JP5424616B2 - エキシマ照射装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体製造におけるドライ洗浄、表面活性化処理又はソフトアッシング等に用いられ、高周波放電によってエキシマ光を照射するエキシマ照射装置に関する。

半導体製造技術の分野におけるドライ洗浄、表面活性化処理及びソフトアッシング、並びに環境技術の分野におけるオゾンの生成、水や大気の汚染浄化及び超純水製造等に利用される紫外線光源として、エキシマランプを備えたエキシマ照射装置が用いられている。エキシマランプは、光化学反応により、単波長の紫外線（エキシマ光）を照射する。

従来のエキシマランプとして、チューブ型を呈するものがある（例えば、特許文献１又は２参照。）。チューブ型のエキシマランプは、チューブ形の放電容器と、その外側に配置された外部電極と、外部電極を保護するための石英管と、で構成されている。さらに、放電容器と石英管との間は、窒素ガスでパージされている。
特許第３９６６８４８号公報 特開２００４−３１４００号公報

しかし、従来のチューブ部型のエキシマランプは、放電容器の外周部がエキシマ光の照射面（以下「エキシマ照射面」という。）となる。このため、被照射体がシリコンウエハのような物品である場合、エキシマ照射面から四方に放射したエキシマ光の一部のみが、被照射体に照射されるだけで、発生したエキシマ光を効率よく照射することができない。

また、エキシマ光は、大気中での透過性が悪く、エキシマ照射面から約８ｍｍ以上離れた位置にある被照射物に光子エネルギーを十分に照射できない。例えば、被照射体が成膜されたウエハである場合に、エキシマ照射面からの距離が十分に近い一部の有機化合物が分解されるのみで、その照射面から離れるに従って有機化合物を十分に分解することはできなくなる。

このため、従来のチューブ形のエキシマランプにおいては、発光したエキシマ光のほとんどを有効に利用することができず、有機化合物の分解や表面改質処理等を十分に行うことができない問題があった。こうした問題に対して、反射板を設けるなどして照射効率の改善を図ったものもあるが、未だ十分ではない。

この発明の目的は、被照射体にエキシマ光を効率よく均一に、かつ安定して照射することができるエキシマ照射装置を提供することにある。

この発明のエキシマ照射装置は、放電容器、窓側電極層、背面側電極層、電源手段、電極側窓部材、被照射体側窓部材、支持体及びガス供給手段を備えている。放電容器は、紫外線を透過させる材料で構成され、放電用ガスを封入した薄箱形状を呈し、厚さ方向に直交する互いに平行な２平面の一方を被照射体に対向する窓面としている。窓側電極層は、窓面の外側面に貼付され、紫外線を透過させる。背面側電極層は、放電容器における窓面に対向する背面の外側面に配置される。電源手段は、窓側電極層と背面側電極層との間に高周波電圧を印加する。電極側窓部材は、窓側電極層の外側面に密着して配置され、紫外線を透過させる。被照射体側窓部材は、電極側窓部材の外側に所定の間隙を設けて配置され、紫外線を透過させる。支持体は、矩形断面の管体からなり、被照射体側窓部材の上面の周縁部に全周にわたって載置されて窓側電極層と被照射体側窓部材との間に間隙を形成する。ガス供給手段は、支持体の内部を経由して間隙に不活性ガスを流通させる。

電源手段から窓側電極層と背面側電極層との間に高周波電圧を印加すると、放電容器内の放電用ガスが紫外線を発生する。放電容器内で発生した紫外線は、放電容器における厚さ方向に直交する互いに平行な２平面の一方である窓面を被照射体に向かって全面にわたって均一に透過し、窓面の外側に配置された窓側電極層、電極側窓部材、被照射体側窓部材を順に透過して被照射体に照射される。窓側電極層は窓面の外側面に貼付されており、電極側窓部材は窓側電極の外側面に密着している。電極側窓部材と被照射体側窓部材との間隙には、ガス供給手段によって不活性ガスが流通している。したがって、窓面を透過した紫外線は、被照射体側窓部材を透過するまで空気に接触することがない。また、紫外線発生時に放電容器内に生じた熱は、間隙を流通する不活性ガスによって奪われる。

この構成において、紫外線を透過させるフィルタを、前記被照射体側窓部材の外側に、前記被照射体側窓部材の外側面との間を無酸素状態にして着脱自在に備えることが好ましい。紫外線を照射された被照射体の表面に発生する塵埃により、被照射体側窓部材が汚損することを防止できる。フィルタの交換により、被照射体に対する紫外線の照射効率を回復することができる。なお、無酸素状態には、真空状態及び不活性ガスで置換された状態を含む。

また、窓面の法線方向に沿って被照射体側窓部材を電極側窓部材に対して変位自在に支持する支持手段を備えることが好ましい。窓面の法線方向における間隙の幅を調整することができ、間隙における不活性ガスの流通量を調整することで温度制御が可能になる。

さらに、窓側電極層を窓面の面方向に沿って複数の開口を有する網状電極とし、背面側電極層を背面の外側面に貼付されて紫外線を遮光する板状電極とすることが好ましい。背面から外部に紫外線が照射されることを防止し、窓面を経由して被照射体に効率的に市外視線を照射することかできる。

加えて、放電容器における窓面以外の面のエキシマ光を検出するセンサと、センサの検出信号に応じて紫外線の照射状態を検出する制御部と、を備えることが好ましい。放電容器内における紫外線の発生状態を容易に確認することができる。この場合に、制御部は、センサの検出信号に応じて電源手段の出力を制御するようにしてもよい。

また、背面電極層の外側に流体冷却手段を配置することで、放電容器の温度制御をより正確に行うことができる。

この発明によれば、窓面を透過した紫外線を、被照射体側窓部材を透過するまで空気に接触させることなく被照射体に照射することができる。また、紫外線発生時に放電容器内に生じた熱を、間隙を流通する不活性ガスによって奪うことができる。したがって、放電容器内で発生した紫外線を被照射体に紫外線を効率よく均一に、かつ安定して照射することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るエキシマ照射装置の断面図である。図２及び３は、同エキシマ照射装置の要部の拡大断面図である。エキシマ照射装置１は、下方の図示しないチャンバ内を水平方向に搬送される被照射体に対して、紫外線であるエキシマ光を照射する。このため、エキシマ照射装置１は、放電容器２、窓側電極層３、背面側電極層４、電源装置５、電極側窓部材６、被照射体側窓部材７、フィルタ８、ガス供給装置９、フレーム１０、カバー２０、センサ３０、制御部４０、表示器５０を備えている。

放電容器２は、全体がエキシマ光を透過させる誘電体からなる薄箱形状を呈し、本体２１及び蓋体２２からなる。厚さ方向に直交する２平面の一方の略全面が窓面２Ａにされている。放電容器２の素材となる誘電体としては、例えば、紫外線の透過性に優れた厚さが１〜８ｍｍ程度の石英又は合成石英を用いることができる。放電容器２は、例えば、縦及び横が十数〜数十ｃｍ、高さが１〜２ｃｍ程度にすることができる。放電容器２の内部には、放電用ガスが封入されている。

放電容器２の内部には、窓面２Ａに平行な面内で互いに直交する２方向のそれぞれに沿って等間隔で複数の支柱２３が配置されている。支柱２３は、長手方向の両端を窓面２Ａ及び背面２Ｂの内側面に溶接される。支柱２３は、窓面２Ａと背面２Ｂとの間隔を維持するとともに、放電容器２に十分な強度を与える。支柱２３の本数を増やすことで、各支柱２３の断面積を小さくすることができ、窓面２Ａの全面におけるエキシマ光の照射光量の均一化を図ることができる。

なお、複数の支柱２３の全てを窓面２Ａ及び背面２Ｂの内側面に溶接し、一部の支柱のみを背面２Ｂの内側面に溶接することで、窓面２Ａ及び背面２Ｂの外側面を平滑に形成し易くすることができる。

放電用ガスは、種類によって波長の異なるエキシマ光を発生する。したがって、放電容器２には、使用目的に応じた波長のエキシマ光を発生する放電用ガスが封入される。放電容器２における放電用ガスの圧力は、目的の波長のエキシマ光を得るためのガスの種類および所望するエキシマ発光量に応じて、適宜設定され、通常１〜８０ＫＰａ程度にされる。

窓側電極層３は、窓面２Ａの外側面に貼付される。窓側電極層３は、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、酸化銅、又はそれらの合金を素材として網目状に形成されている。窓側電極層３は、網目状に限るものではないが、窓面２Ａの全面にわたって均一に開口部を備える必要がある。窓面２Ａを透過したエキシマ光は、窓側電極層３の開口部を透過して被照射体に向かう。

背面側電極層４は、背面２Ｂの外側面に貼付される。背面側電極層４は、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、酸化銅、又はそれらの合金を素材として構成さている。背面側電極層４は、エキシマ光が放電容器２内の各部で均一に放電して窓面２Ａでの照射分布が均一になるように、背面２Ｂの全面に均一に配置される。

背面側電極層４の上面は、背面部材４１で被覆されている。背面側電極層４及び背面部材１には、貫通孔４Ａ，４１Ａ，４１Ｂが形成されている。貫通孔４Ａと貫通孔４１Ａとは、平面位置が一致している。背面部材４１は、エキシマ光を遮光する素材で構成されており、放電容器２内で発生したエキシマ光のうち背面２Ｂに向かうエキシマ光が放電容器２の外部に漏出することを防止する。

背面側電極層４の形状は、板状、網目状など特に限定されないが、図３に示すように、板状とすることで、別体の背面部材４１を設けることなく、背面２Ｂに向かうエキシマ光が放電容器２の外部に漏出することを防止できる。

電源装置５は、窓側電極層３と背面側電極層４との間に高周波電圧を印加する。窓側電極層３と背面側電極層４との間への高周波電圧の印加により、放電容器２内で放電用ガス１１がエキシマ光を発生する。

電極側窓部材６は、例えば、光透過性に優れた石英、合成石英、フッ化マグネシウム又はフッ化カルシウム等を素材として、板状に形成されている。電極側窓部材６は、上面の全面を窓側電極層３に密着させて配置されている。

被照射体側窓部材７は、例えば、光透過性に優れた石英又は合成石英を素材として、板状に形成されている。被照射体側窓部材７は、フレーム１０の開口部１０Ａ内に上方から嵌入させ、パッキン６２を介して装着されている。被照射体側窓部材７の上面の周縁部には、矩形断面の管体からなる支持体６１が載置されている。支持体６１の上面に電極側窓部材６が載置されている。被照射体側窓部材７の上方には、支持体６１によって電極側窓部材６の底面との間に間隙１２が形成されている。

フレーム１０の上面には、開口部１０Ａの外縁部に複数の支柱６３が取り付けられている。支柱６３には、上面から内部に向かってネジ穴が形成されている。このネジ穴には、背面部材４１を上下に貫通した固定ネジ６５が螺合する。固定ネジ６５のネジ部の上部にはスプリング６４が、外嵌している。スプリング６４は、固定ネジ６５の頭部と背面部材４１との間で圧縮されることにより、背面部材４１を下方に押圧する。スプリング６４の押圧力により、フレーム１０に、被照射体側窓部材７、支持体６１、電極側窓部材６、窓側電極層３、放電容器２、背面側電極層４及び背面部材４１が下からこの順に積層して固定して配置される。

フィルタ８は、光透過性に優れた石英又は合成石英を素材として、薄板状に形成されている。フィルタ８は、例えば、固定ネジを介して、全面を被照射体側窓部材７の底面に密着させて着脱自在に配置されている。被照射体の表面において発生した塵埃は、フィルタ８に付着し、被照射体側的度部材や電極側窓部材６に付着することがない。フィルタ８のみを交換又は清掃することで塵埃の付着によるエキシマ光の照射効率を回復することができ、エキシマ照射装置１のランニングコストを低減できる。

なお、エキシマ照射装置１とその下方に配置されるチャンバとの間が、真空状態又は不活性ガスで置換された状態のように無酸素状態に維持される環境では、チャンバの上面にフィルタ８を装着することができる。チャンバの上面にフィルタ８を装着すると、フィルタ８をチャンバの上面に固定部材を介して固定する必要がなく、エキシマ照射装置１をチャンバの上方から排除するだけでフィルタ８の交換ができるため、フィルタ８の着脱作業を簡略化できる。

ガス供給装置９は、この発明のガス供給手段であり、支持体６１の外周部に全周にわたって配置されたダクト９Ａを介して、一例として窒素ガス等の不活性ガスを導入する。ダクト９Ａの内側面及び支持体６１の内外側面には所定の間隔で水平方向に孔部が形成されている。ダクト９Ａの孔部から吐出された不活性ガスは、支持体６１の内部を経由して間隙１２内に導入される。間隙１２は、不活性ガスによってパージされ、空気が排除される。また、エキシマ照射装置１から被照射体にエキシマ光を照射している間に、ガス供給装置９による間隙１２への不活性ガスの供給を継続することで、間隙１２に不活性ガスが流通し、電極側窓部材６を介して放電容器２が冷却される。

放電容器２、窓側電極層３、背面側電極層４、電源装置５、電極側窓部材６及び背面部材４１は、フレーム１０の上面に載置された状態で配置され、カバー２０で被覆されている。カバー２０は、上面に窓部２０Ａ及び孔部２０Ｂが形成されている。窓部２０Ａは、貫通孔４Ａ及び４１Ａに対向する位置に形成されている。放電容器２内で発生したエキシマ光の一部は、貫通孔４Ａ及び貫通孔４１Ａを経由して上方に露出する。孔部２０Ｂは、貫通孔４１Ｂに対向する位置に形成されている。孔部２２には、配線管６０が挿入されている。配線管６０の下端部は貫通孔４１Ｂを貫通する。配線管６０内には、電源装置５と窓側電極層３及び背面側電極層４とを接続する電源線が挿入される。

センサ３０は、カバー２０の窓部２１の外部に配置されている。センサ３０は、窓部２１を介して貫通孔４Ａ及び貫通孔４１Ａから露出したエキシマ光を受光し、エキシマ光の受光量に応じたレベルの検出信号を制御部４０に出力する。放電容器２の側面が被覆されていない場合には、センサ３０を放電容器２の側面に対向するように配置してもよい。

制御部４０は、センサ３０が出力した検出信号に基づいて、表示器５０の点灯状態を制御する。制御部４０は、センサ３０から所定レベル以下の検出信号が入力されると、表示器５０を点灯させる。表示器５０の点灯状態を視認することにより、エキシマ照射装置１から被照射体にエキシマ光が照射されているか否かを確認できる。

また、制御部４０は、検出信号のレベルに基づいて、電源装置５の出力を制御する。制御部４０は、検出信号のレベルに応じた制御データを電源装置５に出力する。例えば、制御部４０は、検出信号のレベルを基準レベルと比較し、比較結果に応じて駆動回路の高周波電圧を昇降させるように制御データを出力する。出力電源装置５は、制御データに応じた周波数の高周波電圧を窓側電極層３と背面側電極層４との間へ印加する。放電容器２内におけるエキシマ光の発生状態に基づいて電源装置２の出力をフィードバック制御することができ、被照射体に対する処理に適した光量のエキシマ光を安定して照射することができる。

なお、制御部４０による表示器５０の点灯制御、及び電源装置５の出力制御は、必ずしも必須ではなく、何れか一方又は両方を省略することもできる。

駆動回路５から窓側電極層３と背面側電極層４との間に高周波電圧を印加することによって、放電容器２内で無声放電が起こり、窓面２Ａから均一且つ十分なエキシマ光が照射される。駆動回路５は、例えば、１ＭＨｚ〜２０ＭＨｚの周波数で高周波電圧を印加する。これによって、発光効率や熱効率を向上させることができ、消費電力を小さくすることができる。より好ましい高周波電圧の周波数は、１ＭＨｚ〜４ＭＨｚである。この時の高周波電圧は、１〜２０ｋＶが好ましい。高周波電圧が１ｋＶ未満の場合には、外部電極６と据付電極４との間で均一且つ十分な放電が起こらず、エキシマ照射面３から十分なエキシマ光を均一に照射することができない。

また、高周波電圧が２０ｋＶを超える場合には、エキシマ照射量が飽和し、入力電力に対して十分な発光効率を得ることができないとともに、消費電力が大きくなるので効率が悪くなる。高周波電圧は、電源装置５は、放電開始時と放電時のランプ静電容量が異なる。このため、例えば、電源装置５に放電開始時の印加周波数と放電時の印加周波数を切り換える機能を設け、電源装置５の出力をトランスにより昇圧して窓側電極層３と背面側電極層４との間に印加するようにしてもよい。

エキシマ照射装置１は、大面積の窓面２Ａから均一にエキシマ光を照射できる。そのため、一度に多くの光量のエキシマ光を被照射体へ照射することができる。また、エキシマ光が窓面２Ａの全面から均一に照射される。このため、窓面２Ａと被照射体との間隔を一定にすることによって、均一な強度のエキシマ光を効率よく被照射体に照射することができ、被照射体４１には、減衰の少ないエキシマ光が大面積で照射され、表面改質処理や有機化合物の分解処理が効率的に行われる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施形態に係るエキシマ照射装置の断面図である。 同エキシマ照射装置の要部の拡大断面図である。 別の実施形態に係るエキシマ照射装置の要部の拡大断面図である。

符号の説明

１：エキシマ照射装置
２：放電容器
２Ａ：窓面
３：窓側電極層
４：背面側電極層
５：電源装置（電源手段）
６：電極側窓部材
７：被照射体側窓部材
８：フィルタ
９：ガス供給装置（ガス供給手段）

Claims (8)

1. 紫外線を透過させる材料で構成され、放電用ガスを封入した薄箱形状を呈し、厚さ方向に直交する互いに平行な２側面の一方を被照射体に対向する窓面とした放電容器と、
   前記窓面の外側面に配置され、紫外線を透過させる窓側電極層と、
   前記放電容器における前記窓面に対向する背面の外側面に配置される背面側電極層と、
   前記窓側電極層と前記背面側電極層との間に高周波電圧を印加する電源手段と、
   前記窓側電極層の外側に間隙を設けて配置され、紫外線を透過させる被照射体側窓部材と、
   前記被照射体側窓部材の上面の周縁部に全周にわたって載置されて前記窓側電極層と前記被照射体側窓部材との間に前記間隙を形成する支持体であって、矩形断面の管体からなる支持体と、
   前記支持体の内部を経由して前記間隙に不活性ガスを流通させるガス供給手段と、
   を備えたエキシマ照射装置。
2. 前記窓側電極層と前記被照射体側窓部材との間に、紫外線を透過させる電極側窓部材備えた請求項１に記載のエキシマ照射装置。
3. 紫外線を透過させるフィルタを、前記被照射体側窓部材の外側に、前記被照射体側窓部材の外側面との間を無酸素状態にして着脱自在に備えた請求項１又は２に記載のエキシマ照射装置。
4. 前記窓面の法線方向に沿って前記被照射体側窓部材を前記電極側窓部材に対して変位自在に支持する支持手段を備えた請求項１乃至３の何れかに記載のエキシマ照射装置。
5. 前記窓側電極層は前記窓面の面方向に沿って複数の開口を有する網状電極であり、前記背面側電極層は前記背面の外側面に貼付されて紫外線を遮光する板状電極である請求項１乃至４の何れかに記載のエキシマ照射装置。
6. 前記放電容器における前記窓面以外の面のエキシマ光を検出するセンサと、前記センサの検出信号に応じて前記紫外線の照射状態を検出する制御部と、を備えた請求項１乃至５の何れかに記載のエキシマ照射装置。
7. 前記制御部は、前記センサの検出信号に応じて前記電源手段の出力を制御する請求項６に記載のエキシマ照射装置。
8. 前記背面電極層の外側に流体冷却手段を配置した請求項１乃至７の何れかに記載のエキシマ照射装置。

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