JP2016039257A - 紫外光照射装置及び紫外光照射処理装置 - Google Patents

紫外光照射装置及び紫外光照射処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 比較的低い消費電力で駆動する光源を用いて被処理物のUVキュアを実現することが可能な紫外光照射装置を提供する。特に、波長190nm以下のUV照射を少なくすることが可能な装置を提供する。
【解決手段】 紫外光を放射するランプと、このランプを内部に備え、光取出し部が設けられたランプハウスと、前記光取出し部に配置された紫外光透過性を有する第1の窓部材と、前記第1の窓部材の外側においてこれと所定空間離間して配置された紫外光透過性を有する第2の窓部材とを有する。ランプは、放電ガスが充填された紫外光透過性の発光管と、放電ガスの発光で放射された真空紫外領域の紫外光を励起光として波長190nm以上の紫外光を放射する蛍光体を備えた蛍光ランプであり、前記第1の窓部材と第2の窓部材の間に、真空紫外光吸収性のガスを含む空間を備えていることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本願発明は、紫外光照射装置あるいは、紫外光照射処理装置に関し、特に半導体基板上の材料に紫外光を照射してキュア(硬化)する紫外光照射装置あるいは紫外光照射処理装置に関する。
従来、銅配線を適用した半導体装置では、層間絶縁膜として、比較的誘電率の低い絶縁膜が適用される。このような絶縁膜はLow−k膜と称されている。Low−k膜は機械的強度が比較的低いために、その製造プロセスにおいては、所定のランプから発せられる紫外光をLow−k膜に照射することによって、Low−k膜の機械的強度を上げることが行われている(特許文献1参照)。
特許文献1には、紫外光の光源として、水銀ランプ及びエキシマランプが例示されている。エキシマランプは、Xeエキシマランプがあり、これは波長172nmの真空紫外光(VUV)を出力する。また水銀ランプは、低圧から非常に高圧までのランプの圧力により変化し、波長が185nm、254nm、365nmなどの紫外光を放射する。
特開2009−94503号公報
特許文献1によると、波長172nmの光は高速のキュアリング処理を達成できるとされている。しかしながら、このようないわゆる真空紫外光によるUVキュアは、膜の物性の変化・変質が生じるという、いわば副作用が生じることがある。このような技術的な問題点は、被処理物が備える紫外光に対する特性と大きく関係していることから、Xe(キセノン)エキシマランプのみを光源としてキュアを完遂させることは現時点では難しい、というのが実情である。
こうしたことから、Low−k膜のUVキュア用光源には、実用的には高圧水銀ランプや無電極ランプが使用されている。高圧水銀ランプは254nm、313nm、365nmといった紫外光の出力があり、さらにわずかながら、254nm以下の光も出力されている。また、無電極ランプも同様に254nm、313nm、365nmや254nm以下の光出力がある。
Low−k膜のUVキュア用として使用している光は、254nm近傍および254nm以下の波長である。
これらのランプは、概して消費電力が数〜十数キロワット台であり、大きな電力が必要である。すなわち、Low−k膜のUVキュアには、254nm近傍および254nm以下の波長を強く取り出すために、高電力を投入しなければならず、消費電力が高いという問題を潜在的にかかえている。
近時では、一層の省エネルギー化が推進されている。光源としては高い効率で必要な範囲の紫外光(のみ)を放射する光源である方が望ましい。また、生産ライン全体の使用電力を抑えるためにも、比較的低電力で駆動可能な光源を用いる方が都合がよい。
本発明は、上記事情に鑑み、比較的低い消費電力で駆動する光源を用いて被処理物のUVキュアを実現することが可能な、紫外光照射装置及び紫外光照射処理装置を提供することにある。さらには、波長190nm近傍の紫外光を放射する光源用のランプを備え、波長190nm以上の紫外光を照射する紫外光照射装置或いは紫外光照射処理装置において、波長190nm以下のUV照射を少なくすることが可能な紫外光照射装置あるいは紫外光照射処理装置を提供することにある。
以上の課題を解決するための一手段として、Xeガスのエキシマ発光を励起光とし、波長190〜280nmの範囲の蛍光からなる紫外光を放射する蛍光ランプを光源として用いることが考えられる。
このような蛍光ランプにおいても、比較的短波長の紫外光、例えば波長190nm近傍のUVを放射する場合には、エキシマランプの発光管を合成石英ガラスで構成することが必要になる。
しかしながら、Xeエキシマランプのエキシマ発光の波長172nmの光は、発光管(及び蛍光体層)を透過してわずかに外部に放射され、かかる紫外光が不可避に被処理物を照射することになる。
紫外光は、波長帯により、波長の長い順にUVA(400〜320nm),UVB(320〜280nm),UVC(280〜190nm),真空紫外域(190〜100nm)に分けられる。Xeのエキシマ発光の紫外光(波長172nm)は真空紫外光(190〜100nm)に含まれる。このような真空紫外光は、被処理物の物性を変化・変質させる可能性があり、とりわけ波長190nm以下の紫外光については、放射量を制御(管理)することが必要である。
しかしながら、蛍光ランプからの光は拡散光であり、UVC(280〜190nm)と真空紫外域(190〜100nm)の紫外光が同時に放射される場合、光学フィルタを用いて真空紫外域(190〜100nm)の紫外光のみを選択的に低減することは困難である。
そこで、本願にかかる紫外光照射装置は、以下の構成を備えることを特徴とする。
(1)
本願請求項1にかかる紫外光照射装置は、
紫外光を放射するランプと、
前記ランプを内部に備え、光取出し部が設けられたランプハウスと、
前記光取出し部に配置された紫外光透過性を有する第1の窓部材と、
前記第1の窓部材の外側に、当該第1の窓部材と所定空間離間して配置された紫外光透過性を有する第2の窓部材とを有し、
前記ランプは、放電ガスが充填された紫外光透過性の発光管と、放電ガスの発光で放射された真空紫外領域の光を励起光として波長190nm以上の紫外光を放射する蛍光体を備えた蛍光ランプであり、
前記第1の窓部材と第2の窓部材の間に、真空紫外光吸収性のガスを含む空間を備えている
ことを特徴とする。
ランプは、後段で詳細に説明するが、放電ガスとしてのキセノンガスが封入されたエキシマランプを基本的な構成として具備し、発光管の内部(あるいは外部でもよい)に、キセノンガスのエキシマ発光で放射された真空紫外領域(波長172nm)の紫外光を励起光として、主にUVC(280〜190nm)の紫外光に変換する蛍光体を備えた蛍光ランプからなる。このようなエキシマランプの基本的構造を備えたランプによると、消費電力を1kW未満に抑えつつ、必要波長帯の紫外光への変換効率を高くすることができる。
そして、上記特徴を有する紫外光照射装置によれば、蛍光ランプからの波長190nm以上の紫外光が、前記第1の窓部材、前記ガス層及び前記第2の窓部材を介して放射される一方、真空紫外領域(波長172nm)の紫外光は、第1の窓部材を透過するものの、第1の窓部材と第2の窓部材の間に具備されたガス層によって吸収されることになるので、第2の窓部材を透過して放射される真空紫外領域(波長172nm)の紫外光の放射量を低減ないしは皆無とすることができる。しかも、ガス層においては、充填または流過される真空紫外領域(波長172nm)の紫外光の紫外光吸収性ガスの濃度や分圧を適宜に変化させることが可能で、当該ガス層において吸収され真空紫外領域(波長172nm)の紫外光の量を調整することができ、最終的に第2の窓部材を透過して放射される紫外光の放射スペクトルを適宜に調整することができる。
(2)
また、本願請求項2にかかる紫外光照射装置は、
前記真空紫外光吸収性のガスが、酸素からなることを特徴とする。
真空紫外光吸収性のガス層に含まれる酸素は、真空紫外光(190〜100nm)である波長172nmの紫外光を吸収する一方、波長190nm以上の波長帯の紫外光の吸収が少ないので、波長190nm以上の紫外光を選択的に透過して第2の窓部材に導く。なお酸素は、空気中窒素に続いて多く含まれるガスであり、本発明にかかるガス層全体を空気で構成することも可能である。ガス層のガス置換や流過作業の簡便化を図ることで生産ライン全体のコスト低減を図ることができる。
(3)
また、本願発明にかかる紫外光照射処理装置は、
上記紫外光照射装置と、
前記第2の窓部材の光出射面に沿って設けられた処理室と、
前記処理室内部に具備されたステージとを備えてなることを特徴とする。
処理室が第2の窓部材の光出射面に沿って設けられており、当該処理室には、光源である蛍光ランプからの光が照射される。蛍光ランプは、波長190nm以上の紫外光を放射するものであり、幅広い波長域の紫外光(190nm近傍の光)をも取り出す目的で、真空紫外域においても透過性を有する発光管が使用される。この結果、放電ガスの発光に基づく真空紫外領域の紫外光(キセノンガスの発光によると波長172nm)が、不可避に放射されるものの、紫外光照射装置においては第1の窓部材と第2の窓部材を備え、これらの窓部材の間にガス層を備えているので、真空紫外領域(波長172nm)の紫外光を低減しつつ、波長190nm以上の紫外光の透過性を維持し、放射光の波長帯を選択的することで、被処理物に対し、物性の変化・変質といった副作用的な問題を回避して被処理物の処理を効果的に行える、紫外光照射処理装置とすることができる。この結果、被処理物に対して、所定の物性を維持しつつ、被処理物の硬化処理を効果的に行うことが可能な紫外光照射処理装置とすることができる。
(1)
以上の紫外光照射装置によれば、発光管の内部で、放電ガスの発光によって放出された真空紫外領域(波長172nm)の紫外光は、蛍光体層、発光管の合間から透過してランプから放射され、第1の窓部材を透過するものの、第1の窓部と第2の窓部との間に形成された特定のガスを含むガス層が介在することで、真空紫外領域(波長172nm)の紫外光を吸収するので、真空紫外光が被処理物を照射して、副作用的に物性を変えるという不具合を効果的に防止できる。ランプから放射される波長190nm以上の紫外光のうち、波長190〜220nmの範囲の紫外光においては、発光管、第1の窓部材、第2の窓部材が短波長の紫外光に対しても十分な透過性を備えるので、必要な波長帯においては選択的に透過させて放射することができる。この結果、真空紫外光を低減しつつ、190nm以上の必要な波長帯の紫外光を効果的に放射する紫外光照射装置とすることができる。
(2)
本願請求項2の発明に係る紫外光照射装置によれば、ガス層のガス置換や流過作業の簡便化を図りつつ、真空紫外領域(波長172nm)の紫外光を効果的に吸収し、波長190nm以上の波長帯の紫外光を放射することができ、効率が極めて良好な紫外光照射装置とすることができる。
(3)
本願請求項3の発明に係る紫外光照射処理装置によれば、光源を構成するランプから放電ガス(キセノンガス)のエキシマ発光に基づく真空紫外領域(波長172nm)の紫外光が不可避に放射されるものの、真空紫外領域(波長172nm)の紫外光十分に低減して所定の紫外光を選択的に被処理物に照射することができるので、被処理物の物性の変化・変質を抑制しつつ、所期の硬化処理を行うことができる。
本発明紫外光照射装置の一実施形態を示す説明図である。 図1のエキシマ光照射装置を構成するランプ(蛍光ランプ)を取り出して示す図であり、(A)管軸に沿った面で切断した説明用斜視図、(B)管軸に垂直な面で切断した説明用断面図である。 第1の窓部材、ガス層及び第2の窓部材のUV透過性を模式的に示す図である。 (A)ランプ(蛍光ランプ)から放射される紫外光の放射スペクトル及び(B)第2の窓部材から放射される紫外光の放射スペクトルである。
図1は、本願発明の一実施形態を説明する図であり、説明用断面図である。
本願発明に係る紫外光照射装置10は、矩形箱状のランプハウス11の内部に紫外域の光(蛍光)を放射する光源用のランプ20が配置されている。かかるランプ20は蛍光ランプであり、その構成については後段において詳細に説明する。
紙面においてランプハウス11下部に光取出し用の開口12が形成されていて、この開口12は第1の窓部材13によって塞がれている。ランプハウス11は、内部に略密閉した空間が形成されており、窒素ガスなどの不活性ガスがパージされる。かかる不活性ガスの作用により、ランプ20から放射された紫外光が吸収されることのない(少ない)、高い透過性を備えた空間が形成される。
ランプハウス11の下層部分には、枠部材11aを介して第2の窓部材14が配置されている。すなわち、第1、第2の窓部材13,14は、枠部材11aによって所定距離離間した状態となって対向して配置されている。そして、これら第1、第2の窓部材13,14の離間部分に空間Hが形成され、当該空間Hに、所定のガス(真空紫外光に対して吸収特性を備えるがガス)が導入されている。
第2の窓部材14の更に下層部分、すなわち光出射面14a側には、処理室30が具備されている。
処理室30は、被処理物Wが載置されるステージ32を備える。処理室30の内部は、雰囲気としては減圧または不活性ガス雰囲気とされるため、ここでの図示を省略するが、処理室30には、ガス排気・供給機構が設置されている。
続いて、図2を参照してランプ(蛍光ランプ)の構成を説明する。
ランプは、紫外光透過性の発光管21を備えており、比較的小径の内側管21aと、比較的大径の外側管21bとが、各々管の軸が同軸に配置された状態であり、長手方向の端部が溶着されて密閉空間が形成されている。発光管21は、内部に放電ガスとしてキセノンガスが40〜80kPa封入されていており、放電空間の形状は円筒形となっている。
発光管21の放電空間の外側には、一対の外部電極22A,22Bが配置される。外部電極22A,22Bは、一方の電極22Aが、内側管の内周面(放電空間外側)に、他方の電極22Bが外側管の外周面(放電空間外側)にそって配置される。これら一対の電極22A,22B間に高周波高電圧が印加されることで放電が形成される。この形態のランプによると、放電は発光管の軸に垂直な断面図(B)において、管の半径方向に形成されることになる。
ここで、発光管21の材質としては、具体的には合成石英ガラスである。
発光管21の内面には、紫外光を放射する蛍光体層23が形成されている。
蛍光体層23は、キセノンガスのエキシマ発光で放射された波長172nmの紫外光を励起光として、主に波長190nm以上の紫外光を放射するものである。このような蛍光体として例えば、例えば、ネオジウム付活リン酸イットリウムよりなる(主波長;190nm)蛍光体を用いることができる。
蛍光体の種類は、被処理物が要求する必要波長帯によって適宜に選択できる。すなわち、蛍光ランプによると、従来の水銀ランプが放射する波長帯(例えば254nmの紫外光)の紫外光に合わせた紫外領域の蛍光を放射する蛍光体を用いることができ、より被処理物の処理の効率を向上させる波長帯がそれよりも短波長の200nm近傍である場合には主波長の紫外光が200nm近傍にある蛍光体を選択することで、水銀ランプによる紫外光と比較して同等以上の効果を得ることができるようになる。
第1、第2の窓部材13,14は、いずれも紫外線透過性を備えた材質から構成される。具体的には、合成石英ガラスからなる。
第1、第2の窓部材13,14及び枠部材11aで囲まれた空間Hは、真空紫外光に対して吸収特性を備えるガスを含んで構成される。真空紫外光吸収性のガスは、当該空間Hにパージ(充填)した状態としてよいし、一方からガスを流入し他方から排出させて、流過させる状態としてもよい。ランプ20から放射された真空紫外域の光(波長172nm)及び190nm以上の波長帯の紫外光のうち、真空紫外域(波長172nm)の光が、空間Hに含まれる真空紫外光吸収性のガスによって高い効率で吸収され、残る190nm以上の波長帯の紫外光は当該空間Hにおいてほとんど吸収されることなく通過する。
真空紫外光吸収性ガスとしては、酸素(O)、アンモニア(NH)を用いることができる。中でも、酸素(O)が好適である。このような真空紫外光吸収性ガスは、単一成分のガスで構成してもよいし、複数のガスを混合して用いてもよい。また、真空紫外光吸収性ガスを、適宜の不活性ガスと混合して空間Hに導入してもよい。
一例を挙げると、空間Hの全体を大気で構成する場合は、大気中に存在する酸素が(主に)真空紫外光吸収性ガスとして作用する。大気を空間Hに導入する場合には、ランプハウス外部の大気を整流して送風したりパージしたりすればよく、ガス供給源を別途準備する必要がないため、比較的安価で簡単な構成とすることができる。
図3を参照して本願発明の作用効果について説明する。図3は、第1の窓部材及び第2の窓部材の部分を取り出して説明する図である。
蛍光ランプ(不図示)は、発光管の内部に、Xeエキシマの発光による波長172nmの真空紫外域の光を生成し、蛍光体が、波長172nmの紫外光を励起光として、それよりも長波長の紫外光に変換された蛍光を放射するものであることは先に述べた。
蛍光ランプの発光管(21)は、紫外光の透過性が良好な合成石英ガラスから構成されるため、励起光として利用されなかった(蛍光に変換されなかった)余剰の紫外光は、蛍光体層(23)及び発光管(21)を透過して、ランプハウス(11)内部に放射する。ランプハウス(11)内部は、不活性ガス(例えばN)でパージされており、かかる波長172nm紫外光に対しては透過性を有している。第1の窓部材13もまた合成石英ガラスより構成されており、Xeエキシマの発光(励起光)24と、蛍光体層で変換された蛍光(波長190nm以上の蛍光紫外光)25の両方が、当該第1の窓部材13を透過する。
第1の窓部材13と第2の窓部材14の間に形成された空間Hには、例えば酸素(O)よりなる真空紫外光吸収性ガスが存在し、第1の窓部材13を透過したXeエキシマ光(励起光)24は、酸素(O)に吸収されることで、当該空間Hを通過する間にそのほとんどが消失する。一方、ランプの蛍光体層で変換された蛍光(波長190nm以上の蛍光紫外光)25は、酸素(O)等の真空紫外光吸収性ガス層では吸収の割合が少ないため、当該空間Hを透過して、第2の窓部材14に入射することができる。第2の窓部材14もまた、合成石英ガラスからなるので、かかる蛍光25は、高い効率で第2の窓部材14を透過して光出射面14aから放射されるようになる。
ここに、第1、第2の窓部材13,14の間の離間部によって形成された空間Hにおいては、充填または流過される真空紫外光吸収性ガスの濃度や分圧を適宜に変化させることで、当該ガス層においてXeエキシマ光(励起光)24の吸収量を調整することが可能である。よって、第2の窓部材14を透過して放射されるXeエキシマ光(波長172nm)24の放射量を、十分に低減したりあるいは皆無としたりすることができる。
なお、蛍光体層で変換された蛍光(波長190nm以上の蛍光紫外光)25のうち、190nm近傍の光(おおむね190〜200nm)は、真空紫外光吸収性ガスとして酸素を用いた場合、割合としては低いが、吸収が生じる。したがって、第1、第2の窓部材の間の離間距離Cは、Xeエキシマ光(波長172nm)24を減光する程度との兼ね合いで、可及的に近づけておくことが好ましい。
ここに、第1、第2の窓部材の離間距離(空間Hの厚み)は、真空紫外光吸収性ガスとして酸素を選択し、酸素のみ流過させて構成した場合、約1mmとなる。また、ここに大気を流過させて構成する場合、第1、第2の窓部材の離間距離(空間Hの厚み)は約5mmとなる。空間Hの厚み(第1、第2の窓部材の離間距離)と、その内部に導入する真空紫外光吸収性ガスの濃度や圧力(分圧)とを適宜に調整すると、適正な波長帯の紫外光のみを放射することができる。
以上の本願発明に係る紫外光照射装置あるいは紫外光照射処理装置によれば、光源用のランプから真空紫外領域(190〜100nm)の光と、波長190nm以上の光(例えばUVC(280〜190nm))の両方の光が放射されても、真空紫外域の紫外光を減光させて、要求される波長域の紫外光を被処理物に照射することが可能で、被処理物の物性に変化を生じさせることなく、キュア(硬化)することができる。
そしてこのような紫外光照射装置あるいは紫外光照射処理装置によれば、実質的に被処理物の物性に変化を生じさせることなくキュア(硬化)効果を得ることができ、しかも、光源の消費電力を従来の水銀ランプと比較して低く設定することができる。
以上、本発明について実施形態を説明したが、本願発明は上記構成に限定されることなく、置換可能な構成については、適宜変更が可能であることは言うまでもない。
以下、図1乃至図4を参照して本願発明の実施例を説明する。
<実施例>
図1で示した構成に従って紫外光照射処理装置1を構成した。光源となるランプは、先に、図2に示した発光管構造を有する蛍光ランプであり、定格電力は400W、発光管の外径(外側管の外径)はφ40mmであった。このランプを4本、ランプハウスの内部に並べて配置し、面状の紫外光源を構成した。蛍光ランプは、発光管の内部に、主波長が190nmである紫外光放射タイプのネオジウム付活リン酸イットリウムよりなる(主波長;190nm)蛍光体が、約10〜40μmの厚さで塗布形成されたものである。なお、発光管の材質は、合成石英からなり、外側管の厚みは約2mmであった。
紫外線照射装置(処理装置)において、第1の窓部材は板厚が約3mmの合成石英で構成し、処理室側に設けた第2の窓部材は、板厚20mmの合成石英で構成した。なお、第2の窓部材の板厚を厚くした理由は、処理室内部を減圧状態として、被処理物を処理するため、真空に近い減圧下で耐え得る強度が要求されるからである。
処理室内のステージ32上に被処理物(半導体基板)を載置した。半導体基板は酸化雰囲気を嫌うため、処理室内を減圧し、被処理物をステージ32に付帯された加熱装置によって所定の温度に加熱して紫外線照射装置からの紫外光を照射した。
条件1として、第1の窓部材と第2の窓部材との間を大気で充填し、離間距離(大気層の厚さ)を8mmとした。
続いて、条件2として、第1の窓部材と第2の窓部材との間を大気で充填し、離間距離(大気層の厚さ)を33mとした。
条件1,2で得られた被処理物に関して物性を測定したところ、現在実用的に使用されている高圧水銀ランプや無電極ランプによってキュア処理したものと同等の品質であることが確認された。
上記実施例で用いた紫外光照射装置での放射スペクトルを図4に示す。
蛍光ランプから放射された(直接)光のスペクトルは細線の破線で示される。同図から理解できるよう、波長172nmの紫外光は、主波長に比較して強度は大きくないがピークが表れている。
条件1において第2の窓部材を透過して放射された紫外光は、細線の連続線で示される。
条件2において第2の窓部材を透過して放射された紫外光は、太線の連続線で示される。
条件1,2では、第1、第2の窓部材の離間距離(すなわち空気層の厚さ)が異なる。条件1、2では、ランプから直接放射された紫外光の放射スペクトルと比較して、特に180nm以下の紫外光が大きく低減されていることが理解できる。条件2においては、条件1よりもさらに波長172nmの紫外光が減光されていることがわかる。この結果からも理解されるよう、第1、第2の窓部材との間に、真空紫外光の吸収特性を備えるガスを充填することで、キュア処理に不要な波長域の光(波長172nm近傍の真空紫外光)を効果的に減光することができる。
1 紫外光照射処理装置
10 紫外光照射装置
11 ランプハウス
12 光取り出し用開口
13 第1の窓部材
14 第2の窓部材
14a 光出射面
20 ランプ
21 発光管
21A 光出射面
22A,22B 外部電極
23 蛍光体層
24 Xeエキシマ光(励起光、波長172nmの紫外光)
25 蛍光(波長190nm以上の蛍光紫外光)
30 処理室
32 ステージ
W 被処理物

Claims (3)

  1. 紫外光を放射するランプと、
    前記ランプを内部に備え、光取出し部が設けられたランプハウスと、
    前記光取出し部に配置された紫外光透過性を有する第1の窓部材と、
    前記第1の窓部材の外側に、当該第1の窓部材と所定空間離間して配置された紫外光透過性を有する第2の窓部材とを有し、
    前記ランプは、放電ガスが充填された紫外光透過性の発光管と、放電ガスの発光で放射された真空紫外領域の光を励起光として波長190nm以上の紫外光を放射する蛍光体を備えた蛍光ランプであり、
    前記第1の窓部材と第2の窓部材の間に、真空紫外光吸収性のガスを含む空間を備えている
    ことを特徴とする紫外光照射装置。
  2. 前記真空紫外光吸収性のガスは、酸素である
    ことを特徴とする請求項1記載の紫外光照射装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の紫外光照射装置と、
    前記第2の窓部材の光出射面に沿って設けられた処理室と、
    前記処理室内部に具備されたステージとを備えてなる
    ことを特徴とする紫外光照射処理装置。
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