JP2001129391A - 誘電体バリア放電ランプを使った処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】中心波長が１７２ｎｍ付近の真空紫外光の照度
が大きく、照度分布がよく、照射面積の大きい平面照射
装置を使った誘電体バリア放電ランプを使った物体の処
理装置を提供することである。 【解決手段】放電容器（１）に誘電体バリア放電によっ
てエキシマを形成する放電用ガスを充した誘電体バリア
放電ランプ（３１）を、少なくとも一部が紫外エキシマ
光を取り出す窓部材（３４）でおおった匡体（３２）内
に、ヘリウム、ネオン、クリプトン、アルゴン、キセノ
ン、水素、窒素から選択された少なくとも一種のガスと
ともに配置してなるキセノン照射装置と、このキセノン
照射装置の前方に配置した処理台（４３）と、この処理
台（４３）を前記装置の窓部材（３４）に近接せしめる
駆動手段（４２）とを含むことを特徴とする誘電体バリ
ア放電ランプを使った処理装置。含む物体の処理装置を
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光化学反応用の紫外線
光源として使用される誘電体バリア放電ランプを使う処
理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明に関連した技術としては例えば、
特開平２ー７３５３号があり、そこには、放電容器にエ
キシマ分子を形成する放電ガスを充填し、誘電体バリア
放電（別名オゾナイザー放電あるいは無声放電。電気学
会発行改訂新版（放電ハンドブック）平成１年６月再販
７刷発行第２６３ページ参照）によってエキシマ分子を
形成せしめ、該エキシマ分子から放射される光を取り出
す放射器、すなわち誘電体バリア放電ランプについて記
載されている。他方、近年、被処理物をいためないでそ
の表面の有機物除去、不要レジストの除去、ドライ精密
洗浄、金属表面の酸化層形成などをおこなう方法として
紫外光とオゾンの協働作用を利用したＵＶ／Ｏ₃処理が
開発され、実用化にいたった。ＵＶ／Ｏ₃処理について
は例えば単行本「オゾン利用の新技術」（三ゆう書房発
行、昭和６１年１１月２０日）の第９章（第３０１頁か
ら第３１３頁、（以下文献１という） )に原理、装置、
洗浄効果、用途などが詳細に解説されているが、使用さ
れている光源は低圧水銀灯（放射波長２５４ｎｍ、１８
５ｎｍ）であった。また、五十嵐らは第５４回応用物理
学会学術講演会講演要旨集２７ａ−ＨＥー２でキセノン
ガスを封入した波長１７２ｎｍに中心放射波長を持つ誘
電体バリア放電ランプを使用することによって、プラス
チックスの表面改質の所要時間が低圧水銀灯の１／１０
以下になると報告している。このように誘電体バリア放
電ランプは表面改質、ＵＶ／Ｏ₃洗浄に有効ということ
がわかっている。

【０００３】ところで、誘電体バリア放電ランプをＵＶ
／Ｏ₃処理に使用する場合、大気を含む酸素雰囲気中で
使用する必要がある。ＵＶ／Ｏ₃洗浄は、真空紫外光を
試料表面に照射し、汚れである有機物の結合を断ち切
り、酸素に吸収され、オゾンさらに活性酸素を作り、そ
の強力な酸化力で有機物を酸化させ、ＣＯ₂、ＮＯ₂にし
て蒸発させるから酸素雰囲気が必要である。プラスチッ
クスなどの表面改質も同様に短波長の紫外光を試料表面
に照射し、有機物の結合を断ち切る必要があり、かつ酸
素に照射し、オゾンさらに活性酸素（例えばＯ（ １
Ｄ））を作り、有機物を酸化させ、表面に親水基（ＯＨ
基、ＣＯＯＨ基、ＣＯ基など）を導入させる必要がある
からである。波長１７２ｎｍに中心放射波長を持つ誘電
体バリア放電ランプで上記目的に応用するにはこのエキ
シマ光取り出し窓部材と試料表面の間を大気中の場合、
３ｍｍ以内にする必要がある。なぜならば、酸素の吸収
係数が１５ｃｍ^-1と大きく、３ｍｍで強度が１／２ー１
／３、になるので、３ｍｍ、出来れば窓部材と試料表面
の間を１ｍｍ以内にすると効果が著しい。

【０００４】誘電体バリア放電ランプの形状が、円筒状
では、ランプを試料に近づけても試料に到達する真空紫
外光は試料に最も近いごく一部に限られる。ランプが平
面型であれば試料をランプにちかづけて照射すると一度
に大きな面積が照射出来て有利である。

【０００５】平面型の誘電体バリア放電ランプはB.Elia
ssonらの円盤型がApplied PhysicsB ,Vol46,299-303頁
(1988）に記載されている。グラウンド電極を兼ねたス
テンレスの容器と、円板状の合成石英からなるエキシマ
光取り出し窓部材からなっている。しかしながらこのラ
ンプの問題点は２つある。第１点は、端部で電界の集中
が起き易く、安定な放電が難しいという点である。第２
点は、該ランプの電圧は数ｋｖ−数１０ｋｖの高電圧を
要する。電圧を低く押さえるためには、誘電体の厚さを
出来るだけ薄くしたいが、平面構造の場合、薄くする
と、ランプの内、外の圧力差による応力が大きくなり、
誘電体の強度が不足し、破壊が起こり、大きな形状のラ
ンプの製作が難しい点である。

【０００６】特開平４ー２６４３４９号では放電ガスを
充満し、封止されたＵＶ透過窓を有する直方体容器の中
に円筒誘電体の内面に電極が設けられた構造物を複数本
配置して、電極間で誘電体バリア放電を発生させ、外部
に照射する照射装置が記載されている。照射窓の厚みは
厚く出来るが、容器内を封止する必要があり、高電圧部
の導入も必要があり、装置が複雑となる。他方、２重円
筒型などの円筒型のランプは、製作方法が比較的容易
で、長さも比較的容易に変えられるが、大気中で照射す
ると試料に近づけても、実質上線光源となり、上記用途
には使用出来ない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は放射の中心波
長が１７２ｎｍ付近の真空紫外光の照度が大きく、照度
分布がよく、照射面積の大きい平面照射装置を使った物
体表面処理装置を提供することである。

【０００８】

【問題を解決するための手段】上記本発明の目的は、放
電容器に誘電体バリア放電によってエキシマを形成する
放電用ガスを充した誘電体バリア放電ランプを、少なく
とも一部が紫外エキシマ光を取り出す窓部材で前方をお
おった匡体内に、ヘリウム、ネオン、クリプトン、アル
ゴン、キセノン、水素、窒素から選択された少なくとも
一種のガスとともに配置することによって照射装置を構
成し、この照射装置の前方に配置した処理台と、この処
理台を前記装置の窓部材に近接せしめる駆動手段とを含
む物体の処理装置を構成する。

【０００９】

【作用】ＵＶ／Ｏ₃洗浄、表面改質は短波長の紫外光を
酸素雰囲気中で試料表面に照射することが有効である。
しかしながら波長１７２ｎｍ付近の真空紫外光では酸素
に吸収され、その照度が１／２−１／３に減衰するのが
約３ｍｍの距離で、これ以上の距離で円筒状ランプから
試料表面に照射しても、ほとんどの光は届かない。そし
て、波長１７２ｎｍの紫外光を大気中で、シリコンウエ
ハ、液晶表示用のガラスの表面改質、洗浄をおこなうた
めには、ランプから放射した光を効率よく試料に到達さ
せることが出来る平面照射装置が必要である。平面照射
装置はある程度の面積を１度に照射出来き、洗浄のスピ
ードが向上出来る。しかしながら平面型ランプを製作し
ようとすると、電圧を低く設定設計するため、誘電体の
厚さを出来るだけ薄くしたいが、平面構造の場合、薄く
すると、排気時、容器が大きければ大きいほど、誘電体
の強度が不足し、大きな形状のランプを製作出来ない点
などの困難さがある。

【００１０】上記問題はもちろん従来のアーク放電ラン
プにはないキセノンガスもしくはそれを主成分とした誘
電体バリア放電ランプ固有の問題である。たとえば、波
長１８５ｎｍと波長２５４ｎｍの紫外光を用いてＵＶ／
Ｏ₃洗浄する低圧紫外線ランプにおいて面照射をする場
合でも、複数の直管型ランプ、またはＵ字管、およびミ
ラーの組み合わせで達成出来る。空気中の酸素に波長１
８５ｎｍは吸収されるが、１／２ー１／３に減少する距
離が６０ｍｍ以上あり、１／１０まで減衰するには１５
０ｍｍ以上である。つまり、ランプと試料を同一の酸素
を含む空間で処理出来き、平面状ランプに構成する必要
はない。もちろん、波長１７２ｎｍより短波長を放射す
るランプであればキセノンガスを主成分とした誘電体バ
リア放電ランプと同じ問題を生じるが、現在、ＵＶ／Ｏ
₃洗浄に使用出来る波長１７２ｎｍより短波長の紫外光
を放射する高出力ランプが存在せず、まさにキセノンガ
スもしくはそれを主成分とした誘電体バリア放電ランプ
固有の問題である。

【００１１】われわれは、製作が容易で、照射面積が大
きく、照度の高い平面照射装置を検討した。鋭意検討の
結果以下の装置を発明した。ランプは製作の困難な平面
状ランプは使用せず、比較的製作の容易な円筒型ランプ
を使用する。波長１７２ｎｍの紫外光も、窒素、ヘリウ
ム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノンガスで
は、吸収がなく、紫外光はある立体角をもって放射する
ためランプからの距離に応じて、減少してゆく。この性
質と反射ミラーの反射率と形状、ランプ本数、間隔、エ
キシマ光取り出し窓部材までの距離を考慮して設計する
と、照射装置のエキシマ光取り出し窓部材表面で、均一
な面光源が作られることがわかった。さらに照射装置の
エキシマ光取り出し窓部材の外側を酸素を含む雰囲気に
し、照射装置窓部材面に試料を近接させる駆動手段を設
けて、近接配置（３ｍｍ以内、１ｍｍ以下が望ましい）
することにより、試料表面での均一な照度分布の面照射
が達成出来る。ＵＶ／Ｏ₃洗浄、プラスチックスの表面
改質には、照度分布の均一度が±１０％程度が必要であ
る。上記方法で上記均一度のある面積が得られる。その
場合、少なくとも、上記領域の面積はランプの外径×発
光長以上であることが望ましい。上記領域でスピードの
高い、表面改質、洗浄などが出来る。

【００１２】低圧水銀灯の場合でも、試料、ランプ間に
ガラスを配置することもあるが、これはランプからのほ
こりなどを防ぐためなどで今回の発明とは根本的に異な
る。今回の目的は酸素の吸収係数が非常に高い波長のラ
ンプで試料に大面積で照射するという問題であり、従来
のアーク放電ランプではこのような問題は存在せずまさ
にキセノンガスもしくはそれを主成分とした誘電体バリ
ア放電ランプだけの問題である。

【００１３】特開平５ー１７４７９３号では誘電体バリ
ア放電ランプを容器に入れ、雰囲気を水などの冷却体を
流し、ランプを冷却し、照射窓から光を取り出す方法を
提案しているが、今回は雰囲気ガスは冷却が目的ではな
い点、キセノンおよびその混合ガスを放電ガスに使用し
たランプ（真空紫外短波長中心放射波長約１７２ｎｍ）
と限定されている点、面照射装置を製作することが目的
という点など、全く異なる発明である。

【００１４】試料照射の際、３ｍｍ以内、最も望ましく
は１ｍｍ以内で照射させるため、水平、搬送機構で試料
が運ばれるためには、照射装置のエキシマ光取り出し窓
部材より、匡体の窓枠の凸出が２ｍｍ以内、望ましくは
まったく突出していないほうがよい。この場合は被処理
物を加熱しながら洗浄、改質することも出来る。または
被処理物の面積が照射装置のエキシマ光取り出し窓部材
の面積より小さく、その窓まで水平に試料が搬送され、
垂直に上げられ、その窓より３ｍｍ以内で照射する照射
方法は洗浄、表面改質に著しい、効果をもたらした。

【００１５】

【実施例】本発明の第１の実施例である誘電体バリア放
電ランプを内蔵したキセノン照射装置を図１に示した。
図２にはそのランプの概略図を示した。図２において、
放電容器１は全長約１５０ｍｍの合成石英製で、外径約
１４ｍｍの肉厚１ｍｍの内側管２、内径約２４ｍｍ肉厚
１ｍｍの外側管３を同軸に配置して中空円筒状の放電空
間７を形成した構造である。外側管３は誘電体バリア放
電の誘電体バリアと光取り出し窓部材を兼用しており、
光がよく通過できるメッシュ電極４が設けられている。
内側管２の外面には光の反射板と誘電体バリア放電の電
極を兼ねたアルミニウム薄膜電極５が設けられている。
放電容器の放電空間７に放電ガスとして２５０トールの
キセノンガスを封入した。また、ゲッター室８にはゲッ
ター６が設けられている。ランプ１の内側空所９には、
必要に応じて冷却流体例えば冷却窒素ガスが流せるよう
になっている。ここで電源１０によって、該誘電体バリ
ア放電ランプを入力２０ワットで点灯した。その結果、
波長１７２ｎｍに最大放射値を有する紫外光が効率よく
放射された。

【００１６】図１において、上記した該誘電体バリヤ放
電ランプ３１は、合成石英製平面照射窓すなわちエキシ
マ光取り出し窓部材３４を有する匡体３２の中に取り付
けられている。３５は、合成石英製平面照射窓３４の押
さえ用フランジもしくは窓枠である。フランジもしくは
窓枠の厚さｔが、窓の外面よりも匡体が凸出している凸
出寸法となる。３３は、ランプ３１を取り囲むように配
置された紫外光反射ミラーである。３６は昇圧トランス
である。３７が、匡体内の空気を置換するための窒素ガ
スの入口、３８がその出口である。匡体内を窒素置換す
ること、ランプ、ミラーを組合わせることによって、照
射窓３２の表面において、平均８ｍＷ／ｃｍ²の照射強
度で照度分布±１０％の領域が約４０×８０ｍｍの広さ
の面照射装置が得られた。

【００１７】本発明の第２の実施例である誘電体バリア
放電ランプを内蔵したキセノン照射装置を図３に示し
た。全長３３０ｍｍの誘電体バリヤ放電ランプ３１と反
射ミラー３３の組みが、３００ｍｍ×３００ｍｍの面積
を有する合成石英製平面照射窓３４を有する匡体３２の
中に４組み、取り付けられている。ランプ１の内側空所
９は水冷を施されている。匡体内は窒素で置換されてい
る。ランプ、ミラーを組合わせることによって、照射窓
３４の表面において、平均３０ｍＷ／ｃｍ²の強度で照
度分布±１０％の領域面積が約２５０ｍｍ×２５０ｍｍ
の広さの面照射装置が得られた。

【００１８】本発明の第３の実施例である誘電体バリア
放電ランプを内蔵したキセノン照射装置を図４に示し
た。照射装置は第２の実施例と同じである。窓枠３５は
２ｍｍ以上窓の外面より突出しているが、平面状試料４
０は照射装置下面まで処理台４３とともに水平に移動
後、その位置で上下搬送用治具４２（処理台４３を装置
の窓部材に近接させる駆動手段）により、窓の外面まで
３ｍｍ以内に搬送される。これにより水平搬送時の高さ
精度がそれほど必要なくなり照射時は照射装置に近づけ
られるので、表面改質、ＵＶ／Ｏ₃洗浄で非常に効果の
大きい照射システムが提供出来た。

【００１９】本発明の第４の実施例は石英ガラス板のＵ
Ｖ／Ｏ₃洗浄である。ガラス板の寸法は２５０ｍｍ×２
５０ｍｍ×１ｍｍである。照射装置は第３の実施例の装
置を使用した。ガラス板は搬送治具で照射装置の下面に
搬送され、窓の外面との距離１ｍｍで照射された。ガラ
ス板の表面はあらかじめ、イソプロピルアルコール（以
下ＩＰＡ）中で５分間超音波洗浄し、水にたいする接触
角が２５度である試料を用いた。照射時間１２秒で接触
角は、石英ガラス板の全域で３度以下になることを確認
した。なお同じ試料を４５０Ｗの低圧水銀灯（波長２５
４ｎｍの強度７０ｍＷ／ｃｍ ²、波長１８５ｎｍの強度
が１４ｍＷ／ｃｍ²）で距離５ｃｍで照射した時、約１
８０秒で３度まで変化し、本発明が非常にすぐれている
ことが理解される。

【００２０】本発明の第５の実施例はシリコンウエハの
ＵＶ／Ｏ₃洗浄である。照射装置と処理台と駆動システ
ムは第３の実施例と同じである。シリコンウエハは、処
理台４３に真空チャックで固定され、上下搬送治具４２
で窓の外面との距離１ｍｍまで近づける。照射前の水の
接触角２０度のウエハが、照射１５秒でその全域が５度
以下となった。

【００２１】本発明の第６の実施例はポリエチルテレフ
タレートの表面改質である。試料の寸法は２５０×２５
０ｍｍ×０．３ｍｍである。処理システムは第３の実施
例と同じである。照射前は水に対する接触角が８０度の
試料が、照射時間２秒でその全域が接触角４０まで変化
した。ＥＳＣＡで表面を観察すると、ＯがＯ／Ｃで０．
３５から０．６５に変化した。表面にＣＯＯＨ、ＯＨ基
などの親水基が導入され、表面が改質されたことが理解
できる。

【００２２】

【発明の効果】本発明は以上の実施例の説明からも理解
出来るように、キセノンもしくはそれを主成分とする放
電ガスを有する誘電体バリア放電ランプを利用する照射
装置において、従来では実現が困難であった大型面照射
装置を比較的容易に提供出来、効果的な洗浄、表面改質
処理技術を提供出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の説明図であって、（イ）は装
置を、ランプの長手方向を横から描いており、（ロ）は
ランプの長手方向から描いている。

【図２】本発明に使用する２重円筒型誘電体バリア放電
ランプの一例の説明図である。

【図３】本発明の他の実施例の説明図である。

【図４】本発明の他の実施例の説明図である。

【符号の説明】

１ 放電容器 ２ 内側管 ３ 外側管 ４ メッシュ電極 ６ ゲッター ７ 放電空間 ８ ゲッター室 ３１ 誘電体バリア放電ランプ ３２ 匡体 ３３ ミラー ３４ 窓部材 ３５ 窓枠もしくはフランジ ３７ 窒素ガス入口 ３８ 窒素ガス出口 ４０ 試料 ４１ 搬送用ローラー ４２ 上下搬送用治具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｌ 21/304 ６４５Ｄ 21/304 ６４５ 21/30 ５７２Ａ (72)発明者 菱沼 宣是 兵庫県姫路市別所町佐土1194番地 ウシオ 電機株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放電容器に誘電体バリア放電によってエキ
   シマを形成する放電用ガスを充した誘電体バリア放電ラ
   ンプを、少なくとも一部が紫外エキシマ光を取り出す窓
   部材でおおった匡体内に、ヘリウム、ネオン、クリプト
   ン、アルゴン、キセノン、水素、窒素から選択された少
   なくとも一種のガスとともに配置してなるキセノン照射
   装置と、このキセノン照射装置の前方に配置した処理台
   と、この処理台を前記装置の窓部材に近接せしめる駆動
   手段とを含むことを特徴とする誘電体バリア放電ランプ
   を使った処理装置。