JP2007063577A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、成膜装置並びに成膜方法に関するものである。特に、波長１３ｎｍ帯の極端紫外線を用いたリソグラフィ用反射型マスクブランク多層膜の無欠陥成膜に用いて有用である。マスクブランク多層膜の成膜では、サイズ３０ｎｍ以上の欠陥密度零が要求され、これまでの成膜技術では達成困難であった。
【解決手段】 本発明の成膜装置は、真空容器と、この真空容器に、成膜材料源と、イオンビーム発生部と、成膜を施す基板の保持手段と、前記成膜材料源から発生する粒子の飛行速度を検出する手段とを、有する。粒子の飛行速度の計測に基づいて、形成中の膜面を、大きな粒子をエッチングするか、所望の膜を堆積するかを判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、成膜装置に関するものである。特に、波長１３ナノメートルの軟Ｘ線領域あるいは極端紫外線領域（Ｅｘｔｒｅａｍ Ｕｌｔｒａ−Ｖｉｏｒｅｔ：以下、ＥＵＶと略記する）にて用いられるリソグフィー用反射型ホトマスクブランク用多層膜の製造に用いる成膜装置に適用して有用である。

従来の代表的な技術は、エスピーアイイー、１７４２巻、６１４頁から６２０頁、１９９２年に示された成膜技術である（非特許文献１）。ホトマスクブランク用多層膜として、モリブデン（Ｍｏ）とシリコン（Ｓｉ）をそれぞれナノメータ（ｎｍ）程度の厚さで交互に積層した構造からなるＭｏ／Ｓｉ多層膜が用いられる。そして、この成膜技術としてマグネトロンスパッタ法及びイオンビームスパッタ法を用いている。特に、イオンビームスパッタ法においては、成膜装置内にイオンビーム発生用のイオン源が２台設置された構成が用いられている。

尚、本発明に係わる粒子速度の計測に関しては、一般的な技術として、例えばジャーナル オブ コロイド アンド インタ−フェースサイエンス第５１巻Ｎｏ．１、４月、１９７５年５８頁から６５頁に示されたものがある（非特許文献２）。この例は、真空装置内部における数ミクロンメータのサイズのラテックス粒子の運動速度をレーザ光の散乱現象を利用して計測する手法が用いられている。これに類似する分野の技術として、レーザドップラー効果を利用した計測について、物理学辞典（培風館）１９９８年、２２８８頁にその基本原理は知られている（非特許文献３）。

エスピーアイイー、１７４２巻、６１４頁−６２０頁、１９９２年（ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．１７４２、１９９２、ｐｐ．６１４−６２０） ジャーナル・オブ・コロイド・アンド・インタ−フェース・サイエンス第５１巻Ｎｏ．１、４月、１９７５年５８頁−６５頁（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌｌｏｉｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．１、Ａｐｒｉｌ １９７５、ｐｐ．５８−６５） 物理学辞典（培風館）１９９８年、２２８８頁

ＥＵＶリソグラフィ用フォトマスクブランクに使用する反射型多層膜では、２５ｎｍ以上のサイズの欠陥密度について、１平方ｃｍ当たり０個が要求されている。この要求に答えるためには、成膜工程途中において発生した欠陥をその場でエッチングにより除去することが最も有効である。前記非特許文献１に記載されている技術では、イオンビームスパッタ法によりＭｏ／Ｓｉ多層膜を成膜する工程で、成膜装置内に設置されているイオン源２台（以下、第１のイオン源、第２のイオン源と称する）の内、第１のイオン源は成膜用基板表面にのみイオンビームが照射されるように配置し、第２のイオン源はスパッタ用ターゲット面方向にのみイオンビームが照射される構成である。この構成では、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜を形成する成膜工程において、任意の時間に第１のイオン源を用いて基板上にイオンビームを照射し、基板表面のエッチングを行うことが可能である。

しかし、この装置では、第１のイオン源を用いて基板表面のエッチングを行うための条件（成膜工程中のいつ、どのタイミングで行うか）を事前に判定をすることが困難である。成膜途中において、基板表面に飛来し欠陥生成の原因となる粒子の検出もできない。従って、製造工程における良品率を高めるためには、欠陥発生の可能性のあるすべての成膜工程において、常にエッチングを実施する必要性がある。このような工程は、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜成膜の製造時間と材料・資源費を上昇させることになる。この為、製造コストを大幅に上昇させることになる。

本発明の目的は、これまでの成膜技術における困難な課題を解決し、成膜中の欠陥を効率的に低減する成膜装置及び成膜方法を提供することにある。本発明は、わけても、多層膜の成膜工程における欠陥低減に有用である。

本願発明の基本的な構成は次の通りである。即ち、真空容器と、この真空容器に、成膜材料源と、イオンビーム発生部と、成膜を施す基板の保持手段と、前記成膜材料源から発生する粒子の飛行速度を検出する手段とを、有することを特徴とする成膜装置である。この場合、前記成膜材料源から発生する粒子の飛行速度を検出する手段として、光学機構である形態が、最も有用、実用的なものである。こうした成膜装置を用いることによって、次のような制御を可能とする。

本願発明に係る制御部は、前記成膜材料源から発生する粒子の飛行速度を検出する手段からの信号に基づいて、成膜工程途中における成膜部の表面を、イオンビームを用いてエッチングを行うか、或いは或いは前記成膜粒子の堆積するかの判定を行い、その指示する工程を実施するよう指示信号が出される。この指示に基づく工程の実施によって、成膜中の欠陥の効率的な低減を可能とする。

本発明に係る成膜方法は次の通りである。

真空容器内の基板の保持手段に設置された基板を準備し、
前記基板に、成膜材料源より成膜粒子を堆積させる工程を有し、且つ下記（ａ）より（ｃ）の工程を少なくとも一巡行うことを特徴とする成膜方法。
（ａ）前記基板に前記成膜材料源より成膜粒子を堆積させる工程中に、前記成膜材料源からの成膜粒子の飛行速度を検出し、
（ｂ）前記検出された成膜粒子の飛行速度の信号に基づいて、成膜工程途中における成膜部の表面を、イオンビームを用いてエッチングを行うか、或いは前記成膜粒子の堆積するかの判定を行い、
（ｃ）その判定結果に基づき、所定の工程を実施する。

こうした方法によって、成膜中の欠陥の効率的な低減を可能とする。

本発明は、効率よく欠陥発生の極めて少ない成膜を可能とする成膜装置並びに成膜方法を提供することが出来る。

＜実施例１＞
本例は、代表的な成膜装置の例である。本例は、スパッタ源がマグネトロン型スパッタ装置を用いた例で、例えば、磁性薄膜の製造に多用されている。又、本例は欠陥密度の低いＭｏ／Ｓｉ多層膜を形成するためにも有用である。

図１を用いて、本例の成膜装置を説明する。図１は装置の構成の概念図である。成膜装置の真空装置である成膜室４１に成膜用基板４２、成膜原料から成るスパッタ源Ｍｏターゲット４４、Ｓｉターゲット４３、更に、イオンビーム発生源となるイオン減５４、真空中を飛来するスパッター粒子の検出を行うためのレーザ光出力口Ａ ４８、及びレーザ光出力口Ｂ ４９、受光器６３が設置されている。ここで、レーザ光は、波長６３０ｎｍ帯の赤色発光を行う半導体レーザを利用してもよいし、あるいは更に短波長である４００ｎｍ帯の青色半導体レーザ発光を利用してもよい。レーザ光出力口Ａ、Ｂから出た２本のレーザ光５０は、基板とターゲットの間の空間で交差部Ｆを作るように配置されている。尚、ここで、交差部Ｆを図中でわかり易くする為、Ｆ部を囲む楕円がかかれている。この楕円は単なる表示であり、ある領域を示すものではない。以下の類似の図面でも同様である。

前記受光部５３からの電気信号は制御系６０に入力される。この制御系５３からは、スパッタ源４３、４４に、スイッチＳを介して接続される。制御系５３での論理判定に基づく信号によって、スイッチＳが動作すべきスパッタ源を選択することとなる。

スパッタ・ターゲット４３ないしは４４から飛び出したスパッタ粒子４５または４６は成膜用基板４２の方向に向かって真空中を飛行する。この場合、前述したようにレーザ光出力口Ａ、Ｂから出た２本のレーザ光５０は、基板とターゲットの間の空間で交差部Ｆを作る。この交差部Ｆを通過するスパッター粒子があった場合、その粒子により散乱されたレーザ光は、受光器５３へ到達すると電気信号に変換されて、粒子情報としてリアルタイムで観測者へ信号を表示する。レーザ光の交差部はサイズが数１０ミクロンのレベルであるが、この空間を通過する粒子のサイズが大きければ大きいほど、受光器５３の電気信号も大きくなる。

成膜基板へ飛来するスパッタ粒子とその検出に関する模式図を図２に示す。基板１上に向かってスパッタ・ターゲットからの飛来粒子２が多数存在する真空中で基板表面には堆積した膜３、膜の上に堆積した膜構成粒子４、更にサイズが大きい突起状に堆積した粒子５がある。尚、堆積した膜３、膜の上に堆積した膜構成粒子４は、現実には判然と分離された領域ではないが、考察を容易になす為、分けて図示されている。真空中に飛来する粒子に対して、レーザ光６が照射され、その散乱光の一部７が光検知部８に入射すると、散乱光の強度に対応した電気信号９が光検知器から出力される。こままの状態でスパッター成膜を続行すると、図３に例示する状態となる。即ち、基板１の表面上には、サイズの大きな粒子５が埋め込まれた状態で突起状の欠陥２２、２３が発生する。尚、図３では図２と同じ部位などには同じ符号を用いた。

尚、前記成膜材料源から発生する粒子の飛行速度を検出する手段は、検出目的から当然であるが、図１に図示したように、前記成膜材料源と成膜部の相対向する面における、対応端部を結ぶ線で囲まれた領域内に設定される。

次に、本発明に特徴的な成膜工程を説明する。即ち、前記突起状欠陥を削除する工程であって、これらを図４Ａより図４Ｇを用いて説明する。図４Ａは、基板３１上に堆積した第１の膜であるＳｉ膜３２’及び３２があり、その膜上に突起状の欠陥３３が発生している。この突起状欠陥３３は、図２に説明したレーザ光の散乱光を事前に計測することで、基板上に発生することを予測検知できる。

この予測検知の信号に基づいて、イオンビーム３４を基板上に斜めの方向から入射させる。尚、イオンビーム３４は、通例アルゴンが用いられる。このガスはエッチング用であり、一般的にはアルゴン、キセノン、クリプトンなど、希ガスが用いられる。この時、イオンビームは、基板面への垂直入射からθだけ傾きをもたせる。具体的には角度θの値として、４０度から８０度の範囲に収めると、基板上の突起部に対するエッチングの速さ（エッチングレート）が最大になる。図４Ｂ及び図４Ｃは、イオンビームを照射し続けた場合の基板表面の様子を、時間経過を追って描いたものである。図４Ｃでは、基板上の突起部は、小さくなり、後の工程で成膜を再開してもその部分に欠陥部が拡大しない程度のサイズとなっている。

図４Ｄは、イオンビームでのエッチングを終了し、Ｓｉのスパッタを再開した状態であり、図４ＥはＳｉスパッタを所定の厚さまで完了した状態である。

図４Ｆは、第２の膜であるＭｏのスパッタを開始した状態であり、図４Ｇは、Ｍｏのスパッタが完了した状態である。このようにして、Ｓｉ／Ｍｏの膜構造をもった欠陥のないスパッタによる堆積が実現する。

図５は、受光器で測定した真空中の粒子速度と基板面へ入射し、付着する粒子の大きさ（又は重さ）の関係を示す。図５中の斜線部は、そのばらつきを含めた領域を例示している。この関係は、スパッタ・ターゲットへ入射するスパッタ用Ａｒの入射エネルギーが、そのままターゲットから飛び出すスパッタ粒子の運動エネルギーに転化した場合を仮定して導き出したものである。即ち、粒子の持つ運動エネルギーが一定の時、粒子の重さは速度の２乗に逆比例すること、及び、粒子のサイズが大きければ重さが大きいという簡単な比例関係が成り立つことを仮定した場合の関係式から得たものである。この図より、粒子のサイズが小さい程、粒子速度が大きいことがわかる。イオンビームの加速電圧が数１００ボルト（Ｖ）から数キロボルト（ＫＶ）の場合、粒子サイズが３０ｎｍ以上の領域では、速度は２００ｍ／ｓｅｃ−３００ｍ／ｓｅｃ以下のオーダーである。図５から、速度が２００ｍ／ｓｅｃ以下の粒子では、基板上に数１０から数１００ｎｍのサイズの欠陥を生成する可能性が高いことがわかる。

この例に見られるように、受光器で測定した粒子速度と基板に付着する粒子の大きさとの関係を求めておき、受光器よりの信号を、イオン源よりのイオンによって大きな粒子をエッチングするか、或いはスパッタによって膜を堆積するかの論理判定を行う。そして、この論理判定に基づく工程を実行せしめるのである。

成膜工程の途中における、成膜面のエッチング及びスパッタによる堆積に関する主要な工程を、時系列順に示したのが、図６である。この工程では、Ｍｏスパッタ（１）とそれに続くＳｉスパッタ（７）の間にＭｏスパッタ面のエッチング（４）を行い、次にＳｉスパッタ（７）を実施する。Ｓｉスパッタ（７）後のも、エッチング（１１）を実施して、次にＭｏをスパッタ（１）する。このようなサイクルを繰り返して、ＥＵＶ反射型マスクブランク用Ｍｏ／Ｓｉ多層膜を４０−６０周期分形成する。ここでは、Ｍｏ、Ｓｉの各単一層成膜直後にエッチングを実施する方式を記載してあるが、粒子速度の計測の結果、例えばＳｉのスパッタ時に２５ｎｍ以下の粒子サイズに相当する粒子速度が観測された場合には、成膜完了後のＭｏ／Ｓｉ多層膜として欠陥サイズが小さいためにマスクブランク不良品とはならない。この場合には、成膜工程の途中でエッチングを実施せず、次のスパッタ工程へ進める。このようにして、必要な工程にのみエッチングを実施することで成膜工程全体の時間と原材料の節減を実施することが出来る。この時間と原材料の節減の程度を大まかな考察を行う。定量的には積層体の積層数によって異なるが、例えば上記のＭｏ／Ｓｉ多層膜に対して、一般に多用する各４０層を考察する。各層の堆積は概ね１分程度、又、平坦化の為のエッチングは各層で３０秒から１分程度である。従って、各４０層、全積層８０層の形成に概ね３時間程度と目され、一方平坦化作業に６０−８０分を更に要する。これに対して、本発明によれば、必要とされる層形成の時のみ平坦化のエッチングを施せば良い。上記の積層体では、２−３回程度である。従って、全積層８０層の形成は、当然変わらないが、平坦化には２−３分と大幅な短縮を図ることが出来る。

又、原材料の節減の観点でも、６０−８０分の余分な工程が、２−３分に短縮されるので、原材料も１／３０−１／４０程度の無駄に抑えることが可能となる。以下の実施例においても、こうした効果は同様である。

尚、本例では、ＳｉとＭｏの多層膜の形成を例としたが、本発明の成膜装置は、これらの元素の組み合わせに限られるものではないことはいうまでもない。本発明は、単層の膜形成、或いは種々の膜材の組み合わせの多層膜の成膜に用いることが出来る。勿論、以下の実施例においても同様である。

＜実施例２＞
本例は、イオンビーム・スパッタ装置に、本発明に係る粒子モニターと第２のイオン源を付加した装置の構成例である。即ち、イオン源として、エッチング用イオンビームのイオン源７９とスパッタ用のイオン源８０の２つが設けられた。即ち、実施例１でのマグネトロン型スパッタ源に替えてイオン・ビーム・スパッタ方式としたものである。更に、スパッタ源８１、８２を背中合わせにホールダに搭載した。

この例の構成の概念図を図７に示す。成膜室４１内に、基板７１がセットされており、この基板に向けてイオン源７９からエッチング用のイオンビームが出る構成は、実施例１と同じである。スパッタ源には、Ｍｏターゲット８１およびＳｉターゲット８２が背中合わせにホールダに搭載されている。ホルダ自体を回転することで、基板へのターゲットの向きを変えることが出来る。図１の例では、スパッタ源は二つ並置して設けられており、空間的には本例が有利である。ターゲットへのイオンビームは、スパッタ用イオン源８０から発射される。基板方向へ飛行するスパッタ粒子８３の内、レーザ光を散乱し、その散乱光は、受光器７５にて検知されることで、粒子の飛行速度が計測される。粒子の飛行速度とそのサイズの関係は、実施例１と同様である。例えば、Ｓｉスパッタ中に、受光器にて観測された飛行速度の小さい粒子は、サイズが大きく、成膜工程において欠陥を成生する可能性が高い。従って、Ｓｉスパッタ工程の直後にイオンビームエッチングを実施して、欠陥が想定されるＳｉ膜を除去し、再度Ｓｉスパッタを実施する。この工程で、サイズが大きい粒子が観測されなければ、次のＭｏスパッタ工程へ移る。

図７の例では、生膜室に２つのイオン源７９、８０が設置された構成を採るが、図８に示すように、イオン源７９は１個のみ成膜室に設置し、イオンビームの射出方向を基板の方向とスパッタ・ターゲットの方向へ任意に変えられるような構成でも良い。本例では、図７の例におけるイオン源を一つとしたので、空間的に有利である。尚、図８では、各部の符号は図７と同様である。

＜実施例３＞
本例は電子ビーム蒸着装置に本例を適用した例である。こうした成膜装置は電極薄膜の製造に多用されている。図９は実施例３を説明する装置構成の概念図である。本例は、電子ビーム蒸着装置の成膜室１００にイオン減５４、レーザ光源Ａ９７、レーザ光源Ｂ９８、および受光器９９を設置した構成である。成膜原料には、Ｓｉ、Ｍｏをそれぞれハーネス９０に入れる。

Ｓｉ成膜の時は、Ｓｉハーネス（９１：Ｓｉ原料）を電子ビームで加熱し、そこから発生したＳｉ蒸気の原子（分子）が基板９６に向かって真空中を飛行し、成膜面９５を形成する。このＳｉ蒸着の工程で、基板に向かう蒸発粒子９３の一部が、レーザ光Ａ、Ｂの交差部にて、レーザ光を散乱し、受光器９９には、散乱光９４が入射する。この場合にも、前記実施例で説明したように、散乱光９４の観測から、基板に向かう粒子の速度、およびサイズに関する情報を得ることができる。Ｓｉ（９１：Ｓｉ原料）とＭｏ（９２：Ｍｏ原料）を交互に蒸着する工程で、サイズの大きい粒子に関する観測結果が得られた（Ｓｉ又はＭｏ）蒸着工程にのみ、その直後にイオンビームを用いて、蒸着膜（Ｓｉ又はＭｏ）をエチングして、除去する。その後、Ｓｉ又はＭｏの蒸着工程から再開する。こうした諸工程はこれまでの実施例と同様である。

図１は、本発明の成膜装置の概念図である。 図２は、基板面に飛来する粒子の計測原理を示す概念図である。 図３は、基板面に形成された突起状欠陥を示す模式図である。 図４Ａは、基板面に形成された突起状欠陥を除去する方法を工程順に示した基板の断面図である。 図４Ｂは、基板面に形成された突起状欠陥を除去する方法を工程順に示した基板の断面図である。 図４Ｃは、基板面に形成された突起状欠陥を除去する方法を工程順に示した基板の断面図である。 図４Ｄは、基板面に形成された突起状欠陥を除去する方法を工程順に示した基板の断面図である。 図４Ｅは、基板面に形成された突起状欠陥を除去する方法を工程順に示した基板の断面図である。 図４Ｆは、基板面に形成された突起状欠陥を除去する方法を工程順に示した基板の断面図である。 図４Ｇは、基板面に形成された突起状欠陥を除去する方法を工程順に示した基板の断面図である。 図５は、粒子サイズと粒子速度との関係を示す図である。 図６は、成膜の主要工程を時間的な順序に従って示した説明図である。 図７は、本発明の成膜装置を示す概念図である。 図８は、本発明の別な成膜装置を示す概念図である。 図９は、本発明の更に別な成膜装置を示す概念図である。

符号の説明

１、３１、７１：基板、２：飛来粒子、３：堆積した膜、４：基板表面に堆積した膜の構成粒子、５：突起状に堆積した粒子、６：レーザ光Ａ、７：散乱光、８：光検知器、９：電気信号、１１：レーザ光Ｂ、２１：異なる元素の境界、２２、２３、３３：突起状欠陥、３２：堆積した膜（例：Ｓｉ）、３４：イオンビーム、３５：小さくなった欠陥、３６：第１の元素（例：Ｓｉ）飛来粒子、３７：堆積した第１の元素（例：Ｓｉ）の膜、３８：第２の元素（例：Ｍｏ）の飛来粒子、３９：第２の元素（例：Ｍｏ）の堆積膜、４１：成膜室、６０：制御系、７２：成膜面、７３：レーザ光出力口Ａ、７４：レーザ光出力口Ｂ、７５：受光器、７８：レーザ光、７７：レーザ光線の交差部Ｆ、７８：散乱光、７９：イオン源、８０：スパッター用イオン源、８１：スパッター源第２の元素（例：Ｍｏ）のターゲット、８２：スパッター源第１の元素（例：Ｓｉ）のターゲット、８３：スパッター粒子、９０：ハーネス、９１：第１の元素（例：Ｓｉ）の原料、９２：第２の元素（例：Ｍｏ）の原料、９３：蒸発粒子、９４：散乱光、９５：成膜面、９６：基板、９７：レーザ光源Ａ、９８：レーザ光源Ｂ、９９：受光器、１００：成膜室、Ｓ：スイッチ。

Claims (5)

1. 真空容器と、この真空容器に、成膜材料源と、イオンビーム発生部と、成膜を施す基板の保持手段と、前記成膜材料源から発生する粒子の飛行速度を検出する手段とを、有することを特徴とする成膜装置。
2. 前記成膜材料源から発生する粒子の飛行速度を検出する手段が、光学機構であることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記成膜材料源から発生する粒子の飛行速度を検出する手段からの信号に基づいて、成膜工程中における成膜部の表面を、イオンビームを用いてエッチングを行うか、或いは前記成膜粒子の堆積するかの判定を行い、その判定結果の工程に制御する制御部を有することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
4. 前記成膜材料源から発生する粒子の飛行速度を検出する手段は、前記成膜材料源と成膜部の相対向する面における、対応端部を結ぶ線で囲まれた領域内に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
5. 真空容器内の基板の保持手段に設置された基板を準備し、
   前記基板に、成膜材料源より成膜粒子を堆積させる工程を有し、且つ下記（ａ）より（ｃ）の工程を少なくとも一巡行うことを特徴とする成膜方法。
   （ａ）前記基板に前記成膜材料源より成膜粒子を堆積させる工程中に、前記成膜材料源からの成膜粒子の飛行速度を検出し、
   （ｂ）前記検出された成膜粒子の飛行速度の信号に基づいて、成膜工程途中における成膜部の表面を、イオンビームを用いてエッチングを行うか、或いは前記成膜粒子の堆積するかの判定を行い、
   （ｃ）その判定結果に基づき、所定の工程を実施する。

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