JP2010218833A - エキシマランプ - Google Patents

Abstract

【課題】放電容器の劣化を抑制して長寿命を実現できると共に、光を取り出す効率が良く照度低下が少ないエキシマランプを提供する。
【解決手段】同軸上に配置された外側管と内側管を具備し、エキシマ分子を形成する放電用ガスが封入されて円筒状の放電空間を形成する放電容器１１と、外側管の外周面上に配置された一方の電極１４、内側管の内周面上に配置された他方の電極１５とを具備してなるエキシマランプにおいて、一方の電極は、エキシマランプの管軸に垂直な断面において前記外側管の外周面上の半分以上を覆いかつ一定領域非形成部分を備え、外側管の内周面上に一方の電極配置領域を超えて覆うように波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対して吸収又は反射特性を有する膜２０が形成される。この膜は、シリカ、アルミナ、酸化チタンおよび酸化イットリウムからなる群から選ばれた少なくとも一種であるのがよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空紫外光を照射するエキシマランプに関するものである。

図４に示す構造のエキシマランプが知られている。
このエキシマランプは、放電容器が、外側管と内側管とを備え、これらがほぼ同軸に配置されて端部において接合された、いわゆる二重管構造を備えるものであり、円筒状の放電空間を有している。

この外側管の外周面側（放電空間の外側）に一方の電極が、内側管の内周面側（放電空間の外側）に他方の電極が配置され、放電容器の内部にはエキシマ放電ガスとしてキセノンガスが例えば１０〜８０ｋＰａ封入されて構成されている。
前記一方と他方の電極に、高周波高電圧を印加することにより、放電容器（管）を構成している石英ガラスの壁を介在させて放電が形成される。
上記のように放電空間を円筒状に形成した放電空間を形成する理由は、放電ギャップをなるべく一定にして、安定した照度分布を確保するためである。

このようなエキシマランプは、基板の洗浄、改質などの表面処理に使用されるが、近時、ワークのスループットを上げると共に、ランプの交換頻度を少なくし、稼働率を上げてライン全体においてコストを下げることが望まれている。

しかしながら、上記エキシマランプにおいては、放電容器を構成する石英ガラスが紫外光によって劣化し、主要な波長１７２ｎｍの光の透過率が低下する。
そして更に紫外光による劣化が進行した場合には、放電容器にクラックが入ってランプが不点灯になるとともにクラックが放電容器の全体に広がり、容器の破片が落下するという事態に至る。

このような、紫外線歪に由来する問題について過去にも検討されており、例えば特許文献１には、放電容器の冷却部に特に紫外線歪が入りやすいことから、放電容器における冷却手段により冷却される部位に対応して、放電空間側表面上に、紫外線反射膜及び／又は紫外線吸収膜を形成したエキシマランプが開示されている。

特許文献１に記載されるように、エキシマランプの放電空間内には、波長１７２ｎｍ以外にも１４０〜１９０ｎｍの範囲の紫外線が放射しており、放電容器を構成する石英ガラスの放電空間側表面は、絶えずこのような紫外光が照射されている。紫外光が石英ガラスに与えるダメージは波長が短いほど大きく、放電容器形状、使用状態、ガラスに残留する熱歪などを考慮し、特に破損しやすい部分をこのような紫外光から保護することで、放電容器の破損を防ぐことができ、ランプを長寿命化することができる。

特開２００２−０９３３７７号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術では冷却部を保護し、この部分において破損を遅らせて寿命を延ばすことができたとしても、その他の部位においては保護されないため、紫外線歪が入ることによって主要な波長１７２ｎｍの紫外光の透過率が悪くなり、照度低下が引き起こされる。
そこで、本発明は、放電容器の劣化を抑制して長寿命を実現できると共に、光を取り出す効率が良く照度低下が少ないエキシマランプを提供することを目的とする。

上記エキシマランプを実現するため、本発明は、
同軸上に配置された外側管と内側管を具備し、エキシマ分子を形成する放電用ガスが封入されて円筒状の放電空間を形成する放電容器と、
前記外側管の外周面上に配置された一方の電極と、前記内側管の内周面上に配置された他方の電極とを具備してなるエキシマランプにおいて、
前記一方の電極は、前記エキシマランプの管軸に垂直な断面において前記外側管の外周面上の半分以上を覆いかつ一定領域非形成部分を備え、
前記外側管の内周面上に、前記一方の電極形成領域を超えて覆うように、波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対して吸収または反射特性を有する保護膜が形成されている
ことを特徴とする。
また、内側管の外周面上に、前記他方の電極配置領域を超えて覆うように波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対して吸収又は反射特性を有する膜が形成されている
ことを特徴とする。
また、上記膜は、シリカ、アルミナ、酸化チタンおよび酸化イットリウムからなる群から選ばれた少なくとも一種であるのがよい。

本発明に係るエキシマランプによれば、放電容器の外側管において放電に曝される部分については波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対して吸収または反射特性を有する保護膜を形成したことにより、キセノン共鳴線である波長１４７ｎｍの紫外光が照射されずに済み、紫外線に歪の発生に由来して放電容器が劣化することを抑制することができ、長期間に亘り放電容器の破損を抑制することができ、長寿命のエキシマランプとすることができるようになる。
また、更に、内側管の放電空間側表面である、当該管の外周面上にも前記保護膜を設けることにより、内側管に紫外線歪が入ることが抑制され、いっそうの長寿命化を実現できる。
また、保護膜としてシリカ、アルミナ、酸化チタンおよび酸化イットリウムからなる群から選ばれた少なくとも一種を用いて構成することにより放電容器に波長１５０ｎｍ以下の紫外光が入射することを確実に防止することができる。

本発明の実施形態を説明するエキシマランプを管軸に対して垂直方向に切断した断面図である。 本発明の実施形態を説明するエキシマランプを管軸方向に切断した断面図である。 図１において円で囲んだ部分を拡大して示す要部説明図である。 本発明の他の実施形態を説明するエキシマランプを管軸に対して垂直方向に切断した断面図である。 従来技術を説明するエキシマランプを管軸に対して垂直方向に切断した断面図である。

以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明のエキシマランプの一実施形態における構成の概略を示す説明用断面図である。
このエキシマランプ１０は、例えば石英ガラスよりなり、円筒状の外側管１２と、この外側管１２内においてその管軸に沿って配置された、当該外側管１２の内径より小さい外径を有する例えば石英ガラスよりなる円筒状の内側管１３とを有し、外側管１２と内側管１３とが両端部において溶融接合されてなる二重管構造の放電容器１１を備えている。

放電容器１１を構成する内側管１３は、例えば両端部が径方向外方に拡がって伸びるよう湾曲されて形成された屈曲部分を有するものであり、当該内側管１３の屈曲部分が外側管１２と接合されることにより当該屈曲部分１３Ａにより端壁が構成され、これにより、外側管１２の内周面と内側管１３の外周面との間に、気密に閉塞された環状の放電空間Ｓが形成されている。

放電容器１１を構成する外側管１２には、その外周面に密接してアルミニウム板などプレス加工して構成した断面が概略Ｃ状の金属板がはめ込まれることにより、一方の電極（以下、「外側電極」という。）１４が設けられている。そして、内側管１３には、その内周面に密接して、例えばアルミニウムよりなる、パイプ状あるいは断面において一部に切り欠きを有する概略Ｃ字状（樋状）の金属板よりなる他方の電極（以下、「内側電極」という。）１５が設けられている。これら外側電極１４および内側電極１５は、例えば高周波電源よりなる電源装置１９に接続されている。

放電空間Ｓ内には、外側電極１４と内側電極１５との間で生ずるエキシマ放電によってエキシマ分子を形成する、例えばキセノンガスなどの放電用ガスが充填されている。
なお図２において符号１８は放電容器にガスを封入する際使用した排気管の残部である。

この放電容器の内部における所定の領域に、波長１５０ｎｍ以下の光に対して吸収特性及び／又は反射特性を有する下記構成の保護膜２０が形成されている。
保護膜は誘電体よりなり、材質として好ましくは、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などの粉末であって、このような誘電体の粉末は外側管の内周面上に堆積した状態で配置されてなるものである。このような誘電体の粉末は、単一で用いても、適宜の組み合わせで混合して用いてもよい。なお、上記物質のうちシリカ粒子は波長１５０ｎｍ以下の光に対して吸収特性による作用により放電容器を保護し、アルミナ粒子は波長１５０ｎｍ以下の光に対して吸収特性を主とするがわずかに反射特性を備えており、吸収と反射の両方の特性によって放電容器を保護する。

シリカ粒子とアルミナ粒子の混合して用いる場合は、一例を挙げると、シリカ粒子は粒径０．４μｍ〜１．５μｍ、中心径：０．７μｍであり、アルミナ粒子は０．２μｍ〜０．５μｍ、中心径：０．３μｍであり、アルミナ粒子の含有量が１０質量％となるよう調製される。
最終的な膜厚は、１μｍ以上であり、例えば１〜５０μｍの範囲で適宜選択可能である。なお、保護膜は、１μｍ以上あれば石英ガラスの保護が可能であるため、波長１７２ｎｍの紫外線に対して透過性が不要な部分に形成するのであれば、保持可能な範囲で膜厚を厚く構成することができる。

前記保護膜２０が形成される領域は、放電容器１１において電極１４，１５が配置された部分に対応した箇所であり、なかでも紫外線歪が入りやすい部分である。本発明にかかるエキシマランプのように、外側管１２と内側管１３とを備え、外側管１２の一部に光透過窓を形成したエキシマランプにおいては、外側管１２上において外側電極１４が配置された部分及び内側管１３の全周部分である。しかしながら、内側管１３の内表面においては動作中の温度が高く、外側管１２よりも紫外線歪が入りにくいため必須ではない。よって、外側管の内表面（放電空間側表面）において、電極に対応した部分において必須となる。
外側電極１４が配置されない部分には、キセノン共鳴線である波長１４７ｎｍの紫外光及びプラズマは到達することができないため、紫外線歪の形成が緩慢である。よって、上記保護膜２０を形成せずとも波長１７２ｎｍの透過率を高い状態に維持することができる。

このような膜はランプを製作する段階で形成する。
ここで、その製法について説明する。
１．まず、膜構成用の粉末を調製する。所定の平均粒径および中心粒径を有するシリカ粉末とアルミナ粉末を調製した混合粉末に、ニトロセルロース、酢酸ブチル液と重量比１：４の割合で混合したバインダ液を合わせ、十分攪拌してアルミナ粉末−シリカ粉末が分散されたスラリーを製作する。
２．このスラリーを発光管構成用のガラス管の内表面に塗布する。
塗付方法は特に限定されないが、流下法、吸い上げ法、デッピング法など採用できる。なお、流下法以外の方法による場合は、膜が不要な個所にマスキングしておくのが好ましい。
３．スラリーを乾燥させた後、保護膜が安定して固着するよう電気炉を用いて焼成する。
焼成温度は１１００℃で、約１時間保持する。この焼成工程によって粒子同士が結合するとともにガラス管に融着し、ガラス層が基材に強力に結着することになる。

このような保護層は、少なくとも放電プラズマが形成される（外側管内周面）部分に形成する必要があり、外側電極（一方の電極）が配置されている部分と電極の側端部を越えて非電極形成側まで形成されているのが望ましい態様である。
図１および図３の断面図を参照し、その好ましい態様について具体的に説明する。内側管１３の放電空間Ｓ側表面と外側電極１４の端を結ぶ仮想線ｄが外管管１２の放電空間Ｓ側表面と交差する点をＡ、保護膜２０の端部Ｂ、放電容器１１内に封入されたＸｅ封入圧（室温）をＰ（ｋＰａ）としたとき、断面図上のＡＢの距離ＡＢが、以下の（式１）で求まるＬ以上であるのが望ましい。
（式１） Ｌ＝５４２／Ｐ^２ ［ｍｍ］
なお、エキシマランプのキセノンガスの封入圧は１０〜８０ｋＰａであり、実用には０．５〜５．５ｍｍの範囲において適宜に設定すればよい。

紫外線歪の原因となる波長１４７ｎｍの光は、Ｘｅ共鳴線のため、非励起Ｘｅ原子に吸収される。そのため、１４７ｎｍ光の強度はランプ中のＸｅ原子数に依存する。Ｘｅ原子数は温度が一定の場合、圧力で表記することも可能であるので、圧力が高いと１４７ｎｍ強度は低く、圧力が低いと１４７ｎｍ強度は高くなる。したがって、波長１４７ｎｍ光が届く距離ＬはＸｅ封入圧Ｐによって決定できる。
上記式１において、圧力を２乗したものに５４２を掛ける理由は、Ｊ．Ｃ．ＭＯＬＩＮＯ ＧＡＲＣＩＡ，Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ．Ｒａｄｉａｎｔ．Ｔｒａｎｓｆｅｒ，Ｖｏｌ．５７，Ｎｏ．４ によると、Ｘｅ原子の１４７ｎｍの吸収係数Ｋ（ｍ^−１）は常温において、
（式２） Ｋ＝０．０８５（１０Ｐ）^２
で表すことができる。初期の光強度をＩ_０、吸収され減衰した後の光強度をＩとすると、光の減衰は
（式３） Ｉ／Ｉ_０＝ｅｘｐ（−ＫＬ）
で表されるので、式３に式２を代入し整理すると、光が１／１００に減衰する距離Ｌは、上記式１で表すことができる。

以上の、保護膜を有する本願発明に係るエキシマランプによれば、光透過窓部（電極非形成部）においては、電極が形成されていないため、ランプ動作中にプラズマにさらされない構造であると共に、波長１４７ｎｍの光が到達することができないため、透過率の低下や紫外線歪の導入が少なく、長期に亘って１７２ｎｍの紫外光を高い照度で照射することができると共に、外側管の電極形成部の石英ガラスにおいては、波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対して吸収又は反射特性を有する膜が形成されているので、波長１４７ｎｍの紫外光及びプラズマに、直接的にさらされずに済み、ガラスの劣化の進行を抑制でき、破損に至るまでの時間を格段に長くすることができるようになる。

更に他の実施形態を図４を参照して説明する。図４はエキシマランプを管軸と垂直な断面で切断した図である。なお同図において先に図１〜３で説明した構成については同符号で示し、詳細説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態にかかるエキシマランプは、外側管１２の内周面上の所定領域に保護膜２０を形成したという構成を基本的に備えると共に、内側管１３の放電空間Ｓ側表面上である管（１３）の外周表上に波長１５０ｎｍの光に対して反射特性又は吸収特性を備えた保護膜２１を形成したものである。保護膜２１は、上記したように、材質として好ましくは、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などであり、粉末の状態のものを単一または適宜の組み合わせで混合して、管の放電空間側表面上に堆積させて層状を形成したものである。保護膜２１の形成領域は、内側電極１５配置部分に対応してほぼ全周に亘って形成されている。
この実施形態のように、放電容器１１における放電形成領域の全てに対応して保護膜２０，２１を形成することで、放電容器１１に紫外線歪が入り難くなり、いっそうエキシマランプの寿命を伸ばすことができるようになる。

以上、本発明について説明したが本発明の構成に関して置換可能な構成について適宜変更が可能であることは言うまでもない。例えば、膜の種類は１５０ｎｍの光に対して吸収及び／又は反射特性を有するものであれば、上述したものに限定されるものではない。

以下、本発明の実施例を説明する。
図１〜図３の構成に従いエキシマランプ作製した。
＜ランプ１＞
放電容器：材質；石英ガラス、 全長；１２６８ｍｍ
外側管；外径４０ｍｍ、厚さ２ｍｍ、
内側管；外径１８ｍｍ、厚さ１ｍｍ
外側電極（断面半円状）：アルミニウム、厚さ１ｍｍ、長さ；１２０５ｍｍ
内側電極（断面Ｃ状）：アルミニウム、厚さ１ｍｍ、長さ；１２０５ｍｍ
保護膜：組成は以下の通りである。
シリカ粒子：粒径０．４μｍ〜１．５μｍ、中心径：０．７μｍ
アルミナ粒子：０．２μｍ〜０．５μｍ、中心径：０．３μｍ
アルミナ粒子の含有量は１０質量％、焼成温度：１１００℃。
膜厚：３０μｍ（平均）
上記膜は、流下法と呼ばれる塗布方法を用いて、溶剤に粒子を混ぜて溶液を形成し、その溶液を放電容器の内面に流し込むことにより、溶液を付着させる。その後、乾燥、焼成した。膜厚は１ｍｍ以上あれば１５０ｎｍの光を吸収及び反射し、１４７ｎｍの光に対して保護が可能である。本実施例では３０μｍの膜を使用した。この実施例にかかる膜によれば、シリカ粒子が主要成分となるため、波長１４７ｎｍの共鳴線を吸収し、放電容器に対しての保護が可能となる。

下記表１に従い、膜の形成領域及びＸｅ封入圧力を変化させてランプ１〜ランプ３を作製した。

更に、上記実施例とランプの基本的構造は同様とし、保護膜の形成領域が比較的小さい或いは保護膜を有さない、参照例に係るランプ４〜ランプ６を作製した。これらランプ４〜ランプ６のＸｅ封入圧及び保護膜の構成について、下記表１にまとめて示す。

各ランプの定格電圧、定格周波数で、ランプ１〜ランプ６を点灯して、破損までの時間を比較した。この結果を下記表１に示す。
この結果から明らかなように、外側管の外周面上の半分以上を覆う外側電極の配置領域を超えて覆うように波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対して吸収又は反射特性を有する保護膜を有することで、膜を有さないものや、膜が電極配置領域を超えて形成さえれていないものに比較して、長寿命化を達成できる。更に、膜が形成される領域（ＡＢの長さ）が、ランプにおけるキセノンの封入圧Ｐとの関係で、Ｌ＝５４２／Ｐ^２により算出される大きさよりも広範囲に形成されることで、１０００時間以上も使用寿命を長く伸ばすことができる。

１１ 放電容器
１２ 外側管
１３ 内側管
１３Ａ 屈曲部分
１４ 一方の電極（外側電極）
１５ 他方の電極（内側電極）
１８ 排気管残部
１９ 電源装置
２０ 保護膜
Ｓ 放電空間

Claims (3)

1. 同軸上に配置された外側管と内側管を具備し、キセノンガスが封入されて円筒状の放電空間を形成する放電容器と、
   前記外側管の外周面上に配置された一方の電極と、前記内側管の内周面上に配置された他方の電極とを具備してなるエキシマランプにおいて、
   前記一方の電極は、前記エキシマランプの管軸に垂直な断面において前記外側管の外周面上の半分以上を覆いかつ一定領域非形成部分を備え、
   前記外側管の内周面上に、前記一方の電極配置領域を超えて覆うように波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対して吸収又は反射特性を有する膜が形成されている
   ことを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記内側管の外周面上に、前記他方の電極配置領域を超えて覆うように波長１５０ｎｍ以下の紫外光に対して吸収又は反射特性を有する膜が形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のエキシマランプ。
3. 前記膜は、シリカ、アルミナ、酸化チタンおよび酸化イットリウムからなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする請求項１又は２に記載のエキシマランプ。

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