フォトレジストコーティングプロセスに関する簡単な説明

フォトレジストの塗布方法は、スピンコート法、ディップコート法、ロールコート法に大別されるが、スピンコート法が最も一般的に用いられる。スピンコート法では、フォトレジストを基板上に滴下し、基板を高速回転させることでフォトレジスト膜を得ることができる。その後、ホットプレート上で加熱することで固体のフィルムが得られます。スピンコートは極薄膜(20nm程度)から100um程度の厚膜までの塗布に適しています。均一性が良く、ウェハ間で膜厚が均一で、欠陥が少ないなどの特徴があり、塗布性の高い膜が得られます。

 

スピンコート工程

スピンコーティング中、基板の主回転速度によってフォトレジストの膜厚が決まります。回転数と膜厚の関係は以下のとおりです。

スピン=kTn

式中の Spin は回転速度です。 T は膜厚です。 k と n は定数です。

 

スピンコーティングプロセスに影響を与える要因

膜厚は主回転速度によって決まりますが、室温、湿度、フォトレジストの粘度、フォトレジストの種類にも関係します。さまざまな種類のフォトレジスト コーティング曲線の比較を図 1 に示します。

フォトレジスト塗布工程(1)

図 1: さまざまな種類のフォトレジスト コーティング曲線の比較

主回転時間の影響

主回転時間が短いほど膜厚は厚くなります。主回転時間を長くすると膜は薄くなります。 20sを超えると膜厚はほとんど変化しません。したがって、主回転時間は通常 20 秒以上に設定されます。主回転時間と膜厚の関係を図2に示します。

フォトレジスト塗布工程(9)

図2:主回転時間と膜厚の関係

フォトレジストを基板上に滴下する場合、その後の主回転速度が同じであっても、滴下中の基板の回転速度が最終的な膜厚に影響を与えます。フォトレジスト膜の厚さは、滴下中の基板回転速度の増加に伴って増加します。これは、滴下後にフォトレジストを広げる際の溶媒蒸発の影響によるものです。図3は、フォトレジスト滴下時の基板回転速度を変えたときの膜厚と主回転速度の関係を示しています。図より、滴下基板の回転数が増加するにつれて膜厚の変化が早くなり、主回転数が低い領域ほどその差が顕著であることがわかります。

フォトレジスト塗布工程(3)(1)

図 3: フォトレジスト塗布中のさまざまな基板回転速度での膜厚と主回転速度の関係

 

塗装時の湿度の影響

湿度が低下すると溶媒の蒸発が促進されるため、膜厚は増加します。ただし、膜厚分布は大きく変化しない。図4に塗布時の湿度と膜厚分布の関係を示します。

フォトレジスト塗布工程(4)(1)

図4:塗布時の湿度と膜厚分布の関係

 

塗装時の温度の影響

室内温度が上昇すると膜厚が増加します。図5より、フォトレジスト膜厚分布が凸から凹に変化していることがわかる。図の曲線は、室内温度が 26°C、フォトレジスト温度が 21°C のときに最も高い均一性が得られることも示しています。

フォトレジスト塗布工程(2)(1)

図5 塗布時の温度と膜厚分布の関係

 

塗装時の排気速度の影響

図6に排気速度と膜厚分布の関係を示します。排気がない場合、ウェーハの中心が厚くなる傾向があることがわかります。排気速度を上げると均一性が向上しますが、上げすぎると均一性が低下します。排気速度には最適値があることがわかる。

フォトレジスト塗布工程(5)

図6:排気速度と膜厚分布の関係

 

HMDS治療

フォトレジストをよりコーティングしやすくするために、ウェーハをヘキサメチルジシラザン (HMDS) で処理する必要があります。特にSi酸化膜表面に水分が付着するとシラノールが生成され、フォトレジストの密着性が低下します。水分の除去とシラノールの分解には、通常ウェハを100~120℃に加熱し、ミスト状のHMDSを導入して化学反応を起こさせます。反応機構を図7に示します。HMDS処理により、接触角の小さい親水性表面が接触角の大きい疎水性表面になります。ウェーハを加熱すると、より高いフォトレジストの接着力が得られます。

フォトレジスト塗布工程(10)

図 7: HMDS の反応メカニズム

 

HMDS処理の効果は接触角を測定することで確認できます。 HMDS処理時間と接触角(処理温度110℃)の関係を図8に示します。基板はSiであり、HMDS処理時間は1分を超え、接触角は80°を超え、処理効果は安定しています。 HMDS処理温度と接触角(処理時間60秒)の関係を図9に示します。温度が120℃を超えると接触角が減少し、HMDSが熱により分解することがわかります。したがって、HMDS処理は通常100~110℃で行われます。

フォトレジスト塗布工程(3)

図 8: HMDS 治療時間の関係

と接触角(処理温度110℃)

フォトレジスト塗布工程(3)

図9:HMDS処理温度と接触角の関係(処理時間60秒)

 

酸化膜付きシリコン基板にHMDS処理を施し、フォトレジストパターンを形成する。その後、バッファーを添加したフッ酸で酸化膜をエッチングしたところ、HMDS処理後でもフォトレジストパターンの剥がれが抑制されることがわかった。図10にHMDS処理の効果を示します(パターンサイズは1um)。

フォトレジスト塗布工程(7)

図 10: HMDS 処理効果 (パターンサイズは 1um)

 

プリベーク

同じ回転数ではプリベーク温度が高いほど膜厚は薄くなるが、これはプリベーク温度が高いほど溶媒の蒸発量が多くなり、膜厚が薄くなることがわかる。図 11 にプリベーク温度と Dill の A パラメータの関係を示します。 Aパラメータは感光剤の濃度を示します。図からわかるように、プリベーク温度が140℃以上になるとAパラメータが低下し、それ以上の温度では感光剤が分解してしまうことがわかります。図 12 に、さまざまなプリベーク温度での分光透過率を示します。 160℃および180℃では、300~500nmの波長範囲で透過率の増加が観察されます。これは、感光剤が高温で焼き付けられて分解していることを確認するものである。プリベーク温度には最適な値があり、光の特性や感度によって決まります。

フォトレジスト塗布工程(7)

図 11: プリベーク温度とディルの A パラメータの関係

(OFPR-800/2の実測値)

フォトレジスト塗布工程(6)

図 12: さまざまなプリベーク温度での分光透過率

(OFPR-800、膜厚1um)

 

つまり、スピンコート法は、精密な膜厚制御、高いコストパフォーマンス、温和なプロセス条件、簡単な操作性などの独自の利点を有しており、低公害化、省エネルギー化、コストパフォーマンスの向上に大きな効果を発揮します。近年、スピンコート法が注目を集めており、その応用は徐々に様々な分野に広がっています。


投稿日時: 2024 年 11 月 27 日