JP4611961B2

JP4611961B2 - 塗布方法

Info

Publication number: JP4611961B2
Application number: JP2006309038A
Authority: JP
Inventors: 浩一矢野
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei Microdevices Corp
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2026-11-15
Also published as: JP2008124369A

Description

本発明は、半導体装置の製造工程において、シリコン基板などの被処理基板上にレジスト等の塗布材料を塗布する塗布方法に関する。

これまでの一般的な塗布方法を、図７を参照して説明する。図７において、縦軸がウエハ１０の単位時間あたりの回転数（回転速度）、横軸が塗布工程の経過時刻である。
図７に示す時刻ｔ０〜ｔ１間において、１０００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍにてウエハ１０を安定回転させた後、一定量のレジストの滴下を行う。次に、一旦レジストの滴下を止めた後、ウエハ１０を所望の膜厚が得られる回転数にまで加速し、時刻ｔ１〜ｔ２間において、その回転数で数秒間回転させる。その後、時刻ｔ２〜ｔ３にてウエハ１０の裏面の洗浄を行い、時刻ｔ４以降にて乾燥を行った後、終了する。

このような塗布方法では、ウエハ１０の回転数が比較的低いので比較的ゆっくりレジストが拡がる。そのため、レジストに含まれる有機溶剤は、レジストが拡がる前に乾燥してしまい、塗布ムラになることがあった。この防止策としてレジストを過剰に供給することがなされている。これによりレジストに含まれる有機溶剤の揮発による乾燥を防止しているが、滴下液の９６％以上がウエハ１０の外へと放出されていた。これによって液が無駄に消費されていた。

一般的な塗布方法に対して、液を極力無駄に消費しない省液による塗布方法としていくつかの方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１では、図８に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１間において、回転していないウエハ１１上に一定量のレジストを滴下し、一旦レジスト滴下を止めた後、４０００ｒｐｍ以上の高速の回転数にて、滴下されたレジストを一気に塗り拡げている。このためレジストに含まれる揮発性の有機溶剤の揮発が少なく、過剰に液を供給しなくても揮発性の有機溶剤の揮発が少なく前述の方法に比べて、少量のレジストでも塗布ムラの発生がない。また、このような静止状態においてレジストを滴下しその後に加速し回転し始めるスタティック塗布においてだけでなく、加速後、回転が安定したところでレジストを滴下する方式であるダイナミック塗布においても効果を確認できることが開示されている。

なお、図８の時刻ｔ１〜ｔ２間においては、高速回転数を所定回転数まで減速させ、この回転数で数秒間回転させた後、時刻ｔ２〜ｔ３にてウエハ１１の裏面の洗浄を行い、時刻ｔ４以降にて乾燥を行った後、終了する。
特許文献２においては、レジスト滴下の前に有機溶剤のみを滴下することによりウエハを一旦濡らし、臨界表面張力を下げることで省液を達成している。
特開平１０−０２２２１０号公報特開２００３−１３６０１０号公報

しかし、上記の従来例においては、次のような問題がある。
特許文献１では、スタティック塗布の場合では、静止したウエハに一定量のレジストを滴下した後、加速までにある期間静止状態が続く事と、臨界表面張力が高いシリコン基板上にレジストを滴下し回転により塗り拡げる為に、拡がりに時間がかかり有機溶剤の揮発が進む。この為、ある程度のレジストのまとまった量が必要となる。また、ダイナミック塗布の場合でも、一定速度で回転しているウエハに一定量のレジストを滴下した後、加速までに一定速度の期間の状態が続く為、僅かではあるがレジストがシリコン基板外に放出されてしまう事と、臨界表面張力の高い被処理基板上にレジストを滴下し回転により塗り拡げる為に、拡がりに時間がかかり有機溶剤の揮発が進み、その分だけ余分にレジストが必要となる。よって、特許文献１の方法では、滴下するレジストの量が多くなり省液に限界がある。

より省液を実現させるためには、レジスト自体の温度やレジスト周辺の環境温度等を変更する必要があり、この場合、スループットの低下を招くことになる。
更に、特許文献１では、４０００ｒｐｍ以上の高速回転にてウエハを回転させた場合に、ウエハは結晶方向を明確にするための直線部分（オリフラ）が存在し、ウエハの重量中心とスピンチャックの中心が約０．４ｍｍズレており、このズレにより回転軸にぶれが生じ面内の膜厚均一性に悪影響を及ぼすことがある。この問題に対し、特許文献１では総合中心を合わせる手段として、カウンターウエイト及び赤外線センサー若しくは反射方センサーなどの改造を施し解決しているが、装置の改造や別の専用の装置が必要となってしまう。

一方、特許文献２では、レジスト滴下の前に有機溶剤にてウエハを一旦濡らし臨界表面張力を下げることで省液を達成しているが、プリウエット法での手法では、有機溶剤とレジストを吐出するノズルを個別に持つ必要があり、また精度良くノズル駆動を制御しなければならないため、専用の装置が必要となりその分コスト高となっていた。また、有機溶剤のみを最初に滴下するため、廃液量の増加や原材料のコストが掛かっていた。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、専用の設備を用いずに省液をより向上させながら、膜厚の均一性を向上させることができると共に、設備及び原材料のコスト低減を図ることができる塗布方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１による塗布方法は、基板の上方から塗布液を前記基板の回転を停止させた状態で滴下した後に前記基板を回転させ、前記基板の回転に伴う遠心力により前記塗布液を前記基板の上面に塗布する塗布方法において、前記塗布液が前記基板の上面に接液すると同時に前記基板の回転を開始し、前記基板の回転速度が４０００ｒｐｍ以上８０００ｒｐｍ以下の第１の回転速度になるまで前記基板の回転速度を２００００ｒｐｍ／ｓｅｃ以上４００００ｒｐｍ／ｓｅｃ以下の加速度で加速させる加速塗布工程を含むことを特徴とする。

また、本発明の請求項２による塗布方法は、請求項１において、前記加速塗布工程で前記基板の回転速度を加速させた後、前記基板を前記第１の回転速度で定速回転させる定速回転工程を更に含むことを特徴とする。
また、本発明の請求項３による塗布方法は、請求項２において、前記加速塗布工程から継続して、前記定速回転工程においても前記基板上に塗布液を供給し続けることを特徴とする。

また、本発明の請求項４による塗布方法は、請求項２または３において、前記定速回転工程で前記基板を前記第1の回転速度で定速回転させた後、前記基板の回転速度が前記第１の回転速度よりも遅い第２の回転速度になるまで前記基板の回転速度を急速に減速させ、次いで前記基板を前記第２の回転速度で定速回転させる安定化処理工程を更に含むことを特徴とする。
これら構成によれば、基板上への滴下（接液）と同時に当該基板の回転動作の加速を始め、これによって加速しながら滴下し続けるので、塗布液（レジスト）の広がりに合わせて遠心力が増幅される。このため、基板外へ放出される塗布液が少なくて済む。また、加速塗布工程、定速回転工程のあと、減速させた後の定速による安定化処理工程があるので、総合重心とのズレによる悪影響を緩和することができる。よって、設備の改造や新たな設備の設置が必要なくなる。

以上説明したように本発明によれば、専用の設備を用いずに省液をより向上させながら、膜厚の均一性を向上させることができると共に、設備及び原材料のコスト低減を図ることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程における塗布方法の処理工程を示す図である。尚、下記において、回転速度とは単位時間あたりの回転数のことを示し、単に「回転数」とのみ記述する場合がある。また、加速度とは単位時間当たりの増加される回転数のことを示し、単に「加速度」と記述する場合がある。
図１に示す時刻ｔ０〜ｔ１間は、ウエハ２０を図示せぬ回転塗布装置のスピンチャック上に固定した後、ウエハ２０の回転を完全に停止させ静止している状態を示す（静止工程Ｐ１）。
次に、図１に示す時刻ｔ１〜ｔ２間において、レジストがウエハ２０に接液すると同時に３００００ｒｐｍ／ｓｅｃ以上の加速度にてウエハ２０の回転を開始させる（加速塗布工程Ｐ２）。

このように、まず、ウエハ２０を完全に静止させた状態を設け、次にレジストがウエハ２０に接液すると同時に高い加速度にてウエハ２０の回転を開始する塗布方法をセミダイナミック塗布法と称す。このセミダイナミック塗布法において、例えば到達回転数が６０００ｒｐｍであった場合、０．２ｓｅｃにて目標回転数に達する。レジストはウエハ２０の全面に行き渡り、ウエハ２０の表面はレジストにより覆われる。図２、図３にその一例を示す。

図３は、セミダイナミック塗布法による加速度と滴下量の関係を示す図である。縦軸にレジストがムラ無く拡がった直径を示す。横軸に加速度を示す。
各プロットは、到達回転数を６０００ｒｐｍとし、同種のレジストの滴下量（０．３ｇ、０．３５ｇ、０．４ｇ、０．４５ｇ、０．５ｇ）及び加速度を変化させた結果をプロットしたものである。加速度を増加させることで拡がり直径が大きくなることがわかる。

図２は、セミダイナミック塗布法による最高到達回転数と滴下量の関係を示す図である。縦軸にレジストがムラ無く拡がった直径を示す。横軸に最高到達回転数を示す。
各プロットは、加速度を３００００ｒｐｍ／ｓｅｃで固定し同種のレジストの滴下量（０．３ｇ、０．３５ｇ、０．４ｇ、０．４５ｇ、０．５ｇ）及び最高到達回転数を変化させた結果をプロットしたものである。
図３に示すように、加速度を増加させることでレジストの拡がり直径が大きくなることがわかり、このときの加速度は２００００ｒｐｍ／ｓｅｃ以上が好ましく、３００００ｒｐｍ／ｓｅｃ以上がより好ましい。これより低い加速度になれば０．５ｇでも遠心力が不足しレジストが拡がらず塗布ムラとなってしまう場合がある。また、加速度は４００００ｒｐｍ／ｓｅｃ以下が好ましく、３５０００ｒｐｍ／ｓｅｃ以下がより好ましい。これより高い加速度になった場合、真空吸着されている被処理基板がチャックより外れ被処理基板の破損につながる場合がある。

また、図２に示すように、レジストをムラ無く拡げるためには、最高到達回転数は４０００ｒｐｍ以上が好ましく、５０００ｒｐｍ以上がより好ましい。これより低い回転数になれば０．５ｇでも遠心力が不足しレジストが拡がらず塗布ムラとなってしまう場合がある。また、最高到達回転数は８０００ｒｐｍ以下が好ましく、６０００ｒｐｍ以下がより好ましい。これより高い回転数になれば被処理基板の熱履歴による変形があった場合、真空吸着されている被処理基板がチャックより外れ被処理基板の破損につながる場合がある。

このように、本実施の形態によれば、加速塗布工程Ｐ２の段階で全面が滴下されたレジストに薄く覆われており、従来技術の有機溶媒のような別液を使用したプリウエットと同様の表面張力を下げる効果が、膜厚形成用の液であるレジストによって得られ、更に、滴下液はこれまでの省液方法よりも少量で済む。
また、最初にウエハ２０を完全に静止させた状態を設け、次にレジストがウエハ２０に接液すると同時に高い加速度にてウエハ２０の回転を開始することにより、効率的に遠心力を増加させることができ、被処理基板外への無駄なレジストの放出を抑えながらレジストのプリウエット膜を作ることができる。

次に、目標の回転数に到達した時点で、図１に示す時刻ｔ２〜ｔ３間において、その到達回転数を維持し一定の回転数（速度）で回転させる（定速回転工程Ｐ３）。
このようにすることにより臨界表面張力の下がっている被処理基板に更に効率的にレジストを塗り拡げることができる。この時点で、定速回転工程Ｐ３に移行した場合においても、レジストの滴下を継続してもよい。レジストの滴下は継続すれば、よりプリウエットの効果が得られ更に省液が可能となる。

このときの回転数は４０００ｒｐｍ以上が好ましく、５０００ｒｐｍ以上がより好ましい。これより低い回転数になれば０．５ｇでも遠心力が不足し、レジストが拡がらず塗布ムラとなってしまう場合がある。また、最高到達回転数は８０００ｒｐｍ以下が好ましく、６０００ｒｐｍ以下がより好ましい。これより高い回転数になれば被処理基板の熱履歴による変形があった場合、真空吸着されている被処理基板がチャックより外れ被処理基板の破損につながるケースもある。

その後、滴下終了と同時に図１の時刻ｔ３〜４間に示すように、ウエハ２０の回転数を急速に減速させ、低速で回転させることで、所望する膜厚を得るための厚膜を形成する（安定化処理工程Ｐ４）。
ここで、上記の方法で厚膜の形成を行った場合、ウエハ２０の重量中心とスピンチャックの中心とが、例えばウエハ２０径が１５０ｍｍの場合、ウエハ２０には結晶方向を明確にするための直線部分（オリフラ）が存在し総合重量中心は約０．４ｍｍズレており、このズレにより４０００ｒｐｍ以上の回転数で回転させると回転軸にぶれが生じ、面内の膜厚均一性に影響を及ぼす場合がある。

この問題について、安定化処理工程Ｐ４で時間及び回転数を最適化することで、面内の均一性を改善することが出来る。また、その安定化処理工程Ｐ４において回転数等を最適化すれば、レジスト自体の温度変更や、レジストの周りの環境温度の変更など、レシピ個別の調整は不要となる。また、ズレを防止するための位置センサー等の設置や、設備の改造は必要ない。

更に、近年の塗布装置においては、１台の装置に複数系統のノズルを持つ装置も開発されており、ノズル個別にレジスト自体の温度変更、環境温度、湿度の変更を行う必要があったが、このような変更は、生産量の低下を招いていた。しかし、本実施の形態の安定処理工程を設けることにより、所望の均一性を得るためには回転数及び時間のパラメータを各種のレジスト毎に変更すればよいだけで、レジスト自体の温度変更、環境温度、湿度の変更などは必要ない。

具体的なパラメータとしては、回転数と時間が選択される。これらのパラメータは、使用する溶剤（レジストといっても種々の用材を使用する）の揮発速度や薬液自体の表面張力、粘度などで最適値は異なる。例えば、使用する主溶剤が２−ヘプタノンのときは、回転数１０００〜３０００ｒｐｍ、時間は２〜４ｓｅｃとし、また、使用する主溶剤が乳酸エチルのときは、回転数は３００〜３０００ｒｐｍ、時間は２〜４ｓｅｃとすればよい。

このときの回転数は１００ｒｐｍ以上が好ましく、３００ｒｐｍ以上がより好ましい。これより低い回転数になると、レジストが表面張力により収縮し外周部が塗布ムラとなってしまう場合がある。また、回転数は図１に示す時刻ｔ４〜ｔ５間における膜厚決定回転数の７０％以下が好ましく、５０％以下がより好ましい。これより高い回転数になると膜厚決定に影響し、後の膜厚調整が困難になる。

この後は一般的な工程として、所定の膜厚にするために図１の時刻ｔ４〜ｔ５間において、所定回転数で所定時間回転を行い膜厚を決定し（膜厚決定工程Ｐ５）、図１の時刻ｔ５〜ｔ６間において、裏面に付着したレジストを除去するために所定回転数で所定時間回転を行いウエハ２０の裏面を洗浄する（裏面洗浄工程Ｐ６）。そして、図１の時刻ｔ６〜ｔ７間において、表面及び裏面の溶剤を乾燥するために所定回転数で所定時間回転を行ってウエハ２０を乾燥させる（乾燥工程Ｐ７）。このような一連の工程がある。

従来においては、これら後半の工程（図１の時刻ｔ４〜ｔ７間）は、使用するレジスト毎にレジスト自体の温度変更、環境温度、湿度の変更を行う必要があり、更にはレジスト毎に後半の工程の回転数や回転時間を変更することが必要であったが、このような変更は、生産量の低下を招いてしまっていた。
しかし、本実施の形態の安定化処理工程Ｐ４を設けることによって、回転数及び時間のパラメータを各種のレジスト毎に変更すれば、どんなレジストであっても所望の均一性を有する膜厚を得ることが出来る。よって、後半の工程を行う時点において、どんなレジストでも所望の均一な膜厚を有しているので、後半の工程（図１の時刻ｔ４〜ｔ７間）において各種のパラメータを変更することなく共有することができる。

ここで、発明したシーケンスでのステップ毎の膜厚推移を図４〜図６に示す。
図４は、本実施の形態の塗布方法の加速塗布工程Ｐ２の終了直後の膜厚の分布を示す図である。縦軸は膜厚（単位：Å）。横軸はウエハ２０のセンターをＸ軸方向に直線上に測定した座標位置を示す。各プロットは測定を行った３枚の平均値を示す。グラフは、センター付近が薄くなる、すり鉢型になっていることがわかる。

図５は、本発明の塗布方法の安定化処理工程Ｐ４の終了後の分布を示す図である。縦軸は膜厚（単位：Å）。横軸はウエハ２０のセンターをＸ軸方向に直線上に測定した座標位置を示す。各プロットは、安定化処理時間を１、３、５ｓｅｃと振ったときの膜厚を示す。グラフは図４のすり鉢型から比較すると平坦化が進みセンター付近での膜厚は安定化処理時間に依存せずほぼ同じになる。しかし、外周部では安定化処理を長く行うほど薄くなり、各条件での差が拡くなっている。

図６は、本発明の塗布方法の乾燥工程Ｐ７の終了後の分布を示す図である。縦軸は膜厚（単位：Å）。横軸はウエハ２０のセンターをＸ軸方向に直線上に測定した座標位置を示す。各プロットは、安定化処理時間を１、３、５ｓｅｃ振ったときの膜厚を示す。グラフは、安定化処理時間を１と５ｓｅｃ振って処理を行ったウエハ２０はセンター付近が薄くなるすり鉢型が進み均一性が悪くなる。しかし、３ｓｅｃで処理を行ったウエハ２０は液体が表面張力で中央に集まろうとする力と外周部で遠心力により放出されるレジストがバランスし、平坦になっていることが分かる。

以上のように、本実施の形態の塗布方法を用いれば、加速塗布工程Ｐ２と、定速回転工程Ｐ３との最適化によって省液性の向上が可能となる。更に、安定化処理工程Ｐ４の最適化によって均一性の向上が可能となり、レジスト温度や環境温度の調整も不要であるため、複数のノズルを保有する装置であっても、個別に調整をすることが出来る。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程における塗布方法の処理工程を示す図である。本実施の形態の塗布方法（セミダイナミック塗布法）による加速度と滴下量の関係を示す図である。本実施の形態の塗布方法（セミダイナミック塗布法）による最高到達回転数と滴下量の関係を示す図である。本実施の形態の塗布方法の定速回転工程終了直後の膜厚の分布を示す図である。本実施の形態の塗布方法の安定化処理工程終了後の分布を示す図である。本実施の形態の塗布方法の乾燥工程終了後の分布を示す図である。従来の塗布処理工程を示す図である。従来の他の塗布処理工程を示す図である。

符号の説明

２０ウエハ
Ｐ１静止工程
Ｐ２加速塗布工程
Ｐ３定速回転工程
Ｐ４安定化処理工程
Ｐ５膜厚決定工程
Ｐ６裏面洗浄工程
Ｐ７乾燥工程

Claims

基板の上方から塗布液を前記基板の回転を停止させた状態で滴下した後に前記基板を回転させ、前記基板の回転に伴う遠心力により前記塗布液を前記基板の上面に塗布する塗布方法において、
前記塗布液が前記基板の上面に接液すると同時に前記基板の回転を開始し、前記基板の回転速度が４０００ｒｐｍ以上８０００ｒｐｍ以下の第１の回転速度になるまで前記基板の回転速度を２００００ｒｐｍ／ｓｅｃ以上４００００ｒｐｍ／ｓｅｃ以下の加速度で加速させる加速塗布工程を含むことを特徴とする塗布方法。
前記加速塗布工程で前記基板の回転速度を加速させた後、前記基板を前記第１の回転速度で定速回転させる定速回転工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の塗布方法。
前記加速塗布工程から継続して、前記定速回転工程においても前記基板上に塗布液を供給し続けることを特徴とする請求項２に記載の塗布方法。
前記定速回転工程で前記基板を前記第1の回転速度で定速回転させた後、前記基板の回転速度が前記第１の回転速度よりも遅い第２の回転速度になるまで前記基板の回転速度を急速に減速させ、次いで前記基板を前記第２の回転速度で定速回転させる安定化処理工程を更に含むことを特徴とする請求項２または３に記載の塗布方法。