JP2005097662A - 成膜装置、成膜方法、光学素子及び投影露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板に対して最適な熱源の温度制御を行うことにより、基板の変形しない、時間効率の良い基板の加熱を行う成膜装置を提供する。
【解決手段】基板の表面温度を基に基板内部の温度を算出する基板温度算出手段を有する成膜装置を提供する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、基板を加熱する加熱手段と、基板の表面温度を測定する表面温度測定手段と、基板の表面温度を基に基板内部の温度を算出する基板温度算出手段とを有する成膜装置、特に本成膜装置にて成膜された光学素子が搭載された投影露光装置に関する。

近年、半導体素子の集積度を増すために、半導体製造に用いられる投影露光装置の高解像度化に対応させる開発が進められている。光源波長を短波長化すると解像度を高くすることができるため、水銀ランプより短い波長域の光を発振できるエキシマレーザを光源としたステッパーの開発が行われている。光源に使用されるエキシマレーザには、ArFエキシマレーザ（波長193nm）や、フッ素レーザ（波長157nm）等がある。

光の波長が短くなるにしたがって、光学素子に使用する材料（硝材）に光が吸収されやすくなる。特に、光源の光の波長が200nm以下になると、ほとんどの硝材が光を吸収してしまうため、光学素子に使用できる硝材は限定されてしまう。光の波長が200ｎｍ以下の領域で使用できる硝材は、蛍石などのフッ化物結晶や合成石英ガラスしかない。蛍石は、200nm以下の光の透過率や常温での安定性等に優れており、開発中の投影露光装置には欠かすことの出来ない硝材である。

さて、投影露光装置に用いられる光学素子は、反射防止等の機能を持った薄膜（反射防止膜）を基板となる硝材の表面に成膜して製造される。薄膜は、真空蒸着等の方法を用いて基板上に形成する。

真空蒸着は、蒸着源から薄膜材料を蒸発させて蒸着粒子とし、その蒸着粒子を基板の表面に堆積させて、薄膜を形成する方法である。成膜時には、基板と薄膜との密着性を高めるため、薄膜の機械的強度を高めるために基板を高温（300℃程度）にする必要がある。したがって、成膜する工程の前に、基板を加熱する工程が必要である。

図２は真空蒸着による成膜装置の概念図である。

図２を参照しながら、以下に温度制御の方法を説明する。基板は、真空容器内に設けられた熱源により加熱される。熱源の温度を接触型の熱源温度センサーによって測定し、測定された温度を基に熱源温度制御手段が熱源の温度を制御する。

基板は一方の面から（図中上から下に）加熱されるので、加熱される面と他方の面との間、即ち基板内で温度差が生じる。
ここで、温度勾配＝｛（ある２点間の温度差）／（２点間の距離）｝とする。
基板に温度勾配が発生すると、基板を構成する物質の線膨張係数に応じた応力が発生し、基板は変形する。変形が光学素子の光学面を変形させた場合（面変化と呼ぶ）には、光学素子の光学特性が設計値からずれてしまう。

半導体露光装置に使用される光学素子は、非常に高い面精度が要求される。基板のわずかな歪み（変形）でも結像性能に影響が発生する。したがって、蒸着時の基板加熱には、基板に生じる温度勾配を小さくする必要がある。

基板の材質が合成石英ガラスの場合は、線膨張係数が比較的小さいために、温度勾配に対する面変化が小さかった。このため、合成石英ガラスの場合には、光学性能の劣化は生じなかった。しかし、基板が蛍石等のフッ化物結晶の場合には、合成石英ガラスでは問題無かった加熱方法でも、面変化が発生するという問題が生じた。蛍石等のフッ化物結晶は、線膨張係数が合成石英ガラスに比べて非常に大きいので、フッ化物結晶と合成石英ガラスとの温度勾配が同じでも、フッ化物結晶の方が発生する応力が大きくなる。

温度勾配を低くする方法としては、熱源の温度上昇速度を遅くする方法があるが、単に遅くしただけでは時間効率が低下してしまう。

光学素子の基板を蒸着に必要な温度に加熱する際に生じる温度勾配によって基板に応力が発生するため、光学素子が応力による変形で光学特性が劣化するという問題が生じていた。

また、温度勾配の緩和のために、熱源の温度上昇速度を低下させることが試みられた。しかし、熱源の温度上昇速度の低下によって、成膜時の時間効率が低下するという問題点が生じた。

本発明では、これらの問題点を解決し、基板に対して最適な熱源の温度制御を行うことにより、基板の変形しない、時間効率の良い基板の加熱を行う成膜方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、基板を保持する基板保持手段と、前記基板上に薄膜を成膜する成膜手段とを備える成膜装置であって、前記基板を加熱する加熱手段と、前記基板の表面温度を測定する表面温度測定手段と、前記基板の表面温度を基に前記基板内部の温度を算出する基板温度算出手段とを有することを特徴とする成膜装置を提供する。

請求項2に記載の発明では、前記熱源は、前記真空容器内部に複数個配置されていることを特徴とする。

請求項3に記載の発明では、前記基板はフッ化物からなることを特徴とする。

請求項4に記載の発明では、基板を保持する基板保持工程と、前記基板を加熱する加熱工程と、前記基板の表面温度を測定する表面温度測定工程と、前記測定された表面温度を基に前記基板内部の温度を算出する基板温度算出工程と、前記基板上に薄膜を成膜する成膜工程とを備える成膜方法を提供する。

請求項5に記載の発明では、前記基板はフッ化物からなることを特徴とする。

請求項6に記載の発明では、請求項4又は5に記載の成膜方法によって製造されたことを特徴とする。

請求項7に記載の発明では、請求項6に記載の光学素子が搭載された投影露光装置を提供する。

本発明によれば、基板の内部の温度を算出し、基板の温度分布に対して最適な熱源の温度制御を行うことによって、基板の変形が生じない加熱を行う成膜方法を提供することができる。

（実施例１）
図１は、真空蒸着装置の概念図である。

真空容器１内部に、蒸着源４、基板２を保持する基板保持部８、基板２を加熱する熱源３a及び３bが設けられており、熱源３aは基板２の蒸着源４側の面を加熱し、熱源３bは、基板２の蒸着源４と反対側の面を加熱する。熱源３aおよび熱源３bは、制御装置６に接続されている。非接触温度計５a及び非接触温度計５bは、基板２の表面温度を測定し、制御装置６に接続されている。制御装置６は、非接触温度計５a及び非接触温度計５bからの信号を基に、熱源３a及び熱源３bの温度を制御する。

基板２に成膜する方法を以下に示す。真空容器１内の基板保持部８に基板２を取りつけ、真空容器１の開口部（不図示）を閉じた後、排気ポンプ（不図示）で真空容器１内部を減圧する。十分低い圧力になった時点で、熱源３a及び熱源３bの温度を上昇させ、基板２を加熱する。基板２が所定の温度に到達した後、蒸着源４の中にある薄膜用材料（不図示）を加熱蒸発させ、蒸着粒子を放出させる。放出された蒸着粒子は、基板２に到達して堆積し、薄膜を形成する。

実際に、以上説明した方法に沿って、基板２を300℃まで加熱した後、薄膜を形成した。その結果、基板２の材質が螢石の場合には、基板２で構成される光学素子の光学特性が劣化するという現象が生じた。これは、基板２が加熱によって変形し、面変化が生じたためである。

これらの面変化が生じた基板を調査した結果、基板に蛍石を使用した場合には、基板表面または基板内部の温度勾配が10℃/100mmを超えると、面変化や破損を生じさせる事がわかった。そこで、温度勾配が10℃/100mmを超える部分を生じさせないように、基板を加熱する必要がある。このため、基板の温度分布を測定し、温度分布から温度勾配の分布を求める。

加熱中に基板の表面の温度分布は測定可能である。しかし、基板内部の温度分布を測定することは難しい。そこで、基板の表面の温度から基板の内部の温度分布を計算によって求め、基板の内部の温度勾配を把握しようと発明者は考えた。

基板の内部における温度分布の計算には、基板の初期温度分布と、加熱されている部位（図１の場合には、蒸着源側の面と、その反対側の面）の温度変化および基板２を構成する材料に関する物理定数が必要である。物理定数とは、蛍石の比熱、蛍石の熱伝導率、熱源と基板表面との間の伝熱係数などである（詳細な数値に関しては省略する。）。

具体的には、基板２の表面の温度分布を計測し、その分布の時間変化から、基板２の内部の温度分布を逐次計算して求める。便宜上、基板２の表面および内部に等間隔に格子状の計算ポイントを設け、それぞれのポイントにおける温度の時間変化を、隣接するポイントの温度との相互関係から物理定数を用いて導き出す。

上記の方法によれば、基板の内部の温度勾配も把握することができるので、温度勾配を制御することができる。そのため、基板の内部の温度勾配を基板の変形の閾値である10℃/100mmを超えないように加熱することができるので、面変化の発生を小さくすることができる。

成膜の方法は、蒸着に限らず、イオンビーム等を用いるスパッタ方式や、原材料ガスを基板表面付近で反応させ膜を形成するＣＶＤ方式等の様々な成膜方法を用いることができる。

成膜に用いる材料はNdF₃、LaF₃、GdF₃、DyF₃、PbF₂、MgF₂、AlF₃、NaF、LiF、CaF、BaF₂、SrF₃、Na₃AlF₆、Na₅Al₃F₁₄、Al₂O₃、HfO₂、SiO₂などである。基板２の材料は、蛍石に限らず、LiF、MgF₂、NaF、SrF₂、BaF₂、KF、CsF、PbF₂を用いてもよい。材料によっては、素子として要求される特性に応じて許容できる温度勾配が10℃/100mmとは異なる場合がある。そこで、基板に発生する温度勾配が、材料に応じた許容できる値を超えないように熱源の温度を制御すると、面変化のない光学特性の良好な光学素子を提供することができる。
（実施例２）
従来は、温度勾配を加熱中に把握できなかった。そのため、実際に基板加熱実験を繰り返して行い、実験後の基板を観察し、歪みが生じていない加熱方法が適切な方法として採用されていた。そのため、実験には、高額である蛍石基板を多数使用することになっていた。

実施例１で説明した熱解析の手法を用いると、容易に基板内部の温度勾配を把握することができる。
（実施例３）
図3は、本発明の光学系を用いた投影露光装置の概念図である。投影露光装置は、フォトレジストを表面に塗布したウェハ上にレチクルのマスクパターンを縮小投影露光する装置である。

図3で、１００はエキシマレーザ等の真空紫外光を射出する光源、Ｒはマスクパターンを備えたレチクル、２００は光源１００からの光をレチクルＲに照射する照明光学系、Ｗはフォトレジストを表面に塗布したウェハ、５００はレチクルＲのマスクパターンをウェハＷ上に縮小投影露光する投影光学系、４０１はウェハＷを移動させるウェハステージ、３０１はレチクルＲを移動させるレチクルステージである。光源１００、レチクルステージ３０１およびウェハステージ４０１は、制御装置６００によって制御される。

光源１００から射出された真空紫外光は、照明光学系２００で整形・均一化された後、レチクルＲに照射され、レチクルＲを透過する。投影光学系５００は、レチクルＲを透過した光をウェハＷに照射することによって、レチクルＲのマスクパターンをウェハＷの表面に縮小投影露光する。

投影光学系５００は、レチクルＲのパターンを非常に正確にウェハＷ上に縮小投影露光する光学系であり、高い解像度が必要である。高い解像度の投影光学系５００を製造するためには、投影光学系５００を構成する光学素子が、面変化等の歪みのないもので無ければならない。本発明の光学素子は、面変化等の歪みが無いので、その光学素子を用いた投影露光装置は高い結像性能を確保できる。

また、投影光学系５００以外の光学系を構成する光学素子についても、本発明によるもので構成すれば、高い結像性能を有する投影露光装置となることは言うまでもない。

図１は、本発明に関わる真空蒸着装置の概念図である。 図2は、従来の成膜装置の概念図である。 図3は、投影露光装置の概念図である。

符号の説明

１…真空容器
２…基板
３a,３b…熱源
４…蒸着源
１００…光源、
２００…照明光学系
５００…投影光学系

Claims (7)

1. 基板を保持する基板保持手段と、前記基板上に薄膜を成膜する成膜手段とを備える成膜装置であって、
   前記基板を加熱する加熱手段と、前記基板の表面温度を測定する表面温度測定手段と、前記基板の表面温度を基に前記基板内部の温度を算出する基板温度算出手段とを有することを特徴とする成膜装置。
2. 前記熱源は、前記真空容器内部に複数個配置されていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記基板はフッ化物からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の成膜装置。
4. 基板を保持する基板保持工程と、前記基板を加熱する加熱工程と、前記基板の表面温度を測定する表面温度測定工程と、前記測定された表面温度を基に前記基板内部の温度を算出する基板温度算出工程と、前記基板上に薄膜を成膜する成膜工程とを備える成膜方法。
5. 前記基板はフッ化物からなることを特徴とする請求項4に記載の成膜方法。
6. 請求項4又は5に記載の成膜方法によって製造されたことを特徴とする光学素子。
7. 請求項6に記載の光学素子が搭載された投影露光装置。