JP4665766B2 - エキシマランプ - Google Patents

Description

本発明は、放電用ガスの放電によって生成したエキシマ分子からのエキシマ発光を利用したエキシマランプに関するものである。

半導体の製造工程や液晶板の製造工程において、従来から真空紫外光を照射して表面処理をするための光源としてエキシマランプが用いられている。該エキシマランプは、一対の電極間に配置された希ガス等の放電ガスを放電させエキシマ分子を形成し、該エキシマ分子が解離する過程で放射される光を利用するものである。

例えば、大きな径の円筒型の石英ガラス管と小さな径の石英ガラス管とを二重円筒管として配置することにより形成した放電空間にキセノンなどの放電ガスを封入し、該二重円筒管の外側管の外表面に外側電極、内側管の内表面に内側電極を配置し、該電極間に高周波電圧を付加することにより放電を発生させる。

このようなエキシマランプは、放電空間内の放電用ガスが高温になると発光効率が低下する問題があり、適宜の冷却手段、例えば冷却ブロックで外側管を冷却するものであり、点灯中、内側管の温度が外側管の温度より高くなり、外側管に比べ内側管が大きく膨張し、外側管と内側管を溶融して接合した接合部分に応力がかかり、場合によってはこの接合部分が破壊され放電容器が破損する恐れがあった。

このような問題を避けるために、最近では、放電容器の一方の端部は、外側管の端部が溶融されて接合された外側管接合部と、内側管の端部が溶融されて接合された内側管接合部が形成され、放電容器の他方の端部は、外側管の端部と内側管の端部が溶融されて接合された二重管接合部が形成され、内側管の内部空間が放電空間から隔離され、外部に連通した状態のエキシマランプが利用されている。

このような従来のエキシマランプを図６を用いて説明する。
放電容器１はガラス製の外側管２と内側管３が同軸上に配置され、図６中Ａ側端部である一方の端部は、外側管２の端部が溶融されて接合された外側管接合部２０が形成され、さらに、内側管３の端部が溶融されて接合された内側管接合部３０が形成され、図６中Ｂ側端部である他方の端部は、外側管２の端部と内側管３の端部が溶融されて接合された二重管接合部２３が形成され、外側管２と内側管３の間が放電空間Ｓとなっている二重管構造である。

外側管１の外表面に放電空間Ｓから放射されるエキシマ光を透過させるための網目状の外側電極４が設けられ、内側管３の内表面に当該内表面に沿って湾曲し長手方向に伸びる金属性の板状の内側電極５が設けられている。

放電空間Ｓ内にエキシマ放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスが充填され、外側電極４と内側電極５間に高周波電圧を付加することにより放電空間Ｓで放電を発生させ、エキシマ光を放射するものである。

このようなエキシマランプによれば、点灯中、内側管３の温度が外側管２の温度より高くなり、外側管２に比べ内側管３が大きく膨張しても、放電容器１の一方の端部（Ａ端部）では、内側管３が外側管２に接合されておらず自由端となっているため、内側管３が膨張しても、その膨張量を空間Ｌで吸収することができ、放電容器１が破損しないものである。
特開平８−８７９８９号

このようなエキシマランプでは、点灯消灯を繰り返すうちに、内側電極５がＡ端部方向に移動するものがある。
内側管３の形状や内側電極５の形状にばらつきがあるので、エキシマランプを点灯させると、内側管３の管径がわずかに小さくなっている部分など内側電極５と内側管３の接触圧力が高い部分が固定された状態で内側電極５が温度上昇に伴い内側管３の内表面を沿うように擦れながら伸びる。
このとき、内側管３の開口側（Ｂ端部側）に点灯時の固定点が形成されて内側電極５が伸びると、伸長長さはＢ端部側よりＡ端部側の方が大きくなる。

エキシマランプを点灯すると、内側電極５は加熱されて伸長し、消灯すると、内側電極５は伸びた状態から冷却されて収縮する。このとき、点灯時に内側電極５と内側管３の接触圧力が高く固定された部分が、収縮時にも固定されて両端から収縮すれば内側電極５と放電容器１の相対的な位置関係は変化することはない。

しかし、内側電極５の温度分布は定常点灯中には一様となるが、消灯直後にはＢ端部側から冷却が進み温度分布が一様でなくなる。Ｂ端部側は放熱が進み、例えば２００℃ぐらいまで冷却されるが、放熱されにくいＡ端部側は放熱されにくく、例えば３５０℃ぐらいまでしか冷却されない。
また、点灯中の内側電極５は放電容器の軸方向だけでなく、径方向にも伸長するため、消灯時は放熱されにくいＡ端部側では内側電極５が径方向に伸長したまま、内側管３を押し付けて固定された状態で収縮することになる。そのため、伸長時と異なりＡ端部側が固定された状態でＢ端部側が収縮することになり、収縮長さはＡ端部側よりＢ端部側の方が大きくなるため、内側電極５と放電容器１の相対的な位置関係が変わり、内側電極５は内側管３の中をＡ端部側に移動する。

つまり、ランプの点灯、消灯を繰り返すことによって、その度に内側電極５は伸縮するが、全体としては次第にＡ端部側に向かって移動することになる。

そして、最終的には、内側電極５は、内側管接合部３０に当接することになり、さらに、内側電極５がＡ端部方向に動こうとするために、内側管接合部３０に応力が加わる。
一方、この内側管接合部３０は、内側管３の端部を溶融して封止切ることにより接合するものであり、内側管接合部３０の内面Ｐは管軸Ｘに対して略直交するように形成されている。また、製造工程のバラツキにより、ガラスの肉厚Ｔが薄くなっている場合もあり、内側電極５がＡ端部方向に動こうとする応力が、内側電極５が内面Ｐに当接している点に集中的に加わり、この応力に内側管接合部３０が耐え切れず、内側管接合部３０が破壊し、放電容器が破損する問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、点灯消灯に伴い、内側電極が内側管接合部に当接しても、当該内側管接合部が破壊されず、長寿命のエキシマランプを提供することにある。

請求項１に記載のエキシマランプは、ガラス製の外側管と内側管が同軸上に配置され外側管と内側管の間が放電空間となっている二重管構造の放電容器を備え、前記外側管の外表面に外側電極が設けられると共に前記内側管の内表面に内側電極が設けられ、前記放電空間内にエキシマ放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスが充填されてなるエキシマランプにおいて、前記放電容器は、一方の端部は、外側管の端部が溶融されて接合された外側管接合部と、内側管の端部が溶融されて接合された内側管接合部が形成され、他方の端部は、外側管の端部と内側管の端部が溶融されて接合された二重管接合部が形成されており、前記内側電極は、内側管の内表面に沿って湾曲し長手方向に伸びる金属製の板状電極であって、前記放電容器の内側管接合部は、前記内側電極と対向する対向部分が、傾斜状になっており、当該傾斜状の対向部分と前記内側管の管軸との交差角度が２０°〜５０°であることを特徴とする。

請求項２に記載のエキシマランプは、請求項１に記載のエキシマランプであって、特に、前記放電容器の一方の端部の内側管接合部は、ガラスよりなる接合部材を介して内側管の端部が溶融されて接合されることで形成され、前記接合部材の前記内側電極と対向する対向部分が、傾斜状になっていることを特徴とする。

本発明のエキシマランプによれば、点灯・消灯を繰り返すうちに内側管の内表面に設けられた内側電極が移動しも、内側管の端部を溶融接合した内側管接合部が破壊さえることがなく、使用寿命の長いエキシマランプとなる。

本発明のエキシマランプを、図１を用いて説明する。
放電容器１はガラス製の外側管２と内側管３が同軸上に配置され、図１中Ａ側端部である一方の端部は、外側管２の端部が溶融されて接合された外側管接合部２０が形成され、さらに、内側管３の端部が溶融されて接合された内側管接合部３０が形成され、図１中Ｂ側端部である他方の端部は、外側管２の端部と内側管３の端部が溶融されて接合された二重管接合部２３が形成され、外側管２と内側管３の間が放電空間Ｓとなっている二重管構造である。

図２は、放電容器を製造する工程説明図である。
図２（ａ）に示すように、外側管２は、石英ガラスからなり、外径３５ｍｍ、内径２９ｍｍ、厚み３ｍｍ、長さ１０００ｍｍの円筒状の管であり、一方の端部側であるＡ側端部側の外側管端部を溶融接合した外側管構造体２Ａを作成する。

図２（ｂ）に示すように、内側管３は、石英ガラスからなり、外径１３ｍｍ、内径１１ｍｍ、厚み１ｍｍ、長さ９５０ｍｍの円筒状の管であり、一方の端部側であるＡ側端部側の内側管の端部を溶融接合し、他方の端部側であるＢ側端部側の内側管端部は半径方向に開いた状態の内側管構造体３Ａを作成する。

そして、図２（ｃ）に示すように、内側管構造体３Ａを外側管構造体２Ａの内部に挿入し、内側管３のＢ側端部と外側管２のＢ側端部を付き合せて溶融接合することにより、放電容器を製造するものである。

図１に戻り説明を続けると、外側管１の外表面に放電空間Ｓから放射されるエキシマ光を透過させるための網目状金属製の外側電極４が設けられている。
また、内側管３の内表面に当該内表面に沿って湾曲し長手方向に伸びる金属製の板状の内側電極５が設けられている。
この内部電極５は、厚み０．３ｍｍのＳＵＳ板を内側管３の内表に沿うように湾曲したものであり、断面形状はＣの字状になっており、Ｃの字状のＳＵＳ板が開こうとする力を利用して、内側管３の内表面に接触しているものである。

放電空間Ｓ内にエキシマ放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスが充填されている。
放電空間Ｓには、キセノンガラスが７０ｋＰａ封入されており、必要に応じて、ハロゲンも封入してもよい。

そして、外側電極４と内側電極５間に、１０ｋＶ、１００ｋＨｚの電圧を印加して、放電空間から波長１７２ｎｍのエキシマ光を放射するものである。

図３は、内側管のＡ端部側の拡大断面図である。
図３に示すように、内側管３の端部が溶融接合された内側管接合部３０は、内側電極５の端部５０と対向する対向部分３００が傾斜状になっている。
この対向部分３００は、内側管３の端部を溶融して接合する際に、内側管３の端部が溶け合い溶融ガラス塊状態になっている時に、内側管３の内側に押しヘラ等の治自具を挿入して対向部分３００が傾斜状になるように成形するものである。
そして、内側管３の管軸Ｘと傾斜状の対向部分３００の内面Ｐとの交差角度θが２０°〜５０°の範囲になっている。

図４は、内側管のＡ端部側の拡大断面図であり、エキシマランプの点灯・消灯を繰り返すうちに内側電極が移動してきた状態の説明図である。
点灯・消灯を繰り返すうちに内側電極５は、内側管接合部３０方向に移動するものであり、内側電極５は断面Ｃの字状なっており半径方向に弾性力を有するものであるので、内側電極５の端部５０は対向部分３００の傾斜状の内面Ｐに沿って内側管接合部３０の先端に向かって進み、内側電極５は断面Ｃの字状なっており半径方向に弾性力を有するものであるので、ある程度、内側電極５の端部５０が内側管接合部３０の先端に向かって進むと、内側電極５の変形が止まり、それ以上進まなくなる。
このとき、内側電極５の端部５０が、更に、内側管接合部３０の先端に向かって進もうとして対向部分３００に応力が加わるが、この対向部分３００は傾斜状になっているので、対向部分３００に加わる応力を分散させることができるので、内側管接合部３０が破壊せず放電容器１が破損することがない。

さらに、内側管３の管軸Ｘと傾斜状の対向部分３００の内面Ｐとの交差角度θが２０°〜５０°の範囲になっているので、対向部分３００に加わる管軸方向Ｘの応力を、確実に分散させることができるので、内側管接合部３０の破壊を確実に防止でき、放電容器１の破損を確実に防止することができる。

図５は、本発明の他の実施例である内側管のＡ端部側の拡大断面図である。
この実施例では、内側管３の端部は直接的に溶融接合されておらず、予め製造されている石英ガラスよりなる接合部材６により接合されている。
具体的には、接合部材６は、マシニング加工等により接合部材６の内部電極と対向する対向部分６００が型によって確実に傾斜状になっている。
そして、接合部材６の図中左側の開口端部と内側管の端部をバナーによって溶融接合するものである。

この結果、接合部材６の対向部分６００の形状を確実に傾斜状にでき、この傾斜状の対向部分６００の内面Ｐと内側管３の管軸Ｘとの交差角度θを確実に２０°〜５０°の範囲にすることができ、しかも、型によって対向部分６００を製造するため肉厚Ｔを強度を考慮した設計通りの厚みを有することになり十分な強度が保たれ、接合部６が破壊されることがなく、放電容器１が破損しないものである。

本発明のエキシマランプの説明図である。 本発明のエキシマランプの放電容器を製造する工程説明図である。 本願発明のエキシマランプの内側管の一端側の拡大断面図である。 本願発明のエキシマランプの内側管の一端側の拡大断面図である。 本発明の他の実施例のエキシマランプの内側管の一端側の拡大断面図である。 従来のエキシマランプの説明図である。

符号の説明

１ 放電容器
２ 外側管
２０ 外側管接合部
３ 内側管
３０ 内側管接合部
３００ 対向部分
４ 外側電極
５ 内側電極
６ 接合部材
６００ 対向部分
Ｓ 放電空間

Claims (2)

1. ガラス製の外側管と内側管が同軸上に配置され外側管と内側管の間が放電空間となっている二重管構造の放電容器を備え、前記外側管の外表面に外側電極が設けられると共に前記内側管の内表面に内側電極が設けられ、前記放電空間内にエキシマ放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスが充填されてなるエキシマランプにおいて、
   前記放電容器は、一方の端部は、外側管の端部が溶融されて接合された外側管接合部と、内側管の端部が溶融されて接合された内側管接合部が形成され、他方の端部は、外側管の端部と内側管の端部が溶融されて接合された二重管接合部が形成されており、
   前記内側電極は、内側管の内表面に沿って湾曲し長手方向に伸びる金属製の板状電極であって、
   前記放電容器の内側管接合部は、前記内側電極と対向する対向部分が、傾斜状になっており、当該傾斜状の対向部分と前記内側管の管軸との交差角度が２０°〜５０°であることを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記放電容器の一方の端部の内側管接合部は、ガラスよりなる接合部材を介して内側管の端部が溶融されて接合されることで形成され、
   前記接合部材の前記内側電極と対向する対向部分が、傾斜状になっていることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。

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