JP4785683B2

JP4785683B2 - 成膜装置

Info

Publication number: JP4785683B2
Application number: JP2006244978A
Authority: JP
Inventors: 慎次福井; 康治寺西
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-09-11
Also published as: JP2008063636A

Description

本発明は、反応性スパッタリング法によって多孔質で屈折率の低い良質な光学薄膜を安定して成膜するための成膜装置に関するものである。

ここ数年来、集積回路の微細化の要求に伴い、ステッパーに用いられる光の短波長化が進んでいる。光学薄膜の分野においても、光の短波長化に合わせて新規な膜材料の開発、成膜方法の改良、膜制御技術の向上等を行って、ステッパーの性能向上に貢献してきた。

しかし最近になって、Ｇ線、Ｉ線、ＫｒＦレーザー、ＡｒＦレーザーと順調に進んできた短波長化の流れに変化が見え始めている。ＡｒＦレーザーの次の光源として期待されていたＦ₂レーザーの使用が見送られたのである。それは、光源を極限まで短波長化したために、周辺の技術がそれに追いつかなくなってきたことが理由の一つである。

そこで、光源の短波長化の代わりに選択されたのが液浸露光である。ステッパーの解像度を示すレイリーの式
Ｒｅ＝ｋ１＊λ／ＮＡ
からわかるように、光源の短波長化だけでなく、ＮＡの増大によっても解像度の向上は可能である。液浸露光では、ウエハーに接する空間を、例えば水のように屈折率が１より大きい物質で満たすことでＮＡの大きい光学設計を可能としている。理論上、ＡｒＦステッパーを液浸露光対応にしてＮＡを増大させた場合、Ｆ₂ステッパーで通常の露光を行った場合とほぼ同等の解像度が得られる。従って、解決困難な課題の多いＦ₂ステッパーよりもＡｒＦステッパーを液浸露光に対応させる方が利点が大きいと考えられ、現在ではＡｒＦ液浸ステッパーの方が主流となっている。

しかし、ＡｒＦステッパーの液浸化も決して容易なわけではない。例えば光学薄膜の分野では、高ＮＡ化に伴い、レンズへの最大入射角が従来のものより大きくなる。そのため、高入射角の光に対しても十分な特性を示す光学薄膜の開発が求められている。

上記の要求に応える手段として、光学薄膜を構成する高屈折率膜と低屈折率膜の屈折率差を拡大することが挙げられる。そのためには高屈折率膜をより高屈折化、もしくは低屈折率膜をより低屈折率化することが考えられるが、詳細な計算の結果から、低屈折率膜の屈折率を下げることの方が光学特性向上への貢献度が大きいことがわかっている。

低屈折率膜をより低屈折率化する方法として膜の材料を新規に開発することが挙げられるが、ＡｒＦレーザーのような真空紫外の波長域の光に対して使用できる材料は限られており、好適な材料を新規に開発することは非常に困難である。そこで、ＭｇＦ₂のように従来から真空紫外域の波長において利用されている低屈折率膜をより低屈折率化するための研究が熱心に行われている。

例えば特許文献１では、基板上にフッ化物と二酸化ケイ素から成る混合膜を共蒸着により形成した後、混合膜から二酸化ケイ素のみを選択的に除去することにより、通常のフッ化物膜よりも多孔質で低屈折率なフッ化物膜を得る方法を提供している。この方法を用いることにより、通常であれば屈折率が１．４２（波長１１９３ｎｍ）であるＭｇＦ₂を屈折率約１．３５にまで下げることができると報告されている。しかし、二酸化ケイ素を除去するためにフッ化水素ガスもしくはフッ素ガスに触れさせる工程があり、処理が複雑化する。さらに、ＳｉＯ₂等の非フッ化物の基板を用いた場合には基板がフッ素系ガスに触れないように注意しなければならない。

また、特許文献２に開示されたように、ＭｇＦ₂とＳｉをターゲットに使用してＡｒとＯ₂を用いてスパッタを行い、Ｓｉ濃度３〜１０ｗｔ％を含んだＭｇＦ₂膜を形成することで比較的低屈折率な膜を得る方法が知られている。この方法はスパッタ法を利用するもので後処理も必要ないことから簡便な方法であるが、屈折率は１．３７程度までしか下げることができないうえに、Ｓｉ系酸化物等の混入による真空紫外光に対しての吸収増加が懸念される。

特許文献３によれば、基板上に有機物を含んだＭｇＦ₂ゾル溶液を調製した後に有機物のみを除去することによって多孔質なＭｇＦ₂を得ることができ、その屈折率は１．１６（波長１９３ｎｍ）にまでも及ぶと開示されている。しかしこの方法では、膜中に残留するカーボン類の不純物が吸収の原因となることが問題となっている。また、この方法は湿式法であり、乾式法で形成した膜の上に成膜する場合に、下地層への影響が懸念される。
特開２００１−１１６０２号公報特開平１０−３３９８０１号公報ＷＯ０２／０１８９８２号公報

多孔質な膜の屈折率については次のような周知の関係式がある。

Ｎ＝Ｎｂ×Ｐ＋Ｎａ（１−Ｐ）
ここで、Ｎは多孔質な膜の屈折率、Ｎｂは充填率が１であるときの膜の屈折率、Ｎａは空隙部分の屈折率を表し、Ｐは多孔質膜の充填率である。通常ステッパー内はＮ₂パージされているため、Ｎａの値はほぼ１となる。従って、上式によれば、多孔質膜の充填率が低ければ低いほど屈折率も低くなることがわかる。

図５に示すように、反応性スパッタリングを通常より高圧な条件下で行うと、ターゲット１１１と基板１１２の間のスパッタ粒子Ｐ同士の衝突回数が通常の場合より増加し、スパッタ粒子Ｐがクラスターを形成する。クラスター状の膜は通常の膜よりも粒子の径が大きいため、得られた膜は空隙の多い多孔質膜となる。

このとき、通常より高圧な条件を実現する方法として、供給ガスの流量を増やす、もしくは排気能力を落とすというのは実用的とは言えない。なぜなら、スパッタ粒子のクラスター化を十分に促すには成膜室を相当の高圧条件（２０Ｐａ以上）にしなければならないが、逆にそのような高圧条件では成膜速度が小さすぎるからである。

そこで適正な成膜速度を維持しながらクラスター化を促すために、図６に示すように、成膜室１２０内のターゲット近傍の放電空間を仕切り部材１１３で囲い、スパッタガスはスパッタガス供給手段１２１によって直接放電空間に供給する構成が知られている。仕切り部材１１３にはスパッタ粒子を通過させるための穴が設けられているが、コンダクタンスを低くすることで、仕切り内部の放電空間の圧力は成膜室１２０の圧力の３〜５倍に高めることができる。従って、放電空間の圧力を、クラスター化が十分に起こるレベルまで高めても、成膜室１２０は３〜５Ｐａに保たれているため適度な成膜速度を得ることができる。

しかし、このとき問題になるのが反応性ガスの供給方法である。上記の構成において図７に示すように反応性ガスを、スパッタガスと同様に反応性ガス供給手段１２２から放電空間に直接供給すると、放電空間における反応性ガスの分圧が高くなり、電極表面と反応し、放電の不安定化、および成膜速度の低下を引き起こす。一方で、反応性ガスを放電空間ではなく、図８に示すように、成膜室１２０に供給した場合は、得られる膜は十分な酸化反応を受けていない金属リッチなものとなる。これは、放電空間では金属ターゲットをスパッタガスのみでスパッタしていることになり、当然放電空間で形成されるクラスターは金属クラスターとなる。その金属クラスターが成膜室１２０内の反応性ガスによって酸化反応を受けるとしても表面だけに留まり、内部は金属リッチな状態のままとなるからである。

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、反応性スパッタリングによって、低吸収で、しかも屈折率を１．３３程度にまで下げた光学薄膜を成膜することのできる成膜装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の成膜装置は、反応性スパッタリング法によって基板に薄膜を成膜する成膜装置において、スパッタ粒子を発生させるターゲットと、前記ターゲットの放電空間である第１の空間部を囲う第１の仕切り部材と、前記第１の空間部にスパッタガスを供給するスパッタガス供給手段と、前記第１の仕切り部材に配設された第１の開口と、前記第１の開口を介して前記第１の空間部に隣接する第２の空間部を囲う第２の仕切り部材と、前記第２の空間部に反応性ガスを供給する反応性ガス供給手段と、前記第２の仕切り部材に配設された前記第１の開口よりも開口径の小さな第２の開口と、前記第２の開口に対向するように前記基板を固定する基板ホルダと、を有することを特徴とする。

反応空間である第２の空間部に流す反応性ガスの量と、放電空間である第１の空間部に流すスパッタガスの量を調節することによって両空間部の間に差圧を生じさせ、反応性ガスが過剰に放電空間に流れることを防ぐことが可能である。そのため、放電が不安定になったり、成膜速度が低下するといった問題は起こらない。また、反応性ガスを供給する第２の空間部では反応性ガスの分圧を高く維持することができるため、非常に反応性が強い。従って、クラスター化したスパッタ粒子は、反応性ガスを供給する第２の空間部を通過する際に十分な酸化反応を受けることができ、化学量論比を満たす良質で屈折率の低い多孔質膜を得ることができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、ターゲット１１から発生するスパッタ粒子を基板１２に被着させて成膜する成膜装置において、ターゲット１１の近傍の放電空間（第１の空間部）を囲う第１の仕切り部材１３と、反応空間（第２の空間部）を囲う第２の仕切り部材１４を設ける。成膜室２０内で仕切り部材１４によって囲われた反応空間は放電空間に隣接する形で放電空間よりも基板側に配設され、各仕切り部材１３、１４にはスパッタ粒子が通過するための穴（開口）１３ａ、１４ａが形成されている。また、放電空間にはスパッタガス供給手段２１、反応空間には反応性ガス供給手段２２が接続されている。

この成膜装置において、放電空間および反応空間のうち少なくとも一方の圧力を３．０Ｐａ以上に高圧制御して成膜を行うことによって、多孔質で屈折率の低いＭｇＦ₂膜等を成膜することができる。

使用するスパッタガスとしては、Ａｒ、Ｘｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、もしくはそれらの混合ガスを用いることが望ましい。

反応性ガスとして、Ｆ₂、Ｃ_mＦ_n（ｍ、ｎは整数）、ＮＦ₃、ＳＦ₆、Ｏ₂、Ｈ₂またはＨ₂Ｏを用いることが望ましい。

ターゲットとしてＭｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｎａまたはそれらの化合物を用いることが望ましい。

図２は一実施例を示す。この成膜装置は成膜室２０の他に予備室３０を持ち、基板１２は予備室３０にて基板ホルダ３１に固定された後、真空ポンプ３２にて１．０Ｅ〜４Ｐａ以下まで真空引きされてから成膜室２０へと基板搬送手段３３によって搬送される。そのため、成膜室２０への大気の混入を最小限に抑えることができる。また、非成膜時には基板１２を予備室３０に戻し、ゲートバルブ３４を閉じることで、成膜室２０と隔離することができ、不要な膜の付着を防ぐことができる。成膜室２０には真空ポンプ２３および圧力計２４が設置されており、常時圧力をモニターすることができる。また、排気バルブ２５は開度を自由に設定することができ、成膜中の成膜室内の圧力を調節することができる。

成膜に必要なガスは流量調節器２１ａ、２２ａで流量を制御しながら各空間部に供給し、ターゲット１１に外部から直流電源２６で負電位を与えプラズマ放電を起こす。直流電源には矩形高周波重畳装置２７により、必要に応じて高周波を重畳することができる。

放電空間の仕切り部材１３の幅は５０ｍｍ、穴１３ａの大きさは５０φであり、反応空間の仕切り部材１４の幅は３０ｍｍ、基板側を向いた穴１４ａの大きさは４０φである。ターゲット１１はＭｇ、スパッタガスはＡｒを４００ｓｃｃｍの流量で、反応性ガスはＦ₂を２０ｓｃｃｍ、Ｈ₂を２５ｓｃｃｍの流量で使用し、印加電力４５０ＷでＳｉＯ₂の基板１１上に成膜を行った。その際、成膜室２０内の圧力が４．２Ｐａになるように成膜室の排気バルブ２５の開度を調節した。

その結果得られたＭｇＦ₂膜の反射率特性を図３に示す。図３の結果を解析すると屈折率が約１．３３にまで下がっていることがわかる。また、本実施例における成膜速度は約３．０ｎｍ／ｓであったことから、十分実用に堪える速度を有している。

本実施例で得られたＭｇＦ₂膜の吸収率特性を図４に示す。吸収率は、［１００−透過率（％）−反射率（％）］で求めた。得られた膜の厚さは約５０ｎｍであり、図４から１９３ｎｍにおける吸収率は約０．１５％（基板吸収込み）であった。これによって、非常に良質なＭｇＦ₂膜が得られていることがわかる。

一実施の形態を説明する図である。実施例を示す模式図である。実施例によって作成したＭｇＦ₂膜の反射率特性を示すグラフである。実施例によって作成したＭｇＦ₂膜の吸収率特性を示すグラフである。高圧によってスパッタ粒子がクラスター化する様子を示す図である。一従来例を示す模式図である。別の従来例を示す模式図である。さらに別の従来例を示す模式図である。

符号の説明

１１ターゲット
１２基板
１３、１４仕切り部材
２０成膜室
２１スパッタガス供給手段
２２反応性ガス供給手段

Claims

反応性スパッタリング法によって基板に薄膜を成膜する成膜装置において、スパッタ粒子を発生させるターゲットと、前記ターゲットの放電空間である第１の空間部を囲う第１の仕切り部材と、前記第１の空間部にスパッタガスを供給するスパッタガス供給手段と、前記第１の仕切り部材に配設された第１の開口と、前記第１の開口を介して前記第１の空間部に隣接する第２の空間部を囲う第２の仕切り部材と、前記第２の空間部に反応性ガスを供給する反応性ガス供給手段と、前記第２の仕切り部材に配設された前記第１の開口よりも開口径の小さな第２の開口と、前記第２の開口に対向するように前記基板を固定する基板ホルダと、を有することを特徴とする成膜装置。
前記第１および前記第２の空間部のうちの少なくとも一方の空間部の圧力を３．０Ｐａ以上に制御することを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
前記スパッタガスとして、Ａｒ、Ｘｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、もしくはそれらの混合ガスを用いることを特徴とする請求項１または２記載の成膜装置。
前記反応性ガスとして、Ｆ_２、Ｃ_ｍＦ_ｎ（ｍ、ｎは整数）、ＮＦ_３、ＳＦ_６、Ｏ_２、Ｈ_２またはＨ_２Ｏを用いることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の成膜装置。
前記ターゲットとして、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｎａまたはそれらの化合物を用いることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の成膜装置。
請求項１ないし５いずれか１項記載の成膜装置によってＭｇＦ_２の膜を成膜することを特徴とする成膜方法。