DE3336473A1

DE3336473A1 - Elektrodenlose uv-lampe

Info

Publication number: DE3336473A1
Application number: DE19833336473
Authority: DE
Inventors: Michael G. Bethesda Maryland Ury; Charles H. Rockville Maryland Wood
Original assignee: Fusion Systems Corp
Current assignee: Fusion Systems Corp
Priority date: 1982-10-06
Filing date: 1983-10-06
Publication date: 1984-05-03
Also published as: DE3336473C2; JPS5987751A; US4859906A; JPH0423378B2

Description

Prinz, LEbSSB, buwe;;ä*:partner- - -

Patentanwälte" ~ *-' Eu£Qpsah Pyi^f⁰.,„attorneys O 0 O C / H Q

München ·? . Stuttgart

5. Oktober 1983

FUSION SYSTEMS CORPORATION
12140 Parklawn Drive

Rockville, Maryland 2O852/V„St„Ä.

Unser Zeichens F 959

Elektrodenlose UV-Lampe

Die Erfindung betrifft eine kolbenförmige UV-Lampe für den fernen Ultraviolettbereich sowie eine Lichtquelle, die eine solche Lampe enthält«

Ein wichtiges Anwendungsgebiet von Lichtquellen im fernen UV-Bereich ist die Halbleiter-Photolithographie. In der herkömmlichen UV-Photolithographie wird das in einer optischen Maske gebildete Muster, das einer herzustellenden integrierten Schaltung entspricht, auf einer Halbleiterscheibe abgebildet, die eine Beschichtung mit einem UV-empfindlichen Photoresist aufweist, wobei die Belichtung mit UV-Licht im üblichen Wellenbereich (260 - 4 60 nm) erfolgt. Nach der Belichtung wird die Scheibe weiter verarbeitet und ergibt schließlich eine Transistorvorrichtung oder integrierte Schaltung₀

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Zur Herstellung von integrierten Schaltungen mit höherer Komponentendichte ist es erforderlich, Muster mit schmaleren Linien, als dies mit herkömmlichem UV-Licht möglich ist, auf dem Halbleitersubstrat abzubilden, so daß Lichtquellen im fernen UV-Bereich (210 bis 240 nm) bereits

vorgeschlagen und in gewissem Umfang auch bereits benutzt wurden. Eine elektrodenlose UV-Lampe für fernes UV ist in den gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldungen 362 825 und 381 481 beschrieben; diese UV-Quelle ist 2Q zur Verwendung in der Halbleiter-Photolithographie geeignet.

Eine gute elektrodenlose Lampe für fernes UV und zur Anwendung in der Photolithographie muß eine Füllung aufweisen, die imstande ist, eine hohe Lichtintensität bei einem hohen Spektralanteil im fernen UV-Bereich zu erzeugen, wenn die Anregung in geeigneter Weise erfolgt, wobei dies für bestimmte Anwendungen insbesondere im Gebiet von 220 bis 230 nm gelten soll. Es wurde gefunden,

2Q daß die zur Verfügung stehenden elektrodenlosen Kolbenlampen ebenso wie frühere Kolbenlampen nicht geeignet sind, um die gewünschte Lichtleistung im fernen UV-Gebiet zu erzeugen.

2u den elektrodenlosen Kolbenlampen gehören die linienförmigen Kolben für industrielle Härtungsverfahren, wie sie von der Fusion Systems Corporation, Rockville, Maryland, hergestellt werden, sowie kugelförmige und anders geformte elektrodenlose Kolbenlampen, die in den US-PSen 3 943 402, 3 943 401, 4 185 228, 3 942 058, ^x 3 993 927 und 4 001 031 beschrieben sind. In diesen Lampen wird eine Quecksilberfüllung verwendet, wobei das Quecksilber in einem speziellen volumetrischen Verhältnis zu dem Kolbenvplumen vorhanden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrodenlose UV-Kolbenlampe zu schaffen, die im fernen UV-Gebiet eine besonders hohe Ausgangsintensität aufweist.

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Ferner soll durch die Erfindung eine Lichtquelle für das ferne UV-Gebiet geschaffen werden, welche die erfindungsgemäße elektrodenlose Kolbenlampe enthält,

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, daß das Quecksilbervolumen, welches in dem Lampenkolben enthalten ist_p für den Betrieb mit gutem Wirkungsgrad im fernen UV-Gebiet kritisch ist. Gemäß der Erfindung besitzt die Quecksilberfüllung ein Volumenverhältnis von 0,5 bis 0,9 yl P^{ro ra}l Kolbenvolumen bei Raumtemperatur ^22,22 C bzw. 72°F)„

Es wurde gefunden, daß höhere Quecksilberdrücke zwar zu einer stärkeren Einkopplung der Mikrowellenleistung in den Kolben und zu einer höheren Lichtintensität führen, daß jedoch eine größere Quecksilbermenge in dem Kolben auch dazu führt, daß ein gewisser Teil der abgestrahlten Energie durch das Plasma selbst absorbiert wird, wobei insbesondere eine bevorzugte Absorption im fernen UV-Gebiet stattfindet„ Es wurde gefunden, daß innerhalb des kritischen Bereichs von 0,5 bis 0,9 yl/ml diese Effekte einander in der Waage halten, so daß die Kolbenlampe eine relativ hohe Ausgangsleistung im fernen UV-Gebiet abgibt, insbesondere in dem gewünschten Bereich von 2 20 bis 230 nm„ Ferner wurde gefunden, daß bei einer Frequenz von 2„450 MHz und für Leistungsdichten der eingekoppelten Leistung von mehr als 300 Watt/cm , die erforderlich sind, um die gewünschte Lichtintensität zu erzeugen, das oben angegebene Verhältnis der Quecksilberfüllung auch zu einer relativ geringen Eindringtiefe in dem Kolben führt, so daß ein relativ großer Anteil der UV-Strahlung im äußeren Bereich des Kolbenvolumens emittiert wird, wodurch die Absorption der fernen UV-Strahlung durch den Plasmakörper und die neutrale Grenzschicht, welche das Plasma von der Kolbenwandung trennt, minimal gehalten wird_o

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen

und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrodenlosen Lampe;

Fig. 2 ein Diagramm, welches das Verhältnis der Quecksilberfüllung zu der Ausgangsleistung im fernen UV-Gebiet für die elektrodenlose, kolbenförmige IQ Lampe nach Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrodenlosen Lichtquelle mit der erfindungsgemäßen Kolbenlampe; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems

für die in Fig. 3 gezeigte Lichtquelle.

Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Eine elektro denlose Kolbenlampe 1 ist an einem Halterungsschaft 3 befestigt. Die Kolbenlampe 1 besteht aus einer Hülle 2 sphärischer oder anderer Form, die eine Füllung enthält, welche hauptsächlich aus Quecksilber, einem Edelgas und einem Stoff wie HgCl besteht, der dazu dient, die Entladung im Betrieb von der Hülle entfernt zu halten.

Wenn Mikrowellenenergie in den Kolben eingekoppelt wird, wird das Quecksilber erhitzt und bildet ein Plasma, das Ultraviolettlicht aussendet. Eine Lichtquelle für Photolithographie im fernen UV-Gebiet muß eine hohe Ausgangsleistung in dem betreffenden Teil des Spektrums aufweisen; ein Ausführungsbeispiel einer vollständigen Lichtquelle mit dieser angestrebten Eigenschaft wird unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 beschrieben.

Wie bereits eingangs angegeben wurde, wurde gefunden, daß das volumetrische Verhältnis von Quecksilber in dem

Kolben zur Erzeugung einer hohen Ausgangsintensität im fernen UV-Spektralbereich kritisch ist. Gemäß der Erfindung weist der Lampenkolben eine quecksilberfüllung auf, deren Volumenverhältnis 0,5 bis 0,9 yl pro ml Hüllen volumen bei Raumtemperatur beträgt. Von Bedeutung ist, daß der kritische Bereich von 0,5 bis 0,9 yl/ml erst nach intensivem Studium der dynamischen physikalischen Verhältnisse, die beim Betrieb von derartigen Kolbenlampen vorherrschen, gefunden wurde.

Das Diagramm der Fig„ 2 zeigt die Ausgangsintensität im fernen UV-Gebiet (220 bis 230 nm) in relativen Einheiten und in Abhängigkeit vom Verhältnis der Quecksilberfüllung» Das Maximum liegt bei etwa 0,65 yl/ml, und die Intensität fällt bei 0,5 yl/ml auf etwa 93% sowie bei 0,9 yl/ml auf etwa 85% ab₀ Eine Ausgangsleistung von etwa 85% des Maximums ist für gewisse Anwendungen noch ausreichend»

Das Studium der physikalischen Vorgänge in einer elektrodenlosen Kolbenlampe hat zu der Erkenntnis geführt, daß höhere Quecksilberdrücke zu einer stärkeren Einkopplung von Mikrowellenenergie in den Kolben führen, was an und für sich erwünscht wäre, wenn nicht andere Variablen beeinträchtigt würden„ Mit Zunahme der Quecksilbermenge in dem Kolben wird nämlich, wie gefunden wurde, die Absorption der von dem Plasma abgestrahlten Energie größer, insbesondere tritt eine bevorzugte Absorption im fernen UV-Gebiet auf. So wurde z.B. für eine linienförmige elektrodenlose Lampe, die von der Fusions Systems Corporation vertrieben wird und bei der es sich um eine Hochleistungslampe handelt, die überwiegend zur Erzeugung von Ultraviolettlicht im üblichen Wellenlängenbereich verwendet wird, ein Quecksilber-Füllungsverhältnis von 1,16 yl/ml festgestellt, von welchem angenommen wird, daß es zwar groß genug ist, um eine gute Leistungseinkopplung zu verursachen, jedoch zu einer übermäßigen Absorption im fernen UV-Gebiet führt. Die für niedrigere

Leistungen bestimmten elektrodenlosen Kolbenlampen nach den eingangs erwähnten US-PSen weisen hingegen ein Füllungsverhältnis von 0,3 bis 0,4 μΐ/ml auf, welches keine ausreichend starke Leistungseinkopplung ermöglicht.

Der gefundene kritische Bereich des volumetrischen Verhältnisses von Quecksilber geht aus Fig. 2 hervor. Nur wenn das Verhältnis innerhalb des kritischen Bereichs liegt, wird eine Kolbenlampe erhalten, die für die Durchführung von Photolithographie im fernen UV-Gebiet geeignet ist. Die in Fig. 2 gezeigten Daten gelten für einen Kolben mit einem Innendurchmesser von 18,5 mm; von besonderer Bedeutung ist jedoch, daß das kritische volumetrische Verhältnis unabhängig Kolbendurchmesser und Kolbengeometrie ist.

Ferner ist es erwünscht, daß ein wesentlicher Anteil der Emission im fernen UV-Gebiet in den äußeren Umfangsbereichen des Kolbens auftritt. Der Grund hierfür ist, daß eine neutrale Grenzschicht zwischen der Entladung und der Innenseite der Wandung der Quarzhülle auftritt, und diese Schicht absorbiert ebenso wie das Plasma selbst die Strahlung im fernen UV-Bereich, wodurch die abgegebene Ausgangsleistung reduziert wird.

Damit eine Emission in den äußeren Umfangsbereichen stattfindet, muß die Eindringtiefe ε, d.h. die Entfernung von der Hülle bis in den Kolben hinein, über die Mikrowellenenergie absorbiert wird, so gering wie möglich sein. Je geringer jedoch diese Eindringtiefe ist, desto schwieriger ist es, Leistung in den Kolben einzukoppeln, so daß ein Kompromiß für die Erzielung einer maximalen Ausgangsleistung im fernen UV-Gebiet gefunden werden muß. Es wurde gefunden, daß für einen Betrieb mit einer Frequenz von 2.450 MHz und Leistungsdichten der eingekoppelten Leistung von mehr als 300 Watt/ccmder kritische Bereich des Füllungsverhältnisses von 0,5 bis 0,9 μ l/ml zu einer günstigen, geringen Eindringtiefe führt, so

daß die Emission der fernen UV-Strahlung in den äußeren Umfangsbereichen stattfindet, so daß eine minimale Absorption durch das Plasma und durch die neutrale Grenzschicht auftritt»

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Quarzhülle von 18,5 mm Durchmesser mit 2,1 μΐ Quecksilber gefüllt,, wobei die Füllung ferner Argon bei 0,12 bar (90 torr) und eine geringe Menge HgCl₂ von etwa 0,1 mg IQ enthalte Die Hülle ist ferner aus wasserfreiem synthetischem Quarz für hohe Lebensdauer hergestellt, welches näher in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung = US-Ser_o 433 070 beschrieben ist.

Bei der in Fig„ 3 gezeigten Ausführungsform einer mit Mikrowellenenergie betriebenen Lichtquelle, welche die erfindungsgemäße Kolbenlampe enthält, ist diese elektrodenlose Kolbenlampe 6 im Inneren einer Mikrowellenkammer 4 angeordnet. Die Hülle der Kolbenlampe hat eine maximale Abmessung, die beträchtlich kleiner ist als die Wellenlänge der Mikrowellenenergie, die zur Erregung des Plasmas in dem Kolben verwendet wird. Die Mikrowellenkammer 4 weist einen Schlitz 8 zum Einkoppeln der Mikrowellenenergie in den Kolben mit hohem Wirkungsgrad auf.

Die Mikrowellenenergie wird von einem Magnetron 7 geliefert, das durch eine Stromversorgung 12 versorgt wird. Die durch das Magnetron erzeugte Mikrowellenenergie wird über einen rechtwinkligen Wellenleiterabschnitt 14, der durch einen Abgleichstutzen 16 abgleichbar ist, in den Schlitz 8 der Mikrowellenkammer 4 eingekoppelt.

Die Innenseite der Mikrowellenkammer 4 ist mit einem UV-reflketierenden Material beschichtet. Die Mikrowellenkammer 4 ist mit einer Öffnung 18 versehen, welche die von der Kolbenlampe erzeugte Ultraviolettstrahlung aus der Kammer austreten läßt» Die Öffnung ist mit einem Metallgitter 20 versehen, das für die emittierte Ultra-

violettstrahlung im wesentlichen durchlässig, für die Mikrowellenenergie im Inneren der Kammer jedoch im wesentlichen undurchlässig ist.

Um gute Ergebnisse zu erzielen, ist die Mikrowellenkammer auf Resonanznähe, jedoch nicht auf Resonanz abgestimmt, berechnet auf der Grundlage einer idealen Kammer ohne vorhandenen Kolben. Es wurde gefunden, daß diese Bemessung in Resonanznähe zu einer maximalen Ein-

IQ kopplung der Energie in den kleinen Lampenkolben 6 und folglich zu maximaler Ausgangsleistung desselben führt. Um die Kopplung maximal stark zu machen, ist die Kammer auf Resonanznähe bei nur einer einzigen Wellenlänge ausgelegt, und nicht bei einer Vielzahl von Wellenlängen, wodurch es erleichtert wird, eine hohe Absorption der Mikrowellenenergie zu erreichen. Die relative Lage des Schlitzes 8 und der Öffnung 18 bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ergibt eine relativ gleichförmige UV-Lichtabgabe durch das Gitter 20 hindurch.

Das Magnetron 10 liefert etwa 1.500 Watt Mikrowellenleistung bei 2.450 MHz, und ein Großteil dieser Leistung wird in das Plasma eingekoppelt, was zu einer Leistungsdichte von etwa 500 Watt/cm führt. Die so erhaltene Lichtquelle hat einen Umwandlungswirkungsgrad von etwa 8% im fernen UV-Gebiet; es handelt sich also um eine leistungsstarke Lichtquelle, die etwa 190 Watt/ccm abstrahlt.

Es ist ersichtlich, daß die hohe Leistungsdichte, mit der die Lampe betrieben wird, eine extreme Erhitzung der Oberfläche der Quarzhülle des Lampenkolbens 6 zur Folge hat. Um die Hülle in geeigneter Weise zu kühlen, wird ein Kühlsystem verwendet, bei dem die Hülle rotiert, während mehrere Kühlgasstrahlen auf sie gerichtet sind.

Es wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Der Lampenkolben 6 weist einen Schaft 29 auf, der durch einen Motor 23

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in Drehung versetzt wird. Die Motorwelle ist an den Schaft 29 über eine mechanische Kopplungseinrichtung angeschlossen, so daß der Schaft eine Verlängerung der Motorwelle darstellt. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform werden ein Flansch 21, ein Kopplungsflansch 24 am Motor 23 sowie Abstandshalter 22 verwendet.

Fig„ 4 zeigt ein Kühlsystem, durch das ein Kühlgas auf die Hülle gerichtet wird, während diese rotiert. Diese

"LQ Kühlanordnung enthält Düsen 40, 42, 44 und 46, denen Druckluft aus einer Druckluftquelle 38 zugeführt wird. Diese Düsen sind ungefähr auf die Mitte der Hülle gerichtet und ergen in Kombination mit der Drehung einen guten Kühleffekt. Bei der gezeigten Ausführungsform liegen alle Düsen in einer Ebene, die durch die Mitte des kugelförmigen Kolbens geht« Bei Kolben mit einem Durchmesser von 25,4 mm oder mehr kann eine bessere Kühlung erhalten werden,, wenn die Düse 40 etwas gegen eine Seite der Mittelebene der Kammer versetzt wird, während die

2Q Düse 42 leicht gegen die andere Seite versetzt wird; Ähnliches gilt für die Düsen 44 und 46.

Bei einer praktischen Ausführungsform der in Fig. 3 gezeigten Lichtquelle weist die kugelförmige metallische

2(- Mikrowellenkammer 4 einen Durchmesser von 99,06 mm (3,9 Zoll) auf, mit einer kreisrunden Öffnung 18 eines Durchmessers von 71,12 mm (2,8 Zoll), wobei diese Öffnung mit dem Gitter 20 versehen ist. Das Gitter 20 besteht aus Drähten von 0,043 mm (0,0017 Zoll) Durchmesser mit

QQ Abständen von 0,84 mm (0,033 Zoll) zwischen den Mittellinien der Drähte» Der kugelförmige Lampenkolben 4 weist einen Innendurchmesser von 8,5 mm auf und ist mit 2,1 μΐ Quecksilber, einem Edelgas wie Argon bei 0,12 bar (90 torr) und gegebenenfalls mit HgCl,, in einer geringen

gg Menge von 0,1 mg gefüllt»

Claims

PRINZ, LESgEB;, BijUVI^E-^'PARTNER ■ - -

Patentanwälte- "--' European* PäLerlt"^ftorneys π ο O C / TO

München Stuttgart

5. Oktober 1983

FUSION SYSTEMS CORPORATION
12140 Parklawn Drive

Rockville, Maryland 20852/V.St.A.

Unser Zeichens F 959

P atentansprüche

AJ Elektrodenlose Kolbenlampe zur Erzeugung einer relativ hohen Ausgangsleistung im fernen UV-Spektralbereich, gekennzeichnet durch eine Quarzhülle mit einer Füllung im Inneren derselben, die Quecksilber in einem Verhältnis von 0,5 bis 0,9 yl pro ml Hüllenvolumen bei Raumtemperatur enthält„

2«, Kolbenlampe nach Anspruch 1 / dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung ferner Argon enthält» 10

3o Kolbenlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle kugelförmig ist und einen Innendurchmesser von 10 bis 35 mm aufweist»

4. Elektrodenlose Lichtquelle zur Erzeugung einer relativ hohen Ausgangsleistung im fernen UV-Spektralbereich, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung von .Mikrowellenenergie, einen Lampenkolben mit einer Quarz-

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hülle und einer Füllung im Inneren derselben, die Quecksilber in einem Verhältnis von 0,5 bis 0,9 μΐ pro ml Hüllenvolumen bei Raumtemperatur enthält, und eine Einrichtung zum Einkoppeln der erzeugten Mikrowellenenergie in den Lampenkolben.

5. Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einkoppeln der Mikrowellenenergie für Leistungsdichten von mehr als 250 Watt/cm ausgelegt ^ist·

6. Lichtquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einkopplung von Mikrowellenenergie eine Mikrowellenkammer enthält, in welcher der Lam-

IQ penkolben angeordnet ist und die mit einem Schlitz versehen ist, durch den hindurch die Mikrowellenenergie eingekoppelt wird.

7. Lichtquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle des Lampenkolbens eine maximale Abmessung aufweist, die wesentlich kleiner ist als eine Wellenlänge der Mikrowellenenergie.

8. Lichtquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenkammer eine Öffnung aufweist, die den Austritt der fernen UV-Strahlung zuläßt und die mit einem Gitter versehen ist, das für diese ferne UV-Strahlung im wesentlichen durchlässig, für Mikrowellenenergie jedoch im wesentlichen undurchlässig ist, und daß die Mikrowellenkammer, bei entfernter Hülle, einen in Resonanznähe befindlichen Hohlraum bildet.