JPH10284398A - 現像処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板上の、感光性樹脂膜厚が不均一や基板保
持具接触等による温度不均一等による現像特性の不均一
を補正する。 【解決手段】 基板に塗布されて露光処理された感光性
樹脂上に現像液を盛りつけ、溶解処理にて現像を行なう
際、その現像液に接するように基板と同等の面積を持つ
部材を位置させ、その部材の現像液に接する面上に複数
の範囲を設定し、その各範囲ごとに現像に適する温度に
温度制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造等にお
いて、基板上に感光性樹脂を塗布し露光し、その表面に
現像液を盛りつけ、溶解処理にて目的とする樹脂パター
ンを得る処理工程で使用される現像処理方法および装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の製造においては、シリコン
等の半導体単結晶基板（以下基板という）上に素子を形
成するため、塗布装置にて基板表面に感光性樹脂を塗布
し、露光装置にて予め用意されたマスク（レチクル）の
パターンを露光転写し、現像装置にて現像処理を行な
い、目的とする感光性樹脂の転写パターンを得る。この
転写パターンをマスクとして後の工程で素子を基板上に
形成する。素子の形成される精度は転写パターンに依存
し、前記塗布／露光／現像工程は半導体素子製造におい
て極めて重要な工程である。

【０００３】塗布／露光／現像の工程は、図３に示すよ
うに、露光工程を中心として塗布工程と現像工程が前後
に行なわれる。塗布工程は、感光性樹脂の基板への密着
性を高めるための表面改質処理（処理順序１）、塗布直
前の基板の温度制御（処理順序２）、基板表面への感光
性樹脂滴下、高速回転による樹脂の基板上での薄膜化、
塗布後の基板面の不要な感光性樹脂の除去（処理順序
３）、感光性樹脂内の溶剤を揮発させ塗膜の強度を向上
させるための熱処理（処理順序４）、露光直前の基板の
温度制御等が行なわれる。露光工程は、マスク（レチク
ル）の選択、基板の精密な位置決め、基板表面へのマス
ク投影等が行なわれる（処理順序５）。

【０００４】現像工程は露光直後の感光性樹脂安定のた
めの熱処理（処理順序６）、現像直前の基板の温度制御
（処理順序７）、基板表面への現像液滴下、現像後の現
像液の除去／洗浄、高速回転による基板表面の乾燥（処
理順序８）、現像後のパターン強化のための熱処理（処
理順序９）、基板の収納容器回収前冷却等が行なわれ
る。

【０００５】処理順序８での現像処理は、 感光性樹脂膜
上に現像液を盛りつけ、静止または数十ｒｐｍ程度の緩
やかな回転を与え、１分前後の時間で処理されるのが一
般的である。現像液の盛りつけは、図４に示すように基
板保持具２に吸着され回転可能とされた基板１に対し
て、上部に位置するノズル１２より現像液を盛り付け
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題】感光性樹脂に単色光を
用いて露光を行なう場合、感光性樹脂中で入射光と基板
表面からの反射光ならびに多重反射光が干渉を起こして
定在波効果をもたらす。定在波効果は、実際に感光性樹
脂を露光し現像した時、λ／４ｎ（λ：露光波長、ｎ:
感光性樹脂の屈折率) の間隔で光強度の大きい処と小さ
い処ができ、感光性樹脂パターンの側壁に凹凸の縞模様
となって現われる。結果として、露光中に膜中に入る露
光量は膜厚に依存して変動する。このことは、素子の形
成される精度が転写樹脂パターンに依存するため、また
現在主流であるステップアンドリピートタイプの露光装
置を用いた場合、同一基板上では、各ショット毎に同一
の露光量にて露光を行なうため、基板上の感光性樹脂の
膜厚分布が樹脂パターンの寸法精度に影響することを意
味する。

【０００７】素子形成のための樹脂パターンを作る代表
的な感光性樹脂（ｉ線ポジティブタイプ) 用いた場合
の、樹脂膜厚と露光された箇所が完全に現像されるブレ
ークスルーエネルギー（Ｅｔｈ）との関係を実験により
求めたグラフを図５に示す。また、同じ感光性樹脂を用
い、樹脂膜厚と樹脂パターンの寸法を計測した関係のグ
ラフを図６に示す。ここで、感光性樹脂の膜厚分布であ
るが、膜厚分布は感光性樹脂中の溶媒の揮発状態により
決定される。すなわち感光性樹脂中の溶媒の揮発は、塗
布カップの排気を無視した場合、基板の回転により促進
される。言い換えれば、基板周辺に近い程周速が速いた
め溶媒の揮発が早くなり、感光性樹脂の粘度が上がり、
膜厚が厚くなる。また、その反作用として、溶媒の揮発
時の蒸発潜熱により基板表面の温度低下が発生し、それ
により溶媒の揮発が抑えられることになる。以上のよう
な微妙なバランスにより基板全面に均一な感光性樹脂の
塗布が行なわれているため、感光性樹脂溶媒の蒸発速度
をいかに効果的に制御するかが塗布膜厚均一性を計る鍵
となる。そこで、代表的な感光性樹脂（ｉ線ポジティブ
タイプ) を用いて、感光性樹脂塗布時に溶媒の蒸発速度
に大きく影響する感光性樹脂温度および環境温度を同じ
温度に変化させた時の基板上の塗布膜厚分布をプロット
したグラフを図７に示す。

【０００８】このグラフより明らかなように膜厚塗布分
布は、回転塗布法を用いているため基板中心から同心円
状の分布傾向を示し、かつ感光性樹脂と塗布環境温度を
同じ温度で変化させた場合、温度が高い程溶媒の蒸発が
促進され平均膜厚は厚くなる。また、膜厚分布は、温度
が高すぎても低すぎても基板外周より中心付近が薄くな
る傾向がある。このことより、均一な塗布膜厚分布より
も中心付近が基板外周より薄い塗布膜厚分布の方が条件
としては出し易いと言える。また、今後基板は大口径化
の傾向にあるため、従来からの基板回転を用いて樹脂を
塗布する場合、基板中心に比べた外周速度はさらに速く
なり、膜厚分布は益々この傾向を示すと考えられる。

【０００９】次に、従来行なわれている現像処理におい
ては、現像液盛りつけまでの温度制御として基板の温度
制御や現像液の温度制御等があり、また現像処理中の温
度制御として現像環境の温度制御、現像液蒸発時の蒸発
潜熱による基板の冷却防止のための排気の停止、および
基板保持具の昇温防止のための回転駆動源の冷却等がさ
れている。ただし、以上は現像液そのものの温度制御で
はない。現像液そのものを温度制御する手法として、特
開平５−１９８４９５には現像液に恒温プレートを接し
温度制御を行なう案が示されている。この場合は現像液
そのものが直接温度制御されるが、基板と基板保持具の
接する部分については、接していない部分と温度差を生
じる可能性が高い。また、代表的な感光性樹脂（ｉ線ポ
ジティブタイプ）および現像液（２．３８％濃度アルカ
リ液) を用い、現像液温度と露光された箇所が完全に現
像されるブレークスルーエネルギー（Ｅｔｈ）の関係を
実験により求めたグラフを図８に示す。このグラフから
分かるように、現像液温度２０℃付近を底とする下に凸
傾向の曲線となる。このことは、現像液温度を変化させ
れば、樹脂パターンの寸法が変化することを意味してい
る。

【００１０】以上のことより、感光性樹脂の膜厚変化
は、樹脂パターン寸法に影響すること、感光性樹脂の塗
布膜厚分布は、同心円上に分布傾向を持つこと、および
現像液温度が変われば樹脂パターンの寸法が変化するこ
との三つの開係より、現像時の同一面内において温度差
制御、すなわち基板同心円状にゾーン温度制御を行なう
ことにより基板上の転写樹脂パターン寸法精度の向上が
計れる。

【００１１】本発明は、上述の知見に基づいてなされた
もので、基板の各部における感光性樹脂膜厚の不均一
や、基板保持具等を温度制御しない等による基板各部に
おける温度不均一にかかわらず、現像特性を均一に制御
できる現像処理装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ため本発明では、基板に塗布されて露光処理された感光
性樹脂上に現像液を盛りつけ溶解処理にて現像を行なう
際、その現像液に接するように基板と同等の面積を持つ
部材を位置させ、その部材の現像液に接する面上に複数
の範囲を設定しその各範囲ごとに現像に適する温度に温
度制御することを特徴とする。

【００１３】前記複数の範囲は、例えば基板中心より同
心状に配置されており、前記複数の範囲にてそれぞれ異
なる設定で温度制御を行なう制御源としては電子温度制
御素子を使用し、その放熱に循環水が使用され、その循
環水は１系統で複数の制御源の放熱を行なう。

【００１４】

【作用】本発明によれば、基板に塗布されて露光処理さ
れた感光性樹脂上に現像液を盛りつけて現像を行なう
際、その現像液に接するように基板と同等の面積を持つ
例えば円盤状の部材を位置させ、その円盤状部材の各部
を基板上各部の感光性樹脂の膜厚に応じた温度分布とな
るように温度制御することにより、現像特性、すなわち
樹脂パターンの寸法の均一化を図ることができる。

【００１５】

【実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施の形態
を説明する。図１は本発明の一実施例に係る現像処理装
置の構成を示す。同図において、１は基板、２は基板保
持具、３は液受け、４は回転駆動源、５は現像液、６は
均熱板、７は電子温度制御素子 (内側）、８は電子温度
制御素子 (外側）、９は循環放熱部、１０は循環放熱水
入り口、１１は循環放熱水出口である。

【００１６】図２は本実施例における処理の流れを示
す。 １）基板１が、基板保持具２上に載置される。 ２）基板１上に現像液５が現像ノズル（不図示、図４の
１２と同じ）により盛り付けられる。 ３）現像ノズルが退避し、均熱板６が現像液５に接する
ように位置する。均熱板６は電子温度制御素子 (内側）
７、電子温度制御素子 (外側）８によりそれぞれ現像特
性が最適となる温度に制御されている。 ４）電子温度制御素子 (内側）７、電子温度制御素子
(外側）８の上部に位置する循環放熱部９は、循環放熱
水入り口１０、循環放熱水出口１１が取り付けられ、前
記電子温度制御素子の排熱を外部に取り出す。 ５）予め定められた時間経過後、均熱板６が現像液より
離れる。その後基板１上の現像液５を純水にて洗浄し、
処理を終了する。

【００１７】

【実施例】実施例１ 具体例として、代表的な感光性樹脂（ｉ線ポジティブタ
イプ）、現像液（２．３８％濃度アルカリ液）、および
ｉ線露光機を用いた場合の実施例を説明する。まず最初
に感光性樹脂の膜厚をいくつにするかであるが、図５お
よび図６にて説明した定在波効果を考慮すると、露光時
間余裕を最適にするには、露光時間対樹脂膜厚の曲線の
最大もしくは最小の点を選ぶべきである。もし下地基板
に凹凸があるときは最大値をとる。なぜなら、露光不足
のパターン線幅は露光オーバーのパターン線幅のそれよ
りドーズ量に対して大きく変動するためである。また、
下地基板が平坦な場合は、露光機の処理速度が大きくな
るよう最小値を選ぶ方がよい。以上の観点から、図５の
グラフより曲線の最大を示す１１０００Åを基板中心付
近の膜厚とし、かつ図７のグラフより基板中心付近にて
１１０００Å、基板最外周付近にて１１０５０Åの凹型
同心円状の分布を持つように、感光性樹脂温度および塗
布環境温度を１９℃にて塗布した場合について説明す
る。

【００１８】まず、図５より中心付近膜厚１１０００Ａ
に対するブレークスルーエネルギー（Ｅｔｈ）は１０７
ｍｊ／ｃｍ² であり、最外周付近膜厚１１０５０Åに対
するブレークスルーエネルギー（Ｅｔｈ）は１０６ｍｊ
／ｃｍ² である。このことは、同一基板上の樹脂パター
ン寸法を均一にするには、露光時の露光量を基板同心円
状に変化させるか、または図８のグラフから分かるよう
現像時の現像温度を基板同心円状に変化させることによ
って可能になることを意味する。

【００１９】ここでは、現像時の現像温度を基板同心円
状に変化させることについてのみ説明を続ける。前記の
膜厚条件、および同一基板内を中心付近の膜厚での最適
露光量にて露光された基板を用い、中心と周辺の二つの
ゾーンで現像時の温度差を持てる機構を用いて現像を行
なう。中心ゾーンの現像時温度を２３℃とすると、膜厚
分布の差による中心と外周の露光量の差は１ｍｊ／ｃｍ
² であるため、図８のグラフより外周ゾーンの現像温度
を２４℃ に設定すれば同一基板内にて均一な樹脂パタ
ーン寸法が得られる。図９に現像時の感光性樹脂膜厚分
布／現像液温度分布／現像状態を示す。なお、ここで
は、現像時の現像温度を中心と周辺の二つのゾーンに分
け温度差を付けた例について述べたが、複数の範囲にお
いてゾーン毎に温度差を生じさせ、より細やかに現像温
度制御することも可能である。

【００２０】実施例２ 次に他の具体例として、感光性樹脂の膜厚分布は均一に
塗布されているが、図１に示す基板保持具２が温度制御
されていない場合について説明する。この場合、基板と
の接する部分については、接していない部分と温度差を
生じる可能性が高い。したがって、図８のグラフから明
らかなように現像時現像液温度の違いにより中心と周辺
でのパターン線幅にばらつきが発生する。よつて、基板
保持具接触部とそれ以外部分の二つのゾーンに分けて最
適温度制御を行なえば、同一基板内にて均一な樹脂パタ
ーン寸法が得られる。

【００２１】

【デバイス生産方法の実施例】次に上記説明した現像処
理方法または現像処理装置を利用したデバイスの生産方
法の実施例を説明する。図１０は微小デバイス（ＩＣや
ＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁
気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。
ステップ１（回路設計）ではデバイスのパターン設計を
行なう。ステップ２（マスク製作）では設計したパター
ンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウ
エハ製造）ではシリコンやガラス等の材料を用いてウエ
ハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程
と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソ
グラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成す
る。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ス
テップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チッ
プ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、
ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等
の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作
製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テス
ト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイ
スが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

【００２２】図１１は上記ウエハプロセスの詳細なフロ
ーを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸
化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶
縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ
上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオ
ン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１
５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ス
テップ１６（露光）では露光装置によってマスクの回路
パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現
像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エ
ッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取
る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済
んで不要となったレジストを取り除く。これらのステッ
プを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回
路パターンが形成される。本実施例ではこの繰り返しの
各プロセスにおいて、上述したように現像特性を基板各
部で最適に設定することで、プロセスに影響を受けず均
一な現像特性を可能としている。

【００２３】本実施例の生産方法を用いれば、従来は製
造が難しかった高集積度のデバイスを低コストに製造す
ることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
感光性樹脂膜厚が均一に塗布されていない場合、または
現像中の基板に生じる基板保持具接触部とそれ以外の部
分に温度差が生じる場合それぞれにおいて、現像特性差
を現像液そのものの温度を場所により変化させることに
よって、部分ごとの現像特性差をなくし、現像特性また
はパターン幅の均一化を図ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る現像処理装置の構成
を示す図である。

【図２】 図１の装置における処理フローを示す図であ
る。

【図３】 一般的な塗布／現像処理工程を示す図表であ
る。

【図４】 従来例の現像処理装置の構成を示す図であ
る。

【図５】 感光性樹脂膜厚とブレークスルーエネルギー
（Ｅｔｈ）との関係を示すグラフである。

【図６】 感光性樹脂膜厚とパターン線幅との関係を示
すグラフである。

【図７】 感光性樹脂温度および環境温度ごとの基板上
感光性樹脂の膜厚分布を示すグラフである。

【図８】 現像液温度とＥｔｈとの関係を示すグラフで
ある。

【図９】 本発明の実施例での感光性樹脂膜厚分布／現
像液温度分布／現像状態を示す説明図である。

【図１０】 微小デバイスの製造の流れを示す図であ
る。

【図１１】 図１０におけるウエハプロセスの詳細な流
れを示す図である。

【符号の説明】

１：基板、２：基板保持具、３：液受け、４：回転駆動
源、５：現像液、６，６’：均熱板、７：電子温度制御
素子（内側）、８：電子温度制御素子（外側）、９：循
環放熱部、１０：循環放熱水入り口、１１：循環放熱水
出口、１２：現像液ノズル。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板に塗布されて露光処理された感光性
   樹脂上に現像液を盛りつけ溶解処理にて現像を行なう
   際、その現像液に接するように基板と同等の面積を持つ
   部材を位置させ、その部材の現像液に接する面上に複数
   の範囲を設定しその各範囲ごとに現像に適する温度に温
   度制御することを特徴とする現像処理方法。
2. 【請求項２】 前記複数の範囲は基板中心より同心状に
   配置されていることを特徴とする請求項１記載の現像処
   理方法。
3. 【請求項３】 前記複数の範囲にてそれぞれ異なる設定
   で温度制御を行なう制御源は電子温度制御素子を使用
   し、その放熱に循環水が使用され、その循環水は１系統
   で複数の制御源の放熱を行なうことを特徴とする請求項
   １または２記載の現像処理方法。
4. 【請求項４】 基板に塗布されて露光処理された感光性
   樹脂上に現像液を盛りつけ、溶解処理にて現像を行なう
   現像処理装置において、その現像液に接するように基板
   と同等の面積を持つ部材を位置させ、その部材が現像に
   適する温度に温度制御されており、かつその部材が複数
   の範囲において温度差を生じさせることが可能となって
   いることを特徴とする現像処理装置。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれかに記載の現像処
   理方法または請求項４に記載の現像処理装置を用いて製
   造したことを特徴とする半導体デバイス。