JP2007122908A - 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内に一対のタングステンよりなる電極１２を具備してなるフラッシュランプ１０において、電極１２および発光空間内に含有される水素濃度の総和が２．５×１０^−４（ｐａ・ｍ^３／本）以下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が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、ランプ使用中に発光管の内表面が黒化するものがあり、さらには、ランプ点灯中に黒化部分に光が照射され、黒化部分の温度が異常に上昇して、黒化部分の発光管が溶融する問題が発生するものがあった。

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）からなる発光管内に一対のタングステンよりなる電極を具備してなるフラッシュランプにおいて、前記電極および発光空間内に含有される水素の合計濃度が、フラッシュランプ１本あたり、２．５×１０^−４（ｐａ・ｍ^３／本）以下であることを特徴とする。

請求項２に記載のフラッシュランプ装置は、請求項１に記載のフラッシュランプと、当該フラッシュランプを点灯させるための給電装置からなるフラッシュランプ装置において、前記フラッシュランプは、パルス幅が２００μｓ以下で、照射エネルギーが７５ｋＷ／ｃｍ^２以上で点灯す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、１本のフラッシュランプにおける電極および発光空間内に含有される水素の合計濃度を、２．５×１０^−４（ｐａ・ｍ^３／本）以下にすることにより、確実に、発光管内表面の黒化溶融を抑制し、使用寿命が十分に長いフラッシュランプとすることができる。

発明者らは、フラッシュランプを使用中に発光管の内表面が黒化する原因について検討した。
先ず初めに、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる発光管の内表面にできた黒化物を分析し、黒化物の組成がいかなるものであるのか特定することにした。
具体的には、発光管の内表面をX線光電子分光分析方法（ＸＰＳ分析方法）で黒化物を分析すると、黒化物はＡｌ_２Ｏ_３−ｘで示される還元種であることが判明した。

次ぎに、この還元種（Ａｌ_２Ｏ_３−ｘ）が、生成される原因について検討した。
フラッシュランプを用いたランプアニールにおいては、フラッシュランプは短いパルス幅であって照射エネルギーを高くして点灯する方が被処理物に対して良好な結果が得られるため、短パルス化し照射エネルギーを大きくしている。
この結果、フラッシュランプを点灯した直後では、発光管の内表面は極めて高温状態になっており、例えば１０００℃以上となっている。

このように発光管の内表面が高温状態になっているときに、発光空間に水素が存在すると、水素と発光管を構成しているアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が反応し、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が水素によって還元されて、還元種（Ａｌ_２Ｏ_３−ｘ）が生成されることが判明した。
すなわち、発光管の黒化は、発光空間に水素が存在することによって発生することをつきとめた。

さらに、発光空間に存在する水素について検討した。
発光空間内に存在する物質として、最も支配的な物質は電極である。
電極はタングステンからなり、水素中、３０００℃の高温でタングステンを焼結させて電極を製造するものである。
さらに、焼結して製造された電極は、その表面に酸化層が形成されており、この酸化層を除去するために、さらに、水素中で加熱を行い還元処理を施すものである。
つまり、このようにして製造された電極には、水素が吸蔵（含有）されてしまうものである。

そして、フラッシュランプを点灯すると、電極の温度が約８００〜１２００℃に上昇し、電極中に吸蔵されていた水素が電極から発光空間に放出されるものである。

また、フラッシュランプ製造時に、発光空間内に水素が何らかの要因で混入することも考えられる。
つまり、発光空間には、電極から放出された水素、なんらかの要因で混入した水素が存在することになる。

水素と発光管を構成しているアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）との関係は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）中の水素の拡散係数は極めて小さく、ランプの点灯消灯を問わず、常に発光管を水素が透過しないものであり、発光空間内の水素が発光管を透過して外部に抜けることがなく、また、外気中の水素が発光管を透過して発光空間内に混入することもないものである。
つまり、１本のフラッシュランプにおいて、発光管の内表面を還元して黒化させる要因となる水素は、発光管内に存在する電極に吸蔵（含有）されている水素と、発光空間に存在する水素の両方の水素である。

このような検討結果から、本願発明は、電極および発光空間内に含有される水素の総量を水素濃度に換算して、その水素濃度と発光管内表面の黒化溶融現象との関係を導きだしたものである。

以下図面を用いて、本発明のフラッシュランプとフラッシュランプ装置を説明する。
図１は本発明に係るフラッシュランプ装置を示す。
本発明のフラッシュランプ１０は直管状の発光管１１を有する。発光管１１の内部には一対のモリブデンからなる電極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の内部は発光空間を形成するとともに、放電発光ガスとして、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１．３ｍｍ、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。
そして、本発明のフラッシュランプ１０にリード線１６とフラッシュランプに電力を給電するための給電装置１７がつながり本発明のフラッシュランプ装置を構成している。

ランプアニールにおいて、被処理物が良好に処理されるフラッシュランプのパルス幅と照射エネルギーの関係は下記の表１の通りである。
ここで言う照射エネルギーとは、発光時間中のエネルギーのことで、点灯時の管壁負荷（Ｊ／ｃｍ^２）をパルス幅（μｓ）で割った値である。

次に、電極について詳細に説明する。
電極はタングステンからなり、水素中、３０００℃の高温でタングステンを焼結させる。次に、焼結して製造された電極の表面が酸化して酸化層になっているので、この酸化層を除去するために、さらに、水素中で加熱を行い還元処理を施し、酸化層を除去する。
その後、電極の脱水素処理を行う。脱水素処理とは、電極に吸蔵（含有）された水素を放出させるために、真空中で加熱処理するものである。この処理において、真空度と加熱温度と加熱時間を調整することにより、電極に吸蔵（含有）された水素の放出量を調整する。
実際には、真空度が高く、加熱温度が高く、加熱時間が長くなるほど、電極に含有される水素量を低くすることができる。

なお、発光空間内には、電極１２を支持するモリブデン製の電極棒１３が露出しているが、電極棒１３は電極１２とは異なり水素処理を施したものではないので、実質水素が含有されていないものである。

電極および発光空間内に含有される水素の合計濃度とは、フラッシュランプの発光管を破壊して発光空間内に存在したガスを収集し、また、電極を高周波コイルで誘導過熱することで電極からガス放出させて収集し、それぞれのガスを混合して、混合されたガスに含まれる水素を質量分析装置によって測定した。
そして、得られた水素のガス分圧（ｐａ）を発光空間の内容積（ｍ^３）を掛け合わせることで、ランプ1本あたりの含有水素濃度（ｐａ・ｍ^３／本）として規定したものである。
なお、発光空間の内容積は、放電空間において、電極と電極棒の体積を除いたものである。

また、電極に含有されている水素は、ランプの点灯条件によって発光空間内に放出される量が異なるだけであり、発光管を構成しているアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）は水素を透過しないものであるので、ランプを点灯すれば電極に含有された水素が発光空間に放出されて減り、発光空間に存在する水素が増えることになるが、製造直後のランプであっても、そのランプを使用した後であっても、発光空間に存在する水素の量と電極に含有されている水素の量の合計量は変化するものではなく、１本のフラッシュランプにおける電極及び発光空間内に含有された水素の合計濃度は、どの時点においても変化しないものである。

次に、真空中におけると加熱温度と加熱時間を変化させ、電極及び発光空間内に含有された水素の合計濃度を変えた複数のフラッシュランプを作成して、発光管の外観状態を調べる実験を行った。
実験条件と結果を表２に示す。
この実験で用いたフラッシュランプは、図１に示すフラッシュランプと同様の構造であって、パルス幅が１００μｓ、照射エネルギー１００ｋＷ／ｃｍ^２で点灯したものであり、１０万回点灯後の発光管の外観状態を調べたものである。結果を表２に示す。

上記表２の実験結果から、ランプ１、ランプ２では、点灯中に電極から多量の水素が放出され、水素と発光管を構成しているアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が反応し、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が水素によって還元されて、還元種（Ａｌ_２Ｏ_３−ｘ）が生成され、この還元種（Ａｌ_２Ｏ_３−ｘ）が黒化物となり、発光管が黒化する。また、電極および発光空間内に含有される水素の合計濃度が高く、多量の水素が放電空間内に放出されるランプ１では、点灯中に黒化物の温度が上昇し発光管が溶融するものである。

一方、ランプ３〜ランプ６に示すように、フラッシュランプ１本あたりの電極および発光空間内に含有される水素の合計濃度が２．５×１０^−４（ｐａ・ｍ^３／本）以下であれば、発光管の黒化溶融が確実に抑制され、使用寿命の長いフラッシュランプとなっていることがわかる。

パルス幅と照射エネルギーの関係は表1に示す通りであり、パルス幅が２００μｓ以下、照射エネルギーが７５ｋＷ／ｃｍ^２以上となると発光管の内表面が１０００℃以上となり、発光管の内表面が水素によって還元されやすい状態となる。
この結果、パルス幅が２００μｓ以下、照射エネルギーが７５ｋＷ／ｃｍ^２以上で点灯するフラッシュランプ装置においては、電極および発光空間内に含有される水素の合計濃度が２．５×１０^−４（ｐａ・ｍ^３／本）以下である本願発明のフラッシュランプを用いることにより、水素濃度を少なくでき、発光管の黒化溶融の現象を極めて効果的に抑制することができるものである。

本発明のフラッシュランプ装置の説明図である。

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
１６ リード線
１７ 給電装置

Claims (2)

1. アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる発光管内に一対のタングステンよりなる電極を具備してなるフラッシュランプにおいて、
   前記電極および発光空間内に含有される水素の合計濃度が、フラッシュランプ１本あたり、２．５×１０^−４（ｐａ・ｍ^３／本）以下であることを特徴とするフラッシュランプ。
2. 請求項１に記載のフラッシュランプと、当該フラッシュランプを点灯させるための給電装置からなるフラッシュランプ装置において、
   前記フラッシュランプは、パルス幅が２００μｓ以下で、照射エネルギーが７５ｋＷ／ｃｍ^２以上で点灯することを特徴とするフラッシュランプ装置。
   

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