专利名称：发射紫外线和/或真空紫外线辐射的无电极灯的制作方法
技术领域：
本公开一般涉及光源，更具体地说，涉及用于发射紫外线(UV)和真空紫外线(VUV)光谱内的光的无电极灯。
背景技术：
放电灯(即灯泡)以及特别是含有发射性材料的无电极放电灯已为人所知。例如，基于水银的无电极灯已经使用多年。一般参阅Dr.John Waymouth的Electric Discharge Lamps(MIT Press，1971)。所采用的发射性材料一般取决于所需的发射光谱。例如，金属卤化物与卤素掺杂相结合的无电极灯自20世纪60年代起就已广为人知，可用于提供含有红外、可见和紫外的各种光谱。在美国专利No.3,234,431中公开了Ba、Na、Ti、In和Cd碘化物的使用。镧族元素和稀土金属也用作无电极灯泡中的掺杂物，以产生所选的光谱发射。美国专利No.3,334,261列出了Y、La、Ce、Nd、Lu、Ho、Th、Pr、Gd、Tb、Dy和Er作为产生可见光的无电极灯泡的掺杂物。美国专利No.3,947,714公开了使用FeI2作为无电极灯泡组成的添加物。美国专利No.6,157,141公开了使用Ga作为无电极灯泡中的掺杂物。美国专利No.5,837,484和No.4,945,290公开了使用惰性气体和气体混合物的准分子无电极灯泡。美国专利No.5,504,391和No.5,686,793公开了在高压下工作的准分子无电极灯。
对使用紫外光和真空紫外光特定的一般应用包括杀菌处理；有毒化学品处理；油墨、涂层以及粘合剂的固化；丝网印刷；CD和DVD复制；标签印刷；图形艺术；包装；电路板；光纤制造；以及半导体制造。但是，使用无电极灯泡在这些较短波长工作的一个问题是封壳退化。在使用期间会发生光化学和热退化，这改变了灯的光谱输出和/或完整性。结果，有用的使用寿命严重受损，因为许多最终用途应用对光谱输出变化很敏感，例如，半导体制造过程，其中包括暴露于紫外线和/或真空紫外线辐射，例如电荷擦除、固化、光稳定化、表面清洁、表面修正、氧化、等等。光谱输出的变化(强度和光谱形状)会影响晶圆产量，这在半导体行业中关系重大。
如半导体业内人士所知，随着新技术节点的开发，新工艺要求更短的波长。给定波长的光穿透新技术节点会有更多的困难，因为特征尺寸更小、金属线和线间隔更小、而且一般会有更多的金属线层。因此，随着技术节点的进步，就会需要有更短波长UV和VUV光源，以使光能穿透集成电路结构。以类似的方式，新材料正在被开发，例如低k电介质，其中有一些要求VUV的波长，以便适当地处理和/或固化电介质。此外，半导体工艺的可重复能力和再现能力是至关重要的。重要的是，要维持这些工艺逐个晶圆以及日复一日都是恒定的。对于UV和VUV过程，需要有一种提供恒定光谱和强度的光源。
但是，现有技术的无电极灯泡在大约200纳米(nm)到大约280nm的紫外光谱内和在大约122nm到大约200nm的真空紫外光谱内，其退化特别剧烈。在基本上连续工作一个月周期内，即包括工作循环，这相当于数百小时的工作，光强度的退化可多达大约25％或更多。退化典型表现为损失最短波长，随后为越来越高的波长。此外，由于无电极灯泡常工作在非常高的强度，较高强度(例如较短加工时间)的优点被较快的退化抵销，因为退化速率经常与强度(穿过灯泡封壳的光子通量或光子数)成正比。
因此，需要有改进的无电极灯，它们发射在紫外线和/或真空紫外线区域内的辐射，其中这些无电极灯在延长的时间段提供恒定的光谱和强度。
发明内容
本文公开的是一种用于发射紫外线和/或真空紫外线辐射的无电极灯。
在一个实施例中，无电极灯泡包含由超纯和/或低缺陷石英材料形成的封壳，其中封壳界定密封的内部区域；以及设置在内部区域中的紫外线和/或真空紫外线发射性材料，其中紫外线和/或真空紫外线发射性材料响应暴露于能量源而发射紫外光和/或真空紫外光。
在另一实施例中，无电极灯泡包含由超纯和/或低缺陷石英材料形成的封壳，其中该封壳界定一个密封的内部区域；以及设置在内部区域中的紫外线和/或真空紫外线发射性材料，其中紫外线和/或真空紫外线发射性材料对暴露于能量源作出响应而发射紫外光和/或真空紫外光，其中超纯和/或低缺陷石英材料具有的总金属含量按重量小于百万分之0.1、OH含量按重量小于百万分之1000、以及Cl含量按重量小于百万分之10。
一种用微波无电极灯泡产生紫外光和/或真空紫外光的过程包含提供无电极灯泡，其具有的封壳，所述封壳含有紫外线发射性材料和/或真空紫外线发射性材料，其中封壳由超纯和/或低缺陷石英材料形成；以及将无电极灯泡连接至能量源，所述能量源激发紫外线和/或真空紫外线发射，其中紫外线发射包含200nm和400nm之间的一个或多个波长，且其中真空紫外线发射包含122nm和200nm之间的一个或多个波长。
上述和其它特征由以下附图和详细说明举例示出。
现参阅附图，其中相同元件的编号相同图1示出无电极灯系统的框图；图2示出一种无电极灯的强度作为时间函数的图形，相对于由现有技术石英材料形成的封壳，该无电极灯包含由超纯和低缺陷石英材料形成的封壳；图3示出由GE 214形成的无电极灯在使用数百小时之前和之后的输出光谱图；以及图4示出由Suprasil 300形成的无电极灯在使用数百小时之前和之后的输出光谱图。
具体实施例方式
本文提供了一种用于发射紫外线和/或真空紫外线辐射的改进型无电极灯。该无电极灯泡一般包含由超纯和/或低缺陷石英材料形成的封壳以及其中含有的紫外线和/或真空紫外线发射性材料。申请人已有利地发现通过使用超纯和/或低缺陷石英材料，使灯泡封壳中的石英网络结构中的杂质和/或缺陷减至最少，就可使退化减至最小。
无电极灯泡中的强度退化主要由石英封壳的吸收而引起。这种吸收可由色彩中心形成而引起。而色彩中心形成一般是由石英中的缺陷引起。缺陷可分为两个一般类型1)外来杂质，诸如金属污染，以及2)正常Si-O2网络结构中的缺陷，例如一个Si原子直接键合到另一Si原子，而不是键合到一个氧原子。在无缺陷SiO2石英结构中，每个Si键合到四个其它氧原子，成晶格状结构。灯泡封壳中的杂质和/或网络缺陷的数量可引起色彩中心的形成，这可导致所发射紫外线和/或真空紫外线辐射的吸收，且还可导致局部发热和/或过热。局部发热和/或过热可导致热应力增加并引起灯泡严重失效，因为这些灯泡一般都工作在高压下。通过使用超纯和/或低缺陷石英材料，可使紫外线(UV)和/或真空紫外线(VUV)辐射的传输最大化，而使色彩中心的形成最小化，这样，相对于现有技术的灯泡而言，就提供了恒定强度的无电极灯泡，其具有增加的使用寿命。
无电极灯泡可被结合用于半导体制造过程中，例如但不限于固化对应于不同金属线层面之间的层间介电质的介电层；光稳定光致抗蚀剂用于掩蔽目的；擦除器件上不需要的以及潜在有破坏性的电荷；准备用于淀积的表面以改进粘着性；复位非易失性存储器；改进低k介电材料的性质；表面清除污染物；暴露于等离子过程并随继湿式清洗后的通路腐蚀预防；在氧化物体中以及在氧化物与硅或多晶硅之间的界面上降低电荷和电荷俘获密度；等等。
在本文中使用的术语“超纯石英”一般是指石英材料中的杂质，而术语“低缺陷石英”是指在Si(硅)和O(氧)的基本石英材料中以及在这些元素的结构或网络中的不完整性。要相对于现有技术的灯泡材料，使退化最小化，按照本公开的灯泡可用超纯石英或低缺陷石英或超纯和低缺陷石英的组合来制造。
在一个实施例中，杂质是金属，且在超纯石英中每种金属存在的量小于百万分之0.1(ppm)，优选为小于0.01ppm，更优选为小于0.001ppm。
在又一实施例中，石英材料中的金属总量按重量小于10ppb，且另外具有小于百万分之1000(ppm)的OH含量，优选为小于100ppm，且更优选为小于10ppm的OH含量。
在另一实施例中，术语“超纯石英”是指钛金属含量小于0.01ppm。
在本文中使用的术语“低缺陷石英”是指在Si(硅)和O(氧)的基本石英材料中以及在这些元素的结构或网络中的不完整性。在一个实施例中，一种缺陷是缺失氧，于是一个Si直接键合到另一个Si。(在理想情况下，每个Si原子键合到四个其它O原子。)这种Si-Si键或缺氧中心(ODC)例如可导致对应于163nm的吸收色彩中心。在另一实施例中，一种缺陷是不饱和键，它可存在于Si原子上(E’中心)，导致在215nm的吸收。也可存在有其它实施例。
这些色彩中心缺陷并不直接与杂质相对应，但是可因为先前存在诸如氢或Cl等杂质而被创建。这些后者元素H或Cl常用于石英的制造过程。如此它们被称为石英矩阵缺陷的先驱物，它们直接引起光强度的退化吸收。这些先驱物由低波长UV的石英照明而激活。
在一个实施例中，缺陷先驱物是Cl，并且Cl在低缺陷石英中具有的数量小于百万分之10，优选为小于百万分之1，更优选为小于百万分之0.1。
在另一实施例中，缺陷先驱物是H，并且H在低缺陷石英中具有的数量小于OH含量，因为OH有助于去除H而不产生ODC缺陷。
虽然OH含量在一定程度上决定着低波长截止(cutoff)(在160nm左右)，高于H含量的OH含量有助于防止ODC。Cl用来去除OH，在产生色彩中心方面实际上其作用类似于H。因此，在一些实施例中，需要维持低Cl水平而不是低OH水平，只要该截止低于对于特定期望光谱所需的即可。
一种适用的超纯和低缺陷石英可从Heraeus购得，商品名称为Suprasil 300或Suprasil 310。Suprasil 300的OH含量被报告为小于1ppm。Suprasil 300的金属和OH含量示于表1。表中还示出GE 214的金属和OH含量，这是从通用电气公司购得的石英材料，并常用于制造等离子管的工艺中。
表1
现参阅图1，图中示出无电极灯系统的框图，总体以参考编号10表示。发生器12产生微波和/或射频能量，并将该能量传送入波导14。波导14引导所产生的能量进入腔体16，它可包括网筛(未示出)用于使产生的波保留在腔体16内而允许光波出去。腔体16中的无电极灯泡20含有紫外线和/或真空紫外线发射性材料，当该材料被产生的能量波例如紫外线和/或真空紫外线辐射激发时提供所需的光谱。更具体地说，能量波的辐射激发灯泡20中的填入原子，以使电子放电和/或激发。放电和/或激发的电子与其它填入原子碰撞，引起进一步的电子放电和/或激发，从而增加电子和激发的原子/分子的总数量。增加的电子和激发的原子/分子的总数量导致光发射。
无电极灯泡20一般包括放电封壳26，它界定密封的内部区域28，该区域连接到柄部22，柄部22再连接到电机24，电机可使灯泡20绕灯泡纵轴旋转，如一些应用所需的。放电封壳26由超纯和/或低缺陷石英制造，如前所述，并且由其界定的内部区域28含有紫外线和/或真空紫外线发射性材料。虽然灯泡的形状示为基本上为球形，但其它形状也可考虑。例如，灯泡可具有球形(如图1所示)、管形、扁长形、扁圆形等等。灯泡的形状不应予以限制。
举例来说，用于微波激发的适当无电极灯泡可以是球形，其直径为1.2英寸，壁厚为0.04到0.06英寸。这种特殊灯泡特别适合于用在集成电路制造期间用于固化和/或去除材料的光稳定器中，例如Axcelis技术公司以商品名称RapidCure市售的光稳定器。
可将冷却流体流(未示出)引向灯泡20来提供在工作期间冷却灯泡20的手段。例如，冷却流体流可由风扇、或送风机、或压缩冷却流体如压缩空气源提供，以使冷却流体通过灯泡，强制冷却灯泡。在有些环境和应用下，旋转灯泡20就足以提供充分的冷却。
紫外线和/或真空紫外线发射性材料对暴露于适合的能量源作出响应而发射紫外线和/或真空紫外光。在本文中使用的术语“紫外光(UV)”应是指从200纳米(nm)到400nm的波长谱。术语“真空紫外线(VUV)”应是指从122nm到200nm的波长谱。适用的UV和/或VUV材料一般包含Hg、Ar、Xe、Kr、Cl2以及包含上述材料中至少一种的组合，作为在大约1到大约3000托的气体压力下的发射性材料。
此外，发射性材料还可由稳定剂组成，例如至少一种盐类，诸如Fe、Co、Ni、Al、Ga、Al以及Pb卤化物，它们可用于例如在不同于由Hg原子所辐射的波长提供强辐射发射。至于Hg，一般在20到600托的压力下在室温下填入到封壳中，且灯泡体积大约为0.1到大约100mg/cm3。至于Xe和Kr，一般在10到2500托的压力下在室温下填入到封壳中。至于Cl2，一般在0.5到200托的压力下在室温下填入到封壳中。灯泡可含有附加材料以产生所需的光谱图案。例如，发射性材料还可包括卤化物掺杂物，例如Cd、Sr、Si和/或Pt，以提供附加的谱线。为提供附加谱线可添加的其它元素包括但不限于Mg、Mo、Be、Cd、Ge和Li。同样，发射性材料还可包括放电稳定剂，例如HgCl2或HgI2。
电源系统可配置如下。微波或射频(RF)源产生功率，其优选为每立方厘米灯泡体积从大约200到大约10000瓦，更优选为每立方厘米灯泡体积大约200到大约1000瓦，后者对应于大约4500到大约7000瓦的磁控管功率。频率范围可从上至3千兆赫的高频到低于100千赫的低频。举例来说，用于微波激发的磁控管可选择为提供频率范围在2.4千兆赫(GHz)和2.5GHz之间、中心频率在2.45GHz的微波。封壳温度可通过受控旋转和/或强制空气冷却使其维持在受控温度。冷却气流可以是层流，而使灯泡例如以每分钟至少约20转(rpm)的速度旋转。以上操作参数的结果是封壳是热和电稳定的。
实例实例1。在此实例中，对于用超纯和低缺陷石英以及现有技术石英制造的有相同填入物的各种无电极灯泡，测量了作为时间函数的光谱输出强度。超纯和低缺陷石英是从Heraeus公司购得的Suprasil300；现有技术石英是从通用电气公司购得的GE 214。在50nm宽度的典型带宽上，输出强度等级在数百毫瓦数量级上。图2示出了这些结果。很明显，相对于控制组，退化得到显著改进。对于用超纯和低缺陷石英制造的灯泡，在1000小时的时段内产生大约6％的退化。相反，现有技术的无电极灯泡在相同的时段其输出强度呈现出25％到30％的下降。而且，还观察到，现有技术封壳的最显著退化发生在工作的最初100到200小时之后。
图3示出对于用现有技术石英(GE 214)制造的灯泡，在使用即暴露于紫外线辐射数百小时之前和之后，其发射光谱作为波长函数的图形。在280nm以上，极少观察到退化。但在较低波长，退化变得较为明显。如图所示，在使用几百小时之后，对于用GE 214制造的封壳，在从大约190nm到大约205nm的波长处，辐射完全被阻断。相反，如图4所示，由Suprasil 300形成的封壳在相同的使用时段内显示极少的退化。小于205nm波长时的发射并未受阻，且极少退化。
虽然已参阅示范实施例对本公开内容作了说明，但所属领域的技术人员应理解，在不背离本公开内容范围的前提下，可以作各种改变且可用等效物来替代本公开内容的元件。此外，在不背离本公开内容的基本范围的前提下，对本公开的内容可以作许多修改以适应具体情况或材料。所以，本公开内容不应限于作为实现本公开内容所考虑的最佳模式公开的具体实施例，而是所公开内容将包括在所附权利要求书范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种无电极灯泡，包含封壳，其由超纯和/或低缺陷石英材料形成，其中所述封壳界定密封的内部区域；以及紫外线和/或真空紫外线发射性材料，设置在所述内部区域中，其中所述紫外线和/或真空紫外线发射性材料对暴露于能量源作出响应而发射紫外线和/或真空紫外光。
2.如权利要求1所述的无电极灯泡，其中所述能量源包含微波能量和/或射频能量。
3.如权利要求1所述的无电极灯泡，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的OH含量按重量小于百万分之1000。
4.如权利要求1所述的无电极灯泡，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的OH含量按重量小于百万分之100。
5.如权利要求1所述的无电极灯泡，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的Cl含量按重量小于百万分之10。
6.如权利要求1所述的无电极灯泡，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的Cl含量按重量小于百万分之1。
7.如权利要求1所述的无电极灯泡，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的总金属含量按重量小于百万分之0.1。
8.如权利要求1所述的无电极灯泡，其中对于所述超纯和/或低缺陷石英材料中的每种金属，所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的金属含量按重量小于百万分之0.01。
9.如权利要求1所述的无电极灯泡，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的钛按重量小于百万分之0.01。
10.如权利要求1所述的无电极灯泡，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的总金属含量按重量小于百万分之0.1、OH含量按重量小于百万分之10、以及Cl含量按重量小于百万分之10。
11.如权利要求1所述的无电极灯泡，其中所述紫外线发射性材料发射波长从200nm到400nm的光，且所述真空紫外线发射性材料发射波长从122nm到200nm的光。
12.一种无电极灯泡，包含封壳，其由超纯和/或低缺陷石英材料形成，其中所述封壳界定密封的内部区域；以及紫外线和/或真空紫外线发射性材料，设置在所述内部区域中，其中所述紫外线和/或真空紫外线发射性材料对暴露于能量源作出响应而发射紫外线和/或真空紫外光，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的总金属含量按重量小于百万分之0.1、OH含量按重量小于百万分之1000、以及Cl含量按重量小于百万分之10。
13.一种用微波无电极灯泡产生紫外光和/或真空紫外光的过程，包含提供无电极灯泡，所述无电极灯泡具有封壳，所述封壳含有紫外线发射性材料和/或真空紫外线发射性材料，其中所述封壳由超纯和/或低缺陷石英材料形成；以及将所述无电极灯泡连接到能量源，所述能量源激发紫外线和/或真空紫外线发射，其中所述紫外线发射包含200nm和400nm之间的一个或多个波长，且其中所述真空紫外线发射包含122nm和200nm之间的一个或多个波长。
14.如权利要求13所述的过程，其中所述能量源包含微波能量和/或射频能量。
15.如权利要求13所述的过程，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的总金属含量按重量小于百万分之0.1。
16.如权利要求13所述的过程，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料对每种金属具有的金属含量按重量小于百万分之0.01。
17.如权利要求13所述的过程，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的OH含量按重量小于百万分之1000。
18.如权利要求13所述的过程，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的OH含量按重量小于百万分之100。
19.如权利要求13所述的过程，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的Cl含量按重量小于百万分之10。
20.如权利要求13所述的过程，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的Cl含量按重量小于百万分之1。
21.如权利要求13所述的过程，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的钛按重量小于百万分之0.01。
22.如权利要求13所述的过程，其中所述超纯和/或低缺陷石英材料具有的总金属含量按重量小于百万分之0.1、OH含量按重量小于百万分之1000、以及Cl含量按重量小于百万分之10。
全文摘要
一种用于发射紫外线和/或真空紫外线辐射的无电极灯和过程包含由超纯和/或低缺陷石英材料形成的封壳以及设置在封壳内部区域中的紫外线和/或真空紫外线发射性材料。由超纯和/或无缺陷石英材料形成的无电极灯在使用期间使退化最小化。
文档编号C03C3/06GK101053060SQ200580037965
公开日2007年10月10日 申请日期2005年9月8日 优先权日2004年9月10日
发明者A·杰诺斯, M·帕克, M·卡马瑞希, M·寇森 申请人:艾克塞利斯技术公司