KR100543808B1 - 분무코팅 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액상의 코팅제를 분무코팅 하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 일정속력으로 회전하는 기판상에 코팅제를 분무하는 동시에 분무노즐의 이동 속도를 변화시킴으로써 코팅제의 두께를 균일하게 하는 장치 및 방법을 개시한다.

균일한 코팅을 위한 분무 노즐의 이동속도는 기판의 반경 및 회전속도의 함수로 표현되고, 이 함수를 기판 반경의 영역에 따라 구역화하여 근사적으로 함수값에 접근하도록 이동속도를 조절함으로써, 기판상에 균일한 두께의 코팅제를 코팅하는 장치 및 방법을 개시한다.

코팅제, 포토레지스트, 분무, 코팅, 균일도

Description

분무코팅 장치 및 방법{The method and Apparatus for Spray Coating}

도 1 은 종래의 스핀 코터 장치의 개략도

도 2 는 종래의 스핀 코터 장치에 의한 스핀코팅 공정 단계

도 3 은 본 발명에 의한 포토레지스트를 분무 코팅하는 장치를 나타내는 개략도.

도 4 는 아르키미데스 나선 궤적 그래프.

도 5 는 포토레지스트 코팅두께를 동일하게 하기 위한 분무 시간 및 분무 노즐 이동속도를 나타내는 그래프.

도 6 는 본 발명에 의한 포토레지스트를 분무 코팅하는 방법에 의한 포토레지스트 코팅층을 나타내는 개략도.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1. 웨이퍼 2. 포토레지스트 코팅층

3. 포토레지스트 용액 4. 비산되는 포토레지스트

5. 포토레지스트 분체 6. 웨이퍼 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(Dispsnsing 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

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 코팅모재에 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 물 질로 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 코팅장치는 웨이퍼 회전부(6), 바울부(10), 포토레지스트 공급부(15)와 분출 노즐 (19)로 구성된다. 웨이퍼 회전부는 웨이퍼(1)를 회전시키기 위한 회전척(7), 회전척을 회전시키는 척 모터(8)와 웨이퍼를 회전척에 고정시키기 위한 진공펌프(9)로 구성된다. 바울부는 스핀 코팅 시 웨이퍼 표면으로부터 비산되는 포토레지스트(14)의 외부 유출을 방지하는 바울(11), 흄 배기를 위한 흄 배기구(13)와 흄을 바울로부터 외부로 불어내는 블라워(14)로 구성된다. 포토레지스트 공급부는 포토레지스트 용액(5)를 저장하는 포토레지스트 저장용기(16), 포토레지스트가 이송되는 이송관(17)와 저장용기로부터 분출 노즐로 포토레지스트를 이송하는 이송펌프(18)로 구성된다. 분출노즐은 포토레지스트를 웨이퍼 표면상으로 분출하는 작용을 한다.

종래의 장치에 의한 스핀코팅 공정 단계를 도2에 나타내었다. 도2-a는 포토레지스트 저장용기로부터 이송펌프와 이송관을 통해 노즐로 공급되는 포토레지스트는 회전하지 않고 정지해 있는 웨이퍼 상에 분출되는 디스펜싱 단계(Dispensing Step)이다. 디스펜싱 단계는 정지해 있는 웨이퍼에 점도가 있는 포토레지스트 용액을 기판의 중심부위에 분출하는 공정 단계를 지칭한다. 8인치 웨이퍼의 경우에 7∼9 cc의 포토레지스트 용액을 디스펜싱한다. 도 2-b 의 스프레드 단계(Spread Step)은 웨이퍼를 100∼1,000 RPM 의 저속으로 회전시키면서 포토레지스트 용액을 기판의 가장자리까지 퍼져 나가게 하는 공정 단계를 지칭한다. 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 배출되고, 기판상에 잔류하는 포토레지스트는 표면에서 용제가 계속 증발하여 0.5∼1 ㎛의 코팅층을 형성하는 단계를 지칭한다.

상기의 코팅 단계에서 코팅층에만 소모되는 포토레지스트의 소모량은, 8 인치 웨이퍼상에 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, 웨이퍼에 포토레지스트를 코팅하는 공정에 있어서 불필요한 포토레지스트의 소모량을 줄여 경제적 비용을 감소하고 환경 오염을 감소할 수 있는 방법이 심각히 요구되고 있다.

본 발명에서는 표토레지스트 용액을 분무 노즐을 통하여 분체 상태로 기판상에 균일하게 분사함으로써, 포토레지스트 코팅 공정 단계의 Dispense step과 Spread Step시 요구되는 포토레지스트의 사용량을 효율적으로 감축하기 위한 분무 코팅 장치 및 방법을 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 포토레지스트 분무 코팅 장치는, 회전척 상에서 회전되는 웨이퍼 표면에 포토레지스트를 분무 코팅하는 장치에 있어서,, 웨이퍼 회전부, 바울부, 포토레지스트 공급부, 분무 노즐, 분무 노즐 이동 기 구를 구비한다. 본 발명의 포토레지스트 분무 장치의 개략도를 도 3에 나타내었다.

웨이퍼 회전부(6)는 웨이퍼(1)를 회전시키기 위한 회전척(7), 회전척을 회전시키는 척 모터(8)와 웨이퍼를 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(5)를 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 웨이퍼 표상으로 분무하는 작용을 한다. 분무 노즐 이동기구(21)는 이송모터(22), 볼 스크루(23), 볼 베어링(24)과 선형이동가이드(25)로 구성된다.

본 발명의 장치의 구성 및 기능을 포토레지스트를 분무 코팅하는 순서대로 세부적으로 서술하고자 한다

웨이퍼는 회전척에 형성된 진공 통로를 덮고, 진공통로는 진공펌프에 의해 진공을 유지하면서 웨이퍼를 회전척에 고정시킨다. 상기의 진공통로의 구성 및 기능은 본 발명에 관하여 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 알 수 있는 내용이므로 도 3의 개략도에서는 도시하지 않았다. 웨이퍼를 0∼1,000 RPM의 일정 각속도로 회전시키기 위한 회전 척은 모터에 의해 구동된다.

포토레지스트 공급부는 포토레지스트를 분무 노즐에 공급하는 기능을 가진다. 분무노즐에 공급된 포토레지스트는 분무 노즐에 의해 용액 상태에서 분체 상태 로 변환된다.

분체 상태의 포토레지스트는 분무 노즐을 통해 회전하는 웨이퍼에 도포된다. 포토레지스트를 웨이퍼에 균일하게 도포하기 위해서는 웨이퍼와 분무 노즐의 상대적인 이송 속도를 적절히 조절하여야 한다. 도 4에서는 이송 속도의 조절의 한 예로 속도조절 구역을 V₁, V₂, V₃ 및 V₄의 4구역으로 표시하였다.

일정 각속도로 회전하는 웨이퍼의 가장자리에서 중심부로 분무 노즐이 등속직선운동(V1=V2=V3=V4)을 하면 분무 패턴은 아르키메데스 나선 궤적을 형성한다. 그림 4에 포토레지스트의 분무궤적 그래프를 나타내었다. 분무점(26)이 웨이퍼의 반경방향으로는 동일한 거리 만큼 위치하고 있지만, 웨이퍼의 회전방향의 분무점은 반경에 관계없이 일정한 각도 θ 를 가지고 분포한다. 따라서 분무점의 분포는 웨이퍼의 중심부로 갈수록 밀집된다. 즉 포토레지스트의 두께는 웨이퍼의 중심부로 갈수록 두꺼워진다. 따라서 구역에서의 포토레지스트의 코팅 두께를 동일하게 하기 위해서는, 웨이퍼의 반경을 분무 노즐의 도포 면적에 비례하는 길이로 R0, R1, R2, R3(도 5a)등으로 세분화하여 분무 노즐이 각각의 구역에 머무르는 분무시간을 달리하여야 한다. 도 5에서 나타내었듯이 분무시간은 웨이퍼 반경 위치에 비례 한다. 따라서 분무 속도(5b)는 웨이퍼의 반경 위치에 반비례한다.

도 5에 코팅두께를 동일하게 하기 위한 분무 시간 및 분무 노즐 이동속도를 나타내었다. 도 5-1의 코팅두께를 동일하게 하기 위한 분무 시간은, 웨이퍼의 반경 방향의 위치 R0, R1, R2, R3, 웨이퍼 중심의 위치에 반비례 하여야 한다. 따라서 분무 도포 면적을 균일하게 하기 위해서는 도5-2에서 보는 것과 같이 웨이퍼의 중 심부에서 가장자리로 갈수록 분무 노즐 이동속도를 늦추어야 한다.

본 발명의 분무 노즐 이동 기구는 웨이퍼의 반경에 따라 반비례하는 속도 조절기능을 만족하여야 한다. 더욱 바람직하게는 속도 조절 구간을 세분화하여 웨이퍼의 반경 위치에 따른 속도조절 기능을 구비하면 좋다. 상기의 속도 조절기능을 실현하는 한 예는 도 3에 나타내었듯이, 이송 모터에 의한 회전력을 볼 스크루, 볼 베어링 및 선형운동 가이드에 의하여 선형운동으로 변환시킨다. 따라서 모터의 회전 속도는 선형운동 가이드의 직선이송 속도로 변환된다. 모터의 회전 속도는 모터 드라이브에 의하여 조절되고, 모터 드라이브에 의한 모터의 회전속도 조절은 본 발명에 관하여 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 알 수 있는 내용이므로 도 3의 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∼6000 RPM으로 고속회전시켜 건조 시키거나 , 혹은 자연 건조시키면 포토레지스트 내에 포함된 용매가 휘발함으로써 포토레지스트 코팅층을 형성한다.

본 발명의 8인치 웨이퍼상에 포토레지스트를 분무 코팅하여 건조된 포토레지스트 코팅층를 형성하는 분무코팅에 있어서 , 분무 코팅에 소모되는 포토레지스트의 양을 표 1에 나타내었다. 표1은 포토레지스트의 Solid Content가 15%인 경우에 대한 것 이다.

8인치 웨이퍼의 경우 1 ㎛의 포토레지스트 코팅층을 형성하기 위해서는 분무코팅에 의해 포토레지스트를 6 ㎛ 두께로 코팅하고, 이를 건조 단계에서 건조시키면 1 ㎛의 포토레지스트 코팅층을 형성한다.

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

본 발명에 의한 포토레지스트 분무코팅 방법은 분무 노즐이 웨이퍼 반경을 기준으로 가장자리부터 중심부로 이동하고 , 중심부에서 다시 가장자리로 이동하는 직선 이동 경로를 따라 분무 노즐의 이동 속도를 구간별로 세분화하여 조절하는 것을 특징으로 한다.

분무 노즐의 속도를 변화시켜 분무 코팅을 적용함에 있어서, 웨이퍼의 가장자리에서 중심부로 향할수록 분무 노즐의 이동속도는 증가하고, 중심부에서 최고의 속도를 가진다. 따라서 웨이퍼의 중심부에서 분무 코팅을 종료하려면 분무노즐을 웨이퍼의 중심부에서 갑자기 정지시키거나 또는 웨이퍼의 중심부에서 분무 노즐 작동을 갑자기 중지하여야 한다. 분무 노즐의 이동을 최대속도에서 갑자기 중지하는 것은 기구적으로 바람직하지 않은 방법으로 적용 불가능하다. 또한 분무 노즐의 작동을 갑자기 중지하여도 여분의 분체가 분무되기 때문에 바람직한 방법이 아니다. 따라서 본 발명에서는 분무 노즐이 웨이퍼 반경을 기준으로 가장자리부터 중심부로 이동하고 , 중심부에서 다시 가장자리로 이동하는 직선 이동 경로를 따라 분무 노즐을 이동함으로써 분무 노즐 이동의 연속성과 분무량의 연속성을 유지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 포토레지스트의 코팅 시 요구되는 포토레지스트의 소모량을 1cc 이하로 줄일 수 있으며, 기존의 스핀 코팅에 비하여 포토레지스트의 소모량을 7∼9배 절감할 수 있는 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.

Claims (5)

1. 웨이퍼를 진공펌프에 의해 고정시키고, 웨이퍼를 일정한 각속도로 회전시키는 회전 척;

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

   상기 분무 노즐에 코팅제를 공급하는 포토레지스트 공급부;

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

   상기 회전 척이 고속으로 회전하면서 웨이퍼에 분무되는 코팅제의 건조시 발생하는 흄을 배기하는 흄 배기구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분무 코팅 장치.
2. 삭제
3. (a)웨이퍼를 회전 척에 고정시키는 단계;

   (b)모터에 의해 상기 회전 척을 일정한 각속도로 회전시키는 단계;

   (c)포토레지스트 공급부에 의해 용액 상태의 포토레지스트를 분무 노즐에 공급하고, 공급된 포토레지스트가 분체 상태로 변환되는 단계;

   (d)분무 노즐이 등속 원운동하는 웨이퍼 반경을 기준으로 가장자리부터 중심부로 이동하고, 중심부에서 다시 가장자리로 이동하는 직선 이동 경로를 따라 분무 노즐의 이동 속도를 구간별로 세분화하여 조절되면서 상기 분체 상태의 포토레지스트가 분무 노즐을 통해 분무되어 회전하는 웨이퍼에 코팅되는 단계;

   (e)회전 척을 소정의 속도로 분무시보다 고속 회전시켜 상기 코팅된 포토레지스트 용액을 건조하는 단계; 및

   (f)흄 배기구에서 상기 (e)단계에서 발생하는 흄을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분무 코팅 방법.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서, 상기 회전척은

   상기 (b)단계에서는 1,000 RPM 이하로 회전하고, 상기 (e)단계에서는 1,000~6,000 RPM의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 분무 코팅 방법.

Images