(57)【要約】【課題】ターゲット寿命の期間中、長期にわたってスパッタレートを安定化させ、高精度な膜厚制御を行う。【解決手段】希ガスの中から選択された２つのガスをスパッタガスとしてそれぞれ真空チャンバ１に導入するガス供給系３を設ける。第１、第２のマスフローコントローラ４ａ、４ｂによって、スパッタレートの高い方のガスのガス流量は成膜時間の経過と共に増加させ、スパッタレートの低い方のガスのガス流量は減少させる。ターゲット５のエロージョンによるスパッタレートの変化を、ガス流量比の変化によって相殺し、ターゲット初期からターゲット寿命が終わるまでのスパッタレートを安定化する。【選択図】図１
2008095137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタレートの異なる２つのガスをスパッタガスとして供給しながら、基板に薄膜を成膜するスパッタ成膜工程を有し、同一ターゲットによる成膜時間の経過と共に、前記２つのガスのうちの一方のガスの供給量を増加させ、他方のガスの供給量を減少させることを特徴とするスパッタ成膜方法。
【請求項２】
前記ターゲットに供給する電力を一定に保つことを特徴とする請求項１記載のスパッタ成膜方法。
【請求項３】
前記２つのガス供給量の和を一定に保つことを特徴とする請求項１または２記載のスパッタ成膜方法。
【請求項４】
前記一方のガスがＡｒガス、前記他方のガスがＫｒガスであることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載のスパッタ成膜方法。
【請求項５】
予め、前記２つのガスのそれぞれの供給量の変化に対応して変化するスパッタレートのデータを求める工程と、
前記スパッタレートのデータに基づいて、ターゲット初期からターゲット寿命までのスパッタレートの経時変化を補償するように前記２つのガスのそれぞれの供給量を制御する工程と、を有することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載のスパッタ成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターゲットの寿命が終了するまでの長期にわたってスパッタレートを安定化することのできるスパッタ成膜方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の微細化に伴い、従来の紫外線に代えてこれより短い波長（１１〜１４ｎｍ）のＸ線を使用した投影リソグラフィ技術が開発されている。この技術は、最近ではＥＵＶ（Extreme Ultra Violet）リソグラフィとも呼ばれており、従来の波長１９０ｎｍや１５７ｎｍの光線を用いた光リソグラフィでは実現不可能な、４０ｎｍ以下の解像力を得られる技術として期待されている。
【０００３】
極端紫外（ＥＵＶ）光を反射するＥＵＶ多層膜ミラー光学素子は、１３．４ｎｍの使用波長で吸収の少ない低屈折率材料であるシリコン（Ｓｉ）膜と高屈折率材料であるモリブデン（Ｍｏ）膜が交互に４０ペアから８０ペア繰り返し成膜された構成が知られている。また、ＭｏとＳｉの界面の相互拡散や相互反応を防止するＢ4 Ｃ膜等の中間層を挟んだ構成の光学素子も一般的に用いられ、各層の膜厚が非常に高精度に制御された多層構造の光学素子である。しかしながらこのような光学素子をマグネトロンスパッタ法等で形成すると、ターゲット交換初期からターゲット寿命が終わるまでスパッタレートが除々に減少し、バッチ内や、バッチ間において所望の光学特性が得られない等の問題が発生していた。
【０００４】
これらの問題に対処するために従来ではターゲットに供給された電力（エネルギー）で調整する方法もあるが、電力調整では電源の分解能が粗く問題を解決することはできなかった。
【０００５】
また、他の手法として下記に示す２つの方法が提案されている。
【０００６】
第１の方法は、特許文献１に開示されたように、ターゲットエロージョン進行に伴う磁束密度の変化に応じて、ターゲット裏面の磁石の距離を可変にする移動装置を用いる。磁石を移動させ、磁束密度の変化によるプラズマ密度を制御することにより放電インピーダンスを一定に保つ。その結果、放電電圧も一定となり、膜質およびスパッタレートの安定化が図れる。すなわち、ターゲットエロージョン進行に伴う磁束密度の変化に対して磁石の移動手段で対応し、放電電圧の安定化を図るものである。
【０００７】
第２の方法は、特許文献２、特許文献３に開示されたように、高周波スパッタ装置において、放電インピーダンスやセルフバイアスの電圧を測定する。その測定結果に応じてスパッタ電力、スパッタガス分圧、およびスパッタガス流量のうちの少なくとも１つをスパッタレートが一定に保持されるように制御する。あるいは、特許文献４に開示されたように、ＩｎとＳｎの酸化物をターゲットに用いた直流スパッタによる透明電極の製作方法において、透明電極の成膜時の雰囲気中に、流量を変化させながらＨｅを導入する。
【０００８】
例えば、真空チャンバ内のＨ2 Ｏガス濃度または放電インピーダンスを測定し、この測定結果に応じてスパッタ電力、スパッタガス分圧、およびスパッタガス流量のうちの少なくとも１つをスパッタレートが一定に保持されるように制御する。または、セルフバイアスの電圧が一定となるように電源出力にフィードバックする。
【０００９】
あるいは、ＩｎとＳｎの酸化物をターゲットに用いた直流スパッタによる透明電極の成膜時に、流量を変化させながらＨｅを導入し、ＩＴＯの結晶粒径を自由に変化させることでより高い透過率の透明電極を製作する。
【特許文献１】特開平５−１３２７７１号公報
【特許文献２】特開平７−７２３０７号公報
【特許文献３】特開平８−８１７７３号公報
【特許文献４】特開２００１−１５２３２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、放電インピーダンスやセルフバイアスの制御はターゲットエロージョン進行に伴う放電インピーダンス変化のみを考慮したものである。このため、ターゲット交換後の初期からターゲット寿命が終了するまでの長期にわたってＥＵＶ多層膜を形成するために必要なスパッタレートの高精度制御には十分でなかった。
【００１１】
その理由は、ターゲット初期からターゲット寿命が終了するまでの長期にわたってのスパッタレート変化は、エロージョン進行に伴う放出角度分布の傾斜や、微少ではあるがエロージョン進行に伴うターゲット基板間距離の変化にも起因するからである。
【００１２】
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、ターゲット寿命が終了するまでの長期にわたってスパッタレートを高精度で維持することを可能にするスパッタ成膜方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のスパッタ成膜方法は、スパッタレートの異なる２つのガスをスパッタガスとして供給しながら、基板に薄膜を成膜するスパッタ成膜工程を有し、同一ターゲットによる成膜時間の経過と共に、前記２つのガスのうちの一方のガスの供給量を増加させ、他方のガスの供給量を減少させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
予め、スパッタレートの高い方のガスの供給量と、スパッタレートの低い方のガスの供給量に対応するスパッタレートの変化をそれぞれ求めておく。そして、ガス流量比を一定にした場合のターゲット初期からターゲット寿命までのスパッタレートの長期変化を求めて、成膜時間の経過に伴うスパッタレートの変化を相殺するように２つのガスの供給量を増減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１に示すスパッタ装置は、真空チャンバ１を排気する排気系２と、ＡｒおよびＫｒ等の２つのガスからなるスパッタガスを供給するガス供給系３と、ガス流量制御を行う第１、第２のマスフローコントローラ４ａ、４ｂと、を有する。さらに、ターゲット５にスパッタ電力を供給する電源６を有し、ターゲット５はバッキングプレート７を介してカソード８に取り付けられ、ターゲット５以外の場所がスパッタされないようにアースシールド板９が設けられる。また、基板１０を保持する基板ホルダ１１、基板ホルダ１１の前面で開閉動作するシャッター１２、シャッター駆動系１３等が配設される。
【００１７】
カソード８は、カソードフランジ１４を介して真空チャンバ１に固定され、絶縁材料１５によってアースから浮いた状態になっている。カソード８の内部には、マグネトロン磁石１６が配設され、冷却水で冷却できるようになっている。カソード８には直流電源である電源６または高周波電源が接続される。
【００１８】
プロセスコントローラ２０から、Ａｒ等の第１のガスおよびＫｒ等の第２のガスのガス流量（供給量）をそれぞれ制御するマスフローコントローラ４ａ、４ｂに制御信号が出力され、ガス流量制御を行う。
【００１９】
ターゲット交換後の初期からターゲット寿命が終了するまでの長期にわたるスパッタレート変化のメカニズムは、下記のように考えられる。
【００２０】
マグネトロンカソードは、ターゲットとその裏面にマグネトロン磁石が配置された構成である。スパッタ電源で負電位が印加されたターゲットにイオン化したスパッタガスが衝突しターゲット材がはじきだされスパッタリングが起きる。この時、同時に電子も発生するがマグネトロン磁石により曲げられターゲットに向かう。ターゲットは負に印加されているので前記の電子は反発しサイクロイド運動する。このように電子がサイクロイド運動すると飛行距離が長くなり、スパッタガスと衝突する確率が高くなってプラズマ密度が上がる。
【００２１】
一般に円形ターゲットの場合はドーナツ状のプラズマが発生し、ターゲットのエロージョン浸食形状はリング状となる。
【００２２】
ターゲットのエロージョン浸食が進行するとターゲットのスパッタ面がマグネトロン磁石に近くなるので磁束密度が上がる。ターゲットのスパッタ面の磁束密度が上がると電子のサイクロイド運動の回転半径が小さくなる。その結果、スパッタガスと衝突する確率が高くなりプラズマ密度が上がる。このようにプラズマ密度が上がると放電インピーダンスは徐々に下がる。
【００２３】
図２は、ＤＣ放電において、エロージョンが進行して放電インピーダンスが変化しても常にターゲットに投入する電力が一定になるように制御する定電力モードで印加した時の、スパッタ経過時間に対する電圧値Ｖ、電流値Ｒおよび放電インピーダンスＩの変化を示す。このグラフでわかるように、スパッタ成膜時間が進むとターゲットのエロージョン浸食が進行し、ターゲット表面の磁束密度変化に伴い放電インピーダンスＩは直線的に増加する。
【００２４】
この放電インピーダンスの変化がスパッタレートに与える影響は不明であるが、ターゲットの電圧値はイオン化したスパッタガスの加速エネルギーで、ターゲットの電流値はイオン化したスパッタガスの個数に比例するのでスパッタレートは相殺することになる。従って、スパッタレートにはどちらの影響が強いかで決まるのでターゲット材料により異なると考えられる。
【００２５】
ターゲットのエロージョン浸食の進行に伴う放出角度分布の傾斜の影響によるスパッタレートの変化は計算で求めることができる。イオン化したスパッタガスは数ミリ厚のイオンシース内の電界に沿って加速され、ターゲット材は放出角度分布に沿った量で放出される。放出角度分布は、ターゲット材料やプロセス条件等で形が異なるが、ここでは一般的な余弦則で説明する。また、放出量はターゲット領域で異なるので、ターゲット寿命が終了するエロージョン浸食深さを用いてターゲットスパッタ面で積分した放出角度分布を求める。
【００２６】
エロージョン浸食が進行するとイオンシースはターゲット形状を反映する。イオンシース内の電界はスパッタ面の法線となりエロージョン浸食が進行するにつれて放出角度分布の基準軸が傾斜するため、上記と同様にターゲットスパッタ面で積分した放出角度分布を求める。
【００２７】
図３は、ターゲット初期の放出角度分布を基準として、ターゲット浸食量が１ｍｍ〜６ｍｍまで浸食したときのターゲット全面から放出されたスパッタ粒子を積分して求めた放出角度分布のデータを示す。
【００２８】
図４は、エロージョン浸食による放出角度分布の傾斜の影響が与えるスパッタレートの変化を示すグラフである。このように、エロージョン浸食の進行に影響されたスパッタレートは曲線状に変化する。
【００２９】
ターゲットのエロージョン浸食によるターゲット基板間距離の影響は距離の二乗に反比例し幾何学的な計算で求めることができる。この計算で求めたエロージョン浸食量に対するスパッタレートの変化を図５に示す。
【００３０】
図６は、実験で求めた第１のガス（Ａｒ）と第２のガス（Ｋｒ）の流量比に対するスパッタレートの変化を示し、図７は、同一条件で第１のガス（Ａｒ）を用いて成膜した場合のターゲット初期から終盤におけるスパッタレートの変化を求めたものである。
【００３１】
上記２つの計算で求めたスパッタレートの変化と実験で得られたターゲット初期から終盤におけるスパッタレートの変化が一致するように補正係数を求めると、直線的変化となり、インピーダンス変化によるスパッタレート変化分と一致する。
【００３２】
次にスパッタレートを均一にするための第１、第２のガスのガス流量を求める。
【００３３】
図８は、図７に示したターゲット初期から終盤におけるスパッタレートが均一となるように、図６に示したガス流量比に対するスパッタレートの変化から求めた流量データである。このように流量制御しながらターゲット初期から終盤までスパッタリングを行ったところ、図９に示すように、高精度にスパッタレートが制御されていることがわかった。
【００３４】
第１のガスは、スパッタレートが高いアルゴンガス（Ａｒガス）が好ましく第２のガスはアルゴンガスよりもスパッタレートが低いクリプトンガス（Ｋｒガス）が好ましいが、スパッタレートの異なる他の希ガスの組み合わせでもよい。また、第１のガス流量と第２のガス流量の和が一定でないと、スパッタ圧力が変化するため前記の流量データと合致しなくなる。
【００３５】
本実施の形態によるスパッタレートの長期安定化方法は、少なくとも、Ｈｅを除く希ガスの中から選択された２つのガスを用いてスパッタ成膜を行い、一方のガスのガス流量は成膜時間と共に増加させ、他方のガスのガス流量は減少させる。
【００３６】
ターゲット交換後の初期に設定したスパッタレートからターゲット寿命までのスパッタレートの変化を近似式に置き換えて、このスパッタレートの変化が均一となるように２つのガスの長期的な流量変化のパターンを求める。
【００３７】
従来は、軟Ｘ線多層膜ミラー光学素子を製作する場合に周期長確認成膜等の少なくとも数バッチが必要であったが、本実施の形態によるスパッタ成膜方法ではこれらが不要になる。加えて、光学素子の膜厚方向の制御性を向上させ、高反射率化を実現することができる。
【実施例】
【００３８】
予めＫｒ流量に対するスパッタレート変化とターゲット交換初期からの成膜時間の経過に対応するエロージョン浸食によるスパッタレート変化を実験で求める。Ｋｒ流量に対するスパッタレート変化は、スパッタ条件一定でかつＡｒガスとＫｒガスの流量和を一定とした成膜プロセスで行う。図６は、Ａｒガスを９０〜８３ＳＣＣＭ、Ｋｒガスを０〜７ＳＣＣＭを流して成膜した時のスパッタレートの変化を示すグラフである。図７は、同じ条件でＡｒガス流量９０ＳＣＣＭで成膜し、ターゲット初期からターゲット寿命が終了するまでのスパッタレートの変化を示すグラフである。スパッタレートを算出するための膜厚測定は高精度が要求されるのでエリプソで膜厚計測を行うのが好ましい。
【００３９】
図７の二次近似式と図６の一次近似式を求めて、ターゲット初期から終盤までのレートがターゲット寿命の終了するスパッタレートになるようなＡｒガスとＫｒガスの流量変化を、図８に示すように算出し、図１のプロセスコントローラ２０に入力する。
【００４０】
ターゲット交換後スパッタリングを開始すると、図１の電源６からプロセスコントローラ２０にプログラム制御信号が送られ、プログラム設定された供給量のＡｒガスとＫｒガスが流れる。スパッタ経過時間と共にＡｒガスとＫｒガスのガス流量は前記プログラムに沿って変化する。
【００４１】
スパッタリングが終了すると電源６からプロセスコントローラ２０にホールド信号が送られプログラムは停止する。再度スパッタリングを開始すると、プロセスコントローラ２０はホールドされた時点から動作して、上記と同様にＡｒガスとＫｒガスの流量を制御する。ターゲット５の寿命が終わるまでこのようにＡｒガスとＫｒガスの流量を二次曲線的に変化させることにより、スパッタレートは非常に均一となった（図９参照）。
【００４２】
このように、Ａｒガス流量は成膜時間の経過と共に増加させ、Ｋｒガス流量は減少させることで、ターゲット交換後の初期からターゲット寿命が終わるまで長期間、スパッタレートを安定化することができる。これによって、高精度な膜厚が要求される多層膜ミラー光学素子を極めて安定した品質で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】一実施例に用いるスパッタ成膜装置を示す模式図である。
【図２】スパッタ成膜中の電圧、電流、インピーダンスの変化を示すグラフである。
【図３】エロージョン浸食によって変化する放出角度分布のデータを示すグラフである。
【図４】放出角度変化によるスパッタレートの変化を示すグラフである。
【図５】ターゲット基板間距離の変化によるスパッタレートの変化を示すグラフである。
【図６】Ｋｒガス流量の変化に対するスパッタレートの変化を示すグラフである。
【図７】ガス流量を一定にした場合の、成膜時間の経過に伴うスパッタレートの変化を示すグラフである。
【図８】スパッタレートを安定化するために求めたＡｒガスとＫｒガスの流量変化を示すグラフである。
【図９】スパッタレートを安定化した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１    真空チャンバ
２    排気系
３    ガス供給系
４ａ、４ｂ    マスフローコントローラ
５    ターゲット
６    電源
７    バッキングプレート
８    カソード
１１    基板ホルダ
１４    カソードフランジ
２０    プロセスコントローラ
【図１】
2008095137.tif 000003
【図２】
2008095137.tif 000004
【図３】
2008095137.tif 000005
【図４】
2008095137.tif 000006
【図５】
2008095137.tif 000007
【図６】
2008095137.tif 000008
【図７】
2008095137.tif 000009
【図８】
2008095137.tif 000010
【図９】
2008095137.tif 000011