TWI387994B - 發射紫外光和／或真空紫外輻射的無電極燈及方法 - Google Patents

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Description

發射紫外光和/或真空紫外輻射的無電極燈及方法
此揭示內容係概括關於光源，且尤指用於發射於紫外(UV,ultraviolet)與真空紫外(VUV,vacuum ultraviolet)光譜的光線之無電極燈。
放電燈(即：燈泡)與特別是含有一發射性材料之無電極的放電燈係習知。舉例而言，基於水銀之無電極燈係已經運用於多年。概括參閱：由John Waymouth博士所著作之“放電燈”(MIT刊物,西元1971年)。運用的發射性材料係概括為取決於期望的發射光譜。舉例而言，組合於鹵素摻雜之金屬鹵化物的無電極燈係自從西元1960年代已經習知，且可運用以提供含有紅外光、可見光、與紫外光之種種光譜。鋇(Ba)、鈉(Na)、鈦(Ti)、銦(In)、與鎘(Cd)的碘化物之運用係揭示於美國專利第3,234,431號。鑭系與稀土金屬亦為運用作為於無電極燈泡之摻雜劑，以產生所選定的光譜發射。美國專利第3,334,261號列出釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、銣(Nd)、鎦(Lu)、鈥(Ho)、釷(Th)、鐠(Pr)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、與鉺(Er)作為用於產生可見光的無電極燈泡之摻雜劑。美國專利第3,947,714號係揭示二碘化鐵(FeI2 )之運用作為至一種無電極燈泡之成分的添加物。美國專利第6,157,141號係揭示鎵(Ga)之運用作為於一種無電極燈泡之摻雜劑。美國專利第5,837,484號與第4,945,290號係揭示運用貴氣體與氣體混合物之激生分子(excimer)無電極燈泡。美國專利第5,504,391號與第5,686,793號係揭示操作於高壓力之激生分子無電極燈泡。
特定於紫外光與真空紫外光之運用的一般應用係尤其包括：殺菌(germicidal)處理；毒性(toxic)化學處理；油墨、塗層、與黏著劑之固化；網版(screen)印刷；CD與DVD複製；標籤印刷；圖像藝術；封裝；電路板；光纖製造；及，半導體製造。然而，關於操作於此等較短波長的無電極燈泡之運用的一個問題係封殼退化(degradation)。光化學與熱退化係將發生於運用期間而改變該燈之光譜輸出及/或強度。結果，有用的操作壽命週期係受到不利影響，由於諸多的末端應用係對於光譜輸出變化為靈敏，例如：包括暴露至紫外光及/或真空紫外輻射之半導體製程，例如：電荷拭除、固化、光穩定化、表面清洗、表面修正、氧化、與類似者。於光譜輸出(於強度及光譜形狀)之變化係將影響晶圓產率，其為半導體技藝之重要的關注。
如為熟悉於半導體技藝之人士所習知，由於新的技術節點(node)開發，新的製程係需要較短的波長。一給定的波長之光線係將更難以穿透新的技術節點，由於特徵尺寸為更小、金屬線路與線路間隔為更小、且具有概括為更多的金屬線路層。是以，隨著技術節點進步，將存在針對於較短波長的UV與VUV光源之需要，使得光線係可穿透積體電路結構。同理，新的材料係正在開發，諸如：低k的介電質，其某些者係需要於VUV之波長，藉以適當處理及/或固化介電質。甚者，半導體製程之反覆能力與再現能力係主要關注。維持自一個晶圓至下一者以及逐日而為固定之製程係重要。針對於UV與VUV製程，合意為具有提供固定的光譜與強度之一種光源。
然而，關於先前技藝的無電極燈泡之退化係特別劇烈於約為200奈米(nm,nanometer)至約為280 nm之紫外光譜以及於約為122 nm至200 nm之真空紫外光譜。於光強度之退化係可為多達25%或更大於一個月週期之實質為連續操作，即：包括相當於數百個小時之操作。退化係典型顯露出最短波長的損失，其隨後為漸進較高的波長之損失。甚者，因為無電極燈泡係可經常為操作於極高的強度，較高強度之優點(例如：較短的處理時間)係由較為快速的退化而抵銷，由於退化率係經常直接正比於強度(通過燈泡封殼之光子通量或光子數目)。
是以，存在需要為針對於發射於紫外光及/或真空紫外光區域的輻射之改良式無電極燈，其中，該無電極燈係針對於延長的時間週期而提供固定的光譜與強度。
本文所揭示者係一種用於發射紫外光及/或真空紫外輻射之無電極燈。
於一個實施例，一種無電極燈泡係包含：一封殼(envelope)，由一超純及/或低缺陷的石英材料所形成，其中，該封殼係界定一密封的內部區域；及，配置於該內部區域之一紫外光及/或真空紫外光發射性材料，其中，該紫外光及/或真空紫外光發射性材料係響應於暴露至一能量源而發射紫外光及/或真空紫外光。
於另一個實施例，該種無電極燈泡係包含：一封殼，由一超純及/或低缺陷的石英材料所形成，其中，該封殼係界定一密封的內部區域；及，配置於內部區域之一紫外光及/或真空紫外光發射性材料，其中，該紫外光及/或真空紫外光發射性材料係響應於暴露至一能量源而發射紫外光及/或真空紫外光，且該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之0.1的一總金屬含量、重量為小於百萬分之1000的一氫氧(OH)含量、與重量為小於百萬分之10的一氯(Cl)含量。
一種藉由一微波無電極燈泡以產生紫外光及/或真空紫外光之方法係包含：提供一種無電極燈泡，其具有一封殼以容納一紫外光發射性材料及/或真空紫外光發射性材料，其中，該封殼係由一超純及/或低缺陷的石英材料所形成；及，耦接該無電極燈泡至一能量源，其激發紫外光及/或真空紫外光發射，其中，該紫外光發射係包含於200奈米(nm)與400 nm之間的一或多個波長，且該真空紫外光發射係包含於122 nm與200 nm之間的一或多個波長。
上述與其他的特徵係由隨附圖式與詳細說明而例證。
一種用於發射紫外光及/或真空紫外輻射之改良式的無電極燈係提出於本文。無電極燈泡係概括包含由一超純及/或低缺陷的石英材料所形成之一封殼、及容納於其中之一紫外光及/或真空紫外光發射性材料。本案申請人係已有利發現的是：藉著運用超純及/或低缺陷的石英材料而使得於燈泡封殼之石英網路結構的雜質及/或缺陷量為最小，退化係可為最小化。
於一無電極燈泡之強度退化係主要由石英封殼之吸收所引起。此吸收係可由形成色彩中心所引起。其次，色彩中心形成係概括為由於石英的缺陷所引起。缺陷係可分類為二個概括型式：(1)諸如金屬污染之外來的雜質；及(2)於正常的Si－O2 網路結構之缺陷，諸如一矽(Si)原子係直接接合至另一個Si原子而非至一氧(O)原子。於無缺陷的SiO2 石英結構，各個Si係於晶格狀的結構而接合至四個其他的氧原子。於燈泡封殼之雜質及/或網路缺陷的量係可引起色彩中心之形成，其可造成發射的紫外光與真空紫外輻射之吸收，且亦可導致局部化的加熱及/或過度加熱。局部化的加熱及/或過度加熱係可造成增大的熱應力且引起毀滅性的燈泡失效，由於此等燈泡係概括操作於升高的壓力。藉著運用超純及/或低缺陷的石英材料，紫外光(UV)及/或真空紫外光(VUV)輻射係可為最大化且色彩中心之形成為最小化，因而提供相對於先前技藝的燈泡之具有固定強度及增加操作壽命週期的一種無電極燈泡。
無電極燈泡係可整合為運用於半導體製程，諸如而為不受限於：對應於不同金屬線路階層之間的層間介電質之介電層的固化；針對遮罩目的而光穩定化光阻；拭除於元件之不想要且潛在損壞性的電荷；準備用於沉積之表面以改善黏著性；重新設定非揮發性記憶體；低k介電材料的性質改良；清洗表面污染物；暴露至電漿處理後還有濕式清洗的通孔之腐蝕預防；電荷與電荷捕捉密度之降低，二者為於氧化物的主體及於氧化物與矽或多晶矽之間的介面；以及，類似者。
如為運用於本文，術語“超純的石英”係概指於石英材料之雜質，而術語“低缺陷的石英”係指於矽(Si)與氧(O)之基本石英材料及於此等元素之結構或網路的缺陷。欲相對於先前技藝的燈泡材料而使得退化為最小，根據本揭示內容之燈泡係可為由超純的石英、或低缺陷的石英、或是超純與低缺陷的石英之組合而製造。
於一個實施例，雜質係金屬，且於超純的石英之各個金屬係呈現為小於百萬分之0.1(ppm,part per million)的量，較佳為小於0.01 ppm，且更佳為小於0.001 ppm。
於又一個實施例，於石英材料之金屬的總量係重量為小於十億分之10(ppb,part per billion)，且另外具有小於1000 ppm的一氫氧(OH)含量，較佳為小於100 ppm，且更佳為具有小於10 ppm的OH含量。
於再一個實施例，術語“超純的石英”係指小於0.01 ppm之一鈦(Ti)金屬含量。
如為運用於本文，術語“低缺陷的石英”係指於矽(Si)與氧(O)之基本石英材料以及於此等元素之結構或網路的缺陷。於一個實施例，一缺陷係一漏失的氧，使得一Si係直接為接合至另一個Si。(於理想的情形，各個Si原子係接合至四個其他的O原子。)此Si－Si接合、或氧缺乏中心(ODC,oxygen deficiency center)係可導致對應於例如163 nm之一吸收色彩中心。於另一個實施例，一缺陷係一懸蕩的(dangling)接合，其可存在於一Si原子(E’中心)，而導致於215 nm之吸收。其他的實施例係可存在。
此等色彩中心缺陷係非直接為對應於雜質，但是因為諸如氫(H)或氯(Cl)的雜質之先前的存在而可產生。此等後者元素H或Cl係經常為運用於石英之製程。如此，其係稱為對於石英基體缺陷之先驅物(precursor)，其直接引起光強度之退化的吸收。此等先驅物係藉由低波長UV之石英的照明所活化。
於一個實施例，缺陷先驅物係氯(Cl)，且於低缺陷的石英之Cl係呈現為小於10 ppm的量，較佳為小於1 ppm，且更佳為小於0.1 ppm。
於另一個實施例，缺陷先驅物係氫(H)，且於低缺陷的石英之H係呈現為小於OH含量的量，由於OH係助於移除H而且並未產生一ODC缺陷。
儘管OH含量係於某個程度為決定低波長截止(cutoff)(於160 nm附近)，但是高於H含量之一OH含量係將助於防止ODC。運用以移除OH之Cl係實際作用為類似於H而產生色彩中心。因此，於某些實施例係可為合意以維持一低Cl水準而非為一低OH水準，只要該截止係低於針對特別的期望光譜所需者即可。
一種適合之超純與低缺陷的石英係可商業取得自Heraeus公司於商品名稱Suprasil 300或Suprasil 310。Suprasil 300之OH含量係報告為小於1 ppm。針對於Suprasil 300之金屬與OH含量係顯示於表1。亦為顯示者係針對於GE 214之金屬與OH含量，GE 214係可商業取得自General Electric公司的石英材料且為常用於電漿管之製造技藝。
現在參考第1圖，係描繪概括由元件符號10所標示之一種無電極燈系統的方塊圖。一產生器12係產生微波及/或射頻(RF)能量且遞送能量至波導14。波導14係指引所產生的能量至腔部16，其可包括一篩網(mesh screen)(未顯示)，以保留所產生的波於腔部16之內而且允許光波退出。於腔部16之內的一無電極燈泡20係含有紫外光及/或真空紫外光發射性材料，其當由產生的能量波所激發時而提供期望的光譜，例如：紫外光及/或真空紫外光輻射。更為特別而言，能量波之輻射係激發於無電極燈泡20之填入原子以實現電子之釋放及/或激發。釋放及/或激發的電子係碰撞於其他的填入原子，引起電子之進一步的釋放及/或激發，因而提高電子與激發的原子/分子之總數量。電子與激發的原子/分子之提高的數量係造成光線之發射。
無電極燈泡20係概括為包括一放電封殼26，其界定一密封內部區域28且耦接至一柄部(stem)22，柄部22係可進而連接至一馬達24，其可旋轉無電極燈泡20為繞於燈泡之 縱向軸，如同針對於某些應用而可為期望者。放電封殼26係由超純及/或低缺陷的石英材料所製造，如同先前所界定者，且所界定的內部區域28含有紫外光及/或真空紫外光發射性材料。雖然燈泡之形狀係描繪為實質球形，其他的形狀係預期。舉例而言，燈泡係可具有一球形(如於第1圖所示)、一管狀、扁長形狀、扁圓形狀、與類似者。燈泡之形狀係無意為受限。
舉例來說，一種用於微波激發之適合的無電極燈泡係可為球形，且具有直徑為1.2英寸以及一壁部厚度為0.04至0.06英寸。此特別的燈泡係尤其適用於一種用於積體電路製造期間固化及/或移除材料之光穩定器，例如為可商業取得自Axcelis技術公司且商品名稱為RapidCure之光穩定器。
一冷卻流體流(未顯示)係可導引至無電極燈泡20，以提供用於冷卻無電極燈泡20於操作期間之機構。舉例而言，一冷卻流體流係可為由一風扇、或一吹風機、或一壓縮冷卻流體(例如：壓縮空氣)源而提供以通過燈泡之冷卻流體，用於燈泡之強制式冷卻。於某些情況與應用之下，無電極燈泡20之旋轉係可為充分以提供適當的冷卻。
紫外光及/或真空發射性材料係響應於暴露至一適合的能量源而發射紫外光及/或真空紫外光。如運用於本文，術語“紫外光(UV,ultraviolet light)”係意圖指自200奈米(nm,nanometer)至400 nm之波長的光譜。術語“真空紫外光(VUV,vacuum ultraviolet)”係意圖指自122 nm至200 nm之波長的光譜。適合的UV/VUV發射性材料係概括包含汞(Hg)、氬(Ar)、氙(Xe)、氪(Kr)、氯(Cl2 )、與包含前述材料的至少一者之組合，而作為於約為1托(torr)至約為3000托之氣體壓力的發射性材料。
此外，發射性材料係可進而為由穩定劑所組成，諸如：例如鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鎵(Ga)、與鉛(Pb)的鹵化物之至少一種鹽類，其可運用以提供不同於由例如Hg原子所輻射的波長之強輻射發射。關於Hg，封殼係概括為於20至600托之一壓力及於室溫以及於約為0.1至約為100 mg/cm3 之一燈泡容積而填入Hg。關於Xe與Kr，封殼係概括為於10至2500托之一壓力及於室溫而填入Xe或Kr。關於Cl2 ，封殼係概括為於0.5至200托之一壓力及於室溫而填入Cl2 。燈泡係可容納另外材料以產生期望的光譜圖案。舉例而言，發射性材料係可進而包括諸如例如鎘(Cd)、鍶(Sr)、矽(Si)、及/或鉑(Pt)之鹵化物摻雜劑，以提供另外的光譜線。可加入以提供另外的光譜線之其他元素係包括而非意圖受限於：鎂(Mg)、鉬(Mo)、鈹(Be)、鎘(Cd)、鍺(Ge)、與鋰(Li)。同理，發射性材料係可進而包括放電穩定劑，例如：二氯化汞(HgCl2 )或二碘化汞(HgI2 )。
電源系統係可構成如後。一微波或射頻(RF,radio frequency)源係產生較佳為於每立方公分之燈泡容積而約200瓦至約10000瓦之功率，更佳為於每立方公分之燈泡容積而約為200瓦至約為1000瓦，後者係對應於約為4500瓦至約為7000瓦之磁控管(magnetron)功率。頻率係可範圍自高於3十億赫(GHz)之高頻至低於100千赫(KHz)之低頻。作為一個實例，用於微波激發之一磁控管係可選擇以提供頻率範圍為於2.4 GHz與2.5 GHz之間且中心為於2.45 GHz的微波。封殼溫度係可維持於一受控制的溫度，此乃藉著受控制的旋轉及/或強制式的空氣冷卻。冷卻氣流係可為層流式(laminar)，而且旋轉該燈泡於例如至少為每分鐘約20轉(rpm,revolutions per minute)之速度。如為前述的操作參數之結果，封殼係熱穩定且電氣穩定。
實例
實例1：於此實例，光譜輸出強度係測量作為時間的一函數，而針對於由超純與低缺陷的石英以及一種先前技藝的石英所製造之相等填入之種種的無電極燈泡。超純與低缺陷的石英係可商業取得自Heraeus公司之Suprasil 300；先前技藝的石英係可商業取得自General Electric公司之GE 214。輸出強度位準(level)係規模為數百毫瓦特而於50 nm寬度之典型的頻寬。第2圖係以圖形說明該等結果。明顯的是，退化相對於控制組而言係顯著改善。針對於由超純與低缺陷的石英所製造之燈泡，於1000小時之週期的退化係造成約為6%的退化。反之，先前技藝的無電極燈泡係於相同時間週期而呈現於輸出強度之25至30%的降低。甚者，觀察到先前技藝的封殼之最顯著的退化係出現在操作的最初100至200個小時之後。
第3圖係以圖形說明針對於由先前技藝的石英(GE 214)所製造的燈泡在運用(即：暴露至紫外光輻射)數百個小時之前與之後的發射光譜，其作為波長之一函數。高於280 nm係存在最小之觀察的退化。然而，於較低的波長，退化係變得更為顯著。如圖所示，針對於由GE 214所製造的封殼，在數百小時之運用後，輻射係完全阻斷於自約為190 nm至約為205 nm之波長。反之，如第4圖所示，由Suprasil 300所形成的一種封殼係顯示為最小的退化於相同的運用時間週期。於波長小於205 nm之發射係未阻斷且最小退化。
儘管此揭示內容係已經參照範例的實施例而說明，將為由熟悉此技藝之人士所瞭解的是：種種的變化係可作成且等效者係可替代其元件而未偏離此揭示內容之範疇。此外，諸多的修改係可作成以適合於此揭示內容之教導的一特定情況或材料而未偏離其範疇。因此，意圖的是：此揭示內容係不限於揭示作為預期用於實施此揭示內容之最佳模式的特定實施例，而是此揭示內容係將包括歸屬於隨附的申請專利範圍之範疇內的所有實施例。
10．．．無電極燈系統
12．．．產生器
14．．．波導
16．．．腔部
20．．．無電極燈泡
22．．．柄部
24．．．馬達
26．．．放電封殼
28．．．密封內部區域
參考圖式，其中，相似的元件係以相似方式標號：第1圖係描繪一種無電極燈系統之方塊圖；第2圖係以圖形說明針對於一種無電極燈之作為時間函數的強度，該種無電極燈係包含由一超純及/或低缺陷的石英材料所形成之一封殼，相對於由一種先前技藝的石英材料所形成之一封殼；第3圖係以圖形說明由GE 214所形成的一種無電極燈在運用數百個小時之前與之後的輸出光譜；及第4圖係以圖形說明由Suprasil 300所形成的一種無電極燈在運用數百個小時之前與之後的輸出光譜。
10．．．無電極燈系統
12．．．產生器
14．．．波導
16．．．腔部
20．．．無電極燈泡
22．．．柄部
24．．．馬達
26．．．放電封殼
28．．．密封內部區域

Claims (22)

  1. 一種無電極燈泡，包含：一封殼，由一超純及/或低缺陷的石英材料所形成，其中，該封殼係界定一密封的內部區域，且其中該石英材料中之H含量係小於OH含量；及一紫外光及/或真空紫外光發射性材料，配置於該內部區域，其中，該紫外光及/或真空紫外光發射性材料係響應於暴露至一能量源而發射紫外光及/或真空紫外光。
  2. 如申請專利範圍第1項之無電極燈泡，其中，該能量源係包含：微波能量及/或射頻能量。
  3. 如申請專利範圍第1項之無電極燈泡，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之1000的一氫氧(OH)含量。
  4. 如申請專利範圍第1項之無電極燈泡，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之100的一氫氧(OH)含量。
  5. 如申請專利範圍第1項之無電極燈泡，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之10的一氯(Cl)含量。
  6. 如申請專利範圍第1項之無電極燈泡，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之1的一氯(Cl)含量。
  7. 如申請專利範圍第1項之無電極燈泡，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之0.1的 一總金屬含量。
  8. 如申請專利範圍第1項之無電極燈泡，其中，針對於該超純及/或低缺陷的石英材料之各個金屬而言，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之0.01的一金屬含量。
  9. 如申請專利範圍第1項之無電極燈泡，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之0.01的鈦(Ti)。
  10. 如申請專利範圍第1項之無電極燈泡，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之0.1的一總金屬含量、重量為小於百萬分之10的一氫氧(OH)含量、與重量為小於百萬分之10的一氯(Cl)含量。
  11. 如申請專利範圍第1項之無電極燈泡，其中，該紫外光發射性材料係發射波長為自200奈米(nm)至400奈米(nm)之光線，且該真空紫外光發射性材料係發射波長為自122奈米(nm)至200奈米(nm)之光線。
  12. 一種無電極燈泡，包含：一封殼，由一超純及/或低缺陷的石英材料所形成，其中，該封殼係界定一密封的內部區域，且其中該石英材料中之H含量係小於OH含量；及一紫外光及/或真空紫外光發射性材料，配置於該內部區域，其中，該紫外光及/或真空紫外光發射性材料係響應於暴露至一能量源而發射紫外光及/或真空紫外光，且該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之0.1 的一總金屬含量、重量為小於百萬分之1000的一氫氧(OH)含量、與重量為小於百萬分之10的一氯(Cl)含量。
  13. 一種藉由微波無電極燈泡以產生紫外光及/或真空紫外光之方法，包含：提供一無電極燈泡，其具有一封殼以容納一紫外光發射性材料及/或真空紫外光發射性材料，其中，該封殼係由一超純及/或低缺陷的石英材料所形成，且其中該石英材料中之H含量係小於OH含量；及耦接該無電極燈泡至一能量源，其激發紫外光及/或真空紫外光發射，其中，紫外光發射係包含於200奈米(nm)與400奈米(nm)之間的一或多個波長，且該真空紫外光發射係包含於122奈米(nm)與200奈米(nm)之間的一或多個波長。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該能量源係包含：微波能量及/或射頻能量。
  15. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之0.1的一總金屬含量。
  16. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料針對於各個金屬而具有重量為小於百萬分之0.01的一金屬含量。
  17. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之1000的一氫氧(OH)含量。
  18. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之100的一氫氧(OH)含量。
  19. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之10的一氯(Cl)含量。
  20. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之1的一氯(Cl)含量。
  21. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之0.01的鈦(Ti)。
  22. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該超純及/或低缺陷的石英材料係具有重量為小於百萬分之0.1的一總金屬含量、重量為小於百萬分之1000的一氫氧(OH)含量、與重量為小於百萬分之10的一氯(Cl)含量。
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