JP2005005258A

JP2005005258A - エキシマランプ発光装置

Info

Publication number: JP2005005258A
Application number: JP2004143284A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Hishinuma; 宣是菱沼
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】エキシマランプを使った反応処理において、反応生成物の放電容器への付着を良好に防止できるエキシマランプ、およびその照射装置を提供することにある。
【解決手段】エキシマランプ発光装置は、放電用ガスが充填された誘電体材料からなる放電容器の外面に一方の放電用電極２が配置されて他方の放電用電極３が放電容器１の内部に配置されたエキシマランプ１０と、このエキシマランプ１０の両電極間にエキシマ放電用電力を供給するエキシマ発光用電源８と、前記一方もしくは他方の放電用電極と接続されたヒータ用電源８と、このエキシマ発光用電源７およびヒータ用電源８に対する制御部１１からなる構成において、前記制御部１１は、前記ヒータ電源８により前記放電容器内部を所定温度まで昇温させるとともに、前記エキシマ発光用電源７を駆動することでエキシマ発光させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明はエキシマランプ発光装置に関する。特に、光化学反応用の紫外線光源として使われる放電ランプの一種で、誘電体材料を介在させることによってエキシマ分子を形成し、このエキシマ分子から放射される光を利用するエキシマランプ発光装置に関する。

この発明に関連した技術としては、例えば、特開平２−７３５３号があり、そこには、放電容器にエキシマ分子を形成する放電用ガスを充填し、誘電体バリア放電（別名、オゾナイザ放電あるいは無声放電。電機学会発行改訂新版「放電ハンドブック」平成１年６月再版７刷発行第２６３頁参照）によってエキシマ分子を形成せしめ、このエキシマ分子から放射される光を取り出す放射器、すなわちエキシマランプについて記載される。また、ドイツ特許公開公報ＤＥ４０２２２７９Ａ１にはＭＨｚという単位で点灯させるエキシマランプが開示されており、さらに、「Silent discharge for the generation of ultraviolet and vacuum ultraviolet excimer radiation」(Pure & Appl.Chem.,Vol.62,No.9,pp.1667-1674、1990) には、５０Ｈｚから数ＭＨｚで点灯されるエキシマランプ（別名、誘電体バリア放電ランプ）が開示されている。
これらエキシマランプは、放電容器の形状が全体円筒状であり、放電容器の少なくとも一部は誘電体材料を介在させる放電（別名、誘電体バリア放電）を行う誘電体を兼ねており、この誘電体の少なくとも一部はエキシマ分子から放射される真空紫外光（波長２００ｎｍ以下の光）に対して透光性であって光放射部が存在することが開示される。さらに、放電容器の外面には一方の電極として網状電極が設けられた誘電体バリア放電ランプが記載されている。

エキシマランプは、従来の低圧水銀放電ランプや高圧放電ランプにはない種々の特徴、例えば、単一波長の紫外光を強く放射するなどを有している。エキシマランプを使った発光装置は，例えば、特開２００２−１６８９９９等に開示される。

特開平２−７３５３号特開２００２−１６８９９９号

最近は、エキシマランプを使って液晶基板や半導体ウエハなどの処理物を洗浄処理する技術、あるいは化学反応処理する技術が注目されている。この技術では、有機溶剤、酸、アルカリなどの各種薬品を使うことが多く、これら薬品の中には、紫外線を吸収することで分解して反応生成物を生じるものがある。反応生成物は、一例をあげると、硫化水素三アンモニムや硫酸アンモニウムであり、これら反応生成物は、浮遊することでエキシマランプの放電容器に付着する。特に、エキシマランプは、上記低圧水銀ランプや高圧放電ランプなど一般のランプと異なり、点灯時の温度がそれほど高く昇温するものではないため、また、昇温にも比較的に時間を要するため、反応生成物の付着は特に顕著に生じるものといえる。

そして、種々の反応生成物がエキシマランプの放電容器表面に付着すると、エキシマランプの紫外線透過率は低下してしまい、また、付着が不均一になると照射処理も不均一になるという問題を生じる。
さらには、反応生成物の付着が進み放電容器表面における堆積量が多くなると、重量その他の原因により剥離、落下を起こすことがある。この場合、処理物上に落下したり、あるいはランプと処理物を仕切る窓ガラス上に落下するという問題も生じる。

この発明が解決しようとする課題は、エキシマランプを使った反応処理において、反応生成物の放電容器への付着を良好に防止できるエキシマランプの発光装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明に係るエキシマランプ発光装置は、放電用ガスが充填された誘電体材料からなる放電容器の外面に一方の放電用電極が配置されて他方の放電用電極が放電容器の内部に配置されたエキシマランプと、このエキシマランプの両電極間にエキシマ放電用電力を供給するエキシマ発光用電源と、前記一方もしくは他方の放電用電極の両端に電気的に接続されたヒータ用電源と、このエキシマ発光用電源およびヒータ用電源に対する制御部からなる構成において、前記制御部は、前記ヒータ電源によって前記放電容器を所定温度まで昇温させるとともに、前記エキシマ発光用電源によりエキシマ発光させることを特徴とする。

さらに、前記所定温度は、前記放電容器を構成する誘電体材料において１００℃〜３００℃の範囲内の温度であることを特徴とする。
さらに、前記所定温度は、前記エキシマ発光用電源により前記エキシマランプを発光させたときに落ち着く平衡温度であることを特徴とする。
さらに、前記所定温度は、前記平衡温度の±４０℃の範囲であることを特徴とする。

図１は本発明に係るエキシマランプ発光装置の全体構造を示す。エキシマランプ１０は合成石英ガラスのような誘電体材料からなる放電容器１からなり、放電容器１は真空紫外光を透過する光放射部を兼ねている。
放電容器１の外面には一方の電極２が配置されて、放電容器内部に他方の電極３が配置されている。放電容器１の内部空間は放電空間となり他方の電極３が配置される。一方の電極２と他方の電極３はエキシマ発光用電源７に接続されており、この電源７からエキシマ発光用電力（電圧）が供給されると、誘電体材料を介して放電が生じて、これにより放電空間にエキシマ分子を形成されて真空紫外光が発生する。放電空間には、例えばキセノンガスが封入される。
なお、放電容器１の全体が光放射部であってもよいが、少なくとも一部に真空紫外光を透過する光放射部を形成してもよい。

他方の電極３は、ヒータ機構（熱源体）として機能するものであり、全体形状がコイル状フィラメントであって、放電容器１の長手方向に沿って、かつ、放電容器１の中心軸に配置する。他方の電極３の端部は、それぞれ封止部４において金属箔５と接合しており、この金属箔５に外部リード６がつながっており、この外部リード６はヒータ用電源８と電気的に接続される。従って、ヒータ用電源８は外部リード６、金属箔５、他方の電極３、金属箔５、外部リード６により循環する電気回路が形成される。
なお、封止部４はピンチシールによって形成され放電容器内を気密にしている。

スイッチ９は、エキシマ発光用電源７からの電力供給と、ヒータ用電源８からの電力供給を切り替えるものであり、制御部１１からの信号によって制御される。すなわち、エキシマ発光させるためには、スイッチ９が図示ｂ端子を設定して、エキシマ発光用電源７、一方の電極２、放電空間、他方の電極３、金属箔５、外部リード６による電気回路が形成される。また、ヒータ加熱するときは、スイッチ９が図示ａ端子を設定して、ヒータ用電源８、外部リード６、金属箔５、他方の電極３、金属箔５、外部リード６の電気回路が形成される。
エキシマランプ１０を発光させる手順としては、まず、スイッチ９を端子ａに設定してヒータ用電源８により放電容器１を昇温させる。次に、放電容器１が所定温度まで昇温するとスイッチ９を端子ａに切替えて、ヒータ電源８により通電を停止するとともにエキシマ発光用電源７による電力供給を開始する。

なお、所定温度の検知は図示略の温度センサを使うことができ制御部１１に設置温度との比較機能を持たせる。
また、図においては、各電源と電極の間は簡略化されているが、両者の間には、トラジスタ、コンデンサ、抵抗などを配置した安定器などが接続されているが、図においては動作原理を説明するという便宜上、これらは省略している。

他方の電極３は、熱源体であって、通電により抵抗発熱体となって放電用ガスおよび放電容器の外壁を加熱する。
他方の電極３を通電させると、放電容器を所定温度に昇温できる。これにより、液晶基板や半導体ウエハなどの処理物に対して、照射処理したとしても、反応生成物の放電容器への付着を防止できる。ここで、反応生成物の放電容器への付着は、いわゆる光ＣＶＤ作用であって、エキシマランプが真空紫外光を放射するときに発生する。従って、エキシマランプを消灯させている期間に、エキシマランプを加温することでエキシマランプを点灯させた場合に反応生成物の付着を防止できる。

他方の電極３は、一例をあげると、タングステン、モリブデン、カンタル、ニクロムであって、抵抗発熱体として機能する材料であれば適宜採用することができる。放電容器１、特に外壁は、例えば、１００℃〜３００℃、より好ましくは１０５℃〜１２５℃に加熱される。なお、フィラメントには、通常のハロゲンランプで使われる支持用リング、通称サポータを設けてもよい。

ここで、ヒータ電源８による通電は、エキシマ発光（別名、誘電体バリア放電ともいい、電極同士の放電において誘電体材料を介在させた放電）をさせる前に行なうことが好ましい。エキシマ発光用電源７と同時に通電させると、放電の不安定を導きかねないからである。しかし、ヒータ電源とエキシマ発光用電源の両者を同時に通電してもよく、また、常に両者を同時に通電しないまでも、一時的に両方とも通電させるような使用方法であってもかまわない。

エキシマランプについて、数値例をあげると、放電ランプ１は全長１０００ｍｍ、外径φ１６ｍｍ、内径φ１４ｍｍである。フィラメント電極は、外径φ６ｍｍ、コイルピッチφ２ｍｍである。エキシマランプは、８０ＫＨｚ、４００Ｗで波長１７２ｎｍの真空紫外光が放射される。

一方の電極２は全体帯状であって、材質は導電性であれば特に限定されるものではない。一例を上げると、金、銀、ニッケル、カーボン、金パラジウム、白金を適用できる。また、電極の取り付けはスクリーン印刷や蒸着法であって、ガラス粉末などをバインダーとして使うこともできる。

図２は本発明に係るエキシマランプの他の実施形態を示す。図１と同一番号は同一の構成部材を示す。
この実施形態が図１に示す実施形態と異なる点は、他方の電極３がコイル状ではなく、直線糸状であることである。

図３は本発明に係るエキシマランプの他の実施形態を示す。図１、図２と同一番号は同一の構成部材を示す。
この構造が図１、図２に示す構造と異なる点は、ヒータ機構を有する電極が放電容器内部に配置された他方の電極３ではなく、放電容器１の外面に配置された一方の電極２’であり、この電極２’の両端にヒータ用電極８が電気的に接続されて、放電容器１の外面に巻き付けられる。なお、両端とは厳密な意味の端部という意味ではない。なお、エキシマ発光は、一方の電極２’と他方の電極３の間で行なわれる。
この構造の利点は、一方の電極２’によって放電容器１を直接加熱するため、放電容器の温度制御が正確かつ迅速にできることである。
なお、図３の構造は物理的にスイッチを有さない構造であるが、制御部１１において通電を制御するスイッチの機能を持たせることができる。

図４は本発明に係るエキシマランプ発光装置を使った照射装置の概略構成を示す。
エキシマ照射装置２０は金属ブロック２１より全体が箱型に形成される。
金属ブロック２１には溝が設けられて、エキシマランプ１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）が溝に適合するように配置される。金属ブロック２１には冷却水を流す冷却水用貫通孔２２（２２ａ、２２ｂ）と、エキシマランプ１０の放射光を検知するセンサ２３（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）が配置される。金属ブロック２１は高い伝熱特性と加工の容易性、さらには真空紫外光の高い反射特性から、例えばアルミニウムが採用される。また、エキシマランプ１０にはヒータ機構が具備されているが、過剰加熱を抑制するために、冷却水により制御する。なお、図示略であるが、金属ブロック２１には放電容器に対する温度検知センサが配置される。

照射装置２０には、不活性ガスを流すための導入口２４ａと排出口２４ｂが設けられている。導入口２４ａは、ガスボンベなどがバルブを介して接続されており、排出口２４ｂは同じくバルブを介して真空ポンプに接続される。不活性ガスは、ごく一般的には窒素ガスが採用されるが、アルゴンガスなどを採用することもできる。また、不活性ガスは、処理工程中、あるいは処理前後において、導入口２４ａから導入して排出口２４ｂから排出するようにを常に流し続けることができる。

照射装置２０の外部にはエキシマ発光用電源７、ヒータ用電源８、制御部１１が配置される。これらが機能として区別しているだけであり、物理的に区別されたものである必要はない。

照射装置２０の外部にはエキシマランプ１０から放射される紫外線を受ける処理物Ｗが処理台３０に載置されている。この処理台３０は、例えば、ステンレスからなるもので内部にニクロム線によるフィラメントヒータを配設することで処理物Ｗを加熱することができる。また、図示略ではある、処理台３０には昇降機構を設けることにより、処理物Ｗをランプ１０に近接させることが可能であり、また、搬送機構を設けることで水平方向に搬送させることも可能となる。
処理物Ｗには、酸素ガス、シラン系ガス、水素ガス、アルゴンガスなどの処理用ガスが供給され、これら処理用ガスとエキシマランプ１０からの放射光が反応することで処理を行なわれる。

エキシマランプ１０は、例えば、図１、図２、図３に示す構造のものが採用される。これらエキシマランプのいずれかの電極は、放電容器を加熱するためのヒータ機構が具備される。

なお、上記の照射装置はランプと処理物の間に両者を区切る透過部材が設けられていない。このため、装置全体が小型化するとともに、高価な紫外線透過窓部材を使う必要がない点で利点は大きい。さらに、この構成は、本発明のエキシマランプがヒータ機構を具備しているため、反応生成物の放電容器への付着を防止できるからこそ採用できる構造であるといえる。

以上のように、エキシマ発光をする前にヒータ機構により放電容器を所定温度まで加熱することで、エキシマ発光をしたときに反応生成物が放電容器に付着することを防止できる。また、所定温度として１００℃〜３００℃の範囲で放電容器を加熱しておくことで当該作用効果を発揮することができる。

また、所定温度として、エキシマ発光をするときの平衡温度に設定することもできる。平衡温度とはエキシマ発光を継続させたときに最終的に落ち着く温度であって、放電容器の温度を対象にして規定している。この平衡温度は、エキシマランプの形状、供給電力、エキシマランプの冷却構造などによって異なる。エキシマランプのオンオフ（点灯、消灯）を繰り返すような点灯方式の場合であっても最終的に落ち着く温度が平衡温度となる。

一般に、エキシマランプは高温化すると放射光量が低下するという性質を有している。従って、ヒータ電源による加熱温度がエキシマランプの平衡温度よりも高い温度の場合は、エキシマ発光の点灯時間の経過とともに、ランプ（放電容器）の温度が低下して放射光量が上昇することとなる。一方、ヒータ電源による加熱温度がエキシマランプの平衡温度よりも低い温度の場合は、エキシマ発光の点灯時間の経過とともに、ランプ（放電容器）の温度が上昇して放射光量が下降することになる。
本願発明のようにヒータ加熱の温度がエキシマランプの平衡温度に近い温度であると、放射光量の変動を小さくできるという大きな利点を有する。例えば、エキシマランプの平衡温度が１５０℃の場合は、ヒータ電源による加熱温度が１５０℃であればランプの温度が一定となり放射光量の変動を防止することができる。また、本発明者はヒータ電源による加熱温度が平衡温度の±４０℃の範囲であれば放射光量の変動を実質的に防止できることを確認している。例えば、平衡温度が１５０℃の場合はであれば１１０℃〜１９０℃の加熱温度であれば放射光量を一定にする効果を有する。

また、本発明による光照射処理において、ワークを交換する場合などにエキシマ発光を停止する場合がある。この停止時間の間においてもヒータ加熱することができる。また、ワークを搬送させる場合でもワークが処理領域に存在しない場合などにおいて、エキシマ発光を停止する場合がある。もちろん、ワーク交換や搬送時のワークの不存在に限定されるものではなく、光照射処理の中断する期間であれば、その他の場合であってもヒータ加熱することができる。

ここで、エキシマランプは一対の電極間に誘電体と放電空間を介在させて放電させるランプであり、誘電体バリア放電ランプと称する場合もある。エキシマランプは単一波長の真空紫外光を強く放射するという、従来の低圧水銀放電ランプや高圧アーク放電ランプにはない優れた特徴を有している。
この単一波長の光は、放電容器内の封入ガスによって決まり、キセノンガス（Ｘｅ）の場合は波長１７２ｎｍの光、アルゴンガス（Ａｒ）と塩素ガス（ＣＬ）の場合は波長１７５ｎｍの光、クリプトン（Ｋｒ）と沃素（Ｉ）の場合は波長１９１ｎｍの光、アルゴン（Ａｒ）とフッ素（Ｆ）の場合は波長１９３ｎｍの光、クリプトン（Ｋｒ）と臭素（Ｉ）の場合は波長２０７ｎｍの光、クリプトン（Ｋｒ）と塩素（ＣＬ）の場合は波長２２２ｎｍの光を放射する。さらに、必要に応じて瞬時（１秒以内）に点滅点灯できるという特徴も有する。

エキシマランプは、図１、図２、図３に示す構造に限定されるものではない。
図５はエキシマランプそのものの他の実施形態を示すもので、ヒータ電源やエキシマ発光用電源は省略している。
この構造が、図１、図２、図３に示す構造と相違するところは、内部電極３はタングステンなどより構成される棒状電極であって、その周囲に誘電体材料からなる内側パイプ３１を有することである。内側パイプ３１は合成石英ガラスなどから構成されており、内側電極３と内側パイプ３１５は密着していてもよいし、隙間が形成されていてもよい。なお、内側パイプ３１は内側電極３の端部まで延びていない。従って、内側電極３は端部において放電用ガスと接触していることとなる。内側パイプ３１は支持部材３２で放電容器の内部に固定される。
内側電極３の周囲に内側パイプ３１を設けることで、内側電極３が放電空間に露出しておらず、局所的な放電の発生を防止する効果を有する。
また、内側電極３の端部にコイル３３を設けることで、内側電極３の膨張を吸収することができ、封止部の破壊を防止できる。

エキシマランプの構造は、図１、図２、図３、図５に示す構造に限定されるものではなく、特公平８−２１３６９号に示す平板形状や、特許第３０４３５６５号に示すいわゆるヘッドオン型ランプ、特開第３１７０９５３号などに示す二重管構造などを採用できる。
また、封止部についても金属箔を埋設させた構造に限定するものではなく、いわゆる段継ぎシールなどにより、電極がそのまま外部リードをなって外部に突き抜ける構造も採用できる。

エキシマ発光のために、給電装置からエキシマランプに供給する電圧波形は、正弦波に限定されるものではなく、パルス波形であってもかまわない。この場合、パルスを連続的に供給するのではなく、間隔（休止期間）を設けるパルス波形が発光効率の点で好ましく、また、パルス波形は急峻な立ちあがり波形で印加することが望ましい。これは急峻な立ち上がり波形の電圧を印加すると、正弦波電圧のような緩やかな電圧を印加する場合に比べて、放電容器内のガスそのものに直接電圧を印加するような状態に近づくためであり、また、休止期間を設けることは一度生成したエキシマ分子を破壊させないためである。なお、立ちあがりの数値例をあげると、０．０３μ秒〜1μ秒の範囲から選択され、例えば０．５μ秒であり、パルス幅は０．５μ秒〜５μ秒の範囲から選択され、例えば１μ秒であり、休止期間は１μ秒〜１００μ秒の範囲から選択され、例えば２９μ秒である。

以上説明したように、本発明に係るエキシマランプは、放電容器に対するヒータ機構を具備するため、エキシマ発光するときには放電容器を所定温度まで加熱することができ、これにより、いわゆる光ＣＶＤ作用による反応生成物の放電容器への付着を防止できる。

本発明に係るエキシマランプの全体構成を示す。本発明に係るエキシマランプの全体構成を示す。本発明に係るエキシマランプの全体構成を示す。本発明に係るエキシマ照射装置の全体構成を示す。本発明に係るエキシマランプの全体構成を示す。

符号の説明

１エキシマランプ
２一方の電極
３他方の電極
４封止部
５金属箔
６外部リード
７交流電源
８交流電源
９スイッチ
１０エキシマランプ
１１制御部
２０エキシマ照射装置
３０処理台
Ｗ処理物

Claims

放電用ガスが充填された誘電体材料からなる放電容器の外面に一方の放電用電極が配置されて他方の放電用電極が放電容器の内部に配置されたエキシマランプと、このエキシマランプの両電極間にエキシマ放電用電力を供給するエキシマ発光用電源と、前記一方もしくは他方の放電用電極の両端に電気的に接続されたヒータ用電源と、このエキシマ発光用電源およびヒータ用電源に対する制御部からなるエキシマランプ発光装置において、
前記制御部は、前記ヒータ電源により前記放電容器を所定温度まで昇温させるとともに、前記エキシマ発光用電源によりエキシマ発光させることを特徴とするエキシマランプ発光装置。
前記所定温度は、前記放電容器を構成する誘電体材料において１００℃〜３００℃の範囲内の温度であることを特徴とする請求項１のエキシマランプ発光装置。
前記所定温度は、前記エキシマ発光用電源により前記エキシマランプを発光させたときに落ち着く平衡温度であることを特徴とする請求項１のエキシマランプ発光装置。
前記所定温度は、前記平衡温度の±４０℃の範囲であることを特徴とする請求項３のエキシマランプ発光装置。