JP4745358B2 - 回転塗布方法、および回転塗布装置 - Google Patents

Description

本発明は、塗布液を基板に供給し、この基板を回転させて塗布膜を形成する回転塗布方法および回転塗布装置に関する。

回転塗布方法（スピンコーティング法）は、基板上に塗布液を滴下した後、塗布液の膜厚を決定する回転数で基板を回転して塗布膜を形成する方法である。

この回転塗布方法の特徴は、膜厚は回転数のみで決定され、膜厚均一性が良く、プロセス時間が短いことである。半導体デバイスや液晶ディスプレーなどの製造工程で汎用的に使用されており、その用途も多い。

代表的な用途例の第１は、リソグラフィーによるパターン形成である。半導体デバイス製造における代表的なリソグラフィープロセスは、基板にフォトレジストを回転塗布してホットプレート上で乾燥し、露光し、ホットプレート上でポストベークを行う。そして、現像液で現像して基板上にパターンを形成する。

上記露光の際に基板からの光の反射を抑えるため、反射防止膜を回転塗布で形成することも行われる。該反射防止膜には、レジストの下層に設けるものと、上層に設けるものとの２種類がある。フォトレジストからのガスの揮発を抑えたり、また外部環境の汚染物質から保護したりするため、フォトレジスト上に保護膜を回転塗布することも行われる。これは、液浸露光プロセスでは一般的である。

また、レジストプロセスは、膜種の層構造で分類できる。例えば、フォトレジスト膜を１層設けたものを単層レジスト、厚い下層膜（有機膜）上にフォトレジストを設けたものを二層レジスト、厚い下層膜（有機膜）上に薄い無機材料系の層を設けてその上部にフォトレジストを積んだものを多層レジストと分類することがある。これらの下層膜や無機材料系の膜も回転塗布方法で形成が可能である。

また、材料組成によって、有機系のフォトレジストと無機系のフォトレジストに分類され、無機系では珪素系が主として使用されている。いずれの材料も回転塗布が可能である。これらのフォトレジストは平坦な基板に形成することもあれば、段差の付いた基板に形成することもある。

また、微細なパターンをさらに小さくするために、シュリンク材が用いられている。例えば、ホールを形成したレジストパターン上にシュリンク材を塗布して、熱処理後にシュリンク材だけ現像液で除去すると、ホール径を小さくすることができる。これはレジストとシュリンク材が熱反応した部分が現像液に不溶になるからである。

第２の用例は、ポリイミド膜の形成である。ポリイミドは熱硬化性樹脂であり、その溶液を基板に回転塗布してホットプレート上で乾燥し、熱処理を行って硬化させて膜にする。用途はパッシベーション膜、層間絶縁膜、ストレスバッファー膜などである。

また、感光性ポリイミドを用いてリソグラフィーの手法により各種パターンを形成することも行われる。

第３の用例は、スピンオングラス（ＳＯＧ）や、誘電率が低いｌｏｗ−ｋ材料による絶縁膜等の形成である。これらの膜は、いずれも珪素を主成分とする材料で、回転塗布した後、熱処理等で酸化される。この酸化された膜は、層間絶縁膜、ＰＭＤ（Ｐｒｅ−Ｍｅｔａｌ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）、ＩＭＤ（Ｉｎｔｅｒ−Ｍｅｔａｌ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）、シャロートレンチ素子分離などに使用される。これらの絶縁膜の材料は、平坦な基板に塗布されることもあれば、段差の付いた基板に塗布されることもある。

第４の用例は、ゾルゲル法による薄膜形成である。ゾルゲル法は金属アルコキシドを含む有機溶液を、水分を含む気相中で焼成して、金属酸化物、誘電体膜、強誘電体膜、導電膜などを合成する方法である。すなわち、金属アルコキシド溶液を回転塗布し、ホットプレート上で乾燥し、焼成することで薄膜を形成する。この方法は、例えば、強誘電体メモリーにおける強誘電体膜の形成などに利用される。

このような回転塗布方法は、上述用途の他、有機ＥＬ材料の塗布、ＭＥＭＳ、光学材料の製造など多方面で使用されている。

ここで、代表的な回転塗布方法は、静止した基板の表面中央部に塗布液を滴下してから、基板を回転させて薬液を基板全体に均一に拡散させる方法である。しかし、この方法では、基板１枚を処理するのに、多くの塗布液が必要になる。

そこで、従来の回転塗布方法には、半導体基板を低回転数で回転させながら塗布液を滴下した後、塗布液の膜厚を決定する回転数で基板を回転して塗布膜を形成するものがある。

上記従来の回転塗布方法は、かなりの量の塗布液を必要とし、基板面積が大きくなると周辺部まで塗れなくなるという問題がある。

そこで、従来の他の回転塗布方法には、塗布液滴下時の回転数を膜厚決定の回転数よりも大きくする。これにより、ある程度上記問題を回避でき、大面積基板にも対応できるようになる（例えば、特許文献１、２参照。）。

しかしながら、上記回転塗布方法では、塗布液の使用量は多いという問題がある。

ここで、基板と塗布液との間の濡れ性が悪い場合には、塗布液がはじかれてしまい塗布むらが発生するとともに、膜厚均一性が悪化する。この膜厚均一性の悪化を防止するため、塗布前に溶媒（溶剤）で基板を濡らすプレコート処理方法が、提案されている（例えば、特許文献３、４参照。）。

この回転塗布方法は、溶剤を基板の表面に回転塗布した後に、塗布液を滴下して回転塗布する方法（プレコート法）である。

このプレコート法は、塗布液を少量化することができるとともに、均一な膜厚を得ることができる。このため、最先端のフォトレジスト工程で広く使われている。

このプレコート法の短所として、溶剤の供給機構が新たに必要になり、溶剤の使用量が多くなる。また、段差を有する基板や、基板に様々な材料が使用されている場合など、溶剤を滴下することで塗布むらを誘発する場合もあると考えられる。

そこで、さらに他の回転塗布方法には、塗布液を基板に滴下する際、第１の回転数で塗布液を滴下し、続いて第２の回転数で滴下する方法ある（例えば、特許文献５参照。）。すなわち、塗布液の滴下を２段階以上に分けて途中で回転数を変えるやり方である。

この回転塗布方法では、第１の回転数が低いため、塗布液が基板全体に広がりにくく塗布残りが発生する可能性がある。

一方、高速の第１の回転数で塗布液を滴下し、続いて低速の第２の回転数で滴下する回転塗布方法がある（例えば、特許文献６、７、８参照。）。

特許文献７に記載の回転塗布方法では、第１の回転数で塗布液を基板全面に広げている。

これに対し、特許文献６、８に記載の回転塗布方法では、塗布液が、基板全面に到達する前に第１から第２の回転数に移行するようにしているが、第１の滴下量は基板全体を覆うに十分な塗布液量で、さらに第２の滴下により過剰の塗布液を使用する。また、滴下後の回転数（膜厚決定の回転数など）を滴下時の回転数よりも高く設定しているため、高回転時に過剰の塗布液が基板外に排出される。

半導体デバイスの製造では、円形な基板を用い、フォトマスク基板や液晶ディスプレーの製造等の場合には四角い基板を用いるといった違いがある。

しかし、回転塗布方法はいずれの基板に対しても用いられる。それらの中でも段差の付いた基板への塗布は、平坦な基板への塗布と比較して塗布液の使用量が多くなる。

また、基板の大口径化・装置の大型化に伴って、基板回転時の乱流の影響が大きくなり、また高回転で廻すと基板が飛んでしまう恐れが生じる。

そのため、回転数の最大値は旧タイプの装置よりも低くなり、プロセス上の制約が多くなる。
特開平８-３３０２０６号公報 特開２００４-６４０７１号公報 特開平５-１２３６３２号公報 特開平５-２４３１４０号公報 特許２６３８９６９号 特開２０００-１５７９２２ 特開２０００-２７９８７４ 特開２００６-１５６５６５

本発明は、塗布液の滴下量を削減しつつ、より広範囲に塗布膜を成膜することが可能な回転塗布方法および回転塗布装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る実施例に従った回転塗布方法は、
塗布液を基板に供給し、この基板を回転させて塗布膜を形成する回転塗布方法であって、
前記基板を第１の回転数で前記基板の中央部を中心に回転させながら、前記塗布液を第１の滴下量だけ前記基板の中央部に滴下し、
前記塗布液を前記第１の滴下量だけ滴下した後、前記第１の回転数よりも小さい第２の回転数で前記基板を回転させながら、前記塗布液を第２の滴下量だけ前記基板の中央部に滴下し、
前記塗布液を第２の滴下量だけ滴下した後、前記塗布液の膜厚を決定するための第３の回転数で前記基板を回転させる、ことを含み、
前記第１の回転数は、空気抵抗により前記第１の滴下量の前記塗布液が前記基板に均一に広がらない回転数であることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る実施例に従った回転塗布装置は、
塗布液を基板に供給し、この基板を回転させて塗布膜を形成する回転塗布装置であって、
前記基板を載置して水平に保持する保持部と、
前記保持部を鉛直方向に平行な回転軸線まわりに回転駆動することにより、前記基板を回転させる回転駆動源と、
前記保持部に保持される前記基板に前記塗布液を供給する塗布液供給部と、を備え、
前記回転駆動源により前記基板を第１の回転数で前記基板の中央部を中心に前記基板を回転させながら、前記塗布液供給部により前記塗布液を第１の滴下量だけ前記基板の中央部に滴下し、
前記塗布液を前記第１の滴下量だけ滴下した後、前記回転駆動源により前記第１の回転数よりも小さい第２の回転数で前記基板を回転させながら、前記塗布液供給部により前記塗布液を第２の滴下量だけ前記基板の中央部に滴下し、
前記塗布液を第２の滴下量だけ滴下した後、前記回転駆動源により前記塗布液の膜厚を決定するための第３の回転数で前記基板を回転させ、
前記第１の回転数は、空気抵抗により前記第１の滴下量の前記塗布液が前記基板に均一に広がらない回転数であることを特徴とする。

本発明の回転塗布方法および回転塗布装置によれば、塗布液の滴下量を削減しつつ、より広範囲に塗布膜を成膜することができる。

回転塗布方法では、基板が大口径化するに従って、基板回転時に大気の影響を受けやすくなる。特に、基板外周部では大気抵抗が大きくなるので、回転数の増大に依存して塗布液が広がりにくくなる。

ここで、図１Ａは、基板が低速回転する場合に、基板中央に塗布液を滴下した直後の塗布液の分布を示す断面図である。また、図１Ｂおよび図１Ｃは、図１Ａの状態から或る時間経過後の塗布液の分布を示す断面図である。

低速回転で塗布した場合、図１Ａに示す状態から図１Ｂに示す状態を経て、図１Ｃに示すように基板全面に均一に塗布することができる。

しかし、高速回転させた場合は、塗布液の広がり方が上記の低速回転の場合とは異なる。

図２Ａは、基板が高速回転する場合に、基板中央に塗布液を滴下した直後の塗布液の分布を示す断面図である。また、図２Ｂないし図２Ｆは、図２Ａの状態から或る時間経過後の塗布液の分布を示す断面図である。

高速回転の場合における塗布液の広がり方は、塗布液滴下直後は低速回転の場合と似ている。すなわち、図２Ａに示す状態から図２Ｂに示す状態に塗布液が広がる。

しかし、塗布液が基板外周部に到達する前に大気の抵抗を受けて、塗布液端部が盛り上がる（図２Ｃ）。

そして、基板が高速回転している状態では、塗布液は図２Ｃに示す状態よりも基板上を移動することができず、塗布液が基板外周部あるいは基板外へ飛散することになる。さらに、回転時間を長くしても、塗布液を移動させて基板上にさらに広げることはできない。

したがって、最終的には、図２Ｄないし図２Ｆに示したように飛散した塗布液が外周部に溜まったり、全くつかなかったりする。

ここで、図３Ａは、図２Ｄに示す状態の基板を上方から見た平面図である。また、図３Ｂは、図２Ｆに示す状態の基板を上方から見た平面図である。

図３Ａに示すように、基板外周部では空気抵抗の痕を示すように塗布液の筋が入っている場合もある。また、図３Ｂに示すように、基板外周部と塗布部の境界から塗布部に入った内側は、飛散した液で塗布液が盛り上がった状態になる場合もある。

このように、低回転時には基板全面に塗布するのに十分な滴下量でも、高速回転すると実質的に基板全面に塗布液を広げることはできない。

そこで、本発明の実施形態では、（１）塗布液を基板中央部に滴下し、塗布液が基板全体に実質的に広がりえない第１の回転数Ｎ_１にて基板を回転させながら塗布液を第１の滴下量Ｍ_１だけ滴下する。

基板の回転数は、塗布液が基板外周部で十分な空気抵抗を受けるだけの速度であることが必要である。例えば、３００ｍｍ基板の場合には３０００ｒｐｍ以上が望ましい。

このプロセスにより外周部は実質的に塗布されない状態を作り出すことができる。回転数が速ければ塗布されない限界点に到達する時間が短くなり、かつ端部での塗布液の盛り上がり量を大きくすることができる。第1の滴下量Ｍ_１は、低回転時においても基板全体に塗布できないような少量であることが望ましい。

次に、（２）第１の回転数Ｎ_１よりも小さい第２の回転数Ｎ_２にて基板を回転させながら塗布液を第２の滴下量Ｍ_２だけ滴下する。（１）の滴下と（２）の滴下は連続的に行われることが望ましい。

第１の回転数で基板の途中まで進んでいた塗布液は、第２の滴下により外周部へ向けて押し出されることになる。その際、第２の回転数を第１の回転数より落とすことで外周部における空気抵抗が弱まり、塗布液は外周部へ向けて移動しやすくなる。

また、塗布液端部の盛り上がりが低くなりながら移動できるので、盛り上がった部分で外周部を塗布することができる。

そのため、第２の滴下量を多くする必要はなく、第２の滴下量Ｍ_２は第１の滴下量Ｍ_１未満でかまわない。このようにして、塗布液を基板全面または基板外周部近傍まで広げる。

次に、（３）塗布液の膜厚を決定する回転数で基板を回転することにより、塗布液の膜厚を所定値に制御する。

なお、（３）の基板の回転前に、例えば、１００ｒｐｍ程度の非常に低い回転数で数秒間リフローを行ってもかまわない。

次に、エッジカットを行い、ベークにより溶媒を蒸発して塗布膜の形成が完成する。

これより、少ない滴下量で基板全面に塗布液を塗布することができる。

以下、本発明に係る各実施例について図面に基づいて説明する。

図４は、本発明の一態様である実施例１に係る回転塗布装置１００の要部の構成を示す図である。

図４に示すように、回転塗布装置１００は、基板であるウエハ１を載置して水平に保持する保持部２と、保持部２を鉛直方向に平行な回転軸線３まわりに回転駆動することにより、ウエハ１を回転させる回転駆動源であるモータ４と、保持部２に保持されるウエハ１に塗布液を供給する塗布液供給部５と、制御部１０と、を備える。

図４に示すように、本実施例の回転塗布方法は、例えば、ウエハ１の厚み方向一方側の表面部（以後、単に表面部と称する）に、塗布液を滴下し、塗布膜６を形成するために用いられる。

なお、本実施例による回転塗布方法は、例えば、粘度が０．１ｍＰａ・ｓ以上１０００ｍＰａ・ｓ以下の有機材料、無機材料等から構成される塗布液を塗布する場合に、特に好適に用いられる。粘度はこの範囲外であってもかまわない。

ウエハ１は、表面部の反対側（以後、単に裏面部と称する）が保持部２に接するように保持部２に保持される。本実施例で用いられるウエハ１は、円形状の基板であり、その直径は、例えば３００ｍｍである。ウエハ１の形状は、これに限定されず、矩形状などの多角形状であってもよい。なお、ウエハ１は回転軸線３が中央部分に位置するように保持部２に載置される。

保持部２には、吸引源８が真空ライン９を介して接続されている。保持部２に載置されたウエハ１は、裏面部を、吸引源８による吸引力で真空吸着することによって、保持される。

モータ４は、回転軸７を有する。この回転軸７には保持部２が固定されている。モータ４は、回転速度を可変できる。

塗布液供給部５は、アーム５ａを有する。このアーム５ａには、塗布液供給管５ｂを介して塗布液供給源５ｃが接続される。アーム５ａの遊端部５ａ１には、保持部２側に向けて、すなわち、図４の紙面に向かって下向きに開口したノズル５ｄが設けられている。

アーム５ａには、図示しないアーム移動機構が接続される。このアーム移動機構は、ノズル５ｄを、ウエハ１から離れたところにある図示しないノズル５ｄの保管場所から、塗布液の滴下位置であるウエハ中央部まで移動運動をする機能を有し、該滴下位置でノズル５ｄの高さ調節を行う機能を有する。

塗布液供給源５ｃとアーム５ａとの間には、塗布液の流量を調整する吐出制御装置５ｅが設けられる。吐出制御装置５ｅは、例えば圧送式ポンプなどの装置などによって実現される。

塗布液供給源５ｃから供給される塗布液としては、例えば、塗布膜６としてレジスト膜を形成する場合には、フォトレジストが用いられる。

また、塗布液には、上記フォトレジストの他に、反射防止材料、フォトレジスト保護材料、レジストパターンシュリンク材料、液浸露光用保護材料、ポリイミド、ＳＯＧ、ｌｏｗ−ｋ材料、ゾルゲル材料等が選択される。

また、塗布液は、フォトレジスト下層材料、フォトレジスト上層材料でもよい。また、塗布液は、平坦化材料、または、埋め込み材料でもよい。

制御部１０は、コンピューターなどを備え、回転塗布装置１００の各部の動作を制御するとともに、例えば操作者がプログラミングすることでウエハ処理を円滑に行うことが出来る機能を有する。また回転塗布装置１００の動作を監視する機能も付けることができる。具体的には、制御部１０は、保持部２を回転駆動するモータ４の速度や回転時間の制御などを行う。また、制御部１０は、塗布液供給部５のアーム５ａへの塗布液の供給量を調整する吐出制御装置５ｅの動作を制御する。

さらに、制御部１０は、塗布液供給部５のアーム５ａの動作を制御する。

次に、以上のような構成を有する回転塗布装置１００による回転塗布方法の各条件の一例について説明する。

図５は、本実施例１に係る回転塗布方法のレシピの一例を示す図である。また、図６は、図５に示すレシピで回転塗布装置１００を動作させるシーケンスの一例を示す図である。また、図７は、図５に示すレシピで回転塗布装置１００を動作させるシーケンスの他の例を示す図である。なお、本実施例の実験においては、塗布材料として、粘度１ｍＰａ・ｓの材料を選択した。

なお、図６においては、第１の回転数Ｎ_１＞第２の回転数Ｎ_２に設定されている。また、図７においては、第１の回転数Ｎ_１＜第２の回転数Ｎ_２に設定されている。

図６または図７に示すように、先ず、第１の回転数Ｎ_１でウエハを回転させながら、塗布液を滴下する（ステップＳ１）。

すなわち、回転塗布装置１００は、モータ４によりウエハ１を第１の回転数Ｎ_１でウエハ１の中央部を中心にウエハ１を回転させながら、塗布液供給部５により塗布液を第１の滴下量Ｍ_１だけウエハ１の中央部に滴下する。

ここで、第１の回転数Ｎ_１は、空気抵抗により第１の滴下量Ｍ_１の塗布液が基板全体に均一に広がらない回転数に設定される。例えば、基板（ウエハ）が３００ｍｍの直径を有する場合、後述のように、第１の回転数Ｎ_１が３０００ｒｐｍ、第１の滴下量Ｍ_１が０．４ｍｌに設定される。なお、空気抵抗により第１の滴下量Ｍ_１の塗布液が基板全体に均一に広がらない状態とは、例えば、既述の図２Ｄないし図２Ｆに示すような状態である。

次に、第２の回転数Ｎ_２にて 更に塗布液を滴下する（ステップＳ２）。なお、塗布液の滴下は、ステップＳ１とステップＳ２との間で連続して実施してもよい。

すなわち、図６では、回転塗布装置１００は、塗布液を第１の滴下量Ｍ_１だけ滴下した後、モータ４により第１の回転数Ｎ_１よりも小さい第２の回転数Ｎ_２でウエハ１を回転させながら、塗布液供給部５により塗布液を第２の滴下量Ｍ_２だけウエハ１の中央部に滴下する。一方、図７では、回転塗布装置１００は、塗布液を第１の滴下量Ｍ_１だけ滴下した後、モータ４により第１の回転数Ｎ_１よりも大きい第２の回転数Ｎ_２でウエハ１を回転させながら、塗布液供給部５により塗布液を第２の滴下量Ｍ_２だけウエハ１の中央部に滴下する。

その後、回転数Ｎ_３でリフロー処理を行なう（ステップＳ３）。このリフロー処理により、ウエハ１上に塗布された塗布液の膜厚の均一性が向上する。

その後、回転数Ｎ_４で膜厚を決定する処理を行なう（ステップＳ４）。

すなわち、回転塗布装置１００は、塗布液を第２の滴下量Ｍ_２だけ滴下した後、塗布液の膜厚を決定するための第３の回転数で、モータ４によりウエハ１を回転させる。これにより、ウエハ１上に成膜された塗布膜の膜厚が所望の値に制御される。

以上のようにして塗布液を基板に塗布した後、回転塗布装置１００には図示していないシンナーでエッジカットを行ない、基板をホットプレートに自動搬送してベークしてから冷却する。

ここで、基板の回転速度を変化させた場合における塗布特性の変化について分析した結果を説明する。

図５に示すレシピの条件のうち、第１の回転数Ｎ_１、塗布液を滴下する時間Ｔ_１と、第２の回転数Ｎ_２、塗布液を滴下する時間Ｔ_２と、変更して、図６、図７に示すフローにより得られた塗布膜を分析した。

図８は、第１、第２の回転数Ｎ_１、Ｎ_２を変化させて成膜した塗布膜の膜厚の面内均一性３σ／＜ｘ＞と目視結果とを示す図である。

なお、ウエハには、パターンが形成されていない、直径３００ｍｍの円形なシリコン基板を用いた。また、ステップＳ３の回転数Ｎ_３を１００ｒｐｍ、ステップＳ４の回転数Ｎ_４を６９４ｒｐｍに固定した。また、塗布時間は、ステップＳ１で時間０.４秒（滴下量０.４ｍｌ）、ステップＳ２で時間０．３秒（滴下量０．３ｍｌ）、合計で時間０．７秒（総滴下量０．７ｍｌ）に設定した。

図８に示すように、第１の回転数Ｎ_１を大きくして、第２の回転数Ｎ_２を小さくすると、塗布むらが解消されウエハエッジまで塗布できる。特に、第１の回転数Ｎ_１と第２の回転数Ｎ_２との差が大きくなると、膜厚の面内均一性が向上する。

したがって、ウエハ全面に（より広範囲に）塗布するためには、第１の回転数Ｎ_１＞第２の回転数Ｎ_２に設定することが有効であると考えられる。

次に、塗布液の吐出速度を変化させた場合における塗布特性の変化について分析した結果を説明する。

図５に示すレシピの条件のうち、ステップＳ１の吐出速度Ｖ_１と、ステップＳ２の吐出速度Ｖ_２とを、変更して、図６に示すフローにより得られた塗布膜を分析した。

図９は、第１、第２の吐出速度Ｖ_１、Ｖ_２を変化させて成膜した塗布膜の膜厚の面内均一性３σ／＜ｘ＞と目視結果とを示す図である。

なお、ウエハには、パターンが形成されていない、直径３００ｍｍの円形なシリコン基板を用いた。また、塗布液を滴下する際の吐出速度（滴下速度）をステップＳ１、ステップＳ２でそれぞれ０．５ｍｌ／秒、１．０ｍｌ／秒、２．０ｍｌ／秒に変更している。また、塗布条件は、ステップＳ１で回転数Ｎ_１を３０００ｒｐｍ、滴下量０．６ｍｌとし、ステップＳ２で回転数Ｎ_２を１５００ｒｐｍ、滴下量０．４ｍｌ、ステップＳ３の回転数Ｎ_３を１００ｒｐｍ、ステップＳ４の回転数Ｎ_４を６９４ｒｐｍと設定した。

図９に示すように、ステップＳ１の吐出速度Ｖ_１を２．０ｍｌ／秒、ステップＳ２の吐出速度Ｖ_２を１．０ｍｌ／秒に設定すると、ウエハのエッジ部分まで塗布液を塗布できる。さらに、この設定では、膜厚の面内均一性が最も良い。

すなわち、ステップＳ１の吐出速度Ｖ_１は、塗布むらや膜厚の面内均一性へ影響を与えない。しかし、ステップＳ２の吐出速度Ｖ_２を上げるほど、塗布むらがなくなり膜厚均一性が良くなる。

次に、塗布液の滴下量（吐出量）を変化させた場合における塗布特性の変化について分析した結果を説明する。

図５に示すレシピの条件のうち、ステップＳ１の第１の滴下量Ｍ_１と、ステップＳ２の第２の滴下量Ｍ_２とを、変更して、図６に示すフローにより得られた塗布膜を分析した。

図１０は、第１、第２の滴下量Ｍ_１、Ｍ_２を変化させて成膜した塗布膜の膜厚の面内均一性３σ／＜ｘ＞と目視結果とを示す図である。また、図１１は、第１、第２の滴下量Ｍ_１、Ｍ_２を変化させて成膜した塗布膜の膜厚とウエハ面内の測定位置との関係を示す図である。

なお、ウエハには、パターンが形成されていない、直径３００ｍｍの円形なシリコン基板を用いた。また、第１の回転数Ｎ_１時に０．２〜０．５ｍｌの塗布液を滴下し、第２の回転数Ｎ_２時に０．２〜０．５ｍｌの塗布液を滴下した。合計の滴下量は０．７ｍｌに設定した。なお、第１の回転数Ｎ_１を３０００ｒｐｍ、第２の回転数Ｎ_２を１５００ｒｐｍに設定した。

図１０に示すように、第１の滴下量Ｍ_１を少なく、第２の滴下量Ｍ_２を多く設定すると、ウエハのエッジ部分まで塗布膜を成膜できなかった。

一方、第１の滴下量Ｍ_１を多く、第２の滴下量Ｍ_２を少なく設定すると、ウエハのエッジ部分まで塗布膜を成膜できる。特に、第１の滴下量Ｍ_１を０．４ｍｌ、第２の塗布液Ｍ_２を０．３ｍｌとした条件では、目視、膜厚の面内均一性において最も良い結果が出た。

このように、ウエハ全面に（より広範囲に）塗布液を塗布するためには、時間Ｔ_１＞時間Ｔ_２、すなわち、第１の滴下量Ｍ_１は、第２の滴下量Ｍ_２よりも多く設定する必要がある。

次に、塗布液の吐出の加速度、減速度を変化させた場合における塗布特性の変化について分析した結果を説明する。

図５に示すレシピの条件のうち、ステップＳ１の塗布液の吐出の加速度・減速度と、ステップＳ２の塗布液の吐出の加速度・減速度とを、変更して、図６に示すフローにより得られた塗布膜を分析した。

図１２は、塗布液の吐出の加速度・減速度を変化させて成膜した塗布膜の膜厚の面内均一性３σ／＜ｘ＞と目視結果とを示す図である。また、図１３は、塗布液の吐出の加速度・減速度を変化させて成膜した塗布膜の膜厚とウエハ面内の測定位置との関係を示す図である。

なお、ウエハには、パターンが形成されていない、直径３００ｍｍの円形なシリコン基板を用いた。また、第１の回転数Ｎ_１時に０．４秒間塗布液を滴下する時に、吐出時の加速度を４０ｍｌ／秒^２に設定し、吐出停止の減速度をゼロ（減速しない）、または４０ｍｌ／秒^２と設定した。続いて、第２の回転数Ｎ_２時に、吐出時の加速度を８０ ｍｌ／秒^２または４０ｍｌ／秒^２と設定し、減速度を４０ ｍｌ／秒^２に設定した。また、第１の回転数Ｎ_１を３０００ｒｐｍ、第２の回転数Ｎ_２を１５００ｒｐｍに設定した。

図１２に示すように、数値上には大きな差は出なかったが、目視では、ステップＳ１の吐出停止を減速せずステップＳ２で吐出加速度を大きくする（すなわち連続的にスムーズな吐出にする）方が周辺部での塗布むらが少なくなった。

ここで、第１の滴下量Ｍ_１を固定して、第１の回転数Ｎ_１を変化させた場合における塗布膜の膜厚の変化について分析した結果について説明する。

図１４は、第１の回転数Ｎ_１を変化させた場合における、塗布膜の膜厚と測定位置との関係を示す図である。なお、ウエハには、パターンが形成されていない、直径３００ｍｍの円形なシリコン基板を用いた。

なお、図１４においては、第１の回転数Ｎ_１３０００、３５００、４０００ｒｐｍの３種類について記載している。また、塗布液の滴下量（第１の滴下量Ｍ_１）は、既述の条件で最適であった滴下量０．４ｍｌ、塗布時間０．４秒である。また、塗布膜の膜厚は、塗布液を滴下した後、溶媒を除くためにベーク処理した後の塗布膜の膜厚である。

図１４に示すように、滴下量を０．４ｍｌとした場合、回転数が大きくなるにしたがって、塗布膜の端部が外周へ移動することがわかる。しかし、基板全面に塗布膜は行き渡らない。

ここで、第１の滴下量Ｍ_１を固定して、第１の回転数Ｎ_１を変化させた場合における塗布膜の膜厚の変化について分析した結果について説明する。

上述のように、第１の回転数Ｎ_１を３０００ｒｐｍまたは４０００ｒｐｍで塗布液を０．４ｍｌシリコン基板上に滴下した後、そのまま同じ回転数で基板を１０秒以上回転し続けてからベークした。

図１５は、塗布液を０．４ｍｌに設定して塗布液を塗布した状態の基板を上方から見た平面図である。また、図１６Ａは、第１の回転数Ｎ_１が３０００ｒｐｍで回転時間を変化させた場合における、塗布膜の膜厚と測定位置との関係を示す図である。また、図１６Ｂは、第１の回転数Ｎ_１が４０００ｒｐｍで回転時間を変化させた場合における、塗布膜の膜厚と測定位置との関係を示す図である。なお、ウエハには、パターンが形成されていない、直径３００ｍｍの円形なシリコン基板を用いた。

第１の回転数Ｎ_１が３０００ｒｐｍまたは４０００ｒｐｍであっても、図１５に示すような塗布膜が形成され、外周部は空気抵抗の影響を受けて筋が入っていた。

また、図１６Ａに示すように、第１の回転数Ｎ_１が３０００ｒｐｍの時のウエハの外周部においては、膜がついていないか、または端部から飛散した液が外周部に溜まって中央部より膜厚が厚くなったように観察された。

また、図１６Ｂに示すように、第１の回転数Ｎ_１が４０００ｒｐｍの時のウエハの外周部においては、端部から飛散した液が外周部に溜まって中央部より膜厚が厚くなったように観察された。

このように、これらの回転数では、そのまま回転し続けても塗布液で基板全面を実質的に覆うことはできないと考えられる。

次に、パターンが形成されたウエハに塗布液を塗布する場合における、塗布むらと面内均一性とについて分析した結果を説明する。

チップ数が２８０個（周辺部において欠損があるチップ７２個を含む）ある段差（パターン）を有するウエハを対象に、品質工学の手法（田口メソッド）で回転数、薬液滴下量、吐出速度、吐出時の加速減速度の最適解を求めた。

実験には、Ｌ１８直行表を用いた。図１７は、Ｌ１８直行表の割り付けを示す図である。ここでは、ステップＳ２における吐出減速度は４０ｍｌ／秒^２、塗布液の総滴下量は１ｍｌとした。また、ウエハは、直径３００ｍｍの円形なシリコン基板を下地として用いた。

ここで、図１８は、塗布むらが発生したチップ数を望小特性で解析したＳＮ比の要因効果図である。なお、図１８において、横軸は図１７における因子記号と水準を表す。図１８では、ＳＮ比が大きい方が、塗布むらが少ないことを意味する。

図１８に示すように、回転数はＮ_１、Ｎ_２ともに大きい方が、滴下量はステップＳ１で多くした方が、そしてステップＳ１とステップＳ２の間の薬液滴下を連続的に行った方が、塗布むらが少なくなる（すなわち、基板の外周部まで塗布膜が成膜される）。

回転数については、既述の条件で、第１の回転数Ｎ_１を大きくし、第２の回転数Ｎ_２を小さくした方が塗布むらは少なくなったことと、矛盾している。これは、既述の条件が、平坦な（パターンが形成されていない）基板を使用しているので、パターンが形成された基板を使用した条件と傾向が異なるためと考えられる。

なお、基板のパターンの有無に拘わらず、第１の回転数Ｎ_１＞第２の回転数Ｎ_２に設定することにより、より広範囲に塗布膜を基板上に形成することができると考えられる。

また、図１８に示すように、吐出速度はステップＳ１、Ｓ２ともに遅い方が、塗布むらが少なくなる。吐出速度についても、パターンが形成されていない基板に対して行った実験結果とつじつまが合わない。ここでは、パターンが形成された基板を用いたことが影響していると考えられる。

このように、回転数や吐出速度については、使用する基板の表面状態に合わせて適宜最適化するのがよい。

ここで、図１９は、段差の凹部における膜厚均一性を望小特性で解析したＳＮ比の要因効果図である。図１９において、横軸は図１７における因子記号と水準を表す。図１９では、ＳＮ比が大きい方が、膜厚均一性が良好であることを意味している。

図１９に示すように、回転数は第１、第２の回転数Ｎ_１、Ｎ_２ともに小さい方が、膜厚均一性が向上する。滴下量はステップＳ１を少なくした方が、膜厚均一性が向上する。そしてステップＳ１とステップＳ２との間の薬液滴下を断続的に行った方が、膜厚均一性が向上する。吐出速度はステップＳ１、Ｓ２ともに速い方が、膜厚均一性が向上する。

既述のパターンが形成されていない基板に対しては、ステップＳ１の吐出速度は膜厚均一性に影響しない。また、パターンが形成されていない基板に対しては、ステップＳ２の吐出速度が速い方が、膜厚均一性が向上していた。すなわち、図１９の品質工学の結果とつじつまが合っていない。これは、図１９の実験ではパターンが形成された基板を用いたことが影響していると考えられる。

このように、吐出速度については使用する基板の表面状態に合わせて適宜最適化する方がよい。

図１８と図１９を比較すると、塗布むらを少なくする方向と膜厚均一性を良くする方向とが一致していないことが分かる。すなわち、塗布むらを少なくするためには、第１、第２の回転数Ｎ_１、Ｎ_２を大きくし、第１の滴下量Ｍ_１を多くし（第２の滴下量Ｍ_２を少なくし）、第１、第２の吐出速度Ｖ１、Ｖ２を遅くするのが良い。膜厚均一性を良くするには、塗布むらとは反対に、第１、第２の回転数Ｎ_１、Ｎ_２を小さくし、第１の滴下量Ｍ_１を少なくし（第２の滴下量Ｍ_２を多くし）、第１、第２の吐出速度Ｖ１、Ｖ２を速くするのが良い。そこで、実際のパラメーターを決定するためには、膜厚均一性が許容される範囲内で、塗布むらを生じさせないように、各パラメーターを適宜、最適化する必要がある。

次に、上記のようにして最適化したパラメーターを、パターン基板へ適用した例を示す。直径３００ｍｍの円形なシリコン基板を下地ウエハとして用いた。この基板に、パターン段差５００ｎmで５０nm以上のスペース寸法５０nmを有するパターンを作成し、塗布液を塗布した。なお、ここでは、ステップＳ１の第１の回転数Ｎ_１を３５００ｒｐｍで滴下量０．４ｍｌ、塗布時間０．４秒、ステップＳ２の第２の回転数Ｎ_２を１５００ｒｐｍで滴下量０．４ｍｌ、塗布時間０．４秒（滴下量はＭ_１＝Ｍ₂であり、総滴下量は０．８ｍｌ）、膜厚を決定する回転数Ｎ_４を１５６３ｒｐｍとした。第１の回転数Ｎ_１は塗布むらへの影響が大きいのでなるべく高くなるように設定し、第２の回転数Ｎ_２、膜厚均一性を考慮して低めに設定した。一方、第１の滴下量と第２の滴下量は、膜厚均一性を考慮して第１と第２で等しい値に設定した。また、ウエハは、直径３００ｍｍの円形なシリコン基板を下地として用いた。

一方、比較のため、従来の回転塗布方法（滴下時の回転数を１２００ｒｐｍ、滴下量２．０ｍｌ）で、同様のパターン段差を有する基板に対して塗布液を塗布したサンプルも作成した。

上記条件の場合、本実施例の回転塗布方法の総滴下量は０．８ｍｌであり、従来の回転塗布方法では総滴下量は２．０ｍｌである。このように、本実施例の回転塗布方法は、塗布液の滴下量が従来よりも少ないにも拘わらず、従来の塗布方法と同様に基板全面で膜厚均一性が良く、かつ塗布むらのない塗布膜を形成することができた。

（比較例１）
比較例１として、従来の回転塗布方法で、塗布の滴下量（吐出時間）を変更して実験した。

図２０は、比較例１の回転塗布方法の塗布シーケンスを示す図である。なお、この比較例１では、第１の回転数Ｎ_１は１２００ｒｐｍ、膜厚を決定する回転数Ｎ_４は６９４ｒｐｍに設定した。なお、ウエハには、パターンが形成されていない、直径３００ｍｍの円形なシリコン基板を用いた。

図２１は、比較例１の塗布シーケンスで塗布液の滴下量を変化させて成膜した塗布膜の膜厚の面内均一性３σ／＜ｘ＞と目視結果とを示す図である。図２２は、比較例１の塗布シーケンスで塗布液の滴下量を変化させて成膜した塗布膜の膜厚とウエハ面内の測定位置との関係を示す図である。

図２１に示すように、滴下量（吐出時間）を変更しても、膜厚と膜厚均一性に違いは認められなかった。しかし、滴下量が１．０ｍｌ(吐出時間が１．０秒)以下では、ウエハのエッジ部分まで塗布膜を成膜できなかった。なお、既述のように、本実施例では、総滴下量が、例えば、０．７ｍｌでウエハのエッジ部分まで塗布膜を成膜できる。

このように、従来の回転塗布方法では、滴下量が本実施例よりも多くても、ウエハ全面に塗布膜を成膜できない。

（比較例２）
また、比較例２として、比較例１と同様の図２０に示す塗布シーケンスで、滴下量Ｍ_１を０．７ｍｌとして第１の回転数Ｎ_１を変更した実験を行った。ウエハには、パターンが形成されていない、直径３００ｍｍの円形なシリコン基板を用いた。

図２３は、図２０に示す塗布シーケンスで第１の回転数Ｎ_１を変化させて成膜した塗布膜の膜厚の面内均一性３σ／＜ｘ＞と目視結果とを示す図である。図２４は、図２０に示す塗布シーケンスで第１の回転数Ｎ_１を変化させて成膜した塗布膜の膜厚とウエハ面内の測定位置との関係を示す図である。

図２３に示すように、どの回転数においても、エッジ部分まで塗布することができなかった。その上、第１の回転数Ｎ_１を大きくするほど膜厚均一性は悪化した。

また、図２４に示すように、ウエハ中央部での膜厚は第１の回転数Ｎ_１によらずほとんど変わらない。しかし、塗布膜の端部ではＮ_１が大きくなるに従って膜厚が厚く盛り上がるという、お椀型の膜厚変化を示した。

このように、従来の回転塗布方法では、本実施例と同様に総滴下量を例えば０．７ｍｌに設定した場合、基板の回転数を変化させても、ウエハ全面に塗布膜を成膜できない。

以上のように、本実施例に係る回転塗布方法および回転塗布装置によれば、塗布液の滴下量を削減しつつ、より広範囲に塗布膜を成膜することができる。

なお、既述のように、本実施例の実験においては、塗布材料として、粘度１ｍＰａ・ｓの材料を選択した。

しかし、２５℃における粘度が０．１ｍＰａ・ｓ以上１０００ｍＰａ・ｓ以下の材料から構成される塗布材料を選択しても、同様の作用・効果が得られる。粘度はこの範囲外であってもかまわない。

基板が低速回転する場合に、基板中央に塗布液を滴下した直後の塗布液の分布を示す断面図である。 図１Ａの状態から或る時間経過後の塗布液の分布を示す断面図である。 図１Ａの状態から或る時間経過後の塗布液の分布を示す断面図である。 基板が高速回転する場合に、基板中央に塗布液を滴下した直後の塗布液の分布を示す断面図である。 図２Ａの状態から或る時間経過後の塗布液の分布を示す断面図である。 図２Ａの状態から或る時間経過後の塗布液の分布を示す断面図である。 図２Ａの状態から或る時間経過後の塗布液の分布を示す断面図である。 図２Ａの状態から或る時間経過後の塗布液の分布を示す断面図である。 図２Ａの状態から或る時間経過後の塗布液の分布を示す断面図である。 図２Ｄに示す状態の基板を上方から見た平面図である。 図２Ｆに示す状態の基板を上方から見た平面図である。 本発明の一態様である実施例１に係る回転塗布装置１００の要部の構成を示す図である。 図５は、本実施例１に係る回転塗布方法のレシピの一例を示す図である。 図５に示すレシピで回転塗布装置１００を動作させるシーケンスの一例を示す図である。 図５に示すレシピで回転塗布装置１００を動作させるシーケンスの他の例を示す図である。 第１、第２の回転数Ｎ_１、Ｎ_２を変化させて成膜した塗布膜の膜厚の面内均一性３σ／＜ｘ＞と目視結果とを示す図である。 第１、第２の吐出速度Ｖ_１、Ｖ_２を変化させて成膜した塗布膜の膜厚の面内均一性３σ／＜ｘ＞と目視結果とを示す図である。 第１、第２の滴下量Ｍ_１、Ｍ_２を変化させて成膜した塗布膜の膜厚の面内均一性３σ／＜ｘ＞と目視結果とを示す図である。 第１、第２の滴下量Ｍ_１、Ｍ_２を変化させて成膜した塗布膜の膜厚とウエハ面内の測定位置との関係を示す図である。 塗布液の吐出の加速度・減速度を変化させて成膜した塗布膜の膜厚の面内均一性３σ／＜ｘ＞と目視結果とを示す図である。 塗布液の吐出の加速度・減速度を変化させて成膜した塗布膜の膜厚とウエハ面内の測定位置との関係を示す図である。 第１の回転数Ｎ_１を変化させた場合における、塗布膜の膜厚と測定位置との関係を示す図である。 図１５は、塗布液を０．４ｍｌに設定して塗布液を塗布した状態の基板を上方から見た平面図である。 第１の回転数Ｎ_１が３０００ｒｐｍで回転時間を変化させた場合における、塗布膜の膜厚と測定位置との関係を示す図である。 第１の回転数Ｎ_１が４０００ｒｐｍで回転時間を変化させた場合における、塗布膜の膜厚と測定位置との関係を示す図である。 Ｌ１８直行表の割り付けを示す図である。 塗布むらが発生したチップ数を望小特性で解析したＳＮ比の要因効果図である。 段差の凹部における膜厚均一性を望小特性で解析したＳＮ比の要因効果図である。 比較例１の回転塗布方法の塗布シーケンスを示す図である。 比較例１の塗布シーケンスで塗布液の滴下量を変化させて成膜した塗布膜の膜厚の面内均一性３σ／＜ｘ＞と目視結果とを示す図である。 比較例１の塗布シーケンスで塗布液の滴下量を変化させて成膜した塗布膜の膜厚とウエハ面内の測定位置との関係を示す図である。 図２０に示す塗布シーケンスで第１の回転数Ｎ_１を変化させて成膜した塗布膜の膜厚の面内均一性３σ／＜ｘ＞と目視結果とを示す図である。 図２０に示す塗布シーケンスで第１の回転数Ｎ_１を変化させて成膜した塗布膜の膜厚とウエハ面内の測定位置との関係を示す図である。

符号の説明

１ ウエハ（基板）
２ 保持部
３ 回転軸線
４ モータ（回転駆動源）
５ 塗布液供給部
５ａ アーム
５ａ１ 遊端部
５ｂ 塗布液供給管
５ｃ 塗布液供給源
５ｄ ノズル
５ｅ 吐出制御装置
６ 塗布膜
７ 回転軸
８ 吸引源
９ 真空ライン
１０ 制御部
１００ 回転塗布装置

Claims (5)

1. 塗布液を基板に供給し、この基板を回転させて塗布膜を形成する回転塗布方法であって、
   前記基板を第１の回転数で前記基板の中央部を中心に回転させながら、前記塗布液を第１の滴下量だけ前記基板の中央部に滴下し、
   前記塗布液を前記第１の滴下量だけ滴下した後、前記第１の回転数よりも小さい第２の回転数で前記基板を回転させながら、前記塗布液を第２の滴下量だけ前記基板の中央部に滴下し、
   前記塗布液を第２の滴下量だけ滴下した後、前記塗布液の膜厚を決定するための第３の回転数で前記基板を回転させる、ことを含み、
   前記第１の回転数は、空気抵抗により前記第１の滴下量の前記塗布液が前記基板に均一に広がらずに前記第１の滴下量の前記塗布液の端部が盛り上がる回転数である
   ことを特徴とする回転塗布方法。
2. 前記第１の滴下量は、前記第２の滴下量以上であることを特徴とする請求項１に記載の回転塗布方法。
3. 前記基板上にパターンが形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転塗布方法。
4. 前記塗布液は、フォトレジスト、反射防止材料、フォトレジスト保護材料、レジストパターンシュリンク材料、液浸露光用保護材料、ポリイミド、ＳＯＧ、ｌｏｗ−ｋ材料、ゾルゲル材料の何れかである
   ことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の回転塗布方法。
5. 塗布液を基板に供給し、この基板を回転させて塗布膜を形成する回転塗布装置であって、
   前記基板を載置して水平に保持する保持部と、
   前記保持部を鉛直方向に平行な回転軸線まわりに回転駆動することにより、前記基板を回転させる回転駆動源と、
   前記保持部に保持される前記基板に前記塗布液を供給する塗布液供給部と、を備え、
   前記回転駆動源により前記基板を第１の回転数で前記基板の中央部を中心に前記基板を回転させながら、前記塗布液供給部により前記塗布液を第１の滴下量だけ前記基板の中央部に滴下し、
   前記塗布液を前記第１の滴下量だけ滴下した後、前記回転駆動源により前記第１の回転数よりも小さい第２の回転数で前記基板を回転させながら、前記塗布液供給部により前記塗布液を第２の滴下量だけ前記基板の中央部に滴下し、
   前記塗布液を第２の滴下量だけ滴下した後、前記回転駆動源により前記塗布液の膜厚を決定するための第３の回転数で前記基板を回転させ、
   前記第１の回転数は、空気抵抗により前記第１の滴下量の前記塗布液が前記基板に均一に広がらずに前記第１の滴下量の前記塗布液の端部が盛り上がる回転数である
   ことを特徴とする回転塗布装置。

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