JP2004234955A

JP2004234955A - 二次元アレー型誘電体バリア放電装置

Info

Publication number: JP2004234955A
Application number: JP2003020480A
Authority: JP
Inventors: Sukenobu Morimitsu; 亮信森光; Takeshi Sakurai; 彪櫻井; Masahiro Kurano; 正宏倉野
Original assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】二次元アレー型誘電体バリア放電装置において、部分的に発光強度を調節して、平面を一様に発光させることができるようにする。
【解決手段】誘電体バリア放電によってエキシマ分子が形成されるように、放電容器１の中に放電用ガスを充填する。内部電極３に放電用ガスに直接接触する放電開口部４を多数設ける。内部電極３を、放電開口部４を有する複数の単位電極に二次元的に分割し、対向電極６も対応させて分割する。内部電極３と対向電極６に印加する電圧を変えることで、発光強度を二次元的に制御する。二次元的に配列した放電開口部単位で、部分的に発光強度を調節でき、平面を一様に発光させることができる。均一な照度を得るための光学系が必要でなくなり、装置が低コストになる。ランプ形状を、大面積の平面にでき、平面照射対象物に接近照射することが可能になる。ランプの照度を、二次元的かつ時間的に制御できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次元アレー型誘電体バリア放電装置に関し、特に、誘電体バリア放電によりエキシマ分子を形成し、エキシマ分子から放射される紫外線を利用する二次元アレー型誘電体バリア放電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ放電を応用したランプは、超ＬＳＩなどの半導体基板露光のプロセスや、オゾンや解離酸素による表面クリーン処理等の環境分野や、ディスプレイ用光源や、照明等の光源などに応用されている。特に、石英ガラス２重管構造で知られる誘電体バリア放電を用いたエキシマランプにより、従来の低圧水銀灯や高圧アーク放電ランプにはない１２６ｎｍ、１４６ｎｍ、１７２ｎｍ、２２２ｎｍ、３０８ｎｍ等の、環境分野や半導体製造プロセスにおいて特に有用な単一波長光を、選択的に高効率で取り出せるようになった。
【０００３】
エキシマランプは、内側電極、誘電体（石英ガラス）、放電ガス領域、誘電体（石英ガラス）、外電極（網状電極）の５層、または、内側電極、放電ガス領域、誘電体（石英ガラス）、外電極（網状電極）の４層からなるものである。エキシマ分子が形成可能な放電ガス領域で、誘電体バリア放電により得たエキシマ光を、外部電極（網状電極）から漏れる光として利用するものである。ランプが安定に点灯するまでの時間が短く、高輝度、照度均一性、長寿命の点については、従来のランプと比較して優位性がある。
【０００４】
ＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）の分野では、蛍光塗料を発光させるための紫外線光源として用いられている。ＰＤＰの基本構造は、厚さ数ミクロンの金属電極と、誘電体と、金属電極の三層構造である。小型で光特性がよい光源とするために、多層の電極構造が提案されている。しかし、電気エネルギーを光エネルギーに変換する効率が悪く、蛍光灯の１／１０程度である。最近では、高周波化による効率の向上も図られている。
【０００５】
エキシマ分子は、１励起原子が基礎となり、他の２つの基底原子との三体衝突により形成される。高圧希ガス中では、三体衝突の確率が増加するため、エキシマ分子が効率よく生成される。エキシマ光の強度を高めるには、大気圧よりも高い圧力で動作させる。高圧ガス雰囲気中では、絶縁破壊電圧の上昇に伴い、グロー放電からアーク放電へ移行しやすくなり、安定な放電が成立しなくなる。
【０００６】
エキシマランプは、構造上、放電ギャップが大きい。そのため、高圧ガス中での高輝度化には、高電圧印加の必要がある。しかし、高電圧を印加すれば、グロー放電からアーク放電へ移行して、高輝度化できない。放電ギャップそのものに放電容器が含まれており、放電空間である希ガス領域と石英ガラスを薄くできないためである。静電容量が大きい分、放電に投入されるエネルギーのロスが多く、発光効率が悪い。放電エネルギーのロスを防止して発光効率を高めるためには、誘電体を薄膜化にする必要があるが、誘電体の厚さは１ｍｍ以下にできない。誘電体を薄膜化して放電ギャップを縮小することで発光効率を高めることは困難である。
【０００７】
そこで、これらの問題を回避して、高圧ガス中で安定にグロー放電し、発光効率の向上と高輝度化を実現するエキシマランプが、非特許文献１のように提案されている。以下に、放電ガス中で、安定且つ高輝度高効率で動作するランプの例を説明する。放電ギャップを極力縮小し、二次元的に並列に放電させる二次元アレー型バリア放電装置である。
【０００８】
図８は、従来の二次元アレー型バリア放電装置の概念図である。発光側の内部電極３は、厚さ５０μｍのタングステン製電極である。アース側の内部電極３には、直径１００μｍの放電開口部４が多数、縦横それぞれ１００μｍのピッチで設けてある。高圧側の対向電極６は、厚さ１００μｍタングステン電極である。その間に、厚さ１００μｍの誘電体層５が形成されている。放電空間２には、希ガスＡｒを充填してある。これらを、石英ガラスの放電容器１に収納してある。高周波発生用高圧電源から、周波数が１３．５ｋＨｚで４ｋＶの電圧を、内部電極３と対向電極６の間に印加する。
【０００９】
一定の電圧を印加しながら希ガスの圧力を上げていくと、１０気圧程度まで発光強度が直線的に増加する。発光効率が、高圧ガス雰囲気中で増加する。これは希ガス圧力が高くなることによって、Ａｒの準安定励起原子とＡｒの基底準位原子の三体衝突頻度が高くなり、Ａｒ_２励起分子が効率よく生成されるからである。
【００１０】
発光強度の上昇は、１０気圧近くで飽和に転じる。希ガス圧力をＰとし、電場の強さをＥとすると、Ｐの上昇によりＥ／Ｐが減少し、それに伴い、Ａｒの準安定励起原子の電子衝突による生成確率が減少し、Ａｒの準安定励起原子数が減少するためである。またＡｒ_２励起分子とＡｒ原子との二、三体衝突により、Ａｒ_２励起分子が衝突遷移を起こし、熱に変化するためである。
【００１１】
高圧希ガス中で印加電圧を増加させることにより、発光強度が増加し、希ガス圧力と発光強度の関係が直線的に近づく。これは、印加電圧の増加によって電場Ｅが増加することにより、Ａｒの準安定励起原子の生成確率が増加し、その結果、Ａｒ_２励起分子が増加するためである。したがって、高圧希ガス中で発光強度と発光効率を上げるためには、希ガス圧力の増加に伴い印加電圧を増加させる必要がある。
【００１２】
図９に、マイクロ放電の電圧印加時の静電位分布を求めた結果を示す。このように、放電開口部において、電場が最も強くなる。
【００１３】
図１０に示すように、電極開口部の径が１０^−９〜１０^−１（ｍ）の範囲では、開口部の径の縮小に伴い、電極開口部の電場の強さが増加する。電場は発光強度を反映するため、開口部の径の縮小に伴い、開口部に集中する電場が大きくなり、放電面単位面積あたりの発光強度と発光効率が高くなることを示唆している。
【００１４】
図１０に示すように、放電開口部の径を変化させた時における電場の強さは、同じ電圧を印加した場合でも放電開口部の径の縮小により、電場集中が著しくなる。印加電圧が４ｋＶであっても、放電開口部の付近では、１０^８Ｖ／ｍもの電場となる。
【００１５】
図１１に示すように、誘電体の薄膜化により、放電開口部の付近の電界集中が著しくなる。誘電体の薄膜化は、発光効率向上の要素の一つである。誘電体厚を、放電開口部の径と同等か、それ以下とする。
【００１６】
【非特許文献１】
第４９回応用物理学会関係連合講演会講演予稿集（２００２．３東海大学湘南校舎）２９ａ−Ｄ−７「真空紫外光源用二次元アレー型希ガスマイクロ放電の特性」
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の二次元アレー型誘電体バリア放電装置では、平面を一様に発光させることができず、部分的に発光強度を調節することもできないという問題があった。
【００１８】
エキシマランプの配光分布は、発光面で均一でないため、面照射対象物に対して均一に紫外線を照射するためには、光学系を必要とする。光学系はコストが高いという問題がある。また、光学系を必要とするので、光源を照射対象物に接近できない。照射対象物に対して光源を接近できないので、強い光が利用できないという問題がある。
【００１９】
本発明は、上記従来の問題を解決して、二次元アレー型誘電体バリア放電装置において、発光強度を部分ごとに調節可能にして、発光平面を一様な強度で発光させることができるようにすることを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマ分子が形成されるように放電容器の中に充填された放電用ガスと、放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられた内部電極と、内部電極に接して設けられた誘電体層と、誘電体層を介して内部電極に対向して配置された対向電極とを備えた二次元アレー型誘電体バリア放電装置の内部電極を、少なくとも１つの放電開口部を有する複数の単位電極に二次元的に分割し、発光強度を二次元的に制御できるように内部電極と対向電極に電源供給線を接続する構成とした。
【００２１】
このように構成したことにより、二次元的に配列した放電開口部単位で、部分的に発光強度を調節でき、平面を一様に発光させることができる。均一な照度を得るための光学系が必要でなくなり、装置が低コストになる。また、ランプ形状を、大面積の平面にでき、平面照射対象物に接近照射することが可能になる。さらに、ランプの照度を、二次元的かつ時間的に制御できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図７を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
（実施の形態）
本発明の実施の形態は、内部電極を、少なくとも１つの放電開口部を有する複数の単位電極に二次元的に分割し、発光強度を二次元的に制御できるように内部電極と対向電極に電源供給線を接続した二次元アレー型誘電体バリア放電装置である。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の概念図である。図１（ａ）は、上面図である。図１（ｂ）は、断面図である。図１において、放電容器１は、電極ユニットと希ガスを密封する石英ガラスの容器である。放電空間２は、誘電体バリア放電によってエキシマ分子が形成されるように、放電用の１５００ｋＰａの希ガスＸｅが充填された放電容器１内の空間である。内部電極３は、放電用希ガスに直接接触する放電開口部４が多数設けられたアース側のタングステン製電極である。放電開口部４は、エキシマ放電を行う空間である。放電開口部４の直径は１００μｍであり、縦横ピッチは８００μｍである。誘電体層５は、厚さ１００μｍのＳｉＯ_２である。放電開口部４の直径をＬ（ｍ）とするとき、誘電体層５の厚さＤ（ｍ）をＬ≦Ｄとする。対向電極６は、誘電体層５を介して内部電極３に対向して配置された高電圧印加側の電極である。対向電極６は、厚さ１００μｍのタングステン製電極である。リード線７は、内部電極３および対向電極６を、それぞれ外部の電源に接続するための導線である。電子冷却装置１２は、ペルチエ効果を利用して放電容器１を冷却する手段である。
【００２５】
図２は、本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置のアース側の内部電極の拡大図である。図３は、二次元アレー型誘電体バリア放電装置の高電圧印加側の対向電極の拡大図である。
【００２６】
図４は、本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の電源装置を含むシステム構成図である。図４において、高電圧供給電源８は、電圧が１〜５ｋＶで、周波数が１〜１００ｋＨｚの範囲の電流を発生できる高周波発生用の交流電源である。電源制御装置９は、プログラム可能な制御装置である。
【００２７】
図５は、本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の発光状態を示す模式図である。図６は、時間に対する各区画の発光強度を示すグラフである。図７は、二次元アレー型誘電体バリア放電装置に光取り出し窓を溶着した概念図である。図７において、光取り出し窓１０は、紫外線を取り出す部分である。溶着部１１は、光取り出し窓１０を放電容器１に溶着した部分である。
【００２８】
上記のように構成された本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の動作を説明する。図１に示すように、光源の二次元制御を行うために、発光部である放電開口部４を有するアース側の内部電極３と、高電圧印加側の対向電極６を、約１ｍｍ四方単位で区画に区切る。高圧電源から電圧を印加する部分を、区画単位で選択する。各区画の電極には、発光強度を制御するように調節された電圧が印加される。
【００２９】
図２に示すように、発光面であるアース側の内部電極３の上面部を、約１ｍｍ単位で区画化し、区画単位で発光制御を行う。二次元平面内の任意の位置において、任意の時間に任意の光量で発光させることができる。図３に、高電圧印加側の対向電極６の構造を示す。図１に示した電子冷却装置１２により、対向電極６を区画単位で冷却する。
【００３０】
図４に示すように、電源制御装置９により、高電圧供給電源８を作動させ、二次元アレー型誘電体バリア放電装置を駆動する。発光位置と、発光時間と、発光強度に応じて、各区画に印加すべき電圧を決定し、電源制御装置９をプログラムする。高周波発生用の高電圧供給電源８は、電圧が１〜１０ｋＶで、周波数が１〜１００ｋＨｚの範囲で制御できる。
【００３１】
図５に示すように、約１ｍｍ単位の最小単位で区切られた４区画Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに、それぞれ異なる電圧を印加して発光させる動作例を説明する。３０秒間ＯＮにし、１０秒間ＯＦＦとすることを１周期とする点灯を、５０回ずつ行う。Ａ区画には０ｋＶを印加し、Ｂ区画には２ｋＶを印加し、Ｃ区画には５ｋＶを印加し、Ｄ区画には１０ｋＶを印加して発光させる。Ａ区画（０ｋＶ）では、当然ながら全く発光しない。Ｂ区画（２ｋＶ）では、発光強度が小である。Ｃ区画（５ｋＶ）では、発光強度が中である。Ｄ区画（１０ｋＶ）では、発光強度が大である。発光強度の平均値は、Ａ区画（０ｋＶ）では、０ｍＷ／ｃｍ^２である。Ｂ区画（２ｋＶ）では、０．８２０ｍＷ／ｃｍ^２である。Ｃ区画（５ｋＶ）では、１．８４８ｍＷ／ｃｍ^２である。Ｄ区画（１０ｋＶ）では、４．０ｍＷ／ｃｍ^２である。この値は、１７２ｎｍの紫外光を蛍光塗料で可視光として、発光強度を測定したものである。
【００３２】
図６に示すように、発光強度の時間的変化は、ほぼ一定である。発光強度の経時変化の揺らぎは、２％以内である。発光時間と発光位置と発光強度を制御でき、任意の位置において、任意の時間に、任意の発光強度を得ることができる。
【００３３】
図７に示すように、放電ガスをＡｒまたはＫｒまたはＸｅとする場合、光取り出し窓１０をＭｇＦ_２またはＣａＦ_２またはＢａＦ_２とし、石英ガラスとの溶着剤にフリットガラスまたはインジウムを用いる。
【００３４】
この例では、内部電極３と対向電極６を、約１ｍｍ四方単位で区画に区切る場合を説明したが、単位電極区画を、μｍスケールまたはｎｍスケールとすることも、技術上十分可能である。内部電極３と対向電極６を、他の高融点金属（Ｗ，Ｔａ，Ｍｏ等）を蒸着あるいは箔積層させたものにしてもよい。金、銀、銅、プラチナのいずれかを熱焼結させた印刷電極としてもよい。誘電体層５は、マイカ、石英ガラス、アルミナ等を蒸着あるいは箔積層させたものでもよい。放電ガスは、Ｎｅ，Ａｒ，Ｘｅ，Ｋｒ，Ｃｌ_２，Ｉ_２，Ｂｒ_２，Ｆ_２のいずれかもしくはそれらの混合ガスでもよい。また、上記の例では、内部電極や対向電極の単位電極一つひとつを外部の電源と接続する場合を説明したが、単位電極を行ごとあるいは列ごとにまとめて電源に接続してもよい。
【００３５】
上記のように、本発明の実施の形態では、二次元アレー型誘電体バリア放電装置の内部電極を、少なくとも１つの放電開口部を有する複数の単位電極に二次元的に分割し、発光強度を二次元的に制御できるように対向電極と内部電極に電源供給線を接続した構成としたので、発光平面を一様な強度で発光させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマ分子が形成されるように放電容器の中に充填された放電用ガスと、放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられた内部電極と、内部電極に接して設けられた誘電体層と、電体層を介して内部電極に対向して配置された対向電極とを備えた二次元アレー型誘電体バリア放電装置の内部電極を、少なくとも１つの放電開口部を有する複数の単位電極に二次元的に分割し、発光強度を二次元的に制御できるように内部電極と対向電極に電源供給線を接続する構成としたので、二次元的に配列した放電開口部単位で、部分的に発光強度を調節でき、平面を一様に発光させることができる。均一な照度を得るための光学系が必要でなくなり、装置が低コストになる。また、ランプ形状を、大面積の平面にでき、平面照射対象物に接近照射することが可能になる。さらに、ランプの照度を、二次元的かつ時間的に制御できる。区画した区域の独立制御によって、二次元平面上における多種多様な光処理が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の概念図、
【図２】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置のアース側の内部電極の拡大図、
【図３】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の高圧側の対向電極の拡大図、
【図４】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の電源装置を含むシステム構成図、
【図５】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の発光状態を示す模式図、
【図６】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の発光状態を示すグラフ、
【図７】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置に光取り出し窓を溶着した概念図、
【図８】従来の二次元アレー型バリア放電装置の概念図、
【図９】マイクロ放電の電圧印加時の静電位分布を示す図、
【図１０】放電開口部の径と電場の関係を示すグラフ、
【図１１】誘電体層の厚さと電場の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１放電容器
２放電空間
３内部電極
４放電開口部
５誘電体層
６対向電極
７リード線
８高電圧供給電源
９電源制御装置
１０光取り出し窓
１１溶着部
１２冷却装置

Claims

放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマ分子が形成されるように前記放電容器の中に充填された放電用ガスと、前記放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられた内部電極と、前記内部電極に接して設けられた誘電体層と、前記誘電体層を介して前記内部電極に対向して配置された対向電極とを備えた二次元アレー型誘電体バリア放電装置において、前記内部電極を、少なくとも１つの放電開口部を有する複数の単位電極に二次元的に分割し、発光強度を二次元的に制御できるように前記内部電極と前記対向電極に電源供給線を接続したことを特徴とする二次元アレー型誘電体バリア放電装置。
前記放電容器に電子冷却装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電装置。
前記対向電極を、前記内部電極に合わせて分割したことを特徴とする請求項１に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電装置。
前記放電用ガスは、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎｅ、Ｆ_２、Ｃｌ_２、Ｂｒ_２、Ｉ_２のいずれか、またはそれらの混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電装置。
前記放電容器を石英ガラスで構成し、前記放電用ガスをＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅのいずれかとした場合、光取り出し窓の透光材は、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２のいずれかとし、前記透光材と前記放電容器との溶着剤は、フリットガラス、インジウムのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電装置。
前記内部電極と前記対向電極は、タングステン、モリブデン、タンタルのいずれかを蒸着あるいは箔積層させたものであることを特徴とする請求項１に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電装置。
前記誘電体層は、マイカ、石英ガラス、アルミナのいずれかを蒸着あるいは箔積層させたものであることを特徴とする請求項１に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電装置。
前記内部電極と前記対向電極は、金、銀、銅、プラチナのいずれかを熱焼結させた印刷電極であることを特徴とする請求項１に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電装置。
前記放電開口部の直径をＬ（ｍ）とするとき、前記誘電体層の厚さＤ（ｍ）をＬ≦Ｄとすることを特徴とする請求項１に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電装置。