JPH08124540A

JPH08124540A - キセノン照射装置とそれを用いた物体表面改質装置

Info

Publication number: JPH08124540A
Application number: JP28392294A
Authority: JP
Inventors: Ryushi Igarashi; 龍志五十嵐; Hiromitsu Matsuno; 博光松野; Tatsumi Hiramoto; 立躬平本; Nobuyoshi Hishinuma; 宣是菱沼
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 1994-10-25
Filing date: 1994-10-25
Publication date: 1996-05-17

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】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
平面照射装置を提供すること、さらに該照射装置を使用
した物体表面処理方法を提供する。【構成】少なくとも一部が紫外エキシマ光を取り出す
窓部材３４から構成された概略円筒状の放電容器に、誘
電体バリア放電によってエキシマを形成するキセノン、
もしくはキセノンを主成分とする放電用ガスを満した誘
電体バリア放電ランプ３１を、少なくとも一部が偏平な
紫外エキシマ光を取り出す窓部材３４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。

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の改良
と、その改良されたランプを使う物体表面改質装置もし
くは改質方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明に関連した技術としては例えば、
日本国公開特許公報平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月再版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、１８５ｎｍ）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２７
ａ−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／Ｏ
₃洗浄に有効ということがわかっている。

【０００３】ところで、該ランプを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（¹Ｄ））を作り、有機
物を酸化させ、表面に親水基（ＯＨ基、ＣＯＯＨ基、Ｃ
Ｏ基など）を導入させる必要があるからである。波長１
７２ｎｍ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、７ｍｍ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から１／３、７ｍｍで１
／８になるので、７ｍｍ以内、出来れば窓部材と試料表
面の間を３ｍｍ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, Vol. 46,299-303
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】日本国公開特許公報平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】本発明の目的は、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
提供すること、さらに該照射装置を使用した物体表面処
理方法を提供する事である。

【０００８】

【問題を解決するための手段】上記本発明の目的は、少
なくとも一部が紫外エキシマ光を取り出す窓部材から構
成された概略円筒状の放電容器に、誘電体バリア放電に
よってエキシマを形成するキセノン、もしくはキセノン
を主成分とする放電用ガスを充した誘電体バリア放電ラ
ンプを、少なくとも一部が偏平な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
によって達成できる。

【０００９】さらに、匡体の内面が反射鏡を兼ねている
か、もしくは、匡体内に反射鏡を配置しているか、もし
くは、放電容器の一部が反射特性を具えているかし、匡
体の前方の凸出寸法が、窓部材から５ｍｍ以内にするこ
とによって本発明の目的はより一層達成できる。

【００１０】請求項１に記載したキセノン照射装置と、
この装置の前方に配置した処理台と、この処理台を前記
装置の匡体の窓部材に７ｍｍ以内の距離に近接せしめる
駆動手段とを含む物体表面改質装置を構成すれば、物体
表面を、紫外エキシマ光とオゾンとの協働作用を利用し
て洗浄することが出来る。

【００１１】

【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の光では酸素に吸収され、
１／２から１／３に減衰するのが約３ｍｍの距離で、１
／８に減衰するのが７ｍｍである。円筒状ランプから試
料表面に照射しても、ランプから放射したごく一部の線
状の光しか試料に到達出来ず、線状の光源と等価になっ
てしまう。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。

【００１２】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、１／８まで減衰するには１００
ｍｍ以上である。処理時、上記距離より試料表面にラン
プを容易に近づけられるので、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／
Ｏ₃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。

【００１３】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（７ｍｍ以内、
３ｍｍ以下が望ましい）配置することにより、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。

【００１４】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光
を放射する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。日本国
公開特許公報平５ー１７４７９３号では誘電体バリア放
電ランプを容器に入れ、雰囲気として水などの冷却体を
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、まったく異なる発明である。試料照射の
際、７ｍｍ以内、最も望ましくは３ｍｍ以内で照射させ
るため、水平に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５ｍｍ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７ｍｍ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。放電容器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４０ｍｍ×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の誘電体バリア放電ランプ３１と反
射ミラー３３の組が、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組取り付けられている。ランプ３１の内側空所９は
水冷が施されている。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１５ｍＷ／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。ランプ３１、ミラー３３などは第２の実施例と同じ
で、エキシマ光取り出し窓部材３４および窓枠３５はや
や異なっている。すなわち、照射装置の外側において、
窓部材３４と窓枠が同一平面を形成するようにテーパ処
理を施して組み立てられている。この場合、凸出寸法は
零である。フランジもしくは窓枠は、匡体と一体物とし
て設計するか別体物として設計するかはどちらでも良
い。平面状試料４０は照射窓３４との隙間５ｍｍで搬送
ローラー４１により搬送され、その表面が照射されてい
る。照射装置と試料とを近づけることが出来るので、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５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
１０ｍｍ以上窓の外面より突出しているが、平面状試料
４０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。

【００２０】本発明の第５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３０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／ｃｍ²、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。

【００２１】本発明の第６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４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３ｍｍ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。

【００２２】本発明の第７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２５０ｍｍ×
２５０ｍｍ×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１０秒でその全域が接触角４０度
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
基、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。

【００２３】

【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、ランプの長手方向と直交する方向から描いてお
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。

【図５】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 (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

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一部が紫外エキシマ光を取り
出す窓部材から構成された概略円筒状の放電容器に、誘
電体バリア放電によってエキシマを形成するキセノン、
もしくはキセノンを主成分とする放電用ガスを充した誘
電体バリア放電ランプを、少なくとも一部が偏平な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してなることを特
徴とするキセノン照射装置。
【請求項２】匡体の内面が反射鏡を兼ねているか、も
しくは、匡体内に反射鏡を配置しているか、もしくは、
放電容器の一部が反射特性を具えているかすることを特
徴とする請求項１に記載のキセノン照射装置。
【請求項３】匡体の前方の凸出寸法が、窓部材から５
ｍｍ以内であることを特徴とする請求項１に記載のキセ
ノン照射装置。
【請求項４】請求項１に記載したキセノン照射装置
と、この装置の前方に配置した処理台と、この処理台を
前記装置の匡体の窓部材に７ｍｍ以内の距離に近接せし
める駆動手段とを含むことを特徴とする物体表面改質装
置。
【請求項５】請求項４に記載された物体表面改質装置
を用いて、物体表面を、紫外エキシマ光とオゾンとの協
働作用を利用して洗浄することを特徴とする物体表面洗
浄方法。