JP2007042542A - フラッシュランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる発光管を用いたフラッシュランプにおいて、確実に、発光管内表面のクラックや黒化溶融を抑制し、使用寿命が十分に長いフラッシュランプを提供することにある。
【解決手段】 本発明のフラッシュランプは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる発光管１１を具備してなるフラッシュランプ１０において、フラッシュランプ１０は、発光管１１内に封入された封入ガスによる主発光と、主発光後に発光管自体が発光する残光を放射するものであり、残光の分光放射スペクトルの最大発光強度となる波長を基準波長とし、その基準波長における残光の発光強度を基準発光強度ａとし、残光の基準波長と同じ波長における、主発光の分光放射スペクトルの発光強度を比較発光強度ｂ、とすると、ａ／ｂ≦１×１０^−５であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体や薄膜トランジスタの製造工程に用いられる光加熱用のフラッシュランプに関する。

近年、半導体製造プロセスの急速熱処理においてフラッシュランプが光源として利用されている。
フラッシュランプは、放射強度の大きな光が高い効率で得られる点で有利であり、１回の発光に要する時間が極めて短く、発光管内部の温度は、例えば１０００℃というレベルの高温に達する。
このため、発光管の材料はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が注目されており、石英ガラスよりも耐熱性という点で優れているものである。
発光管の材料にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いた先行文献として、特開２００３−１０９５３７号公報、特開２００５−０４４６３５号公報がある。

しかしながら、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる発光管は、耐熱性に優れるものの、ランプ使用中に、内表面にクラックが発生したり、内表面が黒化溶融するなどの問題が発生するものがあり、このような発光管を用いたフラッシュランプでは、使用寿命が十分に得られない問題があった。

特開２００３−１０９５３７号公報 特開２００５−０４４６３５号公報

本発明が解決しようとする課題は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる発光管を用いたフラッシュランプにおいて、確実に、発光管内表面のクラックや黒化溶融を抑制し、使用寿命が十分に長いフラッシュランプを提供することにある。

請求項１に記載のフラッシュランプは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる発光管を具備してなるフラッシュランプにおいて、前記フラッシュランプは、発光管内に封入された封入ガスによる主発光と、主発光後に発光管自体が発光する残光を放射するものであり、前記残光の分光放射スペクトルの最大発光強度となる波長を基準波長とし、その基準波長における残光の発光強度を基準発光強度ａとし、前記残光の基準波長と同じ波長における、主発光の分光放射スペクトルの発光強度を比較発光強度ｂ、とすると、ａ／ｂ≦１×１０^−５であることを特徴とする。

本発明のフラッシュランプによれば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる発光管にクラックが発生せず、しかも、黒化溶融も抑制し、照度維持率が長時間に渡って高い値に保持することができ、使用寿命を十分に長くできる。

以下図面を用いて、本発明のフラッシュランプを説明する。
図１は本発明に係るフラッシュランプを示す。
フラッシュランプ１０は直管状の発光管１１を有する。発光管１１の内部には一対の電極１２が電極棒１３に支持されて対向配置されている。発光管１１の両端には、多結晶アルミナ焼結体よりなる円柱状の封止部材１４が挿入されている。発光管１１と封止部材１４の間は封着ガラス１５によって気密に封着されている。
封止部材１４には電極棒１３が発光管１１の軸方向に伸びるように貫通して設けられている。電極棒１３と封止部材１４も封着ガラス１５によって気密に封着されている。
発光管１１の内部は放電空間を形成するとともに、放電用ガスとして、例えば、キセノンガスが封入されている。

発光管１１は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）であり、単結晶アルミナ（サファイア）より構成される。単結晶体は多結晶体と比較して、光透過性、機械的強度、耐熱性、耐プラズマ性などに優れている。ランプ材料として必要とされる物性値を考慮すると、酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアを使うことで優れた特性が得られる。
この発光管１１は、外径１３ｍｍ、肉厚１．０ｍｍ、電極間の発光長が２５０ｍｍである。
なお、図示略ではあるが、発光管１１の外表面にはトリガワイヤが設けられている。

このフラッシュランプは、被処理物である半導体や薄膜トランジスタを加熱処理する際に、イオン注入された不純物のプロファイルを崩さず、良好に加熱するために、パルス幅が２００μｓ以下で、照射エネルギーが７５ｋＷ／ｃｍ^２以上である。

図２は、上記の条件の基で、フラッシュランプを点灯させた時の発光状態の説明図である。
フラッシュランプは、放電空間に電圧を印加することにより、封入ガスがプラズマ化し、このプラズマから放射される線スペクトル成分と連続スペクトル成分からなる高強度の光が、放電空間に電圧を印加した点灯時より１０μｓから１００ｍｓ程度の短時間に、パルス的に放射される。この発光を、本願では点灯時において発光する主発光と定義する。
さらに、主発光が終了したあと、ｍｓオーダーから数秒間にかけて４００〜５５０ｎｍの可視領域にブロードな発光スペクトルを有する主発光に比べ極めて強度が小さな光が放射される。この発光を、本願では主発光後に発光する残光と定義する。

主発光は、封入ガス種、ガス圧、点灯条件のパルス幅によって若干そのスペクトルが変化するが、例えば、Ｘｅを４５０Ｔｏｒｒ封入したフラッシュランプをパルス幅８００μｓ程度で点灯させた場合、２００ｎｍ程度の紫外域から１０００ｎｍ程度の近赤外域にかけて連続的な発光を示すものである。

残光は、発光管自体からの発光であり、放電空間から放射される光を受けて発光管中の不純物やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）結晶の結合状態に起因して、発光するものである。
この残光は、フラッシュランプの封入ガス種やガス圧、点灯条件を変化させても発光波長はほとんど変わらず、発光管自体の特性に強く影響されるものである。

そして、主発光と残光の関係を調査した。
先ず、発光管自体の特性に支配される残光に着目した。残光は、前述した通り、４００〜５５０ｎｍの可視領域にブロードな発光スペクトルを有するものであり、残光の分光放射スペクトルの最大発光強度となる波長を基準波長とし、その基準波長における残光の発光強度を基準発光強度ａとした。
さらに、主発光の分光放射スペクトルのうち、残光の基準波長と同じ波長における主発光の発光強度を比較発光強度ｂとした。

そして、基準発光強度ａと比較発光強度ｂとの関係を調査した結果、ａ／ｂの式で示される残光の基準発光強度ａと主発光の比較発光強度ｂとの関係が、発光管の内表面のクラックの発生と黒化溶融現象の発生に、関係していることが判明した。

残光の基準発光強度ａと主発光の比較発光強度ｂとの関係式ａ／ｂと、寿命との関係を調べる実験（実験１〜３）を行った。
結果を図３、図４、図５に示す。
この実験では、点灯初期の照度を１００％として、照度が８０％となった点灯回数をプロットしたものであり、照度低下の原因は、発光管の内表面に発生する黒化溶融物によって、発光管を透過する光が減少することによるものである。

以下、表１に実験１〜３の条件と結果を整理する。

実験１、実験２、実験３に用いた発光管は、単結晶アルミナ（サファイア）であり、外径１３ｍｍ、肉厚１．０ｍｍ、電極間の発光長が２５０ｍｍのものである。

図３に示す実験１では、フラッシュランプの点灯条件は、パルス幅が１００μｓ、管壁負荷が１０Ｊ／ｃｍ^２である。
このような条件下では、照度が点灯初期の８０％となる寿命末期は、点灯回数で３０万回以上であることが業界の基準である。

図３より、この基準を満足する残光の基準発光強度ａと主発光の比較発光強度ｂの関係ａ／ｂが１×１０^−５以下では、照度が点灯初期の８０％となり寿命末期となる点灯回数は３０万回以上となり、十分に業界の基準を満足するものである。

図４に示す実験２では、フラッシュランプの点灯条件は、パルス幅が１００μｓ、管壁負荷が１２Ｊ／ｃｍ^２である。
このような条件下では、照度が点灯初期の８０％となる寿命末期は、点灯回数で１０万回以上であることが業界の基準である。

図４より、この基準を満足する残光の基準発光強度ａと主発光の比較発光強度ｂの関係ａ／ｂが１×１０^−５以下では、照度が点灯初期の８０％となり寿命末期となる点灯回数は１０万回以上となり、十分に業界の基準を満足するものである。

図５に示す実験３では、フラッシュランプの点灯条件は、パルス幅が１００μｓ、管壁負荷が１４Ｊ／ｃｍ^２である。
このような条件下では、照度が点灯初期の８０％となる寿命末期は、点灯回数で５０００回以上であることが業界の基準である。

図５より、この基準を満足する残光の基準発光強度ａと主発光の比較発光強度ｂの関係ａ／ｂが１×１０^−５以下では、照度が点灯初期の８０％となり寿命末期となる点灯回数は５０００回以上となり、十分に業界の基準を満足するものである。

また、実験１〜３において、ａ／ｂの値が１×１０^−５以上の発光管を用いたフラッシュランプでは、点灯条件によって程度の差はあるが発光管の内表面にクラックが発生していた。
しかしながら、実験１〜３において、ａ／ｂの値が１×１０^−５以下の発光管を用いたフラッシュランプでは、発光管の内表面にはクラックが発生しないことが確認された。

次に、残光の基準発光強度ａと主発光の比較発光強度ｂの関係ａ／ｂが１×１０^−５以下となるように、発光管の特性を調整するには、ランプを組み立てる前の発光管となる原管を酸素雰囲気中で高温アニールすることによって達成できる。
具体的には、大気中で、１６００℃で１時間の高温アニールを行うと、ａ／ｂの値が３×１０^−６になり、１６００℃で５時間の高温アニールを行うと、ａ／ｂの値が１×１０^−６になる。

さらに、発光管となる原管を高温アニールしない場合と高温アニールした場合の条件を様々変えて、発光管の残光の基準発光強度ａと主発光の比較発光強度ｂの関係、及び、寿命の関係を調べる実験を行った。結果を図６に示す。
なお、この実験に用いたフラッシュランプは、発光管は、単結晶アルミナ（サファイア）であり、外径１３ｍｍ、肉厚１．０ｍｍ、電極間の発光長が２５０ｍｍのものであり、パルス幅１００μｓ、管壁負荷１０Ｊ／ｃｍ^２で点灯して実験を行った。
また、寿命末期点灯回数は、照度が点灯初期の８０％になった点灯回数のことである。

この実験において、基準発光強度ａと比較発光強度ｂを比較する場合、任意の基準となるフラッシュランプの残光の分光放射スペクトルの最大発光強度となる波長の光強度を基準値として、その基準値に対する相対値を基準発光強度ａとし、また、その基準値に対する相対値を比較発光強度ｂとするものである。
つまり、ａ／ｂの値は、任意の基準となるフラッシュランプの残光の分光放射スペクトルの最大発光強度を基準値として、その基準値に対する相対値同士の比較値である。
具体的には、図６中の残光と主発光の光強度は、ランプ１における４３０ｎｍの残光の光強度を１とした場合の相対的な光強度であり、この光強度を任意強度として明記している。

図６に示すように、発光管となる原管を高温アニールにすることにより、発光管の残光の基準発光強度ａと主発光の比較発光強度ｂの関係値であるａ／ｂの値を小さくすることができる。
図６は、ランプ１に用いた発光管と同様の発光管を様々な条件で、高温アニールすることにより、ａ／ｂの値を小さくし、できかぎり高温状態にして長時間アニールすると、長寿命のランプとなることがわかる。

なお、図６の実験では、パルス幅１００μｓ、管壁負荷１０Ｊ／ｃｍ^２で点灯するものであり、この条件下では、照度が点灯初期の８０％となる寿命末期が、点灯回数で３０万回以上であることが業界の基準であり、ａ／ｂの値が１×１０^−５以下となっているランプ３、ランプ４、ランプ５では、この業界基準を満たし、寿命末期の点灯回数が３０万回以上となっている。

図３〜図５において、ａ／ｂの値が、０．０００１の場合は、発光管は高温アニールされていないものである。
発光管となるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる原管の状態は、その製造工程において、不純物が混入する割合、結晶状態が様々であるが、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる原管を高温アニールすることなく、そのままの状態でフラッシュランプを製造すると、残光の基準発光強度ａと主発光の比較発光強度ｂの関係であるａ／ｂの値は、１×１０^−５以上の範囲のバラツキを持った状態である。

本発明のフラッシュランプの説明図である。 フラッシュランプの発光状態の説明図である。 主発光の最大発光強度と残光の最大発光強度の関係と、寿命との関係を調べた実験結果のデータ説明図である。 主発光の最大発光強度と残光の最大発光強度の関係と、寿命との関係を調べた実験結果のデータ説明図である。 主発光の最大発光強度と残光の最大発光強度の関係と、寿命との関係を調べた実験結果のデータ説明図である。 高温アニール条件を変えて、ａ／ｂの値と、寿命関係を調べた実験データ説明図である。

符号の説明

１０ フラッシュランプ
１１ 発光管
１２ 電極
１３ 電極棒
１４ 封止部材
１５ 封着ガラス

Claims (1)

1. アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる発光管を具備してなるフラッシュランプにおいて、
   前記フラッシュランプは、発光管内に封入された封入ガスによる主発光と、主発光後に発光管自体が発光する残光を放射するものであり、
   前記残光の分光放射スペクトルの最大発光強度となる波長を基準波長とし、その基準波長における残光の発光強度を基準発光強度ａとし、
   前記残光の基準波長と同じ波長における、主発光の分光放射スペクトルの発光強度を比較発光強度ｂ、とすると、
   ａ／ｂ≦１×１０^−５
   であることを特徴とするフラッシュランプ。
   

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