JP2012038729A - 均一に面照射を行うための水銀蒸気ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】構成的に簡単な水銀蒸気ランプを提供して、処理すべき表面との間隔がわずかな場合であっても、ＵＶ照射の均一性が可能な限り高くなること保証すること。
【解決手段】本発明による水銀蒸気ランプのランプ外囲器は、直線状の壁部によって区切られる石英ガラスチャンバとして構成されている。この石英ガラスチャンバは、下側面、上側面および側壁を有しており、また分離ウェブによって複数のサブチャンバに分けられており、これらのサブチャンバは、直線的でないガス放電チャネルを連結して構成する。ガス放電チャネルは、分離ウェブが、一方の側壁から反対側の側壁まで交互に延在し、この際に隣接するサブチャンバを流体的に接続する間隙が空けられることによって構成され、一方の電極は、最も前側にあるサブチャネルの電極に割り当てられ、また他方の電極は、最も後ろ側にあるサブチャネルに割り当てられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、均一に面照射を行うための水銀蒸気ランプに関しており、このランプは、閉じた放電チャンバを包囲する石英ガラス製のランプ外囲器を有しており、この放電チャンバ室には２つの電極が突出しており、これらの電極の間に直線的ではないガス放電チャネルが延在している。

水銀蒸気ランプなどのＵＶ放射器は、例えば基板の表面を清浄化するまたは変更するため、滅菌を行うため、または表面を活性化するために使用される。ここではふつう160〜400nmの波長領域のＵＶビームによって処理が行われる。

生産性の高い製造ラインに対し、加工すべき表面の領域において高いＵＶビーム強度が必要である。また殊に照射すべき表面がＵＶ放射器に対して移動しない適用では、ＵＶ照射の均一性も照射効果にとって重要な意味を持つことが多い。

高いＵＶビーム強度に対しては、表面とＵＶ放射器との間の間隔ができるだけ小さいと有利である。その一方で小さい間隔より、均一な照明を困難がなる。それは、ＵＶビーム強度が放射器の近接場において不均一になるからである。

平らな照射を形成するため、例えばDE 34 37 212 A1およびDE 91 08 294 U1からＵＶ放射器が公知であり、このＵＶ放射器では、ランプ外囲器がＵ字形またはメアンダ状に曲げられているか、またはこのＵＶ放射器は、全体がＵ字形またはメアンダ状に延在する管路部分から組み合わせられている。

しかしながらメアンダ状に曲げられたランプ外囲器は、隙間なく曲げることは簡単にはできないため、メアンダの脚部間に隙間が生じてしまい、この隙間によって光分布の均一性が損なわれてしまうのである。

縦長の複数のＵＶ放射器が互いに平行にかつ共通の１平面に配置されている択一的な実施形態では、確かに十分に均一なビームフィールドを得ることができる。しかしながらこのような放射器配置構成には、高い取付コストおよび調整コストが伴い、さらに多数のランプおよび安定器には高い組み立てコストが必要である。さらにただ１つの放射器だけが故障した場合、放射器セット全体を交換して、放射器の経年変化過程が異なることに起因する不均一性を回避しなければならないことが多いのである。

DE 34 37 212 A1 DE 91 08 294 U1

本発明の課題は、構成的に簡単な水銀蒸気ランプを提供し、この水銀蒸気ランプにより、処理すべき表面との間隔がわずかな場合であっても、ＵＶ照射の均一性が可能な限り高くなること保証することである。

上記の課題は、本発明の請求項１により、均一に面照射を行うための水銀蒸気ランプであって、この水銀蒸気ランプは、閉じた放電チャンバを包囲する石英ガラス製のランプ外囲器を有しており、上記の放電チャンバに２つの電極が突出しており、これらの電極間に直線状ではないガス放電チャネルが延在している形式の水銀蒸気ランプにおいて、上記のランプ外囲器は、直線状の壁部によって区切られる石英ガラスチャンバとして構成されており、この石英ガラスチャンバは、下側面、上側面および側壁を有しており、このランプ外囲器は、上記の下側面から上側面にまで延在する石英ガラス製の複数の分離ウェブによって複数のサブチャンバに分けられており、上記のサブチャンバには、最も前側のサブチャンバと、最も後ろ側のサブチャンバとが含まれており、またこのサブチャンバは、直線的でないガス放電チャネルを連結して構成し、ここでこのガス放電チャネルは、上記の分離ウェブが、一方の側壁から、反対側の側壁まで交互に延在し、この際に隣接するサブチャンバを流体的に接続する間隙が空けられることによって構成され、一方の電極は、最も前側にあるサブチャネルの電極に割り当てられており、また他方の電極は、最も後ろ側にあるサブチャネル（７ｄ）に割り当てられていることを特徴とする、均一に面照射を行うための水銀蒸気ランプを構成することによって解決される。

本発明による水銀蒸気ランプの１実施形態を略示する正面図である。 図１の水銀蒸気ランプの側面図（上側）および平面図（下側）である。

本発明では、直線的な壁部によって区切られる石英ガラスチャンバとして上記のランプ外囲器を構成されており、ここでこの石英ガラスチャンバは、下側面と、上側面と、側壁とを有しており、また上記のランプ外囲器は、下側面から上側面まで突出しておりかつ石英ガラスからなる複数の分離ウェブによってサブチャンバに分けられている。これらのサブチャンバには最も前側のサブチャンバと、最も後ろ側のサブチャンバとが含まれており、またこれらのサブチャンバは連結して、直線的でないガス放電チャネルを構成する。すなわちここでは、隣接するサブチャネルを流体的に接続する間隙が空けられた状態で、上記の分離ウェブが交互に一方の側壁から反対側にある側壁の近くまで延在するようにすることにより、このガス放電チャネルが構成されるのである。ここでは一方の電極は、最も前側にあるサブチャネルに割り当てられ、また他方の電極は、最も後ろ側にあるサブチャネルに割り当てられる。

本発明による水銀蒸気ランプは、任意の断面を有する石英ガラスチャンバから実質的に構成され、この断面は、照明しようとする表面の幾何学形状に簡単に適合させることのでき、例えば円形、矩形または三角形である。上記の断面の幾何学形状は、上記の上側面および下側面の幾何学形状によって得られ、ここでこの下側面は同時に放射面を構成する。

上側面および下側面は、直線的な側壁を介して互いに接続されるため、閉じた柱状の石英ガラスチャンバが得られる。上記の側壁の高さは、上側面と下側面との間の間隔に等しい。

上記の石英チャンバは、少なくとも３つのサブチャンバにわけられ、これらのサブチャンバは連結して、直線的でない、迷路状の、くねくねと曲がったガス放電チャネルを構成する。このために少なくとも２つの分離ウェブを設ける。これらの分離ウェブは、石英ガラスチャンバの高さ全体にわたって延在しており、また交互に一方の側壁から反対側の側壁の近くまで延在している。またこの際に隣接するサブチャネル間には間隙が空けられる。

ガス放電チャネルは、前側のサブチャネルから後ろ側のサブチャネルまで延在しており、これのサブチャネルにはそれぞれ、複数の電極のうちの１つが直接突出しているか、またはこれらのサブチャネルは、電極が突出している別の空間に流体的に接続されるのである。

上記のサブチャネルの連結は、石英ガラスチャンバを完全に占め、またガス放電チャネルを構成する。したがって（分離ウェブの周りの狭い領域を除いて）放射面にわたって均一なビーム強度が調整されるのである。

上記の分離ウェブを含めた石英ガラスチャンバは、簡単な石英ガラス部分から組み立てられる。石英ガラスチャンバは簡単に作製することができ、ただ１つの電気端子しか必要とせず、また取り付けおよび調整にわずかなコストしか必要としない。

殊に簡単な構成の点から有利であることは示されたのは、上記の最も前側のサブチャンバと、最も後ろ側のサブチャンバとが１つずつの開口部を有することであり、この開口部と、石英ガラス管の一方の端面とが接続される。この石英ガラス管には電極が配置されており、その電流端子は、反対側の端面にあるガス気密の圧潰部を介して、石英ガラス管から外に引き出される。

ここで上記の電極と、各サブチャネルとが、ガス放電チャネルの始端部および終端部において直接接続されるのではなく、上記の電極と、別個の石英ガラス管とが接続される。これらの端部のうちの一方の端部には、電極用の電流端子をガス気密に引き出すための圧潰部が設けられている。上記の電極が取り付けられた石英ガラス管は、その後、石英ガラスチャンバだけと溶接すればよい。これにより、本発明による水銀蒸気ランプの作製が容易になる。

この関連において殊に有利であることが判明したのは、上記の石英ガラス管が円形管である場合である。

ガス気密の引き出し部を介して円形管に電極を入れるのは、標準的な技術である。

上記の石英ガラス管は、石英ガラスチャンバの側壁に接続することができる。しかしながら殊にコンパクトな構造が得られるのは、上記の石英ガラス管と、石英ガラスチャンバの上側面とを接続する場合である。

本発明による水銀蒸気ランプの１実施形態において有利であるのは、上記の石英ガラス管が、１８５ｎｍ辺りの波長のＶＵＶビームを吸収するドーピング材料を含有する石英ガラスから構成される場合である。

上記の１つの石英ガラス管（ないしは複数の石英ガラス管）は、ふつう放射方向とは反対の方向に延在しており、またＵＶ照明には貢献することはない。この逆に上記の石英ガラス管は、エネルギの大きなＵＶ光の放射が望ましくない領域および空間に延在することができる。ここでエネルギの大きなＵＶ光が望ましくないのは、それがオゾンを形成するため、または例えばプラスチック製のパッキングなどのような隣接する構成部分のＵＶを劣化させるためである。

ＶＵＶビームの吸収に適切なドーピング材料は、例えばチタン酸化物またはガリウム酸化物である。

本発明による水銀蒸気ランプの殊に簡単な構造の特徴は、上記の石英ガラスチャンバの上側面および下側面が多角形に構成されており、かつサブチャンバが平行６面体状に構成されていることである。

上記の分離ウェブの領域では、放射面にわたってＵＶ強度がある程度低下する。したがって上記の分離ウェブをできるかぎり薄くする。またこの分離ウェブには、機械的な安定性によって要求される厚さだけが必要である。ここで有利であることが実証されたのは、上記の分離ウェブが、1ないし3mmの範囲の厚さを有し、有利には最大2mmの厚さを有することである。

構造的に最も簡単な場合、上記の分離ウェブは、平らな石英ガラスプレートとして構成され、また上記の石英ガラスチャンバの下側面および上側面にスポット溶接される。

分離ウェブは、上側面および下側面全体に溶接されるではなく、数カ所だけにスポット溶接される。これにより、水銀蒸気ランプの作製が容易になり、また溶接プロセスに起因する変形が回避される。ここで分離ウェブは、隣接するサブチャンバを互いにガス気密に分離してはいないが、ガス気密の分離が必要でないことも示されている。それは、上記の分離ウェブと、上側面ないしは下側面との間の狭い間隙における放電は、エネルギ的に不十分であるため、この放電は、あらかじめ設定したガス放電チャネルを追従するのである。

上記のサブチャンバが長手軸に沿って延在する本発明の水銀蒸気ランプの構造は有利である。ここでは、長手軸に垂直な方向の幅の長さは、5ないしは20mmの範囲であり、有利には15mm以下である。

ここで上記のサブチャンバは、縦長に構成されており、また最も簡単な場合、一方の側壁から、これとは反対側の側壁に向かって延在している。上記のサブチャンバの高さは、上側面と下側面との間隔から得られ、またその幅（すなわち高さ方向の長さおよび長手軸に対して垂直な方向のサイズ）は、ガス放電による最適な充填が得られる範囲内にある。幅が20mm以上の場合、上記のガス放電により、サブチャンバは完全には充填されず、また幅が5mm以下の場合、上記の放射面のあらかじめ定めた長さによっては、相応に構成コストのかかる多くの分離壁が必要である。

上記のガス放電によってサブチャンバを可能な限りに最適に充填するという点からも有利であることが示されたのは、上側面と下側面との間の間隔が、5ないし20mmの範囲にあり、有利には15mm以下になる場合である。

上記のサブチャンバは、最も簡単な場合、その連結に沿ってメアンダ状に延在する。

上記の放射面の領域において得られるビーム強度を高めるために有利であるのは、上記の石英ガラスチャンバの上側面に反射器を設ける場合である。

これにより、上記の上側面の方向に放射されるビーム成分は、損失することがないか、または比較的わずかにしか損失しない。同じ理由から側壁に反射器を設けることも有利である。

この反射器は、別個の反射器構成部材とすることが可能である。しかしながら殊に有利であるのは、上記の反射器を上記の上側面のコーティングの形態で実施することであり、これは、例えば拡散性反射器として作用する不透明の石英ガラスからなる層の形態で実施される。

上記の石英ガラスチャンバは、合成的に作製される石英ガラスから構成するか、および／または自然に存在する原材料から溶融製錬した石英ガラスから構成することが可能である。殊に有利であることは示された１実施形態では、上記の下側面は、合成的に作製される石英ガラスから構成される。

合成的に作製される石英ガラスは、純度が高く、また例えば185nm辺りの波長領域におけるＵＶビームに対して殊に透過性が高いという特徴を有する。

感光性を備えた表面を有する適用に対し、有利には、水銀蒸気ランプとして、１００ワット以下の公称出力を有する水銀低圧ランプを使用する。

水銀低圧ランプにより、優れた効率が得られる。254nmのUVCビームにおいて電力の約40%が変換され、185nmのVUVビームにおいて約10％が変換される。しかしながら、ＵＶ放射器の放射面との間隔が小さい場合、感光性の表面は損傷されることがあり、これはランプ出力を小さくすることによって最小化することができる。

以下では、実施例および図面に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１に示した水銀蒸気ランプは、マイクロスコープユニットにおいて静止状態にあり移動しない基板を清浄化するために使用される。ここでＶＵＶビームにより、分子スケールの有機汚染物質が分解される。上記の基板表面と水銀蒸気ランプとの間の間隔は、数ミリメートル以の範囲であるため、ＵＶ照射の均一性に対し、高い要求がなされるのである。

これに使用される装置は、水銀低圧ランプ１からなり、ここでこのランプは、５０ワットの公称出力用に設計されている。水銀低圧ランプ１には平行６面体状の石英ガラスチャンバ２が含まれており、この石英ガラスチャンバは、平行６面体状のカバープレート３と、平行６面体状の底部プレート４と、同じ４つの側壁５とをガス気密に溶接することによって作製される。この石英ガラスチャンバの横方向の長さは60mmであり、またその高さは15mmである。

放射面を構成する底部プレート４は、合成的に形成した石英ガラスからなり、作動ビームは、この底部プレートを介して基板に出射される。カバープレート３および側壁５は、自然に存在する原材料から溶融製錬された石英ガラスからなる。

石英ガラスチャンバ２の内部チャンバは、側壁５と同じ高さを有する３つの分離ウェブ６により、互いに平行に長手方向に延在する４つの平行６面体状のサブチャンバ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに分けられる。分離ウェブ６の厚さは2mmであり、またこれらの分離ウェブも同様に、自然に存在する原材料から溶融製錬した石英ガラスからなる。

図２の下側の平面図からわかるのは、一方の側壁５ａから反対側の側壁５ｂの近くまで（また逆に一方の側壁５ｂから反対側にある側壁５ａまで）分離ウェブ６が交互に延在しているため、上記の内部チャンバは全体としてメアンダ状のガス放電チャネルになっており、サブチャンバ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが連結することによってこのガス放電チャンバが構成されることである。このガス放電チャンバは図２の下側の平面図において向きのついた矢印８によってシンボル的に表されている。個々のサブチャンバ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは、長手軸に沿って延在しており、また約56mmの長さと、約12.5mmの幅を有する。

分離ウェブ６は、カバープレート３に接するそれぞれ３つの個所と、またそれぞれ接する側壁（５ａないしは５ｂ）とにおいてスポット溶接される。分離ウェブの長さは、この分離ウェブと、対向する側壁とが、約7mmの間隙幅を有する間隙１３を残すように設計される。ここでこの間隙は、それぞれ隣接するサブチャンバ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ間の流体的な接続部である。

サブチャンバ７ａは、ガス放電チャネル８の始端を構成し、またサブチャンバ７ｄはその終端を構成する。始端および終端は、同じ側壁５ａに接している。これらのサブチャンバ７ａ，７ｄの領域には、開口部を有するカバープレート３がそれぞれ設けられており、この開口部は、TiO₂をドーピングした石英ガラスからなる溶接された円形管９によって閉じられている。この円形管の外径は、15mmである。これらの円形管９には電極１０が取り付けられており、これらの電極の電力供給部１１は、圧潰部１２を介して円形管９から外に引き出されている。

図２の上側に示した側面図からわかるのは、円形管９とこれに収容された電極１０とが一体になって、側壁５ａの領域においてカバープレート３にそれぞれ接続されることである。ガス放電は、電極９間の全区間を介して行われ、すなわち円形管９内でも行われる。しかしながらガス放電のこの部分は、基板の照射には貢献せず、ガス放電チャネル８に数入れられることはない。

カバープレート３および側壁５の外側の面にはそれぞれ不透明な石英ガラスからなる層１３が被着されており、これは拡散反射器として作用する。

本発明による水銀低圧ランプ１は、簡単な構成部材によって作製され、またこのランプにより、近接場においても極めて均一なＵＶ照射が可能になる。それは、側方の大きさが同じ場合、ランプ外囲器をメアンダ状に曲げた場合には３つの脚部しか有しないのに比べて、上記の構成によって４つのサブチャンバ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが可能になるからである。

１ 水銀低圧ランプ、 ２ 石英ガラスチャンバ、 ３ 上側面、 ４ 下側面、 ５，５ａ，５ｂ 側壁、 ６ 分離ウェブ、 ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ サブチャンバ、 ８ ガス放電チャネル、 ９ 石英ガラス管、 １０ 電極、 １１ 電流端子、 １２ 圧潰部、 １３ 間隙

Claims (14)

1. 均一に面照射を行うための水銀蒸気ランプであって、
   該水銀蒸気ランプは、閉じた放電チャンバを包囲する石英ガラス製のランプ外囲器を有しており、
   前記の放電チャンバに２つの電極（１０）が突出しており、
   当該の電極間に直線状ではないガス放電チャネル（８）が延在する形式の水銀蒸気ランプにおいて、
   前記のランプ外囲器は、直線状の壁部によって区切られる石英ガラスチャンバ（２）として構成されており、
   当該石英ガラスチャンバ（２）は、下側面（４）、上側面（３）および側壁（５，５ａ；５ｂ）を有しており、
   前記のランプ外囲器は、前記の下側面（４）から上側面（３）にまで延在する石英ガラス製の複数の分離ウェブ（６）によって複数のサブチャンバ（７ａ；７ｂ；７ｃ；７ｄ）に分割されており、
   前記のサブチャンバには、最も前側のサブチャンバ（７ａ）と、最も後ろ側のサブチャンバ（７ｄ）とが含まれており、また当該のサブチャンバは、直線的でないガス放電チャネル（８）を連結して構成し、
   当該のガス放電チャネル（８）は、前記の分離ウェブ（６）が一方の側壁（５ａ）から反対側の側壁（５ｂ）まで交互に延在し、隣接するサブチャンバを流体的に接続する間隙（１３）が空けられることによって構成され、
   一方の電極（１０）は、最も前側にあるサブチャネル（７ａ）の電極（１０）に割り当てられており、他方の電極（１０）は、最も後ろ側にあるサブチャネル（７ｄ）に割り当てられていることを特徴とする、
   均一に面照射を行うための水銀蒸気ランプ。
2. 前記の最も前側にあるサブチャネル（７ａ）および最も後ろ側にあるサブチャンバ（７ｄ）はそれぞれ開口部を有しており、
   該開口部と、石英ガラス管（９）の一方の端面の端部とが接続されており、
   当該の石英ガラス管（９）には電極（１０）が配置されており、
   当該の電極の電流端子（１１）は、前記の端面とは反対側の他方の端部にて、ガス気密の圧潰部（１２）を介して当該の石英ガラス管（９）から引き出されている、
   請求項１に記載の水銀蒸気ランプ
3. 前記の石英ガラス管（９）は円形管である、
   請求項２に記載の水銀蒸気ランプ。
4. 前記の石英ガラス管（９）と、石英ガラスチャンバ（２）の上側面（３）とが接続されている、
   請求項２または３に記載の水銀蒸気ランプ。
5. 前記の石英ガラス管（９）は、１８５ｎｍ辺りの波長のＶＵＶビームを吸収するドーピング材料を含む石英ガラスからなる、
   請求項２から４までのいずれか１項に記載の水銀蒸気ランプ。
6. 前記の石英ガラスチャンバ（２）の上側面（３）および下側面（４）は多角形に構成され、
   前記のサブチャンバ（７ａ；７ｂ；７ｃ；７ｄ）は、平行６面体状に構成される、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の水銀蒸気ランプ。
7. 前記の分離ウェブ（６）は、1ないし3mmの範囲の厚さを有し、有利には最大2mmの厚さを有する、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の水銀蒸気ランプ。
8. 前記の分離ウェブ（６）は、石英ガラスプレートとして構成されており、前記の石英ガラスチャンバの下側（４）および上側（３）にてスポット溶接されている、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の水銀蒸気ランプ。
9. 前記のサブチャンバ（７ａ；７ｂ；７ｃ；７ｄ）は、長手軸に沿って延在しており、
   当該の長手軸に対して垂直な当該のサブチャンバの幅方向の長さは、5mmないし20mmであり、有利には15mm以下である、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の水銀蒸気ランプ。
10. 前記の上側面（３）と下側面（４）との間の間隔は、5ないし20mmであり、有利には15mm以下である、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の水銀蒸気ランプ。
11. 前記のサブチャンバ（７ａ；７ｂ；７ｃ；７ｄ）は、当該のサブチャンバの連結に沿ってメアンダ状に延在している、
    請求項１から１０までのいずれか１項に記載の水銀蒸気ランプ。
12. 前記の石英ガラスチャンバの上側面（３）に反射器が被着されている、
    請求項１から１１までのいずれ１項に記載の水銀蒸気ランプ。
13. 前記の下側面は、合成的に作製した石英ガラスから構成される、
    請求項１から１２までのいずれか１項に記載の水銀蒸気ランプ。
14. 前記の水銀蒸気ランプ、100ワット以下の公称出力を有する水銀低圧ランプである、
    請求項１から１３までのいずれ１項に記載の水銀蒸気ランプ。

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