JPH0415029B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、基板上に膜材を含んでなる塗布液を
滴下して基板を回転し、その基板上に塗膜を形成
する回転塗布機に関し、特に塗膜の厚みを均一化
するに好適な回転塗布機に関する。

〔従来の技術〕 斯かる回転塗布機として、例えば基板としての
半導体ウエハに、塗布液としてのフオトレジスト
液やシリカフイルム液を滴下し、半導体ウエハを
高速回転させて生じる遠心力により、フオトレジ
スト液やシリカフイルム液を半導体ウエハ上に塗
布して、フオトレジスタ膜やシリカフイルム膜を
形成するものが知られている。以下、半導体ウエ
ハ上にフオトレジスト膜を形成する場合を例にと
つて説明する。

フオトレジスト液（以下レジスト液と略す）
は、溶剤中に必要な膜材（溶質）を混合させたも
のであり、回転塗布中に溶剤が蒸発してレジスト
液中の溶剤含有率が変化すると、それにともなつ
て、レジスト液の粘性が変化する。この溶剤蒸発
による粘性変化は、回転塗布中のレジスト液の流
動性変化の原因となり、結果的に、膜厚分布を支
配する重要な因子となる。回転塗布中のレジスト
液からの溶剤の蒸発は、回転している基板近傍の
気流分布に影響され、気流分布によつては、形成
した塗膜の膜厚に不均一な分布を生じることにな
る。

従来、膜厚を均一にする方法としては、特開昭
60−92618号公報あるいは特開昭59−141220号公
報に見られるように、塗布カツプ内部の気体に溶
剤蒸気を飽和させることによつて、レジスト塗膜
からの溶剤の蒸発をなくして、気流分布の影響を
受けないようにすることがなされていた。

また、上記従来例とは少し異なるが、米国特許
第4485758で提案された方法がある。これは、磁
気デイスク上に磁性粉混合液を回転塗布するもの
であり、半導体ウエハ上にレジスト液を回転塗布
するものとは少し異なるが、溶剤の蒸発を制御し
ようとする点では共通する。この方式によれば、
回転している基板から極くわずか離して静止円盤
を配置し、その静止円盤に半径方向溝を設けるこ
とにより、回転している基板上の気流を制御する
とともに、溶剤の蒸発量を制御しようとするもの
である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来の技術にあつては、次
のような問題点がある。

前二者の公報に記載されたものについては、 () 半導体ウエハ上にレジスト液を滴下した直
後のレジスト塗膜の膜厚分布は、ウエハ中心部
で最も厚く、外周へ向うに従つて薄くなると考
えられる。このような状態で、レジスト液の粘
度が一様の場合には、最終的な膜厚もまた中心
部で最も厚くなるような不均一分布を生ずる。

() レジスト液によつては、非ニユートン性が
強いものがある。このような場合には溶剤の蒸
発を抑えてレジスト液粘度を一様に保つこと
は、必ずしも膜厚の均一化につながらない。

また、前記米国特許公報のものにあつては、
気流の状態が基板の回転数、基板と静止円盤の
間の距離、静止円盤に設けた半径方向溝の寸法
等で決まつてしまうことから、塗布液の物性、
溶剤の蒸気圧や拡散係数、初期膜厚分布等が変
化する時に対応し切れないという問題がある。
しかも、この方式では、基板から飛散した塗付
液が静止円盤にぶつかり、微小粒子となつて再
び基板上に異物として付着し、薄膜上の欠陥に
なることが考えられる。このような、飛散した
塗布液が微小粒子の異物として基板上に再付着
する問題は、膜厚の不均一分布とともに、回転
塗付機の問題としてよく知られていることであ
る。

上述したように、従来の技術は、塗布液および
初期膜厚分布があるものに特定された場合に一定
の効果はあるが、塗布液や溶剤の物性あるいは初
期膜厚が異なる場合には、膜厚が不均一に形成さ
れるおそれがある等の問題があつた。

本発明の目的は、上記従来の問題点を解決する
こと、言い換えれば、基板面近傍の気流分布を制
御できるようにして、塗布液や溶剤の物性あるい
は初期膜厚分布の変化に対応して均一な膜厚の塗
膜を形成することができる回転塗布機を提供する
ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するため、基板１を
保持して回転させる回転手段２，３と、回転され
る基板表面の回転中心部に膜材を含んでなる塗布
液を滴下するノズル４と、この塗布液が滴下され
る基板の塗布面に吹きつける気流を案内する気流
ガイド手段６，７とを有してなり、この気流ガイ
ド手段は前記塗布面の回転軸と同軸同心状に配設
されたガイドベーン７により分割された複数の流
路８ａ，８ｂを有し、かつ各流路の気流流量を調
整する流量調整手段９ａ，９ｂを含んでなるもの
としたことを特徴とする。

〔作用〕

このように構成することにより、各流路の流量
調節手段を独立に調節して、回転する塗布面の径
方向各部位における気流の流量（気流分布）を調
節し、塗布液の溶剤蒸発量を各部位に応じた適切
なものに調整する。すなわち、気流流量を径方向
各部位ごとに調節し、塗布液や溶剤の物性あるい
は初期膜厚分布の変化に対応した気流分布が容易
に形成されることになる。その結果、均一な膜厚
を有する塗膜を得ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

（第１実施例） 第１図に本発明の一実施例の断面構成図を示
し、第２図にその平面図を示す。それらの図に示
すように、半導体ウエハ（以下、ウエハと略す）
１は吸着チヤツク２に吸着保持され、回転軸３を
介して図示されていないモータによつて回転され
るようになつている。ウエハ１の塗布面上方には
その回転中心に位置させて、塗布液の滴下ノズル
４が配設されており、ポンプ５からレジスト液が
供給されるようになつている。また、ウエハ１の
上部はその塗布面に向つて拡径され、同軸に配さ
れた円錐台筒状の塗布カツプ６によつておおわれ
ている。塗布カツプ６内には円錐台筒状のガイド
ベーン７が同心状に配設され、これらによつて気
流ガイド手段が形成されている。

塗布カツプ６の下端径はウエハ１の外径よりも
大きな径とされ、ガイドベーン７の下端はウエハ
１の塗布面上方に一定の間隔を保持して設けられ
ており、その下端径はガイドベーン７の延長線と
ウエハ１が交叉する仮想円の半径が、例えばウエ
ハ１の半径の0.9になるように設定される。

また、塗布カツプ６とガイドベーン７の上端は
開口されており、これらによつてウエハ１の塗布
面に吹きつける気流の流路８ａ，８ｂが同心状に
画成されている。これらの流路８ａ，８ｂの上端
部には気流の流量を調節可能にする流路抵抗９
ａ，９ｂが設けられている。

一方、塗布カツプ６の下部には底カバー１２が
設けられている。底カバー１２の内側端部はウエ
ハ１の下面に近接させて設けられ、かつウエハ１
の外周と塗布カツプ６下端との間の底カバー１２
には気流の排気流路１３が形成されている。この
排気流路１３は管路１４を介して排気ポンプ１５
に連通されている。なお、符号１６は支持部材で
あり、これによつてガイドベーン７が塗布カツプ
６に支持されている。

このように構成される実施例の動作について次
に説明する。まず、ウエハ１を回転するとともに
排気ポンプ１５を駆動すると、流路８ａ，８ｂに
は流路抵抗９ａ，９ｂによつて定まる一定流量の
定常気流fa，fbが生じ、それらの気流はウエハ１
の外周部で合流した後、排気流路１３を介して排
気される。一方、滴下ノズル４からウエハ１の上
面中心部に滴下されたレジスト液は、遠心力によ
つてウエハ１の外周方向に移送され、ウエハ１上
にレジスト液の塗膜を形成する。

この回転塗布の行程において、塗膜中の溶剤が
気流fa，fbによつて蒸発されるが、その蒸発の程
度やその分布は、ウエハ１の半径方向位置および
気流の分布によつて異なり、これが最終的に形成
される膜厚に影響を及ぼす。そこで、流路抵抗９
ａ，９ｂを調節して流路８ａ，８ｂの気流fa，fb
の流量を制御し、均一な膜厚が得られる条件を予
め選定しておくことにより、レジスト液の物性、
滴下量、回転数などの他の回転塗布条件に対応さ
せて、再現性よく均一な膜厚のレジスト膜を形成
することができることになる。

ここで、上記第１図実施例を用い、気流分布が
膜厚分布に及ぼす影響について、第３図と第４図
に示した実測値に基づいて説明する。なお、ウエ
ハ１の外径は６〜８インチ、回転数は4000〜
5000rpm、レジスト液の溶剤の蒸気圧は常温で35
mmHg程度のもので、レジスト液の挙動はほぼニ
ユートン流体と考えられる。また、それらの図に
おいて、ケース１は、流路抵抗９ｂを０、すなわ
ち抵抗無しとし、流路抵抗９ａとして抵抗０の時
に比べて流量が20％程度小さくなるような抵抗を
設けた場合である。ケース２は、流路抵抗９ａ，
９ｂともに抵抗１、すなわち、全閉とした場合で
あり、塗布カツプ６には外部から気流が流入しな
い。ケース３は、逆に、流路抵抗９ａ，９ｂとも
に０、すなわち全開とした場合であり、これは、
ガイドベーン７が無い従来例にほぼ相当する。

第３図に示したように、ケース１では膜厚分布
が半径方向に亘つてほぼ均一となるが、ケース２
では中心が厚く外周側ほど薄くなる不均一分布と
なり、ケース３では、逆に、外周側ほど厚くなる
ような不均一分布となることを示している。この
ように各ケースで膜厚分布が異なるのは、各ケー
スでの気流の流速分布が異なり、結果として、レ
ジスト液中の溶剤の蒸発量分布が異なることに起
因する。

第４図に、ウエハ近傍の気流の半径方向流速分
布と溶剤蒸発量の半径方向分布の実測値を示す。
まず流速分布についてみてみると、３ケースとも
外周近くまでの流速分布はほぼ同じで、外周近傍
で相異が生じていることがわかる。外周近傍にお
いては、ケース３が最も流速が大きく、次いでケ
ース１、ケース２の順に流速が小さくなつてい
る。第１図において外周縁付近で２つに分けた流
路８ａ，８ｂの気流faとfbが合流するが、ケース
３では流路抵抗９ａが０のためfbが大きく、ケー
ス１ではそれに比べてfbが小さくなり、ケース２
の場合は、外からの気流の流入が無いため、静止
流体中で円板が回転した時の円板近傍の流速分布
と近い状態となることから、上記のような傾向と
なるのである。一方、溶剤の蒸発量分布をみてみ
ると、ケース１とケース３においては、気流流速
分布からも推察されるように、外周近傍で蒸発量
分布に差異が生じており、ケース３の場合は、ケ
ース１に比べて外周近傍での溶剤の蒸発量が大き
くなつている。ケース２の場合は、塗付カツプ６
内の気体が循環しているだけなので、全体として
気体内の溶剤蒸気濃度が均一化され、そのために
蒸発量が均一化されているのである。

これらのことをまとめてみると、ケース１にお
いては、ほぼ均一な膜厚分布のものが得られてお
り、これは塗布カツプ６内の各流路８ａ，８ｂの
気流流量が適切であることを示している。これに
対し、ケース２すなわち塗布カツプ６内を単一流
路として気流を流した従来例に相当する場合は、
ウエハ外周近傍での溶剤蒸発量が大きすぎ、これ
により外周近傍のレジスト液の流動が遅くなりす
ぎるために、外周側ほど膜厚が厚くなつてしまう
ことを示している。一方、ケース３においては、
溶剤の蒸発量を半径方向一様にしたことがかえつ
て逆効果となり、中心ほど厚い膜厚分布になつて
いる。このケース３の極端な場合が、塗布カツプ
６内の気体に溶剤蒸気を飽和させて、レジスト液
からの溶剤蒸発を０になる従来の方式である。

なお、上述の結果は、レジスト液がニユートン
流体的挙動を示し、溶剤含有量が少ない程、粘度
が高くなるもので、蒸気圧が比較的小さい溶剤を
用い、さらにレジスト液滴下直後の膜厚分布が中
心で最も厚くなるような場合に対して得られたも
のである。そして、流路抵抗９ａによつて気流fb
の流量が、流路抵抗９ａが０のときに比べて20％
程度小さくなるようにすることで、均一な膜厚分
布（例えば、10°A程度）を得ることができる。

なおまた、上述のレジスト液及び溶剤の物性、
滴下直後の膜厚分布などの条件は、レジスト液塗
布のほとんどの場合について成立するものである
が、これらが異なる場合もあり得る。その場合、
上記第１図実施例によれば、流路抵抗９ａ，９ｂ
を調節し、塗布カツプ６内の気流の流量分布を変
えるという簡単な操作により、レジスト液滴下方
法の変更による初期膜厚分布の相異や、他の塗布
条件変更に対して、容易に対応し得る。

（第２実施例） 第５図に本発明の他の一実施例を示す。本実施
例が第１図実施例と異なる点は、外側の流路８ａ
に強制的に気体（空気）を送入して、ウエハ１の
外周近傍の流速を大きくし、これによりウエハ１
から半径方向外向きに飛散したレジスト液が、微
粒子異物としてウエハ１に再付着することを防止
することにある。また単に、外側流路８ａの気流
流速を大きくすると、ウエハ外周近傍の膜厚が厚
くなつてしまうので、外側流路８ａの気流に、溶
剤蒸気を適宜混入する事によつて、ウエハ外径近
傍でのレジスト液からの溶剤蒸発量が大きくなり
すぎないようにしている。

すなわち、塗布カツプ６の外側流路８ａの上端
部に環状チヤンバ２０を設け、環状チヤンバ２０
には、所定量の溶剤蒸気が混入された気体を送入
するようになつている。気体に溶剤蒸気を混入す
る方法は、溶剤容器２１の溶剤２２内にポンプ２
３により加圧された気体を圧入して得られる溶剤
の飽和気体と、ポンプ２４により加圧された気体
とを、それぞれバルブ２５，２６を介して混合す
るようになつている。この混合気体がバルブ２７
を介して前記環状チヤンバ２０に送入されるよう
になつている。そして、その混合気体の流量と溶
剤蒸気の濃度は、バルブ２５，２６，２７を調整
して制御される。

したがつて、第５図実施例によれば、前記第１
図実施例の結果に加え、ウエハ１の外周部から飛
散されたレジスト液が、外側の流路８ａの速い気
流によつて排気流路１３に速やかに導びかれるこ
とから、飛散レジスト液がウエハ１の塗膜に再付
着するのを防止できる。また、外側流路８ａの流
速が遅くなるとウエハ外周部の蒸発が促進される
ことになるが、これについてはその気体中に溶剤
蒸気を所定量混入することにより、蒸発分布を適
切に調節することができる。

（第３実施例） 第６図に本発明のさらに他の実施例を示す。

本実施例が第１図実施例と異なる点は、塗布カ
ツプ６内に押込みフアン３０によつて気体を送入
するようにするとともに、その気体をコロナ放電
グリツド３１を通過させることによつてイオン化
した後、フイルタ３２を介して塗布カツプ６に送
給するようにしたことにある。なお、塗布カツプ
６の上端部には流路８ａ，８ｂに連通されたチヤ
ンバ３３が設けられ、上記のイオン化された気体
はこのチヤンバ３３と流路抵抗９ａ，９ｂを介し
て、それぞれの流路８ａと８ｂに流入される。

このように構成されることから、第６図実施例
によれば、前記第１図実施例の効果に加えて、ウ
エハ１に吹きつけられる気体のイオンにより、ウ
エハ１表面に生ずる静電気が中和されるため、こ
の静電気に起因する異物の付着が低減されること
になる。

（第４実施例） 第７図に前述した第１図実施例の変形例を示
す。すなわち、塗布カツプ６内に２つのガイドベ
ーン７ａ，７ｂを配設し、気流ガイド手段を３つ
の流路８ａ，８ｂ，８ｃから成るものとし、それ
らに対応させて流路抵抗９ａ，９ｂ，９ｃを設け
たことにある。なお、ガイドベーン７ａの下端は
その延長線がウエハ１の外周縁に略一致するよう
に、ガイドベーン７ｂの下端はその延長線がウエ
ハ１の半径の0.8〜0.9位置になるように形成配置
されている。

このように構成されることから、本実施例によ
れば、第１図実施例の効果に加えて、さらに細か
い流量分布制御を行なうことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、基材上
面の気流流量分布を容易に制御できるため、塗布
液や溶剤の物性、あるいは塗膜の初期膜厚分布に
対応して、塗膜の最終膜厚分布が均一となるよう
な、最適な気流流量分布を得ることができ、これ
によつて均一な塗膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面構成図、第２
図は第１図実施例の平面図、第３図と第４図は第
１図実施例の作用・効果を説明するための線図、
第５図〜第７図はそれぞれ本発明の他の実施例の
断面構成図である。 １……半導体ウエハ、２……吸着チヤツク、４
……滴下ノズル、６……塗布カツプ、７，７ａ，
７ｂ……ガイドベーン、８ａ，８ｂ，８ｃ……流
路、９ａ，９ｂ，９ｃ……流路抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板１を保持して回転させる回転手段２，３
   と、 回転される基板表面の回転中心部に膜材を含ん
   でなる塗布液を滴下するノズル４と、 この塗布液が滴下される基板の塗布面に吹きつ
   ける気流を案内する気流ガイド手段６，７とを有
   してなり、 この気流ガイド手段は前記塗布面の回転軸と同
   軸同心状に配設されたガイドベーン７により分割
   された複数の流路８ａ，８ｂを有し、 かつ各流路の気流流量を調整する流量調整手段
   ９ａ，９ｂを含んでなるものとしたことを特徴と
   する回転塗布機。 ２ 前記流路８ａ，８ｂのうち基板塗布面の外周
   縁部に気流を案内する流路８ａに塗布液の蒸気を
   注入する蒸気注入手段２１，２２，２３，２４他
   を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の回転塗布機。