JP2812736B2 - 高出力ビーム発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、放電条件に基づいて放射線を放射する充填
ガスが充填されている放電室と、高電圧源の２つの極に
対毎に接続されている電極対とを備え、異なった電位に
接続されている２つの電極の間に、少なくと１つの誘電
体材が存在し、該誘電体材は前記放電室に接している高
出力ビーム発生装置、例えば紫外線発生装置に関する。

その際本発明は例えば、ヨーロッパ特許出願第871096
74.9号明細書または米国特許出願第07/076926号明細書
に記載されているような公知技術に関連している。

従来の技術 光化学方法の工業的な使用は専ら、適当な紫外線源を
使用できるかに係っている。通例の紫外線発生装置は例
えば、水銀低圧ランプにおける185nmおよび殊に254nmの
ように、数個の離散した波長において低位から中位まで
の紫外線強度を発生する。実際に高い紫外線出力は高圧
ランプ（Xe,Hg）からのみ得られるが、高圧ランプはそ
のビームを比較的大きな波長領域にわたって分布する。
新しいエキシマレーザは光化学基礎実験に対して数個の
新しい波長を用意したが、現在のところ工業上のプロセ
スに対してコストの理由から例外の場合にしか適用され
ない。

冒頭に述べたヨーロッパ特許出願明細書または1987年
11月18日から20日に西独国のＷrzburgで行われたドイ
ツ化学者協会の第10回講演会、光化学分会にて配布され
たU.KogelschatzおよびB.Eliasson著の“Neue UV−und
VUV−Excimerstrahler"にも新しいエキシマレーザが記
載されている。この新しいタイプのビーム発生装置は、
エキシマビームをオゾン発生において大規模技術で使用
されるタイプの放電である暗放電においても発生するこ
とができるという原理に基づいている。この放電の短時
間にしか存在しない（＜１μｓ）電流フィラメントにお
いて電子衝突によって希ガス原子が励起されて、それが
続いて励起されて分子錯体（エキシマ）が生じる。エキ
シマは数百ナノ秒しか生存せずかつ崩壊の際にその結合
エネルギーを紫外線ビームの形で放射する。

この形式のエキシマビーム発生装置の構成は、給電に
至るまで従来のオゾン発生器にほぼ相応するが、放電室
を形成する少なくとも１つの電極および／または誘電体
層が発生されたビームに対して透過性である点が著しく
相異している。

発明が解決しようとする問題点 公知技術から出発して本発明の課題は、殊に比較的高
い効率によって特徴付けられており、経済的に製造する
ことができ、しかも非常に大きな平面形ビーム発生装置
の構成を可能にする高出力ビーム発生装置、殊に紫外線
または極紫外線に対する高出力ビーム発生装置を提供す
ることである。

問題点を解決するための手段 前記課題は本発明により、前記電極対は、前記放電室
で実質的に放電が誘電体材の表面領域においてのみ形成
されるように、誘電体からなる壁から空間的に離され
て、かつ前記誘電体材によって相互に分離されて相並ぶ
ように配設されており、前記放電室は、前記壁と誘電体
材の間および前記誘電体材と壁の間を延在する空間で形
成されており、前記電極対は、前記放電室に接している
前記誘電体材内に埋め込まれるように構成されて解決さ
れる。

発明の作用 電圧を加えると、電極から誘電体を通って実質的に誘
電体の表面に沿ってかつそれから再び誘電体内に入って
隣接する電極に移動する多数の沿面放電が形成される。
これら放電は使用可能な紫外線光を放射し、それはそれ
から例えば放電室を形成する壁を貫通する。公知の構成
とは異なって本発明ではビームを発生するために放電チ
ャネルの全長が利用される。

本発明の高出力ビーム発生装置の製造は簡単でありか
つ公知のビーム発生装置よりコストがかからない。容易
に鋳造することができる材料を使用できるので、電極を
一緒に鋳造することができる。これにより許容偏差を維
持する（誘電体の厚さまたは間隔）際の問題が少なくな
る。放電室を形成するガラス／石英材料に対しても高い
要求が課せられない。というのは放電室を形成する壁は
透明でありさえすればよくかつ放電によって負荷されな
いからである。このためにビーム発生装置の寿命は一層
高められる。またギャップ幅およびその許容偏差は殆ど
問題にならない。このように許容偏差に関する要求が低
いために、非常に薄くすることができる非常に大きな平
面形ビーム発生装置が実現される。

実際に放電室の全長が放射に係わっているので、紫外
線収量は非常に高い。電極格子または部分透過性の層の
透過損は存在しない。

本発明の高出力ビーム発生装置は殆ど任意の幾何学形
状を有するビーム発生装置を許容する。１平面または２
平面に向かって放射する平面形ビーム発生装置の他に、
円筒形または楕円形のビーム発生装置を製造することも
できる。ビーム発生装置は必ずしも偏平または長く延び
たものである必要はなく、１つまたは複数のディメンジ
ョンにおいて湾曲したものまたは曲がったものであって
もよい。

本発明は勿論、本出願人の1988年１月15日出願のスイ
ス国特許出願第152/88−７明細書に類似して、放電室を
形成する壁に放電室の方の側の壁においてまたは外側の
壁において紫外線光を可視光線に変換するための発光層
を備えることができる。その場合前者では壁は紫外線透
過性である必要はない。というのはそれは可視光線のみ
を透過すればよいからである。

本発明の装置では、必ずしも紫外線に対して透過性で
ある必要がない誘電体を使用することができるので、特
別な用途に対して特別高い効率が期待される。すなわち
殊に紫外線光は、紫外線光を放電室のところから取出す
必要なしに、数多くの用途に対して使用することができ
る。このことは殊に、放電室において実現されるような
用途に対して当てはまる。経済的にますます重要になっ
てきているこの種の用途には例えば、別の放電の前イオ
ン化目的に対する高出力の紫外線発生装置としての使
用、例えばレーザ、紫外線照射による表面処理、新規な
化学製品または表面の準備のような化学プロセスおよ
び、処理すべきサブストレートが適当な充填ガスにおい
て出来るだけ密に紫外線光源に位置されるプラズマCVD
（化学蒸気析出）、光CVDのような被膜化方法がある。
この種の“内部”装置の特別な利点はとりわけ、ウィン
ドウを通る吸収損を回避した点および放電自体による付
加的な効果を利用した点にある。

実施例 次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に
説明する。

第１図および第２図の平面形ビーム発生装置は、石英
ガラスから成る２つの間隔を置いた紫外線透過プレート
1,2から成っており、これらプレートの間に誘電体材
（料）、例えばガラスまたはセラミックまたはプラスチ
ック製の誘電体から成る別のプレートが設けられてい
る。平面上に分布したスペーサ4,5はプレート1,2の間隔
保持を確保すると同時にこれらプレートを結合保持する
ために用いられる。プレート３に、規則的な間隔を置い
て相互に離れて金属電極６′,6″が埋め込まれている。
第２図からわかるように、電極６′,6″は、交流源７の
一方の極および他方の極に交互に接続されている。交流
源７は基本的に、オゾン発生器の給電のために使用され
るようなものに相応する。交流源は典型的には、電極の
幾何学形状、放電室における圧力および充填ガスの組成
に依存して、数キロヘルツまでの技術的な交流電流の領
域にある周波数において数100Vないし20000Vのオーダに
ある設定調整可能な交流電圧を発生する。

プレート１および３ないし３および２の間の放電室８
および９には放電の条件に基づいて放射線を放射する充
填ガス、例えば水銀、希ガス、希ガス−金属蒸気混合
気、希ガス−ハロゲン混合気が充填されている。場合に
よっては付加的な別の希ガス、有利にはAr,He,Neが緩衝
ガスとして使用される。その際放射線の所望のスペクト
ル成分に応じて、次の表に示す物質／混合物質が使用さ
れる： その他に次の一連の充填ガスが使用される： −希ガス（Ar,He,Kr,Ne,Xe）またはF₂,J₂,Br₂,Cl₂から
成るガスないし蒸気または放電において１つまたは複数
の原子F,J,BrまたはClを分離する化合物； −希ガス（Ar,He,Kr,Ne,Xe）またはO₂数のＯ−原子を分
離する化合物を有するHg; −Hgを有する希ガス（Ar,He,Kr,Ne,Xe）。

生じる電気的な沿面放電（表面放電）において、電子
エネルギー分布を誘電体プレート２の厚みおよびその特
性、電極６′,6″間の間隔、圧力および／または温度に
よって最適に調整することができる。

それぞれ２つの隣接する電極間に電圧を加えると、電
極６′から誘電体３を通って誘電体３の表面３に沿いか
つ再び誘電体３に入って隣接する電極６″に至る複数の
放電チャネル10が形成される。表面に沿って延在する沿
面放電10により紫外線が放射され、この紫外線はそれか
ら実施例では透明なプレート1,2を透過する。

放電室８および９に種々の充填ガスを使用すると、電
極配置および電極分布を相応に選択した場合に同一の発
生装置によって２つの異なった放射線が発生され得る。

膜11,12を誘電体３の両方の表面に被着することによ
って、放電に対して比較的低い点弧電圧が実現され、そ
の結果給電に対するコストを低減することができる。膜
材料としてまずマグネシウム、イットリウム、ランタン
およびセリウムの酸化物（MgO,Yb₂O₃,La₂O₃,CeO₂）が使
用される。

紫外線光は数多くの用途に対して、それがカバープレ
ート1,2を貫通させる必要なしに直接使用することもで
きる。このことは、放電室8,9自体だけで実施され得る
ような適用例に対して当てはまる。経済的にますます重
要になってきているこの種の応用例には例えば、紫外線
照射を用いた表面処理、新しい化学製品の準備のような
化学プロセスまたはプラズマCVD,ホトCVDのような表面
の被膜が挙げられる。すなわち適当な充填ガスにおいて
処理すべき物質を誘電体表面、すなわち放射線が生じる
箇所に出来るだけ密接して取り付ける方法が挙げられ
る。

この種の“内部”装置の特別な利点はなかでも、（プ
レート1,2を介する）吸収損を回避できる点および放電
自体による付加的な効果を利用できる点にあり、その際
処理すべき物質の電気特性は比較的問題にならない。

誘電体並びに誘電体中に埋め込まれる電極６′,6″の
製造は公知の高出力ビーム発生装置に比べて簡単であ
り、従って一層コストが低い。比較的簡単に鋳造するこ
とができる材料を使用することができ、その結果電極も
一緒に鋳造することができる。これにより許容公差を維
持する際の問題点、例えば誘電体３の厚さまたはプレー
ト１および３ないし３および２間の間隔の問題点が小さ
くなる。紫外線透過プレートの材料に対しても−それが
そもそも紫外線透過性でなくればならないといても−非
常に高い要求を課す必要がない。というのはこの材料は
放電によって負荷されないからである。このためにビー
ム発生装置の全寿命が高められることになる。

誘電体３に埋め込まれる電極６′,6″をコストの点で
有利に製造するために、プラズマディスプレイセルの製
造の際に使用される技術を使用することができる（T.N.
Criscimagna ＆ P.Pleshko著の“Display Device",中の
“AC Plasma Display",J.I.Pamkove（Ed.）,Springer社
刊行、Berlin,Heideilberg,New York 1980年、第92−15
0頁参照）。

第１図の金属線材６′,6″に代わって、第３図に図示
の電極は、ガラス、石英またはセラミックから成るサブ
ストレート13上に薄膜または厚膜技術を用いたディスク
レート導体路6a,6bとして被着されている。その際一方
において金属化のために蒸気およびスパッタプロセスが
使用され、他方において導電性のペーストが使用され
る。微細な導体路はホトリソグラフィー方法によって形
成することができ、比較的幅広の導体路（＞25μｍ）は
マスク用いた金属析出によって形成することができる。
このようにして被着された導体路（電極）にはそれから
誘電層14が被覆される。例えば酸化鉛ガラスから成る層
をスプレーするかまたはペースト状に塗りかつ引き続い
て加熱することができ、その際連続するガラス層が形成
される。ほう素珪酸塩ガラスから成る層を蒸着技術によ
り形成することができる。半導体技術において通例であ
る方法によって、例えばプラズマCVDまたはホトCVDを用
いて別の誘電層を析出することもできる。

本発明により定められた範囲を逸脱しなければ、上述
の紫外線高出力ビーム発生装置を種々に変形することが
可能である。以下にこのような変形について説明する。

２つの放電室8,9ではなくて唯一の放電室を設けるこ
とができる。このために、相応の隔離部、例えば硫酸６
ふっ化物または水によって、例えば第３図に示されてい
ように、一方の室または誘電体および／または電極の他
方の幾何学形状において、沿面放電が他方の室において
のみ生じることが保証されなければならない。

第１図に図示の円形の電極６′,6″に代わって殆ど任
意の横断面を有する電極を使用することもできる。また
電極は直線上に延びている必要がなく、例えばミアンダ
状または相互にジグザグ状に配設することもできる。

誘電体からの放熱を改善するために、電極６′,6″を
中空電極として実現することもでき、または第１図の誘
電体３または第３図のサブストレート13において電極の
長手方向に延在するチャネル（第３図に15で示されてい
る）を付加的に設けて、これに液体または気体状の冷却
媒体を通すことができる。

扁平な誘電体３ないし14に埋め込まれた個々の電極の
他にも、第４図および第５図に示されているように、誘
電体の被覆17をそれぞれに備えた個々の線材16′,16″
を用いることが可能である。この被覆はプレート１およ
び２の間で密にあるいは中間層18ないしスペーサ部材を
介して配設され得る。

第１図ないし第５図の平面形ビーム発生装置に代わっ
て、第６図に図示されているように円筒形ビーム発生装
置も可能である。その場合２つの石英管19,20の間に誘
電体から成る管21が同軸に配設されている。図示されて
いない間隔保持体が３つの管の相互の位置関係を保証す
る。第１図に相応して誘電体の管21に、第２図に相応し
て（図示されていない）交流源の一方および他方の極に
交互に接続されている金属電極22′,22″が埋め込まれ
ている。

第６図の円筒形ビーム発生装置は例えば内側にも（管
20の内室に）外側にも放射する。室８および９において
異なった充填ガスを使用すれば、電極の配設および分布
を相応に選択すれば同一のビーム発生装置によって２つ
の異なったビームが放射される。このことは勿論第４図
のビーム発生装置に対しても当てはまる。

第１図との関連において既に説明したように、第６図
の円筒形ビーム発生装置でも放電室８ないし９自体にお
いて所望の反応を生ぜしめることができる。

本発明の実施例はここまで紫外線ないし極紫外線の発
生に限って説明してきた。プレート1,2ないし管19,20に
発光層23,24を被せれば、照明目的の発光管において公
知である技術に従って可視光線が発生される。この形式
の層は公知でありかつ放電室８ないし９に接する、プレ
ート1,2ないし管19,20の内側の表面にも被着することも
できる。後者の場合これらのプレートないし管はもはや
紫外線透過性ではなくて、可視光線に対してのみ透過で
あればよい。

発明の効果 本発明の高出力ビーム発生装置は公知の放射器に比べ
て簡単かつコストの点で有利に製造される。容易に鋳造
できる材料を使用できるので、電極も一緒に鋳造するこ
とができる。これにより製造偏差に関する問題が少なく
なる。放電室を形成する壁は透明であればよくしかも放
電の負荷を受けないので、ガラス／石英材料に対する要
求も低くなる。ビーム発生装置の寿命も高くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、両側から放射が行われる平面形ビーム発生装
置の第１の実施例の横断面図であり、第２図は、電気的
な給電状態が略示されている第１図の平面形ビーム発生
装置の縦断面図であり、第３図は、片側から放射か行わ
れかつサブストレートに被着されかつ誘電体層によって
被覆されている電極を備えた、第１図および第２図の平
面形ビーム発生装置の第１の変形例の一部断面図であ
り、第４図は、不均質な誘電体を有する、第１図および
第２図の平面形ビーム発生装置の第２の変形例の一部断
面図であり、第５図は、誘電体材が取り囲まれている個
別電極を有する、第１図および第２図の平面形ビーム発
生装置の第３の変形例の一部断面図であり、第６図は、
円筒形ビーム発生装置の形の本発明の実施例を断面にて
示す図である。 1,2……紫外線透過プレート、３……誘電体プレート、
4,5……スペーサ、６′,6″;6a,6b;16,16′,16″;22′,
22″……埋め込まれた電極、７……高電圧源、8,9……
放電室、10……放電チャネル、11,12……被膜、13……
サブストレート、14……誘電体層、15……冷却チャネ
ル、19,20……紫外線透過性の管、23,24……発光層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−9849（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−144560（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−7353（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01J 65/00

Claims (19)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放電条件に基づいて放射線を放射する充填
   ガスが充填された放電室（8,9）と、高電圧源（７）の
   ２つの極に接続される電極対とを備え、電極対の電極の
   間に少なくとも１つの誘電体材（３）が存在し、該誘電
   体材（３）は前記放電室に接している高出力ビーム発生
   装置において、 前記電極対（６′,6″）は、前記放電室（8,9）で実質
   的に放電が誘電体材（３）の表面領域においてのみ形成
   されるように、誘電体からなる壁（1,2）から空間的に
   離されて、かつ前記誘電体材（３）によって相互に分離
   されて相並ぶように配設されており、 前記放電室（8,9）は、前記壁（１）と誘電体材（３）
   の間および前記誘電体材（３）と壁（２）の間を延在す
   る空間で形成されており、 前記電極対（６′,6″）は、前記放電室（8,9）に接し
   ている前記誘電体材（３）内に埋め込まれていることを
   特徴とする高出力ビーム発生装置。
2. 【請求項２】前記電極は個々にそれぞれ、誘電体の被覆
   （17）によって取り囲まれている、請求項１載の高出力
   発生装置。
3. 【請求項３】電極又は電極が埋め込まれている誘電体材
   に、電極の長手方向に延在する冷却チャネル（15）が設
   けられている請求項１又は２記載の高出力ビーム発生装
   置。
4. 【請求項４】前記誘電体の、放電室（8,9）側の表面
   に、電気的な沿面放電の点弧電圧を低減するための付加
   層（11,12）が設けられている、請求項１〜３いずれか
   １項記載の高出力ビーム発生装置。
5. 【請求項５】複数の異なった波長の放射線を発生するた
   めに前記放電室（8,9）に少なくとも２つの希ガスと少
   なくとも１つの非希ガスを有する充填ガスが充填されて
   いる、請求項１〜４いずれか１項記載の高出力ビーム発
   生装置。
6. 【請求項６】前記２つの放電室（8,9）に、異なった組
   成の充填ガスが充填されている、請求項１〜５いずれか
   １項記載の高出力ビーム発生装置。
7. 【請求項７】前記放電室（8,9）を形成する壁（1,2）は
   発光層（24,25）を備えている請求項１〜６いずれか１
   項記載の高出力ビーム発生装置。
8. 【請求項８】放電条件に基づいて放射線を放射する充填
   ガスが充填された放電室（8,9）と、高電圧源（７）の
   ２つの極に接続される電極対とを備え、電極対の電極の
   間に少なくとも１つの誘電体材（14）が存在し、該誘電
   体材（14）は前記放電室に接している高出力ビーム発生
   装置において、 前記電極対（6a,6b）は、前記放電室（８）で実質的に
   放電が誘電体材（14）の表面領域においてのみ形成され
   るように、誘電体からなる壁（１）から空間的に離され
   て、かつ前記誘電体材（14）によって相互に分離されて
   相並ぶように配設されており、 前記放電室（８）は、前記壁（１）と誘電体材（14）の
   間を延在する空間で形成されており、 前記電極対（6a,6b）は、絶縁材料から成るサブストレ
   ート（13）上に配設されておりかつ前記誘電体材（14）
   によって被覆されていることを特徴とする、高出力ビー
   ム発生装置
9. 【請求項９】電極又は電極がその上に配設されているサ
   ブストレートに、電極の長手方向に延在する冷却チャネ
   ル（15）が設けられている請求項８記載の高出力ビーム
   発生装置。
10. 【請求項１０】前記誘電体の、放電室（８）側の表面
    に、電気的な沿面放電の点弧電圧を低減するための付加
    層が設けられている、請求項８又は９記載の高出力ビー
    ム発生装置。
11. 【請求項１１】複数の異なった波長の放射線を発生する
    ために放電室（８）に少なくとも２つの希ガスと少なく
    とも１つの非希ガスを有する充填ガスが充填されてい
    る、請求項８〜10いずれか１項記載の高出力ビーム発生
    装置。
12. 【請求項１２】前記放電室（８）に異なった組成の充填
    ガスが充填されている、請求項８〜11いずれか１項記載
    の高出力ビーム発生装置。
13. 【請求項１３】前記放電室（８）を形成する壁（１）は
    発光層を備えている請求項８〜12いずれか１項記載の高
    出力ビーム発生装置。
14. 【請求項１４】放電条件に基づいて放射線を放射する充
    填ガスが充填された放電室（8,9）と、高電圧源（７）
    の２つの極に接続される電極対とを備え、電極対の電極
    の間に少なくとも１つの誘電体材（21）が存在し、該誘
    電体材（21）は前記放電室に接している高出力ビーム発
    生装置において、 前記電極対（22′,22″）は、前記放電室（8,9）で実質
    的に放電が誘電体材（21）の表面領域においてのみ形成
    されるように、誘電体から成る壁（19,20）から空間的
    に離されて、かつ前記誘電体材（21）によって相互に分
    離されて相並ぶように配設されており、 前記放電室（8,9）は、前記壁（19）と誘電体材（21）
    の間ないし前記誘電体材（21）と壁（20）の間を環状に
    延在する空間で形成されており、 前記電極対（22′,22″）は、誘電体材（21）内に埋め
    込まれていることを特徴とする高出力ビーム発生装置。
15. 【請求項１５】前記電極又は電極が埋め込まれている誘
    電体材に、電極の長手方向に延在する冷却チャネルが設
    けられている請求項14記載の高出力ビーム発生装置。
16. 【請求項１６】前記誘電体の、放電室（8,9）側の表面
    に、電気的な沿面放電の点弧電圧を低減するための付加
    層が設けられている、請求項14又は15いずれか１項記載
    の高出力ビーム発生装置。
17. 【請求項１７】複数の異なった波長の放射線を発生する
    ために前記放電室（8,9）に少なくとも２つの希ガスと
    少なくとも１つの非希ガスを有する充填ガスが充填され
    ている、請求項14〜16いずれか１項記載の高出力ビーム
    発生装置。
18. 【請求項１８】前記２つの放電室（8,9）に異なった組
    成の充填ガスが充填されている、請求項14〜17いずれか
    １項記載の高出力ビーム発生装置。
19. 【請求項１９】前記放電室（8,9）を形成する壁（19,2
    0）は発光層（24,25）を備えている請求項14〜18いずれ
    か１項記載の高出力ビーム発生装置。