JP2009224089A - エキシマランプ - Google Patents

Abstract

【課題】放電空間内に電極を持たない誘電体バリア放電方式または容量結合型高周波放電方式のエキシマランプにおいて、高い放射出力を得るために、ランプに高電圧を印加しても電極間の沿面放電や、リード線間の異常放電を防止できる信頼性の高いエキシマランプを提供する。
【解決手段】エキシマランプ１０において、単管状の放電容器１１に形成される放電空間１５に放電ガスを封入する。放電容器１１の外面１１Ｓ上にランプ軸Ｅに沿って対向する電極１３、１４を配置する。そして、放電容器１１を囲む外管１２を設け、外管１２と放電容器１１との間に形成された絶縁空間１８に、消弧性ガスを封入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として産業用のランプであって、紫外線光源としてのエキシマランプに関する。特に、誘電体バリア放電、容量結合型高周波放電によってエキシマ光を放射するエキシマランプの構造に関する。

産業用のエキシマランプの一つとして、１７２ｎｍの発光波長を持つキセノンエキシマランプがあり、基板洗浄などに用いられている。エキシマランプでは、二重円筒管構造のランプがよく用いられ、発光部は軸方向に長い２つの同軸円筒管によって形成されている。

例えば、キセノンガスを封入したエキシマランプが、液晶パネル用基板のドライ洗浄等に用いられる（特許文献１参照）。この場合、被照射対象物の基板は一定速度でコンベア上を移動しており、基板の少し上方かつコンベアの流れ方向と直交する方向に沿ってランプが設置されている。一度に被照射対象物の幅全体を照射しながら基板を一定速度で移動させるため、基板全体にわたって均一に処理することができる。

また、半導体プロセスの分野においても、その各工程において、紫外光を用いた半導体ウエハ表面の加工、改質等を行うことが多い。このため、キセノンによる波長１７２ｎｍエキシマ発光、クリプトンと塩素による波長２２２ｎｍのエキシマ発光などの紫外光が多く用いられている。

一方、単管型放電容器の両側面に電極を配置した蛍光ランプ（外部電極型蛍光ランプ）も知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２では、使用時の沿面放電を防止し、安全性を高める目的で、ガラスバルブ又はセラミックス等の耐熱性部材による被覆層によって電極を被覆する。
特許第３１７０９５２号公報 実開平５−９０８０３号公報

上記特許文献１のような二重円筒管型の誘電体バリア放電エキシマランプでは、内側管の内面に片方の電極を形成し、外側管の外面に他方の電極を形成している。この両方の電極の間に数ｋＶの高周波電圧を印加することによって、内側管と外側管との間の放電空間において誘電体バリア放電が発生する。このとき、電極間に数ｋＶという高電圧を印加するため、絶縁破壊し、放電容器表面を伝わって沿面放電が発生する恐れがある。

沿面放電を阻止するためには、放電容器の両端から電極端までの距離を十分にとるか、放電容器端に絶縁性の物質を付加することが必要となるが、従来のエキシマランプでは二重円筒管構造のために大型になってしまい、小型で簡便な装置にすることが難しい。

特許文献２に記載される細径化可能な単管式の蛍光ランプでも、電極間に高電圧を印加すると、沿面放電が発生する恐れがある。単管式ランプは、管状放電容器の軸方向に沿って帯状電極を管外面に形成する構造であるため、表面に沿う電極間の距離を長くする構成は採れない。そのため、放電容器および電極を絶縁性物質で覆うことで沿面放電を防止する必要がある。

しかしながら、放射出力の大きなエキシマ発光をさせるためには封入圧力を高くし、特に印加電圧を高くしなければならず、単なる絶縁性物質で被覆するという程度の対策では、信頼性が低い。特許文献２の蛍光ランプでは、封入ガス圧力は低くてもよく、そのとき放電中でのエキシマ分子は少なく発光も弱いが、耐絶縁性をそれほど強化する必要がない。一方、高出力を得るために高電圧を印加するエキシマランプでは、電極の被覆層をガラスで構成し、加熱して電極に密着させても、放電容器と被覆層との極わずかな隙間を通って絶縁破壊が生じる可能性がある。

例えば、アルミ箔等を電極として使用する場合、アルミ箔の融点が低いため加熱しても十分に温度が上げられず、電極形状にあわせて隙間無く被覆することが難しい。また、放電容器と被覆層との熱膨張係数に違いがあると、ランプ点滅による熱履歴によって応力が生じ、界面で極わずかな隙間が徐々に生じて絶縁破壊に至る恐れがある。また、ガラス材の溶射等によって被着させる場合にも、気泡や隙間ができ、この気泡や隙間を通して絶縁破壊する恐れがある。

このように、従来の単管の放電容器を用いたエキシマランプでは十分な高電圧を印加できず、放射出力の低いランプしか実現できなかった。本願発明が解決しようとする課題は、高い放射出力を得るために十分な高電圧を印加しても、沿面放電が発生せず、信頼性の高いエキシマランプを提供することである。

本発明のエキシマランプは、放電ガスが封入される単管状の放電容器と、放電容器の対向する両外側面に沿って配置される電極対と、放電容器を覆う外管とを備える。例えば、外管は放電容器全体を覆い、あるいは、電極対の配置部分などでは放電容器と一体化して覆う。一部を一体化エキシマランプとして、例えば、基板洗浄用などで使用され、高電圧印加によって放電プラズマを発生させる誘電体バリア放電エキシマランプ、あるいは、外部電極型蛍光ランプなど、高周波で放電を発生させる容量結合型高周波放電ランプなどが適用される。外管に覆われる電極対は、例えば放電容器外側面上に配置し、あるいは、放電容器の壁中、側面に沿って配置される。放電ガスとしては、例えば、希ガス、または希ガスとハロゲンガスとの混合ガスなどが適用される。

本発明では、単管式の放電容器を覆う外管を設けている。すなわち、内部を放電空間とする二重管構造ではない単一管状放電容器の外部に、絶縁空間を形成するための外管を設けている。そして、この外管と放電容器との間に形成される空間内が、放電を防止するのに必要十分な真空であることを特徴とする。ここで、「放電を防止するのに必要十分な真空である」とは、沿面放電などの放電発生を防止する範囲、程度の真空状態であることを意味する。このような構成によって電極対の周囲には絶縁空間が形成されるため、沿面放電、リード線接続部における絶縁破壊による放電などが防止される。

一方、本発明の他の特徴をもつエキシマランプは、放電ガスが封入される単管状の放電容器と、放電容器の対向する両外側面に沿って配置される電極対と、放電容器および電極対を覆う外管とを備え、外管と放電容器との間の空間内に、放電を防止する消弧性のガスが封入されている。例えば、Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、ＮＯ、ＳＦ_６、ＣＦ_４から選ばれた少なくとも一つのガスを含む単体または混合ガスを、封入ガスとする。

放電空間に封入するガスとの反応を防止するなど、要求する波長のエキシマ光に合わせて放電容器を構成するのが望ましい。そのため、放電容器と外管を異なる材質とすることができる。例えば、製造コストを下げるために外管を硬質ガラス、放電容器を石英にし、あるいは、フッ素ガスなどの放電ガスを使用するため、外管を石英、放電容器をセラミックで構成する。

エキシマ光の発光効率を上げるため、電極対の配置部分において、放電容器と外管の一部を溶着一体化させるのが望ましい。例えば、放電容器、および外管の少なくとも一部が同じ材質であり、電極対の設置部において放電容器および外管が互いに溶着されて一体となる一方、放電容器の少なくとも片側端部が外管に覆われている。放電容器の端部が外管によって覆われるため、放電容器の壁中における電極との接触面に隙間が生じても、放電が防止される。

エキシマランプを蛍光ランプとして構成する場合、放電プラズマと蛍光体との接触による影響を防ぐため、外管の内部に蛍光体が設置され、蛍光体によってエキシマ光が異なる波長域の光に変換されて照射されるのが望ましい。

本発明によれば、外管内において、電極間の沿面放電、あるいは電極から外部に接続するリード線間での絶縁破壊が確実に防止できるので、印加電圧を十分高くすることができ、放射出力の高いランプで実現できる。さらに、外管内における電極やリード線の酸化が防止でき、信頼性の高いランプが実現できる。また、細管で構成できるため、小型で細く、安価なランプが実現できる。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態であるエキシマランプの軸方向に沿った概略的断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩに沿った径方向の概略的断面図である。

単管式のエキシマランプ１０は、石英製の放電容器１１を備え、放電容器１１全体を覆うように石英製の筒状外管１２が同軸的に設けられている。両端を半球状とする放電容器１１と外管１２との間には、円筒状の空間（以下、絶縁空間という）１８が形成されている。放電容器１１内に形成される放電空間１５には、キセノンガスなど、放電中にエキシマ分子を生じさせる放電ガスが封入されている。

放電容器１１の外面（外側面）１１Ｓ上には、ランプ軸Ｅに沿って帯状に延びる一対の電極１３、１４が対向するように配置され、図２に示すように、その配置はランプ軸Ｅに関して対称的である。Ｍｏなどの金属板で成形された電極１３、１４は、外面１１Ｓに密着固定され、それぞれ外管１２の壁中にあるＭｏ箔１６Ａ、１６Ｂまで延びている。

Ｍｏ箔１６Ａ、１６Ｂには、外部に延びるリード線１７Ａ、１７Ｂがそれぞれ接続されている。これによって、放電容器１１とエキシマランプ１０外部とを電気的に接続され、エキシマランプ１０外部に設置された交流高電圧電源（図示せず）から、リード線１７Ａ、１７Ｂを介して電力が供給される。

Ｍｏ箔を介してランプ内外を電気的に接続するランプ製造方法は従来周知であり、外管１２のＭｏ箔１６Ａ、１６Ｂ部分では、内部の気密性を保つため、ピンチシールがなされている。放電容器１１と、電極１３、１４を含めて放電容器１１を囲む外管１２との間に形成された絶縁空間１８には、ＳＦ_６などの絶縁性、消弧性ガスが封入されている。

交流高電圧電源によって電極１３、１４の間に交流矩形波形の高電圧を印加すると、放電容器１１内部の放電空間１５で誘電体バリア放電が発生する。このとき発生する波長１７２ｎｍのキセノンエキシマ光（紫外光）は、放電容器１１および電極１３、１４の間を透過し、さらに外管１２を透過して外部に放射される。なお、放電ガスをクリプトンと塩素の混合ガスとした場合、波長２２２ｎｍのエキシマ光が発光する。

放電容器１１の外面に設置された電極１３、１４と外管１２との間に形成される絶縁空間１８は、絶縁性、消弧性のガスによって満たされている。そして、外管１２はその内部を密閉状態にしている。そのため、単一の放電容器１１を備える単管式エキシマランプ１０に対して数ｋＶの高電圧を電極１３、１４に印加しても、電極１３、１４がランプ外部と確実に絶縁しているため、沿面放電の発生を防ぐことができる。絶縁空間１８は放電を確実に防ぐ程度で空間容積をもてばよく、絶縁空間１８の空間容積を必要に応じて小さくし、ランプを小型化することも可能である。

また、絶縁性ガスを絶縁空間１８に封入するため、絶縁性がより向上し、さらに、絶縁性ガスの伝熱、対流によって、ランプ温度を下げることができる。これによって、電極が高温となって酸化することを防止することができる。

次に、図３を用いて、第２の実施形態であるエキシマランプについて説明する。第２の実施形態では、外管の材質が第１の実施形態の材質と異なる。それ以外の構成については、第１の実施形態と実質的に同じであり、同一構成要素については同一の参照符号を用いている。

図３は、第２の実施形態であるエキシマランプの概略的断面図である。エキシマランプ１１０は、石英製の放電容器１１と、タングステンガラスなどの硬質ガラスによって成形された外管１１２とを備える。硬質ガラスは石英ガラスに比べて熱膨張率が高く、タングステン線などの金属線のリード線１１７Ａ、１１７Ｂは、外管１１２内で電極１３、１４と接続し、外管１１２に直接封じられている。

放電容器１１と外管１１２との間の絶縁空間１１８は、真空状態にされている。真空を形成するため、まず外管１１２に設けられた排気管（図示せず）を通じてターボ分子ポンプによって高真空に排気した後、排気管が閉じられる。次に、バリウムゲッター１９を、高周波誘導加熱によって外管１１２の内壁に飛散付着させる。これによって、外管１１２内に残る極微量の不純ガスが吸着され、沿面放電などの放電発生防止に必要十分な真空になる。なお、バリウムゲッターの代わりに、ジルコニウムゲッターを用いてもよい。この時も高周波誘導加熱を行うが特に飛散物質は無く、出力光は遮光されない。

放電容器１１の放電空間１５に封入される放電ガスは、ここではキセノンと塩素の混合ガスであり、波長３０８ｎｍのエキシマ光が、放電容器１１から径方向に放射し、硬質ガラスの外管１１２を透過してランプ１０の外部に放射される。このように外管１１２を硬質ガラスにすることによって、Ｍｏ箔などを設けることなく、放電容器１１とランプ外部とを電気的に接続することができ、安価で信頼性の高いランプを制作することができる。また、真空の空間を作り出すことによって、電極が高温となっても酸化することを防止する。

次に、図４を用いて、第３の実施形態であるエキシマランプについて説明する。第３の実施形態では、放電容器の材質が第１の実施形態の放電容器の材質と異なる。それ以外の構成については、第１の実施形態と実質的に同じである。

図４は、第３の実施形態であるエキシマランプの概略的断面図である。エキシマランプ２１０の放電容器２１１は、アルミナなどのセラミックによって成形され、その外面２１１Ｓには電極１３、１４が対向するように配置されている。放電容器２１１と石英製の外管１２との間に形成される絶縁空間１８には、Ｎ_２とＣＯの混合ガスなど消弧性のガスが封入される。これにより、外管１２内部での沿面放電を防止する。

放電容器２１１が耐熱性、強度のあるセラミックス製であるため、入力電圧を一層上げることが可能となり、その結果発光強度が上がって、ランプ寿命を長くすることができる。さらに、フッ素ガスなど、石英性放電容器と反応してしまうようなガスを、放電空間２１５に封入することができる。これによって、石英製放電容器では得られない特定の波長をもつエキシマ光を放射することができる。

次に、図５、６を用いて、第４の実施形態であるエキシマランプについて説明する。第４の実施形態では、電極対が設置された軸方向範囲において外管と放電容器が一体化される。それ以外の構成については、実質的に第１、もしくは第２の実施形態と同じである。

図５は、第４の実施形態であるエキシマランプの軸方向に沿った概略的断面図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩに沿った概略的断面図である。

エキシマランプ２０は、石英製の放電容器２１を備え、放電容器２１の軸方向に沿った両端部分は、円筒状の外管２２Ａ、２２Ｂによってそれぞれ覆われる。電極２３、２４は、放電容器２１の壁中に埋め込まれ、容器２１の外側面に沿って対向配置される（図６参照）。電極２３、２４は、それぞれＭｏ箔２６Ａ、２６Ｂを介してリード線２７Ａ、２７Ｂに接続されている。放電容器２１内部の放電空間２５には、放電用の希ガスが封入される。一方、外管２２Ａ、２２Ｂと放電容器２１との間に形成される絶縁空間２８Ａ、２８Ｂは、真空状態になっている。

このような電極部分を一体化させたエキシマランプ２０の製造方法は、以下の通りである。まず、径の異なる２本の石英管を用意し、径の細い石英管を径の太い石英管内部に挿入する。そして、２つの石英間の間に、Ｍｏ箔などの電極対を対向するように挿入する。２つの石英管の隙間を減圧状態にしながら径の太い石英管の軸方向に沿った表面部分を加熱すると、径の太い石英管が変形し、径の細い石英管と密着する。

さらに加熱を続けると、電極対の設置部分以外は完全に溶着し、２本の石英管は一体となって放電容器２１を形成する。すなわち、放電容器および一対の電極を外管が密着して覆う構成になっている。なお、絶縁空間２８Ａ、２８Ｂを真空状態にするため、制作時には外管３２Ａ、３２Ｂに排気管が接続され、排気作業が行われる。

図６に示すように、電極２３、２４は放電容器２１の壁中に埋設されており、製造時の径の太い石英管が電極２３、２４の径方向外側部分、径の細い石英管が電極２３、２４の径方向内側部分を構成する。一方、径の太い石英管で加熱、溶着されなかった両端部分は、放電容器２１の両端部分を覆う外管２２Ａ、２２Ｂを構成し、Ｍｏ箔２６Ａ、２６Ｂが外管２２Ａ、２２Ｂ内に封じられている。

このように、電極２３、２４が放電容器２１の壁中に埋め込まれるため、ランプ放射部分が単管構造となり、外管の表面での、入射、出射時の光の損失がなく、光の透過効率が向上する。また、径の細い石英管と径の太い石英管とを溶着した放電容器２１の溶着部分に、熱応力などによって僅かな隙間が生じても、放電容器２１の両端部分が外管２２Ａ、２２Ｂによって覆われているため、その隙間は真空状態が維持される。従って、電極間に高電圧を印加しても、隙間を介して電極間で絶縁破壊する恐れがない。

次に、図７を用いて、第５の実施形態であるエキシマランプについて説明する。第５の実施形態では、エキシマランプが軸方向に向けて光を放射する。それ以外の構成については、第４の実施形態と実質的に同じである。

図７は、第５の実施形態であるエキシマランプの概略的断面図である。石英製の放電容器３１の一端には射出窓３９が形成され、他方の端部は外管３２によって覆われている。外管３２は、一体となった枝管３２Ａ、３２Ｂによって構成され、放電容器３１と外管３２との間の絶縁空間３８には、Ｎ_２とＳＦ_６の混合ガスなど消弧性のガスが封入されている。

電極３３、３４は、放電容器３１の壁中において対向するように埋め込まれ、一端はそれぞれ枝管３２Ａ、３２Ｂへ延びている。そして、Ｍｏ箔３６Ａ、３６Ｂを介してリード線３７Ａ、３７Ｂと接続される。枝管３２Ａ、３２Ｂは、ランプ外部で絶縁破壊しないように、リード線３７Ａ、３７Ｂとの間に十分な絶縁距離を設ける。放電空間３５には、希ガスが封入されている。なお、外管３２の製造方法において、太い石英管に細い石英管２本を接続するのは通常のガラス加工であり、第１の実施形態と同様に端部でＭｏ箔を介したランプ製造方法は周知であり、ここではその説明を省略する。

誘電体バリア放電によって発生するエキシマ光は、射出窓３９からランプ外部に放射される。エキシマ光は自己吸収がないため、軸方向に沿った長い放電領域での発光が重なり、強い光が得られる。また、電極３３、３４による遮光の影響なく光を放射することができる。

第１〜第４実施形態において、可視光を透過可能な外管の内壁に蛍光体を塗布し、放電容器から放射される紫外光を可視光に変えて光を取り出すように構成してもよい。これにより、照明ランプとして使用可能となり、必要な波長の光に変換することができる。この構成では、従来の外部電極型蛍光ランプのように放電容器内に蛍光体を塗布しないため、誘電体バリア放電で発生するプラズマとの接触によるダメージ、温度上昇による劣化がない。そのため、キセノンなどの放電容器内へ封入するガスを高圧に設定し、高電圧を印加することができる。

放電方式としては、上記誘電体バリア放電エキシマランプの代わりに、例えばスキャナ光源などで用いられるようなランプであって比較的低電圧の容量結合型（静電容量型）高周波放電方式のランプを適用してもよい。誘電体バリア放電エキシマランプでは、放電空間の距離が長くても均一な放電が安定して発生し、軸方向の照度分布の優れたランプが実現される。一方、容量結合型高周波放電方式の場合、電源部の最終部分をＬＣ共振回路とすることによって、容易に高電圧を印加することができる。

放電空間に封入するガスは任意であり、例えばアルゴンとフッ素の混合ガスを封入して、波長１９３ｎｍの光を放射させてもよい。また、放電容器のガラスの脆化保護、ガラスと封入ガスの反応を防止するため、放電容器の内面にアルミナ膜、チタニア膜、マグネシア膜などの保護膜を形成してもよい。封入ガスにハロゲンを含める場合、フッ化マグネシウム膜を形成するのがよい。また、絶縁空間に封入する絶縁性、消弧性ガスとして、Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、ＮＯ、ＳＦ_６、ＣＦ_４などを含む単体ガスまたは混合ガスを用いてもよい。

放電容器、外管の、材質、形状は任意に構成することができ、楕円形状、四角形状など円筒形状以外の形状に構成してもよく、また、所定のエキシマ光を外部へ透過させるような材質で構成すればよい。また、上記単一ランプの代わりに、複数のランプを用いて広範囲に照射するように構成してもよい。

第１の実施形態であるエキシマランプの軸方向に沿った概略的断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩに沿った径方向の概略的断面図である。 第２の実施形態であるエキシマランプの概略的断面図である。 第３の実施形態であるエキシマランプの概略的断面図である。 第４の実施形態であるエキシマランプの軸方向に沿った概略的断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩに沿った概略的断面図である。 第５の実施形態であるエキシマランプの概略的断面図である。

符号の説明

１０、２０、３０ エキシマランプ
１１、２１１、２１、３１ 放電容器
１２、１１２、２２Ａ、２２Ｂ、３２ 外管
１３、２３、３３ 電極
１４、２４、３４ 電極
１５、２１５、２５、３５ 放電空間
１８、１１８、２８、３８ 絶縁空間

Claims (9)

1. 放電ガスが封入される単管状の放電容器と、
   上記放電容器の対向する両外側面に沿って配置される電極対と、
   上記放電容器と上記電極対を覆う外管とを備え、
   上記外管と上記放電容器との間の空間内が、放電を防止するのに必要十分な真空であることを特徴とするエキシマランプ。
2. 放電ガスが封入される単管状の放電容器と、
   上記放電容器の対向する両外側面に沿って配置される電極対と、
   上記放電容器と上記電極対を覆う外管とを備え、
   上記外管と上記放電容器との間の空間内に、消弧性のガスが封入されていることを特徴とするエキシマランプ。
3. 上記消弧性のガスとして、Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、ＮＯ、ＳＦ_６、ＣＦ_４から選ばれた少なくとも一つのガスを含む単体または混合ガスを封入したことを特徴とする請求項２に記載のエキシマランプ。
4. 上記放電容器と上記外管が異なる材質であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のエキシマランプ。
5. 上記放電容器、および上記外管の少なくとも一部が同じ材質であり、上記電極対の設置部において上記放電容器および上記外管が互いに溶着されて一体となる一方、上記放電容器の少なくとも片側端部が上記外管に覆われていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のエキシマランプ。
6. 上記放電容器内で、誘電体バリア放電によってエキシマ分子が形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のエキシマランプ。
7. 上記放電容器内で、容量結合型高周波放電によってエキシマ分子が形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のエキシマランプ。
8. 上記放電ガスを、希ガス、または希ガスとハロゲンガスとの混合ガスとしたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のエキシマランプ。
9. 上記外管の内部に蛍光体が設置され、上記蛍光体によってエキシマ光が異なる波長域の光に変換されて照射されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のエキシマランプ。
   
   
   
   
   

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