JP2004178882A

JP2004178882A - 放電ランプ

Info

Publication number: JP2004178882A
Application number: JP2002341895A
Authority: JP
Inventors: Takenobu Iida; 武伸飯田; Minoru Matsumoto; 稔松本; Yosuke Suzuki; 陽介鈴木; Akihisa Kaneko; 晃久金子; Hiroshi Shimokawaji; 寛下川路
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】高い放射照度を得るために放電ガス圧を高めて放電空間を広げた電解結合型高周波放電ランプ（いわゆるエキシマランプ）において、始動電圧を低くするとともにその始動を安定化する。また、この放電ランプを組み込んだ照射器内の絶縁性を高め安全性を確保する。
【解決手段】放電ガスを封入したガラス容器と、前記ガラス容器内に突出して配設した探針状の始動電極などからなる少なくとも１つの始動補助のための電力供給手段と、前記ガラス容器の外面に前記ガラス容器を挟んで対向して配設した電極からなる高周波電力供給手段とから構成してある。
【選択図】図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は特に、内部に放電ガスが封入された円筒状のガラス容器の外側に配設した電極に高周波電圧を印加する電界結合型放電ランプ、即ちＥ放電ランプ（いわゆるエキシマランプ）の始動電圧を下げるための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にこのような放電はネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガスを封入したガラス容器で一般には合成石英管に電界結合型無電極放電を構成し、一般に参考文献１及び２に開示されている無電極放電を作用させてエキシマ光を放射させるエキシマランプの構成に利用されている。特にキセノンガスを封入したエキシマランプは中心波長１７２ｎｍ、半値幅１４ｎｍの放射スペクトル分布を持つ。この紫外光は特に真空紫外光と呼ばれ、波長がさらに短いためエネルギーが一般の低圧水銀ランプが放射する波長の１８５ｎｍや２５４ｎｍの紫外光に比べて格段に大きいエネルギーを持つ。そこで、活性酸素やオゾンの発生が多く、特に近年液晶素子やＰＤＰ素子のガラス洗浄に多く利用され、また導体基板のシリコンウエハーの表面加工に利用されてきた。
【０００３】
【参考文献１】
「無電極放電ランプの技術動向／電界結合放電Ｅ放電の解説」照明学会誌、第７７巻第５号、２１ページ（１９９３年）
【０００４】
【参考文献２】
ＯｐｌｕｓＥ，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．８，１０２２〜１０２４ページ（２０００年）
【０００５】
図１及び図２に従来の一般的なエキシマランプを示す。このランプは、合成石英からなる中空を持つ円筒状の灯体１と中空を貫通するガラス製水冷管２からなり、その灯体１の外面に放射光を出来る限り遮らない程度の金属ネット状の外側主電極３と、ガラス製水冷管２の表面上の灯体１の端面に近い側の表面に長さの短い電極、即ち始動電極５と、同水冷管２の表面上の残りの表面でありかつ灯体１の中空内面の中央全体を軸方向に覆ってなる面に長さの長い内側主電極４とが配設されている。
【０００６】
用途拡大と洗浄効率が求められるに従って、このようなエキシマ光の高出力化が求められるようになり、キセノンエキシマランプを利用した照射器の放射窓面での照度は８ｍＷ／ｃｍ^２から４０ｍＷ／ｃｍ^２（ＮＩＳＴ標準による照度計による計測）以上の照度が求められるようになってきた。
【０００７】
そこで、このような高照度を達成する方法としては従来、エキシマ光が発光するエネルギー範囲、即ち可視光発光が増えない範囲で高周波入力電力を増やす事、あるいは図２に示すような中空円筒構造の灯体１の外管１ａの寸法と内管１ｂの寸法の適正化、更には封入される希ガスの圧力（キセノンガス圧）の適正化が実施されてきた。
【０００８】
即ち、図２のランプにおいて放電空間距離ｄ１が１１ｍｍ、全長２８０ｍｍ、外面ネット主電極長２４０ｍｍでキセノンガス圧を変化させ、図３に示す照射器にこのランプを装着し、その内部を窒素ガスで充分に置換する。図４に示す回路構成においてランプへの高周波入力電力１０ａを高周波電源１０の電力増幅への入力で規定し１７０Ｗで一定にしてキセノンガス圧を変化させた時の照射器窓面６の照度を図５に示す。ここでガス圧を５３，３００Ｐａ（４００ｔｏｒｒ）から６６，７００Ｐａ（５００ｔｏｒｒ）にすると照度が急激に高くなる。即ち、１７２ｎｍのエキシマ光の放射強度が高くなる。
【０００９】
次に図２に示すランプ構造でキセノンガス圧を５３，３００Ｐａで一定にして外管１ａの内径を固定して内管１ｂの外径を変化させ、高周波入力電力１７０Ｗで図３に示す照射器の窓面６の照度を図６に示す。このように放電空間距離ｄ１を長くする事によって照度が高くなる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ここでキセノンガス圧を高め、例えば５３，３００Ｐａにして放電空間を広げると、ここに示す電界結合型放電を開始させるための始動電圧が高くなる欠点がある。図２に示す構造の外部始動電極を用いた場合の放電破壊電圧に対しては、一般に開示されている参考文献３に記載のパッシェンの法則が成立し、放電破壊電圧はガス圧と放電距離の積と反比例の関係にある。
【００１１】
【参考文献３】
「東北大学基礎電子工学入門講座気体放電」（近代科学社）１５７ページ（１９８９年）
【００１２】
ここで、図２に示す構造のランプでキセノンガス圧を５３，３００Ｐａに固定して外管１ａの内面と内管１ｂの外面との距離、即ち放電空間距離ｄ１を変えた時の、図４に示す始動器１１を含む回路構成での放電破壊電圧、即ち始動電圧の変化を図７に示す。図７からも分かるように、７ｍｍの放電空間距離でも１５ｋＶのパルス電圧を必要とし、特に図３の照射器窓面６の照度を４０ｍＷ／ｃｍ^２以上となるような高い放射効率を得るための１１ｍｍの放電空間距離（ｄ１）では２５ｋＶ以上のパルス電圧を必要となる。このような高電圧を図２に示すようなエキシマランプを始動させるために印加させる事は、始動電極面５よりコロナ放電や縁面放電を誘発し、始動を不安定にさせるし、また照射器内の安全性、即ち絶縁性が確保できないという問題を生じる。
【００１３】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであって、電界結合型高周波エキシマランプにおいてこのような高い始動電圧を必要とする事によりもたらされる問題を解決するとともに、低始動電圧化を図ることにより始動電極面からのコロナ放電や縁面放電の誘発をなくして照射器内の安全性、即ち絶縁性を確保し、かつ始動性を安定させたエキシマランプを提供する事を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために次の構成を有する。即ち、請求項１記載の放電ランプは、放電ガスを封入したガラス容器と、前記ガラス容器内に突出した始動電極、外部との気密を保って固定した金属箔、及び外部取り出しリードから構成されこの順序で連なってなる、少なくとも１つの始動補助のための電力供給手段と、前記ガラス容器の外面に前記ガラス容器を挟んで対向して配設した電極からなる高周波電力供給手段とから構成される事を特徴とする。
【００１５】
請求項２記載の放電ランプは、請求項１記載の放電ランプにおいて前記ガラス容器の外面に前記ガラス容器を挟んで対向して配設した電極間に高周波電圧を印加する事を特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の放電ランプは、請求項１または請求項２記載の放電ランプにおいて前記始動補助のための電力供給手段の取り出しリードと、前記ガラス容器の外面に前記ガラス容器を挟んで対向して配設した電極の１つとの間に高電圧パルスを印加する事を特徴とする。
【００１７】
請求項４記載の放電ランプは、請求項１記載の放電ランプにおいて前記ガラス容器内に封入する放電ガスは、キセノン、ネオン、ヘリウム、アルゴン、クリプトンから選ばれる１種のガスもしくは複数種の混合ガスである事を特徴とする。
【００１８】
請求項５記載の放電ランプは、請求項１または請求項４記載の放電ランプにおいて前記ガラス容器内に封入する物質は、前記放電ガスと、塩素、臭素、フッ素、沃素から選ばれる１種もしくは複数種である事を特徴とする。
【００１９】
請求項６記載の放電ランプは、請求項１または請求項４記載の放電ランプにおいて前記ガラス容器内に金属ハロゲン化物を添加した事を特徴とする。
【００２０】
請求項７記載の放電ランプは、請求項１ないし請求項６記載の放電ランプにおいて前記始動電極を複数配設した事を特徴とする。
【００２１】
請求項８記載の放電ランプは、請求項１、請求項２または請求項６記載の放電ランプにおいて前記ガラス容器は石英からなる事を特徴とする。
【００２２】
請求項９記載の放電ランプは、請求項１ないし請求項８記載の放電ランプにおいて前記ガラス容器は２つの同軸円筒面に挟まれた部分の領域に近似した立体的形状を有し、前記高周波電力供給手段は前記ガラス容器の外側円筒面と内側円筒面とをそれぞれ覆って配設し、前記始動電極は前記ガラス容器を形成する円筒の端面に配設した事を特徴とする。
【００２３】
請求項１０記載の放電ランプは、請求項１ないし請求項９記載の放電ランプにおいて前記ガラス容器の外側円筒面に配設した電極は網目状である事を特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を図面を参照して説明する。図８は本発明を構成する電界結合型高周波エキシマランプである。ランプを構成するガラス容器は全て合成石英からなる。外管１ａは外径３５ｍｍ、内径３３ｍｍ、長さ２８０ｍｍ、内管１ｂは外径１１ｍｍ、内径９ｍｍ、長さ２８０ｍｍであり、外管１ａと内管１ｂの両端面がそれぞれ接合されて接合部１ｃ、１ｄが形成され全体として閉じた一つの放電ガラス容器、即ち灯体１が構成される。探針構造の始動電極８は、一方の接合部１ｃに配設され、φ０．４ｍｍのモリブデン線８ａと外部との気密をとるため接合部１ｃのガラス内に封着されたモリブデン箔８ｂと外部リード８ｃとからなる。放電空間１３には５３，３００Ｐａ（４００ｔｏｒｒ）の圧力のキセノンガスが封入される。内管１ｂの内側の中空を貫通するガラス製水冷管２の外面にその全体を覆う内側主電極４が配設される。外管１ａの外面に放射光を遮らない程度のネット状の外側主電極３が配設される。ガラス製水冷管２には水を流す。図９の回路構成に示すように外側主電極３と内側主電極４の間に周波数２．４ＭＨｚ、Ｐ−Ｐ電圧４ｋＶの高周波電源１０が接続される。外側主電極３と始動電極８の外部リード８ｃの間に高電圧パルス発生の始動器１２が接続される。
【００２５】
次に、始動電圧のキセノンガス圧依存性を調べるため、図８と同様の構造でキセノンガス圧が１３，３００Ｐａ（１００ｔｏｒｒ）、２６，６００Ｐａ（２００ｔｏｒｒ）、６６，５００Ｐａ（５００ｔｏｒｒ）の電界結合型高周波エキシマランプを製作し、図９の回路構成に従って周波数２．４ＭＨｚ、Ｐ−Ｐ電圧４ｋＶの高周波電源１０とパルス幅５０μｓｅｃの始動器１２を接続し、各ランプの始動電圧を測定した所、図１１に示すように関係を得た。
【００２６】
このように、本発明の構成を有する電界結合型高周波エキシマランプにおいては、キセノンガス圧を、図３に示す照射器に装着した場合に窓面６の照度４０ｍＷ／ｃｍ^２を得ることができる５３，３００Ｐａ（４００ｔｏｒｒ）とし、始動器１２から発生するパルスピーク電圧が３ｋＶ、パルス幅が５０μｓｅｃという条件で安定に放電させる事ができた。本発明のエキシマランプにおいても放電空間距離（ｄ１）は１１ｍｍであるから、これは従来の始動電圧（２５ｋＶ）の約１／１０のパルスピーク電圧で始動させる事ができたことになる。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の放電ランプにおいては、放電ガスを封入したガラス容器内に突出した始動電極を含む始動補助のための電力供給手段を少なくとも１つ設けたので、始動電圧を従来よりも大幅に低減させることができる。特に、灯体部の形状が円筒状である電界結合型高周波エキシマランプにおいて大きな効果を奏する。
【００２８】
また、本発明の放電ランプにおいては、始動のためのパルスピーク電圧が小さいので、始動電極５よりコロナ放電や縁面放電を誘発することがなく、かつ始動が安定し、さらに照射器内の安全性、即ち絶縁性が十分に確保されるという効果も発揮する。
【００２９】
なお、本発明の放電ランプにおいては、図３に示す照射器の窓面から放射されるスペクトル分布は従来型の放電ランプ（エキシマランプ）を装着した同照射器の窓面から放射されるスペクトル分布と全く同じであって、本発明の構成による影響は生じなかった。
【００３０】
上記の説明ではキセノンガスの作用について開示したが、同様のエキシマ光を発生するヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンの希ガス類を封入した場合にも同様の作用があり、又これらのガスに若干の塩素のようなハロゲンガスを添加した放電ランプにも同様の作用があり、同じ効果が得られる。
【００３１】
さらに、放電ガラス容器が円筒状でない一般の電界結合型高周波放電ランプとしての蛍光ランプや金属ハロゲン化物等を封入したメタルハライドランプ等の場合にも同様に作用し、低始動電圧化に対して同じ効果が得られる。
【００３２】
図１０のエキシマランプは図８に示された実施例の改良型であり、２つの始動電極８、９がランプの両端面１ｃ、１ｄにそれぞれ配設されてなり、特にランプの全長が長く主放電への移行に時間がかかる場合にその解消に効果があり、本発明の一部に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のエキシマランプの外観図。
【図２】従来のエキシマランプの概略断面図。
【図３】公知の照射器の外観図。
【図４】従来の始動方式の動作回路構成。
【図５】従来技術における、入力電力１７０Ｗの時のキセノンガス圧に対する窓面照度の関係を示すグラフ。
【図６】従来技術における、入力電力１７０Ｗ、キセノンガス圧５３，３００Ｐａの時の放電空間距離と窓面照度の関係を示すグラフ。
【図７】従来技術における、キセノンガス圧５３，３００Ｐａの時の放電距離と始動パルス電圧の関係を示すグラフ。
【図８】本発明の一実施例のエキシマランプの概略断面図。
【図９】本発明のエキシマランプの動作回路構成。
【図１０】本発明の他の実施例のエキシマランプの概略断面図。
【図１１】本発明におけるキセノンガス圧と始動電圧の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１… 灯体（ガラス容器）
１ａ… 外管
１ｂ… 内管
１ｃ、１ｄ… 端面
２… ガラス製水冷管
３… 外側主電極
４… 内側主電極
５… 始動電極
６… 窓面
７… エキシマランプ
８… 始動電極
８ａ… モリブデン線
８ｂ… モリブデン箔
８ｃ… 外部リード
９… 始動電極
１０… 高周波電源
１０ａ… 高周波入力電力
１１、１２… 始動器
１３… 放電空間

Claims

放電ガスを封入したガラス容器と、前記ガラス容器内に突出した始動電極、外部との気密を保って固定した金属箔、及び外部取り出しリードから構成されこの順序で連なってなる、少なくとも１つの始動補助のための電力供給手段と、前記ガラス容器の外面に前記ガラス容器を挟んで対向して配設した電極からなる高周波電力供給手段とから構成される事を特徴とする放電ランプ。
前記ガラス容器の外面に前記ガラス容器を挟んで対向して配設した電極間に高周波電圧を印加する事を特徴とする前記請求項１に記載の放電ランプ。
前記始動補助のための電力供給手段の取り出しリードと、前記ガラス容器の外面に前記ガラス容器を挟んで対向して配設した電極の１つとの間に高電圧パルスを印加する事を特徴とする前記請求項１または請求項２に記載の放電ランプ。
前記ガラス容器内に封入する放電ガスは、キセノン、ネオン、ヘリウム、アルゴン、クリプトンから選ばれる１種のガスもしくは複数種の混合ガスである事を特徴とする前記請求項１に記載の放電ランプ。
前記ガラス容器内に封入する物質は、前記放電ガスと、塩素、臭素、フッ素、沃素から選ばれる１種もしくは複数種である事を特徴とする前記請求項１または請求項４に記載の放電ランプ。
前記ガラス容器内に金属ハロゲン化物を添加した事を特徴とする前記請求項１または請求項４に記載の放電ランプ。
前記始動電極を複数配設した事を特徴とする前記請求項１ないし請求項６に記載の放電ランプ。
前記ガラス容器は石英からなる事を特徴とする前記請求項１、請求項２または請求項６に記載の放電ランプ。
前記ガラス容器は２つの同軸円筒面に挟まれた部分の領域に近似した立体的形状を有し、前記高周波電力供給手段は前記ガラス容器の外側円筒面と内側円筒面とをそれぞれ覆って配設し、前記始動電極は前記ガラス容器を形成する円筒の端面に配設した事を特徴とする前記請求項１ないし請求項８に記載の放電ランプ。
前記ガラス容器の外側円筒面に配設した電極は網目状である事を特徴とする前記請求項１ないし請求項９に記載の放電ランプ。