JP4586494B2

JP4586494B2 - 閃光放射装置

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Publication number: JP4586494B2
Application number: JP2004313006A
Authority: JP
Inventors: 貴文溝尻; 満池内
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2024-10-27
Also published as: JP2006127866A

Description

本発明は、閃光放射装置に係わり、例えば、シリコンウエハ等の基板を光照射により急速に加熱処理したり、液晶製造工程において、アモルファスシリコンをポリシリコンに結晶化させる際に使用される閃光放射装置に関する。

従来、半導体製造工程においては、シリコンウエハの等の基板の表面に酸化膜を形成するための成膜工程や、シリコンウエハの表層部分におけるシリコン結晶に対してホウ素や砒素等の不純物を注入した状態で１０００℃以上に加熱処理を施し、前記不純物を拡散させる拡散工程において、光照射によって加熱処理することが行われいる。

このようなシリコンウエハを加熱処理するために用いられる光照射装置としては、加熱源であるハロゲンランプから放射される光をシリコンウエハに対して照射することによって当該シリコンウエハを急速に加熱し、その後、急速に冷却するＲＴＰ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｃｅｓｓ）装置が知られている。

更に近年では、半導体集積回路の高集積化又は微細化の要請が一層強くなってきており、このような要請に対して、シリコンウエハに対する拡散処理においては、シリコンウエハの表面から深さが２０ｎｍ以下の浅い領域（表層領域）において不純物を拡散させることが必要とされている。

しかしながら、ハロゲンランプを加熱源として備えた光照射装置においては、シリコンウエハの表面からの深さが２５〜３０ｎｍの領域に対して熱処理を行うことが限界であり、表面からの深さが２０ｎｍ以下の浅い領域においては、不純物の拡散処理を行うことができない、という問題があった。

そのため、シリコンウエハの表面から極めて浅い領域に不純物を拡散させる方法としては、例えば、キセノン（Ｘｅ）ガスと塩素（Ｃｌ）ガスとの混合ガスを発光物質とするＸｅ−Ｃｌレーザを備え、Ｘｅ−Ｃｌレーザによる数ミリメートルのスポット径を有するレーザ光をスキャン（走査）しながら照射するレーザ照射装置を用いる方法が知られている。

しかしながら、このようなレーザ照射装置は、非常に高価であり、シリコンウエハの表面を小さなスポット径のレーザビームによりスキャンしながら熱処理することが必要とされるため、極めて処理効率が低く、高いスループット（生産性）を得ることが困難であった。

上記の問題に対処するために、例えば、特開２００３−６６１９７号公報によれば、多数本の閃光放電ランプを互いに平行に並べて筐体内に配置した閃光放射装置を用いて、これらの多数本の閃光放電ランプを一斉に点灯駆動することにより、シリコンウエハに対して極めて短時間の熱処理を施す方法が提案されている。

このような方法によれば、加熱源として多数本の閃光放電ランプを用いることにより、シリコンウエハの表面から深さが２０ｎｍ以下の浅い領域においても不純物の拡散処理を行うことができると共に、大面積のシリコンウエハの熱処理も行うことができる。更に閃光放電ランプによる加熱処理は、シリコンウエハに対する光の照射時間が極めて短いため、シリコンウエハの温度上昇を表面層のみに留めることができ、これによりシリコンウエハの変形や破損を防止することができるという利点がある。

ところで、このような閃光放電ランプによる熱処理方法においては、図７に示すような点灯電流波形で点灯されるのが一般的である。

特開２００３−６６１９７号公報

しかしながら、図７に示すような点灯電流波形で閃光放電ランプを点灯させると、点灯回数を重ねるとともに発光管の内表面が黒化し、閃光放電ランプから放射される光量が低下してしまう。特に、陰極周辺の発光管内表面の黒化が著しく、場合によってはこの部分を起点として発光管が破裂する、という問題が生じることが判明した。発光管内表面の黒化部からは電極の基体金属である、例えば、タングステンが検出された。これより黒化の原因は陰極表面のエミッタ物質が点灯と共に枯渇していくために、最表面の基体金属が飛散し、管内壁に付着するものと考えられる。

本発明の目的は、上記の問題に鑑み、閃光放電ランプを長時間点灯させた場合でも電極表面のエミッタ物質を枯渇させることなく、その結果として、基体金属の飛散がなくなるため、発光管の内表面の黒化を防止することができ、閃光放電ランプの長寿命化を可能にした光放射装置を提供することにある。

はじめに、本発明者らが、上記の課題を解決するために、閃光放電ランプの電極に投入される点灯電流の波形について検討したところ、以下の着想を得たので説明する。
電流の投入初期（点灯開始）は、プラズマ中の陽イオンが電極表面に衝突して電子の放出やエミッタ物質の蒸発が生じ、その後ピーク電流値を越える付近では、電極表面は高温のプラズマにさらされるためエミッタ物質や基体金属の蒸発が生じる。このような電流波形における投入初期からピーク電流値を超える付近までの期間をエミッタ物質蒸発期間と称する。
その後、投入電流がピーク電流値を越えて下降し殆ど零になるまでの期間においては、電極最表面の温度は下がるので、エミッタ物質の蒸発は少なく、むしろ電極表面とその後端部との温度勾配によってエミッタ物質が電極内部から拡散し、エミッタ物質が電極の最表面に供給されている。このような、投入電流がピーク電流値を越えて下降し殆ど零になるまでの期間をエミッタ物質供給期間と称する。
すなわち、点灯電流波形は、その時間変化に応じて、エミッタ物質の蒸発期間とエミッタ物質の供給期間とに区分されるといえる。そして、通常、エミッタ物質供給期間のエネルギーは被照射物の温度上昇には寄与せず、不要であると考えられているが、本発明者らは、このようなエミッタ物質供給期間を長くすることにより上記のような発光管に黒化が生じる、という問題を良好に解決できることを見出したものである。

具体的には、点灯電流波形において点灯開始から投入電流がピーク電流値を越えて最初にピーク電流値の５０％になるまでの期間をエミッタ物質蒸発期間と仮定し、それ以降の期間をエミッタ物質供給期間と仮定し、発光管の黒化を防止するのに最適なエミッタ物質供給期間の範囲を求めるべく、エミッタ物質蒸発期間の電流波形の時間積分値をＡ、エミッタ物質供給期間の電流波形の時間積分値をＢとした場合に、時間積分値Ａに対する時間積分値Ｂの割合（Ｂ／Ａ）を実験的に求めることとした。

これにより、上記の課題を解決するための第１の手段は、発光管の内部に少なくとも１方の電極にエミッタ物質を含む１対の電極が配置された閃光放電ランプと、該閃光放電ランプを点灯させるための点灯回路とを備えた閃光放射装置において、前記点灯回路をＰＦＮ型回路により構成し、該ＰＦＮ回路は、前記閃光放電ランプの各閃光放電における閃光放電電流波形において、点灯開始からその電流値がピーク電流値を超えて最初にピーク電流値の５０％に至るまでの領域の時間積分値をＡとし、それ以降の領域における時間積分値をＢとしたとき、Ｂ／Ａ≧０．５の関係を満たすように構成されていることを特徴とする閃光放射装置である。

第２の手段は、第１の手段において、前記ＰＦＮ型回路内に、前記閃光放電ランプと直列に抵抗を挿入したことを特徴とする閃光放射装置である。

請求項１に記載の発明によれば、発光管の内部に少なくとも１方の電極にエミッタ物質を含む１対の電極が配置された閃光放電ランプと、該閃光放電ランプを点灯させるための点灯回路とを備えた閃光放射装置において、前記点灯回路をＰＦＮ型回路により構成し、該ＰＦＮ型回路は、前記閃光放電ランプの各閃光放電における閃光放電電流波形において、点灯開始からその電流値がピーク電流値を超えて最初にピーク電流値の５０％に至るまでの期間の時間積分値をＡとし、それ以降の期間における時間積分値をＢとしたとき、Ｂ／Ａ≧０．５の関係を満たすように構成されているので、閃光放電ランプを長時間点灯させた場合でも電極表面のエミッタ物質が枯渇されず、結果として、基体金属の飛散がなくなるため、発光管の内表面の黒化を防止することができ、閃光放電ランプの長寿命化を図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、前記ＰＦＮ型回路内に、前記閃光放電ランプと直列に抵抗を挿入したので、Ｂ／Ａ≧０．５の関係を容易に設定することができる。

本発明の一実施形態を図１乃至図６を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る閃光放射装置の構成を示す断面図である。
同図に示すように、閃光放射装置１は、筐体２内に配置された複数本の閃光放電ランプ３及び反射鏡４と点灯回路５とを備えている。

筐体２は、例えば、アルミニウム又はステンレス鋼よりなる、全体が直方体の箱状体から構成され、その下面には閃光放電ランプ３からの光を放射するための開口部６が形成されている。この開口部６には、例えば、石英ガラスからなる光透過窓７が開口部６を塞ぐように嵌合されて設けられている。

複数本の閃光放電ランプ３は、筐体２の内部空間において、互いに離間して平行に伸びるように配設されている。各閃光放電ランプ３間は等間隔に配置されており、隣接する閃光放電ランプ３のランプ中心軸（発光管の管軸）間の離間距離ｄは、被照射物に対して実質的に均一な光が照射されるように、例えば、１０〜２０ｍｍに設定されている。閃光放電ランプ３の本数は特に制限されるものではなく、目的に応じて適宜設定することが可能である。また、各閃光放電ランプ３の外表面には誘電体部材９に被覆されたトリガー電極８が配設されている。

反射鏡４は、各閃光放電ランプ３からの光を反射して光透過窓７を介して外部に放射するためのものであり、筐体２の内部空間において、閃光放電ランプ３の後方、すなわち筐体２における開口部６と反対側の位置に、閃光放電ランプ３が伸びる方向と同方向に伸びるように配置されている。反射鏡４は、例えば、アルミニウムから構成される。

点灯回路５は、各閃光放電ランプ３及びトリガー電極８と電気的に接続され、各閃光放電ランプ３が同一の点灯条件で一斉に点灯駆動されるように構成されている。

各閃光放電ランプ３から放射された閃光は、直接又は反射鏡４によって反射されて光透過窓７を介して外部に放射される。

図２は、図１に示した閃光放電ランプ３の構成の一例を示す一部断面図である。
閃光放電ランプ３は、例えば、石英ガラス（アルミナ、サファイア）等の発光管材料が用いられ、両端が封止された直管状の発光管３１を備えている。発光管３１内には、陰極３２及び陽極３３が対向配置されている。陰極３２又は陽極３３を先端に有する、例えば、タングステンよりなる電極芯棒３４，３５が、発光管３１内をその管軸方向に沿って伸び、後端が発光管３１の両端におけるシール部を介して外方に突出するように配置されている。陰極３２は、例えば、エミッタ物質として酸化ランタン、酸化バリウム、酸化トリウム、酸化セリウム等が用いられ、基体金属としてタングステン、モリブデンを用いた電極から構成されている。

更に、発光管３１の外表面には、両端が封止された、例えば、石英ガラスからなる直管状の誘電体部材９が接触した状態で、発光管３１と平行にその管軸方向に伸びるように、両端が支持部材１０によって支持され、誘電体部材９の内部空間には、線状のトリガー電極８が配設されている。トリガー電極８は、誘電体部材９の端部に埋設された金属箔を介して図示されていないトリガー電圧印加用リード棒に接続されており、陰極３２及び陽極３３間に印加される電圧とは独立したトリガー電圧が印加される。

陰極３２及び陽極３３の電極間距離（Ｌ）は、被照射物の大きさに応じて適宜選択されるが、例えば、１０ｃｍ以上、好ましくは１５〜６０ｃｍである。また、発光管３１内には、例えば、アルゴン、キセノン、クリプトン及びこれらの混合ガスが発光物質として封入されている。

図３は、本発明に係る閃光放射装置における閃光放電ランプの点灯電流波形を示す図である。同図において、縦軸は閃光放電ランプに流れる電流値（Ｉ）、横軸は時間（ｔ）である。
本発明は、この点灯電流波形において、点灯開始（Ｔ_O）からその電流値がピーク電流値（Ｉ_O）を越えて最初のピーク電流値の５０％（０．５Ｉ_O）となる時間（Ｔ_ｘ）に至るまでの期間（以下、エミッタ物質蒸発期間という）における電流値の総合計、すなわち時間積分値をＡとし、時間（Ｔ_ｘ）以降の期間（以下、エミッタ物質供給期間という）における電流値Ｉの時間積分値をＢとしたとき、エミッタ物質供給期間のエミッタ物質蒸発期間に対する割合をＢ／Ａで表し、Ｂ／Ａ≧０．５の関係を満たすことを規定している。このように規定することにより、閃光放電ランプの発光管の内表面の黒化の発生を良好に防止することができる。

その理由は以下のように考えられる。ピーク電流値に達した後の電流値の下降速度を緩やかにすることにより、所定期間のエミッタ物質供給期間が生成されると、この期間は被照射物の加熱処理には寄与しないエネルギーであるが、このエミッタ物質供給期間によって電極が継続的に加熱される。その結果、エミッタ物質供給期間においては、電極内部から電極表面へエミッタ物質が拡散によって輸送される。そのため、閃光放電ランプを長時間点灯させた場合にも、電極（特に陰極）内部に含まれるエミッタ物質を電極表面に供給することが可能となり、点灯時間の経過に伴って電極最表面のエミッタ物質の枯渇を防止することができる。これにより、エミッタ物質の枯渇に起因すると考えられている基体金属の飛散を防止することができ、発光管内部の黒化を抑制することができると考えられる。

これに対し、点灯電流波形が上記の関係を満たさない従来の閃光放射装置においては、図７に示すように、ピーク電流値に達した後は電流値が急激に下降し、加熱処理に寄与しない発光エネルギーによって電極が加熱される時間が非常に短く、電極内部に含まれるエミッタ物質を電極表面に十分供給することができないため、点灯時間の経過に伴って電極最表面のエミッタ物質が枯渇することとなり、発光管の内表面が黒化する不具合を発生するものと考えられる。

図４は、本発明の閃光放射装置の点灯回路５の構成を示す図である。
同図に示すように、この点灯回路５はＰＦＮ（ＰｕｌｓｅＦｏｒｍｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋ）型回路で構成される。点灯回路５は閃光放電ランプ３と並列に接続され、閃光放電ランプ３に投入するエネルギーを蓄積する複数のコンデンサＣ１，Ｃ２・・・Ｃｎと、閃光放電ランプ３と直列に接続されると共に、前記各コンデンサＣ１，Ｃ２・・・Ｃｎ間に直列にそれぞれが接続される、放電時の電流を制限する複数のコイルＬ１，Ｌ２・・・Ｌｎと、直流電圧を発生する充電回路部５１と、回路全体をコントロールする制御回路部５２と、閃光放電ランプ３のトリガー電極８にトリガー電圧を供給するトリガー回路部５３を備えている。
コンデンサＣ１，Ｃ２・・・Ｃｎ及びコイルＬ１，Ｌ２・・・Ｌｎの個数は、閃光放電ランプの充電電圧の大きさ等に応じて設定され、またこれらの素子間の配線抵抗は、図３に示したような放電電流特性が得られるように考慮して設定される。

点灯回路５の動作について説明すると、制御回路部５２より充電開始信号が充電回路部５１に出力されると、充電回路部５１は直流電圧を発生させ、コンデンサＣ１，Ｃ２・・・Ｃｎにエネルギーを蓄積する。コンデンサＣ１，Ｃ２・・・Ｃｎに充電された充電電圧が所定の電圧に達すると、制御回路部５２は充電が完了したことを検知し、制御回路部５２からトリガー回路部５３にランプ発光信号が出力される。トリガー回路部５３からトリガー電極８を介して閃光放電ランプ３にトリガー電圧が供給されると、閃光放電ランプ３は点灯する。

図５は、本発明の閃光放射装置の他の点灯回路５の構成を示す図である。
この点灯回路５は、閃光放電ランプ３とコイルＬ１，Ｌ２・・・Ｌｎ間に抵抗Ｒ_ｃを直列に接続したものである。抵抗Ｒ_ｃは、例えば、カンタル線からなる高耐熱性のものであり、抵抗値は３０ｍΩ〜３００ｍΩの範囲にある。

この点灯回路５を使用して閃光放電ランプ３を点灯させた場合は、図３で説明したエミッタ物質供給期間を容易に拡げることができ、上記関係式におけるＢ／Ａをより容易に設定することができ、発光管の内表面の黒化をより効果的に防止することができる。
この理由は、抵抗Ｒ_ｃを接続すると、時定数が延びることにより、抵抗を接続しない場合に比べて電極を長時間加熱することができるようになるためであると考えられる。
なお、閃光放電ランプ３から点灯回路５を見た全体の抵抗Ｒは、上記抵抗Ｒ_ｃによる抵抗以外にも、コイルＬ１，Ｌ２・・・Ｌｎに含まれる抵抗、コンデンサＣ１，Ｃ２・・・Ｃｎの内部抵抗、更にこれらの素子間を結ぶ配線の抵抗が加算される。
従って、図４の点灯回路５にも示したように、必ずしも抵抗Ｒ_ｃを設ける必要はなく、各素子間を結ぶ配線を長くする等の手段を採用することにより全体としての抵抗Ｒを任意の値に設定することができる。

次に、本発明の効果を確認するために行った実験結果について説明する。
本実験に用いた閃光放電ランプ３は、図２に示した構成を有し、発光管３１は石英ガラスからなり、外径が１３ｍｍ、内径が１０ｍｍ、全長が５８０ｍｍの直管状のものである。陰極３２は、酸化ランタンを含有したタングステンの焼結体よりなり、最大外径が９ｍｍ、全長が１５ｍｍのものである。陽極３３はタングステンよりなり、最大外径が９ｍｍ、全長が１５ｍｍのものである。電極芯棒３４，３５はタングステンよりなる直径２ｍｍ、全長が２５ｍｍのロッド状のものである。陰極３２及び陽極３３の電極間距離で示される発光長（Ｌ）の大きさは５００ｍｍである。発光管３１内には、キセノンガスを６０ｋＰａ封入した。

図６は、本発明の実験結果を示す表である。
実験は、閃光放電ランプ３を、点灯条件としてパルス幅７００〜８１０μｓ、これに応じてＴ_ｘは８００〜８４０μｓとし、ピーク電流値２３００Ａに固定し、充電電圧（Ｖ）、１段当たりのコンデンサ容量（Ｃ）及びコイルのインダクタンス（Ｌ）を、同表に示すように４通り（実施例１〜実施例４）変化させることにより、エミッタ物質蒸発期間の時間積分値Ａに対するエミッタ物質供給期間の時間積分値Ｂの割合Ｂ／Ａを４通り変化させ、閃光放電ランプ３の発光管３１における黒化発生の有無を調べた。実施例１〜３は図４に示す点灯回路を使用し、実施例４は図５に示す点灯回路を使用し、抵抗Ｒ_ｃは２７０ｍΩである。何れの場合にも、コイル及びコンデンサはそれぞれ３個使用したＰＦＮ３段構造を採用した。

同表において、１０万ショット後の陰極の前方にある発光管の表面を目視して、「○」は発光管が黒化しなかったことを示し、「△」は発光管が僅かに黒化したことを示し、「×」は発光管があきらかに黒化したことを示す。同表に示すように、Ｂ／Ａの値が、Ｂ／Ａ≧０．５の関係を満たす範囲内にある実施例３，４の場合は、閃光放電ランプの黒化は認められなかったが、Ｂ／Ａの値が、Ｂ／Ａ≧０．５の関係を満たす範囲内にない実施例１，２の場合は、発光管の黒化が認められた。

なお、本発明においては、点灯波形として山形状の波形について述べたが、特許請求の範囲の規定の範囲を満足するものであれば、その他の波形の場合にも適用可能である。

実施形態の発明に係る閃光放射装置の構成を示す断面図である。図１に示した閃光放電ランプ３の構成の一例を示す一部断面図である。本発明に係る閃光放射装置における閃光放電ランプの点灯電流波形を示す図である。本発明の閃光放射装置の点灯回路５の構成を示す図である。本発明の閃光放射装置の他の点灯回路５の構成を示す図である。本発明の実験結果を示す表である。従来技術に係る点灯回路における点灯電流波形を示す図である。

符号の説明

１閃光放射装置
２筐体
３閃光放電ランプ
３１発光管
３２陰極
３３陽極
３４，３５電極芯棒
４反射鏡
５点灯回路
５１充電回路部
５２制御回路部
５３トリガー回路部
６開口部
７光透過窓
８トリガー電極
９誘電体部材
１０支持部材
Ｌ１，Ｌ２・・・Ｌｎコイル
Ｃ１，Ｃ２・・・Ｃｎコンデンサ

Claims

発光管の内部に少なくとも１方の電極にエミッタ物質を含む１対の電極が配置された閃光放電ランプと、該閃光放電ランプを点灯させるための点灯回路とを備えた閃光放射装置において、
前記点灯回路をＰＦＮ型回路により構成し、
該ＰＦＮ型回路は、前記閃光放電ランプの各閃光放電における閃光放電電流波形において、点灯開始からその電流値がピーク電流値を超えて最初にピーク電流値の５０％に至るまでの領域の時間積分値をＡとし、それ以降の領域における時間積分値をＢとしたとき、Ｂ／Ａ≧０．５の関係を満たすように構成されていることを特徴とする閃光放射装置。
前記ＰＦＮ型回路内に、前記閃光放電ランプと直列に抵抗を挿入したことを特徴とする請求項１に記載の閃光放射装置。