JP2006032242A - Two-dimensional array dielectric barrier discharge device - Google Patents

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JP2006032242A JP2004212443A JP2004212443A JP2006032242A JP 2006032242 A JP2006032242 A JP 2006032242A JP 2004212443 A JP2004212443 A JP 2004212443A JP 2004212443 A JP2004212443 A JP 2004212443A JP 2006032242 A JP2006032242 A JP 2006032242A
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Sukenobu Morimitsu
亮信 森光
Takeshi Sakurai
彪 櫻井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To stabilize light emission of a two-dimensional array dielectric barrier discharge lamp, enhance the light emission efficiency, improve the illuminance, elongate the life, and allow safe manufacturing and handling. <P>SOLUTION: A container of the two-dimensional array dielectric barrier discharge lamp has a light taking-out window for taking out excimer light. A gas for discharge is filled in the discharge container so that excimer molecules are formed by the dielectric barrier discharge. A first electrode is provided with a large number of discharge openings which directly contact with the gas for discharge, and a dielectric layer which contacts with the first electrode. The discharge opening is covered with an MgO film, and a ceramic insulating film is laminated between the MgO film and the first electrode. A second electrode is disposed opposing to the first electrode through the dielectric layer. Based on a corresponding relation, which provides a maximum light emission efficiency, between the opening area of the discharge openings and the pressure of the gas for discharge, the pressure of the gas for discharge is set at an optimal value corresponding to the opening area in the range of (1 atm, 0.6 mm<SP>2</SP>) to (3 atm, 7.1 mm<SP>2</SP>). <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

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ー分子を形成し、エキシマー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およびそのランプに関する。   The present invention relates to a two-dimensional array type dielectric barrier discharge device, and more particularly to a two-dimensional array type dielectric barrier discharge device that forms excimer molecules by dielectric barrier discharge and uses ultraviolet rays emitted from the excimer molecules, and a lamp thereof. About.

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ーランプにより、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。   Lamps using plasma discharge are applied to semiconductor substrate exposure processes such as VLSI, environmental fields such as surface clean treatment with ozone and dissociated oxygen, display light sources, and light sources such as illumination. In particular, excimer lamps using dielectric barrier discharge, which is known for quartz glass double tube structure, have 126nm, 146nm, 172nm, 222nm, 308nm, etc. that are not found in conventional low-pressure mercury lamps and high-pressure arc discharge lamps. Single wavelength light that is particularly useful in the manufacturing process can be selectively extracted with high efficiency.

エキシマーランプは、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。エキシマー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ー光を、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。   The excimer lamp has 5 layers of inner electrode, dielectric (quartz glass), discharge gas region, dielectric (quartz glass), outer electrode (network electrode), or inner electrode, discharge gas region, dielectric (quartz glass). , Consisting of four layers of outer electrodes (mesh electrodes). In the discharge gas region where excimer molecules can be formed, excimer light obtained by dielectric barrier discharge is used as light leaking from an external electrode (network electrode). The time until the lamp is lit stably is short, and the advantages of high brightness, illuminance uniformity, and long life are superior to conventional lamps.

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。   In the field of PDP (plasma display panel), it is used as an ultraviolet light source for emitting fluorescent paint. The basic structure of the PDP is a three-layer structure of a metal electrode having a thickness of several microns, a dielectric, and a metal electrode. In order to obtain a light source that is compact and has good optical characteristics, a multilayer electrode structure has been proposed. However, the efficiency of converting electrical energy into light energy is poor, about 1/10 that of fluorescent lamps. Recently, efficiency has been improved by increasing the frequency.

エキシマー分子は、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、エキシマー分子が効率よく生成される。エキシマー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。   Excimer molecules are based on one excited atom and are formed by three-body collisions with the other two base atoms. In a high pressure noble gas, the probability of a three-body collision increases, so excimer molecules are efficiently generated. To increase the intensity of the excimer light, it is operated at a pressure higher than atmospheric pressure. In a high-pressure gas atmosphere, as the breakdown voltage rises, it becomes easier to shift from glow discharge to arc discharge, and stable discharge cannot be established.

エキシマーランプは、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。エキシマーランプの配光分布に関しては、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。   The excimer lamp has a large discharge gap due to its structure. Therefore, it is necessary to apply a high voltage to increase the brightness in high-pressure gas. However, if a high voltage is applied, the glow discharge is shifted to the arc discharge, and the brightness cannot be increased. This is because the discharge gap is contained in the discharge gap itself, and the rare gas region that is the discharge space and the quartz glass cannot be thinned. Since the capacitance is large, the loss of energy input to the discharge is large and the luminous efficiency is poor. In order to prevent the loss of discharge energy and increase the luminous efficiency, it is necessary to make the dielectric thin, but the thickness of the dielectric cannot be reduced to 1 mm or less. It is difficult to increase the light emission efficiency by reducing the discharge gap by thinning the dielectric. Since the light distribution of the excimer lamp is not uniform on the light emitting surface, an optical system is required to uniformly irradiate the surface irradiation target with ultraviolet rays. The optical system has a problem of high cost. Further, since an optical system is required, the light source cannot approach the irradiation target. There is a problem that strong light cannot be used because the light source cannot approach the irradiation object.

そこで、本発明者らは、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ーランプを、非特許文献1、2で提案した。非特許文献1に開示された二次元アレー型希ガスマイクロ放電装置は、直径100μmの穴を約60個、3mm×5mmの領域中に、二次元アレー状に配列して、電極を構成したものである。誘電体はマイカである。放電は、電極の開口部分において起こる。Ar、Kr、Xeの1気圧中において、安定したグロー放電が得られる。真空紫外光は、希ガスエキシマー特有のバンド状のスペクトルを示す。4.5kVにおいて圧力を増加させると、初め発光強度が増加するが、約10気圧以上では減少する。印加電圧を増加すると、最大発光の圧力値も増加する。   Therefore, the present inventors have proposed an excimer lamp that avoids these problems and stably performs glow discharge in high-pressure gas to improve luminous efficiency and increase brightness in Non-Patent Documents 1 and 2. . The two-dimensional array type rare gas micro-discharge device disclosed in Non-Patent Document 1 is composed of about 60 holes with a diameter of 100 μm arranged in a two-dimensional array in a 3 mm × 5 mm region. It is. The dielectric is mica. Discharge occurs at the opening of the electrode. Stable glow discharge can be obtained at 1 atm of Ar, Kr, and Xe. Vacuum ultraviolet light shows a band-like spectrum peculiar to a rare gas excimer. When the pressure is increased at 4.5 kV, the emission intensity initially increases, but decreases at about 10 atmospheres or more. When the applied voltage is increased, the pressure value of maximum light emission is also increased.

非特許文献2に開示された二次元アレー型エキシマー光源は、図9に示すようなマイクロスケールバリア放電装置である。厚さ50μmのステンレス電極の3mm×5mmの範囲に、直径100μmの開口部を、横方向に1mm間隔、縦方向に120μm間隔で設けたものを、発光電極とする。誘電体は、厚さ50〜150μmのマイカである。この二次元アレー型バリア放電装置は、従来の石英製2重管誘電体バリア放電ランプに比較し、高圧雰囲気中の動作に優れており、単位体積あたりの発光効率も数倍高い。
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」. 第17回光源物性とその応用研究会資料「二次元アレー型エキシマー光源の開発」,pp.89-95, 2002.12.
The two-dimensional array type excimer light source disclosed in Non-Patent Document 2 is a microscale barrier discharge device as shown in FIG. A 50 μm thick stainless steel electrode having openings of 100 μm in diameter in the range of 3 mm × 5 mm at intervals of 1 mm in the horizontal direction and 120 μm in the vertical direction is referred to as a light emitting electrode. The dielectric is mica having a thickness of 50 to 150 μm. This two-dimensional array type barrier discharge device is superior in operation in a high-pressure atmosphere and has a luminous efficiency several times higher than a conventional quartz double-tube dielectric barrier discharge lamp.
Proceedings of the 49th Japan Society of Applied Physics (292.3 Tokai University Shonan Campus) 29a-D-7 “Characteristics of two-dimensional array type rare gas microdischarge for vacuum ultraviolet light source”. 17th Light Source Physical Properties and Its Application Study Material “Development of Two-Dimensional Array Excimer Light Source”, pp.89-95, 2002.12.

しかし、非特許文献1、2に開示された従来の二次元アレー型バリア放電装置では、ガス圧力や、発光部位単位に対応する開口部面積の大きさによって、発光が時間的空間的に不安定となることや、全くエキシマー分子が生成されなくなることがあるという問題がある。発光を安定化するために、高圧ガスを封入すると、絶縁破壊電圧や放電維持電圧も高くなるため、電界の集中が局所的な部分に集中し、アーク放電となるという問題もある。アーク放電が起こらない安定なグロー放電を維持するためには、電界が局部に集中しないガス圧力と放電開口面積の条件を適合させる必要がある。   However, in the conventional two-dimensional array type barrier discharge device disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2, the light emission is unstable in time and space depending on the gas pressure and the size of the opening area corresponding to the unit of the light emitting part. Or excimer molecules may not be produced at all. When high-pressure gas is sealed in order to stabilize light emission, the dielectric breakdown voltage and the discharge sustaining voltage are also increased, so that the concentration of the electric field is concentrated on a local portion, resulting in arc discharge. In order to maintain a stable glow discharge in which arc discharge does not occur, it is necessary to adapt the conditions of gas pressure and discharge opening area where the electric field is not concentrated locally.

また、平面光源を前提とした場合、高圧ガスを封入したランプであると、製造中や取扱中に破裂する危険があるという問題もある。機械的欠陥によるランプ破裂の可能性は、球形ランプであるショートアークランプや低圧水銀灯やメタルハライドランプに比べて大きく、深刻な問題である。したがって、安全に製造ができ、消費者も安全に使用できる圧力の高効率の平面ランプとする必要がある。   In addition, assuming a flat light source, there is a problem that a lamp filled with high-pressure gas may rupture during manufacture or handling. The possibility of lamp rupture due to mechanical defects is a serious problem as compared to short arc lamps, low-pressure mercury lamps and metal halide lamps which are spherical lamps. Therefore, there is a need for a high-efficiency flat lamp with a pressure that can be manufactured safely and can be used safely by consumers.

本発明の目的は、上記の問題を解決して、安定に発光し、発光効率が良く、安全に製造および取り扱いできる二次元アレー型誘電体バリア放電装置およびランプを実現することである。   An object of the present invention is to solve the above problems and to realize a two-dimensional array type dielectric barrier discharge device and lamp that emit light stably, have high luminous efficiency, and can be manufactured and handled safely.

上記課題を解決するため、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ー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、放電用ガスに接触する放電開口部が多数設けられた第一電極と、第一電極に接して設けられた誘電体層と、誘電体層を介して第一電極に対向して配置された第二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最大発光効率が得られる放電開口部の開口面積と放電用ガスの圧力との対応関係に基づいて、(ガス圧力=1気圧、開口面積=0.6mm2)〜(ガス圧力=3気圧、開口面積=7.1mm2)の範囲内で、放電用ガスの圧力を、開口面積に応じた最適値に設定する。このように構成したことにより、二次元アレー型誘電体バリア放電装置の破裂を防ぐことができ、効率も高められる。 In order to solve the above problems, in the present invention, a discharge vessel, a discharge gas filled in the discharge vessel so that excimer molecules are formed by dielectric barrier discharge, and a discharge opening in contact with the discharge gas A two-dimensional array comprising: a first electrode provided with a plurality of electrodes; a dielectric layer provided in contact with the first electrode; and a second electrode disposed opposite the first electrode with the dielectric layer interposed therebetween. (Gas pressure = 1 atm, Opening area = 0.6 mm 2 ) to (Gas) based on the correspondence relationship between the opening area of the discharge opening and the pressure of the discharge gas that can obtain the maximum luminous efficiency of the type dielectric barrier discharge device The pressure of the discharge gas is set to an optimum value corresponding to the opening area within the range of pressure = 3 atm, opening area = 7.1 mm 2 ). With this configuration, the two-dimensional array type dielectric barrier discharge device can be prevented from rupturing, and the efficiency can be improved.

また、放電開口部を、MgOまたは窒化アルミニウムの絶縁膜で被覆した。このように構成したことにより、二次電子放出効果が改善され、二次元アレー型誘電体バリア放電装置の効率が高まる。   Further, the discharge opening was covered with an insulating film of MgO or aluminum nitride. With this configuration, the secondary electron emission effect is improved, and the efficiency of the two-dimensional array type dielectric barrier discharge device is increased.

また、絶縁膜と第一電極との間に、セラミックあるいはシリカガラスの高融点で電気的に高絶縁性の膜を積層させた。このように構成したことにより、放電に起因する電極のスパッタを防止することができ、発光効率が高まり寿命も延びる。   Further, an electrically insulating film having a high melting point of ceramic or silica glass was laminated between the insulating film and the first electrode. With such a configuration, it is possible to prevent the electrode from being sputtered due to discharge, and the luminous efficiency is increased and the life is extended.

また、エキシマー光を取り出すための光取出窓を有する放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマー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、放電用ガスに接触する放電開口部が多数設けられた第一電極と、第一電極に接して設けられた誘電体層と、誘電体層を介して第一電極に対向して配置された第二電極とを備えた二次元アレー型誘電体バリア放電ランプの最大発光効率が得られる放電開口部の開口面積と放電用ガスの圧力との対応関係に基づいて、(ガス圧力=1気圧、開口面積=0.6mm2)〜(ガス圧力=3気圧、開口面積=7.1mm2)の範囲内で、放電用ガスの圧力を、開口面積に応じた最適値に設定する。このように構成したことにより、二次元アレー型誘電体バリア放電ランプの破裂を防ぐことができ、発光効率も良くなる。 Also, a discharge vessel having a light extraction window for extracting excimer light, a discharge gas filled in the discharge vessel so that excimer molecules are formed by dielectric barrier discharge, and a discharge in contact with the discharge gas A first electrode provided with a large number of openings, a dielectric layer provided in contact with the first electrode, and a second electrode disposed opposite the first electrode with the dielectric layer interposed therebetween. Based on the correspondence relationship between the opening area of the discharge opening and the pressure of the discharge gas that can obtain the maximum luminous efficiency of the three-dimensional array type dielectric barrier discharge lamp (gas pressure = 1 atm, opening area = 0.6 mm 2 ) to Within the range of (gas pressure = 3 atm, opening area = 7.1 mm 2 ), the pressure of the discharge gas is set to an optimum value corresponding to the opening area. With this configuration, the two-dimensional array type dielectric barrier discharge lamp can be prevented from rupturing, and the luminous efficiency is improved.

発光効率が最大となるように、ガス圧力に対応する開口面積を設定することで、常に安定放電でき、高効率で発光する二次元アレー型誘電体バリア放電装置およびランプを実現できる。また、MgO膜あるいは窒化アルミニウムの絶縁膜を、電極表面あるいは誘電体表面に設け、セラミックコーティングあるいは石英ガラスコーティングによる絶縁膜を電極と誘電体の間に積層することにより、二次元アレー型誘電体バリア放電装置およびランプの発光効率を向上させ、寿命を延ばすことができる。   By setting the opening area corresponding to the gas pressure so that the luminous efficiency is maximized, it is possible to realize a two-dimensional array type dielectric barrier discharge device and lamp that can always stably discharge and emit light with high efficiency. An insulating film of MgO film or aluminum nitride is provided on the electrode surface or the dielectric surface, and an insulating film made of ceramic coating or quartz glass coating is laminated between the electrode and the dielectric, thereby providing a two-dimensional array type dielectric barrier. The luminous efficiency of the discharge device and the lamp can be improved and the life can be extended.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図1〜図8を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to FIGS.

本発明の実施例は、エキシマー光を取り出すための光取出窓を有する放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマー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第一電極と、第一電極に接して設けられた誘電体層と、誘電体層を介して第一電極に対向して配置された第二電極とを備え、放電用ガスの圧力と放電開口部の開口面積の対応関係を、(1気圧、0.6mm2)〜(3気圧、7.1mm2)とし、放電開口部をMgO膜で被覆し、MgO膜と第一電極との間にセラミックの絶縁膜を積層させた二次元アレー型誘電体バリア放電ランプである。 Embodiments of the present invention include a discharge vessel having a light extraction window for extracting excimer light, a discharge gas filled in the discharge vessel so that excimer molecules are formed by dielectric barrier discharge, and a discharge vessel. A first electrode provided with a number of discharge openings in direct contact with the gas, a dielectric layer provided in contact with the first electrode, and a second electrode disposed opposite the first electrode with the dielectric layer interposed therebetween Electrode, the correspondence between the pressure of the discharge gas and the opening area of the discharge opening is (1 atm, 0.6 mm 2 ) to (3 atm, 7.1 mm 2 ), and the discharge opening is covered with an MgO film. , A two-dimensional array type dielectric barrier discharge lamp in which a ceramic insulating film is laminated between an MgO film and a first electrode.

図1は、本発明の実施例における二次元アレー型放電ランプの断面図である。図1において、第一電極1は、誘電体2の上面に配された多数の穴のあいた電極である。誘電体2は、第二電極3の上面に配された平板状のマイカである。誘電体2は、マイカ以外の材料でもよい。第二電極3は、穴のない平板状の電極である。開口部4は、第一電極1に設けられた多数の穴である。放電容器5は、これらの電極及び誘電体を覆う容器である。図示していないが、放電容器5には、エキシマー光を取り出すための光取出窓が設けられている。放電空間6は、放電容器5と第一電極1との間に形成されている空間である。放電空間6には、放電によりエキシマー分子が形成されるようなガス、例えば、アルゴンガスが封入されている。第一電極1と第二電極3との間には、交流電界を形成するための交流電源Eが接続されている。このように、連続した1層の誘電体2を第一電極1と第二電極3とで挟む構造において、エキシマー分子が形成されるような放電用ガス雰囲気中であれば、第一電極1と第二電極3との間に交流電源Eによる交流電圧を加えると、第一電極1の開口部4である誘電体2の表面で、エキシマー光Aが発生する。このような二次元アレー型放電ランプにおいて、エキシマー発光Aの最大発光効率を与える放電用ガス圧力と、二次電極3の開口面積の対応関係を求めて、設定する。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a two-dimensional array type discharge lamp in an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the first electrode 1 is an electrode having a large number of holes disposed on the upper surface of a dielectric 2. The dielectric 2 is a plate-like mica disposed on the upper surface of the second electrode 3. The dielectric 2 may be a material other than mica. The second electrode 3 is a flat electrode without a hole. The opening 4 is a large number of holes provided in the first electrode 1. The discharge vessel 5 is a vessel that covers these electrodes and dielectric. Although not shown, the discharge vessel 5 is provided with a light extraction window for extracting excimer light. The discharge space 6 is a space formed between the discharge vessel 5 and the first electrode 1. A gas in which excimer molecules are formed by discharge, for example, argon gas, is sealed in the discharge space 6. An AC power source E for forming an AC electric field is connected between the first electrode 1 and the second electrode 3. In this way, in a structure in which a continuous layer of dielectric 2 is sandwiched between the first electrode 1 and the second electrode 3, the first electrode 1 When an AC voltage is applied between the second electrode 3 and the AC power source E, excimer light A is generated on the surface of the dielectric 2 that is the opening 4 of the first electrode 1. In such a two-dimensional array type discharge lamp, the correspondence relationship between the discharge gas pressure that gives the maximum luminous efficiency of the excimer emission A and the opening area of the secondary electrode 3 is obtained and set.

上記のように構成された本発明の実施例における二次元アレー型放電ランプの放電用ガスの圧力と放電開口部の開口面積の対応関係の求め方を説明する。二次元アレー型放電ランプ#1の第一電極1の開口径を50μmとする。放電ランプ#2の第一電極1の開口径を150μmとする。放電ランプ#3の第一電極1の開口径を500μmとする。各放電ランプの誘電体2(マイカ)の厚さを150μmとし、第一電極と第二電極の厚さを20μmとする。これらの放電ランプについて、1〜15気圧のArガス雰囲気中で放電を行い、それぞれの相対発光強度を比較する。なお、放電ランプに印加した電圧は4kVであり、その周波数は10kHzである。   A method for obtaining the correspondence between the pressure of the discharge gas and the opening area of the discharge opening of the two-dimensional array type discharge lamp in the embodiment of the present invention configured as described above will be described. The opening diameter of the first electrode 1 of the two-dimensional array type discharge lamp # 1 is set to 50 μm. The opening diameter of the first electrode 1 of the discharge lamp # 2 is 150 μm. The opening diameter of the first electrode 1 of the discharge lamp # 3 is set to 500 μm. The thickness of the dielectric 2 (mica) of each discharge lamp is 150 μm, and the thickness of the first electrode and the second electrode is 20 μm. These discharge lamps are discharged in an Ar gas atmosphere of 1 to 15 atm, and the relative light emission intensities are compared. The voltage applied to the discharge lamp is 4 kV and the frequency is 10 kHz.

それぞれの放電ランプで、ガス圧力に対する発光強度を測定する。それぞれの放電ランプで、異なるガス圧力において、発光強度の最大ピーク値がみられる。この発光強度のピークを、最大発光効率の場合とみなして、各放電ランプの放電部位の開口径と、最大発光効率を与えるガス圧力との関係を求める。最大効率を与えるガス圧力と開口径の対応関係は、(開口径、ガス圧力)=(50μm、8気圧)、(150μm、6気圧)、(500μm、4気圧)となる。この対応関係から、他の範囲におけるガス圧力と開口径の関係を求めるために、ガス圧力と開口径の測定値から近似式を求める。その結果、yをガス圧力(気圧)、Xを開口径(mm)とすると、
y=−1.74ln(X)+14.76
という式が得られる。この式から、最大発光効率を与えるガス圧力と開口径の関係を示すグラフは、図2に示すようになる。図2の(0.9mm、1.0気圧)と、(3.0mm、3.0気圧)の点では、発光効率は、曲線上の発光効率より20%〜30%低下する。
With each discharge lamp, the emission intensity against the gas pressure is measured. Each discharge lamp shows a maximum peak value of emission intensity at different gas pressures. The peak of the light emission intensity is regarded as the case of the maximum light emission efficiency, and the relationship between the opening diameter of the discharge site of each discharge lamp and the gas pressure giving the maximum light emission efficiency is obtained. The correspondence relationship between the gas pressure giving the maximum efficiency and the opening diameter is (opening diameter, gas pressure) = (50 μm, 8 atm), (150 μm, 6 atm), (500 μm, 4 atm). From this correspondence, in order to obtain the relationship between the gas pressure and the opening diameter in other ranges, an approximate expression is obtained from the measured values of the gas pressure and the opening diameter. As a result, if y is a gas pressure (atmospheric pressure) and X is an opening diameter (mm),
y = -1.74ln (X) + 14.76
Is obtained. From this equation, a graph showing the relationship between the gas pressure giving the maximum luminous efficiency and the opening diameter is as shown in FIG. At the points of (0.9 mm, 1.0 atm) and (3.0 mm, 3.0 atm) in FIG. 2, the luminous efficiency is reduced by 20% to 30% from the luminous efficiency on the curve.

平面型のランプにおいて安全な1〜3気圧において、最大の発光効率を与えるガス圧力と開口径の関係を説明する。最大発光効率を示すガス圧力は、1気圧に対しては、開口径3.0mmが対応する。3気圧に対しては、開口径0.9mmが対応する。したがって、1〜3気圧においては、開口径3.0mm〜0.9mmが最適な対応条件である。この開口の形状は円である必要はないため、ガス圧力に対する開口径は、開口面積に置き換えられる。したがって、最大発光効率を与えるガス圧力と開口面積の関係は、図3に示すようになる。図3から明らかなように、ガス圧力の1〜3気圧において、開口面積7.1mm2〜0.6mm2が対応する。 The relationship between the gas pressure that gives the maximum luminous efficiency and the opening diameter at 1 to 3 atmospheres safe in a flat lamp will be described. The gas pressure indicating the maximum luminous efficiency corresponds to an opening diameter of 3.0 mm for 1 atmosphere. An opening diameter of 0.9 mm corresponds to 3 atmospheres. Therefore, at 1 to 3 atmospheres, an aperture diameter of 3.0 mm to 0.9 mm is the optimum corresponding condition. Since the shape of the opening need not be a circle, the opening diameter with respect to the gas pressure is replaced with the opening area. Therefore, the relationship between the gas pressure giving the maximum luminous efficiency and the opening area is as shown in FIG. As apparent from FIG. 3, in 1 to 3 atm gas pressure, the opening area 7.1mm 2 ~0.6mm 2 correspond.

また、ガス圧力と発光強度の関係において、図4に示すように、1気圧付近を境として、圧力の低下とともに発光強度は急激に低下する。また、図5に示すように、1気圧付近よりも低い領域においては、発光強度の時間的な揺らぎが急激に増加する。これらの現象は、各放電ランプにおいて同様に発生する。   Further, in the relationship between the gas pressure and the light emission intensity, as shown in FIG. 4, the light emission intensity rapidly decreases with a decrease in pressure around 1 atm. Further, as shown in FIG. 5, the temporal fluctuation of the emission intensity increases rapidly in a region lower than around 1 atm. These phenomena occur similarly in each discharge lamp.

以上のことから、放電ランプの破裂に対する安全性を考慮すると、二次元アレー型誘電体バリア放電ランプのガス圧力は、1気圧〜3気圧の範囲に設定し、開口径(開口面積)を、圧力に対応する特定値とするとよい。この条件で、二次元アレー型誘電体バリア放電ランプは良好な発光効率を示す。具体的には、放電用ガスの圧力と放電開口部の開口面積の組合せを、(1気圧、0.6mm2)〜(3気圧、7.1mm2)とする。この中間の圧力範囲においては、式
y=−1.74ln(X)+14.76
により、開口径Xからガス圧力yを求めて設定する。ガス圧力を厳密に設定することは困難であるし、実用上は10%程度の誤差は許容範囲であるから、通常の精度で設定すれば十分である。
From the above, considering the safety against the discharge lamp burst, the gas pressure of the two-dimensional array type dielectric barrier discharge lamp is set in the range of 1 to 3 atmospheres, and the opening diameter (opening area) is set to the pressure. A specific value corresponding to is good. Under these conditions, the two-dimensional array type dielectric barrier discharge lamp exhibits good luminous efficiency. Specifically, the combination of the pressure of the discharge gas and the opening area of the discharge opening is (1 atm, 0.6 mm 2 ) to (3 atm, 7.1 mm 2 ). In this intermediate pressure range, the equation y = −1.74ln (X) +14.76
Thus, the gas pressure y is obtained from the opening diameter X and set. It is difficult to set the gas pressure strictly. In practice, an error of about 10% is an allowable range, so it is sufficient to set it with normal accuracy.

本発明における二次元アレー型放電ランプにおいて、発光効率をさらに向上させ、長寿命化するために、図示していないが、誘電体2の表面のみに、MgOの絶縁膜1aを積層する。これをA型とする。図6に示すように、誘電体2の表面と第一電極1の表面に、MgOの絶縁膜1aを積層する。これをB型とする。また、図7に示すように、絶縁膜1aと第一電極1との間に、高融点で電気的に高絶縁性のセラミック膜1bを積層する。これをC型とする。第一電極1の開口径を150μmとし、誘電体2(マイカ)の厚さを100μmとし、第一電極1と第二電極3の厚さを20μmとする。絶縁膜3aであるMgO膜の厚さを10μmとし、セラミック絶縁膜3bの厚さを10μmとする。絶縁膜1aは、窒化アルミニウムでもよい。絶縁膜1bは、シリカガラスでもよい。   In the two-dimensional array type discharge lamp of the present invention, an MgO insulating film 1a is laminated only on the surface of the dielectric 2 (not shown) in order to further improve the luminous efficiency and extend the life. This is A type. As shown in FIG. 6, an MgO insulating film 1 a is laminated on the surface of the dielectric 2 and the surface of the first electrode 1. This is B type. In addition, as shown in FIG. 7, a ceramic film 1 b having a high melting point and an electrical insulation property is laminated between the insulating film 1 a and the first electrode 1. This is C type. The opening diameter of the first electrode 1 is 150 μm, the thickness of the dielectric 2 (mica) is 100 μm, and the thickness of the first electrode 1 and the second electrode 3 is 20 μm. The thickness of the MgO film, which is the insulating film 3a, is 10 μm, and the thickness of the ceramic insulating film 3b is 10 μm. The insulating film 1a may be aluminum nitride. The insulating film 1b may be silica glass.

これらの放電ランプに、1気圧のArガスを充填して放電を行う。放電ランプに印加する電圧は4kVであり、その周波数は10kHzである。対照放電ランプを、絶縁膜が全く積層されていない従来の二次元アレー型放電ランプとする。これをD型とする。それぞれの放電ランプにおいて、発光効率と、初期照度の80%に照度に至るまでの寿命を測定する。   These discharge lamps are filled with 1 atmosphere of Ar gas to perform discharge. The voltage applied to the discharge lamp is 4 kV and its frequency is 10 kHz. The reference discharge lamp is a conventional two-dimensional array type discharge lamp in which no insulating film is laminated. This is D-type. In each discharge lamp, the luminous efficiency and the life until the illuminance reaches 80% of the initial illuminance are measured.

図8に、それぞれの放電ランプの発光効率と寿命を、相対値で示す。絶縁膜が全く積層されていないD型では、照度と寿命ともに、最も悪い。絶縁膜が積層されている放電ランプの中で比較すると、誘電体2の表面のみにMgOの絶縁膜1aを積層したA型が、照度に関しては最も優位であるが、寿命に関しては最も悪い。絶縁膜1aと第一電極1との間に高融点で電気的に高絶縁性のセラミック膜1bを積層したC型が、寿命に関しては最も優位であるが、照度に関しては最も悪い。いずれにせよ、絶縁膜1aと絶縁膜1bは、照度向上と寿命向上に効果がある。これらの絶縁膜の積層態様を、放電ランプの用途や利用目的に応じて適宜選択することにより、最適の性能が得られる。   FIG. 8 shows the luminous efficiency and life of each discharge lamp as relative values. In the D type in which no insulating film is laminated, both the illuminance and the lifetime are the worst. In comparison with discharge lamps in which an insulating film is laminated, the A type in which the MgO insulating film 1a is laminated only on the surface of the dielectric 2 is most advantageous in terms of illuminance, but is the worst in terms of lifetime. The C type in which a ceramic film 1b having a high melting point and an electrically high insulating property is laminated between the insulating film 1a and the first electrode 1 is most advantageous in terms of life but is worst in terms of illuminance. In any case, the insulating film 1a and the insulating film 1b are effective in improving illuminance and life. Optimum performance can be obtained by appropriately selecting the lamination mode of these insulating films in accordance with the use and purpose of use of the discharge lamp.

なお、放電ガスは、Ne,Ar,Xe,Kr,Cl2,I2,Br2,F2のいずれでもよいし、それらの混合ガスでもよい。放電容器5の封止方法と、光取出窓の放電容器5への封止は、ケミカル的な接着でもよいし、Oリングを使用した機械的封止でもよい。この実施例では、放電ランプとして説明したが、ランプ用途以外の放電装置としても利用可能である。その場合は、放電容器の光取出窓が不要となることがある。例えば、放電容器内部に紫外線透過性のパイプを通して、オゾン発生に利用することもできる。また、放電容器の全体または一部を蛍光体利用の発光手段とすることもできる。 The discharge gas, Ne, Ar, Xe, Kr, to Cl 2, I 2, Br 2 , may be any of F 2, it may be a mixed gas thereof. The sealing method of the discharge vessel 5 and the sealing of the light extraction window to the discharge vessel 5 may be chemical bonding or mechanical sealing using an O-ring. Although this embodiment has been described as a discharge lamp, it can also be used as a discharge device other than a lamp application. In that case, the light extraction window of the discharge vessel may be unnecessary. For example, it can be used for ozone generation through a UV permeable pipe inside the discharge vessel. Further, the whole or a part of the discharge vessel can be used as a light emitting means using a phosphor.

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ランプを、エキシマー光を取り出すための光取出窓を有する放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマー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第一電極と、第一電極に接して設けられた誘電体層と、誘電体層を介して第一電極に対向して配置された第二電極とを備え、放電用ガスの圧力と放電開口部の開口面積の組合せを、(1気圧、0.6mm2)〜(3気圧、7.1mm2)とし、放電開口部をMgO膜で被覆し、MgO膜と第一電極との間にセラミックの絶縁膜を積層させた構成としたので、安定で効率と照度特性が良く、寿命の長いランプが実現できる。 As described above, in the embodiment of the present invention, excimer molecules are formed in a two-dimensional array type dielectric barrier discharge lamp by a discharge container having a light extraction window for extracting excimer light, and dielectric barrier discharge. A discharge gas filled in the discharge vessel, a first electrode provided with a number of discharge openings in direct contact with the discharge gas, a dielectric layer provided in contact with the first electrode, and a dielectric A second electrode disposed opposite to the first electrode through the body layer, and the combination of the pressure of the discharge gas and the opening area of the discharge opening is (1 atm, 0.6 mm 2 ) to (3 atm) 7.1mm 2 ), the discharge opening is covered with a MgO film, and a ceramic insulating film is laminated between the MgO film and the first electrode. Long lamp can be realized.

本発明の二次元アレー型誘電体バリア放電装置は、オゾン発生器として最適である。本発明の二次元アレー型誘電体バリア放電ランプは、半導体基板露光装置用光源や、ディスプレイ用光源や、照明装置用光源として最適である。   The two-dimensional array type dielectric barrier discharge device of the present invention is optimal as an ozone generator. The two-dimensional array type dielectric barrier discharge lamp of the present invention is optimal as a light source for a semiconductor substrate exposure apparatus, a light source for a display, and a light source for an illumination apparatus.

本発明の実施例における二次元アレー型誘電体バリア放電ランプの断面図Sectional drawing of the two-dimensional array type dielectric barrier discharge lamp in the Example of this invention 最大発光効率を示す開口径とガス圧力の関係を示すグラフGraph showing the relationship between opening diameter and gas pressure showing maximum luminous efficiency 最大発光効率を示す開口面積とガス圧力の関係を示すグラフGraph showing the relationship between gas pressure and opening area showing maximum luminous efficiency ガス圧力と発光強度の関係を示すグラフGraph showing the relationship between gas pressure and emission intensity ガス圧力に対する発光強度の時間的揺らぎの割合を示すグラフA graph showing the rate of temporal fluctuation of the emission intensity against the gas pressure 本発明の実施例における二次元アレー型誘電体バリア放電ランプ(B型)の断面図Sectional drawing of the two-dimensional array type dielectric barrier discharge lamp (B type) in the Example of this invention 本発明の実施例における二次元アレー型誘電体バリア放電ランプ(C型)の断面図Sectional drawing of the two-dimensional array type dielectric barrier discharge lamp (C type) in the Example of this invention 絶縁膜積層態様ごとの照度と寿命の相対値を示す表Table showing relative values of illuminance and life for each insulation film stacking mode 従来の二次元アレー型誘電体バリア放電ランプの断面図と平面図Sectional view and plan view of a conventional two-dimensional array type dielectric barrier discharge lamp

符号の説明Explanation of symbols

1 第一電極
2 誘電体
3 第2電極
4 放電開口部
5 放電容器
6 放電空間
A エキシマー発光
E 電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st electrode 2 Dielectric material 3 2nd electrode 4 Discharge opening part 5 Discharge vessel 6 Discharge space A Excimer light emission E Power supply

Claims (6)

放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマー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第一電極と、前記第一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第一電極に対向して配置された第二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、最大発光効率が得られる前記放電開口部の開口面積と前記放電用ガスの圧力との対応関係に基づいて、(ガス圧力=1気圧、開口面積=0.6mm2)〜(ガス圧力=3気圧、開口面積=7.1mm2)の範囲内で、前記放電用ガスの圧力を、前記開口面積に応じた最適値に設定する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。 A discharge electrode, a discharge gas filled in the discharge vessel so that excimer molecules are formed by dielectric barrier discharge, and a first electrode provided with a number of discharge openings that directly contact the discharge gas A two-dimensional array type dielectric barrier discharge comprising: a dielectric layer provided in contact with the first electrode; and a second electrode disposed opposite the first electrode with the dielectric layer interposed therebetween In the apparatus, based on the correspondence relationship between the opening area of the discharge opening and the discharge gas pressure at which the maximum luminous efficiency is obtained, (gas pressure = 1 atm, opening area = 0.6 mm 2 ) to (gas pressure = A two-dimensional array type dielectric barrier discharge device, wherein the pressure of the discharge gas is set to an optimum value corresponding to the opening area within a range of 3 atm and opening area = 7.1 mm 2 ). 前記放電開口部を、MgOまたは窒化アルミニウムの絶縁膜で被覆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。 The two-dimensional array type dielectric barrier discharge device according to claim 1, wherein the discharge opening is covered with an insulating film of MgO or aluminum nitride. 前記絶縁膜と前記第一電極との間にセラミックあるいはシリカガラスの高融点で電気的に高絶縁性の膜を積層させたことを特徴とする請求項2に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電装置。 3. The two-dimensional array type dielectric barrier according to claim 2, wherein an electrically insulating film having a high melting point of ceramic or silica glass is laminated between the insulating film and the first electrode. Discharge device. エキシマー光を取り出すための光取出窓を有する放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマー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第一電極と、前記第一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第一電極に対向して配置された第二電極とを備えた二次元アレー型誘電体バリア放電ランプにおいて、最大発光効率が得られる前記放電開口部の開口面積と前記放電用ガスの圧力との対応関係に基づいて、(ガス圧力=1気圧、開口面積=0.6mm2)〜(ガス圧力=3気圧、開口面積=7.1mm2)の範囲内で、前記放電用ガスの圧力を、前記開口面積に応じた最適値に設定することを特徴とする二次元アレー型誘電体バリア放電ランプ。 A discharge vessel having a light extraction window for extracting excimer light, a discharge gas filled in the discharge vessel so that excimer molecules are formed by dielectric barrier discharge, and a direct contact with the discharge gas A first electrode provided with a large number of discharge openings; a dielectric layer provided in contact with the first electrode; a second electrode disposed opposite to the first electrode with the dielectric layer interposed therebetween; In the two-dimensional array type dielectric barrier discharge lamp provided with the above, based on the correspondence relationship between the opening area of the discharge opening and the pressure of the discharge gas that can obtain the maximum luminous efficiency (gas pressure = 1 atm, opening The pressure of the discharge gas is set to an optimum value corresponding to the opening area within a range of (area = 0.6 mm 2 ) to (gas pressure = 3 atm, opening area = 7.1 mm 2 ). Two-dimensional array type dielectric barrier discharge laser Pump. 前記放電開口部を、MgOまたは窒化アルミニウムの絶縁膜で被覆したことを特徴とする請求項4に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電ランプ。 5. The two-dimensional array type dielectric barrier discharge lamp according to claim 4, wherein the discharge opening is covered with an insulating film of MgO or aluminum nitride. 前記絶縁膜と前記第一電極との間にセラミックあるいはシリカガラスの高融点で電気的に高絶縁性の膜を積層させたことを特徴とする請求項5に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電ランプ。
6. The two-dimensional array type dielectric barrier according to claim 5, wherein an electrically highly insulating film having a high melting point of ceramic or silica glass is laminated between the insulating film and the first electrode. Discharge lamp.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112442676A (en) * 2019-08-28 2021-03-05 铠侠股份有限公司 Exhaust pipe device
WO2023163245A1 (en) * 2022-02-24 2023-08-31 엘지전자 주식회사 Excimer lamp and light irradiation device including same

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