JP4785683B2 - Deposition equipment - Google Patents
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本発明は、反応性スパッタリング法によって多孔質で屈折率の低い良質な光学薄膜を安定して成膜するための成膜装置に関するものである。 The present invention relates to a film forming apparatus for stably forming a high-quality optical thin film having a low refractive index and porous by a reactive sputtering method.
ここ数年来、集積回路の微細化の要求に伴い、ステッパーに用いられる光の短波長化が進んでいる。光学薄膜の分野においても、光の短波長化に合わせて新規な膜材料の開発、成膜方法の改良、膜制御技術の向上等を行って、ステッパーの性能向上に貢献してきた。 In recent years, with the demand for miniaturization of integrated circuits, the wavelength of light used for steppers has been shortened. In the field of optical thin films, the development of new film materials, the improvement of film forming methods, the improvement of film control technology, etc. have been contributed to the improvement of stepper performance in accordance with the shortening of light wavelength.
しかし最近になって、G線、I線、KrFレーザー、ArFレーザーと順調に進んできた短波長化の流れに変化が見え始めている。ArFレーザーの次の光源として期待されていたF2 レーザーの使用が見送られたのである。それは、光源を極限まで短波長化したために、周辺の技術がそれに追いつかなくなってきたことが理由の一つである。 Recently, however, changes have started to appear in the trend toward shorter wavelengths, which have progressed smoothly with G-line, I-line, KrF laser, and ArF laser. The use of F 2 laser, which was expected as the next light source of ArF laser, was postponed. One reason is that the wavelength of the light source has been shortened to the limit, and the surrounding technology has become unable to keep up with it.
そこで、光源の短波長化の代わりに選択されたのが液浸露光である。ステッパーの解像度を示すレイリーの式
Re=k1*λ/NA
からわかるように、光源の短波長化だけでなく、NAの増大によっても解像度の向上は可能である。液浸露光では、ウエハーに接する空間を、例えば水のように屈折率が1より大きい物質で満たすことでNAの大きい光学設計を可能としている。理論上、ArFステッパーを液浸露光対応にしてNAを増大させた場合、F2 ステッパーで通常の露光を行った場合とほぼ同等の解像度が得られる。従って、解決困難な課題の多いF2 ステッパーよりもArFステッパーを液浸露光に対応させる方が利点が大きいと考えられ、現在ではArF液浸ステッパーの方が主流となっている。
Therefore, immersion exposure was selected instead of shortening the wavelength of the light source. Rayleigh equation indicating stepper resolution Re = k1 * λ / NA
As can be seen, the resolution can be improved not only by shortening the wavelength of the light source but also by increasing the NA. In immersion exposure, an optical design with a large NA is made possible by filling a space in contact with a wafer with a material having a refractive index greater than 1, such as water. Theoretically, when the NA is increased by making the ArF stepper compatible with immersion exposure, approximately the same resolution as that obtained when normal exposure is performed with the F 2 stepper can be obtained. Therefore, it is considered that the ArF stepper is more advantageous for immersion exposure than the F 2 stepper, which has many problems that are difficult to solve, and the ArF immersion stepper is now mainstream.
しかし、ArFステッパーの液浸化も決して容易なわけではない。例えば光学薄膜の分野では、高NA化に伴い、レンズへの最大入射角が従来のものより大きくなる。そのため、高入射角の光に対しても十分な特性を示す光学薄膜の開発が求められている。 However, immersion of the ArF stepper is not easy. For example, in the field of optical thin films, as the NA increases, the maximum incident angle to the lens becomes larger than the conventional one. Therefore, there is a demand for the development of an optical thin film that exhibits sufficient characteristics even for light with a high incident angle.
上記の要求に応える手段として、光学薄膜を構成する高屈折率膜と低屈折率膜の屈折率差を拡大することが挙げられる。そのためには高屈折率膜をより高屈折化、もしくは低屈折率膜をより低屈折率化することが考えられるが、詳細な計算の結果から、低屈折率膜の屈折率を下げることの方が光学特性向上への貢献度が大きいことがわかっている。 As means for meeting the above requirements, there is an increase in the refractive index difference between the high refractive index film and the low refractive index film constituting the optical thin film. To that end, it is conceivable to increase the refractive index of the high refractive index film or lower the refractive index of the low refractive index film. However, based on the detailed calculation results, it is recommended to lower the refractive index of the low refractive index film. However, it has been found that the contribution to the improvement of optical characteristics is large.
低屈折率膜をより低屈折率化する方法として膜の材料を新規に開発することが挙げられるが、ArFレーザーのような真空紫外の波長域の光に対して使用できる材料は限られており、好適な材料を新規に開発することは非常に困難である。そこで、MgF2 のように従来から真空紫外域の波長において利用されている低屈折率膜をより低屈折率化するための研究が熱心に行われている。 One way to lower the refractive index of a low refractive index film is to develop a new film material, but there are limited materials that can be used for light in the vacuum ultraviolet wavelength range, such as ArF lasers. It is very difficult to newly develop a suitable material. Therefore, research for reducing the refractive index of low-refractive index films conventionally used at wavelengths in the vacuum ultraviolet region, such as MgF 2 , has been conducted eagerly.
例えば特許文献1では、基板上にフッ化物と二酸化ケイ素から成る混合膜を共蒸着により形成した後、混合膜から二酸化ケイ素のみを選択的に除去することにより、通常のフッ化物膜よりも多孔質で低屈折率なフッ化物膜を得る方法を提供している。この方法を用いることにより、通常であれば屈折率が1.42(波長1193nm)であるMgF2 を屈折率約1.35にまで下げることができると報告されている。しかし、二酸化ケイ素を除去するためにフッ化水素ガスもしくはフッ素ガスに触れさせる工程があり、処理が複雑化する。さらに、SiO2 等の非フッ化物の基板を用いた場合には基板がフッ素系ガスに触れないように注意しなければならない。
For example, in
また、特許文献2に開示されたように、MgF2 とSiをターゲットに使用してArとO2 を用いてスパッタを行い、Si濃度3〜10wt%を含んだMgF2 膜を形成することで比較的低屈折率な膜を得る方法が知られている。この方法はスパッタ法を利用するもので後処理も必要ないことから簡便な方法であるが、屈折率は1.37程度までしか下げることができないうえに、Si系酸化物等の混入による真空紫外光に対しての吸収増加が懸念される。
Further, as disclosed in
特許文献3によれば、基板上に有機物を含んだMgF2 ゾル溶液を調製した後に有機物のみを除去することによって多孔質なMgF2 を得ることができ、その屈折率は1.16(波長193nm)にまでも及ぶと開示されている。しかしこの方法では、膜中に残留するカーボン類の不純物が吸収の原因となることが問題となっている。また、この方法は湿式法であり、乾式法で形成した膜の上に成膜する場合に、下地層への影響が懸念される。
多孔質な膜の屈折率については次のような周知の関係式がある。 Regarding the refractive index of a porous film, there are the following well-known relational expressions.
N=Nb×P+Na(1−P)
ここで、Nは多孔質な膜の屈折率、Nbは充填率が1であるときの膜の屈折率、Naは空隙部分の屈折率を表し、Pは多孔質膜の充填率である。通常ステッパー内はN2 パージされているため、Naの値はほぼ1となる。従って、上式によれば、多孔質膜の充填率が低ければ低いほど屈折率も低くなることがわかる。
N = Nb × P + Na (1-P)
Here, N represents the refractive index of the porous film, Nb represents the refractive index of the film when the filling ratio is 1, Na represents the refractive index of the void portion, and P represents the filling ratio of the porous film. Since the inside of the stepper is normally purged with N 2 , the value of Na is almost 1. Therefore, according to the above formula, it can be seen that the lower the filling rate of the porous film, the lower the refractive index.
図5に示すように、反応性スパッタリングを通常より高圧な条件下で行うと、ターゲット111と基板112の間のスパッタ粒子P同士の衝突回数が通常の場合より増加し、スパッタ粒子Pがクラスターを形成する。クラスター状の膜は通常の膜よりも粒子の径が大きいため、得られた膜は空隙の多い多孔質膜となる。
As shown in FIG. 5, when reactive sputtering is performed under a higher pressure than usual, the number of collisions between the sputtered particles P between the
このとき、通常より高圧な条件を実現する方法として、供給ガスの流量を増やす、もしくは排気能力を落とすというのは実用的とは言えない。なぜなら、スパッタ粒子のクラスター化を十分に促すには成膜室を相当の高圧条件(20Pa以上)にしなければならないが、逆にそのような高圧条件では成膜速度が小さすぎるからである。 At this time, it is impractical to increase the flow rate of the supply gas or to reduce the exhaust capacity as a method for realizing a higher pressure than usual. This is because, in order to sufficiently promote the clustering of sputtered particles, the film forming chamber must be set to a considerably high pressure condition (20 Pa or higher), but conversely, the film forming speed is too low under such a high pressure condition.
そこで適正な成膜速度を維持しながらクラスター化を促すために、図6に示すように、成膜室120内のターゲット近傍の放電空間を仕切り部材113で囲い、スパッタガスはスパッタガス供給手段121によって直接放電空間に供給する構成が知られている。仕切り部材113にはスパッタ粒子を通過させるための穴が設けられているが、コンダクタンスを低くすることで、仕切り内部の放電空間の圧力は成膜室120の圧力の3〜5倍に高めることができる。従って、放電空間の圧力を、クラスター化が十分に起こるレベルまで高めても、成膜室120は3〜5Paに保たれているため適度な成膜速度を得ることができる。
Therefore, in order to promote clustering while maintaining an appropriate film formation rate, as shown in FIG. 6, the discharge space near the target in the
しかし、このとき問題になるのが反応性ガスの供給方法である。上記の構成において図7に示すように反応性ガスを、スパッタガスと同様に反応性ガス供給手段122から放電空間に直接供給すると、放電空間における反応性ガスの分圧が高くなり、電極表面と反応し、放電の不安定化、および成膜速度の低下を引き起こす。一方で、反応性ガスを放電空間ではなく、図8に示すように、成膜室120に供給した場合は、得られる膜は十分な酸化反応を受けていない金属リッチなものとなる。これは、放電空間では金属ターゲットをスパッタガスのみでスパッタしていることになり、当然放電空間で形成されるクラスターは金属クラスターとなる。その金属クラスターが成膜室120内の反応性ガスによって酸化反応を受けるとしても表面だけに留まり、内部は金属リッチな状態のままとなるからである。
However, the reactive gas supply method becomes a problem at this time. When the reactive gas is directly supplied to the discharge space from the reactive gas supply means 122 as in the case of the sputter gas in the above configuration, the partial pressure of the reactive gas in the discharge space increases, Reacts, causing discharge instability and a decrease in film formation rate. On the other hand, when the reactive gas is supplied not to the discharge space but to the
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、反応性スパッタリングによって、低吸収で、しかも屈折率を1.33程度にまで下げた光学薄膜を成膜することのできる成膜装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, and forms an optical thin film with low absorption and reduced refractive index to about 1.33 by reactive sputtering. An object of the present invention is to provide a film forming apparatus capable of performing the above.
上記目的を達成するため、本発明の成膜装置は、反応性スパッタリング法によって基板に薄膜を成膜する成膜装置において、スパッタ粒子を発生させるターゲットと、前記ターゲットの放電空間である第1の空間部を囲う第1の仕切り部材と、前記第1の空間部にスパッタガスを供給するスパッタガス供給手段と、前記第1の仕切り部材に配設された第1の開口と、前記第1の開口を介して前記第1の空間部に隣接する第2の空間部を囲う第2の仕切り部材と、前記第2の空間部に反応性ガスを供給する反応性ガス供給手段と、前記第2の仕切り部材に配設された前記第1の開口よりも開口径の小さな第2の開口と、前記第2の開口に対向するように前記基板を固定する基板ホルダと、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a film forming apparatus of the present invention is a film forming apparatus for forming a thin film on a substrate by a reactive sputtering method, and a target for generating sputtered particles and a first discharge space of the target. A first partition member surrounding the space, a sputtering gas supply means for supplying a sputtering gas to the first space, a first opening disposed in the first partition member, and the first A second partition member surrounding the second space portion adjacent to the first space portion through the opening, a reactive gas supply means for supplying a reactive gas to the second space portion, and the second A second opening having a smaller opening diameter than the first opening disposed in the partition member, and a substrate holder for fixing the substrate so as to face the second opening. To do.
反応空間である第2の空間部に流す反応性ガスの量と、放電空間である第1の空間部に流すスパッタガスの量を調節することによって両空間部の間に差圧を生じさせ、反応性ガスが過剰に放電空間に流れることを防ぐことが可能である。そのため、放電が不安定になったり、成膜速度が低下するといった問題は起こらない。また、反応性ガスを供給する第2の空間部では反応性ガスの分圧を高く維持することができるため、非常に反応性が強い。従って、クラスター化したスパッタ粒子は、反応性ガスを供給する第2の空間部を通過する際に十分な酸化反応を受けることができ、化学量論比を満たす良質で屈折率の低い多孔質膜を得ることができる。 By adjusting the amount of reactive gas that flows to the second space portion that is the reaction space and the amount of sputtering gas that flows to the first space portion that is the discharge space, a differential pressure is generated between both space portions, It is possible to prevent the reactive gas from flowing excessively into the discharge space. Therefore, problems such as unstable discharge and a decrease in film formation rate do not occur. In addition, since the partial pressure of the reactive gas can be maintained high in the second space for supplying the reactive gas, the reactivity is very strong. Therefore, the clustered sputtered particles can undergo a sufficient oxidation reaction when passing through the second space for supplying the reactive gas, and have a high quality and low refractive index porous film satisfying the stoichiometric ratio. Can be obtained.
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示すように、ターゲット11から発生するスパッタ粒子を基板12に被着させて成膜する成膜装置において、ターゲット11の近傍の放電空間(第1の空間部)を囲う第1の仕切り部材13と、反応空間(第2の空間部)を囲う第2の仕切り部材14を設ける。成膜室20内で仕切り部材14によって囲われた反応空間は放電空間に隣接する形で放電空間よりも基板側に配設され、各仕切り部材13、14にはスパッタ粒子が通過するための穴(開口)13a、14aが形成されている。また、放電空間にはスパッタガス供給手段21、反応空間には反応性ガス供給手段22が接続されている。
As shown in FIG. 1, in a film forming apparatus for forming a film by depositing sputtered particles generated from a
この成膜装置において、放電空間および反応空間のうち少なくとも一方の圧力を3.0Pa以上に高圧制御して成膜を行うことによって、多孔質で屈折率の低いMgF2 膜等を成膜することができる。 In this film forming apparatus, a porous MgF 2 film or the like having a low refractive index is formed by performing film formation while controlling the pressure of at least one of the discharge space and the reaction space to 3.0 Pa or higher. Can do.
使用するスパッタガスとしては、Ar、Xe、Ne、Kr、もしくはそれらの混合ガスを用いることが望ましい。 As a sputtering gas to be used, it is desirable to use Ar, Xe, Ne, Kr, or a mixed gas thereof.
反応性ガスとして、F2 、Cm Fn (m、nは整数)、NF3 、SF6 、O2 、H2 またはH2 Oを用いることが望ましい。 It is desirable to use F 2 , C m F n (m and n are integers), NF 3 , SF 6 , O 2 , H 2 or H 2 O as the reactive gas.
ターゲットとしてMg、Al、Si、La、Gd、Nd、Naまたはそれらの化合物を用いることが望ましい。 It is desirable to use Mg, Al, Si, La, Gd, Nd, Na or a compound thereof as a target.
図2は一実施例を示す。この成膜装置は成膜室20の他に予備室30を持ち、基板12は予備室30にて基板ホルダ31に固定された後、真空ポンプ32にて1.0E〜4Pa以下まで真空引きされてから成膜室20へと基板搬送手段33によって搬送される。そのため、成膜室20への大気の混入を最小限に抑えることができる。また、非成膜時には基板12を予備室30に戻し、ゲートバルブ34を閉じることで、成膜室20と隔離することができ、不要な膜の付着を防ぐことができる。成膜室20には真空ポンプ23および圧力計24が設置されており、常時圧力をモニターすることができる。また、排気バルブ25は開度を自由に設定することができ、成膜中の成膜室内の圧力を調節することができる。
FIG. 2 shows one embodiment. This film forming apparatus has a
成膜に必要なガスは流量調節器21a、22aで流量を制御しながら各空間部に供給し、ターゲット11に外部から直流電源26で負電位を与えプラズマ放電を起こす。直流電源には矩形高周波重畳装置27により、必要に応じて高周波を重畳することができる。
Gas required for film formation is supplied to each space while controlling the flow rate with
放電空間の仕切り部材13の幅は50mm、穴13aの大きさは50φであり、反応空間の仕切り部材14の幅は30mm、基板側を向いた穴14aの大きさは40φである。ターゲット11はMg、スパッタガスはArを400sccmの流量で、反応性ガスはF2 を20sccm、H2 を25sccmの流量で使用し、印加電力450WでSiO2 の基板11上に成膜を行った。その際、成膜室20内の圧力が4.2Paになるように成膜室の排気バルブ25の開度を調節した。
The width of the
その結果得られたMgF2 膜の反射率特性を図3に示す。図3の結果を解析すると屈折率が約1.33にまで下がっていることがわかる。また、本実施例における成膜速度は約3.0nm/sであったことから、十分実用に堪える速度を有している。 The reflectance characteristics of the resulting MgF 2 film are shown in FIG. Analysis of the results in FIG. 3 shows that the refractive index has dropped to about 1.33. In addition, since the film formation speed in this example was about 3.0 nm / s, it has a speed enough for practical use.
本実施例で得られたMgF2 膜の吸収率特性を図4に示す。吸収率は、[100−透過率(%)−反射率(%)]で求めた。得られた膜の厚さは約50nmであり、図4から193nmにおける吸収率は約0.15%(基板吸収込み)であった。これによって、非常に良質なMgF2 膜が得られていることがわかる。 FIG. 4 shows the absorptivity characteristics of the MgF 2 film obtained in this example. The absorptance was obtained by [100−transmittance (%) − reflectance (%)]. The thickness of the obtained film was about 50 nm, and the absorption rate at 193 nm from FIG. 4 was about 0.15% (substrate absorption). This shows that a very good MgF 2 film is obtained.
11 ターゲット
12 基板
13、14 仕切り部材
20 成膜室
21 スパッタガス供給手段
22 反応性ガス供給手段
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