JP4830722B2 - エキシマランプ - Google Patents

Description

本発明は、液晶パネル基板、半導体ウエハ、磁気ディスク基板、光ディスク基板等のように、ガラス，半導体，樹脂，セラミックス，金属等や、それらの複合された基板表面に紫外光を照射して、洗浄，エッチング等を行う基板処理に使用されるエキシマランプに関する。

エキシマランプより照射されるエキシマ光を用いて主に液晶基板、半導体表面の洗浄が行われている。従来のランプ構造は誘電体からなる外管および誘電体からなる内管を有した2重管型の放電容器を備えた構造が一般的である。図８（ａ）に２重管型構造のエキシマランプの断面図を示す。外管６１の外表面側と内管６２の内表面側にそれぞれ外部電極７１、内部電極７２を備え、エキシマ生成ガスが放電容器内に封入されており、放電容器の外側から高電圧を印加することによって、放電空間にエキシマ放電をつくりだす仕組みになっている。外部電極７１は例えば金網などの導電性材料よりなる網状の電極であり、内部電極７２は例えばアルミニウム板よりなる。一対の電極間には外管６１と内管６２という２つの誘電体部材が介在している。

液晶基板などワークの大型化が進んでおり、当該処理装置は小型のバッチ処理方式からスキャン方式、すなわち、棒状のエキシマランプの下にワークを通過させる方式に変わってきている。基板の大型化に応じてエキシマランプおよびエキシマランプ装置は長尺化し最近では全長が２０００ｍｍを超える要求が出てきている。

前述したエキシマランプが長尺化した場合、エキシマ生成ガスを封入し、電極間のギャップを維持する誘電体容器が自重で変形し（撓み）、電極間距離が不均一になって照度分布特性が悪化する問題が発生する。この問題を解決するため、放電容器内部に支持部材を設けたエキシマランプが知られている。

図８（ｂ）は内部に円板の鍔状の支持部材８０を複数設けたエキシマランプの一例である。これら支持部材８０は放電容器６０と同じ成分で構成される。一般的にはエキシマランプの放電容器６０は紫外線を透過させる誘電体材料としてシリカガラスで構成される。支持部材８０を放電容器６０と同じ成分で構成する理由は、内管６２を構成するシリカガラスを変形させたり、内管６２に支持部材８０を溶融接合させたりして製作することが容易であるためである。

この支持部材によって、エキシマランプが長尺化しても内管６２が垂れ下がることがなくなり、安定な放電が得られ照度分布が均一化するようになっている。
特開２００５−１００９３４号公報 特開２００６−１２５５４号公報

しかしながら、エキシマランプの長尺化が進むにつれて内管６２の撓みは大きくなるため、支持部材８０は図８（ｂ）のごとく1箇所以上設けられるが、ランプ製作工程の都合により支持部材８０と放電容器６０の間には隙間が生じる。たとえば製作手順で説明すると、内管６２に支持部材８０を形成して、外管６１に内管６２を挿入して端部を溶着し放電容器６０を製作するが、このとき支持部材８０の最大径が外管６１の内径より小さくないと支持部材８０が外管６１の内面に当ってしまい、外管６１と内管６２とを組み合わせることができない。したがって外管６１と支持部材８０との間には適当な隙間があるが、エキシマランプの輸送時に内管６２が振動するため、支持部材８０と外管６１が相互接触することによって擦れあい、外管６１の内面に傷が生じてしまう。

一方、エキシマランプは点灯によって放電容器内面に紫外線歪が蓄積していく。この紫外線歪の蓄積やランプの点灯による熱膨張によりエキシマランプの外管６１の内面に生じた傷部に応力集中し、やがて破壊強度を超えるとランプが割れてしまうという問題があった。

そこで本発明が解決しようとする課題は、液晶パネル基板、半導体ウエハ、磁気ディスク基板、光ディスク基板等が大型化しても、紫外光を照射して、洗浄，エッチング等を行う基板処理に好適に対応できると共に、ランプの長寿命化を実現できる、エキシマランプの構造を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、誘電体部材からなる放電容器にエキシマ生成ガスが封入され、該放電容器の端部において気密に封止された内部電極と該放電容器の外面に配置された外部電極を備え、該内部電極は、少なくとも該外部電極との間で放電を行う部位の周囲が誘電体からなる内管によって覆われてなるエキシマランプにおいて、前記内管から前記放電容器に向けて延在する誘電体からなる支持部材を有し、該支持部材と前記放電容器とが接触する、該支持部材または前記放電容器のの部位に、緩衝材を具備するとともに、前記緩衝材は、窒化ホウ素あるいは窒化ホウ素を主成分とするものであることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、誘電体部材からなる角型の放電容器にエキシマ生成ガスが封入され、該放電容器の外面に一対の外部電極が形成されてなるエキシマランプにおいて、前記放電容器の内部には一方の壁面から他方の壁面に向けて延在する誘電体からなる支持部材を有し、該支持部材の前記放電容器の内面と接触する部位に緩衝材を具備するとともに、前記緩衝材は、窒化ホウ素あるいは窒化ホウ素を主成分とするものであることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、前記緩衝材は、窒化ホウ素あるいは窒化ホウ素を主成分とするものであることを特徴とする請求項1または請求項２に記載のエキシマランプとするものである。

請求項４に記載の発明は、前記窒化ホウ素は少なくとも一部が六方晶系結晶からなることを特徴とする請求項３に記載のエキシマランプとするものである。

本発明の請求項1に記載の発明によれば、誘電体からなる放電容器にエキシマ生成ガスが封入され、一対の電極が備わり、該一対の電極間には二つの誘電体部材が介在してなり、該一対の電極に高電圧が印加されて放電するエキシマランプにおいて、一方の誘電体部材には他方の誘電体部材に向けて延在する誘電体からなる支持部材を有し、該支持部材と該他方の誘電体部材とが接触する、該支持部材または該他方の誘電体部材の部位に、緩衝材を具備したので、エキシマランプを構成する誘電体部材同士の相互接触がなくなるので、誘電体部材に傷が生じることがなく、寿命末期までランプが破損することがない。

また、本発明の請求項２に記載の発明によれば、放電容器の端部において気密に封止された内部電極と該放電容器の外面に配置された外部電極を備え、該内部電極は、少なくとも該外部電極との間で放電を行う部位の周囲が誘電体からなる内管によって覆われてなり、該内管から該放電容器に向けて延在する誘電体からなる支持部材を有するものである請求項１に記載のエキシマランプである場合には、誘電体からなる支持部材と放電容器との相互接触がなくなるので、放電容器内面に傷が生じることがなく、寿命末期までランプが破損することがない。

請求項３の発明によれば、緩衝材が窒化ホウ素または窒化ホウ素を主成分とするものであるので、緩衝材と誘電体部材が接触しても、誘電体部材に傷が生じることがなく、寿命末期までランプが破損することがないエキシマランプを実現することができる。

そして、請求項４に記載の発明によれば、窒化ホウ素の少なくとも一部が六方晶系結晶からなることで、特に潤滑性、耐摩耗性に優れた緩衝材となる。

まず、エキシマランプの支持部材に窒化ホウ素あるいは窒化ホウ素を主成分とする膜を緩衝材として備えた実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明に係るエキシマランプの実施形態の一例を示す構成図である。

このエキシマランプ１０は、放電容器１の端部において気密に封止された内部電極５と放電容器１の外面に配置された外部電極６とを備え、放電容器１内にエキシマ生成ガス７を封入している。内部電極５は、外部電極６との間で放電を行う部位の周囲が誘電体からなる内管２によって覆われている。一対の電極の内部電極５と外部電極６の間には放電容器１と内管２という２つの誘電体部材を介在する。

放電容器１は全長２０００ｍｍ、外径１８．５ｍｍ肉厚１ｍｍの誘電体である合成シリカガラスでできており、その構成から外管ともよばれる。内管２は全長１９００ｍｍ、外径４ｍｍ肉厚０．８ｍｍの誘電体である合成シリカガラスでできており、支持部材３によって支持されている。支持部材3の外周には、緩衝材４が形成されている。内管２の内部にはタングステン製のコイル状内部電極５が配置されており、端部にはモリブデン製の金属箔体５Ａ、５Ｂで保持されるとともに気密を保ったまま外部に電気的な導通がされている。放電容器１の外周には、金属製の網状電極６が配置されている。放電容器１の内部にはエキシマ生成ガスであるキセノンガスが約６０ｋＰａ封入されている。ＰＳは電源であり、内部電極５、外部電極６に高電圧を印加する。

次に窒化ホウ素あるいは窒化ホウ素を主成分とする膜を備えた支持部材３について詳しく説明する。図２は本発明のエキシマランプの支持部材３の付近の拡大図である。図２（ａ）は支持部材３を含む領域の放電容器１の部分断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ´断面図を示す。内管２は外径１６ｍｍ肉厚１ｍｍの円盤状の支持部材３によって放電容器１内に撓みが少なくなるように支持されている。支持部材３は放電容器１と同じ合成シリカガラスでできており、内管２の表面に溶着され機械的に強固に接合されている。支持部材３は内管２の撓みを少なくし電気的、光学的にほぼ中心軸上に配置された状態と変わらない程度に数箇所配置されている。支持部材３の外周には、緩衝材４すなわち窒化ホウ素あるいは窒化ホウ素を主成分とする膜が１〜１０μｍの厚さで形成されている。

次に緩衝材４である窒化ホウ素あるいは窒化ホウ素を主成分とする膜をつける手順について説明する。窒化ホウ素にはダイヤモンド構造の立方晶系構造とグラファイト構造の六方晶系構造が知られている。いずれも硬く耐熱性が高い材料であるが、グラファイト構造を有する六方晶系の窒化ホウ素は潤滑性、耐摩耗性に優れる。

本発明においては、少なくとも六方晶系結晶が含まれる窒化ホウ素の粉末を水または適切な溶剤に懸濁させる。この懸濁液を支持部材３の外周付近すなわち放電容器１である外管と接触する支持部材の部位に塗布し、溶剤を乾燥させる。次に塗布部位を５００℃に加熱し膜状に固着させる。

上記説明において窒化ホウ素の粉末は純粋な六方晶系結晶を用いたが、窒化ホウ素結晶はその製造条件により立方晶系結晶を含む場合がある。この場合、窒化ホウ素の潤滑性・耐摩耗性が得られる範囲であれば、立方晶系結晶が混ざっていてもなんら問題はない。さらに窒化ホウ素に窒化珪素や窒化アルミニウムを添加すると窒化ホウ素の潤滑性、耐摩耗性、耐熱性の特性をもたせたまま成型体の機械的強度を増すことができる。

また窒化ホウ素の懸濁液には、カルシウム、マグネシウム、1ジルコニウムなどアルカリ土類金属酸化物を添加するとシリカガラスとの結着性がよくなり膜がはがれにくくなる。

次に図１の構成の本発明のエキシマランプと、支持部材はあるが緩衝材のない従来のエキシマランプの破壊強度の比較データについて説明する。
シリカガラス製の管の内面に生じた傷を計測し、ランプの割れ特性と直接結びつけることは難しい。ガラスの表面には無数の細かい傷があるが、そのいずれが割れの起点となっているかは判断がむずかしい。そこでシリカガラス表面の傷について表面粗さ計を用いて以下のような詳細な調査を行った。まず、シリカガラス製の原管表面の傷の深さについて調査した。シリカガラス製の原管というのは、ランプの放電容器に使用するシリカガラス製の原材料管のことをいう。シリカガラス製の原管には深さ０．０１μｍ程度の傷が多数存在していた。

次に、従来のエキシマランプを製作し、輸送振動試験を行い放電容器と支持部材の直接接触、こすれによって傷を発生させた。この傷が発生した放電容器を放電容器内面傷管と呼称する。放電容器内面傷管に生じる傷は、深さが約１μｍ以上、幅が約１００μｍ以上であり、シリカガラス製の原管にもともとついている傷は深さ０．０１μｍ程度で大きな差があることが判明した。なお、本調査で行った輸送振動試験とは以下のようなものである。
長尺のエキシマランプを包装箱に収容し、これを大型振動試験装置に搭載して以下の条件で振動させた。
周波数範囲：１０~１５０Hz
振動加速度：７．４ｍ／ｓ²
スイープ ：20分対数掃引方式
方向 ：3方向
振動時間 ：1時間
なお、振動試験は実際の輸送状態を模したものであり、実際に輸送を行っても良い。本調査において実際の輸送をおこなった試料（陸送約６００ｋｍ）と振動試験装置にかけたものを比較した結果、実際の輸送をおこなったものと振動試験を行ったものは傷の発生、および防止効果について同等の結果を得た。

次にシリカガラス原管と放電容器内面傷管の機械的強度を圧縮試験機に搭載して調査した。まず、シリカガラス製の管を全長３００ｍｍにカットし、両端をＶブロックで支持し、中央部をＶ型圧縮子で荷重をかける。このときＶ型圧縮子があたる箇所の内面には大きな引張り応力がかかる。放電容器内面傷管の場合には、Ｖ型圧縮子が内面傷の外表面側に配置されるように位置決めし、各々シリカガラスが破壊する荷重を計測した。

その結果、シリカガラス原管は約２５〜３５ｋｇｆの荷重で破壊し、放電容器内面傷管は約１０ｋｇｆの荷重で破壊することが判明した。さらに本発明に係る実施形態で説明した窒化ホウ素の膜を緩衝材として備えたエキシマランプを従来のエキシマランプと同様な輸送振動試験にかけたところ傷の発生はなかった。さらに前述と同様な手法で破壊荷重を比較調査したところ、約２５〜３５ｋｇｆであり、シリカガラス原管とほぼ同じ機械的強度を維持していることが判明した。以上によって本発明に係る緩衝材が傷の発生防止に対して抜群の効果があることが判明した。

次に本発明の緩衝材を備えたエキシマランプと従来の緩衝材のないエキシマランプの、点灯時間と破壊強度について図３を用いて説明する。図３の横軸はエキシマランプの点灯時間、縦軸は上記説明した破壊強度である。曲線Ａは本発明に係るエキシマランプの点灯時間ごとの破壊強度計測結果をプロット（○印）し、近似曲線を描いたものである。曲線Ｂは従来のエキシマランプの点灯時間ごとの破壊強度計測結果をプロット（△印）し、近似曲線を描いたものである。エキシマランプの点灯動作によって、放電容器を構成するシリカガラスは短波長の放射光によって内面に歪が蓄積していく。この歪は、圧縮試験機にかけたとき内面の引っ張り応力を助長する作用があるため、点灯時間を重ねるとシリカガラスの破壊強度は低下していく。

従来のエキシマランプの場合には初期破壊強度から次第に低下してゆき、曲線Ｂの延長線は約２０００時間を越えた付近で０ｋｇｆとクロスする。このことはランプがわずかな力で破壊することを意味する。本発明に係るエキシマランプは、エキシマランプの点灯によって発生する内面歪の量については、従来のエキシマランプとかわらない。そのため曲線Ａの傾きは曲線Ｂの傾きによく似ている。しかしながら、３０００時間をこえても従来のエキシマランプより高い破壊強度を示している。以上の解析結果から本発明に係るエキシマランプは長寿命で割れにくいランプを実現することができる。

次に支持部材の一部が窒化ホウ素からなるリングである実施形態について図面を用いて説明する。図４は本発明のエキシマランプの支持部材付近の拡大図である。図４（ａ）は支持部材３１を含む領域の放電容器１の部分断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ´断面図を示す。放電容器１、内管２については図２の実施形態と同様である。内管を支持する支持部材３１の外周は段つき加工がなされた２つの部材からなる。まず、支持部材３１ａが内管に溶接された後、緩衝材４１である窒化ホウ素リングが外周にあわせて装着される。次に支持部材３１ｂを重ねて内管に溶接する。このような構成にすれば容易に緩衝材４１を支持部材３１と放電容器１の相互接触箇所へ配置することができる。また、窒化ホウ素リングの作用効果においても図２の実施形態と同等であることが確認された。

次に外管の内面に窒化ホウ素の膜を形成した実施形態について図面を用いて説明する。
図５は本発明のエキシマランプの支持部材付近の拡大図である。図５（ａ）は支持部材３を含む領域の放電容器１の部分断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ´断面図を示す。放電容器１の内面の支持部材３と相互接触する箇所にあらかじめ窒化ホウ素の膜４２を塗布したものである。この場合も窒化ホウ素膜の作用効果については図２の実施形態と同等であることが確認された。

次に角型ランプの支持部材に窒化ホウ素の膜を緩衝材として形成した実施形態について図面を用いて説明する。
図６は本発明のエキシマランプとして、放電容器にシリカガラス製の角型管を利用してエキシマランプを構成した事例である。図６（ａ）は支持部材２３を含む領域の角型の放電容器２１の部分断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＤ−Ｄ´断面図を示す。放電容器２１の内部には支持部材２３が配置され、支持部材２３と放電容器２１の接触部には窒化ホウ素の膜が緩衝材２４として塗布されている。放電容器２１の内部にはエキシマ生成ガス７が封入され、放電容器２１の外面に外部電極２５と外部電極２６が形成されこの電極間に高周波電源ＰＳが接続されている。外部電極２５、２６は網状に加工した電極を放電容器２１に貼り付けたものを例示したが、例えば、外部電極の一方はニッケル金属膜、外部電極の他方はＩＴＯ膜であったり、メッシュ状に形成した金属蒸着膜やパンチングメタル、エキスパンドメタルなどが採用されうる。外部電極２５、２６の間には放電容器２１の２つの誘電体壁が介在する。

断面形状が角型のシリカガラス管は円筒管よりも耐圧が低い特性がある。このランプは内部に封入したエキシマ生成ガスが点灯動作によって膨張、圧縮する際（図６（ｂ）の破線）に特に長辺方向に歪が生じる。ランプの製作時にも放電容器内のガスを排気するときに大気圧がかかるため断面形状によっては排気作業時に破壊してしまうことがある。そこで、２４のような支持部材を形成し長辺方向の変形を抑えることでランプの割れを抑制することができるが、この場合も支持部材２４と放電容器２１の内面で相互接触がおこり放電容器２１内面に傷が発生する。傷がついた放電容器２１はランプの点灯とともに内面に歪が蓄積し、破壊荷重に至ったところでランプが割れる作用は、上述した例と同じようである。

図６の実施形態において、角型ランプの支持部材２３を入れる手順について説明する。
図７は角型管２１と支持部材２３の斜視図である。支持部材２３は直径５ｍｍの合成シリカガラス製の円柱体で、下部に窒化ホウ素の膜２４が形成されている（図中の(1)）。これをピンセットなどを用いて角型管の所定の位置に置き、外部から火炎バーナー５０によって放電容器２１の外周部を溶融させ、支持部材２３のシリカガラス面と接合・溶着させる（図中の(2)）。

以上説明したとおり、本発明によるエキシマランプは上記窒化ホウ素の膜によってシリカガラス同士の相互接触がなくなるので、放電容器の内面に傷が生じることがない。寿命末期までランプが破損することがないエキシマランプを実現することができる。

このように、本発明によれば、支持部材を有し放電容器と支持部材とが擦れ合うエキシマランプはその形態を問わず確実に寿命特性を改善することができる。

以上、本発明の実施形態に係るエキシマランプについて詳細に説明したが、本願発明はここに記載の実施形態に限定されず、誘電体からなる放電容器にエキシマ生成ガスが封入され、一対の電極が備わり、一対の電極間に２つの誘電体部材が介在してなるエキシマランプに適用されるものであり、放電容器形状や電極配置など適宜変更が可能であることはいうまでもない。

本発明に係るエキシマランプの実施形態の一例を示す構成図を示す。 本発明のエキシマランプの支持部材付近の拡大図であり、図２（ａ）は支持部材を含む領域の放電容器の部分断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ´断面図を示す。 本発明と従来品の点灯時間と破壊強度の推移を表わす図を示す。 本発明のエキシマランプの支持部材付近の拡大図であり、図４（ａ）は支持部材を含む領域の放電容器の部分断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ´断面図を示す。 本発明のエキシマランプの支持部材付近の拡大図であり、図５（ａ）は支持部材を含む領域の放電容器の部分断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ´断面図を示す。 本発明のエキシマランプとして、放電容器にシリカガラス製の角型管を利用してエキシマランプを構成した事例を示し、図６（ａ）は支持部材を含む領域の角型の放電容器の部分断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＤ−Ｄ´断面図を示す。 図６の実施形態において、放電容器に支持部材をいれ、組み立てる手順を示す図を示す。 従来のエキシマランプの断面図を示す。

符号の説明

１ 放電容器（外管）
２ 内管
３ 支持部材
４ 緩衝材
５ 内部電極
５Ａ、５Ｂ 金属箔体
６ 外部電極
７ エキシマ生成ガス
１０ エキシマランプ
２１ 放電容器
２３ 支持部材
２４ 緩衝材
２５ 外部電極
２６ 外部電極
３１ 支持部材
４１ 緩衝材
４２ 緩衝材
６０ 放電容器
６１ 外管
６２ 内管
７１ 外部電極
７２ 内部電極
８０ 支持部材
ＰＳ 電源

Claims (3)

1. 誘電体部材からなる放電容器にエキシマ生成ガスが封入され、該放電容器の端部において気密に封止された内部電極と該放電容器の外面に配置された外部電極を備え、該内部電極は、少なくとも該外部電極との間で放電を行う部位の周囲が誘電体からなる内管によって覆われてなるエキシマランプにおいて、
   前記内管から前記放電容器に向けて延在する誘電体からなる支持部材を有し、
   該支持部材と前記放電容器とが接触する、該支持部材または前記放電容器のの部位に、緩衝材を具備するとともに、
   前記緩衝材は、窒化ホウ素あるいは窒化ホウ素を主成分とするものである
   ことを特徴とするエキシマランプ。
2. 誘電体部材からなる角型の放電容器にエキシマ生成ガスが封入され、該放電容器の外面に一対の外部電極が形成されてなるエキシマランプにおいて、
   前記放電容器の内部には一方の壁面から他方の壁面に向けて延在する誘電体からなる支持部材を有し、該支持部材の前記放電容器の内面と接触する部位に緩衝材を具備するとともに、
   前記緩衝材は、窒化ホウ素あるいは窒化ホウ素を主成分とするものである
   ことを特徴とするエキシマランプ。
3. 前記窒化ホウ素は少なくとも一部が六方晶系結晶からなることを特徴とする請求項１または２に記載のエキシマランプ。
   

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