具有抗等离子涂层的高功率低压紫外线灯泡的制作方法

本发明涉及用于处理半导体衬底的紫外线灯的改进和其他用途。

背景技术：

对于紫外线(uv)固化，特别是对于半导体相关应用，需要高深uv和低于200nm的辐射。虽然有高功率、高压hg灯泡可用于uv固化，但高hg压强(通常>1000托)提供低于200nm的不足发射。低压hg和汞合金灯泡在254nm和185nm处具有高效发射，但功率太低而无法用于要求高深度uv输出的应用。

已经发现，美国专利号7,569,791中公开的类型的高功率、低压(<100托)uv灯具有短的灯泡寿命(通常<100小时)，这使得这种uv灯对于半导体相关的应用或其他应用来说不太经济。因此，需要改进用于半导体相关应用或其他应用的高功率、低压uv灯的灯泡寿命。

技术实现要素：

根据一个实施方案，提供了一种紫外线灯泡的外壳(envelope)，所述紫外线灯泡可用于处理半导体衬底或其他应用，例如粘合剂、油墨、涂层的固化；流体和物体的灭菌。所述外壳包括玻璃管，所述玻璃管配置成在所述玻璃管的内表面上包含发光材料和抗等离子涂层，其中所述涂层通过原子层沉积(ald)沉积。

根据各种优选实施方案，所述外壳包括uv透射材料管，其配置成包含uv发光材料，并且所述抗等离子涂层是附着到所述管的内表面的唯一材料；所述管是环形管，优选地其具有圆形形状；所述涂层是ald氧化铝涂层；所述uv透射材料包括石英或熔融二氧化硅；所述管具有约1至约2mm的壁厚；所述涂层具有约100至约200nm的厚度，优选地具有约120至约160nm的厚度；当用于处理直径至少为200mm的半导体晶片时，所述管可以形成为外径约为200mm的圆环形状，并且所述管本身可以具有约30mm的外径；和/或优选地，所述ald氧化铝涂层是无针孔的保形涂层。

在一实施方案中，uv灯泡包括所述外壳，并且所述外壳含有uv发光材料；所述uv发光材料包括汞；所述管是气密密封的并且包含惰性气体，如氩气；所述灯泡内的压强低于100托；当用于处理直径至少为200mm的半导体晶片时，所述管可以是具有外径约为200mm的圆环形状的环形管；和/或所述涂层是ald涂层，优选地所述ald涂层是无针孔的保形涂层。

根据另一实施方案，uv灯组件包含所述uv灯泡，并且所述uv灯组件可用于通过将半导体衬底暴露于由所述uv灯泡产生的uv辐射来处理所述半导体衬底。

在一实施方案中，一种处理半导体衬底的方法包括将半导体衬底支撑在处理室中以及将所述半导体衬底暴露于由所述uv灯泡产生的uv辐射。例如，所述半导体衬底可以包含一个或多个介电层，并且所述uv辐射可以用于从所述一个或多个介电层去除致孔剂，增加所述一个或多个介电层的强度和/或修复所述一个或多个介电层的损坏。在另一种方法中，将半导体衬底支撑在处理室中，通过将含氧气体暴露于由所述uv灯泡产生的uv辐射来生成臭氧，并且用所述臭氧清洁所述半导体衬底表面。

在另一实施方案中，所述uv灯泡可用于对流体或物体进行灭菌。例如，所述方法可包括激励所述uv灯泡以及将所述uv灯泡产生的uv辐射暴露于流体或物体一段时间，所述一段时间足以提供对所述流体内的微生物的有效灭菌或对所述物体的表面上的微生物的有效灭菌。

附图说明

图1示出了配置成执行uv固化的多站处理工具的示意图。

图2是半导体处理室的横截面示意图。

图3是示出了在高功率(14～15w/cm²)下测试的具有和不具有保护性ald涂层的低压hg灯泡的输出稳定性的图。

图4a-图4c示出了在相同的高功率(14～15w/cm²)条件下三个uv灯泡随时间变化的状态。

图5示出了两个主要hg发射线(185nm/254nm)的uv透射率与涂层厚度的关系。

图6示出了具有入口和出口端口的玻璃管，所述玻璃管用于根据优选实施方案制造具有ald矾土层的紫外线灯泡。

具体实施方式

半导体晶片的uv处理具有许多应用，包含去除致孔剂、加强介电膜、修复低k膜的损坏、稳定fsg膜、改进sic蚀刻停止膜的气密性和选择性、固化氮化物和氧化物、提取在介电(例如氧化硅)沉积中产生的水、介电材料的致密化以及增加介电膜(例如应变栅极)中的应力。uv固化也已用于降低其他介电材料(例如通过脉冲沉积层(pdl)工艺沉积的氧化物)的k值。

例如，随着器件几何尺寸的缩小，集成电路(ic)需要具有较小电容值的介电膜。ic制造商通过在这些介电膜中引入孔隙率而获得低电容。通过将骨架介电材料(通常为有机硅酸盐玻璃或osg)与孔生成剂(通常为有机材料)共沉积来实现在介电膜中包含孔隙。然而，诱发这种孔隙导致膜的机械性能退化，从而降低了其在没有机械损坏的情况下经受后续集成步骤的能力。沉积后，必须从ulk前体膜中除去孔生成剂(致孔剂)并且加强骨架介电材料以进行进一步处理。uv辐射可用于实现致孔剂去除和骨架介电材料的强化两者。uv辐射从介电膜中驱出致孔剂并且重新排列残余材料中的键合结构以使其加强并使其能够经受后续处理。固化膜可具有约2-2.5的超低介电常数(k)。

图1示出了多站处理工具的示意图，所述多站处理工具配置成执行uv固化，如共同转让的美国专利号9,073,100中所公开的，该专利的公开内容通过引用并入本文。晶片从通过盒101装载的匣盒进入系统100，所述盒101例如在300mm晶片系统中使用的前开口统一盒(foup)。机械手102在大气压下将晶片从匣盒移动到两个负载锁105a或105b中的一个。例如，晶片通过大气端口104进入负载锁105a并被放置在负载锁基座上。通向大气环境的大气端口104然后关闭；并且将负载锁105a抽空到与反应器107相同的压强或稍高于反应器107的压强。同时，晶片居中并对准并且可以在基座上的负载锁中加热。然后，保持在小于大气压的低压(例如真空)下的反应器107的传送端口打开，并且另一个机械手将晶片放入反应器中，在反应器中的第一站的基座上。上述示例使用负载锁105a来使晶片进入，但也可以使用负载锁105b。

所描绘的晶片处理工具中的反应器107具有编号为1至4的四个站。每个站都能够与其他站同时进行紫外线辐射处理。使用可包括载体环和心轴的晶片分度机构109通过反应器站来分度晶片。在每个站的处理结束时，将晶片分度到下一站以进行进一步处理。在处理结束时，晶片返回到站1。然后，晶片通过传送端口离开反应器到达负载锁105a或105b，其中晶片在最后返回到盒101中的匣盒之前在冷却基座上冷却。因为存在两个负载锁105a和105b，所以任一个或两者都可用于进出反应器。在该特定的晶片处理工具配置中，晶片只能通过站1进入反应器107，但是在其他配置中，负载锁可以通向不同的站。

图1中所示的多站室中的站共享相同的真空环境。具有单站室或具有更多或更少站的室的其他配置是可能的。

图2是具有uv辐射源的半导体处理室的示意图，如美国公开专利申请2016/0258057中所描述的，该专利的公开内容通过引用并入本文。在图2中，uv灯组件1010安装在处理室1130的顶部。每个灯组件1010包括变压器1030和将微波能量泵入灯的磁控管(未示出)、uv灯泡1050以及反射器1070。如所示出的，uv检测器组件1090安装在两个灯组件1010之间。uv透射窗口1110可以使来自灯泡1050的uv辐射透射到室下方的衬底1170。衬底1170位于可以被加热、被冷却或被加热和冷却的衬底支架1150上。如所示出的，加热线圈1190嵌入衬底支撑件1150中。uv灯组件1010可以由如下所述的具有圆环形uv灯泡的灯组件代替。在一些实现方式中，处理室可以是多站半导体处理系统的一部分，并且每个处理室可以包含衬底支架、一个或多个室窗口和一个或多个uv灯组件。

对于uv固化，尤其是半导体相关应用，需要高深uv和低于200nm的辐射。虽然高功率、高压汞(hg)灯泡可用于uv固化，但高hg压强(通常>1000托)导致200nm以下的发射不足。虽然低压hg和汞合金灯泡在254nm和185nm处具有有效发射，但对于要求高深uv输出的应用而言，功率太低。已经发现，高功率、低压(<100托)灯，例如美国专利号7,569,791中描述的灯，具有短的uv灯泡寿命(通常<100小时)，这使得高功率、低压hg灯对于用于半导体相关应用和其他应用来说不经济。如下所述，通过在uv灯泡的内表面上提供原子层沉积(ald)涂层来解决与高功率、低压hg灯相关联的uv灯泡寿命问题。

为了改进高功率低压uv灯的uv灯泡的寿命，已经开发出抗等离子涂层并且其厚度已经通过使用原子层沉积(ald)技术进行了优化—这种涂层解决了很长时间未解决的与高功率、低压汞灯运行有关联的灯泡快速退化(<100小时灯泡寿命)问题。ald技术可提供保形无针孔涂层，以在高功率(>10w/cm²负载)运行期间保护uv灯泡的内部表面免受hg等离子渗透，通过ald技术产生的强膜粘附性也使涂层能够经受灯泡运行温度(～800℃)。优选地，ald涂层是矾土材料以提供足够的抗等离子体性并且还提供低duv吸收度，这允许更高的uv输出。优选地，涂层厚度足够厚以提供等离子体保护但不会太厚而不会由于热膨胀而遭受破裂/剥落问题。ald矾土涂层的厚度优选为约100nm至约200nm，更优选为约140nm至约160nm，其中140nm是用于主要hg发射线(254nm和185nm)的最佳透射的最优选的厚度。

高功率低压hg灯由于其增强的duv发射光谱和高输出功率而非常有利于uv固化应用。然而，对改进的hg灯泡存在未满足的需求，所述改进的hg灯泡提供更长的寿命以使对半导体制造操作的破坏最小化并且避免灯泡更换的高成本。

低功率低压hg灯，例如荧光灯和汞合金灯，通常在灯泡的内部表面上具有稀土元素涂层，以保护玻璃免受hg等离子体相互作用。这些涂层通常浸涂在水溶液中；多个涂层有时用于逐渐匹配热膨胀并补偿预期的膜缺陷。虽然这种涂覆的涂层已经成功地延长了低功率低压hg灯运行(功率负载<0.5w/cm²，温度<200℃)的灯泡寿命，但是这种涂层不适合于高功率低压灯泡运行。此外，由于难以利用浸涂获得所需的厚度，因此难以优化uv透射。因此，需要一种稳固的灯泡涂层，其能够承受高功率等离子体侵蚀并且能够经受高温运行以使灯泡在高功率低压灯运行期间具有至少数千小时的使用寿命。

在一实施方案中，紫外线(uv)灯泡包含使用原子层沉积(ald)技术的抗等离子涂层。通过原子层沉积技术产生的涂层，一旦被优化到所需的厚度，例如约100nm至约200nm，优选约120nm至约160nm，最优选约140nm，则可以承受高温灯泡运行并同时提供玻璃保护。优选的涂层是矾土，以利用其低duv吸收度来获得最高可能的uv输出。ald技术还允许精确控制涂层厚度，以优化主要hg发射线(185nm/254nm)的透射。

使用ald技术涂覆紫外线灯泡的内表面可以提供hg等离子体损伤保护。ald抗等离子涂层优选具有适合于在高功率低压hg灯运行期间提供长使用灯泡寿命的厚度。与浸涂不同，ald技术可以提供保形无针孔涂层以及薄膜和玻璃之间的牢固粘合，这使得可以经受高温运行。此外，ald涂覆工艺可以沉积低uv吸收材料，例如矾土，以使uv输出最大化。涂层厚度还可以利用ald工艺精确地控制，以优化duv透射。将没有抗等离子涂层的uv灯泡与具有ald涂层的灯泡相比较，高功率低压hg灯泡运行的寿命可以从<100小时增加到超过数千小时。

图3是示出了在高功率(14～15w/cm²)条件下测试的具有和不具有保护性ald涂层的hg灯泡的输出稳定性的图。没有涂层的uv灯泡迅速退化(通常在100小时内退化～30％，如曲线c所示)。具有薄ald涂层(46nm厚的ald矾土涂层，如曲线b所示)的uv灯泡显著延长了寿命，但是退化度仍然太高(在～1000小时时退化～20％)而不能使用。具有优化涂层(～140nm厚的ald矾土涂层，如曲线a所示)的uv灯泡已显示出非常低的退化度(在～2400小时期间退化～10％)，这使其在商业用途方面具有吸引力。

图4a-图4c示出了在相同的高功率(14～15w/cm²)条件下三个uv灯泡随时间变化的状态。在图4a中，在<100小时的运行之后，在没有抗等离子涂层的uv灯泡的外壳上形成暗斑。在图4b中，具有薄(46nm厚)ald矾土涂层的uv灯泡在运行～1000小时后显示出条纹图案。图4c示出了具有较厚的ald矾土涂层(～140nm厚)的uv灯泡，并且该uv灯泡在比图4a和图4b中所示的uv灯泡运行更多小时之后没有形成暗色图案。图4c中所示的uv灯泡，即使在～2400小时的运行后，也还具有清透的外壳。

图5中所示的图表示出了两个主要hg发射线(185nm/254nm)的uv透射率与涂层厚度的关系。优化的～140nm涂层厚度已被证明可提供最佳的uv灯泡玻璃保护。该厚度对应于254nm发射的第二峰值透射率(曲线b)以及185nm发射的第三峰值透射率(曲线a)，也获得了优化的整体uv透射率。

ald氧化铝涂层的形成可以通过使适合用作紫外线灯的水银灯泡的玻璃管的内部经受铝源气体、吹扫气体、氧源气体和第二吹扫气体的重复流动循环，同时将玻璃管保持在合适的温度。例如，铝源气体可以是三甲基铝(tma)，其供应适当的时间，例如0.1至3秒；吹扫气体可以是氮气，其供应适当的时间，例如0.1至3秒；氧气源可以是氧气或者水蒸气，其供应适当的时间，例如0.1至3秒；以及第二吹扫气体可以是氮气，其供应适当的时间，例如0.1至2秒。重复这些循环，直到ald氧化铝涂层达到所需的厚度。例如，假设在每个循环中形成约的膜厚度，则需要至少1000个循环以获得100nm或更大的膜厚度。与由矾土颗粒组成的烧结膜不同，ald矾土是保形无针孔膜，其不含矾土颗粒并且是玻璃管内唯一的材料层。也就是说，与含有诸如荧光体层之类的发光材料的荧光灯泡不同，这里公开的紫外线灯是在uv灯泡内部没有发光材料层的低压无电极uv灯泡。

图6示出了适用于制造uv灯的外壳的玻璃管300，其中长管302用作沉积气体的入口，而短管304用作内部ald表面涂层工艺期间的沉积气体和副产物的出口。通过重复一系列步骤将ald涂层沉积在管的内表面(内部表面)上，直到达到所需的膜厚度。在通过原子层沉积来沉积氧化铝涂层(矾土涂层)时，将含铝前体，如三甲基铝(al(ch3)3或tma)引入管中；吹扫管；将氧气反应物，如水蒸气、臭氧或氧自由基引入管中以提供单层氧化铝；吹扫管；以及重复该循环直至氧化铝层具有所需的厚度。ald矾土涂层与管的内表面直接接触，并且优选完全由氧化铝组成，即管在内表面上不含任何其他材料(例如掺杂剂、磷光体、其他层)。ald矾土涂层优选是保形无针孔膜，其不含任何其他材料的颗粒，即ald涂层是管的内表面上的唯一材料层。在ald涂层已经构建到所需的厚度之后，通过熔融和密封玻璃来夹断短管。然后将长管用于灯泡发光材料填充(汞和惰性气体)，之后通过熔融和密封玻璃将其夹断。

uv灯泡可以用于通过将半导体衬底支撑在固化室中来固化半导体衬底上的膜；以及将半导体衬底上的层暴露于由uv灯泡产生的uv辐射。例如，该层可以是介电层，并且uv辐射可以从介电层去除致孔剂。用于在半导体衬底上执行膜的固化的设备和方法步骤的细节可以在共同转让的美国公开专利申请2016/0138160中找到，该专利的公开内容通过引用并入本文。uv辐射还促进材料内的交联。在另一种方法中，uv灯泡可用于生成臭氧以清洁半导体衬底。例如，氧气(o2)可以以合适的流速流入半导体处理室并持续适当的时间，同时压强保持在约200托至800托的范围内，并且通过打开uv灯泡来提供紫外线能量可以将o2气体转换成臭氧。

uv灯泡优选地是无电极的并且由电磁辐射激励，这维持了来自包封在uv灯泡中的气体混合物的等离子体。例如，uv灯泡也可用于加热和固化诸如粘合剂、油墨和涂层之类的材料。其他用途包含对液体、气体、容器等物品以及房间或特定环境等空间的uv消毒和灭菌。为了处理气体或液体，uv灯泡可以安装在一种在线反应器中，其中气体和液体暴露于由uv灯泡产生的uv辐射。例如，可以通过激励uv灯泡并将uv灯泡产生的uv辐射暴露于流体或物体一段时间来为流体或物体灭菌，所述一段时间足以提供对流体内的微生物的有效灭菌或对物体的表面上的微生物的有效灭菌。在一实施方案中，uv灯泡可以用于通过将空气或氧气暴露于由uv灯泡产生的uv辐射来生成臭氧，并且臭氧可以用于对液体、气体、容器等物体或房间等空间进行杀菌或灭菌。由uv灯泡生成的臭氧还可用于通过对物体、气体、液体和开放区域进行杀菌和灭菌来减少气味。优选的uv灯泡是无电极uv灯泡，并且无电极灯泡中的可电离介质可以通过一个或多个磁芯激励成等离子体状态，所述磁芯在uv灯泡中生成环形等离子体。在美国专利号7,569,791中可以找到包括用于在管状uv灯泡内感应电流的电磁辐射源的合适电源系统的细节，该专利的公开内容通过引用并入本文。

如本文所用，当与数值结合使用时，术语“约”意指加减10％。

尽管已经根据若干实施方案描述了本发明，但是存在落入本发明范围内的改变、修改、置换和替代等效物。还应注意，存在许多实现本发明的方法和装置的替代方式。因此，以下所附权利要求旨在被解释为包含落入本发明的真实精神和范围内的所有这些改变、修改、置换和替代等同物。除非在权利要求中另有说明，否则权利要求中单数的使用并不意味着“仅一个”，而是“一个或多个”。