KR100508454B1 - 3차원 형상에 균일한 코팅을 위한 분무코팅 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 형상에 균일한 코팅을 위한 분무코팅 장치 및 방법에 관한 것으로, 일정 속력으로 회전하는 3차원 형상의 구조물을 지닌 기판상에 액상의 코팅제를 분무하는 동시에 분무 노즐의 이동 속도와 분무각을 변화시킴으로써 3차원 형상의 구조물에 코팅되는 코팅제의 두께를 균일하게 하는 장치 및 방법을 개시한다.

균일한 코팅을 위하여 기판 반경의 영역에 따라 구역화하여 분무 노즐의 이동속도를 조절하고, 분무 노즐의 분무각을 조절하고, 중력에 의해 벽면에 코팅된 액상의 코팅제의 흘러내림을 억제시키기 위한 기판의 온도를 조절함으로써,3차원 형상의 구조물을 지닌 기판상에 균일한 두께의 코팅제를 코팅하는 장치 및 방법을 개시한다.

Description

3차원 형상에 균일한 코팅을 위한 분무코팅 장치 및 방법{The method and Apparatus for Conformal Spray Coating on 3-Dimensional Structure}

액상의 코팅제를 코팅하기 위한 방법에는 스핀 코팅(Spin Coating), 스크린 프린팅(Screen Printing), 딥 코팅(Dip Coating) 및 분무 코팅(Spray Coating)등의 방법이 있다. 본 발명은 분무 코팅에 대한 것으로, 포토레지스트, 스핀 온 글라스 (spin-on Glass), 폴리이미드(Polyimide)등의 액상의 코팅제를 코팅모재인 기판에 분무하여 균일한 두께로 코팅하는 장치와 방법을 개시한다. 본 발명에서는 설명을 간단히 하고 또한 명확하게 하기 위하여 상기의 코팅제중 포토레지스트만을 예로 들어 기술하지만, 본 발명은 포토레지스트외에도 스핀 온 글라스, 폴리이미드등의 액상의 코팅제의 분무 코팅에 쉽게 적용될 수 있다.

포토레지스트는 반도체 공정 중의 미세회로 패턴을 제작하기 위한 감광성 물질로 사용된다. 스핀 코터(Spin Coater) 장치를 사용하는 포토레지스트 스핀 코팅 공정은 일반적으로 공정순서의 단계별로 디스펜싱 단계(dispensing step), 스프레드 단계(spread step), 스핀 단계(spin step)로 구성된다.

도 1 에 개략적으로 표시한 바와 같이 종래의 기술에 의한 포토레지스트 코팅 장치는 기판 회전부(6), 바울부(10), 포토레지스트 공급부(15)와 분출 노즐(19)로 구성된다. 기판 회전부는 기판(1)을 회전시키기 위한 회전척(7), 회전척을 회전시키는 척 모터(8)와 기판을 회전척에 고정시키기 위한 진공펌프(9)로 구성된다. 바울부는 스핀 코팅시 기판 표면으로부터 방출되는 포토레지스트의 외부 유출을 방지하는 바울(11), 흄 배기를 위한 흄 배기구(13)와 흄을 바울로부터 외부로 불어내는 블라워(14)로 구성된다. 포토레지스트 공급부는 포토레지스트 용액(3)를 저장하는 포토레지스트 저장용기(16), 포토레지스트가 이송되는 이송관(17)와 저장용기로부터 분출 노즐로 포토레지스트를 이송하는 이송펌프(18)로 구성된다. 분출노즐은 포토레지스트를 기판 표면상으로 분출하는 작용을 한다.

종래의 장치에 의한 스핀코팅 공정 단계를 도 2 에 나타내었다. 도 2-a 는 디스펜싱 단계(Dispensing Step)이다. 디스펜싱 단계는 정지해 있는 기판에 점도가 있는 포토레지스트 용액을 기판의 중심부위에 분출하는 공정 단계를 지칭한다. 8 인치 기판의 경우에 7∼9 cc의 포토레지스트 용액을 디스펜싱한다. 도 2-b 의 스프레드 단계(Spread Step)은 기판을 100∼1,000 RPM 의 저속으로 회전시키면서 포토레지스트 용액을 기판의 가장자리까지 퍼져 나가게 하는 공정 단계를 지칭한다. 포토레지스트 용액은 회전하는 기판상에서 포토레지스트 코팅층(2)을 형성한다. 원심력에 의해 기판의 가장자리에서 비산되는 포토레지스트(4)는 바울의 내벽에 쌓인다. 도 2-c 의 스핀 단계(Spin Step)은 기판을 4,000∼6,000 RPM 으로 고속 회전하여 대부분의 포토레지스트는 원심력에 의해 기판의 가장자리고 밀려 비산된다. 기판상에 잔류하는 포토레지스트 코팅층의 표면에서 용제가 계속 증발하여 최종적으로 0.5∼1㎛의 포토레지스트 코팅층을 형성한다.

상기의 코팅 단계에서 코팅층에만 소모되는 포토레지스트의 소모량은, 8 인치 기판상에 1㎛의 포토레지스트 코팅층를 형성하는 경우를 계산하면 0.2 cc가 필요하다. 즉 97 ~ 98%의 포토레지스트가 스핀 코팅 공정 중에 코팅에 사용되지 않고 버려지고 있다. 따라서, 기판에 포토레지스트를 코팅하는 공정에 있어서 불필요한 포토레지스트의 소모량을 줄여 경제적 비용을 감소하고 환경 오염을 감소할 수 있는 방법이 심각히 요구되고 있다.

본 발명에서는 포토레지스트 용액을 분무 노즐을 통하여 분체 상태로 3 차원 형상의 구조물을 지닌 기판 상에 균일하게 분사함으로써, 포토레지스트의 코팅 공정 단계에서 요구되는 포토레지스트의 사용량을 효율적으로 감소시킴과 동시에 3 차원 형상의 구조에 균일하게 포토레지스트를 코팅하기 위한 분무 코팅 장치 및 방법을 제공한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분무 코팅 장치는, 본 발명의 동일 출원인이 출원한 한국 특허출원번호 10-2003-0028448의 '분무코팅 장치 및 방법'을 기본으로 한다. 부가적으로 본 발명에서는 노즐의 분사 각도, 노즐 이동 속도 조절, 그리고 기판의 온도 조절을 통하여 3 차원 형상의 구조를 지닌 기판에 균일한 코팅을 하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 분무 장치의 개략도를 도 3 에 나타내었다. 본 발명에 따른 분무 코팅 장치는 기판 회전부(6), 바울부(10), 포토레지스트 공급부(15), 분무 노즐(20), 분무 노즐 이동기구(21), 노즐 각도 조절 기구(27), 기판 가열부(28)를 구비한다.

기판 회전부(6)는 기판(1)를 회전시키기 위한 회전척(7), 회전척을 회전시키는 척 모터(8)와 기판을 회전척에 고정시키기 위한 진공펌프(9)로 구성된다. 바울부(10)는 분무 코팅시 생성되는 포토레지스트 분체(5)의 외부 유출을 방지하는 바울(11), 뚜껑(12), 흄 배기를 위한 흄 배기구(13)와 흄을 바울로부터 외부로 불어내는 블라워(14)로 구성된다. 포토레지스트 공급부(15)는 포토레지스트 용액(3)을 저장하는 포토레지스트 저장용기(16), 포토레지스트가 이송되는 이송관(17)와 저장용기로부터 분무 노즐(20)로 포토레지스트를 이송하는 이송펌프(18)로 구성된다. 분무 노즐은 포토레지스트를 분체 상태로 변환시켜 기판 표상으로 분무하는 작용을 한다. 분무 노즐 이동기구(21)는 이송 모터(22), 볼 스크루(23), 볼 베어링(24)과 선형이동가이드(25)로 구성된다. 분무 노즐 각도 조절 기구(27)는 스탑퍼(Stoper)(29)와 노즐 회전 모터(30)로 구성된다. 기판 가열부(28)는 히터(31)와 질소 공급관(32)으로 구성된다.

본 발명의 장치의 구성 및 기능을 분무코팅의 각 공정 단계순으로 세부적으로 서술하고자 한다.

기판은 진공펌프에 의해서 회전 척에 고정시킨다. 상기의 방법은 본 발명에 관하여 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 알 수 있는 내용이다. 기판은 척 모터에 의해서 0∼1,000RPM의 일정한 각속도로 회전한다.

포토레지스트 공급부는 포토레지스트를 분무 노즐에 공급하는 기능을 가진다. 분무노즐에 공급된 포토레지스트는 분무 노즐에 의해 용액 상태에서 분체 상태로 변환된다. 분체 상태의 포토레지스트는 분무 노즐을 통해 회전하는 기판에 도포된다.

포토레지스트를 3 차원 형상의 구조를 지닌 기판에 균일하게 도포하기 위해서는 기판과 분무 노즐의 분무각에 따른 분무 노즐의 상대적인 이송속도를 적절히 조절하여야 한다.

본 발명의 동일 출원인이 출원한 한국 특허출원번호 10-2003-0028448'분무코팅장치 및 방법'에서와 같이 분무 노즐이 기판에 대하여 수직일 경우, 즉 수직 분사의 경우의 분무노즐 이동속도의 조절의 한 예를 도 4 에 나타내었다.

일정 각속도로 회전하는 기판의 가장자리에서 중심부로 분무 노즐이 등속(V1＝V2＝V3＝V4) 직선운동을 하면 분무 패턴은 아르키메데스 나선 궤적을 형성한다. 도 5 에 포토레지스트의 분무궤적 그래프를 나타내었다. 분무점(26)이 기판의 반경 방향으로는 동일한 거리 만큼 위치하고 있지만, 기판의 회전방향의 분무점은 반경에 관계없이 일정한 각도 θ를 가지고 분포한다. 따라서 분무점의 분포는 기판의 중심부로 갈수록 밀집된다. 즉 포토레지스트의 두께는 기판의 중심부로 갈수록 두꺼워 진다. 따라서 구역에서의 포토레지스트의 코팅 두께를 동일하게 하기 위해서는, 기판의 반경을 분무 노즐의 도포 면적에 비례하는 길이로 R0,R1,R2,R3(도 4a)등으로 세분화하여 분무노즐이 각각의 구역에 머무르는 분무시간을 달리하여야 한다. 분무시간은 기판 반경 위치에 비례 한다. 따라서 분무 노즐 이동 속도(도 4b)는 기판의 반경 위치에 반비례한다. 본 발명의 분무 노즐 이동 기구는 기판의 반경에 따라 반비례하는 속도 조절기능을 만족하여야 한다. 더욱 바람직하게는 속도 조절 구간을 세분화하여 기판의 반경위치에 따른 속도조절 기능을 구비하면 좋다. 상기의 속도 조절기능을 실현하는 한 예는 - 도 3 에 나타내었듯이 - 이송 모터에 의한 회전력을 볼 스크루, 볼 베어링 및 선형운동 가이드에 의하여 선형운동으로 변환시키는 방법이다. 따라서 모터의 회전 속도는 선형운동 가이드의 직선이송 속도로 변환된다. 모터의 회전 속도는 모터 드라이브에 의하여 조절된다. 모터 드라이브에 의한 모터의 회전속도 조절은 본 발명에 관하여 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 알 수 있는 내용이므로 도 3 의 개략도에서는 도시하지 않았다.

3 차원 형상의 구조를 지닌 기판의 균일한 코팅을 하기 위해서는 포토레지스트를 기판에 수직으로 분사하는 것 보다는 일정한 각도로 기울어지게 분사하는 경사 분무가 더 유리하다. 도 6 에 분무각에 따른 포토레지스트 코팅층의 두께 분포를 개략적으로 도시하였다. 기판의 구조는 작은 캐버티(33)와 큰 캐버티(34)를 가진 구조물로 단순화하여 서술한다. 작은 캐버티는 상부면(35), 작은 캐버티 바닥면(36), 작은 캐버티 경사면(37)을 구비한 3 차원 구조를 가진다. 큰 캐버티는 상부면, 큰 캐버티 바닥면(38), 큰 캐버티 경사면(39)을 구비한 3 차원 구조를 가진다. 단차가 5 ㎛이하의 경우는 기존의 스핀 코팅 방법으로 포토레지스트를 코팅하는 것이 가능하다. 하지만 단차가 5 ㎛ 이상이 되는 ? 작은 캐버티 또는 큰 캐버티 - 3차원 구조물의 경우에 스핀코팅을 적용하면 도 6a 에 나타낸 것 처럼 작은 캐버티(33)와 큰 캐버티(34) 모두 상부면과 경사면의 경계 근처, 경사면과 바닥면의 경계 근처, 또는 경사면근처에서는 포토레지스트가 코팅되지 않는다. 기판에 수직으로 포토레지스트를 분무할 경우의 포토레지스트 코팅층의 두께 분포를 도 6b 에 나타내었다. 상부면에 코팅되는 포토레지스트의 두께를 Tp, 작은 캐버티의 바닥면에 코팅되는 포토레지스트의 두께를 Tbs, 큰 캐버티의 바닥면에 코팅되는 포토레지스트의 두께를 Tbl 이라 하면, Tp＞Tbs＞Tbl 의 관계가 있다. 또한 작은 캐버티의 경사면에 코팅되는 포토레지스트의 두께 Tss 와 큰 캐버티의 경사면에 코팅되는 포토레지스트의 두께 Tsl의 사이에는 Tss＞Tsl의 관계가 있다. 수직 분무의 경우에는 3차원 구조물상의 상부면, 바닥면, 경사면등의 표면에 포토레지스가 균일하게 코팅되지 않는다. 도 6c 에 본 발명의 경사 분무를 통한 포토레지스트의 두께 분포를 나타내었다. Tp＝Tbs＝Tbl 와 Tss＝Tsl 의 관계를 가진 포토레지스트 코팅층이 형성된다.

분무각에 따라 기판상에서의 분무점의 위치가 변경된다. 경사 분무의 경우 기판위치에 따른 분무노즐 이동속도는 수직 분무의 분무노즐 이동속도와는 달라져야 한다. 도 7 에 분무각에 의한 기판위치에 따른 분무노즐 이동속도를 나타내었다.

분무 각도 조절 기구는 분무 노즐을 회전하는 기판 상의 반경을 따라 이동하는 방향과 평행인 방향으로 일정한 각도로 조절할 수 있는 기능을 가진다. 분무 노즐의 각도는 스탑퍼와 회전용 모터에 의해 조절된다. 모터 드라이브에 의한 회전용 모터의 각도 조절은 본 발명에 관하여 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 알 수 있는 내용이므로 도 3 의 개략도에서는 도시하지 않았다.

흄 배기구는 분체 상태의 포토레지스트에 의한 흄을 적절히 제거하는 기능을 가진다. 바울부의 뚜껑이 닫혀있는 상태에서의 흄 배기는 바울의 내부를 대기압보다 낮은 감압상태를 유지함으로써 분무 노즐로부터 분무되는 포토레지스트 분체의 기류를 일정히 유지할 수 있는 기능을 가진다.

분무 코팅된 포토레지스트 용액은 회전척을 1,000∼6000RPM으로 고속회전시켜 건조 시키거나 , 혹은 자연 건조시키면 포토레지스트 내에 포함된 용매가 휘발함으로써 포토레지스트 코팅층을 형성한다.

상기와 같은 구성은 분무량 조절, 분무 기류 안정화, 분무 궤적 균일화 등의 특성을 만족함으로써, 포토레지스트의 소모량을 최소화 하면서 기판 상에 포토레지스트를 균일하게 코팅할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명에 의한 3 차원 형상의 구조물을 지닌 기판 상의 균일한 포토레지스트 분무 코팅 방법은 분무 노즐이 기판 반경을 기준으로 가장자리부터 중심부로 이동하고, 중심부에서 다시 가장자리로 이동하는 직선 이동 경로를 따라 분무 노즐의 이동 속도를 구간별로 세분화하여 조절하고, 이를 반주기로 하여 왕복 운동하는 것을 특징으로 한다.

도 8 은 기판 위치에 따른 분무코팅 변수 조절 방법에 관한 것이다. 분무 노즐은 회전하는 기판의 가장자리에서 중심부로, 다시 중심부에서 가장자리로 왕복 운동한다. 도 8a 와 도 8b 에 나타낸 바와 같이 분무노즐이 왕복운동 하는 동안 회전 척의 회전 방향과 분무 노즐의 분무각은 반전된다. 이와 동시에 분무 노즐의 이동속도는 그림 8c 에 나타낸 바와 같이 분무 노즐의 이동방향에 따라 변경된다. 분무노즐이 오른쪽으로 이동할 경우는 분무노즐 이동속도는 기판 중심점의 왼쪽부근에서 최대 속도가 되고, 분무노즐이 왼쪽으로 이동하는 경우는 기판 중심점의 오른쪽 부근에서 최대 속도가 된다.

기판의 캐버티 경사면에 코팅된 포토레지스트 용액의 흘러내림을 억제시키기 위해서는 포토레지스트 코팅층의 유동성을 조절하여야 한다. 도 9 에 코팅층의 유동성 조절을 위한 기판 가열 방법의 개략도를 도시하였다. 도 9a 는 기판의 상부에서 열을 가하는 방법을, 도 9b 는 기판의 하부에서 열을 가하는 방법을 나타낸다. 본 발명에서는 도 3 에서와 같이 히터와 질소공급관으로 구성된 기판 가열부를 이용하여 기판을 가열하는 예를 도시하였다. 기판이 가열되어 있으면 포토레지스트를 구성하고 있는 솔벤트의 휘발성이 촉진되어 포토레지스트의 점도가 증가한다. 즉 유동성이 낮아진다. 따라서 기판의 캐버티의 경사면에서 포토레지스트 용액은 바닥면쪽으로 흘러내리지 않고 경사면에 부착된다.

본 발명에 의한 실리콘 기판의 캐버티에 포토레지스트가 분무 코팅된 주사전자현미경 사진을 도 10 에 나타내었다. 캐버티의 바닥면, 경사면, 상부면에 포토레지스트가 균일하게 코팅된 것을 보이고 있다.

본 발명은 3 차원 형상에 균일한 코팅을 위한 분무코팅 장치 및 방법에 관한 것으로, 균일한 코팅을 위하여 기판 반경의 영역에 따라 구역화하여 분무 노즐의 이동 속도를 조절하고, 분무 노즐의 분무각을 조절하고, 중력에 의해 벽면에 코팅된 액상의 코팅제의 흘러내림을 억제시키기 위한 기판의 온도를 조절함으로써, 3 차원 형상의 구조물을 지닌 기판상에 균일한 두께의 코팅제를 코팅하는 장치 및 방법을 개시한다.

본 발명에서는 포토레지스트 용액을 분무 노즐을 통하여 분체 상태로 3차원 형상의 구조물을 지닌 기판 상에 균일하게 분사함으로써, 포토레지스트의 코팅 공정단계에서 요구되는 포토레지스트의 사용량을 효율적으로 감소시킴과 동시에 3 차원 형상의 구조에 균일하게 포토레지스트를 코팅하는 효과가 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1 은 종래의 스핀 코터 장치의 개략도

도 2 는 종래의 스핀 코터 장치에 의한 스핀코팅 공정 단계

도3은 본 발명의 분무 코팅 장치의 개략도

도 4 는 수직 분무 코팅의 분무노즐 이동속도와 속도 조절

도 5 는 아르키미데스 나선 궤적

도 6 은 분무각에 따른 코팅층의 두께분포

도 7 은 경사 분무에 의한 기판 위치에 따른 분무노즐 이동속도

도 8 은 기판 위치에 따른 분무코팅 변수 조절

도 9 은 코팅층의 유동성 조절을 위한 기판 가열 방법의 개략도

도 10 은 본 발명에 의한 포토레지스트가 코팅된 실리콘 기판의 SEM 사진

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1. 기판 2. 포토레지스트 코팅층

3. 포토레지스트 용액 4. 비산되는 포토레지스트

5. 포토레지스트 분체 6. 기판 회전 부

7. 회전 척 8. 척 모터

9. 진공펌프 10. 바울(Bowl) 부

11. 바울(Bowl) 12. 뚜껑 (Cover)

13, 흄 배기구 14. 블라워

15. 포토레지스트 공급부 16. 저장용기

17. 이송관 18. 이송 펌프

19. 분출노즐(Dispensing Nozzle) 20. 분무 노즐(Spray Nozzle)

21. 분무노즐 이송기구 22. 이송 모터

23. 볼 스크루 24. 볼 베어링

25. 선형이동 가이드(Linear Motion Guide) 26. 분무점

27. 노즐 각도 조절 기구 28. 기판 가열부

29 스탑퍼(Stoper) 30. 노즐 회전 모터

31. 히터 32. 질소 공급관

33. 작은 캐버티(Small Cavity) 34. 큰 캐버티(Large Cavity)

35. 상부면 36. 작은 캐버티 바닥면

37. 작은 캐버티 경사면 38. 큰 캐버티 바닥면

39. 큰 캐버티 경사면

Claims (6)

1. 분무 코팅 장치에 있어서,

   기판을 진공펌프에 의해 고정시키고, 기판을 일정한 각속도로 회전시키는 회전 척;

   상기 회전 척 하부에 고정되고, 히터와 질소 공급관을 포함하여 상기 기판을 가열하는 기판 가열부;

   상기 회전척 상부에 위치하고, 액상의 코팅제를 분체 상태로 분무하는 분무 노즐;

   상기 분무 노즐에 코팅제를 공급하는 포토레지스트 공급부;

   상기 분무 노즐을 지지하며, 회전하는 기판상의 반경을 따라 직선 경로로 속도가 가변되고, 이송 모터, 선형이동 가이드, 볼 베어링을 포함하는 분무노즐 이송기구; 및

   상기 분무 노즐과 분무노즐 이송기구를 연결하고 분무 노즐 각도를 조절하는 노즐 각도 조절 기구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분무 코팅 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   분무 노즐이 등속 원운동하는 기판 반경을 기준으로 직선 이동 경로를 따라 구간별로 세분화하여 조절되면서 왕복 운동하는 것을 특징으로 하는 노즐 이동 기구를 구비하는 분무 코팅 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   분무 노즐을 기판 반경을 기준으로 직선 이동 경로를 따라 왕복운동을 시키는 동안에 등속 원운동하는 기판의 회전 방향을 반주기를 기준으로 시계방향과 반시계 방향으로 전환하는 것을 특징으로 하는 회전척을 구비하는 분무 코팅 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   분무 노즐이 등속 원운동하는 기판 반경을 기준으로 직선 이동 경로를 따라 구간별로 세분화하여 이동하는 분무 노즐의 각도를 구간별로 일정한 각도로 조절하는 것을 특징으로 노즐 각도 조절 기구를 구비하는 분무 코팅 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   기판 상부 또는 하부에 가열된 기체 (공기 또는 질소)를 공급하여 기판을 가열시키는 것을 특징으로 기판 가열부를 구비하는 분무 코팅 장치.
6. 분무 코팅 방법에 있어서,

   (a)기판을 회전시키는 회전 척 하부에 설치된 기판 가열부를 통해 기판을 가열하는 단계;

   (b)상기 회전 척을 시계방향 또는 반시계방향으로 조절하는 단계;

   (c)상기 기판에 균일한 분부 코팅을 위하여 기판 반경의 영역에 따라 구역화하여 분무 노즐을 소정의 속도로 이동시켜 분무하는 단계;

   (d)상기 분무 노즐의 각도를 구역별로 소정의 각도로 조절하는 단계; 및

   (e)상기 분무 노즐에 의해 분무된 액상의 코팅제가 중력에 의해 바울 벽면으로 흘러내림을 억제시키기 위하여 기판 가열부의 온도를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분무 코팅 방법.