことがある。このような高粘度のレジスト液を使用するとき、有機溶媒の揮発を抑制するために、半導体ウエハ１４上に供給された高粘度レジスト液を覆うように、このレジスト液の有機溶媒を供給し続けた状態で半導体ウエハ１４を高速回転することができる。

図７に示すスピンコート装置１０では、半導体ウエハ１４上に供給された高粘度のレジスト液２３を覆うように、このレジスト液２３に使用されたと同じ有機溶媒２４が溶媒供給ノズル２５から連続的に供給されている。この溶媒２４の供給は、半導体ウエハ１４の高速回転によってレジスト液２３が半導体ウエハ１４の表面にほぼ行き渡るまで続けられる。この溶媒２４は、その下方のレジスト液２３の揮発作用を抑制する。
従って、粘度の高いレジスト液をも、半導体ウエハ１４の高速回転によってほぼ均一に塗布することが可能となる。

半導体ウエハ１４に高粘度のレジスト液２３が供給されたとき、溶媒２４を連続的に供給し続けることに代えて、このレジスト液２３を一時的に溶媒２４で覆うことによっても、レジスト液２３の揮発を抑制する作用を期待することができる。

また、図示しないが、半導体ウエハ１４に供給されるレジスト液の揮発を抑制する手段として、半導体ウエハ１４上に供給されたレジスト液を所定の加圧雰囲気下において半導体ウエハ１４を高速回転することができる。この加圧雰囲気を実現するために、スピンコート装置１０全体を加圧チャンバ内に配置することができる。
この加圧チャンバの形成のために、テーブル１２の外周を覆って配置される図示しないが従来よく知られた外部カップ部材およびトップカップ部材を利用することができる。
また、前記加圧チャンバ内をレジスト液の有機溶媒の雰囲気下におくことによい、レジスト液の揮発を抑制することができ、これにより、一層むらなく良好にレジスト液を半導体ウエハ１４に塗布することができる。

図２および図４に示した例では、カウンタウエイト２１および検出器２２を備える調整手段２０について説明したが、カウンタウエイト２１および検出器２２を設けることなく、ウエハ取扱い装置１５自体が、図３に示した半導体ウエハ１４の重心位置１９をチャック１３の回転軸線１１ａに一致させて半導体ウエハ１４をテーブル１２上に配置させることができる。

ウエハ取扱い装置１５により、半導体ウエハ１４の重心位置１９を回転軸線１１ａに一致させて配置することにより、前記したカウンタウエイト２１および検出器２２を用いることなく、半導体ウエハ１４の安定した極めて良好な高速回転を実現することができる。

本発明に係るスピンコート法は、前記した半導体ウエハへのフォトレジスト液の塗布に限らず、例えば液晶ディスプレイ用ガラス基板へのフォトレジスト液の塗布等、種々の基板へのコート液の塗布に適用することができる。

本発明に係るスピンコート法における必要最小限のレジスト液滴下量と半導体ウエハの回転数との関係を示すグラフである。 本発明に係るスピンコート装置を概略的示す模式図である。 本発明に係る半導体ウエハの平面図である。 本発明に係る半導体ウエハのチャックへの取付姿勢を示す斜視図である。 本発明に係るスピンコート法における回転数とレジスト液の拡がり直径との関係を示すグラフである。 本発明に係るスピンコート法における回転加速度とレジスト液の拡がり直径との関係を示すグラフである。 本発明に係るスピンコート装置の他の例を概略的に示す模式図である。

符号の説明

１０ スピンコート装置
１１ 回転軸
１１ａ 回転軸線
１２ テーブル
１３ チャック
１４ （基板）半導体ウエハ
１５ ウエハ取扱い装置
１６ コート液供給ノズル
１７ 目印部
１８ 中心位置
１９ 重心位置
２０ 調整手段
２１ カウンタウエイト
２２ 検出器
２３ （コート液）レジスト液
２４ 溶媒
２５ 溶媒供給ノズル

Claims (2)

1. 回転の停止している基板上にコート液を供給し、その後、前記基板を加速回転させて該基板上に前記コート液を拡げるスピンコート法であって、
   前記基板を、ほぼ２００００ｒｐｍ／ｓの回転加速度で加速回転させることを特徴とするスピンコート法。
2. 前記基板上に供給されたコート液の揮発を抑制するために、該コート液を該コート液の溶媒で覆うことを特徴とする請求項１記載のスピンコート法。

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