KR20160016774A - 기판을 코팅하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 용매 및 하나 이상의 코팅 구성요소를 가진 코팅 재료로 기판(9)의 표면(9o)을 코팅하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 압축될 수 있는 챔버(7); 기판(9)을 고정 표면(12) 위에 고정시키기 위한 고정 기구(8); 및 기판(9)을 코팅하기 위한 분사 노즐(11)을 포함하고, 상기 장치는 적어도 고정 기구(8)의 고정 표면(12) 위에 고정되는 기판(9)의 표면(9o)을 냉각시키기 위한 냉각 수단을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 이에 상응하여 기판 표면을 코팅하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

기판을 코팅하기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR COATING A SUBSTRATE}
본 발명은 청구항 제1항에 따른 기판의 표면을 코팅하기 위한 장치 및 청구항 제8항에 따른 이에 상응하는 방법에 관한 것이다.
저항 분사 시스템(resist spraying system)에서의 웨이퍼 코팅에서, 평균적으로 매우 넓은 영역을 가진 웨이퍼, 예를 들어, 300 mm의 직경의 웨이퍼에 코팅 특히 저항(resist)을 균질하게 제공하는 데 문제가 있다. 특히, 구조적 기판(structured substrate)의 균일한 코팅이 특히 문제가 된다.
본 발명의 목적은 보다 균일한 코팅이 구현되는 기판을 코팅하기 위한 장치 및 방법을 고안하는 데 있다.
상기 목적은 청구항 제1항 및 제8항의 특징들로 구현된다. 본 발명의 바람직한 변형예들은 종속항에 제공된다. 본 발명의 상세한 설명, 청구항 및/또는 도면에 제공된 특징들 중 2개 이상의 특징을 조합해도 본 발명의 범위 내에 있다. 주어진 값 범위에서, 표시된 한계 내에 있는 값들은 경계값들로 제공되며 이들의 임의의 조합도 제공될 것이다.
본 발명은 가능한 최대한 균일하게 분사 코팅된 저항 층(resist layer)들이 구조적 표면(structure surface) 상에 증착될(deposited) 수 있는 시스템 및 방법을 기술한다. 균질성(homogeneity)은 일반적으로 모든 변수(parameter), 따라서, 층 두께(layer thickness), 화학 조성(chemical composition) 등에 관한 것이다. 이제부터는, 균질성은 주로 층 두께에만 관한 것으로 간주한다. 특히, 본 발명에 따른 한 특징에 의하면, 코팅 구성요소(coating component), 특히 저항(resist)은 용매(solvent)로 희석되어야 하며 따라서 상대적으로 "이동성(mobile)"을 지녀야 한다. 용매는 점성의 액체 코팅 구성요소를 분사하기(spraying) 위해 사용된다. 가장 최근의 용매 증기 증착(vapor deposition)에서, 약간 거친 표면(rough surface)이 제공될 수 있다. 본 발명의 상기 특징은, 저항 코팅의 분사 제공에 있어서 가능한 최대한 균일하게 표면을 형성하기 위해 정밀하게 사용되는 코팅 재료(coating material)의 상 전이(phase transition)에 의해, 특히 압력 조절 및/또는 온도 조절에 의해 구현된다.
사용되는 용매는 일반적으로 각각의 저항마다 상이하다. 일반적으로, 용매는 유기 용매이다. 본 발명에 따른 바람직한 용매는: PGMEA; 디에틸에테르; 이소프로판올; 헥사플루오로에탄; 메시틸렌; 에탄올; 프로판올; 아세톤; 물이다.
본 발명의 이점은, 어떤 방식으로 분사 코팅(spray coating)에 의해 균일하고 바람직하게는 부드러운 표면이 형성될 수 있는지, 간단하고, 일반적이며, 경제적이면서도 효율적인 방법이 보여지는데 있다.
상(phase)이란, 상 경계(phase boundary)에 의해 또 다른 상으로부터 분리되는 대부분 동일한 화학적 및 물리적 성질을 가진 고유한 균일 영역(uniform region)으로 정의된다.
구성요소(component)란, 열역학적 검사(thermodynamic examination) 동안, 더 이상 물리적 및 화학적으로 나뉠 수 없는 한 단위(unit)로서 정의된다. 구성요소의 예는 주기율표의 원소, 분자, 가령, 물, 에탄, 프로판, 부텐, 디에틸에테르 또는 심지어 고분자, 가령, 단백질일 수도 있다. 따라서, 밑에서 설명되는 용매 및 용매 내에 용해되는 물질(substance), 본 발명에 따르면, 주로, 저항이 구성요소로서 간주될 수 있다.
상 다이어그램(phase diagram)이란, 상이한, 특히 열역학적 변수의 함수로서, 상의 존재 영역을 표시한 그래프로 정의된다.
1-구성요소 시스템(single-component system)의 상의 존재 영역이 압력-온도 다이어그램 내에 도시된다. 도 1은 본 발명에 따라 중간 온도 및 압력에서 임의의 용매를 가진 1-구성요소 시스템의 압력-온도 상 다이어그램을 도시한다.
극도로 낮고 극도로 높은 온도 뿐만 아니라 극도로 높은 압력에서, 밑에서 검사되는 시스템, 따라서, 용매 및 용매의 용해 물질의 거동(behavior)은 본 발명의 관심 분야가 아니다. 따라서, 압력-온도 상 다이어그램은 주로 3중점(triple point)(T) 주위에 도시된다. 고체(solid), 액체(liquid) 및 기체(gas)의 3개의 상 영역(phase region)은 특정의 압력-온도 곡선에 의해 서로 분리된다. 곡선 1은 기체 상 영역으로부터 고체 상 영역을 분리하는 소위 승화(sublimation) 또는 재승화(resublimation) 곡선이다. 곡선 2는 액체 및 기체 상이 서로 평형 상태(equilibrium)에 있는 모든 압력-온도 조합 세트(set)를 나타내는 증발(vaporization) 또는 응축(condensation) 곡선이다. 곡선 3은 용융(melting) 또는 경화(solidification) 곡선이다. 이 곡선을 따라 2개의 상들은 항상 서로 열역학적 평형 상태에 있다.
밑에서, 몇몇 물질들의 3중점에 대한 일반적인 온도 및 압력 값들이 기술되는데, 이들은 예를 들어, 디에틸에테르(156.93K); 아세톤(178.86K); 이소프로판올(184.96K); 헥사플루오로에탄(173.08K, 26.60 kPa); 및 물(273.16K, 0.6117 kPa)이다.
따라서, 코팅되어야 하는 물질을 고정시키기 위한 고정 기구(holding apparatus)의 고정 표면(holding surface) 상에서, 본 발명에 따른 온도 영역은 300K 내지 0K 사이, 바람직하게는 275K 내지 0K 사이, 더 바람직하게는 250K 내지 0K 사이, 이보다 더 바람직하게는 200K 내지 0K 사이, 그리고, 가장 바람직하게는 150K 내지 0K 사이이다. 냉각은, 예를 들어, 냉각 수단(cooling means), 특히, 냉각 액체 및/또는 냉각 기체를 통해 또는 펠티에 소자(Peltier element)를 통해 전기적으로 수행될 수 있다. 고정 기구를 가열할 필요가 있는 경우에는, 냉각은 전기적으로 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 장치의 (저항 분사) 챔버의 바람직한 압력 작용 영역(pressure working region)은 105 Pa 내지 1 Pa 사이, 더 바람직하게는 104 Pa 내지 1 Pa 사이, 이보다 더 바람직하게는 103 Pa 내지 1 Pa 사이, 그리고, 가장 바람직하게는 102 Pa 내지 1 Pa 사이이며, 상기 챔버는 압축될 수 있다.
1-구성요소 시스템에 대해서, 압력-온도 상 다이어그램에는 정확하게 한 지점이 있으며, 따라서, 3개의 모든 상이 존재하는 압력-온도 조합은 서로 열역학적 평형 상태에 있다. 상기 지점은 3중점(T)으로 지칭된다.
단순한 형태의 2-구성요소 시스템이 밑에 기술된다. 2-구성요소 시스템은 용매 및 초과하여 존재하는 제1 구성요소로 구성된다. 제2 구성요소는 용매 내에 용해되는 물질인 코팅 구성요소(coating component)인데, 본 발명에 따르면, 저항(resist)인 것이 바람직하다. 제2 구성요소 개념을 도입함으로써, 열역학적 시스템을 단지 압력-온도-농도 다이어그램(pressure-temperature-concentration diagram) 만으로도 완전하고 정확하게 나타낼 수 있다는 것이 자명하다. 임의의 경우에서, 오직, 용매의 물리적 및 화학적 성질만이 관심이 있다는 사실에 따라, 본 발명을 기술하기 위하여, 용해 물질을 용해한 후에, 변경된 압력-온도 상 다이어그램이 충분하다(도 2).
용해 물질이 용매에 첨가되면, 이제, 2-구성요소 시스템 즉 2진 체계(binary system)인 용매의 상 평형 경계(phase equilibrium boundary)가 변경된다(도 2). 특정 압력에서 끓는점(boiling point)의 상승은 "끓는점 비등(boiling point elevation)"으로 지칭된다. 이러한 끓는점 비등이 일반적으로 비등 곡선(boiling curve)(2)을 따라 전체 압력 영역에 제공되기 때문에, 용해 물질이 첨가될 때, 순수 용매의 비등선(boiling line)은 우측으로 이동된다. 이에 따라, 경화 곡선(solidification curve)(3)을 따라, 어는 점 내림(freezing point depression)이 제공되는데 즉 물질을 용해시킴으로써 용매의 어는점은 일정한 압력에서 더 낮은 온도로 이동된다.
특정 온도에서 증기압의 강하는 "증기압 내림(vapor pressure depression)"으로 지칭된다. 증기압 내림 및 끓는점 비등 또는 어는점 내림은 일반적으로 서로 직접적으로 비례한다. 상기 끓는점 비등, 어는점 내림 및 증기압 내림은 용해 물질의 타입이 아니라 순전히 농도(concentration)에만 좌우된다. 물질이, 화학적 성질에 무관하게 오직 물질의 양(amount)에 의해, 제2 물질의 물리적 및/또는 화학적 성질을 변경시키는 기능(ability)은 총괄성(colligative property)으로 지칭된다.
용해 물질의 총괄성에 의해 고정된(fixed) 압력-온도 상 다이어그램은 본 발명에 따른 (저항 분사) 방법을 위한 기초로 사용된다.
오늘날, 업계에서는, 용매의 용액을 원자화시키고(atomize), 액체 상태에서 저항하며, 그 물질을 중간의 온도 및 압력에서 기판에 제공하는 순전히 저항 분사 시스템이 작동된다. 도 3은 현재의 저항 분사 시스템의 공정 영역(process region)(B)(코팅, 특히, 저항-코팅 제공)을 도시한다. 온도 및/또는 압력은 변경될 수 있거나 혹은 변경될 가능성이 매우 높다. 임의의 경우에서, 2-구성요소 시스템의 용매-저항은 항상 액체 상태에 있다. 상기 액체 상태는 이에 상응하는 낮은 점성(viscosity)을 야기한다. 낮은 점성은 주로 용매에 의해 야기된다. 또한, 실제 분사 공정(spraying process) 동안에는 용매의 어떠한 사소한 부분도 증발되지 않는다.
공정 영역(B)에서 실제 저항 분사 공정 후에, 기판은 가열성 샘플 홀더(heatable sample holder) 상에서 직접 또는 상기 목적을 위해 제공된 가열 플레이트(heating plate) 상에서 열처리된다. 상기 열처리(4)는 용매의 증발을 가속화시키기 위해 사용된다. 증발되어야 하는 용매는 표면을 덮으며 실제로 관심 분야인 저항보다 상대적으로 높은 휘발성(volatility)을 가지는 것이 바람직하며, 따라서, 높은 증기압을 가지는 것이 바람직하다. 저항은 열 및 용매의 연속적인 제거에 의해 부분적으로 설정된다(partially set). 몇몇 타입의 저항에서, 높은 온도에서 발생되는 추가적인 열처리 단계가 수행될 수 있다.
이러한 타입의 저항-코팅의 분사 제공에 있어서의 주된 단점은, 용매의 증발 전에, 가능하게는, 용매의 증발 동안, 액체 용매의 증가된 이동성 때문에 표면 위의 저항이 거친 표면(rough surface)을 형성한다는 점이다.
본 발명에 따른 개념은, 액체 상태에서 용매 내에 용해된 저항을 특히, 구조적 기판(structured substrate), 바람직하게는 웨이퍼(wafer)의 표면에 제공하는 것이 아니라, 코팅 동안, 특히 저항-코팅의 분사 제공 동안, 또는 특히 충격(shock) 방식으로 기판의 표면 위에 코팅 재료의 충돌(impact) 동안 저항을 동결시키는(freezing) 원리에 따른다(도 4).
본 발명에 따른 실행 방법은 기판을 수용할 수 있으며 특히 이와 동시에 냉각시킬 수 있는 샘플 홀더가 배열된 특정 챔버 내에 구현될 수 있다. 게다가, 분사 챔버(spray chamber)는, 선택적으로는, 특히 본 발명에 따른 조절 기구(control apparatus)에 의해 본 발명에 따라 적어도 상 전이(phase transition)에 관련된 압력 범위 내에서 압력이 조절될 수 있는 진공 챔버(vacuum chamber)로서 구성된다.
본 발명에 따른 공정 흐름(process flow)은 도 4에 따른 압력-온도 상 다이어그램에 도시된다. 코팅 재료가 여전히 액체인 코팅 영역(B')으로부터 시작하여, 코팅 재료가 샘플 홀더의 냉각 표면 위에 입사될 때(incident), 충격 냉각(shock freezing)(5)이 발생한다. 본 발명에 따르면, 충격 냉각(5) 때문에, 용매 내에 용해된 저항이 열 이동(thermal movement)에 의해 거친 표면을 생성하는 것은 불가능하다.
본 발명에 따른 또 다른 단계(6)에서, 낮은 온도에서 전이가 수행되는, 코팅 재료 내에 함유된 용매가 기체 상태로 전이되는 부드러운 승화(gentle sublimation) 단계가, 특히, 코팅 구성요소를 증발시키지 않고도, 구현된다. 이러한 공정 변수 하에서, 용매의 증기압은 용매 내에 용해되는 코팅 구성요소의 증기압보다 최대 1.001배 이상, 바람직하게는 최대 2배 이상, 보다 바람직하게는 최대 10배 이상, 이보다 더 바람직하게는 최대 100배 이상, 가장 바람직하게는 최대 1000배 이상이다. 용매의 부드러운 승화에 의해, 그리고, 낮은 온도 때문에, 코팅 재료는 코팅 구성요소로 점점 더 농축되는데(concentrated), 이는 용매가 점차적으로 증발되기 때문이다. 저항은 특정 지점에서 용매가 모두 증발되기 시작할 때까지 점점 더 증착된다(deposited).
본 발명에 따르면, 이에 상응하는 (저항 분사) 챔버는 특히 냉각식 (냉각 수단) 샘플 홀더 및 증발될 수 있는 챔버의 진공-타이트 하우징(vacuum-tight housing)으로 구성된다. 구현가능한 진공은, 특히, 10-1 mbar보다 더 작고, 바람직하게는 10-3 mbar보다 더 작으며, 더 바람직하게는 10-5 mbar보다 더 작고, 이보다 더 바람직하게는 10-7 mbar보다 더 작으며, 가장 바람직하게는 10-9 mbar보다 더 작다.
샘플 홀더는, 특히, 하기 타입의 샘플 홀더 중 하나일 수 있는데: 이들은, 진공 샘플 홀더; 정전식 샘플 홀더; 자성 샘플 홀더; 기계식 클램프를 가진 샘플 홀더; 접착 표면을 가진 샘플 홀더이다.
특히, 위에서 기술된 특징들로 조합될 수 있는 한 특정 실시예에서, 웨이퍼의 표면은, 코팅 바로 전에 및/또는 코팅 동안, 저온의 기체에 의해 냉각 노즐을 통해 (냉각 수단이) 냉각될 수 있다. 이에 따라, 전체 기판은 완전하게 냉각될 필요가 없으며 저항이 분사되기 전에 기판의 표면이 매우 국부적으로 전체적으로 냉각되는 이점을 가진다. 이를 위하여, 증발된 액체 질소 또는 헬륨이 사용되는 것이 바람직하다. 전체 공정은 외부, 특히 소프트웨어-기반 조절 기구(software-supported control apparatus)에 의해 조절되고 최적화된다. 당업자에게 잘 알려져 있는 코팅 장치(특히, 저항 분사 시스템)의 기본적인 모든 기능은 본 발명에 따른 공정의 사용에 의해 영향을 받지 않는다. 용해 저항을 제공하는 분사 노즐로 인해, 속도, 움직임(movement)이 변경되지 않은 상태로 유지될 수 있다.
(저항 분사) 챔버에서, 특히, 적어도 고정 표면 상에서 온도-조절될 수 있는 한 고정 기구가 제공된다. 고정 장치의 조절가능한 온도 범위는 -200℃ 내지 400℃ 사이, 바람직하게는 -200℃ 내지 200℃ 사이, 보다 바람직하게는 -200℃ 내지 0℃ 사이이다.
본 발명의 그 외의 다른 이점, 특징 및 세부 내용은 첨부도면들을 사용하고 대표 바람직한 실시예들을 기술한 하기 설명으로부터 자명하게 될 것이다.
도 1은 1-구성요소 시스템의 p-T 상 다이어그램,
도 2는 본 발명에 따른 2-구성요소 시스템의 p-T 상 다이어그램,
도 3은 종래 기술에 따른 방법을 사용하는 본 발명에 따른 2-구성요소 시스템의 p-T 상 다이어그램,
도 4는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 본 발명에 따른 2-구성요소 시스템의 p-T 상 다이어그램,
도 5는 본 발명에 따른 장치의 한 실시예를 개략적으로 도시한다.
위에서, 도 1 내지 4는 본 발명의 일반적인 부분에 대해 기술되었다.
도 5는 온도가 조절될 수 있는데 주로 냉각될 수 있는 고정 기구(8)로 속이 비워질 수 있는(evacuated) 챔버(7)를 개략적으로 도시한 도면으로서, 고정 기구 위의 고정 표면(holding surface)(12)은 기판(9)(특히, 웨이퍼)이다. 고정 기구(8) 위에서, 분사 노즐(11) 및 (선택적으로는) 냉각 노즐(10)이 고정 장치(13)에 결부된다(attached). 분사 노즐(11) 및 냉각 노즐(10)은, 도시되지는 않았지만 코팅되어야 하는 기판(9)의 전체 표면(9o)에 도달할 수 있는(reach) 조절 기구(control apparatus)에 의해, 서로에 무관하게, 조절/제어될 수 있는 것이 바람직하다.
1 : 승화 또는 재승화 곡선 2 : 증발 또는 응축 곡선
3 : 용융 또는 경화 곡선 4 : 열처리
5 : 냉동 6 : 승화 전이
7 : 챔버 8 : 고정 기구
9 : 기판 9o : 표면
10 : 냉각 노즐 11 : 분사 노즐
12 : 고정 표면 13 : 고정 장치
s : 고체 상 l : 액체 상
g : 기체 상 B : 코팅
B' : 코팅

Claims (11)

  1. 하나 이상의 용매 및 하나 이상의 코팅 구성요소를 가진 코팅 재료로 기판(9)의 표면(9o)을 코팅하기 위한 장치로서, 상기 장치는:
    - 조절 압력, 특히 주변 압력보다 더 낮은 압력으로 압축될 수 있는 챔버(7);
    - 기판(9)을 고정 표면(12) 위에 고정시키기 위한 고정 기구(8); 및
    - 기판(9)을 코팅하기 위한 분사 노즐(11)을 포함하는 기판 표면 코팅 장치에 있어서,
    상기 장치는 고정 기구(8)의 고정 표면(12) 위에 고정되는 기판(9)의 적어도 표면(9o)을 냉각시키기 위한 냉각 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 기판 표면 코팅 장치.
  2. 제1항에 있어서, 냉각 수단은 하나 이상의 냉각 노즐(10) 및/또는 적어도 고정 표면(12) 위에서 냉각될 수 있는 고정 기구(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 코팅 장치.
  3. 제2항에 있어서, 냉각 노즐(10)은 고정 표면(12) 위에 위치될 수 있는 것을 특징으로 하는 기판 표면 코팅 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 분사 노즐(11)과 냉각 수단이 특히 개별적으로 유발될 수 있는(triggered) 특히 소프트웨어-기반 조절 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 코팅 장치.
  5. 제4항에 있어서, 냉각 수단은, 코팅 동안, 적어도 표면(9o) 위에서 코팅 재료가 액체에서 고체로 변하는 상 전이 온도(phase transition temperature) 이하의 온도를 기판(9)이 가지도록 조절 기구에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 코팅 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 조절 기구에 의해 조절되는 압축 수단은 코팅 후에 조절되며, 고체에서 기체로 변하는 코팅 구성요소의 상 경계(phase boundary)는 초과하지 않으면서, 특히 대략 균일한 온도에서, 고체에서 기체로 변하는 용매의 상 경계 상에서 챔버(7) 내의 압력이 강하하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 코팅 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 챔버(7) 내의 압력을 측정하거나 및/또는 고정 표면(12) 상의 및/또는 기판 표면(9o) 상의 온도를 측정하기 위한 측정 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 기판 표면 코팅 장치.
  8. 하나 이상의 용매 및 하나 이상의 코팅 구성요소를 가진 코팅 재료로 기판(9)의 표면(9o)을 코팅하기 위한 방법에 있어서,
    적어도 기판(9)의 표면(9o)은 코팅 동안 냉각되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 코팅 방법.
  9. 제8항에 있어서, 코팅 동안, 표면(9o) 상의 온도 및 압력은 조절 기구에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 코팅 방법.
  10. 제8항에 있어서, 기판(9)은, 코팅 동안, 적어도 표면(9o) 위에서 코팅 재료가 액체에서 고체로 변하는 상 전이 온도 이하의 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 기판 표면 코팅 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 코팅 후에, 특히 대략 균일한 온도에서, 고체에서 기체로 변하는 코팅 구성요소의 상 경계는 초과하지 않으면서, 조절 기구는 고체에서 기체로 변하는 용매의 상 경계 상에서 압력 증가에 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 기판 표면 코팅 방법.
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