KR900009084B1 - 저압 수은 램프 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

저압 수은 램프

제1도는 본 발명의 광학 CVD를 도시한 다이아그램.

제2도는 본 발명의 강제냉각형 수은 램프로 이루어진 자외선 광원의 원리를 도시한 다이어그램.

제3도는 실리콘 질화막의 창과 표면 사이의 거리에서 본 발명에 의해 형성된 실리콘 질화막의 두께의 종속성을 도시한 다이어그램.

제4도는 본 발명의 다른 실시예의 부분 단면도.

제5a도 내지 제5c도는 자외선 강도와 저장된 수은의 온도사이의 관계를 도시하는 그래픽.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

9 : 수은 램프 11, 12 : 전극

30 : 노즐 35 : 스위치

본 발명은 강력한 자외선 광원 및 상기 자외선 광원을 사용하는 광화학 반응에 관한 것으로서, 특히 큰 영역의 형성 표면위에서, 고 출력의 자외선 광원을 사용하여 박막 형성 또는 에칭하는 수단을 갖는 광학 증기 위상 반응 방법(광학 여기를 사용한 증기 위상 반응 방법)에 관한 것이다.

증기 위상 반응의 사용에 의한 박막 형성 또는 에칭 기술로는 광학 에너지의 사용에 의해 반응성 기체를 활성화시키는 광학 CVD방법(광학 여기에 의해 반응 기체의 분해를 통하여 형성 표면에 화학적으로 박막을 형성하는 방법)이 공지되어 있다. 열 CVD 또는 플라즈마 CVD의 기존 방법과 비교하여, 상기 방법은 형성된 표면에 손상을 주지 않을 뿐만 아니라 저온에서 박막 형성을 가능하게 하는 장점이 있다.

그러나, 종래의 광학 CVD방법에 있어서는 자외선 광원과 반응실 사이에 설치된 창위에도 박막이 형성되기 때문에, 특정 값 두께 이상으로 충분히 두껍게, 또한, 큰 박막 성장 속도로 박막 형성을 시킬 수가 없었다. 그래서 실리콘 질화막의 경우에 있어서 막의 한계 두께는 1000Å이다. 그러나 실용상에 있어서는 이 막의 두께를 최소한 2000Å으로 함으로써, 상기 방법은 표면 안정화막 뿐만 아니라 반사 방지막과 게이트 절연막의 형성에도 적용 가능하게 된다. 이러한 이유로, 상기 목적을 달성하기 위한 여러 방법이 연구되었다.

또 다른 한편으로는, 수은 램프로부터의 빛 강도가 수은 압력에 좌우되는 동안, 상기 압력은 수은의 포화 증기압으로 자동적으로 고정된다. 왜냐하면 램프 관내의 수은양이 관내의 손실을 보상하기 위해 충분히 선택되기 때문이다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 광학 CVD방법 또는 광학 에칭 방법으로 광화학 반응에 대해 자외선 광원의 강도를 조사될 표면에서 증가시키는 것을 목적으로 한다. 그것을 위하여, 저압 수은 램프내에서 발생되는 전극 방전은 상기 전극을 둘러싸는 합성 석영 유리관 및 도입 단자를 강제로 냉각시킴으로써, 전극재로 특히 방전 이온에 의해 충돌되는 면에 있는 전극 재료의 소모를 방지함과 동시에 종래보다도 더 큰 전류 공급을 실현하여 종래 기술의 2배 이상인 값까지 파장 185㎚의 방사선의 방출 강도를 증가시키는 것이다. 즉, 저압 수은 램프내에서 아크 방전의 전기 에너지의 수용에 의해 여기되는 상태로부터 바닥상태(ground state)(전이 6¹P₁-6¹S₀및 6³P₁-6¹S₀에서 발생되는 185㎚ 및 254㎚의 방사선)까지 수은 전자의 전이동안 방출되는 방사 강도를 증가시키며 그리고, 조사될 표면상의 자외선 강도를 증가시키는 것을 목적으로 한다. 상기 방법에서 본 발명은 바람직하기로는 3㎜의 파장의 자외선에 의해 반응실내에서 반응성 기체의 여기 또는 활성화를 통하여 형성 표면에 박막 형성을 촉진시킨다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 자외선 광원의 강도를 증가시키며, 동시에 투광성 차폐판의 상단부와 형성 표면과의 거리를 3㎝ 또는 그 이하로 하고 양호하기로는 3㎜ 내지 2㎝로 한다.

본 발명에 의해, 오일등으로 창을 코팅하지 아니하여도 185㎚의 단파 자외선을 기판의 형성 표면에 다량으로 도달시킬 수 있기 때문에, (실리콘 질화물의 경우에)종전 값 1000Å으로 형성된 막의 두께를 제한하는 것을 개선할 수 있다. 상기 방법에서 InP와 같은 화합물 반도체의 반사 보호막, 박막 실리콘 반도체 소자의 게이트 절연막, GaAs와 같은 화합물 반도체의 표면 안정화 막에 의해 요구되는 충분한 막 두께가 광학 CVD만으로 얻어질 수 있다.

또한, 본 발명의 방법은 폼블림(오일 상표명)과 같은 것을 창에 전혀 사용하지 않은 무오일 반응 시스템을 형성하여, 배경 레벨의 진공도가 10^-7토리첼리 이하로 증가하게 된다. 더구나, 본 발명은 알루미늄, 티타늄, 텅스텐 같은 도체막과, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 인 유리, 붕소 유리등으로 된 절연막과, 실리콘등의 반도체막 또는 이들 금속의 규화물의 광학 여기에 기인하여 광학 CVD막을 형성하도록 한다.

제1도의 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제1도에서 형성 표면을 가지는 기판(1)은 홀더(1')에 의해 지지되고 반응실(2)에 위치한다. 상기 기판 위쪽에는 가열실(3')을 가진 할로겐 히터(3)(물순환(32)으로 냉각되는 상부면을 가짐)가 제공된다. 반응실(2)아래에는, 전원(13)으로부터 전기 에너지를 수용하는 강제 냉각식 저압 수은 램프로 이루어진 자외선 광원(9)이 다수 배치된 광원실(5)이 제공된다. 광원실(5)과 가열실(3')은 같은 정도의 진공으로 유지되고, 각각은 반응실(2)사이에서 10토리첼리 이하의 압력차를 가진다. 이를 위해, 비생성물 기체(질소, 할로겐, 헬륨, 아르곤)는 (27) 또는 (28)로부터 유량계(21), 밸브(22)를 걸쳐 광원실(5) 및 가열실(3')에 제공된다.

제2도에는 제1도의 기체위상 반응 장치에 사용된 본 발명의 자외선 광원인 강제 냉각식 저압 아크 방전 수은 램프가 도시된다.

제2도에 도시된 본 발명의 저압 아크 방전 수은 램프(9)는 한쌍의 전극(11, 12)을 가진다. 아르곤 기체 및 수은은 감소된 압력 상태에서 유지되는 합성 석영으로 만들어진 관 내부에 밀봉된다.

또한, 위상을 약간 이동시켜 초기 개시 전압으로 충분한 전압을 인가하도록 쵸크 코일(14)이 제공된다. 먼저, 스위치(35)를 온하여 캐소드(11-1), (12-1)를 충분히 가열시켜 열전자의 방출을 용이하도록 한다.

그 때, 스위치(35)를 오프로 하여 쵸크 코일간에 발생되는 고전압에 의해 아크 방전을 하도록 한다. 즉, 캐소드(11-1), (12-1)에서 애노드(11-2), (12-2)로 흐르는 전류에 의해 방전이 생긴다. 또한, 쵸크 코일의 인덕턴스가 감소된다. 그러면, 전극(11, 12)에 흐르는 전류는 아크 방전이 부저항을 가지므로 크게 된다. 그 결과 흐르는 전류의 제곱에 비례하여 전극의 열이 발생되므로, 전극(11, 12)을 냉각시키도록 (15)에서 (33 ,34)로 냉매를 유입시켜 냉각하고 (15')로 빼낸다. 일반적으로, 물이 냉매로 사용된다. 그러나 플론등도 냉매로 사용될 수도 있다.

일반적으로, 전자 방출을 위해, 전극(11-1), (12-1)은 적은 일 함수를 가진 BaO와 같은 물질로 코팅할 필요가 있다. 그러나 적은 일 함수를 가진 물질은 반-쇼크 특성에 약하며, 상기 물질은 아르곤, 수은등의 원자 충돌에 의해 쉽게 붕괴된다.

이것 때문에, Bao로 코팅되지 않은 전극(11-2), (12-2)은 반-쇼크 특성을 가진 전극으로 사용된다. 본 발명은, 전극(11-2), (12-2)를 링상으로 관의 내벽에 근접 또는 인접시킨다. 전극은 관의 외측으로부터 강제 냉각되며, 그래서 전극(11-2), (12-2)의 온도 상승이 예방되어 종래 기술보다 2배나 되는 전류를 흐르게 한다. 결과적으로, 대전류의 흐름에도 불구하고, 초기 출력에 비하여 10% 작은 출력에서 감소 범위를 갖는 약 2500시간의 램프 수명을 얻을 수 있다.

또한, 전극에 인접한 관 외벽과 전류 도입단자(37)과 강제냉각 수단(33, 34)사이의 열 전도성을 충분히 향상시키기 위하여 열전도성 페이스트(16)로 밀봉한다.

이 장치에서, 약 40℃로 관내의 온도 상승을 유지시킴으로써 최대 압력을 유지하는 것이 가능하다. 제1도의 장치에서, 자외선 광원(9)이 기판으로부터의 히터열에 의해 가열될때, 상호 밀접하게 관 아래에 선상으로 배치된 냉각수 관을 제공하는 것은 효율적이다.

제1도에 도시된 장치에 의해 반응 생성물로써 실리콘과 같은 반도체를 제조하는 경우에, 생성물 기체로서 규화물 기체인 실란(Si_nH_2n+2, n

2), 실리콘 할로겐화물(H_xSi₂F_6-x(x=0-5), H_xSi₂C_6-x(x=0-5), H_xSi₃F_8-x(x=0-8), H_xSi₃Cl_8-x(x=0-8), 등…)을 사용하였다. 부가하여 비생성물 기체의 운반 가스로서 수소, 질소, 아르곤 또는 켈륨을 사용한다.

반응 생성물로서 질화물(실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 갈륨 질화물, 인듐 질화물, 안티모니 질화물 등)을 제조하는 경우에, (23)으로부터 공급되는 반응 생성물로 Si₂H₆, Al(CH₃)₃, Ga(CH₃)₃, In(CH₃)₃, Sn(CH₃)₄, Sb(CH₃)₃등이 각각 사용된다. 부가하여, 반응에 관여하는 비생성물 기체로서 (26)에서 공급되는 암모니아 또는 수화물이 사용된다. 또한, 반응에 관여하지 않는 비생성물 기체(수소 또는 헬륨)는 운반가스로써 (24) 및 (28)에서 공급된다.

반응 생성물로서 산화물(실리콘 산화물, 인 유리, 붕소 유리, 알루미늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 또는 그 혼합물)을 제조하는 경우에, (26)에서 공급되는 반응에 관여하는 생성 기체로서 산화물(N₂O, O₂, NO, NO₂)이 사용된다. 이 경우에, 규화물(Si₂H₆, Si₂F₆, Si₂Cl₆), 알루미늄 화합물(Al(CH₃)₃또는 Al(C₂H₅)₃), 인듐 화합물(In(CH₃)₃또는 In(C₂H₃)₃), 주석 화합물(Sn(CH₃)₄또는 Sn(C₂H₅)₄), 안티모니 화합물(Sb(CH₃)₃또는 Sb(C₂H₅)₃) 등이 (23)에서 공급되는 생성물 기체로 각각 사용된다. 부가하여, 이 반응에 관여하지 않는 비생성물 기체로서 수소, 헬륨등은 운반 가스로서 (24)에서 공급된다. 또한, 인화수소(PH₃), 디보란(B₂H₆)등이 (25)에서 공급된다.

도전체(알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴, 주석 또는 각각의 규화물)를 제조하는 경우에, 비생성물 기체로서 수소, 아르곤, 헬륨이 사용된다. 부가하여, 생성물 기체로써 각각 Al(CH₃)₃, WF₆, W(C₂H₅)₅, MoCl₅, Mo(CH₃)₅, TiCl₄, Ti(CH₃)₄또는 그것들과 SiH₄, Si₂F₆, SiH₂Cl₂, SiF₄와의 혼합물이 (23) 및 (24)에서 공급된다. 또한, 이 반응에 관여하지 않는 비생성물 기체인 수소는 운반 가스로써 (25), (27)에서 공급된다.

반응실의 압력 제어는 제어 밸브(17), 콕크(20)을 경유하여 회전 펌프(19)와 터보 분자 굄프(오사카 진공 주식회사, PG 550)를 통하여 가스를 배기시킴으로써 달성된다.

배기 시스템(8)에 의해 보존실(4)을 펌핑할때, 배기 시스템(8)의 보존실(4)은 개방되고 반응실(2)은 콕크(20)에 의해 폐쇄된다. 반면에, 반응실의 광화학 반응을 위해 보존실을 펌핑할 때 반응실은 개방되고 보존실은 폐쇄된다.

막 형성 과정에서, 보존실에서 반응실로의 기판 전송동안 압력차가 발생하지 않게 하는 로드 및 로크 시스템이 사용된다 먼저, 보존실은 보존실의 홀더(1') 및 기판(1)을 삽입 배치하여 핌프된다. 기판(1), 홀더(1')는 보존실과 반응실 사이에 제공되는 게이트 밸브(6)를 개방하여 10^-7토리첼리 또는 그 이하의 진공까지 펌프되는 반응실(2)에 이동된다. 반응실(2)과 보존실(4)은 게이트 밸브(6)을 다시 폐쇄시킴으로써 간막이 된다.

그 다음에, 역전 흐름에 의한 광원실에서의 반응 기체 혼합을 방지하기 위해, 비생성물 기체는 100 내지 1500cc/min의 유량으로 광원실과 가열실에 유입된다. 동시에, 예를 들어 반응에 관여하는 NH₃비생성물 기체가 반응실에 공급된다. 시스템은 기체의 광 분해에서 발생되는 활성 수소, 불소에 의해 기판의 형성된 표면을 광 에칭하도록 약 30분동안 그 상태에서 유지된다. 이 장치로서, 조사에 의한 에칭은 형성된 표면위의 산화물을 제거하여, 표면을 청정하게 유지할 수가 있다. 그 다음, 반응성 기체중 생성물 기체는 노즐(30)을 통하여 반응실에 공급된다.

반응용 광원으로서, 강제냉각 수단(33, 34)이 설비된 합성 석영관으로 된 저압 아크 방전 수은 램프(9)가 사용된다. 즉, 자외선 광원은 합성 석영으로 만들어진 저압 수은 램프(150 내지 500W의 전력, 60 내지 100mW/㎠의 조사 강도, 40㎝의 방출 길이를 가지는 파장 185㎚와 254㎚의 방사 방출 능력을 가짐)의 16개로 이루어진다.

광원으로부터 자외선은 합성 석영제의 투광성 차폐판(10)을 걸쳐 반응실(2)의 반응 공간중 반응성 기체(31) 및 기판(1)의 형성 표면을 조사한다.

히터(3)는 반응실(2)의 상부에 위치한 "부착"형이다. 그렇게 배열하여, 형성 표면상에 플레이크를 부착하여 핀 홀을 형성하는 것을 방지하고 기판(1)은 예정된 온도(실온 내지 700℃)에서 할로겐 히터에 의해 후면부터 가열된다. 반응실은 스테인레스 스틸로 만들어진다. 자외선 광원은 진공 상태인 광원실에 장착된다. 광원실과 반응실은 스테인레스 스틸 콘테이너에 의해 둘러싸인 감소된 기압으로 유지된다. 이것 때문에, 5㎝×5㎝의 소형 막대신에 30㎝×30㎝크기의 큰 기판상에 막을 형성하는데 어렵지 않다.

본 발명의 양호한 실시예가 다음의 실험예에 기술된다.

[실시예 :]

[실리콘질화막의 형성예.]

제1도에서 반응성 기체로서 암모니아는 200cc/min비율로(25)에서 공급되고, 디실란이 20cc/min비율로 (23)에서 공급된다. 기판 온도를 350℃로 설정하여, 제3도의 곡선(40)이 얻어진다. 사용된 기판은 직경이 5인치의 4개의 웨이퍼로 이루어진다. 반응실내의 압력은 10.0토리첼리이다.

반응에 관여하지 않는 비생성물 기체로서, 질소가 200cc/min비율로 (27)에서 유입된다.

50분 동안 반응하여, 10% 내지 3500Å의 범위에서 실리콘 질화막 두께가 얻어진다. 형성 표면의 자외선 강도(185㎚)는 40mW/㎠이다. 형성된 표면을 갖는 기판과 차폐판사이의 거리상에 형성된 막 두께의 종속성은 제3도에 도시된다. 제3도에서, 형성된 표면과 창의 상부 사이의 거리가 1㎝인 경우 3000Å의 최대 두께가 얻어진다. 2000Å보다 더 큰 막 두께를 얻기 위하여 3㎝이하 바람직하게는 2㎝이하인 거리를 가지는 것이 매우 중요하다.

도면에서, 본 발명의 강제냉각식 수은 램프를 사용하는 대신 종래의 수은 램프를 사용할때, 자외선의 강도는 20mW/㎠이상으로 증가될 수 없다. 이것 때문에 이 경우의 최대 두께는 제3도의 곡선(39)에서와 같이 1000Å이다(기판과의 거리 1㎝인 경우).

제4도를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예가 설명된다. 상기 예에서 수은 램프의 단부가 냉각되는 동안에 상기 실시예는 다른 형태의 냉각 시스템을 가지는 자외선 광원에도 적합하다. 광원실에서 수은 기체의 증기압에 관한한, 본 발명의 장점은 잉여 수은이 증기상으로 축적된 수은조를 냉각하여 얻어진다. 제4도는 플라즈마가 발생하지 않는 관의 단부 가까이에서 광원의 합성 석영 관에 제공되고 방출되는 수은조의 단면이다. 수은조(40)주위에서, 냉각 장치(41)는 오일층(42)을 구비하여 수은조(40)와 냉각 장치(41)사이의 열교환을 용이하게 한다. 냉각 장치는 알루미늄, 구리등의 고열 전도성을 가지는 물질로 만들어지며 복수의 물 도관이 제공된다. 수은조의 액체 수은의 온도는 수은조에 제공된 온도 감지기(도시되지 않음)에 의해 수은의 측정된 온도를 기준으로 하여 도관에서 순환하는 냉각수의 유속을 조절함으로써 조정된다.

제5a도 내지 제5c도는 200W, 150W, 100W의 전원으로 수은조에서 액체 수은의 온도와 다른 실시예의 광원의 강도의 관계를 도시한다. "Ta"는 대기 온도 즉, 광원의 관 온도이다. 제5a도에 도시된 바와 같이, 대기 온도 100℃의 범위에서 입력 전원이 200W일때 수은 온도 약 60℃에서 최고 감도가 얻어진다. 대기 온도가 200℃일때, 최적 온도는 각 전원에 대하여 제5b도로부터 명백하다. 그러나 최적 온도는 제5c도에 도시된 바와 같이 대기 온도 300℃에서 불분명해진다. 도면은 예에 불과하며 냉가될 수은조의 최적 온도를 알고자 하면 각 경우를 조사해야 한다. 이러한 구성으로써, 관의 수은 압력은 대기 온도에 의해 결정되지 않고 냉각 장치에 의해 제어되는 수은조의 수은 온도에 의해 결정된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 저압 수은 램프의 전극 소비를 감소시키고, 램프에 대전류를 통과시켜 큰 영역 기판에 막을 형성하는 것이다. 결과적으로, 1000A의 종래 값에서 3000Å보다 큰 두께막으로 증가시키는 것이 가능하다. 부가하여, 100Hz에서 1KHz정도의 고주파를 수은 램프에 인가하고, 전력 인자를 조절함으로서, 185㎚ 파장의 방사광의 강도를 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따라서 3㎝ 또는 그 이하에서, 바람직하게는 0.3 내지 2㎝에서 막 표면과 투과성 차폐판사이의 거리를 선택하여 최대 막 두께를 얻을 수 있다. 본 발명은 3×10¹¹㎝^-2이하의 계면 준위 밀도를 갖는 실리콘 질화막을 형성한다.

상기에서 본 발명은 실리콘 질화막의 형성에 대하여 설명되었다. 그러나, 무결정 실리콘막, 실리콘 산화막, 그들을 포함하는 불순물을 첨가한 인 유리, 붕소 유리 또는 알루미늄등의 많은 종류의 반도체, 절연체, 도전체를 갖은 기술 사상을 사용해서 형성할 수가 있다. 부가하여, 반응성 기체로 접촉되지 않은 코발트, 니켈, 철의 카르보닐 화합물의 사용에 의해, 철, 니켈, 코발트, 또는 그 화합물 자성체상에서 표면 안정화 막을 형성할 수 있다.

도펀트가 실시예에서 실리콘 반도체의 제조에 첨가될 수 있다.

부가하여, 환경 오염 문제를 무시한다면, 수은 기포를 통하여 반응성 기체를 통과시켜 막 성장 속도를 향상시켜도 좋다.

제1도에서 시스템의 상부에 반응 공간이 위치되고 하부에 광원이 제공된다. 하지만, 발생되는 플레이크가 용이하게 제거될 수 있다면, 본 실시예의 반대로 반응 공간을 하부에 설치하여 기판의 배치가 용이하게 된다.

부가하여, 광원은 장치의 측면에 배치될 수도 있다.

본 발명은 특정 실시예에만 제한되지 않고 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 자외선 광원은 광-에칭 시스템 또는 다른 기술 분야에도 효율적으로 적용될 수도 있다.

Claims (1)

1. 저압 수은 램프에 있어서, 진공관과, 상기 관에서 방전이 발생하는 한쌍의 전극과, 상기 관에서 상기 방전에 의해 여기되어 자외선을 방출하는 수은 기체와, 액화된 수은을 저장하기 위해 방전부에 떨어져 상기 관에 제공된 수은조와, 상기 수은조를 냉각하는 수단을 구비하는 저압 수은 램프.

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