JPS6380463A

JPS6380463A - 光処理装置用光源およびその使用方法

Info

Publication number: JPS6380463A
Application number: JP61226449A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Hayashi; 茂則林; Takashi Inushima; 犬島　喬; Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Naoki Hirose; 直樹広瀬
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1986-09-24
Filing date: 1986-09-24
Publication date: 1988-04-11

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】（イ）発明の利用分野本発明は産業分野、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。

（ロ）従来の技術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、代表的に第２図
の示すような発光強度分布を有しており、２５４ｎｎ＋
の波長の発光強度が一番強く、その次に１８５ｎｍ付近
の波長の発光強度となっている。

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、５ｉｎＨ２ｙ＋＊ｚ　（ｎ　＝Ｌ２＋
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１８５ｎｍ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１８５ｎｍ付近の紫外光強度をより強くするこ
とが求められていた。

さらにかかる光源においては、１８５ｎ＋ｍの紫外光を
有効に放出させるため、バルブ内の圧力を一定とするた
め、室温〜５０℃で１８５ｎｍの波長の紫外光を効率よ
く放射するように設計されている。しかし前記した光処
理装置においては、光源は５０℃以上例えば１００〜２
００℃になる環境で使用される場合が多い、かかる条件
下においても、効率よ＜１８５ｎｍの波長の光を放射す
べく本発明はなされた。

（ハ）発明の目的本発明はこれらの要求を満たすものであり、短波長光特
に１８５ｎ＋ａ付近の紫外光強度を石英バルブの雰囲気
温度が７５〜４００℃であっても、効率よく放射すべく
その紫外光源とその使用方法を確立せんとするものであ
る。

（ニ）発明の構成上記目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に
記載されているように、「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、該バルブの内側または外側に電気エネル
ギ供給用電極を有するとともに、前記バルブ内の水銀の
蒸気圧を制御すべき低温領域を有することを特徴とする
光処理装置用光源。

２、特許請求の範囲第１項において、低温領域は外側よ
り電気冷凍手段にて温度制御することを特徴とする光処
理用光源。

３、特許請求の範囲第１項において、低温領域は水銀だ
めの構造をしてなることを特徴とする光処理用光源。

４、光源用バルブ内に水銀が封入された紫外光源用ラン
プで゛あって、該バルブの内側または外側に電気エネル
ギ供給用電極を有するとともに、前記バルブ内の水銀の
蒸気圧を制御すべき低温領域を有し、光源のバルブ温度
が７５℃以上の温度になった時、１８５ｎ−の波長の紫
外光がより多く放射されるべく低温領域を冷却して前記
紫外光を発光せしめ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、」ことを特徴とするものである。

即ち第１図に本発明の第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
光処理装置用光源、例えば、紫外光を放射する水銀ラン
プ（５）１合成石英窓（１４）を有し、その上にはプラ
ズマグロー放電用の一方の電極（１３）を存する。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）、切り
換え器（８）、マツチングトランス（９）を経て高周波
エネルギが供給される。

さらに他方、水銀ランプにも高周波エネルギが供給され
るが、これも同じ高周波電ｓ　（１７）、切り換え器（
８）、マツチングトランス（６）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）内の封入されている空間（１５）は真空
または窒素、水素または不活性気体が充填されている。

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るため、石英バ
ルブ内の水銀蒸気の圧力を一定とすることにより、光源
が７５〜４００℃になっても、効率よ＜　１８５ｎｍの
波長を発光すべく水銀ランプの一部好ましくはアーク放
電がなされている領域の外側に低温領域を設けた。アー
ク放電がなされている部分でのイオン化したイオンの衝
突による発熱で十分制御ができないため、電極間より外
側に水銀だめをおき、ここを冷却した。そしてこの水銀
内の圧力をより制御しやすくするため、光源管内に水銀
のみを意図的に封入させ、発光させるものである。

従来の水銀ランプのように、管体内に水銀と同時にアル
ゴンガス等を封入していると、外部より加えられた熱エ
ネルギにより管内の圧力が高（なり、アルゴンの分圧が
大きくなり、結果として存在確率の高い６’Ｐ　ｌの準
位を持つ水銀励起種がアルゴンガスと衝突し、禁制を解
かれ２５４ｎｍの光を発光する。この６３Ｐ、の準位へ
は、外部より比較的少ないエネルギを与えることにより
励起され得るため、アルゴンガスが存在すれば６３Ｐ１
への励起、及び２５４　ｎｍの光の発光確率が高くなる
のである。

一方、本発明のようにアルゴンガスを用いない場合６３
Ｐ、からの２５４ｎｍの発光は行われないため励起種の
ライフタイムが長くなり、水銀が外部電力により持つエ
ネルギは増大し、６１Ｐ１の準位を持つものが増し結果
として１８５ｎｏ＋の波長の光が強くなる。よって被膜
形成速度が短波長紫外光強変倍だけ速くなる。

しかしながら、本発明のように水銀のみを管体に封入し
た場合、水銀の蒸気圧が２５℃〜５０℃では１０４〜１
０−３Ｔｏｒｒ台であるため放電がしにく（不安定であ
る。そのために本発明では第４図に示す如く、放電開始
用のイグニッション用電源を用いて初期放電をさせてい
る。さらに励起エネルギとして高周波電力を用いるもの
である。

本発明は、第１図に示す如く、反応管内の水銀圧力を制
御するため、水銀だめ（３６）を設け、この温度を電子
恒温槽（３５）により制御し、紫外光源のバルブの温度
が７５℃以上の高温でも効率よ＜１８５ｎＩ１１の波長
が発光しやすくせしめた。

第３図は本発明の光処理装置用光源の概要を示す。

第３図（Ａ）は低圧水銀ランプ（５）がバルブ（２１）
、このバルブの外側の一対の電極（３）　、　（３’　
）　、高周波電源供給系（１９）よりなっていることを
示す。バルブ（１１）の内部（２）には水銀を積極的に
封入し、アルゴン等の不活性気体を積極的には導入して
いない。

かかる光処理装置用光源は第５図に示す製造工程に従い
、きわめて容易に作ることができる。即ち（Ａ）に示す
如く、合成石英管の一方を封止（４０）し、これら全体
を一度十分加熱し、吸着ガスを除去する。さらに（４１
）よりターボ分子ポンプ、クライオポンプを利用し、高
真空引きを行う。この後（４３）より水銀（４４）を適
量滴下する。この後、この水銀の蒸気圧を１０−６〜１
０す’　ｔｏｒｒに下げるため、この部分（４４）のみ
を（４１）より真空引きをしつつ、ドライアイス等又は
電子冷凍（４５）等で冷却する。

この石英バルブ内を十分に真空引きをした後（４６）を
酸水素炎または電気加熱により封止する。もちろん合成
石英の内面が十分吸着物のない場合、第５図（＾）の工
程は不要である。

第３図において石英バルブ（２１）の一部特に一対の電
ｉ　（３）　、　（３’　）間より離れた側の一方また
双方を電子冷凍（３５）で冷却する。この電子冷却の温
度（５１）と第１図に示した光源雰囲気の温度（５２）
、１８５ｎｍの紫外光の強度（５０）、水銀バルブの温
度（５３）の関係を第６図に示す。

第６図に示す如く、水銀ランプをオンとし、雰囲気温度
が２５℃（室温）においては１８５ｎｍの光は強い。こ
れに加えて雰囲気温度を２５℃より少しづつ上昇せしめ
７５〜４００℃、例えば１２０℃とすると水銀ランプの
表面温度は１７０℃にまで大きくなる。

そして１８５ｎｍの波長の光は急激に減少する。この水
銀管内の低温領域を生成するため、電子冷凍を作動させ
ると、この水銀だめの温度は９０℃より室温によって下
がる。それに伴い、雰囲気温度が１２０℃であっても再
び１８５ｎｍの波長の光を強くさせることができる。。

このことにより、水銀だめを生ずべく低温発生領域を水
銀ランプ内の水銀蒸気圧の制御のために設けたことがき
わめて重要であることがわかる。

第３図（Ａ）は石英バルブ（２１）の電極（３）、（３
’）下の石英にイオン化した電子、イオンが衝突し、こ
こでの石英との反応による劣化を生じやすい。このため
、第３図（Ｂ）が考え出された。

この第３図（Ｂ）は、石英（２３）を挟んで石英バルブ
内にも一対の電極（内側電極）　（２２）　、　（２２
°）を有せしめたものである。その結果、一対の外側電
極（３）、（３’）と一対の内側電極（２２）　、　（
２２’　）とは直流的には離れているが、高周波的には
連結させることができる。アーク放電領域（２）のイオ
ンが内側電極（２２）　、　（２２’）に衝突するため
、石英の高信頼性化が可能となり、また（２３）の抵抗
を一定に保持することができるようになった。

さらに第３図（Ｃ）は内側電極を２つに独立して設計し
たものである。そして対抗電極に近い側の内側電極（２
２−１）　、　（２２”−１）は飛翔してきたイオンを
受ける側の電極であり、仕事関数が大きくでき、耐熱的
に優れた材料より選ばれた例えば白金、タングステン、
モリブデンまたはその化合物が代表的なものである。ま
た対抗電極より離れた側の内側電極（２２−２）　、　
（２２”−２）は電子の電界放出または熱電子放出を容
易にするための材料より選ばれる。

代表的には仕事関数の小さい材料であるマグネシューム
、ニッケル、酸化バリューム等がコートされた金属電極
である。すると一般にこの仕事関数の小さい金属はイオ
ンの衝突に対し弱く、容易に劣化しやすい。また逆に仕
事関数の大きい金属はイオンの衝突に対し安定であるが
、この場合は放電開始電圧が高くなりやすい。電子の放
出用電極とイオンの受は入れ用電極とをわけることが有
効である。

これら第３図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）はいずれ
も一対の電極とその内側の放電領域（２）または内側電
極（２２）。

（２２’）とは直接的には分離されており、石英バルブ
をより加工しやすくなった点で優れたものである。

第４図は第３図に示された所定の水銀灯を直列に連結し
て同時放電させたものである。これらは水銀蒸気を用い
た低圧アーク放電であり、グロー放電よりアーク放電は
円滑に移行させるため、−瞬の高い電圧を印加し、それ
ぞれ（５−１）　、　（５−２）　、・・（５−ｎ）に
対し起動用パルスを初期に加えることは有効である０例
えば２ＫＶ程度に発生するイグニッション用電源（３１
）、一対の電極（３２）　、　（３２’）を石英管（５
−１）の外側に接せしめ、高圧を加える。すると外側は
大気圧であるため、放電をしない、他方、石英管内は放
電しやすい真空圧（３３）の領域である。このため、石
英バルブ内のみを放電させることができる。するとこの
後この高電圧が零になっても、この局部放電（３３）が
石英管内に広がり、（５〜１）の石英管内が連続放電を
する。これを他のｎヶの石英管に対し漸次または同時に
行い、複数ケの水銀灯を１つの高周波電源に対し放電さ
せるものである。これも第３図に示した如く、（２３）
　。

（２３”）の高周波的な抵抗を設計に従い最適化するこ
とによりｎを２個またはそれ以上にし得る。

以下実施例を示す。

実施例第１図に本発明の低圧水銀灯による光ＣＶＤ　、　ＵＶ
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ＣｖＤ法で被膜形
成を行うシステムを有する光処理装置を示す。

反応室内の紫外光源室（１５）内に設置されたランプの
管体内部（２）に水銀を封入し、両端に高周波印加用の
電極（３）　、　（３’　）を設けた紫外光源ランプ（
１）にリード線（４）を通じて高周波用電源（７）より
高周波電力を印加する。この時ランプ（１）の負荷抵抗
成分等により放電が不安定になるのを防止するため、高
周波電源（７）の次に整合器（６）を入れマツチングを
とっている。本実施例では電ａ＜ｎ　として１３．５６
ＭＨｚの周波数の電源を用いたが、点灯実験にてＩＫＨ
ｚ〜２．５４ＧＨｚの周波数範囲でも点灯させることは
可能であった。この図面における水銀ランプは第３図、
第４図のいずれかを用いている。

さらにかかる領域において、水銀だめの温度を第６図に
示す如く制御した。

本実施例は例えば光ＣＶＤ装置に用いると５ｉｎ）ｌｚ
、１＋ｔ（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
より成膜速度が増大し、膜厚限界も相当厚くなるという
特徴を持つ。

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）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。こ
のとき高周波用切り換えスイッチ（８）により、紫外光
源点灯用高周波電源（７）をプラズマエツチングに用い
た。エツチング電極は窓上に置かれた金銅電極（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、反応性気体を入れ換え高周波スイッ
チを変更し紫外光を点灯し、被膜を形成させた。

このように本発明においては、加熱されている基板の近
くに水銀ランプをおいても水銀ランプに低温領域を設け
ることにより１８５ｎｍの波長の光を有効に放射するこ
とが可能となった。

本実施例においては、管体内（２）に電極（３）を設け
たが、本発明では高周波電力を加えるため特にこの構成
に限定されることはなく、電極を設けずに管体内（２）
に水銀のみを封入したランプ（１）の外側にコイル電極
を巻きつけ、その電極に高周波電力を印加し発光させて
もよい。。

また低温領域は第１図に示した如く、形状的に水銀だめ
（３６）を設けても、また第３図に示した如く端部を冷
却しても実質的に同じ効果を期待できる。

（ニ）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７５〜４００℃の高い雰囲気温度でも、１８５ｎｍ
の短波長紫外光が相当強い強度で得られ、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テアル、また、
光ＣＶＤ　、！：ＥＣＲＣＶＤを合わせた光プラズマＣ
ｖＤとを併用してもよい。

本発明における一対の電極は石英バルブの外側に一対の
電極を設けて高周波電力を注入した。しかし商用周波数
を用い、石英バルブ内に一対の電極を設け、これより石
英バルブを介して導出した電極・リードを用いてもよい
ことはいうまでもない、しかし使用の度に高温（７５〜
４００℃）、低温（室温）による劣化を誘発しやすい。

第３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に他方を下に
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図は従来の低圧水銀灯の発光強度分布図を示す。第３図は本発明の光処理装置用光源の実施例を示す。第４図は本発明の低圧水銀ランプを並列に連結した例を
示す。第５図は本発明の光処理装置用光源の作製工程を示す。第６図は本発明の水銀バルブの温度、雰囲気温度、水銀
だめの温度、υＶ強度の関係を示す。１・・・・・低圧水銀灯３．３°　・・・電極５゛　・・・・水銀ランプ６．９・・・・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３５・・・・・電子恒温槽３６・・・・・水銀だめ

Claims

【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、該バルブの内側または外側に電気エネルギ
供給用電極を有するとともに、前記バルブ内の水銀の蒸
気圧を制御すべき低温領域を有する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、低温領域は外側よ
り電気冷凍手段にて温度制御することを特徴とする光処
理用光源。３、特許請求の範囲第１項において、低温領域は水銀だ
めの構造をしてなることを特徴とする光処理用光源。４、光源用バルブ内に水銀が封入された紫外光源用ラン
プであって、該バルブの内側または外側に電気エネルギ
供給用電極を有するとともに、前記バルブ内の水銀の蒸
気圧を制御すべき低温領域を有し、光源のバルブ温度が
７５℃以上の温度になった時、１８５ｎｍの波長の紫外
光がより多く放射されるべく低温領域を冷却して前記紫
外光を発光せしめ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。