JPS63133444A - 光処理装置用光源およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野ｊ 本発明は産業分野、特にセラミックスコートを行う分野
及び半導体装置作製技術分野において利用可能な光処理
装置用光源およびその使用方法を提供するものである。

「従来技術ｊ 産業分野、特にセラミックスコート、または半導体装置
作製技術分野において使用されている従来の紫外光源用
ランプとしては、主として高圧水銀ランプ、低圧水銀ラ
ンプがある。本発明は、特にこの低圧水銀ランプを用い
た光処理装置、例えば光ＣＶＤ装置、光クリーニング（
ＵＶクリーニング）装置、光プラズマＣＶＤ装置用光源
の改良およびその使用方法に関するものである。

従来の低圧水銀ランプは光源用バルブ内にアルゴンガス
を数Ｔｏｒｒの圧力で封入し、同時に水銀を封入したも
のであった。

そしてバルブ内に一対のアーク放電を発生させる電極と
、この電極よりガラスバルブを貫通して導出した外部電
極端子より一般に商用周波数（５０〜６０Ｈｚ）の交流
電力を印加しアーク放電をさせている。この外部より投
入された電力により水銀原子は励起され、様々なエネル
ギー準位を持つ励起状態の水銀原子となる。さらにこの
励起状態の原子が石英バルブの内壁または原子同志の衝
突により、もとの準位に戻る。その際、２５４ｎｍ及び
１８５ｎｍ付近の波長の発光を行う。

しかしながら最近、半導体装置作製技術分野において、
光処理装置、特に光ＣＶＯ法（紫外光により反応性気体
を分解、反応せしめて被膜形成を行う）、ＵＶクリーニ
ング（基板表面を紫外光で照射し汚物を除去する）が注
目されている。例えば、光ＣＶＤ法で半導体膜を作製す
る方法において、５ｔｎＨｔｎ＋ｚ　（ｎ　＝　１＋　
２＋　３　”・）のシラン類を紫外光にて分解反応させ
て半導体膜を形成する。その時、短波長光、特に１８５
ｎｍ付近の波長の紫外光が特に前記反応に有効であるた
め、従来の紫外光源を用いた反応速度が遅い光ＣＶＤ法
においては、この１８５ｎＩＩＩ付近の紫外光強度をよ
り強（することが求められていた。

さらにかかる光源においては、１８５ｎｍの紫外光を有
効に放出させるため、バルブ発光部の管の内径を３〜８
ｍｍ例えば５ｍｍとし、この発光部において励起された
水銀プラズマの密度を３〜１０倍に高めんとしている。

「従来技術の問題点ｊ かくすると、１８５ｒｕ＋＋の波長の紫外光の強さはこ
れまでに５〜１０倍例えば８．５倍にすることができる
ことがわかった。しかし、この結果、バルブ内のプラズ
マ密度が上がり、イオン化した水銀が電極に強く衝突し
、電極それ自体の劣化をもたらしてしまった０例えば８
．５倍にした場合、その電極の寿命はわずか１０数時間
でしかなかった。これまで公知の広直径の発光部パルプ
（内径１２〜２５Ｉ）の場合、２０００時間の連続、使
用においてすら、発光強度の低下はわずか１０％である
。このため発光強度を従来技術に比べて１０倍またはそ
れ以上にするに加えて、寿命の低下をもたらさない低圧
水銀灯の開発が求められている。本発明はかかる目的を
満たすものである。

ｒ問題を解決すべき手段ｊ 本発明は、短波長光特に１８５ｎｍ付近の紫外光強度を
石英バルブのうち、発光部の内径を３〜８ｍｍと細くし
、この発光部と端部に設けられた電極との間にバッファ
空間を設けることにより、初期値に対する劣化を５００
時間の連続使用で１０％以下としたものである。そして
ここで水銀等のイオンを少なくとも１回圧いに衝突させ
、運動エネルギを減少させた後、電極に至るべ（せしめ
た。このため、バッファ室内の内径は発光部の内径の２
．５〜４倍とした。

さらに本発明は紫外光の強度を最高効率で一定とするた
め、バルブ内の温度を一定にすべくかかるバッファ空間
を冷却部とした。また、かくの如く強光度、長寿命化し
た低圧水銀ランプを光クリーニング、光ＣＶＯ等の光処
理用の光源を用いたものである。

以下にその実施例を示す。

「実施例ＩＪ 即ち第１図に、本発明の第２図および第３図に示された
光処理装置用光源、およびその使用方法を実施するため
の光処理装置の概要例を示す。

第１図において、反応性気体はドーピング系（１６）よ
り反応系（２０）の反応容器（１２）内の反応空間に導
き出される。そして反応後の不要物は排気系（１７）よ
り外部に放出される。反応容器（１２）内には、下側に
光源室（１５）に配設された光処理装置用光源、例えば
、紫外光を放射する本発明の水銀ランプ、合成石英窓（
１４）を有し、その上にはプラズマグロ−放電用の一方
の電極（１３）を有する。他方の電極は基板（１１）、
基板ホルダ（１０）よりなる。このプラズマ放電用の電
極には高周波電源（７）、マツチングトランス（８）を
経て高周波エネルギが供給される。

さらに、水銀ランプ（５）には電気エネルギが供給され
るが、これは電源（７）を経て水銀ランプの一対の電極
（３）、（３’）に供給される。この水銀ランプ（５）
内の空間（２）は水銀またはそれに加えて真空、重水素
またはアルゴン、クリプトン等の不活性気体が充填され
た減圧状態を保持している。

本発明はこの従来の低圧水銀灯に較べて短波長光である
１８５ｎｍ付近の光の強度を数倍に高め、かつその強度
を１０００時間以上保持すべく、石英バルブ内の電極と
発光部との間にバッファ空間（２３）　。

（２３°）を設けている。さらにこのバッファ空間を利
用してこのバルブ内の水銀蒸気の圧力を一定とすること
により、バルブ内の温度が７５〜４００℃になっても、
効率よ＜　１８５ｎｍの波長を発光すべく、低温領域と
して用いた。アーク放電がなされている発光部（２）で
のイオン化したイオンの衝突による発熱が高く、内部温
度を十分制御ができない場合、バッファ空間を冷却した
。そしてこの結果、発光部での水銀の蒸気圧力を制御し
、発光強度を増加させた。

第２図は本発明の光処理装置用光源の概要を示す。

第２図は合成石英により作られた低圧水銀ランプ（５）
がバルブ（２１）、電極（３）　、　（３”）およびそ
の間に設けられたバッファ空間（２３）　、　（２３”
）よりなっていることを示す。バルブ（２１）の内部に
は水銀を封入し、また必要に応じてアルゴン、クリプト
ン等を導入した。

第２図において、石英バルブ（２１）の両端部には電極
（３）　、　（３’　）を有する。電極（３−１）　、
　（３−１’）は耐熱性の高い仕事関数を有する金属よ
りなり、衝突してくるイオンを受は止める電極である。

また、電極（３−２）　、　（３°−２）は電子を容易
に放出するために低い仕事関数の金属によりコーティン
グされている。

具体的にはタングステン、ニッケル、モリブデンの電極
（３−１）　、　（３’−１）およびそれらにバリュー
ムまたはその化合物がコートされ、電極（３−２）　、
　（３”−２）よりなっている。

またバルブ（２１）において、発光部（２）はその内径
（２５）は３〜８ｍｍ、例えば５ｍｍの合成石英を用い
た。またバッファ空間（２３）の内径（２４）は１０〜
２０ｍｌ１１例えば１２ｍｍとした。

バッファ空間の内径／発光部の内径＝１．５〜４（好ま
しくは２〜４） を有するとよい。するとバッファ空間での水銀等のイオ
ンはその空間を構成する壁との衝突を繰り返し、その運
動エネルギを１／４またはそれ以下とし、プラズマ密度
を１／４またはそれ以下とすることができる。このバッ
ファ空間（２３）　、　（２３’　）と電極（３）　、
　（３’　”）を設けるための空間（２２）　、　（２
２°）との間には、それぞれを空間を独立させるため、
一度（２６）の如り「シぼる」ことが重要である。する
とこのしぼり（２６）により発光部で強いエネルギを有
しているイオンが一度十分にそのエネルギを失なわせし
めることができるからである。このため、このしぼりは
小さくすればするほどよく、ここでは３〜８ｙｎｍの内
径とした。

かくして第２図に示される如くに、発光部と電極との間
にバッファ空間（２３）　、　（２３”）を設けること
ができた。すると、一対の電極間に２０囲の電気エネル
ギを加えた場合、これまでの大きい内径の石英ランプに
比べて１８５ｎｍの強度は１．５倍とすることができた
。加えて電極の寿命も５００時間の連続使用で８χの強
度の低下とし得た。

またこのバルブ内に封入する気体を水銀のみとした時、
この内部の温度制御を行うため、このバッファ空間の一
部を水冷却の手段により冷却し、そのバルブでの１８５
ｎｍの波長の光用の最適温度にすることが有効である。

第３図は本発明の光源においてバッファ空間を設けた他
の実施例である。図面は第２図に対応しているが、その
右側の縦断面図の近傍のみを示した。

第３図（Ａ）は合成石英バルブ（２１）における発光部
（２）とそれに直角方向に設けられた電極（３）を有す
る。しかし、その間にバッファ空間（２３）を有し、こ
こで水銀ランプのイオンの向きを９０”変える。そして
しぼり（２６）を経て電極（３）に至る。すると９０’
その向きを変えているため、電極の劣化防止にさらに有
効であった。しかし加工のしにくさを伴う欠点を有する
。

第３図（Ｂ）はバルブ（２１）の発光部（２）と、バッ
ファ空間（２３）とを有し、さらにこれを電極（３）と
分離するためシャッタ（２４）を設け、その周辺部にし
ぼり（２６）としてわずかな空間をあけ、イオンがバッ
ファ空間を突き抜け、直接電極と衝突することを避けた
。このシャッタは石英およびセラミックスを用いた。

第３図（Ｃ）は第３図（Ｂ）におけるシャッタを網目状
とし、１ケまたは複数個の小穴を有する如くにした。そ
してこのシャッタを周辺部の石英パルプに溶着せしめ、
水銀ランプ自体の機械的な強度を大きくしている。

この網目構造のシャッタは石英で作った耐イオン性の金
属またはセラミックスを用いてもよい。

ｒ実施例２」 第１図に示した本発明の低圧水銀灯を用いた光処理装置
により光ｃｖｏ　ＳＵＶクリーニングさらに反応容器内
壁および紫外光源窓のプラズマエツチング、基板上にプ
ラズマＣＶＯ法で被膜形成を行うシステムの例を示す。

反応室内の紫外光源室（１５）内に設置されたランプ（
５）のパルプ（２１）の内部に水銀を封入し、両端に電
気エネルギ供給用の電極（３）、（３’）を設けた紫外
光源ランプ（１）にリード線（４）、（４’）を通じて
商用周波の電源（６）より電力を印加する。

さらにかかる水銀ランプは第２図の構成を用いた。

本実施例は例えば光ＣＶＤ装置に用いると５ｉｎＨｚ、
、＋ｚ（ｎ・１，２．３・・・）シラン類の分解反応に
関与する短波長光の強度が強いため、従来のランプより
成膜速度が約３倍増大し、ステップカバレージもよくな
り、膜厚限界も相当厚くなるという特徴を持つことがわ
かった。

この紫外光を紫外光窓を通して、反応室内に導入された
シラン類（例えばジシランまたはトリシラン）気体に照
射し、基板支持体を兼ねたヒータ（１０）で加熱された
基板（１１）にアモルファスシリコン被膜を形成した。

次に新たな基板（１１）を入れ換える前に紫外光源窓上
に形成された被膜をプラズマエツチングで除去する。エ
ツチング電極は窓上に置かれた金鋼電極（１３）と基板
支持体を兼ねた電極（１０）を用いた。

被膜形成用気体を完全に排気系（１７）で除去し、エツ
チング用気体をガス系（１６）から導入しエツチングを
行った。

こうして窓上の被膜を除去した後に新たな基板（１１）
を反応室内に入れ、反応性気体を入れて再びランプ（２
）への紫外光を点灯し、被膜を形成させた。

「効果」 本発明の構成により、従来では十分な強度が得られなか
った１８５ｎｍの短波長紫外光が相当強い強度でかつ長
寿命で得られ、産業分野特に半導体製造分野で幅広く利
用することが可能となった。

本発明は反応容器を減圧下とし、ＵＶクリーニング、光
ＣＶＤ　、プラズマＣＶＤ　、プラズマエツチングを主
として示した。しかしこの反応系を大気圧または減圧下
としＵＶクリーニングを行うことは有効である。また、
光ＣＶＤとＥＣＲＣＶＤを合わせた光プラズマＣｖＤと
を併用してもよい。

本発明における一対の電極の内側に一対の電極を設け、
ここに高周波数の電力を供給した。しかしさらに電気エ
ネルギの供給手段として、石英パルプの外側に一対の電
極を設けて高周波電力を注入してもよい。

第２図の水銀ランプの形状は棒状のみならず、円環状、
渦巻き状、櫛状その他の形状が可能である。その配設も
水平ではなく、垂直方向に一方の電極を上側に他方を下
側に配設してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の水銀灯と紫外光源窓エツチングシステ
ムを有する光処理装置の概略図を示す。 第２図Ｇ士本発明の光処理装置用光源の実施例を示す。 第３図は本発明の他の低圧水銀ランプの例を示す。 １・・・・・低圧水銀ランプ ２・・・・・低圧水銀ランプの発光部 ３．３゛　　・・・電極 ５゛　・・・・水銀ランプ ６・・・・・電源 ８・・・・・整合器 ７・・・・・高周波電源 １０・・・・・基板ホルダ １１・・・・・基板 １２・・・・・反応容器 １３・・・・・プラズマグロー放電用電極１４・・・・
・紫外光透過窓 １６・・・・・ドーピング系 １７・・・・・排気系 １９・・・・・電源系 ２０・・・・・反応系 ２１・・・・・バルブ ２３．２３’・・・バッファ空間 ２６・・・・・しぼり

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源用バルブ内に水銀が封入された紫外光源用ラン
   プであって、前記バルブの両端部に設けられた電気エネ
   ルギ供給用電極を有するとともに、前記バルブの発光部
   と前記電極との間にバッファ空間を設けたことを特徴と
   する光処理装置用光源。 ２、特許請求の範囲第１項において、バッファ空間は水
   銀だめ構造を有することを特徴とする光処理装置用光源
   。 ３、特許請求の範囲第１項において、電極はバルブの内
   側または外側に設けられたことを特徴とする光処理装置
   用光源。 ４、光源用バルブ内に水銀が封入された紫外光源用ラン
   プの両端部に設けられた電気エネルギ供給用電極に電気
   エネルギを供給することにより、前記バルブの発光部に
   て１８５ｎｍの波長を含む紫外光を発光せしめるととも
   に、電極と発光部との間バッファ空間で発光に寄与 した水銀またはそれに加えて封入された不活性気体の運
   動エネルギを軽減せしめた後、前記電極に衝突させるこ
   とを特徴とする光処理装置用光源使用方法。 ５、特許請求の範囲第４項において、発光された紫外光
   の照射される面に紫外光クリーニングまたは反応生成物
   を形成せしめることを特徴とする光処理装置用光源使用
   方法。