JP2006267054A - 多層膜反射鏡、多層膜反射鏡の製造方法、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、その製造方法、及びこの多層膜反射鏡を使用した露光装置を提供すること。
【解決手段】
超電導磁石を用いたマグネトロンスパッタリング法で基板８１上に多層膜８３を形成することにより、プラズマから基板を遠ざけて成膜することができ、成膜中の膜へのダメージを低減することができる。その結果、多層膜界面に形成される拡散層を薄くすることができ、反射率の低下が小さい多層膜反射鏡８０を提供することができる。また、この高反射率の多層膜反射鏡８０を露光装置の光学系に用いることにより、高スループットで露光を行うことができる。
【選択図】
図３

Description

本発明は、多層膜反射鏡、その製造方法、及びこの多層膜反射鏡を使用した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（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、マグネトロンスパッタリングと呼ばれる成膜方法が広く用いられている。多層膜反射鏡を製造する際は、まず真空チャンバー内にアルゴン等の不活性ガスを導入して、一方のスパッタ源（例えば、高周波マグネトロンスパッタ源等）に電圧を加えて、モリブデン（Ｍｏ）等のターゲットの直上にグロー放電によるプラズマを発生させる。

プラズマ中では、不活性ガスのイオンが生成される。プラズマとターゲットの間には自己バイアス電位が発生し、この電位勾配によってイオンは加速されてターゲットへ衝突する。この衝突によりターゲットを構成する原子が叩き出されて、原子状の蒸気が発生する。ターゲットに対向する位置には、基板を装着した基板ホルダーが設置されており、蒸気は基板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。基板ホルダーには、膜厚分布の均一性を改善するために、自転機構が設けられている。

次に、先ほどとは別のシリコン（Ｓｉ）等のターゲットの直上にグロー放電によるプラズマを発生させ、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、及びこの多層膜反射鏡を使用した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、 基板の上に、高屈折率層と低屈折率層とを積層することにより多層膜反射鏡を製造する方法において、 前記高屈折率層及び低屈折率層は、超電導磁石を用いたマグネトロンスパッタリング法により基板上に成膜されることを特徴とする多層膜反射鏡の製造方法である。

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、超電導磁石を用いたマグネトロンスパッタリング法により成膜を行い、高エネルギー粒子による成膜中の膜へのダメージを低減した場合に、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できる。

前記課題を解決するための第２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、超電導磁石を用いたマグネトロンスパッタリング法により形成されたことを特徴とする多層膜反射鏡である。超電導磁石を用いたマグネトロンスパッタリング法により多層膜を形成する場合、プラズマから基板を遠ざけて成膜することができ、高エネルギー粒子による成膜中の膜へのダメージを低減することができる。膜へのダメージを低減させると、多層膜界面に形成される拡散層を薄くすることができ、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３の手段は、 前記第２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２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、高い照明効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、超電導磁石を用いたマグネトロンスパッタリング法で多層膜を形成することにより、高エネルギー粒子による成膜中の膜へのダメージを低減することができ、反射率の低下が小さい多層膜反射鏡、及びその製造方法、さらにはこの多層膜反射鏡を使用した露光装置を提供することができる。

本発明者は、前記従来技術における、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、高屈折率層と低屈折率層を積層した多層膜の界面において、相互の物質が相手の層の中に拡散することによる界面拡散層が形成されることにあると考えた。そこで、界面拡散層の厚さ毎に、波長に対する反射率特性を計算した。図５は、界面拡散層の厚さ毎に、波長に対する反射率特性を示すグラフである。このデータは、５０層のＭｏ／Ｓｉ多層膜（周期長７．５ｎｍ）についてのもので、入射角２０度の条件における波長に対する反射率特性の変化を示している。図５から分かるように、界面拡散層の厚さが０Å（０ｎｍ）のときの最大反射率は約７３％、界面拡散層の厚さが５Å（０．５ｎｍ）のときの最大反射率は約７２％、界面拡散層の厚さが１０Å（１ｎｍ）のときの最大反射率は約７０％、界面拡散層の厚さが１５Å（１．５ｎｍ）のときの最大反射率は約６６％、界面拡散層の厚さが２０Å（２ｎｍ）のときの最大反射率は約５８％、界面拡散層の厚さが２５Å（２．５ｎｍ）のときの最大反射率は約４８％であり、界面拡散層の厚さが厚いほど多層膜反射鏡の反射率が低下する。このように、界面拡散層の厚さが０．５ｎｍでは界面拡散層が０ｎｍの多層膜の反射率に対して９８％程度、界面拡散層の厚さが１ｎｍでは界面拡散層が０ｎｍの多層膜の反射率に対して大体９５％程度、界面拡散層の厚さが１．５ｎｍでは界面拡散層が０ｎｍの多層膜の反射率に対して９０％程度の反射率を得ることができ、反射率の低下が小さい多層膜反射鏡とすることができる。そして、界面拡散層が１．５ｎｍよりも大きくなると、拡散層の増加に対する反射率の低下の割合が大きくなってしまう。このことから、界面拡散層が１．５ｎｍ程度以下、好ましくは１ｎｍ以下、より好ましくは０．５ｎｍ以下の多層膜反射鏡を得ることが好ましいことがわかる。

さらに、発明者は、界面拡散層が形成される要因について鋭意研究を行った結果、成膜中の膜へ高エネルギー粒子が入射してダメージを与えているということを見出した。例えば、高屈折率層から低屈折率層に切り替わるときに基板の成膜面に高エネルギー粒子が入射すると、構成原子が攪拌されて界面拡散層が形成される。

そこで、多層膜反射鏡において界面拡散層が形成されるのを抑制するため、成膜面に高エネルギー粒子が入射するのを防ぐこととした。具体的には、超電導磁石を用いたマグネトロンスパッタリング法で基板上に多層膜を形成することとした。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る多層膜反射鏡の製造方法に使用するスパッタ装置の一例である超電導マグネトロンスパッタ装置の概略構造を示す図である。本実施形態における超電導マグネトロンスパッタ装置１００は、マグネトロンスパッタガン１０の上にターゲット５３を配置するとともに、ターゲット５３の上に多層膜を形成するための基板５３０を対向配置し、それらを収容した真空チャンバー５内において基板５３０の表面にターゲット物質を被着形成するスパッタ装置である。マグネトロンスパッタガン１０は、ヨーク３の一部に配設した超電導バルク１と、着磁コイル２と、超電導バルク１を超電導臨界温度以下に冷却する冷却手段とよりなる。着磁コイル２にパルス電流を加えて超電導バルク１に磁場を捕捉させ、この磁場をターゲット５３表面に導いてスパッタリングを行う。なお、超電導マグネトロンスパッタ装置のさらに詳細な構成及び作用については、特開平１０−７２６６７号公報に詳しく説明されているので、その説明を省略する。

従来、ターゲット表面に形成される水平磁場は１２００ガウス程度であったが、上記のような超電導マグネトロンスパッタ装置を使用することにより、ターゲット５３の表面に形成される水平磁場は、１万ガウス（ターゲット厚：３ｍｍ程度）から１．２万ガウス（ターゲット厚：１ｍｍ程度）程度にまで増加する。その結果、成膜時の真空度は従来のマグネトロンスパッタ装置より約２桁高い真空度（例えば、５×１０^-3Ｐａ程度）でもプラズマを維持することが可能となる。高真空で成膜が可能となると、ターゲットより蒸発した粒子は基板に到達するまでに散乱される回数が減り、ターゲットと基板間距離を長くしても基板上に膜を堆積することが可能となる。このため基板とプラズマの位置を離すことができ、高エネルギー粒子が基板の成膜面に到達する量を減少させることができる。また、超電導磁石は強い磁場により、プラズマをターゲット近傍にひきつけるため、基板とプラズマの位置を離すことができ、高エネルギー粒子が基板の成膜面に到達する量を減少させることができる。また、電荷を持った粒子がターゲットから基板方向に発射されても、強い磁場によるローレンツ力により飛来する方向が曲げられ、基板の成膜面に到達することがなくなる。したがって、超電導磁石を用いたマグネトロンスパッタリング法で基板上に多層膜を形成することにより、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製造することができる。

〔第２実施形態〕
図２は、第２実施形態に係る多層膜反射鏡の製造方法に使用するスパッタ装置の一例である超電導マグネトロンスパッタ装置の概略構造を示す図である。本実施形態の超電導マグネトロンスパッタ装置２００は、図１に示す第１実施形態の超電導マグネトロンスパッタ装置１００を変形したものであり、マグネトロンスパッタガン２０２ａ、２０２ｂは第１実施形態のマグネトロンスパッタガン１０と同様であるものとし、その説明を省略する。

本実施形態の超電導マグネトロンスパッタ装置２００は、Ｍｏターゲット２０１ａ、Ｓｉターゲット２０１ｂ及びそれら各ターゲットの下に設けられたマグネトロンスパッタガン２０２ａ、２０２ｂ、前記各ターゲットに対して個別に設けられたシャッタ２０３ａ、２０３ｂ、及び基板２０４を保持して回転する機構（図示せず）を有する基板ホルダ２０５を備えている。基板ホルダ２０５は、一定回転数で回転可能になっている。ターゲットの直径はいずれも６インチであり、基板と各ターゲットの間の距離ｄは３００ｍｍである。なお、２つのターゲットの間には、ＭｏとＳｉのスパッタ原子が混ざることのないように仕切板２０６が設けられている。

Ｍｏ／Ｓｉ多層膜の形成は以下のような手順で行う。まず、洗浄した基板２０４（低熱膨張ガラス等）を基板ホルダ２０５に取り付ける。そして、１×１０^-4Ｐａ以下の圧力まで排気したのち、マスフローコントローラで流量を制御してアルゴンガスを装置内に導入する。（排気系、ガス導入系は図示せず。）この時、アルゴンガスの圧力は１×１０^-2Ｐａとする。そして、基板ホルダ２０５を回転させ、Ｓｉターゲット２０１ｂのシャッタ２０３ｂを閉じておき、Ｍｏターゲット２０１ａのシャッタ２０３ａを開き、２．４５ｎｍの厚さのＭｏ層を形成する。次に、シャッタ２０３ａを閉じてＳｉターゲット２０１ｂのシャッタ２０３ｂを開く。そして、基板ホルダ２０５を回転させてこの間成膜を行い、４．５５ｎｍの厚さのシリコン層を形成する。以上の操作を５０回繰り返すことにより、周期長ｄ＝７．０ｎｍ、積層数Ｎ＝５０組のＭｏ／Ｓｉ多層膜を作製する。

本実施形態の超電導マグネトロンスパッタ装置２００では、２基の超電導マグネトロンスパッタガン２０２ａ、２０２ｂが設けられ、各マグネトロンスパッタガンにはＥＵＶ領域で低屈折率の物質（Ｍｏ）からなるターゲット２０１ａと高屈折率の物質（Ｓｉ）２０１ｂがそれぞれ配置されている。そして、各マグネトロンスパッタガンより交互に膜材料を蒸発させているので、真空を破らず容易に反射率の低下が小さい多層膜反射鏡を製造することができる。

なお、本実施形態では、スパッタガスとしてアルゴンガスを用いているが、これに限るものではない。例えば、スパッタガスの主成分がヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）のいずれかもしくはその混合ガスであってもよい。

〔第３実施形態〕
図３は、第３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８０は、超電導磁石を用いたマグネトロンスパッタリング法により多層膜が形成された凹面反射鏡であり、多層膜構造を支持する基板８１と、基板８１上に支持される多層膜８３とを有する。多層膜８３は、基板８１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（低屈折率層）及びＳｉ層（高屈折率層）とすることができる。なお、多層膜反射鏡８０の光学面の形状は凹面に限らず、多層膜反射鏡８０の用途に応じて平面、凸面、多面その他の形状とすることができる。

この多層膜反射鏡８０は、超電導磁石を用いたマグネトロンスパッタリング法により形成されるので、高エネルギー粒子による成膜中の膜へのダメージが低減されている。その結果、多層膜界面に形成される拡散層が薄く（１．５ｎｍ以下）、反射率の低下が小さい多層膜反射鏡となっている。

〔第４実施形態〕
図４は、第３実施形態に係る多層膜反射鏡を組み込んだ、第４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９０は、主にＥＵＶ光源９１および照明光学系９２とマスク９４のステージ９５、投影光学系９３、ウエハ９６のステージ９７で構成される。マスク９４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９３は複数の反射鏡９３ａ〜９３ｄ等で構成され、マスク９４上のパターンをウエハ９６上に結像するようになっている。反射鏡９３ａ〜９３ｄ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９３は輪帯状の視野を有し、マスク９４の一部をなす輪帯状の領域のパターンを、ウエハ９６上に転写する。マスク９４も反射型のものが用いられる。露光の際は、ＥＵＶ光源９１よりのＥＵＶ光９８ａを照明光学系９２によって照明用ＥＵＶ光９８ｂとし、マスク９４上に照明用ＥＵＶ光９８ｂを照射し、その反射ＥＵＶ光９８ｃを、投影光学系９３を通してウエハ９６上に入射させる。マスク９４とウエハ９６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９３ａ〜９３ｄとして、図３に例示される本発明の多層膜反射鏡８０を使用しているので、正確なパターンの露光転写が可能になる。また、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実施形態に係る多層膜反射鏡の製造方法に使用するスパッタ装置の一例である超電導マグネトロンスパッタ装置の概略構造を示す図である。 図２は、第２実施形態に係る多層膜反射鏡の製造方法に使用するスパッタ装置の一例である超電導マグネトロンスパッタ装置の概略構造を示す図である。 図３は、第３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４は、第３実施形態に係る多層膜反射鏡を組み込んだ、第４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、界面拡散層の厚さ毎に、波長に対する反射率特性を示すグラフである。

符号の説明

１・・・超電導バルク ２・・・着磁コイル
３・・・ヨーク ５・・・真空チャンバー
１０・・・マグネトロンスパッタガン ５３・・・ターゲット
８０・・・多層膜反射鏡 ８１・・・基板
８３・・・多層膜 ９０・・・ＥＵＶ露光装置
９１・・・ＥＵＶ光源 ９２・・・照明光学系
９３・・・投影光学系 ９３ａ〜９３ｄ・・・反射鏡
９４・・・マスク ９５・・・マスクステージ
９６・・・ウエハ ９７・・・ウエハステージ
９８ａ・・・ＥＵＶ光 ９８ｂ・・・照明用ＥＵＶ光
９８ｃ・・・反射ＥＵＶ光
１００、２００・・・超電導マグネトロンスパッタ装置
２０１ａ・・・Ｍｏターゲット ２０１ｂ・・・Ｓｉターゲット
２０２ａ、２０２ｂ・・・マグネトロンスパッタガン
２０３ａ、２０３ｂ・・・シャッタ
２０４・・・基板 ２０５・・・基板ホルダ
２０６・・・仕切板 ５３０・・・基板

Claims (3)

1. 基板の上に、高屈折率層と低屈折率層とを積層することにより多層膜反射鏡を製造する方法において、
   前記高屈折率層及び低屈折率層は、超電導磁石を用いたマグネトロンスパッタリング法により基板上に成膜されることを特徴とする多層膜反射鏡の製造方法。
2. 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、超電導磁石を用いたマグネトロンスパッタリング法により形成されたことを特徴とする多層膜反射鏡。
3. 請求項２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。

Images