JPH10284360A

JPH10284360A - 基板温度制御装置及び方法

Info

Publication number: JPH10284360A
Application number: JP9083920A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Sugaya; 昌和菅谷; Fumio Murai; 二三夫村井; Yutaka Kaneko; 金子　　豊; Masabumi Kanetomo; 正文金友; Shigeki Hirasawa; 茂樹平澤; Tomoji Watanabe; 智司渡邊; Tatsuharu Yamamoto; 立春山本; Katsuhiro Kuroda; 勝廣黒田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-04-02
Filing date: 1997-04-02
Publication date: 1998-10-23
Also published as: US20020113056A1; KR100519613B1; US6518548B2; KR19980080844A; TW376543B; US6394797B1

Abstract

(57)【要約】【課題】基板の温度を均一化し、かつ、昇温（降温）時
間を短縮することができる新規な基板温度制御装置を提
供すること。【解決手段】同一平面をなす複数の突起部を表面に配置
した基板温度設定のための温度制御体（加熱体又は冷却
体）と、基板を温度制御体の方向に吸着することによっ
て当該基板を突起部上に固定する吸着機構とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板を加熱又は冷
却する技術に関し、特に半導体装置等製造のリソグラフ
ィ工程に適用して好適な基板温度制御装置及び方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造工程には、基板を加熱
及び冷却する工程が含まれ、特にリソグラフィ工程で
は、数回の加熱が行なわれる。基板を加熱する装置の例
として、加熱体に真空吸引機構を設け、基板を加熱体に
密着させる塗布装置がある（例えば特開昭６２−５３７
７３号公報参照）。また、基板を加熱体から僅かに浮か
して加熱するプロキシミティ方式を採用した装置の例も
多くあり（工業調査会発行「電子材料」誌１９９４年別
冊、第７７頁〜第８３頁参照）、例えば、図１３に示す
レジストベーク用半導体ウェハ加熱装置がある。同装置
は、基板（半導体ウェハ）にレジストを塗布した後の工
程で使用するもので、同図は装置の概念図を示してい
る。図中、１は、レジストが塗布された半導体ウェハで
あり、ウェハ１は、リフトピン８及びこれを上下動させ
るアクチュエータ９により構成される昇降機構上に搬送
されたのち、加熱体５１表面に配置された小さなブロッ
ク５２の上に搭載される。加熱体５１は、内部にヒータ
エレメント４が配置されており、熱電対６及び温調器７
からなる温度制御部によって所定の温度に保持される。
ウェハ１は、ブロック５２によって加熱体５１から０．
１ｍｍ程度浮いて設置される。

【０００３】上記の加熱装置が化学増幅型レジストに対
する描画後のポストエクスポージャベーク（以下「ＰＥ
Ｂ」という）処理を対象として使用される場合、露光部
分のレジストが温度に極めて敏感に反応するため、温度
ばらつきは、±０．８℃程度に抑えられ、更にプロキシ
ミティ方式に基板上部の気流を制御することを加えた方
式では、±０．３℃程度に抑えられる。

【０００４】しかしながら、近年、半導体装置の高集積
化に伴い、ＰＥＢ処理の温度ばらつきは、更に厳しい値
が要求されるようになってきており、従来の加熱装置で
は、このような要求に応えられないという問題が発生し
ている。また、ウェハは、大口径化が進んでおり、温度
ばらつきの抑圧が一層困難になっている。

【０００５】更に、ウェハの大口径化は、熱容量の増大
を招き、そのため所望の温度に達するのに時間が掛か
る、即ち昇温時間が増加するという新たな問題を引き起
こしている。８インチサイズのウェハを目標温度である
６０℃〜１５０℃まで昇温させるのに約６０秒の時間を
要している。昇温時間の増加は、製造工程のスループッ
ト（製造能率）を劣化させる。

【０００６】

【本発明が解決しようとする課題】加熱体から基板への
熱伝達は、基板の加熱体からの浮上距離が前記のように
微小である場合、気体の対流による熱伝達が無視され、
フーリエの法則に従う気体の熱伝導が支配的になる。そ
のような熱伝導による場合には、後述するように、基板
と加熱体の温度差が浮上距離に比例する。従って、基板
の局部的な浮上距離のばらつきが、基板に温度ばらつき
を与えることになる。

【０００７】浮上距離のばらつきは、主に基板の変形に
よって発生する。半導体ウェハの変形は、様々なプロセ
スを経ることで増大し、その形状は、複雑で予測不可能
なものである。また、変形は、ウェハの大口径化に伴っ
て拡大することが避けられない。そのため、変形を矯正
して基板を平坦化することが考えられる。

【０００８】前記公報に示されている基板を加熱体に密
着させる方法は、基板の変形を矯正する一つの方法であ
るが、基板の裏面及び加熱体の表面に被着する異物の影
響が避けられず、常に安定にばらつきを抑えることが困
難である。

【０００９】以上では、加熱装置に絞って説明したが、
冷却装置の場合も、加熱体が冷却体に代わることによっ
て熱の伝達方向が反対になるだけであり、問題点及び課
題は同じである。以下、加熱と冷却を総括して「温度制
御」ということとする。

【００１０】本発明の目的は、従来技術の前記問題点を
解決し、基板の温度を均一化し、かつ、昇温（降温）時
間を短縮することができる新規な基板温度制御装置を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の前記課題は、同
一平面をなす突起部を表面に配置した温度制御体（加熱
体又は冷却体）と、基板を温度制御体の方向に加圧する
ことによって当該基板を突起部上に固定する基板圧着機
構とを設けることによって効果的に解決することができ
る。

【００１２】突起部を設けることによって基板と温度制
御体の間には、突起部が接している接触部を介しての熱
伝達と気体層となっている非接触部を介しての熱伝達と
が形成されるが、気体に比べて突起部の熱伝導が非常に
大きいので突起部を介しての熱伝達が支配的になる。従
って、接触部の熱伝達を基板の全面に亘って均一化する
ことによって基板温度を均一化することができる。ま
た、熱伝達の効率が従来の気体層を介する場合に比べて
著しく高まるので、昇温（降温）時間を短縮することが
できる。また、基板の浮上距離は、同一平面をなす突起
部によって規制されるために揃うので、基板は、その変
形が矯正されて平坦になる。

【００１３】尤も、突起部を用いて基板を固定する提案
は、特開昭６２−４５３７８号公報によって公開されて
いて公知である。しかし、同公報による装置は、単なる
塗布装置であり、回転台の真空用溝から基板を離し、溝
を有する回転台に密着した場合に発生する基板の温度む
らを抑えることを目的としている。そのため、温度制御
体からの温度伝達を利用しの基板の加熱（冷却）につい
ては一切言及しておらず、加熱（冷却）する基板の温度
ばらつきを抑えることは不可能である。

【００１４】なお、本発明において、接触部の面積が広
いほど熱伝達の効率は高まるが、接触部において基板の
裏面及び加熱体の表面に被着する異物の影響が表われ、
温度ばらつきを招く確率が高くなる。接触部面積の裏面
全体面積に占める割合の望ましい上限は、実験の結果６
０％程度であることが判明している。一方、接触部面積
を減らすと、熱伝達の効率が低下し、昇温（降温）時間
の増加を招く。接触部面積の裏面全体面積に占める割合
の望ましい下限は、実験の結果０．５％程度であること
が判明している。この割合でも、接触部を介しての熱伝
達は、非接触部を介しての熱伝達よりも高い。特に好ま
しい範囲は、実験の結果、２０％〜５０％であった。

【００１５】基板と温度制御体の間の接触部を介しての
熱伝達は、接触熱抵抗によって行なわれる。そのときの
両者の間で交換される熱量Ｑは、接触面積をＳ_C、接触
熱抵抗をＲ_Cとすると、式（１）で表わすことができ
る。

【００１６】

【数１】Ｑ＝Ｓ_CΔＴ／Ｒ_C ・・・・・・・・・・・・・・・・（１）ここで、基板と温度制御体との間の温度差が場所に関わ
らず一様であるとすれば、基板と温度制御体で交換され
る単位面積当たりの熱量は、接触熱抵抗Ｒ_Cに反比例
し、そのばらつきに依存する。一般に良く知られる接触
熱抵抗Ｒ_Cを算出する式としては、基板と温度制御体の
それぞれの接触面の粗さをδ₁，δ₂、それぞれの熱伝導
率をλ₁，λ₂、接触圧力をＰ、接触部の熱抵抗をＲ_O、
ブリネル硬さをＨ、接触面に介在する気体の熱伝導率を
λ_fとするとき、式（２）で表わすことができる。

【００１７】

【数２】

【００１８】接触面の粗さδ₁，δ₂、熱伝導率λ₁，
λ₂，λ_f、ブリネル硬さＨは、物質固有の値であり、ま
た、接触部の熱抵抗Ｒ_Oは、経験的に求められている。
このため、接触熱抵抗Ｒ_Cは、接触圧力Ｐにより決定さ
れる。従って、吸着圧力Ｐを一定に管理することが望ま
しく、そのようにすることにより、圧力変動に伴う基板
裏面と加熱体表面の接触状態の変動を低減させ、一定の
接触熱抵抗を保持することができる。この一定の接触熱
抵抗によって接触部の熱伝達が基板の全面に亘って均一
化され、基板温度が均一になる。

【００１９】さて、接触部を詳細に見ると、突起部と基
板裏面の接触面は、面粗さを形成する無数の微小の突起
とこれら突起間を埋める微細な気体空間とからなってお
り、接触熱抵抗を形成している。このことが、式（２）
のλ_fを含む項に示されている。基板の温度制御体の方
向への加圧を例えば真空吸着で行なう場合は、気体空間
の圧力を下げることになるが、圧力が１０Ｔorr程度以
上であれば、気体の熱伝導率λ_fは、常圧のそれとほぼ
等しく、接触熱抵抗の変化が少ない。しかし、上記程度
以下になると、気体の熱伝導率が下がり、接触熱抵抗が
増大して、熱伝達効率が低下する。

【００２０】なお、前記したように気体層による非接触
部の熱伝達は、相対的に僅かであるが、ここでその熱量
関係について説明する。基板の浮上距離（本発明では、
突起部の高さと等しい）と温度制御体の間の気体による
熱伝達は、対流によるものと熱伝導によるものとがあ
る。浮上距離が微小である場合、対流は無視され、主に
熱伝導によって熱伝達が行なわれる。気体の熱伝導率を
λ、突起部が接触していない基板の非接触部の面積を
Ｓ、基板と温度制御体との間の温度差をΔＴ、浮上距離
をｈとすると、非接触部の気体の熱伝導により基板と熱
制御体の間で交換される熱量Ｑ_Aは、フーリエの法則に
従って式（３）で表わすことができる。

【００２１】

【数３】Ｑ_A＝λＳΔＴ／ｈ・・・・・・・・・・・・・（３）これから、温度差をΔＴは、式（４）になる。

【００２２】

【数４】 ΔＴ＝ｈＱ／λＳ・・・・・・・・・・・・・・・（４）式（３）から、浮上距離ｈが小さい程、同じ温度差ΔＴ
に対して熱量Ｑ_Aが少ない。また、式（４）は、基板の
面の局所にも成立するから、浮上距離ｈのばらつきが温
度差ΔＴのばらつきになることが示される。本発明にお
いては、浮上距離ｈが同一平面をなす突起部によって規
制されるため揃うので、気体の熱伝導に基づく温度ばら
つきを抑えることができる。

【００２３】前記したように突起部を経ての熱伝導が支
配的になるため、従来のような気体層を経ての熱伝導が
主となる場合に比べて突起部の高さに与える制限が大幅
に緩和される。しかし、真空吸着の場合、１ｍｍを越え
ると吸引される気体の流れに乱れが生じ易くなり、ま
た、１μｍ以下になると密着の場合に問題になった付着
異物の影響が出易くなる。従って、突起部の高さの好ま
しい範囲は、１ｍｍ〜１μｍと設定される。

【００２４】更に、基板を温度制御体の方向に加圧して
固定する圧着機構は、特に制限は無いが、例えば真空吸
着又は静電吸着による機構を採用することができる。真
空吸着機構を採用する場合は、温度制御体の面に、複数
の突起部の他、これらを囲む周辺部が設置されるととも
に、真空吸引孔が設けられる。周辺部は、突起部と同一
の平面をなし、周辺部外側の空気を周辺部内側の空間に
流入させない真空封じ（真空シール）となるものであ
る。これらの突起部及び周辺部と基板に囲まれてできる
空間を真空吸引孔を用いて負圧に吸引することで半導体
ウェハは、温度制御体表面に等距離で固定される。

【００２５】また、静電吸着機構を採用する場合は、温
度制御体を絶縁体で形成して絶縁体の中に電極を埋め込
み、基板と当該電極の間に静電圧を印加する機構が設け
られる。

【００２６】いずれの場合も、形成される圧力が前記接
触圧力となるので、所定の値に一定に保たれるよう空間
の圧力を制御することが望ましい。真空吸着の場合、圧
力の下限を前記１０Ｔorrとし、接触抵抗の形成及び基
板の平坦化の観点から上限を７００Ｔorrとすることに
より好ましい結果が得られることが判明した。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る基板温度制御
装置及び方法の実施の形態を図面に示した幾つかの実施
例を用いて更に詳細に説明する。なお、図面に示した同
一の記号は、同一物又は類似物を表示するものとする。

【００２８】

【実施例】

＜実施例１＞本発明をレジストベーク用半導体ウェハ加
熱装置に適用した実施例を図１に示す。同図において、
２は、真空配管３とヒータエレメント４を内部に配置し
た加熱体、２ａは、加熱体２の表面に設けた同一平面を
なす複数の突起部、２ｂは、突起部２ａを包含し、か
つ、真空シールとなる周辺部を示す。

【００２９】真空配管３の先は、加熱体２の面に設けた
複数の吸引孔（図示せず）につながっている。真空配管
３には圧力調整弁５が取り付けられており、圧力調整弁
５によりウェハ１を吸着する圧力が所望の値に保たれ
る。また、ヒータエレメント４の発熱量は、加熱体２に
埋め込まれた熱電対６と温調器７により制御され、加熱
体２を所定の温度に保つように調整される。

【００３０】更に図１において、１０は、加熱体２を支
持する支柱、１１は、加熱体２の熱が支柱１０に伝わら
ないように設けた断熱材、１２は、支柱１０を固定し、
加熱体２の台となるベースであり、加熱体２は、断熱材
１１、支柱１０を介してベース１２に固定される。１３
は、ベース１２に固定されたチャンバで、チャンバ１３
の中に基板１、加熱体２等が納められている。チャンバ
１３には、外乱の影響を極力小さくするためのヒータ１
４が取り付けられており、ヒータ１４の発熱量は、チャ
ンバ１３に取り付けられた熱電対１５と温調器１６によ
り、チャンバ１３の温度が定められた値になるように調
整される。

【００３１】次に、加熱体２の構造の概要を図２に示
す。突起部２ａは、接触部がウェハ１裏面に一様に分布
するように配置されている。従って、負圧に吸引される
部分も同様に一様に分布するので、ウェハ１が変形を有
する場合、変形を精度良く矯正することができ、均一な
接触を得ることができる。従って、圧力を圧力調整弁５
を用いて一定に保持することで接触熱抵抗Ｒ_Cをウェハ
１面内で均一に保つことが可能となる。その結果、各突
起部から伝達される熱量が均一になり、ウェハ１面内の
温度分布を均一にすることができる。また、接触部を一
様に分布させることによって温度分布を均一化する効果
を高めることができる。

【００３２】更に、当然のことながら、ウェハ１の温度
分布を均一にするためには加熱体２自体の温度分布を均
一にする必要がある。そのため、加熱体２として熱伝導
性に優れた材料を用いることが有効となる。但し、アル
ミニウム、銅等の金属を用いる場合には金属汚染を防止
する必要がある。そこで、本実施例では、四弗化エチレ
ン樹脂をコーティングしたアルミニウムを用いた。

【００３３】図３に本実施例で得られたウェハ１の昇温
特性を示す。図中のＡは、本実施例の装置を用いて得ら
れた昇温線、Ｂは、比較のために示した従来のプロキシ
ミティ方式による装置の一般的な昇温線である。Ｔw
は、目標温度であり、加熱体２の温度を示す。本実施例
の装置を用いる場合、ウェハ１は、時間０にリフトピン
８の上に載せられ、時間ｔ1で加熱体２上に吸着固定さ
れる。その後、ウェハ１は、時間ｔ2で目標温度Ｔwの９
９％に昇温する。時間ｔ1からｔ2までの所要時間がウェ
ハ１の昇温時間に当たる。

【００３４】この昇温時間は、ウェハ１の裏面の突起部
２ａへの接触面積率により決定される。本実施例では、
接触面積率を４４％として上記の昇温時間を１５秒にす
ることができた。なお、本発明では、接触面積率を目標
温度Ｔw及び昇温時間の要求に対して設定することでこ
れらを任意に定めることが可能である。

【００３５】一方、プロキシミティ方式を用いる場合、
ウェハ１は、時間０にて装置内に搬送され、時間ｔ1に
所定の位置に設置される。その後、ウェハ１は、時間ｔ
3で目標温度Ｔwから数℃低い温度Ｔpに到達し飽和す
る。このとき要する昇温時間、即ちｔ1からｔ3までの時
間は、通常６０秒程度である。このように、本発明の加
熱方式では従来に比べて昇温時間を大幅に短縮すること
ができ、プロセス時間の短縮が可能となる。従って、ス
ループットを向上することができる。

【００３６】＜実施例２＞複数の外周部を設けた実施例
を図４に示す。図中、２cは、突起部２ａを包含する複
数の外周部である。加熱対２とウェハ１により囲まれる
空間の圧力を小さくすると、外周部２ａ（図２参照）か
ら僅かながら空気が漏れて前記空間に流入することが避
けられない。空気流入は、ウェハ１周辺部の温度を下げ
る原因になる。このため、半導体ウェハの温度分布は中
心部が高く、周辺部が低くなる。この問題を解決するた
めに、同一平面をなす複数の突起部を包含する外周部を
同心円状の複数構造にし（外周部２ｃ）、各外周部の間
に真空配管３につながる吸引孔３aを追加した。

【００３７】これにより、各外周部の間の空間の圧力差
を小さくすることができ、真空シール部から流入する空
気量を低減することができる。これによって、ウェハ周
辺の温度降下を緩和することが可能となった。また、最
外周の外周部２ｃをウェハ１の外径に近づけることで、
吸着時のウェハ外周のせり上がりを防止することができ
る。

【００３８】＜実施例３＞静電吸着によってウェハ１を
加圧するようにした実施例を図５に示す。図中、１８
は、同一平面をなす複数の突起部２ａを表面に加工した
絶縁体材料からなる加熱体、１７は、加熱体１８の内部
に配置した金属電極である。絶縁体材料として、炭化珪
素（ＳiＣ）を用いたが、これに限らず、熱伝導のよい
材料、例えば酸化アルミニウム（Ａl₂Ｏ₃）、窒化アル
ミニウム（ＡlＮ）を用いることができる。１９は、金
属電極１７に接続した電源であり、印加電圧を調整する
ために用いられる。

【００３９】本実施例では、金属電極１７に電圧を印加
することで加熱体１８の表面とウェハ１との間に正負の
電荷を発生させ、この間に働くクーロン力とジョンセン
・ラーベック力を利用し、ウェハ１を加熱体１８上に吸
着固定させる。なお、本実施例では、真空吸着の場合に
用いた外周部は必要としない。

【００４０】本実施例においても、印加電圧を調整する
ことによって、ウェハ１面に均一に一定の接触圧力をウ
ェハ１に与えることができるので、実施例１の場合と同
様、接触熱抵抗Ｒ_Cをウェハ１面内で均一に保つことが
可能となる。その結果、各突起部から伝達される熱量が
均一になり、ウェハ１面内の温度分布を均一にすること
ができる。

【００４１】当然のことながら、本実施例で示す発明
は、吸着のために大気圧との差圧を必要としないので、
真空雰囲気など、吸着のための差圧を充分に取れない雰
囲気においての使用が可能である。

【００４２】なお、本実施例では電極が単極の場合を示
したが、これに限らず、双極とすることが可能であり、
同様の効果を得ることができる。双極とする場合は、加
熱体１８の内部の同一面内に２個の電極を設け、双方の
電極の間に電圧を印加する。

【００４３】＜実施例４＞基板１の上で加熱体２と対向
する位置に補助加熱体を設置した実施例を図６に示す。
同図において、２０は、内部にヒータエレメント２１を
配置した補助加熱体である。補助加熱体２０は、基板１
から離して設置される。補助加熱体２０に埋め込まれた
熱電対２２の測定値が温調器２３に与えられ、温調器２
３は、補助加熱体２０の温度が所定の値になるようにヒ
ータエレメント２１の発熱量の調整を行なう。また、補
助加熱体２０は、断熱材２４を介して支柱２５により支
持されている。

【００４４】なお、図中、２６はリフトピン８と連動し
て動くシャッタであり、上下の加熱体で挟まれた空間の
側面を遮るものである。この機構を用いることでウェハ
１を加熱する空間を閉じ、ウェハ１の昇温時間の短縮及
びウェハ１上面に存在する気体からの影響の低減を可能
とした。

【００４５】＜実施例５＞内部のヒータエレメントを省
略した補助加熱体を用いた実施例を図７に示す。図中、
２７は、加熱体２と同等の熱容量を持つ補助加熱体であ
る。補助加熱体２７は、ウェハ１を装置内に搬送する前
に加熱プレート２により十分に加熱され、加熱体２と同
程度の温度になってから使用される。

【００４６】本実施例では、実施例４に比べて、補助加
熱体内部のヒータエレメントや温度調整部を必要としな
いため、同等の効果を安価に実現することができる。

【００４７】＜実施例６＞実施例１の装置を用いた基板
加熱方法の一部を図８に示す。図８ａ〜８ｄは、ウェハ
１を加熱体２に固定するまでの工程を示している。

【００４８】ウェハ１は、搬送ロボット等（図示せず）
により、リフトピン８上に搬送される（図８ａ）。次
に、リフトピン８を下降させる前に、圧力調整弁５を開
いて吸引を開始し、直ちに吸着が可能な状態にする（図
８ｂ）。その後、リフトピン８を下降させて（図８
ｃ）、ウェハ１を加熱体２上の突起部２ａに固定する
（図８ｄ）。

【００４９】上記の工程を経ることで、ウェハ１は、吸
着機構が動作を開始してから加熱体２上に搭載され、昇
温時の温度分布のばらつきを最小限に抑えた状態で、直
ちに昇温を開始することが可能となる。なお、搭載され
る前のウェハ１に対して加熱体２が傾斜している場合で
も、ウェハ１は、加熱体２上を滑ること無く、所定の位
置に固定することができる。

【００５０】上記は、実施例１の装置を用いた方法であ
るが、実施例２〜５の装置の場合も同様に、リフトピン
８を下降させる前に、吸着を開始する。実施例３の静電
吸着を用いる場合は、リフトピン８を下降させる前に、
内部の電極１７に給電して吸着を開始する。

【００５１】＜実施例７＞実施例１の基板加熱装置を用
いたＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型トランジ
スタの製造工程の一部を図９に示す。図９ａ〜９ｄは、
ＭＯＳ型トランジスタのゲート電極の加工工程を示す断
面図である。図９ａ〜９ｄの右側にウェハ１全体の変形
を示す断面構造を示し、左側にゲート電極部の断面構造
を拡大して示す。

【００５２】トランジスタの活性領域は、シリコン基板
２８にシリコン酸化膜２９で素子分離され、全面にポリ
シリコン３０が被着されている。本実施例ではゲート電
極の加工のためにネガ型の化学増幅レジストを回転塗布
してレジスト層３１を形成する。その後、レジスト層３
１の所定の領域に電子線３２を用いて露光した（図９ａ
左側）。なお、電子線の代わりに、紫外線やＸ線を用い
る場合も露光機、レジスト材料が異なるだけで、基本的
には同様の工程の採用が可能である。ポジ型レジストを
用いたときには露光領域が逆転する。この段階でのウェ
ハ１の形状は、被着物のために反った形状をしている
（図９ａ右側）。

【００５３】露光されたウェハ１は、図９ｂに示すよう
に加熱体２上に設けられた複数の突起部２ａの上に置か
れ、真空配管３を通して裏面を真空吸着することによっ
てウェハ１の反りが矯正される。この状態になってから
加熱した。ウェハ１面内での温度分布は±０．１℃を少
し下回る程度であった。なお、比較のために、ウェハ形
状の矯正を行わないで加熱した場合を測定したが、温度
分布は±０．８℃であり、矯正の効果が確認された。ま
た、ウェハ１の突起部２ａの接触面積比率を４０％とし
た。加熱条件は、本レジストの場合１１０℃、２分であ
った。加熱の結果、レジスト内の露光領域には潜像３４
が形成される（図９ｂ）。

【００５４】次に、レジスト３１をアルカリ水溶液を用
いて現像処理を行ない、図９ｃに示すレジストパターン
３８を得た。次に、弗素系のガスプラズマ中での反応性
ドライエッチングを用いてポリシリコンをエッチング
し、ゲート電極３９を得た（図９ｄ）。このときのポリ
シリコンのゲート電極３９の平均寸法は０．２μｍであ
り、ウェハ１面内の寸法分布は±０．０２μｍ以内に制
御された。この値は，ウェハの反りを矯正しないで露光
後ベーク処理を行ったときの寸法分布±０．０６μｍに
比べると３倍の精度向上が図られていることが判明し
た。

【００５５】ＬＳＩにおいては、処理速度と長期信頼性
がゲート電極の工程と精度に大きく依存するため、本発
明によって得られるゲート電極３９の寸法ばらつきの少
ないＬＳＩが結果的に高い性能を発揮する。このため、
本発明の装置及び方法の有効な応用例の一つに本実施例
で述べたようなＬＳＩ加工（特に論理ＬＳＩのゲート加
工）におけるレジストベーク処理工程がある。

【００５６】なお、本実施例では、実施例１の基板加熱
装置を用いたが、実施例２〜実施例５のいずれの基板加
熱装置を用いることも可能であり、同様の効果を得るこ
とができる。

【００５７】＜実施例８＞基板を冷却する装置の実施例
を図１０に示す。図中、４０は、内部に真空配管３及び
冷却媒体を循環させるための経路４１を設けた冷却体で
ある。冷却体４０の表面には、前記実施例で示した加熱
体２と同様に同一平面をなす複数の突起部２ａとこれを
包含する外周部２ｂが設置されている。また、４２は、
冷却媒体の温度を制御するユニットである。本実施例で
は、冷却媒体に水を使用したので、ユニット４として恒
温漕を採用した。４３は、冷却媒体を経路４１に供給し
て循環させるための経路である。

【００５８】本実施例は、温度制御体が冷却体４０であ
る以外は、前記の実施例の加熱装置の場合と同様の構造
を有しており、従って、加熱装置の場合と同様に、短い
降温時間と均一な温度分布で基板１の温度を冷却体４０
の温度に制御することがことができる。

【００５９】なお、本実施例では、基板１を冷却体４０
に吸着固定するための手段として真空吸着を採用した
が、前記実施例に示すように、吸着機構として静電吸着
を用いることが可能であり、同様の効果を得ることが可
能である。その場合、更に、基板１の対向面に補助冷却
体を配置する構造の採用が云うまでもなく可能であり、
加熱装置の場合と同様、ウェハ１の降温時間の短縮及び
ウェハ１上面に存在する気体からの影響の低減の効果を
得ることができる。

【００６０】＜実施例９＞基板加熱装置と描画装置を一
体化した基板処理装置の実施例を図１１に示す。図中、
４４は、レジストを塗布された半導体ウェハ、４５は、
ウェハ４４を収納するウェハカセット、５０は電子線描
画装置、５１は、実施例１〜実施例５の装置が有する少
なくとも一つ以上の特徴を有する基板加熱装置を示す。

【００６１】ウェハ４４は、搬送アーム４６により、オ
リフラ検出器４７に搬送され、オリフラが所定の位置に
合わされたのち、搬送アーム４８により、ロードロック
室４９内に搬送される。ウェハ４４は、電子線描画装置
５０により描画された後、ロードロック室４９へ戻さ
れ、搬送アーム４８により、オリフラ検出器４７へ搬送
される。その後、ウェハ４４は、搬送アーム４６を用い
て直ちに基板加熱装置５１に搬送され、加熱処理が行な
われる。

【００６２】描画後の半導体ウェハを大気中に放置する
と、化学的な汚染等により描画パターンに変動が生じ、
精度の良いパターンを得ることが困難になるという問題
が生じる。この問題は、描画後に直ちに半導体ウェハを
加熱し、半導体ウェハに描画されているレジストパター
ンを安定化させることによって効果的に解決することが
できる。そこで本実施例では、基板加熱装置５１を電子
線描画装置５０と一体化することでこの問題を解決し
た。

【００６３】なお、本実施例では、電子線描画装置を例
に説明したが、描画装置は、これに限定されることはな
く、レジストを露光することが可能な電磁波、例えば、
紫外線又はＸ線を用いた描画装置の使用が可能であるこ
とは云うまでもなく、同様の効果を得ることができる。

【００６４】＜実施例１０＞実施例１〜実施例５の基板
加熱装置のいずれか及び実施例８の基板冷却装置を使用
したリソグラフィ工程を図１２に示す。同図の左列にリ
ソグラフィの各工程を示し、右列に各工程で使用する処
理装置を示す。

【００６５】リソグラフィ工程に入った半導体ウェハに
対して、まず、塗布前ベーク６０が行なわれ、表面に吸
着している水分によるレジスト密着性の低下を防止する
ための処理が行なわれる。続いて、ヘキサメチレンジシ
ラザンによる密着強化処理６１が行なわれる。次に、同
処理が終了した半導体ウェハは、基板温度制御６２の工
程を経たあとに室温状態になり、レジスト塗布６３でレ
ジストが塗布される。レジスト塗布は、ウェハを回転さ
せながらレジストをウェハ上に滴下する方法によって行
なわれる。その後、半導体ウェハは、加熱体上で８０〜
１００℃程度でプリベーク６４を受け、レジスト中の溶
媒を乾燥させる処理が行なわれる。

【００６６】ここまでの処理は、レジスト処理装置の一
つであるコータ（レジスト塗布機）７１内の各ユニット
を用いて連続的に処理される。本発明の基板加熱装置及
び基板冷却装置は、同ユニットとしてコータ７１に収容
されており、塗布前ベーク６０及びプリベーク６４にお
いて基板加熱装置が使用され、基板温度制御６２におい
て基板冷却装置が使用される。

【００６７】次に、半導体ウェハは、電子線を応用した
露光機においてパターンの露光処理６５を施される。な
お、露光機は、その他に紫外線又はＸ線を応用した装置
を用いることが可能である。露光後の半導体ウェハは、
加熱体上でＰＥＢ処理６６が行なわれ、基板温度制御６
７の工程で再び室温状態に戻された後、現像６８の工程
で現像される。現像後の半導体ウェハは、水洗された
後、ポストベーク６９の工程にてレジスト中の水分を蒸
発させられる。

【００６８】ＰＥＢ処理６６からポストベーク６９まで
の処理は、デベロッパ（現像機）７２と呼ばれる装置の
中の各ユニットを用いて連続的に処理される。本発明の
基板加熱装置及び基板冷却装置は、同ユニットとしてコ
ータ７１に収容されており、ＰＥＢ処理６６及びポスト
ベーク６９において基板加熱装置が使用され、基板温度
制御６７において基板冷却装置が使用される。

【００６９】以上の処理の後に半導体ウェハは、リソグ
ラフィ工程を出荷され、必要に応じてポストベーク６９
後にＤＵＶ（遠紫外光）キュア処理７０が行なわれてか
ら、次の工程に移される。なお、ＤＵＶキュア処理７０
は、デベロッパ７２内の一つのユニットとして含まれる
場合がある。

【００７０】レジスト材料として化学増幅型のレジスト
を使用する場合、前記したように、高精度なパターンを
得るために露光後のＰＥＢ処理でのウェハの面内温度分
布が重要となる。本実施例では、本発明の基板加熱装置
をＰＥＢ処理の工程に用いることによって半導体ウェハ
の面内温度分布を±０．１℃に抑えることができた。な
お、半導体ウェハ裏面の突起部との接触率を４０％に設
定した。

【００７１】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例
に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲
において変更可能であることはいうまでもない。例え
ば、半導体ウェハを加熱する装置としてはレジストベー
ク炉に限定されず、ウェハの均一な加熱または冷却が必
要であるプロセス装置一般に広く適用することができ
る。

【００７２】

【発明の効果】本発明によれば、同一平面をなす複数の
突起部を備えた真空吸着面又は静電吸着面を有する温度
制御体を用いることによって被加熱又は被冷却基板の変
形を矯正することが可能となり、更に、当該基板の裏面
と突起部との接触部を基板面に均一に分布させることに
よって接触部の接触熱抵抗を所定の値に裏面に均一に保
つことが可能となる。それによって、基板面の温度分布
の均一性を向上させることができる。また、基板と温度
制御体との間の熱の交換は、気体に比べて熱伝導が大き
い突起部を介しての交換が支配的となるため、昇温（降
温）時間を短縮することが可能となる。従って、製造工
程のスループットを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る基板温度制御装置の第１の実施例
を説明するための断面図。

【図２】第１の実施例の突起部を備えた加熱体を説明す
るための示す斜視断面図。

【図３】第１の実施例の効果を説明するための曲線図。

【図４】本発明の第２の実施例を説明するための斜視断
面図。

【図５】本発明の第３の実施例を説明するための断面
図。

【図６】本発明の第４の実施例を説明するための断面
図。

【図７】本発明の第５の実施例を説明するための断面
図。

【図８】本発明の第６の実施例を説明するための断面
図。

【図９】本発明の第７の実施例を説明するための断面
図。

【図１０】本発明の第８の実施例を説明するための断面
図。

【図１１】本発明の第９の実施例を説明するための斜視
図。

【図１２】本発明の第１０の実施例を説明するための工
程流れ図。

【図１３】従来の基板加熱装置を説明するための断面
図。

【符号の説明】

１，４４・・・半導体ウェハ２，１８・・・加熱体２ａ・・・突起部２ｂ，２ｃ・・・外周部３・・・真空配管３ａ・・・真空配管につながる孔４，２１・・・ヒータエレメント５・・・圧力調整弁２０，２７・・・補助加熱体４０・・・冷却体４１・・・冷却媒体経路４２・・・冷却媒体温度制御ユニット４３・・・循環経路５０・・・電子線描画装置５１・・・基板加熱装置

フロントページの続き (72)発明者金友正文東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者平澤茂樹茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者渡邊智司茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者山本立春東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者黒田勝廣東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一平面をなす複数の突起部を表面に配置
した基板温度設定のための温度制御体と、基板を当該温
度制御体の方向に吸着することによって当該基板を突起
部上に固定する吸着機構とを具備してなることを特徴と
する基盤温度制御装置。
【請求項２】前記温度制御体は、基板を加熱するための
加熱体であることを特徴とする請求項１に記載の基盤温
度制御装置。
【請求項３】前記温度制御体は、基板を冷却するための
冷却体であることを特徴とする請求項１に記載の基盤温
度制御装置。
【請求項４】前記吸着機構は、基板と温度制御体により
囲まれた空間を負圧に吸引する真空吸着機構であり、前
記温度制御体は、表面に複数の突起部を包含する真空封
じのための外周部が更に設置されており、当該外周部
は、突起部と同一平面をなすことを特徴とする請求項１
に記載の基盤温度制御装置。
【請求項５】前記吸着機構は、基板と温度制御体内部に
設けた電極との間に電圧を印加することによって発生す
る静電気力を利用した静電吸着機構であることを特徴と
する請求項１に記載の基盤温度制御装置。
【請求項６】基板と対向する面に空間を隔て補助温度制
御体が設置され、当該補助温度制御体は、基板を覆う面
を有し、かつ、前記温度制御体とほぼ等しい温度を有す
るものであることを特徴とする請求項１〜請求項５のい
ずれか一に記載の基盤温度制御装置。
【請求項７】前記補助温度制御体は、前記温度制御体を
越える熱容量を有するものであることを特徴とする請求
項６に記載の基盤温度制御装置。
【請求項８】前記真空吸着機構は、基板と温度制御体に
より囲まれた空間の圧力を一定に保持する圧力調整手段
を有することを特徴とする請求項４に記載の基盤温度制
御装置。
【請求項９】基板と温度制御体により囲まれた空間の圧
力は、７００Ｔorrから１０Ｔorrの間の所定の値に保持
されていることを特徴とする請求項８に記載の基盤温度
制御装置。
【請求項１０】基板に突起部が接触する接触面積は、基
板の裏面面積の６０％から０．５％の範囲にあることを
特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一に記載の基
盤温度制御装置。
【請求項１１】前記突起部は、高さが１ｍｍから１μｍ
の範囲であることを特徴とする請求項１〜請求項１０の
いずれか一に記載の基盤温度制御装置。
【請求項１２】前記外周部は、同心円状をなす複数から
なることを特徴とする請求項４に記載の基盤温度制御装
置。
【請求項１３】基板と補助温度制御体に囲まれた空間の
側面を包含する開閉機構を有することを特徴とする請求
項６に記載の基盤温度制御装置。
【請求項１４】前記突起部は、温度制御体の表面の所定
の範囲に一定の間隔で配置されていることを特徴とする
請求項１乃至請求項１３のいずれか一に記載の基板温度
制御装置。
【請求項１５】前記加熱体の材料が四弗化エチレン樹脂
を表面にコーティングした金属であることを特徴とする
請求項２に記載の基板温度制御装置。
【請求項１６】前記加熱体の材料が炭化珪素、酸化アル
ミニウム及び窒化アルミニウムのいずれ一つを選択して
なる絶縁体材料であることを特徴とする請求項３に記載
の基板温度制御装置。
【請求項１７】前記真空吸着機構が吸引を開始してから
後に基板を突起部上に搭載することを特徴とする請求項
４又は請求項１２に記載の基盤温度制御装置を用いた基
板温度制御方法。
【請求項１８】前記静電吸着機構の電極に電圧を印加し
てから後に基板を突起部上に搭載することを特徴とする
請求項５に記載の基盤温度制御装置を使用した基板温度
制御方法。
【請求項１９】基板にレジストを塗布する工程と、当該
レジストが塗布された基板を前記圧着機構を用いて突起
部上に搭載してから後に基板への温度制御を実行する工
程とからなることを特徴とする請求項１〜請求項１６の
いずれか一に記載の基盤温度制御装置を使用した基板処
理方法。
【請求項２０】基板に化学増幅型レジストを塗布する工
程と、紫外線、電子線及びＸ線のいずれか一つを選択し
て当該基板上の化学増幅型レジストを露光する工程と、
露光後の基板を前記圧着機構によって突起部上に搭載し
てから後に基板への温度制御を実行する工程とからなる
ことを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれか一に
記載の基盤温度制御装置を使用した基板処理方法。
【請求項２１】基板が半導体ウェハであり、少なくとも
１個の半導体ウェハを処理する処理室を有し、当該処理
室に請求項１〜請求項１６のいずれか一に記載の基盤温
度制御装置を備えてなることを特徴とする半導体処理装
置。
【請求項２２】請求項１〜請求項１６のいずれか一に記
載の基盤温度制御装置と紫外線描画装置、電子線描画装
置及びＸ線描画装置のいずれか一つの装置とを一体化し
てなるとともに、温度制御を行なう基板がレジストを塗
布した半導体ウェハであることを特徴とする半導体処理
装置。
【請求項２３】基板が半導体ウェハであり、当該半導体
ウェハにレジストを塗布する工程と、紫外線、電子線及
びＸ線のいずれか一つを選択して当該基板上のレジスト
を露光又は描画する工程と、露光又は描画後の基板のポ
ストエクスポージャベークを請求項１〜請求項１６のい
ずれか一に記載の基盤温度制御装置を用いて実行する工
程とからなることを特徴とする半導体処理方法。