JPH06103660B2 - スピン現像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体デバイス製造プロセスなどで用いられ
る半導体基板上のフォトレジストなどの薄膜を現像する
ためのスピン現像装置に関するもので、特に、フォトレ
ジストなどの薄膜が形成されたシリコンウエハなどの基
板をスピン回転させる機構として遊星回転機構を有する
スピン現像装置の構造に関するものである。

［従来の技術］ 半導体装置の製造工程において、所望パターンを形成す
るパターニング技術にはレジストなどの光感光性樹脂を
用いて露光・現像しパターンを形成するリソグラフィの
手法が用いられる。このリソグラフィ手法は、半導体基
板上にレジストを塗布し、所望のパターンが形成された
マスクを用いてレジスト膜を露光・現像し、半導体基板
上に所望のレジストパターンを形成するものである。こ
のレジスト膜の現像処理工程では、一般に遠心力を利用
して半導体基板表面に滴下した現像液やリンス液などを
全面に行き渡るスピン現像装置が用いられている。

第６図は、従来のスピン現像装置の一例を示す断面図で
ある。半導体基板１はチャック２の上面に載置され、チ
ャック２の内部に形成された吸着口３を通じて導入され
た真空によりチャック２上面に真空吸着して固定され
る。チャック２の下部には、中空部を有するスピンドル
４が結合されており、スピンドル４の他端はチャック２
を回転させるための回転モータに連結されている。ま
た、スピンドル４の中空部は、チャック２の吸着口３に
接続されており、さらに本スピン現像装置の外部に設け
られている真空源とつながり真空導入路を構成する。さ
らに、チャック２およびスピンドル４の周囲には、スピ
ン現像時に回転の遠心力により半導体基板１面から飛散
する現像液やリンス液などを受けるカップ５が取付けら
れている。このカップ５の底面には飛散により貯留した
現像液やリンス液などを排出するためのドレイン６が形
成されている。そして、チャック２の上方には現像液を
吐出する現像ノズル７、およびリンス液を吐出するリン
スノズル８が備えられている。

以上のように構成された従来のスピン現像装置において
は、通常、パターン露光済みのレジスト膜が形成された
半導体基板１がチャック２上に載置、固定され、その水
平面の中心を軸として回転し、半導体基板１上に現像ノ
ズル７から現像液がまたリンスノズル８からリンス液が
順次滴下されることによりレジスト膜の現像、リンス処
理がなされる。そして、引き続き高速でチャック２をス
ピン回転することにより半導体基板１の乾燥処理がシー
ケンシャルになされる。しかし、このようなスピン現像
装置では、装置１台につき１枚の半導体基板しか処理で
きないため、上述のような現像、リンス、乾燥といった
シーケンシャルなプロセスを実行する場合には、スルー
プットが低下する傾向にあった。

したがって、高いスループットで半導体基板を処理する
ためには上記のようなスピン現像装置を複数台用意する
必要があった。このためにコスト的にも装置の設備スペ
ースの点からも不都合な面が多かった。このような問題
点に対する改善策の１つとして、１台のスピン現像装置
で複数枚の半導体基板を同時に処理できるスピン現像装
置が考えられた。

第７図は、上記の観点から考案された従来のスピン現像
装置の一例を示す概略断面図である。以下、このスピン
現像装置の構成について２個のスピンヘッドを持つ場合
を例に取り説明する。

フォトレジスト膜が形成され、光あるいは電子線などの
放射線によりこのフォトレジスト膜上にパターン露光が
なされた２枚の半導体基板1a、1bはそれぞれ真空吸着式
のチャック2a、2b上に載置固定される。チャック2a、2b
内には吸着口3a、3bが設けられており、この吸着口3a、
3bの下部には中空部分を有する中空スピンドル4a、4bの
一端が結合されている。中空スピンドル4a、4bの他端は
封止されており、端部のやや上側の側面に開口部を形成
している。また、中空スピンドル4a、4bは軸受9a、9bを
介して遊星アーム10上に回転自在に結合されており、さ
らにシール11a、11bにより中空スピンドル4a、4b内の管
路と遊星アーム10内に設けられた管路28a、28bとが気密
を保持して接続されている。また、中空スピンドル4a、
4bにはそれぞれ遊星歯車12a、12bがその中間部に固着さ
れており、遊星歯車12a、12bの内側には太陽歯車13が、
また外側には内歯車14が噛み合っている。遊星アーム10
はその回転中心に中空部を有する円柱部分を有し、この
中空部を通して、一端を太陽歯車13の中心軸に固着され
たスピンドル15が回転自在に挿入される。スピンドル15
の他端には第１のモータ16が直結され、これによりスピ
ンドル15は回転駆動される。遊星アーム10はその下端部
に歯車17が固着され、歯車17と噛み合う歯車18に直結す
る第２のモータ19により回転駆動される。また内歯車14
が固定された外周アーム20は、その中心に中空円柱状の
部分を有し、その中空部に遊星アーム10の円柱部が回転
自在に挿入される。また、外周アーム20の下端部には歯
車21が固着され、この歯車21に噛み合う歯車22に直結す
る第３のモータ23によって回転駆動される。遊星アーム
10の円柱部外周側にはシール11cを介して内部に管路24
を有するリング状のカップリング25が接続され、外部の
真空源と配管26により接続される。配管26の途中には電
磁弁27が配置されており、この電磁弁27の開閉によって
外部の真空源の真空の導入を開閉する。

なお、本図中では説明を簡単にするためにカップおよび
ドレインの記載は省略した。

次に動作について説明する。２個のスピンヘッドすなわ
ちチャック2a、2b上に載置された半導体基板1a、1bは、
電磁弁27を開くことにより配管26、管路24、管路28aま
たは28b、中空スピンドル4aまたは4b、吸着口3aまたは3
bと順に経路を追って導入された真空により、チャック2
a、2b上に同時に真空吸着される。次いで、３個のモー
タ16、19、23の各々の回転動作（回転方向、回転数）を
制御することにより、スピンドル4a、4bすなわち半導体
基板1a、1bの回転動作（太陽軸15まわりの公転、遊星軸
4a、4bまわりの自転および両者の混合である遊星回転）
が制御される。ここで、回転動作の制御について説明す
る。以下では仮に装置の上面から見て時計回りの回転を
正転、反時計回りの回転を負の回転としてそれぞれ＋ま
たは−の符号を付けて表わすものとする。今たとえば太
陽歯車13、遊星歯車12a、12bおよび内歯車14の歯車をそ
れぞれＡ、Ｂ、およびＣとすると、太陽歯車13の回転数
が＋Nrpm、内歯車14の回転数が−Ｎ・A/Crpmとなるよう
に第１のモータ16および第３のモータ23の回転数を制御
し、第２のモータ19がOrpmの回転数となるように制御す
ると、遊星歯車12a、12bすなわち半導体基板1a、1bはそ
れぞれの遊星軸4a、4bまわりに−Ｎ・A/Brpmの回転数で
自転し太陽軸15まわりには公転しない。このような回転
状態のときに太陽歯車13および内歯車14から与えられる
回転数を適当に選び現像ノズル7a、7bから現像液を、続
いてリンスノズル8a、8bからリンス液を順次半導体基板
1a、1b上に滴下することにより２枚の半導体基板が２カ
所のスピンヘッド上で同時に処理される。そして、引き
続き比較的高い回転数で半導体基板1a、1bを回転させる
ことにより乾燥させ、現像、リンス、乾燥というシーケ
ンシャルなプロセスを２枚の基板に対して同時に実行す
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来のスピン現像装置は以上のように構成されているの
で、スピンヘッドの個数に対応した複数枚の半導体基板
を同時に処理することができる。しかし一方で、すべて
のスピンヘッドでの回転運動が同期しており、かつ同一
であるため複数のスピンヘッド上の半導体基板に対する
処理はすべて同一に行なわれる必要があった。ところ
が、このスピン現像工程の後工程であるベーク処理のた
めのホットプレート式オーブンなどと組合わせた形のス
ピン現像装置を構成した場合、現像処理は複数のスピン
ヘッド数分だけの半導体基板を同時に処理可能であるの
に対し、ホットプレート式オーブンでは１オーブンあた
り１枚の半導体基板の処理しかできない。このために、
基板処理を連続的に行なうためにはスピンヘッド数に対
応した数のオーブンを用意することが必要となり、装置
構成上のスペースおよびコストにおいて問題があった。

また、逆にホットプレート式オーブンでの基板１枚あた
りのベーク処理に要する時間が、スピン現像装置での一
連の現像、リンス、乾燥処理に要する時間よりもずっと
短い場合などにおいては、スピン現像装置で基板を処理
中にオーブンでのベーク処理が空きとなる時間が多くな
り、装置全体としての処理効率が悪くなるという問題点
があった。

また、さらに現像ノズルやリンスノズルはスピンヘッド
数に対応した本数を配置する必要があり、そのための配
管の設置などによって装置が複雑になるといった問題点
も有していた。

したがって、本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、複数枚の基板を順次現像、リン
ス、乾燥処理することができるとともに、後に続くベー
ク工程へは１枚単位で半導体基板を送ることができ、オ
ーブンでの処理の空き時間を短縮し、かつ複数の同一処
理目的の現像ノズルやリンスノズルなどの配置を簡素化
することができる処理効率の高いスピン現像装置を提供
することを目的としている。

［問題点を解決するための手段］ 本発明におけるスピン現像装置は、複数個の半導体基板
をそれぞれの上に載置した状態で真空吸着して固定する
複数個の基板回転支持体と、自転する第１の回転体と、
基板回転支持体を同軸上に有し第１の回転体と外接する
複数の第２の回転体と、この第２の回転体と内接し自転
運動する第３の回転体とを含む遊星回転運動機構とを備
え、半導体基板上に滴下された処理液を均一に塗布し、
または乾燥させるものである。そして、複数の第２の回
転体の各々には、第２の回転体を第１の回転体から離れ
る位置にまで回転軸方向に移動させるための移動手段が
設けられる。

［作用］ 本発明におけるスピン現像装置は、複数個の半導体基板
を回転支持する複数個の基板回転支持体を備えている。
そして、この複数個の基板回転支持体は、各々が基板回
転支持体を遊星回転運動させる遊星回転運動機構と任意
に接続あるいは切り離すことが可能な構造となってい
る。そして、遊星回転運動機構から切り離された基板回
転支持体は回転運動を停止し静止する。したがって、こ
の状態では半導体基板の搬入、搬出処理、あるいは半導
体基板上への現像液あるいはリンス液などの処理液の滴
下処理を行なうことができる。このように、各々の基板
回転支持体上に載置された半導体基板は、互いに他の基
板処理状態に関係なく独立した基板処理工程を行なうこ
とができる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図を用いて説明する。第１図
は、本発明による一実施例のスピン現像装置の断面図を
示している。第１図において、第７図に示した符号と同
一のものは従来の装置と同一の部分を示しており、その
説明は［従来の技術］の項を参照することとしてここで
はその説明を省略する。

第１図において、中空スピンドル29a、29bはチャック2
a、2bにその一端が接続されており、その中間部には軸
方向に延びたスプライン部と、圧縮ばね30a、30bを支持
するための段差部とが設けられており、さらにその内部
は中空部分が形成されている。遊星歯車12a、12bはその
上面を圧縮ばね30a、30bに押えられ、その下面を軸受31
a、31bを介して遊星歯車移動ユニット32a、32bにより支
持されている。そして、その軸挿入部の内面には中空ス
ピンドル29a、29bのスプライン部と噛み合うスプライン
溝が形成されている。遊星歯車移動ユニット32a、32bは
遊星アーム10上にその下部が埋込まれた形で固定されて
おり、その駆動用の空気圧は、遊星アーム10内に設けら
れた管路33a、33bにより導入される。管路33a、33bは遊
星アーム10の下端面で開口しており、シール34により個
別に気密を保った状態でカップリング35内に形成された
管路35a、35bに接続されている。管路35a、35bはカップ
リング35に接続された配管36a、36bにより外部の空気圧
源と接続されている。そして、配管36a、36bの途中には
電磁弁37a、37bが配置されている。また、遊星アーム10
の中空円柱部外周にはシール11を介してドーナッツ状の
カップリング25が配置されており、真空を導入するため
の管路28a、28bは気密を保った状態でカップリング25内
の管路24a、24bと接続される。管路24a、24bはその中間
に電磁弁27a、27bを有する配管26a、26bにより外部の真
空源と接続される。また、チャック2aの上方には現像ノ
ズル７、チャック2bの上方にはリンスノズル８が設置さ
れている。

なお、第１図ではスピンヘッドが２個の場合の実施例に
ついて示しており、カップおよびドレインの記載は省略
している。

また、第２図は、第１図に示した一実施例のスピン現像
装置の遊星歯車移動ユニット32b近傍の拡大図である。
ユニット本体は空気圧駆動のシリンダ38bと、シリンダ3
8bの内壁に沿って移動するピストン39と、シリンダ38b
内へ空気圧を導入するためのポート40bとから構成され
ている。そしてポート40bは遊星アーム10内の管路33bと
接続されている。また、ピストン39の先にはプッシュロ
ッド41が結合されている。プッシュロッド41の先端は遊
星歯車12bの軸受31bに接続されており、プッシュロッド
41は動作時にはこの軸受31bおよび遊星歯車12bを中空ス
ピンドル29bに沿って上方へ押し上げる。前述したよう
に、中空スピンドル29にはスプライン部42bが形成され
ており、遊星歯車12bに形成されたスプライン溝がこれ
に噛み合っている。したがって遊星歯車12bはこのスプ
ライン部42bをガイドとして上下方向に移動可能となっ
ている。

次に、本実施例のスピン現像装置の動作について説明す
る。第２図は遊星歯車12bと太陽歯車13、内歯車14とが
互いに噛み合った状態を示しており、この状態では従来
のスピン現像装置と同様に半導体基板1bはモータ16、1
9、23の回転に従って自転しながらかつスピンドル15を
中心として公転する遊星回転運動を行なう。今、電磁弁
37bを操作し（第１図参照）、空気圧源と配管36bを接続
すると、管路35b、管路33bを経由して空気圧がポート40
bへ導入され、これによりピストン39ならびにプッシュ
ロッド41がシリンダ38b内を上昇し軸受31bを介して遊星
歯車12bを上方に押し上げる。この際、圧縮ばね30bは圧
縮され、スプライン42bに沿って遊星歯車12bは上方に移
動する。第３図は、移動後の状態を示す断面図であり、
この状態では遊星歯車12bには自転のための回転動力が
伝達されず自転運動が停止することになる。逆に、電磁
弁37bを操作することによりシリンダ38b内の圧力を大気
に開放すると、ピストン39およびプッシュロッド41は圧
縮ばね30bの圧縮力により遊星歯車12bとともに下降す
る。これにより、遊星歯車12bは第２図に示したような
もとの噛み合い状態に戻る。

遊星歯車移動ユニット32bが上記のように動作する場
合、このような動作がスピン現像装置においてどのよう
な効果、作用をもたらすかについて第４図および第５図
を用いて以下に説明する。

第４図は、スピンヘッドを４個有する本発明に係るスピ
ン現像装置の一実施例の平面図である。本図において４
個のスピンヘッドが示された位置を説明の便宜上仮に反
時計回りに各々位置100a、100b、100cおよび100dと称
す。すなわち、現像ノズル７の直下の基板1aの位置は位
置100aであり、第１リンスノズル43の直下の位置は位置
100bであり、第２リンスノズル44の直下の位置は位置10
0cであり、スピンドル15を挾んで位置100bと対向する位
置が位置100dである。

第４図で示した実施例のスピン現像装置においては、４
個のスピンヘッドのそれぞれに対して遊星歯車移動ユニ
ット32a、32b、32c、32dが装置されているものとする。
そして、太陽歯車13、遊星アーム10、外周アーム20の回
転を制御し、遊星歯車12a、12b、12c、12dが自転のみを
し、公転しないようにした状態で、たとえば位置100dに
ある遊星歯車移動ユニット32dのみを操作し遊星歯車12d
を噛み合いから外した場合、基板1dは回転せず静止す
る。一方、位置100a、100b、100cにある基板1a、1b、1c
はそれぞれに対応した遊星歯車12a、12b、12cが噛み合
い状態にあるためすべて同一回転数で回転する。このと
きの回転状態を第5A図に模式的に示す。この状態のとき
に各ノズル７、43、44からそれぞれ現像液、第１リンス
液、第２リンス液を吐出すると、位置100a、100b、100c
にある基板1a、1b、1cはそれぞれ現像処理、第１リンス
処理、第２リンス処理が基板の回転運動とともになされ
ることになる。

また、この状態のときには位置100dの基板1dは静止状態
にある。そして、基板1dをチャック2d上に真空吸着する
ための真空導入路は、他のチャックに対して独立して動
作するように設けられている。したがってチャック2dの
真空吸着を解除することにより基板1dを外部へ搬出し新
しい基板を搬入することもできる。

このような装置内への基板の搬入、搬出は１つの位置に
限られるものでなく、例えば第5B図に示すように位置10
0a、100dの２カ所で同時に行なうこともできる。この場
合、第5A図の場合と同様に位置100a、100dに対応する遊
星歯車移動ユニット32a、32dを操作し、基板1a、1dの回
転を停止させればよい。

次に、別の回転状態を第5C図を用いて説明する。ここで
は、位置100a、100b、100cの基板1a、1b、1cは静止して
おり、位置100dの基板1dのみが回転運動している。この
状態で、ノズル７、43、44よりそれぞれの処理液を適当
量基板1a、1b、1c上に滴下しておくと、基板上には表面
張力により静止状態で処理液が保たれる。このようにす
ると、いわゆるディップ処理と同様の効果を得ることが
でき、スプレー方式ほどの液量を必要とせずに処理が可
能である。またこのとき回転状態にある基板1dではスピ
ン乾燥処理がなされることになる。

以上説明したように、遊星歯車移動ユニット32a、32b、
32c、32dを適当に操作することにより、複数の基板の回
転および静止状態を自在に制御することができる。

ここで装置全体として見た場合の基板の処理方式の一例
を説明する。

今、第5A図の状態で処理がなされているとすると、或る
所定時間の処理の後、遊星アーム10を反時計回りに90°
回転させると、基板1aは位置100bに、基板1bは位置100c
に順次移動する。そして、同時に位置100dの基板1dを外
部へ搬出し新しい基板を搬入しておけば、第5C図に示す
ような状態となり、新たな基板が位置100aへ移動され
る。このような動作を順次行なえば、例えば位置100dで
新たに搬入された基板については位置100aへ移動されス
ピン現像処理の後、位置100bで第１リンス処理、次いで
位置100cで第２リンス処理、次いで位置100dでスピン乾
燥の後外部へ搬出される。このように、個々の基板に対
しては一連の処理がシーケンシャルに、かつ４個のスピ
ンヘッドで並行してなされることになる。

このように、本発明におけるスピン現像装置では、複数
の半導体基板の回転運動を各々独立に制御することがで
きるので、本装置における複数工程の処理を種々の組合
わせで行なうことができ、本装置と一連の処理工程を行
なう他の装置との整合性が各段に向上する。

なお、上記実施例ではスピンヘッドの数が４個の場合を
用いて説明したが、装置の大きさの制約が許せば何個で
あっても構わない。

また、本実施例では遊星歯車ユニットのシリンダを駆動
させる手段として空気圧を利用したが、油圧などを利用
しても構わない。

さらに、上記実施例では遊星回転の機構として歯車を用
いたが、摩擦伝動方式などであっもてよく、ベルトある
いは歯付ベルトで駆動する方式のものであってもよい。

また、上記実施例では、現像ノズル、第１リンスノズ
ル、第２リンスノズルがそれぞれ１本で、設置される場
所が各々異なっていたが、各ノズルは複数であってもよ
く、装置内のどの位置に配置してもよい。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によればスピン現像装置におい
て、遊星回転運動機構と、任意の基板回転支持体とを接
続および切り離し可能な構成としたので、基板回転支持
体の位置により基板に対してなす処理を個々に分離する
ことができ、また装置内への基板の搬入搬出動作も１枚
単位でしかも他の基板回転支持体での処理に影響を及ぼ
すことなく実施することができる。したがって、後処理
工程の装置などとの接続効率が高く、かつそれらの装置
の設置台数に影響を及ぼさず、また現像ノズルやリンス
ノズルおよびこれらの配管などの周辺機器の構造を簡素
化できるスピン現像装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明におけるスピン現像装置の一実施例を示
す断面構造図である。そして第２図は第１図のスピン現
像装置の遊星歯車移動ユニット部分の拡大断面図であ
り、第３図は第２図に示した遊星歯車移動ユニットの作
動状態における断面構造図である。さらに第４図は本発
明におけるスピン現像装置の第２の実施例を示す平面図
である。そして、第5A図、第5B図、第5C図は、各々本ス
ピン現像装置の処理工程の例を示す平面模式図である。 第６図は従来のスピン現像装置の一例を示す断面構造図
であり、第７図は、従来のスピン現像装置の他の例を示
す断面構造図である。 図において、2a、2bはチャック、4a、4bは中空スピンド
ル、10は遊星アーム、12a、12bは遊星歯車、13は太陽歯
車、14は内歯車、20は外周アーム、30a、30bは圧縮ば
ね、32a、32bは遊星歯車移動ユニットを示している。 図中、同一符号は同一または相当する部分を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数個の半導体基板をそれぞれその上に載
   置した状態で真空吸着して固定する複数個の基板回転支
   持体と、 自転する第１の回転体と、前記基板回転支持体を同軸上
   に有し前記第１の回転体と外接する複数の第２の回転体
   と、前記第２の回転体と内接し自転運動する第３の回転
   体とを含む遊星回転運動機構とを備え、 前記半導体基板上に滴下された処理液を均一に塗布し、
   または乾燥させるスピン現像装置において、 前記複数の第２の回転体の各々には、前記第２の回転体
   を前記第１の回転体から離れる位置にまで回転軸方向に
   移動させるための移動手段が設けられる、スピン現像装
   置。
2. 【請求項２】前記遊星回転運動機構の第１の回転体が太
   陽歯車であり、前記第２の回転体が遊星歯車であり、前
   記第３の回転体が内歯車である、特許請求の範囲第１項
   記載のスピン現像装置。
3. 【請求項３】前記移動手段は、前記第２の回転体をその
   回転軸方向に移動させるための空気圧シリンダを含む、
   特許請求の範囲第１項記載のスピン現像装置。
4. 【請求項４】前記移動手段は、前記第２の回転体を前記
   空気圧シリンダの作動方向と反対方向に付勢するばね体
   を含む、特許請求の範囲第３項記載のスピン現像装置。
5. 【請求項５】前記基板回転支持体に前記半導体基板を真
   空吸着する真空吸着手段が、各々の前記基板回転支持体
   に対して独立して動作するように設けられている、特許
   請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載のスピ
   ン現像装置。