JP2005344155A - 成膜方法、光学素子及びそれが搭載された投影露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、紫外領域において曇りにくくかつ光学特性にも優れた光学素子を提供することにある。
【解決手段】
本発明は、基板を真空蒸着装置にて成膜する第１の成膜工程と、前記第１の成膜工程にて成膜された基板を、スパッタリング装置に真空状態で搬送する搬送工程と、前記搬送された基板をスパッタリング装置にて成膜する第２の成膜工程とからなる成膜方法を特徴とする。
【選択図】
図１

Description

本発明は、光学素子に関するものであり、特に、紫外領域で、汚れ物質が吸収しにくい光学素子の製造方法に関する。

光学素子には多くの光学薄膜が施されている。例えば、反射防止膜は好ましくない反射を低減するために光学基板に施され、反射膜は入射光を光学基板の表面で効率よく反射させ、所望の光学特性で光量を低下させることなく施される。光学素子の例としては、レンズ、プリズム等が挙げられる。

現在、半導体露光装置における光学システムは、ＵＬＳＩの高集積化及び高機能化が進み、加工線幅０．１８μｍを可能にするために、その投影レンズには、高い解像度と深い焦点深度とが要求されている。この解像度と焦点深度は、露光に使用される波長（λ）とレンズの開口数（Ｎ．Ａ．）によって決まる。

細かいパターンほど回折光の角度が大きくなり、レンズのＮ．Ａ．が大きくなれば回折光を取り込めなくなる。またλが短いほど同じパターンでの回折光の角度が小さくなる。
解像度と焦点深度とは、次式のように表される。
解像度＝ｋ１・λ／Ｎ．Ａ．
焦点深度＝ｋ２・λ／（Ｎ．Ａ．）²
（但し、ｋ１及びｋ２は比例定数である）
したがって、解像度を向上させるために、Ｎ．Ａ．を大きくするか、λを短波長化すればよい。上式から明らかなように、λを小さくした方が、焦点深度の点で有利である。このような観点から、光源の波長は、ｇ線（４３６ｎｍ）からｉ線（３６５ｎｍ）へ、さらにＫｒＦ（２４８ｎｍ）やＡｒＦ（１９３ｎｍ）エキシマレーザーへと短波長化が進められている。

しかしながら短波長化が進んでくると、薄膜表面にわずかに吸着した大気中の水分や有機物質などの汚れ物質による透過率低下が大きくなっていく。さらに吸着した汚れ物質に紫外光を照射しつづけると分解反応及び化学反応が起き、光学素子表面に固着して拭き取り不可能な曇りとなって透過率低下が更に進んでいく。特に、深紫外域、例えば、１９３ｎｍにおいては、この問題が深刻なものになっている。

また、成膜方法に目を向けると、真空蒸着よりもマグネトロンスパッタリングやイオンビームスパッタリング等のスパッタリングで作製した方が、薄膜表面が平滑かつ緻密な光学薄膜ができることが知られている。図４に真空蒸着で作成されたフッ化マグネシウム薄膜及びイオンビームスパッタリングで作製された酸化アルミニウム薄膜の原子間力顕微鏡像を示す。比較しやすいように、高さを表す濃淡をどちらも１０ｎｍにしている。イオンビームスパッタリングで作製された薄膜の方が、非常に平坦でかつ緻密であることが判る。
薄膜表面が平滑かつ緻密な光学薄膜は、表面積が非常に小さいために、膜表面への大気中の水分や有機物質の吸着が小さく、光照射による光学特性の変化が少ない。即ち、長期耐久性及び安定性を持つ光学薄膜を得ることができる。

しかしながら、一般にイオンビームスパッタリングで作製された光学薄膜は、真空蒸着で作製された光学薄膜よりも、膜損失が大きく光学特性が劣ってしまう。これは、焼結体ターゲットに含まれる不純物がそのまま薄膜に転写されてしまうことや、プラズマプロセスであるが故に、成膜中に堆積した膜にどうしてもプラズマダメージが起きてしまうためである。

これに反して、真空蒸着膜は蒸着材料を蒸発させて成膜するために蒸着材料に不純物の混入が少なく、プラズマダメージとは無縁であるために、深紫外域でも優れた光学特性を示す。さらに、均一性がよく、成膜速度も速いために、イオンビームスパッタリングよりも生産性の面でも優れている。
特開２００２−１１５０４７号公報

真空蒸着膜は光学特性が優れているが曇りやすい。スパッタ膜は光学特性が劣っているが曇りにくい。特にこの傾向は、深紫外域になればなるほど、顕著になっていく。そのため光学特性も優れ、かつ曇りにくい光学素子を作製することは難しかった。

本発明は、上記の問題点を解決し、紫外領域において曇りにくくかつ光学特性にも優れた光学素子を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、基板を真空蒸着装置にて成膜する第１の成膜工程と、前記第１の成膜工程にて成膜された基板を、スパッタリング装置に真空状態で搬送する搬送工程と、前記搬送された基板をスパッタリング装置にて成膜する第２の成膜工程とからなる成膜方法を提供する。

請求項２に記載の発明は、前記第２の成膜工程は、マグネトロンスパッタリングまたは、イオンビームスパッタリングであることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法を提供する。

請求項３に記載の発明は、基板と、前記基板上に積層された多層膜とを備えた光学素子において、前記多層膜の最上層がスパッタリングで成膜されたことを特徴とする光学素子を提供する。

請求項４に記載の発明は、前記スパッタリングは、マグネトロンスパッタリングまたは、イオンビームスパッタリングであることを特徴とする請求項３に記載の光学素子を提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項３または４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。

高い光学特性を持ちかつ曇りにくい光学素子を作ることができたので、本光学素子を搭載した投影露光装置は、長時間にわたって光学性能を維持できるので、光学部品を交換する時期を大幅に伸ばすことができる。

本発明に係わる紫外用光学素子の製造方法を以下に説明するが、本発明はこの例に限定されるものではない。

図１は、蛍石の基板上に１９３ｎｍ用の反射防止膜が成膜された光学素子の断面構成図である。３層からなる多層の反射防止膜で、基板側から第１層は真空蒸着で作製したフッ化マグネシウム膜、第２層は真空蒸着で作製したフッ化ランタン膜、最上層の第３層はマグネトロンスパッタで作製したフッ化アルミニウム膜である。真空蒸着は、１０^-7Ｐａ以下に減圧された真空チャンバー内で白金製蒸着ボートで蒸着物質を加熱して行われた。第１層及び第２層が真空蒸着装置ないで成膜された後、真空運搬装置を介して光学素子をマグネトロンスパッタリング装置に移動させる。第３層を成膜するマグネトロンスパッタリングは、１０^-6Ｐａ以下に減圧された真空チャンバー内にＡｒ／Ｆ₂混合ガスを増すフローコントローラーで５×１０^-2Ｐａまで導入し、直径６インチのフッ化アルミニウム焼結体ターゲットに６００ＷのＲＦパワーを印可して行った。Ａｒ／Ｆ₂混合ガスの割合は、モル比で、８０／２０である。

上記のように３層の反射防止膜を蛍石基板の両面に成膜した光学素子の透過率測定及び本光学素子を２週間クリーンルーム内に放置した後の透過率測定をした。
図２は、波長（λ）における透過率を表す図である。図中、線Ａは、成膜後の本光学素子の透過率を表し、線Ｂは、成膜２週間後クリーンルーム内に放置した本光学素子の透過率を表す。図２に示すように、成膜後の本光学素子は、波長１９３ｎｍにおいて透過率９９．５％以上と非常に良好な光学特性を示した。さらに２週間、クリーンルーム内に放置した後の波長１９３ｎｍにおける透過率劣化も２．１％であった。この数値は、従来の真空蒸着のみで成膜した同様の膜構成の反射防止膜に対しての同様の透過率劣化に対して約２／３程度に抑えることができた。

図３は、基板上に真空蒸着とイオンビームスパッタとを組み合わせて２４８ｎｍ用の高反射膜が成膜された光学素子（ミラー）の断面構成図である。基板の形状は平行平板であり、その材質は合成石英ガラスである。膜総数は３１層で、基板側から２９層目までは真空蒸着で酸化ハフニウム層と酸化珪素層とが交互に積層されている。３０層目及び３１層目はそれぞれ酸化珪素層、酸化ハフニウム層、であり、２つの層はイオンビームスパッタで成膜されている。

イオンビームスパッタリング装置は、イオン源、イオン源から出てきた希ガスイオンを電気的に中性化するニュートラライザー、薄膜材料の原料となるターゲットから構成される。イオン源にＡｒやＸｅ等の希ガスを導入させて電離させプラスイオン（Ａｒ⁺やＸｅ⁺）を発生させる。このプラスイオンは、真空チャンバー内に設けられたマイナスに印可されたグリッドに引き寄せられる。プラスイオンは、グリッドに設けられた穴を介して、真空チャンバー内に高速で導入される。導入されたプラスイオンは、電子またはマイナスイオン（Ａｒ^-やＸｅ^-）を発生させるニュートラライザーによって電気的に中性化される。中性化された高速希ガス粒子（ＡｒやＸｅ）はターゲットに衝突し、ターゲットはスパッタリングされる。対向した位置に配置された基板の表面に薄膜が形成されていく。

次に具体的な成膜方法を開示する。
真空蒸着は、１０^-7Ｐａ以下に減圧された真空チャンバー内で白金製蒸着ボートにて蒸着物質を加熱して行われた。第２９層までを真空蒸着装置で成膜した後、真空搬送機を介してイオンビームスパッタリング装置に光学素子を移動させる。所定の位置に移動が完了した光学素子にイオンビームスパッタで酸化珪素層、酸化ハフニウム層を成膜する。

完成した光学素子の波長２４８ｎｍ、入射角度４５度における反射率は、Ｓ波及びＰ波のいずれも９９．５％以上と高い反射率であった。
本光学素子を実施例１と同様にクリーンルーム内に２週間、放置した後、波長２４８ｎｍ、入射角度４５度における反射率を測定した。Ｓ波及びＰ波のいずれも９８．５％以上であり、汚れや曇りによる光学特性の低下は少なかった。

図５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５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。

は、反射防止膜が成膜された本発明の光学素子の断面構成図である。 は、反射防止膜が成膜された本光学素子の透過率を表す図である。 は、反射膜が成膜された光学素子の断面構成図である。 は、原子間力顕微鏡像を示す図である。 は、本発明の光学素子が搭載された投影露光装置の概念図である。

符号の説明

１００・・・光源
Ｒ・・・レチクル
２００・・・照明光学系
Ｗ・・・ウェハ
５００・・・投影光学系
４０１・・・ウェハステージ
３０１・・・レチクルステージ
６００・・・制御装置

Claims (5)

1. 基板を真空蒸着装置にて成膜する第１の成膜工程と、
   前記第１の成膜工程にて成膜された基板を、スパッタリング装置に真空状態で搬送する搬送工程と、
   前記搬送された基板をスパッタリング装置にて成膜する第２の成膜工程とからなる成膜方法。
2. 前記第２の成膜工程は、マグネトロンスパッタリングまたは、イオンビームスパッタリングであることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
3. 基板と、
   前記基板上に積層された多層膜とを備えた光学素子において、
   前記多層膜の最上層がスパッタリングで成膜されたことを特徴とする光学素子。
4. 前記スパッタリングは、マグネトロンスパッタリングまたは、イオンビームスパッタリングであることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
5. 請求項３または４に記載の光学素子が搭載された投影露光装置。