JP7406676B2 - ガス供給装置 - Google Patents

Description

本発明はガス供給装置に関し、より詳細には、紫外光が照射された後のガスを対象物に対して吹き付けることで、対象物に対する処理を行うための、ガス供給装置に関する。

従来、対象物の表面に付着した有機化合物を除去することを目的として、ガスに対して真空紫外光を照射することで当該ガスを活性化し、この活性化したガスを対象物の表面に吹き付ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７－９８３５７号公報

しかし、本発明者らの鋭意研究によれば、特許文献１に記載された構造では、対象物に対して高濃度のラジカルを含むガスを吹き付けられないことが分かった。この理由として、本発明者らは、特許文献１に記載された構造では、ラジカルを生成するためにガスに紫外光を照射するための光源と、ラジカルを含むガスを吹き付ける対象物の設置場所とが離れ過ぎていることで、ガスが対象物に到達する前に、ラジカルの多くが失活してしまうためと推察している。

上記課題に鑑み、本発明は、従来よりも高濃度でラジカルを含むガスを対象物に対して吹き付けることのできる、ガス供給装置を提供することを目的とする。

本発明に係るガス供給装置は、
ラジカル源となる原料物質を含有する原料ガスが流入されるガス流入口と、
前記ガス流入口から流入された前記原料ガスが通流するガス通流路と、
前記ガス通流路内の光照射領域に向かって紫外光を発する光源と、
前記紫外光が照射された後の前記原料ガスである処理後ガスを外部に流出させるガス流出口と、
前記光照射領域内を通流する前記原料ガス又は前記処理後ガスを加熱する加熱部とを備えたことを特徴とする。

本明細書中において、「ラジカル」とは、不対電子を持つ化学種（原子、分子）を総称した概念を指す。これらの一例として、Ｏ（³Ｐ）、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）、水素ラジカル（・Ｈ）、・ＮＨ₂、・ＮＨなどが挙げられる。このうち、ラジカルとしてＯ（³Ｐ）が予定されている場合、原料物質は酸素原子を含む物質であり、原料ガスとしては例えば酸素を含む混合ガスや空気が挙げられる。

ラジカルは反応性が高く、寿命は極めて短い。より詳細には、ラジカルが、ラジカルの周囲に存在するガス中の他の原子や分子と結合することで、短時間の間にラジカルが消滅する。このため、特許文献１の構成では、高濃度にラジカルを含むガスを対象物に照射することが難しい。

例えば、ラジカル源となる原料物質が酸素原子を含む物質である場合、下記（１）式の反応により、酸素ラジカルＯ（³Ｐ）は、酸素分子と結合することで容易にオゾン（Ｏ₃）に変換される。
Ｏ（³Ｐ） + Ｏ₂ → Ｏ₃ ‥‥（１）

本発明に係るガス供給装置は、光照射領域内を通流する原料ガス又は処理後ガスを加熱する加熱部を備えている。すなわち、原料ガスは、紫外光が照射されている間、加熱部で加熱されながらガス流出口に向かって通流する。また、原料ガスに紫外光が照射されることでラジカルを含む状態となった処理後ガスについても、同様に加熱部で加熱されながらガス流出口に向かって通流する。

ところで、ひとたび生成されたラジカルは、高温であるほど他の原子や分子に対する結合反応が進行しにくい。すなわち、上記構成によれば、紫外光が照射されている間の原料ガス又は処理後ガスは、ガスの温度が高温になっているため、ひとたび生成されたラジカルが失活しにくくなる。これにより、従来よりもラジカルを高濃度に含んだ状態の処理後ガスを外部に流出させることが可能となる

更に、ラジカル源となる原料物質によっては、ラジカルが原子や分子と結合して生成された生成物が分解されることで、再びラジカルを放出するものが存在する。例えば、前記原料物質が酸素原子を含む物質である場合、上記（１）式で生成されたオゾン（Ｏ₃）から下記（２）式によって酸素ラジカルＯ（³Ｐ）が再び生成される場合がある。
Ｏ₃ → Ｏ（³Ｐ） + Ｏ₂ ‥‥（２）

上記（２）式の反応は、上記（１）式の逆向きの反応であり、オゾン（Ｏ₃）を含むガスの温度が高温である場合に生じやすい。このため、上記構成によれば、ラジカル源となる原料物質によっては、ひとたび結合されて消滅したラジカルが再度生成される確率が上昇し、ラジカルの含有濃度を更に高めることができる場合がある。

前記加熱部は、種々の構成が採用可能である。

第一の例として、前記加熱部は、前記ガス通流路の内側面に設けられるものとしても構わない。この場合において、前記加熱部が前記光源から前記紫外光が出射される発光面で構成されていても構わない。より具体的には、前記光源は発光ガスが封入された発光管を含むエキシマランプであり、前記発光管の管壁が前記ガス通流路の内側面の一部を形成することができる。また、別の態様として、前記加熱部が前記発光面上に配設された電熱線などの加熱線で構成されていても構わない。

第二の例として、前記加熱部が、前記ガス通流路の内側面に囲まれた位置に配置され、前記ガス流入口から前記ガス流出口に向かって通流する前記原料ガス又は前記処理後ガスの通流方向に沿って延伸する形状を呈した構造としても構わない。この場合において、前記加熱部が前記通流方向に沿って延伸する棒状体で構成されるものとしても構わない。

特に、上記第二の例の場合には、前記加熱部は、前記加熱部の前記ガス流出口側の端部が、前記ガス流出口よりも前記ガス流入口側に位置するように構成されているのが好適である。かかる構成によれば、加熱部のガス流出口側の端部すなわち下流側の端部が、ガス流出口よりも上流側に引っ込んだ状態で位置しているため、加熱部によってガス流出口から流出される処理後ガスの流路を妨げてしまうことが抑制される。

前記光源から出射される前記紫外光は、主たる発光波長が２３０ｎｍ未満であるものとして構わない。

本明細書において、「主たる発光波長」とは、光強度が最も高い発光波長、又は、ある波長λに対して±１０ｎｍの波長域Ｚ（λ）を発光スペクトル上で規定した場合において、発光スペクトル内における全積分強度に対して４０％以上の積分強度を示す波長域Ｚ（λｉ）における、波長λｉを指す。例えば所定の発光ガスが封入されているエキシマランプなどのように、半値幅が極めて狭く、且つ、特定の波長においてのみ光強度を示す光源においては、通常は、相対強度が最も高い波長（主ピーク波長）をもって、主たる発光波長として構わない。

上記光源としては、例えば、発光ガスとして、Ｘｅ、Ａｒ、Ｋｒ、ＡｒＢｒ、ＡｒＦ、ＫｒＣｌ、及びＫｒＢｒからなる群に属する少なくとも一種の材料を含むガスを採用した、エキシマランプとすることができる。例えば、発光ガスとしてＸｅを含むエキシマランプによれば、紫外光の主たる発光波長が１７２ｎｍである。

かかる構成によれば、ガス流出口から１０ｍｍ離間した位置に処理対象物を設置することで、処理対象物に対して、ラジカルを高濃度に含んだ状態の処理後ガスを吹き付けることができる。

本発明のガス供給装置によれば、従来よりも高濃度でラジカルを含むガス（処理後ガス）を、ガス流出口から流出させることができ、かかるガスを対象物に対して吹き付けることが可能となる。

ガス供給装置の一構成例を模式的に示す断面図である。 図１に示すガス供給装置を、図１とは異なる方向から切断したときの模式的な断面図である。 図１に示すガス供給装置を、図１とは異なる方向から切断したときの模式的な別の断面図である。 Ｘｅを含む発光ガスが封入されたエキシマランプの発光スペクトルと、酸素（Ｏ₂）の吸収スペクトルとを重ねて表示したグラフである。 図１に示すガス供給装置の、ガス流出口の近傍の部分拡大図である。 ガス供給装置の別の構成例を模式的に示す断面図である。 ガス供給装置の別の構成例を模式的に示す断面図である。 ガス供給装置の別の構成例を模式的に示す断面図である。 ガス供給装置の別の構成例を模式的に示す断面図である。 ガス供給装置の別の構成例を模式的に示す断面図である。 図１０に示すガス供給装置が備える光源の構成例を模式的に示す断面図である。 図１０に示すガス供給装置が備える光源の構成例を模式的に示す断面図である。 ガス供給装置の別の構成例を模式的に示す断面図である。 ガス供給装置の別の構成例を模式的に示す断面図である。 シミュレーションに利用されたガス供給装置のモデル構造を示す断面図である。 シミュレーションに利用されたガス供給装置のモデル構造を示す断面図である。 シミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション結果を示すグラフである。

本発明に係るガス供給装置の実施形態につき、以下において説明する。なお、以下の各図は、あくまで模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比は必ずしも実際の寸法比とは一致しない。また、図面間においても寸法比が一致していない場合がある。

《構造》
図１は、本実施形態のガス供給装置の一構成例を模式的に示す断面図である。図１に示すガス供給装置１は、筒状の筐体３と、筐体３内に配置された光源５と、処理対象となる原料ガスＧ１が流入されるガス流入口１１と、この原料ガスＧ１が通流するガス通流路１０と、加熱部５３とを備える。また、ガス供給装置１は、ガス通流路１０に連絡され、ガス流入口１１とは反対側の端部（後述する対象物４０側の端部）に、ガス流出口１２を備える。加熱部５３については後述される。

ガス供給装置１は、ガス通流路１０内を通流する原料ガスＧ１に対して、光源５から発せられた紫外光Ｌ１を照射し、原料ガスＧ１に含まれるラジカル源となる原料物質に対して光化学反応を生じさせ、ラジカルを含む処理後ガスＧ２を生成して外部に排出（供給）する。すなわち、ガス供給装置１は、ラジカルを含む処理後ガスＧ２を生成し、供給するための装置である。また、本明細書において「処理後ガスＧ２」とは、紫外線の照射処理が実行された後の原料ガスＧ１を指す。

より詳細には、ガス通流路１０内には、光源５から発せられた紫外光Ｌ１が照射される光照射領域５ｂが形成されている。この光照射領域５ｂ内を原料ガスＧ１が通過することで、原料ガスＧ１からラジカルを含む処理後ガスＧ２が生成される。

図１には、ガス流出口１２に対向する位置に載置された対象物４０についても図示されている。この対象物４０の表面（対象面）４０ａに対して、ラジカルを含む処理後ガスＧ２が吹き付けられることで、対象物４０の表面処理が行われる。

原料ガスＧ１は、ラジカル源となる原料物質を含有するガスである。一例として、ラジカルとしてＯ（³Ｐ）が予定されている場合、原料物質は酸素原子を含む物質であり、原料ガスとしては例えば酸素を含む混合ガスや空気が挙げられる。ガス供給装置１に導入される原料ガスＧ１の種類は、生成したいラジカルに応じて適宜選択されるものとして構わない。

光源５は、ガス通流路１０に向かって紫外光Ｌ１を発する発光面５ａを有する。この発光面５ａは、ガス通流路１０の形状に沿って、言い換えれば、原料ガスＧ１（又は処理後ガスＧ２）の通流方向に沿って形成されている。

図１に示すガス供給装置１において、光源５は、ガス流入口１１からガス流出口１２に向かう方向ｄ１を長手方向として延在する形状を呈している。本実施形態では、光源５の例として、エキシマランプが採用される。この場合の構造の一例について、図２を参照して説明する。図２は、図１に示すガス供給装置１の光源５が配置されている箇所を、方向ｄ２及び方向ｄ３がなす平面で切断したときの模式的な断面図である。なお、図１は、ガス供給装置１を、方向ｄ１及び方向ｄ３がなす平面で切断したときの模式的な断面図である。

図２に示すように、筐体３の内側に配置された光源５は、方向ｄ１に沿って延伸する発光管２１を有する。より詳細には、この発光管２１は、円筒形状を呈し外側に位置する外側管２１ａと、外側管２１ａの内側において外側管２１ａと同軸上に配置されており、外側管２１ａよりも内径が小さい円筒形状を呈した内側管２１ｂとを有する。いずれの発光管２１（２１ａ，２１ｂ）も、合成石英ガラスなどの誘電体からなる。

内側管２１ｂには、中空の筒状空間が管軸方向に沿って貫通形成されており、この筒状空間がガス通流路１０を構成する。

外側管２１ａと内側管２１ｂとは、共に方向ｄ１に係る端部において封止されており（不図示）、両者の間には、方向ｄ１から見たときに円環形状を呈する発光空間が形成される。この発光空間内には、放電によってエキシマ分子を形成する発光ガス２３Ｇが封入されている。

なお、発光ガス２３Ｇの材料によって、発光管２１から発せられる紫外光Ｌ１の波長が決定される。言い換えれば、紫外光Ｌ１として得たい波長に応じて、発光ガス２３Ｇの材料は適宜選択される。発光ガス２３Ｇとしては、例えば、Ｘｅ、Ａｒ、Ｋｒ、ＡｒＢｒ、ＡｒＦ、ＫｒＣｌ、及びＫｒＢｒからなる群に属する少なくとも一種の材料を含むガスとすることができる。これらの材料によって発光ガス２３Ｇを実現した場合、紫外光Ｌ１の主たる発光波長は、２３０ｎｍ未満となる。

図２に例示された光源５は、外側管２１ａの外壁面上に配設された第一電極３１と、内側管２１ｂの内壁面上に配設された第二電極３２とを有する。一例として、第一電極３１は膜形状を呈し、第二電極３２はメッシュ形状又は線形状を呈する。なお、第一電極３１についても、第二電極３２と同様にメッシュ形状又は線形状であっても構わない。これらの電極（３１，３２）には、不図示の給電線が接続されている。

エキシマランプで構成された光源５は、不図示の点灯電源から給電線を介して第一電極３１と第二電極３２との間に、例えば５０ｋＨｚ～５ＭＨｚ程度の高周波の交流電圧が印加されると、発光ガス２３Ｇに対して、発光管２１を介して前記電圧が印加される。このとき、発光ガス２３Ｇが封入されている放電空間内で放電プラズマが生じ、発光ガス２３Ｇの原子が励起されてエキシマ状態となり、この原子が基底状態に移行する際にエキシマ発光を生じる。発光ガス２３Ｇとして、上述したキセノン（Ｘｅ）を含むガスを用いた場合には、このエキシマ発光は、１７２ｎｍ近傍にピーク波長を有する紫外光Ｌ１となる。

発光管２１の内側管２１ｂには、上述したようにメッシュ形状又は線形状を呈した第二電極３２が形成されている。このため、第二電極３２には隙間が存在し、紫外光Ｌ１は、この隙間を通じて発光管２１よりも内側に形成された中空の筒状空間、すなわちガス通流路１０内の光照射領域５ｂに向かって照射される。

なお、図３に示すように、第一電極３１をメッシュ形状又は線形状とし、第一電極３１と筐体３の間に、紫外光Ｌ１を反射する反射部材３３を備えるものとしても構わない。この反射部材３３は、紫外光Ｌ１に対する高い反射率（例えば８０％以上）を示す材料で構成されており、例えば、Ａｌ、Ａｌ合金、ステンレス、シリカ、シリカアルミナなどを利用することができる。筐体３自体が紫外光Ｌ１に対する反射性を示す材料（例えばＳＵＳなどのステンレス）で構成されている場合には、筐体３の面を反射部材３３として利用することができる。

なお、図２及び図３では、発光管２１を方向ｄ２及び方向ｄ３がなす平面で切断したときの形状が、円形である場合が図示されているが、長方形であっても構わないし、他の形状であっても構わない。

図４は、Ｘｅを含む発光ガス２３Ｇが封入されたエキシマランプで構成された光源５の発光スペクトルと、酸素（Ｏ₂）の吸収スペクトルとを重ねて表示したグラフである。図４において、横軸は波長を示し、左縦軸はエキシマランプの光強度の相対値を示し、右縦軸は、酸素（Ｏ₂）の吸収係数を示す。

エキシマランプの発光ガス２３ＧとしてＸｅを含むガスを用いる場合、図４に示されるように、光源５から出射される紫外光Ｌ１は、主たる発光波長が１７２ｎｍであり、およそ１６０ｎｍ以上１９０ｎｍ以下の範囲内に帯域を有する。

原料ガスＧ１として酸素（Ｏ₂）を含むガスが採用された場合、光源５から出射された波長λの紫外光Ｌ１が照射され、酸素（Ｏ₂）に吸収されると、以下の（３）式及び（４）式の反応が進行する。（３）式において、Ｏ（¹Ｄ）は、励起状態のＯ原子であり、極めて高い反応性を示す。Ｏ（³Ｐ）は基底状態のＯ原子である。（３）式と（４）式の反応は、紫外光Ｌ１の波長成分に応じて生じる。
Ｏ₂ + ｈν → Ｏ（¹Ｄ） + Ｏ（³Ｐ） ‥‥（３）
Ｏ₂ + ｈν → Ｏ（³Ｐ） + Ｏ（³Ｐ） ‥‥（４）

すなわち、原料ガスＧ１に対して紫外光Ｌ１が照射されると、Ｏ（¹Ｄ）やＯ（³Ｐ）といったラジカルを含む処理後ガスＧ２が生成される。光源５の発光面５ａは、方向ｄ１に沿って延在するため、処理後ガスＧ２がガス通流路１０内を通流中も、引き続き紫外光Ｌ１が照射される。このため、処理後ガスＧ２に含まれる、未反応のラジカル源となる原料物質に対しても、次々と光化学反応が生じる。これにより、処理後ガスＧ２は、ラジカルを高濃度で含んだ状態のまま、ガス流出口１２側に向かって通流される。

なお、上記では、処理後ガスＧ２に含有させる対象となるラジカルをＯ（³Ｐ）などの酸素ラジカルとし、原料物質が酸素（Ｏ₂）である場合を挙げて説明しているが、他のラジカルを含む処理後ガスＧ２を生成したい場合には、含ませたいラジカル源に応じて原料ガスＧ１の材料、及び紫外光Ｌ１の波長が選択される。

ところで、図１に示すガス供給装置１は、加熱部５３を備える。図１に示す例では、加熱部５３は方向ｄ１に沿って延伸する棒状体で構成され、ガス通流路１０内に配置されている。加熱部５３としては、例えばハロゲンランプ、セラミックヒーター、電熱線など、多様な熱源を利用できる。

加熱部５３は、光照射領域５ｂ内を通過する原料ガスＧ１又は処理後ガスＧ２を加熱する。これにより、ラジカル化が進展していない原料ガスＧ１については、高いガス温度を有したまま方向ｄ１に進行しつつ、紫外光Ｌ１が照射される。また、既に紫外光Ｌ１の照射によってラジカルが進展した処理後ガスＧ２についても、高いガス温度を有したまま方向ｄ１に進行し、ガス流出口１２に向かう。一例として、加熱部５３の表面温度は、５０℃以上、７００℃以下程度の温度に設定される。なお、加熱部５３の表面温度を充分に高い温度に設定できない場合などの事情がある場合には、原料ガスＧ１を昇温させる時間を稼ぐために、加熱部５３の方向ｄ１に係る距離が長めに設定されるものとして構わない。

ラジカルは、反応性が高く、寿命は極めて短い。より詳細には、ラジカルが、ラジカルの周囲に存在するガス中の他の原子や分子と結合することで、短時間の間にラジカルが消滅する。例えば、上記（３）式及び（４）式などの反応で生成されたＯ（³Ｐ）は、「課題を解決するための手段」の項で上述した（１）式に従って、容易に消滅しやすい。以下、（１）式を再掲する。
Ｏ（³Ｐ） + Ｏ₂ → Ｏ₃ ‥‥（１）

しかし、上記（１）式などで規定されるラジカルの結合反応は、高温であるほど進行速度が遅い。このため、本実施形態のガス供給装置１によれば、光照射領域５ｂ内を通過するガス温度が高く設定されるため、原料ガスＧ１が光照射領域５ｂ内を通過中に生成されたラジカルが、周囲の原子や分子と結合することで消滅する速度を遅くできる。これにより、ラジカルを高濃度に含んだ状態で処理後ガスＧ２をガス流出口１２から流出できる。

なお、ラジカル源となる原料物質によっては、ラジカルが原子や分子と結合して生成された生成物が再び分解してラジカルを放出するものが存在する。例えば、上記（１）式で生成されたオゾン（Ｏ₃）は、「課題を解決するための手段」の項で上述した（２）式に従って、再び酸素ラジカルＯ（³Ｐ）を生成する場合がある。以下、（２）式を再掲する。
Ｏ₃ → Ｏ（³Ｐ） + Ｏ₂ ‥‥（２）

この（２）式は、上記（１）式の逆反応に相当する。すなわち、かかる反応は、高温であるほど進行しやすい。つまり、ひとたび生成されたラジカルが、周囲の原子や分子と結合して消滅した場合であっても、再度ラジカル化する確率を上げることができる。この結果、ラジカル源となる原料物質によっては、処理後ガスＧ２に含まれるラジカルの濃度を更に高める効果が得られる。

また副次的な作用として、加熱された処理後ガスＧ２が被処理体である対象物４０の表面である対象面４０ａに吹き付けられるため、対象面４０ａの温度を高めることができる。対象面４０ａにおけるラジカルによる反応速度は、温度が高いほど速いため、処理後ガスＧ２の温度が高いことで、対象面４０ａの反応速度が促進されるという副次的な効果も期待できる。

なお、図１に示すように、加熱部５３がガス通流方向である方向ｄ１に沿って延伸する構造であって、ガス通流路１０内に配置されている場合には、加熱部５３のガス流出口１２側の端部、すなわち下流側の端部を、ガス流出口１２よりも上流側に位置させるのが好適である。より詳細には、図５の部分拡大図に示すように、加熱部５３の下流側の端部５３ａは、ガス流出口１２よりも離間距離ａ１だけ－ｄ１方向（すなわち上流方向）に離間した位置に配置される。

かかる構成とすることで、処理後ガスＧ２がガス流出口１２から対象物４０に向かって吹き付けられる際に、加熱部５３がガス流出口１２の近傍において処理後ガスＧ２の流路を妨げるおそれが低減される。より詳細には、ガス流出口１２の流路断面の全体から、ほぼ同等の流量で処理後ガスＧ２を外部に流出できる。これにより、対象物４０の表面（対象面４０ａ）に対する処理ムラの発生を抑制できる。

上記の内容は、実施例を参照して後述される。

《変形例》
ガス供給装置１の構造は、種々の変形が可能である。以下、これらの構成例について説明する。

〈１〉図６及び図７に示すように、加熱部５３は、ガス通流路１０を構成する内部空間の内側面に設けられていても構わない。

図６は、加熱部５３が、光源５の発光面５ａ上に配設されている場合が図示されている。例えば、加熱部５３は、発光面５ａ上において、紫外光Ｌ１の進行の妨げにならないよう、メッシュ形状や線形状を呈して形成された、電熱線等で構成される。

図７は、光源５の発光面５ａが加熱部５３を兼ねる場合が図示されている。光源５の構成や出力によっては、発光面５ａから生じる熱によって、原料ガスＧ１又は処理後ガスＧ２の温度を高めることが可能な場合がある。

図６及び図７に示されたガス供給装置１においても、図１に示されたガス供給装置１と同様に、光照射領域５ｂ内を通過する原料ガスＧ１又は処理後ガスＧ２の温度が高められるため、ガス流出口１２から流出する処理後ガスＧ２に含まれるラジカルの濃度が高められる。

なお、図６及び図７に示すガス供給装置１において、図１に示すように、ガス通流路１０内にも追加的に棒状の加熱部５３が挿入されていても構わない。

〈２〉上述した各実施形態において、ガス通流路１０は、ガス流出口１２側の端部において、ガス流入口１１に近い位置（すなわち上流側）と比較して、流路断面積が小さい通流領域（狭小部）を有しているものとしても構わない。例えば、図８に示すガス供給装置１は、ガス流出口１２側の端部において、流路断面積が連続的に縮小する狭小部１３を備えている。

上述したように、ガス通流路１０内を通流する原料ガスＧ１は、光源５からの紫外光Ｌ１が照射されることで、ラジカルを含む処理後ガスＧ２となる。この処理後ガスＧ２は、狭小部１３に到達すると、狭小部１３内を通流時に流速を速めながらガス流出口１２に向かって進行した後、ガス流出口１２から対象物４０に向かって排出される。

上記（３）式を参照して上述したように、酸素ラジカル（Ｏ（³Ｐ））は、周囲に酸素ガス（Ｏ₂）が存在すると、これに反応してオゾン（Ｏ₃）を生成する。かかる反応が生じると、Ｏ（³Ｐ）の濃度が低下してしまう。

しかし、上記の構成によれば、ガス流出口１２から排出される際に処理後ガスＧ２の流速が速められるため、上記（３）式の反応が充分進行しない時間内に、対象物４０の表面（対象面４０ａ）に到達することができる。この結果、対象面４０ａに対してラジカルを高濃度に含んだ状態で処理後ガスＧ２を吹き付けることができる。

なお、ガス流出口１２側に狭小部１３を含むガス供給装置１の構成は、以下の変形例にも適宜適用が可能である。

〈３〉上記の各実施形態では、発光面５ａに囲まれた領域にガス通流路１０が形成されていた。しかしながら、発光面５ａと筐体３との間にガス通流路１０が形成されていても構わない。例えば、図９に示すガス供給装置１において、筐体３内に配置された光源５は、その発光面５ａが筐体３の壁面に囲まれるように配置される。すなわち、原料ガスＧ１は、光源５の外側に形成されたガス通流路１０内を通流し、光照射領域５ｂは光源５の外側に形成される。この場合、紫外光Ｌ１が発光管２１の外側に出射されることへの妨げにならないよう、第一電極３１は網目形状又は線形状とされる。

図９に示すガス供給装置１は、光源５の外側に位置する、筐体３の内壁面に加熱部５３を設けている。この加熱部５３から生じる熱によって、光照射領域５ｂ内を通流する原料ガスＧ１又は処理後ガスＧ２の温度が高められる。ただし、この構成においても、図６や図７の構成のように、加熱部５３が光源５の発光面５ａ上に設置されていても構わないし、図１の構成のようにガス通流路１０内に加熱部５３が挿入されていても構わない。図１０は、一例としてガス通流路１０内に挿入されている加熱部５３を備えたガス供給装置１の構造を図示した断面図である。

なお、図９に示すガス供給装置１では、筐体３の内壁面に加熱部５３を設けていたが、筐体３の外壁面に加熱部５３が設けられていても構わない。一例として、筐体３の外壁面にリボンヒータ等を巻き付けることで加熱部５３が構成される。

ところで、図９に示されるような、光照射領域５ｂが光源５の外側に形成される態様のガス供給装置１が備える光源５は、図２や図３で例示したような、いわゆる「二重管構造」を呈したエキシマランプには限られない。

例えば、図１１は、光源５として、いわゆる「一重管構造」を呈したエキシマランプを採用した場合において、方向ｄ２及び方向ｄ３がなす平面で切断したときの模式的な断面図である。図１１に示す光源５は、図２や図３に示す光源５とは異なり、１つの発光管２１を有している。発光管２１は、長手方向、すなわち方向ｄ１に係る端部において封止されており（不図示）、内側の空間内に発光ガス２３Ｇが封入される。そして、発光管２１の内側（内部）には第二電極３２が配設され、発光管２１の外壁面には、網目形状又は線形状の第一電極３１が配設される。

別の例として、図１２は、光源５として、いわゆる「扁平管構造」を呈したエキシマランプを採用した場合において、図１１にならって模式的に図示した断面図である。図１２に示す光源５は、長手方向、すなわち方向ｄ１から見たときに矩形状を呈した１つの発光管２１を有する。そして、発光管２１の一方の外表面には第一電極３１が配設され、発光管２１の外表面であって第一電極３１と対向する位置は第二電極３２が配設される。第一電極３１及び第二電極３２のうち、少なくともガス通流路１０側に位置する電極は、紫外光Ｌ１が発光管２１の外側に出射することへの妨げにならないよう、メッシュ形状（網目形状）又は線形状を呈している。

なお、図１１及び図１２に示す光源５においても、方向ｄ２及び方向ｄ３がなす平面で切断したときの形状については、円形や長方形には限定されず、種々の形状が採用され得る。

〈４〉ガス供給装置１は、複数の光源５を備えるものとしても構わない。例えば、図１３に示すガス供給装置１は、方向ｄ１に沿って延在する発光面５ａを有した光源５を４つ備え、それぞれの光源５に挟まれた領域に光照射領域５ｂが形成されている。また、筐体３の内側において、光照射領域５ｂ内を通流する原料ガスＧ１又は処理後ガスＧ２を加熱するための加熱部５３が設けられている。他の要素は、上述した実施形態と共通であるため、説明を割愛する。

なお、複数の光源５の間に挟まれた領域に光照射領域５ｂが形成されることで、図１に示すガス供給装置１が実現されていても構わない。他の実施形態においても同様である。

〈５〉上記の各実施形態では、ガス供給装置１が備える光源５は、ガス流入口１１からガス流出口１２に向かう方向ｄ１を長手方向として延在する発光面５ａを有するものとして説明した。しかし、本発明は、このような構造には限定されない。

例えば、図１４に示すガス供給装置１が備える光源５は、方向ｄ２を長手方向として延在する形状を呈している。ガス流入口１１は、筐体３の対象物４０とは反対側の面において、方向ｄ２に延伸する開口部で構成されている。方向ｄ２に延伸して開口されてなるガス流入口１１から流入された原料ガスＧ１は、方向ｄ１及び方向ｄ３の向きに進行しながら、紫外光Ｌ１が照射された後、ガス流出口１２から排出される。ガス流出口１２は、筐体３の対象物４０に対向する面において、方向ｄ２に延伸する開口部で構成されている。

また、上記各実施形態と同様、ガス供給装置１は、光照射領域５ｂ内を通流する原料ガスＧ１又は処理後ガスＧ２を加熱するための、加熱部５３を備えている。なお、図１４に示すガス供給装置１では、加熱部５３が筐体３の内壁に設けられている場合が図示されているが、上述したように、ガス通流路１０内に挿入されるように設置されていても構わないし、光源５の発光面５ａ上に設置されていても構わないし、発光面５ａが加熱部５３を兼ねていても構わない。

かかる構成であっても、光照射領域５ｂ内を通過する原料ガスＧ１又は処理後ガスＧ２の温度が高められるため、ガス流出口１２から流出する処理後ガスＧ２に含まれるラジカルの濃度が高められる。

なお、上述した各実施形態についても、光源５を方向ｄ２を長手方向として延在する形状とし、ガス流入口１１及びガス流出口１２をそれぞれ方向ｄ２に延伸する開口部で構成することが可能である。

〈６〉上述した各実施形態の構成を相互に応用してガス供給装置１を実現しても構わない。

《検証》
ガス供給装置１によれば、ガス流出口１２から排出される処理後ガスＧ２に高濃度のラジカルが含有される点につき、シミュレーションを用いて検証した。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、シミュレーションに利用されたガス供給装置のモデルを模式的に示す断面図である。

図１５Ａに示すガス供給装置モデル１００は、方向ｄ１に係る長さｈ１が５０ｍｍの筒状体の側面形状を呈した発光面５ａを有する光源５と、この発光面５ａに囲まれた領域にガス通流路１０と、加熱部５３を備えていた。加熱部５３は、ガス通流路１０の中心軸上にその中心が位置するように配置されており、直径１ｍｍ、方向ｄ１に係る長さが５０ｍｍの棒状体で形成された。

ガス通流路１０は、直径５ｍｍの円形状のガス流入口１１と、直径５ｍｍの円形状のガス流出口１２とを備えていた。光源５は、主たるピーク波長が１７２ｎｍのＸｅエキシマランプとされた。

対象物４０は、半径ｒ１が２０ｍｍの円形状を呈し、ガス通流路１０の中心軸上にその中心が位置するように配置された。原料ガスＧ１は、９９．５％の窒素ガスと０．５％の酸素ガスの混合ガスとし、湿度は０％であった。

図１５Ｂに示すガス供給装置モデル１０１は、図１５Ａに示すガス供給装置モデル１００と比較して、加熱部５３の方向ｄ１に係る長さが異なっており、他は共通である。より詳細には、図５を参照して上述したように、加熱部５３のガス流出口１２側の端部５３ａが、ガス流出口１２よりも上流側に位置しており、両者の離間距離ａ１が５ｍｍとされた。

図１６は、図１５Ａに示すガス供給装置モデル１００に対し、３０Ｌ／min の流量でガス流入口１１から原料ガスＧ１を導入したときの、ガス流出口１２から方向ｄ１に係る離間距離ｖ１が１０ｍｍの位置に設置された対象物４０の表面におけるラジカルの濃度を示す結果である。このラジカルの濃度は、ガス流出口１２から方向ｄ１に係る離間距離ｖ１が１０ｍｍの位置に設置された対象物４０の表面の、中心から半径２．５ｍｍ（φ５ｍｍ）の範囲内の領域に噴射されたガスに含まれる酸素ラジカルＯ（³Ｐ）の平均濃度によって算出された値が採用された。なお、発光面５ａにおける照度は５０ｍＷ／ｃｍ²とされた。

なお、各実施例（１－１，１－２，１－３）は、加熱部５３を発熱状態とした場合に対応しており、より詳細には、それぞれの加熱部５３の表面温度が１５０℃，３００℃、７００℃と設定された場合に対応する。また比較例１は、加熱部５３を非加熱状態とした場合に対応し、これは、加熱部５３を備えていないガス供給装置を模擬したものである。なお、図１６内で、比較例１として記載されている「ＲＴ」とは、室温を指す。

図１６によれば、光照射領域５ｂ内を通過する原料ガスＧ１又は処理後ガスＧ２に対する加熱処理が行われる各実施例（１－１，１－２，１－３）の方が、比較例１よりも対象物４０の面に吹き付けられる処理後ガスＧ２に含まれる酸素ラジカルＯ（³Ｐ）の平均濃度が上昇することが確認される。また、各実施例（１－１，１－２，１－３）を比較すると、加熱部５３の表面温度を高くすればするほど、処理後ガスＧ２に含まれる酸素ラジカルＯ（³Ｐ）の平均濃度が高められることが確認される。この結果より、光照射領域５ｂ内を通過する原料ガスＧ１又は処理後ガスＧ２の温度を高くすることで、処理後ガスＧ２に含まれるラジカルの濃度を高濃度にできることが分かる。

図１７は、図１５Ａに示すガス供給装置モデル１００と図１５Ｂに示すガス供給装置モデル１０１のそれぞれに対し、図１６の場合と同様、３０Ｌ／min の流量でガス流入口１１から原料ガスＧ１を導入したときの、ガス流出口１２から方向ｄ１に係る離間距離ｖ１が１０ｍｍの位置に設置された対象物４０の表面におけるラジカルの濃度を示す結果である。なお、両者とも、加熱部５３の表面温度は１５０℃に設定された。

図１７には、対象物４０の面４０ａ上において、対象物４０の中心からの距離に応じたラジカルの濃度の分布が示されている。図１７によれば、図１５Ｂに示すガス供給装置モデル１０１の方が、図１５Ａに示すガス供給モデル１００と比較して、対象物４０の中心の近傍位置におけるラジカルの濃度が高められることが確認される。

図１５Ａに示すガス供給モデル１００のように、加熱部５３をｄ１方向に関してガス流出口１２の位置まで延在させた場合、端部５３ａの位置において処理後ガスＧ２が対象物４０に向かってｄ１方向に流れるのが妨げられる。この結果、加熱部５３に対してｄ１方向に対向する領域である、対象物４０の中心近傍におけるラジカルの濃度がその周囲よりも低下したものと考えられる。

一方、図１５Ｂに示すガス供給モデル１０１のように、加熱部５３の端部５３ａをｄ１方向に関してガス流出口１２よりも上流の位置とした場合、加熱部５３の端部５３ａよりも下流側において、処理後ガスＧ２を加熱部５３の下方に回り込ませることができる。この結果、加熱部５３に対してｄ１方向に対向する領域である対象物４０の中心近傍においても、ラジカルの濃度が周囲より大きく低下することを抑制できたものと考えられる。かかる観点から、原料ガスＧ１が通流する領域内に加熱部５３を配置する場合には、加熱部５３の下流側の端部５３ａをガス流出口１２よりも上流に位置させるのがより好ましいことが分かる。

１ ：ガス供給装置
３ ：筐体
５ ：光源
５ａ ：発光面
５ｂ ：光照射領域
１０ ：ガス通流路
１１ ：ガス流入口
１２ ：ガス流出口
１３ ：狭小部
２１ ：発光管
２１ａ ：外側管
２１ｂ ：内側管
２３Ｇ ：発光ガス
３１ ：第一電極
３２ ：第二電極
３３ ：反射部材
４０ ：対象物
４０ａ ：対象面
５３ ：加熱部
５３ａ ：加熱部の端部
１００ ：ガス供給装置モデル
１０１ ：ガス供給装置モデル
Ｇ１ ：原料ガス
Ｇ２ ：処理後ガス
Ｌ１ ：紫外光

Claims (9)

1. ラジカル源となる原料物質を含有する原料ガスが流入されるガス流入口と、
   前記ガス流入口から流入された前記原料ガスが通流するガス通流路と、
   前記ガス通流路内の光照射領域に向かって紫外光を発する光源と、
   前記ガス通流路内に配置され、前記光照射領域内を通流する前記原料ガスを加熱する加熱部と、
   前記紫外光が照射され、かつ前記加熱部で加熱されて高温にされた後の前記原料ガスである処理後ガスを、前記ガス通流路の外部に流出させるガス流出口と、を備え、
   前記処理後ガスを処理対象物に吹き付ける際、前記ガス流出口は前記処理対象物に対向するように配置されることを特徴とする、ガス供給装置。
2. 前記加熱部は、前記ガス通流路の内側面に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のガス供給装置。
3. 前記加熱部が、前記光源から前記紫外光が出射される発光面で構成されることを特徴とする、請求項２に記載のガス供給装置。
4. 前記光源は、発光ガスが封入された発光管を含むエキシマランプであり、
   前記発光管の管壁が、前記ガス通流路の内側面の一部を形成することを特徴とする、請求項３に記載のガス供給装置。
5. 前記加熱部が、前記ガス通流路の内側面に囲まれた位置に配置され、前記ガス流入口から前記ガス流出口に向かって通流する前記原料ガス又は前記処理後ガスの通流方向に沿って延伸する形状を呈することを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載のガス供給装置。
6. 前記加熱部は、前記通流方向に沿って延伸する棒状体であることを特徴とする、請求項５に記載のガス供給装置。
7. 前記加熱部の前記ガス流出口側の端部は、前記ガス流出口よりも前記ガス流入口側に位置していることを特徴とする、請求項５又は６に記載のガス供給装置。
8. 前記光源から出射される前記紫外光は、主たる発光波長が２３０ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載のガス供給装置。
9. 前記原料物質が、酸素原子を含む物質であることを特徴とする、請求項１～８のいずれか１項に記載のガス供給装置。

Images