KR20030004063A - 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지 - Google Patents

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후지와라요시노리
겐조야스히코
와타나베요시히코
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우시오덴키 가부시키가이샤
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Abstract

레지스트 경화 장치의 워크 스테이지를 제공한다.
레지스트가 도포된 워크를 워크 스테이지 상에 진공 흡착에 의해 유지하여, 승온시키면서 자외선을 조사하며, 자외선 조사 후 냉각시킴으로써 상기 레지스트의 경화 처리를 행하는 레지스트 경화 장치에서의 가열 수단과 냉각 수단을 구비한 워크 스테이지에 있어서, 상기 스테이지는 σ/σy≤ 3.1(여기서, σ는 열응력이며, 이하의 식: σ=EαΔT, E; 200℃에서의 영률(N/㎟), α; 200℃에서의 선팽창 계수(1/℃), ΔT; 온도차(℃)=120℃로부터 구해지며, 또, σy는 200℃에서의 항복점이다.)을 만족시키는 재질의 알루미늄 합금 내지 구리 합금에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지이다.
워크 스테이지의 큰 휨을 방지하며, 웨이퍼를 스테이지 표면에 진공 흡착에 의해 확실히 유지시킬 수가 있다.

Description

레지스트 경화 장치의 워크 스테이지{Work stage of resist hardening apparatus}
본 발명은 레지스트가 도포된 반도체 웨이퍼 등의 워크를 워크 스테이지 상에 유지하여, 가열 및 자외선 조사하여 그 경화 처리를 행하는 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지에 관한 것이며, 더욱 자세하게는, 반도체 집적 회로의 제조 공정에 있어서, 실리콘 등의 웨이퍼에 도포된 레지스트를 가열 승온하면서 자외선 조사함으로써 경화시키는 레지스트 처리에 사용되는 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지에 관한 것이다.
본 발명의 워크 스테이지는, 특히 웨이퍼의 크기가 대구경화(大口徑化)하는 것에 대응한 새로운 고성능 워크 스테이지로서 바람직하게 사용되는 것이다.
종래, 반도체 집적 회로의 제조 공정에 있어서, 반도체 웨이퍼에 도포된 레지스트의 처리 방법으로서, 현상 후의 레지스트에 대하여, 가열 승온하면서 자외선을 조사하여, 레지스트를 경화함으로써, 그 내열성이나 내플라즈마성 등을 향상시키는 방법이 제공되어 있다(예를 들면, 일본국 특공평 4-78982호 공보). 상기 처리에서는 예를 들면, 웨이퍼마다에 자외선을 조사하면서, 웨이퍼 처리대(워크 스테이지)의 온도를 제어하여, 다음과 같은 승강온을 반복하는 것이 행하여진다.
즉, 상기 레지스트의 처리 방법은 예를 들면, 50∼100℃에서 처리를 개시하며, 자외선을 조사하여 200∼250℃까지 상승하여, 자외선의 조사를 정지하며, 다시 50∼100℃까지 냉각하여 처리를 종료하는 일련의 처리가 행하여진다. 이 경우, 승온 속도는 프로세스 상의 이유로 1∼2℃/sec가 필요해진다. 또, 강온 속도는 처리 능력을 좋게 하기 위해 보다 빠른 것이 바람직하지만, 실제로는 3℃/sec 정도이다.
상기와 같은 급속한 승강온을 웨이퍼에 확실히 전달하기 위해서, 바람직하게는, 열전달성이 좋은 금속제의 워크 스테이지 상에 진공 흡착에 의해 웨이퍼를 유지하는 방법이 채용되고 있다. 구체적으로는, 이 워크 스테이지로서, 가열 수단과 냉각 수단으로 이루어지는 온도 제어 수단을 구비한 워크 스테이지를 이용하며, 이것을 히터에 의해 가열하고, 또, 냉각수에 의해 냉각함으로써, 상기 승강온 제어를 행하고 있다.
이런 종류의 워크 스테이지에 관한 종래 기술로서, 도 1에 통상의 워크 스테이지의 전체 사시도를 도시한다. 워크 스테이지(WS) 형상은 웨이퍼 형상에 맞추어서 원형이다. 워크 스테이지(WS) 표면에는 원환상의 다수의 진공 흡착 홈(A)가 있으며, 진공이 공급되어, 배치된 웨이퍼는 워크 스테이지(WS) 표면에 진공 흡착에 의해 유지된다. 또, 워크 스테이지 내부에는 카트리지 히터(B)가 삽입된다. 워크 스테이지의 표면은 무전계 니켈 도금 처리되어 있다.
도 6에, 워크 스테이지(WS)의 측면도 및 카트리지 히터(시스 히터)(B)의 단면도를 도시한다. 워크 스테이지(WS) 측면에는 다수의 히터 삽입용 관통 구멍(3)이 형성되며, 관통 구멍의 길이에 따른 카트리지(7) 및 히터 선(8)으로 구성되는 봉상 카트리지 히터(시스 히터)(B)가 삽입된다. 카트리지 히터(B)에 통전하여 가열하면, 열전도에 의해 워크 스테이지(WS)가 가열된다.
또, 히터를 삽입하는 관통 구멍(3)과 관통 구멍(3) 사이의 워크 스테이지 내부에는 냉각수를 유통하는 냉각수용 유로용 구멍(4), 진공 흡착 홈(5)에 진공을 공급하는 진공 공급로(도시하지 않음)가 형성되어 있다.
냉각수를 유통시키는 유로들은 워크 스테이지(WS) 하면측에서 브리지 배관(6)에 의해 접속되어 있다. 냉각수는 2개소의 도입구(E)로부터 도입되어, 2개소의 배수구(F)로 배출된다.
그런데, 최근 웨이퍼의 크기가 φ200㎜에서 φ300㎜로 대구경화하는 경향이 있다. 이것에 따라서 워크 스테이지의 직경도 크게 하지 않으면 안 되는 상황이 되고 있다.
워크 스테이지의 직경을 크게 할 때에, 특히, 이하의 점이 문제가 된다.
종래, 상기 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지의 재질로서는 열전도성이 좋은 무산소 구리가 이용되고 있다. 그런데, 대구경의 φ300㎜ 웨이퍼에 대응하기 위해서, 스테이지의 직경을 크게 한 바, 승강온을 반복하는 과정에서, 스테이지에 큰 휨이 발생하여, 웨이퍼가 진공 흡착할 수 없다고 하는 문제가 일어났다.
예를 들면, 도 2에 도시하는 바와 같이, 직경 320㎜, 두께 17㎜인 무산소 구리제 워크 스테이지(WS)에 있어서, 50℃ 내지 250℃의 승강온(승온 속도 2.1℃/sec, 강온 속도 3℃/sec)을 약 100회 반복한 바, 워크 스테이지 중앙부에 대하여, 주변부에서는 1.2㎜의 휨이 발생한다는 문제가 발생했다.
본 발명자들이 실험한 바에 의하면, 워크 스테이지 중앙부에 대한 주변부의 휨은 0.5㎜ 이하이지 않으면 웨이퍼를 확실히 진공 흡착할 수 없다는 것을 알 수 있었다. 웨이퍼를 워크 스테이지에 진공 흡착할 수 없으면, 스테이지의 온도를 정확히 웨이퍼에 전도할 수 없고, 레지스트의 경화 처리에 있어서 문제가 발생할 가능성이 있다.
이와 같은 상황하에서, 본 발명은 상기 종래 기술을 감안하여, 웨이퍼의 크기가 대구경화하여도, 워크 스테이지의 휨이 발생한다는 문제가 없는 새로운 고성능 워크 스테이지를 개발하는 것을 과제로 하여 행하여진 것이다.
즉, 본 발명은 대구경의 φ300㎜ 웨이퍼에 도포된 레지스트를 가열하면서 자외선 조사하여 경화 처리하는 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지에 있어서, 대구경의 웨이퍼에 대응한 직경 320㎜의 워크 스테이지를 50℃ 내지 250℃의 승강온을 반복해도, 웨이퍼를 배치하는 스테이지 중앙부에 대한 주변부의 휨이 0.5㎜ 이하로 되게 하는 것이 가능한 새로운 고성능 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
도 1은 워크 스테이지의 전체 사시도를 도시한다.
도 2는 워크 스테이지의 단면도를 도시한다.
도 3은 스테이지의 표면 온도와 냉각 개시로부터의 시간의 관계를 도시한다.
도 4는 승강온의 반복 횟수와 스테이지의 휨량의 관계를 도시한다.
도 5는 승강온 100회 반복시에서의 스테이지의 휨량과 σ/σy의 관계를 도시한다.
도 6은 워크 스테이지의 측면도 및 카트리지 히터(시즈(sheath) 히터)의 단면도를 도시한다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(도 1의 부호)
1∼9, 1', 4' : 온도 측정점
A : 진공 흡착 홈 B : 카트리지 히터
(도 2의 부호)
WS : 워크 스테이지 D : 스테이지의 두께
(도 6의 부호)
1 : 무산소 구리 2 : 니켈 도금
3 : 히터 삽입용 관통 구멍 4 : 냉각수용 유로용 구멍
5 : 진공 흡착 홈 6 : 브리지 배관
7 : 카트리지 8 : 히터 선
B : 카트리지 히터(시스 히터) E : 냉각수 도입구
F : 냉각수 배수구
상기 문제를 해결하기 위한 본 발명은 이하의 기술적 수단으로 구성된다.
(1) 레지스트가 도포된 워크를 워크 스테이지 상에 진공 흡착에 의해 유지하여, 승온시키면서 자외선을 조사하며, 자외선 조사 후 냉각함으로써 상기 레지스트의 경화 처리를 행하는 레지스트 경화 장치에서의 가열 수단과 냉각 수단을 구비한 워크 스테이지로서, 상기 스테이지는 σ/σy≤ 3.1
(여기서, σ는 열응력이며, 이하의 식:
σ=EαΔT
E; 200℃에서의 영률(N/㎟)
α; 200℃에서의 선팽창 계수(1/℃)
ΔT; 온도차(℃)=120℃
로부터 구해지며, 또, σy는 200℃에서의 항복점이다.)
을 만족시키는 재질의 알루미늄 합금 내지 구리 합금으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지.
(2) 워크 스테이지의 재질이 알루미늄 합금(A6061P 또는 A5052P)으로 구성되어 있는 상기(1) 기재의 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지.
<발명의 실시 형태>
다음에, 본 발명에 관해서 더욱 자세히 설명한다.
본 발명자들은 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지에서의 스테이지 중앙부에 대한 주변부의 휨의 원인을 이하와 같이 생각하여, 휨이 발생하지 않는 조건을 여러모로 검토했다.
본 발명자들은 실험을 진행시키는 중에서 워크 스테이지가 휘어지는 것은 승강온시, 스테이지에 온도차가 발생하여, 이것에 의해 국부 열응력이 발생하며, 이 국부 열응력이 스테이지의 금속의 항복점(탄성 한계)을 넘으면, 국부 영구 변형이 발생하며, 이 국부 영구 변형이 스테이지의 휨이 된다고 생각하였다.
특히, 강온시, 전체가 200∼250℃인 직경 320㎜, 두께 17㎜ 스테이지에 수돗물인 냉각수를 유통시켜 냉각하지만, 도 6에 도시하는 바와 같이, 냉각수를 2개소에서 공급해도, 공급 직후는 냉각수 공급구 부근과, 냉각수 공급구에서 떨어진 부분에서는 큰 온도차가 발생한다. 따라서, 워크 스테이지에는 큰 온도구배가 발생한다.
그래서, 워크 스테이지에서의 온도구배를 조사하기 위해, 250℃로 가열한 스테이지에 약 20℃의 냉각수를 유통시켜, 스테이지 각 부분의 온도를 측정했다. 그 결과를 도 3에 도시한다. 도면 중, 종축이 표면 온도, 횡축이 냉각 개시로부터의 시간이다. 온도 측정점은 도 1의 화살표 1∼9의 부분이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 최대로 약 120℃의 온도차(ΔT)가 발생하고 있다는 것을 알 수 있다.
상기의 결과에 기초하여, 스테이지에 발생하는 응력(σ)을 계산하였다. 응력(σ)은 이하의 식으로부터 구하여진다.
σ=Eε=EαΔT σ; 응력(N/㎟) E; 영률(N/㎟) ε; 변형 α; 선팽창 계수(1/℃) ΔT; 온도차(℃)
상기식으로부터 구한 응력(σ)이 항복점(σy)에 대하여 어느 정도의 크기인가에 따라서, 스테이지의 변형용이를 알 수 있다. 여기에서는 고온 상태에서의 변형용이를 평가해야 하기 때문에, 상기식에 대입하는 영률(E), 선팽창 계수(α)는 200℃에서의 값을, 온도차(ΔT)는 도 3의 측정치 120℃를 채용했다.
표 1에 상기에 기초하여, 각종 재질의 금속에 관해서 행한 계산 결과를 나타낸다. σ/σy는 스테이지에 발생하는 응력(σ)이 200℃에서의 항복점(탄성 한계)(σy)의 몇 배가 되는가를 나타내는 것이다.
상기한 바와 같이, 선팽창 계수(α), 영률(E), 항복점(σy)은 200℃에서의 물성치이며, 응력(σ)은 그 선팽창 계수(α), 영률(E)과 온도차(ΔT=120℃)로부터 계산했다.
표 1에 나타나는 바와 같이, 종래 사용되었던 무산소 구리(C1020P)인 경우는 발생하는 열응력이 항복점에 대하여 7배 이상 크다. 따라서, 스테이지는 휨량 1.2㎜라는 큰 영구 변형을 발생한 것으로 추정된다.
종래의 장치에 있어서도, 휨은 발생하고 있었지만, 종래는 φ220㎜ 이하의웨이퍼에 대응하는 장치로, 스테이지의 직경도 φ220㎜로 작은 것이었다. 그 때문에, 스테이지 중앙부에 대하는 주변부의 휨도 작고, 0.5㎜ 이하였기 때문에, 문제가 되지 않는 수준의 것이었다.
상기에 기초하여, σ/σy의 값이 될 수 있는 한 작게 되도록 재질을 선택하면, 스테이지에 발생하는 변형이 작아지는 것으로 추정된다.
그래서, 본 발명자들은 알루미늄 합금(A6061P(σ/σy=2.2))과, 알루미늄 합금(A5052P(σ/σy=3.1))에 의한 스테이지를 제작하여, 상기와 마찬가지로, 50℃→250℃→50℃의 승강온을 반복하여, 스테이지 중앙부에 대한 주변부의 휨량을 측정했다.
도 4에 승강온의 반복 횟수에 대한 스테이지의 휨량을 도시한다. 도면 중, 종축이 스테이지의 휨량(㎜), 횡축이 승강온의 반복 횟수이다.
도 4에 있어서,는 재질로서 무산소 구리(C1020P)를 이용한 종래의 스테이지인 경우이다. 휨량의 증가는 승강온을 약 100회 반복한 부근에서 약 1.2㎜가 되며, 그 후, 미증하고 있다.
또, 도 4에 있어서,는 재질로서 A6061P를 이용한 스테이지인 경우,는 재질로서 A5052P를 이용한 스테이지인 경우이다.
A6061P의 스테이지인 경우도, 100회 및 200회의 승강온 반복에 있어서, 스테이지의 휨량은 0.1㎜ 이하로, 웨이퍼를 흡착할 수 없는 큰 휨은 발생하지 않는 것을 알 수 있었다.
A5052P의 스테이지인 경우도, 45회 및 100회의 승강온 반복에 있어서, 스테이지의 휨량은 0.1㎜ 이하로, 웨이퍼를 흡착할 수 없는 큰 휨은 발생하지 않는 것을 알 수 있었다.
열응력의 경우, σ/σy가 2 이하이면 큰 변형이 발생하지 않는다는 경험적 법칙이 있지만, 이 결과는 이 경험적 법칙에 모순되지 않는다.
도 4에 도시되는 바와 같이, 무산소 구리(C1020P)의 워크 스테이지인 경우, 휨량의 증가는 승강온을 약 100회 반복한 부근에서 거의 포화하고 있다. 따라서, 100회의 승강온을 반복하여 큰 휨이 발생하지 않으면, 그것 이상의 휨은 발생하지 않아, 문제는 없다고 판정했다.
도 5에 승강온의 100회 반복시에서의 σ/σy에 대한(φ300㎜ 웨이퍼용) 워크 스테이지의 휨량을 도시한다. 이것은 상기한 무산소 구리(C1020P)제 워크 스테이지와, 알루미늄 합금(A5052P, A6061P)제 워크 스테이지의 실험 결과와, 상기에서 계산한 σ/σy의 값으로부터 구한 것이다. 또한, 열응력(σ)은 200℃에서의 영률, 200℃에서의 열팽창 계수, 온도차(120℃)로부터 산출하였다. σy는 200℃에서의 물성치이다.
상기한 바와 같이, 워크 스테이지의 휨량은 0.5㎜ 이하이면, 웨이퍼를 진공 흡착에 의해 유지할 수 있으므로 문제는 없다. 따라서, σ/σy의 값이 3.1 이하이면, 스테이지의 재질로서 채용가능한 것을 알 수 있었다.
표 1에 있어서, 무산소 구리(C1020P) 이외, 어느 것이라도 σ/σy≤3.1이며, 스테이지의 재질로서 채용가능하다.
본 발명의 특정 재질로부터 구성되는 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지는 레지스트가 도포된 워크를 워크 스테이지 상에 진공 흡착에 의해 유지하여, 레지스트 처리하는 모든 장치에 적용가능하다. 이 종류의 장치로서는, 예를 들면 워크 스테이지(웨이퍼 처리대)는 히터 리드선에 의해 통전함으로써 히터로 가열되며, 또는 스테이지 내부에 형성된 냉각 구멍에 냉각수를 유통함으로써 냉각수로 냉각되며, 이 가열 및 냉각 기구에 의해, 스테이지 상에 배치된 웨이퍼의 온도 제어를 행하는 방식을 채용한 자외선 포토 레지스트 경화 장치가 바람직한 것으로서 예시된다.
본 발명의 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지는, 특히 웨이퍼의 φ300㎜로의 대구경화에 대응한 워크 스테이지로서 바람직하게 이용되지만, 이것에 제한되는 것은 아니며, 모든 종류의 워크에 대응한 워크 스테이지로서 사용가능하다. 또, 워크 스테이지에 관해서도, 상기 방식의 워크 스테이지에 제한되는 것이 아니며, 가열 수단과 냉각 수단으로 이루어지는 온도 제어 수단을 구비한 워크 스테이지이면 모두 대상이 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 있어서는 스테이지의 재질을 σ/σy의 값이 3.1 이하인 조건을 만족시키는 알루미늄 합금 내지 구리 합금에 의해 구성하는 것이 중요하며, 상기 조건을 만족시키는 것이면, 적절한 재질을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 스테이지의 재질로서 바람직한 것은 표 1에 나타내는 알루미늄 합금, 구리 합금이 예시된다.
<작용>
레지스트 경화 장치의 워크 스테이지는 승강온시, 스테이지에 온도구배가 발생하여, 국부 열응력이 발생한다. 이 때, 이 국부 열응력이 스테이지의 재질인 금속의 항복점(탄성 한계)을 넘으면, 국부 영구 변형이 발생하며, 이 국부 영구 변형이 스테이지의 휨이 된다. 특히, 대구경의 φ300㎜ 웨이퍼에 대응한 워크 스테이지인 경우, 큰 온도구배에 의해 휨이 발생하며, 그것에 의해, 웨이퍼를 스테이지의 표면에 진공 흡착에 의해 유지시키는 것이 곤란해지지만, 본 발명에 의해, 워크 스테이지의 재질로서 σ/σy의 값이 3.1 이하인 것을 사용함으로써, 스테이지 중앙부에 대한 주변부의 휨을 0.5㎜ 이하로 하는 것이 가능해지며, 이것에 의해, 웨이퍼를 워크 스테이지의 표면에 확실히 진공 흡착에 의해 유지시키는 것이 가능하다.
본 발명자들이 시험한 바, 워크 스테이지의 휨이 0.5㎜ 이하이면, 웨이퍼를 스테이지의 표면에 진공 흡착에 의해 유지할 수 있는 것, 스테이지의 재질로서 σ/σy의 값이 3.1 이하인 것이면, 상기 조건을 만족시켜, 스테이지의 재질로서 바람직하게 사용할 수 있는 것을 알 수 있었다.
이들 조건은 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지가 속하는 이 기술분야에서 기대되는 통상의 기술적 조건에 일치하는 범위에서 설정된 것이다.
본 발명은 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지에 있어서, 스테이지가σ/σy≤3.1을 만족시키는 재질의 알루미늄 합금 내지 구리 합금에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지이며, 이와 같은 구성을 채용함으로써, 웨이퍼의 대구경화에 대응한 바람직한 워크 스테이지의 제공이 가능해진다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지에 있어서, 스테이지를 σ/σy≤3.1을 만족시키는 재질의 알루미늄 합금 내지 구리 합금으로 구성한 것을 특징으로 하는 것이며, 본 발명에 의해, 이하의 효과가 얻어진다.
(1) 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지에 있어서, 승강온 반복에 의한 스테이지의 큰 휨을 확실히 막을 수 있다.
(2) 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지의 재질을 σ/σy≤3.1을 만족시키는 재질(예를 들면, 알루미늄 합금(A6061P, A5052P))로 구성함으로써, 예를 들면, 50℃ 내지 250℃의 승강온을 반복해도, 스테이지 중앙부에 대한 주변부의 휨을 0.5㎜ 이하로 할 수 있다.
(3) 대구경의 φ300㎜ 웨이퍼를 워크 스테이지에 진공 흡착에 의해 확실히 유지시킬 수 있으며, 그것에 의해, 대구경의 웨이퍼에 대하여도 정상적으로 레지스트 경화 처리를 행할 수 있다.
(4) 웨이퍼의 크기가 대구경화하는 것에 대응한 고성능의 워크 스테이지를제공할 수 있다.

Claims (2)

  1. 레지스트가 도포된 워크를 워크 스테이지 상에 진공 흡착에 의해 유지하여, 승온시키면서 자외선을 조사하며, 자외선 조사 후 냉각함으로써 상기 레지스트의 경화 처리를 행하는 레지스트 경화 장치에서의 가열 수단과 냉각 수단을 구비한 워크 스테이지에 있어서, 상기 스테이지는 σ/σy≤ 3.1
    (여기서, σ는 열응력이며, 이하의 식:
    σ=EαΔT
    E; 200℃에서의 영률(N/㎟)
    α; 200℃에서의 선팽창 계수(1/℃)
    ΔT; 온도차(℃)=120℃
    로부터 구해지며, 또, σy는 200℃에서의 항복점이다.)
    을 만족시키는 재질의 알루미늄 합금 내지 구리 합금으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지.
  2. 제1항에 있어서, 워크 스테이지의 재질이 알루미늄 합금(A6061P 또는 A5052P)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 레지스트 경화 장치의 워크 스테이지.
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