JP2006302720A - エキシマランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 エキシマ光の放射出力を増大させたエキシマランプを提供する。
【解決手段】 光出射方向に設けられた光放射窓と、それぞれ対向して配置された複数のエキシマ放電用電極とを少なくとも有し、前記対向する電極間に形成される放電空間に存在するエキシマ放電用ガスが放電を生じ、エキシマ光を放射するエキシマランプであって、前記エキシマ放電用電極が平板状電極であり、前記放電空間が前記平板状電極間に複数設けられ、前記光放射窓が前記放電空間の放電路に平行して設けられることを特徴とするエキシマランプである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エキシマ光を放射するエキシマランプに関する。

従来より、塗料の硬化や、半導体ウエハ、ガラス基板等の表面洗浄、表面改質等を行うために、エキシマランプを用いて被処理対象物にエキシマ光を放射することが行われていた。
このエキシマランプとしては、特許文献１に記載されたものが知られている。
特許文献１に記載のエキシマランプは、断面直径の異なる中空の石英ガラス管を同軸に配した、略同軸二重円管において、２つの石英ガラス管の間に形成される中空部にエキシマ放電用ガスを封入し、外側の石英ガラス管の外面に外部電極を巻回し、内側の石英ガラス管の外面（管の中心軸側の面）に内部電極を巻回して、両電極間に高周波電圧を印加して容量結合型放電を行うものである。

特許文献１には、上記エキシマランプを内部に１本以上配置したケーシングを複数個並べ、エキシマランプの長手方向からエキシマ光を放射させ、エキシマランプの長手方向に対向するケーシング側面からエキシマ光を取り出すエキシマランプ装置が記載されている。

しかしながら、上記特許文献１に記載のエキシマランプ装置は、複数本のエキシマランプを用いて高出力化を図るものであって、個々のエキシマランプの出力は必ずしも十分でないという課題があった。

特開２００１−１３５２７９号公報

本発明は、このような事情のもとで、エキシマ光の放射出力を増大させたエキシマランプを提供することを目的とするものである。

本発明者は、この目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、エキシマランプのエキシマ放電用電極が平板状電極であり、放電空間が平板状電極間に複数設けられ、光放射窓を放電空間の放電路に平行して設けた場合に、上記目的を達成し得ることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、
（１） 光出射方向に設けられた光放射窓と、それぞれ対向して配置された複数のエキシマ放電用電極とを少なくとも有し、前記対向する電極間に形成される放電空間に存在するエキシマ放電用ガスが放電を生じ、エキシマ光を放射するエキシマランプであって、
前記エキシマ放電用電極が平板状電極であり、
前記放電空間が前記平板状電極間に複数設けられ、
前記光放射窓が前記放電空間の放電路に平行して設けられることを特徴とするエキシマランプ、
（２） 前記平板状電極が、相互に誘電体を介して対向している上記（１）に記載のエキシマランプ、
（３） 前記平板状電極の表面が誘電体材料で覆われている上記（２）に記載のエキシマランプ、
（４） 前記平板状電極が誘電体材料からなる板状体の一主表面に隣接し、該板状体の他の主表面が前記放電空間に隣接している上記（２）に記載のエキシマランプ、
（５） 前記エキシマ放電用電極が紫外光反射機能を有する上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載のエキシマランプ、および
（６） 前記誘電体の主表面に設けた反射ミラーが紫外光反射機能を有する上記（２）〜（４）のいずれか１項に記載のエキシマランプ
を提供するものである。

本発明によれば、エキシマ光の放射出力を増大させたエキシマランプを提供することができる。

本発明のエキシマランプは、光出射方向に設けられた光放射窓と、それぞれ対向して配置された複数のエキシマ放電用電極とを少なくとも有し、前記対向する電極間に形成される放電空間に存在するエキシマ放電用ガスが放電を生じ、エキシマ光を放射するエキシマランプである。そして、このエキシマランプは、前記エキシマ放電用電極が平板状電極であり、前記放電空間が前記平板状電極間に複数設けられ、前記光放射窓が前記放電空間の放電路に平行して設けられることを特徴とする。

本明細書において、エキシマランプとは、その作用において高出力のエキシマ光を放出する放電ランプを意味するが、その名称については、一般に必ずしも統一されておらず、高出力のエキシマ光を放射することに注目して、「高出力ビーム発生器」、誘電体バリアに注目して、「誘電体バリア放電ランプ」、放電容器内に電極を設けない無電極と、放電容器に設けた内部電極と外部電極に高周波電圧を印加してエキシマ光を放出することに注目して、「無電極電界放電エキシマランプ」ということがあるが、本明細書では、これらを総称して「エキシマランプ」という。

以下、本発明のエキシマランプの実施形態を、図面に基づいて説明する。
本発明のエキシマランプの代表的な実施形態としては、図１または図２に示す実施形態を挙げることができる（以下、それぞれの実施形態を実施形態１および２と呼ぶ）。

図１は、本発明の実施形態１を説明するためのエキシマランプの概略断面図である。図１において、エキシマランプ１は、光出射方向に設けられた光放射窓３と、それぞれ対向して配置された複数のエキシマ放電用電極２とを有する容器４を含んでいる。上記複数の対向する電極２、２間には、放電空間５が形成されており、高周波電源６から電圧を印加することにより、上記容器４内の放電空間５に存在するエキシマ放電用ガスが放電を生じ、エキシマ光を放射する。

光放射窓３の形状に特に制限はなく、丸形、四角形等種々の形状を採用することができるが、入手の容易性から丸形が好ましい。光放射窓３の材質は放電により放射されたエキシマ光を透過するものであれば特に制限はないが、コストおよび強度を考慮した場合、合成石英ガラス、フッ化マグネシウム結晶、フッ化カルシウム結晶等が好ましい。また、光放射窓３の大きさは、放電用電極２の数などに応じて適宜決定されるが、光放射窓３が丸形である場合、直径５〜４０ｃｍ程度が好ましく、厚さ５〜２０ｍｍ程度が好ましい。

容器４の形状としては、内部に放電用ガスを封入するために、気密構造にすることができる形状、例えば、円筒状、立方体状、直方体状等種々の形状を採ることができる。上述するように、入手の容易性から、光放射窓３は丸形が好ましいことから、容器４の形状も円筒状であることが好ましい。容器４の形状が円筒状である場合、その大きさは、直径１０〜５０ｃｍ、高さ１０〜３０ｃｍ程度が好ましい。容器４の材質は、放熱し易い材質であって、不純物ガスを発生しにくい材質であることが好ましく、例えばステンレススチールやアルミニウム等を挙げることができる。

光放射窓３と容器４との接合部にはガスケット、Ｏリング等を設けて気密性を確保することが好ましい。

一方、図２は、本発明の他の実施形態である実施形態２を説明するためのエキシマランプの概略断面図である。図２においても、エキシマランプ１は、光出射方向に設けられた光放射窓３と、それぞれ対向して配置された複数のエキシマ放電用電極２とを有している。上記複数の対向する電極２、２間には放電空間５が形成されており、高周波電源６から電圧を印加することにより、上記放電空間５に存在するエキシマ放電用ガスが放電を生じ、エキシマ光を放射する。

図２に示す実施形態２においては、後述するように、放電空間５の周囲が光放射窓３、誘電体材料からなる板状体８および天板１５等によって箱状に取り囲まれており、放電用ガスが放電空間５内に気密に封入されている。このため、図２に示す実施形態においては、図１に示す実施形態と比較して、容器４を必ずしも必要としない。また、光放射窓３としては、その形状が四角形に特定されることを除けば、上記した光放射窓と同様のものを用いることができる。

以下、本発明の実施形態を主として実施形態１に基づいて説明するが、必要に応じて実施形態１と２とを対比しつつ説明するものとする。

図１（または図２）において、エキシマランプの放電空間５には、エキシマ放電用ガスが存在している。エキシマ放電用ガスとしては、キセノンガス、アルゴンガス、クリプトンガス等の希ガスや、水銀ガス、または上記各希ガス若しくは水銀ガスとフッ素ガス、塩素ガス、臭素ガスあるいはヨウ素ガス等のハロゲンガスとの混合ガス等を挙げることができる。

なお、得られるエキシマ光の中心波長は、放電用ガスの種類によって決定され、例えば、キセノンガスの場合は１７２ｎｍ、アルゴンガスの場合は１２６ｎｍ、クリプトンガスの場合は１４６ｎｍ、アルゴンガスと塩素の混合ガスの場合は１７５ｎｍ、キセノンガスと塩素ガスの混合ガスの場合は３０８ｎｍ、クリプトンガスと塩素ガスの混合ガスの場合は２２２ｎｍであり、水銀ガスとヨウ素ガスの混合ガスの場合は４４３ｎｍ、水銀ガスと臭素ガスの混合ガスの場合は５０３ｎｍ、水銀ガスと塩素ガスの混合ガスの場合は５５８ｎｍである。

容器内のエキシマ放電用ガスのガス圧は０．５〜３気圧であることが好ましく、１気圧程度であることがより好ましい。

本発明のエキシマランプにおいて最も特徴的な点は、エキシマ放電用電極２が平板状電極であり、放電空間５が平板状電極間に複数設けられ、光放射窓３が放電空間の放電路に平行して設けられている点である。このように、電極を平板状にすることによって、光放射面の反対側（図１（または図２）の上側）から光放射面（図１（または図２）の下側）に向かうエキシマ放電用電極２、２間に広い放電空間５を形成することが可能となり、エキシマ放電用電極２、２間の任意の箇所で発生したエキシマ光を積算しつつ、光出射窓３から高出力のエキシマ光を取り出すことが可能となる。

図３は、本発明の実施形態１のエキシマランプで用いる平板状電極の一例を示す図であり、図３中の（ａ）は主表面側から見た平板状電極２の垂直断面図、（ｂ）は側面側から見た平板状電極２の垂直断面図である。図１と図３において、図１に示す電極２と図３（ｂ）に示す平板状電極２が対応する形状を示す。

平板状電極２の大きさは、縦２〜５０ｃｍ、横２〜５０ｃｍ、厚さ０．２〜５．０ｍｍ程度であることが好ましい。

平板状電極２の材質は、電極間にエキシマ光を発生させ得るものであれば特に制限されないが、後述する紫外光反射機能を考慮すると、アルミニウムや、金属表面にアルミニウム膜や誘電体多層膜を設けたものであることが好ましい。表面にアルミニウム膜や誘電体多層膜を設ける金属としては、導電性や熱伝導性を考慮した場合、銅、銀、金等であることが好ましい。また、誘電体多層膜としては、フッ化マグネシウム膜とフッ化リチウム膜を交互に積層したものが好ましい。

また、本発明の実施形態２においても、上記したと同様の平板状電極を用いることができる。

本発明のエキシマランプおいては、異なる極性の平板状電極が相互に誘電体を介して対向するように設けられている。

平板状電極２が相互に誘電体を介して対向する態様として、実施形態１においては、図３に示すような表面が誘電体材料７で覆われた平板状電極２が、図１に示すように対向している態様を挙げることができる。また、実施形態２においては、図２に示すように、平板状電極２が誘電体材料からなる板状体８の一主表面に隣接し、該板状体８の他の主表面が放電空間５に隣接することにより、平板状電極２が相互に対向する態様を挙げることができる。さらに、図１において、表面が誘電体材料７で覆われた平板状電極２を対向させる代わりに、平板状電極２を誘電体材料からなる板状体８の一主表面に隣接させ、該板状体８の他の主表面を放電空間５に隣接させることにより、平板状電極２を相互に対向させることもできる。

図１または図２に示すように平板状電極を配置することにより、図の左端と右端に設けられた平板状電極以外の平板状電極は、隣り合う２つの放電空間５、５に電圧を印加することが可能であることから、エキシマランプにおける平板状電極２の総数を減らし、コストの低減を図ることができる。

誘電体材料としては、公知のものを用いることができ、例えば、合成石英ガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム等を用いることができる。

図３に示すような、表面が誘電体材料７で覆われた平板状電極２を製造する方法としては、例えば、片面にアルミニウムを蒸着した平板状の合成石英ガラス製誘電体を２枚用意し、それぞれ蒸着面を内側にして平板状電極を挟み込み、無機接着剤で接着する方法を挙げることができる。

図４は、実施形態１において、複数の平板状電極２とその間に形成される放電空間５を含む発光ユニットを示す図であり、図４（ａ）は光放射面側から見た発光ユニットを、図４（ｂ）は光放射面と対向する面側から見た発光ユニットを示している。

実施形態１においては、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、平板状電極２とともに側板１２と１３を設けて、箱状の発光ユニットを形成することもできる。上記側板１２と１３は、セラミックあるいは合成石英ガラス等で作製することが好ましい。

また、光放射面と対向する面（図４（ｂ）に示す発光ユニットの手前側の面）に板（天板）を設けてもよく、該天板も、セラミックあるいは合成石英ガラス等で作製することが好ましい。

一方、実施形態２においては、図２にその一部を示すように、放電空間５の周囲が、光放射窓３や誘電体材料からなる板状体８とともに、天板１５や側板によって箱状に取り囲まれており、放電用ガスが放電空間５内に気密に封入されている。

また、図３および図４（ｂ）に示すように、平板状電極２は接続部９を有しており、図４（ｂ）に示すように、接続部９が高周波電源６と電気的に接続可能な構造となっている。このような構成を採ることにより、高周波電源６により電圧を印加して、放電空間５にエキシマ光を発生させることが可能となる。

さらに、以下に述べるように、実施形態１において、図１および図３に示す平板状電極２が紫外光反射機能を有するものであることが好ましく、または、誘電体材料７の主表面に、紫外光反射機能を有する反射ミラーが設けられていることが好ましい。

図１において、図面上下方向に伸びる複数の電極２間の任意の箇所でエキシマ光が発生するが、図面上側（エキシマ光が出射する側の反対側）で発生したエキシマ光を図面下側（エキシマ光が出射する側）から取り出すためには、図面上側で発生したエキシマ光を図面下側まで反射させる必要がある。

このため、図５（ａ）に示すように、平板状電極２を紫外光反射機能を有する材質で形成したり、あるいは図５（ｂ）に示すように、誘電体材料７の表面に紫外光反射機能を有する反射ミラー１０を形成したりして、図面上側で発生したエキシマ光を図面下側に取り出すことが好ましい。

なお、本発明において紫外光反射機能とは、少なくとも紫外光を反射し得る機能を意味し、紫外光反射機能を有する材質が、紫外光とともに可視光や赤外光を反射するものであってもよい。

反射ミラー１０の材質としては、誘電体多層膜等を挙げることができ、誘電体多層膜としては、フッ化マグネシウム膜とフッ化リチウム膜を交互に積層したものが好ましい。
また、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、平板状電極２とともに側板１２および１３を設けて箱状の発光ユニットを形成する場合は、側板１２および１３に反射ミラー１４を設けることが好ましい。反射ミラー１４は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように側板１２および１３の内面（放電空間５側の面）に設けてもよいが、側板１２または１３がエキシマ光透過性の材料からなる場合は、側板１２および１３の外面（図４（ａ）、（ｂ）に示す発光ユニットの上面と底面）に設けてもよい。この反射ミラー１４の材質としては、上記反射ミラー１０と同様のものを挙げることができる。

また、図１および図５に示すように、エキシマ光の出射面に対向する面にも、反射ミラー１１を設けることが好ましい。この反射ミラー１１により、エキシマ光の出射面に対向する面方向に向かうエキシマ光を、出射面側に反射することができる。

図１および図５に示すように、反射ミラー１１は天板１５の内面（放電空間５側の面）に設けてもよいが、天板１５がエキシマ光透過性の材料からなる場合は、天板１５の外面（放電空間５側とは反対側の面）に設けてもよい。この反射ミラー１１の材質としては、上記反射ミラー１０と同様のものを挙げることができる。

一方、実施形態２においても、図２に示す平板状電極２は、紫外光反射機能を有するものであることが好ましい。また、誘電体材料からなる板状体８の主表面には、紫外光反射機能を有する反射ミラーが設けられていることが好ましく、放電空間５を取り囲む天板１５や各側板にも反射ミラーが設けられていることが好ましい。板状体８、天板１５、または各側板に反射ミラーを設ける場合、反射ミラーは板状体８、天板１５または各側板の、放電空間５に接する面に設けることができるが、板状体８、天板１５または各側板がエキシマ光透過性の材料からなる場合は、図２に示す反射ミラー１１のように、天板１５、各側板または板状体８の、放電空間５に接する面と反対側の面に設けることもできる。

反射ミラーの材質としては、上記誘電体多層膜や、アルミニウム膜を挙げることができる。
図１（または図２）に示すように、本発明のエキシマランプにおいては、放電空間５が平板状電極２、２間に複数設けられる。このように平板状電極２を対向させて放電空間５を設けることによりより広い放電空間を形成することができ、エキシマ放電用電極２、２間の任意の箇所で発生したエキシマ光を積算しつつ、光出射窓３から高出力のエキシマ光を取り出すことが可能となる。また、この放電空間５を複数設けることによって、エキシマランプの大面積化が可能となる。

放電空間の幅（放電路長）は０ｍｍ超１０ｍｍ以下であることが好ましく、１〜５ｍｍであることがより好ましい。
平板状電極２、２間に形成される放電空間５の数は、被処理対象物の面積を考慮して適宜決定することができる。

また、図１（または図２）に示すように、本発明のエキシマランプにおいては、光放射窓３が放電空間５の放電路に平行して設けられる。このような構造をとることにより、図面上側（エキシマ光が出射する側の反対側）から図面下側（エキシマ光が出射する側）に至る任意の箇所で発生したエキシマ光を積算しつつ、光放射窓３から高出力のエキシマ光を取り出すことができる。

図１（または図２）に示す高周波電源６において印加される電圧は、放電条件により適宜決定されるが、通常、１０ｋＨzから２０ＭＨz程度の高周波領域および数ＧＨｚおよびマイクロ波領域において０．５ｋＶp-pから２０ｋＶp-p程度の電圧領域が使用される。

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によって何等限定されるものではない。
実施例１
平板状電極として、図３に示す形状を有する、縦１０ｃｍ、横１０ｃｍ、厚さ０．５ｍｍの表面を研磨したアルミニウム製平板状電極２を１５枚用意し、接続部９以外の全面を誘電体材料である合成石英ガラスで覆った。
図５（ａ）に示すように、天板１５をセラミック板で形成して、全面を合成石英ガラスで覆った上記アルミニウム製平板状電極２を、それぞれ５ｍｍ幅で対向するように並べ、さらに、図４（ａ）、（ｂ）に示すように平板状電極２の主表面に直交する側板１２および１３をセラミック板で形成して、複数の箱状の放電空間５を有する発光ユニットを作製した。図４（ａ）、（ｂ）においては、平板状電極２が５枚しか記載されていないが、実際には１５枚使用された。
天板１５の放電空間５側の面には、図１に示すような反射ミラー１１を設けたが、この反射ミラー１１は誘電体多層膜から構成される。図１に示すように、この発光ユニットを、アルミニウム製円筒状容器４（直径２５ｃｍ、高さ１５ｃｍ）内に設置し、平板状電極２の接続部９を、高周波電源６と接続した。なお、図１に示すように、上記発光ユニットにおいては、異なる極性の平板状電極２が交互に並列するように設けられ、図面左端と右端の平板状電極２がアース（接地）された。
また、図１に示すように、光放射窓３として、直径１４ｃｍ、厚さ１０ｍｍの合成石英製の丸窓を用い、これをガスケットを介して容器４に取り付け、エキシマランプを作製した。容器４内に、エキシマ放電用ガスとして０．７気圧のキセノンガスを封入し、高周波電源６により、周波数１．６ＭＨz、電圧４ｋＶp-pの高周波電圧を印加して、エキシマ光を発生させた。
このエキシマ光の出力は２８０ｍＷ／ｃｍ^２であり、同程度の放電空間を有するエキシマランプに比較して約５倍の出力を得ることができた。

実施例２
図５（ｂ）に示すように誘電体材料７の主表面に反射ミラー１０としてフッ化マグネシウム薄膜とフッ化リチウム薄膜を交互に積層した誘電体多層膜を設けた以外は、実施例１と同様にしてエキシマランプを製造し、エキシマ光を発生させた。
このエキシマ光の出力は３１０ｍＷ／ｃｍ^２であり、実施例１の結果と同様に、同程度の放電空間を有するエキシマランプに比較して約５倍の出力を得ることができた。

本発明の実施形態１を説明するためのエキシマランプの概略断面図である。 本発明の実施形態２を説明するためのエキシマランプの概略断面図である。 本発明のエキシマランプで用いる平板状電極の一例を示す図である。 本発明の実施形態１における発光ユニットを示す図である。 本発明のエキシマランプにおいて、放電空間で発生したエキシマ光を反射する方法を示す図である。

符号の説明

１ エキシマランプ
２ 平板状電極
３ 光放射窓
４ 容器
５ 放電空間
６ 高周波電源
７ 誘電体材料
８ 誘電体材料からなる板状体
９ 接続部
１０、１１、１４ 反射ミラー
１２、１３ 側板
１５ 天板

Claims (6)

1. 光出射方向に設けられた光放射窓と、それぞれ対向して配置された複数のエキシマ放電用電極とを少なくとも有し、前記対向する電極間に形成される放電空間に存在するエキシマ放電用ガスが放電を生じ、エキシマ光を放射するエキシマランプであって、
   前記エキシマ放電用電極が平板状電極であり、
   前記放電空間が前記平板状電極間に複数設けられ、
   前記光放射窓が前記放電空間の放電路に平行して設けられることを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記平板状電極が、相互に誘電体を介して対向している請求項１に記載のエキシマランプ。
3. 前記平板状電極の表面が誘電体材料で覆われている請求項２に記載のエキシマランプ。
4. 前記平板状電極が誘電体材料からなる板状体の一主表面に隣接し、該板状体の他の主表面が前記放電空間に隣接している請求項２に記載のエキシマランプ。
5. 前記エキシマ放電用電極が紫外光反射機能を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のエキシマランプ。
6. 前記誘電体の主表面に設けた反射ミラーが紫外光反射機能を有する請求項２〜４のいずれか１項に記載のエキシマランプ。

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