JP6885041B2

JP6885041B2 - ベーク装置

Info

Publication number: JP6885041B2
Application number: JP2016238387A
Authority: JP
Inventors: 耕貴片山
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2021-06-09
Anticipated expiration: 2036-12-08
Also published as: JP2018098237A

Description

本発明は、リソグラフィ工程で実施されるプリベーク、露光後ベーク、ポストベークなどの、レジストの熱処理を行うベーク装置に関する。

リソグラフィ工程は、液晶ディスプレイ製造、フォトマスク製造、半導体集積回路製造などで、光や電子線に感度を有するレジストを用いて微細パターンを形成するために行われる。微細パターンの形成においては、レジストの種類や特性に応じて、その性能を発現させるために、プリベーク、露光後ベーク、ポストベークなどと呼ばれる、７０から１２０℃、１〜５分程度の熱処理が施される（例えば特許文献１）。

例えば、液晶ディスプレイ用のカラーフィルタの製造工程では、ガラス基板にレジストを塗布し、パターニングされたフォトマスクを介して紫外線露光を行うことで、ガラス子基板上にブラックマトリクス、着色画素、フォトスペーサなどのレジストパターンを形成する。

前記工程には、表面にレジストを塗布したガラス基板を、９０〜１２０℃に加熱した金属プレート（ホットプレート）に載置して５分程度加熱し、溶剤成分の揮発と固化を行うプリベーク工程が含まれる。プリベーク装置では前記基板を加熱した後、別の金属プレート（クールプレート）に載置して、次工程に移行するための温度（通常は常温）になるまで降温する（例えば特許文献２）。

図８に、従来のプリベーク装置５０の（ａ）正面図、（ｂ）ホットプレート５１、またはクールプレート５３に、被温度制御体であるレジストを塗布したガラス基板６１（以下、適宜単に基板と記す）を載置した斜視図、（ｃ）ホットプレート５１の断面図（ｄ）クールプレート５３の断面図を示す。

図８（ｃ）のように、ホットプレート５１は内部にヒータ（電熱線）５２を埋め込み、電流を流して加熱するものであり、図８（ｄ）のように、クールプレート５３は内部に冷却水配管５４を埋め込み、大型のチラー等による循環水を用いて降温を行う構成となっている。

特開平１１−１６８１８号公報特開２０１１−２４２７１５号公報

ホットプレートは、それ自体に冷却機構を有していない場合が多く、ベーク終了後のホットプレートの冷却は通常自然冷却によっている。さらに、基板を加熱する温度は使用するレジストによって異なるため、レジストの変更によりホットプレートの温度や時間等のレシピ変更を行う必要があるが、ホットプレートに冷却機構がないため、温度調整に時間を要し、待機時間が生じて装置の稼働効率が低下しスループットを低下させる要因となる。

また、プリベークでは、レジストパターンの線幅ばらつき等が発生しないようにレジスト表面温度の均一性を面内で良好に保つことが重要であるが、現状のホットプレートはヒータによる加熱しかできないため、局所的に精密な温度制御を行うことができないという問題がある。

例えば、図８（ａ）のように、プリベーク装置５０はホットプレートユニットの基板搬入口にシャッター５７を取り付けた構造となっており、基板搬入出時のみ開閉する。シャッター５７が開閉するとシャッター５７付近のホットプレート５１は外気にさらされるため温度が低下しやすく、ホットプレート５１表面、従って基板６１表面に温度差が発生しやすい。

図９は、従来のプリベーク装置で（ａ）ホットプレートユニットのシャッターを開閉したときの側面図（ｂ）シャッター付近の設定温度と測定温度を比較した特性図である。このようにシャッターに近い位置ほど実際のホットプレート温度は、設定値よりも低下するため、レジストパターンの線幅ばらつきの原因となる。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ホットプレートの冷却や温度調整に要する時間を短縮し、装置の稼働効率を向上させてスループット及び生産性を向上するとともに、レジスト表面温度の面内均一性を良好に維持することができるベーク装置を提供することにある。

上述の問題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ヒータと、複数の第１のペルチェ素子と複数の第１の温度測定部を具備するホットプレートと、複数の第２のペルチェ素子と単数または複数の第２の温度測定部を具備するクールプレートと、温度制御部を備えるベーク装置であって、前記温度制御部は、ベーク時には、前記第１の温度測定部による温度測定値がベーク時の設定温度よりも高いときは、前記第１のペルチェ素子に第１方向の直流電流を流して前記ホットプレートの前記第１の温度測定部が配置された領域を降温し、温度測定値がベーク時の設定温度よりも低いときは、前記第１のペルチェ素子に前記直流電流と逆極性の第２方向の直流電流を流して前記ホットプレートの前記第１の温度測定部が配置された領域を昇温する温度制御を行い、かつベーク終了後は、前記ホットプレート上の被温度制御体を前記クールプレート上に移動する機構を備え、かつ前記温度制御部は、ベーク終了後の降温時には、前記第２の温度測定部による温度測定値がベーク終了後の降温時の設定温度よりも高いときは、前記第２のペルチェ素子に第１方向の直流電流を流して前記クールプレートの前記第２の温度測定部が配置された領域を降温し、温度測定値がベーク終了後の降温時の設定温度よりも低いときは、前記第２のペルチェ素子に前記直流電流と逆極性の第２方向の直流電流を流して前記クールプレートの前記第２の温度測定部が配置された領域を昇温する温度制御を行い、かつ前記被温度制御体の前記クールプレート上への移動後には、前記第１の温度測定部の少なくとも１つが次のベーク時の設定温度に達するまで、必要に応じ前記ホットプレートが具備する前記ヒータに電流を流して前記ホットプレートを昇温し、達した後は次のベーク時の設定温度を用いて前記ベーク時と同様の温度制御を行う機能を備え、さらにベーク前工程ユニットとベーク後工程ユニット間を往復移動する機能を備え、前記ベーク前工程ユニットから前記ベーク後工程ユニットへの往路においては、前記ベーク時の温度制御と前記ベーク終了後の降温時の温度制御を行い、かつ前記ベーク後工程ユニットから前記ベーク前工程ユニットへの復路においては、前記次のベーク時の設定温度を用いる温度制御を行う機能を備えることを特徴とするベーク装置としたものである。

本発明のベーク装置によると、ホットプレートの冷却や温度調整に要する時間を短縮し、装置の稼働効率を向上させてスループット及び生産性を向上するとともに、レジスト表面温度の面内均一性を良好に維持することができるので、線幅ばらつき等のないレジストパターンが得られる。また、製造工程全体の流れがスムーズになり、製品品質の安定化が得られるとともに、冷却水配管を必要としないので、チラー等の使用による生産設備の大型化を回避することができる。

ペルチェ素子の内部構造を示す斜視図である。本発明のベーク装置が備えるホットプレートの（ａ）断面図（ｂ）Ａ−Ａ’面における底面図である。本発明のベーク装置が備えるクールプレートの断面図である。本発明のベーク装置の内部構成を示す斜視図である本発明のベーク装置における温度制御の電気系統図である。本発明のベーク装置を用いるベーク、ベーク終了後の降温、次のベークのための温度制御を示すフロー図である。本発明のベーク装置を用いるベーク方法の例に係り、往復移動機能を利用するときの（ａ）ベーク時（ｂ）ベーク終了後の降温時の形態を示す斜視図である。従来のプリベーク装置の（ａ）正面図（ｂ）プレートに基板（被温度制御体）を載置した斜視図（ｃ）ホットプレートの断面図（ｄ）クールプレートの断面図である。従来のプリベーク装置で（ａ）ホットプレートユニットのシャッターを開閉したときの側面図（ｂ）シャッター付近の設定温度と測定温度を比較した特性図である。

以下、本発明の実施形態に係るベーク装置を説明するが、同一の構成要素については便宜上の理由がない限り同一の符号を付け、重複する説明は省略する。また、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じではない。

図１は、本発明のベーク装置で用いるペルチェ素子の内部構造を示す斜視図である。ペルチェ素子１は、ｎ型半導体２とｐ型半導体３とを金属板４で接続し、これらｎ型半導体２及びｐ型半導体３のそれぞれに金属板５、６を取り付けて構成されたものである。半導体２及び３は、例えばビスマステルルなどの大きなペルチェ効果（ゼーベック効果）の得られる材料からなる。ペルチェ素子１は、金属板５から金属板６に電流を流すと金属板４側は冷却され、極性を逆転させて金属板６から金属板５に電流を流すと金属板４側は加熱される。ペルチェ素子で制御可能な温度範囲は、通常２０〜１５０℃程度である。

図２は、本発明のベーク装置が備えるホットプレートの（ａ）断面図（ｂ）Ａ−Ａ’面における底面図である。ホットプレート１１は、ヒータ１２と、基板を載置しない面側（図では下側）に複数の第１のペルチェ素子１３と、第１のペルチェ素子１３付近に複数の第１の温度測定部（熱電対等からなるセンサ）１５を具備する。第１のペルチェ素子１３は、フィン１４を有している。フィン１４は、第１のペルチェ素子１３が冷却するとき、その反作用で放熱側となり、第１のペルチェ素子１３の熱の流れを安定させる効果を有する。尚、本願ではホットプレートに具備するペルチェ素子と温度測定部を「第１の」、後述のクールプレートに具備するペルチェ素子と温度測定部を「第２の」と呼称する。

複数の第１のペルチェ素子１３は、ホットプレート１１に、例えば図２（ｂ）のように配置して取り付けられる。複数の第１のペルチェ素子１３は、数個（図では２×２個）単位でホットプレート１１をエリア分割しており、エリア毎にホットプレート１１には、第１の温度測定部１５を具備している。

図３は、本発明のベーク装置が備えるクールプレートの断面図である。クールプレート２１は、基板を載置しない面側（図では下側）にフィン２４を有する複数の第２のペルチェ素子２３と、単数または複数の第２の温度測定部２５を具備する。ここで、ホットプレート１１と異なり、第２の温度測定部２５が単数でもよいのは、ベーク終了後の降温時は面内の温度分布がレジストパターンに与える影響は小さいからである。同じ理由から、第２のペルチェ素子２３の数は、ホットプレート１１の第１のペルチェ素子１３の数よりも少なくてもよい。従って、クールプレート２１のエリア数は単数、若しくはホットプレート２１のエリア数よりも少なくてもよい。

図４は、本発明のベーク装置の内部構成を示す斜視図である。ベーク装置１０は、前述のホットプレート１１、クールプレート２１、及び電源３１、温度制御等を行う制御部３２を備えている。それらの間には、断熱性の仕切り板（図示せず）を備えることが好ましい。但し、ホットプレート１１とクールプレート２１の間の仕切り板には、後述の基板移動のための開口部を備える。

図５に、本発明のベーク装置における温度制御の電気系統図を示す。尚、少なくともホットプレートにおいては、温度測定部１５は複数存在するが、図５では便宜上１箇所のみ図示している。図６には、本発明のベーク装置を用いるベーク、ベーク終了後の降温、次のベークのための温度制御を示すフロー図を示す。尚、図６中の「往路」「復路」については後述する。

制御部３２（図４参照）は、第１、第２の温度測定部１５、２５（図２、図３参照）から受信したエリア毎（第２の温度測定部２５が単数の場合はクールプレート全体を１エリアとみなす）の測定値と、ベーク時やベーク終了後の降温時の設定温度値とを比較して、差分から第１、第２のペルチェ素子１３、２３に与える電流の向き（極性）と大きさを決定し、切替え（スイッチ）部（図５参照）を介して、エリア毎にホットプレート１１、クールプレート２１を降温、または昇温する。

具体的には、制御部３２は、ベーク時には、エリア毎の第１の温度測定部１５による温度測定値がベーク時の設定温度よりも高いときは、そのエリアの第１のペルチェ素子１３に第１方向の直流電流を流してホットプレート１１の該エリアを降温し、温度測定値がベーク時の設定温度よりも低いときは、第１のペルチェ素子１３に前記直流電流と逆極性の第２方向の直流電流を流してホットプレート１１の該エリアを昇温する温度制御を行う。

ベーク終了後は、第１のペルチェ素子１３への給電を停止した後、基板をベーク装置から搬出しベーク後工程へ投入するために、基板をベーク温度から通常は常温付近まで速やかに降温する必要がある。このため、本発明は、ヒータを持たない前述のクールプレート２１と備え、さらにベーク終了後に、基板をホットプレート１１からクールプレート２１に、アーム等の方法により移動する機構（基板移動機構、図示せず）を備える。基板移動機構は、電気的に動作制御される。

基板をホットプレート１１からクールプレート２１へ移動後、制御部３２は、ベーク終了後の降温時にクールプレート２１のエリア毎の第２の温度測定部２５（図３参照）による温度測定値がベーク終了後の降温時の設定温度よりも高いときは、そのエリアの第２のペルチェ素子２３に第１方向の直流電流を流してクールプレート２１の該エリアを降温し、温度測定値がベーク終了後の降温時の設定温度よりも低くなったときは、第２のペルチェ素子２３に前記直流電流と逆極性の第２方向の直流電流を流してクールプレート２１の該エリアを昇温する温度制御を行う。こうして基板をベーク後工程へ搬出可能となった後は、第２のペルチェ素子２３への給電を停止する。

さらに、基板をベーク後工程へ搬出した後には、次の基板のベーク処理に備えるために、次のベーク時の設定温度とホットプレート１１の温度測定値とを比較し、必要に応じホットプレート１１が具備するヒータ１２に電流を流して、温度測定部１５の少なくとも１つの温度測定値が設定温度に達するまでホットプレート１１を昇温する。達した後は、前回ベーク時と同様の方法で温度制御を行う。

尚、前記の次の基板のベーク処理に備える温度制御は、基板をベーク後工程へ搬出した後だけではなく、基板をホットプレート１１からクールプレート２１への移動した後であれば、その直後に始めることもできるが、図６及び上述の説明では、簡略化のため、基板をベーク後工程へ搬出した後に始める場合について説明している。

このように、本発明のベーク装置は、ホットプレートとクールプレートを別個に備え、それぞれが独立して上記のように制御されるため、基板を載置していない期間であっても、それぞれの温度はベーク温度近傍、常温近傍にある。従って、ベーク処理のレシピが変更されても、温度調整に時間を要さないため、待機時間が極めて短くなってスループットが向上する。さらに、ホットプレートからクールプレートへの移動距離が短いこともスループット上有利に作用する。

通常、ホットプレートやクールプレートでは、基板の載置により温度変動が生じるが、本発明のベーク装置では、ホットプレートやクールプレートに直接取り付けた温度測定部とペルチェ素子を用いて、降温、昇温の制御を行うので、載置後速やかに設定温度に達することができる。また、その後の温度制御はペルチェ素子によりエリア毎に行われるので、特にホットプレートで重要なレジスト表面温度の面内均一性を良好に維持することができる。

本発明のベーク装置は、ベーク前工程ユニットとベーク後工程ユニット間を往復移動する機能を備えることによって、装置の稼働効率を向上させて、スループット及び生産性をさらに向上することができる。本発明のベーク装置では、降温をペルチェ素子によって行い、冷却水配管を必要としないので、前記の往復移動機能を備えることができる。

図７は、往復移動機能を利用するときのベーク方法の例であり、（ａ）ベーク時（ｂ）ベーク終了後の降温時の形態を示す斜視図である。ここでは往路のみ示し、復路については図示を省略している。尚、図７ではガイドレール３４上を移動する形態を示しているが、床中、または床下に電磁気等の手段により誘導路を設けてもよい。

すなわち、ベーク前工程ユニット６０からベーク後工程ユニット７０への往路１）においては、Ｓｔｅｐ１）（図６参照）のベーク時の温度制御を行い、図７のＢ−Ｂ’のタイミングでホットプレートからクールプレートへの基板４１の移動を行った後、往路２）においては、Ｓｔｅｐ２）のベーク終了後の降温時の温度制御を行う。さらに、ベーク後工程ユニット７０から前記ベーク前工程ユニット６０への復路においては、次の基板のベーク処理に備え、次のベーク時の設定温度を用いて温度制御を行う。

前記のような、本発明のベーク装置の往復移動機能を利用するベーク方法では、ベーク装置の移動速度をベーク前工程、ベーク後工程の処理時間に対応した移動速度とすることもできるので、時間ロスがなくなるとともに、製造工程全体の流れがスムーズになり、製品品質の安定化につながる。また、本発明のベーク装置では、冷却水配管を必要としないので、チラー等の使用による生産設備の大型化を回避することができる。

本発明のベーク装置は、液晶ディスプレイ製造、フォトマスク製造、半導体集積回路製造などで行われるリソグラフィ工程におけるプリベーク、露光後ベーク、ポストベークなどのレジストの熱処理装置として利用することができる。

１・・・ペルチェ素子
２・・・ｎ型半導体
３・・・ｐ型半導体
４、５、６・・・金属板
１０・・・ベーク装置
１１・・・ホットプレート
１２・・・ヒータ（電熱線）
１３・・・第１のペルチェ素子
１４、２４・・・フィン
１５・・・第１の温度測定部（センサ）
２１・・・クールプレート
２３・・・第２のペルチェ素子
２５・・・第２の温度測定部（センサ）
３１・・・電源
３２・・・制御部
３３・・・キャスター
３４・・・ガイドレール
４１・・・レジストを塗布した基板
６０・・・ベーク前工程ユニット
７０・・・ベーク後工程ユニット
５０・・・従来のプリベーク装置
５１・・・ホットプレート
５２・・・ヒータ（電熱線）
５３・・・クールプレート
５４・・・冷却水配管
５５・・・電源及び制御部
５７・・・シャッター
５９・・・固定部

Claims

ヒータと、複数の第１のペルチェ素子と複数の第１の温度測定部を具備するホットプレートと、複数の第２のペルチェ素子と単数または複数の第２の温度測定部を具備するクールプレートと、温度制御部を備えるベーク装置であって、
前記温度制御部は、ベーク時には、前記第１の温度測定部による温度測定値がベーク時の設定温度よりも高いときは、前記第１のペルチェ素子に第１方向の直流電流を流して前記ホットプレートの前記第１の温度測定部が配置された領域を降温し、
温度測定値がベーク時の設定温度よりも低いときは、前記第１のペルチェ素子に前記直流電流と逆極性の第２方向の直流電流を流して前記ホットプレートの前記第１の温度測定部が配置された領域を昇温する温度制御を行い、
かつベーク終了後は、前記ホットプレート上の被温度制御体を前記クールプレート上に移動する機構を備え、
かつ前記温度制御部は、ベーク終了後の降温時には、前記第２の温度測定部による温度測定値がベーク終了後の降温時の設定温度よりも高いときは、前記第２のペルチェ素子に第１方向の直流電流を流して前記クールプレートの前記第２の温度測定部が配置された領域を降温し、
温度測定値がベーク終了後の降温時の設定温度よりも低いときは、前記第２のペルチェ素子に前記直流電流と逆極性の第２方向の直流電流を流して前記クールプレートの前記第２の温度測定部が配置された領域を昇温する温度制御を行い、
かつ前記被温度制御体の前記クールプレート上への移動後には、前記第１の温度測定部の少なくとも１つが次のベーク時の設定温度に達するまで、必要に応じ前記ホットプレートが具備する前記ヒータに電流を流して前記ホットプレートを昇温し、達した後は次のベーク時の設定温度を用いて前記ベーク時と同様の温度制御を行う機能を備え、さらにベーク前工程ユニットとベーク後工程ユニット間を往復移動する機能を備え、
前記ベーク前工程ユニットから前記ベーク後工程ユニットへの往路においては、前記ベーク時の温度制御と前記ベーク終了後の降温時の温度制御を行い、
かつ前記ベーク後工程ユニットから前記ベーク前工程ユニットへの復路においては、前記次のベーク時の設定温度を用いる温度制御を行う機能を備えることを特徴とするベーク装置。