JP2009054497A - エキシマランプおよびエキシマ光の照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
グロー状放電による比較的低電圧での放電を維持することができ、放電用ガス圧が増大した場合であっても、エキシマランプの温度を過度に上昇させることなく、エキシマ光の放射強度を増大し得るエキシマランプを提供する。
【解決手段】
放電用ガスと、該放電用ガスに電圧を印加する複数の電極とを有するエキシマランプであって、前記複数の電極への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）が、前記放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、下記式（Ｉ）
Ｆ＞０．７６４Ｐ^{−０．３１６} （Ｉ）
を満たすように調整されてい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およびエキシマ光の照射方法に関する。

従来より、塗料を硬化したり、半導体ウエハまたはガラス基板等の表面洗浄や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きた。

エキシマ光の放射方法としては、誘電体バリア放電（オゾナイザ放電）を利用する方法が知られている。この方法では、石英等の誘電体からなる放電容器を電極間に配置した発光ユニットにおいて、放電容器内に封入されたキセノン等の放電用ガスに対し、上記電極から高周波電圧を印加し、放電を生じさせることによって、エキシマ光を得ている。

このようなエキシマランプを開示する文献として、例えば、非特許文献１を挙げることができ、この非特許文献１の図５には、放電容器に封入する放電用ガスの圧力を高めることにより、エキシマランプの発光強度が高まることが開示されている。
上林正典、外４名、"新しい紫外光源「エキシマランプ」に関する研究"１９９６年度 第５回 日本オゾン協会年次研究講演会 講演予稿集

しかしながら、上記誘電体バリア放電は、印加する交流電圧の１周期毎に放電が繰り返されるものであるため、常に１０ｋＶ程度の高電圧を維持する必要がある。

これに対し、キセノンエキシマランプ等のエキシマランプにＭＨｚ帯の周波数で電力を供給した場合には、誘電体バリア放電ではなく、グロー状放電が生じることが知られている。このグロー状放電は、誘電体バリア放電とは異なり、連続した放電となるため、点灯開始時に放電空間に充填された放電ガスを絶縁破壊するために高電圧を印加する必要があるものの、その後は、比較的低電圧で放電を維持することができ、放電ギャップ内で均一な発光が得られることが知られている。

そこで、本発明者等は、誘電体バリア放電ではなく、グロー状放電により高出力のエキシマ光を生じさせるべく検討を進めたところ、エキシマ光の放射強度を増大させるために、発光ユニット内における放電用ガスの圧力を高めると、エキシマランプの温度も上昇することを見出した。図１０に、放電用ガスの圧力を変化させた場合のエキシマランプ温度の変化図を示す。図１０より、放電用ガスの圧力を上げて行くと、エキシマランプの温度も上昇することが分かるが、このように、エキシマランプの温度が上昇すると、冷却に必要な冷媒量が増加したり、ランプ寿命が短くなってしまう。

また、本発明者等が鋭意検討したところ、電圧の印加条件によっては、放電状態が、図１１（ａ）に示すようなグロー状から、図１１（ｂ）に示すような数本のフィラメントを生じる状態に変化して、放射強度が低下してしまうことが判明した。

本発明は、このような事情のもとで、グロー状放電による比較的低電圧での放電を維持することができ、放電用ガス圧が増大した場合であっても、エキシマランプの温度を過度に上昇させることなく、エキシマ光の放射強度を増大し得る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。また、本発明は、上記エキシマランプを用いたエキシマ光の照射方法を提供することを目的とするものである。

本発明者等が鋭意検討を重ねたところ、放電用ガスと、該放電用ガスに電圧を印加する複数の電極とを有するエキシマランプであって、前記複数の電極への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）が、前記放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、特定式を満たすように調整されているエキシマランプにより、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ものである。

すなわち、本発明は、
（１）放電用ガスと、該放電用ガスに電圧を印加する複数の電極とを有するエキシマランプであって、
前記複数の電極への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）が、前記放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、下記式（Ｉ）
Ｆ＞０．７６４Ｐ^{−０．３１６} （Ｉ）
を満たすように調整されていることを特徴とするエキシマランプ、
（２）前記エキシマランプが、
エキシマ光を放射するための放電容器および電圧印加用の複数の電極を有する発光ユニットと、
該発光ユニットを内部に収容し、光出射方向に光取出し窓を設けたランプ容器とを含み、
前記発光ユニットの放電容器内部に放電用ガスが、前記発光ユニットの放電容器外壁と前記ランプ容器の内壁との間に不活性ガスがそれぞれ封入されており、
前記放電用ガスの圧力と前記不活性ガスの圧力がともに０．０５ＭＰａ以上で、両圧力の差の絶対値が０．０３ＭＰａ以内になるように調整されている
上記（１）に記載のエキシマランプ、
（３）前記発光ユニットが、
並列して配置した複数の放電セルからなる放電容器と、
前記複数の放電セルの主表面に接するようにそれぞれ対向して配置した複数のエキシマ放電用平板状電極とを有しており、
前記放電容器は、放電容器の放電路に平行して設けられた光放射窓を有し、
前記放電容器内に封入した放電用ガスが放電して、エキシマ光を放射する上記（２）に記載のエキシマランプ、
（４）前記放電容器が、前記放電セルからなる複数の放電空間を貫通する放電用ガス流通孔をさらに有するものである上記（３）に記載のエキシマランプ、
（５）前記発光ユニットが、ランプ容器の外部から前記放電セルからなる放電空間内に放電用ガスを導く放電用ガス流通路を有し、
前記ランプ容器が、ランプ容器の外部からランプ容器内に不活性ガスを導く不活性ガス流通路を有するものである上記（２）〜（４）のいずれか１項に記載のエキシマランプ、
（６）前記印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）が、前記放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、さらに下記式（II）
０．４０８Ｐ^{−０．９５４}≧Ｆ （II）
を満たすように調整されている上記（１）〜（５）のいずれかに記載のエキシマランプ、
（７）放電用ガスと、該放電用ガスに電圧を印加する複数の電極とを有するエキシマランプを用いたエキシマ光の照射方法であって、
前記複数の電極への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）が、前記放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、下記式（Ｉ）
Ｆ＞０．７６４Ｐ^{−０．３１６} （Ｉ）
を満たすように調整することを特徴とするエキシマ光の照射方法、
（８）前記エキシマランプが、
エキシマ光を放射するための放電容器および電圧印加用の複数の電極を有する発光ユニットと、
該発光ユニットを内部に収容し、光出射方向に光取出し窓を設けたランプ容器とを含み、
前記発光ユニットの放電容器内部に放電用ガスが、前記発光ユニットの放電容器外壁と前記ランプ容器の内壁との間に不活性ガスがそれぞれ封入されており、
前記放電用ガスの圧力と前記不活性ガスの圧力がともに０．０５ＭＰａ以上で、両圧力の差の絶対値が０．０３ＭＰａ以内になるように調整されている
上記（７）に記載のエキシマ光の照射方法、および
（９）前記放電容器への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）を、前記放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、さらに下記式（II）
０．４０８Ｐ^{−０．９５４}≧Ｆ （II）
を満たすように調整する上記（８）に記載のエキシマ光の照射方法

本発明によれば、放電用ガスへの印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）を、前記放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、所定式を満たすように調整することにより、グロー状放電による比較的低電圧での放電を維持しつつ、放電用ガス圧が増大した場合であっても、エキシマランプの温度を過度に上昇させることなく、エキシマ光の放射強度を増大させることが可能となる。

本発明のエキシマランプは、放電用ガスと、該放電用ガスに電圧を印加する複数の電極とを有するエキシマランプであって、
前記複数の電極への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）が、前記放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、下記式（Ｉ）
Ｆ＞０．７６４Ｐ^{−０．３１６} （Ｉ）
を満たすように調整されていることを特徴とするものである。

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グロー状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、本明細書では、これら放電ランプを総称して、「エキシマランプ」という。

本発明のエキシマランプにおいて、印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）は、放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、下記式（Ｉ）
Ｆ＞０．７６４Ｐ^{−０．３１６} （Ｉ）
を満たすように調整されている。

放電用ガスの圧力Ｐは０．０５ＭＰａ以上であることが好ましく、放電用ガスの圧力が高い程、得られるエキシマ光の放射強度が高くなることから、放電用ガスの圧力は０．１５ＭＰａ以上であることがより好ましく、０．２ＭＰａ以上であることがさらに好ましい。但し、放電用ガスの圧力が高すぎると、放電用ガスを封入する容器の壁の厚みを厚くする必要が生じ、実用的でなくなることから、放電用ガスの圧力Ｐは、１ＭＰａ以下であることが好ましく、０．３ＭＰａ以下であることがより好ましい。

放電用ガスへの印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）は、上記式（Ｉ）を満たす範囲内において極力低い値を採ることが好ましい。

上述したように、エキシマ光の放射強度を増大させるために、放電用ガス圧を高めた場合には、エキシマランプの温度が上昇し、このエキシマランプの温度上昇を抑制するために印加電圧の周波数を低下させた場合には、エキシマ光の放射強度が低下するという不具合が生じ得るが、本発明者等が鋭意検討したところ、驚くべきことに、印加電圧の周波数を式（Ｉ）を満たすように制御することにより、上記課題を解決し得ることを見出した。放電容器への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）が上記式（Ｉ）を満たすように調整することにより、放電形態がグロー状となり、比較的低電圧での放電を維持することが可能になるとともに、放電用ガス圧が増大しても、エキシマランプの温度を過度に上昇させることなく、エキシマ光の放射強度の低下を抑制することが可能となる。

放電用ガス圧の増大に伴う、エキシマランプの温度上昇や、エキシマ光放射強度の低下を抑制するという観点からは、上述したように、放電容器への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）を、上記式（Ｉ）を満たす極力低い値とすることが好ましい。

また、放電容器への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）は、放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、さらに下記式（II）
０．４０８Ｐ^{−０．９５４}≧Ｆ （II）
を満たすように調整することが好ましい。

印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）を、式（Ｉ）と式（II）を満たす範囲内に調整することにより、エキシマランプの温度上昇を効果的に抑制しつつ、グロー状放電による比較的低電圧での放電を維持するという効果を、安定して得ることが可能になる。

放電容器への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）は、通常、０．５〜１０ＭＨｚ程度であり、１〜３ＭＨｚであることがより好ましい。

放電容器への印加電圧は、放電条件により適宜決定されるが、通常、０．５ＭＨzから１０ＭＨz程度の高周波領域において０．５ｋＶp-pから２０ｋＶp-p程度の電圧領域が使用される。

以下、本発明のエキシマランプの具体的態様を、図面に基づいて説明する。
本発明のエキシマランプの具体的態様としては、エキシマ光を放射するための放電容器および電圧印加用の複数の電極を有する発光ユニットと、該発光ユニットを内部に収容し、光出射方向に光取出し窓を設けたランプ容器とを含み、前記発光ユニットの放電容器内部に放電用ガスが、前記発光ユニットの放電容器外壁と前記ランプ容器の内壁との間に不活性ガスがそれぞれ封入されており、前記放電用ガスの圧力と前記不活性ガスの圧力がともに０．０５ＭＰａ以上で、両圧力の差の絶対値が０．０３ＭＰａ以内になるように調整されているものを挙げることができる（以下、本態様をランプ態様Ｉという）。

図１は、ランプ態様Ｉの構成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、エキシマ光を放射するための放電容器６および電圧印加用の電極５、５を有する発光ユニット２と、発光ユニット２を内部に収容し、光出射方向に光取出し窓３を設けたランプ容器４とを含んでいる。

図１に示す発光ユニット２を構成する放電容器６は、略直方体形状の放電セル２５からなり、箱状の放電容器６内には、図面手前側から奥側に放電空間が略箱状に広がっている。ランプ態様Ｉにおいて、発光ユニットを構成する放電容器の形状は、内部に放電用ガスを封入できる気密構造を有するものであれば特に制限されず、上記直方体形状の他、例えば、立方体状、円筒状、二重円筒状等種々の形状を採ることができる。また、高出力のエキシマ光を得るために、放電容器の内部に放電空間を複数形成してもよく、このような放電容器としては、後述するように、平板状電極間に放電セルを並列して複数配置し、内部に放電空間を並列して複数設けた放電容器を用いることが好ましい。

上記放電空間を形成する放電容器６は、誘電体材料で形成されているが、この誘電体材料としては、公知のもの、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１に示す光取り出し窓３は、主表面が丸形形状を有するものであるが、光取り出し窓３の形状に特に制限はなく、主表面が丸形形状を有するものの他、主表面が四角形形状を有するもの等種々のものを採用することができ、入手の容易性から主表面が丸形形状を有するものが好ましい。光取り出し窓３の材質も特に制限はないが、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、光取り出し窓の大きさは、丸形である場合、直径２〜６０ｃｍ程度が好ましく、厚さ２〜５０ｍｍ程度が好ましい。

図１に示すランプ容器４は、円筒状の形状を有するものであるが、ランプ容器の形状としては、内部に不活性ガスを封入できる気密構造を有するものであれば特に制限されず、上記円筒形状の他、例えば、立方体状、直方体状等種々の形状を採ることができる。上記したとおり、入手の容易性から、光取り出し窓は丸形であることが好ましいことから、ランプ容器の形状も円筒状であることが好ましい。ランプ容器の形状が円筒状である場合、その大きさは、直径１０〜７０ｃｍ、高さ１０〜８０ｃｍ、側壁の厚さ１〜１０ｍｍ程度が好ましい。ランプ容器の材質に特に制限はないが、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、アルミニウム等を挙げることができる。

光取り出し窓とランプ容器との間にはガスケット、Ｏリング等を設けて気密性を確保することが好ましい。

図１において、放電容器６の主表面には発光ユニット２を構成する電極５、５が設けられ、ランプ容器４の外部に設けられた高周波電源１１と電気的に接続している。図１において、電極５は平板形状を有しているが、電極の形状に特に制限はなく、放電容器の形状等を考慮して種々の形状を採ることができる。

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

電極５の材質は、電極間にエキシマ光を発生させ得る導電性材料であれば特に制限されないが、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。

図１において、放電容器６の内部には放電用ガスが、放電容器６の外壁とランプ容器４の内壁との間に不活性ガスがそれぞれ封入されており、平板状の電極５、５に対し、高周波電源１１から電圧を印加することにより、放電容器６内に封入された放電用ガスが放電を生じ、エキシマ光を発生する。

放電用ガスとしては、キセノンガス等の希ガス、または希ガスと塩素との混合ガス等を挙げることができ、不活性ガスとしては、窒素ガスのほか、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガス等の希ガスを挙げることができる。但し、不活性ガスとして上記希ガスを用いる場合、これらのガスは放電開始のための電離電圧が低く、放電容器の外部で放電を生ずる場合があるので、ランプ容器内における電極への配線を事前に十分に絶縁することが好ましい。

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である。

ランプ態様Ｉにおいて、上記放電用ガスの圧力と上記不活性ガスの圧力はともに０．０５ＭＰａ以上に調整され、両圧力の差の絶対値は０．０３ＭＰａ以下になるように調整されている。すなわち、ランプ態様Ｉにおいては、放電用ガスの圧力を０．０５ＭＰａ以上とし、放電容器外周に存在する不活性ガスの圧力を放電用ガスの圧力と同程度になるように調整することによって、放電容器に亀裂や破損を生じさせることなく、エキシマ光の放射強度を増大させることを可能ならしめたものである。

放電用ガスの圧力が高い程、得られるエキシマ光の放射強度が高くなることから、放電用ガスおよび不活性ガスの圧力は０．１５ＭＰａ以上であることが好ましく、０．２ＭＰａ以上であることがより好ましい。但し、放電用ガスおよび不活性ガスの圧力が高すぎると、放電容器やランプ容器の壁の厚みを厚くする必要が生じ、実用的でなくなることから、放電用ガスおよび不活性ガスの圧力は、１ＭＰａ以下であることが好ましく、０．３ＭＰａ以下であることがさらに好ましい。また、放電用ガスの圧力と不活性ガスの圧力の差の絶対値は０．０１ＭＰａ以内に調整されていることが好ましく、０．００５ＭＰａ以内に調整されていることがより好ましい。

上記放電用ガスへ印加する電圧やその周波数は、例えば、図１に示す高周波電源１１により調整することができる。

次に、上記放電用ガスの圧力と不活性ガスの圧力を調整する方法を図２を用いて説明する。
図２において、ランプ容器４の外部から放電容器６の放電空間に放電用ガスを導く放電用ガス流通路７は、放電用ガスを放電容器６内に封止するための封止手段である封止バルブ８と接続している。また、ランプ容器４の外部からランプ容器内に不活性ガスを導く不活性ガス流通路９は、不活性ガスをランプ容器内に封止するための封止手段である封止バルブ１０と接続している。

図２において、エキシマランプ１には、放電用ガスおよび不活性ガスを、それぞれ封止バルブ８および封止バルブ１０を介して給排気することを可能にするガス給排気装置１２が接続されている。

放電容器６およびランプ容器４に、それぞれ放電用ガスおよび不活性ガスを供給する場合、先ずは放電容器６およびランプ容器４の内部の真空排気を行う。この真空排気は、真空ポンプ１３を用い、上記封止バルブ８、封止バルブ１０を開放した状態で真空引きすることにより行われるが、この場合、放電容器２の破裂を防止するために、放電容器内のガス圧Ｐ１とランプ容器内のガス圧Ｐ２の差圧を差圧計１４で確認しながら、差圧ができる限り小さくなるように排気圧力調整バルブ１５、１５を開閉することが好ましい。

真空排気終了後、排気圧力調整バルブ１５、１５を閉じ、次いで、供給圧力調整バルブ１６、１６を開放することにより、放電用ガスボンベ１７および不活性ガスボンベ１８から、それぞれ放電用ガスおよび不活性ガスを供給する。この場合、放電用ガスと不活性ガスの圧力がそれぞれ０．０５ＭＰａ以上の所望の圧力になるように、また、両圧力の差の絶対値が０．０３ＭＰａ以内になるように、圧力計１９、１９および差圧計１４を確認しつつ、供給圧力調整バルブ１６、１６を開閉する。

上記ガス給排気装置１２は、バッファーとしてタンク２０、２０を有することが好ましい。

また、放電用ガスの圧力と不活性ガスの圧力の差を調整する手段として、図２に示されるような、容積可変手段２１をさらに設けることもできる。図２において、容積可変手段２１は、ランプ容器４内部の、放電用ガス流通路７から分岐するガス流通路の末端に設けられており、放電容器内のガス圧Ｐ１とランプ容器内のガス圧Ｐ２に差圧が生じた場合には、この容積可変手段２１が伸縮することによって、放電用ガスの圧力と不活性ガスの圧力の差を小さくすることができる。また、容積可変手段２１は、図３に示すようにランプ容器４の外部に設けることもでき、この場合は、放電用ガス流通路７から分岐するガス流通路の末端と、不活性ガス流通路９から分岐するガス流通路の末端に、それぞれ駆動装置２２を有する容積可変手段２１が設けられている。放電用ガス流通路７と不活性ガス流通路９にはそれぞれ圧力計１９が設けられており、駆動装置２２により容積可変手段２１をそれぞれ伸縮することにより、２つの圧力計の示す圧力の差を小さくすることができる。このような容積可変手段２１としては、ベローズ、ピストン、ダイヤフラム等を挙げることができる。

放電用ガスの圧力と不活性ガスの圧力を所望の値に調整した後、封止バルブ８、封止バルブ１０を閉じることにより、これらのガスをエキシマランプ１に封止することができ、エキシマランプ１は、その後ガス給排気装置１２から分離されて、図１または図４のような状態で各種用途に供することが可能になる。エキシマランプ１が有する封止バルブ８、封止バルブ１０は、放電用ガス流通路７と不活性ガス流通路９を封じ切った上で取り外してもよいが、再度放電用ガスや不活性ガスを封入する場合に備え、取り外さないことが好ましい。また、放電用ガスと不活性ガスの封入時に容積可変手段２１を用いた場合には、これらのガスの封入後においても、エキシマランプ１が容積可変手段２１を有していることが好ましい。放電用ガスや不活性ガスの封入後において、万一これらのガスの圧力が変動した場合であっても、容積可変手段２１により容易に差圧を調整することが可能になるからである。このため、容積可変手段２１は、放電用ガスや不活性ガス封入後の差圧調整を目的として、予め設けておいてもよい。

次に、ランプ態様Ｉにおける発光ユニットの好ましい形態について説明する。
ランプ態様Ｉにおいては、前記発光ユニットが、並列して配置した複数の放電セルからなる放電容器と、前記複数の放電セルの主表面に接するようにそれぞれ対向して配置した複数のエキシマ放電用平板状電極とを有しており、前記放電容器は、放電容器の放電路に平行して設けられた光放射窓を有し、前記放電容器内に封入した放電用ガスが放電して、エキシマ光を放射するものであることが好ましい。

このようなエキシマランプの一例を図５に示す。
図５において、発光ユニット２は、並列して配置した複数の放電セル２５からなる放電容器６と、複数の放電セル２５の主表面に接するようにそれぞれ対向して配置した複数のエキシマ放電用平板状電極５とを有している。

このように、複数の対向する電極５、５間には、内部に空洞を有する略箱状の放電セル２５が並列して複数配置されているので、放電容器６内には略箱状の放電空間が並列して複数形成される。また、電極５、５間の放電空間には、（図５の左右方向に延びる）放電路が形成され、図５に示すように、光放射窓２３がこの放電路に平行して設けられている。高周波電源１１から電極５を通じて電圧を印加することにより、上記放電空間に封入された放電用ガスが放電を生じ、エキシマ光を放射する。

本態様においては、電極を平板状にすることによって、光放射窓２３の反対側（図５の上側）から光放射窓２３（図５の下側）に向かう電極５、５間に広い放電空間を形成することが可能となり、電極５、５間の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２３から高出力のエキシマ光を取り出すことが可能となる。この場合、平板状電極５を紫外光反射機能を有する材質で形成したり、放電セル６の内壁または外壁表面に紫外光反射機能を有する反射ミラーを形成したりして、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。

このような反射ミラーの材質としては、アルミニウムや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。

図５に示す態様においては、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５の総数を減らし、コストの低減を図ることも可能となる。 放電空間の幅（放電路長）は１〜３０ｍｍであることが好ましく、３〜１０ｍｍであることがより好ましい。平板状電極５、５間に形成される放電空間の数は、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。

図５に示すように、放電用ガス流通路７から各放電空間へ分岐する流通路を設けることにより、放電容器６の各放電空間内へ放電用ガスを封入することができるが、図６に示すように、放電容器６が、複数の放電空間を貫通する放電用ガス流通孔２４を有することにより、放電用ガス流通路７を各放電空間へ分岐することなく、放電用ガスを封入することもできる。

上記ランプ態様Ｉ以外の、本発明のエキシマランプの具体的態様としては、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電圧印加用の複数の電極とを少なくとも有し、上記対向する電極間に形成される放電空間に存在する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、上記エキシマ放電用電極が平板状電極であり、異なる極性の平板状電極が交互に誘電体を介して配置されることにより上記放電空間が平板状電極間に複数設けられ、光放射窓が上記放電空間の放電路に平行して設けられたものを挙げることができる（以下、本態様をランプ態様IIという）。

図７は、ランプ態様IIの構成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７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電圧印加用の複数の電極５とを有し、対向する電極５、５間に形成される放電空間２６に存在する放電用ガスが放電を生じ、エキシマ光を放射するものであって、上記エキシマ放電用電極５が平板状電極であり、異なる極性の平板状電極５が交互に誘電体２７を介して配置されることにより上記放電空間２６が平板状電極５、５間に複数設けられ、光放射窓３が上記放電空間の放電路に平行して設けられたものである。図７に示す態様においては、高周波電源１１から電圧を印加することにより、容器４内の放電空間２６に存在する放電用ガスが放電を生じ、エキシマ光を放射する。

図７に示すように、ランプ態様IIにおいては、発光ユニット２が、天板２９を有してもよく、ランプ態様Ｉと同様に反射ミラー２８を有してもよい。

ランプ態様IIにおいては、放電用電極５が平板状電極であり、放電空間２６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おり、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７の上側）から光放射面（図７の下側）に向かうエキシマ放電用電極５、５間に広い放電空間２６を形成することが可能となり、エキシマ放電用電極５、５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７からも分かるように、ランプ態様IIは、複数の平板状電極５を有する発光ユニット２の形態と、容器４内に放電用ガスのみを含むことを除けば、その他の構成はランプ態様Ｉと共通する。また、発光ユニットを構成する電極材料や誘電体材料、放電空間の幅（放電路長）等も、上記ランプ態様Ｉと共通する。このため、これら共通事項については、上記ランプ態様Ｉと同様である。

次に、本発明のエキシマ光の照射方法について説明する。
本発明のエキシマ光の照射方法は、放電用ガスと、該放電用ガスに電圧を印加する複数の電極とを有するエキシマランプを用いたエキシマ光の照射方法であって、前記複数の電極への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）が、前記放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、下記式（Ｉ）
Ｆ＞０．７６４Ｐ^{−０．３１６} （Ｉ）
を満たすように調整することを特徴とするものである。

本発明のエキシマ光の照射方法において、その具体的態様は、上記本発明のエキシマランプの説明で述べたものと同様である。

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
図１に示すような、直方体状の放電容器６と、電極５、５を有する発光ユニット２を含むエキシマランプ１を作製した。

先ず、発光ユニット２を作製するために、厚さ１ｍｍの合成石英ガラスを用いて、縦１５０ｍｍ、横１００ｍｍ、幅７ｍｍの箱状の放電セル２５を作製し、これを放電容器６とした。この放電容器６は、内部に縦１４８ｍｍ、横９８ｍｍ、幅５ｍｍの空洞を有しており、この空洞が放電時において放電路長５ｍｍの放電空間を形成する。この放電容器６の両主表面に接するように縦１３０ｍｍ、横８０ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム製平板状電極５を１枚づつ配置した。図１に示すように、この平板状電極５を配置した放電容器６をステンレス製ランプ容器４（直径２００ｍｍ、高さ４００ｍｍ）内に収め、放電用ガス流通路７の端部を、放電容器６の光放射側と反対側（図の上側）に設けた孔に接続して、発光ユニット２を得た。また、２枚の平板状電極５をランプ容器４の外部に設けた高周波電源１１と接続した。

上記ランプ容器４は、ランプ容器４内に不活性ガスを導く不活性ガス流通路９を有し、また、光放射窓３として、直径１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの合成石英製の丸窓を有しており、この丸窓はガスケットを介して容器に取り付けられている。

放電容器６およびランプ容器４に、それぞれ放電用ガスおよび不活性ガスを供給するため、図２に示すように、上記放電用ガス流通路７および不活性ガス流通路９を、それぞれ封止バルブ８および封止バルブ１０を介してガス給排気装置１２に接続した。

先ず、真空ポンプ１３を用い、上記封止バルブ８、封止バルブ１０を開放した状態で真空引きすることにより放電容器６およびランプ容器４内の真空排気を行った。真空排気は、放電容器６の破裂を防止するために、放電容器６内のガス圧Ｐ１とランプ容器４内のガス圧Ｐ２の差圧を差圧計１４で確認しながら、差圧ができる限り小さくなるように排気圧力調整バルブ１５を開閉して行った。

真空排気終了後、排気圧力調整バルブ１５を閉じ、次いで、供給圧力調整バルブ１６を開放して、放電用ガスボンベ１７および不活性ガスボンベ１８から、それぞれ放電用ガス（キセノンガス）および不活性ガス（窒素ガス）を供給した。この場合、キセノンガスと窒素ガスの圧力がそれぞれ０．１ＭＰａになるように、また、両圧力の差の絶対値が０．０３ＭＰａ以内になるように、圧力計１９および差圧計１４を確認しつつ、供給圧力調整バルブ１６を開閉した。

上記真空排気およびガス供給に際し、ガス給排気装置１２には、バッファーとしてタンク２０を設け、また、放電用ガスの圧力と不活性ガスの圧力の差を調整する手段として、図２に示されるような、容積可変手段であるベローズ２１をランプ容器４内に設けた。

放電用ガスの圧力と不活性ガスの圧力を所望の値に調整した後、封止バルブ８、封止バルブ１０を閉じてこれらのガスを封止し、その後ガス給排気装置１２から分離することにより、図４に示すようなエキシマランプ１を得た。エキシマランプ１内のキセノンガスの圧力および窒素ガスの圧力は、共に０．１ＭＰａであり、両圧力の差圧は略０．００ＭＰａであった。

このエキシマランプ１に印加し得る電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）を、式（Ｉ）を用いて算出したところ、Ｆ＞０．７６４Ｐ^{−０．３１６}＝１．５８２（ＭＨｚ）であることが分かった。

そこで、このエキシマランプ１に対し、高周波電源１１から、周波数１．９ＭＨz、電圧３．５ｋＶp-pの高周波電圧を印加して、エキシマ光を発生させたところ、放電容器６に亀裂や割れは生じなかった。

また、上記と同様の手法により、放電用ガスの圧力および不活性ガスの圧力が、それぞれ、０．１５ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．２５ＭＰａであり、両圧力の差圧がいずれも略０．００ＭＰａになるように調整したエキシマランプ１を得た。これらのエキシマランプ１に印加し得る電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）を、式（Ｉ）を用いて算出したところ、それぞれ、Ｆ＞１．３９１（ＭＨｚ）、Ｆ＞１．２７０（ＭＨｚ）、Ｆ＞１．１８４（ＭＨｚ）であることが分かった。そこで、このエキシマランプ１に対し、高周波電源１１から、周波数１．５ＭＨz、電圧３．５ｋＶp-pの高周波電圧を印加して、エキシマ光を発生させたところ、同様に放電容器６に亀裂や割れは生じなかった。

図８に、上述のように放電用ガスと不活性ガスの圧力を変化させたときのエキシマランプの放射光量の変化を示すが、図７に示すように、放電用ガスの圧力と不活性ガスの圧力をともに０．１ＭＰａ以上とすることにより、エキシマ光の放射強度を増大することができた。

また、この場合、エキシマランプ１に印加する電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）を、式（Ｉ）を満たすように制御することにより、放電用ガスのガス圧を増加させても、グロー状の放電状態を維持し、エキシマランプの温度が過度に上昇することを抑制することができた。

実施例２
実施例１と同様の方法により、キセノンガスの圧力と、高周波電源１１から印加する電圧の周波数を表１に示すように変化させたときの、各放電状態を確認した。表１に示すように、各キセノンガスの圧力において、印加する電圧の周波数が一定値を超えた場合には、エキシマランプ１の放電状態がグロー状になるが、印加電圧の周波数が一定値以下であると、数本のフィラメントを生じる状態になることが確認できた。また、グロー状の放電を示した条件下においては、エキシマランプの温度が過度に上昇することを抑制することができた。

本実施例におけるキセノンガス圧力と印加電圧の周波数の関係図を図９に示す。図９において、放電形態が、グロー状であるものは黒丸（●）で示し、数本のフィラメントを生じたものは三角形（△）で示している。

図９に三角形（△）で示す、放電状態がフィラメント状であるデータを用いて、キセノンガス圧力Ｐ（ＭＰａ）と印加電圧周波数Ｆ（ＭＨｚ）との関係式を求めたところ、Ｆ＝０．７６４Ｐ^{−０．３１６}という式を得ることができた。

また、図９に黒丸（●）で示す、放電状態がグロー状であるデータのうち、キセノンガスの圧力Ｐと印加電圧の周波数Ｆが、それぞれ、（１）０．２００ＭＰａ、１．９１ＭＨｚ、（２）０．２５０ＭＰａ、１．５０ＭＨｚ、（３）０．３００ＭＰａ１．３０ＭＨｚであるデータを用いて、キセノンガス圧力Ｐ（ＭＰａ）と印加電圧周波数Ｆ（ＭＨｚ）との関係式を求めたところ、Ｆ＝０．４０８Ｐ^{−０．９５４}という式を得ることができた。

本実施例により、印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）をキセノンガス圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、Ｆ＞０．７６４Ｐ^{−０．３１６}であるように調整した場合には、エキシマランプの温度が過度に上昇することを抑制しつつ、グロー状の放電状態を維持して、エキシマ光の放射強度の低下を抑制し得ることが分かる。
さらに、印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）をキセノンガス圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、０．４０８Ｐ^{−０．９５４}≧Ｆ＞０．７６４Ｐ^{−０．３１６}であるように調整した場合には、上記効果を安定して得ることができることが分かる。

実施例３
図５に示すような、内部に略箱状の放電空間を並列して複数設けた放電容器６を有する、エキシマランプ１を作製した。

先ず、放電容器６を作製するために、厚さ１ｍｍの合成石英ガラスを用いて、縦１５０ｍｍ、横１００ｍｍ、幅７ｍｍの箱状の放電セル２５を１２個作製した。各放電セル２５は、内部に縦１４８ｍｍ、横９８ｍｍ、幅５ｍｍの空洞を有しており、この空洞が放電時において放電路長５ｍｍの放電空間を形成する。この放電セルを主表面が対向するように並列に並べて放電容器６とし、放電容器６を構成する放電セルの各主表面に接するように縦１３０ｍｍ、横８０ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム製平板状電極５を１枚づつ計１３枚配置した。

図５に示すように、この複数の平板状電極５を配置した放電容器６をステンレス製ランプ容器４（直径２００ｍｍ、高さ４００ｍｍ）内に収め、各放電セルの、光放射窓２３と反対側（図の上側）に設けた孔に、放電用ガス流通路７から分岐する流通路を接続して、発光ユニット２を得た。また、図５に示すように、各平板状電極５をランプ容器４の外部に設けた高周波電源１１と接続した。

上記ランプ容器４は、外部からランプ容器４内に不活性ガスを導く不活性ガス流通路９を有し、また、光放射窓３として、直径１５０ｍｍ、厚さ１８ｍｍの合成石英製の丸窓を有しており、この丸窓はガスケットを介して容器に取り付けられている。

上記放電容器６およびランプ容器４に対し、実施例１と同様の手法により、それぞれ、放電用ガス（キセノンガス）および不活性ガス（窒素ガス）を封入し、キセノンガスの圧力および窒素ガスの圧力が、いずれも０．２ＭＰａであり、両圧力の差圧が略０．００ＭＰａになるように調整したエキシマランプ１を得た。

このエキシマランプ１に印加し得る電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）を、式（Ｉ）を用いて算出したところ、Ｆ＞０．７６４Ｐ^{−０．３１６}＝１．２７０（ＭＨｚ）であることが分かった。

そこで、このエキシマランプ１に対し、高周波電源１１から、周波数１．４ＭＨz、電圧５．５ｋＶp-pの高周波電圧を印加して、エキシマ光を発生させたところ、放電容器６に亀裂や割れは生じず、５００ｍＷ／ｃｍ^２の放射光を得ることができた。また、この場合、エキシマランプ１に印加する電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）を、式（Ｉ）を満たすように制御することにより、グロー状の放電状態を維持し、エキシマランプの温度が過度に上昇することを抑制することができ、エキシマ光の放射強度の低下を抑制することができた。

本発明によれば、グロー状放電による比較的低電圧での放電を維持しつつ、放電用ガス圧が増大した場合であっても、エキシマランプの温度を過度に上昇させることなく、エキシマ光の放射強度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の構成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における、放電用ガスと不活性ガスの圧力を調整する方法を説明するための概略断面図である。 本発明のエキシマランプにおける、放電用ガスと不活性ガスの圧力を調整する方法を説明するための概略断面図である。 本発明のエキシマランプの構成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の構成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の構成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の構成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における、放電用ガスの圧力（および不活性ガスの圧力）と放射光量の関係を示す図である。 本発明のエキシマランプにおける、放電用ガスの圧力と印加電圧の周波数の関係を示す図である。 放電用ガスの圧力を変化させた場合のエキシマランプ温度の変化を示す図である。 エキシマランプの放電状態として、グロー状の放電状態（図１１（ａ））および数本のフィラメントを生じる放電状態（図１１（ｂ））を示す図である。

符号の説明

１ エキシマランプ
２ 発光ユニット
３ 光取出し窓
４ ランプ容器
５ 電極
６ 放電容器
７ 放電用ガス流通路
８ 封止バルブ
９ 不活性ガス流通路
１０ 封止バルブ
１１ 高周波電源
１２ ガス給排気装置
１３ 真空ポンプ
１４ 差圧計
１５ 排気圧力調整バルブ
１６ 供給圧力調整バルブ
１７ 放電用ガスボンベ
１８ 不活性ガスボンベ
１９ 圧力計
２０ タンク
２１ 容積可変手段
２２ 駆動装置
２３ 光放射窓
２４ ガス流通孔
２５ 放電セル
２６ 放電空間
２７ 誘電体
２８ 反射ミラー
２９ 天板

Claims (9)

1. 放電用ガスと、該放電用ガスに電圧を印加する複数の電極とを有するエキシマランプであって、
   前記複数の電極への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）が、前記放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、下記式（Ｉ）
   Ｆ＞０．７６４Ｐ^{−０．３１６} （Ｉ）
   を満たすように調整されていることを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記エキシマランプが、
   エキシマ光を放射するための放電容器および電圧印加用の複数の電極を有する発光ユニットと、
   該発光ユニットを内部に収容し、光出射方向に光取出し窓を設けたランプ容器とを含み、
   前記発光ユニットの放電容器内部に放電用ガスが、前記発光ユニットの放電容器外壁と前記ランプ容器の内壁との間に不活性ガスがそれぞれ封入されており、
   前記放電用ガスの圧力と前記不活性ガスの圧力がともに０．０５ＭＰａ以上で、両圧力の差の絶対値が０．０３ＭＰａ以内になるように調整されている
   請求項１に記載のエキシマランプ。
3. 前記発光ユニットが、
   並列して配置した複数の放電セルからなる放電容器と、
   前記複数の放電セルの主表面に接するようにそれぞれ対向して配置した複数のエキシマ放電用平板状電極とを有しており、
   前記放電容器は、放電容器の放電路に平行して設けられた光放射窓を有し、
   前記放電容器内に封入した放電用ガスが放電して、エキシマ光を放射する請求項２に記載のエキシマランプ。
4. 前記放電容器が、前記放電セルからなる複数の放電空間を貫通する放電用ガス流通孔をさらに有するものである請求項３に記載のエキシマランプ。
5. 前記発光ユニットが、ランプ容器の外部から前記放電セルからなる放電空間内に放電用ガスを導く放電用ガス流通路を有し、
   前記ランプ容器が、ランプ容器の外部からランプ容器内に不活性ガスを導く不活性ガス流通路を有するものである請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載のエキシマランプ。
6. 前記印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）が、前記放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、さらに下記式（II）
   ０．４０８Ｐ^{−０．９５４}≧Ｆ （II）
   を満たすように調整されている請求項１〜請求項５のいずれかに記載のエキシマランプ。
7. 放電用ガスと、該放電用ガスに電圧を印加する複数の電極とを有するエキシマランプを用いたエキシマ光の照射方法であって、
   前記複数の電極への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）が、前記放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、下記式（Ｉ）
   Ｆ＞０．７６４Ｐ^{−０．３１６} （Ｉ）
   を満たすように調整することを特徴とするエキシマ光の照射方法。
8. 前記エキシマランプが、
   エキシマ光を放射するための放電容器および電圧印加用の複数の電極を有する発光ユニットと、
   該発光ユニットを内部に収容し、光出射方向に光取出し窓を設けたランプ容器とを含み、
   前記発光ユニットの放電容器内部に放電用ガスが、前記発光ユニットの放電容器外壁と前記ランプ容器の内壁との間に不活性ガスがそれぞれ封入されており、
   前記放電用ガスの圧力と前記不活性ガスの圧力がともに０．０５ＭＰａ以上で、両圧力の差の絶対値が０．０３ＭＰａ以内になるように調整されている
   請求項７に記載のエキシマ光の照射方法。
9. 前記放電容器への印加電圧の周波数Ｆ（ＭＨｚ）を、前記放電用ガスの圧力Ｐ（ＭＰａ）に対して、さらに下記式（II）
   ０．４０８Ｐ^{−０．９５４}≧Ｆ （II）
   を満たすように調整する請求項８に記載のエキシマ光の照射方法。

Images