CN1985357A - 基板加热装置和基板加热方法 - Google Patents

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Abstract

一种基板加热装置用于在曝光后和显影前的时期内加热涂覆有化学增强型抗蚀剂的基板，该装置具有：安装台，用于在抗蚀剂涂覆薄膜朝上的情况下基本水平地安装基板；流体供给机构，用于向基板供给甘油；以及加热机构，用于在甘油与抗蚀剂涂覆薄膜接触的状态下加热安装台上的基板，其中，在甘油与抗蚀剂涂覆薄膜接触的状态下对安装台上的基板进行加热。

Description

基板加热装置和基板加热方法
技术领域
本发明涉及一种基板加热装置和方法，用来用化学增强型抗蚀剂涂覆基板，并在曝光后和显影前烘烤该抗蚀剂涂覆薄膜(曝光后烘烤；PEB)。
背景技术
半导体装置的光刻工艺使用的***包含位于曝光装置中的涂覆-显影装置。当电路图案的线宽度达到深亚微米范围时，化学增强型抗蚀剂主要用于涂覆-显影装置中。化学增强型抗蚀剂包含酸产生剂，以便在受热时产生酸。当执行称为PEB(曝光后烘烤)的加热处理时，酸在曝光区域中扩散，且发生酸催化反应。
图1A-图1C是表示通过使用正化学增强型抗蚀剂来曝光、加热和显影的示意图。首先，通过掩模M来对涂覆有抗蚀剂R薄膜的晶片W进行图案曝光。质子(H+)作为酸在曝光区域中产生，如图1A所示。然后，在PEB处理中将晶片W加热至90-140℃的温度，质子(H+)在抗蚀剂R中扩散，并加速酸催化反应。这样，如图1B所示，质子(H+)分解抗蚀剂R的基部树脂，且抗蚀剂R在显影溶液中变成可溶解的。在酸催化反应中，新的质子(H+)(或者与酸等效的组分)产生，就像一种链式反应，且该新的质子(H+)分解该基部树脂。这样，该酸催化反应将不断地被增强和加速。然后，将显影溶液倾倒在抗蚀剂R涂覆薄膜上。曝光部分被溶解，并形成抗蚀剂图案，如图1C所示。
如上所述，化学增强型抗蚀剂原理上可用于精确的线宽度。不过，化学增强型抗蚀剂的加速由酸催化反应量来确定，并且，曝光后的加热条件对化学增强型抗蚀剂的特性有较大影响，特别是是对显影后获得的图案的线宽度的精度有较大影响。
日本专利申请公开公报No.2001-274052介绍了一种常规的加热装置。如图2所示，将晶片W布置在加热板1上，该加热板1具有埋在内部的加热器10；装上盖单元11，以便形成处理空间；以及，使得来自处理空间外部的清洗气流通向该空间的中央，并由加热器10来加热晶片W(参考该公报的段落0005-0006)。
图案已经变得越来越精确，近来，制造***已经从一种产品的大量制造转变成更多不同产品的小批量制造。因此，用于各种产品的专用掩模的制造增加了产品的单位价格。其中，日本专利申请公开公报No.2002-50567分析和报导了一种使用电子束的无掩模式直写技术(下文中称为电子束直写曝光)，称为符号投射。
下面将参考图3简要地解释电子束直写曝光。参考标号2表示用于发射电子束的电子枪。由电子枪2发射的电子束通过由第一偏转装置21形成的静电场而弯转，并穿过一开口，该开口由在上和下孔径光阑22a、22b、...的各表面上形成的各种圆形、三角形和正方形开口的预定组合构成，由此，电子束的横截面被形成为预定图案。然后，电子束通过第二偏转装置23而再次弯转，并施加至晶片W表面上的预定区域。因此，电子束直写曝光的优点是通过改变电子束要经过的开口组合而在没有使用掩模M的情况下在晶片W的表面上写下所需的图案。
不过，当施加在晶片W上的电子束的加速太快时，到达晶片W的下基部的电子将向上反射，并可能对不期望的区域进行写入(该现象称为邻近效应)。为了防止该邻近效应，电子束的加速度设置为较低。通过使电子束的加速度设置成较低，电子束的轨道更容易通过偏转装置21和23的静电场而弯转。电子束能够精确穿过孔径光阑22a、22b、...的开口，并施加至晶片W表面上的预定位置。
不过，在电子束直写曝光中，从低加速电子束注入抗蚀剂中的能量较小，在化学增强型抗蚀剂内部产生的质子(H+)量不充足。因此，即使在写入后进行PEB，也可能没有足够的质子(H+)在写入区域中进行扩散。酸催化反应并没有被加速，抗蚀剂没有充分地改性。因此并不形成图案，或者，虽然形成图案，但是图案的线宽度的精度降低。
在不久的将来，有一种趋势是将电子束的加速设置得更低，以便精确控制电子束的轨道。低电子束加速度和高生产率的折中问题将更明显。
上述问题不能只通过增加电子束加速度以及将高加速和高能量电子束施加在抗蚀剂上来解决。因为高加速电子束在没有使抗蚀剂曝光的情况下穿过抗蚀剂(抗蚀剂的有效灵敏度较低)，质子(H+)的产生不充足，并且酸催化反应没有被加速。因此，在电子束直写曝光中，将电子束施加在抗蚀剂上的时间必须设置成较长，以便将足够的电子束能量注入抗蚀剂中。不过，通过将电子束施加时间设置成较长，处理的生产率会降低。因此，电子束直写曝光实际上很困难。
如上所述，在电子束直写曝光中，化学增强型抗蚀剂的有效灵敏度较低，曝光时间较长，且与使用KrF准分子激光器(λ＝248nm)或ArF准分子激光器(λ＝193nm)的步进光刻机(stepper，缩小投射步长和反复曝光的***)来进行的曝光相比，生产率极低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基板处理装置和方法，例如在加热涂覆有化学增强型抗蚀剂的基板并通过低加速电子束进行曝光的处理中，本发明通过加速抗蚀剂中的化学增强反应(作为酸催化反应)来获得具有精确线宽度的抗蚀剂图案。
一种基板加热装置，用于在曝光后和显影前的时期内对涂覆有化学增强型抗蚀剂的基板进行加热，该装置包括：
安装台，用于在抗蚀剂涂覆薄膜朝上的情况下基本水平地安装该基板；
流体供给机构，用于向基板供给抗蚀剂改性流体，以便加速化学增强型抗蚀剂中的酸催化反应；以及
加热器，用于在抗蚀剂改性流体与抗蚀剂涂覆薄膜接触的状态下对安装台上的基板进行加热。
在本发明的装置中，流体供给机构并只不局限于将抗蚀剂改性流体供给至已布置于安装台上的基板的流体供给机构，还包括在将基板安置于安装台上之前将抗蚀剂改性流体供给至基板的流体供给机构。
本发明的装置具有流体控制部件，该流体控制部件布置成对着安装台上的基板，在该基板上方形成间隙，并使抗蚀剂改性流体保持在该间隙中。该流体控制部件可以具有作为流体供给机构一部分的流体供给口。这时，流体供给口形成于流体控制部件的下表面的中央处。该间隙的尺寸设置成使得抗蚀剂改性流体通过毛细作用而在该间隙中展开。
本发明的装置优选具有冷却液体供给口，该冷却液体供给口形成于该流体控制部件的下表面上，并用于在加热后向基板的该表面供给冷却液体。
本发明的装置优选具有流体抽吸口，该流体抽吸口形成于流体控制板的下表面上，并用于吸收存在于该间隙中的抗蚀剂改性流体。
本发明的装置优选具有升降机构，该升降机构使得流体控制部件上下移动，以便调节该间隙。
加热器可以布置在安装台或流体控制部件上。当在安装台和流体控制部件两者上都布置加热器时，PEB能更高效地进行，且生产率增力口。
该曝光是电子束曝光，用于通过使用电子束而在抗蚀剂涂覆薄膜上写入图案。本发明用于电子束曝光后的PEB处理。
该抗蚀剂改性流体可以是包含甘油(C3H8O3)的液体，或者是包含甘油的蒸汽或雾。本发明人设想是包含于甘油中的水(H2O)作用在抗蚀剂组分上，并在PEB过程中加速抗蚀剂中的酸催化反应。甘油的吸湿性和保持水汽的性质非常好，使水(H2O)渗透至抗蚀剂中，并增加抗蚀剂中的质子(H+)的活性。因此，抗蚀剂中的酸催化反应被加速。为了生成包含甘油的雾或蒸汽，将甘油与溶剂(例如水)一起倒入汽化器中，并从汽化器中喷射雾状甘油混合物。
本发明的基板加热方法用于在曝光后和显影前的时期内对涂覆有化学增强型抗蚀剂的基板进行加热，该方法包括：步骤(a)，在抗蚀剂涂覆薄膜朝上的情况下将基板基本水平地布置在安装台上；步骤(b)，向基板供给抗蚀剂改性流体，以便加速化学增强型抗蚀剂中的酸催化反应；以及步骤(c)，在抗蚀剂改性流体与抗蚀剂涂覆薄膜接触的状态下对安装台上的基板进行加热。
在本发明的方法中，将抗蚀剂改性流体供给至基板表面的过程可以在将基板布置于基板安装台上的过程之前来进行。在将抗蚀剂改性流体供给至基板上表面之后再将基板布置在基板安装台上、以及在供给抗蚀剂改性流体的同时布置基板也包含在本发明的技术范围内。
在过程(b)中，对着安装台上的基板布置一流体控制部件，在该流体控制板和基板之间形成间隙，且抗蚀剂改性流体能够供给至该间隙。在过程(c)之后，存在于该间隙中的抗蚀剂改性流体能够由流体抽吸装置来吸收。当流体抽吸装置吸收抗蚀剂改性流体时，流体控制部件能够朝该基板运动，以便减小该间隙。在处理(c)之后，能够在加热后向该基板供给冷却液体，从而冷却该基板。
附图的简要说明
图1A是表示通过图案曝光而曝光的化学增强型抗蚀剂薄膜的示意截面图；
图1B是表示通过PEB加热的化学增强型抗蚀剂薄膜的示意截面图；
图1C是表示显影后的化学增强型抗蚀剂薄膜的示意截面图；
图2是普通烘烤装置的内部透视截面图；
图3是表示通过电子束直写装置进行曝光的透视截面图；
图4是表示本发明第一实施例的基板加热装置的剖视方框图；
图5是本发明第一实施例的基板加热装置的内部透视平面图；
图6A是表示通过使用本发明的基板加热方法来处理半导体晶片的步骤的示意截面图；
图6B是表示通过使用本发明的基板加热方法来处理半导体晶片的步骤的示意截面图；
图6C是表示通过使用本发明的基板加热方法来处理半导体晶片的步骤的示意截面图；
图7A是表示通过使用本发明的基板加热方法来处理半导体晶片的步骤的示意截面图；
图7B是表示通过使用本发明的基板加热方法来处理半导体晶片的步骤的示意截面图；
图7C是表示通过使用本发明的基板加热方法来处理半导体晶片的步骤的示意截面图；
图8(a)-(e)是表示本发明第一实施例的基板加热方法的时间图；
图9是表示本发明第二实施例的基板加热装置的主要部分的截面方框图；
图10(a)-(e)是表示本发明第二实施例的基板加热方法的时间图；
图11是表示本发明第三实施例的基板加热装置的截面方框图；
图12是表示本发明第四实施例的基板加热装置的截面方框图；
图13是表示具有本发明的基板加热装置的涂层显影装置的平面图；
图14是表示具有本发明的基板加热装置的涂层显影装置的透视图；
图15是表示实施例的抗蚀剂图案的SEM照片，用于确认本发明的效果；以及
图16是表示实施例的抗蚀剂图案的SEM照片，用于确认本发明的效果。
实现发明的最佳方式
下面将参考附图介绍实现本发明的最佳方式。
实施例1
下面将参考图4-图8介绍本发明第一实施例的基板加热装置和方法。在该实施例中，将基于通过将冷却单元与加热单元(作为本发明的基板加热装置)组合而形成的加热-冷却单元示例来介绍。不过，冷却单元也可以独立于加热单元来提供。
加热单元和冷却单元布置在加热-冷却装置1的壳体中，如图4和图5所示。加热单元布置在图中的左侧，并具有安装台3、盖单元4和流体控制板5，该安装台3具有埋于内部的加热器33。冷却单元布置在图中的右侧，并具有包含冷却剂71的冷却板7。
安装台3布置在底座30上，晶片W水平布置在该安装台3上。底座30的内部为空心，并具有支承销6、36和75、活动基座37、61和76以及升降气缸38、62和77。支承销36、活动基座37和升降气缸38构成第一升降机构，以便使晶片W从安装台3上升高。支承销6、活动基座61和升降气缸62构成第二升降机构，以便可上下移动地支承流体控制板5。支承销75、活动基座76和升降气缸77构成第三升降机构，以便使晶片W从冷却板7上升高。
该装置1的壳体的侧部具有通过闸板而打开和关闭的基板运载进出口(未示出)。主运载臂机构A2和A3使晶片W通过基板运载进出口而送入或送出该加热-冷却装置1。在装置1中运载的晶片W的上侧涂覆有化学增强型抗蚀剂(例如ESCAP抗蚀剂或乙缩醛抗蚀剂)。该抗蚀剂涂覆薄膜在搁架单元U2中进行预烘烤，并在曝光块B4中通过电子束来曝光(参考图13)。曝光块B4具有电子束曝光单元，该电子束曝光单元发射低加速电子束，以便将所需图案写在该抗蚀剂涂覆薄膜上。
在本发明中，并不限制用于曝光的电子束的加速度。在本说明书中所述的低加速电子束意味着具有较小注入能量的电子束，该注入能量不足以仅通过加热来写入图案。作为具有不充足的注入能量的加速度的示例，电子束为5kV或更低。
该加热-冷却装置1具有控制单元10、加热器电源20、清洗气供给机构22、排出泵43、供给源54、抽吸泵57、升降气缸38/62/77和驱动机构70。该控制单元10的输入部分接收来自传感器的实时变化信息，这些传感器布置在装置1的各部件中的各个位置处。根据这些输入信息，控制单元10分别控制各部件20、22、43、54、57、38、62、77和70。
在安装台3的顶部具有例如高度为0.1mm的真空环31。该真空环31布置成在该晶片W的整个一周上面对着该晶片W的背侧面的周边边缘部分，并通过真空吸住晶片，且防止从晶片W上表面滴落的液体到达背侧面。在安装台的顶部还具有凸起31a，以便从背侧来支承晶片W的中央区域。在真空环31的上表面上，例如沿着周向方向，形成有抽吸口32。抽吸口32通过未示出的抽吸管而与一抽吸泵(未示出)的抽吸口连接。
由电阻加热元件构成的多个环形加热器33埋在安装台3的陶瓷主体中。这些环形加热器33同心布置在安装台上，以便尽可能均匀地加热整个晶片W。加热器33与由控制单元10控制的电源20连接。
温度传感器29安装于安装台3的陶瓷主体上。温度传感器29的检测端布置成邻近于安装台3的上表面。温度传感器29与控制单元10的输入部分连接，并将安装台3的温度(基本与晶片W的温度相同)检测信号发送给控制单元10。通过从温度传感器29接收温度检测信号，控制单元10根据该输入信息而获得安装台3的测量温度，它从存储器中调出PEB的目标温度，并对该目标温度(例如105℃或140℃)与该测量温度进行比较，获得它们之间的差值，并根据所获得的差值而向加热器电源20发送控制信号。对从加热器电源20至加热器33的供电操作进行控制，且使得安装台3的温度(基本与晶片W的温度相同)接近PEB的所需目标温度。
多个供气口34布置在安装台3的侧部，并包围安装台3的整个周边。清洗气供给机构22通过供气管35而与供气口34连接。通过过滤器的新鲜空气或者惰性气体(例如氮气)作为清洗气而进行供给。
在安装台3的顶部，提供三个支承销36来升高并支承晶片W，这些支承销36从安装台3的顶部伸出或退回。这些支承销36笔直地竖立在环形活动基座37上。活动基座37与升降气缸38连接。在水平支承晶片W的状态下，支承销36通过升降气缸38而上下移动。
具有上部封闭侧和下部开口侧的柱形盖单元4布置在安装台3上。该盖单元4由金属(例如铝)制成。该盖单元4被支承为可通过未示出的升降机构上下移动。当将晶片W从主运载臂机构A2和A3传送至安装台3上时，盖单元4退回至上部初始位置，而当进行PEB时，盖单元4向下运动，以便在安装台3上方形成一处理空间。
排出口41形成为靠近盖单元4的顶板的中央。排出口41与排出管42的一端连接。排出管42的另一端与排出泵43连接，这样，排出泵43排出来自该处理空间中的空气。
该流体控制板5布置在安装台3上方并对着晶片W。在流体控制板5和晶片W之间形成预定间隙。该预定间隙具有使得抗蚀剂改性液体可通过毛细作用而在间隙中展开的高度，以便使得至晶片W的间隙设置为例如1-2mm。该间隙可以根据选定的抗蚀剂改性液体的粘度而设置为更大。当毛细作用不足以使液体展开时，可以利用排出压力。
流体控制板5的尺寸等于或稍微大于晶片W的有效区域(装置形成区域)。流体控制板5由厚度为例如3mm的陶瓷制成。流体控制板5包括埋入其内部的加热器51，用于从上侧加热晶片W上的抗蚀剂改性液体。加热器51连接至由控制单元10控制的加热器电源20。
流体供给口52形成于流体控制板的中央处。流体供给口52与柔性管53的一端连接，这样，该管53能够在流体控制板5的升降行程范围内随动。柔性管53的另一端与抗蚀剂改性液体供给源54连接。该管53具有阀53a和流量调节器(未示出)。
当从供给口52供给抗蚀剂改性液体(例如甘油)时，该液体从中央向周边展开，并填充晶片和流体控制板5之间的间隙。抗蚀剂改性液体通过表面张力而保持在该间隙中，并不会从安装台3上滴落。
优选是，流体控制板5表面中至少与晶片W相对的区域相对于该抗蚀剂改性液体具有亲水性(容易由该抗蚀剂改性液体浸湿)。例如，流体控制板5的该区域是被处理成容易由该抗蚀剂改性液体浸湿的表面。这增加了表面张力，并更确定地快速形成具有均匀内部厚度的流体层。而且，可以以如下方式使流体控制板5布置成平行于晶片W，即，在流体控制板5的背表面上提供三个或更多间隙调节销(未示出)，并使得这三个销的端部与安装台3的表面相接触。
该抗蚀剂改性液体是包含从例如甘油和乙醇中选择的组分的流体。最优选是选择甘油作为本发明的抗蚀剂改性剂，如后面所述。这时，包含甘油的液体当然包括由甘油自身(溶胶)形成的液体。抗蚀剂改性液体并不局限为包含从上述组分中选定的一种组分。两种或更多组分可以组合成一种抗蚀剂改性液体。
该抗蚀剂改性流体可以是包括水凝胶树脂的凝胶或溶液，例如聚氯丙烯酸、聚磺酸盐、季铵盐、聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚谷氨酸盐和聚天冬氨酸。在PEB过程中，这些水凝胶树脂向抗蚀剂涂覆薄膜供给足够的水(H2O)，并加速抗蚀剂中的酸催化反应。
该抗蚀剂改性液体可以通过使用溶剂来稀释，以便调节浓度。不过，抗蚀剂改性液体优选是沸点高于晶片W加热温度的设置值。优选是，在供给抗蚀剂改性液体之前，将抗蚀剂改性液体的温度调节成与晶片W处理温度相同或区别不大。这种情况下，抗蚀剂改性液体的温度可以通过布置在该装置外部的温度调节器来调节，或者通过在流体控制板5中预先形成抗蚀剂改性液体通路(未示出)并使得该抗蚀剂改性液体在该未示出的通路中流动而由加热器51将该抗蚀剂改性液体加热至晶片W处理温度。
如图4和5所示，多个流体抽吸口55形成于流体控制板5的下表面的周边边缘区域。这些流体抽吸口55以预定的间距同心布置，并通过柔性管56连接至抽吸泵57的抽吸口。这些流体抽吸口55与流体控制板5的内部连接，不过图中进行了省略。柔性管56具有阀56a和流量调节器(未示出)。供给管53和抽吸管56可以穿过盖单元4的顶板或通过使用排出口41的开口而与该装置外部的供给源54和抽吸泵57连接。
流体控制板5的周边边缘区域由可上下运动的三个支承销6支承。这三个支承销6笔直地竖立在空心底座30中的活动基座61上，该活动基座61从顶部看上去时像一个环。活动基座61由升降气缸62可移动地支承。升降气缸62的运动由控制单元10来控制，并调节该流体控制部件5与晶片W之间的间隙。
下面将介绍在通过加热单元加热晶片W之后用于冷却晶片W的冷却单元。
图4和5中的参考标号7表示板，该板7可在将晶片W水平地保持在其上表面上的情况下朝着加热单元来回移动。板7包括形成于内部的通路71，以便使冷却水流动。即，板7有两个功能，即作为活动板而使得晶片W在加热单元和冷却单元之间运动，并作为冷却板而粗略冷却晶片W(减少热量)。冷却板7由支承器72来支承。支承器72与活动基座73连接。活动基座73保持在导轨74上，该导轨74沿Y方向朝着安装台3延伸。活动基座73由驱动机构70驱动，并使冷却板7一体地沿导轨74滑动。
在冷却板7下面设有用于支承晶片W的三个支承销75，这三个支承销75从底座30的上表面伸出和退回。这三个支承销75安装在环形活动基座76上，且该活动基座76通过升降气缸77而被支承为可上下运动。
如图5所示，冷却板7具有两个平行狭槽78。基板支承销75经过狭槽78而伸出至冷却板7上面，并使得晶片W升离冷却板7。
该装置具有控制单元10。控制单元10控制与抽吸口32连接的抽吸泵(未示出)、加热器电源20、升降气缸38、排出泵43、升降气缸62、打开/关闭阀53a和56a以及驱动机构73的操作。
下面将参考图6A-6C、图7A-7C和图8来介绍使用上述基板加热装置进行的PEB处理。
在将化学增强型抗蚀剂涂覆在一侧上，且通过低加速电子束将预定图案写在抗蚀剂涂覆薄膜上之后，晶片W在时刻t1送入该装置1中。当将晶片W布置在处于退回位置的冷却板7上方时，支承销75向上运动，并通过与主运载臂机构A2配合而将晶片W移动至冷却板7上。这时，冷却剂流入通路71中，并将冷却板7冷却至预定温度。然后，能够将晶片W传送至安装台，同时保持为均匀温度。主运载臂机构A2的臂从该装置1退回，并关闭闸板。
如图6A所示，盖单元4和流体控制板5相互独立地运动，并使得冷却板5向前移动。将晶片W运送至安装台3上方，基板支承销36向上运动，并通过从背侧面向上推动而支承该晶片W，且冷却板7退回。
支承销36向下运动，同时支承晶片W，且将晶片W布置在安装台3上。然后，抽吸口32被设置成负压，并吸住晶片W。这时，安装台3和支承销6/36的温度优选是设置成不会加速抗蚀剂中的酸催化反应，从而使得对于各个晶片W来说酸催化时间都是相同的。具体地说，该温度优选是低于90℃，例如，接近晶片加热温度(例如50℃)(在该温度下，酸催化反应肯定不会被加速)，或者是没有加热的室温温度。该温度并不一定要是不会加速酸催化反应的值。加热器33和51的输出可以设置为与加速酸催化反应的预定温度相对应的量。
如图6B所示，流体控制板5向下运动，以便将流体控制板5和晶片W之间的间隙设置为预定间隙，并使盖单元4向下运动，以便形成包围晶片W周边的处理空间。在时刻t2开始从该装置1中排出空气，并开始从清洗气供给机构22向该装置1供给氮气清洗气。即，通过从供气口34向处理空间供给清洗气(例如经过过滤器的新鲜空气，或者氮气)，以及通过排出泵43而从排出口41排出清洗气，从而在处理空间中形成从外部至中央的清洗气流。在时刻t3可以停止供给清洗气，并只从该装置1排出空气。也可以在时刻t4打开电源开关，并开始向加热器33供电，且将晶片预加热至预定温度。
然后，在时刻t5打开阀53a，并将甘油供给至晶片W和板5之间的间隙，如图6C所示。当例如在基本为零排出压力的情况下供给预定量的甘油时，甘油在晶片W和板5之间的间隙中展开。当甘油通过毛细作用而展开至晶片W的周边边缘时，表面张力和重力将平衡，且停止该扩散移动。因此就形成了厚度与在晶片W和板5之间的间隙相对应的甘油薄膜。
在时刻t6，停止供给甘油，并增加加热器33的供电量，向加热器51供电，并增加PEB的温度(参考图8的(b)和(c))。即，通过加热器33和51将晶片W加热至预定温度(例如90-140℃)，并在甘油薄膜与抗蚀剂涂覆薄膜相接触的状态下保持该晶片W被PEB加热预定时间(例如，t6-t7＝90秒)。这时，通过在甘油薄膜与抗蚀剂薄膜表面相接触的状态下加热晶片W，该抗蚀剂中的质子(H+)变得有活性，并在曝光区域中充分扩散，且加速酸催化反应。当抗蚀剂为正性时，被写入的部分变得可在显影溶液中溶解，而当抗蚀剂为负性时则不可溶解。
在时刻t7，关闭电源开关，以便停止向加热器33和51供电，且结束PEB处理。然后，流体控制板5低速向下运动，使流体控制板5移动至接近晶片W，如图7A所示，且将晶片W和板5之间的间隙设置为例如0.1mm。打开阀56a，并驱动抽吸泵57，以便将流体抽吸口55设置为负压。然后，通过抽吸作用而从晶片W和板5之间的间隙除去甘油。
然后，停止该抽吸泵57，并使得流体控制板5向上运动至初始位置，如图7B所示。残留在晶片W的上表面上的甘油蒸发，并与清洗气一起排出至装置1外部。在该抽吸过程中，通过使流体控制板接近晶片W以及使得晶片W与板5之间的间隙最小，甘油很少残留在晶片W表面上，且干燥晶片W所需的时间非常短。在时刻t8，开始供给清洗气，并干燥晶片W。在时刻t9，停止从装置1排气，并停止供给清洗气(图8中的(d))。
然后，如图7c所示，使盖单元4升高至退回位置，并通过销36而使晶片W升高离开安装台3。然后，使冷却板7向前运动，使销36向下运动，将晶片W转移至冷却板7上，且在该冷却板7上冷却该晶片W。通过将板7设置为合适温度而停止对酸催化反应的加速。因此，将晶片W转移至主运载臂机构A2或A3，并在时刻t10送出装置1。在本实施例中，PEB处理的一个循环t1-t10是180-200秒。
根据本实施例，晶片在甘油接触抗蚀剂涂覆薄膜的状态下通过PEB来加热，且酸催化反应能够在写入区域中被加速。因此，即使电子束曝光中的辐射能量不充分，且抗蚀剂中的质子(H+)不充分时，酸催化发应可以通过增加写入区域中的质子(H+)数量来加速。因此，如后面所述实施例的结果所示，在显影后能够形成具有高精度线宽度的抗蚀剂图案。
在常规的电子束曝光中，需要将电子束施加在抗蚀剂上很长时间，以便使得电子束给予抗蚀剂足够能量，且生产率非常低，例如0.2晶片/小时。相反，在本发明中，放射电子束的时间能够减小，同时不会降低电子束曝光中的线宽度精度，且生产率能够大大增加。
对于在甘油接触抗蚀剂薄膜的状态下进行加热而能加速酸催化反应的原因，本发明人考虑如下。当在甘油接触抗蚀剂薄膜的状态下进行PEB时，包含在甘油中的水(H2O)渗透至写入区域中，并使得写入区域具有亲水性。因此，即使在写入过程中产生的质子(H+)量较小，酸也能够很容易进入写入区域中，且在写入区域中充分扩散。不过，因为水(H2O)的渗透在加热过程中加速，因此，在通过PEB加热该晶片W时，特别是当酸催化反应剧烈时，需要使得甘油与抗蚀剂薄膜表面接触。为了证明上述情况，本发明人通过实验确认：当甘油供给抗蚀剂薄膜表面、且在除去甘油后进行PEB时，不会形成图案。
而且，根据该实施例，通过将甘油施加在晶片W和流体控制板5之间的间隙中，可以在晶片W表面上形成具有均匀内部厚度的甘油薄膜。因此，即使在晶片W和抗蚀剂改性液体之间有温度差时，由甘油吸收的热量在晶片表面上也是均匀的，且甘油的渗透和酸催化反应能够在该表面上均匀地被加速。因此，能够在晶片平面中形成具有非常均匀的线宽度的抗蚀剂图案。
而且，根据该实施例，通过利用毛细作用来展开晶片W与流体控制板5之间的液体，并通过利用表面张力使液体保持在晶片W的周边边缘处，从而防止液体从晶片W表面滴落并溢流至装置中。而且，通过将晶片和板之间的间隙设置为较窄，能够减少在一次处理中所使用的甘油量，且操作成本能够减小。甘油可以不在静止状态下加热，并可以在通过液体的连续供给和抽吸而在晶片W和板5之间的间隙中形成液体流的状态下通过PEB来加热。
可以通过将气体经流体供给口52吹向由PEB加热的晶片的表面而对该晶片进行干燥，或者通过在晶片W的表面上提供吹气装置(经过形成于流体控制板5中的供给口)来对该晶片进行干燥。
可以并不是向布置在安装台3上的晶片W供给甘油。在晶片W布置于安装台3上之前，可以通过使流体控制板5对着由基板支承销36支承的晶片W的表面而形成抗蚀剂改性液体薄膜，之后再将晶片W布置在安装台3上。
甘油也可以这样在晶片W表面上展开，即，通过独立地提供具有用于供给甘油的溶液供给装置的单元，将表面上充有甘油的晶片W运送和布置于安装台3上，并使流体控制板5对着晶片W。
实施例2
下面将参考图9和图10介绍第二实施例。与第一实施例中相同的部件说明将省略。
第二实施例的单元1A具有流体供给单元54A，以便将包含甘油的雾或蒸汽供给至晶片W与流体控制板5之间的间隙。流体供给单元54A包括用于装甘油的第一储罐、用于装溶剂的第二储罐、质量流量控制器(MFC)、混合器以及汽化器。该汽化器有喷射喷嘴，以便机械或物理地喷射作为细小液滴的甘油和溶剂混合物。可以使用乙醇和有机溶剂中的一种作为溶剂。
流体供给单元54A的内部流动通路通过柔性管53而与流体控制板5的供给口52A连接。该柔性管具有阀53a。控制单元10A根据预定地处理方法来控制流体供给单元54A、阀53a、加热器33和51以及其它元件。
下面将参考图10介绍使用本实施例的基板加热单元1A来通过PEB加热晶片W的方法。
在时刻t1，将晶片W运送至单元1A中。在时刻t2，开始从该单元1A中排出空气，并开始向单元1A供给清洗气。在时刻t3，停止供给清洗气。
在时刻t4，打开电源开关，并开始向加热器33和51供电。优选是在将包含甘油的雾(包括蒸汽)施加至晶片W和板5之间的间隙之前预加热该晶片W和流体控制板5。这防止在晶片W和板5的表面上产生冷凝。
下面将介绍将包含甘油的雾供给至该间隙。在时刻t5，开始供给包含甘油的雾。即，控制单元10A驱动流体供给单元54A的MFC，使得预定量的甘油和溶剂从第一和第二储罐通向混合器，使得甘油和溶剂的混合物从混合器通向汽化器，并喷射作为细小液滴(包括蒸汽)的雾状甘油物质。当该控制单元10A打开阀53a时，包含甘油的雾通过管53从该供给口52A流入该间隙中，从该间隙的中央向周边展开(如图9中所示)，且所展开的雾的一部分保留在该间隙中，其它部分与排出空气一起被排出至该单元1A的外部。在时刻t6，停止供给该包含甘油的雾。
在时刻t7，关闭电源开关，并停止向加热器33和51供电。使得流体控制板向上运动至退回位置。在时刻t8，开始供给清洗气。在时刻t9，停止从单元1排出空气，并停止供给清洗气。在时刻t10，将晶片W从该单元1A中输送出。
在本实施例中，预加热时间t4-t5大约10秒，包含甘油的雾的供给时间t5-t6大约90秒。在本实施例中，PEB处理的一个循环t1-t10为120-130秒。
根据本实施例，能够省略在液体的情况下从晶片W上表面除去抗蚀剂改性液体的步骤，处理时间减小，且生产率提高。
实施例3
下面将参考图11介绍第三实施例的基板加热装置。与前述实施例中相同的部件说明将省略。
本实施例的基板加热装置1B基本与第一实施例的装置1相同，除了具有用于向晶片W供给冷却液体的装置，该冷却液体与用于清洁晶片W的清洗液(作为清洁液体)相容。在该装置1B中，与流体供给口52连接的供给管53在半途分支，并与冷却液体供给源8(例如温度已调的纯水)连接，这样，借助于由控制单元10B操作的三通阀81而将抗蚀剂改性流体和冷却水中的一种经由流体供给口52供给至晶片W的上表面。
下面将简要介绍通过使用该装置1B而通过PEB加热晶片W的方法。将抗蚀剂改性液体供至晶片和板5之间的间隙。在抗蚀剂改性液体与抗蚀剂薄膜接触的状态下加热该晶片W(参考图7A)。通过转换三通阀81而将温度调节为例如23℃的冷却液体(清洗液)通过供给口52供给至该间隙，并通过流体抽吸口55进行抽吸而除去该抗蚀剂改性液体。清洁晶片W上的抗蚀剂薄膜表面，并冷却该晶片W。酸催化作用停止。然后，停止供给冷却液体。使流体控制板向下运动，并通过流体抽吸口55而吸取该冷却液体(参考图7A)。
而且，根据上述示例，通过以冷却液体(清洗液)进行清洗而更确实地清洁晶片W。也就是说，在包含于选定抗蚀剂改性流体中的组分残留下来并可能影响随后处理的情况下，本实施例是有效的。
优选地，所使用的冷却液体具有比抗蚀剂改性液体更高的挥发性(沸点更低)。用来从晶片W上干燥和除去液体的时间减小。酸催化反应能够通过在合适时间使晶片W冷却而停止。因此，也可以通过选择该冷却液体的温度而省略冷却板7。
可以并不是向布置在安装台3上的晶片W供给该冷却液体，例如，而是可以通过基板支承销36将晶片W设置在与安装台(加热板)3分离的位置处而进行供给。具有冷却液体供给装置的单元可以与该装置1B分开提供。
实施例4
下面将参考图12介绍第三实施例的基板加热装置。与前述实施例中相同的部件说明将省略。
本实施例的基板加热装置1C基本与第一实施例的装置1相同，除了没有可上下运动的流体控制板5。盖单元4设置为当向下运动至一降低位置时在它的顶板下表面和晶片W上表面之间形成预定间隙(例如1-2mm)。用于将抗蚀剂改性液体(例如甘油)供给至晶片W的流体供给口8布置在靠近盖单元4顶板中央的区域中。流体供给口8通过供给通路53而与抗蚀剂改性液体供给源54连接。即，盖单元4的顶板的表面形成为流体控制部分。抗蚀剂改性液体供给至晶片W表面和盖单元4的顶板表面之间的间隙，并形成液体薄膜。供给通路53在半途分支，且该分支的一端与例如干燥空气供给源80连接。附图中的参考标号81表示由控制单元10C操作的三通阀。通过转换该三通阀81，将抗蚀剂改性液体和干燥空气中的一种供给至该晶片W。参考标号82表示电阻加热器。
在盖单元4顶板的与晶片W外周的外部相对应的区域中，沿周向方向设有多个供气口83。供气口83与用于供给清洗气(例如惰性气体，如经过过滤器的空气和氮气)的供气管84连接。
在安装台3的晶片W安装区域的外部，用于排出抗蚀剂改性液体和清洗气的多个排出口85沿周向方向形成。排出口85与抽吸装置86(例如喷射器)连接。安装台3的周边的肩部朝着排出口85向下倾斜，以便使液体快速向下流动。安装台3的倾斜肩部的表面处理成对于抗蚀剂改性液体具有拒水性。清洗气可以并不是从顶板侧供给且从底侧排出。排出口可以形成于盖单元4中，且供给口可以形成于安装台3中。
当晶片W布置在安装台3上时，盖单元4关闭，以便形成处理空间，且抗蚀剂改性液体通过流体供给口8而供给至晶片W和盖单元4之间的间隙。然后，在抗蚀剂改性液体与抗蚀剂薄膜表面接触的状态下通过PEB对晶片W进行加热。然后，转换该三通阀81，使干燥空气吹向晶片W的表面，以便将抗蚀剂改性液体吹向外部，并从晶片W上除去抗蚀剂改性液体。从晶片W表面滴落的抗蚀剂改性液体通过排出口85而排出。在该结构中能够获得相同效果。
在本示例中可以提供冷却液体供给装置，并且可以在供给空气之前向晶片W表面供给冷却液体。在本示例中，流体供给口8可以并不是布置在与晶片W中央相对应的位置处，例如，可以沿晶片W的周向方向间隔布置。可以并不提供干燥空气供给装置。可以通过加热来蒸发抗蚀剂改性液体而对进行晶片W进行干燥。
而且，在本发明中，在将抗蚀剂改性液体供给至晶片W表面时，为了防止该抗蚀剂改性液体从晶片W的外周滴落，可以将抗蚀剂施加在晶片W表面上，然后通过使用抗蚀剂施加单元而使得晶片W的周边边缘有拒水性。具体地说，通过在晶片W的整个周边涂覆防水剂来使得晶片W干燥。这种情况也可以获得与上述相同的效果。为了更确实地防止液体滴落，可以预先使得流体控制板5的一部分表面(与晶片W的周边边缘相对应的那部分表面)具有拒水性。液体的滴落还可以通过环部件来防止，该环部件有拒水性表面，该拒水性表面以非常小的间隙对着布置于安装台3上的晶片W的周边。
而且，在本发明中，要加热的晶片W并不局限于通过低加速电子束写入的晶片。由高加速电子束写入的晶片或者由曝光单元透过掩模进行曝光的晶片也可使用。这时也能加速酸催化反应，且生产率能够通过在曝光后以较短时间进行加热而提高。本发明也可用于加热不同于半导体晶片的基板的处理，例如LCD基板和用于光掩模的掩模基板。
下面将参考图13和图14介绍包括本发明基板加热装置的涂覆-显影装置。
附图中的参考标号B1表示载体安装块，用于送入和送出包含例如13个晶片W的载体C。载体安装决B1具有载体站90，该载体站90具有：安装台90a，该安装台90a能够布置多个载体C；打开/关闭部分91；以及传送装置A1，用于穿过该打开/关闭部分91而从载体C中取出晶片W。
载体安装决B1与由壳体92包围的处理块B2连接。该处理块B2具有：搁架单元U1、U2和U3，这些搁架单元构成为多级加热-冷却单元；以及主运载装置A2和A3，用于在包括涂覆-显影装置的处理单元之间传送晶片W，这些处理单元从前至后交错和顺序布置。这些搁架单元U1、U2和U3以及主运载装置A2和A3串联布置，且在连接它们的部分中形成有未示出的开口。通过这些开口，晶片W能够在处理块B1内从一端的搁架单元U1自由移动至另一端的搁架单元U3。主运载装置A2和A3布置在由搁架单元U1、U2和U3的一个侧面、液体处理单元U4和U5的一个侧面以及隔断壁93(该隔断壁93由A2和A3的后侧面形成)包围的空间内。图中的参考标号94和95表示用于各单元的温度调节单元或者具有用于调节温度和湿度的导管的温度-湿度调节单元。
在液体处理单元U4和U5中，涂覆单元COT、显影单元DEV和防反射薄膜形成单元BARC堆叠成例如5级，如图14所示。这些液体处理单元布置在包含化学溶液(例如涂覆液体(抗蚀剂)和显影溶液)储罐的壳体单元96上。在搁架单元U1、U2和U3中，各种热处理单元堆叠成例如9级。这些热处理单元包括曝光后烘烤单元(PEB)，该曝光后烘烤单元为上述的基板加热装置、用于加热(烘烤)晶片W的加热单元以及用于冷却晶片W的冷却单元构成的整体形式。
曝光块B4通过连接块B3而与处理决B2的搁架单元U3连接。该连接块B3包括第一运载腔室97和第二运载腔室98，并具有两个传送装置A4和A5，用于在处理决B2、曝光决B4、搁架单元U6和缓冲器载体C0之间传送晶片W。
下面将简要说明晶片W在涂覆-显影/曝光***中的流程。当载体C布置在安装块B1的安装台90a上时，将盖从载体C上除去，由传送装置A1取出该晶片W。然后，晶片W通过搁架单元U1的传送单元(未示出)而传送给主运载装置A2，并进行防反射薄膜形成处理和冷却处理。
将晶片W传送给涂覆单元COT，并用预定的化学增强型抗蚀剂进行涂覆。改化学增强型抗蚀剂是ESCAP抗蚀剂(例如M20G；日本合成橡胶(JSR)的产品)、乙缩醛抗蚀剂(例如UV135；Shipley的产品)或聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)中的一种。
在形成抗蚀剂薄膜后，该晶片W通过加热单元(该加热单元是搁架单元U1-U3中的一个)来加热(烘烤)，冷却，并通过搁架单元U3的传送单元传送给连接块B3。在连接块B3中，晶片W沿传送装置A4-搁架单元U6-传送装置A5的路线传送。于是，晶片W从连接块B3传送至曝光块B4，并进行曝光处理。在曝光之后，晶片沿相反路线传送给主运载装置A2，送入本发明的基板加热装置1的1A至1C中的一个，并进行PEB处理。在通过PEB处理之后，晶片W传送给显影单元DEV，并进行显影处理。最后，晶片W返回安装台90a上的初始载体C。
下面介绍为了确认本发明效果而进行的示例以及一个对比示例。
示例1
在示例1中，曝光后的抗蚀剂薄膜在甘油布置于薄膜表面上的情况下通过PEB来加热。详细的测试条件将在下面给出。在通过PEB加热后，用纯水冲走抗蚀剂改性液体，并通过向晶片表面供给显影溶液而形成图案。图15表示了通过使用扫描电子显微镜(SEM)拍摄到的所形成的图案的照片。该化学增强型抗蚀剂为M20G(JSR，日本合成橡胶)。
抗蚀剂：正性ESCAP抗蚀剂
抗蚀剂薄膜厚度：100nm
线宽度目标值：250nm
电子束辐射量：6mJ/cm2
PEB温度和时间：90℃，90秒
纯水供给时间：30秒
显影溶液和显影时间：TMAH＝2.38重量百分比，60秒
对比示例1
对比示例1在与实施例1相同的条件下进行，除了不使用抗蚀剂改性流体。图16表示了通过使用扫描电子显微镜(SEM)拍摄到的所形成的图案的照片。
(示例1和对比示例1的结果和考虑)
由图15和图16的结果可知，在示例1中，通过将作为抗蚀剂改性流体的甘油布置在抗蚀剂薄膜表面上而对抗蚀剂薄膜进行加热，该写入区域(电子束施加区域)在显影溶液中溶解，且在未写入区域中的抗蚀剂保留，并形成图案。该图案的线宽度满足目标值。相反，在未使用甘油的对比示例1中，在写入区域中的抗蚀剂保持未溶解，且根本不形成图案。
根据上述结果，确认当甘油用作抗蚀剂改性流体时，即使当电子束设置为低加速，酸催化反应也可以在PEB处理中加速。因此，根据本发明，能够形成具有高精度线宽度的抗蚀剂图案。

Claims (18)

1.一种基板加热装置，用于在曝光后和显影前的时期内对涂覆有化学增强型抗蚀剂的基板进行加热，其特征在于，该装置包括：
安装台，用于在抗蚀剂涂覆薄膜朝上的情况下基本水平地安装该基板；
流体供给机构，用于向基板供给抗蚀剂改性流体，以便加速化学增强型抗蚀剂中的酸催化反应；以及
加热器，用于在抗蚀剂改性流体与抗蚀剂涂覆薄膜接触的状态下对安装台上的基板进行加热。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括流体控制部件，该流体控制部件布置成对着安装台上的基板，在该基板上方形成间隙，并使抗蚀剂改性流体保持在该间隙中。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，该流体供给机构具有：
抗蚀剂改性流体的供给源；
流体控制部件，该流体控制部件布置成对着安装台上的基板，在该基板上方形成间隙，并使抗蚀剂改性流体保持在该间隙中；以及
流体供给口，该流体供给口连接至该供给源，并形成于流体控制部件的下表面上。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，该流体供给口形成于流体控制部件的下表面的中央处，该间隙的尺寸设置成使得抗蚀剂改性流体通过毛细作用而在该间隙中展开。
5.根据权利要求2所述的装置，还包括冷却液体供给口，该冷却液体供给口形成于该流体控制部件的下表面上，并用于在加热后向基板的该表面供给冷却液体。
6.根据权利要求2所述的装置，还包括流体抽吸口，该流体抽吸口形成于该流体控制部件的下表面上，并用于吸收存在于该间隙中的抗蚀剂改性流体。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，该加热器布置在安装台上。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，该加热器布置在该流体控制部件上。
9.根据权利要求2所述的装置，还包括升降机构，该升降机构使得流体控制部件上下移动，以便调节该间隙。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述曝光是电子束曝光，用于通过使用电子束而在抗蚀剂涂覆薄膜上写入图案。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，该流体供给机构供给包含甘油的液体或者包含甘油的蒸汽或雾，以作为抗蚀剂改性流体。
12.一种基板加热方法，用于在曝光后和显影前的时期内对涂覆有化学增强型抗蚀剂的基板进行加热，其特征在于，该方法包括：
步骤(a)：在抗蚀剂涂覆薄膜朝上的情况下将基板基本水平地布置在安装台上；
步骤(b)：向基板供给抗蚀剂改性流体，以便加速化学增强型抗蚀剂中的酸催化反应；以及
步骤(c)：在抗蚀剂改性流体与抗蚀剂涂覆薄膜接触的状态下对安装台上的基板进行加热。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，步骤(b)包括：对着安装台上的基板布置一流体控制部件，在基板上方形成间隙，并使抗蚀剂改性流体保持在该间隙中。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：在步骤(c)之后，通过流体抽吸装置来吸收存在于该间隙中的抗蚀剂改性流体。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，当该流体抽吸装置吸收抗蚀剂改性流体时，该流体控制部件朝该基板运动，以便减小该间隙。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括：在步骤(c)之后，在加热后向基板供给冷却液体，并冷却该基板。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述曝光是电子束曝光，用于通过使用电子束来在抗蚀剂涂覆薄膜上写入图案。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，该抗蚀剂改性流体是包含甘油的液体，或者是包含甘油的雾或蒸汽。
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