CN87102347A - 紫外光源和光化反应的方法 - Google Patents

Abstract

一种汞汽灯设有一个储蓄池，冗余的汞以液态形式贮存于其中。储蓄池中的液态汞被冷却到一定的温度。汞汽的压强自动地降低到被冷却的液态汞的饱和压强。以此配置，调节贮存于储蓄池中的液态汞的温度，就可控制汞汽的压强。

Description

本发明涉及一种大功率的紫外光源以及利用该紫外光源的光化反应，并更具体地涉及一种拥有一种可通过使用大功率输出的紫外光源生成、或刻蚀成一种复盖膜（即大面积的成形表面）的装置的光学汽相反应（即利用光激发的汽相反应）的方法。

作为一种利用汽相反应的薄膜生成或蚀刻法，光学CVD（化学汽相淀积）法（利用光激发，经过反应气体的分解，在成形表面上用化学方法生成一种薄膜的方法）是特别著名的，该方法是用光能来激活反应气体的。与现有的热化学汽相淀积和等离子化学汽相淀积相比，此种方法的优点在于它能在低温下生成薄膜和不致损坏已成形的表面。

但是，光学CVD方法既不能形成超过一定厚度的薄膜，又不能以足够高的生长速度来形成薄膜，这是因为薄膜是在配置于紫外光源和反应室之间的一个窗口表面上生成的缘故。就氮化硅薄膜情况而言，其极限厚度为1，000

（埃）。然而，实际上，如果这个限度可提高到至少2，000

，则该方法将在工业生产上不仅适用于钝化薄膜的形成而且也适用于防止反射的薄膜和栅极绝缘的薄膜形成。因此，目前已迫切需要寻求可达到这一目标的某种方法。

从另方面来说，来自汞灯的光强取决于汞的压力，而该压力是由汞蒸汽饱和压力自动地确定的，这是因为灯管内所容纳的汞量选用得比较冗余、以便补偿管内损耗的缘故。

为了解决这些问题，本发明旨在增加光学CVD法或光刻法中用于光化反应的紫外光源在被辐射表面上的光强。为此要对在低压汞灯中发生弧光放电的电极的引入端和包围该电极的合成石英玻璃灯管处进行强迫冷却，以便防止电极材料尤其是被放电离子所撞击一侧的电极材料的消耗;以及为了使185nm（毫微米）波长的辐射强度增加到比先有技术高出一倍以上而实现提供比先有技术更大的电流。也就是说，它是旨在增加汞原子由接收低压汞灯内电弧放电电能而被激励的状态跃迁到基态（在6¹P₁-6¹So和6³P₁-6¹So的跃迁过程中产生的波长为185nm和254nm的辐射）所发射的辐射强度，并更进一步地旨在增加被辐射表面上的紫外光强。这样，本发明可由紫外线通过激励或激活反应室中的反应气体来促进某成形表面上的复盖薄膜的生成过程，尤其在用波长为3mm的紫外光时效果更佳。

为了达到上述目的，本发明可增加紫外光源的光强，并同时可对透明盖板的上端部份与形成表面之间的距离置定为3cm或3cm以下、最好从3mm到2cm。

由于目前是可以把大量的波长为185nm的短波紫外线传送到某一基片的生成表面上，甚至无须用油或类似材料涂敷成一个窗口，所以要对先有的1000 （在氮化硅的情况下）生成薄膜厚度的极限值进行改进是可能的。这样，单由光学CVD方法就能得到一种防止反射的诸如InP（磷化铟）之类的半导体化合物膜和一种诸如GaAs半导体化合物的钝化膜和薄膜型硅半导体元件的绝缘栅薄膜所要求的足够厚度。

此外，本发明方法形成一种在窗口上根本不用风勃灵（Fomblim，一种油的商标）油或其类似品的无油反应系统，因此背景真空度值可增加到低于10^-3托（Torr.）。并且本发明可形成各种归因于光激发的光学CVD膜，即各种诸如硅的半导体薄膜，诸如各种氧化硅、氮化硅、氮化铝、磷玻璃以及硼玻璃等的绝缘膜，以及诸如各种铝、钛以及钨等金属或这些金属的硅化物的导电膜。

图1是说明本发明的光学CVD的示意图。

图2是说明由本发明的强迫冷却型汞灯组成的紫外光源的原理图。

图3是表示由本发明所形成的氮化硅膜的厚度对氮化硅膜窗口和生成表面之间的距离的关系曲线图。

图4是表示本发明的另一实施例的局部剖面图。

图5（A）至5（C）是表示内存汞的温度和紫外线的光强之间的关系曲线图。

参阅图1所示的一个实施例，对本发明的细节将说明如下：

在图1中，拥有生成处理表面的基片（1）由夹子（1′）夹住而置于反应室（2）中。在基片的上面附近备有一个拥有加热室（3′）的囟加热器（3）（halogen    heater    3）（其上部表面用水循环（32）冷却）。在反应室（2）的下面备有一个拥有由电源（13）供电的强迫冷却型低压汞灯所组成的大量紫外光源（9）的光源室（5）。光源室（5）和加热室（3′）保持在近乎相等的真空度上，各在反应室（2）之间的压差低于10托。为此，就要从（27）或（28），经过一个流量计（21）和阀门（22）向光源室（5）和加热室（3′）供应一种非产品气体（氮、氢、氦或氩）。

在图2中表示出在图1中的汽相反应设备所用的本发明起紫外光源作用的强迫冷却型低压电弧放电汞灯。

图2所示的本发明低压弧光放电汞灯（9）拥有一对电极（11）和（12）。在保持减压状态的合成石英制的灯管内密封有氩气和汞。

此外，有一个为了通过一个小量的相移而产生一个足以用作初始起动电压的扼流圈（14）。首先将开关（37）合上，对阴极（11-1）和（12-1）进行充份加热以利于热电子的发射。

然后开断开关（36），于是在扼流圈两端间产生的高压就导致电弧放电。

换言之，放电过程是通过使电流从阴极（11-1）和（12-1）流到阳极（11-2）和（12-2）而起动的。

接着，扼流圈的电感量就减小，于是在电极对（11）（12）中流动的电流就变大，这是因为电弧放电拥有负阻的缘故。结果，由于电极所生成的热是与正在流动的电流的平方成正比的，所以为了对电极（11）和（12）进行冷却，就要通过从（15）对（33）和（34）引入一种冷却剂，并从（15′）排出以冷却引入线端子（35）。一般是用水作为冷却剂的。但是氟里昂或类似物可以用作为其他冷却剂的例子。

一般，为了发射电子，电极（11-1）和（12-1）需要涂敷一种材料，例如逸出功小的BaO。但是，这种小逸出功材料拥有弱的抗震特性，并且这种材料易于被诸如氩和汞的原子击毁。

因此，未被涂敷BaO的电极（11-2）和（12-2）可用作有防震特性的电极。在本发明中，电极（11-2）和（12-2）以环状设置在靠近或邻接于灯管内壁处。于是各电极从管外进行强迫冷却，可以防止电极（11-2）和（12-2）的温升，以便使其电流约为先有技术的两倍。结果，虽然流过电流很大，但灯管寿命却至少可接近2，500小时，而其输出比起始输出的降低幅度低于10%。

此外，为了充份改善强迫冷却装置（33）、（34）以及各电流引入端（35）同靠近电极的灯管外壁之间的导热性，需要用一种导热胶（16）来密封。

通过上述安排，就可用保持管内温升（例如40℃）的方法来保持设计技术要求的最高压力。在图1的汽相设备中，当紫外光源（9）本身由来自基片的加热器的热量加热时，当然利用在灯管下面互相紧贴而直线设置的水冷管子是卓有成效的。

在用图1所示的设备把诸如硅的半导体制成反应产品的情况下，可利用硅化物或各种硅的囟化物（H_xSi₂F_6-x（x＝0-5）、H_xSi₂C_6-x（x＝0-5）、H_xSi₃F_8-x（x＝0-8）、H_xSi₃Cl_8-x（x＝0-8）以及其类似品）的气体即各种硅烷（Si_nH_2n+2，n≥2）作为产品气体。此外，可把氢、氮、氩或氦用作非产品气体的运载气体。

在把一种氮化物（氮化硅、氮化铝、氮化稼、氮化铟、氮化锑或其类似品）制成反应产品的情况下，可对应地用Si₂H₆、Al（CH₃）₃、Ga（CH₃）₃、In（CH₃）₃、Sn（CH₃）₄以及Sb（CH₃）₃作为反应产品，这些原料是从（23）提供的。此外，作为一种参与该反应的非产品气体，可用由（26）供应的氨或联氨。而且，一种不参加反应的非产品气体（氢或氦）是由（24）和（28）供作运载气体的。

在把一种氧化物（氧化硅、磷玻璃、硼玻璃、氧化铝、氧化铟、氧化锡或它们的混合物）制成一种反应产品的情况下，利用一种氧化物（N₂O，O₂、NO、或NO₂）作为一种参加反应的由（26）所供应的产品气体。既然是这样，一种硅化物（Si₂H₆、Si₂F₆、或Si₂Cl₆）、铝化合物（Al（CH₃）₃或Al（C₂H₅）₃）、铟化合物（In（CH₃）₃或In（C₂H₅）₃、锡化合物（Sn（CH₃）₄或Sn（C₂H₅）₄或锑化合物（Sb（CH₃）₃或Sb（C₂H₅）₃）对应地可用作从（23）供应的一种产品气体。此外，作为一种并不参与反应的非产品气体，氢或氦是从（24）供作一种载送气体的。而且，磷化氢（PH₃）和乙硼烷（B₂H₆）是从（25）供应的。

在制造一种导体（铝、钨、钼、锡、或该每一种金属的硅化物）的情况下可把氢、氩或氦用作一种非产品气体。此外，Al（CH₃）₃、WF₆、W（C₂H₅）₅、MoCl₅、Mo（CH₃）₅、TiCl₄、Ti（CH₃）₄或每种这些和SiH₄、Si₂F₆、SiH₂Cl₂或SiF₄的混合物可对应地用作供自（24）和（23）的一种产品气体。而且，一种不参与反应的非产品气体氢是从（25）和（27）供作一种载送气体的。

反应室的压力控制是通过一个汽轮分子泵（可用大孤-Osaka-真空有限公司制造的PG550）（18）和一个回转泵（19），经过一个控制阀（17）和一个气门（20）而将气体排出的方法来完成的。

在利用排气系统（8）对储藏室进行抽气过程中，排气系统（8）的储藏室（4）侧是打开的，而其反应室（2）侧是由气门（20）并闭的。反之，为了对反应室抽气，或为了使反应室中发生光化反应，那反应室一侧是打开的而其储藏室一侧是关闭的。

在薄膜生成过程中，采用装载和锁定系统，该系统不会在将基片从储藏室运送到反应室期间产生压差。首先，随着在储藏室中基片（1）和夹子（1′）的插入和浣积过程的同时，对储藏室进行抽气。然后将基片（1）和夹子（1′）移入反应室（2），该反应室（2）是通过将配置在储藏室和反应室之间的阀门（6）打开而被抽空到小于或等于10^-3托的真空度的。再将阀门（6）关闭，就使反应室（2）和储藏室（4）隔开。

接着，把非产品气体，以流量率为100至1，500cc/min引入光源室和加热室，以便防止因反向流动而使各反应气体在光源室中混合。此时，将一种参加反应的非产品气体，例如NH₃供到反应室中，再让该系统保持现状坚持约30分钟，以使基片的处理生成表面通过由气体的光学分解作用所产生的活性氢和氟进行光刻。通过这个方案，由于可从生成处理表面移去氧化物，结果使辐射蚀刻成为可能，而留下的表面清晰而光滑。接着经过一个喷嘴（30）将一种从反应气体中出来的产品气体喷到反应室中。

用作反应光源的是低压弧光放电汞灯（9），该灯用合成石英管制成，并装有强迫冷却装置33和34。就是说，紫外光源由十六支用合成石英制成的低压汞灯（能发出185毫微米和254毫微米波长的辐射，具有40厘米的发射长度，60至100毫瓦/厘米²的辐射强度和150至500瓦的灯管功率）组成。

由上述光源射出的紫外光通过一用合成石英制成的透明盖板（10），辐照反应室（2）的反应空间里的反应气体（31）和基片（1）的生成处理表面（1′）。加热器（3）是“淀积出来”（deposition    up）型的，它设置于反应室（2）的上面。这样配置就可能避免产生由于生成表面上片状粉末的附着作用而造成小分层的原因，同时，基片1由囟素加热器在预定温度（在室温和700℃的范围内）下从它的背面进行加热。反应室由不锈钢制成。该紫外光源放置在一个保持真空的光源室内。所述光源室和反应室处于气压降低状态下，并被不锈钢容器包围。因此，就可能在技术上毫无困难地在一块尺寸为30厘米×30厘米的大型基片上生成薄膜，从而代替了5厘米×5厘米的小面积成膜。

本发明的一个具体实施例将通过以下实验例证给予说明。

实验例：生成氮化硅薄膜的实施例。

图1中，作为反应气体的氨以200毫升/分钟的速率从（25）输入，乙硅烷以20毫升/分钟的速率从（23）输入。把基片温度整定在350℃，就得到图3曲线40的所示结果。所用基片是四片直径5英寸的圆片。反应室内的压强是10托。

氮作为不参与反应的非产品气体，以200毫升/分钟的流率从（27）引入。

随着五十分钟的反应，可获得厚度在1，000至3，500埃范围内的氮化硅薄膜。生成表面上的紫外光（185毫微米）强度的40毫瓦/厘米²。生成薄膜的厚度相对于盖板和具有生成表面的基片之间距离的依从关系示于图3。由图3可见，3，000埃的最大厚度是在窗口上表面和生成表面之间有1厘米距离的条件下得到的。从图3还可看出，为了得到厚度大于2，000埃的薄膜，要使该距离小于3厘米，最好小于2厘米是非常重要的。

由该图可见，如果使用众所周知的普通汞灯，而不是使用本发明的强迫冷却型汞灯，紫外光强度就不能提高到20毫瓦/厘米²以上。因为这一点，该情况下的最大厚度达到的是1，000埃（对于到基片距离为1厘米的情况来说），由图3的曲线（39）表示。

现在参照图4说明本发明的另一个实施例。尽管在上述实施例中汞灯的两端部是被冷却的，但这个实施例属于具有一种型式冷却系统的紫外光源。只要涉及光源室中汞蒸汽的蒸汽压强，本发明的各项优点就只能用冷却蓄汞池的方法来达到，该蓄汞池中以汽相形式贮存冗余的汞。图4是该蓄汞池的断面图，它设置在光源的合成石英管上，并在靠近不发生等离子体的端部位置处伸出来。围绕着蓄汞池（40）的冷却装置（41）设有中间油层（42），后者构成了蓄汞池40和冷却装置（41）之间的热连接。该冷却装置用高导热性材料，诸如铝、铜等制成，而且设置有许多穿过其中的输水管。根据装在蓄汞池上的温度传感器（图上未画出）测得的汞的温度，调节水管中循环冷却水的流动速率即可调整蓄汞池中液态汞的温度。

图5（A）至5（C）示出另一实施例的光源强度和电源为200瓦、150瓦、100瓦的蓄汞池中液态汞温度的关系曲线。“Ta”是指气氛温度，也就是光源的石英管的温度。如图5（A）所示，当输入功率为200瓦、气氛温度100℃时，在液态汞温度大约为60℃时可获得最高光强。当气氛温度是200℃时，对于每一种输入电源功率，最佳温度都可由图5（B）清晰可见。但是，在气氛温度为300℃时，如图5（C）所示，最佳温度变得不清晰了。当然，这些图只是举例，要想知道蓄汞池应该冷却到什么温度才是最佳的，还应对些情况进行检验。这样配置，石英管中汞的压强不取决于气氛温度，而取决于由冷却装控制的蓄汞池中汞的温度。

从以上说明可以清楚看到，本发明通过减少低压汞灯的电极消耗和使灯中流过大电流，用以在大面积基片上生成薄膜是成功的。因此，就有可能把薄膜厚度的极限值从通常的1，000埃增加到大于3，000埃。此外，把100赫芝至1千赫芝的高频用于汞灯，并且调节它的功率因数，就可能增加185毫微米波长辐照的发射强度。再有，按照本发明通过选择透明盖板和薄膜表面之间的距离为3厘米或更少一些，最好是0.3至2厘米，就可能得到最大的薄膜厚度。本发明可能生产出极好的氮化硅薄膜，它拥有的界面能级密度低于3×10¹¹厘米²。

以上是本发明结合氮化硅薄膜的生成一起叙述的。然而，各种各样的半导体、绝缘体、导体，以及诸如非晶质硅薄膜、氧作硅薄膜、包含此类物质连同所加杂质一起的含磷玻璃、硼玻璃或铝，都可以用此同一技术思想形成。另外，利用在上述作为反应气体的材料中不曾涉及的铁、镍或钴的羰基化合物，在铁、镍、钴或它们的化合物磁性材料上形成钝化薄膜也是有效的。

还应该提到的是，在所述实施例中，掺杂物也可以加入到硅半导体的形成中去。

另外，如果环境污染可以不考虑，则让通过的反应气体穿过一个汞扩散器，薄膜生长的速度就会得到改善。

图1中，光源放置在系统的下部，而反应空间则设在上部。然而，如果所产生的片状粉末可以相当容易地排除的话，那么同本发明的实施例相反，只要把反应空间设置在下部，即可便于基片的配置。再有，如果希望这样做，则上述光源可以布置在本装置的一个侧向上。

本发明应不限于如上所述的各具体的实施例，不用说，本领域内的技术人员会想到许多的改进和变更方案。例如，上述紫外光源除了可以有效地用于化学气相淀积以外，还可有效地用于光刻系统或其他技术领域。

Claims (10)

1、一套紫外光源，其特征在于包括：

一个有着把工作媒质的蒸汽以适当负压进行气闭密封于其中的透明器壁的真空容器；

设置在所述容器内，用于放电的阴极和阳极端子；

用于冷却所述端子的装置。

2、根据权利要求1的光源，其特征在于，它是用于化学气相淀积系统中的。

3、根据权利要求2的光源，其特征在于，所述容器是一根用石英制成、其任何一端都是封闭的管子。

4、根据权利要求3的光源，其特征在于，所述冷却装置是一对分别盖在所述封闭端上、冷却水通过它们进行循环的罩帽。

5、根据权利要求4的光源，其特征在于，所述管子的所述两端是由所述罩帽封闭的。

6、根据权利要求5的光源，其特征在于，所述各罩帽的内面都是用导热材料制成的。

7、一套紫外光源，其特征在于包括：

-一根真空的管子;

-设置在所述管子内、其间发生放电的阳极和阴极;

-在所述管子内、被所述辉光放电激励而发射紫外光的汽化工作媒质;

-设置在所述管子上、用于以液态形式贮存所述媒质的冗余量的储蓄池;以及

-用于冷却所述储蓄池的装置。

8、根据权利要求7的光源，其特征在于，所述储蓄池设置在不发生等离子体的部位。

9、根据权利要求8的光源，其特征在于，所述工作媒质是汞。

10、根据权利要求9的光源，其特征在于，所述放电为弧光放电。

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