JP4099812B2 - 真空紫外波長の平面状照明パターンを生成する半導体ウエハ処理用波長可変型放射源 - Google Patents

Description

本発明は、真空紫外（vacuum ultraviolet：ＶＵＶ）波長の平面状またはフラットパネル状照明パターンを生成し、直径３００ミリメートルまでの半導体ウエハおよびそれよりも大きな直径を有する半導体ウエハの処理での使用に特に適した放射源に関する。

集積回路を製造するための半導体ウエハの処理において、短波長放射光には多くの用途がある。この短波長放射光には、紫外（ultraviolet：ＵＶ）域（＜４００ｎｍ）および真空紫外（vacuum ultraviolet：ＶＵＶ）域（１００〜２００ｎｍ）の放射光が含まれる。本発明は、半導体ウエハを処理するために高強度かつ均一なＵＶ波長放射光およびＶＵＶ波長放射光を生成可能な放射源に係るものである。

半導体ウエハの処理は、ウエハ上に製造される構造物を小さくする（＜０．２５μｍ）方向に発展しており、それには、新しい化学、レジスト、および処理方法の使用が必要である。これらの新しい化学、材料、および処理方法の多くは、反応のしきい値を超えるために高エネルギーフォトンを必要とする。新しいレジストのいくつかは、光安定化処理のために高エネルギーフォトンを必要とする。特に、材料およびレジストのアッシングおよびエッチングは、ＶＵＶ波長放射光を使用することによって改善することができる。高エネルギーフォトンによってガスおよび表面を励起し、反応処理および反応速度を向上させることができる。短波長放射光は、ＥＰＲＯＭの消去、ＦＬＡＳＨメモリの消去、および不揮発性メモリの消去にも有用である。

現在の技術では、ＶＵＶ波長域における使用に対して適格な半導体ウエハ処理用の放射源は存在しない。さらに、既存の放射源は、以下に挙げる欠点のうちの１つまたは複数を有している。
ａ． 現在の放射源は、放射強度が低過ぎるかまたは限界的な強度レベルであり、処理能力が不十分である。
ｂ． 現在の放射源は、通常の半導体ウエハの二次元領域に渡る放射出力の非均一性が大きい。
ｃ． 現在の放射源は、使用するには高価過ぎるかまたは複雑過ぎる。
ｄ． 現在の放射源は、波長が固定されている。
ｅ． 現在の放射源は、照明領域の広さが十分ではない。
ｆ． 現在の放射源は、所望の波長の放射光だけでなく不要な波長の放射光を生成する（たとえば赤外（ＩＲ）波長）。
ｇ． 現在の放射源は、”フットプリント（footprint）”または必要な床面積が大きいため、半導体製造装置で使用するには大き過ぎる。
ｈ． 現在の放射源は、ウエハを手動でロードする必要がある。
ｉ． 現在の放射源は、高価過ぎる。
ｊ． 現在の放射源は、電球を使用しているため、寿命が短く、その使用期間中に出力が劣化する。

現在、２００ｎｍ以下の波長を有する放射光を生成する放射源がいくつか存在する。そのような放射源は、ウエハの表面に渡る放射照度の均一性のレベルが不適格であるという問題を有している。この問題は、通常、リニアランプのような限られたサイズのランプを使用することに由来する。１５０ｍｍ以下から３００ｍｍ以上にまで及ぶ直径の二次元円形領域に渡って均一な照明が必要なウエハディスクの処理において、このようなランプ構成を使用することはできない。

本発明は、特に半導体ウエハの処理において有用な、波長可変型ＵＶおよびＶＵＶ波長放射源を提供するものである。本発明に従って構成された放射源は、３００ｍｍまでの直径またはそれ以上の直径を有する半導体ウエハ加工物を処理するために、所望の波長、放射強度、および二次元平面状の均一性を有するＵＶおよびＶＵＶ放射を実現する。市販されている既存の放射源は、通常、放射強度について＋／−１５％の非均一性を伴うのに対して、本発明の放射源は、３００ｍｍの平面状放射パターン全体に渡って、数パーセント以下の放射強度の均一性を達成するものである。

有利なことに、本発明の放射源は波長可変型であり、１００〜２００ｎｍまたはそれ以上の様々な異なる波長で作動させることができる。好適な実施形態では、放射源からの出力放射光の波長は、ガスフィルタを使用して微調整することができる。

本発明の放射源は、様々な形状（たとえば、正方形、円形など）から選択された二次元平面状の放射源を形成するものである。この放射源では、所望の出力放射波長を得るように波長を調整することができる。放射源によって放射される波長域の粗調整は、イオン性ガスを選択することによって達成され、このイオン性ガスが励起されると、ガス分子のエキシマ励起によって所望の波長域の放射が生成される。さらに、本発明の好適な一実施形態では、酸素等の吸収ガスを使用することによって、放射波長の微調整が達成される。吸収ガスは、ターゲットウエハに入射する放射光の波長域を狭めるように特定の波長の放射光を吸収またはフィルタ処理して波長域を変更するものである。様々な波長の放射光によって様々な処理に対する最適化が可能なため、本発明の放射源は、先行技術の放射源には見られない柔軟性を提供する点で有利である。

本発明は、半導体ウエハの処理で使用するための平面状の放射パターンを生成する放射源を提供するものである。典型的には、この放射光は、ＵＶまたはＶＵＶ波長域の放射光である。本発明の放射源は、放射光の放射領域の境界を形成する二次元表面を有するベース電極と、前記ベース電極から離間して配置されて前記放射領域の境界を形成する放射透過性の誘電性部材と、前記ベース電極の二次元表面に略平行な平面で前記放射透過性の誘電性部材に接触し、格子状電極を通じて放射光をウエハ処理室に透過させることができる複数の開口部を形成する二次元の前記格子状電極または電極スクリーンと、前記ベース電極と前記格子状電極との間に設定される電界によってイオン化するために前記放射領域に収容されてエキシマ励起により放射光を発生するイオン性ガスと、を含んでいる。

本発明の好適な一実施形態では、この放射源は、前記格子状電極に接触してこの格子状電極を前記誘電性部材に接触させ、前記格子状電極を前記ウエハ処理室内の汚染から保護して前記誘電性部材を補強する放射透過性の第２の誘電性部材をさらに含んでいる。前記誘電性部材および前記格子状電極の材料特性に関する所望の寸法および強度、および前記ウエハ処理室と前記放射領域との間の差圧によっては、この放射源は、前記放射領域内に、前記誘電性部材と前記ベース電極との間に配置された１つまたは複数のスペーサ要素を含み、前記放射領域内において均一な断面領域を提供するものであってもよい。

本発明の放射源の別の好適な実施形態では、放射源ガス供給手段は、放射源による放射光の波長を制御するために、エキシマ励起可能な様々なイオン性ガスから選択された前記イオン性ガスを前記放射領域に供給するものである。一群のエキシマ励起可能なガスから１つのガスを選択することによって、放射領域で発生する放射光の波長を”粗調整”すること、すなわちエキシマ遷移時に所望の波長域の放射光を発生するガスを選択することが可能になる。

本発明の放射源の別の好適な実施形態では、酸素等の吸収ガスが注入される吸収ガスフィルタチャンバーを形成する第３の放射透過性部材が、前記第２の誘電性（保護）部材から間隔をおいて配置されている。この吸収ガスは、前記イオン性ガスによる前記放射領域からの特定波長の放射光をフィルタ処理または吸収するものである。このガスフィルタによって、放射出力波長を調整することができる。

本発明の上述したおよび他の目的、利点、特徴は、添付図面に関連させて記載された本発明の例示的な実施形態の詳細な説明から、より良く理解されるであろう。

放射源１０の第１の好適な実施形態
本発明に係る光源または放射源の第１の好適な実施形態を、図１〜図５に全体として参照符号１０で示す。放射源１０は、適切な電源３３（図３に図式的に示す）によって電圧が印加されると、所望の波長の平面状放射源を形成する。放射源１０の有利な使用方法の１つは、紫外（ＵＶ）（＜４００ｎｍ）波長および真空紫外（ＶＵＶ）（１００〜２００ｎｍ）波長の放射光によって半導体ウエハを処理することである。有利な場合として、図１に示すように、放射源１０を半導体ウエハ処理システム１４の一部とし、所望の波長の均一かつ平面状の放射パターンによって半導体ウエハ１６を処理してもよい。放射源１０は、選択されたイオン性ガスのエキシマ励起によって、平面状の放射パターンを発生するものである。

ウエハ１６は、ウエハ密閉構造体２２のほぼ円形の壁２０により形成されたウエハ処理室１８内に支持される。放射源１０はウエハ密閉構造体２２に取付けられ、この放射源１０からの放射光は、ウエハ密閉構造体２２方向に放射される。有利な場合として、本発明に係る放射源１０は、直径３００ｍｍまでの半導体ウエハを処理するものであってもよい。ただし、放射源１０を大型化し、より大きな直径を有するウエハを処理することもできることに注意されたい。本発明に係る放射源１０は、所望の波長域の放射光を発生する二次元の”フラットパネル”型放射源を形成するものであり、高い均一性を有する放射照度と高放射強度の出力によって特徴付けられる。放射源１０によって、選択されたイオン性ガスに応じたＵＶ波長域（＜４００ｎｍ）、または、より特定的にはＶＵＶ波長域（１００〜２００ｎｍ）の均一かつ高強度の平面状放射パターンを形成することができる。

放射源１０は、ほぼ二次元平面状の第１および第２電極３０、３２を含み、第１および第２電極３０、３２には、電圧を印加するための電源３３が接続されている。さらに、放射源１０は、第２電極３２に隣接して配置された放射透過性の誘電体ウィンドウまたは誘電体層３４を含み、この誘電体層は、第１電極３０からは離間して配置されている。第１電極またはベース電極３０と誘電体層３４は、イオン性ガス３５ａが注入されるイオン性ガス領域３５（図２および図４に示す）の境界を形成するものである。第２電極３２は、低背の格子状または網目状スクリーンであって、複数の開口部によって放射光に対して半透過性になっている。

電源３３により電圧が印加されると、電極３０、３２は電界を発生してガス領域３５内のイオン性ガス３５ａをエキシマ励起し、その結果、選択されたイオン性ガスのエキシマ遷移によって特徴付けられる波長域での放射光が発生する。電極３０、３２は、ガス領域３５に面する表面領域に関して二次元的であるため、放射源１０からの放射光は、均一かつ二次元平面状の強度パターンを有する。この放射光は、誘電体層３４および電極スクリーン３２を通過して、ウエハ１６を処理するためのウエハ処理室１８に進入する。

有利な場合として、放射源１０は、放射透過性の厚い保護ウィンドウ３６を含んでいてもよい。このウィンドウ３６によって、電極スクリーン３２は、加熱ガスやウエハ処理室１８内で発生するスパッタリングから保護される。後述するように、保護ウィンドウ３６は、電極スクリーン３２と誘電体層３４とを含む一体のアセンブリー３８を形成し、薄い誘電体層３４を補強および支持して、イオン性ガス領域３５に対して減圧（vacuum）または高大気圧（hyperatmospheric）条件を使用して放射源１０を作動させることを可能にし、高放射強度を得るものである。

図１および図２に最も明瞭に示され、図３に図式的に示されているように、ベース電極３０は、ベース電極３０と電極スクリーン３２との間に形成されるガス領域３５へのイオン性ガス３５ａの入口ポートおよび出口ポートとして、ガス吸気口７８およびガス排気口７９を含んでいる。また、ベース電極３０は排気ポンプポート８０も含み、誘電体層７４と保護ウィンドウ３６との間の”密閉空間”または隙間領域７４を排気することができる。この密閉空間または隙間領域を排気することによって、電極スクリーン３２を誘電体層３４と保護ウィンドウ３６との間に”サンドイッチ”状に挟持し、強くかつ厚い保護ウィンドウ３６により薄い誘電体層３４を補強して一体のアセンブリー３８を形成するものである。

環状リム４０
放射源１０は、放射源１０の構成部品のスペーサおよび周縁支持部材である環状リム４０を含んでいる。図４および図５に最も明瞭に示されているように、リム４０は、保護ウィンドウ３６の外周縁を支持する一連の段状または棚状構造を備え、それによって第１電極３０の水平面６４（図４参照）に対して保護ウィンドウ３６を保持するものである。図４に示すように、保護ウインドウ３６の上面３６ａと第１電極の水平面６４との間、および保護ウィンドウ３６の下面３６ｂとリム４０の内側水平部分４２の上面９８との間に一対のガスケット６１、６２を挿入することもできる。

図１に示すように、リム４０は、放射源１０をウエハ密閉構造体２２に取付けるためのベースとしても機能する。図１および図２に最も明瞭に示されているように、第１電極３０および環状リム４０は、ウエハ密閉構造体２２の上面２３に取付けられる。環状リム４０は、段差またはオフセットの付いた断面形状を有し、外側および内側水平部分４１、４２を含んでいる。リム４０の断面は、その形状および寸法について、ウエハ密閉構造体２２上面２３の周縁部分のオフセットまたは段差に適合している。リム４０の外側周縁部分４１は、上平面４３および複数の開口部４４を含む。外側水平部分４１は下平面４２も含み、同様に内側水平部分４２は下平面４６を含む。

図４に最も明瞭に示されているように、第１電極３０は、下方向に段差の付いた周縁部分５０を含む。周縁部分５０は、リム４０の上面４３に隙間無く装着される寸法に形成された下平面５１を含む。第１電極３０の周縁部分も複数の開口部５２を含む。リムの外側水平部分４１の下平面４５およびリムの内側水平部分４２の下平面４６は、ウエハ密閉構造体２２上面２３に段差を有して設けられた相手側の水平面２５、２６に、それぞれ隙間無く装着される寸法に形成されている。すなわち、リムの外側水平部分４１の下面４５は、ウエハ密閉構造体の水平面２５に対して保持され、一方、リムの内側水平部分４２の下面４６は、ウエハ密閉構造体の水平面２６に対して保持される。放射源１０の第１電極３０およびリム４０は、複数のボルト（図示せず）を使用してウエハ密閉構造体２２に取付けられる。これらのボルトは、第１電極の複数の開口部５２およびその開口部に揃えられたリム４０の複数の開口部４４を貫通し、それらの開口部に揃えられたウエハ密閉構造体２２上面２３の複数のネジ付き開口部２４に螺合するものであり、それによって、リム４０の外側水平部分４１は、第１電極３０の周縁部分５０とウエハ密閉構造体２２の外側水平面２５との間に挟持される。

図４に最も明瞭に示されているように、ウエハ密閉構造体２２の水平面２６は、Ｏリング２８を支持する溝または経路２７を含み、リム４０とウエハ密閉構造体２２との間を密封するものである。同様に、リム４０の内側水平部分４２の上面９８中に形成された溝４８内に装着されたＯリング４７によって、リム４０と保護ウィンドウ３６との間が密封される。

領域３５内のイオン性ガス３５ａの圧力、ウエハ処理室１８の圧力、および保護ウィンドウ３６および誘電体層３４の引張強さを含むいくつかの要因によっては、誘電体層３４と第１電極３０との間隔を均一に維持するために、イオン性ガス領域３５への１つまたは複数の補強スペーサ（３つのスペーサ７０を、図３に図式的に示す）の挿入が必要な場合もある。複数のスペーサ７０は、ベース電極３０と誘電体層３４との間に水平方向に広がって配置されて、所望の間隔を維持するものである。一般的には、そのようなスペーサによりイオン性ガス３５ａのために利用できる空間の容積が減少し、それによって放射強度が低減するため、スペーサ７０の使用は望ましいものではない。もちろん、誘電体層３４を補強する保護ウィンドウ３６を備えていない場合、スペーサの必要性は増大する。

ベース電極３０
図２に最も明瞭に示されているように、第１電極３０は、ほぼディスク状の金属製ベース電極からなる。ベース電極３０はアルミニウムにより形成され、電源３３の一端に接続されている。ベース電極３０は、冷媒流路５４およびＯリング溝５５ａ、５５ｂが形成された上面５３を含み、このＯリング溝には、密封のためのＯリング（図示せず）が配置される。

カバー５６は、ボルトによって上面に取付けられ、溝５５ａ、５５ｂに配置されたＯリングによって密封される。ベース電極３０と誘電体ウィンドウ３８との間の領域または間隙３５には、イオン性のエキシマガス３５ａが充填され、このイオン性ガスは、電極３０、３２によって励起または活性化される。間隙３５の公称厚さは、数ミリメートルである。領域３５ａに封入されたガス３５は、処理室１９内の半導体ウエハ１６を処理するためのＵＶ光およびＶＵＶ光を放射する。

ベース電極３０の下面５７は、Ｏリング５９（図４参照）が配置される円状の溝５８を有する。誘電体層３４に対するシールであるＯリング５９によって、イオン性ガス領域３５が密封される。図示は省略するが、電極３０には、ベース電極３０と誘電体障壁３４との間のイオン性ガス領域３５に対してガス３５ａを出入させる流路も切削されている。ガスを流動させる方法を選択した場合、ガスの吸気口および排気口７８、７９、および流路は、ガス３５ａが領域３５に渡って均一な流れを生成するように配置され、それによって放射源１０の二次元領域全体に渡る均一な放電と均一な放射源とを生成するものである。

あるいは、ガス領域３５を単に排気して、その後所望のガスを充填することもできる。このようなガスを流動させない方法は、希少かつ高価なガスを使用する場合に有用である。保護ウィンドウ３６と第１電極３０の側壁６５との間には、別のＯリング６０（図４参照）が配置されている。このＯリング６０は、ガラスと金属とが直接的に接触し、その結果保護ウィンドウ３６の欠けまたは破壊が生じることを防止するためのスペーサとして機能する。

ベース電極３０の下面５７は、励起ガス（プラズマ）３５ａから上方向に放射されるすべての放射光が下方向に反射されてウエハ１６に向かう正味の放射光に追加されるように、高度に研磨することが有利である。上述したように、ベース電極３０は、ガス吸気口７８およびガス排気口７９を含み、領域３５に封入されるイオン性ガスのための入口ポートおよび出口ポートを提供するものである。

後述するように、異なるガスには異なるエキシマ遷移が含まれるため、その放射波長も様々である。したがって、放射波長を変更したい場合、これを達成するための１つの手段は、領域３５内のガス３５ａの組成を変更することである。ガス組成の変更は、ポンプによって既存のガスを領域３５からガス排気口７９を通じて排気し、ポンプによって所望の新たなガスを領域３５にガス吸気口７８を通じて給気することによって達成される。励起ガス３５ａによる放射光のスペクトルを測定するため、光ファイバーの光導体７２（図３に、図式的に示す）がガス領域３５内に延びている。

図１〜図５に示す放射源１０では、ベース電極３０および電極スクリーン３２に対してほぼ円形の電極構成が示されているが、電極の構成およびその結果として発生する放射パターンは、正方形、長方形、または任意の他の所望の形状であってもよいことを理解されたい。

誘電体層３４
誘電体ウィンドウまたは誘電体層３４は、ＶＵＶ波長の放射光に対する良好な透過性を有する必要があり、したがって、好ましくは高品質の石英から製造されるものである。適格な誘電性材料には、オハイオ州ウィロービーのＧＥクオート・インコーポレーテッド（GE Quart, Inc.）から市販されているＧＥ２１４石英、ニュージャージー州ウェストベルリンのダイナシル・コーポレーション（Dynasil Corp.）から市販されているＤｙｎａｓｉｌ石英、ドイツ国ハナンのヘレウス・クオーツグラス・ゲーエムベーハー＆カンパニー（Heraues Quartzglass GmbH & Co.）またはジョージア州ドゥルースのヘレウス・アメリシル・インコーポレーテッド（Heraeus Amerisil, Inc.）から市販されているＳｕｐｒａｓｉｌ石英が含まれる。誘電体層を薄くすると放射光の吸収量が低減するため、光学的には、誘電体層を薄くすることが好ましい。一実施形態において、誘電体層の厚さを０．０７２インチ（１．８２８８ｍｍ）とすれば十分であることが示されている。

最高品質の誘電体層３４でも少量の放射吸収は存在し、吸収された放射光は熱に変換されるため、その熱を除去する必要がある。さらに、誘電体層３４とベース電極３０との間で発生する放電は、スクリーン電極３２とベース電極３０との間の電位によって駆動されるため、放電を最適化するためにこの誘電体層３４を十分薄くする必要がある。

保護ウィンドウ３６
保護ウィンドウ３６は、本発明に係る放射源１０の作動のために原理的に必要なものではないが、いくつかの利点を備えている。第１に、保護ウィンドウ３６によって電極スクリーン３２が平坦な状態に維持されるため、封入されたガス３５ａがスクリーン３２の二次元面全体に渡って同一の電位を”感じる”ことになり、均一な放射照度の生成のために有用である。第２に、保護ウィンドウ３６は、空気（および空気中の酸素）が電極スクリーン３２に接触することを防止し、これによって電極スクリーン３２付近でのあらゆるガス放電またはオゾンの発生が防止される。

また、保護ウィンドウ３６により、電極スクリーン３２、誘電体層３４、および保護ウィンドウ３６の良好な熱接触が実現されるため、抵抗損によって電極スクリーン内で発生する熱を効率的に除去することができる。さらに、保護ウィンドウ３６は、大気圧よりも有意に高い放射源１０内のガス圧の支持に必要な強度を備えるために十分な厚さを有している。後に詳述するように、誘電体バリア放電からの放射出力は、マルチ大気圧（multi-atmospheric pressure）形式の中で十分圧力が増大するのに伴って増大するため、大気圧よりも高い圧力下での作動は望ましいものである。加えて、保護ウィンドウ３６は、電極スクリーン３２を清浄に保つために有用である。最後に、保護ウィンドウ３６は、高電圧の電極スクリーン３２とその付近の他の装置との間の防護壁としてある程度機能する。試作品の設計において、保護ウィンドウ３６の厚さについて、０．０７２インチから０．２５０インチ（１．８２８８ｍｍ〜６．３５ｍｍ）の範囲の様々な厚さがテストされた。保護ウィンドウ３８は、たとえば処理室１８が排気された場合、処理室１８と放射源１０との間の差圧に耐える強度を実現するためにも有用である。

保護ウィンドウ３６は、誘電体層３４と共に、電極スクリーン３２が存在する”密閉空間”または隙間領域７４を形成するものであり、この密閉空間を排気することによって、薄い誘電体層３４を厚い保護ウィンドウ３６に”付着”させることができ、それによって誘電体層３４が補強される。ポンプポート８０は、誘電体層３４と保護ウィンドウ３６との間の密閉空間を排気するために設けられている。

電極スクリーン３２
第２電極３２は、好ましくは約８ミル（０．２０３２ｍｍ）の厚さを有する半透過性の格子状または網目状スクリーンからなる。薄い網目状スクリーンであることによって、領域３５内のイオン性ガス３５ａからの放射光は、この第２電極３２、放射透過性の誘電体層３４、および保護ウィンドウ３６を通過して、ウエハ１６を処理するための処理室１８に入ることができる。電極スクリーン３２は円形であり、その直径は保護ウィンドウ３６および最小直径のＯリング（すなわちＯリング５９）の直径よりも小さくして、電極スクリーン３２と電極スクリーン付近の金属部品との間で放電が発生しないようになっている。

電極スクリーン３２は、一枚の金属板をエッチングすることによって形成された一体の格子であることが好ましい。材料としてはタングステンが使用されてきたが、他の金属で代替することもできる。電極スクリーン３２は、薄い金属板（厚さ０．００４インチ（０．１０１６ｍｍ））をエッチングすることによって形成され、その際、有利には、厳格な公差をもって狭幅のワイヤ格子にエッチングすることができる。試作品の放射源１０で使用された電極スクリーン３２の寸法は、正方形の単位格子のサイズが０．０９４インチ（２．３８７６ｍｍ）、ワイヤの幅が０．００４インチ（０．１０１６ｍｍ）、ワイヤの厚さ（高さ）が０．００４インチ（０．１０１６ｍｍ）である。この電極スクリーン３２の幾何学的透過係数（geometric transmission factor）は９１．６７％である。エッチングにより形成されたスクリーンは、低背型であり、格子の交差部分においても一定の厚さ（公称値０．００４インチ（０．１０１６ｍｍ））を有する。これらの特徴には、以下のような利点がある。

エッチングされたスクリーン３２の各辺は、鋭くかつ”滑らかである（clean）”ため、格子全体に沿って、交差部分および交差部分から離れた部分の両方がアーク発生位置となる。エッチングされた格子が鋭い辺を有することによって、あらゆる場所から放電を発生させることが可能になり、その際、アーク放電の発生は、格子構成の詳細よりもチャンバー内の局所的なガス条件に依存する。先行技術におけるスクリーンは、ワイヤを重ねることによって格子を形成しており、ベース電極からの距離が変動するため、エッチングされたスクリーンと比較して、小数の特定のアーク位置のみを提供するものであった。アーク位置が多数存在することの結果として、高度に均一な放電パターンが形成され、高い均一性を有する放射照度が実現される。

電極スクリーン３２から延びる舌部または延長部７５（図２参照）、すなわちスクリーンの単純な延長部分は、電極３２を給電線７１に接続するものである。給電線７１は、電源３３と電極スクリーン３２との間の高電圧接続を提供し、真空シール７７を通過する絶縁スリーブ７６を含む。真空シール７７は、ベース電極３０に取付けられてこのベース電極を貫通して延在する。ベース電極３０と電極スクリーン３２との間には、高電圧、低電流、高周波数の電圧が印加される。電源３３は、数キロヘルツの周波数から何メガヘルツもの周波数に至る様々な周波数でパルスを供給するものである。

このような高電圧によって、電極スクリーン３２とベース電極３０との間に多数の短寿命放電が生成される。後に詳述するように、エキシマガス３５ａの放射特性のため、大部分のＵＶまたはＶＵＶ放射はガスの放電開始時に放射される。その結果、放射源１０に供給される電力は、単に電流を供給するパルスの周波数を変更することによって変更される。したがって、電源３３は、好ましくはパルス電源である。

電極スクリーンの隙間領域７４の排気
本発明に係る放射源１０の新規設計によれば、薄い誘電体ウィンドウ３４によって電極スクリーン３２を透過性保護ウィンドウ３６に付着させることができる。独自の二重ポンプ方式によって、薄い誘電体ウィンドウまたは誘電体層３４を破損することなく、処理室１８に対する排気および給気を実施することができる。放射源１０は、高大気圧（hyper-atmospheric）下で作動させることもでき、その結果、放射出力が増大する点で有利である。

放射源１０には、その設計を困難にするいくつかの要求があった。１つの要求は、電極スクリーン３４とイオン性ガス３５ａとの間の誘電体層３４の厚さを、比較的薄いものとすることであり、これは、電気的（および、その結果として放射の）性能のためである。この結果、放電ガスが導入される領域を排気したい場合、問題が生じる。つまり、誘電体層に跨る差圧によってこの誘電体層が破壊される場合があり、このことは、特に直径３００ｍｍのウエハを処理するために必要な大面積放射源の場合に問題である。

設計を困難にするもう１つの要求は、誘電体層３４および保護ウィンドウ３６を、ＶＵＶ領域の波長に対して透過性を有する材料により形成しなければならないことである。この制約が存在するために、上述した問題に関する可能な解決手段のいくつかが使用できなくなる。つまり、セメントまたは接着剤によって誘電体層３４と保護ウィンドウ３６との間に電極スクリーン３２を接合して、１つまたは複数のガス圧に耐え得る単一の強固な部材を形成することはできない。

誘電体層３４と保護ウィンドウ３６が、一時的あるいは半導体ウエハ処理システム１４の通常作動中に、１つまたは複数のガス圧による差圧を受ける場合には、次のような例がある。
１） 放射源１０内をいくつかのガス圧で作動させる必要がある場合。応用例によっては、このような作動が望ましい。
２） 一時的にあるいは処理の全体に渡って、処理室１８を排気したい場合。
３） 放射源ガス領域３５ａ内のガスを変更またはパージするため、放射源ガス領域３５を一時的に排気する場合。

さらに、これらの手順の二つ以上を同時に実施する場合もあり、それによって誘電体層および保護ウィンドウに跨って、高大気圧の差圧（multi-atmospheric pressure difference）が発生する。

セメントまたは接着材は、ＶＵＶ光を吸収する。また、ウィンドウの製造工程において、電極スクリーン３２を単一のウィンドウに埋め込むこと（それによって、２つの別個のウィンドウの必要性をなくすこと）は、この製造工程が、材料（たとえば、ＶＵＶグレードの石英、サファイア、CaF₂、MgF₂）の特殊性のために既に十分困難なものであるため、不可能である。

本発明に係る放射源１０は、これらの問題に取り組むものである。誘電体層３４および保護ウィンドウ３６の相対的な直径は、２つの排気可能な領域を形成するように選択されており、第１領域３５は、誘電体バリア放電を発生させる通常の空間、すなわちベース電極３０と誘電体層３４との間の領域である。第２領域７４（図３に図式的に示す）は、誘電体層３４と保護ウィンドウ３６との間の電極スクリーン３４が配置される隙間によって形成されている。図４に最も明瞭に示されているように、誘電体層３４および保護ウィンドウ３６は、適切なＯリング５９、６０、およびその使用を任意に選択可能なガスケット６１、６２によってシールされているため、電極スクリーン３２を収容する隙間領域７４を区別して排気することができる。

隙間領域７４を排気することによって、誘電体層７４と保護ウィンドウ３６は、それらの間に電極スクリーン３２を挟んで一体化する。重要なことに、電極スクリーン３２を挟持することによって、誘電体層３２は、大幅に厚いウィンドウアセンブリー３８（このアセンブリー３８は、保護ウィンドウ３６、誘電体層３４、および電極スクリーン３２を含む）の一部となるため、その後、誘電体層３４の他方の側上の領域３５内にポンプによってエキシマガス３５ａを導入しても、薄い誘電体層３４が屈曲および破損することはない。

誘電体層３４と保護ウィンドウ３６との間の空間または隙間領域７４は、最大で１気圧の圧力によって誘電体層３４と保護ウィンドウ３６とを一体に保持するように排気される。ガス電離領域３５のガス放電空間は、誘電体層３４を危険に晒すことなく、マイナス１気圧（1 negative atmosphere）までの任意の圧力に排気することができる。逆に、ガス電離領域３５のガス放電空間は、アセンブリー３８の構造的一体性を危険に晒すことなく任意の圧力に加圧でき、大気圧を超える圧力にすることもできる。この圧力は、誘電体層３４と保護ウィンドウ３６を含むアセンブリー３８の圧力隔離（stand-off）能力にのみ限定される。

誘電体層３４と保護ウィンドウ３６との間の領域７４内で得られる真空は、”高真空”度のものである必要はない。すなわち、１０^-7torr（１．３３３×１０^-5Ｐａ）の真空を実現できる専用の真空装置は必要なく、代りに、数torr（数百Ｐａ）の真空で十分である。ガス電離領域３５を、この値を超えて十分に排気して誘電体層３４に応力を加えることはできないためである。

上述したような設計上の困難があっても、保護ウィンドウ−電極スクリーン−誘電体層アセンブリー３８のための可能な他の設計は、当業者にとって明らかである。一例として、スクリーン３２を、２つの石英ウィンドウ（誘電体層３４および保護ウィンドウ３６）間の空間内で含浸処理し、保護ウィンドウ３６と誘電体体層との間の隙間７４内からガスをすべて除去して、熱接触を改善することができる。もちろん、含浸材料は、ＵＶおよびＶＵＶ放射に対して透明または半透明でなければならない。別の例として、電極スクリーン３４が配置される隙間７４を密封し、酸素の排除あるいはガスの放電破壊の防止、またはその両方のために、特定のガスを充填してもよい。第３の例として、電極スクリーン３２を、石英の形成中に誘電体層石英中に組込んでもよい。

ガス放電過程
上述した装置および作動方法は、エキシマ型エネルギー遷移を有するガスまたは混合ガスを使用したときに選択的に励起されるエキシマ遷移に必要な条件を備えている。エキシマ型エネルギー遷移は、１）低いガス温度、および２）高い励起エネルギーによって特徴付けられる。

１回のパルスの間に、領域３５のガス間隙に渡って十分な電界が印加されて電離率が電子付着率を上回ると、その間隙を渡って電荷を輸送し、誘電体層３４の表面上に電荷を付着させるストリーマ（streamer）が形成される。誘電体層３４が存在しない場合、初期放電は、タウンゼントパターンで開始し、熱アークに成長する。代りに、誘電体層３４上への電子の集積あるいは誘電体層からの電子の除去、またはその両方によって、内部の局所的な電界は電子付着が電離を上回る程度にまで素早く減少し、ストリーマは自発的に消失する。

この形成と消失の全過程は数ナノ秒のうちに生じ、高圧（１００mbar〜数気圧（１００００〜数十万Ｐａ）においても、（電子と原子／イオンとが熱平衡に達するための衝突の時間はなく、）非熱的プラズマが生成される。

上述したマイクロ放電のそれぞれは、小さな”経路”（直径０．１００μｍ）で発生するが、（電源から印加される各パルスごとに、）電極３０、３２の全面に渡って多数のマイクロ放電が分布するため、放射源１０は、均一な放射強度を有するように見える。これらのマイクロ放電は、お互いに十分独立している。それでも、できる限り多数のマイクロ放電を発生させ、これらのマイクロ放電が放射源１０の全面に渡ってできる限り均一に形成されるように、電極を形成することが重要である。

大部分のＵＶまたはＶＵＶ放射光は、マイクロ放電の発生時に放射され、数ナノ秒しか続かない。したがって、各マイクロ放電の時間を延長する必要はなく、これが、パルス電源を使用する理由である。

上述した作動状態（高効率エキシマ遷移、高電圧、低電流、高圧力）のため、この放射源は低い装置温度で作動し、その結果、比較的低温の放射源１０が実現する。

好適なエキシマイオン性ガス３５ａの例
エキシマ励起の間にＵＶおよびＶＵＶ波長域の放射光を生成する適格なイオン性ガスは多数存在する。これによって、スペクトルのＵＶおよびＶＵＶ部分におけるピーク波長を、実質的に連続（実際には離散的）な範囲から選択でき、選択されるピーク波長は、放射源１０で使用されるイオン性ガス３５のみに依存する。たとえば、適格なイオン性ガスおよびそれに関連するピーク波長は次のようなものである。

放射源１０の試作品は、純粋な Xe₂ (１７２ｎｍのエキシマ遷移）（図６参照）、および Ar/CF₄ （１９３ｎｍの ArF エキシマ遷移）（図７参照）の両方で、良好に作動した。

図６には、６００torr（７．９９８×１０⁴Ｐａ）における Xe₂ の放射スペクトルが示されている。図から分かるように、この放射スペクトルは、１７２ｎｍを中心とし、約１４ｎｍのＦＷＨＭバンド幅を有している。試作品の Xe₂ 放射源では、０．３ｍＷ／ｃｍ²の照度が達成された。当業者であれば、誘電体層、保護ウィンドウ、および電極スクリーンの材料の改善、電源の改善、電離領域３５で高圧力を使用すること、隙間領域７４から空気を排除することを含む様々な修正によって、この放射源の出力強度を増大させ得ることを理解するであろう。

この試作品の出力強度は、リニア電球（linear bulb）を使用した現在入手可能な１７２ｎｍの放射源から得られる５．５ｍＷ／ｃｍ²に匹敵する。リニア電球を使用することの結果（および欠点）には、次の事項が含まれる。
１． リニアランプの配列の場合、放射源上の光の均一性は非常に低く、典型的には＋／−１５％である。
２． 放射ガスの体積によって出力放射照度が限定される。エキシマ光を生成するためには、最適な放電エネルギー密度がある。したがって、放射出力の総強度は、放電空間の体積によって限定される。

本発明に係る放射源１０の作動ガス（すなわち、任意の時間にイオン性ガス領域３５中に存在するガス３５ａ）の体積は均一であり、それによって数パーセントのオーダーでの均一な放射照度が達成される。本発明に係る作動ガスの体積は、２つの平面状電極の間に励起ガス３５ａの二次元状の”スラブ（slab）”を有することによって最大化され、それによって、直線状ランプの配列構成よりも大幅に高い出力が達成される。高透過性の電極スクリーン３２によって、これが効率的に動作することが可能になる。

図７には、符号５００で示された１９３ｎｍの ArF エキシマ放射の放射スペクトルが示されている。フッ素を供給するためには、比較的無害な試験用ガスであって容易に入手できるため、CF₄ が使用された。CF₄ はエキシマ物理または光出力のために最適なものではないが、混合ガス中に必要なフッ素の割合は小さいため、Ar/F 混合物を安全に取扱うために注意が必要な安全性の問題は小さい。

放射照度の均一性
放射源１０は、有利なことに、高い均一性を有する放射照度を生成するものである。”サンドイッチ”状に形成された誘電体−スクリーン−ウィンドウアセンブリー３８によって、非均一性が組込まれていない励起ガス３５ａの”スラブ”が形成される。放射源１０のこの構成は、システムに組込まれる際に基本的な非均一性を有する点放射源またはリニアランプからなる放射源とは顕著に異なるものである。個々のリニアランプは、”準点放射源”、または線状放射源として機能するため、どの１つのランプから離れても強度がすぐに落ち込み、十分離れた場合、均一性は改善されるが、強度が損なわれる。

一方、本発明に係る”フラットパネル”型放射源１０は、複数の点放射源が緊密に配置された無限平面に見えるため、その放射強度は、距離の二乗に反比例して減衰する点放射源の場合とは異なり、放射源からの距離（下記参照）と共に緩やかに（線形に）減衰する。また、上述したような電極スクリーン３２における特殊なスクリーン構成の使用によって、高い均一性を有する放射照度が達成される。

波長の調整
波長の調整は、２通りの方法によって達成される。”粗調整”は離散的な性質を有し、放射源１０のガス電離領域３５内のガス／混合ガスを変更することによって達成される。好ましくは、ガス３５ａの変更は、ポンプによって既存のガスを領域３５からガス排気口７９を通じて排気し、ポンプによって新たなガスをガス吸気口７９を通じて領域内に吸入することによって達成される。ガスは、領域３５内に長時間留まると汚染されるため、放射出力が低減する場合がある。放射出力を監視するフィードバック検出法（たとえば、図３に図式的に示されている光ファイバーの光導体７２）により、”古い”ガスを排気して”新たな”ガスを領域３５に導入するために基準となるしきい値を指定することができる。別の方法として、異なる混合ガスが充填された複数の別の放射源を有することもできる。これらの放射源は所望の場合には永久的に密封され、（ウエハ密閉構造体２２上に選択した１つの放射源を取付けることによって、）必要に応じて放射源を交換するだけで所望の波長域の放射出力を生成するものである。

高出力強度は、部分的には放電空間または領域３５を比較的な大きな二次元平面状の空間に形成することによって達成される。隙間の間隔には最適値があるため、領域３５の幅は固定されている。高強度のＵＶおよびＶＵＶ放射は、点放射源または直線放射源ではなく、平面状”フラットパネル”放射源を有することによって達成される。領域３５の体積は、典型的な直線状ランプで通常使用される体積よりも一桁以上大きい。

有利なことに、高出力強度は、部分的には電極スクリーン３２の高い透過性によって達成される。上述したように、電極スクリーン３２は、９１．６７％の幾何学的透過係数を有し、これは先行技術における典型的な電極スクリーンと比較して、極めて高い透過係数である。通常の電極において透過光が投影される幾何学的透過係数は、４０％から６０または７０％の範囲である。”投影される”幾何学的透過係数が通常のスクリーンワイヤ構成に比べて高いことに加えて、電極スクリーン３２は、極めて低背であることによって、先行技術の電極スクリーンよりも透過的になっている。すなわち、電極スクリーンの厚さが非常に小さいため、ガス領域３５から高角度で入射して電極スクリーンの有限の厚さにより捕捉されるために消失する放射光は、ほとんど存在しない。

放射源１０の高出力強度は、部分的には、高圧力の使用によっても達成されている。マイクロ放電の寿命は短いため、ガス３５ａは高温マイクロ放電によって加熱されない。その結果、領域３５のガス圧を上昇させることができ、それに伴って放射源（emitter）が増加して放射出力が増大する。実際、放射出力強度は、領域３５のガス圧の増大につれて線形に増大する。これは、図１１の符号６００が付いたグラフに示されている。図１１に示すように、放射出力とガス圧との間の関係の線形性は、数百torr（数万Ｐａ）から６００torr（７．９９８×１０⁴Ｐａ）を超える程度において極めて明瞭である。この関係は、数気圧（数十万Ｐａ）程度まで続くと考えられる。

ガス３５ａの励起中の圧力は、励起されていないときの圧力にほぼ等しいことに注意されたい。このことは、さらに、多くの周波数における多数のマイクロ放電の発生によって平均ガス温度は上昇しないという事実によって裏付けられる。図１１に示された結果は、Xe エキシマガスでの作動によるものであるが、同様の線形の関係は、放射源１０のエキシマ作動のための他の混合ガスでも得られるものである。

大気圧下での作動または高大気圧（super-atmospheric）下での作動
放射源１０を大気圧下または大気圧に近い圧力（near atmospheric）下で作動させることには、放射強度の高さに加えて、低圧または低大気圧（below atmospheric）下での作動に対していくつかの追加的な利点がある。保護ウィンドウ３６による比較的大きなウィンドウ領域を備え、ベース電極３０と誘電体層−電極スクリーン−保護ウィンドウアンセブリー３８との間の領域にスペーサを使用する場合には必要なスペーサおよびそのスペーサによって占められる面積を最小化したいため、大気圧下または大気圧に近い圧力下での作動によって、システムにかかる応力および石英材の破壊の可能性が最小化され、それによって支持スペーサの必要性が最小化される。

さらに、高大気圧（above-atmospheric）下での作動は、低大気圧（sub-atmospheric）下での作動よりも有利である。再度記せば、この種の作動は、放射出力を最大化する点で有利である。石英の保護ウィンドウ３６は、誘電体ウィンドウ３４よりも大幅に厚くできるため、アセンブリー３８を、放射源１０内へのガスの高大気圧充填による外方への圧力に耐えるように構成することは容易であり、このことは、低圧または低大気圧下での作動による内方への圧力に対してアセンブリー３８を支持しなければならない場合とは反対である。

高圧下の作動によって、放電領域から動的に冷却されているベース電極３０への熱伝導が改善される。ワイヤメッシュ電極スクリーンの低背型の構成には、追加的な利点がある。電極スクリーン３２によって捕捉される放射が少ないため、加熱の度合いも小さく、それによって放射源１０に対する全体的な冷却の必要性が減少する。先行技術におけるワイヤ構成によるスクリーンは、通常、互いに接触して重なり合うワイヤを有している。この構造は、スクリーンの区画間でのアークの成長を助長するため、電力の浪費とスクリーンアセンブリーの不要な加熱が発生する。さらに、この領域から酸素または空気を排除する特別な工夫をしない限り、電極スクリーンが配置されている隙間領域に望ましくないオゾンが発生する可能性がある。空気中のオゾンおよび酸素は、それぞれ２５０ｎｍおよび２００ｎｍ以下の放射光を吸収するため、ＶＵＶ放射源の動作のために障害となる。

先行技術におけるウエハ処理用の放射源では、放射源に対するウエハの位置に対して厳格な要求が存在した。この要求は、次の２つの問題から生じるものである。
１） リニアランプを使用する放射源でよくあるように、放射照度があまり均一でない場合、放射源に対するウエハの位置には最適な位置が存在し、この位置は、直線状の放射源から離れるにつれて放射強度が減衰するため、通常は、放射源のごく近くかまたはほとんど放射源に接触する位置である。たとえば、極端な例として点放射源の場合には、放射強度は１／ｒ²で減衰する。
２） 放射源からのＶＵＶスペクトル中の波長での放射は、放射源とターゲットウエハとの間の空気によって吸収される。これによって、ウエハを放射源の表面の近くに配置する必要が生じる。

本発明に係る放射源１０は、これらの２つの問題を解決するものである。独自のイオン性ガス領域３５が平面状であることによって、放射強度は、（空気による吸収の問題を回避すれば、）放射源からの距離と共に線形に減衰する。実際、線形の減衰は、特に点放射源の１／ｒ²の減衰特性と比較すれば、非常に緩やかなものである。図１２は、放射強度を放射源１０の表面からの距離の関数として示す図であり、放射源からの距離は２０インチ（５０８ｍｍ）までである。この例では、イオン性ガス３５ａは、１９３ｎｍのエキシマ遷移を有する ArF であった。この比較的大きなＶＵＶ波長では、酸素による吸収は比較的低い。それでも、図１０に示す減衰の僅かな成分は、放射源１０とターゲット検出器との間に存在する空気中の酸素による吸収を示すものである。Xe のエキシマ遷移からの１７２ｎｍの放射光のようなより短い波長では、放射源１０とウエハ１６との間の空気をパージしなければならない。図１２に示すように、１０インチ（２５４ｍｍ）の距離における放射強度の減衰は、５０％よりも小さい。これは、放射源１０から離れることによって、検出点に最も近い点からの放射強度は減衰するが、検出点から見込む放射源の面積とその面積を見込む角度が増大するため、検出される放射強度に追加があることによるもである。

図１３は、図１２と同様のデータを示す図であり、比較のために点放射源からの放射強度の１／ｒ²依存性を追加できるように、データを両対数グラフにプロットしたものである。放射源１０からの放射強度には符号９８０が付けられ、点放射源からの放射強度には符号９９０が付けられている。図１３に示すように、本発明に係る放射源１０と点放射源による減衰には、劇的な差が存在する。

図１０および図１１に示す放射源１０からの長距離における減衰は、ある程度、試作品の放射源が限られたサイズ（図１２および図１３に示す特定の場合では、数平方インチ）を有することによるものである。この場合でも、通常考えられる範囲よりも大幅な長距離に及ぶまで、放射強度は強いままである。これは、この試作品の放射源からの放射光の大部分が、放射源の表面にほぼ垂直な方向に放射されることによるものと考えられる。

空気中の酸素による望ましくない吸収が問題となる程度に十分短い波長では、ガス吸収フィルタチャンバー１９０（第２の好適実施形態１０´に関連させて後述する）を使用して、そのフィルタチャンバー１９０に、たとえば窒素のようなガスを単に充填して”アンチフィルタ（anti-filter）”として機能させることによって、空気または酸素を放射の経路から排除することができる。あるいは、他の手段を使用して酸素を排除してもよい。

放射源の第２の好適な実施形態
本発明に係る放射源の第２の好適な実施形態を、図８に１０´として図式的に示す。有利なことに、この放射源１０´では、ガスフィルタ１９０の使用により放射の波長を”微調整”することができる。放射源１０´の他の構造物は、第１の好適な実施形態として説明した放射源１０に関連して記載された構成と同様であるため、その説明は繰返さない。符号３０´、３２´、３３´、３４´、および３６´が付けられた要素は、その構造および機能について、上述した放射源１０の対応する要素３０、３２、３３、３４、および３６に対応する。低背型で連続的に調整可能なガスフィルタ１９０は、所望の波長に影響を与えることなく、放射源１０´からの不要な波長の放射光を選択的に排除するものである。

フィルタ１９０は、保護ウィンドウ３６´の下方に間隔をおいて配置された放射透過性部材１９２を使用して構成され、適切な吸収ガス１９６が注入されるフィルタチャンバーまたは領域１９４を形成する。このフィルタ機能は、半導体ウエハの処理において重要である。高エネルギーフォトンはいくつかの処理おいて重要であるが、フォトンのエネルギーがある臨界値を超えると、（たとえば、電子−ホール対発生によって、）フォトンが半導体ウエハの回路に損傷を与える場合がある。

標準的な比較的広いエキシマバンドが与えられたときに、そのバンド幅の比較的低いエネルギー部分（すなわち長波長部分）だけが必要な場合がある。したがって、酸素または空気（１８％の酸素を含む空気）からなる吸収ガス１９６を使用して、高エネルギーの”すそ野（tail）”を”物理的に（surgically）”取り除くことができる。他のタイプのフィルタ処理に対するガスフィルタ処理の利点は、特にシャープな差動フィルタ処理（sharp differential filtering）を使用する場合には、所望の波長における振幅の減少がごく僅かであることである。フィルタチャンバー１９４は、吸収ガス１９６の放射吸収特性を利用するものである。たとえば、酸素の吸収スペクトルは、複雑な構造を呈するが、図９に符号９００で示されているように、基本的には波長が短くなるにつれて急激に増大する。

本発明に係る放射源１０´に対して酸素の吸収スペクトルが有利な理由の１つは、図９に示すように、この吸収スペクトルが２４０ｎｍと１５０ｎｍとの間で８桁に渡って広がっていることである。これは、酸素が、本発明において重要なＵＶ波長域および特にＶＵＶ波長域をカバーする、非常に強力な差動フィルタ（differential filter）であることを意味する。特に、酸素は、１５０ｎｍから２００ｎｍまでのＶＵＶ波長に対する差動フィルタ処理を提供するものである。

フィルタチャンバー１９４は、圧力が調整可能なように酸素を充填することによって、短波長側に特定のカットオフ波長が導入されて、非常にシャープな（波長についての）ハイパスフィルタとして動作する。典型的なエキシマ遷移は、（エキシマ分子を構成する原子間の相互距離の振動による）遷移の連続性により、広いバンド幅を有する。典型的なエキシマ遷移における比較的広いバンド幅が与えられると、ガスフィルタ１９０は選択的そのバンド幅を狭め、そうすることによって、ピーク波長を長波長側に移動させる。もちろん、バンド内のピーク振幅は減少するが、そもそもバンド幅は非常に広いため、その減少は緩やかである。

たとえば、Xe ガスは、１７２ｎｍのピーク波長を伴うエキシマ遷移を示す（図６に符号４００で示されている）。この放射は、約１８ｎｍのＦＷＨＭバンド幅を有し、その結果、１６３ｎｍから１８１ｎｍの範囲に及ぶ放射光が発生する。ここで、１６５ｎｍ以下の放射光が不要であることが分かった場合、ガスフィルタ１９０によって、長波長側の放射のレベルに影響を及ぼすことなく、この短波長成分を除去することができる。

図１０は、Xe １７２ｎｍエキシマ放射源に対する空気を主成分とするガスフィルタ１９０の応用例を示す図である。符号９５０が付けられたグラフでは、フィルタ１９０は、保護ウィンドウ３６´とフィルタウィンドウ１９２との間に１／１６インチ（１．５８７５ｍｍ）の間隙を含むものである。このとき、放射光のピーク波長は、フィルタ処理されていない場合の１７２ｎｍのピークから約１７５ｎｍに移動した。符号９６０が付けられたグラフでは、フィルタ１９０は、保護ウィンドウ３６´とフィルタウィンドウ１９２との間に０．５インチ（１２．７ｍｍ）の間隙を有するように修正された。このとき、放射光のピーク波長は、フィルタ処理されていない場合の１７２ｎｍのピークから約１８０ｎｍに移動した。最後に、符号９７０が付けられたグラフでは、フィルタ１９０は、保護ウィンドウ３６´とフィルタウィンドウ１９２との間に１．２５インチ（３１．７５ｍｍ）の間隙を有するように修正された。このとき、放射光のピーク波長は、フィルタ処理されていない場合の１７２ｎｍのピークから約１８３ｎｍに移動した。

図１０では、ピーク放射波長は１７２ｎｍから１８３ｎｍに移動したが、もっと大幅にずらす（さらに１０ｎｍ）ことも可能である。実際、ピーク波長は、最大でほぼ１９０ｎｍにまでずらすことができ、その後は、Xe の代りに別のエキシマ遷移（すなわち、ArF の１９３ｎｍエキシマ遷移）を使用できる。これによって、たとえば、２種類の混合ガス／エキシマ遷移、すなわち Xe および ArF のみを使用して、１７２ｎｍから２００ｎｍまでの範囲でピーク波長を連続的に選択することができる。図１０に示す３つのフィルタ処理の例から、放射を完全に遮断するために約８ｎｍを要するのみであり、短波長側のカットオフは非常にシャープであることが分かる。

以上、本発明を詳細に説明してきたが、本発明は、添付請求項の思想または範囲内における、開示された実施形態からのあらゆる修正および変更を含むものである。

図１は、本発明に従って構成され、半導体ウエハを処理するための半導体体ウエハ密閉構造体に取付けられた放射源の第１の好適な実施形態を示す一部切断透視図である。 図２は、図１に示す放射源の一部切断分解透視図である。 図３は、図１の放射源を図式的に示す概略断面図である。 図４は、第１またはベース電極とそこから離れて配置された誘電体層との間に形成される領域を排気するためのポンプを示す拡大断面図である。 図５は、電源と第２またはスクリーン電極とを接続する給電線を示す拡大断面図である。 図６は、Xe エキシマガス源について、その放射強度を波長の関数として示したグラフである。 図７は、Ar/CF₄ エキシマガス源について、その放射強度を波長の関数として示したグラフである。 図８は、放射発生領域からの放射をフィルタ処理するためのフィルタを含む、本発明の放射源の第２の実施形態を図式的に示す概略断面図である。 図９は、酸素ガスフィルタについて波長に対する吸収係数を示すグラフである。 図１０は、周波数可変放射源について、波長に対する放射強度を示すグラフである。 ガス圧と放射強度との間の線形の関係を示すグラフである。 放射源からの距離と放射強度との間の線形の関係を示すグラフである。 点放射源および本発明の放射源について、放射源からの距離の関数として放射強度を示す対数スケールのグラフである。

Claims (23)

1. 半導体ウエハの処理に使用する放射光を放射する放射源であって、
   ａ） 放射光の放射領域の境界を形成する二次元表面を有するベース電極と、
   ｂ） 前記ベース電極から前記放射領域によって離間して配置されて前記放射領域の境界を形成し、前記放射領域からウエハ処理領域に放射光を透過させる放射透過性の誘電性部材と、
   ｃ） 前記放射領域の境界を形成する前記ベース電極の二次元表面に略平行な平面で、前記放射透過性の誘電性部材に接触する二次元かつ放射透過性の格子状電極と、
   ｄ） 前記ベース電極および前記格子状電極に電圧を印加する電源と、
   ｅ） 前記放射領域に、前記ベース電極と前記格子状電極との間に設定される電界によってイオン化するイオン性ガスを供給するガス供給手段と、を含み、
   ｆ） 前記電源は前記ベース電極および前記格子状電極に電圧を印加して電界を発生させ、それによって前記放射領域内の前記イオン性ガスはエキシマ励起されて、前記放射源から前記格子状電極を通じて放射される平面状の放射パターンが発生するとともに、
   ｇ） 前記格子状電極に接触し、この格子状電極を前記放射領域の境界を形成する前記誘電性部材と接触させて保持する放射透過性の保護ウィンドウをさらに含んでおり、前記放射源からの平面状の放射パターンは前記放射源から前記保護ウィンドウを通じて放射されるとともに、前記保護ウィンドウは、前記保護ウィンドウと前記誘電性部材との間の隙間領域を排気して前記保護ウィンドウと前記誘電性部材とで前記格子状電極を緊密に挟持する負圧条件を生成することによって、前記格子状電極に対して付勢されて前記誘電性部材を補強することを特徴とする放射源。
2. 前記放射領域内であってかつ前記放射領域の境界を形成する前記誘電性部材と前記ベース電極の二次元表面との間に配置される１つまたは複数のスペーサ要素をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の放射源。
3. 前記ガス供給手段は、前記放射源によって所望の範囲の波長を有する放射光を得るために、エキシマ励起可能な一群のイオン性ガスから選択した１つを前記放射領域に導くことを特徴とする請求項１記載の放射源。
4. 前記一群のイオン性ガスは、NeF、Ar₂、Kr₂、F₂、Xe₂、ArCl、KrI、ArF、KrBr、KrCl、KrF、XeI、Cl₂、XeBr、Br₂、および Ar/CF₄ を含むことを特徴とする請求項３記載の放射源。
5. 前記ガス供給手段は、前記ベース電極中に離れて配置された入口ポートおよび出口ポートによって前記放射領域に通じていることを特徴とする請求項１記載の放射源。
6. 前記格子状電極は、導電性の網目状材料であることを特徴とする請求項１記載の放射源。
7. 前記放射透過性の保護ウィンドウから離れて配置されてフィルタチャンバーの境界を形成する放射透過性のフィルタチャンバー部材と、前記フィルタチャンバー内に注入されて前記放射源から前記放射透過性のフィルタチャンバー部材を通じて放射される放射波長の範囲を狭めるように前記放射領域から放射される特定波長の放射光を吸収する吸収ガスと、をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の放射源。
8. 前記吸収ガスは、酸素を含むことを特徴とする請求項７記載の放射源。
9. 前記放射光は、ＵＶ波長域の放射光であることを特徴とする請求項１記載の放射源。
10. 前記放射光は、ＶＵＶ波長域の放射光であることを特徴とする請求項１記載の放射源。
11. 放射処理室に配置された半導体ウエハを放射処理によって処理するための方法であって、
    ａ） 放射領域に面するほぼ平面状の表面を有するベース電極を配置する工程と、
    ｂ） 前記ベース電極のほぼ平面状の表面から間隔を置いて略平行に配置され、誘電性部材の第１面側は前記放射領域の境界を形成し、前記誘電性部材の第２面側は前記ウエハ に面する放射透過性の前記誘電性部材を配置する工程と、
    ｃ） 前記誘電性部材の前記第２面側に隣接する二次元かつ放射透過性の電極スクリーンを、前記放射領域の境界を形成する前記ベース電極の二次元表面に略平行な平面に配置する工程と、
    ｄ） 前記放射領域にエキシマ励起可能なイオン性ガスを供給する工程と、
    ｅ） 前記ベース電極および前記電極スクリーンに電圧を印加し、前記ベース電極と前記電極スクリーンとの間に電界を発生させて前記イオン性ガスをエキシマ励起し、それによって前記放射源から前記ウエハを処理するための平面状の放射パターンを発生させる工程と、
    ｆ） 前記電極スクリーンに接触し、この電極スクリーンを前記放射領域の境界を形成する前記誘電性部材と接触させて保持し、前記放射源からの平面状の放射パターンは前記放射源から第２の放射透過性誘電性部材である保護ウィンドウを通じて放射される、放射透過性の前記保護ウィンドウを設ける工程と、
    ｇ） 前記保護ウィンドウと前記誘電性部材との間の隙間領域を排気して前記保護ウィンドウと前記誘電性部材とで前記電極スクリーンを緊密に挟持する負圧条件を生成することによって、前記保護ウィンドウを前記電極スクリーンに対して付勢して前記誘電性部材を補強する工程と、を含むことを特徴とする方法。
12. 前記イオン性ガスを供給する工程は、前記放射領域に連通して前記イオン性ガスを前記放射領域に注入するためのガス吸気口およびガス排気口を設けることを含んでいる請求項１１記載の方法。
13. 前記イオン性ガスを供給する工程は、一群のイオン性ガスから１つのイオン性ガスを選択するステップを含み、前記一群のイオン性ガスは、 NeF 、 Ar ₂ 、 Kr ₂ 、 F ₂ 、 Xe ₂ 、 ArCl 、 KrI 、 ArF 、 KrBr 、 KrCl 、 KrF 、 XeI 、 Cl ₂ 、 XeBr 、 Br ₂ 、および Ar/CF ₄ を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
14. ウエハ密閉構造体内に配置された半導体ウエハを処理するための放射光の放射源であって、
    ａ） 放射光の放射領域の境界を形成する二次元表面を有するベース電極と、
    ｂ） １）前記ベース電極から前記放射領域によって離間して配置されて前記放射領域の境界を形成し、前記放射領域からウエハ処理領域に放射光を透過させる放射透過性の誘電性部材、および
    ２）前記放射領域の境界を形成する前記ベース電極の二次元表面に略平行な平面で、前記放射透過性の誘電性部材に接触する二次元かつ放射透過性の格子状電極、を含むアセンブリーと、
    ｃ） 前記ベース電極および前記格子状電極に電圧を印加する電源と、
    ｄ） 前記ベース電極と前記格子状電極との間に設定される電界によってイオン化するために前記放射領域に収容されるエキシマ励起可能なイオン性ガスと、を含み、
    ｅ） 前記電源は前記ベース電極および前記格子状電極に電圧を印加して電界を発生させ、それによって前記放射領域内の前記イオン性ガスはエキシマ励起されて、前記放射源から前記格子状電極を通じて放射される平面状の放射パターンが発生するとともに、
    ｆ） 前記アセンブリーは、前記格子状電極に接触しかつこの格子状電極を前記放射領域の境界を形成する前記誘電性部材と接触させて保持する放射透過性の保護ウィンドウをさらに含んでおり、前記放射源からの平面状の放射パターンは、前記放射源から前記保護ウィンドウを通じて放射されるとともに、前記保護ウィンドウは、前記保護ウィンドウと前記誘電性部材との間の隙間領域を排気して前記保護ウィンドウと前記誘電性部材とで前記格子状電極を緊密に挟持する負圧条件を生成することによって、前記格子状電極に対して付勢されて前記誘電性部材を補強することを特徴とする放射源。
15. 前記放射領域の境界を形成する前記誘電性部材と前記ベース電極の二次元表面との間に配置されて前記放射領域の周縁部分に接するスペーサ要素をさらに含むことを特徴とする請求項１４記載の放射源。
16. 前記放射領域に収容されるガスは、前記ベース電極中のガス吸気口を通 じて注入されることを特徴とする請求項１４記載の放射源。
17. 前記放射領域に収容されるガスは、NeF 、 Ar ₂ 、 Kr ₂ 、 F ₂ 、 Xe ₂ 、 ArCl 、 KrI 、 ArF 、 KrBr 、 KrCl 、 KrF 、 XeI 、 Cl ₂ 、 XeBr 、 Br ₂ 、および Ar/CF ₄ を含むエキシマ励起可能な一群のイオン性ガスから選択されることを特徴とする請求項１４記載の放射源。
18. 前記格子状電極は、導電性の網目状材料であることを特徴とする請求項１４記載の放射源。
19. 前記放射透過性の保護ウィンドウから離れて配置されてフィルタチャンバーの境界を形成する放射透過性のフィルタチャンバー部材と、前記フィルタチャンバー内に注入されて前記放射源から前記放射透過性のフィルタチャンバー部材を通じて放射される放射波長の範囲を狭めるように前記放射領域から放射される特定波長の放射光を吸収する吸収ガスと、をさらに含むことを特徴とする請求項１４記載の放射源。
20. 前記吸収ガスは、酸素を含むことを特徴とする請求項１９記載の放射源。
21. 前記放射光は、ＵＶ波長域の放射光であることを特徴とする請求項１４記載の放射源。
22. 前記放射光は、ＶＵＶ波長域の放射光であることを特徴とする請求項１４記載の放射源。
23. 放射によって半導体ウエハを処理するための半導体ウエハ処理システムであって、
    ａ） 半導体ウエハを支持するウエハ密閉構造体と、
    ｂ） 前記ウエハ密閉構造体に取付けられてウエハを処理するための放射光を発生させる放射源とを含み、
    該放射源は、
    １）放射光の放射領域の境界を形成する二次元表面を有するベース電極、
    ２）ｉ）前記ベース電極から前記放射領域の介在による間隔をおいて配置されて前記放射領域の境界を形成し、前記放射領域からウエハ処理領域に放射を透過させる放射透過性の誘電性部材、および
    ｉｉ） 前記放射領域の境界を形成する前記ベース電極の二次元表面に略平行な平面で、前記放射透過性の誘電性部材に接触する二次元かつ放射透過性の格子状電極、を含むアセンブリー、
    ３） 前記ベース電極および前記格子状電極に電圧を印加する電源、
    ４） 前記ベース電極と前記格子状電極との間に設定される電界によってイオン化するために前記放射領域に収容されるエキシマ励起可能なイオン性ガス、を含み、
    ５） 前記電源は前記ベース電極および前記格子状電極に電圧を印加して電界を発生させ、それによって前記放射領域内の前記イオン性ガスはエキシマ励起されて、前記放射源から前記格子状電極を通じて放射される平面状の放射パターンが発生するとともに、
    ６） 前記アセンブリーは、前記格子状電極に接触しかつこの格子状電極を前記放射領域の境界を形成する前記誘電性部材と接触させて保持する放射透過性の保護ウィンドウをさらに含んでおり、前記放射源からの平面状の放射パターンは、前記放射源から前記保護ウィンドウを通じて放射されるとともに、前記保護ウィンドウは、前記保護ウィンドウと前記誘電性部材との間の隙間領域を排気して前記保護ウィンドウと前記誘電性部材とで前記格子状電極を緊密に挟持する負圧条件を生成することによって、前記格子状電極に対して付勢されて前記誘電性部材を補強することを特徴とするシステム。

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