JPH04368117A - レジスト塗布方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レジスト塗布方法お
よび装置に関する。さらに詳しくは、この発明は、基板
上にレジストを回転塗布するに際して、レジストの膜厚
の温度および湿度の影響による変動が抑制できるように
したレジスト塗布方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェハ等の基板上にレジスト液を
塗布する方法としては従来よりチャンバ内で基板上にレ
ジスト液を回転塗布する方法が広く用いられている。こ
の場合、レジストの膜厚は、レジストパターニングの精
度を向上させる上で均一化することが必要とされる。そ
して、近年のレジストパターニングの微細化に伴いレジ
ストの膜厚に必要とされる均一性はより厳密となり、０
．３５μｍのデザインルールのもとでは、±２．５ｎｍ
の均一性が求められるようになっている。

【０００３】一方、レジスト液を回転塗布するに際して
、レジストの膜厚が温度や湿度等の影響により変動する
ことが知られるようになった。このため基板上にレジス
ト液を回転塗布するレジスト塗布装置としては、基板が
設置されるチャックの温度、雰囲気の温度や湿度、レジ
スト液の温度等を一定に制御する温調コーターを装備し
たものが使用されるようになっている。

【０００４】しかしながら、従来の温調コーターによる
制御では、温度を±０．１℃に制御してレジストの膜厚
の変動を±０．７ｎｍに抑えること、あるいは湿度を±
１．０％に制御してレジストの膜厚の変動を±０．１５
ｎｍに抑えることが限界となっている。そのため、今後
デザインルールが一層微細化して０．２５μｍとなり、
またウェハも大口径化して直径８インチのものが使用さ
れるようになると、レジストの膜厚の制御が不十分とな
るという問題があった。

【０００５】これに対し、本発明の発明者はレジズトの
膜厚に及ぼす温度の影響を解析し、次式［２］　を導出
した。

【０００６】

【数３】 （式中、ｈはレジストの膜厚、Δｅｈはレジストの潜熱
、Ｒは気体定数、Ａは親和力を表す状態関数、τは時定
数、ｔは塗布時間、Ｅｖ　は流動活性化エネルギー、Ｔ
は温度（Ｋ）　、ｋ１　、ｋ２　、…、ｋｎ　それぞれ
定数を表す）そして、この式［２］　に基づいて当該温
度Ｔにおけるレジストの膜厚ｈを予測し、その予測した
膜厚と所期のレジストの膜厚との差からレジスト塗布時
の回転数や回転時間等のレジスト塗布条件を制御するよ
うにしたレジスト塗布装置を提案した（９０年春応物学
会予稿集（２８ａ−ＰＤ−１３）　）。

【０００７】また、本発明の発明者は、式［２］　のＡ
／Ｔが湿度の関数であり、このＡ／Ｔはレジストの溶剤
の蒸発によるエントロピー変化から求まることに着目し
て、レジズトの膜厚に及ぼす湿度の影響も解析した。そ
して、次式［３］　を導出してレジストの膜厚ｈを湿度
によっても制御することを提案した（９０年秋応物学会
予稿集（２７ａ−ＺＧ−８））。

【０００８】

【数４】 （式中、ｈはレジストの膜厚、Ｈは相対湿度（％）　を
表す）この式［３］　は、

【０００９】

【数５】 とも表すことができ、レジストの膜厚をｈ、温度を１／
Ｔ、湿度をｌｎ（１００−Ｈ）／Ｈとすれば、温度と湿
度はレジストの膜厚に対して直線関係を有することにな
るので、両者は独立的に制御すればよいことを示すもの
であった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、より詳
細に実際のレジストの膜厚に対する温度と湿度の影響を
検討したところ、温度と湿度は独立的ではなく互いに影
響し合っていることが判明した。

【００１１】たとえば、温調コーターを備えたレジスト
の回転塗布装置（クリーントラックＭａｒｋＩＩ、東京
エレクトロン製）を使用して、種々の温度および湿度の
もとでレジスト（ＴＳＭＲ−Ｖ３、東京応化製）を回転
塗布し、膜厚測定器（Ｔ−５０００、日立製）で塗布し
たレジストの膜厚を測定すると、その温度とレジストの
膜厚との関係は図５に示すようになり、湿度とレジスト
の膜厚との関係は図６に示すようになった。なお、双方
の図においては実測値を実線で外挿し、さらに実測値の
他に、図５では式［２］　による１／Ｔ対ｌｎｈの直線
関係を破線で示し、図６では式［３］　によるｌｎ（１
００−　Ｈ）／Ｈ対ｌｎｈの直線関係を破線で示した。

【００１２】図５から、湿度が高いほど直線の傾きが小
さく、レジストの膜厚に及ぼす温度の影響が小さいこと
がわかる。また、図６から温度が高いほど直線の傾きが
大きく、レジストの膜厚に及ぼす湿度の影響が大きいこ
とがわかる。

【００１３】このようにレジストの膜厚に対して温度と
湿度は相互に影響し合っているので、前述の式［２］　
および式［３］　では当該温度あるいは湿度における正
確なレジストの膜厚の予測ができず、塗布するレジスト
の膜厚を高精度に制御することができない。そのため最
大４ｎｍの誤差が生ずるという問題があった。

【００１４】この発明は以上のような問題を解決しよう
とするものであり、温度あるいは湿度とレジストの膜厚
との実際の関係に合致する関係式を導出し、より高精度
に均一にレジストの塗布を制御できるようにすることを
目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明は、チャンバ内で基板上にレジスト液を
回転塗布するレジスト塗布方法において、チャンバ内の
温度および湿度を測定し、次式［１−１］

【００１６】

【数６】 または次式［１−２］

【００１７】

【数７】 （式中、ｈはレジストの膜厚、Ｔは温度、Ｈは相対湿度
、ｋ１４、ｋ１６、ｋ１７およびｋ１８はそれぞれ定数
を表す）に基づいて基板上に塗布するレジストの膜厚を
制御することを特徴とするレジスト塗布方法を提供する
。

【００１８】また、このようなレジスト塗布方法を実施
するレジスト塗布装置として、チャンバ内の温度測定手
段および湿度測定手段、およびその温度測定手段および
湿度測定手段により測定した温度および湿度と式［１−
１］　または式［１−２］　に基づいてレジストの回転
塗布条件を制御する制御手段を有することを特徴とする
レジスト塗布装置を提供する。

【００１９】この発明のレジスト塗布方法およびレジス
ト塗布装置は、この発明者が温度および湿度とレジスト
の膜厚との関係式として、新たに上記式［１−１］　お
よび式［１−２］　を以下のように導いたことに基づい
ている。

【００２０】すなわち、前述の式［２］　を導出するに
際しては、その過程において次式［４］　を導き、式中
の　ｄＡ／ｄＴは非常に小さいとして無視していた。

【００２１】

【数８】 （式中、Ｖは体積、ｐは蒸気圧、ξは変化の進行度を表
す）しかしながら、実際に　ｄＡ／ｄＴの値を試算して
みると無視できるほど小さくはないことがわかった。そ
こで、　ｄＡ／ｄＴを無視することなく、温度および湿
度とレジストの膜厚との関係式を得ることとし、まず、
前述の式［３］　を導出する過程において導いた次式［
５］　に着目した。

【００２２】

【数９】 （式中、相対湿度Ｈは３５〜６０％、ｋはボルツマン定
数を表す）ここで、ボルツマン定数ｋと相対湿度Ｈ（％
）は温度Ｔ（Ｋ）に無関係であるためこの式［５］　は
　ｄＡ／ｄＴと等しくなる。そこで、式［５］　を式［
４］　に代入して次式［６］　を得た。

【００２３】

【数１０】 さらに、ＶＴ．Ｐ．はＶｖ＝ＲＴ／ｐ（式中、Ｖｖは蒸
気の体積を表す）と近似できるので、次式［７］　を得
、

【００２４】

【数１１】 この微分方程式を解き、溶剤の蒸気圧ｐと温度Ｔおよび
湿度Ｈの関係式となる次式［８］　を得た。

【００２５】

【数１２】 一方、溶剤の蒸発によるレジストの膜厚の変化を考える
に、溶剤の蒸発による粘度変化η１　は次式［９］　で
与えられる。

【００２６】

【数１３】 （式中、Ｃは濃度、Ｎは固形分量、Ｖ０　は初期体積を
表す）また、本質的な粘度変化η２　は次式［１０］で
与えられる。

【００２７】

【数１４】 したがって、レジストの膜厚ｈと粘度ηとの関係は次式
［１１］で表されることとなる。

【００２８】

【数１５】 ここで、前記図６の温度Ｔが高いほどレジストの膜厚ｈ
が厚くなるという事実から、 ｋ８　Ｎ／（Ｖ０　−ｋ９　ｐｔ）　　＞＞　ｋ１０ｅ
ｘｐ（Ｅｖ　／ＲＴ）であると言える。

【００２９】また、蒸発する溶剤量（ｋ９　ｐｔ）に対
し、温度および湿度によるレジストの膜厚の変化量は非
常に小さい。よって、式［１１］のｌｎｈはｌｎｋ９　
ｐｔとＥｖ　／ＲＴとに直線関係にあるといえ、次式［
１２］のように書きかえられる。

【００３０】 ｌｎｈ＝ｋ１１＋ｋ１２ｌｎｋ９　ｐｔ＋ｋ１３Ｅｖ　
／ＲＴ式［１２］ そして、この式［１２］に前述の式［８］　を代入する
ことにより、この発明の中核となるレジストの膜厚の温
度と湿度との関係式［１−１］　得た。

【００３１】

【数１６】 また上記式［１−１］　において温度範囲が狭いのでｌ
ｎＴ＝−ｌｎ１／Ｔを−ｋ１９／Ｔと近似することによ
り次式［１−２］　を得た。

【００３２】

【数１７】 以上のようにして導出した式［１−１］　によれば図６
の温度が高い程レジストの膜厚に及ぼす湿度の影響が大
きいことが説明され、また式［１−２］　によれば図５
の湿度が高い程レジストの膜厚に及ぼす温度の影響が小
さいことが説明され、これらの式が実際の現象と合致す
るものであることがわかる。

【００３３】この発明の方法は、このような式［１−１
］　または式［１−２］　に基づいて基板上に塗布する
レジストの膜厚を制御することを特徴としている。この
場合、レジストの膜厚の制御方法としては、式［１−１
］　または式［１−２］　に基づく限り種々の方法を取
り得る。たとえば、温度および湿度を測定し、式［１−
１］　または式［１−２］　に基づいて当該温度Ｔおよ
び湿度Ｈにおけるレジストの膜厚ｈを予測し、その予測
値と所期のレジストの膜厚との差からレジストの膜厚が
温度および湿度の変動により影響を受けないようにレジ
ストの塗布条件を制御し、所期のレジストの膜厚が精度
よく均一に得られるようにする。あるいは、レジストの
塗布温度として設定した所期の温度と当該温度Ｔとに差
がある場合に、その差に見合うレジストの膜厚の変動を
湿度を変化させることにより補正し、レジストの膜厚が
温度および湿度の変動により影響を受けないようにして
もよい。この場合には、必ずしも当該温度および湿度に
おけるレジストの膜厚の予測値を直接的に得なくともよ
い。同様に、レジストの塗布湿度として設定した所期の
湿度と当該湿度とに差がある場合に、その差に見合う膜
厚の変動を温度を変化させることにより補正してもよい
。

【００３４】したがって、この発明のレジスト塗布装置
は、チャンバ内の温度および湿度の測定手段を有し、さ
らにその測定手段により得た温度および湿度と式［１−
１］　または式［１−２］　に基づいてレジストの回転
塗布条件を制御するための制御手段を有することを特徴
とする。制御するレジストの回転塗布条件としては、た
とえばレジスト塗布時の回転数、回転塗布時間、圧力、
ウェハ温度、レジスト温度、チャンバ内の排気量、空気
流量等をあげることができるが、制御が容易な点からレ
ジスト塗布時の回転数や回転塗布時間とすることが好ま
しい。

【００３５】図１はレジスト塗布時の回転数あるいは回
転塗布時間を制御するようにしたレジスト塗布装置の実
施例の概略構成図である。

【００３６】同図の装置においては、チャンバ内の雰囲
気調整手段は従来例と同様であり、チャンバ１の上方か
ら下方に向けて温度と湿度が制御された空気が供給され
るように、温湿度コントローラー２がダクト３およびエ
アフィルタ４を介して接続されており、チャンバ１の底
部にはレジスト溶液の飛沫やレジストの溶剤の蒸気など
を排気する排気ダクト５が設けられている。また、レジ
ストの回転塗布手段としては、ウェハ等の基板６を保持
するチャック７、チャック７を回転させるモータ８、基
板６の中央部上方からレジスト溶液９を吐出するレジス
ト容液供給管１０、レジスト塗布時の基板６の回転に伴
うレジスト溶液９の飛散を防止するカップ１１が設けら
れている。

【００３７】この装置には、この他チャンバ１内の雰囲
気温度Ｔを測定する温度計１２および雰囲気湿度Ｈを測
定する湿度計１３が設けられており、さらにこの温度計
１２および湿度計１３による測定値にに基づいてモータ
８の回転制御を行うモータ制御部１４が設けられている
。モータ制御部１４には、温度Ｔおよび湿度Ｈを式［１
−１］　または式［１−２］　に基づいてレジストの膜
厚ｈに変換する変換回路１４ａと、予め記憶された膜厚
と回転数あるいは膜厚と回転塗布時間との関係に基づき
レジストが所期の膜厚ｈ０　になるようにモータ８の回
転数および回転時間を制御する制御回路１４ｂが設けら
れている。

【００３８】このような同図の装置においては、レジス
トの塗布時には温度計１２および湿度計１３から温度Ｔ
および湿度Ｈの値が変換回路１４ａに入力され、変換回
路１４ａはそれらの値に基づいて温度Ｔおよび湿度Ｈに
おける膜厚ｈを予測し、その膜厚ｈの値を制御回路１４
ｂに入力する。制御回路１４ｂは膜厚の予測値ｈと所期
の膜厚ｈ０　との差から、予め記憶されている膜厚と回
転数あるいは膜厚と回転塗布時間との関係に基づいて所
期の膜厚ｈ０　を得るために必要なモータ８の回転数ま
たは回転時間を判断し、モータの回転数あるいは回転時
間を増減する。

【００３９】したがって、同図の装置によればチャンバ
１内の雰囲気温度Ｔあるいは湿度Ｈが変動した場合でも
常に所期のレジストの膜厚ｈ０　を正確に得ることが可
能となる。特に、モータの回転数あるいは回転時間を変
化させるとその変化は迅速にレジストの膜厚の変化とな
って現れるので、この装置のようにモータの回転数ある
いは回転時間によりレジストの膜厚を制御すると雰囲気
温度Ｔおよび湿度Ｈに基づくレジストの膜厚の制御を良
好に行うことが可能となる。

【００４０】図２は、図１と異なり、温度および湿度に
基づくレジストの回転塗布条件の制御を温湿度コントロ
ーラーの制御により行うようにした場合のこの発明の実
施例の概略構成図である。なお、同図において図１と同
一または同等の構成要素に同一符号が付してある。

【００４１】この図２の装置においては、チャンバ１内
の雰囲気調整手段自体は図１と同様に、ダクト３および
エアフィルタ４を介して接続された温湿度コントローラ
ー２と排気ダクト５からなり、基板６にレジスト溶液９
を回転塗布する手段もそれ自体は図１と同様にモータ８
やレジスト容液供給管１０などからなる。また、この装
置にもチャンバ１内の雰囲気温度Ｔを測定する温度計１
２および雰囲気湿度Ｈを測定する湿度計１３が設けられ
ている。

【００４２】ただし、この装置には温度Ｔおよび湿度Ｈ
の値に基づいて当該温度および湿度におけるレジストの
膜厚ｈを予測する変換回路１４ａは設けられておらず、
温度Ｔおよび湿度Ｈと式［１−１］　または式［１−２
］　に基づいて温湿度コントローラーを制御する温湿度
制御部１４ｃが設けられている。すなわち、図２の装置
において温湿度制御部１４ｃは、温度Ｔが変動した場合
、式［１−１］　または式［１−２］　から導かれる次
式

【００４３】

【数１８】 により、温度の変動によるレジストの膜厚の変動が湿度
の変動により打ち消されるように温湿度コントローラー
２に湿度制御をさせる。また同様に、湿度Ｈが変動した
場合、湿度の変動が打ち消されるように温湿度コントロ
ーラー２に温度制御をさせる。

【００４４】

【作用】この発明のレジスト塗布方法あるいはレジスト
塗布装置においては、温度および湿度とレジストの膜厚
との実際の関係に合致する式［１−１］　または式［１
−２］　に基づいてレジストの膜厚を制御するので、温
度あるいは湿度が変動してもレジストの膜厚の変動は変
動しないように高精度にレジストの塗布膜の厚さを制御
することができる。

【００４５】

【実施例】以下、この発明を実施例により具体的に説明
する。

【００４６】前述の図５で温度とレジストの膜厚との関
係を求めた場合、および図６で湿度とレジストの膜厚と
の関係を求めた場合と同様にして、温調コーターを備え
たレジストの回転塗布装置（クリーントラックＭａｒｋ
ＩＩ、東京エレクトロン製）を使用して、種々の温度お
よび湿度のもとでレジスト（ＴＳＭＲ−Ｖ３、東京応化
製）を回転塗布し、膜厚測定器（Ｔ−５０００、日立製
）で塗布したレジストの膜厚を測定した。その結果、温
度とレジストの膜厚の関係については図３に示すように
なり、また湿度とレジストの膜厚との関係については図
４に示すようになった。

【００４７】また、式［１−２］　による１／Ｔ対ｌｎ
ｈの直線の傾きは、

【００４８】

【数１９】 であるが、この直線の傾きの式の係数を、温度と湿度に
ついて異なる４条件で得た膜厚の測定値に基づいて求め
、１／Ｔ対ｌｎｈの直線の傾きの式として

【００４９】

【数２０】 を得た。そして、この式による直線を図３に書き入れた
。

【００５０】同様に、式［１−１］　によるｌｎ（１０
０−　Ｈ）／Ｈ対ｌｎｈの直線の傾きは次式

【００５１】

【数２１】 であるが、この式の係数も温度と湿度について異なる４
条件での膜厚の測定値に基づいて求めることにより、ｌ
ｎ（１００−　Ｈ）／Ｈ対ｌｎｈの直線の傾きの式とし
て

【００５２】

【数２２】 を得た。そして、この式による直線を図４に書き入れた
。

【００５３】この結果、実測値と理論式［１−１］　、
［１−２］　に基づく直線との誤差は最大１ｎｍに抑え
られ、図５および図６に比べて著しく小さくなり、この
式が温度および湿度とレジストの膜厚との実際の関係に
合致することが確認できた。

【００５４】

【発明の効果】この発明によれば、温度および湿度とレ
ジストの膜厚との実際の関係に合致する関係式に基づい
てレジストの膜厚を制御するので、温度や湿度が変動し
ても高精度に均一にレジストを塗布することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の実施例のレジスト塗布装置
の概略構成図である。

【図２】図２は、この発明の他の実施例のレジスト塗布
装置の概略構成図である。

【図３】図３は、この発明における温度とレジストの膜
厚の関係を表すグラフである。

【図４】図４は、この発明における湿度とレジストの膜
厚の関係を表すグラフである。

【図５】図５は、従来例における温度とレジストの膜厚
の関係を表すグラフである。

【図６】図６は、従来例における湿度とレジストの膜厚
の関係を表すグラフである。

【符号の説明】

１　　　　チャンバー ２　　　　温湿度コントローラー ６　　　　基板 ７　　　　チャック ８　　　　モータ ９　　　　レジスト溶液 １２　　　　温度計 １３　　　　湿度計 １４　　　　モータ制御部 １４ａ　　変換回路 １４ｂ　　制御回路 １４ｃ　　温湿度制御部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　チャンバ内で基板上にレジスト液を回
   転塗布するレジスト塗布方法において、チャンバ内の温
   度および湿度を測定し、次式［１−１］ 【数１】 または次式［１−２］ 【数２】 （式中、ｈはレジストの膜厚、Ｔは温度、Ｈは相対湿度
   、ｋ１４、ｋ１６、ｋ１７およびｋ１８はそれぞれ定数
   を表す）に基づいて基板上に塗布するレジストの膜厚を
   制御することを特徴とするレジスト塗布方法。
2. 【請求項２】　　請求項１記載のレジスト塗布方法を実
   施するレジスト塗布装置であって、チャンバ内の温度測
   定手段および湿度測定手段、およびその温度測定手段お
   よび湿度測定手段により測定した温度および湿度と式［
   １−１］　または式［１−２］　に基づいてレジストの
   回転塗布条件を制御する制御手段を有することを特徴と
   するレジスト塗布装置。
3. 【請求項３】　　回転塗布条件の制御手段が、回転塗布
   時の回転数および／または回転塗布時間を制御する請求
   項１記載のレジスト塗布装置。