JP2006176819A - 成膜装置、成膜方法、多層膜反射鏡及びｅｕｖ露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
反射率の低下が小さい多層膜反射鏡、その製造装置（成膜装置）等を提供すること。
【解決手段】
イオントラップ９は、側壁に波板状の散乱板１１を有するとともに、開口部１０を有する箱状のものである。標的材料６の表面で散乱したイオン１４ａ、１４ｂはイオントラップ９の散乱板１１に入射する。イオントラップ９の散乱板１１は波板状となっているので、散乱板１１に入射するイオンの一部はその入射角が浅くなり、散乱板１１はスパッタされにくくなる。一方、散乱板１１に対する入射角が深いイオンは散乱板１１をスパッタするが、イオントラップ９の基板５の方向は閉じていて、スパッタされた粒子は基板５の方向には飛散しないため、基板５に成膜される多層膜中に取り込まれることはない。
【選択図】
図１

Description

本発明は、成膜装置、成膜方法、多層膜反射鏡、及びこの多層膜反射鏡を使用したＥＵＶ露光装置に関するものである。

近年、半導体集積回路の微細化に伴い、光の回折限界によって制限される露光装置の解像度を向上させるために、従来の紫外線に代えて、これより短い波長（数ｎｍ〜数十ｎｍ）の極端紫外線光（ＥＵＶと称することがある）を用いた露光技術が開発されている。これにより約５〜７０ｎｍの線幅のパターンの露光転写が可能になるものと期待されている。

この波長領域においては、物質の屈折率は１に近いため、従来のように透過屈折型光学素子を使用できず、反射型の光学素子が使用される。露光装置に用いられるマスクもまた、反射型のものが使用される。反射型光学素子においても、ＥＵＶ光領域において高い反射率を有するものが存在しないので、反射型光学素子としては、使用される波長域において屈折率の高い物質と屈折率の低い物質を基板上に交互に積層し、光の干渉を利用して高い反射率が得られる多層膜反射鏡等の光学素子が使用される（特許文献１参照）。

多層膜反射鏡の製造には、従来より、イオンビームスパッタ装置と呼ばれる成膜装置が広く用いられている。従来のイオンビームスパッタ装置の概略図を図７に示す。イオンビームスパッタ装置２０では、イオン銃２内にプラズマを生成するガスをガス導入口４より導入し、イオン銃２内でフィラメントからの熱電子又は高周波をかけることによりプラズマを生成する。そして、イオン銃２の開口部に配置された引き出し電極３に電圧を印加することにより、イオン銃２内で生成されたプラズマ中のイオンはイオン銃２の外に放出される。イオン銃２の開口部はモリブデン（Ｍｏ）等の標的材料６の方向に向けられているため、イオン銃２より引き出されたスパッタイオンは標的材料６に照射される。そうすると、標的材料６を構成する原子がイオンの衝突によって叩き出され、原子状の蒸気が発生する。標的材料６に対向する位置には、基板５を装着した基板ホルダー１３が設置されており、蒸気は基板５上に付着して薄膜層（交互多層膜を構成する一方のＭｏ薄膜層）が形成される。

その後は、先ほどとは別のシリコン（Ｓｉ）等の標的材料を用いて、交互多層膜を構成する他方の薄膜層（例えば、Ｓｉ薄膜層等）を形成する。これらの操作を交互に繰り返すことにより、基板上に数十から数百の層からなる多層膜（例えば、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜やＭｏ／Ｂｅ多層膜等）を設けた多層膜反射鏡を製造する。
特開２００３−１４８９３号公報

しかしながら、上記のような従来の技術では、実際に製造した多層膜反射鏡の反射率が計算上予想される値よりも低いという問題があり、この問題は反射対象の波長が短くなるほど顕著であった。

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、反射率の低下が小さい多層膜反射鏡、その製造方法（成膜方法）、製造装置（成膜装置）及びこの多層膜反射鏡を使用したＥＵＶ露光装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、 減圧可能な容器と、 前記容器内に配置された、成膜すべき基板を保持する保持手段と、 前記容器内に配置された標的材料保持台と、 前記標的材料にスパッタイオンビームを照射する照射手段と、を備える成膜装置であって、 前記標的材料から散乱したスパッタイオン又は該イオンが中性化した粒子でスパッタされた粒子が前記基板に到達するのを防ぐ機構を有することを特徴とする成膜装置である。

発明者は、多層膜反射鏡の反射率低下を低減する方法について鋭意研究を行った結果、標的材料から散乱したスパッタイオン又は該イオンが中性化した粒子でスパッタされた粒子が基板に到達するのを防ぎ、多層膜反射鏡の多層膜中に含まれる不純物（例えば、成膜装置の容器を構成するステンレス系の金属等）の含有量を少なくした場合に、反射率の低下が小さくなると言う、予想できない結果を見出した。この結果は、後に発明を実施するための最良の形態において詳しく説明する。よって、本手段においては、従来予想されなかったような、反射率の低下が小さい多層膜反射鏡等を製造することが可能な成膜装置を得ることができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、 前記第１の手段であって、 前記機構が、前記標的材料から散乱したスパッタイオン又は該イオンが中性化した粒子をトラップするトラップ機構であることを特徴とする成膜装置である。前記機構をトラップ機構とすることにより、より確実に反射率の低下が小さい多層膜反射鏡等を製造することが可能な成膜装置を得ることができる。

前記課題を解決するための第３の手段は、 十分に減圧した容器内で成膜すべき基板を保持し、該容器内で標的材料に対してイオンビーム照射を行い、該基板上に膜を形成する成膜方法において、 前記標的材料から散乱したイオン又は該イオンが中性化した粒子でスパッタされた粒子が前記基板に到達するのを防ぎながら膜を形成することを特徴とする成膜方法である。本手段により、反射率の低下が小さい多層膜反射鏡の多層膜、良好な特性の半導体薄膜又は光学薄膜等を成膜することが可能となる。

前記課題を解決するための第４の手段は、 支持用の基板と、該基板上に支持される多層膜と、を有する多層膜反射鏡であって、 前記多層膜は、十分に減圧した容器内で前記基板を保持し、該容器内で標的材料に対してイオンビーム照射を行うとともに、該標的材料から散乱したイオン又は該イオンが中性化した粒子でスパッタされた粒子が前記基板に到達するのを防ぎながら形成されたことを特徴とする多層膜反射鏡である。本手段においては、従来予想されなかったような、反射率の低下が小さい多層膜反射鏡を得ることができる。

前記課題を解決するための第５の手段は、 前記第４の手段である多層膜反射鏡を備えたことを特徴とするＥＵＶ露光装置である。本手段においては、前記第４の手段である多層膜反射鏡を光学系中に使用しているので、多層膜反射鏡による反射の際に失われる光量を少なくすることができ、高い照明光率を得ることができる。その結果、高スループットで露光を行うことができる。

本発明によれば、反射率の低下が小さい多層膜反射鏡、そのような多層膜反射鏡等の製造方法（成膜方法）及び製造装置（成膜装置）、さらにはこの多層膜反射鏡を使用したＥＵＶ露光装置を提供することができる。

本発明者は、実際に作製した多層膜反射鏡の反射率が計算上予想される値よりも低いという問題（反射対象の波長が短くなるほど顕著）の主たる原因は、多層膜反射鏡の多層膜中に不純物が取り込まれることにあると考えた。そこで、図７に示す従来のイオンビームスパッタ装置で成膜したＳｉ及びＭｏの単層膜中の不純物含有率を測定した。なお、試料中の不純物含有率はＲＢＳ（ラザフォード・バック・スキャッタリング）法を用いて測定した。その結果を、表１に示す。表１から分かるように、Ｓｉ膜及びＭｏ膜の中には、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びクロム（Ｃｒ）が不純物として混入している。

次に、これらの不純物が多層膜反射鏡の反射率に及ぼす影響について検討するため、多層膜中に含まれる不純物含有率と反射率の関係を計算により求めた。図５は、多層膜中の不純物含有率と多層膜反射鏡の反射率との関係を示すもので、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）の不純物について示したものである。このデータは、５０層のＭｏ／Ｓｉ多層膜についてのもので、波長１３．５ｎｍのＥＵＶ光に対するものである。図３は、不純物含有率が０．１atm％、１atm％、５atm％について計算した結果をプロットしたものであるが、この結果を見ると、不純物含有率と反射率の関係は、ほぼ直線的に変化し、多層膜中の不純物含有率が高くなるほど反射率が低下していることが分かる。

さらに、発明者は、多層膜中に不純物が取り込まれる要因について鋭意研究を行った結果、不純物がイオンビームスパッタ装置の容器等を構成するステンレス系の金属等であることを見出し、標的材料に照射されたスパッタイオンビームが標的材料で散乱され、その散乱したスパッタイオン又は該イオンが中性化した粒子が高いエネルギーを持ったままイオンビームスパッタ装置の容器内壁に入射し、容器内壁をスパッタしているということを見出した。

ここで、原子量がＭ１のイオンをエネルギーＥ０で加速し、原子量Ｍ２の原子で構成される固体（標的材料）に入射させ、入射イオンが標的材料で弾性散乱した場合を考える。この場合、標的材料で弾性散乱した散乱イオンのエネルギーＥ１は、散乱角（入射イオンの進行方向から測った散乱イオンの進行方向の角度）をθとして、式（１）及び式（２）で与えられる。

また、式（２）について、散乱角θと、入射エネルギーに対する散乱エネルギーの比との関係を図６に示す。図６は、Ｓｉ、Ｍｏの標的材料について、散乱角θと、入射エネルギーに対する散乱エネルギーの比との関係を示したものである。なお、このデータは、アルゴン（Ａｒ）のスパッタガスについて計算した結果をプロットしたものである。図６から、散乱角θが小さいほど散乱イオンのエネルギーは大きいことが分かる。

ところで、図７に示す従来のイオンビームスパッタ装置２０では、イオン銃２から発射されるイオン１２ａが標的材料６に入射する角度（入射角：標的材料６の法線方向から測った角度）は４５度である。このため、標的材料６から散乱するイオンの散乱角θは通常４５度以上であると考えられる。標的材料６がＭｏの場合、散乱したＡｒイオンは４５度以上の散乱角でも高いエネルギーで容器１の内側壁に到達し、容器１の内側壁をスパッタする。

上述の例では、イオン１２ａの入射角は４５度であるが、実際にイオン銃２から発射されるイオンの流れは平行ではなく拡散しているため、一部のイオン（例えば、イオン１２ｂ等）の標的材料６への入射角は４５度より大きくなる。入射角が４５度より大きい場合、標的材料６から散乱するイオンの散乱角θは４５度より小さくなる。例えば、散乱角θが３０度の場合、Ｓｉでの散乱エネルギーは入射エネルギーの６割程度、Ｍｏにおいては９割程度であるので、高いエネルギーで容器１の内側壁に到達する。その結果、標的材料６から散乱したＡｒイオンが容器１の内側壁をスパッタし、成膜装置の容器を構成するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ等が多層膜中に不純物として取り込まれるのである。

そこで、多層膜反射鏡の多層膜中に不純物が取り込まれるのを抑制するため、標的材料から散乱したイオンでスパッタされた粒子が基板に到達するのを防ぐこととした。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る成膜装置の概略構造を示す図である。本実施形態における成膜装置１５は、成膜すべき基板５を保持する保持手段（基板ホルダー１３）と、標的材料６を保持する標的材料保持台７とを備える。この基板ホルダー１３と標的材料保持台７は、成膜装置１５の減圧可能な容器（真空容器１）内に配置されている。また、成膜装置１５は、標的材料６にスパッタイオンビームを照射する照射手段（イオン銃２）を備える。成膜装置１５は、さらに、標的材料６から散乱したスパッタイオン１４ａ、１４ｂでスパッタされた粒子が基板５に到達するのを防ぐ機構（イオントラップ９）を有する。

イオントラップ９は、側壁に波板状の散乱板１１を有するとともに、開口部１０を有する箱状のものである。このイオントラップ９は、イオン銃２から発射されたイオン１２ａ、１２ｂが標的材料６上で散乱し、真空容器１の側壁に到達する位置に配置している。標的材料６の表面で散乱したイオン１４ａ、１４ｂはイオントラップ９の散乱板１１に入射する。イオントラップ９の散乱板１１は波板状となっているので、散乱板１１に入射するイオンの一部はその入射角が浅くなり、散乱板１１はスパッタされにくくなる。一方、散乱板１１に対する入射角が深いイオンは散乱板１１をスパッタするが、イオントラップ９の基板５の方向は閉じていて、スパッタされた粒子は基板５の方向には飛散しないため、基板５に成膜される多層膜中に取り込まれることはない。

成膜装置１５では、排気系８で真空容器１内を減圧（例えば、１×１０^-4Ｐａ程度）しておき、イオン銃２内にプラズマを生成するガス（例えば、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｏ₂、Ｎ₂ガス等）をガス導入口４より導入し、イオン銃２内でフィラメントからの熱電子又は高周波をかけることによりプラズマを生成する。そして、イオン銃２の開口部に配置された引き出し電極３に電圧を印加することにより、イオン銃２内で生成されたプラズマ中のイオン（例えば、Ａｒイオン等）はイオン銃２の外に放出される。イオン銃２の開口部はモリブデン（Ｍｏ）等の標的材料６の方向に向けられているため、イオン銃２より引き出されたスパッタイオン（Ａｒイオン等）は標的材料６に照射される。そうすると、標的材料６を構成する原子がＡｒイオン等の衝突によって叩き出され、原子状の蒸気が発生する。標的材料６に対向する位置には、基板５を装着した基板ホルダー１３が設置されており、蒸気は基板５上に付着して薄膜層（交互多層膜を構成する一方のＭｏ薄膜層等）が形成される。

その後は、先ほどとは別のシリコン（Ｓｉ）等の標的材料を用いて、交互多層膜を構成する他方の薄膜層（例えば、Ｓｉ薄膜層等）を形成する。これらの操作を交互に繰り返すことにより、基板上に数十から数百の層からなる多層膜（例えば、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜やＭｏ／Ｂｅ多層膜等）を設けた多層膜反射鏡を製造する。なお、標的材料保持台７には、少なくとも二つの材料からなるターゲット（例えば、ＭｏやＳｉ等）が装着されており、標的材料保持台７は、いずれのターゲットもイオン銃２に対向する位置に動かせるように回転機構を備えていることが好ましい。

成膜装置１５では、イオントラップ９を設けて標的材料６から散乱したイオン１４ａ、１４ｂでスパッタされた粒子が基板５に到達するのを防いでいるので、高いエネルギーを持った散乱Ａｒイオン等による真空容器１の側壁、及び真空容器１中の他の部材等のスパッタを減少させることができる。すなわち、標的材料６で散乱したイオン、該イオンが中性化した原子又は分子を捕獲、無力化することができる。その結果、基板５に成膜される多層膜中の不純物を大幅に減少させることができ、高反射率の多層膜反射鏡を実現することができる。

なお、標的材料から散乱したイオンでスパッタされた粒子が基板に到達するのを防ぐ機構としては、図１に示す形状のイオントラップに限らず、散乱イオンでスッパタされた粒子が基板方向に到達しないような形状であれば良い。また、電圧で電場を発生させてイオンを閉じ込める効果を示す構造体、及び散乱イオンがイオントラップ外に出て行かない散乱挙動を示す構造体の併用、又はそれぞれ単独でも良い。さらに、磁場によってイオンの軌道を変えてトラップしても良い。

〔第２実施形態〕
図２は、第１実施形態に係る成膜装置で製造された、第２実施形態に係る多層膜反射鏡の構造を示す断面図である。本実施形態における多層膜反射鏡３０は、凹面反射鏡であり、多層膜構造を支持する基板５と、基板５上に支持される多層膜３１とを有する。多層膜３１は、基板５上に屈折率が異なる２種類の物質を、例えば、交互に積層することで形成した数層から数百層の多層膜である。この多層膜を構成する２種類の薄膜層Ｌ１、Ｌ２は、例えば、Ｍｏ層及びＳｉ層とすることができる。なお、多層膜反射鏡３０の光学面の形状は凹面に限らず、平面、凸面、多面等使用する目的（装置に組み込む場所等）に応じて適宜調整することができる。

図３は、本実施形態における多層膜反射鏡３０の反射率の入射光の波長に対する特性を示すグラフである。図３の横軸は、入射光の波長であり、縦軸は多層膜の反射率である。図３の実線（あ）は、本実施形態における多層膜反射鏡３０（５０層のＭｏ／Ｓｉ多層膜）の反射率であり、破線（い）は比較例である。比較例（い）は、図５に示す従来のイオンビームスパッタ装置で製造した５０層のＭｏ／Ｓｉ多層膜の反射率である。

図３に示すように、本実施形態における多層膜反射鏡３０の反射率（あ）の反射率ピーク値は６８．６％程度である。これに対し、比較例（い）（従来の多層膜反射鏡）では、反射率ピーク値は６５．４％と３％以上低い。このように、標的材料から散乱したイオンでスパッタされた粒子が基板に到達するのを防ぎながら多層膜を成膜することにより、反射率の低下が小さい多層膜反射鏡が得られる。

〔第３実施形態〕
図４は、第２実施形態に係る多層膜反射鏡を組み込んだ、第３実施形態に係るＥＵＶ露光装置の構造を説明するための図である。ＥＵＶ露光装置４０は、主にＥＵＶ光源４１および照明光学系４２とマスク４４のステージ４５、投影光学系４３、ウエハ４６のステージ４７で構成される。マスク４４には描画するパターンの等倍あるいは拡大パターンが形成されている。投影光学系４３は複数の反射鏡４３ａ〜４３ｄ等で構成され、マスク４４上のパターンをウエハ４６上に結像するようになっている。反射鏡４３ａ〜４３ｄの表面には反射率を高めるための多層光学薄膜が形成されている。

投影光学系４３は輪帯状の視野を有し、マスク４４の一部をなす輪帯状の領域のパターンを、ウエハ４６上に転写する。マスク４４も反射型のものが用いられる。露光の際は、ＥＵＶ光源４１よりのＥＵＶ光４８ａを照明光学系４２によって照明用ＥＵＶ光４８ｂとし、マスク４４上に照明用ＥＵＶ光４８ｂを照射し、その反射ＥＵＶ光４８ｃを、投影光学系４３を通してウエハ４６上に入射させる。マスク４４とウエハ４６を一定速度で同期走査させることで、所望の領域（例えば、半導体チップ１個分の領域）を露光するようになっている。

本実施の形態においては、反射鏡４３ａ〜４３ｄとして、図２に例示される本発明の多層膜反射鏡３０を使用しているので、各反射鏡における反射率を高くすることができ、その分、短い露光時間で露光転写を行うことができるので、スループットを高めることができる。

図１は、第１実施形態に係る成膜装置の概略構造を示す図である。 図２は、第１実施形態に係る成膜装置で製造された、第２実施形態に係る多層膜反射鏡の構造を示す断面図である。 図３は、本実施形態における多層膜反射鏡３０の反射率の入射光の波長に対する特性を示すグラフである。 図４は、第２実施形態に係る多層膜反射鏡を組み込んだ、第３実施形態に係るＥＵＶ露光装置の構造を説明するための図である。 図５は、多層膜中の不純物含有率と多層膜反射鏡の反射率との関係を示すグラフである。 図６は、散乱角θと、入射エネルギーに対する散乱エネルギーの比との関係を示すグラフである。 図７は、従来のイオンビームスパッタ装置の概略図である。

符号の説明

１・・・真空容器 ２・・・イオン銃
３・・・引き出し電極 ４・・・ガス導入口
５・・・基板 ６・・・標的材料
７・・・標的材料保持台 ８・・・排気系
９・・・イオントラップ １０・・・開口部
１１・・・散乱板 １２ａ、１２ｂ・・・入射イオン
１３・・・基板ホルダー １４ａ、１４ｂ・・・散乱イオン
１５・・・成膜装置 ２０・・・イオンビームスパッタ装置
３０・・・多層膜反射鏡 ３１・・・多層膜
４０・・・ＥＵＶ露光装置 ４１・・・ＥＵＶ光源
４２・・・照明光学系 ４３・・・投影光学系
４３ａ〜４３ｄ・・・反射鏡 ４４・・・マスク
４５・・・マスクステージ ４６・・・ウエハ
４７・・・ウエハステージ ４８ａ・・・ＥＵＶ光
４８ｂ・・・照明用ＥＵＶ光 ４８ｃ・・・反射ＥＵＶ光

Claims (5)

1. 減圧可能な容器と、
   前記容器内に配置された、成膜すべき基板を保持する保持手段と、
   前記容器内に配置された標的材料保持台と、
   前記標的材料にスパッタイオンビームを照射する照射手段と、
   を備える成膜装置であって、
   前記標的材料から散乱したスパッタイオン又は該イオンが中性化した粒子でスパッタされた粒子が前記基板に到達するのを防ぐ機構を有することを特徴とする成膜装置。
2. 請求項１に記載の成膜装置であって、
   前記機構が、前記標的材料から散乱したスパッタイオン又は該イオンが中性化した粒子をトラップするトラップ機構であることを特徴とする成膜装置。
3. 十分に減圧した容器内で成膜すべき基板を保持し、該容器内で標的材料に対してイオンビーム照射を行い、該基板上に膜を形成する成膜方法において、
   前記標的材料から散乱したイオン又は該イオンが中性化した粒子でスパッタされた粒子が前記基板に到達するのを防ぎながら膜を形成することを特徴とする成膜方法。
4. 支持用の基板と、該基板上に支持される多層膜と、を有する多層膜反射鏡であって、
   前記多層膜は、十分に減圧した容器内で前記基板を保持し、該容器内で標的材料に対してイオンビーム照射を行うとともに、該標的材料から散乱したイオン又は該イオンが中性化した粒子でスパッタされた粒子が前記基板に到達するのを防ぎながら形成されたことを特徴とする多層膜反射鏡。
5. 請求項４に記載の多層膜反射鏡を備えたことを特徴とするＥＵＶ露光装置。