説明

塗布膜の形成方法、および塗布膜形成装置

【課題】 周縁部においても膜厚均一性の高い塗布膜の形成方法および塗布膜形成装置を提供すること。
【解決手段】 塗布液膜の周縁部の上方を覆うようなカバーを設けて、塗布液膜の周縁部において局所的に溶媒蒸気が滞留する空間を作り、この空間の大きさを乾燥中に制御させることによって、塗布液膜周縁部での蒸発速度を調節し、塗布液膜内の濃度分布を均一にすることで周縁部の膜厚不均一を抑制する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フォトリソグラフィ技術におけるレジスト膜や、液晶表示装置用のカラーフィルタや、配向膜など、基板上に膜厚均一性の高い塗布膜を形成する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体デバイス、インクジェット記録装置、MEMSデバイス等の製造方法では、フォトリソグラフィ技術によって微細加工が行われている。フォトリソグラフィ技術では、基板上にフォトレジスト膜を形成後、フォトレジスト膜を露光・現像してパターンを形成し、パターンが形成されたフォトレジスト膜をマスクとして用いて、成膜やエッチングを行って機能性の膜を所望の微細構造に加工する。一般的にフォトレジスト膜は、パターンを形成するための樹脂成分を主体とし、露光によって重合反応を開始するための光重合開始材、および流動性を持たせるための溶媒などから構成される溶液である。
【0003】
半導体デバイスにおいては、フォトレジスト膜は最終的に溶剤で除去されるが、MEMSデバイスやインクジェット記録ヘッド等の製造方法においては、フォトレジスト膜を微細構造自体の構成部材として用いる場合がある。フォトレジスト膜の形成方法としては、一般的に、何らかの塗布方法によって基板上に揮発性の溶媒を含む溶液を塗布した後、溶媒を乾燥させる工程を経る。以下では、基板上に塗り広げられた乾燥前の液膜を「塗布液膜」、乾燥させた後の状態を「塗布膜」と呼び分ける。
【0004】
塗布液膜を塗布する方法としては、基板を回転させて溶液を濡れ広げるスピンコート法や、スリット状の流路から溶液を滴下しながら基板上を走査させるスリットコート法などが知られている。塗布液膜中の溶媒を乾燥させる方法としては、減圧乾燥や、ホットプレートによる加熱乾燥、熱風乾燥などがある。このようにして形成したフォトレジスト膜の膜厚が空間的に不均一になった場合、露光工程以降での加工精度や、最終的な構造部材としての寸法精度が悪化する。
【0005】
特に、図7に示すように、基板101上の塗布膜102の周縁部の領域B部では、塗布膜2aの中央部分A部に比べて膜厚が極端に大きくなる状態(以下、エッジビード)が起こることが課題となっていた。たとえば、半導体デバイスやインクジェット記録ヘッドなどの製造においては、1枚の基板上に複数のデバイスチップを配置するのが一般的であるが、エッジビードが発生すると、基板内でチップとして利用可能な有効面積が縮小し、歩留りが悪化してしまう。また、エッジビードの存在は、露光工程においてはマスクをウェハに近づけられないために密接露光ができないことや、アライメント調整の障害となる。一方、液晶表示装置用のカラーパネルや配向膜などの塗布膜の場合、エッジビードの存在は画像品位に直接影響する。したがって、多くの場合、形成されたエッジビードを除去するために、周縁部のみに溶剤を滴下させて洗浄する工程、もしくは化学機械研磨を施すなどの工程が必要となり、製造工程での工数が増大してしまう。
【0006】
このようなエッジビードが形成される要因については、塗布液膜の表面で周縁部に向かう気流や、塗布液膜周縁部で蒸発速度が大きくなり、表面張力が不均一となるのが原因と考えられている。エッジビードを低減する塗布膜形成方法としては、特許文献1に記載されるように、密閉容器内に塗布液膜に含まれる溶媒蒸気を供給することで、部分的に乾燥を抑制する方法がある。この方法では、塗布液膜の上方に漏斗状の溶媒蒸気供給部を設け、その開口部を塗布液膜の周縁部付近に設けることで塗布液膜周縁部での溶媒蒸気濃度を高めることを図っている。
【0007】
また、別の方法としては、特許文献2に記載されるように、塗布液膜周縁部付近に溶媒蒸気の供給源を設けることで、塗布膜全体の蒸発速度を均一化する方法がある。この方法では、密閉容器内に、溶媒を保持するための凹部を基板の周縁部に沿って設置し、この凹部の開口部を塞ぐように多孔質体が設置されている。密閉容器内を減圧することで多孔質体内に溶媒が浸透し、溶媒が霧状になって容器内に供給され、塗布液膜周縁部での溶媒蒸気濃度を高めることが図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平06−023315号公報
【特許文献2】特開2004−186419号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
前記の従来技術では、塗布液膜の周縁部に溶媒蒸気を供給することで、塗布液膜全面に渡って蒸発速度を揃えることを図っている。しかし、蒸発速度、すなわち単位時間に蒸発する溶媒量が一定であっても、膜厚が小さい部分では溶媒の絶対量が少ないため、中央部に比べると濃度の変化が大きくなる。このため、蒸発速度を一様に揃えたとしても、膜厚が徐々に小さくなっていく周縁部では濃度分布が生じてしまい、表面張力勾配による流動によってエッジビードが形成されることを避けられない。つまり、従来技術では、塗布液膜内での液面に沿った溶媒濃度分布を軽減するように蒸発速度を制御する、という観点が考慮されていない。
【0010】
本発明の目的は、基板に塗布された溶液を乾燥させて塗布膜を形成する際に、周縁部におけるエッジビードを低減し、膜厚均一性の高い塗布膜を形成する塗布膜形成方法および塗布膜形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
前記課題を解決するために、本発明は、揮発性の溶媒を含む塗布溶液を基板に塗布して形成し、塗布した塗布液膜を乾燥させて塗布膜を形成する塗布膜形成方法であって、前記塗布液膜の乾燥中は、前記塗布液膜の周縁部の上方を覆い前記塗布液膜の中央部に開口部を形成するカバー部を配置する塗布膜形成方法を提供している。
【0012】
また本発明は、揮発性の溶媒を含む塗布溶液を基板に塗布して形成し、塗布した塗布液膜を乾燥させて塗布膜を形成する塗布膜形成装置であって、前記基板を載置するための載置台と、少なくとも前記塗布液膜の周縁部の上方を覆うように設けられたカバー部とを備えた塗布膜形成装置を提供している。
【発明の効果】
【0013】
本発明の塗布膜形成方法によれば、塗布膜の周縁部でのエッジビードを低減し、膜厚均一性の高い領域面積を増加させることができる。これにより、基板上に多数のデバイスチップを配置する際に、歩留りを向上させることができる。また、エッジビードを除去する工程を省くことで製造工程の工数を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】塗布液膜にエッジビードが形成されるメカニズムを説明する断面図
【図2】第1の実施形態における乾燥装置を説明する概念図である。
【図3】第1の実施形態における、塗布液膜周縁部の状態を示す模式図
【図4】第2の実施形態における、塗布液膜周縁部での蒸発の様子を示す模式図
【図5】他の実施形態における、乾燥装置を説明する概念図である。
【図6】他の実施形態における、乾燥装置を説明する概念図である。
【図7】従来技術の乾燥方法を用いた場合の、乾燥後の塗布膜の状態を説明する断面図
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明における実施形態を説明する前に、塗布液膜にエッジビードが形成されるメカニズムについて、図1を用いて説明する。
【0016】
エッジビードの形成メカニズムにおいて本質的なのは、塗布液膜の周縁部で蒸発が早いこと、および表面張力の勾配によって流動が起こることであると考えられる。塗布液膜の周縁部に向かうにしたがって、周りに液膜自体が存在しなくなってくるため、塗布液膜の中央部に比べて溶媒蒸気の発生源が少なくなる。このため、塗布液膜の乾燥中には、塗布液膜周縁部の気相側で溶媒蒸気の密度が低くなり、液相側からの蒸発速度が大きくなって塗布液膜内に溶媒濃度分布を生じる。
【0017】
また、蒸発速度が一様であったとしても、膜厚が小さい周縁部では溶媒の絶対量が少ないため、中央部に比べると濃度の変化が大きくなる。このため、塗布液膜周縁部付近では、液面に沿って極端な溶媒濃度の勾配が生じることになる。一般的な塗布溶液である樹脂溶液では、溶媒濃度の変化に伴って物性値が変化し、表面張力および粘性係数は増大、拡散係数は減少する傾向がある。
【0018】
このため、塗布液膜周縁部付近の気液界面上には、端部側が大きくなるような表面張力勾配が形成されることになる(図1(a))。気液界面上に表面張力勾配が存在する場合、液体内にせん断力を生じて流れが駆動される。この現象はマランゴニ効果と呼ばれ、微小スケールの流体システムや、微小重力環境などで顕在化する現象として知られている。塗布液膜周縁部付近での濃度分布によって表面張力勾配が形成されてマランゴニ効果が働き、外縁側へ流体が供給されることで端部が極端に隆起する(図1(b))。これに加えて、塗布液膜周縁部で蒸発が速いことによって粘性係数が極端に増大するため、内側から周縁側へ流れ込んで隆起した部分は早期に流動性を失って固化する。このようにしてエッジビードが形成されると考えられる。
【0019】
以下、本発明の適切な実施の形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の適切な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されている。しかし、本発明の思想に沿うものであれば、以下に記載する実施形態やその他の具体的形状に限定されるものではない。
【0020】
[第1の実施の形態]
図2は本発明の第1の実施の形態における乾燥装置を示す概念図であり、図2(a)は乾燥装置の断面図、図2(b)は乾燥装置の斜視図である。図中1はガラス、シリコン等からなる基板、2は基板1上に塗り広げられた塗布液膜であり、基板1は載置台7に置かれている。載置台7は、基板1の周縁に沿った形状になっている。
【0021】
載置台7には、発熱抵抗体が埋め込まれており、ホットプレートの機能を有している。51は塗布液膜2の周縁部を覆うためのカバー部であり、載置台7の周縁部に沿って設置されている。カバー部51は、支持部51a、胴体部51b、および絞り部51cから構成されており、胴体部51bは、図示しない移動機構によって、支持部51aから垂直方向に移動可能な構造となっている。また、絞り部51cは図2(b)に示すように複数のプレートから構成されており、これらのプレートは図示しない移動機構によって水平方向に移動可能であり、カメラの絞り機構と同様に、開口部の面積を調節可能となっている。載置台7の加熱機構、およびカバー部51の胴体部51bと絞り部51cの移動機構は、制御部6に接続されている。
【0022】
次に本実施形態での塗布膜形成方法を説明する。まず、スピンコート法やスリットコート法などによって、基板1上に揮発性の溶媒を含む塗布溶液を塗布し、塗布液膜2を形成する。その後、絞り部51cを開口状態にし、基板1を載置台7に設置し、制御部6の制御シーケンスを開始する。胴体部51bはあらかじめ設定された位置となるように支持部51aから垂直方向に移動する。また、絞り部51cはあらかじめ設定された位置となるように塗布液膜2の中央部方向に移動し、塗布液膜2の周縁部付近を覆い塗布液膜の中央部に開口部が形成された状態となる。載置台7の加熱機構である発熱抵抗体を作動させることで、塗布液膜2の温度が上昇する。温度上昇に伴って溶媒の蒸気圧が上がるため、蒸発が促進される。
【0023】
蒸発した溶媒蒸気は、塗布液膜の上方へ拡散により移動していくが、図3(a)に示すように、塗布液膜2の周縁部上方の空間は、胴体部51bおよび絞り部51cによって部分的に覆われているため、この空間に蒸発した溶媒蒸気が溜まって局所的に飽和状態となる。これにより、この局所領域で蒸発を極端に遅くすることが可能となる。そして、この局所領域の大きさは、絞り部51cの移動によって開口部の大きさを変える事で調整することができる。
【0024】
図3(b)は基板1の周縁部からの距離に対する蒸発速度を概念的に示したグラフである。8aは本実施の形態であるカバー部51がある場合の状態を示しており、8bはカバー部51がない場合の状態を示している。カバー部51により、塗布液膜の周縁部での蒸発速度が中央部よりも遅くなるような状態を作ることができ、塗布液膜内の液面に沿った溶媒濃度分布の形成を抑制することができる。その結果、表面張力勾配による流動が抑制され、エッジビードの成長が軽減される。
【0025】
[第2の実施の形態]
本発明の第2の実施の形態では、第1の実施の形態を示す図2における胴体部51bと絞り部51cの位置を、塗布液膜2の乾燥中に適切に移動させながら行う。
【0026】
胴体部51bおよび絞り部51cによって作られる局所領域では溶媒蒸気が滞留する一方で、塗布液膜2の周縁部以外の領域では、溶媒蒸気と空気の拡散、浮力対流による移流によって溶媒蒸気の濃度境界層の厚みが決まる。この濃度境界層の厚みが、絞り部51cよりも上方まで及んだ場合、塗布液膜周縁部付近に、図4の等値線に示すような濃度分布が形成されることが考えられる。この場合、絞り部51bの端部付近に、溶媒蒸気濃度の勾配が大きくなる部分Xsが形成され、この部分Xsでは、図3(b)の8bに示すように蒸発速度が極値を持つことが考えられる。
【0027】
図3(b)の8bに示すのような蒸発速度の分布が維持された場合、図1に示したように、蒸発の速い部分での塗布液膜内の溶媒濃度が減少し、前述のマランゴニ効果によって、Xsの部分が盛り上がることが考えられる。このような状況が発生しないようにするために、乾燥プロセス中に胴体部51bを塗布液膜2から遠ざける方向に垂直移動させる。
【0028】
また、塗布液膜2の周縁部での蒸発速度を極端に抑制しつづけると、塗布液膜2の周縁部で溶媒濃度が大きくなりすぎて、周縁部から中央部に向かうマランゴニ効果が働いて、周縁部よりもやや内側の膜厚が大きくなる状況が起こりうる。このため、絞り部51cは、乾燥の進行に伴って、少なくとも徐々に開口部が大きくなるように移動させ、開口部の面積を変更する。
【0029】
本実施の形態においては、胴体部51bと絞り部51cの移動機構の制御は、たとえば時刻に対する設定値のデータセットとしてあらかじめ記憶させた制御データに従うようにしてもよい。この制御データは、塗布液の種類や初期の溶媒濃度、および形成する塗布膜の膜厚によって調整するのが望ましく、最適な設定条件については、たとえば、予め実験もしくは数値計算を行うことで見出すことができる。
【0030】
また、下記の他の実施形態で詳述する図5に示すように、たとえば干渉法による膜厚測定手段、および吸光法による溶媒濃度測定手段を組み合わせた濃度分布センサー10を塗布液膜2の周縁部に設けて、検知された濃度分布の情報に従って胴体部51bと絞り部51cの移動をリアルタイムにフィードバック制御するようにしてもよい。この場合、たとえば、濃度分布センサー10によって検知された濃度分布が、塗布液膜2の周縁部に向かって溶媒濃度が低下する向きであった場合、絞り部51cを閉じるように移動させ、塗布液膜2の周縁部に向かって溶媒濃度が増加する向きであった場合は、絞り部51cを開放するように移動させることが望ましい。
【0031】
(他の実施の形態)
本発明は、カバー部を設けることによって塗布液膜2の周縁部付近に局所的に溶媒蒸気が滞留する空間を作ることにあり、この思想に沿うものであれば、乾燥装置の構成要素は、前述の第1、第2の実施の形態に示す構造に限定されるものではない。
【0032】
本発明における他の実施形態として、図5に示すような構成の乾燥装置が考えられる。図中の3は塗布液膜2に含まれる溶媒を保持した溶媒容器であり、上面が開口になっている。溶媒容器3は、基板1、塗布液膜2、載置台7の外周部に設けられている。溶媒容器3には、外部から溶媒供給流路9を通じて溶媒が供給される。溶媒供給流路9には、供給流量を調節するバルブ9aが設けられている。溶媒容器3には、該溶媒容器を密閉するためのフタが設けられていてもよい。なお、図5において第1の実施の形態を示す図2と同じ部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【0033】
また、載置台7は、基板1の下部に位置する部分7aと、溶媒容器3の下部に位置する部分7bとに分かれて構成されており、それぞれに独立した加熱機構を設けて、基板1と溶媒容器3とを異なる温度に加熱するようにしてもよい。このように、塗布液膜2からの溶媒蒸発だけでなく、独立した溶媒蒸気の供給機構を設けることで、塗布液膜2の周縁部での蒸発速度を更に抑制することができる。この構成の場合、濃度分布センサー10によって検知された濃度分布の情報に基づいて行うフィードバック制御の対象として、胴体部51bと絞り部51cの移動だけでなく、溶媒容器のフタ、溶媒供給流路のバルブ9a、載置台7aおよび7bの加熱機構を含めるようにしてもよい。
【0034】
また、本発明におけるカバー部の形状や移動機構についても前述の第1、第2の実施の形態に示す構造に限定されるものではなく、たとえば、図6に示す他の形状のカバー部52を使用することもできる。
【0035】
図6(a)は他の形状のカバー部52を用いた乾燥装置の断面図であり、図6(b)は斜視図である。図中52bは、複数の曲面状の部材から構成される絞り部であり、支持部52aと回転可能に設けられている。また、液晶表示装置用のカラーパネルなど、基板が矩形形状の場合は、図6(c)の53a、53b、53cに示すような形状のカバー部を設けるのが望ましい。
【0036】
(実施例1)
本実施例においては、スピンコート法により基板1上に塗布液膜2を形成し、図2に示す構成の乾燥装置を用いて乾燥を行った。基板1は半径75mm、厚さ625μmのシリコンを用いた。塗布液はエポキシ樹脂およびキシレン溶媒から構成される溶液を用いた。塗布前の溶液の溶媒濃度は質量分率で50%に調整した。スピンコーターは、基板および回転ユニットにフタが設けられており、フタが同時に回転するタイプのものを用いた。
【0037】
スピンコーターの回転ユニットに基板1を設置し、基板1上に上記の塗布溶液を3cc滴下した後、スピンコーターのフタを閉めて回転数600rpmで12秒間回転させた。その後、基板1を図2の乾燥装置の載置台7に載せ、載置台7の温度は60℃に設定し、600秒間の乾燥を行った。カバー部51の移動可能部分である胴体部51bおよび絞り部51cの位置は、基板1の上面から胴体部51bまでの距離が5mmとなるように、そして、絞り部51cの水平方向の先端が塗布液膜の外縁から5mm程度内側の位置になるように設定し、これらの位置は乾燥中には固定した。
【0038】
600秒間の乾燥後、基板1に形成された塗布液膜2の膜厚分布を干渉計により測定した。測定は基板の中心を通る放射線上に0.1mm間隔で行った。外縁から10mmの周縁部を除いた領域での平均膜厚をH0とし、外縁から10mmまでの周縁部領域での最大膜厚をHmx、平均膜厚からの差が±2μm以内となっている最大の半径方向位置をRmxとして、これらの値を表1に示す。
【0039】
(実施例2)
本実施例では、実施例1と同様の方法で塗布液膜2を形成した。ただし、カバー部51の移動可能部分である胴体部51bおよび絞り部51cの位置は、乾燥開始から100秒間は実施例1と同じ位置に設定し、その後は絞り部51cを胴体部51bに完全に収納した。乾燥後の塗布液膜2の膜厚について、実施例1と同様に測定を行った結果を表1に示す。
【0040】
(比較例1)
本発明の乾燥方法の効果を確認するため、本発明の乾燥方法を用いないような乾燥を行った。実施例1と同様の基板および塗布液を用いて、同様の塗布方法で基板1上に塗布溶液を塗布した。その後、図2の乾燥装置からカバー部51を取り外して乾燥を行った。載置台7の温度と乾燥時間は実施例1と同様とした。乾燥後の塗布液膜2の膜厚について、実施例1と同様に測定を行った結果を表1に示す。
【0041】
【表1】

【0042】
表1に示すように、比較例1に比べて実施例1および実施例2で形成した塗布膜の方が周縁部での最大膜厚が抑えられていることが分かる。また、平均膜厚からの偏差が少ない領域、すなわち膜厚均一性の良好な領域が拡大していることが分かる。さらに、実施例1ではカバー部5の形状を乾燥中で固定したが、実施例2のように乾燥の進行途中で調整することで、より良い膜厚均一性を得られることが分かる。
【符号の説明】
【0043】
1 基板
2 塗布液膜
3 溶媒容器
51、52、53 カバー部
51a、52a 、53a 支持部
51b、52b、53b 胴体部
51c、53c 絞り部
6 制御部
7 載置台
9 溶媒供給流露
9a バルブ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
揮発性の溶媒を含む塗布溶液を基板に塗布して形成し、塗布した塗布液膜を乾燥させて塗布膜を形成する塗布膜形成方法であって、前記塗布液膜の乾燥中は、前記塗布液膜の周縁部の上方を覆い前記塗布液膜の中央部に開口部を形成するカバー部を配置することを特徴とする塗布膜形成方法。
【請求項2】
前記カバー部は、開口部の面積を調節する機構を有しており、前記開口部の面積を徐々に大きく、もしくは徐々に小さくさせながら、前記塗布液膜の乾燥させることを特徴とする請求項1に記載の塗布膜形成方法。
【請求項3】
前記カバー部の開口部の面積の変更は、あらかじめ記憶させた制御データに基づいて行われることを特徴とする請求項2に記載の塗布膜形成方法。
【請求項4】
前記塗布液膜の周縁部には、溶媒濃度分布を検知する濃度分布センサーを設けられており、前記溶媒濃度分布の情報に基づいて、前記カバー部の開口部の面積を変更することを特徴とする請求項2に記載の塗布膜形成方法。
【請求項5】
前記塗布液膜の外周部には、前記塗布液膜に含まれる前記溶媒を保持した溶媒容器が設けられており、前記乾燥中は、前記溶媒容器から前記溶媒が蒸発していることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の塗布膜形成方法。
【請求項6】
揮発性の溶媒を含む塗布溶液を基板に塗布して形成し、塗布した塗布液膜を乾燥させて塗布膜を形成する塗布膜形成装置であって、前記基板を載置するための載置台と、少なくとも前記塗布液膜の周縁部の上方を覆うように設けられたカバー部とを備えたことを特徴とする塗布膜形成装置。
【請求項7】
前記カバー部には前記開口部の面積を調節する機構が設けられており、前記開口部の面積を調整する制御部は、あらかじめ記憶させた制御データに基づいて、前記塗布液膜の乾燥中に、前記開口部の面積を変更させることを特徴とする請求項6に記載の塗布膜形成装置。
【請求項8】
前記塗布液膜の周縁部には、溶媒濃度分布を検知する濃度分布センサーを設けられており、前記開口部の面積を調整する制御部は、前記溶媒濃度分布の情報に基づいて、前記開口部の面積を変更させることを特徴とする請求項6に記載の塗布膜形成装置。
【請求項9】
前記塗布液膜の外周部には、前記塗布液膜に含まれる前記溶媒を保持した溶媒容器が設けられていることを特徴とする請求項6または7のいずれか1つに記載の塗布膜形成装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2011−255359(P2011−255359A)
【公開日】平成23年12月22日(2011.12.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−134311(P2010−134311)
【出願日】平成22年6月11日(2010.6.11)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】