JP4029796B2 - エキシマ光照射装置 - Google Patents

Description

この発明は、エキシマ放電によりエキシマ光を照射する装置に関する。特に、大面積を均一に高出力照射することを目的としたエキシマ光照射装置に関する。

近年、エキシマ光を利用した殺菌装置、液晶基板洗浄装置、樹脂硬化装置等が知られている。エキシマ光源としては、エキシマ放電ランプが一般に用いられている。エキシマ放電ランプとしては、例えば石英ガラスからなる円筒状のランプ容器の外側と内側に、それぞれ外側電極と内側電極が設けられ、ランプ容器内部にエキシマ生成ガスが封入されたものが知られている（例えば、特公平７−８７０９３号公報参照)。エキシマ放電ランプは、外側電極と内側電極に対して外部から電気エネルギーを供給することによって、ランプ容器内で放電が生じ、エキシマ生成ガスによりエキシマ光を発生するというものである。
また、このようなエキシマ放電ランプが搭載されたエキシマ光照射装置としては、例えば、特開平１１−１８３６９９号公報に開示された構造が知られている。

しかしながら、上記のようなエキシマ光照射装置によると、光源であるエキシマ放電ランプのランプ容器が石英ガラスから構成されており、ランプ点灯時間の経過とともにランプ容器を構成する石英ガラスが劣化してエキシマ光の透過率が低下するので、所望の照度を長時間にわたって維持することが困難である。また、光照射装置内には、エキシマ放電ランプから放射されるエキシマ光が大気中の酸素によって減衰することを防止するために、窒素ガスなどの不活性ガスを充填する必要があるため、不活性ガス導入管等の大がかりな設備が必要であり、コスト面から好ましくない。

さらに、エキシマ光照射によりランプ容器内に生成した不純物ガスによってエキシマ生成ガスが汚染され、エキシマ光の光出力が経時的に低下するという問題もある。具体的に説明すると、ランプ容器やエキシマ光の透過窓が石英ガラスのようにエキシマ光に晒されることによって酸素ガスを放出する材料から構成される場合に不純物ガスとして放出される酸素ガスは、エキシマ光を強く吸収し、エキシマ光の光出力を著しく低下させる。

上記問題を解決するために、ステンレス製の容器内に複数対の電極が誘電体を介して並べて配置されたエキシマ光照射装置において、容器内に充填されたエキシマ光生成用の希ガスを置換する方法が知られている（例えば、特開２００１−１４８２３３号公報参照）。以下、この公報に記載された構造について図５を用いて説明する。

図５は、希ガス置換方法を備えた従来のエキシマ光照射装置を説明するための図である。図５（ａ）は長手方向に切断した断面図を、図５（ｂ）は図５（ａ）に点線で示された部分Ｅを上方から見た図を示す。
エキシマ光照射装置５０は、容器５１と、誘電体５２を介して対向する電極５３とからなる。容器５１は、光出射方向５００に設けられた開口部５４に光取出窓５５が組み込まれるとともに、容器５１内に導入されたエキシマ放電生成ガスとしての希ガスを吸排するためのガス吸入口５６、ガス排出口５７が設けられている。容器５１内の希ガスは、ガス吸入口５６、ガス排出口５７により置換することができる。
容器５１内においては、対向する電極５３に不図示の外部回路にて高周波高電圧を印加することにより、対向する電極５３間でエキシマ放電することにより放電部５８が形成され希ガスエキシマ光が放射される。

図５に示された構造によると、上記エキシマ放電ランプが搭載されたエキシマ光照射装置のように石英ガラスからなるランプ容器を必要としないため、使用寿命を大幅に延長することができ、さらに、不活性ガスを充填する必要もないため、大型の設備を必要としない。また、誘電体５２および光取出窓５５を石英ガラスで構成したとしても容器内の希ガスを常時置換することができるため、発生した酸素が希ガスとともに容器外へ排出され、不純物ガスの問題も発生しない。

ところが、図５に示された構造に従ってエキシマ光照射装置を製作し点灯試験を行ったところ、不純物ガスの問題は良好に解決できるものの、照度ムラが生じるため、均一な照度分布が得られないことが判明した。具体的には、ガス吸入口５６においては所望の照度を達成できるものの、ガス排出口５７に近づくにつれて照度が低下していた。
特公平７−８７０９３号 特開平１１−１８３６９９号 特開２００１−１４８２３３号

本発明者らは、鋭意検討の結果、上記のような照度ムラを生じる原因がエキシマ生成用の希ガスの温度分布にあることを突き止めた。すなわち、容器に設けられたガス排出口５７付近に存在する希ガスは、ガス吸入口５６から導入された後、放電部５８により加熱されるため、ガス吸入口５６付近に存在する希ガスと比較して温度が上昇するため、エキシマ光の生成効率が低下するものと考えられる。
したがって、容器５１内において、放電部５８を形成するべき対向する電極５３の間に存在する空間に向けてエキシマ放電生成ガスを噴出させることにより、放電部５８を形成するべき空間に均一な温度分布を有するガスを供給すれば、照度ムラの発生を防止することができると考えられる。

本発明は、このような事情によりなされたものであり、放電部を形成するべき対向する電極間に存在する空間に均一な温度分布を有するエキシマ放電生成ガスを供給することにより、照度ムラをなくし、均一な照度分布を有する光照射装置を提供することにある。

本発明のエキシマ光照射装置は、光出射方向に光取出窓を備えるとともにエキシマ放電生成ガスを吸排するためのガス吸入口およびガス排出口が設けられた容器と、この容器内に配置され誘電体を介して対向する電極とからなり、対向する電極間に存在する複数の空間のそれぞれにエキシマ放電を生じるものであり、前記ガス吸入口は、対向する電極間に存在する複数の空間のそれぞれに対向して設けられた、当該複数の空間のそれぞれに向けてエキシマ放電生成ガスを噴出するためのガス噴出口、あるいは、当該ガス噴出口に繋がるガス導入管に接続されたことを特徴とする。

さらに、本発明のエキシマ光照射装置は、前記電極の少なくとも一方が、前記対向する電極間に存在する複数の空間のそれぞれに対向して設けられた、当該複数の空間のそれぞれに向けてエキシマ放電生成ガスを噴出するためのガス噴出口を有することを特徴とする。

さらに、本発明のエキシマ光照射装置は、前記電極の一方が貫通穴を有する板状の電極であり他方が円柱状の電極であって、この円柱状の電極が板状の電極に設けられた貫通穴に挿入されて対向していることを特徴とする。

さらに、本発明のエキシマ光照射装置は、前記円柱状の電極が、前記対向する電極間に存在する複数の空間のそれぞれに対向して設けられた、当該複数の空間のそれぞれに向けてエキシマ放電生成ガスを噴出するためのガス噴出口を有することを特徴とする。

本発明のエキシマ光照射装置によると、放電部を形成するべき対向する電極間に存在する空間に向けてエキシマ放電生成ガスを噴出することができ、放電部を形成するべき空間には均一な温度分布を有するエキシマ放電生成ガスが供給されるので、照度ムラのない均一な照度分布を有するエキシマ光照射装置を提供することができる。

図１は、本発明のエキシマ光照射装置を説明するための図である。図１（ａ）は長手方向に切断した断面図を、図１（ｂ）は図１（ａ）に点線で示された部分Ａを上方から見た図を示す。

図１に示されるように、エキシマ光照射装置１０は、容器１１と、容器１１内に配置され誘電体１２を介して対向する電極１３とから構成される。容器１１は、光出射方向１００に設けられた開口部１４に光取出窓１５が組み込まれるとともに、ガス吸入口１６およびガス排出口１７が設けられている。容器１１内には、ガス吸入口１６によりエキシマ放電生成ガスとして、例えば、キセノンガスが充填され、対向する電極１３に不図示の外部回路にて高周波高電圧を印加することにより、対向する電極１３の間でエキシマ放電することにより放電部１８が形成され、１７２ｎｍの波長を有するキセノンエキシマ光が放射される。
ガス吸入口１６に接続されたガス噴出口１９は、その先端が複数（図１では３つ）に分岐している。ガス噴出口１９は、放電部１８を形成するべき対向する電極１３の間に存在する空間に向けてエキシマ放電生成ガスを噴出するように配置されている。このため、放電部１８を形成するべき空間には常に均一な温度分布を有するガスが供給され、この点こそが本発明の最大の特徴である。

容器１１内においては、エキシマ放電生成ガスが還流されている。具体的に説明すると、ガス吸入口１６から吸入されガス噴出口１９から噴出されたガスは、放電部１８の形成に寄与した後、ガス排出口１７により容器１１外へ排出される。このため、容器１１内に存在するガスの温度が上昇することによりエキシマ光の生成効率が低下することがない。

容器１１内を還流するエキシマ放電生成ガスとしては、上記のキセノンガスの他にも、アルゴンガス、クリプトンガスを用いることができる。これらのガスは、単体に限らず、混合ガスとして用いても良い。さらに、安全面での問題を解決できるのであれば、ハロゲンガスと上記ガスのいずれかとの混合ガスも用いることができる。

光取出窓１５は、その材質によって透過可能な波長があるため、使用するガスとの関係で選択する必要があり、具体的には、石英ガラス、サファイア、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）等を用いることができる。本発明の光照射装置１０の容器１１はガスを還流させる機能を備えているため、石英ガラス、サファイアのようにエキシマ光に晒されることにより酸素ガスを放出する材質も好適に用いることができる。

尚、図１においては全ての電極１３に誘電体１２が設けられているが、この構造に限るものではなく、要は対向する電極のうち少なくとも片側に誘電体１２が設けられていれば良い。

エキシマ光照射装置１０の具体的数値例を以下に挙げる。容器１１は、ステンレス製の方形の箱から構成され、縦２５０ｍｍ、横１２０ｍｍ、高さ１００ｍｍであり、内容積は３０００ｃｍ^３である。容器１１に設けられた光取出窓１５は、縦２００ｍｍ、横８０ｍｍ、厚みが５ｍｍの石英ガラス製の板から構成される。誘電体１２は、外径１６ｍｍ、内径１４ｍｍ、全長２００ｍｍの石英ガラス管から構成される。電極１３は、光取出窓１５から５０ｍｍ離れた場所にて、中心距離にして２２ｍｍ間隔で平行に４個配置されており、各々誘電体１２の内表面に密着している。電極１３は、外径１４ｍｍ、全長２００ｍｍのアルミニウム製の棒から構成される。ガス吸入口１６により、容器１１内のガス圧が１０ＫＰａとなるようにキセノンガスが吸入される。ガス噴出口１９は、放電部１８から３０ｍｍ離れた場所に配置されている。

ここで、ガス噴出口１９から噴出されるエキシマ放電生成ガスの流量は１Ｌ／分〜１００Ｌ／分であると、放電部１８を形成するべき空間に均一な温度分布を有するガスが供給されるため好ましい。１００Ｌ／分を超えると放電が不均一になりやすく維持されにくくなり、１Ｌ／分未満であると放電冷却の効果が小さすぎて光量の改善が小さいため好ましくない。

尚、図１に示すガス噴出口１９は、その先端が複数に分岐しているが、このような構造に限るものではない。分岐させない場合には、図１（ａ）に示す容器１１において、放電部１８に対応する場所にガス吸入口１６が配置されるように、ガス吸入口１６を複数個設ければ良い。

ここで、図２〜図４は、本発明のエキシマ光照射装置における他の実施形態を説明するための図である。図２〜図４において、他の図面に付した符号と同一符号は同一部分を示すため説明は省略する。

図２（ａ）は長手方向に切断した断面図を、図２（ｂ）は図２（ａ）に点線で示された部分Ｂ１を上方から見た図を、図２（ｃ）は図２（ａ）に点線で示された部分Ｂ２を上方から見た図を、図２（ｄ）は図２（ａ）に点線で示された部分Ｂ２の長手方向における拡大断面図を示す。
エキシマ光照射装置２０は、ガス吸入口１６に接続されたガス導入管２６が誘電体１２の設けられていない電極２３に直接繋がっていることを除けば、他の構造は図１に示されるエキシマ光照射装置１０と同一である。電極２３は、ガス導入管２６との接続部分にガス導入口２３１が設けられている。さらに、電極２３は、対向する電極１３と電極２３との間の空間に向けてエキシマ放電生成ガスを噴出するためのガス噴出口２３２が設けられている。すなわち、電極２３は、対向する電極間でエキシマ放電により放電部２８を形成する機能に加えて、エキシマ放電生成ガスを噴出するためのガス噴出口としての機能も有するものである。

図３（ａ）は長手方向に切断した断面図を、図３（ｂ）は図３（ａ）に点線で示された部分Ｃを上方から見た図を示す。
エキシマ光照射装置３０は、アルミニウム製の板状の電極３３に設けられた放電空間となるべき貫通穴３００の表面に当接するように石英ガラス管からなる誘電体３２が設けられ、さらに、貫通穴３００にアルミニウム製の円柱状の電極３３０が貫通穴３００の表面と当接しないように挿入された構造である。そして、対向する電極３３と電極３３０とに不図示の外部回路にて高周波高電圧を印加することにより、対向する板状の電極３３と円柱状の電極３３０との間で誘電体３２を介してエキシマ放電が生じ放電部３８が形成される。
このようなエキシマ光照射装置３０においては、エキシマ放電生成ガスを吸入するためのガス吸入口１６に接続されたガス噴出口３９から放電部３８を形成するべき対向する電極３３と電極３３０との間に存在する空間に対してエキシマ放電生成ガスが噴出され、この空間には常に均一な温度分布を有するエキシマ放電生成ガスが供給されるため、照度ムラが生じることがない。
尚、電極３３０は、宙に浮いているようにも見えるが、不図示の外部回路に繋がる給電線によって保持されている。

エキシマ光照射装置３０の具体的数値例を以下に挙げる。誘電体３２は、外径１６ｍｍ、内径１４ｍｍ、全長５０ｍｍの石英ガラス管から構成される。電極３３は、縦２００ｍｍ、横８０ｍｍ、厚み５０ｍｍのアルミニウム製の板から構成され、放電空間となるべき貫通穴３００の直径は１６ｍｍである。電極３３は、光取出窓１５から２０ｍｍ離れた場所に配置される。電極３３０は、直径３ｍｍ、全長５０ｍｍの円柱形状のアルミニウムから構成される。ガス噴出口３９は、放電部３８から１０ｍｍ離れた場所に配置されている。

図４（ａ）は長手方向に切断した断面図を、図４（ｂ）は図４（ａ）に点線で示された部分Ｄの拡大断面図である。
エキシマ光照射装置４０は、ガス吸入口１６に接続されたガス導入管４６が電極４３に直接繋がっていることを除けば、他の構造は図３に示されるエキシマ光照射装置３０と同一である。
電極４３は、肉厚が１ｍｍのアルミニウム製の円筒管から構成されており、ガス導入管４６との接続部分に直径３ｍｍのガス導入口４３１が設けられ、さらに、対向する電極間の空間に向けてガスを噴出するための直径１ｍｍのガス噴出口４３２が設けられている。すなわち、電極４３は、対向する電極間でエキシマ放電により放電部４８を形成する機能に加えて、ガス噴出口としての機能も有するものである。

以上説明したような、本発明によると、放電部を形成するべき対向する電極間に存在する空間に向けてエキシマ放電生成ガスを噴出する構造であり、常に均一な温度分布を有するガスにより放電部が形成されるため、照度ムラが生じず、均一な照度分布を有するエキシマ光照射装置を提供することができる。

本発明のエキシマ光照射装置を説明するための図である。 本発明のエキシマ光照射装置における他の実施形態を説明するための図である。 本発明のエキシマ光照射装置における他の実施形態を説明するための図である。 本発明のエキシマ光照射装置における他の実施形態を説明するための図である。 従来のエキシマ光照射装置を説明するための図である。

符号の説明

１０ エキシマ光照射装置
１１ 容器
１２ 誘電体
１３ 電極
１４ 開口部
１５ 光取出窓
１６ ガス吸入口
１７ ガス排出口
１８ 放電部
１９ ガス噴出口
１００ 光出射方向
２０ エキシマ光照射装置
２３ 電極
２６ ガス導入管
２８ 放電部
３０ エキシマ光照射装置
３２ 誘電体
３３ 電極
３８ 放電部
３９ ガス噴出口
２３１ ガス導入口
２３２ ガス噴出口
３００ 貫通穴
３３０ 電極
４０ エキシマ光照射装置
４３ 電極
４６ ガス導入管
４８ 放電部
４３１ ガス導入口
４３２ ガス噴出口

Claims (4)

1. 光出射方向に光取出窓を備えるとともにエキシマ放電生成ガスを吸排するためのガス吸入口およびガス排出口が設けられた容器と、この容器内に配置され誘電体を介して対向する電極とからなり、対向する電極間に存在する複数の空間のそれぞれにエキシマ放電を生じるエキシマ光照射装置において、
   前記ガス吸入口は、対向する電極間に存在する複数の空間のそれぞれに対向して設けられた、当該複数の空間のそれぞれに向けてエキシマ放電生成ガスを噴出するためのガス噴出口、あるいは、当該ガス噴出口に繋がるガス導入管に接続されたことを特徴とするエキシマ光照射装置。
2. 前記電極は、その少なくとも一方が、前記対向する電極間に存在する複数の空間のそれぞれに対向して設けられた、当該複数の空間のそれぞれに向けてエキシマ放電生成ガスを噴出するためのガス噴出口を有することを特徴とする請求項１に記載のエキシマ光照射装置。
3. 前記電極は、一方が貫通穴を有する板状の電極であり他方が円柱状の電極であって、この円柱状の電極が板状の電極に設けられた貫通穴に挿入されて対向していることを特徴とする請求項１に記載のエキシマ光照射装置。
4. 前記円柱状の電極は、前記対向する電極間に存在する複数の空間のそれぞれに対向して設けられた、当該複数の空間のそれぞれに向けてエキシマ放電生成ガスを噴出するためのガス噴出口を有することを特徴とする請求項３に記載のエキシマ光照射装置。

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