JP2008095147A - スパッタ成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットエロージョンによる膜厚分布の経時変化を抑制する。
【解決手段】基板１０に薄膜を成膜するスパッタ装置において、ターゲット５に基板１０を対向させて走査しながらスキャン成膜する。このスキャン成膜中に、スパッタガスとしてスパッタレートの異なる２種類のガスを用いて、２つのガスのガス流量を第１、第２のマスフローコントローラ４ａ、４ｂによってそれぞれ制御する。ターゲット５のエロージョンに起因するターゲット形状の経時変化に対応させて、スパッタレートの小さい第１のガスのガス流量を常に増加させ、スパッタレートの大きい第２のガスのガス流量を常に減少させながらスキャン成膜を行うことで、膜厚変化を防ぐ。
【選択図】図１

Description

本発明は、高精度な膜厚分布制御を可能とするスパッタ成膜方法に関するものである。

基板上に薄膜を成膜する装置として、平行平板型のマグネトロンスパッタ装置が従来から広く用いられている。このマグネトロンスパッタ装置では、真空槽（真空チャンバ）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配置した上で、プラズマを生成してターゲットをスパッタリングする。そして、スパッタリングによって叩き出されたスパッタリング粒子を基板に堆積させることにより、基板上に薄膜が成膜される。

このようなマグネトロンスパッタによる手法は、簡便で、高速成膜、大面積成膜、ターゲット寿命などの点において、他の手法に比べ、優れた特徴を有している。特に、近年では、装置の大型化や、膜厚の高制御性、自動生産機への対応、等が要求され、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。

例えば、光学膜分野において、特にステッパーなどの半導体露光装置では、焼き付け性能を高めるために高ＮＡ化が進められている。このため、レンズ口径の大型化やレンズに入射する光線の斜入射特性の改善が望まれており、さらに、次世代のＸ線（ＥＵＶ）露光装置では大口径で精度の高い傾斜膜（斜入射特性改善）などの要求が高まっている。

具体的に説明すると、例えば、１３．４ｎｍのＸ線波長を使用したモリブデン（Ｍｏ）とシリコン（Ｓｉ）のＸ線多層膜ミラーでは、反射特性の帯域幅が非常に狭い。このため、ミラー面に入射するＸ線の入射角度が変わると反射特性が低下する。

これらの対策の一つとして、反射ミラー面内においてＸ線入射角度に合った反射ミラー特性にする方法が採られている。しかし、この方法では、反射ミラー面内において、モリブデン（Ｍｏ）とシリコン（Ｓｉ）の膜厚分布を高精度に制御することが必要となる。

さらに、露光装置に使用される光学素子は、短波長化し、形状も非球面、自由曲面、放物面など異形状な物もあり多様化している。そのため、従来にまして高精度な膜厚制御が要求されることとなる。

このようなことから、前述したように他の手法に比べて簡便で、高速成膜、大面積成膜、等において優位なスパッタ装置においても、上記のような露光装置に使用される光学素子等を成膜するに際しては、さらに高精度な膜厚分布制御が求められる。

そのため、例えば、特許文献１では、成膜中に基板とターゲットの相対位置関係を独立して制御できる制御軸を３軸以上有する構成を用いて、スキャン成膜における高精度な膜厚制御を可能としたスパッタ装置が提案されている。この装置では、ターゲットと基板が対面し、その距離が一定になるような複数条件を設定し、その条件の滞在時間を制御しながら、１回もしくは複数回スキャンしながら成膜することで、きわめて高精度な膜厚制御が可能とされている。
特開２００４−２６９９８８号公報

しかしながら、上記従来例によるスパッタ装置においても、高精度な膜厚制御を行う上で、満足の得られない場合が生じた。上記のスパッタ装置では、プラズマを生成してターゲットをスパッタリングするとき、ターゲット上では高密度プラズマが存在する部分のみがスパッタで削られ、この部分にエロージョンが生じる。そしてターゲットのエロージョン形状は、成膜が進行するにつれてより深くなる。

このようなターゲット形状の変化により、スパッタ粒子の放出角度が変化し、そのために、基板の径方向の膜厚分布が変化してしまう。

本発明は、上記の未解決の課題に鑑みてなされたものであり、ターゲットのエロージョンによって膜厚分布が変化するのを抑制し、高精度な膜厚制御を可能と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。

本発明のスパッタ成膜方法は、ターゲットに対して相対移動する基板に薄膜をスキャン成膜する工程を有し、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ、Ｒｎのなかから選択された２種類のガスを前記ターゲットのスパッタガスとして供給し、前記２種類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ながら前記スキャン成膜を行うことを特徴とする。

スパッタレートの異なる２種類のガスの供給量をターゲットのエロージョン形状に合わせて変化させることにより、ターゲットエロージョンによるスパッタレートの変化を補正し、成膜される薄膜の膜厚分布を制御する。

例えば、予め、新しいターゲットに交換した直後から、２つのガスのガス流量比を一定にして、次のターゲットに交換する直前まで、一定の動作条件で成膜した試料における径方向の膜厚分布の経時変化を計測しておく。また、ガス流量比を変化させ、同じ動作条件で成膜した場合の径方向の膜厚分布の変化を計測しておく。ターゲットエロージョンによる径方向の膜厚分布の経時変化と、ガス流量比の変化による膜厚分布の変化とを対応させることで、スパッタレートを一定に保つためのガス流量比の変化パターンを導出する。

このようにして導出された変化パターンに従ってガス流量比を変化させることで、成膜される薄膜の膜厚分布を安定化することができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

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、スパッタガスとして、スパッタレートの異なる第１および第２のガスを供給するガス供給系３と、第１および第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、電源６、基板１０を保持する基板ホルダ１１、プロセスコントローラ２０等を備える。スパッタ開始により、電源６がオンすると、制御信号Ｓ₁ が出力され、プロセスコントローラ２０がオンする。プロセスコントローラ２０は、第１のマスフローコントローラ４ａおよび第２のマスフローコントローラ４ｂに対し、スパッタレートの変化に対応して第１および第２のガスのガス流量（供給量）を制御するためのマスフロー制御信号Ｓ₂ およびＳ₃ を出力する。このようにしてガスの供給は行われる。

基板１０は自転し、同時に径方向へ移動する。このように、ターゲット５と基板１０が対向しながら走査するスパッタ装置において、スパッタレートの異なるＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ、Ｒｎのうちのいずれか２種類のガスからなるスパッタガスを使用する。そして、一方のガスのガス流量を常に増加、他方のガスのガス流量を常に減少させながらスキャン成膜することで、成膜が進行するにつれて変化する膜厚分布を安定化する。すなわち、２種類のスパッタガスのガス流量比を変化させるガス供給手段を用いてスパッタレートを一定に保ち、膜厚分布の経時変化を抑制する。

図２は、従来例によるスパッタ装置においてスキャン成膜した試料Ａ〜Ｄのシリコン単層膜の膜厚分布の経時変化を示すもので、それぞれの中心部の膜厚を１００％として表す。試料Ａはシリコンターゲットの交換直後に作製した試料である。試料Ｂは試料Ａの作成後、２０時間継続して成膜を行った後に作製した試料である。試料Ｃ、Ｄはそれぞれ試料Ａの作成後、４０時間および６０時間継続して成膜を行った後に作製した試料である。成膜が進行するにつれ、周辺部の膜厚は中心部よりも増加する。これは、成膜が進行するにつれ、ターゲットエロージョンが増し、スパッタ粒子の放出角度分布が変化したことが原因と考えられる。

図３は、図１のスパッタ装置においてスキャン成膜した試料Ｅ〜Ｈのシリコン単層膜の膜厚分布を示す。各試料Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈは、スパッタガスにアルゴンガスとキセノンガスを用いて成膜したシリコン単層膜である。全て同一の動作条件で、それぞれの試料において、アルゴンガスの流量は、Ｅ＞Ｆ＞Ｇ＞Ｈ、キセノンガスの流量は、Ｅ＜Ｆ＜Ｇ＜Ｈである。また、すべての試料において、２つのガスの流量和は同一である。

図３のグラフにおいて、基板の中心部を１００％としたときの周辺部の膜厚は、Ｅ＞Ｆ＞Ｇ＞Ｈである。このことから、同一の動作条件で、スパッタレートの大きいアルゴンガス流量を減少し、スパッタレートの小さいキセノンガス流量を増加させると、周辺部の膜厚がより減少することがわかる。

図２および図３のグラフにより、ターゲットエロージョンのために周辺部の膜厚が中心部よりも増加するのに対応させて、スパッタガス中のアルゴンガスを減少させながらキセノンガスを増加させれば、膜厚分布を安定化することが可能となる。

図１に示すガス供給手段を備えたスパッタ装置において、直径３２０ｍｍの平面基板にスキャン成膜を行った。ターゲットにはシリコンを用い、成膜時間は１時間であった。シリコン単層膜の膜厚分布測定には分光エリプソメータを使用した。予め、シリコン単層膜の径方向の膜厚分布の経時変化と、アルゴンガスおよびキセノンガスの２種類のガスのガス流量比の変化による膜厚分布の変化を計測した。これらの計測結果から、図４に示すように、膜厚分布が一定になるようなガス流量の時間的変化パターンを導出した。

このようなガス流量条件で、成膜を行ったときの１０時間後および４０時間後の膜厚分布を調べた結果を図５に示す。図５からわかるように、ターゲット交換直後の膜厚分布と比較して、ほとんど経時変化していない。

本実施例によれば、ターゲットと基板を対向させてスキャン成膜するスパッタ装置において、ターゲットエロージョンによって膜厚分布が変化するのを抑制し、高精度な膜厚制御を行うことができる。

一実施例に用いるスパッタ装置を示す図である。 従来例によるスパッタ装置によってスキャン成膜したときのシリコン単層膜の膜厚分布の経時変化を示すグラフである。 図１のスパッタ装置で、２つのガスのガス流量比を変えてスキャン成膜をしたときのシリコン単層膜の膜厚分布を示すグラフである。 本実施例におけるガス流量比の変化パターンを示すグラフである。 本実施例における膜厚分布の安定性を示すグラフである。

符号の説明

１ 真空チャンバ
２ 排気系
３ ガス供給系
４ａ 第１のマスフローコントローラ
４ｂ 第２のマスフローコントローラ
５ ターゲット
６ 電源
２０ プロセスコントローラ

Claims (3)

1. ターゲットに対して相対移動する基板に薄膜をスキャン成膜する工程を有し、
   Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ、Ｒｎのなかから選択された２種類のガスを前記ターゲットのスパッタガスとして供給し、前記２種類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ながら前記スキャン成膜を行うことを特徴とするスパッタ成膜方法。
2. 前記スキャン成膜中のスパッタレートの変化を補償するように前記２種類のガスのそれぞれの供給量を変化させることを特徴とする請求項１記載のスパッタ成膜方法。
3. 前記スキャン成膜中の前記２種類のガスの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。

Images