塗布装置及び塗布方法

【課題】材料の供給状態を正確に調整して高精度に膜圧形状を制御することが可能な塗布装置及び塗布方法の提供。
【解決手段】実施形態の塗布装置は、塗布対象物に材料を吐出して塗布するノズルと、前記ノズルに供給される材料を貯留する貯留部と、前記貯留部と前記ノズルとを連通する流路と、前記流路の開閉状態を切り替える吐出用ダイヤフラムバルブと、前記流路に接続され前記流路における材料の流量を調整するとともに、そのサックバック量が調節可能なサックバック部と、を有する吐出弁と、を備えることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塗布装置及び塗布方法に関し、例えば、塗布対象物上に材料を塗布して塗布膜を形成する塗布装置及び塗布方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体などの分野において基板に円形状の膜を形成する方法としてスパイラル塗布方法がある。このスパイラル塗布方法は、円形状の回転ステージ上に円盤状の基板を固定し、塗布ノズルの吐出面と基板表面の距離（ギャップ）を所定の値に保ち、その回転ステージを回転させ、流量を制御可能な定量ポンプで塗布ノズルから材料を吐出させながら、その塗布ノズルを基板中央から基板外周に向かって直線状に移動させ、らせん状（渦巻き状）の塗布軌跡を描くことで基板全面に膜形成を行う方法である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このようなスパイラル塗布による塗布装置及び塗布方法では、材料の供給状態を正確に調整して高精度に膜厚形状を制御することが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７９９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明の実施形態は、材料の供給状態を正確に調整して高精度に膜圧形状を制御することを可能とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の塗布装置は、塗布対象物に材料を吐出して塗布するノズルと、前記ノズルに供給される材料を貯留する貯留部と、前記貯留部と前記ノズルとを連通する流路と、前記流路の開閉状態を切り替える吐出用ダイヤフラムバルブと、前記流路に接続され前記流路における材料の流量を調整するとともに、そのサックバック量が調節可能なサックバック部と、を有する吐出弁と、を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態にかかる塗布装置の構成を示す概略説明図。
【図２】同塗布装置の一部を示す概略説明図。
【図３】同塗布装置の吐出弁の構成を示す平面図。
【図４】図３のＡ−Ａ’断面を示す説明図。
【図５】図３のＢ−Ｂ’断面を示す説明図。
【図６】同実施形態にかかる塗布方法を示すフローチャート。
【図７】同塗布方法の塗布開始時の状態を示す概略説明図。
【図８】同塗布方法の塗布開始時の状態を示す概略説明図。
【図９】同塗布方法のメニスカス調整を示す説明図。
【図１０】同塗布方法の塗布開始時のサックバック量とメニスカスの関係を示す説明図。
【図１１】同塗布方法の塗布終了時の状態を示す概略説明図。
【図１２】同塗布方法の塗布終了時のサックバック量とメニスカスの関係を示す説明図。
【図１３】同塗布方法の塗布終了時の状態を示す概略説明図。
【図１４】他の一実施形態にかかる塗布装置の構成を示す概略説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、第１実施形態かかる塗布装置１及び塗布方法について、図１乃至１３を参照して説明する。各図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ互いに直交する３方向を示す。また、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。
【０００９】
図１に示す塗布装置１は、塗布対象物としてのウエハＷが載置されるステージ２と、そのステージ２を水平面内で回転させる回転機構３と、ステージ２上のウエハＷに先端から材料を吐出して塗布する塗布ノズル４と、その塗布ノズル４とステージ２とを水平面方向に相対移動させる移動機構５と、チューブやパイプなどで構成され内部に材料の流路６ａ〜６ｆを形成する連通管６と、塗布材料を貯留するタンク７（貯留部）と、タンク７とノズル４の間の連通管６に接続されるポンプ８（送液部）と、連通管６の排液側に接続された廃液ポッド９（排出部）と、連通管６の開閉状態を切り替える供給弁１１及び吐出弁１２と、ノズル４のメニスカスの位置を検出するメニスカス検出部１５と、各部を制御する制御部１０と、を備えている。さらに、ウエハＷ上の塗布膜Ｍの膜面を観察する観察装置なども設けられている。
【００１０】
ステージ２は、例えば円形状に形成されており、回転機構３により水平面内で回転可能に構成されている。このステージ２は、載置されたウエハＷを吸着する吸着機構を備えており、その吸着機構によりステージ２の載置面２ａ上にウエハＷを固定して保持する。この吸着機構としては、例えばエアー吸着機構などが用いられる。
【００１１】
回転機構３は、ステージ２を水平面内で回転可能に支持しており、ステージ中心を回転中心としてステージ２をモータなどの駆動源により水平面内で回転させる機構である。これにより、ステージ２上に載置されたウエハＷは水平面内で回転することになる。
【００１２】
塗布ノズル４は、塗布膜Ｍとなる材料を吐出するノズルであり先端４ａにノズル孔４ｂを有している。この塗布ノズル４は、圧力によりその先端のノズル孔４ｂから材料を連続的に吐出し、その材料をステージ２上のウエハＷに塗布する。
【００１３】
連通管６はたとえばチューブやパイプから構成され、塗布ノズル４と、供給タンク７と、供給ポンプ８と、廃液ポッド９とを連通している。連通管６は供給タンク７から塗布ノズル４に至る供給路６ａと、塗布ノズル４から廃液ポッド９に至る排出路６ｂを構成している。具体的には、供給タンク７から吐出弁１２に至る供給流路６ｃと、吐出弁１２からノズル４に至る共通流路６ｄと、吐出弁１２から廃液ポッド９に至る排出流路６ｅと、を備えている。共通流路６ｄ及び供給流路６ｃは供給路６ａを構成し、共通流路６ｄ及び排出流路６ｅは排出路６ｂを構成する。さらに供給流路６ｃの途中に設けられた供給弁１１から供給ポンプ８に至るポンプ流路６ｆを備えて構成されている。
【００１４】
図１及び図２に示すように、供給弁１１はダイヤフラム式の３方弁である供給ダイヤフラムバルブ２１を備えて構成されている。供給弁１１は三方弁であり、タンク側の第１ポート１１ａと、ポンプ側の第２ポート１１ｂと、ノズル側の第３ポートと１１ｃと、を備える。制御部１０によりこれらのポートの開閉状態を切り替えることにより材料の供給状態を切り替える。
【００１５】
図３乃至図５に示すように、吐出弁１２はダイヤフラム式の３方弁である吐出ダイヤフラムバルブ２２と、サックバックバルブ２３とを備えて構成されている。吐出ダイヤフラムバルブ２２は排出側（廃液ポッド９側）の流路を開閉する排出側弁部２２Ａと、吐出側（ノズル４側）の流路を開閉する吐出側弁部２２Ｂと、を有している。吐出弁１２は、タンク側のインポート１２ａと、廃液ポッド９側の廃液側アウトポート１２ｂ（第２のアウトポート）と、ノズル側の吐出側アウトポート１２ｃ（第１のアウトポート）と、を備える三方弁である。ダイヤフラムバルブ２２のノズル側の流路にサックバック部としてのサックバックバルブ２３が接続されている。
【００１６】
吐出ダイヤフラムバルブ２２は排出側及び吐出側の２つの弁室２５、２６と、弁室２５、２６に対してそれぞれ進退移動する弁体２７，２８と、を有し、制御部１０の制御により弁体２７，２８を進退動させることにより、開閉状態を切替え、流路がタンク７からノズル４に連通する吐出状態と、タンク７から廃液ポッド９に連通する排出状態とが、切り替え可能になっている。この開閉に伴い流路の体積（容積）が変化する。
【００１７】
サックバックバルブ２３は流路に通じる弁室３１と、弁室３１に対して進退移動する弁体３２と、を有し、制御部１０の制御により弁体３２を進退動させることによりサックバック状態が切り替え可能である。このサックバック状態の切替に応じて流路の体積が可変になっている。さらに弁体３２にはサックバック量を調整可能とする調整ねじ３３が設けられ調整ねじ３３の調整に応じてサックバック量が調整可能になっている。
【００１８】
ダイヤフラムバルブ２２とサックバックバルブ２３の弁体２７、２８,３２にはそれぞれエア供給管３４ａ，３４ｂ，３４ｃと、エア供給状態調整用のレギュレータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃと、エア供給状態切り替え用の操作バルブ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ、流速調整用のスピードコントローラ３７ａ，３７ｂ，３７ｃが設けられている。レギュレータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ、操作バルブ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ、及びスピードコントローラ３７ａ，３７ｂ，３７ｃは制御部１０に接続され、制御部１０の制御に応じて動作する。
【００１９】
図１に示す移動機構５は、塗布ノズル４を支持してＺ軸方向に移動させるＺ軸移動機構５ａと、そのＺ軸移動機構５ａを介して塗布ノズル４を支持しＸ軸方向に移動させるＸ軸移動機構５ｂとを備えている。この移動機構５は塗布ノズル４をステージ２の上方に位置付け、その塗布ノズル４をステージ２に対して相対移動させる。Ｚ軸移動機構５ａ及びＸ軸移動機構５ｂとしては、例えば、リニアモータを駆動源とするリニアモータ移動機構やモータを駆動源とする送りネジ移動機構などが用いられる。
【００２０】
Ｚ軸移動機構５ａには、例えば反射型レーザセンサなどの距離測定部５ｃが設けられている。距離測定部５ｃは、Ｚ軸移動機構５ａと共にＸ軸移動機構５ｂによりＸ軸方向に移動し、ステージ２上のウエハＷとの離間距離を測定する。これにより、ウエハＷの塗布面の表面粗さ、すなわち、その塗布面の高さプロファイルを取得することが可能である。
【００２１】
この塗布装置１でスパイラル塗布を行う際、塗布ノズル４はＸ軸方向、すなわちウエハＷの中心から外周に向かって移動しながら、回転しているステージ２上のウエハＷに向けて材料を吐出し、その材料をウエハＷの表面上に渦巻状に塗布する。
【００２２】
メニスカス検出部１５は、ノズル４の先端４ａに対向配置されたレーザ変位計センサ部４１、コントローラ部４２、及びモニタ４３を備えて構成されている。レーザ変位計４１はノズル４内の材料の表面のメニスカスの状態を検出し、制御部１０に検出結果を送信する。なおレーザ変位計４１のレーザの波長は材料等の条件によって設定されるが例えば感光材料に対しては光源の波長は６５０ｎｍ以上とする。コントローラ部４２は、センサ部の計測条件を設定する。モニタ４３には検出結果としてのメニスカスの状態が映し出される。
【００２３】
制御部１０は、各部を集中的に制御するマイクロコンピュータと、各種プログラムや各種情報などを記憶する記憶部とを備えている。記憶部としては、メモリやハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などが用いられる。
【００２４】
制御部１０は、各種プログラムや各種情報（塗布条件情報など）に基づいて、回転機構３、移動機構５、ポンプ８、各種弁１１，１２を制御し、ウエハＷが載置されたステージ２を回転させ、バルブ２１〜２３の動作を切り替えて塗布ノズル４の先端４ａから材料を吐出させながら、その塗布ノズル４を基板中央（あるいは基板外周）から基板外周（あるいは基板中央）に向かって直線状に移動させ、渦巻き状の塗布軌跡を描くことで基板全面に膜形成を行う（スパイラル塗布）。
【００２５】
制御部１０は、メニスカス検出部１５の検出結果に応じて、ダイヤフラムバルブ２２の開閉時にサックバックバルブ２３を切替制御する。また制御部１０はメニスカス検出部１５の検出結果に応じて、ポンプ８を動作させることにより材料を押しまたは引き、メニスカス状態を調整する。
【００２６】
以下、塗布装置１が行う成膜処理（塗布方法）について図６乃至図１３を参照して説明する。塗布装置１の制御部１０は各種プログラムや各種情報（塗布条件情報など）に基づいて成膜処理を実行する。
【００２７】
図６に示すように、まず原点復帰などの初期動作が行われる（ＳＴ１）。このとき、図２及び図５に示すように、供給弁１１は閉状態にセットされ、吐出弁１２は排出状態にセットされている。
【００２８】
次に、基板であるウエハＷがロボットハンドリングなどの搬送機構によりステージ２上に搬入される（ＳＴ２）。ウエハＷはステージ２上に吸着機構により固定される。
【００２９】
この状態で吐出弁１２を開放する（ＳＴ３）。すなわち、図７に示すようにダイヤフラムバルブ２２の流路を廃液側から吐出側に切り替えて吐出状態にセットする。このとき、図８に示すように、排出側弁部２２Ａの弁体２７は下降させて弁室２５を閉じ、第２の弁部２２Ｂにおいて弁体２８を上昇させて弁室２６を開くとともに、サックバックバルブ２３の弁体３２を流路に対して進入する方向に下降動作させる。
【００３０】
ダイヤフラムバルブ開閉時には弁体を移動して流路を開く動作に伴い流路内の体積が増加する。ノズル４のメニスカスの状態が変化することになるが、吐出開始時にダイヤフラムバルブ２２の開き動作と同時にサックバックバルブ２３の弁体３２を下降させて体積を減少させることで体積変化を相殺させることができる。
【００３１】
さらに制御部１０は図９に示すように所定のタイミングでメニスカス検出部１５によってメニスカスの時状態として例えばノズル孔４ｂ内の材料の表面の位置や形状を検出する（ＳＴ４）。
【００３２】
ステップＳＴ４におけるメニスカスの検出結果に基づいてメニスカス位置を調整する（ＳＴ５）例えばポンプ８を制御して材料を押し引きすることで、ノズル４内の材料の量を調整することにより、メニスカス状態を適正状態に調整する（ＳＴ６）。なお図１０に示すように、吐出開始時（バルブを開く際）にはサックバック量が多いほどノズル４の先端部において材料の表面位置が下降するようにメニスカス状態が変化する。
【００３３】
その後、例えば塗布前に取得された高さプロファイルを用いて、塗布ノズル４とウエハＷの塗布面との垂直方向の距離（ギャップ）が設定値となるように補正量が算出され、その補正量だけ塗布ノズル４がＺ軸移動機構５ａによりＺ軸方向に移動する。このようにして、塗布ノズル４とウエハＷの塗布面とのギャップが所望のギャップに調整される（ステップＳ７）。
【００３４】
ついで、塗布処理が行われる（ＳＴ８）。塗布処理においては、ポンプ８を作動させ、ノズル４から塗布材料を吐出しながら、ステージ２２を回転機構３により回転させ、ステージ２上のウエハＷが回転している状態で、塗布ノズル４がウエハＷの中央である原点位置からＺ軸移動機構５ａと共にＸ軸移動機構５ｂによりＸ軸方向に、すなわちウエハＷの中心から外周に向かって等速で移動する。塗布ノズル４は移動しながら先端４ａから材料を連続してウエハＷの塗布面に吐出し、その塗布面上に渦巻状に材料を塗布する（スパイラル塗布）。ウエハＷの塗布面上に塗布膜Ｍが形成される。
【００３５】
次に、あらかじめ設定された塗布完了直前の所定位置または所定時間に達した時点で、制御部１０によりダイヤフラムバルブ２２の開閉状態が切り替えられるとともに供給用ポンプ８による供給が停止され、塗布が停止される（ＳＴ９）。塗布完了直前の位置または時間は、たとえば材料の粘性や連通管６の条件などに基づいて決定され、塗布完了の数秒程度前あるいは塗布完了位置の１〜２ｍｍ手前に設定される。
【００３６】
図１１に示すように、吐出終了時には、ポンプ８を停止させるとともに、供給弁１１及び吐出弁１２を閉じる。すなわち、図１１に示すようにダイヤフラムバルブ２２の流路を吐出側から廃液側に切り替える。これにより材料が共通流路６ｃ及び排出流路６ｅを通って廃液ポッド９に排出される。
【００３７】
このとき、図１３に示すように吐出側弁部２２Ｂにおいて弁体２８を下降させて弁室２６を閉じるとともに、サックバックバルブ２３の弁体３２を流路に対して退避する方向に上昇動作させる。ダイヤフラムバルブ開閉時には弁体を移動して流路を開く動作に伴い流路内の体積が減少しノズル４のメニスカスの状態が変化することになるが、吐出終了時にダイヤフラムバルブ２２の閉じ動作と同時にサックバックバルブ２３の弁体３２を上昇させて体積を減少させることで体積変化を相殺させることができる。
【００３８】
図１２に示すようにバルブ２１，２２を閉じて吐出を終了する際にはサックバック量が多いほどノズル４の先端４ａにおいて材料の表面位置が上昇するようにメニスカス状態が変化する。以上の動作によりメニスカス位置を適正位置に調整しながら吐出終了することで連通管６の塗布材料の残圧がすばやく減少するとともに流量の変動が相殺されるので、所望の塗布膜Ｍのエッジを形成することが可能となる。
【００３９】
その後、塗布ノズル４をＺ軸移動機構５ａにより上昇させる（ＳＴ１０）。そして、ウエハＷ上の塗布膜Ｍが観察装置により観察、すなわち検査し（ＳＴ１１）、塗布膜Ｍに抜けが発生したか否か、塗布膜Ｍの異物の有無、膜厚異常の有無、塗布膜Ｍのエッジ部Ｍｅの形状等が監視され、必要な場合には部分塗布を行うリペア処理が成され、処理が終了する。
【００４０】
本発明によれば、ダイヤフラムバルブ２１，２２の切り替えと同時にサックバックバルブ２３を動作させてダイヤフラムバルブ２１，２２の切り替えに伴う体積変化を調整して適性メニスカスを維持して吐出量を調整することが可能となる。このため、塗布処理開始時及び終了時の材料の供給量を高精度に調整することができる。また、制御部１０はサックバックバルブ２３のサックバック量をメニスカス状態の検出結果に基づいて調整するため常に適正なメニスカスに設定できる。
【００４１】
なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。上記実施形態においては先端４ａに対向配置されたレーザ変位計４１を用いて先端４ａのメニスカス状態を検出するメニスカス検出部１５を例示したが、これに限られるものではない。例えば図１４に示すように、ノズル４を透明なガラスやプラスチック材で構成して内部を透過して観察可能に構成するとともに、ノズル４の側方からノズル４を撮像するＣＣＤカメラなどの撮像部４４を備えるメニスカス検出部１５を用いることも可能である。この場合取得した画像からメニスカス状態を検出することができる。
【００４２】
本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４３】
Ｗ…ウエハ、Ｍ…塗布膜、１…塗布装置、２…ステージ、２ａ…載置面、３…回転機構、４…塗布ノズル、４ａ…先端、４ｂ…ノズル孔、５…移動機構、５ａ…Ｚ軸移動機構、５ｂ…Ｘ軸移動機構、５ｃ…距離測定部、６…連通管、６ａ…供給路、６ｂ…排出路、６ｃ…供給流路、６ｄ…共通流路、６ｅ…排出流路、６ｆ…ポンプ流路、７…供給タンク（貯留部）、８…供給ポンプ、９…廃液ポッド（排出部）、１0…制御部、１１…供給弁、１２…吐出弁、１５…メニスカス検出部、２１…供給ダイヤフラムバルブ、２２…吐出ダイヤフラムバルブ、２２Ａ…排出側弁部、２２Ｂ…吐出側弁部、２３…サックバックバルブ（サックバック部）。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
塗布対象物に材料を吐出して塗布するノズルと、
前記ノズルに供給される材料を貯留する貯留部と、
前記貯留部と前記ノズルとを連通する流路と、
前記流路の開閉状態を切り替える吐出用ダイヤフラムバルブと、前記流路に接続され前記流路における材料の流量を調整するとともに、そのサックバック量が調節可能なサックバック部と、を有する吐出弁と、を備えることを特徴とする塗布装置。
【請求項２】
前記吐出用ダイヤフラムバルブは、前記タンクに連通するインポートと、前記ノズルに連通する第１のアウトポートと、材料を排出する排出部に連通する第２のアウトポートと、を有する三方式であり、
前記サックバック部は、前記流路に接続されたサックバックバルブであり、
前記吐出用ダイヤフラムバルブの切替制御を行う際にサックバックバルブの動作を制御することにより前記流路における材料の流量を調整する制御部を備えたことを特徴とする請求項１記載の塗布装置。
【請求項３】
前記吐出弁と前記貯留部との間の流路に接続され、前記材料を前記ノズルに送り出す供給ポンプと、
前記吐出弁と前記貯留部との間の流路の開閉状態を切り替える供給弁と、
前記塗布ノズルのメニスカスの状態を検出するメニスカス検出部と、を備え、
前記制御部は、前記メニスカスの状態に基づいて前記供給ポンプを作動させて前記塗布ノズルのメニスカスの状態を調整することを特徴とする請求項２記載の塗布装置。
【請求項４】
塗布対象物が載置される載置面を有するステージと、
前記ステージを回転させる回転機構と、
前記ステージと前記塗布ノズルとを前記回転の方向に交わる交差方向に相対移動させる移動機構と、を備え
前記制御部は、前記塗布対象物が載置された前記ステージを前記回転機構により回転させながら、前記移動機構により前記ステージと前記塗布ノズルとを前記載置面に沿って相対移動させ、前記塗布ノズルにより前記ステージ上の塗布対象物に前記材料を塗布する制御を行うとともに、前記吐出弁を制御して前記材料の流れを制御することを特徴とする請求項１記載の塗布装置。
【請求項５】
塗布対象物が載置されたステージと対向配置された塗布ノズルとを相対的に移動させ、
前記塗布ノズルに連通する流路の開閉状態を切り替える吐出用ダイヤフラムバルブの動作を制御して前記塗布ノズルに前記ステージ上の塗布対象物に前記材料を吐出させるとともに、前記流路に接続され前記流路における材料の流量を調整するサックバック部の動作を制御して前記塗布ノズルのメニスカスを調整することを特徴とする塗布方法。

【図１】