JP4743314B2

JP4743314B2 - 照射装置

Info

Publication number: JP4743314B2
Application number: JP2009184404A
Authority: JP
Inventors: 雅規中村; 寛奥村
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2029-08-07
Also published as: JP2011040192A

Description

本発明は、半導体素子や液晶基板の製造工程において、ウエハやガラス基板等の基板のドライ洗浄に好適に用いることができる照射装置に関する。

半導体素子や液晶基板の製造工程においては、シリコンウエハやガラス基板等の基板の表面に付着した有機化合物等の除去処理が行われており、かかる有機化合物等の除去処理方法としては、水や有機溶剤等を使用しないドライ洗浄法が広く利用されている。
このようなドライ洗浄法の一つとして大気圧プラズマ発生装置が知られている。この装置は、一対の電極の間にプラズマが生じる空隙が形成されており、この空隙に窒素ガスを流しながら、短パルスの高電圧電界が印加される。高周波電界が印加された電極の大気圧近傍でプラズマが発生し、プラズマによってガラス基板などの被処理物に付着した有機物を除去することができる。

プラズマは、大気圧下では一瞬にしてグロー放電からアーク放電に移行し、スパーク放電が発生しやすい。そのため、短パルスの電界を電極に印加して、グロー放電からアーク放電に移行する前に、強制的に電界を切替えて、アーク放電に移行しないようにし、グロー放電のまま維持させている。

しかしながら、短パルスの電界を生成するパルス電源は高価であるため、装置全体の価格が上昇してしまうという問題がある。また、短パルス電界を印加する場合は、処理物であるガラス基板との走行位置とのタイミングを図る複雑な制御が必要となることや、急峻な電界が発生することからノイズの問題も生じる。

特開２００２−１５１４８０号公報

本発明は、上記の問題点に鑑み、グロー放電からアーク放電への移行を防止することができ、かつ、パルス電源を使うことの種々の問題を解決できる新しい大気圧プラズマ発生装置を提供することを目的とする。

本願第１の発明は、交流電界が供給される一対の電極に挟まれる空間に、大気圧下に反応性ガスが流過されている反応性ガス層と放電容器の内部に不活性ガスが封入された不活性ガス層とが、電極に対して並行で連続するように配置されてなり、前記電極間で発生する放電が反応性ガス層におけるプラズマ放電と不活性ガス層におけるエキシマ放電とを介して発生することを特徴とする。
本願第２の発明は、第１の発明において、前記放電容器に一方の電極が取り付けられ、該放電容器が内部に配置されるランプハウスに他方の電極が取り付けられ、ランプハウスと放電容器との間に反応性ガス層が形成されていることを特徴とする。
本願第３の発明は、第２の発明において、前記一方の電極は放電容器の側面に伸びる一方の側面電極を有し、該一方の側面電極に対向する位置に前記他方の電極と同電位になるように電力が供給されている他方の側面電極が取り付けられ、前記一方の側面電極と前記他方の側面電極との間に誘電体を有することを特徴とする。
本願第４の発明は、第１の発明において、前記電極のうち、一方の電極を前記放電容器に直接に取り付けず、該一方の電極より大きい面積を有する誘電体を前記放電容器との間に配置し、該誘電体の被処理体に対向する面に前記一方の電極が取り付けられていることを特徴とする。

本願第１、第２の発明に係る照射装置によれば、一対の電極で発生する放電が反応性ガス層と不活性ガス層とを介して生じるようにすることによって、反応性ガス層の放電を持続させずに停止できるので、正弦波交流電圧を供給してもプラズマ放電のアーク放電への移行を防止でき、プラズマ放電を安定に維持することができる。また、被処理体に対して、エキシマランプからの紫外線による洗浄処理およびエキシマランプと電極との間に発生したプラズマによる洗浄処理の両方を行うことができるので、被処理体に対して高い洗浄処理能力が得られる。

本願第３の発明に係る照射装置によれば、ランプハウスと放電容器との間に反応性ガス層が形成されているため、放電容器の側面に伸びる一方の側面電極と、電極と同電位になるように電力が供給されている他方の側面電極との間でプラズマ放電が発生する。そのため、プラズマをより多く含むガスを被処理体Ｗに照射でき、被処理体Ｗの表面に付着した有機化合物がより効率よく分解・酸化される。

本願第４の発明に係る照射装置によれば、電極よりも大きい面積を有する誘電体を放電容器との間に配置し、誘電体の被処理体に対向する面に電極が取り付けることによって、電極同士がエキシマランプの放電容器の側面を放電が走り、沿面でアークショートしないようにすることができる。

第１の実施形態の照射装置の構成を示す説明用断面図プラズマ放電用電極の設置位置を変更した構成を示す説明用断面図エキシマ放電用電極を誘電体を介して設置した構成を示す説明用断面図第２の実施形態の照射装置の構成を示す説明用断面図放電容器の下側半分に外部電極が取り付けられた構成を示す説明用断面図放電容器の全周を覆う網状電極が取り付けられた構成を示す説明用断面図第３の実施形態の照射装置の構成を示す説明用断面図

図１は、第１の実施形態の照射装置の構成を示す説明用断面図である。
ランプハウス２０の内部に、エキシマランプ１０が配置され、エキシマランプ１０の下方に被処理体Ｗを水平方向に搬送して移動させる搬送機構３０が設けられている。ランプハウス２０は、側壁を形成する側壁部材２１ａ、２１ｂが向かい合うように配置され、側壁部材２１ａ、２１ｂの上部の開口を塞ぐように天板２２が形成されている。ランプハウス２０を、側壁部材２１ａ、２１ｂと天板２２とに分けて構成することにより、天板２２を開閉式にしてランプハウス２０内部に配置されるエキシマランプ１０を交換できるようにしている。搬送機構３０は、複数の搬送コロ３１が被処理体Ｗの搬送方向に沿って並ぶよう配置されて構成されている。

ランプハウス２０の天板２２の内面には、例えばアルミニウムよりなる直方体状のプラズマ放電用電極２５が設けられている。プラズマ放電用電極２５の内部に、エキシマランプ１０の長手方向に沿って水平に伸びる冷却水管２６が複数設けられている。一方の側壁部材２１ａとプラズマ放電用電極２５との間に、エキシマランプ１０とプラズマ放電用電極２５との間に反応性ガスを供給するためのマニホールド２７が設けられている。反応性ガスとしては、窒素ガス（Ｎ_２）、アルゴンガス（Ａｒ）、炭酸ガス（ＣＯ_２）、ヘリウムガス（Ｈｅ）などを主成分とし、酸素ガスが１〜２体積％含有してなるものを用いることが好ましい。また、単位長さ当りの流量が、１ｍ当り０．５〜４ｍ^３／ｓとなるように流過させている。

反応性ガスが、大気圧またはその近傍の圧力下において、マニホールド２７からプラズマ放電用電極２５とエキシマランプ１０との間を流れ、他方の側壁部材２１ｂとの隙間からエキシマランプ１０の下方の被処理体Ｗに向かって流すことによって、発生したプラズマが被処理体Ｗに照射されるようにしている。反応性ガスが一方の側壁部材２１ａに沿って流出しないように、エキシマランプ１０の側面に接触するように固定板２３が配置されている。また、他方の側壁部材２１ｂとの間にはエキシマランプ１０の側面との間に反応性ガスが流過する隙間を挟んで案内部材２８が配置されている。

エキシマランプ１０は、合成石英ガラスなどのシリカガラス、サファイアなどの真空紫外線を良好に透過する断面矩形状で中空長尺の放電容器１１の内部に、希ガス、または、希ガスとハロゲンガスとを混合した混合ガスよりなる不活性ガスが、例えば１０〜８０ｋＰａで気密に封入されている。放電容器１１の被処理体Ｗに対向する下面１１ｂの外面に、網状のエキシマ放電用電極１３が設けられている。エキシマ放電用電極１３は、アルミニウム、ニッケル、金などの金属材料よりなり、これらの金属材料を含む導電性ペーストをスクリーン印刷することや、金属材料を真空蒸着することにより形成される。

プラズマ放電用電極２５およびエキシマ放電用電極１３は、正弦波交流電圧を供給する高周波電源Ｐに接続されている。高周波電源Ｐから供給される電力は、例えば、周波数が１０〜１００ｋＨｚであり、電圧が１ｋＶｒｍｓ〜数１０ｋＶｒｍｓである。プラズマ放電用電極２５とエキシマ放電用電極１３との間に、放電容器１１の内部に不活性ガスが封入された不活性ガス層１４と、大気圧下に反応性ガスが流過する反応性ガス層２４とが連続して挟まれるように配置されている。このため、プラズマ放電用電極２５とエキシマ放電用電極１３との放電は、エキシマランプ１０の上面１１ａを介してプラズマ放電とエキシマ放電とを経ることになる。

不活性ガス層１４でエキシマ放電が発生してエキシマ分子が形成され、真空紫外線が放射される。また、反応性ガス層２４にかかる高周波電界によってプラズマ放電が発生し、反応性ガス２４が電離または励起されてプラズマが生成される。そして、搬送機構３０によって水平方向に移動する被処理体Ｗの表面に、エキシマランプ１０から放射された真空紫外線が照射されると共に、真空紫外線によって発生したオゾン等の活性酸素が被処理体Ｗの表面に接触することにより、被処理体Ｗの表面に付着した有機化合物が分解・酸化される。更に、プラズマを含むガスが、エキシマランプ１０の側面と案内部材２８によって下方に導かれ、被処理体Ｗの表面に接触することにより、被処理体Ｗの表面に付着した有機化合物が分解・酸化される。
被処理体Ｗに対して、エキシマランプ１０からの真空紫外線による洗浄処理、およびプラズマによる洗浄処理の両方を行うことができるので、被処理体Ｗに対して高い洗浄処理能力が得られる。

エキシマ放電およびプラズマ放電の開始電圧は、放電空間の圧力、放電ギャップの大きさ、ガスの種類等によって定まるが、プラズマ放電の開始電圧の方がエキシマ放電の開始電圧よりも高く、プラズマ放電がエキシマ放電より例えば数マイクロ秒間遅延して発生するよう設定されることが好ましい。このような条件が満たすように、反応性ガス層２４と不活性ガス層１４の放電ギャップの大きさや、不活性ガス層１４のガス圧が設定される。
例えば、反応性ガス層２４の放電ギャップの大きさとなるエキシマランプ１０とプラズマ放電用電極２５との離間距離を１〜１０ｍｍとし、不活性ガス層１４の放電ギャップとなる放電容器１１の上面１１ａと下面１１ｂとの距離を０．０５〜５ｍｍとする。

プラズマ放電用電極２５を高電圧発生側として正弦波交流電圧を供給した場合について説明する。エキシマ放電用電極１３に印加された高電圧により、エキシマランプ１０の下面１１ｂに電荷が充電され、蓄えられた電荷による電圧がエキシマ放電の開始電圧に達すると、不活性ガス層１４でエキシマ放電が発生する。さらに、不活性ガス層１４でのエキシマ放電により、エキシマランプ１０の上面１１ａに電荷がさらに充電され、プラズマ放電の放電開始電圧に達すると、反応性ガス層２４でプラズマ放電が発生する。しかしながら、不活性ガス層１４では、エキシマ放電によりエキシマランプ１０の上面１１ａと下面１１ｂとの間の電圧が低下するため、放電が維持することなく停止する。さらに、エキシマ放電の停止により、反応性ガス層２４への電流が制限されてプラズマ放電も停止する。印加される高圧電圧をさらに上昇させていくと、上記状態が最大電圧に到達するまで繰り返し発生して放電する。反応性ガス層２４の放電を持続させずに停止できるので、アーク放電への移行を防止できる。
プラズマ放電用電極２５の極性が反転することによって、上記放電が再び生じる。

プラズマ放電用電極２５とエキシマ放電用電極１３との間に挟まれる空間に、反応性ガス層２４と不活性ガス層１４とが電極１３、２５に対して並ぶよう配置することによって、一対の電極２５、１３で発生する放電が反応性ガス層２４と不活性ガス層１４とを介して生じるようにしている。このような構成にすることによって、反応性ガス層２４の放電を持続させずに停止できるので、正弦波交流電圧を供給してもプラズマ放電のアーク放電への移行を防止でき、プラズマ放電を安定に維持することができる。

続いて、第１の実施形態の変形例を示す。
図２は、第１の実施形態に対して、プラズマ放電用電極２５の設置位置を変更した構成を示す説明用断面図である。
図１に示すようにプラズマ放電用電極２５をランプハウス２０の内部に配置して、プラズマ放電用電極２５に高電圧を供給する場合、ランプハウス２０やその他の部材と絶縁をとることが困難となる場合がある。そのような問題を回避するため、図２に示すようにランプハウス２０の天板２２とは別体に、天板２２から吊り下げるようにしてプラズマ放電用電極２５を配置している。このような構成にすることによって、プラズマ放電用電極２５の絶縁がとりやすくなる。

図３は、第１の実施形態に対して、エキシマ放電用電極１３を誘電体１５を介して設置した構成を示す説明用断面図である。
エキシマ放電用電極１３を放電容器１１に直接に取り付けるのではなく、エキシマ放電用電極１３より大きい面積を有する誘電体１５を放電容器１１との間に配置し、誘電体１５の被処理体Ｗに対向する面にエキシマ放電用電極１３が取り付けられている。このように誘電体１５を介することによって、エキシマ放電用電極１３とプラズマ放電用電極２５とが、エキシマランプ１０の放電容器１１の側面を放電が走り、沿面でアークショートしないようにすることができる。

誘電体１５とエキシマランプ１０との間にも反応性ガスを流過させることによって、プラズマ放電用電極２５とエキシマ放電用電極１３との間で発生する放電は、誘電体とエキシマランプ１０との間で生じるプラズマ放電が加わり、プラズマ放電が生じる反応性ガス層２４に挟まれて、エキシマ放電が生じる不活性ガス層１４が存在することになる。

続いて、第２の実施形態を示す。
図４は、第２の実施形態の照射装置のランプハウス内に配置される反射鏡５１とエキシマランプ４０とを示す説明用断面図である。
第２の実施形態のエキシマランプ４０は、外側管４３と内側管４２とが同軸上に配置された二重管構造の放電容器４１を有し、外側管４３と内側管４２に囲まれる空間に不活性ガスが封入されて構成されている。エキシマランプ４０の上方にアルミニウムよりなる樋状の反射鏡５１が配置されている。エキシマランプ４０と反射鏡５１との間には、反応性ガスが大気圧下において流過され、漏れ出たガスが被処理体に向かって流れ出るようになっている。

エキシマランプ４０の内側管４２の内周面に、円筒状の金属部材よりなる内側電極４４が形成されており、反射鏡５１を他方の電極として、正弦波交流電圧を供給する高周波電源Ｐが接続されている。内側電極４４は内側管４２の内側の閉じられた空間内にあるので、内側電極４４を高圧側とし、反射鏡５１を低圧側とすることによって、容易に絶縁を図ることができる。

内側電極４４の上半分側は、反射鏡５１との間に、放電容器４１の内部に不活性ガスが封入された不活性ガス層４５と、大気圧下に反応性ガスが流過する反応性ガス層５２とが連続して挟まれるように配置されている。このような構成にすることによって、反応性ガス層５２の放電を持続させずに停止できるので、正弦波交流電圧を供給してもプラズマ放電のアーク放電への移行を防止でき、プラズマ放電を安定に維持することができる。
また、被処理体に対して、エキシマランプ４０からの真空紫外線による洗浄処理、およびプラズマによる洗浄処理の両方を行うことができるので、被処理体に対して高い洗浄処理能力が得られる。

続いて、第２の実施形態の変形例を示す。
図５は、第２の実施形態に対して、放電容器４１の下側半分に外部電極４６が取り付けられた構成を示す説明用断面図である。
エキシマランプ４０の放電容器４１の外側管４３の下側半分に外部電極４６を取り付け、外部電極４６にアースをとっている。放電容器４１の下側半分に封入されている不活性ガスに、内側電極４４と外側電極４６に挟まれて高電圧がかけられ、エキシマ放電する。図４に示す形態では、内側電極４４の上半分側しか放電に寄与しなかったが、図５に示すように外側管４３の下側半分に外部電極４６を取り付けることによって、内側電極４４の下半分側も放電に寄与するようにでき、被処理体に対して洗浄処理能力を高めることができる。

図６は、第２の実施形態に対して、反射鏡５１ではなく、放電容器４１の全周を覆う網状電極４７が取り付けられた構成を示す説明用断面図である。
放電容器４１の周囲を、反応性ガス層５２を介して全周を覆うように網状電極４７が取り付けられている。内側電極４４の全周に対して、不活性ガス層４５と反応性ガス層５２とを介して網状電極４７が挟むように形成されている。このような網状電極４７を構成することによって、内側電極４４を取り囲む全ての領域でエキシマ放電とプラズマ放電とを発生させることができる。

続いて、第３の実施形態の変形例を示す。
図７は、第３の実施形態の照射装置の構成を示す説明用断面図である。
第３の実施形態の照射装置は、反応性ガスをエキシマランプ１０の下方の被処理体Ｗに向かって流れるように案内する案内部材２８に側面電極２９が取り付けられ、プラズマ放電用電極２５と同電位になるように電力が供給されている。案内部材２８の表面に、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）などの誘電体材料よりなる誘電体１９が形成されている。放電容器１１の下面１１ｂに形成されたエキシマ放電用電極１３は、案内部材２８に向かい合う側面１２まで伸びるように形成されている。

エキシマランプと案内部材２８の間には反応性ガスが流過しているので、側面１２まで伸びたエキシマ放電用電極１３と誘電体１９を介して対向する側面電極２９との間で、プラズマ放電が発生する。反応性ガスが被処理体Ｗの表面に接触する直前でプラズマ放電を発生させることによって、プラズマをより多く含むガスを被処理体Ｗに照射でき、被処理体Ｗの表面に付着した有機化合物がより効率よく分解・酸化される。

１０エキシマランプ
１１放電容器
１３エキシマ放電用電極
１４不活性ガス層
１５誘電体
２０ランプハウス
２１側壁部材
２２天板
２３固定板
２４反応性ガス層
２５プラズマ放電用電極
２６冷却水管
２７マニホールド
２８案内部材
２９側面電極
３０搬送機構
３１搬送コロ
Ｐ高周波電源
Ｗ被処理体

Claims

交流電界が供給される一対の電極に挟まれる空間に、大気圧下に反応性ガスが流過されている反応性ガス層と放電容器の内部に不活性ガスが封入された不活性ガス層とが、電極に対して並行で連続するように配置されてなり、
前記電極間で発生する放電が反応性ガス層におけるプラズマ放電と不活性ガス層におけるエキシマ放電とを介して発生することを特徴とする照射装置。
前記放電容器に一方の電極が取り付けられ、該放電容器が内部に配置されるランプハウスに他方の電極が取り付けられ、ランプハウスと放電容器との間に反応性ガス層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
前記一方の電極は放電容器の側面に伸びる一方の側面電極を有し、該一方の側面電極に対向する位置に、前記他方の電極と同電位になるように電力が供給されている他方の側面電極が取り付けられ、前記一方の側面電極と前記他方の側面電極との間に誘電体を有することを特徴とする請求項２に記載の照射装置。
前記電極のうち、一方の電極を前記放電容器に直接に取り付けず、該一方の電極より大きい面積を有する誘電体を前記放電容器との間に配置し、該誘電体の被処理体に対向する面に前記一方の電極が取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の照射装置。