JP4835885B2 - エキシマランプ - Google Patents
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Description
本発明は、エキシマランプに係わり、特に、透光性セラミックスよりなる発光管内に、希ガスとフッ素が封入されたエキシマランプに関する。
従来より、誘電体となる発光管内に、適宜の希ガスとフッ素を充填し、発光管内における誘電体エキシマ放電によりエキシマ分子を生成して、エキシマ分子からエキシマ光を放射させるエキシマランプが知られている。このようなランプは、例えば、光化学反応用の紫外線光源として利用されている。
このようなェキシマランプは、放電用ガスとして、得ようとするエキシマ光の波長に応じて、希ガス（アルゴン、クリプトン、キセノン等）とフッ素の組み合わせが用いられる。
図１１は、希ガスとフッ素との組み合わせと放射波長の関係を示す表である。同表に示す光は、表面改質、殺菌等の用途に利用される。特に、リソグラフィに広く用いられている１９３ｎｍ、２４８ｎｍの放射が得られるアルゴン−フッ素、クリプトン−フッ素が封入されたエキシマランプでは、レジストの特性試験、周辺露光、マスク検査等の幅広い用途に利用されている。
放電ガスとして、フッ素を用いた場合、放電容器が石英ガラスの場合、石英ガラス中にフッ素が取り込まれ、放電空間のフッ素量が減少し、本来必要とされる希ガスとフッ素とによるエキシマ分子の生成量が減少し、エキシマランプから放射される光出力が低下する問題があった。
このように、フッ素が石英ガラスに取り込まれ、光出力が減少するメカニズムは明確ではないが、以下の理由によるものと考えられる。つまり、放電容器を構成する石英ガラスは、エキシマ分子から放射される多量の紫外線の照射を受け、表面の（＝Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＝）の結合の一部が切断され、＝Ｓｉ・（・は不対電子、＝は酸素との結合を表す）等の欠陥が生成され、それとフッ素が反応し、石英ガラス中にフッ素が取り込まれ、放電空間のフッ素量が減少し、フッ素と希ガスのエキシマ分子の生成量が減少し光出力が減少するものである。
このような問題を解決するために、特許文献１に示されているように、石英ガラス以外の部材、例えば、透光性セラミックスとしてフッ素と反応し難いサファイアを用いて発光管を構成したエキシマランプが知られている。
一方、エキシマランプは、高照度と照度安定性が求められているが、これらを同時に満足する最適のランプ条件を見出すことは困難な状況にあった。
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、経時的にエキシマランプから放射される光出力が低下することなく、高照度と照度安定性を同時に満たすことのできるエキシマランプを提供することにある。
上記の課題を解決するために、請求項１は、透光性セラミックスよりなる発光管の内部に希ガスとフッ素が封入され、前記発光管の外面に外部電極が設けられるエキシマランプにおいて、前記発光管内の放電ギャップをＧ（ｍｍ）、フッ素のモル濃度をＣＦ（％）とし、０．１≦ＣＦ≦１０において、２．５＋０．５ｌｏｇ（ＣＦ）≦Ｇ≦１４−４ｌｏｇ（ＣＦ）を満たすことを特徴とするエキシマランプである。
請求項１に記載の発明によれば、発光管内の放電ギャップをＧ（ｍｍ）、フッ素のモル濃度をＣＦ（％）とし、０．１≦ＣＦ≦１０において、２．５＋０．５ｌｏｇ（ＣＦ）≦Ｇ≦１４−４ｌｏｇ（ＣＦ）を満たすことにより、高照度、かつ照度安定性が良いエキシマランプを実現することができる。
本願発明の一実施形態を図１〜図１０を用いて説明する。
図１は、本実施形態に係るエキシマランプ１の概略構成を示す図であり、図２は、図１のＡ−Ａ切断面から見たエキシマランプ１の断面図、図３は、図１、２に示したエキシマランプ１とは発光管の形状が異なるエキシマランプ１の断面図である。
図１、２に示したエキシマランプ１ついて言えば、これらの図に示すように、エキシマランプ１の発光管２は、直管状の透光性セラミックスのサファイア（φ１０×φ８×２００ｍｍ）からなるものである。発光管２は、サファイアの他に、多結晶アルミナ、ＹＡＧ、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＬｉＦ２等を用いても良い。発光管２の長手方向における両端は開放されており、その両端に封止用の金属製、例えば、ニッケル（Ｎｉ）やニッケルを主成分とする合金からなるキャップ２１、２２が銀−銅ロウでロウ付されている。
図１は、本実施形態に係るエキシマランプ１の概略構成を示す図であり、図２は、図１のＡ−Ａ切断面から見たエキシマランプ１の断面図、図３は、図１、２に示したエキシマランプ１とは発光管の形状が異なるエキシマランプ１の断面図である。
図１、２に示したエキシマランプ１ついて言えば、これらの図に示すように、エキシマランプ１の発光管２は、直管状の透光性セラミックスのサファイア（φ１０×φ８×２００ｍｍ）からなるものである。発光管２は、サファイアの他に、多結晶アルミナ、ＹＡＧ、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＬｉＦ２等を用いても良い。発光管２の長手方向における両端は開放されており、その両端に封止用の金属製、例えば、ニッケル（Ｎｉ）やニッケルを主成分とする合金からなるキャップ２１、２２が銀−銅ロウでロウ付されている。
一方のキャップ２２には、例えば、ニッケル等からなるガス管２３が設けられており、発光管２の内部がガス管２３により排気されて減圧された後、希ガスとフッ素が封入される。これらの物質が封入された後、ガス管２３の端部は圧接等により封止され、発光管２は密閉構造となる。
キャップ２１、２２にニッケル又はニッケルを主成分とする合金を用いた場合は、フッ素との反応性が低く、発光管２内のハロゲンの減少速度を抑制することができ、長時間ランプを点灯しても、光出力の低下を少なくできる。
発光管２の外面には、一対の外部電極３が配置されている。電極３は図１〜図３に示すように、発光管２の管軸方向に沿って延びるように設けられている。この外部電極３は、例えば、金をペースト状にしたものを発光管２の外周面に塗布し、乾燥させて形成したものである。
ランプ点灯時には、一対の外部電極３、３間に電圧を印加することにより、発光管２を介して外部電極３、３間に放電が発生される。発光管２内に、アルゴン（Ａｒ）と六フッ化硫黄（ＳＦ６）が封入されている場合、これらが電離されて、アルゴンイオンやフッ素イオンを形成し、アルゴン−フッ素からなるエキシマ分子が形成され、１９２ｎｍの波長近傍の光が発光され、発光管２から放射される。
これらのエキシマランプにおいて、放電ギャップＧ（ｍｍ）は、図２及び図３に示すように、外部電極３、３の中央を結ぶ軸に沿った放電空間距離である。図２に示したエキシマランプにおいては、放電ギャップ（Ｇ）はバルブ内径である８ｍｍである。
これらのエキシマランプにおいて、放電ギャップ（Ｇ）、封入ガス中のＦ２モル濃度（ＣＦ）を種々変化させたものを用意し、点灯用の高周波・高電圧電源から給電（ピーク電圧３ｋＶ、点灯周波数５０ｋＨｚ）し、放電領域に形成された放電により、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマ光の照度（ランプ表面から５ｍｍの位置での照度）及び照度安定性（ランプ表面から５ｍｍの位置での照度安定度）を調べた。
図４は、Ｆ２濃度ＣＦ＝０．１％のときの放電ギャップ（Ｇ）と照度、照度安定性の関係を示す表１である。以下、同様に、図５は、Ｆ２濃度ＣＦ＝０．５％のときの放電ギャップ（Ｇ）と照度、照度安定性の関係を示す表２、図６は、Ｆ２濃度ＣＦ＝１．０％のときの放電ギャップ（Ｇ）と照度、照度安定性の関係を示す表３、図７は、Ｆ２濃度ＣＦ＝２．０％のときの放電ギャップ（Ｇ）と照度、照度安定性の関係を示す表４、図８は、Ｆ２濃度ＣＦ＝５．０％のときの放電ギャップ（Ｇ）と照度、照度安定性の関係を示す表５、図９は、Ｆ２濃度ＣＦ＝１０．０％のときの放電ギャップ（Ｇ）と照度、照度安定性の関係を示す表６である。なお、Ｆ２モル濃度（ＣＦ）は、１０％より大きい場合は放電開始電圧が高すぎるため点灯することができず、また、Ｆ２モル濃度（ＣＦ）が０．１％未満では光出力寿命が１０ｈ程度以下と、実用に耐えられず、フッ素のモル濃度（ＣＦ）の適用範囲は、０．１≦ＣＦ≦１０である。なお、照度安定性は、数分間、例えば、２分間程度における照度の平均値から照度の変動幅が±１０％以内の場合を合格（○）とした。
表１に示すように、放電ギャップ（Ｇ）により照度に大きな違いがあり、表１の場合、ある大きさ（２ｍｍ）以上で照度が急激に高くなることがわかる。一方ある大きさ（１８ｍｍ）より大きくなると、照度安定度が悪くなり、さらに点灯不可となる。より詳細には、放電ギャップ（Ｇ）が小さい場合（２ｍｍ未満）では放電プラズマは放電空間に均一に分布していたが、放電ギャップ（Ｇ）を大きくする（２ｍｍ以上）につれて、プラズマが収斂したフィラメントが含まれるようになる。フィラメントからは強い放射が出ていると推定される。放電ギャップ（Ｇ）をある程度（１８ｍｍ）より大きくすると、上記のフィラメントが顕著となり、フィラメントが空間を動き回る状態、つまり、フィラメントが揺らぐ照度不安定の状態となる。
上記のような理由から、表１から表６に示すように、Ｆ２モル濃度（ＣＦ）を０．１％、０．５％、１．０％、２．０％、５．０％、１０．０％と変化させると、表１〜表６に示されるような総合判定が合格（○印）とされる範囲が抽出される。
図１０は、Ｆ２モル濃度（ＣＦ）を０．１％から１０．０％の範囲で変化させた際、総合判定が合格とされた範囲の上限及び下限を線引きした結果得られた放電ギャップ（Ｇ）の適用範囲を示す図である。
この放電ギャップ（Ｇ）の適用範囲を数式で示すと、２．５＋０．５ｌｏｇ（ＣＦ）≦Ｇ≦１４−４ｌｏｇ（ＣＦ）で示される。なお、この式におけるｌｏｇの底は１０である。
この放電ギャップ（Ｇ）の適用範囲を数式で示すと、２．５＋０．５ｌｏｇ（ＣＦ）≦Ｇ≦１４−４ｌｏｇ（ＣＦ）で示される。なお、この式におけるｌｏｇの底は１０である。
上記の表１〜表６の実験結果は、希ガスとしてアルゴンを用いた場合ものであるが、希ガスをクリプトン、キセノンとしても、フィラメントの挙動がフッ素によって決まるので、数値範囲に変化はない。
１ エキシマランプ
２ 発光管
２１、２２ キャップ
２３ ガス管
３ 外部電極
Ｇ 放電ギャップ
２ 発光管
２１、２２ キャップ
２３ ガス管
３ 外部電極
Ｇ 放電ギャップ
Claims (1)
- 透光性セラミックスよりなる発光管の内部に希ガスとフッ素が封入され、前記発光管の外面に外部電極が設けられてなるエキシマランプにおいて、
前記発光管内の放電ギャップをＧ（ｍｍ）、フッ素のモル濃度をＣＦ（％）とし、０．１≦ＣＦ≦１０において、２．５＋０．５ｌｏｇ（ＣＦ）≦Ｇ≦１４−４ｌｏｇ（ＣＦ）を満たすことを特徴とするエキシマランプ。
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