JP4816075B2 - 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。

また、最近では、半導体の製造工程や液晶板の製造工程で、被処理物の大面積化が進んでおり、全長が、例えば８００ｍｍを超えるような長尺なエキシマランプが求められている。
エキシマランプを長尺化すると、必然的に内側管も長くなり、内側管が自重により大きく撓むことなり、また、搬送や取り扱い時にランプに振動や衝撃が加わると内側管と外側管が溶融して接合された二重管接合部に応力が加わり、二重管接合部が破壊される恐れがある。

このようなことを防止するために、図６に示すように、外側管２と内側管３との間に、内側管３を支持するための支持部材６が設けられている。
この支持部材６は、内側管３の撓み量が大きくなる、内側管接合部３０側に対向する外側管２に固定されている。
この支持部材６は、外側管２と同じ材質のガラス部材であって、支持部材６は溶融されて外側管２に固定されている。

この支持部材６は、内側管３に固定された場合、点灯時、内側管３の方が外側管２に比べ温度が高くなるため、熱的な影響を受け支持部材６と内側管３との溶融固定された部分に応力が発生し、その部分で内側管３が破損する恐れがあるために、支持部材６は外側管２に固定するものである。

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に図中矢印ｃ方向に応力が加わる。

また、内側管が自重により撓んだり、搬送や取り扱い時にランプに振動や衝撃が加わると、内側管３が支持部材６に衝突し、衝突回数が多くなると、内側管３の支持部材６と衝突する衝突部分Ｐに、微細なクラックが発生することがある。

そして、ランプ点灯中に、内側管３も矢印ｃ方向に熱膨張によって伸びるが、内管接合部３０に当接した内側電極５は金属製であり、内側電極５はそれ以上に矢印ｃ方向に熱膨張によって伸びようとする。
この結果、内側管接合部３０近傍の内側管３は、内側電極５がＡ端部方向に動こうとするために、Ａ端部方向に引っ張り応力が加わり、衝突部分Ｐに微細なクラックが発生していると、クラックが引き裂かれる状態になり、終には、クラックが成長して内側管３０が衝突部分Ｐで破壊し、放電容器が破損する問題があった。
特開２００４−３３５２１３号

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の方向に移動しても、内側管が破壊されず、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、前記外側管と内側管の間には、前記内側管を支持するための支持部材が前記内側管接合部側の前記外側管に固定され、当該支持部材と内側管の間には空隙が形成されており、前記内側管には、前記支持部材と対向する位置より前記放電容器の長手方向の中心側に、前記内側電極の当り止め部が形成されてい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ており、当該接合部材に当り止め部が形成され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ても、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。図１は、エキシマランプの管軸方向である長手方向の断面図である。図２は、図１中Ｘ−Ｘ断面図である。
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。

外側管２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。

外側管２と内側管３との間に、内側管３を支持するための支持部材６が設けられている。
この支持部材６は、内側管３の撓み量が大きくなる、内側管接合部３０側の外側管２に固定されている。
この支持部材６は、外側管２と同じ材質のガラス部材であって厚み２ｍｍであり、図２に示すように、内側管３を通すことができる貫通穴６０が設けられたドーナツ状の円板であり、支持部材６の外周縁が外側管２の内面に溶融されて固定されている。
この支持部材６により、エキシマランプの搬送時や取り扱い時において、あらゆる方向にランプが配置されても、内側管３を支持することができるものである。

また、図１に戻り説明を続けると、内側管２の内側管接合部３０と内側電極５の端部との間に、内側電極５が内側管接合部３０方向へ移動することを阻止する当り止め部７が形成されている。
この当り止め部７は、内側管３の内面に石英ガラス片を溶融して固定したものである。
なお、当り止め部７の他の変形例としては、内側管接合部３０と内側電極５の端部との間の内側管３をバーナーによって加熱してガラス塊による凸部を作り、この凸部を当り止め部としてもよい。

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、放電容器を製造する工程説明図である。
図３（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。
なお、外側管２の内面には、適宜の位置に支持部材６が溶融されて固定されている。

図３（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。
なお、内側の内面には、適宜の位置に内側電極の移動を阻止する当り止め部７が設けられている。

そして、図３（ｃ）に示すように、内側管３が支持部材６の貫通穴に通すように、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４は、放電容器のＡ端部側の拡大断面図である。
支持部材６と内側管３との間には、空隙Ｋが形成されており、支持部材６と内側管３とは固定されていない。
これは、前述したように、ランプ点灯中、内側管３と外側管２は膨張量が異なるものであり、外側管２に固定された支持部材６を更に内側管３に固定すると、支持部材６に膨張量の差から応力がかかり、外側管２或いは内側管３が支持部材６と固定された部分で破損する恐れがある。

支持部材６と内側管３との間には、空隙Ｋが形成されているために、内側管３が自重により撓んだり、搬送や取り扱い時にランプに振動や衝撃が加わると、内側管３が支持部材６に衝突し、内側管３の支持部材６と衝突する衝突部分Ｐに、微細なクラックが発生することがある。

当り止め部７は、支持部材６と対向する位置より放電容器１の長手方向中心側の内側管２の内面に形成されている。
言い換えると、支持部材６は、当り止め部７と内側管接合部３０の間の領域に対向する位置の外側管２の内面に固定されている。

点灯・消灯を繰り返すうちに、内側電極５が内側管接合部３０の方向に移動し、当り止め部７に当接した位置で止まることになる。
さらに、点灯・消灯を繰り返すと、内側電極５が内側管接合部３０方向に進もうとするので、当り止め部７に内側管接合部３０方向（図中矢印ｃ方向）に応力が加わる。

つまり、当り止め部７に矢印ｃ方向に応力が加わるため、当り止め部７と内側管接合部３０との間の内側管３全体は、放電容器の長手方向において、ｃ方向に押された応力が働く。
この結果、内側管３の衝突部分Ｐに微細なクラックが発生しても、そのクラックを引き裂く方向には力が加わらず、クラックの進行を抑制することができ、内側管３が破壊されることを防止できるものである。

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８により溶融接合されている。
具体的には、接合部材８は、マシニング加工等により内側管３の端部と突き合わせる開口部に段部８０を形成する。

そして、段部８０の段部側面８１が内側電極５の端部と対向する形状になっている。
この段部側面８１が、内側電極５の移動を阻止する当り止め部となっているものであり、この段部側面８１は、支持部材６と対向する位置より放電容器１の長手方向中心側に形成されている。
言い換えると、支持部材６は、段部側面８１と接合部８の先端部の間の領域に対向する位置の外側管２の内面に固定されている。

この結果、内側電極５の移動により、段部側面８１に矢印ｃ方向に応力が加わり、接合部材８の段部側面８１と接合部８の先端部との間の全体は、放電容器の長手方向において、ｃ方向に押された応力が働き、接合部材８の衝突部分Ｐに微細なクラックが発生しても、そのクラックを引き裂く方向には応力が加わらず、クラックの進行を抑制することができ、内側管３を接合している接合部材８が破壊されることを防止できるものである。

本発明のエキシマランプの説明図である。 図１中のＡ−Ａ断面図である。 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
４ 外側電極
５ 内側電極
６ 支持部材
７ 当り止め部
８ 接合部材
８０ 段部
８１ 段部側面
Ｓ 放電空間
Ｋ 空隙
Ｐ 衝突部分

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、
   前記外側管と内側管の間には、前記内側管を支持するための支持部材が前記内側管接合部側の前記外側管に固定され、当該支持部材と内側管の間には空隙が形成されており、
   前記内側管には、前記支持部材と対向する位置より前記放電容器の長手方向の中心側に、前記内側電極の当り止め部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ており、
   当該接合部材に当り止め部が形成され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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