EP3586986A1 - Device and method for sub-molecular dry cleaning and/or for coating with a hydrophilic composition the surface of solid bodies - Google Patents

Device and method for sub-molecular dry cleaning and/or for coating with a hydrophilic composition the surface of solid bodies Download PDF

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EP3586986A1
EP3586986A1 EP18179810.9A EP18179810A EP3586986A1 EP 3586986 A1 EP3586986 A1 EP 3586986A1 EP 18179810 A EP18179810 A EP 18179810A EP 3586986 A1 EP3586986 A1 EP 3586986A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
lamp
solid
filter element
gas
process chamber
Prior art date
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Pending
Application number
EP18179810.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hryhoriy STRYHANYUK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Original Assignee
Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
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Publication date
Application filed by Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ filed Critical Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
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Publication of EP3586986A1 publication Critical patent/EP3586986A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B08B7/0035—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like
    • B08B7/0057—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like by ultraviolet radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
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    • B08B7/0035—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like
    • B08B7/005—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like by infrared radiation

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for submolecular dry cleaning and / or for hydrophilizing the surface of solids.
  • the surface of solids is continuously contaminated by the separation of molecules from the air under normal conditions or from residual gas in a vacuum. Even after wet cleaning of the surface with cleaning agent / solvent and water, there are still molecules of the contamination and also of the cleaning agent on the surface.
  • an adhesive bonding i.e. H. to provide a coating with an adhesive
  • application of a lithography structure sensitive analysis and chemical microscopy methods
  • VUV-UV light and free oxygen-containing radicals are used according to the prior art.
  • Such cleaning processes are known, for example, as “ozone cleaning”, “UV ozone cleaning” or “UV light cleaning”. These cleaning processes involve UV radiation, ozone (O 3 ), oxygen radicals activated with UV radiation (O • ) or other oxygen-containing radicals such as the highly reactive hydroxyl radical ( • OH).
  • the photodissociation of ozone (O 3 ) generates significantly more free oxygen radicals (O • ) than the photodissociation of oxygen (O 2 ).
  • the hydroxyl radical ( • OH) is created from ozone and water molecules when UV rays strike.
  • Free oxygen radicals (O • ) activated with VUV-UV radiation are reactive and can oxidize surfaces of organic samples as well as organic molecules adsorbed on a surface and even convert them completely to volatile CO 2 and H 2 O.
  • the equipment available on the market for these processes is not suitable for cleaning the surface of sensitive substrates, such as, for example, thin-film polymers such as Formvar (polyvinyl formal) and Quantifoil®, which are also to be hydrophilized.
  • thin-film polymers such as Formvar (polyvinyl formal) and Quantifoil®
  • TEM networks TEM: transmission electron microscopy
  • a cell suspension is applied to the thin-film polymer and then subjected to immersion freezing.
  • the polymer thin layer must be hydrophilized, otherwise the cells will not adhere.
  • the polymeric thin layers and the surfaces of organic samples are usually thermally overloaded, damaged and even destroyed with continuous UV radiation.
  • Plasma cleaning processes have the disadvantage that the plasma surrounding material is transferred to the surface of the mesh, so that there is no really cleaned surface.
  • the surface only remains hydrophilic for approx. 30 to 60 seconds after cleaning.
  • the device according to the invention and the method according to the invention advantageously offer an option for optimizing the cleaning process for different materials and also an option for optimizing the process parameters during the method. These aspects are explained in more detail below.
  • Dry cleaning means that the surface is not cleaned with solvents or the like, but that the contaminants on the surface of the solid to be cleaned are removed or decomposed by means of the process gases in conjunction with suitable radiation.
  • submolecular means that the organic molecules on the surface to be cleaned (impurity) and also their fragments which arise during cleaning are removed by complete oxidation to CO 2 and H 2 O.
  • a process cell can be introduced into the process chamber.
  • the advantage of using a process cell is that, in particular, sensitive, organic materials, for example in the form of thin layers, since only surface oxidation takes place, can be cleaned without causing any damage to the organic solid by UV radiation can.
  • the process cell can also advantageously be used for the UV light-stimulated deposition of thin layers, for example carbon layers or organic thin layers. Hard samples or other insensitive materials to be cleaned, such as knives or inorganic substrates for special applications, can also be cleaned in the process chamber without the process cell.
  • oxygen and nitrogen, argon or another inert gas are used as collision partners for the formation of ozone and radicals.
  • water vapor is mixed into the process gases as a further process gas component to generate hydroxyl radicals ( • OH) or steam of low molecular weight ketones (acetone) for UV-induced deposition via a precursor dispenser.
  • hydroxyl radicals • OH
  • acetone low molecular weight ketones
  • the process gases are preferably mixed in a necessary manner before being introduced into the process chamber by means of a mixing device and preferably tempered by means of a heat exchanger or the like.
  • the sample table can also be temperature-controlled via a heating device.
  • material stresses in the solid can be avoided.
  • the spectral range provided according to the invention advantageously covers the range from 140 to 160 nm in which the absorption coefficient of oxygen (O 2 ) is up to 100 times greater than at a wavelength of 183 nm, a wavelength that can be provided, for example, with a mercury lamp .
  • a continuous mercury lamp has the disadvantage that sensitive materials, such as thin organic layers, can easily be overheated and destroyed. Generation of ozone by the electrical discharges between electrodes is accompanied by dust production and thus material transfers, which means that impurities can get onto the solid.
  • the spectral range is between 120 and 300 nm and a Xe lamp is particularly preferably used for this purpose, the emission of which covers the range from 120 to 196 nm, that is to say the range in which there is a particularly high absorption coefficient of molecular oxygen is.
  • a Xe lamp is particularly preferably used for this purpose, the emission of which covers the range from 120 to 196 nm, that is to say the range in which there is a particularly high absorption coefficient of molecular oxygen is.
  • ozone produced during the oxygen splitting is split up in the spectral range from 200 to 300 nm and oxygen-containing radicals are formed. Limiting the spectral range limits the effective energy input into the solid so that it can be cleaned gently.
  • This gentle treatment can also be optimized by pulsed radiation.
  • a Xe flash lamp is therefore particularly preferred. According to the invention, however, a lamp with continuous radiation is also suitable.
  • pulsed light can also influence the way the reaction is carried out, since a coordination of the repetition rate, energy of the light pulse and the process gas flow means that ozone formed in the process chamber or the process cell does not occur early, but only on the surface of the solid through the Radiation can be converted to oxygen-containing radicals.
  • the pulse duration is preferably between 1 and 8 ⁇ s, particularly preferably between 2 and 4 ⁇ s, and has an adjustable pulse energy in the range from 0.08 to 0.5 J and preferably an adjustable pulse repetition rate in the range from 1 to 250 Hz.
  • the process chamber of the device according to the invention is formed between a lamp module in which the lamp is arranged and a sample table for the direct or indirect reception of the solid, the process chamber preferably using a flexible bellows attached to the lamp module and the sample table is tight, is sealable from the environment.
  • the bellows is preferably fixed on the lamp module by suitable means and seals when placed on the sample table.
  • this can be introduced and removed into the process chamber, for example on a carrier or the like, in order to facilitate handling if required.
  • the flexible bellows is preferably made of a polymeric material that must be resistant to the activated / aggressive process gases (ozone, oxygen-containing radicals) within the process chamber. These are preferably a silicone or other transparent materials that are resistant to ozone and oxygen-containing radicals.
  • the lamp module serves to reversibly fix or receive a lamp, with the lamp module also making electrical contact with the lamp.
  • a holder for fixing the lamp preferably in a lamp housing, and electrical connections are preferably provided in the interior of the lamp module.
  • the lamp in the lamp housing has on the side facing away from the solid body an element, preferably a reflector, which reflects the corresponding part of the light, preferably in the entire spectral range, and deflects it in the direction of the solid body.
  • an element preferably a reflector, which reflects the corresponding part of the light, preferably in the entire spectral range, and deflects it in the direction of the solid body.
  • the lamp module is part of the gas routing system, which conducts the already tempered process gas mixture into the process chamber via at least one, preferably two, symmetrically placed through openings in the lamp module.
  • the lamp module therefore has at least one connection via which the mixed process gas is supplied.
  • the lamp module can preferably have a manometer, preferably a digital manometer, which is connected to the process chamber via the lamp module.
  • the lamp or the lamp housing has a window through which the light exits into the process chamber.
  • the preferred window material is MgF 2 , which is transparent to light with a wavelength of 120 nm or more.
  • the process cell already mentioned which can advantageously be arranged in the process chamber, preferably with the aid of a quick coupling (magnetic coupling) or the like, is designed to guide the process gases to the solid, to hold an intermediate filter element in the beam path and thus serves to convert the composition of the process gases and the spectral composition starting from the lamp in the direction of the solid to be cleaned.
  • At least one intermediate filter element can be arranged in the beam path of the lamp and the solid body by means of the process cell.
  • the intermediate filter element can consist of different materials, the material is preferably selected from the following group: MgF 2 (transparent from 120 nm), quartz (transparent from 160 nm), sapphire (transparent from 210 nm) and bandpass filter (210 to 300 nm).
  • the intermediate filter element divides the beam path or the space between the lamp, possibly its window and the solid (the surface of the object to be cleaned) into two areas with different functions.
  • molecular oxygen (O 2 ) is split into atomic oxygen with hard VUV radiation (120 to 196 nm), preferably by the Xe flash lamp.
  • atomic oxygen (O) reacts quickly with other oxygen molecules and nitrogen or another gas that acts as a third collision partner and forms ozone molecules (O 3 ).
  • the ozone leaves this first area and is passed into the second area between the intermediate filter element and the solid.
  • the intermediate filter element (quartz, sapphire or bandpass filter) lets the radiation through from approx. 160 nm or 210 nm, for example, so as not to damage a sensitive organic sample directly with the hard VUV radiation.
  • the intermediate filter element limits the space of the process gas mixture to a height of preferably approx. 3 to 5 mm of the first area, this corresponds to a gas volume to be ionized of approx. 2 ml, and thus ensures effective ionization of the oxygen and ozone formation in the process gas mixture and a weakening the hard VUV radiation with a gas flow of preferably 0.2 to 5 L / min and a flash repetition rate of preferably 5 to 50 Hz.
  • the radiation from 160 nm or from 210 nm transmitted with the intermediate filter element causes the formation of ozone molecules in the second area of the process cell above the surface of the solid. This creates oxygen radicals that oxidize the contaminants on the surface of the solid / object to be cleaned.
  • the process cell is formed from a preferably cylindrical hollow body which is open on opposite sides and which preferably has a flange or the like at the free ends in order to have security against tilting during assembly and, in the assembled state, the process chamber to seal between the lamp module and the sample table.
  • the lamp or its lamp housing preferably protrude into the process cell, the lamp housing preferably corresponding to the cross section, preferably the inside diameter of the cylindrical hollow body, so that the lamp housing extends into the hollow body.
  • the process cell is preferably held on the lamp module by means of a fixation, preferably by magnetic means.
  • At least 1, preferably 2 or more, radially distributed inlet openings with a total cross section of at least 70 mm 2 are provided in the outer surface of the hollow body, through which the process gases can enter the hollow body of the process cell below the lamp or lamp housing from the process chamber.
  • a means is preferably provided adjacent to the inlet openings on the side facing away from the lamp, in order to direct the incoming process gases, preferably into the center of the hollow body, so that these get directly into the beam path of the light.
  • This means is preferably a circumferential shoulder, so that there remains space in the center for guiding the process gases further towards the sample table.
  • this space is delimited by the intermediate filter element, which is held in the interior of the hollow body by means.
  • These means can be designed differently, it is essential that there is space between the intermediate filter element and the inner wall of the hollow body, in which there are at least one, preferably two or more through openings in the direction of the sample table.
  • This means is in turn a circumferential shoulder on which the intermediate filter element rests and in which at least one, preferably two or more through openings with a total cross section of at least 45 mm 2 are provided.
  • the process gases penetrate through the axial through openings to the solid.
  • the process gases are preferably directed towards the solid body, that is to say into the center, by an agent.
  • This is in turn preferably a circumferential shoulder, which preferably has a bevelled side for guiding the process gases.
  • the gas routing system of the device is preferably designed such that the composition of the process gas or gases, their pressure and their temperature can be controlled before and during the process, the process gases being fed into and out of the process chamber.
  • the gas routing system has various means, such as preferably mixing devices, gas flow meters, heat exchangers, valves, pumps and the like.
  • the gas routing system has a connection for one or more analysis devices, preferably a spectrophotometer and residual gas analyzer (RGA) for analyzing the reaction products when optimizing the cleaning and thin-film deposition processes in the reaction chamber / cell of the device.
  • analysis devices preferably a spectrophotometer and residual gas analyzer (RGA) for analyzing the reaction products when optimizing the cleaning and thin-film deposition processes in the reaction chamber / cell of the device.
  • the gas routing system preferably has gas flow meters with which the flows of each process gas can be set separately and the discharge flow can be set.
  • the gas flows are preferably in the range from 0.2 to 15 L / min.
  • the gas flow and the repetition rate of the light pulse are optimized depending on the ozone content in the derived process gas. During the optimization, the gas pressure and the working distance between the lamp and the solid can also be adjusted.
  • the process gases are preferably suctioned off after the process chamber via gas flow meters, either with the aid of a suction nozzle or released freely.
  • the pressure in the process chamber can preferably be set with valves, preferably needle valves, and the suction nozzle.
  • a flushing / shielding gas mixture (1/1, e.g. O 2 / N 2 or O 2 / Ar) with a flow of up to approx. 15 L / min can be opened by connecting the individual gas valves of the different process gases directly to the Process chamber for rinsing and protecting the sample.
  • the introduction of the process gases lasts from a few seconds (to protect the sample during inward and outward transfer / arrangement and removal) to several hours (flushing).
  • the duration of the shield gas flow can be z. B. 2 min with a suitable agent, for example be limited by means of a time relay in order to have your hands free in the event of the sample being removed / removed.
  • the device preferably has means for controlling the individual components of the device, which can be operated manually or also by a computer-aided control device.
  • control device is used to control the gas routing system and the lamp, in order to ensure that the procedure during the process is aligned with the corresponding solid body.
  • the device preferably has a stand on which the lamp module and the sample table are arranged and which is designed to vary the distance between the lamp module and the sample table.
  • the adjustable working distance is d. H. the distance between the lamp and the sample between 1 and 25 mm.
  • the bellows is always sealing against the lamp module, to which the bellows is preferably attached, and the sample table.
  • the work area is not limited by the tripod, but by the elastic bellows, which of course can be adapted by appropriate geometry design.
  • the entire setting range of the stand which is larger than the working range, enables the solid to be arranged and removed from the sample table and / or the process cell, since the distance can be increased in such a way that the bellows lifts off the sample table and the solid or process cell is accessible are.
  • the device has various means which are generally known to the person skilled in the art and which the person selects in order to provide the above-described device with the required functions and to carry out the method.
  • the device and the method according to the invention can advantageously be used in a variety of ways, for example for cleaning an Si substrate before spin coating it or loading it with thin sections, for hydrophilizing Quantifoil TEM grids and for cleaning / hydrophilizing a knife for ultramicrotomy.
  • a process chamber 10 is shown for a device according to the invention, otherwise not shown.
  • the process chamber 10 is formed between a lamp module 12 and a sample table 14 and is delimited and sealed from the environment by an elastic chamber bellows 16, preferably made of silicone.
  • the lamp module 12 has two gas inlets 13 for process gases (gas flows are shown by arrows) which are mixed and tempered before being introduced into the process chamber 10.
  • the solid 22 to be treated is arranged lying on the sample table 14 in the process cell 18.
  • the cylindrical hollow body 20 has a flange 24 at both ends, which are aligned with the lamp module 12 or the sample table 14, in order to ensure a secure stand and secure support without tilting relative to the lamp module 12 and the sample table 14.
  • the process cell 18 is held on the lamp module 12 by magnetic means 19. The process cell 18 is positioned by pushing it onto the lamp housing 28. The process cell 18 can thus be easily positioned without tools and removed from the process chamber 10 again.
  • the lamp 26 has two electrodes 30, between which the flash discharge 32 takes place.
  • a reflector 34 is arranged on the side of the lamp 26 facing the lamp module 12, so that the generated light 36 (indicated by arrows) is guided either directly or by reflection in the direction of the sample table 14.
  • An exit opening 38 is provided in the lamp housing 28 in the direction of the sample table 14 for the exit of the light 36, said exit opening being closed with a window 39 made of MgF 2 in order to achieve the spectral range of the lamp emission from 120 nm.
  • the cylindrical hollow body 20 has in its lateral surface below the lamp housing 28 inlet openings 40 for the process gases, which enter the interior of the process cell 18 from the process chamber 10.
  • inlet openings 40 for the process gases which enter the interior of the process cell 18 from the process chamber 10.
  • three shoulders 42, 44, 46 which are circumferentially spaced apart are formed in the interior of the process cell 18 or in the cylindrical hollow body 20, the inner diameter of the hollow body 20 being reduced only in the area of the heels 42, 44, 46.
  • the first shoulder 42 is arranged in the direction of the sample table 14 below the inlet openings 40, so that the process gases flowing in through the inlet openings 40 lead to the center, ie into the region below the outlet opening 38 for the light 36.
  • the inner diameter reduced by the first paragraph 42 corresponds to the diameter of the outlet opening 38 for the light 36.
  • Below the first paragraph 42 the space for the incoming process gases is delimited by an intermediate filter element 48 which rests with its edge on the second paragraph 44.
  • through openings 50 are provided between the inner wall of the cylindrical hollow body 20 and the intermediate filter element 48, ie the area of the second paragraph 44 that is not covered by the intermediate filter element 48, which further process gases in the direction of the solid body 22 on the sample table 14 lead.
  • the process gases after passing through the through openings 50 meet the third shoulder 46, the side of which facing the second paragraph is beveled.
  • the process gases are guided into the center of the process cell 18 and thereby meet the Solids 22.
  • the process gases after sweeping over the solid 22, the process gases reach outlet openings 52 provided in the sample table 14, through which the process gases are discharged from the process chamber 10 and preferably analytical devices (not shown here) for determining the composition of the derived process gases with desorption - And reaction products are supplied.
  • the cleaning process takes place in the cleaning chamber described above in detail as follows.
  • Molecular oxygen (O 2 ) (part of the process gas mixture) is split into atomic oxygen within the process cell 18 by means of hard VUV radiation 36, which is generated by the Xe flash lamp 26.
  • the atomic oxygen (O) reacts quickly in the area of the process cell 18 between the window 39 and the intermediate filter element 48 with other oxygen molecules and with nitrogen (component of the process gases) as a third collision partner and forms ozone molecules (O 3 ).
  • the ozone leaves this area together with the other constituents of the process gas and passes through the through openings 50 in the third paragraph 46 around the intermediate filter element 48.
  • the intermediate filter element 48 for example made of quartz or sapphire, mainly only allows the UV radiation, i. H. from 160 nm or 210 nm in order not to directly damage the solid 22, which can be a sensitive organic sample, with the hard VUV radiation.
  • the intermediate filter element 48 limits the height of the area between the window 39 and the intermediate filter element 48, for example to approximately 3 to 5 mm. This area thus offers, for example, space for approx. 2 mL process gas for ionization and thus enables effective ionization of the process gas and attenuation of the hard VUV radiation with a gas flow of, for example, 0.5 to 5 L / min and, for example, a flash repetition rate of 5 to 50 Hz.
  • the material of the intermediate filter element 48 can be chosen, for example, between MgF 2 , quartz, sapphire or a bandpass filter (210 to 300 nm).
  • the UV radiation transmitted by the intermediate filter element 48 will ionize the ozone molecules in the range described above.
  • the resulting oxygen radicals oxidize the impurities on the surface of the solid 22.
  • Hard samples of different geometries are cleaned in the process chamber even without the process cell.
  • the process cell 18 is only used for cleaning sensitive organic samples and for the UV light-stimulated deposition of organic thin layers.

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren (100) zur submolekularen Trockenreinigung und/oder Hydrophilisierung der Oberfläche von Festkörpern bereitgestellt aufweisend eine gegenüber der Umgebung gasdicht abgeschlossene oder abschließbare Prozesskammer (10) zur Aufnahme eines Festkörpers (22), eine Lampe (26) mit einem Spektralbereich von 120 bis 800 nm, die eingerichtet ist, in die Prozesskammer (10) einzustrahlen, und ein Gasführungssystem, das zur Zu- und Ableitung von einem oder mehreren Prozessgasen in die und aus der Prozesskammer (10) eingerichtet ist.A device and a method (100) for submolecular dry cleaning and / or hydrophilization of the surface of solids are provided, comprising a process chamber (10) which is gas-tight or closable from the environment for receiving a solid (22), a lamp (26) with a Spectral range from 120 to 800 nm, which is set up to radiate into the process chamber (10), and a gas guide system, which is set up to feed and discharge one or more process gases into and out of the process chamber (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur submolekularen Trockenreinigung und/oder zur Hydrophilisierung der Oberfläche von Festkörpern.The invention relates to a device and a method for submolecular dry cleaning and / or for hydrophilizing the surface of solids.

Durch eine Abscheidung von Molekülen aus der Luft unter Normalbedingungen oder auch aus Restgas im Vakuum wird die Oberfläche von Festkörpern kontinuierlich verschmutzt. Selbst nach einer Nassreinigung der Oberfläche mit Reinigungs-/Lösungsmittel und Wasser finden sich noch Moleküle der Verunreinigung und zudem des Reinigungsmittels auf der Oberfläche.The surface of solids is continuously contaminated by the separation of molecules from the air under normal conditions or from residual gas in a vacuum. Even after wet cleaning of the surface with cleaning agent / solvent and water, there are still molecules of the contamination and also of the cleaning agent on the surface.

Die auf der Oberfläche von Festkörpern abgeschiedenen, üblicherweise organischen Moleküle verändern die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Oberfläche, d. h. diese verfälschen deren Zusammensetzung, reduzieren eine Adhäsion, verursachen Hydrophobizität und dergleichen, so dass bei vielen industriellen Verfahren, denen Festkörper unterzogen werden können, wie beispielsweise Dünnschichtabscheidung, Verklebung und Lithographie, eine störende und zerstörende Wirkung gegeben ist.The usually organic molecules deposited on the surface of solids change the chemical and physical properties of the surface, i. H. these falsify their composition, reduce adhesion, cause hydrophobicity and the like, so that many industrial processes to which solids can be subjected, such as thin-film deposition, bonding and lithography, have a disruptive and destructive effect.

Um die Reste der organischen Reinigungsmittel sowie die adsorbierten Molekülen der ursprünglichen Verunreinigung zu eliminieren und damit eine saubere und hydrophilisierte Oberfläche für beispielsweise eine Beschichtung optischer Elemente, eine Verklebung, d. h. eine Beschichtung mit einem Kleber, Aufbringung einer Lithographiestruktur, empfindliche Analytik und chemische Mikroskopieverfahren bereitzustellen, werden nach dem Stand der Technik VUV-UV Licht und freie sauerstoffhaltige Radikale eingesetzt.In order to eliminate the residues of the organic cleaning agents as well as the adsorbed molecules of the original contamination and thus a clean and hydrophilized surface for, for example, a coating of optical elements, an adhesive bonding, i.e. H. to provide a coating with an adhesive, application of a lithography structure, sensitive analysis and chemical microscopy methods, VUV-UV light and free oxygen-containing radicals are used according to the prior art.

Solche Reinigungsprozesse sind als beispielsweise "Ozon-Reinigung", "UV-Ozon-Reinigung" oder eine "UV-Licht-Reinigung" bekannt. Bei diesen Reinigungsprozessen sind UV-Strahlung, Ozon (O3), mit der UV-Strahlung aktivierte Sauerstoffradikale (O•) oder auch andere sauerstoffhaltige Radikale wie das hochreaktive Hydroxyl-Radikal (•OH)·beteiligt.Such cleaning processes are known, for example, as "ozone cleaning", "UV ozone cleaning" or "UV light cleaning". These cleaning processes involve UV radiation, ozone (O 3 ), oxygen radicals activated with UV radiation (O • ) or other oxygen-containing radicals such as the highly reactive hydroxyl radical ( • OH).

Durch Absorption harter VUVA/akuum-Ultravioletter-Strahlung durch O2-Moleküle (Absorptionskante des Sauerstoffs definiert die 196 nm Grenze des Vakuum-Ultraviolett-Spektralbereiches, VUV) entsteht atomarer Sauerstoff in Form einzelner Sauerstoffatome, der schnell mit O2 Molekülen reagiert und O3 Ozonmoleküle bildet. Die O3 Ozonmoleküle sind relativ stabil und weisen unter Normalbedingungen eine Lebensdauer von ca. 20 min auf. Bei der Bestrahlung der Ozon-Moleküle mit UV-Licht mit einer Wellenlänge innerhalb des Spektralbereiches von 200-300 nm findet deren starke Photodissoziation statt (Hartley-Absorptionsbande mit ca. 250 nm Maximum). Bei der Photodissoziation des Ozons (O3) entstehen wesentlich mehr freie Sauerstoffradikale (O•) als bei der Photodissoziation des Sauerstoffs (O2). Das Hydroxyl-Radikal (•OH) entsteht aus Ozon und Wassermolekülen beim Auftreffen von UV-Strahlen.Absorption of hard VUVA / vacuum ultraviolet radiation by O 2 molecules (absorption edge of the oxygen defines the 196 nm limit of the vacuum ultraviolet spectral range, VUV) produces atomic oxygen in the form of individual oxygen atoms, which reacts quickly with O 2 molecules and O 3 forms ozone molecules. The O 3 ozone molecules are relatively stable and have a lifespan of approx. 20 min under normal conditions. When the ozone molecules are irradiated with UV light with a wavelength within the spectral range of 200-300 nm, their strong photodissociation takes place (Hartley absorption band with approximately 250 nm maximum). The photodissociation of ozone (O 3 ) generates significantly more free oxygen radicals (O • ) than the photodissociation of oxygen (O 2 ). The hydroxyl radical ( • OH) is created from ozone and water molecules when UV rays strike.

Mit der VUV-UV-Strahlung aktivierte freie Sauerstoffradikale (O•) sind reaktiv und können Oberflächen organischer Proben sowie auf einer Oberfläche adsorbierte organische Moleküle oxidieren und diese sogar vollständig bis zu flüchtigen CO2 und H2O umsetzen.Free oxygen radicals (O • ) activated with VUV-UV radiation are reactive and can oxidize surfaces of organic samples as well as organic molecules adsorbed on a surface and even convert them completely to volatile CO 2 and H 2 O.

Jedoch ist die auf dem Markt verfügbare Ausrüstung zu diesen Verfahren nicht zur Reinigung der Oberfläche empfindlicher Substrate, wie beispielsweise bei Dünnschicht-Polymeren, wie Formvar (Polyvinylformal) und Quantifoil®, die zudem hydrophilisiert werden sollen, geeignet. Diese Polymerfolien werden beispielsweise auf TEM-Netzchen (TEM: Transmissionselektronenmikroskopie) mit einem Durchmesser von 3,05 mm) aufgebracht, um darauf mikrobielle Zellen zu immobilisieren. Dazu wird eine Zellsuspension auf das Dünnschicht-Polymer aufgebracht und anschließend einer Tauchfrierung unterzogen. Die polymere Dünnschicht muss dabei hydrophilisiert vorliegen, da sonst die Zellen nicht haften. Bei den UV-Ozon-Reinigungsverfahren mit auf dem Markt verfügbaren Geräten werden die polymeren Dünnschichten sowie die Oberflächen organischer Proben mit kontinuierlicher UV-Strahlung üblicherweise thermisch überlastet, beschädigt und sogar zerstört.However, the equipment available on the market for these processes is not suitable for cleaning the surface of sensitive substrates, such as, for example, thin-film polymers such as Formvar (polyvinyl formal) and Quantifoil®, which are also to be hydrophilized. These polymer films are applied, for example, to TEM networks (TEM: transmission electron microscopy) with a diameter of 3.05 mm) in order to immobilize microbial cells thereon. For this purpose, a cell suspension is applied to the thin-film polymer and then subjected to immersion freezing. The polymer thin layer must be hydrophilized, otherwise the cells will not adhere. In the UV ozone cleaning processes with devices available on the market, the polymeric thin layers and the surfaces of organic samples are usually thermally overloaded, damaged and even destroyed with continuous UV radiation.

Eine Nassreinigung ist für die mit Formvar oder Quantifoil® bedeckten TEM-Netzchen ausgeschlossen, weil die Polymerdünnschicht sehr leicht durch die Kräfte der Oberflächenspannung des Wassers zerstört wird.Wet cleaning is not possible for the TEM mesh covered with Formvar or Quantifoil®, because the polymer thin layer is very easily destroyed by the forces of the surface tension of the water.

Plasmareinigungsverfahren haben den Nachteil, dass eine Übertragung des Plasmaumgebungsmaterials auf die Oberfläche des Netzchens erfolgt, so dass keine wirklich gereinigte Oberfläche vorliegt. Zudem bleibt die Oberfläche nach der Reinigung nur ca. 30 bis 60 sec hydrophil.Plasma cleaning processes have the disadvantage that the plasma surrounding material is transferred to the surface of the mesh, so that there is no really cleaned surface. In addition, the surface only remains hydrophilic for approx. 30 to 60 seconds after cleaning.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung von Oberflächen von Festkörpern zu schaffen, die bzw. das zumindest teilweise die Nachteile des Standes der Technik überwindet.It is therefore an object of the invention to provide a device and a method for cleaning surfaces of solids which at least partially overcomes the disadvantages of the prior art.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is achieved by a device and a method with the features of the independent claims. Advantageous refinements are characterized in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren bieten vorteilhafterweise eine Optimierungsmöglichkeit des Reinigungsprozess für verschiedene Materialien und auch eine Optimierungsmöglichkeit der Prozessparameter während des Verfahrens. Nachstehend werden diese Aspekte noch eingehend erläutert.The device according to the invention and the method according to the invention advantageously offer an option for optimizing the cleaning process for different materials and also an option for optimizing the process parameters during the method. These aspects are explained in more detail below.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur submolekularen Trockenreinigung und/oder zur Hydrophilisierung der Oberfläche von Festkörpern bereitgestellt, die folgende Merkmale aufweist:

  • eine gegenüber der Umgebung gasdicht abgeschlossene oder abschließbare Prozesskammer zur Aufnahme eines Festkörpers, dessen Oberfläche behandelt werden soll,
  • eine Lampe mit einem Spektralbereich von 120-800 nm, die eingerichtet ist, in die Prozesskammer einzustrahlen, und
  • ein Gasführungssystem, das eingerichtet ist, ein oder mehrere Prozessgase in die Prozesskammer und eine resultierende Gasmischung mit Reaktionsprodukten aus der Prozesskammer zu leiten.
According to the invention, a device for submolecular dry cleaning and / or for hydrophilizing the surface of solids is provided, which has the following features:
  • a process chamber which is sealed or lockable in a gas-tight manner with respect to the environment for receiving a solid whose surface is to be treated,
  • a lamp with a spectral range of 120-800 nm, which is set up to radiate into the process chamber, and
  • a gas routing system that is configured to conduct one or more process gases into the process chamber and a resulting gas mixture with reaction products from the process chamber.

Es wird weiterhin ein Verfahren zur submolekularen Trockenreinigung und/oder zur Hydrophilisierung der Oberfläche von Festkörpern bereitgestellt, aufweisend die nachfolgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge:

  • Bereitstellen des Festkörpers,
  • Herstellen einer den Festkörper umgebenden Gasatmosphäre aus einem oder mehreren Prozessgasen,
  • Aufrechterhalten der Gasatmosphäre während einer Bestrahlung der Gasatmosphäre mit Licht im Spektralbereich von 120-800 nm.
A method for submolecular dry cleaning and / or for hydrophilizing the surface of solids is also provided, comprising the following steps in the order given:
  • Providing the solid,
  • Producing a gas atmosphere surrounding the solid from one or more process gases,
  • Maintaining the gas atmosphere during irradiation of the gas atmosphere with light in the spectral range from 120-800 nm.

Trockenreinigung bedeutet, dass die Oberfläche nicht mit Lösungsmitteln oder dgl. gereinigt wird, sondern dass eine Entfernung bzw. Zersetzung der Verunreinigungen auf der Oberfläche des zu reinigenden Festkörpers mittels der Prozessgase in Verbindung mit einer geeigneten Strahlung erfolgt.Dry cleaning means that the surface is not cleaned with solvents or the like, but that the contaminants on the surface of the solid to be cleaned are removed or decomposed by means of the process gases in conjunction with suitable radiation.

Nachstehende Ausführungen betreffen, auch wenn es nicht explizit beschrieben ist, die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren gleichermaßen.The following statements, even if not explicitly described, relate equally to the device and the method according to the invention.

Submolekular bedeutet in diesem Kontext, dass die auf der zu reinigenden Oberfläche befindlichen organischen Moleküle (Verunreinigung) und auch deren bei der Reinigung entstehenden Fragmente durch vollständige Oxidation zu CO2 und H2O entfernt werden.In this context, submolecular means that the organic molecules on the surface to be cleaned (impurity) and also their fragments which arise during cleaning are removed by complete oxidation to CO 2 and H 2 O.

In die Prozesskammer kann nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Prozesszelle eingebracht sein.According to a particularly preferred embodiment of the invention, a process cell can be introduced into the process chamber.

Der Vorteil der Verwendung einer Prozesszelle besteht darin, dass insbesondere empfindliche, organische Materialien, beispielsweise in Form von Dünnschichten, da ausschließlich eine Oberflächenoxidation erfolgt, gereinigt werden können, ohne dass es zu einer wie auch immer gearteten Schädigung des organischen Festkörpers durch UV-Bestrahlung kommen kann. Auch kann die Prozesszelle vorteilhafterweise für die UV-Licht stimulierte Abscheidung von Dünnschichten, beispielsweise Kohlenstoffschichten oder organische Dünnschichten, verwendet werden. Harte Proben oder sonstige unempfindliche, zu reinigende Materialien, beispielsweise Messer oder anorganische Substrate für spezielle Anwendungen, können in der Prozesskammer auch ohne die Prozesszelle gereinigt werden.The advantage of using a process cell is that, in particular, sensitive, organic materials, for example in the form of thin layers, since only surface oxidation takes place, can be cleaned without causing any damage to the organic solid by UV radiation can. The process cell can also advantageously be used for the UV light-stimulated deposition of thin layers, for example carbon layers or organic thin layers. Hard samples or other insensitive materials to be cleaned, such as knives or inorganic substrates for special applications, can also be cleaned in the process chamber without the process cell.

Die Funktion der Prozesszelle wird im Rahmen der Beschreibung noch näher erläutert.The function of the process cell is explained in more detail in the context of the description.

Als Prozessgase werden Sauerstoff und Stickstoff, Argon oder ein anderes inertes Gas als Stoßpartner für die Bildung von Ozon und Radikalen verwendet.As process gases, oxygen and nitrogen, argon or another inert gas are used as collision partners for the formation of ozone and radicals.

Optional wird über einen Precursorspender Wasserdampf als weitere Prozessgaskomponente zur Erzeugung von Hydroxyl-Radikalen (•OH) oder Dampf niedermolekularer Ketone (Aceton) zur UV-induzierten Abscheidung Kohlenstoff-Dünnschichten in die Prozessgase eingemischt. Andere Beimischungen können je nach Bedarf zur Erzeugung spezifischer Schichten vorgenommen werden.Optionally, water vapor is mixed into the process gases as a further process gas component to generate hydroxyl radicals ( • OH) or steam of low molecular weight ketones (acetone) for UV-induced deposition via a precursor dispenser. Other admixtures can be made as needed to create specific layers.

Die Prozessgase werden vorzugsweise vor Einleitung in die Prozesskammer in erforderlicher Weise mittels einer Mischeinrichtung gemischt und vorzugsweise mittels eines Wärmetauschers oder dergleichen temperiert.The process gases are preferably mixed in a necessary manner before being introduced into the process chamber by means of a mixing device and preferably tempered by means of a heat exchanger or the like.

Um einen übermäßigen Temperaturabfall beim Auftreffen der Prozessgase auf den zu reinigenden Festkörper, insbesondere zum Anfang des Reinigungsverfahrens zu vermeiden, kann der Probentisch ebenfalls über eine Heizungseinrichtung temperierbar sein. Zudem können dadurch Materialspannungen im Festkörper vermieden werden.In order to avoid an excessive drop in temperature when the process gases impinge on the solid to be cleaned, in particular at the beginning of the cleaning process, the sample table can also be temperature-controlled via a heating device. In addition, material stresses in the solid can be avoided.

Vorteilhafterweise wird durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Spektralbereich der Bereich von 140 bis 160 nm abgedeckt, in dem der Absorptionskoeffizient von Sauerstoff (O2) bis zu 100x größer als bei einer Wellenlänge von 183 nm ist, einer Wellenlänge, die beispielsweise mit einer Quecksilberlampe bereitstellt werden kann. Zudem ist bei einer kontinuierlichen Quecksilberlampe nachteilig, dass damit empfindliche Materialien, wie organische Dünnschichten, leicht überhitzt und zerstört werden können. Erzeugung des Ozons durch die elektrischen Entladungen zwischen Elektroden ist mit Staubproduktion und damit Materialübertragungen begleitet, d. h., dass Verunreinigungen auf den Festkörper gelangen können.The spectral range provided according to the invention advantageously covers the range from 140 to 160 nm in which the absorption coefficient of oxygen (O 2 ) is up to 100 times greater than at a wavelength of 183 nm, a wavelength that can be provided, for example, with a mercury lamp , In addition, a continuous mercury lamp has the disadvantage that sensitive materials, such as thin organic layers, can easily be overheated and destroyed. Generation of ozone by the electrical discharges between electrodes is accompanied by dust production and thus material transfers, which means that impurities can get onto the solid.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Spektralbereich zwischen 120 und 300 nm und besonders bevorzugt wird dazu eine Xe-Lampe eingesetzt, deren Emission den Bereich von 120 bis 196 nm abdeckt, also den Bereich, in dem ein besonders hoher Absorptionskoeffizient molekularen Sauerstoffs gegeben ist. Gleichzeitig wird während der Sauerstoffspaltung produziertes Ozon in dem Spektralbereich von 200 bis 300 nm aufgespalten und sauerstoffhaltige Radikale gebildet. Dabei wird durch Begrenzung des Spektralbereichs der effektive Energieeintrag in den Festkörper limitiert, so dass dieser materialschonend gereinigt werden kann.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the spectral range is between 120 and 300 nm and a Xe lamp is particularly preferably used for this purpose, the emission of which covers the range from 120 to 196 nm, that is to say the range in which there is a particularly high absorption coefficient of molecular oxygen is. At the same time, ozone produced during the oxygen splitting is split up in the spectral range from 200 to 300 nm and oxygen-containing radicals are formed. Limiting the spectral range limits the effective energy input into the solid so that it can be cleaned gently.

Diese schonende Behandlung kann zudem durch eine gepulste Strahlung optimiert werden. Daher ist eine Xe-Blitzlampe besonders bevorzugt. Erfindungsgemäß ist aber auch eine Lampe mit einer kontinuierlichen Strahlung geeignet.This gentle treatment can also be optimized by pulsed radiation. A Xe flash lamp is therefore particularly preferred. According to the invention, however, a lamp with continuous radiation is also suitable.

Durch den Einsatz von gepulstem Licht kann zudem die Reaktionsführung beeinflusst werden, da eine Abstimmung von Wiederholungsrate, Energie des Lichtpulses und dem Prozessgasfluss dazu führt, dass gebildetes Ozon in der Prozesskammer bzw. der Prozesszelle nicht frühzeitig, sondern erst an der Oberfläche des Festkörpers durch die Bestrahlung zu sauerstoffhaltigen Radikalen umgesetzt werden kann.The use of pulsed light can also influence the way the reaction is carried out, since a coordination of the repetition rate, energy of the light pulse and the process gas flow means that ozone formed in the process chamber or the process cell does not occur early, but only on the surface of the solid through the Radiation can be converted to oxygen-containing radicals.

Die Pulsdauer liegt vorzugsweise zwischen 1 und 8 µs, besonders bevorzugt zwischen 2 und 4 µs und weist eine einstellbare Pulsenergie im Bereich von 0.08 bis 0.5 J auf und vorzugsweise eine einstellbare Pulswiederholungsrate im Bereich von 1 bis 250 Hz.The pulse duration is preferably between 1 and 8 μs, particularly preferably between 2 and 4 μs, and has an adjustable pulse energy in the range from 0.08 to 0.5 J and preferably an adjustable pulse repetition rate in the range from 1 to 250 Hz.

Die Prozesskammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform zwischen einem Lampenmodul, in dem die Lampe angeordnet ist, und einem Probentisch zur unmittelbaren oder mittelbaren Aufnahme des Festkörpers ausgebildet, wobei die Prozesskammer vorzugsweise mittels eines flexiblen Kammerbalgs, der an dem Lampenmodul und dem Probentisch dichtend anliegt, gegenüber der Umgebung abdichtbar ist. Vorzugsweise ist der Kammerbalg am Lampenmodul über geeignete Mittel festgelegt und dichtet beim Aufsetzen auf dem Probentisch ab.According to a particularly preferred embodiment, the process chamber of the device according to the invention is formed between a lamp module in which the lamp is arranged and a sample table for the direct or indirect reception of the solid, the process chamber preferably using a flexible bellows attached to the lamp module and the sample table is tight, is sealable from the environment. The bellows is preferably fixed on the lamp module by suitable means and seals when placed on the sample table.

Bei der mittelbaren Anordnung des Festkörpers kann dieser beispielsweise auf einem Träger oder dergleichen in die Prozesskammer eingebracht und entnommen werden, um die Handhabung bei Bedarf zu erleichtern.In the case of the indirect arrangement of the solid body, this can be introduced and removed into the process chamber, for example on a carrier or the like, in order to facilitate handling if required.

Vorzugsweise ist der flexible Kammerbalg aus einem polymeren Werkstoff ausgebildet, der gegenüber den aktivierten/aggressiven Prozessgasen (Ozon, sauerstoffhaltige Radikale) innerhalb der Prozesskammer beständig sein muss. Vorzugsweise sind dies ein Silikon oder andere transparente Materialien, die gegenüber Ozon und sauerstoffhaltigen Radikalen beständig sind.The flexible bellows is preferably made of a polymeric material that must be resistant to the activated / aggressive process gases (ozone, oxygen-containing radicals) within the process chamber. These are preferably a silicone or other transparent materials that are resistant to ozone and oxygen-containing radicals.

Das Lampenmodul dient, wie bereits ausgeführt, der reversiblen Festlegung bzw. Aufnahme einer Lampe, wobei über das Lampenmodul auch eine elektrische Kontaktierung der Lampe erfolgt.As already stated, the lamp module serves to reversibly fix or receive a lamp, with the lamp module also making electrical contact with the lamp.

Eine Halterung zur Fixierung der Lampe, vorzugsweise in einem Lampengehäuse, sowie elektrische Anschlüsse sind vorzugsweise im Inneren des Lampenmoduls vorgesehen. Der eigentliche Lampenkörper, der das Licht abgibt, ragt aus dem Lampenmodul heraus.A holder for fixing the lamp, preferably in a lamp housing, and electrical connections are preferably provided in the interior of the lamp module. The actual lamp body, which emits the light, protrudes from the lamp module.

Um die Ausbeute an Licht zu optimieren, weist die Lampe im Lampengehäuse auf der von dem Festkörper abgewandten Seite ein Element, vorzugsweise einen Reflektor auf, der den entsprechenden Teil des Lichts, vorzugsweise im gesamten Spektralbereich reflektiert und in Richtung des Festkörpers umlenkt.In order to optimize the yield of light, the lamp in the lamp housing has on the side facing away from the solid body an element, preferably a reflector, which reflects the corresponding part of the light, preferably in the entire spectral range, and deflects it in the direction of the solid body.

Zudem ist das Lampenmodul Teil des Gasführungssystems, das über mindestens eine, bevorzugt zwei symmetrisch platzierte Durchgangsöffnungen im Lampenmodul die schon temperierte Prozessgasmischung in die Prozesskammer leitet. Daher weist das Lampenmodul mindestens einen Anschluss auf, über den das gemischte Prozessgas zugeführt wird.In addition, the lamp module is part of the gas routing system, which conducts the already tempered process gas mixture into the process chamber via at least one, preferably two, symmetrically placed through openings in the lamp module. The lamp module therefore has at least one connection via which the mixed process gas is supplied.

Vorzugsweise kann das Lampenmodul ein Manometer aufweisen, vorzugsweise ein digitales Manometer, das über das Lampenmodul mit der Prozesskammer verbunden ist.The lamp module can preferably have a manometer, preferably a digital manometer, which is connected to the process chamber via the lamp module.

Die Lampe bzw. das Lampengehäuse weist ein Fenster auf, durch das das Licht in die Prozesskammer austritt. Als Fenstermaterial wird vorzugsweise MgF2 gewählt, das für das Licht mit Wellenlänge ab 120 nm durchlässig ist.The lamp or the lamp housing has a window through which the light exits into the process chamber. The preferred window material is MgF 2 , which is transparent to light with a wavelength of 120 nm or more.

Die bereits genannte Prozesszelle, die vorteilhafterweise in der Prozesskammer, vorzugsweise mit Hilfe einer Schnellkupplung (Magnetkupplung) oder dergleichen angeordnet werden kann, ist zur Führung der Prozessgase zum Festkörper, zur Halterung eines Zwischenfilterelements im Strahlengang ausgebildet und dient somit der Umwandlung der Zusammensetzung der Prozessgase und der spektralen Zusammensetzung ausgehend von der Lampe in Richtung des zu reinigenden Festkörpers.The process cell already mentioned, which can advantageously be arranged in the process chamber, preferably with the aid of a quick coupling (magnetic coupling) or the like, is designed to guide the process gases to the solid, to hold an intermediate filter element in the beam path and thus serves to convert the composition of the process gases and the spectral composition starting from the lamp in the direction of the solid to be cleaned.

So kann vorzugsweise mittels der Prozesszelle zumindest ein Zwischenfilterelement im Strahlengang der Lampe und dem Festkörper angeordnet werden.For example, at least one intermediate filter element can be arranged in the beam path of the lamp and the solid body by means of the process cell.

Das Zwischenfilterelement kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen, vorzugsweise ist das Material ausgewählt aus nachfolgender Gruppe: MgF2 (transparent ab 120 nm), Quarz (transparent ab 160 nm), Saphir (transparent ab 210 nm) und Bandpassfilter (210 bis 300 nm).The intermediate filter element can consist of different materials, the material is preferably selected from the following group: MgF 2 (transparent from 120 nm), quartz (transparent from 160 nm), sapphire (transparent from 210 nm) and bandpass filter (210 to 300 nm).

Durch das Zwischenfilterelement wird der Strahlengang bzw. der Raum zwischen der Lampe, gegebenenfalls deren Fenster und dem Festkörper (der Oberfläche des zu reinigenden Objekts) in zwei Bereiche mit unterschiedlichen Funktionen eingeteilt.The intermediate filter element divides the beam path or the space between the lamp, possibly its window and the solid (the surface of the object to be cleaned) into two areas with different functions.

In dem ersten Bereich zwischen der Lampe, gegebenenfalls dem Fenster und dem Zwischenfilterelement wird molekularer Sauerstoff (O2) mit harter VUV-Strahlung (120 bis 196 nm), vorzugsweise von der Xe-Blitzlampe in atomaren Sauerstoff aufgespalten. Der atomare Sauerstoff (O) reagiert in diesem Bereich schnell mit anderen Sauerstoffmolekülen und Stickstoff oder einem anderen als dritten Stoßpartner fungierendem Gas und bildet Ozon-Moleküle (O3). Das Ozon verlässt diesen ersten Bereich und wird in den zweiten Bereich zwischen dem Zwischenfilterelement und dem Festkörper geleitet. Das Zwischenfilterelement (Quartz, Saphir oder Bandpassfilter) lässt die Strahlung ab ca. 160 nm bzw. 210 nm durch, um beispielsweise eine empfindliche organische Probe nicht direkt mit der harten VUV-Strahlung zu beschädigen. Das Zwischenfilterelement beschränkt den Raum der Prozessgasmischung auf eine Höhe von vorzugsweise ca. 3 bis 5 mm des ersten Bereichs, dies entspricht einem zu ionisierendem Gasvolumen von ca. 2 ml, und sichert somit eine effektive Ionisierung des Sauerstoffs und Ozonbildung in der Prozessgasmischung sowie eine Abschwächung der harten VUV-Strahlung bei einem Gasfluss von vorzugsweise 0,2 bis 5 L/min und einer Blitzwiederholungsrate von vorzugsweise 5 bis 50 Hz.In the first area between the lamp, optionally the window and the intermediate filter element, molecular oxygen (O 2 ) is split into atomic oxygen with hard VUV radiation (120 to 196 nm), preferably by the Xe flash lamp. In this area, atomic oxygen (O) reacts quickly with other oxygen molecules and nitrogen or another gas that acts as a third collision partner and forms ozone molecules (O 3 ). The ozone leaves this first area and is passed into the second area between the intermediate filter element and the solid. The intermediate filter element (quartz, sapphire or bandpass filter) lets the radiation through from approx. 160 nm or 210 nm, for example, so as not to damage a sensitive organic sample directly with the hard VUV radiation. The intermediate filter element limits the space of the process gas mixture to a height of preferably approx. 3 to 5 mm of the first area, this corresponds to a gas volume to be ionized of approx. 2 ml, and thus ensures effective ionization of the oxygen and ozone formation in the process gas mixture and a weakening the hard VUV radiation with a gas flow of preferably 0.2 to 5 L / min and a flash repetition rate of preferably 5 to 50 Hz.

Die mit dem Zwischenfilterelement durchgelassene Strahlung ab 160 nm bzw. ab 210 nm bewirkt in dem zweiten Bereich der Prozesszelle über der Oberfläche des Festkörpers die Bildung von Ozon-Molekülen. Dadurch entstehen Sauerstoffradikale, welche die Verunreinigungen an der Oberfläche des Festkörpers/zu reinigenden Objektes oxidieren.The radiation from 160 nm or from 210 nm transmitted with the intermediate filter element causes the formation of ozone molecules in the second area of the process cell above the surface of the solid. This creates oxygen radicals that oxidize the contaminants on the surface of the solid / object to be cleaned.

Bei der Verwendung eines Bandpassfilters (210 bis 300 nm) als Zwischenfilterelement wird ein unnötiger Energieeintrag in den Festkörper durch die Lichteinstrahlung vermieden, sodass dieser ausschließlich durch die Oberflächenoxidierung gereinigt und damit eine Schädigung aufgrund der Bestrahlung mit dem VUV-UV-Licht verhindert wird.When using a bandpass filter (210 to 300 nm) as an intermediate filter element, unnecessary energy input into the solid by the light radiation is avoided, so that it is only cleaned by the surface oxidation and thus damage due to the radiation with the VUV-UV light is prevented.

Die Prozesszelle ist nach einer bevorzugten Ausführungsform aus einem vorzugsweise zylindrischen Hohlkörper ausgebildet, der an gegenüberliegenden Seiten offen ist und der vorzugsweise an den freien Enden einen Flansch oder dergleichen aufweist, um eine Sicherheit gegen ein Verkippen bei der Montage zu haben und im montierten Zustand die Prozesskammer zwischen Lampenmodul und Probentisch abzudichten.According to a preferred embodiment, the process cell is formed from a preferably cylindrical hollow body which is open on opposite sides and which preferably has a flange or the like at the free ends in order to have security against tilting during assembly and, in the assembled state, the process chamber to seal between the lamp module and the sample table.

Die Lampe bzw. deren Lampengehäuse ragen vorzugsweise in die Prozesszelle hinein, wobei vorzugsweise das Lampengehäuse mit dem Querschnitt, vorzugsweise dem Innendurchmesser des zylindrischen Hohlkörpers korrespondiert, so dass sich das Lampengehäuse in den Hohlkörper erstreckt.The lamp or its lamp housing preferably protrude into the process cell, the lamp housing preferably corresponding to the cross section, preferably the inside diameter of the cylindrical hollow body, so that the lamp housing extends into the hollow body.

Dies erleichtert vorteilhafterweise die Montage und Demontage der Prozesszelle und gibt eine präzise Anordnung der Prozesszelle vor.This advantageously facilitates the assembly and disassembly of the process cell and specifies a precise arrangement of the process cell.

Vorzugsweise wird die Prozesszelle am Lampenmodul über ein Mittel zur Fixierung gehalten, vorzugsweise erfolgt dies über magnetische Mittel.The process cell is preferably held on the lamp module by means of a fixation, preferably by magnetic means.

In der Mantelfläche des Hohlkörpers sind zumindest 1, vorzugsweise 2 oder mehrere radialverteilte Einlassöffnungen mit vorzugsweise zumindest 70 mm2 Gesamtquerschnitt vorgesehen, durch die die Prozessgase aus der Prozesskammer in den Hohlkörper der Prozesszelle unterhalb der Lampe bzw. des Lampengehäuses eintreten können.At least 1, preferably 2 or more, radially distributed inlet openings with a total cross section of at least 70 mm 2 are provided in the outer surface of the hollow body, through which the process gases can enter the hollow body of the process cell below the lamp or lamp housing from the process chamber.

Benachbart zu den Einlassöffnungen auf der der Lampe abgewandten Seite ist vorzugsweise ein Mittel vorgesehen, um die eintretenden Prozessgase zu lenken, vorzugsweise in die Mitte des Hohlkörpers, so dass diese direkt in den Strahlengang des Lichtes gelangen. Vorzugsweise ist dieses Mittel ein umlaufender Absatz, so dass im Zentrum Raum bleibt, um die Prozessgase weiter in Richtung Probentisch zu leiten.A means is preferably provided adjacent to the inlet openings on the side facing away from the lamp, in order to direct the incoming process gases, preferably into the center of the hollow body, so that these get directly into the beam path of the light. This means is preferably a circumferential shoulder, so that there remains space in the center for guiding the process gases further towards the sample table.

In Richtung des Probentisches wird dieser Raum durch das Zwischenfilterelement begrenzt, das durch Mittel im Innenraum des Hohlkörpers gehalten wird. Diese Mittel können unterschiedlich ausgestaltet sein, wesentlich dabei ist, dass zwischen dem Zwischenfilterelement und der Innenwandung des Hohlkörpers Platz verbleibt, in dem zumindest eine, vorzugsweise zwei oder mehrere Durchgangsöffnungen in Richtung des Probentisches befindlich sind. Vorzugsweise ist dieses Mittel wiederum ein umlaufender Absatz, auf dem das Zwischenfilterelement aufliegt und in dem zumindest eine, vorzugsweise zwei oder mehrere Durchgangsöffnungen mit vorzugsweise zumindest 45 mm2 Gesamtquerschnitt vorgesehen sind. Durch die axialen Durchgangsöffnungen dringen die Prozessgase weiter bis zum Festkörper vor. Auch hier werden die Prozessgase vorzugsweise durch ein Mittel in Richtung des Festkörpers, also in das Zentrum gelenkt. Vorzugsweise ist dies wiederum ein umlaufender Absatz, der vorzugsweise eine abgeschrägte Seite zur Leitung der Prozessgase aufweist.In the direction of the sample table, this space is delimited by the intermediate filter element, which is held in the interior of the hollow body by means. These means can be designed differently, it is essential that there is space between the intermediate filter element and the inner wall of the hollow body, in which there are at least one, preferably two or more through openings in the direction of the sample table. This means is in turn a circumferential shoulder on which the intermediate filter element rests and in which at least one, preferably two or more through openings with a total cross section of at least 45 mm 2 are provided. The process gases penetrate through the axial through openings to the solid. Here, too, the process gases are preferably directed towards the solid body, that is to say into the center, by an agent. This is in turn preferably a circumferential shoulder, which preferably has a bevelled side for guiding the process gases.

Das Gasführungssystem der Vorrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Zusammensetzung des oder der Prozessgase, deren Druck und deren Temperatur vor und während des Verfahrens steuerbar ist, wobei die Prozessgase in die bzw. aus der Prozesskammer zu- bzw. abgeführt werden.The gas routing system of the device is preferably designed such that the composition of the process gas or gases, their pressure and their temperature can be controlled before and during the process, the process gases being fed into and out of the process chamber.

Dazu weist das Gasführungssystem verschiedene Mittel, wie vorzugsweise Mischeinrichtungen, Gasflussmesser, Wärmetauscher, Ventile, Pumpen und dergleichen auf.For this purpose, the gas routing system has various means, such as preferably mixing devices, gas flow meters, heat exchangers, valves, pumps and the like.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gasführungssystem einen Anschluss für eine oder mehrere Analyseeinrichtungen, vorzugsweise eines Spektralphotometers und Restgasanalysators (RGA) zur Analyse der Reaktionsprodukte bei der Optimierung der Reinigungs- und Dünnschichtabscheidungsprozesse in der Reaktionskammer/-zelle des Gerätes auf.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the gas routing system has a connection for one or more analysis devices, preferably a spectrophotometer and residual gas analyzer (RGA) for analyzing the reaction products when optimizing the cleaning and thin-film deposition processes in the reaction chamber / cell of the device.

Vorzugsweise weist das Gasführungssystem Gasflussmesser auf, mit denen die Flüsse von jedem Prozessgas separat sowie der Ablassfluss einstellbar sind. Vorzugsweise liegen die Gasflüsse im Bereich von 0,2 bis 15 L/min. Eine Optimierung des Gasflusses und der Wiederholungsrate des Lichtpulses erfolgt in Abhängigkeit vom Ozongehalt im abgeleiteten Prozessgas. Bei der Optimierung können auch der Gasdruck und der Arbeitsabstand zwischen der Lampe und dem Festkörper angepasst werden.The gas routing system preferably has gas flow meters with which the flows of each process gas can be set separately and the discharge flow can be set. The gas flows are preferably in the range from 0.2 to 15 L / min. The gas flow and the repetition rate of the light pulse are optimized depending on the ozone content in the derived process gas. During the optimization, the gas pressure and the working distance between the lamp and the solid can also be adjusted.

Die Prozessgase werden vorzugsweise nach der Prozesskammer über Gasflussmesser entweder mithilfe einer Saugdüse abgesaugt oder frei abgelassen.The process gases are preferably suctioned off after the process chamber via gas flow meters, either with the aid of a suction nozzle or released freely.

Vorzugsweise kann mit Ventilen, vorzugsweise Nadelventilen, und der Saugdüse der Druck in der Prozesskammer eingestellt werden.The pressure in the process chamber can preferably be set with valves, preferably needle valves, and the suction nozzle.

Eine Spül-/Schildgasmischung (1/1, z. B. O2/N2 oder O2/Ar) mit einem Durchfluss von bis ca. 15 L/min kann mit dem Öffnen der Einzelgasventile der unterschiedlichen Prozessgase direkt an den Anschluss der Prozesskammer zur deren Spülung und zum Schutz der Probe geleitet werden.A flushing / shielding gas mixture (1/1, e.g. O 2 / N 2 or O 2 / Ar) with a flow of up to approx. 15 L / min can be opened by connecting the individual gas valves of the different process gases directly to the Process chamber for rinsing and protecting the sample.

Das Einleiten der Prozessgase dauert von ein paar Sekunden (zum Schutz der Probe während der Ein- und Ausschleusung / Anordnung und Entnahme) bis mehreren Stunden (Spülung). Die Dauer der Schildgasströmung kann auf z. B. 2 min mit einem geeigneten Mittel, beispielsweise mittels eines Zeitrelais beschränkt werden, um im Fall der Ausschleusung/Entnahme der Probe die Hände frei zu haben.The introduction of the process gases lasts from a few seconds (to protect the sample during inward and outward transfer / arrangement and removal) to several hours (flushing). The duration of the shield gas flow can be z. B. 2 min with a suitable agent, for example be limited by means of a time relay in order to have your hands free in the event of the sample being removed / removed.

Die Vorrichtung weist vorzugsweise Mittel zur Steuerung der einzelnen Komponenten der Vorrichtung auf, die manuell oder auch durch eine rechnergestützte Steuereinrichtung bedient werden können.The device preferably has means for controlling the individual components of the device, which can be operated manually or also by a computer-aided control device.

Besonders vorteilhaft ist dabei die Steuerung in Abhängigkeit von den Ergebnissen einer Spektralanalyse der Lichtabsorption in der Abgasleitung und/oder einer Restgasanalyse mit z. B. einem Quadrupolmassenspektrometer, also der Prozessgase sowie der Desorptions- und Reaktionsprodukte, die aus der Prozesskammer abgeleitet werden. Anhand der Zusammensetzung des Abgases kann eine Zusammensetzung der obersten Probenschicht analysiert, das Verfahren optimiert und auch ein Ende des Reinigungs- und/oder Hydrophilsierungsvorganges bestimmt werden.The control depending on the results of a spectral analysis of the light absorption in the exhaust pipe and / or a residual gas analysis with z. B. a quadrupole mass spectrometer, ie the process gases and the desorption and reaction products that are derived from the process chamber. On the basis of the composition of the exhaust gas, a composition of the uppermost sample layer can be analyzed, the method optimized and also an end of the cleaning and / or hydrophilization process determined.

Weiterhin dient die Steuereinrichtung zur Steuerung des Gasführungssystems und der Lampe, um ein auf den entsprechenden Festkörper ausgerichtetes Vorgehen beim Verfahren zu gewährleisten.Furthermore, the control device is used to control the gas routing system and the lamp, in order to ensure that the procedure during the process is aligned with the corresponding solid body.

Vorzugsweise verfügt die Vorrichtung über ein Stativ, an dem das Lampenmodul und der Probentisch angeordnet sind und das derart ausgebildet ist, den Abstand zwischen dem Lampenmodul und dem Probentisch zu variieren. Vorzugsweise liegt der einstellbare Arbeitsabstand, d. h. der Abstand zwischen der Lampe und der Probe zwischen 1 und 25 mm. Bei dem angegebenen Arbeitsbereich liegt der Kammerbalg stets dichtend am Lampenmodul, an dem der Kammerbalg vorzugsweise festgelegt ist, und dem Probentisch an.The device preferably has a stand on which the lamp module and the sample table are arranged and which is designed to vary the distance between the lamp module and the sample table. Preferably, the adjustable working distance is d. H. the distance between the lamp and the sample between 1 and 25 mm. In the specified working range, the bellows is always sealing against the lamp module, to which the bellows is preferably attached, and the sample table.

Der Arbeitsbereich ist jedoch nicht durch das Stativ limitiert, sondern durch den elastischen Kammerbalg, der natürlich durch eine entsprechende Ausbildung der Geometrie angepasst werden kann.However, the work area is not limited by the tripod, but by the elastic bellows, which of course can be adapted by appropriate geometry design.

Der gesamte Einstellbereich des Stativs, der größer als der Arbeitsbereich ist, ermöglicht eine Anordnung und Entnahme des Festkörpers vom Probentisch und/oder der Prozesszelle, da dafür der Abstand derart vergrößerbar ist, dass sich der Kammerbalg vom Probentisch abhebt und der Festkörper bzw. Prozesszelle zugänglich sind.The entire setting range of the stand, which is larger than the working range, enables the solid to be arranged and removed from the sample table and / or the process cell, since the distance can be increased in such a way that the bellows lifts off the sample table and the solid or process cell is accessible are.

Die Vorrichtung weist verschiedene Mittel auf, die dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind und die dieser auswählt, um vorbeschriebene Vorrichtung mit den erforderlichen Funktionen bereitzustellen und das Verfahren auszuführen.The device has various means which are generally known to the person skilled in the art and which the person selects in order to provide the above-described device with the required functions and to carry out the method.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren lassen sich vorteilhafterweise in vielfältiger Weise einsetzen, so beispielsweise zur Reinigung eines Si-Substrates vor dessen Rotationsbeschichtung oder Beladung mit Dünnschnitten, zur Hydrophilisierung von Quantifoil-TEM-Grids und zur Reinigung/Hydrophilisierung eines Messers für Ultramikrotomie.The device and the method according to the invention can advantageously be used in a variety of ways, for example for cleaning an Si substrate before spin coating it or loading it with thin sections, for hydrophilizing Quantifoil TEM grids and for cleaning / hydrophilizing a knife for ultramicrotomy.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung und Erfindungsgegenstände sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar bzw. die Ausführungen zu einem Erfindungsgegenstand gelten für den anderen sinngemäß und umgekehrt.Unless otherwise stated in the individual case, the various embodiments of the invention and objects of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another, or the explanations for one object of the invention apply mutatis mutandis and vice versa.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Figur 1
eine Prozesskammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur submolekularen Trockenreinigung.
The invention is explained in more detail with reference to a drawing. It shows
Figure 1
a process chamber of the inventive device for submolecular dry cleaning.

In Figur 1 ist eine Prozesskammer 10 für eine erfindungsgemäße, ansonsten nicht dargestellte Vorrichtung, gezeigt. Die Prozesskammer 10 ist zwischen einem Lampenmodul 12 und einem Probentisch 14 ausgebildet und durch einen elastischen Kammerbalg 16, vorzugsweise aus Silicon, gegenüber der Umgebung abgegrenzt und abgedichtet. Das Lampenmodul 12 weist zwei Gaseinlässe 13 für Prozessgase (Gasströme sind durch Pfeile dargestellt) auf, die vor dem Einleiten in die Prozesskammer 10 gemischt und temperiert werden.In Figure 1 A process chamber 10 is shown for a device according to the invention, otherwise not shown. The process chamber 10 is formed between a lamp module 12 and a sample table 14 and is delimited and sealed from the environment by an elastic chamber bellows 16, preferably made of silicone. The lamp module 12 has two gas inlets 13 for process gases (gas flows are shown by arrows) which are mixed and tempered before being introduced into the process chamber 10.

Im Inneren der Prozesskammer 10 ist eine Prozesszelle 18, die aus einem zylindrischen Hohlkörper 20 ausgebildet ist, angeordnet. In der Prozesszelle 18 ist der zu behandelnde Festkörper 22 auf dem Probentisch 14 liegend angeordnet. Der zylindrische Hohlkörper 20 weist an beiden Enden, die zum Lampenmodul 12 bzw. dem Probentisch 14 ausgerichtet sind, jeweils einen Flansch 24 auf, um einen sicheren Stand und eine sichere Abstützung ohne Verkanten gegenüber dem Lampenmodul 12 und dem Probentisch 14 zu gewährleisten.A process cell 18, which is formed from a cylindrical hollow body 20, is arranged in the interior of the process chamber 10. The solid 22 to be treated is arranged lying on the sample table 14 in the process cell 18. The cylindrical hollow body 20 has a flange 24 at both ends, which are aligned with the lamp module 12 or the sample table 14, in order to ensure a secure stand and secure support without tilting relative to the lamp module 12 and the sample table 14.

An dem Lampenmodul 12 ist eine Lampe 26, vorzugsweise eine Xe-Blitzlampe, die in einem zylindrischen Lampengehäuse 28 angeordnet ist, vorgesehen, wobei der Durchmesser des Lampengehäuses 28 dem Innendurchmesser des zylindrischen Hohlkörpers 20 entspricht, so dass sich das Lampengehäuse 28 in den zylindrischen Hohlkörper 20 erstreckt. Zur Erleichterung der Montage bzw. der Demontage der Prozesszelle 18 in der Prozesskammer 10 wird die Prozesszelle 18 am Lampenmodul 12 über magnetische Mittel 19 gehalten. Die Positionierung der Prozesszelle 18 erfolgt durch das Aufschieben auf das Lampengehäuse 28. So kann die Prozesszelle 18 ohne Werkzeug leicht positioniert und wieder aus der Prozesskammer 10 entfernt werden.A lamp 26, preferably an Xe flash lamp, which is arranged in a cylindrical lamp housing 28, is provided on the lamp module 12, the diameter of the lamp housing 28 corresponding to the inside diameter of the cylindrical hollow body 20, so that the lamp housing 28 extends into the cylindrical hollow body 20. To facilitate assembly and disassembly of the process cell 18 in the process chamber 10, the process cell 18 is held on the lamp module 12 by magnetic means 19. The process cell 18 is positioned by pushing it onto the lamp housing 28. The process cell 18 can thus be easily positioned without tools and removed from the process chamber 10 again.

Die Lampe 26 weist zwei Elektroden 30 auf, zwischen denen die Blitzentladung 32 erfolgt. Auf der zum Lampenmodul 12 gewandten Seite der Lampe 26 ist ein Reflektor 34 angeordnet, so dass das erzeugte Licht 36 (angedeutet durch Pfeile) entweder direkt oder durch Reflektion in Richtung des Probentischs 14 geleitet wird. Im Lampengehäuse 28 ist in Richtung des Probentischs 14 zum Austritt des Lichts 36 eine Austrittsöffnung 38 vorgesehen, die mit einem Fenster 39 aus MgF2 verschlossen ist, um den Spektralbereich der Lampenemission ab 120 nm zu leisten.The lamp 26 has two electrodes 30, between which the flash discharge 32 takes place. A reflector 34 is arranged on the side of the lamp 26 facing the lamp module 12, so that the generated light 36 (indicated by arrows) is guided either directly or by reflection in the direction of the sample table 14. An exit opening 38 is provided in the lamp housing 28 in the direction of the sample table 14 for the exit of the light 36, said exit opening being closed with a window 39 made of MgF 2 in order to achieve the spectral range of the lamp emission from 120 nm.

Der zylindrische Hohlkörper 20 weist in seiner Mantelfläche unterhalb des Lampengehäuses 28 Einlassöffnungen 40 für die Prozessgase auf, die aus der Prozesskammer 10 in den Innenraum der Prozesszelle 18 eintreten. In Richtung des Probentischs 14 sind im Inneren der Prozesszelle 18 bzw. im zylindrischen Hohlkörper 20 drei zueinander beabstandet umlaufende Absätze 42, 44, 46 ausgebildet, wobei lediglich im Bereich der Absätze 42, 44, 46 der Innendurchmesser des Hohlkörpers 20 verringert ist.The cylindrical hollow body 20 has in its lateral surface below the lamp housing 28 inlet openings 40 for the process gases, which enter the interior of the process cell 18 from the process chamber 10. In the direction of the sample table 14, three shoulders 42, 44, 46 which are circumferentially spaced apart are formed in the interior of the process cell 18 or in the cylindrical hollow body 20, the inner diameter of the hollow body 20 being reduced only in the area of the heels 42, 44, 46.

Der erste Absatz 42 ist in Richtung des Probentischs 14 unterhalb der Einlassöffnungen 40 angeordnet, so dass die durch die Einlassöffnungen 40 einströmenden Prozessgase zur Mitte, d. h. in den Bereich unterhalb der Austrittsöffnung 38 für das Licht 36 geführt. Der durch den ersten Absatz 42 verringerte Innendurchmesser entspricht dem Durchmesser der Austrittsöffnung 38 für das Licht 36. Unterhalb des ersten Absatzes 42 wird der Raum für die eintretenden Prozessgase durch ein Zwischenfilterelement 48 begrenzt, das mit seinem Rand auf dem zweiten Absatz 44 aufliegt. In dem zweiten Absatz 44 sind zwischen der Innenwandung des zylindrischen Hohlkörpers 20 und dem Zwischenfilterelement 48, d. h. dem Bereich des zweiten Absatzes 44, der nicht vom Zwischenfilterelement 48 überdeckt wird, Durchgangsöffnungen 50 vorgesehen, die die Prozessgase weiter in Richtung des Festkörpers 22 auf dem Probentisch 14 führen. Dazu treffen die Prozessgase nach dem Durchtritt durch die Durchgangsöffnungen 50 senkrecht auf den dritten Absatz 46, dessen zum zweiten Absatz gewandte Seite angeschrägt ausgebildet ist. Durch diese Anschrägung des dritten Absatzes 46 werden die Prozessgase in die Mitte der Prozesszelle 18 geführt und treffen dadurch auf den Festkörper 22. Unterhalb des dritten Absatzes 46 gelangen die Prozessgase nach Überstreichen des Festkörpers 22 zu im Probentisch 14 vorgesehenen Auslassöffnungen 52, durch die die Prozessgase aus der Prozesskammer 10 abgeleitet werden und vorzugsweise hier nicht dargestellten analytischen Einrichtungen zur Bestimmung der Zusammensetzung der abgeleiteten Prozessgase mit Desorptions- und Reaktionsprodukten zugeführt werden.The first shoulder 42 is arranged in the direction of the sample table 14 below the inlet openings 40, so that the process gases flowing in through the inlet openings 40 lead to the center, ie into the region below the outlet opening 38 for the light 36. The inner diameter reduced by the first paragraph 42 corresponds to the diameter of the outlet opening 38 for the light 36. Below the first paragraph 42, the space for the incoming process gases is delimited by an intermediate filter element 48 which rests with its edge on the second paragraph 44. In the second paragraph 44, through openings 50 are provided between the inner wall of the cylindrical hollow body 20 and the intermediate filter element 48, ie the area of the second paragraph 44 that is not covered by the intermediate filter element 48, which further process gases in the direction of the solid body 22 on the sample table 14 lead. For this purpose, the process gases after passing through the through openings 50 meet the third shoulder 46, the side of which facing the second paragraph is beveled. Through this beveling of the third paragraph 46, the process gases are guided into the center of the process cell 18 and thereby meet the Solids 22. Below the third paragraph 46, after sweeping over the solid 22, the process gases reach outlet openings 52 provided in the sample table 14, through which the process gases are discharged from the process chamber 10 and preferably analytical devices (not shown here) for determining the composition of the derived process gases with desorption - And reaction products are supplied.

Der Reinigungsvorgang erfolgt in der oben beschriebenen Reinigungskammer im Detail wie folgt.The cleaning process takes place in the cleaning chamber described above in detail as follows.

Molekularer Sauerstoff (O2) (Bestandteil der Prozessgasmischung) wird mittels harter VUV-Strahlung 36, die von der Xe-Blitzlampe 26 erzeugt wird, innerhalb der Prozesszelle 18 in atomaren Sauerstoff aufgespalten.Molecular oxygen (O 2 ) (part of the process gas mixture) is split into atomic oxygen within the process cell 18 by means of hard VUV radiation 36, which is generated by the Xe flash lamp 26.

Der atomare Sauerstoff (O) reagiert in dem Bereich der Prozesszelle 18 zwischen dem Fenster 39 und dem Zwischenfilterelement 48 schnell mit anderen Sauerstoffmolekülen und mit Stickstoff (Bestandteil der Prozessgase) als dritten Stoßpartner und bildet Ozon-Moleküle (O3).The atomic oxygen (O) reacts quickly in the area of the process cell 18 between the window 39 and the intermediate filter element 48 with other oxygen molecules and with nitrogen (component of the process gases) as a third collision partner and forms ozone molecules (O 3 ).

Das Ozon verlässt zusammen mit den anderen Bestandteilen des Prozessgases diesen Bereich und gelangt durch die Durchgangsöffnungen 50 im dritten Absatz 46 rund um das Zwischenfilterelement 48. Das Zwischenfilterelement 48, beispielsweise aus Quartz oder Saphir, lässt hauptsächlich nur die UV-Strahlung, d. h. ab 160 nm oder 210 nm durch, um den Festkörper 22, der eine empfindliche organische Probe sein kann, nicht direkt mit der harten VUV-Strahlung zu schädigen.The ozone leaves this area together with the other constituents of the process gas and passes through the through openings 50 in the third paragraph 46 around the intermediate filter element 48. The intermediate filter element 48, for example made of quartz or sapphire, mainly only allows the UV radiation, i. H. from 160 nm or 210 nm in order not to directly damage the solid 22, which can be a sensitive organic sample, with the hard VUV radiation.

Das Zwischenfilterelement 48 beschränkt die Höhe des Bereichs zwischen dem Fenster 39 und dem Zwischenfilterelement 48, beispielsweise auf ca. 3 bis 5 mm. Dadurch bietet dieser Bereich beispielsweise Raum für ca. 2 mL Prozessgas zur Ionisierung und ermöglicht somit eine effektive Ionisierung des Prozessgases und eine Abschwächung der harten VUV-Strahlung bei einem Gasfluss von beispielsweise 0,5 bis 5 L/min und beispielsweise einer Blitzwiederholungsrate von 5 bis 50 Hz.The intermediate filter element 48 limits the height of the area between the window 39 and the intermediate filter element 48, for example to approximately 3 to 5 mm. This area thus offers, for example, space for approx. 2 mL process gas for ionization and thus enables effective ionization of the process gas and attenuation of the hard VUV radiation with a gas flow of, for example, 0.5 to 5 L / min and, for example, a flash repetition rate of 5 to 50 Hz.

Für eine Optimierung des Verfahrens kann das Material des Zwischenfilterelements 48 beispielsweise zwischen MgF2, Quartz, Saphir oder auch einem Bandpassfilter (210 bis 300 nm) gewählt werden.To optimize the method, the material of the intermediate filter element 48 can be chosen, for example, between MgF 2 , quartz, sapphire or a bandpass filter (210 to 300 nm).

Die von dem Zwischenfilterelement 48 durchgelassene UV-Strahlung wird in dem vorbeschriebenen Bereich die Ozon-Moleküle ionisieren. Dadurch entstehende Sauerstoffradikale oxidieren die Verunreinigungen auf der Oberfläche des Festkörpers 22.The UV radiation transmitted by the intermediate filter element 48 will ionize the ozone molecules in the range described above. The resulting oxygen radicals oxidize the impurities on the surface of the solid 22.

Harte Proben verschiedener Geometrie werden in der Prozesskammer auch ohne die Prozesszelle gereinigt. Die Prozesszelle 18 wird nur bei die Reinigung empfindlicher organischen Proben sowie bei der UV-Licht-stimulierten Abscheidung organischer Dünnschichten verwendet.Hard samples of different geometries are cleaned in the process chamber even without the process cell. The process cell 18 is only used for cleaning sensitive organic samples and for the UV light-stimulated deposition of organic thin layers.

Die einzelnen Merkmale der voranstehend beschriebenen Ausführungsform der Prozesskammer bzw. des Lampenmoduls können mit den Merkmalen der Vorrichtung in der allgemeinen Beschreibung kombiniert und skaliert werden und sind nicht auf die konkrete in der Figurenbeschreibung beschriebene Ausführungsform beschränkt.The individual features of the embodiment of the process chamber or of the lamp module described above can be combined and scaled with the features of the device in the general description and are not restricted to the specific embodiment described in the description of the figures.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Prozesskammerprocess chamber
1212
Lampenmodullamp module
1313
Gaseinlassgas inlet
1414
Probentischsample table
1616
KammerbalgKammerbalg
1818
Prozesszelleprocess cell
1919
magnetische Mittelmagnetic means
2020
zylindrischer Hohlkörpercylindrical hollow body
2222
Festkörpersolid
2424
Flanschflange
2626
Lampelamp
2828
zylindrisches Lampengehäusecylindrical lamp housing
3030
Elektrodenelectrodes
3232
Blitzentladunglightning discharge
3434
Reflektorreflector
3636
Lichtlight
3838
Austrittsöffnungoutlet opening
3939
Fensterwindow
4040
Einlassöffnungeninlets
4242
erster Absatzfirst paragraph
4444
zweiter Absatzsecond paragraph
4646
dritter Absatzthird paragraph
4848
ZwischenfilterelementBetween the filter element
5050
DurchgangsöffnungenThrough openings
5252
Auslassöffnungenoutlet

Claims (15)

Vorrichtung (100) zur submolekularen Trockenreinigung und/oder Hydrophilisierung der Oberfläche von Festkörpern aufweisend eine gegenüber der Umgebung gasdicht abgeschlossene oder abschließbare Prozesskammer (10) zur Aufnahme eines Festkörpers (22), eine Lampe (26) mit einem Spektralbereich von 120 bis 800 nm, die eingerichtet ist, in die Prozesskammer (10) einzustrahlen, und ein Gasführungssystem, das zur Zu- und Ableitung von einem oder mehreren Prozessgasen in die und aus der Prozesskammer (10) eingerichtet ist.Device (100) for submolecular dry cleaning and / or hydrophilization of the surface of solids, comprising a process chamber (10) which is closed or can be locked in a gas-tight manner with respect to the environment, for receiving a solid (22), a lamp (26) with a spectral range from 120 to 800 nm, which is set up to radiate into the process chamber (10) and a gas routing system which is set up for supplying and discharging one or more process gases into and out of the process chamber (10). Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasführungssystem ausgebildet ist, Zusammensetzung, Fluss, Druck und Temperatur des einen oder der mehreren Prozessgase in der Prozesskammer (10) zu steuern.The device (100) according to claim 1, characterized in that the gas routing system is designed to control the composition, flow, pressure and temperature of the one or more process gases in the process chamber (10). Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zwischenfilterelement (48) zwischen Lampe (26) und Festkörper (22) im Strahlungsgang der Lampe (26) angeordnet ist, wobei das zumindest eine Zwischenfilterelement (48) ausgewählt ist, aus nachfolgender Gruppe: MgF2, Quarz, Saphir und Bandpassfilter.Device (100) according to claim 1 or 2, characterized in that at least one intermediate filter element (48) is arranged between the lamp (26) and the solid body (22) in the radiation path of the lamp (26), the at least one intermediate filter element (48) being selected , from the following group: MgF 2 , quartz, sapphire and bandpass filter. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (26) gepulst oder kontinuierlich Licht abstrahlt.Device (100) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the lamp (26) pulsed or continuously emits light. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (26) eine Xe-Lampe ist, deren Strahlung vorzugsweise gepulst ist.Device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the lamp (26) is a Xe lamp, the radiation of which is preferably pulsed. Vorrichtung (100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer zwischen 1 und 8 µs liegt, vorzugsweise zwischen 2 und 4 µs liegt, und/oder eine Pulsenergie im Bereich von 0.08 bis 0.5 J aufweist und/oder eine Pulswiederholungsrate im Bereich von 1 bis 250 Hz aufweist.Device (100) according to claim 4 or 5, characterized in that the pulse duration is between 1 and 8 µs, preferably between 2 and 4 µs, and / or has a pulse energy in the range of 0.08 to 0.5 J and / or a pulse repetition rate in Has a range of 1 to 250 Hz. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer (10) zwischen einem Lampenmodul (12), in dem die Lampe (26) angeordnet ist, und einem Probentisch (14) zur Aufnahme des Festkörpers (22) ausgebildet ist, wobei die Prozesskammer (10) mittels eines flexiblen Kammerbalgs (16), der an dem Lampenmodul (12) und dem Probentisch (14) dichtend anliegt, gegenüber der Umgebung abdichtbar ist.Device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the process chamber (10) is formed between a lamp module (12) in which the lamp (26) is arranged and a sample table (14) for receiving the solid body (22) the process chamber (10) by means of a flexible chamber bellows (16), which bears sealingly against the lamp module (12) and the sample table (14) and can be sealed off from the environment. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, das dass das Gasführungssystem mit einer Analyseeinrichtung verbunden ist, um die aus der Reaktionskammer (10) abgeleiteten Prozessgase, Reaktanten und Produkte zu bestimmen.Device (100) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the gas guidance system is connected to an analysis device in order to determine the process gases, reactants and products derived from the reaction chamber (10). Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung über eine Steuereinrichtung verfügt.Device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the device has a control device. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Prozesszelle (18) verfügt, die in der Prozesskammer (10) und zwischen dem Lampenmodul (12) und dem Probentisch (14) angeordnet ist, und dass die Prozesszelle (18) ausgebildet ist, die Prozessgase zu führen und/oder zur Halterung des Zwischenfilterelements (48).Device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the device (100) has a process cell (18) which is arranged in the process chamber (10) and between the lamp module (12) and the sample table (14), and that the process cell (18) is designed to guide the process gases and / or to hold the intermediate filter element (48). Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesszelle (18) aus einem, vorzugsweise zylindrischen Hohlkörper (20) ausgebildet ist, dass die Prozesszelle (18) in einer Mantelfläche unterhalb des Lampengehäuses (28) zumindest eine, vorzugsweise zwei oder mehr Einlassöffnungen (40) aufweist, dass im Inneren der Prozesszelle (18) drei zueinander beabstandet umlaufende Absätze (42, 44, 46) ausgebildet sind, dass der erste Absatz (42) ist in Richtung des Probentischs (14) unterhalb der Einlassöffnungen (40) angeordnet, dass unterhalb des ersten Absatzes (42) das Zwischenfilterelement (48) vorgesehen ist, das mit seinem Rand auf dem zweiten Absatz (44) aufliegt, wobei in dem zweiten Absatz (44) zwischen der Innenwandung des zylindrischen Hohlkörpers (20) und dem Zwischenfilterelement (48) zumindest eine, vorzugsweise zwei oder mehr Durchgangsöffnungen (50) vorgesehen sind.Device (100) according to claim 10, characterized in that the process cell (18) is formed from a preferably cylindrical hollow body (20), that the process cell (18) in an outer surface below the lamp housing (28) at least one, preferably two or has more inlet openings (40), that in the interior of the process cell (18) three mutually spaced shoulders (42, 44, 46) are formed, that the first shoulder (42) is in the direction of the sample table (14) below the inlet openings (40 ) arranged below the first paragraph (42), the intermediate filter element (48) is provided, which rests with its edge on the second paragraph (44), in the second paragraph (44) between the inner wall of the cylindrical hollow body (20) and the intermediate filter element (48) is provided with at least one, preferably two or more through openings (50). Verfahren zur Reinigung und/oder zur Hydrophilisierung der Oberfläche von Festkörpern aufweisend die nachfolgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge: Bereitstellen des Festkörpers, Herstellen einer den Festkörper umgebenden Gasatmosphäre aus Sauerstoff und Stickstoff sowie optional Wasserdampf, Aufrechterhalten der Gasatmosphäre während des nachfolgenden Verfahrensschritts Bestrahlung der Gasatmosphäre mit Licht im Spektralbereich von 120 bis 800 nm und eines zu reinigenden Festkörpers. Process for cleaning and / or for hydrophilizing the surface of solids, comprising the following steps in the order given: Providing the solid, Producing a gas atmosphere surrounding the solid from oxygen and nitrogen and optionally water vapor, Maintaining the gas atmosphere during the subsequent process step, irradiating the gas atmosphere with light in the spectral range from 120 to 800 nm and a solid to be cleaned. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht vor Auftreffen auf den Festkörper durch ein Zwischenfilterelement (48) geleitet wird.A method according to claim 12, characterized in that the light is passed through an intermediate filter element (48) before striking the solid body. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenfilterelement (48) aus MgF2, Quarz, Saphir oder einem Bandpassfilter besteht.A method according to claim 13, characterized in that the intermediate filter element (48) consists of MgF 2 , quartz, sapphire or a bandpass filter. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufrechterhaltens der Gasatmosphäre eine Zuleitung und Ableitung der Prozessgase erfolgt, wobei die abgeleiteten Prozessgase sowie die Ablations-/Oxidationsprodukte optional hinsichtlich der Zusammensetzung analysiert werden und optional das Verfahren in Abhängigkeit der festgestellten Zusammensetzung geführt/optimiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that while the gas atmosphere is being maintained, the process gases are supplied and discharged, the derived process gases and the ablation / oxidation products optionally being analyzed with regard to the composition and optionally the process being carried out depending on the determined composition / is optimized.
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Citations (9)

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