JP2007154232A - スパッタ装置およびスパッタによる成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】負イオン等の高エネルギー粒子が、成膜に際し膜あるいは基板等へ入射することを抑制し、光損失を抑えて良質な薄膜を形成することを可能とするスパッタ装置およびスパッタによる成膜方法を提供する。
【解決手段】成膜室の内部にマグネトロン磁場形成手段１２２を備えた円筒状ターゲット１２３と、該ターゲットの一方の開口部を塞ぐように設置されたアノード１２５と、を有し、前記円筒状ターゲットと対向する基板上に薄膜を堆積させるスパッタ装置を、つぎのように構成する。
前記円筒状ターゲットから基板方向に対し垂直な磁場を形成する磁場形成手段１２４を、前記円筒状ターゲットと前記アノードによって囲まれた放電空間内に設けられ、その磁力線の向きが前記マグネトロン磁場形成手段による磁場の磁力線と逆方向の磁性物質によって構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、スパッタ装置およびスパッタによる成膜方法に関し、特に半導体露光装置やその他の光学素子に用いられる弗化物薄膜を形成するスパッタ装置およびスパッタによる成膜方法に関するものである。

反射防止膜および反射膜等は、一般に弗化マグネシウム（ＭｇＦ₂）に代表される低屈折率材料と酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）などに代表される高屈折率材料のいずれか一方、もしくは両者の組み合わせにより構成された膜によって形成されている。
そして、これらの反射防止膜あるいは反射膜等は、要求される光学特性によって膜厚や層の構成などを調整されている。

以上の薄膜を成膜する場合、従来では大面積に高速成膜が可能である真空蒸着法により成膜されることが一般的であった。
しかしながら、近年においては、装置の大型化や、膜厚の高制御性、自動生産機への対応、さらには被成膜処理物が低い温度で成膜すること等が要求され、上記蒸着法では、膜強度が弱く、所望の機械的な特性を有する薄膜を製作することが困難となっている。
このため、真空蒸着法に比べ工程の省力化、品質安定性、膜質（膜強度、密着性など）などの面で優位と考えられるスパッタリングによって薄膜を成膜することへの要求が高まってきている。

ところで、薄膜製造用のスパッタ装置として、平行平板型のマグネトロンスパッタ装置が古くから知られている。
これは、真空容器内に薄膜の材料となるターゲットと、基板ホルダに取り付けられた基板とを対向するように設置し、プラズマを生成してターゲットをスパッタリングし、スパッタリングによって叩き出されたターゲット粒子を基板上に堆積させる方法である。

このようなマグネトロンスパッタリングによる方法を用いて、例えば、特許文献１のように金属弗化物薄膜を成膜する方法が提案されている。
この方法においては、金属ターゲットと、Ａｒなどの不活性ガスとＣＦ₄などの弗素系ガスとの混合ガス等を用いて、ＤＣスパッタリングによって金属弗化物薄膜が成膜される。しかしながら、ＣＦ₄やＦ₂ガスなどの反応ガスを導入してレンズなどの基板に弗化物材料を成膜する場合、つぎのような問題を生じる。
すなわち、放電内に生成した弗素、もしくは弗素化合物の負イオンがカソードシース電圧で加速され、高エネルギー粒子となって膜に入射し、膜に物理的ダメージを与えたり膜の組成比変動を引き起こす原因となる。
さらに、ターゲット材料やスパッタリング条件によっては基板上に膜が形成されずに逆に基板がエッチングされるなどの問題がある。
また、基板近傍に形成されるイオンシースによって加速されたＡｒイオンなどの陽イオンも、先に述べた負イオン程ではないが基板や膜に対してダメージを与える要因となっていると考えられている。
このようなことから、最近では、上記のようなダメージを抑えて良質の弗化物薄膜を得るための研究が進められてきている。
例えば、特許文献２のように、放電空間を複数の穴をあけた金属板で覆うことによりプラズマが基板側へと拡散するのを防ぎ、負イオンなどの荷電粒子が基板に届く量を低減する方法が提案されている。
また、特許文献３のように、良質な弗化物薄膜を生成する方法が提案されている。
この方法では、ターゲットを円筒状にし、その一方の開口部にアノードを、他方の開口部に基板を設置する。
そして、カソードシースによる負イオンの加速方向を基板方向から遠ざけることにより、基板や膜へのダメージを減らし良質な弗化物薄膜を生成するようにされている。

ここで、図３に従来例のスパッタ装置におけるターゲットユニットの構成を示す。
図３において、１２７はマグネトロン用磁石、１２８は円筒状のターゲット、１２９はアノードである。円筒形ターゲット１２８を用いた従来例のスパッタ装置におけるターゲットユニットでは、図３（ａ）に示すように放電空間内に磁石を有していない。このため、従来例により得られる磁場は図３（ｂ）の矢印のようになり、本実施例のような上記した基板方向に垂直に発生する磁場を得ることはできない。
したがって、従来例のものにおいては、放電空間から基板への電子及び正負イオンをトラップすることができず、あるいはその運動方向を基板から遠ざけることができない。そのため、本実施例のように光損失を抑え良質な薄膜を形成することができないものである。
特開平７−１６６３４４号公報 特開２００３−１９３２３１号公報 特開２００２−４７５６５号公報

しかしながら、近年においてはＬＳＩの高集積化に伴い、露光装置で使用される光の短波長化や、あるいは緻密に光路を制御するために膜構成が複雑化した等の影響で、弗化物膜に対する要求もより厳しいものとなっている。中でも、膜による光損失を抑えることがより一層に重要となっている。
前述したように、膜による光損失は負イオン等の高エネルギー粒子による膜へのダメージが主な原因であることが、これまでの研究により明らかにされている。このようなことから、特許文献２、３等のように、上記ダメージを低減して良質な膜の形成が図られているが、上記した近年における膜による光損失を抑えることへの要求に、必ずしも十分に対応し得るものではなかった。

本発明は、上記課題に鑑み、負イオン等の高エネルギー粒子が、成膜に際し膜あるいは基板等へ入射することを抑制し、光損失を抑えて良質な薄膜を形成することを可能とするスパッタ装置およびスパッタによる成膜方法を提供することを目的とするものである。

本発明は上記課題を解決するため、つぎように構成したスパッタ装置およびスパッタによる成膜方法を提供するものである。
本発明は、スパッタ装置をつぎのように構成したことを特徴としている。
本発明のスパッタ装置は、成膜室の内部にマグネトロン磁場形成手段を備えた円筒状ターゲットと、該ターゲットの一方の開口部を塞ぐように設置されたアノードと、を有している。また、前記成膜室にスパッタリングガスと反応ガスを導入する構成を備えている。
そして、前記円筒状ターゲットに外部電力供給手段から電力を印加してスパッタを行なうことで、前記円筒状ターゲットと対向する位置に配置される基板上に薄膜を堆積させるように構成されている。
また、本発明は、スパッタによる成膜方法をつぎのように構成したことを特徴としている。
本発明の方法では、マグネトロン磁場形成手段を備えた円筒状ターゲットと、該ターゲットの一方の開口部を塞ぐように設置されたアノードとが設けられた成膜室内に、つぎのようにガスを導入する。すなわち、前記アノードの側からスパッタリングガスを、また前記成膜室における放電空間の外部側から反応ガスを、それぞれ導入する。そして、前記円筒
状ターゲットに電力を印加してスパッタを行ない、前記円筒状ターゲットと対向する基板上に薄膜を堆積させるように構成されている。

本発明によれば、負イオン等の高エネルギー粒子が、成膜に際し膜あるいは基板等へ入射することを抑制し、光損失を抑えて良質な膜を形成することを可能とするスパッタ装置およびスパッタによる成膜方法を実現することができる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。

実施例においては、本発明を適用して構成したスパッタ装置について説明する。図１に、本実施例のスパッタ装置の構成を示す。
図１において、１００は成膜室、１０１はドライポンプ、１０２はガス処理系、１０３はバルブ、１０４はターボ分子ポンプ、１０５はクライオポンプである。１０６はバルブ、１０７はスパッタリングガス供給手段である。このスパッタリングガス供給手段１０７は、スパッタリングガスとして、Ａｒ，Ｘｅ，Ｎｅ，Ｋｒの少なくとも１つを含むガスを供給可能に構成されている。
１０８は予備真空室、１０９は基板搬送手段、１１０は基板である。１１１は反応ガス供給手段であり、この反応ガス供給手段は、反応ガスとして、Ｆ₂，ＣＦ₄，ＮＦ₃，ＣＨＦ₃の１種類もしくは複数種類を含むガスを供給可能に構成されている。
１１２はプラズマ生起用電源であり、外部電力供給手段として１ＫＨｚ〜３５０ｋＨｚの高周波の矩形反転電圧を印加可能な直流電源で構成されている。
１１３は高周波重畳および異常放電対策電源、１１４は反応ガス供給管である。１１５、１１６、１１７はバルブである。また、１１８はゲートバルブ、１１９はターゲットユニット、１２０はドライポンプ、１２１はターボ分子ポンプである。

本実施例のスパッタ装置は、成膜室１００の他に予備真空室１０８を持ち、基板は一度予備真空室にて真空引きされてから成膜室へと搬入される。
これにより、成膜室への大気の混入を最小限に抑えることができるように構成されている。
スパッタリングガスは、ガス供給手段１０７より直接放電空間（ターゲット・アノードで囲まれた空間）へと導入され、反応ガスはガス供給手段１１１より通気孔を複数設けたガス供給管１１４を経て放電空間外へ導入される。
そして、本実施例のスパッタ装置は、弗化マグネシウム（ＭｇＦ₂），弗化ランタン（ＬａＦ₃），弗化化ガドリニウム（ＧｄＦ₃），弗化アルミニウム（ＡｌＦ₃）のいずれかの成膜に用いることができる。あるいは、弗化ネオジウム（ＮｄＦ₃），弗化ナトリウム（ＮａＦ），弗化バリウム（ＢａＦ₂）のいずれかの成膜に用いることができる。

つぎに、本実施例のスパッタ装置におけるターゲットユニット１１９について説明する。図２に、ターゲットユニットの内部を説明するための図を示す。
図２（ａ）は、図１におけるターゲットユニット１１９の内部を拡大した図であり、図２（ｂ）はその断面図である。図２において、１２２はマグネトロン用磁石（マグネトロン磁場形成手段）、１２３は円筒状のターゲット、１２４は円筒形容器、１２５はアノード板であり、１２６は基板方向に垂直な磁場を示す。本実施例のターゲットユニット１１９においては、円筒状のターゲット１２３の外周に並ぶようにマグネトロン用磁石１２２が設置されている。この円筒状のターゲット１２３の一方の開口部には、円筒状のターゲット１２３の内周とほぼ同形状のアノード板１２５を円筒状のターゲット１２３と接触しないように設置されている。このアノード板１２５の中心部には、内部に空間を有する円筒
形容器１２４が設けられている。
ここで、円筒状のターゲット１２３の周辺に配したマグネトロン用磁石と極が逆向きになるように、その円筒形容器１２４の内部に磁石が装填されている。円筒形容器１２４はＳＵＳ製であり、アノード板１２５と接して設けられている。これにより、容器自身もアノードの役割を果たす。
以上の構成のもので、ターゲットとアノードによって囲まれた放電空間に形成される磁場１２６は、図２（ｂ）の点線内に矢印で示されるように、円筒状のターゲット１２３から基板１１０方向に対して垂直に形成される。
このようにして形成された基板方向に垂直な磁場１２６が、放電空間から基板への電子及び正負イオンをトラップすることができ、あるいはその運動方向を基板方向から遠ざけるようにすることができる。これらにより、負イオン等の高エネルギー粒子が膜や、あるいは基板等へ入射することを抑制し、光損失を極限まで抑えて良質な薄膜を形成することが可能となる。

これに対し、本実施例のような円筒形容器１２４の内部に磁石が装填された構成を有しない図３に示された従来例では、磁場を基板方向に垂直に発生することができず、本実施例のように光損失を抑えて良質な薄膜を形成することができない。

（実験１）
堀場製作所製ラングミュアプローブＤＩＧＩＰＲＯＢＥを用いて基板近傍でのプラズマ測定を行なうことにより、本発明の実施例による装置と従来の装置との違いを調べた。
放電条件として、電力供給部にＤＣ電源を用い、ターゲットユニットとＤＣ電源の間に異常放電対策用にＡＥ社製のＳｐｒｃ−ｌｅＶを使用した。また、ガス条件はＡｒを２００ｓｃｃｍの流量でチャンバー内に導入してＤＣ電源より５００Ｗの電力を供給することで放電を生起させた。そして、ターゲット電圧が安定した後プローブを基板位置（ターゲット端部から１２０ｍｍ）に挿入し、測定を行なった。
これらの測定結果を、図４に示す。また比較のため、図３に示した従来の装置における測定結果も図４に示している。図４より、プローブに同じ電位を与えたとき、プローブに流入してくる電子数に違いが見られ、本発明の実施例による装置の方がその数が少ない。すなわち、本発明の実施例による装置を用いることにより、電子のトラップ効率を向上させることができたことがわかる。同様に、正負イオンに対してもトラップ、もしくは軌道を変える効果があると推定される。

（実験２）
本発明の実施例による装置と従来の装置を用いて、実際にＭｇＦ₂単層膜を形成し、膜の光損失を比較した。
まず、これらの装置による成膜方法について図１を用いて説明する。ＵＶオゾン洗浄を充分に行ない表面の有機物を除去したＳｉＯ₂基板（３０φ×２ｔ）を基板１１０を基板ホルダに固定し、予備真空室１０８内で５．０ｅ−６Ｔｏｒｒ以下まで真空排気する。予め高真空下（８．０ｅ−７Ｔｏｒｒ以下）に排気させてある成膜室１００内に、ガス供給手段１０７よりスパッタリングガスを、ガス供給手段１１１より弗素を含む反応ガスをガス管１１４を通じて導入させた。そして、成膜室１００内を所定の圧力に保つ。
つぎに、ターゲットユニット１１９の内部に設置されたターゲットに電力供給手段１１２より５００Ｗの電力を、高周波重畳および異常放電対策電源１１３を通し供給させ、放電を生起させる。その後、プラズマインピーダンスが安定した後にゲートバルブ１１８を開き、基板搬送手段１０９を用いて、ターゲット・基板距離が１２０ｍｍの位置まで基板を移動させ成膜を開始する。成膜が開始し、所定時間を経過した後に電力供給手段であるプラズマ生起用電源１１２よりターゲットに供給されている電力をカットし、成膜を完了する。
その後、スパッタリングガス供給手段１０７及び反応ガス供給手段１１１より供給される
スパッタリングガスおよび反応性ガスの供給を停止させ、基板搬送手段１０９を成膜前の位置までもどし、ゲートバルブ１１８を閉じる。そして、バルブを閉じた後に窒素を予備真空室１０８に供給し、予備真空室１０８を大気圧に戻した後、被成膜基板を取り出し、分光計器社製真空紫外分光測定器を用いて膜の光損失を測定した。

以上の成膜方法により、本発明の実施例による装置と従来の装置によって得られた膜の光損失を測定した結果を図５に示す。また比較のため、図３に示した従来の装置における測定結果も図５に示している。
図５から、本発明の実施例による装置を用いることによって、特に１７０〜２１０ｎｍ域において光損失が低減されていることがわかる。なお、１７０ｎｍ以下の波長域においてはＳｉＯ₂基板の透過率が著しく減少するため測定を行なっていないが、波長が１７０ｎｍ以下の光に対しても、本発明の実施例による装置では、効果があるものと推定される。

本発明の実施例におけるスパッタ装置の構成を示す図。 本発明の実施例におけるターゲットユニットの内部を説明するための図。（ａ）は図１におけるターゲットユニットの内部を拡大した図。（ｂ）はその断面図。 従来例におけるターゲットユニットの内部を説明するための図。（ａ）は図１におけるターゲットユニットの内部を拡大した図。（ｂ）はその断面図。 実験１の結果を説明する図。 実験２の結果を説明する図。

符号の説明

１００：成膜室
１０１：ドライポンプ
１０２：ガス処理系
１０３：バルブ
１０４：ターボ分子ポンプ
１０５：クライオポンプ
１０６：バルブ
１０７：スパッタリングガス供給手段
１０８：予備真空室
１０９：基板搬送手段
１１０：基板
１１１：反応ガス供給手段
１１２：プラズマ生起用電源
１１３：高周波重畳および異常放電対策電源
１１４：反応ガス供給管
１１５：バルブ
１１６．バルブ
１１７：バルブ
１１８：ゲートバルブ
１１９：ターゲットユニット
１２０：ドライポンプ
１２１：ターボ分子ポンプ
１２２：マグネトロン用磁石
１２３：円筒状のターゲット
１２４：円筒形容器
１２５：アノード板
１２６：基板方向に垂直な磁場
１２７：マグネトロン用磁石
１２８：円筒状のターゲット
１２９：アノード

Claims (11)

1. 成膜室の内部にマグネトロン磁場形成手段を備えた円筒状ターゲットと、該ターゲットの一方の開口部を塞ぐように設置されたアノードとを有し、
   前記成膜室にスパッタリングガスと反応ガスを導入し、前記円筒状ターゲットに外部電力供給手段から電力を印加してスパッタを行なうことで、前記円筒状ターゲットと対向する位置に配置される基板上に薄膜を堆積させるスパッタ装置であって、
   前記円筒状ターゲットから前記基板方向に対し垂直な磁場を形成する磁場形成手段を有することを特徴とするスパッタ装置。
2. 前記基板方向に対し垂直な磁場を形成する磁場形成手段は、前記円筒状ターゲットと前記アノードによって囲まれた放電空間内に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
3. 前記放電空間内に構成されている磁場形成手段は、その磁力線の向きが前記マグネトロン磁場形成手段による磁場の磁力線と逆方向の磁性物質で形成されていることを特徴とする請求項２に記載のスパッタ装置。
4. 前記磁性物質は、非磁性材料からなる部材で覆われ、該非磁性材料からなる部材は前記アノードと接してアノードの一部を構成していることを特徴とする請求項３に記載のスパッタ装置。
5. 前記スパッタリングガスが、Ａｒ，Ｘｅ，Ｎｅ，Ｋｒの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
6. 前記反応ガスが、Ｆ₂，ＣＦ₄，ＮＦ₃，ＣＨＦ₃の１種類もしくは複数種類を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
7. 前記外部電力供給手段が、１ＫＨｚ以上３５０ｋＨｚ以下の高周波の矩形反転電圧を印加可能な直流電源であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
8. マグネトロン磁場形成手段を備えた円筒状ターゲットと、該ターゲットの一方の開口部を塞ぐように設置されたアノードとが設けられた成膜室内に、スパッタリングガスと反応ガスを導入し、
   前記円筒状ターゲットに電力を印加してスパッタを行ない、前記円筒状ターゲットと対向する基板上に薄膜を堆積させるスパッタによる成膜方法であって、
   前記基板上に薄膜を堆積させるに際し、前記円筒状ターゲットから基板方向に対し垂直な磁場を形成させて成膜する工程を有することを特徴とするスパッタによる成膜方法。
9. 成膜する工程で前記基板方向に対し垂直な磁場を形成させるに当たり、前記円筒状ターゲットと前記アノードによって囲まれた放電空間内に設けられ、
   その磁力線の向きが前記マグネトロン磁場形成手段による磁場の磁力線と逆方向の磁性物質で形成された磁場形成手段を用いることを特徴とする請求項８に記載のスパッタによる成膜方法。
10. 前記スパッタリングガスが、Ａｒ，Ｘｅ，Ｎｅ，Ｋｒの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項８または請求項９に記載のスパッタによる成膜方法。
11. 前記反応ガスに、Ｆ₂，ＣＦ₄，ＮＦ₃，ＣＨＦ₃の１種類もしくは複数種類を含むことを
    特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のスパッタによる成膜方法。