JP2005154833A - Fluorine-containing thin film deposition method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エキシマレーザーを光源とする光学系等に用いられる良質な弗素含有薄膜を低温で形成するための、スパッタリング法による弗素含有薄膜の成膜方法に関するものである。 The present invention relates to a method for forming a fluorine-containing thin film by sputtering for forming a high-quality fluorine-containing thin film used in an optical system using an excimer laser as a light source at a low temperature.
従来、反射防止膜やミラーなどの光学薄膜を形成する場合、成膜材料を真空中で電子ビームなどで加熱し蒸発させて基板に付着させる真空蒸着法が主に使われてきた。 Conventionally, when forming an optical thin film such as an antireflection film or a mirror, a vacuum deposition method in which a film forming material is heated by an electron beam in a vacuum and evaporated to adhere to a substrate has been mainly used.
一般に、反射防止膜、ミラー等は、弗化マグネシウムなどの屈折率の低い材料と、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化チタンなどを含む屈折率の高い材料を組み合わせた多層膜などによって構成され、要求される光学性能によって、層構成、膜厚等を最適化している。 In general, antireflection films, mirrors, and the like are configured and required by a multilayer film combining a material with a low refractive index such as magnesium fluoride and a material with a high refractive index including zirconium oxide, tantalum oxide, and titanium oxide. Depending on the optical performance, the layer structure, film thickness, etc. are optimized.
蒸着法は装置の構成がシンプルで、大面積基板上に高速で成膜でき、生産性に優れた成膜方法であるが、膜厚の高精度制御や、自動生産機の開発が困難で、さらには基板温度が低い状況で成膜を行うと膜の強度が不足し、傷が付きやすく、また、膜と基板の密着性も低いなどの問題を生じていた。 The vapor deposition method has a simple device configuration and can be deposited on a large-area substrate at high speed and has excellent productivity, but it is difficult to control the film thickness with high precision and to develop an automatic production machine. Further, when film formation is performed in a state where the substrate temperature is low, there is a problem that the film strength is insufficient, the film is easily damaged, and the adhesion between the film and the substrate is low.
しかし近年になり、より生産の効率化が求められてきていることから、これらの光学薄膜においても、真空蒸着法に比較して工程の省力化や品質の安定化、膜質(密着性、膜強度)などの面で有利なスパッタリング法によるコーティング等の要求が高まってきた。 However, since more efficient production has been demanded in recent years, these optical thin films can also save labor and stabilize quality, film quality (adhesion, film strength) compared to vacuum deposition. The demand for coating by the sputtering method, which is advantageous in terms of the above, has increased.
スパッタリング法を用いて、特にZrO2 、Ta2 O5 、TiO2 等の酸化物誘電体薄膜の成膜を行うと、低吸収かつ高屈折率の薄膜が容易に得られる。 When an oxide dielectric thin film such as ZrO 2 , Ta 2 O 5 , or TiO 2 is formed by sputtering, a thin film having a low absorption and a high refractive index can be easily obtained.
薄膜の製造用に従来から広く用いられているスパッタリング法は、平行平板型のマグネトロンスパッタリング装置を用いて、真空容器(成膜チャンバー)内に、薄膜の材料となるターゲットと、ホルダーに取り付けられた基体(基板)とを対向するように配置して、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体上に堆積させる方法である。これは、簡便で高速成膜、大面積成膜が可能であり、ターゲットも長寿命である等の点で優れた成膜方法である。 A sputtering method that has been widely used for manufacturing a thin film has been attached to a target and a holder, which are materials for the thin film, in a vacuum vessel (film formation chamber) using a parallel plate magnetron sputtering apparatus. In this method, the substrate (substrate) is disposed so as to face the substrate, plasma is generated to sputter the target, and target particles knocked out by sputtering are deposited on the substrate. This is an excellent film forming method in that it is simple and capable of high speed film formation and large area film formation, and the target has a long life.
また、平行平板型以外のスパッタリング装置も従来から知られており、例えば、特開平06−17248号公報には、ターゲットと基体が対向している平行平板型スパッタ装置から基体あるいはターゲットを90度回転した、オフアクシス型スパッタ装置が提案されている。 Also, sputtering apparatuses other than the parallel plate type have been known in the past. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-17248, the substrate or the target is rotated 90 degrees from the parallel plate type sputtering apparatus in which the target and the substrate face each other. An off-axis type sputtering apparatus has been proposed.
さらに、特開平05−182911号公報には、スパッタされる面が空間を隔てて対面するように配置するとともに、スパッタされる面に垂直な方向の磁界を発生させ前記ターゲット間の空間の側方に配置した基体上に薄膜形成をするような対向ターゲットスパッタ装置が提案されている。 Further, Japanese Patent Laid-Open No. 05-182911 discloses that a surface to be sputtered is arranged so as to face a space, and a magnetic field in a direction perpendicular to the surface to be sputtered is generated so as to be lateral to the space between the targets. An opposed target sputtering apparatus has been proposed in which a thin film is formed on a substrate disposed on the substrate.
そして、特開平08−167596号公報には、プラズマを生成するプラズマ生成室と成膜を行う基体を配置するプラズマ処理室の間に少なくとも1枚のプラズマ分離用のメッシュプレートを配設し、該メッシュプレートには複数の開口部が設けられており、該開口部の径がプラズマのデバイ長の2倍以下を特徴とするプラズマ処理装置等が提案されている。 In JP-A-08-167596, at least one plasma separation mesh plate is disposed between a plasma generation chamber for generating plasma and a plasma processing chamber for disposing a substrate on which a film is formed. There has been proposed a plasma processing apparatus or the like in which a plurality of openings are provided in the mesh plate, and the diameter of the openings is not more than twice the Debye length of plasma.
近年では、精密加工に用いられる光学装置として、ArFエキシマレーザー光源やF2 エキシマレーザー光源を使用した装置が開発され、その光学系を構成する光学部品として、高品質、高耐久の弗素含有膜が望まれるようになっている。 In recent years, devices using ArF excimer laser light source and F 2 excimer laser light source have been developed as optical devices used for precision processing, and high-quality, high-durability fluorine-containing films are used as the optical components constituting the optical system. It has come to be desired.
平行平板型のスパッタリング装置を用いて、弗化アルミニウムや弗化マグネシウム等の弗素含有薄膜を形成する方法には以下に示すものが提案されている。 As a method for forming a fluorine-containing thin film such as aluminum fluoride or magnesium fluoride using a parallel plate type sputtering apparatus, the following has been proposed.
例えば、弗化物薄膜をスパッタリング法によって形成する方法として、特開平04−289165号公報に開示されているようなものが知られている。これは、MgF2 などのアルカリ土類金属弗化物膜を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を用いてスパッタリングする方法である。また、特開平07−166344号公報に開示されているように、金属ターゲットを用いて、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によりDCスパッタリングする方法も知られている。しかしながら、これらの方法では、荷電粒子により、堆積される薄膜や基板にダメージが入り、所望の特性を得ることは難しいとの知見を得ている。 For example, as a method for forming a fluoride thin film by a sputtering method, a method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 04-289165 is known. This is a method of sputtering an alkaline earth metal fluoride film such as MgF 2 using a mixed gas of an inert gas such as Ar and a fluorine-based gas such as CF 4 . Further, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-166344, there is also known a method of performing DC sputtering using a metal target with a mixed gas of an inert gas such as Ar and a fluorine-based gas such as CF 4. Yes. However, in these methods, it has been found that it is difficult to obtain desired characteristics because the deposited thin film or substrate is damaged by charged particles.
さらに、特開平08―201601号公報に開示されたように、弗化物ターゲットを用いて、投入する酸素系ガスを一定にし、ターゲットの投入電力を変化させる方法、つまり、成膜レートを変えることで酸化の度合いを変化させる方法があるが、酸化性の高い膜を成膜する場合、レートがかなり遅くなり生産性に欠点がある。そして弗化物膜を成膜する場合は、投入電力があまりにも高いとF- などの荷電粒子により基板が衝撃をうけ、所望の特性を得ることは難しい。
NF3 やF2 ガス等の弗素系の反応ガスを導入して、スパッタリングよってレンズ等に弗化物薄膜を成膜する場合は、弗素、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、生成した高エネルギー粒子が膜に入射して膜に物理的ダメージを与えたり、膜の組成比を変動させる。ターゲット材料やスパッタリング条件によっては、基体上に膜が形成されず逆に基体がエッチングされる等、負イオンによる大きなダメージが生じることがある。 When a fluorine-based reaction gas such as NF 3 or F 2 gas is introduced to form a fluoride thin film on a lens or the like by sputtering, the negative ions of fluorine and fluorine compounds are accelerated by the cathode sheath voltage and generated. High energy particles are incident on the film, causing physical damage to the film or changing the composition ratio of the film. Depending on the target material and sputtering conditions, large damage may occur due to negative ions, such as etching the substrate instead of forming a film on the substrate.
さらに、イオンシースで加速されたイオンおよび電子が基体表面に形成された膜にダメージを与え、基体の温度を上昇させたり、膜の光吸収を増大させることがある。特にエネルギーの高い紫外光を取り扱う露光機等の光学系に用いる場合は、光透過率が顕著に低くなってしまう。 Furthermore, ions and electrons accelerated by the ion sheath may damage the film formed on the surface of the substrate, thereby increasing the temperature of the substrate and increasing the light absorption of the film. In particular, when used in an optical system such as an exposure machine that handles high-energy ultraviolet light, the light transmittance is remarkably lowered.
また、成膜後の洗浄工程や、露光機内に光学素子を組み入れた際に起こる光学的特性の変動が大きいと、成膜後の特性から露光機の性能を予測することが難しくなり、さらに露光機の性能すら落としてしまうことになりかねない。 In addition, if there are large fluctuations in the optical characteristics that occur when the cleaning process after film formation and the optical elements are incorporated into the exposure apparatus, it becomes difficult to predict the performance of the exposure apparatus from the characteristics after film formation. Even the performance of the machine may be reduced.
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、紫外光、とりわけ真空紫外光に対する透過率が高く、極めて高品質な弗素含有薄膜を安定して効率よく製造することのできる弗素含有薄膜の成膜方法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 stably and efficiently produces an extremely high-quality fluorine-containing thin film with high transmittance to ultraviolet light, particularly vacuum ultraviolet light. An object of the present invention is to provide a method for forming a fluorine-containing thin film that can be performed.
上記の目的を達成するため、本発明の弗素含有薄膜の成膜方法は、スパッタリング法による弗素含有薄膜の成膜方法であって、水素を含むスパッタリングガスによってターゲットから放出されたスパッタリング粒子を弗素含有ガスと反応させて基体に被着させ、前記弗素含有薄膜の下層部分を形成する第1の成膜工程と、水素を含まないスパッタリングガスによってターゲットから放出されたスパッタリング粒子を弗素含有ガスと反応させて前記弗素含有薄膜の上層部分を成膜する第2の成膜工程と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for forming a fluorine-containing thin film according to the present invention is a method for forming a fluorine-containing thin film by a sputtering method, in which sputtering particles released from a target by a sputtering gas containing hydrogen contain fluorine. A first film-forming step of forming a lower layer portion of the fluorine-containing thin film by reacting with a gas and reacting the sputtered particles released from the target with a sputtering gas not containing hydrogen with the fluorine-containing gas. And a second film forming step for forming an upper layer portion of the fluorine-containing thin film.
第1の成膜工程によって成膜される下層部分の膜厚が、弗素含有薄膜の全体膜厚の10〜25%であるとよい。 The film thickness of the lower layer formed by the first film forming process is preferably 10 to 25% of the total film thickness of the fluorine-containing thin film.
ターゲットが、Mg、Al、LaおよびNdのうちの少なくとも1つを含有するとよい。 The target may contain at least one of Mg, Al, La, and Nd.
スパッタリング法による弗素含有薄膜の成膜において、成膜工程の初期の全体膜厚に対して10〜25%の厚さの下層部分が形成される時間だけ水素ガスを供給し、プラズマ中の負イオン等の生成を抑制し、負イオン等による膜へのダメージを低減する。 In the formation of a fluorine-containing thin film by sputtering, hydrogen gas is supplied for a time during which a lower layer portion having a thickness of 10 to 25% of the initial total film thickness of the film formation process is formed, and negative ions in the plasma And the like, and damage to the film due to negative ions is reduced.
水素ガス添加によるダメージ抑制効果は、成膜が完了するまで継続しても、初期のみ水素ガスを導入した場合とほぼ同じであり、長く水素添加を続けると異常放電等放電の不安定化によるトラブルが生じることが分かった。そこで、弗素含有薄膜の成膜開始後の短時間だけ限定的に水素を導入することで、放電を安定維持し、かつ負イオン等による膜へのダメージを抑制する。 The damage suppression effect of hydrogen gas addition is almost the same as when hydrogen gas is introduced only in the initial stage even if the film formation is completed, and if hydrogen is added for a long time, troubles caused by unstable discharge such as abnormal discharge Was found to occur. Therefore, by introducing hydrogen only for a short time after the start of film formation of the fluorine-containing thin film, discharge is stably maintained and damage to the film due to negative ions or the like is suppressed.
このようにしてダメージによる光吸収の少ない高品質な弗素含有薄膜を安定して製造することを可能にする。 In this way, it is possible to stably manufacture a high-quality fluorine-containing thin film with little light absorption due to damage.
図1に示すスパッタ装置は、成膜チャンバー1のバルブ2を開けてドライポンプ3で排気後、バルブ2を閉じてバルブ4を開き、予め起動させたターボ分子ポンプ5およびクライオポンプ6にて、バルブ7、8を開いて高真空(5.0×10-7Torr以下)に排気させる。ロードロックチャンバー9内のワークWは基体ホルダー10に保持され、ドライポンプ11でバルブ11aを開いて排気し、さらにバルブ11aを閉じて予め起動させておいたターボ分子ポンプ12にて高真空まで排気する。
The sputtering apparatus shown in FIG. 1 opens the
その後、ガス供給ライン13、14より、所定の圧力になるよう、スパッタリングガスであるAr等の希ガス(不活性ガス)と水素ガス(水素含有ガス)およびF2 等の反応性ガスである弗素含有ガスを成膜チャンバー1内に導入し、ターゲットユニット15の内部に設置されたターゲットに、電力供給手段16より所定の電力を高周波重畳および異常放電対策電源17を通して供給し、放電を生起させる。
Thereafter, a rare gas (inert gas) such as Ar as a sputtering gas, a hydrogen gas (hydrogen-containing gas), and a fluorine gas as a reactive gas such as F 2 so that a predetermined pressure is obtained from the
プラズマインピーダンスが安定した後に、ロードロックチャンバー9のゲートバルブ9aを開き、基体搬送ロボットを用いて、ターゲットに対する所定の離間距離(ターゲット・基体距離)までワークWを移動させて、その表面に弗素含有薄膜の成膜を開始する。もちろん成膜中および放電生起時に使用するガスは処理が必須であるガスを用いるため、排気系は吸着塔もしくは燃焼塔に接続され、大気中への暴露を防ぐ処理が施されている。
After the plasma impedance is stabilized, the
成膜が開始され、所定時間を経過した後に水素ガスの供給を停止する。そして水素ガスを供給することなく成膜を継続し、所定の最終膜厚に達したら、電力供給手段16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、ガス供給ライン13、14より供給される希ガスおよび反応性ガスの供給を停止させ、基体搬送ロボットを成膜前の位置まで戻し、ゲートバルブ9aを閉じ、バルブを閉じた後に窒素をロードロックチャンバー9に供給し、ロードロックチャンバー9を大気圧に戻した後、ワークWを取り出して、真空紫外分光測定器を用い、吸収率を測定し、評価する。
After the film formation is started and a predetermined time has elapsed, the supply of hydrogen gas is stopped. Then, the film formation is continued without supplying hydrogen gas, and when the predetermined final film thickness is reached, the power supplied from the power supply means 16 to the target is cut to complete the film formation. Thereafter, the supply of the rare gas and the reactive gas supplied from the
このように弗素含有薄膜の成膜工程において、放電空間に放電を生ぜしめて成膜初期のみ、水素ガスおよび不活性ガスをガス供給ライン13から供給してターゲットをスパッタし、図1の(b)に示すように、基体20の近傍の水素が含有された下層部分21aと、水素を含まない上層部分21bからなる弗素含有薄膜21を成形する。水素を含有する下層部分21aの厚さは、全体膜厚の10〜25%が望ましい。
As described above, in the step of forming the fluorine-containing thin film, discharge is generated in the discharge space, and the target is sputtered by supplying the hydrogen gas and the inert gas from the
アノード側のガス供給ライン13から放電空間内に前記不活性ガスおよび水素ガスを供給し、放電空間外のガス供給ライン14から前記弗素含有ガスを供給する。水素含有ガスはH2 、HF、CH4 、C2 H6 から選択される少なくとも一種であり、弗素含有ガスは、弗素ガス、弗化窒素ガス、弗化炭素ガス、弗化硫黄ガス、弗化水素化炭素ガスから選択される少なくとも一種であり、不活性ガスはAr、Xe、Kr、Neから選ばれる。ターゲットは、Mg、Al、La、Ndから選択される少なくとも一種を含む金属からなり、基体20は、弗化カルシウム等からなる。そして、ターゲットに印加される電圧をモニターし、前記ターゲットに印加される電圧が略一定になるように、前記ガスの供給量を制御する。
The inert gas and hydrogen gas are supplied into the discharge space from the
図1の装置において、ターゲット材として金属マグネシウムを使用し、放電生起のために直流電源より400Wの電力をターゲットに印加し、H2 を20sccm、Arを200sccm、F2 を20sccm流し放電を生起させた。その後、放電インピーダンスが安定した後に成膜を開始した。この際、前もって成膜初期時のレートを確認しており、このレートを用い時間制御にて、基体に20nm成膜後、添加しているH2 の供給を停止して、所定の膜厚80nmまで成膜した。 In the apparatus of FIG. 1, metallic magnesium is used as a target material, and 400 W of electric power is applied to the target from a DC power source to generate discharge, and H 2 is supplied at 20 sccm, Ar is supplied at 200 sccm, and F 2 is supplied at 20 sccm to cause discharge. It was. Thereafter, film formation was started after the discharge impedance was stabilized. At this time, the rate at the initial stage of film formation is confirmed in advance, and by using this rate, the supply of H 2 added is stopped after film formation of 20 nm on the substrate by time control, and a predetermined film thickness of 80 nm is obtained. The film was formed up to.
比較のために、初期に水素添加をすることなく同様の条件で、弗化マグネシウムの薄膜を作成した。図2は、初期に水素を添加することなく成膜した弗素マグネシウム薄膜の波長157nmの光に対する吸収を1としたときの吸収相対値を実線のグラフAで示し、破線のグラフB1 で示す本実施例の吸収相対値と比較したものである。このように、初期に水素を添加すると、水素添加をしないものに比較して、全体的に吸収が略1/2であるという良好な結果を得た。 For comparison, a magnesium fluoride thin film was prepared under the same conditions without initial hydrogenation. FIG. 2 is a graph showing the absorption relative value when the absorption with respect to light having a wavelength of 157 nm of the magnesium fluoride thin film formed without adding hydrogen in the initial stage is 1 as a solid line graph A and a broken line graph B 1. It is a comparison with the absorption relative value of the example. Thus, when hydrogen was added in the initial stage, a good result was obtained that the overall absorption was about ½ as compared with the case where hydrogen was not added.
実施例1と同様に、図1の装置を用い、ターゲット材として金属マグネシウムを使用し、放電生起のために直流電源より400Wの電力をターゲットに印可し、H2 を20sccm、Arを200sccm、F2 を20sccm供給し放電を生起させた。その後、放電インピーダンスが安定した後に成膜を開始した。成膜初期の20nm程度の膜厚を成膜する時のみ水素を添加し、その後は水素添加なしで約200nmの膜厚まで成膜した。 As in Example 1, using the apparatus of FIG. 1, using metallic magnesium as a target material, applying a power of 400 W from a DC power source to the target for generating discharge, H 2 at 20 sccm, Ar at 200 sccm, F 2 was supplied at 20 sccm to cause discharge. Thereafter, film formation was started after the discharge impedance was stabilized. Hydrogen was added only when a film thickness of about 20 nm was formed at the initial stage of film formation, and then the film was formed to a film thickness of about 200 nm without hydrogen addition.
比較のために、成膜中終始水素を添加して膜厚約200nmまで成膜した。図3は、初期に水素を添加することなく成膜した弗素含有薄膜の波長157nmの光に対する吸収を1としたときの比較例による吸収相対値を実線のグラフCで示し、破線のグラフB2 で示す本実施例の吸収相対値と比較したものである。このように、終始水素を添加しても初期のみ水素を添加した場合とほぼ同じ結果であることが確認された。 For comparison, hydrogen was added throughout the film formation until a film thickness of about 200 nm was formed. FIG. 3 shows the relative absorption value of the comparative example when the absorption with respect to light having a wavelength of 157 nm of the fluorine-containing thin film formed without adding hydrogen in the initial stage is 1 as a solid line graph C, and the broken line graph B 2. It compares with the absorption relative value of a present Example shown by. Thus, it was confirmed that even when hydrogen was added throughout, the results were almost the same as when hydrogen was added only in the initial stage.
しかしながら水素を終始添加すると成膜時のVdcは上昇し、異常放電も多発し、成膜工程中の放電が不安定で制御が難しく、膜質が劣化しやすいことから、安定して高品位な弗素含有薄膜を成膜するためには、水素は成膜初期にのみ添加することが望ましい。 However, when hydrogen is added all the time, the Vdc at the time of film formation rises, abnormal discharge occurs frequently, the discharge during the film formation process is unstable and difficult to control, and the film quality is easily deteriorated. In order to form the containing thin film, it is desirable to add hydrogen only at the initial stage of film formation.
実施例1と同様に、図1の装置により、ターゲット材として金属ランタニウムを用いて同様に成膜を行った。図4は、水素を添加することなく成膜した弗素含有薄膜の波長157nmの光に対する吸収を1としたときの吸収相対値を実線のグラフDで示し、本実施例の弗素含有薄膜の吸収相対値を破線のグラフB3 で示す。これによりLaF3 膜の成膜においても、水素を添加しない場合に比較して、初期のみに水素を添加する場合に吸収が少ないことが確認された。 In the same manner as in Example 1, film formation was performed in the same manner using the apparatus shown in FIG. FIG. 4 shows the absorption relative value of the fluorine-containing thin film formed without adding hydrogen when the absorption with respect to light having a wavelength of 157 nm is 1, as a solid line graph D. The absorption relative of the fluorine-containing thin film of this example is shown in FIG. The value is indicated by a broken line graph B 3 . As a result, it was confirmed that even when the LaF 3 film was formed, there was less absorption when hydrogen was added only in the initial stage than when hydrogen was not added.
1 成膜チャンバー
3、11 ドライポンプ
5、12 ターボ分子ポンプ
6 クライオポンプ
9 ロードロックチャンバー
10 基体ホルダー
13、14 ガス供給ライン
15 ターゲットユニット
DESCRIPTION OF
Claims (3)
水素を含むスパッタリングガスによってターゲットから放出されたスパッタリング粒子を弗素含有ガスと反応させて基体に被着させ、前記弗素含有薄膜の下層部分を形成する第1の成膜工程と、
水素を含まないスパッタリングガスによってターゲットから放出されたスパッタリング粒子を弗素含有ガスと反応させて前記弗素含有薄膜の上層部分を成膜する第2の成膜工程と、を有することを特徴とする弗素含有薄膜の成膜方法。 A method for forming a fluorine-containing thin film by sputtering,
A first film forming step of forming a lower layer portion of the fluorine-containing thin film by causing sputtering particles released from a target by a sputtering gas containing hydrogen to react with a fluorine-containing gas and depositing the particles on a substrate;
And a second film forming step of forming an upper layer portion of the fluorine-containing thin film by reacting the sputtered particles released from the target with a sputtering gas not containing hydrogen to react with the fluorine-containing gas. Thin film deposition method.
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