JPH07263159A - マイクロ波励起光源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 直線的または平面的に均一な照射に好適なマ
イクロ波励起光源装置を得る。 【構成】 マイクロ波電源１１と、マイクロ波電源１１
から出力されたマイクロ波を導入する矩形導波管１２
と、矩形導波管１２に導入されたマイクロ波により誘導
放電を生じ発光する無電極ランプ１４とを具備したマイ
クロ波励起光源装置において、矩形導波管１２とランプ
室１３との間に、基本モードから基本モードと高次モー
ドとからなるＴＥ波へ変換する多重モード変換器１０が
設けられて、マイクロ波電源１１と矩形導波管１２と多
重モード変換器１０とランプ室１３とが電気的に接続さ
れたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波により誘導
放電を生じ発光する無電極ランプを用いた光源装置で、
直線的または平面的に均一な照射に好適な光源装置に関
するものである。このような光源装置は、例えば半導体
製造プロセスで半導体ウエハー上に塗布されたレジスト
をオゾンと紫外線を用いて分解除去するのに使われる。

【０００２】

【従来の技術】複数個の無電極ランプを空胴共振器内に
設けて、平面的に均一照射を行うマイクロ波励起光源装
置が、特開昭６３−２２４１９３号公報に開示されてい
る。

【０００３】図８は従来のマイクロ波励起光源装置を示
す概略構成図である。図示するように、例えば偏平な直
方体の空胴共振器１内に直管状または球状の無電極ラン
プ２を複数個平面状に配置しており、この空胴共振器の
下面は金網３で形成され、光が取り出せるようになって
いる。

【０００４】上記空胴共振器１には電力供給口４を設
け、導波管５を介してマイクロ波電源６からマイクロ波
電力が供給されることによって、空胴共振器内に電磁波
の定在波が生じるので、この定在波の山の部分に上記用
途のランプ２を配置して、紫外線を平面的に照射させ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術で使用さ
れている空胴共振器１は、マイクロ波の波長に共振する
ように空胴共振器のサイズを決定しているが、放電が開
始すると、共振周波数が変化するために、共振器に共振
周波数調整用ネジまたはスタブを設け、試行錯誤的に共
振位置を再設定しなければならないという作業上の繁雑
さがあった。

【０００６】さらに、空胴共振器１内では電磁波による
定在波の山谷が２次元的に存在するために、例えば一方
向に立つ複数の定在波の山の部分に沿って上記ランプを
配置した場合、他方向に立つ定在波によって、直管状ラ
ンプでは長手方向に、また球状ランプでは直線配置方向
に発光ムラが生じるという問題がある。そこで、この発
光ムラを無くし、平面内の光の均一性をより良くするた
めに、空胴共振器内に２つ以上の定在波のモードを共存
させる試みがなされているが、空胴共振器の少なくとも
２辺の長さを同時に大きくする方向に変化させなくては
ならず、コストアップという問題が生じる。しかも、空
胴共振器の側壁付近においては、この方法を用いても電
界強度はなだらかに弱まり、その結果、発光強度分布の
均一性は低下する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明においては、マイ
クロ波電源と、マイクロ波電源から出力されたマイクロ
波を導入する矩形導波管と、矩形導波管に導入されたマ
イクロ波により誘導放電を生じ発光する無電極ランプと
を具備したマイクロ波励起光源装置を対象とし、無電極
ランプをランプ室に収納し、ランプ室と前記矩形導波管
との間に、基本モードから基本モードと高次モードとか
らなるＴＥ波へ変換する多重モード変換器が設けられ
て、マイクロ波電源と矩形導波管と多重モード変換器と
ランプ室とが電気的に接続され、多重モード変換器は、
両Ｈ面に形成された不連続な直角部を境にして電源側矩
形導波管部とランプ側矩形導波管部とからなり、電源側
矩形導波管部が矩形導波管と整合するように形成され、
電源側矩形導波管部の中心軸とランプ側矩形導波管部の
中心軸とを一致させると共に、ランプ側矩形導波管部の
長辺の長さをマイクロ波の自由空間波長λ₀ の３／２λ
₀ 以上とし、かつランプ側矩形導波管部の短辺の長さを
電源側矩形導波管部の短辺と同じ１／２λ₀ 以下とし、
ランプ室は、ランプ側矩形導波管部の開口部と整合する
ように直方体状を呈した１つの面全体を開口した電力供
給口と、網状に形成した面と、ランプ室内部に定在波を
立たせるようにマイクロ波導波路を終端短絡させる面と
を有し、無電極ランプは、マイクロ波導波路を終端短絡
させる面と平行な位置に沿って配設されたことを特徴と
する。

【０００８】

【作用】矩形導波管内に、基本モードと高次モードとか
らなるＴＥ波を伝搬させることによって、マイクロ波の
進行方向に垂直な電界の面内分布を均一にすることが可
能となる。したがって、上記面内に無電極ランプを配置
することによって、直線的に均一性の優れた光源を得る
ことができる。さらに、無電極ランプを収納したランプ
室の奥行きをマイクロ波の進行方向に広げ、上記ランプ
室内にマイクロ波の定在波を立てることによって、その
定在波の山の部分に無電極ランプを配置すると、平面的
にも均一度の高い光源とすることができる。

【０００９】

【実施例】

＜実施例１＞図１は本発明に係るマイクロ波励起光源装
置の第１の実施例を示しており、直線的に均一照射可能
な光源を得るための概略構成図である。図示するよう
に、多重モード変換器１０がマイクロ波電源１１に接続
された矩形導波管１２とランプ室１３との間に設けられ
ており、無電極ランプ１４を収納したランプ室に矩形導
波管及び多重モード変換器を介してマイクロ波電源から
マイクロ波電力が供給されるように、マイクロ波電源，
矩形導波管，多重モード変換器及びランプ室がそれぞれ
電気的に接続されている。なお、多重モード変換器及び
ランプ室は、導波管と同じ材料で製作されている。

【００１０】多重モード変換器１０は、図２に示すよう
に、Ｅ面（長辺側）同士が平行で、しかも両Ｈ面（短辺
側）に直角部を設けた不連続形状の矩形導波管であっ
て、直角部を境にして長辺ａ′及び短辺ｂ′の電源側矩
形導波管部１０Ａと長辺ａ及び短辺ｂのランプ側矩形導
波管部１０Ｂとからなる。この電源側矩形導波管部及び
ランプ側矩形導波管部には、それぞれ電源側接続部１０
ａとランプ側接続部１０ｂとを有しており、ランプ側接
続部が電源側接続部より広くなっている。

【００１１】電源側接続部１０ａは、マイクロ波電源１
１に接続された矩形導波管１２と整合するように形成さ
れており、例えば周波数２．４５GHz （マイクロ波の自
由空間波長λ₀ ＝１２．２４cm）のマグネトロンをマイ
クロ波電源に使用する場合、電源側矩形導波管部１０Ａ
のサイズを、ＪＩＳ規格番号ＷＲＪ−２と同様の１０．
９cm×５．５cmとすることよって、矩形導波管を通して
電源側接続部に入射されるＴＥ₁₀モードのマイクロ波
は、電源側矩形導波管部からランプ側矩形導波管部１０
Ｂへと伝搬する際、基本モードであるＴＥ₁₀モードと高
次モードとからなるＴＥ波へ変換される。

【００１２】多重モード変換器１０内を伝搬するＴＥ_mn
モードのＴＥ波の管内波長λg には、次に示す（１）式
が成り立つ。

【００１３】 （１／λg)² =(１／λ₀ ）² −［（ｍ／２ａ）² ＋（ｎ／２ｂ）² ］…（１）

【００１４】したがって、電源側矩形導波管部１０Ａの
短辺ｂ′及びランプ側矩形導波管部１０Ｂの短辺ｂを、
共にマイクロ波の自由空間波長λ₀ の１／２λ₀ 以下の
５．５cmに保ち、さらに上記（１）式にm=3,n=0 代入し
て、（１／λ₀ ）² −（３／２ａ）² ＞０から求められ
たランプ側矩形導波管部の長辺ａを、マイクロ波の自由
空間波長λ₀ の（λ₀ ／２）・３（ｍ＝３）以上とし、
しかも図２に示すように、電源側矩形導波管部の中心軸
とランプ側矩形導波管部の中心軸とを一致させることに
よって、短辺ｂに垂直方向の電界成分を立たせることな
く、電源側矩形導波管部にＴＥ_m0（m=1,3,5 …）モード
のマイクロ波を伝搬させることができる。

【００１５】上記ランプ側矩形導波管部１０Ｂの長辺ａ
を、例えばｍ＝５として、（λ₀ ／２）・５（ｍ＝５）
＞ａと設計した場合、多重モード変換器１０によりＴＥ
₁₀とＴＥ₃₀との２個のモードの波を同時にランプ室１３
へと伝搬させることが可能になる。この場合、２つのモ
ードが合成された波によるランプ側矩形導波管部１０Ｂ
内の電界分布は、図３（ａ）の実線で示されるように、
均一性が高くなる。ここで、ＴＥ_m0モードのうち、m が
偶数次の波が生じないのは、多重モード変換器の構造が
左右対称となっているためである。なお、矩形導波管１
２内と同じである電源側矩形導波管部１０Ａ内の電界分
布は、図３（ｂ）に示している。

【００１６】ランプ室１３は、図１に示すように、偏平
な直方体状を呈しており、ランプ側矩形導波管部１０Ｂ
の接続部１０ｂと整合するように面１３Ａ全体を開口し
た電力供給口が設けられるので、このランプ室内の電界
分布も図３（ａ）の実線で示されるようになる。また、
面１３Ａと対向する面１３Ｂが金網１３Ｎで形成され、
この面１３Ｂから光が取り出せると共に、マイクロ波導
波路を終端短絡させる面になっている。なお、上記以外
の面は閉鎖されている。

【００１７】上記ランプ室１３内には、直管状の無電極
ランプ１４がマイクロ波導波路を終端短絡させる面１３
Ｂと平行な位置、すなわち面１３Ｂから多重モード変換
器１０側へ、マイクロ波の管内波長λg の１／４の位置
に立つ定在波の山の部分に沿って配置される。なお、ラ
ンプを配置する位置としては、効率よく発光させるため
にも定在波の山の部分が最もよい。

【００１８】無電極ランプ１４は、用途に応じて変わ
り、例えば紫外線光源とする場合、その材質として石英
などの紫外線透過物質を用い、また封入する物質として
Ｎｅ，Ａｒなどの希ガスと小量のＨｇ，Ｃｄ，Ｚｎなど
の各種金属またはこれらのハロゲン化物などがある。さ
らに、ランプの発光強度を最適化するために、ランプの
一端または両端をランプ室１３の側壁に設けた小孔より
外部に出し、その部分を封入金属の最適蒸気圧に対応す
る温度に保つように温度制御すれば良い。例えばＨｇを
小量封入し、１８５nm及び２５４nmの波長の紫外光を利
用する場合は、４０〜７０℃に保つように水等の液体で
冷却する。この場合、マイクロ波が外に漏洩するのを防
ぐために、図示していないが、外部に露出したランプ部
を金属しゃへい箱で覆う必要がある。

【００１９】図４はＮｅガス封入直管ランプでの本発明
による発光強度分布を示す図である。光源装置は図１に
示した第１の実施例と同様な構成にしてある。多重モー
ド変換器１０のランプ側矩形導波管部１０Ｂの長辺ａを
４９０mmとした。この場合は（１）式よりＴＥ₁₀，ＴＥ
₃₀，ＴＥ₅₀及びＴＥ₇₀モードの波までが合成されてい
る。他のモードの波は、たとえ立ったとしても急激に減
衰して、多重モード変換器を伝搬することはない。多重
モードの中でも、ＴＥ₁₀及びＴＥ₃₀モードの割合が高
い。直管ランプは面１３Ｂから多重モード変換器１０側
へ、この２つの管内波長λg ＝１２．３４cm及び１３．
２０cmの平均値の１／４の位置に配置している。図４か
らわかるように、均一性は４０cmの直線上で±１５％以
内となり、飛躍的に向上している。このように、帯状光
源となる直管ランプ１本当たりの均一性を高めることに
より、この直管ランプを２次元的に配列して均一な平面
照射に応用することができる。

【００２０】＜実施例２＞図５は本発明に係るマイクロ
波励起光源装置の第２の実施例を示しており、平面的に
均一照射可能な光源を得るための概略構成図である。

【００２１】本実施例は、第１の実施例に示したランプ
室を積み重ねて平面的に配置したものである。図示する
ように、マイクロ波電源から出力されて矩形導波管を伝
搬するマイクロ波は、２つの導波路を有するマイクロ波
分配器２０に入射する。このマイクロ波分配器の各導波
路２０Ａ，２０Ｂの出力側には、第１の実施例と同様
に、それぞれ多重モード変換器１０，１０の電源側接続
部が接続されると共に、それぞれのランプ側接続部に
は、無電極ランプ１４，１４を収納したランプ室１３，
１３が設けられている。

【００２２】本実施例においては、２つのマイクロ波分
配器２０，２０を用いて、マイクロ波電力を４等分に分
配しているが、マイクロ波分配器の数、マイクロ波分配
器の導波路の数、矩形導波管の数及びマイクロ波電源の
数は、適宜に選定することができる。

【００２３】＜実施例３＞図６は本発明に係るマイクロ
波励起光源装置の第３の実施例を示しており、平面的に
均一照射可能な光源を得るための概略構成図である。

【００２４】本実施例は、第１の実施例に示したランプ
室をマイクロ波の進行方向に平面的に広げたものであ
る。図示するように、実施例１と同じ多重モード変換器
１０に接続されたランプ室１３は、マイクロ波導波路を
終端短絡させる面１３Ｂが閉鎖され、また面１３Ｃが金
網１３Ｎで形成される。このランプ室には、複数本の直
管ランプ１４，１４…がそれぞれ面１３Ｂから多重モー
ド変換器１０側へ、マイクロ波の管内波長λg の１／４
の繰返し位置に立つ複数個の定在波の山の部分に沿って
配置される。

【００２５】＜実施例４＞図７は本発明に係るマイクロ
波励起光源装置の第４の実施例を示しており、平面的に
均一照射可能な光源を得るための概略構成図である。

【００２６】本実施例は、第３の実施例のランプ室を変
形させたものである。図示するように、多重モード変換
器１０に接続されたランプ室１３は、その上面１３Ｄを
傾斜させて、下面１３Ｃと上面１３Ｄとの間隔が面１３
Ｂ方向に徐々に小さくなるテーパー状を呈している。こ
れは実施例３に示すように、ランプ室内に複数個のラン
プ１４を配置した場合、マイクロ波電力はランプの発光
吸収によって、マイクロ波導入側から終端部へと向かう
につれ減衰する。このマイクロ波電力の減衰は、ランプ
室をテーパー状にすることにより補うことができる。こ
の場合、ランプ室のテーパーの絞り方を緩やかにして、
マイクロ波のモードを乱さないようにする。なお、テー
パーは直線状に絞っているが、適切な曲率を付けて絞っ
ても良い。

【００２７】以上の実施例において、多重モード変換器
１０のランプ側矩形導波管部の長辺ａを、マイクロ波の
自由空間波長の１／２の奇数次倍で広げることによっ
て、より高次のＴＥ波を伝搬させることができる。ま
た、無電極ランプ１４としての直管ランプを、Ｕ字状ラ
ンプ、球状ランプにしても良く、また偏平に形成したラ
ンプにより広い面積を照射できる。さらに、マイクロ波
は、連続的にパワーを投入しても良いし、パルス状に投
入（パルス放電）させても良い。また、適宜に矩形導波
管１２と多重モード変換器１０との間に可動スタブ式の
整合器を設けても良い。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、調整作業
を全く行うことなく、また装置の寸法を大きくさせるこ
とによるコストアップさせることなく、直管状ランプで
は長手方向に、また球状ランプでは直線配置方向の発光
強度分布をより均一し、しかも発光強度分布の均一範囲
を拡大させることができ、さらに上記のように発光強度
分布の均一範囲を拡大させた帯状光源を、平面的に配置
することによって、より均一に平面照射させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るマイクロ波励起光源装置の第１の
実施例を示す概略構成図である。

【図２】本発明の多重モード変換器を示す概略構成図で
ある。

【図３】（ａ）は本発明の多重モード変換器のランプ側
矩形導波管部内の電界分布を示す図、（ｂ）は電源側矩
形導波管部内の電界分布を示す図である。

【図４】Ｎｅガス封入直管ランプでの本発明による発光
強度分布を示す図である。

【図５】本発明に係るマイクロ波励起光源装置の第２の
実施例を示す概略構成図である。

【図６】本発明に係るマイクロ波励起光源装置の第３の
実施例を示す概略構成図である。

【図７】本発明に係るマイクロ波励起光源装置の第４の
実施例を示す概略構成図である。

【図８】従来のマイクロ波励起光源装置を示す概略構成
図である。

【符号の説明】

１０ 多重モード変換器 １０Ａ 電源側矩形導波管部 １０Ｂ ランプ側矩形導波管部 １１ マイクロ波電源 １２ 矩形導波管 １３ ランプ室 １４ 無電極ランプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 澤村 智 大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会 社ダイヘン内 (72)発明者 鶴田 義範 大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会 社ダイヘン内 (72)発明者 青山 隆浩 大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会 社ダイヘン内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波電源と、前記マイクロ波電源
   から出力されたマイクロ波を導入する矩形導波管と、前
   記矩形導波管に導入されたマイクロ波により誘導放電を
   生じ発光する無電極ランプとを具備したマイクロ波励起
   光源装置において、 前記無電極ランプをランプ室に収納し、前記ランプ室と
   前記矩形導波管との間に、基本モードから基本モードと
   高次モードとからなるＴＥ波へ変換する多重モード変換
   器が設けられて、前記マイクロ波電源と矩形導波管と多
   重モード変換器とランプ室とが電気的に接続され、 前記多重モード変換器は、両Ｈ面に形成された不連続な
   直角部を境にして電源側矩形導波管部とランプ側矩形導
   波管部とからなり、前記電源側矩形導波管部が前記矩形
   導波管と整合するように形成され、前記電源側矩形導波
   管部の中心軸とランプ側矩形導波管部の中心軸とを一致
   させると共に、前記ランプ側矩形導波管部の長辺の長さ
   をマイクロ波の自由空間波長λ₀ の３／２λ₀ 以上と
   し、かつ前記ランプ側矩形導波管部の短辺の長さを前記
   電源側矩形導波管部の短辺と同じ１／２λ₀ 以下とし、 前記ランプ室は、前記ランプ側矩形導波管部と整合する
   ように直方体状を呈した１つの面全体を開口した電力供
   給口と、網状に形成した面と、定在波を立たせるように
   マイクロ波導波路を終端短絡させる面とを有し、 前記無電極ランプは、前記マイクロ波導波路を終端短絡
   させる面と平行な位置に沿って配設されたマイクロ波励
   起光源装置。